基于双极性离子膜用的渗透析净水设备及其净水方法与流程

1.本发明属于渗透析净水处理技术领域，特别涉及一种基于双极性离子膜用的渗透析净水设备及其净水方法。


背景技术：

2.每个透析病人进行透析治疗过程中每小时需要使用30升水，每次治疗需要120-150升水。所以家庭透析必须使用现场制水技术才可行。目前医院所使用的透析用水的制作包括以下步骤：1)活性炭去氯，2)软化，3)超滤，4)一级反渗透，5)二级反渗透，6)杀菌。每一个步骤都使用独立的设备，这些步骤加起来需要一个几十平方米的设备房间，而且反渗透的出水率随着温度的降低而降低，所以室内必须保持25度的温度。这些设备的使用和维护成本也很高，比如上述的2)软化，需要不断加盐进行离子交换树脂的再生。4)和5)的反渗透膜每10-12个月就需要更换。市场需求巨大，目前的现状远远不能满足市场的需求。据不完全统计，我国在医院接受透析治疗的病人大约26万人左右，但末期肾病需要透析治疗的人高达200万人。需要治疗的人数每年在接近两位数百分比的速度增长。医学界的最新研究表明，相比传统的每周2-3次透析治疗，采用每周5-6次短时间透析治疗方式能够将病人的生存率提升一倍以上。目前在美国，欧洲和日本这种新的治疗方式都以每年两位数百分百成长。另外这对方便病人治疗，缓解医院床位负荷，减少病人负担，减少治疗费用都会起到积极的作用。
3.目前国内透析用水的制成所采用的技术都是双膜反渗透技术。在国外医用透析用水的处理技术也是以双膜反渗透技术为主。今年有一些新的基于电化学技术的去离子技术得到了一定程度的采用，但由于这类技术还需要消毒技术的配合才能达到透析用水的标准，导致这类技术的采用受到了限制。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于双极性离子膜用的渗透析净水设备，包括：去离子再生式模块、待处理水存储器、净化水存储器、循环水存储器、阳极循环水箱和阴极循环水箱；
5.所述去离子再生式模块的左右两侧分别设置有阳极室和阴极室，所述阳极室端部设置有阳极，所述阴极室端部设置有阴极，所述阳极室和阴极室间设置有两个浓缩室和两个去离子室，所述两个去离子室左右对称地设置于所述去离子再生式模块的中央部位，所述两个浓缩室左右对称地设置于所述两个去离子室的外侧；
6.阳极侧的去离子室和浓缩室被阴离子交换膜隔开，阴极侧的去离子室和浓缩室被阳离子交换膜隔开，所述两个去离子室之间被双极性离子膜隔开，在阳极侧的去离子室和浓缩室中填充有阴离子交换体；在阴极侧的去离子室和浓缩室中填充有阳离子交换体；阳极室和与其相邻的浓缩室之间、阴极室和与其相邻的浓缩室之间均用带通水孔的氟系离子交换膜隔开；
7.所述循环水存储器中存储有注入浓缩室中的纯水；
8.从阳极室流出的水进入阳极循环水箱，从阴极室流出的水进入阴极循环水箱，分别再次循环与循环水共同流入去离子模块的浓缩室。
9.进一步地，所述双极性离子膜由阳离子交换层、阴离子交换层和中间催化层复合而成，所述双极性离子膜的膜表面可设有多个直径约为150μm的凹槽；所述双极性离子膜在直流电场作用下发生水解离反应，生成h
+
和oh-离子，并进入到两侧的去离子室内。
10.进一步地，在阳极侧的去离子室的顶部设置有待处理水流入口a，底部设置有处理水流出口b；在阴极侧的去离子室的底部设置有处理水流入口c，顶部设置有净化水流出口d；在两个浓缩室和的顶部均设置有工艺水注入口e，在阳极室和阴极室侧端均设置有排出口f。
11.进一步地，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜采用离子交换树脂或整块有机多孔离子交换体或二者交替层叠制备而成，液体透过率为1/100-1/1000。
12.进一步地，所述循环水存储器采用电导率在1μs/cm以下的纯水。
13.进一步地，所述带通水孔的氟系离子交换膜的内均匀布设有多个小孔，循环水流入通水孔，能够使在带通水孔的氟系离子交换膜的附近浓缩的离子向阳极室或阴极室侧排出。
14.进一步地，双极性离子膜的膜表面可设有多个直径约为150μm的凹槽。
15.本发明还提出了一种根据上述渗透析净水设备实现的净水方法，储存在待处理水存储器中的待处理的原水一次性通过去离子再生式模块，经去离子再生式模块处理后的净化水储存在净化水存储器中，循环水存储器中存储有注入浓缩室中的纯水；纯水从阳极室流出的水进入阳极循环水箱，从阴极室流出的水进入阴极循环水箱，分别再次循环与循环水共同流入去离子模块的浓缩室。
16.进一步地，通过对净化水存储器中的净化水进行定时监测，确定去离子再生式模块的电流效率与去除效率，
17.电流效率：
18.式中，ηe为电流效率，q为no
3-的电荷数，f为法拉第常数，n(no
3-)为迁移到阳极浓缩室的no
3-的量，i为电流，t为反应器运行时间；
19.去除效率：p＝(ρ
i-ρf)
×
100％/ρi；
20.式中，ρi和ρf为分别为进出水no
3-‑
n的质量浓度。
21.进一步地，去离子再生式模块用于再生阴/阳离子交换体的树脂，在直流电场作用下，双极性离子膜中间催化层发生解离反应，生成h
+
、oh-离子，分别穿过阳离子交换层和阴离子交换层向阴、阳极迁移，h
+
与失效的阳离子交换体的树脂中的阳离子发生置换反应，oh-与失效的阴离子交换体的树脂中的阴离子发生置换反应，同时，置换下来的阳离子与阴离子分别向阴极室、阳极室迁移，从而实现阴、阳离子交换树脂的再生。
附图说明
22.如图1所示，为本发明的基于双极性离子膜用的渗透析净水设备的结构示意图；
23.如图2所示，为本发明的净水装置中的去离子再生式模块的结构示意图；
24.如图3所示，为本发明的净水装置中的双极性离子膜的结构示意图；
具体实施方式
25.下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.如图1所示，为本发明的基于双极性离子膜用的渗透析净水设备的结构示意图；该渗透析净水设备包括：去离子再生式模块100、待处理水存储器10、净化水存储器20、循环水存储器50、阳极循环水箱30和阴极循环水箱40。
28.储存在待处理水存储器10中的待处理的原水一次性通过去离子再生式模块100，经去离子再生式模块处理后的净化水储存在净化水存储器20中。通过对净化水存储器20中的净化水进行定时监测，确定去离子再生式模块100的电流效率与去除效率。
29.在去离子再生过程中，电流效率与去除效率是评价一个去离子再生式模块优劣的重要标准，采用这2个参数来评价处理效果。
30.电流效率：
31.式中，ηe为电流效率，q为no
3-的电荷数，f为法拉第常数(96485c/mol)，n(no
3-)为迁移到阳极浓缩室的no
3-的量，i为电流，t为反应器运行时间。
32.去除效率：p＝(ρ
i-ρf)
×
100％/ρi；
33.式中，ρi和ρf为分别为进出水no
3-‑
n的质量浓度,no
3—
n的含量，使用hj/t346－2007的紫外分光光度法进行检测。
34.如图2所示，为本发明的渗透析净水设备中的去离子再生式模块的结构示意图。去离子再生式模块100为6格室有机玻璃反应器，去离子再生式模块100的左右两侧分别设置有阳极室101和阴极室102，阳极室101端部设置有阳极，阴极室101端部设置有阴极，阳极室101和阴极室102间设置有两个浓缩室108、109和两个去离子室106、107，两个去离子室106、107左右对称地设置于去离子再生式模块100的中央部位，两个浓缩室108、109左右对称地设置于两个去离子室106、107的外侧。
35.去离子室106和浓缩室108在阳极侧被阴离子交换膜111隔开，去离子室107和浓缩室109在阴极侧被阳离子交换膜112隔开，去离子室106和107之间被双极性离子膜113隔开，在阳极侧去离子室106、阳极侧浓缩室108中填充有阴离子交换体；在阴极侧去离子室107、阴极侧浓缩室109中填充有阳离子交换体。
36.阳极室101和浓缩室108之间、阴极室102和浓缩室109之间均用带通水孔的氟系离子交换膜114隔开。
37.在去离子室106的顶部设置有待处理水流入口a，底部设置有处理水流出口b；在去离子室107的底部设置有处理水流入口c，顶部设置有净化水流出口d。
38.在浓缩室108和109的顶部均设置有循环水注入口e，在阳极室101和阴极室102侧端均设置有排出口f。
39.在带通水孔的氟系离子交换膜的内均匀布设有多个小孔，通过循环水流入通水孔，能够使在带通水孔的氟系离子交换膜的附近浓缩的离子向阳极室101或阴极室102侧排出。
40.阴离子交换膜111和阳离子交换膜112使用液体的透过率为1/100-1/1000左右的离子交换膜。
41.作为电极，优选电场分布均匀且不妨碍液体排出的形状，可以使用棒状、网眼状、环状的电极。材质没有特别限定，优选具有耐腐蚀性的铂。电源可以组装于去离子再生式模块，也可以使用外部电源，优选直流电源，但也可以是交流电源。
42.循环水存储器50中存储有注入去离子再生式模块100的浓缩室中的纯水，用于使得移动的离子向电极室排出，通常采用电导率在1μs/cm以下的纯水。从阳极室流出的水进入阳极循环水箱，从阴极室流出的水进入阴极循环水箱，分别再次循环与循环水共同流入去离子模块100的浓缩室。
43.双极性离子膜113的结构与普通离子交换膜不同，如图3所示，双极性离子膜由阳离子交换层、阴离子交换层和中间催化层复合而成，类似三明治结构，双极性离子膜在直流电场作用下发生水解离反应，生成h
+
和oh-离子。根据施加的电压方向不同，双极性离子膜中有两种离子传递方式。在正向直流电场驱动下，双极性离子膜阴离子交换层右侧的阴离子迁移进阴离子交换层，阳离子交换层左侧的阳离子迁移到阳离子交换层，阴阳离子交换层之间的过渡区离子浓度增加。双极性离子膜在反向直流电场的驱动下工作，反向电压较小时，溶液中的正、负离子分别透过阳离子交换层和阴离子交换层，从过渡区向阴、阳极移动，过渡区离子浓度下降，膜的电阻减小，当反向电压增加到一定值时，膜外通过扩散、渗透作用补充进来的离子量，不足以抵消电迁移损失的离子量，造成过渡区的离子被耗尽，形成高电势梯度，双极性离子膜发生水解离，生成的h
+
、oh-进入到膜两侧去离子室内，即附图2中的去离子室106和107。
44.在优选实施例中，双极性离子膜的膜表面可设有多个直径约为150μm的凹槽，这些凹槽提高了离子交换膜的填充密度，将膜表面积增加大约两倍，从而实现更快的离子交换速率。
45.阳离子交换体和阴离子交换体是指具有离子交换功能的物质，可以为离子交换树脂、整块有机多孔离子交换体等，只要具有阳离子或阴离子的离子交换能力，也可以将这些两种以上的离子交换体适当地交替层叠，进行混相使用。本发明的去离子再生式模块可用于再生树脂，在直流电场作用下，双极性离子膜中间催化层发生解离反应，生成h
+
、oh-离子，分别穿过阳离子交换层和阴离子交换层向阴、阳极迁移，h
+
与失效的阳离子交换树脂中的阳离子发生置换反应，oh-与失效的阴离子交换树脂中的阴离子发生置换反应，同时，置换下来的阳离子与阴离子分别向阴极室、阳极室迁移，从而实现阴、阳离子交换树脂的再生。
46.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
47.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地
实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的。