軟化水陽極置換陰離子去哪了

1. 有什麼常用的軟化水處理方法

本發明公開了一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，將電解槽分隔成陽極室和陰極室，並分別置有陽極板和陰極板;根據I≥1.01Qη(M+2M2)得到電流，待軟化的水流經陰極室，通電後，在陰極室內形成強鹼性區域，體系pH≥10，產生的OH‑，使Ca2+生成CaCO3晶體，Mg2+生成Mg(OH)2晶體，且隨著pH值的增大，碳酸鈣晶體的zeta電位降低，晶體聚團行為加強而訊速形成晶核;過飽和的晶體懸浮液隨水流流出電解室的過程中，以此晶核為生長點並迅速成長，實現自發結晶，再進行沉降或過濾，即完成軟化。本發明計算出適宜電流值，將水中鈣鎂離子一次性除去，且在處理過程中陰極板上幾乎不會附著水垢，電能利用效率高達90%，極大提高了設備的處理能力和便於實現數字化和自動化控制。
權利要求書
1.一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，其特徵在於，包括以下步驟：
(1)通過隔膜或細孔板將電解槽分隔成陽極室和陰極室，並將陽極板和陰極板分別置於陽極室和陰極室中;
(2)通一電流，所述的電流根據I≥1.01Qη(M+2M2)計算得到，其中，I為電極板的電流，單位：A;η為目標軟化率，單位：1;Q為陰極室的水流量，單位：L/s;當M0>M1時，M=M0;當M0[(M0+M2)/(M1+M2)]時，M=2M1-M0;M0為待軟化水的鹼度，單位：mgCaCO3/L;M1為待軟化水的鈣硬度，單位：mgCaCO3/L;M2為待軟化水的鎂硬度，單位：mgCaCO3/L;
(3)待軟化的水流經陰極室，通電後，在陰極室內形成強鹼性區域，體系pH≥10，電解產生的OH-，與HCO3-反應生成CO32-，然後與水體中的Ca2+結合生成CaCO3晶體;與Mg2+結合生成Mg(OH)2晶體，且隨電解的繼續，陰極液pH值增大，CaCO3晶體的zeta電位降低，晶體聚團行為加強而迅速形成晶核，隨高速水流流出陰極室的過飽和CaCO3和Mg(OH)2懸浮液以此晶核為生長點並迅速成長，實現自發結晶，生成肉眼可見的固體顆粒物，懸浮於水中，再進行沉降或過濾，即完成軟化。
2.根據權利要求1所述的高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，其特徵在於，還包括在M0[(M0+M2)/(M1+M2)]時，向陰極液中通入足量空氣或二氧化碳。
3.根據權利要求2所述的高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，其特徵在於，常溫常壓下通入空氣的流量根據Q1=0.61Q(M1-M0)計算得到，其中，Q1為向陰極室通入空氣的流量，單位：L/s。
4.根據權利要求2所述的高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，其特徵在於，常溫常壓下通入CO2的流量根據Q0=2.45Q(M1-M0)·10-4計算得到，其中，Q0為向陰極室通入CO2的流量，單位：L/s。
5.根據權利要求1所述的高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，其特徵在於，所述的陽極板為碳電極、貴金屬電極或鈦基金屬氧化物電極中的一種;所述的陰極板為定型導電材料中的一種。
6.根據權利要求1所述的高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，其特徵在於，所述的隔膜為陰離子交換膜、陽離子交換膜、雙極膜、石棉纖維膜、無紡布、化纖濾布或陶瓷隔膜中的一種;所述的細孔隔板為帶有微小細孔且不影響導電的塑料薄板。
7.一種利用權利要求1～6所述的高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法軟化硬水的裝置。
8.根據權利要求7所述的軟化硬水的裝置，其特徵在於，至少在所述的陰極室的兩端分別設有進水口和出水口，在所述的進水口上設有空氣或二氧化碳補氣口，在所述的出水口上連有過濾器或沉降池。
9.根據權利要求8所述的軟化硬水的裝置，其特徵在於，在所述的出水口與所述的過濾器或沉降池之間設有第一氣液分離器。
10.一種軟化硬水的系統，其特徵在於，將若干個權利要求8所述的電解槽並聯、串聯或串並復合連接，且在陰極室出水口的匯集處設有第二氣液分離器。
說明書
一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法及其裝置
技術領域
本發明屬於電化學軟化水技術領域，特別涉及一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法及其裝置。
背景技術
利用電化學技術進行水體脫鹽除垢處理，早在2006年就有文獻(Desalination,2006,201:150)報道，隨後也有不少國內文獻及專利(西安交通大學學報,2009,43(5):104;專利公開CN105523611A、CN204198498U)報道過，並在工程實踐中得到一定程度的應用。相比於傳統的消石灰軟化法，電化學脫鹽軟化水技術佔地空間小、處理速度快、不需要使用絮凝劑無二次污染、廢棄固體物少，操作簡單方便，可實現數字化控制，具有很高的經濟效益和環境效益。用於冷卻循環水的除垢防垢領域，與以往傳統的化學加葯方法以及電磁技術、超聲波技術相比，電化學技術的優點在於能夠將水中的成垢的鈣鎂離子以水垢沉積的方式從水中取出，並能提高濃縮倍數，達到節水減排的目的。
現有的電化學設備主要用於冷卻循環水的除垢防垢領域，為提高除垢效率，中國專利公開CN105621538A、CN201923867U及CN105329985A等專利對電化學除垢設備進行了相應的優化設計，其創新點在於充分優化電化學設備內部結構，擴大陰極面積，簡化操作，提高設備的處理效率與處理能力。
為了擺脫極板面積大小的限制因素，以色列文獻(Desalination,2010,263:285;Journal of Membrance Science,2013,445:88)提出了一種新的處理方法，利用陽離子交換膜將電解槽分隔為陽極室與陰極室，將待處理的水流經陰極室後，引入外部結晶器內進行誘發結晶以提高極板處理能力，電能利用率達到50%。中國專利CN204198498U利用刮刀刮掉陰極板垢以提供微小晶核增加結晶比表面積，雖在一定程度上提高了電能的利用率，但其電能利用率依舊偏低，一是增加了陰極動力旋轉部分的電耗，二是由於其輔助電極接正電且在陰極室內，其表面必定會析氧(氯)而產生H+，可消耗陰極產生的部分OH-而導致電能利用率降低，另外其在後續工藝中提及需添加絮凝劑造成二次污染及處理成本的增加，另外其設備內腔底部沒有隔膜將陰陽兩室分開，而其實施例中陽極室酸性水一直往復循環部分H+必會進入陰極室，也會降低電能的利用率。生活中大部分水體都是硬水即鹼度小於硬度(等同於重碳酸根的含量低於鈣鎂量)，故在不補加二氧化碳的情況下不能完全消除硬度。專利CN106277369A雖也提及陰陽極間加隔膜，但同樣要求陰極室出水口需連接一外部結晶器誘發結晶，結晶器體積龐大且時效性低，因無二氧化碳的補給同樣存在硬度水條件下不能完全消除硬度達到徹底軟化水的目的。
發明內容
本發明的第一目的是提供了一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，向電解槽中通入電流，使得陰極室內形成強鹼性區域，利用電解產生的OH-，使得Ca2+生成CaCO3晶體，與Mg2+生成Mg(OH)2晶體，並隨著電解的進行，陰極室pH值增大，碳酸鈣晶體聚團行為加強而迅速形成晶核，使得過飽和的CaCO3和Mg(OH)2懸浮液高效自發結晶，避免了誘發結晶和外加絮凝劑而帶來的二次污染，減少了工序步驟，而且時間上也快很多，投資少、設備佔用空間也少，處理能力大。
本發明的第二目的是提供了一種利用上述高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法軟化硬水的裝置及其系統，向電解槽中通入電流，使得陰極室內形成強鹼性區域，利用電解產生的OH-，使得Ca2+生成CaCO3晶體，與Mg2+生成Mg(OH)2晶體，並隨著電解的進行，陰極室pH值增大，CaCO3晶體聚團行為加強而迅速形成晶核，使得過飽和的CaCO3和Mg(OH)2懸浮液高效自發結晶，避免了誘發結晶和外加絮凝劑而帶來的二次污染，減少了工序步驟，而且時間上也快很多，投資少、設備佔用空間也少，處理能力大。
本發明的技術方案如下：
一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，包括以下步驟：
(1)通過隔膜或細孔板將電解槽分隔成陽極室和陰極室，並將陽極板和陰極板分別置於陽極室和陰極室中;
(2)通一電流，所述的電流根據I≥1.01Qη(M+2M2)計算得到，其中，I為電極板的電流，單位：A;η為目標軟化率，單位：1;Q為陰極室的水流量，單位：L/s;當M0>M1時，M=M0;當M0[(M0+M2)/(M1+M2)]時，M=2M1-M0;M0為待軟化水的鹼度，單位：mgCaCO3/L;M1為待軟化水的鈣硬度，單位：mgCaCO3/L;M2為待軟化水的鎂硬度，單位：mgCaCO3/L;
(3)待軟化的水流經陰極室，通電後，在陰極室內形成強鹼性區域，體系pH≥10，電解產生的OH-，與HCO3-反應生成CO32-，然後與水體中的Ca2+結合生成CaCO3晶體;與Mg2+結合生成Mg(OH)2晶體，且隨電解的進行陰極室pH值的增大，CaCO3晶體的zeta電位降低，晶體聚團行為加強而迅速形成晶核，隨高速水流流出陰極室的過飽和CaCO3和Mg(OH)2懸浮液以此晶核為生長點並迅速成長，實現自發結晶，生成為肉眼可見的固體顆粒物，懸浮於水中，再進行沉降或過濾，即完成軟化。
優選為，還包括在M0[(M0+M2)/(M1+M2)]時，向陰極液中通入足量空氣或二氧化碳。
優選為，常溫常壓下通入空氣的流量根據Q1=0.61Q(M1-M0)計算得到，其中，Q1為向陰極室通入空氣的流量，單位：L/s。
優選為，常溫常壓下通入CO2的流量根據Q0=2.45Q(M1-M0)·10-4計算得到，其中，Q0為向陰極室通入CO2的流量，單位：L/s。
優選為，所述的陽極板為碳電極、貴金屬電極或鈦基金屬氧化物電極中的一種;所述的陰極板為不銹鋼、鑄鐵、石墨、鋁或銅等定型導電材料中的一種。
優選為，所述的隔膜為陰離子交換膜、陽離子交換膜、雙極膜、石棉纖維膜、無紡布、化纖濾布或陶瓷隔膜中的一種;所述的細孔隔板為帶有微小細孔且不影響導電的塑料薄板，如聚四氟乙烯塑料薄板。
本發明還公開了一種利用上述的高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法軟化硬水的裝置。
優選為，至少在所述的陰極室的兩端分別設有進水口和出水口，在所述的進水口上設有空氣或二氧化碳補氣口，在所述的出水口上連有過濾器或沉降池。
優選為，在所述的出水口與所述的過濾器或沉降池之間設有第一氣液分離器，用來收集綠色能源—氫氣。
本發明還公開了一種軟化硬水的系統，將若干個上述的電解槽並聯、串聯或串並復合連接，且在陰極室出水口的匯集處設有第二氣液分離器，用來收集綠色能源—氫氣。
與現有技術相比，本發明的有益效果如下：
一、本發明的一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，通過I≥1.01Qη(M+2M2)計算出一適宜電流，使得陰極室內形成強鹼性區域，體系pH≥10，利用電解產生的OH-，使得Ca2+生成CaCO3晶體，與Mg2+生成Mg(OH)2晶體，並隨著電解的進行，陰極室pH值增大，CaCO3晶體聚團行為加強而迅速形成晶核，流出陰極室的過飽和懸浮液以此晶核為生長點高效自發結晶，實現將水中大部分或全部鈣鎂離子一次性除去，且在陰極板上不會附著水垢，無需誘發結晶和外加絮凝劑，避免了二次污染，減少了工序步驟，具有軟化效率稿，投資少、設備佔用空間少，處理能力大等優點;
二、本發明的一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，還根據Q1=0.61Q(M1-M0)計算通入空氣的流量和根據Q0=2.45Q(M1-M0)·10-4計算通入二氧化碳的流量，以提供足夠量的HCO3-，達到所需軟化率;
三、本發明的一種高效自發結晶的電化學脫鹽軟化水處理方法，根據通入電流的計算公式和通入空氣或二氧化碳的計算公式，計算出電流值及通入空氣或二氧化碳的速率，便於實現數控化和自動化，使用清潔電能作為唯一的「處理劑」，無色環保無污染。

2. 用離子交換樹脂軟化水的原理是什麼

離子交換(Ion Exchange)法是利用離子交換樹脂交換離子的能力，按水處理的要求將原水中所不需要的離子通過交換而暫時佔有，然後再將它釋放到再生液中，使水得到軟化的水處理方法。
離子交換樹脂是一種由有機分子單體聚合而成的，具有三維網路結構的多孔海綿狀高分子化合物。在構成網路的主鏈上有許多活動的化學功能團，這些功能團由帶電荷的固定離子和以離子鍵與固定離子相結合的反離子所組成。樹脂吸水膨脹後，化學功能團上結合的反離子與水中的離子進行交換。陽離子交換樹脂可吸附Ca2+、Mg2+等陽離子，陰離子交換樹脂可吸附Cl-、HCO3-、SO42-、CO32- 等陰離子，從而使原水得以凈化。反應式如下：
R-H+(-SO3H+)+ Ca2+、Mg2+→R-SO3Ca(Mg)+H+
R-OH-(≡N-OH-)+ HCO3-、SO42-、CO32-→R≡N- SO42-( HCO3-、CO32-)+OH-
H++ OH-→H2O
經過幾組樹脂的反復交換，水的硬度和鹼度都能得到較好控制。處理過的水含鹽量可降至5～10mg/L以下，硬度接近0，pH值接近中性。

3. 軟化樹脂的置換原理

1、樹脂軟化水原理
軟水樹脂由軟水機的內置樹脂罐，在水通過時將水中的硬度離子進行置換。就是通常所說的「離子交換軟化法」其原理如下：離子交換水處理是指採用離子交換劑，使交換劑中和水溶液中可交換離子產生符合等物質的量規則的可逆性交換，導致水質改善而交換劑的結構並不發生實質性（化學的）變化的水處理方式。在這種水處理方式中，只有陽離子參與交換反應的，稱陽離子交換水處理；只有陰離子參與交換反應的，稱陰離子交換水處理；既有陽離子又有陰離子參與交換反應的，稱陽、陰離子交換水處理。由於原水的水質千差萬別，而對出水水質的要求又多種多樣，所以有許多種類型的離子交換及某組合的水處理方法，採用這些水處理方法而使原水軟化、除鹼和除鹽。離子交換劑中參與交換反應的離子是鈉離子Na+時，此方法稱為鈉（Na）型離子交換法，此交換劑稱為鈉（Na）型陽離子交換劑，相類似的，有氫（H）型離子交換法及氫（H）型陽離子交換劑等。
2、樹脂再生原理
當軟水樹脂置換了水中一定量的鈣鎂等的硬度離子後，將無法再軟化水，此時就需要軟水機進行樹脂再生，也就是樹脂鈣污染後的還原再生法。
（1） 用Na溶液再生強陽離子交換樹脂時，宜採取分步再生法。開始以低濃度Na溶液再生，因為此時從樹脂上解吸下來的Ca2+濃度高，但Na濃度較低，即使形成少量Ca2+Na沉澱也會被溶液沖走。然後逐步提高Na濃度，此時從樹脂上解吸下來的Ca2+濃度低，不會形成Na沉澱。
（2） 由於弱陽離子交換樹脂是用強陽離子交換樹脂的再生廢液進行再生的。因此，在進酸的同時，弱陽離子交換器必須進稀釋水（JF9201濾後水），進水量以液位不超過交換器進酸口為宜。另外注意觀察弱陽離子交換器排出的再生廢液顏色，如呈白色渾濁物，即使調節進酸濃度。
（3） 進酸完後，弱陽離子交換器必須立即進JF9201濾後水置換清洗，強陽離子交換器必須立即進精製水置換清洗。
（4） 冬季由於再生液溫度低，更易出現鈣污染。因此在再生前，弱陽離子交換器必須擦洗反洗，弱陽離子交換器必須與強陽離子交換器之間再生廢液的管道必須反沖，做到防患於未然。
此過程在家用軟水機內需要2-3個小時，通常稱為軟水機反沖洗再生。會根據軟水機型號不同而需要一定量的樹脂再生劑（Na）或工業鹽。

4. 離子交換實驗中如何設法提高軟化水水質

去離子水設備工作原理
去離子水設備採用離子交換方法，可以把水中呈離子態的陽、陰離子去除，以氯化鈉(NaCl)代表水中無機鹽類，水質除鹽的基本反應可以用下列方程式表達：
1、陽離子交換樹脂：R—H+Na+ R—Na+H+
2、陰離子交換樹脂：R—OH+Cl- R—Cl+OH-
陽、陰離子交換樹脂總的反應式即可寫成：RH+ROH+NaCl——RNa+RCL+H2O由此可看出，水中的NaCl已分別被樹脂上的H+和OH-所取代，而反應生成物只有H2O，故達到了去除水中鹽的作用。
去離子水設備採用雙級RO+EDI模塊化設計模式，與前置預處理配套使用，利用反滲透原理，有效去除水中各種鹽份及雜質；系統具有工藝先進、產水水質穩定、操作簡便、運行費用低、綠色環保無污染、維護方便等優點。
三達水處理北京市去離子水設備、軟化水設備專業生產廠家，提供專業的水處理方案。

5. 水硬度高怎麼處理

想要降低水的硬度，最簡單的方法就是煮沸。在加熱的過程中，硬水中的鈣、鎂等離子會沉澱，形成水垢。水中的鈣、鎂離子含量低了，水的硬度也就降低了。此外，市面上有些凈水器也可以吸附硬水中的鈣、鎂離子，從而達到軟化水質的目的。

現代技術的發展，反滲透已經基本滲透到民用、工業領域。反滲透的核心組件是一種稱作反滲透膜的人工合成材料，能夠實現降低水中各種離子，實現硬度的降低。

不過反滲透不僅僅降低的是硬度，而是去除離子，生產「去離子水」也就是所謂純凈水。飲用純凈水已經普通用該方法生產，生產速度比蒸餾快，成本低。

(5)軟化水陽極置換陰離子去哪了擴展閱讀

中國《生活用水衛生標准》中規定，水的總硬度不能過大。如果硬度過大，飲用後對人體健康與日常生活有一定影響。如果沒有經常飲硬水的人偶爾飲硬水，則會造成腸胃功能紊亂，即所謂"水土不服"，就是這個意思。如用硬水烹調魚肉、蔬菜，常因不易煮熟而破壞或降低營養價值。

而硬水泡茶會改變茶的色香味而降低飲用價值。用硬水做豆腐不僅使產量降低、而且會影響豆腐的營養成分。硬水問題也使工業上因設備和管線的維修和更換每年耗資數千萬元。

硬水（未處理過）中的鈣離子很輕易結成固體碳酸鈣（即水垢），它會給生活帶來好多麻煩，比如用水器具上結出的水垢斑塊、肥皂和清潔劑的洗滌效率減低、洗浴後皮膚粗糙、頭發凌亂無光澤、洗出來的衣服暗黑僵硬等。其中以對皮膚和衣物的傷害為甚。