一种基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置及脱盐方法

技术领域

本发明属于微纳米和水处理技术领域，具体涉及一种基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置及脱盐方法。

背景技术

脱盐技术可以去除盐水中的阴阳离子得到淡水，是实现水资源利用的开源增量技术，可以提升淡水总量。其优点是获取淡水不受时空影响，性价比高。根据脱盐效果的不同可以实现工业锅炉补水、保障沿海居民饮用水等不同需求下的稳定供水。根据分离方法的不同，常见的脱盐工艺主要有热法、膜法、冷冻法和离子交换法。热法包括多级闪蒸，多效蒸馏，压气蒸馏。膜法包括反渗透法，电渗析法，膜蒸馏法。反渗透法凭借其操作简单，便于拓展，自动化程度高等优点占据了全球脱盐装机容量的60％以上。反渗透法脱盐的关键部件是反渗透膜，为了有效阻隔盐水中的阴阳离子，反渗透膜上的纳米孔通常为亚纳米尺度。

反渗透膜的亚纳米尺寸纳米孔在脱盐过程中存在两个问题。其一是为保证较好的脱盐效果，反渗透膜的纳米孔直径通常小于1nm，由于水通量对纳米孔孔径有着强烈的依赖关系，过小的孔径会严重降低脱盐后的淡水通量。其二是反渗透膜在脱盐过程中因需要克服渗透压，所以需要较高的工作压力，但是过高的工作压力会使膜发生形变甚至造成破损，影响淡化效果的同时降低了薄膜的使用寿命。并且，高工作压力造成的能量消耗也提高了脱盐的成本。

为了解决上述问题，提出本发明。本发明不仅可以实现高水通量也大大降低了能量损耗，节约了脱盐成本。

发明内容

针对现有反渗透脱盐方法的不足，本发明提供一种基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置及脱盐方法。本发明基于纳米孔的新型脱盐装置及方法，利用电渗流作用下电场和压力场的耦合作用实现了盐水淡化；本发明方法可以在低能耗，低操作压力下实现高水通量的脱盐效果，并且装置结构简单，使用方便，具有便携化、小型化的潜力。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

一种基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置，包括第一液池和第二液池，在第一液池和第二液池之间设置有纳米多孔薄膜，两个液池之间通过纳米多孔薄膜上的纳米孔进行物质交换；所述第一液池为盐水注入池，第二液池为淡水流出池，第一液池和第二液池内均设置有电极，两个电极均连接外部电源；

所述纳米多孔薄膜的纳米孔孔径范围为1～50nm；

所述纳米多孔薄膜厚度范围为0.3nm～200μm；

所述纳米多孔薄膜携带负电荷或正电荷；所述纳米多孔薄膜携带负电荷时，第一液池中的电极为负电极，第二液池中的电极为正电极，电场方向为第二液池指向第一液池，电渗流方向为第二液池指向第一液池；或者，所述纳米多孔薄膜携带正电荷时，第一液池中的电极为正电极，第二液池中的电极为负电极，电场方向为第一液池指向第二液池，电渗流方向为第二液池指向第一液池；

所述脱盐装置利用电渗流作用下电场和压力场的耦合作用实现盐水淡化。

根据本发明优选的，所述纳米多孔薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纳米多孔薄膜、氨基改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纳米多孔薄膜、羧基或氨基改性的石墨烯纳米多孔薄膜、羧基或氨基改性的二硫化钼纳米多孔薄膜、羧基或氨基改性的氮化硅纳米多孔薄膜、羧基或氨基改性的阳极氧化铝纳米多孔薄膜、聚碳酸酯纳米多孔薄膜或氨基改性的聚碳酸酯纳米多孔薄膜；根据壁面改性修饰的基团的不同，纳米多孔薄膜表面、纳米孔内外壁面均带有负电荷或正电荷。

根据本发明优选的，所述纳米多孔薄膜的厚度为0.3nm-14μm。

根据本发明优选的，所述纳米多孔薄膜的纳米孔孔密度为10

根据本发明，水通量和脱盐效果相互制约，所以在满足脱盐效果的基础上尽量提升孔径大小显得尤为重要。在本发明中所述纳米多孔薄膜的纳米孔孔径范围为1～50nm，优选10～30nm。

根据本发明，所述电场是指两个电极在外接电源的作用下形成的电场，本发明电场方向根据纳米多孔薄膜带电属性的不同作出相应变化。

根据本发明优选的，所述纳米多孔薄膜携带负电荷时，第一液池中的电极为负电极，第二液池中的电极为正电极，电渗流方向为第二液池指向第一液池；或者，所述纳米多孔薄膜携带正电荷时，第一液池中的电极为正电极，第二液池中的电极为负电极，电渗流方向为第二液池指向第一液池。

根据本发明优选的，所述电极为可导电的金属电极或Ag/AgCl电极，其中，可导电的金属电极为:Zn、Pt、Ag等；综合成本和导电性能，本发明优选用Ag/AgCl电极。

根据本发明，根据施加压力的不同，外部电源电压范围为0～2V，优选为0.1V-0.5V之间变化。

根据本发明优选的，脱盐过程开始前，第一液池中通入待脱盐处理的盐水，第二液池中通入质量浓度为0.1-20mmo/L的淡盐水。

根据本发明优选的，第一液池设置有盐水进水口和浓盐水出水口，盐水进水口以注入待脱盐处理的盐水并施加压力，浓盐水出水口以排出经处理后的盐水剩余物；第二液池设置有淡水出水口和淡盐水进水口，淡水出水口以排出经脱盐处理后的淡化水，淡盐水进水口以通入淡盐水从而形成从第二液池指向第一液池的电渗流。

根据本发明优选的，所述反渗透脱盐装置为密闭装置。

利用上述基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置脱盐的方法，包括步骤：待脱盐处理的盐水通过盐水进水口注入第一液池，淡盐水通过淡盐水进水口进入第二液池，第一液池和第二液池中溶液的高度相同，打开外部电源，并通过第一液池的盐水进水口施加压力；

当纳米多孔薄膜携带负电荷，第一液池中的电极为负电极，第二液池中的电极为正电极时，电渗流方向和电场方向均为从第二液池指向第一液池；在电场的作用下，脱盐装置中阳离子的运动方向从第二液池指向第一液池，第一液池中的阳离子被束缚在第一液池的电极附近；脱盐装置中的阴离子与携带负电荷的纳米多孔薄膜之间存在静电排斥作用，又因为电渗流的方向和阴离子的运动方向相反，阴离子在纳米多孔薄膜孔中心的输运被严重抑制；只有水分子在压力作用下通过纳米多孔薄膜到达第二液池，从而实现盐水的脱盐处理；

当纳米多孔薄膜携带正电荷，第一液池中的电极为正电极，第二液池中的电极为负电极时，电场方向为从第一液池指向第二液池，电渗流方向为从第二液池指向第一液池；在电场的作用下，脱盐装置中阴离子的运动方向从第二液池指向第一液池，第一液池中的阴离子被束缚在第一液池的电极附近；脱盐装置中的阳离子与携带正电荷的纳米多孔薄膜之间存在静电排斥作用，又因为电渗流的方向和阳离子的运动方向相反，阳离子在纳米多孔薄膜孔中心的输运被严重抑制；只有水分子在压力作用下通过纳米多孔薄膜到达第二液池，从而实现盐水的脱盐处理；

第二液池中的水通过淡水出水口排出，即得到淡化水。

根据本发明优选的，施加压力≤0.4MPa。

根据本发明优选的，为保证电场的顺利施加，脱盐过程中需保证电极浸入到两个液池的溶液中。

根据本发明优选的，外部电源电压范围为0～2V，优选为0.1V-0.5V。本发明形成的电场主要是为了实现电渗流，电场过小，电渗流速度小会影响脱盐效果；电场过大，第一液池中的离子会突破壁面的排斥作用影响脱盐效果。

根据本发明优选的，经脱盐处理后，第一液池中经处理后的盐水剩余物通过浓盐水出水口排出。

本发明的技术特点及有益效果如下：

1、本发明利用电渗流作用下电场和压力场的耦合作用实现了盐水淡化。本发明中，电极形成的电场方向的设置较为重要，电场方向和多孔薄膜带电属性决定了电渗流的方向。当第一液池中的电极为负电极，第二液池中的电极为正电极，且纳米多孔薄膜携带负电荷时，电渗流方向从第二液池指向第一液池。在压力的作用下，第一液池中的盐溶液通过多孔薄膜向第二液池内输运。由于存在电场作用，脱盐装置中的阳离子的运动方向从第二液池指向第一液池，第一液池中的阳离子被束缚在第一液池的电极附近。脱盐装置中的阴离子与携带负电荷的纳米多孔薄膜之间存在静电排斥作用，仅有少量阴离子在纳米孔中心区域进行跨膜输运。因为电渗流的方向和阴离子的运动方向相反，阴离子在纳米孔中心的输运被严重抑制。只有水分子在压力作用下通过纳米多孔薄膜到达第二液池，最终实现高效低能耗的脱盐效果。当第一液池中的电极为正电极，第二液池中的电极为负电极，且纳米多孔薄膜携带正电荷时，电渗流方向从第二液池指向第一液池。在压力的作用下，第一液池中的盐溶液通过多孔薄膜向第二液池内输运。由于存在电场作用，盐水中的阳离子的运动方向从第一液池指向第二液池，但是在静电排斥作用下，仅有少量阳离子在纳米孔中心区域进行跨膜输运。因为电渗流的方向和阳离子的运动方向相反，阳离子在纳米孔中心的输运被严重抑制。脱盐装置中的阴离子的运动方向从第二液池指向第一液池，因此第一液池中的阴离子被束缚在第一液池的电极附近。只有水分子在压力作用下通过纳米多孔薄膜到达第二液池，最终实现高效低能耗的脱盐效果。

2、常用的反渗透水处理系统的外加压力在5-15Mpa,使用的反渗透膜的纳米孔直径通常小于1nm。因为水通量与纳米孔孔径满足4次方关系，在本发明中的纳米孔尺寸可以增大一个数量级，水通量可以提升10

附图说明

图1是本发明实施例1中反渗透脱盐装置的结构示意图；

图2是本发明实施例2中反渗透脱盐装置的结构示意图；

其中：1-1第一液池，1-2负电极，1-3外部电源，1-4正电极，1-5第二液池，1-6带有负电荷的纳米多孔薄膜，1-7为盐水进水口，1-8为浓盐水出水口，1-9为淡水出水口，1-10为淡盐水进水口；

2-1第一液池，2-2正电极，2-3外部电源，2-4负电极，2-5第二液池，2-6带有正电荷的纳米多孔薄膜，2-7为盐水进水口，2-8为浓盐水出水口，2-9为淡水出水口，2-10为淡盐水进水口。

图3为试验例中不同电源电压下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况。

图4为试验例中不同外加压力下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况。

图5为试验例中不同孔长下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况。

图6为试验例中不同孔径下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

同时下述实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述材料、装置等，如无特殊说明，均为现有技术。

实施例1

一种基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置，如图1所示，包括第一液池1-1和第二液池1-5，在第一液池1-1和第二液池1-5之间设置有带有负电荷的纳米多孔薄膜1-6，两个液池之间通过带有负电荷的纳米多孔薄膜1-6上的纳米孔进行物质交换；所述第一液池1-1为盐水注入池，第二液池1-5为淡水流出池；第一液池1-1内设置有负电极1-2，第二液池1-5内设置有正电极1-4，两个电极均连接外部电源1-3，电场方向为第二液池指向第一液池。

所述第一液池1-1设置有盐水进水口1-7和浓盐水出水口1-8，盐水进水口1-7设置于第一液池1-1的上部，以注入待脱盐处理的盐水并施加压力，浓盐水出水口1-8设置于第一液池1-1的下部以排出经处理后的盐水剩余物；第二液池1-5底部设置有淡水出水口1-9，第二液池1-5上部设置有淡盐水进水口1-10，淡水出水口1-9以排出经脱盐处理后的淡化水，淡盐水进水口1-10以通入淡盐水从而形成电渗流。进水口和出水口均设置有阀门。

所述反渗透脱盐装置为密闭装置。

所述带有负电荷的纳米多孔薄膜1-6为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纳米多孔薄膜。PET材质制作的纳米多孔薄膜的纳米孔壁面上会携带羧基基团(-COOH)，在溶液环境下羧基可电离成为(-COO

所述带有负电荷的纳米多孔薄膜1-6的纳米孔孔径为20nm，纳米孔孔密度为10

所述负电极1-2和正电极1-4均为Ag/AgCl电极。

利用上述基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置脱盐的方法，包括步骤：

500mM的待脱盐处理的盐水通过盐水进水口1-7注入第一液池1-1，浓度为10mmol/L的淡盐水通过淡盐水进水口1-10进入第二液池1-5，第一液池1-1和第二液池1-5中溶液的高度相同，打开外部电源1-3(设置外部电源的电压为0.2V)，并通过第一液池1-1的盐水进水口1-7施加压力(可以通过加气压的方式施加压力)；为保证电场的顺利施加，脱盐过程中需保证电极浸入到两个液池的溶液中。

电渗流方向和电场方向均为从第二液池1-5指向第一液池1-1；在电场的作用下，脱盐装置中阳离子的运动方向从第二液池1-5指向第一液池1-1，第一液池1-1中的阳离子被束缚在第一液池1-1的电极附近；脱盐装置中的阴离子与带有负电荷的纳米多孔薄膜1-6之间存在静电排斥作用，又因为电渗流的方向和阴离子的运动方向相反，阴离子在带有负电荷的纳米多孔薄膜1-6孔中心的输运被严重抑制；只有水分子在压力作用下通过带有负电荷的纳米多孔薄膜1-6到达第二液池1-5，从而实现盐水的脱盐处理；

第二液池1-5中的水通过淡水出水口1-9排出，即得到淡化水。经脱盐处理后，第一液池1-1中经处理后的盐水剩余物通过浓盐水出水口1-8排出。

本实施例所需施加压力可降低至0.4MPa。

实施例2

一种基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置，如图2所示，包括第一液池2-1和第二液池2-5，在第一液池2-1和第二液池2-5之间设置有带有正电荷的纳米多孔薄膜2-6，两个液池之间通过带有正电荷的纳米多孔薄膜2-6上的纳米孔进行物质交换；所述第一液池2-1为盐水注入池，第二液池2-5为淡水流出池；第一液池2-1内设置有正电极2-2，第二液池2-5内设置有负电极2-4，两个电极均连接外部电源2-3，电场方向为第一液池指向第二液池。

所述第一液池2-1设置有盐水进水口2-7和浓盐水出水口2-8，盐水进水口2-7设置于第一液池2-1的上部，以注入待脱盐处理的盐水并施加压力，浓盐水出水口2-8设置于第一液池2-1的下部以排出经处理后的盐水剩余物；第二液池2-5底部设置有淡水出水口2-9，第二液池2-5上部设置有淡盐水进水口2-10，淡水出水口2-9以排出经脱盐处理后的淡化水，淡盐水进水口2-10以通入淡盐水从而形成电渗流。进水口和出水口均设置有阀门。

所述反渗透脱盐装置为密闭装置。

所述带有正电荷的纳米多孔薄膜2-6为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纳米多孔薄膜。通过实施例1中带有负电荷的PET多孔薄膜使用EDC和乙二胺进行壁面改性，将纳米孔壁面的有效电荷(-COO

所述带有正电荷的纳米多孔薄膜2-6的纳米孔孔径为20nm，纳米孔孔密度为10

所述正电极2-2和负电极2-4均为Ag/AgCl电极。

利用上述基于电场作用的低压力低能耗高通量的反渗透脱盐装置脱盐的方法，包括步骤：

500mM的待脱盐处理的盐水通过盐水进水口2-7注入第一液池2-1，浓度为10mmol/L的淡盐水通过淡盐水进水口2-10进入第二液池2-5，第一液池2-1和第二液池2-5中溶液的高度相同，打开外部电源2-3(设置外部电源的电压为0.2V)，并通过第一液池2-1的盐水进水口2-7施加压力(可以通过加气压的方式施加压力)；为保证电场的顺利施加，脱盐过程中需保证电极浸入到两个液池的溶液中。

电场方向为从第一液池2-1指向第二液池2-5，电渗流方向为从第二液池2-5指向第一液池2-1；在电场的作用下，脱盐装置中阴离子的运动方向从第二液池2-5指向第一液池2-1，第一液池2-1中的阴离子被束缚在第一液池2-1的电极附近；脱盐装置中的阳离子与带有正电荷的纳米多孔薄膜2-6之间存在静电排斥作用，又因为电渗流的方向和阳离子的运动方向相反，阳离子在带有正电荷的纳米多孔薄膜2-6孔中心的输运被严重抑制；只有水分子在压力作用下通过带有正电荷的纳米多孔薄膜2-6到达第二液池，从而实现盐水的脱盐处理。

第二液池2-5中的水通过淡水出水口2-9排出，即得到淡化水。经脱盐处理后，第一液池2-1中经处理后的盐水剩余物通过浓盐水出水口2-8排出。

本实施例所需施加压力可降低至0.4MPa。

试验例

模拟实验

反渗透脱盐装置模型结构如实施例1所述，即图1所示，对纳米多孔薄膜上的单个孔进行模拟脱盐实验。待脱盐处理的盐水为500mmol/L NaCl水溶液。带有负电荷的纳米多孔薄膜的壁面电荷密度设置为-0.08C/m

模拟纳米多孔薄膜的厚度(即孔长)为12μm，孔径为20nm，施加压力为0.4MPa；不同电源电压下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况如图3所示(图中阴影表示纳米孔内部区域)。随着施加的电源电压的增加，在第二液池内的离子浓度呈现递减趋势并在电压为0.2V时保持不变，此时第二液池内的离子浓度已接近淡水。这说明电场耦合压力场的海水淡化方式可以在较低电压和较小压强下取得很好的效果。

模拟纳米多孔薄膜的厚度(即孔长)为12μm，孔径为20nm，施加的电源电压为0.2V；不同外加压力下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况如图4所示(图中阴影表示纳米孔内部区域)。当电压为0.2V时，增大施加压力会削弱脱盐效果。随着外加压力的增加第二液池内的溶液浓度也增加，这意味着脱盐效果被削弱。因此过高的压力反而削弱了盐离子去除效果。

模拟纳米多孔薄膜孔径为20nm，施加的电源电压为0.2V，施加压力为0.4MPa；不同孔长下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况如图5所示(图中阴影表示纳米孔内部区域)。根据第二液池内溶液的浓度来看，纳米孔孔长对淡化效果几乎没有影响。

模拟纳米多孔薄膜孔长为12μm，施加的电源电压为0.2V，施加压力为0.4MPa；不同孔径下沿纳米孔中心轴线的总离子浓度分布情况如图6所示(图中阴影表示纳米孔内部区域)。孔内浓度随着纳米孔孔径的增加呈现先减小后增加的趋势。孔径在10nm到20nm之间第二液池内的溶液浓度低，盐离子去除效果较好。孔径为30nm时第二液池内的溶液浓度较高，说明孔径超过优选孔径时脱盐效果被削弱。

综上所述，孔径为10～20nm的纳米孔在压力场和电场耦合的脱盐装置可以在较小压强(0.4MPa)和较低电压(0.2V)下实现极佳的脱盐效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。