一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法

摘要

本发明公开了一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法，属于饮用水安全技术领域，具体涉及“集合控制压缩扩散边界层”选择性去除目标离子的电渗析方法与装备，明确提出电渗析处理微苦咸水原水浓度低（溶解性总固体TDS小于3000ppm），离子电迁移控制电阻由纯膜电阻转变为扩散边界层电阻，通过集合控制电渗析膜、电渗析膜堆以及电渗析工艺参数，充分压缩扩散边界层，提高目标离子的相对电迁移速率，同时，综合电渗析选择性去除目标离子的初始浓度效应、竞争效应、协同效应以及浓差扩散、压差渗透等影响，实现了低成本目标离子的导向性去除，大幅降低水处理成本，提高设备的长效稳定性和操作适用性。

权利要求

1.一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，包括：采用电渗析脱盐工艺处理微苦咸水原水，得到脱盐水；

所述电渗析脱盐工艺通过集合控制电渗析膜、电渗析膜堆以及电渗析工艺参数对微苦咸水原水进行处理；

选择性分离系数的计算通式为： ；

所述电渗析膜包括但不限于可控通道膜、压缩扩散边界层膜和离子交换膜中任一种，所述电渗析膜孔径小于1微米，电渗析膜的选择性分离系数为‑1至1，A代表目标离子，B代表实际使用中的选定的标准离子或实际溶液中溶解性总固体TDS；

所述电渗析膜堆具有至少1段、1‑5级、至少1室的特征；所述段为苦咸水原水在电渗析膜堆中的重复流动次数，所述级的数值为电渗析膜堆中电极板数减1，所述室为电渗析膜分隔而成；

所述方法对目标离子选择性去除的分离系数由下式得到：

，kX为选择性分离系数，X为液、场、膜、段、级、室，kX通过

选择性分离系数的计算通式运算得到，k液为目标溶液的选择性分离系数，k场为电渗析膜堆电压、电渗析膜堆流速、浓淡室浓差、浓淡室压差等电渗析工艺参数多场控选择性分离系数，k膜为电渗析膜选择性分离系数，k段、k级、k室为电渗析膜堆“段、级、室”的选择性分离系数，K值为0.3‑0.9。

2.根据权利要求1所述的一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，其特征是：所述电渗析工艺参数包括电渗析膜堆电压、电渗析膜堆流速、浓淡室浓差、浓淡室压差的参数控制。

3.根据权利要求1所述的一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，其特征是：所述电渗析膜堆为1‑5段，每段中原水流速大于0.5米/秒或小于0.5米/秒，每段中电压大于0.5伏/对或小于0.5伏/对。

4.根据权利要求1所述的一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，其特征是：所述原水中溶解性总固体TDS为0.5‑40000ppm。

5.根据权利要求4所述的一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，其特征是：所述电渗析膜堆的级数与段数相同，1段的级电压为0.1‑2.0V/对，其余每段的级电压为

1段的级电压的30‑300%。

6.根据权利要求1所述的一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，其特征是：所述电渗析膜堆为1‑5室，各同一室循环回流，各同一室回流比为1‑4。

7.根据权利要求1所述的一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，其特征是：所述电渗析膜堆中室内填充离子树脂，以体积计填充率为5‑80%。

8.根据权利要求1所述的一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，其特征是：所述电渗析膜堆中室内增加双极膜室，按室的数目计双极膜室占比为1‑30%。

说明书

一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法

技术领域

[0001] 本发明属于饮用水安全技术领域，具体涉及一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法。

背景技术

[0002] 在偏远或过于分散的地区没有达标的饮用水水源，且因偏远或过于分散无法实现大规模集中供水，“饮用水水质不达标”已成是典型性地方病防治的瓶颈问题。偏远地区饮用水问题已成为未来水处理技术攻关的重中之重。联合国《2019年世界水发展报告》称：“世界富有群体通常都能以较低的价格获得较高水准的用水服务，然而贫困的人口为了获得质量相等，甚至更次的服务，却常常需要支付极其高昂的费用”。不达标的水源，超长的取水距离，缺少公共设施与专业服务人员，在世界上低发展区域里的人通常要比高发展区域的人多支付5到10倍的支出。因此，非常规水源低成本处理入户供水技术以成为解决这一可持续发展的世界性难题急需突破方向之一。

[0003] “不达标饮用水水源”处理的高成本难点问题之一是大量可用地下水源溶解性盐（TDS）以及氟、硬度、砷、硝酸根、铁、锰等溶解性离子超标。传统水处理技术主要以脱盐为主，其中包括吸附法、过滤法、化学沉淀法、离子交换法等物理化学方法，因成本高、效率低、有废液二次污染，现在应用范围大幅减少。而反渗透、纳滤、电渗析等膜技术已成为饮用水脱盐的主流技术。经过多年应用推广，反渗透已成为脱盐技术的主流工艺。但是，近年来饮用研究表明，虽然反渗透脱盐效率高、出水水质好，但是在微苦咸水（TDS小于3000ppm）的饮用水处理过程中，处理成本高，尤其对于氟、硬度、砷、硝酸根、铁、锰等部分溶解性离子超标的“不达标饮用水水源”，反渗透技术脱盐缺乏选择性，全离子去除模式造成“无效脱盐”运行成本高、以及浓盐水难以处理等问题，难以实现村镇大规模入户供水。电渗析脱盐，因为不同离子在电渗析过程中具有不同竞争性电迁移速率，具有离子去除的选择性，但是在传统电渗析采用全离子去除脱盐模式中，其离子选择性被忽视，没有充分体现其技术特性的优点，除硬效率超高易堵、电极寿命短、多室结构操作复杂等问题，在技术竞争中处于下风。近年来，随着反渗透技术的普及，氟、硬度、砷、硝酸根、铁、锰等部分溶解性离子超标的问题日益突出，突出电渗析选择性分盐的优势，利用研究与新技术克服电渗析的缺陷已成为近年来微苦咸水处理技术研究的热点之一。

发明内容

[0004] 针对当前反渗透技术脱盐缺乏选择性，成本高，难以实现偏远地区大规模入户供水的难题，本发明是一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法。电渗析处理微苦咸水原水的基础研究结果如图1所示，表明当微苦咸水原水中溶解性总固体（TDS）浓度低小于3000ppm，离子电迁移控制电阻迅速线性增加数十倍，电阻也由纯膜电阻转变为扩散边界层电阻，氟离子扩散边界层电阻增加远大于氯离子。因此，区别与传统电渗析脱盐研究，主要研究方向为研发新型离子交换膜，降低电渗析电阻，提高水处理脱盐效率。本发明系统阐明了不同目标离子在电渗析“脱盐”过程中具有不同竞争性电迁移速率的特征，明确提出电渗析处理微苦咸水原水浓度低（溶解性总固体（TDS）小于3000ppm），离子电迁移控制电阻由膜电阻转变为扩散边界层电阻，由此，发明了“集合控制压缩扩散边界层”选择性去除目标离子的电渗析方法与装备。

[0005] 一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，包括：采用电渗析脱盐工艺处理微苦咸水原水，得到脱盐水；

[0006] 电渗析脱盐工艺通过集合控制电渗析膜、电渗析膜堆以及电渗析工艺参数对微苦咸水原水进行处理；

[0007] 选择性分离系数的计算通式为： ；

[0008] 电渗析膜包括但不限于可控通道膜、压缩扩散边界层膜和离子交换膜中任一种，电渗析膜孔径小于1微米，电渗析膜的选择性分离系数为‑1至1，A代表目标离子，B代表实际使用中的选定的标准离子或实际溶液中溶解性总固体TDS；

[0009] 电渗析膜堆具有至少1段、至少1级、至少1室的特征；段为苦咸水原水在电渗析膜堆中的重复流动次数，级的数值为电渗析膜堆中电极板数减1，室为电渗析膜分隔而成。本发明公开了用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析方法，按本发明方法组装电渗析设备，在控制电渗析膜孔径小于1微米后，本发明方法中使用的电渗析膜便满足上述选择性分离系数的计算公式，本发明公开了上选择性分离系数的计算方式，在确定了饮用水中实际溶液中溶解性总固体TDS的含量后，通过该公式便可以得到本发明方法对特定离子的分离性能，通过本发明的公式计算可以反推可以采用的电渗析组装方法，以使饮用水中特定离子的浓度符相应规定或要求。

[0010] 本发明公开了特定电渗析膜堆的级、段、室的使用方式，通过对级、段、室的排布，达到优异的分离性能，并通过分离系数的公式进行计算以及表征。

[0011] 选择性分离系数的通用计算公式为 。 代表选择性分离系数，而本发明中不同选择性分离系数均由此公式计算，并且本发明中不同选择性分离系数可由kX代替，X为不特定参数，依据具体使用而定，kX与 为同等关系。

[0012] 选择性分离系数的计算公式中，CA(t)为t时刻A离子浓度，CA(0)为初始A离子浓度，CB(t)为t时刻B离子浓度，CB(0)为初始B离子浓度；S取值范围为‑1至1，取决于A离子和B离子的传质速率，如果A离子传质速率快于B离子，则S值在‑1至0之间，反之，S值在0至1之间。在本公式中，A可代表目标离子，B可代表实际使用中的选定的标准离子或溶解性总固体TDS来进行计算。

[0013] 优选地，方法对目标离子选择性去除的分离系数由下式得到：

[0014] ，kX为选择性分离系数，通过权利要求1的计算通式运算得到，X为液、场、膜、段、级、室，K值为0.3‑0.9。本发明公开了选择性分离系数的计算公式，根据本发明不同的参数计算不同的参数下的选择性分离系数，通过研究发现，本发明中的k液、k场、k膜、k段、k级、k室通过公式可以计算得到本发明各项选择性分离系数的函数关系，通过计算的K值，可以得到本发明方法的特定K值，通过本发明的公式计算可以反推可以采用的电渗析组装方法，以使饮用水中特定离子的浓度符相应规定或要求。通过本发明方法的分离系数可高达0.3‑0.9，本发明方法做到的分离系数最高，对特定离子的去除浓度要求低，现有技术方案达不到本发明的程度。

[0015] 目标离子选择性去除的选择性分离系数的计算公式中，k液为目标溶液的选择性分离系数，k场为电渗析膜堆电压、电渗析膜堆流速、浓淡室浓差、浓淡室压差等电渗析工艺参数多场控选择性分离系数，k膜为电渗析膜选择性分离系数，k段、k级、k室为电渗析膜堆“段、级、室”的选择性分离系数。

[0016] 优选地，电渗析工艺参数包括电渗析膜堆电压、电渗析膜堆流速、浓淡室浓差、浓淡室压差的参数控制。

[0017] 优选地，电渗析膜堆为1‑5段，每段中原水流速大于0.5米/秒或小于0.5米/秒，每段中电压大于0.5伏/对或小于0.5伏/对。

[0018] 本发明中的对是指电渗析膜堆中的循环膜对，循环膜对中具有固定或非固定的室数目，一般为固定的室数目。

[0019] 优选地，原水中溶解性总固体（TDS）为0.5‑40000ppm。

[0020] 优选地，电渗析膜堆为1‑5级，级数与段数相同，1段的级电压为0.1‑2.0V/对，其余每段的级电压为1段的级电压的30‑300%。

[0021] 优选地，电渗析膜堆为1‑5室，各同一室可以循环回流，各同一室回流比1‑4。同一室指淡室在淡室回流，浓室在浓室回流，淡室不会与浓室回流。

[0022] 优选地，电渗析膜堆中室内填充离子树脂，以体积计填充率5‑80%。

[0023] 优选地，电渗析膜堆中室内增加双权膜室，按室的数目计双极膜室占比为1‑30%。

[0024] 优选地，选择性除钙中，电渗析膜堆电压的参数控制中，常规除盐电压为0.5V/对，电渗析膜堆电压为常规除盐电压的30‑80%。

[0025] 优选地，选择性除钙中，电渗析膜堆流速的参数控制中，常规除盐流速为0.5米/秒，电渗析膜堆流速为常规除盐流速的30‑170%。

[0026] 优选地，选择性除钙中，电渗析膜堆流速的参数控制中，浓淡室浓差小于1200ppm。

[0027] 优选地，选择性除钙中，电渗析膜堆流速的参数控制中，浓淡室压差控制压差比为0.5‑1.0。

[0028] 优选地，选择性除氟中，电渗析膜堆电压的参数控制中，规除盐电压为0.5V/对，电渗析膜堆电压为常规除盐电压的70‑200%。

[0029] 优选地，选择性除氟中，电渗析膜堆流速的参数控制中，常规除盐流速为0.5米/秒，电渗析膜堆流速为常规除盐流速的110‑190%。

[0030] 优选地，选择性除氟中，电渗析膜堆流速的参数控制中，浓淡室浓差小于2000ppm。

[0031] 优选地，选择性除氟中，电渗析膜堆流速的参数控制中，浓淡室压差控制压差比为1.0‑0.2。

[0032] 本发明公开“集合控制压缩扩散边界层”选择性去除目标离子的电渗析方法与装备，即通过集合控制电渗析膜、电渗析膜堆以及电渗析工艺参数，充分压缩扩散边界层，提高目标离子的竞争性电迁移速率，同时，综合电渗析选择性去除目标离子的初始浓度效应、竞争效应、协同效应以及浓差扩散、压差渗透等影响，系统设计，实现了低成本目标离子的导向性去除，大幅降低水处理成本，提高设备的长效稳定性和操作适用性。

[0033] 优选地，电渗析工艺参数即电渗析工艺（“多场控”：电场、流场、浓差、压差等）。

[0034] 优选地，集合控制压缩扩散边界层的特征为，目标离子选择性去除的集合控制模型选择性分离系数为段、级、场、室、膜五个因素的函数，即K=f(段，级，场，室，膜)，具体函数关系为 ，“膜、段、级”选择性分离系数为加合关系，“室”为幂指数关系，“溶液、工艺、膜级膜堆”为乘积关系。

[0035] 更优选地，电渗析膜包括可控通道膜、压缩扩散边界层膜和普通离子交换膜，电渗析膜孔径小于1微米，电渗析膜的选择性分离系数以计算，控制在‑1至1。电渗析膜的作用为降低扩散边界层电阻，提高目标离子的竞争性电迁移速率。

[0036] 更优选地，电渗析膜堆特征为，至少1段、至少1级、至少1室。

[0037] 更优选地，电渗析膜堆中段为1‑5段，其中，1段和/或2段为高流速（大于0.5米/秒），低电压（小于0.5伏/对），短停留时间（小于3.2秒），主要用于目标选择性去除钙、镁和氯、硫酸、碳酸氢根、硝酸根等大电迁移速率离子，以及目标离子初始浓度高,为10‑2000ppm；2段和/或3段为低流速（小于0.5米/秒），高电压（大于0.5伏/对），长停留时间（1.6‑9.6秒），主要用于目标选择性去除钠和氟等低电迁移速率离子，以及目标离子初始浓度低，为0.5‑10ppm；3段和/或4段为低流速（小于0.5米/秒），高电压（大于0.5伏/对），长停留时间（1.6‑12.8秒），主要用于目标选择性去除重金属和砷等低电迁移速率离子，以及目标离子初始浓度极低，为10‑500ppb；4段和/或5段为高流速（大于0.5米/秒），高电压（大于
0.5伏/对），长停留时间（9.6‑16.0秒），主要用于初始浓度超高（为3000‑40000ppm）的目标离子选择性去除。本发明中上述停留时间无法精确控制，只能控制在一定范围内，在具体使用时，依据具体使用参数，则同一批次的停留时间可认为一致，本发明中在段的处理中，可以将室进行连通循环，因此，时间并不会导致实验结果的差异，另外，“多段”可以采用不对称离子交换膜对数以及不对称流量，膜对数比，1段为1，2‑5段的膜对数比为0.25‑4。本发明的可以选1‑5段中任一数量段，本发明上述描述中，如果段数为1，则表明按1段条件进行控制，如果段数为2，则1段按上述段数为1的使用方式进行控制，2段可按需要选择使用的条件进行控制，如果是3段，则前2段按段数为2的使用方式进行控制，3段可按需要选择使用的条件进行控制，4段、5段的使用，依次按前述段数为3、4的使用方式控制，而最后1段可按需要选择使用的条件进行控制，本发明中每段的条件可以任意应用于所有段中，上述不同条件下对应除去不同离子，对应实际应用中，可以按需使用，具体多段的使用是为了提高目标离子去除率（不同于传统电渗析“多段”是为了增加长停留时间，提高去除率），本发明中多段的使用是在不同段中采用不同的参数，可以不同段中分别除去不同离子。

[0038] 更优选地，电渗析膜堆中多级的特征为，为1‑5级，根据函数关系，依据“多段”数，计算多级控制数，各级电压可一致（节省成
本），也可不一致（提高目标选择性去除效率），级电压比，1段电压为0.1‑2.0V/对，设1段为
1，2‑5段的级电压比为0.3‑3。

[0039] 更优选地，电渗析膜堆中多室的特征为，为1‑5室，阴阳室可以根据目标离子选择性去除原理与效率优化，自由组合，如阴阳，阳阳阴、阴阴阳、阴阴阳阳阳等，各室可以循环回流，各室回流比1‑4，回流比即循环次数；可以在阴阳室填充离子树脂压缩扩散边界层，填充率5‑80%；也可以增加双极膜室，调节pH值压缩扩散边界层，双极膜室的数目占比为1‑30%。

[0040] 更优选地，电渗析工艺的特征为，“多场控制”，即电场、流场、浓差、压差等控制，直接压缩扩散边界层，提高目标离子的竞争性电迁移速率。

[0041] 更优选地，电渗析工艺中电场控制的特征为，电压是目标离子选择性去除效率的控制性因素，控制电渗析膜对电压，充分压缩扩散边界层；目标选择性除硬，相对于常规除盐电压，电压降低，钙离子目标选择性去除效率增加，降低比1.2‑3；目标选择性除氟，相对于常规除盐电压，电压增加，氟离子目标选择性去除效率增加，增加比1.5‑4。

[0042] 更优选地，电渗析工艺中流场控制的特征为，流速是目标离子选择性去除效率为控制性因素，控制电渗析膜堆流速，充分压缩扩散边界层；目标选择性除硬，相对于常规除盐流速，流速增加，钙离子目标选择性去除效率增加，增加比1.1‑2.5；目标选择性除氟，相对于常规除盐流速，流速增加，氟离子目标选择性去除效率增加，但是，敏感性低于除硬，需大幅增加流速，增加比1.5‑6。

[0043] 更优选地，电渗析工艺中浓差控制的特征为，浓淡室浓差扩散为控制性因素，控制电渗析膜堆浓淡室的浓度，充分压缩扩散边界层，控制浓差扩散；目标选择性除硬，钙离子浓度高，高浓差，浓差小于1200ppm应低产水率控制，最高产水率80‑92%；目标选择性除氟，氟离子浓度低，低浓差，浓差小于2000ppm，可高产水率控制，最高产水率可达90‑97%。

[0044] 更优选地，电渗析工艺中压差控制的特征为，浓淡室压差为控制性因素，控制电渗析膜堆浓淡室压力差，充分压缩扩散边界层，控制压差渗透；目标选择性除硬，钙离子浓度高，相对于常规淡浓压差，降低淡浓压差比，压差比为1.0‑0.5；目标选择性除氟，氟离子浓度低，相对于常规淡浓压差，提高淡浓压差比，压差比为1.0‑0.2。

[0045] 本发明中未给出室数目时，均为默认室数目为2。

[0046] 优选地，选择性除硬的电渗析方法中，原水硬度450ppm‑600ppm(以碳酸钙计)，TDS700‑900ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜的选择性分离系数为0.4至0.8，电渗析膜堆为1级1段，电渗析膜对为300对，流速6米/秒，电压45伏，产水率85‑90%，淡浓比0.5‑1.0，=0.7‑0.9，出水硬度170‑450mg/L，TDS500‑700ppm，直接运行成本0.05元/吨元以下，投资1.2万/吨小时以下，清洗周期半年，膜寿命8年以上。

[0047] 优选地，选择性除氟的电渗析方法中，原水氟离子1.2‑2.0ppm，硬度100ppm‑150ppm(以碳酸钙计)，TDS400‑600ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为‑
0.3至0.3，电渗析膜堆为2级2段，电渗析膜对为300对，一段采用的电渗析膜为压缩扩散边界层膜，共180对，电压45伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜，共120对，电压75伏，流速7.5米/秒；产水率90‑97%，淡浓比0.3‑1.0， =
0.3‑0.5，出水氟离子0.4‑0.8ppm，TDS200‑350ppm，直接运行成本0.03元/吨元以下，投资
1.2万万/吨小时以下，清洗周期1年，膜寿命8年以上。

[0048] 优选地，选择性除钙、氟的电渗析方法中，原水氟离子1.2‑2.0ppm，硬度500ppm‑600ppm(以碳酸钙计)，TDS400‑950ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为‑
0.3至0.3，电渗析膜堆为2级2段，电渗析膜对为300对，一段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压65伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压75伏，流速5米/秒；产水率88‑93%，淡浓比0.3‑1.0， =0.3‑
0.5，出水氟离子0.4‑0.8ppm，硬度100ppm‑200ppm(以碳酸钙计)TDS200‑350ppm，直接运行成本0.03元/吨以下，投资1.6万/吨小时以下，清洗周期1年，膜寿命8年以上。

[0049] 优选地，选择性除钙、氟、钠、碳酸氢根的电渗析方法中，原水氟离子1.2‑2.0ppm，硬度500ppm‑600ppm(以碳酸钙计)，TDS1100‑1300ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为‑0.3至0.3，电渗析膜堆为2级2段，电渗析膜对为300对，一段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压65伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对 ，电 压 75 伏 ，流 速 5 米/ 秒 ；产 水 率 88 ‑ 93 % ，淡浓比 0 .3 ‑1 .0 ，=0.3‑0.5，出水氟离子0.4‑0.8ppm，硬度100ppm‑200ppm(以碳酸钙计)TDS200‑350ppm，直接运行成本0.03元/吨以下，投资1.6万/吨小时以下，清洗周期1年，膜寿命8年以上。

[0050] 优选地，选择性除硝的电渗析方法中，原水硝酸盐15‑400ppm，TDS400‑950ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为‑0.3至0.3，电渗析膜堆为1级2段，电渗析膜对为300对，1段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压55伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压55伏，流速5米/秒；产水率90‑97%，淡浓比0.3‑1.0， =0.3‑0.5，出水硝酸盐10ppm以下，直接运行成本
0.03元/吨以下，投资1.6万/吨小时以下，清洗周期1年，膜寿命8年以上。

[0051] 优选地，选择性除砷的电渗析方法中，原水总砷10.0‑50.0ppb，TDS400‑950ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为‑0.3至0.3，电渗析膜堆为2级3段4室，电渗析膜对为300对；第一级中仅一段，段中的室数目为4的循环电渗析膜对，共100对，室由离子交换膜分隔，电压55伏，流速5米/秒；第二级中分二段，第一段中的室数目为4的循环电渗析膜对，共100对，室由离子交换膜分隔，电压55伏，流速5米/秒，第二段中的室数目为4或2的循环电渗析膜对，其中，室数目为2时为普通膜对，普通膜对由离子交换膜分隔，室数目为4室时为特殊膜对，特殊膜对由离子交换膜分隔成2室后，再由双极膜分隔成2室，双极膜分隔成的室数目占 总室数目比3‑10% ，产水率88‑93%，淡浓比0 .3‑1 .0，=0.3‑0.5，出水氟离子0.4‑0.8ppm，硬度100ppm‑200ppm
(以碳酸钙计)TDS200‑350ppm，直接运行成本0.03元/吨以下，投资1.6万/吨小时以下，清洗周期1年，膜寿命8年以上。

[0052] 优选地，选择性除高浓硼的电渗析方法中，原水总硼5.0‑10.0ppm，TDS30000‑45000ppm，电渗析采用普通离子交换膜，电渗析膜堆为3级5段4室，电渗析膜对为300对，每段含有60对膜对；第一级中分2段，每段中室数目均为2的循环电渗析膜对，室由可控通道膜分隔，恒电流2A，流速控制0.5米/秒；第二级中分2段，每段中室数目均为2的循环电渗析膜对，室由可控通道膜分隔，恒电流1.3A，流速控制0.5米/秒，第三级中仅一段，段中分4室或2室的膜对，其中，室数目为2时为普通膜对，普通膜对由离子交换膜分隔，室数目为4室时为特殊膜对，特殊膜对由离子交换膜分隔成2室后，再由双极膜分隔成2室，双极膜分隔成的室数目占总室数目比3‑10%，本级恒压0.5伏，出水总硼4.5ppm以下，TDS500ppm以下，硬度选择性分离系数0.9以上，直接运行成本0.05元以下，投资1.2万以下，清洗周期半年，膜寿命8年以上。

[0053] 本发明通过集合控制电渗析膜、电渗析膜堆以及电渗析工艺参数，充分压缩扩散边界层，提高目标离子的竞争性电迁移速率，同时，综合电渗析选择性去除目标离子的初始浓度效应、竞争效应、协同效应以及浓差扩散、压差渗透等影响，进行系统设计，因而具有如下有益效果：本发明公开了特定电渗析膜堆的级、段、室的使用方式，通过对级、段、室的排布，达到优异的分离性能，分离系数K值为0.3‑0.5；本发明实现了低成本目标离子的导向性去除，大幅降低水处理成本，提高设备的长效稳定性和操作适用性；本发明所使用的材料都是本领域中常用的材料，通过特定组装方式，及特定条件，对特定离子可以达到好的去除效果，并且有成本优势。因此，本发明是一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法。

附图说明

[0054] 图1为离子初始浓度对膜电阻影响情况图；

[0055] 图2为电渗析原理图；

[0056] 图3为电渗析膜堆级、段组装方式示意图；

[0057] 图4为电渗析膜堆中膜对示意图；

[0058] 图5为电渗析膜堆中室循环回流示意图；

[0059] 图6为两级两段两室电渗析膜堆示意图；

[0060] 图7为两级三段四室电渗析膜堆示意图；

[0061] 图8为三级五段四室电渗析膜堆示意图。

具体实施方式

[0062] 以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

[0063] 本发明方法中使用的电渗析原理如图2所示，公开本发明方法对目标离子选择性去除的选择性分离系数的函数关系，如下所示： 。

[0064] 本发明中电渗析膜堆级、段组装方式如图3所示，本发明图3仅作为对级、段的演示，帮助理解，不构成对本发明的限制。

[0065] 本发明中电渗析膜堆中膜对如图4所示，由电渗析膜组成电渗析膜对，重复循环。本发明图4仅作为对膜对的演示，帮助理解，不构成对本发明的限制。

[0066] 本发明中电渗析膜堆中室循环回流如图5所示，各同一室可以循环回流，各同一室回流比1‑4。同一室指淡室在淡室回流，浓室在浓室回流，淡室不会与浓室回流。示意图为一种确定的实施方式，帮助理解，不构成对本发明的限制。

[0067] 本发明使用的两级两段两室电渗析膜堆如图6所示，由2阳极1阴极构成，并包含有阳离子交换膜和阴离子交换膜，以及由离子交换膜分隔而成的室。示意图为一种确定的实施方式，帮助理解，不构成对本发明的限制。

[0068] 本发明使用的两级三段四室电渗析膜堆如图7所示，由2阳极1阴极构成，并包含有阳离子交换膜和阴离子交换膜、双极膜，以及由离子交换膜分隔而成的室。示意图为一种确定的实施方式，帮助理解，不构成对本发明的限制。

[0069] 本发明使用的三级五段四室电渗析膜堆如图8所示，由2阳极2阴极构成，并包含有阳离子交换膜和阴离子交换膜、双极膜、低渗阴阳离子交换膜、倒向膜，以及由离子交换膜分隔而成的室，其中低渗阴阳离子交换膜即为可控通道膜，倒向膜作为同一级中段的分隔膜。示意图为一种确定的实施方式，帮助理解，不构成对本发明的限制。

[0070] 实施例1：

[0071] 一种用于饮用水目标离子选择性除硬的电渗析方法，

[0072] 原水硬度600ppm(以碳酸钙计)，TDS900ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜的选择性分离系数为0.8，电渗析膜堆为1级1段，电渗析膜对为300对，电渗析膜为离子交换膜，流速6米/秒，电压45伏，产水率90%，淡浓比1.0， =0.9，出水硬度300mg/L，TDS500ppm，直接运行成本0.05元/吨元，投资1.2万/吨小时，清洗周期半年，膜寿命8年。

[0073] 实施例2：

[0074] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0075] 原水氟离子2.0ppm，硬度150ppm(以碳酸钙计)，TDS600ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为0.3，电渗析膜堆为2级2段，电渗析膜对为300对，一段采用的电渗析膜为压缩扩散边界层膜，共180对，电压45伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜，共120对，电压75伏，流速7 .5米/秒；产水率97%，淡浓比1 .0，=0.5，出水氟离子0.8ppm，TDS350ppm，直接运行成本0.03
元/吨元，投资1.2万万/吨小时，清洗周期1年，膜寿命8年。

[0076] 实施例3：

[0077] 一种用于饮用水目标离子选择性除钙、氟的电渗析方法，

[0078] 原水氟离子2.0ppm，硬度600ppm(以碳酸钙计)，TDS950ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为0.3，电渗析膜堆为2级2段，电渗析膜对为300对，一段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压65伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压75伏，流速5米/秒；产水率93%，淡浓比1.0，=0.5，出水氟离子0.8ppm，硬度200ppm(以碳酸钙计)TDS350ppm，直接运行成本0.03元/吨，投资1.6万/吨小时，清洗周期1年，膜寿命8年。

[0079] 实施例4：

[0080] 一种用于饮用水目标离子选择性除钙、氟、钠、碳酸氢根的电渗析方法，[0081] 原水氟离子2.0ppm，硬度600ppm(以碳酸钙计)，TDS1300ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为0.3，电渗析膜堆为2级2段，电渗析膜对为300对，一段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压65伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜 ，共1 50对 ，电 压75伏 ，流速5米/ 秒；产水率 93% ，淡 浓比 1 .0 ，=0.5，出水氟离子0.8ppm，硬度200ppm(以碳酸钙计)TDS350ppm，直接运行成本0.03元/吨，投资1.6万/吨小时，清洗周期1年，膜寿命8年。

[0082] 实施例5：

[0083] 一种用于饮用水目标离子选择性除硝的电渗析方法，

[0084] 原水硝酸盐400ppm，TDS950ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为0.3，电渗析膜堆为1级2段，电渗析膜对为300对，1段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压55伏，流速5米/秒，二段采用的电渗析膜为离子交换膜，共150对，电压55伏，流速5米/秒；产水率97%，淡浓比1.0， =0.5，出水硝酸盐10ppm
以下，直接运行成本0.03元/吨，投资1.6万/吨小时，清洗周期1年，膜寿命8年。

[0085] 实施例6：

[0086] 一种用于饮用水目标离子选择性除砷的电渗析方法，

[0087] 原水总砷50.0ppb，TDS950ppm，电渗析采用电渗析膜，电渗析膜选择性分离系数为0.3，电渗析膜堆为2级3段4室，电渗析膜对为300对；第一级中仅一段，段中的室数目为4的循环电渗析膜对，共100对，室由离子交换膜分隔，电压55伏，流速5米/秒；第二级中分二段，第一段中的室数目为4的循环电渗析膜对，共100对，室由离子交换膜分隔，电压55伏，流速5米/秒，第二段中的室数目为4或2的循环电渗析膜对，其中，室数目为2时为普通膜对，普通膜对由离子交换膜分隔，室数目为4室时为特殊膜对，特殊膜对由离子交换膜分隔成2室后，再由双极膜分隔成2室，双极膜分隔成的室数目占总室数目比10%，产水率93%，淡浓比1.0，=0.5，出水氟离子0.8ppm，硬度200ppm(以碳酸钙计)
TDS350ppm，直接运行成本0.03元/吨，投资1.6万/吨小时，清洗周期1年，膜寿命8年。

[0088] 实施例7：

[0089] 一种用于饮用水目标离子选择性除高浓硼的电渗析方法，

[0090] 原水总硼10.0ppm，TDS45000ppm，电渗析采用普通离子交换膜，电渗析膜堆为3级5段4室，电渗析膜对为300对，每段含有60对膜对；第一级中分2段，每段中室数目均为2的循环电渗析膜对，室由可控通道膜分隔，恒电流2A，流速控制0.5米/秒；第二级中分2段，每段中室数目均为2的循环电渗析膜对，室由可控通道膜分隔，恒电流1.3A，流速控制0.5米/秒，第三级中仅一段，段中分4室或2室的膜对，其中，室数目为2时为普通膜对，普通膜对由离子交换膜分隔，室数目为4室时为特殊膜对，特殊膜对由离子交换膜分隔成2室后，再由双极膜分隔成2室，双极膜分隔成的室数目占总室数目比3‑10%，本级恒压0.5伏，出水总硼4.5ppm以下，TDS500ppm以下，硬度选择性分离系数0.9，直接运行成本0.05元，投资1.2万，清洗周期半年，膜寿命8年。可控通道膜为低渗阴阳离子交换膜。

[0091] 实施例8：

[0092] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0093] 在装置的各个水箱中分别加入各自对应的溶液，其中：极室水箱中加入2L浓度为0.1mol/L的硫酸钠溶液；浓缩室水箱和淡化室水箱通入相同浓度的模拟地下水溶液5L，其中以氯化钠和氟化钠为研究对象，氯化钠浓度设置为500ppm，氟化钠浓度分别设置为2ppm。

[0094] 接着开启每个水箱对应的循环泵，即开启设置在连接各个水箱与膜堆中彼此对应的隔室的导管上的循环泵，调节相应的循环流速，各个水箱内溶液的流速均控制为6L/h。

[0095] 然后再开启直流电源（电源负极与膜堆阴极相连，电源正极与膜堆阳极相连，如图1），恒定电压状态下，电压控制在10V。

[0096] 本实施例中采用的膜堆是以9张离子交换膜（电极膜、阴离子交换膜、阳离子交换2
膜）为1组、共3组构成，每张膜的有效面积110mm×270mm=29700mm。

[0097] 运转期间采用电导率分析仪器实时测定浓淡室水箱内的电导率，观察到电导率趋于稳定时，视为反应终点，停止处理，关闭电源。

[0098] 实施例9：

[0099] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0100] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于，氟化钠浓度分别设置为4ppm。

[0101] 实施例10：

[0102] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0103] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于，氟化钠浓度分别设置为6ppm。

[0104] 实施例11：

[0105] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0106] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于，氟化钠浓度分别设置为8ppm。

[0107] 实施例12：

[0108] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0109] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于，氟化钠浓度分别设置为10ppm。

[0110] 实施例13：

[0111] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0112] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0113] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为5V；进水流量为12L/h。

[0114] 实施例14：

[0115] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0116] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0117] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为10V；进水流量为12L/h。

[0118] 实施例15：

[0119] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0120] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0121] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为15V；进水流量为12L/h。

[0122] 实施例16：

[0123] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0124] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0125] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为20V；进水流量为12L/h。

[0126] 实施例17：

[0127] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0128] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0129] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为25V；进水流量为12L/h。

[0130] 实施例18：

[0131] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0132] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0133] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为30V；进水流量为12L/h。

[0134] 实施例19：

[0135] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0136] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0137] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为15V；进水流量为6L/h。

[0138] 实施例20：

[0139] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0140] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0141] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为15V；进水流量为12L/h。

[0142] 实施例21：

[0143] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0144] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0145] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为15V；进水流量为18L/h。

[0146] 实施例22：

[0147] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0148] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0149] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为15V；进水流量为24L/h。

[0150] 实施例23：

[0151] 一种用于饮用水目标离子选择性除氟的电渗析方法，

[0152] 本实施例与实施例8相比，不同之处仅在于以下方面：

[0153] 氟化钠浓度分别设置为3ppm；电场强度为15V；进水流量为30L/h。

[0154] 试验例：

[0155] 1.不同初始氟浓度对除氟的影响

[0156] 分别分析、测定、记录实施例8‑12中淡室水箱中氟化钠和氯化钠浓度。

[0157] 按照以下公式计算电渗析中氟离子选择性分离效率：

[0158]

[0159] 式中：A为氟离子，B为氯离子， 为氟离子和氯离子之间的选择性分离效率，为t时刻氟离子浓度， 为初始氟离子浓度， 为t时刻氯离子浓度，为初始氯离子浓度；S取值范围为‑1‑1，取决于氟离子和氯离子的传质速率，如果氟离子传质速率快于氯离子，则S值在‑1‑0之间，反之，S值在0‑1之间。

[0160] 淡室水箱中氯化钠和氟化钠的浓度采用离子色谱仪分析，测定结果如表1所示：

[0161] 表1基于不同初始浓度的导向型电渗析处理后出水离子浓度

[0162]

[0163] 电渗析中氟离子选择性分离效果如表1所示，每组水样中氟离子和氯离子浓度均可达到世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准呢限值以下，且提高模拟水样中初始氟离子浓度对电渗析中氟离子选择性分离效率具有一定的促进作用，但影响较小。经过对离子交换膜表面的扩散边界层电阻进行解析发现当离子浓度低时，扩散边界层电阻RDBL为膜电阻的主要控制因素，但是2‑10ppm的浓度变化对RDBL影响较为微弱，因此氟离子选择性分离效率随浓度变化不明显。

[0164] 2.不同电压对除氟的影响

[0165] 实施例13‑18的测定结果如表2所示：

[0166] 表2基于不同电场的导向型电渗析处理后出水离子浓度

[0167]

[0168] 电渗析中氟离子选择性分离效果如表2所示，每组水样中氟离子和氯离子浓度均可达到世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准呢限值以下，且提高外加电场强度可以很好的提高氟离子的选择性分离效率。经过对离子交换膜表面的扩散边界层电阻进行解析发现增加电场强度时，压缩了DBL的厚度，RDBL大幅度减小，因此，氟离子选择性分离效率明显提高。

[0169] 3.不同进水流速对除氟的影响

[0170] 实施例19‑23的测定结果如表3所示：

[0171] 表3基于不同电场的导向型电渗析处理后出水离子浓度

[0172]

[0173] 电渗析中氟离子选择性分离效果如表3所示，每组水样中氟离子和氯离子浓度均可达到世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准呢限值以下，且提高进水流速可以很好的提高氟离子的选择性分离效率。经过对离子交换膜表面的扩散边界层电阻进行解析发现增加进水流速时，削减了DBL的厚度，RDBL大幅度减小，因此，氟离子选择性分离效率随流速增大明显提高。

[0174] 本发明多参数控制的导向型除氟电渗析应用于饮用水处理过程，既可以实现饮用水中个离子组分符合WHO规定的标准，又能实现水溶液中氟离子的竞争性迁移分离。

[0175] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。