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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%，極大提高了裝置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、***電極或鈦**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、串聯或串並複合連線，且在陰極室出水口的彙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2023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汙染、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。用於冷卻迴圈水的除垢防垢領域，與以往傳統的化學加藥方法以及電磁技術、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。
現有的電化學裝置主要用於冷卻迴圈水的除垢防垢領域，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裝置進行了相應的優化設計，其創新點在於充分優化電化學裝置內部結構，擴大陰極面積，簡化操作，提高裝置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新增絮凝劑造成二次汙染及處理成本的增加，另外其裝置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迴圈部分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線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汙染，減少了工序步驟，而且時間上也快很多，投資少、裝置佔用空間也少，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汙染，減少了工序步驟，而且時間上也快很多，投資少、裝置佔用空間也少，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、***電極或鈦**屬氧化物電極中的一種;所述的陰極板為不鏽鋼、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、串聯或串並複合連線，且在陰極室出水口的彙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，避免了二次汙染，減少了工序步驟，具有軟化效率稿，投資少、裝置佔用空間少，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」，無色環保無汙染。
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