一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺技术方案

本发明专利技术属于水处理技术领域，尤其涉及一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺。本发明专利技术通过系统内循环方式实现将塞流式反应器(PFA)转化为连续搅拌反应器系统(CSTR)实现阴阳离子交换剂通过二氧化碳气体(包括但不限于工业生产的高纯度二氧化碳、工业废气、燃烧废气和大气中补集并收集的二氧化碳、干冰、液体二氧化碳等)的高效再生技术。该方法成功实现低压二氧化碳气体对阴阳离子交换剂的同时再生，并且将再生时间从固定床系统(PFA)的15个小时降低至90分钟，将再生效率比固定床系统提升三倍以上，再生压力降低30％。该工艺使利用工业排放的低纯度(30‑50％)二氧化碳废气进行水体脱盐成为可能，且同时实现40％的碳减排。

【技术实现步骤摘要】
一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺
本专利技术属于水处理
，尤其涉及一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺。
技术介绍
由于全球水资源短缺的形式越来越严峻，以及全球气候变暖对碳排放的要求越来越严格，越来越多的研究团队开始致力于水质提升、污水回用和碳减排的研究。其中，一部分研究者提出通过向海水中加入氨水并吸收二氧化碳废气，生产氯化铵和碳酸钠两种产品，并同时实现海水或苦咸水脱盐。然而，该工艺成本高，而且处理过程中需要加入氨水，提高了处理风险。另外，现有的研究中出现了一次性通过二氧化碳再生系统的研究，提出了使用二氧化碳进行再生从而达到水体脱盐和去除污染物的思路。但是现有技术中的该工艺具有以下缺点：(1)耗时长，超过15个小时的再生时间；(2)能耗高，需要提供二氧化碳分压为15到25公斤；(3)对设备要求严格，且其二氧化碳消耗量大(30kg/方产水)；(4)利用效率低下，利用率仅为7％，超过80％的二氧化碳重新释放排入大气。
技术实现思路
为解决上述现有技术中存在的高成本、高能耗、低效率、低运行时长、低产水率、长再生时间等问题，本专利技术提出了水质提升、污水回用和碳减排的新思路，提供一种新型二氧化碳驱动的水体脱盐工艺。本专利技术针对一次性通过二氧化碳再生系统进行进一步的系统改进和升级，利用新型树脂与树脂组合提升再生效率，利用封闭系统降低二氧化碳排放，利用二氧化碳内循环工艺提高再生过程中二氧化碳的利用效率，使该技术能够符合目前的环境和市场需求，同时实现污水处理、水质提升和碳减排的目标，为生活污水、中水回用提供了低成本、低污染的应用工艺。本专利技术通过再生水内循环系统，成功将单次再生废液再次通入二氧化碳气体并加压，使原本的单次通过塞流式反应器(PFR)转型为连续搅拌反应器系统(CSTR)，从而延长了再生的接触时间，提高了再生效率，减少了二氧化碳用量。不同于传统PFR工艺中离子交换发生在再生液与再生废液的界面上，CSTR反应器中的离子交换剂均充分与再生液接触，极大的提高了再生效率，使得反应器内的材料与再生液整体达到共平衡状态。并且，由于再生过程中使用封闭系统，二氧化碳不再随再生进行而持续排放。在产水循环中，该脱盐系统能够重新切换为塞流式反应器，提升产水水质，增加处理效率。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，包括二氧化碳溶解罐、阳离子交换剂罐和阴离子交换剂罐；所述二氧化碳溶解罐上设置有二氧化碳进气口；所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道依次与阳离子交换剂罐、阴离子交换剂罐串联，所述连接管道上设置有内循环泵；所述阴离子交换剂罐的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。优选的，所述二氧化碳溶解罐的二氧化碳进气口通过进气管道与二氧化碳气瓶连接，所述进气管道上设置有压力表，所述二氧化碳溶解罐内设置有二氧化碳布气板，用于均匀分布二氧化碳气体，促进气体溶解并转化为碳酸。优选的，所述系统为上流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐顶部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。优选的，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的进水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。优选的，所述系统为下流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐底部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐底部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。优选的，所述阴离子交换剂罐顶部的进水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的出水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。优选的，所述连接管道和所述内循环管道上均设置有取样口，且取样口处均设置有取样口阀门。本专利技术还提供了一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换工艺，所述工艺利用上述任一所述的系统进行，包括内循环再生步骤和水体净化步骤；所述内循环再生步骤具体包括如下步骤：(1)针对阳离子交换树脂(包括强酸性、弱酸性)的pKa值和实际测量的ζ电位，根据亨利定律计算所需的二氧化碳气体压力：CO2(aq)+H2O→H2CO3(aq)(对于纯度较低的二氧化碳气体则为二氧化碳分压)并与实验结果对比以确定最佳运行压力；(2)根据阳离子交换剂(包括强酸性、弱酸性)的再生性能测试计算连续搅拌系统中所需的总补充水体积：V循环水体积＝V管道水+V罐内空腔+V树脂间隙水+V树脂孔隙水；(3)将系统切换至内循环再生模式；(4)通过内循环泵将循环液体流速调整至2-15阴离子交换剂床体/小时；(5)通过与二氧化碳溶解罐连接的二氧化碳气瓶对封闭系统加压至2-15公斤(二氧化碳分压)；(6)封闭系统循环15-120分钟达到阴阳离子交换剂同时再生的效果；(7)缓慢释放并收集多余的二氧化碳气体并将封闭系统泄压至常压；(8)将阴离子交换剂罐与阳离子交换剂罐依次连接以进行下一循环的脱盐处理。优选的，所述系统为上流系统时，所述水体净化步骤具体包括如下步骤：(1)关闭与阴离子交换剂罐顶部的出水口连接的内循环管道上的阀门，关闭与阳离子交换剂罐底部的进水口连接的连接管道上的阀门，将分支管道上的阀门打开，将系统切换至水体脱盐净化模式；(2)从与阴离子交换剂罐顶部的出水口连接的分支管道上通入待处理水体；(3)从与阳离子交换剂罐底部的进水口连接的分支管道上收集处理后水体；(4)待收集的处理后水体达到/超过用水标准时停止产水，系统进入内循环再生模式。优选的，所述系统为下流系统时，所述水体净化步骤具体包括如下步骤：(1)关闭与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接的内循环管道上的阀门，关闭与阳离子交换剂罐底部的出水口连接的连接管道上的阀门，将分支管道上的阀门打开，将系统切换至水体脱盐净化模式；(2)从与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接的分支管道上通入待处理水体；(3)从与阳离子交换剂罐底部的出水口连接的分支管道上收集处理后水体；(4)待收集的处理后水体达到/超过用水标准时停止产水，系统进入内循环再生模式。优选的，其中所需的阳离子交换剂包括但不限于强酸性阳离子交换纤维、弱酸性阳离子交换纤维、强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂、强酸性潜壳离子交本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于：包括二氧化碳溶解罐、阳离子交换剂罐和阴离子交换剂罐；所述二氧化碳溶解罐上设置有二氧化碳进气口；所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道依次与阳离子交换剂罐、阴离子交换剂罐串联，所述连接管道上设置有内循环泵；所述阴离子交换剂罐的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于：包括二氧化碳溶解罐、阳离子交换剂罐和阴离子交换剂罐；所述二氧化碳溶解罐上设置有二氧化碳进气口；所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道依次与阳离子交换剂罐、阴离子交换剂罐串联，所述连接管道上设置有内循环泵；所述阴离子交换剂罐的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。


2.根据权利要求1所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述二氧化碳溶解罐的二氧化碳进气口通过进气管道与二氧化碳气瓶连接，所述进气管道上设置有压力表和阀门，所述二氧化碳溶解罐内设置有二氧化碳布气板。


3.根据权利要求1所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述系统为上流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐顶部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。


4.根据权利要求3所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的进水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。


5.根据权利要求1所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述系统为下流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐底部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐底部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。


6.根据权利要求5所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述阴离子交换剂罐顶部的进水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的出水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。


7.一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换工艺，其特征在于，所述工艺利用权利要求1-6任一所述的系统进行，包括内循环再生步骤和水体净化步骤；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金泽，卜庆伟，
申请(专利权)人：山东金泽水业科技有限公司，山东省水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：山东;37