CN101337717B - 一种高效率节能型隔膜电容去离子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电容去离子装置技术领域，具体的说是一种高效率节能型隔膜电容去离子装置，其特征在于：在隔板(1)与电极(3)之间加入离子交换膜(2)，所述的上下支撑板(6)上均设有水口(7)，上下两个水口的位置相错排列。本发明同现有技术相比，采用致密多孔的碳基材料作为电容去离子电极，并加入离子交换膜，使器件薄而轻，结构得以优化，提高了吸附的性能，降低了电极工作时所加电压，从而大大降低了器件的能耗以及制造和使用成本，离子吸附效率高、稳定性好、寿命长、功耗低、响应速度快和可重复使用等。
Description
[技术领域]
本发明涉及电容去离子装置技术领域，具体的说是一种高效率节能型隔膜电容去离子装置。
背景技术
全球淡水资源的缺乏和人口不断增长使得人类对水的需求与日俱增，而对那些位于干旱地区的城市来说，这种需求尤为迫切。然而对于如何利用地球上五分之四面积的海洋及湖泊水，至今仍然没有能得到彻底解决。主要是海洋、湖泊和河流中的天然水含有各种病原微生物和有毒有机物、固体悬浮物、重金属和许多无机盐类。即使从自来水厂出厂的自来水，由于管道污染，到了用户那里也受到不同程度的污染。为了净化这些水体，必须进行杀菌消毒、过滤固体悬浮物和脱盐处理，同时人们还要考虑它的经济成本和社会成本。
在社会效益和经济效益最大化的要求下，各种新型的、改良的高效的水处理技术应运而生。目前，去除固体悬浮物和杀菌消毒已经有十分成熟的技术，但是广泛使用的脱盐技术还存在很大的缺点，例如，闪蒸能耗大；离子交换和反渗透技术需要昂贵的再生工艺，而且再生过程中会带来二次污染；电渗析系统虽然得到商业化，但是由于使用的电压非常高，所以比较耗电，同时由于电解水还会产生大量的气体。社会的进步和能源的缺乏使得人们在评价脱盐技术时越来越考虑成本和效率的因素，为此非常需要开发一种节能环保的净化水技术。
作为一种新型节能的水处理技术，电容去离子(Capacitive Deionizaiton，CDI)技术采用比表面积较大的材料作为电容器的电极，当电容器充电并且电极极化时，会在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层，尽管双电层的厚度只有1～10nm，却能吸引大量的电解质离子，并储存一定的能量。在实际使用时，外加电压控制在电极表面不发生电解水(电压低于1.2V)的状态，因此工作电压很低，相比电渗析非常节能。而且，电容去离子系统与离子交换树脂不同，它的再生不需要使用任何酸、碱和盐溶液，只需通过电极的放电完成，因此不会有额外的废物产生，也就没有污染；另外同蒸发这种热过程相比，电容去离子具有更高的能量利用率。
传统的电容去离子单元主要由成对的电极，如多孔活性碳、碳气凝胶或碳纳米管及纤维，通过在电极的两端加上静电场吸附溶液中的离子，当电极饱和时，将电极短接或者加上反向的电压进行再生。但是在再生过程中，阳极表面阴离子的脱附和阳离子的吸附及阴极表面阳离子的脱附和阴离子的吸附同时存在，从而会严重影响再生后电极的电吸附能力。
[发明内容]
本发明的目的是设计克服现有技术的不足，在电容去离子系统中加入离子交换膜，由于离子交换膜对离子选择性透过，在阳极加上阴离子交换膜和阴极表面加上阳离子交换膜后，能有效遏制再生过程中阳离子在阳极和阴离子在阴极的吸附，从而显著提高电极的去离子能力。
为实现上述目的，设计一种高效率节能型隔膜电容去离子装置，主要由一个或多个通液型电容器单元组成，其中，
一、通液型电容器单元的基本组成：
主要在隔板1两侧成对的排列离子交换膜2、多孔活性电极3、导电基体4、电极引线5、支撑板6组成，上下的支撑板上设通水口7方便水的进出，上、下两个通水口相错排列。
隔板1为有机或无机织造布或者非织造布，能让液体自由流过，并且是电绝缘的，例如多孔聚合物(聚丙烯纤维)模板、尼龙纤维、丙纶纤维，也可以采用纸质隔膜作为隔板材料，每层隔板的厚度为0.01～0.5mm。
离子交换膜2是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，因一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜，离子交换膜可制成均相膜或非均相膜两类。其中，均相膜，先用高分子材料如丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈等制成膜，然后引入单体如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等，在膜内聚合成高分子，再通过化学反应引入所需功能基，也可通过甲醛、苯酚等单体聚合制得；非均相膜，选用粒度为200～400目的离子交换树脂和普通成膜性高分子材料如聚苯乙烯、聚氯乙烯等充分混合后加工成膜制得，为免失水干燥而变脆破裂，须保存在水中。
电极为多孔活性电极，主要采用多孔的碳基材料，它可以为活性碳、碳纤维、碳气凝胶或碳纳米管薄膜等。
导电基体采用导电性能良好、耐化学和电化学腐蚀的材料，如石墨片、碳纤维、不锈钢片，钛片等，导电基体的厚度为0.1～1mm。
电极引线采用导电性能良好、耐化学和电化学腐蚀的材料，如石 墨片、碳纤维、不锈钢片，钛片等。
支撑板采用硬质的、不易变形的、机械强度较大的平板，如ABS塑料板，或有机玻璃板等，厚度在2～10mm为宜。
二、通液型电容器的装配：
一个通液型电容器单元各个部件的排列顺序为：支撑板6/电极引线5/导电基体4/电极3/离子交换膜2/隔板1/离子交换膜2/电极3/导电基体4/电极引线5/支撑板6。
实际的电容器使用很多电容器单元，则电容器部件的排列顺序为6/[5/4/3/2/1/2/3/4/5]n/6，n为单元个数。
电极引线5固定在导电基体与支撑板之间。支撑板6应配有通水口以及装配螺钉的螺口。每个电容器单元的支撑板两个通水口7相对排列，这样使得水在电容器中沿曲折路线流动，有效提高吸收效率。
在电容器单元中，电极3和隔板1外侧边缘均放置硅橡胶垫圈，硅橡胶垫圈用于密封水，硅橡胶垫圈和支撑板6上的紧固螺丝将保证整个单元水密封良好。
三、通液方式：
采用恒流泵使水循环通过电容器，同时通电去离子，当水的电导率下降到一定范围后，可以将水通过阀门引出。
我们将加入离子交换膜的电容去离子系统称为隔膜电容去离子(Membrane Capacitive Deionizaiton，MCDI)系统。
本发明与现有技术相比，采用致密多孔的碳基材料作为电容去离子电极，并加入离子交换膜，使器件薄而轻，结构得以优化，提高了吸附的性能，降低了电极工作时所加电压，从而大大降低了器件的能 耗以及制造和使用成本，离子吸附效率高、稳定性好、寿命长、功耗低、响应速度快和可重复使用等。
[附图说明]
图1为本发明实施例中通液型电容器单元主要部件分离图。
图2为本发明实施例中在导电基体表面生长电极的示意图，其中(a)为剖面示意图，(b)为俯视图。
图3为采用一对多孔碳基材料电极的MCDI装置与不加离子交换膜的一对和十对多孔碳基材料电极CDI装置对低浓度低浓度NaCl溶液的吸附能力的比较。
图4为本发明中采用一对多孔碳基材料电极的MCDI装置与不加离子交换膜的一对和十对多孔碳基材料电极CDI装置对高浓度低浓度NaCl溶液的吸附能力的比较。
指定图1为摘要附图。
参见图1和图2，其中，1为隔板；2为离子交换膜；3为电极；4为导电基体；5为电极引线；6为支撑板；7为通水口。
[具体实施方式]
下面对本发明作进一步说明，本工艺技术对本专业的人米说还是比较清楚的。
实施例1
一个隔膜去离子电容器单元，采用100mm×100mm的方形石墨片作为导电基体4，石墨片厚度为0.3mm，其表面钻有直径为6mm的孔，以便让水通过，用丙酮清洗石墨片的表面，然后用磁控溅射的方法在其 表面制备一层镍金属催化剂层，接着利用低压化学气相沉积设备在其表面生长碳纳米管-碳纤维薄膜作为电极3，乙炔与氢气流量分别为40sccm和200sccm，生长温度为550℃，生长时间为30分钟；
电极引线5采用碳纤维丝；采用丙纶布作为隔板1，厚度为0.2mm；支撑板6为有机玻璃板，厚度为5mm；单元中采用异相离子交换膜2。
实施例2
一个隔膜去离子电容器单元，电极为100mm×200mm的碳气凝胶，厚度为0.5mm，其表面钻有直径为8mm的孔，以便让水通过，碳气凝胶采用以下方法制得：将间苯二酚和甲醛以1∶2的摩尔比混合，加入二次去离子水作为溶剂并调节其质量百分数，用Na2CO3作催化剂，充分搅拌，使溶液混合均匀，将混合液移至密闭容器内，室温下放置一天后移放入恒温箱，于(85±3)℃下，经几天反应，生成红色的RF气凝胶。将气凝胶切成柱状，在适宜的有机溶剂中浸泡几小时，更换几次有机溶剂，以偏将气凝胶中的水分替换完全。将浸泡过的气凝胶在空气中干燥几天即得到具有连续网络结构的RF气凝胶。在惰性气体保护下，将干燥后的RF气凝胶升温到1000℃左右，维持数小时，使气凝胶均匀碳化为黑色碳气凝胶；
电极引线5采用碳纤维丝；采用尼龙纤维作为隔板1，厚度为0.3mm；支撑板6为有机玻璃板，厚度为7mm；单元中采用均相离子交换膜2。
Claims (9)
1.一种高效隔膜电容去离子装置，由一个或多个通液型电容器单元组成的通液型电容器组成，其中，一个通液型电容器单元由隔板(1)上下两端分别依次对称排列表面设孔电极(3)、表面设孔的导电基体(4)、电极引线(5)、表面设孔的支撑板(6)组成，多个通液型电容器单元组成的电容器的部件的排列顺序为：(6)/[(5)/(4)/(3)/(2)/(1)/(2)/(3)/(4)/(5)]n/(6)，n为单元个数，其特征在于：
在隔板(1)与电极(3)之间加入离子交换膜(2)，所述的上下支撑板(6)上均设有水口(7)，上下两个水口的位置相错排列。
2.如权利要求1所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的电极采用活性碳或碳纤维或碳气凝胶或碳纳米管，电极的边缘设有硅橡胶垫圈。
3.如权利要求1所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的离子交换膜(2)为含离子基团的对溶液里的离子具有选择透过能力的均相膜或非均膜。
4.如权利要求1所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的隔板(1)采用液体能自由流过的电绝缘的纸质隔膜或有机或无机织造布或者非织造布，每层隔板的厚度为0.01～0.5mm，隔板的边缘设有硅橡胶垫圈。
5.如权利要求1所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的导电基体(4)采用厚度为0.2～1mm的导电性能良好、耐化学和电化学腐蚀的石墨片或碳纤维或不锈钢片或钛片。
6.如权利要求1所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的电极引线(5)采用导电性能良好、耐化学和电化学腐蚀的石墨片或碳纤维或不锈钢片或钛片。
7.如权利要求1所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的支撑板(7)采用具有机械强度的塑料板或有机玻璃板，厚度在2～10mm。
8.如权利要求3所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的均相膜主要是在丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯或聚丙烯腈单体中加入苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯单体聚合成膜，或采用甲醛或苯酚单体聚合制得。
9.如权利要求3所述的一种高效隔膜电容去离子装置，其特征在于：所述的非均相膜是由离子交换树脂与聚苯乙烯或聚氯乙烯混合成膜。
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