CN102211803A - 电吸附水基溶液离子分离装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电吸附水基溶液离子分离装置，设有直流电源、复合吸附单元，该复合吸附单元为一个或多个，每个复合吸附单元设有电极板分别与直流电源连接，构成正、负电极板；在正、负电极板的内侧分别设有阴、阳离子交换树脂层，在阴、阳离子交换树脂层的内侧，分别设有阴、阳离子交换膜，并且在阴、阳离子交换膜中间设有容留处理后的水基溶液的通道；该通道的两端分别与进口管和出口管连通，出口管通过两个电控阀门分别与浓液出液管和淡液出液管连通，进口管通过电控阀门与要处理的水基溶液进液管连通。还可以设置PLC控制器进行自动控制。本发明适用于海水、苦咸水的淡化和各水基溶液的离子分离，结构完善，控制灵活，效率高，节能环保。

Description

电吸附水基溶液离子分离装置及运行方法

技术领域

本发明属于水基溶液中离子分离技术领域，特别涉及一种利用电吸附和离子交换方法进行离子分离的装置和运行方法。

背景技术

目前，水基电解质溶液的离子分离和浓缩主要有反渗透法、蒸馏法和电渗析法等工艺。当溶液离子浓度高时，系统渗透压大，用反渗透方法处理时就需更大的操作压力，即使使用能量回收装置耗电量也很大；蒸馏法中淡化中多级闪蒸、多效蒸馏则需蒸汽为动力源，主要应用于有发电乏汽或废热提供原始蒸汽的条件下，同时，为了得到较高回收率和浓缩比，必须要有较多的闪蒸级数和效数，有些电解质对设备的腐蚀性很大，选材要求高，直接增加成本；电渗析方法极板间有氧化还原电流产生，耗电量大，并且，浓缩倍数不能过高。

近年来，电吸附脱盐技术受到越来越多的关注，其基本原理为：离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层中，直至电极达到饱和。此时，将直流电源去掉，并将正负电极短接，由于直流电场的消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。美国专利US5192432、US5336274、US7583494B、中国专利CN1328182C和CN1169728C等提到电吸附除盐技术，他们主要关注电极板本身的物理特性，只有当电极板具有较高的比表面时，即在通电和电解液存在情况下，电极表现出较大的吸附电容，从而达到吸附大量离子目的。但是，这些工艺对电极性能要求极高，否则吸附能力低，应用范围小，目前很少直接应用到苦咸水或海水等含盐量高的电解液脱盐。因此，需要对技术提出结构和性能的改进。

离子交换法脱盐目前仍单独或与反渗透系统组合应用于各种工业除盐水的工艺中，离子交换树脂是由空间网状结构骨架与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物，但离子交换后必须用酸碱进行相应的还原，不但污染环境，基本不适合海水或苦咸水的脱盐。

连续电除盐又称EDI，是利用混和离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子，同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下，阴阳离子分别向两极移动，同时，与此等当量的某种阴离子和阳离子发生氧化还原反应，这一过程也伴随着水的电离，H⁺和OH^-就把离子交换树脂再生，再生的离子交换树脂就相当于混床的功能复合阴阳离子的迁移导致出水就接近超纯水，此过程离子交换树脂不需要用酸和碱再生。由于这一过程伴随着连续两极电流的通过，而且淡水、浓水和极水间的流体存在同时导电的可能，主要用于水的深度脱盐，而且两膜之间包括填充离子交换树脂层的间距很小，由于通过两极离子的电解将阴阳离子分离，若离子浓度高，耗电量极大，现有的结构根本不适用于海水或苦咸水的淡化。因此，需要对现有技术进行改进，提出效果更好的水基溶液离子分离装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出一种电吸附水基溶液离子分离装置和运行方法，该装置利用电吸附基本原理，发挥离子交换树脂的交换吸附特性和阴阳离子膜的离子透过选择性开发一种适用于海水或苦咸水等含盐量较高的水基溶液电解质分离技术。该装置结构进行了改进，制作和运行成本低，效果明显提高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

电吸附水基溶液离子分离装置，设有直流电源、复合吸附单元，该复合吸附电单元设有用于吸附离子的电极板、能透过阴、阳离子的阴、阳离子交换膜、能吸附阴、阳离子的阴、阳离子交换树脂层，其特征在于：所述复合吸附单元为一个或多个，每个复合吸附单元的电极板设置在一个绝缘分离槽的左、右两侧板内侧，并分别与直流电源连接，构成正、负电极板；在正、负电极板的内侧分别设有阴、阳离子交换树脂层，在阴、阳离子交换树脂层的内侧，分别设有阴、阳离子交换膜，并且在阴、阳离子交换膜中间设有容留处理后的水基溶液的通道；该通道的两端分别与进口管和出口管连通，所述出口管通过两个电控阀门分别与浓液出液管和淡液出液管连通，进口管通过电控阀门与要处理的水基溶液进液管连通。

本发明进一步完善和实施的补充方案是：

还设有PLC控制器，该控制器与直流电源和各电控阀门进行控制连接；PLC控制器还与电极板进行充放电控制连接。

所述复合吸附单元的通道中间还设有一个或多个分隔档，该分隔档由中间设有间隔的阴、阳两层离子交换膜构成，其阴离子交换膜在正极板一侧，阳离子交换膜在负极板一侧，该分隔档将所述通道分隔成数个分通道。

所述复合吸附单元的通道中间还设有一个或多个分隔档，该分隔档由中间填充有阴阳离子树脂混合层的阴、阳两层离子交换膜构成，其阴离子交换膜在正极板一侧，阳离子交换膜在负极板一侧，将所述通道分隔成数个分通道。

所述的通道和分通道中可以设置折流板或网状填充物，对通道中的溶液起到搅动的作用，使离子有吸附分离进行得更快。

所述复合吸附单元的阴、阳离子树脂层的底部设有由电控阀门控制的冲液进液管，上部设有由电控阀门控制的冲液出液管。

所述多个复合吸附单元之间为串联或并联方式连接，所述串联方式为前一个复合吸附单元的出液管与后一个复合吸附单元的进液管连通；所述并联方式为相邻复合吸附单元的进液管和出液管分别相互连通。

所述复合吸附单元的电极板是碳溶胶电极或白金、石墨惰性材料制成的电极板；所述阴、阳离子交换膜是由耐腐蚀的有机或无机材料制成的可穿过离子网制成的。

初始水基溶液进液管与复合吸附单元之间设有预处理单元。

上述的电吸附水基溶液离子分离装置的运行方法，其特征是：包括以下操作：

1)根据水基溶液离子浓度、电化学特性、复合吸附单元中的阴、阳离子交换树脂的离子交换容量和吸附容量来确定给电极板施加电压的大小和吸附持续时间和断电或加反向电压进行离子剥离的时间；当不设置PLC控制器时，该参数做为进行人工操作的依据；当设有PLC控制器时，依据该数据确定PLC控制器控制电源给电极板加电和断电的周期信号参数；同时确定PLC控制器控制各电控阀门的开闭的周期信号参数，并对PLC控制器进行数据设置；

2)打开电源，启动装置，开起待处理的水基溶液的进液口，本发明的装置开始进行周期运行。

本发明的原理是：当直流电压施加在设有正、负电极板、阴、阳离子交换树脂、阴、阳离子交换膜和作为介质通道的水槽构成的复合吸附单元时，电极板本身的离子吸附量、离子交换树脂交换离子容量的大小和离子交换树脂的比表面吸附特性直接决定离子吸附量的多少，而非只依靠电极板本身的电容量，并且根据分离介质电电化学特性不同，确定施加的直流电压，所施加的最大电压不能使两极产生电化学反应，这样两个电极不会产生任何电化学极化；电极短路或施加反向电压时，正负离子被剥离，离子原路返回原通道形成浓缩液并同冲洗流体一同排出系统，这是与连续电脱盐和其它现有公开技术最本质的区别。另外，其正极和负极的介质在吸附过程进行时不能连通，依靠离子交换和物理吸附完成离子迁移。当处理的电解液从正、负电极板之间的溶液通道中流过时，液体中的杂质离子、带电颗粒在直流电场的作用下分别向正、负电极迁移，阳离子通过阳离子交换膜，阳离子交换树脂层，部分到达电极表面形成呈梯度分布的阳离子层贮存在复合吸附单元的阳离子电层中，同样阴离子通过阴离子交换膜，阴离子交换树脂层，部分到达电极表面形成呈梯度分布阴离子层贮存在复合吸附单元的阴离子电层中，离子交换树脂本身的H⁺和OH^-基团相应被阳离子和阴离子交换。同时，阴、阳离子交换树脂本身的比表面活性可以物理吸附阴、阳离子，这种复合电极通道的两侧分别形成两个超大容量电容，这样双电层使电解液中的杂质离子、带电颗粒得以去除，对液体进行净化及纯化处理，通过电控阀门经淡液管流出。当正、负电极接近饱和时，由PLC控制电源使直流电源断开，正、负电极短接或施以反向电压，由于直流电场的消失和内部回路的形成，贮存在电极表面双电层中的离子、带电颗粒从电极表面回路通道的液体中，经电控阀门随浓液管排出。以此往复以进行对液体的净化及纯化。如需提高纯度可多并联复合吸附单元组；如需提高流量可多串联复合吸附单元即可。

本发明的装置在运行时，首先要针对具体电解液分离要求，根据离子类型和浓度及回收率和去离子率的要求，以及复合吸附单元组的串联和并联组合安装模式，确定施加电压数值范围和直流电施加周期及电控阀门的开闭时间，将控制数据输入PLC控制单元，完成工艺参数输入。

本发明的优点和积极效果：本发明与现有技术相比，利用惰性电极板、离子交换树脂的大交换容量和离子膜的离子透过选择性共同构成的复合吸附单元，极大地降低了对电极板本身性能要求，可以将单个复合吸附单元看作一个模块，在实际运行时，模块的再生和工作在PLC的控制下自动执行，同时，可以组合出比现有电极板吸附性能更高的吸附处理单元，在降低成本同时，扩大电吸附工艺的应用范围，在工业、农业等领域可代替现有工艺，直接起到节能降耗作用。本发明可以利用离子交换树脂和惰性电极板共同构成的复合吸附单元，无需高温和相变，可以处理高浓度电解液，回收率可达70～80％，分离原理是有区别性地将介质中离子即溶质提取分离出来，而不是把溶剂分子从待处理的原介质中分离出来。本发明具有结构完善，离子分离效果好，自动控制灵活精确，操作简便，运行安全，节能效果明显。

附图说明

图1为本发明的复合吸附单元结构示意图；

图2、图3为本发明的电极间设有分隔档的复合吸附单元结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明：实施例1：参见附图，电吸附水基溶液离子分离装置，设有PLC控制器8、直流电源7、复合吸附单元，该复合吸附电单元设有用于吸附离子的电极板、能透过阴、阳离子的阴、阳离子交换膜、能吸附阴、阳离子的阴、阳离子交换树脂层，所述复合吸附单元的电极板设置在一个绝缘分离槽的左、右两侧板内侧，并分别通过所述的PLC控制器与直流电源连接，构成正、负电极板4.1、4.2；在正、负电极板的内侧分别设有阴、阳离子交换树脂层5.1、5.2，在阴、阳离子交换树脂层的内侧，分别设有阴、阳离子交换膜6.1、6.2，并且在阴、阳离子交换膜中间设有容留处理后的水基溶液的通道9；该通道的两端分别与进口管和出口管连通，所述出口管通过两个电控阀门3.5、3.6分别与浓液出液管和淡液出液管连通，进口管通过电控阀门3.2与要处理的水基溶液进液管2.1连通；所述PLC控制器与直流电源和各电控阀门进行控制连接；PLC控制器与电极板进行充放电控制连接。所述的通道9中可以设置折流板或网状填充物。所述复合吸附单元的阴、阳离子树脂层的底部设有由电控阀门3.1、3.3控制的冲液进液管，上部设有由电控阀门3.4、3.7控制的冲液出液管。所述复合吸附单元的电极板是碳溶胶电极惰性材料制成的电极板；所述阴、阳离子交换膜是由耐腐蚀的有机材料制成的可穿过离子网制成的。初始水基溶液进液管1与复合吸附单元之间设有预处理单元2。

本实施例的装置的运行方法：取20℃的含盐量为35000mg/L的渤海湾海水进行除盐处理，1)根据水基溶液离子浓度、电化学特性、复合吸附单元中的阴、阳离子交换树脂的离子交换容量和吸附容量来确定给电极板施加的电压为500mV、吸附持续时间为20分钟、断电进行离子剥离的时间为5分钟，将以上数据做为PLC控制器控制电源给电极板加电和断电的周期信号参数，在PLC控制器上进行设定；同时确定PLC控制器控制各电控阀门的开闭的周期信号参数；2)打开电源，启动PLC控制器，开启待处理的水基溶液的进液口，本发明的装置在PLC控制器的控制下周期运行。

实施例2：参见附图2.电吸附水基溶液离子分离装置，所述复合吸附单元的通道中间还设有一个分隔档10.0，该分隔档由中间设有间隔10.11的阴、阳两层离子交换膜10.2、10.3构成，其阴离子交换膜在正极板一侧，阳离子交换膜在负极板一侧，该分隔档将所述通道分隔成两个分通道11.11、11.21。其他结构与实施例1相同。

实施例3：参见附图3.电吸附水基溶液离子分离装置，所述复合吸附单元的通道中间还设有一个分隔档10，该分隔档由中间填充有阴阳离子树脂混合层10.1的阴、阳两层离子交换膜10.2、10.3构成，其阴离子交换膜在正极板一侧，阳离子交换膜在负极板一侧，将所述通道分隔成两个分通道11.1、11.2。其他结构与实施例1相同。

以上实施例经试运行，效果非常好：高浓度水基溶液分离回收率达到80％左右，低浓度水基溶液分离回收率达90％左右。

实施例1中取用渤海湾的海水，温度为20℃，其含盐量为35000mg/L，生产1000kg含盐量为500mg/L的淡水，耗电仅3kW.h；比常规海水淡化装置省电50-200％。同时还能获得330L含盐量为140000mg/L的高浓度盐水，可用做制盐的原料水，整体效益大大提高。

Claims (10)

1.一种电吸附水基溶液离子分离装置，设有直流电源(7)、复合吸附单元，该复合吸附电单元设有用于吸附离子的电极板、能透过阴、阳离子的阴、阳离子交换膜、能吸附阴、阳离子的阴、阳离子交换树脂层，其特征在于：所述复合吸附单元为一个或多个，每个复合吸附单元的电极板设置在一个绝缘分离槽的左、右两侧板内侧，并分别与所述的直流电源连接，构成正、负电极板(4.1、4.2)；在正、负电极板的内侧分别设有阴、阳离子交换树脂层(5.1、5.2)，在阴、阳离子交换树脂层的内侧，分别设有阴、阳离子交换膜(6.1、6.2)，并且在阴、阳离子交换膜中间设有容留处理后的水基溶液的通道(9)；该通道的两端分别与进口管和出口管连通，所述出口管通过两个电控阀门(3.5、3.6)分别与浓液出液管和淡液出液管连通，进口管通过电控阀门(3.2)与要处理的水基溶液进液管(2.1)连通。

2.根据权利要求1所述的电吸附水基溶液离子分离装置，其特征是：还设有PLC控制器(8)，该控制器与直流电源和各电控阀门进行控制连接；PLC控制器还与电极板进行充放电控制连接。

3.根据权利要求1所述的电吸附水基溶液离子分离装置，其特征是：所述复合吸附单元的通道中间还设有一个或多个分隔档(10.0)，该分隔档由中间设有间隔(10.11)的阴、阳两层离子交换膜(10.2、10.3)构成，其阴离子交换膜在正极板一侧，阳离子交换膜在负极板一侧，该分隔档将所述通道分隔成数个分通道(11.11、11.21)。

4.根据权利要求1所述的电吸附水基溶液离子分离装置，其特征是：所述复合吸附单元的通道中间还设有一个或多个分隔档(10)，该分隔档由中间填充有阴阳离子树脂混合层(10.1)的阴、阳两层离子交换膜(10.2、10.3)构成，其阴离子交换膜在正极板一侧，阳离子交换膜在负极板一侧，将所述通道分隔成数个分通道(11.1、11.2)。

5.根据权利要求1所述的分离装置，其特征是：所述的通道(9)中设置折流板或网状填充物。

6.根据权利要求1所述的电吸附水基溶液离子分离装置，其特征是：所述复合吸附单元的阴、阳离子树脂层的底部设有用以冲洗树脂层的由电控阀门(3.1、3.3)控制的冲液进液管，上部设有由电控阀门(3.4、3.7)控制的冲液出液管。

7.根据权利要求1所述的电吸附水基溶液离子分离装置，其特征是：所述多个复合吸附单元之间为串联或并联方式连接，所述串联方式为前一个复合吸附单元的出液管与后一个复合吸附单元的进液管连通；所述并联方式为相邻复合吸附单元的进液管和出液管分别相互连通。

8.根据权利要求1所述的电吸附水基溶液离子分离装置，其特征是：所述复合吸附单元的电极板是碳溶胶电极或白金、石墨惰性材料制成的电极板；所述阴、阳离子交换膜是由耐腐蚀的有机或无机材料制成的可穿过离子网制成的。

9.根据权利要求1所述的电吸附水基溶液离子分离装置，其特征是：初始水基溶液进液管(1)与复合吸附单元之间设有预处理单元(2)。

10.根据权利要求1-9之一所述的电吸附水基溶液离子分离装置的运行方法，其特征是：包括以下操作：

1)根据水基溶液离子浓度、电化学特性、复合吸附单元中的阴、阳离子交换树脂的离子交换容量和吸附容量来确定给电极板施加电压的大小和吸附持续时间以及断电或加反向电压进行离子剥离的时间；当不设置PLC控制器时，该参数做为进行人工操作的依据；当设有PLC控制器时，依据该数据确定PLC控制器控制电源给电极板加电和断电的周期信号参数；同时确定PLC控制器控制各电控阀门的开闭的周期信号参数，并对PLC控制器进行数据设置；

2)打开电源，启动装置，开起待处理的水基溶液的进液口，本发明的装置开始进行周期运行。

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