CN102249380B

CN102249380B - 一种高效液流式膜电容脱盐装置

Info

Publication number: CN102249380B
Application number: CN2011101315518A
Authority: CN
Inventors: 熊智淳; 孙卓; 潘丽坤; 刘行; 陈祎东; 张巍巍; 茅艳婷; 聂纯阳
Original assignee: Najing Science & Technology Co Ltd Shanghai; East China Normal University
Current assignee: Najing Science & Technology Co Ltd Shanghai
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: CN102249380A

Abstract

本发明属于水处理脱盐离子吸附器件领域，公开了一种高效液流式膜电容脱盐装置，由绝缘顶板、一个或多个膜电容脱盐单元、底部电极、绝缘底板组成；其中，所述膜电容脱盐单元固定在绝缘框架内，包括阳离子膜电容脱盐单元或阴离子膜电容脱盐单元；所述阳离子膜电容脱盐单元的结构为阴极、阳离子交换膜、引流滤布、阴离子交换膜，所述阴离子膜电容脱盐单元的结构为阳极、阴离子交换膜、引流滤布、阳离子交换膜；当所述膜电容脱盐单元为多个时，阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元交替串联；所述绝缘顶板上设置有进水口，所述绝缘底板上设置有出水口，所述绝缘框架上设置有通水口。本发明高效液流式膜电容脱盐装置具有离子吸附效率高、稳定性好、无污染等优点。

Description

一种高效液流式膜电容脱盐装置

技术领域

本发明属于能量存储器件、离子吸附器件和水处理脱盐领域，具体地涉及一种高效液流式膜电容脱盐装置。

背景技术

由于在工业或民用自来水中含有Ca²⁺，Mg²⁺以及一些阴离子如HCO₃ ^-，如果不能有效去除，容易在管道或炉体结垢，堵塞管道。如果进入人体，容易形成结石和造成其他健康问题；冶金、电镀、化工甚至核电等行业排放的大量含有害离子的工业废水也造成了水环境的破坏和人类健康的危害；此外，生物制药、微电子制造等行业也需要大量的高纯度去离子水。因此，去离子脱盐成为当今水处理中最直接也是最重要的一个环节。而在另一方面，在环保工作中经常需要对工业废液进行元素的提炼富集，并回收再利用，通过从溶液中去离子脱盐也一种有效的方法。

目前常用的脱盐技术主要有闪蒸、电渗析、反渗透、离子交换等。其中，闪蒸能耗大；离子交换和反渗透技术都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，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。

电容去离子（Capacitive Deionization，CDI）脱盐技术是利用溶液与电极界面形成的双电层来吸附水中电性物质。与传统的水处理技术相比较，CDI技术具有几个非常突出的优点：绿色环保，低能耗；运行费用低；水利用率高；无温度限制；操作简单；易于自动化和大面积使用；循环使用寿命长。

另外在CDI模块吸附的过程中，离子在静电场的作用下被吸附到电极的表面上时，由于极性相反离子的作用，使得吸附在电极上的离子可能再次脱附回到溶液中，电极的脱盐效率就会因此降低。

传统的电容去离子单元主要由成对的电极（多孔活性炭、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。为了解决这个问题，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，在阳极表面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。加入离子交换膜的电容去离子系统可以被称为隔膜电容去离子 (Membrane Capacitive Deionizaiton, MCDI) 系统。

发明专利（一种高效隔膜电容去离子装置，专利授权号ZL200810040737.0）提供了一种高效隔膜电容去离子装置，其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上下两端分别依次对称排列表面设孔电极、表面设孔的导电基体、电极引线、表面设孔的支撑板组成，在隔板与电极之间加入离子交换膜。该专利中的高效隔膜电容去离子装置的电极采用单面电极，因此每组模块单元都需要2块电极进行吸附，n组模块则需要2n块电极；同时利用隔板、支撑板及固定螺钉对装置进行固定，由于隔板材料较软，所以多组模块在叠加使用时，容易出现漏水的情况。针对上述装置的缺陷，本发明在电极的导电衬底两面生长、涂敷或压膜形成多孔碳基材料，所得到的多孔碳基材料电极的两面都可以使用，n组膜电容脱盐单元则只需要（n+1）块电极，大大提高了电极的使用率。同时本发明装置中采用了绝缘框架，可以将离子交换膜，电极等全部嵌入绝缘框架中，不仅节约了空间，同时使器件的密封性得到提高。

本发明克服了现有技术脱盐技术的成本大、污染高的不足，在现有装置的基础上优化器件结构，提出一种高效液流式膜电容脱盐装置，有效地提高了电极使用率、离子吸收率以及装置的密封性，具有离子吸附效率高、稳定性好、寿命长、功耗低、可重复使用和无污染等有益效果。

发明内容

本发明提出了一种高效液流式膜电容脱盐装置，包括绝缘顶板、一个或多个膜电容脱盐单元、底部电极、绝缘底板；其中，所述膜电容脱盐单元是阳离子膜电容脱盐单元或阴离子膜电容脱盐单元，所述膜电容脱盐单元固定在绝缘框架内；所述阳离子膜电容脱盐单元的结构由上至下依次为阴极电极、阳离子交换膜、引流滤布、阴离子交换膜；所述阴离子膜电容脱盐单元的结构由上至下依次为阳极电极、阴离子交换膜、引流滤布、阳离子交换膜；当所述高效液流式膜电容脱盐装置中的膜电容脱盐单元为多个时，所述阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元呈交替串联；当所述膜电容脱盐单元为奇数个时，所述底部电极与所述高效液流式膜电容脱盐装置中由上至下的第一个电极的极性相反；当所述膜电容脱盐单元为偶数个时，所述底部电极与所述高效液流式膜电容脱盐装置中由上至下的第一个电极的极性相同；所述绝缘顶板上设置有进水口，所述绝缘底板上设置有出水口，所述绝缘框架上设置有通水口。

本发明的一种高效液流式膜电容脱盐装置中，在所述绝缘框架的两侧相对地设置上通水口和下通水口，所述绝缘顶板的进水口与所述装置的第一个绝缘框架的上通水口相接，所述装置的最后一个绝缘框架的下通水口与绝缘底板的出水口相接；所述绝缘框架的上通水口与上一级绝缘框架的下通水口相接，所述绝缘框架的下通水口与下一级绝缘框架的上通水口相接。

本发明的一种高效液流式膜电容脱盐装置中，所述绝缘顶板、绝缘框架和绝缘底板上的所述进水口、出水口、通水口的对接处安装有密封圈。所述绝缘顶板、绝缘框架和绝缘底板的外围设置有小槽，通过在小槽中安装密封圈对所述装置进行密封。所述绝缘顶板、绝缘框架和绝缘底板上四周设置有通孔，通过将螺钉拧入所述通孔对所述绝缘顶板、绝缘框架和绝缘底板进行固定。

本发明的一种高效液流式膜电容脱盐装置中，所述电极是多孔碳基材料电极，其以石墨片、碳纤维、不锈钢或钛片为衬底，所述衬底两面为多孔碳基材料；其中，所述衬底的厚度为0.2～2mm。所述电极采用的多孔碳基材料是活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管或碳纳米管-碳纳米纤维复合薄膜；其中，所述多孔碳基材料的孔径大小为1nm～100nm，厚度为1μm～100μm。

本发明的一种高效液流式膜电容脱盐装置中，所述的阳离子交换膜和阴离子交换膜是含离子基团的、具有离子选择透过能力的高分子膜。

本发明的一种高效液流式膜电容脱盐装置中，所述绝缘顶板、绝缘框架和绝缘底板采用塑料板或有机玻璃板；其中，所述塑料板为ABS、PVC塑料板；所述绝缘顶板、绝缘框架和绝缘底板的厚度为2～10mm。

本发明的一种高效液流式膜电容脱盐装置中，所述引流滤布是电绝缘的有机或无机织造布或非织造布，包括多孔聚合物模板、尼龙纤维、丙纶纤维，或是纸质隔膜；所述引流滤布的厚度为0.01～1mm。

本发明中的电极包括阴极电极和阳极电极。

本发明中的底部电极是指本发明装置的至上而下依次排列的最后一个电极，其结构与阴极电极、阳极电极没有差别，均为多孔碳基材料电极。

本发明的目的是设计克服现有技术的不足，在原有基础上优化器件结构，提出一种高效液流式膜电容脱盐装置，由多个膜电容脱盐单元串联组成，膜电容脱盐单元安置在绝缘框架内，绝缘框架上通水口的形状为“┖”型，下通水口的形状为“┒”型，多片绝缘框架串联叠加。本发明高效液流式膜电容脱盐装置中绝缘框架的通水口的形状及其排列使液体在装置中由上至下呈“S”型流动，从而有效提高吸收效率。

本发明中的膜电容脱盐单元包括电极、阳离子交换膜、引流滤布、阴离子交换膜，并固定在绝缘框架中。当本发明高效液流式膜电容脱盐装置仅包括一个膜电容脱盐单元时也可实现本发明目的。当本发明高效液流式膜电容脱盐装置包括两个以上的膜电容脱盐单元时，阴阳电极串联排列，电极两面依照阳极表面附加阴离子交换膜、阴极表面附加阳离子交换膜的规则附加了离子交换膜，离子交换膜之间为引流滤布，配上一块绝缘顶板和一块绝缘底板,成为本发明的高效串联型高效液流式膜电容脱盐装置。本发明装置的上、下有绝缘顶板和绝缘底板封闭，绝缘顶板和绝缘底板上分别设有进水口和出水口，绝缘框架上设有通水口，进、出水口及通水口上配有安放O型密封圈的小槽，配上O型圈加以密封。绝缘顶板、绝缘底板和绝缘框架四周有用于安装螺钉对装置进行密封固定的通孔。

电极采用厚度为0.2～2mm的石墨片、碳纤维、不锈钢或钛片为衬底，其两面生长、涂敷或压膜形成多孔碳基材料。多孔碳基材料可以是活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管或碳纳米管-碳纳米纤维复合薄膜，这些碳材料具有大的比表面积，合适的孔径分布，良好的导电特性和化学耐腐蚀性。由于本发明在电极的导电衬底两面生长、涂敷或压膜形成多孔碳基材料，所得到的多孔碳基材料电极的两面都可以使用。在本发明装置中，n组膜电容脱盐单元只需要（n+1）块电极，显著提高了电极的使用率。

阳离子交换膜和阴离子交换膜是一种为含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的均相膜或非均膜。因为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。其中均相膜选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。非均相膜是用粒度为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。为避免由于失水干燥而变脆破裂，离子交换膜须保存在水中。

引流滤布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，如多孔聚合物（聚丙烯纤维）模板、尼龙纤维、丙纶纤维等，也可以采用纸质隔膜作为引流滤布材料。每层引流滤布的厚度为0.01～1mm。

绝缘框架、绝缘顶板和绝缘底板采用具有机械强度的塑料板（如ABS、PVC塑料板）或有机玻璃板，厚度为2～10mm，并在其底面设计有用于安放密封圈的小槽，方便安装密封圈，绝缘框架、绝缘顶板和绝缘底板四周开有用于固定螺钉的通孔，间距为20mm～40mm之间。绝缘顶板开有1个贯穿绝缘顶板的用于通水的进水口，液体通过进水口引入下一层绝缘框架的上通水口；绝缘底板开有1个贯穿绝缘底板的用于通水的出水口，将处理完毕的液体通出，以此实现液体的通入和通出装置。绝缘框架的两侧相对地设置了上通水口、下通水口。上通水口的形状为“┖”型，下通水口的形状为“┒”型。在本发明高效液流式膜电容脱盐装置中，液体经上通水口流入绝缘框架的中央框内空间，再从下通水口流出，由此实现了将上一级膜电容脱盐单元处理完的液体通过上通水口引流进入本层的引流滤布进行膜电容脱盐处理，处理完毕后，通过对侧的本层绝缘框架的下通水口，流出进入下一级膜电容脱盐单元所在的绝缘框架的上通水口。本发明高效液流式膜电容脱盐装置中，液体经绝缘框架的上通水口流入该层绝缘框架的中央框内空间，再从绝缘框架的所述下通水口流出，液体在所述高效液流式膜电容脱盐装置中由上至下呈“S”型流动。

本发明装置的进、出水口、各通水口的对接处均设有密封装置。本发明中采用了O型密封圈，其为橡胶材料，安装在绝缘框架、绝缘顶板和绝缘底板进、出水口及通水口处的小槽内，本发明绝缘顶板、绝缘框架和绝缘底板底面的外围设置有小槽，其内也安装有密封圈。在外部螺钉密封本发明装置的配合下，上述密封圈进一步起到防止漏水加以密封的作用。

本发明高效液流式膜电容脱盐装置中，其排列顺序可以为：绝缘顶板/阴极/阳离子交换膜/引流滤布/阴离子交换膜/阳极/阴离子交换膜/引流滤布/阳离子交换膜/阴极/绝缘底板。其包括了一个阳离子膜电容脱盐单元和一个阴离子膜电容脱盐单元。该阳离子膜电容脱盐单元结构及顺序为阴极、阳离子交换膜、引流滤布、阴离子交换膜，该阴离子膜电容脱盐单元的结构及顺序为阳极、阴离子交换膜、引流滤布、阳离子交换膜。阴、阳离子膜电容脱盐单元固定在绝缘框架内。

本发明高效液流式膜电容脱盐装置可包括多个膜电容脱盐单元，则阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元交替串联，电容器部件的排列顺序为绝缘顶板/[绝缘框架（阳离子膜电容脱盐单元）、绝缘框架（阴离子膜电容脱盐单元）]*n/底部电极/绝缘底板，n≥1，电极个数为（n+1）个。其中，阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元应用的顺序可互换，膜电容脱盐单元的个数非固定的。本发明装置中最后一个电极的极性取决于装置中第一个电极的极性以及装置中膜电容脱盐单元的个数。

绝缘框架、绝缘顶板和绝缘底板配有进、出水口、通水口以及装配螺钉的螺口。每个膜电容脱盐单元的绝缘框架上的两个通水口（分别为上通水口和下通水口）相对排列，本层绝缘框架的上通水口与上一级绝缘框架的下通水口相接，本层绝缘框架的下通水口与下一级绝缘框架的上通水口相接。液体进入本层的上通水口后根据上通水口的形状被引导流入本层绝缘框架中部镂空的空间，经设置在其中的膜电容脱盐单元作用后，流入本层的下通水口，并进一步将流入下一级绝缘框架的上通水口。由此通过绝缘框架的通水口，液体进入每一级的膜电容脱盐单元，并在脱盐处理后液体流动将发生向下转向，使得液体在电容器中沿“S”型路线流动，有效提高装置的离子吸收效率。同时，本发明装置的绝缘框架、绝缘顶板和绝缘底板的进、出水口、通水口的对接处配有O型圈，绝缘框架、绝缘顶板和绝缘底板底面四周的小槽内也配有密封圈，通过紧固螺钉对本发明装置加以密封。

本发明装置采用水泵使液体通过高效液流式膜电容脱盐装置，同时通电去离子，通过控制电路控制系统循环。当水的电导率下降到一定范围后，可以将水通过阀门引出。

本发明装置中加入了离子交换膜，提高了离子吸附的性能，降低了电极工作时所加电压。相比传统的脱盐水处理技术，具有离子吸附效率高、稳定性好、寿命长、功耗低、可重复使用和无污染等优点。本发明与现有技术相比，采用的膜电容脱盐电极在导电衬底两面形成致密的多孔碳基材料，有效提高了电极的使用率。同时优化了器件结构，提高其密封性。

附图说明

图1为本发明高效液流式膜电容脱盐装置主要部件分离图（绝缘底板未显示）。

图2为本发明高效液流式膜电容脱盐装置的侧视图（绝缘框架未显示）。

图3为本发明高效液流式膜电容脱盐装置的液体流向示意图（绝缘框架未显示）。图中箭头方向表示液体在装置中的流向。

图4为本发明高效液流式膜电容脱盐装置图1所示绝缘框架A部分的局部放大图。

图5为本发明高效液流式膜电容脱盐装置图1所示绝缘框架B部分的局部放大图。

图6为本发明高效液流式膜电容脱盐装置的绝缘框架整体示意图。

图7为本发明高效液流式膜电容脱盐装置膜电容脱盐单元俯视图。

图8为本发明高效液流式膜电容脱盐装置膜电容脱盐单元仰视图。

图9为利用本发明高效液流式膜电容脱盐装置对废水进行电吸附和脱附再生的实验结果示意图。

图10为利用本发明高效液流式膜电容脱盐装置与现有装置的对比实验的结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不以此来限制本发明的保护范围。

参考图1-图8，其中， 1-1表示阴极电极，1-2表示阳极电极，2表示阳离子交换膜，3表示引流滤布， 4表示阴离子交换膜，5表示绝缘框架，5-1 表示安放有O型密封圈的小槽，5-2表示供固定螺钉的通孔，5-3表示上通水口，5-4表示下通水口，5-5表示安置电极的台阶，5-6表示密封电极的凹槽，5-7表示小槽，5-8表示密封圈，6表示绝缘顶板，6-1表示进水口，7表示绝缘底板，7-1表示出水口，8表示底部电极。

如图1所示，膜电容脱盐单元固定在绝缘框架5内。阳离子膜电容脱盐单元的结构由上至下依次为阴极1-1、阳离子交换膜2、引流滤布3、阴离子交换膜4。阴离子膜电容脱盐单元的结构由上至下依次为阳极电极1-2、阴离子交换膜4、引流滤布3、阳离子交换膜2。

如图2、图3所示，本发明的高效液流式膜电容脱盐装置包括绝缘顶板6、一个或多个膜电容脱盐单元、底部电极8、绝缘底板7。

本发明高效液流式膜电容脱盐装置仅包括一个膜电容脱盐单元时，其结构是：绝缘顶板6、阳离子膜电容脱盐单元、底部电极8（阳极）、绝缘底板7。还可以是：绝缘顶板6、阴离子膜电容脱盐单元、底部电极8（阴极）、绝缘底板7。

当本发明高效液流式膜电容脱盐装置包括多个膜电容脱盐单元时，其中的阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元呈交替串联排列而成。当所述膜电容脱盐单元为奇数个时，比如，有3、7、或15个单元时，底部电极8的极性与装置中由上至下排列的第一个电极的极性相反。当所述膜电容脱盐单元为偶数个时，比如，有2、8、或12个单元时，底部电极8的极性与装置中由上至下排列的第一个电极的极性相同。

绝缘顶板6设置有进水口6-1，绝缘底板7上设置有出水口7-1，绝缘框架5上设置有通水口。

本发明高效液流式膜电容脱盐装置中，所述绝缘框架5的上通水口5-3的形状为“┖”型，下通水口的形状为“┒”型，上通水口5-3和下通水口5-4在绝缘框架5的两侧相对地设置，多片绝缘框架串联叠加。为了使液体在所述高效液流式膜电容脱盐装置中由上至下呈如图3所示的“S”型流动，绝缘顶板6的进水口6-1与装置的第一个绝缘框架5的上通水口5-3相接，装置的最后一个绝缘框架的下通水口5-4与绝缘底板7的出水口7-1相接；绝缘框架5的上通水口5-3与上一级绝缘框架5的下通水口5-4相接，绝缘框架5的下通水口5-4与下一级绝缘框架5的上通水口5-3相接。

如图4至图6所示，本发明高效液流式膜电容脱盐装置中，绝缘顶板6、绝缘框架5和绝缘底板7上设置的进水口6-1、出水口7-1、通水口的对接处均安装有O型密封圈。如图7所示，电极安置在绝缘框架5中。如图8所示，绝缘顶板6、绝缘框架5和绝缘底板7的底面外围设置有小槽5-7，通过在小槽5-7中安装密封圈5-8对所述装置进行密封。本发明中的密封圈也可采用适合本发明的其他密封材料或装置。绝缘顶板6、绝缘框架5和绝缘底板7上四周设置有通孔5-2，通过将螺钉拧入通孔5-2对绝缘顶板6、绝缘框架5和绝缘底板7进行固定。图中5-5表示安置电极的台阶，5-6表示密封电极的凹槽，电极直接安放在绝缘框架的凹槽5-6处并搁置在绝缘框架的台阶5-5上，凸出的小块电极通过导电夹与外电路连接，以此直接在电极处施加电压，控制本发明装置的吸附、脱附功能。

本发明中的电极或底部电极是多孔碳基材料电极，其以石墨片、碳纤维、不锈钢或钛片为衬底，衬底厚度为0.2～2mm，衬底两面为多孔碳基材料。多孔碳基材料是活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管或碳纳米管-碳纳米纤维复合薄膜。

本发明的高效液流式膜电容脱盐装置中，阳离子交换膜2和阴离子交换膜4是含离子基团的具有离子选择透过能力的高分子膜。

本发明的高效液流式膜电容脱盐装置中，绝缘顶板6、绝缘框架5和绝缘底板7采用塑料板或有机玻璃板；其中，塑料板为ABS、PVC塑料板；绝缘顶板6、绝缘框架5和绝缘底板7厚度为2～10mm。

本发明的高效液流式膜电容脱盐装置中，在阴阳离子交换膜之间引入引流滤布3使吸附效果更理想。引流滤布是电绝缘的有机或无机织造布或非织造布，包括多孔聚合物模板、尼龙纤维、丙纶纤维，或是纸质隔膜；引流滤布3的厚度为0.01～1mm。

实施例1

与上述内容相同的装置结构，本实施例中不再赘述。

本实施例中高效液流式膜电容脱盐装置中包括6个膜电容脱盐单元，其中至上而下排列的第一个膜电容脱盐单元为阳离子膜电容脱盐单元。其中的阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元呈交替串联，至上而下排列的最后一个底部电极8的极性为阴极。

本实施例中，多孔碳基材料电极采用100mm′100mm的石墨片作为导电衬底，石墨片厚度为1mm，衬底两面生长有碳纳米管-碳纳米纤维薄膜，碳纳米管-碳纳米纤维薄膜的孔径大小为10nm，厚度为10μm。

本实施例中，绝缘框架5、绝缘顶板6和绝缘底板7采用PVC塑料，厚度为5mm；膜电容脱盐单元中采用聚乙烯异相阳离子交换膜2和阴离子交换膜4，厚度均为0.42mm；采用丙纶布作为引流滤布3，厚度为0.5mm。

将本实施例的由6个膜电容脱盐单元组成的膜电容脱盐装置对常见废水中的金属离子（Na⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺）进行的电吸附和脱附再生实验。如图9所示，横坐标表示的是时间，纵坐标表示的电导率数值，溶液的电导率值进行了归一化，其初始电导率在10-2000 μS/cm范围内。测试中的初始电导率为50 μS/cm，吸附、脱附时在电极上所加的电压为±1.5V。图9中下降部分为吸附除盐效果，上升部分为脱附再生效果。可见，本发明装置除了Fe³⁺之外，其他所有离子的电吸附脱盐均可在30分钟内完成，并达到90%左右的除盐率，完全达到了实际应用的要求。

与现有技术中的装置相比较，在同样包括6个膜电容脱盐单元的情况下，现有技术中的装置需12个电极，而本发明装置仅需7个电极，从而大大提高了电极的利用率。

如图10所示，将本发明装置与现有装置的离子吸附进行对比实验。实验结果表明，由于本发明装置内部液体的流向呈“S”型，更为科学，本发明装置的吸附效率提高了10%左右。

实施例2

与上述相同的装置结构，本实施例中不再赘述。

本实施例中高效液流式膜电容脱盐装置包括10个膜电容脱盐单元，其中的第一个膜电容脱盐单元为阴离子膜电容脱盐单元。其中，阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元呈交替串联，至上而下排列的最后一个底部电极8的极性为阳极。

本实施例高效液流式膜电容脱盐装置中，多孔碳基材料电极采用钛片衬底，钛片厚度为2mm，其两面涂覆有碳气凝胶，面积为100mm*200mm，碳气凝胶的孔径大小为20nm，碳气凝胶的厚度为1mm。

本实施例中，绝缘框架5、绝缘顶板6和绝缘底板7采用有机玻璃板，厚度为7mm；膜电容脱盐单元中采用聚乙烯异相阳离子交换膜2和阴离子交换膜4，厚度均为0.42mm；采用尼龙布作为引流滤布3，厚度为0.6mm。

Claims

1.一种高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述装置包括绝缘顶板（6）、一个或多个膜电容脱盐单元、底部电极（8）、绝缘底板（7）；其中，所述膜电容脱盐单元是阳离子膜电容脱盐单元或阴离子膜电容脱盐单元，所述膜电容脱盐单元固定在绝缘框架（5）内；

所述阳离子膜电容脱盐单元的结构由上至下依次为阴极电极（1-1）、阳离子交换膜（2）、引流滤布（3）、阴离子交换膜（4）；所述阴离子膜电容脱盐单元的结构由上至下依次为阳极电极（1-2）、阴离子交换膜（4）、引流滤布（3）、阳离子交换膜（2）；当所述高效液流式膜电容脱盐装置中的膜电容脱盐单元为多个时，所述阳离子膜电容脱盐单元与阴离子膜电容脱盐单元呈交替串联；当所述膜电容脱盐单元为奇数个时，所述底部电极（8）与所述高效液流式膜电容脱盐装置中由上至下的第一个电极的极性相反；当所述膜电容脱盐单元为偶数个时，所述底部电极（8）与所述高效液流式膜电容脱盐装置中由上至下的第一个电极的极性相同；所述绝缘顶板（6）上设置有进水口（6-1），所述绝缘底板（7）上设置有出水口（7-1），所述绝缘框架（5）上设置有通水口。

2.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，在所述绝缘框架（5）的两侧相对设置有上通水口（5-3）和下通水口（5-4）；所述绝缘顶板（6）的进水口与所述装置的第一个绝缘框架（5）的上通水口（5-3）相接，所述装置的最后一个绝缘框架的下通水口（5-4）与绝缘底板（7）的出水口（7-1）相接；所述绝缘框架（5）的上通水口与上一级绝缘框架（5）的下通水口（5-4）相接；所述绝缘框架（5）的下通水口（5-4）与下一级绝缘框架（5）的上通水口（5-3）相接。

3.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述进水口（6-1）、出水口（7-1）、通水口的对接处设置有安放密封圈的小槽（5-1），槽内设有O型密封圈。

4.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述绝缘顶板（6）、绝缘框架（5）和绝缘底板（7）的底面外围设置有小槽（5-7），通过在所述小槽（5-7）中安装密封圈（5-8）对所述装置进行密封。

5.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述绝缘顶板（6）、绝缘框架（5）和绝缘底板（7）上四周设置有通孔（5-2），通过将螺钉拧入所述通孔（5-2）对所述绝缘顶板（6）、绝缘框架（5）和绝缘底板（7）进行固定。

6.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述电极是多孔碳基材料电极，其以石墨片、碳纤维、不锈钢或钛片为衬底，所述衬底两面为多孔碳基材料；其中，所述衬底的厚度为0.2～2mm。

7.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述电极采用的多孔碳基材料是活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管或碳纳米管-碳纳米纤维复合薄膜；其中，所述多孔碳基材料的孔径大小为1nm～100nm，厚度为1μm～100μm。

8.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述的阳离子交换膜（2）和阴离子交换膜（4）是含离子基团的、具有离子选择透过能力的高分子膜。

9.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述绝缘顶板（6）、绝缘框架（5）和绝缘底板（7）采用塑料板或有机玻璃板；其中，所述塑料板为ABS、PVC塑料板；所述绝缘顶板（6）、绝缘框架（5）和绝缘底板（7）的厚度为2～10mm。

10.如权利要求1所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述引流滤布（3）是电绝缘的有机或无机织造布或非织造布；所述引流滤布（3）的厚度为0.01～1mm。

11.如权利要求10所述的高效液流式膜电容脱盐装置，其特征在于，所述引流滤布（3）是多孔聚合物模板、尼龙纤维、丙纶纤维，或是纸质隔膜。