CN102774931A - 电容式液体纯化处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式液体纯化处理装置，包括直流电源、密封绝缘外壳和固设于该外壳内且依次平行排列的第一配电板、单面正极板、单面负极板和第二配电板，单面正极板由依次排列且固连的集电片、电极片和阴离子交换膜组成，单面负极板由依次排列且固连的阳离子交换膜、电极片和集电片组成，单面正、负极板的集电片分别固定在第一、二配电板上；单面正极板和单面负极板间隔设置且二者之间形成空腔供液体流通，外壳的垂直液流方向上的两相对侧面上分别设有进、出液口；直流电源能够提供给第一、二配电板可变极性的直流电。该电容式液体纯化处理装置可解决现有技术电荷利用效率低，再生时间长，产水率低，装置结构复杂，维护困难等问题。

Description

电容式液体纯化处理装置

技术领域

本发明属于水处理领域，用于脱除液体中的盐分，特别涉及一种电容式液体纯化处理装置。

背景技术

水资源危机是本世纪最严重的资源危机，近年来的生态破坏和环境污染进一步导致了水资源的紧张，而且随着时间的推移，水资源短缺将会影响到更多人的正常生活。为了缓解水的供需矛盾，水处理领域的研究和技术人员提出了许多脱盐技术，用以去除海水、苦咸水以及含盐废水中的盐分，使其达到饮用水或者工业用水的标准，其中最具代表性的技术是闪蒸法和反渗透法。

闪蒸法的原理是含盐原水经过预热后通入低压闪蒸室，由于该室压力低于水的饱和蒸气压，原水就会因为过热而闪蒸，产生的蒸气随后冷凝成为淡水。该技术具有对原水预处理要求低，出水品质好等优点，但是其能耗较高，约为4kWh·m^-3以上。反渗透法是利用半渗透膜，将含盐原水中的水分子通过压力压到半透膜的纯水侧，该过程不发生相变，所以能耗稍低，不过也达到了2.9-3.7kWh·m^-3。该技术中使用的半渗透膜制备成本高，而且极易受到钙、氯、有机物、微生物等的污染，需要配有非常严格的预处理系统和添加各类抗氧化剂和阻垢剂，进一步提高了其使用成本。其他的脱盐技术如离子交换法是利用离子交换树脂作为主体去除含盐原水中的盐离子，离子交换树脂的价格昂贵，而且在吸附饱和后要采用强酸强碱实现再生，因此会产生大量二次污染，同时其维护成本也会提高。

以ZL01127147.7为代表的专利提出了一种电吸附式液体处理装置，它是利用一对以上并排配置的电极板作为核心部件，当通过配电板在相邻电极板间施加反向电压时，流经电极板之间的液体中的带电颗粒就会在电场作用下吸附到带相反电荷的电极板上，从而达到净化的目的。当电极吸附饱和以后，又可以通过短路使带电粒子从电极表面回到通道中随液流排出。该装置无需高温高压，只需要很低的电压即可将含盐原水中的盐分直接分离出来，因此相比于将原水中占绝大部分的水分子提取出来的闪蒸法和反渗透法，其能耗要低很多。同时该工艺不存在二次污染，不需使用其他化学试剂即可方便地实现再生。因此是一种比较具有竞争力的水处理技术。

电吸附式液体处理装置虽然具有能耗低、无二次污染、易再生、便于维护等优点，但是仍然存在以下缺陷：1)电荷利用效率低。电极板长期使用后，表面会产生大量的带电官能团，这些官能团在再生过程中就会吸附部分带电离子，而在电极板上施加电压后，电极上的电荷不仅用于吸附液体中的异号带电离子，还会将之前吸附的同号带电离子排斥到电极板之间的液体通道中，也就是说施加在电极上的电荷并没有全部用于脱盐，因而要达到相同的脱盐效果就需要更高的能耗。2)再生时间长。该装置的再生过程包括短路静置和反洗两个步骤，虽然短路状态下电极之间的电场消失，但是带电离子仅仅在浓度梯度的驱动下扩散到液体通道中的速率很慢，而且随着梯度的减小，离子的迁移速率会越来越慢，因而就需要更长的时间才能将电极表面吸附的带电离子排到液流通道中。3)产水率低。同样因为离子迁移速率较慢，为了达到更好的再生效果，就需要更多的原水冲洗液流通道，而冲洗后产生的浓水会被排放，这也意味着该装置的产水率比较低。

现有技术通过在电吸附装置中引入离子交换膜，在一定程度上缓解了以上问题，但是由于装置的结构设计不合理，在实际应用时仍存在以下缺陷：1)结构复杂。装置中的每个集电片都需要与外接电源相连，需要配置更多的配电元件和密封元件，因而装置更容易出现电路故障和液路故障。2)维护困难。装置一旦出现问题，无法单独更换其中的某个元件，而需要将整个装置完全拆开，这一过程不但浪费大量的时间，还可能会对原本完好的部件造成二次损伤。3)工作电流过大。由于直流电源需要对每个电极片单独供电，因此整个系统的电流较大，特别是切换电压的瞬间，大电流会对整个供电系统造成很大的负担。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种电容式液体纯化处理装置，用以解决现有技术电荷利用效率低，再生时间长，产水率低，装置结构复杂，维护困难等问题。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电容式液体纯化处理装置，包括直流电源、密封绝缘外壳和固设于该外壳内且依次平行排列的第一配电板、单面正极板、单面负极板和第二配电板，所述单面正极板由依次排列且固连的集电片、电极片和阴离子交换膜组成，所述单面负极板由依次排列且固连的阳离子交换膜、电极片和集电片组成，所述单面正极板和单面负极板的集电片分别固定在第一配电板和第二配电板上；所述单面正极板和单面负极板间隔设置且二者之间形成空腔供液体流通，所述外壳的垂直所述液流方向上的两相对侧面上分别设有进液口和出液口；所述直流电源能够提供给所述第一配电板和第二配电板可变极性的直流电。

作为本发明的进一步改进，在所述单面正极板和单面负极板之间还平行间隔设有若干个双面电极板，该双面电极板由依次固连的阳离子交换膜、电极片、集电片、电极片和阴离子交换膜组成，且该双面电极板的阴离子交换膜靠近所述单面负极板一侧，其阳离子交换膜靠近所述单面正极板一侧，所述单面正极板、双面电极板和单面负极板之间形成空腔供液体流通。

作为本发明的进一步改进，所述双面电极板分别摆放在外壳内，相邻的双面电极板的集电片的端部之间设有用于彼此定位的绝缘隔条。

作为本发明的进一步改进，在所述外壳的内侧面对应所述双面电极板的集电片的两端面上分别设有插槽，所述双面电极板的集电片的两端部分别插装在该插槽内用于固定该双面电极板。

作为本发明的进一步改进，所述空腔内设有绝缘填料。

作为本发明的进一步改进，所述绝缘填料为有机或无机的纤维织物或颗粒。

作为本发明的进一步改进，所述集电片为导电金属片或石墨片。

作为本发明的进一步改进，所述电极片为导电且多孔的炭材料或者以炭材料为主体的复合材料。

本发明的有益效果是：1)电荷利用效率高：由于离子交换膜的限制作用，脱盐过程中所有的电荷都用于吸附异号离子，因此电荷利用效率几乎达到了100％；2)再生时间短：再生时通过施加反向电压，提高了离子迁移速率，因而只需更短时间即可实现装置的再生；3)产水率高：通过反接静置，电极上吸附的盐离子几乎全部迁移到液流通道中，只需要用原水冲洗一次即可完全排出高浓度盐水，因此其产水率大幅度提高，脱盐率85％时其产水率也可达到90％以上；4)连接可靠。装置中仅最两侧的配电板与直流电源相连，其他部件无需考虑电路连接和密封问题，因而极大地简化了装置，不易发生故障；5)制备成本低。一方面装置简化后节省了大量的密封元件和配电元件，另一方面装置中使用最多的部件“双面电极板”完全是相同的结构，批量生产时成本更低；6)易维护。由于提前将集电片、电极片和离子交换膜集成为电极板，只需要将电极板按照顺序摆放在外壳内即可进行脱盐和再生处理，其中某个部件损坏时，只需打开外壳对损坏部件进行更换；7)供电系统稳定。该发明中液路采用并联方式而电路为串联方式，因而整个供电系统的电流较小，提高了整个处理装置的稳定性。

附图说明

图1为本发明剖面结构示意图；

图2为本发明所述单面正极板剖面结构示意图；

图3为本发明所述双面电极板剖面结构示意图；

图4为本发明所述单面负极板剖面结构示意图；

图5为本发明所述双面电极板固定方式之一结构示意图；

图6为本发明所述双面电极板固定方式之二结构示意图。

结合附图，作以下说明：

1——外壳                2——第一配电板

3——单面正极板          4——单面负极板

5——第二配电板          6——集电片

7——电极片              8——阴离子交换膜

9——阳离子交换膜        10——进液口

11——出液口             12——双面电极板

13——绝缘隔条           14——绝缘填料

具体实施方式

结合附图，对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例，即但凡以本发明申请专利范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖范围之内。

如图1所示，一种电容式液体纯化处理装置，包括直流电源、密封绝缘外壳1和固设于该外壳内且依次平行排列的第一配电板2、单面正极板3、若干双面电极板12、单面负极板4和第二配电板5。单面正极板3由依次排列且固连的集电片6、电极片7和阴离子交换膜8组成，如图2所示，且该单面正极板的集电片固定于第一配电板上；单面负极板4由依次排列且固连的阳离子交换膜9、电极片7和集电片6组成，如图4所示，且该单面负极板的集电片固定于第二配电板上；双面电极板由依次固连的阳离子交换膜9、电极片7、集电片6、电极片7和阴离子交换膜8组成，如图3所示，且双面电极板的阴离子交换膜靠近单面负极面一侧，阳离子交换膜靠近单面正极板一侧。其中，外壳上垂直于液流方向的两侧面板上分别设有进液口10和出液口11；直流电源能够通过穿过外壳的接电柱提供给第一配电板和第二配电板可变极性的直流电。

其中，集电片为刚性的金属导体或者石墨片，电极片为导电且多孔的炭材料以及以炭材料为主体的复合材料。在相邻的单面正极板、双面电极板和单面负极板之间的空腔内分别设有绝缘填料14，该填料可以是有机或无机的纤维织物或颗粒。

另外，该装置的中间的各个双面电极板与外壳的固定采用如图5所示的方式，即双面电极板分片摆放在外壳内，其集电片的端部之间设有绝缘隔条13以限定双面电极板的位置；也可以采用如图6所示的固定方式，每个双面电极板通过其集电片的端部分片插装在外壳的插槽内。

该装置的操作流程可以分为正接脱盐、反接静置和冲洗三个步骤。正接脱盐即在第一、二配电板2、5上施加正向电压(第一配电板接电源正极，第二配电板接电源负极)，含盐原水通过两个电极板之间的空腔时，原水中的阴离子就会通过阴离子交换膜，阳离子通过阳离子交换膜被吸附到电极片表面，从而达到脱盐的效果。

出水口动态监测出水的电导率，当电导率超过设定值时，说明电极片的吸附已趋于饱和，此时需要对电极板进行再生。再生包括反接静置和冲洗两步。反接静置即将装置的进出液口封闭，在第一、二配电板2、5上迅速施加反向电压，则原来电极片上吸附的阴离子和阳离子就会在反向电场的作用下迅速迁移到电极板之间的液流通道内，由于离子交换膜的阻碍作用，脱附后的离子并不能被吸附到对面的电极片上。电场作用下离子的迁移速率很高，只需要很短的时间就可以实现离子的脱附，空腔内液体的盐浓度则迅速提高。反接静置后为冲洗步骤，只要向装置中通入少量原水即可将空腔内的浓水冲洗干净，从而实现装置的再生。由于再生过程中施加了反向电压，再生的时间缩短，而且只需要很少的原水即可达到很高的再生的效果，相应地，脱盐率为85％时的产水率也由75％以下提升至90％以上。即使运行很长时间后电极片上产生了带电官能团，在短路和反接电压条件下，阳离子也无法通过阳离子交换膜与正极电极片相结合，即正极电极片上只会吸附阴离子。所以在施加正向电压进行脱盐时，正极上的所有电荷都用于吸附阴离子，而不会用于排斥阳离子。负极亦然。因此装置的电荷利用效率会大幅度提高，这也意味着能耗的降低。

当装置中使用离子交换膜而只施加同向电压时，原水中的有机物、胶体、高价离子等会附着在离子交换膜上造成污染和中毒，从而降低膜的活性并降低出水水质。但是在该装置中，配电板之间频繁施加正向和反向电压，离子的往复迁移能够对离子交换膜产生冲洗效果，有机物、胶体等也会在电极再生过程中随浓水排出，从而避免了离子交换膜的污染，延长了其使用寿命。

该装置的结构简单，能够高效去除原水中的盐分，而且能耗低、易再生、无二次污染、产水率高，是一种高效的含盐原水纯化处理装置。

Claims (8)

1.一种电容式液体纯化处理装置，其特征在于：包括直流电源、密封绝缘外壳(1)和固设于该外壳内且依次平行排列的第一配电板(2)、单面正极板(3)、单面负极板(4)和第二配电板(5)，所述单面正极板由依次排列且固连的集电片(6)、电极片(7)和阴离子交换膜(8)组成，所述单面负极板由依次排列且固连的阳离子交换膜(9)、电极片(7)和集电片(6)组成，所述单面正极板(3)和单面负极板(4)的集电片(6)分别固定在第一配电板(2)和第二配电板(5)上；所述单面正极板和单面负极板间隔设置且二者之间形成空腔供液体流通，所述外壳的垂直所述液流方向上的两相对侧面上分别设有进液口(10)和出液口(11)；所述直流电源能够提供给所述第一配电板和第二配电板可变极性的直流电。

2.根据权利要求1所述的电容式液体纯化处理装置，其特征在于：在所述单面正极板和单面负极板之间还平行间隔设有若干个双面电极板(12)，该双面电极板由依次固连的阳离子交换膜(9)、电极片(7)、集电片(6)、电极片(7)和阴离子交换膜(8)组成，且该双面电极板的阴离子交换膜靠近所述单面负极板一侧，其阳离子交换膜靠近所述单面正极板一侧，所述单面正极板、双面电极板和单面负极板之间形成空腔供液体流通。

3.根据权利要求2所述的电容式液体纯化处理装置，其特征在于：所述双面电极板分别摆放在外壳内，相邻的双面电极板的集电片的端部之间设有用于彼此定位的绝缘隔条(13)。

4.根据权利要求2所述的电容式液体纯化处理装置，其特征在于：在所述外壳的内侧面对应所述双面电极板的集电片的两端面上分别设有插槽，所述双面电极板的集电片的两端部分别插装在该插槽内用于固定该双面电极板。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式液体纯化处理装置，其特征在于：所述空腔内设有绝缘填料(14)。

6.根据权利要求5所述的电容式液体纯化处理装置，其特征在于：所述绝缘填料为有机或无机的纤维织物或颗粒。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式液体纯化处理装置，其特征在于：所述集电片为导电金属片或石墨片。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的电容式液体纯化处理装置，其特征在于：所述电极片为导电且多孔的炭材料或者以炭材料为主体的复合材料。

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