CN103693718B - 一种用于脱盐系统的膜-电吸附装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脱盐系统的膜-电吸附装置，属于水处理除盐技术领域。本装置的核心部件为膜-电吸附单元，膜-电吸附单元中作为负极的中孔炭电极表面覆盖阳离子交换膜，正极的中孔炭电极表面覆盖阴离子交换膜，离子交换膜之间设置一层框形绝缘隔离网，每个膜-电吸附组合单元两侧设置有导水板，靠近进水端的前导水板下部开有导水孔，靠近出水端的后导水板上部开有导水孔，中导水板在上下各有导水孔，待处理的盐水由进水口进入，经过下部导水孔均匀分布至各个膜-电吸附单元，水流在各个膜-电吸附单元中平行向上，由上部导水孔及出水口流出。本发明装置装配简单，除盐效率高，水力阻力小、能耗低。

Description

一种用于脱盐系统的膜-电吸附装置

技术领域

本发明涉及一种用于脱盐系统的膜-电吸附装置，属于水处理除盐技术领域。

背景技术

电吸附技术是利用带电电极表面吸附水中离子，实现离子富集和盐分脱除的新兴技术。近年来成为除盐领域的研究热点。电吸附脱盐装置的核心单元是电吸附模块。传统的电吸附模块工作原理如下：当给一对电极加上直流电压后，阴、阳离子分别被模块的正极和负极吸附，当达到一定浓度时即饱和，此时停止通电，通过电极短接和再生，离子从电极内部的孔道中扩散到电极之间的流道中，通以原水，使含盐浓水排出、电极重复利用。

然而，传统电吸附模块普遍存在电流效率低的问题。传统的电吸附模块采用频繁倒极的工作方式，每一片电极的极性在每一个工作周期后改变一次，也即从负极变为正极或从正极变为负极。频繁倒极的运行方式，使得每一片电极内部积存的既有阳离子又有阴离子。在这种运行方式下，当一片电极在某一周期作为正极时，电极通电后，积存在电极内部的部分阳离子被排斥出来，并被对面的负极吸附。这部分阳离子从正极移动到负极，消耗一定的功，然而这部分阳离子并不是从原水中去除的，所以吸附这部分阳离子消耗的能量是无用功。正因为这部分无用功，所以会降低电极的电流效率。当电极短接后，正极表面双电层中的阴离子，扩散回到本体溶液中，然而部分阳离子由于双电层中阴离子的吸引，会被吸附到双电层中。尽管双电层会在电极再生结束时基本消失，但是由于电极表面存在一定数量的基团，这部分基团会吸附部分离子，这将会降低电极在下一工作周期的电吸附效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于脱盐系统的膜-电吸附装置，对现有技术进行改进，利用阴阳离子交换膜的选择透过性，提高电吸附装置的吸附和脱附效率，提高除盐效果，并减少电吸附装置运行成本。

本发明提出的用于脱盐系统的膜-电吸附装置，包括：前密封端板、一个或多个膜-电吸附单元、一个前导水板、一个后导水板、多个中导水板和后密封端板，所述的前密封端板、前导水板、膜-电吸附单元、中导水板、膜-电吸附单元、后导水板和后密封端板依次从左至右叠压后通过压紧螺杆和压紧螺母固定；所述的前密封端板的下部设有进水口，前导水板的下部设有下导水孔，中导水板的上部和下部分别设有上导水孔和下导水孔，后导水板的上部设有上导水孔，后密封端板的上部设有出水口；所述的膜-电吸附单元由第一中孔炭电极、第二中孔炭电极、阳离子交换膜、绝缘隔网和阴离子交换膜组成，所述的第一中孔炭电极、阳离子交换膜、绝缘隔网、阴离子交换膜、第二中孔炭电极依次从左至右叠压后通过框形密封橡胶圈固定，第一中孔炭电极和第二中孔炭电极上分别设有导电金属片。

本发明提出的用于脱盐系统的膜-电吸附装置，其优点是：

1、本发明的用于脱盐系统的膜-电吸附装置，引入了离子交换膜，因此提高了吸附时的离子选择透过性，从而增加了电流效率，降低了除盐的能耗。由于离子交换膜的作用，再生时可以施加反向电流，加速电极的再生，进一步降低除盐成本。

2、本发明的膜-电吸附装置，改变了传统电吸附装置中的“蛇形”水流通道，采用平行的通道，每个单元的进水均为下进上出，因此降低了吸附装置的水流阻力，从而降低了设备的运行成本。

3、本发明的膜-电吸附装置中使用的中孔炭电极，具有良好的中孔结构和导电性，因此可有效避免双电层重叠效应，提高电吸附容量。

附图说明

图1为本发明提出的用于脱盐系统的膜-电吸附装置的分解立体示意图。

图2为图1所示的膜-电吸附装置的A-A剖视图。

图1和图2中，1是进水口，2是前密封端板，3是前导水板，31是下导水孔，32是上导水孔，4是第一中孔炭电极（负极），5是阳离子交换膜，6是阴离子交换膜，7是框形密封橡胶圈，8是绝缘隔网，9是第二中孔炭电极（正极），10是中导水板，11是后导水板，12是出水口，13是压紧螺杆，14是压紧螺母，15是后密封端板，16是导电金属片。

具体实施方式

本发明提出的用于脱盐系统的膜-电吸附装置，其结构如图1所示，包括前密封端板2、一个或多个膜-电吸附单元、一个前导水板3、一个后导水板11、多个中导水板10和后密封端板15。前密封端板2、前导水板3、膜-电吸附单元、中导水板10、膜-电吸附单元、后导水板11和后密封端板15依次从左至右叠压后通过压紧螺杆13和压紧螺母14固定。前密封端板2的下部设有进水口1，前导水板3的下部设有下导水孔31，中导水板10的上部和下部分别设有上导水孔32和下导水孔31，后导水板11的上部设有上导水孔32，后密封端板15的上部设有出水口12。膜-电吸附单元由第一中孔炭电极4、第二中孔炭电极9、阳离子交换膜5、绝缘隔网8和阴离子交换膜6组成，第一中孔炭电极4、阳离子交换膜5、绝缘隔网8、阴离子交换膜6、第二中孔炭电极9依次从左至右叠压后通过框形密封橡胶圈7固定，第一中孔炭电极4和第二中孔炭电极9上分别设有导电金属片16。

本发明提出的用于脱盐系统的膜-电吸附装置，其中的膜-电吸附装置可以由一个膜电吸附单元组成，也可以由多个膜-电吸附单元组成，阴离子交换膜在正极一侧，阳离子交换膜在负极一侧，阴离子交换膜和阳离子交换膜之间为绝缘隔网，绝缘隔网的厚度为0.5～1mm，绝缘隔网的网孔为100～200目，绝缘隔网起到绝缘的作用，防止两片膜接触，同时又作为水流通道，如图2中所示。本发明的的一个实施例中，绝缘隔网的厚度为1.0mm，网孔为150目。

本发明提出的用于脱盐系统的膜-电吸附装置，其中的核心部件为中孔炭电极，中孔炭电极的加工方法为：采用的中孔炭的比表面积为300～800m²/g，平均孔径为2～15nm，将该中孔炭与导电炭黑按质量比（10～20）:1混合得到第一混合物，将第一混合物与酚醛树脂的低碳醇乳液混合，第一混合物与酚醛树脂的质量比为（5～10）:1，得到炭材料的糊状物，将糊状物均匀涂布柔性石墨基体表面，待低碳醇基本挥发后，对涂布有糊状物的电极基体施加2～5Mpa的压力，得到压制成型的炭电极，将成型的炭电极于氮气氛围中700～900℃炭化，即得所需中孔炭电极。

本发明的膜-电吸附装置的工作原理为电化学双电层原理，在外接直流电源条件下，含盐水通过电极体系时，盐水中的离子和带电粒子向荷电相反的电极移动，并吸附在电极上，从而达到淡化、脱盐的目的。电极吸附饱和后，可将正负极短接或加反向电流实现电极的脱附再生。

本发明吸附装置的工作过程如下：含盐水（原水），由进水口和导水板下部的导水孔进入每一个膜-电吸附单元，每个膜-电吸附单元由直流稳压电源供直流电，通电后水中的阳离子透过阳离子交换膜被负极吸附，并储存于电极的孔道中，同时，水中的阴离子透过阴离子交换膜被正极吸附，由于水中的阴、阳离子均被吸附，实现了含盐水的淡化脱盐，在再生时，继续通以原水，此时将电路反接，正极端通负电，负极端通正电，吸附在电极孔道内部的离子，在同种电性相斥的作用下，阴离子从正极脱附，阳离子从负极脱附，由于离子交换膜的阻隔作用，脱附离子不会被对面的电极所吸附，保证电极的彻底再生，当出水的含盐量接近原水时表明电极再生完全，此时可进入下一周期进行吸附，另外电极再生的方法，也可以采用将正极、负极直接短接，电极表面的双电层消失，离子从电极上自动脱附并透过离子交换膜，回到水流通道中，经原水冲洗，实现再生。

本发明的膜-电吸附除盐装置，以中孔炭为电极材料，由第一中孔炭电极4、阳离子交换膜5、绝缘格网8、阴离子交换膜6和第二中孔炭电极9组成一个膜-电吸附单元，靠近阳离子交换膜的第一中孔炭电极作为负极，靠近阴离子交换膜的第二中孔炭电极作为正极，每个膜-电吸附单元的外侧各有一个导水板，导水板开有导水孔，导水孔为一狭窄的长方形孔，其长度与电极的宽度相同，安装时，导水孔在膜-电吸附单元的下侧，两个相邻的串接的膜-电吸附单元之间有一个导水板，第一中孔炭电极4和第二中孔炭电极9上端伸出耐腐蚀金属片16作为导电端子，每个膜-电吸附单元厚度3～5mm，用一个厚度为3～5mm的橡胶圈7密封，整个膜-电吸附装置的两端有前密封端板2和后密封端板15，前密封端板2下部有进水口1，后端板15上部有出水口12，被处理的含盐水由前密封端板2上的进水口1流至前导水板3下部的导水孔31，一部分流入膜-电吸附单元，并由上部流出，另一部分流入至中导水板10下部的导水孔，进而进入下一个膜-电吸附单元，最后经后导水板的11上部导水孔和出水口12流出膜电吸附装置。前密封端板2、前导水板3、中导水板10、后导水板11和框形密封橡胶圈7的四周均打孔，用于穿过压紧螺杆13，整个装置通过压紧螺杆13、压紧螺母14固定。

本发明的一个实施例中，中孔炭电极的加工过程为，采用的中孔炭的比表面积为467m²/g，平均孔径为5.2nm，将该中孔炭与导电炭黑按质量比20：1混合得到第一混合物，将第一混合物与酚醛树脂的乙醇乳液混合，第一混合物与酚醛树脂的质量比为10：1，得到炭材料的糊状物，将糊状物均匀涂布柔性石墨纸表面，待乙醇基本挥发后，对涂布有糊状物的电极基体施加5Mpa的压力，得到压制成型的炭电极，将成型的炭电极于氮气氛围中900℃炭化，即得所需电极。

Claims (1)

1.一种用于脱盐系统的膜-电吸附装置，其特征在于该膜-电吸附装置包括前密封端板、一个或多个膜-电吸附单元、一个前导水板、一个后导水板、多个中导水板和后密封端板，所述的前密封端板、前导水板、膜-电吸附单元、中导水板、膜-电吸附单元、后导水板和后密封端板依次从左至右叠压后通过压紧螺杆和压紧螺母固定，所述的前密封端板的下部设有进水口，前导水板的下部设有下导水孔，中导水板的上部和下部分别设有上导水孔和下导水孔，后导水板的上部设有上导水孔，后密封端板的上部设有出水口，所述的膜-电吸附单元由第一中孔炭电极、第二中孔炭电极、阳离子交换膜、绝缘隔网和阴离子交换膜组成，所述的第一中孔炭电极、阳离子交换膜、绝缘隔网、阴离子交换膜、第二中孔炭电极依次从左至右叠压后通过框形密封橡胶圈固定，第一中孔炭电极和第二中孔炭电极上分别设有导电金属片。