CN104386786A - 一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置，它包括进气装置、进水装置、外壳、设于外壳内部的多孔导电材料、电极板及离子隔膜。在外壳内部的上端有出水腔，出水腔的一端设出水口，上端设出气口。在外壳内部的下端有进水腔，进水腔的一端为进气口，另一端为进水口，进水腔的上部是有序排列的小孔。外壳中部为吸附腔，其两端为接通导线的金属电极板。在金属电极板之间交替排列多层多孔导电吸附材料和离子隔膜，将两端支撑板压紧形成电吸附水处理模块。在金属电极板两端给予电压时，中间填充的导电材料会在感应电场下产生电位差。吸附时只进水；脱附清洗时同时进气与进水，气体经过小气孔分散，可增加扰动，提高脱附效率。

Description

一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置
技术领域
本发明涉及一种电吸附装置，具体的说，涉及一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置。
背景技术
随着全球经济与社会的不断发展，水资源的短缺越发紧迫。水资源的危机也推动了废水回用的发展。目前，废水回用的方法主要采用膜法，电渗析法，离子交换法，蒸馏法和电吸附法等方法。膜法和电渗析法存在膜易污染和膜中毒的问题，蒸馏法能耗大，离子交换法存在二次污染等问题。电吸附法的原理是在电极板间施加特定的电压或电流，当废水通过极板间时，液体中的正离子向负极板移动，负离子向正极板移动，通过电极板吸附水中的电荷，达到净化出水的目的。当吸附饱和后通过施加反向电场使电极板再生。
但在电吸附法的实际应用中，使用的相邻两电极板一片带正电另一片带负电的形式，电压过高容易引起电解反应，因此电压要低于水的电解电压，造成电场强度较低，吸附效率不高，在本发明中采用了在极板间形成平行感应电场的形式完成电吸附功能，使相邻极板间的电压得以提高，从而提高电吸附效率。
电吸附装置中电极吸附材料是吸附效率的关键。目前，对于吸附材料多选择多孔碳材料，如活性炭，活性炭纤维，炭气凝胶，碳纳米管等。通常电吸附水处理模块中的电极板是以导电的刚性材料如泡沫钛板、不锈钢板或石墨板等作为集电板和支撑基板，将上述吸附材料通过导电胶与集电板紧密接触形成双面电极板，电极板之间由绝缘导流材料隔开一定距离，形成两个电极板之间的溶液通道，通过设计水流方式增加接触面积。但仍旧存在吸附效率低的问题。专利CN 101973608 A中，电极板或垫圈变形会导致极板间距不同，也会影响吸附效率。
当吸附材料吸附饱和后，需要将电极板反接或短接来实现再生。但由于相邻电极板间距越小时，吸附效率越高，所以一般相邻电极板间距设计得都很窄，造成脱附时离子不易快速离开吸附材料，降低了脱附效率。专利CN201817309 U中考虑了增加反洗过程及反洗水回用过程来提高再生效率和产水率。但该过程复杂，增加了再生次数和清洗时间。专利CN 102126772 A中增加酸洗再生过程来达到彻底再生的目的。但该过程需要配备酸储罐，且产生酸废水。因此优化脱附方式，提高脱附效率仍是电吸附应用中的难题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置。
本发明采用的技术方案是：将高孔隙率的多孔导电吸附材料电极片如活性炭材料等加工制成厚度均匀的多孔片状或纤维毡状电极片，将多孔导电吸附材料电极片(12)和离子隔膜(13)交替紧密排列，多孔导电吸附材料电极片(12)内部的不规则孔隙即为溶液通道。同时厚度均匀的多孔导电吸附材料电极片(12)在紧密排列过程中会保证相邻电极片间距相同且不易变形。该过程中，既增加了水流扰动，又增加了溶液与吸附材料的接触面积，增加吸附效率。在装置两端的金属电极板与电源连接形成回路，在两端给予高电压时，中间填充的导电材料会在感应电场下产生电位差，使各个多孔导电吸附材料电极片(12)间的感应电压维持在低于发生水电解电压的水平，从而提高电吸附效率。在脱附时引入压缩空气进行吹扫搅动，利用空气扰动，将脱附离子快速带离并破坏浓度梯度与极化现象，实现快速有效的再生过程。
一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置，它包括进气装置、进水装置、外壳(1)、设于外壳(1)内部的多孔导电吸附材料电极片(12)、金属电极板(2)及离子隔膜(13)。电吸附模块外壳(1)内部由上下两块隔板分为进水腔(4)，吸附腔(14)和出水腔(3)三个部分。进水腔(4)有进水口(8)和进气口(7)，进水腔(4)与吸附腔(14)间的隔板上等间隔分布第二分布孔(10)，第二分布孔(10)的数量大于8，直径小于进水管直径的0.35倍。第二分布孔(10)的总面积与进水管截面积相同。
吸附腔(14)中紧密装填多孔导电吸附材料电极片(12)和离子隔膜(13)。出水腔(3)有出水口(5)和出气口(6)，出水腔(3)与吸附腔(14)间的隔板上等间隔分布第一分布孔(9)。第一分布孔(9)的总面积是进水管截面积的1.5倍。
吸附腔(14)内部两端为接通导线的金属电极板(2)，在金属电极板(2)之间交替紧密排列多孔导电吸附材料电极片(12)与离子隔膜(13)。金属电极板(2)与直流稳压电源(11)相连。在两端给予高电压时，中间填充的导电材料会在感应电场下产生电位差。根据外加直流电压的不同，可调整金属电极板(2)间多孔导电吸附材料电极片(12)与离子隔膜(13)层数为2-100层。
由于多孔导电材料的多孔性，水从多孔导电材料内部孔隙通过，增加接触面积，提高吸附效率。
多孔导电吸附材料电极片(12)为活性炭碳纤维毡，活性炭颗粒加工制成片状吸附电极片或碳纳米管加工制成片状吸附电极片。
进行脱附时，在进水的同时进气，气体经过第二分布孔(10)分散，增加吸附腔内水流的扰动，使吸附于多孔导电吸附材料电极片(12)中的高浓度离子迅速脱附，并可在短时间内破坏水中的浓度梯度，提高脱附效率。
离子隔膜(13)为可以使离子自由通过的微孔绝缘膜。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.吸附腔内为厚度均匀的片状多孔导电吸附材料(12)与离子隔膜(13)交替紧密排列，可以避免电极变形造成电极板间距变化降低吸附效率。
2.多孔导电吸附材料内部孔隙即为溶液通道，既增加了水流扰动，又增加了溶液与吸附材料的接触面积，增加吸附效率。
3.两端金属电极板与直流电源相连，在极板间形成平行感应电场的形式完成电吸附功能，使相邻极板间的电压得以提高，从而提高了电吸附效率。
4.在脱附时引入压缩空气，利用压缩空气增加扰动，将脱附离子快速带走，实现快速有效，节水的再生过程。
附图说明
图1是气体辅助脱附的电容式电吸附装置的剖面示意图；
图2是气体辅助脱附的电容式电吸附装置的侧面示意图；
图3是气体辅助脱附的电容式电吸附装置的电极板与隔膜排列方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置，它包括进气装置、进水装置、外壳(1)、设于外壳(1)内部的多孔导电吸附材料电极片(12)、金属电极板(2)及离子隔膜(13)。电吸附模块外壳(1)内部由上下两块隔板分为进水腔(4)，吸附腔(14)和出水腔(3)三个部分。进水腔(4)有进水口(8)和进气口(7)，进水腔(4)与吸附腔(14)间的隔板上等间隔分布第二分布孔(10)，第二分布孔(10)的数量大于8，直径小于进水管直径的0.35倍。吸附腔(14)中紧密装填多孔导电吸附材料电极片(12)和离子隔膜(13)。出水腔(3)有出水口(5)和出气口(6)，出水腔(3)与吸附腔(14)间的隔板上等间隔分布第一分布孔(9)。第一分布孔(9)的总面积是进水管截面积的1.5倍。
电吸附工作时，接通电源，在两端金属电极板间接入30-60V直流电压，在两块金属电极板间交替排列活性炭纤维电极片25层和离子隔膜26层。盐溶液由水泵从进水口(8)输送进入进水腔，通过第二分布孔(10)分流后进入吸附腔，通过多孔导电吸附电极片内部的孔隙，从第一分布孔(9)进入出水腔，由出水口(3)排出，得到脱盐水。
脱附清洗时进水的同时，由进气口(7)进气，气体经过第二分布孔(10)分散，流经吸附腔(14)，从出水端第一分布孔(9)流入出水腔(3)，与清洗水一起从出水口(5)和出气口(6)排出。
实施实例：
金属电极板为长宽为400mm的不锈钢板。多孔导电电极材料为活性炭纤维毡，活性炭纤维毡的厚度为2mm，比表面积(BET)为1450-1550m2/g，孔隙分布率≥90％，纤维表面平均孔径2nm。离子隔膜采用25μm厚的PP隔膜，该隔膜的孔隙率为40±5％。在两片金属电极板中交替紧密排列活性炭纤维毡24片与离子隔膜25片。两片金属电极片与电源连接，在两电极片间加压50V。进料液电导率为2000μm/cm，进料速度为13.8L/min。出水电导率为651μm/cm，即吸附率为67.45％。出水10min后进行脱附，去电压，通气，气量为15L/min。通气过程进行1min，此时出水的电导率为1887μm/cm。循环该过程100次后，吸附过程出水电导率为644μm/cm，脱附过程出水电导率为1920μm/cm。

Claims (6)

1.一种气体辅助脱附的电容式电吸附装置，其特征在于：它包括进气装置、进水装置和外壳(1)；外壳(1)内部由上下两块隔板分为进水腔(4)，吸附腔(14)和出水腔(3)三个部分；进水腔(4)有进水口(8)和进气口(7)，进水腔(4)与吸附腔(14)间的隔板上等间隔分布第二分布孔(10)，出水腔(3)与吸附腔(14)间的隔板上等间隔分布第一分布孔(9)；出水腔(3)有出水口(5)和出气口(6)，吸附腔(14)中两端为接通电源的金属电极板(2)，介于两金属电极板之间交替紧密排列多孔导电吸附材料电极片(12)和离子隔膜(13)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于第二分布孔(10)的数量大于8，直径小于进水管直径的0.35倍。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于:第二分布孔(10)的总面积与进水管截面积相同；第一分布孔(9)的总面积是进水管截面积的1.5倍。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于:多孔导电材料(12)包括活性炭碳纤维毡，活性炭颗粒加工制成片状吸附电极片或碳纳米管加工制成片状吸附电极片。
5.应用如权利要求1所述的气体辅助脱附的电容式电吸附装置的方法，其特征在于：吸附腔(14)两端为与直流电源(11)相连的金属电极板(2)，电压加于两端金属电极板(2)；在金属电极板(2)之间交替紧密排列多孔导电吸附材料电极片(12)和离子隔膜(13)；在两端给予电压时，中间填充的导电材料会在感应电场下产生电位差。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于吸附饱和后，进行脱附时，将金属电极板反接或短接，在进水的同时进气。
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