CN104817143A - 离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置 - Google Patents

Abstract

一种感应式膜电吸附模块，属于海水淡化和污水、废水处理技术领域。该模块包括上下两个支撑板(2)和(11)，紧挨着支撑板的是金属板(3)，紧挨着金属板的是绝缘膜(4)，中间是集电极(5)、电极片(7)、隔网(9)依次交替紧密的排列，在电极片(7)上依次交替排列阴离子交换膜(8)、阳离子交换膜(10)，最后把上下两个支撑板固定压紧组装成电吸附脱盐水处理模块。本发明中，模块只有上下两个金属板与电源连接，可以连接较大的电压，形成较强电场，电场更加稳定均匀，电流减小，能耗减少；阴阳离子交换膜的加入，可以更有效率地选择性透过离子，提高吸附量。

Description

离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置

技术领域

本发明属于海水淡化和污水、废水处理技术领域，是一种通过加一定电压来吸附水溶液中离子的水处理模块。

背景技术

随着经济的高速发展和人口的迅速膨胀，水资源紧缺的现象日益严重，工业及生活用水紧缺，水污染不仅对环境造成极大的破坏，而且还会对人类的身体健康造成极大的危害，所以水资源的净化成为人们普遍关心的问题。目前水处理的方法主要有蒸馏法、离子交换法、电渗析法、反渗透法等。但是这些方法都有着各自的不足之处：蒸馏法的能耗较高而且易结垢；离子交换法中使用的离子交换树脂易被有机杂质污染，因此需要经常更换昂贵的离子交换树脂，成本高；电渗析法中使用的离子交换膜易被毒化，而且处理过程中有水的电解，增加了能耗；反渗透法目前使用较为普遍，但是使用过程中需要高压设备，并且反渗透膜易被污染，需要定期清洗。

电容吸附脱盐水处理技术作为一种新型的水处理技术，具有低能耗，低成本，操作简单，处理效率高，无二次污染，无薄膜毒化及系统压力低等优点，近些年来引起了实验人员的大量关注。电容吸附脱盐水处理技术足以弥补上述各种海水淡化处理技术的不足，被普遍认为是一种绿色环保的水处理方法，有着巨大的应用前景。

电容吸附脱盐的原理吸附水处理技术的原理就是在两个电极板上施加一定的电压，电极板之间就形成一个电场，当盐溶液从电极板之间的流道流过时，会受到电场力的作用，从而吸附到涂在电极板上的吸附材料中去。等吸附饱和，切断电源，短接或者反接电压就可以实现脱附，使吸附的离子脱附到溶液中去，从而使电容吸附脱盐水处理模块循环使用。

影响电容吸附脱盐水处理模块的吸附性能的因素有：电容吸附脱盐材料、流道、流动方式和电极板间的间距。电容吸附脱盐材料一般选用孔径分布以中孔为主、比表面积比较大的材料，如介孔活性碳、石墨烯、碳纳 米管、炭气凝胶等；流道一般采用蛇形循环的方式，增加溶液在电极板间的停留时间；流动方式一般采用从模块下方进水，上方出水，溶液流速不大，在电极板间流的很平稳，有利于吸附；电极板的间距很大程度影响到电极板间的电压和场强，对吸附的影响很大，要尽量保证间距的统一。

US2009084675A1，CN01127147.7，CN201220679818，CN2013106616436等专利中的电容吸附装置的每一个模块单元都与电源直接连接，一方面造成结构复杂，组装困难；另一方面数百个模块单元并联在一起的工作电流非常大，能耗高，效率低。US20110162964，US20130264208等专利中电容吸附装置中加入了离子交换树脂，增大了流体流动的阻力，增加了能耗。

发明内容

本发明的目的针对上述提出的缺点，设计出一种吸附效率高、能耗小、组装简单的感应式离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置。

本发明的改进之处是只有上下两个金属板连接电压，而中间的集电板不直接连接电压；而两个金属板和紧邻的两个集电板间有绝缘膜，这样金属板可以连接很大的电压，而相邻两个集电板间会出现感应电压，而这个感应电压不至于太大，不会出现电解的现象，对于感应电压的可以由公式1-1计算得出，通过万用表测量出的实际电压和由公式1-1计算出的理论感应电压基本吻合；而实验中工作电流非常小，能耗也比较小；加入的阴、阳离子交换膜对于离子具有选择透过性，大大提高离子的吸附效率和吸附量。

       $U_0=\frac{U}{(n-1)+2\frac{d_r{\mathrm{\ϵ}}_0}{d_0{\mathrm{\ϵ}}_r}}$     (式1-1)

其中U₀为流体区域的感应电压；U为电源电压；d_r、d₀分别为绝缘膜(4)和流体区域的厚度；ε_r、ε₀分别为绝缘膜(4)和流体的介电常数；n为集电板数。

一种感应式膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：该离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置的两端分别是下撑板(2)和上撑板(11)，紧挨 着支撑板的是金属板(3)，紧挨着金属板的是绝缘膜(4)；中间是多个重复的单元，每个单元包括单元A和单元B；单元A为集电板(5)、电极片(7)、阴离子交换膜(8)、隔网(9)依次紧密的排列，单元B为集电板(5)、电极片(7)、阳离子交换膜(10)、隔网(9)依次紧密的排列，且单元A和单元B对称排列，即两个集电板(5)在最外侧；最后把上下两个支撑板固定压紧组装好电容吸附脱盐水处理模块，上下两个金属板与电源连接；上下支撑板上开有进液口(1)和出液口(12)，还有上下支撑板之间设有的垫片(6)构成流道。

金属板(3)为不锈钢、钛板或铝板；集电板(5)为石墨纸、石墨板、碳纸或钛板；电极片(7)为活性炭、碳纳米管、石墨烯或炭气凝胶。

绝缘膜(4)为聚氯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂或聚苯乙烯树脂绝缘膜，其厚度为0.1-1mm，介电常数大于1.0。

垫片(6)为聚四氟乙烯板、聚苯乙烯板或橡胶垫。

阴离子交换膜(8)为苯乙烯系树脂、聚苯醚系树脂或丙烯酸系树脂薄膜，；阳离子交换膜(10)为苯乙烯系树脂、丙烯酸系树脂、全氟磺酸系树脂、脲醛系树脂或环氧系树脂薄膜，阴、阳离子膜的厚度为0.01-100μm，离子交换容量为0.5-1.5mmol/g。

隔网(9)为尼龙网、锦纶网或网布。

下撑板(2)和上撑板(11)的厚度为4～20mm，采用有机玻璃板、PVC板或ABS塑料板。

附图说明

图1离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置剖面图

图2电极板示意图

图3离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置组装连接图

图中(1)进液口，(2)下支撑板，(3)金属板，(4)绝缘膜，(5)集电板，(6)垫片，(7)电极片，(8)阴离子交换膜，(9)隔网，(10)阳离子交换膜，(11)上支撑板，(12)出液口。

具体实施方式

下面根据相应的附图来具体介绍本专利和实施方法。

图1为离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置剖面图，由图可以看出加膜感应电压电容吸附脱盐水处理模块包括上下支撑板(2)和(11)，紧挨着支撑板的是金属板(3)，紧挨着金属板的是绝缘膜(4)，中间是多个重复的单元，每个单元包括单元A和单元B；单元A为集电板(5)、电极片(7)、阴离子交换膜(8)、隔网(9)依次紧密的排列，单元B为集电板(5)、电极片(7)、阳离子交换膜(10)、隔网(9)依次紧密的排列，且单元A和单元B对称排列，即两个集电板(5)在最外侧；最后把上下两个支撑板固定压紧组装好电容吸附脱盐水处理模块，上下两个金属板与电源连接；上下支撑板上开有进液口(1)和出液口(12)，还有垫片(6)构成流道。

图2为离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置的电极板(5)示意图，由图可以看出集电极包括集电板(5)和电极片(7)；下面的单元A为集电板(5)、电极片(7)、阴离子交换膜(8)、隔网(9)依次紧密的排列，上面的单元B为集电板(5)、电极片(7)、阳离子交换膜(10)、隔网(9)依次紧密的排列，且单元A和单元B对称排列，即两个集电板(5)在最外侧。

图3为离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置组装连接图，由图可以看出离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置只有两头的金属板(3)连接电源，其它集电板(5)是不需要直接连接电源的。金属板(3)连接一个很大的电压，金属板(3)之间会形成一个很强的电场，而集电板(5)上就会出现感应电动势，相邻的两个集电板(5)之间就会出现一个电势差。当有盐溶液由进液口(1)流入，经过两个集电板(5)之间，盐溶液中的离子就会受到电场力的作用，发生移动。盐溶液中的正离子就会穿过阳离子交换膜(10)移动到感应电动势相对较低的电极板(5)上，负离子就会穿过阴离子交换膜(8)移动到感应电动势相对较高的电极板(5)上，盐溶液穿过流道从出液口(12)流出，从而实现盐溶液的脱盐。脱盐过程中，电压较大，电场强度较大，而电流较小且平稳，吸附更加稳定高效，能耗更低。

实施实例

模块1，电极材料为介孔活性碳，金属板304不锈钢，垫片为1mm厚的聚四氟乙烯板，绝缘膜是介电常数为6.34、厚度为0.8mm的聚丙烯膜，隔网为圆形网丝的平行尼龙网，阴离子交换膜为苯乙烯树脂膜，阳离子交换膜全氟磺酸树脂膜，6片集电极，电压为8V，上下两个金属板连接电源。当浓度为1600us/cm的初始盐溶液以20ml/min的流速流入模块时，出水最终浓度为998us/cm。

模块2，电极材料为介孔活性碳，金属板304不锈钢，垫片为1mm厚的聚四氟乙烯板，绝缘膜是介电常数为6.34、厚度为0.8mm的聚丙烯膜，隔网为圆形网丝的平行尼龙网，6片集电极，电压为8V，上下两个金属板连接电源。当浓度为1600us/cm的初始盐溶液以20ml/min的流速流入模块时，出水最终浓度为1198us/cm。

模块3，电极材料为介孔活性碳，金属板304不锈钢，垫片为1mm厚的聚四氟乙烯板，绝缘膜是介电常数为6.34、厚度为0.8mm的聚丙烯膜，隔网为圆形网丝的平行尼龙网，阴离子交换膜为苯乙烯树脂膜，阳离子交换膜全氟磺酸树脂膜，6片集电极，电压为1.2V，每个集电极都连接电压。当浓度为1600us/cm的初始盐溶液以20ml/min的流速流入模块时，出水最终浓度为1236us/cm。

模块1是按照本发明制作的模块，模块2、3是对比模块，对比数据在表1中。

表1

      

模块	单位吸附量(mg/g)	吸附时间(min)	能耗(J)
				1	14.6	20	53.2
2	9.37	30	78.4
				3	8.45	40	289.5

Claims (8)

1.一种感应式膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：该离子交换膜复合多极电容吸附脱盐装置的两端分别是下撑板(2)和上撑板(11)，紧挨着支撑板的是金属板(3)，紧挨着金属板的是绝缘膜(4)；中间是多个重复的单元，每个单元包括单元A和单元B；单元A为集电板(5)、电极片(7)、阴离子交换膜(8)、隔网(9)依次紧密的排列，单元B为集电板(5)、电极片(7)、阳离子交换膜(10)、隔网(9)依次紧密的排列，且单元A和单元B对称排列，即两个集电板(5)在最外侧；最后把上下两个支撑板固定压紧组装好电容吸附脱盐水处理模块，上下两个金属板与电源连接；上下支撑板上开有进液口(1)和出液口(12)，还有上下支撑板之间设有的垫片(6)构成流道。

2.根据权利要求1所述的膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：所述金属板(3)为不锈钢、钛板或铝板；集电板(5)为石墨纸、石墨板、碳纸、钛板或泡沫镍；电极片(7)为活性炭、碳纳米管、石墨烯或炭气凝胶多孔材料。

3.根据权利要求1所述的膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：所述绝缘膜(4)为聚氯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂或聚苯乙烯树脂绝缘膜，其厚度为0.1-1mm，介电常数大于1.0。

4.根据权利要求1所述的膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：所述垫片(6)为聚四氟乙烯板、聚苯乙烯板或橡胶垫。

5.根据权利要求1所述的膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：所述阴离子交换膜(8)为苯乙烯系树脂、聚苯醚系树脂或丙烯酸系树脂薄膜。

6.根据权利要求1所述的膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：所述阳离子交换膜(10)为苯乙烯系树脂、丙烯酸系树脂、全氟磺酸系树脂、脲醛系树脂或环氧系树脂薄膜。

7.根据权利要求1所述的膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：所述隔网(9)为尼龙网、锦纶网或网布。

8.根据权利要求1所述的膜电吸附脱盐水处理模块，其特征在于：所述上下两个支撑板为有机玻璃板、PVC板或ABS塑料板。