CN105948188B - 一种连续电控离子分离装置和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续电控离子分离装置和工艺。该装置包括中心圆柱状膜电极和外部环形对电极，中心圆柱状膜电极具备电控离子交换功能，原料液与再生液分别连续输入均匀分布于中心膜电极与环形对电极之间的原料液室和再生液室，在中心膜电极和环形对电极上分别施加不同的电位并控制电极的旋转，可使膜电极对原料液中目标离子的吸附以及膜电极在再生液中的脱附再生连续完成，从而实现对溶液中目标离子的高效同步连续电控分离和回收。本发明装置中无需切换液路，结构简单、操作方便；溶液中离子直接在膜电极表面吸/脱附，离子传递速度快、分离效率高；膜电极可以连续运行。

Description

一种连续电控离子分离装置和工艺

技术领域

本发明涉及一种连续电控离子分离装置和工艺，具体涉及一种连续选择性分离回收溶液中目标离子的电化学控制离子交换装置和工艺，属于离子分离与回收技术领域。

背景技术

工业生产过程中的原料液及中间产物中通常含有各种金属和非金属离子杂质，这些微量杂质离子会腐蚀反应器、诱发副反应，进而降低反应效率和产品质量。尤其是近年来含有难生物降解毒性金属或非金属离子废水的排放日益增多，由此引发的饮用水和食品安全问题屡见不鲜。另一方面工业废水中所含毒性重金属离子如稀土及贵金属等也是一种重要的战略资源，从溶液中分离回收这些离子可以达到节能减排和资源化利用的双重目的，对于经济可持续发展具有重要的意义。

目前工业中处理含离子废水的主要方法包括沉淀法、吸附法、离子交换法、膜分离法、溶剂萃取法、氧化还原法及生物处理技术。但这些传统的处理离子废水的方法在实际操作中都存在一定的缺陷，成本高且化学反应和离子分离基体再生过程容易产生二次污染，因此寻求在常温下能够连续运行、结构简单、操作方便、耗能低、分离效率高、无二次污染的新型离子分离回收技术一直是含离子废水处理研究的重点。

电控离子交换（Electrochemically switched ion exchange, ESIX）是一种新型的离子分离回收技术。具体是将电活性离子交换材料沉积到导电基体上制得膜电极，利用电活性离子交换材料的电控离子交换特性，通过电化学方法控制膜电极在氧化和还原状态间转化，从溶液中可逆的置入和释放离子，从而实现离子的可控分离和膜电极的循环利用。

常规的ESIX主要用来分离回收单一的阳离子或阴离子（如Electrochim. Acta,2001, 47: 741; 2013, 87: 119; Environ. Sci. Technol., 2006, 40: 4004，）但这些操作通常在间歇状态下进行，运行效率低，难以实现工业化应用。将ESIX技术与膜分离技术结合可以实现目标离子连续电控分离与回收。中国专利 CN102583664A公开了一种采用离子交换膜和一组ESIX膜电极组成的隔膜式反应器，通过交替给膜电极施加氧化还原电位，结合外部供液系统可以实现单一离子的连续电控分离回收，但该系统操作过程复杂且需要附加电路和液路切换系统，运行成本高。中国专利CN102718292A公开了一种双隔膜电极反应器，采用双隔膜选择渗透膜电极并在辅助电极施加的电场力作用下实现阴、阳离子的连续选择性分离。该分离工艺中离子需要穿越隔膜电极，离子的传递阻力大、分离效率低且需要施加外部电场操作不便。中国专利CN104587835A公开了一种套筒式反应器，通过控制同心双层套筒惰性电极的开启和闭合，结合外部电源交替调控膜电极的氧化/还原电位可以实现对阴、阳离子的连续分离回收，但该工艺需要附加电路和液路切换系统，同时处理液和再生液共室会产生相互干扰，降低分离效率。

发明内容

本发明旨在提供一种连续电控离子分离装置和工艺，连续分离回收溶液中的目标离子，其特点是在无附加电路和液路切换系统的条件下利用中心圆柱状膜电极或外部环形对电极的转动实现对溶液中目标离子的连续分离，无需离子交换膜，离子分离效率高，操作简单，易于实现工业化。

本发明提供了一种连续电控离子分离装置，该装置包括中心圆柱状膜电极、外部环形对电极、圆筒式绝缘外壳、电机控制装置和外接电源；

所述中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳同轴，且中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间为空腔；

所述中心圆柱状膜电极由圆柱状膜电极导电基体和沉积在电极导电基体上的电活性离子交换功能膜组成，二者均为圆筒状结构，且电活性离子交换功能膜位于膜电极导电基体的外侧；外部环形对电极位于圆筒式绝缘外壳的内侧，中心圆柱状膜电极和外部环形对电极在电机控制装置的作用下发生相对旋转运动；电活性离子交换功能膜与外部环形对电极之间存在环形腔室；电活性离子交换功能膜与外部环形对电极之间沿径向均匀设置绝缘隔板，绝缘隔板与圆筒式绝缘外壳固定，绝缘隔板将环形腔室分隔成交替分布的原料液室和再生液室，原料液室和再生液室互相密闭、不漏液；所述原料液室和再生液室的下方分别设有进液口，上方分别设有出液口；

所述外接电源分别施加于中心圆柱状膜电极和外部环形对电极之间。

上述装置中，所述电活性离子交换功能膜是在电化学氧化/还原电位下能够控制目标离子选择性吸/脱附的有机、无机或其复合电活性材料。

上述装置中，所述外部环形对电极以扇形结构均匀分布于原料液室和再生液室，相互之间通过绝缘隔板绝缘。

上述装置中，所述绝缘隔板以轴心为圆心在电活性离子交换功能膜外侧沿径向均匀分布数对，将中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间的环形腔室分为互相密闭、交替分布的成对原料液室和再生液室。绝缘隔板与圆筒式绝缘外壳接触的一端固定，而与中心圆柱状膜电极接触的一端不固定，使中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间可以发生相对旋转运动。

进一步地，所述外部环形对电极为不锈钢或石墨组成的惰性电极。

本发明提供了一种连续电控离子分离工艺，采用上述连续电控离子分离装置，包括以下步骤：

含目标离子的待处理原料液与再生液分别连续输入均匀分布于中心膜电极与环形对电极之间的原料液室和再生液室，在中心膜电极和环形对电极上分别施加不同的电位并通过电机控制电极的旋转速度，转速为0.01~10 rpm，使膜电极对原料液中目标离子的吸附以及吸附饱和的膜电极在再生液中的脱附再生连续完成，从而实现对溶液中目标离子的高效同步连续电控分离。

上述工艺中，所述外接电源控制固定中心圆柱状膜电极电位，在环形原料液室对电极上施加高电位（阳离子分离）或低电位（阴离子分离），使旋转到原料液室的电活性离子交换功能膜处于电化学还原电位（阳离子分离）或氧化电位（阴离子分离），目标阳离子或阴离子在电场力的作用下选择性吸附于中心圆柱状膜电极上；而在环形再生液室对电极上施加低电位（阳离子分离）或高电位（阴离子分离），使旋转到再生液室的电活性离子交换功能膜处于电化学氧化电位（阳离子分离）或还原电位（阴离子分离），被吸附于电活性离子交换功能膜上目标阳离子或阴离子电场力的作用下被置出膜外。

本发明中膜电极对原料液中目标离子的吸附以及膜电极在再生液中的脱附再生连续完成，实现对溶液中目标离子的高效同步电控连续分离和回收。本发明具有如下优点：

（1）本发明装置结构简单、操作方便，连续运行成本低；无需电路切换，工艺简单；

（2）本发明无需液路切换，处理液和再生液分别进入各自液室互不干扰；膜电极和溶液直接接触，无需通过隔膜；

（3）本发明相较于传统的吸附和离子交换，电控离子交换过程的主要推动力是电极电位，因此离子传递效率高且可应用于低浓度离子废液的处理；

（4）离子分离基体无需化学再生，消除了使用化学再生剂产生的二次污染，是一种环境友好的高效分离技术；

（5）电荷传递的阻力小，吸附容量大、速率快、再生效率高。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3为本发明连续选择性吸、脱附阳离子的示意图。

图4是本发明连续选择性吸、脱附阴离子的示意图。

图中：1–出液口；2–膜电极导电基体；3–电活性离子交换功能膜；4–环形对电极；5–圆筒式绝缘外壳；6–进液口；7–绝缘隔板；8–再生液室；9–键槽；10–轴孔；11–原料液室。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

图1~2是本发明连续电控离子分离装置的主视图和俯视图，该装置包括中心圆柱状膜电极、圆筒式绝缘外壳、绝缘隔板、外部环形对电极、外接电源和电机控制装置。

所述中心圆柱状膜电极由膜电极导电基体（2）和沉积在电极导电基体上的电活性离子交换功能膜（3）组成；进一步地，所述膜电极导电基体内设有键槽（9）和轴孔（10），通过键槽（9）和轴孔（10）与电机的旋转轴相连接，在电机控制装置的带动下可以控制中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳（5）做相对旋转运动；所述电活性离子交换功能膜（3）是在电化学氧化/还原电位下能够控制目标离子选择性吸/脱附的有机、无机或其复合电活性材料。

所述绝缘隔板（7）将电活性离子交换功能膜（3）与圆筒式绝缘外壳（5）之间的环形腔室分为交替分布的成对原料液室（11）和再生液室（8），二者之间互相密闭、不发生漏液；进一步地，所述绝缘隔板（7）与圆筒式绝缘外壳（5）接触的一端固定，而与中心圆柱状膜电极接触的一端不固定，使中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳（5）之间可以发生不间断的相对旋转运动，转速为0.01~10 rpm。

所述外部环形对电极（4）以弧形结构均匀分布于原料液室（11）和再生液室（8），相互之间通过绝缘隔板（7）绝缘；进一步地，所述外部环形对电极（4）为不锈钢或石墨组成的惰性电极。

所述外接电源分别施加于中心圆柱状膜电极和外部环形对电极（4）之间。

图2是本发明连续选择性吸、脱附阳离子的工艺示意图。

结合图2对本发明的工艺进一步说明：

图中，中心圆柱状膜电极表面沉积有电活性阳离子交换功能膜材料，所述电活性阳离子交换功能膜材料在电化学还原电位下选择性吸附阳离子，在电化学氧化电位下选择性脱附阳离子。

将含有目标阳离子的待处理原料液通过循环泵系统注入原料液室，同时将再生液通过循环泵系统注入再生液室。

通过外接电源控制固定中心圆柱状膜电极电位，在弧形原料液室对电极上施加高电位，使旋转到原料液室的电活性离子交换功能膜处于电化学还原电位；而在弧形再生液室对电极上施加低电位，使旋转到再生液室的电活性离子交换功能膜处于电化学氧化电位。

通过电机控制装置控制中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间发生相对旋转，当中心圆柱状膜电极旋转到原料液室时，目标阳离子在电场力的作用下选择性吸附于中心圆柱状膜电极上；当中心圆柱状膜电极旋转到再生液室时，被吸附于电活性离子交换功能膜上的阳离子在电场力的作用下被置出膜外进入再生液。

通过中心圆柱状电极在原料液室和再生液室之间不断地旋转，结合外接电源在原料液室和再生液室之间产生的电场力作用，使目标阳离子在原料液室选择性吸附于电活性离子交换功能膜内，而在再生液室脱附，实现对目标阳离子的选择性分离与回收。

图3是本工艺连续选择性吸、脱附阴离子的示意图。

结合图3对本发明工艺做进一步说明：

图中，中心圆柱状膜电极表面沉积有电活性阴离子交换功能膜材料，所述电活性阴离子交换功能膜材料在电化学氧化电位下选择性吸附阴离子，在电化学还原电位下选择性脱附阴离子。

将含有目标阴离子的待处理原料液通过循环泵系统注入原料液室，同时将再生液通过循环泵系统注入再生液室。

通过外接电源控制固定中心圆柱状膜电极电位，在弧形原料液室对电极上施加低电位，使旋转到原料液室的电活性离子交换功能膜处于电化学氧化电位；而在弧形再生液室对电极上施加高电位，使旋转到再生液室的电活性离子交换功能膜处于电化学还原电位。

通过电机控制装置控制中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间发生相对旋转，当中心圆柱状膜电极旋转到原料液室时，目标阴离子在电场力的作用下选择性吸附于中心圆柱状膜电极上；当中心圆柱状膜电极旋转到再生液室时，被吸附于电活性离子交换功能膜上的阴离子在电场力的作用下被置出膜外进入再生液。

通过中心圆柱状电极在原料液室和再生液室之间不断地旋转，结合外接电源在原料液室和再生液室之间产生的电场力作用，使目标阴离子在原料液室选择性吸附于电活性离子交换功能膜内，而在再生液室脱附，实现对目标阴离子的选择性分离与回收。

Claims (8)

1.一种连续电控离子分离装置，其特征在于：包括中心圆柱状膜电极、外部环形对电极、圆筒式绝缘外壳、电机控制装置和外接电源；

所述中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳同轴，且中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间为空腔；

所述中心圆柱状膜电极由圆柱状膜电极导电基体和沉积在电极导电基体上的电活性离子交换功能膜组成，二者均为圆筒状结构，且电活性离子交换功能膜位于膜电极导电基体的外侧；外部环形对电极位于圆筒式绝缘外壳的内侧，中心圆柱状膜电极和外部环形对电极在电机控制装置的作用下发生相对旋转运动；电活性离子交换功能膜与外部环形对电极之间存在环形腔室；电活性离子交换功能膜与外部环形对电极之间沿径向均匀设置绝缘隔板，绝缘隔板与圆筒式绝缘外壳固定，绝缘隔板将环形腔室分隔成交替分布的原料液室和再生液室，原料液室和再生液室互相密闭、不漏液；所述原料液室和再生液室的下方分别设有进液口，上方分别设有出液口；

所述外接电源分别施加于中心圆柱状膜电极和外部环形对电极之间。

2.根据权利要求1所述的连续电控离子分离装置，其特征在于：所述电活性离子交换功能膜是在电化学氧化/还原电位下能够控制目标离子选择性吸/脱附的有机、无机或其复合电活性材料。

3.根据权利要求1所述的连续电控离子分离装置，其特征在于：所述外部环形对电极以扇形结构均匀分布于原料液室和再生液室，相互之间通过绝缘隔板绝缘。

4.根据权利要求1所述的连续电控离子分离装置，其特征在于：所述绝缘隔板以轴心为圆心在电活性离子交换功能膜外侧沿径向均匀分布数对。

5.根据权利要求1所述的连续电控离子分离装置，其特征在于：所述外部环形对电极为不锈钢或石墨组成的惰性电极。

6.一种连续电控离子分离工艺，采用权利要求1~5任一项所述的连续电控离子分离装置，其特征在于包括以下步骤：含目标离子的待处理原料液与再生液分别连续输入均匀分布于中心膜电极与环形对电极之间的原料液室和再生液室，在中心圆柱状膜电极和环形对电极上分别施加不同的电位并通过电机控制电极的旋转速度，转速为0.01~10 rpm，使膜电极对原料液中目标离子的吸附以及吸附饱和的膜电极在再生液中的脱附再生连续完成，从而实现对溶液中目标离子的高效同步连续电控分离。

7.根据权利要求6所述的连续电控离子分离工艺，其特征在于包括以下步骤：

（1）将含有目标阳离子的待处理原料液通过循环泵系统注入原料液室，同时将再生液通过循环泵系统注入再生液室；

（2）通过外接电源控制固定中心圆柱状膜电极电位，在弧形原料液室对电极上施加高电位，使旋转到原料液室的电活性离子交换功能膜处于电化学还原电位；而在弧形再生液室对电极上施加低电位，使旋转到再生液室的电活性离子交换功能膜处于电化学氧化电位；

（3）通过电机控制装置控制中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间发生相对旋转，当中心圆柱状膜电极旋转到原料液室时，目标阳离子在电场力的作用下选择性吸附于中心圆柱状膜电极上；当中心圆柱状膜电极旋转到再生液室时，被吸附于电活性离子交换功能膜上的阳离子在电场力的作用下被置出膜外进入再生液；

（4）通过中心圆柱状电极在原料液室和再生液室之间不断地旋转，结合外接电源在原料液室和再生液室之间产生的电场力作用，使目标阳离子在原料液室选择性吸附于电活性离子交换功能膜内，而在再生液室脱附，实现对目标阳离子的选择性分离与回收。

8.根据权利要求6所述的连续电控离子分离工艺，其特征在于包括以下步骤：

（1）将含有目标阴离子的待处理原料液通过循环泵系统注入原料液室，同时将再生液通过循环泵系统注入再生液室；

（2）通过外接电源控制固定中心圆柱状膜电极电位，在弧形原料液室对电极上施加低电位，使旋转到原料液室的电活性离子交换功能膜处于电化学氧化电位；而在弧形再生液室对电极上施加高电位，使旋转到再生液室的电活性离子交换功能膜处于电化学还原电位；

（3）通过电机控制装置控制中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳之间发生相对旋转，当中心圆柱状膜电极旋转到原料液室时，目标阴离子在电场力的作用下选择性吸附于中心圆柱状膜电极上；当中心圆柱状膜电极旋转到再生液室时，被吸附于电活性离子交换功能膜上的阴离子在电场力的作用下被置出膜外进入再生液；

（4）通过中心圆柱状电极在原料液室和再生液室之间不断地旋转，结合外接电源在原料液室和再生液室之间产生的电场力作用，使目标阴离子在原料液室选择性吸附于电活性离子交换功能膜内，而在再生液室脱附，实现对目标阴离子的选择性分离与回收。