CN106186216A - 一种新型电吸附液体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电吸附液体处理装置，包括圆筒状筒体、导电碳棒、阴离子交换膜、垫片、阳离子交换膜、流动碳电解液浆体；所述导电碳棒、阴离子交换膜、垫片、阳离子交换膜、碳电解液浆体均安装在圆筒状筒体内部。本方法设备简单，操作简单，同时对于电极要求不局限于比表面积大，空隙多等要求，电极制作简单方便，再生能力强，可以提高电极制备的时间和效率；本发明结合了流动电极吸附和膜电极吸附的优点，引入阴离子及阳离子交换膜进行隔离，有效的提高了吸附效率及除盐效率；整体圆筒式设计，简洁大方，接触面积大，同时具有较好的力学效果，延长设备使用时间。

Description

一种新型电吸附液体处理装置

技术领域

本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种新型电吸附液体处理装置。

背景技术

人类的生产和生活离不开水，水是生命之源，是社会和经济发展的基础。21世纪水资源是一种宝贵的稀缺资源，水资源问题己不仅仅是资源问题，更是关系到国家经济、社会长治久安和可持续发展的重大战略问题。随着人民生活水平的提高及经济的快速发展，人们对水量的需求越来越大，对水质的要求也逐渐增高。而水资源不足、分布不均、无限制的开采、无节制的浪费及严重的污染，使本来就稀缺的水资源变得更加紧张。

因此，如何获取淡水资源以及废水资源的处理已经成为世界各国面临的严重问题。地球上广阔的海水资源，为海水淡化技术提供了丰富的来源。常用的海水淡化方法主要包括：蒸馏法、电渗析法、反渗透法等。蒸馏法利用水的蒸发和冷凝原理，操作原理简单，但是由于发生了相态的变化，因此能耗较高；电渗析法需要电压为推动力，利用离子交换膜的选择性来实现离子的脱除和浓缩，但是由于离子交换膜需要定期除垢，影响淡水的连续化生产；反渗透法以压力差为推动为，是目前发展最快且使用范围最广的一项技术，但是设备比较复杂，对水质要求比较高。现在急需一项方便快捷、操作简单、耗能小、效率高的水处理技术。

电容去离子技术是去除水中盐分的新技术，可广泛应用在海水淡化、工农业用水除盐及生活用水除盐等领域中。其工作原理是基于双电层理论，在一对平行的极板间施加静电场，所需电压为1-2V，且设备简单，操作容易，无需化学再生过程，是一种低能耗，无污染的新型脱盐技术。离子的吸附和脱附同时伴随着能量的储存和释放，脱盐过程吸附离子，是储存能量的过程，而电极再生过程发生离子的脱附，是能量释放的过程。与传统方法相比，电容去离子技术具有成本低、效率高、环境友好等特点，近些年随着电极材料的发展而不断地进步，并被认为是一项很有潜力的脱盐技术。合适的电极材料是电容去离子技术的核心，常用的电极材料主要包括：活性炭、碳纤维、石墨烯、碳气凝胶等，但由于电极材料通常具有发达的孔结构和丰富的表面官能团，所以在脱盐过程中，也会伴随少量的物理吸附和化学吸附发生，当这些非静电吸附存在时，反接电源不能实现电极再生，造成电极的氧化失效。同时电容除盐技术还存在循环周期短，脱附时间长等缺点，影响工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型电吸附液体处理装置，旨在解决背景技术提及的问题。

本发明是这样实现的，一种新型电吸附液体处理装置，该新型电吸附液体处理装置包括圆筒状筒体、导电碳棒、阴离子交换膜、垫片、阳离子交换膜、流动碳电解液浆体；所述导电碳棒、阴离子交换膜、垫片、阳离子交换膜、碳电解液浆体均安装在圆筒状筒体内部；

所述导电碳棒与阴离子交换膜之间构成第一空腔；所述阳离子交换膜与圆筒状筒体的外壳构成第二空腔；所述第一空腔与第二空腔内部填充有流动碳电解液浆体；所述阴离子交换膜与垫片之间构成第三空腔；所述垫片通过离子交换树脂与阳离子交换膜连接。

所述导电碳棒外接正极电源，圆筒状筒体的外壳外接负极电源；所述第三空腔填充有流动待处理液体介质。

进一步，所述流动碳电解液浆体由碳颗粒、导电炭黑、水性电解液以85：10:5的比例，加入到1mol/L的浓盐水中制备成质量分数为20wt％的混合流动电极。

进一步，所述垫片为聚乙烯膜，用于防止正负极短接而导致短路；

进一步，所述圆筒状筒体的外壳为单个分体组装结构，相邻单个分体之间均通过密封圈连接。

进一步，所述第三空腔内环绕阴离子交换膜固定有楼梯式环绕塑料板，所述楼梯式环绕塑料板用以延长流动待处理液体介质的流动时间。

所述第一空腔、第二空腔的下部均开有进口，第一空腔、第二空腔的上部均开有出口；所述第三空腔上下端分别开有待处理液体介质流入口和待处理液体介质流出口。

进一步，该新型电吸附液体处理装置处理方法为：

混合流动电极分别从第一空腔、第二空腔下侧开口流过，从上侧开口流出；

当直流电源通过碳棒及外壳分别在两侧施加正负电极时，使混合流动电极分别带正负电压，待处理的液体从第三空腔流过时，液体中的杂质离子、带电颗粒会被吸附到阴离子交换膜和阳离子交换膜侧壁；

当吸附饱和时，将混合流动电极正负电极反接后通入清水，此时由于电极反接，电极中储存的电荷将排放到溶液中，进行脱附过程，脱附过程时间较短有利于工业循环操作，经冲洗处理后电极获得再生，使电极吸附得以继续进行；

同时吸附的有机物在电场的作用下进行分解和纯化，形成二氧化碳、无机酸、水。

进一步，所述的阴阳离子交换膜均为Neosepta BP-1(Tokuyama SodaInc.Japan)，所述阴离子交换膜包含胺化聚砜；所述阳离子交换膜为CM-1膜。

所述流动碳电解液浆体为混合流动电极。

近些年，电容去离子技术作为一种新兴的海水淡化技术得到人们的充分肯定，流动电极的出现，使人们对电极的认识有了更深入的了解，清华大学环境学院黄霞课题组利用流动性的离子交换树脂来脱除废水中的阴阳离子，脱除率比膜电容除盐技术要高50％。本发明是在流动电极的基础上，不同于传统电吸附装置，本发明研发新型流动电极液体处理装置，利用流动电极技术，制备新型水处理设备，用于除去液体中的离子、有机物、悬浮物及胶体粒子等，可用于海水淡化、废水处理等多个产业；

本发明所述的电吸附液体处理装置，采用了流动电极原理，将传统电吸附的电极替换为高效的流动电极材料。该装置用于水处理上，具有高的吸附效率、操作简单，循环周期长、液体处理量大等诸多优点；

本发明第三空腔的楼梯环绕式装置增加了液体流动时间进而增加了液体处理时间，对于水处理具有较好的作用；

本方法设备简单，操作简单，同时对于电极要求不局限于比表面积大，空隙多等要求，电极制作简单方便，再生能力强，可以提高电极制备的时间和效率；

本发明结合了流动电极吸附和膜电极吸附的优点，引入阴离子及阳离子交换膜进行隔离，有效的提高了吸附效率及除盐效率；

整体圆筒式设计，简洁大方，接触面积大，同时具有较好的力学效果，延长设备使用时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的新型电吸附液体处理装置示意图；

图2是本发明实施例提供的圆筒状筒体的外壳连接示意图。

图3是本发明实施例提供的楼梯式环绕塑料板连接示意图。

图中：1、导电碳棒；2、阴离子交换膜；3、垫片；4、阳离子交换膜；5、圆筒状筒体；5-1、圆筒状筒体的外壳；5-2、密封圈；6、流动碳电解液浆体；7、第一空腔；8、第二空腔；9、第三空腔；10、楼梯式环绕塑料板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图1至3对本发明的应用原理作详细的描述。

一种新型电吸附液体处理装置，该新型电吸附液体处理装置包括圆筒状筒体5、导电碳棒1、阴离子交换膜2、垫片3、阳离子交换膜4、流动碳电解液浆体6；所述导电碳棒、阴离子交换膜、垫片、阳离子交换膜、碳电解液浆体均安装在圆筒状筒体5内部；

所述导电碳棒与阴离子交换膜之间构成第一空腔7；所述阳离子交换膜与圆筒状筒体的外壳构成第二空腔8；所述第一空腔与第二空腔内部填充有流动碳电解液浆体；所述阴离子交换膜与垫片之间构成第三空腔9；所述垫片通过离子交换树脂与阳离子交换膜连接。

所述导电碳棒外接正极电源，圆筒状筒体的外壳外接负极电源；所述第三空腔填充有流动待处理液体介质。

所述流动碳电解液浆体由碳颗粒、导电炭黑、水性电解液以85：10:5的比例，加入到1mol/L的浓盐水中制备成质量分数为20wt％的混合流动电极。

所述垫片为聚乙烯膜，用于防止正负极短接而导致短路；

所述圆筒状筒体5的外壳为单个分体组装结构，相邻单个分体之间均通过密封圈连接。

所述第三空腔内环绕阴离子交换膜固定有楼梯式环绕塑料板10，所述楼梯式环绕塑料板用以延长流动待处理液体介质的流动时间。

所述第一空腔、第二空腔的下部均开有进口，第一空腔、第二空腔的上部均开有出口；所述第三空腔上下端分别开有待处理液体介质流入口和待处理液体介质流出口。

该新型电吸附液体处理装置处理方法为：

混合流动电极分别从第一空腔、第二空腔下侧开口流过，从上侧开口流出；

当直流电源通过碳棒及外壳分别在两侧施加正负电极时，使混合流动电极分别带正负电压，待处理的液体从第三空腔流过时，液体中的杂质离子、带电颗粒会被吸附到阴离子交换膜和阳离子交换膜侧壁；

当吸附饱和时，将混合流动电极即可使得吸附离子中和，经冲洗处理后电极获得再生，使电极吸附得以继续进行；

同时吸附的有机物在电场的作用下进行分解和纯化，形成二氧化碳、无机酸、水。

所述的阴阳离子交换膜均为Neosepta BP-1(Tokuyama Soda Inc.Japan)，所述阴离子交换膜包含胺化聚砜；所述阳离子交换膜为CM-1膜。

所述流动碳电解液浆体为混合流动电极。

下面结合工作原理对本发明进一步说明。

本发明整体装置成圆筒状，最中心为一导电碳棒，碳棒外接正极电源，环绕碳棒为阴离子交换膜，在阴离子交换膜与碳棒之间通入碳电解液浆体作为流动电极材料，环绕阴离子交换膜为2cm宽的环绕固定塑料板(楼梯式环绕)，外侧以垫片包裹，垫片外侧加一层阳离子交换膜，最外侧以外壳包裹，同样通入碳电解液浆体作为流动电极材料，外壳外接负极电源。

本发明的工作原理：

流动电极即分别从第一空腔、第二空腔流过，进入方式多样化，初步设定可从外壳处下测开口进入，上测开口流出，当直流电源通过碳棒及外壳分别在两侧施加正负电极时，进而使流动电极分别带正负电压，待处理的液体从阴离子交换膜及阳离子交换膜之间流过时，则液体中的杂质离子、带电颗粒会被吸附到流动电极之中，使原液体中的杂质离子、带电离子得以去除。当吸附饱和时，将流动电极混合即可使得吸附离子中和，经冲洗处理后电极获得再生，使电极吸附得以继续进行。同时吸附的有机物在电场的作用下会进行分解，形成二氧化碳、无机酸、水。达到吸附纯化的目的。

流动电极，又叫半固体流动电极，是一种半固态的、可从流动的储存能量的电解液浆体。作为一种新型电极，与固体电极相比，流动电极具有柔性和流动特性。流动电极具有制备简单、能量密度高、充放电快速、循环寿命长、吸附脱附快等优点。

将多孔的炭颗粒与水性电解液或有机电解液混合，即可得到流动的碳电解液浆体。

本发明是在流动电极的基础上，不同于传统电吸附装置，本发明研发新型流动电极液体处理装置，利用流动电极技术，制备新型水处理设备，用于除去液体中的离子、有机物、悬浮物及胶体粒子等，可用于海水淡化、废水处理等多个产业。

采用阴阳离子交换膜，利用膜电极与流动电极相结合的优点，提高电吸附性能及处理性能。

采用圆筒式装置，具有较好的力学性能，同时提高接触面积和吸附时间。

采用楼梯环绕式设计，增加液体流动时间，进而延长吸附作用时间。

采用电吸附技术，利用流动电极，通过电吸附手段进行液体处理。

本发明可以适用的范围广，可在工业生产领域广泛适用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型电吸附液体处理装置，其特征在于，该新型电吸附液体处理装置包括圆筒状筒体、导电碳棒、阴离子交换膜、垫片、阳离子交换膜、流动碳电解液浆体；所述导电碳棒、阴离子交换膜、垫片、阳离子交换膜、碳电解液浆体均安装在圆筒状筒体内部；

所述导电碳棒与阴离子交换膜之间构成第一空腔；所述阳离子交换膜与圆筒状筒体的外壳构成第二空腔；所述第一空腔与第二空腔内部填充有流动碳电解液浆体；所述阴离子交换膜与垫片之间构成第三空腔；所述垫片通过离子交换树脂与阳离子交换膜连接。

2.如权利要求1所述的新型电吸附液体处理装置，其特征在于，所述导电碳棒外接正极电源，圆筒状筒体的外壳外接负极电源；所述第三空腔填充有流动待处理液体介质。

3.如权利要求1所述的新型电吸附液体处理装置，其特征在于，所述流动碳电解液浆体由碳颗粒、导电炭黑、水性电解液按质量比85：10:5的比例，加入到1mol/L的浓盐水中制备成质量分数为20wt％的混合流动电极。

4.如权利要求1所述的新型电吸附液体处理装置，其特征在于，所述垫片为聚乙烯膜，用于防止正负极短接而导致短路；

所述圆筒状筒体的外壳为单个分体组装结构，相邻单个分体之间均通过密封圈连接。

5.如权利要求1所述的新型电吸附液体处理装置，其特征在于，所述第三空腔内环绕阴离子交换膜固定有楼梯式环绕塑料板，所述楼梯式环绕塑料板用以延长流动待处理液体介质的流动时间。

6.如权利要求1所述的新型电吸附液体处理装置，其特征在于，所述第一空腔、第二空腔的下部均开有进口，第一空腔、第二空腔的上部均开有出口；所述第三空腔上下端分别开有待处理液体介质流入口和待处理液体介质流出口。

7.如权利要求1所述的新型电吸附液体处理装置，其特征在于，该新型电吸附液体处理装置处理方法为：

混合流动电极分别从第一空腔、第二空腔下侧开口流过，从上侧开口流出；

当直流电源通过碳棒及外壳分别在两侧施加正负电极时，使混合流动电极分别带正负电压，待处理的液体从第三空腔流过时，液体中的杂质离子、带电颗粒会被吸附到阴离子交换膜和阳离子交换膜侧壁；

当吸附饱和时，将混合流动电极正负电极反接后通入清水，电极中储存的电荷将排放到溶液中，进行脱附过程，经冲洗处理后电极获得再生，使电极吸附得以继续进行；

同时吸附的有机物在电场的作用下进行分解和纯化，形成二氧化碳、无机酸、水。