CN107162127A

CN107162127A - 一种电去离子装置

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Publication number: CN107162127A
Application number: CN201710606411.9A
Authority: CN
Inventors: 张平原; 张平凡; 孙占威; 任大超; 赵寰宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2017-09-15
Anticipated expiration: 2037-07-24
Also published as: CN107162127B

Abstract

本发明公开了一种电去离子装置，其包括：包括阳极室、阴极室、交替排列在阳极室和阴极室之间的淡水室和浓水室，淡水室分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜与相邻的浓水室隔开，淡水室内装填有混床离子交换树脂；阳离子交换膜为石墨烯改性阳离子交换膜，阴离子交换膜为石墨烯改性阴离子交换膜。本发明利用石墨烯改性离子交换膜代替原有的离子交换膜，同时浓水室、阳极室和阴极室中的至少一个内装填有至少一层石墨烯改性聚丙烯导电隔网，可以有效地提高离子交换膜和浓水室的导电性，降低电去离子模块的内电阻；同时与浓水室装填树脂降低模块电阻相比，简化了装填的难度，同时避免了由于浓水循环和浓水室加盐带来的工艺复杂运行控制要求高等问题。

Description

一种电去离子装置

技术领域

本发明属于纯水制备技术领域，特别是涉及一种电去离子装置。

背景技术

Electrodeionization (EDI即电去离子），是利用混合离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子，同时这些被吸附在离子交换树脂上的离子在直流电的作用下分别通过阴阳离子交换膜而被除去的过程。目前电去离子装置在纯水及超纯水制备领域得到广泛应用，其主要结构包括加紧板、阳极室（含阳极）、阴极室（含阴极）以及位于阳极室和阴极室之间的一个或多个重复设置的浓水室和淡水室构成。这些浓水室和淡水室通过交替布置的阴离子交换膜和阳离子交换膜而形成。填充于淡水室的为阴阳离子交换树脂，这些树脂可以分层装填也可以混合装填。

在离子迁移的过程中，淡水室的离子交换树脂层、阴阳离子交换膜、浓水室等几部分的电阻构成了EDI膜块的内电阻。离子交换树脂的主要作用为：1、增加离子的横向迁移速度；2、延缓离子的纵向迁移速度；3、增加淡水室的导电性；4、加速水的局部离解率；5、交换水中阴阳离子提高产水纯度。为了提高浓水室的导电性，部分厂家采用浓水循环和浓水加盐的方式提高浓水室的导电度，降低浓水室的电阻，降低模块在运行时的能耗。也有部分厂家采用在浓水室装填树脂的方式增加离子的横向迁移速度提高浓水室的导电性，降低浓水室的电阻降低模块在运行时的能耗。这两种方式都存在一定的问题，浓水循环和加盐在提高浓水和极水的导电度的同时也导致氯离子在阳极析出导致离子交换膜和树脂的氧化，降低设备的性能，并且浓水循环和浓水室加盐带来的工艺复杂，运行控制要求高等问题。而在浓水室装填树脂虽然可以避免浓水循环和浓水室加盐带来的工艺复杂，运行控制要求高等问题，但是浓水室装填还存在树脂装填不均的问题，散落在隔板上的树脂容易形成架桥现象，造成模块漏水和窜水等问题，对模块生产提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种电去离子装置，以解决目前已有的电去离子装置存在的模块整体内电阻偏高，装置运行能耗高的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电去离子装置，其包括：包括阳极室、阴极室、交替排列在阳极室和阴极室之间的淡水室和浓水室，淡水室分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜与相邻的浓水室隔开，淡水室内装填有混床离子交换树脂；所述阳离子交换膜为石墨烯改性阳离子交换膜，阴离子交换膜为石墨烯改性阴离子交换膜。

本发明如上所述的电去离子装置，优选的，所述浓水室、阳极室和阴极室中的至少一个内装填有至少一层石墨烯改性聚丙烯导电隔网。

本发明如上所述的电去离子装置，进一步，石墨烯改性聚丙烯导电隔网按照以下方法制备:将聚丙烯、石墨烯、偶联剂进行热熔混炼、挤出造粒制成导电聚丙烯颗粒母料，石墨烯的添加量为聚丙烯的0.5wt%～1wt%；然后用导电母料与聚丙烯混合挤出拉丝制备导电聚丙烯丝线，利用导电聚丙烯丝线编织石墨烯改性聚丙烯导电隔网。

本发明如上所述的电去离子装置，优选的，所述导电聚丙烯丝线的直径为0.2～0.3mm，隔网编织形式为绞织，单层厚度在0.5～0.8mm，隔网的孔隙为20#～40#。

本发明如上所述的电去离子装置，优选的，石墨烯改性阳离子交换膜和石墨烯改性阳离子交换膜含有以下成分：聚丙烯树脂、聚异丁烯、石墨烯粉、离子交换树脂、尼龙网、颜料、硬脂酸钙和偶联剂。

更优选的，各成分的重量份为：聚丙烯树脂20～23、聚异丁烯4～6、石墨烯粉0.02～0.2、离子交换树脂70～74、颜料0.02～0.05、硬脂酸钙1.0～1.2、偶联剂0.01～0.1。

本发明如上所述的电去离子装置，优选的，所述离子交换树脂为阳离子交换树脂或阴离子交换树脂；所述聚丙烯树脂为无规共聚物。

本发明如上所述的电去离子装置，优选的，阳离子交换树脂为凝胶型强酸性阳离子交换树脂；阴离子交换树脂为凝胶型强碱性阴离子交换树脂。

本发明如上所述的电去离子装置，优选的，石墨烯为采用水合肼还原的氧化石墨烯，利用hummers法制备。

本发明如上所述的电去离子装置，优选的，所述石墨烯为2层～9层结构的石墨烯。

本发明的有益效果是：

首先，利用石墨烯改性阳离子交换膜和石墨烯改性阴离子交换膜代替原有的离子交换膜，同时浓水室、阳极室和阴极室中的至少一个内装填有至少一层石墨烯改性聚丙烯导电隔网，可以有效地提高离子交换膜和浓水室的导电性，降低电去离子模块的内电阻，其模块运行时内电阻与其他同处理量的模块相比，在运行电流一致的条件下其运行电压仅为同等模块运行电压的40%至60%，即模块内电阻仅为其他同规格模块内电阻的40%至60%。

其次，利用石墨烯改性聚丙烯隔网提高浓水室的导电性避免了由于浓水循环和浓水室加盐带来的工艺复杂，运行控制要求高等问题。

第三，利用石墨烯改性聚丙烯隔网提高浓水室的导电性代替离子交换树脂用于浓水室装填，简化了装填的难度，提高了浓水室导电层的均匀性。

第四，该发明不仅可以用于低内电阻电去离子模块的生产，也可以用于原有电去离子模块的维修改造，同时也可以用于电渗析产品的节能降耗。

本发明以石墨烯改性的低膜电阻阴、阳离子交换膜和石墨烯改性聚丙烯隔网为基础，该发明可广泛用于海水淡化、工业用软水的制备、去离子纯水及超纯水的生产以及其他电驱动的膜分离技术领域。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1为本发明一种实施例的电去离子装置示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为一种实施例的浓水室和石墨烯改性聚丙烯导电隔网示意图；

图4为本发明一种实施例的淡水室和混床离子交换树脂示意图；

图5为本发明一种实施例的石墨烯改性低膜电阻异相离子交换膜的制备方法示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、阳极室，2、阴极室，3、淡水室，4、浓水室，5、石墨烯改性阳离子交换膜，6、石墨烯改性阴离子交换膜，7、混床离子交换树脂，8、石墨烯改性聚丙烯塑料格网，9、阳极，10、阴极，11、端板，21、聚丙烯树脂，22、石墨烯粉，23、密炼机，24、聚异丁烯，25、聚丙烯石墨烯混合物，26、阳离子交换树脂，27、阴离子交换树脂，28、磨机，29、振动筛，210、压延机，211、尼龙网，212、热压机，213、石墨烯改性低膜电阻异相离子交换膜，214、颜料，215、硬脂酸钙，216、偶联剂。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的电去离子装置的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

结合图1-4说明本发明第一种实施例的电去离子装置，其包括：包括阳极室1、阴极室2、交替排列在阳极室1和阴极室2之间的淡水室3和浓水室4，淡水室3分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜与相邻的浓水室4隔开，淡水室3内装填有混床离子交换树脂7；阳离子交换膜为石墨烯改性阳离子交换膜5，阴离子交换膜为石墨烯改性阴离子交换膜6。在图1中还示出了位于阳极室1内测的阳极9，和位于阴极室2内测的阴极10，装置两边由端板11夹紧固定。本发明有效降低了电去离子装置的内电阻，明显降低了膜块的运行能耗。

结合图1-4说明本发明二种实施例的电去离子装置，其包括：包括阳极室1、阴极室2、交替排列在阳极室1和阴极室2之间的淡水室3和浓水室4，淡水室3分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜与相邻的浓水室4隔开，淡水室3内装填有混床离子交换树脂7；阳离子交换膜为石墨烯改性阳离子交换膜5，阴离子交换膜为石墨烯改性阴离子交换膜6。在图1中还示出了位于阳极室1内测的阳极9，和位于阴极室2内测的阴极10。与上述实施例不同的是，浓水室4、阳极室1和阴极室2中的至少一个内装填有至少一层石墨烯改性聚丙烯导电隔网8。

参见图3所示，浓水室4内装填有两层石墨烯改性聚丙烯导电隔网，石墨烯改性聚丙烯导电隔网的单层厚度为0，5～0.8mm。石墨烯改性聚丙烯导电格网为绞织，丝网的丝径为0.2mm～0.3mm,其尺寸与浓室空腔的尺寸一致，其加工均采用冲床裁切或采用热熔粘和。

本发明有效降低了电去离子装置的内电阻，显著改善了浓水室、阴极室、阳极室的导电性，与浓水室装填树脂降低模块电阻相比，简化了装填的难度，同时避免了由于浓水循环和浓水室加盐带来的工艺复杂，运行控制要求高等问题，由于运用石墨烯改性聚丙烯塑料格网提高了浓水室导电层的均匀性，两种降低膜块的内电阻的应用，明显降低了膜块的运行能耗。该发明可以用于低内电阻电去离子膜块的生产，也可以用于原有电去离子膜块的维修与改造，还能用于电渗析装置的节能降耗改造。本发明以石墨烯改性阳离子交换膜、石墨烯改性阴离子交换膜和石墨烯改性聚丙烯隔网为基础，可广泛用于海水淡化、工业用软水的制备、去离子纯水及超纯水的生产以及其他电驱动的膜分离技术领域。

石墨烯改性聚丙烯导电隔网的制备方法实施例1

导电隔网按照以下方法制备:将聚丙烯、石墨烯、偶联剂进行热熔混炼、挤出造粒制成导电聚丙烯颗粒母料，石墨烯的添加量为聚丙烯的0.8wt%；然后用导电母料与聚丙烯混合挤出拉丝制备导电聚丙烯丝线，利用导电聚丙烯丝线编织石墨烯改性聚丙烯导电隔网。导电聚丙烯丝线的直径为0.25mm，隔网编织形式为绞织，单层厚度在0.6mm，隔网的孔隙为30#。偶联剂为硅烷偶联剂A172，偶联剂相对聚丙烯的添加量为1wt%。

石墨烯改性聚丙烯导电隔网的制备方法实施例2

导电隔网按照以下方法制备:将聚丙烯、石墨烯、偶联剂进行热熔混炼、挤出造粒制成导电聚丙烯颗粒母料，石墨烯的添加量为聚丙烯的0.5wt%；然后用导电母料与聚丙烯混合挤出拉丝制备导电聚丙烯丝线，利用导电聚丙烯丝线编织石墨烯改性聚丙烯导电隔网。导电聚丙烯丝线的直径为0.3mm，隔网编织形式为绞织，单层厚度在0.5mm，隔网的孔隙为40#。偶联剂为聚丙烯接枝马来酸酐PP-MAH，偶联剂相对聚丙烯的添加量为5wt%。

石墨烯改性聚丙烯导电隔网的制备方法实施例3

导电隔网按照以下方法制备:将聚丙烯、石墨烯、偶联剂进行热熔混炼、挤出造粒制成导电聚丙烯颗粒母料，石墨烯的添加量为聚丙烯的1wt%；然后用导电母料与聚丙烯混合挤出拉丝制备导电聚丙烯丝线，利用导电聚丙烯丝线编织石墨烯改性聚丙烯导电隔网。导电聚丙烯丝线的直径为0.2mm，隔网编织形式为绞织，单层厚度在0.8mm，隔网的孔隙为20#。偶联剂为硅烷偶联剂A172，偶联剂相对聚丙烯的添加量为3wt%。

石墨烯改性低膜电阻异相离子交换膜实施例

在以下实施例中，

阳离子交换树脂为凝胶型强酸性阳离子交换树脂101X7；阴离子交换树脂为凝胶型强碱性阴离子交换树脂201X7，为上海罗门哈斯公司生产。

石墨烯为采用水合肼还原的氧化石墨烯，利用hummers法制备；石墨烯为2层～9层结构的石墨烯，具体为沧州烯腾科技有限公司生产。

石墨烯改性低膜电阻异相离子交换膜，其含有以下重量份的成分：聚丙烯树脂23克、聚异丁烯4克、石墨烯粉0.2克、离子交换树脂70克、硬脂酸钙1.2克、偶联剂为硅烷偶联剂KH-A172 0.01克。

石墨烯是目前世界上最薄(厚度只有一个碳原子厚)、但硬度最强的纳米材料。石墨烯是呈蜂巢状的二维平面薄膜结构，这种结构是由碳原子以SP³杂化轨道组成，石墨烯所具有的特殊二维蜂巢状平面结构，使得它成为其它石墨材料的基本组成单元。石墨烯尺寸小、电子传递速度快、导电性好、硬度高等优点。石墨烯的这些优点使得石墨烯在高分子材料改性中的应用成为可能。同时石墨烯本身化学稳定性好，不溶于水，耐腐蚀在水环境中不会发生化学反应，因此石墨烯改性材料可以用于涉水材料及产品的应用。

聚丙烯（Polypropylene，简称PP）是一种半结晶的热塑性塑料，不存在环境应力开裂问题。无规聚丙烯的耐化学性能在水环境下不会发生应力断裂，以及对水和水蒸气良好的阻隔效应。

结合图5说明石墨烯改性低膜电阻异相离子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，根据上述配方将所有的原料进行称量，将聚丙烯树脂21与石墨烯粉22、偶联剂216在密炼机23内密炼混合均匀，得到聚丙烯石墨烯混合物25，密炼后的物料颜色均一，无石墨烯团聚现象；

步骤2，步骤1所得物质在双辊混炼机218内于140℃进行混炼，物质塑化完全后与与作为增柔剂的聚异丁烯24进行熔融接枝制备导电聚丙烯树脂；

步骤3，将制备离子交换膜所需的离子交换树脂（阳离子交换树脂26或阴离子交换树脂27）在干燥器217内干燥、利用磨机28粉碎再通过200目至400目振动筛29筛分得到所需粒度的离子交换树脂粉末；

步骤4，将导电聚丙烯树脂、离子交换树脂粉末、颜料214、硬脂酸钙215混合均匀；

步骤5，将步骤4中混合好的物料在压延机210上挤出压片，片材厚度为0.2mm，将尼龙网211置于两片片材中间在热压机212上热压合而得石墨烯改性低膜电阻异相离子交换膜213。优选的，热压机的压力为10MPa，热压进行的时间为40min。

石墨烯改性低膜电阻异相离子交换膜符合以下指标：离子交换膜的干膜厚度在0.4mm～0.6mm，水透过率小于0.15ml/h·cm²,阳膜交换容量（干）≥2.0mol/kg，阴膜交换容量（干）≥1.8mol/kg，爆破强度≥0.6MPa，尺寸变化率≤5%，热稳定性≤40℃，化学稳定性pH范围1～10、膜电阻小于5Ω.cm²。

上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

Claims

1.一种电去离子装置，其特征在于，包括：包括阳极室、阴极室、交替排列在阳极室和阴极室之间的淡水室和浓水室，淡水室分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜与相邻的浓水室隔开，淡水室内装填有混床离子交换树脂；所述阳离子交换膜为石墨烯改性阳离子交换膜，阴离子交换膜为石墨烯改性阴离子交换膜。

2.根据权利要求1所述的电去离子装置，其特征在于，所述浓水室、阳极室和阴极室中的至少一个内装填有至少一层石墨烯改性聚丙烯导电隔网。

3.根据权利要求2所述的电去离子装置，其特征在于，石墨烯改性聚丙烯导电隔网按照以下方法制备:将聚丙烯、石墨烯、偶联剂进行热熔混炼、挤出造粒制成导电聚丙烯颗粒母料，石墨烯的添加量为聚丙烯的0.5wt%～1wt%；然后用导电母料与聚丙烯混合挤出拉丝制备导电聚丙烯丝线，利用导电聚丙烯丝线编织石墨烯改性聚丙烯导电隔网。

4.根据权利要求3所述的电去离子装置，其特征在于，所述导电聚丙烯丝线的直径为0.2～0.3mm，隔网编织形式为绞织，单层厚度在0.5～0.8mm，隔网的孔隙为20#～40#。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电去离子装置，其特征在于，石墨烯改性阳离子交换膜和石墨烯改性阳离子交换膜含有以下成分：聚丙烯树脂、聚异丁烯、石墨烯粉、离子交换树脂、尼龙网、颜料、硬脂酸钙和偶联剂。

6.根据权利要求5所述的电去离子装置，其特征在于，各成分的重量份为：聚丙烯树脂20～23、聚异丁烯4～6、石墨烯粉0.02～0.2、离子交换树脂70～74、颜料0.02～0.05、硬脂酸钙1.0～1.2、偶联剂0.01～0.1。

7.根据权利要求6所述的电去离子装置，其特征在于，所述离子交换树脂为阳离子交换树脂或阴离子交换树脂；所述聚丙烯树脂为无规共聚物。

8.根据权利要求7所述的电去离子装置，其特征在于，阳离子交换树脂为凝胶型强酸性阳离子交换树脂；阴离子交换树脂为凝胶型强碱性阴离子交换树脂。

9.根据权利要求5所述的电去离子装置，其特征在于，石墨烯为采用水合肼还原的氧化石墨烯，利用hummers法制备。

10.根据权利要求5所述的电去离子装置，其特征在于，所述石墨烯为2层～9层结构的石墨烯。