CN107399792B - 一种包含可再生三维电极的高载量电容除盐装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含可再生三维电极的高载量电容除盐装置，属于电化学技术领域。装置包括：可再生CDI电极模块、支撑片、分别设有入水口和出水口的端盖以及固定夹具；支撑片放置在可再生CDI电极模块两侧；两端盖分别与两支撑片接触连接；然后通过固定夹具固定。本发明的三维CDI电极，可以整体取出，对负载的活性炭和三维导电骨架分别进行处理再生，活性炭回填即可再次使用。本发明提出的CDI电极结构以及装置设计，提高了活性炭载量，解决了传统CDI电极老化后的再生问题，在电容除盐领域有极高的应用价值。

Description

一种包含可再生三维电极的高载量电容除盐装置
技术领域
本发明涉及一种包含可再生三维电极的高载量电容除盐装置，属于电化学技术领域。
背景技术
淡水资源是人类社会正常运作的重要基本资源之一。随着社会的发展进步，全球淡水资源的需求量与日俱增。因此，脱盐技术一直以来都是水资源研究领域的热点之一。电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)是一种基于电化学双电层电容理论的脱盐技术，相比于蒸馏、离子交换、反渗透等其它传统脱盐技术，该技术有低能耗、易操作、污染小等优点。因此，在水质淡化领域有很高的研究价值和应用前景。
目前电除盐电极主要通过将活性炭粘结或热压在平板状集流体上制成。传统CDI电极在使用过程中主要有三点原因导致电极老化和性能下降：1)CDI电极上的活性炭颗粒在水流冲刷下脱落，导致电极容量损失；2)使用过程中，水体杂质如水垢、有机污染物及微生物等对活性炭颗粒的毒化，以及对集流体的腐蚀或磨损。3)活性物质在反复使用中，造成表面氧化，导致电化学活性降低。传统CDI的活性炭电极是通过粘结或热压一次成型，在碳纸上负载活性炭，由于粘接技术限制，活性炭载量较低，而且电极老化失活后很难有效地回收利用，造成资源浪费以及设备制造的运行成本高，从而限制了CDI技术的大规模使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有CDI电极在长期使用后电极老化难以再生的问题，提供一种包含可再生三维电极的高载量电容除盐装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种可再生三维电极，在三维泡沫陶瓷外部沉积石墨化导电碳层，再向三维泡沫陶瓷中填入活性炭颗粒。
一种高载量电容除盐装置，包括：一个或多个可再生CDI电极模块、支撑片、分别设有入水口和出水口的端盖以及固定夹具。
所述多个可再生CDI电极模块由隔膜分隔，相邻可再生CDI电极模块的电极固定环紧密贴合，并在接触面涂抹真空硅脂密封；最外侧的可再生CDI电极模块与支撑片贴合，中间放置隔膜；两端盖分别与两支撑片接触连接；然后通过固定夹具固定；
所述可再生CDI电极模块包括：两个可再生三维电极、两个石墨导电环、隔膜以及两个电极固定环。石墨导电环套在可再生三维电极外部，然后共同置于电极固定环中；两个可再生三维电极之间由隔膜分隔防止短路和活性炭流失。可再生三维电极通过石墨导电环与外部电路相连。当向可再生三维电极施加电位时，外电路通过石墨导电环向可再生三维电极中的活性炭颗粒施加电位，活性炭颗粒在电场作用下吸附异性离子形成双电层，达到除盐目的；当可再生三维电极短路时，施加在活性炭上的电位被移除，吸附的离子脱离活性炭表面。在水流作用下可将吸附除盐过程吸附的离子洗脱。
优选的，所述隔膜为滤纸、微孔滤膜、300目-500目尼龙滤布中的一种。
优选的，所述支撑片为多孔的聚四氟乙烯片。
优选的，所述三维多孔陶瓷材料为碳化硅泡沫、氧化铝泡沫或二氧化硅泡沫中的一种。
有益效果
1、本发明的一种可再生三维电极，相比于传统的将活性炭粘结或热压在集流板表面的方法，三维导电骨架中可以填充更多的活性炭，大大提高载量而不需要添加粘结剂。导电骨架的三维结构可以很好地促进活性炭颗粒和外电路间的电荷转移，提高电除盐过程中离子吸脱附速率。由于不用粘结剂，将电除盐装置拆解后，活性炭颗粒可以很容易和导电骨架分离。当经过长时间使用，电极出现老化现象后，可以方便地将活性炭和导电骨架分别进行再生和活化，使其恢复电除盐性能，减少由于电极老化，设备报废造成的损失和浪费。
2、本发明的一种高载量电容除盐装置，采用模块化设计。拆装维护简单，同时可以根据需要增减可再生CDI电极模块5的数量，方便调整装置规模。
附图说明
图1为实施例1的一种包含可再生三维电极的高载量电容除盐装置剖面图；
图2为实施例1提供的一种包含可再生三维电极的高载量电容除盐装置爆炸图；
图3A为本发明所述三维泡沫陶瓷实物照片；
图3B为本发明所述CVD后三维导电骨架实物照片；
图3C为本发明所述填入活性炭后的可再生CDI电极模块；
图3D为本发明所述CDI装置工作过程照片；
图4A为本发明所述三维泡沫陶瓷SEM图像；
图4B为本发明所述CVD后三维导电骨架SEM图像；
图5为本发明所述CDI装置在不同状态下工作过程中电导率变化曲线；
图6为本发明所述CDI装置在不同负载量下吸附量曲线。
其中，1—可再生三维电极、2—石墨导电环、3—隔膜、4—电极固定环、5—可再生CDI电极模块、6—支撑片、7—进水口、8—出水口、9—固定夹具、10—端盖。
具体实施方式
下面结合实施例于附图对本发明做进一步说明。
实施例1
一种可再生高载量电除盐装置，包括：一个或多个可再生CDI电极模块5、支撑片6、分别设有进水口7和出水口8的端盖10以及固定夹具9。多个可再生CDI电极模块5之间由隔膜3分隔，贴合装配在一起组成CDI电极组，CDI电极组两侧放置支撑片6并由隔膜3分隔，然后与端盖10相连，最后由固定夹具9紧固。如图1、图2所示。
所述隔膜3为慢速定性滤纸或300-500目尼龙滤布；
所述支撑片6为多孔的聚四氟乙烯片；
所述CDI电极模块5的制备方法包括以下步骤：
S101，选用如图3A所示三维多孔陶瓷材料作为模板，在其表面沉积石墨化导电碳层，形成三维导电骨架如图3B所示。
S102，向三维导电骨架中填满活性炭颗粒，并将其振实，即得到可再生CDI电极1。
S103，将制备好的可再生CDI电极1与石墨导电环2装配。
S104，可再生CDI电极1间放置隔膜3防止电极短路，并装入电极固定环4封装，得到可再生CDI电极模块5，如图3C所示。
所述三维导电骨架制备方法为：将三维多孔陶瓷作为模板放入管式炉中，以200-300sccm的流量向管式炉内通入氩气或氮气作为载气。以40-50sccm的流量通入氢气，以15-30sccm的流量通入甲烷。在1000-1200℃下反应60-120min。即可得到三维导电骨架。三维多孔陶瓷SEM图像如图4A所示，经碳沉积后得到的三维导电骨架SEM图像如图4B所示。可以看出经碳沉积后，组成三维多孔陶瓷的陶瓷颗粒被导电碳层均匀包裹。
将按照上述步骤制成的CDI电极组装成电除盐模块，如图3D所示。
所述三维多孔陶瓷材料为尺寸为Φ40×5mm，孔密度为50ppi的柱形碳化硅泡沫陶瓷。
所述CDI电极活性炭负载量按面积计算可达157mg cm-2，按体积计算达319mg cm-3。
在电导率为2000μS cm-1的氯化钠溶液中对该CDI装置进行除盐测试，电吸附过程施加电位1.5V，溶液流速12mL min-1。得到吸附、脱附过程中电导率随时间变化曲线如图5曲线a所示。溶液电导率由2000μS cm-1降至940μS cm-1，除盐量为10.6mg g-1。说明该电极制备方法可行，电除盐装置有较好的除盐性能。
实施例2：
将实施例1所述电除盐装置在电导率50000μS cm-1的高浓度盐溶液中，施加电位1.8V，溶液流速50mL min-1下运行1周，并对CDI电极模块超声处理5h以上，以加速电极老化过程。
将老化后的CDI电极在电导率为2000μS cm-1的氯化钠溶液中进行除盐测试，施加电位为1.5V，溶液流速12mL min-1。得到吸附、脱附过程中电导率随时间变化曲线如图5曲线b所示。溶液电导率由2000μS cm-1降至1180μS cm-1，除盐量为8.2mg g-1。说明长时间的应用过程中，CDI电极可能会出现老化现象，导致电极性能逐渐下降。因此有必要对长时间使用的CDI电极进行再生。
实施例3：
将实施例2所述老化后的CDI电极模块5按以下步骤进行再生：
S201，松开固定夹具9，取出可再生CDI电极模块5。
S202，将CDI电极模块5干燥，取出可再生CDI电极1并倒出填充的活性炭。
S203，根据可再生CDI电极1中三维导电骨架和活性炭颗粒的老化程度分别对其进行热处理或化学处理，得到去除碳层的三维多孔陶瓷材料和活化后的活性炭。
将处理后的材料按照步骤S101-S104处理，即可完成CDI电极模块5将再生后的CDI电极模块5重新装入CDI装置，在电导率为2000μS cm-1的氯化钠溶液中进行除盐测试，施加电位为1.5V，溶液流速12mL min-1。得到吸附、脱附过程中电导率随时间变化曲线如图5曲线c所示。溶液电导率由2000μS cm-1降至960μS cm-1，除盐量为10.4mg g-1。通过相比于实施例2中老化后的CDI电极，除盐量有大幅提高，接近实施例1中老化前的除盐量。说明该再生过程可以很好地恢复电极的除盐性能。这在提高电除盐电极使用寿命，减少电极老化带来的资源损耗，降低CDI系统维护成本方面有很重要的意义。
实施例4
为了进一步考察活性炭负载量对该CDI装置除盐效率的影响，如图6所示，为实施例1所述装置在活性炭填充量为0％，25％，50％，75％，100％条件下单个装置在一次吸附过程中的吸附量和活性炭负载量之间的关系。可以看出，随着载量的提高，装置的吸附量也会增加。更高的载量有助于促进活性炭颗粒之间以及活性炭颗粒与导电骨架的接触。从数据中可以看出，所制备的三维导电骨架可以提供约319mg cm-3的负载量，并且在该负载量下可以提供较好的除盐性能。

Claims (5)

1.一种高载量电容除盐装置，其特征在于：包括：可再生CDI电极模块(5)、支撑片(6)、分别设有入水口(7)和出水口(8)的端盖(10)以及固定夹具(9)；支撑片(6)放置在可再生CDI电极模块(5)两侧；两端盖(10)分别与两支撑片(6)接触连接；然后通过固定夹具(9)固定；两端盖(10)上开设有进水口(7)和出水口(8)；
所述可再生CDI电极模块(5)包括：两个可再生三维电极(1)、两个石墨导电环(2)、隔膜(3)以及两个电极固定环(4)；石墨导电环(2)套在可再生三维电极(1)外部，然后共同置于电极固定环(4)中；两个可再生三维电极(1)之间由隔膜(3)分隔防止短路和活性炭流失；所述可再生三维电极(1)为在三维泡沫陶瓷外部沉积石墨化导电碳层，再向三维泡沫陶瓷中填入活性炭颗粒。
2.如权利要求1所述的一种高载量电容除盐装置，其特征在于：所述高载量电容除盐装置还包括多个可再生CDI电极模块(5)；所述多个可再生CDI电极模块(5)由隔膜(3)分隔；所述多个可再生CDI电极模块(5)的电极固定环(4)之间涂抹真空硅脂密封。
3.如权利要求1或2所述的一种高载量电容除盐装置，其特征在于：所述隔膜(3)为滤纸、微孔滤膜、300目-500目尼龙滤布中的一种。
4.如权利要求1所述的一种高载量电容除盐装置，其特征在于：所述支撑片(6)为多孔的聚四氟乙烯片。
5.如权利要求1所述的一种高载量电容除盐装置，其特征在于：所述三维多孔陶瓷材料为碳化硅泡沫、氧化铝泡沫或二氧化硅泡沫中的一种。
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