CN107585835A - 基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的fcdi装置及应用 - Google Patents
基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的fcdi装置及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107585835A CN107585835A CN201710916890.4A CN201710916890A CN107585835A CN 107585835 A CN107585835 A CN 107585835A CN 201710916890 A CN201710916890 A CN 201710916890A CN 107585835 A CN107585835 A CN 107585835A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ion
- electrode
- exchange resin
- room
- ion exchange
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 1,2-bis(ethenyl)benzene;1-ethenyl-2-ethylbenzene;styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1.CCC1=CC=CC=C1C=C.C=CC1=CC=CC=C1C=C NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 52
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 52
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 title claims description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 65
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims abstract description 33
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 31
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 66
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 15
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 13
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 12
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 claims description 12
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 claims description 12
- UMPKMCDVBZFQOK-UHFFFAOYSA-N potassium;iron(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[K+].[Fe+3] UMPKMCDVBZFQOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 11
- 238000002242 deionisation method Methods 0.000 claims description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 9
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 9
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 claims description 7
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 6
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 5
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 4
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 4
- BCNBMSZKALBQEF-UHFFFAOYSA-N 1,3-dimethylpyrrolidin-2-one Chemical class CC1CCN(C)C1=O BCNBMSZKALBQEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 238000013019 agitation Methods 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 claims description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 3
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 claims description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 claims description 3
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 claims description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 10
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 8
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 20
- 241001507939 Cormus domestica Species 0.000 description 15
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 229920001429 chelating resin Polymers 0.000 description 5
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Chemical compound [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonia chloride Chemical compound [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920005479 Lucite® Polymers 0.000 description 3
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 3
- 238000011033 desalting Methods 0.000 description 3
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 3
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 3
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 2
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003957 anion exchange resin Substances 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- -1 salt ions Chemical class 0.000 description 2
- RLLPVAHGXHCWKJ-IEBWSBKVSA-N (3-phenoxyphenyl)methyl (1s,3s)-3-(2,2-dichloroethenyl)-2,2-dimethylcyclopropane-1-carboxylate Chemical compound CC1(C)[C@H](C=C(Cl)Cl)[C@@H]1C(=O)OCC1=CC=CC(OC=2C=CC=CC=2)=C1 RLLPVAHGXHCWKJ-IEBWSBKVSA-N 0.000 description 1
- WFLOTYSKFUPZQB-UHFFFAOYSA-N 1,2-difluoroethene Chemical group FC=CF WFLOTYSKFUPZQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N Magnesium ion Chemical compound [Mg+2] JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 235000019270 ammonium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 239000003729 cation exchange resin Substances 0.000 description 1
- 239000013043 chemical agent Substances 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005115 demineralization Methods 0.000 description 1
- 230000002328 demineralizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005685 electric field effect Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 238000005040 ion trap Methods 0.000 description 1
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 125000001453 quaternary ammonium group Chemical group 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 235000010344 sodium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- 239000004317 sodium nitrate Substances 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于离子交换树脂的强化微量离子捕集FCDI装置及应用。技术方案如下：包括电吸附模块单元、电脱附离子回收模块单元、流体电极、流体电极输送单元、电压供给单元、淡化室和浓室，所述电吸附模块单元位于所述淡化室内，所述电脱附离子回收模块单元位于所述浓室内；所述电吸附模块单元包括离子交换树脂床、阴极石墨集流板一、阳极石墨集流板一、阴离子交换膜一、阳离子交换膜一、阴极电极室一和阳极电极室一。本发明通过在电吸附模块单元中加入离子交换树脂床，优化FCDI体系对低浓度进水的去离子过程，削弱浓差极化效应，提升电去除率。
Description
技术领域
本发明属于环境工程及水处理技术领域，具体涉及一种基于离子交换树脂的强化微量离子捕集FCDI装置及应用。
背景技术
一种由电化学原理衍生的电吸附除盐技术，也称为电容去离子技术(CDI)，因其简单、低能耗、环境友好等优势不仅有能力避免以上几种脱盐技术存在的问题，也越来越受到人们的重视和关注。该技术的基本原理是通过对多孔吸附电极施加一个外部电压，在两个电极间形成静电场，带电离子在静电场作用下被强制向带有相反电荷的电极处移动。溶液中的阴阳离子在直流电场作用下分别向正负两极移动，并被吸附在电极与溶液界面形成的双电层中，从而去除离子的目的，此过程为吸附。而当电极吸附达到饱和时，将正负电极片短接或者反接，电极上吸附的离子将重新释放到水溶液中，从而实现电极再生，此过程为脱附。由于电容去离子充电吸附过程仅需1-2V的直流电，因此其本质是一个低电耗的电吸附过程；另外电容去离子系统的再生过程不需要任何化学药剂，只通过电极的放电来完成，不会对环境产生污染，是一种环境友好型的水处理技术。
尽管CDI技术近来成为研究热点，但随着该技术的进一步应用发展，经典CDI体系因采用固定碳电极，电极表面吸附一定量的离子之后，槽电压降低，易造成孔道中的离子脱附，增大出水中离子浓度，从而限制CDI系统的吸附容量。另外，采用固定电极，若无脱附，则当多孔碳电极吸附离子饱和后CDI的脱盐效率几乎为零，故若保证CDI体系正常运行，一旦电极表面的吸附点位达到饱和则需对电极进行再生处理，即需要对电极进行不断地充放电交替操作；而且由于多孔碳电极的有效容量受限于脱盐单元的规模，使得CDI在高盐废水脱盐时的成本和能耗显著提升；同时传统CDI用电极的制备方法较复杂，在提升吸附容量的同时也增加了反应器的成本。
为避免传统CDI系统存在的上述不足，提升脱盐效率，国外已有少数学者制备碳悬浮液(碳泥浆)作为流动电极，应用于CDI工艺，也称为流动电极电容去离子(FCDI)工艺。它是利用集电器表面刻划的孔道中悬浮的碳材料作为电极(作用等同于传统CDI系统中的固定碳电极)，施加电压的条件下，电解液中的离子通过离子交换膜迁移，进入流动电极，被其中悬浮的碳材料吸附，从而达到脱盐的效果。
申请号ZL201610574749.6，申请公布号CN 106044970 A的中国专利，公布了：一种基于流动电极电容去离子(FCDI)脱盐的方法及应用，包括直流稳压电源、流动电极、双通道蠕动泵、FCDI模块单元、小型蠕动泵、电导率仪、有机玻璃固定装置、不锈钢接口、电极接片，双通道蠕动泵两条泵管的一端分别置于阳极室流动电极液和阴极室流动电极液，另一端分别与有机玻璃固定装置下部的不锈钢接口相连，流动电极通过蠕动泵提供的压力通过不锈钢接口进入FCDI单元模块，电极片通过有机玻璃固定装置提供的水平方向的压力与FCDI单元模块紧密接触，电极片顶端分别与直流稳压电源的正负极相连，为FCDI单元模块提供电驱动力，进水用小型蠕动泵向FDCI单元模块以一定流速泵入配制好的不同浓度的氯化钠溶液，电导率仪测量出水电导率浓度。
但目前关于FCDI技术尚存在一些不足：尽管外加电场低于水的电解电压，但电极室内部存在局部电流高于极限电流的现象，当低浓度进水电吸附接近饱和时，淡化室电阻突增从而引发微弱的浓差极化效应，进而导致效率降低。反应器长期运行期间，进水中钙、镁离子的存在浓差在一些情况下甚至会引发离子交换膜结垢的现象，这些现象是FCDI技术电吸附效率不高的因素之一。
发明内容
本发明提供一种基于离子交换树脂的强化微量离子捕集FCDI装置及应用，通过在电吸附模块单元中加入离子交换树脂床，优化FCDI体系对低浓度进水的去离子过程，削弱浓差极化效应，提升电去除率。
本发明的技术方案如下：
一种基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，包括电吸附模块单元、电脱附离子回收模块单元、流体电极、流体电极输送单元、电压供给单元、淡化室和浓室，所述电吸附模块单元位于所述淡化室内，所述电脱附离子回收模块单元位于所述浓室内；所述电吸附模块单元包括离子交换树脂床、阴极石墨集流板一、阳极石墨集流板一、阴离子交换膜一、阳离子交换膜一、阴极电极室一和阳极电极室一；所述电脱附离子回收单元包括阴极石墨集流板二、阳极石墨集流板二、阴离子交换膜二、阳离子交换膜二、阴极电极室二和阳极电极室二。
所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其中所述离子交换树脂床包括多孔生物炭基体和离子交换涂覆溶液；所述多孔生物炭基体通过高铁酸钾高温复合致孔的方式制备，采用脱脂棉片作为前驱体，高铁酸钾致孔剂以溶液的方式与脱脂棉片接触，高铁酸钾致孔剂均匀分布于脱脂棉片内，高铁酸钾致孔剂与脱脂棉片的质量比为1:2，经120℃真空干燥出去水分，然后经900℃氮气保护气氛下高温碳化2h，得到所述多孔生物炭基体材料；所述离子交换涂覆溶液由离子交换树脂颗粒、二甲基吡咯烷酮(NMP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)以12:20:1的质量比混合制得；所述离子交换涂覆液通过涂装的方式附着于所述多孔生物炭基体两侧，然后经150℃真空干燥流程除去有机溶剂，完成所述离子交换树脂床的制备。
所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其优选方案为，所述离子交换树脂床与所述淡化室的尺寸规格相同。
所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其中所述电压供给单元包括电吸附直流稳压供电部分和电脱附直流稳压供电部分。
所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其中所述流动电极为由高比表面积活性炭、炭黑、氯化钠溶液三者混合并在磁力搅拌作用下所形成的导电悬浮液。
所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其中所述流体电极输送单元为双通道蠕动泵。
所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其优选方案为，还包括阳阴离子监测器。
上述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置的应用，包括如下步骤：
1)配制两杯流体电极，放置于磁力搅拌器上的烧杯内均匀搅拌，使得活性炭和炭黑均匀分散于悬浮液中，一杯作为阳极电极液，另一杯作为阴极电极液；
2)阳极电极液和阴极电极液通过所述流体电极输送单元分别泵入所述电吸附模块单元的阳极电极室一和阴极电极室一；
3)配制溶液模拟原水，所述原水通过恒流蠕动泵分别泵入至淡水室及浓室；
4)由电吸附直流稳压供电部分提供电场力，所述原水中的阴阳离子在离子交换树脂的吸附作用及电场作用产生离子的迁移效应下，分别经阳离子交换膜一和阴离子交换膜一进入阳极电极室一和阴极电极室一，被其中的碳颗粒形成的双电层束缚，达到吸附的目的；所述电吸附模块单元的操作条件为：阴极石墨集流板一与阳极石墨集流板一的间距2mm，供给电压为2V，电吸附时间为3h，进水流速为15mL/min，流体电极流速为100mL/min；
5)吸附饱和后的流体电极，流入所述电脱附离子回收单元中的阳极电极室二和阴极电极室二，通过电脱附直流稳压供电部分提供的反向电场力完成电极脱附，脱附的离子通过浓室排出；所述电脱附离子回收单元的操作条件为：阴极石墨集流板二与阳极石墨集流板二的间距2mm，供给电压为2V，电脱附时间为3h，进水流速为15mL/min，流体电极流速为100mL/min；
6)通过阳阴离子监测器监测淡化室及浓室的出水的离子浓度，每隔30s记录数值；通过监测数据来调整进水流速、电极液流速、电压，保证长期稳定的去离子效果。
所述的应用中，所述流体电极总体积为250mL，活性炭的质量分数比为14％，活性炭与炭黑的质量比为3:2，氯化钠电解液浓度为0.6mol/L。
本发明的有益效果为：
1、离子交换树脂作为一种多孔网状结构的高分子有机化合物，化学结构上具备的交换基团可与水中的其它带同种电荷的盐离子发生离子交换反应，淡化室内离子交换树脂起到传输盐离子的作用，进水中的离子在水相与离子交换树脂相间存在动态交换平衡，在直流电场的作用下，淡化室水中离子浓度不断降低，由于离子浓度极低，在离子交换树脂颗粒间和离子交换膜界面由于极化现象，水分子容易电离成氢离子和氢氧根离子，浓差极化产生的离子与离子交换树脂发生交换反应，使离子交换树脂得到原位再生；这种动态电吸、脱附过程被应用于离子态物质的深度处理过程。
2、采用的生物炭基离子交换树脂床具备对离子的快速捕获能力，多孔生物炭基体在进水溶液离子存在的情况下，由于通电的原因产生的基体双电层对离子具备优先富集的能力；离子交换树脂同生物炭基体之间的导电效应，可以完成对目标离子的深度选择性吸附；吸附饱和后通过浓差极化完成再生，离子进入流体电极，泵入电脱附单元，完成离子回收。
3、对于低浓度的硝酸盐进水，FCDI电吸附单元较传统的CDI反应器具有更好的电吸附适应能力，传统CDI反应器集流板上涂覆的电极材料有限，制备后的处理容量固定，随着实际进水盐浓度的波动，淡化室电阻突增易发生浓差极化现象，导致电流效率降低，而基于离子交换树脂的FCDI电吸附单元可避免CDI反应器存在的这些弊端，通过离子交换树脂床的引入，解决了FCDI模块中容易发生的浓差极化现象，更好的实现了FCDI技术对低浓度进水情况下的离子去除能力。
4、采用本发明的装置处理不同浓度的硝酸钠和氯化铵进水，其硝酸根和铵根离子去除率最高可达60％。
附图说明
图1为电吸附模块单元结构示意图；
图2为电脱附离子回收模块单元结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，包括电吸附模块单元9、电脱附离子回收模块单元10、流体电极4、流体电极输送单元7、电压供给单元、淡化室14、浓室15和阳阴离子监测器8，所述电吸附模块单元9位于所述淡化室14内，所述电脱附离子回收模块单元10位于所述浓室15内；所述电吸附模块单元9包括离子交换树脂床、阴极石墨集流板一1、阳极石墨集流板一22、阴离子交换膜一3、阳离子交换膜一2、阴极电极室一12和阳极电极室一13；所述电脱附离子回收单元包括阴极石墨集流板二16、阳极石墨集流板二17、阴离子交换膜二18、阳离子交换膜二19、阴极电极室二20和阳极电极室二21。其中所述离子交换树脂床包括多孔生物炭基体和离子交换涂覆溶液；所述多孔生物炭基体通过高铁酸钾高温复合致孔的方式制备，采用脱脂棉片作为前驱体，高铁酸钾致孔剂以溶液的方式与脱脂棉片接触，高铁酸钾致孔剂均匀分布于脱脂棉片内，高铁酸钾致孔剂与脱脂棉片的质量比为1:2，经120℃真空干燥出去水分，然后经900℃氮气保护气氛下高温碳化2h，得到所述多孔生物炭基体材料；所述离子交换涂覆溶液由离子交换树脂颗粒5、二甲基吡咯烷酮(NMP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)以12:20:1的质量比混合制得；所述离子交换涂覆液通过涂装的方式附着于所述多孔生物炭基体两侧，然后经150℃真空干燥流程除去有机溶剂，完成所述离子交换树脂床的制备。
所述离子交换树脂床与所述淡化室14的尺寸规格相同。
所述电压供给单元包括电吸附直流稳压供电部分6和电脱附直流稳压供电部分11。
所述流动电极4为由高比表面积活性炭、炭黑、氯化钠溶液三者混合并在磁力搅拌作用下所形成的导电悬浮液。
所述流体电极输送单元7为双通道蠕动泵。
所述离子交换树脂的基体为苯乙烯共聚物，所述离子交换树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂；阳离子交换树脂为大孔强酸型，功能基团为磺酸基，出品公司及型号为Amberlite 200C Na；阴离子交换树脂为大孔强碱型，功能基团为季铵基，出品公司及型号为Amberlite IRA900RF Cl。
上述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置的应用，包括如下步骤：
1)配制两杯流体电极4，放置于磁力搅拌器上的烧杯内均匀搅拌，使得活性炭和炭黑均匀分散于悬浮液中，一杯作为阳极电极液，另一杯作为阴极电极液；
2)阳极电极液和阴极电极液通过所述流体电极输送单元7分别泵入所述电吸附模块单元9的阳极电极室一13和阴极电极室一12；
3)配制溶液模拟原水，所述原水通过恒流蠕动泵分别泵入至淡水室14及浓室15；
4)由电吸附直流稳压供电部分6提供电场力，所述原水中的阴阳离子在离子交换树脂5的吸附作用及电场作用产生离子的迁移效应下，分别经阳离子交换膜一2和阴离子交换膜一3进入阳极电极室一13和阴极电极室一12，被其中的碳颗粒形成的双电层束缚，达到吸附的目的；所述电吸附模块单元9的操作条件为：阴极石墨集流板一1与阳极石墨集流板一22的间距2mm，供给电压为2V，电吸附时间为3h，进水流速为15mL/min，流体电极流速为100mL/min；
5)吸附饱和后的流体电极4，流入所述电脱附离子回收单元10中的阳极电极室二21和阴极电极室二20，通过电脱附直流稳压供电部分11提供的反向电场力完成电极脱附，脱附的离子通过浓室15排出；所述电脱附离子回收单元10的操作条件为：阴极石墨集流板二16与阳极石墨集流板二17的间距2mm，供给电压为2V，电脱附时间为3h，进水流速为15mL/min，流体电极流速为100mL/min；
6)通过阳阴离子监测器监测淡化室14及浓室15的出水的离子浓度，每隔30s记录数值；通过监测数据来调整进水流速、电极液流速、电压，保证长期稳定的去离子效果。
实施例1
阴离子交换膜一3、阳离子交换膜一2、阴离子交换膜二18、阳离子交换膜二19在使用前分别置于0.1mol/L氢氧化钾溶液和0.1mol/L硫酸溶液中浸泡24h，取出后用去离子水冲洗若干遍。
离子交换树脂床使用前分别置于0.1mol/L氢氧化钾溶液和0.1mol/L硫酸溶液中浸泡24h，取出后用去离子水冲洗若干遍，然后置于60℃条件下的真空干燥箱烘干。
按照以下步骤进行：
(1)用去离子水(电导率小于5μs/cm)配制初始浓度分别为5mg/L、10mg/L和15mg/L的NaNO3溶液模拟原水。
(2)流体电极4采用循环进出的方式，利用双通道蠕动泵将流体电极4从烧杯中抽出，从电吸附模块单元的阴极电极室一12和阳极电极室一13的底部进入，由阴极电极室一12和阳极电极室一13的顶部流出，流入电脱附离子回收模块单元的阴极电极室二20和阳极电极室二21的顶部，然后从阴极电极室二20和阳极电极室二21的底部接口最终再流回烧杯中。
(3)利用恒流蠕动泵以一定的流速将500mg/L的NaNO3原水抽出，分别流入电吸附模块单元9和电脱附离子回收模块单元10中，利用电压供给单元施以一定的电源电压，进行同步充电、放电实现去离子及富集的目标。
(4)经过一段吸附时间后，待电吸附模块单元9出水溶液电导率不再变化时说明离子达吸附平衡，电吸附过程完成；电脱附离子回收模块单元10出水浓度到达平台区时说明离子脱附平衡，离子富集过程完成。
(5)重新连接电源，进行新一轮吸脱附(充放电)实验，如此循环往复。
(6)计算硝酸根离子的去除率，结果见表1。
实施例2
与实施例1不同之处在于：用去离子水(电导率小于5μs/cm)配制初始浓度分别为10mg/L、20mg/L和30mg/L的NH4Cl溶液模拟原水；计算铵根离子去除率，结果见表1。
表1 离子交换树脂床FCDI对低浓度NO3 -和NH4 +的去除率
Claims (9)
1.基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其特征在于，包括电吸附模块单元、电脱附离子回收模块单元、流体电极、流体电极输送单元、电压供给单元、淡化室和浓室，所述电吸附模块单元位于所述淡化室内，所述电脱附离子回收模块单元位于所述浓室内；所述电吸附模块单元包括离子交换树脂床、阴极石墨集流板一、阳极石墨集流板一、阴离子交换膜一、阳离子交换膜一、阴极电极室一和阳极电极室一；所述电脱附离子回收单元包括阴极石墨集流板二、阳极石墨集流板二、阴离子交换膜二、阳离子交换膜二、阴极电极室二和阳极电极室二。
2.根据权利要求1所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其特征在于，所述离子交换树脂床包括多孔生物炭基体和离子交换涂覆溶液；所述多孔生物炭基体通过高铁酸钾高温复合致孔的方式制备，采用脱脂棉片作为前驱体，高铁酸钾致孔剂以溶液的方式与脱脂棉片接触，高铁酸钾致孔剂均匀分布于脱脂棉片内，高铁酸钾致孔剂与脱脂棉片的质量比为1:2，经120℃真空干燥出去水分，然后经900℃氮气保护气氛下高温碳化2h，得到所述多孔生物炭基体材料；所述离子交换涂覆溶液由离子交换树脂颗粒、二甲基吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯以12:20:1的质量比混合制得；所述离子交换涂覆液通过涂装的方式附着于所述多孔生物炭基体两侧，然后经150℃真空干燥流程除去有机溶剂，完成所述离子交换树脂床的制备。
3.根据权利要求1所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其特征在于，所述离子交换树脂床与所述淡化室的尺寸规格相同。
4.根据权利要求1所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其特征在于，所述电压供给单元包括电吸附直流稳压供电部分和电脱附直流稳压供电部分。
5.根据权利要求1所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其特征在于，所述流动电极为由高比表面积活性炭、炭黑、氯化钠溶液三者混合并在磁力搅拌作用下所形成的导电悬浮液。
6.根据权利要求1所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其特征在于，所述流体电极输送单元为双通道蠕动泵。
7.根据权利要求1所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置，其特征在于，还包括阳阴离子监测器。
8.如权利要求1-7之一所述的基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的FCDI装置的应用，其特征在于，包括如下步骤：
1)配制两杯流体电极，放置于磁力搅拌器上的烧杯内均匀搅拌，使得活性炭和炭黑均匀分散于悬浮液中，一杯作为阳极电极液，另一杯作为阴极电极液；
2)阳极电极液和阴极电极液通过所述流体电极输送单元分别泵入所述电吸附模块单元的阳极电极室一和阴极电极室一；
3)配制溶液模拟原水，所述原水通过恒流蠕动泵分别泵入至淡水室及浓室；
4)由电吸附直流稳压供电部分提供电场力，所述原水中的阴阳离子在离子交换树脂的吸附作用及电场作用产生离子的迁移效应下，分别经阳离子交换膜一和阴离子交换膜一进入阳极电极室一和阴极电极室一，被其中的碳颗粒形成的双电层束缚，达到吸附的目的；所述电吸附模块单元的操作条件为：阴极石墨集流板一与阳极石墨集流板一的间距2mm，供给电压为2V，电吸附时间为3h，进水流速为15mL/min，流体电极流速为100mL/min；
5)吸附饱和后的流体电极，流入所述电脱附离子回收单元中的阳极电极室二和阴极电极室二，通过电脱附直流稳压供电部分提供的反向电场力完成电极脱附，脱附的离子通过浓室排出；所述电脱附离子回收单元的操作条件为：阴极石墨集流板二与阳极石墨集流板二的间距2mm，供给电压为2V，电脱附时间为3h，进水流速为15mL/min，流体电极流速为100mL/min；
6)通过阳阴离子监测器监测淡化室及浓室的出水的离子浓度，每隔30s记录数值；通过监测数据来调整进水流速、电极液流速、电压，保证长期稳定的去离子效果。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述流体电极总体积为250mL，活性炭的质量分数比为14％，活性炭与炭黑的质量比为3:2，氯化钠电解液浓度为0.6mol/L。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710916890.4A CN107585835B (zh) | 2017-09-30 | 2017-09-30 | 基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的fcdi装置及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710916890.4A CN107585835B (zh) | 2017-09-30 | 2017-09-30 | 基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的fcdi装置及应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107585835A true CN107585835A (zh) | 2018-01-16 |
| CN107585835B CN107585835B (zh) | 2020-05-15 |
Family
ID=61052486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710916890.4A Expired - Fee Related CN107585835B (zh) | 2017-09-30 | 2017-09-30 | 基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的fcdi装置及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107585835B (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108892214A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-11-27 | 福州大学 | 一种可用于电容脱磷的炭基电极的制备方法 |
| CN109487081A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-19 | 天津科技大学 | 采用流动电极的提锂单元及扩展装置和连续操作方法 |
| CN110372067A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-10-25 | 清华大学 | 一种流动电极及其应用 |
| CN111253005A (zh) * | 2020-02-04 | 2020-06-09 | 中国环境科学研究院 | 一种厌氧发酵液资源化的方法 |
| CN111540919A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-14 | 宋君 | 新能源电池 |
| CN111689555A (zh) * | 2019-03-15 | 2020-09-22 | 国家能源投资集团有限责任公司 | 一种制盐方法及装置、含盐废水处理系统 |
| CN113336302A (zh) * | 2021-06-01 | 2021-09-03 | 中国石油大学(北京) | 污水脱盐装置、污水脱盐设备及污水脱盐方法 |
| CN114634228A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-06-17 | 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 | 一种流动电极、流动电容去离子装置及其应用 |
| CN117383666A (zh) * | 2023-11-28 | 2024-01-12 | 南华大学 | 一种流动电极及其应用和再生方法、利用流动电极电容去离子装置富集含铀水体中铀的方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101007663A (zh) * | 2007-01-11 | 2007-08-01 | 吴祖成 | 一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法 |
| CN106044970A (zh) * | 2016-07-20 | 2016-10-26 | 东北大学 | 一种基于流动电极电容去离子（fcdi）脱盐的方法及应用 |
-
2017
- 2017-09-30 CN CN201710916890.4A patent/CN107585835B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101007663A (zh) * | 2007-01-11 | 2007-08-01 | 吴祖成 | 一种无结垢并回收阴阳离子的电去离子净水装置及方法 |
| CN106044970A (zh) * | 2016-07-20 | 2016-10-26 | 东北大学 | 一种基于流动电极电容去离子（fcdi）脱盐的方法及应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PENG LIANG等: "Coupling ion-exchangers with inexpensive activated carbon fiber electrodes to enhance the performance of capacitive deionization cells for domestic wastewater desalination", 《WATER RESEARCH》 * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108892214A (zh) * | 2018-07-12 | 2018-11-27 | 福州大学 | 一种可用于电容脱磷的炭基电极的制备方法 |
| CN109487081A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-03-19 | 天津科技大学 | 采用流动电极的提锂单元及扩展装置和连续操作方法 |
| CN109487081B (zh) * | 2018-12-05 | 2020-04-28 | 天津科技大学 | 采用流动电极的提锂单元及扩展装置和连续操作方法 |
| CN111689555A (zh) * | 2019-03-15 | 2020-09-22 | 国家能源投资集团有限责任公司 | 一种制盐方法及装置、含盐废水处理系统 |
| CN110372067A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-10-25 | 清华大学 | 一种流动电极及其应用 |
| CN111253005A (zh) * | 2020-02-04 | 2020-06-09 | 中国环境科学研究院 | 一种厌氧发酵液资源化的方法 |
| CN111253005B (zh) * | 2020-02-04 | 2020-10-02 | 中国环境科学研究院 | 一种厌氧发酵液资源化的方法 |
| CN111540919A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-14 | 宋君 | 新能源电池 |
| CN113336302A (zh) * | 2021-06-01 | 2021-09-03 | 中国石油大学(北京) | 污水脱盐装置、污水脱盐设备及污水脱盐方法 |
| CN114634228A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-06-17 | 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 | 一种流动电极、流动电容去离子装置及其应用 |
| CN117383666A (zh) * | 2023-11-28 | 2024-01-12 | 南华大学 | 一种流动电极及其应用和再生方法、利用流动电极电容去离子装置富集含铀水体中铀的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107585835B (zh) | 2020-05-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107585835A (zh) | 基于离子交换树脂的强化微量离子捕集的fcdi装置及应用 | |
| Kim et al. | Improvement of desalination efficiency in capacitive deionization using a carbon electrode coated with an ion-exchange polymer | |
| CN108483573B (zh) | 一种利用流体电池除盐的方法及其应用 | |
| CN106673142B (zh) | 一种带有移动式电极的膜电容去离子阵列及其去离子方法 | |
| CN106044970A (zh) | 一种基于流动电极电容去离子（fcdi）脱盐的方法及应用 | |
| CN104495991B (zh) | 一种基于流动式电极的高效膜电容去离子阵列 | |
| CN104609517A (zh) | 超电容式脱盐装置及其制造方法 | |
| CN102603039A (zh) | 耦合脱盐方法及装置 | |
| Shocron et al. | Comparison of ion selectivity in electrodialysis and capacitive deionization | |
| CN109179589A (zh) | 碳包覆磷酸钒钠电极材料的制备方法及其在杂化电容去离子技术中的应用 | |
| CN111359680B (zh) | 一种基于滤芯电极的无膜离子交换树脂电再生装置 | |
| CN108483591A (zh) | 一种提取锂离子的方法 | |
| CN109607711A (zh) | 一种杂化电容去离子脱盐模块及脱盐方法 | |
| CN104341029A (zh) | 电去离子电催化一体反应器及去除硝酸盐的方法 | |
| CN217555865U (zh) | 一种铜离子氧化还原电解质构筑的多通道电容脱盐装置 | |
| KR20150008348A (ko) | 하이브리드 해수 담수화 시스템 | |
| Jiang et al. | Magnetic-assisted strategy for performance enhancement of flow-by capacitive deionization | |
| CN108658179B (zh) | 一种利用正反交替吸附实现脱盐的海水淡化装置及方法 | |
| CN117383666B (zh) | 一种流动电极及其应用和再生方法、利用流动电极电容去离子装置富集含铀水体中铀的方法 | |
| CN108439555B (zh) | 一种太阳能驱动的电容式除盐装置 | |
| CN212222679U (zh) | 一种基于流动电极的废水资源化处理系统 | |
| KR20120032100A (ko) | 탄소전극을 이용한 전기흡착식 수처리장치 | |
| CN115028242B (zh) | 一种实现粒子约束的电化学组件、装置及方法 | |
| JP2017505229A (ja) | 水からイオンを除去するための装置およびその装置を作製する方法 | |
| CN105753114B (zh) | 一种实现连续淡化产水的多腔室电吸附脱盐技术与装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20180116 Assignee: Dalian Yinsai environmental protection Consulting Co.,Ltd. Assignor: Northeastern University Contract record no.: X2021210000047 Denomination of invention: Fcdi device for enhanced trace ion capture based on ion exchange resin and its application Granted publication date: 20200515 License type: Common License Record date: 20211109 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200515 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |