CN107754868B - 一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，包括电解池装置，所述的电解池装置包括电源，阳极电极、阴极电极和电解池，所述的电解池中盛有电解液，所述的阳极电极和阴极电极置于电解液中，还包括紧固装置、离子交换材料和绝缘片，所述的紧固装置包括紧固件；所述的离子交换材料通过紧固件固定在电极表面，所述的绝缘片与紧固装置相连包覆在离子交换材料的外侧。还包括传动装置，传动构件在外力的驱动下围绕电极运动。本发明能够将离子交换材料紧固在电极的表面，提高电流效率和离子交换材料的重复使用次数。
Description
技术领域
本发明属于电解池领域，具体涉及一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置。
背景技术
基于使用带有不同基团的离子交换材料包覆电极材料应用在电解池中由于高效性和离子交换材料的可再生性正初步广泛的应用到处理水污染中的金属离子。由于电极表面的电化学反应过程中形成的气体会不断的冲击离子交换材料，会使得离子交换材料脱离电极表面，不利于离子的交换，同时由于离子交换材料中的重金属离子不能被有效置换反过来又会影响其再生性。因此本发明设计了一种基本紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，能够将离子交换材料紧固在电极的表面，提高电流效率和离子交换材料的重复使用次数。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，包括电解池装置，所述的电解池装置包括电源，阳极电极、阴极电极和电解池，所述的电解池中盛有电解液，所述的阳极电极和阴极电极置于电解液中，还包括紧固装置、离子交换材料和绝缘片，所述的紧固装置包括紧固件；所述的离子交换材料通过紧固件固定在电极表面，所述的绝缘片与紧固装置相连包覆在离子交换材料的外侧。
作为本发明的进一步改进，所述的紧固装置还包括传动构件，所述的装置在传动构件的驱动下围绕电极运动。
作为本发明的进一步改进，所述的紧固装置为旋转式紧固装置，所述的紧固件、绝缘片和离子交换材料通过与电极垂直的螺杆紧固在电极的表面，所述的装置以电极的法线为中心轴围绕电极旋转。
作为本发明的进一步改进，所述的紧固件和传动构件采用的是耐腐蚀的高分子塑料材料。
作为本发明的进一步改进，所述的紧固装置为履带式紧固装置，包括设置在绝缘片内外两侧的滚轮，所述的绝缘片的内侧紧贴一侧离子交换材料，所述的滚轮通过与滚轮相配合的紧固件将离子交换材料紧贴在电极表面，并在滚轮的驱动下随着绝缘片围绕电极运动。
作为本发明的进一步改进，所述的滚轮采用的是耐腐蚀且具有机械强度的高分子塑料材料。
作为本发明的进一步改进，所述的位于绝缘片内侧的滚轮设置在电极的上下两端。
作为本发明的进一步改进，所述的绝缘片上的微孔的尺寸为0.1-100平方毫米。
作为本发明的进一步改进，所述的绝缘片为可变形的耐腐蚀高分子塑料。
作为本发明的进一步改进，所述的离子交换材料包括阳离子交换材料和阴离子交换材料，所述的离子交换材料为亲水材料；所述的阳离子交换材料包含磺酸根、羧酸根和膦酸根中的至少一种阴离子基团，所述的阴离子交换材料包括季铵盐、叔胺盐中的至少一种阳离子基团。
本发明的有益效果：本技术中，通过紧固装置，使得离子交换材料与电极表面充分接触，利用阳极区的质子充分作用于阳离子交换材料表面，使已经吸附的金属离子直接解吸；同时，由于紧固装置，使阳极区产生的氧气限制在较狭窄区域而形成了类似的湍流作用，利用流体的作用力，这将加快解吸的金属离子离开电极区域、进入电解池中。类似地，也将促进阴离子交换材料吸附的硫酸根、磷酸根解吸，显著提高电化学解吸过程中的解吸速度和电流效率。同时，而且降低了离子交换材料的力学性能和活性化学基团损失，延长了离子交换材料使用寿命。
附图说明
图1为本发明的旋转式紧固件示意图；
图2为使用旋转式紧固装置的电解池示意图；
图3为本发明的履带式紧固装置的示意图；
图3a为使用履带式紧固装置的电解池示意图；
1-电极，2-离子交换材料，3-绝缘片，40-旋转式紧固装置，401-螺杆，41-履带式紧固装置，411-滚轮，5-高分子垫圈。
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。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明中的离子交换材料电化学再生装置中所述的离子交换材料为亲水材料，包括阳离子交换材料和阴离子交换材料分别包覆在电解池装置中的阳极电极和阴极电极的表面；所述的阳离子交换材料包含磺酸根、羧酸根和膦酸根中的至少一种阴离子基团，所述的阴离子交换材料包括季铵盐、叔胺盐中的至少一种阳离子基团。
如图1所示的本发明的一种紧固装置，包括能够将离子交换材料加固在电极表面的紧固件。所述的离子交换材料和绝缘片通过紧固件依次包覆在电极的两侧，所述的绝缘片和紧固件之间设有耐腐蚀性的高分子垫圈，所述的高分子垫圈具有一定的弹性，能够通过紧固件将离子交换材料紧紧地固定在电极的表面。
所述的紧固件一方面能够使得离子交换材料始终稳定地贴服在电极的表面，能够缩短电解出来的H+或OH-扩散到离子交换材料中的距离，保证离子交换快速顺利地进行。另一方面离子交换材料与电极表面的接触面积超过了90％，当离子交换材料与电极紧密相连时，由于空间的限制，电解产生的气体在两者之间的空隙之间更多的是起到湍流作用，加速了H+与阳离子的交换和OH-与阴离子的交换，而非吸附在电极表面以增加溶液阻力，从而提高了电流效率。
为了提高的离子交换材料的再生使用次数和电流效率，在电极的表面设置了紧固装置，所述的紧固装置还包括传动构件，在传动构件的带动下围绕电极运动。
本发明中所述的绝缘片为包括微孔的网孔状结构，所述的微孔的尺寸为0.1-100平方毫米，采用的是可弯曲变形耐腐蚀的高分子塑料片。所述的绝缘片通过紧固件固定在离子交换材料的外侧，绝缘片两侧的液体可以通过微孔不断地交换。由于绝缘片与离子交换材料之间的间隙狭小，当绝缘片在传动构件的作用下运动的过程中，两者之间的液体仍能保持静止状态。其外侧靠近绝缘片的液体会发生相对的流动，由于流动的液体的压强会小于静止的液体，因此位于绝缘片内部的液体会通过微孔向外侧流动，从而加速了液体流动。电极表面产生的气体也会形成压力，迫使电极表面的液体向绝缘片外侧迁移。
所述的传动构件作用于电极外侧的绝缘片和离子交换材料，使得电极表面的溶液在湍流的作用下加快了离子从离子交换材料表面解离到电解池中，提高了离子交换材料的重复使用率。
本发明中设计了两类具有传动机构的紧固装置，如图2所示的旋转式紧固装置和如图3a所示的履带式紧固装置。
如图2所述的旋转式紧固装置，所述的紧固件、绝缘片和离子交换材料通过与电极垂直的螺杆紧固在电极的表面，所述的装置以电极平面的法线为中心轴围绕电极旋转。由于螺杆与电极垂直，当紧固装置以电极平面法线为中心轴旋转时，形成了相对于陀螺形电极的旋转效应，在电极的附近形成了旋涡效应，电解池周围的液体不断地向电极中心流动，同时电极附近的电极也不断地被挤压进入电解液中，加速了离子的交换。
如图3所示的履带式紧固装置包括若干个用作紧固件和带动绝缘片围绕电极表面做上下移动的滚轮，所示的滚轮平行的设置在的绝缘片的内外两侧，所述的位于内侧的滚轮设置在电极的上下两端，与绝缘片接触。所述的绝缘片的内侧与离子交换材料紧密接触。位于电极侧面的滚轮一方面通过压紧绝缘片使得离子交换材料紧贴电极表面，另一方面通过与绝缘片之间的摩擦力的作用在滚动的过程中带动绝缘片和离子交换材料沿着电极上下移动。随着离子交换材料的上下移动，离子交换材料一方面紧贴在电极的表面与H+发生离子交换，另一方面与电解液接触，将解吸的离子扩散到电解液中，同时绝缘片的移动能够加速周围的电解液的移动，加速了解吸的离子的扩散作用。
具体的实施例如下，在以下的所有实施例中，所述的电解池装置的基本结构包括电源，阳极电极、阴极电极和电解池，所述的电解池中盛有电解液，所述的阳极电极和阴极电极置于电解液中。其中为了保证实验的可比性，所述的阳极电极和阴极电极采用相同的钛电极，两个电极之间的距离为3厘米；电解池中采用不同的电解液，同时为了防止电解过程中金属离子发生沉淀，在电解池中可定期更换或者连续添加具有抑制电解池碱性的电解质，如硫酸盐、盐酸盐、稀硫酸、稀盐酸。实验的结果通过计算电流效率和离子交换材料的循环使用次数进行表征的。
所述的电流效率采用以下公式进行计算：
公式中的ce是电流效率；z是离子所携带的电荷数，例如Cu2+的z值为2；F是法拉第常数，系数为96500C/mol；n表示离子交换织物上的解吸下来离子的摩尔量(mol)，I表示电流(A)，t表示解吸时间(s)。
本发明中，为了避免紧固装置对电极的影响，所述的螺杆或滚轮采用的是具有一定机械强度且在电解液中具有耐腐蚀能力的高分子塑料材料。本发明的一种实施例中采用的是聚四氟乙烯材料。
对照例：
电解液硫酸铜溶液1000mg/L，用双面胶将吸附有铜离子的阳离子交换织物和阴离子交换膜分别固定在两侧的阳极和阴极上，电化学电压20伏，电解电流逐步增加，最大电流1.1安培，解吸时间8小时，电解池中有絮状黑色氧化铜沉淀，电流效率18％，离子交换织物表面蓝色基本消失。织物重复利用3次后，织物结构完整性受损和磺酸根活性官能团减少。并且双面胶使用一段时间后会失去粘结作用，氢离子不能直接有效地作用于离子交换织物表面，解吸时间长、电流效率低、离子交换织物损毁较严重。
实施例一
如图2所示的结构装置，采用图2所示的旋转式紧固装置将吸附大量的铜离子的阳离子交换材料固定在阳极的两侧，阴极两侧固定阴离子交换膜。实验中，电化学解吸电压15伏，电解电流逐步增加，最大电流1安培，解吸时间1小时，电解池中有少量絮状黑色氧化铜沉淀，可用少量稀盐酸或稀硫酸可完全溶解，电流效率55％，离子交换织物吸附的铜离子颜色基本消失，即铜离子解吸率高。解吸后离子交换织物重复吸附铜离子、再电化学解吸，如此可重复循环使用10次，织物仍有良好吸附与解吸性能。随着重复试验次数增加。
实施例二：
采用图2所示的结构装置图固定吸附大量铜离子的阳离子交换材料，电解液采用Na+浓度为1500mg/L硫酸钠溶液，电解的电化学电压12伏，电解电流逐步增加，最大电流1.2安培，解吸时间1.5小时，电解池中添加少量稀硫酸，抑制氢氧化铜沉淀，电流效率60％，离子交换织物表面蓝色基本消失，阳离子交换材料可如此重复循环10次。
实施例三：
采用图2所示的结构装置图固定吸附大量铜离子的阳离子交换材料，电解液采用Mg2+浓度为1500mg/L的硫酸镁溶液，电化学电压20伏，电解电流逐步增加，最大电流1.5安培，解吸时间20分钟，电流效率56％，离子交换织物表面蓝色基本消失，阳离子交换材料可如此重复循环10次。
实施例四：
采用图3a所示的结构装置，采用如图3所示的履带式紧固装置进行固定，包覆在阳极两侧的离子交换材料被均分成两个部分，分别贴附在两侧的绝缘片。所述的阳离子交换材料吸附了大量的镍离子，电解液采用Mg2+浓度为1500mg/L的硫酸镁溶液，电化学电压15伏，电解电流逐步增加，最大电流1.5安培，解吸时间40分钟，电流效率60％，离子交换织物表面绿色基本消失，阳离子交换材料可如此重复循环8次。
实施例五：
采用图3a所示的结构装置，采用如图3所示的履带式紧固装置进行固定，包覆在阳极两侧的离子交换材料被均分成两个部分，分别贴附在两侧的绝缘片。所述的阳离子交换材料吸附了大量的铜离子，电解液采用钙离子浓度为1500mg/L的硫酸钙溶液，电化学电压20伏，电解电流逐步增加，最大电流1.7安培，解吸时间35分钟，电流效率55％，离子交换织物表面蓝色基本消失，阳离子交换材料可如此重复循环10次。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，包括电解池装置，所述的电解池装置包括电源，阳极电极、阴极电极和电解池，所述的电解池中盛有电解液，所述的阳极电极和阴极电极置于电解液中，其特征在于：还包括紧固装置、离子交换材料和绝缘片，所述的紧固装置包括紧固件；所述的离子交换材料通过紧固件固定在电极表面，所述的绝缘片与紧固装置相连包覆在离子交换材料的外侧；所述的紧固装置还包括传动构件，所述的装置在传动构件的驱动下围绕电极运动；所述的紧固装置为旋转式紧固装置，所述的紧固件、绝缘片和离子交换材料通过与电极垂直的螺杆紧固在电极的表面，所述的装置以电极的法线为中心轴围绕电极旋转。
2.根据权利要求1所述的一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，其特征在于：所述的紧固件和螺杆采用的是耐腐蚀且具有机械强度的高分子塑料材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，其特征在于：所述的紧固装置为履带式紧固装置，包括设置在绝缘片内外两侧的滚轮，所述的绝缘片的内侧紧贴一侧离子交换材料，所述的滚轮通过与滚轮相配合的紧固件将离子交换材料紧贴在电极表面，并在滚轮的驱动下随着绝缘片围绕电极运动。
4.根据权利要求3所述的一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，其特征在于：所述的滚轮采用的是耐腐蚀且具有机械强度的高分子塑料材料。
5.根据权利要求3所述的一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，其特征在于：位于绝缘片内侧的滚轮设置在电极的上下两端。
6.根据权利要求1所述的一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，其特征在于：所述的绝缘片上的微孔的尺寸为0.1-100平方毫米。
7.根据权利要求1所述的一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，其特征在于：所述的绝缘片为可变形的耐腐蚀高分子塑料。
8.根据权利要求1所述的一种基于紧固装置的离子交换材料电化学再生装置，其特征在于：所述的离子交换材料包括阳离子交换材料和阴离子交换材料，所述的离子交换材料为亲水材料；所述的阳离子交换材料包含磺酸根、羧酸根和膦酸根中的至少一种阴离子基团，所述的阴离子交换材料包括季铵盐、叔胺盐中的至少一种阳离子基团。
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| CN2507556Y (zh) * | 2001-04-06 | 2002-08-28 | 王瑛 | 一种离子交换剂电再生装置 |
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