CN109179637A - 一种螺旋卷绕电极生物电化学净水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种螺旋卷绕电极生物电化学净水系统，所述系统包括净水器外壳(1)，进出水集成密封盖(2)，中心导流管(3)，由阳极(4)、隔膜(5)和阴极(6)组成的螺旋卷绕电极以及位于螺旋卷绕电极两端的端盖(7)；所述卷绕电极的阳极采用石墨毡，阴极采用石墨毡或不锈钢网，隔膜采用无纺布；当阴极采用石墨毡时，在阳极或阴极表面贴附不锈钢网。所述系统能良好地去除水中微量有机物、重金属离子、氨氮、余氯及其消毒副产物等各类污染物，具有工业实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及水净化领域，特别涉及饮用水净化领域，具体涉及一种螺旋卷绕电极生物电化学净水系统。
技术背景
饮用水厂通过沉降、过滤、消毒等工艺对来自地面或地下的饮用水源水进行处理，最后经管网输送到家庭用户。长期以来，环境污染物通过迁移、转化对现有水环境造成严重的污染，部分饮用水源超标事件频繁发生，饮用水厂因处理工艺的限制对于饮用水中的大量污染物处理效率非常有限。氯气消毒成为饮用水厂防止大肠菌群等有害微生物在供水管道内滋生的主要手段。氯气消毒过程中产生大量的致癌消毒副产物污染。现有城市饮用水输水管网大多采用铸铁管，镀锌管，含铅水龙头仍然在现有家庭中广泛使用。饮用水消毒残留的余氯随输水管网进入到各个家庭用户，余氯本身的异味造成人体感官严重不适，还会对城市输水管道、家庭水龙头等管壁造成快速氧化、致使大量的铅、锌、镉、铬等重金属离子溶出到饮用水中，对人体健康带来严重威胁。
最近10年来，家庭饮用水终端处理技术和装置获得了飞跃的发展，以反渗透及其配套吸附、过滤等工艺相结合的一体化饮用水净化装置(净水机，纯水机等)大量应用于家庭饮用水终端。但这些净水技术存在滤芯堵塞、频繁更换滤芯、余氯本身对反渗透膜的氧化等难题，特别是反渗透造成的饮用水矿物质流失对人体健康特别是老年人、儿童的健康带来隐忧。
生物电化学系统(包括生物燃料电池、生物电解池等)，能够在降解、转化废水中的有机物质过程中，还能够回收电能、甲烷等能源。国内外大量的研究表明，生物电化学系统可广泛应用于有机废水、重金属废水、氨氮废水的生物高效转化、无害化与能源回收方面，同时在海水淡化领域显示出应用潜力。由于生物电化学系统在规模放大时因电极排列、间距、电极材料以及反应器结构等原因造成能量损失、电流效率降低等问题，目前对于利用生物电化学系统净水的实际应用还较少。
发明内容
针对目前家庭饮用水中含有微量有机物、重金属离子、氨氮、余氯及其消毒副产物等各类污染物，现有反渗透净水器滤芯易杜塞、频频更换滤芯、产出水缺乏矿物质等弊端，本发明提供了一种可用于饮用水净化的螺旋卷绕电极生物电化学系统。该发明主要应用于家庭饮用水的净化，也可应用于学校、宾馆、办公场所等供水终端的饮用水净化领域。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种螺旋卷绕电极生物电化学净水系统，其特征在于，所述系统包括净水器外壳(1)，进出水集成密封盖(2)，中心导流管(3)，由阳极(4)、隔膜(5)和阴极(6)组成的螺旋卷绕电极以及位于螺旋卷绕电极两端的端盖(7)，其中中心导流管(3)外侧粘贴齿状片(8)，两端分别设置固定插销(9)，螺旋卷绕电极通过中心导流管(3)表面的齿状片(8)固定于中心导流管上，中心导流管通过两端的固定插销(9)固定于端盖中央带插口的圆孔(11)内，由螺旋卷绕电极引出的电极线固定于净水器密封盖的内侧接线端子(12)，接线端子采用螺栓与密封胶垫固定于密封盖的内外侧，接线端子外侧连接直流稳压电源(13)，系统进水端设置电磁阀(14)，流量控制阀(15)，出口端设置高压开关(16)和压力储水罐(17)；所述卷绕电极的阳极采用石墨毡，阴极采用石墨毡或不锈钢网，隔膜采用无纺布；当阴极采用石墨毡时，在阳极或阴极表面贴附不锈钢网。
进一步的，螺旋卷绕电极仅卷绕其中的阳极石墨毡，当卷绕阳极石墨毡时，同时采用不锈钢网贴附于阳极作为集流网，在螺旋卷绕阳极外侧再分别包裹隔膜和阴极。
进一步的，石墨毡的厚度为2mm-10mm。
进一步的，不锈钢网采用304或316L的平板网，网孔0.2-2×0.2-3mm之间，丝径0.2-1.0mm之间。
进一步的，螺旋卷绕电极除上述固定方式外，螺旋卷绕电极两端的端盖(7)还设置为螺旋状的卡槽(10)，螺旋卷绕电极通过带卡槽的端盖进行固定；通过这样的方式固定，就不需要中心管设置固定插销以及端盖设置固定插口。
进一步的，螺旋卷绕的三明治结构的阳极或阴极一侧均固定于中心导流管的齿状片上，固定齿的长度确保阴阳极之间不短路。
进一步的，生物电化学净水系统出口端的高压开关同时控制进水电磁阀和直流电源，当饮用水流出系统后，系统压力下降使得高压开关发送启动脉冲信号，进水电磁阀与直流电源同时开启，当系统内压力达到高压开关的压力阈值后，发送脉冲信号关闭电磁阀以及直流电源。
进一步的，直流电源的关闭设置为获得高压开关脉冲信号后的60-240分钟内延时关闭。
进一步的，饮用水在生物电化学净水器系统的水力停留时间通过流量控制阀来控制。
进一步地，本申请提供一种根据上述螺旋卷绕电极生物电化学净水系统用于净化饮用水的用途。
本申请净水系统的作用原理说明：
1、本申请的阳极或阴极的设计中，引入了不锈钢网，其或为附着于阳极或阴极，或者直接为阴极；不锈钢网本身具有弹性，在构建卷绕电极时，在螺旋卷绕电极间形成2-5mm的空隙，以利于水的流动；在增强电极强度的同时，也让间隙更为均匀；
2、当饮用水进入本申请生物电化学净水系统后，外加合适的电压下，饮用水穿过电极之间的空隙向下流动，污染物迁移到电极表面，其中阳极电活性微生物把微量有机物、氨氮、亚硝酸盐氧化，形成二氧化碳、硝酸盐，而阴极通过电化学还原或微生物催化还原饮用水中的余氯、氧气、硝酸盐、高氯酸盐、氯代消毒副产物还原生成氯离子、氮气、水。经处理后的饮用水经中心导流管流出系统。本系统针对饮用水含有微量的有机污染物、氨氮等电子供体以及高浓度的氧气以及少量的余氯、重金属离子等电子受体的特点，构建的单室生物电解池，通过外加电压强化对污染物的阳极氧化和阴极还原。
有益效果：
相比现有技术而言，本发明具有如下技术效果：
1、三明治式卷绕电极对于氧化还原都需要微生物参与的污染物如有机物、氨氮与硝酸盐、消毒副产物等的去除具有较强的优势；而阴极单独包裹在外的卷绕方式，适合生物阳极与非生物阴极的污染物如有机物、氨氮与重金属离子、余氯等去除。
2、卷绕电极中心导流管的设置有利于将现有净水器外壳改造为生物电化学净水系统，饮用水经外壳端盖进入系统后，穿过上部的多孔端盖进入生物电化学反应区，污染物去除后的饮用水经下部的多孔端盖进入中心导流管，最后通过净水器外壳端盖流出系统，达到良好的净水效果；
3、利用不锈钢网的弹性以及卷绕电极的固定模式，使得卷绕电极形成适当间距的过水通道，不仅增加了水相污染物与电极表面微生物之间的接触效率，还避免了传统净水器单纯过滤带来的堵塞等难题，同时，增加了螺旋卷绕电极的结构强度。
4、当生物电化学系统需要反冲洗时，也可从净水器外壳端盖反方向进水，将阳极和阴极表面多余的菌体和其他残留物清洗出系统；该系统易于清洁。
5、直接用高压开关启闭电源和电磁阀，高压开关在使用过程中，对饮用水系统的压力变化反应敏感，避免了水流开关因流量小难于启动的难题。
附图说明：
附图1：本发明的螺旋卷绕电极生物电化学净水系统结构图；
附图2：本发明采用三明治式螺旋卷绕电极结构图；
附图3：本发明采用仅卷绕石墨毡阳极的螺旋卷绕电极结构图
附图4：本发明采用的中心导流管及齿状片、插销以及端盖插口示意图
附图5：本发明采用的螺旋卷绕电极端盖卡槽固定示意图
其中：
(1)净水器外壳；(2)进出水集成密封盖；(3)中心导流管；(4)阳极；(5)隔膜；(6)阴极；(7)卷绕电极固定端盖；(8)中心导流管外侧齿状片，(9)中心导流管两端插销；(10)卷绕电极固定端盖内侧卡槽；(11)卷绕电极固定端盖中央带插口的圆孔；(12)净水器密封盖的接线端子；(13)直流稳压电源；(14)进水电磁阀；(15)流量控制阀；(16)高压开关；(17)压力储水罐。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不限于下列实施例。
实施例1：螺旋卷绕阳电极组合一(三明治式螺旋卷绕电极)
该三明治式螺旋卷绕电极由阳极，隔膜，阴极、中心导流管以及卷绕电极两端的端盖组合而成，其中阳极采用5mm厚的石墨毡，阴极采用网孔0.2×0.2mm，丝径0.2mm的不锈钢平板网，隔膜采用聚乙烯丙纶无纺布，其中中心导流管外侧粘贴齿状片，两端分别设置固定插销，三明治式螺旋卷绕电极的阳极一侧在内，隔膜居中，阴极一侧在外进行卷绕，其中阳极末端采用隔膜包裹，以防止阴阳极短路，三明治式卷绕电极一端固定于中心导流管表面的齿状片上，中心导流管通过两端的固定插销固定于端盖中央带插口的圆孔内，三明治式螺旋卷绕电极另一端依靠不锈钢平板网的弹性固定于两侧端盖的盖沿内侧。经端盖固定后的三明治螺旋卷绕电极各圈层之间保持2-5mm缝隙。(参见说明书附图2和附图4)
实施例2：螺旋卷绕电极组合二(三明治式螺旋卷绕电极)
与实施例1不同的是，三明治式螺旋卷绕电极的阴极采用石墨毡，其中阳极石墨毡一侧采用不锈钢网紧贴，不锈钢网既作为集流网，又增加三明治电极的弹性。使其经过固定后，三明治电极每一圈层之间保留2-5mm的缝隙。不锈钢网的使用还可增加螺旋卷绕电极的结构强度。(参见说明书附图2和附图4)
实施例3：螺旋卷绕电极的端盖卡槽固定
与实施例1三明治式螺旋卷绕电极依靠中心导流管的插销与端盖中心孔插口固定方式不同的是，本实施例的端盖内侧设置了5mm宽的螺旋卡槽，卡槽之间的间歇3mm，三明治式螺旋卷绕电极两端分别固定于端盖内侧的卡槽内，固定后的螺旋卷绕电极各圈层之间的缝隙保留2-5mm。(参见说明书附图2和附图5)
实施例4 螺旋卷绕电极组合三
与实施例1和实施例2不同的是，螺旋卷绕电极仅仅卷绕石墨毡阳极，石墨毡同时紧贴一层不锈钢网作为集流网，卷绕完成后在外侧包裹一层无纺布隔膜，隔膜外包裹一层不锈钢网作为阴极，最后再将螺旋卷绕电极固定于两端端盖内。(参见说明书附图3和附图4)
实施例5 螺旋卷绕电极组合三四
与实施例4不同的是，外层阴极采用石墨毡。(参见说明书附图3和附图4)
实施例6：卷绕电极生物电化学净水系统的构建
采用实施例1构建的三明治式螺旋卷绕电极，由卷绕电极引出的电极线固定于净水器密封盖的内侧接线端子，接线端子采用螺栓与密封胶垫固定于密封盖的内外侧，接线端子外侧连接直流稳压电源，净水系统外壳通过螺纹与密封盖密封，净水系统进水端设置电磁阀，流量控制阀，出口端设置高压开关和压力储水罐。(参见说明书附图1)
实施例7：卷绕电极生物电化学净水系统的运行
采用实施例6构建的卷绕电极生物电化学净水系统，通过三通管接入家庭饮用水系统内，打开压力储水罐后侧的饮用水出水阀门，高压开关检测系统压力下降后发出脉冲信号启动进水电磁阀开启，同时启动直流电源，直流电源在阴阳极两端施加1.0V的电压，在此过程中通过流量控制阀调节出水流量，当饮用水阀门关闭时，关闭进水电磁阀，直流电源设定为延时60分钟关闭。
在净水器前3个月的启动运行过程中，其中的污染物主要依靠电化学催化的氧化还原进行净化，经过三个月的运行，净水系统内微生物附着于阳极和阴极表面，净水系统运行基本稳定，经净水系统净化后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.5mg/L、0.04下降到0.5mg/L、0.01。
实施例8：按照实施例6和7的净水系统的构建和运行方式，采用实施例2的电极设计，同样经过三个月的运行后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.6mg/L、0.042下降到0.4mg/L、0.013。
实施例9：按照实施例6和7的净水系统的构建和运行方式，采用实施例4的电极设计，同样经过三个月的运行后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.8mg/L、0.045下降到0.6mg/L、0.015。
对比例1：除阳极为石墨毡外，其余同实施例2，同样经过三个月的运行后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.5mg/L、0.04下降到0.7mg/L、0.015。系统继续运行3个月后，出水中的CODmn和UV254分别达到1.5mg/L、0.02。对净水系统进行检查，发现卷绕电极的碳毡表面附着物较多，部分过水孔道已堵塞，影响了系统内水流动以及微生物与污染物之间的传质效果。
对比例2：独立卷绕阴阳极上下固定的生物电化学净水系统运行
本实施例的阴阳极均采用碳毡，按照卷绕电极的固定方式以及净水系统外壳的尺寸独立卷绕，形成独立的卷绕阳极和卷绕阴极，其中阳极固定在下部，阴极固定在上部，阴阳极之间采用无纺布分隔，系统采用实施例6生物电化学净水系统的构建方式。
按照实施例7的运行方式，同样经过三个月的运行后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由3.0mg/L、0.045下降到1.0mg/L、0.02。
对比例3：三维碳毡阴阳极上下固定的生物电化学净水系统的运行
本实施例的阴阳极不采用螺旋卷绕电极，而是将阴阳极分别固定于净水系统外壳内，其中阴阳极均采用多层碳毡构建的三维电极，阳极固定在下部，阴极固定在上部，阴阳极之间采用无纺布分隔，系统采用实施例6生物电化学净水系统的构建方式。
按照实施例7的运行方式，同样经过三个月的运行后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.8mg/L、0.04下降到1.2mg/L、0.02。
系统继续运行3个月后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.8mg/L、0.04下降到1.5mg/L、0.025。对净水系统进行检查，发现三维碳毡表面附着物较多，影响了微生物与污染物之间的传质效率。
对比例4：以市售烧结活性炭滤芯作为阳极
以市售烧结活性炭滤芯为阳极，以不锈钢网为阴极，将阴阳极分别固定于净水系统外壳内，系统采用实施例6生物电化学净水系统的构建方式。
按照实施例7的运行方式，同样经过三个月的运行后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.8mg/L、0.04下降到0.8mg/L、0.015。
系统继续运行3个月后，饮用水出水中的CODmn和UV254分别升高到1.5mg/L、0.02。净水系统出水通量大幅下降。对净水系统进行检查，发现活性炭滤芯表面附着物很多，滤芯堵塞造成过滤通量下降。
对比例5：以市售烧结活性炭滤芯作为阴极
以市售烧结活性炭滤芯为阴极，以不锈钢网为阳极，将阴阳极分别固定于净水系统外壳内，系统采用实施例6生物电化学净水系统的构建方式。
按照实施例7的运行方式，同样经过三个月的运行后，饮用水进水中的CODmn和UV254分别由2.8mg/L、0.04下降到1.2mg/L、0.02。
系统继续运行3个月后，饮用水出水中的CODmn和UV254分别升高到1.5mg/L、0.025。净水系统出水通量大幅下降。对净水系统进行检查，发现不锈钢网有腐蚀现象，活性炭滤芯表面附着物很多，滤芯堵塞造成过滤通量下降。
本发明的一种螺旋卷绕电极生物电化学净水系统已经通过具体的实例进行了描述，本领域技术人员可借鉴本发明内容，适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本发明的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种螺旋卷绕电极生物电化学净水系统，其特征在于，所述系统包括净水器外壳(1)，进出水集成密封盖(2)，中心导流管(3)，由阳极(4)、隔膜(5)和阴极(6)组成的螺旋卷绕电极以及位于螺旋卷绕电极两端的端盖(7)，其中中心导流管(3)外侧粘贴齿状片(8)，两端分别设置固定插销(9)，螺旋卷绕电极通过中心导流管(3)表面的齿状片(8)固定于中心导流管上，中心导流管通过两端的固定插销(9)固定于端盖中央带插口的圆孔(11)内，由螺旋卷绕电极引出的电极线固定于净水器密封盖的内侧接线端子(12)，接线端子采用螺栓与密封胶垫固定于密封盖的内外侧，接线端子外侧连接直流稳压电源(13)，系统进水端设置电磁阀(14)，流量控制阀(15)，出口端设置高压开关(16)和压力储水罐(17)；所述卷绕电极的阳极采用石墨毡，阴极采用石墨毡或不锈钢网，隔膜采用无纺布；当阴极采用石墨毡时，在阳极或阴极表面贴附不锈钢网。
2.根据权利要求1所述的净水系统，其特征在于，螺旋卷绕电极仅卷绕其中的阳极石墨毡，当卷绕阳极石墨毡时，同时采用不锈钢网贴附于阳极作为集流网，在螺旋卷绕阳极外侧再分别包裹隔膜和阴极。
3.根据权利要求1或2的净水系统，其特征在于，石墨毡的厚度为2mm-10mm。
4.根据权利要求1或2的净水系统，其特征在于，不锈钢网采用304或316L的平板网，网孔0.2-2X0.2-3mm之间，丝径0.2-1.0mm之间。
5.根据权利要求1或2的净水系统，其特征在于，螺旋卷绕电极两端的端盖(7)设置为螺旋状的卡槽(10)，螺旋卷绕电极通过带卡槽的端盖进行固定。
6.根据权利要求1或2的净水系统，其特征在于，螺旋卷绕的三明治结构的阳极或阴极一侧均固定于中心导流管的齿状片上，固定齿的长度确保阴阳极之间不短路。
7.根据权利要求1或2的净水系统，其特征在于，生物电化学净水系统出口端的高压开关同时控制进水电磁阀和直流电源，当饮用水流出系统后，系统压力下降使得高压开关发送启动脉冲信号，进水电磁阀与直流电源同时开启，当系统内压力达到高压开关的压力阈值后，发送脉冲信号关闭电磁阀以及直流电源。
8.根据权利要求7的净水系统，其特征在于，直流电源的关闭设置为获得高压开关脉冲信号后的60-240分钟内延时关闭。
9.根据权利要求7的净水系统，其特征在于，饮用水在生物电化学净水器系统的水力停留时间通过流量控制阀来控制。
10.根据权利要求1至9任一所述的净水系统用于净化饮用水的用途。
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