CN111137956A - 一种固定床电极电化学除盐装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固定床电极电化学除盐装置及方法，涉及资源回收再利用领域，用以解决现有电吸附技术在处理高含盐水时效率相对较低，而且由于需要不断停机脱附再生，使得处理装置的投资相对较高的问题。装置呈叠层结构，依次包括：第一集电极、第一填充床固定电极、阴离子交换膜、阳离子交换膜、第二填充床固定电极以及第二集电极；第一填充床固定电极呈透水结构，形成第一水流通道；阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成第二水流通道；第二填充床固定电极呈透水结构，形成第三水流通道。采用固定床电极结构，结合电吸附和膜技术的特点，在双电层理论的基础上，引入多南平衡效应，大大增加电化学除盐的能力和效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及资源回收再利用领域，尤其是一种固定床电极电化学除盐装置及方法。
【背景技术】
日益增长的人口和不断发展的社会经济水平造成了对水资源的需求越来越大，人类赖以生存的淡水资源正在受到前所未有的威胁。寻找能利用非常规水资源的技术和方法成为社会的迫切需要。地球上的水资源绝大部分以海水或苦咸水的形式存在，淡水资源极其稀缺。如果能有经济可行的除盐技术和方法，将会极大缓解淡水资源紧缺这一全球难题。通常的除盐技术和方法有蒸发、离子交换、反渗透等，但由于这些技术的除盐成本高昂，或者水的利用率低以及其它缺点，使得在实际应用中尚有很多局限。近年来，采用电化学方法进行水的处理得到越来越多的重视，以其为代表的有电渗析、电吸附等。由于电化学技术和方法采用电作为处理动力，具有能耗低，二次污染少，且耐受性强等优点，在水的各类处理特别是除盐处理方面具有独到之处，其中电吸附除盐正在得到界内的广泛关注。电吸附技术顾名思义是采用静电吸附的方式去除水中的盐类离子的，其基本原理是利用水中带电电极表面形成的双电层吸附储存离子的效应实现水中离子的分离的。在直流电场的作用下，水中离子在电极表面周期性地吸附-脱附，将水中离子进行浓缩，从而实现水的除盐。由于在整个处理过程中所需要付出的只是对电极双电层进行充电的能量，不牵涉到相变和克服渗透压，避免了通常水除盐处理过程中的高温、高压以及处理装置的结垢、堵塞失效等问题。开辟了除盐领域的新的渠道，具有非常好的推广应用前景。然而，具体的实践表明，电吸附技术在处理高含盐水时效率相对较低，而且由于需要不断停机脱附再生，使得处理装置的投资相对较高，应用范围受到很大限制。需要对其进行改进，以克服前述缺点，充分发挥电化学除盐的优势，从而能在更广大的范围内推广应用。
【发明内容】
本发明提供了一种固定床电极电化学除盐装置及方法，用以解决现有电吸附技术在处理高含盐水时效率相对较低，而且由于需要不断停机脱附再生，使得处理装置的投资相对较高的问题。
本发明的一种固定床电极电化学除盐装置，呈叠层结构，依次包括：第一集电极、第一填充床固定电极、阴离子交换膜、阳离子交换膜、第二填充床固定电极以及第二集电极；所述第一填充床固定电极呈透水结构，形成第一水流通道；所述阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成第二水流通道；所述第二填充床固定电极呈透水结构，形成第三水流通道。
其中，所述阴离子交换膜与阳离子交换膜之间还包括：隔离网，以及所述阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成的第二水流通道从所述隔离网流过。
其中，在第一集电极外侧以及第二集电极外侧还包括：固定端板。
其中，所述第一填充床固定电极的透水结构，具体采用颗粒状高比表面，以及采用高微孔隙率的导电材料作为填充材料；所述第二填充床固定电极的透水结构，具体采用颗粒状高比表面，以及采用高微孔隙率的导电材料作为填充材料。
其中，所述高微孔隙率的导电材料为活性炭材料、碳纤维材料、碳纳米碳管、石墨烯材料，或者碳纤维织物材料。例如：由粒径为2～3毫米的活性碳颗粒组成，比表面大于1000m2/g，微孔容积大于0.5cm3/g。
其中，所述第一集电极采用石墨或钛制成，所述第二集电极采用石墨或钛制成。
其中，所述隔离网采用聚合物或非导电材料制成。
本发明的一种固定床电极电化学除盐方法，包括下列步骤：以第一集电极为正极，以第二集电极为负极，施加直流电压；将待处理的水流从第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道流过；在直流电场的作用后，浓水从第一水流通道和第三水流通道排出，除盐水从第二水流通道流出；以第一集电极为负极，以第二集电极为正极，施加直流电压；将待处理的水流从第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道流过；在直流电场的作用后，浓水从第二水流通道排出，除盐水从第一水流通道和第三水流通道流出；采用上述固定床电极电化学除盐装置实施。
其中，当需要进行再生流程时，切换所述第一集电极与第二集电极的极性，以及相应切换浓水和除盐水的水流通道。
本发明的固定床电极电化学除盐装置及方法，采用固定床电极结构，结合电吸附和膜技术的特点，在双电层理论的基础上，引入多南平衡效应，大大增加电化学除盐的能力和效率，增进电极传质动力学过程，使得电化学除盐的潜力得以充分发挥，较大程度降低除盐的投资成本和运行成本，大幅提高用户的接受度，使该技术真正能得到社会各界的广泛应用。
【附图说明】
图1是本发明实施例1的固定床电极电化学除盐装置结构示意图；
图2-1是本发明实施例2的方法所用的装置结构以及水流示意图；
图2-2是本发明实施例2的方法切换电场后所用的装置结构以及水流示意图。
【具体实施方式】
经发明人研究和反复实验发现，现有的电吸附技术采用单块成形的固体电极，所处理的水从两个电极之间形成的间隙通道流过。这样的结构所带来的问题是电极体内的离子需要通过扩散进出，动力学过程缓慢，尤其是在处理高含盐水时所需要的电极厚度较大，离子的进出耗时更长。因此需要设法让水流能从电极体内流过，以改善离子进出的动力学过程。同时，在电极进行电吸附时，与电极所带同号电荷的离子被排出电极表面(也即微孔区域，对孔隙电极来讲)，这部分离子或者是排出至水流通道，或者是被对面的电极所吸附，无论何者，都会对产水的离子浓度产生不利影响，因此应设法解决这一问题。
基于上述发现，发明人具体构思是采用填充固定床电极结合离子交换膜的方式组成电化学除盐装置，让水流在电极体内流动，以充分改善离子的吸附-脱附时的传质动力学过程，结合采用离子交换膜作为结构辅助材料，更重要的是能够对同号离子形成阻拦，不让其进入水流通道或被对面电极吸附，反而充分利用多南平衡效应，使其能吸引更多的反号离子，从而增加表观吸附能力，提高除盐的效果。以下通过实施例详细说明。
实施例1、本实施的固定床电极电化学除盐装置，参见图1所示，呈叠层结构，依次包括：第一集电极101、第一填充床固定电极102、阴离子交换膜103、隔离网104、阳离子交换膜105、第二填充床固定电极106以及第二集电极107。第一填充床固定电极102呈透水结构，形成第一水流通道108；阴离子交换膜103与阳离子交换膜105之间形成第二水流通道109，第二水流通道109从隔离网104内部流过；第二填充床固定电极106呈透水结构，形成第三水流通道110。第一集电极101外侧以及第二集电极107外侧还包括：固定端板111。第一填充床固定电极102和第二填充床固定电极106可以采用颗粒状高比表面、高微孔隙率的导电材料如活性炭类材料作为填充材料，也可采用碳纤维、碳纳米碳管、石墨烯、碳纤维织物等材料，例如：可以由粒径为2～3毫米的活性碳颗粒组成，典型的为比表面大于1000m2/g，微孔容积大于0.5cm3/g，因此待处理的水流可以从第一填充床固定电极102和第二填充床固定电极106流过，形成水流通道。第一集电极101和第二集电极107可以采用石墨、钛等耐饰材料制成。隔离网104(可以有一定厚度)可以采用聚合物或其它非导电材料。
实施例2、实施本实施的固定床电极电化学除盐方法，参见图2-1、图2-2所示，所采用的固定床电极电化学除盐装置，呈叠层结构，依次包括：第一集电极201、第一填充床固定电极202、阴离子交换膜203、隔离网204、阳离子交换膜205、第二填充床固定电极206以及第二集电极207。第一填充床固定电极202呈透水结构，形成第一水流通道208；阴离子交换膜203与阳离子交换膜205之间形成第二水流通道209，第二水流通道209从隔离网204内部流过；第二填充床固定电极206呈透水结构，形成第三水流通道210。第一集电极201外侧以及第二集电极207外侧还包括：固定端板211。第一填充床固定电极202和第二填充床固定电极206可以采用颗粒状高比表面、高微孔隙率的导电材料如活性炭类材料作为填充材料，也可采用碳纤维、碳纳米碳管、石墨烯、碳纤维织物等材料，例如：可以由粒径为2～3毫米的活性碳颗粒组成，典型的为比表面大于1000m2/g，微孔容积大于0.5cm3/g，因此待处理的水流可以从第一填充床固定电极202和第二填充床固定电极206流过，形成水流通道。第一集电极201和第二集电极207可以采用石墨、钛等耐饰材料制成。隔离网204(可以有一定厚度)可以采用聚合物或其它非导电材料。
具体流程是以第一集电极201为正极，以第二集电极207为负极，施加直流电压。
当含有一定离子浓度的水流212流入第一填充床固定电极202的第一水流通道208时，即当含有一定离子浓度的水流212流入填充固定床正极时，填充固定床正极的表面吸附阴离子，并将阳离子排斥至体相水体中。由于阴离子交换膜203的阻挡作用(理论上阳离子不能透过阴离子交换膜)，这部分阳离子将在体相溶液中富集。为了保持电中性，阴离子将从水流通道中迁移至此并形成富集，并随水流212以浓水的形式排出。同理，当含有一定离子浓度的水流213流入第二填充床固定电极206的第三水流通道210时，即当含有一定离子浓度的水流213流入填充固定床负极时，阳离子被吸附在填充固定床负极表面，而阴离子被排斥至体相溶液中。为保持电中性，阳离子从水流通道中迁移至此并形成富集，并随水流213以浓水的形式排出。这样一来，从水流通道中将会有两部份离子迁移至填充固定床电极中，一部分是填充固定床电极表面双电层吸附的离子，另一部分是由于同号离子被排斥并在离子交换膜的阻挡下，根据多南平衡的原理，吸引更多的反号离子形成富集。使得第二水流通道209中排出的流水214的离子浓度大大降低，也即实现了水的除盐。
随后，当填充固定床电极需要进行再生流程时，也可以根据经验定时切换第一集电极201与第二集电极207的极性，即以第一集电极201为负极，以第二集电极207为正极，施加直流电压。
当含有一定离子浓度的水流215流入第一填充床固定电极202的第一水流通道208，以及含有一定离子浓度的水流216流入第二填充床固定电极206的第三水流通道210时，原来吸附和富集的反号离子在电场力的作用下通过阴离子交换膜203、阳离子交换膜205进入到第二水流通道209中，形成浓水217排出。而此时的填充固定床电极将再次吸附，不过由于所加电场的方向与之前相反，所吸附的离子的带电符号发生了反转，而此时由于离子交换膜的阻挡作用，水流通道中的反号离子不能透过离子交换膜进入填充床固定电极，反而同号离子可以通过离子交换膜进入第二水流通道209，两边填充床固定电极中的阴阳离子进入到第二水流通道209中也随浓水217排出。而流经填充固定床电极的水中离子浓度分别下降，流出两个填充固定床电极的水流215、水流216均为除盐水。在具体实现中，相应切换浓水和除盐水的水流通道，即切换回收管道和浓水管道即可。
由此可见，不管在何种加电方向下，本发明都在实时产生除盐水，只是除盐水产生于不同的通道内。也就是说，采用本发明法可以连续进行水的除盐而不需要停止工作进行再生，只需要对水流的控制进行一些切换即可。这样一来，大大提高了装置的利用效率，而且除盐的能力也得到了大幅度提升。
这里本发明的描述和应用都只是说明性和示意性的，并非是想要将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是完全可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说，实施例的替换和等效的各种部件均是公知的。本领域技术人员还应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现，以及在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (10)
1.一种固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，呈叠层结构，依次包括：第一集电极、第一填充床固定电极、阴离子交换膜、阳离子交换膜、第二填充床固定电极以及第二集电极；所述第一填充床固定电极呈透水结构，形成第一水流通道；所述阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成第二水流通道；所述第二填充床固定电极呈透水结构，形成第三水流通道。
2.如权利要求1所述的固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，所述阴离子交换膜与阳离子交换膜之间还包括：隔离网，以及所述阴离子交换膜与阳离子交换膜之间形成的第二水流通道从所述隔离网流过。
3.如权利要求1所述的固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，在第一集电极外侧以及第二集电极外侧还包括：固定端板。
4.如权利要求1所述的固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，所述第一填充床固定电极的透水结构，具体采用颗粒状高比表面，以及采用高微孔隙率的导电材料作为填充材料；所述第二填充床固定电极的透水结构，具体采用颗粒状高比表面，以及采用高微孔隙率的导电材料作为填充材料。
5.如权利要求4所述的固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，所述高微孔隙率的导电材料为活性炭材料、碳纤维材料、石墨烯材料、碳纳米碳管材料，或者碳纤维织物材料。
6.如权利要求4所述的固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，所述第一填充床固定电极由粒径为2～3毫米的活性碳颗粒组成，比表面大于1000m2/g，微孔容积大于0.5cm3/g。
7.如权利要求1所述的固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，所述第一集电极采用石墨或钛制成，所述第二集电极采用石墨或钛制成。
8.如权利要求2所述的固定床电极电化学除盐装置，其特征在于，所述隔离网采用聚合物或非导电材料制成。
9.一种固定床电极电化学除盐方法，其特征在于，包括下列步骤：
以第一集电极为正极，以第二集电极为负极，施加直流电压；将待处理的水流从第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道流过；在直流电场的作用后，浓水从第一水流通道和第三水流通道排出，除盐水从第二水流通道流出；
以第一集电极为负极，以第二集电极为正极，施加直流电压；将待处理的水流从第一水流通道、第二水流通道和第三水流通道流过；在直流电场的作用后，浓水从第二水流通道排出，除盐水从第一水流通道和第三水流通道流出；
采用上述权利要求1至8任一项的固定床电极电化学除盐装置实施。
10.如权利要求9所述的固定床电极电化学除盐方法，其特征在于，当需要进行再生流程时，切换所述第一集电极与第二集电极的极性，以及相应切换浓水和除盐水的水流通道。
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| CN201811307083.3A CN111137956A (zh) | 2018-11-05 | 2018-11-05 | 一种固定床电极电化学除盐装置及方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115196724A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-10-18 | 欣格瑞（山东）环境科技有限公司 | 交换极电化学复合离子置换集成除盐装置及其实施方法 |
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-
2018
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