CN111995072A - 双阴阳极切换的离子膜电沉积装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了双阴阳极切换的离子膜电沉积装置。离子膜电沉积装置是一个长方体形状的密闭容器，在容器内部两侧分别垂直放置一块阴极，在两块阴极向外依次分别装有绝缘网和阳极，三者分别紧密连接；两侧的阴极和阳极分别通过导线与控制器连接，控制器再通过导线与直流电源相连；在两块阴极之间垂直安装有多片阴离子交换膜。本发明利用控制器自动控制切换成另一对阳极与阴极连通电源正负极并施加直流电进行脱垢处理，避免了倒极，大大增加了电极使用寿命，投资成本显著降低；它适用于电力、石油化工、钢铁制造等行业工业循环冷却水的软化处理；此外，本发明中所采用的双阳极、双阴极电极结构亦可应用于电渗析、电去离子等膜系统中以防止膜结垢。

Description

双阴阳极切换的离子膜电沉积装置
技术领域
本发明涉及一种电沉积装置，尤其是涉及一种双阴阳极切换的离子膜电沉积装置。
技术背景
电力、石油化工、钢铁制造等行业常使用大量的循环冷却水。为了防止结垢，常需对循环冷却水进行有效的软化处理。传统的循环冷却水软化处理方法有：化学药剂投加法、反渗透法和离子交换法等。化学药剂投加法虽然能解决结垢问题，但运行费用高，且易造成二次污染；反渗透法软化效果好，但投资与运行成本高；离子交换法软化与除盐效果佳，但需消耗化学再生剂，并产生大量的再生废液。与传统的循环冷却水软化处理方法相比，电沉积法具有环境友好、处理效率高、适用范围广和操作简便等突出优点，应用前景广阔。但电沉积法所需电极面积大，电极数量多，因此装置成本高。
已授权的实用新型专利（专利号201821135148.6）与已公开的发明专利（专利号201810788057.0）介绍了一种离子膜电沉积装置与沉积方法。与传统的电沉积法相比，该方法利用离子交换膜代替大部分电极作为沉积区域，大大减少了电极数量，因此显著降低了装置成本。但该方法采用倒极定期去除离子交换膜和电极上沉积的沉淀物，而频繁倒极会显著缩短电极寿命，因此需定时更换电极，这又增加了投资成本。
发明内容
为了克服以上背景技术中所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双阴阳极切换的离子膜电沉积装置，以应用于循环冷却水的软化处理。
本发明采用的技术方案是：
该离子膜电沉积装置是一个长方体形状的密闭容器，密闭容器底部呈漏斗状，密闭容器右侧下方开有进水口，密闭容器左侧上方开有出水口，密闭容器漏斗状底部的中心开有排泥口；在密闭容器内部两侧分别垂直放置一块阴极，在两块阴极向外依次分别装有绝缘网和阳极；在两块阴极之间垂直安装有多片阴离子交换膜，阴极与阴离子交换膜之间、阴离子交换膜相互之间均设有绝缘隔板，阳极、绝缘网、阴极、绝缘隔板和阴离子交换膜之间采用绝缘螺杆紧密连接，螺杆两端通过绝缘螺母固定，垂直安装在离子膜电沉积装置下部的挡板上面；两侧的阴极和阳极分别通过导线与控制器连接，控制器再通过导线与直流电源相连。所述阳极为板状DSA电极。
所述阴极为网状电极，材料为耐电化学腐蚀的阀金属。
所述阳极和阴极上端开螺孔，导线的一端用螺钉与所述螺孔固定连接，导线的另一端与控制器相连。
所述绝缘隔板中间开有多条相互平行的凹槽作为水流通道，每条凹槽内均开有对应的通槽作为离子电迁移通道。
所述阀金属材料为钛、钽、铌或钨。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用控制器在软化处理之后自动控制切换成另一对阳极与阴极连通电源正负极并施加直流电进行脱垢处理，避免了倒极，大大增加了电极使用寿命，投资成本显著降低；它适用于电力、石油化工、钢铁制造等行业工业循环冷却水的软化处理；此外，本发明中所采用的双阳极、双阴极电极结构亦可应用于电渗析、电去离子等膜系统中以防止膜结垢。
附图说明
图1是本发明结构原理图。
图2是本发明结构左视图。
图3是绝缘隔板结构示意图。
图中：1、离子膜电沉积装置，2、阳极，3、阴极，4、绝缘网，5、进水口，6、出水口，7、排泥口，8、阴离子交换膜，9、挡板，10、绝缘隔板，11、绝缘螺杆，12、绝缘螺母，13、绝缘阻水板，14、控制器，15、直流电源，16、凹槽，17、通槽。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，该离子膜电沉积装置1是一个长方体形状的密闭容器，密闭容器底部呈漏斗状，密闭容器右侧下方开有进水口5，密闭容器左侧上方开有出水口6，密闭容器漏斗状底部的中心开有排泥口7；在密闭容器内部两侧分别垂直放置一块阴极3，在两块阴极向外依次分别装有绝缘网4和阳极2；在两块阴极之间垂直安装有多片阴离子交换膜8，阴极与阴离子交换膜之间、阴离子交换膜相互之间均设有绝缘隔板10，阳极、绝缘网、阴极、绝缘隔板和阴离子交换膜之间采用绝缘螺杆11紧密连接，螺杆两端通过绝缘螺母12固定，垂直安装在离子膜电沉积装置下部的挡板9上面；两侧的阴极和阳极分别通过导线与控制器14连接，控制器再通过导线与直流电源15相连。本发明采用的控制器为标准件，市场上很多，可根据需要在市场上选购。
所述阳极2为板状DSA电极。
所述阴极3为网状电极，材料为耐电化学腐蚀的阀金属。
所述阳极2和阴极3上端开螺孔，导线的一端用螺钉与所述螺孔固定连接，导线的另一端与控制器14相连。
如图1、图2所示，在阳极2与离子膜电沉积装置1内壁之间上、下装有绝缘阻水板13，阻止水流从阳极外侧流过，提高处理效率。
如图3所示，所述绝缘隔板10中间开有多条相互平行的凹槽16作为水流通道，每条凹槽内均开有对应的通槽17作为离子电迁移通道。
所述阀金属材料为钛、钽、铌或钨。
所述绝缘网4和绝缘阻水板13采用聚乙烯材料。
本发明的工作原理如下：
1)进行循环冷却水软化处理时：
循环冷却水从两对电极中间自下而上流过；利用控制器控制一侧的阳极与另一侧的阴极连通直流电源正负极并施加电流密度为50-300 A/m2的直流电促进阴离子交换膜靠近阴极一侧水电离，产生的OH－在电场的作用下穿过阴离子交换膜与H+分离，在阴离子交换膜靠近阳极一侧与循环冷却水中的HCO3 －、Ca2+和Mg2+反应分别生成CaCO3和Mg(OH)2并沉积于阴离子交换膜表面，同时阴极表面水电解产生的高浓度OH－，与循环冷却水中的HCO3 －、Ca2+和Mg2+反应分别生成CaCO3和Mg(OH)2并沉积于阴极表面，水中硬度离子得到去除，碱度得到降低；与此同时电解过程中阳极上会产生次氯酸盐杀菌灭藻剂。
2)进行脱垢处理时：
当垢层逐渐覆盖阴离子交换膜和阴极表面时，会导致阴离子交换膜和阴极性能失效的问题，因此需要定期进行脱垢处理。脱垢前，让离子交换膜和电极完全浸没于溶液中；然后，利用控制器自动控制切换成另一侧的阳极与一侧的阴极连通直流电源正负极并施加电流密度为100～300 A/m2的直流电促进水电离，原先布满垢层的阴离子交换膜一侧将产生高浓度H+与垢层内部的CaCO3和Mg(OH)2反应使其溶解，促成垢层的脱落，同时阳极电解水产生高浓度H+，H+迁移扩散至原先结垢阴极表面与垢层内部的CaCO3和Mg(OH)2反应使其溶解，促成垢层的脱落，脱除的沉淀物从阴离子交换膜和原先结垢阴极表面转移至水相，最后随水流排出。
实施例：
硬度约为500 mg/L（以CaCO3计）、碱度约为5 mmol/L的工业循环水采用本发明装置进行处理。装置采用四片阴离子交换膜。操作条件如下：软化阶段电流密度为100 A/m2，水温为25℃，处理流量为100 L/h，历时12 h；脱垢阶段电流密度100 A/m2，脱垢时间5 min。运行结果如下：软化效率可稳定保持在13 %-17 %，除垢效率可高达88 %，沉积速率为64.0-84.6g/h/m2。
DSA电极在电流密度2000 A/m2、频率20 min/次的频繁倒极条件下，寿命仅约为340 h。而在电流密度10000 A/m2、不倒极的条件下，寿命高达1500 h以上。

Claims (6)

1.双阴阳极切换的离子膜电沉积装置，其特征在于：该离子膜电沉积装置（1）是一个长方体形状的密闭容器，密闭容器底部呈漏斗状，密闭容器右侧下方开有进水口（5），密闭容器左侧上方开有出水口（6），密闭容器漏斗状底部的中心开有排泥口（7）；在密闭容器内部两侧分别垂直放置一块阴极（3），在两块阴极向外依次分别装有绝缘网（4）和阳极（2）；在两块阴极之间垂直安装有多片阴离子交换膜（8），阴极与阴离子交换膜之间、阴离子交换膜相互之间均设有绝缘隔板（10），阳极、绝缘网、阴极、绝缘隔板和阴离子交换膜之间采用绝缘螺杆（11）紧密连接，螺杆两端通过绝缘螺母（12）固定，垂直安装在离子膜电沉积装置下部的挡板（9）上面；两侧的阴极和阳极分别通过导线与控制器（14）连接，控制器再通过导线与直流电源（15）相连。
2.根据权利要求1所述的双阴阳极切换的离子膜电沉积装置，其特征在于：所述阳极（2）为板状DSA电极。
3.根据权利要求1所述的双阴阳极切换的离子膜电沉积装置，其特征在于：所述阴极（3）为网状电极，材料为耐电化学腐蚀的阀金属。
4.根据权利要求1所述的双阴阳极切换的离子膜电沉积装置，其特征在于：所述阳极（2）和阴极（3）上端开螺孔，导线的一端用螺钉与所述螺孔固定连接，导线的另一端与控制器（14）相连。
5.根据权利要求1所述的双阴阳极切换的离子膜电沉积装置，其特征在于：所述绝缘隔板（10）中间开有多条相互平行的凹槽（16）作为水流通道，每条凹槽内均开有对应的通槽（17）作为离子电迁移通道。
6.根据权利要求3所述的双阴阳极切换的离子膜电沉积装置，其特征在于：所述阀金属材料为钛、钽、铌或钨。
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