CN112678930A - 一种电容去离子系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容去离子系统，包括净水发电一体化装置、余热收集模块、CDI海水淡化循环模块、第一余热盐差利用模块和第二余热盐差利用模块；CDI海水淡化循环模块将海水在净水发电一体化装置中循环淡化直至达标，将达标后的淡水经后处理净化后储存起来；第一余热盐差利用模块储存热海水并当海水的浓度与高浓盐水浓度相等时，将储存的海水通入第二余热盐差利用模块；第二余热盐差利用模块在海水淡化阶段储存电极重生时产生高浓盐水，在盐差发电阶段将高浓盐水循环通入净水发电一体化装置中为其电极充电并回收浓度有所降低的高浓盐水。本发明将电容去离子技术和电容混合技术应用在同一个设备上，用一个设备交替完成海水淡化和盐差发电两种功能。

Description

一种电容去离子系统

技术领域

本发明属于环保技术领域，更具体地，涉及一种电容去离子系统。

背景技术

我国人均淡水资源短缺，目前有16个省(区、市)的人均水资源量低于严重缺水线，6个省低于极度缺水线。沿海地区经济发达且人口众多，但水资源占有量并不与之相适应。淡水已经成为了制约我国经济发展和社会发展的一大难题。我国拥有1.8万千米的海岸线，海洋资源丰富，推进海水淡化产业发展可有效解决我国水资源短缺的问题。到2020年，全国海水淡化总规模达到220万吨/日以上，海水直接利用规模达到140亿立方米/年以上。

但是海水淡化规模扩大的同时，应用传统反渗透法势必会产生大量的浓盐水，而浓盐水直接排放不仅浪费，而且会对排放区域的水文环境和水质造成严重破坏。

目前，实现海水淡化的技术主要包括蒸馏法、反渗透法和电渗析法等方法，然而这些方法具有耗能高、产生二次污染等缺点。作为一种新型脱盐技术，电容去离子(Capacitive deionization，CDI)技术是利用双电层原理，通过施加静电场强制离子向带有异种电荷的电极处移动，从而去除溶液中的离子的技术。与现有技术相比，该技术具有设备简单、过程无污染、节能、操作方便的优点。

当前利用盐差能发电主要形式有：压力延迟渗透法、反电渗析法、蒸汽压差法、电容混合法。压力延迟渗透法和反电渗析法的核心是渗透膜。目前采用这两种方法发电的成本都很高，设备投资大且能量转化效率低；蒸汽压差法设备比较庞大、昂贵。电容混合(Capacitive mixing，CapMix) 技术作为一种新兴的盐差发电技术，具有高性能、低成本、操作简单的优点。基于超级电容器，将这一技术应用在处理海水淡化副产物高浓盐水时，可以高效回收高浓盐水中的盐差能，降低高浓盐水中的离子浓度使其达到排放要求，具有非常大的应用潜力。并且CapMix技术属于CDI技术的逆过程，可以将两者耦合在同一装置上。

膜电容去离子(Membrane capacitive deionization，MCDI)技术的原理与电容去离子技术类似，只是在正负电极表面各紧贴一层阴、阳离子交换膜，既保证离子的正常迁移、吸附过程，又能有效阻止被吸附离子因水流扰动而被带走，且可避免再生过程中脱附离子被二次吸附于对侧电极，从而大大提高了离子去除效率和电极再生效率，然而存在着离子选择性透过膜易结垢、腐蚀、需要定期清理等问题。

专利文献(CN201710903928.4)中公开了一种反渗透膜法与电容法海水淡化组合系统，但并没有对海水淡化副产物高浓盐水进行处理与能量回收。

专利文献(CN201811051750.6)中公开了一种基于太阳能海水淡化与盐差能发电的一体化系统，采用太阳能蒸发海水的方式获取淡水并且采用反电渗析法进行盐差发电，但会受到离子渗透膜和太阳能利用时间的限制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电容去离子系统，旨在解决现有技术中海水淡化及盐差发电装置受膜限制大以及副产物高浓盐水中的盐差能利用困难的问题。

本发明提供了一种电容去离子系统，包括：净水发电一体化装置、余热收集模块、CDI海水淡化循环模块、第一余热盐差利用模块和第二余热盐差利用模块；余热收集模块用于将海水进行预处理后的一部分直接输送给净水发电一体化装置，另一部分利用收集的余热加热后再输送给净水发电一体化装置；CDI海水淡化循环模块用于将海水在净水发电一体化装置中循环淡化直至达标，将达标后的淡水经后处理装置净化后储存起来；第一余热盐差利用模块用于储存盐差发电过程中由于流过高浓盐水充电后的电极而浓度升高的热海水，当暂存的海水的浓度与第二余热盐差利用模块中浓度降低的高浓盐水浓度相等时，将储存的海水通入第二余热盐差利用模块；第二余热盐差利用模块用于在海水淡化阶段储存所述净水发电一体化装置中电极重生时产生高浓盐水，在盐差发电阶段将高浓盐水循环通入所述净水发电一体化装置中为其电极充电，并回收浓度有所降低的高浓盐水；还将海水淡化与盐差发电过程中具有一定温度的高浓盐水通入余热收集模块中换热。

在本发明实施例中，净水发电一体化装置能够实现海水淡化和盐差发电两种功能；在海水淡化过程，净水发电一体化装置吸附冷海水中的离子使其淡化，将副产物高浓盐水排入高浓盐水储存容器储存起来；在盐差发电过程，净水发电一体化装置将高浓盐水和热海水之间的盐差能转化为电能传递给电池组模块，处理后的海水经高浓盐水储存容器排放。

更进一步地，净水发电一体化装置包括依次由第一端板、第一集电极板、第一硅胶垫片、第一电极、隔板、隔膜、第二电极、第二硅胶垫片、第二集电极板、第二端板构成的单元组件；单元组件的流动方式为流经式，海水从隔板中间形成的流道流过；第一端板和第二端板用于起固定作用并由紧固螺丝固定；第一集电极板与电池组相连，为第一电极提供电势并使第一电极吸附或解吸附海水中的离子；第二集电极板与电池组相连，为第二电极提供电势并使第二电极吸附或解吸附海水中的离子；第一电极和第二电极的材料为多孔活性炭；第一硅胶垫片和第二硅胶垫片用于起密封作用并对电极起到一定的固定作用；隔板的材料为有机玻璃，用于形成流道；隔膜用于防止两电极板接触。

更进一步地，在净水发电一体化装置的进出口上设置有电导率监测仪，电导率监测仪用于监测管道中海水的电导率，并将信息传递给控制器分析海水浓度。

更进一步地，余热收集模块包括：前处理装置、换热器、多个二通电磁阀和多个水泵；前处理装置的第一端用于接收海水，第二端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至净水发电一体化装置，所述前处理装置用于初步过滤掉海水中的泥沙等不可溶杂质，得到预处理海水；换热器的第一端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至所述前处理装置的第三端，换热器的第二端连接废热，换热器的第三端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至净水发电一体化装置，用于将经过前处理的海水先后与高浓盐水和工业废热进行换热。

更进一步地，CDI海水淡化循环模块包括：淡水储存容器；淡水储存容器的输入端通过一个二通电磁阀与净水发电一体化装置的输出端连接，淡水储存容器的输出端通过一个水泵与净水发电一体化装置的输入端连接，淡水储存容器用于储存脱盐但未达标的盐水。

更进一步地，第一余热盐差利用模块包括：中转海水储存容器；中转海水储存容器的输入端通过一个二通电磁阀与净水发电一体化装置连接，中转海水储存容器的输出端通过一个水泵与净水发电一体化装置连接，用于储存盐差发电过程中由于流过高浓盐水充电后的电极而浓度升高的热海水。

更进一步地，第二余热盐差利用模块包括：高浓盐水储存容器；高浓盐水储存容器的输入端通过二通电磁阀与净水发电一体化装置连接，高浓盐水储存容器的输出端通过水泵与净水发电一体化装置连接，用于储存电极重生时产生高浓盐水。

更进一步地，还包括：净水储存容器和后处理装置；净水储存容器依次通过一个水泵和一个二通电磁阀连接至后处理装置的一端，所述后处理装置的另一端与淡水储存容器连接，后处理装置用于对达标后的淡水进一步净化，改善淡水的品质，使其达到净水要求；净水储存容器用于储存达标并且经过后处理的淡水。

更进一步地，还包括电池组模块和控制器；电池组模块包括电池组和超级电容器；电池组模块的输入端与净水发电一体化装置连接，输出端与净水发电一体化装置、控制器、以及各二通电磁阀和各水泵相连；电池组用于向净水发电一体化装置、控制器、电导率监测仪以及各二通电磁阀和各水泵供电；超级电容器串联在电池组和净水发电一体化装置之间，用于缓冲电池组和净水发电一体化装置之间传递的不连续的电流，用于达到延长电池组使用寿命的目的；控制器同时与电池组模块、电导率监测仪、淡水储存容器、净水储存容器、高浓盐水储存容器、中转海水储存容器、二通电磁阀和水泵连接，用于根据电导率监测仪传来的信号和各储存容器的已占用容积进行分析，并控制各个二通电磁阀和水泵的开闭。

控制器能够根据电导率监测仪传来的信号和各罐的已占用容积进行分析，并控制二通电磁阀和水泵的开闭；当净水发电一体化装置上的淡水出口处测得的电导率达标时，淡水储存容器中的水可经后处理装置排入净水储存容器；当净水发电一体化装置上的淡水出口处两次测得的电导率相同时，电极吸附达到饱和，通入热海水使电极再生；当净水发电一体化装置上的中转海水出口和高浓盐水出口处测得的电导率相同时，将中转海水储存容器中的水通入高浓盐水储存容器；当高浓盐水储存容器的储量达到设定值，将工作过程从海水淡化过程切换至盐差发电过程；当高浓盐水储存容器完成排水后，将工作过程从盐差发电过程切换至海水淡化过程。

工作时，当净水发电一体化装置上的淡水出口处测得的电导率达标时，淡水储存容器中的水可经后处理装置排入净水储存容器；当净水发电一体化装置上的淡水出口处两次测得的电导率相同时，电极吸附达到饱和，通入热海水使电极再生；当净水发电一体化装置上的中转海水出口和高浓盐水出口处测得的电导率相同时，将中转海水储存容器中的水通入高浓盐水储存容器；当高浓盐水储存容器的储量达到设定值，将工作过程从海水淡化过程切换至盐差发电过程；当高浓盐水储存容器完成排水后，将工作过程从盐差发电过程切换至海水淡化过程。

本发明基于电化学中的双电层原理，使用CDI技术进行海水淡化，离子的吸附和脱附都直接在活性炭电极上进行，在保证低能耗、低成本、高性能、装置简单的同时，突破了离子交换膜的限制；所使用的CapMix技术，可以直接将高浓盐水中丰富的盐差能转化成电能，操作简单，能量回收率高，并且稀释后的高浓盐水可直接排放，解决了海水淡化后的高浓盐水直接排放造成的污染问题；所涉及的净水发电一体化装置，利用CDI过程和 CapMix过程互为逆过程的优势，将CDI技术和CapMix技术应用在同一个设备上，用一个设备交替完成海水淡化和盐差发电两种功能；本发明所构建的余热利用系统，利用工业废热加热海水，利用不同工质温度对CDI和 CapMix技术的影响，降低海水淡化过程的能量消耗，提高盐差发电过程的能量回收效率，从而提高发电量、降低能耗。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电容去离子系统的原理框图。

图2为本发明实施例提供的电容去离子系统整体的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的电容去离子系统中净水发电一体化装置、电池组模块及控制器相连接示意图。

图4为本发明实施例提供的电容去离子系统中净水发电一体化装置上的进出口与电导率监测仪的连接示意图。

图5为本发明实施例提供的电容去离子系统中净水发电一体化装置基础组件的示意图。

图6为本发明实施例提供的电容去离子系统的CDI循环图与CapMix 循环图。

附图中标记说明：100为净水发电一体化装置，200为余热收集模块，300为CDI海水淡化循环模块，400为第一余热盐差利用模块，500为第二余热盐差利用模块；2为电池组模块，3为控制器，4为电导率监测仪，5 为前处理装置，6为换热器，7为淡水储存容器，8为净水储存容器，9为高浓盐水储存容器，10为中转海水储存容器，11为二通电磁阀，12为水泵， 13为后处理装置，201为电池组，202为超级电容器，101-108分别为净水发电一体化装置上的进出口，111-1为第一端板，112-1为第一集电极板， 113-1为第一硅胶垫片，114-1为第一电极，111-2为第二端板，112-2为第二集电极板，113-2为第二硅胶垫片，114-2为第二电极，115为隔板，116 为隔膜。

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，以下结合附图及实施例，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。

本发明提供了一种电容去离子系统，可以解决现有技术中存在的海水淡化及盐差发电装置受离子交换膜限制问题以及海水淡化副产物高浓盐水中盐差能利用困难的问题。

图1示出了本发明实施例提供的电容去离子系统的原理框图，图2示出了电容去离子系统整体的具体结构，图3示出了净水发电一体化装置、电池组模块及控制器相连接的关系，图4示出了净水发电一体化装置上的进出口与电导率监测仪的连接关系，图5示出了净水发电一体化装置基础组件的结构，图6示出了电容去离子系统的CDI循环图与CapMix循环图；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，本发明提供的电容去离子系统包括：净水发电一体化装置100、余热收集模块200、CDI海水淡化循环模块300、第一余热盐差利用模块400和第二余热盐差利用模块500；余热收集模块200用于将海水进行预处理后的一部分直接输送给所述净水发电一体化装置100，另一部分利用收集的余热加热后再输送给所述净水发电一体化装置100；CDI海水淡化循环模块300用于将海水在所述净水发电一体化装置100中循环淡化直至达标，将达标后的淡水经后处理装置净化后储存起来；第一余热盐差利用模块400用于储存盐差发电过程中由于流过高浓盐水充电后的电极而浓度升高的热海水，当暂存的海水的浓度与所述第二余热盐差利用模块500中浓度降低的高浓盐水浓度相等时，将储存的海水通入所述第二余热盐差利用模块500；第二余热盐差利用模块500用于在海水淡化阶段储存所述净水发电一体化装置100中电极重生时产生高浓盐水，在盐差发电阶段将高浓盐水循环通入所述净水发电一体化装置100中为其电极充电，并回收浓度有所降低的高浓盐水；还将海水淡化与盐差发电过程中具有一定温度的高浓盐水通入余热收集模块200中换热。

本发明所使用的电容去离子技术与电容混合技术的基本原理均是电化学中的双电层理论，即任何两个不同的物相接触都会因电荷分离而在两相间产生电势。两相各有过剩的电荷，电量相等，正负号相反，相互吸引，形成双电层。同时，双电层产生的电势与温度成正相关，与电解质溶液浓度成负相关。

净水发电一体化装置100能够实现海水淡化和盐差发电两种功能；在海水淡化过程，净水发电一体化装置100吸附冷海水中的离子使其淡化，将副产物高浓盐水排入高浓盐水储存容器9储存起来；在盐差发电过程，净水发电一体化装置100将高浓盐水和热海水之间的盐差能转化为电能传递给电池组模块2，最终处理好的海水经高浓盐水储存容器9排放。

如图5所示，净水发电一体化装置100包括依次由第一端板111-1、第一集电极板112-1、第一硅胶垫片113-1、第一电极114-1、隔板115、隔膜 116、第二电极114-2、第二硅胶垫片113-2、第二集电极板112-2、第二端板111-2构成的单元组件；单元组件的流动方式为流经式，海水从隔板115 中间形成的流道流过；第一端板111-1和第二端板111-2用于起固定作用并由紧固螺丝固定；第一集电极板112-1与电池组相连，为第一电极114-1提供电势并使第一电极114-1吸附或解吸附海水中的离子；第二集电极板 112-2与电池组相连，为第二电极114-2提供电势并使第二电极114-2吸附或解吸附海水中的离子；第一电极114-1和第二电极114-2的材料为多孔活性炭；第一硅胶垫片113-1和第二硅胶垫片113-2用于起密封作用并对电极起到一定的固定作用；隔板115的材料为有机玻璃，用于形成流道；隔膜116用于防止两电极板接触，其材料可选流动阻力小的绝缘材料如纱布等。净水发电一体化装置100中基本单元组件的流动方式为流经式，海水从隔板115中间形成的流道流过。。

如图3和图4所示，在净水发电一体化装置100的进出口上设置有电导率监测仪4，电导率监测仪4用于监测管道中海水的电导率，并将信息传递给控制器3分析海水浓度。

如图2所示，在本发明中，余热收集模块200包括：前处理装置5、换热器6、多个二通电磁阀11和多个水泵12；前处理装置5的第一端用于接收海水，第二端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至净水发电一体化装置100，前处理装置5用于初步过滤掉海水中不可溶杂质并获得预处理海水；所述换热器6的第一端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至所述前处理装置5的第三端，换热器6的第二端连接废热，换热器6的第三端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至净水发电一体化装置100，用于将经过前处理的海水先后与高浓盐水和工业废热进行换热。

换热器6为两级换热器，将经过前处理的海水先后与高浓盐水储存容器9中的高浓盐水和工业废热进行换热。

在本发明中，CDI海水淡化循环模块300包括：淡水储存容器7；淡水储存容器7的输入端通过一个二通电磁阀与净水发电一体化装置100的输出端连接，淡水储存容器7的输出端通过一个水泵与净水发电一体化装置 100的输入端连接，淡水储存容器7用于储存脱盐但未达标的盐水。

在本发明中，第一余热盐差利用模块400包括：中转海水储存容器10；中转海水储存容器10的输入端通过一个二通电磁阀与净水发电一体化装置 100连接，中转海水储存容器10的输出端通过一个水泵与净水发电一体化装置100连接，用于储存盐差发电过程中由于流过高浓盐水充电后的电极而浓度升高的热海水。

在本发明中，第二余热盐差利用模块500包括：高浓盐水储存容器9；高浓盐水储存容器9的输入端通过二通电磁阀与净水发电一体化装置100 连接，高浓盐水储存容器9的输出端通过水泵与净水发电一体化装置100 连接，用于储存电极重生时产生高浓盐水，作为本发明的一个实施例，其中还可以设置一温度感受器用于感受高浓盐水的温度。

在本发明中，电容去离子系统还包括：净水储存容器8和后处理装置 13；净水储存容器8依次通过一个水泵12和一个二通电磁阀11连接至后处理装置13的一端，后处理装置13的另一端与淡水储存容器7连接，后处理装置13用于对达标后的淡水进一步净化，改善淡水的品质，使其达到净水要求；净水储存容器8用于储存达标并且经过后处理的淡水。

如图3所示，在本发明中，电容去离子系统还包括：电池组模块2和控制器3；电池组模块2的输入端与净水发电一体化装置100连接，输出端与净水发电一体化装置100、控制器3以及各二通电磁阀和各水泵相连；电池组模块2包括电池组201和超级电容器202；电池组201用于向净水发电一体化装置100、控制器3、电导率监测仪4以及各二通电磁阀和各水泵供电；超级电容器202串联在电池组201和净水发电一体化装置100之间，用于缓冲电池组201和净水发电一体化装置100之间传递的不连续的电流并实现延长电池组201使用寿命；控制器3同时与电池组模块2、电导率监测仪4、淡水储存容器7、净水储存容器8、高浓盐水储存容器9、中转海水储存容器10、二通电磁阀11和水泵12连接，用于根据电导率监测仪传来的信号和各储存容器的已占用容积进行分析，并控制各个二通电磁阀和水泵的开闭。

控制器3能够根据电导率监测仪4传来的信号和各罐的已占用容积进行分析，并控制二通电磁阀11和水泵12的开闭；当净水发电一体化装置 100上的淡水出口106处测得的电导率达标时，淡水储存容器7中的水可经后处理装置排入净水储存容器8；当净水发电一体化装置100上的淡水出口 106处两次测得的电导率相同时，电极吸附达到饱和，通入热海水使电极再生；当净水发电一体化装置100上的中转海水出口107和高浓盐水出口108 处测得的电导率相同时，将中转海水储存容器10中的水通入高浓盐水储存容器9；当高浓盐水储存容器9的储量达到设定值，将工作过程从海水淡化过程切换至盐差发电过程；当高浓盐水储存容器9完成排水后，将工作过程从盐差发电过程切换至海水淡化过程。

由于海水淡化可以将海水中的盐分和杂质分离出来从而获得淡水，同时也会产生高浓盐水，若将高浓盐水直接倾倒入海或注入地下，会对排放区域的水文环境和水质造成严重破坏。因此高浓盐水的处理是海水淡化发展中必须要解决的问题。由于高浓盐水与海水的浓度差很大，其中蕴含丰富的盐差能，若将其中的盐差能用来发电，不仅可以降低高浓盐水浓度，也能提高海水淡化的经济性；本发明采用CDI海水淡化技术可以直接将高浓盐水中丰富的盐差能转化成电能，操作简单，能量回收率高，并且稀释后的高浓盐水可直接排放，解决了海水淡化后的高浓盐水直接排放造成的污染问题；且设备简单、操作容易、成本低、海水处理量大。

如图6所示，本发明提供的电容去离子系统的电容吸附离子(CDI)循环具体为：

第一阶段(图6(a)中A1到A2过程)：接通电源，向电容器充电。将冷海水通入流道内，由于两电极板带电，海水中离子被吸附，极板电势升高，出水可得淡水。

第二阶段(图6(a)中A2到A3过程)：断开电源，通入热海水，极板静置。由于热海水浓度高于出水淡水，电势下降。

第三阶段(图6(a)中A3到A4过程)：接通电源，持续通入热海水冲洗电极，吸附的离子将从电极表面脱落，极板电势降低，向负载放电，得到高浓盐水。

第四阶段(图6(a)中A4到A1过程)：断开电源，通入冷海水，电势下降，恢复初态。

对应能量循环过程见图6(b)所示。其形式类似于热力循环的p-v图，曲线围成的面积表示淡化过程消耗的能量。第二、三阶段通入热海水后，双电子层膨胀，电势降低比通冷海水时要少，热能抵消了一部分电势能消耗，因此降低了循环能耗。

本发明提供的电容去离子系统的电容混合(CapMix)发电循环过程具体是：

第一阶段(图6(c)中A1到A2过程)，通入冷浓盐水，外部电源给电容器充电。两个对称电极分别带正电和负电，正极吸附冷浓盐水中的阴离子，负极吸附冷浓盐水中的阳离子。

第二阶段(图6(c)中A2到A3过程)，改通热海水，电源断开。由于温度升高，正极的双电层电势升高(浓差响应电压为正)，负极的双电层电势反向升高(浓差响应电压为负)，电容器电压升高。

第三阶段(图6(c)中A3到A4过程)，持续通热海水，电容器对负载放电，电压降低；浓盐水被稀释成低浓度的盐水排出。

第四阶段(图6(c)中A4到A1过程)，电路开路，改通冷浓盐水。电量保持不变，正极的双电层电势下降(浓差响应电压为负)，负极的双电层电势反向下降(浓差响应电压为正)，电容器电压降低，恢复初态。

对应能量循环过程见图6(d)所示。其形式也类似于热力循环的p-v 图，每周期提取的能量，等于曲线围成的面积。第二、三阶段通入热海水后，由于温度升高，正极的双电层电势升高，负极的双电层电势反向升高，使A3提高到A3’，电势升高更多，曲线面积增大，热能转化成一部分电能，使每周期提取的能量增加。

本发明电容去离子系统的原理和作用是：(1)基于电化学中的双电层原理，使用CDI技术进行海水淡化，离子的吸附和脱附都直接在活性炭电极上进行，在保证低能耗、低成本、高性能、装置简单的同时，突破了离子交换膜的限制；(2)通过CapMix技术，可以直接将高浓盐水中丰富的盐差能转化成电能，操作简单，能量回收率较高，并且稀释后的高浓盐水可直接排放，解决了海水淡化后的高浓盐水直接排放造成的污染问题；(3) 本发明所涉及的净水发电一体化装置，利用CDI过程和CapMix过程互为逆过程的优势，将CDI技术和CapMix技术应用在同一个设备上，用一个设备交替完成海水淡化和盐差发电两种功能。(4)本发明所构建的余热利用系统，利用工业废热加热海水，利用不同工质温度对电容去离子和电容混合技术的影响，降低海水淡化过程的能量消耗，提高盐差发电过程的能量回收效率，从而提高发电量、降低能耗。

电容混合(Capacitive mixing，CapMix)技术作为一种新兴的盐差发电技术，具有高性能、低成本、操作简单的优点，本发明基于超级电容器将这一技术应用在处理海水淡化副产物高浓盐水时，可以高效回收高浓盐水中的盐差能，降低高浓盐水中的离子浓度使其达到排放要求，具有非常大的应用潜力。并且由于CapMix技术与CDI技术原理相通，因此可以将两者耦合在同一装置上，一举两得，既节约生产成本与空间成本，同时也简化了整个系统，缩小整体建设的规模。这也本发明选择将这两种技术结合的原因。

CapMix技术和CDI技术的原理都是电化学中的双电层原理，双电层产生的电势与温度成正相关，因此利用废热加热一部分海水，利用温度的影响，可以降低海水淡化时的能耗，提高盐差发电的发电效率。同时本发明也相应的设计了排水、中间过程产物的余热回收过程，提高热能利用率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容去离子系统，其特征在于，包括：净水发电一体化装置(100)、余热收集模块(200)、CDI海水淡化循环模块(300)、第一余热盐差利用模块(400)和第二余热盐差利用模块(500)；

所述余热收集模块(200)用于将海水进行预处理后的一部分直接输送给所述净水发电一体化装置(100)，另一部分利用收集的余热加热后再输送给所述净水发电一体化装置(100)；

所述CDI海水淡化循环模块(300)用于将海水在所述净水发电一体化装置(100)中循环淡化直至达标，将达标后的淡水经后处理装置净化后储存起来；

所述第一余热盐差利用模块(400)用于储存盐差发电过程中由于流过高浓盐水充电后的电极而浓度升高的热海水，当暂存的海水的浓度与所述第二余热盐差利用模块(500)中浓度降低的高浓盐水浓度相等时，将储存的海水通入所述第二余热盐差利用模块(500)；

所述第二余热盐差利用模块(500)用于在海水淡化阶段储存所述净水发电一体化装置(100)中电极重生时产生高浓盐水，在盐差发电阶段将高浓盐水循环通入所述净水发电一体化装置(100)中为其电极充电，并回收浓度有所降低的高浓盐水；还将海水淡化与盐差发电过程中具有一定温度的高浓盐水通入所述余热收集模块(200)中换热。

2.如权利要求1所述的电容去离子系统，其特征在于，所述净水发电一体化装置(100)包括依次由第一端板(111-1)、第一集电极板(112-1)、第一硅胶垫片(113-1)、第一电极(114-1)、隔板(115)、隔膜(116)、第二电极(114-2)、第二硅胶垫片(113-2)、第二集电极板(112-2)、第二端板(111-2)构成的单元组件；所述单元组件的流动方式为流经式，海水从隔板(115)中间形成的流道流过；

所述第一端板(111-1)和所述第二端板(111-2)用于起固定作用并由紧固螺丝固定；

所述第一集电极板(112-1)与电池组相连，为所述第一电极(114-1)提供电势并使所述第一电极(114-1)吸附或解吸附海水中的离子；

所述第二集电极板(112-2)与电池组相连，为第二电极(114-2)提供电势并使第二电极(114-2)吸附或解吸附海水中的离子；

所述第一电极(114-1)和所述第二电极(114-2)的材料为多孔活性炭；

所述第一硅胶垫片(113-1)和所述第二硅胶垫片(113-2)用于起密封作用并对电极起到一定的固定作用；

所述隔板(115)的材料为有机玻璃，用于形成流道；

所述隔膜(116)用于防止两电极板接触。

3.如权利要求1或2所述的电容去离子系统，其特征在于，在所述净水发电一体化装置(100)的进出口上设置有电导率监测仪(4)，所述电导率监测仪(4)用于监测管道中海水的电导率，并将信息传递给控制器(3)分析海水浓度。

4.如权利要求1-3任一项所述的电容去离子系统，其特征在于，所述余热收集模块(200)包括：前处理装置(5)、换热器(6)、多个二通电磁阀和多个水泵；

所述前处理装置(5)的第一端用于接收海水，第二端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至净水发电一体化装置(100)，所述前处理装置(5)用于初步过滤掉海水中不可溶杂质并获得预处理海水；

所述换热器(6)的第一端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至所述前处理装置(5)的第三端，所述换热器(6)的第二端连接废热，所述换热器(6)的第三端依次通过一个二通电磁阀和一个水泵连接至净水发电一体化装置(100)，用于将经过前处理的海水先后与高浓盐水和工业废热进行换热。

5.如权利要求1-4任一项所述的电容去离子系统，其特征在于，所述CDI海水淡化循环模块(300)包括：淡水储存容器(7)；

所述淡水储存容器(7)的输入端通过一个二通电磁阀与净水发电一体化装置(100)的输出端连接，所述淡水储存容器(7)的输出端通过一个水泵与净水发电一体化装置(100)的输入端连接，所述淡水储存容器(7)用于储存脱盐但未达标的盐水。

6.如权利要求1-5任一项所述的电容去离子系统，其特征在于，所述第一余热盐差利用模块(400)包括：中转海水储存容器(10)；

所述中转海水储存容器(10)的输入端通过一个二通电磁阀与净水发电一体化装置(100)连接，所述中转海水储存容器(10)的输出端通过一个水泵与净水发电一体化装置(100)连接，用于储存盐差发电过程中由于流过高浓盐水充电后的电极而浓度升高的热海水。

7.如权利要求1-6任一项所述的电容去离子系统，其特征在于，所述第二余热盐差利用模块(500)包括：高浓盐水储存容器(9)；

所述高浓盐水储存容器(9)的输入端通过二通电磁阀与净水发电一体化装置(100)连接，所述高浓盐水储存容器(9)的输出端通过水泵与净水发电一体化装置(100)连接，用于储存电极重生时产生高浓盐水。

8.如权利要求1-7任一项所述的电容去离子系统，其特征在于，还包括：净水储存容器(8)和后处理装置(13)；

所述净水储存容器(8)依次通过一个水泵(12)和一个二通电磁阀(11)连接至所述后处理装置(13)的一端，所述后处理装置(13)的另一端与所述淡水储存容器(7)连接，所述后处理装置(13)用于对达标后的淡水进一步净化，改善淡水的品质，使其达到净水要求；所述净水储存容器(8)用于储存达标并且经过后处理的淡水。

9.如权利要求1-8任一项所述的电容去离子系统，其特征在于，还包括电池组模块(2)和控制器(3)；

所述电池组模块(2)的输入端与净水发电一体化装置(100)连接，输出端与净水发电一体化装置(100)、控制器(3)以及各二通电磁阀和各水泵相连；所述电池组模块(2)包括电池组(201)和超级电容器(202)；

所述电池组(201)用于向净水发电一体化装置(100)、控制器(3)、电导率监测仪(4)以及各二通电磁阀和各水泵供电；所述超级电容器(202)串联在电池组(201)和净水发电一体化装置(100)之间，用于缓冲电池组(201)和净水发电一体化装置(100)之间传递的不连续的电流并实现延长电池组(201)使用寿命；

所述控制器(3)同时与电池组模块(2)、电导率监测仪(4)、淡水储存容器(7)、净水储存容器(8)、高浓盐水储存容器(9)、中转海水储存容器(10)、二通电磁阀(11)和水泵(12)连接，用于根据电导率监测仪传来的信号和各储存容器的已占用容积进行分析，并控制各个二通电磁阀和水泵的开闭。

10.如权利要求9所述的电容去离子系统，其特征在于，工作时，当净水发电一体化装置(1)上的淡水出口(106)处测得的电导率达标时，淡水储存容器(7)中的水可经后处理装置排入净水储存容器(8)；当净水发电一体化装置(1)上的淡水出口(106)处两次测得的电导率相同时，电极吸附达到饱和，通入热海水使电极再生；当净水发电一体化装置(1)上的中转海水出口(107)和高浓盐水出口(108)处测得的电导率相同时，将中转海水储存容器(10)中的水通入高浓盐水储存容器(9)；当高浓盐水储存容器(9)的储量达到设定值，将工作过程从海水淡化过程切换至盐差发电过程；当高浓盐水储存容器(9)完成排水后，将工作过程从盐差发电过程切换至海水淡化过程。

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