CN112794415A - 一种潜入式流动电极电容去离子装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种潜入式流动电极电容去离子装置及方法，包括电极模块，所述电极模块包括相对设置且间距可调的阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板均包括壳体和集流体，所述集流体嵌设于壳体靠近相邻极板的侧面上，阳极板和阴极板内的集流体分别通过导线与电源的正、负极连接；所述集流体靠近相邻极板的侧面上设有电极液流道以及紧贴覆盖电极液流道的离子交换膜，所述壳体和集流体上设有电极液流入口和电极液流出口。其结构简单，组装方便快捷，有效避免装置因溶液中的不溶物导致的堵塞风险，节省后期运行和维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及电吸附技术领域，具体涉及潜入式流动电极电容去离子装置及方法。
背景技术
目前国内外已有的主要脱盐技术包括热蒸馏法、化学法、膜法及电化学法等，除化学法之外均为物理分离方式。化学法简单高效，但是含盐污泥再生时需消耗大量的酸、碱等，不可避免地造成多段污染。热蒸馏法需输入大量热能，其投资运行成本很高，行业适应性较窄，不适用于分散式与大规模场景的应用。以压力为驱动的膜过滤方法包括纳滤、超滤、反渗透等，其出水水质较好，但投资大、运行成本高、二次污染易发生。电化学方法主要有电渗析和电吸附，电渗析方法以电势差为驱动力，使荷电物质透过离子交换膜，区别反渗透之处是，电渗析是让溶液中带电物质在电场中迁移透过膜，但是这种方法耗电较高；电吸附方法主要是将溶液中离子以静电吸附的方式固定在电极上，该方法得益于低电压驱动，因此功耗较低，日益受到关注。
电吸附方法的实际应用主要指电容去离子技术（capacitive deionization，CDI），该吸附系统工作过程中，原水中阴、阳离子在阴、阳电极之间时受到电场的作用，分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附以双电层结构存储在电极材料表面，从而实现水中带电物质的分离，原水被净化或者淡化。当吸附达到饱和以后需再生电极，一般使用正负电极短接或者反接正负极，由于原来的直流电场消失或者方向发生改变，储存在双电层中的离子的带电物质又被释放到原水通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。
鉴于CDI技术不能连续运行的弊端，与流动电极氧化还原电池和流动电极超级电容相类似的FCDI技术应运而生，FCDI为Flow electrode capacitive deionization的简称，根据电容原理，使进水中的带电离子定向迁移至电极室，最终固定在电极材料表面的双电层结构中，以此实现对进水中带电离子的去除。相对于传统电容去离子CDI技术来说，FCDI技术使用悬浊液形式的流动电极代替传统的固定电极，使电极可在异地再生，故可持续捕集溶液中带电物质。但常规FCDI装置的水流腔体是密封结构，组装不方便，为后期维护带来，大幅提高了使用成本。此外，无论海水、苦咸水与污水淡化脱盐和金属资源回收，还是食品与卫生行业中离子富集与分离，都不可避免地要面对溶液中含有不溶物，常规FCDI装置的水流腔体和输水系统面临堵塞风险，影响处理效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种潜入式流动电极电容去离子装置及方法，其结构简单，组装方便快捷，有效避免装置因溶液中的不溶物导致的堵塞风险，节省后期运行和维护成本。
本发明所述的潜入式流动电极电容去离子装置，包括电极模块，所述电极模块包括相对设置且间距可调的阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板均包括壳体和集流体，所述集流体嵌设于壳体靠近相邻极板的侧面上，阳极板和阴极板内的集流体分别通过导线与电源的正、负极连接；所述集流体靠近相邻极板的侧面上设有电极液流道以及紧贴覆盖电极液流道的离子交换膜，所述壳体和集流体上设有电极液流入口和电极液流出口。
进一步，所述壳体中部设有与阳极板或阴极板的集流体相适配的安装槽，壳体在靠近安装槽周沿的位置设有多个与调节螺栓对应配合的螺纹通孔，通过旋入或旋出调节螺栓实现阳极板和阴极板的间距调整。
进一步，在阳极板的壳体靠近相邻阴极板的侧面上紧贴设置阳离子交换膜，在阴极板的壳体靠近相邻阳极板的侧面上紧贴设置阴离子交换膜。
进一步，所述电极模块的数量为两个及以上，电极模块之间通过串联或并联方式连接。
进一步，所述电极液流道为回转形流道。
进一步，所述壳体中部设有与集流体相适配的安装通孔，所述集流体上设有贯穿侧面的电极液流道，所述壳体背离相邻极板的侧面上固定有封板，该封板与离子交换膜配合作用形成封闭的电极液流道。
一种潜入式流动电极电容去离子方法，采上述装置对待处理溶液进行吸附处理，将电极模块置于待处理溶液中，由电极液流入口向集流体内的电极液流道中通入流动电极液，开启电源对集流体中的流动电极液施加电压，流动电极液透过离子交换膜吸附阳极板和阴极板之间的待处理溶液中的荷电物质，吸附完成后经电极液流出口排出流动电极液。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明所述电极模块包括相对设置且间距可调的阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板均为独立封装，两者之间的间隙即为处理区域，无需密封，且装置的耐压强度需求大幅降低，节省了材料及加工成本，组装也更加方便快捷。所述装置能够适用于具有固定性状的储水容器或者潜入水体，在储水容器中时只需要较小的动力即可实现水的进出，节省了部分能耗。潜入水体中的使用进一步拓宽其应用领域，由于其潜入式结构，可以允许原水中存在少量不溶物质，因此能够用于苦咸水或地下水淡化；此外在一些特殊水源的在线水质分析等操作中，例如食品和卫生行业中相关离子分离和浓缩步骤，亦可使用本装置富集某溶液中离子，进而方便测量。
2、本发明由于是潜入式开放结构，无需安装排气和防止虹吸系统，有效避免了因排气阀堵塞而产生的多余气体对电极造成的损坏。由于操作压力小，有效解决了因装置内部压力而导致的结构老化以及供水管路跑、冒、滴、漏等问题，增加了装置的使用寿命。
3、本发明由于电极模块的阳极板和阴极板均为独立封装结构，在发现运行过程中出现的问题时，可灵活对某一个组件采取更换维修，避免因为组件运行不正常，而带来的系列生产和应用问题，便于设备检修以及核心电极的更换，降低了后期运行和维护成本。
4、本发明将流动电极液通入通电的集流体内的电极液流道中，利用流动电极液吸附阳极板和阴极板之间的溶液中的荷电物质，由于流动电极液为固液混合物，迁移性较好，容易实现电极异地再生，有效避免了离子在集流体内残留，降低了整个装置运行功耗，有效的改善了电容吸附环节的稳定性，提高了吸附效率。
5、本发明由于所述阳极板和阴极板间距可调与非主动供液，进而使得该装置能够在复杂条件下实现去离子，扩展了应用范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明所述阳极板的正面示意图；
图3是本发明所述阳极板的背面示意图；
图4是本发明的装配示意图。
图中，1—阳极板，2—阴极板，3—壳体，4—电极液流道，5—离子交换膜，6—电极液流入口，7—电极液流出口，8—导向套管，9—螺纹通孔，10—调节螺栓，11—封板，12—集流体。
具体实施方式
下面详述本发明实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于描述本发明具体实施，而不可解释为对本发明应用的限制。
参见图1至图3，所示的潜入式流动电极电容去离子装置，包括电极模块，所述电极模块包括相对设置且间距可调的阳极板1和阴极板2。所述阳极板1和阴极板2为对称结构，所述阳极板1包括壳体3和集流体12，壳体3中部设有与集流体12相适配的安装槽，所述集流体12靠近阴极板2的侧面上蚀刻有电极液流道4以及紧贴覆盖电极液流道4的离子交换膜5，所述离子交换膜5为阳离子交换膜，阳离子交换膜仅允许带负电阴离子通过，阳离子无法通过。所述壳体3背离阴极板2的侧面上蚀刻有与电极液流道4连通的电极液流入口6和电极液流出口7，壳体3上嵌设有容导线穿过的导线套管8，导线一端与壳体3内的集流体12连接，另一端与电源正极连接。由此实现了流动电极液运输系统与集流体供电系统的集约配置，整合内部空间，使得阳极板1和阴极板2能够独立封装。
所述阳极板1和阴极板2均为独立封装，两者之间的间隙即为处理区域，无需密封，且装置的耐压强度需求大幅降低，节省了材料及加工成本，组装也更加方便快捷。所述装置能够适用于具有固定性状的储水容器或者潜入水体，在储水容器中时只需要较小的动力即可实现水的进出，节省了部分能耗。
而潜入水体中的使用进一步拓宽了该装置的应用领域，由于其潜入式结构，能够允许原水中存在少量不溶物质，因此能够用于苦咸水或地下水淡化；此外在一些特殊水源的在线水质分析操作中，例如食品和卫生行业中相关离子分离和浓缩步骤，亦可使用本装置富集某溶液中离子，进而方便测量。
为了增加流动电极液在集流体12中的行程，所述电极液流道4设为回转形流道，提升吸附效率。
所述壳体3背离阴极板2的侧面固定连接有封板11，通过封板11与离子交换膜5配合作用，保证了流动电极液在闭合的电极液流道内运行。
所述壳体3在靠近安装槽周沿的位置间隔均匀设有十个与调节螺栓10对应配合的螺纹通孔9，通过旋入或旋出调节螺栓10实现阳极板1和阴极板2的间距调整。
所述电极模块的数量为两个及以上，电极模块之间通过串联或并联方式连接。若电极模块通过串联方式连接则是一种多级吸附状态，优点是能最充分利用流动电极静电吸附能力，驱动流动电极泵压较高，缺点则是电极循环周期较长，在较多级串联情况时，吸附效能下降严重。采用并联方式连接则是每个电极模块有独立的电极循环系统，电极循环周期短吸附稳定性高，系统内个别模块的故障也不会对整个装置运行造成影响，大幅缩减维护成本。
参见图4，具体装配时，以阳极板1为例，将集流体12嵌入壳体3的安装槽中，壳体3背离阴极板的侧面与封板11固定连接，壳体3靠近阴极板的侧面覆盖阳离子交换膜，构成独立的阳极流动电极，封板11在与壳体3的螺纹通孔9对应位置设有过孔。阴极板的装配基本相同，唯一区别点是阴极板2上覆盖的离子交换膜为阴离子交换膜，阴离子交换膜仅允许带正电阳离子通过，阴离子无法通过，离子交换膜在这里一方面提升了装置的吸附效能，另一方面则保证了流动电极也在闭合电极液流道内运行。阳极板1和阴极板2分别装配完成后，采用调节螺栓10将两者组装为电极模块，根据实际情况调节两者之间的间距。
一种潜入式流动电极电容去离子方法，采上述装置对待处理溶液进行吸附处理，将阳极板1和阴极板2浸没或下沉于待处理溶液中，由电极液流入口6向集流体12内的电极液流道4中通入流动电极液，开启电源对集流体12中的流动电极液施加电压，阳极板1和阴极板2之间的待处理溶液中的荷电物质透过离子交换膜5被流动电极液吸附，流动电极液吸附饱和或者达到设定的工况条件后，由电极液流出口7排出流动电极液，由于流动电极液为固液混合物，迁移性较好，容易实现电极异地再生，有效避免了离子在集流体内残留，降低了整个装置运行功耗，有效的改善了电容吸附环节的稳定性，提高了吸附效率。排出的流动电极液进入再生流程或其他耦合系统，就脱盐而言，对流动电极液进行再生时，根据具体吸附情况施加反向电压，促使流动电极液内的离子从电极内部脱附，实现流动电极液的解吸。本发明的吸附、再生工艺简单，基本无需增加额外的设备，能够通过数控程序藉由传感器联用条件下，实现智能化的控制。
上面结合附图对本发明进行了具体实施方式的描述，显然本发明的具体应用并不受上述方式的限制，本行业技术人员应该了解，在本发明所涵盖应用范围内，皆可轻易对本发明进行变化或替换，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种潜入式流动电极电容去离子装置，其特征在于：包括电极模块，所述电极模块包括相对设置且间距可调的阳极板（1）和阴极板（2），所述阳极板（1）和阴极板（2）均包括壳体（3）和集流体（12），所述集流体（12）嵌设于壳体（3）靠近相邻极板的侧面上，阳极板（1）和阴极板（2）内的集流体（12）分别通过导线与电源的正、负极连接；所述集流体（12）靠近相邻极板的侧面上设有电极液流道（4）以及紧贴覆盖电极液流道的离子交换膜（5），所述壳体（3）和集流体（12）上设有电极液流入口（6）和电极液流出口（7）。
2.根据权利要求1所述的潜入式流动电极电容去离子装置，其特征在于：所述壳体（3）中部设有与阳极板（1）或阴极板（2）的集流体（12）相适配的安装槽，壳体（3）在靠近安装槽周沿的位置设有多个与调节螺栓（10）对应配合的螺纹通孔（9），通过调节螺栓（10）实现阳极板（1）和阴极板（2）的间距调整。
3.根据权利要求1或2所述的潜入式流动电极电容去离子装置，其特征在于：在阳极板（1）的壳体（3）靠近相邻阴极板（2）的侧面上紧贴设置阳离子交换膜，在阴极板（2）的壳体（3）靠近相邻阳极板（1）的侧面上紧贴设置阴离子交换膜。
4.根据权利要求1或2所述的潜入式流动电极电容去离子装置，其特征在于：所述电极模块的数量为两个及以上，电极模块之间通过串联或并联方式连接。
5.根据权利要求1或2所述的潜入式流动电极电容去离子装置，其特征在于：所述电极液流道（4）为回转形流道。
6.根据权利要求1或2所述的潜入式流动电极电容去离子装置，其特征在于：所述壳体（3）中部设有与集流体（12）相适配的安装通孔，所述集流体（12）上设有贯穿侧面的电极液流道（4），所述壳体（3）背离相邻极板的侧面上固定有封板（11），该封板（11）与离子交换膜（5）配合作用形成封闭的电极液流道（4）。
7.一种潜入式流动电极电容去离子方法，其特征在于：采用权利要求1~6任一项所述装置对待处理溶液进行吸附处理，将电极模块置于待处理溶液中，由电极液流入口向集流体（12）内的电极液流道中通入流动电极液，开启电源对集流体（12）中的流动电极液施加电压，流动电极液透过离子交换膜（5）吸附阳极板（1）和阴极板（2）之间的待处理溶液中的荷电物质，吸附完成后经电极液流出口（7）排出流动电极液。
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| CN202110118784.8A Pending CN112794415A (zh) | 2021-01-28 | 2021-01-28 | 一种潜入式流动电极电容去离子装置及方法 |
Country Status (1)
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
- 2021-01-28 CN CN202110118784.8A patent/CN112794415A/zh active Pending
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