CN112939158B - 一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，包括一对端部支撑板以及一个或多个堆叠设置在两个端部支撑板之间的电容单元；电容单元包括一对流动电极腔室以及设置两个流动电极腔室之间的一对前置集电器，两个前置集电器之间并列设有阴离子交换膜及阳离子交换膜，阴离子交换膜与阳离子交换膜之间设有离子分离通道。与现有技术相比，本发明利用膜与前置集电器结构缩短电荷传递距离，不仅有效提升了盐水分离性能，同时也降低了能量消耗，并设计了共享流动电极腔室，使FCDI堆叠更加简单化和集成化；通过增加电容单元，脱盐处理规模理论上可无限扩大；此外，利用原位电荷中和，显著提高流动电极电容再生速率。
Description
技术领域
本发明属于废水脱盐和海水淡化技术领域，涉及一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置。
背景技术
在过去的几十年里，电容去离子(CDI)由于其设备结构紧凑、具有成本效益和节能潜力，被广泛应用于海水、苦咸水脱盐领域。在典型的CDI系统中，离子在电场驱动下被分离，去除的离子存储在多孔电极的孔体积的电解-电极界面形成的电双层(EDLs)中。由于固定电极对的吸附能力有限，需要额外的放电步骤来释放饱和电极中吸附的离子，这成为了CDI面临的主要挑战。
流动电极电容去离子化(FCDI，flow-electrode capacitive deionization)技术通常由商用活性炭(AC)粉体制备，与大多数电化学技术相比具有明显优势，因为该设备可以连续运行而不牺牲吸附能力。一个常见的例子是短路闭环(SCC)操作，该操作通过在FCDI电池外混合带正电荷和负电荷的碳颗粒，使流动电极持续再生，而不需要额外的放电过程。
尽管FCDI具有上述优点，但FCDI的商业应用仍存在一些关键问题，尤其是在产水规模方面。虽然，FCDI系统的尺寸可以很容易地通过增加间隔腔的有效面积来实现，而大多数FCDI单元的平面尺寸都限制在厘米级。在一定规模的FCDI系统中，即使盐去除率随着盐水流速的增加而提高，但其产水能力通常与排盐能力相反。如何扩大水处理规模，简化装置结构，同时保持系统的脱盐性能，是近年来研究的热点。到目前为止，电容去离子装置的设计和改进已有一些报道，主要包括以下现有技术：
现有技术1，公开号为CN104495991A的中国发明专利公开了一种基于流动式电极的高效膜电容去离子阵列，其腔室型电容器单元是由待处理溶液腔室的两侧分别依次对称排列垫圈、离子交换膜、流动式电极、集电器腔室和紧固板组成，多个腔室型电容器单元共享一个集电器可以提高装置的去离子能力。
现有技术2，公开号为CN111547826A的中国发明专利公开了一种一体化堆叠式流动电极电容去离子装置，该装置基于传统平板式构型FCDI反应器，通过内嵌式集电器的使用，将反应器内部分隔为多个独立的单元，每一单元内均能完成电容去离子过程，且相邻单元可共用同一个集流器，通过调整集电器的数量提高装置的水处理规模。
现有技术3，公开号为CN105753114A的中国发明专利公开了一种实现连续淡化产水的多腔室电吸附脱盐技术与装置，其通过离子交换膜和电极材料电吸附的协同操作运转，使得各个腔室内水质分别进行净化或浓缩，实现了在单个脱盐模块基础上的连续脱盐。
上述现有技术主要介绍了多单元堆叠的电容去离子装置改进方法。现有技术1和现有技术2利用两侧都刻有流道的集电极，相邻两个单元共享一个集电极，从而不断增加电容单元数量，实现处理规模提高。但现有技术1和现有技术2本质上仍是多个独立FCDI模块的简单堆叠，集电极制备较为复杂，对于总体的离子去除性能没有提升。现有技术3利用电渗析的多腔室和离子交换膜的作用，为连续脱盐提供了一种可行的方案，但其装置结构较为复杂，使用时需要旋转离子交换膜和反转电极电压。
因此，上述现有技术1-3中的电容去离子技术都是通过多个单元的简单叠加组合，虽然对装置进行了一定的简化，但装置结构仍较为复杂，装置的体积和规模受限于集电器的厚度。此外，由于现有技术1-3都是基于传统CDI结构设计，电荷传递距离较长，流动电极电容再生速率慢，严重影响了电容去离子的性能和能量效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易于扩大、高效节能的基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，该装置包括一对端部支撑板以及一个或多个堆叠设置在两个端部支撑板之间的电容单元；
所述的电容单元包括一对流动电极腔室以及设置两个流动电极腔室之间的一对前置集电器，两个前置集电器之间并列设有阴离子交换膜及阳离子交换膜，所述的阴离子交换膜与阳离子交换膜之间设有离子分离通道。一对端部支撑板将中间的电容单元固定住。
优选地，所述的前置集电器为多孔结构或网状结构，孔径为20-1000目，厚度为0.01-2mm；所述的前置集电器由钛、铝、钨、银、铂或金中的一种或多种金属合金材料制成，或由石墨、碳纤维、碳布、碳毡、碳纸或金属有机框架中的一种材料制成。
进一步地，所述的前置集电器的外围设有中空结构垫圈，所述的前置集电器嵌设在中空结构垫圈中。
进一步地，所述的前置集电器与相邻的阴离子交换膜或阳离子交换膜紧贴在一起。
进一步地，当两个端部支撑板之间设有多个电容单元时，相邻两个电容单元共用一个流动电极腔室。流动电极腔室夹在两个前置集电器之间，电极腔室数量为n+1，前置集电器数量为2n，其中，n为电容单元的数量。
进一步地，共用的流动电极腔室两侧的前置集电器极性相同，每个电容单元中的两个前置集电器极性相反。
进一步地，多个电容单元中，相邻两个流动电极腔室的极性相反。
进一步地，多个电容单元中的前置集电器分别与直流电源并联连接。
进一步地，该装置还包括流动电极混合池，所述的阴离子交换膜及阳离子交换膜上均设有流动电极液穿孔，所述的流动电极腔室及端部支撑板上均设有流动电极液进料口及流动电极液出料口，各个流动电极腔室串联连接，所述的流动电极混合池与流动电极液进料口、流动电极液出料口之间均设有循环管路，流动电极液依次穿过各个流动电极腔室，并与循环管路、流动电极混合池形成流动电极液回路。
进一步地，所述的流动电极腔室中设有流动通道。
优选地，所述的流动电极腔室由聚丙烯、尼龙、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯中的一种材料制成。
进一步地，所述的流动电极腔室上设置有盐水穿孔，所述的阴离子交换膜、阳离子交换膜及端部支撑板上均设有盐水进水口及淡水出水口。
与现有技术相比，本发明利用膜与前置集电器结构缩短电荷传递距离，不仅有效提升了盐水分离性能，同时也降低了能量消耗，并利用前置集电器结构设计了共享流动电极腔室，使FCDI堆叠更加简单化和集成化；通过增加电容单元，脱盐处理规模理论上可无限扩大，不受限于过电位装置结构；此外，流动电极依次穿过阴极流动电极室和阳极流动电极室，利用原位电荷中和，显著提高流动电极电容再生速率。
附图说明
图1为实施例1中装置的整体结构示意图；
图2为实施例1中多个电容单元的剖面结构示意图；
图3为实施例1中装置的分解结构示意图；
图4为实施例1中流动电极液回路的结构示意图；
图5为实施例2中装置在不同堆叠数量下的脱盐效果图；
图6为实施例2中装置在不同堆叠数量下的离子去除速率图；
图7为实施例2中装置在不同堆叠数量下的能量效率图；
图8为实施例3中装置在不同运行电压下的脱盐效果图；
图9为实施例3中装置在不同运行电压下的响应电流图；
图10为实施例3中装置在不同运行电压下的能量效率图；
图11为实施例4中装置在不同进水流速条件下的脱盐效果图；
图12为实施例5中装置在不同前置集电器厚度条件下的脱盐性能图；
图13为实施例6中装置在不同前置集电器孔径下的脱盐性能图；
图中标记说明：
1—电容单元、2—离子分离通道、3—阴离子交换膜、4—阳离子交换膜、5—前置集电器、6—流动电极腔室、7—端部支撑板、8—中空结构垫圈、9—流动电极液进料口、10—流动电极液出料口、11—盐水进水口、12—淡水出水口、13—流动通道、14—流动电极混合池、15—循环管路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示，一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，主要包括堆叠放置的多个电容单元1和一对端部支撑板7，端部支撑板7由螺栓进行固定。在操作过程中，盐水溶液依次通过各个电容单元11后，离子被分离，最终得到淡水溶液。尽管图1显示了由7个电容单元1构建的装置，但是应当认识到，堆叠更多数量的电容单元1也是可以的。
其中，如图2所示，每个电容单元1由流动电极腔室6、前置集电器5、阴离子交换膜3、离子分离通道2和阳离子交换膜4组成，相邻两个电容单元1共用一个流动电极腔室6，共用的流动电极腔室6两侧的前置集电器5具有相同电极极性，即同为阳极或同为阴极，相邻流动电极腔室6的极性相反，装置的两侧均布置有流动电极腔室6。流动电极以串联方式依次通过各个流动电极腔室6，盐水以串联方式依次通过各个离子分离通道2。
在两侧的端部支撑板7上设有流动电极液进料口9和流动电极液出料口10，以及盐水进水口11和淡水出水口12(参见图3)。流动电极腔室6中的流动通道13为蛇形流道，但应当认识到，流动通道13采用其他形状和布置也是可以的。在本实施例中，采用了100目的钛网作为前置集电器5，厚度为0.154mm，总面积为18cm2，流动通道13雕刻在4mm厚度亚克力板上，总长度为30cm。
在运行过程中，进入装置的流动电极通过硅胶管循环管路15，最终回到流动电极混合池14，从而实现流动电极的循环(参见图4)。盐水以单向流的方式从盐水进水口11进入，离子被去除后，从淡水出水口12流出，得到干净的淡水。
实施例2：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，阴阳两极均采用厚度和孔径分为0.15mm和100目的商业钛网作为前置集电器5，电压和流速分别控制在1.2V和2.0mL/min。由图5可以看出，增加电容单元1的堆叠数量可以显著提高脱盐性能，例如，堆叠2个电容单元1，盐去除率可稳定在30％左右；堆叠4个电容单元1，盐去除率可稳定在70％以上。相应的，从图6可以看出，增加电容单元1不仅可以显著提高盐去除速率，且电容单元1的增加可以进一步提高每个电容单元1的脱盐性能，例如，当电容单元1数量从1个增加到4个，盐去除速率提高到5.2倍；此外，从图7可以看出，电容单元1的增加并不会引起拖延效率和能耗的增加，电流效率始终稳定在90％作用，每千克盐去除的能耗仅为0.6kWh。本实施例很好地证明了本发明装置不仅可提高脱盐性能和扩大电容去离子产水规模，还可以通过进一步增加电容单元1堆叠数量，进一步提高脱盐性能，能耗远低于目前的相关技术。
实施例3：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，阴极采用不锈钢网，阳极采用钛网，前置集电器5厚度均控制在0.6mm，孔径控制在300目，在电容单元1的堆叠数量为4的情况下，流速控制在2.0mL/min，电压的增加会显著提高离子的去除速率。由图8可以看出，在电压为1.2V时，盐水的电导率从2000μS/cm下降到700μS/cm左右，去除效率达到65％。当施加的电压为1.6V时，电导率下降到了500μS/cm左右，去除效率接近75％。相应的，从图9可以看出电压的增加对离子电流的促进作用，当电压从0.2V增加到1.6V，离子电流从5mA左右增加到了50mA左右。但过高的电压会导致法拉第反应的加剧，使得电流效率降低，过高的电压也会导致脱盐能耗的线性增加，例如当电压为0.2V时，电流效率可以稳定在95％左右，每千克盐去除能耗仅为0.12kWh；当电压为1.6V时，电流效率下降到82.3％(参见图10)。应当认识到，在脱盐性能、处理时间、电耗(即成本)和产水规模之间存在权衡，需要根据实际需求和市场成本(如电力)决定实际的操作参数。
实施例4：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，阳极采用银网，厚度为0.1mm，孔径为100目，阴极采用钛网，厚度为0.30mm，孔径为600目。由图11可看出，减小流速，即增加停留时间，可以有效提高盐去除效率，提高出水质量。在电容单元1的堆叠数量3，电压为1.6V，流速控制在4.33mL/min时，出水的盐浓度从初始浓度的990mg/L，下降到496mg/L，去除率约为50％；当流速控制在0.57mL/min时，出水盐浓度下降到8mg/L，去除率达到99.2％。
实施例5：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，本实施例运行条件为电容单元1的数量为2，进水盐浓度500mg/L，电压0.6V，流速1.01mL/min，采用一对石墨毡作为前置集电器。由图12可以看出，当前置集电器厚度为0.15mm时，盐去除速率为0.22μmol/(cm2·min)；当厚度为0.3mm时，盐去除速率显著提高，为0.29μmol/(cm2·min)；从结果也可以看出，厚度对电流效率基本没有影响，电流效率可稳定在85％左右。
实施例6：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，本实施例的条件为电容单元1的数量为3，进水盐浓度200mg/L，电压1.2V，流速1.5mL/min，钛网前置集电器孔径为100目。由图13可以看出，随着孔径从50目增加到600目，盐去除速率从0.21μmol/(cm2·min)增加到了0.27μmol/(cm2·min)。孔径的改变并不影响电流效率，电流效率在50目至600目范围内都可以保持在85％左右。
实施例7：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，包括一对端部支撑板7以及设置在两个端部支撑板7之间的一个电容单元1；电容单元1包括一对流动电极腔室6以及设置两个流动电极腔室6之间的一对前置集电器5，两个前置集电器5之间并列设有阴离子交换膜3及阳离子交换膜4，阴离子交换膜3与阳离子交换膜4之间设有离子分离通道2。
其中，前置集电器5的外围设有中空结构垫圈8，前置集电器5嵌设在中空结构垫圈8中。前置集电器5与相邻的阴离子交换膜3或阳离子交换膜4紧贴在一起。
该装置还包括流动电极混合池14，阴离子交换膜3及阳离子交换膜4上均设有流动电极液穿孔，流动电极腔室6及端部支撑板7上均设有流动电极液进料口9及流动电极液出料口10，各个流动电极腔室6串联连接，流动电极混合池14与流动电极液进料口9、流动电极液出料口10之间均设有循环管路15，流动电极液依次穿过各个流动电极腔室6，并与循环管路15、流动电极混合池14形成流动电极液回路。
流动电极腔室6中设有流动通道13。流动电极腔室6上设置有盐水穿孔，阴离子交换膜3、阳离子交换膜4及端部支撑板7上均设有盐水进水口11及淡水出水口12。
实施例8：
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，包括一对端部支撑板7以及多个堆叠设置在两个端部支撑板7之间的电容单元1；电容单元1包括一对流动电极腔室6以及设置两个流动电极腔室6之间的一对前置集电器5，两个前置集电器5之间并列设有阴离子交换膜3及阳离子交换膜4，阴离子交换膜3与阳离子交换膜4之间设有离子分离通道2。
其中，前置集电器5的外围设有中空结构垫圈8，前置集电器5嵌设在中空结构垫圈8中。前置集电器5与相邻的阴离子交换膜3或阳离子交换膜4紧贴在一起。
当两个端部支撑板7之间设有多个电容单元1时，相邻两个电容单元1共用一个流动电极腔室6。共用的流动电极腔室6两侧的前置集电器5极性相同，每个电容单元1中的两个前置集电器5极性相反。多个电容单元1中，相邻两个流动电极腔室6的极性相反。多个电容单元1中的前置集电器5分别与直流电源并联连接。
该装置还包括流动电极混合池14，阴离子交换膜3及阳离子交换膜4上均设有流动电极液穿孔，流动电极腔室6及端部支撑板7上均设有流动电极液进料口9及流动电极液出料口10，各个流动电极腔室6串联连接，流动电极混合池14与流动电极液进料口9、流动电极液出料口10之间均设有循环管路15，流动电极液依次穿过各个流动电极腔室6，并与循环管路15、流动电极混合池14形成流动电极液回路。
流动电极腔室6中设有流动通道13。流动电极腔室6上设置有盐水穿孔，阴离子交换膜3、阳离子交换膜4及端部支撑板7上均设有盐水进水口11及淡水出水口12。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，该装置包括一对端部支撑板（7）以及多个堆叠设置在两个端部支撑板（7）之间的电容单元（1）；
所述的电容单元（1）包括一对流动电极腔室（6）以及设置两个流动电极腔室（6）之间的一对前置集电器（5），两个前置集电器（5）之间并列设有阴离子交换膜（3）及阳离子交换膜（4），所述的阴离子交换膜（3）与阳离子交换膜（4）之间设有离子分离通道（2）；
所述的前置集电器为多孔结构或网状结构，孔径为20-1000目，厚度为0.01-2 mm；
所述的流动电极腔室（6）上设置有盐水穿孔，所述的阴离子交换膜（3）、阳离子交换膜（4）及端部支撑板（7）上均设有盐水进水口（11）及淡水出水口（12）；
相邻两个电容单元（1）共用一个流动电极腔室（6）；所述的流动电极腔室（6）中设有流动通道（13）；
共用的流动电极腔室（6）两侧的前置集电器（5）极性相同，每个电容单元（1）中的两个前置集电器（5）极性相反；多个电容单元（1）中，相邻两个流动电极腔室（6）的极性相反。
2.根据权利要求1所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，所述的前置集电器（5）的外围设有中空结构垫圈（8），所述的前置集电器（5）嵌设在中空结构垫圈（8）中。
3.根据权利要求1所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，所述的前置集电器（5）与相邻的阴离子交换膜（3）或阳离子交换膜（4）紧贴在一起。
4.根据权利要求1所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，多个电容单元（1）中的前置集电器（5）分别与直流电源并联连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，该装置还包括流动电极混合池（14），所述的阴离子交换膜（3）及阳离子交换膜（4）上均设有流动电极液穿孔，所述的流动电极腔室（6）及端部支撑板（7）上均设有流动电极液进料口（9）及流动电极液出料口（10），各个流动电极腔室（6）串联连接，所述的流动电极混合池（14）与流动电极液进料口（9）、流动电极液出料口（10）之间均设有循环管路（15），流动电极液依次穿过各个流动电极腔室（6），并与循环管路（15）、流动电极混合池（14）形成流动电极液回路。
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