CN113105036A

CN113105036A - 一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统

Info

Publication number: CN113105036A
Application number: CN202110651579.8A
Authority: CN
Inventors: 董小霞; 段平洲; 苑志华; 王炳煌
Original assignee: Zhongke Jiaci Kunshan Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Zhongke Jiaci Kunshan Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2021-07-13

Abstract

本发明公开了一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其包括前处理池、与所述前处理池管道连通的吸附池、设置在所述前处理池与所述吸附池连通管道上的第一泵浦、设置在所述吸附池内的电吸附组件、与所述吸附池管道连通的出水池、监测所述出水池内TDS和电导率的监控组件、与所述电吸附组件电连接且可使所述电吸附组件发生短路的短路电路、控制所述短路电路导通或断开的控制开关、根据所述监控组件的监测结果控制所述控制开关动作的控制单元、以及与所述吸附池连通且对所述吸附池进行清洗的清洗系统；所述控制单元与所述第一泵浦电连接。本发明具有能耗低、除盐率高、无需使用高价膜、保养简单、无二次污染等优点。

Description

一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别是涉及一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统。

背景技术

全球淡水资源分布不均匀，近年来的严重水体污染导致各个国家都有不同程度的水资源紧缺和用水安全问题。其中高盐污水排放对人畜健康威胁巨大，当前的主要除盐技术有：离子交换技术、电渗析、RO反渗透法以及电吸附法。离子交换技术可以高效处理1000-20000mg/L的TDS高盐废水，但是离子交换树脂特异性较强，对成分复杂的污水难以高效处理，且成本相对较高，树脂价格达到上万元每吨。电渗析利用离子交换膜可以有效处理高盐卤水，因此在海水淡化和污水处理中得到有效应用，可以做到每天处理200吨高盐废水。但是为维持电渗析所用离子膜稳定，对进水要求较高，在离子交换膜价格较高的情况下（700美元/平方米），维护设施成本相对较高。反渗透法通过对水体施加一定压力，使水体中的淡水透过半透膜，达到净化目的，该方法脱盐率高于电渗析和离子交换法，但是高压设备需求较高，且维护困难。电渗析与反渗透方法都需要较高的膜技术，成本较高或维护要求较高，甚至产生化学清洗药剂。传统的吸附沉降方法对高盐卤水处理能力较差，且面临化学再生困难、回收率低、消耗再生试剂等问题，较上述方法劣势明显。

因此，需要提供一种新的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统来解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，制作成本低，具有能耗低、除盐率高、无需使用高价膜、保养简单、无二次污染等优点。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其包括前处理池、与所述前处理池管道连通的吸附池、设置在所述前处理池与所述吸附池连通管道上的第一泵浦、设置在所述吸附池内的电吸附组件、与所述吸附池管道连通的出水池、监测所述出水池内TDS和电导率的监控组件、与所述电吸附组件电连接且可使所述电吸附组件发生短路的短路电路、控制所述短路电路导通或断开的控制开关、根据所述监控组件的监测结果控制所述控制开关动作的控制单元、以及与所述吸附池连通且对所述吸附池进行清洗的清洗系统；所述控制单元与所述第一泵浦电连接。

进一步的，所述前处理池前端连接有进水管，连通外界的污水输出管。

进一步的，所述电吸附组件包括相对设置的阳极板与阴极板、一端与所述阳极板电连接且另一端与所述阴极板电连接的直流电源。

进一步的，所述阳极板与所述阴极板上间隔设置有若干电极单元，所述阳极板上的电极单元与所述阴极板上的电极单元相对间隔交错分布。

进一步的，所述阳极板与所述阴极板的制备方法包括：制备电极材料，将制备好的电极材料、聚四氟乙烯、氧化石墨烯按照8:1:1的质量比混合，加入乙醇搅拌均匀后涂抹在碳毡上，在碳毡上形成若干电极单元，每个所述电极单元的质量控制在0.5-0.8g；静置风干，放入烘箱中60℃下干燥8小时，得到制备的所述阴极板与所述阳极板。

进一步的，所述电极材料的制备方法包括：将废旧木材、竹材或高木质素果皮粉碎、清洗得到粉末，100℃烘干；400℃高温绝氧碳化1小时后使用5mol/L KOH溶液按照溶液：粉末为3:1的比例，在80℃下碱溶侵蚀以提高孔隙度后烘干；之后在600℃下高温活化，冷却后清洗制成电极活性炭材料。

进一步的，所述监控组件具体为连接计算机的多功能水质分析仪。

进一步的，所述短路电路为一根导线，其一端连通所述直流电源的一个电极另一端形成第一闭合点A，所述直流电源的另一个电极通过导线连出形成第二闭合点B；所述控制开关设置在所述直流电源与所述阳极板或所述阴极板连通线路上，且受所述控制单元控制在所述第一闭合点A与所述第二闭合点B之间进行切换。

进一步的，所述清洗系统包括与所述吸附池管道连通的蓄水池、设置在所述蓄水池与所述吸附池连通管道上的第二泵浦，所述控制单元与所述第二泵浦电连接并控制所述第二泵浦的启停。

进一步的，所述直流电源作用在所述阳极板与所述阴极板之间的电压为1-1.2V。

与现有技术相比，本发明一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统的有益效果在于：提供了全新的符合工业需求的除盐系统，以达到排出水达到国家排污标准；该系统利用电极间静电力使得污水中离子向阴阳极迁移，并利用高吸附性材料修饰的电极持续、高效地吸附污水中的阴阳离子，从而有效降低出水含盐量，达到净化污水的目的；本系统从根本上排除了离子交换技术、电渗析技术和RO系统所必须的膜技术，只需简单地对进水进行预处理便可对高TDS、高COD(<100mg/L)的污水中的阴阳离子进行有效去除；通过电吸附作用对高盐污水进行了“零排放”处理，电极材料为固体废弃物再生而得，达到了极致环保的目的；利用电吸附作用，可以避免目前膜技术造价高、原水要求高等技术困难，有着低能耗、无二次污染、脱盐率高（75%以上）、成本低廉、系统稳定、维护简单等优势。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图1中虚线箭头为水流方向，实线箭头为控制信号输入方向；

图中数字表示：

100基于电吸附技术的高盐水体除盐系统；

1前处理池；2吸附池；3第一泵浦；4电吸附组件，41阳极板，42阴极板，43直流电源，44电极单元；5出水池；6监控组件；7短路电路；8控制开关；9控制单元；10蓄水池；11进水管；12第二泵浦；13排水管。

具体实施方式

实施例一：

请参照图1，本实施例为基于电吸附技术的高盐水体除盐系统100，其包括前处理池1、与前处理池1管道连通的吸附池2、设置在前处理池1与吸附池2连通管道上的第一泵浦3、设置在吸附池2内的电吸附组件4、与吸附池2管道连通的出水池5、监测出水池5内总溶解固体TDS和电导率的监控组件6、与电吸附组件4电连接且可使电吸附组件4发生短路的短路电路7、控制所述短路电路7导通或断开的控制开关8、根据监控组件6的监测结果控制控制开关8动作的控制单元9、以及与吸附池2连通且对吸附池2进行清洗的清洗系统（图中未标识）。

控制单元9与第一泵浦3电连接，且根据监控组件6的监测结果自动控制第一泵浦3以达到最佳的吸附流速。

前处理池1前端连接有进水管11，连通外界的污水输出管，供污水输入。

前处理池1为氧化池，具有两个作用，一方面是为了调节污水的pH值，把污水的pH值调节到接近中性，氧化池中可根据外来的污水的pH值加入酸或碱；另一方面针对污水中特定的离子含量超标过多时，针对性的加入适量絮凝剂沉降，防止处理后进入到出水池5的水中离子浓度低但个别离子含量不达标的现象出现。

电吸附组件4包括相对设置的阳极板41与阴极板42、一端与阳极板41电连接且另一端与阴极板42电连接的直流电源43，阳极板41与阴极板42上间隔设置有若干电极单元44，阳极板41上的电极单元44与阴极板42上的电极单元44相对间隔交错分布，以提高吸附效率，达到对高盐污水处理的目的。

阳极板41与阴极板42的制备方法包括：制备电极材料，将制备好的电极材料、聚四氟乙烯（简称PTFE）、氧化石墨烯按照8:1:1的质量比混合，加入乙醇搅拌均匀后涂抹在4×4cm的碳毡上，在碳毡上形成若干电极单元44，每个电极单元44的质量控制在0.5-0.8g之间，本实施例中四个电极为一组，用导电材料连接构成阴、阳电极两组；静置风干，放入烘箱中60℃下干燥8小时，得到制备的阴极板与阳极板。

本实施例中，所述电极材料为活性炭，活性炭由垃圾中高木质素的废弃木材、部分果皮等通过灰化、酸解制备而得。具体的，所述电极材料的制备方法包括：将废旧木材、竹材或高木质素果皮（如椰子壳、菠萝蜜壳、榴莲壳等）粉碎、清洗得到粉末，100℃烘干；400℃高温绝氧碳化1小时后使用5mol/L KOH溶液按照溶液：粉末为3:1的比例，在80℃下碱溶侵蚀后烘干；之后在600℃下高温活化，冷却后清洗制成电极活性炭材料。

阳极板41与阴极板42为多孔疏松结构，可吸附污水中的阴阳离子。吸附池2主要利用电吸附组件4中电极板之间的静电场将阴阳离子向阴阳极迁移，并在电极表面形成双电层，从而将离子吸附在高表面积的多孔疏松电极材料上。

短路电路7为一根导线，其一端连通直流电源43的一个电极另一端形成第一闭合点A，直流电源43的另一个电极通过导线连出形成第二闭合点B；控制开关8设置在直流电源43与阳极板41或阴极板42连通线路上，且受控制单元9控制在第一闭合点A与第二闭合点B之间进行切换，当控制开关8与第一闭合点A闭合时，则阳极板41与阴极板42的一端直接通过短路电路7连通在一起，直流电源43与阳极板41和阴极板42之间的电连接断开，实现短路，阳极板41和阴极板42失去电吸附功能；当控制开关8与第二闭合点B闭合时，则直流电源43与阳极板41和阴极板42电连接，形成电容结构，短路电路7处于断开状态，阳极板41和阴极板42具备电吸附功能。

所述清洗系统包括与吸附池2管道连通的蓄水池10、设置在蓄水池10与吸附池2连通管道上的第二泵浦12，所述控制单元9与第二泵浦12电连接，并控制第二泵浦12的启停。

监控组件6具体为连接计算机的多功能水质分析仪，用于实时监控TDS、电导率、酸碱性(pH)等指标，并由计算机对第一泵浦3、控制开关8、第二泵浦12组件进行控制。

直流电源43作用在阳极板41与阴极板42之间的电压为1-1.2V；电压过低（<1V）会导致吸附效率过低，达不到设计要求；电压过高会导致部分废水被电解，产生有害气体并使得阴极材料钝化，无法吸附。

本实施例将电吸附模块和直流电压电路构成闭合回路，利用第一泵浦3将高盐废水注入吸附池2中，当监控组件6监测到出水总溶解固体TDS与电导率高于设定区间时降低第一泵浦3速率，以达到充分除盐的效果；当监控组件6监测到的电导率过高，且第一泵浦3无法通过降低流速降低废水中离子浓度时，断开电吸附组件4中的电源电路，停止污水泵入，改为清水注入，即启动第二泵浦12，并短接电路，使得电极板再生，流出高盐度卤水（高盐度卤水比流入时污水浓度更高，类似于浓缩海水，可以进一步处理回收部分元素）。

出水池5的输出段设置有排水管13，排水管13上是否设置有电磁阀，控制流出。

本实施例基于电吸附技术的高盐水体除盐系统100的工作原理为：污水从进水管11进入到前处理池1中，经过氧化池氧化，降低有机物含量，对化学需氧量COD过高的水体进行处理，之后通过第一泵浦3泵送至吸附池2中，通过吸附池2中的电吸附组件4，污水流经阳极板41与阴极板42之间的流域，阴阳离子在阳极板41与阴极板42之间的电场中被吸附至对应的电极板上，在电极板表面形成双电层，在1-1.2V电压下，对污水进行电吸附除盐，然后进入出水池5中，通过监控组件6的实时监测，以保证输出的水体达到排放标准；当监控组件6监测到出水池5中的总溶解固体TDS和电导率无法有效的下降时，说明电极板上吸附的离子已经达到了吸附上限，则控制单元9控制控制开关8切换至第一闭合点A，阳极板41与阴极板42形成短路，同时，控制单元9控制第二泵浦12开启，第一泵浦3关闭，第二泵浦12将蓄水池10中的清水泵送至吸附池2中，使得被吸附在阳极板41和阴极板42上的离子脱附，一方面对吸附在多孔疏松电极材料表面上的高盐卤水和除盐后的低盐净水；高盐卤水为再生时产生，低盐净水是对污水处理后的产物，二者在同一个输出端口回收；在控制系统打开清水阀的同时，处理后的净水停止排出，接续容器以回收再生产生的高盐卤水；另一方面，实现阳极板41与阴极板42的再生，进而实现重复利用，提高利用率，降低成本。

为了验证本实施例高盐水体除盐系统的有效性，对阳极板41与阴极板42之间施加1-1.2V电压，通过监控组件6和所设置的TDS、电导率对入第一泵浦3流速进行调控，使得流出水达到设定标准；经过实际验证，最高除盐率高于75%，成本较低，且能保证出水COD达到GB 18918-2002所规定的二级标准；本方案在原有前处理池的基础上增添和改进，使得运行成本降低至少20%，减少二次污染的可能；且可以对于总含盐量质量分数大于1%的高盐污水有效净化，使得出水COD下降至少60%，且使得含有的有害离子如重金属阳离子、卤素离子等达到污水排放标准；本实施例中的电极板是由廉价制备的活性炭修饰的石墨板材料，大大降低了系统的制作成本，提高了除盐效果。

本实施例基于电吸附技术的高盐水体除盐系统100，通过电吸附作用对高盐污水进行了“零排放”处理，电极材料为固体废弃物再生而得，达到了极致环保的目的；利用电吸附作用，可以避免目前膜技术造价高、原水要求高等技术困难，有着低能耗、无二次污染、脱盐率高（75%以上）、成本低廉、系统稳定、维护简单等优势。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：其包括前处理池、与所述前处理池管道连通的吸附池、设置在所述前处理池与所述吸附池连通管道上的第一泵浦、设置在所述吸附池内的电吸附组件、与所述吸附池管道连通的出水池、监测所述出水池内TDS和电导率的监控组件、与所述电吸附组件电连接且可使所述电吸附组件发生短路的短路电路、控制所述短路电路导通或断开的控制开关、根据所述监控组件的监测结果控制所述控制开关动作的控制单元、以及与所述吸附池连通且对所述吸附池进行清洗的清洗系统；所述控制单元与所述第一泵浦电连接。

2.如权利要求1所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述前处理池前端连接有进水管，连通外界的污水输出管。

3.如权利要求1所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述电吸附组件包括相对设置的阳极板与阴极板、一端与所述阳极板电连接且另一端与所述阴极板电连接的直流电源。

4.如权利要求3所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述阳极板与所述阴极板上间隔设置有若干电极单元，所述阳极板上的电极单元与所述阴极板上的电极单元相对间隔交错分布。

5.如权利要求4所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述阳极板与所述阴极板的制备方法包括：制备电极材料，将制备好的电极材料、聚四氟乙烯、氧化石墨烯按照8:1:1的质量比混合，加入乙醇搅拌均匀后涂抹在碳毡上，在碳毡上形成若干电极单元，每个所述电极单元的质量控制在0.5-0.8g；静置风干，放入烘箱中60℃下干燥8小时，得到制备的所述阴极板与所述阳极板。

6.如权利要求5所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述电极材料的制备方法包括：将废旧木材、竹材或高木质素果皮粉碎、清洗得到粉末，100℃烘干；400℃高温绝氧碳化1小时后使用5mol/L KOH溶液按照溶液：粉末为3:1的比例，在80℃下碱溶侵蚀以提高孔隙度后烘干；之后在600℃下高温活化，冷却后清洗制成电极活性炭材料。

7.如权利要求1所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述监控组件为连接计算机的多功能水质分析仪。

8.如权利要求4所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述短路电路为一根导线，其一端连通所述直流电源的一个电极另一端形成第一闭合点A，所述直流电源的另一个电极通过导线连出形成第二闭合点B；所述控制开关设置在所述直流电源与所述阳极板或所述阴极板连通线路上，且受所述控制单元控制在所述第一闭合点A与所述第二闭合点B之间进行切换。

9.如权利要求1所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述清洗系统包括与所述吸附池管道连通的蓄水池、设置在所述蓄水池与所述吸附池连通管道上的第二泵浦，所述控制单元与所述第二泵浦电连接并控制所述第二泵浦的启停。

10.如权利要求4所述的基于电吸附技术的高盐水体除盐系统，其特征在于：所述直流电源作用在所述阳极板与所述阴极板之间的电压为1-1.2V。