CN114133000B - 流动电极去离子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流动电极去离子装置，包括两个镜像对称设置的集电体，所述集电体包括板状的本体，所述本体的一侧板面开设有平面螺旋状的流道，所述流道的两端分别设有进液口和出液口；两个所述集电体上的所述流道相向设置，两个所述集电体之间设有导流板，所述导流板的板面上开设有进液腔，所述导流板的两侧分别贴合设有阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述阴离子交换膜能够使所述进液腔内的阴离子移动至相邻所述集电体的所述流道内，所述阳离子交换膜能够使所述进液腔内的阳离子移动至相邻的另一个所述集电体的所述流道内。本发明提供的流动电极去离子装置，旨在实现电解液在流道内均匀流动，避免出现流动死区的现象。

Description

流动电极去离子装置

技术领域

本发明属于流动电极去离子装置技术领域，更具体地说，是涉及一种流动电极去离子装置。

背景技术

FCDI技术是近年来新兴的一种电化学技术，主要利用电容的作用，使进水中的带电离子定向迁移至电极室内，吸附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。相对于传统固定电极电容去离子（CDI）技术来说，FCDI技术使用流动电极悬浊液代替传统的固定电极，大幅度提升了反应器的吸附性能。

集电体作为FCDI技术中的重要部件，是指汇集电流的结构或零件，集电体上通常开设有使电解液通过的流道，但电解液在流道内流动时，容易出现流动分布不均匀，甚至流动死区等现象，此种电解液分配不均匀现象严重影响流动电极去离子装置效率，导致电解液利用率降低，流动电极去离子装置浓差极化恶化，甚至会影响流动电极去离子装置寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流动电极去离子装置，旨在实现电解液在流道内均匀流动，避免出现流动死区的现象。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种流动电极去离子装置，包括两个镜像对称设置的集电体，所述集电体包括板状的本体，所述本体的一侧板面开设有平面螺旋状的流道，所述流道的两端分别设有进液口和出液口；

两个所述集电体上的所述流道相向设置，两个所述集电体之间设有导流板，所述导流板的板面上开设有进液腔，所述导流板的两侧分别贴合设有阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述阴离子交换膜能够使所述进液腔内的阴离子移动至相邻所述集电体的所述流道内，所述阳离子交换膜能够使所述进液腔内的阳离子移动至相邻的另一个所述集电体的所述流道内。

在一种可能的实现方式中，所述流道内设有透液孔，所述透液孔贯穿所述本体的另一侧板面。

在一种可能的实现方式中，所述进液口和所述出液口均为贯穿所述本体板面的通孔。

在一种可能的实现方式中，所述进液口的直径大于所述流道的宽度。

在一种可能的实现方式中，所述本体开设有所述流道的一面设有第一密封垫。

在一种可能的实现方式中，所述本体背离所述流道的一面设有第二密封垫。

在一种可能的实现方式中，所述导流板为导电构件，所述导流板的一侧板面上开设有平面螺旋状的通道,所述通道形成所述进液腔。

在一种可能的实现方式中，所述通道内具有贯通所述导流板另一侧板面的渗液孔。

在一种可能的实现方式中，所述通道的一端具有离子液进口，另一端具有离子液出口，所述离子液进口的直径大于所述通道的宽度。

本发明提供的流动电极去离子装置，采用了上述的集电体，本体上开设有平面螺旋状的流道，流动电极从进液口沿平面螺旋状的流道向出液口流动，相对于传统的“回”字型流道，平面螺旋状的流道不存在拐角，角度变化较为平缓，流动电极在流道内流动时可以有效减少流动死区，降低流动电极流动过程中的阻力。而且采用本结构，能够有效保证流道的长度，平面螺旋状的流道侧壁和底壁均为弧形，可以增加集电体与流动电极之间的有效接触面积，促使集电体上的电荷快速迁移到流动电极上。离子液进入进液腔，离子液内的阴离子和阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜向外移动，进入相应的流道内与流动电极接触，并被流动电极吸附，另一部分被本体产生的离子吸附。被本体吸附的离子流出本体后，流入另一个集电体的本体内发生反向加电，进行解吸，然后从本体内解吸后进入流动电极内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的集电体的结构示意图；

图2为本发明提供的流动电极去离子装置的结构示意图；

图3为本发明的集电体与常规集电体的电化学阻抗对比图；

图4为本发明实施例一提供的集电体计算流体力学模拟图；

图5为本发明实施例一常规集电体计算流体力学模拟图；

图6为本发明实施例二提供的螺旋状流道和现有流道的电导率-时间对比图；

图7为本发明实施例二提供的螺旋状流道和现有流道的脱盐率和电荷效率对比图；

图8为本发明实施例三提供的螺旋状流道和现有流道的电导率-时间对比图；

图9为本发明实施例三提供的螺旋状流道和现有流道的脱盐率和电荷效率对比图；

图10为本发明实施例四提供的螺旋状流道和现有流道的电导率-时间对比图；

图11为本发明实施例四提供的螺旋状流道和现有流道的脱盐率和电荷效率对比图；

图12为本发明实施例五提供的螺旋状流道和现有流道的电导率-时间对比图；

图13为本发明实施例五提供的螺旋状流道和现有流道的脱盐率和电荷效率对比图。

图中：1、本体；101、流道；102、出液口；103、进液口；2、第一密封垫；3、第二密封垫；4、导流板；5、阴离子交换膜；6、阳离子交换膜；7、固定板。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

请参阅图1，现对本发明提供的流动电极去离子装置进行说明。流动电极去离子装置，包括两个镜像对称设置的集电体，集电体包括板状的本体1，本体1的一侧板面开设有平面螺旋状的流道101，流道101的两端分别具有进液口103和出液口102；

两个集电体上的流道101相向设置，两个集电体之间设有导流板4，导流板4的板面上开设有进液腔，导流板4的两侧分别贴合设有阴离子交换膜5和阳离子交换膜6，阴离子交换膜5能够使进液腔内的阴离子移动至相邻集电体的流道101内，阳离子交换膜6能够使进液腔内的阳离子移动至相邻的另一个集电体的流道101内。

本发明提供的流动电极去离子装置，采用了上述的集电体，本体1上开设有平面螺旋状的流道101，流动电极从进液口103沿平面螺旋状的流道101向出液口102流动，相对于传统的“回”字型流道，平面螺旋状的流道101不存在拐角，角度变化较为平缓，流动电极在流道101内流动时可以有效减少流动死区，降低流动电极流动过程中的阻力。而且采用本结构，能够有效保证流道101的长度，平面螺旋状的流道101侧壁和底壁均为弧形，可以增加集电体与流动电极之间的有效接触面积，促使集电体上的电荷快速迁移到流动电极上。离子液进入进液腔，离子液内的阴离子和阳离子分别通过阴离子交换膜5和阳离子交换膜6向外移动，进入相应的流道101内与流动电极接触，并被流动电极吸附，另一部分被本体1产生的离子吸附。被本体1吸附的离子流出本体1后，流入另一个集电体的本体1内发生反向加电，进行解吸，然后从本体1内解吸后进入流动电极内。

需要说明的是，流动电极去离子装置还包括设两个固定板7，两个固定板7分别设于两个本体1的外侧，两个固定板7之间可以通过连接件连接，从而将本装置固定。

可选的，进液腔为贯穿导流板4的板面。

可选的，本体1上设有与连接件相适配的连接孔。

可选的，本体1可以为石墨构件、高纯钛构件或钛合金构件，也可以是其他具有良好的导电性、机械性和耐腐蚀性的材质制备的构件，能够提高集电体的使用寿命，提高离子迁移速度。

可选的，本体1的表面积为50-50000mm²，流道101与流动电极的有效接触面积为10-10000mm²，进液口103和出液口102的孔径均为0.5-10mm，流道101宽度为1-100mm，深度为1-100mm。

可选的，流道101的圈数为3-50圈。

具体地，进液口103设于流道101的内端，出液口102设于外端；也可以将进液口103设于外端，出液口102设于内端。

在一些实施例中，图中未示出，流道101内设有透液孔，透液孔贯穿本体1的另一侧板面。

需要说明的是，流动电极去离子装置通常包括集电体和导流板，导流板具有容纳离子液的腔室，且导流板和集电体之间还设有离子交换膜，腔室内的离子液中的离子透过离子交换膜进入集电体的流道内，被流道内的流动电极吸附。

本实施例中透液孔均匀分布于流道101内，可以对离子液产生引流作用，使离子液在导流板4的腔室内沿既定路径流动，减小死区，避免离子液在导流板4的腔室内之间从进口流动至出口。另外，透液孔还可以减小电极流动过程中的阻力。

可选的，透液孔可以为圆形孔或弧形孔，当透液孔为弧形孔时，可以将弧形孔的宽度设置为与流道101宽度一致，使流道101形成镂空结构，方便刻蚀。

在一些实施例中，请参阅图1，进液口103和出液口102均为贯穿本体1板面的通孔。

进液口103和出液口102均为通孔，能够增加本体对离子液的引流作用，使离子液在导流板4的腔室内沿既定路径流动，减小死区，离子液沿既定路径流动能够避免离子直接从腔室的进口沿直线流入出口，影响反应效果。另外，透液孔还可以减小电极流动过程中的阻力。

在一些实施例中，请参阅图1，进液口103的直径大于流道101的宽度。

进液口103的直径大于流道101的直径，方便使流动电极从进液口103流入流道101内，提高流动电极沿流道101流动的速率。

在一些实施例中，请参阅图2，本体1开设有流道101的一面设有第一密封垫2。

第一密封垫2可以对流道101进行封盖，提高流道101的密封效果，避免流动电极向外卸漏，可以确保流动电极沿流道101流动，减小电阻。

可选的，第一密封垫2为硅胶构件。

在一些实施例中，请参阅图2，本体1背离流道101的一侧设有第二密封垫3。

第二密封垫3可以进一步提高集电体内流动电极的密封效果，与第一密封垫2配合对本体1的两侧进行密封，避免流动电极向外卸漏，可以确保流动电极沿流道101流动，减小电阻。

在一些实施例中，请参阅图2，导流板4为导电构件，导流板4的一侧板上开设有平面螺旋状的通道,通道形成进液腔。

平面螺旋状的通道可以减小离子液流动的死区，增加流道101的长度，提高导流板4上的空间利用率。

可选的，导流板4为石墨构件，可以降低通道内的电阻，增加离心液的流通效率。

在一些实施例中，图中未示出，通道内具有贯通导流板4另一侧板面的渗液孔。

渗液孔提高离子的渗透效率，使阴离子和阳离子快速穿过阴离子交换膜5和阳离子交换膜6，进入流道101内与流动电极发生反应。另外，渗液孔还可以对离子液提供引流作用，使离子液沿通道依次流动。

可选的，通道可以与其中一个集电体的流道101相同，也可以不相同。

在一些实施例中，图中未示出，通道的一端具有离子液进口，另一端具有离子液出口，离子液进口的直径大于通道的宽度。

离子液进口的直径大于通道的直径，方便使离子液从进液口103流入流道101内，提高离子液沿流道101流动的速率。

作为本发明的一种具体应用，可以将本发明提供的流动电极去离子装置用于海水脱盐，具体的脱盐效果可见下列实施例。

实施例一

集电体的进液口和出液口的孔径均为4 mm，流道宽度为2 mm，总面积为1200 mm²，设置流道的内端为进水口；选取活性炭与浓度为0.4 g L^-1的氯化钠溶液混合配制电极浆液，混合比例为质量比，为了保证碳均匀悬浮，使用磁力搅拌器搅拌24h后备用。

选取流动电极浓度为1% wt AC，流速为2 ml min^-1，频率范围为0.1-10⁵Hz，采用单通道法进行EIS测试，并通过计算流体力学进行分析。

请参阅附图3，由图可以看出螺旋状流道的集电体与x轴的交点左移，即代表整体欧姆电阻得到大幅降低，脱盐效果可以得到相应改善；低频区直线的斜率增加，即离子传递阻力降低，因此螺旋状流道集电体的电阻与常规型流道集电体相比，脱盐性能得到提高。在保持流道面积相同的条件下，螺旋状流动电极电容去离子集电体的性能更加优异；

请参阅图4至图5，常规型流道集电体在拐角处存在许多死区，流速受到严重影响，在此处的流动电极不能被充分利用；而在螺旋状流道集电体中可以明显看出死区的大幅减少，同时流速得到提高。

实施例二

电化学实验采用SC模式，间歇式进水，设置恒定电压为1.2 V，进水氯化钠溶液浓度为0.4 g L^-1，体积为40 mL，利用蠕动泵调整流速为1.0 mL min^-1；选取流动电极浓度为1% wt AC，体积为60mL，流速为2 ml min^-1，用电导率仪每1 s记录一次电导率变化，实验时间为20 min。

经过脱盐处理后，实验结果在图6和图7可以看出，具有螺旋状流道的集电体脱盐率可达6.49%，脱盐速度为0.076 μmol cm^-2min^-1，电荷效率为79.62%，而具有常规型流道的集电体的脱盐率仅为4.14%，脱盐速度为0.050 μmol cm²min^-1，电荷效率为75.01%。脱盐率和脱盐速度分别提高了57%和52%，脱盐性能显著改善。

实施例三

电化学实验采用SC模式，间歇式进水，设置恒定电压为1.2 V，进水氯化钠溶液浓度为0.4 g L^-1，体积为40 mL，利用蠕动泵调整流速为1.0 mL min^-1；选取流动电极浓度为1% wt AC，体积为60mL，流速为10 ml min^-1，用电导率仪每1 s记录一次电导率变化，实验时间为20 min。

经过脱盐处理后，实验结果在图8和图9可以看出，具有螺旋状流道的集电体脱盐率可达6.62%，脱盐速度为0.078 μmol cm²min^-1，而具有常规型流道的集电体脱盐率仅为3.78%，脱盐速度为0.045 μmol cm^-2min^-1。脱盐率和脱盐速度分别提高了75%和73%，脱盐性能得到极大优化。

实施例四

电化学实验采用SC模式，间歇式进水，设置恒定电压为1.2 V，进水氯化钠溶液浓度为0.4 g L^-1，体积为40 mL，利用蠕动泵调整流速为1.0 mL min^-1；选取流动电极浓度为5% wt AC，体积为60mL，流速为10 ml min^-1，用电导率仪每1 s记录一次电导率变化，实验时间为20 min。

经过脱盐处理后，实验结果在图10和图11可以看出，具有螺旋状流道的集电体脱盐率可达11.81%，脱盐速度为0.139 μmol cm²min^-1，而具有常规型流道的集电体脱盐率仅为7.93%，脱盐速度为0.098 μmol cm^-2min^-1。脱盐率和脱盐速度分别提高了49%和42%。经过优化后，脱盐性能得到提高。

实施例五

流动电极电容去离子装置，进液口和出液口的孔径均为4 mm，流道宽度为2 mm，总面积为1200 mm²；选取活性炭与浓度为0.6 g L^-1的氯化钠溶液混合配制电极浆液，混合比例为质量比，为了保证碳均匀悬浮，使用磁力搅拌器搅拌24 h后备用。

电化学实验采用SC模式，批式进水，设置恒定电压为1.2 V，进水氯化钠浓度为0.6g L^-1，调整HRT为1 min；选取流动电极浓度为5% wt AC，体积为60 mL，流速为10 ml min^-1，用电导率仪每1 s记录一次电导率变化，实验时间为20 min。

经过脱盐处理后，实验结果在图12和图13可以看出，导流板上设置螺旋状通道的脱盐速度为0.288 μmol cm^-2min^-1，常规型通道的脱盐速度为0.149 μmol cm^-2min^-1，提高了48%，脱盐速度得到极大改善。

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 (9)

1.流动电极去离子装置，其特征在于，包括两个镜像对称设置的集电体，所述集电体包括板状的本体，所述本体的一侧板面开设有平面螺旋状的流道，所述流道的两端分别设有进液口和出液口；

两个所述集电体上的所述流道相向设置，两个所述集电体之间设有导流板，所述导流板的板面上开设有进液腔，所述导流板的两侧分别贴合设有阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述阴离子交换膜能够使所述进液腔内的阴离子移动至相邻所述集电体的所述流道内，所述阳离子交换膜能够使所述进液腔内的阳离子移动至相邻的另一个所述集电体的所述流道内。

2.如权利要求1所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述流道内设有透液孔，所述透液孔贯穿所述本体的另一侧板面。

3.如权利要求1所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述进液口和所述出液口均为贯穿所述本体板面的通孔。

4.如权利要求1所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述进液口的直径大于所述流道的宽度。

5.如权利要求1所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述本体开设有所述流道的一面设有第一密封垫。

6.如权利要求5所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述本体背离所述流道的一面设有第二密封垫。

7.如权利要求1所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述导流板为导电构件，所述导流板的一侧板面上开设有平面螺旋状的通道,所述通道形成所述进液腔。

8.如权利要求7所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述通道内具有贯通所述导流板另一侧板面的渗液孔。

9.如权利要求7所述的流动电极去离子装置，其特征在于，所述通道的一端具有离子液进口，另一端具有离子液出口，所述离子液进口的直径大于所述通道的宽度。