CN114873698B - 具有再生电能的电容去离子及净水装置、分离仓制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有再生电能的电容去离子及净水装置、分离仓制作方法，属于离子分离技术领域，在纳米尺度的分离区外放置电容器，用于分离该区域水溶液中的离子，水溶液会被分为水合阴离子层、纯水层、水合阳离子层这三层，在增压区水流推动下，这三层会分别进入分离区的三个纳米尺度的通道，即只在弱外电场的作用下就能实现离子的分离和净水。

Description

具有再生电能的电容去离子及净水装置、分离仓制作方法

技术领域

本发明涉及离子分离技术领域，特别是涉及一种具有再生电能的电容去离子及净水装置、分离仓制作方法。

背景技术

分离膜技术相比传统水处理技术具有无可比拟的优势，是解决水资源短缺问题的新兴、高效、节能的技术。分离膜技术包含的类型丰富，可以根据实际的应用、需求选择单一的分离膜技术或者搭配使用。但是分离膜技术存在过滤率-过滤效率难以平衡、分离膜的表面污染和使用寿命以及制膜和运行成本高等问题。因此，新型分离膜技术仍然需要寻求进一步的完善。

通过单一调控滤孔尺寸的方法进行海水淡化在过滤率、过滤效率和耗能等方面无法平衡。因此，通过引入电势协助滤膜进行离子分离，即电渗析法，会更有效实现净水与离子分离。其中，电容去离子法包括吸附和释放两个过程：首先，通过电极间的电位差将离子从盐溶液中分离。然后，电极放电至零电压，释放被吸附在电荷板上的离子重新进入溶液中。若在正电极和负电极侧分别插入阴离子选择膜和阳离子选择膜，则能够降低电容去离子过程的能量损失并且改善盐溶液的离子分离，这种滤水结构称为电容去离子膜。同时，溶液中的离子在电极的诱导下定向移动产生电势能，可实现部分电势能回收。因此，电容去离子膜还能够在低能耗过滤盐的同时高效储能。但是上述电容去离子技术需要提供高电压才能实现离子分离。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有再生电能的电容去离子及净水装置、分离仓制作方法，只需要弱外电场即可实现离子分离。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具有再生电能的电容去离子及净水装置，所述装置包括：增压区、分离区和电容器；

沿着待处理水溶液的水流方向依次设置增压区和分离区；分离区设置在电容器的两极板之间；所述分离区包括三个纳米尺度的通道，三个纳米尺度的通道在电容器的两极板之间依次排布；每个纳米尺度的通道沿着所述水流方向纵向延伸，每个纳米尺度的通道的入口对准增压区；

所述增压区用于将待处理水溶液输送至分离区；所述分离区用于在电容器的弱电场作用下，将待处理水溶液分为水合阴离子层、纯水层和水合阳离子层，并在增压区水流推动下，水合阴离子层进入与电容器的带正电荷极板靠近的通道，水合阳离子层进入与电容器的带负电荷极板靠近的通道，所述纯水层进入中间的纳米尺度的通道，实现离子分离和水的净化。

可选的，所述分离区包括至少一个分离仓；

所述分离仓包括三个纳米尺度的通道和一个封装层，所述封装层沿着通道的纵向延伸方向封装三个纳米尺度的通道；

每个纳米尺度的通道包括绝缘二维材料和呈阵列排布的纳米管束；绝缘二维材料沿着纳米管束的纵向延伸方向包裹所述呈阵列排布的纳米管束；每个纳米管束的纵向延伸方向与所述水流方向相同。

可选的，多个分离仓在电容器的两电极之间沿着与电容器的电极垂直的方向依次排布，或多个分离仓在电容器的两电极之间沿着与电容器的电极平行的方向依次排布。

可选的，所述装置还包括：水合阴离子池、纯水池和水合阳离子池；

所述水合阴离子层经过分离区后进入水合阴离子池，所述水合阳离子层经过分离区后进入水合阳离子池，所述纯水层经过分离区后进入纯水池；

水合阳离子池与水合阴离子池构成再生电池的正负极。

可选的，所述装置还包括：待处理水溶液池；

待处理水溶液池用于存放待处理水溶液，并将待处理水溶液通过增压区输送至分离区。

一种分离仓，所述分离仓为前述的分离仓。

一种分离仓制作方法，包括：

利用水加外电场方法制备纳米管束；

利用电子束或离子束分别制备三个预设尺寸的互连纳米管束；

利用绝缘二维材料分别包裹三个互连纳米管束，并用离子束固连绝缘二维材料与互连纳米管束，获得三个纳米尺度的通道；

铺设第一层隔离层；

在所述第一层隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道；

在最后一个铺设的纳米尺度的通道上铺设第二层隔离层；

采用绝缘二维材料沿着所述通道的纵向延伸方向连接第一层隔离层和第二层隔离层，形成封装层，以将三个纳米尺度的通道封装在封装层内，获得分离仓。

可选的，每个纳米尺度的通道为长方体形状；

长方体形状的长c、宽b和高a满足：b>>c>>a>>50nm。

一种包括多个分离仓的分离区制作方法，包括：

利用水加外电场方法制备纳米管束；

利用电子束或离子束分别制备多个预设尺寸的互连纳米管束；

利用绝缘二维材料分别包裹每个互连纳米管束，并用离子束固连绝缘二维材料和互连纳米管束，获得多个纳米尺度的通道；

铺设一层隔离层；

在所述隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道，并在最后一个铺设的纳米尺度的通道上再铺设一层隔离层；

重复进行“在所述隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道，并在最后一个铺设的纳米尺度的通道上再铺设一层隔离层”，直至满足分离仓的个数要求；

采用绝缘二维材料沿着通道的纵向延伸方向顺次连接所有隔离层，形成分离区。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种具有再生电能的电容去离子及净水装置、分离仓制作方法，在纳米尺度的分离区外放置电容器，用于分离该区域水溶液中的离子，水溶液会被分为水合阴离子层、纯水层、水合阳离子层这三层，在增压区水流推动下，这三层会分别进入分离区的三个纳米尺度的通道，即只在弱外电场的作用下就能实现离子的分离和净水。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的具有再生电能的电容去离子及净水装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的分离区与电容器的位置关系示意图；

图3为本发明实施例1提供的分离仓的结构示意图；

图4为本发明实施例3提供的分离仓制作方法的流程图；

图5为本发明实施例4提供的包括多个分离仓的分离区制作原理示意图；

图6为本发明实施例4提供的包括多个分离仓的分离区制作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有再生电能的电容去离子及净水装置、分离仓制作方法，只需要弱外电场即可实现离子分离。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明实施例提供了一种具有再生电能的电容去离子及净水装置，如图1和2所示，装置包括：增压区、分离区和电容器。

沿着待处理水溶液的水流方向依次设置增压区和分离区；分离区设置在电容器的两极板之间；所述分离区包括三个纳米尺度的通道，三个纳米尺度的通道在电容器的两极板之间依次排布；每个纳米尺度的通道沿着所述水流方向纵向延伸，每个纳米尺度的通道的入口对准增压区。所述增压区用于将待处理水溶液输送至分离区；所述分离区用于在电容器的弱电场作用下，将待处理水溶液分为水合阴离子层、纯水层和水合阳离子层，并在增压区水流推动下，水合阴离子层进入与电容器的带正电荷极板靠近的通道，水合阳离子层进入与电容器的带负电荷极板靠近的通道，所述纯水层进入中间的纳米尺度的通道，实现离子分离和水的净化。

在一个示例中，分离区包括至少一个分离仓。分离仓包括三个纳米尺度的通道和一个封装层，所述封装层沿着通道的纵向延伸方向封装三个纳米尺度的通道每个纳米尺度的通道包括绝缘二维材料和呈阵列排布的纳米管束；绝缘二维材料沿着纳米管束的纵向延伸方向包裹所述呈阵列排布的纳米管束；每个纳米管束的纵向延伸方向与所述水流方向相同。如图3所示，每个通道都有支撑区，支撑区的芯材为纳米管束。

示例性的，分离仓还可以为微米尺寸的分离仓，待处理的水溶液首先并联到微米尺度的分离仓，然后在弱外电场的作用下实现离子分离。

当分离区包括多个分离仓时，多个分离仓在电容器的两电极之间沿着与电容器的电极垂直的方向依次排布(图2所示，Z方向表示与电容器的电极垂直的方向，L⁽³⁾代表含三个分离仓。)，或多个分离仓在电容器的两电极之间沿着与电容器的电极平行的方向依次排布，即各通道可以横向(x-向)并联生成，即b＝b₁+b₂+…+b_m。其中：b_i为第i个通道的宽度，i＝1，2，…，m；m为x-向的子通道个数。这样处理可以提高通道在无夹心区的结构刚度。提高通道在过水时的稳定性，参照图3，将三个纳米尺度的通道分别命名为C1、C2、C3，C2通道过水，C1和C3过水合离子。

具有再生电能的电容去离子及净水装置还包括：水合阴离子池、纯水池和水合阳离子池。水合阴离子层经过分离区后进入水合阴离子池，水合阳离子层经过分离区后进入水合阳离子池，纯水层经过分离区后进入纯水池。水合阳离子池与水合阴离子池构成再生电池的正负极。具有再生电能的电容去离子及净水装置还包括：待处理水溶液池。待处理水溶液池用于存放待处理水溶液，并将待处理水溶液通过增压区输送至分离区。

本发明可同时实现离子分离、能量(电能)再生和净水处理。如图1所示，含离子的水溶液首先进入增压区、然后进入纳米尺度的分离区。在分离区外放置电容器，用于分离该区域水溶液中的离子。由于分离区是由纳米尺度的分离仓串联而成，每个分离仓内的水溶液会被分为水合阴离子层、纯水层、水合阳离子层这三层，在增压区水流推动下，这三层会分别进入该分离仓中C1、C2和C3通道，并经这三个通道分别进入水合阴离子池、纯水池和水合阳离子池。水合阳离子池与水合阴离子池构成再生电池的正负极，水池中的水可以作为提纯水利用。相邻的两个分离仓的C1通道和C3通道之间由绝缘材料形成的隔离层。隔离层还起到局部结构刚度增强的作用。

在外电场作用下，靠近外电场两级的分离仓中，水合阳离子或阴离子会靠近带相反电荷的电极。同时，该分离仓内的另一种离子会远离电极。因此，该仓内水溶液被分为三层。而与之相邻的分离仓，受到外电场及激化电场的作用也会分离离子，确保相邻分离仓中相邻的两个通道内分别含水合阴离子和水合阳离子。因此，只需要弱外电场即可实现离子分离。

实施例2

本发明实施例提供了一种分离仓，分离仓为实施例1中所述的分离仓。

实施例3

本发明实施例提供了一种分离仓制作方法，如图4所示，包括：

步骤S101，利用水加外电场方法制备纳米管束。

纳米管束制备原理：将纳米管溶液置于定长电场中，水分子为极性分子，水分子对称面的法向将保持与电场方向垂直；同时水分子中的氧原子与两个氢原子质心的连线沿着电场反方向布局，从而水分子呈现有序排列；初始处于无需状态的纳米管受到有序水分子后变得有序排列，同时在表面为了降低系统势能，平行的碳管会自动聚集并自组装成碳纳米管束。优选地，纳米管束的直径>5nm。

步骤S102，利用电子束或离子束分别制备三个预设尺寸的互连纳米管束。

互连纳米管束的制备原理：首先，选择一组由少量的纳米管构成的纳米管束固定其中部；然后，利用电子束辐照打断碳管上的碳碳键，实现指定长度管束的制备；然后采用离子束(如碳离子束)轻度辐照已制备的定长管束，实现管间互连；最后，逐层堆垛小管束并受离子束辐照形成指定截面尺寸的大管束。同样地，可以将石墨烯片或h-BN片固结到该管束上形成密闭通道的封皮结构，如图3中的C1-C3这三类通道。为了大规模制备，可以将这三类通道制备成统一尺寸，或者将C1和C3按统一尺寸制备。优选地，互连纳米管束的长度>2000nm。

步骤S103，利用绝缘二维材料(如h-BN)分别包裹三个互连纳米管束，并用离子束固连绝缘二维材料与互连纳米管束，获得三个纳米尺度的通道。

离子束固连绝缘二维材料与互连纳米管束形成稳定结构，通道的尺寸：厚度a相同，均在50-100nm内；宽度b可以很高，约为100mm；深度c>100nm。

图3中纳米管束的作用是在通过流体的同时还起到支撑分离仓的功能。C1、C2和C3层中的管束分别用于流通水合阳离子、水或少量离子、以及水合阴离子；它们相互平行，处于同一个分离仓(即一个子仓内的三层通道)；不会进入管束内不会发生进一步的交换。分离仓由二维绝缘材料包裹，以避免相邻分离仓内阴、阳水合离子的强静电作用以及可能的渗透。C1-C3中每层的管束起到流体和支撑分离仓的作用。流体通过管后在经过便流入各自的池内(见图1)；绝缘层仅用于相邻分离内的C1和C3段的分离，并强静电力和可能的相互渗透。

步骤S104，铺设第一层隔离层。

优选方式，使用多层h-BN，堆垛方式不限。铺设隔离层的目的是构建局部绝缘舱室，用于分离溶液中的阴阳离子(分离仓)。

步骤S105，在所述第一层隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道。

步骤S106，在最后一个铺设的纳米尺度的通道上铺设第二层隔离层。

步骤S107，采用绝缘二维材料沿着所述通道的纵向延伸方向连接第一层隔离层和第二层隔离层，形成封装层，以将三个纳米尺度的通道封装在封装层内，获得分离仓。

如图3所示，每个纳米尺度的通道为长方体形状。长方体形状的长c、宽b和高a满足：b>>c>>a>>50nm。

实施例4

本发明实施例提供了一种包括多个分离仓的分离区制作方法，如图6所示，包括：

步骤S201，利用水加外电场方法制备纳米管束。

步骤S202，利用电子束或离子束分别制备多个预设尺寸的互连纳米管束。

步骤S203，利用绝缘二维材料分别包裹每个互连纳米管束，并用离子束固连绝缘二维材料和互连纳米管束，获得多个纳米尺度的通道。

步骤S204，铺设一层隔离层。

步骤S201-S204的过程与实施例3的步骤S101-步骤S104的过程相同。

步骤S205，在隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道，并在最后一个铺设的纳米尺度的通道上再铺设一层隔离层。

步骤S206，重复进行步骤S205，直至满足分离仓的个数要求，生成L⁽ⁿ⁾层滤层结构(n为分离仓个数，见5(b))。

步骤S207，采用绝缘二维材料沿着通道的纵向延伸方向顺次连接所有隔离层，形成分离区。

在分离仓上下边界布设封装层(与分离仓之间的绝缘层相同，见图5(c))，并采用离子束辐照缝合形成各自密闭的分离仓，即分离层封装连接后形成独立的分离仓。

本方法中待处理的水溶液首先进入各个纳米(-或并联到微米)尺度的分离仓，然后在弱外电场的作用下实现离子分离。在增压水流推动下两种水合离子和水分子分别进入三个池子。从而同时实现离子分离、能量再生和净水处理。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种具有再生电能的电容去离子及净水装置，其特征在于，所述装置包括：增压区、分离区和电容器；

沿着待处理水溶液的水流方向依次设置增压区和分离区；分离区设置在电容器的两极板之间；所述分离区包括三个纳米尺度的通道，三个纳米尺度的通道在电容器的两极板之间依次排布；每个纳米尺度的通道沿着所述水流方向纵向延伸，每个纳米尺度的通道的入口对准增压区；

所述增压区用于将待处理水溶液输送至分离区；所述分离区用于在电容器的弱电场作用下，将待处理水溶液分为水合阴离子层、纯水层和水合阳离子层，并在增压区水流推动下，水合阴离子层进入与电容器的带正电荷极板靠近的通道，水合阳离子层进入与电容器的带负电荷极板靠近的通道，所述纯水层进入中间的纳米尺度的通道，实现离子分离和水的净化；

所述分离区包括至少一个分离仓；

所述分离仓包括三个纳米尺度的通道和一个封装层，所述封装层沿着通道的纵向延伸方向封装三个纳米尺度的通道；

每个纳米尺度的通道包括绝缘二维材料和呈阵列排布的纳米管束；绝缘二维材料沿着纳米管束的纵向延伸方向包裹所述呈阵列排布的纳米管束；每个纳米管束的纵向延伸方向与所述水流方向相同。

2.根据权利要求1所述的具有再生电能的电容去离子及净水装置，其特征在于，多个分离仓在电容器的两电极之间沿着与电容器的电极垂直的方向依次排布，或多个分离仓在电容器的两电极之间沿着与电容器的电极平行的方向依次排布。

3.根据权利要求1所述的具有再生电能的电容去离子及净水装置，其特征在于，所述装置还包括：水合阴离子池、纯水池和水合阳离子池；

所述水合阴离子层经过分离区后进入水合阴离子池，所述水合阳离子层经过分离区后进入水合阳离子池，所述纯水层经过分离区后进入纯水池；

水合阳离子池与水合阴离子池构成再生电池的正负极。

4.根据权利要求1所述的具有再生电能的电容去离子及净水装置，其特征在于，所述装置还包括：待处理水溶液池；

待处理水溶液池用于存放待处理水溶液，并将待处理水溶液通过增压区输送至分离区。

5.一种如权利要求1-2任一项所述的一种具有再生电能的电容去离子及净水装置中的分离仓。

6.一种如权利要求1所述的一种具有再生电能的电容去离子及净水装置中分离仓的制作方法，其特征在于，包括：

利用水加外电场方法制备纳米管束；

利用电子束或离子束分别制备三个预设尺寸的互连纳米管束；

利用绝缘二维材料分别包裹三个互连纳米管束，并用离子束固连绝缘二维材料与互连纳米管束，获得三个纳米尺度的通道；

铺设第一层隔离层；

在所述第一层隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道；

在最后一个铺设的纳米尺度的通道上铺设第二层隔离层；

采用绝缘二维材料沿着所述通道的纵向延伸方向连接第一层隔离层和第二层隔离层，形成封装层，以将三个纳米尺度的通道封装在封装层内，获得分离仓。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，每个纳米尺度的通道为长方体形状；

长方体形状的长c、宽b和高a满足：b>>c>>a>>50nm。

8.一种如权利要求1所述的一种具有再生电能的电容去离子及净水装置中包括多个分离仓的分离区制作方法，其特征在于，包括：

利用水加外电场方法制备纳米管束；

利用电子束或离子束分别制备多个预设尺寸的互连纳米管束；

利用绝缘二维材料分别包裹每个互连纳米管束，并用离子束固连绝缘二维材料和互连纳米管束，获得多个纳米尺度的通道；

铺设一层隔离层；

在所述隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道，并在最后一个铺设的纳米尺度的通道上再铺设一层隔离层；

重复进行“在所述隔离层上顺序铺设三个纳米尺度的通道，并在最后一个铺设的纳米尺度的通道上再铺设一层隔离层”，直至满足分离仓的个数要求；

采用绝缘二维材料沿着通道的纵向延伸方向顺次连接所有隔离层，形成分离区。