CN116693002A - 一种双电层吸附海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双电层吸附海水淡化装置及方法，所述双电层吸附海水淡化装置包括一腔室、位于腔室一侧的海水进口、位于腔室另一侧的淡水出口和浓盐水出口，所述腔室内设有至少一个双电层吸附电极，所述双电层吸附电极的阳极和阴极分别与电源正极、负极相连通。本发明的双电层吸附海水淡化装置利用高比表面积活性材料制备成阴阳电极，并在阴阳电极上通电，使海水穿过阴阳电极，阴阳电极上的带电高比表面积活性材料通过静电双电层吸附原理，将海水中的阴阳离子分别吸附在阳阴极活性材料表面，从而完成海水的淡化。

Description

一种双电层吸附海水淡化装置及方法

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种双电层吸附海水淡化装置及海水淡化的方法。

背景技术

由于世界淡水资源的紧张，海水淡化一直以来都是世界许多国家研究的热点和难点。目前国内外常用的方法主要有：蒸馏法、电渗析、离子交换、多层闪蒸、反渗透等。其中，电渗析的优点在于操作方便，适合处理高含盐的水，属粗除盐设备，缺点在于水耗和电耗较大，且其进水要求较高；离子交换用填充床或混床，属传统工艺，优点在于设备投资较低，缺点在于运行成本高，需要化学再生造成二次污染或需要二次净化，对操作人员要求稍高，一般处理含盐浓度不高的废水；反渗透(RO膜法)，如专利CN200710017966.6采用反渗透膜装置进行脱盐处理，将海水通过自清洗过滤器，至超滤装置中进行预处理，经增压过滤去除反渗透系统进水中可能存在的微小颗粒，再提升反渗透装置进水压力，进行脱盐处理。该方法优点在于自动化程度高，吨处理成本4.02元/吨，去除率高于电渗析，操作方便；缺点在于投资较大，虽然运行成本较电渗析低，但仍然高达4-5度电/吨水，且对进水要求较高，需除去大于1微米的所有颗粒；同时得水率较低，每2至3吨原水才能制备1至2吨淡水。

CN101481159B公开了一种可实现能量回收的低能耗海水电脱盐装置及方法。该电脱盐装置是由集电阴极，活性炭阴极，可透分离介质，活性炭阳极，集电阳极构成。其特点是采用活性炭电极双电层吸附，形成超级电容的结构特性。在充电与脱盐过程中，离子或带电荷的粒子将吸附富集于该电脱盐装置中的活性炭电极，而装置的内腔可回收净化后的水或淡水；在放电与电极再生的过程中，离子或带电荷的粒子从活性炭电极上解吸，回到溶液体系中，得到的浓盐水可用于回收苦成水或海水中的盐。该电脱盐装置可用于海水或苦成水淡化，或含离子废水的净化与金属回收；本发明能使海水或苦成水淡化至至C1-≤30ppm的淡水，处理水的运行成本≤1元/吨。但该装置存在效率低的缺陷。

CN103332811 B公开了一种苦咸水淡化方法及其应用装置，针对电容脱盐效率低的缺陷，集成了电容脱盐过程和正渗透过程，利用电容脱盐降低苦咸水的浓度，再通过正渗透过程，进一步稀释苦咸水，反复循环，降低了离子浓度，提高了电容脱盐效率，实现了高浓度的海水脱盐淡化。与目前商业化蒸馏法和反渗透法的苦咸水淡化方法相比较，具有设备简单，操纵便捷可控，无须消耗化学药品，不产生环境污染的优势，但仍然存在经济性较差的问题。

因此，仍旧需要提供一种经济性的海水淡化装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用双电层吸附原理淡化海水的装置。

本发明的另一目的在于提供这种海水淡化装置用于海水淡化的方法。

为实现以上发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种双电层吸附海水淡化装置，包括一腔室、位于腔室一侧的海水进口、位于腔室另一侧的淡水出口和浓盐水出口，所述腔室内设有至少一级双电层吸附电极结构，所述双电层吸附电极结构的阳极和阴极分别与电源正极、负极相连通。

在一个具体的实施方案中，所述腔室内设有两级及以上的双电层吸附电极。

在一个具体的实施方案中，所述双电层吸附电极结构的阳极和阴极两端通过密封胶条绝缘密封并固定在所述腔室的侧壁。

在一个具体的实施方案中，所述双电层吸附电极结构按与海水行进方向的垂直方向设置。

在一个具体的实施方案中，所述海水进口、淡水出口和浓盐水出口设有调节流量的阀门。

在一个具体的实施方案中，所述双电层吸附电极结构由阴极膜、隔离膜和阳极膜构成；优选地，所述双电层吸附电极结构为模切叠片结构或卷绕结构。

在一个具体的实施方案中，所述阴极膜或阳极膜由金属导电网和位于金属导电网表面的活性材料层制成；优选地，所述金属导电网为不锈钢金属导电网，所述活性材料层包括高比表面积活性材料、导电材料和粘结剂；三者的质量比例优选为90:5:5。

在一个具体的实施方案中，所述高比表面积活性材料选自活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶中的至少任一种，所述导电材料选自导电炭黑、导电石墨、导电石墨烯、碳纳米管中的至少任一种，所述粘接剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯酸酯中的至少任一种。

在一个具体的实施方案中，所述阴极膜或阳极膜的制备方法为：由高比表面积活性材料、导电材料和粘结剂通过溶剂制备成浆料后，双面涂布在金属导电网上，并辊压制成；或由高比表面积活性材料、导电材料和粘结剂先制备成自支撑膜后再复合辊压在金属导电网上制成。

另一方面，前述的双电层吸附海水淡化装置用于海水淡化的方法，包括以下步骤：

1)海水从海水进口泵入；

2)海水穿过多级双电层吸附电极结构阵列；

3)多级双电层吸附电极结构通电，带正电一极为阳极，吸附海水中阴离子，带负电一极为阴极，吸附海水中阳离子；

4)海水经过多级双电层吸附电极吸附离子后，变为淡水，从淡水出口流出；

在一个具体的实施方案中，还包括实时监测水中离子浓度，当出水口离子浓度超标时，同时关闭进水口和出水口，将阴阳极放电短接，使阴阳极中吸附的离子脱吸附到容器中水中，打开浓盐水出口，放出容器中的浓盐水，完成阴阳极再生的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的双电层吸附海水淡化装置结构简单，容易工业放大，并且淡化处理能力强，处理成本低于1元/吨。

本发明的双电层吸附海水淡化装置用于海水淡化的方法，当出水口离子浓度超标时，同时关闭进水口和出水口，将阴阳极进行放电电能回收，使阴阳极中吸附的离子脱吸附到容器中水中，并可回收90％以上的电能，打开浓盐水出口，放出容器中的浓盐水，可完成阴阳极的再生。

附图说明

图1是本发明双电层吸附海水淡化装置的结构示意图。

图2是本发明涉及的双电层吸附电极结构装配示意图。

图3是本发明涉及的阴极膜或阳极膜的结构示意图。

其中，1为腔室、2海水进口、3淡水出口、4浓盐水出口、5双电层吸附电极、6密封胶条、7阳极、8阴极、9阀门、10极耳、11引出端子、12安装结构、13隔离膜、14、金属导电网、15活性材料层。

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。

需要说明的是，在本文中，诸如左、右、上、下之类的方位术语仅仅用来按照附图呈现的状态描述装置的结构，但不一定要求或者暗示这些结构只能按照这种方位设置。而且，术语“连接”、“连通”可以是直接连接，也可以是间接连接，可以是电连接或者其它连通方式。

如图1所示，一种双电层吸附海水淡化装置，包括一腔室1、位于腔室左侧的海水进口2、位于腔室右侧的淡水出口3和浓盐水出口4，所述腔室1内设有双电层吸附电极5结构阵列，所述双电层吸附电极结构的阳极7和阴极8分别与电源正极、负极相连通。在海水进口2、淡水出口3和浓盐水出口4所在的管线上可以设置必要的阀门9用于控制流量或关闭进水、出水。

如图1所示，双电层吸附电极结构用密封胶条6与腔室壁绝缘密封并固定在腔室1的上部和下部，阳极7和阴极8与外部电源正负极电连接。

对应地，采用上述双电层吸附海水淡化装置用于海水淡化的方法，包括以下步骤：

1)海水从海水进口泵入；

2)海水穿过一定数量的多级双电层吸附电极；

3)多级双电层吸附电极通1.2V直流电，带正电一极为阳极，吸附海水中阴离子，带负电一极为阴极，吸附海水中阳离子；

4)海水经过多级双电层吸附电极吸附离子后，变为淡水，从淡水口流出。

其中，海水的行进方向例如从左到右，优选地，双电层吸附电极结构阵列垂直海水行进方向设置，即如图1所示的竖直方向设置，即在容器腔室内部垂直均匀设置多个双电层吸附电极形成双电层吸附电极结构阵列，例如3-50个等，但不限于此。

如图2所示，双电层吸附电极结构主要是由阴极膜、隔离膜13和阳极膜构成；阴极膜、隔离膜13和阳极膜三者可以是模切叠片结构，也可以是卷绕结构，这是本领域技术人员所熟知的。其中，隔离膜的作用是隔绝阴阳电极，防止其电子短路，但又有很多的孔隙，可使海水穿过。例如隔离膜的材质可以是聚烯烃拉伸加工、纤维素纸、纤维布、石棉等等材料；

以模切叠片结构为例，多层阳极焊接在一起，通过极耳10与阳极端的引出端子11连接，多层阴极焊接在一起，通过极耳10与阴极端的引出端子11连接；引出端子11固定于安装结构12上，便于端子插入卡槽中。

本发明中，阴极膜或阳极膜的结构如图3所示，包括金属导电网14和位于金属导电网表面的活性材料层15。其中，金属导电网例如是常用的不锈钢金属导电网，使用金属导电网作为支撑并提供导电网络，网状结构可以允许溶液的穿透。

在金属导电网的两面加工上活性材料层；活性材料层中可以包括高比表面积活性材料(又叫活性材料)、导电材料、粘接剂；三者通常按照90：5：5的质量比混合使用。金属导电网的网孔率一般为80％-90％，活性材料层的厚度一般为150um-250um。

其中，高比表面积活性材料是提供双电层吸附作用材料，可以是活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶等；导电材料可以是导电炭黑、导电石墨、导电石墨烯、碳纳米管等；粘接剂可以是聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯酸酯等不溶于水的材料。

具体的阴极膜或阳极膜结构的制备方法没有特别的限制，例如将高比表面积活性材料、导电材料和粘结剂可以通过溶剂制备成浆料后，双面涂布在金属导电网上，并辊压制成；也可以先将三者制备成自支撑膜后再复合辊压在金属导电网上制成。

本发明的双电层吸附海水淡化装置用于淡化海水的方法，还包括阴阳极再生的步骤，具体为：实时监测水中离子浓度，当出水口离子浓度超标时，同时关闭进水口和出水口，将阴阳极放电短接，使阴阳极中吸附的离子脱吸附到容器中水中，打开浓盐水出口，放出容器中的浓盐水，完成阴阳极再生的步骤。

本发明的利用双电层吸附原理淡化海水的装置，利用高比表面积活性材料制备成阴阳电极，并在阴阳电极上通电，使海水穿过阴阳电极，阴阳电极上的带电高比表面积活性材料通过静电双电层吸附原理，将海水中的阴阳离子分别吸附在阳阴极活性材料表面，从而完成海水的淡化。

当阴阳电极中的活性材料吸附饱和后，可以通过反接阴阳极，完成电极中活性材料的脱吸附，并可回收阴阳极双电层吸附产生的电能。

下面通过更具体的实施例进一步解释说明本发明，但不构成任何的限制。

实施例

1)淡化主容器采用绝缘耐腐蚀的塑料材料制造一个长方型，长方型一头安装海水进水口，另一头分别安装淡水口和浓盐水口，每个口上有阀门控制开关；主容器尺寸为：长80cm，宽30cm，高20cm，进水口、淡水口和浓盐水口为圆形，尺寸为直径10cm。

2)主容器的长度方向，四周安装9个卡槽，用于电极板的安装固定；其中宽度方向的卡槽中，带有通电接触点，用于阴阳电极的通电；卡槽中带有密封胶条，用于电极四周的密封，防止海水不通过阴阳电极直接流出；卡槽的内宽是5cm，卡槽的间距是3cm；在第3、第6、第9个卡槽后面安装盐浓度检测点，检测过程实时浓度变化。

3)电极板是由阴电极、阳电极、隔离膜和安装结构构成，长30cm，宽20cm，厚度5cm；阴阳电极使用活性炭和不锈钢钢网制成，组成完全相同；隔离膜使用聚丙烯拉伸膜，厚度15um，孔隙率50％，水可以完全通过，隔离阴阳电极，防止短路；阴阳电极和隔离膜是通过模切叠片的方式组装在一起；在每片阴阳极的两端，有引出极耳，极耳通过超声波焊接汇集一起，并与安装结构上的引出端子通过激光焊接连通；安装结构由绝缘耐腐蚀的塑料材料构成，在两个宽度边上，有两个阴阳极引出端子，用于与卡槽中的通电接触点电路连接。

4)阴阳电极是由活性炭、粘接剂、导电剂和不锈钢网组成；活性炭采用椰壳水蒸气活化，比表面积为1600-1800㎡/g；粘接剂使用聚四氟乙烯；导电剂使用导电炭黑,质量比为90/5/5；不锈钢网使用目数为100目不锈钢网。

5)先将活性炭、导电剂、粘接剂制成自支撑膜后，再在不锈钢网的两侧分别复合两片自支撑膜组成电极。

6)阴阳电极的制作过程是先将活性炭与导电剂使用搅拌机搅拌均匀，然后加入聚四氟乙烯再次搅拌；将搅拌物通过气流磨，使其中的聚四氟乙烯分子纤维化；将纤维化物料通过压延机压延成自支撑膜；再将两片自支撑膜辊压复合在不锈钢网的两边，制成阴阳电极。

采用上述装置进行海水淡化的方法如下：

1)将进水口和淡水口打开，浓盐水口关闭；

2)将阴阳电极通入1.2V的直流电；

3)将海水从进水口不断进入，流入速度是8L/mi n；

4)实时监测水中离子浓度，当出水口离子浓度超标时(总盐度控制在0.45g/kg以下)，同时关闭进水口和出水口，将阴阳极放电短接，使阴阳极中吸附的离子脱吸附到容器中水中，打开浓盐水口，放出容器中水，完成阴阳极的再生。

实验监测到的进水浓度和出水浓度见表1：

表1进出水离子浓度

可以发现，通过本发明的海水淡化装置，可以大大降低海水中的总盐度，淡化后的淡水盐度低，可满足淡水的应用需求。经测算，该装置的处理能力强，处理能力超过8L/min，处理成本低于1元/吨，性价比好。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，包括一腔室、位于腔室一侧的海水进口、位于腔室另一侧的淡水出口和浓盐水出口，所述腔室内设有至少一级双电层吸附电极结构，所述双电层吸附电极结构的阳极和阴极分别与电源正极、负极相连通。

2.根据权利要求1所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述腔室内设有两级及以上的双电层吸附电极。

3.根据权利要求1或2所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述双电层吸附电极结构的阳极和阴极两端通过密封胶条绝缘密封并固定在所述腔室的侧壁。

4.根据权利要求1或2所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述双电层吸附电极结构按与海水行进方向的垂直方向设置。

5.根据权利要求1或2所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述海水进口、淡水出口和浓盐水出口设有调节流量的阀门。

6.根据权利要求1或2所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述双电层吸附电极结构由阴极膜、隔离膜和阳极膜构成；优选地，所述双电层吸附电极结构为模切叠片结构或卷绕结构。

7.根据权利要求6所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述阴极膜或阳极膜由金属导电网和位于金属导电网表面的活性材料层制成；优选地，所述金属导电网为不锈钢金属导电网，所述活性材料层包括高比表面积活性材料、导电材料和粘结剂；三者的质量比例优选为90:5:5。

8.根据权利要求7所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述高比表面积活性材料选自活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶中的至少任一种，所述导电材料选自导电炭黑、导电石墨、导电石墨烯、碳纳米管中的至少任一种，所述粘接剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯酸酯中的至少任一种。

9.根据权利要求7所述的双电层吸附海水淡化装置，其特征在于，所述阴极膜或阳极膜的制备方法为：由高比表面积活性材料、导电材料和粘结剂通过溶剂制备成浆料后，双面涂布在金属导电网上，并辊压制成；或由高比表面积活性材料、导电材料和粘结剂先制备成自支撑膜后再复合辊压在金属导电网上制成。

10.权利要求1～9任一项所述的双电层吸附海水淡化装置用于海水淡化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)海水从海水进口泵入；

2)海水穿过多级双电层吸附电极结构阵列；

3)多级双电层吸附电极结构通电，带正电一极为阳极，吸附海水中阴离子，带负电一极为阴极，吸附海水中阳离子；

4)海水经过多级双电层吸附电极吸附离子后，变为淡水，从淡水出口流出；

优选地，还包括实时监测水中离子浓度，当出水口离子浓度超标时，同时关闭进水口和出水口，将阴阳极放电短接，使阴阳极中吸附的离子脱吸附到容器中水中，打开浓盐水出口，放出容器中的浓盐水，完成阴阳极再生的步骤。