CN1328182C - 液流式电容型海水淡化装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用纳米碳管的液流式电容型海水淡化装置及其制造方法，属海水处理及电化学技术领域。该装置主要以纳米碳管为电极材料，其特征在于该装置的核心部件为一对中间夹置有共用集电极的纳米碳管电极片所构成的组合电极；所述的一对组合电极两者中间设置有一层绝缘织物隔离膜、一对组合电极外侧各设有一导水板，导水板上开有槽口；被处理的海水可由下部进水口通过导水板上的槽口进入水容器内以曲折液流方式至上部导水板及与其槽口相通得出水口流出；电极上端伸出有等电极；水容器的底部和顶部各设有密封防水橡胶垫圈；中间核心部件通过其周围的钢板支架和压紧螺栓螺母固定。本发明装置结构简单，操作简单，能耗小、脱盐率高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用纳米碳管的液流式电容型海水淡化装置及其造方法，属海水处理及电化学技术领域。
背景技术：
海水淡化，又称海水脱盐，它是通过装置和设备除去海水中的盐分，并使之淡化的工艺过程。现有海水淡化方法主要有蒸馏法，包括多级闪蒸(MSF)、多级蒸发(MED)和压气蒸馏(VC)以及膜法，包括反渗透(SWRO)和电渗析(ED)。
美国专利US5538611、US6413409、US5547581等文献中提到了液流式电容型海水淡化法，该方法利用双电层原理，以碳材料为电极材料，形成电吸附装置。主要工作原理为，在通电的条件下，当盐水通过该装置时，水中的可溶性盐的离子向荷电相反的电极移动并吸附在电极上，当可溶性盐的电极上达到饱和吸附时，通过短接或者时反接的方式使电极上吸附的离子脱附，从而达到电极再生的目的。
该方法中关键的是对电极提出的要求，理论基础为：在极化电极和电解液界面形成的双电层中所积累的电容量C为：
C＝∫ε0ε/(4πδ).dS (1)
其中，ε为电解液的介电常数，ε0为真空时介电常数，δ为电极表面至离子中心的距离，S为电极界面的表面积。提高电极界面表面积是提高双电层电容量的有效办法，从而提高电极对含盐水中离子的吸附量。因此对适于该方法的电极提出要求：具有比表面积大、孔隙发达、导电性好的特点。上述的美国专利都提到了用高比表面积的活性炭作为电极材料，但这种电极，通常有这两方面的缺点：1)虽然活性炭比表面积较大，但由于其微孔占绝大部分，因而实际上溶液离子可以浸入的有效表面积较低；2)活性炭电阻率通常较大。因此，需要寻找一种可使溶液离子浸入内部，比表面积较大的导电性优良的材料作为电极。
纳米碳管是具有特殊的中孔结构，比表面积大，溶液离子可以渗透到其内部，有效比表面积大；另外，纳米碳管还有一个特殊的性能，其电阻率较低，导电性良好。在中国专利CN1308348A中提到了一种掺杂纳米碳管的超大容量电容器，但没有针对海水淡化装置电极的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用纳米碳管制造的液流式电容型海水淡化装置。
本发明的一种液流式电容型海水淡化装置，主要以纳米碳管为电极材料，其特征在于该装置的核心部件为一对中间夹置有共用集电极的纳米碳管电极片所构成的组合电极；所述的一对组合电极两者中间设置有一层绝缘织物隔离膜、一对组合电极外侧各设有一导水板，导水板上开有槽口；被处理的海水可由下部进水口通过导水板上的槽口进入水容器内以曲折液流方式至上部导水板及与其槽口相通得出水口流出；电极上端伸出有集电极；水容器的底部和顶部各设有密封防水橡胶垫圈；中间核心部件通过其周围的钢板支架和压紧螺栓螺母固定。
所述的集电极为柔性石墨纸；所述的导水板采用有机玻璃板。
所述的一种液流式电容型海水淡化装置的制造方法，其特征在于该装置的核心部件组合电极的加工方法具有以下工艺步骤：
a.首先制造纳米碳管电极片：采用的纳米碳管的比表面积为100～400m2/g，长度为0.5～40μm，轴径为5～60nm，将该纳米碳管与粘结剂按90∶10～60∶40(质量比)，最佳为80∶20的比例在高速球墨机中进行混合；球磨机转速控制在500～1200转/分钟，最佳为1000转/分钟；经过筛后，将混合粉体置于一定形状模具中，在温度为100～200℃和10～100MPa压力下压制成大小和厚度一定的电极片，热压成型过程中，最佳温度为150℃；最佳压力为25Mpa；将所得电极片在一定温度和压力下的氮气气氛中炭化，炭化温度为500～1000℃，最佳为850℃；压力为0.1～1MPa，最佳为0.5MPa，即得所需电极片；
b.选择和采用导电性好，耐腐蚀性强的柔性石墨纸集电极；
c.然后制作共用集电极的双面电极；将酚醛树脂乳液与导电石墨粉按5∶95～30∶70(质量比)，最佳为10∶90制成导电胶，把上述的纳米碳管电极片与柔性石墨纸集电极相互粘结并成型，然后压制、烘干，最后构成中间夹置有集电极、双面粘贴有纳米碳管电极片的组合电极。
上述方法制成的组合电极可使纳米碳管具有良好的骨架结构。并且能使电流均匀的加到电极上。与单面电极相比，能够节省空间，提高单位体积电极效率。
本发明装置的工作原理为利用双层原理，在外接电源条件下，当含可溶性盐的海水通过电极体系时，海水中的可溶性盐的离子向荷电相反的电极移动并吸附在电极上，从而达到脱盐的目的。当电极上吸附了足够的离子时，将电极正负极反接，吸附在电极上的盐自行脱落、排放，电极得以再生。
本发明利用海水中阴阳离子在导电纳米碳管电极上的电吸附现象，这是一种不同于蒸馏法、膜法的使海水淡化的新方法。
本发明具有诸多优点：工艺装置简单，操作方法简单方便，易于施行，而且能耗小＝、成本低。另外，由于柔性石墨纸为集电极，克服了常规海水淡化中的金属腐蚀，并具有较强的耐压性。
附图说明
图1为本发明海水淡化装置的正视示意图。
图2为发明海水淡化装置的分解立体示意图
在图1、图2中各数字代码的意义如下：
1-绝缘织物隔离膜；2-集电极；2a-槽口；2b-纳米碳管电极片；3-密封垫圈、4-导水板；4a-槽口；5-钢板支架；6-进水口；7-出水口；8-螺孔；9-压紧螺栓螺母。
图3为本发明装置在操作系统中的流程示意图。
图3中各数字代码的意义如下：
10-原水箱；11-淡水蓄水箱；12-水泵；13-流量计；14-直流电源；15-海水淡化装置；16电导率仪；17-高浓度盐水箱；18、19、20-阀门。
具体实施方式
实施例一：参见图1、图2，本液流式电容型海水淡化装置，主要以纳米碳管为电极材料，该装置的核心部件为一对中间夹置有共用集电极2的纳米碳管电极片2b所构成的组合电极；这一对组合电极两者中间设置有一层绝缘织物隔离膜1，如玻璃纤维网布；一对组合电极外侧各设有一导水板4，导水板4上开有槽口4a；被处理的海水可由下部进水口6通过导水板4上的槽口4a进入水容器内以曲折液流方式至上部导水板及与其槽口相通得出水口7流出；电极上端伸出有对电极2；水容器的底部和顶部各设有密封防水橡胶垫圈3；中间核心部件通过其周围的钢板支架5和压紧螺栓螺母9固定。
隔膜的作用是防止电极间短路，起到绝缘作用，同时兼有布水功能。其周围为绝缘柜。
集电极具有电子集结功能，对电极的稳定性、耐电压稳定性等有影响，本实施例中选择了导电性良好、耐腐蚀性强的柔性石墨纸，其它集电极材料如石墨、导电橡胶、金属箔、金属纤维等也可使用。
关于本发明的海水淡化器等的制造方法，即该装置的核心部件组合电极的制造加工方法，它具有以下工艺步骤：
1.首先制造纳米碳管电极片：采用的纳米碳管的比表面积为100～400m2/g，长度为10～40μm，管径为30～60nm；将该纳米碳管与粘结剂以80∶20的比例在高速球磨机中进行混合，球磨机转速为1000转/分；经过筛后，将混合粉体置于一定形状模具中，以150℃的温度和25MPa的压力压制成大小和厚度一定的电极片，将所得电极片在850℃的温度和0.5MPa的压力下，氮气气氛中炭化，即得所需电极片；
2.选择和采用导电性良好，耐腐蚀性强的柔性石墨纸作集电极；
3.然后制作共用一集电极的双面电极：将酚醛树脂乳液与导电石墨粉以10∶90的重量比制成导电胶；把上述的纳米碳管电极片与柔性石墨纸集电极相互粘结并成型，然后压制烘干，最后构成中间夹置有集电极、双面粘结有纳米碳管电极片的组合电极。
关于本发明装置在操作系统中的具体使用情况，可参见其流程示意图图3。
在操作过程中，首先接通外接直流电源14，原水箱10中的海水在水泵12的作用下，通过流量计13调节进水流量，流经海水淡化装置15，并用电导率仪16测试出水浓度。当出水浓度小于1000mg/L时，打开阀门19，关闭阀门18、20，出水收集在淡化蓄水箱11中，当出水浓度大于1000mg/L、小于5000mg/L时，打开阀门18，关闭阀门9、20，海水回入原水箱11，继续进行脱盐处理。电极吸附饱和后，浓度大于5000mg/L时，打开阀门20，同时关闭阀门18、19，将其收集在高浓度盐水箱17中，另行处理。
Claims (4)
1、一种液流式电容型海水淡化装置，主要以纳米碳管为电极材料，其特征在于该装置的核心部件为一对中间夹置有共用集电极(2)的纳米碳管电极片(2b)所构成的组合电极；所述的一对组合电极两者中间设置有一层绝缘织物隔离膜(1)、一对组合电极外侧各设有一导水板(4)，导水板(4)上开有槽口(4a)；被处理的海水可由下部进水口(6)通过导水板(4)上的槽口(4a)进入水容器内以曲折液流方式至上部导水板及与其槽口相通得出水口(7)流出；电极上端伸出有集电极(2)；水容器的底部和顶部各设有密封防水橡胶垫圈(3)；中间核心部件通过其周围的钢板支架(5)和压紧螺栓螺母(9)固定。
2、根据权利要求1所述的一种液流式电容型海水淡化装置，其特征在于所述的集电极(2)为柔性石墨纸；所述的导水板(4)采用有机玻璃板。
3、根据权利要求1所述的一种液流式电容型海水淡化装置的制造方法，其特征在于该装置的核心部件组合电极的加工方法具有以下工艺步骤：
a.首先制造纳米碳管电极片：采用的纳米碳管的比表面积为100～400m2/g，长度为0.5～40μm，轴径为5～60nm，将该纳米碳管与粘结剂按90∶10～60∶40(质量比)，在高速球磨机中进行混合，球磨机转速控制在500～1200转/分钟；经过筛后，将混合粉体置于一定形状模具中热压成型，在温度为100～200℃和10～100MPa压力下压制成大小和厚度一定的电极片，将所得电极片在一定温度和压力下的氮气气氛中炭化，炭化温度为500～1000℃，压力为0.1～1MPa，即得所需电极片；
b.选择和采用导电性好，耐腐蚀性强的柔性石墨纸集电极；
c.然后制作共用集电极的双面电极；将酚醛树脂乳液与导电石墨粉，按5∶95～30∶70(质量比)比例制成导电胶；把上述的纳米碳管电极片与柔性石墨纸集电极相互粘结并成型，然后压制、烘干，最后构成中间夹置有集电极、双面粘贴有纳米碳管电极片的组合电极。
4、根据权利要求3所述的一种液流式电容型海水淡化装置的制造方法，特征在于该装置的核心部件组合电极的加工工艺步骤a的制造纳米碳管电极片步骤中，所述的纳米碳管与粘结剂比例为80∶20；球磨机转速为1000转/分钟；热压成型温度为150℃，压力25MPa；氮气气氛中炭化温度为850℃，压力0.5MPa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI WEIAN NEW MATERIAL RESEARCH CENTER CO., Effective date: 20041224 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20041224 Address after: No. 149, Yanchang Road, Shanghai, Zhabei District Applicant after: Shanghai University Co-applicant after: Shanghai Wei'an New Material Research Center Co.,Ltd. Address before: No. 149, Yanchang Road, Shanghai, Zhabei District Applicant before: Shanghai University |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070725 |