CN1330043A

CN1330043A - 多级电容去离子装置

Info

Publication number: CN1330043A
Application number: CN 01129623
Authority: CN
Inventors: 陈福明
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2002-01-09
Anticipated expiration: 2021-06-25
Also published as: CN1133592C

Abstract

本发明涉及一种多级电容去离子装置,包括端板和电极单元,电极单元为多极,每个电极单元包括二个集电极、二个垫片和一个电极框;集电极、垫片、电极框、垫片、集电极依次由绝缘螺栓通过通孔将其叠装后穿在端板之间。垫片和电极框为框形,在两者形成的框内空间中,依次设有工作电极、隔板和工作电极。本发明装置,结构紧凑,同一装置中液体流路既可以串联也可以并联,可提高离子去除率,还可用于对溶液中离子物质进行去除或浓缩。

Description

多级电容去离子装置

本发明涉及一种多极电容去离子装置，在化工、环境、制药、食品、半导体等行业中，用于水溶液或有机溶液中离子物质的去除或浓缩，属化工设备技术领域。关于电容去离子装置的现有专利有：美国专利5192432和JP94-325983。这些专利所涉及的都是单级装置。实际应用时，为了达到较高的分离效果，往往要将多个装置串联起来使用。这样串联的装置不仅占地面极较大，而且在装置材料上造成很大的浪费。另外，美国专利US5425858所提供的多级装置，内部液体流路被固定，缺乏操作灵活性，而且由于其集电极上开有液孔，造成处理效果下降。

本发明的目的在于设计一种多极电容去离子装置，克服已有技术的缺点，使去离子装置的结构简单而且紧凑，同一装置中液体流路既可以串联也可以并联，提高离子去除率，还可以用该装置对溶液中离子物质进行去除或浓缩。

本发明设计的多级电容去离子装置，包括端板和电极单元，电极单元为多极，多个电极单元依次置于两个端板之间。每个电极单元包括二个集电极、二个垫片和一个电极框；端板、集电极、垫片和电极框的四个角部各开有通孔，集电极、垫片、电极框、垫片、集电极依次由绝缘螺栓通过通孔将其叠装后穿在端板之间。垫片和电极框为框形，在两者形成的框内空间中，依次设有工作电极、隔板和工作电极；所述的电极框的两个侧向框架的外侧，设有上、下进出口。

上述装置的集电极上有一凸出部分，以用于连接导线。

本发明的设计的多级电容去离子装置，其端板数量与单级电容去离子装置相同，只有两块；而一个N级的电容去离子装置只需要(N＋1)块集电极。因此采用本发明的多级电容去离子装置可以节约大量的材料，大大降低设备的成本，且设备非常紧凑，占地面积小。

本发明的多级电容去离子装置中各个电极单元的集电极可以按正、负、正、负…或负、正、负、正…的顺序并联起来，也可以只在最外两端的集电极分别连接正负极而串联使用。电极并联时，电源只需提供较低的电压，但要提供相对较大的电流，而当电极串联时，电源只需提供较小的电流，但要提供相对较高的电压。

本发明的多级电容去离子装置中各个电极单元中电极框上的进、出液口可以通过液流导管按顺序串联起来，这时被处理的液体就会顺序流过每个电极单元，一次通过分离效果较好，但处理液流量较小，也可以并联起来，这时被处理的液体就会同时流过每个电极单元，一次通过分离效果较差，但处理液流量较大。

附图说明：

图1是本发明设计的去离子装置的结构示意图。

图2是装置中左端第一个电极单元的结构示意图。

图3是去离子装置的使用状态图。

图4是图3的俯视图。

图5和图6是两种不同的去离子工艺流程图。

图7至图10为本发明装置的应用实例效果图。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。

图1至图6中，1是端板，2是集电极，3是垫片，4是电极框，5是工作电极，6是隔膜，7是进出液管，8是圆形穿孔，9是螺栓，10是液流导管，11是原液储罐，12是液泵，13是本发明的装置，14是电导率检测池，15是控制阀，16是去离子液罐，17是浓缩液罐，18是直流电源。

以下以三级电容去离子装置为例，说明本发明的多级电容去离子装置。

图1为三级电容去离子装置剖视图。

以右端板开始的第一级为例，其结构与装配顺序如图2所示。

每一级的结构为：在隔膜6的两侧配置活性炭电极5，5，装入电极框4，在电极框4的两侧配置垫片3，3，然后在活性炭电极5，5和垫片3，3的外侧配置集电极2，2(相邻两级公用一个集电极)。最后在第一级的右侧集电极的右侧和最后一级的左侧集电极的左侧配置端板1，1。隔膜6采用滤纸、多孔高分子膜、海绵、织布、不织布等具有电绝缘性的但液体能通过的薄片，厚度约0.02-3mm。活性炭电极5采用高比表面积活性炭。所谓高比表面积活性炭是指BET比表面积在1000m²/g以上的活性炭。而活性炭的形态可以是粉状、粒状或纤维状。使用粉状或粒状活性炭时，一般要添加少量的粘接剂，压制成型，并进行适当的热处理。活性炭电极的厚度约为0.1-5mm。集电极2采用具有良好导电性能的铜板、铝板、碳板或石墨板等，厚度主要视材料的强度和加工性而定，一般为0.1-3mm。集电极上侧或左侧或右侧有一小块突出，装配后暴露在外，以便连接导电线。垫片3采用弹性较好的橡胶制作，厚度1-2mm。电极框4采用塑料或有机玻璃等不导电的、且具有较高强度的材料制作。电极框4的内空间加上垫片3的内空间刚好能容纳两枚活性炭电极和一枚隔膜。电极框4的一侧上方和另一侧下方分别设有进出液管7。实际使用时，为了排除电极框中可能残存的气泡，一般要从下方进液，从上方出液。端板1采用不导电的高强度材料(如聚氯乙烯塑料、经绝缘处理过的碳钢或不锈钢等)制作，厚度以能承受装配时的应力为准，即要保证装配时不发生形变。在端板1、集电极2、垫片3和电极框4的相同方位上，根据需要开有适当数量的圆形穿孔8，用于螺栓固定。各部件按图1的顺序排列好后，用螺栓9固定，即得到一个完整的电容去离子装置。对于金属螺栓，为了避免螺栓与集电极的直接接触而造成短路，必须对螺栓进行绝缘处理。绝缘处理的方法包括用绝缘胶带缠绕或绝缘漆涂层等。

溶液去离子方式有两种：一次通过型和循环通过型。

图5所示为一次通过型电容去离子系统示意图。被处理溶液由原液储罐11经送液泵12连续地送至电容去离子装置13，流出液在电导率检测池14测量电导率后，通过控制阀15送至去离子液罐16或浓缩液罐17。在去离子过程中，直流电源18向电容去离子装置提供指定的电压，得到的去离子液进入去离子液罐16。当电容达到充电饱和(即电容去离子装置流出液的电导率接近原液)时，切断电源，并对电容去离子装置的电极实施短路，使电容放电，即得到浓缩液(进入浓缩液罐17)。放电过程完成后，就进入下一个工作循环。

图6所示为循环通过型电容去离子系统示意图。被处理溶液由原液储罐11经送液泵12送至电容去离子装置13，流出液返回原液储罐，测定原液储罐中溶液电导率的变化即可把握去离子效果。在去离子过程中，直流电源18向电容去离子装置提供指定的电压。当电容达到充电饱和即原液储罐中溶液电导率基本不变时，将原液储罐中的溶液送至去离子液罐16。然后向原液储罐补充原液，切断电源，并对电容去离子装置的电极实施短路，使电容放电，即得到浓缩液，浓缩液送至浓缩液罐17。放电过程完成后，就进入下一个工作循环。

实施例1：

采用外形尺寸为100mm×100mm×5mm、内空尺寸为80mm×80mm×5mm的有机玻璃电极框5个，80mm×80mm×3.5mm活性炭纤维毡电极10枚(活性炭纤维的比表面积为1500m²/g，共计11.3g)，80mm×80mm×2mm海绵隔膜5枚，外形尺寸和内空尺寸分别为100mm×100mm×2mm和80mm×80mm×2mm的硅橡胶垫片10枚，105mm×100mm×2mm石墨板集电极6枚，100mm×100mm×10mm聚氯乙烯端板2块，按顺序装配以上部件，并用4根螺栓(用绝缘胶带进行绝缘)固定，制作一个5级电容去离子装置。

实施例2：

采用外形尺寸为100mm×100mm×5mm、内空尺寸为80mm×80mm×4mm的有机玻璃电极框10个，80mm×80mm×3mm活性炭成型电极20枚(比表面积为1000m²/g的粉末活性炭85％＋聚四氟乙烯10％＋炭黑5％，用适当溶剂分散混合后，压制成型)，80mm×80mm×2mm海绵隔膜10枚，外形尺寸为100mm×100mm×2mm、内空尺寸80mm×80mm×2mm的硅橡胶垫片20枚，105mm×100mm×2mm石墨板集电极11枚，100mm×100mm×10mm聚氯乙烯端板2块，按顺序装配以上部件，并用4根螺栓(用绝缘胶带进行绝缘)固定，制作一个10级电容去离子装置

实施例3：

利用实施例(1)的多级去离子装置，将液流串联，集电极也采用串联连接。采用循环通过型操作方式对1.1升电导率为26.9mS/m的自来水脱盐，流速采用3ml/min。首先对多级去离子装置施加5.1V的直流电，大约10小时后，水的电导率降为15.2mS/m，再将电压升至10.1V，电导率继续下降，到第25小时，已降为6.3mS/m。此后，停止给多级去离子装置供电，并实施短路，使其放电，将离子释放回溶液中。大约2小时后，溶液的电导率基本恢复到原液的水平。电导率随时间的变化如图7所示。

实施例4：

利用实施例(1)的多级去离子装置，将液流并联，集电极也采用并联连接。采用循环通过型操作方式对1.1升电导率为28.8mS/m的氯化钠水溶液进行脱盐，流速采用6ml/min。首先对多级去离子装置施加1.1V的直流电，大约10小时后，溶液的电导率降为14.2mS/m，此后电导率基本维持不变。再将电压升至2.1V，电导率继续下降，大约10小时后，降为6.6mS/m。此后，停止给多级去离子装置供电，并实施短路，使其放电，将离子释放回溶液中。大约2小时后，溶液的电导率基本恢复到原液的水平。此操作过程中，溶液电导率随时间的变化如图8所示。

实施例5：

利用实施例(1)的多级去离子装置，将液流串联，而集电极采用并联连接。采用一次通过型操作法对电导率为26.0mS/m的自来水进行脱盐，自来水以3ml/min的恒定流量连续送入去离子装置。当装置出水的电导率稳定于26.0mS/m左右时，给去离子装置施加2V的直流电。通电后，装置出水的电导率迅速下降，达到最小值13.2mS/m后又开始回升。当装置出水的电导率升至24mS/m左右时，停止供电，并将去离子装置的电极短路。此后，装置出水的电导率迅速升高，达到最大值37.0mS/m后又开始下降。装置出水的电导率随时间的变化如图9所示。

实施例6：

利用实施例(2)的多级去离子装置，将液流串联，集电极也采用串联连接。采用一次通过型操作法对电导率为26.8mS/m的自来水进行脱盐，自来水以3ml/min的恒定流量连续送入去离子装置。当装置出水的电导率稳定于26.8mS/m左右时，给去离子装置施加18V的直流电。通电后，装置出水的电导率迅速下降，达到最小值6.4mS/m后又开始回升。当装置出水的电导率升至25mS/m左右时，停止供电，并将去离子装置的电极短路。此后，装置出水的电导率迅速升高，达到最大值49mS/m后又开始下降。装置出水的电导率随时间的变化如图10所示。

Claims

1、一种多级电容去离子装置，其特征在于，该装置包括端板和电极单元，电极单元为多极，多个电极单元依次置于两个端板之间：每个电极单元包括二个集电极、二个垫片和一个电极框；端板、集电极、垫片和电极框的四个角部各开有通孔，集电极、垫片、电极框、垫片、集电极依次由绝缘螺栓通过通孔将其叠装后穿在端板之间；所述的垫片和电极框为框形，在两者形成的框内空间中，依次设有工作电极、隔板和工作电极；所述的电极框的两个侧向框架的外侧，设有上、下进出口。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述的集电极上有一凸出部分，以用于连接导线。