CN207002348U - 一种电容去离子装置的电极结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种电容去离子装置的电极结构，包括正极(151)和负极(152)，其特征在于：在正极(151)表面包含一层阳离子阻挡层(21)，或/和在负极(152)表面包含一层阴极阻挡层(22)；所述阳离子阻挡层(21)仅允许阴离子通过，阳离子无法通过；所述阴极阻挡层(22)仅允许阳离子通过，阴离子无法通过。

Description

一种电容去离子装置的电极结构
技术领域
本实用新型涉及一种污水处理装置，尤其是涉及一种电容去离子装置的电极结构。
背景技术
目前国内外已有的主要水除盐技术包括热法、化学法、膜法及电吸附法等。热法的投资及运行成本均超高，适用于特殊行业，不适用于一般水及大规模应用；膜法包括纳滤、超滤、反渗透等，其出水水质较好，但投资大、运行成本高、有二次污染；而化学法再生时需消耗大量的酸、碱、盐，对环境有极大的污染。
电吸附法成本低、抗污染能力强、使用简单，尤其适用于高污染水处理，但由于电极材料易被氧化，产生具有离子交换作用的酸性官能团，降低其除盐效率，限制了其应用。
目前解决电极材料氧化问题的手段均是在材料氧化到一定程度、除盐率下降到一定程度后，采用化学或电化学还原的方法，将电极材料还原，以回复其性能，但该方法操作困难、难于控制，需采用大量还原性溶液，如乙二胺，会造成极大的环境污染，且控制不好会对电极材料造成永久性损伤，导致设备报废。
实用新型内容
本实用新型设计了一种电容去离子装置的电极结构，其解决的技术问题是现有电吸附除盐技术的除盐效率低、使用寿命短的缺点。
为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案：
一种电容去离子装置的电极结构，包括正极(151)和负极(152)，其特征在于：在正极(151)表面包含一层阳离子阻挡层(21)，或/和在负极(152)表面包含一层阴极阻挡层(22)；所述阳离子阻挡层(21)仅允许阴离子通过，阳离子无法通过；所述阴极阻挡层(22)仅允许阳离子通过，阴离子无法通过。
进一步，包括多个正极(151)和多个负极，它们都平行设置的，一最外端的负极(152)夹持在负极配电板(32)和阴极阻挡层(22)之间，另一最外端的正极(151)夹持在阳离子阻挡层(21)与正极配电板(31)之间，其他每两个正负极集成为一双面电极(153)，多个双面电极(153)夹持在上述一正极和一负极之间。
一种电容去离子装置，包括脱盐装置管体(1)，在脱盐装置管体(1)的一端设有含金属离子污水的进水口(11)，在脱盐装置管体(1)内部设有一布水器(141)，布水器(141)一端封闭，该封闭端靠近进水口(11)，其另一端设有出水口(12)，布水器(141)的表面均匀设有复数个进水孔(141)；所述布水器(141)串接多个平行设置的电极片(15)；含金属离子的污水依次通过进水口(11)、脱盐装置管体(1)与其最近的电极片(15)之间的垂直水道(16)、脱盐装置管体(1)与多个电极片(15)之间的水平水道(17)、相邻两个电极片(15)之间的垂直水道、布水器(141)的进水孔(141)以及布水器(141)的出水口(12)，其特征在于：所述电极片(15)包括正极(151)和负极(152)，在正极(151)表面包含一层阳离子阻挡层(21)，或/和在负极(152)表面包含一层阴极阻挡层(22)；所述阳离子阻挡层(21)仅允许阴离子通过，阳离子无法通过；所述阴极阻挡层(22)仅允许阳离子通过，阴离子无法通过。
进一步，在脱盐装置管体(1)上还设有直排口(13)，其将脱盐装置管体(1)所储存浓度高的污水直接放空，所述浓度高的污水为电极片(15)充分放电后在脱盐装置管体(1)形成的污水，
进一步，所述直排口(13)设有阀门(131)。
进一步，所述多个电极片(15)除了最外端的两个为单面电极，其他的电极片(15)都为双面电极。
该电容去离子装置的电极结构具有以下有益效果：
(1)本实用新型在阴、阳极表面分别添加一张阳、阴离子交换膜，在阳极表面的阴离子交换膜，仅允许阴离子通过，这样即使阳极材料在长期工作发生氧化时，虽然表面会生成一些具有离子交换作用的酸性官能团，但由于无法接触阳离子，因而不会发生离子交换作用，因而电极表面的吸附位不会被占据，阳极即使在氧化的状态下依然发挥吸附作用，且保持较高的电流效率。
(2)本实用新型阳极表面生成的酸性官能团均是亲水的，更有利于水溶液的除盐。因此，本实用新型克服阳极氧化的弊端，同时发挥了阳极氧化带来的好处。
(3)本实用新型利用增加放电静置时间和使脱盐设备放空的方法来简化再生流程，并提高再生效果的方法，尤其是利用延长放电静置时间的方法使吸附饱和之后的电容去离子设备充分放电，然后把设备内所存储的浓水直接放空外排，能够在提高设备再生效果的同时，还能够进一步提高系统的产水率。
附图说明
图1：本实用新型的电容去离子装置的电极结构示意图。
图2：本实用新型电容去离子装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-脱盐装置管体；11-进水口；12-出水口；13-直排口；131-阀门；14-布水器；141-进水孔；15-电极片；151-正极；152-负极；153-双面电极；16-垂直水道；17-水平水道；18-进水端板；19-出水端板；21-阳离子阻挡层；22-阴离子阻挡层；31-正极配电板；32-负极配电板。
具体实施方式
下面结合图1和图2，对本实用新型做进一步说明：
如图1所示，一种电容去离子装置的电极结构，包括正极151和负极152，在正极151表面包含一层阳离子阻挡层21，或/和在负极152表面包含一层阴极阻挡层22；阳离子阻挡层21仅允许阴离子通过，阳离子无法通过；阴极阻挡层22仅允许阳离子通过，阴离子无法通过。
具体来说，包括多个正极151和多个负极，它们都平行设置的，一最外端的负极152夹持在负极配电板32和阴极阻挡层22之间，另一最外端的正极151夹持在阳离子阻挡层21与正极配电板31之间，其他每两个正负极集成为一双面电极153，多个双面电极153夹持在上述一正极和一负极之间。
优点：
1、环状，容易密封，不漏水；
2、电极尺寸小，直径150-500mm，易生产；
3、圆周进水、圆心出水，材料利用率高。因进水含盐浓度相对较高，在圆周接触的面积较大，当水流逐渐流向圆心时，含盐量逐渐降低，接触的面积也逐渐变小，电极材料的利用率最大化。
下文仅以添加离子交换膜为例对本实用新型进行说明：构成电化学除盐单元的阴、阳极为三维电极，可采用颗粒活性炭、活性炭毡、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯等，其共同特性是比表面积大、导电性好。
构成电化学除盐单元的阳极在长时间通电条件下，阳极材料会发生氧化反应，单质碳会被氧化成羟基、羧基、羰基等酸性基团，这些基团具有阳离子交换性能，会和水中的钙离子、钾离子等阳离子发生离子交换作用，类似于离子交换树脂的功能。而作为阳极，我们所需要的功能是吸附阴离子，而不是交换阳离子，如果有交换的阳离子存在，不仅占据了吸附位，影响单位质量阳极的吸附容量，同时阳极的正电也会对阳离子产生排斥作用，降低电流效率，当该情况达到极致，电化学除盐单元的除盐功能会彻底消失，电流效率降至零。
本实用新型中所设计的阴阳离子阻挡层，其实就是电渗析中所使用的离子交换膜，它是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜.因为一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。即能透过阴离子而阻挡阳离子的称为阳离子阻挡层，透过阳离子而阻挡阴离子的称为阴离子阻挡层。
在电极表面不存在离子选择性材料时，通过的电流一方面由于吸附电性相反的粒子(有用功)，另一方面用于排斥电性相同的粒子(无用功)，因此吸附的电流效率不是100％。而在存在离子选择性材料时，在不考虑其它能耗时，用于吸附的电流效率理论上接近100％。
目前限制电吸附应用的另一个因素是再生速度，因电吸附除盐是间断运行的，当电极材料吸附饱和后，需要对其进行再生。在不存在离子选择性材料时，再生时只能通电短接，靠自然扩散将带电粒子从材料解析出来，通常较慢，因为吸附时有电场力驱动，而再生时没有电场力驱动，只能靠自然扩散，电吸附的有效产水效率降低。
而本实用新型在电极表面添加了一层离子选择性物质，这样，再生时可是施加反向电场，提供再生驱动力，使再生非常彻底，并能极大缩短再生时间。是电吸附的产水效率极大提升。
本实用新型在阴、阳极表面分别添加一张阳、阴离子交换膜，在阳极表面的阴离子交换膜，仅允许阴离子通过，这样即使阳极材料在长期工作发生氧化时，虽然表面会生成一些具有离子交换作用的酸性官能团，但由于无法接触阳离子，因而不会发生离子交换作用，因而电极表面的吸附位不会被占据，阳极即使在氧化的状态下依然发挥吸附作用，且保持较高的电流效率，另外，阳极表面生成的酸性官能团均是亲水的，更有利于水溶液的除盐。因此，本实用新型克服阳极氧化的弊端，同时发挥了阳极氧化带来的好处。
阴阳离子阻挡层的工作原理是：阻挡层只是阻挡污水中需要隔离的同种电荷的离子在电极表面附近的存在(如正极吸附水中的阴离子Cl-、SO4 2-等，而阻挡相应的阳离子Na+、Ca2+等的靠近，但是为了使得整体的电荷达到平衡会有水离解出来的H+进来补充。同理，在负极表面吸附阳离子时，其它的阴离子不能接近只有OH-来补充)。如此，在正极表面的就是污水中要分离出来的阴离子和一部分H+氢离子、负极表面为相应的阳离子和一部分OH-氢氧根离子，而流出的水中的各种阴阳离子就会越来越少，多余的氢离子和氢氧根离子也会相互中和。
下表是本实用新型与现有技术使不使用离子阻挡层后的效果对比表：
不含离子阻挡层 包含离子阻挡层
工作时间 30min 30min
再生时间 ≥30min ≤15min
有效产水时间 ＜50％ ＞67％
如图2所示，一种电容去离子装置，包括脱盐装置管体1，在脱盐装置管体1的一端设有含金属离子污水的进水口11，在脱盐装置管体1内部设有一布水器141，布水器141一端封闭，该封闭端靠近进水口11，其另一端设有出水口12，布水器141的表面均匀设有复数个进水孔141；布水器141串接多个平行设置的电极片15；含金属离子的污水依次通过进水口11、脱盐装置管体1与其最近的电极片15之间的垂直水道16、脱盐装置管体1与多个电极片15之间的水平水道17、相邻两个电极片15之间的垂直水道、布水器141的进水孔141以及布水器141的出水口12，其特征在于：电极片15包括正极151和负极152，在正极151表面包含一层阳离子阻挡层21，或/和在负极152表面包含一层阴极阻挡层22；阳离子阻挡层21仅允许阴离子通过，阳离子无法通过；阴极阻挡层22仅允许阳离子通过，阴离子无法通过。
在脱盐装置管体1上还设有直排口13，其将脱盐装置管体1所储存浓度高的污水直接放空，浓度高的污水为电极片15充分放电后在脱盐装置管体1形成的污水，直排口13设有阀门131。多个电极片15除了最外端的两个为单面电极，其他的电极片15都为双面电极。
利用图2中的装置可以实现以下再生方法：一种电容去离子装置的再生方法，包括以下步骤：
步骤1、电容去离子装置通电吸附污水中的金属离子完成后，通过增加短接放电时间使得金属离子与电极片进行充分分离，形成含金属离子浓度高的浓水；
步骤2、将电容去离子装置中的浓水直接放空。
步骤3、对电容去离子装置进行补水。
步骤3中的补水来源可以来自电容去离子装置处理后的污水。
步骤1中的通电吸附时间＝短接放电静置时间+放空的时间+补水的时间。
本实用新型利用增加放电静置时间和使脱盐设备放空的方法来简化再生流程，并提高再生效果的方法，尤其是利用延长放电静置时间的方法使吸附饱和之后的电容去离子设备充分放电，然后把设备内所存储的浓水直接放空外排，能够在提高设备再生效果的同时，还能够进一步提高系统的产水率。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电容去离子装置的电极结构，包括正极(151)和负极(152)，其特征在于：在正极(151)表面包含一层阳离子阻挡层(21)，或/和在负极(152)表面包含一层阴极阻挡层(22)；所述阳离子阻挡层(21)仅允许阴离子通过，阳离子无法通过；所述阴极阻挡层(22)仅允许阳离子通过，阴离子无法通过。
2.根据权利要求1所述电容去离子装置的电极结构，其特征在于：包括多个正极(151)和多个负极，它们都平行设置的，一最外端的负极(152)夹持在负极配电板(32)和阴极阻挡层(22)之间，另一最外端的正极(151)夹持在阳离子阻挡层(21)与正极配电板(31)之间，其他每两个正负极集成为一双面电极(153)，多个双面电极(153)夹持在上述一正极和一负极之间。
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CN109081404A (zh) * 2017-06-13 2018-12-25 郭洪飞 一种电容去离子装置的电极结构
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