CN208791261U - 一种电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，包括电吸附模块、扩展阴阳极活性炭吸附模块和紧固密封模块，其中电吸附模块是由一对电极和直流稳压电源组成；扩展阴阳极活性炭吸附模块由板框式扩展阳极活性炭室和板框式扩展阴极活性炭室组成，其内均填装颗粒活性炭，并由透水隔离网与电极板进行固定；外部用紧固模块对装置进行紧固密封。本实用新型在强化除盐的同时，同步去除水中的微污染物，克服了活性炭再生效率低的缺点，兼具了低能耗、环境友好等特点，适用于农村微污染苦咸水的处理。
Description
技术领域
本实用新型属于水净化领域，涉及微污染苦咸水的处理，具体涉及一种处理农村微污染苦咸水的电吸附耦合扩展活性炭的装置。
背景技术
随着社会经济的不断发展及人口数量的持续增长，工业生产及生活饮用所需的淡水资源日益匮乏，尤其是中国西北干旱半干旱地区，严重的缺水问题直接制约着当地社会经济的持续发展，因此，对西北地区广泛分布的苦咸水的利用已越来越受到人们的重视。苦咸水具有高矿化度、高硬度等突出问题，长时间饮用苦咸水会对身体造成不良影响。而传统的苦咸水淡化技术，如热蒸馏和反渗透两种方法，热蒸馏即煮沸海水后浓缩蒸馏，而反渗透技术则是在高压下浓缩海水并通过滤膜去除盐分，都需要消耗大量化石能源与电，同时不可避免的去除了部分有益于人体健康的微量元素。而且，大部分淡水紧缺的地区都是能源资源相对缺乏的偏远地区，淡水资源的获取不能以消耗不可再生的能源为代价。
微污染水是指水的物理、化学和微生物指标已不能达到 《地面水环境质量标准》中作为生活饮用水源水的水质要求,水体污染物单向指标,如浑浊度、色度、臭味、硫化物、有毒有害物质、病原微生物等有超标现象,但多数情况下是受有机物微量污染的水源。现有的常规处理工艺不能有效的去除溶解性有机物和部分离子，同时膜技术会去除部分对人体健康有益的铁、锌等微量元素，其次，膜技术存在由于浓差极化和膜污染所造成的膜使用寿命减短、渗透通量随时间延长而下降和操作过程能耗增加等问题。
电吸附除盐技术是一种环保型的去除水中离子的技术，它是电化学理论与双电层理论二者结合的产物。电吸附技术的除盐过程不涉及电子的得失，其所需电流仅用于给吸附电极溶液界面的双电层充电，因而是一个低电耗过程。该除盐技术属于常压操作，具有工艺设备简单，能耗低，成本低，且其再生过程无需添加药剂，不产生二次污染的优点。
活性炭作为一种环境友好型吸附剂，具有较强的吸附性能，原料充足且安全性高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，对水中溶解的有机污染物如苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力，同时对色度、除草剂、杀虫剂、合成染料及许多人工合成的有机化合物也有较好的去除效果；广泛应用于食品、化工等众多领域，但是，随着经济的发展，活性炭的消耗量也巨大，如不回收利用，将会产生资源浪费以及产生二次污染，对于活性炭的再生势在必行。
活性炭的再生有以下几种方法：热再生、湿式氧化再生、微波辐射再生和电化学再生。其中，热再生主要是通过加热对活性炭滤料进行热处理，使活性炭吸附的有机物在高温下炭解，成为气体逸出，最终使得活性炭得到再生，此方法效率较高，再生时间短，应用范围广，但每次再生炭的损失一般都在5%-10%之间，再生炭的机械强度下降，吸附效率也有所降低，投资大，费用高，不易小型化。湿式氧化再生的效率稳定，快速，低能耗，但效率仅为50%左右，再生设备要求比较高，产生的废气需要进一步处理，且操作不方便，运行维护费用较高。微波辐射再生是在密闭的容器中进行的，对装置的致密性以及耐高温、耐腐蚀性能要求严格，同时蒸发的物质不能及时排除，当微波的漏能功率大于0.01时间达6以上时，对人体有害。而电化学再生技术是将活性炭填充在阳极和阴极之间，以氯化钠溶液等作为电解液，通入直流电，依靠电解产物如氯气、次氯酸、羟基自由基等强氧化剂氧化分解吸附质。该技术的优点是再生效率高（80%~95%），多次再生后再生效率下降不明显，且不产生二次污染。
基于目前水处理除盐技术的研究状况可知：提高水的除盐除有机物率、降低水的处理能耗以及保证装置净化与再生过程的环境友好对于水处理技术的发展至关重要。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的能耗大、产生二次污染、除盐除有机物效率低及活性炭再生效果差等问题，提供了一种具有高效除盐除有机物功能、易于再生且环境友好的电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，包括电吸附模块、扩展阴阳极模块和紧固密封模块；
所述电吸附模块，包括稳压直流电源、阴极板和阳极板；两极板与直流稳压电源正负极对应相连接；
所述扩展阴阳极模块，包括固定填充有颗粒状活性炭的扩展阳极活性炭室和扩展阴极活性炭室，两活性炭室内填充完颗粒状活性炭后上、下部均留有未填充区域；
所述紧固密封模块，包括左、右端板；采用螺栓通过左、右端板将位于两端板之间的阴、阳极板和两极板之间的扩展阴、阳极活性炭室并排紧固密封，密封后阴、阳极活性炭室内上部的未填充区域形成出水室，下部的未填充区域形成进水室，进水室设有进水管，出水室设有出水管。
进一步的，所述直流稳压电源带有变向开关，用于正负电极的倒换。
优选的，电吸附模块的阴、阳极板均为钛基二氧化铅板。
优选的，所述扩展阴极活性炭室与扩展阳极活性炭室均为板框式结构，颗粒状活性炭固定于每一活性炭室的框中后，框内上、下部为所述未填充区域。
优选的，两活性炭室内的颗粒状活性炭的内侧分别通过与填充区域匹配的透水隔离网固定，外侧通过对应的极板固定，两活性炭室内的颗粒状活性炭的顶端和底端分别安装透水板。
优选的，阳极板与扩展阳极活性炭室之间、阴极板与扩展阴极活性炭室之间设有密封圈，密封圈的内圈为矩形与所述透水隔离网大小一致。
采用上述装置进行电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的方法，具体包括以下步骤：
步骤（1）. 扩展阴、阳极的形成：首先，接通直流稳压电源（18）通入直流电，同时控制外加电压在1.2～2.0V的条件下，阴、阳极板通电，利用活性炭的导电性，与电极阳极板接触的活性炭带有与阳极相同的电性，与电极阴极板接触的活性炭带有与阴极相同的电性，从而形成扩展阳极活性炭室和扩展阴极活性炭室，即：扩展阴、阳极；
步骤（2）.电吸附耦合扩展阴阳极活性炭除盐除有机物：在步骤（1）的条件下，原水从进水管流入进水室，继而经过底部透水板逐渐充满两电极之间的区域；在电场条件下，原水中的阴、阳离子分别向两个电极迁移，在迁移过程中部分离子被活性炭吸附截留，剩余离子则在电极板表面富集，同时随着水流的扩散，水中有机物被扩展阴、阳极活性炭吸附，原水经电吸附和扩展阴、阳极活性炭吸附处理后通过出水室从出水管流出。
本实用新型对电吸附模块的电极板进行再生：对电吸附模块的电极板进行再生：当电吸附模块的阴、阳电极板富集饱和后，此时通过调控稳压直流电源倒换电极，保持步骤（1）的操作电压不变，从进水管通入淡水，此时富集在阴、阳电极板上的离子以及被扩展阴、阳极活性炭吸附的离子脱附并反向迁移，被水流带走，使两电极板得到再生，产生的废水从出水管导出。
本实用新型对扩展阴阳极的活性炭进行再生：当扩展阴阳极活性炭吸附饱和后，分两步对其进行在再生；
第一步：通入0.40-0.60mol/L的氯化钠溶液，并在12～18V的操作电压下利用电解氯化钠溶液在阳极产生的氧化物Cl2和高析氧过电位电极--钛基二氧化铅阳极板产生的羟基自由基对饱和的扩展阳极活性炭进行再生；
第二步：再生后，保持操作电压不变，倒换电源正负极，此时对未进行再生的扩展阴极饱和的活性炭再生,再生的废水从出水管排出。
本实用新型采用多个电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水装置并联或串联同时使用。
与现有技术相比较，本实用新型的优点在于：
1.本实用新型通过电吸附与活性炭耦合的方法扩展阴、阳极，即：利用活性炭的导电性，使得活性炭带有与其接触极板相同的电性，利用活性炭巨大的比表面积，极大地扩大现有阴、阳极的表面积，增大了吸附容量，与进水后直接向电极迁移相比，本实用新型进水后直接通过活性炭进行截留吸附，在净化过程中利于离子在电场作用下富集在极板上进行脱盐，同时原水中的有机物随水流迁移被活性炭吸附去除，缩短了物质的迁移距离，强化了除盐效果；本实用新型实现了将活性炭形成的扩展阴、阳极在强化除盐的同时同步去除了水中的微污染物，兼具了脱盐、吸附有机物同时进行的功能、具有低能耗、环境友好等特点，适用于农村微污染苦咸水的处理。
2.本实用新型采用带有变相开关的直流稳压电源，可通过倒换电极，对扩展阴阳极活性炭进行再生，克服了阴极活性炭再生效果不良的缺点，提高了活性炭的利用率，节约了成本；或阴阳极板的再生，达到重复利用的目的。
3.本实用新型采用了高析氧过电位电极--钛基二氧化铅板，在再生过程中，可产生氧化性极强的羟基自由基，可以无选择性的与氧化物反应，生成水和二氧化炭；当电解氯化钠溶液时产生的Cl2和HClO可氧化有机物，同时HClO可对水中的有机色质起到脱色的作用。
4.本实用新型采用板框式结构的扩展阴、阳极活性炭室，不仅便于颗粒状活性炭固定在矩形的活性炭室，且在框内上、下部预留出矩形的未填充区域。
5.两活性炭室内的颗粒状活性炭的内侧分别通过与填充区域匹配的矩形透水隔离网固定，防止了颗粒活性炭的流失同时避免两个扩展活性炭室中的活性炭相接触而发生短路；两活性炭室内的外侧通过对应的极板固定，便于与极板接触的活性炭带有与极板相同的电性，利于形成扩展电极。为了均匀布水，同时防止活性炭净水时悬浮，在两活性炭室内的颗粒状活性炭的顶端和底端分别安装透水板。
6.为了本实用新型形成的进、出水室不漏水，在两刚性板阳极板与扩展阳极活性炭室之间、及阴极板与扩展阴极活性炭室之间分别夹装密封圈。
7.本实用新型的活性炭可原位再生，能够重复利用，不需要另外的设备及其他化学药品。在活性炭吸附饱和后，无需移动，从进水管直接通入电解液--氯化钠溶液，然后开启电源，在12～18V的电压条件下对电解液进行电解，利用电解产物对活性炭再生即可，再生效率高，不产生二次污染，延长了活性炭的使用寿命，降低了成本。
附图说明
图1.是本实用新型装置的剖面示意图；
图2.是本实用新型装置的组装结构示意图；
图3.是本实用新型装置的电吸附耦合扩展阴阳极活性炭除盐除有机物示意图（以NaCl为例，X为有机物）；
图4.是本实用新型装置的电吸附脱盐示意图（以NaCl为例）；
图5.是本实用新型装置的扩展阳极活性炭再生示意图（以NaCl为例）；
图6.是本实用新型装置的扩展阴极活性炭再生示意图（以NaCl为例）。
图中:1.左端板；2.密封圈；3.阳极板；4.扩展阳极活性炭室；5.透水隔离网；6.颗粒活性炭；7.进水管；8.进水室；9.底部配水板；10.扩展阴极活性炭室；11.阴极板；12.右端板；13.出水管；14.出水室；15.顶部配水板；16.螺栓孔；17.螺栓；18.直流稳压电源。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细的解释和说明；
如图1-2所示，一种电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，包括电吸附模块、扩展阴阳极活性炭吸附模块和紧固密封模块；
其中，所述电吸附模块包括直流稳压电源18、阴极板11、阳极板3；电吸附模块的阴、阳极板均为高析氧过电位电极材料--钛基二氧化铅，并与直流稳压电源18的正负极对应相连接，以获取电能；同时稳压直流电源18带有变相开关，可进行正负极的倒换。
所述扩展阴阳极活性炭吸附模块，包括扩展阳极活性炭室4和扩展阴极活性炭室10；如图2所示，扩展阳极活性炭室4与扩展阴极活性炭室10均为板框式结构，板面上开有一矩形框，作为活性炭填充室，分别装填颗粒状活性炭6后扩展阳极活性炭室4的外侧通过电吸附模块的阳极板3固定，内侧面通过透水隔离网5固定；扩展阴极活性炭室10的外侧通过电吸附模块的阴极11固定，内侧面通过透水隔离网5固定；组装时两个透水隔离网5相向设置，透水隔离网5防止了颗粒活性炭的流失同时避免两个扩展活性炭室中的活性炭相接触而发生短路；两活性炭室内的颗粒状活性炭的顶端和底端分别安装透水板。扩展阴、阳极活性炭室的板框内分别填充活性炭后，两板框内的上、下部分别留有呈矩形的未填充区域。
所述紧固密封模块，包括两个密封圈2，左端板1、右端板12和螺栓17；其中一密封圈2位于阳极板与扩展阳极活性炭室4之间，另一密封圈2位于阴极板与扩展阴极活性炭室10之间，密封圈的内圈为矩形与所述透水隔离网面积大小一致。如图2所示，左端板1位于电吸附模块阳极3的左侧，右端板12位于电吸附模块阴极11的右侧，阴阳极板与对应的扩展活性炭室之间放置密封圈2；然后，如图1所示，采用螺栓17通过左、右端板将位于两端板之间的阴极板11、阳极板3、及两极板之间的扩展阴、阳极活性炭室并排后紧固在一起；使扩展阴、阳极活性炭室板未填充区域并排对齐，密封紧固后形成上、下两个腔室，下部腔室为进水室8，上部腔室为出水室14，左端板1、密封圈2与阳极板3的下部穿入一进水管7通入进水室8的，右端板12、密封圈2与阴极板11的上部穿入一出水管13与出水室14相通。
所述扩展阴阳极的颗粒活性炭的目数为10-28目，其BET比表面积优选大于1200m2/g，且使用前先将活性炭在去离子水中煮沸2小时，然后用大量去离子水冲洗去除其中的水溶性和挥发性物质，并在烘箱中于110℃下干燥24小时，以去除表面杂质，冷却后取出放在真空干燥器中待用。
一种采用上述装置进行电吸附耦合活性炭净化微污染苦咸水的方法，具体包括以下步骤：
步骤（1）.扩展阴、阳极的形成：首先接通直流稳压电源通入直流电，使极板带电，同时控制外加电压在1.6V的条件下，利用活性炭的导电性，使之带有与接触极板相同的电性，从而形成扩展阴阳极，即：与电极板阳极接触的活性炭室称为扩展阳极活性炭室，与电极板阴极接触的活性炭室称为扩展阴极活性炭室，利用活性炭巨大的比表面积，扩大了阴、阳极的表面积；
步骤（2）.电吸附耦合扩展阴阳极活性炭除盐除有机物：如图3所示，除盐除有机物时，通过控制流量，使原水通过进水管7进入进水室8，经过底部透水板9均匀布水，随着原水的不断流入和扩散，充满电极板之间的区域；同时接通直流稳压电源18，给两电极通入直流电，控制操作电压为1.6V，在外加电场的作用下，原水中的阴、阳离子分别向两极板迁移，在迁移过程中部分离子被扩展阴、阳极的活性炭吸附截留，剩余离子在电极板表面富集，从而降低了水中的离子浓度；与此同时，随着水流的扩散，水中的有机物则被扩展活性炭吸附，从而降低了水中的有机物浓度。原水经电吸附和扩展阴阳极活性炭吸附淡化后通过出水室从出水管流出。
当该装置的电极板富集饱和或者活性炭吸附饱和而失效时，便需要对其进行再生。
步骤(3).对电吸附模块的电极板进行再生:如图4所示，当电吸附模块的电极吸附饱和时，控制操作电压1.6V不变，从进水管7通入淡水，通过调控稳压直流电源18倒换电极，此时，富集在极板上的阴、阳离子以及被活性炭吸附的离子会脱附并反向迁移，脱附的离子被水流带走，从而使两电极板得到再生，再生时产生的废水从出水管13导出。
步骤(4).对扩展阴阳极吸附模块的活性炭进行再生:当扩展阴阳极吸附模块的活性炭吸附饱和后，分两步对其进行再生：第一步，如图5所示，通入0.5mol/L的氯化钠溶液，并在操作电压为15V的条件下，使溶液可以在扩展的阳极各处均发生电解反应；阳极发生的反应为：2Cl--2e→Cl2，产生的氯气与水反应，生成次氯酸，其反应为：H2O+Cl2→HCl+HClO，次氯酸是强氧化剂，可以将吸附在活性炭上及溶解在电解液中的大部分有机物氧化。同时，阳极板3为钛基二氧化铅板，在该电压下，极板表面会产生氧化性极强的羟基自由基（·OH），其反应式为：H2O→·OH+H+，可以无选择性的将大部分有机物氧化为二氧化碳和水。其反应式为 X+·OH→CO2+H2O+无机离子，其中，X为有机物。第二步，再生一段时间后，倒换稳压直流电源18的正负极，如图6所示，此时未再生的扩展阴极成为新的扩展阳极，进而利用上述再生原理对其进行再生；通过此种方法，使得扩展阴、阳极的颗粒活性炭均得到良好的再生。再生时产生的废水从出水管13导出。
本实用新型可采用多个电吸附耦合活性炭净化微污染苦咸水装置并联或串联同时使用。
本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其它各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，其特征在于：包括电吸附模块、扩展阴阳极模块和紧固密封模块；
所述电吸附模块，包括直流稳压电源（18）、阴极板（11）和阳极板（3）；两极板与直流稳压电源（18）正负极对应相连接；
所述扩展阴阳极模块，包括固定填充有颗粒状活性炭（6）的扩展阳极活性炭室（4）和扩展阴极活性炭室（10），两活性炭室内填充完颗粒状活性炭（6）后上、下部均留有未填充区域；
所述紧固密封模块，包括左、右端板（1,12）；采用螺栓（17）通过左、右端板（1,12）将位于两端板之间的阴、阳极板（11，3）和两极板之间的扩展阴、阳极活性炭室并排紧固密封，密封后阴、阳极活性炭室内上部的未填充区域形成出水室（14），下部的未填充区域形成进水室（8），进水室（8）设有进水管（7），出水室（14）设有出水管（13）。
2.如权利要求1所述的电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，其特征在于：所述直流稳压电源（18）带有变向开关，用于正负电极的倒换。
3.如权利要求2所述的电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，其特征在于：电吸附模块的阴、阳极板均为钛基二氧化铅板。
4.如权利要求1或3所述的电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，其特征在于：所述扩展阴极活性炭室与扩展阳极活性炭室均为板框式结构，颗粒状活性炭固定于每一活性炭室的框中后，框内上、下部为所述未填充区域。
5.如权利要求4所述的电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，其特征在于：两活性炭室内的颗粒状活性炭的内侧分别通过与填充区域匹配的透水隔离网固定，外侧通过对应的极板固定，两活性炭室内的颗粒状活性炭的顶端和底端分别安装透水板。
6.如权利要求5所述的电吸附耦合扩展活性炭处理微污染苦咸水的装置，其特征在于：阳极板与扩展阳极活性炭室（4）之间、阴极板与扩展阴极活性炭室（10）之间设有密封圈（2），密封圈的内圈为矩形与所述透水隔离网大小一致。
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