CN109692575A - 一种双腔室膜电容去离子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于膜电容去离子装置技术领域，公开了一种双腔室膜电容去离子装置。该膜电容去离子装置为双腔室结构，第一腔室和第二腔室在阴/阳离子交换膜的上、下两端分别设置水流通道隔膜，使原水在双腔室的水流通道隔膜中呈蛇形流动。该膜去离子装置传质阻力小、脱盐能耗低、脱盐效果较佳。
Description
技术领域
本发明涉及膜电容去离子装置，特别涉及一种双腔室膜电容去离子装置。
背景技术
第二次工业革命以来，随着第一第二产业的迅猛发展以及人口的不断增长，全球可利用的淡水资源和人类不断增长的淡水资源需求成为了21世纪的主要矛盾之一。目前，各国均开始通过合理利用和节约用水的方式来缓解水资源危机，但是，可以想象，这类解决方式是治标不治本的。于是，如何有效利用地球上五分之四面积的海洋及湖泊水(即海水和苦咸水)成为了能够从根本上解决这一矛盾的有效途径。目前，对于海水和苦咸水的固体悬浮物、杀菌等问题均已经具备非常成熟的技术手段，唯一需要解决的技术问题在于在合理能耗条件下实现海水和苦咸水的脱盐。
针对上述问题目前已经存在的较为成熟的脱盐方法有以下几种包括：蒸馏、离子交换、反渗透、电渗析等。随着人类社会对于高效、绿色、低能耗、无二次污染的新型脱盐技术的需求日益增加，上世纪60年代以来，电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)，凭借其高效、节能、绿色、无二次污染等优势，迅速发展成为极有潜力的脱盐技术。电容去离子技术以具有大比表面积的材料作为电容器电极，利用电极极化时表面产生的双电层作为储存介质、以电场力作为驱动力实现脱盐的目的。在脱盐过程中，为了防止电解水等电化学过程的发生，再电极表面施加的电压通常控制在1.23V以下，正是这低电压操作方式决定了电容去离子技术相对其他电致脱盐技术(如电渗析)具有明显的能耗优势；同时，与化学脱盐过程(如离子交换法)不同，电容去离子技术不需要繁琐的化学再生过程，只需要对器件进行短接，即可实现电极再生，因此不会产生二次污染；同热致脱盐技术(如蒸馏、闪蒸)，电容去离子具有更高的能量利用率，由于上述优势，电容去离子单元模块的设计已经成为一个研究热点。
但是在电容去离子过程中，由于离子通常是以离子对的形式存在，他们并没有理想地实现异相电极吸附，换言之，有些阴离子被阳离子携带移动向了负极附近，同时，有些阳离子被阴离子携带移动向了正极附近(“同离子吸附”)，这无疑阻碍了电容去离子过程，导致了其较低的吸附效率，使得电容去离子模块不得不走向大型化，并且很难实现“流过式”(single pass)处理。为了解决这个问题，研究者提出了一种解决方案，即将离子交换膜加入电容去离子电极表面，利用离子交换膜对离子选择性透过性，有效遏制了“同离子吸附”，称为膜电容去离子(Membrane Capacitive Deionizaiton,MCDI)系统；比如中国专利CN101337717A公开了一种高效率节能型隔双腔室膜电容去离子装置，其在隔板与电极之间加入了离子交换膜，大大的降低的器件能耗及成本，中国专利CN104817143A公开了一种感应式膜电吸附模块，该技术方案只有上下两个金属板与电源连接，并加入离子交换膜实现低能耗脱盐。
加入离子交换膜的双腔室膜电容去离子装置的结构基本和图1的结构相同，然而，现有膜电容去离子系统存在以下技术问题：一、离子必须穿过离子交换膜，这无疑增加了离子在溶液中移动的传质阻力，从而，一定程度上提升了脱盐比能耗(去除单位质量离子的能耗)；二、由于离子交换膜的加入，离子在再生脱附过程同样必须穿过离子交换膜，这就使得电极再生过程无法通过简单的短接来完成，必须施加反向电压，这就以进一步提升了其能耗，并且能量的回收也带来了不便；三、离子交换膜与电极表面的接触会产生接触电阻，这会致使部分能量以热能形式消耗，同时还会阻碍电容去离子的脱盐效率。
综上所述，提供一种既能避免了全部离子穿过离子交换膜引起的巨大传质阻力、又能最大程度降低脱盐能耗、同时还能提高脱盐效果的双腔室膜电容去离子装置，具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中的膜电容去离子装置传质阻力大、脱盐能耗高以及脱盐效果不佳的技术问题，本发明提供了一种双腔室膜电容去离子装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种双腔室膜电容去离子装置，所述去离子装置为双腔室结构，第一腔室和第二腔室在阴/阳离子交换膜的上、下两端分别设置水流通道隔膜，使原水在双腔室的水流通道隔膜中呈蛇形流动。
具体的，所述第一腔室包括上下依次层叠设置的第一集电极、第一电极材料、第一隔膜、阴/阳离子交换膜、第一隔膜，第一电极材料和共用集电极；所述第二腔室包括上下依次层叠设置的所述共用集电极、第二电极材料、第二隔膜、阳/阴离子交换膜、第二隔膜、第二电极材料和第二集电极。
本发明提供的第一集电极、共用集电极和第二集电极与直流电源的正/负极连接。如果所述第一腔室的离子交换膜为阴离子交换膜，那么所述第二腔室的离子交换膜即为阳离子交换膜，则所述第一集电极与一个直流电源的正极连接，所述第二集电极与另一个直流电源的正极连接，所述共用集电极分别与上述两个直流电源的负极连接。如果所述第一腔室的离子交换膜为阳离子交换膜，那么所述第二腔室的离子交换膜即为阴离子交换膜，则各个集电极与上述两个直流电源的正/负极连接关系恰好相反。
所述集电极没有特殊限制，只要具有良好的化学惰性和导电性材料制备而成即可，优选地，本发明提供的第一集电极、共用集电极和第二集电极是由石墨或钛制备而成板材。
所述电极材料是具有良好电化学导电性、高比表面积以及合适孔径分布的碳材料，优选地，本发明提供的第一电极材料和第二电极材料是由活性炭、碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的一种或几种制备而成的碳材料薄膜，可通过刮涂等方式制备成碳材料薄膜。
所述隔膜材料需要具有良好绝缘性材料制成的布或网格，优选地，本发明提供的第一隔膜和第二隔膜选自无纺布、玻璃纤维布、涤纶网或尼伦网；所述第一隔膜和第二隔膜的厚度为100-200μm，致密度大于300目。
作为优选，本发明提供的双腔室膜电容去离子装置还包括设置在所述第一腔室上方和所述第二腔室下方起加固作用的加固板。
与现有技术的膜电容去离子装置相比，本发明提供的双腔室膜电容去离子装置具有以下优点：一、与传统单腔室膜电容去离子装置相比，50％的离子不需要穿过离子交换膜，降低了离子运动阻力，最终实现低能耗脱盐；将传统的单腔室膜电容去离子拆分为双腔室后，相当于进行了二级处理，可以提升器件吸附容量，并且能够提高脱盐效率；二、双腔室膜电容去离子装置利用电极材料与离子交换膜之间的隔膜作为水流通道，采用蛇形水流流动方式；这种水流方式比传统膜电容去离子器件具有很明显的接触时间优势，即水流有更多的与电极材料接触和吸附机会，进一步提高了原水的脱盐效率；三、由于双腔室膜电容去离子装置中，水流在离子交换膜和电极之间流动，不再需要通过反向电压完成再生过程，同时抑制了接触电阻，从而进一步降低了能耗。
附图说明
图1为现有技术的膜电容去离子装置的结构示意图；
图2为本发明所提供的一种实施例的双腔式膜电容去离子装置的结构示意图；
图3为本发明所提供的双腔室膜电容去离子装置和传统膜电容去离子装置的脱盐过程的电导率瞬时变化对比图；
图4为本发明所提供的双腔室膜电容去离子装置和传统膜电容去离子装置的脱盐能耗图；
图5为本发明的所提供的双腔室膜电容去离子装置和传统膜电容去离子装置的脱盐处理的比能耗和水流通量图。
具体实施方式
本发明公开了一种双腔室膜电容去离子装置，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进零部件得以实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明当中。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
实施例1
如图2所示，本发明提供了一种双腔室膜电容去离子装置，所述去离子装置为双腔室结构，第一腔室和第二腔室在阴/阳离子交换膜的上、下两端分别设置水流通道隔膜，使原水在双腔室的水流通道隔膜中呈蛇形流动。具体的，所述第一腔室包括上下依次层叠设置的第一集电极1、第一电极材料2、第一隔膜3、阴离子交换膜8、第一隔膜3，第一电极材料2和共用集电极4；所述第二腔室包括上下依次层叠设置的所述共用集电极4、第二电极材料5、第二隔膜6、阳离子交换膜9、第二隔膜6、第二电极材料5和电机和第二集电极7；所述第一集电极1、所述共用集电极4和所述第二集电极7与直流电源的正/负极连接；所述第一隔膜和第二隔膜的厚度为100-200μm，致密度大于300目，在所述第一腔室上方和所述第二腔室下方还设置起加固作用的加固板。
其中，第一集电极、共用集电极和第二集电极是由石墨或钛制备而成板材；第一电极材料和第二电极材料是由活性炭、碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的一种或几种制备而成的碳材料薄膜；所述第一隔膜和第二隔膜选自无纺布、玻璃纤维布、涤纶网或尼伦网。
实施例2
利用恒流泵将3000mg/L浓度的NaCl溶液从20L的储水罐中通过实施例1所述的第一腔室的上端第一隔膜，并在第二腔室位于下端的第二隔膜出水口处测量电导率并转化为浓度，当出水口浓度稳定时，在三片集电极之间施加1.2V的直流电压，在浓度再次回到初始浓度时为吸附周期，此时将集电极短接，其处理过程的浓度变化情况如图3中的实线所示，图3中的虚线为传统膜电容去离子膜的脱盐过程的电导率变化曲线。
图3数据显示，两装置在施加外加电压后离子浓度均开始下降并缓慢上升至初始值，完成吸附过程，并在对两电极进行短接后，离子浓度迅速提升，实现电极的再生，从浓度变化情况的对比可以看出，本专利发明的双腔室膜电容去离子装置具有更高的脱盐效率和比吸附量。
实施例3
发明人将实施例1中的装置简单的扩大规模，进行了多模组性能测试(10组)：将10组实施例1所述的双腔室膜电容去离子装置串联，将10组传统膜电容去离子装置串联，利用恒流泵将1000、2000、3000mg/L浓度的NaCl溶液从20L的储水罐中分别通过10组双腔室膜电容去离子装置串联模组和传统膜电容去离子装置串联模组，并在出水口处测量电导率并转化为浓度，当出水口浓度稳定时，在三片集电极之间施加1.2V的直流电压，并在模块之间测试处理过程中的电流及电压(用于计算能耗)；本发明模组及传统膜电容去离子装置处理单位立方米NaCl溶液至500mg/L的能耗对比如图4；图4显示，本发明所提供的双腔室膜电容去离子装置在各浓度相对传统膜电容去离子装置均具有绝对能耗优势，其吨处理能耗分别为：0.25、0.49、1.05kWh。
实施例4
发明人将实施例1中的装置进一步扩大模块规模，进行了多模组性能测试(20组)：将20组双腔室膜电容去离子装置串联，将20组传统膜电容去离子装置串联，利用恒流泵将3000mg/L浓度的NaCl溶液以20-60ml/min的流速从20L的储水罐中分别通过20组双腔室膜电容去离子装置串联模组和20组传统膜电容去离子装置串联模组，并在出水口处测量电导率并转化为浓度，当出水口浓度稳定在3000mg/L时，在三片集电极之间施加恒流电流0.5-2.5A，以控制脱盐浓度差在500、1000、2000mg/L，并在模块之间测试处理过程中的电流及电压(用于计算能耗)，本发明的双腔室膜电容去离子装置和传统膜电容去离子装置的脱盐处理的比能耗(J/mg)和水流通量(μm/s)如图5所示；图5显示，随着模块施加电流的上升，模块的整体处理通量大幅上升，然而，与此同时处理的比能耗也随之上升，在实现一定水流通量的前提下，处理浓度差增加，模块的处理比能耗也随之上升；很明显，在实现相同浓差和水流通量的前提下，本发明所提供的双腔室膜电容去离子装置相对传统膜电容去离子装置具有绝对的比能耗优势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：所述去离子装置为双腔室结构，第一腔室和第二腔室在阴/阳离子交换膜的上、下两端分别设置水流通道隔膜，使原水在双腔室的水流通道隔膜中呈蛇形流动。
2.如权利要求1所述的双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：所述第一腔室包括上下依次层叠设置的第一集电极、第一电极材料、第一隔膜、阴/阳离子交换膜、第一隔膜，第一电极材料和共用集电极；所述第二腔室包括上下依次层叠设置的所述共用集电极、第二电极材料、第二隔膜、阳/阴离子交换膜、第二隔膜、第二电极材料和第二集电极。
3.如权利要求2所述的双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：所述第一集电极、所述共用集电极和所述第二集电极与直流电源的正/负极连接。
4.如权利要求2所述的双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：所述第一集电极、所述共用集电极和所述第二集电极是由石墨或钛制备而成板材。
5.如权利要求2所述的双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：所述第一电极材料和所述第二电极材料是由活性炭、碳纤维、碳纳米管或石墨烯中的一种或几种制备而成的碳材料薄膜。
6.如权利要求2所述的双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：所述第一隔膜和所述第二隔膜选自无纺布、玻璃纤维布、涤纶网或尼伦网。
7.如权利要求2或6所述的双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：所述第一隔膜和第二隔膜的厚度为100-200μm，致密度大于300目。
8.如权利要求2所述的双腔室膜电容去离子装置，其特征在于：还包括设置在所述第一腔室上方和所述第二腔室下方起加固作用的加固板。
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