CN209438393U - 一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能装置，原料溶液储罐、酸储罐、碱储罐分别与电渗析器连通，通过酸室循环泵、碱室循环泵、原料室循环泵构成酸溶液、碱溶液及原料溶液的循环系统；电渗析器正极室电解液储罐、电渗析器负极室电解液储罐分别与电渗析器的正极电极室、负极电极室连通，通过电渗析器正极电极室电解液循环泵、电渗析器负极电极室电解液循环泵构成电渗析器的正/负极电极室电解液的循环系统；利用液流电池原理和电渗析原理，采用液流电池充电反应回收电渗析电极反应的电能，应把电渗析的电极反应消耗的电能以液流电池电解液充电的方式储存起来，再利用一个液流电池装置通过电池放电把化学能转化成电能用于电渗析器的运行，实现电渗析器对电能合理利用的目的。

Description

一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能装置

技术领域

本实用新型公开一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能装置，把电渗析器的电极反应消耗的电能以化学能形式储存起来，并用液流电池把化学能再转化成电能用于电渗析器的运行，实现电渗析器高效利用电能的目的；本实用新型进一步提供了实现该方法的装置，采用液流半电池的电极室结构为电渗析器的电极室，在电渗析器工作时完成液流半电池的充电反应实现电渗析器中离子的定向迁移，得到本实用新型目的；属于电渗析节能技术领域。

背景技术

电渗析（ED）技术是膜分离技术的一种，采用阴阳离子膜交替排列于正负电极之间，用隔板将其隔开，组成除盐和浓缩两个系统。直流电通过电渗析器的电极反应形成离子迁移的电流，利用离子交换摸的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的浓缩、淡化、盐的分解、精制和提纯。

近年来，电渗析技术以能量消耗低、环境污染小、对处理的物料适应性强、操作简单、设备紧凑耐用、水的利用率高等优点被广泛应用于水处理、化学品制备和分离等众多领域。

尽管电渗析被成功应用于很多领域，现行电渗析技术仍然存在一些缺陷，除了存在分离效率方面的弱点，还有电能没有被合理利用方面的问题。电渗析是在直流电场作用下，通过电极反应实现离子的连续迁移。电渗析器电极反应转变成的化学能所消耗的电能没有被充分利用，造成现行电渗析技术在能量利用方面存在缺陷。回收利用电渗析器的电极反应消耗的电能对改进现行电渗析器在电能利用方面的不足具有重要的意义。

发明内容

本实用新型公开一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能装置，利用液流电池原理和电渗析原理，采用液流电池充电反应回收电渗析电极反应的电能方法，提出一种以液流半电池单元为电渗析的电极室，利用液流半电池反应把电渗析的电极反应消耗的电能以液流电池电解液充电的方式储存起来，再利用一个液流电池装置通过电池放电把化学能转化成电能用于电渗析器的运行，实现电渗析器对电能合理利用的目的。解决了现有电渗析技术在电能利用方面的不足的问题。

本实用新型所述的一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能的方法，其特征在于：

包括适用于电渗析技术的液流电池及电渗析器；向电渗析器的正/负极电极室中注入电解液，电渗析器运行时正/负极电极室中的电解液发生充电反应；充电反应导致电渗析器的正/负离子分别连续向负/正极定向迁移；

所述电渗析器的正/负电极室通过正/负电极电解液的充电反应向电渗析器连续提供所需的正/负离子流；

电渗析器的正/负极电极室中的电解液在电渗析器工作期间发生的电极反应，等效于液流电池正/负极电解液的充电反应，把电能转变成化学能存储起来；

电渗析器的正/负极电极室中完成电能向化学能的转化后的电解液，通过切换电渗析器的正/负极电极室电解液的管路转入液流电池正/负极室中，充当液流电池的正/负极的电解液，通过液流电池将电解液中的化学能转变成电能用于电渗析器工作；

液流电池正/负极电极室放电反应后的电解液，通过切换液流电池的正/负极电极室电解液的管路转入电渗析器正/负极室中，充当电渗析器的正/负极的电解液，通过电渗析器的电极再一次进行电渗析器正/负极电极室电解液的充电反应，循环往复实现对电渗析器的电能回收利用。

本实用新型涉及的全钒液流半电池反应原理如下：

充电时，

正极反应式：2VOSO₄+2H₂O = (VO₂)₂SO₄+H₂SO₄+2H⁺+2e （i）；

负极反应式：V₂(SO₄)₃+2H⁺+2e = 2VSO₄+H₂SO₄ （ii）；

总反应式：2VOSO₄+2H₂O+ V₂(SO₄)₃=(VO₂)₂SO₄+2VSO₄+2H₂SO₄ （iii）；

放电时，

正极反应式：(VO₂)₂SO₄+H₂SO₄+2H⁺+2e = 2VOSO₄+2H₂O （iv）；

负极反应式：2VSO₄+H₂SO₄ =V₂(SO₄)₃+2H⁺+2e （v）；

总反应式： (VO₂)₂SO₄+2VSO₄+2H₂SO₄ = 2VOSO₄+2H₂O+ V₂(SO₄)₃ （vi）。

本实用新型所述的一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能装置，其特征在于：

主要由电渗析器、电渗析器正极室电解液储罐、电渗析器负极室电解液储罐、盐液储罐、酸储罐、碱储罐、电渗析器正极电极室电解液循环泵、电渗析器负极电极室电解液循环泵、酸室循环泵、碱室循环泵、原料液室循环泵、液流电池、液流电池正极室电解液储罐、液流电池负极室电解液储罐、液流电池正极电极室电解液循环泵、液流电池负极电极室电解液循环泵、电能回收调制器构成；

其中，盐溶液储罐、酸储罐、碱储罐分别与电渗析器的进料口和出料口连通，通过酸室循环泵、碱室循环泵、盐室循环泵构成酸溶液、碱溶液及盐溶液的循环系统；

电渗析器正极室电解液储罐、电渗析器负极室电解液储罐分别与电渗析器的正极电极室、负极电极室连通，通过电渗析器正极电极室电解液循环泵、电渗析器负极电极室电解液循环泵构成电渗析器的正/负极电极室电解液的循环系统；

液流电池分别与液流电池正极室电解液储罐、液流电池负极室电解液储罐连通，通过液流电池正极电极室电解液循环泵、液流电池负极电极室电解液循环泵构成液流电池正/负极电极室的电解液循环系统；

电能回收调制器通过直流电源与电渗析器电连接；

所述的电渗析器的两端为正电极、负电极；正电极、负电极之间顺序设有正极电极室、负极电极室和酸室、碱室及原料液室；

电渗析器的正极电极室/负极电极室的电极由电极活性物质和集流板构成；正极电极室的电解液由V(V)/V(IV)离子硫酸溶液组成，负极电极室的电解液由V(III)/V(II)离子硫酸溶液组成；正极电极室用阳离子膜与酸室隔开，负极电极室用双极离子膜与碱室隔开，双极离子膜的负极面与负电极室的电解液相接触；正电极室发生电极反应产出H⁺通过阳离子膜流入酸室，原料液室中的阴离子通过阴离子膜流入酸室，H⁺与阴离子结合成酸；负极电极室发生的电极反应产生出SO₄ ^2-，与H₂O在双极膜解离出的H⁺结合H₂SO₄，H₂O在双极膜解离出的OH^-离子留在碱室中，原料液室中的阳离子通过阳离子膜进入碱室，与碱室中OH^-的结合成碱；电渗析器的正/负电极室通过H⁺迁移连续为电渗析器提供电流。

本实用新型的有益效果为：

提供一种以液流半电池单元为电渗析的电极室，利用液流半电池反应把电渗析的电极反应消耗的电能以对液流电池电解液充电的方式储存起来，再利用一个液流电池装置通过电池放电把化学能转化成电能用于电渗析器的运行，实现电渗析器对电能合理利用的目的。利用电渗析技术中集成液流电池技术，通过液流半电池活性物质的可逆冲、放电反应，回收利用电渗析器电极反应消耗的电能，把现行电渗析器对电能的消耗降低70%以上，克服了现行电渗析技术在电能利用方面存在的缺陷，大幅度提升了电渗析器对电能利用的效率。

附图说明

图1为本实用新型装置结构原理图；

图2为本实用新型电渗析器系统流程图；

图3、图4为本实用新型电渗析器电极室电解液储罐与液流电池电极室电解液储罐连接示意图；

图中：1、原料液储罐；2、酸储罐；3、碱储罐；4、电渗析器；5、电渗析器正极室电解液储罐；6、电渗析器负极室电解液储罐；7、液流电池；8、 液流电池正极室电解液储罐；9、液流电池负极室电解液储罐；10、直流电源；11、循环泵；12、阀门；13、流量计；14、三通阀门；15、电渗析器正极电极室；16、电渗析器负极电极室；17、电渗析器酸室；18、电渗析器碱室；19、电渗析器盐室；20、电渗析器正电极；21、电渗析器负电极；22、正极电极室电解液循环泵；23、负极电极室电解液循环泵；24、电能回收调制器；C、阳离子膜；A、阴离子膜；BPM、双极膜。

具体实施方式

通过以下实施例进一步举例描述本实用新型，并不以任何方式限制本实用新型，在不背离本实用新型的技术解决方案的前提下，对本实用新型所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本实用新型的权利要求范围之内。

实施例1

如图1~图4所示，本实用新型公开的一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能的装置，由原料液储罐1、酸储罐2、碱储罐3、电渗析器4、电渗析器正极室电解液储罐5、电渗析器负极室电解液储罐6、液流电池7、液流电池正极室电解液储罐8、液流电池负极室电解液储罐9、直流电源10、循环泵11、阀门12、流量计13、三通阀门14、正极电极室15、负极电极室16、酸室17、碱室18、原料室19、正电极20、负电极21、正极电极室电解液循环泵22、负极电极室电解液循环泵23、电能回收调制24构成；

原料液储罐1、酸储罐2、碱储罐3分别与电渗析器4的进料口和出料口通过正极电极室电解液循环泵22、负极电极室电解液循环泵23连通构成盐溶液、酸溶液及碱溶液的循环系统；

电渗析器正极室电解液储罐5、电渗析器负极室电解液储罐6分别与电渗析器4的正极电极室15、负极电极室16连通构成电解液循环系统；

液流电池7分别与液流电池正极室电解液储罐8、液流电池负极室电解液储罐9连通，构成液流电池7电解液循环系统。

电能回收调制器24通过直流电源10与电渗析器4电连接；

如图2所示，电渗析器4的两端为电渗析器正电极20、电渗析器负电极21；电渗析器正电极20、电渗析器负电极21之间顺序设有正极电极室15、负极电极室16和电渗析器酸室17、电渗析器碱室18及电渗析器原料液室19；

电渗析器4的正极电极室15（负极电极室16）的电极20（21）由电极活性物质和集流板构成；正极电极室15的电解液由反应式V(Ⅴ)和反应式V(Ⅳ)离子的硫酸溶液组成，负极电极室16的电解液由反应式V(Ⅱ) 和反应式V(Ⅲ)离子的硫酸溶液组成；正极电极室15用阳离子膜c与电渗析器4的酸室17隔开，负极电极室16用双极离子膜BPM与电渗析器4的碱室18隔开，双极离子膜BPM的负极面与负电极室16的电解液相接触；正电极室15发生电极反应式i产出H⁺通过阳离子膜c流入电渗析器4的酸室17，电渗析器4盐室19中的阴离子通过阴离子膜A流入电渗析器4的酸室17，H⁺与阴离子结合成酸；负极电极室16发生的电极反应式ii产生出SO₄ ^2-，与H₂O在双极膜BPM解离出的H⁺结合H₂SO₄，H₂O在双极膜BPM解离出的OH^-离子留在电渗析器4的碱室18中，电渗析器4盐室19中的阳离子通过阳离子膜C进入电渗析器4的碱室18，与碱室18中OH^-的结合成碱；电渗析器4的正极电极室15、负极电极室16通过H⁺迁移连续为电渗析器4提供电流（参照图3、图4）。

实施例2

本实用新型涉及的全钒液流半电池反应原理如下：

充电时，

正极反应式：2VOSO₄+2H₂O = (VO₂)₂SO₄+H₂SO₄+2H⁺+2e （i）；

负极反应式：V₂(SO₄)₃+2H⁺+2e = 2VSO₄+H₂SO₄ （ii）；

总反应式：2VOSO₄+2H₂O+ V₂(SO₄)₃=(VO₂)₂SO₄+2VSO₄+2H₂SO₄ （iii）；

放电时，

正极反应式：(VO₂)₂SO₄+H₂SO₄+2H⁺+2e = 2VOSO₄+2H₂O （iv）；

负极反应式：2VSO₄+H₂SO₄ =V₂(SO₄)₃+2H⁺+2e （v）；

总反应式： (VO₂)₂SO₄+2VSO₄+2H₂SO₄ = 2VOSO₄+2H₂O+ V₂(SO₄)₃ （vi）；

利用全钒液流电池的电渗析器4进行工作时，电渗析器4的正电极室15发生正极反应如反应式i，电渗析器4的负电极室16发生负极反应如反应式ii；电渗析器4的正极电极室15（负极电极室16）的电极20（21）由电极活性物质和集流板构成，正极电极室15的电解液由反应式V (Ⅴ)和V (Ⅳ)离子的硫酸溶液组成，负极电极室16的电解液由反应式V (Ⅱ)和V(Ⅲ)离子的硫酸溶液组成；正极电极室15用阳离子膜c与电渗析器4的酸室17隔开，负极电极室16用双极离子膜BPM与电渗析器4的碱室18隔开，双极离子膜BPM的负极面与负极电极室16的电解液相接触；正极电极室15发生电极反应式i产出H⁺通过阳离子膜c流入电渗析器4的酸室17，电渗析器4盐室19中的阴离子通过阴离子膜A流入电渗析器4的酸室17，H⁺与阴离子结合成酸；负极电极室16发生的电极反应式ii产生出SO₄ ^2-，与H₂O在双极膜BPM解离出的H⁺结合H₂SO₄，H₂O在双极膜BPM解离出的OH^-离子留在电渗析器4的碱室18中，电渗析器4盐室19中的阳离子通过阳离子膜C进入电渗析器4的碱室18，与碱室18中OH^-的结合成碱；电渗析器4的正极电极室15（负极电极室16）通过H⁺迁移连续为电渗析器4提供电流。

实施例3

本实用新型提出的方法与装置适用于但不限于从氯化钠水溶液制备盐酸和氢氧化钠，仅以此例说明本实用新型的应用方法；

按附图1、附图2装配电渗析实验系统，并按附图3、图4设置阀门开关和切换储液罐管道的阀门14，将正极电极室15（负极电极室16）、电渗析器正极室电解液储罐5（电渗析器负极室电解液储罐6）构成液流循环回路；

由酸室17、碱室18、原料室19构成三隔室膜堆结构，正极电极室15与酸室17之间用一张阳膜C分隔，酸室17与原料室19之间用一张阴膜A分隔，原料室19与碱室18之间用一张阳膜C分隔，碱室18与负极室16之间用一张双极膜BPM分隔，双极膜BPM的负极在负极电极室16中，双极膜BPM的正极在碱室18中；电渗析器4的正极电极室15主要由阳膜C、正电极20、正极室电解液循环泵22、电渗析器正极室电解液储罐5组成；负极电极室16主要由隔膜BPM、负电极21、负极室电解液循环泵23、电渗析器负极室电解液储罐6组成；

正极电极室15及负极电极室16的正电极20、负电极21用石墨为集流体，碳纸为电极活性物质；正极电解液8L 1.6mol/L (VOSO₄) + 3.0mol/L(H₂SO₄)，负极电解液16L0.8mol/L (V₂(SO₄)₃) + 3.0mol/L(H₂SO₄)；正极电极室15和负极电极室16电解液分别储存在两个电渗析器正极室电解液储罐5及电渗析器负极室电解液储罐6中，负极电极室16密封防止氧化；

如图3、图4所示，原料液储罐1装有2.4 mol/L NaCl水溶液，电渗析器正极室电解液储罐5和电渗析器负极室电解液储罐6分别装有去离子水溶液；在正负极室电解液循环泵22及负极室电解液循环泵23的作用下，五股流体分别进入正极电极室15、负极电极室16、酸室17、碱室18、盐室19，实现各自闭路循环；

直流电源10的正极连接到正极电极室15的正电极20，直流电源10的负极连接到负极电极室16的负电极21，以20-40mA/cm²恒电流运行；当正极电极室15、负极电极室16的电解液完成90%充电反应停止电渗析运行；按附图3所示，切换储液罐管道的阀门14，将正极电极室15（负极电极室16）、液流电池7放电后的液流电池正极室电解液储罐8（液流电池负极室电解液储罐9）构成液流循环回路，继续电渗析器4的运行；同理，通过切换阀门14，将液流电池7、电渗析器4的正电极室电解液储罐5和电渗析器4负电极室16的电解液储罐6构成液流循环回路；通过液流电池7的电极的放电反应（反应方程式iv/v）回收电渗析器4的电极反应（反应方程式i/ii）消耗的电能。

试验例1

采用实施例1中按附图1、附图2、附图3的方式连接装置进行试验，其中，原料液中浓度为2.4 mol/L NaCl水溶液，体积为3L，储存在原料液储罐1中；初始盐酸和氢氧化钠溶液为去离子水，体积都为4.5L，各自储存在对应的酸储罐2、碱储罐3中；电渗析器4正电极室15（负电极室16）的正电极20（负电极21）用石墨为集流体，碳纸为电极活性物质；正极电解液8L 1.6mol/L (VOSO₄) + 3.0mol/L(H₂SO₄)，负极电解液16L 0.8mol/L (V₂(SO₄)₃) +3.0mol/L(H₂SO₄)；正电极室15（负电极室16）的电解液分别储存在两个电渗析器正极室电解液储罐5及电渗析器负极室电解液储罐6中,负极密封防止氧化；在蠕动泵的作用下，原料液储罐1、酸储罐2、碱储罐3、电渗析器正极室电解液储罐5及电渗析器负极室电解液储罐6中的5种流体分别进入正极电极室15、负极电极室16、酸室17、碱室18、原料室19进行闭路循环；电极液的流量为2 L/h，原料液的流量为6 L/h，酸碱溶液的流量为8 L/h；通电前使5种液流循环30 分钟；在40 mA/cm²，初始电压为17V恒电流条件下运行直至正电极室15（负电极室16）中的电解液充电反应i/ii完成90%为止；碱室18中NaOH浓度为0.82 mol/L，含有NaOH 147.6g，耗电0.52KWh；按附图4设置切换储液罐管道阀门14，将电渗析器4正电极室15（负电极室16）的电渗析器正极室电解液储罐5（电渗析器负极室电解液储罐6）转换成液流电池7的液流电池正极室电解液储罐8（液流电池负极室电解液储罐9），通过液流电池7放电反应iv/v回收利用电渗析器4正电极室15（负电极室16）的正电极20（负电极21）反应i/ii消耗的电能；将回收的电能送到电能回收调制器24，在恒电流条件，电流密度40 mA/cm²，起始电压为17V，终止电压7V时，液流电池放电0.40 KWh，回收电能达77%。

试验例2

采用实施例1中按附图1、附图2、附图3的方式连接装置进行试验，其中，原料液中浓度为2.4 mol/L NaCl水溶液，体积为3L，储存在原料液储罐1中；初始盐酸和氢氧化钠溶液为去离子水，体积都为4.5L，各自储存在对应的酸储罐2、碱储罐3中；电渗析器4正电极室15（负电极室16）的正电极20（负电极21）用石墨为集流体，碳纸为电极活性物质；正极电解液4.6L 1.6mol/L (VOSO₄) + 3.0mol/L(H₂SO₄)，负极电解液9.2L 0.8mol/L (V₂(SO₄)₃) +3.0mol/L(H₂SO₄)；正极电极室15（负极电极室16）的电解液分别储存在电渗析器正极室电解液储罐5（电渗析器负极室电解液储罐6）中,负极密封防止氧化；在蠕动泵的作用下，原料液储罐1、酸储罐2、碱储罐3、电渗析器正极室电解液储罐5及电渗析器负极室电解液储罐6中的5种流体分别进入正极电极室15、负极电极室16、酸室17、碱室18、盐室19进行闭路循环；电极液的流量为1 L/h，原料液的流量为6 L/h，酸碱溶液的流量为8 L/h；通电前使5种液流循环30 分钟；在20 mA/cm²，电压为11V恒电流条件下运行直至正电极室15（负电极室16）电解液充电反应完成90%为止；碱室18中NaOH浓度为0.48 mol/L，含有NaOH 87.3g，耗电0.196KWh；按附图4设置切换储液罐管道阀门14，将电渗析器4正电极室15（负电极室16）的电渗析器正极室电解液储罐5（电渗析器负极室电解液储罐6）转换成液流电池7的液流电池正极室电解液储罐8（液流电池负极室电解液储罐9），通过液流电池7放电反应iv/v回收利用电渗析器4正电极室15（负电极室16）的正电极20（负电极21）反应i/ii消耗的电能；将回收的电能送到电能回收调制器24，在恒电流条件，电流密度20 mA/cm²，起始电压为11V，终止电压1V时，液流电池放电0.157 KWh，回收利用电能达80%。

结论：以上试验例表明本实用新型提出的利用液流电池的正负电极反应代替现行电渗析器的正负电极反应的方法和装置，在回收利用现行电渗析器由于正负电极室发生的电极反应所消耗的电能有显著的积极效果，这种方法与装置在保持电渗析器已有的各项优点情况下可以回收电渗析器工作消耗的电能70%以上，大幅度降低了电渗析器的运行成本，进一步增强了电渗析技术在现有应用领域的竞争力，使电渗析技术向更高水平发展有了一种全新的方案，解决电渗析高效利用电能的问题。

Claims (1)

1.一种基于液流电池技术回收利用电渗析器电能的装置，其特征在于：

主要由电渗析器、电渗析器正极室电解液储罐、电渗析器负极室电解液储罐、盐液储罐、酸储罐、碱储罐、电渗析器正极电极室电解液循环泵、电渗析器负极电极室电解液循环泵、酸室循环泵、碱室循环泵、盐液室循环泵、液流电池、液流电池正极室电解液储罐、液流电池负极室电解液储罐、液流电池正极电极室电解液循环泵、液流电池负极电极室电解液循环泵、电能回收调制器构成；

其中，原料溶液储罐、酸储罐、碱储罐分别与电渗析器的进料口和出料口连通，通过酸室循环泵、碱室循环泵、原料室循环泵构成酸溶液、碱溶液及原料溶液的循环系统；

电渗析器正极室电解液储罐、电渗析器负极室电解液储罐分别与电渗析器的正极电极室、负极电极室连通，通过电渗析器正极电极室电解液循环泵、电渗析器负极电极室电解液循环泵构成电渗析器的正/负极电极室电解液的循环系统；

液流电池分别与液流电池正极室电解液储罐、液流电池负极室电解液储罐连通，通过液流电池正极电极室电解液循环泵、液流电池负极电极室电解液循环泵构成液流电池正/负极电极室的电解液循环系统；

电能回收调制器通过直流电源与电渗析器电连接；

所述的电渗析器的两端为正电极、负电极；正电极、负电极之间顺序设有正极电极室、负极电极室和酸室、碱室及原料液室；

电渗析器的正极电极室/负极电极室的电极由电极活性物质和集流板构成；正极电极室用阳离子膜与酸室隔开，负极电极室用双极离子膜与碱室隔开，双极离子膜的负极面与负电极室的电解液相接触；正电极室发生电极反应产出H⁺通过阳离子膜流入酸室，原料液室中的阴离子通过阴离子膜流入酸室，H⁺与阴离子结合成酸；负极电极室发生的电极反应产生出SO₄ ^2-，与H₂O在双极膜解离出的H⁺结合H₂SO₄，H₂O在双极膜解离出的OH^-离子留在碱室中，原料液室中的阳离子通过阳离子膜进入碱室，与碱室中OH^-的结合成碱；电渗析器的正/负电极室通过H⁺迁移连续为电渗析器提供电流。