CN103803683A - 一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置，属于海水、苦咸水淡化技术领域。该装置包括CDI单元，所述CDI单元包括隔网，所述隔网两侧排列阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜外侧排列纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极，所述纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极外侧排列绝缘隔板。该装置操作简单；能量利用率高；电极再生过程无需酸碱，清洁无二次污染；加入了阴阳离子交换膜，大大提高了电极的吸附性能；采用纳米钛渗碳双面电极，集电极不易腐蚀；同时碳电极得到充分利用，电极可以重复使用，降低了制造成本，节省空间等。
Description
技术领域
本发明属于海水、苦咸水淡化技术领域，具体涉及一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置。
背景技术
对于海水、苦咸水的淡化，目前国内外采用的脱盐方法主要有以下几种：蒸馏法、反渗透法、电渗析法、离子交换法、电去离子法等。在上述方法中，蒸馏法能耗高、成本大、占地大；反渗透法和电去离子法对进水水质的要求高，且电极易腐蚀；离子交换法需酸碱再生，且酸碱消耗量大，产生二次污染；电渗析法因为使用的电压高，所以耗电，易发生水的分解。为此，需要开发一种新型节能环保的水处理技术。
电容去离子（Capacitive Deionizaiton，CDI）脱盐技术是利用溶液与电极界面形成的双电层来吸附溶液中的带电物质。传统的电容去离子单元主要由成对的电极，通过在电极的两端加上静电场吸附溶液中的离子，当电极饱和时，将电极短接或者加上反向的电压进行再生。但是在再生过程中，阳极表面阴离子的脱附和阳离子的吸附及阴极表面阳离子的脱附和阴离子的吸附同时存在，从而会严重影响再生后电极的电吸附能力。
在第6309532号美国专利中公开的CDI装置，在电极制造中，使用导电环氧树脂等，将碳材料和集流体彼此粘附，从而碳孔会被部分的阻塞，且导电性会劣化。此外在该专利公开的结构中，集流体的边界暴露在外面，存在集流体会被损坏的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题而提供了一种能量利用率高、防止二次污染的纳米钛渗碳电极电容去离子装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置，所述装置包括电容去离子（CDI）单元，所述CDI单元包括隔网，所述隔网两侧排列阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜外侧排列纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极，所述纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极外侧排列绝缘隔板。
优选地，所述纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极上安装有电极引线，所述电极引线为导电性能良好、耐电化学和化学腐蚀的材料钛片。
进一步地，所述排列在纳米钛渗碳双面电极阴极外侧的绝缘隔板底部开有进水口，所述排列在纳米钛渗碳双面电极阳极外侧的绝缘隔板顶部开有出水口。
优选地，所述隔网的左侧排列阳离子交换膜，所述隔网的右侧排列阳离子交换膜。
优选地，所述隔网为电绝缘的，所述隔网的材料为纸质隔膜、尼龙纤维以及多孔聚合物板，其厚度为0.2～1mm。
优选地，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜含离子基团，对溶液里的离子具有选择透过能力的均相膜或非均相的高分子膜。
优选地，所述纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极采用导电性能良好的纳米钛片为导电基体，所述电基体厚度为0.2～1mm，以纳米钛为模板，电极材料采用碳纤维，在模板两面生长形成纳米钛渗碳双面电极。
优选地，所述绝缘隔板的底部开有安装密封圈的小槽，所述绝缘隔板的四周安装绝缘框架，两者之间通过螺钉固定，所述绝缘隔板的厚度为4～10mm，所述绝缘隔板和绝缘框架的材料采用具有机械强度的PVC板、ABS塑料板以及有机玻璃板。
优选地，所述CDI单元的数量至少为一个，所述纳米钛渗碳电极电容去离子装置可以为方形或者圆形。
进一步地，该装置还包括过滤单元和臭氧消毒单元，所述过滤单元包括电絮装置和过滤器，所述过滤单元与CDI单元的进水口相连，所述臭氧消毒单元包括臭氧消毒装置、过滤器和储槽，所述臭氧消毒单元与CDI单元的出水口相连。
本发明具有以下优点：
本装置由于能量回收为电能的直接撷取，因为无需能量的转换，故电容去离子的能量回收效率高于反渗透的能量回收，所以能量利用率高；由于过流式去离子电容器以低功率运转，吨水耗电量成本在反渗透用电量的1/3以下，在此基础上因采用超大型电容器回收并储存过流式电容器电极30%以上的残电，其区域废水脱盐本体装置的吨水耗电量可在1.5kWh以内，所以能耗低，成本低；由于外加电压采用的是交流电源，所以操作简单方便；由于电极再生，且再生过程无需酸碱，所以清洁无二次污染；由于加入了阴阳离子交换膜，所以大大提高了电极的吸附性能；由于采用纳米钛渗碳双面电极，所以集电极不易腐蚀，同时碳电极得到充分利用，电极可以重复使用，降低了制造成本，节省空间。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置脱盐系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中提供的一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置中CDI单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供了一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置，包括CDI单元8，CDI单元8的数量为一个。CDI单元8包括隔网1。隔网1的左侧排列阳离子交换膜2-1，隔网1的右侧排列阴离子交换膜2-2，隔网1为电绝缘的，其材料为纸质隔膜，其厚度为0.2mm，阳离子交换膜2-1和阴离子交换膜2-2含离子基团，对溶液里的离子具有选择透过能力的均相膜。阳离子交换膜2-1和阴离子交换膜2-2外侧排列纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2，纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2上安装有电极引线4，电极引线4为导电性能良好、耐电化学和化学腐蚀的材料钛片。纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2采用导电性能良好的纳米钛片为导电基体，电基体厚度为1mm，以纳米钛为模板，电极材料采用碳纤维，在模板两面生长形成纳米钛渗碳双面电极。纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2外侧排列绝缘隔板5。排列在纳米钛渗碳双面电极阴极3-1外侧的绝缘隔板5底部开有进水口7，排列在纳米钛渗碳双面电极阳极3-2外侧的绝缘隔板顶部开有出水口6。绝缘隔板5的底部开有安装密封圈的小槽，绝缘隔板5的四周安装绝缘框架，两者之间通过螺钉固定，绝缘隔板5的厚度为6mm，绝缘隔板5和绝缘框架的材料采用具有机械强度的ABS塑料板。该装置还包括过滤单元9和臭氧消毒单元10。过滤单元9包括电絮装置11和过滤器12，过滤单元9与CDI单元8的进水口7相连。臭氧消毒单元10包括臭氧消毒装置13、过滤器12和储槽14，臭氧消毒单元10与CDI单元8的出水口6相连。
本实施例中，该装置的脱盐的方法如下：
（1）将海水、苦咸水或高含盐废水经过过滤单元9预处理后经进水口7通入CDI单元8中，其流量按出水水质要求或出水中离子浓度要求控制；
（2）脱盐：将电极引线4与1.5V的交流电相连，将流量计调节所需流量，每隔一段时间记录出水的盐水浓度；
（3）脱附；当电导率仪数值回升时，说明电极吸附离子己经饱和，此时电容去离子脱盐装置进入脱附阶段，出水浓度到达最大值后开始下降，降到和进水浓度相同时，再次进入吸附阶段。在此过程中电极再生，得到盐的浓缩液作盐化产品使用。最后经过臭氧消毒单元10消毒，当浓缩液的达到储槽14的一定高度时，就从出水处流出。
高含盐废水脱盐（含有有机物和至少总溶解固体的质量分数≥3.5％的废水包括高盐生活废水和高盐工业废水）。
（1）配制溶液：试验中配制浓度为10000mg/L的NaCl溶液来模拟苦咸水。（2）脱盐：给脱盐装置两端加1.5V电压，将流量计调节到所需流量10mg/Lmin，将NaCl溶液泵入脱盐装置中，每隔五分钟记录出水的盐浓度。（3）脱附：电导仪数值稳定之后开始回升时，说明电极达到饱和，进入脱附阶段。
实施例2
本实施例提供了一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置，包括CDI单元8，CDI单元8的数量为一个。CDI单元8包括隔网1。隔网1的左侧排列阳离子交换膜2-1，隔网1的右侧排列阴离子交换膜2-2，隔网1为电绝缘的，其材料为尼龙纤维，其厚度为0.6mm，阳离子交换膜2-1和阴离子交换膜2-2含离子基团，对溶液里的离子具有非均相的高分子膜。阳离子交换膜2-1和阴离子交换膜2-2外侧排列纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2，纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2上安装有电极引线4，电极引线4为导电性能良好、耐电化学和化学腐蚀的材料钛片。纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2采用导电性能良好的纳米钛片为导电基体，电基体厚度为0.2mm，以纳米钛为模板，电极材料采用碳纤维，在模板两面生长形成纳米钛渗碳双面电极。纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2外侧排列绝缘隔板5。排列在纳米钛渗碳双面电极阴极3-1外侧的绝缘隔板5底部开有进水口7，排列在纳米钛渗碳双面电极阳极3-2外侧的绝缘隔板顶部开有出水口6。绝缘隔板5的底部开有安装密封圈的小槽，绝缘隔板5的四周安装绝缘框架，两者之间通过螺钉固定，绝缘隔板5的厚度为10mm，绝缘隔板5和绝缘框架的材料采用具有机械强度的PVC板。
本实施例中，该装置的脱盐的方法如下：
（1）将海水、苦咸水或高含盐废水预处理后经进水口7通入CDI单元8中，其流量按出水水质要求或出水中离子浓度要求控制；
（2）脱盐：将电极引线4与1.5V的交流电相连，将流量计调节所需流量，每隔一段时间记录出水的盐水浓度；
（3）脱附；当电导率仪数值回升时，说明电极吸附离子己经饱和，此时电容去离子脱盐装置进入脱附阶段，出水浓度到达最大值后开始下降，降到和进水浓度相同时，再次进入吸附阶段。在此过程中电极再生，得到盐的浓缩液作盐化产品使用。
苦咸水淡化（水中总溶解固体含量为1000～8000mg/L的天然水）。
（1）配制溶液：试验中配制浓度为5000mg/L的NaCl溶液来模拟苦咸水。（2）脱盐：给脱盐装置两端加1.5V电压，将流量计调节到所需流量10mg/Lmin，将NaCl溶液泵入脱盐装置中，每隔五分钟记录出水的盐浓度。（3）脱附：电导仪数值稳定之后开始回升时，说明电极达到饱和，进入脱附阶段。
实施例3
本实施例提供了一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置，包括CDI单元8，CDI单元8的数量为一个。CDI单元8包括隔网1。隔网1的左侧排列阳离子交换膜2-1，隔网1的右侧排列阴离子交换膜2-2，隔网1为电绝缘的，其材料为多孔聚合物板，其厚度为1mm，阳离子交换膜2-1和阴离子交换膜2-2含离子基团，对溶液里的离子具有非均相的高分子膜。阳离子交换膜2-1和阴离子交换膜2-2外侧排列纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2，纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2上安装有电极引线4，电极引线4为导电性能良好、耐电化学和化学腐蚀的材料钛片。纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2采用导电性能良好的纳米钛片为导电基体，电基体厚度为0.8mm，以纳米钛为模板，电极材料采用碳纤维，在模板两面生长形成纳米钛渗碳双面电极。纳米钛渗碳双面电极阴极3-1和纳米钛渗碳双面电极阳极3-2外侧排列绝缘隔板5。排列在纳米钛渗碳双面电极阴极3-1外侧的绝缘隔板5底部开有进水口7，排列在纳米钛渗碳双面电极阳极3-2外侧的绝缘隔板顶部开有出水口6。绝缘隔板5的底部开有安装密封圈的小槽，绝缘隔板5的四周安装绝缘框架，两者之间通过螺钉固定，绝缘隔板5的厚度为6mm，绝缘隔板5和绝缘框架的材料采用具有机械强度的有机玻璃板。
本实施例中，该装置的脱盐的方法如下：
（1）将海水、苦咸水或高含盐废水预处理后经进水口7通入CDI单元8中，其流量按出水水质要求或出水中离子浓度要求控制；
（2）脱盐：将电极引线4与1.5V的交流电相连，将流量计调节所需流量，每隔一段时间记录出水的盐水浓度；
（3）脱附；当电导率仪数值回升时，说明电极吸附离子己经饱和，此时电容去离子脱盐装置进入脱附阶段，出水浓度到达最大值后开始下降，降到和进水浓度相同时，再次进入吸附阶段。在此过程中电极再生，得到盐的浓缩液作盐化产品使用。
海水淡化（将含盐浓度为35000mg/L的海水淡化至500mg/L以下的用水）。
（1）配制溶液：试验中配制浓度为35000mg/L的NaCl溶液来模拟苦咸水。（2）脱盐：给脱盐装置两端加1.5V电压，将流量计调节到所需流量10mg/Lmin，将NaCl溶液泵入脱盐装置中，每隔五分钟记录出水的盐浓度。（3）脱附：电导仪数值稳定之后开始回升时，说明电极达到饱和，进入脱附阶段。
本装置由于能量回收为电能的直接撷取，因为无需能量的转换，故电容去离子的能量回收效率高于反渗透的能量回收，所以能量利用率高；由于过流式去离子电容器以低功率运转，吨水耗电量成本在反渗透用电量的1/3以下，在此基础上因采用超大型电容器回收并储存过流式电容器电极30%以上的残电，其区域废水脱盐本体装置的吨水耗电量可在1.5kWh以内，所以能耗低，成本低；由于外加电压采用的是交流电源，所以操作简单方便；由于电极再生，且再生过程无需酸碱，所以清洁无二次污染；由于加入了阴阳离子交换膜，所以大大提高了电极的吸附性能；由于采用纳米钛渗碳双面电极，所以集电极不易腐蚀，同时碳电极得到充分利用，电极可以重复使用，降低了制造成本，节省空间。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述装置包括电容去离子（CDI）单元，所述CDI单元包括隔网，所述隔网两侧排列阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜外侧排列纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极，所述纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极外侧排列绝缘隔板。
2.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极上安装有电极引线，所述电极引线为导电性能良好、耐电化学和化学腐蚀的材料钛片。
3.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述排列在纳米钛渗碳双面电极阴极外侧的绝缘隔板底部开有进水口，所述排列在纳米钛渗碳双面电极阳极外侧的绝缘隔板顶部开有出水口。
4.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述隔网的左侧排列阳离子交换膜，所述隔网的右侧排列阳离子交换膜。
5.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述隔网为电绝缘的，所述隔网的材料为纸质隔膜、尼龙纤维以及多孔聚合物板，其厚度为0.2～1mm。
6.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜含离子基团，对溶液里的离子具有选择透过能力的均相膜或非均相的高分子膜。
7.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述纳米钛渗碳双面电极阴极和纳米钛渗碳双面电极阳极采用导电性能良好的纳米钛片为导电基体，所述电基体厚度为0.2～1mm，以纳米钛为模板，电极材料采用碳纤维，在模板两面生长形成纳米钛渗碳双面电极。
8.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述绝缘隔板的底部开有安装密封圈的小槽，所述绝缘隔板的四周安装绝缘框架，两者之间通过螺钉固定，所述绝缘隔板的厚度为4～10mm，所述绝缘隔板和绝缘框架的材料采用具有机械强度的PVC板、ABS塑料板以及有机玻璃板。
9.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，所述CDI单元的数量至少为一个，所述纳米钛渗碳电极电容去离子装置可以为方形或者圆形。
10.根据权利要求1所述的纳米钛渗碳电极电容去离子装置，其特征在于，该装置还包括过滤单元和臭氧消毒单元，所述过滤单元包括电絮装置和过滤器，所述过滤单元与CDI单元的进水口相连，所述臭氧消毒单元包括臭氧消毒装置、过滤器和储槽，所述臭氧消毒单元与CDI单元的出水口相连。
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