一种有效抑制结垢的流动电极电容去离子装置

1.本实用新型属于流动电极电容去离子技术应用及水处理技术领域，涉及一种有效抑制结垢的流动电极电容去离子装置。


背景技术：

2.近年来，电容去离子(cdi)技术因具有成本低、环保、电极易于处理以及水回收率高等优点，研究热度不断上升，并在海水淡化、饮用水深度处理、废水处理、储能、资源回收等领域均具有广泛的应用。电容去离子(cdi)技术的原理主要是利用电容吸附作用，使进水中的带电离子定向迁移至相应的电极室内，并吸附在电极材料表面的双电层结构中，以此实现对进水中带电离子的去除。
3.流动电极电容去离子技术(fcdi)以流动电极悬浮液替代cdi和mcdi的固定电极，赋予电极流动性，进而允许电极液可在装置外进行再生，因此fcdi具有连续脱盐和规模化的潜力。一般而言，流动电极电容去离子技术的流动电极有两种配置方式，短路闭环配置(short-circuited closed-cycle，scc)和独立闭环配置 (isolated closed-cycle，icc)。在icc-fcdi中，带正电的流动电极和带负电的流动电极分别在各自的管道中循环。电吸附过程往往伴随着法拉第反应的发生，会引起阴极室产生oh-，ph升高；相反地，阳极室产生h

，ph降低。已有研究在回收氨氮(或磷)的过程中巧妙的利用了阴极室(或阳极室)的ph变化，利用nh
4
和nh3(或po
43-和h3po4)之间的ph依赖性平衡反应，从而实现高附加值氨水 (或磷酸)的生产。然而，如果进水中含有硬度离子，在阴极负电荷的吸引下，硬度离子极易从脱盐室迁移到阴极室，icc-fcdi阴极室的碱性条件使阴极电极和阳离子交换膜面临着结垢的风险，进而减弱装置的处理效果和长期稳定性。因此，获得一种能有效避免结垢的fcdi反应器对于保证icc运行方式的处理效果、长期稳定性和经济性是十分有必要的。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是提供一种有效抑制结垢的流动电极电容去离子装置，用于解决传统fcdi反应器以独立闭环循环(icc)的运行方式处理含硬度离子废水时易结垢的问题。
5.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种有效抑制结垢的流动电极电容去离子装置，包括依次并列设置的阴极流动电极室、单价阳离子交换膜、脱盐室、阴离子交换膜以及阳极流动电极室，所述的阳极流动电极室内设有阳极流动电极，所述的阴极流动电极室内设有阴极流动电极。
7.本实用新型基于传统的fcdi反应器，通过单价阳离子交换膜(mcem)的使用，将硬度离子有效阻挡在阴极流动电极室之外。既保证了处理效果和长期稳定性，又避免了频繁更换电极颗粒和阳离子交换膜带来的搭建成本和材料费。
8.进一步地，所述的装置包括依次并列设置的阴极集电器、单价阳离子交换膜、脱盐密封圈、阴离子交换膜以及阳极集电器；
9.所述的阴极集电器一侧开设有阴极流动槽，所述的阴极流动槽与单价阳离子交换膜合围，形成阴极流动电极室；
10.所述的阳极集电器一侧开设有阳极流动槽，所述的阳极流动槽与阴离子交换膜合围，形成阳极流动电极室；
11.所述的脱盐密封圈与两侧的单价阳离子交换膜、阴离子交换膜相互合围，形成脱盐室。
12.作为优选的技术方案，所述的脱盐密封圈的内轮廓不超过单价阳离子交换膜及阴离子交换膜的有效过滤面积，所述的脱盐密封圈的外轮廓，与单价阳离子交换膜及阴离子交换膜的外轮廓相一致。
13.进一步地，所述的装置还包括设于阴极集电器外侧的阴极端板，以及设于阳极集电器外侧的阳极端板，
14.所述的阴极集电器、单价阳离子交换膜、脱盐密封圈、阴离子交换膜以及阳极集电器夹持固定于阴极端板与阳极端板之间。
15.作为优选的技术方案，所述的阴极端板与阳极端板之间可通过螺栓、螺母等连接结构拉紧固定。
16.进一步地，所述的阴极流动槽与阳极流动槽均呈蛇形流道结构。
17.作为优选的技术方案，所述的蛇形流道结构在回转处呈半圆形流道结构。
18.进一步地，所述的阳极流动电极室外设有阳极循环室，所述的阳极流动电极循环流动于阳极流动电极室与阳极循环室之间；
19.所述的阴极流动电极室外设有阴极循环室，所述的阴极流动电极循环流动于阴极流动电极室与阴极循环室之间。
20.进一步地，所述的阴极集电器与阴极端板上，一上一下分别贯穿开设有阴极电极液出液孔与阴极电极液进液孔，所述的阴极集电器与阴极端板上的阴极电极液出液孔相连通形成阴极电极液出液通道，阴极电极液进液孔相连通形成阴极电极液进液通道，
21.所述的阴极电极液出液通道两端、阴极电极液进液通道两端分别与阴极流动槽、阴极循环室相连通；
22.所述的阳极集电器与阳极端板上，一上一下分别贯穿开设有阳极电极液出液孔与阳极电极液进液孔，所述的阳极集电器与阳极端板上的阳极电极液出液孔相连通形成阳极电极液出液通道，阳极电极液进液孔相连通形成阳极电极液进液通道，
23.所述的阳极电极液出液通道两端、阳极电极液进液通道两端分别与阳极流动槽、阳极循环室相连通。
24.作为优选的技术方案，所述的阴极电极液出液孔与阴极电极液进液孔设于阴极集电器或阴极端板的同侧边缘处；所述的阳极电极液出液孔与阳极电极液进液孔设于阳极集电器或阳极端板的同侧边缘处，以便于安装固定或拆卸维修。
25.进一步地，所述的脱盐密封圈呈方形密封圈结构，并在一组对角处，一下一上分别设有与脱盐室相连通的进水口与出水口；
26.所述的阳极端板、阳极集电器、阴离子交换膜上分别贯穿开设有进水孔，并与进水口依次连通，形成进水通道；
27.所述的单价阳离子交换膜、阴极集电器、阴极端板上分别贯穿开设有出水孔，并与
出水口依次连通，形成出水通道。
28.通过一下一上设置进水通道与出水通道，并将两者分别设于脱盐密封圈的一组对角处，以保证待处理污水能够充分停留于脱盐室内，从而达到较好的氨氮脱除回收效果。
29.作为优选的技术方案，所述的阴极电极液出液通道、阴极电极液进液通道、阳极电极液出液通道、阳极电极液进液通道、进水通道、出水通道内均设有硅胶管，并通过硅胶管连通相应的进水、出水。
30.进一步地，所述的脱盐密封圈内设有与单价阳离子交换膜、阴离子交换膜分别平行的布水网片，所述的布水网片外缘与脱盐密封圈内缘相连接。
31.进一步地，所述的布水网片分布面积不小于阴极流动槽在阴极集电器上的投影面积，或者阳极流动槽在阳极集电器上的投影面积。即所述的布水网片的面积大于等于阴离子交换膜或单价阳离子交换膜与相应电极室之间的有效接触面积。
32.进一步地，所述的脱盐密封圈为硅橡胶圈。
33.与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：
34.1)本实用新型为独立闭环循环(icc)运行的流动电极电容去离子(fcdi) 技术处理含硬度离子废水提供了技术支撑，既能充分利用icc-fcdi产生的ph环境，又能避免结垢；
35.2)本实用新型通过单价阳离子交换膜的使用，可有效避免硬度离子进入阴极室，有效抑制了结垢，保证了系统的长期稳定性和处理效果，且节省了反应器搭建成本、阳离子交换膜和电极碳颗粒的再生或者更换成本，具有经济性。
附图说明
36.图1为实施例1中一种有效抑制结垢的流动电极电容去离子装置的结构示意图；
37.图2为阴极集电器的结构示意图；
38.图3为阳极集电器的结构示意图；
39.图4为图2及图3中a-a断面图；
40.图5为阴极端板的结构示意图；
41.图6为阳极端板的结构示意图；
42.图7为实施例2中基于单价阳离子交换膜的流动电极电容去离子装置与传统流动电极电容去离子装置在处理模拟煤气化灰水过程中阴极室ph对比图；
43.图8为实施例2中基于单价阳离子交换膜的流动电极电容去离子装置与传统流动电极电容去离子装置在处理模拟煤气化灰水过程中电流密度对比图；
44.图9为实施例2中基于单价阳离子交换膜的流动电极电容去离子装置与传统流动电极电容去离子装置在处理模拟煤气化灰水过程中出水导电率对比图；
45.图中标记说明：
46.1-单价阳离子交换膜、2-阴离子交换膜、3-阴极集电器、4-脱盐密封圈、5-阳极集电器、6-阴极流动槽、7-阳极流动槽、8-阴极端板、9-阳极端板、10-阳极循环室、11-阴极循环室、12-阴极电极液出液孔、13-阴极电极液进液孔、14-阳极电极液出液孔、15-阳极电极液进液孔、16-进水口、17-出水口、18-布水网片。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
48.实施例1：
49.如图1所示的一种有效抑制结垢的流动电极电容去离子装置，包括依次并列设置的阴极端板8、阴极集电器3、单价阳离子交换膜1、脱盐密封圈4、阴离子交换膜2、阳极集电器5、阳极端板9，以及阳极循环室10与阴极循环室11。
50.其中单价阳离子交换膜(cims，astom，日本)和阴离子交换膜(1201，杭州绿合环保科技，中国)，用于起到离子选择性透过与分离进水与流动电极的作用，阴极集电器3一侧开设有阴极流动槽6，阴极流动槽6与单价阳离子交换膜1合围，形成阴极流动电极室；阳极集电器5一侧开设有阳极流动槽7，阳极流动槽7与阴离子交换膜2合围，形成阳极流动电极室；阳极流动电极室与阳极循环室10之间、阴极流动电极室与阴极循环室11之间循环连通，并分别设有阳极流动电极与阴极流动电极。
51.具体的，阴极集电器3与阴极端板8上，一上一下分别贯穿开设有阴极电极液出液孔12与阴极电极液进液孔13，并且阴极集电器3与阴极端板8上的阴极电极液出液孔12相连通形成阴极电极液出液通道，阴极电极液进液孔13相连通形成阴极电极液进液通道，同时阴极电极液出液通道两端、阴极电极液进液通道两端分别与阴极流动槽6、阴极循环室11相连通，从而实现阴极流动电极室与阴极循环室 11之间的循环连通。
52.同样的，阳极集电器5与阳极端板9上，一上一下分别贯穿开设有阳极电极液出液孔14与阳极电极液进液孔15，并且阳极集电器5与阳极端板9上的阳极电极液出液孔14相连通形成阳极电极液出液通道，阳极电极液进液孔15相连通形成阳极电极液进液通道，同时阳极电极液出液通道两端、阳极电极液进液通道两端分别与阳极流动槽7、阳极循环室10相连通，从而实现阳极流动电极室与阳极循环室 10之间的循环连通。
53.为便于安装固定或拆卸维修，阴极电极液出液孔12与阴极电极液进液孔13 设于阴极集电器3或阴极端板8的同侧边缘处；阳极电极液出液孔14与阳极电极液进液孔15设于阳极集电器5或阳极端板9的同侧边缘处。
54.为适当扩大阴极流动电极室与阳极流动电极室的容量，也可在相应的离子交换膜与集电器之间设置密封圈，并使密封圈环绕于阳极流动槽7或阴极流动槽6外。
55.如图2-4所示，阴极流动槽6与阳极流动槽7均为蚀刻在石墨集电器上的蛇形流道，其宽度与深度均不应大于6mm，以保证流动电极与离子交换膜的充分接触，同时也不应小于2mm，以保证流动电极中的电极颗粒可以处于良好的流动状态，避免出现电极颗粒沉积或流道阻塞的情况。本实施例中的流道宽度与深度均为2 mm，并在蛇形流道的回转处设置半圆形流道结构，以减缓流动电极对回转处的冲蚀作用。
56.脱盐密封圈4与两侧的单价阳离子交换膜1、阴离子交换膜2相互合围，形成脱盐室。脱盐密封圈4选用方形硅橡胶密封圈，其内轮廓不超过单价阳离子交换膜 1及阴离子交换膜2的有效过滤面积，外轮廓则与单价阳离子交换膜1、阴离子交换膜2的外轮廓相一致。在脱盐密封圈4内还设有与单价阳离子交换膜1、阴离子交换膜2分别平行的100目布水网片18，该布水网片18外缘均位于阴极流动槽6 及阳极流动槽7范围外，并与脱盐密封圈4内缘
相固定，以使得其分布面积不小于阴极流动槽6在阴极集电器3上的投影面积，以及阳极流动槽7在阳极集电器5 上的投影面积，从而起到均匀布水、避免短流的作用。
57.如图1所示，在方形脱盐密封圈4的一组对角处，一下一上分别设有与脱盐室相连通的进水口16与出水口17，相应的，阳极端板9、阳极集电器5、阴离子交换膜2上分别贯穿开设有进水孔，并与进水口16依次连通，形成进水通道；单价阳离子交换膜1、阴极集电器3、阴极端板8上分别贯穿开设有出水孔，并与出水口17依次连通，形成出水通道。通过一下一上设置进水通道与出水通道，并将两者分别设于脱盐密封圈4的一组对角处，以保证待处理污水能够充分停留于脱盐室内，从而达到较好的氨氮脱除回收效果。
58.为进一步提高进水与出水的密封性，上述阴极电极液出液通道、阴极电极液进液通道、阳极电极液出液通道、阳极电极液进液通道、进水通道、出水通道内均嵌设有硅胶管。
59.如图1所示，阴极集电器3、单价阳离子交换膜1、脱盐密封圈4、阴离子交换膜2、阳极集电器5外轮廓尺寸相一致，并明显小于阴极端板8与阳极端板9尺寸，如图5及图6所示，阴极端板8与阳极端板9的四周还均匀分布有多个固定用通孔，并通过穿过该通孔的螺栓、螺母等连接结构，将其中的阴极集电器3、单价阳离子交换膜1、脱盐密封圈4、阴离子交换膜2以及阳极集电器5拉紧固定，从而保证装置整体结构的稳定性与密封性。
60.实施例2：
61.本实施例采用实施例1中的流动电极电容去离子装置，以独立闭合循环的运行方式，进行煤气化灰水氨氮回收实验。
62.对标煤气化灰水取自宁波镇海炼化厂，包括以下组分及浓度：241.64
±
16.08 mg/l nh
4 -n，52.60
±
1.40mg/l na

，10.63
±
0.38mg/l k

，353.53
±
6.92mg/l ca
2
， 12.89
±
0.54mg/l mg
2
，2.53
±
0.23mg/l fe
3
，0.47
±
0.81mg/l mn
2
，0.73
±
1.27mg/lal
3
，476.10
±
0.09mg/l toc，ph＝7.60。
63.模拟煤气化灰水以优级纯的nh4cl、cacl2、nacl与去离子水配制而成，具体组分浓度如下：240mg/l nh
4 -n，370mg/l ca
2
，70mg/l na

，ph＝7.60。
64.具体回收处理过程如下：
65.s1：采用蠕动泵将模拟煤气化灰水单向泵入脱盐室，水力停留时间为1.2min，同时通过蠕动泵将阳极流动电极与阴极流动电极以流速为50ml/min分别独立循环于阳极流动电极室与阳极循环室10之间，以及阴极流动电极室与阴极循环室11 之间；
66.其中，阳极流动电极与阴极流动电极的制备方法均包括：称取40g活性炭和 10g炭黑，加入至950ml水中，经磁力搅拌混合均匀后，即得到碳含量为5wt％且活性炭/炭黑质量比4:1的流动电极；其中所用活性炭为yec-8a型活性炭(福州益环碳素有限公司)；所用炭黑为cabot vulcan xc-72型导电炭黑(cabot，美国)；
67.s2：电导率稳定后，对阳极集电器5与阴极集电器3施加1.2v恒电压，进入产氨水阶段。
68.作为对照，本实施例还包括采用普通阳离子交换膜(0011t，杭州绿合环保科技，中国)替代单价阳离子交换膜，重复上述氨氮回收处理过程。连续运行过程中的阴极室的ph、电流密度、结垢情况、出水导电率分别如图7-9所示。
69.如图7所示，为上述氨氮回收处理过程中阴极室的ph变化对比图。从图中可以看出，采用两种装置的处理过程中，阴极室ph相差不大，说明这两个装置均能有效利用阴极室
的碱性环境生成氨水溶液。然而根据图8可知，传统流动电极电容去离子装置运行2000分钟后，电流显著降低，逼近0，这应是因为传统流动电极电容去离子装置不能阻止ca
2
进入阴极室，使得ca
2
在阴极室强碱性的条件下，出现结垢，增大了系统的电阻。离子交换膜截面和碳电极上的ca元素分布则很好地证实了这点。与相应的原膜相比，反应后的mcem没有发现明显的ca分布，但反应后的cem上几乎完全的ca污染证实了严重的结垢。另外，取自传统流动电极电容去离子装置的碳颗粒(阴极)上发现了大量的ca，而本实用新型所描述的抑制结垢的流动电极电容去离子装置获得的碳电极结垢情况得到极大的抑制。进一步说明了本实用新型描述的抑制结垢的流动电极电容去离子装置能阻止ca
2
穿过离子交换膜，有效地抑制了系统的结垢，保证了系统的长期稳定性。结垢的发生极大的削弱了对模拟煤气化灰水的处理效果(参见图9)。
70.综上可知，本实用新型应用实施简单，只需将现有反应器中的阳离子交换膜换成单价阳离子交换膜，提高了流动电极电容去离子装置抑制结垢的能力。本实用新型为独立闭环循环(icc)的流动电极电容去离子(fcdi)技术处理含硬度离子废水提供了技术支撑。既能充分利用icc-fcdi产生的ph环境，又能避免结垢。不但保证了系统的长期稳定性和处理效果，而且节省了反应器搭建成本、阳离子交换膜和电极碳颗粒的再生或者更换成本，具有经济性，为扩大fcdi的适用范畴提供了一条可行的思路。
71.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。