電容式液體純化處理裝置的製作方法

2023-05-17 09:41:56

專利名稱：電容式液體純化處理裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬 於水處理領域，用於脫除液體中的鹽分，特別涉及一種電容式液體純化
處理裝置。
背景技術：
水資源危機是本世紀最嚴重的資源危機，近年來的生態破壞和環境汙染進一步導致了水資源的緊張，而且隨著時間的推移，水資源短缺將會影響到更多人的正常生活。為了緩解水的供需矛盾，水處理領域的研究和技術人員提出了許多脫鹽技術，用以去除海水、苦鹹水以及含鹽廢水中的鹽分，使其達到飲用水或者工業用水的標準，其中最具代表性的技術是閃蒸法和反滲透法。閃蒸法的原理是含鹽原水經過預熱後通入低壓閃蒸室，由於該室壓力低於水的飽和蒸氣壓，原水就會因為過熱而閃蒸，產生的蒸氣隨後冷凝成為淡水。該技術具有對原水預處理要求低，出水品質好等優點，但是其能耗較高，約為4kWh .m-3以上。反滲透法是利用半滲透膜，將含鹽原水中的水分子通過壓力壓到半透膜的純水側，該過程不發生相變，所以能耗稍低，不過也達到了 2. 9-3. 7kffh m_3。該技術中使用的半滲透膜製備成本高，而且極易受到鈣、氯、有機物、微生物等的汙染，需要配有非常嚴格的預處理系統和添加各類抗氧化劑和阻垢劑，進一步提高了其使用成本。其他的脫鹽技術如離子交換法是利用離子交換樹脂作為主體去除含鹽原水中的鹽離子，離子交換樹脂的價格昂貴，而且在吸附飽和後要採用強酸強鹼實現再生，因此會產生大量二次汙染，同時其維護成本也會提高。以ZL01127147. 7為代表的專利提出了一種電吸附式液體處理裝置，它是利用一對以上並排配置的電極板作為核心部件，當通過配電板在相鄰電極板間施加反向電壓時，流經電極板之間的液體中的帶電顆粒就會在電場作用下吸附到帶相反電荷的電極板上，從而達到淨化的目的。當電極吸附飽和以後，又可以通過短路使帶電粒子從電極表面回到通道中隨液流排出。該裝置無需高溫高壓，只需要很低的電壓即可將含鹽原水中的鹽分直接分離出來，因此相比於將原水中佔絕大部分的水分子提取出來的閃蒸法和反滲透法，其能耗要低很多。同時該工藝不存在二次汙染，不需使用其他化學試劑即可方便地實現再生。因此是一種比較具有競爭力的水處理技術。電吸附式液體處理裝置雖然具有能耗低、無二次汙染、易再生、便於維護等優點，但是仍然存在以下缺陷1)電荷利用效率低。電極板長期使用後，表面會產生大量的帶電官能團，這些官能團在再生過程中就會吸附部分帶電離子，而在電極板上施加電壓後，電極上的電荷不僅用於吸附液體中的異號帶電離子，還會將之前吸附的同號帶電離子排斥到電極板之間的液體通道中，也就是說施加在電極上的電荷並沒有全部用於脫鹽，因而要達到相同的脫鹽效果就需要更高的能耗。2)再生時間長。該裝置的再生過程包括短路靜置和反洗兩個步驟，雖然短路狀態下電極之間的電場消失，但是帶電離子僅僅在濃度梯度的驅動下擴散到液體通道中的速率很慢，而且隨著梯度的減小，離子的遷移速率會越來越慢，因而就需要更長的時間才能將電極表面吸附的帶電離子排到液流通道中。3)產水率低。同樣因為離子遷移速率較慢，為了達到更好的再生效果，就需要更多的原水衝洗液流通道，而衝洗後產生的濃水會被排放，這也意味著該裝置的產水率比較低。現有技術通過在電吸附裝置中引入離子交換膜，在一定程度上緩解了以上問題，但是由於裝置的結構設計不合理，在實際應用時仍存在以下缺陷1)結構複雜。裝置中的每個集電片都需要與外接電源相連，需要配置更多的配電元件和密封元件，因而裝置更容易出現電路故障和液路故障。2)維護困難。裝置一旦出現問題，無法單獨更換其中的某個元件，而需要將整個裝置完全拆開，這一過程不但浪費大量的時間，還可能會對原本完好的部件造成二次損傷。3)工作電流過大。由於直流電源需要對每個電極片單獨供電，因此整個系統的電流較大，特別是切換電壓的瞬間，大電流會對整個供電系統造成很大的負擔
發明內容

為了克服上述缺陷，本發明提供了一種電容式液體純化處理裝置，用以解決現有技術電荷利用效率低，再生時間長，產水率低，裝置結構複雜，維護困難等問題。本發明為了解決其技術問題所採用的技術方案是一種電容式液體純化處理裝置，包括直流電源、密封絕緣外殼和固設於該外殼內且依次平行排列的第一配電板、單面正極板、單面負極板和第二配電板，所述單面正極板由依次排列且固連的集電片、電極片和陰離子交換膜組成，所述單面負極板由依次排列且固連的陽離子交換膜、電極片和集電片組成，所述單面正極板和單面負極板的集電片分別固定在第一配電板和第二配電板上；所述單面正極板和單面負極板間隔設置且二者之間形成空腔供液體流通，所述外殼的垂直所述液流方向上的兩相對側面上分別設有進液口和出液口 ；所述直流電源能夠提供給所述第一配電板和第二配電板可變極性的直流電。作為本發明的進一步改進，在所述單面正極板和單面負極板之間還平行間隔設有若干個雙面電極板，該雙面電極板由依次固連的陽離子交換膜、電極片、集電片、電極片和陰離子交換膜組成，且該雙面電極板的陰離子交換膜靠近所述單面負極板一側，其陽離子交換膜靠近所述單面正極板一側，所述單面正極板、雙面電極板和單面負極板之間形成空腔供液體流通。作為本發明的進一步改進，所述雙面電極板分別擺放在外殼內，相鄰的雙面電極板的集電片的端部之間設有用於彼此定位的絕緣隔條。作為本發明的進一步改進，在所述外殼的內側面對應所述雙面電極板的集電片的兩端面上分別設有插槽，所述雙面電極板的集電片的兩端部分別插裝在該插槽內用於固定該雙面電極板。作為本發明的進一步改進，所述空腔內設有絕緣填料。作為本發明的進一步改進，所述絕緣填料為有機或無機的纖維織物或顆粒。作為本發明的進一步改進，所述集電片為導電金屬片或石墨片。作為本發明的進一步改進，所述電極片為導電且多孔的炭材料或者以炭材料為主體的複合材料。本發明的有益效果是1)電荷利用效率高由於離子交換膜的限制作用，脫鹽過程中所有的電荷都用於吸附異號離子，因此電荷利用效率幾乎達到了 100% ；2)再生時間短再生時通過施加反向電壓，提高了離子遷移速率，因而只需更短時間即可實現裝置的再生；3)產水率高通過反接靜置，電極上吸附的鹽離子幾乎全部遷移到液流通道中，只需要用原水衝洗一次即可完全排出高濃度鹽水，因此其產水率大幅度提高，脫鹽率85%時其產水率也可達到90%以上；4)連接可靠。裝置中僅最兩側的配電板與直流電源相連，其他部件無需考慮電路連接和密封問題，因而極大地簡化了裝置，不易發生故障；5)製備成本低。一方面裝置簡化後節省了大量的密封元件和配電元件，另一方面裝置中使用最多的部件「雙面電極板」完全是相同的結構，批量生產時成本更低；6)易維護。由於提前將集電片、電極片和離子交換膜集成為電極板，只需要將電極板按照順序擺放在外殼內即可進行脫鹽和再生處理，其中某個部件損壞時，只需打開外殼對損壞部件進行更換；7)供電系統穩定。該發明中液路採用並聯方式而電路為串聯方式，因而整個供電系統的電流較小，提高了整個處理裝置的穩定性。


圖I為本發明剖面結構示意圖；
圖2為本發明所述單面正極板剖面結構示意圖；圖3為本發明所述雙面電極板剖面結構示意圖；圖4為本發明所述單面負極板剖面結構示意圖；圖5為本發明所述雙面電極板固定方式之一結構示意圖；圖6為本發明所述雙面電極板固定方式之二結構示意圖。結合附圖，作以下說明I——外殼2——第一配電板3——單面正極板4——單面負極板5——第二配電板6——集電片7——電極片8——陰離子交換膜9—陽離子交換膜10—進液口11——出液口12——雙面電極板13——絕緣隔條14——絕緣填料
具體實施例方式結合附圖，對本發明作詳細說明，但本發明的保護範圍不限於下述實施例，即但凡以本發明申請專利範圍及說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋範圍之內。如圖I所示，一種電容式液體純化處理裝置，包括直流電源、密封絕緣外殼I和固設於該外殼內且依次平行排列的第一配電板2、單面正極板3、若干雙面電極板12、單面負極板4和第二配電板5。單面正極板3由依次排列且固連的集電片6、電極片7和陰離子交換膜8組成，如圖2所示，且該單面正極板的集電片固定於第一配電板上；單面負極板4由依次排列且固連的陽離子交換膜9、電極片7和集電片6組成，如圖4所示，且該單面負極板的集電片固定於第二配電板上；雙面電極板由依次固連的陽離子交換膜9、電極片7、集電片6、電極片7和陰離子交換膜8組成，如圖3所示，且雙面電極板的陰離子交換膜靠近單面負極面一側，陽離子交換膜靠近單面正極板一側。其中，外殼上垂直於液流方向的兩側面板上分別設有進液口 10和出液口 11 ;直流電源能夠通過穿過外殼的接電柱提供給第一配電板和第二配電板可變極性的直流電。其中，集電片為剛性的金屬導體或者石墨片，電極片為導電且多孔的炭材料以及以炭材料為主體的複合材料。在相鄰的單面正極板、雙面電極板和單面負極板之間的空腔內分別設有絕緣填料14，該填料可以是有機或無機的纖維織物或顆粒。另外，該裝置的中間的各個雙面電極板與外殼的固定採用如圖5所示的方式，SP雙面電極板分片擺放在外殼內，其集電片的端部之間設有絕緣隔條13以限定雙面電極板的位置；也可以採用如圖6所示的固定方式，每個雙面電極板通過其集電片的端部分片插裝在外殼的插槽內。該裝置的操作流程可以分為正接脫鹽、反接靜置和衝洗三個步驟。正接脫鹽即在第一、二配電板2、5上施加正向電壓(第一配電板接電源正極，第二配電板接電源負極)，含鹽原水通過兩個電極板之間的空腔時，原水中的陰離子就會通過陰離子交換膜，陽離子通 過陽離子交換膜被吸附到電極片表面，從而達到脫鹽的效果。出水口動態監測出水的電導率，當電導率超過設定值時，說明電極片的吸附已趨於飽和，此時需要對電極板進行再生。再生包括反接靜置和衝洗兩步。反接靜置即將裝置的進出液口封閉，在第一、二配電板2、5上迅速施加反向電壓，則原來電極片上吸附的陰離子和陽離子就會在反向電場的作用下迅速遷移到電極板之間的液流通道內，由於離子交換膜的阻礙作用，脫附後的離子並不能被吸附到對面的電極片上。電場作用下離子的遷移速率很高，只需要很短的時間就可以實現離子的脫附，空腔內液體的鹽濃度則迅速提高。反接靜置後為衝洗步驟，只要向裝置中通入少量原水即可將空腔內的濃水衝洗乾淨，從而實現裝置的再生。由於再生過程中施加了反向電壓，再生的時間縮短，而且只需要很少的原水即可達到很高的再生的效果，相應地，脫鹽率為85%時的產水率也由75%以下提升至90%以上。即使運行很長時間後電極片上產生了帶電官能團，在短路和反接電壓條件下，陽離子也無法通過陽離子交換膜與正極電極片相結合，即正極電極片上只會吸附陰離子。所以在施加正向電壓進行脫鹽時，正極上的所有電荷都用於吸附陰離子，而不會用於排斥陽離子。負極亦然。因此裝置的電荷利用效率會大幅度提高，這也意味著能耗的降低。當裝置中使用離子交換膜而只施加同向電壓時，原水中的有機物、膠體、高價離子等會附著在離子交換膜上造成汙染和中毒，從而降低膜的活性並降低出水水質。但是在該裝置中，配電板之間頻繁施加正向和反向電壓，離子的往復遷移能夠對離子交換膜產生衝洗效果，有機物、膠體等也會在電極再生過程中隨濃水排出，從而避免了離子交換膜的汙染，延長了其使用壽命。該裝置的結構簡單，能夠高效去除原水中的鹽分，而且能耗低、易再生、無二次汙染、產水率高，是一種高效的含鹽原水純化處理裝置。
權利要求
1.一種電容式液體純化處理裝置，其特徵在於包括直流電源、密封絕緣外殼(I)和固設於該外殼內且依次平行排列的第一配電板(2)、單面正極板(3)、單面負極板(4)和第二配電板(5)，所述單面正極板由依次排列且固連的集電片(6)、電極片(7)和陰離子交換膜(8)組成，所述單面負極板由依次排列且固連的陽離子交換膜(9)、電極片(7)和集電片(6)組成，所述單面正極板(3)和單面負極板(4)的集電片(6)分別固定在第一配電板(2)和第二配電板(5)上；所述單面正極板和單面負極板間隔設置且二者之間形成空腔供液體流通，所述外殼的垂直所述液流方向上的兩相對側面上分別設有進液ロ(10)和出液ロ(11)；所述直流電源能夠提供給所述第一配電板和第二配電板可變極性的直流電。
2.根據權利要求I所述的電容式液體純化處理裝置，其特徵在於在所述單面正極板和單面負極板之間還平行間隔設有若干個雙面電極板(12)，該雙面電極板由依次固連的陽離子交換膜(9)、電極片(7)、集電片(6)、電極片(7)和陰離子交換膜⑶組成，且該雙面電極板的陰離子交換膜靠近所述單面負極板ー側，其陽離子交換膜靠近所述單面正極板ー側，所述單面正極板、雙面電極板和單面負極板之間形成空腔供液體流通。
3.根據權利要求2所述的電容式液體純化處理裝置，其特徵在於所述雙面電極板分別擺放在外殼內，相鄰的雙面電極板的集電片的端部之間設有用於彼此定位的絕緣隔條(13)。
4.根據權利要求2所述的電容式液體純化處理裝置，其特徵在於在所述外殼的內側面對應所述雙面電極板的集電片的兩端面上分別設有插槽，所述雙面電極板的集電片的兩端部分別插裝在該插槽內用於固定該雙面電極板。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的電容式液體純化處理裝置，其特徵在於所述空腔內設有絕緣填料(14)。
6.根據權利要求5所述的電容式液體純化處理裝置，其特徵在於所述絕緣填料為有機或無機的纖維織物或顆粒。
7.根據權利要求I至4中任一項所述的電容式液體純化處理裝置，其特徵在於所述集電片為導電金屬片或石墨片。
8.根據權利要求I至4中任一項所述的電容式液體純化處理裝置，其特徵在於所述電極片為導電且多孔的炭材料或者以炭材料為主體的複合材料。
全文摘要
本發明公開了一種電容式液體純化處理裝置，包括直流電源、密封絕緣外殼和固設於該外殼內且依次平行排列的第一配電板、單面正極板、單面負極板和第二配電板，單面正極板由依次排列且固連的集電片、電極片和陰離子交換膜組成，單面負極板由依次排列且固連的陽離子交換膜、電極片和集電片組成，單面正、負極板的集電片分別固定在第一、二配電板上；單面正極板和單面負極板間隔設置且二者之間形成空腔供液體流通，外殼的垂直液流方向上的兩相對側面上分別設有進、出液口；直流電源能夠提供給第一、二配電板可變極性的直流電。該電容式液體純化處理裝置可解決現有技術電荷利用效率低，再生時間長，產水率低，裝置結構複雜，維護困難等問題。
文檔編號C02F1/46GK102774931SQ201210292410
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月17日 優先權日2012年8月17日
發明者張水民, 王磊 申請人:崑山標即美機電科技有限公司