一種不對稱流動式電極的脫鹽裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種不對稱流動式電極的脫鹽裝置，包括若干個負極腔室、陰離子交換膜、水處理腔室、陽離子交換膜和正極腔室由絕緣固定板與螺栓裝配而成的脫鹽水處理裝置，其特點是正極腔室內(nèi)設置由碳材料與二氧化錳復合的流動性陽極與負極腔室內(nèi)設置由碳材料組成的流動性陰極構(gòu)成不對稱流動式電極單元，所述流動性陽極為炭和二氧化錳的復合物與可溶性鹽溶液配制的電極液；所述流動性陰極為碳與可溶性鹽溶液配制的電極液。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有脫鹽效率高、制備簡單、穩(wěn)定性好、原料利用率高等優(yōu)點，運行電壓可以達到1.8 V，大大提高了裝置的使用壽命和安全運行。
【專利說明】
一種不對稱流動式電極的脫鹽裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及水處理技術領域，具體地說是一種不對稱流動式電極的脫鹽裝置。
【背景技術】
[0002]電容去離子(Capacitive De1nizat1n，Q)I)的脫鹽技術，是對于被處理的含離子溶液施加一靜電場，使得離子與水得以分離，從而得到離子含量較低的水。該水處理技術采用流動式電極液作為電極時，由于能不斷地供給新鮮電極材料，可以實現(xiàn)離子連續(xù)吸附，進而實現(xiàn)對高濃度含鹽水的凈化，這一改進的CD I技術稱之為流動式電容去離子(FlowabIe-electrode Capacitive De1nizat1n，F(xiàn)CDI)。
[0003]流動式電容去離子技術與傳統(tǒng)的水處理技術相比較，F(xiàn)CDI技術具有能耗低、水利用率高、操作簡單等優(yōu)點。該技術可被用于如硬水軟化、貴重金屬富集、高純水制備、海水淡化等領域。
[0004]現(xiàn)有流動式電容去離子(FCDI)技術存在的問題是:離子迀移速度較慢，以至離子無法快速從水中分離，提高運行電壓是一種提高離子的迀移速度，這種方法可以提高離子吸附過程中水中的離子迀移到電極材料表面的速度，從而實現(xiàn)離子快速從水中分離。由于FCDI裝置的正、負極一般使用同一種的活性材料(如活性炭)，一旦運行電壓超過1.23V，水處理腔室內(nèi)的水就會分解，進而造成能耗的損失，嚴重的情況，甚至影響到裝置使用壽命和運行安全，產(chǎn)生的氫氣有爆炸的危險，因此，亟待發(fā)展一種提高運行電壓又不會導致水分解的F⑶I裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而設計的一種不對稱流動式電極的脫鹽裝置，采用AC/Mn02與AC組成的不對稱流動式正、負電極單元，使正極的析氧電位升高，從而降低負極的析氫電位，去離子裝置的運行電壓可以達到1.8 V，大大提高了FCDI裝置的脫鹽效率，結(jié)構(gòu)簡單，制備方便、穩(wěn)定性好，處理成本低，較好的解決了提高運行電壓又不會導致水分解以及裝置安全運行的技術難題，尤其適合去離子水的處理應用。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明的具體技術方案是:一種不對稱流動式電極的脫鹽裝置，包括若干個負極腔室、陰離子交換膜、水處理腔室、陽離子交換膜和正極腔室由絕緣固定板與螺栓裝配而成的脫鹽水處理裝置，其特點是正極腔室內(nèi)設置由碳材料與二氧化錳復合的流動性陽極與負極腔室內(nèi)設置碳材料的流動性陰極構(gòu)成不對稱流動式正、負電極單元，所述流動性陽極為活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維碳和二氧化錳復合的電極材料與濃度為0.1?1.0mol/L的可溶性鹽溶液按2:8重量比配制的正電極液;所述流動性陰極為活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維碳與濃度為0.1?1.0 mo 1/L的可溶性鹽溶液按2: 8重量比配制的負電極液;所述負極腔室和水處理腔室之間設置陰離子交換膜，水處理腔室與正極腔室之間設置陽離子交換膜，陰離子交換膜和陽離子交換膜兩側(cè)均設有墊片分別與水處理腔室和負極腔室或正極腔室密封連接。
[0007]所述碳材料與二氧化錳復合是將活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維和高錳酸鉀與去離子水混合，攪拌I小時后加入濃度為硫酸繼續(xù)攪拌I小時，然后在80°C溫度下攪拌Ih，反應液經(jīng)抽濾清洗后在120 0C溫度下干燥8?12小時，干燥后的產(chǎn)物為AC/Mn02復合的電極材料，所述活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維與高錳酸鉀、去離子水和98%硫酸的重量體積比為0.2 g:2 g:200 mL:l mL。
[0008]所述不對稱流動式正、負電極單元之間的電壓為1.0?1.8伏。
[0009]所述陰離子交換膜和陽離子交換膜為均相或異相離子交換膜。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有脫鹽效率高、制備簡單、穩(wěn)定性好、原料利用率高等優(yōu)點，運行電壓可以達到1.8 V，大大提高了裝置的使用壽命和安全運行。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2為本發(fā)明具體運用不意圖；
圖3為AC/Mn02電極材料掃描電鏡照片；
圖4為AC/Mn02電極材料的粉末X射線晶體衍射圖；
圖5為活性炭負極的電極材料掃描電鏡照片；
圖6為AC和AC/Mn02電極材料的循環(huán)伏安曲線圖；
圖7為AC/Mn02正電極與AC負電極的循環(huán)伏安曲線圖；
圖8為實施例1的脫鹽效率與現(xiàn)有技術的脫鹽效率對比圖。
【具體實施方式】
[0012]參閱附圖1，本發(fā)明由若干個負極腔室1、陰離子交換膜3、水處理腔室4、陽離子交換膜5和正極腔室6組成，正極腔室6內(nèi)設置由碳材料與二氧化錳復合的流動性陽極61與負極腔室I內(nèi)設置由碳材料組成的流動性陰極11構(gòu)成不對稱流動式正、負電極單元。所述陽離子交換膜3設置在負極腔室I和水處理腔室4之間，其材質(zhì)為高分子聚合物，既能使負極形成一個隔絕的腔室，又能使水溶液中的陽離子能順利地通過而陰離子則被阻擋在水處理腔室4中，并確保負極腔室I和水處理腔室4之間處于絕緣狀態(tài)。所述墊片2用于本裝置的密封，其材質(zhì)為氯丁橡膠、三元乙丙橡膠或硅膠等橡膠類和樹脂類高聚物。所述水處理腔室4為含離子水溶液流經(jīng)的通道，設置在陽離子交換膜3和陰離子交換膜5之間，其材質(zhì)為耐鹽水腐蝕的亞克力，水處理腔室4的設計即要滿足水溶液充分與離子交換膜接觸，還需要適宜的厚度保證合適的水壓和盡可能大的電容性。所述絕緣固定板7設置在整個裝置的兩側(cè)，其材質(zhì)為表面做絕緣處理的金屬板或塑料板，然后通過螺栓8進行緊固，既保證整個裝置的密封性，又保證裝置正、負極之間不會發(fā)生短路。所述陰離子交換膜3和陽離子交換膜5為均相或異相離子交換膜。
[0013]以下通過對0.1 M的氯化鈉溶液脫鹽的具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0014]實施例1
參閱附圖2，本發(fā)明(A-FCDI)運行使用直流電源供電，將直流電源的正、負極分別施加在本裝置兩端的正極腔室6和負極腔室I，其中，負極腔室I內(nèi)的流動性陽極61為AC/Mn02流動式正集流體電極，流動性陰極11為碳流動式負集流體電極。將若干個負極腔室I進管與負電極液槽12出口連接，負電極液槽12進管與若干個負極腔室I出口連接;將若干個正極腔室6進管與正電極液槽62出口連接，正電極液槽62進管與若干個正極腔室6出口連接;將原水管與若干個水處理腔室4進管連接，若干個水處理腔室4出管與脫鹽水管連接。
[0015]所述碳材料與二氧化錳(AC/Mn02)復合的制備:常溫下，將活性炭和高錳酸鉀與去離子水按0.1 g:1g: 100 mL重量體積比混合，攪拌I小時后按與去離子水為2:100體積比加入濃度為98 %硫酸，繼續(xù)攪拌I小時，然后在80°C溫度下攪拌I h，反應液經(jīng)抽濾清洗后在120 °C溫度下干燥8?12小時，干燥后的產(chǎn)物為AC/Mn02復合的電極材料。
[0016]參閱附圖3，上述制備的AC/Mn02電極材料經(jīng)掃描證明，MnO2復合到AC模板上了，其結(jié)構(gòu)為多層孔狀結(jié)構(gòu)。
[0017]參閱附圖4，上述制備的AC/Mn02電極材料的粉末經(jīng)X射線的晶體衍射得到的產(chǎn)物是AC/Mn02復合材料，并進一步證明Μηθ2復合到AC模板上了。
[0018]參閱附圖5，AC電極材料經(jīng)掃描證明，AC為微米級顆粒狀材料
所述流動性陽極為活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維碳與二氧化錳的復合物與可溶性鹽溶液配制的電極液，其制備是:將上述AC/Mn02復合的電極材料與0.1 M的NaCl按1.8:10重量比混合，充分攪勻后得到的漿料為流動性陽極61的電極液。
[0019]所述流動性陰極為活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維碳與可溶性鹽溶液配制的電極液，其制備是:將活性炭與0.1 M的NaCl按I: 50重量比混合，充分攪勻后得到的漿料為流動性陰極11的電極液。
[0020]本發(fā)明(A-F⑶I)是這樣進行脫鹽的:將濃度為0.1 M的氯化鈉溶液起始濃度為
0.1 M的鹽水通過與若干個水處理腔室4進管連接的管道注入各水處理腔室4，其輸送流量為50 mL/min;將上述制備的電極液分別放置在正電極液槽62和負電極液槽12，并通過輸送設備流經(jīng)負極腔室I和正極腔室6分別形成正、負兩不對稱超級電容的流動性陰極11和流動性陽極61并與外部直流電源連接，其正、負極電極液的輸送流量為50 mL/min ο接通直流電源，水處理腔室4的陰、陽離子在電場作用下分別迀移到負極腔室I和正極腔室6，并吸附在其相應的電極材料上從而實現(xiàn)脫鹽。
[0021]參閱附圖6?附圖7，本發(fā)明最大運行電壓的確定:在1.0 M的NaCl溶液中使用三電極法以及兩電極法，采用10 mV/s分別測試正、負極電極材料制成膜電極的循環(huán)曲線，得到最大運行電壓為1.8伏。
[0022]參閱附圖8，上述實施例經(jīng)測定脫鹽速率達到19.81 mmol/g，是對稱F⑶I裝置脫鹽效率的1.2倍。
[0023]本發(fā)明(A-FCDI)采用不對稱電極材料組成的流動式電極，擴大了裝置的運行電壓，提高了FCDI裝置的脫鹽效率，制備簡單，成本低。以上只是對本發(fā)明作進一步的說明，并非用以限制本專利，凡為本發(fā)明等效實施，均應包含于本專利的權利要求范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種不對稱流動式電極的脫鹽裝置，包括若干個負極腔室、陰離子交換膜、水處理腔室、陽離子交換膜和正極腔室由絕緣固定板與螺栓裝配而成的脫鹽水處理裝置，其特征在于正極腔室內(nèi)設置由碳材料與二氧化錳復合的流動性陽極與負極腔室內(nèi)設置碳材料的流動性陰極構(gòu)成不對稱流動式正、負電極單元，所述流動性陽極為活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維碳和二氧化錳復合的電極材料與濃度為0.1?1.0 11101/1的可溶性鹽溶液按2:8重量比配制的正電極液;所述流動性陰極為活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維碳與濃度為0.1?1.0 mol/L的可溶性鹽溶液按2: 8重量比配制的負電極液;所述負極腔室和水處理腔室之間設置陰離子交換膜，水處理腔室與正極腔室之間設置陽離子交換膜，陰離子交換膜和陽離子交換膜兩側(cè)均設有墊片分別與水處理腔室和負極腔室或正極腔室密封連接。2.根據(jù)權利要求1所述不對稱流動式電極的脫鹽裝置，其特征在于所述 碳材料與二氧化錳復合是將活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維和高錳酸鉀與去離子水混合，攪拌I小時后加入硫酸繼續(xù)攪拌I小時，然后在80°C溫度下攪拌I h，反應液經(jīng)抽濾清洗后在120 °C溫度下干燥8?12小時，干燥后的產(chǎn)物為AC/Mn02復合的電極材料，所述活性炭、介孔碳、碳氣凝膠或碳纖維與高錳酸鉀、去離子水和98%硫酸的重量體積比為0.2 g:2 g:200 mL:I mLo3.根據(jù)權利要求1所述不對稱流動式電極的脫鹽裝置，其特征在于所述不對稱流動式正、負電極單元之間的電壓為1.0?1.8伏。4.根據(jù)權利要求1所述不對稱流動式電極的脫鹽裝置，其特征在于所述陰離子交換膜和陽離子交換膜為均相或異相離子交換膜。
【文檔編號】C02F1/469GK105858828SQ201610387035
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王苗, 潘麗坤
【申請人】華東師范大學