用于吸收剂电化学再生的装置的制作方法

专利名称：用于吸收剂电化学再生的装置的制作方法
技术领域：
本申请涉及通过接触吸附剂材料对受污染液体的处理。本发明尤其 但非唯一地适用于处理液体，并除去有机污染物。尽管本发明在有机化 合物的阳极氧化有特别的应用，但其也可以用于化合物的阴极还原。其 还可以用于消毒。
背景技术：
吸附剂材料普遍用于液体处理装置中。碳基类的这种材料是特别有
用的，并且能够使电流经过它而再生。2004年University of Manchester Institute of Science and Technology(现在的曼彻斯特大学)发表的下述论文
中描述了污水处理中吸附剂的使用，该论文通过参考结合在此
Electrochemical regeneration of a carbon-based adsorbent loaded with crystal violet dye by N W Bra糧,E P L Roverts, A A Garforth and RAW Diyfe ElectrachemicaActa49 (2004) 3269-3281
Atrazine removal using adsorption and electrochemical regeneration by N W Brown, E P L Roverts, A Chasiotics， T Cherdron and N Sanghrajka Water Research 30(2004)3067-307
发明内容
本发明涉及利用吸附剂材料的装置，该吸附剂材料能够在污染液的 处理中再生。根据本发明，提供了通过接触颗粒吸附剂材料来处理液体 的装置，其包括用于待处理液体的入口和出口的贮液器，贮液器中有再 生室。还提供了使吸附剂材料沿包括穿过再生室和贮液器中液体主体的 通路的路经而进行再循环的设备。再生室限定在与电源相连的两个电极 之间。在使用中，能够连续地或间断地在电极之间施加电压，通过使电 流流经吸附剂材料，并以上述提及的论文中所描述的方法使吸附剂材料 再生。所述吸附剂材料一般是碳基的。
5处理和再生过程可以是连续或半连续的。可以批次地处理单独体积 的液体，吸附剂材料随各批次处理或在批次处理之间再生。如果阴极和 阳极之间没有通过固体导电性吸附剂材料的连续的电连接，则也可以在 未分开的单元中处理某些化合物。在连续或半连续工艺中，确定和控制 通过装置的液体流速，以保证其与再循环吸收剂接触有充分的停留时间。
本发明的装置可以具有单个的再生室，或可以在更大的设备中具有 多个再生室。这些多个再生室可以是安装在共用贮液池中的工作面的形 式，这样能够提供使吸附剂材料仅从室的每一侧进行循环，所述室沿贮
液池的轴线紧密排列成直线，并延伸至贮液池的相对端壁(opposing end wall)。在另一种配置中，所述工作面可以提供在贮液池中紧密排列成直 线、并与其端壁隔开的所述室的工作面侧面和端部的循环。在又另一种 配置中，循环可以是在贮液池中与临近室分隔开的每个室的周边。在这 种方式中，使用共用的贮液池促进了吸附剂材料的再循环和液流以更大 的量通过设备。对于待处理液体可以使用共用的入口和出口，并可以使 用单个系统来循环吸收剂。尽管所述室布置在工作面中，单独的电极一 般与用于吸收剂的再生的每个室相连。
在根据本发明的装置中，吸附剂材料可以沿各种不同的路径再循环， 其中至少部分路径可以与通过贮液池的待处理液体的路径相重合。在此 部分中，液体和吸收剂可以以相同或相反的方向通过。 一般，污染的液 体可以在贮液池底部输送，并从上部放出，同时吸附剂材料沿贮液池中 至少一个连续路径行进。
吸收剂的再循环最容易通过输送空气至底部、或至所述路径的一个 或多个区段进行，该路径在该一个或多个区段中携带吸附剂材料向上。 这种移动将所述材料输送到再生室顶部边界的上方，然后其在重力作用 下落下。当其流过再生室时，施加的电压产生电流流经材料，破坏掉吸
附的污染物。分解的产物可以气体形式释放，并以适当的方式分开处理。 用空气循环吸附剂材料本质上对处理过程当然是有利的。其使污染 的液体暴露在空气中，并在再循环时搅拌吸附剂材料，由此增强其暴露 至污染液。进入的液体也可用来夹带和促进吸收剂从再生室底部的循环。 当处理可以产生泡沫的含表面活性化合物的液体时，这样可以是有利的。 当然，可以使用不同的流体，以在装置中实现各种液体的不同处理。根据待处理液体的需要、待处理液体的接触时间和液体应当暴露的 材料的量，可以在贮液池中不同地设置吸附剂材料的再循环路径和再生 室。在优选的配置中，再生室位于贮液池的中央，吸附剂材料则相应通 过该再生室落下，并在贮液池中向上再循环，和在所述室的外部通过待 处理液体。装置的方便设计是使再生室位于两个处理室之间，再生室的 每侧上一个，这是有效的二维配置。然后，再生室的电极可以设置在其 相对面，这些面与限定处理室的侧面不同。当然，这种配置可延伸至由 多个处理室围绕的再生室的三维。这些配置还可以是相反的，单个的处 理室位于环形再生室内的中心，或被一列再生室所环绕。
适于用在本发明中的吸附剂材料是能够容易地与液相分离开的导电 性固体材料。该材料可以以粉末、薄片或粒状形式使用。同时对粒径没 有限定，最佳的尺寸依赖于吸附剂的特性。所用的材料以及尤其粒径是 表面积、导电性和分离的容易性之间的折衷产物。优选的材料是石墨插 层化合物(GIC)。特别优选的GIC是插入硫酸氢盐的产物。其可以通过 在硫酸存在下在氧化条件下化学或电化学处理石墨薄片形成。然而，大 量不同的GIC材料已制造出来了，而不同的所述材料具有不同的吸附性 能，而吸附性能是选择颗粒材料的影响因素。
减小吸附剂材料的粒径可以显著增加吸附的可用表面积。然而，减 小粒径会使固相的分离变得更加困难。在本发明的实践中，典型的粒径
是0.25-0.75mm。如果使用有机聚合物作为絮凝剂，由于非常细小的颗粒 (<50微米)也可以容易地与液相分离，因此可以使用非常细小的颗粒作 为吸附剂材料。然后通过再生破坏这种有机絮凝剂。使用其它具有较低 导电性和密度的材料比较大颗粒更有利。
吸附剂材料的导电性越高，跨越电池所需的电压就越小，因此电能 消耗越低。典型的单个GIC颗粒具有超过10，000Q、cm—1的导电率。然而 在颗粒床中，由于颗粒/颗粒边界存在电阻，所述导电率显著更低。因此 理想的是使用尽可能大的颗粒以保持电阻尽可能低。因此细小湿润的颗 粒的床具有0.16Q"，cm—1的导电率，较大颗粒的床则具有0.32Q、cm—1的 导电率。作为比较，颗粒状和粉末状活性碳一般分别具有0.025和0.012 Q"，cm—i的导电率。
本发明实践中使用的优选GIC是薄片形的， 一般具有至少95%的碳
7组成，密度为大约2.225g，cm—3。然而，薄片形的碳可以作为制备具有非 常低碳含量(80%或更少)的GIC的原料材料。这些化合物还可以用在 电池中，但是容易在电化学再生阶段产生稍高的电压。在GIC中还可以 存在其它元素，这些化合物依赖于薄片石墨的初始组成和将薄片转变为 插入形式的化学品。不同来源的石墨可产生具有不同吸附性能的GIC。


现在通过实施例和参照附图来描述本发明的实施方式，其中 图1所示为根据本发明第一实施方式的装置的垂直截面图； 图2所示为图1中沿A-A线的水平截面图；以及 图3所示为本发明第二实施方式的透视的部分剖开的视图。
具体实施例方式
所述附图示出了由前壁4、后壁6和侧壁8限定的大致为矩形截面的 贮液池2。在该贮液池中，内壁10限定再生室，再生室在贮液池的整个 宽度上在前壁4和后壁6 (图2)之间延伸。再生室的底部由收敛壁12 限定，该收敛壁形成用于从再生室中排出颗粒状吸附剂材料16的开口 14。 上壁18限定再生室上方的中心区域。
当准备好使用装置时，将吸附剂材料以所需的量装载到再生室10中。 然后将待处理液体通过入口 20输送至贮液池，并填充至低于位于上壁18 之间的排放出口 22的水平。然后，通过贮液池底部如24所示的开口输 送加压空气。该空气在液体中产生气泡，从低于再生室底部的开口 14拖 曳颗粒状吸附剂材料，并携带该吸附剂材料向上通过由壁8和IO之间的 贮液池所限定的处理室26。当向上拖曳吸附剂材料通过所述液体时，该 吸附剂材料吸收液体中的污染物。上升的空气使吸附剂材料围绕在壁10 的顶部并位于其上方，在此处又通过壁18使吸附剂材料返回再生室中。 阻挡物28和30设置在再生室的顶部，以控制贮液池中的固相、液相和 气相的流动。阻挡物28和30可以破坏任何团聚的颗粒，并引导它们进 入所述室中。阻挡物28和30还可以阻止吸附剂颗粒进入壁18之间的区 域中，由此排出处理过的液体，并防止在再生室中的吸附剂材料床中产 生的气泡进入该区域中。
8将待处理的液体通过入口 20以选定的流速输送至贮液池，该流速与 所述液体在贮液池中需要的停留时间以及充分接触吸附剂材料、以使污 染物能够由此被吸收相匹配。所述液体一般向上流经贮液池，并通过端
口 22溢流排出。值得注意的是，该液体仅可以从壁18之间的再生室顶 部通过向上的流动而到达排放端口 22。因此壁18限定了一个静止区域， 该区域不会受在处理室中穿过所述液体的气泡所产生的移动的影响。
尽管通常待处理液体向上流动为优选，但也可以使用相反的设置。 因此，可以允许待处理液体在32所示的端口加入，并通过排放点34收 回。由于接近吸附剂材料，所以在排放点需要某种形式的过滤器，但是， 从贮液池底部的向上的气流应当会防止阻塞。液体流动穿过贮液池的方 向当然要基于系统的要求进行选择，但是使所述液体流动与处理室中吸 附剂材料的流动方向大致相反是有某些益处的。如果贮液池中液体流动 的总方向是向下而不是向上，则就会是这种情况。
如上所述，所述装置可以用于分开处理单个体积的液体。在此方面， 贮液池用液体填充至所需水平，并通过再生室循环吸附剂材料适于进行 处理的一段时间。然后除去液体，例如通过排放端口 34排出，并将新鲜 的液体充填入贮液池。吸附剂材料将会在处理过程中得到正常再生，并 被再循环。
在本发明的装置中，吸附剂材料连续地或间断地再生，同时吸附剂 材料以其再循环路径通过再生室。其是通过在设置在室16相对面的阳极
36和阴极38之间施加电压来实现所述吸附剂的再生。污染物从贮液池的 顶部、通过再生的吸附剂材料以气体形式释放。这些释放的气体可以排 放到大气中，但是当然如果需要也可以进行分开的处理。阴极位于由导 电膜40所限定的分开的隔室42中。这使得阴极电解液可被泵送通过所 述隔室，而所述膜保护阴极直接接触吸附剂材料。
膜40的目的是防止固体吸收剂颗粒接触阴极，因为这样会导致电子 直接从阴极38到阳极36而不通过水相。这种情况下，就不会存在吸附 剂的有机氧化和再生。膜40必须允许离子或电子通过它进行传递来完成 电回路。然而，这会在系统中产生额外的电阻。这种膜仅在特定的pH水 平下工作。在这种情况下，阳极一侧的水的氧化(表现为酸性条件)和 阴极一侧的水的还原(表现为碱性条件)需要pH调节来保持膜以可接受
9的电压起作用。在实践中，这需要监测阴极电解液并调整它保持酸性， 例如通过不断添加酸，这不是理想的，泵送阴极电解液通过阴极隔室， 以及适当的pH监测和包括容器、泵和探针的调节装置，这会导致进一步 的资金、运作和维护成本。
使用导电膜的备选方式是利用多孔过滤器。这可以防止固体与阴极 接触，但允许水和离子通过。阴极的水的不断还原会使阴极电解液变得 更加碱性、表现更高的导电率和更低的电池电压。
图3所示为本发明的第二实施方式，其中多个再生室44以工作面
(bank) 46的形式安装在贮液池48中。所述室44紧密排列成直线，并 延伸至贮液池的相对端部的壁50 (仅示出一个端壁)。再生室的壁52以 板54的形式从室自身向上以及横向延伸，这有助于引导颗粒和液体的循 环混合物进入再生室。为进一步引导循环混合物，设置额外的壁56，该 壁56限定了一个静止区域，由此液体通过排出端口 58的溢流来排放。
混合物中的吸附剂材料的循环通过输送加压空气至工作面46每一侧 上的导管60来进行。空气从导管60中的开口 (未示出)放出，并上升 和沿板54的外表面向前。可以安装额外的板62，以引导颗粒材料向板 54和壁56之间的再生室44的工作面46的入口返回。
待处理液体通过输送管64进入贮液池48中。可以使用多个从所述 输送管进入贮液池中的出口。可以理解，为了获得吸附剂材料的希望的 循环，可以根据板和壁54、 56、 62的尺寸、位置和方位，选择导管60 和输送管64的实际方位和相对方位。
在图3所示的布置中，再生室44成直线地紧密排列在一起，其基本 上彼此接触，末端的室基本上毗邻贮液池48的端壁。这种布置导致吸附 剂材料的移动为可预期，其一般是贮液池轴线每侧上的圆形路径。然而， 在再生室之间设置间隙是有利的，其能够使一些吸附剂材料不用通过再 生室而再循环。在其它的布置中，再生室不需要排列成直线，而是分开 地安装在贮液池中的不同位置。
在图3所示的装置中，吸附剂材料在被再生的同时经过在其再循环 路径中的每个再生室中，通常如图2中所示。尽管阳极和阴极通常被布 置在再生室侧壁52的较低端部，但是据认为这样可以避免相邻室中对再 生的干扰。
权利要求
1、一种通过接触颗粒吸附剂材料来处理液体的装置，其包括用于待处理液体的贮液池；贮液池中的再生室，和用于使吸附剂材料沿包括穿过所述再生室和贮液池中的液体主体的通路的路径而再循环的设备，其中所述吸附剂材料能够再生，且所述再生室被限定在与电源相连的两个电极之间。
2、 权利要求l的装置，其包括用于移动液体从通向贮液池的入口和源自储液池的出口穿过贮液池的设备。
3、 权利要求2的装置，其中所述贮液池和室限定至少一个用于再循 环吸附剂材料的环形路径，和从所述入口到所述出口的液体路径，该液 体路径的一部分与环形路径的一部分相重合，用于沿同一方向运送液体 和吸附剂。
4、 权利要求2的装置，其中所述贮液池和室限定至少一个用于再循 环吸附剂材料的环形路径，和从所述入口到所述出口的液体路径，该液 体路径的一部分与环形路径的一部分相重合，用于沿相反方向运送液体 和吸收剂。
5、 权利要求2至4之一的装置，其中所述待处理液体的入口在贮液 池的底部，同时液体的出口在贮液池的上部。
6、 权利要求5的装置，其中当所述装置在使用中时，贮液池液体的 出口设置为相对于再循环吸附剂材料的路径垂直位于所述路径上方。
7、 前述权利要求之一的装置，其中所述再循环设备包括沿再循环路 径输送加压空气至贮液池底部，以移动所述吸附剂材料的设备。
8、 前述权利要求之一的装置，其中所述再生室被限定在阳极和阴极 之间，其中至少所述阴极通过导电膜与室中的液体和颗粒材料隔开。
9、 前述权利要求之一的装置，其中所述阴极放置在贮液池中分开的 隔室中。
10、 前述权利要求之一的装置，其中多个再生室安装在共用的贮液 池中。
11、 权利要求io的装置，其中所述再生室布置在沿贮液池的轴线排列成直线的室的工作面中。
12、 权利要求ll的装置，其中所述室紧密排列成直线，并延伸至贮 液池的相对端壁。
13、 权利要求1-9之一的装置，其中吸附剂材料的再循环路径包括贮 液池中的再生室和至少一个相邻的处理室，这些室限定了再循环路径的 基本平行的部分。
14、 权利要求13的装置，其中所述再生室设置在两个处理室之间。
15、 权利要求13的装置，其中所述再生室被多个处理室围绕。
16、 权利要求13的装置，其包括两个再生室，处理室的每侧一个。
17、 前述权利要求之一的装置，其中所述再生室被设置为形成一部 分的再循环路径，其中吸附剂材料垂直向下移动。
18、 前述权利要求之一的装置，其包括导电的颗粒吸附剂材料。
19、 前述权利要求之一的装置，其包括碳-基颗粒吸附剂材料。
20、 一种用颗粒的碳-基吸附剂材料处理液体的方法，其包括使液体 通过包括吸附剂材料的贮液池，同时使所述吸附剂材料再循环通过所述 贮液池中的再生室，以及施加电压，使电流通过所述室中的吸附剂材料， 以便当吸附剂再循环经过时使所述吸附剂材料再生。
21、 权利要求20的方法，其使用权利要求l-19之一的装置。
全文摘要
本发明公开了一种通过接触颗粒吸附剂材料来处理液体的装置，其包括用于待处理液体的贮液池(2)中的再生室(10)。吸附剂材料沿包括穿过再生室(10)和贮液池中液体主体，以接触和处理所述液体的通路的路径再循环。吸附剂材料能够再生，而再生室(10)被限定在两个电极(36、38)之间，电极可以与电源连接。处理过程可以是连续的，液体流过贮液池，同时吸附剂材料被再循环和再生。或者，可以批次地处理单个量的液体。可以在共用贮液池中安装多个再生室，例如使室的工作面沿贮液池的轴线直线排列。
文档编号C02F1/28GK101472845SQ200780022822
公开日2009年7月1日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月28日
发明者E·P·L·罗伯茨, K·T·埃克尔斯通(已故), N·W·布朗 申请人:阿维亚科技有限公司