专利名称：：海水电脱盐装置及方法
技术领域：
：本发明提供一种新型的可实现能量回收的低能耗海水电脱盐装置以及采用该装置进行海水脱盐的方法，该电脱盐装置可用于海水或苦咸水淡化，或含离子废水的净化与金属回收。
背景技术：
：目前国内外常用的除盐方法，主要釆用蒸馏法，电渗析，离子交换，多层闪蒸，反渗透等。对于海水或苦咸水淡化多釆用后两种方法。上述方法中，电渗析的优点在于操作方便，适合处理高含盐的水，属粗除盐设备，缺点在于水耗和电耗较大，且其进水要求较高；离子交换用填充床或混床，属传统工艺，优点在于设备投资较低，缺点在于运行成本高，需要化学再生造成二次污染或需要二次净化，对搡作人员要求稍高，一般处理含盐浓度不高的废水；反渗透(R0膜法)，在中国市场上仅十年左右，如新近公开的200710017966.6号专利申请，就是釆用反渗透膜及装置进行脱盐的处理工艺，将海水通过自清洗过滤器，至超滤装置中进行预处理，经增压过滤去除反渗透系统进水中可能存在的微小颗粒，再提升反渗透装置进水压力，进行脱盐处理；该方法优点在于自动化程度高，吨处理成本4.02元/呻，去除率高于电渗析，操作方便；缺点在于投资较大，虽然运行成本较电渗析低，但仍然高达4一5度电/呻水，且对进水要求较高，需除去大于l微米的所有颗粒；同时得水率较低，每2至3吨原水才能制备1至2吨淡水。由于全球淡水的日趋紧张，进一步降低海水或内陆苦咸水淡化的成本，已成为世界许多国家研究的热点和难点。
发明内容为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种低成本，低能耗，无二次污染的海水或内陆苦咸水淡化用的海水电脱盐装置和技术。该技术包括了设备的构造和技术控制参数。本技术同样适用于回收苦咸水或海水中的盐，或金属矿废水中的金属离子，或用于净化一些含有带电粒子的废水。为实现上述目的，本发明提供一种新型的可实现能量回收的低能耗的海水电脱盐装置。该电脱盐装置是利用活性炭电极独特的双电层吸附特性，形成了超级电容的结构特性，在充电与脱盐过程中，离子或带电荷的粒子将吸附富集于该电脱盐装置中的活性炭电极上，回收净化后的水或淡水。在放电与电极再生的过程中，离子或带电荷的粒子从活性炭电极上解吸出来，回到溶液体系中，得到浓盐水。本发明装置包括阴阳集电极[2、3]、活性炭阴阳电极[2a3a]、入水口[4]、淡水出口[5]和浓缩液出口[6],其特征是在电绝缘脱盐容器[7]内设置由集电阴极[2]活性炭阴极[2a]组成的阴极板以及由活性炭阳极[3a]集电极阳极[3]组成的阳极板，在阴极板与阳极板之间布设可透分离介质，阴阳集电极分别与电源正负极相联接。本发明装置的阴极板和阳极板为各自紧密接触的叠合体，集电阴极[2]与活性炭阴极[2a]之间以导电接触层叠配置；活性炭阴极与可透分离介质之间以紧密接触层叠配置；可透分离介质、活性炭阳极[3a]和集电阳极[3]依次按层叠接触配置；阴阳集电极分别与直流电源的正极、负极相联接。集电极可以是紫铜、钛、导电聚合物、石墨或任何可耐受使用环境的金属或非金属材料制成，在金属集电极上以导电良好的方式连接并紧密固定一块相同尺寸的特制活性炭电极，即作为活性炭阴极和阳极使用的是比表面积为1000~3000m2/g的专用电极活性炭。可透分离介质为有机树脂类离子透膜或无机分离介质，有偏聚四氟乙烯、醋酸纤维膜、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯、聚丙烯类有机树脂膜，无机分离介质为各种普通活性炭，如竹炭、汽油吸附炭、食糖炭，其比表面积应《1000mVg，作分离介质用的活性炭占两电极板之间容积的30~50%。叠合在集电极上的炭电极之间布设离子透膜或无机活性炭分离介质，使得在充电的过程中帮助分离带电离子或粒子。本发明装置的结构还设计为与绝缘容器成一体在其端部带有集水槽[9]容器[7]两端的内上方固定有支撑块[8]，使装在阴极板与阳极板顶部的电极板架[l]带动极板在支撑块上作平行移动，在集水槽[9]端支撑块[8]之间的内壁上开有进水口[4],容器另一端下部的两边与中部分别开有浓缩水出口[6]及淡水出口[5]。该装置的入水管、淡水出口和浓缩液出口均与布孔水管相连通，以保证水流均匀；入水管除顶部其周边布有水孔，位于容器中部的净水管周围均有布水孔，位于电极板下方的浓缩液收水管靠电极一侧带有布水孔。采用本发明装置进行海水电脱盐的方法如下a)将海水或内陆咸水经入水口通入绝缘容器中，通入及流出流速按净化淡水中的离子浓度或出水的水质要求控制；b)将电压调至使水中阴、阳离子分离，以不进行电解反应为准，电压根据两极板之间的距离和分离介质的种类进行调整；c)当活性炭电极吸附离子达到饱合或预先设定的饱合值时，将阴、阳极反向连接，同时继续通入源水再生炭电极，使被吸附的离子被完全解吸，得到盐的浓缩液作盐化产品使用；d)电极吸附充电储存的电能在解吸时得到>90°/。的回收。本发明方法可用于处理污水中带电荷有机或无机物质的分离、咸水淡化或金属矿的废水处理，如果应用于污水处理，则浓缩液中的污染物成份需要进一步深度处理(此时污水浓度已大大提高，待处理水量已大大减少)才可以排放。本发明与现有技术相比具有以下显著效果1、能使海水或苦咸水淡化至Cl一<30ppm的淡水。若为内陆苦咸水，则其特定的盐浓度小于国家饮用淡水标准。2、处理水的运行成本<l元/口屯。3、与反渗透法和电渗析法相比，能耗和投资显著下降，同时省去清洗膜与电极的各种化学药剂。4、避免使用高电压时产生的电解反应，不产生氯气污染或氢气的易燃危险。具体实施方式结合附图对本发明作如下说明1、脱盐容器是用塑料板制造一个长方型的盒子作电极槽长60cm;宽30cm;高20cm;其中盒子的体积可大可小；长、宽、高尺寸的确定，可根据处理水量的多少而做调整。其材质为对电绝缘的各种塑料、石材、或在金属材质上涂敷绝缘层即可。参见附图，紧靠绝缘脱盐容器7的端部与其成一体带有集水槽9,待处理海水首先经过一根布水管进入集水槽9,管的下侧有布水孔，孔的直径与淡水出水流量相匹配，以利于咸水的均勻流入，海水由集水槽9通过隔壁上的进水口4进入电极槽脱盐容器内。在容器两端的内上方固定有支撑块8,装在两个阴阳电极板上的电极板架1置于支撑块8上沿，使电极板架1带动阴极板和阳极板在支撑块上作平行移动，来调整两块极板的间距；在容器另一端下部的两边与中部分别开有浓缩水出口6及淡水出口5，淡水出口5与浓缩水出口6均与布孔水管相连通，位于容器中部的净水管周围均有布水孔，位于电极板下方的浓缩液管靠电极一侧带布水孔。2、在长方型盒子的两边内侧各桂一块长58cm(可以是小块的组盒，各块之间用金属连接)、厚lcm、高19cm的导电良好的石墨集电极。在集电极上以导电良好的方式连接并紧密固定一块相同尺寸的特制活性炭电极，使其与炭电极之间具有良好的导电性能，该炭电极专用活性炭的比表面积为1000~3000m7g。3、位于容器内侧的两块极板分别作阴极板和阳极板，阴极板中的集电阴极2与活性炭阴极2a之间以导电接触层叠配置；活性炭阴极2a与可透分离介质之间以紧密接触层叠配置；可透分离介质、活性炭阳极3a和集电阳极3依次按层叠接触配置。集电阴极与直流电源的正极连接，集电阳极与电源负极相连接。4、在盒子中间设置离子可透过性薄膜偏聚四氟乙烯，在充电的过程中帮助分离正负离子或粒子。如选用普通活性炭作分离介质，其比表面积应控制在1000mVg以下，该活性炭占两电极板之间容积的30-50%。5、在盒子一侧中上方设一根布水管进入集水槽9长度约5cm，管的下侧有布水孔，孔的直径与淡水出水流量相匹配，以利于咸水的均匀流入。另一侧中间设一净化淡水出水管。槽两侧电极下方设有浓缩水收水管，浓缩盐水经出口6流出。釆用本发明装置进行海水脱盐的方法如下1、开始将海水从布水管不断地进入，其流速以净化后的净化水中的离子浓度或出水水质要求符合净化的使用要求为准本技术实施中淡水的氯根要求为30ppm，流入速度为16L/min。2、然后将电压调至能使水中阴、阳离子分离，以不进行电解反应为准；且能使槽中间的水淡化为止；本技术实施中电压控制在0—3V之间，阴阳极板的间距调整在250cm。3、调节出水阀，使淡水以16L/min流速流出，浓缩水可从槽两侧电极下方所设的收水管排出。4、当活性炭电极吸附的离子达到饱和或者预先设定的饱和值时需短路正负极，即将阴、阳板反向连接，以实现活性炭电极的再生。5、预先设定的饱和值可依据脱除的正负离子的种类及其所形成的盐的溶解度来确定，以避免产生不溶解的盐沉淀污染电极和离子隔膜。6、当电极吸附的离子浓度影响到出水的质量，或可能导致活性炭电极或离子透分隔膜被污染，也需及时再生(再生时间的确定，视水质成分依据4中所叙述的标准而变)7、再生时，将两极短路或阴、阳极交换连接，同时继续通入源水，进行再生，并且同时获得浓缩后的盐。其停留时间视电极清洁情况而定，应足够使被吸附的离子被完全解吸，并得到回收。8、电极吸附充电时储存的电能在解吸时可以得到>90%的回收。实现低能耗的绿色淡化或净化过程。9、如果应用于污水处理，则浓缩水中的污染物的成分需要进一步进行深度处理，才可以排放。如果应用于咸水淡化或金属矿的废水处理，则浓缩的水，可作其他水的用途或做下流盐化产品等用水。10、本发明实施中进水和出水水质指标要求如下表1进水水质C1—Ca2+Mg2+总盐浓度>680ppm>300ppm>50ppmM030表2出水水质<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>处理吨水运行综合成本为0.5-1元。我国有IO个省人均水资源量低于500m3',为重度缺水，特别是一些沿海和内陆干旱富苦咸水地区城巿严重受制于淡水资源缺乏，大规模利用海水对于沿海和内陆干旱富苦咸水地区(例如塔里木盆地)未来发展将产生深远的影响。水资源短缺严重制约沿海地区经济社会发展。成为我国经济发展中一个极其严重的问题。我国拥有很长的海岸线，海水资源丰富，对这个取之不尽，用之不竭的大水库，我们不可能视而不见。随着海水淡化科技日益进步，成本开始降低，许多面临水荒问题，正积极开拓新水源的地区，也开始把目光投向了浩瀚无边的海洋。降低能耗是海水淡化无法回避的问题。本发明正是解决了降低能耗作用既能应用于海水淡化，又能应用于污水的处理。所以应用范围广，有着广泛的工业化应用前景。权利要求1、一种海水电脱盐装置，该装置包括阴阳集电极[2、3]、活性炭阴阳电极[2a3a]、入水口[4]、淡水出口[5]和浓缩液出口[6]，其特征是在电绝缘脱盐容器[7]内设置由集电阴极[2]活性炭阴极[2a]组成的阴极板以及由活性炭阳极[3a]集电极阳极[3]组成的阳极板，在阴极板与阳极板之间布设可透分离介质，阴阳集电极分别与电源正负极相联接。2、按照权利要求1所述的海水电脱盐装置，其特征在于a)集电阴极[2]与活性炭阴极[2a]之间以导电接触层叠配置；b)活性炭阴极与可透分离介质之间以紧密接触层叠配置；c)可透分离介质、活性炭阳极[3a]和集电阳极[3]依次按层叠接触配置；d)阴阳集电极分别与直流电源的正极、负极相联接。3、按照权利要求1或2所述的海水电脱盐装置，其特征是所述的可透分离介质[8]为有机树脂类离子透膜或无机分离介质，有偏聚四氟乙烯、醋酸纤维膜、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯、聚丙烯类有机树脂膜；无机分离介质为各种普通活性炭，有竹炭、汽油吸附炭、食糖炭，其比表面积应《1000mVg,作分离介质用的活性炭占两电极板之间容积的30~50%。4、按照权利要求1或2所述的海水电脱盐装置，其特征是所述的作为活性炭阴阳极使用的是比表面积为1000~3000mVg的专用电极活性炭，叠合在集电极上的炭电极之间布设离子透膜或无机活性炭分离介质。5、按照权利要求l所述的海水电脱盐装置，其特征在于与绝缘容器成一体在其端部带有集水槽[9]，容器[7]两端的内上方固定有支撑块[8]，使装在阴极板与阳极板顶部的电极板架[l]带动极板在支撑块上作平行移动，在集水槽[9]端支撑块[8]之间的内壁上开有进水口[4]，容器另一端下部的两边与中部分别开有浓缩水出口[6]及淡水出口[5]。6、按照权利要求5所述的海水电脱盐装置，其特征在于入水管、淡水出口[5]和浓缩液出口[6]均与布孔水管相连通，入水管除顶部其周边均布有水孔，位于容器中部的净水管周围均有布水孔，位于电极板下方的浓缩液收水管靠电极一侧带有布水孔。7、按照权利要求1~6所述使用海水电脱盐装置的方法，其特征在于釆用该装置进行电脱盐的方法如下a)将海水或内陆咸水经入水口通入绝缘容器中，通入及流出流速按净化淡水中的离子浓度或出水的水质要求控制；b)将电压调至使水中阴、阳离子分离，以不进行电解反应为准，电压根据两极板之间的距离和分离介质的种类进行调整；c)当活性炭电极吸附离子达到饱合或预先设定的饱合值时，将阴、阳极反向连接，同时继续通入源水再生炭电极，使被吸附的离子被完全解吸，得到盐的浓缩液作盐化产品使用；d)电极吸附充电所储存的电能在解吸时得到>90%的回收。8、按照权利要求7所述的方法，其特征是该方法可用于处理污水中带电荷有机或无机物质的分离、咸水淡化或金属矿的废水处理。全文摘要本发明提供一种可实现能量回收的低能耗海水电脱盐装置及方法。该电脱盐装置是由集电阴极，活性炭阴极，可透分离介质，活性炭阳极，集电阳极构成。其特点是采用活性炭电极双电层吸附，形成超级电容的结构特性。在充电与脱盐过程中，离子或带电荷的粒子将吸附富集于该电脱盐装置中的活性炭电极，而装置的内腔可回收净化后的水或淡水；在放电与电极再生的过程中，离子或带电荷的粒子从活性炭电极上解吸，回到溶液体系中，得到的浓盐水可用于回收苦咸水或海水中的盐。该电脱盐装置可用于海水或苦咸水淡化，或含离子废水的净化与金属回收；本发明能使海水或苦咸水淡化至至Cl<sup>-</sup>≤30ppm的淡水，处理水的运行成本≤1元/吨。文档编号C02F1/469GK101481159SQ20081001017公开日2009年7月15日申请日期2008年1月18日优先权日2008年1月18日发明者古可隆,李国君,李国臣申请人:朝阳森塬活性炭有限公司