一种流动电极电容去离子系统

1.本发明属于环境保护技术领域，更具体地，涉及一种流动电极电容去离子系统。


背景技术：

2.随着世界人口激增，人类对于能源和淡水资源的需求量日益增大，同时因为传统的化石能源的弊端迫使我们寻找和开发对环境友好的能源。而海岛地区太阳能强度大且海水量丰富，海水淡化便成为解决该问题的热门之选。由此以保护环境、节约资源为原则，探究既能节约成本又能提高效率的海水淡化装置成为越来越多科研工作者的研究方向。
3.目前存在很多淡化海水技术，主要包括多效蒸馏，多级闪蒸，反渗透，压汽蒸馏，电渗析等等。其中多效蒸馏，多级闪蒸和反渗透这3种海水淡化技术的装机容量之和在全球总装机容量当中的占比达94％。但是对于多效蒸馏法而言，浓盐水由于温度较高会造成海水局部温度升高而引起海水的物理性质发生变化，从而直接或间接地导致水质恶化，所以该方法存在不可避免的浓盐水污染问题，同时其还受限于结构材料的腐蚀和水垢的生成。而多级闪蒸和反渗透法均存在膜上污垢生成，需要对原水进行严格的预处理等问题，并且反渗透技术还依赖于性能优良的膜，制膜成本也是其主要限制因素。流动电容去离子法因其装置简单，无需添加化学剂，无需使用膜受到了越来越多的关注。
4.现有技术1(专利文献cn105540764a)中制备了不对称的电极模块应用于电容去离子脱盐技术中，一个电极采用硝酸处理后的活性炭，带负电荷。另一个电极采用季铵化聚四乙烯基吡啶报复的活性炭作为活性物质，带正电荷。该不对称电容去离子模块脱盐量高，脱盐速度快。在制备电极模块过程中需要加入导电炭黑提高电极块的导电性。
5.同时，为了去除浓盐水对环境的影响，还可使用浓盐水和海水通过电容混合法进行发电。
6.现有技术2(专利文献cn209259726u)中公开了一种基于太阳能海水淡化与盐差能发电的一体化系统，包括：海水淡化装置、盐差发电装置和太阳能收集装置。通过将海水淡化后产生的浓海水排入盐差发电装置，将盐差能转化为电能并同时稀释浓海水，降低了浓海水排放水环境的破坏程度，同时也解决了因浓海水排放问题导致的海水淡化设施建设区域受限的技术问题。
7.现有技术3(专利文献cn111628675a)中揭示了太阳能辅助增强盐差循环发电系统，包括：发电装置和辅助发电装置；其中，发电装置包括多个低盐液室、多个高盐液室以及多个阳离子选择性纳米薄膜和多个阴离子选择性纳米薄膜；低盐液室和高盐液室交替设置，且低盐液室的数量比高盐液室的数量多一个或者高盐液室的数量比低盐液室的数量多一个；多个阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜数量相同，且交替设置在相邻的低盐液室和高盐液室之间；辅助发电装置包括可移动遮光板，用于对阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的一部分进行遮挡，使得阳光对阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜的另一部分进行照射。
8.但上述技术方案中现有技术1存在对环境污染较大的问题，现有技术2和现有技术
3存在物质能量利用率低的问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种流动电极电容去离子系统，旨在解决现有技术1中由于使用硝酸等物质处理电极液导致环境污染以及现有技术2和现有技术3中由于未利用太阳能中的热量导致能量利用率低的问题。
10.本发明提供了一种流动电极电容去离子系统，包括：流动超级电容装置，电容混合发电装置和太阳能收集换热模块；流动超级电容装置用于将海水进行脱盐处理并使得海水分离为浓盐水和淡水；电容混合发电装置用于将所述浓盐水与加热后的海水交替流通使其产生电能；太阳能收集换热模块用于加热海水通入电容混合发电装置以提高发电效率。
11.其中，太阳能收集换热模块包括：换热器和太阳能管；换热器的一端与太阳能管相连，换热器的另一端通过与电容混合发电装置相连；太阳能管用于吸收太阳能并将太阳能转换为换热器所需的能量；换热器用于对海水进行加热。
12.本发明利用流动超级电容装置使其进行海水脱盐淡化，得到淡水与副产品浓盐水，由于浓盐水直接排放对环境有害，无法直接排放；因此本发明通过电容混合发电装置处理浓盐水，利用太阳能的热量为海水供热使其升温，并利用其与浓盐水的温差和浓度差作为主要能量来源产出电能进行储存，将浓盐水处理为对环境无污染的尾液进行排放。
13.更进一步地，流动超级电容装置的入口端还依次设置有第一水泵、过滤器和第二水泵；第一水泵用于将海水输送至过滤器；过滤器用于对海水进行预处理；第二水泵用于将预处理后的海水增压并输送至所述流动超级电容装置。
14.更进一步地，流动电极电容去离子系统还包括：淡水池、浓盐水池、热海水池、第四水泵、三通阀和第五水泵；浓盐水池设置在流动超级电容装置和电容混合发电装置之间；热海水池设置在换热器与第五水泵之间；三通阀的第一端通过第四水泵与浓盐水池连接，第二端通过第五水泵与热海水池连接，第三端与电容混合发电装置连接；热海水池用于对加热的海水进行储存；淡水池用于储存所述淡水；浓盐水池用于储存中间产物浓盐水；工作时，海水通过第一水泵输送到过滤器中过滤杂质，第二水泵将过滤后的海水输送到流动超级电容装置中处理得到净化淡水后输送入淡水池，同时产出浓盐水输送入浓盐水池；太阳能管吸收的太阳能通过换热器将海水加热并储存在热海水池中，然后与浓盐水池中的浓盐水通过第五水泵，第四水泵以及三通阀交替通入电容混合发电装置中进行发电，产出的电能储存在蓄电池中并排放不再具有污染性的尾液。
15.更进一步地，在流动超级电容装置的输出端和所述淡水池的输入端之间设置有电导率检测仪；电导率检测仪用于检测输出产物是否达标。
16.更进一步地，在电导率检测仪的输出端与所述流动超级电容装置的反馈端设置有第三水泵，流动超级电容装置、电导率检测仪和第三水泵形成了一个循环回路；第三水泵用于将电导率检测未达标的产物重新输送入所述流动超级电容装置中循环处理；循环回路的用于将海水多次处理并获得电导率达标的淡水。
17.本发明中流动超级电容装置利用活性炭自制流动电极浆液实现了电极再生，同时海水在装置中多次循环往复流动，大大提高了脱盐效率。具体地，在流动超级电容装置内设置有流动电极储槽、阳极室和阴极室；流动电极储槽分别与阳极室和阴极室相连，阳极室与
阴极室用隔膜隔开；流动电极储槽用于储存活性炭并进行电性中和析出浓盐水；阳极室用于储存带正电的活性炭和吸附水体中的阴离子；阴极室用于储存带负电的活性炭和吸附水体中的阳离子。
18.工作时，经过前处理后的冷海水通入流动超级电容装置中，电中性的活性炭随流动电极浆液从流动电极储槽流入阳极室，与阳极接触而带正电荷，水体中的阴离子在电场的作用下透过阴离子交换膜进入阳极室，静电吸附于带正电的活性炭上，再次伴随流动电极浆液的流动带出阳极室进入流动电极储槽中，同时水体中的阳离子也同样吸附于阴极室中带负电的活性炭上，流入流动电极储槽中；带正电的活性炭和带负电的活性炭在流动电极储槽中相互接触变为电中性，再次流动入阳极室与阴极室中，进入下一次脱盐循环；活性炭表面吸附的阴阳离子脱附溶入水溶液中产出浓盐水输送入浓盐水池；海水经过流动超级电容装置脱盐后由电导率检测仪进行检测，若未达到处理要求则经由水泵再次通入流动超级电容装置中循环脱盐，直到电导率达到处理要求后通入淡水池。
19.在本发明实例中，为避免浓盐水对环境造成污染，本发明提供了电容混合发电系统，根据浓盐水和原海水之间的浓度差组成电容混合发电系统，并利用温度与吉布斯自由能成正比的关系提高发电效率。
20.更进一步地，电容混合发电装置内设置有正电极、负电极和隔膜；正电极和负电极用隔膜隔开，正电极用于吸附浓盐水中的阴离子，负电极用于吸附浓盐水中的阳离子，隔膜用于分隔保护正、负极。
21.更进一步地，电容混合发电装置上还连接有蓄电池，蓄电池用于储存电容混合发电装置中产出的电能。
22.本发明具有结构简单，无二次污染且能量利用率高的优点，具体包括：
23.(1)本发明利用多孔碳制的流动电极的循环可再生性制备超级电容脱盐系统，可以实现设备的不间断持续工作，设备效率得以提高；利用海水和流动电极的双重循环，海水中离子快速吸附到电极上，脱盐更加彻底。
24.(2)本发明利用电容混合技术可以将高浓盐水和海水中的盐差能和加热后的海水和浓盐水的热能转换为电能，从而实现了能量的回收，并且稀释后的浓盐水可以直接排放，解决了流动超级电容脱盐系统产生的浓盐水污染问题。
25.(3)本发明利用太阳能对海水升温，引入温度效应，提高了电容混合发电系统的效率，增加了发电产量，同时充分利用能源，提高能源利用率。
26.本发明通过流动超级电容脱盐系统，电容混合发电系统两模块，实现了集海水淡化，浓盐水处理，以及盐差发电和温差发电四大功能为一体。
附图说明
27.图1为本发明实施例提供的一直流动电极电容去离子系统的原理框图；
28.图2为本发明实施例提供的流动电极电容去离子系统的整体结构示意图；
29.图3为本发明实施例提供的流动电极电容去离子系统中流动超级电容装置的结构示意图；
30.图4为本发明实施例提供的流动超级电容装置的原理图；
31.图5为本发明实施例提供的流动电极电容去离子系统中电容混合发电装置的结构
示意图；
32.图6为本发明实施例提供的电容混合发电装置的原理图；
33.图7为本发明实施例提供的电容混合循环发电工作流程原理图。
34.其中，1为流动超级电容装置(flow
‑
electrode capacitive deionization,fcdi)，2为电容混合发电装置，3为第一水泵，4为过滤器，5为第二水泵，6为第三水泵，7为电导率检测仪，8为淡水池，9为浓盐水池，10为第四水泵，11为三通阀，12为第五水泵，13为蓄电池，14为尾液，15为热海水池，16为换热器，17为太阳能管，101为流动电极储槽，102为阳极室，103为阴极室，201为电容混合发电装置正电极，202为电容混合发电装置负电极，203为隔膜。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.本发明结合流动电极技术和超级电容法海水淡化装置设计流动超级电容fcdi，使海水分离为浓盐水和淡水两部分；其中流动电极还可循环再生，可使装置二十四小时持续工作；再将浓盐水和加热的海水交替流通电容混合装置，使其产生电能；另外还可以利用流动超级电容产生的浓盐水来进行发电，从而避免了浓盐水对环境的污染。
37.本发明利用多孔碳制的流动电极的循环可再生性制备超级电容脱盐系统，可以实现设备的不间断持续工作，设备效率得以提高；利用海水和流动电极的双重循环，海水中离子快速吸附到电极上，脱盐更加彻底；利用电容混合技术可以将高浓盐水和海水中的盐差能转换为电能，从而实现了能量的回收，并且稀释后的浓盐水可以直接排放，解决了流动超级电容脱盐系统产生的浓盐水污染问题；利用太阳能对海水升温，引入温度效应，提高了电容混合发电系统的效率，增加了发电产量，同时充分利用能源，提高能源利用率。本发明通过流动超级电容脱盐系统，电容混合发电系统两模块，实现了集海水淡化，浓盐水处理以及盐差发电和温差发电四大功能为一体。
38.图1为本发明实施例提供的一直流动电极电容去离子系统的原理框图，图2为本发明实施例提供的流动电极电容去离子系统的整体结构示意图，图3为本发明实施例提供的流动电极电容去离子系统中流动超级电容装置的结构示意图，图4为本发明实施例提供的流动超级电容装置的原理图，图5为本发明实施例提供的流动电极电容去离子系统中电容混合发电装置的结构示意图，图6为本发明实施例提供的电容混合发电装置的原理图，图7为本发明实施例提供的电容混合循环发电工作流程原理图；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
39.如图1所示，本发明提供的流动电极电容去离子系统包括：包括流动超级电容装置，电容混合发电装置、以及太阳能收集换热模块；流动超级电容装置用于将海水进行脱盐处理并使得海水分离为浓盐水和淡水；电容混合发电装置用于将所述浓盐水与加热后的海水交替流通使其产生电能；太阳能收集换热模块用于加热海水通入电容混合发电装置以提高发电效率。
40.如图2所示，本发明提供的流动电极电容去离子系统包括：流动超级电容装置1、电
容混合发电装置2、淡水池8、浓盐水池9、热海水池15、换热器16和太阳能管17；其中流动超级电容装置1和电容混合发电装置2之间设置有浓盐水池9、第四水泵10和三通阀11；流动超级电容装置1和淡水池8之间设置有电导率检测仪7；换热器16的一端与太阳能管17相连，换热器16的另一端通过热海水池15、第五水泵12和三通阀11与电容混合发电装置2相连；流动超级电容装置1用于海水脱盐处理，电容混合发电装置2用于处理浓盐水并发电，淡水池8用于储存淡水，盐水池9用于储存中间产物浓盐水，热海水池15用于储存加热的海水，换热器16用于加热海水，太阳能管17用于吸收太阳能为换热器16供能。
41.在本发明实施例中，海水通过第一水泵3输送到过滤器4中过滤杂质，第二水泵5将过滤后的海水输送到流动超级电容装置1中处理得到净化淡水后输送入淡水池8，同时产出浓盐水输送入浓盐水池9。太阳能管17吸收的太阳能通过换热器16将海水加热，储存在热海水池15中，然后与浓盐水池9中的浓盐水通过第五水泵12，第四水泵10以及三通阀11交替通入电容混合发电装置2中进行发电，产出的电能储存在蓄电池13中，并排放不再具有污染性的尾液14。
42.在本发明实施例中，流动超级电容装置1的入口端还设置有第一水泵3、过滤器4和第二水泵5；第一水泵3用于将海水输送至过滤器4，过滤器4用于将海水进行预处理，第二水泵5用于将预处理后的海水增压并输送入流动超级电容装置1。海水经过第一水泵3、过滤器4和第二水泵5后可进行过滤升压处理，预处理后的海水可以一定程度的提高流动超级电容装置1中脱盐效果。
43.在本发明实施例中，电导率检测仪7后还串联有第三水泵6，第三水泵6用于将电导率检测未达标的产物重新输送入流动超级电容装置1中循环处理；流动超级电容装置1、电导率检测仪7和第三水泵6形成了一个循环回路，该循环回路的作用是将海水多次处理最终得到电导率达标的淡水。
44.其中，电容混合发电装置2上还连接有蓄电池13，蓄电池13用于储存电容混合发电装置2中产出的电能。
45.图3示出了流动电极电容去离子系统中流动超级电容装置的结构；流动超级电容装置1内设置有流动电极储槽101、阳极室102和阴极室103，流动电极储槽101分别与阳极室102和阴极室103相连，阳极室102与阴极室103用隔膜隔开。流动电极储槽101储存活性炭并进行电性中和析出浓盐水，阳极室102用于储存带正电的活性炭和吸附水体中的阴离子，阴极室103用于储存带负电的活性炭和吸附水体中的阳离子。
46.为了更进一步的说明流动超级电容装置的脱盐过程，现结合图4详述其工作原理如下：
47.经过前处理后的冷海水通入流动超级电容装置1中，电中性的活性炭随流动电极浆液从流动电极储槽101流入阳极室102，与阳极接触而带正电荷，水体中的阴离子在电场的作用下透过阴离子交换膜进入阳极室102，静电吸附于带正电的活性炭上，再次伴随流动电极浆液的流动带出阳极室102进入流动电极储槽101中，同时水体中的阳离子也同样吸附于阴极室103中带负电的活性炭上，流入流动电极储槽101中。带正电的活性炭和带负电的活性炭在流动电极储槽101中相互接触变为电中性，再次流动入阳极室102与阴极室103中，进入下一次脱盐循环。活性炭表面吸附的阴阳离子脱附溶入水溶液中产出浓盐水输送入浓盐水池9。海水经过流动超级电容装置1脱盐后由电导率检测仪7进行检测，若未达到处理要
求则经由第三水泵6再次通入流动超级电容装置1中循环脱盐，直到电导率达到处理要求后通入淡水池8。
48.图5示出了电容混合发电装置的结构；电容混合发电装置2内设置有正电极201、负电极202和隔膜203；正电极201和负电极202用隔膜203隔开，正电极201用于吸附浓盐水中的阴离子，负电极202用于吸附浓盐水中的阳离子，隔膜203用于分隔保护正、负极。
49.为了更进一步的说明本发明电容混合发电过程，现结合图6详述其工作原理如下：
50.将浓盐水和升温后的海水交替流通电容混合发电装置2中进行处理。具体处理过程如下：首先将浓盐水通过第五水泵12流经三通阀11输送入电容混合发电装置2中，此时外部电源充电，浓盐水溶液中的离子在静电作用下被吸附于正负电极201的表面。接着将电路设置为开路，第四水泵10将升温后的海水通过三通阀11输送入电容混合发电装置2中，正负电极201表面吸附的离子脱附进入海水中，电容对负载放电，蓄电池13充电。此后将电路设置为开路，通入浓盐水，进行下一次的处理与发电形成循环。流通过该装置的浓盐水和海水经过电导率检测仪达到排放标准后汇为尾液14。
51.图7示出了本发明实施例提供的电容混合循环发电工作流程原理，从1
→
2为：外部电源充电，充电完成后两极板间电势差为2.5v，(p＝2.5v)；2
‑
3为：电路开路，改通常温海水，两极板之间电势差为2.54v,ap＝0.04v；3
‑
4为：电容对负载放电；4
‑
1为；电路开路，通低温浓盐水，两极板间电势差为ov；若2
‑
3改为2
‑3’
即通入高温(温差为65℃)海水，则因温差效应，海水中离子运动更为剧烈，所以循环输出功增加，可以输出更多电能。
52.当溶液浓度较低时，电极与溶液界面处的形成的双电层离子扩散增强，双电层厚度增加，电势增高；同时温度增加，加速了离子的运动，双电层膨胀，同样使得其电势增高。
53.本发明结合流动电极技术和超级电容法海水淡化装置设计流动超级电容fcdi，使海水分离为浓盐水和淡水两部分。其中流动电极还可循环再生，可使装置二十四小时持续工作。再将浓盐水和海水交替流通电容混合装置，使其产生电能。所以若采用本实验装置，可利用流动超级电容产生的浓盐水来进行发电，从而避免了浓盐水对环境的污染。本发明具有结构简单，无二次污染，能量利用率高等优点。
54.本发明利用多孔碳制的流动电极的循环可再生性制备超级电容脱盐系统，可以实现设备的不间断持续工作，设备效率得以提高；利用海水和流动电极的双重循环，海水中离子快速吸附到电极上，脱盐更加彻底；利用电容混合技术可以将高浓盐水和海水中的盐差能以及加热后的海水与浓盐水的热能转换为电能，从而实现了能量的回收，并且稀释后的浓盐水可以直接排放，解决了流动超级电容脱盐系统产生的浓盐水污染问题；利用太阳能对海水升温，引入温度效应，提高了电容混合发电系统的效率，增加了发电产量，同时充分利用能源，提高能源利用率。
55.本发明通过流动超级电容脱盐系统，电容混合发电系统两模块，实现了集海水淡化，浓盐水处理以及盐差发电和温差发电四大功能为一体。
56.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。