一种棒状膜电容去离子阵列的制作方法

本发明涉及膜电容去离子装置，特别涉及一种棒状膜电容去离子阵列。

背景技术：

淡水资源危机已经成为全世界所面临的最重要问题之一，众所周知，地球的水资源是十分丰富的，但98％以上是咸水(包括海水以及江河入海的苦咸水)，很难直接用于工农业生产之中。仅占2％的淡水资源大部分以固态形式存在于遥远的极地，使其利用成本大幅度提升。海水淡化作为最有希望解决淡水资源短缺的手段之一，其可行性和有效性已经得到研究者的广泛认同。并且，在我国海水淡化技术同样得到了极大的重视，并被列入2006-2020“中长期科学和技术发展纲要”的重点支持领域。

电容去离子技术(capacitivedeionization,cdi)，又称为电吸附，是基于双电层超级电容器原理的新型脱盐技术。电容去离子的基本原理是在多孔电极上施加一个直流外部电压，从而在两电极之间形成静电场，使得离子定向移动至与其电荷相反的电极表面，并储存于电极表面形成的双电层中从而实现去离子的目的，这一原理决定了电容去离子技术具有低能耗、无二次污染、绿色环保等优势，电容去离子技术作为目前最具有潜力的脱盐技术之一。

在电容去离子技术中，如何进一步提高其脱盐效率、增强其循环性能以及工作寿命一直以来受到了大量研究人员的关注，而作为决定上述性能的关键因素—电极材料，自从1990年以来就成为了电容去离子研究的重点，到目前为止，研究者们开发了大量的碳纳米材料用于电容去离子领域，包括活性碳、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯、介孔碳等等，然而，电极材料的开发和优化对器件性能的提升毕竟有限，于是，很多研究者将目光放在了电容去离子单元模块的设计上，比如中国专利cn101518748a公开了一种新型电容去离子装置，其特征在于可以均匀地保持电极之间的间隔距离，并使室中的流动最佳化，以提高去离子装置的效率，并减小碳材料和集流体之间的接触电阻，以提高导电性；中国专利cn101337717a公开了一种高效率节能型隔膜电容去离子装置，其特征在于在隔板与电极之间加入了离子交换膜，抑制了电容去离子器件的“同离子”吸附现象，大大的降低的器件能耗及成本。

然而，上述专利中的电容去离子及膜电容去离子系统同样存在一些问题：虽然通过多个模块的配合传统(膜)电容去离子装置亦可以实现水流的连续，但是，这需要复杂的水流设计和电路系统；传统(膜)电容去离子装置的空间利用率不高，使得单模块脱盐的动力学性能不足。因此本发明提供了一种空间利用率高的棒状膜电容去离子阵列，以实现半连续出水、无需复杂的水流设计和电流系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种棒状膜电容去离子阵列，以实现膜电容去离子装置半连续出水、实现器件规模化、无需复杂的水流设计和电流系统。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种棒状膜电容去离子阵列，包括若干个棒状正极单元、棒状负极单元和隔膜，所述棒状正极单元和棒状负极单元阵列交错排布在隔膜内；其中，所述棒状正极单元包括第一棒状集电极、第一电极材料层和阴离子交换层，所述第一电极材料层和阴离子交换层依次包覆在所述第一棒状集电极的外表面；所述棒状负极单元包括第二棒状集电极、第二电极材料层和阳离子交换层，所述第二电极材料层和阳离子交换层依次包覆在所述第二棒状集电极的外表面。

本发明提供的棒状膜电容去离子阵列的个数为两个，两个棒状膜电容去离子阵列的位置交替以实现半连续出水。

本发明的技术方案将传统的卷式、板式(膜)电容去离子的结构改善为棒状膜电容去离子阵列，根据实际生产需要，可将两个棒状膜电容去离子阵列模块交替放入脱盐处理槽中和再生浓缩槽中，实现两条线路分别实现吸附脱盐和再生浓缩；棒状膜电容去离子阵列在操作过程中避免了传统(膜)电容去离子繁琐的再生操作和水流分流控制，仅需简单的更换水槽再生，既可实现半连续产水；阵列式的装置更有利于空间的利用，可以更简单的扩大规模，实现器件规模化。

作为优选，所述第一棒状集电极、所述第二棒状集电极为石墨棒或钛棒，其作用是为了给电极材料薄膜层施加电压。

作为优选，所述第一电极材料、所述第二电极材料为电极薄膜层，所述电极薄膜层是将碳纳米管、活性碳或活性炭纤维与聚乙烯醇水溶液或聚偏二氟乙烯甲基吡咯烷酮溶液混合制成碳材料浆料后喷涂而成的。

作为优选，所述阳离子交换层的制备方法为，将硫代琥珀酸水溶液、聚丙烯酸水溶液或聚乙烯亚胺离子交换聚合物溶液，通过聚乙烯醇调节溶液粘度，然后喷涂得到阳离子交换聚合物层。

作为优选，所述阴离子交换层是将氨化聚砜二甲基甲酰胺溶液、二甲基二烯丙基氯化铵或聚乙烯醇水溶液喷涂制备而成的。

作为优选，所述隔膜是由聚脂海绵或聚醚海绵制备而成的，所述隔膜上激光雕刻有阵列孔。

由以上技术方案可知，本发明提供的棒状膜电容去离子阵列，结构简单、有效利用空间，能够实现器件规模化，同时能够实现膜电容去离子装置半连续出水、无需复杂的水流设计和电流系统。

附图说明

图1为本发明的棒状膜电容去离子阵列的结构示意图；

图2为本发明的棒状膜电容去离子阵列的剖面图；

图3为本发明的棒状正极单元和棒状负极单元的结构示意图；

图4为本发明的半连续棒状膜电容去离子阵列脱盐处理槽和再生浓缩槽的半连续实现线路图；

图5为本发明的半连续棒状膜电容去离子阵列脱盐处理槽和再生浓缩槽的电导率瞬时变化图。

具体实施方式

本发明公开了一种棒状膜电容去离子阵列，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进零部件得以实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明当中。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种棒状膜电容去离子阵列，包括若干个棒状正极单元1、棒状负极单元2和隔膜3，所述隔膜3是由聚脂海绵或聚醚海绵制备而成的，所述隔膜上激光雕刻有阵列孔4，所述棒状正极单元1和棒状负极单元2阵列交错排布在隔膜阵列孔4内；所述阵列的个数为两个，两个棒状膜电容去离子阵列的位置交替以实现半连续出水；其中，所述棒状正极单元1包括第一棒状集电极11、第一电极材料层12和阴离子交换层13，所述第一电极材料层12和阴离子交换层13依次包覆在所述第一棒状集电极11的外表面；所述棒状负极单元2包括第二棒状集电极21、第二电极材料层22和阳离子交换层23，所述第二电极材料层22和阳离子交换层23依次包覆在所述第二棒状集电极21的外表面。

所述第一棒状集电极、所述第二棒状集电极为石墨棒或钛棒；所述第一电极材料、所述第二电极材料为电极薄膜层，所述电极薄膜层是将碳纳米管、活性碳或活性炭纤维与聚乙烯醇水溶液或聚偏二氟乙烯甲基吡咯烷酮溶液混合制成碳材料浆料后喷涂而成的；所述阳离子交换层的制备方法为，将硫代琥珀酸水溶液、聚丙烯酸水溶液或聚乙烯亚胺离子交换聚合物溶液，通过聚乙烯醇调节溶液粘度，然后喷涂得到阳离子交换聚合物层；所述阴离子交换层是将氨化聚砜二甲基甲酰胺溶液、二甲基二烯丙基氯化铵或聚乙烯醇水溶液喷涂制备而成的。

实施例2

如图4所示，将棒状膜电容去离子阵列a和棒状膜电容去离子阵列b分别置于两个盛有100ml1000mg/l的氯化钠溶液的烧杯中，并对棒状膜电容去离子阵列a施加1.2v的直流电压，10分钟后将棒状膜电容去离子阵列a和棒状膜电容去离子阵列b位置互换，并对棒状膜电容去离子阵列b施加1.2v的直流电压，同时将棒状膜电容去离子阵列进行短接处理，同时分别对两个烧杯分别进行电导率测试已得到实时浓度，10分钟后重复上述过程，两个烧杯中的电导率变化如图5所示。

采取对吸附处理池中的阵列施加电压，对再生浓缩池中阵列进行短接的操作方式；图5数据显示，在对施加外加电压以后，吸附处理池中的离子浓度迅速下降并在10分钟左右趋于平衡，此时，进行阵列a和b的互换，吸附处理池浓度得以继续降低，同时再生浓缩池中浓度随着模块a的加入显著上升，实现模块a的再生同时，完成的离子的浓缩。以此方式不断循环更换阵列a和b，即可实现吸附处理池中离子浓度的连续下降和再生浓缩池中离子浓度的不断上升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。