一种利用膜电容去离子连续废水处理装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种利用膜电容去离子连续废水处理装置，圆筒形的壳体上下端同轴安装上下盖板，在上、下盖板的中轴部位与壳体内连通安装进出水嘴，在壳体内的上盖板上同轴安装有集水板，在壳体外缘均布间隔轴向安装有导电杆，在布水板与集水板之间的壳体内同轴安装有下配电板及上配电板，上、下配电板为一对金属板，在该两个配电板之间同轴安装有上集流板、膜碳正电极、隔膜、膜碳负电极、下集流板为一组的多组处理模块组件。本实用新型所涉及的膜电极是碳电极与离子膜制成一体的，采用在阴极上喷涂阳离子交换涂层，在阳极上喷涂阴离子交换涂层，制备成膜电极，其离子交换层的厚度小于10微米，比直接加上离子膜的电阻小，电容量大。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于环保设备【技术领域】，涉及废水中离子去除、锅炉水回用，尤其是一 种利用膜电容去离子连续废水处理装置。 一种利用膜电容去离子连续废水处理装置
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的快速发展和人口的迅速增加，水资源短缺（工业及生活用水紧 缺）是全世界面临的一个长期的，趋势性的问题，成为制约经济发展的一大瓶颈，人们才逐 渐意识到水资源的宝贵，而污水回用、海水和苦咸水淡化是解决水资源短缺的有效途径。
[0003] 目前公开的去离子技术中，常见的脱盐方法有离子交换法、电渗析法、反渗透法 等，这些方法均存在着许多局限性，如采用反渗透法，系统对水的预处理要求很高，高压泵 能耗高，得水率较低，制水成本高；采用离子交换法，再生酸碱费用高，再生废液很容易对环 境造成二次污染，系统操作要求高；采用电渗析法，运行过程中阴极和阳极膜上容易结垢， 从而影响出水水质，并缩短仪器的使用寿命且耗电量、耗水量都很高。
[0004] 近年来，一种颇有前景的新型水处理脱盐技术受到了广泛重视一电容去离子 (CDI)除盐技术。电容去离子又称电吸附除盐，是在电场作用下通过在电极和溶液之间形成 一双电层，极性分子或离子被储存在双电层中被去除，当电极饱和后可以通过加上一反向 电场使电极再生。与传统的除盐方法相比，电吸附能耗小、成本低，且再生容易，无需化学药 齐U，是一种既经济又有效的方法。但该技术在市场运行几年后，又暴露出来新的问题，体现 在如下几方面：
[0005] 1、水流直接冲刷碳电极，碳颗粒掉落的情况会持续发生；
[0006] 2、电源反接脱附时，脱附下来的离子又有部分被吸附到对面电极，脱附不彻底，导 致低运行效率及除盐率较低；
[0007] 3、达到出水要求需要电吸附模块多，投资大，占地面积大；
[0008] 4、处理效率低下，一般只能处理离子浓度200-2000毫克/升的液体；
[0009] 5、反冲浓度变化平缓，一般无法用于浓缩，产水率不高，提高产水率，只能增加模 块。
[0010] 此外，现有的已成型的离子交换膜通过压力作用覆盖在电极表面会提高电极和离 子交换膜的接触电阻，也会增加离子扩散层的厚度的问题，当待处理溶液的浓度较低时，离 子交换膜的厚度相对来说就太大了，因此离子的透过性变差，膜的接触电阻也变大。
[0011] 通过检索，发现如下两篇相关公开专利文献：
[0012] 1、一种高效率节能型隔膜电容去离子装置（CN101337717)，其特征在于：在隔板 (1)与电极（3)之间加入离子交换膜（2)，所述的上下支撑板（6)上均设有水口（7)，上下两 个水口的位置相错排列。本实用新型同现有技术相比，采用致密多孔的碳基材料作为电容 去离子电极，并加入离子交换膜，使器件薄而轻，结构得以优化，提高了吸附的性能，降低了 电极工作时所加电压，从而大大降低了器件的能耗以及制造和使用成本，离子吸附效率高、 稳定性好、寿命长、功耗低、响应速度快和可重复使用等。
[0013] 2、一电极板堆叠结构（CN101624229)，该电极板堆叠结构是由多个第一电极板及 多个第二电极板间隔穿插配置而成，其中每一该第一电极板上配置有多个穿孔所形成的一 第一图案且每一该第一电极板的边缘配置一 〇形环，而每一该第二电极板上配置有多个穿 孔所形成的一第二图案且每一该第二电极板的边缘配置一 〇形环；及一锁固装置，配置于 该电极板堆叠结构的顶端及底端，用以锁固该电极板堆叠结构；其中该电极板堆叠结构的 一最上层电极板及一最下层电极板与一第一极性的电极连接，而该堆叠结构的一中间电极 板与一第二极性的电极连接，而该第一极性及该第二极性为相反的极性。
[0014] 通过技术特征对比，上述两篇公开专利文献虽然也设置了离子交换膜，但其结构 及原理与本实用新型申请有较大不同。 实用新型内容
[0015] 本实用新型克服现有技术不足之处，提供一种利用膜电容去离子连续废水处理装 置，该装置可有效解决老式电容去离子装置产业化过程中除盐效率低、易结垢以及达到出 水要求需要电吸附模块多、投资大、占地面积大等问题。
[0016] 本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
[0017] 一种利用膜电容去离子连续废水处理装置，包括进水嘴、下盖板、下垫片、布水板、 壳体、导电杆、处理模块组件、集水板、上垫片、上盖板及出水嘴，圆筒形的壳体下端同轴安 装下盖板，在下盖板的中轴部位与壳体内连通安装进水嘴，下盖板与壳体通过下垫片进行 密封、螺栓进行固装，在壳体内的下盖板上同轴安装有布水板；圆筒形壳体上端同轴安装上 盖板，在上盖板的中轴部位与壳体内连通安装出水嘴，上盖板与壳体通过上垫片进行密封、 螺栓进行固装，在壳体内的上盖板上同轴安装有集水板，在壳体外缘均布间隔轴向安装有 导电杆，在布水板与集水板之间的壳体内同轴安装有下配电板及上配电板，上、下配电板为 一对金属板，在该两个配电板之间同轴安装有8-12组处理模块组件。
[0018] 而且，所述处理模块组件均由上集流板、膜碳正电极、隔膜、膜碳负电极、下集流板 依次同轴构成，并一层一层水平夹在两侧的配电板内；所述隔膜是一层带有小孔的隔膜； 所述上、下集流板均为石墨膜，每对膜碳电极通过集流板、配电板与导电杆相连，导电杆与 电源相连。
[0019] 而且，在碳膜正、负电极的表面均喷涂有极薄的阴阳离子膜，其中，在碳膜负电极 上喷涂阳离子交换涂层，在碳膜正电极上喷涂阴离子交换涂层，制备成膜电极，其离子交换 涂层的厚度小于10微米。
[0020] 本实用新型的优点和积极效果是：
[0021] 1、本实用新型所涉及的膜电极是碳电极与离子膜制成一体的，采用在阴极上喷涂 阳离子交换涂层，在阳极上喷涂阴离子交换涂层，制备成膜电极，其离子交换层的厚度小于 10微米，比直接加上离子膜的电阻小，电容量大。
[0022] 2、本实用新型在使用膜电极电吸附脱盐的过程中，由于没有了同离子的排斥作 用，每当电极上有一个电子转移时，就会从溶液中吸附一个盐离子，除了避免同离子的排斥 作用，还有另外一个好处就是在脱附离子时，当反接电极后，离子会脱附的更彻底，因此这 也在连续的吸脱附过程中增加了电吸附装置的脱盐能力。
[0023] 3、本实用新型的膜碳电极之间的距离只是一层隔膜，几乎为零，改变了老式装置 电极片之间设有蛇形或其他形式的液体通道的结构，被处理的废水从四周一层一层漫过电 极片进行吸附，该模块最大的好处是拆卸容易，可以随时根据需要调整膜电极的对数，而且 电极片之间距离很近，使其在通过较大流速溶液时对离子仍然有较好的吸附能力。
[0024] 此外，本专利申请与现有电容去离子装置及技术的比较：
[0025] ⑴现有电容吸附法没有离子膜，水流直接冲刷碳电极，碳颗粒掉落的情况会持续 发生；而本实用新型由于膜电极中离子膜的遮挡和包覆，水流不直接冲刷碳电极，而是从离 子膜之间流过，加上我们特殊的碳电极加工方法，长期使用造成碳电极冲刷掉落的情况不 会出现。
[0026] ⑵因为离子隔膜的作用，使得反充电时从电极上脱附的离子，只能回到溶液或水 中，无法吸附到对面电极上，从而使电极得到充分的清洗，再开始下一次充电和吸附，提高 了离子去除率和装置的运行效率。
[0027] ⑶由于离子膜的选择透过性，可以处理浓度几万毫克/升以上的溶液，由于膜电 极一体制作，厚度极薄，电阻很小，再加上三明治式的零距离结构，也可以处理浓度低于1〇 毫克/升的溶液，改变了现有电容吸附法一般只能处理浓度200-2000毫克/升的液体的现 状，扩大了适用范围。
[0028] ⑷本实用新型可以瞬间反冲出浓度高于原液10倍以上的浓缩液，利于回收和浓 缩，可以减少蒸发和其他方法浓缩的流程，降低能耗，而现有电容吸附法反冲浓度变化平 缓，一般无法用于浓缩。
[0029] (5)现有电容去离子（CDI)技术由于脱附不测底导致结垢，这种结垢会对充电/反 充电时吸附/脱附造成点效率下降，如同增加的一层薄膜电阻，使吸附量下降，或能耗上 升；阻塞水流的通道，造成运行压力上升，容易破坏模块的密封形成漏水。而本实用新型因 为离子膜的作用使碳电极每次都得到充分的清洗，都是新的电极供吸附，不会形成胶体和 结垢；同时，由于模块耐酸碱性好，可以使用酸冲洗，解除结垢现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是本实用新型的平面装配图
[0031] 图2是本实用新型的爆炸结构示意图；
[0032] 图3是本实用新型膜电容去离子装置与电容去离子装置应用实验对比图。
【具体实施方式】
[0033] 以下结合附图对本实用新型的实施例做进一步详述；本实施例是描述性的，不是 限定性的，不能由此限定本实用新型的保护范围。
[0034] 一种利用膜电容去离子连续废水处理装置，包括进水嘴17、下盖板16、下垫片15、 布水板14、壳体6、导电杆2、处理模块组件、集水板5、上垫片4、上盖板3及出水嘴1，圆筒 形的壳体下端同轴安装下盖板，在下盖板的中轴部位与壳体内连通安装进水嘴，下盖板与 壳体通过下垫片进行密封、螺栓进行固装，在壳体内的下盖板上同轴安装有布水板；圆筒形 壳体上端同轴安装上盖板，在上盖板的中轴部位与壳体内连通安装出水嘴，上盖板与壳体 通过上垫片进行密封、螺栓进行固装，在壳体内的上盖板上同轴安装有集水板，在壳体外缘 均布间隔轴向安装有导电杆，在布水板与集水板之间的壳体内同轴安装有下配电板13及 上配电板7,上、下配电板为一对金属板，在该两个配电板之间同轴安装有多组处理模块组 件。
[0035] 每个处理模块组件均由上集流板8、膜碳正电极9、隔膜10、膜碳负电极11、下集 流板12依次同轴构成，处理模块组件的五个构件一层一层水平夹在两侧的配电板内。所 述隔膜是一层带有小孔的隔膜，以防止模块短路；所述膜碳正、负电极之间的距离只是一层 隔膜，几乎为零，改变了老式装置电极之间设有蛇形或其他形式的液体通道的结构；所述的 上、下集流板均为石墨膜，每对膜碳电极通过集流板、配电板与导电杆相连，导电杆与电源 相连，由于多组膜碳电极是串联关系能大大降低工作电流，简化供电系统。
[0036] 在碳膜正、负电极表面均喷涂有极薄的阴阳离子膜，其具体的喷涂方式是：
[0037] 在碳膜负电极上喷涂阳离子交换涂层，在碳膜正电极上喷涂阴离子交换涂层，制 备成膜电极，其离子交换层的厚度小于10微米，比直接加上离子膜的电阻小，电容量大，使 得去离子率和脱盐效率显著提高，电极不宜结垢，浓水利于浓缩和回用。该技术运行成本 低，适用范围广，无论对较高电导率还是低电导率的废水，离子去除效率比现有电容去离子 技术均提高50%以上，适合大流量废水连续处理场合。离子膜的加入没有提高整个吸附模 块的电阻，每对电极电压在〇. 5-1. 2V，整个连续装置实现低电流的运行，吨水运行成本低于 现有电容去离子装置
[0038] 本实用新型的工作原理是：
[0039] 要处理的废水通过进水嘴进入装置，通过布水板均匀分布在处理模块组件四周， 采用周边进水形式，被处理的废水一层一层漫过膜碳电极片进行吸附，该处理模块组件最 大的好处是拆卸容易，可以随时根据需要调整膜碳电极片的对数，而且膜碳电极片之间距 离很近，使其在通过较大流速溶液时对离子仍然有较好的吸附能力。吸附后的水由中央流 出，通过集水板从出水嘴流出，实现去离子目的；本装置运行的吸附-脱附更替，通过电源 的短接，反接完成，通过电磁阀切换倒极实现。
[0040] 以同一种含离子废水的处理为例，该废水分别利用蠕动泵通过进水管进入膜电容 去离子连续处理装置和现有电容去离子装置，两个装置的主要区别一个是膜碳电极，一个 是碳电极，其他所有的工艺条件相同，进行连续进、出水电吸附试验。并在线监测瞬间电导 率，直至电吸附平衡。再生时用原水冲洗，倒极脱附，收集浓缩废水。实验结果表明，膜电容 装置（MCDI)脱盐效率高于现有电容装置（⑶I)近50%，三次吸附-脱附循环后，脱附彻底， 几乎可以清洗到原有电极的吸附能力，而现有电容装置（CDI)，吸附能力在下降。
[0041] 膜碳电极加膜与不加膜除盐实验数据对比分析见下表：
[0042] I I , I UJ/J、 I 1?% /〇 I I [ [ MCDI [ CPI [ MCPI [ CPI I ::、、，··. η I i ) li : i * : i ·. ' >.!!·.. !> 、： ; ：-- :以 W"__
【权利要求】
1. 一种利用膜电容去离子连续废水处理装置，其特征在于：包括进水嘴、下盖板、下垫 片、布水板、壳体、导电杆、处理模块组件、集水板、上垫片、上盖板及出水嘴，圆筒形的壳体 下端同轴安装下盖板，在下盖板的中轴部位与壳体内连通安装进水嘴，下盖板与壳体通过 下垫片进行密封、螺栓进行固装，在壳体内的下盖板上同轴安装有布水板；圆筒形壳体上端 同轴安装上盖板，在上盖板的中轴部位与壳体内连通安装出水嘴，上盖板与壳体通过上垫 片进行密封、螺栓进行固装，在壳体内的上盖板上同轴安装有集水板，在壳体外缘均布间隔 轴向安装有导电杆，在布水板与集水板之间的壳体内同轴安装有下配电板及上配电板，上、 下配电板为一对金属板，在该两个配电板之间同轴安装有上集流板、膜碳正电极、隔膜、膜 碳负电极、下集流板为一组的多组处理模块组件。
2. 根据权利要求1所述的利用膜电容去离子连续废水处理装置，其特征在于：所述处 理模块组件均由上集流板、膜碳正电极、隔膜、膜碳负电极、下集流板依次同轴构成，并一层 一层水平夹在两侧的配电板内；所述隔膜是一层带有小孔的隔膜；所述上、下集流板均为 石墨膜，每对膜碳电极通过集流板、配电板与导电杆相连，导电杆与电源相连。
3. 根据权利要求1所述的利用膜电容去离子连续废水处理装置，其特征在于：在碳膜 正、负电极的表面均喷涂有极薄的阴阳离子膜，其中，在碳膜负电极上喷涂阳离子交换涂 层，在碳膜正电极上喷涂阴离子交换涂层，制备成膜电极，其离子交换涂层的厚度小于10 微米。
【文档编号】C02F1/469GK203904046SQ201420293684
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】李桂菊, 白杨 申请人:北京立德清科技有限公司, 天津科技大学