一种单极式、复极式电控离子交换反应器及群组

1.本发明涉及电控离子交换节能技术领域，具体为一种单极式、复极式电控离子交换反应器及群组。


背景技术：

2.随着时代的进步和社会的发展，人类对洁净生活环境的需求越来越迫切。从事冶金、电镀、矿业加工、电池生产等行业的企业会产生数量巨大的工业废水，这种废水中包含大量的毒性离子，如氟、铅、镉、汞等，同时也包含如锂、钴、镍、锰等高附加值金属离子。工业废水的排放不仅会对人类健康产生巨大的威胁，同时也是一种资源的浪费。所以，工业废水中的毒性离子的去除和高附加值离子的分离回收逐渐成为近年来科学研究的热点问题。
3.现有的离子分离技术主要有化学沉淀技术、离子交换技术、膜分离技术和电化学技术等，但能耗巨大、易产生二次污染、设备庞大、流程复杂等问题始终制约着这些技术的应用。
4.电控离子交换是结合了离子交换、电化学技术的新型离子选择性分离技术，通过电化学调节电位响应型离子交换功能材料的氧化/还原状态来控制目标离子的置入/释放，实现水中离子快速、高效的分离回收。目前，电控离子交换作为一种环境友好的新型、高效、绿色的离子分离回收技术备受国内外学者的关注，该技术已被用于na
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、cs
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、ca
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、mg
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、ni
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、pb
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、cu
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等阳离子以及clo
4-、f-、i-、cl-、br-等阴离子的选择性分离。
5.然而，以电控离子交换技术为基础构建的单极式与复极式电控离子交换反应器及其在工作中的连接方式尚未见报道。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种单极式、复极式电控离子交换反应器及群组，依据阳电极板和阴电极板之间不同连接方式分别形成单极式、复极式电控离子交换反应器；再依据单极式、复极式电控离子交换反应器各自不用的连接方式形成多种反应器群组，以适配不同电压电流范围的电源，拓展电控离子交换技术的应用范围。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种单极式电控离子交换反应器，包括等数量的多个阳电极板和多个阴电极板；所述多个阳电极板与所述多个阴电极板平行且交错排布；多个所述阳电极板的同一端直接连接形成阳极，所述阳极与工作电源的正极连接；多个所述阳电极板之间并联连接；多个所述阴电极板的同一端直接连接形成阴极，所述阴极与工作电源的负极连接；多个所述阴电极板之间为并联连接。
9.优选的，多个所述阳电极板和多个阴电极板交替间隔设置，相邻的所述阳电极板与阴电极板之间的间隔距离为1cm～50cm。
10.优选的，所述工作电源的电流密度为3ma/cm2～20ma/cm2。
11.优选的，所述阳电极板采用的阳极材料为改性p型半导体双金属氢氧化物、电控重
金属离子交换材料、层状双金属氢氧化物/聚吡咯复合物、卤氧化铋、卤氧化铋/聚苯胺复合物和卤氧化铋/聚吡咯复合物中的一种；所述阴电极板采用的阴极材料为亚铁氰化铁、双硫代水杨酸/聚苯胺、双硫代水杨酸/聚吡咯、石墨和聚二硫代二苯胺中的一种。
12.一种单极式电控离子交换反应器群组，包括多个单极式电控离子交换反应器，多个单极式电控离子交换反应器串联形成单极式电控离子交换反应器串联群组；多个单极式电控离子交换反应器并联形成单极式电控离子交换反应器并联群组；多个单极式电控离子交换反应器并联群组串联形成单极式电控离子交换反应器串并联群组。
13.一种复极式电控离子交换反应器，包括等数量的多个阳电极板和多个阴电极板；多个所述阳电极板与多个阴电极板平行且交错排布；最外侧的阳电极板为阳极，所述阳极与工作电源的正极连接；最外侧的阴电极板为阴极，所述阴极与工作电源的负极连接。
14.优选的，所述阳电极板和多个阴电极板间隔设置，相邻的所述阳电极板与阴电极板之间的间隔距离为1cm～50cm。
15.优选的，所述工作电源的电流密度为3ma/cm2～20ma/cm2。
16.优选的，所述阳电极板采用的阳极材料为改性p型半导体双金属氢氧化物、电控重金属离子交换材料、层状双金属氢氧化物/聚吡咯复合物、卤氧化铋、卤氧化铋/聚苯胺复合物和卤氧化铋/聚吡咯复合物中的一种；所述阴电极板采用的阴极材料为亚铁氰化铁、双硫代水杨酸/聚苯胺、双硫代水杨酸/聚吡咯、石墨和聚二硫代二苯胺中的一种。
17.一种复极式电控离子交换反应器群组，包括多个复极式电控离子交换反应器，多个复极式电控离子交换反应器串联形成复极式电控离子交换反应器串联群组；多个复极式电控离子交换反应器并联形成复极式电控离子交换反应器并联群组；多个复极式电控离子交换反应器并联群组串联形成复极式电控离子交换反应器串并联群组。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.本发明中根据阳极板和阴极板的不同连接方式形成单极式电控离子交换反应器和复极式电控离子交换反应器，阳电极板和阴电极板的数量根据处理废水的量进行配置，保证离子交换器的废水处理能力，适应不同的工况。
20.一种单极式电控离子交换反应器具有低压大电流特，阳电极板工作原理为：在电场作用下，阳电极板表面的目标污染物失去电子直接被氧化，或利用电极表面产生具有强氧化性的氧化剂(-oh，hclo，clo—等)，使目标污染物(苯酚、苯胺、亚甲基蓝、氨氮、酚类、芳烃等有机物和无机盐类)氧化降解，从而高效降解废水。
21.阴电极板工作原理为：在电场作用下，阴极呈还原状态得到电子，溶液中的阳离子置入膜内以中和膜内过剩的负电荷，从而阴极从溶液中捕捉离子(钠离子、钙离子、镁离子)，实现溶液中离子的高效分离。
22.一种复极式电控离子交换反应器具有高压小电流特点，可适配不同电压电流范围的电源。
23.一种单极式电控离子交换反应器群组和一种复极式电控离子交换反应器群组以两种电控离子交换反应器为基础，构建的反应器串联、并联和串并联连接群组简单易行，适用于多种复杂工作电路系统，极大的拓展了电控离子交换技术的应用范围。
24.本发明中反应器连接方式经合理搭配与使用，可极大的减少反应器所需能耗，降低目标离子的分离回收成本。
附图说明
25.图1为本发明一种单极式电控离子交换反应器的示意图；
26.图2为本发明一种复极式电控离子交换反应器的示意图；
27.图3为本发明一种单极式电控离子交换反应器的串联群组的示意图；
28.图4为本发明一种单极式电控离子交换反应器的并联群组的示意图；
29.图5为本发明一种单极式电控离子交换反应器的串并联群组的示意图；
30.图6为本发明一种复极式电控离子交换反应器的串联群组的示意图；
31.图7为本发明一种复极式电控离子交换反应器的并联群组的示意图；
32.图8为本发明一种复极式电控离子交换反应器的串并联群组的示意图。
具体实施方式
33.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
34.本发明公开了一种单极式电控离子交换反应器，参照图1，包括等数量的多个阳电极板和多个阴电极板；多个阳电极板与多个阴电极板平行且交错正向相对排布；多个阳电极板和多个阴电极板交替间隔设置，相邻的阳电极板与阴电极板之间的间隔距离为1～50cm。
35.多个阳电极板的同一端直接连接形成阳极，多个阳电极板之间并联；多个阴电极板的同一端直接连接形成阴极，多个阴电极板之间为并联连接。
36.其中，阳电极板采用的阳极材料为改性p型半导体双金属氢氧化物、电控重金属离子交换材料、层状双金属氢氧化物/聚吡咯复合物、卤氧化铋、卤氧化铋/聚苯胺复合物和卤氧化铋/聚吡咯复合物中的一种。
37.阴电极板采用的阴极材料为亚铁氰化铁、双硫代水杨酸/聚苯胺、双硫代水杨酸/聚吡咯、石墨和聚二硫代二苯胺中的一种。
38.使用时，多个阳电极板的同一端直接连接形成的阳极与工作电源的正极相连，多个阴电极板的同一端直接连接形成的阴极与工作电源负极的连接。即，将等数量电控离子交换反应器中的电控阴、阳电极板平行且正向相对排布，同时，将反应器中的所有电控阳离子交换极板(即阳电极板)与工作电源的正极直接连接，所有电控阳离子交换极板之间并联连接；将反应器中的所有电控阴离子交换极板(即阴电极板)与工作电源的负极直接连接，所有电控阴离子交换极板之间并联连接，即为单极式电控离子交换反应器，该反应器的特点为在低工作电压下可产生较大的工作电流。
39.一种复极式电控离子交换反应器，参照图2，包括等数量的多个阳电极板和多个阴电极板；多个阳电极板与所述多个阴电极板平行且交错正向相对排布，多个阳电极板和多个阴电极板交替间隔设置，相邻的阳电极板与阴电极板之间的间隔距离为1cm～50cm。
40.多个阳电极板中最外侧的阳电极板为阳极；多个阴电极板中最外侧的阴电极板为阴极。
41.使用时，阳极与工作电源的正极连接，阴极与工作电源的负极连接。即，将电控离子交换反应器中的电控阴、阳离子交换极板平行排列，同时，反应器中仅最外侧电控阳离子交换极板与工作电源的正极连接，仅最外侧的电控阴离子交换极板与工作电源的负极连
接，即为复极式电控离子交换反应器，该反应器的特点为在高工作电压下产生较小的工作电流。
42.电控离子交换反应器的连接组合方式分为串联连接、并联连接和串并联连接三种。串联连接为将单极式电控离子交换反应器或复极式电控离子交换反应器串联连接在工作电路中。并联连接为将单极式电控离子交换反应器或复极式电控离子交换反应器并联连接在工作电路中。串并联连接为将所述电控离子交换反应器串并联连接在工作电路中，即，将多个单极式电控离子交换反应器或多个复极式电控离子交换反应器并联在一起组成反应器群组，再将多个反应器群组串联在一起。
43.一种单极式电控离子交换反应器群组，包括多个单极式电控离子交换反应器，根据多个单极式电控离子交换反应器之间的连接方式形成单极式电控离子交换反应器串联群组、单极式电控离子交换反应器并联群组和单极式电控离子交换反应器串并联群组。
44.参照图3，多个单极式电控离子交换反应器串联形成单极式电控离子交换反应器串联群组。
45.参照图4，多个单极式电控离子交换反应器并联形成单极式电控离子交换反应器并联群组。
46.参照图5，多个单极式电控离子交换反应器并联群组串联形成单极式电控离子交换反应器串并联群组。
47.一种复极式电控离子交换反应器群组，包括多个复极式电控离子交换反应器，根据多个复极式电控离子交换反应器之间的连接方式形成复极式电控离子交换反应器串联群组、复极式电控离子交换反应器并联群组和复极式电控离子交换反应器串并联群组。
48.参照图6，多个复极式电控离子交换反应器串联形成复极式电控离子交换反应器串联群组。
49.参照图7，多个复极式电控离子交换反应器并联形成复极式电控离子交换反应器并联群组。
50.参照图8，多个复极式电控离子交换反应器并联群组串联形成复极式电控离子交换反应器串并联群组。
51.使用时，对于任一连接方式，工作电源电流密度为3ma/cm2～20ma/cm2。
52.在实际应用中，以苯酚、苯胺、亚甲基蓝、氨氮、酚类、芳烃等有机物和无机盐类为目标污染物。捕捉的离子为钠离子、钙离子、镁离子中的一种。
53.实施例1
54.如图3所示，由三个单极式电控离子交换反应器串联组成单极式电控离子交换反应器串联群组。其中第一个单极式电控离子交换反应器的所有阳电极板与工作电源的正极相连，第三个单极式电控离子交换反应器的所有阴电极板与工作电源的负极相连。阳电极板采用的阳极材料为卤氧化铋/聚苯胺复合物，阴电极板采用的阴极材料为亚铁氰化铁。
55.在工作电源电压为30v，初始电流为2a的条件下处理15l循环冷却水，在电场作用下阳电极板开始产生羟基自由基等氧化性物质，去除水中微生物并降解循环冷却水，钙镁离子被捕获到呈负电性的阴电极板上。通电15min后，循环冷却水cod值从50mg/l降到10mg/l，cod去除率达到80％，总硬度(钙硬和镁硬)从12mmol/l降到9mmol/l，能耗为3.6kwh
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56.实施例2
57.如图4所示，由三个单极式电控离子交换反应器并联组成单极式电控离子交换反应器并联群组。其中每个单极式电控离子交换反应器的所有阳电极板与工作电源的正极相连，所有阴电极板与工作电源的负极相连。阳电极板采用的阳极材料为层状双金属氢氧化物/聚吡咯复合物，阴电极板采用的阴极材料为双硫代水杨酸/聚苯胺复合物。
58.在工作电源电压为10v，初始电流为6a的条件下处理15l循环冷却水。在电场作用下阳电极板开始产生羟基自由基、次氯酸根等氧化性物质去除水中微生物并降解循环冷却水，钙镁离子被捕获到呈负电性的阴电极板上。通电10min后，循环冷却水cod值从50mg/l降到8mg/l，cod去除率达到84％，总硬度(钙硬和镁硬)从12mmol/l降到8mmol/l，能耗为2.4kwh
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59.实施例3
60.如图5所示，由三个单极式电控离子交换反应器并联组成单极式电控离子交换反应器并联群组，再将两个单极式电控离子交换反应器并联群组串联在工作电路中。其中第一个单极式电控离子交换反应器并联群组的所有阳电极板与工作电源的正极相连，第二个单极式电控离子交换反应器并联群组的所有阴电极板与工作电源的负极相连。阳电极板采用的阳极材料为卤氧化铋，阴电极板采用的阴极材料为亚铁氰化铁。
61.在工作电源电压为10v，电流为12a的条件下处理15l二级反渗透浓水，在电场作用下阳电极板开始产生羟基自由基等氧化性物质去除水中微生物并降解循环冷却水，水中部分钠、钙、镁离子被捕获到呈负电性的阴电极板上。通电15min后，二级反渗透浓水cod值从383.75mg/l降到71.56mg/l，cod去除率达到81.35％，总硬度(钙硬和镁硬)从0.05mmol/l降到0.02mmol/l，能耗为7.2kwh
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62.实施例4
63.如图6所示，由三个复极式电控离子交换反应器串联组成复极式电控离子交换反应器串联群组。其中第一个复极式电控离子交换反应器的最外侧阳电极板与工作电源的正极相连，第三个复极式电控离子交换反应器的最外侧阴电极板与工作电源的负极相连。阳电极板采用的阳极材料为卤氧化铋/聚苯胺复合物，阴电极板采用的阴极材料为聚二硫代二苯胺复合物。
64.在工作电源电压为60v，电流为1a的条件下处理15l苯酚废水，在外加电场和反应器内部产生的感应电场作用下阳电极板开始产生羟基自由基、次氯酸根等氧化性物质去除水中微生物并降解苯酚废水，钙镁离子被捕获到呈负电性的阴电极板上。通电23min后，苯酚废水cod值从400mg/l降到110.52mg/l，cod去除率达到72.37％，总硬度(钙硬和镁硬)从6.06mmol/l降到4.21mmol/l，能耗为5.52kwh
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65.实施例5
66.如图7所示，由三个复极式电控离子交换反应器并联组成复极式电控离子交换反应器并联群组。其中三个复极式电控离子交换反应器的最外侧阳电极板与工作电源的正极相连，三个复极式电控离子交换反应器的最外侧阴电极板与工作电源的负极相连。阳电极板采用的阳极材料为层状双金属氢氧化物/聚吡咯复合物，阴电极板采用的阴极材料为聚二硫代二苯胺复合物。
67.在工作电源电压为20v，初始电流为3a的条件下处理15l苯酚废水，在外加电场和反应器内部产生的感应电场作用下阳电极板开始产生羟基自由基、次氯酸根等氧化性物质
去除水中微生物并降解苯酚废水，钙镁离子被捕获到呈负电性的阴电极板上。通电20min后，苯酚废水cod值从400mg/l降到148mg/l，cod去除率达到63％，总硬度(钙硬和镁硬)从6.06mmol/l降到4.85mmol/l，能耗为4.8kwh
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68.实施例6
69.如图8所示，由三个复极式电控离子交换反应器并联组成复极式电控离子交换反应器并联群组，再将两个复极式电控离子交换反应器并联群组串联在工作电路中。其中第一个复极式电控离子交换反应器并联群组的最外侧阳电极板均与工作电源的正极相连，第二个复极式电控离子交换反应器并联群组的最外侧阴电极板均与工作电源的负极相连。阳电极板采用的阳极材料为卤氧化铋/聚吡咯复合物，阴电极板采用的阴极材料为亚铁氰化铁。
70.在工作电源电压为40v，电流为3a的条件下处理15l除盐水，在外加电场和反应器内部产生的感应电场作用下阳电极板开始产生羟基自由基等氧化性物质去除水中微生物并降解除盐水，除盐水中钠、钙、镁离子被捕获到呈负电性的阴电极板上。通电5min后，除盐水cod值从25mg/l降到7mg/l，cod去除率达到72％，总硬度(钙硬和镁硬)从8.3mmol/l降到6.48mmol/l，能耗为2.4kwh
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71.本发明涉及两种电控离子交换反应器及其在工作电路中的连接与组合方式。以电控离子交换技术为基础构建低压大电流单极式电控离子交换反应器和高压小电流复极式电控离子交换反应器，将多个单极式反应器或多个复极式反应器串联连接在工作电路中即为电控离子交换反应器串联群组；将多个单极式反应器或多个复极式反应器并联连接在工作电路中即为电控离子交换反应器并联群组；将多个单极式电控离子交换反应器或多个复极式电控离子交换反应器并联在一起组成反应器群组，再将多个反应器群组串联在一起即为电控离子交换反应器的串并联群组。
72.本发明所提及的电控离子交换反应器，可适配不同电压电流范围的电源。本发明中电控离子交换反应器群组之间的组合与连接方式简单易行，可使电控离子交换反应器适用于各种复杂情况的工作电路，极大的拓展了电控离子交换技术的应用范围，在高效降解废水回收离子资源、提高水体水质的同时有效减少了反应器所需能耗，降低了分离目标离子的成本。