一种用于海水脱盐及回收酸碱的装置

1.本发明涉及一种能够脱盐及回收酸碱的微生物燃料电池耦合流动电极装置，属于微生物燃料电池、流动电极电容去离子和酸碱生产技术领域。


背景技术：

2.随着社会的快速发展，人类的生活条件日益提高，与之伴随的资源短缺、能源紧张等问题也渐渐暴露出来。尤其是淡水资源匮乏的问题，需要着重处理。到现在，已经有很多方法被提出来解决这类问题，比如膜分离、蒸馏、离子交换、电去离子和冷冻脱盐等，但是这些技术都需要外加能源而且能耗比较高，不利于循环经济的发展。除此之外微生物燃料电池对于浓盐水的脱盐效率不太理想，并且在脱盐时也不能连续的进行，微生物燃料电池耦合电容去离子的局限性还体现在只能用于脱盐、净化污水等等，没有在其他方面表现出大的优势。
3.国内通常采用将浓盐水引入蒸发池，但此法弊端也较为明显，若构造不合理极易造成浓盐水泄漏，渗入到地下水体中造成对地下水的污染。国外通常利用浓盐水进行灌溉耐盐度高的植物或利用浓盐水养殖咸水鱼类(如目前澳大利亚正在探索利用浓盐水养殖咸水鱼类)，还可作为生态景区的补充水，但一般来说适合浓盐水的植物种类及地域较少，难以形成规模。因此，现如今的浓盐水处理大多都有局限性。于是，提供一种将浓盐水回收再利用，变成高性价比产物的方法成了社会发展的趋势与挑战。
4.cn207566948u公开了一种微生物燃料电池与电容去离子联用的脱盐装置。但是该装置脱盐时，电极会达到饱和，然后需要一系列电极再生操作，把钛集电极与阴极电极、阳极电极连接的导线拆开，使钛集电极上的两根导线连接形成短路放电。相当的繁琐，且不能实现连续脱盐，电极再生过后流出的浓盐水，也没有得到应有的利用。
5.cn107624106a公开了一种电容去离子进行连续水脱盐、离子分离和选择性去除和浓缩离子的单模块流动电极装置。这个装置的集流体位于流动电极液的外侧，距离子交换膜较远，电荷传输能力被削减，随着脱盐过程的进行，流动电极液的流动会逐渐趋向稳定，电极液流道是有一定空间的，一旦流动电极液稳定下来，流动电极液内的活性炭颗粒会趋向两个极端，靠近膜的活性炭颗粒吸附量多，远离膜的活性炭颗粒吸附量少，会使流动电极液吸附离子均匀性差，造成流动电极利用率低、脱盐性能大打折扣等问题。


技术实现要素：

6.发明目的：针对以上问题，本发明提供了一种能够实现脱盐，并且能够回收酸碱的微生物燃料电池耦合流动电极装置。
7.技术方案：本发明所述一种用于海水脱盐及回收酸碱的装置，所述装置包括脱盐系统和酸碱回收系统，其中，脱盐系统包括去离子脱盐装置，所述去离子脱盐装置的电极液流动区域设有若干个扰流搅拌器，相邻的扰流搅拌器转动方向相反，用以搅拌电极液中的活性炭颗粒；所述酸碱回收系统包括酸室和碱室，酸室和碱室通过隔板(108)分开，在酸室
和碱室均设有矩形梳齿状双极膜，酸室中双极膜一侧设有阴离子交换膜，碱室中双极膜的一侧设有阳离子交换膜，阴离子交换膜和阳离子交换膜均与耐酸碱腐蚀的钛合金支架贴合。
8.其中，所述去离子脱盐装置包括流动电极液、底板、对应设置的钛网负极和钛网正极，钛网负极和钛网正极的内侧均设有阴离子交换膜，钛网正极紧靠阴离子交换膜，阴离子交换膜之间设有阳离子交换膜，钛网负极和钛网正极外侧均设有底板，钛网负极紧靠底板，扰流搅拌器位于钛网负极与阴离子交换膜所形成的空间以及钛网正极和底板形成的空间内，流动电极液通过蠕动泵在前述的空间内循环流动。
9.其中，扰流搅拌器的转速为15-20rpm。
10.其中，所述脱盐系统还包括海水室、淡水室，所述海水室通过三通阀与去离子脱盐装置相连，所述淡水室与去离子脱盐装置相连。
11.其中，所述酸碱回收系统还包括浓盐水室，所述钛合金支架固定设置在浓盐水室的上部。
12.其中，所述酸室内的双极膜上部设有阳极电极，所述碱室内的双极膜上部设有阴极电极。
13.其中，阳极电极外表面附有有机生物质。
14.其中，有机生物质为低浓度有机废水、纤维素、葡萄糖、甲烷中的一种。
15.其中，所述阳极电极和阴极电极产生的电通过导线供脱盐系统使用。
16.其中，所述酸碱回收系统为立体槽，立体槽的上部开设有出气口。
17.其中，所述酸室通过蠕动泵后设有盐酸出口，所述碱室通过蠕动泵后设有氢氧化钠出口。
18.其中，脱盐系统还包括阀门，阀门通过管道分别与脱盐系统和酸碱回收系统相连。
19.脱盐机理：海水中的钠离子被钛网正极的斥力推进阳离子交换膜进入到盐化区，海水中的氯离子被钛网正极较强的吸引力带进流动电极液中，被活性炭颗粒吸附，由于蠕动泵的驱动力，海水中的氯离子被流动电极液带到另一侧的阴离子交换膜，受到钛网负极的斥力，被推进盐化区，因此盐化区可以收集浓盐水，由于淡化区盐离子的浓度减小，从而产出淡水。
20.酸碱回收机理：酸室中的双极膜(氢氧根离子扩散侧朝上)向内扩散氢离子，浓盐水室中的氯离子被阳极电极吸引而通过阴离子交换膜进入酸室，与氢离子结合成盐酸。隔板右侧的碱室中的双极膜(氢离子扩散侧朝上)向内扩散氢氧根离子，浓盐水室中的钠离子被阴极吸引，通过阳离子交换膜进入碱室，与氢氧根离子结合成氢氧化钠。
21.有益效果：与现有技术性相比，本发明具有以下显著优点：
22.(1)本发明将脱盐与回收酸碱结合起来用于处理海水，可以同时达到海水淡化变成淡水，及将海水中的盐变为酸与碱进行回收的双重效果。
23.(2)本发明的酸碱回收系统将钛网正极紧靠阴离子交换膜，使得电荷传输距离减小，改善流动电极液内活性炭颗粒的吸附效果；
24.(3)本发明的脱盐系统在流动电极液中安置若干组相对转动的扰流搅拌器，使流动电极液中活性炭颗粒的运动规律得以控制，让几乎每一个活性炭颗粒都能吸附上离子，实现离子吸附均匀性，提高了流动电极液的利用率和脱盐效果；
25.(4)本发明的酸碱回收系统采用矩形梳齿状双层膜，让双极膜与离子交换膜接触面积增大，容积减小，利用钛合金骨架支撑，既耐酸碱腐蚀，也能保护膜不易变形，从而改善离子的分布均匀性，加快了离子结合成酸碱的速率。
附图说明
26.图1是本发明用于海水脱盐及回收酸碱的装置结构图；
27.图2是去离子脱盐装置结构图；
28.图3是本发明用于海水脱盐及回收酸碱的装置工作流程图；
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明技术方案作进一步的说明。
30.本发明所述一种用于海水脱盐及回收酸碱的装置如图1所示，所述用于海水脱盐及回收酸碱的装置包括脱盐系统200和酸碱回收系统100。
31.其中，所述脱盐系统200包括海水室201、淡水室204和去离子脱盐装置203，海水室201通过三通阀202与去离子脱盐装置203相连，淡水室204与去离子脱盐装置203相连。淡水室204下部设有淡水出水口205，去离子脱盐装置203通过阀门206与酸碱回收系统100相连。
32.其中，所述去离子脱盐装置203如图3所示，所述去离子脱盐装置203包括蠕动泵2031、流动电极液2037、底板2038、对应设置的钛网负极2032和钛网正极2033，钛网负极2032和钛网正极2033的内侧均设有阴离子交换膜2034，钛网正极2033紧靠阴离子交换膜2034，两个阴离子交换膜2034之间设有阳离子交换膜2035，阳离子交换膜2035将去离子脱盐装置203分为淡化区和盐化区。钛网负极2032和钛网正极2033外侧均设有底板2038，钛网负极2032紧靠底板2038，钛网负极2032和阴离子交换膜2034形成一个空间，钛网正极2033和底板2038形成一个空间，然后在前述形成的空间内设有若干个扰流搅拌器2036，蠕动泵2031将流动电极液2037在前述的形成的空间内循环流动。前述形成的空间内填充活性炭颗粒。相邻的扰流搅拌器2036转动方向相反，用以搅拌电极液中的活性炭颗粒。扰流搅拌器2036的转速为15-20rpm。
33.其中，所述酸碱回收系统100包括酸室、碱室、浓盐水室115，酸室和碱室通过隔板108分开，在酸室和碱室均设有矩形梳齿状的双极膜104，酸室中双极膜104一侧设有阴离子交换膜107，碱室中双极膜104的一侧设有阳离子交换膜109，阴离子交换膜107和阳离子交换膜109均与耐酸碱腐蚀的钛合金支架113贴合。钛合金支架113固定设置在浓盐水室115的上部。酸室内的双极膜104上部设有阳极电极103，碱室内的双极膜104上部设有阴极电极111。其中，阳极电极103外表面附有有机生物质。阳极电极103和阴极电极111构成微生物燃料电池。有机生物质可以为低浓度有机废水、纤维素、葡萄糖、甲烷等等。阳极电极103和阴极电极111通过导线101供脱盐系统100的去离子脱盐装置203相连。整个酸碱回收系统100为立体槽，立体槽的上部开设有出气口102。酸室外面设有蠕动泵105，蠕动泵105将盐酸从盐酸出口106排出，所述碱室外面也设有蠕动泵(105)，蠕动泵105将氢氧化钠从氢氧化钠出口114排出。
34.采用本发明所述用于海水脱盐及回收酸碱的装置工作时如图3所示，供电时，微生物在阳极电极103消耗有机生物质产生二氧化碳和电子，二氧化碳由出气口102排出，电子
移动到阴极电极111发生还原反应，产生水；酸室中的双极膜104(氢氧根离子扩散侧朝上)向内扩散氢离子，浓盐水室115中的氯离子被阳极电极103吸引而通过阴离子交换膜107进入酸室，与氢离子结合成盐酸利用蠕动泵105从盐酸出口106处收集。隔板108右侧的碱室中的双极膜112(氢离子扩散侧朝上)向内扩散氢氧根离子，浓盐水室115中的钠离子被阴极111吸引，通过阳离子交换膜109进入碱室，与氢氧根离子结合成氢氧化钠利用蠕动泵105从氢氧化钠出口114处收集，矩形梳齿状双层膜104与阴离子交换膜107和阳离子交换膜109接触面积增大，容积减小，利用钛合金支架113支撑，钛合金支架113既耐酸碱腐蚀，也能保护双层膜104及阴离子交换膜107和阳离子交换膜109不易变形，从而改善离子的分布均匀性，加快了离子结合成酸碱的速率；微生物燃料电池通过导线101向去离子装置203供电，海水进入盐水室201后被三通阀202分流，一部分进入到去离子装置203的淡化区，海水中的钠离子被钛网正极2033的斥力推进阳离子交换2034进入到盐化区，海水中的氯离子被钛网正极2033较强的吸引力带进流动电极液2037中，被活性炭颗粒吸附，由于钛网正极紧靠阴离子交换膜，使得电荷传输距离减小，改善了流动电极内的活性炭颗粒吸附效果，由于扰流搅拌装置2036的介入，活性炭颗粒的运动规律得以控制，让几乎每一个活性炭颗粒都能吸附上氯离子，实现离子吸附均匀性，提高了流动电极液的利用率和脱盐效果。由于蠕动泵2031的驱动力，海水中的氯离子被流动电极液2037带到另一侧的阴离子交换膜2034，受到钛网负极2032的斥力，被推进盐化区，因此盐化区可以收集浓盐水，由阀门206控制排入浓盐水室115，淡化区由于盐离子的浓度减小，从而产出淡水，流入淡水室204收集，从淡水室出口205排出系统供人们使用。