一种基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置及其处理方法
【专利摘要】一种基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置及其处理方法，其特征在于所述基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置包括两个平行放置的电容电极，被处理的酸碱废水从电极间的通道流过；所述电容电极压制在导电塑料上组装成板框式的结构。该装置由两个电容电极组成，其电极材料为具有较大比表面积的多孔碳材料及其复合物、混合物或者掺杂物。本装置具有能耗低、环境友好、操作维护方便等优点。
【专利说明】
一种基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置及其处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种新型的工业酸碱废水处理装置，具体涉及基于一种基于电吸附原 理进行酸碱废水处理装置及其处理方法。
【背景技术】
[0002] 随着人类社会的进步和经济的发展，工业城市的日益扩增，尤其是人口的急剧增 长，人类活动失控，造成环境恶化，水资源污染和浪费现象严重。造成水体污染的污染源很 多，其中废酸、废碱是主要的污染物。这些污染物都会对工业、农业、渔业和生活用水产生不 良的影响。目前处理酸碱废水的主要方法是中和法，中和的方法有利用酸性废水和碱性废 水相互中和，或利用酸、碱废物来中和碱、酸性废水。但是酸碱中和生成盐，使淡水资源的矿 化度提高，影响各种用水水质，而且浪费了用于中和的碱或者酸。
[0003] 近几年来新发展起来的利用电吸附来脱盐(窦大海，螺旋卷式电容性离子脱除装 置，发明专利公开号:CN2764765,【公开日】期：2006-03-15)，具有电吸附具有能耗低、无二次 污染和电极可再生等优点。其原理是向电极施加电压，在电极表面形成双电层来吸附离子， 从而使水中的离子含量迅速降低，从而达到废水净化的目的。但是没有见到采用电吸附方 法来除去废水中的酸和碱的公开报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能耗低、操作维护方便、环境友好的基于电吸附原理 进行酸碱废水处理装置及其处理方法，以克服传统酸碱废水处理方法回收利用困难、二次 污染等缺点。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置，所述基于电吸附原理进行酸碱废水 处理装置包括两个平行放置的电容电极，被处理的酸碱废水从电极间的通道流过;所述电 容电极压制在导电塑料上组装成板框式的结构。
[0007] 所述酸碱废水包括有机酸性废水、无机酸性废水及它们的混合物，还包括有机碱 性废水、无机碱性废水及它们的混合物。
[0008] 所述的有机酸性废水包括甲酸、乙酸、苯甲酸、萘甲酸和β_萘磺酸，所述的无机酸 性废水包括硫酸、硝酸、磷酸和盐酸，所述的有机碱性废水包括三乙胺和叔丁醇钾/钠，所述 的无机碱性废水包括氨水、氢氧化钠和氢氧化钾。
[0009] 所述的电容电极的正负极材料为电阻低、比表面积大、孔径合适、性能稳定的多孔 碳材料，包括活性炭、碳气凝胶、活性炭纤维、石墨烯及它们的复合物、混合物或掺杂物。 [0010]所述的复合物是多孔碳材料与过渡金属氧化物Mn〇2、Ru〇2或W0 3组成的。
[0011] -种基于电吸附原理进行酸碱废水处理方法，包括以下步骤：
[0012] 1)将正负极材料、导电剂和粘合剂用有机溶剂混合，再经过超声分散后干燥，将干 燥后的固体压成电极，干燥后用辊压机压在导电塑料上，组装成板框式的结构，制得基于电 吸附原理进行酸碱废水处理装置;所述基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置包括两个平 行放置的电容电极，被处理的酸碱废水从电极间的通道流过；
[0013] 2)所述的电吸附阶段是在外加电压作用下，电极一端带正电，另一端带负电，使酸 碱废水中的负离子吸附到带正电一极，正离子吸附到带负电一极，从而达到酸碱废水净化 的效果；
[0014] 3)所述的再生阶段是通过将外加电压移除或电压反接，使吸附的离子从电极上脱 落，从而实现电极再生。
[0015] 所述的电容电极的正负极材料为电阻低、比表面积大、孔径合适、性能稳定的多孔 碳材料，包括活性炭、碳气凝胶、活性炭纤维、石墨烯及它们的复合物、混合物或掺杂物。
[0016] 所述的复合物是多孔碳材料与过渡金属氧化物Mn〇2、Ru〇2或W〇3组成的。
[0017] 该装置工作时包括电吸附阶段和再生阶段;在吸附阶段，酸碱废水中的质子、氢氧 根离子及其相应阴离子和阳离子在外加电压的作用下分别向电容器的负、正电极迀移和富 集，废水中的酸碱离子得以除去；当电极达到吸附饱和或接近吸附饱和时，废水处理装置进 入脱附阶段，通过撤销外加电场或加载反向电场，使被吸附的离子从电极上脱落，集中回收 处理，电极被再生;本发明的装置通过电吸附和脱附阶段的循环操作实现废液的连续净化 和排浓。
[0018] 本发明的有益效果如下：
[0019] 本发明维护方便，电极材料性能稳定，使用寿命长，整套废水处理装置可以采用自 动化控制，所需人工少，降低运营成本；由于电吸附的原理是双电层机理，电场的能量主要 用在离子迀移，所需能量低，极大地节约了能源，同时不会产生二次污染。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明结构示意图，在电吸附过程中，正离子(包括质子)吸附在负极，负离 子(包括氢氧根离子)吸附在正极。
[0021] 图2是实施例1与单纯的活性炭的吸附性能比较图，横轴表示时间，单位是分钟;纵 轴表示电导率，单位是yS/cm。
[0022] 图3是实施例1的吸附和再生的曲线图，横轴表示时间，单位是分钟;纵轴表示电导 率，单位是yS/cm〇
【具体实施方式】
[0023] 下面将通过实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施 例。
[0024] 如图1，一种基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置，所述基于电吸附原理进行酸 碱废水处理装置包括两个平行放置的电容电极，被处理的酸碱废水从电极间的通道流过； 所述电容电极压制在导电塑料上组装成板框式的结构。
[0025] 所述酸碱废水包括有机酸性废水、无机酸性废水及它们的混合物，还包括有机碱 性废水、无机碱性废水及它们的混合物。
[0026] 所述的有机酸性废水包括甲酸、乙酸、苯甲酸、萘甲酸和β-萘磺酸，所述的无机酸 性废水包括硫酸、硝酸、磷酸和盐酸，所述的有机碱性废水包括三乙胺和叔丁醇钾/钠，所述 的无机碱性废水包括氨水、氢氧化钠和氢氧化钾。
[0027]所述的电容电极的正负极材料为电阻低、比表面积大、孔径合适、性能稳定的多孔 碳材料，包括活性炭、碳气凝胶、活性炭纤维、石墨烯及它们的复合物、混合物或掺杂物。 [0028]所述的复合物是多孔碳材料与过渡金属氧化物Mn0 2、Ru02或W03组成的。
[0029] 一种基于电吸附原理进行酸碱废水处理方法，包括以下步骤：
[0030] 1)将正负极材料、导电剂和粘合剂用有机溶剂混合，再经过超声分散后干燥，将干 燥后的固体压成电极，干燥后用辊压机压在导电塑料上，组装成板框式的结构，制得基于电 吸附原理进行酸碱废水处理装置;所述基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置包括两个平 行放置的电容电极，被处理的酸碱废水从电极间的通道流过；
[0031] 2)所述的电吸附阶段是在外加电压作用下，电极一端带正电，另一端带负电，使酸 碱废水中的负离子吸附到带正电一极，正离子吸附到带负电一极，从而达到酸碱废水净化 的效果；
[0032] 3)所述的再生阶段是通过将外加电压移除或电压反接，使吸附的离子从电极上脱 落，从而实现电极再生。
[0033] 所述的电容电极的正负极材料为电阻低、比表面积大、孔径合适、性能稳定的多孔 碳材料，包括活性炭、碳气凝胶、活性炭纤维、石墨烯及它们的复合物、混合物或掺杂物。 [0034]所述的复合物是多孔碳材料与过渡金属氧化物Mn0 2、Ru02或W03组成的。
[0035]该装置工作时包括电吸附阶段和再生阶段;在吸附阶段，酸碱废水中的质子、氢氧 根离子及其相应阴离子和阳离子在外加电压的作用下分别向电容器的负、正电极迀移和富 集，废水中的酸碱离子得以除去；当电极达到吸附饱和或接近吸附饱和时，废水处理装置进 入脱附阶段，通过撤销外加电场或加载反向电场，使被吸附的离子从电极上脱落，集中回收 处理，电极被再生;本发明的装置通过电吸附和脱附阶段的循环操作实现废液的连续净化 和排浓。
[0036] 对比例：
[0037]在浓度为50ymol/L的稀硫酸中测试，吸附电极的正负极均为活性炭（比表面积 ΙΘΟΟηιΥ1)，乙炔黑作为导电剂（10wt. % )、聚四氟乙稀为粘合剂（10wt. % )，无水乙醇作为 溶剂，超声分散后干燥，将干燥后的固体压成极片，干燥后用辊压机压在导电塑料上，组装 成板框式的结构。按说明书附图1组装成含酸废水处理装置，但是不外加电压。吸附阶段的 电导率趋于稳定后。第一次的吸附量为〇.354mg g^1，所得结果汇总于表1中。
[0038] 实施例1:
[0039] 在浓度为50ymol/L的稀硫酸中测试，吸附电极的正负极均为活性炭（比表面积 ΙΘΟΟηιΥ1)，乙炔黑作为导电剂（10wt. % )、聚四氟乙稀为粘合剂（10wt. % )，无水乙醇作为 溶剂，超声分散后干燥，将干燥后的固体压成极片，干燥后用辊压机压在导电塑料上，组装 成板框式的结构。按说明书附图1组装成含酸废水处理装置，外加电压为1.6V。电吸附阶段 的电导率趋于稳定后，将电压反接实现电极再生。溶液电导率随时间的变化如图2所示。第 一次的吸附量为1.63mg g'所得结果汇总于表1中。
[0040] 实施例2:
[00411在浓度为25ppm的苯甲酸的硫酸钠溶液中测试，吸附电极的正负极均为活性碳纤 维，乙炔黑作为导电剂（l0wt. % )、聚四氟乙稀为粘合剂（10wt. %)，无水乙醇作为溶剂，超 声分散后干燥，将干燥后的固体压成极片，干燥后用辊压机压在导电塑料上，组装成板框式 的结构。按说明书附图1组装成含酸废水处理装置，外加电压为1.6V。电吸附阶段的电导率 趋于稳定后，将电压反接实现电极再生。吸附量为180mg g'所得结果汇总于表1中。
[0042] 实施例3:
[0043]在浓度为2.0ppm的NaOH溶液中测试，吸附电极的正负极均为碳纳米管/Μη02复合 材料，乙炔黑作为导电剂（l〇wt. %)、聚四氟乙稀为粘合剂（10wt. % )，无水乙醇作为溶剂， 超声分散后干燥，将干燥后的固体压成极片，干燥后用辊压机压在导电塑料上，组装成板框 式的结构。按说明书附图1组装成含碱废水处理装置，外加电压为1.6V。电吸附阶段的电导 率趋于稳定后，将电压反接实现电极再生。吸附量为2.13mg g^1，所得结果汇总于表1中。 [0044] 表1不同类型废水的电吸附结果
[0047] 从表1中的数据对比可以看出，该装置对酸碱废水具有良好吸附作用，较传统的简 单吸附而言，除去量有了大幅度的提高，具有良好的应用价值。
[0048] 上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构 思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发 明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技 术内容已经全部记载在权利要求书中。
【主权项】
1. 一种基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置，其特征在于所述基于电吸附原理进行 酸碱废水处理装置包括两个平行放置的电容电极，被处理的酸碱废水从电极间的通道流 过;所述电容电极压制在导电塑料上组装成板框式的结构。2. 根据权利要求1所述的酸碱废水处理装置，其特征在于所述酸碱废水包括有机酸性 废水、无机酸性废水及它们的混合物，还包括有机碱性废水、无机碱性废水及它们的混合 物。3. 根据权利要求2中任何一项所述的酸碱废水处理装置，其特征在于所述的有机酸性 废水包括甲酸、乙酸、苯甲酸、萘甲酸和β-萘磺酸，所述的无机酸性废水包括硫酸、硝酸、磷 酸和盐酸，所述的有机碱性废水包括三乙胺和叔丁醇钾/钠，所述的无机碱性废水包括氨 水、氢氧化钠和氢氧化钾。4. 根据权利要求1-3中任何一项所述的酸碱废水处理装置，其特征在于所述的电容电 极的正负极材料为电阻低、比表面积大、孔径合适、性能稳定的多孔碳材料，包括活性炭、碳 气凝胶、活性炭纤维、石墨烯及它们的复合物、混合物或掺杂物。5. 根据权利要求4所述的酸碱废水处理装置，其特征在于所述的复合物是多孔碳材料 与过渡金属氧化物Mn〇2、Ru〇2或W03组成的。6. -种基于电吸附原理进行酸碱废水处理方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 将正负极材料、导电剂和粘合剂用有机溶剂混合，再经过超声分散后干燥，将干燥后 的固体压成电极，干燥后用辊压机压在导电塑料上，组装成板框式的结构，制得基于电吸附 原理进行酸碱废水处理装置;所述基于电吸附原理进行酸碱废水处理装置包括两个平行放 置的电容电极，被处理的酸碱废水从电极间的通道流过； 2) 所述的电吸附阶段是在外加电压作用下，电极一端带正电，另一端带负电，使酸碱废 水中的负离子吸附到带正电一极，正离子吸附到带负电一极，从而达到酸碱废水净化的效 果； 3) 所述的再生阶段是通过将外加电压移除或电压反接，使吸附的离子从电极上脱落， 从而实现电极再生。7. 根据权利要求6中所述的基于电吸附原理进行酸碱废水处理方法，其特征在于所述 的电容电极的正负极材料为电阻低、比表面积大、孔径合适、性能稳定的多孔碳材料，包括 活性炭、碳气凝胶、活性炭纤维、石墨烯及它们的复合物、混合物或掺杂物。8. 根据权利要求6所述的基于电吸附原理进行酸碱废水处理方法，其特征在于所述的 复合物是多孔碳材料与过渡金属氧化物Mn02、Ru0 2或W03组成的。
【文档编号】C02F1/469GK106044973SQ201610629540
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月4日
【发明人】陈炳玮, 王彦方, 张翼, 朱玉松, 吴宇平
【申请人】南京工业大学