一种流通电容器模块和具有该模块的水处理系统

1.本实用新型涉及水处理设备领域，尤其涉及一种流通电容器模块和具有该模块的水处理系统。


背景技术：

2.电容去离子技术，是在利用超级电容器的电吸附能力将水中的盐离子吸附完全，从而获得淡水资源。相对于市场存在的其他技术而言，电容去离子技术利用电能，这种可以高效利用的能量作为驱动能源，不仅对环境友好，不会产生污染，而且能量利用率高，合理的装置结构可以甚至可以回收电能，做到节能环保的效果。另外，与反渗透和多级闪蒸和多级蒸馏技术相比，电容去离子技术不需要化学物质进行电极的清洗，电极通过反接，可以将表面吸附的盐离子进行脱附，实现电极再生，不会产生二次污染。就能耗方面而言，相对于反渗透技术的高压和多级闪蒸、多级蒸馏技术的高温环境，电容去离子技术可以在常温常压环境中进行补给水的淡化，能量消耗小。在生产相同体积、相同水质的水产品时，电容去离子技术的耗能仅是反渗透技术能耗的三分之一。此外，电容去离子技术的另一突出有点就是可以选择性吸附目标离子，实现溶液中物质的提纯，该优势可以从废弃水中或者具有和放射性元素的溶液提取有价值的贵重元素，不仅可以生产淡水，而且可以生产带有附加价值的水产品。
3.电容去离子技术目前已有三十年的历史，最初的电容去离子技术以碳气凝胶材料作为离子吸附材料。后来，随着技术的发展，逐渐演变为碳布，最终变为碳基材料。随着新型电极材料的出现，越来越多的电极采用导电剂、粘结剂和活性材料按照一定配比的条件制成吸附电极。电容去离子技术的原理为在电极材料通电的条件形成垂直于电极方向的电场，而补给水中的带电离子在电场的作用下，阴离子朝着阳极迁移，阳离子朝着阴极迁移，最终落到电极上被纳米材料吸附。此外，与电极
4.而相对于电容去离子装置而言，最初的电容去离子装置为固定电极，但是由于固定电极吸附量有限，而且电极需要原位再生，无法做到连续脱盐，故发展了流动电极电容去离子技术。流动电极电容去离子技术是将固定电极变为流动电极。相比于固定电极的原位脱附，流动电极在装置外中和使得盐离子从吸附上自行脱附，从而做到伪无限吸附量。
5.而对于流动电极电容去离子装置而言，装置结构和工艺参数对装置脱盐性能的影响至关重要。传统的流动电极电容去离子装置采用堆叠结构，由蛇形流道电极板、离子交换膜和水流道板组成。补给水从电极板上的一侧穿孔中流入，直至流到水流道板中，再从另一侧的电极板的穿孔中流出。由于堆叠的密封性较差，组件之间会存在缝隙，加上水流需要穿过各个组件导致容易出现串流和漏液问题，影响装置脱盐的稳定性。另外，电极板的电极液流道为蛇形流道，蛇形流道在拐角处半径较小，电极液在此处流速减小，电极液中的吸附材料容易在此处出现淤积，影响吸附效率。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术中流动电机的电容去离子装置中电极液易堵塞的缺陷，本实用新型提出了一种流通电容器模块和具有该模块的水处理系统。
7.本实用新型的目的之一提供了一种流通电容器模块，使得电极液的流动更加平稳，可避免堵塞。
8.一种流通电容器模块，包括：水流道板、阳离子处理部和阴离子处理部；阳离子处理部包括第一电极板和阳离子交换膜，阴离子处理部包括第二电极板和阴离子交换膜；阳离子交换膜和阴离子交换膜位于水流道板的两侧，且三者相互配合形成水处理腔；水流道板上设置有均与水处理腔连通的进水端和出水端；
9.第一电极板位于阳离子交换膜背离水处理腔的一侧，第一电极板朝向阳离子交换膜的一侧设有第一平面螺旋形流道，且第一平面螺旋形流道的两端分别作为第一电极板的电极液进口和电极液出口；
10.第二电极板位于阴离子交换膜背离水处理腔的一侧，第二电极板朝向阴离子交换膜的一侧设有第二平面螺旋形流道，且第二平面螺旋形流道的两端分别作为第二电极板的电极液进口和电极液出口；
11.第一电极板连接有第一接线端子，第二电极板连接有第二接线端子。
12.优选的，水流道板两侧分别设有第一台阶槽和第二台阶槽，且第一台阶槽和第二台阶槽相连通；第一电极板和阳离子交换膜设置在第一台阶槽内，第二电极板和阴离子交换膜设置在第二台阶槽内。
13.优选的，阳离子处理部还包括第一保护板，阴离子处理部还包括第二保护板；第一保护板位于第一电极板背离阳离子交换膜的一侧，第二保护板位于第二电极板背离阴离子交换膜的一侧。
14.优选的，第一保护板设置在第一台阶槽中，第二保护板设置在第二台阶槽中。
15.优选的，第一保护板上设有连接第一电极板的电极液进口的第一进液端子和连接第一电极板的电极液出口的第一出液端子；第二保护板上设有连接第二电极板的电极液进口的第二进液端子和连接第二电极板的电极液出口的第二出液端子。
16.优选的，第一接线端子设置在第一保护板上，且第一接线端子与第一电极板电连接，第一接线端子、第一进液端子和第一出液端子均位于第一保护板背离阳离子交换膜的一侧，第二接线端子设置在第二保护板上，且第二接线端子与第二电极板电连接，第二接线端子、第二进液端子和第二出液端子均并位于第二保护板背离阴离子交换膜的一侧。
17.优选的，阳离子交换膜的两侧分别设有第一密封弹性垫和第二密封弹性垫，阴离子交换膜的两侧分别设有第三密封弹性垫和第四密封弹性垫；第一密封弹性垫和第二密封弹性垫均设有包围第一平面螺旋形流道的通孔，第三密封弹性垫和第四密封弹性垫均设有包围第二平面螺旋形流道的通孔；阳离子交换膜和阴离子交换膜平行设置，水流道板上设有用于连接第一台阶槽和第二台阶槽的通孔，所述水流道板上的通孔所围区域覆盖第一平面螺旋形流道和第二平面螺旋形流道。
18.优选的，还包括多个螺纹紧固件，多个螺纹紧固件依次穿过第一保护板、第一电极板、第一密封弹性垫、阳离子交换膜、第二密封弹性垫、水流道板、第三密封弹性垫、阴离子交换膜、第四密封弹性垫、第二电极板和第二保护板。
19.本发明的目的之二提供了一种电容去离子水处理系统。
20.一种电容去离子水处理系统，包括所述的流通电容器模块，还包括电极液存储器和补给水存储器；电极液存储器分别连通第一平面螺旋形流道的两端以形成第一电极液循环回路，电极液存储器还分别连通第二平面螺旋形流道的两端以形成第二电极液循环回路，第一电极液循环回路和第二电极液循环回路上均设有电极液循环泵；补给水存储器分别连接进水端和出水端，补给水存储器和水处理腔形成水循环回路，且水循环回路上设有水泵。
21.优选的，第一电极端子和第二电极端子之间接入2.4v供电电源，电极液采用12.5wt％活性炭电极液。
22.本实用新型的优点在于：
23.(1)本实用新型中，通过流动电极的电吸附作用，驱使补给水中的盐离子渗透过离子交换膜，被吸附在流动电极中，获得纯净淡水。随后，在施加反向电压或者短路的情况下，阴阳离子自行中和，从吸附电极的表面脱附到水中，实现电极再生。本实用新型中，电极板上采用平面螺旋形流道，使得电极液在平面螺旋形流道中流动平稳，避免了蛇形等具有急转弯的流道内可能发生的堵塞情况，从而保证了电极液在第一电极板和第二电极板上流动的可靠性，保证流动电极的可靠性，即保证了电极液所在电场的稳定性，从而保证了对水处理腔中补给水的处理效率。
24.(2)通过第一台阶槽和第二台阶槽的设置，实现了水流道板对第一电极板、阳离子交换膜、第二电极板和阴离子交换膜的包边保护，提高了整个流通电容器模块的结构稳定性，有利于保证阳离子处理部和阴离子处理部的工作安全，从而保证工作状态下，电极液所处电场的稳定。
25.(3)第一保护板设置在第一台阶槽中，第二保护板设置在第二台阶槽中，进一步提高了第一保护板和第二保护板与水流道板相对位置的稳定，并通过第一保护板压紧第一电极板和阳离子交换膜，通过第二保护板压紧第二电极板和阴离子交换膜，从而进一步保证流通电容器模块整体的稳定和密封性。
26.(4)第一接线端子、第一进液端子和第一出液端子集中在第一保护板的同一侧，第二接线端子、第二进液端子和第二出液端子集中在第二保护板的同一侧，提高了整个流通电容器模块外观结构的对称性和稳定性。
27.(5)密封弹性垫的设置，即避免了硬连接损伤，也实现了对补给水和电极液的密封隔离。第一密封弹性垫和第二密封弹性垫均设有包围第一平面螺旋形流道的通孔。如此，使得流经第一平面螺旋形流道的电极液直接接触阳离子交换膜，提高了阳离子交换膜所在电场强度，从而提高了电极液的脱吸附效率。
28.(6)通过螺栓与螺母对第一保护板、第一电极板、第一密封弹性垫、阳离子交换膜、第二密封弹性垫、水流道板、第三密封弹性垫、阴离子交换膜、第四密封弹性垫、第二电极板和第二保护板进行紧固连接，从而保证结构的稳定性。
29.(7)本实用新型提供的电容去离子水处理系统，采用螺旋流道式电极板的流通电容器模块，具有优异的盐离子吸附性能，电极液在螺旋流道的流动更加稳定，从而极大地发挥出脱盐效果。另外，包裹式的结构，能够稳定地进行补给水的除盐过程，并且在长时间运行条件下不会出现任何漏液串流问题。
30.(8)本实用新型中的装置和系统，设备简单，容易操作，性能优越，工艺成本低，具有广阔的发展前景。
附图说明
31.图1为一种流通电容器模块的结构图；
32.图2为图1的爆炸图；
33.图3为水处理系统中单个流通电容器模块的流通示意图；
34.图4(a)为本实用新型中平面螺旋形流道示意图；
35.图4(b)为现有技术中蛇形流道示意图；
36.图5(a)为实施例与对照例的盐离子浓度变化对比示意图；
37.图5(b)为实施例与对照例的平均除盐速率对比示意图；
38.图6(a)为实施例在不同电压下的盐离子浓度变化和电流变化比较示意图；
39.图6(b)为实施例在不同电压下的盐离子吸附性能比较示意图；
40.图7(a)为实施例在电极液具有不同活性炭浓度下的盐离子浓度变化和电流变化比较示意图；
41.图7(b)为实施例在电极液具有不同活性炭浓度下的盐离子吸附性能比较示意图；
42.图8为流通电容器模块长时间稳定运行测试过程中电导率和电流变化示意图；
43.图9为流通电容器模块吸附测试图。
44.1、水流道板；11、进水端；12、出水端；13、第一台阶槽；
45.2、阳离子处理部；21、第一电极板；22、阳离子交换膜；23、第一保护板； 231、第一进液端子；232、第一出液端子；24、第一密封弹性垫；25、第二密封弹性垫；
46.3、阴离子处理部；31、第二电极板；32、阴离子交换膜；33、第二保护板； 331、第二进液端子；332、第二出液端子；34、第三密封弹性垫；35、第四密封弹性垫；
47.4、螺纹紧固件；5、电极液存储器；6、补给水存储器；
48.c：补给水中盐离子浓度检测值；
49.c0：补给水中盐离子浓度初始值；
具体实施方式
50.参照图1到图3，本实施方式提出的一种流通电容器模块，包括：水流道板1、阳离子处理部和阴离子处理部。阳离子处理部包括第一电极板21和阳离子交换膜22，阴离子处理部包括第二电极板31和阴离子交换膜32。第一电极板 21和第二电极板31采用石墨板。阳离子交换膜22和阴离子交换膜32位于水流道板1的两侧，且三者相互配合形成水处理腔；水流道板1上设置有均与水处理腔连通的进水端11和出水端12。
51.第一电极板21位于阳离子交换膜22背离水处理腔的一侧，第一电极板21 朝向阳离子交换膜22的一侧设有第一平面螺旋形流道，第一平面螺旋形流道所在平面平行于阳离子交换膜22，且第一平面螺旋形流道的两端分别作为第一电极板21的电极液进口和电极液出口。
52.第二电极板31位于阴离子交换膜32背离水处理腔的一侧，第二电极板31 朝向阴离子交换膜32的一侧设有第二平面螺旋形流道，第二平面螺旋形流道所在平面平行于阴离
子交换膜32，且第二平面螺旋形流道的两端分别作为第二电极板31的电极液进口和电极液出口。
53.如此，当第一电极板21连接电源负极，第二电极板31连接电源正极，则电极液在正向电场作用下对水处理腔内的补给水进行离子吸附，水处理腔内补给水中的阳离子通过阳离子交换膜22进入电极液，水处理腔内补给水中的阴离子通过阴离子交换膜32进入电极液，即，电极液对补给水中的盐离子进行吸附，对补给水实现脱盐处理，以获得干净的淡水。反之，当第一电极板21连接电源正极，第二电极板31连接电源负极，则电极液内的阳离子通过阳离子交换膜22 进入水处理腔内的补给水中，电极液内的阴离子通过阴离子交换膜32进入水处理腔内的补给水中，从而实现电极液中的离子在反向电场作用下脱附，电极液实现自清洗以再次循环利用。
54.本实施方式中，第一平面螺旋形流道和第二平面螺旋形流道的设置，使得电极液在平面螺旋形流道中流动平稳，避免了蛇形等具有急转弯的流道内可能发生的堵塞情况，从而保证了电极液在第一电极板21和第二电极板31上流动的可靠性，保证流动电极的可靠性，即保证了电极液所在电场的稳定性，从而保证了对水处理腔中补给水的处理效率。
55.图5揭示了本实施方式中具有平面螺旋形流道的电极板的流通电容器模块相对于对照例的盐离子吸附性能比较。对照例为在本领域普遍使用的具有蛇形流道的电极板的流通电容器模块。由图中可看出，采用平面螺旋形流道的电极板具有更好的脱盐性能，有更高的平均除盐速率和除盐效率。图4所示为电极板和和对照例中具有蛇形流道的电极板的对照图。
56.本实施方式中，第一电极板21连接有第一接线端子，第二电极板31连接有第二接线端子。以便通过第一接线端子接入供电，从而使得第一平面螺旋形流道内的电极液上电；同理，通过第二接线端子接入供电，从而使得第二平面螺旋形流道内的电极液上电。具体的，第一接线端子和第二接线端子可采用钛片。
57.本实施方式中，水流道板1两侧分别设有第一台阶槽13和第二台阶槽，且第一台阶槽13和第二台阶槽相连通；第一电极板21和阳离子交换膜22设置在第一台阶槽13内，第二电极板31和阴离子交换膜32设置在第二台阶槽内。如此，通过第一台阶槽13和第二台阶槽的设置，实现了水流道板1对第一电极板 21、阳离子交换膜22、第二电极板31和阴离子交换膜32的包边保护，提高了整个流通电容器模块的结构稳定性，有利于保证阳离子处理部和阴离子处理部的工作安全，从而保证工作状态下，电极液所处电场的稳定。
58.本实施方式中，阳离子处理部还包括第一保护板23，阴离子处理部还包括第二保护板33。第一保护板23位于第一电极板21背离阳离子交换膜22的一侧，以对第一电极板21进行保护；第二保护板33位于第二电极板31背离阴离子交换膜32的一侧，以对第二电极板31进行保护。
59.本实施方式中，第一保护板23设置在第一台阶槽13中，第二保护板33设置在第二台阶槽中，进一步提高了第一保护板23和第二保护板33与水流道板1 相对位置的稳定，并通过第一保护板23压紧第一电极板21和阳离子交换膜22，通过第二保护板33压紧第二电极板31和阴离子交换膜32，从而进一步保证流通电容器模块整体的稳定和密封性。
60.本实施方式中，第一保护板23上设有连接第一电极板21的电极液进口的第一进液端子231和连接第一电极板21的电极液出口的第一出液端子232。第二保护板33上设有连接
第二电极板31的电极液进口的第二进液端子331和连接第二电极板31的电极液出口的第二出液端子332。
61.如此，在流通电容器模块工作时，可将第一进液端子231和第一出液端子 232均与外部的电极液存储器连接，使得第一平面螺旋形流道和所述电极液存储器形成第一电极液循环回路，通过第一电极液循环回路上的电极液循环泵(附图未给出)可实现第一平面螺旋形流道内的电极液的循环流动。同理，将第二进液端子331和第二出液端子332均与外部的电极液存储器连接，使得第二平面螺旋形流道和所述电极液存储器形成第二电极液循环回路，通过第二电极液循环回路上的电极液循环泵(附图未给出)可实现第二平面螺旋形流道内的电极液的循环流动。
62.本实施方式中，第一接线端子设置在第一保护板23上，第一接线端子、第一进液端子231和第一出液端子232均位于第一保护板23背离阳离子交换膜22 的一侧，第二接线端子设置在第二保护板33上，第二接线端子、第二进液端子 331和第二出液端子332均并位于第二保护板33背离阴离子交换膜32的一侧。即，第一接线端子、第一进液端子231和第一出液端子232集中在第一保护板23的同一侧，第二接线端子、第二进液端子331和第二出液端子332集中在第二保护板33的同一侧，提高了整个流通电容器模块外观结构的对称性和稳定性。
63.本实施方式中，第一接线端子包括穿过第一保护板23并与第一电极板21 连接的螺栓电极和设置在螺栓电极上的钛片；第二接线端子包括穿过第二保护板33并与第二电极板31连接的螺栓电极和设置在该螺栓电极上的钛片。钛片的设置，有利于提高导电率。
64.本实施方式中，阳离子交换膜22的两侧分别设有第一密封弹性垫24和第二密封弹性垫25。阴离子交换膜32的两侧分别设有第三密封弹性垫34和第四密封弹性垫35。第一密封弹性垫24夹持在阳离子交换膜22和第一电极板21之间，从而提高阳离子交换膜22和第一电极板21之间的密封性，防止第一平面螺旋形流道内的电极液泄露，同时还防止了阳离子交换膜22和第一电极板21 之间的硬连接损伤。同理，第三密封弹性垫34夹持在阴离子交换膜32和第二电极板31之间，从而提高阳阴离子交换膜32和第二电极板31之间的密封性，防止第二平面螺旋形流道内的电极液泄露，同时还防止了阴离子交换膜32和第二电极板31之间的硬连接损伤。第二密封弹性垫25夹持在阳离子交换膜22和水流道板1之间，第四密封弹性垫35夹持在阴离子交换膜32和水流道板1之间，即避免了硬连接损伤，也实现了对水处理腔的密封。
65.本实施方式中，第一密封弹性垫24和第二密封弹性垫25均设有包围第一平面螺旋形流道的通孔。如此，使得流经第一平面螺旋形流道的电极液直接接触阳离子交换膜22，提高了阳离子交换膜22所在电场强度，从而提高了电极液的脱吸附效率。同理，第三密封弹性垫34和第四密封弹性垫35均设有包围第二平面螺旋形流道的通孔。
66.具体的，第一密封弹性垫24、第二密封弹性垫25、第三密封弹性垫34和第四密封弹性垫35可采用橡胶垫或者硅胶片。
67.本实施方式中，阳离子交换膜22和阴离子交换膜32平行设置，水流道板1 上设有用于连接第一台阶槽13和第二台阶槽的通孔，所述水流道板1上的通孔所围区域覆盖第一平面螺旋形流道和第二平面螺旋形流道，使得水处理腔内补给水中的盐离子自由运动，提高吸附效率。
68.本实施方式中，还包括多个螺纹紧固件4，多个螺纹紧固件4依次穿过第一保护板23、第一电极板21、第一密封弹性垫24、阳离子交换膜22、第二密封弹性垫25、水流道板1、第三密封弹性垫34、阴离子交换膜32、第四密封弹性垫35、第二电极板31和第二保护板33。具体的，螺纹紧固件4采用螺栓，通过螺栓与螺母对第一保护板23、第一电极板21、第一密封弹性垫24、阳离子交换膜22、第二密封弹性垫25、水流道板1、第三密封弹性垫34、阴离子交换膜 32、第四密封弹性垫35、第二电极板31和第二保护板33进行紧固连接，从而保证结构的稳定性。具体的，本实施方式中，多个螺栓平均分布在包围第一平面螺旋形流道的圆周上，以实现平面方向上的紧固力周向均匀分布。
69.本实施方式中还提供了一种水处理系统，包括所述的流通电容器模块，还包括电极液存储器5和补给水存储器6。电极液存储器5分别连通第一平面螺旋形流道的两端以形成第一电极液循环回路，电极液存储器5还分别连通第二平面螺旋形流道的两端以形成第二电极液循环回路。即，第一进液端子231、第一出液端子232、第二进液端子331和第二出液端子332均与电极液存储器5连接，电极液存储器5、第一进液端子231、第一平面螺旋形流道和第一出液端子232 构成第一电极液循环回路；电极液存储器5、第二进液端子331、第二平面螺旋形流道和第二出液端子332构成第二电极液循环回路。第一电极液循环回路和第二电极液循环回路相并联。第一电极液循环回路和第二电极液循环回路上均设有电极液循环泵(附图未给出)。具体实施时，可在第一电极液循环回路和第二电极液循环回路上分别设置电极液循环泵，也可设置双流道的电极液循环泵以同时驱动第一电极液循环回路和第二电极液循环回路上的电极液流动，从而实现第一平面螺旋形流道和第二平面螺旋形流道均经过电极液存储器5进行循环，从而实现流动电极。
70.补给水存储器6分别连接进水端11和出水端12，补给水存储器6和水处理腔形成水循环回路，且水循环回路上设有水泵(附图未给出)，以便在水泵驱动下，水循环经过水处理腔，提高吸脱附效果。
71.以下，结合具体的实施例，对采用流通电容器模块的水处理系统的性能进一步说明。
72.本实施例中，第一电极板21和第二电极板31的尺寸为80
×
80
×
5mm，电极液在第一平面螺旋形流道和第二平面螺旋形流道中，均从中心端流入，从顶部末端流出。电极液采用活性炭溶液。
73.图6揭示了实施例在不同电压下盐离子吸附性能的比较。该实施例分别在 1.2v、1.6v、2.0v、2.4v、2.8v五个电压下测试脱盐性能。从图中可以看出，随着电压的升高，其吸附性能呈现先增加后减小的趋势。当电压在2.4v和2.0v 之间时，其盐离子吸附性能最好，电流最大，电导率下降最快；平均除盐速率和电荷利用率最高。因此，该流通电容器模块的最佳施加电压在2.0～2.4v之间。
74.图7揭示了实施例在不同活性炭浓度电极液吸下盐离子吸附性能的比较。该实施例分别利用活性炭含量为5wt％、7.5wt％和10wt％的电极液进行脱盐性能测试。从图中可以看出，随着电极液中活性炭含量的增加，其脱盐性能逐渐提升，电导率下降越来越快，平均除盐速率和电荷利用效率逐渐增加。因此在测试范围内，12.5wt％的电极液脱盐性能最优。
75.图8揭示了单个流通电容器模块长时间稳定运行的测试。该项测试是将单个流通
电容器模块在50ml 3.5g l-1
的nacl的补给水溶液中稳定运行48小时来测试模块的稳定性。从图中可以看出，在48小时内流通电容器模块稳定运行，能够将水中的盐离子完全除尽，展现了优异的脱盐效率。另外，在反向施加电压后能够将电极液上的盐离子完全脱附，这证明了该系统可以将电极液的盐离子完全脱附出来，实现电极液自清洗功能，效果显著。
76.图9揭示了实施例在2.4v施加电压，活性炭12.5wt％电极液的最优条件下的最终脱盐性能。该实施例在3.5g l-1
的nacl溶液中进行脱盐性能测试。在测试之前，进行了2小时的物理吸附，从图中可以看出，在充分活化电极液和物理吸附后，电极液以显著的速度对水中的盐离子进行吸附并获得了干净的淡水。其电荷利用效率保持在了58％较高水平，展现出优异的盐离子吸附性能。
77.比较可知，最终在2.4v施加电压下运行12.5wt％活性炭电极液时，盐离子吸附效果最好。
78.综上可见，本发明实施例具有稳定显著的脱盐性能，并且在长时间运行条件下没有出现任何漏液串流问题。整个装置设备简单，容易操作，性能优越，工艺成本低，具有广阔的发展前景。
79.以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。