同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的装置，该装置包括 电活性离子交换功能膜电极、惰性电极、外接电源和电机系统；所述电活性离子交换功能膜 电极由一组同心圆组成，内侧为圆柱体1，外侧为圆柱筒2,圆柱筒2与圆柱体1之间存在间 隙；所述惰性电极由两个圆柱筒套在一起，内、外圆柱筒上对应位置设有孔，内筒3和外筒4 之间设有绝缘层5,内筒3和外筒4通过旋转连通或闭合内外侧的空间；所述外接电源5对 功能膜电极施加氧化/还原电位，所述电机系统包括惰性电极驱动电机和驱动电源。
[0026] 所述电活性离子交换功能膜电极是在三维多孔导电基体表面沉积有电活性离子 交换功能材料的一组同心圆柱和圆筒形电极，其中三维多孔导电基体是碳毡、泡沫镍基体 或网状玻璃碳中的一种；电活性离子交换功能材料是在氧化/还原电位下能够控制目标离 子选择性吸/脱附的有机、无机或其复合电活性材料。
[0027] 进一步地，所述电活性离子交换功能材料包括铁氰化镍、聚苯胺/磷酸锆或聚吡 咯/铁氰化镍。
[0028] 所述惰性电极的内筒3和外筒4之间的绝缘层5将两侧密封，闭合后两同心圆柱 筒电极将内外两室间液体隔开并分别兼做功能膜电极的相反电极。
[0029] 上述方案中，所述电机系统通过程序控制电机转动并带动两同心圆惰性电极定期 旋转闭合系统。
[0030] 图1中包括主视图和俯视图，图中的同心圆双层套筒处于打开状态，内外腔中含 阴、阳离子的液体处于连通状态；图2中包括主视图和俯视图，图中同心圆双层套筒惰性电 极处于闭合状态，内外腔阴、阳离子再生液被隔断。 图3~图6分别是本工艺两种同步选择性吸、脱附阴、阳离子过程示意图；图3、图4中 圆柱电极为电活性阴离子交换功能膜电极，圆筒形电极为电活性阳离子交换功能膜电极； 图5、图6中圆柱电极为电活性阳离子交换功能膜电极，圆筒形电极为电活性阴离子交换功 能膜电极。
[0031] 首先对图3、图4进行说明： (a)中，通过外接电源分别给中心圆柱阴离子交换功能膜电极施加氧化电位，外层圆筒 形阳离子交换功能膜电极施加还原电位，在氧化电位作用下中心膜电极选择性吸附目标阴 离子，同时外层圆筒膜电极选择性吸附目标阳离子；通过外部电机控制两膜电极间同心圆 双层套筒惰性电极旋转处于打开状态，内外腔中含阴、阳离子的处理液处于连通状态；通过 外部供液系统将待处理液从反应器底部管路以〇. lm/s~3m/s的流速通入反应器中，膜电极 在电位推动下实现对处理液中目标阴、阳离子的选择性吸附，同时从顶部管路排出处理液。
[0032] (b)中，吸附饱和后，停止通入待处理液，切换外部管路系统与电流方向，分别给中 心圆柱阴离子交换功能膜电极施加还原电位，外层圆筒形阳离子交换功能膜电极施加氧化 电位，在还原电位作用下中心膜电极脱附目标阴离子，同时外层圆筒膜电极脱附目标阳离 子；通过外部电机控制同心圆双层套筒惰性电极旋转至闭合状态，分离装置形成内外两个 脱附腔体；将阴离子再生液与阳离子再生液分别从反应器底部通入反应器中心内腔和环形 外腔，实现膜电极所吸附的阴、阳离子的同时脱附以及膜基体自身的再生过程，阴、阳离子 再生液分别从反应器顶部管口流出。依次循环操作实现废液中阴、阳离子的连续分离回收 操作过程。
[0033] 对图5、图6进行说明： (a)中所示，通过外接电源分别给中心圆柱阳离子交换功能膜电极施加还原电位，外层 圆筒形阴离子交换功能膜电极施加氧化电位，中心膜电极在还原电位作用下选择性吸附目 标阳离子，同时外层圆筒膜电极在氧化电位作用下选择性吸附目标阴离子；通过外部电机 控制两膜电极间同心圆双层套筒惰性电极旋转处于打开状态，内外腔中含阴、阳离子的处 理液处于连通状态；通过外部供液系统将待处理液从反应器底部管路以0. lm/s~3m/s的流 速通入反应器中，膜电极在电位推动下实现对处理液中目标阴、阳离子的选择性吸附，同时 从顶部管路排出处理液。
[0034] (b)中，吸附饱和后，停止通入待处理液，切换外部管路系统与电流方向，分别给 中心圆柱阳离子交换功能膜电极施加氧化电位，外层圆筒形阴离子交换功能膜电极施加还 原电位，中心膜电极在氧化电位作用下脱附目标阳离子，同时外层圆筒膜电极在还原电位 作用下脱附目标阴离子；通过外部电机控制同心圆双层套筒惰性电极旋转至闭合状态，分 离装置形成内外两个脱附腔体；将阴离子再生液与阳离子再生液分别从底部通入反应器外 部环形腔体和中心内腔中，在控制电位下实现膜电极所吸附阴、阳离子的同时脱附及膜基 体自身的再生过程，阴、阳离子再生液分别从反应器顶部管口流出。依次循环操作实现废液 中阴、阳离子的连续分离回收操作过程。
【主权项】
1. 一种连续同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的装置，其特征在于：包括电活 性离子交换功能膜电极、惰性电极、外接电源和电机系统；所述电活性离子交换功能膜电 极由一组同心圆组成，内侧为圆柱体结构，外侧为圆柱筒结构，圆柱筒与圆柱体之间存在间 隙；所述惰性电极由两个圆柱筒套在一起，内、外圆柱筒上对应位置设有孔，内筒和外筒之 间设有绝缘层，内筒和外筒通过旋转连通或闭合内外侧的空间；所述外接电源对功能膜电 极施加氧化/还原电位，所述电机系统包括惰性电极驱动电机和驱动电源。
2. 根据权利要求1所述的连续同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的装置，其特 征在于：所述电活性离子交换功能膜电极是在三维多孔导电基体表面沉积有电活性离子交 换功能材料的一组同心圆柱和圆筒形电极，其中三维多孔导电基体是碳毡、泡沫镍基体或 网状玻璃碳中的一种；电活性离子交换功能材料是在氧化/还原电位下能够控制目标离子 选择性吸/脱附的有机、无机或其复合电活性材料。
3. 根据权利要求2所述的连续同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的装置，其特 征在于：所述电活性离子交换功能材料为铁氰化镍，聚苯胺/磷酸锆，聚吡咯/铁氰化镍中 的任一种。
4. 根据权利要求1所述的连续同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的装置，其特 征在于：所述惰性电极的内筒和外筒之间的绝缘层将两侧密封，闭合后两同心圆柱筒电极 将内外两室间液体隔开并分别兼做功能膜电极的相反电极。
5. 根据权利要求1所述的连续同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的装置，其特 征在于：所述电机系统通过程序控制电机转动并带动两同心圆惰性电极定期旋转闭合系 统。
6. -种连续同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的方法，其特征在于：包括以下 步骤： (1) 在电活性离子交换功能膜电极上分别施加氧化/还原电位，控制两同心圆双层套 筒惰性电极处于重合状态并断开各自所连接电源，从功能膜电极下端通入待处理稀溶液并 保持两功能膜电极之间液路畅通，溶液中目标阴、阳离子分别选择性吸附于阴、阳离子电活 性功能膜电极上； (2) 吸附达到饱和后，停止通入待处理稀溶液并将反应器中残余处理液从功能膜电极 上端放空，切换系统外接电源，使阴、阳离子电活性功能膜电极分别与两惰性电极组成两组 对电极体系，并使阴、阳离子电活性功能膜电极分别处于还原/氧化电位脱附目标离子；同 时通过电机系统控制惰性电极旋转闭合，使两功能膜电极之间形成内外两层阴、阳离子脱 附腔体，从功能膜电极下端分别通入阴、阳离子再生液到相应的阴、阳离子脱附腔体中，回 收目标离子，同时阴，阳离子脱除后，膜电极得到再生； (3) 目标离子脱附后，停止通入再生液并将反应器中残余再生液分别从功能膜电极上 端放空。
【专利摘要】本发明公开了一种可连续同步选择性分离回收稀溶液中阴、阳离子的电控离子交换装置和方法。该离子分离回收装置由电活性离子交换功能膜电极、可控旋转闭合的同心的双层套筒惰性电极、外接电源和电机系统组成，电活性离子交换功能膜电极由在氧化/还原电位下具有选择性吸/脱附目标阴、阳离子的同心圆柱和圆筒组成；通过外部电源给膜电极交替施加氧化/还原电位，同时控制两膜电极间的同心双层套筒惰性电极的开启和闭合，结合外部液路供给系统实现对稀溶液中阴、阳离子的连续分离回收。本发明装置中无需离子交换膜或隔膜电极，结构简单、操作方便；溶液中离子直接在膜电极表面吸/脱附，离子的扩散传递速度快、分离效率高；膜电极可连续运行。
【IPC分类】B01D61-46, C02F1-469, B01D61-44
【公开号】CN104587835
【申请号】CN201510013626
【发明人】张忠林, 郝晓刚, 郑君兰, 廖森良, 官国清, 张鹏乐, 薛春峰
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月12日