一种不对称流动式电极的脱盐装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种不对称流动式电极的脱盐装置，包括若干个负极腔室、阴离子交换膜、水处理腔室、阳离子交换膜和正极腔室由绝缘固定板与螺栓装配而成的脱盐水处理装置，其特点是正极腔室内设置由碳材料与二氧化锰复合的流动性阳极与负极腔室内设置由碳材料组成的流动性阴极构成不对称流动式电极单元，所述流动性阳极为炭和二氧化锰的复合物与可溶性盐溶液配制的电极液；所述流动性阴极为碳与可溶性盐溶液配制的电极液。本发明与现有技术相比具有脱盐效率高、制备简单、稳定性好、原料利用率高等优点，运行电压可以达到1.8 V，大大提高了装置的使用寿命和安全运行。
【专利说明】
一种不对称流动式电极的脱盐装置
技术领域
[0001]本发明涉及水处理技术领域，具体地说是一种不对称流动式电极的脱盐装置。
【背景技术】
[0002]电容去离子(Capacitive De1nizat1n，Q)I)的脱盐技术，是对于被处理的含离子溶液施加一静电场，使得离子与水得以分离，从而得到离子含量较低的水。该水处理技术采用流动式电极液作为电极时，由于能不断地供给新鲜电极材料，可以实现离子连续吸附，进而实现对高浓度含盐水的净化，这一改进的CD I技术称之为流动式电容去离子(FlowabIe-electrode Capacitive De1nizat1n，FCDI)。
[0003]流动式电容去离子技术与传统的水处理技术相比较，FCDI技术具有能耗低、水利用率高、操作简单等优点。该技术可被用于如硬水软化、贵重金属富集、高纯水制备、海水淡化等领域。
[0004]现有流动式电容去离子(FCDI)技术存在的问题是:离子迀移速度较慢，以至离子无法快速从水中分离，提高运行电压是一种提高离子的迀移速度，这种方法可以提高离子吸附过程中水中的离子迀移到电极材料表面的速度，从而实现离子快速从水中分离。由于FCDI装置的正、负极一般使用同一种的活性材料(如活性炭)，一旦运行电压超过1.23V，水处理腔室内的水就会分解，进而造成能耗的损失，严重的情况，甚至影响到装置使用寿命和运行安全，产生的氢气有爆炸的危险，因此，亟待发展一种提高运行电压又不会导致水分解的F⑶I装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种不对称流动式电极的脱盐装置，采用AC/Mn02与AC组成的不对称流动式正、负电极单元，使正极的析氧电位升高，从而降低负极的析氢电位，去离子装置的运行电压可以达到1.8 V，大大提高了FCDI装置的脱盐效率，结构简单，制备方便、稳定性好，处理成本低，较好的解决了提高运行电压又不会导致水分解以及装置安全运行的技术难题，尤其适合去离子水的处理应用。
[0006]实现本发明的具体技术方案是:一种不对称流动式电极的脱盐装置，包括若干个负极腔室、阴离子交换膜、水处理腔室、阳离子交换膜和正极腔室由绝缘固定板与螺栓装配而成的脱盐水处理装置，其特点是正极腔室内设置由碳材料与二氧化锰复合的流动性阳极与负极腔室内设置碳材料的流动性阴极构成不对称流动式正、负电极单元，所述流动性阳极为活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维碳和二氧化锰复合的电极材料与浓度为0.1?1.0mol/L的可溶性盐溶液按2:8重量比配制的正电极液;所述流动性阴极为活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维碳与浓度为0.1?1.0 mo 1/L的可溶性盐溶液按2: 8重量比配制的负电极液;所述负极腔室和水处理腔室之间设置阴离子交换膜，水处理腔室与正极腔室之间设置阳离子交换膜，阴离子交换膜和阳离子交换膜两侧均设有垫片分别与水处理腔室和负极腔室或正极腔室密封连接。
[0007]所述碳材料与二氧化锰复合是将活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维和高锰酸钾与去离子水混合，搅拌I小时后加入浓度为硫酸继续搅拌I小时，然后在80°C温度下搅拌Ih，反应液经抽滤清洗后在120 0C温度下干燥8?12小时，干燥后的产物为AC/Mn02复合的电极材料，所述活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维与高锰酸钾、去离子水和98%硫酸的重量体积比为0.2 g:2 g:200 mL:l mL。
[0008]所述不对称流动式正、负电极单元之间的电压为1.0?1.8伏。
[0009]所述阴离子交换膜和阳离子交换膜为均相或异相离子交换膜。
[0010]本发明与现有技术相比具有脱盐效率高、制备简单、稳定性好、原料利用率高等优点，运行电压可以达到1.8 V，大大提高了装置的使用寿命和安全运行。
【附图说明】
[0011]图1为本发明结构不意图；
图2为本发明具体运用不意图；
图3为AC/Mn02电极材料扫描电镜照片；
图4为AC/Mn02电极材料的粉末X射线晶体衍射图；
图5为活性炭负极的电极材料扫描电镜照片；
图6为AC和AC/Mn02电极材料的循环伏安曲线图；
图7为AC/Mn02正电极与AC负电极的循环伏安曲线图；
图8为实施例1的脱盐效率与现有技术的脱盐效率对比图。
【具体实施方式】
[0012]参阅附图1，本发明由若干个负极腔室1、阴离子交换膜3、水处理腔室4、阳离子交换膜5和正极腔室6组成，正极腔室6内设置由碳材料与二氧化锰复合的流动性阳极61与负极腔室I内设置由碳材料组成的流动性阴极11构成不对称流动式正、负电极单元。所述阳离子交换膜3设置在负极腔室I和水处理腔室4之间，其材质为高分子聚合物，既能使负极形成一个隔绝的腔室，又能使水溶液中的阳离子能顺利地通过而阴离子则被阻挡在水处理腔室4中，并确保负极腔室I和水处理腔室4之间处于绝缘状态。所述垫片2用于本装置的密封，其材质为氯丁橡胶、三元乙丙橡胶或硅胶等橡胶类和树脂类高聚物。所述水处理腔室4为含离子水溶液流经的通道，设置在阳离子交换膜3和阴离子交换膜5之间，其材质为耐盐水腐蚀的亚克力，水处理腔室4的设计即要满足水溶液充分与离子交换膜接触，还需要适宜的厚度保证合适的水压和尽可能大的电容性。所述绝缘固定板7设置在整个装置的两侧，其材质为表面做绝缘处理的金属板或塑料板，然后通过螺栓8进行紧固，既保证整个装置的密封性，又保证装置正、负极之间不会发生短路。所述阴离子交换膜3和阳离子交换膜5为均相或异相离子交换膜。
[0013]以下通过对0.1 M的氯化钠溶液脱盐的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0014]实施例1
参阅附图2，本发明(A-FCDI)运行使用直流电源供电，将直流电源的正、负极分别施加在本装置两端的正极腔室6和负极腔室I，其中，负极腔室I内的流动性阳极61为AC/Mn02流动式正集流体电极，流动性阴极11为碳流动式负集流体电极。将若干个负极腔室I进管与负电极液槽12出口连接，负电极液槽12进管与若干个负极腔室I出口连接;将若干个正极腔室6进管与正电极液槽62出口连接，正电极液槽62进管与若干个正极腔室6出口连接;将原水管与若干个水处理腔室4进管连接，若干个水处理腔室4出管与脱盐水管连接。
[0015]所述碳材料与二氧化锰(AC/Mn02)复合的制备:常温下，将活性炭和高锰酸钾与去离子水按0.1 g:1g: 100 mL重量体积比混合，搅拌I小时后按与去离子水为2:100体积比加入浓度为98 %硫酸，继续搅拌I小时，然后在80°C温度下搅拌I h，反应液经抽滤清洗后在120 °C温度下干燥8?12小时，干燥后的产物为AC/Mn02复合的电极材料。
[0016]参阅附图3，上述制备的AC/Mn02电极材料经扫描证明，MnO2复合到AC模板上了，其结构为多层孔状结构。
[0017]参阅附图4，上述制备的AC/Mn02电极材料的粉末经X射线的晶体衍射得到的产物是AC/Mn02复合材料，并进一步证明Μηθ2复合到AC模板上了。
[0018]参阅附图5，AC电极材料经扫描证明，AC为微米级颗粒状材料
所述流动性阳极为活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维碳与二氧化锰的复合物与可溶性盐溶液配制的电极液，其制备是:将上述AC/Mn02复合的电极材料与0.1 M的NaCl按1.8:10重量比混合，充分搅匀后得到的浆料为流动性阳极61的电极液。
[0019]所述流动性阴极为活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维碳与可溶性盐溶液配制的电极液，其制备是:将活性炭与0.1 M的NaCl按I: 50重量比混合，充分搅匀后得到的浆料为流动性阴极11的电极液。
[0020]本发明(A-F⑶I)是这样进行脱盐的:将浓度为0.1 M的氯化钠溶液起始浓度为
0.1 M的盐水通过与若干个水处理腔室4进管连接的管道注入各水处理腔室4，其输送流量为50 mL/min;将上述制备的电极液分别放置在正电极液槽62和负电极液槽12，并通过输送设备流经负极腔室I和正极腔室6分别形成正、负两不对称超级电容的流动性阴极11和流动性阳极61并与外部直流电源连接，其正、负极电极液的输送流量为50 mL/min ο接通直流电源，水处理腔室4的阴、阳离子在电场作用下分别迀移到负极腔室I和正极腔室6，并吸附在其相应的电极材料上从而实现脱盐。
[0021]参阅附图6?附图7，本发明最大运行电压的确定:在1.0 M的NaCl溶液中使用三电极法以及两电极法，采用10 mV/s分别测试正、负极电极材料制成膜电极的循环曲线，得到最大运行电压为1.8伏。
[0022]参阅附图8，上述实施例经测定脱盐速率达到19.81 mmol/g，是对称F⑶I装置脱盐效率的1.2倍。
[0023]本发明(A-FCDI)采用不对称电极材料组成的流动式电极，扩大了装置的运行电压，提高了FCDI装置的脱盐效率，制备简单，成本低。以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。
【主权项】
1.一种不对称流动式电极的脱盐装置，包括若干个负极腔室、阴离子交换膜、水处理腔室、阳离子交换膜和正极腔室由绝缘固定板与螺栓装配而成的脱盐水处理装置，其特征在于正极腔室内设置由碳材料与二氧化锰复合的流动性阳极与负极腔室内设置碳材料的流动性阴极构成不对称流动式正、负电极单元，所述流动性阳极为活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维碳和二氧化锰复合的电极材料与浓度为0.1?1.0 11101/1的可溶性盐溶液按2:8重量比配制的正电极液;所述流动性阴极为活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维碳与浓度为0.1?1.0 mol/L的可溶性盐溶液按2: 8重量比配制的负电极液;所述负极腔室和水处理腔室之间设置阴离子交换膜，水处理腔室与正极腔室之间设置阳离子交换膜，阴离子交换膜和阳离子交换膜两侧均设有垫片分别与水处理腔室和负极腔室或正极腔室密封连接。2.根据权利要求1所述不对称流动式电极的脱盐装置，其特征在于所述 碳材料与二氧化锰复合是将活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维和高锰酸钾与去离子水混合，搅拌I小时后加入硫酸继续搅拌I小时，然后在80°C温度下搅拌I h，反应液经抽滤清洗后在120 °C温度下干燥8?12小时，干燥后的产物为AC/Mn02复合的电极材料，所述活性炭、介孔碳、碳气凝胶或碳纤维与高锰酸钾、去离子水和98%硫酸的重量体积比为0.2 g:2 g:200 mL:I mLo3.根据权利要求1所述不对称流动式电极的脱盐装置，其特征在于所述不对称流动式正、负电极单元之间的电压为1.0?1.8伏。4.根据权利要求1所述不对称流动式电极的脱盐装置，其特征在于所述阴离子交换膜和阳离子交换膜为均相或异相离子交换膜。
【文档编号】C02F1/469GK105858828SQ201610387035
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】王苗, 潘丽坤
【申请人】华东师范大学