[发明专利]一种高效率节能型隔膜电容去离子装置

说明书

[技术领域]

本发明涉及电容去离子装置技术领域，具体的说是一种高效率节能型隔膜电容去离子装置。 

背景技术

全球淡水资源的缺乏和人口不断增长使得人类对水的需求与日俱增，而对那些位于干旱地区的城市来说，这种需求尤为迫切。然而对于如何利用地球上五分之四面积的海洋及湖泊水，至今仍然没有能得到彻底解决。主要是海洋、湖泊和河流中的天然水含有各种病原微生物和有毒有机物、固体悬浮物、重金属和许多无机盐类。即使从自来水厂出厂的自来水，由于管道污染，到了用户那里也受到不同程度的污染。为了净化这些水体，必须进行杀菌消毒、过滤固体悬浮物和脱盐处理，同时人们还要考虑它的经济成本和社会成本。 

在社会效益和经济效益最大化的要求下，各种新型的、改良的高效的水处理技术应运而生。目前，去除固体悬浮物和杀菌消毒已经有十分成熟的技术，但是广泛使用的脱盐技术还存在很大的缺点，例如，闪蒸能耗大；离子交换和反渗透技术需要昂贵的再生工艺，而且再生过程中会带来二次污染；电渗析系统虽然得到商业化，但是由于使用的电压非常高，所以比较耗电，同时由于电解水还会产生大量的气体。社会的进步和能源的缺乏使得人们在评价脱盐技术时越来越考虑成本和效率的因素，为此非常需要开发一种节能环保的净化水技术。 

作为一种新型节能的水处理技术，电容去离子(Capacitive Deionizaiton，CDI)技术采用比表面积较大的材料作为电容器的电极，当电容器充电并且电极极化时，会在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层，尽管双电层的厚度只有1～10nm，却能吸引大量的电解质离子，并储存一定的能量。在实际使用时，外加电压控制在电极表面不发生电解水(电压低于1.2V)的状态，因此工作电压很低，相比电渗析非常节能。而且，电容去离子系统与离子交换树脂不同，它的再生不需要使用任何酸、碱和盐溶液，只需通过电极的放电完成，因此不会有额外的废物产生，也就没有污染；另外同蒸发这种热过程相比，电容去离子具有更高的能量利用率。 

传统的电容去离子单元主要由成对的电极，如多孔活性碳、碳气凝胶或碳纳米管及纤维，通过在电极的两端加上静电场吸附溶液中的离子，当电极饱和时，将电极短接或者加上反向的电压进行再生。但是在再生过程中，阳极表面阴离子的脱附和阳离子的吸附及阴极表面阳离子的脱附和阴离子的吸附同时存在，从而会严重影响再生后电极的电吸附能力。 

[发明内容]

本发明的目的是设计克服现有技术的不足，在电容去离子系统中加入离子交换膜，由于离子交换膜对离子选择性透过，在阳极加上阴离子交换膜和阴极表面加上阳离子交换膜后，能有效遏制再生过程中阳离子在阳极和阴离子在阴极的吸附，从而显著提高电极的去离子能力。 

为实现上述目的，设计一种高效率节能型隔膜电容去离子装置，主要由一个或多个通液型电容器单元组成，其中， 

一、通液型电容器单元的基本组成： 

主要在隔板1两侧成对的排列离子交换膜2、多孔活性电极3、导电基体4、电极引线5、支撑板6组成，上下的支撑板上设通水口7方便水的进出，上、下两个通水口相错排列。 

隔板1为有机或无机织造布或者非织造布，能让液体自由流过，并且是电绝缘的，例如多孔聚合物(聚丙烯纤维)模板、尼龙纤维、丙纶纤维，也可以采用纸质隔膜作为隔板材料，每层隔板的厚度为0.01～0.5mm。 

离子交换膜2是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，因一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜，离子交换膜可制成均相膜或非均相膜两类。其中，均相膜，先用高分子材料如丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈等制成膜，然后引入单体如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等，在膜内聚合成高分子，再通过化学反应引入所需功能基，也可通过甲醛、苯酚等单体聚合制得；非均相膜，选用粒度为200～400目的离子交换树脂和普通成膜性高分子材料如聚苯乙烯、聚氯乙烯等充分混合后加工成膜制得，为免失水干燥而变脆破裂，须保存在水中。 

电极为多孔活性电极，主要采用多孔的碳基材料，它可以为活性碳、碳纤维、碳气凝胶或碳纳米管薄膜等。 

导电基体采用导电性能良好、耐化学和电化学腐蚀的材料，如石墨片、碳纤维、不锈钢片，钛片等，导电基体的厚度为0.1～1mm。 

电极引线采用导电性能良好、耐化学和电化学腐蚀的材料，如石 墨片、碳纤维、不锈钢片，钛片等。