本发明专利技术涉及一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，包括一对端部支撑板以及一个或多个堆叠设置在两个端部支撑板之间的电容单元；电容单元包括一对流动电极腔室以及设置两个流动电极腔室之间的一对前置集电器，两个前置集电器之间并列设有阴离子交换膜及阳离子交换膜，阴离子交换膜与阳离子交换膜之间设有离子分离通道。与现有技术相比，本发明专利技术利用膜与前置集电器结构缩短电荷传递距离，不仅有效提升了盐水分离性能，同时也降低了能量消耗，并设计了共享流动电极腔室，使FCDI堆叠更加简单化和集成化；通过增加电容单元，脱盐处理规模理论上可无限扩大；此外，利用原位电荷中和，显著提高流动电极电容再生速率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置
本专利技术属于废水脱盐和海水淡化
，涉及一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置。
技术介绍
在过去的几十年里，电容去离子(CDI)由于其设备结构紧凑、具有成本效益和节能潜力，被广泛应用于海水、苦咸水脱盐领域。在典型的CDI系统中，离子在电场驱动下被分离，去除的离子存储在多孔电极的孔体积的电解-电极界面形成的电双层(EDLs)中。由于固定电极对的吸附能力有限，需要额外的放电步骤来释放饱和电极中吸附的离子，这成为了CDI面临的主要挑战。流动电极电容去离子化(FCDI，flow-electrodecapacitivedeionization)技术通常由商用活性炭(AC)粉体制备，与大多数电化学技术相比具有明显优势，因为该设备可以连续运行而不牺牲吸附能力。一个常见的例子是短路闭环(SCC)操作，该操作通过在FCDI电池外混合带正电荷和负电荷的碳颗粒，使流动电极持续再生，而不需要额外的放电过程。尽管FCDI具有上述优点，但FCDI的商业应用仍存在一些关键问题，尤其是在产水规模方面。虽然，FCDI系统的尺寸可以很容易地通过增加间隔腔的有效面积来实现，而大多数FCDI单元的平面尺寸都限制在厘米级。在一定规模的FCDI系统中，即使盐去除率随着盐水流速的增加而提高，但其产水能力通常与排盐能力相反。如何扩大水处理规模，简化装置结构，同时保持系统的脱盐性能，是近年来研究的热点。到目前为止，电容去离子装置的设计和改进已有一些报道，主要包括以下现有技术：现有技术1，公开号为CN104495991A的中国专利技术专利公开了一种基于流动式电极的高效膜电容去离子阵列，其腔室型电容器单元是由待处理溶液腔室的两侧分别依次对称排列垫圈、离子交换膜、流动式电极、集电器腔室和紧固板组成，多个腔室型电容器单元共享一个集电器可以提高装置的去离子能力。现有技术2，公开号为CN111547826A的中国专利技术专利公开了一种一体化堆叠式流动电极电容去离子装置，该装置基于传统平板式构型FCDI反应器，通过内嵌式集电器的使用，将反应器内部分隔为多个独立的单元，每一单元内均能完成电容去离子过程，且相邻单元可共用同一个集流器，通过调整集电器的数量提高装置的水处理规模。现有技术3，公开号为CN105753114A的中国专利技术专利公开了一种实现连续淡化产水的多腔室电吸附脱盐技术与装置，其通过离子交换膜和电极材料电吸附的协同操作运转，使得各个腔室内水质分别进行净化或浓缩，实现了在单个脱盐模块基础上的连续脱盐。上述现有技术主要介绍了多单元堆叠的电容去离子装置改进方法。现有技术1和现有技术2利用两侧都刻有流道的集电极，相邻两个单元共享一个集电极，从而不断增加电容单元数量，实现处理规模提高。但现有技术1和现有技术2本质上仍是多个独立FCDI模块的简单堆叠，集电极制备较为复杂，对于总体的离子去除性能没有提升。现有技术3利用电渗析的多腔室和离子交换膜的作用，为连续脱盐提供了一种可行的方案，但其装置结构较为复杂，使用时需要旋转离子交换膜和反转电极电压。因此，上述现有技术1-3中的电容去离子技术都是通过多个单元的简单叠加组合，虽然对装置进行了一定的简化，但装置结构仍较为复杂，装置的体积和规模受限于集电器的厚度。此外，由于现有技术1-3都是基于传统CDI结构设计，电荷传递距离较长，流动电极电容再生速率慢，严重影响了电容去离子的性能和能量效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构简单、易于扩大、高效节能的基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，该装置包括一对端部支撑板以及一个或多个堆叠设置在两个端部支撑板之间的电容单元；所述的电容单元包括一对流动电极腔室以及设置两个流动电极腔室之间的一对前置集电器，两个前置集电器之间并列设有阴离子交换膜及阳离子交换膜，所述的阴离子交换膜与阳离子交换膜之间设有离子分离通道。一对端部支撑板将中间的电容单元固定住。优选地，所述的前置集电器为多孔结构或网状结构，孔径为20-1000目，厚度为0.01-2mm；所述的前置集电器由钛、铝、钨、银、铂或金中的一种或多种金属合金材料制成，或由石墨、碳纤维、碳布、碳毡、碳纸或金属有机框架中的一种材料制成。进一步地，所述的前置集电器的外围设有中空结构垫圈，所述的前置集电器嵌设在中空结构垫圈中。进一步地，所述的前置集电器与相邻的阴离子交换膜或阳离子交换膜紧贴在一起。进一步地，当两个端部支撑板之间设有多个电容单元时，相邻两个电容单元共用一个流动电极腔室。流动电极腔室夹在两个前置集电器之间，电极腔室数量为n+1，前置集电器数量为2n，其中，n为电容单元的数量。进一步地，共用的流动电极腔室两侧的前置集电器极性相同，每个电容单元中的两个前置集电器极性相反。进一步地，多个电容单元中，相邻两个流动电极腔室的极性相反。进一步地，多个电容单元中的前置集电器分别与直流电源并联连接。进一步地，该装置还包括流动电极混合池，所述的阴离子交换膜及阳离子交换膜上均设有流动电极液穿孔，所述的流动电极腔室及端部支撑板上均设有流动电极液进料口及流动电极液出料口，各个流动电极腔室串联连接，所述的流动电极混合池与流动电极液进料口、流动电极液出料口之间均设有循环管路，流动电极液依次穿过各个流动电极腔室，并与循环管路、流动电极混合池形成流动电极液回路。进一步地，所述的流动电极腔室中设有流动通道。优选地，所述的流动电极腔室由聚丙烯、尼龙、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯中的一种材料制成。进一步地，所述的流动电极腔室上设置有盐水穿孔，所述的阴离子交换膜、阳离子交换膜及端部支撑板上均设有盐水进水口及淡水出水口。与现有技术相比，本专利技术利用膜与前置集电器结构缩短电荷传递距离，不仅有效提升了盐水分离性能，同时也降低了能量消耗，并利用前置集电器结构设计了共享流动电极腔室，使FCDI堆叠更加简单化和集成化；通过增加电容单元，脱盐处理规模理论上可无限扩大，不受限于过电位装置结构；此外，流动电极依次穿过阴极流动电极室和阳极流动电极室，利用原位电荷中和，显著提高流动电极电容再生速率。附图说明图1为实施例1中装置的整体结构示意图；图2为实施例1中多个电容单元的剖面结构示意图；图3为实施例1中装置的分解结构示意图；图4为实施例1中流动电极液回路的结构示意图；图5为实施例2中装置在不同堆叠数量下的脱盐效果图；图6为实施例2中装置在不同堆叠数量下的离子去除速率图；图7为实施例2中装置在不同堆叠数量下的能量效率图；图8为实施例3中装置在不同运行电压下的脱盐效果图；图9为实施例3中装置在不同运行电压下的响应电流图；图10为实施例3中装置在不同运行电压下的能量效率图；图11为实施例4中装置在不同进水流速本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，该装置包括一对端部支撑板(7)以及一个或多个堆叠设置在两个端部支撑板(7)之间的电容单元(1)；/n所述的电容单元(1)包括一对流动电极腔室(6)以及设置两个流动电极腔室(6)之间的一对前置集电器(5)，两个前置集电器(5)之间并列设有阴离子交换膜(3)及阳离子交换膜(4)，所述的阴离子交换膜(3)与阳离子交换膜(4)之间设有离子分离通道(2)。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，该装置包括一对端部支撑板(7)以及一个或多个堆叠设置在两个端部支撑板(7)之间的电容单元(1)；
所述的电容单元(1)包括一对流动电极腔室(6)以及设置两个流动电极腔室(6)之间的一对前置集电器(5)，两个前置集电器(5)之间并列设有阴离子交换膜(3)及阳离子交换膜(4)，所述的阴离子交换膜(3)与阳离子交换膜(4)之间设有离子分离通道(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，所述的前置集电器(5)的外围设有中空结构垫圈(8)，所述的前置集电器(5)嵌设在中空结构垫圈(8)中。
3.根据权利要求1所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，所述的前置集电器(5)与相邻的阴离子交换膜(3)或阳离子交换膜(4)紧贴在一起。
4.根据权利要求1所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，当两个端部支撑板(7)之间设有多个电容单元(1)时，相邻两个电容单元(1)共用一个流动电极腔室(6)。
5.根据权利要求4所述的一种基于前置集电器的流动电极电容去离子扩大化装置，其特征在于，共用的流动电极腔室(6)两侧的前置集电器(5)极性相同，每个电容单元(1)中的两个前置集电器(5)极性相反。
6.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴德礼，徐龙乾，毛云峰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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