本发明涉及电容性吸附脱盐技术，具体涉及基于流动电极的串联堆叠脱盐系统及脱盐方法。
背景技术：
流动电极电容去离子技术作为一项新型电化学水处理脱盐技术，具有脱盐效果好、能耗低等优点。通常采用活性炭、碳纳米管、石墨、炭黑、活性炭纤维等碳基材料作为电极材料。在外加电场作用下，脱盐腔室的待处理盐水中的阴/阳离子分别通过阴/阳离子交换膜迁移至阳/阴极流动电极液中，在电极材料表面形成吸附双电层，由此实现盐水中阴阳离子的去除。
目前，流动电极电容去离子技术的处理水量较小，这是制约扩大化推广的一个重要原因。
相较于传统的电容去离子技术，流动电极电容去离子在循环电极液的过程中需要额外的泵送能耗。若采用并联堆叠模式，则需要将待处理盐水分流进入多个脱盐单元中，这会引入额外的布水、进水管道等设施，增加了装置成本，不利于大规模工业化应用。
随着脱盐过程的进行，流动电极液中会不断富集盐离子，产生浓水，而流动电极电容去离子的脱盐性能会随着流动电极液与待处理盐水的浓度差的不断扩大而恶化。但目前关于电极材料再生与浓水分离的方法研究仍较少，这也是制约流动电极电容去离子技术扩大化推广的难题之一。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于流动电极的串联堆叠脱盐系统及脱盐方法，其能够有效解决流动电极电容去离子技术处理水量小、难以扩大化推广的问题，脱盐效果好，实现流动电极液中电极材料的再生和盐离子的资源回收。
本发明基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，包括第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和第二夹板之间设有多块电极板，靠近第二夹板的两块电极板之间设有浓水回收板，其余电极板之间设有脱盐板，所述脱盐板和电极板之间、浓水回收板和电极板之间均设有离子交换膜；所述电极板上均设有流动电极液流道，并且各电极板的流动电极液流道依次串联；所述脱盐板上设有容待处理盐水流过的第一流道，并且各脱盐板的第一流道依次串联，所述浓水回收板上设有第二流道；所述第一夹板上设有第一进液口和第二进液口，所述第二夹板上设有第一出液口和第二出液口；所述流动电极液流道入口与第一进液口连通，流动电极液流道出口与第一出液口连通；所述第一流道入口与第二进液口连通，第一流道出口与第二出液口连通；所述第二流道入口和出口设于浓水回收板的侧壁上，与外部连通。
进一步，所述脱盐板的数量为四个。
进一步，所述脱盐板的材质为硅胶，厚度为0.5～5.0mm。优选地，脱盐板的厚度为0.5mm。所述电极板、浓水回收板、第一夹板和第二夹板的材质为有机玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯。
进一步，所述脱盐板的第一流道内填充有尼龙网。
进一步，所述电极板和第一夹板之间、电极板和第二夹板之间、电极板和离子交换膜之间均设有密封垫圈，所述密封垫圈的材质为硅胶，厚度为0.1～0.5mm。优选地，密封垫圈的厚度为0.3mm。
一种基于流动电极的脱盐方法，其包括如下步骤：
s1，采用权利要求1～7任一项所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统对待处理盐水进行脱盐处理；
s2，将流动电极液由第一夹板的第一进液口序批式通入，依次经过各电极板；将待处理盐水由第一夹板的第二进液口连续通入，依次经过各脱盐板；将回收液由浓水回收板的第二流道入口通入，第二流道出口与资源回收系统连通；
s3，对流动电极液施加0.6～4.8v电压，脱盐板的第一流道内的待处理盐水中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入流动电极液中，实现待处理盐水的脱盐与流动电极液中盐的富集；在脱盐系统尾部，利用流动电极液与浓水回收板的第二流道中的回收液的浓度差，使流动电极液中的电吸附的盐离子向第二流道扩散，实现流动电极液的解吸与浓水的资源回收。
进一步，所述第一夹板的第一进液口和第二夹板的第一出液口与流动电极液储槽连通。
进一步，所述s3中施加的电压为1.2～1.5v，所述流动电极液的流速为40～50ml/min，所述待处理盐水的流速为1.5～2.0ml/min，所述回收液的流速为0.1～0.3ml/min。
进一步，所述流动电极液为碳基材料悬浊液，包括碳基材料、导电添加剂和电解质溶液；所述碳基材料为活性炭、碳纳米管、石墨、炭黑和活性炭纤维中的至少一种，所述导电添加剂为导电炭黑。所述碳基材料和导电添加剂的质量分数之和为5～15wt％，优选地，碳基材料和导电添加剂的质量分数之和为10wt％，其中碳基材料的质量分数为9wt％，导电添加剂的质量分数为1wt％。所述电解质溶液的离子包括钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、铵根离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子和磷酸根离子中的至少一种。
进一步，所述待处理盐水的浓度为0.01～30g/l，优选地，待处理盐水的浓度为1～5g/l。待处理盐水的离子包括钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、铵根离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子和磷酸根离子中的至少一种。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
1、本发明所述多块电极板上设有依次串联的流动电极液流道，所述脱盐板上设有依次串联、容待处理盐水流过的第一流道，所述浓水回收板上设有第二流道，流动电极液、待处理盐水和回收液能够一次泵入，无需引入额外的布水、进水管道等设施，在提高脱盐程度和处理水量的同时，降低了装置成本，有利于大规模工业化应用。
2、本发明所述系统工作时，对流动电极液施加0.6～4.8v电压，脱盐板的第一流道内的待处理盐水中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入流动电极液中，实现待处理盐水的脱盐与流动电极液中盐的富集。脱盐板能够设置为多个，以提高脱盐率，保证脱盐质量。由于在系统尾部增加了浓水回收板，由系统外部向浓水回收板的第二流道中通入回收液，利用流动电极液与回收液的浓度差，使流动电极液中的电吸附的盐离子自发向第二流道扩散，实现流动电极液的解吸，解吸后的流动电极液通过蠕动泵重新由第一夹板的第一进液口送入到电极板中，实现了流动电极液的循环利用，而第二流道中的富集有盐离子的回收液通过资源回收，提高了资源利用率。
3、本发明通过调整待处理盐水与回收液的流速比，实现了不同的水回收率，得到不同浓度的回收液，更好地实现待处理盐水的资源化利用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明流动电极液、待处理盐水和回收液的流向示意图；
图3是本发明所述基于流动电极的串联堆叠脱盐系统处理浓度为2g/l盐水的出水电导率图；
图4是本发明所述基于流动电极的串联堆叠脱盐系统处理浓度为2g/l盐水的电荷效率图；
图5是本发明所述基于流动电极的串联堆叠脱盐系统处理浓度为5g/l盐水的出水电导率图；
图6是本发明所述基于流动电极的串联堆叠脱盐系统处理浓度为5g/l盐水的电荷效率图；
图7是包括三块脱盐板的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统处理2g/l盐水的出水电导率图；
图8是包括三块脱盐板的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统处理2g/l盐水的回收液出水电导率图。
图中，1—第一夹板，11—第一进液口，12—第二进液口，2—第二夹板，21—第一出液口，22—第二出液口，3—电极板，31—流动电极液流道，4—浓水回收板，41—第二流道，42—第二流道入口，43—第二流道出口，5—脱盐板，51—第一流道，6—离子交换膜，7—流动电极液储槽，8—电导率仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例一，参见图1，所示的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，包括第一夹板1和第二夹板2，所述第一夹板1和第二夹板2之间设有五块电极板3，靠近第二夹板2的两块电极板3之间设有浓水回收板4，其余电极板之间设有三块脱盐板5，所述脱盐板5和电极板3之间、浓水回收板4和电极板3之间均设有离子交换膜6，所述离子交换膜6为常规的商用离子交换膜，用以实现选择性透过阴/阳离子的目标。所述五块电极板3上均设有流动电极液流道31，并且各电极板3的流动电极液流道31依次串联；所述脱盐板5上设有容待处理盐水流过的第一流道51，并且各脱盐板5的第一流道51依次串联，所述浓水回收板4上设有第二流道(41)；
所述第一夹板1上设有第一进液口11和第二进液口12，所述第二夹板2上设有第一出液口21和第二出液口22；所述流动电极液流道31入口与第一进液口11连通，流动电极液流道31出口与第一出液口21连通；所述第一流道51入口与第二进液口22连通，第一流道52出口与第二出液口22连通；所述第二流道入口42和第二流道出口43设于浓水回收板4的侧壁上，与外部连通。装配时，通过第一夹板1和第二夹板2配合将电极板3、浓水回收板4和脱盐板5夹紧固定，流动电极液流道31、第一流道51和第二流道41分别贯穿电极板3、脱盐板5和浓水回收板4的侧面设置。所述电极板3上设有容待处理盐水流过的通孔，所述脱盐板5上设有容流动电极液流过的通孔，所述浓水回收板4上设有两个通孔，分别容流动电极液和待处理盐水流过。
为了保证相邻组件间无缝隙，避免流动电极液和待处理盐水的渗漏，在所述电极板3和第一夹板1之间、电极板3和第二夹板2之间、电极板3和离子交换膜6之间布置有厚度为0.3mm的硅胶密封垫圈。
所述脱盐板5的材质为硅胶，厚度为0.5mm。所述电极板3、浓水回收板4、第一夹板1和第二夹板2的材质为有机玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯。所述流动电极液流道为蛇形流道，所述第一流道51为矩形腔室，该矩形腔室内填充有尼龙网，以实现均匀布水的目的。
实施例二，一种基于流动电极的脱盐方法，其包括如下步骤：
s1，采用实施例一所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统对待处理盐水进行脱盐处理，所述第一夹板1的第一进液口11和第二夹板2的第一出液口21与流动电极液储槽7连通，所述第二夹板2的第二出液口22、第二流道出口43与分别通过管路与其他部件连接，采用电导率仪8监测管路内液体的电导率，实时监测处理后的盐水和回收液浓度。
s2，称取活性炭13.5g、导电炭黑1.5g，用纯水配制浓度2g/l的nacl溶液，将活性炭和导电炭黑加入到135ml配制好的nacl溶液中，磁力搅拌24h，得到混合均匀的流动电极液。
将流动电极液由第一夹板1的第一进液口11序批式通入，依次经过各电极板3，正负极流动电极液混合循环。将待处理盐水由第一夹板1的第二进液口12连续通入，依次经过各脱盐板5，所述待处理盐水为浓度为2g/l的nacl溶液。将回收液由浓水回收板4的第二流道入口42通入，第二流道出口43与外部的资源回收组件连通，所述回收液为浓度为2g/l的nacl溶液。流动电极液流速为45ml/min，待处理盐水的流速为1.8ml/min，回收液的流速为0.2ml/min。
s3，对各脱盐腔室施加1.2v电压，脱盐板5的第一流道51内的待处理盐水中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入流动电极液中，实现待处理盐水的脱盐与流动电极液中盐的富集。
分别采用具有一块脱盐板、二块脱盐板、三块脱盐板和四块脱盐板的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统对浓度为2g/l的nacl溶液进行脱盐处理，参见图3和图4，随着脱盐板5数量增加，出水脱盐率持续上升，电荷效率先上升至83％左右后，基本保持不变。针对2g/l的盐水，该堆叠方式有效提升了流动电极电容去离子系统的脱盐性能，在四对电极板的情况下可以实现约80％的脱盐率，且电荷效率后续始终维持在83％左右的水平，说明堆叠方式并不会对系统的电荷效率及能效造成负面影响。
实施例三，一种基于流动电极的脱盐方法，其包括如下步骤：
s1，采用实施例一所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统对待处理盐水进行脱盐处理，所述第一夹板1的第一进液口11和第二夹板2的第一出液口21与流动电极液储槽7连通，所述第二夹板2的第二出液口22、第二流道出口43与通过管路与外部的其他部件连接，在管路上设有电导率仪8，实时监测处理后的盐水和回收液浓度。
s2，称取活性炭13.5g、导电炭黑1.5g，用纯水配制浓度5g/l的nacl溶液，将活性炭和导电炭黑加入到135ml配制好的nacl溶液中，磁力搅拌24h，得到混合均匀的流动电极液。
将流动电极液由第一夹板1的第一进液口11序批式通入，依次经过各电极板3；将待处理盐水由第一夹板1的第二进液口12连续通入，依次经过各脱盐板5，所述待处理盐水为浓度为5g/l的nacl溶液。将回收液由浓水回收板4的第二流道入口42通入，第二流道出口43与资源回收系统连通，所述回收液为浓度为5g/l的nacl溶液。流动电极液流速为45ml/min，待处理盐水的流速为1.8ml/min，回收液的流速为0.2ml/min。
s3，对各脱盐腔室施加1.2v电压，脱盐板5的第一流道51内的待处理盐水中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入流动电极液中，实现待处理盐水的脱盐与流动电极液中盐的富集。
分别采用具有一块脱盐板、二块脱盐板、三块脱盐板和四块脱盐板的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统对浓度为5g/l的nacl溶液进行脱盐处理，参见图3和图4，随着脱盐板5数量增加，出水脱盐率持续上升，电荷效率维持在70％到75％之间。针对浓度为5g/l的盐水，该堆叠方式有效提升了流动电极电容去离子系统的脱盐性能，在四对电极板的情况下可以实现约45％的脱盐率，且电荷效率维持在70％以上的水平，说明堆叠方式并不会对系统的电荷效率及能效造成负面影响。
实施例四，一种基于流动电极的脱盐方法，其包括如下步骤：
s1，采用实施例一所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统对待处理盐水进行脱盐处理，脱盐板5的数量为三块。所述第一夹板1的第一进液口11和第二夹板2的第一出液口21与流动电极液储槽7连通，所述第二夹板2的第二出液口22、第二流道出口43通过管路与外部其他部件连接，在管路上设有电导率仪，实时监测处理后的盐水和回收液浓度。
s2，称取活性炭13.5g、导电炭黑1.5g，用纯水配制浓度2g/l的nacl溶液，将活性炭和导电炭黑加入到135ml配制好的nacl溶液中，磁力搅拌24h，得到混合均匀的流动电极液。
将流动电极液由第一夹板1的第一进液口11序批式通入，依次经过各电极板3，正负极流动电极液混合循环。将待处理盐水由第一夹板1的第二进液口12连续通入，依次经过各脱盐板5，所述待处理盐水为浓度为2g/l的nacl溶液。将回收液由浓水回收板4的第二流道入口42通入，第二流道出口43与资源回收系统连通，所述回收液为浓度为2g/l的nacl溶液。流动电极液流速为45ml/min，待处理盐水的流速为1.8ml/min，回收液的流速为0.2ml/min。
s3，对各脱盐腔室和浓水回收腔室施加1.2v电压，脱盐板5的第一流道51内的待处理盐水中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入流动电极液中，实现待处理盐水的脱盐与流动电极液中盐的富集；在脱盐系统尾部，流动电极液中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入浓水回收腔室中，实现流动电极液的再生与浓水的资源回收。
参见图7，出水脱盐率始终稳定在62％左右。参见图8，从浓水回收板4中流出的回收液浓度达到初始浓度的2.3倍左右。浓水回收腔室的设置起到了如下作用：1)有效实现流动电极液的再生，保证系统的长时间运行性能；2)有效回收浓盐水，用于后续的资源回收。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
技术特征：
1.一种基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，包括第一夹板(1)和第二夹板(2)，其特征在于：所述第一夹板(1)和第二夹板(2)之间设有多块电极板(3)，靠近第二夹板(2)的两块电极板(3)之间设有浓水回收板(4)，其余电极板(3)之间设有脱盐板(5)，所述脱盐板(5)和电极板(3)之间、浓水回收板(4)和电极板(3)之间均设有离子交换膜(6)；
所述电极板(3)上均设有流动电极液流道(31)，并且各电极板(3)的流动电极液流道(31)依次串联；所述脱盐板(5)上设有容待处理盐水流过的第一流道(51)，并且各脱盐板(5)的第一流道(51)依次串联，所述浓水回收板(4)上设有第二流道(41)；
所述第一夹板(1)上设有第一进液口(11)和第二进液口(12)，所述第二夹板(2)上设有第一出液口(21)和第二出液口(22)；所述流动电极液流道(31)入口与第一进液口(11)连通，流动电极液流道(31)出口与第一出液口(21)连通；所述第一流道(51)入口与第二进液口(12)连通，第一流道(51)出口与第二出液口(22)连通；所述第二流道入口(42)和第二流道出口(43)设于浓水回收板(4)的侧壁上，与外部连通；
当对流动电极液施加电压，脱盐板的第一流道内的待处理盐水中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入流动电极液中，由系统外部向浓水回收板的第二流道中通入回收液，利用流动电极液与回收液的浓度差，使流动电极液中的电吸附的盐离子自发向第二流道扩散，实现流动电极液的解吸。
2.根据权利要求1所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，其特征在于：所述脱盐板(5)的数量为四个。
3.根据权利要求1或2所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，其特征在于：所述脱盐板(5)的材质为硅胶，厚度为0.5～5.0mm；
所述电极板、浓水回收板、第一夹板和第二夹板的材质为有机玻璃。
4.根据权利要求1或2所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，其特征在于：所述脱盐板(5)的第一流道(51)内填充有尼龙网。
5.根据权利要求1或2所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，其特征在于：所述电极板(3)和第一夹板(1)之间、电极板(3)和第二夹板(2)之间、电极板(3)和离子交换膜(6)之间均设有密封垫圈，所述密封垫圈的材质为硅胶，厚度为0.1～0.5mm。
6.一种基于流动电极的脱盐方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1，采用权利要求1～5任一项所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统对待处理盐水进行脱盐处理；
s2，将流动电极液由第一夹板的第一进液口序批式通入，依次经过各电极板；将待处理盐水由第一夹板的第二进液口连续通入，依次经过各脱盐板；将回收液由浓水回收板的第二流道入口连续通入，第二流道出口与资源回收系统连通；
s3，对流动电极液施加0.6～4.8v电压，脱盐板的第一流道内的待处理盐水中的盐离子在电场作用下，通过离子交换膜迁移进入流动电极液中，实现待处理盐水的脱盐与流动电极液中盐的富集；在脱盐系统尾部，利用流动电极液与浓水回收板的第二流道中的回收液的浓度差，使流动电极液中的电吸附的盐离子向第二流道扩散，实现流动电极液的解吸。
7.根据权利要求6所述的基于流动电极的脱盐方法，其特征在于：所述第一夹板的第一进液口和第二夹板的第一出液口与流动电极液储槽连通。
8.根据权利要求6或7所述的基于流动电极的脱盐方法，其特征在于：所述s3中施加的电压为1.2～1.5v，所述流动电极液的流速为40～50ml/min，所述待处理盐水的流速为1.5～2.0ml/min，所述回收液的流速为0.1～0.3ml/min。
9.根据权利要求6或7所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，其特征在于：所述流动电极液为碳基材料悬浊液，包括碳基材料、导电添加剂和电解质溶液；
所述碳基材料为活性炭、碳纳米管、石墨、炭黑和活性炭纤维中的至少一种，所述导电添加剂为导电炭黑，所述碳基材料和导电添加剂的质量分数之和为5～15wt％；
所述电解质溶液的离子包括钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、铵根离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子和磷酸根离子中的至少一种。
10.根据权利要求6或7所述的基于流动电极的串联堆叠脱盐系统，其特征在于：所述待处理盐水的浓度为0.01～30g/l，待处理盐水的离子包括钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、铵根离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子和磷酸根离子中的至少一种。
技术总结
本发明公开了一种基于流动电极的串联堆叠脱盐系统及脱盐方法，包括第一夹板和第二夹板，第一夹板和第二夹板之间设有多块电极板，靠近第二夹板的两块电极板之间设有浓水回收板，其余电极板之间设有脱盐板，脱盐板和电极板之间、浓水回收板和电极板之间均设有离子交换膜；多块电极板上设有依次串联的流动电极液流道，脱盐板上设有依次串联、容待处理盐水流过的第一流道，浓水回收板上设有第二流道。其能够有效解决流动电极电容去离子技术处理水量小、难以扩大化推广的问题，脱盐效果好，实现流动电极液中电极材料的再生和盐离子的资源回收。
技术开发人、权利持有人：陈一;易多;罗亮;何强;程锶;李果
