[发明专利]一种双腔室膜电容去离子装置

说明书

本发明属于膜电容去离子装置技术领域，公开了一种双腔室膜电容去离子装置。该膜电容去离子装置为双腔室结构，第一腔室和第二腔室在阴/阳离子交换膜的上、下两端分别设置水流通道隔膜，使原水在双腔室的水流通道隔膜中呈蛇形流动。该膜去离子装置传质阻力小、脱盐能耗低、脱盐效果较佳。

技术领域

本发明涉及膜电容去离子装置，特别涉及一种双腔室膜电容去离子装置。

背景技术

第二次工业革命以来，随着第一第二产业的迅猛发展以及人口的不断增长，全球可利用的淡水资源和人类不断增长的淡水资源需求成为了21世纪的主要矛盾之一。目前，各国均开始通过合理利用和节约用水的方式来缓解水资源危机，但是，可以想象，这类解决方式是治标不治本的。于是，如何有效利用地球上五分之四面积的海洋及湖泊水(即海水和苦咸水) 成为了能够从根本上解决这一矛盾的有效途径。目前，对于海水和苦咸水的固体悬浮物、杀菌等问题均已经具备非常成熟的技术手段，唯一需要解决的技术问题在于在合理能耗条件下实现海水和苦咸水的脱盐。

针对上述问题目前已经存在的较为成熟的脱盐方法有以下几种包括：蒸馏、离子交换、反渗透、电渗析等。随着人类社会对于高效、绿色、低能耗、无二次污染的新型脱盐技术的需求日益增加，上世纪60年代以来，电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)，凭借其高效、节能、绿色、无二次污染等优势，迅速发展成为极有潜力的脱盐技术。电容去离子技术以具有大比表面积的材料作为电容器电极，利用电极极化时表面产生的双电层作为储存介质、以电场力作为驱动力实现脱盐的目的。在脱盐过程中，为了防止电解水等电化学过程的发生，在 电极表面施加的电压通常控制在1.23V以下，正是这低电压操作方式决定了电容去离子技术相对其他电致脱盐技术(如电渗析)具有明显的能耗优势；同时，与化学脱盐过程(如离子交换法)不同，电容去离子技术不需要繁琐的化学再生过程，只需要对器件进行短接，即可实现电极再生，因此不会产生二次污染；同热致脱盐技术(如蒸馏、闪蒸)，电容去离子具有更高的能量利用率，由于上述优势，电容去离子单元模块的设计已经成为一个研究热点。

但是在电容去离子过程中，由于离子通常是以离子对的形式存在，他们并没有理想地实现异相电极吸附，换言之，有些阴离子被阳离子携带移动向了负极附近，同时，有些阳离子被阴离子携带移动向了正极附近(“同离子吸附”)，这无疑阻碍了电容去离子过程，导致了其较低的吸附效率，使得电容去离子模块不得不走向大型化，并且很难实现“流过式”(single pass) 处理。为了解决这个问题，研究者提出了一种解决方案，即将离子交换膜加入电容去离子电极表面，利用离子交换膜对离子选择性透过性，有效遏制了“同离子吸附”，称为膜电容去离子(Membrane Capacitive Deionizaiton,MCDI)系统；比如中国专利CN101337717A公开了一种高效率节能型隔双腔室膜电容去离子装置，其在隔板与电极之间加入了离子交换膜，大大的降低的器件能耗及成本，中国专利CN104817143A公开了一种感应式膜电吸附模块，该技术方案只有上下两个金属板与电源连接，并加入离子交换膜实现低能耗脱盐。

加入离子交换膜的双腔室膜电容去离子装置的结构基本和图1的结构相同，然而，现有膜电容去离子系统存在以下技术问题：一、离子必须穿过离子交换膜，这无疑增加了离子在溶液中移动的传质阻力，从而，一定程度上提升了脱盐比能耗(去除单位质量离子的能耗)；二、由于离子交换膜的加入，离子在再生脱附过程同样必须穿过离子交换膜，这就使得电极再生过程无法通过简单的短接来完成，必须施加反向电压，这就以进一步提升了其能耗，并且能量的回收也带来了不便；三、离子交换膜与电极表面的接触会产生接触电阻，这会致使部分能量以热能形式消耗，同时还会阻碍电容去离子的脱盐效率。

综上所述，提供一种既能避免了全部离子穿过离子交换膜引起的巨大传质阻力、又能最大程度降低脱盐能耗、同时还能提高脱盐效果的双腔室膜电容去离子装置，具有重要意义。

发明内容

为了解决现有技术中的膜电容去离子装置传质阻力大、脱盐能耗高以及脱盐效果不佳的技术问题，本发明提供了一种双腔室膜电容去离子装置。