本發(fā)明涉及一種去除水中氯離子的方法及裝置，屬于電吸附離子水處理。

背景技術(shù)：

1、氯離子在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在，其來(lái)源主要包括生活污水、工業(yè)廢水等。這些溶液中的氯離子對(duì)工業(yè)設(shè)備、環(huán)境、農(nóng)作物和人類健康等產(chǎn)生了多方面的不良影響。特別是，氯離子對(duì)不銹鋼容器易產(chǎn)生腐蝕作用。為了消除氯離子的潛在危害，減輕對(duì)環(huán)境的影響，提高水資源的再利用率，為工業(yè)和農(nóng)業(yè)提供更安全、更衛(wèi)生的水源，開發(fā)有效的氯離子去除技術(shù)是環(huán)保領(lǐng)域十分重要的研究課題。

2、目前，國(guó)內(nèi)外常用的氯離子去除方法有反滲透技術(shù)、生物降解技術(shù)、離子交換技術(shù)、電吸附技術(shù)等。反滲透技術(shù)能有效去除水中的氯離子及其他溶解性固體，但該技術(shù)能耗較高、運(yùn)營(yíng)成本高、需定期更換濾膜。生物降解技術(shù)通過(guò)微生物代謝作用去除氯離子，具有環(huán)保且成本低的優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)去除效率較低，受環(huán)境因素的影響大。離子交換技術(shù)通過(guò)離子交換樹脂吸附水中的氯離子，成本相對(duì)較低，但該技術(shù)中樹脂的再生和化學(xué)藥品使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。

3、太原理工大學(xué)的發(fā)明專利《一種電化學(xué)耦合去除脫硫廢水中氯離子的方法及裝置》(授權(quán)號(hào)為cn110357220b)，公開了一種利用電化學(xué)耦合技術(shù)從脫硫廢水中去除氯離子的裝置，該裝置通過(guò)電控離子交換技術(shù)高選擇性吸附目標(biāo)氯離子，與析氫反應(yīng)耦合進(jìn)行，陰陽(yáng)兩極反應(yīng)耦合強(qiáng)化，均以不同的方式降低了廢水中的氯離子濃度，該過(guò)程產(chǎn)生高純氫氣副產(chǎn)品的同時(shí)也降低了廢水中金屬離子的濃度。但是，該裝置涉及多種類的組件和復(fù)雜的電控制，維護(hù)較困難且故障率高，為裝置實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)行和維修增加了人工成本。同時(shí)，該裝置雖能提高氯離子的去除效率和能量利用率，但系統(tǒng)中使用的高科技材料和催化劑等使得裝置的初始投資和運(yùn)營(yíng)成本較高。

4、河海大學(xué)的發(fā)明專利《一種去除氯離子的裝置、制備方法及應(yīng)用》(授權(quán)號(hào)為cn114044696b)，公開了一種利用砷化鎵-氮化硼制備的陽(yáng)極去除氯離子的裝置，該裝置通過(guò)砷化鎵-氮化硼制備的陽(yáng)極電極，配合陰極電極和反應(yīng)池組成完整的電化學(xué)處理系統(tǒng)。制備陽(yáng)極的原料來(lái)源廣泛、成本低廉、使用方便，其制備過(guò)程簡(jiǎn)單無(wú)毒。但是，該裝置去除氯離子時(shí)電解液及氯離子去除對(duì)象不流動(dòng)，離子在電解液和去除對(duì)象中僅依靠電場(chǎng)力的作用移動(dòng)，離子移動(dòng)速度慢，離子容易淤積在某一處，去除效率降低。同時(shí)，陽(yáng)極僅能吸附其附近的氯離子，對(duì)于離陽(yáng)極較遠(yuǎn)的氯離子，在電解液不流動(dòng)的情況下，較難完成吸附。

5、太原理工大學(xué)的發(fā)明專利《一種從再生水中去除氯離子的方法及電極的制備方法》(授權(quán)號(hào)為cn111547824b)，公開了一種從再生水中去除氯離子的方法及電極的制備方法，該方法通過(guò)利用活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦與聚苯胺作為正電極，活性炭纖維經(jīng)過(guò)二氧化鈦摻雜，電吸附容量增大，聚苯胺有利于改善電極的導(dǎo)電性能，增強(qiáng)了去除再生水中的氯離子的效果。但是，該方法擴(kuò)充了電極吸附容量的同時(shí)，活性炭表面積的增加，導(dǎo)致電極在使用過(guò)程中會(huì)積累更多的污垢、沉積物和反應(yīng)副產(chǎn)物，這些沉積物會(huì)對(duì)電極的性能造成電導(dǎo)率降低、電荷存儲(chǔ)能力下降等負(fù)面影響。同時(shí)，電極的清洗耗時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)電極的容量和表面積變大時(shí)，增加了電極清洗的復(fù)雜性，提高了運(yùn)行成本。

6、重慶工商大學(xué)的發(fā)明專利《一種流動(dòng)電極電容去離子裝置去除氯離子方法》(申請(qǐng)?zhí)枮閏n116874048a)所展示的一種流動(dòng)電極電容去離子裝置去除氯離子方法，以碳材料和二價(jià)鐵離子為導(dǎo)電劑，經(jīng)裝置構(gòu)建、電極選配和氯離子去除的簡(jiǎn)單工藝去除再生水中的氯離子。但是，該方案中采用的是傳統(tǒng)的電極電容去離子裝置結(jié)構(gòu)，難以避免氯離子被不斷地輸送到微流道下壁面活性炭涂層時(shí)在某一區(qū)域積聚而使得電極過(guò)熱的現(xiàn)象，整體技術(shù)方案中并未對(duì)裝置的構(gòu)建提出改進(jìn)。

7、綜上所述，現(xiàn)有的電吸附氯離子去除方法主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：第一，涉及多種類的組件和復(fù)雜的電氣控制，故障率高且維護(hù)困難；同時(shí)，去除系統(tǒng)中使用的材料和催化劑價(jià)格昂貴，增加了設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本。第二，去除氯離子時(shí)，電解液及氯離子不流動(dòng)，氯離子在電解液中僅依靠電場(chǎng)力的作用下移動(dòng)，因而氯離子的移動(dòng)速度慢且容易淤積，致使氯離子去除速率降低；同時(shí)，陽(yáng)極僅能吸附其附近的氯離子，對(duì)于離陽(yáng)極較遠(yuǎn)的氯離子，則吸附困難。第三，電極在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中會(huì)累積更多的污垢、沉積物和反應(yīng)副產(chǎn)物，這些污垢、沉積物和反應(yīng)副產(chǎn)物對(duì)電極的吸附性能造成負(fù)面影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問(wèn)題，我們提出了一種去除水中氯離子的方法及裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)凹槽形鋸齒結(jié)構(gòu)微流道和曲面型電極一體化制造，構(gòu)建了曲面型電極與凹槽形鋸齒結(jié)構(gòu)微流道的整體化結(jié)構(gòu)，使其具備良好的電場(chǎng)均勻性和足夠的電場(chǎng)強(qiáng)度；廢水在微流道中處于流動(dòng)狀態(tài)，使氯離子不斷地輸送到陽(yáng)極表面，氯離子聚集在微流道的鋸齒結(jié)構(gòu)內(nèi)，提高了本裝置整體的氯離子去除效率。同時(shí)，在微流道的路徑上引入高度梯度差結(jié)構(gòu)，增加了電極的有效表面積，高度梯度差產(chǎn)生的擾動(dòng)使流體在高度梯度差結(jié)構(gòu)區(qū)域形成速度差，增加了氯離子與活性炭表面的接觸頻率，提高了氯離子被吸附的概率；通過(guò)將陽(yáng)極電極設(shè)計(jì)成凹槽形鋸齒狀，使得氯離子向電極移動(dòng)過(guò)程中，能夠更利于氯離子被陽(yáng)極截留并完成吸附，并在反沖洗時(shí)利用使用交流電將氯離子從活性炭中釋放出來(lái)。同時(shí)，凹槽形鋸齒狀結(jié)構(gòu)在電極清洗時(shí)沖刷更全面，凹槽形鋸齒狀陽(yáng)極的表面更易被清洗液體覆蓋，提高了沉積物、污垢的去除率，減少了清洗液體在清洗過(guò)程中的消耗量。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種去除水中氯離子的裝置，包括：

3、原水池，用以存儲(chǔ)包含氯離子的廢水；

4、微流道芯片，連接所述原水池；所述微流道芯片的內(nèi)部包括凹槽形鋸齒狀微流道、陰極和陽(yáng)極，所述凹槽形鋸齒狀微流道、陰極、陽(yáng)極平行設(shè)置；所述凹槽形鋸齒狀微流道是截面為矩形的管狀且具有流道凹槽形鋸齒狀微流道的上壁面、凹槽形鋸齒狀微流道的左右兩側(cè)壁面和凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面的管狀結(jié)構(gòu)，其中流道凹槽形鋸齒狀微流道的上壁面和凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面的截面均為弧形結(jié)構(gòu)，所述陰極至少一部分的表面形狀和陽(yáng)極至少一部分的表面形狀分別與所述流道凹槽形鋸齒狀微流道的上壁面和凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面的形狀契合；所述凹槽形鋸齒狀微流道兩側(cè)分別設(shè)置有進(jìn)液口、出液口，所述進(jìn)液口、出液口之間包括依次連接的第一水平微流道、中部設(shè)置的中間傾斜微流道、第二水平微流道；以及

5、耦接所述微流道芯片的淡水池、排污池、直流/交流調(diào)壓電源；

6、所述原水池和微流道芯片之間通過(guò)第一管路依次連接有原水開關(guān)、第一柱塞泵、水流量計(jì)、第一電導(dǎo)率儀、過(guò)濾器，所述微流道芯片和淡水池之間通過(guò)第二管路連接有ph計(jì)、第二電導(dǎo)率儀，所述微流道芯片和排污池之間設(shè)置有排污開關(guān)；所述淡水池還設(shè)置有連接第一管路的第三管路，所述第三管路設(shè)置有反沖洗開關(guān)、第二柱塞泵；

7、所述原水池中的廢水依次通過(guò)第一管路、微流道芯片進(jìn)行氯離子電吸附，再通過(guò)第二管路匯入淡水池收集；所述淡水池通過(guò)第三管路向微流道芯片供水進(jìn)行氯離子反沖洗。

8、進(jìn)一步地，所述第一水平微流道與所述中間傾斜微流道之間、所述中間傾斜微流道與第二水平微流道之間均存在傾斜角度；所述第一水平微流道、第二水平微流道通過(guò)中間傾斜微流道連接后形成了高度梯度差。

9、進(jìn)一步地，所述凹槽形鋸齒狀微流道的上壁面與凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面設(shè)有活性炭涂層作吸附材料；所述凹槽形鋸齒狀微流道的左右兩側(cè)壁面設(shè)有聚乙烯涂層作為所述陰極、陽(yáng)極的絕緣層；所述凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面的凹槽形鋸齒狀結(jié)構(gòu)使得凹槽形鋸齒狀微流道表面形成凹陷區(qū)域，且允許氯離子進(jìn)入所述凹陷區(qū)域；鋸齒狀的活性炭表面使得氯離子接觸到微流道壁面后難以逃脫，更易被陽(yáng)極截留；反沖洗時(shí)，當(dāng)電極交流放電時(shí)，可釋放出更多氯離子，使得直流陽(yáng)極表面被有效清洗；所述中間傾斜微流道設(shè)置在凹槽形鋸齒狀微流道的路徑上，形成了高度梯度差結(jié)構(gòu)，增加了電極的有效表面積，產(chǎn)生額外的擾動(dòng)，在高度梯度差區(qū)域形成速度差，產(chǎn)生渦流和局部湍流，使氯離子與活性炭表面接觸更頻繁，提高了氯離子的吸附概率。

10、進(jìn)一步地，所述陰極、陽(yáng)極與所述凹槽形鋸齒狀微流道形狀、尺寸均相同，所述陰極、陽(yáng)極緊密貼合于凹槽形鋸齒狀微流道的兩側(cè)；所述契合流道外部曲面形狀的陰極、陽(yáng)極有效放電面積被充分利用，所有放電面積均用于氯離子連續(xù)吸附，極大提高了裝置的能量利用率；將所述直流/交流調(diào)壓電源與所述陰極、陽(yáng)極連接，在氯離子電吸附時(shí)，直流/交流調(diào)壓電源進(jìn)行直流放電；在氯離子反沖洗時(shí)，直流/交流調(diào)壓電源進(jìn)行交流放電，將氯離子從凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面的活性炭中釋放出來(lái)，其中直流放電電壓用公式(1)表示，而公式(1)的推導(dǎo)過(guò)程為：

11、

12、其中，vout為輸出電壓，表示穩(wěn)壓器穩(wěn)定并調(diào)節(jié)后的電壓輸出值；rout為輸出電阻，表示系統(tǒng)中負(fù)載對(duì)電源輸出電流的阻抗；rds為控制電路中的動(dòng)態(tài)電阻，表示控制元件的輸出電阻；vin為輸入電壓，表示穩(wěn)壓器輸入端接收的電壓；gm為跨導(dǎo)參數(shù)，表示電路對(duì)反饋電壓變化的響應(yīng)能力；vfb為反饋電壓，表示反饋環(huán)路中測(cè)量的電壓，反映當(dāng)前輸出電壓的變化；vref為參考電壓，表示輸出電壓的期望范圍；rfb1、rfb2為反饋電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)和檢測(cè)輸出電壓。

13、進(jìn)一步地，原水通過(guò)所述凹槽形鋸齒狀微流道的進(jìn)液口進(jìn)入后進(jìn)行氯離子吸附時(shí)，氯離子被吸附至材料表面的過(guò)程由吸附質(zhì)外擴(kuò)散速率、內(nèi)擴(kuò)散速率以及吸附平衡時(shí)間因素決定，用freundlich吸附等溫式描述為：

14、

15、為簡(jiǎn)化計(jì)算，將上式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到公式(2)：

16、

17、式中，qe表示平衡吸附量，即電吸附容量，mg/g；ce表示吸附平衡時(shí)的溶液濃度mg/l；k表示freundlich吸附等溫式常數(shù)；n是與溫度等因素有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。

18、進(jìn)一步地，所述第一柱塞泵和第二柱塞泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行電吸附處理的原水和進(jìn)行反沖洗的淡水在所述凹槽形鋸齒狀微流道中流動(dòng)，在保證氯離子被有效吸附和有效去除的基礎(chǔ)上，提高了電極散熱效果。所述凹槽形鋸齒狀微流道的放電間距小、電場(chǎng)強(qiáng)度高、吸附效果好，但易引發(fā)過(guò)熱現(xiàn)象，會(huì)影響所述微流道芯片的使用壽命并降低吸附效果。讓原水在所述凹槽形鋸齒狀微流道中流動(dòng)起來(lái)，既能將氯離子被不斷地輸送到所述凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面活性炭涂層而避免在某一區(qū)域積聚，提高了電吸附效率，還能對(duì)所述微流道芯片進(jìn)行有效的降溫，避免電極過(guò)熱現(xiàn)象。

19、進(jìn)一步地，所述直流/交流調(diào)壓電源作為去除水中氯離子的裝置的放電電源，可免去人工進(jìn)行電極反接流程，提高了電吸附系統(tǒng)的運(yùn)行效率，節(jié)約了時(shí)間成本。在電吸附時(shí)使用直流模式放電，反沖洗時(shí)使用交流模式放電，釋放活性炭中的氯離子，在節(jié)約人工時(shí)間的同時(shí)提高了反沖洗效率。

20、第二方面，本發(fā)明提供一種去除水中氯離子的方法，應(yīng)用所述的去除水中氯離子的裝置，所述方法包括如下步驟：

21、步驟一：打開原水開關(guān)和第一柱塞泵，通過(guò)第一柱塞泵將原水池中的廢水原水流經(jīng)水流量計(jì)、第一電導(dǎo)率儀檢測(cè)后，進(jìn)入過(guò)濾器進(jìn)行雜質(zhì)過(guò)濾，隨后泵送至微流道芯片的進(jìn)液口；

22、步驟二：微流道芯片中進(jìn)液口進(jìn)入的廢水流入凹槽形鋸齒狀微流道，形成穩(wěn)定連續(xù)流；

23、步驟三：將陰極、陽(yáng)極與直流/交流調(diào)壓電源連接并打開調(diào)壓電源開關(guān)，將放電模式調(diào)至直流放電，開始對(duì)凹槽形鋸齒狀微流道中的廢水原水進(jìn)行電吸附，去除廢水原水中的氯離子；

24、步驟四：電吸附完成的廢水原水從微流道芯片的出液口流出，流經(jīng)ph計(jì)、第二電導(dǎo)率儀檢測(cè)后，進(jìn)入淡水池中；

25、步驟五：關(guān)閉原水開關(guān)與直流/交流調(diào)壓電源的開關(guān)，打開反沖洗開關(guān)、排污開關(guān)和第二柱塞泵，通過(guò)第二柱塞泵將淡水池中的淡水泵送至微流道芯片的進(jìn)液口；

26、步驟六：微流道芯片中進(jìn)液口進(jìn)入的淡水流入凹槽形鋸齒狀微流道，形成穩(wěn)定連續(xù)流；

27、步驟七：打開調(diào)壓電源開關(guān)，將放電模式調(diào)至交流放電，釋放出凹槽形鋸齒狀微流道的下壁面的凹槽形鋸齒狀活性炭結(jié)構(gòu)層中吸附的氯離子，通過(guò)淡水對(duì)凹槽形鋸齒狀微流道進(jìn)行反沖洗，將凹槽形鋸齒狀微流道中的殘留氯離子及電吸附產(chǎn)生的沉積物和污垢沖洗干凈；

28、步驟八：反沖洗完成的淡水從微流道芯片的出液口流出，最終儲(chǔ)存在排污池中。

29、本發(fā)明的有益效果：

30、(1)凹槽形鋸齒結(jié)構(gòu)微流道和曲面型電極的一體化制造，實(shí)現(xiàn)了曲面型電極與凹槽形鋸齒結(jié)構(gòu)微流道的整體化結(jié)構(gòu)，使其具備特定功能和屬性，無(wú)需進(jìn)行額外的組裝步驟，簡(jiǎn)化了其生產(chǎn)過(guò)程。

31、(2)通過(guò)待吸附處理的原水在微流道中流動(dòng)起來(lái)，在保證氯離子被有效吸附的基礎(chǔ)上，提高了電極散熱效果。由于微流道的放電間距小、電場(chǎng)強(qiáng)度高、吸附效果好，易引發(fā)過(guò)熱現(xiàn)象，會(huì)影響微流道芯片的使用壽命并降低吸附效果；因此，讓原水在微流道中進(jìn)行流動(dòng)，既能保證氯離子被不斷地輸送到微流道下壁面活性炭涂層而避免在某一區(qū)域積聚，提高了電吸附效率，還能對(duì)微流道芯片外的電極進(jìn)行有效的降溫，避免電極過(guò)熱現(xiàn)象。

32、(3)在微流道的路徑上引入高度梯度差結(jié)構(gòu)，增加電極有效面積的同時(shí)給微流體提供額外的擾動(dòng)，提高了氯離子的吸附效率。微流體在流動(dòng)過(guò)程中碰撞到高度梯度差結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生額外的擾動(dòng)，在高度梯度差結(jié)構(gòu)區(qū)域形成速度差，產(chǎn)生渦流和局部湍流，局部的流動(dòng)不穩(wěn)定性促進(jìn)了對(duì)微流體的攪拌使氯離子與活性炭表面接觸頻繁，提高了氯離子的吸附速度。

33、(4)將陽(yáng)極側(cè)微流道壁面設(shè)計(jì)成凹槽形鋸齒狀，提高了微流道芯片的吸附能力，降低了對(duì)氯離子的回收利用及微流道壁面的清洗難度。鋸齒狀的活性炭表面使得氯離子接觸到微流道壁面后難以逃脫，從而更易被陽(yáng)極截留；并且，在反沖洗過(guò)程中，當(dāng)電極交流放電時(shí)，可釋放出更多氯離子，使得直流陽(yáng)極表面被有效清洗。同時(shí)，凹槽形鋸齒狀結(jié)構(gòu)在清洗電極時(shí)可被更全面地沖刷，提高了電吸附系統(tǒng)的整體性能。

34、(5)使用直流/交流調(diào)壓電源作為去除水中氯離子的裝置的放電電源，免去人工進(jìn)行電極反接流程，提高了電吸附系統(tǒng)的運(yùn)行效率，節(jié)約了時(shí)間成本。電吸附時(shí)使用直流模式放電，反沖洗時(shí)使用交流模式放電，釋放活性炭中的氯離子，在節(jié)約人工時(shí)間的同時(shí)提高了反沖洗效率。

35、本發(fā)明提出的一種曲面型電極氯離子連續(xù)吸附方法及裝置，可以有效提高氯離子的吸附效率，提高能量利用效率和電吸附系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并且適用于其他有特定要求的氯離子去除應(yīng)用場(chǎng)景。