本發(fā)明涉及海水淡化，具體涉及一種基于全通道流動(dòng)電極電容去離子的增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置及海水淡化系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、由于水資源時(shí)空分配不均以及人口區(qū)域性聚集，水資源的穩(wěn)定供應(yīng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。節(jié)水措施、廢水回用等“節(jié)流”手段，在一定程度上緩解了用水緊張情勢(shì)。另一方面，利用海水淡化技術(shù)生產(chǎn)更多淡水，作為一種非常規(guī)的節(jié)水措施，是有效的水資源“開(kāi)源”途徑之一。目前，海水淡化技術(shù)主要包括熱驅(qū)動(dòng)蒸餾法（如多效蒸餾、低溫閃蒸）、壓力驅(qū)動(dòng)膜法（如納濾、反滲透）以及電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)法（如電滲析和電容去離子）。盡管熱驅(qū)動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)的海水淡化技術(shù)已被大規(guī)模應(yīng)用，但這些技術(shù)仍存在能耗高、膜成本昂貴、易產(chǎn)生二次污染物或脫鹽速率慢等弊端。因此，許多學(xué)者和工程師仍致力于應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題的相關(guān)研究。

2、電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)流動(dòng)電極電容去離子(fcdi)技術(shù)，作為膜電容去離子與電滲析技術(shù)的創(chuàng)新融合，展現(xiàn)出了在兼續(xù)濃鹽水（含海水）淡化領(lǐng)域的巨大潛力。該技術(shù)憑借高導(dǎo)電性流動(dòng)電極與離子交換膜輔助，可有效提升電滲析的過(guò)膜傳質(zhì)效率，減緩電解水反應(yīng)，抑制共離子排斥現(xiàn)象，從而提高脫鹽速率以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)性海水淡化。

3、然而，盡管fcdi技術(shù)具備諸多優(yōu)勢(shì)，其直接應(yīng)用于海水淡化仍面臨兩大技術(shù)瓶頸。首先，流動(dòng)電極的構(gòu)成以水為主（一般超過(guò)80wt%），進(jìn)而降低了系統(tǒng)整體的電荷/離子傳遞效率，這一問(wèn)題削弱了施加在裝置的有效電場(chǎng)強(qiáng)度；其次，離子交換膜與溶液接觸界面存在濃差極化現(xiàn)象，特別是在施加較高電壓情況下，不僅未能加速離子遷移，反而可能誘發(fā)水電解反應(yīng)，進(jìn)一步降低了脫鹽效果并增加了能耗。

4、針對(duì)上述難題，當(dāng)前的解決策略主要集中向流動(dòng)電極室和/或溶液室引入離子/電子導(dǎo)體，如炭黑、氧化還原電對(duì)、碳布、離子交換樹(shù)脂、鈦網(wǎng)等，以改善電荷傳遞和離子遷移性能。

5、但是，這些解決方案均伴隨著成本昂貴、過(guò)程耗能高以及裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜化等問(wèn)題，從而限制了其在大規(guī)模海水淡化應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和可行性。綜上所述，盡管當(dāng)前已有的fcdi技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景，但受限于上述技術(shù)難題以及高昂的解決成本，現(xiàn)有fcdi技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效、低耗、低成本的流動(dòng)電極電容去離子海水淡化過(guò)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于全通道流動(dòng)電極電容去離子的增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，解決fcdi裝置體系電阻高與膜液界面濃差極化現(xiàn)象的同時(shí)達(dá)到提高流動(dòng)電極電容去離子海水淡化的效率，并降低過(guò)程能耗與運(yùn)行成本。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供一種海水淡化系統(tǒng)。

3、本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、一種基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，包括溶液室、陰極流動(dòng)電極室、陽(yáng)極流動(dòng)電極室，所述溶液室包括第一溶液室和第二溶液室；所述第一溶液室和所述第二溶液室內(nèi)含有高導(dǎo)電鹽水混合液，所述高導(dǎo)電鹽水混合液為預(yù)處理后的海水與高導(dǎo)電材料混合而成；

5、所述第一溶液室和第二溶液室之間設(shè)有陰離子交換膜；所述第一溶液室和所述陰極流動(dòng)電極室之間設(shè)有陽(yáng)離子交換膜，所述第二溶液室和所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室之間設(shè)有陽(yáng)離子交換膜；

6、所述第一溶液室和所述第二溶液室分別設(shè)有導(dǎo)流板，所述導(dǎo)流板為含有高導(dǎo)電鹽水混合液通道的石墨板；所述第一溶液室和所述第二溶液室的水流方向相反。

7、優(yōu)選的，所述第一溶液室為淡化室，所述第二溶液室為濃縮室。

8、優(yōu)選的，所述濃縮室靠近電源正極，所述淡化室靠近電源負(fù)極。

9、優(yōu)選的，所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室和所述陰極流動(dòng)電極室分別還設(shè)置集流板和支撐端板，所述集流板為含有蛇形流動(dòng)電極通道的石墨板，所述集流板通過(guò)支撐墊圈和所述支撐端板連接。

10、優(yōu)選的，所述集流板還含有極耳。

11、優(yōu)選的，所述支撐墊圈設(shè)有高導(dǎo)電鹽水混合液進(jìn)出口。

12、優(yōu)選的，所述支撐端板對(duì)角設(shè)置有兩個(gè)流動(dòng)電極進(jìn)出口接口和兩個(gè)高導(dǎo)電鹽水混合液進(jìn)出口。

13、優(yōu)選的，所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室和陰極流動(dòng)電極室分別還含有流動(dòng)電極，所述流動(dòng)電極為na2so4溶液與所述高導(dǎo)電材料混合而成。

14、優(yōu)選的，所述高導(dǎo)電材料為易分離的粉末狀高導(dǎo)電材料。

15、優(yōu)選的，所述高導(dǎo)電材料包括活性炭粉末或炭黑。

16、優(yōu)選的，所述導(dǎo)流板與相鄰的離子交換膜之間設(shè)有導(dǎo)流板墊圈。

17、優(yōu)選的，所述導(dǎo)流板墊圈和支撐墊圈為橡膠墊圈。

18、優(yōu)選的，所述導(dǎo)流板墊圈帶背膠。

19、優(yōu)選的，所述第一溶液室和所述第二溶液室的水流方向相反具體為，所述第一溶液室中的高導(dǎo)電鹽水混合液的流動(dòng)方式為上進(jìn)下出，所述第二溶液室中的高導(dǎo)電鹽水混合液的流動(dòng)方式為下進(jìn)上出。

20、優(yōu)選的，所述陰極流動(dòng)電極室中的流動(dòng)電極采用下進(jìn)上出的流動(dòng)方式，所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室中流動(dòng)電極的流動(dòng)方式為上進(jìn)下出。

21、一種海水淡化系統(tǒng)，包括所述增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置、流動(dòng)電極儲(chǔ)存再生罐、泵送裝置和海水-導(dǎo)電材料預(yù)混裝置，所述流動(dòng)電極儲(chǔ)存再生罐通過(guò)泵送裝置與陽(yáng)極流動(dòng)電極室和陰極流動(dòng)電極室連接，所述海水-導(dǎo)電材料預(yù)混裝置通過(guò)泵送裝置與第一溶液室和第二溶液室連接。

22、本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

23、（1）、本發(fā)明通過(guò)在fcdi原有一個(gè)中間溶液室基礎(chǔ)上額外增加一個(gè)中間溶液室，并且增加額外一個(gè)陽(yáng)離子交換膜，利用在中間溶液室添加高導(dǎo)電材料、設(shè)計(jì)中間溶液室導(dǎo)流通道以及不同溶液室的混合溶液對(duì)流等多種渠道解決fcdi裝置體系電阻高與膜液界面濃差極化現(xiàn)象，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明強(qiáng)化其脫鹽效率和能耗表現(xiàn)降低運(yùn)行成本。

24、（2）、新增中間溶液室和陽(yáng)離子交換膜，使一個(gè)中間溶液室成為淡化室，另一個(gè)成為濃縮室，兩端流動(dòng)電極室可通過(guò)循環(huán)流動(dòng)重復(fù)再生，簡(jiǎn)化了極室流動(dòng)電極的再生過(guò)程。

25、（3）、向預(yù)處理后的海水添加高導(dǎo)電材料形成高導(dǎo)電鹽水預(yù)混合液，使其成分與fcdi裝置兩端極室內(nèi)流動(dòng)電極的組成相似，再泵送進(jìn)入fcdi海水淡化裝置，可有效降低中間溶液室的電阻，增強(qiáng)中間溶液室的離子遷移效率，降低相鄰離子交換膜界面的濃差極化程度，以增強(qiáng)離子交換膜的過(guò)膜傳質(zhì)效率。

26、（4）、本發(fā)明特別為中間溶液室的高導(dǎo)電鹽水混合液設(shè)計(jì)流動(dòng)通道，以確保其流動(dòng)穩(wěn)定、不形成淤堵，從而增大流動(dòng)電極的覆蓋面積，提升高導(dǎo)電材料和離子交換膜的利用率，通過(guò)預(yù)混合海水流動(dòng)電極與溶液室特殊流道設(shè)計(jì)，構(gòu)成全通道流動(dòng)電極電容去離子的海水淡化裝置。

27、（5）、集流板和導(dǎo)流板中流動(dòng)電極和高導(dǎo)電鹽水混合液流動(dòng)方式的設(shè)置，使得不同溶液室中的混合溶液相對(duì)流動(dòng)，以有效減少由不同溶液室的電解質(zhì)間的濃度差造成的離子反向擴(kuò)散。

技術(shù)特征：

1.一種基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，包括溶液室、陰極流動(dòng)電極室（1）、陽(yáng)極流動(dòng)電極室（6），其特征在于，所述溶液室包括第一溶液室（3）和第二溶液室（5）；所述第一溶液室（3）和所述第二溶液室（5）內(nèi)含有高導(dǎo)電鹽水混合液，所述高導(dǎo)電鹽水混合液為預(yù)處理后的海水與高導(dǎo)電材料混合而成；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，其特征在于，所述第一溶液室（3）為淡化室，所述第二溶液室（5）為濃縮室。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室（6）和所述陰極流動(dòng)電極室（1）分別還設(shè)置集流板（9）和支撐端板（7），所述集流板（9）為含有蛇形流動(dòng)電極通道（91）的石墨板，所述集流板（9）通過(guò)支撐墊圈（8）和所述支撐端板（7）連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室（6）和所述陰極流動(dòng)電極室（1）分別還含有流動(dòng)電極，所述流動(dòng)電極為na2so4溶液與所述高導(dǎo)電材料混合而成。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，其特征在于，所述高導(dǎo)電材料包括活性炭粉末或炭黑。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)流板（10）與相鄰的離子交換膜之間設(shè)有導(dǎo)流板墊圈（102）。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，其特征在于，所述第一溶液室（3）和所述第二溶液室（5）的水流方向相反具體為，所述第一溶液室（3）中的高導(dǎo)電鹽水混合液的流動(dòng)方式為上進(jìn)下出，所述第二溶液室（5）中的高導(dǎo)電鹽水混合液的流動(dòng)方式為下進(jìn)上出。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，其特征在于，所述陰極流動(dòng)電極室（1）中的流動(dòng)電極采用下進(jìn)上出的流動(dòng)方式；所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室（6）中的流動(dòng)電極的流動(dòng)方式為上進(jìn)下出。

9.一種海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置、流動(dòng)電極儲(chǔ)存再生罐、泵送裝置和海水-導(dǎo)電材料預(yù)混裝置，所述流動(dòng)電極儲(chǔ)存再生罐通過(guò)所述泵送裝置與所述陽(yáng)極流動(dòng)電極室（6）和所述陰極流動(dòng)電極室（1）連接，所述海水-導(dǎo)電材料預(yù)混裝置通過(guò)所述泵送裝置與所述第一溶液室（3）和所述第二溶液室（5）連接。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于全通道流動(dòng)電極電容去離子增強(qiáng)離子過(guò)膜傳質(zhì)的裝置，包括溶液室、陰極流動(dòng)電極室、陽(yáng)極流動(dòng)電極室，溶液室包括第一溶液室和第二溶液室，溶液室之間設(shè)有陰離子交換膜；兩個(gè)溶液室分別設(shè)有導(dǎo)流板，導(dǎo)流板含有高導(dǎo)電鹽水混合液通道；兩個(gè)溶液室的水流方向相反；第一溶液室和第二溶液室內(nèi)含有的高導(dǎo)電鹽水混合液，由預(yù)處理后的海水與高導(dǎo)電材料混合而成；本發(fā)明還公開(kāi)了一種海水淡化系統(tǒng)，本發(fā)明通過(guò)新增加一個(gè)中間溶液室，利用在中間溶液室添加高導(dǎo)電材料、設(shè)計(jì)中間溶液室導(dǎo)流通道以及不同溶液室的混合溶液對(duì)流等多種渠道解決FCDI裝置體系電阻高與膜液界面濃差極化現(xiàn)象，強(qiáng)化其脫鹽效率和能耗表現(xiàn)降低運(yùn)行成本。

技術(shù)研發(fā)人員：唐可欣,蔡崇銓,劉丙軍,賀凱,尹啟東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10