一種連續電控離子分離裝置和工藝制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種連續電控離子分離裝置和工藝。該裝置包括中心圓柱狀膜電極和外部環形對電極，中心圓柱狀膜電極具備電控離子交換功能，原料液與再生液分別連續輸入均勻分布于中心膜電極與環形對電極之間的原料液室和再生液室，在中心膜電極和環形對電極上分別施加不同的電位并控制電極的旋轉，可使膜電極對原料液中目標離子的吸附以及膜電極在再生液中的脫附再生連續完成，從而實現對溶液中目標離子的高效同步連續電控分離和回收。本發明專利技術裝置中無需切換液路，結構簡單、操作方便；溶液中離子直接在膜電極表面吸/脫附，離子傳遞速度快、分離效率高；膜電極可以連續運行。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種連續電控離子分離裝置和工藝，具體涉及一種連續選擇性分離回收溶液中目標離子的電化學控制離子交換裝置和工藝，屬于離子分離與回收

技術介紹
工業生產過程中的原料液及中間產物中通常含有各種金屬和非金屬離子雜質，這些微量雜質離子會腐蝕反應器、誘發副反應，進而降低反應效率和產品質量。尤其是近年來含有難生物降解毒性金屬或非金屬離子廢水的排放日益增多，由此引發的飲用水和食品安全問題屢見不鮮。另一方面工業廢水中所含毒性重金屬離子如稀土及貴金屬等也是一種重要的戰略資源，從溶液中分離回收這些離子可以達到節能減排和資源化利用的雙重目的，對于經濟可持續發展具有重要的意義。目前工業中處理含離子廢水的主要方法包括沉淀法、吸附法、離子交換法、膜分離法、溶劑萃取法、氧化還原法及生物處理技術。但這些傳統的處理離子廢水的方法在實際操作中都存在一定的缺陷，成本高且化學反應和離子分離基體再生過程容易產生二次污染，因此尋求在常溫下能夠連續運行、結構簡單、操作方便、耗能低、分離效率高、無二次污染的新型離子分離回收技術一直是含離子廢水處理研究的重點。電控離子交換（Electrochemically switched ion exchange, ESIX）是一種新型的離子分離回收技術。具體是將電活性離子交換材料沉積到導電基體上制得膜電極，利用電活性離子交換材料的電控離子交換特性，通過電化學方法控制膜電極在氧化和還原狀態間轉化，從溶液中可逆的置入和釋放離子，從而實現離子的可控分離和膜電極的循環利用。常規的ESIX主要用來分離回收單一的陽離子或陰離子（如Electrochim. Acta, 2001, 47: 741; 2013, 87: 119; Environ. Sci. Technol., 2006, 40: 4004，）但這些操作通常在間歇狀態下進行，運行效率低，難以實現工業化應用。將ESIX技術與膜分離技術結合可以實現目標離子連續電控分離與回收。中國專利 CN102583664A公開了一種采用離子交換膜和一組ESIX膜電極組成的隔膜式反應器，通過交替給膜電極施加氧化還原電位，結合外部供液系統可以實現單一離子的連續電控分離回收，但該系統操作過程復雜且需要附加電路和液路切換系統，運行成本高。中國專利CN102718292A公開了一種雙隔膜電極反應器，采用雙隔膜選擇滲透膜電極并在輔助電極施加的電場力作用下實現陰、陽離子的連續選擇性分離。該分離工藝中離子需要穿越隔膜電極，離子的傳遞阻力大、分離效率低且需要施加外部電場操作不便。中國專利CN104587835A公開了一種套筒式反應器，通過控制同心雙層套筒惰性電極的開啟和閉合，結合外部電源交替調控膜電極的氧化/還原電位可以實現對陰、陽離子的連續分離回收，但該工藝需要附加電路和液路切換系統，同時處理液和再生液共室會產生相互干擾，降低分離效率。
技術實現思路
本專利技術旨在提供一種連續電控離子分離裝置和工藝，連續分離回收溶液中的目標離子，其特點是在無附加電路和液路切換系統的條件下利用中心圓柱狀膜電極或外部環形對電極的轉動實現對溶液中目標離子的連續分離，無需離子交換膜，離子分離效率高，操作簡單，易于實現工業化。本專利技術提供了一種連續電控離子分離裝置，該裝置包括中心圓柱狀膜電極、外部環形對電極、圓筒式絕緣外殼、電機控制裝置和外接電源；所述中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼同軸，且中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼之間為空腔；所述中心圓柱狀膜電極由圓柱狀膜電極導電基體和沉積在電極導電基體上的電活性離子交換功能膜組成，二者均為圓筒狀結構，且電活性離子交換功能膜位于膜電極導電基體的外側；外部環形對電極位于圓筒式絕緣外殼的內側，中心圓柱狀膜電極和外部環形對電極在電機控制裝置的作用下發生相對旋轉運動；電活性離子交換功能膜與外部環形對電極之間存在環形腔室；電活性離子交換功能膜與外部環形對電極之間沿徑向均勻設置絕緣隔板，絕緣隔板與圓筒式絕緣外殼固定，絕緣隔板將環形腔室分隔成交替分布的原料液室和再生液室，原料液室和再生液室互相密閉、不漏液；所述原料液室和再生液室的下方分別設有進液口，上方分別設有出液口；所述外接電源分別施加于中心圓柱狀膜電極和外部環形對電極之間。上述裝置中，所述電活性離子交換功能膜是在電化學氧化/還原電位下能夠控制目標離子選擇性吸/脫附的有機、無機或其復合電活性材料。上述裝置中，所述外部環形對電極以扇形結構均勻分布于原料液室和再生液室，相互之間通過絕緣隔板絕緣。上述裝置中，所述絕緣隔板以軸心為圓心在電活性離子交換功能膜外側沿徑向均勻分布數對，將中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼之間的環形腔室分為互相密閉、交替分布的成對原料液室和再生液室。絕緣隔板與圓筒式絕緣外殼接觸的一端固定，而與中心圓柱狀膜電極接觸的一端不固定，使中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼之間可以發生相對旋轉運動。進一步地，所述外部環形對電極為不銹鋼或石墨組成的惰性電極。本專利技術提供了一種連續電控離子分離工藝，采用上述連續電控離子分離裝置，包括以下步驟：含目標離子的待處理原料液與再生液分別連續輸入均勻分布于中心膜電極與環形對電極之間的原料液室和再生液室，在中心膜電極和環形對電極上分別施加不同的電位并通過電機控制電極的旋轉速度，轉速為0.01~10 rpm，使膜電極對原料液中目標離子的吸附以及吸附飽和的膜電極在再生液中的脫附再生連續完成，從而實現對溶液中目標離子的高效同步連續電控分離。上述工藝中，所述外接電源控制固定中心圓柱狀膜電極電位，在環形原料液室對電極上施加高電位（陽離子分離）或低電位（陰離子分離），使旋轉到原料液室的電活性離子交換功能膜處于電化學還原電位（陽離子分離）或氧化電位（陰離子分離），目標陽離子或陰離子在電場力的作用下選擇性吸附于中心圓柱狀膜電極上；而在環形再生液室對電極上施加低電位（陽離子分離）或高電位（陰離子分離），使旋轉到再生液室的電活性離子交換功能膜處于電化學氧化電位（陽離子分離）或還原電位（陰離子分離），被吸附于電活性離子交換功能膜上目標陽離子或陰離子電場力的作用下被置出膜外。本專利技術中膜電極對原料液中目標離子的吸附以及膜電極在再生液中的脫附再生連續完成，實現對溶液中目標離子的高效同步電控連續分離和回收。本專利技術具有如下優點：（1）本專利技術裝置結構簡單、操作方便，連續運行成本低；無需電路切換，工藝簡單；（2）本專利技術無需液路切換，處理液和再生液分別進入各自液室互不干擾；膜電極和溶液直接接觸，無需通過隔膜；（3）本專利技術相較于傳統的吸附和離子交換，電控離子交換過程的主要推動力是電極電位，因此離子傳遞效率高且可應用于低濃度離子廢液的處理；（4）離子分離基體無需化學再生，消除了使用化學再生劑產生的二次污染，是一種環境友好的高效分離技術；（5）電荷傳遞的阻力小，吸附容量大、速率快、再生效率高。附圖說明圖1是本專利技術裝置的結構示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3為本專利技術連續選擇性吸、脫附陽離子的示意圖。圖4是本專利技術連續選擇性吸、脫附陰離子的示意圖。圖中：1–出液口；2–膜電極導電基體；3–電活性離子交換功能膜；4–環形對電極；5–圓筒式絕緣外殼；6–進液口；7–絕緣隔板；8–再生液室；9–鍵槽；10–軸孔；11–原料液室。具體實施本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種連續電控離子分離裝置，其特征在于：包括中心圓柱狀膜電極、外部環形對電極、圓筒式絕緣外殼、電機控制裝置和外接電源；所述中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼同軸，且中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼之間為空腔；所述中心圓柱狀膜電極由圓柱狀膜電極導電基體和沉積在電極導電基體上的電活性離子交換功能膜組成，二者均為圓筒狀結構，且電活性離子交換功能膜位于膜電極導電基體的外側；外部環形對電極位于圓筒式絕緣外殼的內側，中心圓柱狀膜電極和外部環形對電極在電機控制裝置的作用下發生相對旋轉運動；電活性離子交換功能膜與外部環形對電極之間存在環形腔室；電活性離子交換功能膜與外部環形對電極之間沿徑向均勻設置絕緣隔板，絕緣隔板與圓筒式絕緣外殼固定，絕緣隔板將環形腔室分隔成交替分布的原料液室和再生液室，原料液室和再生液室互相密閉、不漏液；所述原料液室和再生液室的下方分別設有進液口，上方分別設有出液口；所述外接電源分別施加于中心圓柱狀膜電極和外部環形對電極之間。

【技術特征摘要】
1.一種連續電控離子分離裝置，其特征在于：包括中心圓柱狀膜電極、外部環形對電極、圓筒式絕緣外殼、電機控制裝置和外接電源；所述中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼同軸，且中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼之間為空腔；所述中心圓柱狀膜電極由圓柱狀膜電極導電基體和沉積在電極導電基體上的電活性離子交換功能膜組成，二者均為圓筒狀結構，且電活性離子交換功能膜位于膜電極導電基體的外側；外部環形對電極位于圓筒式絕緣外殼的內側，中心圓柱狀膜電極和外部環形對電極在電機控制裝置的作用下發生相對旋轉運動；電活性離子交換功能膜與外部環形對電極之間存在環形腔室；電活性離子交換功能膜與外部環形對電極之間沿徑向均勻設置絕緣隔板，絕緣隔板與圓筒式絕緣外殼固定，絕緣隔板將環形腔室分隔成交替分布的原料液室和再生液室，原料液室和再生液室互相密閉、不漏液；所述原料液室和再生液室的下方分別設有進液口，上方分別設有出液口；所述外接電源分別施加于中心圓柱狀膜電極和外部環形對電極之間。2.根據權利要求1所述的連續電控離子分離裝置，其特征在于：所述電活性離子交換功能膜是在電化學氧化/還原電位下能夠控制目標離子選擇性吸/脫附的有機、無機或其復合電活性材料。3.根據權利要求1所述的連續電控離子分離裝置，其特征在于：所述外部環形對電極以扇形結構均勻分布于原料液室和再生液室，相互之間通過絕緣隔板絕緣。4.根據權利要求1所述的連續電控離子分離裝置，其特征在于：所述絕緣隔板以軸心為圓心在電活性離子交換功能膜外側沿徑向均勻分布數對。5.根據權利要求1所述的連續電控離子分離裝置，其特征在于：所述外部環形對電極為不銹鋼或石墨組成的惰性電極。6.一種連續電控離子分離工藝，采用權利要求1~5任一項所述的連續電控離子分離裝置，其特征在于包括以下步驟：含目標離子的待處理原料液與再生液分別連續輸入均勻分布于中心膜電極與環形對電極之間的原料液室和再生液室，在中心膜電極和環形對電極上分別施加不同的電位并通過電機控制電極的旋轉速度，轉速為0.01~10 rpm，使膜電極對原料液中目標離子的吸附以及吸附飽和的膜電極在再生液中的脫附再生連續完成，從而實現對溶液中目標離子的高效同步連續電控分離...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郝曉剛，杜曉，蔡富剛，鄭君蘭，張忠林，張興芳，高鳳鳳，
申請(專利權)人：太原理工大學，
類型：發明
國別省市：山西;14