一种去除水溶液中氯离子的分流电解装置及方法与流程

本发明涉及一种去除水溶液中氯离子的分流电解装置及方法，具体涉及分流阳极和管壳阴极装配立式同轴分流电解装置，属于水处理领域。

背景技术：

含氯化合物是工业生产和日常生活中常用的原料，也是最为丰富的溶解盐。水溶液中的氯离子能破坏多种金属及其合金表面的钝化膜，从而易引起金属设备多种局部腐蚀，给设备正常运行、新工艺实现及产品质量等带来各种麻烦和隐患。如，循环冷却水、油田注水中的氯离子与溶解氧作用造成设备腐蚀。镀铜溶液中只有将氯浓度控制在20～80mg/L，才能得到光亮的镀层。此外，氯离子是造成土壤盐碱化的主要离子之一，过度排放会对土壤和生态环境造成严重危害。

目前水溶液中氯离子去除方法主要有蒸发、膜分离、沉淀、离子交换、萃取、电解、电渗析等，其中只有电解法是伴随着清洁的氧化还原反应，把氯离子部分转化为应用价值更高的活性氯化合物，并可把有毒物质变成无毒、低毒物质。电解法的另一个优点是过程容易控制，不会带入新的杂质，不污染环境。由于电极反应又伴有气体产生，导致电极/溶液界面区的欧姆电阻和能耗增加，加之处理溶液中杂质或金属电极本身的电化学腐蚀，在电解过程中或是形成复合氢氧化物甚至氧化物污垢附着于电极表面而使其钝化，难以连续稳定操作或延长工作周期，停工清洗或更换工作电极使之运行成本居高不下。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种去除水溶液中氯离子的装置，利用该装置可以去除水溶液中的氯离子并提升其碱度

一种去除水溶液中氯离子的分流电解装置，所述装置包括电解机构，所述电解机构包括电源、管状分流阳极和管状阴极，所述管状分流阳极同轴套装于管状阴极内，且以管状分流阳极轴向方向垂直于地面的方向设置管状分流阳极和管状阴极；管状分流阳极和管状阴极间形成环形空腔；

其中，所述管状分流阳极为微孔钛过滤管，所述微孔钛过滤管管壁厚为2～3mm、过滤精度20～200μm、孔隙率35～60％；所述管状阴极为不锈钢管或钛管。

上述技术方案中，所述微孔钛过滤管为具有内腔的过滤管，同时，其管壁上具有孔道，其孔道直径为20～200μm，孔隙率为35～60％。

上述微孔钛过滤管具有丰富孔界面，其氯离子及碳酸根离子富集作用和氧化反应使其内腔导出流体含有更多的氯离子及活性氯和溶解气体；阳极氧化作用与流过阳极的混合流体协同不断消解，剥离分流阳极界面的钝化产物及污染物。可实现氢离子和氢氧根离子的体内分离(电解装置内完成)及高价金属阳离子(钙、镁、铜、锌、镍、镉、铅、锰、铁、铝、铬等)截留，并提升对电极(阴极)金属氢氧化物诱导沉积效率。

上述技术方案中，所述不锈钢管或钛管的壁厚没有要求，能够具有一定的使用强度即可。

进一步地，优选所述管状阴极的管径为100～300mm，高度为300～2000mm。

进一步地，优选所述管状分流阳极的外壁与管状阴极的内壁间的间距为30～150mm；管状阴极的内壁表面积与管状分流阳极的外壁的表面积的比值大于3。

上述技术方案中，所述电源可选用现有技术提供的电源，可为关电源或光伏电池。

本发明所述去除水溶液中氯离子的分流电解装置在施加电场后，阴阳极之间的水溶液中氯离子及碳酸根等带负电荷离子向阳极迁移，管状分流阳极的富集作用和氧化反应使其内腔导出流体含有更多的氯离子及活性氯，并且实现氢离子和氢氧根离子的体内分离及高价金属阳离子截留，提升对电极(阴极)金属氢氧化物诱导沉积效率。硬度离子沉积使所述装置能去除水溶液中的暂时硬度和部分永久硬度如碳酸氢钙、氯化镁。

本发明所述去除水溶液中氯离子的分流电解装置优选所述电解机构包括两个封头，用于封装管状分流阳极和管状阴极上下两端；所述下封头设有用于连接进液管的进液口，所述进液口与管状分流阳极和管状阴极间的环形空腔相通；所述上封头设有用于连接流过水管道的流过水出口和用于连接流经水管道的流经水出口；所述流过水出口与管状分流阳极的内腔相通，所述流经水出口与管状分流阳极和管状阴极间的环形空腔相通。

进一步地，所述管状分流阳极底端固定阳极连接部，该阳极连接部突出于下封头之上并连接电源阳极，电源阴极连接管状阴极的管体。

进一步地，所述装置包括用于储存待处理含氯离子的水溶液的容器和用于接收来自电解机构的流过水的容器。

进一步地，所述用于储存待处理含氯离子的水溶液的容器内设有潜水泵，潜水泵一端连接进液管；所述流经水管道一端连接流经水出口，另一端连接用于储存待处理含氯离子的水溶液的容器；所述流过水管道一端连接流过水出口，另一端连接用于接收来自电解机构的流过水的容器。

本发明所述去除水溶液中氯离子的分流电解装置一个示例性的实施方案为：

一种去除水溶液中氯离子的分流电解装置，所述装置包括电解机构，所述电解机构包括电源、管状分流阳极和管状阴极，所述管状分流阳极同轴套装于管状阴极内，且以管状分流阳极轴向方向垂直于地面的方向设置管状分流阳极和管状阴极；管状分流阳极和管状阴极间形成环形空腔；

其中，所述管状分流阳极为微孔钛过滤管，所述微孔钛过滤管管壁厚为2～3mm、过滤精度20～200μm、孔隙率35～60％；所述管状阴极为不锈钢管或钛管。

所述电解机构包括两个封头，用于封装管状分流阳极和管状阴极上下两端；所述下封头设有用于连接进液管的进液口，所述进液口与管状分流阳极和管状阴极间的环形空腔相通；所述上封头设有用于连接流过水管道的流过水出口和用于连接流经水管道的流经水出口；所述流过水出口与管状分流阳极的内腔相通，所述流经水出口与管状分流阳极和管状阴极间的环形空腔相通。

所述管状分流阳极底端固定阳极连接部，该阳极连接部突出于下封头之上并连接电源阳极，电源阴极连接管状阴极的管体。

所述装置包括用于储存待处理含氯离子的水溶液的容器和用于接收来自电解机构的流过水的容器。

所述用于储存待处理含氯离子的水溶液的容器内设有潜水泵，潜水泵一端连接进液管；所述流经水管道一端连接流经水出口，另一端连接用于储存待处理含氯离子的水溶液的容器；所述流过水管道一端连接流过水出口，另一端连接用于接收来自电解机构的流过水的容器。

本发明的另一目的是提供利用上述分流电解装置去除水溶液中氯离子的方法。

一种去除水溶液中氯离子的方法，所述方法在去除水溶液中氯离子的装置中进行，具体为：开启电源，使待处理含氯离子的水溶液自进液口进入电解机构，并由流过水出口和流经水出口流出，其中，流过水与待处理含氯离子的水溶液的总重量比(分流比)为0～0.17。

本发明中“分流比”为流过水与待处理含氯离子的水溶液的总重量比。

进一步地，所述分流比为0、0.08、0.10、0.12、0.17。

本发明的有益效果为：

1、分流阳极实现氢离子和氢氧根离子的体内分离及金属阳离子截留，提升对电极(阴极)金属氢氧化物诱导沉积效率，尤其是硬度离子沉积使本发明所述分流电解装置能去除水溶液的在暂时硬度和部分永久硬度如碳酸氢钙、氯化镁。

2、上流方式和分流阳极内腔导出均有利于缩短电解产生气体在电极界面上的停留时间，降低欧姆电阻和传质阻力，提高电流效率。

3、通过富集、电化学转化和分流，将部分氯离子转化富集为具有应用价值的产物，并避免二次氧化对电化学装置造成损伤。

4、分流阳极的巨大界面积分散了电流密度，使电化学钝化和腐蚀得以控制，氧化作用与流过的混合流体协同有利于保持电极清洁。

附图说明

图1是分流电解装置去除水溶液中氯离子的工艺流程图；

图2是分流电解装置内水溶液及离子迁移示意图；

图3是不同电压下循环流经水氯浓度与处理时间关系；

图4是不同分流比下循环流经水氯浓度与处理时间关系；

附图标记如下：1—储水箱、2—潜水泵、3—进液口、4—阳极接线柱、5—直流电源、6—管状阴极、7—管状分流阳极、8—密封绝缘封头、9—流过水出口、10—流经水出口、11—流经水调节阀、12—流过水调节阀、13—流过水水箱。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

下述实施例中所用去除水溶液中氯离子的装置，如图1所示，所述装置包括电解机构，所述电解机构包括直流电源5、管状分流阳极7和管状阴极6，所述管状分流阳极7同轴套装于管状阴极6内，且以管状分流阳极7轴向方向垂直于地面的方向设置管状分流阳极7和管状阴极6；管状分流阳极7和管状阴极6间形成环形空腔；

其中，所述管状分流阳极为微孔钛过滤管，所述微孔钛过滤管管壁厚为2mm、过滤精度100μm、孔隙率50％；所述管状阴极为不锈钢管。

所述电解机构包括两个密封绝缘封头8，用于封装管状分流阳极和管状阴极上下两端；所述下封头设有用于连接进液管的进液口3，所述进液口3与管状分流阳极7和管状阴极6间的环形空腔相通；所述上封头设有用于连接流过水管道的流过水出口9和用于连接流经水管道的流经水出口10；所述流过水出口9与管状分流阳极7的内腔相通，所述流经水出口10与管状分流阳极7和管状阴极6间的环形空腔相通；在流经水管道上设有流经水调节阀11，在流过水管道上设有流过水调节阀12；

所述管状分流阳极7底端固定阳极接线柱4，该阳极接线柱4突出于下封头之上并连接直流电源5的阳极，直流电源5的阴极连接管状阴极6的管体。

所述装置包括用于储存待处理含氯离子的水溶液的储水箱1和用于接收来自电解机构的流过水的流过水水箱13。

所述储水箱1内设有潜水泵2，潜水泵2一端连接进液管；所述流经水管道一端连接流经水出口10，另一端连接用于储存待处理含氯离子的水溶液的储水箱1；所述流过水管道一端连接流过水出口9，另一端连接用于接收来自电解机构的流过水的流过水水箱13。

利用上述去除水溶液中氯离子对待处理水溶液进行处理，处理过程包括下述步骤：

⑴将管状分流阳极7(规格：Φ30×500mm)、不锈钢管状阴极6(规格：Φ100×500mm)、密封绝缘封8头及阳极接线柱4装配立式同轴电解机构并连通直流电源5。

⑵在恒定电压条件下，启动潜水泵2，控制流经水调节阀11和流过水调节阀12运行一定时间后计量流过水、循环流经水体积并计算分流比。

⑶分别测定流经水的氯离子变化规律及流过水的氯离子和pH值。

本发明中氯离子转化去除机制如下：

⑴在去除水溶液中氯离子的分流电解装置中，阴阳极界面均形成双电层结构，分流阳极界面主要富集Cl^-、HCO₃^-，阴极表面则主要富集金属阳离子。⑵阳极氧化反应与径向流过水的压缩及剪切作用协同实现富集阴离子连续去除，并提升轴向流经水的碱度。⑶分流阳极内腔导出径向流过水含有更多的氯离子和活性氯及低pH值。分流阳极主要氧化及转化反应如下：

2Cl^－－2e→Cl₂

H₂O－2e→1/2O₂↑+2H⁺

Cl₂+H₂O→HClO+HCl

H⁺+HCO₃^－→H₂O+CO₂↑

H⁺+Cl^－→H Cl

实施例1

取拟处理溶液18L，启动潜水泵2，控制循环流经水100L/h，微开流过水调节阀固定分流比0.12，施加电压18～24V，循环流经水氯离子浓度与处理时间关系如图3。对于氯离子初始浓度为55mgL^-1，总硬度为(CaCO₃计)220mgL^-1原水，优化试验条件下流经水氯离子去除率高于50％。22V试验结束后循环流经水的pH值由7.5上升到9以上，硬度下降60％，电流从0.37A降至0.21A。并获得阳极流过水2.16L，其pH值为2.9，氯离子浓度239mgL^-1.

实施例2

取拟处理溶液18L，固定电压22V，启动潜水泵2，控制循环流经水100L/h，控制流过水调节阀使分流比处于0、0.08、0.10、0.12、0.17。不同分流比条件下，循环流经水氯离子浓度与处理时间关系如图4。当分流比为0.17时，去除率接近70％。