一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置的制作方法

1.本发明属于电容去离子领域技术领域，具体涉及一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置，可用于水中钠、钙、镁、氟等多种离子的去除。


背景技术：

2.当前离子去除技术主要有反渗透、电渗析和多级闪蒸等，但是成本高、能耗高、产生二次污染等缺点限制了该技术的应用范围，而电容去离子技术(cdi)，由于其成本低、能耗低、对环境污染小等突出特点受到越来越多的关注。电容去离子技术基于双电层电容理论，在外加电场的作用下，溶液中的阴阳离子被吸附到带相反电荷的电极表面形成双电层，一旦将电源移除或者反接，电极表面被吸附的离子将被释放，可实现电极的循环使用。
3.理想的电容去离子技术的电极材料应该具备以下特点：第一，需要高比表面积。电极材料的比表面积越大，离子可吸附位点越多。第二，需要适宜的孔径分布和尺寸。大孔作为离子缓冲，保证了较短的离子扩散距离，微、介孔为离子传输、电荷存储提供了高比表面积及快速通道，减小了扩散阻力。第三，高导电性有利于离子运输到电极表面以及有效的电荷存储。最后，电极表面需要与电解液有良好的接触。
4.碳气凝胶作为一种新型纳米级多孔碳材料，具有连通的孔结构，不仅具有高比表面积、高介孔率，同时还具有高纯度、低电阻、低灰分、低流体阻力等特点。这些结构特点赋予了碳气凝胶良好的吸附性能及高导电性，使其能够满足电容去离子电极的要求。
5.在实际使用中，制备电极常需添加粘结剂。然而，粘结剂易堵塞电极孔隙，且在充放电过程中被破坏导致电极循环性能下降。目前实验室采用的电容去离子的电化学装置普遍为平板式结构，利用螺丝密封，存在溶液易泄漏、使用寿命较短且安装时间长等缺点，给使用上带来不便，且存在安全隐患。
6.为了解决电容去离子装置存在的上述问题，中国专利申请cn202011085159.x公开了一种电容去离子电极及电容去离子装置，该电容去离子电极，包括电极片、壳体、离子交换树脂、以及透水膜或者离子交换膜；所述壳体与所述电极片接触部分的上下表面为格网结构；所述电极片封装于所述壳体内并紧贴所述壳体的上下表面；所述壳体的上下表面填充有所述离子交换树脂，所述离子交换树脂的表面覆盖有所述透水膜或者所述离子交换膜。该电容去离子装置，包括多个上述电容去离子电极和两个板框；多个所述电容去离子电极中的正负电极交替固定于两个所述板框之间。该装置可进一步延长电极使用寿命、确保电极接触电阻低的同时强化去除不同类型离子的能力。但该装置仍然存在着装卸繁琐、去离子效率不高等问题。因此，需要设计一种新的技术方案予以解决。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了解决现有技术中粘结剂堵塞电极孔隙和电容去离子装置装卸繁琐、去离子效率不高的问题，而提供一种安装简单、快速，密封性能优良和循环寿命长、去离子效果好的用于去除水中多种离子的电容去离子装置。
8.为实现本发明的上述目的，本发明一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置采用以下技术方案：
9.本发明一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置，含有阳极室、阴极室，在阳极室上盖内表面设有阳极，在阴极室下盖内表面设有阴极，在阳极的中心设有阳极导线并穿过阳极室端面，在阴极的中心设有阴极导线并穿过阴极室端面，以环氧树脂胶密封穿孔，阳极导线、阴极导线外接电源。其特点是：所述的阳极室、阴极室之间通过螺纹上下连接封闭构成夹心结构；所述的阳极室和阴极室之间由分隔圈分隔开；所述的阳极/阴极是由圆形网状电极、碳气凝胶圆环复合而成圆片状整体结构，圆形网状电极的外径与碳气凝胶圆环的内径相吻合；所述的圆形网状电极采用泡沫铜，在泡沫铜表面及内部充填有碳气凝胶，由于碳气凝胶均匀分布于泡沫铜表面及内部，导电性良好，可直接作为电容去离子装置的电极；所述的分隔圈自上而下分别由上垫圈、离子交换膜、下垫圈组合构成；所述的上垫圈、下垫圈的材质为聚四氟乙烯，所述的离子交换膜的材质为无纺布；为了提高对水中离子的吸附量，制备的碳气凝胶的比表面积应≥680m2/g，最好≥715m2/g。
10.为便于加入、排放含离子的水溶液，在阳极室上部边缘设有出液口，在阴极室下部边缘设有进液口，出液口、进液口以螺纹密封。
11.为便于阳极室、阴极室之间的密封及电容去离子装置内的离子交换，所述的上垫圈、下垫圈为圆环状，其内环直径与阴极的直径相当，其外环直径与阴极室的腔室直径相当；所述的离子交换膜的直径与阴极室的腔室直径相当。
12.经过试验研究，所述阳极室、阴极室的材质为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯中的一种为佳。
13.本发明一种电容去离子电极及电容去离子装置采用以上技术方案后，具有以下积极效果：
14.(1)电极不添加粘结剂，可避免孔隙堵塞导致的活性位点减少及反应速度降低。
15.(2)电极利用泡沫铜及碳气凝胶本身的导电性实现电子传输，可提高电容去离子的效率，不需要添加导电剂。
16.(3)本发明简化了拆卸与组装过程，并且密封性能优良，可有效减少漏液问题。
17.(4)本发明设计设计成圆柱状，可有效减小溶液与装置之间的阻力。
18.(5)电极内部的泡沫铜以其三维网状结构不仅确保了良好的溶液流动性，而且还大大提高了溶质与电极之间的接触概率和时间。
19.(6)试验结果表明，采用比表面积≥680m2/g的碳气凝胶，对水溶液中离子的吸附量大。
附图说明
20.图1是本发明一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置结构示意图；
21.图2是本发明采用的电容去离子电极结构示意图；
22.图3是本发明采用的垫圈及离子交换膜的放大示意图；
23.图4是本发明采用的阳极室/阴极室俯视图。
24.附图标记：1-阳极导线；2-进液口；3-阳极室；4-阳极；401-圆形网状电极；402-碳气凝胶圆环；5-分隔圈；501-上垫圈；502-离子交换膜；503-下垫圈；6-阴极；7-阴极室；8-进
液口；9-阴极导线。
具体实施方式
25.为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种电容去离子电极及电容去离子装置做进一步说明。
26.由图1所示的本发明一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置结构示意图并结合图2、图3、图4看出，本发明一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置包括阳极室3和阴极室7，两者以螺纹上下连接封闭构成夹心结构。在阴极室7底部设有进液口8，在阳极室3上部设有出液口2。在阳极室3上盖内表面设有阳极4，阳极中心设有阳极导线1，阳极导线1穿过阳极室3与外部电源连接。阳极4/阴极6结构示意图如图2所示，由网状电极401与碳气凝胶圆环402组成，碳气凝胶圆环402为直接生长于网状电极401上的碳材料，阴极6与阳极4由同样方法制成。阳极室3和阴极室7由分隔圈5分隔开，如图3所示，分隔圈包括缓冲垫圈501和503，以及分隔开溶液的离子交换膜502。阴极室中心设有导线9，导线穿过阴极室7与外部电源连接。
27.由图2所示的本发明采用的电容去离子电极结构示意图看出，所述的阳极4/阴极6是由圆形网状电极401、碳气凝胶圆环402复合而成圆片状整体结构，圆形网状电极401的外径与碳气凝胶圆环(402)的内径相吻合。
28.本发明一种用于去除水中多种离子的电容去离子装置采用的阳极室/阴极室由聚四氟乙烯加工而成，也可用其他材料代替如亚克力板等。
29.本发明采用的电容去离子装置的电极制备方法如下：
30.将间苯二酚、甲醛以1：2的摩尔比混合，加入碳酸氢钠作催化剂，用磁力搅拌器搅拌均匀，转移至烧杯中。于烧杯中利用导电铜线悬挂一片泡沫铜，将其置于恒温水浴中经凝胶及老化，然后利用丙酮交换凝胶中的水分，经过二氧化碳超临界干燥，得到均匀分布于泡沫铜表面及内部的气凝胶。将该气凝胶放入程序控温的高温炭化炉中，于氩气氛围下经高温碳化得到高比表且孔径分布均匀的块状碳气凝胶。由于碳气凝胶均匀分布于泡沫铜表面及内部，导电性良好，可直接作为电容去离子装置的电极。
31.表1是采用本发明装置用于处理含氯化钠溶液的试验结果。
32.表1本发明装置处理含氯化钠溶液的试验结果
[0033][0034]
从表1结果可以看出，采用本发明装置处理含氯化钠溶液，电极中的吸附量高达6.2－10.9mg/g，而且吸附用时短，效果显著。
[0035]
需要说明的是，本发明术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示
所指的部件或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明术语“阳极”、“阴极”也是相对的术语，可以互换命名的。