一种基于磁性流动电极的电吸附装置及其应用

本发明涉及电吸附，具体涉及一种基于磁性流动电极的电吸附装置及其应用，以及一种利用该电吸附装置进行水处理的方法。

背景技术：

1、工业园区的再生水回用系统的生命周期评估结果显示，将再生水用于更高价值的回用领域将带来更大的环境效益。以再生水为水源制备电子级超纯水已经成为电子和芯片制造等行业“双碳”发展的必然趋势。电吸附技术可用于生产电子级超纯水，可用在制程和抛光等处理阶段以提升水质。其中，流动电极电吸附技术具备低耗、无副产物生成和连续运行等优势，被认为是制备电子级超纯水的重要前瞻技术。

2、电子级超纯水的要求包括极高的电阻率(＞18.2mω·cm)和极低的总有机碳(toc)(＜1.0μg/l)。然而，在电子级超纯水的生产过程中，各类水源产水里已鉴定的难处理有机组分包括尿素、三氯甲烷、二溴一氯甲烷、含烷氧基、含羰基等小分子物质，现有的纯水制备技术难以有效去除这些小分子有机物。

技术实现思路

1、本技术的目的是解决现有纯水制备技术难以有效去除小分子有机物的问题，进而提供了一种基于磁性流动电极的电吸附装置及其应用，以及一种利用该电吸附装置进行水处理的方法。

2、本技术通过研究发现，当采用磁性活性碳等磁性材料作为磁性流动电极时，外部施加磁场以进行调控具有增强电子传递等显著的积极效果。然而，碳系材料的电荷储存能力有限，存在有机物选择性弱、回收率低和再生性能差等问题。轻质磁性树脂具有含磁性导电物质、粒径小、官能团可调易构建、有机物选择性强、吸附容量和效率高等特点，可作为外磁场调控下的磁性流动电极使用。此外，对于现有的流动电极技术来说，现有的平板式结构的电极设备的水力特性仍有待提升，仍需开发如卷式等更适合流动电极流动的电极设备。因此，开发并构建外磁场调控下的卷式磁性树脂流动电极电吸附技术及设备，将有助于解决小分子有机物易穿透问题，可为以再生水为水源制备电子级超纯水提供理论依据和技术支持。

3、为实现上述发明目的，本技术采用的技术方案为：

4、第一方面，本技术提供一种基于磁性流动电极的电吸附装置，所述电吸附装置包括电吸附模块，所述电吸附模块包括功能层，所述功能层包括第一磁场发生组件、负集电极层、阳离子交换膜层、处理隔层、阴离子交换膜层、正集电极层以及第二磁场发生组件；其中，

5、所述处理隔层位于所述阳离子交换膜层和所述阴离子交换膜层之间，所述负集电极层位于所述阳离子交换膜层和所述第一磁场发生组件之间，所述正集电极层位于所述阴离子交换膜层和所述第二磁场发生组件之间；

6、所述负集电极层内部具有第一磁性流动电极流道，所述正集电极层内部具有第二磁性流动电极流道，所述处理隔层内部具有处理流道。

7、在一种可选的实施方式中，所述电吸附装置为卷式电吸附装置，所述电吸附模块为卷式电吸附模块，在所述卷式电吸附模块中，所述第一磁场发生组件呈圆柱体状，其余各所述功能层呈筒状并按照预设顺序套设在所述第一磁场发生组件周围；

8、可选地，所述第一磁性流动电极流道、所述第二磁性流动电极流道和所述处理流道均为直线型流道，各流道的延伸方向与所述第一磁场发生组件的柱高方向平行。

9、在一种可选的实施方式中，所述电吸附装置还包括进口封口板和出口封口板，所述进口封口板设置在所述电吸附模块的进口端，所述出口封口板设置在所述电吸附模块的出口端；

10、可选地，所述电吸附装置还包括进口分配组件和出口分配组件；

11、所述进口分配组件设置在所述进口封口板上并与所述电吸附模块的进口端连通，用于将流入所述电吸附模块的液体分配至对应功能层中；

12、所述出口分配组件设置在所述出口封口板上并与所述电吸附模块的出口端连通，用于将流出所述电吸附模块的液体进行分流。

13、在一种可选的实施方式中，所述电吸附装置还包括正集电极接头、负集电极接头和磁场控制接头；

14、所述正集电极接头、负集电极接头和磁场控制接头分别各自独立地设置在所述进口封口板和/或所述出口封口板上；

15、所述正集电极接头与所述正集电极层相连，所述负集电极接头与所述负集电极层相连；

16、所述磁场控制接头与所述第一磁场发生组件和所述第二磁场发生组件相连，用于控制所述第一磁场发生组件和所述第二磁场发生组件之间的磁场强度呈周期性变化。

17、在一种可选的实施方式中，所述磁性流动电极包括磁性树脂；

18、可选地，所述磁性树脂包括磁性两性离子交换树脂；

19、可选地，所述磁性两性离子交换树脂包括磁性苯乙烯系两性离子交换树脂、磁性丙烯酸系两性离子交换树脂、磁性酚醛系两性离子交换树脂、磁性乙烯吡啶系两性离子交换树脂中的至少一种；

20、可选地，所述磁性流动电极包括磁性树脂、炭黑和超纯水，其中所述磁性树脂、所述炭黑和所述超纯水的重量之比为(20～70)：(0～10)：100。

21、在一种可选的实施方式中，所述电吸附模块还包括外壳层，所述外壳层设置在所述功能层外侧并包裹所述功能层；

22、可选地，所述功能层还包括第一支撑层、第一隔水垫片、第二隔水垫片、第三隔水垫片、第四隔水垫片和第二支撑层；

23、所述第一支撑层和所述第一隔水垫片设置在所述第二磁场发生组件与所述正集电极层之间，所述第一支撑层靠近所述第二磁场发生组件设置，所述第一隔水垫片靠近所述正集电极层设置；

24、所述第二隔水垫片设置在所述阴离子交换膜层与所述处理隔层之间；所述第三隔水垫片设置在所述处理隔层与所述阳离子交换膜层之间；

25、所述第四隔水垫片和所述第二支撑层设置在所述负集电极层与所述第一磁场发生组件之间，所述第四隔水垫片靠近所述负集电极层设置，所述第二支撑层靠近所述第一磁场发生组件设置。

26、第二方面，本技术提供了上述电吸附装置在水处理中的应用。

27、第三方面，本技术提供了一种利用上述电吸附装置进行水处理的方法，包括如下步骤：

28、使待处理原水流入所述处理隔层的处理流道中，使磁性流动电极流入所述负集电极层的第一磁性流动电极流道和所述正集电极层的第二磁性流动电极流道中；

29、在所述负集电极层和所述正集电极层之间施加工作电压，同时控制所述第一磁场发生组件与所述第二磁场发生组件之间的磁场强度呈周期性变化。

30、在一种可选的实施方式中，所述待处理原水的ph值为6～9；所述待处理原水中含有小分子有机物，所述小分子有机物的含量不低于0.1μg/l；

31、可选地，所述小分子有机物包括尿素、三氯甲烷、二溴一氯甲烷、含烷氧基小分子有机物、含羰基小分子有机物中的至少一种；

32、可选地，所述待处理原水的流速为10～5000ml/min。

33、在一种可选的实施方式中，所述工作电压为0.1～1.24v；

34、可选地，所述控制所述第一磁场发生组件与所述第二磁场发生组件之间的磁场强度呈周期性变化，包括：

35、控制所述磁场强度为0～2000mt，变化周期为0～10min，变化速度为0～200mt/min。

36、本技术的技术方案至少具有如下有益效果：

37、(1)本技术提供的电吸附装置，设置有第一磁场发生组件和第二磁场发生组件，进而能够施加外磁场并对外磁场进行调控。通过外磁场调控，一方面能够实现电荷渗流网络的原位可控构建，另一方面能够实现磁性流动电极的粘度及电子传导率等特性的便利调节，这能够显著增强电吸附装置对污染物的捕获和介导效应，提升电吸附装置的处理效能及系统稳定性。

38、同时，该电吸附装置还能够营造电磁协同作用的场景，电磁协同作用能够改善装置内物质的迁移特性，从而通过电磁协同增效机制提升装置对小分子有机物的清除能力，实现小分子有机物的高效深度净化，突破以再生水为水源制备电子级超纯水的技术瓶颈。

39、(2)本技术提供的电吸附装置，具体可以为卷式电吸附装置，卷式构造能够提高磁性流动电极的水力特性，能够充分发挥磁性流动电极的优势，提升磁性流动电极对小分子有机物的吸附效果。

40、(3)本技术提供的电吸附装置，所使用的磁性流动电极包括磁性树脂，磁性树脂具有含磁性导电物质、粒径小、官能团可调且易构建、有机物选择性强、吸附容量和效率高等特点，作为磁性流动电极可增强对小分子有机物的吸附选择性和吸附效能；

41、同时，磁性树脂颗粒一般为尺寸较为均匀的圆球形，因此磁性树脂作为磁性流动电极具有更好的水力特性及接触传质性能，能够进一步提升对小分子有机物的吸附效果。

42、(4)本技术提供的电吸附装置，磁性树脂选择性强，可有效吸附小分子有机物。电场改变了污染物的物质特性，可使得磁性树脂更好地吸附小分子有机物。同时，体系中存在电场和磁场共同作用的场景，在此场景下，磁场的动态变化加快了物质的迁移和导电。并且磁场的存在能够有效提高集流体附近区域活性电极的浓度，磁场调控时磁性树脂的快速聚集过程增加了有效工作面积，加强了磁性材料介导活性电极间的电子转移性能。