一种磁场增强的电容去离子连续水净化装置及其方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及工业用水处理的一种磁场增强的电容去离子(MECDI)连续水净化的方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，水体污染、环境保护相关的工业用水软化、水溶性的放射性废物、电厂循环冷却系统的排污水、钢厂综合废水、造纸废水、合成氨废水、钢厂冷轧废水及石化炼油废水等水处理的技术因为涉及国计民生受到广泛关注。目前，应用比较广泛的水处理技术包括离子交换法、反渗透法和电渗析法等，然而这些方法具有能耗高、产生二次污染、使用维护运行成本高等局限。

电容去离子(Capacitive Deionization,CDI)，是一种基于双电层电容理论的水处理净化技术，其于20世纪60年代提出后，在20世纪90年代后随着碳气凝胶材料的应用体现出极大的应用优势。电容去离子技术(CDI)通过施加电压强制离子向带有与自身所带相反电荷的电极处迁移，被电极产生的双电层吸附束缚而从溶液中去除，使水中的离子浓度大大降低，从而达到水净化的目的。目前，这种技术应用的关键技术在于通过孔隙材料获得尽可能大的电极比表面积，存在的主要问题电极的离子吸附存在饱和极限，需要周期性停机更换，不适于连续工作服役的工况、水体中离子浓度较大的工业级用水工况和水体中颗粒物、杂质粒子含量高的的工况，同时电极成本高也制约其在工业生产活动中的应用。

因此，针对工业用水纯化、去离子应用，研究开发一种适合连续工作服役工况和颗粒、杂质比较多工况下的高效快速水体去离子处理方法就成为当前的迫切需要。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种磁场增强的电容去离子连续水净化的方法(MECDI)，采用轮盘模型或水车模型对电极板的周期性加载电场实现废水中正、负离子的吸附过程和吸附离子的脱附过程，解决了现有CDI技术中由于电极表面离子吸附饱和而需要周期性更换电极的问题，保证了连续水处理过程的可靠性；采用磁场增强原理，利用闭合磁场(磁力线)约束离子运动空间在电极表面，从而实现离子在电极表面的有效吸附，解决了现有CDI技术依赖电极高比表面积造成的电极成本过高、吸附离子难以脱附的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种磁场增强的电容去离子连续水净化装置，包括设在封装外壳内的轮毂、轮辐和侧壁组成的数个隔离腔室，隔离腔室的侧壁与旋转驱动辊轮滚动连接；封装外壳上部固定支撑废水注水管；相互独立的隔离腔室中设有沿侧壁的闭合磁场；在封装外壳的内壁上设有数组滑动接触电极；滑动接触电极一端与直流电源接口相连，另一端合隔离腔室的外侧壁滑动弹性压紧接触，形成加载电场区域，使进入该区域的隔离腔室的侧壁间形成电场；封装外壳底板上设有弹性隔离挡板，弹性隔离挡板固定在封装外壳上，其上端与隔离腔室的径向外缘弹性碰触，用以分隔水流避免混溅；封装外壳下部设有与外部的水泵相连的雾化冲洗机构；水泵的输入口与沉降池相连通；封装外壳底部设有相互隔离的沉降池和净化水导引槽。

所述的轮毂和轮辐采用耐腐蚀绝缘材料。

所述的轮辐上固定有扇形覆盖件，扇形覆盖件采用耐腐蚀的导电材料。

所述的隔离腔室采用轮盘或水车结构的腔室，材料采用耐腐蚀的导电材料。

所述的滑动接触电极弹性压紧扇形覆盖件构成电场加载区域。

所述的滑动接触电极设置在废水注入口的相对侧中上部，形成的加载电场区域约覆盖隔离腔室侧面总面积的1/2～5/8区域。

利用一种磁场增强的电容去离子连续水净化装置净化水的方法，包括以下步骤：

步骤1，废水经过废水注水管注入下方的隔离腔室，隔离腔室随后旋转进入设置有滑动接触电极的加载电场区域，在隔离腔室侧壁的电场作用下，隔离腔室内废水中的正、负离子分别向负极、正极侧壁内表面吸附，同时由于隔离腔室侧壁内表面的闭合磁场约束，运动的正、负离子被约束在隔离腔室侧壁内表面；

步骤2，加载电场的隔离腔室旋转，利用离心力和重力，经CDI处理后的净化水通过导引槽收集排出再利用；

步骤3，隔离腔室继续旋转离开电场加载区域，采用水泵将进行过沉降处理后的冲洗水加压泵送，通过雾化冲洗机构冲洗脱附表面的离子，利用离心力和重力，冲洗溶液收集进入沉降池，进行沉降处理，沉降池底部为沉降处理后的析出物，弹性隔离挡板用于隔离雾化冲洗可能飞溅混入到右侧的净化水通过导引槽，避免可能的水污染；

步骤4，隔离腔室继续旋转进入加载电场区域，重复步骤1-3，连续进行CDI净化水过程。

本发明的工作原理是：

1)废水(待处理水)经过废水注水管2注入加载电场的隔离腔室1，进行CDI离子吸附或电解处理。

2)加载电场的隔离腔室旋转，利用离心力和重力，经CDI处理后的净化水通过导引槽7收集排出。

3)隔离腔室继续旋转进入撤除电场区域(图1阴影区域)，雾化冲洗机构冲洗脱附表面的离子，利用离心力和重力，冲洗溶液收集进入沉降池8。

4)腔室继续旋转进入加载电场区域，重复上述1-3过程，连续进行CDI净化水过程。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明采用耐腐蚀绝缘材料制造轮毂和轮辐；采用耐腐蚀的导电材料(钛合金、石墨、镍、不锈钢等)的板材加工成扇形覆盖件，固定在隔离腔室的轮辐上，形成隔离腔室，扇形覆盖件之间用绝缘材料分隔，构成类似轮盘或水车结构的腔室组；采用支撑框架支撑轮毂；采用多组滑动接触电极弹性压紧扇形覆盖件外侧构成电场加载区域；采用辊轮结构或直联电机-减速结构驱动腔室以一定转速旋转；采用净化水导引槽7承接隔离腔室的出水引出净化水；采用直流电源提供电场支持，采用磁铁或电磁线圈提供磁场支持；采用高压雾化冲洗机构清洗方式在离子脱附区域冲洗隔离腔室壁的吸附离子，并收集冲洗液进入沉降池，沉降池用于絮凝沉淀或过饱和沉淀等方法处理废液、提供冲洗隔离腔室的冲洗水。优点具体如下：

1)与常规的电容去离子CDI技术相比、采用闭合磁场增强方式实现离子运动空间的束缚，强化离子吸附效果，利于提高去离子吸附效率和吸附厚度，如图1所示；

2)与常规的电容去离子CDI技术相比，采用轮盘、水车结构，连续循环工作进行水净化处理，不存在由于电极吸附达到饱和需要停机更换电极材料及再处理的弊端，如图2所示；

3)通过沉降池和净化水导引槽结构实现废水中电解质浓缩和水净化同步完成，沉降池中的过饱和析出物可以便于回收和二次利用，无二次污染、经济环保；

4)采用开放体系，灵活安全，可以在沉降池、净化导引槽内灵活加入络合改性剂、活性剂等技术，工艺兼容性好。

5)与离子交换法相比，可以可靠的实现各种金属离子(包括重金属离子)、酸根离子的吸附脱除，没有特定某种离子的局限性；

6)与热蒸发法相比，不需要高额能耗、不会产生废气、效率更高

7)和电渗析和反渗透相比,结构简单、操作简便，不需要高电势和额外高压驱动；

综上，本发明专利是基于CDI技术原理发展提出的磁场增强的连续水净化处理MECDI方法，具有低能耗、低成本、长寿命、高效率、无污染、环保节能等优势，适合企业、厂、矿工业水处理工况。

附图说明

图1是磁场增强的电容去离子(MECDI)水净化原理图。

图2是MECDI水净化装置的工作过程原理图。

图3(a)是某热电厂供暖管路的循环水的的MECDI水净化处理的pH测试曲线。

图3(b)某热电厂供暖管路的循环水的的MECDI水净化处理的电导率测试曲线图。

图4(a)是某能源行业酸性工业废水的MECDI水净化处理的pH测试曲线图。

图4(b)是某能源行业酸性工业废水的MECDI水净化处理的电导率测试曲线图。

图中：1-隔离腔室，2-废水注水管，3-滑动接触电极，4-旋转驱动辊轮，5-直流电源接口，6-弹性隔离挡板，7-净化水导引槽，8-沉降池，9-过饱和析出物，10-水泵，11-雾化冲洗机构，12-永久磁铁一，13-封装外壳，14-永久磁铁二，15-隔离腔室侧壁一，16-隔离腔室侧壁二，17-闭合磁场，18-CDI净化处理水。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种磁场增强的电容去离子连续水净化装置，包括设在封装外壳13内的轮毂、轮辐和侧壁组成的数个隔离腔室1，隔离腔室1的侧壁与旋转驱动辊轮4滚动连接；封装外壳13上部固定支撑废水注水管2；相互独立的隔离腔室1设有沿外侧壁的永久磁铁一12；在封装外壳的内壁上设有数组滑动接触电极3；滑动接触电极3一端与直流电源接口5相连，另一端合隔离腔室的外侧壁滑动弹性压紧接触，形成加载电场区域，使进入该区域的隔离腔室的侧壁间形成电场；封装外壳13底板上设有弹性隔离挡板6，弹性隔离挡板6固定在封装外壳13上，其上端与隔离腔室的径向外缘弹性碰触，用以分隔水流避免混溅；封装外壳13下部设有与外部的水泵11相连的雾化冲洗机构11；水泵11的输入口与沉降池8相连通；封装外壳13底部设有相互隔离的沉降池8和净化水导引槽7。封装外壳设有数组滑动接触电极，滑动接触电极与隔离腔室的侧壁外侧滑动接触，形成隔离腔室侧壁间电场。

所述的轮毂和轮辐采用耐腐蚀绝缘材料。所述的轮辐上固定有扇形覆盖件，扇形覆盖件为隔离腔室的侧壁，扇形覆盖件采用耐腐蚀的无磁、导电材料。所述的隔离腔室采用轮盘或水车结构的腔室。所述的隔离腔室彼此绝缘。所述的数组滑动电极3弹性压紧扇形覆盖件滑动接触构成电场加载区域。所述的滑动接触电极设置在废水注入口的相对侧中上部，形成的加载电场区域约覆盖隔离腔室侧面总面积的1/2～5/8区域。

固定在隔离腔室侧壁外侧的磁极极性相间排布的永久磁铁12(如钕铁硼磁铁等)形成表面闭合磁场17。

利用一种磁场增强的电容去离子连续水净化装置净化水的方法，包括以下步骤：

步骤1，废水经过废水注水管2注入下方的隔离腔室1，隔离腔室随后旋转进入设置有滑动接触电极3的加载电场区域，在隔离腔室侧壁的电场作用下，隔离腔室1内废水中的正、负离子分别向负极、正极侧壁内表面吸附，同时由于隔离腔室侧壁内表面的闭合磁场17约束，运动的正、负离子被约束在隔离腔室侧壁内表面；其中，其中，闭合磁场17的形成通过在隔离腔室外侧表面固定磁极极性相间排布的永久磁铁一12(如钕铁硼磁铁)来形成；

步骤2，加载电场的隔离腔室旋转，利用离心力和重力，经CDI处理后的净化水通过导引槽7收集排出再利用；

步骤3，隔离腔室继续旋转离开电场加载区域，采用水泵10将进行过沉降处理后的冲洗水加压泵送，通过雾化冲洗机构11冲洗脱附表面的离子，利用离心力和重力，冲洗溶液收集进入沉降池8，进行沉降处理，沉降池8底部为沉降处理后的析出物9，弹性隔离挡板6用于隔离雾化冲洗可能飞溅混入到右侧的净化水通过导引槽7，避免可能的水污染；

步骤4，隔离腔室继续旋转进入加载电场区域，重复步骤1-3，连续进行CDI净化水过程。

如图1所示，多组磁极极性相间的永久磁铁一12、永久磁铁二14排列构成隔离腔室内外表面的闭合磁场17，运动离子在磁场洛伦兹力作用下沿闭合磁场(磁力线)回转运动，从而在更大的空间范围内约束正、负离子吸附在隔离腔室侧壁一15、隔离腔室侧壁二16的内表面，提高侧壁的离子吸附能力和效率，隔离腔室侧壁一为负极，隔离腔室侧壁二为正极。在施加电场的情况下，废水中的正负离子各自向低电势负极侧壁和高电势正极侧壁运动，在闭合磁场约束下锁定在侧壁的内表面附近实现去离子CDI效应，去除离子后的腔室中的水18得到净化。

MECDI工作过程说明如图2所示，待处理工业废水通过废水注水管2加入到隔离腔室1，通过直流电源接口5连接外接电源的多组滑动接触电极3形成加载电场区域，当隔离腔室1旋转进入到加载电场区域，此时由滑动接触电极组持续给隔离腔室的侧壁加载电场，在闭合磁场的约束下和电场力作用下，废水中的正、负离子吸附在隔离腔室的内壁；当隔离腔室1旋转到右下侧位置时，在离心力和重力作用下，隔离腔室内部的脱除部分离子的处理水流入到净化水导引槽7进行回收再利用；当隔离腔室继续旋转到左下侧位置，此时脱离滑动电极接触，离开加载电场区域，吸附在隔离腔室内壁表面的离子吸附层在雾化冲洗机构11的冲洗水流作用下，流入沉降池8，随着过饱和析出、或沉降絮凝沉积在沉降池底部。这一过程连续运行，工业废水中的离子逐渐降低，电导率趋于220μS/cm～400μS/cm、pH值趋于7.2～8.5之间，达到再生利用的要求。

参见图2，外接电源的直流电源接口5通过多组滑动接触电极3始终给其中1/2～5/8数目的隔离腔室加载电场(1V～2V，电场强度E＝100V/m～200V/m)形成电场加载区域，运行到电场加载区域内的腔室内待处理废水在侧壁内表面形成沿侧壁的闭合磁场17的离子吸附层，脱除废水中的大部分离子，得到净化的CDI净化处理水18通过净化水导引槽7流出。当隔离腔室继续旋转脱离电场加载区域后，如图2中灰色区域，隔离腔室侧壁内表面吸附的离子脱离吸附，在雾化冲洗过程中，流入沉降池8。

第五部分：

实施例1：

样品采集某热电厂供暖管路的循环水处理样品，其主要离子构成和废水的pH、电导率数据如表所示。

实验用废水样品量为2L，采用MECDI水处理实验装置如图2所示，旋转盘直径150mm，设计8个独立扇形腔室，单个腔室的容积约为14.4ml，腔室内侧壁间距10mm；外侧均匀排列16个磁极相间的钕铁硼永久磁铁(磁感应强度B＝1.2T)；加载电压1V～2V，电流≤2A；旋转速度30rpm，废水注入流量(0.8～0.9)ml/sec；MECDI水处理过程中处理后水的pH和电导率数据如图3所示，从图中数据曲线可以得知，对于加载外部磁场辅助的条件，随着CDI处理过程，处理后水的pH、电导率的降低幅度和速率显著改善，表明磁场增强的MECDI技术可以高效率、快速实现碱性工业废水中的离子去除；随着MECDI循环处理时间的增加，pH和电导率均持续降低，在大约45min以后，水处理后的pH从10.37降低到8.5，电导率从1236μS/cm降低到375μS/cm，基本满足工业用水的循环再利用要求。

实施例2：

样品采集某能源类企业工业用水水处理样品，其主要离子构成和废水的pH、电导率数据如表所示。

实验用废水样品量为2L，采用MECDI水处理实验装置如图2所示，旋转盘直径150mm，设计8个独立扇形腔室，单个腔室的容积约为14.4ml，腔室内侧壁间距10mm；外侧均匀排列16个磁极相间的钕铁硼永久磁铁(磁感应强度B＝1.2T)；加载电压1V～2V，电流≤2A；旋转速度30rpm，废水注入流量(0.8～0.9)ml/sec；MECDI水处理过程中处理后水的pH和电导率数据如图4所示，具有明显的指数变化特征，初期急剧变化，后期变化趋于平缓；对于加载外部磁场辅助的条件，处理后水的pH、电导率的降低幅度和速率显著改善，表明磁场增强的MECDI技术也可以高效率、快速实现酸性工业废水中的离子去除；在大约30min以后，处理后的净化水的pH约为7.1～7.3，电导率降低到190μS/cm～200μS/cm，接近饮用水的指标，满足工业用水的循环再利用需求。