一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置

技术领域

本发明涉及电化学和膜分离领域，尤其涉及一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置。

背景技术

重金属污染是水污染现象中突出的问题之一，这些废水中的重金属主要来自于电镀、冶金、电池制造，化工生产等行业。金属离子的种类包含钙、镁、银、钯、铬、铁、锰、钴、汞等。将含有重金属的废水排至环境中会影响生态循环、危害人类身体健康、甚至通过遗传的方式影响后代发育。目前针对含重金属的废水的处理方法有很多，主要是化学法、物理法和生物法。化学法作为最常用的技术，需要额外向水体中投加各种药剂，这种技术会造成水体的二次污染，并且随着国家对于药剂使用的严格规范，化学法在未来的水处理应用中会受到局限。物理法可以避免化学药剂投加的弊端，但物理分离过程只会产生危害性更大的浓水，不能从根本上实现重金属的去除和转化，且投资成本高。而生物法存在启动周期漫长，受水质条件影响大，产率低等问题。

电化学是一种绿色的主动型技术，可以通过提供清洁的电子和分解水使溶液中的金属发生氧化还原反应，进而从溶液中富集去除。目前大多数研究都是围绕着提高效率进行的，为了提高电化学技术的处理能力，化学改性和复杂的电极处理等方法也被广泛研究。但是依旧采用传统的材料和工艺，并且很少见到电化学技术与其他技术的结合。而且实际工程中不仅需要高效的金属去除性能，更需要降低处理成本，还需考虑重金属离子的妥善回收。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置。

本发明的技术方案：

一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置，包括四者依次连通的电化学结晶区A13、颗粒膜分离区A14、电化学结晶区B15、颗粒膜分离区B16，以及电化学阳极反应区17；电化学阳极反应区17位于电化学结晶区A13、颗粒膜分离区A14、电化学结晶区B15、颗粒膜分离区B16的一侧；电化学结晶区A13一侧面开有进水口6，其另一侧和颗粒膜分离区A14的共有面上开有溢流口A12；颗粒膜分离区A14和电化学结晶区B15共有面上安装膜组件单元A8；电化学结晶区B15和颗粒膜分离区B16共有面上开有溢流口B25；颗粒膜分离区B16的另一侧面上开有出水口C20；电化学阳极反应区17与颗粒膜分离区A14和颗粒膜分离区B16的接触面分隔开；电化学阳极反应区17的两端分别设置出水口A7和出水口B19；电化学阳极反应区17通过连接膜组件单元B26与电化学阳极反应区17连通；

液体通过溢流口A12由电化学结晶区A13流向颗粒膜分离区A14，之后再经过膜组件单元A8流向电化学结晶区B15；液体通过溢流口B25由电化学结晶区B15流向颗粒膜分离区B16，之后再由出水口C20流出装置或经膜组件单元B26流向电化学阳极反应区17；

电化学结晶区A13包括反应区A和颗粒回收区A；反应区A用于分隔电化学结晶区A13和电化学阳极反应区17，其包括丝网阴极A9、绝缘隔网10和丝网阳极11，三者紧密贴合；颗粒回收区A位于电化学结晶区A13底部，与电化学结晶区A13相通，其呈无顶面的倒梯形，包括颗粒回收槽A1和防回流板2，梯形的两腰为防回流板2；

膜分离区颗粒回收槽A3位于颗粒膜分离区A14底部，与颗粒膜分离区A14相通；

电化学结晶区B15包括反应区B和颗粒回收区B；反应区B用于分隔电化学结晶区B15和电化学阳极反应区17，其包括紧密贴合的丝网阴极B27、绝缘隔网10和丝网阳极11；颗粒回收区B包括颗粒回收槽B4和防回流板2，其结构与颗粒回收区A结构相同；

膜分离区颗粒回收槽B5位于颗粒膜分离区B16底部，与颗粒膜分离区B16相通。

所述电化学结晶区A13还包括集气区和曝气区；集气区安装于电化学结晶区A13顶面，其包括集气罩23和排气口24；曝气区包括进气口21和曝气管22。

该多功能装置还包括隔断板18，其用于分隔电化学结晶区A13的反应区A和颗粒回收区A，反应区A和颗粒回收区A间的内壁面设有滑槽；隔断板18还用于分隔电化学结晶区B15的反应区B和颗粒回收区B，反应区B和颗粒回收区B间的内壁面设有滑槽。

所述丝网阴极A9和丝网阴极B27为金属材质，可以是不锈钢，铁，铜，钛等中的任意一种；所述绝缘隔网10可以是离子交换膜、尼龙隔网、碳布、碳毡等中的任意一种；所述绝缘隔网10为尼龙隔网、碳布或碳毡时，其目数≥200目或孔径范围为0.001-40μm。

所述液体含有钙、镁、银、钯、铬、铁、锰、钴、汞等金属离子，且含有足量的碳酸氢根离子，碳酸氢根离子与金属的摩尔比为(＞2)：1。

所述液体含有钙、镁、银、钯、铬、铁、锰、钴、汞等金属离子，且含有少量或者无碳酸氢根离子在液体中，此时需在进气口(21)通入含有一定质量的二氧化碳气体，二氧化碳气体和金属的摩尔比为(1-10)：1。

所述膜组件单元A8和膜组件单元B26为金属膜、有机膜、碳膜中的一种，且膜孔径范围为0.001-20μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)首次提出了丝网阴极/绝缘隔网/丝网阳极的紧凑结构，加速了结晶区碱性区域的生成速率和扩散距离，从而将金属的成核位置由电极表面(非均相成核)转移到溶液(均相成核)中。提高了金属的沉积速率的同时，降低了运行能耗。

(2)将电化学技术和膜分离手段有效结合，电化学技术控制晶核尺寸与膜孔径相匹配，缩短金属颗粒成型时间，提高装置通量同时进一步降低能耗。

(3)控制不同结晶区的碱度，实现多种金属的有序去除。产物金属纳米颗粒尺寸均匀，纯度高，无需二次处理，便于回收。

(4)装置功能多样化，除金属去除及产物资源化回收之外，还可用于废水处理、二氧化碳回收和生产酸碱溶液等各个领域。

(5)该装置结构简单，容易操作，便于实现自动化一体设计。

附图说明

图1为一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置的结构示意图。

图2为一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置的俯视图。

图3为回收的纳米碳酸钙颗粒扫描电镜图。

图4为回收的纳米氢氧化镁颗粒扫描电镜图。

图中：1-颗粒回收槽A；2-防回流板；3-膜分离区颗粒回收槽A；4-颗粒回收槽B；5-膜分离区颗粒回收槽B；6-进水口；7-出水口A；8-膜组件单元A；9-丝网阴极A；10-绝缘隔网；11-丝网阳极；12-溢流口A；13-电化学结晶区A；14-颗粒膜分离区A；15-电化学结晶区B；16-颗粒膜分离区B；17-电化学阳极反应区；18-隔断板；19-出水口B；20-出水口C；21-进气口；22-曝气管；23-集气罩；24-排气口；25-溢流口B；26-膜组件单元B；27-丝网阴极B。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置，其中电化学结晶区A13呈弱碱性、颗粒膜分离区A14中生成以碳酸钙为代表的纳米颗粒、电化学结晶区B15呈强碱性、颗粒膜分离区B15中生成以氢氧化镁为代表的纳米颗粒。

实施例1

本发明的一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置，用于处理含有Ca

结合图1、2说明本发明具体实施方式，选择目数为10目的不锈钢丝网作为丝网阴极A9和丝网阴极B27、400目的尼龙隔网作为绝缘隔网10、钌铱钛网作为丝网阳极11，将三者紧密贴合放置于电化学结晶区A13和电化学结晶区B15。将模拟水从进水口6通入到装置中，依次流经电化学结晶区A13、颗粒膜分离区A14、电化学结晶区B15和颗粒膜分离区B16后从出水口C20流出。膜组件单元A8和膜组件单元B26选择孔径为300nm的有机膜。调节丝网阴极A9的电流密度为12mA/cm

表1.各个反应区溶液中残留钙、镁硬度及pH值。

实施例2

本发明的一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置，用于处理含有Ca

结合图1、2说明本发明具体实施方式，选择目数为10目的不锈钢丝网作为丝网阴极A9和丝网阴极B27、400目的尼龙隔网作为绝缘隔网10、钌铱钛网作为丝网阳极11，将三者紧密贴合放置于电化学结晶区A13和电化学结晶区B15。将模拟水从进水口6通入到装置中，依次流经电化学结晶区A13、颗粒膜分离区A14、电化学结晶区B15和颗粒膜分离区B16后从出水口C20流出。膜组件单元A8和膜组件单元B26选择孔径为300nm的有机膜。将CO

表2.各个反应区溶液中CO

实施例3

本发明的一种用于金属去除及纳米颗粒产物回收的多功能装置，用于处理某工厂实际循环冷却水，以降低循环水硬度(Ca

结合图1、2说明本发明具体实施方式，选择目数为10目的不锈钢丝网作为丝网阴极9和丝网阴极B27、400目的尼龙隔网作为绝缘隔网10、钌铱钛网作为丝网阳极11，将三者紧密贴合放置于电化学结晶区A13和电化学结晶区B15。将模拟水从进水口6通入到装置中，依次流经电化学结晶区A13、颗粒膜分离区A14、电化学结晶区B15、颗粒膜分离区B16和电化学阳极反应区17后从出水口A7流出。膜组件单元A8和膜组件单元B26选择孔径为300nm的有机膜。调节丝网阴极A9的电流密度为12mA/cm

表3.各个反应区溶液中残留钙、镁硬度以及pH值。

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