一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置及其使用方法，该装置包括中心圆柱状膜电极、弧形对电极、圆筒式绝缘外壳、电机控制装置、外接电源、柔性接触式密封单元；中心圆柱状膜电极具备电控离子交换功能，柔性接触式密封单元把中心膜电极与外部弧形对电极之间的环形腔室均匀地分为原料液室和再生液室，并把原料液与再生液分别注入原料液室和再生液室，在中心膜电极和外部弧形对电极上分别施加不同的电位并控制相应电极的旋转，可使膜电极对原料液中目标离子的吸附与膜电极在再生液中的脱附连续完成。本发明专利技术无需切换液路，密封效果好，操作方便；溶液中离子直接在膜电极表面吸/脱附，离子传递速度快、分离效率高，膜电极可以连续运行。

【技术实现步骤摘要】
一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置及其使用方法
本专利技术涉及一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置及其使用方法，属于离子分离和回收

技术介绍
在工业生产过程中的原料液和中间产物中往往含有各种金属和非金属离子杂质，这些微量杂质离子会腐蚀反应器、诱发副反应，进而降低反应效率和产物纯度。尤其是近年来含有难生物降解的毒性金属或非金属离子废水的排放日益增多，由此而引发的饮用水和食品安全问题屡见不鲜。另一方面工业废水中所含毒性金属或非金属离子如稀土及其它贵金属等也是一种重要的战略资源，因此从溶液中有效地分离回收这些离子，不但可以达到节能减排和资源化利用的双重目的，而且对于经济的可持续性发展具有重要的战略意义。目前工业中处理含离子废水的主要方法包括沉淀法、吸附法、离子交换法、膜分离法、溶剂萃取法、氧化/还原法和生物处理技术。但这些传统的处理离子废水的方法在实际操作中都存在一定的缺陷，成本高且化学反应和离子分离基体再生过程容易产生二次污染，因此寻求在常温下可以连续运行、密封效果优异、结构简单、操作方便、耗能低、分离高效、无二次污染的新型离子分离回收技术一直是处理含离子废水研究的重点。电控离子交换（Electrochemicallyswitchedionexchange,ESIX）是一种新型的离子分离回收技术。具体是将电活性离子交换材料沉积到导电基体上制得膜电极，利用电活性离子交换材料的电控离子交换特性，通过电化学方法控制膜电极在氧化和还原状态间转化，从溶液中可逆的置入和释放离子，进而实现离子的可控分离和膜电极的循环利用。常规的ESIX主要用来分离回收单一的阳离子或阴离子（如Electrochim.Acta,2001,47:741;2013,87:119;Environ.Sci.Technol.,2006,40:4004，）但这些操作通常在间歇状态下进行，运行效率低，难以实现工业化应用。将ESIX技术与膜分离技术结合可以实现目标离子连续电控分离与回收。中国专利CN102583664A公开了一种采用离子交换膜和一组ESIX膜电极组成的隔膜式反应器，通过交替给膜电极施加氧化/还原电位，结合外部供液系统可以实现单一离子的连续电控分离回收，但该系统操作过程复杂且需要附加电路和液路切换系统，运行成本高。中国专利CN102718292A公开了一种双隔膜电极反应器，采用双隔膜选择渗透电极并在辅助电极施加的电场力作用下实现阴、阳离子连续性分离。该分离工艺无需切换液路，但离子需要穿越隔膜电极，离子的传递阻力大、分离效率低且需要施加外部电场操作不便。中国专利CN104587835A公开了一种套筒式反应器，通过控制同心双层套筒惰性电极的开启和闭合，结合外部电源交替调控膜电极的氧化/还原电位可以实现对阴、阳离子的连续分离回收，但该工艺需要附加电路和液路切换系统。同时，该工艺因为没有考虑处理液和再生液的分离密封问题，处理液和再生液共室会产生相互干扰，降低分离效率，不利于工业化应用。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置，其特点是在无附加电路和液路切换系统的条件下利用中心圆柱状膜电极或外部弧形对电极的转动实现对溶液中目标离子的连续分离，无需电活性离子交换功能膜，密封效果好，离子分离效率高，操作简单，易于实现工业化。本专利技术还提供了该装置的使用方法。本专利技术提供了一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置，包括中心圆柱状膜电极、柔性接触式密封单元、弧形对电极、圆筒式绝缘外壳、电机控制装置和外接电源；所述中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳同轴；所述中心圆柱状膜电极由圆柱状膜电极导电基体和电活性离子交换功能膜组成，电活性离子交换功能膜位于圆柱状膜电极导电基体外侧，电活性离子交换功能膜为环形块结构，其与柔性接触式密封单元交错排列形成一个圆环，该圆环与圆筒式绝缘外壳之间设有弧形对电极，弧形对电极间隔分布在柔性接触式密封单元之间，弧形对电极与电活性离子交换功能膜相对设置，转动过程中两者不发生改变，二者之间存在环形腔室，且柔性接触式密封单元把环形腔室均匀地分成原料液室和再生液室，相邻的两个环形腔室分别是原料液室和再生液室，原料液室和再生液室相互密闭、二者之间不漏液；在原料液室下方设有进液口，再生液室的上方设有出液口；中心圆柱状膜电极与弧形对电极通过外接电源连接；所述电机控制装置包括控制器，输入转换器，CPU，输出转换器，速度传感器；圆柱状膜电极导电基体和外部弧形对电极在电机控制装置的作用下能发生相对旋转运动；柔性接触式密封单元包括静止块和运动块，其中静止块固定在圆筒式绝缘外壳内侧，均匀地交错分布在两个弧形对电极之间并把弧形对电极绝缘分开，运动块固定在圆柱状膜电极导电基体上，由合页式密封围板、圆柱式球头固定器、弹簧、圆筒式弹簧固定器组成的弧形结构，运动块能与圆柱状膜电极导电基体一起转动；所述运动块所对应的圆心角要比外部弧形对电极所对应的圆心角大，形成转角密封。上述装置中，运动块中合页式密封围板由动页、静页和底板构成，动页和静页通过转轴连接，静页和底板为冲压制成的整体，在动页和静页上分别以焊接或胀接的方法固定圆柱式球头固定器，而圆筒式弹簧固定器则以套接方式与动页和静页上的圆柱式球头固定器连接，弹簧则直接套在圆筒式弹簧固定器上且使弹簧两端分别与动页和静页接触，使动页在径向上存在2~3毫米的形变量，在运动块随着圆柱状膜电极导电基体旋转过程中，当动页与静止块接触时由于彼此挤压使动页在径向上产生变形使弹簧受到压缩产生弹力，进而保证动页能始终与静止块紧密接触。上述装置中，所述静止块是由耐磨材料或绝缘材料制成的弧形结构，运动块的合页式密封围板是由静页和耐磨材料制成的动页组成，动页在运动块内部弹簧的作用下沿着径向发生形变。动页在随着运动块转动的过程中与静止块紧密贴合。上述装置中，电活性离子交换功能膜沉积在相邻两个柔性接触式密封单元与圆柱状膜电极导电基体构成的扇形槽中。上述装置中，柔性接触式密封单元是在圆筒式绝缘外壳与圆柱状膜电极导电基体之间沿着周向均匀地交错分布数对，把中心圆柱状膜电极的电活性离子交换功能膜材料和外部弧形对电极之间的环形腔室均匀地交错分为相互密闭、彼此间不漏液的成对原料液室和再生液室。上述装置中，所述电活性离子交换功能膜的材料是在电化学氧化/还原电位下能够控制目标离子选择性吸/脱附的有机、无机或其复合的电活性材料。进一步地，所述电活性材料为聚苯胺、金属铁氰化物或两者复合的电活性材料。上述装置中，所述弧形对电极是由不锈钢或石墨材料组成的惰性电极，以弧形结构均匀地分布于原料液室和再生液室，相互间通过柔性接触式密封单元绝缘。上述装置中，圆柱状膜电极导电基体中心设有中心转轴轴孔。本专利技术提供了一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置的使用方法，主要包括以下步骤：把含有目标离子的待处理原料液与再生液分别连续输入均匀地交错分布于中心圆柱状膜电极的电活性离子交换膜材料与弧形对电极之间的原料液室和再生液室，在中心圆柱状膜电极和外部弧形对电极上分别施加不同的电位，并通过电机控制装置控制电极旋转，使膜电极对原料液中目标离子的吸附及吸附饱和后的膜电极在再生液中的脱附再生连续完成，进而实现对溶液中目标离子的高效同步电控连续分离。上述使用方法中，阳离子分离时，所述外接电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置，包括中心圆柱状膜电极、弧形对电极、圆筒式绝缘外壳、电机控制装置和外接电源；其特征在于：还包括柔性接触式密封单元；所述中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳同轴；所述中心圆柱状膜电极由圆柱状膜电极导电基体和电活性离子交换功能膜组成，电活性离子交换功能膜位于圆柱状膜电极导电基体外侧，电活性离子交换功能膜为环形块结构，其与柔性接触式密封单元交错排列形成一个圆环，该圆环与圆筒式绝缘外壳之间设有弧形对电极，弧形对电极间隔分布在柔性接触式密封单元之间，弧形对电极与电活性离子交换功能膜相对设置，转动过程中两者不发生改变，二者之间存在环形腔室，且柔性接触式密封单元把环形腔室均匀地分成原料液室和再生液室，相邻的两个环形腔室分别是原料液室和再生液室，原料液室和再生液室相互密闭、二者之间不漏液；在原料液室下方设有进液口，再生液室的上方设有出液口；中心圆柱状膜电极与弧形对电极通过外接电源连接；所述电机控制装置包括控制器，输入转换器，CPU，输出转换器，速度传感器；圆柱状膜电极导电基体和外部弧形对电极在电机控制装置的作用下能发生相对旋转运动；柔性接触式密封单元包括静止块和运动块，其中静止块固定在圆筒式绝缘外壳内侧，均匀地交错分布在两个弧形对电极之间并把弧形对电极绝缘分开，运动块固定在圆柱状膜电极导电基体上，由合页式密封围板、圆柱式球头固定器、弹簧、圆筒式弹簧固定器组成的弧形结构，运动块能与圆柱状膜电极导电基体一起转动；所述运动块所对应的圆心角要比外部弧形对电极所对应的圆心角大，形成转角密封。...

【技术特征摘要】
1.一种溶液中阴阳离子连续性分离的装置，包括中心圆柱状膜电极、弧形对电极、圆筒式绝缘外壳、电机控制装置和外接电源；其特征在于：还包括柔性接触式密封单元；所述中心圆柱状膜电极与圆筒式绝缘外壳同轴；所述中心圆柱状膜电极由圆柱状膜电极导电基体和电活性离子交换功能膜组成，电活性离子交换功能膜位于圆柱状膜电极导电基体外侧，电活性离子交换功能膜为环形块结构，其与柔性接触式密封单元交错排列形成一个圆环，该圆环与圆筒式绝缘外壳之间设有弧形对电极，弧形对电极间隔分布在柔性接触式密封单元之间，弧形对电极与电活性离子交换功能膜相对设置，转动过程中两者不发生改变，二者之间存在环形腔室，且柔性接触式密封单元把环形腔室均匀地分成原料液室和再生液室，相邻的两个环形腔室分别是原料液室和再生液室，原料液室和再生液室相互密闭、二者之间不漏液；在原料液室下方设有进液口，再生液室的上方设有出液口；中心圆柱状膜电极与弧形对电极通过外接电源连接；所述电机控制装置包括控制器，输入转换器，CPU，输出转换器，速度传感器；圆柱状膜电极导电基体和外部弧形对电极在电机控制装置的作用下能发生相对旋转运动；柔性接触式密封单元包括静止块和运动块，其中静止块固定在圆筒式绝缘外壳内侧，均匀地交错分布在两个弧形对电极之间并把弧形对电极绝缘分开，运动块固定在圆柱状膜电极导电基体上，由合页式密封围板、圆柱式球头固定器、弹簧、圆筒式弹簧固定器组成的弧形结构，运动块能与圆柱状膜电极导电基体一起转动；所述运动块所对应的圆心角要比外部弧形对电极所对应的圆心角大，形成转角密封。2.根据权利要求1所述的溶液中阴阳离子连续性分离的装置，其特征在于：所述运动块中合页式密封围板由动页、静页和底板构成，动页和静页通过转轴连接，静页和底板为冲压制成的整体，在动页和静页上分别以焊接或胀接的方法固定圆柱式球头固定器，而圆筒式弹簧固定器则以套接方式与动页和静页上的圆柱式球头固定器连接，弹簧直接套在圆筒式弹簧固定器上且使弹簧两端分别与动页和静页接触，使动页在径向上存在2~3毫米的形变量。3.根据权利要求1或2所述的溶液中阴阳离子连续性分离的装置，其特征在于：所述静止块是由耐磨材料或绝缘材料制成的弧形结构，所述动页由耐磨材料制成；动页在随着运动块转动的过程中与静止块紧密贴合。4.根据权利要求1所述的溶液中阴阳离子连续性分离的装置，其特征在于：柔性接触式密封单元是在圆筒式绝缘外壳与圆柱状膜电极导电基体之间沿着周向均匀地交错分布数对，把中心圆柱状膜电极的电活性离子交换功能...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝晓刚，蔡富刚，杜晓，张忠林，郑君兰，张兴芳，高凤凤，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14