一种集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置，具体包括:处理槽、电化学发生器、气体扩散组件、蠕动泵和二氧化碳气瓶,所述处理槽内部装有待处理的循环冷却水。所述阴极板与电源的负极相连通,阳极板与电源的正极相连通；所述阳极板和阴极板均设置在处理槽内部，平行于循环冷却水流动方向；所述阴极/水界面水分子的还原反应生成的碱性环境来去除硬度离子Mg

【技术实现步骤摘要】
一种集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置


[0001]本专利技术涉及一种高效稳定的电化学碳捕集除硬技术，属于电化学除硬领域，特别涉及一种集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置。

技术介绍

[0002]我国工业用水量大，2021年全国总用水量5920.2亿m3，工业用水量1049.6亿m3，占全国用水总量的17.7％。其中用水量最大的是冷却用水，约占工业用水量的90％以上。作为工业第一用水大户的工业循环水，其重复利用受限于浓缩倍数增加后管道钙镁离子结垢问题。因此，实现工业循环水钙镁离子(硬度)深度去除是提升循环水水效的关键。
[0003]电化学水质软化技术作为一种环保型的水处理技术,其原理主要是通过阴极/水界面水分子的还原反应生成的碱性环境,促使钙、镁离子以碳酸盐或者氢氧化物形式在其阴极壁面沉积,然后通过物理刮除或者化学酸洗、电化学倒极等方式定期清理阴极壁面垢层,消除垢层产生的电压降,恢复电极除硬活性，以保持恒定的除硬能力和处理能耗。
[0004]相比传统的化学法软化,电化学技术无需或尽可能少地向水体中引入新的离子，并且能在一定程度上省去预调碱、后加酸回调pH值过程、同时具备废渣量少、便于自动化控制等优势。值得一提的是,与传统的被动除垢技术(阻垢剂法、超声波法)相比,该技术的优点在于能够将水中的硬度离子的沉积物取出,以此提升水的重复利用率,达到节水目的。
[0005]另一方面，传统的软化剂NaOH和电化学水处理技术应用的前提是待处理废水含有较高的碱度(CO
32r/>‑
、HCO3‑
)，碱度是硬水软化技术中去除硬度离子Ca
2+
的关键，而现有的案例中需要不断周期性地添加NaHCO3或NaCO3以实现Ca
2+
的高效且可持续性去除，浪费了大量的人力和时间成本。CO2可以在高碱性条件下转化为CO
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‑
或HCO3‑
被广泛报道，在除硬
中，还未见有关该现象的专门报道。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术创造旨在提出一种集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置，可以不需要在外部热源或在高压真空条件下实现，也不需要额外添加特殊的化学物质，以解决
技术介绍
中的问题。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置包括处理槽、电化学发生器、气体扩散组件、蠕动泵和二氧化碳气瓶，所述处理槽内部装有待处理的循环冷却水，所述电化学除硬组件包括阴极板、阳极板和电源；所述阴极板与电源的负极相连通，阳极板与电源的正极相连通；所述阳极板和阴极板均设置在处理槽内部，平行于循环冷却水流动方向；所述阴极/水界面水分子的还原反应生成的碱性环境来去除硬度离子Mg
2+
并溶解CO2转化为CO
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‑
去除硬度离子Ca
2+
；所述阴极板可转动的设置在处理槽上方,便于更换结垢的阴极；所述气体扩散层用于CO2的均匀扩散，以避免CO2气泡对于装置出水稳定性的影响。
[0009]作为优选实施例，所述阳极的材料为钌铱钛。钌铱钛作为阳极具有高电化学效率、
低氧化还原电位、高稳定性的优点，进而具有节能的效果。
[0010]作为优选实施例，所述阴极的材料为不锈钢网，不锈钢作为阴极具有良好的耐腐蚀性、使用寿命长且价格低廉的优点，进而具有减排的效果。
[0011]作为优选实施例，所述气体扩散层为碳布，碳布作为气体扩散层具有高气体扩散性(较大的比表面积和孔隙结构)、轻质化、耐腐蚀性和低成本的优点，具有较高的性价比。
[0012]作为优选实施例，所述气体扩散层固定在阴极外侧。气体扩散层可以起到均匀扩散气体的作用，进而提供相对平稳的水动力环境，有利于保证出水效果的稳定性。
[0013]作为优选实施例，本专利技术的进水口置于阴阳极中间，采用下进上出式“流化床”体系，以提高待处理水的水力停留时间，尽可能保证反应时间以提高硬度的去除率。
[0014]作为优选实施例，本专利技术的出水口置于气体扩散层和阴极之间，且距离阴极1mm
‑
10mm处，局部较高的pH值使得CO2充分转化，阴极附近较高pH的水样流出还可以防止生成的沉淀物堵塞气体扩散层，避免了扩散层失活问题的发生。
[0015]作为优选实施例，本专利技术的工作电压低于24V，电流密度为0
‑
20mA/cm2，根据上述结构，能够采用极低的电流密度和低电压，安全可靠，应用范围广；此外，由于设置为低压低电流密度，因此不存在发热问题，能够进一步延长装置的使用寿命。
[0016]有益效果：本专利技术的除垢装置通过二氧化碳捕获和转化，大幅提高循环水除硬效率，实现了“以废治废”、“变废为宝”。且本专利技术的除硬装置具有较高的稳定性。具体包括以下优点：
[0017](1)通过布设气体扩散层，提供相对稳定的水动力条件，避免了CO2气泡引起的局部流场改变，保证了出水效果的稳定性；
[0018](2)出水口设置于阴极后，流场和电迁移的双重作用实现了Ca
2+
、Mg
2+
离子向阴极的高效迁移；
[0019](3)阴极原位析氢反应维持较高的局部碱性，以实现CO2有效转化，从而实现Ca
2+
、Mg
2+
离子高效去除；
[0020](4)装置结构简单，原材料来源范围广，易购置；
[0021](5)维护成本低，可操作性强，适应场景多，易于实现自动化。
附图说明
[0022]图1是本专利技术电化学深度除硬装置的整体结构示意图。
[0023]图2是本专利技术电化学深度除硬装置的俯视图。
[0024]图3是本专利技术电化学深度除硬装置的侧视图。
[0025]图4是本专利技术电化学深度除硬装置的内部结构示意图。
[0026]图5是本专利技术阴极更换装置的整体结构示意图。
[0027]图6是示出本专利技术在无CO2通入前提下，不同电流密度条件下除硬效果的示意图。
[0028]图7是示出本专利技术在相同电流密度前提下(10mA/cm2),不同流速CO2通入条件下除硬效果的示意图。
[0029]图中各符号代表：1.电源；2.进水箱；3.蠕动泵；4.进水口；5.阳极；6.阴极；7.气体扩散层；8.进气口；9.出水口；10.阴极更换装置；11.出水箱；12.二氧化碳气瓶。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0031]除硬过程及原理：
[0032]阴极/水界面水分子的析氢反应是OH
‑
产生的主反应，此反应使得OH
‑
富集在阴极附近，从而实现Mg...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置，其特征在于，包括:处理槽、电化学发生器、气体扩散组件、蠕动泵和二氧化碳气瓶,所述处理槽内部装有待处理的循环冷却水:所述电化学除硬组件包括:阴极板、阳极板和电源；所述阴极板与电源的负极相连通,阳极板与电源的正极相连通；所述阳极板和阴极板均设置在处理槽内部，平行于循环冷却水流动方向；所述阴极/水界面水分子的还原反应生成的碱性环境来去除硬度离子Mg
2+
并溶解CO2转化为CO
32
‑
去除硬度离子Ca
2+
；所述阴极板可转动的设置在处理槽上方,便于更换结垢的阴极；所述气体扩散层用于CO2的均匀扩散，以避免CO2气泡对于装置出水稳定性的影响。2.根据权利要求1所述的集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置，其特征在于，所述阳极的材料为钌铱钛，钌铱钛作为阳极具有高电化学效率、低氧化还原电位、高稳定性的优点，进而具有节能的效果。3.根据权利要求1所述的集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置，其特征在于，所述阴极的材料为不锈钢网，不锈钢作为阴极具有良好的耐腐蚀性、使用寿命长且价格低廉的优点，进而具有减排的效果。4.根据权利要求1所述的集成CO2捕获和转化双重功能的电化学深度除硬装置，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵锦峰，张乐佳棋，邓宁，黄鑫，黄子格，方笑扬，潘晓樊，胡杰，孟令顺，郭昌进，刘泓志，查曼菲，王一锐，彭琳，倪聪聪，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：