本發(fā)明涉及一種溶液中陰陽離子連續(xù)性分離的裝置及其使用方法，屬于離子分離和回收技術領域。

背景技術：

在工業(yè)生產(chǎn)過程中的原料液和中間產(chǎn)物中往往含有各種金屬和非金屬離子雜質，這些微量雜質離子會腐蝕反應器、誘發(fā)副反應，進而降低反應效率和產(chǎn)物純度。尤其是近年來含有難生物降解的毒性金屬或非金屬離子廢水的排放日益增多，由此而引發(fā)的飲用水和食品安全問題屢見不鮮。另一方面工業(yè)廢水中所含毒性金屬或非金屬離子如稀土及其它貴金屬等也是一種重要的戰(zhàn)略資源，因此從溶液中有效地分離回收這些離子，不但可以達到節(jié)能減排和資源化利用的雙重目的，而且對于經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前工業(yè)中處理含離子廢水的主要方法包括沉淀法、吸附法、離子交換法、膜分離法、溶劑萃取法、氧化/還原法和生物處理技術。但這些傳統(tǒng)的處理離子廢水的方法在實際操作中都存在一定的缺陷，成本高且化學反應和離子分離基體再生過程容易產(chǎn)生二次污染，因此尋求在常溫下可以連續(xù)運行、密封效果優(yōu)異、結構簡單、操作方便、耗能低、分離高效、無二次污染的新型離子分離回收技術一直是處理含離子廢水研究的重點。

電控離子交換（Electrochemically switched ion exchange, ESIX）是一種新型的離子分離回收技術。具體是將電活性離子交換材料沉積到導電基體上制得膜電極，利用電活性離子交換材料的電控離子交換特性，通過電化學方法控制膜電極在氧化和還原狀態(tài)間轉化，從溶液中可逆的置入和釋放離子，進而實現(xiàn)離子的可控分離和膜電極的循環(huán)利用。

常規(guī)的ESIX主要用來分離回收單一的陽離子或陰離子（如Electrochim. Acta, 2001, 47: 741; 2013, 87: 119; Environ. Sci. Technol., 2006, 40: 4004，）但這些操作通常在間歇狀態(tài)下進行，運行效率低，難以實現(xiàn)工業(yè)化應用。將ESIX技術與膜分離技術結合可以實現(xiàn)目標離子連續(xù)電控分離與回收。中國專利CN102583664A公開了一種采用離子交換膜和一組ESIX膜電極組成的隔膜式反應器，通過交替給膜電極施加氧化/還原電位，結合外部供液系統(tǒng)可以實現(xiàn)單一離子的連續(xù)電控分離回收，但該系統(tǒng)操作過程復雜且需要附加電路和液路切換系統(tǒng)，運行成本高。中國專利CN102718292A公開了一種雙隔膜電極反應器，采用雙隔膜選擇滲透電極并在輔助電極施加的電場力作用下實現(xiàn)陰、陽離子連續(xù)性分離。該分離工藝無需切換液路，但離子需要穿越隔膜電極，離子的傳遞阻力大、分離效率低且需要施加外部電場操作不便。中國專利CN104587835A公開了一種套筒式反應器，通過控制同心雙層套筒惰性電極的開啟和閉合，結合外部電源交替調控膜電極的氧化/還原電位可以實現(xiàn)對陰、陽離子的連續(xù)分離回收，但該工藝需要附加電路和液路切換系統(tǒng)。同時，該工藝因為沒有考慮處理液和再生液的分離密封問題，處理液和再生液共室會產(chǎn)生相互干擾，降低分離效率，不利于工業(yè)化應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種溶液中陰陽離子連續(xù)性分離的裝置，其特點是在無附加電路和液路切換系統(tǒng)的條件下利用中心圓柱狀膜電極或外部弧形對電極的轉動實現(xiàn)對溶液中目標離子的連續(xù)分離，無需電活性離子交換功能膜，密封效果好，離子分離效率高，操作簡單，易于實現(xiàn)工業(yè)化。本發(fā)明還提供了該裝置的使用方法。

本發(fā)明提供了一種溶液中陰陽離子連續(xù)性分離的裝置，包括中心圓柱狀膜電極、柔性接觸式密封單元、弧形對電極、圓筒式絕緣外殼、電機控制裝置和外接電源；

所述中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼同軸；

所述中心圓柱狀膜電極由圓柱狀膜電極導電基體和電活性離子交換功能膜組成，電活性離子交換功能膜位于圓柱狀膜電極導電基體外側，電活性離子交換功能膜為環(huán)形塊結構，其與柔性接觸式密封單元交錯排列形成一個圓環(huán)，該圓環(huán)與圓筒式絕緣外殼之間設有弧形對電極，弧形對電極間隔分布在柔性接觸式密封單元之間，弧形對電極與電活性離子交換功能膜相對設置，轉動過程中兩者不發(fā)生改變，二者之間存在環(huán)形腔室，且柔性接觸式密封單元把環(huán)形腔室均勻地分成原料液室和再生液室，相鄰的兩個環(huán)形腔室分別是原料液室和再生液室，原料液室和再生液室相互密閉、二者之間不漏液；在原料液室下方設有進液口，再生液室的上方設有出液口；中心圓柱狀膜電極與弧形對電極通過外接電源連接；

所述電機控制裝置包括控制器，輸入轉換器，CPU，輸出轉換器，速度傳感器；

圓柱狀膜電極導電基體和外部弧形對電極在電機控制裝置的作用下能發(fā)生相對旋轉運動；

柔性接觸式密封單元包括靜止塊和運動塊，其中靜止塊固定在圓筒式絕緣外殼內(nèi)側，均勻地交錯分布在兩個弧形對電極之間并把弧形對電極絕緣分開，運動塊固定在圓柱狀膜電極導電基體上，由合頁式密封圍板、圓柱式球頭固定器、彈簧、圓筒式彈簧固定器組成的弧形結構，運動塊能與圓柱狀膜電極導電基體一起轉動；所述運動塊所對應的圓心角要比外部弧形對電極所對應的圓心角大，形成轉角密封。

上述裝置中，運動塊中合頁式密封圍板由動頁、靜頁和底板構成，動頁和靜頁通過轉軸連接，靜頁和底板為沖壓制成的整體，在動頁和靜頁上分別以焊接或脹接的方法固定圓柱式球頭固定器，而圓筒式彈簧固定器則以套接方式與動頁和靜頁上的圓柱式球頭固定器連接，彈簧則直接套在圓筒式彈簧固定器上且使彈簧兩端分別與動頁和靜頁接觸，使動頁在徑向上存在2~3毫米的形變量，在運動塊隨著圓柱狀膜電極導電基體旋轉過程中，當動頁與靜止塊接觸時由于彼此擠壓使動頁在徑向上產(chǎn)生變形使彈簧受到壓縮產(chǎn)生彈力，進而保證動頁能始終與靜止塊緊密接觸。

上述裝置中，所述靜止塊是由耐磨材料或絕緣材料制成的弧形結構，運動塊的合頁式密封圍板是由靜頁和耐磨材料制成的動頁組成，動頁在運動塊內(nèi)部彈簧的作用下沿著徑向發(fā)生形變。動頁在隨著運動塊轉動的過程中與靜止塊緊密貼合。

上述裝置中，電活性離子交換功能膜沉積在相鄰兩個柔性接觸式密封單元與圓柱狀膜電極導電基體構成的扇形槽中。

上述裝置中，柔性接觸式密封單元是在圓筒式絕緣外殼與圓柱狀膜電極導電基體之間沿著周向均勻地交錯分布數(shù)對，把中心圓柱狀膜電極的電活性離子交換功能膜材料和外部弧形對電極之間的環(huán)形腔室均勻地交錯分為相互密閉、彼此間不漏液的成對原料液室和再生液室。

上述裝置中，所述電活性離子交換功能膜的材料是在電化學氧化/還原電位下能夠控制目標離子選擇性吸/脫附的有機、無機或其復合的電活性材料。進一步地，所述電活性材料為聚苯胺、金屬鐵氰化物或兩者復合的電活性材料。

上述裝置中，所述弧形對電極是由不銹鋼或石墨材料組成的惰性電極，以弧形結構均勻地分布于原料液室和再生液室，相互間通過柔性接觸式密封單元絕緣。

上述裝置中，圓柱狀膜電極導電基體中心設有中心轉軸軸孔。

本發(fā)明提供了一種溶液中陰陽離子連續(xù)性分離的裝置的使用方法，主要包括以下步驟：

把含有目標離子的待處理原料液與再生液分別連續(xù)輸入均勻地交錯分布于中心圓柱狀膜電極的電活性離子交換膜材料與弧形對電極之間的原料液室和再生液室，在中心圓柱狀膜電極和外部弧形對電極上分別施加不同的電位，并通過電機控制裝置控制電極旋轉，使膜電極對原料液中目標離子的吸附及吸附飽和后的膜電極在再生液中的脫附再生連續(xù)完成，進而實現(xiàn)對溶液中目標離子的高效同步電控連續(xù)分離。

上述使用方法中，陽離子分離時，所述外接電源控制中心圓柱狀膜電極和外部弧形對電極電位，給位于原料液室的外部弧形對電極上施加高電位，使旋轉到原料液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學還原電位，目標陽離子在電場力的作用下選擇性吸附于中心圓柱狀膜電極上；而給位于再生液室的外部弧形對電極上施加低電位，使旋轉到再生液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學氧化電位，被吸附于電活性離子交換功能膜材料上的目標陽離子在電場力的作用下被置出膜外；

陰離子分離時，所述外接電源控制中心圓柱狀膜電極和外部弧形對電極電位，給位于原料液室的外部弧形對電極上施加低電位，使旋轉到原料液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學氧化電位，目標陰離子在電場力的作用下選擇性吸附于中心圓柱狀膜電極上；而給位于再生液室的外部弧形對電極上施加高電位，使旋轉到再生液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學還原電位，被吸附于電活性離子交換功能膜材料上的目標陰離子在電場力的作用下被置出膜外。

本發(fā)明中膜電極對原料液中目標離子的吸附以及膜電極在再生液中的脫附再生連續(xù)完成，此過程中原料液室和再生液室相互密閉，實現(xiàn)對溶液中目標離子的高效同步電控連續(xù)分離和回收。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明裝置操作方便，連續(xù)運行成本低；無需電路切換，工藝簡單；

（2）本發(fā)明無需液路切換，并且裝置的密封性能優(yōu)異，處理液和再生液分別進入各自液室互不干擾；膜電極和溶液直接接觸，無需通過隔膜；

（3）本發(fā)明相較于傳統(tǒng)的吸附和離子交換，電控離子交換過程的主要推動力是電極電位，因此離子傳遞效率高且可應用于低濃度離子廢液的處理；

（4）離子分離基體無需化學再生，消除了使用化學再生劑產(chǎn)生的二次污染，是一種環(huán)境友好型的高效分離技術；

（5）電荷傳遞的阻力小，吸附容量大、速率快、再生效率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的主視圖。

圖2為圖1中沿B-B線的剖視圖。

圖3為圖2中沿A-A線的剖視圖。

圖4為圖2中C處柔性接觸式密封單元的放大示意圖。

圖5為模擬柔性接觸式密封單元中運動塊旋轉過程的示意圖。

圖6為本發(fā)明裝置連續(xù)選擇性吸/脫附陽離子的示意圖。

圖7為本發(fā)明裝置連續(xù)選擇性吸/脫附陰離子的示意圖。

圖中：1-出液口；2-圓柱狀膜電極導電基體；3-電活性離子交換功能膜；4-弧形對電極；5-進液口；6-原料液室；7-鍵槽；8-中心轉軸軸孔；9-再生液室；10-圓筒式絕緣外殼；C-柔性接觸式密封單元；11-靜止塊；12-運動塊；13-動頁；14-合頁轉軸；15-靜頁；16-彈簧；17-圓筒式彈簧固定器；18-圓柱式球頭固定器；19-底板。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。

實施例1：

如圖1~5所示，一種溶液中陰陽離子連續(xù)性分離的裝置，包括中心圓柱狀膜電極、柔性接觸式密封單元、弧形對電極、圓筒式絕緣外殼、電機控制裝置和外接電源；

所述中心圓柱狀膜電極與圓筒式絕緣外殼10同軸；

所述中心圓柱狀膜電極由圓柱狀膜電極導電基體2和電活性離子交換功能膜3組成，電活性離子交換功能膜3位于圓柱狀膜電極導電基體2外側，電活性離子交換功能膜3為環(huán)形塊結構，其與柔性接觸式密封單元C交錯排列形成一個圓環(huán)，該圓環(huán)與圓筒式絕緣外殼10之間設有弧形對電極4，弧形對電極4間隔分布在柔性接觸式密封單元C之間，弧形對電極4與電活性離子交換功能膜3相對設置，轉動過程中兩者不發(fā)生改變，二者之間存在環(huán)形腔室，且柔性接觸式密封單元C把環(huán)形腔室均勻地分成原料液室6和再生液室9，相鄰的兩個環(huán)形腔室分別是原料液室6和再生液室9，原料液室6和再生液室9相互密閉、二者之間不漏液；在原料液室6下方設有進液口5，再生液室9的上方設有出液口1；中心圓柱狀膜電極與弧形對電極4通過外接電源連接；

所述電機控制裝置包括控制器，輸入轉換器，CPU，輸出轉換器，速度傳感器；

圓柱狀膜電極導電基體2和外部弧形對電極4在電機控制裝置的作用下能發(fā)生相對旋轉運動；

柔性接觸式密封單元包括靜止塊11和運動塊12，其中靜止塊11固定在圓筒式絕緣外殼10內(nèi)側，均勻地交錯分布在兩個弧形對電極4之間并把弧形對電極4絕緣分開，運動塊12固定在圓柱狀膜電極導電基體2上，由合頁式密封圍板、圓柱式球頭固定器18、彈簧16、圓筒式彈簧固定器17組成的弧形結構，運動塊12能與圓柱狀膜電極導電基體2一起轉動；所述運動塊12所對應的圓心角要比外部弧形對電極4所對應的圓心角大，形成轉角密封。

上述裝置中，運動塊12中合頁式密封圍板由動頁13、靜頁15和底板19構成，動頁13和靜頁15通過合頁轉軸14連接，靜頁15和底板19為沖壓制成的整體，在動頁13和靜頁15上分別以焊接或脹接的方法固定圓柱式球頭固定器18，而圓筒式彈簧固定器17則以套接方式與動頁13和靜頁15上的圓柱式球頭固定器18連接，彈簧16則直接套在圓筒式彈簧固定器17上且使彈簧16兩端分別與動頁13和靜頁15接觸，使動頁13在徑向上存在2~3毫米的形變量，在運動塊12隨著圓柱狀膜電極導電基體2旋轉過程中，當動頁13與靜止塊11接觸時由于彼此擠壓使動頁在徑向上產(chǎn)生變形使彈簧受到壓縮產(chǎn)生彈力，進而保證動頁13能始終與靜止塊11緊密接觸。

上述裝置中，所述靜止塊11是由耐磨材料或絕緣材料制成的弧形結構，運動塊12的合頁式密封圍板是由靜頁和耐磨材料制成的動頁組成，動頁在運動塊內(nèi)部彈簧的作用下沿著徑向發(fā)生形變。動頁在隨著運動塊轉動的過程中與靜止塊緊密貼合。

上述裝置中，電活性離子交換功能膜3沉積在相鄰兩個柔性接觸式密封單元與圓柱狀膜電極導電基體構成的扇形槽中。

上述裝置中，柔性接觸式密封單元C是在圓筒式絕緣外殼10與圓柱狀膜電極導電基體2之間沿著周向均勻地交錯分布數(shù)對，把中心圓柱狀膜電極的電活性離子交換功能膜材料和外部弧形對電極之間的環(huán)形腔室均勻地交錯分為相互密閉、彼此間不漏液的成對原料液室和再生液室。

上述裝置中，所述電活性離子交換功能膜3的材料是在電化學氧化/還原電位下能夠控制目標離子選擇性吸/脫附的有機、無機或其復合的電活性材料。進一步地，所述電活性材料為聚苯胺、金屬鐵氰化物或兩者復合的電活性材料。

上述裝置中，所述弧形對電極4是由不銹鋼或石墨材料組成的惰性電極，以弧形結構均勻地分布于原料液室和再生液室，相互間通過柔性接觸式密封單元絕緣。

上述裝置中，圓柱狀膜電極導電基體2中心設有中心轉軸軸孔8和鍵槽7。

本發(fā)明提供了一種溶液中陰陽離子連續(xù)性分離的裝置的使用方法，主要包括以下步驟：

把含有目標離子的待處理原料液與再生液分別連續(xù)輸入均勻地交錯分布于中心圓柱狀膜電極的電活性離子交換膜材料與弧形對電極之間的原料液室和再生液室，在中心圓柱狀膜電極和外部弧形對電極上分別施加不同的電位，并通過電機控制裝置控制電極旋轉，使膜電極對原料液中目標離子的吸附及吸附飽和后的膜電極在再生液中的脫附再生連續(xù)完成，進而實現(xiàn)對溶液中目標離子的高效同步電控連續(xù)分離。見圖6和圖7所示。

上述使用方法中，陽離子分離時，所述外接電源控制中心圓柱狀膜電極和外部弧形對電極電位，給位于原料液室的外部弧形對電極上施加高電位，使旋轉到原料液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學還原電位，目標陽離子在電場力的作用下選擇性吸附于中心圓柱狀膜電極上；而給位于再生液室的外部弧形對電極上施加低電位，使旋轉到再生液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學氧化電位，被吸附于電活性離子交換功能膜材料上的目標陽離子在電場力的作用下被置出膜外；

陰離子分離時，所述外接電源控制中心圓柱狀膜電極和外部弧形對電極電位，給位于原料液室的外部弧形對電極上施加低電位，使旋轉到原料液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學氧化電位，目標陰離子在電場力的作用下選擇性吸附于中心圓柱狀膜電極上；而給位于再生液室的外部弧形對電極上施加高電位，使旋轉到再生液室的電活性離子交換功能膜材料處于電化學還原電位，被吸附于電活性離子交換功能膜材料上的目標陰離子在電場力的作用下被置出膜外。