基本信息
- 项目名称：
- 绿色高效纳米碳基膜电容脱盐装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本装置创新地采用膜电容去离子技术，在电容脱盐基础上加入具有选择透过性的离子交换膜；并在石墨衬底上直接生长并活化碳纳米管-碳纳米纤维复合膜作为电极，省去压铸工艺，实现材料制备和器件制备的集成。此外，还设计了装置自动化控制部分。具有较好的脱盐效率和效果，以及低成本、高效率、无污染及易使用等特点。可广泛应用于水处理脱盐中的硬水软化、工业废水脱盐、海水淡化及高纯水前期处理等；另外，还可用于元素富集等领域。
- 详细介绍：
- 随着工业社会的扩张与发展，水资源日益成为关乎国计民生的基础性战略资源。被污染的水源会对人类健康乃至经济社会的发展造成不可避免的严重威胁。因此绿色、高效、低成本的脱盐水处理技术是开拓水资源、净化污水，保护人民生命安全的重要途径。 目前常用的脱盐技术主要有闪蒸、电渗析、反渗透、离子交换等。但这些技术普遍存在着一些缺陷：能量消耗大；比较耗电、水利用率不高；成本高且耗能；运行费用高、带来二次污染。因此现有的脱盐技术无法完全满足水处理工艺中“绿色、高效、低成本”的要求。 由于传统脱盐技术存在着诸多弊端，新型脱盐技术的研发一直是国内外水处理领域的热点课题，其中一种被称为电容去离子（Capacitive Deionization: CDI）的脱盐技术得到了广泛关注。CDI技术是外加低压直流电（小于2V，一般情况1.2V即可），利用溶液与电极界面形成的双电层来吸附水中电性物质，并可在吸附达到饱和时，使电极得到再生。CDI技术具有几个非常突出的优点：低能耗（小于0.7度电/吨水）；运行费用低；水利用率高（85%-90%）；无温度限制；操作简单，易于自动化和大面积使用；循环使用寿命长。与传统的水处理脱盐技术相比较，CDI技术更符合“绿色、高效、低成本”的要求。 不过CDI技术仍然存在一些提升空间。目前CDI器件中的电极材料主要采用活性炭和碳气凝胶，制备工艺复杂且去离子效果不高。另外，在吸附的过程中，离子被吸附后由于极性相反离子的作用会再次回到溶液中，导致脱盐效率的降低。因此本小组针对这两个问题进行了一系列的研究与实验。为了提高装置的比表面积、高电容量，本小组对电极材料制备进行了优化。碳纳米管作为一种新型的纳米材料，它具有良好的导电性、较高的比表面积和良好的化学惰性，十分符合CDI技术对电极的要求，故选择碳纳米管作为电极材料。在制备方法上本小组采用低温低压化学气相沉积设备在导电衬底上直接生长具有高比表面积的碳纳米管-碳纳米纤维（CNT-CNF）复合薄膜的原有基础上，采用酸和等离子体进行材料的活化处理，进一步提高电极的吸附能力。其次，为了提高装置工艺流程，本小组对脱盐模块结构进行了优化。将离子交换膜引入到CDI技术中，形成了将离子交换膜与CDI技术相结合的膜电容去离子技术（Membrane Capacitive Deionization: MCDI）。在这种技术中，由于离子交换膜能阻挡极性相反离子的通过，从而减少离子的脱附。因而，电极的吸附效率大大提高。测试表明MCDI的除盐率在CDI的基础上能提高50%。这两点大大提高了比表面积、高点容量与工艺流程，并提高了除盐率与除盐效果。 基于以上对电极材料及器件结构的优化，提高了装置整体的除盐效果及效率。同时本小组设计了外围的控制电路模块，以满足实际中串并联多级组合时装置自动化的需要。通过单片机处理传感器采集电导率数据，并利用自主设计的“模块控制算法”检验数据的可靠性并可实现模块功能切换节点的精确定位，进而实现整个工艺流程的自动控制。 通过优化电极及采用MCDI技术，并设计控制电路为本装置的产业化打下了坚实的基础，也为将本装置应用于海水淡化、硬水软化、纯水制备等提供了可能。经过理论论证，将本技术运用于以上方向，成本及能耗都得到了较大幅度的降低，以海水淡化为例，利用本装置每处理1m3水将降低至少4kWh的电能消耗，按日处理1万m3水计，每个工厂相比目前技术每年节能约1450万kWh，节约电费约1500万元。可见，本技术的推广将具有巨大的社会与经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的和基本思路： 由于当今社会的高速发展，水资源在国计民生等方面占有越来越高的地位。绿色、高效、低成本的脱盐水处理技术是开拓水资源、净化污水、保护人民生命安全的重要途径。而目前常用的脱盐技术都普遍存在成本高、耗能大、水利用率低等问题。一种新型水处理技术：电容去离子（CDI）的脱盐技术可在一定程度上解决以上问题，从而受到了广泛关注。但CDI技术在比表面积、电容量以及器件的结构上仍存在提升空间。本小组在原CDI技术的基础上研究发明了新型膜电容去离子（MCDI）技术，选用了更好的电极材料并且优化了电极材料的制备方法；同时改进了脱盐模块的结构，提高电极吸附效率；并且围绕MCDI脱盐模块设计了控制电路，实现系统自动化。 创新点、技术关键： 电极材料制备的科学性：首先采用化学气相沉积法制备碳纳米复合材料电极并进一步用酸和等离子体活化处理。采用低成本、高质量的碳纳米复合材料薄膜作为器件的电极材料，可大大提高电极吸附效率。 脱盐模块结构的创新性：引入阴阳离子交换膜成为膜电容脱盐MCDI技术，可阻止已被吸附的离子再次回到溶液中，测试表明MCDI的除盐率在CDI的基础上能提高50%左右。 脱盐控制电路的先进性：利用单片机实现数据采集、传输、端口控制及人机交互、运算及判断；设计的“模块控制算法”能够检验数据可靠性并对模块功能的切换节点精确定位，实现装置自动化。 主要技术指标： 离子去除率大于90%；耗电量0.6度电/吨水；水利用率90%；系统自动化程度较高。
科学性、先进性
- 电极材料制备的科学性：首先采用化学气相沉积法制备碳纳米复合材料电极，并用酸和等离子体进行活化处理。利用制得的碳纳米管-碳纳米纤维复合材料制备电极，有较大比表面积，提升电极去离子效率，又可实现材料和器件制备的集成。 脱盐模块结构的创新性：CDI脱盐技术是目前较为理想的一种技术。而引入阴阳离子交换膜，成为膜电容脱盐（MCDI）技术，可以提高电极去离子的效率，测试表明MCDI除盐率相比CDI提高约50%。 脱盐控制电路的先进性：采用主、从控芯片组合控制。主控用于人机交互、数据收集、计算；从控负责高速A/D采样、传送数据、I/O端口控制。通过CAN总线可靠通信；并利用“模块控制算法”检验数据可靠性；32位高性能单片机可计算实时波动率，精确确定模块功能切换节点。 通过改进电极与模块结构，设计控制电路。本小组在国际上首先进行了该实用化MCDI装置的试制。具有低成本（耗能小于0.7kWh/m3）、高效率（除盐率大于90%）、环境友好及自动化程度高（控制电路的设计提高自动化程度）等优势。
获奖情况及鉴定结果
- 竞赛奖励： (1)2011年6月 荣获共青团市委、市教委、市科委、市科协、市学联主办的第十二届我市大学生课外学术科技作品竞赛暨第十二届“挑战杯”我市选拔赛二等奖； (2)2011年6月 荣获我校主办的第十九届“大夏杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖； (3)2011年4月 荣获新加坡陈嘉庚基金和市科协主办的第九届陈嘉庚青少年发明奖二等奖； (5)2010年6月 荣获我市发明协会主办的2009年度我市高校学生创造发明“科创杯”三等奖； 参会展示： (1)2011年5月 装置发明作为陈嘉庚发明奖的优秀获奖作品被送往新加坡参加集中展示活动； (2)2010年10月 受邀参加由IEEE和英国剑桥大学等主办的纳米碳国际会议； (3)2010年9月 作为我校唯一入选项目，参加由教育部主办的第三届全国大学生创新论坛暨2010年全国大学生学术年会，做分组报告，并先后发表第一作者论文2篇(1篇为国内核心)； 专家鉴定： 本项目先后获得了10名分别来自中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、上海化工研究院、新加坡国立大学、复旦大学、上海交通大学、西安交通大学、东南大学、同济大学、华东理工大学等单位的中国科学院院士、长江学者、国家杰出青年科学基金获得者、上海化学化工学会名誉理事长等该领域内权威专家鉴定及书面推荐； 查新结论： 教育部科技查新工作站L19出具的权威查新报告结论：在所有国内外公开发表的文献范围内，未见有与本项目查新点相同的公开文献报道。
作品所处阶段
- 本作品已经完成了前期设计和研制，目前样机正在进行小试阶段。
技术转让方式
- 采用技术入股的合资或技术评估作价的方式进行转让。
作品可展示的形式
- 实物、图纸、现场演示、图片、录像等。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本装置由原水箱、再生浓水箱、成对膜电容脱盐（MCDI）模块及电磁阀门等组成。电磁阀门控制管路开关，决定水流流向。工作时一对MCDI模块分别处于工作、再生状态，原水箱、再生浓水箱的水流入对应模块（水箱出口设过滤网）。当模块完成工作与再生，电磁阀门开关与电压反置，两模块状态交换，进入下阶段。 本技术具有以下特点与优势：引入离子膜，除盐率提升50%；脱盐单元由成对MCDI模块组成，可提高水处理效率；配套控制电路单元可实现自动化，并可扩展。 本作品适用于硬水软化、工业废水脱盐、高纯水前期处理、海水淡化、元素富集提纯等。 在优化电极、改进脱盐模块结构与设计控制电路的基础上，设计制作了原型器件，并进行测试，为产业化打下坚实基础。经过理论论证本技术的使用成本与制造成本远低于现有技术。据测算以海水淡化为例，本装置的推广每年将给国家节约近10亿度电，节约电费约10亿元，减少近100万吨CO2排放。可见其具有巨大的社会、经济和环境效益。目前有4家企业产生了初步合作兴趣，已有2家与本组签订了合作意向书。
同类课题研究水平概述
- 在碳纳米管材料应用到CDI技术的研究中，国内一直处于领先的水平。清华大学研究小组在碳纳米管粉末中加入聚四氟乙烯粘结剂，然后压膜制成CDI电极。上海大学研究小组采用将碳纳米管粉末与有机树脂（如酚醛树脂）混合，经过850℃高温炭化制成CDI电极。然而，上述方法制作的碳纳米管电极，因有机物的掺入，表面积有所损失，而且电极接触电阻会增大，影响去离子的效果。本小组的初步研究表明，采用低温低压化学气相沉积装置在导电衬底上直接生长具有高比表面积的碳纳米管-碳纳米纤维复合薄膜，可作为比较理想的CDI电极材料。在这种复合薄膜中，碳纳米管缠绕在纳米碳纤维形成的骨架上，构成蓬松的多孔结构，电性物质非常容易吸附在这些孔上。这种碳纳米管-碳纤维复合电极与目前采用碳纳米管粉体加工的电极相比，一方面可增大比表面积，提高电极的去离子效率，另一方面可省去电极压铸工艺，实现材料制备和器件制备的集成，具有可控性好、重复性高的优点，非常适合产业化的要求。 在CDI的改进技术，即MCDI技术的研究方面，目前国际上除本课题团队外只有韩国的Lee小组、韩国的Choi小组和荷兰的Biesheuvel小组在致力于这项最新技术的开发，但他们仅限于多孔碳电极的优化和理论模型的研究的实验室阶段，目前还未见有国内外同类商业化装置。而本小组已经制作并测试了原型器件，为下一步产业化打下了坚实的基础。 该项研究属纳米科技在水处理脱盐和元素富集等领域的前沿技术，不仅有其重要的科学价值，更重要的是在水环境修复、元素富集回收等方面有着可预见的广阔应用前景。
