去除離子的裝置和方法
2023-10-05 03:43:54
專利名稱：去除離子的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於去除離子的裝置，所述裝置設置有外殼，該裝置包括進水口，用於進水至外殼的內部；出水口，用於讓水流出外殼的內部；第一電極，設置有集流體；第二電極；間隔區，用於分離電極並且允許水流入電極之間；和
連接器，用於將外殼內部的集流體連接至外殼外部的電源。
背景技術：
近年來人類越來越意識到人類活動對環境的影響及這些影響可以導致的負面後果。減少、再利用和循環利用資源的方法正在變得更加重要。特別是，淨水正在變成一種稀缺商品。因此，開發了各種用於淨化水源的方法和設備。一種水質淨化的方法是通過電容消離子，其使用設置有流過式電容器(FTC)的裝置去除水中的離子。FTC如同電再生電池那樣運行以電容消離子。通過向電極供電，離子從電解質中去除並且保留在電極的雙電層中。電極在不添加化學物質的情況下，能夠被(部分的)電再生以釋放先前去除的離子。用於去除離子的裝置包括一對或多對被隔開的電極(陰極和陽極)和間隔區，該間隔區分隔電極並且允許水流入電極之間。電極設置有毗鄰或十分接近電極的集流體或過渡層(backing layers)和儲存離子的材料。集流體是導電的並且運送電荷進入和離開電極。該裝置設置有外殼，其包括讓水進入外殼的進水口和讓水流出外殼的出水口。在去除離子的裝置的外殼中，電極層和間隔區通過壓力堆疊為「三明治」型，通常是通過機械緊固。電荷屏障可以放置在與流過式電容器的電極相鄰的地方。術語電荷屏障指的是可滲透或半滲透且能夠保留電荷的材料層。離子被保留或困住在電荷屏障的一側，同種電荷離子面向該側移動。電荷屏障可以允許增加離子效率，也允許能量有效的離子去除。該去除離子的裝置的問題在於其可能效率低和/或隨著時間其效率可能惡化。
發明內容
本發明的目的是提供改進的去除離子的裝置。相應地，本發明提供去除離子的裝置，所述裝置設置有外殼，該裝置包括進水口，用於進水到外殼的內部；出水口，用於讓水流出外殼的內部；第一電極，其設置有集流體；第二電極；間隔區，用於分隔電極並且允許水流入電極之間；和，
連接器，用於將集流體連接到外殼外部的電源，其中連接器設置有金屬並且集流體被連接器夾住，該連接器被構造和設置以導電至集流體以及從集流體導出電，並且所述裝置被構造和設置以避免水和連接器的金屬之間的接觸。根據本發明的另一個實施案例提供的去除離子的方法包括使用設置有集流體的第一電極和外殼內的第二電極；允許水通過進水口進入外殼；允許水在電極之間流動到出水口 ；通過設置有金屬的連接器夾住集流體；通過連接器將外殼內部的集流體連接到外殼外部的電源上；和， 向電極供電同時避免水與金屬接觸。通過閱讀下面的詳細描述與所附權利要求，本發明的這些和其他方面，特徵和優點對本領域的技術人員將變得明了。為了避免產生疑問，本發明的一個方面的任何特徵可以被用在本發明其他任意方面。值得注意的是，下面詳細描述的實施例旨在闡明本發明，並非旨在將本發明限制在那些實施例本身。同樣的，所有的百分比都是重量/重量的百分比，除非另有說明。數字範圍的表達格式為「從χ到y」應該被理解為包括χ和y。當用於特定特徵的多個優選範圍的描述格式為「從χ到I」時，應該被理解為所有結合不同端點的範圍也是被考慮的。
本發明的實施方案將只通過舉例方式、結合參考所附示意圖的方式描述，圖中相應的附圖標記代表相應的部分，並且其中圖I顯示了根據本發明的去除離子的裝置的橫截面示意圖；圖2顯示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子的裝置橫截面示意圖；圖3顯示了圖I所述裝置中沿著A-A線的橫截面；和圖4顯示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子的裝置的橫截面示意圖。
具體實施例方式圖I顯示了根據本發明的去除離子的裝置的橫截面示意圖。所述裝置可以具有包括第一殼體部分I和第二殼體部分3的外殼，其由相對硬的材料製造，例如硬塑料。通過相互壓緊第一和第二殼體部分，例如用螺栓和螺母(圖中未顯示)，外殼被構造為水密的。粘合齊U、密封墊或者O型圈可以被用以提高外殼的水密性。外殼設置有進水口 7和出水口 9。在從水中去除離子的過程中，水將穿過間隔區11從進水口 7流到出水口 9，該間隔區將第一電極與第二電極彼此分隔。電極被夾在外殼內部以提供無漏水的裝置。通過在第一和第二電極之間創造電勢差，例如在第一電極(陽極)13的集流體上施加正電壓，在第二電極(陰極)15的集流體上施加負電壓，流過間隔區11的水中的陰離子被吸引到第一電極，而陽離子被吸引到第二電極。通過這種方法流過間隔區11的離子(陰離子和陽離子)將被從水中去除。如果電極是離子飽和的，那麼電極可以通過釋放電勢差和放電的方法再生。這些離子將從電極中被釋放到流過間隔區的水中。這使得在間隔區的水中的離子含量增加，並且這些水將被引出間隔區。一旦大部分離子從電極中被釋放，並且離子含量增加的水被引出間隔區，電極完成再生並且能夠再次使用以吸附離子。在陽極和陰極之間的電勢差相當低，例如低於2伏特，優選低於I. 7伏特甚至更優選低於I. 4伏特。重要的是，電路中的電阻要足夠低。出於這個目的，第一電極的集流體13與第一連接器17捆在一起，而第二電極的集流體15與第二連接器19捆在一起。根據本發明的第一實施方案，第一連接器17設置有二個如夾具18的連接器部分，用於夾住在夾具18之間的第一電極部分13。夾具18可以由碳製造，例如石墨塊。夾具18可以設置有凹口以便更好地夾住第一電極的集流體13以及優化在第一電極的集流體13和夾具18之間的接觸面。為了製作第一連接器17，兩個夾具18可以對向壓住第一電極13的多個集流體以便將集流體13壓制在一起，接著可以使用粘合劑以水密的方式永久地固定夾具18與集流體13。可代替的，螺母和螺栓可以用來將集流體13壓制在夾具上從而避免連接器中水與金屬的接觸。為了降低電阻，由同種材料製造集流體的接觸面和連接器是有利的，例如碳。碳的優點是它在水中不腐蝕，並且它相比於不鏽金屬相對便宜。將集流體13、15與連接器17、19夾住的壓力可以至少為O. I巴，優選至少為O. 5巴，並且小於15巴， 優選小於10巴,最優小於5巴。第一連接器17可以設置有金屬嵌入物24,該金屬嵌入物在碳與嵌入物之間提供良好的電氣連接。連接器可以設置有螺絲20用於提供通過外殼中的饋通裝置與嵌入物24的接觸。連接器17可以被粘接在外殼上以避免外殼中的水與金屬嵌入物24或螺絲20之間的接觸，該螺絲也可以由金屬製成。在這種方法中，可以避免金屬嵌入物和螺絲的腐蝕。而嵌入物24和螺絲20都由金屬製成，可保證二者之間良好的電氣接觸。根據本發明的另一個實施方案，第二連接器19可以設置有3個如夾具18的連接器部分。夾具18可以是箱型的，也可以被使用以夾住第二電極之間的集流體15。夾具18可以由碳製成，例如石墨塊。為了製作第二連接器19，三個夾具18可以貼靠著多個集流體15壓緊以便將集流體15壓制在一起，接著可以使用粘合劑以可選的如水密的方式永久地固定夾具18與集流體15。可替代的，第二連接器19可以設置如上述第一連接器17中具有凹口的夾具。第二連接器19的箱型夾具也可以替代第一連接器17中具有凹口的夾具。第二連接器19可以貼著外殼1、3放置。並且第二連接器19可以連接至電源。水密連接可以設置在外殼和第二連接器19之間的連接器19貼著外殼放置的位置上。饋通裝置設置在穿過外殼1、3，在第二連接器貼著外殼1、3放置的位置上。所述饋通裝置可以設置有金屬螺絲20，在其上可以連接與電源PS相接的電纜22。所述源PS可以被控制器CN控制以控制去除離子的裝置的運行。電極基本上可以製造成非金屬以保持它們在外殼的潮溼內部無腐蝕，同時對於批量生產也足夠便宜。電極可以由集流體13、15而產生，其設置有基本上非金屬的導電高表面積層或自持薄膜，該自持薄膜與水接觸的兩面均可以包含活性碳、碳納米管或碳氣凝膠。電極具有可儲存離子的如高表面積層的材料，所謂高表面積層材料，是指每單位層材料重量具有較高的表面積，以平方米計，例如>500m2/gr。圖2顯示了根據本發明的另一個實施方案的第二連接器19。連接器19設置有用於將第二電極多個集流體15分別地夾在一起的多個夾具18。連接器19可以通過將第二電極的集流體15和夾具18壓制在一起而產生，並且在其周圍使用粘合劑以得到穩固的連接，可選的可以為水密連接以避免水與金屬接觸。連接器19也可以貼著外殼3用粘合劑固定。隨後，饋通裝置(例如金屬螺絲20)可以設置為穿過外殼3進入夾具和第二電極的多個集流體15，以此通過電纜22將電極連接到電源上。圖3顯示了圖I所述裝置中沿著A-A線的橫截面。其顯示了第二電極15和第二連接器19。外殼設置有允許水流動在電極周圍的空間21、間隔區11和允許水從所有間隔區11中被收集並流過出水口 9 (圖I中)的第二通道23。也顯示了用於連接第一電極部分13的連接器17。圖I是沿著圖3中的B-B線的橫截面。圖4顯示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子的裝置的橫截面示意圖，其部分外殼被移除。所述裝置由10個流過式電容器疊層41建立。所述流過式電容器疊層可以設置有第一電極的重複單元、間隔區和第二電極。第一電極的第一集流體43與連接器45捆和/或夾在一起。第二電極的第二集流體可以同樣的捆/夾在一起。連接器45包括碳(例如石墨)製成的連接器部分49以將集流體夾在一起。將集流體43與連接器45夾住的壓力可以至少為O. I巴，優選的至少為O. 5巴，並且小於15巴，優選的小於10巴，最優的小於5巴。上述範圍是有利的，因為其在保證良好的導電性的同時也不損壞連接器部分。集流體43和連接器部分49均可以由相同的材料製成，例如碳，以降低在集流體43和連接器·45之間的電阻率。連接器部分可以設置有例如銅的金屬嵌入物51。嵌入物51預組裝在連接器部分49內部以此保證金屬嵌入物51和連接器部分49之間的低電阻率。連接器45可以設置有如由銅製成的金屬棒53，以將所有的連接器部分49通過它們的金屬嵌入物51電連接至電源(圖中未示)。連接器45中的樹脂52將金屬嵌入物51和金屬棒53與裝置內的水屏蔽。金屬(例如銅)棒和/或金屬嵌入物，可以改善連接器的傳導性。連接器可以使用凡士林、石蠟或蠟作為樹脂的替代物，以避免水與金屬的接觸。凡士林、石蠟或蠟的優點是其可以在高溫中以液體形式應用，而在冷卻後固化。在該裝置需要打開修理或調查的任意時刻，凡士林、石蠟或蠟可以被融化掉。裝置的外殼56包括頂部和底部55、57。外殼的頂部和/或底部55、57設置有饋通裝置59，其允許連接器45生成與外殼56外部電源的連接。塑料嵌入物可以設置在外殼中以使得其水密。水可通過進水口提供給裝置內部，並允許水在流過式電容器疊層41的周圍流動，水也可以通過間隔區進入疊層。流過式電容器疊層41在疊層中間設置有方孔。在方孔中設置有圓形管65，通過方孔與管子之間的空間，水將流到出口。管子65的內部可以設置有螺母和螺栓以此夾住外殼頂部和底部57、55之間的電容器疊層41。因為外殼內部的水不接觸金屬嵌入物51和金屬棒53，因此腐蝕將無法惡化該裝置的運行，所述裝置的效率可以在相對長時期內被保證。蟲極電極(陽極和或陰極)可以通過由含碳材料(例如活性碳)製造而使之成為非金屬，其可以與聚四氟乙烯(特氟龍 )基體或碳氣凝膠結合在一起。電極可以如在FTC電池中使用那樣，以濃鹽溶液處理以提升電極的離子去除能力以及離子電導率，因此提高去除速度。儲存離子的材料可以包括高表面積層材料，例如多孔碳層，其可以是柔性層或非柔性層。在電極層中使用的碳可以包括活性碳，和其他任意選擇的含碳材料，如黑炭、碳氣凝膠、碳石墨烯納米纖維或碳納米管。碳可以是化學活性碳或蒸汽活性碳。碳可以具有至少500m2/g的高表面積，優選的至少1000m2/g，且更優選的至少1500m2/g。陽極和陰極甚至可以由不同的含碳材料製成。公知的非柔性碳層由碳氣凝膠製成。這些氣凝膠通常用於複合紙製造無紡紙由碳纖維製成，浸透間苯二酚-甲醛氣凝膠，然後熱解。根據密度，碳氣凝膠可以是導電的，使得複合氣凝膠紙可用於電容器中的電極或消電離電極。碳可以存在電極中，根據乾電極的重量其碳濃度至少為60%，優選的至少為70%，更優選的至少為80%，或者甚至至少為85%。使用熱塑料或粘彈性材料，如乳膠或固化樹月旨，以從粉末材料形成整塊材料是普遍的。使用聚四氟乙烯(Poly Fluor Tetra Etheen)(PTFE)作為黏合材料的碳層的例子是PACMM 系列(來自Material Methods)。本發明的一個實施方案包括活性碳纖維編織層或碳布，例如Zorflex CS;系列(來自Chemviron Carbon)。本發明的一個優選實施方案包括碳塗層，該碳塗層包括聚合電解質、粘合劑和能 夠直接覆蓋在集流體上的碳，其在申請號為PCT/EP2008/06的專利申請中描述的方法通過引用納入本文。電極可以包括集流體。集流體可以由導電材料製成。適合的非金屬材料有,例如碳、石墨、石墨烯、石墨片或具有高石墨含量的碳混合物。使用非金屬電極是有利的，因為金屬昂貴並且帶來腐蝕的危險。集流體通常為片的形式。所述片在此定義為適合在至少33Amps/m2和至多2000Amps/m2的情況下傳送。石墨集流體的厚度典型地從100到1000微米，通常在200到500微米之間。MMg間隔區材料可以包括惰性型材料，如開放空間合成材料，並且可以是任意由聚合物、塑料或玻璃纖維製成的材料。間隔區可以是有孔的或無孔的、編織或無紡材料。間隔區可以由電絕緣材料製備，但是其允許離子導電。適合的間隔區是，例如Nitex 系列或Petex 系列(來自Sefar),其為開放式織物(open mesh fabrics)或過濾式織物(filterfabrics),由聚醯胺或聚乙烯材料(polyetheentereftalate)製成。電荷屏障層流過式電容器可以包括電荷屏障。電荷屏障包括薄膜，該薄膜對於陰離子或陽離子或某些特殊的陽極或陰極具有選擇性，並且可以放置在電極和間隔區之間。電荷屏障可以作為塗層或壓層(laminate layer)提供給高表面積電極層。適合的薄膜材料可以是均勻的或不均勻的。適合的薄膜材料包括陰離子交換和/或陽離子交換薄膜材料，優選的離子交換材料包括強游離陰離子團和/或強游離陽離子團。所述薄膜材料的例子是Neosepta 系列材料(來自Tokuyama)，PC-SA 系列和PC-SK 系列(來自PCAGmbH),離子交換薄膜材料ex Fumatec,離子交換薄膜材料Ralex (來自Mega)或不均勻膜材料的Excel I ion 系列(來自Snowpure)。疊層FTC可以包括以下的至少一個重複單元-陰離子集流體/電極-可選的陰離子交換薄膜如電荷屏障-傳統的FTC間隔區-可選的陽離子交換薄膜如電荷屏障
-陰極集流體/電極。典型地，如應用中所見，在FTC疊層中重複單元的數量限制於能夠實際地捆住並連接至連接器的電極層的數量。優選FTC疊層中重複單元的數量至少為1，優選的至少為5，更優選的至少為10，還更優選的至少為20。出於實際的原因，重複單元的數量通常不大於200,優選不大於150,不大於100,或者甚至不大於50。疊層可以在小於4巴的壓力下被壓縮，優選的不大於1.5巴。疊層可以設置有所謂的浮動電極。浮動電極是不直接連接到電源的電極，但是從疊層中其他連接到電源的電極上接收它們的電荷。浮動電極可以平行放置以及在疊層中的主電極之間。本發明可以被使用以將疊層中的主電極連接到電源。使用浮動電極的優點是通過連接器的電壓將更高，同時通過連接器的電流將更低。連接器中的電阻率可以通過使用浮動電極明顯降低。電極也能夠以螺旋卷繞的形式配置在FTC疊層的構造中。 雖然本發明的特定實施方案已經在上文描述，但是應當意識到本發明可以在不同於上述情況下實現。例如，本發明可以採用電腦程式的形式，其包括一個或多個描述上述方法的計算機可讀指令序列，或者其中含有存儲了電腦程式的數據存儲介質(例如半導體存儲器、磁碟或光碟)。上文描述旨在解釋說明而非限制本發明。因此，對於本領域技術人員來說，本發明在不脫離權利要求範圍的情況下明顯可以做出各種修改。
權利要求
1.一種用於去除離子的裝置，所述裝置設置有外殼，所述裝置包括 進水口，所述進水口用於水進入所述外殼的內部； 出水口，所述出水口用於讓水流出所述外殼的內部； 第一電極，所述第一電極設置有集流體； 第二電極； 間隔區，用於分隔所述電極並且允許水流入所述電極之間；和， 連接器，用於將外殼內部的所述集流體連接到所述外殼外部的電源，其中所述連接器設置有金屬並且所述集流體被所述連接器夾住，所述連接器被構造和設置以導電至所述集流體以及從所述集流體導出電，並且所述裝置被構造和設置以避免水和所述連接器的金屬之間的接觸。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中所述連接器包括至少兩個連接器部分以夾住所述至少兩個連接器部分之間的所述集流體。
3.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中所述集流體和所述連接器包含相同的材料。
4.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中所述連接器包含碳。
5.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中所述連接器設置有金屬嵌入物。
6.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中所述連接器貼靠著所述外殼放置並且部分地延伸穿過所述外殼。
7.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中水密連接設置在所述外殼和所述連接器之間以便從水中屏蔽所述連接器的金屬部分。
8.根據權利要求6或7所述的裝置，其中饋通裝置穿過所述外殼設置在所述連接器貼靠著所述外殼放置的位置上。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中所述連接器的所述金屬設置在所述饋通裝置中。
10.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中樹脂、凡士林、石蠟或蠟被提供給所述連接器以避免水與金屬接觸。
11.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中多個集流體在所述外殼內部的所述連接器上被夾在一起。
12.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中所述集流體和所述連接器之間的夾緊壓力至少為O. I巴，優選至少為O. 5巴並且小於15巴，優選小於10巴並且最優選小於5巴。
13.根據前述權利要求任一項所述的裝置，其中所述裝置設置有電源，其在所述第一和所述第二電極之間提供小於2伏特的電勢，優選小於1.7伏特，更優選小於1.4伏特。
14.根據權利要求I到12中的任意一項所述的裝置，其中所述裝置在所述第一和所述第二電極之間設置有浮動電極。
15.一種用於去除離子的方法，所述方法包括 使用設置有集流體的第一電極和外殼內的第二電極； 允許水通過進水口進入所述外殼； 允許水在所述電極之間流動至出水口； 由設置有金屬的連接器夾住所述集流體； 通過所述連接器將所述外殼內部的所述集流體連接到所述外殼外部的電源；和向所述 電極供電同時避免水與所述金屬接觸。
全文摘要
本發明涉及一種去除離子的裝置。該裝置設置有外殼。外殼包括用於讓水進入外殼內部的進水口；用於讓水流出外殼內部的出水口；設置有集流體的第一電極；第二電極以及分隔電極並允許水流入電極之間的間隔區。所述裝置具有連接器以將第一和第二電極中至少一個連接到電源。連接器可以具有兩個連接器部分以夾住連接器部分之間的集流體，該連接器被構造和設置以避免水與金屬接觸。
文檔編號C02F1/46GK102884007SQ201180020914
公開日2013年1月16日 申請日期2011年4月28日 優先權日2010年4月29日
發明者B·范林普特, H·R·賴因霍特, A·范德瓦爾 申請人:沃爾泰亞公司