專利名稱：可再生過濾器單元、含其的可再生過濾器系統(tǒng)及操作方法
技術領域：
各種示例性實施方式涉及可再生過濾器単元、過濾器系統(tǒng)以及其操作方法。更具體地，各種示例性實施方式涉及原位可再生的過濾器単元、過濾器系統(tǒng)、以及其操作方法。
背景技術：
快速エ業(yè)化正在加重水源例如地下水、地表水等的污染。特別地，對人可呈現(xiàn)出致死水平毒性的元素例如砷(As)可存在于地下水、地表水等中。可將污染水移走和在水浄化裝置中凈化,然后供應給家庭。然而,在水凈化過程期間的氯氣消毒步驟中，氯氣與水中的有機物質反應。結果，可產生氯氣消毒副產物例如氯仿。這樣的副產物可未被完全除去且可殘留在供應給家庭的水中。此外，在將水供應給用戶期間，水中可包含從陳舊的供水管腐蝕/洗脫的重金屬例如銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等。然而，由于在水浄化技術中使用的大部分過濾器是消耗性部件，因此需要周期性的更換，從而產生額外的費用和對用戶的不便。所更換的過濾器還應被丟棄，從而產生另外的環(huán)境問題。

發(fā)明內容
各種實施方式涉及對于用戶而言維護費用降低的可再生且環(huán)境友好的過濾器單
J Li ο各種實施方式涉及過濾器系統(tǒng)，其可在不分解系統(tǒng)的情況下使過濾器単元原位再生。各種實施方式涉及過濾器系統(tǒng)的操作方法，其可在不分解系統(tǒng)的情況下使過濾器単元原位再生。根據(jù)ー個示例性實施方式，過濾器単元可包括電極結構，其包括以如下順序設置的陰極、陽離子交換膜、陰離子交換膜、和陽極；流體浄化流動通道(例如，水浄化流動通道)，其為在所述陰極中、在所述陰極和所述陽離子交換膜之間、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間、及在所述陽極中的通道的至少ー種，所述流體浄化流動通道包括吸附功能；和PH調節(jié)室，其限定在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間，所述pH調節(jié)室配置為控制所述水凈化流動通道的pH。根據(jù)另ー示例性實施方式，過濾器系統(tǒng)可包括所述過濾器単元及對所述陰極和所述陽極的電壓施加器。根據(jù)另ー示例性實施方式，過濾器系統(tǒng)的操作方法可包括在不施加電壓的情況下使流入水在過濾器単元的水浄化流動通道中經過以使水浄化，所述過濾器単元包括電極結構，其包括以如下順序設置的陰極、陽離子交換膜、陰離子交換膜、和陽極；水浄化流動通道，其為在所述陰極中、在所述陰極和所述陽離子交換膜之間、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間、及在所述陽極中的通道的至少ー種，所述流體浄化流動通道包括吸附功能；和PH調節(jié)室，其在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間，并且所述pH調節(jié)室配置為控制所述水凈化流動通道的pH ;和通過向所述陰極和所述陽極施加電壓和將水供應至所述電極結構的整個內部而使所述水凈化流動通道再生。在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間可進一歩包括至少ー個子電極結構，其中所述子電極結構可包括以如下順序設置的子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜；和子水浄化流動通道，其形成為在所迷子陰離子交換膜和所述雙極性膜之間、及在所述雙極性膜和所述子陽離子交換膜 之間的至少ー種通道，所述水凈化流動通道包括吸附功能。所述陰極和所述陽極可由可引起水分解反應的材料形成。當所述水凈化流動通道為在所述陰極和所述陽離子交換膜之間、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間、在所述子陰離子交換膜和所述雙極性膜之間、及在所述雙極性膜和所述子陽離子交換膜之間的通道的至少ー種時，所述吸附功能可由填充在所述水凈化流動通道中的吸附劑提供；且所述陰極和所述陽極可由包含流入水可通過其的流動通道的多孔材料形成。當在所述陰極和所述陽極的至少ー個中形成所述水凈化通道時，可通過所述陰極和所述陽極的吸附性質或者通過負載在所述陰極和所述陽極的表面上或者孔中的吸附劑提供所述吸附功能。與所述陰極接觸或者負載在所述陰極中的吸附劑可在堿性條件下使污染物解吸。與所述陽極接觸或者負載在所述陽極中的吸附劑可在酸性條件下使污染物解吸。所述電壓可引起所述陰極和陽極中的水分解。在再生步驟中，可將能夠供應對于pH控制所需的離子的電解質供應至所述pH調節(jié)室。本發(fā)明的目的通過以下實現(xiàn)。I.過濾器單元，包括電極結構，其包括陰極、陽離子交換膜、陰離子交換膜和陽極，所述陽離子交換膜設置在所述陰極和所述陰離子交換膜之間，所述陰離子交換膜設置在所述陽離子交換膜和所述陽極之間；流體浄化流動通道，其為延伸通過所述陰極的通道、在所述陰極和所述陽離子交換膜之間的通道、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間的通道、及延伸通過所述陽極的通道的至少ー種，所述流體浄化流動通道具有吸附功能；和在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間的pH調節(jié)室，所述pH調節(jié)室配置為控制所述流體凈化流動通道中的流體的pH。2.條目I的過濾器単元，進ー步包括在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間的至少ー個子電極結構，所述子電極結構包括子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜，所述子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜在其間限定至少ー個子流體浄化流動通道，所述雙極性膜在所述子陰離子交換膜和所述子陽離子交換膜之間，所述至少ー個子流體浄化流動通道具有吸附功倉^:。3.條目I的過濾器単元，其中所述陰極和所述陽極由配置為引起水分解反應的材料形成。4.條目I的過濾器単元，其中所述吸附功能通過所述流體浄化流動通道中的吸附劑提供，所述吸附劑為與所述陰極和陽極的至少ー個的材料不同或相同的材料。5.條目4的過濾器単元，其中所述吸附劑在與所述陰極接觸的或者至少部分地通過所述陰極限定的流體浄化流動通道中，所述吸附劑配置為在堿性條件下使污染物解吸。6.條目4的過濾器単元，其中所述吸附劑在與所述陽極接觸的或者至少部分地通過所述陽極限定的流體浄化流動通道中，所述吸附 劑配置為在酸性條件下使污染物解吸。7.過濾器系統(tǒng)，包括過濾器単元，其包括電極結構、流體浄化流動通道、和pH調節(jié)室，所述電極結構包括陰極、陽離子交換膜、陰離子交換膜和陽極，所述陽離子交換膜設置在所述陰極和所述陰離子交換膜之間，所述陰離子交換膜設置在所述陽離子交換膜和所述陽極之間，所述流體浄化流動通道為延伸通過所述陰極的通道、在所述陰極和所述陽離子交換膜之間的通道、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間的通道、及延伸通過所述陽極的通道的至少ー種，所述流體浄化流動通道具有吸附功能，所述pH調節(jié)室在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間，所述PH調節(jié)室配置為控制所述流體浄化流動通道中的流體的pH ;和電壓施加器，其配置為向所述陰極和所述陽極施加電壓。8.條目7的過濾器系統(tǒng)，其中所述過濾器単元進ー步包括在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間的至少ー個子電極結構，所述子電極結構包括子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜，所述子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜在其間限定至少ー個子流體浄化流動通道，所述雙極性膜在所述子陰離子交換膜和所述子陽離子交換膜之間，所述至少ー個子流體浄化流動通道具有吸附功能。9.條目7的過濾器系統(tǒng)，其中所述陰極和所述陽極由配置為引起水分解反應的材料形成。10.條目7的過濾器系統(tǒng)，其中所述吸附功能通過所述流體浄化流動通道中的吸附劑提供，所述吸附劑為與所述陰極和陽極的至少ー個的材料不同或相同的材料。11.條目10的過濾器系統(tǒng)，其中所述吸附劑在與所述陰極接觸的或者至少部分地通過所述陰極限定的流體浄化流動通道中，所述吸附劑配置為在堿性條件下使污染物解吸。12.條目10的過濾器系統(tǒng)，其中所述吸附劑在與所述陽極接觸的或者至少部分地通過所述陽極限定的流體浄化流動通道中，所述吸附劑配置為在酸性條件下使污染物解吸。13.過濾器系統(tǒng)的操作方法，所述方法包括通過使流入物通過所述過濾器系統(tǒng)的過濾器單元的流體浄化流動通道而使流體浄化，所述過濾器単元包括電極結構、所述流體浄化流動通道、和PH調節(jié)室，所述電極結構包括陰極、陽離子交換膜、陰離子交換膜和陽極，所述陽離子交換膜設置在所述陰極和所述陰離子交換膜之間，所述陰離子交換膜設置在所述陽離子交換膜和所述陽極之間，所述流體浄化流動通道為延伸通過所述陰極的通道、在所述陰極和所述陽離子交換膜之間的通道、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間的通道、及延伸通過所述陽極的通道的至少ー種，所述流體浄化流動通道具有吸附功能，所述PH調節(jié)室在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間，所述pH調節(jié)室配置為控制所述流體浄化流動通道中的流體的pH ;和通過在將水供應通過所述電極結構的同時向所述陰極和所述陽極施加電壓而使所述流體浄化流動通道再生。
14.條目13的方法，進ー步包括在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間布置至少ー個子電極結構，所述子電極結構包括子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜，所述子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜在其間限定至少ー個子流體浄化流動通道，所述雙極性膜在所述子陰離子交換膜和所述子陽離子交換膜之間，所述至少ー個子流體浄化流動通道具有吸附功能。15.條目13的方法，其中使所述流體浄化流動通道再生向由引起水分解反應的材料形成的所述陰極和所述陽極施加電壓。16.條目13的方法，其中使流體浄化包括將吸附劑設置在所述流體浄化流動通道中，所述吸附劑為與所述陰極和所述陽極的至少ー個的材料不同或相同的材料。17.條目16的方法，其中使所述流體浄化流動通道再生包括將所述吸附劑設置在與所述陰極接觸的或者至少部分地通過所述陰極限定的流體浄化流動通道中，所述吸附劑配置為在堿性條件下使污染物解吸。18.條目16的方法，其中使所述流體浄化流動通道再生包括將所述吸附劑設置在與所述陽極接觸的或者至少部分地通過所述陽極限定的流體浄化流動通道中，所述吸附劑配置為在酸性條件下使污染物解吸。19.條目13的方法，其中使所述流體浄化流動通道再生包括用所述電壓在所述陰極和所述陽極中引起水分解。20.條目19的方法，其中使所述流體浄化流動通道再生包括將電解質引入到所述PH調節(jié)室中，所述電解質供應對于pH控制所需的離子。


圖I為根據(jù)一個示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。圖2為說明根據(jù)ー個示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的操作方法的示意圖。圖3為顯示在堿性條件下以鐵氧化物作為吸附劑使含氧陰離子形式的砷離子解吸的機理的示意圖。圖4為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。圖5為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。圖6為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。圖7為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。圖8為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。
圖9為解釋根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的再生機理的示意圖。圖10為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。圖11為顯示根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的水浄化步驟的示意圖。圖12為顯示根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的再生步驟的示意圖。圖13為顯示氯仿的吸附和再生性能的評價結果的圖。
圖14為顯示砷離子的吸附和再生性能的評價結果的圖。〈附圖標記描述〉I :過濾器單元2:電壓施加器10:電極結構12:陰極14:陽離子交換膜16:陰離子交換膜18:陽極20 :水凈化流動通道30:pH調節(jié)室40:陽極室50 :吸附劑501 :過濾器單元502:電壓施加器510:電極結構512:陰極514:陽離子交換膜516:陰離子交換膜518:陽極520:水凈化流動通道 530:pH調節(jié)室540:陽極室601 :過濾器單元602:電壓施加器610:電極結構612:陰極614:陽離子交換膜616:陰離子交換膜618:陽極620:陰極室630:pH調節(jié)室640 :水凈化流動通道 650 :吸附劑701 :過濾器單元702:電壓施加器710:電極結構712:陰極714:陽離子交換膜716:陰離子交換膜718:陽極720 :第一水凈化流動通道730:pH調節(jié)室740 :第二水凈化流動通道750a :第一吸附劑750b :第二吸附劑760:子電極結構763:陰離子交換膜765:雙極性膜767:陽離子交換膜
具體實施例方式參照附圖以及示例性實施方式，可更清楚地理解本文中描述的優(yōu)點和特征、以及其實現(xiàn)方法。然而，應理解公開內容不限于以下實施例并且可以不同的實施方式實現(xiàn)。本示例性實施方式僅提供以確保公開內容的完整性和幫助本領域普通技術人員的理解以充分理解由權利要求限定的公開內容的范圍。因此，為了簡潔，在一些示例性實施方式，可未對公知技術進行具體解釋。除非另有說明，說明書中使用的所有術語(包括技術和科學術語)可作為本領域普通技術人員通常理解的含義使用。此外，除非明確說明，詞典中定義的術語不以與它們通常被接受的含義不一致的方式解釋。此外，除非明確相反地描述，措辭“包含”和“包括”以及變型例如“含有”、“含”將理解為意味著包括所述要素但是不排除其它未描述的要素。除非明確相反地描述，単數(shù)形式可包括復數(shù)形式。參照作為示意圖的理想圖解釋說明書中描述的示例性實施方式。因此，圖中所示的部分可具有概要性質并且它們不限制公開內容的范疇。在說明書中，相同的附圖標記始終表示相同的組成要素。根據(jù)ー個示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)可包括提供能夠通過電化學水分解獨立地形成堿性和/或酸性條件的空間的過濾器單元。所吸附的材料(例如，污染物)可附著至其上并且所吸附的材料可在堿性和/或酸性條件下從其解吸的流體浄化流動通道(例如，水浄化流動通道)包括在以上空間中。通過以上構造，可通過吸附進行水浄化步驟，和可通過電化學方法原位進行再生步驟。具體 地，由于所述過濾器単元可在不分解過濾器系統(tǒng)的情況下原位再生且再次使用，過濾器的壽命可提高并且用戶的維護費用可降低。并且，由于所述水凈化步驟通過吸附方法進行并且僅再生步驟通過電化學方法進行，可處理的流入水的范圍可擴大且電消耗可最小化。雖然使用水的浄化作為實例，然而應理解基于公開內容中闡述的方法，其它流體的浄化也是可能的。下文中，將參照附圖更詳細地說明示例性實施方式。圖I為根據(jù)一個示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)100的示意圖。參照圖I，過濾器系統(tǒng)100包括過濾器単元I和電壓施加器2。過濾器単元I包括電極結構10，電極結構10包括以如下順序設置的陰極12、陽離子交換膜14、陰離子交換膜16、和陽極18。電極結構10限定水凈化流動通道20、pH調節(jié)室30和陽極室40。圖I說明在堿性條件下的可再生過濾器系統(tǒng)100。因此，過濾器系統(tǒng)100的水浄化流動通道20可形成于在陰極12和陽離子交換膜14之間的可構成堿性條件的空間中。水浄化流動通道20包括能夠吸附存在于水中的重金屬或氯氣消毒副產物等的吸附功能。所述吸附功能可通過填充在水浄化流動通道20中的吸附劑50提供。可填充在陰極12和陽離子交換膜14之間的水浄化流動通道20中的吸附劑50可為可在堿性條件下使吸附的污染物解吸的吸附劑。污染物的具體實例可包括有機物質例如腐殖酸或黃腐殖酸、氯氣消毒副產物例如氯仿、砷離子等。因此，吸附劑50可包括活性炭、相對高比表面積石墨(HSAG)、碳納米管(CNT)、中孔碳、活性碳纖維、離子交換樹脂、沸石、蒙脫石、蛭石、以及其組合，盡管示例性實施方式不限于此。吸附劑50可在其表面上和/或在其孔中吸附污染物(例如，有機物質、氯氣消毒副產物)。此外，吸附劑50可包括鐵氧化物、鈦氧化物、鋁氧化物、錳氧化物、釔氧化物、鑰氧化物、鈷氧化物、鎳氧化物、銅氧化物、鋅氧化物、鋯氧化物、釕氧化物、錫氧化物、碳、以及其合金或混合物，其包含能夠吸附以含氧陰離子例如三價或五價H3AsO3.H2As04_、HAs042_等的形式存在于水中的砷的表面官能團。吸附劑50可以納米顆粒的形式涂布在陰極12上或者以薄膜的形式沉積。通過采取包括設置在陰極12和陽極18之間的陽離子交換膜14和陰離子交換膜16的電極結構10，當通過電壓施加器2向電極結構10施加電壓使得水分解時，可使陰極12中產生的0H_和陽極18中產生的H+彼此隔離以防止其中和。因此，在陰極12和陽離子交換膜14之間的水浄化流動通道20中可構成堿性條件，及在陰離子交換膜16和陽極18之間的陽極室40中可構成酸性條件。具體地，pH調節(jié)室30將陰極12中產生的0H_和陽極18中產生的H+隔離以防止其中和從而控制再生步驟中水浄化流動通道20的pH。進ー步地，可另外向pH調節(jié)室30供應電解質，使得水分解可更有效地進行。所述電解質可為可向水浄化流動通道20充分供應對于pH控制所需的離子的任何合適的材料。陰極12和陽極18可包括可引起水分解反應的材料。如果陰極12和陽極18包括可引起水分解反應的材料，則與由惰性材料形成的電極相比，可施加相對低的水分解電壓，從而使過濾器単元I的電阻降低。陰極12和陽極18可包括金屬、金屬氧化物、不銹鋼、玻璃碳、石墨、炭黑、以及其組合。所述組合可指兩種或更多種組分的混合物、堆疊結構等。所述金屬可包括鉬(Pt)、鈦(Ti)、釕(Ru)、銀(Ag)、金(Au)、銥(Ir)、鈕(Pd)、鈷(Co)、 凡(V)、鐵(Fe)、以及其組合。所述組合可指兩種或更多種金屬的混合物、合金、堆疊結構等。所述金屬氧化物可包括Pt02、IrO2, Ti02、CaTi03、NaffO3> MnO2、RuO2、PbO2、以及其組合。所述組合可指兩種或更多種金屬氧化物的混合物、堆疊結構等。
作為陽離子交換膜14和陰離子交換膜16，可使用本領域普通人員公知的各種交換膜，并且因此為了簡潔，未對它們進行具體說明。圖2為說明根據(jù)ー個示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)100的操作方法的示意圖。參照圖2，在水浄化步驟中，在不向過濾器系統(tǒng)100施加電壓的情況下通過吸附除去流入水中的污染物。具體地，如果流入水通過填充有吸附劑50的水浄化流動通道20，則所述污染物可吸附至吸附劑50，同時可排放經處理的水。例如，有機物質、氯氣消毒副產物等可物理和/或化學地吸附至吸附劑50。在一個非限制性實施方式中，含氧陰離子形式的砷離子可吸附至吸附劑50的表面氧原子(例如，與吸附劑50的表面氧原子反應)，同時形成表面絡合物例如氫鍵絡合物、單齒單核(MM)絡合物、雙齒雙核(BB)絡合物等。隨著水浄化步驟進行，污染物吸附至吸附劑50。一旦污染物除去速度降低，則可開始再生步驟。在再生步驟中，通過電壓施加器(圖I中的2)分別向陰極12和陽極18施加負(_)電壓和正(+)電壓，和將水供應至電極結構10(例如，電極結構10的整個內部)，使得可發(fā)生電化學水分解反應。具體地，與水浄化步驟不同，將水供應至PH調節(jié)室30及在陰離子交換膜16和陽極18之間的陽極室40以及供應至水浄化流動通道20。所施加的電壓可為可引起水分解的電壓，例如約I. 23V或更高。在一個非限制性實施方式中，可施加約2V 約30V的電壓。以下反應方案I表示在陰極12中發(fā)生的水分解反應，和反應方案2表示在陽極18中發(fā)生的水分解反應。[反應方案I]2H20(l)+2e_ — H2 (g) +20F(水的)O2 (g) +2H20 ⑴ +4e_ — 40F (水的)[反應方案2]H2O — 02+2H+ (水的)+2丨如以上反應方案I中所示，由于陰極12中產生的OF，水凈化流動通道20的pH變?yōu)閴A性條件。因為陰極12中產生的0H_和陽極18中產生的H+由于通過陽離子交換膜14和陰離子交換膜16限定的pH調節(jié)室30而彼此隔離，因此隨著水分解反應進行，水浄化流動通道20中的溶液逐漸從弱堿變?yōu)閺妷A性條件。因此，可通過控制所施加電壓的值和施加時間而控制pH。在這樣的堿性條件下，附著至填充在水浄化流動通道20中的吸附劑50的污染物通過競爭反應從吸附劑50解吸和排放。如果必要，可另外向pH調節(jié)室30供應可供應對于水浄化流動通道20的pH控制所需的離子的電解質。作為所述電解質，可使用不產生沉淀、不是重金屬、且不包括干擾所述水浄化流動通道的PH控制的酸性離子的那些。例如，可使用氯化鈉、硫酸鈉、碳酸鈉、硫酸鉀、硝酸鉀等?？蓪⒃趐H調節(jié)室30中引入的流入水的流量控制為大于在水浄化流動通道20和陽極室40中引入的流入水的流量。這是為了供應與陰極12中產生的OH_相等或更多的離子，從而將水浄化流動通道20的pH控制為所需狀態(tài)。以下反應方案3表示在堿性條件下的氯仿解吸機理。[反應方案3]
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Ι1 . -CO I 2CT + 21141
M2O圖3顯示在堿性條件下以鐵氧化物作為吸附劑50使含氧陰離子形式的砷離子解吸的機理。如以上反應方案3和圖3中所示，如果構成約pH 11或更高的堿性條件，則氯仿或含氧陰離子形式的砷離子等可相對容易地從吸附劑50解吸。因此，根據(jù)ー個示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)100可在不分解過濾器系統(tǒng)100的情況下進行水浄化步驟和原位再生步驟。再生步驟的開始可根據(jù)所確定的或者所需的循環(huán)進行，或者其可根據(jù)經處理的水的流量、經處理的水的流速、和/或經處理的水中污染物的濃度的測量或監(jiān)測的結果進行。為了實時測量或監(jiān)測，過濾器系統(tǒng)100可進ー步包括可檢測經處理的水的流體特性的傳感器或監(jiān)測系統(tǒng)。如果過濾器系統(tǒng)100以此方式再生，則其可半永久性地使用并且維護費用可降低。圖4 圖6為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)200、300和400的示意圖。圖4和圖5顯示包括通過將多個過濾器単元I堆疊形成的堆疊的過濾器単元的系統(tǒng)200和300。圖4說明其中串聯(lián)安置多個過濾器単元I的過濾器系統(tǒng)200，和圖5顯示其中并聯(lián)安置多個過濾器単元I的過濾器系統(tǒng)300。圖6說明通過將過濾器單元I螺旋卷繞制造的管狀的過濾器系統(tǒng)400。流入水以箭頭所示的方向引入，并且將經處理的水排放至該管的中空空間。使用堆疊的過濾器系統(tǒng)200和300或者管狀的過濾器系統(tǒng)400以提高每單位小時的流入水的通過量。還應理解，過濾器系統(tǒng)200和300可卷繞成圖6中所示的管狀。圖7為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的示意圖。參照圖7，根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)500包括過濾器単元501和電壓 施加器502。過濾器単元501包括由以如下順序設置的陰極512、陽離子交換膜514、陰離子交換膜516和陽極518構成的電極結構510。電極結構510限定水凈化流動通道520、pH調節(jié)室530和陽極室540。圖7中所示的過濾器系統(tǒng)500的過濾器單元501與圖I中所示的過濾器系統(tǒng)100的過濾器単元I的不同之處在于在陰極512中形成水浄化流動通道520。
陰極512可由多孔材料形成，流入水可通過所述多孔材料以提供水浄化流動通道520。此外，陰極512和陽極518可由能夠施加電流且促進水分解的材料形成。水浄化流動通道520的吸附功能可通過陰極512自身的性質提供或者其可通過負載于陰極512的表面上或者孔中的吸附劑(未示出)提供。例如，如果陰極512由具有約0.1 50μπι粒徑的基于碳的材料顆粒構成，則吸附功能可通過陰極512自身的性質提供，并且同時可構成水浄化流動通道520。在另ー非限制性實施方式中，如果陰極512由其中吸附劑負載于具有約O. I 30μπι的平均孔徑的多孔電極的孔中的材料構成，則可提供吸附功能并且同時可構成水凈化流動通道520。作為吸附劑，可使用在根據(jù)ー個示例性實施方式的上述過濾器系統(tǒng)100中提及的任何吸附劑，只要其可負載于孔中。在圖7中所示的過濾器単元501的情況下，由于可在整個陰極512形成水浄化流動通道520，污染物吸附能 力可得到最大利用。因此，如果可提高污染物除去率或者可保證相同的除去率，則可更薄地形成過濾器単元501。圖8為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)600的示意圖。過濾器系統(tǒng)600包括過濾器単元601和電壓施加器602。過濾器単元601包括由以如下順序設置的陰極612、陽離子交換膜614、陰離子交換膜616和陽極618構成的電極結構610。電極結構610限定陰極室620、pH調節(jié)室630、和水凈化流動通道640。圖8說明在酸性條件下的可再生過濾器系統(tǒng)600。因此，過濾器系統(tǒng)600的水凈化流動通道640可形成于陰離子交換膜616和陽極618之間的具有酸性條件的空間中。水浄化流動通道640包括吸附功能，使得其能夠吸附水中存在的重金屬。所述吸附功能可通過填充在水浄化流動通道640中的吸附劑650提供?？商畛湓谖挥陉庪x子交換膜616和陽極618之間的水凈化流動通道640中的吸附劑650可為能夠在酸性條件下使吸附的污染物解吸的吸附劑。所述污染物的具體實例可包括金屬例如鉛(Pb)。因此，吸附劑650可包括活性炭、相對高比表面積石墨(HSAG)、碳納米管(CNT)、中孔碳、活性碳纖維、離子交換樹月旨(例如，陽離子交換樹脂)、沸石、蒙脫石、蛭石、以及其組合，盡管示例性實施方式不限于此。吸附劑650可在其表面上和/或在其孔中吸附污染物(例如，不需要的金屬)。其它構成要素可基本上與參照圖I說明的過濾器系統(tǒng)100的那些相同，并且因此，為了簡潔，已省略說明。雖然在圖8中未示出，但是在酸性條件下，可對可再生過濾器系統(tǒng)600改進，使得可在陽極618自身中形成水浄化流動通道，與參照圖7說明的過濾器系統(tǒng)500類似。圖9為解釋根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)的再生機理的示意圖。在圖9中，鉛作為污染物顯示。如果在水凈化步驟之后通過電壓施加器602向陰極612和陽極618施加電壓，則在陰極612和陽極618中引起水分解反應。此時，在陽極618的表面上產生H+離子，從而將水凈化流動通道640的環(huán)境變?yōu)樗嵝詶l件。如果水凈化流動通道640的pH降低至約5或更低，則吸附至表面官能團(L)的鉛離子(Pb2+)可通過競爭反應解吸并且排放。圖10為根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)700的示意圖。圖10中所示的過濾器系統(tǒng)700將圖I中所示的過濾器系統(tǒng)100和圖8中所示的過濾器系統(tǒng)600組合，使得可在陰極室中形成第一水浄化流動通道720和可在陽極室中形成第二水浄化流動通道740以提高每單位小時的流入水的通過量和除去各種類型的污染物。
此外，過濾器単元701可進ー步在電極結構710的陽離子交換膜714和陰離子交換膜716之間包括子電極結構760?？砂惭b至少ー個子電極結構760。子電極結構760可包括以如下順序設置的陰離子交換膜(子陰離子交換膜)763、雙極性膜765、和陽離子交換膜(子陽離子交換膜)767。因此，可進ー步在陽離子交換膜767和雙極性膜765之間提供第一水浄化流動通道(第一子流體浄化流動通道)720，及可進ー步在陰離子交換膜763和雙極性膜765之間提供第二水浄化流動通道740 (第二子流體浄化流動通道)。過濾器系統(tǒng)700可通過包括子電極結構760而包括兩個或更多個pH調節(jié)室730。如所解釋的那樣，通過采取至少ー個子電極結構760，可使每單位小時的通過量最大化并且可同時除去各種類型的污染物。第一水浄化流動通道720以及其中填 充的第一吸附劑750a可具有與參照圖I說明的過濾器系統(tǒng)的水浄化流動通道20和吸附劑50基本上相同的功能和構造，及第ニ水凈化流動通道740以及其中填充的第二吸附劑750b可具有與參照圖8說明的過濾器系統(tǒng)的水凈化流動通道640和吸附劑650基本上相同的功能和構造。附圖標記702表示電壓施加器，770表示流入水(未處理的水)的入口，和780表示經處理的水的出ロ。圖11和圖12為解釋根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)700的操作方法的示意圖。圖11顯示水凈化步驟，和圖12顯示再生步驟。參照圖11，在水浄化步驟中，在不向過濾器系統(tǒng)700施加電壓的情況下通過吸附除去流入水中的污染物。圖11顯示作為流入水中的污染物的有機物質、含氧陰離子形式的砷離子(HxAsOy2_)、以及鉛離子(Pb2+)，并且顯示如何將它們除去以對水進行凈化。具體地，如果經由流入水的入口 770使流入水通過填充有第一吸附劑750a的第一水凈化流動通道720，則污染物例如有機物質和含氧陰離子形式的砷離子吸附至第一吸附劑750a。隨后，如果使通過第一水浄化流動通道720的流入水通過填充有第二吸附劑750b的第二水浄化流動通道740，則污染物例如鉛離子吸附至第二吸附劑750b，然后通過出ロ780排放已經歷水浄化的最終經處理的水。雖然在圖中顯示流入水首先通過第一水浄化流動通道720，但是順序不限于此。參照圖12，一旦在水凈化步驟已進行一段時間之后污染物除去速度降低，則可開始再生步驟?？深愃朴趨⒄請D2說明的方式進行再生步驟的開始的確定。在通過電壓施加器702分別向陰極712和陽極718施加負㈠電壓和正⑴電壓的同時，供應水使得可發(fā)生電化學水分解反應。圖12顯示與水一起另外地將電解質(NaCl)供應至pH調節(jié)室730。在其中形成堿性條件的第一水浄化流動通道720中，有機物質和含氧陰離子形式的砷離子解吸，然后與堿性水一起排放。在其中形成酸性條件的第二水凈化流動通道740中，鉛離子解吸，然后與酸性水一起排放。因此，可使第一和第二水浄化流動通道720和740原位再生。雖然圖中未示出，可將與解吸的污染物一起排放的堿性水和酸性水混合并中和以減少環(huán)境問題。雖然圖中未示出，但是可根據(jù)參照圖4 圖6說明的方法將根據(jù)另ー示例性實施方式的過濾器単元701改變以具有堆疊或管形狀。此外，與參照圖7說明的過濾器系統(tǒng)500類似，可將過濾器単元701改進，使得水浄化流動通道可形成于陰極712和/或陽極718中。根據(jù)參照圖I 圖12說明的示例性實施方式的過濾器系統(tǒng)可以各種方式組合并可改進為各種形狀的過濾器系統(tǒng)。下文中，參照以下實施例更詳細地公開各種實施方式。然而，應理解以下僅為示例性實施方式并且對公開內容的范圍不是限制性的。(實驗實施例)氯仿過濾器系統(tǒng)的制造將常用的活性炭布CH900、常用的陽離子交換膜ASTOM CMX、常用的陰離子交換膜ASTOM AMX、以及常用的活性炭布CH900切割為約15 X 9cm2，然后依次安置并用螺桿接合以制造過濾器単元。然后連接電壓施加器以 制造過濾器系統(tǒng)。氯仿吸附和再生性能的評價在室溫下進行系統(tǒng)的操作，和制備流入水使得在蒸餾水中氯仿的濃度為約300ppb。將所述流入水以約2. 7mL/分鐘的流量供應至所述過濾器系統(tǒng)的水浄化流動通道(陰極室)。隨著時間測量殘留氯仿的濃度以確認氯仿除去能力的變化，并且當氯仿除去能力降低至約80%或更低時，進行第一次再生步驟。在第一次再生步驟中，將蒸餾水供應至水浄化流動通道(陰極室)和陽極室，并將包括蒸餾水和NaCl的電解質溶液供應至pH調節(jié)室使得電導率可變成約19. 5mS/cm。以約5mL/分鐘的流量供應所述蒸餾水和所述電解質溶液。施加約7V的恒定電壓約30分鐘以進行再生。在再生之后，使約300ppb的氯仿流入水以相同的速度再次通過并且確認氯仿除去量以確認氯仿除去能力的恢復。當氯仿除去能力再次降低至約80%或更低時，進行第二次再生步驟。在第二次再生步驟中，將蒸餾水供應至水浄化流動通道(陰極室)和陽極室，并將包括蒸餾水和NaCl的電解質溶液供應至pH調節(jié)室使得電導率可變成約19. 5mS/cm。以約5mL/分鐘的流量供應所述蒸餾水和所述電解質溶液。依次供應約7V、約8V、和約9V的恒定電壓分別約27分鐘、約12分鐘和約I分鐘以進行第二次再生。測量結果示于圖13中。由圖13可以看出，氯仿除去率通過原位再生而恢復。還可看出，即使重復再生循環(huán)，除去能力也持續(xù)地保持。砷離子過濾器系統(tǒng)的制造將包括負載于常用的活性炭布CH900上的TiO2的材料、常用的陽離子交換膜ASTOM CMX、常用的陰離子交換膜ASTOM AMX、和常用的活性炭布CH900切割為約15X9cm2，然后依次安置并用螺桿接合以制造過濾器単元。然后，連接電壓施加器以制造過濾器系統(tǒng)。砷離子吸附和再牛件能的評價在室溫下進行系統(tǒng)的操作，和制備流入水使得在蒸餾水中砷離子的濃度可為約3ppm。將所述流入水以約IOmL/分鐘的流量供應至所述過濾器系統(tǒng)的水浄化流動通道(陰極室)。隨著時間測量經處理的水中殘留砷離子的濃度以確認砷離子除去能力的變化，并且如果砷離子除去能力降低至約20%，則進行再生步驟。在再生步驟中，將蒸餾水供應至水浄化流動通道(陰極室)和陽極室，并將包括蒸餾水和NaCl的電解質溶液供應至pH調節(jié)室使得電導率可變成約19. 5mS/cm。以約5mL/分鐘的流量供應所述蒸餾水和所述電解質溶液。施加約7V的恒定電壓約60分鐘以進行再生。測量結果示于圖14中。由圖14可以看出，砷離子除去率通過原位再生而恢復。
雖然已經結合當前認為是實踐性的示例性實施方式的內容描述了本公開內容，然而將理解公開內容不限于所公開的實施方式，而是相反，意圖涵蓋包括在所附權利要求的精神和范圍內的各種改進和等同布置。
權利要求
1.過濾器單元，包括 電極結構，其包括陰極、陽離子交換膜、陰離子交換膜和陽極，所述陽離子交換膜設置在所述陰極和所述陰離子交換膜之間，所述陰離子交換膜設置在所述陽離子交換膜和所述陽極之間； 流體凈化流動通道，其為延伸通過所述陰極的通道、在所述陰極和所述陽離子交換膜之間的通道、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間的通道、及延伸通過所述陽極的通道的至少一種，所述流體凈化流動通道具有吸附功能；和 在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間的PH調節(jié)室，所述pH調節(jié)室配置為控制所述流體凈化流動通道中的流體的pH。
2.權利要求I的過濾器單元，進一步包括 在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間的至少一個子電極結構，所述子電極結構包括子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜，所述子陰離子交換膜、雙極性膜、和子陽離子交換膜在其間限定至少一個子流體凈化流動通道，所述雙極性膜在所述子陰離子交換膜和所述子陽離子交換膜之間，所述至少一個子流體凈化流動通道具有吸附功能。
3.權利要求I的過濾器單元，其中所述陰極和所述陽極由配置為引起水分解反應的材料形成。
4.權利要求I的過濾器單元，其中所述吸附功能通過所述流體凈化流動通道中的吸附劑提供，所述吸附劑為與所述陰極和陽極的至少一個的材料不同或相同的材料。
5.權利要求4的過濾器單元，其中所述吸附劑在與所述陰極接觸的或者至少部分地通過所述陰極限定的流體凈化流動通道中，所述吸附劑配置為在堿性條件下使污染物解吸，或 其中所述吸附劑在與所述陽極接觸的或者至少部分地通過所述陽極限定的流體凈化流動通道中，所述吸附劑配置為在酸性條件下使污染物解吸。
6.過濾器系統(tǒng)，包括 權利要求1-5任一項的過濾器單元；和 電壓施加器，其配置為向所述陰極和所述陽極施加電壓。
7.過濾器系統(tǒng)的操作方法，所述方法包括 通過使流入物通過所述過濾器系統(tǒng)的過濾器單元的流體凈化流動通道而使流體凈化，所述過濾器單元為權利要求1-5任一項的過濾器單元；和 通過在將水供應通過所述電極結構的同時向所述陰極和所述陽極施加電壓而使所述流體凈化流動通道再生。
8.權利要求的方法，其中使所述流體凈化流動通道再生包括用所述電壓在所述陰極和所述陽極中引起水分解。
9.權利要求8的方法，其中使所述流體凈化流動通道再生包括將電解質引入到所述pH調節(jié)室中，所述電解質供應對于pH控制所需的離子。
全文摘要
本發(fā)明涉及可再生過濾器單元、含其的可再生過濾器系統(tǒng)及操作方法。過濾器單元可包括電極結構、流體凈化流動通道、和pH調節(jié)室。所述電極結構可以如下順序包括陰極、陽離子交換膜、陰離子交換膜和陽極。所述流體凈化流動通道可為在所述陰極中、在所述陰極和所述陽離子交換膜之間、在所述陰離子交換膜和所述陽極之間、及在所述陽極中的通道的至少一種。所述流體凈化流動通道可包括吸附功能。所述pH調節(jié)室可在所述陽離子交換膜和所述陰離子交換膜之間。所述pH調節(jié)室可配置為控制所述流體凈化流動通道中的流體的pH。
文檔編號C02F9/06GK102674596SQ20121002292
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權日2011年3月14日
發(fā)明者姜孝郎, 權福順, 李柱郁, 梁好晶, 金昌鉉, 金泫錫, 金載恩 申請人:三星電子株式會社