用于流過式電容性去電離的極化電極的制作方法
【專利摘要】極化電極流過式電容器包括至少各一種電極材料，該電極材料具有一個(gè)孔體積，該孔體積包括中孔和微孔，而這些中孔和微孔內(nèi)含有陰離子基團(tuán)或陽離子基團(tuán)。這些極化電極是處于由流動(dòng)路徑或流動(dòng)間隔物隔開的相反極性面向的電極對中。所使用的這些特定附著的離子基團(tuán)的兩種極性均在供應(yīng)給該流過式電容器的入口的特定進(jìn)料溶液的工作pH或者成分下被電離。所包含的基團(tuán)致使這些電極被極化，這樣使得它們對陰離子或陽離子是選擇性的。與由非衍生性碳制成的相同的流過式電容器相比，這種極化電極流過式電容器具有更好的性能。如此衍生化的這些電容器電極材料直接地提供了這種極化功能，而不需要一種分開的電荷屏障材料。
【專利說明】用于流過式電容性去電離的極化電極
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及水凈化，并且更具體地涉及流過式電容器以及電容性去電離。
【背景技術(shù)】
[0002]本領(lǐng)域中已知的是使用由相對的多對可相反充電的高電容電極制成的電極組件，來對水進(jìn)行去電離或凈化。這稱為流過式電容器，或電容性去電離。在將電勢或電壓施加給連接到下伏的集電器上的端子時(shí)，這些電極形成電荷。水流中存在的帶正電和帶負(fù)電的離子分別吸引到并且靜電地吸附到相反極性的負(fù)充電電極和正充電電極上，并且從溶液中移除而形成凈化的水流。該過程由非感應(yīng)電流的電容性充電而產(chǎn)生的電子電流的流動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)流過式電容器被充電時(shí)，它可以分流或極性反向，從而釋放吸附的濃縮形式的離子。所述凈化和濃縮流可以通過一個(gè)閥而在一系列交替的凈化和濃縮循環(huán)中轉(zhuǎn)向到凈化流和廢料流中。
[0003]流過式電容器是所謂的“雙層類型”的電容器。在電容性充電的電極的這個(gè)背景下，雙層指的是這些離子吸引并且吸附到其上的靜電電荷層。這些層包括表面電荷層以及擴(kuò)散層，也稱為斯特恩層(Stern layer)和古奧依?強(qiáng)本層(Guoy Champan layer)。包括這所謂的雙層的這些層的特征長度厚度對應(yīng)于德拜長度，也稱為德拜半徑。這在如下等式I中估算:
[0004]等式I
[0005]
【權(quán)利要求】
1.一種電極電容器組件，包括: (a)至少兩個(gè)電容器電極，這些電容器電極具有用于離子的靜電吸附和解吸附的一個(gè)表面區(qū)域并且包括一種孔結(jié)構(gòu)，這樣使得每個(gè)所述電極是一個(gè)具有孔體積的多孔電極； (b)一個(gè)流動(dòng)通道，該流動(dòng)通道用于通過一種含離子性流體，所述流動(dòng)通道與所述兩個(gè)電極處于離子性連通；以及 (C)至少一個(gè)離子基團(tuán)，該至少一個(gè)離子基團(tuán)被固持在每個(gè)所述多孔電極的該孔體積之內(nèi)，由此使一個(gè)具有第一孔體積的第一所述多孔電極是一個(gè)陰離子可滲透的電極，這個(gè)陰離子可滲透的電極在所述第一孔體積內(nèi)固持多個(gè)陽離子基團(tuán)并且將多個(gè)陽離子性共離子從所述第一電極中排除，并且由此使一個(gè)具有第二孔體積的第二多孔電極是一個(gè)陽離子可滲透的電極，該陽離子可滲透的電極在所述第二孔體積內(nèi)固持多個(gè)陰離子基團(tuán)并且將多個(gè)陰離子性共離子從所述第二電極中排除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述第一多孔電極是對于陽離子至少部分地不可滲透的并且對于陰離子可滲透的，并且其中所述第二多孔電極是對于陰離子至少部分地不可滲透的并且對于陽離子可滲透的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述流體具有一個(gè)PH，并且其中固持在該第一孔體積內(nèi)的這些陽離子基團(tuán)的PKa是比所述流體pH高至少一個(gè)pKa單位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述流體具有一個(gè)PH，并且固持在該第二孔體積內(nèi)的這些陰離子基團(tuán)的pKa是比所述流體pH低至少一個(gè)pKa單位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中所述孔結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括多個(gè)微孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中所述孔結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括多個(gè)中孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中所述固持的離子基團(tuán)被附著到所述孔體積的表面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極電容器組件，其中所述離子基團(tuán)通過一個(gè)疏水部分而被附著到所述孔體積的所述表面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極電容器組件，其中所述電極中的至少一個(gè)包括一種碳材料，并且所述離子基團(tuán)是通過共價(jià)鍵而被附著到所述孔體積的所述表面上的一個(gè)表面基團(tuán)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極電容器組件，其中所述表面基團(tuán)包括氧、羧基、醌、胺，或者聚噻吩聚合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極電容器組件，其中所述表面基團(tuán)是通過氧化、酰胺化或硅烷化形成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極電容器組件，其中所述離子基團(tuán)是通過一個(gè)連接分子、系鏈分子、或長鏈分子而被附著到所述表面基團(tuán)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極電容器組件，其中所述離子基團(tuán)通過一個(gè)形成的電極的衍生作用而被附著到所述電極孔表面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極電容器組件，其中所述附著的離子基團(tuán)填充了總孔體積的50%以上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，該電極電容器組件具有選自下組的一種特性，該組由以下各項(xiàng)組成:(a)相對于缺少所述固持的離子基團(tuán)的一個(gè)孔體積中的共離子濃度50%或更大的從所述第一電極孔體積的共離子的唐南排斥；以及(b)相對于缺少所述固持的離子基團(tuán)的一個(gè)孔體積中的共離子濃度50%或更大的從所述第二電極孔體積的共離子的唐南排斥。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述陽離子基團(tuán)是超過50%被電離的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述陰離子基團(tuán)是超過50%被電離的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中所述固持的離子基團(tuán)被溶解在所述孔體積內(nèi)的一種溶液中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電極電容器組件，其中所述溶解的離子基團(tuán)是通過一個(gè)電中性的阻擋層而被固持在所述孔體積內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電極電容器組件，其中所述阻擋層是一種大小排除、分子篩、多孔的或交聯(lián)的材料，該材料與固持在所述孔體積內(nèi)的帶電離子基團(tuán)分子相比具有更低的分子量截止值或大小截止值。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中該離子基團(tuán)具有的質(zhì)量小于1000道爾頓。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中所述離子基團(tuán)是吸附到該孔體積表面上的一種表面活性劑化合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述電極中的至少一個(gè)是通過松散的、粉狀的、纖維狀的、微粒的、顆粒的或分散的材料的衍生作用來形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述電極中的至少一個(gè)是由選自由以下項(xiàng)組成的組中的一種材料制備的:碳?xì)饽z、活性碳、陶瓷、導(dǎo)電聚合物、受控的多孔碳、活性碳冷膠、納米多孔的碳化物碳、高表面積石墨、納米管、納米管膜、離子基團(tuán)官能化的納米管、納米角、碳納米網(wǎng)絡(luò)、碳微片、邊刨碳以及石墨烯材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述電極中的至少一個(gè)是由一種碳材料制備，該碳材料具有的平均顆粒大小是小于100微米。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，進(jìn)一步包括至少一個(gè)集電器，該至少一個(gè)集電器與所述電極中的至少一個(gè)的一個(gè)面向區(qū)域處于電連通。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的電極電容器組件，其中所述集電器包括用多個(gè)電化學(xué)保護(hù)層來層合的一個(gè)金屬箔。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，其中所述流體通道包括一個(gè)流動(dòng)間隔物，該流動(dòng)間隔物具有的楊氏模量為0.05GPa或更高。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極電容器組件，具有一個(gè)拉伸強(qiáng)度為50kPa或更高的一體化附著的電極和集電器。
30.根據(jù)權(quán)利要求1至29中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中至少一個(gè)所述離子基團(tuán)被固持在所述多孔電極的孔體積的德拜半徑內(nèi)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的電極電容器組件，其中一個(gè)具有第一孔體積的第一所述多孔電極是固持所述第一孔體積該德拜半徑內(nèi)的多個(gè)陽離子基團(tuán)的一個(gè)陰離子可滲透的電極，并且其中一個(gè)具有第二孔體積的第二多孔電極是固持所述第二孔體積的德拜半徑內(nèi)的多個(gè)陰離子基團(tuán)的一個(gè)陽離子可滲透的電極。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的電極電容器組件，其中所述組件是一種可充電并且可放電的電極電容器組件，用于從該電極孔表面上移除和或濃縮具有包含在該德拜長度內(nèi)的離子基團(tuán)分子的溶解物質(zhì)。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的電極電容器組件，其中由A*K-1給出的、由雙層占據(jù)的孔體積構(gòu)成該總孔電極體積的大部分，其中A是該電極材料孔表面積，并且IT1是該德拜長度。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的電極電容器組件，其中該電極雙層體積是該總電極孔體積的10%或更多。
35.根據(jù)權(quán)利要求1至34中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中所述電極是由具有大于300平方米每克B.E.T的一種材料制備的。
36.根據(jù)權(quán)利要求1至35中任一項(xiàng)所述的電極電容器組件，其中所述組件進(jìn)一步與一個(gè)電源處于電連通，其中所述第一電極是一個(gè)陰極并且所述第二電極是一個(gè)陽極，并且其中來自所述流體的陰離子進(jìn)料離子吸附到所述第一電極的一個(gè)表面上，并且其中來自所述流體的陽離子進(jìn)料離子吸附到所述第二電極的一個(gè)表面上。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的電極電容器組件，具有小于50歐姆cm'2的串聯(lián)電阻以及大于100歐姆cm'2的并聯(lián)電阻。
38.一種電極組件，該電極組件具有多個(gè)內(nèi)部孔體積包含的離子基團(tuán)，具有該電極內(nèi)部孔體積溶液內(nèi)的共離子以及該電極外部的進(jìn)料溶液中的共離子，均以當(dāng)量每升的濃度度量，表示為這樣濃度的包含的離子、內(nèi)部共離子以及外部共離子，根據(jù)等式:內(nèi)部共離子/外部共離子=外部共離子/ (內(nèi)部共離子+ (含有的離子))進(jìn)行測量，這樣使得該電極的內(nèi)部共離子與外部共離子的當(dāng)量之比為`0.5或更小。
39.一種電極電容器組件,包括: (a)至少兩個(gè)電容器電極，這些電容器電極具有用于離子的靜電吸附和解吸附的一個(gè)表面區(qū)域并且包括一種孔結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)所述電極是一個(gè)具有孔體積的多孔電極； (b)一個(gè)流動(dòng)通道，該流動(dòng)通道用于通過具有一個(gè)pH的一種含離子性流體，所述流動(dòng)通道與所述兩個(gè)電極處于離子性連通；以及 (C)至少一個(gè)離子基團(tuán)，該至少一個(gè)離子基團(tuán)被固持在每個(gè)所述多孔電極的孔體積內(nèi)，其中一個(gè)具有第一孔體積的第一所述多孔電極在所述第一孔體積內(nèi)固持多個(gè)陽離子基團(tuán)，所述陽離子基團(tuán)具有一個(gè)pKa,該pKa比所述流體pH高至少一個(gè)pKa單位；并且 (d)其中一個(gè)具有第二孔體積的第二多孔電極在所述第二孔體積內(nèi)固持多個(gè)陰離子基團(tuán)，所述陰離子基團(tuán)具有一個(gè)pKa,該pKa比所述流體pH低至少一個(gè)pKa單位。
40.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至39中任一項(xiàng)所述的電極組件的方法，包括在所述電極的電極孔體積內(nèi)包含一種離子基團(tuán)。
41.一種用于對一種流體進(jìn)行去電離的方法，包括:將根據(jù)權(quán)利要求1至39中任一項(xiàng)所述的電極組件包含在一個(gè)流過式電容器系統(tǒng)中；將一種電荷施加給所述電極組件中的每個(gè)所述電極；以及使所述流動(dòng)通道中的所述流體中的離子靜電吸附到所述電極上。
【文檔編號】H01G9/00GK103563027SQ201280014516
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】M·D·安德爾曼 申請人:梅斯皮魯斯股份有限公司