用于流过式电容性去电离的极化电极的制作方法
【专利摘要】极化电极流过式电容器包括至少各一种电极材料，该电极材料具有一个孔体积，该孔体积包括中孔和微孔，而这些中孔和微孔内含有阴离子基团或阳离子基团。这些极化电极是处于由流动路径或流动间隔物隔开的相反极性面向的电极对中。所使用的这些特定附着的离子基团的两种极性均在供应给该流过式电容器的入口的特定进料溶液的工作pH或者成分下被电离。所包含的基团致使这些电极被极化，这样使得它们对阴离子或阳离子是选择性的。与由非衍生性碳制成的相同的流过式电容器相比，这种极化电极流过式电容器具有更好的性能。如此衍生化的这些电容器电极材料直接地提供了这种极化功能，而不需要一种分开的电荷屏障材料。
【专利说明】用于流过式电容性去电离的极化电极
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及水净化，并且更具体地涉及流过式电容器以及电容性去电离。
【背景技术】
[0002]本领域中已知的是使用由相对的多对可相反充电的高电容电极制成的电极组件，来对水进行去电离或净化。这称为流过式电容器，或电容性去电离。在将电势或电压施加给连接到下伏的集电器上的端子时，这些电极形成电荷。水流中存在的带正电和带负电的离子分别吸引到并且静电地吸附到相反极性的负充电电极和正充电电极上，并且从溶液中移除而形成净化的水流。该过程由非感应电流的电容性充电而产生的电子电流的流动进行驱动。当流过式电容器被充电时，它可以分流或极性反向，从而释放吸附的浓缩形式的离子。所述净化和浓缩流可以通过一个阀而在一系列交替的净化和浓缩循环中转向到净化流和废料流中。
[0003]流过式电容器是所谓的“双层类型”的电容器。在电容性充电的电极的这个背景下，双层指的是这些离子吸引并且吸附到其上的静电电荷层。这些层包括表面电荷层以及扩散层，也称为斯特恩层(Stern layer)和古奥依?强本层(Guoy Champan layer)。包括这所谓的双层的这些层的特征长度厚度对应于德拜长度，也称为德拜半径。这在如下等式I中估算:
[0004]等式I
[0005]
【权利要求】
1.一种电极电容器组件，包括: (a)至少两个电容器电极，这些电容器电极具有用于离子的静电吸附和解吸附的一个表面区域并且包括一种孔结构，这样使得每个所述电极是一个具有孔体积的多孔电极； (b)一个流动通道，该流动通道用于通过一种含离子性流体，所述流动通道与所述两个电极处于离子性连通；以及 (C)至少一个离子基团，该至少一个离子基团被固持在每个所述多孔电极的该孔体积之内，由此使一个具有第一孔体积的第一所述多孔电极是一个阴离子可渗透的电极，这个阴离子可渗透的电极在所述第一孔体积内固持多个阳离子基团并且将多个阳离子性共离子从所述第一电极中排除，并且由此使一个具有第二孔体积的第二多孔电极是一个阳离子可渗透的电极，该阳离子可渗透的电极在所述第二孔体积内固持多个阴离子基团并且将多个阴离子性共离子从所述第二电极中排除。
2.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述第一多孔电极是对于阳离子至少部分地不可渗透的并且对于阴离子可渗透的，并且其中所述第二多孔电极是对于阴离子至少部分地不可渗透的并且对于阳离子可渗透的。
3.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述流体具有一个PH，并且其中固持在该第一孔体积内的这些阳离子基团的PKa是比所述流体pH高至少一个pKa单位。
4.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述流体具有一个PH，并且固持在该第二孔体积内的这些阴离子基团的pKa是比所述流体pH低至少一个pKa单位。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述孔结构中的至少一个包括多个微孔。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述孔结构中的至少一个包括多个中孔。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述固持的离子基团被附着到所述孔体积的表面上。
8.根据权利要求7所述的电极电容器组件，其中所述离子基团通过一个疏水部分而被附着到所述孔体积的所述表面上。
9.根据权利要求7所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个包括一种碳材料，并且所述离子基团是通过共价键而被附着到所述孔体积的所述表面上的一个表面基团上。
10.根据权利要求9所述的电极电容器组件，其中所述表面基团包括氧、羧基、醌、胺，或者聚噻吩聚合物。
11.根据权利要求9所述的电极电容器组件，其中所述表面基团是通过氧化、酰胺化或硅烷化形成的。
12.根据权利要求7所述的电极电容器组件，其中所述离子基团是通过一个连接分子、系链分子、或长链分子而被附着到所述表面基团上。
13.根据权利要求7所述的电极电容器组件，其中所述离子基团通过一个形成的电极的衍生作用而被附着到所述电极孔表面上。
14.根据权利要求7所述的电极电容器组件，其中所述附着的离子基团填充了总孔体积的50%以上。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，该电极电容器组件具有选自下组的一种特性，该组由以下各项组成:(a)相对于缺少所述固持的离子基团的一个孔体积中的共离子浓度50%或更大的从所述第一电极孔体积的共离子的唐南排斥；以及(b)相对于缺少所述固持的离子基团的一个孔体积中的共离子浓度50%或更大的从所述第二电极孔体积的共离子的唐南排斥。
16.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述阳离子基团是超过50%被电离的。
17.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述阴离子基团是超过50%被电离的。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述固持的离子基团被溶解在所述孔体积内的一种溶液中。
19.根据权利要求18所述的电极电容器组件，其中所述溶解的离子基团是通过一个电中性的阻挡层而被固持在所述孔体积内。
20.根据权利要求19所述的电极电容器组件，其中所述阻挡层是一种大小排除、分子筛、多孔的或交联的材料，该材料与固持在所述孔体积内的带电离子基团分子相比具有更低的分子量截止值或大小截止值。
21.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中该离子基团具有的质量小于1000道尔顿。
22.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述离子基团是吸附到该孔体积表面上的一种表面活性剂化合物。
23.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个是通过松散的、粉状的、纤维状的、微粒的、颗粒的或分散的材料的衍生作用来形成。
24.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个是由选自由以下项组成的组中的一种材料制备的:碳气凝胶、活性碳、陶瓷、导电聚合物、受控的多孔碳、活性碳冷胶、纳米多孔的碳化物碳、高表面积石墨、纳米管、纳米管膜、离子基团官能化的纳米管、纳米角、碳纳米网络、碳微片、边刨碳以及石墨烯材料。
25.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个是由一种碳材料制备，该碳材料具有的平均颗粒大小是小于100微米。
26.根据权利要求1所述的电极电容器组件，进一步包括至少一个集电器，该至少一个集电器与所述电极中的至少一个的一个面向区域处于电连通。
27.根据权利要求26所述的电极电容器组件，其中所述集电器包括用多个电化学保护层来层合的一个金属箔。
28.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述流体通道包括一个流动间隔物，该流动间隔物具有的杨氏模量为0.05GPa或更高。
29.根据权利要求1所述的电极电容器组件，具有一个拉伸强度为50kPa或更高的一体化附着的电极和集电器。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的电极电容器组件，其中至少一个所述离子基团被固持在所述多孔电极的孔体积的德拜半径内。
31.根据权利要求30所述的电极电容器组件，其中一个具有第一孔体积的第一所述多孔电极是固持所述第一孔体积该德拜半径内的多个阳离子基团的一个阴离子可渗透的电极，并且其中一个具有第二孔体积的第二多孔电极是固持所述第二孔体积的德拜半径内的多个阴离子基团的一个阳离子可渗透的电极。
32.根据权利要求30所述的电极电容器组件，其中所述组件是一种可充电并且可放电的电极电容器组件，用于从该电极孔表面上移除和或浓缩具有包含在该德拜长度内的离子基团分子的溶解物质。
33.根据权利要求32所述的电极电容器组件，其中由A*K-1给出的、由双层占据的孔体积构成该总孔电极体积的大部分，其中A是该电极材料孔表面积，并且IT1是该德拜长度。
34.根据权利要求33所述的电极电容器组件，其中该电极双层体积是该总电极孔体积的10%或更多。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的电极电容器组件，其中所述电极是由具有大于300平方米每克B.E.T的一种材料制备的。
36.根据权利要求1至35中任一项所述的电极电容器组件，其中所述组件进一步与一个电源处于电连通，其中所述第一电极是一个阴极并且所述第二电极是一个阳极，并且其中来自所述流体的阴离子进料离子吸附到所述第一电极的一个表面上，并且其中来自所述流体的阳离子进料离子吸附到所述第二电极的一个表面上。
37.根据权利要求36所述的电极电容器组件，具有小于50欧姆cm'2的串联电阻以及大于100欧姆cm'2的并联电阻。
38.一种电极组件，该电极组件具有多个内部孔体积包含的离子基团，具有该电极内部孔体积溶液内的共离子以及该电极外部的进料溶液中的共离子，均以当量每升的浓度度量，表示为这样浓度的包含的离子、内部共离子以及外部共离子，根据等式:内部共离子/外部共离子=外部共离子/ (内部共离子+ (含有的离子))进行测量，这样使得该电极的内部共离子与外部共离子的当量之比为`0.5或更小。
39.一种电极电容器组件,包括: (a)至少两个电容器电极，这些电容器电极具有用于离子的静电吸附和解吸附的一个表面区域并且包括一种孔结构，使得每个所述电极是一个具有孔体积的多孔电极； (b)一个流动通道，该流动通道用于通过具有一个pH的一种含离子性流体，所述流动通道与所述两个电极处于离子性连通；以及 (C)至少一个离子基团，该至少一个离子基团被固持在每个所述多孔电极的孔体积内，其中一个具有第一孔体积的第一所述多孔电极在所述第一孔体积内固持多个阳离子基团，所述阳离子基团具有一个pKa,该pKa比所述流体pH高至少一个pKa单位；并且 (d)其中一个具有第二孔体积的第二多孔电极在所述第二孔体积内固持多个阴离子基团，所述阴离子基团具有一个pKa,该pKa比所述流体pH低至少一个pKa单位。
40.一种用于制造根据权利要求1至39中任一项所述的电极组件的方法，包括在所述电极的电极孔体积内包含一种离子基团。
41.一种用于对一种流体进行去电离的方法，包括:将根据权利要求1至39中任一项所述的电极组件包含在一个流过式电容器系统中；将一种电荷施加给所述电极组件中的每个所述电极；以及使所述流动通道中的所述流体中的离子静电吸附到所述电极上。
【文档编号】H01G9/00GK103563027SQ201280014516
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年3月23日 优先权日:2011年3月23日
【发明者】M·D·安德尔曼 申请人:梅斯皮鲁斯股份有限公司