用于电容式去离子化的浸渍电极,制备其的方法和使用所述电极的装置的制造方法
用于电容式去离子化的浸渍电极,制备其的方法和使用所述电极的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于电容式去离子化的电极。
【背景技术】
[0002] 可以采用数种技术来净化水。所列出的包括紫外线（UV)辐射、化学净化试剂例如 次氯酸盐以及多种不同的膜的使用。所列出的技术并不会提供去离子化。然而，其它的方 法，例如蒸馏、反渗透、电容式去离子化和离子交换树脂会提供去离子化。
[0003] 如果水含有大量溶解固体（通常根据水的TDS (总溶解固体）而被测定），那么去 离子化就变为必需的。令水去离子化的净化器通常具有内嵌式机构（例如电导计），用以检 测总溶解固体。只要总溶解固体低于预设定限值，那么用户就可以通过分配端口 /龙头收 集净化水。当甚至经净化的水超过该预设定限值的时候，就会来到这一阶段。在该阶段，传 感器立即检测该变化，并切断水至所述端口 /龙头的供给。水随后会被转移至用于废水的 出口。这种预定义水平（TDSiss)通常会在考虑输入水的平均TDS和消费者所期望的净化 水的平均TDS之后而被确定。在水中存在一定量的TDS是良好的口感所必需的。
[0004] 在典型的电容式去离子化过程中，水流经一对或多对带有相反电荷的电极，在此 期间，在水中存在的离子被吸引并吸附至电极表面。该现象导致TDS的下降。吸附为受到 电极的有效表面积（available surface area)的限制的表面现象。含有电容式去离子化 电极的商用水净化器通常含有循环充电和放电的若干个电极的布置。流经这该电极堆的水 在充电循环期间被连续地去离子化。
[0005] 然而，任何电极的性能通常都在一定时期的使用后而有所下降。那么，该器件就不 再能够提供所期望程度的TDS下降。据信，这是由于盐在电极上的沉积。该现象会影响电 极的使用寿命。然而，消费者会希望更加耐用的电极。
[0006] 在电容式去离子化的过程中，水的纯度通过称作TDSise的预先决定的参数来确 定。含有比设定值更多TDS的水被认为是不纯净的，并且因此而不适用于消耗。换句话说， 这样的水包含更高量的溶解固体（主要是无机盐），这致使其不可饮用。相反地，只要是净 化（或输出）水的TDS小于TDS isg，那么水就会保持为适用于消耗的。
[0007] 任何⑶I系统的性能都可通过两个参数来计量。
[0008] 第一个为由所述系统带来的TDS下降程度，并且第二个被称为回收率 (recovery)，其被定义为净化水与水的总进入量的比率。
[0009] 优选的电极是能够尽可能长时间地连续提供纯水，具有较高的回收率并始终提供 较多的TDS移除的电极。
[0010] US2012187054A1 (SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD)公开了在电极上使用金属吸收 材料以通过吸附从输入水移除金属污染物。
[0011] EP1601617B1(M0RGANITE ELECT CARBON)公开了在电极中包括金属，从而通过电 解令金属浸出至水中以形成电絮凝剂，从而降低输入的不纯水的浊度。代表性的电极基于 碳基体计具有1至90%的石墨，以及尚至40%的金属，例如错、铜、银、镇、铁。
[0012] W02008016671A1 (Quos Inc，US)公开了由树脂粘合剂、作为活性吸附剂的炭黑和/ 或石墨、以及作为吸附促进剂的金属氧化物制成的碳基复合电极。其指出为了更佳的导电 性，还可将一定量的金属，例如银或金添加至电极。
[0013] DE10013457A1 (Noack Andreas，2001)公开了用于净化水的装置，其包含壳体和至 少两个带有相反电荷的电极，一个包含在多孔载体上的多孔碳膜。用于净化水的装置包含 壳体和至少两个带有相反电荷的电极，一个包含在多孔载体上的多孔碳膜。
[0014] 在前者情况中的电极意图用于移除金属微污染物，但是并不旨在用于降低无机盐 /TDS。在后者情况中，电极用来令金属离子浸出至水中，以用于电絮凝，其为一种降低浊度 的方法。其未着手与任何关于降低无机盐或TDS的技术问题。
[0015] 本发明的目的在于提供给出提高的回收率以及较高TDS移除的电极。
【发明内容】
[0016] 已经确定的是，如果吸附介质浸渍有电导率为IO5SAi至IO7SAi并且标准还原电势 为-0. 3V至+1. 3V的物质，那么就能够解决至少一些些问题。
[0017] 因此，根据第一方面，公开了用于电容式去离子化的电极，其具有：
[0018] ⑴吸附剂，其具有100至1300m2/g的比表面积；
[0019] (ii)导电炭黑；和，
[0020] (iii)粘合剂；
[0021] 其中所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势为-0.3V至 +1.3V的物质。
[0022] 发明详述
[0023] 本发明公开了用于电容式去离子化的电极，其含有：
[0024] ⑴吸附剂，具有100至1300m2/g的比表面积；
[0025] (ii)导电炭黑；和
[0026] (iii)粘合剂；
[0027] 其中所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势为-0. 3V至 +1.3V的物质。
[0028] 电容式去离子化为用于对通常具有300至3000ppm TDS的半咸水进行去离子化的 较新的技术。工作原理为电吸着（electro-sorption)或电吸附（electro-adsorption)，其 中在水中存在的离子会在所施加的电场的影响下被吸附在电极上。典型的电容式去离子化 循环包括净化步骤和再生步骤。
[0029] 电容式去离子化的过程需要电极，其作为用于电吸着离子以降低在输入水中含有 的总溶解固体的基材。
[0030] 吸附剂
[0031] 优选的吸附剂选自活性炭、高比表面积石墨（HSAG)、碳纳米管（CNT)、活性炭纤 维、阳离子交换树脂、沸石、蒙皂石或蛭石。特别优选的吸附剂为活性炭。优选的是，活性 炭由烟煤、椰子壳、木材或石油焦油获得。优选活性炭的表面积大于500m 2/g ;更优选大于 1000m2/g。活性炭的尺寸均匀性系数优选小于2,更优选小于1. 5。
[0032] 优选活性炭的四氯化碳值大于50%，更优选大于60%。进一步优选活性炭的碘值 大于800单位，更优选大于1000单位。还优选的是，活性炭的颗粒尺寸为75至300 μ m，优 选为100至250 μ m。
[0033] 活性炭的改性形式包括碳布、碳带、碳气凝胶也可被用于替代活性炭，或者除了活 性炭之外来使用。
[0034] 导电炭黑
[0035] 导电炭黑为元素形式的碳。导电炭黑大多是通过油炉法由液体芳烃来制造。在选 择用于电极的炭黑时，优选的和重要的因素为总表面积和介孔表面积，结构和表面氧化。
[0036] 导电炭黑的总表面积优选大于500m2/g。另外，优选的是，导电炭黑的介孔面积大 于 100m2/g，更优选为 IOOmVg 至 1000m2/g。
[0037] 炭黑结构的特征在于吸油值（OAN)。炭黑的OAN优选为45至400cm3/100g，更优 选为100至400cm 3/100g，还更优选为250至400cm3/100g。优选的是，导电炭黑在其表面上 具有较低量的化学吸附氧。
[0038] 合适等级的炭黑可选自 TIMCAL Graphite 5Carbon (等级：Ensaco? 250G， Ensaco? 350)或者 Cabot Corporation (等级：Regal?，Black Pearl? 2000, Vulcan)或者 Evonovik (等级：PRINTEX? XE-2)或者 Akzo Nobel (Ketjen Black)。
[0039] 粘合剂
[0040] 电极还含有含粘合剂。粘合剂优选为热塑性的。术语热塑性粘合剂表示熔体流动 速率（MFR)小于5g/10min的粘合剂，更优选小于2g/10min，还更优选小于lg/10min。粘合 剂的体密度优选小于或等于〇. 6g/cm3,更优选小于或等于0. 5g/cm3,并且还更优选小于或 等于 0· 25g/cm3。
[0041] 合适的例子包括具有所述的低MFR值的超高分子量聚合物，优选为聚乙烯、聚丙 烯及其组合。分子量优选为IO 6至109g/mol。这类粘合剂是市售的，其商品名为H0STALEN， 其来自 Tycona GMBH，GUR，Sunf ine (来自 Asahi，Japan)，Hizex (来自 Mitsubishi)和来自 Brasken Corp(Brazil)。其它合适的粘合剂包括以 Lupolen(来自 Basel Polyolefins)销 售的 LDPE，和来自 Qunos(Australia)的 LLDPE。
[0042] 优选的是，热塑性粘合剂不是有原纤维的聚合物，例如聚四氟乙烯（PTFE)。
[0043] 优选的是，热塑性粘合剂的颗粒尺寸范围为20至60 μ m，优选为40至60 μ m。优 选的电极含有以重量计8至30wt %，更优选10至30wt %，还更优选12至28wt %的粘合剂。
[0044] 活性炭：粘合剂：导电炭黑的重量比率优选为5 : 2 : 3至8 : 1 : 0.5,更优选 为7 : 2 : 1。
[0045] 物质
[0046] 在所公开的过滤器中，吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势 为-0. 3V至+1. 3V的物质。这是相对于标准氢电极的。
[0047] 据信，吸附剂电导率的提高是因为这样物质的存在提供提高的回收率和总固体更 多的减少，并提供更佳的能量效率。据信，提高的电导率降低活性材料的电阻，由此导致在 材料内部更小的电势降，并因此在电极-溶液界面会形成更大的电势。这种现象提高了电 极的容量，从而降低盐（TDS)含量。其还提高了盐移除过程的动力学。作为结果，据信电容 式去离子化系统的回收率提高。
[0048] 优选的是，所述物质（用其浸渍吸附剂）为贵金属。优选被浸渍在吸附剂（例如 活性炭）上的物质的百分比为吸附剂的〇. 2至0. 8wt%，更优选为0. 2至0. 5wt%。优选的 物质包括金、银、铜和铂等。银为特别优选的。银具有6. 3X 107S/m的电导率和0. 8V的标 准还原电势，相对于标准氢电极。所使用的吸附剂预浸渍有所述物质。
[0049] 电极的进一步的细节
[0050] 本发明第一方面的电极优选可通过根据本发明第二方面的方法来获得。
[0051] 为了使用电极，通常将它们切割成所需求的尺寸。该尺寸依赖于其中组装有所述 电极的相应的电容式去离子化电池的尺寸。所述电极通常以成对的次序地组装，例如11 对、13对并且优选多至25对。超过25对时，电极布置的水力阻力变得过高，其导致较大的 压降。第二个原因在于在充电循环和净化水从系统离开之间通常会存在一定的延迟，因为 由电极布置所限定的路径长度过高。在优选方法中，水经过8至25对的电极。通常的情况 中，在电极的总数中，相当大的数量为双面电极，并且最为通常的是当使用"η"对电极的时 候；双面的对的数量为"η-1"，留下余量的一对用作单面电极，在组件或堆中各放置一个所 述单面电极作为端电极。
[0052] 特别优选的是，在所有的电极对中，电极的大部分是为双面的，并且相应地，电极 的小部分为单面的。
[0053] 虽然优选具有平行布置的电极，但是它们还可被布置为串联的。
[0054] 优选的是，每个双面电极的厚度为1至6_，优选为2至5_，并且更优选为3至 4_。优选的是，每个单面电极的厚度为1至3mm。
[0055] 非导电材料，例如尼龙布优选被用于防止电极之间的直接接触。特别优选的是，两 个相邻电极之间的间隙高至1mm。
[0056] 可在W02009/077276A1 (Unilever)中找到关于电极的进一步的细节。
[0057] 因为吸附剂（例如碳）预浸渍有所述物质（例如银），所以就不再需要任何进一步 的后处理，例如在电极形成之后对它们进行涂覆。
[0058] 对电容式去离子化电池的描述
[0059] 为了使用所述电极，需要对它们进行组装以形成被称为电容式去离子化电池的电 池。简要描述用于形成所述电池的方法。
[0060] 通常地，在这样的电池中，一对电极被连接至分别的正电势和负电势。外壳包围电 容式去离子化电池，其具有用于水流进和流出电池的构造。所述外壳还为从外部连接电池 内的电极提供了条件。
[0061] 可以使用任何已知的方式将水输入至电池内。水通常经由存储器，或者通过内联 的水源（inline source of water)和泵来进料。例如，将在存储器中存储的水进料至电容 式去离子化电池内，或者将电容式去离子化电池连接至直接的水源，例如龙头。
[0062] 当使用泵的时候，可在1至1500ml/min，更优选为10至300ml/min的流量下来泵 送水。更通常地，流量为约55ml/min至200ml/min。优选的是，对水进行预过滤，从而使其 不含有有机材料和微粒杂质。可以采用合适的过滤方式。
[0063] 能量供给
[0064] 能量供给是必需的。可以通过任何方式来供给能量。然而，优选的是，能量通过用 于供给DC电压和用于应用预程序化的时间步骤例如短路、充电和放电的可程序化的DC系 统来供给。
[0065] 优选的是，在充电步骤期间，在电极两端所施加的电压为0. 1至10V，更优选为0. 8 至8V，并且还更优选为1.0至6V。在放电步骤中，当电极上的电荷被反转时（即便仅是在 较短的时间内），所施加的电压优选为-0. 1至-10V，更优选为-0. 8至-8V，并且还更优选 为-LO 至-6V。
[0066] 测量 TDS
[0067] 电导计被用于测量水中盐的浓度，并且利用合适的电子程序；TDS被直接计算和 显示。优选使用两个这样的电导计。第一电导计位于电容式去离子化电池之前，测量输入 水中盐的浓度。第二电导计位于所述电池之后，测量输出水中盐的浓度。该第二电导计连 接至电子处理器。电子处理器接收来自于电导计的电信号，并其将来自于电导计的电信号 转化为TDS。优选的是，电导率在一定的间隔例如1秒进行测量，其可以通过电子处理器来 控制。
[0068] 为了提供某些方式来控制水的输出，通常会将电磁阀用于此类电容式去离子化电 池中。
[0069] 电磁阀为电机械操作的阀。所述阀经由通过电磁线圈（solenoid)的电流来控制。 在二端口阀的情况中，流被转换为开启或关闭，并且在三端口阀的情况中，流出物会在两个 出口端口之间转换。电磁阀为流体流动中最常使用的控制元件。
[0070] 优选的是，使用三通电磁阀，其中的一个端口用于水的输入，并且另外两个端口用 于输出。优选的是，电磁阀与具有继电器开关的电导计相连。当TDS高于预设定限值的时 候，水的流动通常会被关闭，并且水会来自于输出端。当TDS降低至低于预设定点的时候， 继电器开关被开启，并且电流流至电磁阀，其然后将流动路径转换至另一个端口。
[0071] 基于所测量的输入和输出TDS水平以及预确定的TDS预设定点，电子处理器控制 电磁阀的特定端口开启。优选的是，输入水的TDS为700至800ppm，但是TDS可能依赖于水 源而有所变化。优选的是，在去离子化之后，TDS被降低至至少其初始水平的30%，例如从 IOOppm的初始输入水平降低至至少在输出水中30ppm。
[0072] 如果电极无法提供30%的降低，那么就可能需要对电极进行干预。换句话说，如果 输入TDS为lOOppm，并且输出TDS高于70ppm，那么就可能需要对电极进行干预。
[0073] 优选的是，TDS的预设定上限值（即最大可允许TDS)为550ppm，更优选为300ppm。 TDS的急剧下降从而完全地移除所有的溶解盐是所不期望的。不含有任何溶解固体的水通 常是口味清淡的。
[0074] 因此，TDS设定最小为150ppm。这意味着在输出水中优选具有最小150ppm的TDS。
[0075] 使用中的电极
[0076] 在使用中，具有两个或更多个电极的电容式器件被串联布置。每个电极均具有第 一面，相反的第二面，以及由从第一面延伸至相反的第二面的外表面限定的厚度。第一集电 器与一个或多个电极的外表面电接触，并通过与在第一集电器和一个或多个其它电极的外 表面之间配置的顺应材料（compliant material)相接触而与一个或多个其它电极绝缘。第 二集电器和与第一集电器绝缘的一个或多个电极电接触。
[0077] 净化水的典型方法具有重复的系列循环，在该过程中，输入水经过至少一对带有 相反电荷的电极，每个循环具有：
[0078] ⑴充电步骤；
[0079] (ii)第一短路步骤；
[0080] (iii)放电步骤，其由电极上电荷的反转组成；和
[0081] (iv)第二短路步骤。
[0082] 在十个循环之前，所施加的极性的反转使得该过程效率低。这是因为在极性变化 之后，系统采取数个循环（被称为废循环）来稳定并执行至其最大效率。因此，如果频繁地 反转极性，那么废循环的数量就会增加，其将致使所述过程效率低。在二十个循环之后，电 荷的反转将不会产生所期望的作用，这是因为这时电极已经吸附了较多的离子。
[0083] 在充电步骤中，输入水中存在的离子被吸附至电极表面。在优选的方法中，充电步 骤的持续时间是1至25分钟，更优选6至18分钟，还更优选12至18分钟。每个步骤的该 持续时间依赖于电极的类型，构成它们的材料，它们的尺寸，所施加的电压和将要被处理的 水的TDS。
[0084] 第一短路步骤有助于平衡或中和粘附至电极的电荷，从而使得离子可以进入水的 本体中。在优选方法中，第一短路步骤的持续时间为2至60秒，更优选为8至15秒，并且 最优选为10至15秒。
[0085] 即使是在第一短路步骤之后，一些离子可能仍粘附至电极，原因之一是由于没有 用于解吸附的特定驱动力。这通过放电步骤来实现，其由进行短时间的将施加至电极上的 电荷的反转组成，这有助于释放被电极的残余电荷吸附的离子。这样的离子随后通过排斥 电场力而被容易地释放。
[0086] 该步骤还会令电极再生，以用于进一步的应用。在优选方法中，放电步骤的持续时 间为5至20秒，更优选为8至15秒。第二短路步骤有助于进一步地中和残余电荷。在优 选的方法中，第二短路步骤的持续时间为4至20分钟，更优选为12至18分钟。该步骤进 一步地驱使离子远离电极，至水的本体。
[0087] 制备电极的方法：
[0088] 根据另一个方面，提供了用于制备第一方面的用于 水的电容式去离子化的电极的 方法，其具有步骤：
[0089] ⑴形成60至88重量份比表面积为IOOmVg至1300m2/g的吸附剂、5至30重量 份热塑性聚合物粘合剂和2至20重量份导电炭黑的混合物，并且使所述混合物包含流体， 其中所述流体的量不大于所述混合物重量的四倍；
[0090] (ii)在模具中铸造于步骤（i)中获得的组合物；
[0091] (iii)压缩所述模具；
[0092] (iv)将模具加热至150至350°C的温度；和，
[0093] (V)将所模制的电极脱模，
[0094] 其中，所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准氢电势为-0.3V至 +1.3V的物质。
[0095] 在优选的方法中，所述流体为水。还优选地，使用模具以形成片来完成组合物的铸 造，更优选地，组合物的铸造于模具中在集电器上完成。优选的集电器选自石墨、铝或钛。在 所述方法期间，优选的是，模具的温度为200至300°C。优选的是，在加热所述模具之前，模 具被压缩至不大于30kg/cm 2的压力。还优选的是，压力为12至25kg/cm2。
[0096] 所公开的方法导致一定程度的均匀混合，不像分层的块或者分层的模制制品。
[0097] 根据又一个方面，提供了水净化系统，其具有第一方面的用于水的电容式去离子 化的电极。
[0098] 根据又一个方面，提供了重力进给水净化器件，用于从水中移除溶解的盐，其包含 具有多个第一方面的电极的壳体，其中，所述电极连接至DC能量源，从而在电极两端提供 小于1.4V电势的电压。
[0099] 用于净化水的方法
[0100] 在净化期间，将正电势和负电势施加到电极两端，并且在水中存在的反离子被吸 引至相应的相反电荷的电极。这种作用导致在输入水中存在的离子的降低。
[0101] 在再生步骤中，电极上的电荷被反转（或者电极被短路）。在该步骤中，由于静电 排斥，离子从电极脱附并进入流动的水中。在该步骤期间，在水中会存在较大量的离子。这 样的水通常不适用于消耗，因此，商用器件具有内置式机构，用以遗弃这种水。
[0102] 根据第三方面，提供了用于水的脱盐的器件，包含包括多个由组合物模制的电极 的壳体，所述组合物包含以重量计60至88wt %的颗粒尺寸为75至300 μ m的活性炭，5至 30wt%的颗粒尺寸为20至60 μπι的热塑性聚合物粘合剂，以及2至30wt%的导电炭黑，其 中所述电极连接至DC能量源，用以提供低于I. 4V电势的电压。
[0103] 现在将参考非限制性的实施例来说明本发明的进一步的细节。 实施例
[0104] 实施例1 :用于制备电极的方法
[0105] 电极通过湿法混合过程、随后通过热退火来制备。含有浸渍在其上的0. 2%银的 粉末活性炭（比表面积885m2/g)(由Active Carbon Ltd供给），粘合剂（高密度聚乙稀， 由Ticona供给）和导电炭黑（BET表面积770m2/g，电导率~0· 05S/cm，由HMCAL供给）以 70 : 20 : 10(即7 : 2 : 1)的比率与去离子水混合从而形成浆料。将所述浆料以所期望 的尺寸散布于厚度为0. 3mm的石墨片上，并保持在200°C的热风炉中2小时。
[0106] 实施例2:单电池去离子化
[0107] 对实施例1的电极以及对比例电极（在粉末活性炭上不含浸渍银）进行单电池去 离子化的研宄。
[0108] 实施例3
[0109] 制备在粉末活性炭中具有更高掺杂水平的银（相对于上文的0. 2%，其为1% )的 另一组电极。
[0110] 用于全部实验的输入水为含有815ppm TDS的钻井水。所述水不含胶质，有机材料 和微粒物质。对所述电池施加 I. 2V的DC电压。将输入水的流量固定至10ml/min。
[0111] 脱盐实验通过经由以下步骤组成的过程循环电极来进行：施加电势16分钟（T1)、 短路阶段10秒（T2)、反转电势步骤10秒（T3)和短路状态8分钟（T4)。
[0112] 在Tl期间，将正电压施加至电极中的一个，并且将负电压施加至另一个电极，并 且在T3期间，电极的极性被反转。在短路状态期间，在电极两端未施加电压，并且电极的末 端被短路。
[0113] 电极材料的性能通过观察TDS的降低和回收率来确定，使用以下方程：
[0114] 盐移除（％ ) = [1-(TDS输人 /TDS输出）]*100
[0115] 回收率（％) =[净化水的体积/输入水的体积]*100
[0116] 当TDS低于550ppm(TDSiss )的时候，输出水被认为是纯的。数据在表1中示出。
[0117] 表1:单电池的数据
[0118]
[0119] 注:在表1中，时间Tl以分钟计，并且T2至T4以秒计。
[0120] 对银的包含显著地改善了所述电池的性能（实施例2与实施例1对比）。据信，这 是因为浸渍银的碳降低活性材料的电阻，这有助于更佳地表达在电极-溶液界面处施加的 电势，从而吸附离子。
[0121] 虽然添加更多的银在一定程度上改善电导率，但是在掺杂更多银的时候也降低了 电容量，其导致较差的性能（实施例3与实施例1和2相比）。
[0122] 实施例4和5-电极堆的性能：
[0123] 还对^^一对电极的堆（布置）进行实验，其中个体电池以平行的构造布置。4. 4V 的电势被施加至堆的两端，保持流量为ll〇ml/min。TDS(TDSijffi )的限值被固定于550ppm。
[0124] 根据实施例1制备的电极用于实施例4。
[0125] 根据实施例2制备的电极用于实施例5。
[0126] 表 3
[0127]
[0128] 当电极电池 （electrode cell)被按比例放大至11对电极的堆（构造）时，也观 察到性能上的改善，无论是TDS的降低和回收率的绝对提高方面，还是在电极使用寿命期 间性能的相对下降方面。另外，吸附动力学也被改善，正如通过带来TDS所期望的下降所需 要的更少的时间所示出的。
【主权项】
1. 用于电容式去离子化的电极，包含： ⑴吸附剂，其具有IOOmVg至1300m2/g的比表面积； (ii) 导电炭黑；和 (iii) 粘合剂； 其中，所述吸附剂浸渍有电导率为l〇5S/m至107S/m并且标准氢电势为-0. 3V至+1. 3V的物质。2. 如权利要求1所述的电极，其中所述吸附剂选自活性炭、高比表面积石墨（HSAG)、碳 纳米管（CNT)、活性炭、活性炭纤维、阳离子交换树脂、沸石、蒙皂石或蛭石。3. 如权利要求2所述的电极，其中所述吸附剂为活性炭。4. 如权利要求2或3所述的电极，其中所述物质为贵金属。5. 如权利要求4所述的电极，其中所述贵金属为银。6. 如权利要求3或4所述的电极，其中被浸渍在所述活性炭上的银的百分比为吸附剂 的 0?Iwt% 至 0? 8wt%。7. 如前述权利要求3至6中任一项所述的电极，其中活性炭：粘合剂：导电炭黑的比 率为 5 : 2 : 3 至 8 : 1 : 0? 5。8. 如前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述粘合剂为热塑性粘合剂。9. 如权利要求1所述的电极的用于水的净化的用途。10. 用于制备如权利要求1所述的用于水的电容式去离子化的电极的方法，其包括步 骤： ⑴形成60至88重量份比表面积为IOOmVg至1300m2/g的吸附剂、5至30重量份热 塑性聚合物粘合剂和2至20重量份导电炭黑的混合物，并使所述混合物包含流体，其中所 述流体的量不大于所述混合物重量的四倍： (ii) 在模具中铸造于步骤（i)中获得的组合物； (iii) 压缩所述模具； 将所述模具加热至150至350°C的温度；和， (iv) 将模制的电极脱模， 其中，所述吸附剂浸渍有电导率为l〇5S/m至107S/m并且标准氢电势为-0. 3V至+1. 3V的物质。11. 如权利要求11所述的方法，其中所述流体为水。12. 用于从水中移除溶解盐的重力进给水净化器件，，其包含具有多个如权利要求1所 述的电极的壳体，其中，所述电极连接至DC能量源，从而在电极两端提供小于1.4V电势的 电压。
【专利摘要】本发明公开了电极，一种用于电容式去离子化的电极，所述电极包含(i)吸附剂，其具有100m2/g至1300m2/g的比表面积；(ii)导电炭黑；和(iii)粘合剂；其中，所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准氢电势为-0.3V至+1.3V的物质。所述电极提供了提高的回收率以及总固体较大程度的减少，并且是具有较大能量效率的。本发明还公开了制备所述电极的方法以及结合所述电极的重力进给水净化装置。
【IPC分类】C02F1/461, C02F103/10, C02F101/10, C02F1/469, C02F1/46
【公开号】CN104903250
【申请号】CN201380065018
【发明人】T·J·阿伦切尔, S·格霍斯, V·拉贾纳拉亚纳
【申请人】荷兰联合利华有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】CA2893381A1, EP2931665A1, US20150307373, WO2014090508A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于电容式去离子化的电极。
【背景技术】
[0002] 可以采用数种技术来净化水。所列出的包括紫外线（UV)辐射、化学净化试剂例如 次氯酸盐以及多种不同的膜的使用。所列出的技术并不会提供去离子化。然而，其它的方 法，例如蒸馏、反渗透、电容式去离子化和离子交换树脂会提供去离子化。
[0003] 如果水含有大量溶解固体（通常根据水的TDS (总溶解固体）而被测定），那么去 离子化就变为必需的。令水去离子化的净化器通常具有内嵌式机构（例如电导计），用以检 测总溶解固体。只要总溶解固体低于预设定限值，那么用户就可以通过分配端口 /龙头收 集净化水。当甚至经净化的水超过该预设定限值的时候，就会来到这一阶段。在该阶段，传 感器立即检测该变化，并切断水至所述端口 /龙头的供给。水随后会被转移至用于废水的 出口。这种预定义水平（TDSiss)通常会在考虑输入水的平均TDS和消费者所期望的净化 水的平均TDS之后而被确定。在水中存在一定量的TDS是良好的口感所必需的。
[0004] 在典型的电容式去离子化过程中，水流经一对或多对带有相反电荷的电极，在此 期间，在水中存在的离子被吸引并吸附至电极表面。该现象导致TDS的下降。吸附为受到 电极的有效表面积（available surface area)的限制的表面现象。含有电容式去离子化 电极的商用水净化器通常含有循环充电和放电的若干个电极的布置。流经这该电极堆的水 在充电循环期间被连续地去离子化。
[0005] 然而，任何电极的性能通常都在一定时期的使用后而有所下降。那么，该器件就不 再能够提供所期望程度的TDS下降。据信，这是由于盐在电极上的沉积。该现象会影响电 极的使用寿命。然而，消费者会希望更加耐用的电极。
[0006] 在电容式去离子化的过程中，水的纯度通过称作TDSise的预先决定的参数来确 定。含有比设定值更多TDS的水被认为是不纯净的，并且因此而不适用于消耗。换句话说， 这样的水包含更高量的溶解固体（主要是无机盐），这致使其不可饮用。相反地，只要是净 化（或输出）水的TDS小于TDS isg，那么水就会保持为适用于消耗的。
[0007] 任何⑶I系统的性能都可通过两个参数来计量。
[0008] 第一个为由所述系统带来的TDS下降程度，并且第二个被称为回收率 (recovery)，其被定义为净化水与水的总进入量的比率。
[0009] 优选的电极是能够尽可能长时间地连续提供纯水，具有较高的回收率并始终提供 较多的TDS移除的电极。
[0010] US2012187054A1 (SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD)公开了在电极上使用金属吸收 材料以通过吸附从输入水移除金属污染物。
[0011] EP1601617B1(M0RGANITE ELECT CARBON)公开了在电极中包括金属，从而通过电 解令金属浸出至水中以形成电絮凝剂，从而降低输入的不纯水的浊度。代表性的电极基于 碳基体计具有1至90%的石墨，以及尚至40%的金属，例如错、铜、银、镇、铁。
[0012] W02008016671A1 (Quos Inc，US)公开了由树脂粘合剂、作为活性吸附剂的炭黑和/ 或石墨、以及作为吸附促进剂的金属氧化物制成的碳基复合电极。其指出为了更佳的导电 性，还可将一定量的金属，例如银或金添加至电极。
[0013] DE10013457A1 (Noack Andreas，2001)公开了用于净化水的装置，其包含壳体和至 少两个带有相反电荷的电极，一个包含在多孔载体上的多孔碳膜。用于净化水的装置包含 壳体和至少两个带有相反电荷的电极，一个包含在多孔载体上的多孔碳膜。
[0014] 在前者情况中的电极意图用于移除金属微污染物，但是并不旨在用于降低无机盐 /TDS。在后者情况中，电极用来令金属离子浸出至水中，以用于电絮凝，其为一种降低浊度 的方法。其未着手与任何关于降低无机盐或TDS的技术问题。
[0015] 本发明的目的在于提供给出提高的回收率以及较高TDS移除的电极。
【发明内容】
[0016] 已经确定的是，如果吸附介质浸渍有电导率为IO5SAi至IO7SAi并且标准还原电势 为-0. 3V至+1. 3V的物质，那么就能够解决至少一些些问题。
[0017] 因此，根据第一方面，公开了用于电容式去离子化的电极，其具有：
[0018] ⑴吸附剂，其具有100至1300m2/g的比表面积；
[0019] (ii)导电炭黑；和，
[0020] (iii)粘合剂；
[0021] 其中所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势为-0.3V至 +1.3V的物质。
[0022] 发明详述
[0023] 本发明公开了用于电容式去离子化的电极，其含有：
[0024] ⑴吸附剂，具有100至1300m2/g的比表面积；
[0025] (ii)导电炭黑；和
[0026] (iii)粘合剂；
[0027] 其中所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势为-0. 3V至 +1.3V的物质。
[0028] 电容式去离子化为用于对通常具有300至3000ppm TDS的半咸水进行去离子化的 较新的技术。工作原理为电吸着（electro-sorption)或电吸附（electro-adsorption)，其 中在水中存在的离子会在所施加的电场的影响下被吸附在电极上。典型的电容式去离子化 循环包括净化步骤和再生步骤。
[0029] 电容式去离子化的过程需要电极，其作为用于电吸着离子以降低在输入水中含有 的总溶解固体的基材。
[0030] 吸附剂
[0031] 优选的吸附剂选自活性炭、高比表面积石墨（HSAG)、碳纳米管（CNT)、活性炭纤 维、阳离子交换树脂、沸石、蒙皂石或蛭石。特别优选的吸附剂为活性炭。优选的是，活性 炭由烟煤、椰子壳、木材或石油焦油获得。优选活性炭的表面积大于500m 2/g ;更优选大于 1000m2/g。活性炭的尺寸均匀性系数优选小于2,更优选小于1. 5。
[0032] 优选活性炭的四氯化碳值大于50%，更优选大于60%。进一步优选活性炭的碘值 大于800单位，更优选大于1000单位。还优选的是，活性炭的颗粒尺寸为75至300 μ m，优 选为100至250 μ m。
[0033] 活性炭的改性形式包括碳布、碳带、碳气凝胶也可被用于替代活性炭，或者除了活 性炭之外来使用。
[0034] 导电炭黑
[0035] 导电炭黑为元素形式的碳。导电炭黑大多是通过油炉法由液体芳烃来制造。在选 择用于电极的炭黑时，优选的和重要的因素为总表面积和介孔表面积，结构和表面氧化。
[0036] 导电炭黑的总表面积优选大于500m2/g。另外，优选的是，导电炭黑的介孔面积大 于 100m2/g，更优选为 IOOmVg 至 1000m2/g。
[0037] 炭黑结构的特征在于吸油值（OAN)。炭黑的OAN优选为45至400cm3/100g，更优 选为100至400cm 3/100g，还更优选为250至400cm3/100g。优选的是，导电炭黑在其表面上 具有较低量的化学吸附氧。
[0038] 合适等级的炭黑可选自 TIMCAL Graphite 5Carbon (等级：Ensaco? 250G， Ensaco? 350)或者 Cabot Corporation (等级：Regal?，Black Pearl? 2000, Vulcan)或者 Evonovik (等级：PRINTEX? XE-2)或者 Akzo Nobel (Ketjen Black)。
[0039] 粘合剂
[0040] 电极还含有含粘合剂。粘合剂优选为热塑性的。术语热塑性粘合剂表示熔体流动 速率（MFR)小于5g/10min的粘合剂，更优选小于2g/10min，还更优选小于lg/10min。粘合 剂的体密度优选小于或等于〇. 6g/cm3,更优选小于或等于0. 5g/cm3,并且还更优选小于或 等于 0· 25g/cm3。
[0041] 合适的例子包括具有所述的低MFR值的超高分子量聚合物，优选为聚乙烯、聚丙 烯及其组合。分子量优选为IO 6至109g/mol。这类粘合剂是市售的，其商品名为H0STALEN， 其来自 Tycona GMBH，GUR，Sunf ine (来自 Asahi，Japan)，Hizex (来自 Mitsubishi)和来自 Brasken Corp(Brazil)。其它合适的粘合剂包括以 Lupolen(来自 Basel Polyolefins)销 售的 LDPE，和来自 Qunos(Australia)的 LLDPE。
[0042] 优选的是，热塑性粘合剂不是有原纤维的聚合物，例如聚四氟乙烯（PTFE)。
[0043] 优选的是，热塑性粘合剂的颗粒尺寸范围为20至60 μ m，优选为40至60 μ m。优 选的电极含有以重量计8至30wt %，更优选10至30wt %，还更优选12至28wt %的粘合剂。
[0044] 活性炭：粘合剂：导电炭黑的重量比率优选为5 : 2 : 3至8 : 1 : 0.5,更优选 为7 : 2 : 1。
[0045] 物质
[0046] 在所公开的过滤器中，吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势 为-0. 3V至+1. 3V的物质。这是相对于标准氢电极的。
[0047] 据信，吸附剂电导率的提高是因为这样物质的存在提供提高的回收率和总固体更 多的减少，并提供更佳的能量效率。据信，提高的电导率降低活性材料的电阻，由此导致在 材料内部更小的电势降，并因此在电极-溶液界面会形成更大的电势。这种现象提高了电 极的容量，从而降低盐（TDS)含量。其还提高了盐移除过程的动力学。作为结果，据信电容 式去离子化系统的回收率提高。
[0048] 优选的是，所述物质（用其浸渍吸附剂）为贵金属。优选被浸渍在吸附剂（例如 活性炭）上的物质的百分比为吸附剂的〇. 2至0. 8wt%，更优选为0. 2至0. 5wt%。优选的 物质包括金、银、铜和铂等。银为特别优选的。银具有6. 3X 107S/m的电导率和0. 8V的标 准还原电势，相对于标准氢电极。所使用的吸附剂预浸渍有所述物质。
[0049] 电极的进一步的细节
[0050] 本发明第一方面的电极优选可通过根据本发明第二方面的方法来获得。
[0051] 为了使用电极，通常将它们切割成所需求的尺寸。该尺寸依赖于其中组装有所述 电极的相应的电容式去离子化电池的尺寸。所述电极通常以成对的次序地组装，例如11 对、13对并且优选多至25对。超过25对时，电极布置的水力阻力变得过高，其导致较大的 压降。第二个原因在于在充电循环和净化水从系统离开之间通常会存在一定的延迟，因为 由电极布置所限定的路径长度过高。在优选方法中，水经过8至25对的电极。通常的情况 中，在电极的总数中，相当大的数量为双面电极，并且最为通常的是当使用"η"对电极的时 候；双面的对的数量为"η-1"，留下余量的一对用作单面电极，在组件或堆中各放置一个所 述单面电极作为端电极。
[0052] 特别优选的是，在所有的电极对中，电极的大部分是为双面的，并且相应地，电极 的小部分为单面的。
[0053] 虽然优选具有平行布置的电极，但是它们还可被布置为串联的。
[0054] 优选的是，每个双面电极的厚度为1至6_，优选为2至5_，并且更优选为3至 4_。优选的是，每个单面电极的厚度为1至3mm。
[0055] 非导电材料，例如尼龙布优选被用于防止电极之间的直接接触。特别优选的是，两 个相邻电极之间的间隙高至1mm。
[0056] 可在W02009/077276A1 (Unilever)中找到关于电极的进一步的细节。
[0057] 因为吸附剂（例如碳）预浸渍有所述物质（例如银），所以就不再需要任何进一步 的后处理，例如在电极形成之后对它们进行涂覆。
[0058] 对电容式去离子化电池的描述
[0059] 为了使用所述电极，需要对它们进行组装以形成被称为电容式去离子化电池的电 池。简要描述用于形成所述电池的方法。
[0060] 通常地，在这样的电池中，一对电极被连接至分别的正电势和负电势。外壳包围电 容式去离子化电池，其具有用于水流进和流出电池的构造。所述外壳还为从外部连接电池 内的电极提供了条件。
[0061] 可以使用任何已知的方式将水输入至电池内。水通常经由存储器，或者通过内联 的水源（inline source of water)和泵来进料。例如，将在存储器中存储的水进料至电容 式去离子化电池内，或者将电容式去离子化电池连接至直接的水源，例如龙头。
[0062] 当使用泵的时候，可在1至1500ml/min，更优选为10至300ml/min的流量下来泵 送水。更通常地，流量为约55ml/min至200ml/min。优选的是，对水进行预过滤，从而使其 不含有有机材料和微粒杂质。可以采用合适的过滤方式。
[0063] 能量供给
[0064] 能量供给是必需的。可以通过任何方式来供给能量。然而，优选的是，能量通过用 于供给DC电压和用于应用预程序化的时间步骤例如短路、充电和放电的可程序化的DC系 统来供给。
[0065] 优选的是，在充电步骤期间，在电极两端所施加的电压为0. 1至10V，更优选为0. 8 至8V，并且还更优选为1.0至6V。在放电步骤中，当电极上的电荷被反转时（即便仅是在 较短的时间内），所施加的电压优选为-0. 1至-10V，更优选为-0. 8至-8V，并且还更优选 为-LO 至-6V。
[0066] 测量 TDS
[0067] 电导计被用于测量水中盐的浓度，并且利用合适的电子程序；TDS被直接计算和 显示。优选使用两个这样的电导计。第一电导计位于电容式去离子化电池之前，测量输入 水中盐的浓度。第二电导计位于所述电池之后，测量输出水中盐的浓度。该第二电导计连 接至电子处理器。电子处理器接收来自于电导计的电信号，并其将来自于电导计的电信号 转化为TDS。优选的是，电导率在一定的间隔例如1秒进行测量，其可以通过电子处理器来 控制。
[0068] 为了提供某些方式来控制水的输出，通常会将电磁阀用于此类电容式去离子化电 池中。
[0069] 电磁阀为电机械操作的阀。所述阀经由通过电磁线圈（solenoid)的电流来控制。 在二端口阀的情况中，流被转换为开启或关闭，并且在三端口阀的情况中，流出物会在两个 出口端口之间转换。电磁阀为流体流动中最常使用的控制元件。
[0070] 优选的是，使用三通电磁阀，其中的一个端口用于水的输入，并且另外两个端口用 于输出。优选的是，电磁阀与具有继电器开关的电导计相连。当TDS高于预设定限值的时 候，水的流动通常会被关闭，并且水会来自于输出端。当TDS降低至低于预设定点的时候， 继电器开关被开启，并且电流流至电磁阀，其然后将流动路径转换至另一个端口。
[0071] 基于所测量的输入和输出TDS水平以及预确定的TDS预设定点，电子处理器控制 电磁阀的特定端口开启。优选的是，输入水的TDS为700至800ppm，但是TDS可能依赖于水 源而有所变化。优选的是，在去离子化之后，TDS被降低至至少其初始水平的30%，例如从 IOOppm的初始输入水平降低至至少在输出水中30ppm。
[0072] 如果电极无法提供30%的降低，那么就可能需要对电极进行干预。换句话说，如果 输入TDS为lOOppm，并且输出TDS高于70ppm，那么就可能需要对电极进行干预。
[0073] 优选的是，TDS的预设定上限值（即最大可允许TDS)为550ppm，更优选为300ppm。 TDS的急剧下降从而完全地移除所有的溶解盐是所不期望的。不含有任何溶解固体的水通 常是口味清淡的。
[0074] 因此，TDS设定最小为150ppm。这意味着在输出水中优选具有最小150ppm的TDS。
[0075] 使用中的电极
[0076] 在使用中，具有两个或更多个电极的电容式器件被串联布置。每个电极均具有第 一面，相反的第二面，以及由从第一面延伸至相反的第二面的外表面限定的厚度。第一集电 器与一个或多个电极的外表面电接触，并通过与在第一集电器和一个或多个其它电极的外 表面之间配置的顺应材料（compliant material)相接触而与一个或多个其它电极绝缘。第 二集电器和与第一集电器绝缘的一个或多个电极电接触。
[0077] 净化水的典型方法具有重复的系列循环，在该过程中，输入水经过至少一对带有 相反电荷的电极，每个循环具有：
[0078] ⑴充电步骤；
[0079] (ii)第一短路步骤；
[0080] (iii)放电步骤，其由电极上电荷的反转组成；和
[0081] (iv)第二短路步骤。
[0082] 在十个循环之前，所施加的极性的反转使得该过程效率低。这是因为在极性变化 之后，系统采取数个循环（被称为废循环）来稳定并执行至其最大效率。因此，如果频繁地 反转极性，那么废循环的数量就会增加，其将致使所述过程效率低。在二十个循环之后，电 荷的反转将不会产生所期望的作用，这是因为这时电极已经吸附了较多的离子。
[0083] 在充电步骤中，输入水中存在的离子被吸附至电极表面。在优选的方法中，充电步 骤的持续时间是1至25分钟，更优选6至18分钟，还更优选12至18分钟。每个步骤的该 持续时间依赖于电极的类型，构成它们的材料，它们的尺寸，所施加的电压和将要被处理的 水的TDS。
[0084] 第一短路步骤有助于平衡或中和粘附至电极的电荷，从而使得离子可以进入水的 本体中。在优选方法中，第一短路步骤的持续时间为2至60秒，更优选为8至15秒，并且 最优选为10至15秒。
[0085] 即使是在第一短路步骤之后，一些离子可能仍粘附至电极，原因之一是由于没有 用于解吸附的特定驱动力。这通过放电步骤来实现，其由进行短时间的将施加至电极上的 电荷的反转组成，这有助于释放被电极的残余电荷吸附的离子。这样的离子随后通过排斥 电场力而被容易地释放。
[0086] 该步骤还会令电极再生，以用于进一步的应用。在优选方法中，放电步骤的持续时 间为5至20秒，更优选为8至15秒。第二短路步骤有助于进一步地中和残余电荷。在优 选的方法中，第二短路步骤的持续时间为4至20分钟，更优选为12至18分钟。该步骤进 一步地驱使离子远离电极，至水的本体。
[0087] 制备电极的方法：
[0088] 根据另一个方面，提供了用于制备第一方面的用于 水的电容式去离子化的电极的 方法，其具有步骤：
[0089] ⑴形成60至88重量份比表面积为IOOmVg至1300m2/g的吸附剂、5至30重量 份热塑性聚合物粘合剂和2至20重量份导电炭黑的混合物，并且使所述混合物包含流体， 其中所述流体的量不大于所述混合物重量的四倍；
[0090] (ii)在模具中铸造于步骤（i)中获得的组合物；
[0091] (iii)压缩所述模具；
[0092] (iv)将模具加热至150至350°C的温度；和，
[0093] (V)将所模制的电极脱模，
[0094] 其中，所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准氢电势为-0.3V至 +1.3V的物质。
[0095] 在优选的方法中，所述流体为水。还优选地，使用模具以形成片来完成组合物的铸 造，更优选地，组合物的铸造于模具中在集电器上完成。优选的集电器选自石墨、铝或钛。在 所述方法期间，优选的是，模具的温度为200至300°C。优选的是，在加热所述模具之前，模 具被压缩至不大于30kg/cm 2的压力。还优选的是，压力为12至25kg/cm2。
[0096] 所公开的方法导致一定程度的均匀混合，不像分层的块或者分层的模制制品。
[0097] 根据又一个方面，提供了水净化系统，其具有第一方面的用于水的电容式去离子 化的电极。
[0098] 根据又一个方面，提供了重力进给水净化器件，用于从水中移除溶解的盐，其包含 具有多个第一方面的电极的壳体，其中，所述电极连接至DC能量源，从而在电极两端提供 小于1.4V电势的电压。
[0099] 用于净化水的方法
[0100] 在净化期间，将正电势和负电势施加到电极两端，并且在水中存在的反离子被吸 引至相应的相反电荷的电极。这种作用导致在输入水中存在的离子的降低。
[0101] 在再生步骤中，电极上的电荷被反转（或者电极被短路）。在该步骤中，由于静电 排斥，离子从电极脱附并进入流动的水中。在该步骤期间，在水中会存在较大量的离子。这 样的水通常不适用于消耗，因此，商用器件具有内置式机构，用以遗弃这种水。
[0102] 根据第三方面，提供了用于水的脱盐的器件，包含包括多个由组合物模制的电极 的壳体，所述组合物包含以重量计60至88wt %的颗粒尺寸为75至300 μ m的活性炭，5至 30wt%的颗粒尺寸为20至60 μπι的热塑性聚合物粘合剂，以及2至30wt%的导电炭黑，其 中所述电极连接至DC能量源，用以提供低于I. 4V电势的电压。
[0103] 现在将参考非限制性的实施例来说明本发明的进一步的细节。 实施例
[0104] 实施例1 :用于制备电极的方法
[0105] 电极通过湿法混合过程、随后通过热退火来制备。含有浸渍在其上的0. 2%银的 粉末活性炭（比表面积885m2/g)(由Active Carbon Ltd供给），粘合剂（高密度聚乙稀， 由Ticona供给）和导电炭黑（BET表面积770m2/g，电导率~0· 05S/cm，由HMCAL供给）以 70 : 20 : 10(即7 : 2 : 1)的比率与去离子水混合从而形成浆料。将所述浆料以所期望 的尺寸散布于厚度为0. 3mm的石墨片上，并保持在200°C的热风炉中2小时。
[0106] 实施例2:单电池去离子化
[0107] 对实施例1的电极以及对比例电极（在粉末活性炭上不含浸渍银）进行单电池去 离子化的研宄。
[0108] 实施例3
[0109] 制备在粉末活性炭中具有更高掺杂水平的银（相对于上文的0. 2%，其为1% )的 另一组电极。
[0110] 用于全部实验的输入水为含有815ppm TDS的钻井水。所述水不含胶质，有机材料 和微粒物质。对所述电池施加 I. 2V的DC电压。将输入水的流量固定至10ml/min。
[0111] 脱盐实验通过经由以下步骤组成的过程循环电极来进行：施加电势16分钟（T1)、 短路阶段10秒（T2)、反转电势步骤10秒（T3)和短路状态8分钟（T4)。
[0112] 在Tl期间，将正电压施加至电极中的一个，并且将负电压施加至另一个电极，并 且在T3期间，电极的极性被反转。在短路状态期间，在电极两端未施加电压，并且电极的末 端被短路。
[0113] 电极材料的性能通过观察TDS的降低和回收率来确定，使用以下方程：
[0114] 盐移除（％ ) = [1-(TDS输人 /TDS输出）]*100
[0115] 回收率（％) =[净化水的体积/输入水的体积]*100
[0116] 当TDS低于550ppm(TDSiss )的时候，输出水被认为是纯的。数据在表1中示出。
[0117] 表1:单电池的数据
[0118]
[0119] 注:在表1中，时间Tl以分钟计，并且T2至T4以秒计。
[0120] 对银的包含显著地改善了所述电池的性能（实施例2与实施例1对比）。据信，这 是因为浸渍银的碳降低活性材料的电阻，这有助于更佳地表达在电极-溶液界面处施加的 电势，从而吸附离子。
[0121] 虽然添加更多的银在一定程度上改善电导率，但是在掺杂更多银的时候也降低了 电容量，其导致较差的性能（实施例3与实施例1和2相比）。
[0122] 实施例4和5-电极堆的性能：
[0123] 还对^^一对电极的堆（布置）进行实验，其中个体电池以平行的构造布置。4. 4V 的电势被施加至堆的两端，保持流量为ll〇ml/min。TDS(TDSijffi )的限值被固定于550ppm。
[0124] 根据实施例1制备的电极用于实施例4。
[0125] 根据实施例2制备的电极用于实施例5。
[0126] 表 3
[0127]
[0128] 当电极电池 （electrode cell)被按比例放大至11对电极的堆（构造）时，也观 察到性能上的改善，无论是TDS的降低和回收率的绝对提高方面，还是在电极使用寿命期 间性能的相对下降方面。另外，吸附动力学也被改善，正如通过带来TDS所期望的下降所需 要的更少的时间所示出的。
【主权项】
1. 用于电容式去离子化的电极，包含： ⑴吸附剂，其具有IOOmVg至1300m2/g的比表面积； (ii) 导电炭黑；和 (iii) 粘合剂； 其中，所述吸附剂浸渍有电导率为l〇5S/m至107S/m并且标准氢电势为-0. 3V至+1. 3V的物质。2. 如权利要求1所述的电极，其中所述吸附剂选自活性炭、高比表面积石墨（HSAG)、碳 纳米管（CNT)、活性炭、活性炭纤维、阳离子交换树脂、沸石、蒙皂石或蛭石。3. 如权利要求2所述的电极，其中所述吸附剂为活性炭。4. 如权利要求2或3所述的电极，其中所述物质为贵金属。5. 如权利要求4所述的电极，其中所述贵金属为银。6. 如权利要求3或4所述的电极，其中被浸渍在所述活性炭上的银的百分比为吸附剂 的 0?Iwt% 至 0? 8wt%。7. 如前述权利要求3至6中任一项所述的电极，其中活性炭：粘合剂：导电炭黑的比 率为 5 : 2 : 3 至 8 : 1 : 0? 5。8. 如前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述粘合剂为热塑性粘合剂。9. 如权利要求1所述的电极的用于水的净化的用途。10. 用于制备如权利要求1所述的用于水的电容式去离子化的电极的方法，其包括步 骤： ⑴形成60至88重量份比表面积为IOOmVg至1300m2/g的吸附剂、5至30重量份热 塑性聚合物粘合剂和2至20重量份导电炭黑的混合物，并使所述混合物包含流体，其中所 述流体的量不大于所述混合物重量的四倍： (ii) 在模具中铸造于步骤（i)中获得的组合物； (iii) 压缩所述模具； 将所述模具加热至150至350°C的温度；和， (iv) 将模制的电极脱模， 其中，所述吸附剂浸渍有电导率为l〇5S/m至107S/m并且标准氢电势为-0. 3V至+1. 3V的物质。11. 如权利要求11所述的方法，其中所述流体为水。12. 用于从水中移除溶解盐的重力进给水净化器件，，其包含具有多个如权利要求1所 述的电极的壳体，其中，所述电极连接至DC能量源，从而在电极两端提供小于1.4V电势的 电压。
【专利摘要】本发明公开了电极，一种用于电容式去离子化的电极，所述电极包含(i)吸附剂，其具有100m2/g至1300m2/g的比表面积；(ii)导电炭黑；和(iii)粘合剂；其中，所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准氢电势为-0.3V至+1.3V的物质。所述电极提供了提高的回收率以及总固体较大程度的减少，并且是具有较大能量效率的。本发明还公开了制备所述电极的方法以及结合所述电极的重力进给水净化装置。
【IPC分类】C02F1/461, C02F103/10, C02F101/10, C02F1/469, C02F1/46
【公开号】CN104903250
【申请号】CN201380065018
【发明人】T·J·阿伦切尔, S·格霍斯, V·拉贾纳拉亚纳
【申请人】荷兰联合利华有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】CA2893381A1, EP2931665A1, US20150307373, WO2014090508A1
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