用于電容式去離子化的浸漬電極,制備其的方法和使用所述電極的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于電容式去離子化的電極。
【背景技術(shù)】
[0002] 可以采用數(shù)種技術(shù)來(lái)凈化水。所列出的包括紫外線（UV)輻射、化學(xué)凈化試劑例如 次氯酸鹽以及多種不同的膜的使用。所列出的技術(shù)并不會(huì)提供去離子化。然而，其它的方 法，例如蒸餾、反滲透、電容式去離子化和離子交換樹(shù)脂會(huì)提供去離子化。
[0003] 如果水含有大量溶解固體（通常根據(jù)水的TDS (總?cè)芙夤腆w）而被測(cè)定），那么去 離子化就變?yōu)楸匦璧?。令水去離子化的凈化器通常具有內(nèi)嵌式機(jī)構(gòu)（例如電導(dǎo)計(jì)），用以檢 測(cè)總?cè)芙夤腆w。只要總?cè)芙夤腆w低于預(yù)設(shè)定限值，那么用戶就可以通過(guò)分配端口 /龍頭收 集凈化水。當(dāng)甚至經(jīng)凈化的水超過(guò)該預(yù)設(shè)定限值的時(shí)候，就會(huì)來(lái)到這一階段。在該階段，傳 感器立即檢測(cè)該變化，并切斷水至所述端口 /龍頭的供給。水隨后會(huì)被轉(zhuǎn)移至用于廢水的 出口。這種預(yù)定義水平（TDSiss)通常會(huì)在考慮輸入水的平均TDS和消費(fèi)者所期望的凈化 水的平均TDS之后而被確定。在水中存在一定量的TDS是良好的口感所必需的。
[0004] 在典型的電容式去離子化過(guò)程中，水流經(jīng)一對(duì)或多對(duì)帶有相反電荷的電極，在此 期間，在水中存在的離子被吸引并吸附至電極表面。該現(xiàn)象導(dǎo)致TDS的下降。吸附為受到 電極的有效表面積（available surface area)的限制的表面現(xiàn)象。含有電容式去離子化 電極的商用水凈化器通常含有循環(huán)充電和放電的若干個(gè)電極的布置。流經(jīng)這該電極堆的水 在充電循環(huán)期間被連續(xù)地去離子化。
[0005] 然而，任何電極的性能通常都在一定時(shí)期的使用后而有所下降。那么，該器件就不 再能夠提供所期望程度的TDS下降。據(jù)信，這是由于鹽在電極上的沉積。該現(xiàn)象會(huì)影響電 極的使用壽命。然而，消費(fèi)者會(huì)希望更加耐用的電極。
[0006] 在電容式去離子化的過(guò)程中，水的純度通過(guò)稱作TDSise的預(yù)先決定的參數(shù)來(lái)確 定。含有比設(shè)定值更多TDS的水被認(rèn)為是不純凈的，并且因此而不適用于消耗。換句話說(shuō)， 這樣的水包含更高量的溶解固體（主要是無(wú)機(jī)鹽），這致使其不可飲用。相反地，只要是凈 化（或輸出）水的TDS小于TDS isg，那么水就會(huì)保持為適用于消耗的。
[0007] 任何⑶I系統(tǒng)的性能都可通過(guò)兩個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)量。
[0008] 第一個(gè)為由所述系統(tǒng)帶來(lái)的TDS下降程度，并且第二個(gè)被稱為回收率 (recovery)，其被定義為凈化水與水的總進(jìn)入量的比率。
[0009] 優(yōu)選的電極是能夠盡可能長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)提供純水，具有較高的回收率并始終提供 較多的TDS移除的電極。
[0010] US2012187054A1 (SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD)公開(kāi)了在電極上使用金屬吸收 材料以通過(guò)吸附從輸入水移除金屬污染物。
[0011] EP1601617B1(M0RGANITE ELECT CARBON)公開(kāi)了在電極中包括金屬，從而通過(guò)電 解令金屬浸出至水中以形成電絮凝劑，從而降低輸入的不純水的濁度。代表性的電極基于 碳基體計(jì)具有1至90%的石墨，以及尚至40%的金屬，例如錯(cuò)、銅、銀、鎮(zhèn)、鐵。
[0012] W02008016671A1 (Quos Inc，US)公開(kāi)了由樹(shù)脂粘合劑、作為活性吸附劑的炭黑和/ 或石墨、以及作為吸附促進(jìn)劑的金屬氧化物制成的碳基復(fù)合電極。其指出為了更佳的導(dǎo)電 性，還可將一定量的金屬，例如銀或金添加至電極。
[0013] DE10013457A1 (Noack Andreas，2001)公開(kāi)了用于凈化水的裝置，其包含殼體和至 少兩個(gè)帶有相反電荷的電極，一個(gè)包含在多孔載體上的多孔碳膜。用于凈化水的裝置包含 殼體和至少兩個(gè)帶有相反電荷的電極，一個(gè)包含在多孔載體上的多孔碳膜。
[0014] 在前者情況中的電極意圖用于移除金屬微污染物，但是并不旨在用于降低無(wú)機(jī)鹽 /TDS。在后者情況中，電極用來(lái)令金屬離子浸出至水中，以用于電絮凝，其為一種降低濁度 的方法。其未著手與任何關(guān)于降低無(wú)機(jī)鹽或TDS的技術(shù)問(wèn)題。
[0015] 本發(fā)明的目的在于提供給出提高的回收率以及較高TDS移除的電極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 已經(jīng)確定的是，如果吸附介質(zhì)浸漬有電導(dǎo)率為IO5SAi至IO7SAi并且標(biāo)準(zhǔn)還原電勢(shì) 為-0. 3V至+1. 3V的物質(zhì)，那么就能夠解決至少一些些問(wèn)題。
[0017] 因此，根據(jù)第一方面，公開(kāi)了用于電容式去離子化的電極，其具有：
[0018] ⑴吸附劑，其具有100至1300m2/g的比表面積；
[0019] (ii)導(dǎo)電炭黑；和，
[0020] (iii)粘合劑；
[0021] 其中所述吸附劑浸漬有電導(dǎo)率為105S/m至107S/m并且標(biāo)準(zhǔn)還原電勢(shì)為-0.3V至 +1.3V的物質(zhì)。
[0022] 發(fā)明詳述
[0023] 本發(fā)明公開(kāi)了用于電容式去離子化的電極，其含有：
[0024] ⑴吸附劑，具有100至1300m2/g的比表面積；
[0025] (ii)導(dǎo)電炭黑；和
[0026] (iii)粘合劑；
[0027] 其中所述吸附劑浸漬有電導(dǎo)率為105S/m至107S/m并且標(biāo)準(zhǔn)還原電勢(shì)為-0. 3V至 +1.3V的物質(zhì)。
[0028] 電容式去離子化為用于對(duì)通常具有300至3000ppm TDS的半咸水進(jìn)行去離子化的 較新的技術(shù)。工作原理為電吸著（electro-sorption)或電吸附（electro-adsorption)，其 中在水中存在的離子會(huì)在所施加的電場(chǎng)的影響下被吸附在電極上。典型的電容式去離子化 循環(huán)包括凈化步驟和再生步驟。
[0029] 電容式去離子化的過(guò)程需要電極，其作為用于電吸著離子以降低在輸入水中含有 的總?cè)芙夤腆w的基材。
[0030] 吸附劑
[0031] 優(yōu)選的吸附劑選自活性炭、高比表面積石墨（HSAG)、碳納米管（CNT)、活性炭纖 維、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、沸石、蒙皂石或蛭石。特別優(yōu)選的吸附劑為活性炭。優(yōu)選的是，活性 炭由煙煤、椰子殼、木材或石油焦油獲得。優(yōu)選活性炭的表面積大于500m 2/g ;更優(yōu)選大于 1000m2/g?；钚蕴康某叽缇鶆蛐韵禂?shù)優(yōu)選小于2,更優(yōu)選小于1. 5。
[0032] 優(yōu)選活性炭的四氯化碳值大于50%，更優(yōu)選大于60%。進(jìn)一步優(yōu)選活性炭的碘值 大于800單位，更優(yōu)選大于1000單位。還優(yōu)選的是，活性炭的顆粒尺寸為75至300 μ m，優(yōu) 選為100至250 μ m。
[0033] 活性炭的改性形式包括碳布、碳帶、碳?xì)饽z也可被用于替代活性炭，或者除了活 性炭之外來(lái)使用。
[0034] 導(dǎo)電炭黑
[0035] 導(dǎo)電炭黑為元素形式的碳。導(dǎo)電炭黑大多是通過(guò)油爐法由液體芳烴來(lái)制造。在選 擇用于電極的炭黑時(shí)，優(yōu)選的和重要的因素為總表面積和介孔表面積，結(jié)構(gòu)和表面氧化。
[0036] 導(dǎo)電炭黑的總表面積優(yōu)選大于500m2/g。另外，優(yōu)選的是，導(dǎo)電炭黑的介孔面積大 于 100m2/g，更優(yōu)選為 IOOmVg 至 1000m2/g。
[0037] 炭黑結(jié)構(gòu)的特征在于吸油值（OAN)。炭黑的OAN優(yōu)選為45至400cm3/100g，更優(yōu) 選為100至400cm 3/100g，還更優(yōu)選為250至400cm3/100g。優(yōu)選的是，導(dǎo)電炭黑在其表面上 具有較低量的化學(xué)吸附氧。
[0038] 合適等級(jí)的炭黑可選自 TIMCAL Graphite 5Carbon (等級(jí)：Ensaco? 250G， Ensaco? 350)或者 Cabot Corporation (等級(jí)：Regal?，Black Pearl? 2000, Vulcan)或者 Evonovik (等級(jí)：PRINTEX? XE-2)或者 Akzo Nobel (Ketjen Black)。
[0039] 粘合劑
[0040] 電極還含有含粘合劑。粘合劑優(yōu)選為熱塑性的。術(shù)語(yǔ)熱塑性粘合劑表示熔體流動(dòng) 速率（MFR)小于5g/10min的粘合劑，更優(yōu)選小于2g/10min，還更優(yōu)選小于lg/10min。粘合 劑的體密度優(yōu)選小于或等于〇. 6g/cm3,更優(yōu)選小于或等于0. 5g/cm3,并且還更優(yōu)選小于或 等于 0· 25g/cm3。
[0041] 合適的例子包括具有所述的低MFR值的超高分子量聚合物，優(yōu)選為聚乙烯、聚丙 烯及其組合。分子量?jī)?yōu)選為IO 6至109g/mol。這類粘合劑是市售的，其商品名為H0STALEN， 其來(lái)自 Tycona GMBH，GUR，Sunf ine (來(lái)自 Asahi，Japan)，Hizex (來(lái)自 Mitsubishi)和來(lái)自 Brasken Corp(Brazil)。其它合適的粘合劑包括以 Lupolen(來(lái)自 Basel Polyolefins)銷 售的 LDPE，和來(lái)自 Qunos(Australia)的 LLDPE。
[0042] 優(yōu)選的是，熱塑性粘合劑不是有原纖維的聚合物，例如聚四氟乙烯（PTFE)。
[0043] 優(yōu)選的是，熱塑性粘合劑的顆粒尺寸范圍為20至60 μ m，優(yōu)選為40至60 μ m。優(yōu) 選的電極含有以重量計(jì)8至30wt %，更優(yōu)選10至30wt %，還更優(yōu)選12至28wt %的粘合劑。
[0044] 活性炭：粘合劑：導(dǎo)電炭黑的重量比率優(yōu)選為5 : 2 : 3至8 : 1 : 0.5,更優(yōu)選 為7 : 2