專利名稱：超級電容脫鹽單元、裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超級電容脫鹽單元、裝置和方法，尤其涉及一種使用離子選擇層(Ion Selective Layers)的超級電容脫鹽(Supercapacitor Desalination, SCD)單兀、裝置和方法。
背景技術(shù)：
S⑶裝置通常是指可用于使海水淡化或使其他苦咸水去除離子，從而將其含鹽量降低至可接受水平以供家用或工業(yè)用的超級電容裝置(Supercapacitor)。通常,一個超級電容脫鹽單元具有一個雙層的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，由微?；钚蕴蓟蚱渌麑?dǎo)電的高比表面積(Surface Area)材料組成的一對電極被隔網(wǎng)層(Spacer)隔開。特別的,該超級電容脫鹽單元還包括與相應(yīng)的電極緊密接觸的可導(dǎo)電的集流體元件。 在一定的應(yīng)用中，超級電容脫鹽單元設(shè)置有與相應(yīng)電極接觸的復(fù)數(shù)個離子選擇層。這樣，在超級電容脫鹽單元分別處于充電和放電的狀態(tài)時(shí)，該離子選擇層可便于電解質(zhì)中的正離子和負(fù)離子朝向或遠(yuǎn)離相應(yīng)的電極進(jìn)行吸附或脫附。然而，在現(xiàn)有的應(yīng)用中，由于多價(jià)離子(Polyvalent Ions)通常比單價(jià)離子(Monovalent Ions)具有更高的極性,從而離子選擇層通常對多價(jià)離子有更強(qiáng)的選擇性，這對于單價(jià)離子的移除是不利的。此外，當(dāng)有選擇性的移除離子，比如鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+)時(shí)，由于二價(jià)(Divalent)離子更容易通過相應(yīng)的離子選擇層被吸附到相應(yīng)的電極上，這就可能導(dǎo)致鈣離子和鎂離子及硫酸根離子(SO/—)和碳酸根離子(CO/—)在相應(yīng)電極上的濃度增加，從而進(jìn)一步導(dǎo)致在充放電過程中在電極內(nèi)或電極與離子選擇層間增加發(fā)生沉淀或結(jié)垢(ScaleFormation)的風(fēng)險(xiǎn)。所以，需要提供一種新的可用來選擇性移除單價(jià)離子并避免在其內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢的設(shè)置有離子選擇層(Ion Selective Layers)的超級電容脫鹽(SupercapacitorDesalination)單元、裝置、系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種超級電容脫鹽單元。該超級電容脫鹽單元包括第一電極、第二電極、設(shè)置于所述第一和第二電極間的隔網(wǎng)裝置及設(shè)置于所述第一和第二電極中的至少一個上的單價(jià)離子選擇層。本發(fā)明另一個實(shí)施例提供了一種超級電容脫鹽裝置。該超級電容脫鹽裝置包括一個或一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置。所述一個或一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置中的至少一個包括復(fù)數(shù)個堆疊的超級電容脫鹽單元及設(shè)置在相鄰的所述超級電容脫鹽單元間的絕緣隔離裝置。所述超級電容脫鹽單元中的至少一個包括第一電極、第二電極、設(shè)置于所述第一和第二電極間的隔網(wǎng)裝置及設(shè)置于所述第一和第二電極中的至少一個上的單價(jià)離子選擇層。本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步提供了一種流體脫鹽方法。該脫鹽方法包括設(shè)置超級電容脫鹽裝置及輸入流體通過所述脫鹽裝置進(jìn)行脫鹽。其中該超級電容脫鹽裝置包括第一電極、第二電極、設(shè)置于所述第一和第二電極間的隔網(wǎng)裝置及設(shè)置于所述第一和第二電極中的至少一個上的單價(jià)離子選擇層。


通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖I到圖3分別為本發(fā)明超級電容脫鹽單元的復(fù)數(shù)個實(shí)施例的示意圖；圖4到圖9分別為本發(fā)明超級電容脫鹽裝置的復(fù)數(shù)個實(shí)施例的示意圖；及圖10為本發(fā)明超級電容脫鹽裝置的一個實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I所示為本發(fā)明超級電容脫鹽單元10的一個實(shí)施例的示意圖。如圖I所示,超級電容脫鹽單元10包括了第一集流體11、第二集流體12、第一電極13、第二電極14、隔網(wǎng)裝置15、單價(jià)陰離子選擇層16和單價(jià)陽離子選擇層17。第一和第二電極13和14分別與相應(yīng)的第一和第二集流體11和12接觸。隔網(wǎng)裝置15設(shè)置于單價(jià)陰離子選擇層16和單價(jià)陽離子選擇層17之間。在一些示例中，第一集流體11在充電過程中可與電源(未圖示)的正極相連。第 二集流體12在充電過程中可與電源的負(fù)極相連，從而第一電極13可作為正極(或陽極)，第二電極14可作為負(fù)極(或陰極)使用。相應(yīng)地，在圖I所示的實(shí)施例中，單價(jià)陰離子選擇層16可與陽極13接觸，單價(jià)陽離子選擇層17可與陰極14接觸。圖I中所示的實(shí)施例僅是示意性的。在其他示例中，第一電極13和第二電極14也可分別作為陰極和陽極使用。從而單價(jià)陰離子選擇層16和單價(jià)陽離子選擇層17可分別設(shè)置于相應(yīng)的陽極14和陰極13上。盡管圖I中所示其分別獨(dú)立設(shè)置，在一些應(yīng)用中，第一電極13和單價(jià)陰離子選擇層16及第二電極14和單價(jià)陽離子選擇層17可分別集成設(shè)置來作為陰極和陽極使用。在一定的應(yīng)用中,第一集流體11和/或第二集流體12也可不設(shè)置,從而第一電極13和/或第二電極14可被連接到電源而同時(shí)起到電極和集流體的作用。此外，所使用的術(shù)語“層”并不意味著特定厚度的材料。在一些示例中，集流體11，12可設(shè)置為板狀(Plate)、網(wǎng)狀(Mesh)、箔狀(Foil)或片狀(Sheet)，其可由金屬或金屬合金制成。在非限定示例中，金屬可包括鈦、鉬、銥或銠。在一個示例中，金屬合金可包括不銹鋼。在其他示例中，集流體11，12也可包括石墨(Graphite)或塑料材料,如聚烯烴(Polyolefin)。另外,塑料材料的集流體11,12可混合有導(dǎo)電的碳黑或金屬顆粒混合以達(dá)到一定的導(dǎo)電率。第一和第二電極13、14可具有板狀的結(jié)構(gòu)，從而可彼此平行設(shè)置以形成堆疊(Stack)的結(jié)構(gòu)。電極13、14也可具有不同的形狀，比如片狀、塊狀(Block)或柱狀(Cylinder)，且按照不同的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。例如，第一和第二電極可同心設(shè)置，從而在其間定義了一個螺旋狀連續(xù)的空間。第一和第二電極13、14可包括可導(dǎo)熱或不導(dǎo)熱的導(dǎo)電材料,且其可包括具有較小尺寸和較大的表面積的顆粒。在一些示例中，導(dǎo)電材料可包括一種或多種碳材料。在非限定示例中，碳材料可包括活性碳顆粒(Activated Carbon Particles)、多孔碳顆粒(PorousCarbon Particles)、碳纖維(Carbon Fibers)、碳?xì)馊苣z(Carbon Aerogels)、多孔中間相碳微球(Porous Mesocarbon Microbeads)或其組合。在其他示例子,導(dǎo)電材料可包括導(dǎo)電復(fù)合材料，如錳，鐵，錳和鐵的氧化物，鈦、鋯、釩、鎢的碳化物或其組合。在一些應(yīng)用中，通過采用一種或多種沉積工藝，例如派射(Sputtering)、噴涂(Spraying)、旋轉(zhuǎn)涂覆(Spin-coating)、壓制(Calendering)或印制(Printing),電極13和14可分別設(shè)置在相應(yīng)的集流體11和12上。隔網(wǎng)裝置15包括任何離子可通過(Ion-permeable)的、非電子導(dǎo)電(Electronically Nonconductive)的材料，從而來將第一電極13和第二電極14隔離開。在非限定示例中，隔網(wǎng)裝置15可能具有，或其本身可設(shè)置有空間以形成通道，從而流體可通過該通道流過第一電極13和第二電極14間。 在本發(fā)明實(shí)施例中，單價(jià)陰離子選擇層16可用于產(chǎn)生一個使陰離子朝向或離開電極13的單價(jià)負(fù)離子傳輸通路。單價(jià)陽離子選擇層17可用于產(chǎn)生一個使陽離子朝向或離開電極14的單價(jià)正離子傳輸通路。這樣，在充電和放電的周期中，便可消耗相對較少的能量來使流體(電解液)中的單價(jià)負(fù)離子和正離子從相應(yīng)的第一電極和第二電極13、14表面吸附和脫附。在非限定示例子中，單價(jià)陰離子選擇層16和/或單價(jià)陽離子選擇層17可能是獨(dú)立式(Freestanding)設(shè)置于相應(yīng)的電極13、14上。另外，單價(jià)陰離子選擇層16和/或單價(jià)陽離子選擇層17可以膜的形式涂覆在相應(yīng)的電極13、14的表面。在一定的應(yīng)用中，單價(jià)陰離子選擇層16和/或單價(jià)陽離子選擇層17也可分散于相應(yīng)的電極13、14中。在非限定示例中，用來使用在單價(jià)陰離子選擇層16的材料可包括交聯(lián)的共聚物(Crosslinked Copolymers),其可來自于氯甲基苯乙烯(viny Ibenzy I chloride,VBC)、二丁基胺(Dibutyl amine, DBA)、三丁胺(Tributyl amine, TBA)及二乙烯基苯(Divinylbenzene, DVB)。在一個示例中，在產(chǎn)生單價(jià)陰離子選擇層16的過程中，氯甲基苯乙烯單體(110. 3克，0. 701摩爾)、二丁基胺單體(86. 3克，0. 484摩爾)和三丁胺單體(117. 7克，0.639摩爾)進(jìn)行混合。同時(shí)，二乙烯基苯(86. 3克)、丙烯乙二醇(Propyleneglycol,PG) (92. 5 克)和甲基對苯二酌' (Methylhydroquione,MEHQ) (500ppm)分別作為交聯(lián)劑(Crosslinker)、溶劑(Solvent)和抑制劑(Inhibitor)加入到上述混合物中。該混合物在大約65°C -70°C的溫度下進(jìn)行反應(yīng)約3小時(shí)而產(chǎn)生反應(yīng)混合物。隨后，過氧-2-乙基己酸叔丁酯(Tert-Butyl peroxy-2-ethylhexanoate)溶液(含2%重量百分比的過氧_2_乙基己酸叔丁酯)作為引發(fā)劑(Initiator)加入到前述反應(yīng)混合物中而形成混合物。然后，該混合物被涂覆在電極表面并在大約85°C溫度下聚合大約I小時(shí)，從而在電極上形成單價(jià)陰離子選擇層16。用來使用在單價(jià)陽離子選擇層17的材料可包括交聯(lián)的共聚物，其可來自丙烯酰氨基甲基丙燒橫酸(Acrylamidomethylpropane sulfonic acid, AMPS)和二甲基丙烯酸乙二醇酯(Ethylene glycol dimethacrylate,EGDMA)。在一個不例中，在產(chǎn)生單價(jià)陽離子選擇層17的過程中，丙烯酰氨基甲基丙烷磺酸單體(380克，I. 84摩爾)和交聯(lián)劑二甲基丙烯酸乙二醇酯(360克，I. 82摩爾)在溶劑甲基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone)存在的基礎(chǔ)上與氯甲基苯乙烯或縮水甘油基異丁烯酸溶液(含5%重量百分比的縮水甘油基異丁烯酸)混合而形成第一混合物。隨后，第一混合物加入到引發(fā)劑過氧-2-乙基己酸叔丁酯溶液(含I. 5%重量百分比的過氧-2-乙基己酸叔丁酯)中形成第二混合物。然后，第二混合物被涂覆在電極表面并在大約85°C下聚合大約I小時(shí)而在電極上形成共聚物。接下來，涂覆有共聚物的電極在大約60°C溫度下在聚乙烯亞胺(Polyethyleneimine, PEI)(含1%重量百分比的聚乙烯亞胺)溶液中浸泡大約5-10小時(shí)，從而在電極上形成單價(jià)陽離子選擇層17。如圖I所示，輸入流體18通過第一電極13和第二電極14間。在一些示例中，輸入液體18可能含有帶電離子，比如單價(jià)和多價(jià)的帶電離子。在充電時(shí),單價(jià)正離子通過單價(jià)陽離子選擇層17移向陰極14，單價(jià)負(fù)離子通過單價(jià)陰離子選擇層16移向陽極13。由于多價(jià)帶電離子不能通過單價(jià)離子選擇性16、17從而保留在輸入流體18中。這樣，單價(jià)帶電離子在超級脫鹽單元10內(nèi)聚集，從而輸出流體19就為變淡的流體，相較于輸入流體18，其 具有較低的單價(jià)離子的濃度。在放電時(shí)，被吸附的單價(jià)離子從相應(yīng)的電極13和14的表面脫離。在一定應(yīng)用中，在這種狀態(tài)下，第一電極13和第二電極14的極性也可能進(jìn)行反向，因此在充電狀態(tài)時(shí)吸附的單價(jià)離子朝了相反的極性移動，結(jié)果，相比輸入流(未顯示)，輸出流(未顯示)具有較高濃度的單價(jià)離子。這樣，在本實(shí)施例中，由于單價(jià)離子選擇層16、17的存在，單價(jià)離子可以較低的能量消耗從輸入流體18中移除，而多價(jià)離子仍留在輸出流體19中。例如，圖I中所示的實(shí)施例可用來產(chǎn)生單價(jià)鹽，如氯化鈉鹽。在一些實(shí)施例中，僅可設(shè)置單價(jià)陰離子選擇層16和單價(jià)陽離子選擇層17中的一個。這樣，離子選擇層也可設(shè)置在超級電容脫鹽單元10中以與單價(jià)陰離子選擇層16和單價(jià)陽離子選擇層17中的相應(yīng)的一個配對。在本發(fā)明實(shí)施例中，“離子選擇層”可指不僅單價(jià)離子可通過而且多價(jià)離子也可通過的普通離子選擇層。圖2所示為本發(fā)明的超級電容脫鹽單元20的一個實(shí)施例的示意圖。圖2-10所示的實(shí)施例僅是示意性的。圖2-10中相同的數(shù)字可表示表明相似的元件。圖2所示的實(shí)施例與圖I中所示的實(shí)施例相似。兩個實(shí)施例的不同之處在于圖2中所示的超級電容脫鹽單元20包括可與單價(jià)陽離子選擇層17相配對的陰離子選擇性層21，其共同用來對流體進(jìn)行脫鹽。另外，如圖3所示，超級電容脫鹽單元30包括可與單價(jià)陰離子選擇層16相配對的陽離子選擇層22，其共同用來對流體進(jìn)行脫鹽。在一些示例中，陰離子選擇層21可指不僅單價(jià)離子可通過而且多價(jià)離子也可通過的陰離子選擇層。陽離子選擇性層22可指不僅單價(jià)離子可通過而且多價(jià)離子也可通過的陽離子選擇層。在一定的應(yīng)用中，相較于單價(jià)離子，離子選擇層21、22對多價(jià)離子的通過性更高。在非限定示例中，陰離子選擇層21和陽離子選擇性層22均包括多價(jià)離子選擇層。在一些示例中，陰離子選擇層21的材料可包括含有陽離子基團(tuán)，比如季胺基(Quaternary Amine Group)的聚苯乙烯骨架結(jié)構(gòu)的離子聚合物。陽離子選擇性層22的材料可包括包括有陰離子基團(tuán)，比如羧酸基(Carboxylic Acid Group)的聚苯乙烯骨架結(jié)構(gòu)的離子聚合物。其他可用于陰陽離子選擇層21，22的適合的材料可在歐洲專利EP 0757586B1中找到，該專利內(nèi)容可被引用來進(jìn)行參考。
在圖2所示的實(shí)施例中，在充電時(shí)，當(dāng)輸入流體18通過第一電極13和第二電極14之間時(shí)，輸入流體18中至少一部分單價(jià)陽離子通過單價(jià)陽離子選擇層17而在電極14上積聚。輸入流體18中大部分的多價(jià)陰離子和一小部分的單價(jià)陰離子通過陰離子選擇層21而在電極13上積聚。由于單價(jià)陽離子選擇層17的存在，多價(jià)陽離子殘留在輸出流體19中。相似地，在圖3所示的實(shí)施例中，在充電時(shí)，輸入流體18中至少一部分單價(jià)陰離子通過單價(jià)陰離子選擇層16而在電 極13上積聚。大部分多價(jià)陽離子和一小部分單價(jià)陽離子通過了陽離子選擇性層22而在電極14上積聚。由于單價(jià)陰離子選擇性層16的存在，多價(jià)陰離子殘留在輸出液體19中。比如，在圖2所示的實(shí)施例中，輸入流體18包含有帶電離子，該帶電離子可包括但不限于硫酸根離子(SO42-)、鈣離子(Ca2+)、鈉離子(Na+)和氯離子(Cl—)。當(dāng)該輸入流體18通過超級電容脫鹽單元20時(shí)，由于陰離子選擇層21對多價(jià)陰離子具有較高的選擇性，因此，大部分的硫酸根離子和小部分的氯離子通過負(fù)離子選擇層21被吸附到電極13上。其間，由于單價(jià)陽離子選擇層17的存在，至少一部分鈉離子被吸附到電極14上。這樣，在放電時(shí)，被吸附的硫酸根離子和鈉離子從電極上釋放到流體中，從而不產(chǎn)生溶解度較低的鹽，如硫酸鈣(CaSO4)的沉淀。鈣離子和/或一部分氯離子則可留在輸出流體19中。相似地，在圖3所示的實(shí)施例中，當(dāng)輸入流體18通過超級電容脫鹽單元30時(shí)，陽離子選擇層22對多價(jià)陽離子具有較高的選擇性，因此大部分的鈣離子和小部分的鈉離子被從輸入流體18中移除。其間，由于單價(jià)陰離子層16的存在，至少一部分氯離子也被移除。硫酸根離子和/或一部分鈉離子則留在輸出液體19中。這樣，在圖2到圖3所示的實(shí)施例中，超級電容脫鹽單元中的結(jié)垢問題可被減輕或避免。在一些應(yīng)用中，一個以上的超級電容單元可連續(xù)的設(shè)置，這樣，來自一個超級電容脫鹽單元的輸出流體可被再引入到下一個超級電容脫鹽單元中進(jìn)行進(jìn)一步的脫鹽。在這樣的架構(gòu)中，超級電容脫鹽單元可包括有相同或不同的架構(gòu)。圖4到圖9所示為本發(fā)明超級電容脫鹽裝置的復(fù)數(shù)個實(shí)施例的示意圖。如圖4所示，超級電容脫鹽裝置40包括超級電容脫鹽堆疊裝置31。超級電容脫鹽堆疊裝置31包括復(fù)數(shù)個并行設(shè)置并堆疊在一起的超級電容脫鹽單元。在相鄰的每一對堆疊的超級電容脫鹽單元間設(shè)置有絕緣的隔網(wǎng)裝置32。圖5到圖7中所示的實(shí)施例與圖4中所示的實(shí)施例相似。圖4到圖7中所示的實(shí)施例不同之處在于，在圖5中，超級電容脫鹽堆疊裝置33包括復(fù)數(shù)個堆疊的超級電容脫鹽單元20，其中，絕緣的隔網(wǎng)裝置32設(shè)置在相鄰的超級電容脫鹽單元20間；在圖6中，超級電容脫鹽堆疊裝置34包括復(fù)數(shù)個堆疊的超級電容脫鹽單元30，其中，絕緣的隔網(wǎng)裝置32設(shè)置在相鄰的超級電容脫鹽單元30間。在圖7中，超級電容脫鹽堆疊裝置35包括堆疊設(shè)置并在其間設(shè)置有絕緣的隔網(wǎng)裝置32的一對超級電容脫鹽單元10和一個超級電容脫鹽單元20。圖7所示的實(shí)施例僅是示意性的。在一些應(yīng)用中，超級電容脫鹽堆疊裝置35可包括堆疊在一起的一個或多個超級電容脫鹽單元10、一個或多個超級電容脫鹽單元20及一個或多個超級電容脫鹽單元30中的兩種或多種。在一定的應(yīng)用中，超級電容脫鹽堆疊裝置35可包括每一個都設(shè)置有陽離子選擇層21和陰離子選擇的層22的一個或多個超級電容脫鹽單元及一個或多個超級電容脫鹽單元10、一個或多個超級電容脫鹽單元20和一個或多個S⑶電池30中的一種或多種。例如，如圖8所示，超級電容脫鹽堆疊裝置35包括一個超級電容脫鹽單元10，其置于每一個都包括陽離子選擇層21和陰離子選擇性層22的兩個超級電容脫鹽單元間。這樣，圖4到圖8所示的實(shí)施例可基于不同的應(yīng)用來對大量輸入流體進(jìn)行脫鹽。在其他例子中，如圖9所示，與圖4到圖8中所示的實(shí)施例相似，超級電容脫鹽堆疊裝置36包括第一和第二電極13、14、設(shè)置在相應(yīng)電極13、14上的一對集流體11、12、設(shè)置于該對電極13，14間的一個或多個雙極性電極37及復(fù)數(shù)個設(shè)置于每一對相鄰一對電極間的隔網(wǎng)裝置
15。每一個雙極性電極有一個陽極和一個陰極，其被一個離子防滲層所分離。復(fù)數(shù)個單價(jià)離子選擇層16、17分別設(shè)置在第一電極13、第二電極14和/或一個或多個雙極性電極36中的至少一個上的一側(cè)或兩側(cè)。在一定的應(yīng)用中，單價(jià)陰離子選擇層16或者單價(jià)陽離子選擇層17也可不設(shè)置。陰離子選擇層21和/或陽離子選擇層22可設(shè)置。此外，雙極性電極也可設(shè)置在圖4到圖8所示的實(shí)施例中。 在一些示例中，雙極性電極并不限于任何特定的雙極性電極。在非限定性示例中， 雙極性電極的其他說明可在美國專利申請公開US2011/0024287中找到，其與本申請具有相同的受讓人，其內(nèi)容可引用進(jìn)行參考。在一些應(yīng)用中，超級電容脫鹽裝置40可包括一個以上連續(xù)放置的超級電容脫鹽堆疊裝置。這樣，來自一個超級電容脫鹽堆疊裝置(第一超級電容脫鹽堆疊裝置)的輸出流體可被引入到下一個超級電容脫鹽堆疊裝置(第二超級電容脫鹽堆疊裝置)中進(jìn)一步進(jìn)行脫鹽。在一些示例中，超級電容脫鹽裝置40可包括復(fù)數(shù)個相同的連續(xù)設(shè)置的超級電容脫鹽堆疊裝置。在其他示例中，超級電容脫鹽裝置40可包括復(fù)數(shù)個具有不同架構(gòu)的連續(xù)設(shè)置的超級電容脫鹽堆疊裝置。例如，超級電容脫鹽裝置40可包括超級電容脫鹽堆疊裝置31、超級電容脫鹽堆疊裝置33、超級電容脫鹽堆疊裝置34、超級電容脫鹽堆疊裝置35和超級電容脫鹽堆疊裝置36中的兩種或兩種以上，其彼此連通。在一個非限定示例中，如圖10所示，超級電容脫鹽裝置40包括互相連通的超級電容脫鹽堆疊裝置34和33。這樣，在充電時(shí)，當(dāng)包含有包括但不限于硫酸根離子、鈣離子、鈉離子和氯離子等帶電離子的輸入流體18通過超級電容脫鹽堆疊裝置34 (第一超級電容脫鹽堆疊裝置)時(shí)，大部分的鈣離子、小部分的鈉離子和至少一部分的氯離子被移除，從而輸出流體19相比輸入流體18具有較低濃度的鈣離子、鈉離子和氯離子。硫酸根離子留在輸出流體19中。隨后，輸出流體19被弓丨入到超級電容脫鹽堆疊裝置33 (第二超級電容脫鹽堆疊裝置)中，剩余的鈉離子和硫酸根離子在相應(yīng)的電極表面累積，從而被從輸出流體19中移除而產(chǎn)生產(chǎn)品流體38。在一定的應(yīng)用中，輸出流體19可在進(jìn)入超級電容脫鹽堆疊裝置33之前，可被再循環(huán)至超級電容脫鹽堆疊裝置34進(jìn)行進(jìn)一步的脫鹽。產(chǎn)品流體38也可被再循環(huán)至超級電容脫鹽堆疊裝置33中進(jìn)一步脫鹽。在放電時(shí)，當(dāng)兩個輸入流體(未顯示)分別被引入到超級電容脫鹽堆疊裝置34和33中時(shí)，來自超級電容脫鹽堆疊裝置34的第一輸出流體可具有較高濃度的鈣離子和氯離子；來自超級電容脫鹽堆疊裝置33的第二輸出流體可具有較高濃度的硫酸根離子和鈉離子。這樣，在本發(fā)明實(shí)施例中，超級電容脫鹽裝置40可用來對大量輸入流體18進(jìn)行脫鹽處理且可選擇性地移除多價(jià)和單價(jià)離子。與傳統(tǒng)的超級電容脫鹽裝置相比較而言，本發(fā)明實(shí)施例的超級電容脫鹽裝置可消耗較少的能量，而且可減輕或避免難溶鹽的沉積及/或結(jié)垢的形成。雖然結(jié)合特定的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對 本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種超級電容脫鹽單元，包括 第一電極； 第二電極； 隔網(wǎng)裝置，其設(shè)置于所述第一和第二電極間 '及 單價(jià)離子選擇層，其設(shè)置于所述第一和第二電極中的至少一個上。
2.如權(quán)利要求I所述的超級電容脫鹽單元，進(jìn)一步包括與所述第一電極接觸的第一集流體和與所述第二電極接觸的第二集流體。
3.如權(quán)利要求I所述的超級電容脫鹽單元，其中所述單價(jià)離子選擇層包括單價(jià)陰離子選擇層和單價(jià)陽離子選擇層，所述單價(jià)陰離子選擇層和所述單價(jià)陽離子選擇層分別設(shè)置于所述第一和第二電極上進(jìn)行配對。
4.如權(quán)利要求I所述的超級電容脫鹽單元，其中所述單價(jià)離子選擇層設(shè)置于所述第一和第二電極中的一個上，該超級電容脫鹽單元進(jìn)一步包括設(shè)置于所述第一和第二電極中的另一個上與所述單價(jià)離子選擇層相配對的離子選擇層。
5.如權(quán)利要求4所述的超級電容脫鹽單元，其中離子選擇層包括多價(jià)離子選擇層。
6.一種超級電容脫鹽裝置，包括 一個或一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置，所述一個或一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置中的至少一個包括復(fù)數(shù)個堆疊的超級電容脫鹽單元及設(shè)置在相鄰的所述超級電容脫鹽單元間的絕緣隔離裝置，其中所述超級電容脫鹽單元中的至少一個包括 第一電極； 第二電極； 隔網(wǎng)裝置，其設(shè)置于所述第一和第二電極間 '及 單價(jià)離子選擇層，其設(shè)置于所述第一和第二電極中的至少一個上。
7.如權(quán)利要求6所述的超級電容脫鹽裝置，其中所述超級電容脫鹽單元中的至少一個進(jìn)一步包括與所述第一電極接觸的第一集流體和與所述第二電極接觸的第二集流體。
8.如權(quán)利要求7所述的超級電容脫鹽裝置，其中所述單價(jià)離子選擇層包括單價(jià)陰離子選擇層和單價(jià)陽離子選擇層，所述單價(jià)陰離子選擇層和所述單價(jià)陽離子選擇層分別設(shè)置于所述第一和第二電極上進(jìn)行配對。
9.如權(quán)利要求7所述的超級電容脫鹽裝置，其中所述單價(jià)離子選擇層設(shè)置于所述第一和第二電極中的一個上，該超級電容脫鹽單元進(jìn)一步包括設(shè)置于所述第一和第二電極中的另一個上與所述單價(jià)離子選擇層相配對的離子選擇層。
10.如權(quán)利要求6所述的超級電容脫鹽裝置，其中該超級電容脫鹽裝置包括一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置，該一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置中的至少一個包括 第一電極； 第二電極； 雙極性電極，其設(shè)置于所述第一和第二電極間； 單價(jià)離子選擇層，其設(shè)置于所述第一電極、第二電極和雙極性電極中的至少一個上 '及 隔網(wǎng)裝置，其設(shè)置于相鄰的一對所述電極間。
11.一種超級電容脫鹽裝置，包括 一個或一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置，所述一個或一個以上的相互連通的超級電容脫鹽堆疊裝置中的至少一個包括 第一電極； 第二電極； 雙極性電極，其設(shè)置于所述第一和第二電極間； 單價(jià)離子選擇層，其設(shè)置于所述第一電極、第二電極和雙極性電極中的至少一個上 '及 隔網(wǎng)裝置，其設(shè)置于相鄰的一對所述電極間。
12.如權(quán)利要求11所述的超級電容脫鹽裝置，其中所述至少一個超級電容脫鹽堆疊裝置進(jìn)一步包括包括與所述第一電極接觸的第一集流體和與所述第二電極接觸的第二集流體。
13.如權(quán)利要求12所述的超級電容脫鹽裝置，其中所述至少一個超級電容脫鹽堆疊裝置包括設(shè)置于所述第一電極、第二電極和雙極性電極中的至少一個上的離子選擇層從而與所述單價(jià)離子選擇層相配對。
14.一種流體的脫鹽方法，包括 設(shè)置超級電容脫鹽裝置，其中該超級電容脫鹽裝置包括第一電極、第二電極、設(shè)置于所述第一和第二電極間的隔網(wǎng)裝置及設(shè)置于所述第一和第二電極中的至少一個上的單價(jià)離子選擇層 '及 輸入流體通過所述脫鹽裝置進(jìn)行脫鹽。
15.如權(quán)利要求14所述的脫鹽方法，進(jìn)一步包括設(shè)置雙極性電極于所述第一和第二電極間，其中所述隔網(wǎng)裝置設(shè)置于相鄰的一對所述電極間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超級電容脫鹽單元、裝置和方法。該超級電容脫鹽單元包括第一電極、第二電極、設(shè)置于所述第一和第二電極間的隔網(wǎng)裝置及設(shè)置于所述第一和第二電極中的至少一個上的單價(jià)離子選擇層。
文檔編號C02F1/461GK102807266SQ20111014423
公開日2012年12月5日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者熊日華, 蔡巍, 約翰.巴伯, 張呈乾, 拉塞爾.J.麥克唐納, 基思.J.希姆斯 申請人:通用電氣公司