專利名稱：可再生過濾單元、可再生過濾系統(tǒng)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里公開一種用于去除金屬的可再生過濾單元(regenerable filter unit)、一種可用于去除各種重金屬的過濾系統(tǒng)及其操作方法。
背景技術(shù)：
由于隨著經(jīng)濟(jì)增長而快速變化的工業(yè)化，重金屬的使用不斷增加。許多重金屬由于其相對(duì)毒性而對(duì)人體和生態(tài)系統(tǒng)具有廣泛影響，還作為對(duì)于環(huán)境諸如河流、土壤等的嚴(yán)重污染物。數(shù)十年來，由于不加區(qū)別的重金屬排放引起的水污染已經(jīng)引起世界性的問題。對(duì)人體和生態(tài)系統(tǒng)施加特別不利的影響的有毒金屬元素可以包括鉻(Cr)、銅(Cu)、鉛(Pb)、汞(Pb)、錳(Mn)、鎘(Cd)、鎳(Ni)等。金屬元素的主要來源可以包括電鍍廠、熔煉廠、皮革(leather)廠、涂料制造廠等。相對(duì)大量的金屬也在飲料、冰淇淋等的制備中被排放。此外，·鐵(Fe)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎳(Ni)、猛(Mn)等主要在礦井中排放。由于重金屬引起的水污染問題也暴露到大眾。一般地，在水處理廠處理并滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)的潔凈水供應(yīng)到供應(yīng)城市和家庭的供水系統(tǒng)。然而，當(dāng)水被供應(yīng)給用戶時(shí)，可能包括從老化的水管等濾出的重金屬諸如銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)等。在它們當(dāng)中，已知鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)等如果在人體中積累會(huì)具有致命的毒性。常用的重金屬處理方法包括沉淀(precipitation)、吸附(adsorption)、離子交換、反滲透(reverse osmosis)、生物處理等。在它們當(dāng)中，沉淀和吸附被主要地應(yīng)用于工業(yè)和公用水凈化，生物處理被部分地使用，但是由于尺寸減小和易于使用的問題，這些方法并不適于家用水凈化。因此，對(duì)于家用凈水器通常使用反滲透和離子交換。盡管在凈水器中使用的反滲透過濾器可以完全去除大部分雜質(zhì)，但是其也會(huì)去除水中存在的有益礦物成分(Ca、Mg等)，因此要進(jìn)行向凈化過的水添加礦物質(zhì)的后續(xù)工藝。此外，利用同時(shí)發(fā)生的高能耗來去除極少量重金屬的反滲透在能量效率方面是不利的。如果使用離子交換樹脂過濾器，則其可以選擇性地去除重金屬并在能量效率方面具有優(yōu)點(diǎn)，但是即使在取決于流入水的污染程度的計(jì)劃更換時(shí)間之前，過濾性能也會(huì)退化，因此飲用被重金屬污染的水的可能性會(huì)增加。尤其是，過濾器需要定期更換，因此產(chǎn)生增加的成本以及對(duì)于使用者的不便。

發(fā)明內(nèi)容
不同的示例實(shí)施例涉及一種過濾單元，該過濾單元可以相對(duì)高效地選擇性地吸附并去除水中存在的金屬離子并且可以相對(duì)高效地被再生。不同的實(shí)施例涉及一種可提高處理能力的過濾單元。不同的實(shí)施例涉及一種包括該過濾單元的過濾系統(tǒng)。不同的實(shí)施例涉及一種操作可再生過濾系統(tǒng)的相對(duì)高效的方法。根據(jù)示例實(shí)施例，一種過濾單元可以包括可滲水的第一電極，包括金屬吸附劑(金屬吸附材料)；第二電極，布置成與第一電極間隔開并與第一電極相對(duì)；以及分隔物(separator)，由具有精細(xì)孔隙的絕緣材料形成，精細(xì)孔隙位于第一電極和第二電極之間并在穿過第一電極和第二電極的方向上傳送離子，其中分隔物在平行于與第一電極或第二電極接觸的側(cè)部的方向上是不滲水的，并且第一電極和第二電極中的至少一個(gè)是包括水解催化劑(water hydrolysis catalyst)的負(fù)載催化劑電極(catalyst supported electrode)或包括非催化劑材料的非活性電極。可滲水的第一電極還可以包括用于在滲水方向上使流入水通過的流入水入口(inflow water inlet)和處理過的水出口(treated water outlet)?？蓾B水的第一電極在流入水入口處在流入水引入方向上的長度可以是約Icm至約50cm，可滲水的第一電極的在垂直于流入水引入方向(A)的第一方向(Wl)上的第一橫截面積(SI)與分隔物的在垂直于流入水引入方向(A)的第二方向(W2)上的第二橫截面積
(S2)的比率(S1/S2)可以為約5至約1000。
可滲水的第一電極可以通過沉積金屬吸附劑的顆粒形成，并且可以包括形成在顆粒之間的具有約0. I y m至約30 y m的平均尺寸的孔隙，并且可以具有約0. 05至0. 7的孔隙率。可滲水的第一電極可以是紡織物(woven fabric)或非紡織物(non-wovenfabric)的形式。金屬吸附劑可以在表面上包括選擇性鍵合到金屬離子的堿性官能團(tuán)(basicfunctional group)。金屬吸附劑可以是活性或非活性的碳基材料?？蓾B水的第一電極可以選自活性碳、高比表面積石墨、碳納米管(CNT)、介孔碳、活性碳纖維、陽離子交換樹脂、沸石(zeolite)、蒙脫石(smectite)、蛭石(vermiculite)、或
其組合?？蓾B水的第一電極還可以由不滲水的碳基材料形成同時(shí)在其中包括分離的滲水流動(dòng)路徑。不滲水的碳基材料可以是具有約0. I y m至約50 y m的平均顆粒直徑的碳基材料的顆粒。第一電極還可以包括集流器。分隔物可以具有約0. I y m至約30 y m的平均孔隙尺寸。分隔物可以包括從聚烯烴、玻璃纖維和金屬氧化物中選出的至少一種材料。分隔物可以在接觸第一電極的第一側(cè)與接觸第二電極的第二側(cè)之間具有約5 iim至約300 u m的厚度。水解催化劑或非催化劑材料可以選自金屬、金屬氧化物、不銹鋼、玻璃碳、石墨、碳
黑或其組合。水解催化劑或非催化劑材料可以選自鉬(Pt)、鈦(Ti)、釕(Ru)、銀(Ag)、金(Au)、銥(Ir)、鈀(Pd)、鈷(Co)、釩(V)、鐵(Fe)、Pt02、IrO2, TiO2' CaTiO3' NaWO3' MnO2' RuO2' PbO2或其組合。第二電極可以包括金屬吸附劑并且是滲水的。替代地，第二電極可以不包含金屬吸附劑并且是不滲水的。
根據(jù)另一實(shí)施例，一種過濾系統(tǒng)可以包括上述過濾單元；以及電壓施加器(voltage applier)，配置為施加電壓到第一電極和第二電極(例如，在過濾單元操作之后以規(guī)則的時(shí)間間隔施加以從流入水去除一種或多種金屬)。電壓施加器可以利用所施加的電壓來再生金屬吸附劑。電壓施加器可以施加能夠使或促進(jìn)在第一電極與第二電極之間的水水解的大小的電壓。根據(jù)另一實(shí)施例，一種操作過濾系統(tǒng)的方法可以包括使流入水經(jīng)過上述過濾單元而不施加電壓，使得金屬吸附劑從流入水吸附金屬離子；以及施加電壓到第一電極和第二電極以使金屬離子從金屬吸附劑脫附，從而再生金屬吸附劑。在過濾系統(tǒng)的操作方法中，金屬吸附劑可以在流入水條件下通過電壓施加器施加的電壓再生，而不引入額外的電解液。 在施加電壓到第一電極和第二電極的步驟中，可以施加能使或促進(jìn)水水解的大小的電壓?？梢酝ㄟ^電壓施加器施加的電壓將第一電極和/或第二電極的表面的pH控制為約5或更小，從而使金屬離子從金屬吸附劑脫附?？梢酝ㄟ^電壓施加器施加的電壓來氧化第一電極和/或第二電極的表面從而可以產(chǎn)生堿性官能團(tuán)。


圖I是根據(jù)示例實(shí)施例的過濾單元的示意圖。圖2示出圖I的過濾單元的金屬離子去除機(jī)制。圖3是根據(jù)示例實(shí)施例的過濾系統(tǒng)的示意圖。圖4是根據(jù)另一示例實(shí)施例的過濾系統(tǒng)的示意圖。圖5是根據(jù)另一不例實(shí)施例的過濾系統(tǒng)的不意圖。圖6是根據(jù)另一示例實(shí)施例的過濾系統(tǒng)的示意圖。圖7 (a)和圖7 (b)是根據(jù)另一不例實(shí)施例的過濾系統(tǒng)的不意圖。圖8是示出示例I的隨時(shí)間的金屬去除性能的評(píng)估結(jié)果的曲線圖。圖9是示出根據(jù)示例I的循環(huán)金屬去除性能的評(píng)估結(jié)果的曲線圖。圖10是曲線圖，示出示例I中使用的分隔物的依據(jù)頻率的阻抗。圖11是曲線圖，示出當(dāng)示例I的過濾系統(tǒng)被再生時(shí)所測量的電流。附圖標(biāo)記的描述I :第一電極2 :第二電極3:分隔物4:電壓施加器5:集流器12:第一電極14:第二電極100、200、300、400 :過濾系統(tǒng)
具體實(shí)施例方式在下文將參照附圖更全面地描述示例實(shí)施例。然而，本公開可以以多個(gè)不同形式實(shí)施，而不應(yīng)被解釋為限于這里闡述的示例。
在附圖中，為了清晰，可以夸大層、膜、面板、區(qū)域等的厚度。相同的附圖標(biāo)記在整個(gè)說明書中表示相同的元件。將理解，當(dāng)一元件諸如層、膜、區(qū)域或基板被稱為在另一元件“上”時(shí)，它可以直接在該另一元件上，或者還可以存在中間元件。相反，當(dāng)一元件被稱為“直接在”另一元件“上”時(shí)，不存在中間元件。如這里所用的，術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)所列相關(guān)項(xiàng)目的任意和所有組合。將理解，雖然這里可以使用術(shù)語第一、第二、第三等來描述不同的元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于將一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因而，以下討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不背尚不例實(shí)施例的教導(dǎo)。為便于描述這里可以使用諸如“在...之下”、“在...下面”、“下”、“在...之上”、
“上”等空間相對(duì)性術(shù)語以描述如附圖所示的一個(gè)元件或特征與另一個(gè)(些)元件或特征之間的關(guān)系。將理解，空間相對(duì)性術(shù)語是用來概括除附圖所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向的。例如，如果附圖中的器件翻轉(zhuǎn)過來，被描述為“在”其他元件或特征“之下”或“下面”的元件將會(huì)在其他元件或特征的“上方”。這樣，術(shù)語“在...下面可以涵蓋之上和之下兩種取向。器件可以采取其他取向(旋轉(zhuǎn)90度或在其他取向)，這里所用的空間相對(duì)性描述符做相應(yīng)解釋。這里使用的術(shù)語僅是為了描述各個(gè)實(shí)施例的目的，并非要限制示例實(shí)施例。如這里所用的，除非上下文另有明確表述，否則單數(shù)形式“一”和“該”均同時(shí)旨在包括復(fù)數(shù)形式。將進(jìn)一步理解，術(shù)語“包括”和/或“包含”，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，指定了所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或增加。這里參照截面圖描述了示例實(shí)施例，這些截面圖是示例實(shí)施例的理想化實(shí)施例(和中間結(jié)構(gòu))的示意圖。因此，由于例如制造技術(shù)和/或公差引起的圖示形狀的偏差是可以預(yù)期的。因而，示例實(shí)施例不應(yīng)被理解為限于這里示出的區(qū)域的形狀，而是包括由例如制造引起的形狀偏差在內(nèi)。除非另行定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)都具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所通常理解的同樣的含義。將進(jìn)一步理解，諸如通用詞典中所定義的術(shù)語，除非此處加以明確定義，否則應(yīng)當(dāng)被解釋為具有與它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域的語境中的含義相一致的含義，而不應(yīng)被解釋為理想化的或過度形式化的意義。在下文，將參照?qǐng)DI描述根據(jù)示例實(shí)施例的過濾單元。圖I是根據(jù)示例實(shí)施例的過濾單元10的示意圖。參照?qǐng)D1，過濾單元10可以包括可滲水的第一電極12 ;第二電極14，布置為與第一電極12間隔開并與第一電極12相對(duì)；和/或分隔物13,位于第一電極12與第二電極14之間。第一電極12可以是可滲水的，從而提供流入水經(jīng)過其的流動(dòng)路徑。第一電極12還可以包括吸附劑(例如，金屬吸附材料)，該吸附劑吸附經(jīng)過流動(dòng)路徑的流入水中的金屬?？蓾B水的第一電極12還可以包括用于沿滲水方向(A)流過流入水的流入水入口(未示出)和處理過的水出口(未示出)。
第二電極14布置為與第一電極12間隔開且與第一電極12相對(duì)。由于第一電極12是可滲水的，所以第一電極12可以使流入水通過。例如，流入水可以被引入到一側(cè)，被處理過的水可以從另一側(cè)排出。根據(jù)另一實(shí)施例，可滲水的第一電極12的厚度在流入水入口處在流入水引入方向(A)上可以是約Icm至約50cm，可滲水的第一電極12在流入水入口處在垂直于流入水引入方向(A)的方向(Wl)上的第一橫截面積(SI)與分隔物在流入水入口處在垂直于流入水引入方向(A)的方向(W2)上的橫截面積(S2)的比率(S1/S2)可以是約5至約1000。例如，比率(S1/S2)可以是約50至約100。在另一示例中，比率(S1/S2)可以為約10至約30。在另一示例中，比率(S1/S2)可以為約2至約5。因而，可滲水的第一電極12的第一橫截面積(SI)的這樣的大小可以提供期望的滲水性能。 根據(jù)另一實(shí)施例，可滲水的第一電極12可以通過沉積設(shè)計(jì)用于吸附一種或多種金屬的吸附劑的顆粒而形成。由于形成在所沉積的顆粒之間的孔隙(pore)，第一電極12可以是可滲水的。形成在顆粒之間的孔隙的平均尺寸可以是約0. I y m至約30 u m,孔隙率可以為約0. 05至約0. 7。孔隙率指的是孔隙與包括顆粒和孔隙的整個(gè)體積的體積比。根據(jù)另一實(shí)施例，可滲水的第一電極12可以是紡織或非紡織物的形式。吸附劑可以在表面上包括選擇性地鍵合到金屬離子的堿性官能團(tuán)(含氧官能團(tuán))。堿性官能團(tuán)選擇性地表現(xiàn)出對(duì)酸性金屬離子(特別是重金屬離子)的強(qiáng)吸附性。例如，其中堿性官能團(tuán)例如-coo_或_0_(可以從官能團(tuán)諸如羧基、羥基等生成)吸附重金屬離子諸如Pb2+的反應(yīng)通過以下的反應(yīng)圖式I表示。[反應(yīng)圖式I]-C00H+Pb2++H20 — _C00Pb++H30+C*-0H+Pb2++H20 — C*_0Pb++H30+(-C00H) 2+Pb2++2H20 — (_C00) 2Pb+2H30.C*-0-C*+2H20 — C20H22++20r2 (C2OH22+) +Pb2+ — (C2O) 2Pb2++4H.吸附劑可以是活性或非活性碳基材料。根據(jù)另一實(shí)施例，包括吸附劑的可滲水的第一電極12可以選自活性碳、高比表面積石墨、碳納米管(CNT)、介孔碳、活性碳纖維、陽離子交換樹脂、沸石、蒙脫石、蛭石、或其組合。高比表面積石墨可以具有約100m2/g至300m2/g的比表面積。由于以上說明的第一電極12具有能使流入水相對(duì)平滑地通過整個(gè)電極主體的結(jié)構(gòu)，所以在第一電極12中包括的吸附劑的吸附容量可以被最大限度地使用以改善金屬去除率以及材料利用率，從而提高每單位單元處理金屬的速度和容量。除了包括由滲水材料制成的吸附劑之外，第一電極12可以具有不同的結(jié)構(gòu)以提供滲水性從而改善流入水的通過。根據(jù)另一實(shí)施例，第一電極12可以由不滲水的碳基材料形成，滲水的流動(dòng)路徑可以形成在不滲水的碳基材料中以允許流入水通過。不滲水的碳基材料可以由具有約0. I y m至約50 的顆粒直徑的碳基材料顆粒形成。雖然由碳基材料組成的部分可以是不滲水的，但是相對(duì)精細(xì)的流動(dòng)路徑可以分離地形成在第一電極12里面，使得第一電極12可以變成整體滲水的。
根據(jù)另一實(shí)施例，第一電極12還可以包括集流器。可以使用已知的材料作為集流器，例如Ti、不銹鋼、石墨、玻璃碳、或其合金或混合物等，然而示例實(shí)施例不限于此。分隔物13可以位于第一電極12與第二電極14之間。分隔物13可以由具有相對(duì)精細(xì)的孔隙的絕緣材料形成，所述孔隙在穿過第一電極和第二電極的方向上輸送離子。當(dāng)在兩個(gè)電極12、14之間施加電壓時(shí)，電流可以流過分隔物13的相對(duì)精細(xì)的孔隙。分隔物13可以具有約0. 01 ii m至約30 ii m(例如，約0. I ii m至約10 U m)的平均孔隙尺寸。由于流入水被引入第一電極12中，所以分隔物13不需要包括用于引入流入水的開口。因而，分隔物13不需要是滲水的。在非限制的實(shí)施例中，分隔物13可以在平行于與第一電極12或第二電極14接觸的側(cè)部的方向上是不滲水的。例如，分隔物13可以基于其孔隙尺寸(例如，0.01至0.09i!m)而被提供為不滲水的。 雖然對(duì)于滲水材料可能需要特定標(biāo)準(zhǔn)的厚度以確保適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，但是由于分隔物13可以形成為不滲水的，所以分隔物13可以形成為薄膜而不必增加厚度。隨著分隔物13的厚度變薄，單元電阻(cell resistance)可以減小，結(jié)果，當(dāng)施加電壓以再生(regenerating)吸附劑時(shí)，電流可以增加以提高再生效率。此外，由于分隔物13不包括用于引入流入水的開口，所以可以最小化電化學(xué)單元短路的可能性，從而改善系統(tǒng)制造期間的可加工性。在分隔物13形成為薄膜的情形下，由于分隔物13的橫截面與分隔物13的長度相比相對(duì)地窄，所以分隔物13可以在平行于分隔物13的與第一電極12或第二電極14接觸的側(cè)部的方向上、或水在第一電極12中被傳送的方向(A)上是不滲水的。例如，分隔物13可以使用具有約5 ii m至約300 U m的厚度的薄膜。因而，分隔物13的在接觸第一電極12的側(cè)部與接觸第二電極14的側(cè)部之間的厚度可以為約5 iim至約300 u m0因而，由于分隔物13可以形成為相對(duì)薄的膜，所以可以減小單元電阻。分隔物13可以由聚烯烴、玻璃纖維、金屬氧化物、或其組合等形成。第一電極12和第二電極14中的至少一個(gè)可以是包括水解催化劑的負(fù)載催化劑電極或包括非催化劑材料的非活性電極。包括水解催化劑的負(fù)載催化劑電極或包括非催化劑材料的非活性電極可以在施加電壓時(shí)使水分解以產(chǎn)生H+離子。H+離子促進(jìn)被吸附到吸附齊IJ的堿性官能團(tuán)上的金屬離子的解吸，由此再生吸附劑。水解催化劑可以降低水解過電壓并使能在之后提到的電壓施加工藝期間在相同的電壓下進(jìn)行更高電流的操作，其中所述電壓施加工藝在金屬離子吸附之后進(jìn)行。此外，因?yàn)殛枠O和陰極具有相對(duì)低的雙電層電容(electric double layer capacitance),所以在再生期間金屬離子不被捕獲且集中在陰極孔隙中。因此，能防止在再生之后所解析的金屬離子的滯留(retention)，該滯留通常發(fā)生在具有相對(duì)高的雙電層電容的電極中。水解催化劑或非催化劑材料可以包括金屬、金屬氧化物、不銹鋼、玻璃碳、石墨、碳黑或其組合。組合可以指兩種或更多成分的混合物、層疊結(jié)構(gòu)等。金屬可以選自鉬(Pt)、鈦(Ti)、釕(Ru)、銀(Ag)、金(Au)、銥(Ir)、鈀(Pd)、鈷(Co)、釩(V)、鐵(Fe)、或其組合。組合可以指兩種或更多金屬的混合物、合金、層疊結(jié)構(gòu)等。金屬氧化物可以選自Pt02、Ir02、Ti02、CaTiO3、NaffO3、MnO2、RuO2、PbO2、或其組合。組合可以指兩種或更多金屬氧化物的混合物、層置結(jié)構(gòu)等。第二電極14可以是滲水或不滲水的，但是其不具體限于任何一種材料。
根據(jù)另一實(shí)施例，第二電極14可以是滲水的并且可以包括吸附劑。在該情形下下，流入水可以經(jīng)過滲水的第二電極14使得第二電極14中的吸附劑可以吸附流入水中的金屬。根據(jù)另一實(shí)施例，第二電極14可以是不滲水的，并且可以不包括吸附劑。如圖2所示，如果金屬離子已經(jīng)被吸附到堿性官能團(tuán)并且離子去除速度已經(jīng)減小，則可以在第一電極12與第二電極14之間施加電壓使得金屬離子可以從吸附劑脫附。具體地，吸附劑可以通過在第一電極12與第二 電極14之間施加電壓而被原位地再生。正⑴電壓被施加到第一電極12并且負(fù)㈠電壓被施加到第二電極14從而在第一電極12和第二電極14的表面上引起水解反應(yīng)。這時(shí),H+離子在第一電極12的表面上產(chǎn)生，這可以將電極表面的PH局部地減小至約5或更小。被吸附到堿性官能團(tuán)的金屬離子可以通過競爭反應(yīng)(competing reaction)而脫附并被排出。此外，過濾系統(tǒng)可以被短路從而促進(jìn)金屬離子排出。表面氧化反應(yīng)以及水解反應(yīng)可以發(fā)生在第一電極12的表面上。更多的堿性官能團(tuán)可以通過表面氧化反應(yīng)被引入第一電極12的表面上。具體地，可以將金屬離子吸附到第一電極12上的堿性官能團(tuán)的產(chǎn)生可以用電化學(xué)方法引起。在第一電極12中的吸附劑是碳基材料諸如活性碳、高比表面積石墨(HSAG)、碳納米管(CNT)、介孔碳、活性碳纖維等的情形下，可以引入具有通過XPS表面分析發(fā)現(xiàn)的約0. 02或更大的氧/碳(0/C)原子比的堿性官能團(tuán)。根據(jù)一實(shí)施例，可以引入具有約0. 03至0. 2的0/C原子比的堿性官能團(tuán)。過濾單元10在再生期間可以不需要使金屬從吸附劑脫附的額外的電解質(zhì)溶液。這是因?yàn)榻饘倏梢酝ㄟ^H+離子從吸附劑脫附，其中該H+離子通過流入水自身水解產(chǎn)生。過濾單元10可以用吸附劑選擇性地去除流入水中存在的金屬離子，吸附劑可以在使流入水流動(dòng)的同時(shí)通過施加電壓而再生。因而，過濾單元10不需要經(jīng)常更換并且對(duì)于水凈化系統(tǒng)可以是有利的。根據(jù)另一實(shí)施例，可以提供包括以上說明的過濾單元10以及電壓施加器的過濾系統(tǒng)，該電壓施加器在過濾單元10操作之后以規(guī)則的時(shí)間間隔施加電壓到第一電極12和第二電極14。在圖I和圖2中，分別連接到第一電極12和第二電極14的符號(hào)‘ + ’和表示電壓施加器。圖3是根據(jù)示例實(shí)施例的過濾系統(tǒng)100的示意圖。過濾系統(tǒng)100可以包括第一電極I、分隔物3、第二電極2以及電壓施加器4。第一電極I可以是包括吸附劑(例如，吸附金屬的材料)和集流器5的層。電壓施加器4配置用于當(dāng)再生吸附劑時(shí)施加電壓。圖4示出過濾系統(tǒng)200的另一實(shí)施例，其中不包括圖3所示的集流器5。通過水解反應(yīng)進(jìn)行的吸附劑的再生反應(yīng)可以通過用電壓施加器4施加電壓而運(yùn)行。吸附劑的再生反應(yīng)可以通過電壓施加器4施加能使第一電極I與第二電極2之間的水水解的大小的電壓而進(jìn)行?？梢栽谶M(jìn)行金屬吸附反應(yīng)之后根據(jù)所需的條件(例如，在經(jīng)過期望的時(shí)間量之后，或者根據(jù)金屬離子或礦物成分的期望濃度)而進(jìn)行電壓施加器4的電壓施加，電壓施加時(shí)間的條件可以通過考慮吸附劑的量、流入水中的金屬離子成分、處理過的水的流速等等來確定。過濾系統(tǒng)100、200、300、400還可以包括可檢測處理過的水的流體特性的傳感器(或監(jiān)測系統(tǒng))。電壓施加可以通過施加約0. I秒至約5分鐘的脈沖電壓而進(jìn)行?？梢詼y量(或監(jiān)測)處理過的水中的金屬離子(例如，重金屬離子)的濃度，其可以被設(shè)計(jì)成如果金屬離子的濃度超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)，則可以施加電壓，以及如果處理過的水的金屬離子或礦物成分的濃度不適于飲用水，則可以施加電壓。過濾系統(tǒng)100、200、300、400還可以包括可檢測金屬離子(或礦物成分)的濃度的傳感器(或監(jiān)測系統(tǒng))。電壓施加器4可以施加允許在第一電極I與第二電極2之間的水的水解的大小的電壓。允許水的水解的大小的電壓可以是約I. 23V或以上 ，例如約2V至約30V。過濾系統(tǒng)100、200、300、400可以通過在第一電極I與第二電極2之間施加電壓而使吸附劑的性能電化學(xué)地再生，而不用拆除該系統(tǒng)。此外，可以在流入水條件下再生吸附劑的性能，而不使用額外的電解液。如所述的，因?yàn)榻饘傥焦に嚭陀糜谌コ降慕饘俚膲A性官能團(tuán)的再生工藝可以通過原位的工藝進(jìn)行，所以金屬離子(特別是重金屬離子)可以通過相對(duì)便利的方法而被選擇性地去除。如果金屬離子以這種方式被去除，則過濾系統(tǒng)100、200、300、400可以被半永久地使用，并可以提供可降低過濾器的維護(hù)成本的過濾器件。過濾系統(tǒng)可以通過堆疊過濾單元形成。由于過濾系統(tǒng)100、200、300、400可以最大限度地表現(xiàn)吸附劑的容量，所以過濾單元的層疊可以最小化，并且厚度可以利用不滲水的分隔物3來減小，因此減小了單元電阻以改善再生效率。此外，由于開口可以不形成在分隔物3中，所以單元短路的概率可以被最小化以改善可加工性。過濾系統(tǒng)的非限制的變化在圖5和圖6中示出。圖5示出包括過濾單元的過濾系統(tǒng)300，該過濾單元包括串聯(lián)電連接的第一電極I (包括包含吸附劑的層)、第二電極2、分隔物3、電壓施加器4以及集流器5。圖6示出包括并聯(lián)電連接的第一電極I (包括包含吸附齊U的層)、第二電極2、分隔物3、電壓施加器4以及集流器5的過濾系統(tǒng)400。在圖7中，(a)和(b)示出過濾系統(tǒng)的其它示例實(shí)施例，其中具有通過虛線表示的層疊結(jié)構(gòu)的過濾單元成螺旋形地卷繞并被引入殼體中從而沿箭頭表示的方向引入流入水并排出處理過的水。雖然未示出，但是電壓施加器可以如關(guān)于前述示例所描述地連接。根據(jù)另一實(shí)施例，提供操作過濾系統(tǒng)100、200、300、400的方法，該方法包括使流入水流過濾單元，而不對(duì)吸附金屬離子的吸附劑施加電壓；以及施加電壓到第一電極I和第二電極2以使吸附劑脫附金屬離子，從而再生吸附劑。以下僅更詳細(xì)地強(qiáng)調(diào)不同示例實(shí)施例的一方面。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本公開的范圍不限于這些示例。示例制備示例I :滲水電極的制備通常使用的活性碳布CH900被切割成約IOX IOcm2并被用作滲水電極。制備示例2 :制備膏電極(paste electrode)在攪拌容器中，添加用于吸附的45g的碳、約5g的碳黑(carbon black)、約4. 17g的PTFE懸浮體(60% )、以及約IOOg的丙二醇(propylene glycol),然后揉捏并模制，以及分別在溫度被維持在約80°C、約120°C和約200°C的對(duì)流烘箱中干燥I小時(shí)，從而制備具有約IOX IOcm2的面積和約2. 5g的重量的片型過濾器電極。
示例 I具有約480 ii m厚度的約I. 62g的活性碳布(carbon cloth)用作過濾器電極,使用具有約25 ii m厚度(聚乙烯材料，由GORE公司制造)的不滲水的分隔物，被IrO2涂覆的Ti用作相對(duì)電極，I個(gè)單元按照石墨箔/過濾器電極/分隔物/相對(duì)電極的次序?qū)盈B，然后通過螺釘結(jié)合以組裝過濾系統(tǒng)。過濾器電極上的外側(cè)部(outside part)形成為整個(gè)開口從而引入流入水，出口被形成并起作用使得所引入的流入水可以在傳輸經(jīng)過過濾器電極之后通過電極中心中的孔排出。比較示例I首先，在示例I中使用的活性碳布利用ZrO2球以約IOOOrpm球磨約15分鐘，所獲得的粉碎粉末與1，2_丙二醇混合以制備具有約50 約100 約5的重量比的碳溶劑PTEE(聚四氟乙烯)粘合劑的膏狀混合物，該膏狀混合物被制成電極并干燥，溶劑被去除，然后電極被切割以獲得具有約430 ii m厚度以及約2. 45g重量的膏電極(pasteelectrode)。過濾系統(tǒng)通過與示例I相同的方法組裝，除了以上制備的膏電極用作過濾器 電極以及具有約142 厚度的滲水聚酯分隔物(SEFAR公司)用作分隔物之外。以與示例I相同的方法，過濾器電極上的外側(cè)部形成為整個(gè)開口從而引入流入水，出口被形成并用于使得所引入的流入水可以在傳輸通過過濾器電極之后通過電極中心中的孔排出。比較示例2過濾系統(tǒng)通過與比較示例I相同的方法組裝，除了使用具有約20 顆粒直徑的約2. 19g活性碳以及使用具有約420 厚度的過濾器電極之外。以與示例I相同的方法，過濾器電極上的外側(cè)部形成為整個(gè)開口從而引入流入水，出口被形成并用于使得所引入的流入水可以在傳輸通過過濾器電極之后通過電極中心的孔排出。實(shí)驗(yàn)示例I :評(píng)估金屬去除性能I.系統(tǒng)在室溫下運(yùn)行，制備流入水使得離子形式的Pb濃度可以在蒸餾水中變成約3ppm。流入水以約10mL/min的速度供應(yīng)到系統(tǒng)。2.測量處理過的水的殘留Pb濃度隨時(shí)間的變化以確定Pb去除性能的變化，如果Pb去除性能顯著降低，則進(jìn)行再生工藝。3.在具有約210uS/cm電導(dǎo)率的模擬自來水情況下，當(dāng)約5V/0V的電壓分別保持約10分鐘時(shí)，進(jìn)行再生，使得吸附電極可以是陽極。利用相同的流入水情況對(duì)模擬自來水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中CaCl2、MgSO4和NaHCO3分別被添加到蒸餾水使得濃度可以分別變成約48. 6ppm、約 18. 2ppm 和約 66. Oppnio4.在再生之后，約3ppm的Pb流入水以相同的速度再次經(jīng)過，確認(rèn)Pb去除量以確定Pb去除性能的恢復(fù)。示例I的結(jié)果在圖8和圖9中示出。圖8是曲線圖，示出在示例I以及比較示例I和2的第一次循環(huán)中處理過的水(treated water)的Pb去除性能隨時(shí)間的變化。在過濾系統(tǒng)如示例I由滲水電極和不滲水的分隔物構(gòu)成的情形下，確定吸附電極的負(fù)載量最低，同時(shí)去除率隨時(shí)間保持最高。相反， 如果滲水分隔物與其中使用相同的碳基材料的比較示例I的不滲水膏型電極以及其中使用通常使用的活性碳粉末的比較示例2 —起使用，可以看出Pb去除率隨時(shí)間快速下降，因而吸附劑的利用率降低。
圖9是曲線圖，示出根據(jù)示例I、比較示例I、和比較示例2的循環(huán)的Pb去除率,確定雖然Pb去除率通過示例I、比較示例I、和比較示例2中的再生被全部恢復(fù)，但是如在圖8中確定的，示例I的優(yōu)良的Pb去除率被連續(xù)地保持，即使反復(fù)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)示例2 :測量根據(jù)分隔物的阻抗對(duì)于使用示例I的分隔物和比較示例I和2的分隔物的超級(jí)電容器，其中實(shí)驗(yàn)示例I的模擬自來水用作電解液，示出阻抗隨著頻率的變化(圖10)。從圖10的結(jié)果，可以看出即使不存在開口，具有薄厚度的示例I的不滲水的分隔物的阻抗為比較示例I的約1/3。實(shí)驗(yàn)示例3 :評(píng)估根據(jù)分隔物的再生性能以約lOmL/min的流速將示例I的模擬自來水引入示例I、比較示例I、和比較示例2中制造的過濾系統(tǒng)，這些系統(tǒng)運(yùn)行，并在施加電壓時(shí)(SM及附劑被再生時(shí))測量電流。圖11是示出結(jié)果的曲線圖。在示例I中，與比較示例I和2相比，在相同的電壓下在再生循環(huán)中觀察到顯著的電流增加，這被認(rèn)為由分隔物的薄厚度所引起的歐姆電阻減小產(chǎn)生。雖然這里已經(jīng)描述了不同的示例實(shí)施例，但是將理解，本公開的范圍不限于所公·開的實(shí)施例。特別地，本公開旨在覆蓋將落入權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種變形和等同布置。本申請(qǐng)要求于2011年3月21日在韓國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請(qǐng)No. 10-2011-0024934的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.ー種過濾單元，包括 第一電極，包括金屬吸附材料，所述第一電極是滲水的； 第二電極，與所述第一電極間隔開，所述第一電極和所述第二電極中的至少ー個(gè)是包括水解催化劑的負(fù)載催化劑電極或包括非催化劑材料的非活性電極；以及 分隔物，在所述第一電極與所述第二電極之間，所述分隔物由具有孔隙的絕緣材料形成，該孔隙傳送離子到所述第一電極和所述第二電極，所述分隔物在平行于接觸所述第一電極或所述第ニ電極的ー側(cè)的方向上是不滲水的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第一電極還包括用于在水滲透方向上使流入水通過的流入水入口和處理過的水出ロ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的過濾單元，其中所述第一電極在流入水引入方向上的長度是Icm至50cm,所述第一電極的在垂直于所述流入水引入方向的方向上的第一橫截面積SI與所述分隔物的在垂直于所述流入水引入方向的方向上的第二橫截面積S2的比率S1/S2為5 至 1000。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第一電極包括所述金屬吸附材料的顆粒以及在所述顆粒之間的孔隙，所述孔隙具有O. I μ m至30 μ m的平均尺寸，所述第一電極具有O. 05至O. 7的孔隙率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第一電極是紡織物或非紡織物的形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述金屬吸附材料在外表面上包括選擇性地鍵合到金屬離子的堿性官能團(tuán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述金屬吸附材料是活性或非活性的碳基材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第一電極是活性碳、高比表面積石墨、碳納米管、介孔碳、活性碳纖維、陽離子交換樹脂、沸石、蒙脫石和蛭石中的至少ー種。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第一電極包括不滲水的部分以及穿過所述不滲水的部分延伸的滲水部分，所述不滲水的部分是碳基材料，所述滲水部分是流動(dòng)路徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的過濾單元，其中所述碳基材料包括具有O.I μ m至50 μ m的平均直徑的顆粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第一電極還包括集流器。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述分隔物具有O.I μ m至30 μ m的平均孔隙尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述分隔物包括從聚烯烴、玻璃纖維以及金屬氧化物選出的至少ー種材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述分隔物具有在接觸所述第一電極的第ー側(cè)與接觸所述第二電極的第二側(cè)之間的5 μ m至300 μ m的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述水解催化劑或非催化劑材料選自金屬、金屬氧化物、不銹鋼、玻璃碳、石墨、碳黑或其組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述水解催化劑或非催化劑材料選自Pt、Ti、Ru、Ag、Au、Ir、Pd、Co、V、Fe、PtO2, IrO2, TiO2, CaTiO3> NaWO3' Mn02、Ru02、PbO2 或其組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第二電極包括金屬吸附材料并且是滲水的。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過濾單元，其中所述第二電極不包含金屬吸附材料并且是不滲水的。
19.一種過濾系統(tǒng)，包括 如權(quán)利要求I所述的過濾單元；以及 電壓施加器，配置為施加電壓到所述第一電極和所述第二電極。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的過濾系統(tǒng)，其中所述電壓施加器配置為利用電壓來再生所述金屬吸附材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的過濾系統(tǒng)，其中所述電壓施加器配置為施加促進(jìn)在所述第一電極與所述第ニ電極之間的水的水解的大小的電壓。
22.—種操作過濾系統(tǒng)的方法，所述方法包括 使流入水流動(dòng)經(jīng)過權(quán)利要求I所述的過濾單元而不施加電壓，使得所述金屬吸附材料從所述流入水吸附金屬離子；以及 施加電壓到所述第一電極和所述第二電極以使所述金屬離子從所述金屬吸附材料脫附，從而再生所述金屬吸附材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中執(zhí)行所述施加電壓而不引入電解液到所述流入水中。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述施加電壓包括施加促進(jìn)在所述第一電極與所述第二電極之間的水的水解的大小的電壓。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述施加電壓包括利用所述電壓將所述第一電極和所述第二電極中的至少ー個(gè)的表面的PH控制為5或更小，從而使所述金屬離子從所述金屬吸附材料脫附。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述施加電壓包括利用所述電壓氧化所述第一電極和所述第二電極中的至少ー個(gè)的表面從而產(chǎn)生堿性官能團(tuán)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可再生過濾單元、可再生過濾系統(tǒng)及其操作方法。該過濾單元可以包括可滲水的第一電極；第二電極，布置成與第一電極間隔開并與第一電極相對(duì)；以及不滲水的分隔物，位于第一電極和第二電極之間。第一電極可以包括金屬吸附劑(金屬吸附材料)，因此可以吸附包含在水中的金屬。第一電極和第二電極中的至少一個(gè)可以引起水的水解反應(yīng)以產(chǎn)生H+離子從而再生金屬吸附劑。過濾系統(tǒng)可以包括上述過濾單元以及電壓施加器。
文檔編號(hào)C02F1/62GK102689937SQ20121001557
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者姜孝郎, 李柱郁, 梁好晶, 金昌鉉, 金泫錫, 金載恩 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社