專利名稱：電荷阻擋層流通電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對流體去離子或凈化的一種流通電容器。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及流通電容器，用于去離子例如水溶液之類溶液，對濃縮溶液具有改進操作，包括例如海水的低能脫鹽之類的應(yīng)用。
去離子水的技術(shù)包括電去離子和流通電容器。術(shù)語電去離子包括電滲析和連續(xù)電去離子作用，通常指一種使用電極通過位于陽極和陰極的陽極液室和陰極液室中的氧化還原反應(yīng)將電子電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子電流的方法或設(shè)備。通常地，離子電流被用于離子耗盡(ion-depleting)室中的去離子，而陽極液室、陰極液室或氧化還原產(chǎn)物都不參與去離子過程。為了避免污染并允許在電極間存在多個耗盡室，離子濃縮(ion-concentrating)室和離子耗盡室通常與陽極液室和陰極液室分離。為了最小化電極處氧化還原產(chǎn)物的形成，電去離子設(shè)備通常包括夾在端電極對之間的多層離子濃縮室和離子耗盡室。
現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的一個缺點是由于在電極間使用多室層導(dǎo)致能量損失，從而產(chǎn)生電阻。這是現(xiàn)有技術(shù)電去離子設(shè)備的基本事實，并是其區(qū)別于流通電容器的特征之一。
流通電容器在許多其它方面也與電去離子不同。區(qū)別之一是流通電容器在不發(fā)生氧化還原反應(yīng)的條件下提純水。電極靜電吸附和脫附雜質(zhì)，因此電極(陽極和陰極)直接參與去離子，并位于離子耗盡室和離子濃縮室的其中之一或兩者內(nèi)。陽極液和陰極液被部分地或大量地包含在多孔電極內(nèi)。電子電流通常不是通過氧化還原反應(yīng)改變。代替地，電荷通過靜電吸附被傳送。
但是，現(xiàn)有技術(shù)的流通電容器在高離子或雜質(zhì)濃度下變得能量不足和不切實際。這種情況的原因歸咎于電極中的孔隙體積。存在于孔隙體積中的被溶解的抗衡離子(counterion)鹽吸附在電極上，而孔隙體積同離子(coion)鹽被排出電極。這具有雙重有害影響?？购怆x子占據(jù)電極中的電容。因而此數(shù)量的電荷保持電容不能用于給用水提純流中的離子提純。從電極排出的同離子進入給用水提純流并利用額外的離子污染它。這種影響隨濃度增加變得惡化。流通電容器通常再生在進料濃度的液體中。當(dāng)提純一種濃縮液體時，在應(yīng)用電壓或電流之前，離子被被動地帶進孔隙中。一旦應(yīng)用電壓，這些離子在提純過程中被同時地吸附和排出。提純僅當(dāng)超過孔隙體積離子的過量進料離子被電極吸附時可以發(fā)生。這對流通電容器的經(jīng)濟(economy)設(shè)置實際上限，通常地，在大約百萬分之2500至6000(ppm)的范圍內(nèi)。現(xiàn)有技術(shù)的流通電容器同時需要較慢的流動速率和較高的能量使用率。超過6000ppm，所需要的能量使用率通常大于1焦耳每庫侖溶解離子，這使得現(xiàn)有技術(shù)的流通電容器能量太密集而不實用。因為由這些孔隙體積損失導(dǎo)致的能量不足，去離子具有大約35,000ppm離子濃度的海水，變得不適于去離子。在所有濃度下都發(fā)生孔隙體積損失，但是在較高濃度下變得更嚴重。說明孔隙體積損失的另一方式是其導(dǎo)致離子效率減小。離子效率被定義為提純離子的庫侖與所使用電子的庫侖之比。
因此，存在改進流通電容器的離子和能量效率的需要，特別是當(dāng)處理離子濃度超過2500ppm的溶液時。流通電容器還存在另一需要，以小于1焦耳每庫侖提純離子電荷的能量使用率提純?nèi)芤?。離子效率為每庫侖所使用電子提純的離子電荷的庫侖量，應(yīng)該為50％或更多。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)放置在流通電容器的電極附近的電荷阻擋層可以補償由孔隙體積離子的吸附和排出導(dǎo)致的孔隙體積損失。利用本發(fā)明的電荷阻擋層流通電容器，水的提純，包括海水濃溶液，例如35,000ppm NaCl，已經(jīng)觀測到小于1焦耳每庫侖提純電子的能量水平，例如0.5焦耳每庫侖提純電子，并具有超過90％的離子效率。
這里所使用的術(shù)語“電荷阻擋層”指一種滲透性或半滲透性并能保持電荷的材料層?？紫峨x子被保留或陷落在帶同樣電荷的離子或同離子朝其遷移的電荷阻擋層一側(cè)上。這種電荷阻擋層材料可以是具有導(dǎo)電低電阻-電容(RC)時間常數(shù)的層壓板，一種電極材料，或者可以是選擇性滲透即半滲透性膜，例如陽離子或陰離子選擇性滲透材料，如陽離子交換膜或陰離子交換膜。電荷阻擋層可以具有單極性、兩極性、或者可以是雙極。通常地，電荷阻擋層通過形成離子濃縮層起作用。形成離子濃縮層的作用是平衡或補償通常與孔隙體積離子相關(guān)的損失。這種作用允許離子效率的較大增加，而這又允許濃縮液體的能量有效提純。


圖1是本發(fā)明的流通電容器的一般示意圖，表示電荷阻擋層、電極、可選的集電器、和流動通道隔板(spacer)的放置。
圖2是本發(fā)明的流通電容器的一般示意圖，包含與相鄰或下面電極相同極性的電荷阻擋層，并表示出正被提純或濃縮的離子，并顯示電場中的離子遷移方向。
圖3表示在放電周期中圖2的流通電容器，說明濃縮離子被釋放進入位于電荷阻擋層間的流動通道。
圖4是本發(fā)明的流通電容器的一般示意圖，包含與相鄰或下面電極相反極性的電荷阻擋層，并表示出正被提純或濃縮的離子，并顯示電場中的離子遷移方向。
圖5為圖4的流通電容器的放電周期的一般示意圖，其說明位于中心的流動通道如何通過沿電荷阻擋層向電極的離子遷移而被提純。
圖6為本發(fā)明的流通電容器的疊層一般示意圖。
圖7為本發(fā)明的流通電容器的雙流動通道一般示意圖，具有密封劑以同時分離提純和濃縮液流。
圖8A為含有橫向流動通道的本發(fā)明的流通電容器的一般頂視圖；圖8B為含有橫向流動通道的本發(fā)明的流通電容器的前剖面一般示意圖；圖8C為本發(fā)明的流通電容器的頂剖視圖，表示電荷阻擋層和流動隔板；圖8D為含有橫向流動通道的本發(fā)明的流通電容器的側(cè)剖面一般示意圖；圖9的曲線圖表示由本發(fā)明的流通電容器在周期中操作時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并以按照圖2、3、4和5所示順序的極性由充電和放電表示。
圖10為本發(fā)明的流通電容器的一般示意圖，表示導(dǎo)電電荷阻擋層至獨立的DC電源而不是電極的固定。
圖11為本發(fā)明的流通電容器系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的電荷阻擋層流通電容器、陽極液室和陰極液室可以與離子耗盡室或濃縮室集成，或者它們可以是分離室。流通電容器中的電極被隔離開或者通過隔板被分離。隔板可以是任何離子可滲透、不導(dǎo)電材料，包括膜、多孔材料和無孔材料(見1998年5月5日發(fā)布的美國第5,748,437號專利)。隔板可以限定流動通道(見1996年8月20日發(fā)布的美國第5,574,581號專利)，或者可以為雙層隔板材料，在層間含有流動通道(如第5,748,437號美國專利)。提純和濃縮可以在隔板、電極兩者之一中或兩者中都發(fā)生，根據(jù)流動通道的幾何形狀而定。例如，在使用如上所述的雙分隔層的流通電容器中，離子耗盡室、提純室、或者濃縮室可以位于隔板層間。1993年3月9日發(fā)布的第5,192,432號美國專利說明多孔電極材料的使用。在這種情況下，離子耗盡或者離子濃縮將直接在電極自身中發(fā)生，目的是影響液體的提純或者濃縮。但是，在這兩種情況下，電極直接涉及提純過程。電極被用于吸附或者釋放電荷，并且通常地，不通過電去離子技術(shù)中常用的氧化還原反應(yīng)將電子電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子電流。在任何情況下，在每對電極間僅僅需要單個、分別隔開的濃縮或離子耗盡層。因此，已經(jīng)去離子的流通電容器的優(yōu)點之一是通過氧化還原反應(yīng)浪費的能量較小并且具有較小的內(nèi)電阻。
在本發(fā)明的流通電容器中，電荷阻擋層可以僅具有一層或者電荷阻擋層可以具有兩層或更多層。離子選擇膜也可以用于選擇所感興趣的特定離子種類。其中電荷阻擋層為一種選擇性滲透膜，可以是任何膜，例如，一種無紡、紡織、或半滲透性板材。用作電荷阻擋層的材料示例在市場上可以買的到，例如，Raipore 1010和1030、Tokuyama Soda NeoseptaCM-1和AM-1(Neosepta為日本Yamaguchi郡Mikage-cho市的Tokuyama公司的注冊商標(biāo))、和selemnion牌陰離子及陽離子交換膜。這些膜可以通過薄板(web)支撐，或者可以制造、鑄造或集成固定至電極材料。也可以使用雙極膜。
其中電荷阻擋層材料是一種低電阻-電容(RC)時間常數(shù)材料，這種材料可以是一種離子可滲透、導(dǎo)電、多孔或無孔板材，例如，導(dǎo)電膜，導(dǎo)電聚合物板材，碳纖維材料，或者以無紡或者以紡織形式，例如織布形式，活性碳布，納米管，碳或石墨紙，氣凝膠，金屬絲或纖維，多孔石墨或金屬箔，活性碳，和碳黑板材，包括與聚四氟乙烯(PTFE)粘合劑結(jié)合在一起的碳。這些導(dǎo)電材料也可以與陰離子及陽離子交換膜所共有的相同離子帶電基(ionically charged groups)衍生(derivatized)。
這些低RC時間常數(shù)、導(dǎo)電電荷阻擋層材料的示例為一種低表面積、低電容、與PTFE結(jié)合的碳黑。例如，可以使用電容小于20法拉/克或30法拉/平方厘米(如在濃硫酸中測量的那樣)的材料?？梢栽陔姌O和電荷阻擋層材料之間放置一種不導(dǎo)電、離子可滲透隔板，以促進反向電場的形成。在這種情況下，電荷阻擋層材料可以含有整合的導(dǎo)線，或者可以含有其自己的帶導(dǎo)線的離子可滲透集電器。這些導(dǎo)線可以與電極導(dǎo)線并聯(lián)通電，或可以通過單獨的電源驅(qū)動?？蛇x地，此單獨電源可以被設(shè)定為電壓高于連接至電極的電源。
在這種方法中，電荷阻擋層材料包含高于電極材料的電壓。分離電源的優(yōu)點之一是電荷阻擋層材料可以保持永久帶電，或者可以被充電至高于電極材料的電壓，從而提高反向電場。此反向電場為孔隙體積離子形成電荷阻擋層，從而增加流通電容器的離子效率。此外，可以為電極和電荷阻擋層使用相同的電源?？蛇x地，電阻可以添加至電極導(dǎo)線電路。
用于現(xiàn)有技術(shù)的流通電容器的任何電極可以被用作下面的電極材料。例如，小顆粒尺寸碳具有較低的串聯(lián)電阻。小于10微米例如1微米或更小的碳顆粒，可以與PTFE或其它粘合劑形成電極板，并被輪壓或擠壓為厚度小于0.02英寸的板狀電極，具有低串聯(lián)電阻，小于40 ohm cm2，其中為cm2是隔板面積。
電荷阻擋層材料最好可以與電極結(jié)合。在這種方法中，電極自身提供結(jié)構(gòu)和強度，因此可以使用薄、強度弱的電荷阻擋層。例如，一種電荷阻擋層離子交換材料的薄涂層可以被直接應(yīng)用于電極上。此外，電荷阻擋層材料可以被直接地滲進電極，特別是在電極為多孔或擁有孔隙的情況下，如第6,214,204號美國專利中所述。一種優(yōu)選實施方式是提供一種碳電極，其具有大于第一表面積孔隙的第二孔隙結(jié)構(gòu)?？梢岳藐庪x子或陽離子交換材料涂覆或滲入這些大的第二孔隙。由于電極提供強度，電荷阻擋層材料上的離子交換基可以被支撐在水凝膠上，例如聚丙烯酰胺或多糖材料。適當(dāng)?shù)碾x子交換膜組成和離子基可以包括，例如，全氟化(perfiuorinated)膜、NAFIONTM、羧酸鹽或磺酸鹽聚合物、全氟化磺酸(perfluorinated sufonicacid)，苯乙烯和二乙烯基苯、烯烴(ofefins)和聚烯烴的混合物，或者與多種離子基，包括鹵化磺酰(sulfonyl halide)、胺、二胺、胺化聚砜、羧基、硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、螯合劑、乙二胺四乙酸(EDTA)、氰化物、亞胺、聚乙烯亞胺、氨基化合物、聚砜、或者其它任何固定離子基衍生的任何聚合物，可以被用作電荷阻擋層材料。又見，Thomas A.Davis等人，A First Course In Ion PermeableMembranes(1997年，英國，Hants，電氣化學(xué)咨詢)。
本發(fā)明的具體優(yōu)選實施方式是將電荷阻擋層結(jié)合入電極結(jié)構(gòu)內(nèi)?？梢允褂萌魏尉哂型谆蛘叨嗫捉Y(jié)構(gòu)的電極材料。多孔結(jié)構(gòu)可以包括孔隙尺寸的組合，例如，大孔隙、微米級孔隙或更大，與中(meso)或小孔隙組合，以改進電極中的離子導(dǎo)電性和表面積的可達性。電荷阻擋層材料可以被滲入此微孔結(jié)構(gòu)，以形成組合電極-電荷阻擋層材料，其可以被用作以隔開的電極或具有任何流動隔板。
圖1是電荷阻擋層流通電容器的一般示意圖，含有電極2、電荷阻擋層3、隔板4和可選的集電器1。電極2由高電容材料制成，此材料最好具有超過每克1法拉或者每立方厘米1法拉的電容(在濃硫酸中測得)。電荷阻擋層3可以是任一極性和或者彼此相同極性或者相反極性的選擇性滲透膜。電荷阻擋層3也可以是雙極膜。電荷阻擋層3也可以由具有低于下面電極2的RC時間常數(shù)的電極材料制成，或者在制造過程中直接層壓并集成至電極2上，或者簡單地分離放置在一起。對最好的結(jié)果而言，此電極材料應(yīng)該具有至少相當(dāng)于電荷阻擋層3的RC時間常數(shù)兩倍高的RC時間常數(shù)。為了改進電荷阻擋層3的性能，下面電極的電容應(yīng)該被降低，或者下面電極2的電阻應(yīng)該相對于電荷阻擋層3的材料被增加。理想地，可以通過增加電容而不是通過增加電阻調(diào)節(jié)電極2的RC時間常數(shù)，以具有低串聯(lián)電阻、高能量效率的電容器。因此電荷阻擋層3可以具有低于下面電極2的RC時間常數(shù)，電荷阻擋層3的電阻或電容可以相對于電極2被降低。但是，改變?nèi)我粩?shù)值將足以改變RC時間常數(shù)。在這種層壓電極2的充電過程中，RC時間常數(shù)較低的材料向外面對流動通道隔板，外部的低RC時間常數(shù)電極2首先充電。這產(chǎn)生位于電極2內(nèi)的反向電場，其在陽極和陰極電極2之間的電場的相反方向。此反向電場保持陷落入電極2的孔隙體積離子。
為了保持電荷中性，抗衡離子遷入電極2，在其中它們形成含所陷落的同離子濃溶液，從而增加離子效率。隔板4可以由限定流動通道的任何材料制成，或者其可以僅僅是離子可滲透且電子絕緣的電極2的陽極和陰極對之間的空間，而流動通道5通過隔板4限定，在隔板4內(nèi)，或者在隔板4與電極2間的層中。此流動通道5可以由模壓入隔板4或電極2中的槽或肋形成。此外，隔板4可以為任何形狀的開口網(wǎng)、過濾器、微?；蚪z網(wǎng)印刷材料，該材料起到間隔電極2層并允許流動通道5的作用。隔板4可以為雙層材料，在層間具有流動通道5。要求流動隔板4較薄，例如厚度低于0.01英寸。此外，要求雙層電荷選擇性滲透膜或膜與流動隔板的組合較薄，例如，厚度低于0.02英寸，并且最好厚度低于0.01英寸。如果電荷阻擋層3為選擇性滲透膜，極性可以相同，或者負或者正，或者可以各為一極性，也就是說，一負和一正。為了限制串聯(lián)電阻，電極2也應(yīng)該較薄，例如厚度低于0.06英寸，例如厚度為0.02英寸或更小。層間的間隔也應(yīng)該較薄，例如低于0.06英寸，例如0.01英寸或更小。限制泄漏很重要，因為這排出負責(zé)保持電荷阻擋層的電荷。
漏電阻最好超過100ohm cm2，例如超過1000ohm cm2，并且串聯(lián)電阻最好低于50ohm cm2，通過當(dāng)應(yīng)用1volt至由0.1M NaCl平衡的單元時記錄瞬時電流而測得。上述ohm cm2中的cm2指電極2的端面面積，與隔板4面積相同。串聯(lián)電阻與漏電阻的比率應(yīng)該超過100，例如超過300。
可以根據(jù)不污結(jié)特性選擇電極2的材料。例如，易于被動吸附有機物和多種離子的活性碳?？梢赃x用的碳黑表現(xiàn)被動吸附污染物(foulant)的較小傾向，此污染物導(dǎo)致活性碳電極2所具有的問題。碳黑也可以與氟基衍生，以使得其被動吸附性較小。但是，為了處理聚芳香烴(polyaromatic hydrocarbon)、三鹵甲烷和其它有機物，可以在電極2中選擇被動吸附行為。一旦被被動吸附，此電極2材料可以被電化學(xué)破壞。為了促進被動吸附，最好提供通過集電器1和電極2的流動孔隙，以使非離子物質(zhì)可以通過所經(jīng)過的對流流動暴露至電極2。電荷阻擋層3材料也可以為選擇性滲透膜，例如陽離子、陰離子或離子特定膜材料。
本發(fā)明的流通電容器可以作為分離的電絕緣單元(cell)被串聯(lián)電連接。這些單元被搭建在相同的平面疊層中或者在螺旋層、流通電容器中。例如，包含多個電極對和其它層的單單元可以在電極2層端上擁有離子絕緣元件。此離子絕緣元件可以導(dǎo)電，以在此離子絕緣層的相反側(cè)上形成從一電容層至下一電容層的電串聯(lián)連接。多個單元可以同心螺旋被卷起，以形成在層間含有平行流動通道的電串聯(lián)連接流通電容器。此單元為任何布置的層，其包括帶有相同電壓的電極2平行對。通過串聯(lián)層疊單元，電壓沿疊層加和，并因而被增加，以利用價格較低、電壓較高、電流功率(amperage power)較低的優(yōu)點。例如，480至600volt的疊層對使用而言很理想，具有直接從傳輸線接收的功率，不需要變壓器來降低電壓。
圖2表示本發(fā)明的流通電容器，其包含電極2和電荷阻擋層3。在這種情況下，電荷阻擋層3或者含有RC時間常數(shù)低于電極2的材料，或者電荷阻擋層3為與相鄰電極2極性相同的選擇性滲透膜。當(dāng)應(yīng)用電壓時，陰離子和陽離子被分別從陽極和陰極中排出。圖2中離子運動通過水平箭頭和彎曲箭頭顯示。這些離子被排出并靠著電荷阻擋層3陷落，如果其由低RC時間常數(shù)材料制成，具有以電荷形式的同樣極性，或者如果其為選擇性滲透膜，具有與以束縛電荷形式的與相鄰電極2同樣的極性。來自流動通道5，例如中心流動通道的離子沿選擇性滲透膜遷移，以平衡這些被陷落離子的電荷。結(jié)果，在圍繞電極2的室中形成離子濃溶液。離子被從流動通道5耗盡，允許提純水退出流動通道5。在靜電吸附在其相應(yīng)電極2上的孔隙體積中已經(jīng)存在抗衡離子。但是，這占用吸附點，由所陷落離子和由電荷抗衡離子形成的濃溶液補償吸附能力的任何損失。
實質(zhì)上，電荷阻擋層3形成保持電極2內(nèi)部同離子的反向電場。為了平衡電荷，抗衡離子遷移入電極室，其中它們形成濃溶液，因此，允許改進離子效率的流通電容器，例如30-99％。
圖3代表其被放電之后的圖2的流通電容器。脫附離子與已經(jīng)濃縮在電極2中的離子一起被作為濃縮物(concentrate)放電。流動通道5可以由隔板元件(未顯示)形成。隔板4可以由直接模壓入電極2的流動圖案形成，或者由分離流動通道5形成隔板4(如圖1所示)，例如，沒有限制，開口網(wǎng)材料、絲網(wǎng)印刷突起或肋、或者無紡過濾器材料。
隔板4可以被結(jié)合入一個或更多流動通道5中。流動通道5可以作為兩種類型存在，即在電荷阻擋層3層間或者在電極2和電荷阻擋層3間，或者這兩種類型的流動通道5可以同時存在，每種類型與其它類型隔離。同時兩種類型的流動通道5允許同時提純和濃縮。
圖4表示具有與電極2相鄰的雙選擇性滲透膜的流通電容器，其中相鄰膜與電極2的極性相反。這可以僅通過反轉(zhuǎn)圖2中的電容器極性在電子學(xué)上完成，例如，如果在改變極性充電周期中操作電容器。在圖4的電容器中，在應(yīng)用電壓的過程中離子濃縮入膜間的空間。流動通道5可以被中心、或兩側(cè)、或兩側(cè)和中心同時設(shè)置。在應(yīng)用電壓的過程中濃縮物被從中心流動通道5釋放。如果側(cè)和中心流動通道5被密封墊或密封劑隔離，那么提純水可以被從側(cè)流動通道5回收，同時濃縮水被從中心流動通道5回收。
在圖5中，提純水被從中心流動通道5中收集。這種機制是由圖4的放電電容器事實引起的，其具有與電極2相鄰的相反充電的選擇性滲透膜，與圖2的充電電容器同樣，具有與電極2相鄰的類充電選擇性滲透電極2。當(dāng)圖4的電容器被放電時，可以做有趣的觀測，放電抗衡離子被陷落在電極2和膜間，其中它們從中心通道提取離子進入側(cè)通道，以保持電中性。如果也提供隔離的側(cè)流動通道5，可以同時回收濃縮液流。
通過設(shè)置如圖2和4中所示的分離的流動通道5，流通電容器同時提純和濃縮。本發(fā)明流通電容器也可以含有由相反或相同極性選擇性滲透膜構(gòu)成的中心流動通道5。在相反極性膜的情況下，流通電容器可以交替充電極性被循環(huán)。這種情況通過圖4所示的電荷極性表示，隨后是圖5所示的放電周期，隨后是圖2所示的極性(圖4的反向)，隨后是放電周期。這種情況產(chǎn)生連續(xù)的兩個提純周期，隨后是連續(xù)的兩個濃縮周期。因此，本發(fā)明的流通電容器可以人工地延伸單元提純花費的時間長度。根據(jù)膜的取向，提純或濃縮可以當(dāng)電壓上升或電壓下降時發(fā)生。這顯著區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的流通電容器，當(dāng)應(yīng)用任一極性的電壓時表現(xiàn)提純作用，與改變電壓，例如從負至零相反。
圖6表示本發(fā)明的疊層電容器。沿中心流動孔隙8布置材料層。材料層可以為由電極2、電荷阻擋層3材料(或者較低RC時間常數(shù)的電極2材料或者相同或相反極性的選擇性滲透膜)構(gòu)成的盤、正方形、或者多邊形。可選地，隔板4形成中心流動通道8。隔板4可以由例如任何開口網(wǎng)、無紡布、松散應(yīng)用的微粒材料、絲網(wǎng)印刷突起、或肋制備。
圖7表示修改以使允許多個流動通道5的本發(fā)明的層電容器。電荷阻擋層3被使用選擇性滲透膜制備。選擇性滲透膜3被密封至電極2以形成兩交替流動通道。一流動通道24在選擇性滲透膜對與外流孔隙26間流動。另一流動通道25在電極2和電荷阻擋層3間流動，并隨后通過分離的流動孔隙27流出。此電容器具有由密封9形成的兩個分離的出口，但不需要分別地密封入口?？蛇x地，可以分別密封入口以允許反洗。密封9可以通過使用將層密封在一起的例如墊圈、密封墊、膠、或樹脂材料完成。可選地，電極2可以具有擴大的中心孔隙10，以使僅需要在兩電荷阻擋層3間，而不是在電荷阻擋層3與電極2間進行密封。電荷阻擋層3與電極2的疊層可以在特定單元內(nèi)被重復(fù)任何次數(shù)。典型地，在電極2為端電極的情況下，其可以為單面；反之，在電極2為內(nèi)部的情況下，可以為雙面，例如在相同單元的集電器1的兩側(cè)上。
圖8A、8B、8C和8D代表由電極2的平行矩形層、隔板4組成的本發(fā)明的流通電容器，隔板包括例如位于電極2和密封9間允許電子絕緣流動通道5的流動隔板，例如形成兩組分離、集管式的(manifolded)流動通道5的密封墊片。電荷阻擋層3，或者與密封9一起可以起到密封墊的作用。流動槽10可以被插入電荷阻擋層3的一端。這在兩層電荷阻擋層3間形成集管流動通道23。顯示在入口的隔板4可以被放置在電荷阻擋層3之間，以形成流動通道5。密封板11為保持由電荷阻擋層3的多層形成的整個流通電容器盒的盒座(cartridge holder)的一部分。與上述流動通道5橫向的第二組流動通道5被形成在電極2和電荷阻擋層3間。這些流動通道5可以由位于此空間內(nèi)的另一組隔板(未顯示)形成，或者可以由直接模壓入電極2或者電荷阻擋層3中紋理圖案形成。流動通道5可以由網(wǎng)、具棱的微粒、微突起、或菱形圖案形成，例如，突起或壓花圖案以形成流動通道5。任何層可以包含流動通道5或者可以為紋理化，或者具有開口、孔隙、或者隔板以形成流動通道5。流動圖案可以，舉例說來，由模壓入0.01英寸厚的電極2中的0.005英寸的菱形圖案中0.001英寸深的槽構(gòu)成。這些橫向流動通道5被同樣匯集在一起進入公共入口和出口。在這種方式中，同時濃縮和提純后的液流可以被裝進流通電容器中或從其中收集。
圖9表示由電容器中所獲得數(shù)據(jù)的曲線圖，此電容器被以如圖2所示的充電次序充電，如圖3所示放電，設(shè)定電極2的極性以使如圖4所示充電，并隨后如圖5所示放電。在這種情況下注意如何提純當(dāng)電壓上升時發(fā)生，和濃縮當(dāng)電壓下降時發(fā)生。
圖10表示在本發(fā)明的流通電容器中電荷阻擋層3的層的布置，其中電荷阻擋層3為具有低于電極2的RC時間常數(shù)的導(dǎo)電材料。電荷阻擋層3與電極2的RC時間常數(shù)比率應(yīng)該大于因子2，并最好大于4，比如舉例說來10。
電極2通過導(dǎo)線12被連接至DC電源13。導(dǎo)線12可以與電極2集成，或者可以被固定至分離的集電器層(未顯示)，在這種情況下電極2可以在集電器的兩側(cè)上。隔板4，例如離子導(dǎo)電、電絕緣隔板或流動隔板，將電極2從導(dǎo)電、低RC時間常數(shù)的電荷阻擋層3上分離。分離的電源14通過其導(dǎo)線12連接至電荷阻擋層3，以將電荷阻擋層3充電至比下面的電極2更高、可變、或恒定的電壓?！跋旅妗敝戈栯x子6和陰離子7的遷移方向。陰離子7被保持在包含左負電極2和隔板4的室中。這導(dǎo)致陽離子6通過電荷阻擋層3遷移，其中其與陰離子7一起形成濃溶液。在流通電容器的另一側(cè)發(fā)生相反的情況。
圖11表示一組流通電容器15和分離的提純與濃縮液流。流通電容器15與導(dǎo)線12串聯(lián)流體(fluidly)電連接。DC電源13提供電壓和選擇的恒定或可變電流至電容器15組?？刂破?、邏輯、和開關(guān)儀器20提供交替極性充電周期和放電周期。傳導(dǎo)控制器22監(jiān)測提純液18的出口液濃度，以提供數(shù)據(jù)，利用此數(shù)據(jù)操作邏輯儀器20和閥部件16，其開關(guān)液流以分離廢液17和提純液18?？蛇x地，支持(hold-up)箱21在提純液18可變或間歇的情況下調(diào)節(jié)流量。可選地，部件19可以被放置在電容器15的上游，以預(yù)處理水。部件19可以是已知處理水的任何技術(shù)，例如反滲透、微或超濾、碳濾、絮凝、電解沉積、或添加化學(xué)物等的部件。例如，最好添加將水預(yù)消毒(presterilize)的化學(xué)物，通過另外的混合物添加，此化學(xué)物可以被進一步減少或氧化為鹽形式，然后被以其鹽形式從流通電容器15中去除。預(yù)處理部件19也可以被用于后處理，通過將其放置在出口提純液18中流通電容器的下游。
本發(fā)明的流通電容器可以用于離子交換、電滲析、或反滲透、或流通電容器所共有的任何系統(tǒng)構(gòu)造，包括排放和進料、批量或連續(xù)方法。
實施例實施例1使用由95％的碳黑和5％的聚合物PTFE或類似聚合物構(gòu)成的電極制備圖10的流通電容器。電荷阻擋層由選擇性滲透膜構(gòu)成。在圖10的電容器中，陽離子交換膜，例如含有固定芐磺酸基的RaiporeTM1010膜，被放置在接觸和靠近負電極的位置。陰離子交換膜，在這種情況下，含有固定苯四甲基銨基的RaiporeTM1030膜，被放置在接觸和靠近正電極的位置。厚度為0.003英寸的過濾網(wǎng)被放置在兩相反充電的選擇性滲透膜之間，以形成流動通道。電容器被以恒定電流充電，達到1volt的電壓極限。在膜間流動的海水被提純至12％。為了達到99％的純度，使用串聯(lián)的多個電容器，或者使用系列流動階段以將鹽度降低至6000ppm。附加的流通電容器，例如，反滲透系列階段可以被用于進一步將剩余的鹽度降低至250ppm。
實施例2以小于1毫升/分鐘/克碳的流動速度，例如0.1毫升/分鐘/克碳，使用實施例1的流通電容器，以獲得35,000ppm鹽溶液的大于90％的純度。
實施例3實施例1的流通電容器被通過電感器連接，以在放電過程中回收能量。此能量被用于在其提純周期過程中充電第二電容器。兩電容器的最大充電電壓被保持低于0.7volt，以最小化能量消耗。電容器可以被以恒定電壓、恒定電流，或者以恒定增加電壓、或恒定增加電流充電?？蛇x地，電容器可以被串聯(lián)充電，以增加最大能量回收和電源效率的電壓。
實施例4通過使用活性碳黑作為電極制造圖11的流通電容器。一種低RC時間常數(shù)材料，例如碳纖維、納米管網(wǎng)、或低電容活性碳布氣凝膠，被用作電荷阻擋層材料。含5000ppm礦物質(zhì)和鹽的水以小于20毫升/分鐘/克碳的流動速度通過此設(shè)備，流動速度被向下調(diào)節(jié)以獲得95％的純度。流動速度可以被進一步下降到充電周期，以保持所需水平的純度更長的時限。一旦純度水平下降至低于80％，電容器通過能量回收電路被放電。此能量被添加至來自DC電源的能量并被用于充電另一電容器，此電容器當(dāng)?shù)谝浑娙萜髡尫烹s質(zhì)濃縮液時提純。
實施例5實施例4的流通電容器可以通過燃料電池驅(qū)動。
實施例6利用低表面積碳黑制作流通電容器，在300和900 BrunauerEmmett Teller方法(BET)的范圍內(nèi)，根據(jù)不易于被動吸附雜質(zhì)從而污染流動通道選擇。電荷阻擋層材料為NEOSEPTA。流動布置為如圖7和8A、8B、8C和8D所示的雙流動通道設(shè)備。通過分離兩電荷阻擋層材料在其之間形成一流動通道。一對側(cè)流動通道位于中心流動通道的兩側(cè)上。這些側(cè)流動通道也通過在電極和電荷阻擋層材料之間放置隔板被形成。選擇性允許陰離子通過其遷移的膜(陰離子選擇性滲透，因為其含有束縛(bound)正電離子基)，被最初放置在負電極的一側(cè)上，在其中間有流動隔板。選擇性允許陽離子通過其遷移的膜(陽離子選擇性滲透，因為其含有束縛負充電離子基)。在此充電周期中，提純水被從中心流動通道的出口回收。同時，濃縮水被從面對側(cè)流動通道的電極中回收。
相同的流通電容器可以隨后被放電。濃溶液被從中心流動通道中回收。電容器可以這種極性次序反復(fù)地運行。此外，極性可以被反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)極性放置選擇性滲透膜在靠近反向充電電極的位置。這意味著在充電周期中濃縮液被從中心流動通道中回收。同時，提純液可以被從側(cè)流動通道中回收。隨后，流通電容器可以被放電。在放電周期中，提純液被從中心流動液中回收，而濃縮液被從側(cè)流動通道中回收。
實施例7利用一種微小顆粒尺寸的活性碳粉電極與5％PTFE粘合劑結(jié)合在一起制造流通電容器。電荷阻擋層材料為一種厚度0.001英寸的導(dǎo)電聚合物涂層。十個電荷阻擋層被以7-volt電容器串聯(lián)組連接。以0.7焦耳每庫侖的能量消耗將35,000ppm的海水處理至500ppm。在電容器放電過程中利用電感線圈回收70％的能量，以再充電第二組串聯(lián)電容器。
實施例8在使用表面積為500平方米每克的邊刨(edge plane)石墨作為電極的流通電容器中，陰離子和陽離子交換膜被用作電荷阻擋層。一對附加雙極膜被放置在陽離子或陰離子交換膜與電極之間。流動隔板被放置在所有上述層之間，或者僅在陽離子和陰離子交換膜之間。所得到的單元可以被用于任何雙極膜電滲析的應(yīng)用中，但是在電極處沒有氧化還原反應(yīng)，例如，從發(fā)酵培養(yǎng)基中回收有機酸、蛋白質(zhì)、或生物分子。另一應(yīng)用是從煙道氣中回收SO2或NO3。
實施例9使用一種有高電容電極材料構(gòu)成的電極制造流通電容器，例如高表面積碳布、或邊刨石墨、或與有原纖維的PTFE結(jié)合在一起的碳黑顆粒。分別選擇用于遷移陽離子和陰離子的膜被放置在接觸電極的位置。由任何分離部件，包括厚度在0.01英寸以下的雙面過濾網(wǎng)、絲網(wǎng)印刷突起或肋、或者具有菱形圖案的預(yù)制流動通道結(jié)構(gòu)的膜，形成中心流動通道。初始充電次序為恒定電流，根據(jù)低I2R能量損耗選擇，其中“I”為安培而“R”為電串聯(lián)電阻。選擇0.6volt的上充電電壓以最小化提純給定量離子所需的能量數(shù)量。如下述執(zhí)行充電周期在第一充電周期中，電極與膜內(nèi)部的固定電荷的極性相同。從電極的孔隙體積排出的同離子被膜陷落。這導(dǎo)致中心流動通道中的一定量的抗衡離子通過膜遷移，其中它們在電極層中形成濃溶液。這抵消通常由溶解孔隙體積鹽的吸附和排出引起的損失。因此，離子效率，如通過用提純離子電荷的庫侖除以所使用的電子電荷的庫侖所測量的那樣，大于30％。在這種情況下，對35,000ppm的鹽而言，離子效率為85％，并且能量損耗為0.35焦耳每庫侖電荷。
下一周期為放電周期，其中濃縮廢液被釋放進入供入中心流動通道的原料流中，并從出口回收。放電之后的下一周期為反轉(zhuǎn)極性充電。這里，膜上的束縛電荷與電極上的電子電荷相反。離子被從電極驅(qū)動至相鄰膜，但是不能通過第二膜遷移。因此，濃溶液在中心流動通道中形成并被通過出口釋放。一旦從這一極性放電，離子從中心流動通道遷移返回電極室中，從而提純原料流。隨后的周期返回至開始。這些周期可以被重復(fù)所需的次數(shù)。上述的數(shù)據(jù)的示例顯示在圖9中。圖9表示實施例7中的充電周期的基本有效性(underlyingusefulness)。注意兩提純周期連續(xù)發(fā)生。同樣地，兩濃縮周期連續(xù)發(fā)生。這種提純或濃縮的對接人工地延伸電容器執(zhí)行特定提純或濃縮周期的時間長度。
實施例10圖11的流通電容器被用于制造超純水，例如18 megaohmscm?？梢岳靡粋€或更多微濾(microfilitration)單元、軟水劑，并隨后通過反滲透單元預(yù)處理水?？梢岳美缛ルx子樹脂的拋光床(polishing bed)后處理水。流通電容器從去離子床中去除一些或所有溶解固體，從而延長去離子床的壽命。
實施例11圖11的流通電容器可以被用于預(yù)處理已經(jīng)通過反滲透預(yù)先處理的海水。通過反滲透海水的鹽度最初被從35,000ppm降低至10,000ppm。隨后，使用流通電容器處理進一步將鹽度降低至250ppm。反滲透和流通電容器的結(jié)合使用對海水脫鹽需要15KW小時每千加侖，這相比單使用反滲透節(jié)省30％的能量。
實施例12本發(fā)明的流通電容器可以被用于提純海水至500ppm。
實施例13單個流通電容器單元利用下面的層次序制造集電器層，例如使用0.005英寸厚的石墨箔；任何電容材料的電極層，例如，含板材的碳微粒；一對電荷阻擋層，由碳布或支撐0.005英寸厚聚丙烯中心流動網(wǎng)隔板的陰離子和陽離子交換膜構(gòu)成；需要形成一對第二電極層；和第二集電器層。集流器為離子絕緣但電子導(dǎo)電。因此，如果n個上述次序的層被層疊為平板，或以同心螺旋軋制，它們將形成串聯(lián)連接、流通電容器，具有從集電器向外面向的單面電容電極。集流器在單元間形成離子不傳導(dǎo)邊界并建立電串聯(lián)連接。如果電極導(dǎo)電性足夠而不需要集電器，那么只要串聯(lián)導(dǎo)線被連接在單元間就可以使用塑料薄板。電極不需要為單面，特定單元內(nèi)可以存在任何數(shù)目的并聯(lián)電連接的雙面電極。通過匹配每個單元的構(gòu)造，可以相同電容制造每個單元。螺旋單元中的流動可以沿層。
實施例14直徑在0.2至5微米范圍內(nèi)的活性碳顆粒、導(dǎo)電陶瓷、氣凝膠、碳黑、碳纖維、或BET在300和2000間的納米管，被與5％PTFE粘合劑、作為電荷阻擋層的離子交換樹脂、和作為增塑劑的羧甲基纖維素混合在一起，并壓延成0.01厚板。分別以陰離子、陽離子、和雙極型式制造這些部件?？梢允褂萌魏我阎糜陔x子交換或電滲析膜中的離子交換樹脂。離子交換基包括任何強或弱酸或堿，例如，磺酸或胺基。離子基支撐材料包括任何用于離子交換或膜中的材料，包括氟化聚合物、二乙烯基苯、或苯乙烯聚合物，或任何其它種聚合物、沸石、或陶瓷材料。此外，碳可以直接與這些離子基衍生。如此形成的電極被用于電荷阻擋層流通電容器中，不需要附加電荷阻擋層或膜。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言構(gòu)造形狀將是已知的，包括但不限于第5,192,432、5,415,768、5,538,611、5,547,581、5,620,597、5,748,437、5,779,891和6,127,474號美國專利中說明的那些，這里通過引用包括每個專利的全部內(nèi)容。電極可以被隔離或者擁有流動隔板和可選的集電器，以形成電荷阻擋層流通電容器。本實施例的優(yōu)點是電荷阻擋層材料被均勻分布在整個電極層中，從而消除額外的電荷阻擋層、由這些額外部件引起的成本，并允許電極間隔靠近，例如小于0.02英寸，這削減電阻并增加提純的流動速度。以可以使用單片或燒結(jié)碳電極，例如，結(jié)合入此結(jié)構(gòu)的含有蜂窩孔隙的電極，可以使用離子交換樹脂填充這些孔隙，以達到組合電荷阻擋層電極材料的效果。
權(quán)利要求
1.-種流通電容器，其包括a)多個電極；和b)位于所述多個電極的兩個電極之間的第一電荷阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中電荷阻擋層的特征為低電阻電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中至少一個電極為陽極和至少一個電極為陰極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中電荷阻擋層包含第一半滲透性膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的流通電容器，其中所述電荷阻擋層還包含第二半滲透性膜，所述第一膜為陽離子交換膜而所述第二膜為陰離子交換膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的流通電容器，其中陰離子交換膜鄰近陽極，而陽離子交換膜鄰近陰極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的流通電容器，其中通過反轉(zhuǎn)電極上的電壓極性，陰離子和陽離子交換膜相對于電極的位置被反轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的流通電容器，其中在由放電周期分隔的相反極性的充電周期中操作電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，還包含流動通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的流通電容器，其中通過隔板形成流動通道。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的流通電容器，還包含位于一個電極和電荷阻擋層之間的流動通道。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的流通電容器，還包含第二電荷阻擋層并且還包含位于第一和第二電荷阻擋層之間的流動通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的流通電容器，其中電荷阻擋層為含有低電阻-電容(RC)時間常數(shù)材料的導(dǎo)電膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的流通電容器，其中電荷阻擋層的電容小于20法拉/克。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中電荷阻擋層被電連接至第一電源，并且多個電極的至少一個電極被電連接至第二電源。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中電荷阻擋層具有一個電壓而電極具有一個電壓，電荷阻擋層電壓大于電極電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求5的流通電容器，其中電荷阻擋層膜為相等充電的半滲透性膜，從由陽離子交換膜和陰離子交換膜構(gòu)成的組中選擇。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中此電容器包含小于50ohm cm2的串聯(lián)電阻。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中此電容器含有泄漏量大于100的串聯(lián)電阻。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的流通電容器，其中此電容器的單元中的電極被離子絕緣并串聯(lián)電連接。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的流通電容器，還包含鄰近每個電極的流動通道。
全文摘要
流通電容器(15)提供有一個或更多電荷阻擋層(3)。當(dāng)離子在充電周期中被排出進入提純通道時，陷落在流通電容器(15)的孔隙體積中的離子導(dǎo)致效率低。電荷阻擋層(3)將這些孔隙體積離子保持在所需流體的一側(cè)，從而增加流通電容器(15)利用其提純或濃縮離子的效率。
文檔編號B01D61/58GK1505700SQ01823156
公開日2004年6月16日 申請日期2001年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月18日
發(fā)明者馬克·D·安德爾曼, 馬克 D 安德爾曼 申請人:馬克·D·安德爾曼, 馬克 D 安德爾曼