專利名稱：從作為去離子系統(tǒng)部件的多孔電極上除去離子的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及電化學(xué)分離系統(tǒng)，包括用于除去離子、并維持、氧化和還原來自流體(例如水和其它水性處理流)的污染物和雜質(zhì)的電極。本發(fā)明還涉及使用該電極的流體處理系統(tǒng)(例如去離子系統(tǒng))。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有許多不同的用于從流體流(例如污水等)中分離離子和雜質(zhì)的系統(tǒng)。例如，慣用方法包括但不限于蒸餾、離子交換、反滲透、電滲析、電沉積和過濾。近幾年來，許多裝置已被推薦用于污水等的去離子和隨后的再生。 美國專利No.6，309，532公開了一種用于去離子和凈化污水的裝置。該分離裝置采用一種可以被稱作電容性去離子(CDI)的工藝。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)在去離子過程中不需要化學(xué)試劑，該系統(tǒng)使用電能。在去離子(凈化)循環(huán)過程中，包含各種陰離子和陽離子、電偶極子和/或帶電的懸浮微粒的待處理電解質(zhì)流通過電化學(xué)電容性去離子單元的堆疊組件。單元中的電極吸引具有相反電荷的微粒或離子，從而將其從溶液中除去。
這樣，該系統(tǒng)對進水和污水進行去離子化和凈化。例如， 一種類型的系統(tǒng)包括具有多個去離子單元的池，該池由兩種不同類型的非犧牲(non-sacrificial)電極形成。 一種類型的電極由特別設(shè)計的惰性碳基質(zhì)(ICM)形成。當施加電流時該電極從水溶液中除去和保留離子。另一種類型的由導(dǎo)電材料形成的電極在施加電流時不除去離子或除去較少量的離子，因此被劃分為非吸收性的("非ICM電極")。這種性質(zhì)是由碳布、石墨、鈦、鉬及其它導(dǎo)電材料形成的電極所共有的。非ICM碳電極形成雙電極，因為其具有一對相互電絕緣的導(dǎo)電表面。 因此，在一個實施方案中，該裝置包括許多各自為平板形式的導(dǎo)電的非犧牲電極，以相反電荷對共同形成去離子單元。在工作期間，在一對相鄰電極間產(chǎn)生電壓勢。這是通過將電源的一根引線連接到一個電極和另一根引線連接到與該電極相鄰的另一電極以在其間產(chǎn)生電壓勢而完成的。 為了構(gòu)造穩(wěn)定堅固的ICM電極，可以用強化劑來加強高表面積吸收材料。典型的，強化劑為碳源的形式，例如碳氈、粒狀碳或碳纖維；但是，其還可以為碳/纖維素或碳硅混合物的形式。碳源被用于電極形成中進行強化，且盡管它可以以不同的形式存在，重要的是碳強化物是導(dǎo)電性的且不會降低電極的電導(dǎo)率。所選的碳源容許電極具有必要的電導(dǎo)性，且必須完全地分散在形成ICM電極的其它材料(即間苯二酚-甲醛液體)中，其隨后固化，或可以在基質(zhì)中吸收相似量的液體并隨后固化。 包含纖維強化物的現(xiàn)有技術(shù)電極的非均一性影響了它的吸收性和電性質(zhì)。更具體 地說，使用碳纖維作為碳強化物提供了較少的離子附著位點，且在除去正離子和負離子時 電極也趨向于較少的平衡。因此，希望制造出堅固且具有更高的強化特性而不使用傳統(tǒng)的 纖維強化物的均質(zhì)電極。 此外，本申請人還在共同待決的美國專利申請60/827， 545 (其全部在此引入作為 參考)中公開了用于對進水和排水(例如工業(yè)用水和廢水污水)進行去離子化和凈化的系 統(tǒng)或裝置，更特別地公開了不需要基于碳纖維的強化的非犧牲電極。相反，該電極是由粒狀 導(dǎo)電碳材料電極形成的，因而該電極具有多孔構(gòu)造。粒狀導(dǎo)電碳材料被設(shè)置在與待處理的 流體相接觸的層中。如60/827， 545號申請所述，流體處理過程包括在再生電極在再生過程 或循環(huán)中再生之前進行多個正向去離子操作或循環(huán)。想要或需要進行再生過程的時間取決 于許多不同的參數(shù)，包括正被處理的流體類型、正向處理循環(huán)的長度等。在去離子系統(tǒng)中， 粒狀導(dǎo)電碳材料的一層或一組作為陽極，粒狀導(dǎo)電碳材料的另一層或另一組作為陰極。但 是，隨著時間過去和由于陽極和陰極的多孔構(gòu)造，在陽極和陰極的粒狀導(dǎo)電碳材料中會聚 集相應(yīng)的離子。本申請人已發(fā)現(xiàn)，這種間隙流體形式的離子聚集會損害去離子過程的效率 和系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面提供了去離子裝置中使用的電極。該電極包括粒狀形式并設(shè)置在
層中的導(dǎo)電材料?；拙o靠電極的第一面，流體可滲入部件緊靠電極的第二面并構(gòu)造成允 許待處理的流體通過該流體可滲入部件而與粒狀導(dǎo)電材料接觸。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，粒狀導(dǎo)電材料包含被加工成多顆粒的碳化形式的聚合單
體、交聯(lián)劑和催化劑及任選的其反應(yīng)產(chǎn)物。任選地，聚合單體包括選自二羥基苯、三羥基苯、 二羥基萘和三羥基萘、糠醇及其混合物的至少一種材料。 本發(fā)明的再另一方面提供了再生去離子裝置中使用的上面描述類型的帶相反電 荷電極的方法。形成包括帶負電的粒狀導(dǎo)電材料和流體的第一漿料，并置于第一容器中。處 理第一漿料以從帶負電的粒狀導(dǎo)電材料中除去陽離子。除去陽離子后排出第一漿料。形成 包括帶正電的粒狀導(dǎo)電材料和流體的第二漿料，并置于第一容器中。然后經(jīng)第一漿料排出 第二漿料以形成組合的漿料。向組合的漿料中加入水，加熱并混合以形成混合的漿料，然后 排出所有的流體。向混合的漿料中加入處理的水，對其進行加熱并排出所有的水，此時將其 轉(zhuǎn)移到壓力容器中以待返回電極。 任選地，可向第一漿料中加入酸以形成pH處于預(yù)定范圍內(nèi)的溶液。在酸反應(yīng)之后 和向第一漿料加入第二漿料之前，排出該第一溶液。 本發(fā)明的另一方面提供了用于流體去離子化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括處理池和多個根 據(jù)本發(fā)明制造的電極。該電極優(yōu)選被設(shè)置在處理池的內(nèi)部，以使得至少一些電極被排列成 相鄰電極的基底彼此面對，而至少一些電極被排列成第一部件彼此面對但間隔開以接收待 去離子的流體。 根據(jù)下面結(jié)合附圖的詳細說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將會更加清楚。


本發(fā)明的前述和其它特征將會通過下面的具體描述和本發(fā)明示例性實施方式的 附圖更加容易明白，其中 圖1為包括流體處理回路和再生回路的流體處理系統(tǒng)(例如去離子系統(tǒng))的示意 圖； 圖2為其內(nèi)設(shè)置有多個電極的流體處理池的截面圖；
圖3為流體處理池中使用的一個電極的側(cè)面透視圖；
圖4為具有電極間限定的流體通道的一對電極的側(cè)視圖； 圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的具有酸/堿(caustic)提取系統(tǒng)的電 極單元的截面圖； 圖6為顯示在包括本發(fā)明的離子除去系統(tǒng)之前流體處理系統(tǒng)的性能的曲線圖；
圖7為顯示包括本發(fā)明的離子除去系統(tǒng)的流體處理系統(tǒng)150次運行的性能的曲線 圖；和 圖8為顯示包括本發(fā)明的離子除去系統(tǒng)的流體處理系統(tǒng)150次運行的性能的曲線 圖。
具體實施例方式
可以理解，盡管公開的由導(dǎo)電多孔碳材料(例如粒狀碳材料)形成的多孔電極可 作為水去離子系統(tǒng)的組件使用，本發(fā)明并不限于這一特定類型的應(yīng)用，并可用于處理水流 之外的流體。例如，包括去離子步驟的化學(xué)處理(包括蒸餾工藝)也是適于本發(fā)明的系統(tǒng) 和方法的應(yīng)用。此外，本發(fā)明的離子除去(酸/堿提取)系統(tǒng)同樣也具有水處理之外的其 它應(yīng)用，且更特別地如下面詳細描述的那樣，離子除去系統(tǒng)可用于使用多孔電極的任何液 體去離子處理工藝中。 根據(jù)本發(fā)明，所示的示例性電化學(xué)分離系統(tǒng)100包括使用由導(dǎo)電碳材料形成的電 極200，特別地，這樣形成的電極具有多孔結(jié)構(gòu)并在形成電極自身的多孔材料(顆粒)間包 含間隙空間(區(qū))。 例如，電化學(xué)分離系統(tǒng)100中使用的一個或多個電極200可由任何導(dǎo)電碳材料形 成，只要由于導(dǎo)電碳材料的材料特性而使得電極包含間隙空間即可。合適的導(dǎo)電碳材料包 括但不限于活性炭、石墨化合物、碳納米管材料或本申請人的60/827， 545號申請中公開的 粒狀導(dǎo)電碳材料。 根據(jù)一個實施方式，電化學(xué)分離系統(tǒng)100包括多個用于從水、流體和其它水性或 極性液體處理流中除去帶電微粒、離子、污染物和雜質(zhì)的非犧牲電極200及其合適的應(yīng)用。 電極200特別適合用于包括多個平行排列的直立電極200的去離子系統(tǒng)100中。系統(tǒng)100 可以包括單一類型的電極，或者系統(tǒng)100可由以交替形式排列在系統(tǒng)內(nèi)的多于一種類型的 電極200形成。例如，根據(jù)一個去離子方案，使用和排列單一類型的電極以使得相鄰電極帶 有相反電荷以吸引具有相反電荷的微粒?？梢郧宄兔靼椎氖?，示例性的系統(tǒng)僅僅說明了 本發(fā)明電極的一個用途，該電極還包括許多其它的用途，包括其它的去離子應(yīng)用和其它類 型的應(yīng)用。 電極200可用在從中流過(flow-through)、從旁流過(flow by)或批系統(tǒng)的配置中，這樣流體可利用帶電表面區(qū)域來吸引帶相反電荷的離子、微粒等等。在電極200的周圍 布置構(gòu)架以對該電極的周圍提供結(jié)構(gòu)支撐也是可能的。 系統(tǒng)可以多種不同的方式構(gòu)造，且電極可以多種不同的方式在裝置內(nèi)部排列。例 如，美國專利No. 5， 925， 230、5， 977， 015、6， 045， 685、6， 090， 259和6， 096， 179公開了其中所 包含電極的合適的排列，其全部在此引入作為參考。如上所述，在一個實施方案中，該系統(tǒng) 包括多個導(dǎo)電的非犧牲電極，它們各以排列部件的結(jié)構(gòu)共同形成去離子單元的形式存在。 在工作期間，在相鄰的一組電極間產(chǎn)生電壓勢。這是通過將電源的一根引線連接到一個電 極和另一根引線連接到與該一個電極相鄰的電極而在其間產(chǎn)生電壓勢實現(xiàn)的。這可以使得 相鄰的電極帶相反電荷。然而，可以理解的是，上述電極的實施方案僅為舉例性質(zhì)，而并不 限制本發(fā)明，因為本發(fā)明還可具有除了由彼此相對排列的部件或材料所形成的電極之外的 許多設(shè)計。 當電極200是由粒狀導(dǎo)電碳材料構(gòu)成時，它可以且優(yōu)選按照本申請人的 60/827， 545號申請中描述的步驟形成的。換言之，首先制成聚合的預(yù)鍛(pre-form)，然后 再進行碳化和加工以形成在最終的電極中使用的導(dǎo)電碳材料。形成的這種類型的電極200 不需要使用一般為碳源的形式(例如碳氈、紙或纖維或碳/纖維素混合物)的纖維強化劑。
此處所使用的術(shù)語"粒狀導(dǎo)電碳材料"和"粒狀導(dǎo)電材料"是指可被碾磨的碳化坯 材料的顆粒物質(zhì)，或其可以是另一種基于碳的顆粒導(dǎo)電材料。優(yōu)選的粒狀導(dǎo)電碳材料是既 不會在電場中犧牲也不會在水中溶解的物質(zhì)，并具有帶電時能從溶液中除去離子的能力。
盡管在一個實施方式中，粒狀導(dǎo)電碳材料是通過首先產(chǎn)生碳化的吸收材料再進行 加工以使其破碎成較小顆粒形成的，可以明白的是在另一個實施方式中，具有除去水中離 子所需的特定性能的粒狀導(dǎo)電碳材料可以商業(yè)購買得到而使用。因此，某些活性碳和甚至 玻璃碳結(jié)構(gòu)可以在某些應(yīng)用中產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。還可以明白的是，形成可被碳化和破 碎成粉末或粒狀形式的導(dǎo)電炭(例如椰子殼或基于煤的活性炭)的其它材料也可以在一些 應(yīng)用中作為粒狀導(dǎo)電材料使用。 但是，可以清楚地知道，使用粒狀導(dǎo)電碳材料來形成電極200僅僅是形成具有間 隙空間的電極的一種技術(shù)，且許多其它材料(例如上面列舉的那些)和加工技術(shù)可用于形 成具有多孔結(jié)構(gòu)的電極200。 電極200是導(dǎo)電性的、均質(zhì)的、多孔的碳結(jié)構(gòu)，其用作在施加電流時從液體中去除 離子的去離子系統(tǒng)中吸收性電極結(jié)構(gòu)的部件。 如上所述，本申請人的60/827， 545號申請中已經(jīng)公開了用于制造由粒狀導(dǎo)電碳 材料形成的電極200的步驟和操作條件。 —個示例性的電極200是由相互聯(lián)系的三個部件或材料或?qū)有纬傻模椿?10、 由多孔導(dǎo)電碳材料(例如上述的粒狀導(dǎo)電材料)形成的部件220和屏障部件230，其中導(dǎo)電 碳材料220置于基底210和屏障部件230之間。電極200可采取許多不同的形狀和尺寸， 且根據(jù)一個實施方式，電極200是正方形或矩形的。但是，這些形狀本身僅僅為示例性和說 明性的，還可以使用許多其它的規(guī)則和不規(guī)則的形狀。電極200的形狀和尺寸分別與流體 (例如廢水)引入其中以對其進行處理(例如去離子)的流體處理池的形狀和尺寸互補。
可以明白的是，盡管部件210、220和230的厚度可以相同，但是這些部件的厚度通 常是不同的。
根據(jù)一個實施方式，電極200 —般以豎直的方式設(shè)置在流體處理池的內(nèi)部以使得
電極200的底緣201緊貼池底安置。部件210和230可被固定安置在池的內(nèi)部，這樣以豎直
的方式安裝這兩個部件使得它們之間形成預(yù)定的距離，從而提供接受多孔導(dǎo)電碳材料的間
隙。在該實施方式中，電極200的側(cè)面面對并與流體處理池的相應(yīng)側(cè)面相對。電極200可
以多種不同的方式排列以限定多種不同的流體流動通路，該流體引入到處理池中通過電極
200進行處理。在一個顯示的實施方式中，多個電極200沿著流體處理池的長度并行地排
列，相鄰的一組電極的屏障部件230彼此面對，而一些電極200的基底210面對另一些電極
200的基底210。換而言之，電極200是背對背成對排列的，其中一對的基底210面對另一對
的基底210，以在其間形成容納如下所述用于擠壓電極200的裝置260的第一間隙240 (垂
直間隙或垂直通道)。該對的屏障部件230面對與兩個不同電極200對相關(guān)的屏障層230，
從而在兩個電極200的相對屏障部件230之間形成如下所述容許所處理和引入到流體處理
池中的流體流過的第二間隙250 (垂直間隙或垂直通道)。第一間隙240的寬度不同于第二
間隙250的寬度；但是，這些尺度之間的精確關(guān)系可以在不同的應(yīng)用之間變化。 基底210作為層狀電極結(jié)構(gòu)200的骨架，并可由許多不同的非犧牲導(dǎo)電材料形成。
例如，基底210可由石墨、任何非犧牲的和導(dǎo)電性的鋼鐵組合物、導(dǎo)電聚合物、環(huán)氧樹脂、塑
料或橡膠及任何非犧牲的和導(dǎo)電性的非鐵材料(例如金、銀、鉬、鈦、鋁等)形成。 取決于處理的類型和其它參數(shù)(例如處理池的相對尺寸和每單位時間通過池的
流體量等)，基底210的物理和電學(xué)性質(zhì)將會不同。例如，基底210的面積可為大約0. 001
平方英寸至大于10， 000平方英寸，基底201的寬度可為大約0. 001英寸至大于1英寸，形
成基底210的導(dǎo)電材料的體電阻可以為大約0. 1毫歐至大約10歐姆。 在顯示的實施方式中，基底210具有可以以許多不同形狀(例如正方形或矩形)
和不同尺寸存在的平板形式。 優(yōu)選地根據(jù)一個實施方式，各電極200具有相同的尺寸和相同的物理和電學(xué)性 質(zhì)，從而提供均一的電極排列。 當導(dǎo)電碳材料是由60/827， 545號申請中公開的粒狀導(dǎo)電碳材料的形式時，在一 個實施方式中粒狀導(dǎo)電材料的顆粒大小優(yōu)選為大約1至大約500微米，一個示例性的范圍 為大約40微米至大約120微米。例如，粒狀導(dǎo)電材料的平均顆粒大小可大于50微米至小 于100微米，或它可以在大約100微米至大約120微米之間。因此，粒狀導(dǎo)電材料可被認為 是具有不同性質(zhì)(取決于其精確的顆粒大小和操作條件)的自由流動的粉末樣物質(zhì)。
由于部件220是由粒狀導(dǎo)電材料形式的，因而該材料具有高度的流動性，且當向 其施加外力或處于重力作用下時容易沿著通路流動。換而言之，粒狀導(dǎo)電材料性質(zhì)上是高 流體性的，這使得電極材料(粒狀導(dǎo)電材料)容易從流體處理池中沖掉。更特別地，由流體 (例如水)和粒狀導(dǎo)電材料220形成的漿料可具有多種不同的粘度，該粘度有助于在再生回 路中方便地流動以允許在再生池中再生粒狀導(dǎo)電材料220和允許將再生的電極材料輸送 回流體處理池中包含的電極200的部件220中。 粒狀導(dǎo)電材料220具有可為大約10至大約IOO ^m人的相關(guān)孔徑(associated pore size)，其表面積可以為大約400至大約1200m7g(BET)。 可以明白的是，即使使用上述粒狀導(dǎo)電碳材料之外的其它材料形成電極200的 部件220時，所有這些材料都具有一定的多孔性，并形成包含間隙空間的多孔結(jié)構(gòu)(部件
10220)。 屏障部件230可以采取許多不同的形式，包括允許在第二間隙250中流動的流體 (例如水)流過并接觸部件220的導(dǎo)電碳材料的由多孔材料形成的結(jié)構(gòu)。屏障部件230還 可由形成為包括多個通孔而形成格柵樣模式的薄片的非多孔材料(例如聚乙烯(PE))形 成，流體流過這些通孔并與部件220的導(dǎo)電碳材料接觸。 當屏障部件230采取多孔部件的形式時，屏障部件230可由許多不同的材料形成， 只要它們具有足夠孔隙度以允許在第二間隙250中流動的流體流過并接觸構(gòu)成部件220的 導(dǎo)電碳材料即可。部件230的多孔性可根據(jù)不同應(yīng)用發(fā)生變化；但是，根據(jù)一個實施方式， 部件230的孔隙度為大約1 P m至大約5000 y m。和其它部件一樣，屏障部件230可具有不 同的寬度，例如如大約0. 001英寸至2. 00英寸。 可以清楚的是，由于屏障部件230緊靠導(dǎo)電碳材料部件220的一個面，它可作為屏 障來阻止粒狀材料流入第二間隙250中。因此，粒狀導(dǎo)電材料的顆粒大小和屏障部件230 的孔徑選擇為使得屏障部件230的孔徑阻止粒狀導(dǎo)電材料穿過在屏障部件230中形成的孔 (開口)。 多孔屏障部件230可由許多不同類型的多孔材料形成，其本質(zhì)上優(yōu)選地但不是必 須地為非導(dǎo)電性的，或者屏障部件230可以由可形成格柵樣結(jié)構(gòu)的非導(dǎo)電材料形成。例如， 屏障部件230可由選自多孔塑料(例如PE、縮醛樹脂(Derlin)、UHMW、HDPE、尼龍、聚碳酸脂 等)；聚酯、尼龍等形成的網(wǎng)；非導(dǎo)電性碳沫；非導(dǎo)電性陶瓷沫等的材料形成。屏蔽部件230 具有與導(dǎo)電碳材料形成的結(jié)構(gòu)220互補的幾何形狀。 可以理解的是，屏蔽部件230可以是塑料或合成布樣結(jié)構(gòu)的形式，并可具有許多 不同的構(gòu)型，例如蜂巢結(jié)構(gòu)。 在其運行狀態(tài)中，多孔導(dǎo)電碳材料220為受壓形式或其中提供裝置260以向多孔 導(dǎo)電碳材料220施加預(yù)定壓力的狀態(tài)，從而使得松散的、自由的多孔導(dǎo)電碳材料呈現(xiàn)為更 加緊密的、限定的層或結(jié)構(gòu)。當受壓時，多孔導(dǎo)電碳材料部件的厚度減小，且在一個示例性 的實施方式中，多孔導(dǎo)電碳材料的部件220的厚度為大約0. 010英寸至大約1英寸；但是， 這些數(shù)值僅是示例性的，并且根據(jù)特定的應(yīng)用，部件220的厚度可以超出這一范圍。
盡管處于受壓狀態(tài)，由多孔導(dǎo)電碳材料形成的部件220仍然具有間隙空間。
可以通過逆著和相對于導(dǎo)電碳材料沿水平方向施加壓力或沿垂直方向施加壓力 來擠壓導(dǎo)電碳材料。圖4中，箭頭261表明壓力沿水平方向施加。 裝置260可以采用許多不同的形式，只要它被配置用于向?qū)щ娞疾牧系牟考?20 施加正壓(壓縮力)，且優(yōu)選地，裝置260被構(gòu)造成沿著部件220的長度(高度)施加正壓。
此外，可以明確的是，導(dǎo)電碳材料的壓迫會發(fā)生在材料(部件220)的任何或所有 側(cè)面上。 可以明確的是，如圖2所示，在兩個相對的基底210之間形成的第一間隙240用于 容納加壓裝置260，這樣當啟動時，裝置260擴張并向相對的基底210施加壓力。優(yōu)選地，壓 力施加的方向基本上垂直于基底210的暴露面。由于流體(例如水或化學(xué)溶液)與由多孔 塑料或中空塑料結(jié)構(gòu)構(gòu)成的剛性結(jié)構(gòu)一起包含第二間隙250中，流體和結(jié)構(gòu)施加力在屏障 部件230的暴露面上，從而導(dǎo)致導(dǎo)電碳材料有效地夾在另兩個部件210和230之間。換而 言之，水和剛性結(jié)構(gòu)很大程度地抵抗電極200沿裝置260施加的力的方向的移動，這使得粒狀導(dǎo)電材料可被包含在作為電極200的一部分的明確的部件220中，盡管粒狀導(dǎo)電材料具 有相對高的速度。緊鄰流體處理池端壁的電極200的基底210由端壁直接支撐，因此無需 鄰近這些表面的加壓裝置260。 現(xiàn)在參見圖l-2，顯示了用于對流體進行去離子化的系統(tǒng)100，其一般包括用于處 理流體(例如廢水)的流體處理回路或通路310，以去離子或處理流體而產(chǎn)生可以排放到其 它一些位置的處理的水。流體處理回路310包括待處理的流體源320，且在一個實施方式 中，流體320為包含不想要的物質(zhì)(例如不同的離子、金屬等)的工業(yè)用水。但是，流體320 可為除了水之外的許多不同的流體，例如流體可為化學(xué)流體流或液體化學(xué)物料。流體320 的源可為儲存預(yù)定量的流體的儲存器、容器或池的形式，并可以可操作地與向池中輸送處 理流體的入口管線相連。以這種方式，一旦第一批流體被輸送到和通過流體處理回路310， 則輸送下一批流體到容器中儲存。例如，入口管線可以為以可控的方式輸送流體到流體進 行處理的位置的流體管道(例如管)形式。可以明白的是，容納流體的容器的大小(體積) 會根據(jù)精確的應(yīng)用和處理多少流體而不同。 可以明白的是，此處所使用的術(shù)語"管道"可指用于將流體從一個位置運送到另一 位置的單獨的和不同的組件，或其可指單一連續(xù)管道的標定片段或部分。換而言之，盡管下 面的討論描述了許多不同的管道，但是一個或多個管道可以限定單一的連續(xù)流動通路。
流體處理回路310還包括第一管道330，包括流體連接流體源320的第一末端332 和流體連接到流體處理容器(池)380的相對的第二末端334，其中來自源320的流體在流 體處理容器380處由排列在容器380中的此處描述的電極200進行處理。第一管道330可 為許多不同的形式，但是典型地為被設(shè)計為運送進行處理的而不會導(dǎo)致管道自身的任何損 壞或弱化的流體類型的管道形式，例如PVC管道。正如所示的那樣，第一管道330可由相對 于其它管部分形成角度的多個不同的管部分限定，或者第一管道330可以是大部分在容器 380和源320之間延伸的線性管道。 第一管道330具有多個與其相關(guān)的閥部件，用于控制流體從流體源320流到容器 380時流體的的流動方向(流體通路或途徑)和/或流速。例如，第一管道330可包括沿著 第一管道330靠近第一末端332的第一閥部件340，和位于第一管道330內(nèi)在第一閥部件 340的下游并靠近流體連接容器380的第二末端334的第二閥部件342。
可以從下面看出，第一和第二閥部件340和342可以為可進行操作以允許或限制 流體在第一管道330的一個或多個部分中流動的許多閥部件，從而使得第一管道330與其 它管道隔離或允許第一管道330與其它管道或其它系統(tǒng)組件(例如流體處理容器380)形 成流體連通。閥部件340和342以及系統(tǒng)的其它操作組件優(yōu)選與控制器(處理器)等通訊， 其允許選擇性地控制單個閥部件340和342并將它們置于理想的位置(例如完全打開位置 或關(guān)閉位置)上。 系統(tǒng)100還包括許多與其相關(guān)的用于選擇性地和可控性地使流體沿著理想的流 動路徑運行的泵等。例如，第一管道330可包括可操作地連接的并與控制器(例如主控制 器或處理器)通訊的第一泵350和第二泵360，從而使得各泵獨立地進行控制。第一泵350 優(yōu)選被設(shè)置在更接近靠近處理流體源320的第一末端332的地方，并優(yōu)選被設(shè)置在第一閥 340的上游。因此第一泵350用作從源320抽取流體并隨后沿第一管道330將其引導(dǎo)到另 一位置或另一管道的主要裝置。
第二泵360被設(shè)置在第一泵機械裝置350和第一閥340的下游。可以操作第二泵 360以進一步沿著第一管道330引導(dǎo)流體或?qū)⒘黧w再循環(huán)流入和流出處理盒380以在pH和 電導(dǎo)率傳感器處進行質(zhì)量檢測。 系統(tǒng)100還包括具有與處理的流體容器380液體流通的第一末端372的第二管 道370，該處理的流體容器380用于儲存已在流體處理容器380中處理的和從流體處理容 器380流出的流體。第二管道370的相對的第二末端374與第一管道330流體連通，且特 別地，第三閥部件344設(shè)置在第二管道370結(jié)合第一管道330處。因此，第三閥部件344用 來選擇性地打開和關(guān)閉相對于第一管道330的第二管道370。第二閥部件342和第三閥部 件344可被設(shè)置在第一管道330和第二管道370之間的T型流體相交的相對分支部分上， 從而當?shù)谌y部件344關(guān)閉而第二閥部件342打開時，來自處理流體容器320的流體可以 流過第一管道330并流入流體處理容器380中。這是處理流體(例如工業(yè)用水)最初輸送 至流體處理容器380以對其進行處理(例如去離子)的情況。 系統(tǒng)100還包括使得在盒380中處理的水循環(huán)通過傳感器以確定處理條件的第三 管道390，該第三管道390具有與流體處理容器380的出口流體連接用于從中接受流體的 第一末端392以及在第一閥340的下游的位置與第一管道330流體連通的相對的第二末端 394，從而允許來自流體處理容器380的流體途經(jīng)質(zhì)量傳感器370選擇性地從第三管道390 流向第一管道330，再經(jīng)泵360返回處理盒380。由于第三管道390在第一閥340下游的位 置與第一管道330流體連通，關(guān)閉第一閥340使得來自流體處理容器380的流體不輸送到 處理流體源320，因為第三管道390中的這一流體可以是將要小心儲存而不與可能污染該 流體的任何流體混合的處理的流體。 第三管道390還包括至少一個閥，且特別地，第三管道390包括位于或接近其第一 末端392的第四閥346。第四閥346因此位置接近流體處理容器的出口 ，這樣當?shù)谒拈y346 關(guān)閉時，流體處理容器380中的流體不會流入第三管道390，并因此在需要對流體進行處理 時保持流體在流體處理容器380中。相反，當?shù)谒拈y346打開時，流體處理容器380中的流 體自由流入第三管道390，繼而沿著理想的流動路線流動。 第三管道在第一閥340的下游但在第一泵350的上游與第一管道330相交，這樣 第一泵350的操作會使得第三管道330中的流體抽到第一管道330中。
系統(tǒng)100還可以包括第四管道400，其具有與流體廢物容器420流體連通的第一末 端402和與第一管道430流體連通的相對的第二末端404。因此，第四管道400配置為選擇 性地接受在電極填充循環(huán)中產(chǎn)生的來自第一管道430的廢流體。第四管道400包括與其相 關(guān)的第五閥410，以在閥410打開時允許第一管道330和第三管道400之間流體連通，或在 閥410關(guān)閉時阻止它們之間的流體連通。因此，閥410優(yōu)選位于或接近第三管道400與第 一管道330流體連接的位置。因此，用于再循環(huán)的第二泵360位于第一閥部件340和第五 閥部件410之間。 第四管道400與第一管道330選擇性連通的位置為第三管道390與第一管道330 選擇性連通的位置的下游，但是位于第二管道370與第一管道330選擇性連通的位置的上 游。 提供了第五管道430，其具有與再生系統(tǒng)(回路)500的組件連通的第一末端432 和與處理的流體容器480流體連通的相對的第二末端434。因此，第五管道430提供了再生回路500和儲存處理的流體的容器480間的直接連接。 第五管道430優(yōu)選包括沿著其長度設(shè)置的第三泵440，并且與其它泵類似的，該泵優(yōu)選可操作地連接主控制器并與其通訊，從而可以選擇性地控制第三泵440以選擇性地操作和泵送第五管道430內(nèi)的流體。第六閥部件被設(shè)置在第五管道430中，并按照與其它閥部件相同的方式操作。 可以提供多個控制和傳感器組件來監(jiān)測流體回路310上所選擇位置處流體的不同物理特性和參數(shù)。 在所顯示的實施方式中，系統(tǒng)100包括位于第三管道390中的電導(dǎo)率傳感器460
和pH傳感器470，從而使得通過第三管道390從流體處理容器380排出的流體在被傳送到
用于輸送到另一位置(例如處理的流體容器480)的第一管道330之前進行監(jiān)測。可以明
白的是，根據(jù)流體處理的精確類型，傳感器460和470可為不同的類型。 本發(fā)明還包括如60/827， 545號申請中詳細描述的用于再生電極200的再生回路
500。 流體處理池380包含根據(jù)預(yù)定的模式排列在流體處理池380內(nèi)部381中的多個電極200。圖2顯示置于流體處理池380的內(nèi)部381的組件，并特別地，顯示電極200的排列。更特別地，流體處理池380由壁結(jié)構(gòu)383限定，在矩形的情況下，它由相對的端壁和相對的側(cè)壁限定。流體處理池380包括形成可使用頂板等封閉的上蓋或頂蓋的上緣385，流體處理池380，或者根據(jù)應(yīng)用它可以保持完全開放或至少部分開放。流體處理池380包括由底板389限定的相對的下緣387。流體處理池380的一個或多個入口沿著上緣385形成且可以通過頂板等形成，從而允許接收如下所述的再生電極材料和在流體處理池380中進行處理(例如去離子)的流體。沿著底邊389形成流體處理池380的一個或多個出口 ，從而允許排放需要再生的電極材料和在流體處理池380中成功處理的流體。 還對流體處理池380進行設(shè)計，從而各第二間隙250具有用于接收待處理的流體的相關(guān)入口 251和允許流體從池380排出的相關(guān)出口 253。如圖2中清楚地所示的，入口251可在池380的上緣形成，而各第二間隙250的出口 253可在池380的底板389中形成。如上所示，各入口管線和出口管線具有相關(guān)的閥部件以允許控制流入第二間隙250的流體(例如水)的流動和控制來自池380的處理的流體的排放。通過使所有的閥部件可操作地連接主控制器，可同時打開或關(guān)閉所有閥部件，從而當流體處理是以批樣方式完成時，對池380進行填充或者沖洗。 同樣，如圖2所示，各部件220具有與其相關(guān)用于接收多孔的導(dǎo)電碳材料進入池380中的入口 221和與其相關(guān)用于從池380排出粒狀導(dǎo)電材料的出口 223。入口 221和出口 223為再生回路500的部分，且如同水回路的情況，入口 221和出口 223具有與其相關(guān)的閥部件以允許粒狀導(dǎo)電材料選擇性地和可控地輸送到池380的間隙250和當需要或想要再生電極材料時從其中排出粒狀導(dǎo)電材料。 由于電極200的基底本質(zhì)上是導(dǎo)電性的，有意地將其與電源270(DC電源)可操作地電連接。更特別地，電源270的一個極(+)或(_)連接到基底210上，以根據(jù)這一極對基底210進行充電。相反，屏障部件230是由非導(dǎo)電材料制成的，因此它提供了非導(dǎo)電的界面。由于粒狀導(dǎo)電材料220鄰接并因此沿著其長度直接接觸基底210，傳導(dǎo)到基底210的電荷也同時被傳導(dǎo)到粒狀導(dǎo)電材料220。以這種方式，粒狀導(dǎo)電材料220形式的電極材料由于電源270的操作而帶電。 由圖2可以看出，在整個池380中，基底210交替地與電源270的相反極相連。以這種方式，第二間隙或通道250中的流體(例如水)與具有相反極性的兩個電極200接觸，從而允許通過電極200在一個優(yōu)選的操作中對其進行去離子。 形成電極組件200 —部分的多孔導(dǎo)電碳材料220具有相關(guān)的電阻值，該電阻值與通過加壓裝置260導(dǎo)致的導(dǎo)電碳材料220的壓縮成反比并與導(dǎo)電碳材料220的顆粒大小(平均顆粒大小)成正比。在一個實施方式中，從鄰近導(dǎo)電基底210的第一表面222至鄰近多孔非導(dǎo)電屏障部件230的第二表面224測量的導(dǎo)電碳材料220的電阻為大約O. 1毫歐至大約IO歐姆。但是，可以明白的是，上面的數(shù)值本質(zhì)上僅僅是示例性和說明性的，并不限制本發(fā)明的范圍，因為導(dǎo)電碳材料220的電阻可以超出這一范圍。還應(yīng)當清楚的是，導(dǎo)電碳材料的電導(dǎo)率根據(jù)許多不同的參數(shù)而不同，包括施加到碳材料上的壓力的程度和多孔碳材料的顆粒大小。 第二間隙250的寬度根據(jù)精確的應(yīng)用和其它因素(例如池380的大小和每單位時間內(nèi)池380的總體流體處理需求)而不同。根據(jù)一個實施方式，第二間隙250的寬度(和因此流體的寬度)為大約0. 01英寸至6. 00英寸之間；但是，其它的寬度也同樣是可能的。
電源270和基底210之間的電連接可通過許多常規(guī)技術(shù)完成。無論電極200的具體細節(jié)如何，當其用于去離子裝置時，必須對導(dǎo)電碳材料施加電壓。這可通過直接連接到基底210或?qū)щ娞疾牧?20上的桿或金屬絲(例如由銅或其它導(dǎo)體形成的)完成。但是，如果桿或金屬絲暴露在去離子的液體中，桿或金屬絲會被損壞(犧牲)。因此，優(yōu)選在桿或金屬絲與板之間建立干連接。 可以如60/827， 545號申請中描述的方式那樣，在電極200的基底210和導(dǎo)體(優(yōu)選為絕緣銅絲)之間形成干連接。 可以明白的是，控制系統(tǒng)(主控制器或處理器)可與國際專利申請序列號PCT/US2005/38909中公開的控制系統(tǒng)基本相同或相似，該申請的全部在此引入作為參考。
此外，可對系統(tǒng)100進行設(shè)計，與設(shè)計為批類型流體處理工藝不同，該系統(tǒng)包括階梯式流體處理池380，使流體(水)流過幾個階段，各階段進行部分的處理。各階段可以在單元間隔(電極200的間隔)和/或施加的功率水平上進行變化。此外，還可對系統(tǒng)進行設(shè)計以使得流體(水)連續(xù)地流過平行處理單元。同時，流體(水)還可設(shè)計為沿著蜿蜒形狀的流動路線流過處理單元，其中兩個或更多個處理單元彼此串聯(lián)排列。蜿蜒的流程可包括從處理路線的開始至末端的單元(電極)間的不同間隔和/或不同功率水平。
此外，處理池380可具有許多不同的幾何形狀，包括但不限于同心圓形層和螺旋盤繞層。 現(xiàn)在參見圖5，顯示了本發(fā)明的一個示例性的實施方式的離子除去(酸/堿提取)系統(tǒng)600。圖5顯示由兩個電極200和200'形成的一個電極單元700，電極200和200'相互分開以形成供待處理的流體流過的間隙250。在所顯示的實施方式中，電極200表示單元700的陰離子除去側(cè)面，因為電極200與電源的正(+)極端相連，且相反地，電極200'表示陽離子除去側(cè)面，因為電極200'與電源的負(_)極端相連。 本申請人已發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)IOO(圖1)的運行過程中，離子聚集在由限定層220的導(dǎo)電碳顆粒形成的間隙空間(在圖5中一般以610表示)中。換言之，導(dǎo)電多孔材料220包括間隙空間610，且由于待處理的流體在間隙250中流動并接觸多孔導(dǎo)電材料220，流體進 入導(dǎo)電碳材料的微?；蝾w粒之間的間隙空間610中。 隨著離子在單元700和系統(tǒng)100運行過程中吸引到電極200和200'(正離子到負 電極200'和負離子到正電極200)上，離子的相同電荷增加到離子開始相互排斥的程度，且 各自的離子開始吸引帶相反電荷的^離子和0H—離子。這導(dǎo)致了在負離子除去側(cè)中和附近 區(qū)域產(chǎn)生酸性溶液，和在正離子除去側(cè)中和附近區(qū)域產(chǎn)生堿性溶液。換而言之，隨著離子聚 集在電極200內(nèi)限定的間隙空間610中，浸浴形成電極200的多孔電極材料的溶液性質(zhì)上 變成酸性的，且類似地隨著離子聚集在電極200'內(nèi)限定的間隙空間610中，浸浴形成電極 200'的多孔電極材料的溶液性質(zhì)上變成堿性的。 隨著系統(tǒng)100長時間運行，堿性和酸性溶液的濃度和離子強度增加，且從在間隙 250中流動的流體除去的離子保持和包含在形成各自電極200和200'的多孔導(dǎo)電碳材料 220的間隙空間610中。堿性和酸性溶液在各自側(cè)濃縮，直到背板(基底210)至溶液(間 隙250內(nèi)流動的流體)的電導(dǎo)率大于背板(基底210)至多孔導(dǎo)電碳材料220途徑的電導(dǎo) 率。當背板(基底210)至多孔導(dǎo)電碳材料220途徑的電阻變得更大時，系統(tǒng)100的單元 700停止除去離子，并開始電解接近各自背板(基底210)的高導(dǎo)電性溶液。圖6顯示了不 具有本發(fā)明的離子除去(酸/堿提取)系統(tǒng)600的系統(tǒng)100中單元700的最大能力。如圖 6所示，系統(tǒng)100的正向操作(即間隙250中流動的液體的去離子化)在時間方面突然延 長，且不使用系統(tǒng)600時運行的總次數(shù)是有限的，和隨著時間過去單元700內(nèi)酸和堿的濃度 增加。換言之，圖6顯示了各次運行的平均時間(按分鐘計)且在這一特定的例子中，經(jīng)過 18次運行后，在單次運行所需的時間量(按分鐘計)顯著和突然地增加。
根據(jù)本發(fā)明，各單元700包括酸/堿提取或離子除去系統(tǒng)600，其設(shè)計用來降低單 元700的正電極200和負電極200'的間隙空間610中離子的聚積。如圖5所示，正電極 200包括間隙排出口或出口 620，其具有向與電極200相關(guān)的多孔導(dǎo)電碳材料層220開放并 與其自由連通的第一末端622。相對的第二末端624向單元700的外部開放并如下所述， 可與管道(管路)628等連接以從間隙空間610發(fā)送除去的酸性溶液(流體)。類似地，負 電極200'包括第二間隙排出口或出口 630，其具有向與電極200'相關(guān)的多孔導(dǎo)電碳材料 層220開放并與其自由連通的第一末端632。相對的第二末端634向單元700的外部開放 并如下所述，可與管道(管路)等連接以從間隙空間610發(fā)送除去的酸性溶液(流體)。第 一間隙排出口或出口 620和第二間隙排出口或出口 630可被整合到和形成在限定單元700 的外殼中，或者它們可被整合到和形成在與單元700結(jié)合的單獨部件中，只要間隙空間610 中包含的流體可流入第一和第二間隙排出口 620,630即可。 可以明白的是，出口 620和630因此允許間隙流體排出構(gòu)成各電極200和200'部 分的各多孔導(dǎo)電碳材料層220。還可以明白的是，出口 620和630的構(gòu)造使得它們是隔離 的，并且不與待處理的流體流過的間隙250連通，因而通過出口 620和630除去的流體為間 隙空間610中包含的流體而不是來自間隙250的流體。 各間隙流體出口 620和630可以和優(yōu)選地包括過濾部件640，因而當根據(jù)本發(fā)明從 單元700排出和除去間隙流體時，可以防止多孔導(dǎo)電碳材料220從單元700排出。過濾部 件640可為多孔膜或濾篩或網(wǎng)孔材料的形式，其在系統(tǒng)600運行時可以允許包含離子的間 隙流體流過，但是阻止多孔導(dǎo)電碳材料(例如粒狀材料)通過。
各出口 620、630或與其連接的管道628優(yōu)選具有控制閥650來調(diào)控間隙流體的除 去速率?？刂崎y650可與控制單元(未顯示)可操作地電連接，從而遠程控制間隙流體的 去除，包括間隙流體從各電極200、200'除去的速率。 還可以明白的是，盡管在一個實施方式中，各電極200和200'包括間隙出口或排 出口，但是也可能僅電極200和200'中的一個包括間隙出口或排出口。
從各自的電極200和200'除去間隙流體的實際方式或機構(gòu)還可以使用不同的技 術(shù)和設(shè)備通過許多不同的方式實現(xiàn)。例如如圖5所示，系統(tǒng)600可使用重力進料機構(gòu)操作， 其中出口 620和630沿著多孔導(dǎo)電碳材料220的底緣601設(shè)置并與多孔導(dǎo)電碳材料220的 底緣601連通。由于單元700是垂直定向的，因此在正常的操作條件下，間隙流體將會在重 力作用下流向材料220的底緣601。因此，通過分別將出口 620和630的第一末端622和 632置于底緣601并沿著底緣601進行設(shè)置，間隙流體將會在重力作用下從材料220的緊密 垂直層向下流動并流入各自的出口 620和630，然后再由此從單元700中排出。
除了重力進料機構(gòu)，還可以使用其它的機構(gòu)。例如，從出口 620和630除去間隙流 體可通過使用產(chǎn)生壓力差的裝置調(diào)節(jié)，該壓力差使得間隙流體沿著材料220垂直層向下流 動，并流入出口 620和630。這可以通過在一個位置上對間隙流體施加正壓或者通過在底緣 601處產(chǎn)生低壓環(huán)境而實現(xiàn)。例如根據(jù)一個實施方式，真空機構(gòu)被用來從各個電極200和 200'的材料層220中抽取間隙流體。真空機構(gòu)可直接連接到出620和630的末端624和 634上，或者真空機構(gòu)可以可操作地連接與出口 620和630流體連通的管道628。
本申請人已發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)100中包括離子除去(酸/堿提取)系統(tǒng)600提供了更好 的處理系統(tǒng)，并顯著提高處理過程的效率和持久性。已經(jīng)確定，在正向去離子操作過程中從 多孔導(dǎo)電碳材料220的間隙空間610中除去間隙流體可使單元700和系統(tǒng)100在必需對單 元700進行再生之前運行更長時間。如上所述并參見圖6，當不包括系統(tǒng)600時，系統(tǒng)100 在運行18次之后不能實現(xiàn)理想的水質(zhì)量。但是，如圖7所示，當向圖6的實驗中使用的相 同流體處理系統(tǒng)100中加入酸/堿提取系統(tǒng)600時，這得到了顯著提高。如圖7所示，正向 去離子操作持續(xù)進行了 155次，且沒有證據(jù)表明系統(tǒng)100的平均運行效率降低或系統(tǒng)100 不能運行。如圖8所示，在相同的條件下重復(fù)實驗以使得系統(tǒng)100運行250次，同樣未發(fā)現(xiàn) 系統(tǒng)100的減慢或運行失敗。因此，本申請人已發(fā)現(xiàn)，在操作過程中從單元700中除去間隙 流體時顯著提高系統(tǒng)100的性能。 當離子以酸性流體(從電極200)或堿性流體(從電極200')的形式從單元700 中除去時，各背板210附近的溶液的電導(dǎo)率持續(xù)小于多孔導(dǎo)電碳材料220的電導(dǎo)率，且如圖 7和8所示，系統(tǒng)100持續(xù)運行而每次運行所需的平均時間并未突然增加。從位置與各電極 200和200'的多孔導(dǎo)電碳材料220層連通的端口 (出口 620和630)排出間隙流體提高了 系統(tǒng)100的整體性能和效率，并提供再生所需的試劑。 還可以理解的是，離子除去系統(tǒng)600及其操作方法可與任何使用包含具有間隙空間 的導(dǎo)電材料的電極的去離子方案一起使用。換言之，離子除去系統(tǒng)600與由多孔導(dǎo)電碳材料 (例如本申請人的60/827， 545號申請中公開的粒狀導(dǎo)電碳材料或任何其它導(dǎo)電材料，該材料具 有碳材料以電極中的最終形式存在時形成間隙空間的特定材料特性)形成的電極一起使用。其 它合適的導(dǎo)電碳材料包括活性炭、石墨化合物等。此外，盡管水處理是可以使用流體處理系統(tǒng) 100的一個例子，但是本發(fā)明并不限于這一應(yīng)用，而是可用于進行流體去離子的任何應(yīng)用中。
1權(quán)利要求
一種去離子裝置中使用的電極，包括以粒狀形式設(shè)置在第一面和第二面限定的層中的導(dǎo)電材料；基本緊靠第一面的基底；和基本緊靠第二面的第一部件，其構(gòu)造成允許待處理的流體通過第一部件并與粒狀導(dǎo)電材料接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述粒狀導(dǎo)電材料包含 聚合單體；交聯(lián)劑；和 催化劑，其中該聚合單體、交聯(lián)劑和催化劑為加工成多顆粒的碳化形式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極，其中所述聚合單體包括至少一種選自二羥基苯、三羥 基苯、二羥基萘和三羥基萘、糠醇及其混合物的材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述基底由導(dǎo)電材料形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電極，其中所述基底包括導(dǎo)電板。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述基底由選自石墨、導(dǎo)電鋼鐵、導(dǎo)電聚合物和導(dǎo) 電的非鐵金屬的材料形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述粒狀導(dǎo)電材料處于基底和第一部件之間的壓 力下。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述粒狀導(dǎo)電材料的體電阻為大約0. 1毫歐至大 約10歐姆。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述粒狀導(dǎo)電材料層的寬度大于基底和第一部件 的寬度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述粒狀導(dǎo)電材料的顆粒大小為40微米至大約 120微米。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述粒狀導(dǎo)電材料的孔徑通過BET測量為大約 10A至大約100A或通過水銀滲透儀測量為0. 0100um至IOOO咖，和所述粒狀導(dǎo)電材料的表 面積為大約100至大約1200m7g(BET)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述第一部件包括由允許流體從其流過并與粒 狀導(dǎo)電材料相接觸的多孔材料形成的結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電極，其中所述多孔材料的孔徑小于粒狀導(dǎo)電材料的平均 顆粒大小，從而阻止了粒狀導(dǎo)電材料從其流過。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述第一部件具有其中形成多個通孔的結(jié)構(gòu)，以 允許流體從其流過并與粒狀導(dǎo)電材料相接觸。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的電極，其中所述第一部件的結(jié)構(gòu)具有格柵構(gòu)造。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述第一部件由非導(dǎo)電材料形成。
17. —種用于流體去離子化的系統(tǒng)，包括 處理池；和排列在處理池內(nèi)部的多個如權(quán)利要求1所述的電極，以使得至少一些電極被排列成相 鄰電極的基底彼此面對，和至少一些電極被排列成第一部件彼此面對但間隔開從而在其間限定用于接收待去離子的流體的第一間隙。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述粒狀導(dǎo)電材料在系統(tǒng)的操作模式下為松散 顆粒的形式并保持在壓力下。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中各電極包括用于將流體傳送到第一間隙中的第 一入口管道和用于從第一間隙排放流體的第一出口管道及用于將粒狀導(dǎo)電材料傳送到基 底和第一部件之間的位置的第二入口管道和用于除去粒狀導(dǎo)電材料的第二出口管道。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述粒狀導(dǎo)電材料在運行模式中處于壓力下， 而在再生模式中解除壓力，從而允許粒狀導(dǎo)電材料粘性地流過第二出口管道，而基底和第 一部件在處理池的內(nèi)部保持直立并間隔開。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進一步包括帶有正極和負極的電源，其中交替電極的基底電連接到電源的相反的極上以建立跨第 一間隙的電壓勢。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中第二間隙形成在至少一些彼此面對的基底之 間，且可膨脹部件被設(shè)置在第二間隙內(nèi)以選擇性地向基底施加壓力，從而使得在可膨脹部 件膨脹時各個粒狀導(dǎo)電材料層處于壓力下。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述可膨脹部件是由基本上沿著基底的長度延 伸的可膨脹囊形成的，其中當囊膨脹時向兩個間隔的基底施力，隨之導(dǎo)致電極的粒狀導(dǎo)電 材料受壓。
24. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進一步包括用于選擇性地將處理流輸送到池的內(nèi)部中限定的第一間隙中并在對其進行去離子化 之后選擇性地排放處理流的第一流體回路；用于選擇性地將粒狀導(dǎo)電材料傳送到各電極的基底和第一部件之間的位置并用于從 流體處理池去除帶正電和負電的粒狀導(dǎo)電材料以使其再生的第二流體回路。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中第二流體回路包括維持在預(yù)定條件下的再生 池，從而通過去除附著在帶正電和負電的粒狀導(dǎo)電材料上的帶電離子而使粒狀導(dǎo)電材料再 生。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，進一步包括 與再生池流體連通而選擇性向其傳送的酸源；與再生池流體連通而選擇性向其傳送的堿源(任選的化學(xué)離子強度調(diào)節(jié)劑)； 用于測量再生池內(nèi)材料的PH值的pH傳感器和用于控制再生池內(nèi)溫度的加熱器；禾口 與酸和堿源、pH傳感器和加熱器通訊以允許控制和維持再生池內(nèi)的條件處于預(yù)定運行 范圍內(nèi)的主控制器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，進一步包括使粒狀導(dǎo)電材料沿著第二流體回路從處理池移動到再生池并再返回處理池的裝置。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述裝置通過在第二流體回路內(nèi)建立使得粒狀 導(dǎo)電材料可控地從一個位置移動到另一位置的壓力差而運行。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中所述粒狀導(dǎo)電材料為通過運行所述裝置而沿著 第二流體回路移動的漿料的一部分。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中所述裝置包括在第二流體回路內(nèi)產(chǎn)生正壓的第一裝置和在第二流體回路內(nèi)產(chǎn)生負壓的真空裝置。
31. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述第一流體回路包括用于容納待去離子的處 理流的第一容器、接收廢水的第二容器和接收去離子水的第三容器，第一、第二和第三容器 各與處理池流體連通并包括用于選擇性地控制處理流的流動及來自處理池的廢水和去離 子水的流動的相關(guān)閥部件。
32. —種用于形成電極的方法，包括以下步驟 提供第一部件和第二部件； 形成粒狀導(dǎo)電材料；禾口在第一和第二部件之間設(shè)置和包含松散顆粒形式的粒狀導(dǎo)電材料，其中第二部件構(gòu)建 為允許流體從中通過并與粒狀導(dǎo)電材料接觸。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述第一部件包括導(dǎo)電板，和第二部件為多孔 材料層和穿孔結(jié)構(gòu)中的一種。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中形成粒狀導(dǎo)電材料的步驟包括以下步驟 在第一交聯(lián)劑中溶解至少一種聚合單體以形成第一液體；在足夠的溫度下保持第一液體足夠長的時間，直到第一液體形成部分反應(yīng)的前體聚合物；混合部分反應(yīng)的液體和第二交聯(lián)劑以形成混合的第二液體，并在足夠的溫度下保持混 合的第二液體足夠長的時間，直到混合的第二液體聚合成第一固體坯料；在足夠的溫度下燒制第一固體坯料足夠長的時間以使得第一固體配料碳化成導(dǎo)電部 件；和待第一部件冷卻后加工第一固體坯料以將碳化的坯料破碎成粒狀碳材料。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述聚合單體選自二羥基苯、二羥基萘、三羥基 苯和三羥基萘、糠醇及其混合物。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述第一交聯(lián)劑和第二交聯(lián)劑為甲醛。
37. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中第一固體坯料的加工步驟包括以下步驟 將碳化的坯料粉碎成粒狀碳材料。
38. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，進一步包括以下步驟 在第一和第二部件之間擠壓粒狀導(dǎo)電材料。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中擠壓粒狀導(dǎo)電材料的步驟包括以下步驟 在相鄰電極的第一部件之間形成第一間隙； 沿著第一部件在第一間隙內(nèi)插入可膨脹部件；禾口使可膨脹部件膨脹以擠壓粒狀導(dǎo)電材料。
40. —種流體去離子化的方法，包括以下步驟 在流體處理結(jié)構(gòu)中設(shè)置多個權(quán)利要求1所述的第一和第二電極； 為第一電極加正電和為第二電極加負電；禾口間隙中的流體在相鄰的第一和第二電極的第一部件之間流動，從而使得流體通過第一 部件并與所述第一和第二電極相關(guān)的粒狀導(dǎo)電材料接觸。
41. 一種再生帶相反電荷的電極的方法，各電極由粒狀形式并設(shè)置在層中的導(dǎo)電材料、 緊靠該層的基底和緊靠該層的第一部件形成，并構(gòu)造成允許流體流過該第一部件并與粒狀導(dǎo)電材料接觸，該方法包括以下步驟形成包括帶負電的粒狀導(dǎo)電材料和流體的第一漿料并將其置于第一容器中；加工第一漿料以從帶負電的粒狀導(dǎo)電材料除去陽離子；在除去陽離子之后排出第一漿料；形成包括帶正電的粒狀導(dǎo)電材料和流體的第二漿料并將其置于第一容器中；經(jīng)過第一漿料排出第二漿料以形成組合的漿料；向組合的漿料中加入處理水；加熱和混合組合的漿料一段時間以形成混合的漿料；排出混合的漿料的所有流體；向混合的漿料中加入處理過的水；加熱和混合該混合的漿料一段時間；排出混合的漿料的所有水并將其轉(zhuǎn)移到壓力容器中以待返回電極。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，進一步包括以下步驟向第一漿料中加入酸以形成PH處于預(yù)定范圍內(nèi)的第一溶液；禾口待酸反應(yīng)完后和在向第一漿料中加入第二漿料之前排出第一溶液。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述酸包括鹽酸，且第一漿料的pH保持在2. 3-3. 8之間大約10至大約45分鐘。
44. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中混合的漿料的溫度維持在室溫至100攝氏度之間大約1至8小時。
45. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中第一和第二漿料在加熱之后排出。
46. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中向第一和第二混合物中加入處理過的水，并加熱和混合大約1至大約8小時，然后在加熱之后排出混合的第一和第二槳料。
全文摘要
在去離子裝置中使用的電極包含以粒狀形式設(shè)置在第一面和第二面限定的層中的導(dǎo)電材料。該電極包括緊靠第一面的基底和緊靠第二面的第一部件，流體通過第一部件并與粒狀導(dǎo)電材料接觸以使得粒狀導(dǎo)電材料吸收離子。
文檔編號B01J47/14GK101790419SQ200880104012
公開日2010年7月28日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日
發(fā)明者B·B·埃爾森, B·C·拉奇, P·諾曼, R·L·霍弗 申請人:水處理有限責任公司