零电荷电位基电容去离子制造技术

本发明专利技术是通过经表面改性改变电极表面的零电荷电位解决传统电容去离子(CDI)和膜电容去离子(MCDI)装置和方法的短寿命问题的电容(又称静电)去离子装置和方法。这样的电极表面改性提供极长寿命的电容去离子装置和方法。

Zero charge potential based capacitive deionization

The present invention is through surface modification to change the potential of zero charge electrode surface to solve the traditional capacitive deionization (CDI) and membrane capacitive deionization (MCDI) device and method of capacitor short life (also called static) deionization device and method. Such electrode surface modification provides extremely long lifetime capacitive deionization devices and methods.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】零电荷电位基电容去离子专利技术背景专利
专利
是用于从溶液中除去盐和其它离子的电容(又称静电)去离子装置和方法。定义“吸附”是指将输入料流中的离子吸引到电极表面上并将这些离子留在电极表面上。“aMCDI”是指一种CDI池，其中各电极被膜包围并且其中阳极和阴极任一或两者含有表面电荷增强表面。“AMX-CDI”是指一种CDI池，其中各阳极被阴离子交换膜覆盖，而阴极保持未覆盖。“AMX-aCDI”是指一种CDI池，其中各阳极被阴离子交换膜覆盖，而阴极未覆盖并含有负表面电荷。“BET表面积”是指通过Brunauer-Emmett-Teller法测定的表面积，其是使用氮气测定材料的表面积的物理吸附型方法。“电容去离子”是指通过吸附从池的输入料流中除去离子并将去离子料流送往池输出。“电容去离子池”是指利用静电力从输入料流中吸附离子的池。在“传统”或“常规”电容去离子池中，对阳极施加正电压并对阴极施加负电压，以在施加电压的同时使负离子吸附到阳极上和使正离子吸附到阴极上。“池(cell)”是指暴露在输入料流下的多个电极，具有输出料流/废物料流的出口、连接到电极上的短路开关或电源，以及控制电源的装置。池可任选包括控制输入料流和输出料流/废物料流的装置。“充电电位”是指施加到池电极上或是池电极的表面官能团中固有的并使池输入料流中的离子移向电极的电压。“CMX-CDI”是指一种CDI池，其中各阴极被阳离子交换膜覆盖，而阳极保持未覆盖。“CMX-aCDI”是指一种CDI池，其中各阴极被阳离子交换膜覆盖，而阳极未覆盖并含有正表面电荷。“电导率”是指输入料流、输出料流或废物料流的电导率。电导率是输出料流或废物料流中的离子的摩尔浓度的替代量度。电导率与此类料流中的离子摩尔浓度成正比。“共离子”在CDI池中是指在阴极电位高于其EPZC时被吸引到阴极上的阴离子和在阳极电位低于其EPZC时被吸引到阳极上的阳离子。“抗衡离子”是指被吸引到带正电荷的电极上的负离子和被吸引到带负电荷的阴极上的正离子。“CX”是指碳干凝胶。CX电极具有标称表面积～200平方米/克的介孔结构。“周期”是指电容去离子池的运行、吸附、接着解吸的一个周期。“去离子”是指通过吸附到电极表面上而除去输入料流中的离子并作为输出物排出去离子料流。“去离子池”是指从输入料流中除去离子的池。去离子池具有各种类型，例如传统的、MCDI、aMCDI、i-CDI。“解吸”是指从电极中释放吸附的离子到废物料流中。“放电电位”是指施加到池电极上或是池电极的表面官能团中固有的使离子从电极解吸到废物料流中的降低或反极性电压。“电极”是指导电的材料，通常多孔碳。“i-CDI池”是指根据本文中公开的专利技术的“反向”电容去离子池。“EPZC”或“零电荷电位”是指在该电极电位下，表面处的离子吸附最小化。“Eo”是在电极短路时电容去离子池相对于参比电极的电位(即Eo是短路条件过程中的电位)。“流速”是指输入、输出或废物料流的通常以L/hr、ml/min等计的流速。“输入料流”是指进入池的液体，通常是含有各种离子的水。“MCDI池”是指一种CDI池，其中各电极被膜包围。“膜”是指附着或施加到电极上的碳或碳基织物或涂层。“N-”是指负表面电荷，例如N-CX是指具有带净负电荷的表面基团的碳干凝胶电极。“输出料流”是指已经过吸附式去离子池并含有比输入料流中低的离子摩尔浓度的液体。“P-”是指正表面电荷，例如P-CX是指带净正电荷的表面基团的碳干凝胶电极。“pHPZC”是指通过改变溶液的pH测定的在给定EPZC下的溶液pH。“极化窗口”是指用于进行电容去离子池的去离子(吸附)和再生(解吸)的电位/电压的跨度或范围。“极性”是指DC电压的极性，正或负。关于电极的“原始”是指没有表面改性；例如，如制造商供应的Spectracarb电极是原始的。“净化”是指从输入料流中除去离子。净化包括水软化，即除去硬水中的钙、镁和某些其它金属阳离子。EPZC的“重新定位(Relocation)”是如循环伏安图中所示，由吸附/解吸周期的累积造成的电极的EPZC的电位(又称“位置”)变化。EPZC的“位移”或“定位(position)”是指通过电极表面的有意的化学或电化学改性改变电极的EPZC的电位(又称“位置”)。“SC”是指Spectracarb碳电极——例如在循环伏安法中常用作参比电极的碳电极。“SCE”是指饱和甘汞电极——一种标准参比电极。“Si-CX”是指二氧化硅涂布的碳干凝胶。“表面电荷增强表面”是指已处理的电极表面。“处理”是指改性电极表面以改变如本文中公开的电极的EPZC。“未处理”是指未经本文中公开的电极表面改性的电极，即原始碳电极。“电压”和“电位”在本文中同义。除非另行规定，电压是直流(“DC”)的。“废物料流”是指已经过解吸式去离子池并含有比输入料流中高的摩尔浓度的离子的液体。“ζ电位”是分散介质和分散粒子周围的流体之间的电位差。相关技术随着全球人口增长和需水量持续增加，获得饮用水的途径也越来越重要。为达到用于食用、农业、发电厂或许多其它用途之一的水标准，必须满足许多水净化条件，包括盐含量水平。由于大部分盐的小分子尺寸，通过传统过滤方法难以分离盐含量。许多其它溶解的离子化合物经由典型的化学制备途径分离也具有挑战性。溶解离子如Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Mg2+、Cl-、SO42-和NO3-通常存在于水源中并且需要特定分离方法以产生净化水。传统分离方法包括多级闪蒸(MSF)和反渗透(RO)。在MSF中，使用蒸馏法从盐水料流中分离水，其中将水煮沸并收集蒸气以产生纯净水流。尽管有效，但这种方法相当能量密集并受困于设备腐蚀问题。在RO中，使用极小孔径以将略小的水分子与较大水合盐分子分离。这种方法需要压力梯度以克服盐溶液的渗透压和使水跨过半透膜传送到纯化渗透料流中。尽管RO通常比MSF更有效，但其需要能够实现更高压力的泵并发生膜表面的有机、生物和沉淀基结垢，这最终限制该分离法的寿命并提高支出，尤其是在市政规模下。电容去离子(CDI)是一种新兴分离法，其依赖于利用静电学从水/水溶液中分离溶解盐。在传统CDI中，向一对(通常)碳电极施加电位，阳极被定义为被施加正电位的电极，阴极被定义为被施加负电位的电极。在这种传统CDI法中，如图1中所示，负离子或阴离子，如Cl-和SO42-被吸引到正向极化的电极(阳极)上，而正离子或阳离子，如Na+和Ca2+被吸引到负向极化的电极(阴极)上。当碳电极被盐/离子饱和时，降低、短接、移除或逆转(手动或在计算机控制下)外加电位以将这些离子解吸到浓缩废物料流中。当降低、短接或移除池电位时，在碳表面处用于离子吸附的驱动力随后降低，以造成离子解吸。解吸(从电极表面除去离子)使碳再生以在向电极再施加电压后用于吸附/分离更多离子(如下文解释，电极表面的解吸在传统CDI中不完全)。为加速解吸，可以反转向电极施加的电压极性：电极表面上的反极性(负极性-阳极，正极性-阴极)会排斥共离子，以造成与非反向极性的开路、短路或降低的电压相比更快的离子解吸。用于吸附的初始外加电位通常为0-2.0V，但已经报道高达3.0V的值。由此可以从溶液中定期除去盐并解吸到浓缩废物料流中。用传统C本文档来自技高网...

【技术保护点】
在包含至少一个入口、至少一个出口、至少一个阳极、至少一个阴极、操作以向至少一个阳极和至少一个阴极施加短路或用户可选的DC恒定电压或恒定电流的开关和经所述入口进入和经所述出口排出的离子溶液的结构中的静电装置，所述离子溶液通过与所述至少一个阳极和至少一个阴极接触而去离子，其中已通过阳极表面的改性使至少一个阳极的零电荷电位(EPZC)的位置移向提高的EPZC值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.22 US 62/195,578;2015.12.03 US 14/757,2091.在包含至少一个入口、至少一个出口、至少一个阳极、至少一个阴极、操作以向至少一个阳极和至少一个阴极施加短路或用户可选的DC恒定电压或恒定电流的开关和经所述入口进入和经所述出口排出的离子溶液的结构中的静电装置，所述离子溶液通过与所述至少一个阳极和至少一个阴极接触而去离子，其中已通过阳极表面的改性使至少一个阳极的零电荷电位(EPZC)的位置移向提高的EPZC值。2.权利要求1的装置，其中所述阳极改性来自选自由在氧气存在下加热、通过暴露在酸下、暴露在电化学氧化下而氧化、共价连接在与所述离子溶液接触并且未向阳极施加电压时带负电荷的官能团、共价连接二氧化硅官能团、共价连接磺酸基团和共价连接在水溶液中具有净负表面电荷的任何表面基团的处理。3.在包含至少一个入口、至少一个出口、至少一个阳极、至少一个阴极、操作以向至少一个阳极和至少一个阴极施加短路或用户可选的DC恒定电压或恒定电流的开关和经所述入口进入和经所述出口排出的离子溶液的结构中的静电装置，所述离子溶液通过与所述至少一个阳极和至少一个阴极接触而去离子，其中已通过阴极表面的改性使至少一个阴极的零电荷电位(EPZC)的位置移向降低的EPZC值。4.权利要求3的装置，其中所述阴极改性来自选自通过由在氮气、氩气或H2中加热暴露在还原处理下、暴露在电化学还原下而还原、共价连接在与所述溶液接触并且未向阴极施加电压时带正电荷的官能团、共价连接胺官能团、共价连接氧化铝表面物类和特定碳表面位点如基面的处理。5.在包含至少一个入口、至少一个出口、至少一个阳极、至少一个阴极、操作以向至少一个阳极和至少一个阴极施加短路或用户可选的DC恒定电压或恒定电流的开关和经所述入口进入和经所述出口排出的离子溶液的结构中的静电装置，所述离子溶液通过与所述至少一个阳极和至少一个阴极接触而去离子，其中已通过阳极表面的改性使至少一个阳极的零电荷电位(EPZC)的位置移向提高的EPZC，且其中已通过阴极表面的改性使至少一个阴极的零电荷电位(EPZC)的位置移向降低的EPZC。6.权利要求5的装置，其中所述阳极改性来自选自由在氧气存在下加热、通过暴露在酸下、暴露在电化学氧化下而氧化、共价连接在与所述离子溶液接触并且未向阳极施加电压时带负电荷的官能团、共价连接二氧化硅官能团、共价连接磺酸基团和共价连接在水溶液中具有净负表面电荷的任何表面基团的处理，且其中所述阴极改性来自选自通过由在氮气、氩气或H2中加热暴露在还原处理下、暴露在电化学还原下而还原、共价连接在与所述溶液接触并且未向阴极施加电压时带正电荷的官能团、共价连接胺官能团、共价连接氧化铝表面物类和特定碳表面位点如基面的处理。7.权利要求1、2、3、4、5或6的装置，其中要净化的离子溶液是水溶液。8.权利要求1、2、3、4、5或6的装置，其中要净化的离子溶液是选自发电厂废水、发电厂冷却水、洗衣废水、为供人类食用净化的水、为农业净化的水、为园艺净化的水、为用于食品净化的水、要软化的水、为供人类食用净化的海水、为实验室用途净化的水、人类食用或农业应用净化的微咸水，和为医疗用途净化的水的水溶液。9.权利要求1、3或5的装置，其中至少一个阳极或至少一个阴极的改性产生0.4V或更大的工...

【专利技术属性】
技术研发人员：高欣，A·欧姆赛比，J·R·兰登，K·刘，
申请(专利权)人：肯塔基大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US