使用复合树脂电极从水中除去溶解离子的设备和方法技术

本发明专利技术提供了一种有用的或从水中除去溶解离子的设备，包括或构造成包括复合树脂电极。本发明专利技术提供了一种用于从水中除去溶解离子的设备，包括或构造成包括复合树脂电极。本发明专利技术还提供了一种从水中除去溶解离子的方法，包括提供所述装置并使用该装置。

Apparatus and method for removing dissolved ions from water using composite resin electrodes

The present invention provides a useful device for removing dissolved ions from water, comprising or comprising composite resin electrodes. The present invention provides an apparatus for removing dissolved ions from water, comprising or comprising composite resin electrodes. The present invention also provides a method for removing dissolved ions from water, including providing the device and using the device.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用复合树脂电极从水中除去溶解离子的设备和方法相关专利申请本申请要求2014年10月3日提交的美国临时专利申请号62/059,777的优先权，并通过引用将其所有的内容并入本文中。政府支持声明本专利技术是在根据美国能源部授予的第DE-AC02-05CH11231号合同的政府支持下进行的。政府在本专利技术中享有一定权利。
本专利技术基本涉及从水中除去溶解离子(dissolvedions)。
技术介绍
在世界上的很多区域，地表水在一年中大部分时候是匮乏的，并且地下水含有高浓度的溶解离子。WHO建议饮用水中的总溶解固体(TDS)(包括溶解盐和二氧化硅)不超过500ppm，然而世界上的很多地方，人们没有办法只能饮用TDS浓度高达800ppm、1000ppm甚至有些达到1400ppm的地下水。将离子浓度降低到更适口水平的方法包括蒸馏、暴晒蒸发、反渗透和离子交换。在很多情况下这些方法不被认为是负担地起的、可实施的或有效的(例如，由于缺少充足的资金、地表、日射量或能量来源)。很多年来，膜和离子交换被用于从水和废水中降低TDS。这些方法对于贫困地区的贫穷人们来说用于饮用水处理是不经济、不实用或无效的，因为它们需要很高的资金投入、大量的维护、大规模的工业和能源输入，和/或有毒和腐蚀性化学物质的再生处理。使用电学手段将溶解于水的化合物分离的基本思想是非常古老的——可以追溯到1950年。这项技术在1990年开始得到改进。电容去离子化(CDI)是一种在一对浸没在含水电解质中的电极之间施加直流电偏压，以通过迁移和电极上的物理吸附来将带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子分离的方法。例如，在盐水中，带正电荷的钠迁移到负极上，带负电荷的氯离子会迁移到正极上。电子净水器(EWP)是在最近10年发展起来的新技术，它具有低的运行成本、低废水排放体积、低的资本支出、没有化学成分要求、小的空间占用(footprint)，并且可获得的尺寸从水池下面的净水器(under-the-sinkwaterpurifiers)到大型商业单元。它们使用CDI方法通过覆盖电极的半透膜从水中除去溶解离子。该设备由多个层构成，包括含有夹在活性炭层之间的导电表面的所述涂层电极。非导电垫片材料将板一个个分离开，并且允许水能够在电极之间、平行于电极表面流动。在普遍操作中，这些电极被交替地连接到DC电源的两端。该设备基于电容去离子化的原则工作以净化水，应用低电压DC电势来吸引和释放离子到电极表面。高表面积的碳电极层将离子吸引和保持在它们表面，从而将离子从流过电极之间间隙的水流中除去。在这样运行的一段时间之后，所有的带电位点都被填满，然后该设备必须通过从电极表面释放离子来进行再生。这是通过将电极短路并且反转施加的DC电势的极性来实现。一旦相当数量的新排出的离子在废液流中被冲洗，经过一段时间后，该设备开始在反向电位的作用下通过从进料溶液中吸引离子而开始再次充电。然而，这种方法仍然是通过电解质的相对较慢的传质和不充足的离子存储容量以及相对较高的运行成本。目前，没有比较便宜的方法来减少作为饮用水中总溶解固体(TDS)出现的离子盐。那些负担得起的人，购买瓶装水，或用反渗透或其他方法处理的水。然而，暴露于高水平TDS的大多数人口很贫穷。这些人口中的人无法获得有效手段来减少饮用水的TDS。迄今为止大多数商业上使用的CDI装置使用碳质电极。活性炭、碳气凝胶和碳纳米管提供高的表面活性面积和相对较大的离子存储容量。然而，这样的电极通常是易碎的并且难以处理，它们的致密纳米孔结构导致溶液难以进入从而阻碍了快速传质，并且一些纳米工程材料是非常昂贵的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于从水中除去溶解离子的设备，包括或构造成包括复合树脂电极(compositeresinelectrodes)。本专利技术还提供了一种从水中除去溶解离子的方法，包括提供所述设备并使用该设备。本专利技术提供了一种用于从水中除去溶解离子的系统，包括：(a)与第一多个离子交换树脂(IER)颗粒接触的第一电极、(b)与第二多个IER颗粒接触的第二电极、(c)电压电源(voltagesource)、(d)由所述第一电极和所述第二电极限定的腔室、(e)入口、(f)第一出口和(g)任选的第二出口，其中，所述第一电极、所述第二电极和电源彼此电连通，并且所述腔室与所述入口、所述第一出口和任选的第二出口流体连通，并且任选地，所述电压电源被配置为使得所述第一电极和所述第二电极的电流方向可切换。本专利技术还提供了一种用于从水中除去溶解离子的系统，包括：(a)入口、(b)与第一多个离子交换树脂(IER)颗粒接触的第一电极、(c)绝缘隔板、(d)与第二多个IER颗粒接触的第二电极、(e)出口和(f)电压电源，其中，(i)所述绝缘隔板分隔所述第一电极和所述第二电极，(ii)所述第一电极、所述第二电极和电源彼此电连通，并且(iii)流体连通的顺序如下：所述入口、所述第一电极、所述绝缘隔板、所述第二电极和所述出口，并且任选地，所述电压电源被配置为使得所述第一电极和所述第二电极的电流方向可切换。在一些实施方式中，所述第一多个IER颗粒包括阳离子交换树脂(CER)。在一些实施方式中，所述第二多个IER颗粒包括阴离子交换树脂(AER)。在一些实施方式中，所述IER颗粒是平均直径为约0.5mm的球形的颗粒。在一些实施方式中，电极包括一个或多个金属网，其中所述IER颗粒被填入金属网中。在操作期间，包括该系统的设备或装置具有两个步骤：脱盐步骤和再生步骤。在脱盐步骤中，将含离子的水流入所述系统，含离子的水中的阳离子与CER相缔合，而含离子的水中的阴离子与AER相缔合。从出口流出的水是去离子水，其比流入入口的含离子的水中含有的离子少。AER和CER能够(化学地)捕获电荷(trappingcharges)而不需要被施加任何的电势。在再生步骤中，通过向电极施加电压来再生饱和的CER和AER(或者耗尽的CER和AER)。该系统中，所述IER颗粒是导电的，并且不需要是“复合”电极的一部分。在该系统中，不需要施加电压以用于脱盐步骤，并且电压仅需要施加用于再生步骤。在一些实施方式中，所述第一多个IER颗粒和/或第二多个IER颗粒的至少部分或全部IER颗粒是通过IER珠(IERbeads)的球磨产生的颗粒。在一些实施方式中，所述第一多个IER颗粒和/或第二多个IER颗粒的至少部分或全部IER颗粒包括导电的表面。在一些实施方式中，该导电表面是通过热解珠粒表面形成的。在一些实施方式中，IER珠的表面被热解。在一些实施方式中，IER颗粒或IER珠具有等于或大于1,000m2/g、2,500m2/g、5,000m2/g、7,500m2/g、10,000m2/g或12,500m2/g的平均表面积，或者在该任意值至15,000m2/g或小于15,000m2/g的范围内。在一些实施方式中，所述第一电极是阴极，并且所述第一多个IER颗粒中的至少部分或全部IER颗粒是阳离子交换树脂(CER)。在一些实施方式中，所述第二电极是阳极，并且所述第二多个IER颗粒的至少部分或全部IER颗粒是阴离子交换树脂(AER)。在一些实施方式中，所述第一电极和/或所述第二电极包括丝网(wiremeshes)，其中所述IER颗粒嵌入在该丝网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从水中除去溶解离子的系统，包括：(a)与第一多个离子交换树脂(IER)颗粒接触的第一电极、(b)与第二多个IER颗粒接触的第二电极、(c)电压电源、(d)由所述第一电极和所述第二电极限定的腔室、(e)入口、(f)第一出口和(g)任选的第二出口，其中，所述第一电极、所述第二电极和电源彼此电连通，并且所述腔室与所述入口、所述第一出口和任选的第二出口流体连通，并且任选地，所述电压电源被配置为使得流向所述第一电极和所述第二电极的电流方向可切换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.03 US 62/059,7771.一种用于从水中除去溶解离子的系统，包括：(a)与第一多个离子交换树脂(IER)颗粒接触的第一电极、(b)与第二多个IER颗粒接触的第二电极、(c)电压电源、(d)由所述第一电极和所述第二电极限定的腔室、(e)入口、(f)第一出口和(g)任选的第二出口，其中，所述第一电极、所述第二电极和电源彼此电连通，并且所述腔室与所述入口、所述第一出口和任选的第二出口流体连通，并且任选地，所述电压电源被配置为使得流向所述第一电极和所述第二电极的电流方向可切换。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个IER颗粒和/或第二多个IER颗粒的至少部分或全部IER颗粒是通过IER珠的球磨产生的颗粒。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个IER颗粒和/或第二多个IER颗粒的至少部分或全部IER颗粒包括导电的表面。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极是阴极，并且所述第一多个IER颗粒中的至少部分或全部IER颗粒是阳离子交换树脂(CER)。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二电极是阳极，并且所述第二多个IER颗粒的至少部分或全部IER颗粒是阴离子交换树脂(AER)。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极和/或所述第二电极包括丝网，其中所述IER颗粒嵌入在该丝网的表面上。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括以下至少一种：用于密封所述入口的部件，用于密封所述第一出口的部件和用于密封所述第二出口的部件。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一出口和所述第二出口是相同的，并且所述系统包括将流体从所述第一出口导向多于一个方向的部件。9.一种从含离子的水中除去溶解离子的方法，包括：(a)提供权利要求1所述的系统；(b)经由所述入口将含离子的水流入所述腔室，(c)任选地，经由所述第一电极和第二电极向水中通入直流电流；(d)使含离子的水连续不断地从所述入口流入腔室并从所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·V·萨布班，A·J·加吉尔，R·科斯特茨基，G·陈，
申请(专利权)人：加州大学校务委员会，
类型：发明
国别省市：美国,US