用于电容去离子化的电极制造技术

本发明专利技术涉及一种用于电容去离子化的电极。更具体地，本发明专利技术涉及包含碳纳米管的电极，其用于提供改善的盐去除。优选的电极是在尽可能长的时间内持续提供纯水的电极，其具有较高的回收率且在提供更多TDS去除方面具有一致性。因此，需要提供用于电容去离子化的改进电极。本发明专利技术的另一个目的是提供一种产生更高TDS去除的电极。

Electrodes for capacitive deionization

The present invention relates to an electrode for capacitive deionization. More specifically, the present invention relates to an electrode comprising carbon nanotubes for providing improved salt removal. The preferred electrode is one that continuously provides pure water for as long as possible, with high recovery and consistency in providing more TDS removal. Therefore, improved electrodes for capacitive deionization need to be provided. Another object of the present invention is to provide an electrode that generates higher TDS removal.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电容去离子化的电极
本专利技术涉及一种用于电容去离子化的电极。更具体地，本专利技术涉及包含碳纳米管的电极，其用于提供改善的盐去除。
技术介绍
若干技术可用于净化水。该列表包括紫外线(UV)辐射、例如次氯酸盐的化学净化试剂以及各种膜的使用。所列出的技术不提供去离子化。然而，其它方法如蒸馏、反渗透、电容去离子化和离子交换树脂确实提供去离子化。如果水中含有大量的溶解固体(通常以水的TDS(总溶解固体)而测量)，则去离子化变为必需。水中的一些TDS量是良好口味所必需的。通过蒸馏、反渗透或离子交换树脂法将水去离子化具有若干缺点。这样的方法要么使用大量的聚合物树脂和化学品，要么是能量密集型的并且可能导致二次污染，这使得这些方法难以维持。电容去离子化广泛用于克服这些缺点。用于将水去离子化的净化器通常具有内置机制(例如电导计)以感测总溶解固体，将感测器编程为具有预定水平(TDS设定)，在考虑输入水的平均TDS以及消费者所需的净化水的平均TDS后通常将其固定。在电容去离子化过程中，通过称为TDS设定的预定参数确定水的纯度。含有比设定值更多的TDS的水被认为是不纯的，因此不适用于消费。换言之，这样的水含有较高量的溶解固体(主要是无机盐)，这使得其不可饮用。相反，只要净化(或输出)水的TDS小于TDS设定，水就仍然适于消费。在电容去离子化过程中，水流过一对或多对带相反电荷的电极，在此期间存在于水中的离子被吸引并吸附到电极表面。这种现象导致TDS下降。然而，任何电极的性能通常在使用期间下降。在电极寿命期间的某一点，该装置不再能够提供所需的TDS降低程度。这种现象影响电极的可用寿命。然而，消费者需要更持久的电极。任何CDI系统的性能均由两个参数来衡量。第一个是系统带来的TDS的降低程度，第二个称为回收率，其定义为净化水与水的总进入量之比。WO2014/090508A1(联合利华)公开了一种用于电容去离子化的电极，其提供提高的回收率以及较大的总固体降低。该电极由浸渍有具有特定导电性和标准氢电势的物质的吸附剂、导电炭黑和粘合剂制成。US2012/0187054A1(三星电子有限公司)公开了一种过滤装置，其选择性地从水中吸附有害金属或金属离子，同时保持存在于水中的有益矿物质。该过滤装置的电极具有一个或多个电极材料层，所述电极材料层包含在其表面上具有碱性官能团的金属吸附材料。该申请公开了一种电极，其选择性地与来自水中的重金属或金属离子结合，但不与输入水中存在的钙和镁离子结合。优选的电极是在尽可能长的时间内持续提供纯水的电极，其具有较高的回收率且在提供更多TDS去除方面具有一致性。因此，需要提供用于电容去离子化的改进电极。本专利技术的一个目的是提供一种产生提高的回收率的电极。本专利技术的另一个目的是提供一种产生较高的TDS去除的电极。
技术实现思路
我们已经确定，当电极活性材料具有浸渍有选自金、银、铂或铜的金属或所述金属的合金或所述金属的混合物的吸附剂以及具有用氧基官能团或其衍生物改性的表面碳原子的碳纳米管时，所述电极活性材料提供显著改善的盐去除，其中所述氧基官能团选自羟基、羰基、醛基、羧基、硝基或其混合物。还令人惊奇地发现，所述电极活性材料具有显著更高的导电率。根据第一方面，公开了一种用于电容去离子化电极的电极活性材料，所述电极活性材料包含：i.浸渍有金属的吸附剂；ii.导电炭黑；iii.碳纳米管，其中所述碳纳米管具有用氧基官能团或其衍生物改性的表面碳原子；和iv.粘合剂，其中所述氧基官能团选自羟基、羰基、醛基、羧基、硝基或其混合物，并且其中所述金属选自金、银、铂或铜或所述金属的合金或其混合物。根据第二方面，公开了一种用于电容去离子化的电极，其包含分散在集电器上的所述第一方面的电极活性材料。根据本专利技术的第三方面，公开了一种用于制备所述第一方面的用于电容去离子化电极的电极活性材料的方法，所述方法具有以下步骤：i.制备包含以下的浆料：a)吸附剂，其浸渍有选自金、银、铂或铜的金属或所述金属的合金或其混合物；b)粘合剂；c)碳纳米管，其中所述碳纳米管具有用氧基官能团或其衍生物改性的表面碳原子，并且其中所述氧基官能团选自羟基、羰基、醛基、羧基、硝基或其混合物；d)导电炭黑；和e)流体，其量不超过所述浆料总干重的四倍；ii.将步骤(i)中获得的所述浆料施加至放置在模具中的基材上；iii.在196kN/m2至980kN/m2的压力下压缩所述模具；iv.将所述模具加热至150至350℃范围内的温度达30分钟至2小时，以提供涂覆有电极活性材料的基材；以及v.使所述电极活性材料自所述基材脱离以提供所述电极活性材料。还公开了用于制备所述第二方面的用于电容去离子化的电极的方法，所述方法具有以下步骤：i.制备包含以下的浆料：a.吸附剂，其浸渍有选自金、银、铂或铜的金属或所述金属的合金或其混合物；b.粘合剂；c.碳纳米管，其中所述碳纳米管具有用氧基官能团或其衍生物改性的表面碳原子，并且其中所述氧基官能团选自羟基、羰基、醛基、羧基、硝基或其混合物；d.导电炭黑；和e.流体，其量不超过所述浆料总干重的四倍；ii.将步骤(i)中获得的所述浆料施加至放置在模具中的集电器上；iii.在196kN/m2至980kN/m2的压力下压缩所述模具；iv.将所述模具加热至150至350℃范围内的温度达30分钟至2小时，以形成所述电极；以及v.将所模制的电极脱模。根据另一方面，公开了浸渍有选自金、银、铂或铜的金属或所述金属的合金或其混合物的吸附剂和具有用氧基官能团或其衍生物改性的表面碳原子的碳纳米管在电容去离子化电极的电极活性材料中用于延长所述电极的寿命的用途，所述氧基官能团选自羟基、羰基、醛基、羧基、硝基或其混合物。具体实施方式根据第一方面，公开了一种电极活性材料，其具有浸渍有金属的吸附剂、导电炭黑、碳纳米管和粘合剂。电极活性材料所公开的电极活性材料优选具有50度至85度的与水的接触角。优选地，与水的接触角为65度至85度，更优选为75度至85度，最优选为80度至85度。术语“电极活性材料”应理解为意指包含吸附剂、如本文所公开的碳纳米管、粘合剂以及导电炭黑的材料，该材料可分散在集电器上。电极活性材料可以作为涂层施加在集电器上；或者它可以粘合或连接至集电器。电极活性材料能够在电容去离子化电池的充电和放电循环期间保持和释放来自其结构的离子。吸附剂所公开的电极活性材料包含吸附剂，该吸附剂浸渍有选自金、银、铂或铜的金属或该金属的合金或其混合物。优选的吸附剂选自活性炭、高比表面积石墨(HSAG)、碳纳米管(CNT)、活性碳纤维、阳离子交换树脂、沸石、蒙脱石或蛭石。吸附剂的比表面积优选为100m2/g至1300m2/g。吸附剂的比表面积优选大于500m2/g，更优选大于600m2/g，仍更优选大于800m2/g，但吸附剂的比表面积优选小于1250m2/g，更优选小于1100m2/g，仍更优选小于1000m2/g。特别优选的吸附剂是活性炭。优选活性炭从烟煤、椰子壳、木材或石油焦油获得。活性炭的表面积优选大于500m2/g；更优选大于1000m2/g。活性炭的尺寸均匀性系数优选小于2，更优选小于1.5。活性炭的四氯化碳值优选大于50％，更优选大于60％。进一步优选活性炭的碘值大于800单位，更优选大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电容去离子化电极的电极活性材料，所述电极活性材料包含：i.浸渍有金属的吸附剂；ii.导电炭黑；iii.碳纳米管，其中所述碳纳米管具有用氧基官能团或其衍生物改性的表面碳原子；和iv.粘合剂，其中所述氧基官能团选自羟基、羰基、醛基、羧基、硝基或其混合物，并且其中所述金属选自金、银、铂或铜或所述金属的合金或其混合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.06 EP 16163982.81.一种用于电容去离子化电极的电极活性材料，所述电极活性材料包含：i.浸渍有金属的吸附剂；ii.导电炭黑；iii.碳纳米管，其中所述碳纳米管具有用氧基官能团或其衍生物改性的表面碳原子；和iv.粘合剂，其中所述氧基官能团选自羟基、羰基、醛基、羧基、硝基或其混合物，并且其中所述金属选自金、银、铂或铜或所述金属的合金或其混合物。2.根据权利要求1所述的电极活性材料，其中所述官能团是羧基、硝基或其混合物。3.根据前述权利要求中任一项所述的电极活性材料，其中所述碳纳米管是单壁的、双壁的或多壁的。4.根据前述权利要求中任一项所述的电极活性材料，其中碳纳米管的量在所述吸附剂的0.5至2wt％范围内。5.根据前述权利要求中任一项所述的电极活性材料，其中用氧基官能团改性所述表面碳原子，所述氧基官能团可通过用包含比率为3:1的硫酸和硝酸的氧化剂处理所述碳纳米管而获得。6.根据前述权利要求中任一项所述的电极活性材料，其中所述吸附剂的比表面积为100至1300m2/g。7.根据前述权利要求中任一项所述的电极活性材料，其包含5至15wt％的导电炭黑。8.根据前述权利要求中任一项所述的电极活性材料，其中所述粘合剂是热塑性聚合物粘合剂。9.一种用于电容去离子化的电极，所述电极包含：i.集电器；和ii.根据权利要求1至8中任一项所述的电极活性材料，其中所述电极活性材料分散在所述集电器上。10.一种用于制备根据权利要求1所述的用于电容去离子化电极的电极活性材料的方法，所述方法具有以下步骤：i.制备包含以下的浆料：a)吸附剂，其浸渍有选自金、银、铂...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·J·阿伦切瑞，S·高施，V·拉贾纳拉亚纳，
申请(专利权)人：荷兰联合利华有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL