脱盐设备及其制造方法技术

提供了用于对包含溶解离子物质的水介质进行电容去离子的设备(10)，所述设备包括具有第一原电极(2)和与第一原电极(2)相对布置的第二原电极(3)的电池，并且所述第一原电极(2)和第二原电极(3)优选地由至少一个非导电间隔物(4、4’)分开。第三电极(7)布置在第一电极和第二电极之间。第三电极(7)接地，而第一电极和第二电极相对于接地的第三电极极化。

Desalination equipment and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】脱盐设备及其制造方法
本公开总体涉及用于从水介质去除带电物质的电容去离子设备，特别是脱盐设备及其制造方法。
技术介绍
由于诸如环境问题和人口增长的因素，对饮用水的需求持续增加。因此，对诸如海水或微咸水的水进行脱盐或去离子的需求也在增加。存在用于对水进行去离子的若干技术，包括例如蒸馏、反渗透和电渗析。对水进行去离子的技术的另一个示例是电容去离子(CDI)。CDI是相当新的技术，并且主要用于从微咸水或不适合人类立即消耗的其它水源中电吸附盐。与以前提到的技术相比，CDI的优点在于其是相对节能的技术，特别对于具有相当适中的盐浓度的水(诸如微咸水)。在CDI技术中，活性炭的导电电极可用于电吸附离子。典型的CDI电池包括由非导电间隔物分开的两个相对放置的电极，其中水可以流过该非导电间隔物。电极使用DC电源正极化和负极化。逆电荷的离子被电吸引到各个电极并被吸附在其中。由此，从存在于电极之间的水去除离子。因此，CDI电池中的离子去除经由电吸附进行，其中对于给定的电极表面，主要通过电极表面产生的电场的大小和分布来调节电吸附能力。先前已知，可以通过用可极化半导体的纳米结构涂覆活性炭表面来改善电场特性。这可以导致更好的离子吸附能力。然而，电场也受到分别连接到电源的正极端子和参考端子/接地端子的CDI电池阳极和阴极之间分布电势的影响。假设电势分布均等，则在电极表面产生的电场的强度和方向将驱动对称性并提高离子去除过程的效率。然而，值得注意的是，与普遍观点相反，所施加的电势在CDI电池阳极和阴极之间不均等地分布。在常规CDI电池中，阴极(接地)处的电势参考电路接地并由局部接地条件控制，而阳极处的电势参考阴极的电势。这导致电池电极之间的能量分布不均等，继而可以引起不对称的离子去除特性并降低该过程的脱盐能力和充电效率。Cohen等人在文章“通过表面处理的电极和借助第三电极实现的电容去离子中增强的充电效率(EnhancedChargeEfficiencyinCapacitiveDeionizationAchievedbySurface-TreatedElectrodesandbyMeansofaThirdElectrode)”(《物理化学期刊C》，2011年第115期第19856至19863页)中报道了尝试通过使用表面处理的活性炭纤维(ACF)电极以及借助第三辅助电极来提高CDI过程的充电效率。它们的CDI电池包括氧化电极(其用作负极)和未处理的活性炭电极(其用作正极)。作为第三电极，使用Ag/AgCl网状电极并将其放置在两个ACF电极之间。在ACF电极之间施加电势差之前，借助第三电极将正电极负极化。已经发现，尽管CDI电池的操作不对称，但其增加了脱盐过程的充电效率。Leonard等人在文章“使用纳米孔二氧化硅和镁掺杂的氧化铝的非对称电化学电容去离子材料的合成和表征(Synthesisandcharacterizationofasymmetricelectrochemicalcapacitivedeionizationmaterialsusingnanoporoussilicondioxideandmagnesiumdopedaluminiumoxide)”(《电化学学报》第54(2009)期第5286至5291页)中公开了使用非对称绝缘氧化物纳米颗粒作为CDI材料提高去除率，这是因为非对称绝缘氧化物纳米颗粒的尺寸小且表面电势相反。在CDI电池中，还使用了由饱和甘汞电极(SCE)组成的第三参考电极，以用于了解所施加的确切电化学电势。US2013/0146463A1公开了用于从水中去除离子的设备和方法。该设备包括在壳体中的至少五个电极的堆叠，其中电极中的三个被称为主电极并且电势差施加在每相邻的两个主电极之间。至少五个电极中的另外两个电极被称为浮动电极，并且各自位于至少两个相邻的主电极之间。浮动电极被构造为由于主电极之间的电势差而从水中吸引离子。由于在主电极之间施加的电势差，根据该设备的浮动电极将被极化，并且因此用作第一主电极的阳极，并且用作位于与第一主电极相对的侧面上的第二主电极的阴极。在CDI过程中，每个电极吸附反离子但也解吸共离子。这导致充电效率降低，因为一些能量被消耗用于不希望的解吸。因此，也已经尝试了离子选择性膜辅助的CDI。其目的是更有效地捕集离子物质以避免电极表面处不期望的共离子解吸，这附带地导致可用于反离子吸附的额外电荷。离子选择性膜的存在可改善CDI电池的离子去除效率。然而，这也导致设备的成本极大增加，并对要净化的水流和设备内的离子迁移产生阻力。US6,709,560和US2011/0042205A1公开了试图克服从电极解吸共离子的问题的此类设备的示例。CDI不仅适合于使水脱盐，而且还可以用于其它类型的水净化。例如，CDI可用于水软化。在此过程中，将要去除的离子可例如源自污染物CaCl2、MgCl2、CaCO3和MgCO3。JP2006305407描述了用于反硝化的水处理槽，其中所述槽包括三个电极，其中两个电极供应有交流高电压(10V至50V)，并且第三个电极接地，从而通过电解还原去除硝酸根和/或亚硝酸根离子。US2015/0064501公开了生物电化学系统(BES)，该系统的配置具有螺旋缠绕结构和框板结构，其可用于例如能量或化学生产和/或脱盐。然而，仍然需要进一步改善CDI过程中的离子去除能力，并且需要提供稳固且有效的脱盐设备。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种设备，该设备可以改善电容去离子的效率，以用于从水介质去除带电物质，同时仍然获得能量有效的过程。该目的和其它目的通过如在本公开和所附权利要求中提出的电容去离子设备或脱盐设备来实现。根据第一方面，电容去离子设备包括第一电极和第二电极，第二电极与第一电极相对。优选地，第一电极和第二电极通过布置在第一电极和第二电极之间的至少一个非导电间隔物彼此分开。任选的至少一个非导电间隔物被配置为允许水介质流动通过间隔物。设备进一步包括在第一电极和第二电极之间的第三电极。第三电极被配置为允许水介质从面向第一电极的第三电极的第一侧基本不受限制地流动到面向第二电极的第三电极的第二侧。此外，第三电极被配置为电接地，并且第一电极和第二电极被配置为相对于第三电极可以相反的电荷极化。优选地，第三电极由化学惰性且柔性材料制成。化学惰性的材料使其具有化学稳定性，并且与材料一起的柔韧性使其在卷成螺旋/圆柱形结构时具有物理稳定性。并不意图使从水介质去除的带电物质被第三电极吸附。相反，根据本专利技术的设备中的第三电极的目的在于使得能够在第一电极和第二电极之间基本上均等地控制和分布能量。因此，在使用电容去离子设备期间，第三电极电接地并且第一电极和第二电极各自相对于接地的第三电极以相反的电荷极化。这确保了电势在第一电极和第二电极之间基本上均等划分。由此，实现了基本上对称的阴离子和阳离子去除能力，这反过来防止了水介质的pH和化学性质的不期望的变化。此外，第三电极确保在第一电极和第二电极之间产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容去离子设备(10)，包括第一电极(2)和第二电极(3)，所述第二电极(3)与所述第一电极(2)相对，优选地，其中所述第一电极(2)和所述第二电极(3)通过布置在所述第一电极和所述第二电极之间的至少一个非导电间隔物(4、4’)彼此分开，/n其中所述设备进一步包括在所述第一电极(2)和所述第二电极(3)之间的第三电极(7)，所述第三电极(7)被配置为允许水介质从面向所述第一电极(2)的所述第三电极的第一侧基本无限制地流动到面向所述第二电极(3)的所述第三电极的第二侧，/n其中所述第三电极(7)被配置为电接地，并且所述第一电极(2)和所述第二电极(3)被配置为相对于所述第三电极(7)可以相反的电荷极化，以及/n其中所述第一电极(2)、所述第二电极(2)和所述第三电极(7)中的每一个均由化学惰性且柔性材料制成。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170621 SE 1750797-11.一种电容去离子设备(10)，包括第一电极(2)和第二电极(3)，所述第二电极(3)与所述第一电极(2)相对，优选地，其中所述第一电极(2)和所述第二电极(3)通过布置在所述第一电极和所述第二电极之间的至少一个非导电间隔物(4、4’)彼此分开，
其中所述设备进一步包括在所述第一电极(2)和所述第二电极(3)之间的第三电极(7)，所述第三电极(7)被配置为允许水介质从面向所述第一电极(2)的所述第三电极的第一侧基本无限制地流动到面向所述第二电极(3)的所述第三电极的第二侧，
其中所述第三电极(7)被配置为电接地，并且所述第一电极(2)和所述第二电极(3)被配置为相对于所述第三电极(7)可以相反的电荷极化，以及
其中所述第一电极(2)、所述第二电极(2)和所述第三电极(7)中的每一个均由化学惰性且柔性材料制成。


2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第三电极包括周向外周边缘，所述周向外周边缘具有与所述第一电极的周向边缘和/或所述第二电极的周向边缘基本相同的周向尺寸和形状。


3.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中所述第三电极具有环的几何配置，诸如圆环、矩形环、正方形环或八面体环。


4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第三电极被布置在距所述第一电极和所述第二电极基本相等的距离处。


5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第三电极由碳或碳基材料制成，优选地由活性碳布、石墨板或者一个或多个石墨烯片制成。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述第三电极以涂层的形式布置在非导电间隔物上，优选地在柔性非导电间隔物上。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述第三电极嵌入在单片非导电间隔物中，优选地在柔性单片非导电间隔物中。


8.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述第三电极印刷在非导电间隔物上，优选地在柔性非导电间隔物上。


9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述单片非导电间隔物被布置为在所述单片间隔物的第一侧表面处与所述第一电极直接接触，并且被布置为在所述单片间隔物的第二侧表面处与所述第二电极直接接触。


10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔伊迪普·杜塔，卡尔希克·拉克斯曼·昆贾里，
申请(专利权)人：斯德科尔摩沃德科技公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE