本发明专利技术涉及用于电化学水软化的转化材料。水软化装置包括被构造成容纳水的容器、被布置成与水流体连通的第一和第二电极、以及电源。第一电极包括具有第一组成和与第一组成共存的第二组成的转化材料。第一组成包括键合到其的钙离子并且第二组成包括键合到其的钠离子。在第一操作状态下，电源供应电流，使得第二组成用钠离子来交换水中的钙离子以产生软水溶液。在第二操作状态下，第一和第二电极连接使得第一组成用钙离子来交换水中的钠离子以产生废水溶液。转化材料进行可逆转化反应以在水稳定性窗口内在第一和第二组成之间转化。
Conversion materials for electrochemical water softening
【技术实现步骤摘要】
用于电化学水软化的转化材料本申请要求对提交于2018年10月22日的美国临时申请62/749,087的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
本公开涉及水的电化学处理，并且更特别地涉及用于电化学水软化装置的电极转化材料。
技术介绍
对于新鲜饮用水的需求量很大，并且由于人口增长而不断增大。该不断增长的需求为海水淡化和其他纯化（purification）活动创造了巨大的市场，特别是因为地球上可用的水绝大多数是“咸水”（约97.5％），其通常具有对于人类饮用来说过高的盐浓度。咸水包括海水和“半咸水”，“半咸水”含有的盐比淡水多但是比海水少。大部分留存可用的“淡水”被锁在冰（冰川和冰帽）中和地下。在世界许多干旱地区，淡水资源的稀缺和对额外供水的需要已经至关重要，并且在未来将变得越来越重要。存在用于从水中去除离子的各种各样的现有技术，每种技术都有其优点和缺点，这使得不同技术或多或少对于给定应用是合乎需要的。反渗透（RO）和现代热蒸馏是有效地全面、非选择性地从水中去除离子（即，去离子化）的技术。由于这些技术从盐中去除水，因此当初始离子负载很高时（诸如在海水淡化的情况下），这些技术是最有利的。然而，由于需要大量的能量输入，因此RO和热蒸馏技术受制于普遍较高的成本，使得通常不建议用这些技术来纯化具有较低离子负载的半咸水源。从水中去除离子的另一种技术包括诸如电渗析或电吸附之类的电化学技术。这些技术通常使用离子交换膜和/或高表面积碳结合所施加的电势以将离子从水中吸引到电极并限制解吸来从给水中去除离子。由于半咸水的纯化通常仅需要从水流中部分去除离子，因此电容去离子化（CDI）已被认为是用于从半咸水源中纯化水的有效的电化学工艺。CDI装置通常包括阴极和阳极。在纯化循环期间，阳离子加入到（addto）阴极，并且阴离子加入到阳极。下一循环施加电压以将离子冲洗出电极，从而排出杂质较多的废水。然后电极可用于下一纯化循环。扩展CDI以供半咸水源淡化之用的一个挑战在于识别能够在纯化循环中从水中取走氯（Cl—）和/或其他阴离子并然后在再生循环中可逆地释放它们的合适的阳极材料。尽管如此，淡化水以及来自传统安全来源（诸如市政水源）的淡水或来自水井的饮用水可能仍具有对于用水户来说较不合乎期望的质量。例如，这样的水在味道、气味、浊度、细菌和/或病毒污染、重金属污染、硬度、矿物质沉积和/或这些水质量参数的组合方面可能显著变化。水硬度的质量参数与给定体积的水中存在的钙离子（Ca2+）和/或镁离子（Mg2+）的浓度有关。钙和/或镁以盐的形式存在于水中，其通常可以硫酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐或氯化物的形式溶解。可溶性盐经常被离子化，使得水中含有相对高浓度的钙离子和/或镁离子。水通常根据硬度分类为“软水”或“硬水”。水越硬，每体积中钙和/或镁离子的浓度越高。硬水通常不合期望，因为硬水可能会导致管道系统、固定装置和家用器具中积垢，并可能影响这些系统和装置的性能。例如，来自热水加热器的热量从水中去除了一些碳酸钙和碳酸镁，导致积垢，这可能会减慢加热过程并增加能源使用。与硬水一起使用的清洁剂通常效果较差。用硬水洗过的衣服随着时间的流逝可能会变暗变灰，并让人感到粗糙或刺痛。玻璃器皿在干燥后可能会变得有斑点。在浴室的门或窗帘、墙壁和浴缸上可能会留有薄膜，并且用硬水洗过的头发可能看起来暗淡且感觉不干净。硬水在制造或工业环境中尤其成问题。从硬水中去除钙离子和/或镁离子的工艺通常称为水软化。水软化最常用的技术是离子交换。在离子交换软化系统中，软化装置在激活时使用离子交换树脂来用钠离子置换给水流中的钙离子和/或镁离子。离子交换树脂或沸石包含弱结合的钠原子，这些钠原子可以与钙交换以通过进行XNa2+Ca2+→XCa+2Na+反应使水“软化”。经由离子交换软化过的水确实有一些缺点。例如，离子交换树脂必须通过在高钠溶液（诸如氢氧化钠或极咸的水）中处理它们来定期进行重新填充。这需要用户采取措施来常规性地向系统加入盐以维持系统效率，这可能对用户是种负担。因此，需要被构造成以可逆方式去除钙或镁离子以供水软化工艺使用的电极转化材料。包括所述电极转化材料的水软化装置将会更加有利。
技术实现思路
在一个实施例中，一种水软化装置包括容器、第一电极和电源。所述容器被构造成容纳具有第一浓度c1的游离钙离子的水溶液。第一电极被布置成与所述水溶液流体连通。第一电极包括具有第一组成和与第一组成共存的第二组成的转化材料。第一组成包括键合到其的钙离子，并且第二组成包括键合到其的钠离子。所述电源被构造成在第一操作状态下向第一电极供应电流，使得第二组成用所键合的钠离子来交换所述水溶液中的游离钙离子并转化成第一组成，以产生具有第二浓度c2的游离钙离子的软水溶液。第一电极被构造成在第二操作状态下电连接到负载，使得第一组成用所键合的钙离子来交换所述水溶液中的游离钠离子并转化成第二组成，以产生具有第三浓度c3的游离钙离子的废水溶液。第三浓度c3大于第一浓度c1，第一浓度c1又大于第二浓度c2。在一个实施例中，一种用于水软化装置的转化电极包括具有第一组成和与第一组成共存的第二组成的转化材料。第一组成包括键合到其的钙离子，并且第二组成包括键合到其的钠离子。所述转化材料被构造成至少部分地浸没在水溶液中并进行转化反应，其中在所述转化电极的第一操作状态下，第一组成用所键合的钙离子来交换所述水溶液中的游离钠离子并转化成第二组成。所述转化反应是可逆的，使得在所述转化电极的第二操作状态下，第二组成用所键合的钠离子来交换所述水溶液中的游离钙离子并转化成第一组成。附图说明图1描绘了根据一个实施例的水软化装置的示意图，该装置被示出为处于第一操作状态，其中施加到该装置的电极上的电压使得转化材料用第一阳离子来交换水溶液中的第二阳离子；以及图2描绘了处于第二操作状态的图1的装置，在第二操作状态下，诱发（induce）电极可逆地用第二阳离子来交换水溶液中的第一阳离子。具体实施方式出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考在附图中例示出并在以下书面说明书中描述的实施例。应当理解，并不意图由此来限制本公开的范围。还应理解，本公开包括对所例示的实施例的任何变更和修改，并且包括本公开所属领域的技术人员通常会想到的本公开原理的进一步应用。图1和图2例示了被构造成从供水中去除离子的装置100。装置100包括具有转化材料108的第一电极104，转化材料108被构造成在装置的不同操作状态下经由可逆转化反应可逆地交换第一目标离子112和第二目标离子116。在所例示的实施例中，第一目标离子112包括阳离子Ca2+，尽管在其他实施例中，第一目标离子112可以是其他目标离子。在所例示的实施例中，第二目标离子116包括阳离子Na+，尽管在其他实施例中，第二目标离子116可以是其他目标离子。图1和图2中所示的装置100还包括第二电极106，其经由外部电路114可操作地电连接到第一电极104。取决于装置100的操作状态，第二电极106被构造为电子供体/受体，并且包括活性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水软化装置，包括：/n容器，其被构造成容纳具有第一浓度
【技术特征摘要】
20181022 US 62/7490871.一种水软化装置，包括：
容器，其被构造成容纳具有第一浓度c1的游离钙离子的水溶液；
第一电极，其被布置成与所述水溶液流体连通，第一电极包括具有第一组成和与第一组成共存的第二组成的转化材料，第一组成包括键合到其的钙离子并且第二组成包括键合到其的钠离子；以及
电源，其被构造成在第一操作状态下向第一电极供应电流，使得第二组成用所键合的钠离子来交换所述水溶液中的游离钙离子并转化成第一组成，以产生具有第二浓度c2的游离钙离子的软水溶液，
其中，第一电极被构造成在第二操作状态下电连接到负载，使得第一组成用所键合的钙离子来交换所述水溶液中的游离钠离子并转化成第二组成，以产生具有第三浓度c3的游离钙离子的废水溶液，其中c3>c1>c2。
2.根据权利要求1所述的水软化装置，还包括第二电极，其被布置成与所述水溶液流体连通，其中，所述电源被构造成在第一操作状态下向第一和第二电极供应电流，并且其中，在第一操作状态下的第一和第二电极的电压在-1.0V至1.5V的范围内。
3.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，所述转化材料包括由铜、铁、镁、锰、镍、磷、硅和氧中的至少两种或更多种组成的化合物部分，第一组成的钙离子和第二组成的钠离子分别键合到所述化合物部分。
4.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，第一组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，并且第二组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，其中X是Cu、Fe之一或Cu和Fe的混合。
5.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，第一组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，并且第二组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，其中x是1或2之一。
6.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，第一组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，并且第二组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，其中x是2或3之一。
7.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，第一组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，并且第二组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，其中x、y和M具有下表的任一行中的值：
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8.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，第一组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，并且第二组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，其中x、y、z和M具有下表的任一行中的值：
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9.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，第一组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，并且第二组成包括至少10重量百分比的由化学式表示的化合物，其中x和y具有下表的任一行中的值：
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10.根据权利要求1所述的水软化装置，其中，第一组成...
【专利技术属性】
技术研发人员：MC科恩布卢思，J迈洛亚，S金，G森索尼德策，B科青斯基，S库潘，S黑尔斯特龙，N克雷格，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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