CN100489160C - 电荷阻挡层流通电容器 - Google Patents

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Abstract

流通电容器(15)提供有一个或更多电荷阻挡层(3)。当离子在充电周期中被排出进入提纯通道时，陷落在流通电容器(15)的孔隙体积中的离子导致效率低。电荷阻挡层(3)将这些孔隙体积离子保持在所需流体的一侧，从而增加流通电容器(15)利用其提纯或浓缩离子的效率。

Description

电荷阻挡层流通电容器
政府合约
本发明在遵循与美国国防部高级研究计划局(DARPA)合约的条件下取得资金，合约号为第DAAD 19-99-C-0033号。美国政府在本发明中可以享有一定的权利。
技术领域
本发明涉及对流体去离子或净化的一种流通电容器。
背景技术
本发明涉及流通电容器，用于去离子例如水溶液之类溶液，对浓缩溶液具有改进操作，包括例如海水的低能脱盐之类的应用。
去离子水的技术包括电去离子和流通电容器。术语电去离子包括电渗析和连续电去离子作用，通常指一种使用电极通过位于阳极和阴极的阳极液室和阴极液室中的氧化还原反应将电子电流转变为离子电流的方法或设备。通常地，离子电流被用于离子耗尽(ion-depleting)室中的去离子，而阳极液室、阴极液室或氧化还原产物都不参与去离子过程。为了避免污染并允许在电极间存在多个耗尽室，离子浓缩(ion-concentrating)室和离子耗尽室通常与阳极液室和阴极液室分离。为了最小化电极处氧化还原产物的形成，电去离子设备通常包括夹在端电极对之间的多层离子浓缩室和离子耗尽室。
现有技术系统的一个缺点是由于在电极间使用多室层导致能量损失，从而产生电阻。这是现有技术电去离子设备的基本事实，并是其区别于流通电容器的特征之一。
流通电容器在许多其它方面也与电去离子不同。区别之一是流通电容器在不发生氧化还原反应的条件下提纯水。电极静电吸附和脱附杂质，因此电极(阳极和阴极)直接参与去离子，并位于离子耗尽室和离子浓缩室的其中之一或两者内。阳极液和阴极液被部分地或大量地包含在多孔电极内。电子电流通常不是通过氧化还原反应改变。代替地，电荷通过静电吸附被传送。
但是，现有技术的流通电容器在高离子或杂质浓度下变得能量不足和不切实际。这种情况的原因归咎于电极中的孔隙体积。存在于孔隙体积中的被溶解的抗衡离子(counterion)盐吸附在电极上，而孔隙体积同离子(coion)盐被排出电极。这具有双重有害影响。抗衡离子占据电极中的电容。因而此数量的电荷保持电容不能用于给用水提纯流中的离子提纯。从电极排出的同离子进入给用水提纯流并利用额外的离子污染它。这种影响随浓度增加变得恶化。流通电容器通常再生在进料浓度的液体中。当提纯一种浓缩液体时，在应用电压或电流之前，离子被被动地带进孔隙中。一旦应用电压，这些离子在提纯过程中被同时地吸附和排出。提纯仅当超过孔隙体积离子的过量进料离子被电极吸附时可以发生。这对流通电容器的经济(economy)设置实际上限，通常地，在大约百万分之2500至6000(ppm)的范围内。现有技术的流通电容器同时需要较慢的流动速率和较高的能量使用率。超过6000ppm，所需要的能量使用率通常大于1焦耳每库仑溶解离子，这使得现有技术的流通电容器能量太密集而不实用。因为由这些孔隙体积损失导致的能量不足，去离子具有大约35,000ppm离子浓度的海水，变得不适于去离子。在所有浓度下都发生孔隙体积损失，但是在较高浓度下变得更严重。说明孔隙体积损失的另一方式是其导致离子效率减小。离子效率被定义为提纯离子的库仑与所使用电子的库仑之比。
因此，存在改进流通电容器的离子和能量效率的需要，特别是当处理离子浓度超过2500ppm的溶液时。流通电容器还存在另一需要，以小于1焦耳每库仑提纯离子电荷的能量使用率提纯溶液。离子效率为每库仑所使用电子提纯的离子电荷的库仑量，应该为50％或更多。
发明内容
已经发现放置在流通电容器的电极附近的电荷阻挡层可以补偿由孔隙体积离子的吸附和排出导致的孔隙体积损失。利用本发明的电荷阻挡层流通电容器，水的提纯，包括海水浓溶液，例如35,000ppm NaCl，已经观测到小于1焦耳每库仑提纯电子的能量水平，例如0.5焦耳每库仑提纯电子，并具有超过90％的离子效率。
这里所使用的术语“电荷阻挡层”指一种渗透性或半渗透性并能保持电荷的材料层。孔隙离子被保留或陷落在带同样电荷的离子或同离子朝其迁移的电荷阻挡层一侧上。这种电荷阻挡层材料可以是具有导电低电阻-电容(RC)时间常数的层压板，一种电极材料，或者可以是选择性渗透即半渗透性膜，例如阳离子或阴离子选择性渗透材料，如阳离子交换膜或阴离子交换膜。电荷阻挡层可以具有单极性、两极性、或者可以是双极。通常地，电荷阻挡层通过形成离子浓缩层起作用。形成离子浓缩层的作用是平衡或补偿通常与孔隙体积离子相关的损失。这种作用允许离子效率的较大增加，而这又允许浓缩液体的能量有效提纯。
根据本发明的一方面，提供了一种流通电容器，其包括：a)多个电极；和b)位于所述多个电极的两个电极之间的第一电荷阻挡层。
附图说明
图1是本发明的流通电容器的一般示意图，表示电荷阻挡层、电极、可选的集电器、和流动通道隔板(spacer)的放置。
图2是本发明的流通电容器的一般示意图，包含与相邻或下面电极相同极性的电荷阻挡层，并表示出正被提纯或浓缩的离子，并显示电场中的离子迁移方向。
图3表示在放电周期中图2的流通电容器，说明浓缩离子被释放进入位于电荷阻挡层间的流动通道。
图4是本发明的流通电容器的一般示意图，包含与相邻或下面电极相反极性的电荷阻挡层，并表示出正被提纯或浓缩的离子，并显示电场中的离子迁移方向。
图5为图4的流通电容器的放电周期的一般示意图，其说明位于中心的流动通道如何通过沿电荷阻挡层向电极的离子迁移而被提纯。
图6为本发明的流通电容器的叠层一般示意图。
图7为本发明的流通电容器的双流动通道一般示意图，具有密封剂以同时分离提纯和浓缩液流。
图8A为含有横向流动通道的本发明的流通电容器的一般顶视图；
图8B为含有横向流动通道的本发明的流通电容器的前剖面一般示意图；
图8C为本发明的流通电容器的顶剖视图，表示电荷阻挡层和流动隔板；
图8D为含有横向流动通道的本发明的流通电容器的侧剖面一般示意图；
图9的曲线图表示由本发明的流通电容器在周期中操作时所产生的数据，并以按照图2、3、4和5所示顺序的极性由充电和放电表示。
图10为本发明的流通电容器的一般示意图，表示导电电荷阻挡层至独立的DC电源而不是电极的固定。
图11为本发明的流通电容器系统的示意图。
具体实施方式
本发明的电荷阻挡层流通电容器、阳极液室和阴极液室可以与离子耗尽室或浓缩室集成，或者它们可以是分离室。流通电容器中的电极被隔离开或者通过隔板被分离。隔板可以是任何离子可渗透、不导电材料，包括膜、多孔材料和无孔材料(见1998年5月5日发布的美国第5,748,437号专利)。隔板可以限定流动通道(见1996年8月20日发布的美国第5,574,581号专利)，或者可以为双层隔板材料，在层间含有流动通道(如第5,748,437号美国专利)。提纯和浓缩可以在隔板、电极两者之一中或两者中都发生，根据流动通道的几何形状而定。例如，在使用如上所述的双分隔层的流通电容器中，离子耗尽室、提纯室、或者浓缩室可以位于隔板层间。1993年3月9日发布的第5,192,432号美国专利说明多孔电极材料的使用。在这种情况下，离子耗尽或者离子浓缩将直接在电极自身中发生，目的是影响液体的提纯或者浓缩。但是，在这两种情况下，电极直接涉及提纯过程。电极被用于吸附或者释放电荷，并且通常地，不通过电去离子技术中常用的氧化还原反应将电子电流转变为离子电流。在任何情况下，在每对电极间仅仅需要单个、分别隔开的浓缩或离子耗尽层。因此，已经去离子的流通电容器的优点之一是通过氧化还原反应浪费的能量较小并且具有较小的内电阻。
在本发明的流通电容器中，电荷阻挡层可以仅具有一层或者电荷阻挡层可以具有两层或更多层。离子选择膜也可以用于选择所感兴趣的特定离子种类。其中电荷阻挡层为一种选择性渗透膜，可以是任何膜，例如，一种无纺、纺织、或半渗透性板材。用作电荷阻挡层的材料示例在市场上可以买的到，例如，Raipore 1010和1030、Tokuyama Soda  CM-1和AM-1(
Figure C01823156D00122
为日本Yamaguchi郡Mikage-cho市的Tokuyama公司的注册商标)、和Selemnion牌阴离子及阳离子交换膜。这些膜可以通过薄板(web)支撑，或者可以制造、铸造或集成固定至电极材料。也可以使用双极膜。
其中电荷阻挡层材料是一种低电阻-电容(RC)时间常数材料，这种材料可以是一种离子可渗透、导电、多孔或无孔板材，例如，导电膜，导电聚合物板材，碳纤维材料，或者以无纺或者以纺织形式，例如织布形式，活性碳布，纳米管，碳或石墨纸，气凝胶，金属网或纤维，多孔石墨或金属箔，活性碳，和碳黑板材，包括与聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂结合在一起的碳。这些导电材料也可以与阴离子及阳离子交换膜所共有的相同离子带电基(ionically charged groups)衍生(derivatized)。
这些低RC时间常数、导电电荷阻挡层材料的示例为一种低表面积、低电容、与PTFE结合的碳黑。例如，可以使用电容小于20法拉/克或30法拉/平方厘米(如在浓硫酸中测量的那样)的材料。可以在电极和电荷阻挡层材料之间放置一种不导电、离子可渗透隔板，以促进反向电场的形成。在这种情况下，电荷阻挡层材料可以含有整合的导线，或者可以含有其自己的带导线的离子可渗透集电器。这些导线可以与电极导线并联通电，或可以通过单独的电源驱动。可选地，此单独电源可以被设定为电压高于连接至电极的电源。
在这种方法中，电荷阻挡层材料包含高于电极材料的电压。分离电源的优点之一是电荷阻挡层材料可以保持永久带电，或者可以被充电至高于电极材料的电压，从而提高反向电场。此反向电场为孔隙体积离子形成电荷阻挡层，从而增加流通电容器的离子效率。此外，可以为电极和电荷阻挡层使用相同的电源。可选地，电阻可以添加至电极导线电路。
用于现有技术的流通电容器的任何电极可以被用作下面的电极材料。例如，小颗粒尺寸碳具有较低的串联电阻。小于10微米例如1微米或更小的碳颗粒，可以与PTFE或其它粘合剂形成电极板，并被轮压或挤压为厚度小于0.02英寸的板状电极，具有低串联电阻，小于40ohm cm2，其中为cm2是隔板面积。
电荷阻挡层材料最好可以与电极结合。在这种方法中，电极自身提供结构和强度，因此可以使用薄、强度弱的电荷阻挡层。例如，一种电荷阻挡层离子交换材料的薄涂层可以被直接应用于电极上。此外，电荷阻挡层材料可以被直接地渗进电极，特别是在电极为多孔或拥有孔隙的情况下，如第6,214,204号美国专利中所述。一种优选实施方式是提供一种碳电极，其具有大于第一表面积孔隙的第二孔隙结构。可以利用阴离子或阳离子交换材料涂覆或渗入这些大的第二孔隙。由于电极提供强度，电荷阻挡层材料上的离子交换基可以被支撑在水凝胶上，例如聚丙烯酰胺或多糖材料。适当的离子交换膜组成和离子基可以包括，例如，全氟化(perfluorinated)膜、NAFIONTM、羧酸盐或磺酸盐聚合物、全氟化磺酸(perfluorinated sufonicacid)，苯乙烯和二乙烯基苯、烯烃(ofefins)和聚烯烃的混合物，或者与多种离子基，包括卤化磺酰(sulfonyl halide)、胺、二胺、胺化聚砜、羧基、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、螯合剂、乙二胺四乙酸(EDTA)、氰化物、亚胺、聚乙烯亚胺、氨基化合物、聚砜、或者其它任何固定离子基衍生的任何聚合物，可以被用作电荷阻挡层材料。又见，Thomas A.Davis等人，A First Course In Ion PermeableMembranes(1997年，英国，Hants，电气化学咨询)。
本发明的具体优选实施方式是将电荷阻挡层结合入电极结构内。可以使用任何具有通孔或者多孔结构的电极材料。多孔结构可以包括孔隙尺寸的组合，例如，大孔隙、微米级孔隙或更大，与中(meso)或小孔隙组合，以改进电极中的离子导电性和表面积的可达性。电荷阻挡层材料可以被渗入此微孔结构，以形成组合电极-电荷阻挡层材料，其可以被用作以隔开的电极或具有任何流动隔板。
图1是电荷阻挡层流通电容器的一般示意图，含有电极2、电荷阻挡层3、隔板4和可选的集电器1。电极2由高电容材料制成，此材料最好具有超过每克1法拉或者每立方厘米1法拉的电容(在浓硫酸中测得)。电荷阻挡层3可以是任一极性和或者彼此相同极性或者相反极性的选择性渗透膜。电荷阻挡层3也可以是双极膜。电荷阻挡层3也可以由具有低于下面电极2的RC时间常数的电极材料制成，或者在制造过程中直接层压并集成至电极2上，或者简单地分离放置在一起。对最好的结果而言，此电极材料应该具有至少相当于电荷阻挡层3的RC时间常数两倍高的RC时间常数。为了改进电荷阻挡层3的性能，下面电极的电容应该被降低，或者下面电极2的电阻应该相对于电荷阻挡层3的材料被增加。理想地，可以通过增加电容而不是通过增加电阻调节电极2的RC时间常数，以具有低串联电阻、高能量效率的电容器。因此电荷阻挡层3可以具有低于下面电极2的RC时间常数，电荷阻挡层3的电阻或电容可以相对于电极2被降低。但是，改变任一数值将足以改变RC时间常数。在这种层压电极2的充电过程中，RC时间常数较低的材料向外面对流动通道隔板，外部的低RC时间常数电极2首先充电。这产生位于电极2内的反向电场，其在阳极和阴极电极2之间的电场的相反方向。此反向电场保持陷落入电极2的孔隙体积离子。
为了保持电荷中性，抗衡离子迁入电极2，在其中它们形成含所陷落的同离子浓溶液，从而增加离子效率。隔板4可以由限定流动通道的任何材料制成，或者其可以仅仅是离子可渗透且电子绝缘的电极2的阳极和阴极对之间的空间，而流动通道5通过隔板4限定，在隔板4内，或者在隔板4与电极2间的层中。此流动通道5可以由模压入隔板4或电极2中的槽或肋形成。此外，隔板4可以为任何形状的开口网、过滤器、微粒或丝网印刷材料，该材料起到间隔电极2层并允许流动通道5的作用。隔板4可以为双层材料，在层间具有流动通道5。要求流动隔板4较薄，例如厚度低于0.01英寸。此外，要求双层电荷选择性渗透膜或膜与流动隔板的组合较薄，例如，厚度低于0.02英寸，并且最好厚度低于0.01英寸。如果电荷阻挡层3为选择性渗透膜，极性可以相同，或者负或者正，或者可以各为一极性，也就是说，一负和一正。为了限制串联电阻，电极2也应该较薄，例如厚度低于0.06英寸，例如厚度为0.02英寸或更小。层间的间隔也应该较薄，例如低于0.06英寸，例如0.01英寸或更小。限制泄漏很重要，因为这排出负责保持电荷阻挡层的电荷。
漏电阻最好超过100ohm cm2，例如超过1000ohm cm2，并且串联电阻最好低于50ohm cm2，通过当应用1volt至由0.1M NaCl平衡的单元时记录瞬时电流而测得。上述ohm cm2中的cm2指电极2的端面面积，与隔板4面积相同。漏电阻对串联电阻的比率应该超过100，例如超过300。
可以根据不污结特性选择电极2的材料。例如，易于被动吸附有机物和多种离子的活性碳。可以选用的碳黑表现被动吸附污染物(foulant)的较小倾向，此污染物导致活性碳电极2所具有的问题。碳黑也可以与氟基衍生，以使得其被动吸附性较小。但是，为了处理聚芳香烃(polyaromatic hydrocarbon)、三卤甲烷和其它有机物，可以在电极2中选择被动吸附行为。一旦被被动吸附，此电极2材料可以被电化学破坏。为了促进被动吸附，最好提供通过集电器1和电极2的流动孔隙，以使非离子物质可以通过所经过的对流流动暴露至电极2。电荷阻挡层3材料也可以为选择性渗透膜，例如阳离子、阴离子或离子特定膜材料。
本发明的流通电容器可以作为分离的电绝缘单元(cell)被串联电连接。这些单元被搭建在相同的平面叠层中或者在螺旋层、流通电容器中。例如，包含多个电极对和其它层的单单元可以在电极2层端上拥有离子绝缘元件。此离子绝缘元件可以导电，以在此离子绝缘层的相反侧上形成从一电容层至下一电容层的电串联连接。多个单元可以同心螺旋被卷起，以形成在层间含有平行流动通道的电串联连接流通电容器。此单元为任何布置的层，其包括带有相同电压的电极2平行对。通过串联层叠单元，电压沿叠层加和，并因而被增加，以利用价格较低、电压较高、电流功率(amperage power)较低的优点。例如，480至600volt的叠层对使用而言很理想，具有直接从传输线接收的功率，不需要变压器来降低电压。
图2表示本发明的流通电容器，其包含电极2和电荷阻挡层3。在这种情况下，电荷阻挡层3或者含有RC时间常数低于电极2的材料，或者电荷阻挡层3为与相邻电极2极性相同的选择性渗透膜。当应用电压时，阴离子和阳离子被分别从阳极和阴极中排出。图2中离子运动通过水平箭头和弯曲箭头显示。这些离子被排出并靠着电荷阻挡层3陷落，如果其由低RC时间常数材料制成，具有以电荷形式的同样极性，或者如果其为选择性渗透膜，具有与以束缚电荷形式的与相邻电极2同样的极性。来自流动通道5，例如中心流动通道的离子沿选择性渗透膜迁移，以平衡这些被陷落离子的电荷。结果，在围绕电极2的室中形成离子浓溶液。离子被从流动通道5耗尽，允许提纯水退出流动通道5。在静电吸附在其相应电极2上的孔隙体积中已经存在抗衡离子。但是，这占用吸附点，由所陷落离子和由电荷抗衡离子形成的浓溶液补偿吸附能力的任何损失。
实质上，电荷阻挡层3形成保持电极2内部同离子的反向电场。为了平衡电荷，抗衡离子迁移入电极室，其中它们形成浓溶液，因此，允许改进离子效率的流通电容器，例如30-99％。
图3代表其被放电之后的图2的流通电容器。脱附离子与已经浓缩在电极2中的离子一起被作为浓缩物(concentrate)放电。流动通道5可以由隔板元件(未显示)形成。隔板4可以由直接模压入电极2的流动图案形成，或者由分离流动通道5形成隔板4(如图1所示)，例如，没有限制，开口网材料、丝网印刷突起或肋、或者无纺过滤器材料。
隔板4可以被结合入一个或更多流动通道5中。流动通道5可以作为两种类型存在，即在电荷阻挡层3层间或者在电极2和电荷阻挡层3间，或者这两种类型的流动通道5可以同时存在，每种类型与其它类型隔离。同时两种类型的流动通道5允许同时提纯和浓缩。
图4表示具有与电极2相邻的双选择性渗透膜的流通电容器，其中相邻膜与电极2的极性相反。这可以仅通过反转图2中的电容器极性在电子学上完成，例如，如果在改变极性充电周期中操作电容器。在图4的电容器中，在应用电压的过程中离子浓缩入膜间的空间。流动通道5可以被中心、或两侧、或两侧和中心同时设置。在应用电压的过程中浓缩物被从中心流动通道5释放。如果侧和中心流动通道5被密封垫或密封剂隔离，那么提纯水可以被从侧流动通道5回收，同时浓缩水被从中心流动通道5回收。
在图5中，提纯水被从中心流动通道5中收集。这种机制是由图4的放电电容器事实引起的，其具有与电极2相邻的相反充电的选择性渗透膜，与图2的充电电容器同样，具有与电极2相邻的类充电选择性渗透电极2。当图4的电容器被放电时，可以做有趣的观测，放电抗衡离子被陷落在电极2和膜间，其中它们从中心通道提取离子进入侧通道，以保持电中性。如果也提供隔离的侧流动通道5，可以同时回收浓缩液流。
通过设置如图2和4中所示的分离的流动通道5，流通电容器同时提纯和浓缩。本发明流通电容器也可以含有由相反或相同极性选择性渗透膜构成的中心流动通道5。在相反极性膜的情况下，流通电容器可以交替充电极性被循环。这种情况通过图4所示的电荷极性表示，随后是图5所示的放电周期，随后是图2所示的极性(图4的反向)，随后是放电周期。这种情况产生连续的两个提纯周期，随后是连续的两个浓缩周期。因此，本发明的流通电容器可以人工地延伸单元提纯花费的时间长度。根据膜的取向，提纯或浓缩可以当电压上升或电压下降时发生。这显著区别于现有技术的流通电容器，当应用任一极性的电压时表现提纯作用，与改变电压，例如从负至零相反。
图6表示本发明的叠层电容器。沿中心流动孔隙8布置材料层。材料层可以为由电极2、电荷阻挡层3材料(或者较低RC时间常数的电极2材料或者相同或相反极性的选择性渗透膜)构成的盘、正方形、或者多边形。可选地，隔板4形成中心流动通道8。隔板4可以由例如任何开口网、无纺布、松散应用的微粒材料、丝网印刷突起、或肋制备。
图7表示修改以使允许多个流动通道5的本发明的层电容器。电荷阻挡层3被使用选择性渗透膜制备。选择性渗透膜3被密封至电极2以形成两交替流动通道。一流动通道24在选择性渗透膜对与外流孔隙26间流动。另一流动通道25在电极2和电荷阻挡层3间流动，并随后通过分离的流动孔隙27流出。此电容器具有由密封9形成的两个分离的出口，但不需要分别地密封入口。可选地，可以分别密封入口以允许反洗。密封9可以通过使用将层密封在一起的例如垫圈、密封垫、胶、或树脂材料完成。可选地，电极2可以具有扩大的中心孔隙10，以使仅需要在两电荷阻挡层3间，而不是在电荷阻挡层3与电极2间进行密封。电荷阻挡层3与电极2的叠层可以在特定单元内被重复任何次数。典型地，在电极2为端电极的情况下，其可以为单面；反之，在电极2为内部的情况下，可以为双面，例如在相同单元的集电器1的两侧上。
图8A、8B、8C和8D代表由电极2的平行矩形层、隔板4组成的本发明的流通电容器，隔板包括例如位于电极2和密封9间允许电子绝缘流动通道5的流动隔板，例如形成两组分离、集管式的(manifolded)流动通道5的密封垫片。电荷阻挡层3，或者与密封9一起可以起到密封垫的作用。流动槽10可以被插入电荷阻挡层3的一端。这在两层电荷阻挡层3间形成集管流动通道23。显示在入口的隔板4可以被放置在电荷阻挡层3之间，以形成流动通道5。密封板11为保持由电荷阻挡层3的多层形成的整个流通电容器盒的盒座(cartridge holder)的一部分。与上述流动通道5横向的第二组流动通道5被形成在电极2和电荷阻挡层3间。这些流动通道5可以由位于此空间内的另一组隔板(未显示)形成，或者可以由直接模压入电极2或者电荷阻挡层3中纹理图案形成。流动通道5可以由网、具棱的微粒、微突起、或菱形图案形成，例如，突起或压花图案以形成流动通道5。任何层可以包含流动通道5或者可以为纹理化，或者具有开口、孔隙、或者隔板以形成流动通道5。流动图案可以，举例说来，由模压入0.01英寸厚的电极2中的0.005英寸的菱形图案中0.001英寸深的槽构成。这些横向流动通道5被同样汇集在一起进入公共入口和出口。在这种方式中，同时浓缩和提纯后的液流可以被装进流通电容器中或从其中收集。
图9表示由电容器中所获得数据的曲线图，此电容器被以如图2所示的充电次序充电，如图3所示放电，设定电极2的极性以使如图4所示充电，并随后如图5所示放电。在这种情况下注意如何提纯当电压上升时发生，和浓缩当电压下降时发生。
图10表示在本发明的流通电容器中电荷阻挡层3的层的布置，其中电荷阻挡层3为具有低于电极2的RC时间常数的导电材料。电荷阻挡层3与电极2的RC时间常数比率应该大于因子2，并最好大于4，比如举例说来10。
电极2通过导线12被连接至DC电源13。导线12可以与电极2集成，或者可以被固定至分离的集电器层(未显示)，在这种情况下电极2可以在集电器的两侧上。隔板4，例如离子导电、电绝缘隔板或流动隔板，将电极2从导电、低RC时间常数的电荷阻挡层3上分离。分离的电源14通过其导线12连接至电荷阻挡层3，以将电荷阻挡层3充电至比下面的电极2更高、可变、或恒定的电压。“下面”指阳离子6和阴离子7的迁移方向。阴离子7被保持在包含左负电极2和隔板4的室中。这导致阳离子6通过电荷阻挡层3迁移，其中其与阴离子7一起形成浓溶液。在流通电容器的另一侧发生相反的情况。
图11表示一组流通电容器15和分离的提纯与浓缩液流。流通电容器15与导线12串联流体(fluidly)电连接。DC电源13提供电压和选择的恒定或可变电流至电容器15组。控制器、逻辑、和开关仪器20提供交替极性充电周期和放电周期。传导控制器22监测提纯液18的出口液浓度，以提供数据，利用此数据操作逻辑仪器20和阀部件16，其开关液流以分离废液17和提纯液18。可选地，支持(hold-up)箱21在提纯液18可变或间歇的情况下调节流量。可选地，部件19可以被放置在电容器15的上游，以预处理水。部件19可以是已知处理水的任何技术，例如反渗透、微或超滤、碳滤、絮凝、电解沉积、或添加化学物等的部件。例如，最好添加将水预消毒(presterilize)的化学物通过另外的混合物添加，此化学物可以被进一步减少或氧化为盐形式，然后被以其盐形式从流通电容器15中去除。预处理部件19也可以被用于后处理，通过将其放置在出口提纯液18中流通电容器的下游。
本发明的流通电容器可以用于离子交换、电渗析、或反渗透、或流通电容器所共有的任何系统构造，包括排放和进料、批量或连续方法。
实施例
实施例1
使用由95％的碳黑和5％的聚合物PTFE或类似聚合物构成的电极制备图10的流通电容器。电荷阻挡层由选择性渗透膜构成。在图10的电容器中，阳离子交换膜，例如含有固定苄磺酸基的RaiporeTM 1010膜，被放置在接触和靠近负电极的位置。阴离子交换膜，在这种情况下，含有固定苯四甲基铵基的RaiporeTM 1030膜，被放置在接触和靠近正电极的位置。厚度为0.003英寸的过滤网被放置在两相反充电的选择性渗透膜之间，以形成流动通道。电容器被以恒定电流充电，达到1volt的电压极限。在膜间流动的海水被提纯至12％。为了达到99％的纯度，使用串联的多个电容器，或者使用系列流动阶段以将盐度降低至6000ppm。附加的流通电容器，例如，反渗透系列阶段可以被用于进一步将剩余的盐度降低至250ppm。
实施例2
以小于1毫升/分钟/克碳的流动速度，例如0.1毫升/分钟/克碳，使用实施例1的流通电容器，以获得35,000ppm盐溶液的大于90％的纯度。
实施例3
实施例1的流通电容器被通过电感器连接，以在放电过程中回收能量。此能量被用于在其提纯周期过程中充电第二电容器。两电容器的最大充电电压被保持低于0.7volt，以最小化能量消耗。电容器可以被以恒定电压、恒定电流，或者以恒定增加电压、或恒定增加电流充电。可选地，电容器可以被串联充电，以增加最大能量回收和电源效率的电压。
实施例4
通过使用活性碳黑作为电极制造图11的流通电容器。一种低RC时间常数材料，例如碳纤维、纳米管网、或低电容活性碳布气凝胶，被用作电荷阻挡层材料。含5000ppm矿物质和盐的水以小于20毫升/分钟/克碳的流动速度通过此设备，流动速度被向下调节以获得95％的纯度。流动速度可以被进一步下降到充电周期，以保持所需水平的纯度更长的时限。一旦纯度水平下降至低于80％，电容器通过能量回收电路被放电。此能量被添加至来自DC电源的能量并被用于充电另一电容器，此电容器当第一电容器正释放杂质浓缩液时提纯。
实施例5
实施例4的流通电容器可以通过燃料电池驱动。
实施例6
利用低表面积碳黑制作流通电容器，在300和900 BrunauerEmmett Teller方法(BET)的范围内，根据不易于被动吸附杂质从而污染流动通道选择。电荷阻挡层材料为。流动布置为如图7和8A、8B、8C和8D所示的双流动通道设备。通过分离两电荷阻挡层材料在其之间形成一流动通道。一对侧流动通道位于中心流动通道的两侧上。这些侧流动通道也通过在电极和电荷阻挡层材料之间放置隔板被形成。选择性允许阴离子通过其迁移的膜(阴离子选择性渗透，因为其含有束缚(bound)正电离子基)，被最初放置在负电极的一侧上，在其中间有流动隔板。选择性允许阳离子通过其迁移的膜(阳离子选择性渗透，因为其含有束缚负充电离子基)。在此充电周期中，提纯水被从中心流动通道的出口回收。同时，浓缩水被从面对侧流动通道的电极中回收。
相同的流通电容器可以随后被放电。浓溶液被从中心流动通道中回收。电容器可以这种极性次序反复地运行。此外，极性可以被反转。反转极性放置选择性渗透膜在靠近反向充电电极的位置。这意味着在充电周期中浓缩液被从中心流动通道中回收。同时，提纯液可以被从侧流动通道中回收。随后，流通电容器可以被放电。在放电周期中，提纯液被从中心流动液中回收，而浓缩液被从侧流动通道中回收。
实施例7
利用一种微小颗粒尺寸的活性碳粉电极与5％PTFE粘合剂结合在一起制造流通电容器。电荷阻挡层材料为一种厚度0.001英寸的导电聚合物涂层。十个电荷阻挡层被以7-volt电容器串联组连接。以0.7焦耳每库仑的能量消耗将35,000ppm的海水处理至500ppm。在电容器放电过程中利用电感线圈回收70％的能量，以再充电第二组串联电容器。
实施例8
在使用表面积为500平方米每克的边刨(edge plane)石墨作为电极的流通电容器中，阴离子和阳离子交换膜被用作电荷阻挡层。一对附加双极膜被放置在阳离子或阴离子交换膜与电极之间。流动隔板被放置在所有上述层之间，或者仅在阳离子和阴离子交换膜之间。所得到的单元可以被用于任何双极膜电渗析的应用中，但是在电极处没有氧化还原反应，例如，从发酵培养基中回收有机酸、蛋白质、或生物分子。另一应用是从烟道气中回收SO2或NO3。
实施例9
使用一种有高电容电极材料构成的电极制造流通电容器，例如高表面积碳布、或边刨石墨、或与有原纤维的PTFE结合在一起的碳黑颗粒。分别选择用于迁移阳离子和阴离子的膜被放置在接触电极的位置。由任何分离部件，包括厚度在0.01英寸以下的双面过滤网、丝网印刷突起或肋、或者具有菱形图案的预制流动通道结构的膜，形成中心流动通道。初始充电次序为恒定电流，根据低I2R能量损耗选择，其中“I”为安培而“R”为电串联电阻。选择0.6volt的上充电电压以最小化提纯给定量离子所需的能量数量。如下述执行充电周期：
在第一充电周期中，电极与膜内部的固定电荷的极性相同。从电极的孔隙体积排出的同离子被膜陷落。这导致中心流动通道中的一定量的抗衡离子通过膜迁移，其中它们在电极层中形成浓溶液。这抵消通常由溶解孔隙体积盐的吸附和排出引起的损失。因此，离子效率，如通过用提纯离子电荷的库仑除以所使用的电子电荷的库仑所测量的那样，大于30％。在这种情况下，对35,000ppm的盐而言，离子效率为85％，并且能量损耗为0.35焦耳每库仑电荷。
下一周期为放电周期，其中浓缩废液被释放进入供入中心流动通道的原料流中，并从出口回收。放电之后的下一周期为反转极性充电。这里，膜上的束缚电荷与电极上的电子电荷相反。离子被从电极驱动至相邻膜，但是不能通过第二膜迁移。因此，浓溶液在中心流动通道中形成并被通过出口释放。一旦从这一极性放电，离子从中心流动通道迁移返回电极室中，从而提纯原料流。随后的周期返回至开始。这些周期可以被重复所需的次数。上述的数据的示例显示在图9中。图9表示实施例7中的充电周期的基本有效性(underlyingusefulness)。注意两提纯周期连续发生。同样地，两浓缩周期连续发生。这种提纯或浓缩的对接人工地延伸电容器执行特定提纯或浓缩周期的时间长度。
实施例10
图11的流通电容器被用于制造超纯水，例如18 megaohmscm。可以利用一个或更多微滤(microfilitration)单元、软水剂，并随后通过反渗透单元预处理水。可以利用例如去离子树脂的抛光床(polishing bed)后处理水。流通电容器从去离子床中去除一些或所有溶解固体，从而延长去离子床的寿命。
实施例11
图11的流通电容器可以被用于预处理已经通过反渗透预先处理的海水。通过反渗透海水的盐度最初被从35,000ppm降低至10,000ppm。随后，使用流通电容器处理进一步将盐度降低至250ppm。反渗透和流通电容器的结合使用对海水脱盐需要15KW小时每千加仑，这相比单使用反渗透节省30％的能量。
实施例12
本发明的流通电容器可以被用于提纯海水至500ppm。
实施例13
单个流通电容器单元利用下面的层次序制造：集电器层，例如使用0.005英寸厚的石墨箔；任何电容材料的电极层，例如，含板材的碳微粒；一对电荷阻挡层，由碳布或支撑0.005英寸厚聚丙烯中心流动网隔板的阴离子和阳离子交换膜构成；需要形成一对第二电极层；和第二集电器层。集流器为离子绝缘但电子导电。因此，如果n个上述次序的层被层叠为平板，或以同心螺旋轧制，它们将形成串联连接、流通电容器，具有从集电器向外面向的单面电容电极。集流器在单元间形成离子不传导边界并建立电串联连接。如果电极导电性足够而不需要集电器，那么只要串联导线被连接在单元间就可以使用塑料薄板。电极不需要为单面，特定单元内可以存在任何数目的并联电连接的双面电极。通过匹配每个单元的构造，可以相同电容制造每个单元。螺旋单元中的流动可以沿层。
实施例14
直径在0.2至5微米范围内的活性碳颗粒、导电陶瓷、气凝胶、碳黑、碳纤维、或BET在300和2000间的纳米管，被与5％PTFE粘合剂、作为电荷阻挡层的离子交换树脂、和作为增塑剂的羧甲基纤维素混合在一起，并压延成0.01厚板。分别以阴离子、阳离子、和双极型式制造这些部件。可以使用任何已知用于离子交换或电渗析膜中的离子交换树脂。离子交换基包括任何强或弱酸或碱，例如，磺酸或胺基。离子基支撑材料包括任何用于离子交换或膜中的材料，包括氟化聚合物、二乙烯基苯、或苯乙烯聚合物，或任何其它种聚合物、沸石、或陶瓷材料。对本领域的技术人员而言构造形状将是已知的，包括但不限于第5,192,432、5,415,768、5,538,611、5,547,581、5,620,597、5,748,437、5,779,891和6,127,474号美国专利中说明的那些，这里通过引用包括每个专利的全部内容。电极可以被隔离或者拥有流动隔板和可选的集电器，以形成电荷阻挡层流通电容器。本实施例的优点是电荷阻挡层材料被均匀分布在整个电极层中，从而消除额外的电荷阻挡层、由这些额外部件引起的成本，并允许电极间隔靠近，例如小于0.02英寸，这削减电阻并增加提纯的流动速度。以可以使用单片或烧结碳电极，例如，结合入此结构的含有蜂窝孔隙的电极，可以使用离子交换树脂填充这些孔隙，以达到组合电荷阻挡层电极材料的效果。

Claims (60)

1.一种流通电容器，包括：
a)多个电极，包括具有用于静电吸附供给的离子的表面区域的电极材料；
b)在所述多个电极之一或多个中的孔结构，从而所述电极是具有孔体积的多孔电极；和
c)邻近所述电极、与所述电极材料不同的第一电荷阻挡层材料。
2.根据权利要求1的流通电容器，其中电荷阻挡层材料的特征为低电阻电容。
3.根据权利要求1的流通电容器，其中至少一个电极为阳极且至少一个电极为阴极。
4.根据权利要求1的流通电容器，其中电荷阻挡层材料包含第一半渗透性膜。
5.根据权利要求4的流通电容器，其中所述流通电容器还包含第二电荷阻挡层材料半渗透性膜，所述第一膜为阳离子交换膜而所述第二膜为阴离子交换膜。
6.根据权利要求5的流通电容器，其中阴离子交换膜邻近阳极，而阳离子交换膜邻近阴极。
7.根据权利要求6的流通电容器，其中通过反转电极上的电压极性，阴离子和阳离子交换膜相对于电极的位置被反转。
8.根据权利要求5的流通电容器，其中在由放电周期分隔的相反极性的充电周期中操作电极。
9.根据权利要求1的流通电容器，还包含流动通道。
10.根据权利要求9的流通电容器，其中通过隔板形成流动通道。
11.根据权利要求9的流通电容器，其中流动通道位于一个电极和第一电荷阻挡层材料之间。
12.根据权利要求11的流通电容器，还包含第二电荷阻挡层材料，并且还包括位于第一和第二电荷阻挡层材料之间的流动通道。
13.根据权利要求2的流通电容器，其中电荷阻挡层材料为低电阻-电容时间常数的导电膜。
14.根据权利要求13的流通电容器，其中电荷阻挡层材料的电容小于20法拉/克。
15.根据权利要求1的流通电容器，其中电荷阻挡层材料被电连接至第一电源，并且多个电极的至少一个电极被电连接至第二电源。
16.根据权利要求1的流通电容器，其中电荷阻挡层材料具有电压而所述多个电极之一或多个具有电压，电荷阻挡层电压大于电极电压。
17.根据权利要求4的流通电容器，还包括第二电荷阻挡层材料膜，其中电荷阻挡层膜为相等充电的半渗透性膜，从由阳离子交换膜和阴离子交换膜构成的组中选择。
18.根据权利要求1的流通电容器，其中此流通电容器包含小于50ohm cm2的串联电阻。
19.根据权利要求1的流通电容器，其中此流通电容器具有大于100的漏电阻对串联电阻的比率。
20.根据权利要求1的流通电容器，其中此电容器的单元中的电极是离子绝缘的并被串联电连接。
21.根据权利要求20的流通电容器，还包含邻近每个电极的流动路径。
22.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料是在所述电极材料上涂覆的叠层。
23.根据权利要求22的流通电容器，其中所述涂覆叠层是离子交换材料。
24.根据权利要求22的流通电容器，其中所述涂覆叠层的特征在于低电阻-电容时间常数。
25.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料是导电聚合物板材。
26.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料是选自纤维材料、纺织材料和网状材料的材料。
27.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料是气凝胶。
28.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料包括在水凝胶上支撑的离子交换基。
29.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料是选自碳粉材料和石墨材料的材料。
30.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料渗入所述电极的所述至少一部分所述孔体积，以形成组合的电极电荷阻挡层材料复合物。
31.根据权利要求1的流通电容器，其中所述流通电容器包括多个离子耗尽和离子浓缩室。
32.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料是离子交换树脂。
33.根据权利要求1的流通电容器，其中所述第一电荷阻挡层材料在所述多个电极之一或多个中的整个所述电极材料中均匀分布。
34.根据权利要求1的流通电容器，其中所述电荷阻挡层材料包括一个或多个双极膜。
35.根据权利要求1的流通电容器，其中所述流通电容器具有至少30％的离子效率。
36.根据权利要求1的流通电容器，其中所述流通电容器具有至少50％的离子效率。
37.根据权利要求1的流通电容器，其中所述邻近的电荷阻挡层材料在电极的多孔结构内。
38.根据权利要求1的流通电容器，其中所述邻近的电荷阻挡层材料被渗入到电极的孔结构中。
39.根据权利要求1的流通电容器，其中所述邻近的电荷阻挡层材料是涂层。
40.根据权利要求1的流通电容器，其中所述邻近的电荷阻挡层材料是膜层。
41.根据权利要求1的流通电容器，其中所述电荷阻挡层材料是无孔的。
42.根据权利要求1的流通电容器，其中所述邻近的电荷阻挡层材料被渗入到所述多孔电极的孔结构中，所述电荷阻挡层材料从由离子交换聚合物和在水凝胶上支撑的离子交换基构成的组中选择。
43.根据权利要求1的流通电容器，其中所述邻近的电荷阻挡层材料是阻挡所述多孔电极的孔体积的涂层，所述电荷阻挡层材料从由离子交换聚合物和在水凝胶上支撑的离子交换基构成的组中选择。
44.根据权利要求1的流通电容器，其中所述孔体积包含孔离子，并且所述电极具有供给离子对孔离子的比率，其中所述第一电荷阻挡层材料提高了供给离子对所述电极中的孔离子的比率。
45.根据权利要求1的流通电容器，其中所述流通电容器具有离子电荷提纯小于1焦耳每库仑的能量使用率。
46.根据权利要求1的流通电容器，其中所述流通电容器具有离子电荷提纯小于0.5焦耳每库仑的能量使用率。
47.根据权利要求1的流通电容器，其中所述流通电容器在供给流具有至少百万分之2500的离子浓度时具有大于50％的离子效率。
48.根据权利要求47的流通电容器，其中所述供给流具有至少百万分之6000的离子浓度。
49.根据权利要求3的流通电容器，包括所述阳极和阴极之间的第一电场，并且还包括在所述电极内并与所述第一电场相反的第二电场。
50.根据权利要求1的流通电容器，其中所述流通电容器还包括集流器。
51.根据权利要求1的流通电容器，其中所述多个电极中的至少一个电极是双侧电极。
52.权利要求51的流通电容器，其中所述流通电容器还包括集流器。
53.一种包括权利要求1的流通电容器以及阀的系统。
54.一种流通电容器，包括：
a)多个电极；和
b)位于所述多个电极中两个电极之间的第一电荷阻挡层，其中所述电荷阻挡层是含有低电阻-电容时间常数材料的导电膜，并且其中电荷阻挡层的电容小于20法拉/克。
55.一种流通电容器，包括：
a)多个电极；和
b)位于所述多个电极中两个电极之间的第一电荷阻挡层，其中该电荷阻挡层被电连接到第一电源，并且所述多个电极中至少一个电极被电连接到第二电源。
56.一种流通电容器，包括：
a)多个电极；和
b)位于所述多个电极中两个电极之间的第一电荷阻挡层，其中所述流通电容器包括小于50ohm cm2的串联电阻。
57.权利要求56的流通电容器，其中所述流通电容器还包括大于1000ohm cm2的漏电阻。
58.一种流通电容器，包括：
a)多个电极；和
b)位于所述多个电极中两个电极之间的第一电荷阻挡层，其中所述流通电容器具有大于100的漏电阻对串联电阻的比率。
59.一种流通电容器，包括：
a)多个电极；和
b)位于所述多个电极中两个电极之间的第一电荷阻挡层，其中所述流通电容器单元内的电极是离子性绝缘的并且被串联电连接。
60.根据权利要求59的流通电容器，还包括与每个电极相邻的流动路径。
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