CN101432469A - 去离子装置中使用的电极及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在去离子装置中使用的电极，该电极由以下组成：(1)选自苯酚、呋喃甲醇、二羟基苯、三羟基苯、二羟基萘和三羟基萘及其混合物的至少一种聚合单体；(2)一种交联剂，和(3)一种催化剂，或其反应产物，一起为碳化形式并且不含碳纤维强化剂。

Description

去离子装置中使用的电极及其制造方法

技术领域

本发明主要涉及一种电化学分离电极，其用于除去离子，并控制、氧化和减少水、液体和其它水性工业生产液流中的污染物和杂质，以及在再生工序期间将去除的离子置于溶液中。本发明进一步涉及制造该电极的方法。

背景技术

现有许多不同的体系用于从污水或其类似物中分离出离子和杂质。例如，惯用方法包括但不限于离子交换、反渗透、电渗析、电沉积和过滤。近几年来，许多装置已被推荐用于污水等的去离子和随后的再生。

US 6309532公开了一种用于去离子和净化污水的装置。该分离装置采用一种被称作电容性去离子(CDI)的工艺，且与其它传统离子交换法相比，该工艺不需要化学试剂，不管是用于再生系统的酸、碱还是盐溶液，但该系统使用电能。在去离子(净化)循环期间，将包含多种阴离子和阳离子、电偶极子、和/或悬浮粒子的待处理电解质流，通过大量的电化学电容性去离子单元。这样单元中的电极吸引相反电荷的微粒或粒子，从而将其从溶液中除去。

这样，该系统对进水和排水进行去离子和净化。例如，一种系统包括有许多去离子单元的槽，该去离子单元由两种不同类型的非牺牲(non-sacrificial)电极形成。一种电极由基于碳的惰性碳基质(ICM)组成。当施加电流时该电极将粒子从水溶液中除去并保留。另一种电极，由导电材料形成，在施加电流时不除去或除去较少数的粒子，因此被分类为非-吸收性的(“非ICM电极”)。这种性质是在水溶液的电场中不降解的碳纤维布、石墨、钛、铂及其他导电材料形成的电极所共有的。非ICM碳电极形成双电极，其具有一对相互电离析(electrically isolated)的导电表面。

相应的，在一个实施方案中，装置包括许多导电非牺牲电极，各自为平板形式，共同以相反电荷对形成去离子单元。在工作期间，一对邻近电极间产生电势电位差。这是通过将电压源的一根导线连接到一个电极，另一根导线连接到与该电极邻接的另一电极，从而在其间产生电势电位差。

为了构造稳定坚固的ICM电极，用强化剂来加强高表面积吸收材料。一般的，强化剂为碳源的形式，例如碳毡、粒状碳或碳纤维；当然，其还可以为碳/纤维素或碳硅石混合物的形式。碳源被用作电极形成中的强化物，其可以不同的形式进入，重要的是碳强化物是导电的且不会减少电极的导电率。所选的碳源容许电极具有必要的导电性，且必须完全地分散在形成ICM电极的其它材料中，即间苯二酚-甲醛溶液，其随后固化，或在基质中能够吸收相似量溶液并随后固化。

包含纤维强化物的现有技术电极的非均一性，影响了它的吸收性和电性质。更具体地说，作为碳强化物的碳纤维的使用提供较少的粒子附着位点，在除去正离子和负离子中电极也趋向较少的平衡。因此，希望制造出同质电极，其坚固且强化特性提高，而没有使用传统的纤维强化。

发明内容

根据一个方面，本发明主要涉及一种系统或装置，用于去离子和净化进水或排水，例如生产用水和排出废水；更特别的，涉及一种非牺牲电极及其制造方法。本发明的电极采用微粒强化(优选与电极自身相同化学组成的微粒强化材料)，而不需要基于碳纤维的强化。

用于本发明去离子装置的电极一般通过优先将粒状导电碳材料引入由溶剂和聚合剂形成的液体中来制造。强化材料被固化和碳化，随后优选被机械加工为电极。

根据一个典型的实施方案，制造该电极的工艺包括以下步骤：(1)制备第一液体，包括至少一种聚合单体溶于第一交联剂(交联试剂)中，(2)用溶剂和第一液体混合物湿润粒状导电碳材料，(3)将第二交联剂加入第一液体、溶剂、导电碳材料混合物中，(4)将该混合物在足够温度下保持充足的时间直到混合物聚合为固体和(5)将固体在足够温度下碳化充足的时间，这样固体碳化为导电衬底。

粒状导电材料可商业购买或通过以下形成：(1)将选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物的至少一种材料溶解于第二交联剂中形成第二液体，(2)将第二液体在足够温度下保持充足的时间直到第二液体聚合为固体(坯件)，(3)将坯件在足够温度下烧制充足的时间，这样坯件碳化为导电元件，和(4)待坯件冷却后进行加工，将碳化坯件碎裂为粒状导电碳材料。

形成本发明粒状导电碳材料强化电极的一个特别典型的工艺包括以下步骤：(1)将选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物的至少一种材料溶解于交联剂(例如，甲醛(37％福尔马林溶液)中形成液体(预反应物)，(2)将所得的液体预反应物与第二交联剂(37％福尔马林)在足够温度下混合充足的时间直到该液体聚合为第一固体(固块)，(3)将第一固块在足够温度下烧制充足的时间，这样第一固块碳化为导电元件，(4)待第一固块冷却后进行处理，这样将碳化第一固块碎裂为均一的粒状导电碳材料，(5)将选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物的至少一种材料溶解于交联剂(例如，甲醛(37％福尔马林溶液))中形成第二液体(第二预反应物)，(6)用溶剂、第二液体(第二预反应物)湿润加工后的粒状导电碳材料，(7)将最终交联剂(37％福尔马林溶液)加入第二液体、溶剂和加工后的粒状导电碳材料混合物中，并在足够温度下混合充足的时间直到混合物聚合为第二固体(固块)，和(8)将第二固块在足够高的温度烧制充足的时间，这样第二固块碳化为导电结构，其为均一的同质碳材料。

在本发明中所实现的更均一的同质电极有许多优点。例如，同质电极的制造对于装置的运行、离子去除、强度、孔隙率、流动特性、压头损失(head loss)和电极的物理集成度的最佳化是重要的。相比而言，本发明较之现有技术中的包含碳强化的电极具有更多的离子容量。传统工艺使用碳纤维作为填充材料，而本文所公开的新工艺不使用填充材料，因此使用的原材料更少。此外，现有技术的电极采用碳纤维作为填充材料减少了电极面积(表面积)，后者是在分离过程中具有功能活性的部分。换言之，碳纤维填充材料在电极内部仅作为死区。另外，使用纤维强化的一个缺点是它不包含从溶液中吸收离子的结构，因此它的加入会减少用于除去离子的活性部位。本发明的电极则克服了这些缺点和不足。

具有更均一的同质电极可以获得一些优点。具体地说，当电极(板)为同质时，电极各处的电阻和配电更为均一。另外，本发明电极克服了许多现有技术的电极的不足，其使得制造全部由相同碳材料形成的厚且自支持的电极成为可能，从而确实解决了该问题。本发明电极对于正负离子具有更平等或平衡的去除率。此外，根据本发明方法制造的电极还提供了能够从水中去除带电物质(离子)的均一和连续的材料。由于电极不包含惰性填料和强化剂，电极中的所有材料都具备这一特征。该工艺还减少了制造过程中导致过度放热反应的几率。由于聚合反应是分为两步，即预反应和最终反应，各步产生的热量是有限的。这也降低了反应的危险性，并减小了用于制造这些电极的设备的复杂性。

通过以下的详细说明并结合附图，本发明的其它特点和优点将会更清楚。

附图说明

通过以下详细说明和本发明说明性实施方案的附图，本发明的上述及其它特点将会更直观，其中：

图1是根据第一实施方案的电化学分离电极的透视图；

图2是显示插入由两种耐火材料形成的加热设备中的坯件或电极材料的示意图；

图3是根据第一实施方案电连接到导体的电极的透视图；

图4是沿图3线4-4的剖视图；

图5是根据第二实施方案电连接到导体的电极的透视图；

图6是沿图5线6-6的剖视图；

图7是根据第三实施方案电连接到导体的电极的透视图；

图8是沿图7线8-8的剖视图；

图9的图表显示根据本发明的电极材料的X-射线衍射(XRD)分析与传统电极材料的比较结果。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及一种电极和采用该电极的水去离子装置。本发明电极较之现有的用于水去离子的电极具有更优的强度、导电性和吸收特性。重要的是，制造过程简单且在某些实施方案中采用了容易得到的起始材料。因此，本发明极大促进了用于工业、商业和住宅净化的成本节约的水去离子装置的发展。

非牺牲电极

本发明主要涉及一种用于从水、流体及其他水性或极性液流中去除带电粒子、离子、污染物和杂质的电化学分离电极100(图1)及其相应的应用。例如，根据一个典型的实施方案，本发明电极100特别适用于包括多个平行排列直立的电极100的去离子装置。如下面所讨论，该装置可以只包括单一类型的电极，或该装置可由多于一种的电极在装置内部以交互形式排列所形成。例如，根据一个去离子方案，使用和排列单一类型的电极使得邻近电极为相反电荷以吸引相反电荷的微粒。可以理解的是该装置仅仅说明了本发明电极的一个应用，本发明电极还有许多其它的应用，包括其它的去离子应用和其它类型的应用。

电极100可以从中流过(flow-through)、从旁流过(flow by)或间歇式体系的设置来使用，这样流体可利用带电表面区域吸引相反电荷的离子、微粒等等。在电极20的周围可以布置构架30以对电极20的周围形成支撑结构。

装置可以多种不同的方式构造，电极在装置内部可以多种不同的方式排列。例如，美国专利第5,925,230，5,977,015，6,045,685，6,090,259和6,096,179号，公开了用于装置10的合适结构和其所包含的电极的合适排列，在此全部引入作为参考。如上所述，在一个实施方案中，该装置包括由类平板构件形成的多个导电非牺牲电极，共同形成了去离子单元。在工作期间，在邻近的一组电极间产生电势电位差。这是通过将电压源的一根导线连接到一个电极，另一根导线连接到与该电极邻接的电极，从而在其间产生电压。这可以使得邻近的电极为相反带电的。然而，可以理解的是上述平板实施方案仅为举例性质，而并不对本发明作出限制，因为本发明可以可通过除了平板结构之外的许多设计而实现。

本发明的电极100通常通过一系列的步骤形成，包括将粒状导电碳材料引入聚合物液体(由聚合单体和交联剂组成)中形成坯件，碳化坯件，然后通常通过机械加工将碳化的坯件制成电极。如下文中所详述，粒状的导电材料可采用与电极制造工艺相应的材料经过多个步骤来制备或由商业购买获得。优选地，粒状导电材料在形成聚合固体前预润湿并去除空气。

当粒状导电碳材料作为电极制造工艺的一部分进行制备时，首先制备没有粒状强化材料的聚合坯件，然后碳化并加工形成用于最终电极的粒状导电碳材料。本发明的电极就这样制得，其不需要利用一般为碳源形式的纤维强化剂，例如碳毡、纸、或纤维或碳/纤维素混合物。

电极坯件和用于制备粒状材料的坯件通常是由聚合物液体形成的，聚合物液体由多种组分组成，包括聚合单体、交联剂、任选的催化剂或活化剂、惰性成分，例如水、乙醇等，将在下面详述。

聚合物液体

聚合物液体指包含聚合单体和交联剂的一种混合物，交联剂能够溶解该聚合单体使得聚合单体悬浮在溶液中。聚合物液体还可以包含惰性成分，例如水、乙醇等。可以加入诱导或促进聚合过程的聚合催化剂或活化剂。

聚合单体

聚合单体应该是(i)能够与其它单体交联以形成聚合物，然后聚合物(ii)可被碳化为导电材料。在一个实施方案中，优选的聚合剂是多羟基芳基的形式，尤其是二和三羟基苯以及二和三羟基萘。用于本发明的一种具体的二羟基苯是间苯二酚。在一个具体的实施方案中，单体选自苯酚、呋喃甲醇、二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物。

间苯二酚可以是不同的品级，且可以球丸、薄片和其它适宜的形式从众多的供应商处获得。例如，间苯二酚为适于有机化学制品的形式，可从Hoechst Celanese公司购买，可用于制备本发明的电极。

一种优选的材料是碱催化的间苯二酚。生成的聚合物必须能够被碳化并形成具有高导电性的材料。这样，如果该材料保持一定形状，其在碳化期间必须形成木炭而非液相。因此，认为存在于某些天然材料中的环状结构，例如椰子壳，在其纤维素结构中具备可形成导电碳的基本结构，可以是用这些天然材料。

交联剂

聚合物液体的溶剂通常为可以溶解聚合剂从而形成聚合物液体的双反应性分子或交联剂。一种特别优选的溶剂是福尔马林。当然，其它的交联剂也可使用，包括戊二醛或固体源甲醛，例如多聚甲醛和乌洛托品和六亚甲基四胺。甲醛可从众多的供应商处获得，并可以是不同的品级和形式。例如，根据一个实施方案，甲醛可为来自Georgia-Pacific Resin，Spectrum Chemical公司的福尔马林形式，适用于染料、树脂和生物保存。

催化剂

催化剂调节聚合速率。通过改变催化剂种类，可改变最终产品的空隙率和强度。可使用多种催化剂，只要其能引发或加速交联即可。例如，对于间苯二酚-甲醛类聚合物，可使用苛性或碱性催化剂，具体而言，碳酸钠、氢氧化钠或氢氧化钾或其它碱催化剂都适用于本发明。当使用羟甲基化合物时，碱催化剂能够引发该反应。当然，希望使用带给混合物最小量污染物的催化剂。

预制液体

优选的用于坯件和电极的起始组分包括混合的间苯二酚/甲醛液体时，除了将这些反应物混合，还有其它的选择。在甲阶酚醛树脂和线型酚醛清漆的上位条目下可以找到市售的间苯二酚和甲醛的产品或反应混合物。这些产品均是会形成固体的摩尔比率的未反应的间苯二酚和甲醛和催化剂的混合物。这些替代物可提供定制的混合物，调整到期望的催化剂、甲醛和间苯二酚摩尔比和粘度比。

粒状导电碳材料

如下面所详述和这里所使用的，术语“粒状导电碳材料”指颗粒物质，它可以是碾磨的碳化坯件材料或是另一种基于碳的微粒导电性材料。优选的粒状导电碳材料是那些不会在电场中牺牲(sacrifice)也不溶于水的材料。至少在一些应用中，粒状导电碳也可以是碳纳米管的形式。

在一个实施方案中，粒状导电碳材料的形成是通过首先制备碳化坯件，然后将其加工碎裂为较小微粒。可以理解的是，在另一个实施方案中，粒状导电碳材料可商购然后使用。粒状导电碳材料提高了结构强度，因此，任何能强化并使得材料保持导电性且发挥去离子功能的材料都适用于制造本发明的电极。因而某些活性碳甚至是玻璃状碳结构都可以在某些应用中产生令人满意的效果。

形成电极的步骤

制造电极的目的就是制造一种平整、导电、同质、多孔的碳结构，在去离子装置中用作吸收性电极，当施加电流时将从流体中去除离子。

电极的制造过程通常包括：使液体(坯件材料)聚合，将聚合的坯件材料碳化为粒状导电碳材料，使加入了粒状导电碳材料的第二液体聚合，并烧制或碳化第二强化材料以形成电极。然后该电极可根据需要进行机械加工。

坯件的聚合

根据一个示例性的制造过程，聚合单体和交联剂以形成聚合物液体而实现预制坯件部分反应的适量进行配比并混合。在第一聚合反应结束后，将预制坯件与另一部分交联剂混合以形成具有所需物理性质的坯件。将所有混合物搅拌至均匀。可以加入聚合物引发剂(催化剂)提高反应速度，当然，聚合过程也可在没有引发剂的情况下进行，这时，聚合随时间的推移而进行。将聚合物液体置于保持在控制温度下的模具中(例如敞口模具)。可利用多种常规技术将模具的温度保持在所需温度，包括利用加热元件或浴槽等能够将模具保持在所需温度下的手段。待形成的固体充分静置一段时间后，将硬化的固体从模具中移出并碳化。

制造坯件强化材料的过程起始自用摩尔比率为大约0.4-0.6：1.0的交联剂与聚合单体形成聚合物液体。例如，将7500克间苯二酚固体加入2765克福尔马林溶液中(37％甲醛和11％的甲醇)。在第一反应完成并冷却后，将最终体积的交联剂加入混合物中，得到的交联剂与聚合单体的摩尔比率为大约1.2-1.8：1。例如，在本实施例中再将4975克福尔马林溶液(37％甲醛和11％的甲醇)加入混合物中。

可以理解的是上面所列的数量仅是代表性的，这些数量可以线性比例地增加或减少，以制备不同总量的起始混合物用于制造坯件。

聚合单体在交联剂中溶解的速度取决于一些因素，包括两者的摩尔比率。混合或搅拌混合物有助于溶解，提高温度可导致加快溶解。众所周知的是，在将一种物质溶于另一物质时，时间可以补偿温度，因此，有多种不同的温度和时间范围可用于将聚合单体溶于交联剂中。

随后将聚合物液体置于允许聚合过程发生的合适条件下进行聚合。也可以采用催化剂促进聚合物的聚合。聚合时间、催化剂和温度都是可控制的，温度优选保持在70℉-125℉。综上所述，制造坯件的最佳方式是在聚合过程中控制温度以制造均一的固体结构。

模具

用于制造坯件的模具可以具有多种不同的结构并由多种不同的材料组成。例如，模具可以是不锈钢器皿，如正方形的304不锈钢。当然，可以理解的是模具可由其它材料组成，例如与聚合物液体没有任何粘结特性的铝和塑料。一种适于制造模具的塑料是聚乙烯，当然，其它塑料也可用于制造模具。

模具优选备用于容纳聚合物液体。更具体地说，如果模具具有会粘住坯件的纹理，就需然后用脱模剂来帮助将模具中形成的固体从中移出。脱模剂的一个例子是巴西棕榈蜡，在加入聚合物液体之前将其涂布到模具表面。可以理解的是还有其它可用于模具的脱模剂。如果没有使用脱模剂，可将衬里直接引入金属模具中。例如，可将聚乙烯衬里直接引入钢铸模具中，从而不需要涂布脱模剂。当然，可以理解的是模具衬里也可由其它材料制成，如牛皮纸或不会粘合聚合物的任何其它材料。

由于模具可以是可倾入聚合物液体的任何形状或结构，它也可以是注塑模具。众所周知的是，注射塑模包括相互配对形成闭合的两个互补部分。两个互补部分的其中之一或两者设置有一个进口使得聚合物液体进入其中，该注塑模具还具有一个出口。可在较大范围的压力下进行注射，这取决于使用的注塑技术的类型、注入物的粘度以及其它因素。在一个可选的实施方案中，模具是有盖的容器。当然，可以理解的是模具也可是密封的空腔，随后通过温度进行调节。例如，模具可以浸入控温浴槽中以控制模具自身的温度。但模具也可具有固态的流经温度调节器以控制模具的温度。

固化(curing)坯件

在一个实施方案中，对包含聚合物液体混合物的模具在大约70℉到145℉下持续时间为24到72小时的对流式加热。也可利用其它热源。在这一固化阶段，模具内部固化的模块是硬的，并被一些未反应的甲醛润湿，并且是非导电性的。模具内加热的一个目的是加速硬化和收缩以将固块从模具中移出。

这时聚合后液体是淡黄色的透明样聚合固体，通常称之为干凝胶。在聚合物液体转化为固体之后将其从模具中取出或移出。

碳化坯件

在非导电性坯件未强化聚合物已经固化并从模具中移出后，将坯件置于烘箱中烧制并碳化成粒状导电碳材料。优选的，在烘箱中进行碳化过程并通过多种方式加热，包括但并不限于电加热、天然气、紫外线或红外线能等。

在图2所示的一个实施方案中，加热装置是红外线加热器，总体用200表示。本发明的发明人发现采用红外线加热器具有许多优点，包括在制备过程中显著地节省时间。更具体地说，在传统熔炉中碳化过程通常耗时1到4小时，然而本发明的碳化过程耗时已经降到约10到约30分钟之间。这不仅节省了大量时间，还因生产时间大大缩短而节省了成本。此外，红外线炉的运用提供了许多其它的益处/优点，包括能够对温度进行即时的实时控制。尤其是传统的烘箱在需要进行温度变化并接受温度改变的指示时有较慢的响应时间，通常在达到新的温度前有明显的滞后时间。相反，本发明采用红外线炉碳化电极和粒状强化材料，由于温度可以根据需要迅速变化并保持在特定温度，可以对烘箱内部的温度进行即时的实时控制，因而可以控制材料的性质。通过精确地控制烘箱实时的加热温度分布，可以改变电极的电学性能如电导率等，从而适用于特定的应用中。

有利的是，烘箱的结构可以改善将热引到置于烘箱中的坯件上使其碳化。在一个实施方案中，烘箱包括两个加热部件210、220，其可由两个红外线加热器嵌板形成，这时烘箱200为红外线炉。在另一个实施方案中，烘箱包括第一耐火材料和第二耐火材料，且根据一个实施方案，第一耐火材料是炉膛耐火材料(hearth refractory)而第二耐火材料为活动耐火材料。活动耐火材料置于烘箱内部，它代表两层耐火材料的上层耐火材料；当然，可以理解的，相对于上层耐火材料，下层耐火材料也可构造成活动的耐火材料。耐火材料具有双重目的，但当其用于坯件的碳化过程时，其目的是获得正确的每克加热度·分钟，这样坯件材料被完全提升到预定温度。例如，坯件材料被加热到大约700℉到1000℉之间。

需要观测的另一个参数是烘箱的气氛。在本发明的工艺中，烘箱的气氛不是由惰性气体控制而是由烘箱的设计来控制。更具体地说，烘箱被设计为防止氧气与坯件材料的主要表面部分相接触，这归功于上下层耐火材料的存在和设计。当然，可以理解的是，烘箱的气氛可通过惰性气体和烘箱设计来共同控制。换言之，可利用惰性气体如氮气控制烘箱的气氛而不必用耗尽气体来实现这一特性。

根据一个实施方案，因为耐火材料阻止氧气的透入，材料处于缺氧环境下。烘箱通过最初数分钟的碳化产生的燃烧气体清除空气。在这最初数分钟之后，再没有空气进入烘箱内部，因此材料处于缺氧的环境下。

可以理解的是，对坯件材料进行烧制的目的在于将其由酚聚合物或塑料转化为碳材料。换言之，烧制过程就是碳化过程。烘箱的适宜温度范围在约700℉到约1000℉之间。不适宜的温度指在此温度下坯件材料某些方面的物理性质不符合要求，这些物理性质包括但并不限于导电率、体电导率和强度。当温度在700℉以下时，碳化材料的体电阻率较高，而如果烘箱温度过高，材料会变得太石墨化。

坯件材料经受上述温度可进一步除去和烧掉存在于原成分中的许多杂质。随后将坯件烧制预定时间以完成碳化过程，已经确定的是加热时间和温度共同取决于未加热坯件的重量。加热方案受材料厚度的影响很大。

可将热电偶置于材料的顶部用以比较材料和烘箱的温度，材料的温度是滞后于烘箱的温度的。对于其是否已转变为可用的碳形式，体电阻率是需要首要检测的数值之一。坯件材料的碳化包括将塑性材料转换为碳。

在坯件材料完全加热和碳化之后，打开烘箱，碳化的坯件材料由于其温度呈现橙色热光。作为碳化过程的结果，坯件材料会被碎裂为碎片。可将坯件置于容器如不锈钢器皿中烧制以避免材料的损失。该器皿可保留碎裂的材料，这样可以从烘箱中完全地回收材料。尽管不锈钢适用于某些应用中，并不是一定要选用不锈钢作为容器；当然，所选的材料应该能经受高温并不会给坯件导电碳材料带来污染。

用钳子或推杆或其它可以牢固夹持容器并从烘箱中移出的工具将容器移出。在器皿移出烘箱的时候，坯件材料由于接触到氧气而产生微小的火焰。为避免容器从烘箱中移出后材料燃烧，可提供一种耐火的熄灭隔断物(snuffing block)，将其罩于容器上以防止氧气接触坯件。还可以营造材料迅速冷却的环境。一旦坯件温度达到预定温度，例如200℃，就可将碳化的坯件从熄灭隔断物创造的缺氧环境中移出。

粒状导电材料的形成

一旦坯件冷却到室温，将进一步处理。更具体的说，室温的坯件被碎裂为较小的碎片。在一个示例性实施方案中，坯件通过粉碎锤碾工艺被碎裂为已知尺寸和分布的微粒。许多其它的方法也可用于将材料碎裂为较小微粒。一个优选的碎裂坯件的方法是将碳化坯件材料通过喷射磨。喷射磨要求对材料进行预压碎步骤，因为喷射磨不能处理直径大于1/8英寸的进料颗粒。该预步骤可以是任何能够提供用于喷射磨的适当大小进料材料的方式。因为该材料是极硬且耐磨的，所以在应用锤磨机或相似设备时，应采用碳化钨或同样硬质的材料作为压磨的材料。

因此，可以理解的是许多传统的碾压工艺和技术可用于形成粒状导电碳材料。这里公开的技术仅是作为代表，并不对本发明进行任何形式限制。

根据一个实施方案，第一步利用轧碎机压碎大块体，例如，轧碎机将坯件的大块压碎为预定的较小尺寸，例如约1/8英寸，然后在随后步骤中运用喷射磨装置。第一步的设备是在喷射磨步骤之前使用的初步工具或设备(破块机或轧碎机)。然后将1/8英寸的材料从破块机或轧碎机中取出移到喷射磨中。

锤磨机装置配置有合适的锤、余隙(clearances)和RPMs(都是可变化的)以制备所需尺寸分布的微粒。另一个可控制的功能是坯件材料进入锤磨机的进料速度。可以理解的是还有其它装置也可用于将坯件材料磨碎为较小的微粒。因此，锤磨机的应用并不是本发明的关键点，其可用针磨机(pin mill)、球磨机、辊磨机等代替。

在碎裂的坯件材料通过磨机之后，产生的微粒尺寸基本上在约20微米到约100微米之间，只有少部分的微粒超出这个范围。当然，这个范围仅仅是示例性的范围，可以理解的是，可以根据应用和要求得到的碾磨材料的尺寸，选用和设置设备(例如轧碎机和锤磨机)以制造所需尺寸的微粒。

固化然后将其碳化形成坯件的目的是为了形成导电的碳材料，然后进行碾磨是为了将较大的碳化材料碎裂转变为较小的微米级导电粒子。该材料也可称为粒状碳材料，且还可以称为“黑沙”，因为其是粒状沙样材料(小微粒)并是黑色。该粒状碳材料是用于强化电极的起始材料；然而，它不同于传统的碳纤维填料，会导致电极具有改善的电学性能特征。

粒状导电材料形成电极的过程

粒状碳材料通常是非常多孔且极干的材料，尤其是如上所述通过聚合物坯件制备的材料。因此，在加入聚合物液体之前，粒状材料首先用润湿液体进行润湿，以得到湿润而不含气体的粒状碳材料。合适的润湿液体包括甲醛溶液、水、低分子量醇，以及其它任何不会影响或改变聚合过程的液体。合适的醇类包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇及其混合物。醇类或醇类混合物也可以包含水。醇类是理想的润湿剂，因为其为惰性、可挥发的，并具有较低的表面张力，这可以促进其穿过孔隙进入粒状材料内部。

润湿粒状导电材料的除气

首先润湿粒状碳材料的一个目的是浸透该材料并驱除存在于多孔材料内部的空气。该过程因此可称为除气过程。由于粒状碳材料具有较大表面积，用润湿液体对材料进行润湿就使得润湿液体在聚合物固化之前进入粒状碳材料内部的所有孔隙。对这些强化微粒(粒状碳材料)这样的结合结果对获得电极所需的物理和电学特性是有利并重要的。

因此，用润湿液体去除气体和润湿粒状碳材料是确保最终形成坚固可用电极的重要步骤。在该步骤中，在100℉以下通过混合方式将粒状导电碳材料缓慢引入聚合物液体和润湿液体的混合物，交联剂和聚合单体的摩尔比率为约0.4-0.6:1.0，润湿液体为粒状导电材料体积的20％到30％。该期间内可观察到混合物中产生气泡。优选地，该过程可在与真空相连的密封罐中进行，且密封罐包括某些类型的搅拌器械以确保搅拌混合物。这样的容器可称为除气真空罐或除气搅拌罐。

在一个实施方案中，该罐是由304不锈钢材料制成并在内部具有适当设计的搅拌轮以实时可控地搅拌润湿材料。当该罐可操作地与真空相连以对材料进行除气时，先将干的粒状碳材料装入罐中并营造真空。真空的强度取决于具体应用的不同参数；但是，合适的真空强度在约2到4个大气压之间。当然，这仅仅是示例性的强度，实际的真空强度对本发明的实施不是决定性的。在真空形成之后，含有润湿液体的液态聚合物被引入真空中，罐内的气体被除去，因为液体取代了罐内的气体。气体就这样从罐内被置换出，液体充满真空降低的粒状碳材料的内部空间。在液体覆盖罐内粒状材料之前真空度是不会降低或解除的。

可以理解的是上述的任何聚合物液体都可用于除气步骤。

将材料除气会形成更好的电极，因为除气过程影响电极的密度和其它物理性质。

在润湿粒状碳材料除去气体后，形成电极的下一步骤是加入最终量的交联剂并在适宜的预定温度下聚合材料。

润湿粒状碳材料的聚合

任何电极制造中的不规则都会导致失败从而使得材料无用。本申请人已经发现，在由粒状碳材料制造电极中，与粒状碳材料的实际形成相比，在聚合步骤中的温度控制更重要。在聚合中有至少几个重要的问题。一个问题是如果在聚合过程间没有搅拌，粒状碳材料会沉淀，因此，需要搅拌粒状碳材料使得材料呈悬浮状态。可使用前面公开的不同类型的设备进行搅拌。可以使用静态列管式混合器(in linemixer)，类似于挤出机模芯(extrusion tip)，这包括控制聚合到混合物足够粘稠的程度，这样微粒在挤出进入模具后不会沉淀。另外，材料应在不会导致沸腾或结块的温度和速率下聚合，对材料的搅拌也应连续，直到材料可以被引入模具而不会沉积。

由聚合单体、交联剂等形成聚合液体的一个可选方案是利用可市购的混合物以减少准备时间。当然，即使可采用市购混合物，以合适的摩尔比率进行组合是很重要的，无论什么来源的福尔马林和间苯二酚同经除气的粒状碳材料进行组合。聚合物液体和粒状碳材料在选定的受控温度下混合，优选低于125℉，其表面区域与传质热交换器接触。搅拌量取决于许多因素，包括是否使用催化剂如碱催化剂。如前所述，一些合适的催化剂包括但不限于碳酸钠1M、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钙、碳酸氢钙等等。混合步骤的目的在于当材料增稠到硬化态时制造尽可能同质的材料，并且其中粒状碳材料优选在水平和竖直方向基本均匀分布。

还可以理解的是聚合过程可以在压力下进行，这使得与过程相关的几个参数能够得到控制。例如，如果模具处于压力容器中并随后使其中容纳的材料进行聚合反应，这样可以增加压力；产品聚合所需时间可以缩短；聚合温度可以控制。在聚合物液体聚合形成用以形成粒状导电碳材料坯件时也是如此。

在停止搅拌混合物且混合物具有适宜的均一性之后，材料被置于模具中。在一个实施方案中，包含聚合物液体的模具被引入对流式加热，在大约70℉到145℉下持续大约24到72小时。也可使用其它的热源保持所需温度。在该处理过程中，模具内的固化物块是坚硬且湿润的，有一些未反应的甲醛，是不导电的。这种模具内加热的目的之一是完成聚合反应并使得物块硬化并收缩，从而可以从模具中移出。

电极材料的碳化

在电极经过充足的时间固化之后，将其从密闭的固化环境中移出，并然后置于加热环境中经历碳化。典型的环境包括烘箱(炉)或类似物，优选地，烘箱与上面所述的关于坯件材料聚合的烘箱具有相同的构造。换言之，烘箱具有固定的和活动的耐火材料。没有模具器皿，电极自身被置于烘箱中，活动耐火材料降到电极之上，然后关闭烘箱门。

在烧制过程中，电极完全地达到大约900到975℃的温度是很重要的。换言之，聚合物电极被加热，这样整个电极中电极材料以同质的方式被加热到这一温度。

在电极在该温度下持续预定时间之后，将电极从烘箱中移出，当其接触到氧气环境时可能会燃烧。将电极置于熄灭容器(snuffbox)中，在其中再次保持缺氧环境，直到电极冷却到大约200℃。一旦电极降到该冷却温度，就可以将其从熄灭容器中移出并冷却到室温。

用于制造电极的粒状材料的粒径

关于粒径和粒径分布，这些参数的变化可影响电极的至少四种性质。更具体地说，这四种性质是(1)电阻率；(2)脆度，用以衡量材料在受到碰触、摩擦或其它处置时是否会破碎；(3)材料的物理强度-材料需要具有足够的物理强度以用于切锯、磨砂、承载、切口、焊接等，和(4)电极的良好吸水性。已经发现当电极由大块颗粒(200微米或更大)组成时，产生的电极具有很好的流动特性，但很差的物理强度、脆度和电阻率。相反，当研磨碳材料由低于十分之一微米尺寸的粉末组成时，电极的强度则增加。增加小颗粒的浓度还使得电极具有更高的硬度和更少的流通孔隙。因此，通过控制粒径和粒度分布，可以在可选范围内控制电极的物理性质、流体性质以及可能的电学性质。在一个实施方案中，粒状材料由至少75％粒径约20到100微米的微粒组成。

电极的机加工/完成

一旦电极冷却到室温就具有完全的强度，这时可将电极从烘箱中取出并交付进一步的处理或电极完成区域，可以是切锯、砂磨和修边的形式。

换言之，在电极冷却到室温并具有完全强度后，对电极进行机加工或处理以制造出最终的电极。代表性的处理第一步是修饰电极的边缘。要对电极进行两步操作。第一步，将电极修边并使之为方形，然后砂磨至所需的厚度。这样电极的所有表面是完全平整的，该步骤称之为修整电极。代表性的电极是24英寸的方形，厚度为大约3/16英寸到大约3/8英寸。第二步是将电极连上电连接，以将电极引到电源。考虑到电连接可能浸入水/电场类型的环境中，因此材料的选择很关键。

不管电极板的具体细节如何，当其用于去离子装置时，必须供应有电压。这可用由铜或其它导体形成的棒或金属丝完成。当然，如果棒或金属丝接触到待去离子的液体，会受到损害(牺牲掉)。因此，优选在棒或丝与电极板之间建立干连接(dry connection)。

图3-4图解了这种干连接是如何在电极(电极板)100和导体110之间完成的，优选8-18AWG的绝缘铜线，其它厚度的也可使用。导体110和电极板100之间的连接是通过在电极板的一边钻入通道或凹槽120形成的。将条状导体110铺入凹槽120，这样金属丝的自由端从电极板100向外延伸用以连接电源。条状导体110随后通过任意种常规方法连接到电极板100上，包括利用焊料130。为防止水接触并毁掉电连接，用防护涂层140对电极板110进行处理以有效包裹电连接。例如，电极板110可被船用级(marine grade)非导电性环氧树脂浸透，如2-部分环氧树脂#2，来自Cincinnati，OH的Fibre GlassEvercoat。非导电性的环氧树脂140封闭铜丝110的周围区域，而不会对先前存在于裸线110和板(电极)100之间的电连接产生影响。可以理解的是，防护涂层不限于上述材料，可以是多种不同的材料，只要这些材料可以渗透入碳电极板100而不会在电极板100工作时牺牲即可。另外，一旦防护涂层被应用于碳上，保护层就不能改变其形状，因为这会导致电极板100的形状改变，从而减少电极板100的完整性。

在图5-6所示的另一个实施方案中，向电极板100的电连接是通过沿着电极板100的一个边缘在电极板中直接钻孔150形成的，优选接近电极板100的一角。在图解的实施方案中，孔150是钻入电极板100的上边缘，这样焊料152被置于孔150中以基本充满孔150。然后将导体160插入填满的孔150中，被摩擦地或机械地保持在那里，同时焊料被设置在导体160和电极板100之间。在焊料和电极板100的碳之间没有粘接，其间只是机械配合。导体160可由螺栓等形式组成，能摩擦地配合入填满的孔150中稳固地保持在其中，导体160的一端(自由端)170伸出并从电极板100的边缘向外延伸。导体160的这一端是自由的，用以通过电缆或连接到导体160自由端的其它类似物来连接电源。可选的，导体160的自由端可以是螺纹的，这样其可与互补的螺纹导体，例如螺纹接头或螺钉件，通过螺纹配合相连接，以使得这第二导体可以通过螺纹与导体160相连，以建立与电源的电连接。

应当指出的是，密封的电连接还可以通过以下步骤获得：首先用非导电性环氧树脂浸透，钻孔，并插入裸铜线，然后应用另外的环氧树脂以形成密封。其它变化方案可包括在电极板的边缘形成通道而非简单的孔，然后在用环氧树脂密封前插入电连接的裸线(wire strip)。基本原则是在电极板区域形成电连接然后用材料密封该连接周围的区域，优选不会影响板(电极)电学性质的材料。

当然，可以使用不同种类的塑料或环氧树脂作为防护涂层用于导电金属丝上，只要该环氧树脂或防护涂层在工作期间能够吸附在电极上并包裹住连接部分以防止水接触焊料和铜丝，因为焊料和铜丝在工作期间会牺牲掉。换言之，物质必须导入(wick into)电极内并包裹其外表，且不影响其电导率，不使焊接头绝缘。该方法的优点是其保护了电连接并使其成为便利的电连接。

在另一个实施方案中，电极上的电连接通过采用火焰喷镀接触沉积(flame spraying contact deposition)技术来完成，如图7-8所示。在该实施方案中，沿着电极板100的一边形成通道或凹槽180(例如，通过机加工)，然后将导电材料190沿着电极板100的一边火焰喷镀其上，这样形成电极板100的导电通道或电接触。通过火焰喷镀导电材料，可以很容易地沿着电极180形成连接并可很容易地形成多种形状。例如，容纳导电材料的通道180不必是简单线性的，而是由于多种原因，包括设置和应用的考虑，可以包括一或多个弯曲或曲线形成于其中。

在将导电材料190置于通道180内形成导电通道之后，通过上述技术密封该结构。例如，可以用密封材料192如上述的一种热塑性材料包覆导电材料190，以确保导电材料190和电极板100的碳之间形成的电连接的完整性。

本申请人发现利用粒状碳材料(从头开始制备或由预先准备的材料开始制备)产生的电极100具有更高的电导率，而且粒状碳材料强化了电极。电极100的规格根据应用而变化；然而，示例性的电极100具有约0.5g/cm³到约2.5g/cm³的密度。

电极100的物理尺寸根据不同应用而变化；然而，根据一个示例性的实施方案，电极100厚度为大约3/16英寸到大约3/8英寸，高度为大约10英寸到大约24英寸和宽度为大约10英寸到大约24英寸。上述示例性的电极被描述和图示为具有正方形状，可以理解的是电极还可以是其它的多种形状。例如，电极可以是长方形或三角形或任何其它形状，包括规则和不规则形状，以获得流动和这些形状的力学特征的优势。换言之，并根据一个特别的应用，电极排列在去离子装置中，使得电极提供在其间具有厚度的几何形状的平行吸收性表面。例如，该几何形状可以是规则形状或不规则形状，更特别的，几何形状可以是正方形、矩形、梯形、圆形、椭圆形、圆筒形等等。

实施例

根据上述原则制造的电极，测量其性质/特性并列于下表中：

面积

 

性质	测量值
		BET表面积	481.41m2/g
Langmuir表面积	541.89m2/g
		在P/Po 0.1027的单点表面积	478.483m2/g
直径为17.0000到3000.0000A之间的孔隙的BJH累积吸附表面积	21.6927m2/g
		微孔面积	419.5970m2/g

容积

 

性质	测量值
		在P/Po 0.9756直径小于812.7211A的孔隙的单点总孔隙容积	0.198113
直径为17.0000到3000.0000A之间的孔隙的BJH累积吸附孔隙容积	0.032289cc/g
		微孔容积	0.166676cc/g

孔隙尺寸

 

性质	测量值
		Langmuir平均孔隙直径(4V/A)	14.6238A
BJH吸附平均孔隙直径(4V/A)	59.5384A

可以理解的是上述实施例仅仅是示例性和说明性的，并不对本发明进行限制。换言之，上述性质和测定值仅仅是本发明一个具体电极的数据说明，因此，根据本发明制造的电极可以具有上述之外的测定值。

此外，对根据本发明制造的电极进行了进一步的定量分析，并将结果与传统电极在相同条件下获得的结果进行比较。具体地说，对电极进行X射线衍射分析(XRD)。众所周知，XRD分析表征是结晶的还是无定形的这一典型特性，尽管这不是固体材料的必要特征。在实验中，根据上述方法制造具有上述特征的本发明电极样品，包括上面实施例所列出的，被研磨并置于合适的样品夹持器中然后接受x射线照射。其它市购的碳质材料也进行相同处理以对本发明材料和传统电极材料进行XRD分析比较(如同材料指纹)，特别是基于气凝胶的电极(例如Marke Tech气凝胶)。

微粒尺寸小于200目(74微米)。另外，在前的分析和检测已显示微粒是大致均一的，因此，其不是棒状或板状的。

研磨的样品粉末暴露于铜Kα波长的放射线，并在20到30度角度范围进行入射线扫描，衍射强度按0.2度步长进行测量。样品内部的晶体结构通过衍射强度曲线图的峰表示，这是晶体化学结构或无定形所特有的。在碳质材料中，石墨具有独特的晶体结构并因此具有可识别的一组XRD峰。图9的图表显示了代表性的电极样品XRD分析，包括根据本发明制造的电极，由曲线300所示，和由气凝胶材料制造的传统电极，由曲线310所示。图9的结果反映了编辑的数据和许多结果曲线，曲线300显示了当对本发明电极材料进行XRD分析时计数曲线，曲线310显示了当对传统电极材料尤其是由气凝胶材料制造的电极进行XRD分析时计数的曲线。

在本发明的电极材料中，一个石墨峰在水平轴的大约25度处。该峰叠加在从15度延伸到30度的非常宽的基本无定形峰上。这个位置的石墨峰已经在所有的根据本发明方法制造的电极样品中检测到，不同的电极材料由于工艺操作条件的变化，例如不同的加热条件，例如，不同的加热时间和/或温度，其峰高(衍射强度)稍有变化。在图9中可以看到，反映基于气凝胶的传统电极的曲线310在水平轴的大约25度处没有石墨峰。同样的，在接受相同XRD分析的三种市购“活性碳”材料中也不存在该石墨峰。因此，传统的电极材料似乎缺少本发明电极的这种特别的石墨结构，因为对这些材料的XRD分析有规律地显示了在水平轴的大约25度处缺少石墨峰。发明人相信，本发明电极在XRD分析中的石墨峰表明本发明电极较之于使用碳填充材料的传统电极具有不同的晶体结构，并且这一不同的晶体结构导致了本发明电极具有改进的离子容量和上面所述的改善的性质和特性。

Claims (32)

1、一种制备电极的方法，包括以下步骤：

用润湿液体、溶剂和第一交联剂润湿粒状导电碳材料，形成第一混合物；

将第一混合物与第二交联剂混合；

将第一混合物在足够温度下保持充足的时间直到该第一混合物聚合为固块；和

将该固块在足够温度下烧制充足的时间，这样该固块碳化为导电衬底。

2、权利要求1的方法，其中的聚合单体选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯、三羟基萘及其混合物。

3、权利要求1的方法，其中的第一交联剂和第二交联剂是甲醛。

4、权利要求1的方法，其中的粒状导电碳材料通过以下步骤形成：

将选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物的至少一种材料溶于第一交联剂形成部分反应的混合物；

将该部分反应的混合物与第二交联剂混合形成第二混合物；

将该第二混合物在足够温度下保持充足的时间直到其聚合为坯件；

将该坯件在足够温度下烧制充足的时间，这样该坯件碳化为导电元件；和

在该坯件冷却后进行加工，以将碳化坯件碎裂为粒状导电碳材料。

5、权利要求4的方法，其中的第一交联剂和第二交联剂是甲醛，并且第一混合物和第二混合物是相同的。

6、权利要求4的方法，其中的第一混合物和第二混合物包含甲醛和间苯二酚的混合物。

7、权利要求1的方法，其中至少75％的粒状导电碳材料包含粒径在约20微米和约100微米之间的微粒。

8、一种制备电极的方法，包括以下步骤：

将至少一种聚合单体溶于第一交联剂中形成第一液体；

将该第一液体在足够温度下保持充足的时间直到其形成部分反应的液体；

将该部分反应的液体与第二交联剂混合以形成混合的第一液体，并将该混合的第一液体在足够温度下保持充足的时间直到其聚合为第一固体坯件；

将该第一固体坯件在足够温度下烧制充足的时间，这样该第一固体坯件碳化为导电元件；

在该第一固体坯件冷却后进行加工，以将该碳化坯件碎裂为粒状导电碳材料；

用润湿液体，即第一液体和润湿溶剂的混合物，润湿粒状碳材料；

将润湿的粒状碳材料在足够温度下混合一段时间以充分去除该粒状碳材料中的气体；

向粒状碳材料、溶剂和第一液体的混合物中加入第二交联剂形成第二混合物；

将该第二混合物在足够温度下保持充足的时间直到其聚合为第二固体坯件；和

将该第二固体坯件在足够温度下烧制充足的时间，这样该固体坯件碳化为导电衬底。

9、权利要求8的方法，其中在聚合期间第一液体的温度保持在120℉到145℉之间。

10、权利要求8的方法，其中第一固体坯件在至少900℃的温度下烧制。

11、权利要求8的方法，其中至少一种单体是间苯二酚，并且第一和第二交联剂中的一种或多种包含甲醛。

12、权利要求8的方法，其中第一固体坯件在70℉到约125℉之间固化18小时以上。

13、权利要求8的方法，其中烧制第一固体坯件包括以下步骤：

提供包括第一耐火材料和第二耐火材料的烘箱，其中第一耐火材料是在上面的耐火材料并相对于第二耐火材料是活动的，后者是固定在下面的耐火材料，上面的耐火材料作为保持重量并使氧气气氛最小化，第一固体坯件置于上面和下面的耐火材料之间以进行烧制第一固体坯件的步骤。

14、权利要求8的方法，其中在烧制第一固体坯件期间，加热第一固体坯件使材料一致地上升到至少约975℃的温度。

15、权利要求8的方法，其中烧制第一固体坯件的步骤包括以下步骤：

在烧制第一固体坯件的起始期，通过在烧制期间碳化第一固体坯件所形成的燃烧气体置换烘箱的气氛。

16、权利要求8的方法，其中加工第一固体坯件包括以下步骤：

将大块的第一固体坯件引入碾碎机以形成较小的块；和

将较小块引入喷磨机使较小块碎裂为粒状碳材料。

17、权利要求8的方法，其中至少75％的粒状导电碳材料包含粒径在约20微米至约100微米之间的微粒。

18、权利要求8的方法，其中润湿粒状导电碳材料的步骤包括以下步骤：

将该粒状导电碳材料引入部分反应聚合物液体中并加入溶剂，将该润湿的粒状导电碳材料在去除空气环境下保持大约18小时到36小时以去除混合物中的气体。

19、权利要求8的方法，其中用额外量的第二交联剂与粒状碳材料混合以形成第二混合物的步骤包括以下步骤：

搅拌第一混合物以保持粒状碳材料为悬浮状态，而第二混合物聚合为第二固体坯件。

20、权利要求8的方法，其中在第二坯件聚合步骤之后而在烧制第二坯件步骤之前，进一步包括以下步骤：

将第二坯件置于气密闭的环境中，在约70℉到约145。F之间保持24小时到48小时使其固化。

21、权利要求8的方法，进一步包括以下步骤：

在烧制步骤完成后将导电板置于熄灭装置中；

将导电板冷却至室温；和

通过机加工将导电板加工为预选尺寸。

22、权利要求21的方法，其中加工导电衬底的步骤包括修切板块并使其呈方形，这样其所有表面是平整的。

23、权利要求21的方法，其中加工导电衬底的步骤包括：

应用电连接器。

24、权利要求23的方法，进一步包括以下步骤：

将电连接器稳固连接在板上形成的凹陷内；和

将在凹陷内的电连接器元件密封。

25、权利要求8的方法，其中第一液体和润湿液体是相同的，并由甲醛和间苯二酚的混合物形成。

26、权利要求8的方法，其中烧制第一和第二固体坯件包括以下步骤：

提供具有第一耐火材料和第二耐火材料的烘箱，第一耐火材料是炉膛耐火材料，第二耐火材料是活动的耐火材料；

将第一和第二坯件之一置于第一和第二耐火材料之间；和

操控烘箱，使耐火材料提供预定每克度·分钟的加热，这样相应的坯件上升到预定温度。

27、一种制备电极的方法，包括以下步骤：

用第一润湿液体、溶剂和第一交联剂润湿粒状导电碳材料并将该润湿粒状导电碳材料与一定量的第二交联剂混合以形成第一混合物；

将第一混合物在足够温度下保持充足的时间直到该第一混合物聚合为固块；

将该固块在足够温度下烧制充足时间，这样该固块碳化为导电衬底；

沿固块的长度方向将电连接器元件稳固地连接到固块；和

密封该电连接器元件。

28、权利要求27的方法，其中聚合单体选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物。

29、一种用于去离子装置的电极，包括：

聚合单体；

交联剂；和

催化剂；和

或其反应产物，共同为碳化形式，而且聚合单体和交联剂的混合物中未加入碳纤维强化剂。

30、权利要求29的电极，其中聚合单体包括至少一种选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物的材料。

31、一种用于去离子装置的电极，包括：

聚合单体；

交联剂；和

催化剂；和

或其反应产物，共同为由同质强化材料形成的碳化形式，其中同质强化材料由与电极基本相同化学成分的粒状导电碳材料形成。

32、一种制备电极的方法，包括以下步骤：

用润湿液体、溶剂和第一交联剂润湿粒状导电碳材料，以形成第一混合物；

将第一混合物与第二交联剂混合；

将第一混合物在足够温度下保持充足的时间直到该第一混合物聚合为固块；和

该固块接受红外线烘箱发出的红外线能量，从而在足够温度下被烧制充足的时间，这样该固块碳化为导电衬底。

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