CN101638256A

CN101638256A - 去除水中离子的水处理系统

Info

Publication number: CN101638256A
Application number: CN200810131160A
Authority: CN
Inventors: 薛立人; 李皞白
Original assignee: GUANYA ZHICAI CORP
Current assignee: GUANYA ZHICAI CORP; Gainia Intellectual Asset Services Inc
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-03

Abstract

一种用于去除水中离子的流通电容器(FTC)模块，包括：一绝缘外壳，具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将绝缘外壳区分成复数个单元，其中顶端盖、底端盖以及接口板上均形成复数个穿孔；以及至少一单体，配置于每一单元中，而单体由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠而成，且每一单体的两端上具一末端电极对，其中复数个电极板、复数个绝缘件以及末端电极对上均形成复数个穿孔。

Description

去除水中离子的水处理系统

技术领域

本发明是有关于一种水质净化的处理系统，特别是有关于一种以流通电容器模块所构成的去除水中离子的系统，可以净化水质或是进行海水淡化的处理。

背景技术

用于净化水质的技术甚多，例如逆渗透法(RO)、离子交换法及电透析法均是。随着环保意识高涨，理想的净水技术除了技术本身必须可靠的外，尚需具有成本效益，且不造成污染。就上列各种净水技术而言，从水的前置处理到设备维护均需使用一或多种化学药剂，既造成二次污染又增加成本。电容去离子(CDI)技术则是一种对环境有利的方法，因为其完全依赖电力进行水质处理及设备维护，既不需使用化学物也不会造成污染。电容去离子作业包括一流通电容器(FTC)的一连串充、放电过程，其中该流通电容器包括一正电极及一负电极。在该流通电容器的充电过程中，电极间将形成一静电场，而当水通过该流通电容器的电极之间时，该静电场可轻易吸附水中所含离子。由于被吸附的离子将累积在电极表面，因此，若欲连续进行水处理，必须去除累积的离子，使电极表面再生。在电容去离子作业中为电极充电以去除水中离子所消耗的电能甚低。详细地说，在生产等量、同水质的水时，电容去离子法所消耗的电量约为逆渗透法的三分之一。此外，饱和电极是以放电方式再生，使得不但得以减少用电，尚可回收有用的离子。因此，电容去离子法实为一具有附加价值的净水技术，其适用对象包括工业废水、地表咸水与地下咸水、及海水等含有离子的水。电容去离子技术的商用可行性主要取决于电容器的离子吸附力及再生的效果。

若与逆渗透法与离子交换法相比，电容去离子法问世较晚，且其减少水中总溶解固体量的能力尚鲜为人知，因此，无论学界或业界，对电容去离子法的研究均远少于对逆渗透法、离子交换法及电透析法的研究。而电极对的组态与电容去离子法的处理能力，均将影响以电容去离子技术作为一种用于处理多种水体及海水淡化的商用方法的成效。美国专利第5,980,718号揭示商用流通电容器的首例，其包括一由数百对串联电极所构成的堆叠体。该项专利是将一直流低电压供应至各电极对，其电连接的复杂度及成本均高。继有美国专利第6,462,935号揭示一更具能源及成本效益的圆柱形流通电容器，其电连接的方式虽已大幅简化，但该流通电容器又面临交叉污染的问题，尤其是在处理如海水等高离子浓度的水体时，交叉污染的情形更为严重。在此情况下，流通电容器的离子吸附力将显著下降，使电容去离子作业的产出大受影响。

由于电容去离子作业系透过流通电容器其电极对之间的一静电场去除离子，因此，在流通电容器与一电源之间至少要有两处电连接，亦即正、负极端子。此一电连接方式恰为上开美国专利第6,462,935号中流通电容器所用的方式，其中仅由两个电极板以同心方式卷绕成一具有所需任何面积的卷体，且仅设有两个端子。由于该流通电容器是由电极板紧密缠绕而成，水往往会滞留在该卷体内，因而在电容去离子作业中造成严重的交叉污染。为使流通电容器的电极快速、有效再生，流通电容器的电极表面需以一清洗液加以淋洗。此外，并列的流通电容器电极是以一经济而有效率的方式连接至一电源，但并非直接连接至该电源；而其余的流通电容器电极则由穿过流通电容器电极数组的水予以电连接。在顶端与底端电极之间施加一电位后，待处理的水从顶端电极处便开始带电，使电流开始流动。当电流随水到达第一居间电极的第二面时，该电极的第二面将带有与顶端电极相同的极性。电极极性在电流/水流穿过电极数组时同步交变的现象将不断反复发生，直到水从底端电极流出为止。各电极对均具有两种不同极性：其串联时将使流通电容器电极成为双极性电极，并联时则使流通电容器电极成为单极电极。

双极性电极已广泛应用在许多具有不同目的的电化学方法中。举例而言，双极性电极在美国专利第4,043,891号中是用于使金属在电沉积作业中均匀沉积；在美国专利第5,322,597号、第6,787,009号及第7,018,516号中是用于化学物的电合成；在美国专利第5,439,577号及第5,744,028号中是用于水的电解消毒；而在「纯化学与应用化学」期刊(Pure and AppliedChemistry)(2001)第73册第12号第1819至1837页中则是用于通过再生性燃料电池进行负荷平准化。双极性电极可具有如美国专利第6,224,720号所示的可移除性，而不需夹在两末端电极之间，此外，双极性电极亦可采用任何形式，例如在美国专利第6,306,270号中即为球形。双极性电极若使用不同的电极材料，亦可应用于电容去离子技术，而美国专利第6,788,378号即为其中一例，其中电极是采串、并联混合排列。就电容去离子技术的观点而言，上开美国专利第6,788,378号的缺点在于使用RuO₂·xH₂O(无水氧化钌)作为离子吸附材料，且电极的边缘并未密封。虽然RuO₂·xH₂O的能量密度甚高，可使超级电容器成为一电能储存装置，然此一昂贵材料的电能储存力是来自表面的氧化-还原反应，此一反应对于仅需离子吸附作用的电容去离子作业而言，并无帮助。此外，外露的电极边缘使未经处理水得以从旁绕过，而电流亦有可能在该些边缘附近外漏，造成奥姆加热及其它损害。

发明内容

有鉴于背景技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种去除水中离子的水处理系统，期使电容去离子技术能以工业规模处理工业用水。

为实现上述目的，本发明提供的一种流通电容器(FTC)，由复数个电极板堆叠成一单体，该每一单体配置于一末端电极对之间，该复数个电极板以及该末端电极对上均形成复数个穿孔，其中该电极板嵌入一密封构件中，而该密封构件由复数条径向排列的条纹以及包围该些条纹的一边缘密封组件所组成。

所述的流通电容器，其中，该些电极板是由涂布有碳布或含碳质材料或金属氧化物的金属基体所构成。

所述的流通电容器，其中，该含碳质材料包括活性碳、纳米碳管或碳笼簇(C₆₀)。

所述的流通电容器，其中，该金属基体的材质为镍、不锈钢或钛等材料所构成。

所述的流通电容器，其中，该复数个穿孔包括下列态样：细网状、网状、筛网状或线网状等。

本发明的流通电容器模块，包括：

一绝缘外壳，具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将该绝缘外壳区分成复数个单元，其中该顶端盖、该底端盖以及该接口板上均形成复数个穿孔；以及

至少一单体，配置于每一该单元中，每一该单体配置于一末端电极对之间，该复数个电极板以及该末端电极对上均形成复数个穿孔，其中该电极板嵌入一密封构件中，而该密封构件由复数条径向排列的条纹以及包围该些条纹的一边缘密封组件所组成。

本发明的水处理装置，由一直流电源，一与该直流电源连接的一超级电容器以及与该直流电源及该超级电容器连接的一流通电容器模块，该流通电容器模块包括：

本发明的去除水中离子的水处理系统，包括：

一个流通电容器模块，由一绝缘外壳以及至少一单体所组成，其中该绝缘外壳具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将该绝缘外壳区分成复数个单元，而该顶端盖、该底端盖以及该接口板上均形成复数个穿孔，以及至少一单体，配置于每一该单元中，每一该单体配置于一末端电极对之间，该复数个电极板以及该末端电极对上均形成复数个穿孔，其中该电极板嵌入一密封构件中，而该密封构件由复数条径向排列的条纹以及包围该些条纹的一边缘密封组件所组成；

一电位源，用于供应一直流电压至该流通电容器模块中的每一该单体上的该末端电极对；

至少一个第一超级电容器，其连接于该电位与该流通电容器模块之间，用于放大该电位来源所供应的电能；

至少一个第二超级电容器，其连接至该流通电容器模块，用于接收一来自该流通电容器模块的放电电能；

一控制器，用于调节该水的离子去除率及该流通电容器模块中电极的电能回收与再生。

本发明的去除水中离子的水处理系统，包括：

至少一个流通电容器模块，每一该流通电容器模块间由一输水管连接，每一该流通电容器模块由一绝缘外壳以及至少一单体所组成，其中该绝缘外壳具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将该绝缘外壳区分成复数个单元，而该顶端盖、该底端盖以及该接口板上均形成复数个穿孔，以及至少一单体，配置于每一该单元中，每一该单体配置于一末端电极对之间，该复数个电极板以及该末端电极对上均形成复数个穿孔，其中该电极板嵌入一密封构件中，而该密封构件由复数条径向排列的条纹以及包围该些条纹的一边缘密封组件所组成；

一电位源，用于供应一直流电压至每一该流通电容器模块中的每一该单体上的该末端电极对；

至少一个第一超级电容器，其连接于该电位来与该流通电容器模块之间，用于放大该电位来源所供应的电能；

本发明的流通电容器(FTC)，由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠成一单体，该每一单体配置于一对末端电极之间，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极上均形成复数个穿孔。

本发明的流通电容器(FTC)模块，包括：

至少一单体，配置于每一该单元中，该单体由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠而成，且该每一单体的两端上具一对末端电极，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极上均形成复数个穿孔。

本发明的水处理装置，由一直流电源，一与该直流电源连接的一超级电容器以及与该直流电源及该超级电容器连接的一流通电容器(FTC)模块，该流通电容器(FTC)模块包括：

本发明的去除水中离子的水处理系统，包括：

一个流通电容器模块，由一绝缘外壳以及至少一单体所组成，其中该绝缘外壳具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将该绝缘外壳区分成复数个单元，而该顶端盖、该底端盖以及该接口板上均形成复数个穿孔，以及至少一单体，配置于每一该单元中，该单体由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠而成，且该每一单体的两端上具一对末端电极，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极上均形成复数个穿孔；一电位源，用于供应一直流电压至该流通电容器模块；

本发明的去除水中离子的水处理系统，包括：

至少一个流通电容器模块，每一该流通电容器模块间由一输水管连接，每一该流通电容器模块由一绝缘外壳以及至少一单体所组成，其中该绝缘外壳具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将该绝缘外壳区分成复数个单元，而该顶端盖、该底端盖以及该接口板上均形成复数个穿孔，以及至少一单体，配置于每一该单元中，该单体由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠而成，且该每一单体的两端上具一对末端电极，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极上均形成复数个穿孔；

一电位源，用于供应一直流电压至每一该流通电容器模块；

换言之，本发明是针对一流通电容器模块的结构。一内含预制电极的总成可用以构成一流通电容器模块，使该模块具有较高的电极使用效率，而电极亦可快速、有效再生。该流通电容模块可由低成本的电极构成，且该流通电容模块可轻易整合在新制或既有的水质净化设备中。

根据本发明的一主要目的，为提高离子吸附力，用以制造流通电容器电极的材料选用具有大表面积的材料，例如活性碳或纳米碳管。吸附性材料可与纤维混合以形成碳布、或由一适当的黏合剂固着在一金属基体上、抑或直接形成于该金属基体上。此外，此电极最好具有高透水性及高导电性。

本发明是仅将两末端电极电连接至电源，使所施电压则系均匀分布在所有并列的流通电容器电极之间。当流通电容器电极具有一高导电度时，例如约0.01Siemens/cm或以上，则每一电极对之间均将形成一强电场。在此强电场下即可达成高离子去除率。

本发明是将电极板内嵌在一密封构件内以密封流通电容器电极的边缘，避免任何未处理的水因外漏而交叉污染已处理的水。同时，在将流通电容器电极内嵌在密封构件内后，流通电容器电极便成为可外加的构件，使流通电容器模块更容易制造。

本发明的再生流通电容器电极的方法，是利用超级电容器使流通电容器电极快速再生。

本发明提供的流通电容器(FTC)，是由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠成一单体，每一单体配置于一末端电极对之间，其中复数个电极板、复数个绝缘件以及末端电极对上均形成复数个穿孔。

本发明的流通电容器(FTC)模块，包括：一绝缘外壳，具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将绝缘外壳区分成复数个单元，其中顶端盖、底端盖以及接口板上均形成复数个穿孔；以及至少一单体，配置于每一该单元中，该单体是由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠而成，且该每一单体的两端上具一末端电极对，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极对上均形成复数个穿孔。

本发明的去除水中离子的水处理系统，包括：一个流通电容器模块，由一绝缘外壳以及至少一单体所组成，其中绝缘外壳具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将绝缘外壳区分成复数个单元，而顶端盖、底端盖以及接口板上均形成复数个穿孔，以及至少一单体，配置于每一单元中，单体由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠而成，且每一单体的两端上具一末端电极对，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极对上均形成复数个穿孔；一电位源，用于供应一直流电压至流通电容器模块；至少一个第一超级电容器，连接于电位源与流通电容器模块之间，用于放大电位源所供应的电能；至少一个第二超级电容器，连接至流通电容器模块，用于接收一来自流通电容器模块的放电电能；一控制器，用于调节水中离子去除率及流通电容器模块的电能回收与再生。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的电容去离子系统的示意图，其中该电容去离子系统包括一流通电容器模块，而该流通电容器模块则包括复数个并列的电极。

图2是根据本发明一实施例的流通电容器模块的电极示意图。

图3是根据本发明一实施例的电容去离子系统的示意图，其中该电容去离子系统包两个安装在一外壳内且彼此串联的流通电容器模块。

图4显示一包括双极流通电容器的自动化电容去离子式水处理系统。

附图中主要组件符号说明

流通电容器模块(100)

末端电极对(102、110)

电极(104)

间隔件(106)

导线(120、140、330)

边缘密封组件(203)

条纹(205)

外壳(300)

顶端盖(305)

底端盖(307)

绝缘界面板(311)

流通电容器模块(402、404、406、408、410)

管路(411、412、413)

电源管理模块(420)

电源(430)

超级电容器组(440)

泵(450)

储水槽(460、470)

电缆(A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、R-1、R-2)

具体实施方式

以下将说明本发明中使用双极性电极所形成的流通电容器的较佳实施例。首先，请参考图1，是根据本发明的流通电容器100示意图。如图1所示，流通电容器100由复数个并列且排成一数组的电极104、复数个间隔件106以及末端电极对102、110所组成，其中末端电极对102、110分别经由导线120、140电性连接至一电源。流通电容器(100)中的电极104及末端电极对102、110为一种由镍、不锈钢或钛等材料所构成的金属基体，同时，各金属基体上均配置有复数个直径1毫米(1mm)的孔洞所排成的图案，以利水从中穿过；而此图案的形状可包括细网状、网状、筛网状或线网状等。此外，每一个金属基体上可进一步涂布碳衣或由其它适当含碳质材料碳材质(例如：活性碳、纳米碳管或碳笼簇-C₆₀)或导电金属氧化物(例如：二氧化锰、氧化铁、经掺杂的氧化钛或氧化镍)所形成的涂层，以保护各金属基体并吸附水中的离子。请继续参考图1，电极104与间隔件106是交错堆叠排列，亦即每一间隔件106夹在两电极104之间，以免在电极104间形成短路。电极104的形状可与末端电极对102、110完全相同，或可由碳布(亦即活性碳与纤维的混织物)制成。很明显地，每一个间隔件106可以是一种约0.6至1毫米厚的塑料或聚合物板的绝缘材料，而间隔件106的中间部份则也可以为细网状、网状、筛网状或线网状的图案。

一直流电位施加于末端电极对102、110之间，而水流则流经电极104之间。水流在电极104间的电场作用下，将使途中经过的电极104带电。举例而言，假设水是从图1中流通电容器模块100的正极性末端电极102流进流通电容器模块100，同时，由负极性末端电极110流出流通电容器模块100。当水流到达第一中间电极104的第一面时，此第一面将会因电场感应而形成一负极；而当水流到中间电极104第二面(即相对第一面的另一面)时，则第二面被电场感应而形成一正极；因此，当水流经每一中间电极104时均形成一双极性的电极104，故当水流不断向下穿过流通电容器模块100中的每一个堆叠成柱状的电极104时，每一电极104均通过上述的电场感应而形成极化并使每一电极104的两面带电。在此同时，随着液体流入及流出每一双极性电极104，电流亦将穿过该流通电容器数组。

当电容去离子(CDI)作业中使用如图1所示的流通电容器模块100组态时，其至少具有两项优点：其一，需以电容去离子技术处理的水可直接接触流通电容器模块100中的每一电极104。详细地，由于电容去离子技术是利用带电电极的表面吸附离子，以减少水中的总溶解固体量(TDS)，因此，水必须接触电极方可获得快速而有效的处理。另外，在电容去离子的过程中，水是以例如重力进给的方式充满整个流通电容器数组，使电极104所有面积均与水接触，因而提高流通电容器模块100的电极使用效率，这将有利于电容去离子处理作业的产出。其次，流通电容器模块100内的流路直接而无死角或滞留区，因此，水可从流通电容器模块100中轻易流出。

此外，由于电极吸附离子后将快速饱和，因此电极104必须经常再生。而电极再生所面临的一技术挑战则为交叉污染，且主要源于卡在流通电容器模块100内的污染物，尤其是在流通电容器模块100中的流路长而迂回时，最常发生此一现象。在一流通电容器模块100中，任两电极彼此相对的正极表面与负极表面即构成一电容器。当咸水穿过流通电容器模块100时，则水中的阳离子将被吸附至正极表面，而阴离子则被吸附至负极表面。上述电容离子吸附作用恰为电化学电容器储存电能的机构。在电极104的再生过程中，电极104是由两条导线120、140连接至一负载(例如一尚未储存电能的超级电容器)以进行去吸附，而该负载则可储存流通电容器模块100的残余电能供后续使用。此时尚需利用一淋洗液将已经去吸附的离子从流通电容器模块100中冲走。流通电容器模块100的开放式构造使淋洗液与已去吸附的离子得以完全排出，因而降低交叉污染的可能性。

应注意的是，减少交叉污染至为重要，也因此，本发明使用间隔件106以降低未经处理的水绕过电极104间的电场而外漏的可能性。这是因为一滴未经处理的水可污染四公升已净化的水，使其水质低于可接受的净度标准。此外，电流亦有可能在双极性电极104的边缘附近随着漏水而流出。此一外漏的电流又称「分路电流」，可在双极性电极104的边缘产生奥姆加热，使之这些边缘成为流通电容器模块100的热点，而降低去离子作业的电流效率。此边缘效应亦有可能引发水解，因而提高总溶解固体量，减少电容去离子处理作业的产出。

接着，请参考图2，是本发明减少绕道水流及分路电流的较佳实施例，其作法是将双极性电极104内嵌在一密封构件200中，此密封构件200包括复数条沿径向排列的条纹205及包围此些条纹的边缘密封组件203。条纹205及边缘密封组件203可在单一射出成型工艺中同时成型。条纹205及边缘密封组件203可由绝缘材料构成，包括三元乙丙橡胶(EPDM)、环氧改性有机硅树脂、乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)、尼龙及铁氟龙(Teflon)。在将双极性电极104内嵌于密封构件200内之后，双极性电极104便成为一自持构件(self-sustained component)，如此一来，如图1所示的流通电容器模块100将更容易组装。换句话说，当使用密封构件200将双极性电极104嵌入后，即可以不需再使用间隔件106，因此，可以密封构件200的条纹205及边缘密封组件203的厚度增加，例如：将条纹205及边缘密封组件203做成0.6至1毫米厚的绝缘材料。因此，密封构件200可在两个双极性电极104之间提供一间隙，例如1毫米(mm)的固定间隙，此间隙是决定流通电容器模块100电压分布的关键。详细地，由于流通电容器模块100内的双极性电极104是形成串联组态，故施加于末端电极对102、110间的任何电压均由所有双极性电极104共享。此外，所施电压务须均匀分布，否则电压最高的双极性电极104将成为流通电容器模块100中强度最低但温度最高处。此外，固定的电极间隙可使流通电容器模块100具有均一的双极性电极104电阻系数，有利于电压均匀分布。另一影响双极性电极104电阻系数的因素则为双极性电极104的体导电度，其值需视双极性电极104的材料(例如：包括离子吸附媒介与金属基体)而定。虽然每一个双极性电极104均具有一操作电压，但整个流通电容器模块100中的所有双极性电极104均使用单一操作电流。在将直流电压施用于流通电容器模块100时，此操作电流可作为电极吸附离子的速率的指针。操作电流较高时表示离子吸附速率高，此时水处理作业的产出亦高。虽然电容去离子作业是在恒定电压下进行，但对应的电流却需视所施电压、离子浓度、电极面积、电极的导电度、及电极间隙而定。在上列参数中，电极的导电度应在制造双极性电极104时便予以最佳化，例如：达到0.001Siemens/cm或以上。

以一实施例而言，若要进行每小时能够处理10吨水时，则流通电容器模块100必须具有庞大的电极面积方可达所需的处理能力。流通电容器模块100包括串联的双极性电极104，而操作电压施加于这些串联双极性电极上，以处理穿过这些双极性电极104的水。举例而言，若包含末端电极对102、110在内共有40个双极性电极104所组成的流通电容器模块100，且此流通电容器模块100要执行电容去离子作业的目标电压为每一双极性电极104供应1V DC(直流)，则总体操作电压应限制在40V DC。此外，亦可整合复数个流通电容器模块100以构成一较大系统，以能处理较大量的水。

如图3所示，是本发明的另一实施例的示意图。如图3所示，本实施例包括两个单体所组成的系统，此系统是由一个绝缘接口板311来将流通电容器加以隔离成两个单体，很明显地，每一个单体中包括一个流通电容器模块100。同时，这两个单体中的流通电容器模块100均具有两个可连接至其它流通电容器模块100或电源的末端电极对102、110。为简化说明，在图3中是以一导线330代表所有电连接。

请继续参考图3所示，是将两个单体或是两个流通电容器模块100配置在一塑料外壳300内，并固定在一顶端盖305与一底端盖307之间。可此对调的入水口301及出水口302则分别设置于顶端盖305与底端盖307上。在此要强调的是，在本实施例中的每一个流通电容器模块100中的双极性电极104并不限于40个，其可视需要处理水的速率来配置任一数量的双极性电极104。此外，流通电容器模块100与外壳300亦可具有任何尺寸以满足容量需求。绝缘界面板311可包复数个孔洞，使水得以从一个流通电容器模块100流至另一个相邻的流通电容器模块100。如此一来，水便可逐渐通过所有电容器模块100。

为将操作电压控制在低位准，例如：40V DC之下，则所有流通电容器模块100是以并联充电。在上述操作中，其总操作电流系各流通电容器模块100所需电流的总和。若流通电容器模块100的数量及尺寸较大，则总电流亦将随之加大。然而，提供大电流(例如高于50A)的商用电源所费不低，因此，为降低成本，可利用超级电容器放大输出功率，以具有成本效益的方式满足所有为流通电容器模块100充电的电力需求。若与使用数字电子装置的现代电源相比，以超级电容器供电的复杂度较低，供电能力则较高。因此，使用超级电容器不但符合成本效益亦十分可靠。

此外，在公知技术中，处理流通电容器模块100的电极饱和后的再生作业，一般需要数分钟至数小时的时间，端视流通电容器模块100的尺寸及处理的水量而定。然而，流通电容器模块100的电极是否有效再生，对于电容去离子处理作业的产出、以及电容去离子技术的商用可行性而言，均非常重要。由于流通电容器模块100的电极可能包含活性碳，因此，电极的再生实为一重整碳表面以去除其所吸附的离子污染物的过程。即使不施加直流电压，活性碳原本即可吸附水中的离子，此一天然吸附特性使活性碳成为在处理多种不同水体时最常用的滤材。然而，活性碳并不易再生，目前业界在实务上大致共有四种使碳再生的方法，包括溶剂清洗法、酸洗或碱洗法、蒸气活化法及热再生法。在此要强调，本发明所公开的电容去离子技术是一种不使用化学物且可有效使用能源的水处理法，很明显地，上述四种方法中仅溶剂清洗法适用于流通电容器模块100的电极的再生。

当一个流通电容器模块100达到饱和时，其等同于一个完全充电的超级电容器。这是因为流通电容器模块100与超级电容器在充电时均是通过吸附离子而储存电能，而吸附于电极表面的离子所累积的电荷即为储存的电能。此外，流通电容器模块100与超级电容器均可将所储电能迅速释放至一负载，使原已吸附的离子自动去吸附并离开电极表面。根据上述的放电原理，流通电容器模块100的电极是以「回收电能」的方式再生。

若欲使流通电容器模块100再生，首先须关闭带电的流通电容器模块100及水流，其次再令淋洗液连续通过流通电容器模块100，并将流通电容器模块100的终端切换并连接至一负载(例如一尚未储存电能的超级电容器)，以利流通电容器模块100释出所储电能，而已吸附的离子也将随之脱离。由于超级电容器释出所储电能的速度较一般电池快，因此，一旦中止充电电位，饱和的流通电容器模块100将以更快的速度释出电能。以瓦数计进行量测即可得知，流通电容器模块100中可回收的残余电能约为原先为使流通电容器数组吸附离子而输入的电能的三成。此外，流通电容器数组的大部分残余电能在放电的最初始阶段即转移至该负载，之后则有部分电能回流至流通电容器数组，而部分电能又将回流至超级电容器，直到流通电容器模块100与超级电容器达到一平衡状态为止。只要流通电容器模块100的残余电压未归零，残余的已吸附离子便一直留在流通电容器的电极表面上，成为交叉污染的来源。故本发明将回收的电能快速转移至其它电能储存装置，抑或利用另一电能含量较低的超级电容器与流通电容器模块100进行电能交换，以便进一步去除流通电容器电极表面所吸附的离子。

在流通电容器模块100的电极104的「再生」或「电能交换」过程中，电源是处于关闭状态，而流通电容器模块100的电极的极性则将以一预定的时距交变。因此，并联的流通电容器模块100与超级电容器将轮流放电并为彼此充电。当流通电容器数组的正极转变为负极时，流通电容器模块100的残余电能亦将变为负电能。如此一来，超级电容器便将为流通电容器模块100充电，此一极性交变可促使流通电容器模块100与超级电容器迅速达到平衡，在此过程中，残留在流通电容器模块100的电极上的已吸附离子可随淋洗液迅速排出，因而完成流通电容器电极的再生。

如前所述，为降低操作电压，可将流通电容器模块100进行并联充电，亦即以同一电压施加于流通电容器的每一单体(即流通电容器模块)上。另为加流通电容器模块100的电极的再生，可将流通电容器模块100串联放电，并使用较高的电压以提高放电速率。因此，超级电容器必须装设在一高压模块中，以因应再生过程中，所有流通电容器模块100的电极所释出的电压值。若使的超级电容器的单位工作电压为2.5V，然后以美国专利第6,762,926号所揭示的「单体内串联」技术装置在一高电能模块中。如此一来，超级电容器模块便可具有一至少30V的单位工作电压及至少6F的电容。经由上述方式，流通电容器模块100将可快速再生，而饱和流通电容器模块100于再生过程中所释出的电能则可为超级电容器充电，使超级电容器可作电源使用。

请参考图4，是显示本发明的一个内含双极流通电容器(Bipolar FTC)的自动化电容去离子式水处理系统的示意图。为便于说明，本实施例将以处理海水淡化过程来说明。如图4所示，是由一水管将五个串联排列的双极流通电容器模块402、404、406、408、410加以连接。一储水槽460内的海水可通过管路411、412并由一泵450抽送至流通电容器模块402，然后一路向下流至流通电容器模块410。当海水逐级通过五个流通电容器模块402、404、406、408、410时，即接受一次又一次的去盐(即去离子)处理。处理后的水则经由管路413收集在另一储水槽470中。此外，尚可安装一在线传感器(图4中未显示)以判定所收集的水是否达到总溶解固体量的目标值，或者需接受进一步的去离子处理。

请继续参考图4，各流通电容器模块402、404、406、408、410的电极堆叠体均密封在一外壳中，而每一个流通电容器模块402、404、406、408、410均各自配置两条导线连接至各自的末端电极对。各对导线均又分别通过电缆A-1、A-2、A-3、A-4、A-5连接至一电源管理模块420以进行充、放电。电源430可将一电压(例如：40V)经由电缆应至电源管理模块420，以便为五个双极流通电容器模块402、404、406、408、410并联充电。各流通电容器模块经由电源管理模块420接收到电源430所供应的充电电压后，便可将穿过各流通电容器模块的海水中所含的离子去除。因此，当海水向下穿过各流通电容器模块的堆叠电极时，海水中的总溶解固体量亦将逐渐减少。当流通电容器电极因吸附离子而饱和时，便需进行电极再生作业，使电极表面再生。此电极表面再生的作法系先停止经由管路412对流通电容器数组进水，同时中断由电源430供应至流通电容器电极的充电电压。然后，将流通电容器电极的残余电能放电至一尚未储存电能的超级电容器组440，例如：15V的额定工作电压及一40F的超级电容器组，并以为超级电容器组充电，其中超级电容器组是通过电缆R-1、R-2连接至电源管理模块420。此外，为加速释出残余电能，五个流通电容器是串联放电，而残余电能亦为流通电容器电极上残留离子量的一指标。此外，为因应流通电容器模块100的充、放电所需的高压、高电容，超级电容器组可为串联、并联、或同时采用串/并联方式形成，对此本发明并不加以限制。此外，在进行「去除水中离子」与「再生流通电容器模块」在内的所有电容去离子作业，均是通过可程序逻辑控制(PLC)执行。

接着，将以下列的实施例来说明本发明的流通电容器模块100的处理过程。

实施例1

本实施例是使用一如图1所示的流通电容器模块100，其包括末端电极对102、110及20个堆叠在该末端电极对间的流通电容器电极104，其中各流通电容器电极104均为一直径约54毫米的圆形。此外，本实施例是将自来水穿过流通电容器模块100以去除自来水中的镁(Mg²⁺)、钙(Ca⁺²)等离子。

流通电容器模块100的末端电极对102、110均是由涂有活性碳的不锈钢盘构成，其直径则与流通电容器电极104的直径相同。末端电极对102、110分别熔接于一直径2毫米的金属杆上，其中此金属杆可将流通电容器模块100中的双极性电极104夹合在末端电极对102、110之间，亦可作为连接至一电源的端子。双极性电极104可由活性碳与纤维且体导电度为0.001Siemens/cm的碳布所构成。密封构件200与双极性电极104是交错堆叠排列，因而可在双极性电极104之间形成一约1毫米的固定间隙。流通电容器模块100是放置在一塑料外壳中，并覆以具有孔洞的螺纹端盖作为入水及出水口。供上述金属杆(亦即流通电容器模块的端子)使用的孔洞突出于外壳。一锁定机构可将各金属杆固定在外壳300内的一适当深度，并使双极性电极104均匀受压。

接着，将150毫升原本总溶解固体量为160ppm的自来水，以每分钟50毫升的速度送入流通电容器模块100。当自来水接触第一末端电极时，一个35V的直流电压则施加在末端电极对之间，因而在双极性电极104之间形成一电场，以去除离子，亦即离子会被吸附于双极性电极104的表面。在去离子的过程中，操作电流的量测值为0.5A，而操作电压则维持不变。

经过上述处理后的自来水中的总溶解固体量为80ppm。此一试验结果呈现下列优点：

1.达到电极的最大使用效率，且未观察到漏水现象，因此，已处理的水并未受到漏水的交叉污染。

2.由于流通电容器100中的双极性电极104是串联，因此，所施电压是由20个单体均分。此外，总溶解固体量显著减少，显示处理过程中并未发生水解现象；而处理后的水温仍维持在环境温度，亦暗示并无奥姆加热的现象。

3.双极性电极104并未连接至电源，此一设计适用于透过表面吸附作用降低水中总溶解固体量的电容去离子技术。

实施例2

接着，本实施例使用一包括五个流通电容器模块100的系统进行水处理，其中各流通电容器模块100均包括实施例1所用流通电容器模块100的构造。在本实施例中，流通电容器模块100是串联排列以淡化海水。流通电容器模块100虽是以串联方式供海水流通过，但却为并联充电，充电电压约为35V DC。将一升经过过滤后的总溶解固体量约35,000ppm的海水，以每分钟50毫升的速度送入流通电容器模块100，且仅通过流通电容器模块100一次。在充电期间，工作电流的记录值为3A，而处理一次后的水中总溶解固体量经量测后发现已降至2,500ppm。

在本实施例中，流通电容器模块100的再生作业是使用一包括三个超级电容器的超级电容器组。每一个超级电容器的规格均为30V×20F，其串联后形成一规格为90V×6.7F的超级电容器组，并作为五个流通电容器模块100再生过程中的电能储存装置。由于本实施例的流通电容器模块100的尺寸小，且仅有少量离子被吸附，故超级电容器组足可匹配五个流通电容器模块100残余电位的电压总和。表1分别显示在执行与不执行「电能交换」的情况下，五个流通电容器模块100的再生成效。

表1：流通电容器模块的再生作业在执行与不执行电能交换的情况下的成效比较表

处理方式	目标值(ppm)^§	用水量	所用时间
处理方式	目标值(ppm)^§	用水量	所用时间	水^＊洗+电能交换	100	2公升	8分钟
仅水^＊洗	100	12公升	2小时	水^＊洗+电能交换	100	2公升	8分钟

^＊以去离子水(总溶解固体量为4ppm)作为淋洗液。

^§淋洗液总溶解固体量的背景读数。

如表1所示，「电能交换」技术可为流通电容器模块100的再生提供明显效果，使模块再生速率远大于仅以溶剂清洗时的再生速率，而再生所用的宝贵资源(即淡水)则远少于仅以溶剂清洗时的用水量。要再次强调，本发明的流通电容器模块100于再生作业不需使用化学物或电力。

依上述结构，本发明可在20分钟内以2,000平方厘米(公分)的电极面积去除2,500毫克的盐，换算成吸盐率为每分钟每平方厘米0.062毫克。因此，本发明至少于具有下列优点：

电容去离子技术提供一种可有效使用能源、产出量大、但不需使用化学物的水处理法。只要能发挥流通电容器电极104的最大使用效率，再配合流通电容器电极104的再生，电容去离子技术实可用于处理大量工业用水。

本发明有效提高流通电容器的双极性电极104的使用效率，而此双极性电极104亦可轻易组装至流通电容器模块100中，故可有效地降低生产成本。

以上有关本发明的说明虽是以本发明的一特定实施例为参照对象，但本领域技术人员当可针对上述实施例进行修改而不脱离本发明的精神。因此，本发明的范围并非由以上的详细说明加以界定，而是由申请的权利要求范围加以界定。

Claims

1、一种流通电容器，由复数个电极板堆叠成一单体，该每一单体配置于一末端电极对之间，该复数个电极板以及该末端电极对上均形成复数个穿孔，其中该电极板嵌入一密封构件中，而该密封构件由复数条径向排列的条纹以及包围该些条纹的一边缘密封组件所组成。

2、如权利要求1所述的流通电容器，其中，该些电极板是由涂布有碳布或含碳质材料或金属氧化物的金属基体所构成。

3、如权利要求2所述的流通电容器，其中，该含碳质材料包括活性碳、纳米碳管或碳笼簇。

4、如权利要求2所述的流通电容器，其中，该金属基体的材质为镍、不锈钢或钛材料所构成。

5、如权利要求1所述的流通电容器，其中，该复数个穿孔包括下列态样：细网状、网状、筛网状或线网状。

6、一种流通电容器模块，包括：

7、一种水处理装置，由一直流电源，一与该直流电源连接的一超级电容器以及与该直流电源及该超级电容器连接的一流通电容器模块，其特征在于该流通电容器模块包括：

8、一种去除水中离子的水处理系统，包括：

9、一种去除水中离子的水处理系统，包括：

10、一种流通电容器，由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠成一单体，该每一单体配置于一对末端电极之间，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极上均形成复数个穿孔。

11、一种流通电容器模块，包括：

12、一种水处理装置，由一直流电源，一与该直流电源连接的一超级电容器以及与该直流电源及该超级电容器连接的一流通电容器模块，其特征在于该流通电容器模块包括：

13、一种去除水中离子的水处理系统，包括：

一个流通电容器模块，由一绝缘外壳以及至少一单体所组成，其中该绝缘外壳具有一顶端盖及一底端盖且以至少一接口板将该绝缘外壳区分成复数个单元，而该顶端盖、该底端盖以及该接口板上均形成复数个穿孔，以及至少一单体，配置于每一该单元中，该单体由复数个电极板以及复数个绝缘件以交错堆叠而成，且该每一单体的两端上具一对末端电极，其中该复数个电极板、该复数个绝缘件以及该末端电极上均形成复数个穿孔；

一电位源，用于供应一直流电压至该流通电容器模块；

14、一种去除水中离子的水处理系统，包括：

一电位源，用于供应一直流电压至每一该流通电容器模块；