CN101790419A - 从作为去离子系统部件的多孔电极上除去离子的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在去离子装置中使用的电极包含以粒状形式设置在第一面和第二面限定的层中的导电材料。该电极包括紧靠第一面的基底和紧靠第二面的第一部件，流体通过第一部件并与粒状导电材料接触以使得粒状导电材料吸收离子。

Description

从作为去离子系统部件的多孔电极上除去离子的装置和方法

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2007年7月18日提交的名为从作为去离子系统部件的多孔电极上除去离子的装置和方法(Apparatus and Method for Removal of Ions from a Porous Electrodethat Is Part of a Deionization System)的美国临时专利申请序列号60/950,594的优先权，其全部通过引用方式结合于本文中。

技术领域

本发明总体涉及电化学分离系统，包括用于除去离子、并维持、氧化和还原来自流体(例如水和其它水性处理流)的污染物和杂质的电极。本发明还涉及使用该电极的流体处理系统(例如去离子系统)。

背景技术

现有许多不同的用于从流体流(例如污水等)中分离离子和杂质的系统。例如，惯用方法包括但不限于蒸馏、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。

美国专利No.6,309,532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可以被称作电容性去离子(CDI)的工艺。与传统方法相比，该技术在去离子过程中不需要化学试剂，该系统使用电能。在去离子(净化)循环过程中，包含各种阴离子和阳离子、电偶极子和/或带电的悬浮微粒的待处理电解质流通过电化学电容性去离子单元的堆叠组件。单元中的电极吸引具有相反电荷的微粒或离子，从而将其从溶液中除去。

这样，该系统对进水和污水进行去离子化和净化。例如，一种类型的系统包括具有多个去离子单元的池，该池由两种不同类型的非牺牲(non-sacrificial)电极形成。一种类型的电极由特别设计的惰性碳基质(ICM)形成。当施加电流时该电极从水溶液中除去和保留离子。另一种类型的由导电材料形成的电极在施加电流时不除去离子或除去较少量的离子，因此被划分为非吸收性的(“非ICM电极”)。这种性质是由碳布、石墨、钛、铂及其它导电材料形成的电极所共有的。非ICM碳电极形成双电极，因为其具有一对相互电绝缘的导电表面。

因此，在一个实施方案中，该装置包括许多各自为平板形式的导电的非牺牲电极，以相反电荷对共同形成去离子单元。在工作期间，在一对相邻电极间产生电压势。这是通过将电源的一根引线连接到一个电极和另一根引线连接到与该电极相邻的另一电极以在其间产生电压势而完成的。

为了构造稳定坚固的ICM电极，可以用强化剂来加强高表面积吸收材料。典型的，强化剂为碳源的形式，例如碳毡、粒状碳或碳纤维；但是，其还可以为碳/纤维素或碳硅混合物的形式。碳源被用于电极形成中进行强化，且尽管它可以以不同的形式存在，重要的是碳强化物是导电性的且不会降低电极的电导率。所选的碳源容许电极具有必要的电导性，且必须完全地分散在形成ICM电极的其它材料(即间苯二酚-甲醛液体)中，其随后固化，或可以在基质中吸收相似量的液体并随后固化。

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，使用碳纤维作为碳强化物提供了较少的离子附着位点，且在除去正离子和负离子时电极也趋向于较少的平衡。因此，希望制造出坚固且具有更高的强化特性而不使用传统的纤维强化物的均质电极。

此外，本申请人还在共同待决的美国专利申请60/827,545(其全部在此引入作为参考)中公开了用于对进水和排水(例如工业用水和废水污水)进行去离子化和净化的系统或装置，更特别地公开了不需要基于碳纤维的强化的非牺牲电极。相反，该电极是由粒状导电碳材料电极形成的，因而该电极具有多孔构造。粒状导电碳材料被设置在与待处理的流体相接触的层中。如60/827,545号申请所述，流体处理过程包括在再生电极在再生过程或循环中再生之前进行多个正向去离子操作或循环。想要或需要进行再生过程的时间取决于许多不同的参数，包括正被处理的流体类型、正向处理循环的长度等。在去离子系统中，粒状导电碳材料的一层或一组作为阳极，粒状导电碳材料的另一层或另一组作为阴极。但是，随着时间过去和由于阳极和阴极的多孔构造，在阳极和阴极的粒状导电碳材料中会聚集相应的离子。本申请人已发现，这种间隙流体形式的离子聚集会损害去离子过程的效率和系统的性能。

发明内容

本发明的一方面提供了去离子装置中使用的电极。该电极包括粒状形式并设置在层中的导电材料。基底紧靠电极的第一面，流体可渗入部件紧靠电极的第二面并构造成允许待处理的流体通过该流体可渗入部件而与粒状导电材料接触。

根据本发明的另一方面，粒状导电材料包含被加工成多颗粒的碳化形式的聚合单体、交联剂和催化剂及任选的其反应产物。任选地，聚合单体包括选自二羟基苯、三羟基苯、二羟基萘和三羟基萘、糠醇及其混合物的至少一种材料。

本发明的再另一方面提供了再生去离子装置中使用的上面描述类型的带相反电荷电极的方法。形成包括带负电的粒状导电材料和流体的第一浆料，并置于第一容器中。处理第一浆料以从带负电的粒状导电材料中除去阳离子。除去阳离子后排出第一浆料。形成包括带正电的粒状导电材料和流体的第二浆料，并置于第一容器中。然后经第一浆料排出第二浆料以形成组合的浆料。向组合的浆料中加入水，加热并混合以形成混合的浆料，然后排出所有的流体。向混合的浆料中加入处理的水，对其进行加热并排出所有的水，此时将其转移到压力容器中以待返回电极。

任选地，可向第一浆料中加入酸以形成pH处于预定范围内的溶液。在酸反应之后和向第一浆料加入第二浆料之前，排出该第一溶液。

本发明的另一方面提供了用于流体去离子化的系统，该系统包括处理池和多个根据本发明制造的电极。该电极优选被设置在处理池的内部，以使得至少一些电极被排列成相邻电极的基底彼此面对，而至少一些电极被排列成第一部件彼此面对但间隔开以接收待去离子的流体。

根据下面结合附图的详细说明，本发明的其它特征和优势将会更加清楚。

附图说明

本发明的前述和其它特征将会通过下面的具体描述和本发明示例性实施方式的附图更加容易明白，其中：

图1为包括流体处理回路和再生回路的流体处理系统(例如去离子系统)的示意图；

图2为其内设置有多个电极的流体处理池的截面图；

图3为流体处理池中使用的一个电极的侧面透视图；

图4为具有电极间限定的流体通道的一对电极的侧视图；

图5为根据本发明的一个示例性实施方式的具有酸/碱(caustic)提取系统的电极单元的截面图；

图6为显示在包括本发明的离子除去系统之前流体处理系统的性能的曲线图；

图7为显示包括本发明的离子除去系统的流体处理系统150次运行的性能的曲线图；和

图8为显示包括本发明的离子除去系统的流体处理系统150次运行的性能的曲线图。

具体实施方式

可以理解，尽管公开的由导电多孔碳材料(例如粒状碳材料)形成的多孔电极可作为水去离子系统的组件使用，本发明并不限于这一特定类型的应用，并可用于处理水流之外的流体。例如，包括去离子步骤的化学处理(包括蒸馏工艺)也是适于本发明的系统和方法的应用。此外，本发明的离子除去(酸/碱提取)系统同样也具有水处理之外的其它应用，且更特别地如下面详细描述的那样，离子除去系统可用于使用多孔电极的任何液体去离子处理工艺中。

根据本发明，所示的示例性电化学分离系统100包括使用由导电碳材料形成的电极200，特别地，这样形成的电极具有多孔结构并在形成电极自身的多孔材料(颗粒)间包含间隙空间(区)。

例如，电化学分离系统100中使用的一个或多个电极200可由任何导电碳材料形成，只要由于导电碳材料的材料特性而使得电极包含间隙空间即可。合适的导电碳材料包括但不限于活性炭、石墨化合物、碳纳米管材料或本申请人的60/827,545号申请中公开的粒状导电碳材料。

根据一个实施方式，电化学分离系统100包括多个用于从水、流体和其它水性或极性液体处理流中除去带电微粒、离子、污染物和杂质的非牺牲电极200及其合适的应用。电极200特别适合用于包括多个平行排列的直立电极200的去离子系统100中。系统100可以包括单一类型的电极，或者系统100可由以交替形式排列在系统内的多于一种类型的电极200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以使得相邻电极带有相反电荷以吸引具有相反电荷的微粒。可以清楚和明白的是，示例性的系统仅仅说明了本发明电极的一个用途，该电极还包括许多其它的用途，包括其它的去离子应用和其它类型的应用。

电极200可用在从中流过(flow-through)、从旁流过(flow by)或批系统的配置中，这样流体可利用带电表面区域来吸引带相反电荷的离子、微粒等等。在电极200的周围布置构架以对该电极的周围提供结构支撑也是可能的。

系统可以多种不同的方式构造，且电极可以多种不同的方式在装置内部排列。例如，美国专利No.5,925,230、5,977,015、6,045,685、6,090,259和6,096,179公开了其中所包含电极的合适的排列，其全部在此引入作为参考。如上所述，在一个实施方案中，该系统包括多个导电的非牺牲电极，它们各以排列部件的结构共同形成去离子单元的形式存在。在工作期间，在相邻的一组电极间产生电压势。这是通过将电源的一根引线连接到一个电极和另一根引线连接到与该一个电极相邻的电极而在其间产生电压势实现的。这可以使得相邻的电极带相反电荷。然而，可以理解的是，上述电极的实施方案仅为举例性质，而并不限制本发明，因为本发明还可具有除了由彼此相对排列的部件或材料所形成的电极之外的许多设计。

当电极200是由粒状导电碳材料构成时，它可以且优选按照本申请人的60/827,545号申请中描述的步骤形成的。换言之，首先制成聚合的预锻(pre-form)，然后再进行碳化和加工以形成在最终的电极中使用的导电碳材料。形成的这种类型的电极200不需要使用一般为碳源的形式(例如碳毡、纸或纤维或碳/纤维素混合物)的纤维强化剂。

此处所使用的术语“粒状导电碳材料”和“粒状导电材料”是指可被碾磨的碳化坯材料的颗粒物质，或其可以是另一种基于碳的颗粒导电材料。优选的粒状导电碳材料是既不会在电场中牺牲也不会在水中溶解的物质，并具有带电时能从溶液中除去离子的能力。

尽管在一个实施方式中，粒状导电碳材料是通过首先产生碳化的吸收材料再进行加工以使其破碎成较小颗粒形成的，可以明白的是在另一个实施方式中，具有除去水中离子所需的特定性能的粒状导电碳材料可以商业购买得到而使用。因此，某些活性碳和甚至玻璃碳结构可以在某些应用中产生令人满意的结果。还可以明白的是，形成可被碳化和破碎成粉末或粒状形式的导电炭(例如椰子壳或基于煤的活性炭)的其它材料也可以在一些应用中作为粒状导电材料使用。

但是，可以清楚地知道，使用粒状导电碳材料来形成电极200仅仅是形成具有间隙空间的电极的一种技术，且许多其它材料(例如上面列举的那些)和加工技术可用于形成具有多孔结构的电极200。

电极200是导电性的、均质的、多孔的碳结构，其用作在施加电流时从液体中去除离子的去离子系统中吸收性电极结构的部件。

如上所述，本申请人的60/827,545号申请中已经公开了用于制造由粒状导电碳材料形成的电极200的步骤和操作条件。

一个示例性的电极200是由相互联系的三个部件或材料或层形成的，即基底210、由多孔导电碳材料(例如上述的粒状导电材料)形成的部件220和屏障部件230，其中导电碳材料220置于基底210和屏障部件230之间。电极200可采取许多不同的形状和尺寸，且根据一个实施方式，电极200是正方形或矩形的。但是，这些形状本身仅仅为示例性和说明性的，还可以使用许多其它的规则和不规则的形状。电极200的形状和尺寸分别与流体(例如废水)引入其中以对其进行处理(例如去离子)的流体处理池的形状和尺寸互补。

可以明白的是，尽管部件210、220和230的厚度可以相同，但是这些部件的厚度通常是不同的。

根据一个实施方式，电极200一般以竖直的方式设置在流体处理池的内部以使得电极200的底缘201紧贴池底安置。部件210和230可被固定安置在池的内部，这样以竖直的方式安装这两个部件使得它们之间形成预定的距离，从而提供接受多孔导电碳材料的间隙。在该实施方式中，电极200的侧面面对并与流体处理池的相应侧面相对。电极200可以多种不同的方式排列以限定多种不同的流体流动通路，该流体引入到处理池中通过电极200进行处理。在一个显示的实施方式中，多个电极200沿着流体处理池的长度并行地排列，相邻的一组电极的屏障部件230彼此面对，而一些电极200的基底210面对另一些电极200的基底210。换而言之，电极200是背对背成对排列的，其中一对的基底210面对另一对的基底210，以在其间形成容纳如下所述用于挤压电极200的装置260的第一间隙240(垂直间隙或垂直通道)。该对的屏障部件230面对与两个不同电极200对相关的屏障层230，从而在两个电极200的相对屏障部件230之间形成如下所述容许所处理和引入到流体处理池中的流体流过的第二间隙250(垂直间隙或垂直通道)。第一间隙240的宽度不同于第二间隙250的宽度；但是，这些尺度之间的精确关系可以在不同的应用之间变化。

基底210作为层状电极结构200的骨架，并可由许多不同的非牺牲导电材料形成。例如，基底210可由石墨、任何非牺牲的和导电性的钢铁组合物、导电聚合物、环氧树脂、塑料或橡胶及任何非牺牲的和导电性的非铁材料(例如金、银、铂、钛、铝等)形成。

取决于处理的类型和其它参数(例如处理池的相对尺寸和每单位时间通过池的流体量等)，基底210的物理和电学性质将会不同。例如，基底210的面积可为大约0.001平方英寸至大于10,000平方英寸，基底201的宽度可为大约0.001英寸至大于1英寸，形成基底210的导电材料的体电阻可以为大约0.1毫欧至大约10欧姆。

在显示的实施方式中，基底210具有可以以许多不同形状(例如正方形或矩形)和不同尺寸存在的平板形式。

优选地根据一个实施方式，各电极200具有相同的尺寸和相同的物理和电学性质，从而提供均一的电极排列。

当导电碳材料是由60/827,545号申请中公开的粒状导电碳材料的形式时，在一个实施方式中粒状导电材料的颗粒大小优选为大约1至大约500微米，一个示例性的范围为大约40微米至大约120微米。例如，粒状导电材料的平均颗粒大小可大于50微米至小于100微米，或它可以在大约100微米至大约120微米之间。因此，粒状导电材料可被认为是具有不同性质(取决于其精确的颗粒大小和操作条件)的自由流动的粉末样物质。

由于部件220是由粒状导电材料形式的，因而该材料具有高度的流动性，且当向其施加外力或处于重力作用下时容易沿着通路流动。换而言之，粒状导电材料性质上是高流体性的，这使得电极材料(粒状导电材料)容易从流体处理池中冲掉。更特别地，由流体(例如水)和粒状导电材料220形成的浆料可具有多种不同的粘度，该粘度有助于在再生回路中方便地流动以允许在再生池中再生粒状导电材料220和允许将再生的电极材料输送回流体处理池中包含的电极200的部件220中。

粒状导电材料220具有可为大约10至大约

的相关孔径(associated pore size)，其表面积可以为大约400至大约1200m²/g(BET)。

可以明白的是，即使使用上述粒状导电碳材料之外的其它材料形成电极200的部件220时，所有这些材料都具有一定的多孔性，并形成包含间隙空间的多孔结构(部件220)。

屏障部件230可以采取许多不同的形式，包括允许在第二间隙250中流动的流体(例如水)流过并接触部件220的导电碳材料的由多孔材料形成的结构。屏障部件230还可由形成为包括多个通孔而形成格栅样模式的薄片的非多孔材料(例如聚乙烯(PE))形成，流体流过这些通孔并与部件220的导电碳材料接触。

当屏障部件230采取多孔部件的形式时，屏障部件230可由许多不同的材料形成，只要它们具有足够孔隙度以允许在第二间隙250中流动的流体流过并接触构成部件220的导电碳材料即可。部件230的多孔性可根据不同应用发生变化；但是，根据一个实施方式，部件230的孔隙度为大约1μm至大约5000μm。和其它部件一样，屏障部件230可具有不同的宽度，例如如大约0.001英寸至2.00英寸。

可以清楚的是，由于屏障部件230紧靠导电碳材料部件220的一个面，它可作为屏障来阻止粒状材料流入第二间隙250中。因此，粒状导电材料的颗粒大小和屏障部件230的孔径选择为使得屏障部件230的孔径阻止粒状导电材料穿过在屏障部件230中形成的孔(开口)。

多孔屏障部件230可由许多不同类型的多孔材料形成，其本质上优选地但不是必须地为非导电性的，或者屏障部件230可以由可形成格栅样结构的非导电材料形成。例如，屏障部件230可由选自多孔塑料(例如PE、缩醛树脂(Derlin)、UHMW、HDPE、尼龙、聚碳酸脂等)；聚酯、尼龙等形成的网；非导电性碳沫；非导电性陶瓷沫等的材料形成。屏蔽部件230具有与导电碳材料形成的结构220互补的几何形状。

可以理解的是，屏蔽部件230可以是塑料或合成布样结构的形式，并可具有许多不同的构型，例如蜂巢结构。

在其运行状态中，多孔导电碳材料220为受压形式或其中提供装置260以向多孔导电碳材料220施加预定压力的状态，从而使得松散的、自由的多孔导电碳材料呈现为更加紧密的、限定的层或结构。当受压时，多孔导电碳材料部件的厚度减小，且在一个示例性的实施方式中，多孔导电碳材料的部件220的厚度为大约0.010英寸至大约1英寸；但是，这些数值仅是示例性的，并且根据特定的应用，部件220的厚度可以超出这一范围。

尽管处于受压状态，由多孔导电碳材料形成的部件220仍然具有间隙空间。

可以通过逆着和相对于导电碳材料沿水平方向施加压力或沿垂直方向施加压力来挤压导电碳材料。图4中，箭头261表明压力沿水平方向施加。

装置260可以采用许多不同的形式，只要它被配置用于向导电碳材料的部件220施加正压(压缩力)，且优选地，装置260被构造成沿着部件220的长度(高度)施加正压。

此外，可以明确的是，导电碳材料的压迫会发生在材料(部件220)的任何或所有侧面上。

可以明确的是，如图2所示，在两个相对的基底210之间形成的第一间隙240用于容纳加压装置260，这样当启动时，装置260扩张并向相对的基底210施加压力。优选地，压力施加的方向基本上垂直于基底210的暴露面。由于流体(例如水或化学溶液)与由多孔塑料或中空塑料结构构成的刚性结构一起包含第二间隙250中，流体和结构施加力在屏障部件230的暴露面上，从而导致导电碳材料有效地夹在另两个部件210和230之间。换而言之，水和刚性结构很大程度地抵抗电极200沿装置260施加的力的方向的移动，这使得粒状导电材料可被包含在作为电极200的一部分的明确的部件220中，尽管粒状导电材料具有相对高的速度。紧邻流体处理池端壁的电极200的基底210由端壁直接支撑，因此无需邻近这些表面的加压装置260。

现在参见图1-2，显示了用于对流体进行去离子化的系统100，其一般包括用于处理流体(例如废水)的流体处理回路或通路310，以去离子或处理流体而产生可以排放到其它一些位置的处理的水。流体处理回路310包括待处理的流体源320，且在一个实施方式中，流体320为包含不想要的物质(例如不同的离子、金属等)的工业用水。但是，流体320可为除了水之外的许多不同的流体，例如流体可为化学流体流或液体化学物料。流体320的源可为储存预定量的流体的储存器、容器或池的形式，并可以可操作地与向池中输送处理流体的入口管线相连。以这种方式，一旦第一批流体被输送到和通过流体处理回路310，则输送下一批流体到容器中储存。例如，入口管线可以为以可控的方式输送流体到流体进行处理的位置的流体管道(例如管)形式。可以明白的是，容纳流体的容器的大小(体积)会根据精确的应用和处理多少流体而不同。

可以明白的是，此处所使用的术语“管道”可指用于将流体从一个位置运送到另一位置的单独的和不同的组件，或其可指单一连续管道的标定片段或部分。换而言之，尽管下面的讨论描述了许多不同的管道，但是一个或多个管道可以限定单一的连续流动通路。

流体处理回路310还包括第一管道330，包括流体连接流体源320的第一末端332和流体连接到流体处理容器(池)380的相对的第二末端334，其中来自源320的流体在流体处理容器380处由排列在容器380中的此处描述的电极200进行处理。第一管道330可为许多不同的形式，但是典型地为被设计为运送进行处理的而不会导致管道自身的任何损坏或弱化的流体类型的管道形式，例如PVC管道。正如所示的那样，第一管道330可由相对于其它管部分形成角度的多个不同的管部分限定，或者第一管道330可以是大部分在容器380和源320之间延伸的线性管道。

第一管道330具有多个与其相关的阀部件，用于控制流体从流体源320流到容器380时流体的的流动方向(流体通路或途径)和/或流速。例如，第一管道330可包括沿着第一管道330靠近第一末端332的第一阀部件340，和位于第一管道330内在第一阀部件340的下游并靠近流体连接容器380的第二末端334的第二阀部件342。

可以从下面看出，第一和第二阀部件340和342可以为可进行操作以允许或限制流体在第一管道330的一个或多个部分中流动的许多阀部件，从而使得第一管道330与其它管道隔离或允许第一管道330与其它管道或其它系统组件(例如流体处理容器380)形成流体连通。阀部件340和342以及系统的其它操作组件优选与控制器(处理器)等通讯，其允许选择性地控制单个阀部件340和342并将它们置于理想的位置(例如完全打开位置或关闭位置)上。

系统100还包括许多与其相关的用于选择性地和可控性地使流体沿着理想的流动路径运行的泵等。例如，第一管道330可包括可操作地连接的并与控制器(例如主控制器或处理器)通讯的第一泵350和第二泵360，从而使得各泵独立地进行控制。第一泵350优选被设置在更接近靠近处理流体源320的第一末端332的地方，并优选被设置在第一阀340的上游。因此第一泵350用作从源320抽取流体并随后沿第一管道330将其引导到另一位置或另一管道的主要装置。

第二泵360被设置在第一泵机械装置350和第一阀340的下游。可以操作第二泵360以进一步沿着第一管道330引导流体或将流体再循环流入和流出处理盒380以在pH和电导率传感器处进行质量检测。

系统100还包括具有与处理的流体容器380液体流通的第一末端372的第二管道370，该处理的流体容器380用于储存已在流体处理容器380中处理的和从流体处理容器380流出的流体。第二管道370的相对的第二末端374与第一管道330流体连通，且特别地，第三阀部件344设置在第二管道370结合第一管道330处。因此，第三阀部件344用来选择性地打开和关闭相对于第一管道330的第二管道370。第二阀部件342和第三阀部件344可被设置在第一管道330和第二管道370之间的T型流体相交的相对分支部分上，从而当第三阀部件344关闭而第二阀部件342打开时，来自处理流体容器320的流体可以流过第一管道330并流入流体处理容器380中。这是处理流体(例如工业用水)最初输送至流体处理容器380以对其进行处理(例如去离子)的情况。

系统100还包括使得在盒380中处理的水循环通过传感器以确定处理条件的第三管道390，该第三管道390具有与流体处理容器380的出口流体连接用于从中接受流体的第一末端392以及在第一阀340的下游的位置与第一管道330流体连通的相对的第二末端394，从而允许来自流体处理容器380的流体途经质量传感器370选择性地从第三管道390流向第一管道330，再经泵360返回处理盒380。由于第三管道390在第一阀340下游的位置与第一管道330流体连通，关闭第一阀340使得来自流体处理容器380的流体不输送到处理流体源320，因为第三管道390中的这一流体可以是将要小心储存而不与可能污染该流体的任何流体混合的处理的流体。

第三管道390还包括至少一个阀，且特别地，第三管道390包括位于或接近其第一末端392的第四阀346。第四阀346因此位置接近流体处理容器的出口，这样当第四阀346关闭时，流体处理容器380中的流体不会流入第三管道390，并因此在需要对流体进行处理时保持流体在流体处理容器380中。相反，当第四阀346打开时，流体处理容器380中的流体自由流入第三管道390，继而沿着理想的流动路线流动。

第三管道在第一阀340的下游但在第一泵350的上游与第一管道330相交，这样第一泵350的操作会使得第三管道330中的流体抽到第一管道330中。

系统100还可以包括第四管道400，其具有与流体废物容器420流体连通的第一末端402和与第一管道430流体连通的相对的第二末端404。因此，第四管道400配置为选择性地接受在电极填充循环中产生的来自第一管道430的废流体。第四管道400包括与其相关的第五阀410，以在阀410打开时允许第一管道330和第三管道400之间流体连通，或在阀410关闭时阻止它们之间的流体连通。因此，阀410优选位于或接近第三管道400与第一管道330流体连接的位置。因此，用于再循环的第二泵360位于第一阀部件340和第五阀部件410之间。

第四管道400与第一管道330选择性连通的位置为第三管道390与第一管道330选择性连通的位置的下游，但是位于第二管道370与第一管道330选择性连通的位置的上游。

提供了第五管道430，其具有与再生系统(回路)500的组件连通的第一末端432和与处理的流体容器480流体连通的相对的第二末端434。因此，第五管道430提供了再生回路500和储存处理的流体的容器480间的直接连接。

第五管道430优选包括沿着其长度设置的第三泵440，并且与其它泵类似的，该泵优选可操作地连接主控制器并与其通讯，从而可以选择性地控制第三泵440以选择性地操作和泵送第五管道430内的流体。第六阀部件被设置在第五管道430中，并按照与其它阀部件相同的方式操作。

可以提供多个控制和传感器组件来监测流体回路310上所选择位置处流体的不同物理特性和参数。

在所显示的实施方式中，系统100包括位于第三管道390中的电导率传感器460和pH传感器470，从而使得通过第三管道390从流体处理容器380排出的流体在被传送到用于输送到另一位置(例如处理的流体容器480)的第一管道330之前进行监测。可以明白的是，根据流体处理的精确类型，传感器460和470可为不同的类型。

本发明还包括如60/827,545号申请中详细描述的用于再生电极200的再生回路500。

流体处理池380包含根据预定的模式排列在流体处理池380内部381中的多个电极200。图2显示置于流体处理池380的内部381的组件，并特别地，显示电极200的排列。更特别地，流体处理池380由壁结构383限定，在矩形的情况下，它由相对的端壁和相对的侧壁限定。流体处理池380包括形成可使用顶板等封闭的上盖或顶盖的上缘385，流体处理池380，或者根据应用它可以保持完全开放或至少部分开放。流体处理池380包括由底板389限定的相对的下缘387。流体处理池380的一个或多个入口沿着上缘385形成且可以通过顶板等形成，从而允许接收如下所述的再生电极材料和在流体处理池380中进行处理(例如去离子)的流体。沿着底边389形成流体处理池380的一个或多个出口，从而允许排放需要再生的电极材料和在流体处理池380中成功处理的流体。

还对流体处理池380进行设计，从而各第二间隙250具有用于接收待处理的流体的相关入口251和允许流体从池380排出的相关出口253。如图2中清楚地所示的，入口251可在池380的上缘形成，而各第二间隙250的出口253可在池380的底板389中形成。如上所示，各入口管线和出口管线具有相关的阀部件以允许控制流入第二间隙250的流体(例如水)的流动和控制来自池380的处理的流体的排放。通过使所有的阀部件可操作地连接主控制器，可同时打开或关闭所有阀部件，从而当流体处理是以批样方式完成时，对池380进行填充或者冲洗。

同样，如图2所示，各部件220具有与其相关用于接收多孔的导电碳材料进入池380中的入口221和与其相关用于从池380排出粒状导电材料的出口223。入口221和出口223为再生回路500的部分，且如同水回路的情况，入口221和出口223具有与其相关的阀部件以允许粒状导电材料选择性地和可控地输送到池380的间隙250和当需要或想要再生电极材料时从其中排出粒状导电材料。

由于电极200的基底本质上是导电性的，有意地将其与电源270(DC电源)可操作地电连接。更特别地，电源270的一个极(+)或(-)连接到基底210上，以根据这一极对基底210进行充电。相反，屏障部件230是由非导电材料制成的，因此它提供了非导电的界面。由于粒状导电材料220邻接并因此沿着其长度直接接触基底210，传导到基底210的电荷也同时被传导到粒状导电材料220。以这种方式，粒状导电材料220形式的电极材料由于电源270的操作而带电。

由图2可以看出，在整个池380中，基底210交替地与电源270的相反极相连。以这种方式，第二间隙或通道250中的流体(例如水)与具有相反极性的两个电极200接触，从而允许通过电极200在一个优选的操作中对其进行去离子。

形成电极组件200一部分的多孔导电碳材料220具有相关的电阻值，该电阻值与通过加压装置260导致的导电碳材料220的压缩成反比并与导电碳材料220的颗粒大小(平均颗粒大小)成正比。在一个实施方式中，从邻近导电基底210的第一表面222至邻近多孔非导电屏障部件230的第二表面224测量的导电碳材料220的电阻为大约0.1毫欧至大约10欧姆。但是，可以明白的是，上面的数值本质上仅仅是示例性和说明性的，并不限制本发明的范围，因为导电碳材料220的电阻可以超出这一范围。还应当清楚的是，导电碳材料的电导率根据许多不同的参数而不同，包括施加到碳材料上的压力的程度和多孔碳材料的颗粒大小。

第二间隙250的宽度根据精确的应用和其它因素(例如池380的大小和每单位时间内池380的总体流体处理需求)而不同。根据一个实施方式，第二间隙250的宽度(和因此流体的宽度)为大约0.01英寸至6.00英寸之间；但是，其它的宽度也同样是可能的。

电源270和基底210之间的电连接可通过许多常规技术完成。无论电极200的具体细节如何，当其用于去离子装置时，必须对导电碳材料施加电压。这可通过直接连接到基底210或导电碳材料220上的杆或金属丝(例如由铜或其它导体形成的)完成。但是，如果杆或金属丝暴露在去离子的液体中，杆或金属丝会被损坏(牺牲)。因此，优选在杆或金属丝与板之间建立干连接。

可以如60/827,545号申请中描述的方式那样，在电极200的基底210和导体(优选为绝缘铜丝)之间形成干连接。

可以明白的是，控制系统(主控制器或处理器)可与国际专利申请序列号PCT/US2005/38909中公开的控制系统基本相同或相似，该申请的全部在此引入作为参考。

此外，可对系统100进行设计，与设计为批类型流体处理工艺不同，该系统包括阶梯式流体处理池380，使流体(水)流过几个阶段，各阶段进行部分的处理。各阶段可以在单元间隔(电极200的间隔)和/或施加的功率水平上进行变化。此外，还可对系统进行设计以使得流体(水)连续地流过平行处理单元。同时，流体(水)还可设计为沿着蜿蜒形状的流动路线流过处理单元，其中两个或更多个处理单元彼此串联排列。蜿蜒的流程可包括从处理路线的开始至末端的单元(电极)间的不同间隔和/或不同功率水平。

此外，处理池380可具有许多不同的几何形状，包括但不限于同心圆形层和螺旋盘绕层。

现在参见图5，显示了本发明的一个示例性的实施方式的离子除去(酸/碱提取)系统600。图5显示由两个电极200和200’形成的一个电极单元700，电极200和200’相互分开以形成供待处理的流体流过的间隙250。在所显示的实施方式中，电极200表示单元700的阴离子除去侧面，因为电极200与电源的正(+)极端相连，且相反地，电极200’表示阳离子除去侧面，因为电极200’与电源的负(-)极端相连。

本申请人已发现，在系统100(图1)的运行过程中，离子聚集在由限定层220的导电碳颗粒形成的间隙空间(在图5中一般以610表示)中。换言之，导电多孔材料220包括间隙空间610，且由于待处理的流体在间隙250中流动并接触多孔导电材料220，流体进入导电碳材料的微粒或颗粒之间的间隙空间610中。

随着离子在单元700和系统100运行过程中吸引到电极200和200’(正离子到负电极200’和负离子到正电极200)上，离子的相同电荷增加到离子开始相互排斥的程度，且各自的离子开始吸引带相反电荷的H⁺离子和OH^-离子。这导致了在负离子除去侧中和附近区域产生酸性溶液，和在正离子除去侧中和附近区域产生碱性溶液。换而言之，随着离子聚集在电极200内限定的间隙空间610中，浸浴形成电极200的多孔电极材料的溶液性质上变成酸性的，且类似地随着离子聚集在电极200’内限定的间隙空间610中，浸浴形成电极200’的多孔电极材料的溶液性质上变成碱性的。

随着系统100长时间运行，碱性和酸性溶液的浓度和离子强度增加，且从在间隙250中流动的流体除去的离子保持和包含在形成各自电极200和200’的多孔导电碳材料220的间隙空间610中。碱性和酸性溶液在各自侧浓缩，直到背板(基底210)至溶液(间隙250内流动的流体)的电导率大于背板(基底210)至多孔导电碳材料220途径的电导率。当背板(基底210)至多孔导电碳材料220途径的电阻变得更大时，系统100的单元700停止除去离子，并开始电解接近各自背板(基底210)的高导电性溶液。图6显示了不具有本发明的离子除去(酸/碱提取)系统600的系统100中单元700的最大能力。如图6所示，系统100的正向操作(即间隙250中流动的液体的去离子化)在时间方面突然延长，且不使用系统600时运行的总次数是有限的，和随着时间过去单元700内酸和碱的浓度增加。换言之，图6显示了各次运行的平均时间(按分钟计)且在这一特定的例子中，经过18次运行后，在单次运行所需的时间量(按分钟计)显著和突然地增加。

根据本发明，各单元700包括酸/碱提取或离子除去系统600，其设计用来降低单元700的正电极200和负电极200’的间隙空间610中离子的聚积。如图5所示，正电极200包括间隙排出口或出口620，其具有向与电极200相关的多孔导电碳材料层220开放并与其自由连通的第一末端622。相对的第二末端624向单元700的外部开放并如下所述，可与管道(管路)628等连接以从间隙空间610发送除去的酸性溶液(流体)。类似地，负电极200’包括第二间隙排出口或出口630，其具有向与电极200’相关的多孔导电碳材料层220开放并与其自由连通的第一末端632。相对的第二末端634向单元700的外部开放并如下所述，可与管道(管路)等连接以从间隙空间610发送除去的酸性溶液(流体)。第一间隙排出口或出口620和第二间隙排出口或出口630可被整合到和形成在限定单元700的外壳中，或者它们可被整合到和形成在与单元700结合的单独部件中，只要间隙空间610中包含的流体可流入第一和第二间隙排出口620，630即可。

可以明白的是，出口620和630因此允许间隙流体排出构成各电极200和200’部分的各多孔导电碳材料层220。还可以明白的是，出口620和630的构造使得它们是隔离的，并且不与待处理的流体流过的间隙250连通，因而通过出口620和630除去的流体为间隙空间610中包含的流体而不是来自间隙250的流体。

各间隙流体出口620和630可以和优选地包括过滤部件640，因而当根据本发明从单元700排出和除去间隙流体时，可以防止多孔导电碳材料220从单元700排出。过滤部件640可为多孔膜或滤筛或网孔材料的形式，其在系统600运行时可以允许包含离子的间隙流体流过，但是阻止多孔导电碳材料(例如粒状材料)通过。

各出口620、630或与其连接的管道628优选具有控制阀650来调控间隙流体的除去速率。控制阀650可与控制单元(未显示)可操作地电连接，从而远程控制间隙流体的去除，包括间隙流体从各电极200、200’除去的速率。

还可以明白的是，尽管在一个实施方式中，各电极200和200’包括间隙出口或排出口，但是也可能仅电极200和200’中的一个包括间隙出口或排出口。

从各自的电极200和200’除去间隙流体的实际方式或机构还可以使用不同的技术和设备通过许多不同的方式实现。例如如图5所示，系统600可使用重力进料机构操作，其中出口620和630沿着多孔导电碳材料220的底缘601设置并与多孔导电碳材料220的底缘601连通。由于单元700是垂直定向的，因此在正常的操作条件下，间隙流体将会在重力作用下流向材料220的底缘601。因此，通过分别将出口620和630的第一末端622和632置于底缘601并沿着底缘601进行设置，间隙流体将会在重力作用下从材料220的紧密垂直层向下流动并流入各自的出口620和630，然后再由此从单元700中排出。

除了重力进料机构，还可以使用其它的机构。例如，从出口620和630除去间隙流体可通过使用产生压力差的装置调节，该压力差使得间隙流体沿着材料220垂直层向下流动，并流入出口620和630。这可以通过在一个位置上对间隙流体施加正压或者通过在底缘601处产生低压环境而实现。例如根据一个实施方式，真空机构被用来从各个电极200和200’的材料层220中抽取间隙流体。真空机构可直接连接到出620和630的末端624和634上，或者真空机构可以可操作地连接与出口620和630流体连通的管道628。

本申请人已发现，在系统100中包括离子除去(酸/碱提取)系统600提供了更好的处理系统，并显著提高处理过程的效率和持久性。已经确定，在正向去离子操作过程中从多孔导电碳材料220的间隙空间610中除去间隙流体可使单元700和系统100在必需对单元700进行再生之前运行更长时间。如上所述并参见图6，当不包括系统600时，系统100在运行18次之后不能实现理想的水质量。但是，如图7所示，当向图6的实验中使用的相同流体处理系统100中加入酸/碱提取系统600时，这得到了显著提高。如图7所示，正向去离子操作持续进行了155次，且没有证据表明系统100的平均运行效率降低或系统100不能运行。如图8所示，在相同的条件下重复实验以使得系统100运行250次，同样未发现系统100的减慢或运行失败。因此，本申请人已发现，在操作过程中从单元700中除去间隙流体时显著提高系统100的性能。

当离子以酸性流体(从电极200)或碱性流体(从电极200’)的形式从单元700中除去时，各背板210附近的溶液的电导率持续小于多孔导电碳材料220的电导率，且如图7和8所示，系统100持续运行而每次运行所需的平均时间并未突然增加。从位置与各电极200和200’的多孔导电碳材料220层连通的端口(出口620和630)排出间隙流体提高了系统100的整体性能和效率，并提供再生所需的试剂。

还可以理解的是，离子除去系统600及其操作方法可与任何使用包含具有间隙空间的导电材料的电极的去离子方案一起使用。换言之，离子除去系统600与由多孔导电碳材料(例如本申请人的60/827,545号申请中公开的粒状导电碳材料或任何其它导电材料，该材料具有碳材料以电极中的最终形式存在时形成间隙空间的特定材料特性)形成的电极一起使用。其它合适的导电碳材料包括活性炭、石墨化合物等。此外，尽管水处理是可以使用流体处理系统100的一个例子，但是本发明并不限于这一应用，而是可用于进行流体去离子的任何应用中。

Claims (46)

1.一种去离子装置中使用的电极，包括：

以粒状形式设置在第一面和第二面限定的层中的导电材料；

基本紧靠第一面的基底；和

基本紧靠第二面的第一部件，其构造成允许待处理的流体通过第一部件并与粒状导电材料接触。

2.根据权利要求1所述的电极，其中所述粒状导电材料包含：

聚合单体；

交联剂；和

催化剂，

其中该聚合单体、交联剂和催化剂为加工成多颗粒的碳化形式。

3.根据权利要求2所述的电极，其中所述聚合单体包括至少一种选自二羟基苯、三羟基苯、二羟基萘和三羟基萘、糠醇及其混合物的材料。

4.根据权利要求1所述的电极，其中所述基底由导电材料形成。

5.根据权利要求4所述的电极，其中所述基底包括导电板。

6.根据权利要求1所述的电极，其中所述基底由选自石墨、导电钢铁、导电聚合物和导电的非铁金属的材料形成。

7.根据权利要求1所述的电极，其中所述粒状导电材料处于基底和第一部件之间的压力下。

8.根据权利要求1所述的电极，其中所述粒状导电材料的体电阻为大约0.1毫欧至大约10欧姆。

9.根据权利要求1所述的电极，其中所述粒状导电材料层的宽度大于基底和第一部件的宽度。

10.根据权利要求1所述的电极，其中所述粒状导电材料的颗粒大小为40微米至大约120微米。

11.根据权利要求1所述的电极，其中所述粒状导电材料的孔径通过BET测量为大约10A至大约100A或通过水银渗透仪测量为0.0100um至1000um，和所述粒状导电材料的表面积为大约100至大约1200m²/g(BET)。

12.根据权利要求1所述的电极，其中所述第一部件包括由允许流体从其流过并与粒状导电材料相接触的多孔材料形成的结构。

13.根据权利要求12所述的电极，其中所述多孔材料的孔径小于粒状导电材料的平均颗粒大小，从而阻止了粒状导电材料从其流过。

14.根据权利要求1所述的电极，其中所述第一部件具有其中形成多个通孔的结构，以允许流体从其流过并与粒状导电材料相接触。

15.根据权利要求14所述的电极，其中所述第一部件的结构具有格栅构造。

16.根据权利要求1所述的电极，其中所述第一部件由非导电材料形成。

17.一种用于流体去离子化的系统，包括：

处理池；和

排列在处理池内部的多个如权利要求1所述的电极，以使得至少一些电极被排列成相邻电极的基底彼此面对，和至少一些电极被排列成第一部件彼此面对但间隔开从而在其间限定用于接收待去离子的流体的第一间隙。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述粒状导电材料在系统的操作模式下为松散颗粒的形式并保持在压力下。

19.根据权利要求17所述的系统，其中各电极包括用于将流体传送到第一间隙中的第一入口管道和用于从第一间隙排放流体的第一出口管道及用于将粒状导电材料传送到基底和第一部件之间的位置的第二入口管道和用于除去粒状导电材料的第二出口管道。

20.根据权利要求17所述的系统，其中所述粒状导电材料在运行模式中处于压力下，而在再生模式中解除压力，从而允许粒状导电材料粘性地流过第二出口管道，而基底和第一部件在处理池的内部保持直立并间隔开。

21.根据权利要求17所述的系统，进一步包括：

带有正极和负极的电源，其中交替电极的基底电连接到电源的相反的极上以建立跨第一间隙的电压势。

22.根据权利要求17所述的系统，其中第二间隙形成在至少一些彼此面对的基底之间，且可膨胀部件被设置在第二间隙内以选择性地向基底施加压力，从而使得在可膨胀部件膨胀时各个粒状导电材料层处于压力下。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述可膨胀部件是由基本上沿着基底的长度延伸的可膨胀囊形成的，其中当囊膨胀时向两个间隔的基底施力，随之导致电极的粒状导电材料受压。

24.根据权利要求17所述的系统，进一步包括：

用于选择性地将处理流输送到池的内部中限定的第一间隙中并在对其进行去离子化之后选择性地排放处理流的第一流体回路；

用于选择性地将粒状导电材料传送到各电极的基底和第一部件之间的位置并用于从流体处理池去除带正电和负电的粒状导电材料以使其再生的第二流体回路。

25.根据权利要求24所述的系统，其中第二流体回路包括维持在预定条件下的再生池，从而通过去除附着在带正电和负电的粒状导电材料上的带电离子而使粒状导电材料再生。

26.根据权利要求25所述的系统，进一步包括：

与再生池流体连通而选择性向其传送的酸源；

与再生池流体连通而选择性向其传送的碱源(任选的化学离子强度调节剂)；

用于测量再生池内材料的pH值的pH传感器和用于控制再生池内温度的加热器；和

与酸和碱源、pH传感器和加热器通讯以允许控制和维持再生池内的条件处于预定运行范围内的主控制器。

27.根据权利要求24所述的系统，进一步包括：

使粒状导电材料沿着第二流体回路从处理池移动到再生池并再返回处理池的装置。

28.根据权利要求27所述的系统，其中所述装置通过在第二流体回路内建立使得粒状导电材料可控地从一个位置移动到另一位置的压力差而运行。

29.根据权利要求28所述的系统，其中所述粒状导电材料为通过运行所述装置而沿着第二流体回路移动的浆料的一部分。

30.根据权利要求28所述的系统，其中所述装置包括在第二流体回路内产生正压的第一装置和在第二流体回路内产生负压的真空装置。

31.根据权利要求24所述的系统，其中所述第一流体回路包括用于容纳待去离子的处理流的第一容器、接收废水的第二容器和接收去离子水的第三容器，第一、第二和第三容器各与处理池流体连通并包括用于选择性地控制处理流的流动及来自处理池的废水和去离子水的流动的相关阀部件。

32.一种用于形成电极的方法，包括以下步骤：

提供第一部件和第二部件；

形成粒状导电材料；和

在第一和第二部件之间设置和包含松散颗粒形式的粒状导电材料，其中第二部件构建为允许流体从中通过并与粒状导电材料接触。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一部件包括导电板，和第二部件为多孔材料层和穿孔结构中的一种。

34.根据权利要求32所述的方法，其中形成粒状导电材料的步骤包括以下步骤：

在第一交联剂中溶解至少一种聚合单体以形成第一液体；

在足够的温度下保持第一液体足够长的时间，直到第一液体形成部分反应的前体聚合物；

混合部分反应的液体和第二交联剂以形成混合的第二液体，并在足够的温度下保持混合的第二液体足够长的时间，直到混合的第二液体聚合成第一固体坯料；

在足够的温度下烧制第一固体坯料足够长的时间以使得第一固体配料碳化成导电部件；和

待第一部件冷却后加工第一固体坯料以将碳化的坯料破碎成粒状碳材料。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述聚合单体选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘、糠醇及其混合物。

36.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一交联剂和第二交联剂为甲醛。

37.根据权利要求34所述的方法，其中第一固体坯料的加工步骤包括以下步骤：

将碳化的坯料粉碎成粒状碳材料。

38.根据权利要求32所述的方法，进一步包括以下步骤：

在第一和第二部件之间挤压粒状导电材料。

39.根据权利要求38所述的方法，其中挤压粒状导电材料的步骤包括以下步骤：

在相邻电极的第一部件之间形成第一间隙；

沿着第一部件在第一间隙内插入可膨胀部件；和

使可膨胀部件膨胀以挤压粒状导电材料。

40.一种流体去离子化的方法，包括以下步骤：

在流体处理结构中设置多个权利要求1所述的第一和第二电极；

为第一电极加正电和为第二电极加负电；和

间隙中的流体在相邻的第一和第二电极的第一部件之间流动，从而使得流体通过第一部件并与所述第一和第二电极相关的粒状导电材料接触。

41.一种再生带相反电荷的电极的方法，各电极由粒状形式并设置在层中的导电材料、紧靠该层的基底和紧靠该层的第一部件形成，并构造成允许流体流过该第一部件并与粒状导电材料接触，该方法包括以下步骤：

形成包括带负电的粒状导电材料和流体的第一浆料并将其置于第一容器中；

加工第一浆料以从带负电的粒状导电材料除去阳离子；

在除去阳离子之后排出第一浆料；

形成包括带正电的粒状导电材料和流体的第二浆料并将其置于第一容器中；

经过第一浆料排出第二浆料以形成组合的浆料；

向组合的浆料中加入处理水；

加热和混合组合的浆料一段时间以形成混合的浆料；

排出混合的浆料的所有流体；

向混合的浆料中加入处理过的水；

加热和混合该混合的浆料一段时间；

排出混合的浆料的所有水并将其转移到压力容器中以待返回电极。

42.根据权利要求41所述的方法，进一步包括以下步骤：

向第一浆料中加入酸以形成pH处于预定范围内的第一溶液；和

待酸反应完后和在向第一浆料中加入第二浆料之前排出第一溶液。

43.根据权利要求42所述的方法，其中所述酸包括盐酸，且第一浆料的pH保持在2.3-3.8之间大约10至大约45分钟。

44.根据权利要求41所述的方法，其中混合的浆料的温度维持在室温至100摄氏度之间大约1至8小时。

45.根据权利要求41所述的方法，其中第一和第二浆料在加热之后排出。

46.根据权利要求41所述的方法，其中向第一和第二混合物中加入处理过的水，并加热和混合大约1至大约8小时，然后在加热之后排出混合的第一和第二浆料。

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