CN102689937A - 可再生过滤单元、可再生过滤系统及其操作方法 - Google Patents

可再生过滤单元、可再生过滤系统及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可再生过滤单元、可再生过滤系统及其操作方法。该过滤单元可以包括：可渗水的第一电极；第二电极，布置成与第一电极间隔开并与第一电极相对；以及不渗水的分隔物，位于第一电极和第二电极之间。第一电极可以包括金属吸附剂(金属吸附材料)，因此可以吸附包含在水中的金属。第一电极和第二电极中的至少一个可以引起水的水解反应以产生H+离子从而再生金属吸附剂。过滤系统可以包括上述过滤单元以及电压施加器。

Description

可再生过滤单元、可再生过滤系统及其操作方法
技术领域
这里公开一种用于去除金属的可再生过滤单元(regenerable filter unit)、一种可用于去除各种重金属的过滤系统及其操作方法。
背景技术
由于随着经济增长而快速变化的工业化，重金属的使用不断增加。许多重金属由于其相对毒性而对人体和生态系统具有广泛影响，还作为对于环境诸如河流、土壤等的严重污染物。
数十年来，由于不加区别的重金属排放引起的水污染已经引起世界性的问题。对人体和生态系统施加特别不利的影响的有毒金属元素可以包括铬(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)、汞(Pb)、锰(Mn)、镉(Cd)、镍(Ni)等。金属元素的主要来源可以包括电镀厂、熔炼厂、皮革(leather)厂、涂料制造厂等。相对大量的金属也在饮料、冰淇淋等的制备中被排放。此外，铁(Fe)、锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)、锰(Mn)等主要在矿井中排放。
由于重金属引起的水污染问题也暴露到大众。一般地，在水处理厂处理并满足饮用水标准的洁净水供应到供应城市和家庭的供水系统。然而，当水被供应给用户时，可能包括从老化的水管等滤出的重金属诸如铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)等。在它们当中，已知铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)等如果在人体中积累会具有致命的毒性。
常用的重金属处理方法包括沉淀(precipitation)、吸附(adsorption)、离子交换、反渗透(reverse osmosis)、生物处理等。在它们当中，沉淀和吸附被主要地应用于工业和公用水净化，生物处理被部分地使用，但是由于尺寸减小和易于使用的问题，这些方法并不适于家用水净化。因此，对于家用净水器通常使用反渗透和离子交换。
尽管在净水器中使用的反渗透过滤器可以完全去除大部分杂质，但是其也会去除水中存在的有益矿物成分(Ca、Mg等)，因此要进行向净化过的水添加矿物质的后续工艺。此外，利用同时发生的高能耗来去除极少量重金属的反渗透在能量效率方面是不利的。如果使用离子交换树脂过滤器，则其可以选择性地去除重金属并在能量效率方面具有优点，但是即使在取决于流入水的污染程度的计划更换时间之前，过滤性能也会退化，因此饮用被重金属污染的水的可能性会增加。尤其是，过滤器需要定期更换，因此产生增加的成本以及对于使用者的不便。
发明内容
不同的示例实施例涉及一种过滤单元，该过滤单元可以相对高效地选择性地吸附并去除水中存在的金属离子并且可以相对高效地被再生。
不同的实施例涉及一种可提高处理能力的过滤单元。
不同的实施例涉及一种包括该过滤单元的过滤系统。
不同的实施例涉及一种操作可再生过滤系统的相对高效的方法。
根据示例实施例，一种过滤单元可以包括：可渗水的第一电极，包括金属吸附剂(金属吸附材料)；第二电极，布置成与第一电极间隔开并与第一电极相对；以及分隔物(separator)，由具有精细孔隙的绝缘材料形成，精细孔隙位于第一电极和第二电极之间并在穿过第一电极和第二电极的方向上传送离子，其中分隔物在平行于与第一电极或第二电极接触的侧部的方向上是不渗水的，并且第一电极和第二电极中的至少一个是包括水解催化剂(water hydrolysis catalyst)的负载催化剂电极(catalyst supported electrode)或包括非催化剂材料的非活性电极。
可渗水的第一电极还可以包括用于在渗水方向上使流入水通过的流入水入口(inflow water inlet)和处理过的水出口(treated water outlet)。
可渗水的第一电极在流入水入口处在流入水引入方向上的长度可以是约1cm至约50cm，可渗水的第一电极的在垂直于流入水引入方向(A)的第一方向(W1)上的第一横截面积(S1)与分隔物的在垂直于流入水引入方向(A)的第二方向(W2)上的第二横截面积(S2)的比率(S1/S2)可以为约5至约1000。
可渗水的第一电极可以通过沉积金属吸附剂的颗粒形成，并且可以包括形成在颗粒之间的具有约0.1μm至约30μm的平均尺寸的孔隙，并且可以具有约0.05至0.7的孔隙率。
可渗水的第一电极可以是纺织物(woven fabric)或非纺织物(non-wovenfabric)的形式。
金属吸附剂可以在表面上包括选择性键合到金属离子的碱性官能团(basic functional group)。
金属吸附剂可以是活性或非活性的碳基材料。
可渗水的第一电极可以选自活性碳、高比表面积石墨、碳纳米管(CNT)、介孔碳、活性碳纤维、阳离子交换树脂、沸石(zeolite)、蒙脱石(smectite)、蛭石(vermiculite)、或其组合。
可渗水的第一电极还可以由不渗水的碳基材料形成同时在其中包括分离的渗水流动路径。
不渗水的碳基材料可以是具有约0.1μm至约50μm的平均颗粒直径的碳基材料的颗粒。
第一电极还可以包括集流器。
分隔物可以具有约0.1μm至约30μm的平均孔隙尺寸。
分隔物可以包括从聚烯烃、玻璃纤维和金属氧化物中选出的至少一种材料。
分隔物可以在接触第一电极的第一侧与接触第二电极的第二侧之间具有约5μm至约300μm的厚度。
水解催化剂或非催化剂材料可以选自金属、金属氧化物、不锈钢、玻璃碳、石墨、碳黑或其组合。
水解催化剂或非催化剂材料可以选自铂(Pt)、钛(Ti)、钌(Ru)、银(Ag)、金(Au)、铱(Ir)、钯(Pd)、钴(Co)、钒(V)、铁(Fe)、PtO2、IrO2、TiO2、CaTiO3、NaWO3、MnO2、RuO2、PbO2或其组合。
第二电极可以包括金属吸附剂并且是渗水的。
替代地，第二电极可以不包含金属吸附剂并且是不渗水的。
根据另一实施例，一种过滤系统可以包括：上述过滤单元；以及电压施加器(voltage applier)，配置为施加电压到第一电极和第二电极(例如，在过滤单元操作之后以规则的时间间隔施加以从流入水去除一种或多种金属)。
电压施加器可以利用所施加的电压来再生金属吸附剂。
电压施加器可以施加能够使或促进在第一电极与第二电极之间的水水解的大小的电压。
根据另一实施例，一种操作过滤系统的方法可以包括：使流入水经过上述过滤单元而不施加电压，使得金属吸附剂从流入水吸附金属离子；以及施加电压到第一电极和第二电极以使金属离子从金属吸附剂脱附，从而再生金属吸附剂。
在过滤系统的操作方法中，金属吸附剂可以在流入水条件下通过电压施加器施加的电压再生，而不引入额外的电解液。
在施加电压到第一电极和第二电极的步骤中，可以施加能使或促进水水解的大小的电压。
可以通过电压施加器施加的电压将第一电极和/或第二电极的表面的pH控制为约5或更小，从而使金属离子从金属吸附剂脱附。
可以通过电压施加器施加的电压来氧化第一电极和/或第二电极的表面从而可以产生碱性官能团。
附图说明
图1是根据示例实施例的过滤单元的示意图。
图2示出图1的过滤单元的金属离子去除机制。
图3是根据示例实施例的过滤系统的示意图。
图4是根据另一示例实施例的过滤系统的示意图。
图5是根据另一示例实施例的过滤系统的示意图。
图6是根据另一示例实施例的过滤系统的示意图。
图7(a)和图7(b)是根据另一示例实施例的过滤系统的示意图。
图8是示出示例1的随时间的金属去除性能的评估结果的曲线图。
图9是示出根据示例1的循环金属去除性能的评估结果的曲线图。
图10是曲线图，示出示例1中使用的分隔物的依据频率的阻抗。
图11是曲线图，示出当示例1的过滤系统被再生时所测量的电流。
附图标记的描述
1：第一电极        2：第二电极
3：分隔物          4：电压施加器
5：集流器          12：第一电极
14：第二电极       100、200、300、400：过滤系统
具体实施方式
在下文将参照附图更全面地描述示例实施例。然而，本公开可以以多个不同形式实施，而不应被解释为限于这里阐述的示例。
在附图中，为了清晰，可以夸大层、膜、面板、区域等的厚度。相同的附图标记在整个说明书中表示相同的元件。将理解，当一元件诸如层、膜、区域或基板被称为在另一元件“上”时，它可以直接在该另一元件上，或者还可以存在中间元件。相反，当一元件被称为“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任意和所有组合。
将理解，虽然这里可以使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区别开。因而，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离示例实施例的教导。
为便于描述这里可以使用诸如“在...之下”、“在...下面”、“下”、“在...之上”、“上”等空间相对性术语以描述如附图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。将理解，空间相对性术语是用来概括除附图所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向的。例如，如果附图中的器件翻转过来，被描述为“在”其他元件或特征“之下”或“下面”的元件将会在其他元件或特征的“上方”。这样，术语“在...下面可以涵盖之上和之下两种取向。器件可以采取其他取向(旋转90度或在其他取向)，这里所用的空间相对性描述符做相应解释。
这里使用的术语仅是为了描述各个实施例的目的，并非要限制示例实施例。如这里所用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一”和“该”均同时旨在包括复数形式。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。
这里参照截面图描述了示例实施例，这些截面图是示例实施例的理想化实施例(和中间结构)的示意图。因此，由于例如制造技术和/或公差引起的图示形状的偏差是可以预期的。因而，示例实施例不应被理解为限于这里示出的区域的形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差在内。
除非另行定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。将进一步理解，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。
在下文，将参照图1描述根据示例实施例的过滤单元。
图1是根据示例实施例的过滤单元10的示意图。
参照图1，过滤单元10可以包括：可渗水的第一电极12；第二电极14，布置为与第一电极12间隔开并与第一电极12相对；和/或分隔物13，位于第一电极12与第二电极14之间。
第一电极12可以是可渗水的，从而提供流入水经过其的流动路径。第一电极12还可以包括吸附剂(例如，金属吸附材料)，该吸附剂吸附经过流动路径的流入水中的金属。可渗水的第一电极12还可以包括用于沿渗水方向(A)流过流入水的流入水入口(未示出)和处理过的水出口(未示出)。
第二电极14布置为与第一电极12间隔开且与第一电极12相对。
由于第一电极12是可渗水的，所以第一电极12可以使流入水通过。例如，流入水可以被引入到一侧，被处理过的水可以从另一侧排出。
根据另一实施例，可渗水的第一电极12的厚度在流入水入口处在流入水引入方向(A)上可以是约1cm至约50cm，可渗水的第一电极12在流入水入口处在垂直于流入水引入方向(A)的方向(W1)上的第一横截面积(S1)与分隔物在流入水入口处在垂直于流入水引入方向(A)的方向(W2)上的横截面积(S2)的比率(S1/S2)可以是约5至约1000。例如，比率(S1/S2)可以是约50至约100。在另一示例中，比率(S1/S2)可以为约10至约30。在另一示例中，比率(S1/S2)可以为约2至约5。因而，可渗水的第一电极12的第一横截面积(S1)的这样的大小可以提供期望的渗水性能。
根据另一实施例，可渗水的第一电极12可以通过沉积设计用于吸附一种或多种金属的吸附剂的颗粒而形成。由于形成在所沉积的颗粒之间的孔隙(pore)，第一电极12可以是可渗水的。形成在颗粒之间的孔隙的平均尺寸可以是约0.1μm至约30μm，孔隙率可以为约0.05至约0.7。孔隙率指的是孔隙与包括颗粒和孔隙的整个体积的体积比。
根据另一实施例，可渗水的第一电极12可以是纺织或非纺织物的形式。
吸附剂可以在表面上包括选择性地键合到金属离子的碱性官能团(含氧官能团)。碱性官能团选择性地表现出对酸性金属离子(特别是重金属离子)的强吸附性。例如，其中碱性官能团例如-COO-或-O-(可以从官能团诸如羧基、羟基等生成)吸附重金属离子诸如Pb2+的反应通过以下的反应图式1表示。
[反应图式1]
-COOH+Pb2++H2O→-COOPb++H3O+
C*-OH+Pb2++H2O→C*-OPb++H3O+
(-COOH)2+Pb2++2H2O→(-COO)2Pb+2H3O+
C*-O-C*+2H2O→C2OH2 2++2OH-
2(C2OH2 2+)+Pb2+→(C2O)2Pb2++4H+
吸附剂可以是活性或非活性碳基材料。
根据另一实施例，包括吸附剂的可渗水的第一电极12可以选自活性碳、高比表面积石墨、碳纳米管(CNT)、介孔碳、活性碳纤维、阳离子交换树脂、沸石、蒙脱石、蛭石、或其组合。高比表面积石墨可以具有约100m2/g至300m2/g的比表面积。
由于以上说明的第一电极12具有能使流入水相对平滑地通过整个电极主体的结构，所以在第一电极12中包括的吸附剂的吸附容量可以被最大限度地使用以改善金属去除率以及材料利用率，从而提高每单位单元处理金属的速度和容量。
除了包括由渗水材料制成的吸附剂之外，第一电极12可以具有不同的结构以提供渗水性从而改善流入水的通过。
根据另一实施例，第一电极12可以由不渗水的碳基材料形成，渗水的流动路径可以形成在不渗水的碳基材料中以允许流入水通过。不渗水的碳基材料可以由具有约0.1μm至约50μm的颗粒直径的碳基材料颗粒形成。虽然由碳基材料组成的部分可以是不渗水的，但是相对精细的流动路径可以分离地形成在第一电极12里面，使得第一电极12可以变成整体渗水的。
根据另一实施例，第一电极12还可以包括集流器。可以使用已知的材料作为集流器，例如Ti、不锈钢、石墨、玻璃碳、或其合金或混合物等，然而示例实施例不限于此。
分隔物13可以位于第一电极12与第二电极14之间。分隔物13可以由具有相对精细的孔隙的绝缘材料形成，所述孔隙在穿过第一电极和第二电极的方向上输送离子。当在两个电极12、14之间施加电压时，电流可以流过分隔物13的相对精细的孔隙。
分隔物13可以具有约0.01μm至约30μm(例如，约0.1μm至约10μm)的平均孔隙尺寸。由于流入水被引入第一电极12中，所以分隔物13不需要包括用于引入流入水的开口。因而，分隔物13不需要是渗水的。在非限制的实施例中，分隔物13可以在平行于与第一电极12或第二电极14接触的侧部的方向上是不渗水的。例如，分隔物13可以基于其孔隙尺寸(例如，0.01至0.09μm)而被提供为不渗水的。
虽然对于渗水材料可能需要特定标准的厚度以确保适当的强度，但是由于分隔物13可以形成为不渗水的，所以分隔物13可以形成为薄膜而不必增加厚度。随着分隔物13的厚度变薄，单元电阻(cell resistance)可以减小，结果，当施加电压以再生(regenerating)吸附剂时，电流可以增加以提高再生效率。此外，由于分隔物13不包括用于引入流入水的开口，所以可以最小化电化学单元短路的可能性，从而改善系统制造期间的可加工性。
在分隔物13形成为薄膜的情形下，由于分隔物13的横截面与分隔物13的长度相比相对地窄，所以分隔物13可以在平行于分隔物13的与第一电极12或第二电极14接触的侧部的方向上、或水在第一电极12中被传送的方向(A)上是不渗水的。
例如，分隔物13可以使用具有约5μm至约300μm的厚度的薄膜。因而，分隔物13的在接触第一电极12的侧部与接触第二电极14的侧部之间的厚度可以为约5μm至约300μm。因而，由于分隔物13可以形成为相对薄的膜，所以可以减小单元电阻。
分隔物13可以由聚烯烃、玻璃纤维、金属氧化物、或其组合等形成。
第一电极12和第二电极14中的至少一个可以是包括水解催化剂的负载催化剂电极或包括非催化剂材料的非活性电极。包括水解催化剂的负载催化剂电极或包括非催化剂材料的非活性电极可以在施加电压时使水分解以产生H+离子。H+离子促进被吸附到吸附剂的碱性官能团上的金属离子的解吸，由此再生吸附剂。
水解催化剂可以降低水解过电压并使能在之后提到的电压施加工艺期间在相同的电压下进行更高电流的操作，其中所述电压施加工艺在金属离子吸附之后进行。此外，因为阳极和阴极具有相对低的双电层电容(electricdouble layer capacitance)，所以在再生期间金属离子不被捕获且集中在阴极孔隙中。因此，能防止在再生之后所解析的金属离子的滞留(retention)，该滞留通常发生在具有相对高的双电层电容的电极中。
水解催化剂或非催化剂材料可以包括金属、金属氧化物、不锈钢、玻璃碳、石墨、碳黑或其组合。组合可以指两种或更多成分的混合物、层叠结构等。金属可以选自铂(Pt)、钛(Ti)、钌(Ru)、银(Ag)、金(Au)、铱(Ir)、钯(Pd)、钴(Co)、钒(V)、铁(Fe)、或其组合。组合可以指两种或更多金属的混合物、合金、层叠结构等。金属氧化物可以选自PtO2、IrO2、TiO2、CaTiO3、NaWO3、MnO2、RuO2、PbO2、或其组合。组合可以指两种或更多金属氧化物的混合物、层叠结构等。
第二电极14可以是渗水或不渗水的，但是其不具体限于任何一种材料。
根据另一实施例，第二电极14可以是渗水的并且可以包括吸附剂。在该情形下下，流入水可以经过渗水的第二电极14使得第二电极14中的吸附剂可以吸附流入水中的金属。
根据另一实施例，第二电极14可以是不渗水的，并且可以不包括吸附剂。
如图2所示，如果金属离子已经被吸附到碱性官能团并且离子去除速度已经减小，则可以在第一电极12与第二电极14之间施加电压使得金属离子可以从吸附剂脱附。具体地，吸附剂可以通过在第一电极12与第二电极14之间施加电压而被原位地再生。
正(+)电压被施加到第一电极12并且负(-)电压被施加到第二电极14从而在第一电极12和第二电极14的表面上引起水解反应。这时，H+离子在第一电极12的表面上产生，这可以将电极表面的pH局部地减小至约5或更小。被吸附到碱性官能团的金属离子可以通过竞争反应(competingreaction)而脱附并被排出。此外，过滤系统可以被短路从而促进金属离子排出。
表面氧化反应以及水解反应可以发生在第一电极12的表面上。更多的碱性官能团可以通过表面氧化反应被引入第一电极12的表面上。具体地，可以将金属离子吸附到第一电极12上的碱性官能团的产生可以用电化学方法引起。在第一电极12中的吸附剂是碳基材料诸如活性碳、高比表面积石墨(HSAG)、碳纳米管(CNT)、介孔碳、活性碳纤维等的情形下，可以引入具有通过XPS表面分析发现的约0.02或更大的氧/碳(O/C)原子比的碱性官能团。根据一实施例，可以引入具有约0.03至0.2的O/C原子比的碱性官能团。
过滤单元10在再生期间可以不需要使金属从吸附剂脱附的额外的电解质溶液。这是因为金属可以通过H+离子从吸附剂脱附，其中该H+离子通过流入水自身水解产生。
过滤单元10可以用吸附剂选择性地去除流入水中存在的金属离子，吸附剂可以在使流入水流动的同时通过施加电压而再生。因而，过滤单元10不需要经常更换并且对于水净化系统可以是有利的。
根据另一实施例，可以提供包括以上说明的过滤单元10以及电压施加器的过滤系统，该电压施加器在过滤单元10操作之后以规则的时间间隔施加电压到第一电极12和第二电极14。
在图1和图2中，分别连接到第一电极12和第二电极14的符号‘+’和‘-’表示电压施加器。
图3是根据示例实施例的过滤系统100的示意图。过滤系统100可以包括第一电极1、分隔物3、第二电极2以及电压施加器4。第一电极1可以是包括吸附剂(例如，吸附金属的材料)和集流器5的层。电压施加器4配置用于当再生吸附剂时施加电压。图4示出过滤系统200的另一实施例，其中不包括图3所示的集流器5。
通过水解反应进行的吸附剂的再生反应可以通过用电压施加器4施加电压而运行。
吸附剂的再生反应可以通过电压施加器4施加能使第一电极1与第二电极2之间的水水解的大小的电压而进行。
可以在进行金属吸附反应之后根据所需的条件(例如，在经过期望的时间量之后，或者根据金属离子或矿物成分的期望浓度)而进行电压施加器4的电压施加，电压施加时间的条件可以通过考虑吸附剂的量、流入水中的金属离子成分、处理过的水的流速等等来确定。过滤系统100、200、300、400还可以包括可检测处理过的水的流体特性的传感器(或监测系统)。电压施加可以通过施加约0.1秒至约5分钟的脉冲电压而进行。
可以测量(或监测)处理过的水中的金属离子(例如，重金属离子)的浓度，其可以被设计成：如果金属离子的浓度超过饮用水标准，则可以施加电压，以及如果处理过的水的金属离子或矿物成分的浓度不适于饮用水，则可以施加电压。过滤系统100、200、300、400还可以包括可检测金属离子(或矿物成分)的浓度的传感器(或监测系统)。
电压施加器4可以施加允许在第一电极1与第二电极2之间的水的水解的大小的电压。允许水的水解的大小的电压可以是约1.23V或以上，例如约2V至约30V。
过滤系统100、200、300、400可以通过在第一电极1与第二电极2之间施加电压而使吸附剂的性能电化学地再生，而不用拆除该系统。此外，可以在流入水条件下再生吸附剂的性能，而不使用额外的电解液。如所述的，因为金属吸附工艺和用于去除所吸附的金属的碱性官能团的再生工艺可以通过原位的工艺进行，所以金属离子(特别是重金属离子)可以通过相对便利的方法而被选择性地去除。如果金属离子以这种方式被去除，则过滤系统100、200、300、400可以被半永久地使用，并可以提供可降低过滤器的维护成本的过滤器件。
过滤系统可以通过堆叠过滤单元形成。
由于过滤系统100、200、300、400可以最大限度地表现吸附剂的容量，所以过滤单元的层叠可以最小化，并且厚度可以利用不渗水的分隔物3来减小，因此减小了单元电阻以改善再生效率。此外，由于开口可以不形成在分隔物3中，所以单元短路的概率可以被最小化以改善可加工性。
过滤系统的非限制的变化在图5和图6中示出。图5示出包括过滤单元的过滤系统300，该过滤单元包括串联电连接的第一电极1(包括包含吸附剂的层)、第二电极2、分隔物3、电压施加器4以及集流器5。图6示出包括并联电连接的第一电极1(包括包含吸附剂的层)、第二电极2、分隔物3、电压施加器4以及集流器5的过滤系统400。
在图7中，(a)和(b)示出过滤系统的其它示例实施例，其中具有通过虚线表示的层叠结构的过滤单元成螺旋形地卷绕并被引入壳体中从而沿箭头表示的方向引入流入水并排出处理过的水。虽然未示出，但是电压施加器可以如关于前述示例所描述地连接。
根据另一实施例，提供操作过滤系统100、200、300、400的方法，该方法包括：使流入水流过滤单元，而不对吸附金属离子的吸附剂施加电压；以及施加电压到第一电极1和第二电极2以使吸附剂脱附金属离子，从而再生吸附剂。
以下仅更详细地强调不同示例实施例的一方面。因此，应当理解，本公开的范围不限于这些示例。
示例
制备示例1：渗水电极的制备
通常使用的活性碳布CH900被切割成约10×10cm2并被用作渗水电极。
制备示例2：制备膏电极(paste electrode)
在搅拌容器中，添加用于吸附的45g的碳、约5g的碳黑(carbon black)、约4.17g的PTFE悬浮体(60％)、以及约100g的丙二醇(propylene glycol)，然后揉捏并模制，以及分别在温度被维持在约80℃、约120℃和约200℃的对流烘箱中干燥1小时，从而制备具有约10×10cm2的面积和约2.5g的重量的片型过滤器电极。
示例1
具有约480μm厚度的约1.62g的活性碳布(carbon cloth)用作过滤器电极，使用具有约25μm厚度(聚乙烯材料，由GORE公司制造)的不渗水的分隔物，被IrO2涂覆的Ti用作相对电极，1个单元按照石墨箔/过滤器电极/分隔物/相对电极的次序层叠，然后通过螺钉结合以组装过滤系统。过滤器电极上的外侧部(outside part)形成为整个开口从而引入流入水，出口被形成并起作用使得所引入的流入水可以在传输经过过滤器电极之后通过电极中心中的孔排出。
比较示例1
首先，在示例1中使用的活性碳布利用ZrO2球以约1000rpm球磨约15分钟，所获得的粉碎粉末与1，2-丙二醇混合以制备具有约50∶约100∶约5的重量比的碳∶溶剂∶PTEE(聚四氟乙烯)粘合剂的膏状混合物，该膏状混合物被制成电极并干燥，溶剂被去除，然后电极被切割以获得具有约430μm厚度以及约2.45g重量的膏电极(paste electrode)。过滤系统通过与示例1相同的方法组装，除了以上制备的膏电极用作过滤器电极以及具有约142μm厚度的渗水聚酯分隔物(SEFAR公司)用作分隔物之外。以与示例1相同的方法，过滤器电极上的外侧部形成为整个开口从而引入流入水，出口被形成并用于使得所引入的流入水可以在传输通过过滤器电极之后通过电极中心中的孔排出。
比较示例2
过滤系统通过与比较示例1相同的方法组装，除了使用具有约20μm颗粒直径的约2.19g活性碳以及使用具有约420μm厚度的过滤器电极之外。以与示例1相同的方法，过滤器电极上的外侧部形成为整个开口从而引入流入水，出口被形成并用于使得所引入的流入水可以在传输通过过滤器电极之后通过电极中心的孔排出。
实验示例1：评估金属去除性能
1.系统在室温下运行，制备流入水使得离子形式的Pb浓度可以在蒸馏水中变成约3ppm。流入水以约10mL/min的速度供应到系统。
2.测量处理过的水的残留Pb浓度随时间的变化以确定Pb去除性能的变化，如果Pb去除性能显著降低，则进行再生工艺。
3.在具有约210uS/cm电导率的模拟自来水情况下，当约5V/0V的电压分别保持约10分钟时，进行再生，使得吸附电极可以是阳极。利用相同的流入水情况对模拟自来水进行实验，其中CaCl2、MgSO4和NaHCO3分别被添加到蒸馏水使得浓度可以分别变成约48.6ppm、约18.2ppm和约66.0ppm。
4.在再生之后，约3ppm的Pb流入水以相同的速度再次经过，确认Pb去除量以确定Pb去除性能的恢复。
示例1的结果在图8和图9中示出。
图8是曲线图，示出在示例1以及比较示例1和2的第一次循环中处理过的水(treated water)的Pb去除性能随时间的变化。在过滤系统如示例1由渗水电极和不渗水的分隔物构成的情形下，确定吸附电极的负载量最低，同时去除率随时间保持最高。相反，如果渗水分隔物与其中使用相同的碳基材料的比较示例1的不渗水膏型电极以及其中使用通常使用的活性碳粉末的比较示例2一起使用，可以看出Pb去除率随时间快速下降，因而吸附剂的利用率降低。
图9是曲线图，示出根据示例1、比较示例1、和比较示例2的循环的Pb去除率，确定虽然Pb去除率通过示例1、比较示例1、和比较示例2中的再生被全部恢复，但是如在图8中确定的，示例1的优良的Pb去除率被连续地保持，即使反复循环。
实验示例2：测量根据分隔物的阻抗
对于使用示例1的分隔物和比较示例1和2的分隔物的超级电容器，其中实验示例1的模拟自来水用作电解液，示出阻抗随着频率的变化(图10)。从图10的结果，可以看出即使不存在开口，具有薄厚度的示例1的不渗水的分隔物的阻抗为比较示例1的约1/3。
实验示例3：评估根据分隔物的再生性能
以约10mL/min的流速将示例1的模拟自来水引入示例1、比较示例1、和比较示例2中制造的过滤系统，这些系统运行，并在施加电压时(即，吸附剂被再生时)测量电流。图11是示出结果的曲线图。在示例1中，与比较示例1和2相比，在相同的电压下在再生循环中观察到显著的电流增加，这被认为由分隔物的薄厚度所引起的欧姆电阻减小产生。
虽然这里已经描述了不同的示例实施例，但是将理解，本公开的范围不限于所公开的实施例。特别地，本公开旨在覆盖将落入权利要求书的精神和范围内的各种变形和等同布置。
本申请要求于2011年3月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0024934的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (26)

1.一种过滤单元，包括：
第一电极，包括金属吸附材料，所述第一电极是渗水的；
第二电极，与所述第一电极间隔开，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个是包括水解催化剂的负载催化剂电极或包括非催化剂材料的非活性电极；以及
分隔物，在所述第一电极与所述第二电极之间，所述分隔物由具有孔隙的绝缘材料形成，该孔隙传送离子到所述第一电极和所述第二电极，所述分隔物在平行于接触所述第一电极或所述第二电极的一侧的方向上是不渗水的。
2.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第一电极还包括用于在水渗透方向上使流入水通过的流入水入口和处理过的水出口。
3.根据权利要求2所述的过滤单元，其中所述第一电极在流入水引入方向上的长度是1cm至50cm，所述第一电极的在垂直于所述流入水引入方向的方向上的第一横截面积S1与所述分隔物的在垂直于所述流入水引入方向的方向上的第二横截面积S2的比率S1/S2为5至1000。
4.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第一电极包括所述金属吸附材料的颗粒以及在所述颗粒之间的孔隙，所述孔隙具有0.1μm至30μm的平均尺寸，所述第一电极具有0.05至0.7的孔隙率。
5.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第一电极是纺织物或非纺织物的形式。
6.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述金属吸附材料在外表面上包括选择性地键合到金属离子的碱性官能团。
7.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述金属吸附材料是活性或非活性的碳基材料。
8.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第一电极是活性碳、高比表面积石墨、碳纳米管、介孔碳、活性碳纤维、阳离子交换树脂、沸石、蒙脱石和蛭石中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第一电极包括不渗水的部分以及穿过所述不渗水的部分延伸的渗水部分，所述不渗水的部分是碳基材料，所述渗水部分是流动路径。
10.根据权利要求9所述的过滤单元，其中所述碳基材料包括具有0.1μm至50μm的平均直径的颗粒。
11.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第一电极还包括集流器。
12.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述分隔物具有0.1μm至30μm的平均孔隙尺寸。
13.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述分隔物包括从聚烯烃、玻璃纤维以及金属氧化物选出的至少一种材料。
14.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述分隔物具有在接触所述第一电极的第一侧与接触所述第二电极的第二侧之间的5μm至300μm的厚度。
15.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述水解催化剂或非催化剂材料选自金属、金属氧化物、不锈钢、玻璃碳、石墨、碳黑或其组合。
16.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述水解催化剂或非催化剂材料选自Pt、Ti、Ru、Ag、Au、Ir、Pd、Co、V、Fe、PtO2、IrO2、TiO2、CaTiO3、NaWO3、MnO2、RuO2、PbO2或其组合。
17.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第二电极包括金属吸附材料并且是渗水的。
18.根据权利要求1所述的过滤单元，其中所述第二电极不包含金属吸附材料并且是不渗水的。
19.一种过滤系统，包括：
如权利要求1所述的过滤单元；以及
电压施加器，配置为施加电压到所述第一电极和所述第二电极。
20.根据权利要求19所述的过滤系统，其中所述电压施加器配置为利用电压来再生所述金属吸附材料。
21.根据权利要求19所述的过滤系统，其中所述电压施加器配置为施加促进在所述第一电极与所述第二电极之间的水的水解的大小的电压。
22.一种操作过滤系统的方法，所述方法包括：
使流入水流动经过权利要求1所述的过滤单元而不施加电压，使得所述金属吸附材料从所述流入水吸附金属离子；以及
施加电压到所述第一电极和所述第二电极以使所述金属离子从所述金属吸附材料脱附，从而再生所述金属吸附材料。
23.根据权利要求22所述的方法，其中执行所述施加电压而不引入电解液到所述流入水中。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述施加电压包括施加促进在所述第一电极与所述第二电极之间的水的水解的大小的电压。
25.根据权利要求22所述的方法，其中所述施加电压包括利用所述电压将所述第一电极和所述第二电极中的至少一个的表面的pH控制为5或更小，从而使所述金属离子从所述金属吸附材料脱附。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述施加电压包括利用所述电压氧化所述第一电极和所述第二电极中的至少一个的表面从而产生碱性官能团。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120926