CN103563027B - 用于流过式电容性去电离的极化电极 - Google Patents

Abstract

极化电极流过式电容器包括至少各一种电极材料，该电极材料具有一个孔体积，该孔体积包括中孔和微孔，而这些中孔和微孔内含有阴离子基团或阳离子基团。这些极化电极是处于由流动路径或流动间隔物隔开的相反极性面向的电极对中。所使用的这些特定附着的离子基团的两种极性均在供应给该流过式电容器的入口的特定进料溶液的工作pH或者成分下被电离。所包含的基团致使这些电极被极化，这样使得它们对阴离子或阳离子是选择性的。与由非衍生性碳制成的相同的流过式电容器相比，这种极化电极流过式电容器具有更好的性能。如此衍生化的这些电容器电极材料直接地提供了这种极化功能，而不需要一种分开的电荷屏障材料。

Description

用于流过式电容性去电离的极化电极

技术领域

本发明涉及水净化，并且更具体地涉及流过式电容器以及电容性去电离。

背景技术

本领域中已知的是使用由相对的多对可相反充电的高电容电极制成的电极组件，来对水进行去电离或净化。这称为流过式电容器，或电容性去电离。在将电势或电压施加给连接到下伏的集电器上的端子时，这些电极形成电荷。水流中存在的带正电和带负电的离子分别吸引到并且静电地吸附到相反极性的负充电电极和正充电电极上，并且从溶液中移除而形成净化的水流。该过程由非感应电流的电容性充电而产生的电子电流的流动进行驱动。当流过式电容器被充电时，它可以分流或极性反向，从而释放吸附的浓缩形式的离子。所述净化和浓缩流可以通过一个阀而在一系列交替的净化和浓缩循环中转向到净化流和废料流中。

流过式电容器是所谓的“双层类型”的电容器。在电容性充电的电极的这个背景下，双层指的是这些离子吸引并且吸附到其上的静电电荷层。这些层包括表面电荷层以及扩散层，也称为斯特恩层(Stern layer)和古奥依·强本层(Guoy-Champan layer)。包括这所谓的双层的这些层的特征长度厚度对应于德拜长度，也称为德拜半径。这在如下等式1中估算：

等式1

这对于单价盐的实例而言归纳为

其中

K^-1是德拜长度

ε_r是溶质的介电常数

ε_o是自由空间的电容率

k_b是波兹曼常数

T是开尔文绝对温度

e是基本电荷

n_i是以数量/m³计的第i个离子种类的浓度

z_i是第i个离子种类的化合价

N_A是阿伏伽德罗数

I是以摩尔/m³计的溶质的离子浓度

电容随表面积增加而增加，这进而典型地要求电容器电极是多孔的并且具有孔体积。

等式2是在给定的离子进料溶液和给定表面积带电的多孔电极材料中，由双层占用的电极孔体积量的公式。等式2：

由双层占用的孔体积=A*K^-1，

其中A是电极材料微观孔表面积。在此背景下，微观电极孔表面是电极孔的表面，无论是微孔、中孔，还是大孔。在某些典型的给水条件下，德拜长度与微孔的和中孔的电容性去电离电极中的平均孔半径是相同的数量级。因此，由双层占用的孔体积可以构成总孔体积的大部分。此德拜长度限

发明内容

出人意料地已发现，当用于流过式电容器中时，在电容性多孔电极中并入电离的离子基团分子提高了库仑效率，这些离子基团分子包含在孔体积和双层体积的德拜长度区域内。库仑效率对于实现更好的净化、水和能量效率是必需的。已进一步发现：这些电极对于阴离子或阳离子变得有选择性；以及这些电极和流过式电容器变为响应于施加的电势或电压而极化。

电极材料可以是电容性材料的个别颗粒或片的形式，并且可以指代一种整体复合材料或由此构成的电极材料片材。这些电极具有微孔、中孔，或这两种孔。这些电极可以是全部微孔的、全部中孔的、全部微孔和中孔的、一种微孔或中孔与大孔的混合物，或一种微孔和中孔与大孔的混合物。这些离子基团分子包含在这些电极孔内，包括微孔和中孔，以及还有任何大孔。这些离子基团分子被电离，从而具有电荷，该电荷的作用是从双层体积中排除共离子。该机制类似于在离子交换膜中通常称为唐南排斥的机制。共离子的排除提高了令人希望的库仑效率。除非被排除，否则这些孔体积共离子会在电容器充电过程中从电极中排出，污染进料流并且由此降低库仑效率。该电极组件含有处于一个或多个相对的电极对中的两种电极。在一个相对的电极对中的每种电极含有两类携带离子基团的分子（阴离子的或阳离子的）中的一类。每一种成对的电极中的一者在流动间隔物两侧面向彼此。电极包含的阴离子基团和阳离子基团各自具有一个pKa。阴离子基团的pKa和阳离子基团的pKa对进料溶液的pH作界定，使得这些包含的离子基团被电离。每种电极至少部分地对于与其包含的离子基团的电荷极性相似的离子是不可渗透的，并且对于与这些离子基团的电荷极性相反的离子是可渗透的。当用正极性充电而不是用负极性充电时，该电极组件由于实现了更好的净化而被极化。在离子基团背景下的“包含”或“固持”适用于电极孔体积内固持的离子基团，而不适用于从流过该流动间隔物的进料溶液移进或移出该电极的离子。

携带离子基团的分子可以通过多孔电容性电极材料的衍生作用而包含在电极孔体积内，从而将离子基团分子附着到孔表面区域上。这样包含的离子基团分子可以通过电中性、离子中性或两者均具备的阻挡材料层而稳固地附着、不可逆地附着或不稳固地附着并且固持在孔内。附着可以通过物理吸着（也称为物理吸附）来实现，优选通过强吸附基团，例如疏水性部分。疏水性部分可以是表面活性剂的尾部。稳固的附着可以通过化学吸附并且使用化学反应形成共价键来实现。

在另一实施例中，携带离子基团的分子可以通过半渗透的阻挡层而包含在电极孔体积内。该层阻挡或限制离子基团分子以防其向外扩散或被电场向外驱动而进入到流体流中，并且将它们限制在孔体积内。被阻挡的离子基团分子在这种情况下可以溶解在孔体积溶液内或附着到孔表面区域上。通过阻挡层、衍生作用或这些方法的组合而进行的约束限制或消除了以下问题：离子基团分子从电极材料上被洗掉或被驱走。

另一实施例提供了一种离子种类选择性的流过式电容器。

第三实施例提供了一种有库仑效率的流过式电容器，它可以容易地螺旋缠绕。

根据本发明，提供了一种有效的流过式电容器。根据包括图式和权利要求的以下描述，将清楚本发明的其他优点和特征。

附图说明

结合附图通过参考以下所进行的详细描述，本发明的前述特征将更易于理解，在附图中元件符号指定为表1中指示的那些元件。

图1为螺旋缠绕的流过式电容器和盒式固持器的描绘。

图2为在例如堆叠层或螺旋缠绕的相对的片几何形状中的流过式电容器材料的安排的截面图。

图3示出了电极、集电器以及流动间隔物的安排。

图4描绘了用离子基团衍生的导电的电容器材料的单个颗粒。

图5是一个曲线图，示出了用极化电极流过式电容器在1.2DC伏特下的含离子水（在这种情况下是pH7的0.1M NaCl）的正极性和负极性处理。

图6是一个曲线图，示出了极化电极流过式电容器与科学对照流过式电容器的比较。

图7是一个曲线图，示出了比较阴离子敏感电极、阳离子敏感电极和中性电极的电阻抗谱图。

图8为用于实例1中的材料层的相对位置的示意图。

图9为流过式电容器的示意图，由此离子基团分子通过半渗透层而包含在电极孔体积内。

图10为真正串联设计的流过式电容器单元堆叠中的材料层的相对位置的示意图。

图11为用于真正串联设计中的流动间隔物的示意图。

图12为真正串联设计中的垫片、流动间隔物和电极的安排的示意图。

表1：

具体实施方式

定义。如说明书和所附权利要求中所使用，以下术语应具有所指示的意义，除非上下文另有要求：

与离子基团一起使用的“附着的”与固定、吸附或者粘附到电极材料基底的孔表面同义。

流过式电容器“单元”是包含在盒式固持器内的全部流过式电容器系统的一部分并且含有流过式电容器系统的一个或多个部件。

单元体积被定义为流动间隔物加上盒式固持器的死体积的总和。

库仑效率与感应电流效率同义，它被定义为作为电子电荷供应给电容器的电子的库仑量与净化过程中从进料溶液中移除的离子电荷库仑量之比。库仑效率可以通过以下方法来计算：将电流对时间的积分除以在净化充电循环过程中净化的离子对时间的积分。为了获得库仑效率的精确测量，重要的是考虑在净化充电循环过程中电子的库仑以及离子的库仑的总量。相应地，需注意以下内容：关于从最初零伏特的分流情况到最后的充电电压这个过程的电子库仑量，电子电流对时间的积分；以及关于从最初的进料浓度通过在净化过程中达到的最小离子浓度并且在单元已经达到其最后的充电电压时基本上回到进料浓度这个过程中从溶液中移除的离子的库仑量，离子净化曲线对时间的积分。该过程避免了来自使用瞬时电流和离子移除测量的单元死体积混合以及时滞误差。离子的库仑量通过将导电率测量与NIST标准溶液进行比较并且使用法拉第常数来转化。0.01M NaCl进料溶液是用于比较目的的良好的实验标准，借助于它来进行这些库仑效率测量。

电流密度是测量的电流安培数除以电极的面向流动间隔物的侧的面积之和。

衍生物。此术语指的是一种电极材料，例如碳，它上面吸附、化学地附着有或键合有分子团或原子基团。此术语还指上面吸附、化学地附着有或键合有基团的分子。衍生的指的是形成或已经形成一种衍生物的过程。

唐南排斥与脱盐（salt exclusion）或拒盐（salt rejection）或离子排斥同义。

串联电阻。本文中提到的串联电阻是以欧姆cm2的形式给出，并且等于欧姆串联电阻乘以面对的电极对的以平方厘米为单位的面对面积，相当于相加的所有流动间隔物的单面面积。串联电阻的同义词包括ESR和Rs。

流过式电容器系统是一系列部件，这些部件包括电容性电极、一个或多个任选的集电器，以及流体被引导通过其中的一个或多个流动间隔物。

离子基团分子。包括一个或多个离子基团的分子。

大孔被定义为直径大于50纳米的孔。

中孔是2至50纳米直径的孔。

微孔被定义为直径小于2纳米的孔。

负极性是正极性的反转，并且是负的携带电子的电子电流连接到包含有阳离子基团分子的电极上，携带空穴的电子电流连接到包含有阴离子基团分子的电极上的情况。

并联电阻是以欧姆cm2的形式给出，并且指的是欧姆电阻乘以面对的电极对的以平方厘米为单位的面对面积，相当于相加的所有流动间隔物的单面面积。同义词为漏电阻，有时缩写为Rp。

孔半径是孔体积与孔表面积之比。平均孔半径是一种具体电极材料的总孔体积与总孔表面积之比。

正极性是正的携带空穴的电子电流连接到包含有阳离子基团分子的电极上，负的携带电子的电子电流连接到包含有阴离子基团分子的电极上的情况。

科学对照流过式电容器是一种电容器，该电容器否则的话与极化电极流过式电容器完全相同，使用相同的电极材料而没有添加包含的或附着的离子基团。此科学对照用于对将这些基团添加到电极材料中的结果进行比较。

单电极电容。这是单电极（阳极或阴极）的电容。

表面附着的基团与附着的基团同义，并且指的是一种分子基团，该分子基团的离子部分附着到多孔电极材料内的孔表面上的表面区域上。

总电容是在整个单元上测定的电容，包括阳极和阴极电容。这与单电极电容是不同的，因为所谓的“双层”型电容器实际上是串联的两个电容器，包括一个阳极和一个阴极的单电极电容。

早期报告包括感应电流法的使用、用于一个或多个电极的低表面积碳材料、厚电极、疏堆积的碳层、细导线集电器的使用、短时间段内的性能降级、一直以来被认为引起电极降级的酸性氧基团的使用，如在Power Sources[能源期刊]第157卷第11-27页（2006）中提到，只有每小时两个单元体积的非常慢的流净化率，六小时或更长的长充电周期，以及六至十二小时的电极耗尽，这是流出的产品水导电率向进料溶液的导电率的返回。除了浪费或使用不可回收能源以外，感应电流反应还产生会使单元材料和单元性能随时间而降级的羟基和腐蚀性化合物，并且使矿物沉淀，进而产生不希望的污垢。例如在美国专利3515664的流过式电极设计中的厚电极，它所具有的死体积导致低的库仑效率，因为来自先前浓缩周期的、保留在电极死体积内的浓缩溶液与来自正被处理的流动溶液的随后净化周期的净化水之间发生混合。例如，参见：

G.W.Murphy和D.D.Caudle的“电化学去除矿物质的数学原理（MathematicalTheory of Electrochemical Demineralization）”，流动系统电化学学报，1967年第12卷，第1655-1664页，培格曼出版公司。

Danny D.Caudle等人的“使用碳电极的水的电化学去除矿物质（ElectrochemicalDemineralization of Water With Carbon Electrodes）”，美国内政部，盐水局，第188号研究和开发进度报告，五月（1966），按照商务部国家技术信息服务PB207007的指示。

G.W.Murphy等人的“通过多孔碳电极的电感应吸附的盐水的去除矿物质（Demineralization of Saline Water by Electrically-Induced Adsorption onPorous Carbon Electrodes）”，美国内政部，盐水局，第92号研究和开发进度报告，三月（1964）。

G.W.Murphy的“去除矿物质电极以及为此的制造技术（DemineralizationElectrodes and Fabrication Techniques Therefor）”，1966年 4月5日颁布的美国专利3244612（以引用的方式并入此处）。

Allan M.Johnson、A.Wayne Venolia、Robert G.Wilbourne以及John Newman的“用于对水进行脱盐的电吸附工艺（The Electrosorb Process for Desalting Water）”美国内政部，盐水局，第516号研究和开发进度报告，三月（1970）。

A.W.Venolia和A.M.Johnson的“用于对水进行脱盐的电化学离子交换材料和技术的开发（Development of Electrochemical Ion Exchange Materials and Techniquesfor Desalting Water）”，美国内政部，盐水局，第300号研究和开发进度报告，一月（1968）。

为了实现的目的，本领域的普通技术人员将了解以下专利，并且每个这样的专利的全文以引用的方式并入此处：US专利3244612、US专利 3515664、US专利5200068、US专利5360540、US专利5415768、US专利 5538611、US专利5547581、US专利5620597、US专利5954937、US专利 6413409、US专利6709560、US7368191、WO2009062872、WO2009062872 A1、EP2253592A1，以及US2011/0042205A1。

如US6709560中所述，Andelman先前提供了对由孔体积离子导致的低库仑效率问题的一种解决方案，使用的是所谓的“电荷屏障”，有时也叫做膜电容性去电离作用。电荷屏障材料增加了成本和制造复杂性，以及串联电阻。“电荷屏障”是层或涂层或者渗透到电极本身内的涂层形式的离散、典型交联的离子交换材料。电荷屏障是一种连续固体，以及物理地掩盖住电极孔的离子交换材料。当施加水时，这些材料典型地与下伏的碳电极材料发生不同程度的溶胀。在电荷屏障材料用作涂层或渗透到下伏电极材料之中或之上的情况下，该溶胀可以使电极分裂或弯曲，使电极颗粒本身分裂，或迫使这些颗粒在彼此间分离，这些均可能产生电极材料被洗掉以及串联电阻的有害影响，或者导致缺少制造过程中良好的质量控制所需的均匀性。然而，这样的离子交换材料根据溶液导电率和水分含量来溶胀和收缩，当所述水分渗透到电极孔中时，可能使电极材料破裂。电荷屏障材料因溶胀和收缩的移动还使得难以维持流过式电容器材料在单元内的均匀压缩，从而使得难以维持制造和性能的均匀性。电荷屏障通过将溶质离子捕集在电极孔中来运作。这些捕集的进料溶质离子在两个状态之间来回梭动，一个状态是吸附在电极上，另一个状态是作为浓缩溶液贮存（backed up）在电荷屏障上。另外，电荷屏障中的孔体积离子可以是任何可溶浓度的离子。捕集在电荷屏障后面的孔体积离子可能由于膜选择性的缺陷而慢慢地漏泄出来。

在US 6709560的电荷屏障系统中，来自进料溶液的抗衡离子移动通过电荷屏障膜以平衡电荷，进而帮助形成此贮存的浓缩物，从而实现净化。因此，该系统的电荷屏障部分类似于电渗析。原本将被排到流动间隔物净化流体中并且污染该净化流体而造成低库仑效率的孔体积离子被捕集并且固持在电极和电极孔内，并且形成靠着电荷屏障的浓缩物。电荷屏障使电极进一步隔开，从而使单元变得更大并且增加了串联电阻。例如，商用电荷屏障材料通常在增加1欧姆cm2以上的附加电阻。另外，Piotr Dlugolecki等人在 Journal ofMembrane Science[膜科学期刊]，第346卷第163-171页(2010)中报告，用于现有技术电容性去电离中的电荷屏障材料在低浓度(例如使用低于0.1M NaCl的进料溶液)下在串联电阻方面呈现了巨大的增加，从而进一步限制了电流密度，这将使低浓度下的离子净化率和流量降低。平坦的电荷屏障膜表面上的浓度极化使串联电阻增加，并且从而限制了电流密度。不幸的是，低浓度溶液和苦咸水代表常见的应用领域。因此，对于一种高库仑效率、高流量性能、高水回收率、低能量使用而无需使用离散的电荷屏障部件的流过式电容器存在一种需要。

已发现，具有包含的离子基团的流过式电容器电极可以实现高净化率和良好的库仑效率，而无需使用离散的离子选择性材料电荷屏障。包括所得的极化电极流过式电容器的电极对的个别部件彼此相互对立地含有每一极性种类的带电离子基团中的一者(阴离子的和阳离子的)。本文所述的“极化电极流过式电容器”通过从电极孔中排除溶质离子来运作。这不要求额外的部件，例如电荷屏障离子交换材料，即可实现提高的库仑效率。由于极化电极流过式电容器首先通过从电极孔中排除溶质共离子来运作，因此进料溶质阳离子和阴离子在移动到在正极性下充电的电极内和外时从溶液中净化出来，而不是响应于靠着电荷屏障贮存的浓缩物。

极化电极流过式电容器中孔体积离子的浓度是由使孔中含有的离子平衡所需的电荷来决定的，从而排除过量的离子，并且当将电势施加给电极时，使充电电极选择性地对抗衡离子更具渗透性，而不是共离子。

与共离子通过电压而从孔体积中排出的电荷屏障相比，极化电极排除共离子以防止其占据孔体积，进而首先通过包含在电极孔体积内的所包含的离子基团而防止它们进入孔体积中。

与以另外的方式相同的、同样运作的科学对照流过式电容器（它们的电极不含有离子基团或者还没有用离子基团进行衍生）相比，极化电极流过式电容器的性能改善是可测量的。含有离子基团的极化电极流过式电容器实现了高的库仑效率，例如50%或更高。

在极化电极流过式电容器内使用所包含的离子基团源自以下认识：是在双层体积内形成的离子电荷的分布控制着库仑效率。此双层体积孔体积可以包括该总的孔体积的一部分或全部。另一方面，是总的孔体积决定了水回收率，因为总的孔体积内所保持的溶液稀释了浓缩废料，进而降低了水回收率。因此，将双层体积与总的孔体积之比增加到例如10%或更大会减少孔体积内的浓缩物的稀释并且增加回收率。将总的孔体积与单元体积之比增加到例如10%或更大也会减少流动间隔物和盒式固持器内的浓缩物的稀释并且增加回收率。

双层区域对库仑效率的重要性源自以下事实：带电的电容器电极上的电压或电势主要在德拜长度距离上下降，如等式1中给出。例如从等式1中计算，对于0.01M单价盐NaCl进料溶液而言，该距离是2.1纳米。此短距离的结果是，在双层所占据的电极孔体积区域中，电场是强度非常急剧变化的，例如大约为每米109伏特或更小。德拜长度也是与电极表面的距离，在该距离内带电的电容器中具有大值的离子浓度被扰动。这意味着抗衡离子迁移到带电的流过式电容器中以及共离子从带电的流过式电容器中排出发生在该区域内。最初存在于流动间隔物中的抗衡离子在此电极双层区域内的净静电表面吸附允许了流过式电容器对流动的溶液进行操作，以执行离子从溶液中的有用净化。共离子从电极孔体积中的排出污染了进料到流动间隔物中的流体流以及随后从流动间隔物进料到盒式固持器出口中的产品流，这是库仑效率低的原因。低库仑效率不利于移除的离子的总量，并且因此不利于离子从进料溶液中净化的运作。共离子通过所包含的离子基团而从德拜长度的双层体积中的排除防止了共离子随后的排出，并且因此有利于库仑效率。凭借以充足的量接近电极孔表面，电极孔结构内所包含的离子基团静电地影响该双层区域，从而排除不利的共离子。接近是通过电极孔表面衍生来实现的，或通过阻挡层来实现，该阻挡层将离子基团分子的溶液限制在总电极孔体积内。由此可以防止这样所包含的电极离子基团被电场排斥、扩散开、解吸附或冲洗到流动溶液中。因此，离子基团以足够的量存在于电极孔内，静电地影响此双层区域，从而增加两种极性的抗衡离子迁移到双层体积区域中的净总量。电极以相反极性成对。因此，抗衡离子和共离子各自包括两种极性的离子，即阴离子和阳离子。

为了使孔体积含有的离子基团静电地影响共离子并且从尽可能多的双层体积中排除共离子，最好是双层体积占据尽可能多的总电极孔体积。因此，优选的电极材料（典型地是但不总是碳）具有低的比体积并且在具有趋向于双层长度或德拜长度的规模的孔大小或孔半径的孔方面具有优势。此优选的孔大小分布对应于具有微孔和中孔的电极。因此在任何情况下，所希望的是使大孔性保持较低，例如，低于总孔体积的40%。优选的是具有孔大小分布的电极并且由此超过30%、例如超过60%的孔体积包括微孔和/或中孔。优选的是平均电极孔大小小于50纳米，例如20纳米或更小。总电极孔体积典型地小于1.5立方厘米/克，例如小于1立方厘米/克，或小于0.5立方厘米/克。为了用于使用粘合剂的复合电极中，使用小尺寸的碳颗粒或纤维也是重要的，从而减少间隙的孔体积。例如，优选的是，一起用于完整电极内的大多数的个别颗粒或纤维的宽度为100微米或更小，最佳是小于50微米宽。不同大小的颗粒可以混合在一起，以与粘合剂一起形成完整电极。在这种情况下，小颗粒可以用于填充更大颗粒之间的间隙，例如可以使用直径为10微米或更小的碳黑与平均颗粒大小为50微米或更小的活性碳混合在一起，从而减小间隙孔的大小。这些标准对于一起用于流过式电容器电极组件中的阳极和阴极对中的两个电极都很重要。可以用碘值来确定多孔性并且估计表面积，使用的是例如用于确定活性碳的碘值的ASTM D4607标准测试方法。

共离子从电极中的排除是由电极孔内所包含或约束的离子基团的静电场引起的，并且被称为唐南排斥或离子排斥。有帮助的是用一个公式来估算在给定溶液条件下电极所包含的给定量的离子基团所提供的唐南排斥的量。用于估算电解质的唐南排斥的公式由以下的等式3给出，作为离子浓度当量的函数。等式3是最低限度适用于等式2给出的双层体积的质量平衡，该双层体积是电极总的孔体积中位于电极表面的德拜长度内的那部分。等式3最低限度适用于整个电极孔体积。

等式3：

共离子_内部/共离子_外部=共离子_外部/(共离子_内部+(所包含的离子))

其中“共离子_内部”和“共离子_外部”分别指的是电极内部和外部的溶液相共离子的当量，并且“所包含的离子”指的是电极内所包含的离子基团的当量，例如附着到、固定到或者约束到电极孔的表面上或孔体积内。在等式3 中，电极外部的溶质离子“共离子_外部”是以每升进料溶液的当量，而电极内部的离子“共离子_内部”和“所包含的离子”是以每升电极孔体积溶液的当量给出。例如，此内部电极孔体积可以用以下方法来确定：在特定温度下，从电极湿重减去电极干重以获得电极孔中水的重量，随后根据水或者使用的其他溶质的已知密度来计算。等式3左侧的比率是在从电极孔体积中受到所包含的离子基团影响的那部分中排除共离子之后，电极内的共离子与电极外的共离子之比。在德拜长度等于或超过平均电极孔半径的情况下，例如在中孔、微孔材料中，等式3中的比率几乎适用于总的电极孔体积。在德拜长度小于平均电极孔半径的情况下，例如在大孔材料中，唐南排斥比率可能不适于总的电极孔体积。在那种情况下，此比率可以通过以下方法来修正：将等式3乘以由德拜长度与平均孔半径之比给出的比率或乘以一（取两者的较小者）。离子基团分子在某情况下也可以足够长，具有足够大的分子量以延伸超过德拜长度并且至少部分地或完全地填满更大的孔和大孔。在那些情况下，随总的电极孔体积而变的唐南排斥的估算可以通过以下方法来修正：将等式3的结果乘以离子基团分子的平均延伸长度与平均电极孔半径之比或者乘以一（取两者的较小者）。该延伸长度随使用的特定进料溶液条件而变。从孔体积（包括双层体积以外的任何孔和大孔）中排除共离子有利于水回收，例如，实现总给水的百分比的80%或更多的净化水。

可以从等式3中看到，对于给水离子浓度的给定条件组而言，电极内约束的离子基团的浓度可以排除电极内的溶质共离子，从而确定这些溶质共离子的浓度。以摩尔每升为单位的浓度可以通过除以一个离子上的电荷数量用当量来计算。由于所包含的离子基团的影响，因此这些溶质共离子在电极内被排除或耗尽。由于电极内部溶质共离子是低库仑效率和低水回收率的原因，因此所希望的是这些离子的低分数量。例如，优选的是与电极外部的溶液相比，溶质共离子从电极内部孔体积溶液中的唐南排斥为50%或更好。根据等式3，“所包含的离子”，即电极内所包含的离子基团，应优选基于电极材料干重基而在0.1与10摩尔每千克之间，例如在0.5与2.3摩尔每千克之间。

根据等式3为了有50%或更多的唐南排斥，电极孔体积内的溶质共离子浓度与电极孔体积外的溶质共离子浓度之比为0.5或更小。此唐南排斥与库仑效率成比例或者等于库仑效率并且可以用作库仑效率的量度。测量电极中溶质离子浓度的唐南排斥的一种方法如下：首先，将一件电极材料浸泡在所希望浓度的离子溶液中，该溶液表示给水，下文中为溶液“A”。接着，轻拍湿电极的外表面以弄干多余的水分。对此湿电极进行称重。接着，将该湿电极浸泡在已知体积的去离子水中一整晚。电极内的溶液相的孔体积离子将扩散到去离子水中。因此，可以通过测量此已知量的水的所得导电率来确定这些离子的量。这些孔体积离子的量是根据以上导电率测量来计算，通过与同一温度下从已知的标准溶液中取得的导电率测量值相比较。为了计算测定的百分数唐南排斥，还需要知道保持在湿电极的孔体积内的水的量。这可以通过以下方法来测量：使浸泡在溶液“A”中的同一电极变干，从而基本上移除所有水或水分。孔体积水的重量可以通过以下方法来获得:从湿电极重量减去干电极重量，由此可以计算孔体积水的体积。此孔水体积与以上测定的孔体积离子的量一起用于计算孔体积离子浓度。百分数唐南排斥等于溶液“A”离子浓度减去孔体积离子浓度，除以溶液“A”中的离子浓度，再乘以一百。

通过排除溶质共离子（视具体情况，电荷等于带正电荷或带负电荷的含有的离子基团），离子基团电极变为阴离子敏感的或阳离子敏感的。阴离子敏感的电极选择性地优选吸附溶质阴离子，而阳离子敏感的电极选择性地优选吸附溶质阳离子。在这样的极化电极流过式电容器（使用在流动间隔物两侧面向彼此的极性相反的电极）中，阳离子是主要移动到阳离子敏感电极内和外的抗衡离子，而阴离子是主要移动到阴离子敏感电极内和外的抗衡离子。所包含的离子基团离开可渗透抗衡离子的电极，这些抗衡离子即与这些离子基团极性相反的那些离子。当可充电的电极被充电成所包含的离子基团相同的极性时，进料溶液抗衡离子将从流动间隔物流到电极孔体积内并且静电地吸附到电极孔表面上作为表面电荷，从而减小通过流动间隔物而流出到单元出口的产品溶液中的离子浓度。

该离子排斥效应可以通过库仑效率的增加来验证，和/或通过以下事实来验证：当施加与电极所包含的离子基团的离子极性相同的电极性时，与施加相反极性相比，电极被极化到它们更大程度地净化离子溶液的程度。相反极性可以净化的从流动间隔物流出的溶液相对较少，一点也不对该溶液进行净化，或者可以浓缩该溶液。所包含的离子基团电极和流过式电容器被极化，使得当从DC电源施加负电极性电压时，在流动间隔物中流动的流动流中存在的离子从溶液中被移除的量没有施加正极性时的情况多。

为了获得有效的静电功能，电极所包含的离子基团还需在流过式电容器的工作给水或溶液条件下电离。相应地，为了使这些所包含的离子基团在作用pH的广泛范围内被电离，一种优选方法是使强酸和强碱离子基团分别包含在每对相对的电容性阳离子和阴离子敏感电极的两个构件的电极材料内。将相对电极的孔体积内所包含的强酸阴离子基团和强碱阳离子基团组合起来是优选的实施例，因为当在大多数给水的典型实际条件（通常接近中性、pH 7，例如在pH5与pH9之间）下工作时，两种极性将同时高度电离，例如超过50%被电离。然而，在这些基团也超过50%或更多被电离的条件或pH 下，例如对于弱碱基而言低于pH6或者对于弱酸基而言高于pH8，弱酸基团和弱碱基团可以替代强酸基团或强碱基团中的一者或两者。总体而言，为了获得离子基团的良好电离，进料溶液的工作pH应比阴离子基团的pKa高1 pH单位或更多，并且比阳离子基团的pKa低1pH单位或更多。从电极的角度来说同样的情况，阴离子酸基团的pKa至少比工作进料溶液的pH低1pKa 单位，而阳离子碱基团的pKa至少比工作进料溶液的pH高1pKa单位。换句话说，重要的是使面向流动间隔物的相对电极上的电极孔体积所包含的离子基团的pKa包括流过流动间隔物的进料溶液的pH。含有离子基团的电极材料的pKa，称为离解常数，可以用许多标准和非标准方法来测量，例如pH滴定法、电位测量法(potentiometric titimetry)、光谱光度测量和其他方法。这些离子基团也是离子交换剂，并且因此可以用离子交换滴定法来量化。

一种特定应用将是硼或硅石的处理，其中可能有利的是通过添加酸或碱来调整进料溶液的pH，从而将该pH调到中性以下或以上。这些物质在非中性pH下被电离。例如，通过向给水中添加碱，pH可以上升到pH 8以上，使得硅石、硼以及其他物质被电离并且更易于用流过式电容器和电极移除。在这种情况下，作为将强酸基团用作电极所包含的阴离子基团的补充或替代，可以使用弱酸基。在其他情况下，酸可以用于对给水进行预处理，从而使给水物质更易溶解，或较不可能沉淀，例如，当处理水可溶有机物、硫酸钙、碳酸钙、金属等时，在这种情况下，弱碱基团可以用作电极所包含的阳离子基团。

存在着进一步需要使含有离子基团的电极稳固地包含或稳固地附着而不易于被洗掉，使得它们可以承受在普通的制造或使用过程中在水中的冲洗，并且可以在一百个或更多个周期的净化或充电之后，关于每个充电周期吸附的离子量无显著劣化地运作，例如，小于25％性能降级。稳固附着可以通过以下方式来完成：共价附着、通过范德华力或Pi键合的吸附，或者通过离子键的吸附。

使离子基团包含在电极孔体积内的一种方式是通过共价键而将离子基团稳固地附着到微观电极孔表面上。Kim Kinoshita在以引用的方式并入本文中的“碳，电化学和生理化学特性，Kim Kinoshita1988John Wiley and Sons公司（Carbon,Electrochemicaland Physiochemical Properties Kim Kinoshita1988 John Wiley and Sons,Inc.）”表5.3和5.4中，描述了可以用于用表面附着的基团来衍生碳的各种反应和键合试剂。Kinoshita描述了多核芳香族结构键合试剂，以及使用硅烷化和酰胺化反应作为使碳表面改性的一种手段。已经存在于表面上或者通过例如酸、臭氧或重铬酸盐或电化学反应等氧化手段而引入的氧化物基团可以是共价键合位点的来源。例如，碳电极材料可以用表面基团来共价地改性，使用的是各种标准有机化学技术，例如弗里德尔克拉夫茨反应、电接枝反应、芳香重氮盐的电化学还原、酯化作用、脱水反应等，从而直接附着离子基团，或间接附着含有碳的分子，这些分子随后可以用标准化学反应来衍生、氧化或还原而包含阴离子基团、阳离子基团或离子载体。也可以通过使用活性的重盐离子中间体，或者通过其他标准的有机化学技术来使碳改性，从而共价地附着离子分子，例如阴离子分子如对氨基苯磺酸（paraaminobenzosulfonic acid）等，以形成阳离子敏感电极；以及含有例如叔胺或季胺的阳离子分子以形成阴离子敏感电极。这些离子基团也可以通过一个系链分子或长链分子而共价地附着。US7368191第9-10页列出了各种多离子基团分子，例如支链、梳或者树状分子结构，它们可以这种方式用于固持所包含的离子，这些内容以引用的方式并入本文中。这样的多离子基团分子是尤其有利的，因为它们可以倍增到每个电极表面附着位点中可以附着到碳或其他电容性电极表面上的离子基团数量的两倍或更多倍。该文献中报告了用于衍生各种形式的碳以用于各种用途的各种手段，包括但不限于，用于电容器、蓄电池或电化学电池中的电极。以下方法和技术均可以用于形成离子基团改性的电极，这些方法和技术以引用的方式并入此处。US专利 5900029描述了含有离子基团的分子通过与重氮盐反应而化学附着到碳黑上。 US6414836B1披露了纳米管和富勒烯形式的碳材料，它们具有吸附或化学附着的各种芳基、烷基、离子基团或奎宁基团，以用于提高电化学、储能电容器的电容。US4835074描述了衍生或具有芳基或其他基团的碳，用于这样的用途，例如蓄电池的电极、产生能量以及使用能量的电化学电池。此专利披露了一个第一步骤，由此碳被氧化以增加例如羧基和醌等含氧基团的数量，这些含氧基团进一步与分子或分子的组合发生反应，从而形成各种碱性或酸性离子基团，这些分子包括SOCl2、氨、SO2、水、肼、脲、硫脲、胍，或它们的替代衍生物。另外根据此专利，如此形成的胺基可以进一步与例如硫酸二烷基酯或卤代烷等试剂发生反应，从而形成含有烷基的季胺。US5527640 披露了用于电容器的碳电极，这些碳电极由含有例如烷基、芳基或离子等各种基团的聚噻吩聚合物衍生而来。US专利6228942B1描述了使用脱水反应来形成酯键，从而化学地将含有离子基团的分子接枝到碳上，以用于电化学电池中。US2005/0244644A1还描述了可以附着到碳上的各种离子基团，例如硫酸盐基团、磷酸盐基团、胺等，并且还描述了喷雾处理法，从而产生具有各种化学接枝的离子基团的碳。US2821526披露了用于将胺基附着到纺织纤维上的程序，并且US专利申请案US2005/0112616A1和2006/0040280描述了用离子和其他官能团将聚合物刷接枝到材料上的方法和过程，这些方法和过程也可以被修改而用于将分子附着到电极孔表面区域上，并且这些内容以引用的方式并入本文中。通过化学反应产生的共价键是稳固型的键，借助于该键，在电极上产生孔表面区域附着的离子基团。

在电极孔体积内包含离子基团的另一种方式是用疏水尾部吸附到表面活性剂和离子基团分子的孔表面区域上。疏水尾部指的是离子基团可以附着到其上的疏水基团，例如疏水部分，如环的、直链的聚合物链，或者支链分子。已发现，在无需多步骤化学反应的情况下持久地改性碳和其他材料以用作电容电极的一种方便方式是简单地将表面活性剂吸附到这些材料上。用于电容器电极中的碳和一些其他材料具有亲和性以强烈地物理吸附疏水分子。因此，通过范德华力以及在一些情况下通过Pi键合，表面活性剂的疏水尾部增强了表面活性剂分子到电极材料的物理吸附。表面活性剂因此易于吸附到例如碳等电极材料上。表面活性剂指的是表面活性的分子。例如，与未添加或吸附表面活性剂的基底相比，这些表面活性剂减小了它们吸附到其上的电极或其他基底的水滴的表面张力或接触角。疏水基、连接基团或系链可以是本领域中已知的任何疏水表面活性剂部分，包括脂肪烃、石蜡和聚烯烃、饱和烃和不饱和烃、芳香烃和多环芳香烃、二萘嵌苯、碗烯（corannulene）、烷基苯、石蜡、脂肪酸、达到1000基体（mer）的硅酮或含硅酮的分子，达到任何数量基体的直链烃和支链烃，例如在C1与C40之间，以及所有这些的衍生物、组合或混合物，它们可以单独使用或一起使用。通常，由于每个碳或其他原子促进额外的键合力，因此每个连接基团或系链部分有两个或更多个这样的原子是最佳的。这些离子基团可以是表面活性剂科学中已知的任何离子基团，包括叔胺、季胺、磺酸根基团、硫酸根基团、磷酸根基团、弱酸、强酸、弱碱、强碱、羧酸基团、铵、季铵、聚氧化乙烯硫酸根基团等。离子基团也可以是螯合剂、络合剂，或者离子载体，要么是单独的，要么是与其他类型的基团一起混合。表面活性剂和络合剂的实例可以在Eduard Smulders的“洗衣清洁剂（Laundry Detergents）”（魏因海姆的Veglag GmbH出版社，2002）中找到。这些可以包括但不限于，阴离子表面活性剂、十二烷基硫酸钠、双(2-乙基己基)磺基丁二酸盐、胆酸钠、牛磺鹅脱氧胆酸钠以及阳离子表面活性剂、十二烷基三甲基溴化铵、二乙酯二甲基氯化铵、鲸蜡基三甲基溴化铵、六癸基三甲基卤化铵、盐酸安普罗铵、十六烷基溴化吡啶，以及十四烷基三甲基溴化铵。这些表面活性剂可以具有两个或多个多亲水或疏水基团，例如以引用方式并入本文中的US专利5710121中披露的双-烷基酚烷氧基化双子表面活性剂（gemini surfactant）分子。可以使用支链的树枝状的多官能团或所谓的“多分支”（hydra）表面活性剂，以便每个疏水吸附附着基团附着多个离子基团。也可以使用基于硅酮的表面活性剂。阴离子表面活性剂可以通过将其连接的疏水基团吸附到碳或其他电极材料上用于附着离子基团。这些可以基于永久性的阴离子（硫酸根、磺酸根、磷酸根）或pH相关的阴离子，例如羧酸根。这些包括但不限于十二烷基硫酸铵、十二烷基硫酸钠、烷基醚硫酸盐：月桂醇醚硫酸钠，也称为十二烷基醚硫酸钠、肉豆蔻醇聚醚硫酸钠、磺基丁二酸钠二辛酯、磺酸盐含氟表面活性剂，例如全氟辛基磺酸盐、全氟丁基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基芳基醚磷酸盐、烷基醚磷酸盐、烷基羧酸盐、硬脂酸钠、月桂酰基氨酸钠，以及含氟表面活性剂，例如全氟壬酸盐（PFOA）或全氟辛酸盐（PFO）。

阳离子表面活性剂可以通过将其连接的疏水基团吸附到碳或其他电极材料上而用于附着离子基团。可以使用伯胺、仲胺或叔胺，包括pH相关的电离胺。永久带电的季铵阳离子是优选实施例。阴离子表面活性剂的实例包括但不限于奥替尼啶二盐酸盐、烷基三甲基胺盐、鲸蜡基三甲基溴化铵（CTAB），也称十六烷基三甲基溴化胺、鲸蜡基三甲基氯化铵（CTAC）、氯化十六烷基吡啶（CPC）、聚乙氧基化牛脂胺（POEA）、苯扎氯铵（BAC）、苄索氯铵（BZT）、5-溴代-5-硝基-1,3-二氧杂环乙烷、二甲基双十八烷基氯化铵、双十八烷基二甲基溴化铵（DODAB）。

还可以想到，两性离子的或混合的表面活性剂可以用于特定电极上，其中这些离子基团中的一者在量上超过另一者或者比另一者更强地电离。

表面活性剂和其他带有离子基团的分子吸附键合到电极孔表面区域上的性质可以通过范德华力，或者通过用疏水吸附附着基团、尾部或系链进行Pi 键合来实现。这些疏水吸附部分进而附着到离子基团或多个离子基团上，从而将这些疏水吸附部分连接到电极或电极材料基底上。用这种方式附着到碳上的表面附着的离子基团的持久性出人意料。通过这种方法用表面附着的离子基团改性的碳电极在用水冲洗之后保持功能性。用离子表面活性剂使碳改性的实例在以引用方式并入此处的以下内容中描述：2006年香港大学的化学工程论文的Ho Hung Hei硕士的“离子表面活性剂在活性碳布上的吸附（Adsorption ofIonic Surfactants on Active Carbon Cloth）”。这些表面活性剂通过其疏水部分来吸附，从而持久地将离子基团附着到电容碳电极表面上。当用表面活性剂来衍生例如多孔的高表面积形式的碳等电极材料时，任选地，可以使用亚临界胶束浓度量的表面活性剂，从而不会形成大胶束，进而允许更小的个别表面活性剂分子更好地进入并且均匀地吸附到碳孔结构中。例如0.1M NaCl等电解质的任选添加可以添加到表面活性剂溶液中，在此情况下离子强度增加降低了离子排斥并且帮助增加吸附的表面活性剂的量。这些电极可以在偶尔搅拌的情况下被浸泡达数小时或数月，直到实现了令人满意的吸附为止。然而，没有理由认为表面活性剂不会在数分钟内立刻或者至少很快充分吸附，尤其是在连续搅拌或用超声振动以帮助分子进入电极材料孔内的情况下。用表面附着的离子基团来衍生已经形成的电极的一种替代性方法利用松散的材料中更好的质量传递，该方法首先衍生可为粉末状的、纤维状的、颗粒状的或分散形式的活性电极材料，然后使用本领域中已知的完整电极形成方法用粘合剂成分或其他成分将这些活性电极材料一起形成为电极。

具有离子基团的分子还可以通过离子键而附着到电极表面区域上。在这种情况下，聚合电解质或离子支链聚合物可以静电地吸附到相反极性的固定带电基团上，这些固定的带电基团为此目的而已经存在于或故意引入到电极表面上，如通过任一上述氧化或共价改性方法所实现。这样形成的离子键较弱，并且该方法易于使聚合物被洗掉。因此，为了强化该键合，需小心使电极上相反的附着基团以足够的数量进行附着，从而附着到聚合电解质链上的多个位点上。

表面活性剂吸附方法的额外优点是，它提供了通过系链将离子基团附着到电极表面上的现成手段。系链也可以通过共价的方式而直接附着到电极表面上。

尤其是在大孔存在的情况下，有利的是使所包含的离子基团影响尽可能多的电极总孔体积。相应地，一个优选实施例是使用系链的离子基团或离子载体。将系链的离子与碳表面保持远离，从而延伸到微孔、中孔或大孔的更多总孔体积空间，并且用附着离子的静电场更好地填充电极材料孔结构，并且从孔体积中更好地排除共离子。由系链赋予的附着离子的额外移动性也可以有助于增加孔结构内的离子强度，从而使衍生的电极对溶质抗衡离子的电输送的阻力更小并且传导性更强。在系链或连接基团链的长度足够或支链足够允许附着的离子基团填充大量的电极孔体积的情况下，例如在附着离子填充了形成为片材的复合电极材料或电极颗粒粘合剂材料的总孔体积的50%以上的情况下，唐南排斥可以增强，从而有助于增加库仑效率，例如增加到 50%以上。

系链的长度可以至少为一个或多个连接基团原子那么长，其中该连接基团将离子基团连接到电极基底上，并且可以由含有碳的分子组成，包括烷基、酯、烯烃、石蜡或芳基，并且也可以由以下物质组成或者包括以下物质：硅石、含磷的分子或原子，或任何其他形成链或聚合物的分子或原子。如果希望的话，那么可以选择较短的系链分子来与主要微孔的电极基底材料一起使用，并且可以选择较长的系链分子来与主要中孔或大孔的电极基底材料一起使用。或者，不同长度系链分子的混合物可以用于具有混合孔大小的材料，以确保内孔结构的较小孔不排除系链的离子基团分子并且总材料因此很好地渗透有离子基团。系链还可以由于它们的链移动性和亲水性而被选择，例如通过并入氧基团，作为减小串联电阻的一种手段。

重要的是要注意，本文所描述的吸附是弱物理吸附与强化学吸附、也称为物理吸附与化学吸附之间的连续体。因此，为了本目的，吸附被定义为包括这些过程和通用意义上的吸附。在批次研究中，吸附量可以通过溶质从溶液中移除的程度来确定。一个方案是采用你想要通过吸附将分子附着到其上的一克电极材料基底，也称为吸附剂。将已知量的被吸附物（含有离子基团的溶质分子）与该电极材料基底吸附剂一起放置在一升溶液中。允许在指定的二十摄氏度下浸泡达指定的二十四小时的时间段。在此时间段之后，使用合适的测定来测量存留在溶液中的此溶质的最终浓度。此溶质通过吸附而附着的量可以被确定为这两个浓度之间的差值。用代数方法，这由等式4给出如下：

等式4：

每单位质量的吸附剂吸附的量=q=(cf-ci)V_溶液/m_吸附剂

其中cf是在与被吸附物的平衡建立之后，存留在溶液中的溶质的浓度，ci是在暴露于被吸附物中之前溶液中溶质的初始浓度，两者的单位均为摩尔每升，并且V_溶液是溶质溶液的升数，并且m_吸附剂是吸附剂的质量。以上实验可以在一系列增加的溶质浓度下执行，以获得吸附等温线。

为了获得极化电极流过式电容器的最佳性能，重要的是使吸附的或共价附着的离子基团分子保持稳固地附着到电极材料吸附剂上。在一些情况下，吸附的材料可能相反地解吸附。需小心选择分子和任何吸附、共价键合，或保持稳固附着并且防止冲洗掉的其他附着方法。为了对此进行测试，可以在真空下或通过离心法，将过量的溶液从吸附的电极材料吸附剂的样品中吸出来。接着，可以将一克此电极材料与一升蒸馏水一起平衡。在二十摄氏度下浸泡达指定的二十四小时的时间段以接近平衡之后，可以对水进行化验以确定已经从被吸附物电极材料上解吸附的先前吸附的或附着的离子基团分子的浓度。通过此测量的浓度和已知的体积来计算解吸附的溶质量。稳固附着的离子基团分子的量是已经从吸附溶质溶液中吸附的先前测定的量与解吸附的此测定的量之间的差值。不可逆地附着或吸附的化合物是优选实施例。在文献中报告，这样的种类在用蒸馏水冲洗时，保持80%以上吸附到活性碳上（酚类化合物到活性碳的不可逆吸附，Terry Grant和C.Johnson King，博士论文，应用科学部，劳伦斯巴克莱实验室，1988年12月）。对于稳固附着而言，最佳地，百分之五十或更多，例如超过百分之九十五的溶质保持吸附到或化学键合到电极材料上。

在电极孔内含有一种极性或另一种极性的特定离子基团的另一种手段是通过阻挡层来约束离子基团分子。由于除非特别选择或设计，否则吸附的或化学附着的离子基团分子可能随着时间或当暴露在溶剂或类似的有机分子中时解吸附、被电压梯度迫使离开电极、脱离附着或过滤出电极，因此将离子基团分子约束在孔体积结构内的一种替代性方法是用离子基团阻挡保护层、涂层、膜或薄膜来覆盖电极流动间隔物面向的区域。此阻挡或保护层可以等同于以下材料并且可以与以下材料互换：这些也可以用作保护层而用于防止电极短路的材料，其中添加的限制是阻挡层是半透性的，即表示它对于净化相关的离子和溶质是可渗透的，但是至少部分地并且优选主要对注入到电极及其孔体积结构内的带电离子或离子基团分子不可渗透。阻挡层可以对带电分子不可渗透的一种手段是，使阻挡层具有比离子基团、带离子电荷的分子的分子量或大小更小的分子量截止值或大小截止值。阻挡层可以通过大小排除来运作，并且对于它在电极孔内所包含的离子基团分子的电荷极性是非选择性的。阻挡层可以是电中性的，或弱电荷材料，并且因此易于制造，而没有带电基团引起的溶胀问题。可以使用任何分子大小的离子基团分子。如果较小分子量的离子基团分子单位体积可溶解更多量，或者通过施加更大的离子导电性给电极孔体积内形成的电解溶液而产生较小的串联电阻，那么也可以选择较小的分子，例如，在100000道尔顿分子量以下，或在1000道尔顿以下。可以使用较大的分子，从而使选定的特定阻挡层的分子量截留值小于分子大小截留值。实现指定的分子量截留值的一种手段是使阻挡或保护层聚合物具有合适量的交联。可以使用分子筛材料。可以使用本身多孔或用孔形成方式制成的任何材料、涂层、层，以提供比离子基团分子的分子量截留值低的分子量截留值。孔形成方法包括电子束、并入的颗粒的差异溶解、与孔形成剂一起烧结陶瓷材料，以及本领域中已知的许多其他方法。用于此实施例中的另一种类型的阻挡层可以是在常用的电极材料（由导电形式的碳或导电聚合物构成，分子量截留值低于带离子电荷的分子的分子量截留值，例如纳米管筛材料，或纳米多孔碳，或碳分子筛）之上的流动间隔物面向的层或涂层。这样的导电阻挡材料也可以提供额外的电容。

凭借这样的半透性阻挡层，不要求化学反应即可将离子基团分子约束或包含在孔体积结构内，从而简化了制造。包含在电极孔体积内的离子基团分子除了被吸附或化学附着到孔体积表面上，随后并不需要如此附着并且可以改为自由浮动，从而与孔体积溶质内的电解质一起形成离子对的一部分。因此，在这种情况下，离子基团分子的浓度不受约束于有多少分子可以被吸附或化学地附着到孔体积表面上。在现有技术流过式电容器中，电极内使用的电解质与正被处理的溶液的电解质相同。由于电容器电极表面积材料上令人希望的高电容随着电解质浓度增加而增加，并且不希望的串联电阻随着电解质浓度增加而减小，因此工作的进料溶液电解质很少在最佳高的浓度处。因此，此实施例的一个特定优点是，高浓度的离子基团分子可以用于优化高电极电容和低串联电阻，并且可以是达到饱和的任何浓度，并且可以是过饱和的，从而包括固体电解质溶液。这些离子基团分子可以是含有至少一对离子（其中该对离子的一种极性不穿过半透性阻挡层）的任何离子基团分子，并且可以包括在其他实施例中描述的那些离子基团分子，包括树状分子、梳或刷状聚合物、聚合电解质、支链聚合物、表面活性剂、有机或无机离子。如在使用离子电荷载体导电型、非电子电荷载体导电型保护层的其他实施例中，此处阻挡层还提供额外的优点而增加并联电阻并且使相反电荷电极之间的短路和电流最少。

额外任选的改善是，孔体积内所包含的或者附着到碳的任何离子分子或基团可以用一般称为适配子或离子载体的基团或分子来替代或补充，以成为生物分子或选择性离子种类。选择性离子种类或离子载体基团典型地为螯合剂，或配位络合物或化合物，包括选择性的笼型或钳型分子或者用于特定离子种类的离子交换剂。离子载体可以类似于表面活性剂，类似之处在于它们可以具有吸附、吸收或附着到例如薄膜或聚合物等疏水基底内或上的亲脂性或疏水性部分。在这方面，例如碳等电极表面可以用作其上面吸附离子载体的基底，吸附方式类似于表面活性剂吸附到这样的表面上的方式。离子种类选择性离子载体的实例包括ETH5234、CAS号126572-74-5和A23187、CAS 号52665-69-7、Eniantin、CAS号11113-62-5、冠醚、大环、抗生素，以及由 Sigma-Aldrich在商标SelectophoreTM下出售的分子、钳型分子例如BACA （Anal.Chem.2002，74，2603-2607），以及在以引用方式并入本文中的US 7226563B2中描述的碳硼烷，还有特异于氢离子的离子载体分子例如羰基氰化-p-三氟甲氧苯腙等可以用于从浓度较小的氢离子源或更中性的溶液中浓缩或回收酸性溶液。选择性的离子载体，例如ETH5234，可以在例如住宅、工业、市政、冷却塔中的软化水等应用或其他应用中用于制造对钙或其他二价离子具有选择性的电极和极化电极流过式电容器，以从果汁和酒中移除酒石酸钙，或在相反的渗透或电渗析阶段之前对有盐味的水或海水进行预处理，从而移除污秽物。钠选择性的离子载体可以用于有盐味的水的净化以用于饮用和农业，那样的话，而后留下了一些钙或全部钙。离子载体和适配子通过选择性地在离子载体分子与选定的离子种类或相关的分子之间形成配位络合物来工作。离子载体可以单独使用，或者与同一电极内所包含的其他离子基团分子混合，在这种情况下，优选地，应选择离子载体使得由离聚物选定的特定离子的极性与电极含有的离子基团的极性相反，使得由离聚物选定的移动离子的极性对应于为同一电极选定的移动抗衡离子。

电容性充电允许电子流的流动，并且要求流过式电容器保持充电电压。这可以从以下事实中看到：在从1.2伏特的电源和电压源断开之后，具有高并联电阻的带电的极化电极流过式电容器的电压将在十五秒或更长时间内保持至少1伏特以上。这对于使高并联电阻最大化是所希望的。这是因为低并联电阻将允许阳极电极与阴极电极之间的短路电子泄漏或电流。这样的电子泄漏干扰从溶液中净化离子的电容器电荷保持能力，是低库仑效率的一个额外原因，并且不利于能量效率和性能。一个额外的改善方案是使用离子可渗透的屏障或离子导电涂层，以减少此电子泄漏，并且防止导电电极或碳颗粒从电极上冲走，或掉入流动间隔物中并且引起短路泄漏电流，或电极最终的消融。任选的保护材料可以结合或包括描述而用于本文中的使用阻挡层的材料，并且可以是用于面向该流动间隔物的电极侧的一侧或两侧上的任何涂层或层。在电化学电池中用于间隔、防止漏电或短路的任何离子可渗透的或导电的薄膜、层，或涂层均可以用于保护材料中。保护材料也可以渗透到电极材料和电极材料孔中，或者可以出于双重目的而用作将电极材料或颗粒固持在一起粘合剂。存在许多方法可以形成离子导电涂层以用作保护材料。小型多孔材料，例如平均孔大小分布为100微米或更小，可以用作保护材料。水凝胶可以用作保护材料。小型多孔涂层的实例包括：通常用作透析薄膜、小型或微孔的聚氨酯和其他聚合物的材料，它们通过以下方法来制备，例如湿流延凝固或盐溶解工艺等；PTFE或碳氟化合物材料；UV束聚合的微孔膜；或者以引用方式并入本文中的（US6277514B1）中描述的小型或微孔的拟薄水铝石层。任何小型多孔的、微孔的或中孔的陶瓷层或聚合物层可以用作保护材料，它们可以是疏水的或亲水的，例如，超滤、反渗透、薄膜纳米复合材料，或微孔过滤薄膜。作为替代方案，保护材料可以是亲水的、非多孔的离子导电材料，例如，任何聚合物或凝胶、无机凝胶或有机凝胶，它带有极性基团，例如醇、酮、醛，或羧基。对于EKG电极而言用作医用粘合剂并且在医学装置行业中使基底亲水的涂层可以用作保护材料。可以使用的聚合物的实例包括聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素、亲水聚氨酯、甲基乙烯基醚马来酸酐共聚物、异丁烯马来酸酐共聚物、聚酯或聚醚的多嵌段共聚物，以及具有聚氧化乙烯的聚氨酯、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、乙烯丙烯酸、氧化的超高分子量聚乙烯，或亲水性聚酯，在这些聚合物上添加了聚醚基团以限制溶胀。这样的聚合物或材料可以单独使用或者混合使用。聚合物保护层可以优选经交联以限制溶胀，例如限制到小于200%体积增加。交联的水凝胶的实例和方法可以在以引用方式并入本文中的以下专利中找到：US4777954、US5800685、US3499862，多孔的或大孔的聚合物，例如在US6201089和US4298002中描述，以及但不限于，薄水凝胶层形成为层压材料，在例如US4298002和US5846214中描述。也可以使用固态聚合物电解质，例如在US5337184中描述，或在以引用方式并入本文中的《固态聚合物电解质》的书（1991，Fiona M.Gray，ISBN3-527- 27925-3）中描述。聚醚和聚氨酯的共聚物也可以如在以全文引用的方式并入本文中的US6680149中描述的那样使用。也可以使用由氨酯和其他聚合物制成的网状形式，要么单独使用，要么涂有如以引用方式并入本文中的US 6,617,014B1中的亲水材料。用作任选的保护材料的这些聚合物或水凝胶或形成凝胶的分子优选经交联，从而优化离子导电率，同时限制溶胀并且增加机械强度，使得这些涂层在制造过程中不会溶解、破裂，或在压力作用下挤出到流动间隔物中而对流体流引起阻断。不同于现有技术，粘合剂、渗透材料、层或涂层形式的保护材料只需是离子导电的，或亲水的，或水凝胶涂层，没有另外的需要或花费使其对离子是选择性的或者含有现有技术的固定的永久性带电的离子基团。然而，如果所希望的是在电极内所包含的电离的离子基团提供的性能以外具有额外的性能，保护材料可以任选地含有以引用方式并入本文中的现有技术电荷屏障流过式电容器（Andelman US6709560）中描述的离子选择性电荷屏障层、涂层、薄膜或渗透材料，例如任何正或负离子交换膜，包括用硫酸盐、磺酸、叔胺或季胺衍生的聚合物膜。

用作上面附着离子基团的基底的电容电极材料需能够导电，并且是多孔的，从而实现电容所必要的高表面积。用于电容性电极材料的最佳内表面积为300平方米每克B.E.T.（布鲁纳爱德华泰勒法）以上，例如，一千平方米每克B.E.T.以上，或者，一个较高的碘值，达到3000毫克/克。

可以使用本领域中已知用于所谓的“双层”型电容器的电极材料。这样的电极材料典型地包括通常用于双层电容器的各种碳质材料。由于电容随表面积增加而增加，因此这些包括表面积碳和活性碳。Deyang Qu和Hang Shi 在能源期刊74(1998)99-107中在他们的表1中提供了该类材料的部分列表，这些内容以引用的方式并入本文中。碳气凝胶、碱、蒸汽、磷酸，或其他活性碳、椰壳碳、以及含有非碳电容的材料可以单独使用或者彼此组合使用或者与碳一起使用，包括陶瓷或导电聚合物。受控的多孔碳材料，例如但不限于以引用方式并入本文中的US7835136B2中披露的活性碳冷胶，或者通过从碳化物中移除非碳材料而制成的纳米多孔碳，可以用于为电极提供具有纳米孔、微孔或中孔范围内的窄的孔分布。可以使用各种形式的高表面积石墨、纳米管、纳米管薄膜、离子基团官能化纳米管、纳米突、碳纳米网络、碳微片、边刨碳（edge plane carbon）、石墨烯材料，包括如以引用方式并入本文中的US7,704,479B2、US7209341B2、US7211321B1、US6491789、 US7067096和US7209341中所描述的。在这些例如与活性无定形碳电极材料相比本身较为导电的情况下，它们可以在具有或不具有任选的集电器的情况下使用。可以使用形成为被喷射碾压到小于100微米的小颗粒的碳材料、碳黑、灯黑、玻璃碳、纳米多孔碳，或特定碳内的组合或一并含有较大和较小孔的碳的混合物，其中这些较大孔为离子提供通路并且提供到较小孔而进入电极材料深度的通道。有时使用材料的混合物，例如，以较小的量添加碳黑以增强导电性，或使用小颗粒大小的材料填充在由较大的颗粒材料形成的较大孔之间，并且因此减小平均孔大小并且增强所得的复合电极的体积电容。

由于多孔的电容材料具有大孔体积表面积，因此当这些材料被制成平电极板时，这些电极在电极板材料的每个表面平方米区域中含有数万或数十万平方米的孔体积表面积，例如，电极板材料的每个表面平方米区域中超过五万平方米B.E.T.的微孔表面积。此高表面积有助于高限制的电流密度快速净化流量。例如在两种极性的电极上300或更多平方米每克的高表面积组合是极化电极流过式电容器的一个特征。此高表面积的优点是实现高电容，例如，当在标准的35,000ppm NaCl电解质中为了测试目的而测量时，高表面积、高电容电极就吸附的离子而言，最佳地具有超过20法拉每克的单电极电容，例如超过70法拉每克电极干重。极化电极流过式电容器单元本身就吸附的离子而言，最佳地具有超过10法拉每克电极干重的总电容，例如超过30 法拉每克干重。总电容是单元的总串联电容，包括阳极和阴极电容。

高串联电阻引起低流量利用，并且使得在浓缩循环过程中难以排放浓缩物。在净化循环过程中，来自浓缩循环的此剩余的、未完全排放的浓缩物与随后的净化循环过程中净化的水一起混合，从而引起额外的低库仑效率。因此，另有必要使用以改善的流速性能进行操作的极化电极流过式电容器和电极。这样使流过式电容器和电极能够在相对较快的时间段内排放浓缩物，例如30分钟或更短时间，并且随后在60分钟或更短（例如，30分钟或更短）的净化循环中有效地净化含有溶解的离子的进料溶液或减小该进料溶液的浓度。作为替代，或作为补充，在峰值净化时，在从0.01M NaCl水测试进料溶液中移除90%的导电率时，流动能力应大于两单元体积每小时。这样的流过式电容器设计利用了节约空间的多层、薄层、低串联电阻材料、高体积电容单元设计。需用于快速流量设计的低串联电阻是通过以下方法来实现的：使用匹配或覆盖电极面向区的集电器从而提供用于分布电流的最佳接触区域，以及使用双面内部电极来更好地利用集电器并且进一步节约空间。平集电器和电极也可以一起整合到单个结构中，例如通过将它们涂覆、键合、胶合或者烧结在一起。作为替代方案，作为平板集电器的替代，导电纤维、泡沫材料或者石墨的形式以及电化学惰性材料可以用于将电流分布到电极的面向区中。上面提到的本身导电的电极也可以在没有任选的集电器的情况下使用。可以通过以下方法来将导电性赋予电极：在整个电极材料体积或区域内混合这些和其他形式的石墨、具体为纤维或粉末形式的其他惰性导电材料，从而形成本身导电的电极，进而在具有或不具有任选的集电器的情况下使用。由于串联电阻较小，因此对于单个电荷净化循环而言，净化周期能够为30分钟或更短，并且流量大于两单元体积每小时。优选地，流过式电容器单元应具有如跨越端子测定的、小于100欧姆cm2（例如小于50欧姆cm2）的串联电阻。

还已经发现，大部分例如75%或更多的可用电容位于电极的上2毫米内，并且电极厚度的剩余部分是较不可用的电容，这样导致了死体积孔空间、浪费的材料和成本，以及增加的串联电阻。可用的电容指的是在最多30 分钟净化循环时间范围内使用的电容。在此死体积孔空间内存在溶液的死体积，这可以处在进料溶液、废料溶液或净化溶液不被电容作用达到与电极的上2毫米相同的速度和程度的任何特定时间。此死体积与正被电容器净化的或浓缩的水混合起来，从而导致库仑效率较低，进而引起低的水回收率以及增加的能量使用。使用薄电极避免了出现在厚电极中的此不利的死体积。因此，最佳地对于低串联电阻、高流量、高循环时间、库仑效率而言，电极为2 毫米厚或更薄，优选为1毫米厚或更薄。

另有需要提供卷材以更易于制造。相应地，库仑效率较高的电极可以一体化附着到集电器或流动间隔物中的任一者或两者上，这两者中的任一者可以是各种形式的平坦材料，例如膜、箔、层、网状物、网或筛。集电器可以是分开的平石墨或其他导电板，或者可以是邻近的石墨颗粒、纤维，或片或其他导电材料，这些材料均相地一起混合到电极材料本身中，从而形成一种复合材料，该复合材料足够导电以充当电极和集电器两者。用这些材料制成的、拉伸强度为50kPa或更高的卷材随后可以与机器或自动化的制造设备一起用于廉价地制造流过式电容器单元。通过在集电器基底上形成为涂层，电极可以物理地或化学键合到集电器顶部的或两侧上的低串联电阻的电触点中。作为替代方案，这些电极可以机械地接合到通过对包括电极、流动间隔物以及集电器层的电极堆叠进行压缩而形成的低串联电阻压缩触点中。这样，通过流动间隔物，该电极在挤压下被固持在集电器上。因此，流动间隔物需为足够刚性的，例如，具有0.05Gpa或更高的杨氏模量，从而不会在压缩下崩溃，并且可以对流进行限制。

离子基团衍生的电极颗粒由于其离子性质而更好地散开，并且更加亲水，并且因此更易于在用于制造电极板材料的过程中工作。因此，额外的优点是，一旦衍生，电极颗粒、纤维或片随后便可以通过本领域中已知的用于生产复合板材料的任何工艺而直接配制成分开的阴离子和阳离子敏感电极。这些颗粒可以与本领域中已知的用粉末、纤维或颗粒形成板材料或涂层的任何粘合方式或工艺或者本领域中已知的将均匀的颗粒层附着到基底板材料上的任何方法一起使用。以引用方式并入本文中的一些但决不是所有这些粘合材料和工艺在US2005/0285080A1、US2378025、US4152661、US 4354958、US4382875、US4862328、US5277729、US5313884、US6383427 B2、US7208341B2、US7471542B2、US7352558B2、US2007/0247788 A1、US2003/0027051A1以及US6773468B2中描述。这些粘合剂中的一些可以包括但不限于，氟聚合物、乳胶、丙烯酸、Kynar2801，或任何其他聚合的粘合剂、烧结的材料粘合剂、不饱和聚氨酯、丙烯酸树脂、乳胶材料、形成互穿网络的聚合物、多元醇、氟聚合物（例如P.T.F.E）、热塑性塑料、可烧结树脂，或者交联的聚合物例如羟基烷基多糖、聚乙烯醇、聚缩水甘油，或上述物质的衍生物和混合物。在电容器电极的领域中已知的任何表面区域、碳粉或电容性材料可以首先用离子基团来衍生，并且随后通过制造复合颗粒粘合板材料的领域中已知的任何方式而形成为电极，具体是电容器或电池电极。使用的板形成工艺可以包括使PTFE或UHMWPE以及碳粉一起混合并且形成原纤维而成为电极。电极粘合剂混合物可以涂刷到、电涂覆到、浆料涂覆到或刮涂到各种基底上，例如石墨箔或其他集电器。US6804108B2披露了用于使用衍生的碳来形成经涂覆电极的浆料涂覆法。包括US 2005/0244644A1中描述的那些的喷雾法或雾化法可以用于将受控的、均匀涂层或碳电极材料沉积到例如石墨箔等基底或集电器上。电极可以被热成型、挤出烧结，或模制。电极颗粒可以与纤维一起混合，从而在造纸和网状物处理设备中形成电极板。这些板形成方法可以包括任何电容器、电池、锂离子电池、燃料电池电极，或陶瓷坯板形成方法，包括涂覆、浆料涂覆、压延、喷雾、印刷，或挤出手段或工艺。优选地，任何这样的电极应亲水达到它们将吸附水的程度，或者例如通过粉体接触角方法或座滴技术测定具有小于90 度的接触角。用离子基团衍生的碳材料更易于与环境更友好的水基粘合剂或其他成分一起使用，并且更易于分散而用于通过上述工艺来形成电极的任何工艺中。例如，这些电极材料可以被放入单螺杆、双螺杆或其他挤出机或压延机中，以形成平板电极。作为替代方案，用离子基团衍生的这些碳材料可以配制到墨水中并且打印到集电器或流动间隔物基底上，要么形成传统的平电极，要么形成以引用方式并入本文中的US专利7368191中描述的电极阵列，该电极阵列使用平面表面上排列的薄电极带之间的电绝缘间隔物。流动间隔物可以是编织或非编织材料、二平面过滤网，或由印制在电极上的微凸起、肋片或脊形成或形成为任何阻挡层或保护层的流动间隔。流动间隔物或流动间隔物材料应为电绝缘且离子导电的。

极化电极流过式电容器可以是现有技术的任何流过式电容器几何形状，包括具有中央孔和螺旋缠绕单元的平堆叠。该电极可以用于形成螺旋缠绕的流过式电容器单元，而没有另外的成本或需要来对准电荷屏障层。用于缠绕螺旋缠绕单元的另一种方式是利用双面内部电极，其中任一侧上安置单面电极。流动间隔物将被放置在内部双面电极与每一个单面电极之间。两个单面电极中的每一者将具有设置在与流动间隔物相对的表面上的柔性集电器，例如石墨箔。当以螺旋方式卷动时，柔性集电器将被挤压、胶合，或层合在一起，从而电气地连接单面电极，以形成阳极或阴极。在任何螺旋缠绕的流过式电容器中，集电器可以延伸超过电极到绕组的任一端之外，从而形成集电器电引线。如果由于带涂层的电极与集电器之间的差异移动导致的分层是一个问题，那么电极可以被涂覆到集电器上由多个薄的横向线性间隙隔开的区段中，这些线性间隙被设计成用于当将材料卷成螺旋缠绕单元时防止任何分层在集电器与电极之间产生应力。螺旋缠绕的流过式电容器通过使用卷材而使制造变得容易，这些卷材从线轴上进料并且自动与任何额外的交错间隔物或集电器层一起卷动。螺旋缠绕单元还易于配合到管状盒式固持器中。管状盒式固持器是理想的压力容器，它可以由标准的、廉价零件例如塑料管等形成。任选地，这些卷材可以用于制造螺旋缠绕形式的流过式电容器，方法是围绕着中央轴缠绕，该中央轴随后可以被填充或密封。作为任选的细节，涂覆在集电器表面上或之上的、内部电极的间隔物面向部分的第一内部绕组上的、以及阳离子或阴离子敏感电极的盒式固持器面向部分的最后外部绕组上的电极材料可以被省略，或用柔性聚合物或易于密封的材料来替换，使得只有在螺旋绕组中面向彼此的电极的那些部分才是双面电极。螺旋缠绕单元的外圆周可以密封在盒式固持器内，使得外部绕组和内部绕组均针对流体流密封，从而将流体流端到端地引导通过螺旋缠绕堆叠，进而引导到盒式固持器中的出口。作为替代方案，螺旋堆叠的外圆周未被密封，并且流体流以螺旋方式在径向上被引导向绕组的中心，此处它进入开口到达中央心轴中。中央心轴可以充当出口，它可以延伸通过或者压力密封住盒式固持器的出口。该流也可以被引导通过多孔电极层本身的面向区域，以在电极颗粒之间行进，在这种情况下，溶质与电容性吸附电极之间的较好质量传递可能发生。在这种情况下，集电器也可以配备多个横向孔或流开口。螺旋缠绕的极化电极流过式电容器单元和盒式固持器的一个实例在图1中示出。

由活性碳、碳黑、高表面积石墨碳、其他电容碳材料，以及其他非碳导电的电容性材料制成的流过式电容器在这些材料用于净化、浓缩、溶解或从溶质、水或混合物中离析出有机或生物分子等目的时存在问题，原因在于用于电容器的表面区域材料通常也是用于具有疏水部分的有机和生物或其他分子的好的吸附剂。吸附有机物的该趋势还产生电极的污垢，因为给水中存在有机成分，例如由Lai Yoke Lee、How Yong Ng等人报告，水研究43（2009），第4769-4777页。有机污垢增加了电极的串联电阻并且因此减小了流速。不希望这样的被动吸附的额外应用是将流过式电容器用于浓缩和净化有机或生物分子，例如生物技术产品、发酵产品、氨基酸、维生素、蛋白质、DNA、RNA，或碳水化合物，以用作治疗、诊断或生物研究目的。因此，在以下情况下另有需要使用流过式电容器：被动吸附受到限制，从而允许这些分子的电气可逆释放和电容性净化。相应地，用附着的离子基团来处理电极材料可以将一些有机或生物分子的被动吸附减少或消除到这些电极对这些分子的粘性减小的程度。因此，有机和生物分子、病毒、细菌和细胞从溶液中可逆的移除和浓缩可以通过极化电极流过式电容器的电容性充电或放电而用静电方式来进行。

在生物的、生物膜、有机的或无机的分子产生电极污垢的情况下，可以通过结合合适的预处理来防止此情况，该预处理例如极化电极流过式电容器上游的净化吸附剂。例如，此净化吸附剂可以是具有不同极性基团的混合床离子交换树脂，任何这样的问题分子可以粘附到该吸附剂上，以保护下游的工作电极。预处理或后处理可以用于移除有机物、微生物或颗粒，并且可以例如包括碳过滤、混合床过滤、微量过滤、超滤、纳米过滤、反渗透或电渗析装置、絮凝、砂过滤、超滤、pH调整、UV光、电解，或臭氧生成方式，或任何其他水处理方法，这些方法可以单独使用或组合使用。

极化电极流过式电容器的单元和电极在并联连接时典型地充电到2-3伏特或更小的DC电压，例如1.2伏特。然而，这些相同的电极和极化电极流过式电容器也可以串联连接以获得更大的附加电压，达到例如48伏特或更大，其中个别单元被充电到2.5伏特或更小。例如图1、图2和图3中所示的普通单元具有捆绑在一起成为两个相反极性的多个并联连接引线。一组引线连接到阴离子敏感电极，而另一组连接到面向集电器的电极敏感电极。串联连接是通过将相反极性的捆绑引线或引线连接的导线连接在一起而形成的。一种替代性串联连接方法称为真正串联单元，其中串联连接在单元内部，如图11 所示，在真正串联单元中，含有相反极性离子基团的相反电极性的电极被用于集电器的每一侧上，而不是使用相同的极性，如以引用方式并入本文中的 US6628505中所述。在真正串联单元中，由于总堆叠电压可能由于水的分解而高于Nernst电位，因此单元之间的流体路径需具有足够的抵抗力以提供电隔离并且限制电解。在任一种串联单元中，重要的是匹配个别串联单元或单元层的流均匀性、压力降、电容和电阻，从而保持电平衡。串联单元可以是平整材料的堆叠，或是螺旋缠绕的。个别单元可以在常见的外壳内构建并且在共有的端板下受到共有的压缩，以作为使获得好的电平衡所要求的单元均匀性增强的一种手段。管状串联单元可以通过一起弯曲成嵌套的同心圆匹配的电容层来制备，或通过一起卷动或螺旋缠绕电容匹配层的平整堆叠来制备。

通过引线而施加以对流过式电容器进行充电的DC电流是可以使用机械或电子继电器、H桥或切换装置而极性可逆的，这些装置是通过计时器或离子传感器或导电装置以及可编程逻辑控制器、计算机或微处理器装置来控制的。也可以在一个极性中控制流过式电容器，例如，在正极性中吸附或净化离子以作为流出物中的净化水的体积，而交替的分流循环对离子进行解吸附或释放以作为流出物中浓缩物的体积。分流可以通过机械或电子继电器来实现，它将电容器电极一起短路到零或中间电压。分流可以用于单极性操作中，或者，可以用于反向极性充电之间，并且要求的能量比从带电电极的极性反转更少。附着的离子基团电极还能够用分流来静电地释放吸附的离子。这实现了离子的有效的可逆电容性吸附和解吸附。作为替代方案，也可以利用交替循环的极性反转，从而净化亦或浓缩离子。可以使用一个阀来选择出离子净化的溶液或离子浓缩的溶液的特定区段，从而将此引导到产品或废水出口。

图1描绘了盒式固持器内的螺旋缠绕的极化电极的剖视图。盒式固持器 1可以是任何液密容器，用于在进料溶液入口5与出口6之间形成压力差。密封装置7沿着流动间隔物8来引导流体流或将流体流引导通过该流动间隔物，端到端地通过单元11、沿着边以螺旋方式径向通过或径向通过电极9和 10，并且或者通过中央支承物、流管或心轴12而离开。中央支承物、流管或心轴12可以用于在流动间隔物8的任一侧上缠绕双面电极9和10，以形成螺旋缠绕的流过式电容器11。双面电极9和10可以各自包夹此处未图示但是在其他图中示出为17的电化学防腐导电集电器，例如石墨箔，或者导电性增强的电极可以在没有集电器的情况下使用，例如通过与导电性更好的材料例如石墨纤维组合使用以及使用本身。流动间隔或间隔物8电气地间隔开电极9 与10，并且在它们之间提供流管道。中央支承物、流管或心轴12中的多个任选的通孔13可以用于将流引导通过盒式固持器1的出口6。引线或汇流条2 可以通过紧固件3而附着到集电器突片4上，并且可以被设计成用于处理高安培数电流，例如，超过10安培。流体入口5和流体出口6可以反转，以便对流过式电容器11进行反冲洗。

图2描绘了极化电极流过式电容器中的材料的相对放置。任选的保护或阻挡材料层14可以用于防止电极短路，或者为任何未附着的离子基团分子提供容纳，并且可以选自任何离子导电的、电绝缘的材料，包括离子导体、水凝胶。阳离子敏感电极15是具有包含的阴离子基团的电容性电极。阴离子敏感电极16是具有包含的阳离子基团的电容性电极。双面电极9和10由集电器17任一侧上的阳离子敏感电极15与集电器17任一侧上的阴离子敏感电极 16的夹层形成。集电器17可以是任何惰性的导电材料，例如石墨箔、钛、箔以及铝或用例如填碳乙烯、其他填碳的聚合物等导电钝化层覆盖的其他金属，或者在一侧或两侧用石墨箔、导电乙烯或其他电化学保护层来层合的导电金属箔。流动间隔或间隔物8电气地间隔开双面电极9与10，并且在它们之间提供流管道。由这些电极、石墨箔和流动间隔物组成的电极组件形成流过式电容器11单元。

图3描绘了具有它们包含的离子基团的电极组件的图。任选的端板18 可以用于为平整堆叠的流过式电容器单元形成密封住端集电器或电极的液密密封。平表面金属或电化学惰性的导体19与紧固件3一起可以用于提供额外的导电表面积，以形成与集电器突片4和引线2的低串联电阻电触点。可取的是使此表面积最大化，从而提供最佳的电触点。这可以通过捆绑多个突片来完成，或通过将集电器17的整个边缘延伸超过用于突片4的其他单元材料来完成。这可以用平整堆叠或螺旋缠绕的单元配置来完成。阴离子基团20和阳离子基团21被吸附或附着到表面区域多孔的电容性电极基底22上。这些基团也可以是或者包括离子选择性离子载体、螯合剂或络合剂。从电源（未图示）通过电引线2供应的DC电流23典型地对于并联单元而言是2-3伏特或更小，或者在并联单元串联连接的情况下或在这些单元具有真正串联设计的情况下可以是该值的倍数。图3中所示为用于对流过流动间隔或间隔物8的进料流中的离子物质进行净化的DC电流的正到负极性配置的描绘。图3出于说明目的而示出了在流动间隔物8的相对侧上面向彼此的一对单相反极性的电极：一个阳离子敏感电极15和一个阴离子敏感电极16。然而，当构建包括多层材料的单元堆叠时，阳离子敏感型电极15和阴离子敏感型电极16更典型地堆叠在多个重复层中，在这些重复层中，每种电极极性类型的内部堆叠电极相对于集电器17是双面的。只有外部端电极可能更典型地是单面的，如此处所示，其中端电极面向流动间隔或间隔物8。作为替代方案，具有准确如图所示的层的流过式电容器单元11可以用螺旋方式缠绕而形成具有单面电极的螺旋缠绕单元的基础。在这种情况下，端板18将是薄的、柔性聚合的、电绝缘材料。当卷成螺旋时，此柔性材料可以任选地形成背对背层，该背对背层被层合在一起、胶合、或压缩密封住本身。

图4描绘了电容材料24的单独颗粒、纤维或片形式的表面区域电容性材料基底，用于复合电极材料中并且用作附着离子基团的基底。在这种情况下示出了附着的阳离子基团21，以便形成在其他图中示出的阴离子敏感电极 16，但是这些基团也可以是阴离子基团，从而形成阳离子敏感电极15。表面区域提供的孔25可以是纳米孔、微孔、中孔或大孔，并且提供流过式电容器从溶质中静电地吸附离子物质所需的电容。附着到聚合物、表面活性剂或连接装置29的单独的离子基团和或离子载体在此出于说明的目的而示出为带正电荷的、阴离子敏感的、所包含的阳离子基团。为了用于阳离子敏感电极中，这些所包含的基团在本质上将是带负电的阴离子。还示出了系链装置 26，附着的树枝状、支链、刷或多基团离子聚合物、表面活性剂或离子载体 27，附着的单基团离子聚合物、离子载体或表面活性剂28，以及附着的聚合电解质或多离子的表面活性剂30。

图5数据示出了实例1中描述的单元的性能，使用的是0.1M NaCl的水进料溶液，pH7，流量为20毫升每分钟。在300秒时间的时间段内，溶质净化或浓缩的程度被测量为毫西门子的导电率。流出的净化产品以及浓缩的废流的pH在此实例中变化不显著，例如，小于1pH单位。底部的实曲线是当 DC电压（在这种情况下是1.2伏特）在正极性中连接时单元的性能，即此时正端子附着到带有附着的阳离子基团的阴离子敏感电极（图2和图3中的 16）上，并且负端子附着到带有附着的阴离子基团的阳离子敏感电极（图2 和图3中的15）上。顶部的虚线曲线是当同样的DC电压连接成与上面相反、在负极性中连接时单元的性能，即正电压附着到阳离子敏感电极上，并且负端子附着到阴离子敏感电极上。

与用相同方式操作但电极连接到负极性的相同流过式电容器相比，在正极性下，极化电极流过式电容器将水从其最初的导电性净化到更大的程度。在正极性条件下，在此特定实例中库仑效率被计算为74%，计算方法是使用法拉第常数以及NIST标准化的导电性测量，将测定为电流的电子库仑数与时间之比与随着时间净化的离子的库仑数求积分。这给出了在一轮（run）中被移除的测定的氯化钠量为1.8×10-4当量每克碳电极材料。总测定的电容就吸附的离子而言是14.5法拉每克电极材料。基于电子而测定的总电容是21.2法拉每克电极材料。当极性反转为负极性，由此电子电流连接到阴离子敏感的附着的阳离子电极上，并且携带正空穴的电子电流连接到阳离子敏感的附着的阴离子电极上时，水被浓缩、保持差不多相同，或者浓度没有减小施加正极性时那么多，由图5的顶部虚线示出。如上文还说明，带有极性的此不同净化行为是对极化电极流过式电容器的诊断。在阴离子被不同地吸引到阴离子敏感电极并且阳离子被不同地吸引到阳离子敏感电极的意义上，带有极性的此不同净化行为是用正被极化的离子基团衍生的电极的结果，在正极性中与在极性为负时相比程度更大。相比之下，使用电极而不添加附着的离子基团的科学对照流过式电容器在从分流开始的极性反转后的行为上显示极少差异或没有差异。

图6数据示出了实例1的单元的性能，操作方法是最初在分流下用进料进行冲洗到零伏特以平衡出口到入口的进料浓度，随后在20毫升每分钟的流速下以1.2伏特进行测试。进料是pH7的0.1M NaCl水溶液，水中总溶解固体的出口净化或浓度被监控为随着时间的毫西门子的导电率，并且与使用相同碳电极而不添加附着的离子基团或电荷屏障的相同操作的、科学对照流过式电容器进行比较。底部实线是根据极化电极流过式电容器的结果，并且顶部虚线是对照。根据图6中的数据，与使用相同碳电极而不添加附着的离子基团或电荷屏障的相同操作的、科学对照流过式电容器相比，极化电极流过式电容器具有更深的净化曲线。因此，与科学对照流过式电容器相比，极化电极流过式电容器以更快的速率进行净化，净化更大量的总离子。此结果是由于比科学控制流过式电容器更高的库仑效率。该图中的导电率数据显示，随着电极的电容电荷保持能力被使用完，从溶液中移除的离子量随着充电循环而减小。因此，净化的溶质的导电率随着充电循环的时间而减慢并且达到最初进料导电率值的50%以上，在这种情况下在进入充电循环中的一百五十秒处超过最初进料导电率的80%，并且在十分钟或更小处超过90%。用于此实例的流过式电容器中的电极材料的基于重量的流量超过1毫升每分钟每克电极材料。

图7数据示出了极化电极流过式电容器的不同极性行为的实例。这是电化学阻抗光谱图，示出了在正极性对负极性中，由阴离子敏感电极和阳离子敏感电极制造的该流过式电容器中阻抗和串联电阻行为的明显差异。为了比较，使用相同碳电极而不含有离子基团的相同操作的科学对照流过式电容器也在与极化电极流过式电容器的并行研究中被扫描，这是在以赫兹“Hz”为单位的一个频率范围中进行，同时测量阻抗“Z”。带有菱形标记、在图7中标记为“Z_对照”的实线曲线图是不含有离子基团的原本相同的科学对照流过式电容器单元。带有三角形标记、标记为Z_exp+极的虚线曲线图是在将 DC偏压施加到极化电极流过式电容器的正极性中的情况下的数据曲线图，即此时正空穴电荷载体奔向阴离子敏感附着的阳离子基团电极（图2和图3中的16）并且负电子电荷载体奔向阳离子敏感附着的阴离子基团电极（图2和图3中的15）。带有正方形标记、标记为Z_exp-极的虚线曲线图是将DC偏压施加成与上面相反、即施加在负极性中的情况，即此时负电子电荷载体流向阴离子敏感电极（图2和图3中的16）并且正空穴流向阳离子敏感电极（图2和图3中的15）。此数据显示了极化电极流过式电容器以及极化的阳离子和阴离子敏感电极的不同的极性相关行为。极化电极的实际操作范围低于1 Hz。在此频率范围内，在此实例中，与负极性或不含有离子基团的科学对照流过式电容器相比，电容器在正极性中展示了稍微增加的阻抗。可以推测，这是因为正极性施加了与附着到电极表面的所包含的离子基团相同的电荷，从而从该表面上排斥那些基团，被保持远离静电表面的附着基团有效地添加了另一电荷层并且有效地产生由附着的离子基团及其抗衡离子构成的串联的额外电容器，其中抗衡离子云与下伏电极相反地被偏置。电荷层的该额外层可以产生不附着有带电基团的电极的基础阻抗以外的额外串联阻抗，从而增加总阻抗。此效果也可能使得在正极性中充电的单元中观察到较小的总电容。当电容器在负极性中充电时，如图7中所示的阻抗没有科学对照流过式电容器的变化那么大。在这种情况下，供应给电极的电子电荷载体的电荷与附着的带电离子基团相反。可以推测，电容器可以通过将这些离子基团吸引到其连接基团上而至少部分地充电。通过这样做，这些附着的离子基团排除它们的抗衡离子，从而使这些离子浓缩，如在图5的曲线图中的顶部曲线中所示。高频下阻抗的增加可能是假象，或者可以推测，它可能表明关于离子基团在通过其连接部分或系链而被固持在电极表面上时的张弛时间的一些情况。在任何情况下，基于施加给阴离子和阳离子敏感电极对的DC偏压的极性的不同阻抗行为是对极化电极流过式电容器的另一诊断。与负极性或与科学对照流过式电容器相比，在正极性中电容也减小的那些情况下，这是额外的诊断。任一种极性的电极的电容也可以变为比科学对照流过式电容器低，因为连接基团阻挡了表面区域或因为连接基团和附着的基团增加了离子与电子电荷之间的静电距离。为了对此进行校正，可以使用亲水连接基团或电子导电聚合物连接基团。

图8是在实例1中用于形成流过式电容器11的各层一般的相对安排，在这种情况下所示为配置成堆叠圆盘的材料，具有多个中央流孔44，具有在流动间隔物8的任一侧上彼此相对的阳离子敏感电极15和阴离子敏感电极 16，端电极是单面的，并且中间电极是双面的。每种单独的电极层15和16 的总数量是相同的。在此出于说明目的而示出只有两个流动间隔物8的单元，以提供入口装置5和出口装置6。然而，可以使用任何合理的数量“n”个流动间隔物，n+1个集电器17，“n”个阳离子敏感电极15以及“n”个阴离子敏感电极16，例如，直到“n”等于1000。

图9描绘了通过阻挡层34而包含在表面区域多孔的电容性电极22的孔体积内的离子基团分子：阴离子基团分子32和阳离子基团分子33。含有阴离子基团分子32的电极形成阳离子敏感电极15，而含有阳离子基团分子33的电极形成阴离子敏感电极16。溶液相阴离子35和溶液相阳离子36响应于电场而在箭头37的方向上迁移通过阻挡层。还包括的是在其他图中已经识别的其他部分。

图10是真正串联配置的描绘。阳离子敏感电极15和阴离子敏感电极 16还标记为39以指代端电极。这些端电极与面向的集电器17接触。内部阳离子敏感电极15和阴离子敏感电极在被设计成用于真正串联单元中的集电器 38的两侧面向彼此。集电器38对电子电荷载体、电子和空穴是导电的，而对离子电荷载体是不导电的且是绝缘体。阴离子敏感电极15和阳离子敏感电极 16被设置在面向的集电器38的任一侧上，以用作内部电极40。不存在到DC 电流23的直接电子电荷载体连接，在这种意义上来说，内部电极40是自由浮动的。DC电流23通过电源（未图示）而供应给电引线2。其他标记的部分如在其他图中所示。

图11为被设计成用于真正串联单元中的单个流动间隔物的描绘。由箭头示出的流动图案是通过弯曲流动通道入口43而进入，通过外部弯曲流动通道41，在径向上通过流动间隔物8进入中央弯曲流动通道42并且通过中央流孔44而离开。

图12为真正串联设计中流动间隔物周围的电极和垫片的安排的示意图。阳离子敏感电极15和阴离子敏感电极16被设置在流动间隔物8的任一侧上。流动间隔物8在中央流孔44周围具有外周边弯曲流动通道41和内部弯曲流动通道42。电极也具有多个中央流孔44，这些中央流孔一起排列在流过式电容器的紧密堆叠的材料层中，以形成限定流动通道的中央孔。外部垫片45被定位在流动间隔物的边缘周围，内部垫片46被定位在中央流孔的外侧周围。这些电极配合在外部垫片内，以及内部垫片的外侧周围。这些垫片密封住这些电极以及流动间隔物的内周边和外周边，从而形成密封的长流动通道，该流动通道对未图示的个别串联单元的额外的多个层之间的离子电导提供阻力和隔离。

实例

实例1。在该实例中，使用的电极是高电容活性碳粉末电极，此电极用 5%原纤维的PTFE粘合剂固持在一起，该粘合剂是根据与许多专利中描述的那些相似的标准技术来制成，这些专利包括但不限于以引用方式并入本文中的US4379772。这些电极进一步被改性成阳离子和阴离子敏感电极，方法是在室温下将这些电极浸泡在分开的表面活性剂溶液中。对于此实验而言，十二烷基硫酸钠、CAS号151-21-3被选为阴离子表面活性剂以用于将阴离子基团吸附并附着在阳离子敏感电极上，并且六癸基三甲基溴化铵、CAS号57- 09-0（也称为十六烷基三甲基溴化铵，((C16H33)N(CH3)3Br），或鲸蜡基三甲基溴化铵）被选为阳离子表面活性剂以用于将阳离子基团吸附并附着在阴离子敏感电极上。为了形成阳离子敏感电极，碳电极被浸泡在一半临界胶束浓度的十二烷基硫酸钠溶液中，还有0.1M NaCl。为了形成阴离子敏感电极，这些碳电极被浸泡在一半临界胶束浓度的六癸基三甲基溴化铵中，还有例如0.1M NaCl等盐。任选的额外盐被用于“盐析”或静电地减少表面活性剂上的电荷，从而使更多表面活性剂吸附到电极表面上。在此实例中，电极浸泡时间是一个月，还伴有偶尔的搅拌。在此浸泡时间段之后，这些电极通过浸泡在容器中同时用至少1升水搅拌至少一分钟而被彻底清洗。基于电极重量，每克电极材料用超过70毫升水来冲洗这些电极至少一分钟。图8示出了在此实例中使用的编号零件和材料层的相对安排，包括流动间隔物、电极和集电器。在此实例中，任选的中央支撑或心轴装置在这种情况下不保留，并且流过式电容器电极和其他材料在正方形端板的压缩下被固持在一起，这些正方形端板本身在四个角上用螺钉固持在一起，在图8中未图示。这些碳电极约为0.4毫米厚并且被切成7.6厘米直径的圆盘，这些圆盘具有0.63厘米宽的中央流孔。在此实例中的流动间隔物由被切成略微较宽的圆的大约0.1 mm厚、大约30%开放区域的尼龙编织材料构成，从而使这些电极重叠以防止短路。最后，用作集电器的小于0.4毫米厚的石墨箔板被切成7.6厘米直径的圆盘，这些圆盘具有0.63厘米宽的中央流孔。此集电器被切割以匹配电极面向区，具有多个大约一厘米宽的延伸突片。集电器突片被并联地捆绑、紧固在一起并且附着到导体上以形成相反极性的导电引线。这些材料层随后被一起放在流过式电容器单元中，该流过式电容器单元包括位于流动间隔物的相对侧上的交替极性的阴离子和阳离子敏感的双面电极，而单面电极位于单元堆叠的任一端处。双面电极由相同极性的、阴离子或阳离子敏感电极制成，这些电极在集电器的任一侧上被放置在夹层中，以形成双面的阴离子和阳离子敏感电极。顶端和底端单面电极在远离流动间隔物的一侧上具有作为导电背衬的集电器。流动通道通过平行的流动间隔物进入，并且通过中央孔而离开，该中央孔是通过堆叠在一起的电极、集电器和流动间隔物层中的中央流孔的对准而形成。在此实例中使用的平整圆盘设计与例如以引用方式并入本文中的US5,620,597的图4的典型的平整堆叠设计中描述的相似。然而，使用的单元配置可以是任何标准的流过式电容器设计，包括螺旋缠绕的设计以及该专利中描述的其他设计。总之，存在二十个电极层，每种十个，总共十四克干重的表面区域电容性碳。这些电极中的十八个电极是双面的，两个单面电极在侧面放置在流过式电容器堆叠的任一端。存在十个流动间隔物和十个集电器。单元体积小于100毫升。此单元用于获得图5、图6和图7 中所示和描述的数据。电极的超过20毫安每平方厘米（在此实例中超过50 毫安每平方厘米）的电流密度是用0.1M NaCl溶液作为电解质来测量。为了清楚，平方厘米面积在此指的是面向流动间隔物的电极侧的宏观面积之和。单元在正极性中在1.2伏特DC下操作，从而产生净化溶液。单元被分流，从而产生浓缩的溶液。在从1.2伏特电源和电压源断开之后，使带电单元保持在1伏特达十五秒或更长。并联电阻被测定为大于100欧姆cm²，在此情况下为 1359欧姆cm²，其中cm²指的是流动间隔物的电极面向部分的平方厘米总面积，这是基于每个流动间隔物的一侧来测量的。

使用的十二烷基硫酸钠具有的pKa处于或接近3.3（Colloids和Surfaces B：生物界面卷43，刊号3-4，2005年7月10日，第150-157页），并且使用的十六烷基三甲基溴化铵具有的pKa处于或接近9.8（Weast R.C.编者CRC 化学和物理手册第55版，Cleavland RC出版社1974）。记载的文献值的使用是化学品使用的指南，它们可以代替衍生的电极上的离子基团的测量值。当附着到电极表面上时，使用的表面活性剂和其他离子基团的pKa可能与文献值不同。

实例2。在另一个实例中，10%碳黑和90%活性碳的混合物被喷射碾压成小于40微米，其表面积为1400平方米每克B.E.T（布鲁纳爱德华泰勒法），总孔体积为0.7立方厘米每克，并且组合的中孔和微孔体积为0.4立方厘米每克，该混合物被用作基电容材料。两批次的四分之一亚临界胶束浓度的磺基琥珀酸二辛酯钠阴离子表面活性剂和N-烷基-N-2-羟乙基-N、N-二甲基溴化铵阳离子表面活性剂分别以每100克电极材料超过半升的过多量分别被添加到单独容器中。表面活性剂的临界胶束浓度是通过等温滴定量热法来确定，如在“等温滴定微量热法实验可以告诉我们关于表面活性剂自行组织成胶束的哪些内容？（Whatcan isothermal titration microcalorimetry experiments tell us about the self-organization of surfactants into micelles?）”（Kawthar Bouchemal等人，J.Molec.Recognit.（2009））中描述。用螺旋桨装置搅拌所得的悬浮液一小时，并且随后在布质微过滤器中过滤。所得的碳浆料为50% 固体体积重量。此湿膏的一部分随后被干燥并且存储以供以后使用。吸附的在每个样品上的附着阴离子和附着阳离子基团的所得浓度通过元素分析而分别确定为1.5摩尔/kg和0.9摩尔/kg电极干重。使碳材料的一部分再悬浮在一种浆料中，该浆料含有5%重量的乳胶粘合剂、50%重量的碳浆料，以及50% 体积的水。将此材料刮涂到0.5毫米厚的石墨箔集电器的两侧上达0.5毫米厚，并且在整晚保持干燥，以将这些材料制成双面电极，也就是，集电极的两侧上均涂有阴离子或阳离子敏感材料。这些程序是针对这两个批次中的每一批次使用，以制成分开的阳离子和阴离子敏感电极。这些材料被用于制造流过式电容器堆叠。单面电极涂层也被刮涂到石墨箔上，以用作流过式电容器堆叠的端电极。随后的流过式电容器将溶解的含离子进料净化到大于70% 净化率，大于50%水回收率，库仑效率大于50%，能量使用小于3.5焦耳每库仑净化的离子。在100个净化周期之后，净化性能的降低不超过25%。

实例3。在另一个实例中，实例二的程序被重复，其中将2%重量每干重电极的钙离子载体ETH5234添加到含有阴离子表面活性剂的碳电极材料批次中。通过此离聚物吸附到碳电极表面上而得到的阳离子敏感电极与流过式电容器中的实例2的阴离子敏感电极一起用于选择性地从给水中移除钙和或碱度，以用于水软化应用中。

实例4。在另一个实例中，阴离子和阳离子批次被吸附到电容性碳粉上，从而衍生出每种极性的附着离子电容性碳粉电极材料的单独批次。为了用附着的离子基团填充达到100%的平均孔体积，对表面活性剂链长度、离子连接基团臂或者用于将附着离子基团附着到碳电极表面上的总聚合电解质长度进行选择，使得电极表面与附着离子基团之间的最大距离将大于随后完成的复合碳粘合剂电极材料的平均孔半径的10%，例如为该平均孔半径的 100%。作为一个实例，在具有65纳米平均孔半径的完整电极材料的情况下，等同于该半径所要求的基体的最小数量是通过将此半径除以1.54埃的碳-碳键长度来估算的。这相当于线性或支链聚合物或聚合电解质的最长链中需要434 个基体或者碳原子。用于实际用途的此计算是估算，因为它假定了全链延伸。然而，链延伸可以通过从电极表面的静电排斥来促进。典型地， 10,000,000D下的离子分子的使用量可以达到使用的电极的20%干重。

实例5。在另一实例中，为了用作阴离子或阳离子敏感电极，具有每分子1与160个之间碳碳原子键或“基体”的聚离子聚合物混合物使用傅列德尔·克拉夫茨反应来附着，以共价地将带有系链的附着阴离子或阳离子基团附着到30微米平均颗粒大小的粉末状1200m2/克B.E.T.表面区域碳材料表面上，其中碳材料具有含微孔和中孔的孔分布。这些系链从1纳米长到25纳米长不等，并且填充微孔和中孔的半径的一半或更多。

实例6。在另一实例中，螺旋缠绕的流过式电容器由共价地或吸附附着到电极上的各对相反极性基团制成。这些电极是双面的，其中相同的极性涂覆在0.25毫米厚的石墨箔的两面上，但是在薄的0.5毫米厚的聚合物纤维或网状流动间隔物上以相反的极性面向彼此。附着的酸性阴离子电极基团的 pKa为5，附着的碱性阳离子电极基团的pKa为9，并且用于净化pH7.9的给水。

实例7。在共价地附着固定的硫酸根基以形成负离子基团衍生的碳材料的另一实例程序中，比表面积从200至3,500m2/g并且颗粒大小从0.1至100 微米的一种活性碳或者比表面积从200至1,500m2/g并且颗粒大小从0.001至 1微米的一种碳黑或者这两者的混合物被用作碳。向其中加入对氨基苯磺酸或氨基苯磺酸钠，以及水，加入的重量比例为五份或更少、一份或更少，以及十份或更少。这些组分被放置在旋转滚筒混合器中并且在100摄氏度或更低温度下在少于六十分钟内混合。添加浓硝酸，并且使其在额外的十分钟或更短时间内混合。在小于三份重量的水中含有半份重量硝酸钠的溶液被添加，从而形成重氮盐而与活性碳反应。这被混合达额外的六十分钟或更短时间。用标准方法ASTM D1619-03（2008）来分析所得产物，得出其含有10毫当量每克阴离子p-C6H4SO3-基团，这些基团共价地附着到电容性材料上，以用于阳离子敏感电极中。

为了共价地附着固定的季胺以形成正离子基团衍生的碳材料，比表面积从200至3,500m2/g并且颗粒大小从0.1至100微米的一种活性碳或者比表面积从200至1,500m2/g并且颗粒大小从0.001至1微米的一种碳黑或者这两者的混合物被用作碳。在重量上，十二份的碳在搅拌时被添加到小于10份的季胺盐的溶液中，其中R基团可以是任何烷基、芳基，或烃分子，在这种情况下是3-氨基苯甲基三甲基氯化铵。小于五份的浓硝酸被添加并且在搅拌时加热到低于100摄氏度。在小于十份的水中有小于五份的NaNO2的溶液在小于十分钟的时间段内被添加，从而形成重氮盐而与碳反应，进而形成阳离子3- N2C6H4CH2N(CH3)3+基团，这些基团共价地附着到电容性材料上以用于阴离子敏感电极中。

以上两种碳是根据表面积和电容特性来选择的，使得单个电极阳极和阴极电容在一起用于电容器单元中时与总串联电容相匹配。

以上这些碳如下分开地形成为阳离子和阴离子敏感电极。通过将2g羧甲基纤维素钠和10g的40%苯乙烯丁二烯橡胶乳胶添加到水中来制备粘合剂溶液，并且随后与95g电容器碳材料混合，并且用水进行调整，使得当湿混合达小于3小时而形成浆料溶液时，所得浆料溶液的粘度约小于4000cps。该浆料溶液被涂覆在0.6毫米厚的石墨箔集电器的两个表面上，达到100微米或更小的厚度，从而制成完整电极。该电极被干燥，以形成具有大于90%碳和小于10%粘合剂干重的电极。接着，保护材料涂层形成于两种相应电极类型的一个面上，从而形成保护材料涂层以防电短路和泄漏。相应地，将含有每体积重量为15%的PVA和5%的乙烯基醚马来酸酐共聚物的水溶液，用膜涂布器或喷雾器涂覆到电极上达到250微米的厚度。用35千戈瑞的电子束辐射照射该涂层膜，以形成离子导电层形式的保护材料。最终的电极被切成10cm 宽度以及10米长度的卷。钛引线被附着到最终电极的半米区段上。两个半米区段组成每种不同电极中的一种电极的一对，这两个区段与面向流动间隔物分离器（得自Nippon Kodoshi公司的TF4035）的保护材料层一起被缠绕。螺旋缠绕的流过式电容器被放置在具备顶部和底部流配件的schedule60PVC管盒式固持器中，从而制成具有端到端流动通道的流过式电容器。这些钛引线附着到延伸通过盒式固持器的钛螺丝上，从而提供正端子和负端子以连接到含有极性反转或分流继电器和可编程计算机控制的DC电源和系统。

实例8。以下是一个实例，类似于以引用方式并入本文中的J.Am. Chem.Soc.[美国化学会志]1997,119,201-207中描述的实例，是关于用共价附着的分子衍生的碳电极的孔体积表面，从而通过向这些碳电极施加电势而形成附着的离子基团，还有重氮盐R-N2+X，其中X是例如卤素或四氟硼酸盐等无机阴离子并且R可以是任何烷基或芳基。这些基团可以经选择以含有强酸或强碱基，从而用这些基团制成单独批次的碳，以用作阴离子和阳离子敏感电极。作为替代方案，烷基或芳基可以根据易于进一步通过标准有机化学技术而改性成这些基团来选择。

在此实例中，在下文中用“芳基-N三键N+”表示的芳基重氮盐在多达负2.5伏特的标准电极电势下用下面的反应序列共价地键合到碳电极上，乙腈作为溶剂，并且0.1M四氟硼酸盐作为重氮分子。

反应1：芳基-N三键N+e-得到芳烃基+N2

反应2：芳基+碳表面得到共价键合到碳上的芳基。

制备两个分开的批次，一个是磺酸强酸基所包含的芳基的情况，另一个具有季胺强碱基，从而形成电极材料以随后用于阳离子或阴离子敏感电极配制中。相应地，这些单独的碳与5%重量的乳胶粘合剂混合并且以0.5毫米厚涂覆到0.5毫米厚石墨箔集电器的两侧上。相反极性的双面电极集电器一起螺旋缠绕在0.5毫米的、40%开放区域的、编织的尼龙流动间隔物的相对侧上，以形成螺旋缠绕的流过式电容器单元。

作为替代方案，电极配制物可以被灌注到非编织石墨纤维布的单独层中，从而形成阴离子和阳离子敏感的集成集电器电极材料以用于螺旋缠绕的单元中。

上述电极也可以切成具有中央流孔的圆盘并且放置成在中央支撑管周围对准的堆叠式圆盘安排，该中央支撑管延伸通过盒式固持器并且还用于形成流出口。

实例9。在另一实例中，类似于以引用方式并入本文中的纳米快报 [Nanoletters]2003Vol.3,No.9第1215-1218页，离子分子共价地附着到碳上，从而形成附着的离子基团，其中碳在先前已有先前吸附在上面的表面活性剂，从而有助于使碳分散并且促进重氮盐与选择的电极材料的反应。在这种情况下，活性碳作为实例给出，但是也可以使用其他导电材料，例如纳米管、石墨板或任何其他形式的碳、陶瓷或导电聚合物。得自可乐丽公司产品号NK-260(80)的150法拉每克（基于单电极电容）的KOH活性碳被研磨成 25微米的平均颗粒大小，并且在声波降解或搅拌下在十份重量的以下阳离子溶液中在30摄氏度下浸泡一小时：3毫摩HCL中有55毫摩的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠，或者15毫摩KOH中有55毫摩阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵，或者55毫摩的非离子表面活性剂Triton X100西格玛奥德里奇号。在其中以16当量每摩尔碳的量添加重氮盐，此重氮盐由选择用于阴离子或阳离子基团的各种4取代苯胺产生，类似于以引用方式并入本文中的J.Am.Chem.Soc.[美国化学会志]2001,123,6536，并且在室温下搅拌10分钟。通过10微米PTFE过滤膜来对该产物进行过滤。用相等量的丙酮，随后蒸馏水，随后另一相等量的丙酮冲洗滤出物，以移除任何未反应的表面活性剂。这些在65摄氏度下在真空中干燥一晚，并且存储在密封的容器中以随后用于阴离子或阳离子敏感电极中。

实例10。在此实例中，类似于以引用方式并入本文中的J.Am.Chem.Soc 1993，115第9835-9837页中描述的方法，苯酚官能化碳是通过以下材料的反应来制备的：小于500纳米宽的高表面积的、石墨化、中孔碳纳米粉末，奥瑞奇目录编号699632，还有CAS号1333-86-4，与双@-甲氧苯基重氮甲烷，接着是使用BBr3的甲醚的水解，从而产生作为主产物的6-6桥接的甲桥碳表面衍生物，该衍生物只携带两个苯酚位点。根据该参考文献，通过会聚合成路线制备的聚醚树状分子理想地适用于附着到苯酚官能化碳上，因为它们在其焦点处携带单个亲电子位点。碳表面附着的树状分子的形成是在存在 K2C03的情况下通过以下材料的反应来实现的：位于官能化碳的表面上的两个苯酚基中的每一者，与第四代树状分子的焦点处的单个苄溴基。这些树状分子由于强酸或强碱基功能性而被选择，从而形成阳离子或阴离子敏感的碳。

实例11。以下是利用碳上现有的氧基团，通过脱水反应而将分子或聚合物接枝到碳上的一个实例。可以使用以引用方式并入本文中的US4,835,074 中披露的任何方法，该专利描绘了衍生电极的形成以用于电化学产能或耗能单元中，其中碳先前已通过电化学方式或其他方式而在硝酸或其他酸中或在 O2中氧化。在此实例中，基于氧化丙烯（PO）或氧化乙烯（EO）的聚醚主链分子的末端附着有硫酸根基或季胺基，该聚醚主链分子被接枝到碳上，从而通过系链附着的阴离子或阳离子基团而共价地附着到电极孔体积表面区域上。

90%孔体积包括1000m2/克B.E.T.表面积的中孔和微孔的高电容活性碳被暴露在次氯酸钠或高锰酸钾或过硫酸铵的12%溶液以及充足的蒸馏水还有 1%重量的异丙醇润湿剂中，从而形成浆料。将该混合物搅拌二十四小时，在蒸馏水中冲洗，并且浸泡在0.1N HCL中，以使碳表面上的任何羧酸根官能团质子化，随后在蒸馏水中冲洗并且干燥。通过元素分析来确定表面氧浓度，显示形成的表面羧基、羟基或其他含氧基处于0.1与10毫当量氧每克碳电极材料之间。在其中添加相等份重量的、分子量在1000与2000克每摩尔之间的聚乙二醇-胺的四烷基季盐，以及三份甲苯。该混合物在搅拌下经历共沸蒸馏并且回流达十四小时，随后通过过滤来回收衍生的碳。这样获得了电容碳，以用于阴离子敏感电极中。类似或相似的含硫酸根基或磷酸根基的分子也可以用于形成阳离子敏感电极。

实例12。在另一实例中，用于形成阴离子敏感碳电极的强碱季胺或叔胺基团也可以用酰胺前体来制备。一份氧化碳比八份无水甲苯被混合在一起并且搅拌，同时缓慢添加五分之一份亚硫酰氯。在蒸馏15小时之后，额外的亚硫酰氯被蒸馏出来。反应混合物被冷却，并且缓慢添加1份甲苯中有五分之一份N,N二甲胺。该混合物被搅拌六小时，随后添加额外的蒸馏水。所得的碳产物被过滤并且用稀HCL、水和异丙醇冲洗，随后在真空中干燥。为了形成叔胺，将上面产生的一份干燥的胺产物添加到配备有冷凝器和滴液漏斗的三颈烧瓶中的20份干乙醚中，该滴液漏斗中含有十倍过量的LiAlH4醚。在两小时内逐滴地添加LiAlH4溶液。用水骤冷反应混合物，并且随后过滤。用水和稀盐酸（HCL）冲洗并且再用水冲洗碳滤饼，随后在真空中干燥。叔胺官能化的碳通过元素分析而确定为在每克碳中具有1与10毫当量之间的氮。叔胺随后被四等分而形成强碱。这可以使用对于季盐的制备而言标准的试剂和方法来完成，例如使用卤代烷或二烷基硫酸酯，或者根据以引用方式并入本文中的US5463094中的任何程序，例如通过在温度升高的情况下在惰性气体中与二甲基硫酸酯反应。

实例13。在形成螺旋缠绕单元的该实例中，绕线机具有可移除的管状心轴，电容器材料层便缠绕在该心轴周围。该心轴与螺旋缠绕单元一起从绕线机中移除而成为核心支撑结构，或任选地形成完成的流过式电容器的流出口。引线是通过从集电器的集电器层上切掉突片形成的，这些集电器层为此目的而有意重叠在单元的顶部和底部。这样所得的螺旋缠绕的流过式电容器和盒式固持器的一个实例如图1中所描绘。

实例14。在此实例中，能量从一个或多个流过式电容器单元中回收，这些流过式电容器在用来自流动溶液的吸附离子充电之后，已被充电到某个电压并且含有存储的能量。实际上，与用恒定电压充电的电容器相比，用恒定电流充电的电容器对用于对其进行充电的能量存储得更多。相应地，为了获得最大量的可回收能量，至少一个流过式电容器在一部分或基本上所有的充电循环中用恒定电流进行充电。为了回收存储的能量，至少一个带电电容器通过能量回收电路来放电，该能量回收电路被设计成用于接收其下降的输出电压并且将此提升为至少一个充电电容器的增加的输入电压。该能量回收电路可以任选地在这两个电容器的电压相等时或之后，变为降压转换器。因此，该能量回收电路可以对放电电容器电压进行降压、升压，或先降压后再升压，并且将此馈送给至少另一个流过式电容器、电源、泵，或其他电力负载。能量回收电路的输出可以是恒定的电流，从而以更好的能量效率来对另一电容器进行充电，或者可以是恒定的电压，从而以更快的流速利用来对另一个电容器进行充电。能量回收电路可以含有DC-DC转换器、双向DC-DC 转换器，或者开关模式转换器，或者回扫或前馈开关模式电源。用于此目的的能量高效设计策略可以包括开关模式功率转换、开关频率变化、独立控制的有源整流，或MOSFET和FET的使用。使用零电压切换的DC-DC转换器可以用于能量回收电路中。半桥、全桥或回扫变换器也可以用于能量回收电路中。用于能量回收电路中的DC-DC转换器的其他实例包括以引用方式并入本文中的US6069804、US4736151、US3986097、US5066900、 US6205035、US5768118和US7046525B2。另外，AC-DC或DC-DC、降压或升压转换器也可以是固定电压的AC或DC电源、电力线或电压源与充电或放电流过式电容器之间的中间零件。

实例15。在流过式电容器被制成具有相对的活性碳电容电极对的此实例中，该对中的每个电极被注入超过100道尔顿分子量的离子带电分子或聚合电解质。该对中的一个电极通过被注入有强酸阳离子的离子基团分子或聚合电解质而具有正极性离子基团，而该对中的另一个电极通过被注入有强碱阴离子的离子基团分子或聚合电解质而具有负极性离子基团。这两个电极均具有小的多孔透析膜，该透析膜被放置在电极的流动间隔物面向区域上以作为阻挡层。该膜具有的截留分子量小于100道尔顿。任选地，例如用塑料框等，将该膜紧紧地密封、用垫片装配或按压在电极的边缘周围，以防任何电极流体从边缘泄漏出来。流过式电容器被制成含有：材料相反电极，这些电极在电极的0.5毫米或更小厚度的层中含有在流动间隔物两侧面向彼此的相反极性的离子基团聚合电解质；在与流动间隔物相对的电极侧上的石墨箔集电器；以及流动间隔物。此流过式电容器以百分之五十或更高的库仑效率，以大于1毫升每分钟每克电极材料的流量，净化500份每百万总溶解固体或更高的溶液达大于50%的净化率。

实例16。在此实例中，根据等式1，0.01摩尔每升NaCl溶液给出估算的2.1纳米德拜长度。因此，可以预期，在这些条件下，具有相反电荷含有的离子基团的相对的微孔电极对的电极组件将是库仑效率高的极化电极流过式电容器。

实例17。在此实例中，真正串联单元包括放置在单元任一端处的一个阴离子敏感电极和一个阳离子敏感电极，该单元用0.040英寸厚的钛箔集电器作为背衬。总数为“n”个电极，在这种情况下是22个电极，包括“(n-2)/2”个内部电极对，在这种情况下是10个内部电极对，这些内部电极对通过阴离子敏感电极和阳离子敏感电极夹住面向的导电、离子绝缘集电器来形成，该集电器由小于0.020英寸厚的导电乙烯制成。端部的钛集电器掺杂有铂、钌或钯，以提供通过表面氧化层的导电性。面向的流动间隔物将每个电极对集电器夹层结构隔开。“(n-2)/2”对内部电极的真正串联单元形成“((n-2)/2)+1”个单元，或在这种情况下是11个串联的单元。每个单元被充电到1.2伏特的个别的单元电压。真正串联单元被充电到总电压为单独的单元电压乘以“n+ 1”，或者在这种情况下为13.2伏特。借助于流动间隔物内的弯曲流动通道，超过10欧姆被设置在串联堆叠的单独单元之间。另外，电极和集电器的边缘被密封。弯曲流动通道由一个垫片形成，该垫片以围绕着流动间隔物的两英寸厚或更薄的外部区域的方式，密封在每个流动间隔物的外部周边周围，具有用于流体流的窄的入口和出口。在此流通过边缘弯曲流动通道而螺旋进入之后，这些流在径向上移向单元的中间，并且通过中央弯曲流动通道和中央流孔而离开。这些弯曲流动通道是通过将图案印刷在流动间隔物上而形成的。弯曲流动通道的一种替代性安排将是位于单元的任一端，其中流在边对边的方向上穿过单元。

实例18。这是根据以上等式3对表面用离子基团衍生的微孔电极材料中的双层体积内部和外部的离子量进行的预测的实例。该等式被编程为 Mathcad版本14.0软件（参数技术公司，马萨诸塞州的尼德汉姆）。这允许计算在给定的溶液条件下，需被吸附、共价地附着或者以另外方式包含在给定的孔体积电极材料内的估算量的离子分子，从而实现所希望百分比的唐南排斥，在此具体实例中为75%。

实际的Mathcad编程在下面用斜体字表示。

输入电极所包含的离子分子或混合物的平均分子量，在此实例中是十二烷基硫酸钠，用于形成阳离子敏感电极。

分子量＝288.38克/摩尔

输入所包含的离子基团浓度的离子交换容量，表示为当量每升电极孔体积，在此实例中是0.3当量每升电极孔体积。

所包含的离子＝0.3当量/升

输入基于每升的外部溶液离子浓度，在此实例中为0.05当量/升。

N＝0.05当量/升

输入每个附着的离子分子的带电基团数量

z＝1

使用分子量，对应于以上输入的离子交换容量来计算每升电极孔体积的这样的分子的克数。

克数＝86.514克/升

给定等式3，其中x是通过唐南排斥的作用而从微孔材料中驱动出来的溶液相共离子的当量的量。

给定

内部共离子×(内部共离子+(所包含的离子))＝(外部共离子)²

内部共离子＝N-x

外部共离子＝N+x

进行猜测以进行迭代计算

猜测

x＝8当量/升

内部共离子=.00001当量/升

外部共离子=1当量/升

vec=Find（x，内部共离子，外部共离子)

以下解从上到下给出“x”、“内部共离子”和“外部共离子”，其中“内部共离子”是内部离子并且基于当量每升孔体积。

以下解给出表面衍生的微孔材料的内部共离子的当量数与外部共离子的当量数之比，用于计算百分比唐南排斥。

R=0.25

百分比唐南排斥在下面预测为75%。

唐南=(1-R)×100

Donnan=075

为了这些计算的目的，电极材料的孔体积可以通过干电极样品的简单水吸收来估算，从湿重中减去干重，从而根据以升每千克电极为单位的溶液密度来计算孔体积。

如上使用的等式3适用于总孔体积中受到唐南排斥影响的部分。受到唐南排斥影响的最大量的孔体积可以是总孔体积。这种情况发生在材料的多孔性足够小而使得平均孔半径在一个德拜长度内时。另一方面，通过等式3来预测，在附着的离子基团位于电极表面的德拜长度内的情况下，受到此唐南排斥影响的最小量的孔体积可以只是总孔体积中为双层体积的那部分。该双层体积是该表面的德拜长度内的体积，如等式1和2所限定。在此最小情况下，随总电极而变的唐南排斥的估算量也可以通过考虑孔体积中不受双层体积影响的量来校正。在0.05M进料的此具体实例中，等式1预测0.963纳米的德拜长度。

实例19。在另一实例中，使用具有已知孔分布的电极使得80%的孔小于0.963纳米的大小，唐南排斥比率可以通过乘以一个德拜长度内平均孔半径的百分比，或者乘以一（取两者的较小者，在这种情况下为80%），使等式 3的结果减小来校正。在此实例中，这是75%×80%=60%。

实例20。可以用大的碳颗粒来制造电极材料，这些碳颗粒一起形成大的大孔晶格间隙。在另一实例中，使用具有1200平方米每克表面区域的含有大孔的电极，已知孔体积为2立方厘米每克。由等式3给出的唐南排斥比率可以通过乘以双层体积与已知孔体积之比，或者乘以一（取两者的较小者）来校正。双层体积由等式2给出为（1200m2/gm）（.963nm）=1.156立方厘米每克。校正的唐南排斥是（1.156/2）×75%=43%。

还有可能使附着到表面上的离子基团延伸到表面的德拜长度以外，超过双层。在这种情况下，等式3的结果可以通过乘以离子基团分子的平均延伸长度与平均孔半径之比，或者乘以一（取两者的较小者）来校正。

最后，如果所包含的离子基团自由浮动在孔体积溶液中并且被阻挡层防止逃离电极，那么这些离子基团影响总孔体积。

实例21。在用离子基团直接衍生电极的另一实例中，含碳的离子基团电极可以根据David Pech等人在以引用方式并入本文中的11(11)A202-A205 （2008）的电化学和固态期刊（Electrochemical and Solid-State Letters）中的方法来制备。通过将分散在去离子水中的碳粉与不同当量的磺胺酸、亚硝酸钠和盐酸混合，而将磺苯基离子基团接枝到碳上。该混合物被搅动二十四小时，用水、甲醇、二甲基甲酰胺以及丙酮相继地过滤和冲洗，以移除过量的盐、杂质，以及松散附着的种类。用磺苯基对碳粉进行的表面官能化可以通过X射线光电子能谱法来确认。电容性电极碳以例如0.1%与25%之间的接枝基团每个碳原子进行衍生，例如0.3%与1.3%之间的接枝基团每个碳原子。所得的离子基团接枝的碳粉通过与5%碳氟粘合剂一起压入不锈钢筛集电器中，而形成为电极材料。

实例22。在另一实例中，示出了直接在电极孔表面上的聚合，纳米管碳、石墨烯或其他电容性表面区域碳可以用受控的自由基聚合来衍生，例如原子转移自由基聚合方法、可逆加成断裂链转移、由电子转移再生的活化剂方法，或者用于连续活化剂再生的引发剂方法。这些方法可以单独使用或组合使用以合成附着到表面区域电容性碳上的、链长度受控的离子基团或离聚物官能化聚合物。可以用于制备附着到电极孔表面上的离子基团或离聚物官能化聚合物的一些策略包括：官能单体直接聚合方法、单体单元的后聚合改质、官能自由基聚合引发剂的使用，以及端基变换化学。

在此实例中，碳首先用卤代烷烃引发剂来改性以充当自由基聚合（在这种情况下是原子转移自由基聚合）的引发剂，从而形成聚合物或聚合物刷接枝的碳，根据的是例如Shuhui Qin等人在Macromolecules[大分子]卷37第 752-757页（2004）中以及Shuhui Qin等人在J.AM.CHEM.SOC.[美国化学会志]卷126第170-176（2004）中描述的方法。羧酸基首先通过硝酸氧化而形成于1000B.E.T.表面区域电容性碳电极表面上。通过2-羟乙基2’-溴丙酸分子与这些羧酸基的酯化作用，将卤代烷烃引发剂共价地附着到碳表面上。在引发剂附着或基团连接到一起的情况下，可以最终形成刷状聚合物、星型聚合物和/或树状分子。例如，通过这种或其他方法接枝到碳上的聚合物和链长度受控的聚合物随后可以通过亲核取代反应用聚合物的欧米加端（ω端）处的离子基团来官能化，或者可以通过用于对聚苯乙烯或带有任何离子基团的其他聚合物进行改性的任何方法来磺化、氨化或衍生，这些离子基团包括硫酸根、胺以及其他含硫或氮的离子基团，以用作离子基团接枝的碳流过式电容器电极。该聚合反应可以被停止，从而通过冷却该反应并且用空气或其他方法使催化剂氧化来控制分子量。Qin等人还描述了可溶的甲基2-溴丙酸甲酯可以如何作为自由引发剂添加以获得对碳接枝的聚合物的分子量控制。

以上描述的本发明的各实施例仅仅旨在为示例性的，本领域的技术人员将明白许多改变和修改。所有这样的改变和修改旨在处于由任何所附权利要求限定的本发明的范围内。

权利要求书：

Claims (82)

1.一种电极电容器组件，包括：

(a)至少两个电容器电极，所述至少两个电容器电极包括孔结构，使得每个所述电极是具有孔体积的多孔电极，所述孔体积具有用于离子的静电吸附和解吸附的表面区域；

(b)流动通道，所述流动通道用于通过离子性的流体，通过所述流体的所述流动通道与所述至少两个电极处于离子性连通；

(c)至少一个离子基团，所述至少一个离子基团包含在每个所述多孔电极的孔体积之内，其中具有第一孔体积的第一多孔电极是在所述第一孔体积内包含阳离子基团的阴离子可渗透的电极并且在运作时将阳离子性共离子从所述第一多孔电极中排除，以及其中具有第二孔体积的第二多孔电极是在所述第二孔体积内包含阴离子基团的阳离子可渗透的电极并且在运作时将阴离子性共离子从所述第二多孔电极中排除；以及

(d)其中所述孔结构中的至少一个孔结构包括多个微孔，或者所述孔结构中的至少一个孔结构包括多个中孔。

2.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述第一多孔电极对于阳离子是至少部分地不可渗透而对于阴离子是可渗透的，并且其中所述第二多孔电极对于阴离子是至少部分地不可渗透的并且对于阳离子是可渗透的。

3.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述流体具有pH，并且其中包含在该第一孔体积内的阳离子基团的pKa比所述流体pH高至少一个pKa单位。

4.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述流体具有pH，并且包含在该第二孔体积内的阴离子基团的pKa比所述流体pH低至少一个pKa单位。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述包含的离子基团被附着到所述孔体积的表面上。

6.根据权利要求5所述的电极电容器组件，其中所述离子基团通过疏水部分附着到所述孔体积的所述表面上。

7.根据权利要求5所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个电极包括碳材料，并且所述离子基团通过共价键附着到所述孔体积的所述表面上的表面基团上。

8.根据权利要求7所述的电极电容器组件，其中所述表面基团包括氧、羧基、醌、胺，或者聚噻吩聚合物。

9.根据权利要求7所述的电极电容器组件，其中所述表面基团是通过氧化、酰胺化、或硅烷化而形成的。

10.根据权利要求5所述的电极电容器组件，其中所述离子基团是通过连接分子、系链分子或长链分子而被附着到所述表面基团上的。

11.根据权利要求5所述的电极电容器组件，其中所述离子基团是通过形成的电极的衍生作用而附着到所述电极孔表面上的。

12.根据权利要求5所述的电极电容器组件，其中所述附着的离子基团填充了总孔体积的50％以上。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，该电极电容器组件具有选自下组的一种特性，该组由以下各项组成：(a)相对于缺少所述包含的离子基团的孔体积中的共离子浓度从50％或更多的所述第一多孔电极孔体积唐南排斥共离子；以及(b)相对于缺少所述包含的离子基团的孔体积中的共离子浓度从50％或更多的所述第二多孔电极孔体积唐南排斥共离子。

14.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述阳离子基团是超过50％被电离的。

15.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述阴离子基团是超过50％被电离的。

16.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述包含的离子基团被溶解在所述孔体积内的溶液中。

17.根据权利要求16所述的电极电容器组件，其中所述溶解的离子基团通过电中性的阻挡层而包含在所述孔体积内。

18.根据权利要求17所述的电极电容器组件，其中所述阻挡层是大小排除、分子筛、多孔的或交联的材料，该材料与包含在所述孔体积内的带电离子基团分子相比具有更低的分子量截止值或大小截止值。

19.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中该离子基团的质量小于1000道尔顿。

20.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述离子基团是吸附到该孔体积表面上的表面活性剂化合物。

21.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个电极是通过松散的、粉状的、纤维状的、微粒的、颗粒的或分散的材料的衍生作用来形成的。

22.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个电极是由选自由以下项组成的组中的一种材料制备的：碳气凝胶、活性碳、陶瓷、导电聚合物、受控的多孔碳、活性碳冷胶、纳米多孔的碳化物碳、高表面积石墨、纳米管、纳米管膜、离子基团官能化的纳米管、纳米角、碳纳米网络、碳微片、边刨碳以及石墨烯材料。

23.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述电极中的至少一个电极是由平均颗粒大小小于100微米的碳材料制备。

24.根据权利要求1所述的电极电容器组件，还包括至少一个集电器，该至少一个集电器与所述电极中的至少一个电极的面向区域处于电连通。

25.根据权利要求24所述的电极电容器组件，其中所述集电器包括用电化学保护层来层合的金属箔。

26.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中所述流体通道包括杨氏模量为0.05GPa或更高的流动间隔物。

27.根据权利要求1所述的电极电容器组件，具有拉伸强度为50kPa或更高的一体化附着的电极和集电器。

28.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中至少一个所述离子基团被包含在所述多孔电极的孔体积的德拜半径内。

29.根据权利要求28所述的电极电容器组件，其中具有第一孔体积的第一多孔电极是含有在所述第一孔体积的德拜半径内的阳离子基团的阴离子可渗透的电极，并且其中具有第二孔体积的第二多孔电极是含有在所述第二孔体积的德拜半径内的阴离子基团的阳离子可渗透的电极。

30.根据权利要求28所述的电极电容器组件，其中所述组件是可充电并且可放电的电极电容器组件，用于从该电极孔表面上移除和或浓缩具有包含在该德拜长度内的离子基团分子的溶解物质。

31.根据权利要求30所述的电极电容器组件，其中由A*K^-1给出的、由双层占据的孔体积构成总电极孔体积的大部分，其中A是该电极材料孔表面积，并且K^-1是该德拜长度。

32.根据权利要求31所述的电极电容器组件，其中该电极双层体积是该总电极孔体积的10％或更多。

33.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述电极是由具有大于300平方米每克BET的材料制备的。

34.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述组件还与电源处于电连通，其中所述第一多孔电极是阴极并且所述第二多孔电极是阳极，并且其中来自所述流体的阴离子进料离子吸附到所述第一多孔电极的表面上，并且其中来自所述流体的阳离子进料离子吸附到所述第二多孔电极的表面上。

35.根据权利要求34所述的电极电容器组件，具有小于50欧姆cm²的串联电阻以及大于100欧姆cm²的并联电阻。

36.根据权利要求1至4中任一项所述的电极电容器组件，其中所述流体与包含在每个所述多孔电极的孔体积内的所述离子基团处于抗衡离子性连通。

37.根据权利要求1所述的电极电容器组件，还包括离子种类选择性的基团或者离子载体基团。

38.根据权利要求1所述的电极电容器组件，其中内部的孔体积所包含的离子基团表示为含有的离子，电极内部的孔体积溶液内的共离子表示为内部共离子，以及电极外部的进料溶液中的共离子表示为外部共离子，含有的离子、内部共离子和外部共离子均以当量每升的浓度度量，根据等式：内部共离子/外部共离子＝外部共离子/(内部共离子+(含有的离子))进行测量，使得该电极的内部共离子与外部共离子的当量之比为0.5或更小。

39.根据权利要求38所述的电极电容器组件，其中所述流体与包含在每个所述多孔电极的孔体积内的所述离子基团处于抗衡离子性连通。

40.根据权利要求38所述的电极电容器组件，还包括离子种类选择性的基团或者离子载体基团。

41.一种用于制造根据权利要求1至4以及权利要求5-36中任一项所述的电极电容器组件的方法，包括在所述电极的电极孔体积内包含离子基团。

42.一种用于对流体进行去电离的方法，包括：在一个流过式电容器系统中包含根据权利要求12以及权利要求5至36中任一项所述的电极电容器组件；将电荷施加给所述电极电容器组件中的每个所述电极；并且允许将来自所述流动通道中的所述流体的离子静电吸附到所述电极上。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述离子是溶解的离子。

44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述离子是NaCl。

45.根据权利要求42所述的方法，其中，所述离子是生物技术产品、发酵产品、氨基酸、维生素、蛋白质、DNA、RNA或碳水化合物，以用作治疗、诊断或生物研究目的。

46.根据权利要求42所述的方法，其中，所述离子是水可溶有机物、硫酸钙、碳酸钙或金属。

47.根据权利要求42所述的方法，其中，所述离子是硼或硅石。

48.根据权利要求42所述的方法，其中，所述离子是用于在例如住宅、工业、市政、冷却塔中的软化水等应用或其他应用中的钙或其他二价离子。

49.根据权利要求42所述的方法，其中，所述离子是酒石酸钙，而所述流体是果汁或酒。

50.根据权利要求42所述的方法，其中，所述流体是有盐味的水或海水。

51.根据权利要求43至50中任一项所述的方法，其中，去电离或者浓缩对于离子种类的混合内的所述离子有选择性。

52.一种用于对流体中的离子进行浓缩的方法，包括执行根据权利要求42所述的方法，并且还包括使每个所述电极之间的所述电荷反向并且允许离子从所述电极静电解吸附而进入所述流动通道中的所述流体中。

53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是溶解的离子。

54.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是NaCl。

55.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是生物技术产品、发酵产品、氨基酸、维生素、蛋白质、DNA、RNA或碳水化合物，以用作治疗、诊断或生物研究目的。

56.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是水可溶有机物、硫酸钙、碳酸钙或金属。

57.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是硼或硅石。

58.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是用于在例如住宅、工业、市政、冷却塔中的软化水等应用或其他应用中的钙或其他二价离子。

59.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是酒石酸钙，而所述流体是果汁或酒。

60.根据权利要求52所述的方法，其中，所述离子是氢离子。

61.根据权利要求53至60中任一项所述的方法，其中，去电离或者浓缩对于离子种类的混合内的所述离子有选择性。

62.一种用于制造根据权利要求38或者39所述的电极组件的方法，包括在所述电极的电极孔体积内包含一种离子基团。

63.一种用于对流体进行去电离的方法，包括：在流过式电容器系统中包含根据权利要求38或39所述的电极组件；将电荷施加给所述电极组件中的每个所述电极；并且允许将来自所述流动通道中的所述流体的离子静电吸附到所述电极上。

64.根据权利要求63所述的方法，其中，所述离子是溶解的离子。

65.根据权利要求63所述的方法，其中，所述离子是NaCl。

66.根据权利要求63所述的方法，其中，所述离子是生物技术产品、发酵产品、氨基酸、维生素、蛋白质、DNA、RNA或碳水化合物，以用作治疗、诊断或生物研究目的。

67.根据权利要求63所述的方法，其中，所述离子是水可溶有机物、硫酸钙、碳酸钙或金属。

68.根据权利要求63所述的方法，其中，所述离子是硼或硅石。

69.根据权利要求63所述的方法，其中，所述离子是用于在例如住宅、工业、市政、冷却塔中的软化水等应用或其他应用中的钙或其他二价离子。

70.根据权利要求63所述的方法，其中，所述离子是酒石酸钙，而所述流体是果汁或酒。

71.根据权利要求63所述的方法，其中，所述流体是有盐味的水或海水。

72.根据权利要求64至71中任一项所述的方法，其中，去电离或者浓缩对于离子种类的混合内的所述离子有选择性。

73.一种用于对流体中的离子进行浓缩的方法，包括执行根据权利要求63所述的方法，并且还包括使每个所述电极之间的所述电荷反向并且允许离子从所述电极静电解吸附而进入所述流动通道中的所述流体中。

74.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是溶解的离子。

75.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是NaCl。

76.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是生物技术产品、发酵产品、氨基酸、维生素、蛋白质、DNA、RNA或碳水化合物，以用作治疗、诊断或生物研究目的。

77.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是水可溶有机物、硫酸钙、碳酸钙或金属。

78.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是硼或硅石。

79.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是用于在例如住宅、工业、市政、冷却塔中的软化水等应用或其他应用中的钙或其他二价离子。

80.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是酒石酸钙，而所述流体是果汁或酒。

81.根据权利要求73所述的方法，其中，所述离子是氢离子。

82.根据权利要求74至81中任一项所述的方法，其中，去电离或者浓缩对于离子种类的混合内的所述离子有选择性。