CN105189338B - 使用可逆电极反应的电渗透泵以及使用它的流体泵送系统 - Google Patents
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Abstract
提供了使用可逆电极反应的电渗透泵。所述使用可逆电极反应的电渗透泵包括：允许流体移动的膜；以及分别布置在所述膜的两侧中的第一电极和第二电极，并且所述第一电极和第二电极由允许所述流体流动的多孔材料或结构和引起可逆电化学反应的材料组成，其中交替且反向地提供电压给所述第一电极和所述第二电极，使得所述电化学反应交替地正向和反向重复，结果所述流体的移动方向的交替变化产生泵送力以修复所述第一电极和所述第二电极。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年1月15日提交的韩国专利申请No.10-2013-0004301、于2013年7月30日提交的韩国专利申请No.10-2013-0090234以及于2013年12月18日提交的PCT申请No.PCT/KR2013/011801的权益，这些公开文本通过引用并入本文。
技术领域
文中所述的实施方式总体地涉及电渗透泵，更具体地涉及使用可逆电极反应的电渗透泵以及使用它的流体泵送系统。
背景技术
电渗透泵是应用如下原理的泵：通过使用电极施加电压到毛细管或多孔膜的两端时，流体由于发生电渗透而流动，并且与普通的泵不同，电渗透泵的优点在于由于它不具有机械操作的部分，所以它不引起噪音，并且能够有效地根据所施加的电压控制流速。
常规的电渗透泵使用化学稳定的铂作为电极材料。当水溶液用作流体时，正极(+)的反应如下面的反应方程式1所示，并且负极(-)的反应如下面的反应方程式2所示。
[反应方程式1]
2H2O→O2+4H++4e-
[反应方程式2]
2H2O+2e-→H2+2OH-
根据反应方程式1，在正极(+)持续产生来自水的氧化反应的氧气；并且根据反应方程式2，在负极(-)持续产生来自水的还原反应的氢气。
作为氧化反应和还原反应的结果的电子和离子的移动是流体在电渗透泵中持续流动的本质现象。当通过使用如上所述的铂电极实现所述电渗透泵时，因为由于氧化反应和还原反应产生的气体困在多孔膜的小孔中的现象，难于实现稳定的流速，并且由于流体内同时并持续产生氧气和氢气引起的安全问题，难于实现闭合回路，所以难于实际地使用所述泵。
此外，在使用铂电极的电渗透泵的情形下，由于移动的流体中的水参与氧化反应和还原反应，而且作为电极材料的铂未参与反应，且仅用作引起水的氧化反应和还原反应的电极，所以保持了所述电极。在这个情形下，铂电极称为非自耗电极。如果使用不产生气体的反应制造电极材料，那么可获得不产生气体的稳定地和安全地运行的电渗透泵。例如，在使用银/氧化银电极反应的情形下，正极(+)的反应如下面的反应方程式3所示，并且负极(-)的反应如下面的反应方程式4所示。
[反应方程式3]
2Ag(s)+H2O→Ag2O(s)+2H++2e-
[反应方程式4]
Ag2O(s)+2H++2e-→2Ag(s)
在正极(+)，发生根据反应方程式3的银的氧化反应，并且在负极(-)，发生根据反应方程式4的氧化银的还原反应。在这个情形下，电极作用为参与电极反应的材料，而非仅仅施加电压的装置。如果应用该自耗电极于所述电渗透泵，那么，由于有限量的电极材料，因此可以通过电渗透泵移动的流体的体积受限。
因此，使用常规的电渗透泵不可能安全并稳定地移动大体积的流体，而长时间不产生气体。换句话说，由于有限量的电极活性材料，使用自耗电极反应的电渗透泵的问题在于所述泵适于通过可用小的值的流体实现的电极反应的方式而一次在一个方向移动小体积的流体，但是不适于连续地移动大体积的流体。
发明内容
本发明解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明的一个目的为使电渗透泵在保持其尺寸和结构的同时，能够移动大体积的流体，而不在延长的时间内产生气体，并使得电极能够通过可逆反应被修复，以提高所述电渗透泵的可用性。本发明的其它目的可通过下面的实施方式的描述而容易地理解。
解决技术问题的方式
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了利用可逆电极反应的电渗透泵，其包括：允许流体移动的膜；以及分别布置在所述膜的两侧上的第一电极和第二电极，并且所述第一电极和第二电极由允许所述流体流动的多孔材料或结构和引起可逆电化学反应的材料组成，其中，交替且反向地提供电压给所述第一电极和所述第二电极，使得所述电化学反应交替地正向和反向重复，结果所述流体的移动方向的交替变化产生泵送力以修复所述第一电极和所述第二电极。
此外，进一步包括提供在所述泵的两侧中移动的流体的移动通道的流体通道，所述流体通道夹入所述膜与所述第一电极和所述第二电极之中。
此外，其中所述流体通道由分别连接到所述第一电极和第二电极的第一空心帽和第二空心帽组成，并且所述第一空心帽和所述第二空心帽设有用于管的连接的连接部分。
此外，其中由导电材料制成的第一接触带和第二接触带分别插入到所述第一电极和所述第二电极的外周表面。
此外，其中所述第一电极或所述第二电极为能够通过可逆电化学反应产生一价阳离子的材料。
此外，其中所述第一电极或所述第二电极包括Ag/Ag2O、MnO(OH)、和聚苯胺(PANI)中的任一种。
此外，其中所述第一电极或所述第二电极包括金属氧化物、聚合物、和金属六氰合铁酸盐中的一种或多种。
此外，其中所述金属氧化物包括选自由钼氧化物(MoO3)、钨氧化物(WO3)、铈氧化物(CeO2)、和多金属氧酸盐组成的组中的一种或多种物质。
此外，其中所述聚合物包括选自由聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物、聚硫堇、和醌聚合物组成的组中的一种或多种物质。
此外，其中所述金属六氰合铁酸盐包括选自由普鲁士蓝、铁六氰合铁酸盐(FeHCF)、铜六氰合铁酸盐(CuHCF)、和钴六氰合铁酸盐(CoHCF)组成的组中的一种或多种物质。
本发明的另一方面提供了一种流体泵送系统，其包括：电渗透泵，所述电渗透泵包括：允许流体移动的膜；分别布置在所述膜的两侧上的第一电极和第二电极，并且所述第一电极和第二电极由允许所述流体流动的多孔材料或结构和引起可逆电化学反应的材料组成；以及电源，所述电源交替且反向地提供电压给所述第一电极和所述第二电极，以提供泵送力给转移目标流体；以及提供在所述电渗透泵的至少一端中的以使所述流体与所述转移目标流体彼此分离的分离器，其中交替且反向地提供电压给所述第一电极和所述第二电极，使得所述电化学反应交替地正向和反向重复，结果由于所述流体重复的正向和反向移动，通过所述分离器将抽吸力和排放力重复地传递到所述转移目标流体。
此外，其中所述电渗透泵包括提供在所述泵的两侧中移动的所述流体的移动通道的流体通道，所述流体通道夹入所述膜与所述第一电极和所述第二电极之中。并且其中所述流体通道包括连接到所述第一电极的第一空心帽和连接到所述第二电极的第二空心帽。
此外，进一步包括：插入到所述第一电极的外周表面的第一接触带和插入到所述第二电极的外周表面的第二接触带。
此外，其中所述第一电极或所述第二电极通过可逆电化学反应产生一价阳离子，并且另一电极消耗一价阳离子。
此外，其中所述第一电极和所述第二电极包括Ag/Ag2O、MnO(OH)、和聚苯胺(PANI)中的任一种。
此外，其中所述第一电极和所述第二电极包括金属氧化物、聚合物、和金属六氰合铁酸盐中的一种或多种。
此外，其中所述金属氧化物包括选自由钼氧化物(MoO3)、钨氧化物(WO3)、铈氧化物(CeO2)、和多金属氧酸盐组成的组中的一种或多种物质。
此外，其中所述聚合物包括选自由聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物、聚硫堇、和醌聚合物组成的组中的一种或多种物质。
此外，其中所述金属六氰合铁酸盐包括选自由普鲁士蓝、铁六氰合铁酸盐(FeHCF)、铜六氰合铁酸盐(CuHCF)和钴六氰合铁酸盐(CoHCF)组成的组中的一种或多种物质。
此外，其中所述分离器包括隔膜(diaphragm)、聚合物膜和滑块(slider)中的一种。
本发明的效果
利用根据本发明的使用可逆反应的电渗透泵以及使用它的流体泵送系统，可以使得电渗透泵在长期保持其大小和结构的同时能够移动大体积的流体，并且使所述电极能够通过可逆反应被修复，以在不产生气体的情况下提高所述电渗透泵的可用性。
附图说明
图1是描述根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵的结构视图。
图2A和图2B描述根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵的操作。
图3是根据第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵的分解视图。
图4是描述根据第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵的剖视图。
图5是描述根据一实施方式的使用可逆电极反应的流体泵送系统的结构视图。
图6至图11描述根据本发明的使用可逆电极反应的电渗透泵以及使用它的流体泵送系统的操作。
具体实施方式
由于本发明可经各种修改，并具有各种实施方式，所以在附图中描述了具体的实施方式，并且对其进行详细说明。然而，该描述和说明并不旨在将本发明限制为该具体的实施方式，而是应该解释为包括落入本发明的技术概念和范围内的任何修改、等同方式或取代方式。本发明可以进行各种修改，并且本发明的范围不限于下面描述的实施方式。
下文，参照附图详细地描述本发明的实施方式。不管附图标记具体是什么，通过相同的标记表示彼此相同或相应的部件，并且据此省略重复的说明。
图1是描述根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵的结构视图。
参照图1，根据一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵10可包括膜11、以及第一电极12和第二电极13。
膜11允许流体16的移动，并且所述膜11被设置在第一电极12和第二电极13之间以保持第一电极12和第二电极13之间的空间，而且还允许流体、离子等的移动。此外，膜11可以为，例如，通过使用1至5μm尺寸的颗粒材料组成的二氧化硅制备的盘膜，并且作为另一个实例，膜11可由多孔材料或结构组成。这些材料仅为实例，而不限于此，并且可通过使用各种材料以各种形式制备膜11，并且与第一电极12和第二电极13一起构建膜电极组件(MEA)结构。
第一电极12和第二电极13分别布置在膜11的两侧上，并且第一电极12和第二电极13由允许所述流体16流动的多孔材料或结构和引起可逆电化学反应的材料(例如用于通过可逆电化学反应产生或消耗诸如H+、Na+和K+之类的一价阳离子的材料)组成。因此，通过电源14交替且反向地提供电压给第一电极12和第二电极13，以使得第一电极12和第二电极13的电化学反应正向和反向重复，以便流体16的移动方向的交替变化产生泵送力，并且在正向和反向通过电化学反应修复第一电极12和第二电极13。
电源14交替且反向地提供电压给第一电极12和第二电极13，为此，电源14可包括DC供电设备和电压方向转换设备，DC供电设备提供作为DC电源的外部电源或内部电源到第一电极12和第二电极13，并且电压方向转换设备使DC供电设备供应的DC电压能够在每设置时间交替且反向地提供。这里，电源14交替且反向地提供电压的描述可包括反向地提供电流。因此，通过电源14反向地提供电压到第一电极12和第二电极13，使得第一电极12和第二电极13的电化学反应正向和反向重复，从而提供流体16的流动的变化产生的泵送力。
第一电极12和第二电极13可包括Ag/Ag2O、MnO(OH)和聚苯胺(PANI)中的任一种。此外，第一电极12和第二电极13可包括金属氧化物、聚合物和金属六氰合铁酸盐中的任一种，或者选自其的组合的复合材料，其中所述金属氧化物可包括选自三氧化钼(MoO3)、氧化钨(WO3)、氧化铈(CeO2)和多金属氧酸盐的一部分或它们的全部，所述聚合物可包括选自聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物、聚硫堇、和醌聚合物的一部分或它们的全部，并且所述金属六氰合铁酸盐(HCF)可包括选自普鲁士蓝、铁六氰合铁酸盐(FeHCF)、铜六氰合铁酸盐(CuHCF)、和钴六氰合铁酸盐(CoHCF)的一部分或它们的全部。此外，所述复合材料可为，例如，金属氧化物和聚合物的复合材料。
同时，电渗透泵可进一步包括流体通道15，流体通道15提供在电渗透泵的两侧中移动的流体16的移动通道，所述流体通道15夹入膜11与第一电极12和第二电极13之中。这里，流体通道15可具有储液器的形状(例如圆柱形)，其内部装满流体16，但是流体通道15的形状不限于此，并且可包括各种形状。此外，流体16不仅装满流体通道15，还充满多孔膜11以及第一电极12和第二电极13，流体16可以为，例如，水、醇、水溶液以及它们的混合溶液，并且如果其可用作工作流体，则不限制其类型。
流体通道15可具有用于传递泵送力的开口(未图示)，并且所述开口形成在由膜11与第一电极12和第二电极13分开的两(2)个空间中的一个空间中或者同时形成在该两个空间中以通过流体16的移动而将泵送力提供到外部，并如下所述连接到流体泵送系统1(图5所示)。同时，因为由于在流体通道15中形成开口，因而填充流体通道15内部的流体16可泄露到外部，所以可在开口中提供后面描述的分离器70(图5所示)。如果形成多个开口，则可通过例如管或帽的元件阻塞不同于设置有分离器70的开口的开口。此外，流体通道15的开口可通过提供分离器(例如，用于传递泵送力到外部的诸如油、隔膜、聚合物膜、和滑块之类的元件)而被阻塞，并且该配置也包含在本发明的技术概念之内。
根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵10可施加诸如Ag/Ag2O、聚苯胺(PANI)和MnO(OH)之类的引起可逆电化学反应的材料到第一电极12和第二电极13两者，并且通过电源14连续施加反向电压到第一电极12和第二电极13的两端，以便连续地转移多达通过使用在流体泵送系统1中设置的两(2)个止逆阀取出的体积的转移目标流体(图5所示)，这在后面有描述。
参照图2A和图2B，在根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵10中，当将施加到第一电极12和第二电极13的电压的方向切换到逆转第一电极12和第二电极13中发生的反应的方向时，可颠倒流体16的流动。这里，由于通常水溶液用作流体16，所以流体16表示为H2O，并且由于根据电极反应移动的离子可包括各种离子，例如H+、Na+和K+，所以作为代表性实例，它们可表示为M+。
因此，在第一电极12和第二电极13使用引起可逆电极反应的电极材料的情形下，当反向地提供电压给第一电极12和第二电极13时，流体16的流动方向反向，并且同样，以相反的方向发生电极反应，使得当流体16以正向流动时，正向反应消耗的电极活性材料可恢复到其初始状态。即，当反向地提供和用于在正向移动流体16的电荷量一样的电压或电流时，可以相反的方向移动与正向移动的流体16的体积相同体积的流体16。例如，当反向地施加相当于正(+)极中的银的氧化反应(下面的反应方程式5)消耗的银的量的电压时，可通过氧化银的还原反应(下面的反应方程式6)再生消耗的量的银，该还原反应是氧化反应的反向反应。在负(-)极也类似地发生消耗和再生。
[反应方程式5]
2Ag(s)+H2O→Ag2O(s)+2H++2e-
[反应方程式6]
Ag2O(s)+2H++2e-→2Ag(s)
如图5所示，通过使用在流体泵送系统1中的两(2)个止逆阀40、50，能够根据要施加的电压的方向而变换流体16移动方向的电渗透泵10可使流体在一个方向连续移动。止逆阀旨在重复吸入和排出，并且由于每个电极中发生的电极反应是可逆反应(其中电极反应反向发生)，所以可恢复使用的电极材料。
图3是描述根据第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵的分解视图，而图4是描述根据第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵的剖视图。
参照图3和图4，根据第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵20可包括允许流体26的移动的膜21，以及分别布置在膜21的两侧上的第一电极22和第二电极23，并且第一电极22和第二电极23由允许流体26移动的多孔材料或结构和引起可逆电化学反应的材料制成，其中，交替且反向地施加电压到第一电极22和第二电极23，使得电化学反应正向和反向交替重复，从而流体26的移动方向的交替变化产生泵送力以修复第一电极和第二电极。这里，由于已经详细描述了根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵10的膜11和第一电极12和第二电极13，所以将省略膜21和第一电极21和第二电极23的具体结构和操作的详细描述，并且将基于与膜11和第一电极12和第二电极13的不同之处来描述膜21和第一电极22和第二电极23。
膜21和第一电极22和第二电极23可为盘形，并且涂层材料、屏蔽板或粘合剂片可在膜21和第一电极22和第二电极23的外周表面的方向上层压，以便抑制流体26的泄露。
电渗透泵20可进一步包括流体通道，所述流体通道提供在泵的两侧中移动的流体26的移动通道，所述流体通道夹入膜21与第一电极22和第二电极23之中，其中所述流体通道可由例如通过粘合剂、连接部件等分别连接到第一电极22和第二电极23的第一和第二空心帽24组成，并且第一和第二帽24可形成有空心24a，并设有连接管25的连接部件24b。这里，管25可为硅管等，以及流体泵送系统1(图5所示)的泵送管线60(图5所示)。代替第一和第二帽24，像PVC的O形环可用于装在管25或其它部件中，或者由各种材料制造并具有各种形状的其它连接部件可取代第一和第二帽24。
由导电材料制造的第一接触带22a和第二接触带23a分别插入到第一电极22和第二电极23的外周表面。这里，第一接触带22a和第二接触带23a可由像银(Ag)或铜(Cu)的导电材料制成，并可为环形，待插入到第一电极22和第二电极23的外周表面。
图5为描述根据一实施方式的使用可逆电极反应的流体泵送系统的结构视图。
参照图5，根据实施例的使用可逆电极反应的流体泵送系统1可包括提供从储液器2传输转移目标流体3到外部的通道的传输线30，在传输线30中彼此分开设置的第一止逆阀40和第二止逆阀50，其限制转移目标流体3以与传输方向相反的方向被传输，连接在传输线30中的第一止逆阀40和第二止逆阀50之间的泵送管线60，安装在泵送管线60中的电渗透泵20以提供泵送力，以及设置来使电渗透泵20与转移目标流体3分离并将电渗透泵20的泵送力传递到转移目标流体3的分离器70，其中用作工作流体的流体26可为水、醇和水溶液中的任一种或它们的混合溶液，并且电渗透泵20可为根据第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵20。
同时，在该实施方式中使用可逆电极反应的流体泵送系统1为电渗透泵，并且将参照根据作为流体泵送系统1的实例的第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵20来描述。然而，流体泵送系统1不限于电渗透泵20，并且还可应用根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵10。由于已经描述了电渗透泵10和20，所以下面省略在这个方面重复的描述。
传输线30可为管(pipe)、软管(hose)等，其一端连接到储液器2，使得能够从储液器2传输转移目标流体3(例如包括药物、水溶液和有机溶液的各种流体)，并且传输线30由根据转移目标流体3的特征的合适的材料制成。
在传输线60中彼此分开设置第一止逆阀40和第二止逆阀50以提供连接泵送管线60的空间，并且由于电渗透泵20的泵送力，使得转移目标流体3能够仅以一个方向被输送。
泵送管线60的一端连接到传输线30，以与该传输线30一起形成例如“T”形的连接结构，并且其另一端可连接到电渗透泵20的流体通道中的空心帽24(图3和图4所示)的连接部分24b(图3和图4所示)。同时，电渗透泵20可连接到泵送管线60的一端，并且作为另一个实例，电渗透泵20的两侧均可连接到泵送管线60上。
可在泵送管线60中提供分离器70以使泵送管线60的两侧彼此分开，并所述分离器70由油形成以在泵送管线60的内侧中形成油间隙、由诸如由弹性薄膜制成的橡胶或金属板之类的隔膜形成、由聚合物膜形成、或由沿着泵送管线60的内侧移动的滑块形成。此外，可由各种分离的材料或元件形成分离器70，并且可在泵送管线60的内侧提供阻塞物80，使得当像油或滑块的分离器70沿着泵送管线60的内侧移动时，阻塞物限制移动距离。
更详细地描述根据一实施方式的使用可逆电极反应的流体泵送系统1的操作。
可靠近储液器2提供第一止逆阀40，并且可靠近为注入排出转移目标流体3的一侧提供第二阀50。第一止逆阀40使得转移目标流体3能够从储液器2流向电渗透泵20(方向①)，但是使得转移目标流体3不能流向相反的方向。此外，第二止逆阀50使得转移目标流体3流向为注入排出转移目标流体3的一侧(方向②)，但是使得转移目标流体3以相反的方向流动。
基于图5，当施加(+)电压于电渗透泵20的左电极(例如，图4中所示的第一电极22)，并施加(-)电压于电渗透泵20的右电极(例如，图4中所示的第二电极23)时，以方向①发生流体26的移动，并且以电渗透泵20的方向吸入从储液器2注入的转移目标流体3。在这个情形下，由于第一止逆阀40被打开，而第二止逆阀50被关闭，所以不会发生用于注入转移目标流体3到外部的排出。相反地，当施加(-)电压给电渗透泵20的左电极(例如，如图4所示的第一电极22)，并施加(+)电压于电渗透泵20的右电极(例如，如图4所示的第二电极23)时，以相反的方向(即，方向②)发生流体26的移动，并且排出待被注入到合适位置的转移目标流体3。在这个情形下，由于第一止逆阀40被关闭，而第二止逆阀50被打开，所以可抑制转移目标流体3向储液器2的反向流动。此外，通过分离器70使流体26和转移目标流体3彼此分开，使得它们彼此不接触。
因此，当通过流体泵送系统1重复抽吸和排出时，甚至使用小规模的电渗透泵20时，也可将储液器2内的转移目标流体3注入到合适的位置。此外，由于反向地发生各自电极22、23(图4所述)中的电极反应，即抽吸和排出时，引起可逆反应，可修复使用的电极材料，并因此恢复电极材料的排出量，从而连续驱动变为可能。最终，使用具有特定排出量的具有可消耗电极材料的电渗透泵20，重复电极材料的消耗和修复，并且重复转移目标流体3的引入和排出，使得能够连续移动大体积的转移目标流体3，并能够长时间运行电渗透泵20。
根据需要，可将重复抽吸和排出的循环从几秒调节到数十分钟。通过参考根据第二实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵20描述了流体泵送系统1的运行，但是上述相同的原理可应用于使用根据第一实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵10的情形。
描述了根据各实施方式的使用可逆电极反应的电渗透泵以及使用她的流体泵送系统的可应用实例。
1.使用Ag/Ag2O电极的情形
当构建电渗透泵时，使用通过使用1至5μm的二氧化硅制成并具有2mm的厚度和8mm的直径的盘膜，并在具有8mm直径的盘形多孔碳电极上通过电沉积4.6C的银(Ag)而形成电极，然后电化学氧化4.6C的一半的2.3C以获得同样地用于阳电极(+)和阴电极(-)的氧化银(Ag2O)。如图6所示，当用1.0V的电压驱动电渗透泵，可在一个方向使2ml的转移目标流体移动约3个小时。当用相同的1.0V的电压驱动同样制造的电渗透泵，同时每一(1)分钟转换电压的方向，并使用图5所示的流体泵送系统，可使12ml的转移目标流体移动约3天。
在使用Ag/Ag2O电极的情形下的电极反应如下面的反应方程式7和反应方程式8中所示。
[反应方程式7]
(+)电极：2Ag(s)+H2O→Ag2O(s)+2H++2e-
[反应方程式8]
(-)电极：Ag2O(s)+2H++2e-→2Ag(s)
2.使用MnO(OH)电极的情形
除了通过在多孔碳电极上通过电沉积0.8C MnO(OH)代替Ag/Ag2O而形成的电极同样地用作阳极(+)和阴极(-)，电渗透泵的结构与使用Ag/Ag2O电极的情形的结构相同。如图8中显示，当在一个方向用1.5V的电压驱动电渗透泵时，最初的1分钟呈现约20μl/min的流速，并且流速减小约10分钟，达到约10μl/mm，然后进一步减小，使得不再驱动电渗透泵。在使用MnO(OH)作为电极活性材料的情况下，当以一个方向驱动电渗透泵时，转移目标流体流动，10分钟所移动的转移目标流体的体积仅为160μl。当驱动电渗透泵同时通过使用图5中所示的流体泵送系统每十(10)分钟转换电压的方向时，稳定地进行泵送50天，如图9中所示，并且在相同的时间所移动的转移目标流体的体积约为350ml。
在使用MnO(OH)电极的情形下的电极反应可以如下面的反应方程式9和反应方程式10中所示。
[反应方程式9]
(+)电极：MnO(OH)(s)→MnO2(s)+H++e-
[反应方程式10]
(-)电极：MnO2(s)+H++e-→MnO(OH)(s)
认为实际构造电极时的最初条件对应于MnO(OH)(s)和MnO2(s)共存的状态，在这种情况下，反应方程式可由下面的反应方程式11和反应方程式12所示。
[反应方程式11]
(+)电极：MnO(OH)(s)→MnO1+δ(OH)1-δ+δH++δe-
[反应方程式12]
(-)电极：MnO(OH)(s)+δH++δe-→MnO1-δ(OH)1+δ(s)
3.使用聚苯胺(PANI)电极的情形
在这个情形下，除了使用在8mm盘形多孔碳电极上通过电沉积30mC的少量聚苯胺(PANI)获得的电极，电渗透泵的结构与上述相同。通过在0.1M苯胺和0.5M的聚苯乙烯磺酸(PSSA)彼此混合的溶液中浸泡多孔碳电极执行电沉积，以进行氧化电沉积。在这个情形下，多孔碳电极于50mV/s在-0.2至1.2V vis Ag/AgCl的范围前后移动20个循环。通过电沉积产生的导电聚合物为PANI-PSS，其中聚磺苯乙烯(PSS-)混合到聚苯胺中。如图10所示，当用1.0V的电压正向驱动电渗透泵时，最初的1分钟呈现约5μl/mm的流速，但是在几分钟内迅速减小。通过在一个方向施加电压10分钟而移动的转移目标流体的体积仅为20μl。当驱动电渗透泵同时通过使用图5中所示的流体泵送系统每一(1)分钟转换电压的方向时，，如图11所示，泵稳定地运行两(2)个月或更长的时间，并且在相同的时间所移动的转移目标流体的体积为150ml或更大。
在阴离子可自由移动的情况下，如下面的反应方程式13所示，聚苯胺(PANI)进行氧化还原反应。反应方程式13中A-表示的离子是阴离子，并且混入聚苯胺的阴离子的类型根据其中发生氧化还原的溶液的条件而变化。例如，当聚苯胺在HCl溶液中氧化时，使Cl-混到聚合物中以满足电荷平衡。然而，如本实施方式中所表明的，当通过电沉积制成聚苯胺时，如果溶液包含阴离子聚合物，即聚磺苯乙烯(PSS-)，则使PSS-混合到溶液中以制成PANI-PSS，因此PSS不能移动，从而驱动水中存在的阳离子H+移动。
[反应方程式13]
因此，当通过‐[P]n‐[S]n描述氧化形式的PANI-PSS聚合物时，可通过下面的反应方程式14和反应方程式15表示用在该实施方式中使用的电渗透泵中的电极反应。
[反应方程式14]
(+)电极：‐[P]n‐[SH]n‐→‐[P+]n‐[S-]n‐+nH++ne-
[反应方程式15]
(-)电极：‐[P+]n‐[S-]n‐+nH++ne-→‐[P]n‐[SH]n-
关于根据本发明的使用可逆电极反应的电渗透泵10、20中的电极反应的条件，优选可发生可逆电极反应，氧化物质和还原物质均可稳定存在，并且氧化反应和还原反应伴随离子的移动，尤其是，伴随H+的移动的反应包括所有的质子耦合电子转移反应(PCET)，其在自然和普通化学反应的领域中熟知。
根据实施方式，可以在长时间保持其尺寸和结构的同时使得电渗透泵能够移动大体积的流体，使得电极能够被可逆反应修复，并提高电渗透泵的可用性，而不产生气体。
已经参照附图描述了本发明，但是自然地可在本发明的技术构思内对本发明做出各种修改和变化。因此，本发明的范围不应受限于已经描述的那些实施方式，而应该由下面的权利要求和它们的等同方式来限定。
Claims (20)
1.一种使用可逆电极反应的电渗透泵，其包括：
允许流体移动的膜；以及
分别布置在所述膜的两侧上的第一电极和第二电极，并且所述第一电极和第二电极由允许所述流体流动的多孔材料或结构和引起可逆电化学反应的材料组成，
其中，交替且反向地提供电压给所述第一电极和所述第二电极，使得所述电化学反应交替地正向和反向重复，结果所述流体的移动方向的交替变化产生泵送力以修复所述第一电极和所述第二电极。
2.如权利要求1所述的电渗透泵，其进一步包括
流体通道，所述流体通道提供在所述泵的两侧中移动的流体的移动通道，所述流体通道夹入所述膜与所述第一电极和所述第二电极之中。
3.如权利要求2所述的电渗透泵，
其中所述流体通道由分别连接到所述第一电极和所述第二电极的第一空心帽和第二空心帽组成，并且所述第一空心帽和所述第二空心帽设有用于管的连接的连接部分。
4.如权利要求3所述的电渗透泵，
其中由导电材料制成的第一接触带和第二接触带分别插入到所述第一电极和所述第二电极的外周表面。
5.如权利要求1所述的电渗透泵，
其中所述第一电极或所述第二电极为能够通过可逆电化学反应产生或消耗一价阳离子的材料；
其中所述第一电极或所述第二电极产生一价阳离子，而另一电极消耗一价阳离子。
6.如权利要求1所述的电渗透泵，
其中所述第一电极或所述第二电极包括Ag/Ag2O、MnO(OH)、和聚苯胺(PANI)中的任一种。
7.如权利要求1所述的电渗透泵，
其中所述第一电极或所述第二电极包括金属氧化物、聚合物、和金属六氰合铁酸盐中的一种或多种。
8.如权利要求7所述的电渗透泵，
其中，所述金属氧化物包括选自由钼氧化物(MoO3)、钨氧化物(WO3)、铈氧化物(CeO2)、和多金属氧酸盐组成的组中的一种或多种物质。
9.如权利要求7所述的电渗透泵，
其中所述聚合物包括选自由聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物、聚硫堇、和醌聚合物组成的组中的一种或多种物质。
10.如权利要求7所述的电渗透泵，
其中所述金属六氰合铁酸盐包括选自由普鲁士蓝、铁六氰合铁酸盐(FeHCF)、铜六氰合铁酸盐(CuHCF)、和钴六氰合铁酸盐(CoHCF)组成的组中的一种或多种物质。
11.一种流体泵送系统，其包括：
电渗透泵，所述电渗透泵包括：允许流体移动的膜；分别布置在所述膜的两侧上的第一电极和第二电极，并且所述第一电极和第二电极由允许所述流体流动的多孔材料或结构和引起可逆电化学反应的材料组成；以及电源，所述电源交替且反向地提供电压给所述第一电极和所述第二电极，以提供泵送力给转移目标流体；以及
提供在所述电渗透泵的至少一端中的以使所述流体与所述转移目标流体彼此分离的分离器，
其中，交替且反向地提供电压给所述第一电极和所述第二电极，使得所述电化学反应交替地正向和反向重复，结果由于所述流体的重复的正向移动和反向移动，通过所述分离器将抽吸力和排放力重复地传递到所述转移目标流体。
12.根据权利要求11所述的流体泵送系统，
其中所述电化学反应以正向和反向交替重复进行，以重复消耗并修复所述第一电极和所述第二电极中的每个电极，并保持所述电极的初始状态。
13.根据权利要求11所述的流体泵送系统，
其中，所述电源包括：
DC供电设备，其向所述第一电极和所述第二电极中的每个电极提供DC电压的；以及
电压方向转换设备，其在每设置时间交替且反向地转换向所述第一电极和所述第二电极中的每个电极提供的DC电压。
14.根据权利要求11所述的流体泵送系统，
其中所述电渗透泵包括：
流体通道，所述流体通道提供在所述泵的两侧中移动的所述流体的的移动通道，所述流体通道夹入所述膜与所述第一电极和所述第二电极之中；以及
在所述流体通道的至少一端中提供所述分离器。
15.根据权利要求11所述的流体泵送系统，其进一步包括：
传输线，所述传输线提供从所述电渗透泵接受所述泵送力的路径并且传输所述转移目标流体。
16.根据权利要求15所述的流体泵送系统，其进一步包括：
第一阀和第二阀，所述第一阀和所述第二阀设置在所述传输线的两端，并且打开或关闭所述第一阀和所述第二阀以允许或限制所述转移目标流体的流动；以及
泵送管线，所述泵送管线在所述第一阀和所述第二阀之间从所述传输线分支，以连接到所述电渗透泵并将所述泵送力传递到所述传输线。
17.根据权利要求16所述的流体泵送系统，
其中相反地操作所述第一阀和所述第二阀的所述打开和所述关闭。
18.根据权利要求17所述的流体泵送系统，
其中所述第一阀和所述第二阀为止逆阀，
其中当所述抽吸力被传递到所述转移目标流体时，打开所述第一阀，并且关闭所述第二阀，
其中当所述排放力被传递到所述转移目标流体时，关闭所述第一阀，并且打开所述第二阀。
19.根据权利要求11所述的流体泵送系统，其进一步包括
阻塞物，其被提供以在所述分离器由于所述流体的移动而移动时限制所述分离器的移动距离，
其中所述阻塞物被设置在所述分离器的两侧的每一侧上。
20.根据权利要求11所述的流体泵送系统，
其中所述分离器包括隔膜、聚合物膜、和滑块中的一种。
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