CN110809564B - 脱盐设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于对包含溶解离子物质的水介质进行电容去离子的设备(10)，所述设备包括具有第一原电极(2)和与第一原电极(2)相对布置的第二原电极(3)的电池，并且所述第一原电极(2)和第二原电极(3)优选地由至少一个非导电间隔物(4、4’)分开。第三电极(7)布置在第一电极和第二电极之间。第三电极(7)接地，而第一电极和第二电极相对于接地的第三电极极化。

Description

脱盐设备及其制造方法
技术领域
本公开总体涉及用于从水介质去除带电物质的电容去离子设备，特别是脱盐设备及其制造方法。
背景技术
由于诸如环境问题和人口增长的因素，对饮用水的需求持续增加。因此，对诸如海水或微咸水的水进行脱盐或去离子的需求也在增加。存在用于对水进行去离子的若干技术，包括例如蒸馏、反渗透和电渗析。对水进行去离子的技术的另一个示例是电容去离子(CDI)。
CDI是相当新的技术，并且主要用于从微咸水或不适合人类立即消耗的其它水源中电吸附盐。与以前提到的技术相比，CDI的优点在于其是相对节能的技术，特别对于具有相当适中的盐浓度的水(诸如微咸水)。
在CDI技术中，活性炭的导电电极可用于电吸附离子。典型的CDI电池包括由非导电间隔物分开的两个相对放置的电极，其中水可以流过该非导电间隔物。电极使用DC电源正极化和负极化。逆电荷的离子被电吸引到各个电极并被吸附在其中。由此，从存在于电极之间的水去除离子。因此，CDI电池中的离子去除经由电吸附进行，其中对于给定的电极表面，主要通过电极表面产生的电场的大小和分布来调节电吸附能力。
先前已知，可以通过用可极化半导体的纳米结构涂覆活性炭表面来改善电场特性。这可以导致更好的离子吸附能力。然而，电场也受到分别连接到电源的正极端子和参考端子/接地端子的CDI电池阳极和阴极之间分布电势的影响。假设电势分布均等，则在电极表面产生的电场的强度和方向将驱动对称性并提高离子去除过程的效率。
然而，值得注意的是，与普遍观点相反，所施加的电势在CDI电池阳极和阴极之间不均等地分布。在常规CDI电池中，阴极(接地)处的电势参考电路接地并由局部接地条件控制，而阳极处的电势参考阴极的电势。这导致电池电极之间的能量分布不均等，继而可以引起不对称的离子去除特性并降低该过程的脱盐能力和充电效率。
Cohen等人在文章“通过表面处理的电极和借助第三电极实现的电容去离子中增强的充电效率(Enhanced Charge Efficiency in Capacitive Deionization Achievedby Surface-Treated Electrodes and by Means of a Third Electrode)”(《物理化学期刊C》，2011年第115期第19856至19863页)中报道了尝试通过使用表面处理的活性炭纤维(ACF)电极以及借助第三辅助电极来提高CDI过程的充电效率。它们的CDI电池包括氧化电极(其用作负极)和未处理的活性炭电极(其用作正极)。作为第三电极，使用Ag/AgCl网状电极并将其放置在两个ACF电极之间。在ACF电极之间施加电势差之前，借助第三电极将正电极负极化。已经发现，尽管CDI电池的操作不对称，但其增加了脱盐过程的充电效率。
Leonard等人在文章“使用纳米孔二氧化硅和镁掺杂的氧化铝的非对称电化学电容去离子材料的合成和表征(Synthesis and characterization of asymmetricelectrochemical capacitive deionization materials using nanoporous silicondioxide and magnesium doped aluminium oxide)”(《电化学学报》第54(2009)期第5286至5291页)中公开了使用非对称绝缘氧化物纳米颗粒作为CDI材料提高去除率，这是因为非对称绝缘氧化物纳米颗粒的尺寸小且表面电势相反。在CDI电池中，还使用了由饱和甘汞电极(SCE)组成的第三参考电极，以用于了解所施加的确切电化学电势。
US 2013/0146463 A1公开了用于从水中去除离子的设备和方法。该设备包括在壳体中的至少五个电极的堆叠，其中电极中的三个被称为主电极并且电势差施加在每相邻的两个主电极之间。至少五个电极中的另外两个电极被称为浮动电极，并且各自位于至少两个相邻的主电极之间。浮动电极被构造为由于主电极之间的电势差而从水中吸引离子。由于在主电极之间施加的电势差，根据该设备的浮动电极将被极化，并且因此用作第一主电极的阳极，并且用作位于与第一主电极相对的侧面上的第二主电极的阴极。
在CDI过程中，每个电极吸附反离子但也解吸共离子。这导致充电效率降低，因为一些能量被消耗用于不希望的解吸。因此，也已经尝试了离子选择性膜辅助的CDI。其目的是更有效地捕集离子物质以避免电极表面处不期望的共离子解吸，这附带地导致可用于反离子吸附的额外电荷。离子选择性膜的存在可改善CDI电池的离子去除效率。然而，这也导致设备的成本极大增加，并对要净化的水流和设备内的离子迁移产生阻力。
US 6,709,560和US 2011/0042205 A1公开了试图克服从电极解吸共离子的问题的此类设备的示例。
CDI不仅适合于使水脱盐，而且还可以用于其它类型的水净化。例如，CDI可用于水软化。在此过程中，将要去除的离子可例如源自污染物CaCl2、MgCl2、CaCO3和MgCO3。
JP 2006305407描述了用于反硝化的水处理槽，其中所述槽包括三个电极，其中两个电极供应有交流高电压(10V至50V)，并且第三个电极接地，从而通过电解还原去除硝酸根和/或亚硝酸根离子。
US 2015/0064501公开了生物电化学系统(BES)，该系统的配置具有螺旋缠绕结构和框板结构，其可用于例如能量或化学生产和/或脱盐。
然而，仍然需要进一步改善CDI过程中的离子去除能力，并且需要提供稳固且有效的脱盐设备。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种设备，该设备可以改善电容去离子的效率，以用于从水介质去除带电物质，同时仍然获得能量有效的过程。
该目的和其它目的通过如在本公开和所附权利要求中提出的电容去离子设备或脱盐设备来实现。
根据第一方面，电容去离子设备包括第一电极和第二电极，第二电极与第一电极相对。优选地，第一电极和第二电极通过布置在第一电极和第二电极之间的至少一个非导电间隔物彼此分开。任选的至少一个非导电间隔物被配置为允许水介质流动通过间隔物。设备进一步包括在第一电极和第二电极之间的第三电极。第三电极被配置为允许水介质从面向第一电极的第三电极的第一侧基本不受限制地流动到面向第二电极的第三电极的第二侧。此外，第三电极被配置为电接地，并且第一电极和第二电极被配置为相对于第三电极可以相反的电荷极化。
优选地，第三电极由化学惰性且柔性材料制成。化学惰性的材料使其具有化学稳定性，并且与材料一起的柔韧性使其在卷成螺旋/圆柱形结构时具有物理稳定性。
并不意图使从水介质去除的带电物质被第三电极吸附。相反，根据本发明的设备中的第三电极的目的在于使得能够在第一电极和第二电极之间基本上均等地控制和分布能量。因此，在使用电容去离子设备期间，第三电极电接地并且第一电极和第二电极各自相对于接地的第三电极以相反的电荷极化。这确保了电势在第一电极和第二电极之间基本上均等划分。由此，实现了基本上对称的阴离子和阳离子去除能力，这反过来防止了水介质的pH和化学性质的不期望的变化。
此外，第三电极确保在第一电极和第二电极之间产生的电场从第三电极处的两侧会聚，从而改善第一电极和第二电极之间的场分布。改善的场分布有利于有效的功率利用并改善CDI设备的离子去除能力。
优选地，第三电极包括周向外周边缘，该周向外周边缘具有与第一电极的周向边缘和/或第二电极的周向边缘基本相同的周向尺寸和形状。这有助于第三电极将电场线适当地分布在电极之间。
优选地，第三电极具有环的几何配置，诸如圆环、矩形环、正方形环或八面体环。由此，尤其确保了第三电极不会引起针对设备中水介质的流动的任何物理划分。
优选地，第三电极被布置在距第一电极和第二电极基本相等的距离处。这尤其具有提供基本对称的阴离子和阳离子去除能力的效果，继而防止水的pH和化学性质的不期望变化。
优选地，第三电极由碳或碳基材料制成，最优选地由活性碳布、石墨板/箔或者一个或多个石墨烯片制成。然而，也可使用其它导电的、化学惰性的、物理稳定和柔性的材料。
优选地，第三电极以涂层的形式布置在非导电间隔物上，优选地在柔性非导电间隔物上。以这种方式，实现了紧凑的结构。另选地，第三电极印刷在非导电间隔物上，优选地印刷在柔性非导电间隔物上。这也能够实现紧凑的结构，并且还能够使用现有印刷技术以期望图案布置电极材料。
另选地，第三电极可以嵌入在单片非导电间隔物中，该单片非导电间隔物是流体和离子可渗透的；优选地嵌入在柔性的、流体和离子可渗透的单片非导电间隔物中。优选地，单片非导电间隔物然后被布置为在单片间隔物的第一侧表面处与第一电极直接接触，并且在单片间隔物的第二侧表面处与第二电极直接接触。
优选地，第一电极、第二电极和第三电极围绕公共纵向和/或中心轴线以螺旋形式布置，使得第一电极、第三电极和第二电极在垂直于纵向和/或中心轴线的平面中沿半径周期性地重复，并共同形成大致圆柱形的结构。由此，可以在CDI设备中实现更大的电极表面积，同时仍然获得合理尺寸的设备。在这种结构中，柔性活性炭布可以用作第一电极和第二电极的电极材料，并且例如柔性石墨箔可以用作第三电极。有利地，这种圆柱/螺旋结构还有助于将电场线集中在设备内，并导致离子吸附效率的进一步提高。
大致圆柱形的结构可以进一步布置在大致圆柱形的壳体中，该大致圆柱形的壳体包括壳体的第一端表面处的入口以及壳体的第二端表面处的出口。优选地，每个电极包括至少一个集流器，该集流器从壳体通过第一端表面和第二端表面中的一个延伸出。以这种方式，实现了设备的稳固构造。
本发明进一步涉及包括多个电容去离子设备的电容去离子布置，其中多个电容去离子设备中的至少一个是如上述一般限定的电容去离子设备。
另一个方面涉及用于制造电容去离子设备的方法。优选地，该设备是如上述一般限定的设备。制造电容去离子设备的方法包括提供第一电极，将第三电极布置在第一电极的第一侧上，以及将第二电极布置在第三电极的第二侧上，其中第三电极被配置为允许水介质从面向第一电极的第三电极的第一侧表面自由且无限制地流动到面向第二电极的第三电极的第二侧表面，从而提供到第三电极的接地连接，并且连接第一电极和第二电极使得它们相对于第三电极可以相反的电荷极化。在该方法中，在第一电极的第一侧和第三电极的第一侧之间布置间隔物，并且类似地，还在第三电极的第二侧和第二电极的第一侧之间布置间隔物。优选地，第一电极、第二电极和第三电极中的每一个均由化学惰性且柔性的材料制成。通过该方法获得这样的设备，该设备可以改善用于从水介质去除带电物质同时仍以能量有效方式进行操作的电容去离子的效率。
优选地，方法进一步包括在第一电极和第二电极之间布置至少一个非导电间隔物。以这种方式，三个电极可以以简单且稳固的方式彼此电隔离。
优选地，方法包括将第一电极、第三电极、第二电极和任选的间隔物布置为分层结构。最优选地，该分层结构以有效的方式折叠或卷起，例如以类似于瑞士蛋糕卷或折叠糕饼的方式进行。
此外，优选地，方法进一步包括将第三电极提供为碳纤维布，优选地为活性碳布或石墨板/箔。
优选地，方法进一步包括围绕公共纵向和/或中心轴线将处于分层结构的第一电极、第三电极和第二电极卷成螺旋形式，使得第一电极、第三电极和第二电极在垂直于纵向和/或中心轴线的平面中沿半径周期性地重复成大致圆柱形的结构。因此，可以有效地实现均匀的流体分布。
此外，优选地，方法进一步包括将卷起的大致圆柱形的结构布置为大致圆柱形的壳体，该壳体包括第一端表面和第二端表面；以及布置壳体的第一端表面处的入口和壳体的第二端表面处的出口，并且为每个电极布置至少一个集流器，该集流器从壳体通过第一端表面和第二端表面中的至少一个延伸出。以这种方式，获得了紧凑的结构。
在实施例中，第一电极、第三电极和第二电极围绕具有开口端和封闭端的穿孔管布置，所述管的所述开口端用作水介质的入口或出口以进行电容去离子。
此外，优选地，方法进一步包括提供第三电极，使得第三电极的周向外周边缘与第一电极的周向边缘和/或第二电极的周向边缘一致。这有助于第三电极将电场线适当地分布在电极之间。
优选地，第三电极被布置为环形电极，诸如圆环、矩形环、正方形环或八面体环，由此尤其确保了第三电极不会引起设备中水介质的任何物理划分。
优选地，方法进一步包括将第三电极布置在距第一电极和第二电极基本相等的距离处。以这种方式获得对称的阴离子和阳离子去除能力，其防止水的pH和化学性质的不期望变化。
此外，优选地，方法包括将第三电极涂覆在非导电间隔物上，优选地在柔性非导电间隔物上。另选地，优选地，方法进一步包括将第三电极嵌入在单片非导电间隔物中，优选地在柔性单片非导电间隔物中。在与本文公开的其它实施例可自由组合的该实施例中，方法包括将单片非导电间隔物布置为在单片间隔物的第一侧表面处与第一电极直接接触，并且在单片间隔物的第二侧表面处与第二电极直接接触。
第三方面涉及使水介质去离子的方法，包括使用电容去离子设备或如上所述的此类设备的布置从水介质去除带电物质。
附图说明
现在将参考附图通过非限制性示例描述本发明及其实施例，其中：
图1示出了根据现有技术的用于电容去离子的设备的分解透视图。
图2a示出了根据本发明的第一示例性实施例的用于电容去离子的设备的分解透视图。
图2b示出了根据本发明的另一个示例性实施例的用于电容去离子的设备的分解透视图。
图3示意性地示出了根据本发明的CDI设备在其操作用于从水介质去除带电物质期间的电场和离子迁移，其中在这里以钠离子和氯离子为例。
图4a示出了根据本发明的又一个示例性实施例的用于电容去离子的设备的透视图。
图4b示意性地示出了根据图4a的用于电容去离子的设备的平面B-B中的横截面视图。
图5示意性地示出了根据本发明的用于具有三个端子的DC电源及其到CDI电池的连接的可能电路图的一个示例。
图6a示意性地示出了根据本发明的又一个示例性实施例的用于电容去离子的设备的横截面视图，其示出了从内部到外部的流动路径。
图6b示意性地示出了根据本发明的又一个示例性实施例的用于电容去离子的设备的横截面视图，其示出了从外部到内部的流动路径。
图7示意性地示出了根据本发明的又一个示例性实施例的用于电容去离子的设备的一部分的透视图。
图8示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的用于电容去离子的设备的示例性用途。
图9示出了与根据本发明的一个示例性实施例的CDI设备相比，根据现有技术的CDI设备随时间推移的实验获得的电导率曲线。
图10示出了与根据本发明的示例性实施例的三电极CDI设备相比，根据现有技术的两电极CDI设备的阴离子和阳离子去除效率。
图11a示出了穿孔管100，该穿孔管100具有开口端101(其任选地带有螺纹102)和密封端103，以及多个孔或穿孔104。
图11b示出了其中石墨箔111、活性炭布112和离子多孔间隔物113的层如前述附图所示围绕穿孔管100缠绕从而形成CDI单元120的实施例。
图12示出了其中包括穿孔管和螺旋缠绕的CDI电极的若干单元120在箱体或外壳内组装在一起从而形成盒体130的实施例的横截面。所述盒体优选地具有入口131、收集容器132和出口133。盒体通过板140划分成两个部分，其中可以例如通过将任选地带有螺纹102的开口端101插入所述板140中的孔中来附连单元120。对应于图6b所示的原理的从左到右的流动以箭头表示。流动同样可以是相反的，其对应于图6a所示的原理。
具体实施方式
下面将参考附图和某些示例性实施例描述本发明。然而，本发明不限于所示实施例，而是可以在所附权利要求的范围内变化。此外，由于一些特征可被夸大以便更清楚地示出设备(多个设备)的特征或其细节，因此不应认为附图必须按比例绘制。
在描述本发明之前，应理解，本文所采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在是限制的，这是因为本发明的范围仅受所附权利要求及其等同物的限定。
必须注意的是，如在本说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式的“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数对象，除非上下文另外明确指出。
在本公开中，术语“电极表面积”应被认为表示电极在电极平面中的几何表面积，而不管电极平面是平面还是具有另一种配置，诸如波状的或圆柱形的。这与术语“比表面积”相反，术语“比表面积”应被认为是指单位质量的总表面积。
此外，在本公开中，使用术语“非导电”。应该认识到，所有材料都具有一定的电导率，即使非常低。仅作为示例，即使被认为是隔离器的材料也具有一定的电导率。因此，在本发明中，非导电材料或非导电材料构成部件应被理解为表示具有此种低电导率的材料或构成部件，该电导率如此低以致于当根据本发明的设备在其操作期间按预期使用时，基本上不存在电导率。换句话说，当按预期使用时，非导电应被认为是表示可忽略的电导率。
图1示出了根据现有技术的电容去离子设备1的分解透视图。CDI设备包括第一电极2和第二电极3。这些电极有时被称为“原电极”或“主电极”。第一电极和第二电极是彼此相对、优选地彼此平行布置的平面电极。将从中去除带电物质的水介质旨在流过第一电极和第二电极之间的体积，并且通常还由于电极对水介质可渗透而流过电极本身的体积。
第一和第二电极2、3通常由第一非导电间隔物4分开。设备进一步任选地包括一个以上的非导电间隔物，如图1中第二非导电间隔物4’所示。非导电间隔物或多个非导电间隔物的目的主要在于避免在设备操作期间第一电极2和第二电极3之间发生电短路的风险。此外，非导电间隔物或多个非导电间隔物有助于控制第一和第二电极2、3之间的适当距离，从而在第一电极和第二电极之间获得适当的电场分布。该非导电间隔物被布置为单独的构成部件，或另选地被施加为电极表面上的涂层或层。水介质(诸如将被净化的水)优选地被引导通过非导电间隔物(多个非导电间隔物)。通常，电极2、3与间隔物/多个间隔物直接接触。
设备1进一步包括连接到第一电极2的第一集流器5以及连接到第二电极3的第二集流器6。在常规的CDI设备中，阴极通常接地，而参考阴极来极化阳极。电极经由相应集流器连接到DC电源(未示出)，以实现电极的极化。
在CDI设备的操作期间，阴离子被吸引到正电极并被吸附在正电极中。同时，阳离子被吸引到负电极并被吸附在其中。由此，将离子从存在于电极之间的水介质去除。
在任何CDI设备中，响应于在电极表面产生的电势介导的电场线而吸引离子。因此，离子的去除能力与电场线的分布和强度成正比。
与图1所示的现有技术相比，根据本发明的设备包括布置在两个原电极(即第一电极和第二电极)之间的第三电极。第三电极被配置为电接地，并且两个原电极(即第一电极和第二电极)被配置为诸如相对于接地的第三电极可以相反的电荷极化。这确保了电势在正电极和负电极之间大致均等地分布，从而实现对称的阴离子和阳离子去除能力，其防止水的pH和化学性质的不期望变化。
此外，第三电极确保在原电极之间产生的电场在中心第三电极处从两侧会聚，从而改善原电极之间的场分布。改善的场分布导致有效的功率利用，并改善CDI设备的离子去除能力。
第三电极被配置为允许水介质从第三电极的第一侧自由流动到第三电极的第二侧。在本公开中，第三电极的第一侧被认为表示面向第一电极的第三电极的侧面。对应地，在本公开中，第三电极的第二侧被认为表示面向第二电极的第三电极的侧面。在本公开中，水介质从第一侧到第二侧的自由或不受限制的流动被认为表示水介质可以通过第三电极而没有任何明显的压降。
这与例如第一电极和第二电极相反，该第一电极和第二电极允许水介质通过，但是其中这将导致水介质从电极的第一侧到电极的第二侧的压降。换句话说，第三电极不旨在引起第三电极的不同侧之间的水流动的任何物理划分。然而，第三电极提供第一电极和第二电极之间的体积的电气划分。
优选地，第三电极被布置在距第一电极和第二电极相等的距离处，即在第一电极和第二电极之间的中间位置。这确保了相对于第三电极，电势将在第一电极和第二电极之间均等地划分，从而使得带电物质基本对称地吸附在原电极处。然而，应当注意，关于第三电极相对于第一和第二电极的位置的一定公差是可能的，同时仍然获得足够好的结果。
因此，如果需要对称的阳离子和阴离子去除，则第三电极优选地布置在第一电极和第二电极之间的距离的40％到60％的距离处。当讨论第一电极和/或第二电极到第三电极之间的距离时，在本公开中应被认为表示第一电极和/或第二电极的表面到第三电极的中心平面之间的距离，该第三电极的中心平面平行于第三电极的侧表面。
根据另选方面，电容去离子设备用于需要优先去除阴离子或阳离子的应用中。因此，取决于期望的离子去除，第三电极相对于第一和第二电极的距离是柔性的。通常，第三电极布置在第一电极和第二电极之间的距离的10％到90％的距离处，同时仍保持可接受的压降和流体流动渗透性。例如，如果第三电极更靠近第一电极的第一表面，则第一和第三电极之间的电场强于第三和第二电极，从而如果第一电极为正极则导致优先去除阴离子，反之亦然。因此，第三电极可以提供用于优先去除带正电或带负电的物质而不对第一、第二或第三电极进行化学修改的设备。
图2a示出了根据本发明的CDI设备10的第一示例性实施例的分解透视图。CDI设备10包括具有相应集流器5、6的第一电极2和第二电极3。尽管在图中将集流器5、6示出为从大致垂直于电极2、3的平面的电极延伸，集流器也能够在与电极大致相同的平面中从电极延伸或者从电极的平面以成角度方向延伸。第一和第二电极2、3是原电极，其旨在用于吸附将从存在于体积中的水介质去除的离子物质，该体积包括原电极的体积以及原电极之间的体积。因此，从存在于原电极内/在原电极内流动的水介质以及存在于原电极之间的空间中/在原电极之间的空间中流动的水介质中发生离子物质的去除。
在根据图2a的CDI设备中，第一和第二电极2、3为大致平面电极。此外，第一和第二电极优选地基本上平行地布置，以确保电场从相应电极的第一外围边缘到电极的第二外围边缘相等。尽管第一和第二电极在图中被示为具有大致矩形的电极表面积，但它们也可能具有这样的电极表面积，其具有任何其它几何配置，诸如正方形、圆形、三角形、八面体形等。
与图1所示的CDI设备1相比，图2a所示的CDI设备10包括布置在第一电极2和第二电极3之间的第三电极7。第三电极7包括连接设备8，使得第三电极能够电接地。第一电极2和第二电极3被配置为相对于第三电极7可以相反的电荷极化。因此，第三电极7在CDI设备10的操作期间用作参考。优选地，第三电极布置在距第一电极和第二电极相等的距离处。因此，电势将在第一和第二电极之间均等地划分，并且力的电场线的分布在第三电极的任一侧上的体积之间将相等。
如图2a所示，第三电极7优选地具有周向边缘7a，该周向边缘7a具有与第一电极的周向边缘2a和第二电极的周向边缘3a基本相同的周向尺寸和形状。换句话说，第三电极的外部几何配置优选地对应于第一电极2的外部几何配置和第二电极3的外部几何配置。当第三边缘的周向边缘跟随原电极的周向边缘时，在第一电极和第二电极之间的空间内更好地分布和限制电场线。与不存在第三电极或第三电极放置在第一和第二电极之间的体积之外的情况相比，这是有利的。
第三电极7优选地具有大致平面环的几何配置，诸如如图2a所示的矩形环，并且因此包括中心开口，从而允许水介质从面向第一电极2的第三电极的第一侧7b自由流动到面向第二电极3的第三电极的第二侧7c。其它环结构包括但不限于圆环、正方形环、八面体环等。此外，除了环以外，还存在第三电极的其它可能的几何配置，诸如高度多孔的结构、网状结构或彼此互连以共同形成第三电极的多个箔条。图2b示出了另一示例性实施例，该示例性实施例与图2a所示的示例性实施例的不同之处仅在于第三电极7以网状结构的形式布置。即使第三电极可以如上所述具有不同的几何配置，但是重要的是第三电极在第三电极的侧面之间未物理地划分水介质的流动。如果第三电极在物理上划分CDI设备，则存在两个物理半电池，每个均同步工作，其中第三电极的一侧相对于一个原电极被正极化而另一侧相对于另一原电极被负极化。在这种情况下，这将导致设备的每半部分像单独的CDI电池那样工作。
第三电极7的电极表面积应明显小于第一电极的电极表面积和第二电极的电极表面积，以确保第三电极允许水介质从第三电极的一侧自由流动到另一侧，并避免第三电极将主动促进离子吸附的风险。如果第三电极具有大的表面积使得其主动促进离子吸附，则可能会导致电极不对称的风险，其中CDI设备的离子吸附将受到表面吸附能力最低的电极的容量的限制(在这种情况下是第三电极)。优选地，第三电极的电极表面积为原电极中的每个的电极表面积的最大30％，优选地最大25％，最优选地最大20％。此外，第三电极的比表面积优选地小于原电极中的每个的比表面积的5％，更优选小于原电极中的每个的比表面积的2％。
此外，以与根据关于图1公开的现有技术相同的方式，如图2a和图2b所示的CDI设备10还优选地包括一个或多个间隔物4、4’，其布置在第一和第二电极之间。此种间隔物或此类间隔物的目的主要在于避免在使用CDI设备期间使原电极彼此之间以及与第三电极之间发生电短路的风险。间隔物(多个间隔物)还具有便于电极布置以确保电极之间的预期适当距离的优点。
如图2a和图2b所示，CDI设备10优选地在面对原电极的第三电极的每侧包括非导电间隔物4、4’。间隔物或多个间隔物优选地是单独的构成部件的形式，或者另选地是在面对相对原电极的原电极的表面上的涂层的形式。另选地，第三电极也能够嵌入在非导电单片间隔物中，所述单片间隔物优选地与第一电极和第二电极二者均直接物理接触。另选地，第三电极构成非导电间隔物上的涂层，或者间隔物(多个间隔物)构成第三电极的表面上的涂层。当间隔物或多个间隔物为在第一、第二和第三电极中的一个或多个上的涂层形式时，间隔物/多个间隔物例如构成可电极化的材料。合适的介电可极化材料的示例包括但不限于氧化锌、氧化钛、氧化铝和氧化锆。
图3示意性地示出了在操作期间CDI设备的电场和其中的离子迁移。为了便于说明，以截面图示出了CDI设备。第三电极7可以具有以上公开的几何配置中的任何一个，但是为了便于说明，在附图中将其绘制为实心形状。此外，如从图3可以看出，如先前参考图2a和图2b所讨论的，第三电极7的外部尺寸由原电极2、3的外部尺寸限制。
如图3所示，第三电极7为CDI设备提供两个电气半电池12、13，其中一个在第三电极7的任一侧上(而不引起如上所述的设备的任何物理划分)。在该图中，相对于第三电极7正极化第一电极2并且负极化第二电极3。然而，显然相反的情况可以适用，即，相对于第三电极7负极化第一电极2并且正极化第二电极3。
图3中以氯离子(Cl-)为例的带负电的物质被吸引到正极化的第一电极2。对应地，附图中以钠离子(Na+)为例的带正电的物质被吸引到负极化的第二电极3。第一电气半电池12中的电场线12a将排斥阳离子，并且第二电气半电池13中的电场线13a将排斥阴离子。共离子的排斥是本发明的重要效果，因为其显著减少与共离子从电极的解吸有关的问题(先前曾试图通过膜辅助的CDI设备来克服)。
图4a示出了根据本发明的CDI设备的又一个示例性实施例的透视图。图4b示意性地示出了沿图4a的平面B-B的横截面视图。
根据图4a和图4b所示的示例性实施例的CDI设备20与参考图2a和图2b(包括所描述的修改)所描述的示例性实施例的CDI设备10的不同之处在于将电极卷成图4b所示的圆柱形和螺旋形配置。这具有使电极表面积的较大部分与CDI设备内的水介质流相互作用的效果。此外，其使电场线局部化以进一步改善电势分布。
CDI设备20包括适于在去离子过程中将水介质限制在CDI电池内部的外壳体21。外壳体21具有例如圆柱形配置，使得其包括第一端表面21a、包络表面21b以及与第一端表面21a相对的第二端表面(未示出)。壳体包括入口29和出口30，水介质通过该入口29被引入到CDI设备中，并且水介质通过该出口30在去离子之后离开CDI设备。入口和出口可与CDI设备的中心轴线同心，但是其它配置也是可能的。
如图4b所示，第一电极22、第三电极27和第二电极23围绕中心轴线A螺旋缠绕。因此，电极在垂直于中心轴线的平面中沿半径周期性重复。应当注意，即使未在图中示出，CDI设备20也优选地以与以上参考图2a和图2b公开的相同的方式包括非导电间隔物。此外，CDI设备包括至少一个另外的非导电间隔物，该间隔物围绕中心轴线布置在电极的每匝之间的空间24中，以避免第一电极和第二电极之间的电短路。实现此目的的一种方法是通过在第一电极和第二电极中至少一个与面对第三电极的侧面相对的表面上涂覆非导电材料，或在空间24中布置非导电多孔材料，但是，该材料可渗透水介质和离子。
如图4a所示，第一电极22的集流器25延伸通过壳体21，以使得能够电连接到DC电源。同样地，第二电极23的集流器26和第三电极27的连接装置28延伸通过壳体21，以提供电连接。如图所示，集流器25、26和连接装置28优选地延伸通过圆柱形壳体21的侧表面。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，其它配置也是可能的。
根据本发明的CDI设备的电源方案不同于传统的CDI设备，这是因为第三电极接地并且原电极相对于第三电极以相反的电荷极化。但是，以与传统CDI设备相同的方式，应能够切换极化使得可以再生CDI设备。
图5示出了根据本发明的CDI设备到电源的连接的一个示例，该电源包括中心抽头变压器51以及带有用于平滑DC的滤波器的整流器电路52。电源可包括具有三个输出端子的中心抽头变压器51。一个端子(优选地中心端子)接地，而电源的另外两个端子连接到CDI电池的两个原电极E1和E2。两个端子处的电势以中心接地端子为参考，并且彼此相等且相反。相等且相反的端子连接到两个原电极E1和E2，其中一个电极为负极且另一个电极为正极，并且中心第三电极E3通过开关连接到电源的接地端子。仅作为示例，输出电源可被限制为1.6VDC的总电势差，相对于中心电极为正电极提供+0.8V，并且相对于中心电极为负电极提供-0.8V。
在离子去除或脱盐期间，开关P1闭合(使CDI电池的中心电极具有与电路接地相同的电势)，而开关P2和P3的引线1和3短路。该配置导致用于阴离子吸附的电流(在正电极处)从正电源端子流入CDI电池中心电极(阴离子去除电流)，再通过负电极流入电源接地。类似地，用于阳离子吸附的电流(在负电极处)从接地的电源端子流入CDI中心电极(阳离子去除电流)，再流入CDI负电极并返回到电源负极端子。因此，阴离子和阳离子充电电流的方向相反。
在电极再生期间，开关P1打开(将中心电极与接地电势断开)，而开关P2和P3的引线2和3短路。该配置导致用于阴离子解吸的电流(在正电极处)从正CDI电池电极流动通过开关P2并循环进入CDI中心电极，从而在此过程中去除吸附的阴离子并释放能量。类似地，用于阳离子解吸的电流(在负电极处)从CDI中心电极流入开关P3并循环进入CDI负电极，从而在此过程中去除吸附的阳离子并释放能量。因此阴离子和阳离子解吸电流的方向相同。存储在CDI电池电极中的电荷将作为电流流动，直到由带电电极表面保持的所有离子都被去除到溶液中。
因此，如上所述，两个原电极相对于第三电极将具有相等且相反的电势。但是，如果第三电极和来自变压器的参考端子保持开路/悬浮，则两者在电气上将产生有效的高电势，从而增加两个原电极处的绝对电势。尽管在这种情况下CDI电池可仍然起作用，但将难以确定绝对参考电势，并且可移位基线电势，这可能导致在此过程中两个原电极处发生不期望的法拉第反应并损失能量。
用于制造电容去离子设备的方法优选地包括以下步骤：提供第一电极；在第一电极的第一侧上布置第三电极；以及在第三电极的第二侧上布置第二电极。第三电极被配置为允许水介质从面对第一电极的第三电极的第一侧表面自由流动到面对第二电极的第三电极的第二侧表面。在这种方法中，提供到第三电极的接地连接。连接第一电极和第二电极，使得它们相对于第三电极可以相反的电荷极化。
进一步地，方法优选地包括在第一电极和第二电极之间布置至少一个非导电间隔物。间隔物(多个间隔物)使电极彼此电隔离。优选地，允许流体以可忽略的压降流过间隔物。如图2和图4b所示，第一电极、第三电极、第二电极和任选的间隔物以分层结构布置。分层结构优选地以有效的方式卷起。方法优选地进一步包括将分层结构中的第一电极、第三电极和第二电极围绕公共纵向和/或中心轴线卷成螺旋形式，使得第一电极、第三电极和第二电极在垂直于纵向和/或中心轴的平面中沿半径周期性地重复为大致圆柱形结构。该结构有效地防止设备中不均匀的流体分布。此外，方法优选地进一步包括将卷起的大致圆柱形结构布置到大致圆柱形壳体中。壳体优选地进一步包括第一端表面和第二端表面。进一步地，可以布置在壳体的第一端表面处的入口以及在壳体的第二端表面处的出口，使得对于每个电极，至少一个集流器通过第一端表面和第二端表面中的至少一个通过壳体延伸出。以这种方式，获得了紧凑的结构。
进一步地，方法优选地进一步包括布置第三电极，使得第三电极的周向外周边缘与第一电极的周向外周边缘和/或第二电极的周向外周边缘一致。这有助于第三电极将电场线适当地分布在电极之间。第三电极可以被布置为环形电极，诸如圆环、矩形环、正方形环或八面体环，由此，尤其确保了第三电极不会引起针对设备中水介质的任何物理划分。优选地，第三电极被布置在距第一电极和第二电极基本相等的距离处。以这种方式，获得了对称的阴离子和阳离子去除能力，其防止水的pH和化学性质的不期望变化。
根据可与其它实施例自由组合的一个变型或实施例，方法包括将第三电极涂覆在非导电间隔物上，优选地在柔性非导电间隔物上。另选地，方法包括将第三电极嵌入单片非导电间隔物，优选地嵌入柔性单片非导电间隔物。在该实施例中，方法包括将单片非导电间隔物布置为在单片间隔物的第一侧表面处与第一电极直接接触并且在单片间隔物的第二侧表面处与第二电极直接接触。
图6a示出了根据本发明的又一个示例性实施例的CDI设备60的横截面视图。CDI设备60与图4a和图4b所示的CDI设备20的不同之处在于，入口以管65的形式布置。管65与CDI设备的中心轴线(未示出)同心地布置。电极22、23和27以与以上关于图4a和图4b公开的相同方式围绕中心轴线螺旋缠绕，并且因此也围绕管65螺旋缠绕。管65包括布置在壳体21内部的第一部分62以及被布置为延伸通过壳体21的第二部分61。第一部分62包括沿其纵向延伸的多个穿孔或通孔63。管65的第二部分61不包括任何通孔或穿孔。液体可经由管65的第二部分61被泵入CDI设备。借助于管的第一部分62中的穿孔或通孔63(该穿孔或通孔63沿CDI设备的中心轴线的长度均匀分布在CDI设备中)，液体经由穿孔或通孔63径向地从管65流出，如箭头所示。液体可经由布置在壳体21中的一个或多个出口(未示出)离开CDI设备，例如在与第一端表面21a相对的端表面处。另选地，液体可经由沿CDI设备的纵向延伸均匀分布的一个或多个出口基本上径向地离开设备(也与图6b所示的设备70比较)。
图6b示出了CDI设备70的横截面视图，该设备类似于图6a所示的CDI设备60。然而，如箭头所示，CDI设备70内部的液体流动与CDI设备60中的液体流动方向相反。图6b所示的CDI设备70优选地进一步包括具有液体可渗透的包络表面壁68的壳体，该壳体旨在保护CDI设备的构成部件，但是并不旨在阻止任何液体流动通过其中。根据该示例性实施例，液体将通过包络表面壁68进入，通过电极22、27和23，并且然后流动通过管65的第一部分62中的通孔63的穿孔，并且然后经由管65的第二部分61离开CDI设备。
根据本发明的CDI设备还可以通过以下步骤实现：通过如上所述引入第三电极来修改任何传统的2电极电容去离子单元，并调整电连接以使得第三电极接地并且第一和第二电极相对于第三电极以相反的电荷极化。
第一和第二电极优选地由柔性导电材料制成，诸如活性炭布，其比表面积至少为100m2/g，优选地至少200m2/g，更优选地至少400m2/g或600m2/g，更优选地至少800m2/g，以及例如优选地约1000m2/g的比表面积。
第三电极可由与第一和第二电极相同的材料制成，或者由如上所述的另一种材料制成。非导电间隔物(多个非导电间隔物)可以由用于该目的的任何先前已知的材料制成。间隔物(多个间隔物)的材料应该是绝缘的多孔材料，其允许容易地迁移流体以及将去除的带电物质。此外，集流器为此可以由任何先前已知的材料制成，例如石墨。
根据本发明的CDI设备可以许多方式更改。例如，原电极可由先前对于CDI设备已知的任何种类的材料制成，只要其材料没有被特别提供以获得非对称的离子去除。原电极优选地由相同种类的材料制成。虽然不是必需的，但如果需要，还可以用特定的选择性可渗透材料涂覆原电极，以仅允许一种离子穿过每个原电极，其中仅允许阴离子的材料可以涂覆/放置在相对于第三电极被正极化的原电极的顶部/前面，并且仅允许阳离子的材料可以涂覆/放置在相对于第三电极被负极化的原电极的顶部/前面。在这种情况下，第三电极的第一表面将与允许阴离子通过的材料的第一表面接触，并且第三电极的第二表面将与仅允许阳离子通过的材料的第一表面接触。
此外，DC电源本身可为电容去离子设备的一部分。例如，CDI设备可包括至少一个电池、太阳能电池、燃料电池等。另选地，DC电源可为单独的部件，在这种情况下，CDI设备被配置为连接到单独的DC电源。例如，DC电源可为至少一个电池、发电机等。例如，在使用电池(或太阳能电池)的情况下，可以串联连接两个电池，其中第一电池和第二电池的正极和负极短路，并且连接可以从该点延伸到第三电极以用作参考电势，而其它两个电池端子分别连接到正极化和负极化的原电极。
尽管在以上所有附图中均未具体示出，但是CDI设备优选地还包括外部壳体，该外部壳体用作CDI设备的其它构成部件的保护盖。如果需要，壳体被配置为确保在从水介质去除带电物质的过程中将水介质限制在CDI设备中。壳体优选地包括用于水介质进入CDI壳体的至少一个入口。如果需要，可将入口进一步细分为多个入口通道，以在CDI设备的原电极内产生均匀的流体流动。
图7示出了一个此种示例，其中入口29被划分为多个入口通道29a、29b、29c，该入口通道在壳体21的端表面21a中延伸通过壳体21。自然地，入口通道可以另选地或另外地在壳体21内部被划分为多个入口通道。
如果CDI设备旨在用于批量使用，则在电容去离子已达到预期程度之后，入口也可用作水介质的出口，或另选地，可能存在与入口分开的出口。然而，对于大多数实际应用，电容去离子旨在连续使用，并且因此使水介质连续流过设备，以及因此CDI设备优选地包括与入口分开的用于水介质的出口。自然地，如果需要，CDI设备可包括一个以上的出口。
根据本发明的CDI设备适于在将应从其去除离子物质的液体引入CDI设备的应用中使用。然而，作为另选方案，设备浸没在要从其去除离子物质的液体中。在图8中举例说明了这种用途，其中CDI设备80至少部分地浸没在包含要从其去除离子物质的液体81的槽82或任何其它形式的容器或贮藏器中。如图8所示，CDI设备80优选地具有这样的配置，使得集流器25、26和连接装置28在相同的方向上延伸出CDI设备。此外，CDI设备80优选地具有液体可渗透的壳体88，其中液体可通过该壳体88进入和离开CDI设备80。
在可以与其它方面和实施例自由组合的一个实施例中，CDI设备是“流通式”CDI设备，其中水介质的总体流动基本上平行于第一电极和第二电极之间的电场。在这种情况下，水介质穿过第一电极和第二电极中的至少一个，优选地穿过第一电极和第二电极两者。
在图11a和图11b中示出了一个实施例，其中示出了穿孔管100，所述管具有开口端101(任选地带有螺纹102)和密封端103，以及穿孔104的多个孔。可以通过将石墨箔111、活性炭布112和离子多孔间隔物113的连续层围绕所述穿孔管100缠绕形成CDI单元120。该图还间接地示出了制造CDI单元的方法的实施例，其中第一电极、第三电极和第二电极围绕具有开口端和封闭端的穿孔管布置，管的所述开口端用作将进行电容去离子的水介质的入口或出口。
包括穿孔管和螺旋缠绕的CDI电极的多个此类单元120可以在箱体或外壳内组装在一起，从而形成如图12所示的盒体130。所述盒体优选地具有入口131、收集容器132和出口133。盒体通过板140划分成两个部分，其中可以例如通过将任选地带有螺纹102的开口端101插入所述板140中的孔中来附连单元120。
此类盒体可以并联布置。这样做的优点在于可以通过例如操作一个或两个盒体来调节容量。其还允许用户在另一个盒体处于活动状态时再生一个盒体，从而确保连续操作。可以使用多个单元、串联或并联的组件的盒体以及其它配置以增加系统的容量、灵活性、安全性或冗余性，并且这对于本领域技术人员而言是显而易见的。
另选地，CDI设备是“流通式”CDI设备，其中水介质的总体流动垂直于第一电极和第二电极之间的电场。
根据本发明的设备优选地用于在贫电和贫水地区生产饮用水，或在公共建筑、医院、旅馆等生产饮用水。该设备特别适用于无法获得市政用水的偏远地区、市政用水质量差或不均匀的地区，或要求质量高且均匀的水质的应用。该设备还适用于处理船舶/船只上的压舱水。该设备还可以用于针对私人、市政或工业应用软化水的目的。
实验结果
示例1.两电极和三电极CDI的性能比较
将包括两个原ACC电极和中心第三电极(以下称为三电极电池)的CDI设备的离子去除效率与仅包括两个原ACC电极(即没有中心第三电极)(以下称为两电极电池)的CDI设备的离子去除效率进行比较。三电极电池中的中心第三电极由石墨板制成。
两电极电池和三电极电池两者的原电极各自具有9cm2的电极表面积。三电极电池中的中心电极(即，第三电极)为环形，其周向外边缘跟随原电极的周向外边缘并且其电极表面积为2cm2。第三电极的比表面积等于单个原电极的总比表面积(250m2)的0.5％(1.25m2)。作为流入物，使用添加了1g/L的NaCl的去离子水，并且使用3mL/min的流入物流速。
对于两电极电池，在两个原电极之间施加的DC电势为+1.6V DC。对于三电极电池，在正电极和中心第三电极之间施加的DC电势为+0.8V DC，并且在负电极和中心第三电极之间为-0.8V DC。因此，对于两电极电池和三电极电池，CDI设备的原电极之间的总电势差为1.6V DC。两个电池均使用了两层纤维素材料作为非导电间隔物，其中对于三电极电池，将第三电极插入在两个纤维素间隔物之间，以将其与两个原电极电隔离。由于第三电极为开环形并且两个原电极未绑定到刚性集流器，因此两个原电极的有效面积(有助于去除离子的区域)的距离(环的开放面积)对于两电极和三电极电池实际上是相似的，并且其对离子去除的影响可以忽略不计。
在电池的输出端监测流入物的电导率变化，以测量CDI设备的离子去除/吸附效率。同时，记录充电和放电电流以计算脱盐过程期间的功耗，并估算每立方米(1000升)脱盐水的总功耗。
图9分别示出了针对两电极电池和三电极电池获得的电导率曲线。图10分别示出了两电极电池和三电极电池的阴离子和阳离子去除效率。表1列出了获得的脱盐效率、盐吸附能力和功耗。
表1.两电极电池和三电极电池各自的脱盐效率、盐吸附能力和功耗
Figure GDA0003385586950000161
从图9所示的结果可以看出，三电极电池的脱盐效率比两电极电池的脱盐效率高36％。图10表明，三电极电池的除盐效率的提高可能是由于阴离子和阳离子二者的对称去除导致的，这归因于分布均匀的电势，该分布均匀的电势导致在三电极CDI电池的两个电气半电池的原电极和第三电极之间存在相等且相反的电场。来自正电极的阳离子和来自负电极的阴离子的对称排斥以及相对电极处的同时吸附导致从水中有效去除两种离子并改善比盐去除能力。相比之下，对于两电极电池，排斥来自CDI电池正电极的阳离子而导致阳离子被去除，但是由于另一个电极(即，负电极)在接近0V DC的电势下(连接到电源负极/接地)，因此溶液中不排斥阴离子，从而限制了其效率，如图10所示。结果还表明，排斥是离子去除的重要方面并且不可忽略。
如表1所示，从水进料流中对称地去除离子还降低了整个过程的功耗。同时，与两电极电池相比，三电极电池的比盐吸附能力改善了40％，充电效率改善了37％，脱盐水的kWh/m3降低了28％。充电效率基本上定义了以库仑为单位输入的电荷与从水流去除的离子的等效库仑电荷的比。100％的充电效率表示对于输入到电池的每个电子/空穴，将从电池去除一个阳离子/阴离子。
在无进一步详细描述下，相信本领域技术人员可以使用包括示例的本说明书来最大程度地利用本发明。另外，尽管本文已经针对构成发明人目前已知的最佳模式的优选实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求书阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
因此，尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其它方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是出于说明的目的，而不是旨在进行限制，其中真实范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (22)

1.一种电容去离子设备（10），包括第一电极（2）和第二电极（3），所述第二电极（3）与所述第一电极（2）相对，其中所述第一电极（2）和所述第二电极（3）通过布置在所述第一电极和所述第二电极之间的至少一个非导电间隔物（4、4’）彼此分开，
其中所述设备进一步包括在所述第一电极（2）和所述第二电极（3）之间的第三电极（7），所述第三电极（7）允许水介质从面向所述第一电极（2）的所述第三电极的第一侧自由流动到面向所述第二电极（3）的所述第三电极的第二侧，
其中所述第三电极（7）电接地，并且所述第一电极（2）和所述第二电极（3）相对于所述第三电极（7）可以相反的电荷极化，以及
其中所述第一电极（2）、所述第二电极（3）和所述第三电极（7）中的每一个均由化学惰性且柔性材料制成。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第三电极包括周向外周边缘，所述周向外周边缘具有与所述第一电极的周向边缘和/或所述第二电极的周向边缘基本相同的周向尺寸和形状。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中所述第三电极具有环的几何配置。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述具有环的几何配置为圆环、矩形环、正方形环或八面体环。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中所述第三电极被布置在距所述第一电极和所述第二电极基本相等的距离处。
6.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中所述第三电极由碳或碳基材料制成。
7.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中所述第三电极由活性碳布、石墨板或者一个或多个石墨烯片制成。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述第三电极以涂层的形式布置在非导电间隔物上。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述第三电极以涂层的形式布置在柔性非导电间隔物上。
10.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述第三电极嵌入在单片非导电间隔物中。
11.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述第三电极嵌入在柔性单片非导电间隔物中。
12.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述第三电极印刷在非导电间隔物上。
13.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述第三电极印刷在柔性非导电间隔物上。
14.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中所述第三电极嵌入在单片非导电间隔物中，所述单片非导电间隔物在所述单片间隔物的第一侧表面处与所述第一电极直接接触，并且在所述单片间隔物的第二侧表面处与所述第二电极直接接触。
15.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极围绕纵向和/或公共中心轴线以螺旋形式布置，使得所述第一电极、第三电极和第二电极在垂直于所述纵向和/或中心轴线的平面中沿半径周期性地重复，并共同形成大致圆柱形的结构。
16.根据权利要求中15所述的设备，进一步包括大致圆柱形的壳体，其中布置有所述大致圆柱形的结构、所述壳体的第一端表面处的入口以及所述壳体的第二端表面处的出口，并且其中所述电极中的每个包括至少一个集流器，所述集流器从所述壳体通过所述第一端表面和所述第二端表面中的一个延伸出。
17.一种包括多个电容去离子设备的电容去离子组件，其中所述多个电容去离子设备中的至少一个是根据权利要求1所述的电容去离子设备。
18.一种制造如权利要求1所述的电容去离子设备（10）的方法，所述方法包括提供第一电极（2），将第三电极（7）布置在所述第一电极（2）的第一侧上，以及将第二电极（3）布置在所述第三电极（7）的第二侧上，其中所述第三电极（7）允许水介质从面向所述第一电极的所述第三电极（7）的第一侧表面自由流动到面向所述第二电极的所述第三电极（7）的第二侧表面，提供所述第三电极（7）的接地连接，并且连接所述第一电极（2）和所述第二电极（3）使得它们相对于所述第三电极可以相反的电荷极化，并且其中所述第一电极（2）、所述第二电极（3）和所述第三电极（7）中的每一个均由化学惰性且柔性的材料制成。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括围绕公共纵向和/或中心轴线以螺旋形式卷起所述第一电极、第三电极和第二电极，使得所述第一电极、第三电极和第二电极在垂直于所述纵向和/或中心轴线的平面中沿半径周期性地重复，并共同形成大致圆柱形的结构。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括将所述卷起的大致圆柱形的结构布置在大致圆柱形的壳体中，所述壳体包括第一端表面和第二端表面，以及布置在所述壳体的所述第一端表面处的入口和所述壳体的所述第二端表面处的出口，并且为每个电极布置至少一个集流器，所述集流器从所述壳体通过所述第一端表面和所述第二端表面中的至少一个延伸出。
21.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述第一电极、第三电极和第二电极围绕具有开口端和封闭端的穿孔管布置，所述管的所述开口端用作水介质的入口或出口以进行电容去离子。
22.一种使水介质去离子的方法，包括使用根据权利要求1所述的电容去离子设备或根据权利要求17所述的组件以从所述水介质去除带电物质。
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