CN111613824A - 高效环保型生物相容性离子电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高效环保型生物相容性离子电池装置，一种利用反应形成沉积物、气体或水溶液无法电离的物质制作高效的生物友好型环保离子电池装置，所述离子电池采用的固体盐均为环保型材料，不会对生态环境造成影响。采用所述离子电池作为电源的电子设备具有良好的生物相容性，能够用于穿戴式设备和医疗装置中。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用反应形成沉积物、气体或水溶液无法电离的物质制作高效的生物友好型环保离子电池装置，更具体地，涉及一种仅在吸附室中反应生成沉淀物、气体或水溶液无法电离的物质的高效生物友好型环保反向电渗析电池装置。
背景技术
反向电渗析（Reverse Electrodilysis，RED）是一种利用两种不同浓度溶液之间所具有的化学势能直接转换为电能的技术，使用该技术的能量产生装置通过将高浓度盐水和低浓度盐水加入由阳离子交换膜和阴离子交换膜交替堆叠的电解池，以产生离子流以产生电能。
根据Nernst方程，离子的浓度梯度引起的最大开路电压满足单价离子的下式。
电压与离子交换膜的选择性系数（α），离子交换膜叠层的数量（N）以及高盐和低盐溶液中离子的活度系数比的对数值成正比。因此，为了保持电压恒定，通常通过泵供应高和低浓度盐溶液。如果不采用驱动泵，则存在随着时间的流逝电压迅速降低的问题，这是因为随着离子电流的流动，高浓度盐水和低浓度盐水的浓度比降低。
式中，RAEM、RCEM分别为阴阳离子交换膜电阻，Rr、Rs分别为稀浓溶液流道电阻，Rele为电极内阻，当N较大时电极内阻相对较小，可忽略不计。RAEM、RCEM标定电阻与膜类型和品牌有关，在实际使用时还与膜两侧溶液浓度有关，同时离子交换膜上结垢行为导致离子交换膜的面电阻增加, 降低电流效率。
在使用RED发电的情况下，会使用大量的高浓度溶液（海水）和淡水。因此，取水设施，预处理设施和储存设施（溶液储存罐）等基础设施应运而生。另外，由于传统的RED交替地向每个单元供应高浓度溶液（海水）和淡水，因此它们各自需要泵，流量计，传导仪和压力计，其结构复杂。因此，传统的RED装置具有安装规模大的缺点，并且在制造小型或便携式发电装置方面具有局限性。
对紧急电源的需求不断增加，例如各种户外活动，如露营，士兵的户外训练或遇险事故的发生。因此，对于能够紧凑地携带并且具有高发电效率的发电装置的需求不断增长。
发明内容
根据以上背景技术，本发明的目的是构建一种高效环保型生物相容性离子电池装置，通过使反向电渗析电池中相邻高浓度盐室内两种不同固体盐溶液离子通过离子交换膜后进入相邻吸附室内发生反应，结合成难电离的物质——沉淀、气体、弱电解质、非电解质或水溶液不能电离的物质，使高浓度盐溶液室与吸附室内溶液的浓度比尽可能的保持在较高水平，最终形成的离子电池的电压能够在较长时间内保持在一个相对较高的水平，提高离子电池中反应物的利用度。所述离子电池采用的固体盐均为环保型材料，不会对生态环境造成影响。采用所述离子电池作为电源的电子设备具有良好的生物相容性，能够用于穿戴式设备和医疗装置中，对小型化反向电渗析电池装置的实用化具有重要意义。
为实现上述目的以及其他相关目的，本发明一种高效环保型生物相容性离子电池装置，其特征在于，至少包括：阴、阳电极，阳离子交换膜和阴离子交换膜，固体盐室和吸附室；
1) 阳离子交换膜和阴离子交换膜在阴、阳电极之间交替排列，隔垫用于隔开阳离子交换膜和阴离子交换膜并构成溶液流道的。
2) 固体盐室和吸附室交替设置在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间。第一固体盐室和第二固体盐室被吸附室分隔开，分别放置在第一固体盐室内和第二固体盐室内的第一固体盐与第二固体盐，其中每种固体盐是水溶性的，添加溶剂后分别形成第一固体盐溶液和第二固体盐溶液，固体盐在溶液中分解成阳离子和阴离子。阳离子渗透通过阳离子交换膜，而阴离子渗透通过银离子交换膜。第一固体盐溶液中包括AM+和BÑ-两种离子，所述第二固体盐溶液包含Xq+和Yp-（其中，n，m，p和q各自是1、2、3、4……等自然数），AM+和Yp-或Xq+和Bñ-在所述相邻的吸附室内相遇后结合成难电离的物质——沉淀、气体、弱电解质、非电解质或水溶液不能电离的物质，使吸附室内的溶液中离子浓度降低，化学反应向着离子浓度降低的方向进行。
3) 吸附室内放置有吸附剂，能够吸附反应中产生的沉淀物，防止第一固体盐溶液与第二固体盐溶液的离子通过离子交换膜进入吸附室时发生反应生成的沉淀物堵塞离子交换膜。
4)激活所述离子电池装置之前，所述固体盐室和吸附室中都不存在液体或气溶胶，激活装置通过液体或气溶胶方式为所述离子电池装置供应溶剂或电解质。
5) 阳极代替设置在最外侧的阳离子交换膜，与通过所述阳离子交换膜而释放的阳离子电荷量一样多的电子通过阳极排放到溶液相。
6)阴极代替布置在最外侧的阴离子交换膜，与通过所述阴离子交换膜释放的阴离子电荷量一样多的电子从溶液相流入阴极。
可选的，所述第一固体盐可以是MnCl2、MnI2、Al2(C4H4O6)3、Fe2(C4H4O6)3、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3中的一种。
可选的，所述的第二固体盐可以是AgF、K2CO3和Na2CO3中的一种。
可选的，吸附室内的吸附剂为炭类吸附剂、腐殖酸类吸附剂、矿物吸附剂、高分子吸附剂、生物吸附剂或工业废物吸附剂中的一种或者几种的组合物。
根据本申请的一个实施方案，通过限制使用有毒盐，可提供一种高效环保型生物相容性反向电渗析离子电池装置，能够通过增加盐的选择性而连续地提供恒定的离子功率。所述离子电池装置可以广泛地应用于一次性便携式药物输送装置、生理数据监测传感器等穿戴式电子设备。
附图说明
图1是作为本申请的实施方式的离子电池装置的示意图。
图2是集成了激活装置的离子电池装置示意图
100：离子电池装置
110：阳极120：阴极；130：体盐室，130A 第一固体盐室；130B 第二固体盐室；140：吸附室；150：阳离子交换膜；160：阴离子交换膜；170：氧化通道；180：还原通道；190：吸附剂；210：激活装置；220：管道控制阀。
实施例
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在下文中，将参考附图详细描述高效环保型生物相容性离子电池装置。然而，附图是示例性的，使用本申请的范围不受附图限制。
如图1和图2所示，根据本申请的离子电池装置包括阳离子交换膜（150）。优选地，阳离子交换膜（150）由带负电的材料制成以选择性地透射阳离子。
根据本申请的离子电池装置包括阴离子交换膜（160）。优选地，阴离子交换膜（160）由带正电的材料制成以选择性地透射阴离子。
前述阳离子交换膜（150）以及阴离子交换膜（160）交替布置。阳离子交换膜（150）以及阴离子交换膜（160）中的每一个可以执行从固体盐室（130A）和（130B）到吸附室（140）的离子转移。离子交换膜之间的尺寸，厚度和间隔没有特别限制。
优选以液体或气溶胶的形式添加诸如水或低浓度电解质的溶剂，并且更优选地，以去离子水为溶剂注入固体盐室和吸附室，避免杂质离子对反向电渗析离子电池的污染。
实施例1、第一固体盐为MnCl2，第二固体盐为AgF，吸附剂为炭类吸附剂。
2AgF+MnCl2=AgCl(↓)+MnF2(↓)
实施例2、第一固体盐为Al2(C4H4O6)3，第二固体盐为AgF，吸附剂为矿物吸附剂。
6AgF+Al2(C4H4O6)3=3Ag2C4H4O6(↓)+2AlF3(↓)
实施例3、第一固体盐为Al2(SO4)3，第二固体盐为Na2CO3，吸附剂为高分子吸附剂。
Al2(SO4)3+3Na2CO3+3H2O=2Al(OH)3(↓)+3CO2(↑)+3Na2SO4
实施例4、第一固体盐为Fe2(SO4)3，第二固体盐为Na2CO3，吸附剂为炭类吸附剂。
Fe2(SO4)3+3Na2CO3+3H2O=2Fe(OH)3(↓)+3CO2(↑)+3Na2SO4。
Claims (7)
1.高效环保型生物相容性离子电池装置，其特征在于，所述离子电池装置包括阴、阳电极，在阴、阳电极之间交替排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜，以及为了隔开阳离子交换膜和阴离子交换膜并构成溶液流道的隔垫，固体盐室和吸附室交替设置在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间，并且第一固体盐室和第二固体盐室被吸附室分隔开，分别放置在第一固体盐室内和第二固体盐室内的第一固体盐与第二固体盐，水溶液混合后可发生反应，在水溶液中交换离子，结合成难电离的物质——沉淀、气体、弱电解质、非电解质或水溶液不能电离的物质，使溶液中离子浓度降低，化学反应向着离子浓度降低的方向进行。
2.根据权利要求1所述的离子电池装置，其中吸附室内放置有吸附剂，能够吸附反应中产生的沉淀物，防止第一固体盐溶液与第二固体盐溶液的离子通过离子交换膜进入吸附室时发生反应生成的沉淀物堵塞离子交换膜。
3.根据权利要求1所述的离子电池装置，其中第一固体盐室内与第二固体盐室内的盐形成溶液后，离子分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜进入相邻的吸附室，结合成难电离的物质——沉淀、气体、弱电解质、非电解质或水溶液不能电离的物质，使吸附室内溶液中离子浓度降低，保持固体盐室内的溶液离子浓度比吸附室内的溶液离子浓度高，驱动反向电渗析装置持续运行。
4.根据权利要求1或2所述的离子电池装置，所述的吸附室内放置有吸附剂，所述吸附剂为炭类吸附剂、腐殖酸类吸附剂、矿物吸附剂、高分子吸附剂、生物吸附剂或工业废物吸附剂中的一种或者几种的组合物。
5.根据权利要求1或2所述的方法，在驱动所述装置之前，所述固体盐室和吸附室中都不存在液体或气溶胶，所述驱动装置通过液体或气溶胶方式为所述离子电池装置供应溶剂或电解质。
6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：阳极，其代替设置在所述多个阳离子交换膜的最外侧的阳离子交换膜；反向电渗析电池装置，与通过所述阳离子交换膜而释放的阳离子电荷量一样多的电子通过阳极排放到溶液相。
7.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：阴极，其代替布置在所述多个阴离子交换膜的最外侧的阴离子交换膜，反向电渗析装置，其中，与通过所述阴离子交换膜释放的阴离子电荷量一样多的电子从溶液相流入阴极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200901 |
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