CN113544096A - 用于产生非均匀电场以去除流体中极化分子的电极装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电极装置(21)和去除流体中极化分子的方法。在另一方面，在阳极(43、105)和阴极(41、107)之间产生非均匀电场，流体在阴极和阳极之间的间隙(45、135)内流动，并且极化分子被静电力驱动至并吸附在阳极上，而不会发生化学反应。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月20日提交的美国临时申请号62/807,797的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
政府权利
本发明是在国家科学基金会授予的1700785、1700787和1724941的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
背景技术和概要
全氟和多氟烷基物质(“PFAS”)是一类人造化学品，它们在环境和人体中非常持久，可能对人类健康造成不利影响。PFAS分子通常被用作防污剂和消防泡沫，它们通过用于制造含氟化学品的工业过程排放到空气和水中。PFAS分子还通过废物和污水污泥的处理，以及由于消防用途进入地下水和地表水。
美国专利公开号2018/0222781的名称为“利用多孔碳电极净化水”，由Liu等人发表于2018年8月9日。该专利公开文本通过引用并入本文。该设备利用电解化学反应过程，通过在平行电极之间流动的电流将污染物分解成小而稳定的分子。
本发明提供一种去除流体中极化分子的电极装置和方法。在另一方面，向位于流体中的阳极施加电势，流体在阳极和周围的阴极之间的间隙内流动，并且在阳极和阴极之间产生非均匀电场。进一步导致液态或气态流体中的极化分子向阳极移动。在另一方面，导电多孔材料为阳极并且被接地的阴极周向环绕，流体在其间流动，并且流体中的极化分子(例如PFAS或其他分子)被驱动靠近阳极，不会在阳极和阴极之间引发电流流动，和/或，不会与极化分子发生化学反应。在另一方面，阳极由多孔金属和/或多孔活性炭制成。
此外，另一方面包括一种用于制造阳极的方法，其包括制造金属箔片(可以是多孔金属泡沫)，将活性炭层附着到所述箔片上，并将所述箔片和活性炭卷绕或弯曲成大致的圆柱形。该方法可以进一步包括在箔片/碳阳极和周围的阴极之间施加电场，在阳极和阴极之间使液体或气态流体流动，通过电将极化分子拉向阳极，而不引起电流流动。本装置和方法的另一方面包括连接到阳极和阴极的饮用水水龙头。然而，本装置和方法的另一方面是使用阳极和阴极作为工业水流体处理管道系统的一部分。附加的优点和特征将结合附图在以下描述和所附的权利要求中披露。
附图简要说明
图1是采用本电极装置的工业水处理装置的示意图；
图2是沿图1中的线2-2截取的纵向截面图，显示本电极装置；
图3是图2的本电极装置的示意图；
图4是沿图3中的线4-4截取的横截面图，显示本电极装置；
图5是与本电极装置一起使用的极化PFAS分子的模型；
图6是采用本电极装置的饮用水水龙头装置的透视图；
图7是沿图6中的线7-7截取的纵向截面图，显示本电极装置；
图8是制造用于本电极装置的阳极的第一制造工序的一系列透视图；
图9是沿图8中的线9-9截取的横截面图，显示本电极装置中使用的阳极；
图10是制造本电极装置的阳极的第二制造工序的一系列透视图；
图11是沿图10中的线11-11截取的横截面图，显示本电极装置的阳极；
图12是制造本电极装置的阳极的第三制造工序的一系列透视图；
图13是沿图12中的线13-13截取的横截面图，显示本电极装置的阳极；
图14是本电极装置的阳极中使用的生物炭的Zeta电位图。
详细说明
图1-4所示为工业水处理系统23中使用的电极装置21的第一优选实施例。水处理系统23包括一污水蓄水池或水箱25、一接受或储存净化水的蓄水池或储槽27，以及一个或多个电极型沉淀器或处理单元31和33。打开处理单元31的阀门37，以允许污水35在水箱之间流动，同时可以选择地关闭处理单元33的阀门39，以停止其中的流体流动；反之亦然，例如，如果其中的阳极需要清洁和/或更换。此外，水泵、传感器、管道和其他管道组件可以被用来使水35从水箱25流过处理单元31和/或33，并流到水箱27。
更具体地，每个沉淀器和处理单元31和33包括一纵向细长的且基本上是圆柱形的阴极电极41，其同心地围绕位于其内部的一基本上是圆柱形的且纵向细长的阳极电极43。在阳极的外径周围和阴极41的内径表面之间，圆柱形间隙45同心地围绕阳极43，使得阴极和阳极彼此间隔开，以允许水35在间隙45中纵向流动。阳极的外径优选地小于阴极内径的一半，尽管这种关系可以针对不同用途而变化。
阳极43优选地是具有多孔结构的、导电且耐腐蚀的棒材料47。阳极43可以是金属，例如铜、不锈钢、镍或其合金。或者，阳极43由金属芯47组成，其外部有一层活性碳49。活性炭49优选地按照以下公开的内容处理：本发明共同发明人之一Qi Hua Fan于2018年7月26日公开的题为“用于材料加工的磁场增强等离子体”的PCT国际专利公开号WO2018/136502，和，共同发明人Qi Hua Fan于2017年9月5日发布的题为“生物炭材料的等离子体活化方法”的美国专利号9,754,733，两者均通过引用并入本文。活性炭层49的厚度至少为1微米，表面积优选地大于600m2/g。对于PFAS吸附，优选使用具有相对正表面电位的等离子体活性炭。此外，阴极41是导电的、耐腐蚀的管状金属材料，优选为铜，但交替地为不锈钢、镍或其合金。
电路51将直流电源53电连接到阳极43的端部55以为其提供正直流电压。电压范围优选地为1-100伏，更优选地为3-40伏，但更高的电压可用于其他流体。另一个电路57将阴极41的一端电连接到地电位59。由于电极的非对称性，例如较小的阳极43外径和较大的阴极41内径之间的流体暴露表面积大小的差异，在间隙45内会产生非均匀电场。尽管在阳极43和阴极41之间存在电势差，但是，在这些电极之间基本上没有电流流动，因为间隙45内的淡水是不良电导体，本质上充当绝缘体，因此基本上没有电流在这些电极之间流动。没有与PFAS传输相对应的电流流动。因此，假设水中除了要去除的极化污染物之外没有杂质，那么在水中的电极之间就不会有电流。
从图2中可以最好地观察到，电连接器71将阳极43的相关端部55保持在端部配件73内。在本实施例中，端部配件73与T形管接头75螺纹连接。此外，中间配件77将阴极41的相关端部79螺纹连接到管接头75。额外的管道或污水供应管道81经由另一个配件83连接到管接头75。在处理单元31的相对端提供类似的布置。应该理解的是，阴极和阳极的纵向长度和横向直径、以及它们之间间隙的流通面积，大小要与流体流速、要去除的极化分子污染物的浓度和使用的阳极的吸附能力相匹配。无论如何，预期阳极43的纵向长度将是其外径的至少十倍并且更优选地是至少二十倍。
参考图4和图5，通过本电极装置和方法去除的污染物是极化分子91，优选地为至少由碳和氟原子组成的PFAS分子。E表示阳极43和阴极41之间的非均匀电场，其将极化分子91驱动或拉向阳极43，然后被吸附到多孔阳极中。值得注意的是，分子91没有发生化学反应或电解，因为在电极之间没有或最小的电流流动。因此，当水流过阳极时，阳极用于从水中去除极化分子污染物。从流动的饮用水中去除这些极化分子不需要额外的过滤或化学反应。富含污染物的阳极将被定期地移除并更换或清洁。
或者，预期通过使用本电极装置和方法可以去除除了PFAS之外的极化分子。此外，极化分子可以交替地从其他液态和气体流体中去除，例如在燃烧烟囱或排气管内。其他极化分子污染物包括苯、二氧化碳、二氧化硫等。
图6和图7说明了本电极装置和方法的典型的第二优选实施例的住宅实施例。住宅饮用水水龙头101包括与其远端相邻的适配器103。适配器103采用阳极电极105和同心环绕的阴极电极107，两者都是纵向细长的。螺纹连接件109将阴极107的近端可拆卸地连接到水龙头101的出口管路111上。此外，一对聚合物绝缘体131和133将阳极105安装并绝缘在阴极内，同时在阳极105和阴极107分别的外接触表面和内表面之间留有一水流间隙135。还提供了一聚合物盖板137，用于将绝缘体131保护在阴极107的阶梯槽139内。盖板137可以通过螺纹、粘合剂或干涉压配合附接到阴极的内部。盖板137包括多个纵向开孔141，绝缘体131还包括多个对齐且纵向可进入的孔143，并且阴极107的远端还包括纵向可进入的孔145，以允许饮用水从中流过。电池电源147电连接到阳极105上，并且可以保持在绝缘体131和盖板137之间，或者保持在具有电线或冲压电路的远处不同位置，以向阳极105的一端提供电压。还采用了O形环149以密封各个组件。阳极和阴极的运行基本上与先前的用于从饮用水中去除极化分子污染物并将它们吸附到阳极上的工业配置相同。
图8和图9所示为本发明阳极43的第一制造工序和结构。等离子体活性炭49包括粘合剂材料，并被压制和加热，以形成单一和均匀的实心棒，其中活性炭和粘合剂组合物从端到端均匀地分布在整个横截面区域。图10和11所示为阳极143的另一种工序和结构，其中与粘合剂材料混合的活性炭层49被涂覆或以其他方式固定到导电且耐腐蚀金属棒153的外径表面151，例如铜、不锈钢、镍或及其合金，其具有基本上是圆柱形且纵向细长的形状。优选地，阳极143的涂覆棒组件仅涂覆在棒151的中间区域155，使得端部157上没有活性炭49。这有利于未涂覆的端部部分157更容易且更有效地电连接到电连接器。
从图12和13可以观察到阳极243的第三制造工序和结构。首先，提供泡沫金属薄片或箔171。泡沫箔171优选为表面密度约为346g/m2、孔隙率大于或等于95％、每英寸80-110个孔，平均孔直径约为0.25mn的镍泡沫。这种镍泡沫箔可以从MTI公司获得。但是，应当理解，也可以采用其他金属泡沫，或不太优选地采用非泡沫金属薄片。
然后将活性炭材料，优选与粘合剂混合的活性炭材料，以大体上平坦的状态沉积、涂覆或以其他方式附着在金属泡沫箔171的多孔外表面。在一个实施例中，将活性炭49混合成浆状并压入处于扁平状态的金属泡沫箔171的开孔中。然后将组装好的活性炭浆料和泡沫在大约60-100℃下加热至干燥。示例性的粘合剂可以是纤维素类型。随后，箔和活性炭组件被盘绕、卷起或弯曲成具有中空中心173的圆柱形状，其边缘接缝175连接在一起，以形成完整的横截面圆。可选地，端盖177紧固在盘绕阳极243的两个相对端，以防止流体流过中空中心173。这些阳极构造43、143和243中的任一个可以互换地用于本文公开的任何工业或住宅装置中。
图14说明了活性炭的zeta电位。可以在碳的等离子体活化中使用不同的等离子体气体前体，例如CH4、O2H2和N2，以有效地调节活性炭的表面电势并促进污染物分子的吸收。这允许调节或改变活性炭的表面区域电势，因此它可以针对特定污染物材料进行定制以最有效地被吸收。在本实施例中，在等离子体活化过程中使用H2最适合于将PFAS吸附到本装置中的阳极中。
虽然已经公开了各种实施例，但是应当理解，还可以预期所述电极装置和方法的附加变化。例如，可以使用额外的或不同的硬件组件，尽管目前的某些优点可能无法完全实现。也可以使用由多孔金属或其他导电材料制成的阳极。虽然已经公开了某些电极和管道的形状，但是应当理解，可以使用替代形状(例如，八角形、椭圆形或其他产生非均匀电场的横截面形状)，尽管目前的某些优点可能无法完全实现。同样值得注意的是，任何前述特征都可以与任何其他特征互换和组合。因此，任何和/或所有从属权利要求可以从属于它们的所有先前权利要求并且可以以任何组合结合在一起。变更不应视为对本发明的背离，所有此类修改均应包含在本发明的范围和实质之内。
Claims (32)
1.一种去除流体中极化分子的方法，所述方法包括：
(a)在阳极和阴极之间提供电压；
(b)在所述阳极和所述阴极之间产生非均匀电场；
(c)在所述阴极和所述阳极之间的间隙内使所述流体流动；
(d)在步骤(b)的帮助下，使所述流体中的极化分子移动到所述阳极，而不引起相应的电流流动；和
(e)在所述阳极上捕获所述极化分子。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体为气体，所述阳极包括导电多孔材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体为液体，所述阳极包括导电多孔材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极周向围绕所述阳极，当从所述流体中去除所述极化分子时，不会与所述极化分子发生化学反应。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述流体流动包括使饮用水流动通过连接到水龙头的所述阴极和所述阳极之间的间隙。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体流动通过所述阳极和所述阴极连接到的工业水处理管道系统，所述系统包括污水蓄水池、电极型沉淀器、水泵、传感器和管道。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述阴极为纵向细长的并且基本上为圆柱形的；
所述间隙为圆柱形的并且围绕所述阳极；和
所述阳极的外径小于所述阴极内径的一半，其间具有所述间隙。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述阳极和所述阴极之间产生电势差；和
去除所述分子包括通过将PFAS分子驱动或拉向所述阳极，从而从所述流体中去除所述PFAS分子，无需额外过滤。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述阳极和所述阴极之间产生电势差；和
去除所述分子包括通过将所述分子驱动或拉向所述阳极，从而从所述流体中去除苯、二氧化碳或二氧化硫中的至少一种，无需额外过滤。
10.如权利要求1所述的方法，还包括从电池向所述阳极供电。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极包括在实心棒上的等离子体活性炭。
12.一种去除流体中极化分子的方法，所述方法包括：
(a)在阳极和阴极之间提供电压，所述阳极包括(i)导电多孔材料或(ii)等离子体活性炭中的至少一种；
(b)在所述阳极和所述阴极之间产生电势差；
(c)在所述阴极和所述阳极之间的间隙内使所述流体流动；和
(d)在步骤(b)的帮助下，使所述流体中的极化分子移动到所述阳极，而不引起相应的电流流动，也不引起所述分子中的化学反应。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述流体为气体，所述阳极包括所述导电多孔材料。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述流体为液体，所述阳极包括所述导电多孔材料。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述使所述流体流动包括使饮用水流动通过连接到水龙头的所述阴极和所述阳极之间的间隙。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述流体流动通过所述阳极和所述阴极连接到的工业水处理管道系统，所述系统包括污水蓄水池、电极型沉淀器、水泵、传感器和管道。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于：
所述阴极为纵向细长的并且基本上为圆柱形的；
所述间隙为圆柱形的并且围绕所述阳极；和
所述阳极的外径小于所述阴极内径的一半，其间具有所述间隙。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括去除所述分子包括通过将PFAS分子驱动或拉向所述阳极，从而从所述流体中去除所述PFAS分子，无需额外过滤。
19.如权利要求12所述的方法，还包括从电池向所述阳极供电。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述阳极包括在实心棒上的等离子体活性炭。
21.一种制造电极装置的方法，所述方法包括：
(a)将细长的阳极制成棒，其包括(i)等离子体活性炭或(ii)导电多孔金属中的至少一种；
(b)用阴极围绕所述阳极的圆周；
(c)将所述阳极和所述阴极连接到流体流动导管；和
(d)将电路连接到所述阳极和所述阴极，使之在所述阳极和所述阴极之间产生电势差和非均匀电场，以从可操作地在所述阳极和所述阴极之间通过的流体中去除污染物。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述阳极包括等离子体活性炭，所述污染物包括PFAS。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述阳极包括导电多孔金属，所述污染物包括PFAS。
24.如权利要求21所述的方法，还包括：
将所述导管连接到饮用水水龙头；和
将电池连接到所述电路。
25.一种电极装置，包括：
(a)包括(i)等离子体活性炭或(ii)导电多孔金属中的至少一种的细长的阳极；
(b)同轴地位于所述阳极的外表面的阴极，以允许流体在其间流动；和
(c)连接到所述阳极和所述阴极的电路，以在所述阳极和所述阴极之间产生(i)非均匀电场或(ii)电势差中的至少一种。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述阳极包括等离子体活性炭，所述污染物包括PFAS。
27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述阳极包括导电多孔金属，所述污染物包括PFAS。
28.如权利要求25所述的装置，还包括：
连接到所述阳极和所述阴极的饮用水水龙头；和
连接到所述电路的电池。
29.如权利要求25所述的装置，其特征在于，
所述阴极为纵向细长的并且基本上为圆柱形的；
所述间隙为圆柱形的并且围绕所述阳极；和
所述阳极的外径小于所述阴极内径的一半，其间具有所述间隙。
30.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述阳极和所述阴极可用于从流动通过所述间隙的所述流体中去除(a)PFAS、(b)苯、(c)二氧化碳或(d)二氧化硫中的至少一种，而不会在阳极和阴极之间产生电流流动，也不会引起化学反应。
31.如权利要求25所述的装置，还包括烟囱或排气管，所述阳极和所述阴极连接到所述烟囱或所述排气管。
32.如权利要求25所述的装置，还包括所述阳极和所述阴极连接到的工业水处理系统，所述系统包括泵、传感器、蓄水池和阀门。
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