CN113929188A

CN113929188A - 电极结构、净化结构和电极制备方法

Info

Publication number: CN113929188A
Application number: CN202010605167.6A
Authority: CN
Inventors: 张艳鹤; 孟繁轲; 刘梦薇; 孙天厚
Original assignee: Midea Group Co Ltd; Foshan Shunde Midea Water Dispenser Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Midea Group Co Ltd; Foshan Shunde Midea Water Dispenser Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2022-01-14

Abstract

本发明提出了一种电极结构、净化结构和电极制备方法，其中，电极结构包括：集流体；活性涂层，设于集流体上，活性涂层设于集流体的一侧。通过本发明的技术方案，一方面可以防止集流体表面直接与水接触，发生水的分解化学反应，另一方面多孔成分可吸附一部分电解质，实现净水效果。

Description

电极结构、净化结构和电极制备方法

技术领域

本发明涉及净水领域，具体而言，涉及一种电极结构、一种净化结构和一种电极制备方法。

背景技术

家用净水器一般采用活性炭或是外置过滤器来实现水中杂质的去除，然而在实际生活中，活性炭和过滤器均属于耗材类，用户常常由于需要更换耗材而不得不额外支出，影响产品的使用，现有技术中，通常使用电渗析技术对水进行净化，一般的，电渗析结构中电极的电容量存在一定的限定，故而会对净化效果产生一定的影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种电极结构。

本发明的另一个目的在于提供一种净化结构。

本发明的另一个目的在于提供一种电极制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种电极结构，包括：集流体；活性涂层，设于集流体上，活性涂层设于集流体的一侧。

根据本发明的第一方面技术方案提出的电极结构，包括集流体以及设有集流体上的活性涂层，由于活性涂层的电容量较高，在应用到电渗析技术中作为电极使用时，可提升电渗析膜堆整体的耐受电压，可增加在有限空间内的离子膜的对数，更利于提升净水效果。此外由于活性涂层自身的多孔的特性，一方面可以防止集流体表面直接与水接触，发生水的分解化学反应，另一方面多孔成分可吸附一部分电解质，实现净水效果。

其中，活性涂层可根据实际使用需求设于集流体的一侧，也可设于集流体的两侧，可以理解，设有活性涂层的部分需至少包括集流体的工作面。

或者，活性涂层可设于集流体一侧的周部。

当然，对于活性涂层未完全覆盖于集流体的全部外表面时，未设置活性涂层的部分会形成暴露区域，一般的，在使用时，可减少暴露区域进入需利用电极的环境中，为提高电极的功能性，可在暴露区域上设置连接件以便于固定或拆卸。

进一步地，集流体的形状包括但不限于圆柱形、板形、长条形等。

在上述技术方案中，还包括：金属涂层，设于集流体的表面。

在该技术方案中，通过在集流体的表面设置金属涂层，可增强活性涂层与集流体的亲和性和导电性，以提高电极整体的电容量。

在上述技术方案中，活性涂层具体包括：活性炭、导电剂和粘合剂，其中，活性炭的质量比例为80％～90％，导电剂的质量比例为5％～10％，粘合剂的质量比例为5％～10％。

在该技术方案中，活性涂层包括活性炭、导电剂和粘合剂，通过将三者按照一定比例混合，可有效提高电容量，从而便于在使用时施加更大的电压，应用在电渗析膜堆中时的可进一步提升净化效果。

其中，活性炭、导电剂和粘合剂的混合比例关系为(80～90):(5～10):(5～10)，可以理解，三者的混合比例总和为100％。

进一步地，三者的混合比例为8：1：1，最大程度提升电容量。

在上述技术方案中，活性涂层的厚度与集流体的厚度的比例为0.02～0.4。

在该技术方案中，通过限定活性涂层和集流体的厚度比例，以满足电极的正常使用，可以理解，由于活性涂层自身的多孔的特性，一方面可以防止集流体表面发生水的分解化学反应，另一方面可以吸附水中电解质，与集流体配合实现辅助作用，然而活性涂层的厚度不宜过厚也不宜过薄，过厚则会影响集流体在使用过程中的导电性，过薄则会影响自身保护集流体以及吸附水中电解质的作用，通过将活性涂层和集流体的厚度比例限定为0.02～0.4，可较好的兼顾两个方面，利于使用。

在上述技术方案中，活性涂层的厚度为20微米～500微米，集流体的厚度为50微米～1000微米。

在该技术方案中，通过分别限定活性涂层的厚度以及集流体的厚度，在将活性涂层设于集流体上时，可根据实际使用场景，例如两个电极之间的间距，以及需要承担的电压量，调整活性涂层和集流体的厚度，提高对于不同场景下电极的适用性。

在上述技术方案中，还包括：电极槽，电极槽的一端开口，集流体设于电极槽内，电极槽远离开口的一侧的内壁设有第一卡接部，集流体的外壁设有第二卡接部，通过第一卡接部与第二卡接部的配合实现电极与电极槽的可拆卸连接。

在该技术方案中，通过设置第一卡接部和第二卡接部，可实现电极经开口插入电极槽后的固定，具体地，第一卡接部设于电极槽远离开口的一侧的内壁，第二卡接部设于集流体的外壁，在二者的共同作用下，以减少发生电极在运行过程中滑落，从而无法提供电场实现电渗析的可能性，保证工作过程的稳定。

需要说明的，第一卡接部设于电极槽远离开口的一侧的内壁，在电极槽上侧开口时，第一卡接部设于电极槽的下侧内壁上，在电极槽右侧开口时，第一卡接部设于电极槽的左侧内壁上。

在上述技术方案中，还包括：集流体远离第二卡接部的一端设有电线；和/或电极结构还包括分别设于第一卡接部和第二卡接部上的第一电接触点和第二电接触点，第一电接触点与第二电接触点相连后形成通路。

在该技术方案中，由于电极需要通电才可正常使用，故而可在集流体远离第二卡接部的一端设置电线，即在电极插入电极槽时，靠近开口的一端设置电线，以利于电线的引出以及与外界电源的连接，或者，通过分别设于第一卡接部和第二卡接部的电接触点实现电连接，从而使得电极可从膜堆上获取电能，以实现电场的正常生成。

本发明第二方面的技术方案提出了一种净化结构，包括：膜组件结构，膜组件结构内形成至少一个第一处理室和至少一个第二处理室；电极组，包括两个上述第一方面技术方案的电极结构，两个电极结构的极性相异，两个电极结构分别设于膜组件结构的两侧。

根据本发明第二方面技术方案提出的净化结构，包括膜组件结构和电极组，包括膜组件结构和电极组，具体地，膜组件结构内可形成用于容纳水的第一处理室和第二处理室，电极组则包括两个极性不同的电极结构，一般的，两个电极结构分别为阳极和阴极，通过将两个电极结构分别设于膜组件结构的两侧，可在通电时形成笼罩膜组件结构的电场，又由于膜组件结构内可形成多个第一处理室和多个第二处理室，在电场的作用下，在第一处理室和第二处理室内可形成离子浓度不同的流体，从而对水产生净化，即流体在分别流经第一处理室和第二处理室时，在电场的作用下驱动流体内部的阴阳离子发生移动，以达到浓淡水分离的效果，可以理解，离子浓度较低的流体即为对水进行净化后形成的淡水。

进一步地，第一处理室和第二处理室可作为倒极电渗析膜堆的主要处理模块，其内部的流体的离子能够在电场作用下相互渗透，第一处理室内存储淡水时，第二处理室内存储浓水，或是第二处理室内存储淡水时，第一处理室内存储浓水。

在上述技术方案中，膜组件结构包括多个离子交换膜，多个离子交换膜之间形成间隔设置的第一处理室和第二处理室。

在该技术方案中，通过限定膜组件结构包括多个可形成间隔的第一处理室和第二处理室的离子交换膜，在电极组的作用下可对离子交换膜生成电场以在每个离子交换膜的作用下可选择性的透过离子，例如选择性透过阴离子，或是选择性透过阳离子，在多个离子交换膜的作用下，更利于对流入净水结构的水予以电渗析净化以及对电极电压发生转变时的倒极。

本发明第三方面的技术方案提出了一种电极制备方法，包括：将活性炭、导电剂和粘合剂按照质量比例混合形成活性涂层；将活性涂层涂覆集流体上，并进行压片处理；对压片处理后的集流体进行干燥处理，以形成电极结构，其中，质量比例为(80～90):(5～10):(5～10)。

根据本发明第三方面提出的电极制备方法，在制备电极时，现将活性炭、导电剂和粘合剂按照(80～90):(5～10):(5～10)的比例现进行混合，形成活性涂层，再将涂覆有上述活性涂层的集流体进行压片处理，以加固活性涂层与集流体之间的连接，最后通过对压片处理后的集流体进行干燥，最终可形成电极结构。

在上述技术方案中，对压片处理后的集流体进行干燥处理，具体包括：对压片处理后的集流体以200℃进行真空干燥；或对压片处理后的集流体以200℃进行常压烘干。

在该技术方案中，在对集流体进行压片后，实施干燥工序时，可根据现有设备的不同选择进行真空干燥或是常压烘干，真空干燥时，可将压片处理后的集流体置于真空负压条件下，在200℃的温度下将水分蒸发，以实现真空干燥，而在常压烘干时，则可降低烘干环境需求，便于烘干工序的进行。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的电极结构的结构示意图；

图2示出了根据本发明的又一个实施例的电极结构的结构示意图；

图3示出了根据本发明的又一个实施例的电极结构的结构示意图；

图4示出了根据本发明的又一个实施例的电极结构的结构示意图；

图5示出了根据本发明的又一个实施例的电极结构的结构示意图；

图6示出了根据本发明的又一个实施例的净化结构的结构示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的电极制备方法的流程示意图。

其中，上述附图中标记与结构的对应关系如下：

10电极结构，102集流体，104活性涂层，106金属涂层，108电极槽，110第一处理室，112第二处理室，114离子交换膜，202电线，206第一卡接部，208第二卡接部，210第一电接触点，212第二电接触点。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图7描述根据本发明的一些实施例。

实施例一

如图1所示，根据本发明的一个实施例的电极结构10，包括集流体102和全部覆盖在集流体102外表面的活性涂层104，其中，集流体102可以选择性能稳定的金属钛片、碳毡布、或石墨纸材料，活性涂层104可以由活性炭、导电剂、粘合剂混合形成，而三者的质量比例分别为：活性炭的质量比例为80％～90％，导电剂的质量比例为5％～10％，粘合剂的质量比例为5％～10％。

其中，导电剂可以为炭黑材料，粘合剂可以为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

进一步地，活性炭、导电剂和粘合剂的质量比例为：8：1：1。

其中，集流体102的表面较为平滑，便于活性涂层104的贴覆。

活性涂层104的厚度为20微米～500微米，进一步地，可以为20微米～100微米。

集流体102的厚度为50微米～1000微米，进一步地，可以为50微米～500微米。

进一步地，如图2所示，在集流体的表面与活性涂层104之间设置金属涂层106。

实施例二

如图3所示，根据本发明的一个实施例的电极结构10，包括集流体102和仅覆盖于集流体102的一端的活性涂层104，其中，集流体102可以选择性能稳定的金属钛片、碳毡布、或石墨纸材料，活性涂层104可以由活性炭、导电剂、粘合剂混合形成，而三者的质量比例分别为：活性炭的质量比例为80％～90％，导电剂的质量比例为5％～10％，粘合剂的质量比例为5％～10％。

其中，集流体102的表面较为平滑，便于活性涂层104的贴覆。

此外，在集流体102外还设有一端开口的电极槽108，同时，为实现电极经开口插入电极槽108后的固定，还设置第一卡接部206和第二卡接部208，进一步地，第一卡接部206设于电极槽108远离开口的一侧的内壁，第二卡接部208设于集流体102的外壁。

如图3所示，集流体102远离活性涂层104的一端设有电线202，以便于通过电线202对集流体102施加电压。

实施例三

根据本发明的一个实施例的电极结构10，包括集流体102和仅覆盖于集流体102的一端的活性涂层104，其中，集流体102可以选择性能稳定的金属钛片、碳毡布、或石墨纸材料，活性涂层104可以由活性炭、导电剂、粘合剂混合形成，而三者的质量比例分别为：活性炭的质量比例为80％～90％，导电剂的质量比例为5％～10％，粘合剂的质量比例为5％～10％。

其中，集流体102的表面较为平滑，便于活性涂层104的贴覆。

此外，如图4所示，在集流体102外还设有一端开口的电极槽108，同时，为实现电极经开口插入电极槽108后的固定，还设置第一卡接部206和第二卡接部208，进一步地，第一卡接部206设于电极槽108远离开口的一侧的内壁，第二卡接部208设于集流体102的外壁。

其中，如图5所示，在第一卡接部206和第二卡接部208上还设有第一电接触点210和第二电接触点212，第一电接触点210与第二电接触点212相连后形成通路。

实施例四

如图6所示，根据本发明的一个实施例的净水结构，包括形成电渗析膜堆的膜组件结构以及电极组，膜组件结构包括多个离子交换膜114，以及通过多个离子交换膜114形成的第一处理室110和第二处理室112，电极组包括分别设于膜组件结构两侧的电极结构10，两个电极之间可形成电场，而每个离子交换膜114的至少部分设于上述形成的电场中，以利于电渗析的进行。

实施例四

如图7所示，根据本发明的一个实施例的电极制备方法，包括步骤S102，将活性炭、导电剂和粘合剂按照质量比例混合形成活性涂层；步骤S104，将活性涂层涂覆集流体上，并进行压片处理；步骤S106，对压片处理后的集流体进行干燥处理，以形成电极结构。

更进一步地，在干燥处理时，具体可以对压片处理后的集流体以200℃进行真空干燥；或对压片处理后的集流体以200℃进行常压烘干。

实施例五

如图5所示，本发明提供了一个具体的电极为表面多孔的平面电极，电极导线与外接电路相连。电极横截面结构如图1所示，包含多孔的活性炭涂层(即活性涂层104)和平滑的集流体102。活性炭涂层厚度在20～500μm，集流体102厚度为50～1000μm，本发明中，活性炭涂层厚度为200μm左右，集流体102厚度为500μm。

电极制备过程为混合-涂覆-压片-干燥，混合过程为将活性炭、导电剂、粘合剂按照一定比例混合均匀，其中活性炭质量比例为80％～90％，导电剂为炭黑材料，质量比例为5％～10％，粘合剂为聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)，质量比例为5％～10％，进一步地，活性炭：导电剂：粘合剂为8:1:1；将以上混合物均匀涂覆到钛基底上，并进行压片，之后进行干燥，干燥过程使用低温真空干燥或常压烘箱烘干，烘干温度为200℃左右。

集流体102为性能稳定的金属钛片、或碳毡布、或石墨纸材料，为增加活性炭与基底材料的亲和性及导电性，可在钛片或碳毡或石墨纸材料表面做一些活化或修饰，如图2所示，喷涂金属涂层106等。

其中，在使用上述电极以及纯钛电极形成电渗析膜堆时，纯钛电极表面含有钌铱涂层，在进水TDS(即Total Dissolved solid，溶解性固体总量)为500ppm时，保持脱盐率为75％，淡水回收率为80％时，膜堆可连续处理淡水量为1500L，之后发生脱盐率衰减。若是将钌铱涂层的钛电极更换为上述实施例的电极，保持进水TDS为500ppm，脱盐率为75％，淡水回收率为80％，膜堆可连续处理淡水水量为3000L，高于钛电极。导电过程中钛电极表面发生氧化还原反应，阳极反应产生Cl₂或O₂，阴极反应产生H₂以及OH^-，导致水中pH升高，促进结垢产生。而活性炭电极由于发生表面吸附及双电层效应，减少电极反应，从而降低结垢风险。

此外，在将活性炭电极用于频繁倒极电渗析膜堆中，并将其与钛钌铱电极进行对比，在保证膜对数是20，分段数为4段，流道长度为16cm，外加电压为24V，保持进水TDS为500ppm，钛钌铱电极对应的膜堆脱盐率为75％，而活性炭电极对应的膜堆脱盐率为85％。

综上，根据本发明提出的电极结构、净化结构和电极制备方法，一方面可以防止集流体表面直接与水接触，发生水的分解化学反应，另一方面多孔成分可吸附一部分电解质，实现净水效果。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电极结构，其特征在于，包括：

集流体；

活性涂层，设于所述集流体上，所述活性涂层设于所述集流体的一侧。

2.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，还包括：

金属涂层，设于所述集流体的表面。

3.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，所述活性涂层具体包括：

活性炭、导电剂和粘合剂，

其中，所述活性炭的质量比例为80％～90％，所述导电剂的质量比例为5％～10％，所述粘合剂的质量比例为5％～10％。

4.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，

所述活性涂层的厚度与所述集流体的厚度的比例为0.02～0.4。

5.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于，

所述活性涂层的厚度为20微米～500微米，所述集流体的厚度为50微米～1000微米。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电极结构，其特征在于，还包括：

电极槽，所述电极槽的一端开口，所述集流体设于所述电极槽内，所述电极槽远离开口的一侧的内壁设有第一卡接部，所述集流体的外壁设有第二卡接部，通过所述第一卡接部与所述第二卡接部的配合实现所述电极与所述电极槽的可拆卸连接。

7.根据权利要求6所述的电极结构，其特征在于，

所述集流体远离所述第二卡接部的一端设有电线；和/或

电极结构还包括分别设于所述第一卡接部和所述第二卡接部上的第一电接触点和第二电接触点，所述第一电接触点与所述第二电接触点相连后形成通路。

8.一种净化结构，其特征在于，包括：

膜组件结构，所述膜组件结构内形成至少一个第一处理室和至少一个第二处理室；

电极组，包括两个如权利要求1至7中任一项所述的电极结构，两个所述电极结构的极性相异，两个所述电极结构分别设于所述膜组件结构的两侧。

9.根据权利要求8所述的净化结构，其特征在于，所述膜组件结构包括多个离子交换膜，多个所述离子交换膜之间形成间隔设置的所述第一处理室和所述第二处理室。

10.一种电极制备方法，用于制备如权利要求1至7中任一项所述的电极结构，其特征在于，所述电极制备方法包括：

将活性炭、导电剂和粘合剂按照质量比例混合形成活性涂层；

将所述活性涂层涂覆集流体上，并进行压片处理；

对压片处理后的集流体进行干燥处理，以形成所述电极结构，

其中，质量比例为(80～90):(5～10):(5～10)。

11.根据权利要求10所述的电极制备方法，其特征在于，所述对压片处理后的集流体进行干燥处理，具体包括：

对压片处理后的集流体以200℃进行真空干燥；或

对压片处理后的集流体以200℃进行常压烘干。