CN115028242A - 一种实现粒子约束的电化学组件、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现粒子约束的电化学组件、装置及方法，属于电化学技术领域。它包括第一电极腔室，其包含第一集电极，并填充有电活性材料；第二电极腔室，其包含第二集电极并填充有电活性材料；设置于所述第一电极腔室与所述第二电极腔室之间的流体通道；所述第一电极腔室和流体通道之间通过隔离体连通；所述第二电极腔室和流体通道之间通过隔离体连通；所述第一电极腔室与第二电极腔室之间相互连通，以便实现电极液在第一电极腔室、第二电极腔室内的循环流动。

Description

一种实现粒子约束的电化学组件、装置及方法

技术领域

本发明属于电化学装置领域，更具体地说，涉及一种实现粒子约束的电化学组件、含有该电化学组件的电化学装置及应用所述电化学组件或者方法进行粒子约束的方法。

背景技术

电化学技术日益发展，诸如电吸附技术(Electro-Sorption Technology，EST)日益受到重视。电吸附技术(Electro-Sorption Technology，EST)，也可称电容去离子技术或者电容除盐技术(Capacitive Deionization，CDI)，由于其高效率、低能耗、过程简便的特点，已在废水处理、饮用水处理、物质转化等领域逐步得到应用。其基本原理如图1所示，是利用外接直流电源产生的静电场，使在电极间流动溶液中带电离子向电极移动，吸附在电极表面的双电层上，达到除盐或去除离子的作用。电极吸附饱和后，将正负极短接，此时被吸附的离子从电极上脱落，重新释放回溶液中，实现电极再生和重复利用。

目前既有的几种电吸附除盐装置结构如下：

第一种、原始的固态对电极形式。如图2所示，其基本处理单元由一对大块固状电极组成，两固状电极之间留有间隙作为流体通道，待处理流体从流体通道流过，实现对流体电吸附处理的目的。此种结构的装置主要存在以下两个问题：其一、电极工作效率低，大块固状电极体内的离子需要通过扩散进出，动力学过程缓慢，尤其是在处理高含盐水时所需要的电极厚度较大，离子的进出耗时更长；其二、由于电吸附工作过程是一个暂态过程，在电极的长度方向上电极的吸附饱和程度是成一定分布的。如图2所示，在电吸附组件中，位于入液口附近的电极会在第一时间吸附达到饱和状态，此时这部分电极将不再继续吸附工作，而是处于闲置状态，需等到整个电极吸附饱和也即该次工作周期结束时才能与整块电极一起进行再生脱附。因此，从整体上来讲，采用固体电吸附电极进行电吸附工作时，有相当一部分电极是没有得到充分利用的。于此同时，与该部分电极相配的所有辅助材料例如集电极、离子阻挡材料、隔网等，也相应得不到充分利用；其三、在实际应用中包括工作和再生两个环节，工作环节的实际工作效率本就不高，加之在需要相当部分的时间用于电极的再生，更是严重降低了整体装置的使用效率；其四、在电极进行电吸附时，与电极所带同号电荷的离子被排出电极表面(也即微孔区域，对孔隙电极来讲)，这部分离子或者是排出至水流通道，或者是被对面的电极所吸附，无论何者，都会对产水的离子浓度产生不利影响。

第二种、液体电极/离子选择性隔离体形式。利用流动电极(包含电极液与电活性材料的粉末)替代大块固状电极，在离子交换膜的一侧设置一结构空间，允许流动电极从其中流过，实现电吸附处理目的。实际工作过程中对电极粉末的形态和大小有要求，需要保证电极液为持续的稳定的浆液的状态，在实际使用过程中极易发生电极的沉积形成堵塞。

此外，虽然该种结构的装置能够在一定程度实现连续化工，但由于而电极液的导电性要远低于固态电极，其工作效果仍不够理想。

第三种、固定床电极/离子交换膜形式：基本处理单元由一对固定床电极、阴阳离子选择性隔离体以及中间隔网组成，中间隔网设置在两个离子交换膜之间，待处理流体分别从电吸附电极及离子交换膜之间的隔离通道流过，实现对流体进行处理的目的。该种结构形式由于允许液体从电极中流过，大大改善了电极的动力学过程，而且在电极再生过程中能够具有一定的电吸附处理效果，可以实现一定程度的连续工作效果，但在处理对象的浓度较高时效率开始下降，处理效果仍然有较大的限制。

相较于实验室或者模拟状态时的理想化、稳定化的使用环境，实际的工程应用过程中，存在诸多的不确定性因素及变化，包括待处理对象的浓度(如含盐的浓度)变化大且变化范围不可控，实际工作时间长等，这就要求相应的处理装置能够保持长时间且高效的工作状态，与此同时具有适应待处理对象的水质波动(如含盐的浓度)变化大的能力，否则难以真正实现工程化应用于推广的目的。

发明内容

1.要解决的问题

基于上述，本发明的目的之一在于提供一种可以满足实际工程化应用过程中可连续工作、中断率低，且水回收率高、能够处理含盐量高的待处理水体的，电化学运作组件；

本发明进一步的目的，在于提供一种可以满足实际工程化应用过程中可连续工作、中断率低，且水回收率高、能够处理含盐量高的待处理水体的，电化学运作装置；

本发明另一目的，提供一种可以满足实际工程化应用过程中可连续工作、中断率低，且水回收率高、且能高效地通过电吸附进行水除盐、离子分离、离子选择性去除或者离子浓缩方法。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种实现粒子约束的电化学组件，包括：第一电极腔室，所述第一电极腔室包括第一集电极，以及填充于第一电极腔室内部的电活性材料；第二电极腔室，所述第二电极腔室包括第二集电极，以及填充于第二电极腔室内部的电活性材料；位于所述第一电极腔室与所述第二电极腔室之间的流体通道；

其中，所述第一电极腔室和流体通道之间设置有隔离体；所述第二电极腔室和流体通道之间设置有隔离体；所述流体通道内部至少设置有一个隔离体(即至少形成有两个流体通道)；所述隔离体允许电极腔室和流体通道之间发生微观粒子的迁移。

在此需要说明的是：Ⅰ)利用本发明的电化学组件进行电吸附水除盐或者离子分离或者离子选择性去除或者离子浓缩的过程中，至少存在一个浓水通道以及一个淡水通道；通过切换集电极的电压方向可以使电极腔室内部的电活性材料直接在电化学组件的工作过程中得以再生，无需额外设置再生装置或者专门的停机再生阶段，因此，所述的流体通道至少为两个，以满足无论如何切换集电极的电压方向，仍然会有一个能够产生目标产物(比如得以净化的水体、或者得以浓缩的浓缩液)的流体通道。作为优选的方案，所述的电化学组件中，流体通道的数量至少为两个，且流体通道的数量若为多个时需为偶数个，且各流体通道之间通过隔离体连通。

例如，根据本发明的一个实施例，所述电化学组件包括位于所述第一电极腔室与所述第二电极腔室之间的两个流体通道，具体为第一流体通道以及第二流体通道；所述第一电极腔室和第一流体通道之间设置有隔离体一；所述第一流体通道和第二流体通道之间设置有隔离体三；所述第二电极腔室和第二流体通道之间设置有隔离体二。

Ⅱ)如在此所述的，本文所使用的“隔离体”需具有一定的通透性，能够允许存在于流体通道或者电极腔室的某些微观粒子通过并迁移至另一电极腔室或者流体通道；所述隔离体优选为设置于电极腔室和流体通道之间的能够起到一定的隔离作用但允许某些微观粒子通过的“膜或者层”，构成所述“膜或者层”的材料可以为具有多孔结构的材料(如毡类材料、陶瓷材料、树脂)和具有离子阻挡性能及某些离子选择性透过性的材料(典型的如构成阴、阳离子交换膜、阴、阳离子选择性交换膜的材料)中的一种或几种；

属于前述隔离体中的一种，且较为理想的隔离体是能够最大程度的阻止水的通过，但允许水中存在的其他微观粒子通过；进一步地，隔离体的具体种类可以依据实际的处理目的或想要达到的效果进行个性化选择，例如，以欲达到离子选择性去除或者离子浓缩为目的，所述隔离体可以选择为离子交换膜，具体的所述离子交换膜可以被选择性地定制为仅让特定种类的阴离子或阳离子通过，例如，单价离子，因此可以用于对水进行脱盐、分离不同种类或类型的离子和/或用于选择性地和/或本质上非选择性地去除或浓缩离子。例如，根据本发明的一个实施例所述隔离体一、隔离体二均为阴离子交换膜，所述隔离体三为阳离子交换膜；根据本发明的另一实施例所述隔离体一、隔离体二均为阳离子交换膜，所述隔离体三为阴离子交换膜。其中，所述“微观粒子”包括分子、离子、原子。

Ⅲ)在该电化学组件实际的电化学应用过程中，会存在将电极液引入电极腔室(包括第一、第二电极腔室)，以及引入电极腔室的电极液需要在电活性材料内部进行分布及流动的过程；以所填充于腔室内部的全部“电活性材料”作为一个“有机整体”，前述“电极液在电活性材料内的分布及流动”是指电极液在进入电极腔室内后，需要“进入到”所述“有机整体”的内部，尽可能的与组成“有机整体”的全部的电活性材料能够形成全面的、密切的接触。例如，在一些实施例中，所述电极腔室内部填充有若干数量的、颗粒状的电活性材料(以下简称电活性颗粒)，此时应该把存在于电极腔室内部的“所有的电活性颗粒”看成一个“有机整体”，而前述的“电极液在电活性材料内的分布及流动”就是指电极液在组成所述“有机整体”的电活性颗粒之间的间隙内进行分布和流动。

例如，根据本发明的一些实施例，所述引入电极腔室的电极液在电活性材料内部进行分布及流动之后，存在流出电极腔室的过程；在本发明的另外一些实施例中，引入电极腔室的电极液流过电活性材料流出电极腔室后，在第一电极腔室与第二电极腔室之间循环流动。

Ⅲ)如在此所述的，本文所使用的“电极液”是指含有能够自由移动的离子并具有导电性能的液体，例如溶解有电解质的水溶液中或能够导电的处于熔融状态下的电解质。例如，根据本发明的一个实施例，所述“电极液”可以是含有金属盐(例如氯化钠、氯化钾之类)的水溶液；此外，特别情形下，在另外一些实施例中，所述“电极液”也可以是含有碱(例如氢氧化钠、氨水之类)的水溶液；在另外一些实施例中，所述“电极液”可以是含有酸(例如硫酸、盐酸、醋酸之类)的水溶液；

此外，本发明中所述的“电极液”不同于前文所述“液体电极”，所述“液体电极”一定需要同时包含“电极液”以及“电活性材料”，因此，一定程度上可以理解为“电极液”为构成“液态电极”的组成部分。

Ⅴ)如在此所述的，本文所使用的“电活性材料”，是指具备“导电性”的材料。比较典型的，在只考虑能够满足本发明所保护的电化学组件的基本功能，而不考虑经济成本的前体下，可以作为电极使用的各类“导电材料”均属于“电活性材料”的基本范围。

进一步地，所述电活性材料填充于电极腔室内，并形成能够供电极液分布及流动的透水结构。

进一步地，所述电活性材料填充并保留于电极腔室内，填充于电极腔室内的电活性材料具有供电极液在电极腔室内分布及流动的透水结构。

在此需要说明的是：为了保证电化学组件在应用过程中能够获得最优效果，需要在电极液通入电极腔室后，能够在所述“电活性材料”的内部形成分布及流动，以期望尽可能的与“电活性材料”形成密切的接触；

如在此所述的“透水结构”是指允许电极液经由“电活性材料”所具有的孔隙或间隙结构通过；并非限制为仅仅允许“水”通过的结构。例如，在一些实施例中，所述电极腔室内部填充有若干数量的、颗粒状的电活性材料(以下简称电活性颗粒)，此时应该把存在于腔室内部的“全部的电活性颗粒”看成一个“有机整体”，而前述的“电极液在电活性材料内的分布及流动”就是指电极液在组成所述“有机整体”的电活性颗粒之间的间隙内进行分布和流动；基于上述，所述的“电极液”与“电极腔室”、“电活性颗粒”的关系通常可以理解为如前文所述“固定床电极”的形式。

作为优选地方案，上述电活性颗粒自身也可以具有多孔结构或者带有孔道结构；

在另外一些实施例中，所述电活性材料可以为内部拥有类似于海绵状构造的、允许电极液由其内部按照一定方向流通或者任意方向流通的孔通道(且孔道之间相互连通)结构的“块状体”；此时，“块状体”本身既具有透水结构，又自带“电活性材料保留装置”功能。

进一步地，所述第一电极腔室还包括第一材料保留装置；所述第一材料保留装置用于阻止电活性材料因电极液的流动，而排出第一电极腔室；

所述第二电极腔室还包括第二材料保留装置；所述第二材料保留装置用于阻止电活性材料因电极液的流动，而排出第二电极腔室。

此处所述的“电活性材料保留装置”无需局限于某一种或者某几种具有具体结构的部件，也可以是基于某种原理形成的阻止电活性材料随电极液流出电极室的具体方法，或者是前述方法和部件的结合；其唯一的决定因素或者目的是能够尽量避免电活性材料甚至是防止电活性材料在电极液的影响下流出电极腔室，基于此，只要能够达到此目的，都应该看作的本发明的保护范围。

例如，如前述的，填充于腔室内部的电活性材料为电活性颗粒，此时可以在电极腔室的电极液出口处设置限流通道，所述限流通道允许电极液通过，但不允许导电颗粒通过的限流通道。在一些实施例中所述限流通道可以通过在电极腔室的电极液出口处设置的隔网形成；在另一些实施例中，所述电极腔室的电极液出口处设置有一些具有一定密集程度的限流凸起，该限流凸起限制电活颗粒通过，而限流凸起之间形成的通道即为限流通道，该通道允许电极液通过，以最大程度的阻止导电颗粒随电极液流出电极腔室。

又如，不同于前述的，在另外一些实施例中，所述填充于电极腔室内部的电活性材料，其实质上是自身内部拥有类似于海绵状构造的多孔通道(且孔道之间相互连通)结构的、允许电极液由其内部分布、流动的“块状体”；此时，在允许的条件下，可以选择所述“块状体”的尺寸与电极腔室的内部空间大小相仿或者略大于电极腔室的内部空间，以保证该“块状体”在填充到电极腔室的内部时，与电极腔室的接触面产生一定的阻力(限制性制约作用力)，进而实现电活性材料在电极腔室内的保留。

进一步地，所述电活性材料包括炭(碳)材料(carbon materials)、碳基复合材料(carbon matrix composite)、金属材料、金属氧化物材料、离子嵌入材料(intercalationmaterials)和导电聚合物中的一种或几种；

其中，所述炭(碳)材料包括活性炭、石墨烯、炭纤维、碳纳米管、碳气凝胶；所述碳基复合材料包括碳/碳复合材料、金属/碳复合材料；所述金属材料包括金、银、铜、铁、锡及其合金；所述金属氧化物材料包括含有氧化锰、氧化钌、氧化锡类、氧化锌类；所述离子嵌入材料包括尖晶石、普鲁士蓝或其类似化合物；所述导电聚合物包括电子导电聚合物、离子导电聚合物以及氧化还原型导电聚合物。

在此需要说明的是：电活性材料的选择标准之一是“导电性”，标准之二是具有双电层效应，在不考虑其他诸如成本、可获得性等问题的前提下，所述电活性材料满足上述两个标准即可实现基本功能。

但考虑到实际的工业化应用，应当理解的是，电活性材料可以优先选择性能优异、价格低且研究广泛材料。例如，根据本发明的一个实施例，选择作为“固定床电极”或“填充床电极”应用较为广泛、应用成熟度较高的活性炭作为电活性材料；在另外一些实施例中，选择其他炭(碳)材料、碳基复合材料、导电聚合物、金属材料、金属氧化物作为电活性材料。

进一步地，所述隔离体为设置于电极腔室和流体通道之间的膜或层，所述膜或层包括具有多孔结构和/或具有离子交换性和/或具有特定离子选择性。

在此需要说明的是，可以根据最终目的选择膜的种类。比如，在一些实施例中，所述隔离体的种类为具有截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质/溶剂分子能力的多孔膜，所述多孔膜的种类包括陶瓷多孔膜或二氧化钛多孔膜；又如，在一些实施例中，所述隔离体的种类为含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的离子交换膜；所述离子交换膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交换膜、镶嵌离子交换膜、聚电解质复合物膜、单价和多价离子选择性交换膜、特定离子选择性交换膜(如特定金属离子选择性交换膜)。

进一步地，所述隔离体为多孔膜、离子交换膜、离子选择性交换膜或者特定离子选择性透过膜中的一种或几种；

其中，所述多孔膜包括陶瓷多孔膜或二氧化钛多孔膜；所述离子交换膜包括阴离子交换膜、阳离子交换膜；所述离子选择性交换膜包括单价离子选择性交换膜、多价离子选择性交换膜、特定离子选择性交换膜。

进一步地，相邻两隔离体的种类不同。

进一步地，所述隔离体均为离子交换膜，相邻两离子交换膜所能够固定电荷的种类相反。

在此需要说明的是：其中，所述隔离体一、隔离体二的种类相同，在实现本发明技术效果的基础上，应当理解为，是指要求隔离体一、隔离体二具有相同的性质，所述性质具体指“支持带有正电荷的粒子通过，不支持带负电荷的粒子通过”或者“支持带有负电荷的粒子通过，不支持带正电荷的粒子通过”，而不应当狭隘的理解为要求隔离体一、隔离体二的“材质”、“型号”等等均相同；

所述隔离体一、隔离体三的种类不同，在实现本发明技术效果的基础上，同样应当理解为，是指要求隔离体一、隔离体具有不相同的性质，所述性质具体指“当隔离体一支持带有正电荷的粒子通过，则隔离体三应当支持带负电荷的粒子通过”或者“当隔离体一支持带有负电荷的粒子通过，则隔离体三应当支持带正电荷的粒子通过”。

进一步地，所述集电极(第一集电极、第二集电极)需能够导电，因此，所述第一集电极包括导电材料；所述第二集电极包括导电材料；其中，所述导电材料包括金属材料、石墨材料、石墨箔材料、碳材料或由聚合物粘合剂和导电颗粒制成的复合材料中的任一种或几种。

进一步地，所述第一电极腔室与第二电极腔室之间设置有连通结构；电极液可以通过所述连通结构实现在第一电极腔室、第二电极腔室之间循环流动；具体的，通入第一电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第一电极腔室并通过连通结构通入第二电极腔室；通入第二电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第二电极腔室并通过连通结构通入第一电极腔室，实现电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间的循环流动；

其中，电活性材料填充于电极腔室内，并形成能够供电极液流过的透水结构；通入电极腔室的电极液需要流过电活性材料后才能够从电极腔室内部流出。

在此需要说明的是：在电化学组件需要长时间、连续化工作的过程中，电极液能够循环回用至关重要：

Ⅰ)流过一电极腔室内部通道的水的pH会降低，而另一电极腔室内部通道的的水的pH会升高。通过将电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间的循环流动，可以抑制两极的pH变化，有利于电吸附装置的持续稳定工作；

Ⅱ)此处所述的连通结构无需局限于某一种或者某几种具有具体结构的部件，也可以是基于某种原理形成的具体方法，或者是前述方法和部件的结合；比如在一些实施例中所述连通结构可以为设置于第一电极腔室与第二电极腔室之间的连通管道，所述连通管道上设置有泵体。

进一步地，所述流体通道至少包括第一流体通道以及第二流体通道；所述第一电极腔室和第一流体通道之间通过隔离体一连通；所述第一流体通道和第二流体通道之间通过隔离体三连通；所述第二电极腔室和第二流体通道之间通过隔离体二连通；所述隔离体一、隔离体三的种类不同。

作为优选方案地，所述隔离体一、隔离体二支持带有A电荷的粒子通过，不支持带有B电荷的粒子通过；所述隔离体三支持带有B电荷的粒子通过，不支持带有A电荷的粒子通过；

其中，所述A电荷为正电荷或者负电荷，所述B电荷具有与A电荷相反的电荷。

作为优选地方案，所述隔离体一、隔离体二为阴离子交换膜或者阴离子选择性交换膜；所述隔离体三为阳离子交换膜或者阳离子选择性交换膜；或者，所述隔离体一、隔离体二为阳离子交换膜或者阳离子选择性交换膜；所述隔离体三为阴离子交换膜或者阴离子选择性交换膜。

进一步地，所述电化学组件包括：

第一电极腔室，其包含第一集电极，填充于腔室内部的电活性材料，以及用于阻止电活性材料随电极液排出第一电极腔室的电活性材料保留装置；第二电极腔室，其包含第二集电极，填充于腔室内部的电活性材料，以及用于阻止电活性材料随电极液排出第二电极腔室的电活性材料保留装置；

位于所述第一电极腔室与所述第二电极腔室之间的第一流体通道以及第二流体通道；所述第一电极腔室和第一流体通道之间通过隔离体一连通；所述第一流体通道和第二流体通道之间通过隔离体三连通；所述第二电极腔室和第二流体通道之间通过隔离体二连通；

所述第一电极腔室与第二电极腔室之间设置有连通结构；电极液可以通过所述连通结构在第一电极腔室、第二电极腔室之间循环流动；具体的，通入第一电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第一电极腔室并通过连通结构通入第二电极腔室；通入第二电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第二电极腔室并通过连通结构通入第一电极腔室，实现电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间的循环流动；

其中，所述隔离体一、隔离体二均为阴离子交换膜，所述隔离体三为阳离子交换膜；或者所述隔离体一、隔离体二均为阳离子交换膜，所述隔离体三为阴离子交换膜；或者，所述隔离体一、隔离体二支持带有A电荷的粒子通过，不支持带有B电荷的粒子通过；

所述隔离体三支持带有B电荷的粒子通过，不支持带有A电荷的粒子通过；

其中，所述A电荷为正电荷或者负电荷，所述B电荷具有与A电荷相反的电荷。

其中，电活性材料填充于电极腔室内，并形成能够供电极液流过的透水结构；通入电极腔室的电极液需要流过电活性材料后才能够由电极腔室内部流出。

一种电化学装置，所述电化学装置能够通过电吸附进行液体除盐或者离子分离或者离子选择性去除或者离子浓缩处理，所述电化学装置含有以上任一所述的电化学组件。

在此需要说明的是：Ⅰ)此处所述的“电化学装置”不应该仅局限于专门的“液体除盐”、“液体中离子分离或浓缩”中应用；应当理解为，凡是涉及有“利用电吸附进行除盐或分离或浓缩的环节或者行为”的任何的处理流程均可以看作本发明的适用范围；例如，进行废水处理的某一环节，需要进行除盐或者盐回收，那也应当属于本发明的应用范围。

进一步地，所述电化学装置还包括施加于第一和第二集电极之间的电压装置或电流装置；其中，所述电化学组件的流体通道的出口处设置有流体切换阀门。

如以上所讨论的，非常期望得到大规模可操作的同时保持高效率值的电化学运行装置。诸如电吸附这方面已经引起了重大的关注，但是在其操作特征方面仍有很大的改进空间。尤其是其上运行装置中所用到的电活性材料在饱和后能够立即且连续的进行再生，而不需要等待其他电活性材料达到饱和，借此提升电活性材料甚至是其他辅助材料的利用率，大大降低电化学运行装置的投资费用。

以在这种系统的连续运行中，示意性的，在本发明的一些实施例中，可以实现浓度为3.5wt％的氯化钠溶液高达85％以上的脱盐率，也可以获得高达95％以上、接近99％甚至100％的水回收率。在此基础上实现溶液中的氯化钠的分离，或者得到高浓度氯化钠的浓缩液。这是如图1所示的原始的固态对电极形式模式、或者是如图6所示的固定床电极/阴离子交换膜/阳离子交换膜/固定床电极，形式所达不到的。

一种通过电吸附进行水除盐或者离子分离或者离子选择性去除或者离子浓缩的方法(实现粒子约束的方法)，提供以上任一所述的电化学组件或者装置，其至少包括；

第一电极腔室，其包含第一集电极，填充于腔室内部的电活性材料；第二电极腔室，其包含第二集电极，填充于腔室内部的电活性材料；位于所述第一电极腔室与所述第二电极腔室之间的流体通道；所述第一电极腔室和流体通道之间通过隔离体连通；所述第二电极腔室和流体通道之间通过隔离体连通；相邻两隔离体为种类不同的离子交换膜；

运行过程包括：在第一和第二集电极之间施加电压或电流；

分别向所述第一电极腔室、第二电极腔室提供电极液；

将含离子成分的流体连续通入流体通道内，并经由流体通道后排出，期间所述离子成分在隔离体处发生迁移。

进一步地，切换施加于第一集电极和第二集电极的电压或电流方向，实现电极腔室内电极活性材料的再生(也称之为活化或脱附)。

进一步地，所述流体通道包括第一流体通道以及第二流体通道；所述第一电极腔室和第一流体通道之间通过隔离体一连通；所述第一流体通道和第二流体通道之间通过隔离体三连通；所述第二电极腔室和第二流体通道之间通过隔离体二连通；

其中，所述隔离体一、隔离体二为种类相同的离子交换膜，所述隔离体一、隔离体三为种类不同离子交换膜。

进一步地，所述隔离体一为具有与所述隔离体二相同的固定电荷的离子交换膜；所述隔离体三为有与所述隔离体一相反的固定电荷的离子交换膜；不难理解的是，所述隔离体一、隔离体二支持带有A电荷的粒子通过，不支持带有B电荷的粒子通过；所述隔离体三支持带有B电荷的粒子通过，不支持带有A电荷的粒子通过；其中，所述A电荷为正电荷或者负电荷，所述B电荷具有与A电荷相反的电荷；

基于此：在第一和第二集电极之间施加电压或电流；

连续向第一和第二流体通道供应含离子成分的流体，且经由其中一个流体通道排出的流体中所含离子成分的含量，低于进入该流体通道的流体所含有的离子成分的含量，经由另一个流体通道排出的流体中所含离子成分的含量，高于进入该流体通道的流体所含有的离子成分的含量；期间，可以切换施加于第一集电极和第二集电极的电极极性，实现电极腔室内电极活性材料的再生。

在此需要说明的是：隔离体的选择可以欲达到的结构为依据，例如以离子选择性去除或者离子浓缩为目的，所述隔离体可以选择为离子交换膜，具体的所述离子交换膜可以被选择性地定制为仅让特定种类的阴离子或阳离子通过，例如，单价离子，因此可以用于对水进行脱盐、分离不同种类或类型的离子和/或用于选择性地和/或本质上非选择性地去除或浓缩离子；

在一些实施例中，所述在第一和第二集电极分别与外置电源的正极和负极电联，所述隔离体一、隔离体二均为阴离子交换膜，所述隔离体三为阳离子交换膜。在另一些实施例中，所述在第一和第二集电极分别与外置电源的正极和负极电联，所述隔离体一、隔离体二均为阳离子交换膜，所述隔离体三为阴离子交换膜。在另一些实施例中，所述在第一和第二集电极分别与外置电源的负极和正极电联，所述隔离体一、隔离体二均为阳离子交换膜，所述隔离体三为阴离子交换膜。在另一些实施例中，所述在第一和第二集电极分别与外置电源的正极和负极电联，所述隔离体一、隔离体二均为阴离子交换膜，所述隔离体三为阳离子交换膜。

进一步地，所述第一电极腔室，还包括用于阻止电活性材料随电极液排出第一电极腔室的电活性材料保留装置；所述第二电极腔室，还包括用于阻止电活性材料随电极液排出第二电极腔室的电活性材料保留装置；

所述第一电极腔室与第二电极腔室之间设置有连通结构；

分别向所述第一电极腔室、第二电极腔室提供电极液；

其中，所述电极液中含有电解质；期间所述电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间循环流动，第一电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第一电极腔室通入第二电极腔室；所述第二电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第二电极腔室通入第一电极腔室，实现电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间的循环流动。

进一步地，连续向第一流体通道供含有(目标)离子成分的第一流体，连续向第二流体通道供应含离子成分第二流体；

向第一集电极和第二集电极施加电压，以提供具有方向的电场，使：

第一流体通道中的目标离子经由隔离体三向第二流体通道迁移，形成含所述目标离子的浓缩液；

第一流体经由第一流体通道排出后，所含目标离子的含量降低；

第二流体经由第二流体通道排出后，所含目标离子的含量升高；

运行期间可以切换施加于第一集电极和第二集电极的电极极性，实现电极腔室内电极活性材料的再生。基于此不难理解的是：运行过程中第一集电极和第二集电极的电压方向切换后，连续向第二流体通道供应含目标离子成分的第一流体，连续向第一流体通道供应含离子成分的第二流体；

第二流体通道中的目标离子经由隔离体三向第一流体通道迁移，形成含所述目标离子的浓缩液；

第一流体经由第二流体通道排出后，所含目标离子的含量降低；

第二流体经由第一流体通道排出后，所含目标离子的含量升高。

附图说明

图1为电吸附进行液体除盐基本原理；

图2为原始的固态对电极装置结构示意图；

图3为本发明中提供的电吸附去离子装置结构示意图(两电极腔室不连通)；

图4为本发明中提供的电吸附去离子装置的结构示意图(两电极腔室不连通、切换外置电压方向后)；

图5为本发明中提供的电吸附去离子装置结构示意图(两电极腔室连通)；

图6为对比例1-1中所采样的电吸附去离子装置结构示意图；

图中：

100、电化学组件；

110、第二电极腔室；111、第二集电极；112、第二电极腔室内的电活性材料；113、第二电极腔室的电极液进口；114、第二电极腔室的电极液出口；115、第二电极腔室出口的限流凸起；

120、第一电极腔室；121、第一集电极；122、第一电极腔室内的电活性材料；123、第一电极腔室的电极液进口；124、第一电极腔室的电极液出口；125、第一电极腔室出口的限流凸起；

131、隔离体一；132、隔离体三；133、隔离体二；

140、流体通道；141、流体通道进口；142、流体通道出口；143、第一流体通道；144、第二流体通道；

150、连通结构；151、循环泵；152、电极液循环管道；

200、外置电压装置。

需要说明的是

通过参考结合附图和示例的以下描述可以更容易地理解本公开，所有附图和示例构成本公开的一部分。应当理解的是，本公开不限于本文描述和/或示出的特定产品、方法、条件或参数。进一步地，本文使用的术语仅用于通过示例的方式描述特定实施例的目的并且不旨在限制，除非另有说明。类似地，除非另有明确说明，否则本文涉及组分的任何描述均旨在表示组分的固体形式和液体形式两者，包括包含该组分的溶液和电解质，以及包含这样的溶液和电解质的电化学单元系统。进一步地，应当认识到的是，在本公开描述的电化学组件/装置的情况下，应当理解的是，也隐含地描述电化学组件/装置的操作方法。

还应当理解的是，为了清楚起见，本公开的某些特征可以在单独实施例的上下文中被描述在本文中，但是也可以在单个实施例中彼此组合地被提供。即，除非明显不兼容或特别地不包括，否则每个单独的实施例被认为可与任何其它实施例可组合，并且该组合被认为代表另一个不同的实施例。相反地，为了简明起见，在单个实施例的上下文中描述的本公开的各种特征也可以单独地或以任何子组合来提供。最后，虽然特定实施例可以被描述为一系列步骤的部分或更通用的结构的部分，但是每个步骤或子结构本身也可以被认为是独立的实施例。

除非另有说明，否则应当理解的是，列表中的每个单独元素和该列表中的单独元素的每个组合将被解释为不同的实施例。例如，表示为“A、B或C”的实施例的列表应被解释为包括实施例“A”、“B”、“C”、“A或B”、“A或C”、“B或C”或“A、B或C”。

在本公开中，冠词“一”、“一个”和“该”的单数形式还包括相应的复数个提及物，并且对特定数值的提及至少包括该特定值，除非上下文另有明确说明。因此，例如，对“物质”的提及是对这种物质及其等同物中的至少一种的提及。

包括诸如“第一”和“第二”的序数的术语可用于解释各种组件或者流体，但这些组件、流体不受这些术语的限制。因此，在没有背离本公开的教导的情况下，这些术语仅用于将该组件/流体与另一组件/流体区分开来。

当通过使用结合性术语“……和/或……”等来描述项目时，描述应被理解为包括相关联的所列项目中的任何一个以及其中的一个或多个的所有组合。

包括诸如“离子膜种类及厚度”、“集电极石墨片的种类及厚度”、“电极液的种类、浓度及循环的流速”、“电活性材料的种类及粒径”等等不会影响实现本发明技术目的的内容，在现有“电吸附技术”的研究的基础上，本领域技术人员一般能够徐速确定。且依据本发明的思想，本领域技术人员一般能够根据自己的特有目的，对上述内容进行应用范围上的改变之处。综上所述，上述内容不应理解为对本发明的限制。

本文所使用的，“离子交换膜”为一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的有机或无机膜，一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。离子交换膜按功能及结构的不同，可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、镶嵌离子选择膜、聚电解质复合物膜等等类型。如本文所使用的，术语“阳离子交换膜”也可以称之为“阳离子选择膜”，其仅允许带正电荷的离子通过，并且基本上不准带负电荷的离子通过，从而带正电荷的离子的迁移可以沿两个方向穿过离子交换膜。如本文所使用的，术语“阴离子交换膜”也可以称之为“阴离子选择膜”其仅允许带负电荷的离子穿过，并且基本上不允许带正电荷的离子通过，从而带负电荷的离子的迁移可在离子交换膜的两个方向上发生；如本文所使用的，术语“双极膜”也可以称之为“两性交换膜”，其包括阳离子交换材料和阴离子交换材料，从而分带正电的材料和带负电的材料在两个方向上的通过。

通常，术语“约”的使用表示可以根据通过所公开的主题所获得的期望特性而变化的近似值，并且将基于功能以依赖于上下文的方式来解释。因此，本领域普通技术人员将能够在个案的基础上解释一定程度的差异。在一些情况下，表达特定值时使用的重要数字的数量可以是用于确定由术语“约”允许的差异的代表性技术。在其它情况下，可以使用一系列值中的渐变来确定由术语“约”允许的差异的范围。进一步地，本公开中的所有范围都是包含性的和可组合的，并且对范围中所述的值的提及包括该范围内的每个值。

具体实施方式

|电化学组件结构说明|

如图3所示，本发明提供的实现粒子约束的电化学组件100，包括第一电极腔室120、第二电极腔室110以及位于所述第一电极腔室110与所述第二电极腔室120之间的流体通道140；所述第一电极腔室120，包含第一集电极121，同时第一电极腔室内填充有电活性材料121；所述第二电极腔室110，包含第二集电极111，同时第二电极腔室内填充有电活性材料112，所述第一电极腔室120和流体通道140之间通过隔离体连通；所述第二电极腔室110和流体通道140之间通过隔离体连通。

所述流体通道140内部至少设置有一个隔离体，即意味着整个电化学组件内至少能够形成有两个流体通道；为了保证更好的处理效果，所述流体通道内部设置的隔离体流体数量若为多个时需要为奇数个，目的是使流体通道的数量为偶数个，且各流体通道之间通过隔离体连通。比如，在一些实施例中，所述隔离体的数量为最少量3个，此时形成3个流体通道；在另外一些实施例中，所述隔离体的数量也可以为5、7、9等，此时分别对应形成4、6、8个流体通道。如图3所示，一般的如本示例中，所述流体通道内部设置有一个隔离体，形成两个流体通道，分别为第一流体通道143以及第二流体通道144；此时，所述第一电极腔室120和第一流体通道143之间设置有隔离体一131，所述第一流体通道143和第二流体通道144之间设置有隔离体三132；所述第二电极腔室110和第二流体通道144之间设置有隔离体二133。需要说明的是，除了隔离体之外，(第一、第二)电极腔室和流体通道之间还允许设置有允许流体通过的隔网、带孔隔板等能够起到或支撑或分离或过滤作用的结构，基于此对于隔网或者带孔隔板的网孔或者孔径的大小没有严格的限定，只需具有良好的渗透均水效果即可，且根据装置规格大小，网孔目数或孔径数目可相应调整。

所述“隔离体”具有一定的通透性，能够允许存在于流体通道或者电极腔室的某些微观粒子通过并迁移至另一电极腔室或者流体通道；所述隔离体优选为设置于电极腔室和流体通道之间的能够起到一定的隔离作用但允许某些微观粒子通过的“膜或者层”，构成所述“膜或者层”的材料可以为具有多孔结构的材料(如毡类材料、陶瓷材料)和具有离子阻挡性能和/或离子选择性透过性能的材料(如阴、阳离子交换膜，阴、阳子选择性交换膜)中的一种或几种。以阴、阳离子交换膜或者阴、阳子选择性交换膜为例，基本上市面上可以直接购买得到的成品即可满足使用需求，一般此类膜的厚度基本不会超过1mm，比如已知的，以离子交换树脂为主体材料制成的膜的厚度一般为0.2-0.6mm。需要说明的是即使不同批次所购得的膜的厚度有可能存在一定公差，但基本上也在工业上允许使用的的范围内。

属于前述隔离体中的一种，且较为理想的隔离体是能够最大程度的阻止水的通过，但允许水中存在的其他微观粒子通过，当然膜的种类不同其选择性可能略有差异，但基本可以达到98％左右的选择性。对于一个电化学组件中，相邻两隔离体的种类不同。以两个流体通道、隔离体种类为阴、阳离子交换膜为例，所述电化学组件的第一集电极121、第二集电极111分别与外置电压装置200的正极、负极电联，并采用阴/阳/阴的离子交换膜设置模式。由第一电极腔室120到第二电极腔室110的方向，所述电化学组件100包括第一电极腔室120、设置于所述第一电极腔室120与第一流体通道143之间的阴离子交换膜、第一流体通道143、设置于所述第一流体通道143与第二流体通道144之间的阳离子交换膜、第二流体通道144、设置于所述第二电极腔室110与第二流体通道144之间的阴离子交换膜。类似的，所述电化学组件的第一集电极121、第二集电极111也可以分别与外置电压装置200的正极、负极电联，并采用阳/阴/阳的离子交换膜设置模式。或者，类似的，所述电化学组件100的第一集电极121、第二集电极111分别与直流电源的负极、正极电联，并采用阳/阴/阳的离子交换膜设置模式。或者，类似的，所述电化学组件100的第一集电极121、第二集电极111分别与直流电源的正极、负极电联，并采用阴/阳/阴的离子交换膜设置模式。如图3所示，在本示例中设有第一流体通道143、第二流体通道144两个流体通道，且所述电化学组件100的第一集电极121、第二集电极111分别与外置电压装置200的正极、负极电联，并采用阴/阳/阴的离子交换膜设置模式。

所述集电极可以由具有导电性的任何材料制成，包括金属材料、石墨材料、石墨箔材料或由聚合物粘合剂和导电颗粒制成的复合材料中的任一种或以上。集电极的厚度的选择依据以结构安定(如不断裂)和材料消耗最少、不要占有过大的空间考虑为限。本实例中的集电极为石墨材料形成的石墨片，一方面石墨片能够兼顾耐腐蚀性、高导电性、低成本。作为石墨片的厚度能够满足使用需求即可。通常，如液体电极结构，每个第一集电极和第二集电极以及隔离体一、二、三均呈普通大小厚度的片状或板状。

电活性材料填充于电极腔室内，并形成能够供电极液分布及流动的透水结构。就结构来说，所述填充于电极腔室内的电活性材料可以说若干数量的电活性颗粒；也可以是内部拥有类似于海绵状构造的、允许电极液由其内部按照一定方向流通或者任意方向流通的孔通道(且孔道之间相互连通)结构的“块状体”。就材质来说，所述电活性材料包括炭(碳)材料(carbon materials)、碳基复合材料(carbon matrix composite)、金属材料、金属氧化物材料、离子嵌入材料和导电聚合物中的一种或几种。如图3所示，本示例中，所示填充于电极腔室内的电活性材料是若干数量的活性炭颗粒。基于此，事实上对于电活性材料在电极腔室内的填充量没有特别的要求，在要求不高的情形下，可以仅根据经验值或者通常采用现有固定床电极的填充量即可。当然需要进行说明的是，若想最大化放大本装置的技术效果，达到最为优异的技术效果，可以根据所选择电活性材料的具体材料种类以及特性(如电阻、船只效率等)，在每一次运行之前，通过试验进行最佳数值的确定即可。需要进一步说明是的，即使如本示例中，选择的电活性材料均为活性炭，为了达到最优的效果，也需要根据活性炭的货源来源、厂家、批次的不同，在使用前进行通过简单试验步骤进行最佳数值的确定。

通入电极腔室内的电极液，分布于电极腔室内的电活性材料的形成的透水结构内。通入电极腔室内的电极液，可选择的定期排出或者替换或者循环。多数情况下，需要存在电极液排出电极腔室的情形，而为了避免电极活性材料，尤其是电极颗粒在电极液的影响下排出电极腔室，因此所述第一电极腔室120以及第二电极腔室110均需设置电活性材料保留装置；可以在电极腔室的电极液出口处设置的隔网，也可以在电极腔室的电极液出口处设置有一些具有一定密集程度的限流凸起，该限流凸起限制电活颗粒通过，而限流凸起之间形成的通道即为限流通道，该通道允许电极液通过，以最大程度的阻止导电颗粒随电极液流出电极腔室。如图3本示例中，在第一电极腔室的电极液出口处124、第二电极腔室的电极液出口处114设置有能够截留活性炭颗粒但允许电极液通过的限流凸起115。

在第一电极腔室120与第二电极腔室110之间可以设置连通结构150；如图5给出了一种较为常见的连通结构，为设置于第一电极腔室120与第二电极腔室110之间设置有连通管道为电极液循环管道152，所述连通管道上设置有循环泵151。

此外本发明还给出了一种较为为优化的具体结构，如图5所示：

包括第一电极腔室120、第二电极腔室110以及位于所述第一电极腔室120与所述第二电极腔室120之间的流体通道；所述第一电极腔室120，包含第一集电极121，同时第一电极腔室内120填充有电活性材料122活性炭颗粒；所述第二电极腔室110，包含第二集电极111，同时第二电极腔室110内填充的电活性材料112为活性炭颗粒，第一电极腔室的电极液出口124处设置有如图6所示结构相同的，能够截留活性炭颗粒但允许电极液通过的限流凸起125、第二电极腔室的电极液出口114处设置有能够截留活性炭颗粒但允许电极液通过的限流凸起115。所述第一电极腔室120和流体通道140之间通过隔离体连通；所述第二电极腔室110和流体通道140之间通过隔离体连通。

所述流体通道140内部设置有一个隔离体，形成两个流体通道，分别为第一流体通道143以及第二流体通道144；此时，所述第一电极腔室120和第一流体通道143之间设置有隔离体一131为阴离子交换膜，所述第一流体通道143和第二流体通道144之间设置有隔离体三132为阳离子交换膜；所述第二电极腔室110和第二流体通道144之间设置有隔离体二133为阴离子交换膜。

第一电极腔室120与第二电极腔室110之间设置有连通管道为电极液循环管道152，所述连通管道上设置有循环泵151。

需要说明的是，本发明并不限于上面给出的详细说明。本领域技术人员应该明白本发明的变形方案。

|电化学装置结构说明|

本发明提供的电化学组件100可以应用于，通过电吸附进行液体除盐，或者离子分离，或者离子选择性去除，或者离子浓缩处理的任一种电化学装置中。

所述液体，也即作为流体的待处理水体，可含有任何溶解或熔融的盐类。

所述电化学装置还包括施加于第一和第二集电极之间的外置电压装置或电流装置；其中，所述电化学组件的流体通道的出口处设置有流体切换阀门。

需要说明的是，本发明并不限于上面给出的详细说明。本领域技术人员应该明白本发明的变形方案。

|运行步骤说明|

利用图3所示的电化学装置可以进行水体除盐处理，比如海水淡化处理；进行离子浓缩，从水中选择性提取进行化学物质浓缩处理，比如锂的浓缩提取；进行离子分离或者选择性去除，比如饮用水净化处理或者污水净化处理；前述处理的原理基本相同为电吸附原理，具体处理步骤如下：

在第一集电极121和第二集电极111之间施加电压或电流，其中第一集电极121连正极，第二集电极111连负极；关于第一集电极和第二集电极之间所施加电压或电流，所述电压或电流大小的总体选择依据是避免导致在电极表面或流体通道内发生水的或液体的分解为限即可。当然，为了达到最优目的，可以结合具体情况(比如待处理水体、具体结构、电活性材料的种类等等)，在每一次运行之前，通过试验步骤进行确定电压或电流的大小。

向填充有电活性材料的第一电极腔室120和第二电极腔室110中供应电极液；关于向电极腔室中供应的电极液总体的原则是电极液中所含电解质浓度越高越好，但电极液中所含电解质的浓度以不超过电解质的溶解度为上限。基于此，一般情况下如本发明的实施例，多选用常见且性价比较高的氯化钠或者氯化钾的饱和溶液作为电极液。此外，可以选择性的不使所述电极液在所述第一电极腔室和第二电极腔室中进行循环；也可以选择性的使所述电极液在所述第一电极腔室120和第二电极腔室110中连续循环，从而使得离开所述第一电极腔室120的所述电极液被引入所述第二电极腔室110中，且离开所述第二电极腔室110的所述电极液被引入第一电极腔室120中。电极液若进行循环，对其流速的要求并不严格，实际中，可以结合具体情况(比如待处理水体、具体结构、电活性材料的种类等等)，在每一次运行之前，通过简单试验步骤进行确定以能获得最佳水处理效果同时兼顾节能为选择依据。

连续向流体通道供应含离子成分的待处理水体，给水被分成两股料流，分别进入第一、第二流体通道，以并行除盐和浓缩。连续运行并定期检测流体通道的出水水质，若出水水质已经不满足预先设定的标准，则需要切换第一集电极和第二集电极之间施加的电压或电流方向，继续进行运行。

综合含离子成分的待处理水体的性质，以及利用装置进行处理的目的，来看。一般如果处理目的仅仅是为了除盐得到除盐后的干净水体；则可直接将待处理水体分成两股料流，分别进入第一、第二流体通道；或者，诸如处理目的是为了形成某一盐的浓缩液，但如果含离子成分的待处理水体成分较为单一等情形，同样可以直接将待处理水体分成两股料流，分别进入第一、第二流体通道。但是，可以理解的是，本领域技术人员可以根据自身需求，选择将待处理水体通入第一流体通道或第二流体通道，选择满足要求的其他含离子成分的水体通入另一剩余的流体通道。

|运行原理说明|

本发明中连续向流体通道供应含离子成分的待处理水体，给水被分成两股料流，分别进入第一、第二流体通道，以并行除盐和浓缩。以阴离子选择膜/阳离子选择膜/阴离子选择膜方式为例，基础工作原理如下：

如图3所示，在对其中第一集电极121施加正电场(与外置电压装置200的正极电连)，第二集电极111施加负电场(与外置电压装置200的负极电连)的情况下，存在于第一电极腔室120中阴离子被吸附至阳极的表面(不难理解的是，此处是指第一电极腔室120的第一集电极121、电活性材料112的表面)，形成双电层，而第一电极腔室120中的阳离子因受到相同电荷的排斥，在远离电极表面的空间中聚集。

结合到本发明装置，前述第一电极腔室120中的阳离子因受到相同电荷的排斥，会在阴离子选择膜的表面聚集。前述，存在于第一电极腔室120中阴离子，来源于电极液，或者来源于电极液以及与之相邻的流体通道140。

同理，存在于第二电极腔室110中阳离子被吸附至阴极的表面(不难理解的是，此处是指第二电极腔室110的第二集电极111、电活性材料112的表面)，形成双电层，而第二电极腔室110中的阴离子因受到相同电荷的排斥，在远离电极表面的空间中聚集。结合到本发明装置，前述第二电极腔室110中的阴离子因受到相同电荷的排斥，会向阴离子选择膜的表面聚集并穿过所述阴离子选择膜。前述，存在于第二电极腔室中阳离子，来源于电极液，或者来源于电极液以及与之相邻的流体通道140。

进一步具体工作原理如下：

对于第一电极腔室120来说，由于其第一集电极121与外置电压装置200的正极相连，会使电极液中的阴离子在第一集电极表面121及其电活性材料122表面富集，形成双电层；同时，会使电极液中的阳离子受到排斥力，因阴离子交换膜的作用，受阳极排斥的阳离子无法透过阴离子交换膜由第一电极腔室120进入到第一流体通道143，因此受阳极排斥的阳离子只能在电极液中靠近阴离子交换膜的的一侧进行富集。为保持电中性，该电极液中需要同时富集相应数量的阴离子，而这部分阴离子可以由紧挨着的第一流体通道143的待处理水体中的阴离子进行补充，因为阴离子是可以透过阴离子交换膜。

类似的，对于第二电极腔室110来说，由于其第二集电极111与外置电压装置200的负极相连，会使电极液中的阳离子在第二集电极111表面及其电活性材料112表面富集，形成双电层；同时，会使电极液中的阴离子受到排斥力，而被阴极排斥的阴离子可以通过阴离子选择膜进入紧挨着的第二流体通道144中。

同时，在电场的排斥作用下通入第一流体通道143中的待处理水体中的阳离子会继续通过阳离子交换膜进入第二流体通道144中，与前述被阴极排斥进入第二流体通道144的阴离子结合形成浓缩流(以下简称浓流)，通过流体流动排出第二流体通道144，由此实现待处理水体中的离子浓缩。而第一流通道143中溶液的阴、阳离子浓度由于前述的过程而大幅度降低，形成淡流流出，由此实现离子从待处理水体中的分离。

如图4所示，当所施加的电场方向发生反转后，同样过程将发生，所不同的是原先的第二流体通道144变成了淡流通道，而第一流体通道143变成了浓流通道。当在这些流体通道出入口设置切换阀门后，就可以根据施加电场方向的不同，持续不断得到分离后的浓、淡液流。在连续切换的情况下，靠近淡流侧的集电极及电活性材料不断进行再生、反转吸附、浓缩的过程，靠近浓流侧的集电极及电活性材料不断进行再生、反转吸附、排出。通过这样的方式，电极在工作过程中得到再生，再生产生的浓流与吸附产生的淡流同时排出处理单元，无需另外再设置再生环节。

此外，在上述过程的基础上，可以在第一电极腔室120、第二电极腔室110中间设置连通装置，使通入二者的电极液形成循环，这样可以避免在工作过程中，两侧电极腔室内的电极液pH偏差过大。

在上述结构、运行方法及原理的基础上，本文中应用了如下具体个例对本发明技术方案的核心进行了具体的阐述，以下个的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，实施例未阐明部分可参见本领域的公知常识；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。具体个例：

例1-1：所涉及的电化学装置如图5所示，第一电极腔室120、第二电极腔室110、第一流体通道143、第二流体通道144；

所述第一电极腔室120设置有第一电极腔室的电极液进口123、第一电极腔室的电极液出口124、电活性材料122；第一电极腔室的电极液出口124设置有第一电极腔室出口的限流凸起125，设置于第一电极腔室120一侧的第一集电极121由石墨材料制备而成，厚度10毫米；填充于电极腔室内部的电活性材料为活性炭颗粒。所述第二电极腔室110设置有第二电极腔室的电极液进口113、第二电极腔室的电极液出口114、电活性材料112；第二电极腔室的电极液出口114设置有第二电极腔室出口的限流凸起115，设置于第二电极腔室110一侧的第二集电极111由石墨材料制备而成，厚度10毫米；填充于电极腔室内部的电活性材料为活性炭颗粒。运行过程中通过外置电压装置200向第一集电极121、第二集电极111施加2.4V电压；且由第一电极腔室到第二电极腔室所述隔离体依次为阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜。

同时，所述第一电极腔室120与第二电极腔室110之间设置有连通结构150，所示连通管道电极液循环管道152，所述电极液循环管道152上设有循环泵151，第一电极腔室120和第二电极腔室110内的电极液在第一电极腔室120与第二电极腔室110之间不断的循环流动。

第一流体通道143设置有待处理水体的进、出口，并且流体通道的出口处设置有水体流出的切换阀。第二流体通道144设置有待处理水体的进、出口，并且流体通道的出口处设置有水体流出的切换阀，待处理水体按照的15ml/min流量通入流体通道。

利用以上所述的电化学组件及工艺参数处理电导率为3000μS/cm的氯化钠溶液；最终分别得到电导率600μS/cm的淡液和电导率220000μS/cm的浓液，水回收率大于99％。

且处理过程中，两侧电极腔室内电极液的pH偏差基本可以忽略。

对比例1-1：本对比例中，采用如图6所示的，具有一个流体通道的电化学组件处理电导率为3000μS/cm的氯化钠溶液；

装置结构，本对比例基本同例1-1，区别仅在于：只具有一个流体通道，具体的如图6所示，包括第一电极腔室(本对比例中为第一流体通道)、第二电极腔室(本对比例中为第三流体通道)，第一电极腔室与第二电极腔室之间仅仅设置有一个流体通道(为第三流体通道)且由第一电极腔室到第二电极腔室所述隔离体为阴离子交换膜、阳离子交换膜。

运行工艺，电压/电流大小、处理的目标流体、处理过程中目标流体通入流体通道的流速以及在流体通道内的停留时间均同例1-1，区别之处仅在于：将目标流体通入第一流体通道、第二流体通道以及第三流体通道；当含有一定离子浓度的目标流体通入第一流体通道时，其内填充的活性炭颗粒表面吸附阴离子，并将阳离子排斥至体相水体中。由于阴离子交换膜的阻挡作用(理论上阳离子不能透过阴离子交换膜)，这部分阳离子将在体相溶液中富集。为了保持电中性，阴离子将从第三流体通道中迁移至此并形成富集，并随第二流体通道以浓水的形式排出。同理，当含有一定离子浓度的目标流体通入第二流体通道时，阳离子被其内填充的活性炭颗粒表面吸附，而阴离子被排斥至体相溶液中。为保持电中性，阳离子从水流通道中迁移至此并形成富集，并随流体以浓水的形式排出。这样一来，第三流体通道的阴、阳离子中将会分别迁移至第一流体通道以及第二流体通道中，一部分成为两电极腔室的双电层吸附的离子，另一部分由于同号离子被排斥并在离子交换膜的阻挡下，根据多南平衡的原理，吸引更多的反号离子形成富集。使得第三流体通道中排出的流体的离子浓度大大降低，也即实现了水的除盐，即此时，第三流体通道排出的为淡液，第一、二流体通道排出的为浓液。

随后，当填充固定床电极需要进行再生流程时(也可以根据经验定时)切换第一集电极与第二集电极的极性。此时第三流体通道排出的为浓液，第一、二流体通道排出的为淡液，相应切换浓水和除盐水的水流通道，即切换回收管道和浓水管道即可。

按本发明所提出的结构组装成电吸附去离子装置，处理电导率为3000μS/cm的氯化钠溶液，最终分别得到平均电导率为1500μS/cm的淡液和电导率22000μS/cm的浓液，水回收率90％。

对比例1-2：本对比例中处理电导率为3000μS/cm的氯化钠溶液；所采用的装置结构，基本同例1-1，区别之处仅在于：所述第一电极腔室、第二电极腔室的电极液出口处均不设置阻挡活性炭粉末随电极液流出的装置，相反的最大程度的保证由电极液和活性炭颗粒形成的电极浆液能够在第一电极腔室及第二电极腔室之间进行循环。

按本对比例所提出的结构组装成电吸附去离子装置，处理电导率为3000μS/cm的氯化钠溶液，最终分别得到电导率1200μS/cm的淡液电导率25000μS/cm的浓液，水回收率90％。需要说明的是，由于整个处理过程中，存在有电极浆液堵塞停工等问题。

例1-2：采用如图3所示的电化学组件进行处理，本例基本同例1-1，区别仅在于，所述第一电极腔室与第二电极腔室之间的电极液不进行循环。

按本例1-2所提出的结构组装成电吸附去离子装置，处理电导率为3000μS/cm的氯化钠溶液，最终分别得到电导率1500μS/cm的淡液和电导率18000μS/cm的浓液，水回收率85％。

处理过程中，两侧电极腔室内电极液的pH偏差达到12。

例1-3：本例中，采用如图5所示的，具有两个流体通道的电化学组件处理浓度为3.5％(重量百分比)的氯化钠溶液；本例的装置结构、运行工艺均同例1-1。

处理浓度为3.5％(重量百分比)的氯化钠溶液，分别得到浓度小于等于500mg/L的淡液和浓度大于等于18％的浓液，浓缩倍数大于5倍。

对比例1-3：本对比例中，采用如图6所示的，与对比例1-1相同的装置结构的电化学组件，处理浓度为3.5％(重量百分比)的氯化钠溶液。本对比例的运行工艺同对比例1-1。

按本对比例所提出的结构组装成电吸附去离子装置，处理浓度为3.5％(重量百分比)的氯化钠溶液，整个处理过程下来效率过低，无法运行出有意义的结果。

基于上述内容，已经能够表明基于本发明提供的电化学组件及运行工艺，可以实现持续的进行水除盐、离子分离、离子选择性去除或者离子浓缩的处理。除此之外，本发明技术方案在面对含盐量更高的处理对象时，仍然具有优异的处理效果，达到良好的离子分离、离子选择性去除或者离子浓缩的目的，如：

例2：本例中利用如图5所示的电化学装置，对电导率为10000μS/cm的氯化钠溶液进行了处理。

所述电化学装置具有第一电极腔室120、第二电极腔室110、第一流体通道143、第二流体通道144；所述第一电极腔室120设置有第一电极腔室的电极液进口123、第一电极腔室的电极液出口124、电活性材料122；第一电极腔室的电极液出口124设置有第一电极腔室出口的限流凸起125，设置于第一电极腔室120一侧的第一集电极121由石墨材料制备而成，厚度10mm；填充于电极腔室内部的电活性材料为活性炭颗粒。所述第二电极腔室110设置有第二电极腔室的电极液进口113、第二电极腔室的电极液出口114、电活性材料112；第二电极腔室的电极液出口114设置有第二电极腔室出口的限流凸起115，设置于第二电极腔室110一侧的第二集电极111由石墨材料制备而成，厚度10mm；填充于电极腔室内部的电活性材料为粒径范围0.8～2mm、比表面积范围800～1000m²/g的活性炭颗粒。以进出水的长度方向为为电极腔室的长边，电极腔室的长度为200mm，宽度为80mm，厚度为4mm。电极腔室内的活性炭颗粒的填充密度0.5g/cm³。运行过程中通过外置电压装置200向第一集电极121、第二集电极111施加2.4V电压；且由第一电极腔室到第二电极腔室所述隔离体依次为阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜。

同时，所述第一电极腔室120与第二电极腔室110之间设置有连通结构150，所示连通管道电极液循环管道152，所述电极液循环管道152上设有循环泵151，第一电极腔室120和第二电极腔室110内的电极液在第一电极腔室120与第二电极腔室110之间不断的循环流动。电极液采用电导率为50000μS/cm的氯化钠溶液。

第一流体通道143设置有待处理水体的进、出口，并且流体通道的出口处设置有水体流出的切换阀。第二流体通道144设置有待处理水体的进、出口，并且流体通道的出口处设置有水体流出的切换阀，待处理水体按照的15ml/min流量通入流体通道，流体通道的长度同样为200mm、厚度同样为4mm、宽度为0.68mm。

利用以上所述的电化学组件及工艺参数处理5000毫升电导率为10000μS/cm的氯化钠溶液，最终得到电导率1200μS/cm的淡液，所述淡液共计4900毫升，电导率431200μS/cm的浓液，所述浓液共计100毫升，水回收率98％。

且处理过程中，两侧电极腔室内电极液的pH偏差基本可以忽略。

Claims (19)

1.一种实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：包括

第一电极腔室，所述第一电极腔室包括第一集电极，以及填充于第一电极腔室内部的电活性材料；

第二电极腔室，所述第二电极腔室包括第二集电极，以及填充于第二电极腔室内部的电活性材料；

位于所述第一电极腔室与所述第二电极腔室之间的流体通道；

其中，所述第一电极腔室和流体通道之间设置有隔离体；

所述第二电极腔室和流体通道之间设置有隔离体；

所述流体通道内部还至少设置有一个隔离体；

所述隔离体允许电极腔室和流体通道之间发生微观粒子的迁移。

2.根据权利要求1所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：所述电活性材料填充并保留于电极腔室内，填充于电极腔室内的电活性材料具有供电极液在电极腔室内分布及流动的透水结构。

3.根据权利要求2所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：所述第一电极腔室还包括第一材料保留装置；所述第一材料保留装置用于阻止电活性材料因电极液的流动，而排出第一电极腔室；

所述第二电极腔室还包括第二材料保留装置；所述第二材料保留装置用于阻止电活性材料因电极液的流动，而排出第二电极腔室。

4.根据权利要求1所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：所述电活性材料包括碳材料、碳基复合材料、金属材料、金属氧化物材料、离子嵌入材料和导电聚合物中的一种或一种以上。

5.根据权利要求1所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：所述隔离体为多孔膜、离子交换膜、离子选择性交换膜或特定离子选择性透过膜中的一种或一种以上；

其中，所述多孔膜包括陶瓷多孔膜、二氧化钛多孔膜；

所述离子交换膜包括阴离子交换膜、阳离子交换膜；

所述离子选择性交换膜包括单价离子选择性交换膜、多价离子选择性交换膜、特定离子选择性交换膜。

6.根据权利要求1所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：

所述第一集电极包括导电材料；所述第二集电极包括导电材料；

其中，所述导电材料包括金属材料、石墨材料、石墨箔材料、碳材料或复合材料中的任一种或几种；其中，所述复合材料由聚合物粘合剂和导电颗粒制成。

7.根据权利要求3所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：所述第一电极腔室与第二电极腔室之间设置有连通结构；电极液可以通过所述连通结构在第一电极腔室、第二电极腔室之间循环流动；

通入第一电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第一电极腔室并通过连通结构通入第二电极腔室；通入第二电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第二电极腔室并通过连通结构通入第一电极腔室，实现电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间的循环流动。

8.根据权利要求1-7任一所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：

所述流体通道至少包括第一流体通道以及第二流体通道；

所述第一电极腔室和第一流体通道之间通过隔离体一连通；

所述第一流体通道和第二流体通道之间通过隔离体三连通；

所述第二电极腔室和第二流体通道之间通过隔离体二连通；

其中，所述隔离体一、隔离体二的种类相同；所述隔离体一、隔离体三的种类不同。

9.根据权利要求8所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：所述隔离体一、隔离体二支持带有A电荷的粒子通过，不支持带有B电荷的粒子通过；

所述隔离体三支持带有B电荷的粒子通过，不支持带有A电荷的粒子通过；

其中，所述A电荷为正电荷或者负电荷，所述B电荷具有与A电荷相反的电荷。

10.根据权利要求8所述的实现粒子约束的电化学组件，其特征在于：所述隔离体一、隔离体二为阴离子交换膜或者阴离子选择性交换膜；所述隔离体三为阳离子交换膜或者阳离子选择性交换膜；或者，

所述隔离体一、隔离体二为阳离子交换膜或者阳离子选择性交换膜；所述隔离体三为阴离子交换膜或者阴离子选择性交换膜。

11.一种电化学装置，所述电化学装置用于通过电吸附进行水除盐或者离子分离或者离子选择性去除或者离子浓缩处理，其特征在于：包括权利要求1-10任一所述的实现粒子约束的电化学组件。

12.根据权利要求11所述的电化学装置，其特征在于：还包括电压装置或电流装置，所述电压装置或电流装置向所述电化学组件的第一集电极和第二集电极施加电压；

所述电化学组件具有的流体通道的出口处设置有流体切换阀门。

13.一种实现粒子约束的方法，所述粒子约束为通过电吸附进行液体除盐或者离子分离或者离子选择性去除或者离子浓缩，其特征在于：包括

提供如权利要求1～10任一所述的电化学组件或者权利要求11～12任一所述的电化学装置；

在第一集电极和第二集电极之间施加电压或电流；

分别向所述第一电极腔室、第二电极腔室提供电极液；

将含离子成分的流体连续通入流体通道内，并经由流体通道后排出，流经流体通道的期间所述离子成分在隔离体处发生迁移。

14.根据权利要求13所述的实现粒子约束的方法，其特征在于：运行过程中切换施加于第一集电极和第二集电极的电压方向。

15.根据权利要求14所述的实现粒子约束的方法，其特征在于：

所述流体通道包括第一流体通道以及第二流体通道；

所述第一电极腔室和第一流体通道之间通过隔离体一连通；

所述第一流体通道和第二流体通道之间通过隔离体三连通；

所述第二电极腔室和第二流体通道之间通过隔离体二连通；

其中，所述隔离体一、隔离体二支持带有A电荷的粒子通过，不支持带有B电荷的粒子通过；

所述隔离体三支持带有B电荷的粒子通过，不支持带有A电荷的粒子通过；

其中，所述A电荷为正电荷或者负电荷，所述B电荷具有与A电荷相反的电荷。

16.根据权利要求15所述的实现粒子约束的方法，其特征在于：

连续向第一和第二流体通道供应含离子成分的流体；且，

经由其中一个流体通道排出的流体中，所含离子成分的含量，低于进入该流体通道的流体所含有的离子成分的含量；

经由另一个流体通道排出的流体中，所含离子成分的含量，高于进入该流体通道的流体所含有的离子成分的含量。

17.根据权利要求16所述的实现粒子约束的方法，其特征在于：

所述第一电极腔室，还包括用于阻止电活性材料随电极液排出第一电极腔室的电活性材料保留装置；

所述第二电极腔室，还包括用于阻止电活性材料随电极液排出第二电极腔室的电活性材料保留装置；

所述第一电极腔室与第二电极腔室之间设置有连通结构；

分别向所述第一电极腔室、第二电极腔室提供电极液；

其中，所述电极液中含有电解质；运行期间所述电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间循环流动，第一电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第一电极腔室通入第二电极腔室；所述第二电极腔室的电极液流过电活性材料后，流出第二电极腔室通入第一电极腔室，实现电极液在第一电极腔室与第二电极腔室之间的循环流动。

18.根据权利要求13～17任一所述的通过电吸附进行液体除盐或者离子分离或者离子选择性去除或者离子浓缩的方法，其特征在于：

连续向第一流体通道供应含目标离子成分的第一流体，连续向第二流体通道供应含离子成分的第二流体；

向第一集电极和第二集电极施加电压，以提供具有方向的电场，使：

第一流体通道中的目标离子经由隔离体三向第二流体通道迁移，形成含所述目标离子的浓缩液；

第一流体经由第一流体通道排出后，所含目标离子的含量降低；

第二流体经由第二流体通道排出后，所含目标离子的含量升高。

19.根据权利要求18所述的通过电吸附进行液体除盐或者离子分离或者离子选择性去除或者离子浓缩的方法，其特征在于：

运行过程中第一集电极和第二集电极的电压方向切换后，连续向第二流体通道供应含目标离子成分的第一流体，连续向第一流体通道供应含离子成分的第二流体；

第二流体通道中的目标离子经由隔离体三向第一流体通道迁移，形成含所述目标离子的浓缩液；

第一流体经由第二流体通道排出后，所含目标离子的含量降低；

第二流体经由第一流体通道排出后，所含目标离子的含量升高。

Images