JP2016509527A - 容量性脱イオン化用含浸電極、該電極の製造方法、および該電極を用いた装置 - Google Patents

Abstract

（ｉ）１００ｍ２／ｇから１３００ｍ２／ｇの比表面積を有する吸着剤と、（ｉｉ）導電性カーボンブラックと、（ｉｉｉ）結合剤と、を備え、前記吸着剤には、１０５Ｓ／ｍから１０７Ｓ／ｍの範囲の導電率および−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準水素電位を有する物質を含浸させている、容量性脱イオン化用電極の電極が開示されている。前記電極は、強化された回復および全固形分におけるより大きな還元をもたらし、よりエネルギー効率的である。【選択図】なし

Description

本発明は、容量性脱イオン化用電極に関する。

浄水にはいくつかの技術が利用可能である。そのリストには、紫外線（ＵＶ）放射、次亜塩素酸塩のような化学的浄化剤ならびに種々の膜の使用が含まれる。リストに挙げられた技術は、脱イオン化をもたらさない。しかし、他の方法、例えば、蒸留、逆浸透、容量性脱イオン化およびイオン交換樹脂によれば、脱イオン化がもたらされる。

水が、水のＴＤＳ（総溶解固形分）として測定されことが多い溶解固形分を多く含む場合、脱イオン化が必要となる。水を脱イオン化する浄化器は、一般に、全溶解固形物を感知するための本体内蔵の機構（例えば、導電率計）を有する。総溶解固形分が予め設定された限度を下回る限り、ユーザは、分配ポート／蛇口を通して浄化水を回収することができる。浄水でさえこの予め設定された制限を超えるとき、ある段階を迎える。この段階では感知器は、直ちにその変化を感知し、ポート／蛇口への水の供給を中断する。その後、水は、排水用に作られた出口に送られる。この予め定義されたレベル（ＴＤＳ_ｓｅｔ）は、流入水の平均ＴＤＳおよび消費者によって所望される浄化水の平均ＴＤＳを考慮した後に、通常、固定される。良い味のためには、水中にいくらかの量のＴＤＳが必要である。

容量性脱イオン化の典型的な処理の間、水は、１つ以上の対の反対に帯電した電極を通って流れ、その間、水中に存在するイオンが、電極の表面に引き付けられ、かつ吸着される。この現象は、ＴＤＳの低下をもたらす。吸着は、電極の利用可能な表面積によって制限される表面現象である。容量性脱イオン化電極を含む市販の浄水器は、通常、周期的に帯電および放電されるいくつかの電極の配置を含む。電極のこのスタックを流れる水は、帯電サイクルの間に連続的に脱イオン化される。

しかし、どんな電極の性能も、一般に、使用期間にわたって低下する。その後、装置はもはや、所望の程度のＴＤＳの還元をもたらすことができない。これは、電極上の塩の析出に起因すると考えられている。この現象は、電極の寿命に影響を与える。しかし消費者は、より長く持続する電極を求めている。

容量性脱イオン化の処理において、水の純度は、ＴＤＳ_ｓｅｔと呼ばれる予め決められたパラメータによって確認される。設定値より多くのＴＤＳを含む水は、純粋ではないと考えられ、故に消費に適しない。言い換えれば、かかる水は、水を非飲用にする多量の溶解固形物、主に無機塩を含んでいる。逆に、浄化された水（または出水）のＴＤＳがＴＤＳ_ｓｅｔ未満である限り、水は、消費に適したままである。

任意のＣＤＩシステムの性能は、２つのパラメータによって測定される。

第１は、システムによってもたらされるＴＤＳの還元の程度であり、第２は、回復と呼ばれ、水の総摂取量に対する浄化水の比として定義される。

好適な電極は、できるだけ長い時間の間、高い回復で純水を提供し続け、かつ、より多くのＴＤＳの除去を安定してもたらす、電極である。

米国特許出願公開第２０１２１８７０５４号（ＳＡＭＳＵＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ ＬＴＤ）は、吸着を介して流入水から金属汚染物質を除去するための、電極上の金属吸収材料の使用を開示している。

欧州特許第１６０１６１７号（ＭＯＲＧＡＮＩＴＥ ＥＬＥＣＴ ＣＡＲＢＯＮ）は、不純な流入水の濁度を低減するための電気凝集剤を形成するために、電気分解によって水の中に金属を浸出させるように電極における金属の含有物を開示している。代表的な電極は、１から９０％の黒鉛系炭素マトリックスと、４０％までの金属、例えば、アルミニウム、銅、銀、ニッケル、鉄とを、有する。

国際公開第２００８０１６６７１号（Ｑｕｏｓ Ｉｎｃ、米国）は、活性吸着剤としての、樹脂結合剤、カーボンブラックおよび／またはグラファイトと、吸着促進剤としての金属酸化物とからなる炭素系複合電極を開示している。いくらかの量の、銀または金のような金属が、より良い導電率のために電極に添加され得ることが、示されている。

独国特許出願１００１３４５７号（Ｎｏａｃｋ Ａｎｄｒｅａｓ、２００１）は、水を浄化するための装置が、ハウジングと、少なくとも２つの電気的に反対に帯電した電極とを備え、１つの電極が多孔性支持体上に多孔質炭素膜を備えることを、開示している。水の浄化装置は、ハウジングと、少なくとも２つの電気的に反対に帯電された電極とを備え、一方の電極は多孔性支持体上に多孔質炭素膜を備える。

米国特許出願公開第２０１２／１８７０５４号明細書 欧州特許第１６０１６１７号明細書 国際公開第２００８／０１６６７１号パンフレット 独国特許出願１００１３４５７号明細書

前者の場合、電極は、金属製のマイクロ汚染物質の除去用であるが、無機塩／ＴＤＳの還元は目的としていない。後者の場合、電極は、電気凝集のために水に金属イオンを浸出するために使用され、それは、濁度の低減のための方法である。これは、無機塩またはＴＤＳの還元についての技術的な問題に対処していない。

本発明の目的は、増強された回復、および高いＴＤＳ除去を与える電極を提供することである。

吸着媒体に、１０^５Ｓ／ｍから１０^７Ｓ／ｍの範囲の導電率と、−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準還元電位とを有する物質を含浸させた場合に、少なくともいくつかの問題が解決されうると、認められている。

そのため、第１の態様によれば、
（ｉ）１００から１３００ｍ^２／ｇの比表面積を有する吸着剤と、
（ｉｉ）導電性カーボンブラックと、
（ｉｉｉ）結合剤と、を備え、
前記吸着剤には、１０^５Ｓ／ｍから１０^７Ｓ／ｍの範囲の導電率と、−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準還元電位とを有する物質を含浸させている、容量性脱イオン化用の電極が、開示されている。

容量性脱イオン化用の開示された電極は、
（ｉ）１００から１３００ｍ^２／ｇの比表面積を有する吸着剤と、
（ｉｉ）導電性カーボンブラックと、
（ｉｉｉ）結合剤と、を備え、
前記吸着剤には、１０^５Ｓ／ｍから１０^７Ｓ／ｍの範囲の導電率と、−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準還元電位とを有する物質が含浸されている。

容量性脱イオン化は、典型的には３００から３０００ｐｐｍのＴＤＳを有する汽水の脱イオン化用の新しい技術である。動作原理は、電気収着または電気吸着であり、ここで、水中に存在するイオンは、印加された電場の影響下で電極上に吸着される。容量性脱イオン化の典型的なサイクルは、浄化工程と、再生工程とを含む。

容量性脱イオン化の処理は、流入水中に含まれる全溶解固形分を低下させるために、イオンの電気収着用の基板としての電極を必要とする。

吸着剤
好ましい吸着剤は、活性炭、高比表面積のグラファイト（ＨＳＡＧ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、活性炭繊維、陽イオン交換樹脂、ゼオライト、スメクタイト、またはバーミキュライトから選択される。特に好ましい吸着剤は、活性炭である。活性炭は、瀝青炭、ココナツの殻、木材または石油タールから得られることが好ましい。好ましくは、活性炭の表面積は、５００ｍ^２／ｇよりも大きく、より好ましくは、１０００ｍ^２／ｇよりも大きい。活性炭の大きさ均一性係数は、２未満、より好ましくは、１．５未満であることが、好ましい。

活性炭の四塩化炭素数は、５０％より多いことが好ましく、より好ましくは、６０％より多い。活性炭のヨウ素数は、８００単位より多いことがさらに好ましく、より好ましくは、１０００単位よりも多い。さらに好ましくは、活性炭の粒径は、７５から３００μｍであり、好ましくは１００から２５０μｍである。

カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボンエアロゲルを含む活性炭の変形形態は、活性炭に加えて、または、活性炭の代わりにも使用され得る。

導電性カーボンブラック
導電性カーボンブラックは、元素状炭素の一形態である。導電性カーボンブラックは、主に、液体芳香族炭化水素からオイルファーネス法により製造される。電極用カーボンブラックの選択において、好適なかつ重要な因子は、総表面積およびメソ細孔表面積、構造および表面酸化である。

導電性カーボンブラックの全表面積は、好ましくは、５００ｍ^２／ｇより大きい。また、導電性カーボンブラックのメソ細孔面積は、１００ｍ^２／ｇより大きいことが好ましく、より好ましくは１００ｍ^２／ｇから１０００ｍ^２／ｇの範囲内である。

カーボンブラックの構造は、そのオイル吸着数（ＯＡＮ）によって特徴付けられる。カーボンブラックのＯＡＮは、４５から４００ｃｍ^３／１００グラムであることが好ましく、より好ましくは、１００から４００ｃｍ^３／１００ｇ、さらにより好ましくは、２５０から４００ｃｍ^３／１００ｇである。導電性カーボンブラックは、その表面上により少量の化学吸着酸素を有することが好ましい。

好適なカーボンブラックの等級は、ＴＩＭＣＡＬグラファイト５炭素（等級：Ｅｎｓａｃｏ（商標）２５０Ｇ、Ｅｎｓａｃｏ（商標）３５０）から、またはＣａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（等級：Ｒｅｇａｌ（商標）、Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌ（商標）２０００、Ｖｕｌｃａｎ）から、またはＥｖｏｎｏｖｉｋ（等級：ＰＲＩＮＴＥＸ（商標）ＸＥ−２）、またはＡｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ（ケッチェンブラック）から、選択され得る。

結合剤
電極は、また、結合剤を含む。好ましくは、結合剤は、熱可塑性である。熱可塑性結合剤という用語は、５ｇ／１０分未満の、より好ましくは２ｇ／１０分未満の、さらにより好ましくは１ｇ／１０分未満の、メルトフローレート（ＭＦＲ）を有する結合剤を意味する。結合剤の嵩密度は、好ましくは、０．６ｇ／ｃｍ^３未満または０．６ｇ／ｃｍ^３に等しく、より好ましくは、０．５ｇ／ｃｍ^３未満または０．５ｇ／ｃｍ^３に等しく、さらにより好ましくは、０．２５ｇ／ｃｍ^３未満または０．２５ｇ／ｃｍ^３に等しい。

適切な実施例は、超高分子量ポリマー、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、およびそれらの組み合わせを含み、これらは、低ＭＦＲ値を有する。分子量は、好ましくは、１０^６から１０^９ｇ／モルの範囲である。このクラスの結合剤は、Ｔｙｃｏｎａ ＧＭＢＨからの商標名ＨＯＳＴＡＬＥＮ、商標名ＧＵＲ、（Ａｓａｈｉ、日本からの）商標名Ｓｕｎｆｉｎｅ、（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉからの）およびＢｒａｓｋｅｎ Ｃｏｒｐ（ブラジル）からの商標名Ｈｉｚｅｘで市販されている。他の適切な結合剤は、（Ｂａｓｅｌ Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎｓからの）Ｌｕｐｏｌｅｎとして売られているＬＤＰＥおよびＱｕｎｏｓ（オーストラリア）からのＬＬＤＰＥを含む。

熱可塑性結合剤は、フィブリル化ポリマー、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ではないことが、好ましい。

熱可塑性結合剤の粒径は、２０から６０μｍ、好ましくは４０から６０μｍの範囲であることが、好ましい。好適な電極は、結合剤８から３０重量％、より好ましくは結合剤１０から３０重量％、さらにより好ましくは結合剤１２から２８重量％を、含む。

活性炭：結合剤：導電性カーボンブラックの重量比は、好ましくは５：２：３から８：１：０．５、より好ましくは７：２：１である。

物質
開示されているフィルタでは、吸着剤は、１０^５Ｓ／ｍから１０^７Ｓ／ｍの範囲の導電率と、−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準還元電位とを有する物質を含浸させている。これは、標準水素電極に対してである。

そのような物質の存在により増加した吸着剤の導電率は、増強された回復と、全固形分におけるより大きな還元をもたらし、より多くのエネルギー効率をもたらすと考えられている。増加した導電率は、活物質の抵抗を減少させ、それにより材料内部のより小さな電位降下につながり、その結果、より高い電位が、電極−溶液界面に展開されると考えられている。この現象は、塩（ＴＤＳ）の含有量を低下させるために、電極の容量を増加させる。また、塩の除去の処理の反応速度を増加させる。その結果、容量性脱イオン化システムの回復が増加すると考えられる。

（吸着剤が含浸されている）物質は、貴金属であることが好ましい。吸着剤、例えば活性炭に含浸させる物質の割合は、吸着剤０．２から０．８重量％であることが好ましく、より好ましくは、０．２から０．５重量％である。好適な物質としては、金、銀、銅、白金などが挙げられる。特に銀が好ましい。銀は、標準水素電極に対して、６．３×１０^７Ｓ／ｍの導電率および０．８Ｖの標準還元電位を有する。使用される吸着剤は、その物質で予め含浸されている。

電極のさらなる詳細
本発明の第１の態様の電極は、本発明の第２の態様に係る方法によって得ることが好ましい。

電極を使用するためには、それらは通常、必要な大きさに切断される。この大きさは、対応する容量性脱イオン化セルの大きさに依存し、そのセル内に、電極が組み立てられる。通常、電極は、対の数で、例えば、１１対、１３対、好ましくは最大２５対で、組み立てられる。２５対を超えると、電極の配置の流体抵抗があまりにも高くなり、より多くの圧力降下を引き起こす。第２の理由は、帯電サイクルとシステムからの浄化水の出口との間に、しばしば遅れがあることである。というのは、電極の配置によって画定される経路長さが長すぎるためである。好ましい方法では、水は、８から２５対の電極を通過する。通常、電極の総数のうちのかなりの数が、両面の電極であり、ほとんどの場合、「ｎ」対の電極が使用される。両面の対の数は、「ｎ−１」であり、片面の電極として使用されるべきその残りの１対を残し、残りの１対は、組立体またはスタックにおいて端子電極として１つずつ配置されている。

電極のすべての対のうち、電極の大部分が、両面であり、それに対応して電極の小部分は片面であることが、特に好ましい。

電極の平行配置を有することが好ましい一方、それらはまた、直列に配置され得る。

それぞれの両面電極の厚さは、１ｍｍから６ｍｍが好ましく、より好ましくは２から５ｍｍであり、さらに好ましくは３から４ｍｍである。それぞれの片面電極の厚さは、１から３ｍｍであることが好ましい。

非導電性材料、例えばナイロン布は、好ましくは、電極間の直接接触を防止するために使用される。隣接する２つの電極間の隙間が最大１ｍｍであることが、特に好ましい。

電極のさらなる詳細な説明は、国際公開第２００９／０７７２７６号（Ｕｎｉｌｅｖｅｒ）に見出され得る。

吸着剤、例えば炭素は、例えば銀のような物質を予め含浸させているので、それらが形成された後に、電極のコーティングのようなさらなる後処理を必要としない。

容量性脱イオン化セルの説明
電極を使用するために、それらは、容量性脱イオン化セルと呼ばれるセルを形成するように組み立てられる必要がある。セルを形成するための方法が、簡単に説明される。

通常、このようなセル内で１対の電極は、それぞれ正および負の電位に接続されている。筐体は、水がセルの内外に流れるための対策を有する容量性脱イオン化セルを、取り囲んでいる。筐体はまた、外部からセル内の電極への接続をもたらす。

任意の公知の手段は、セル内への水の流入のために使用され得る。水は一般に、貯留器を介して、または水の直列源およびポンプによって、供給される。例えば、貯留器内に保存された水が、容量性脱イオン化セルに供給されるか、または、容量性脱イオン化セルが、蛇口のような直接の源に接続されている。

ポンプが使用される場合、水は、１から１５００ｍｌ／分、より好ましくは１０から３００ｍｌ／分の流速で、ポンプ輸送され得る。より一般的な流量は、約５５ｍｌ／分から２００ｍｌ／分である。水は、有機材料および微粒子の不純物を含まない状態にするために、予め濾過されることが、好ましい。好適な濾過手段が、採用され得る。

電源
電源が必要である。電力は、任意の手段によって供給され得る。しかし、電力は、ＤＣ電圧を供給するための、かつ、短絡、帯電および放電のような予めプログラムされた時限の工程を適用するための、プログラム可能なＤＣシステムによって供給されることが好ましい。

帯電工程中に電極間に印加される電圧は、０．１から１０Ｖであることが好ましく、より好ましくは０．８から８Ｖであり、さらにより好ましくは１．０から６Ｖである。放電工程では、電極の電荷がたとえ短期間の間のみでも反転する場合、好適な印加電圧は、−０．１から−１０Ｖであり、より好ましくは−０．８から−８Ｖであり、さらにより好ましくは−１．０から−６Ｖである。

ＴＤＳの測定
導電率計は、水中の塩の濃度を測定するために、適切な電子プログラムを用いて使用される。ＴＤＳは直接計算され、表示される。好ましくは、このような２つの計測器が使用されている。容量性脱イオン化セルの前に位置する第１の導電率計は、流入水中の塩の濃度を測定する。セルの後に位置する第２の導電率計は、流出水中の塩の濃度を測定する。この第２の導電率計は、電子プロセッサに接続されている。電子プロセッサは、導電率計から電気信号を受信し、導電率計からＴＤＳへの電気信号に変換する。導電率は、定期的な間隔、例えば１秒ごとに測定されることが好ましく、その間隔は、電子プロセッサによって制御され得る。

水の流出を制御する手段を提供するため、一般に、電磁弁が容量性脱イオン化セルで使用されている。

電磁弁は、電気機械的に作動される弁である。弁は、ソレノイドを通る電流によって制御される。２ポート弁の場合、流れは、オンまたはオフに切り替えられ、３ポート弁の場合、流出流れは、２つの流出ポート間で切り替えられる。電磁弁は、流体の流れの中で最も一般的に使用される制御要素である。

３方向電磁弁が使用されることが好ましく、その１つのポートは水の流入用であり、他の２つは流出用である。電磁弁は、リレースイッチを有する導電率計に接続されていることが好ましい。ＴＤＳが、予め設定された限度より多い場合には、水の通過流れは通常閉じられ、水は流出ポートから来る。ＴＤＳが、予め設定されたポイントよりも低下すると、リレースイッチがオンになり、電流が、電磁弁に流れ、電磁弁がその後、別のポートに流路を切り換える。

電子プロセッサは、測定された流入および流出のＴＤＳレベルに基づいて電磁弁の特定のポートの開度と、ＴＤＳ用の予め決定された予め設定されたポイントとを制御する。流入水のＴＤＳは、７００から８００ｐｐｍであることが好ましいが、ＴＤＳは、水の供給源に依存して変化し得る。ＴＤＳは、脱イオン化後にその初期レベルの少なくとも３０％、例えば、１００ｐｐｍの初期流入レベルから流出水における少なくとも３０ｐｐｍへの還元に低下していることが好ましい。

電極が、３０％までの低下をもたらさなかった場合、その後、電極は介入が必要となり得る。言い換えると、流入ＴＤＳが１００ｐｐｍで、流出ＴＤＳが７０ｐｐｍを超えている場合、電極は介入が必要となり得る。

ＴＤＳの予め設定された上限（すなわち、最大許容ＴＤＳ）は、５５０ｐｐｍであることが好ましく、より好ましくは３００ｐｐｍ以下である。すべての溶解塩を完全に除去するためのＴＤＳにおける大幅な還元は、望ましくない。溶解固形分を含まない水は通常、味気ない味がする。

したがって、ＴＤＳ_ｓｅｔは、最小１５０ｐｐｍである。これは、流出水中のＴＤＳを、最小値の１５０ｐｐｍにすることが好ましいことを意味する。

使用中の電極
使用時には、２つ以上の電極を有する容量性装置が、直列に配置されている。それぞれの電極は、第１の面、反対側の第２の面、および第１の面から反対側の第２の面に延びる外面によって画定される厚さを有する。第１の電流コレクタは、１つ以上の電極の外面と接触しており、かつ、第１の電流コレクタと１つ以上の他の電極の外面との間に配置された柔軟な材料との接触を介して、１つ以上の他の電極から絶縁されている。第２の電流コレクタは、第１の電流コレクタから絶縁された１つ以上の電極と電気的に接触している。

水の浄化の代表的な方法は、一連のサイクルを繰り返すことを有しており、サイクルの間、流入水は、反対に帯電された電極の少なくとも１対を通過する。それぞれのサイクルは、
（ｉ）帯電工程と、
（ｉｉ）第１の短絡工程と、
（ｉｉｉ）電極上の電荷の反転からなる放電工程と、
（ｉｖ）第２の短絡工程とを有する。

１０サイクルの前の印加された極性の反転は、処理を非効率的にする。これは、極性の変化後、システムが、安定し、かつ、その最大効率に向けて実行するために、（浪費サイクルと呼ばれる）数サイクルを要するためである。したがって、極性が頻繁に反転される場合、処理を非効率的にする浪費サイクルの数が増加するであろう。２０サイクル後の電荷の反転は、電極が、そのときまでに、より多くのイオンを吸着しているであろうから、所望の効果をもたらさないであろう。

帯電工程では、流入水中に存在するイオンは、電極の表面に吸着され得る。好ましい方法では、帯電工程の持続時間は、１から２５分、より好ましくは６から１８分、さらに好ましくは１２から１８分である。それぞれの工程用のこの期間は、電極の種類、それらの構造の材料、それらの寸法、印加電圧、および、処理される水のＴＤＳに依存する。

第１の短絡工程は、イオンが水の大部分に入ることができるように、電極に付着した電荷を均一にし、かつ中和するのに役立つ。好ましい方法では、第１の短絡段階の持続時間は、２から６０秒、より好ましくは８から１５秒、最も好ましくは１０から１５秒である。

第１の短絡工程の後でさえ、いくつかのイオンは、他にも理由があるが、離脱のための特別な駆動力がないため、電極に未だ付着し得る。これは、電極の残留電荷によって吸着されたイオンを放出するのに役立つ短期間の間、電極に印加された電荷の反転からなる放電工程によって達成される。このようなイオンは、その後、容易に反発電気力によって放出される。

この工程はまた、さらなる使用のための電極を再生成する。好ましい方法では、放電工程の継続時間は、５から２０秒、より好ましくは８から１５秒である。第２の短絡工程は、さらに、残留電荷を中和するのに役立つ。好ましい方法では、第２の短絡段階の持続時間は、４から２０分の間、より好ましくは１２から１８分の間である。この工程はさらに、イオンを電極から離して水の大部分へと駆動する。

電極の製造方法
別の態様によれば、水の容量性脱イオン化のための第１の態様の電極を製造する方法が提供される。この方法は、
（ｉ）吸着剤６０から８８重量部の混合物を形成する工程であって、前記吸着剤は、１００ｍ^２／ｇから１３００ｍ^２／ｇの比表面積と、熱可塑性ポリマー結合剤５から３０重量部と、導電性カーボンブラック２から２０重量部と、を有し、前記混合物への流体を備え、前記流体の量は、前記混合物の重量の４倍以下である、工程と、
（ｉｉ）工程（ｉ）で得られた組成物を金型で成型する工程と、
（ｉｉｉ）前記金型を圧縮する工程と、
（ｉｖ）前記金型を１５０から３５０℃の範囲の温度に加熱する工程と、
（ｖ）成型された電極を離型する工程とを備え、
前記吸着剤には、１０^５Ｓ／ｍからで１０^７Ｓ／ｍの範囲の導電率と、−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準水素電位とを有する物質を含浸させている。

好ましい方法では、流体は水である。さらに好ましくは、組成物の成型は、シートを形成するための金型を使用して行われ、より好ましくは、組成物の成型は、金型における電流コレクタにわたって行われる。好ましい電流コレクタは、グラファイト、アルミニウムまたはチタンから選択される。処理の間、金型の温度は、２００から３００℃であることが好ましい。金型は、金型を加熱する前に３０ｋｇ／ｃｍ^２を超えない圧力に圧縮されることが好ましい。さらに好ましい圧力は、１２から２５ｋｇ／ｃｍ^２である。

開示された処理は、層状ブロックまたは層状成型品とは違って、多かれ少なかれ均質な混合物をもたらす。さらに別の態様によれば、水の容量性脱イオン化のための第１の態様の電極を有する浄水システムが提供される。

さらに別の態様によれば、第１の態様の複数の電極を有するハウジングを備え、水から溶解塩の除去のために重力供給水浄化装置が、設けられている。ここで、電極は、電極に１．４Ｖよりも小さい電位を提供するようにＤＣ電力源に接続されている。

水の精製のための方法
浄化中に、正および負の電位が電極に印加され、水中に存在する対イオンは、対応する反対の電荷の電極に引き寄せられる。この効果は、流入水中に存在するイオンを低下させる。

再生工程では、電極上の電荷が反転される（または、電極が短絡される）。この工程では、イオンが電極から離脱され、静電反発力により、流れている水の中に入る。この工程の間、より多くの量のイオンが水中に存在する。このような水は一般に、消費に適合していないので、商用の装置は、この水を廃棄するための機構を内蔵している。

第３の態様によれば、複数の電極を備えるハウジングを備える水の脱塩のための装置であって、前記電極は、７５から３００μｍの範囲の粒径を有する活性炭６０から８８重量％を有する組成物と、２０から６０μｍの範囲の粒径を有する熱可塑性ポリマー結合剤５から３０重量％と、導電性カーボンブラック２から３０重量％とからなる組成物から成形され、前記電極がＤＣ電力源に接続され、１．４Ｖ電位よりも低い電圧を提供する装置が提供される。

本発明の更なる詳細が、これから非限定的な実施例を参照して説明されるであろう。

［実施例］
［実施例１］
電極の製造方法
電極は、湿式混合法、続いて熱アニールによって製造された。（Ａｃｔｉｖｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｌｔｄにより供給される）０．２％銀、結合剤（Ｔｉｃｏｎａによって供給される、高濃度ポリエチレン）および導電性カーボンブラック（ＴＩＭＣＡＬによって供給される、ＢＥＴ表面積７７０ｍ^２／ｇ、導電率〜０．０５Ｓ／ｃｍ）を、その上に含浸させた粉末活性炭（比表面積８８５ｍ^２／ｇ）は、スラリーを形成するために脱イオン化水を用いて、比率７０：２０：１０（すなわち７：２：１）で混合された。このスラリーは、厚さ０．３ｍｍのグラファイトシート上で必要とされる寸法に広げられ、２時間の間、熱風オーブン内で２００℃に保たれた。

［実施例２］
単一セルの脱塩
単一セルの脱塩実験は、実施例１の電極および粉末活性炭上の（銀を含浸させていない）比較電極で行われた。

［実施例３］
別の一組の電極は、（上記のように０．２％に対して１％）粉末活性炭中の銀のより高いドーピングレベルを用いて製造された。

すべての実験のための流入水は、８１５ｐｐｍＴＤＳを含む井戸水であった。水は、コロイド、有機材料および粒子状物質を含まなかった。１．２ＶのＤＣ電圧が、セルに印加された。流入水の流量は、１０ｍｌ／分に固定された。脱塩実験は、１６分（Ｔ１）間の電位を印加することと、１０秒（Ｔ２）間の短絡段階と、１０秒（Ｔ３）間の反転電位工程と、８分（Ｔ４）間の短絡状態とからなる処理を通じて、電極を循環させることによって、実行された。

Ｔ１の間に、正の電圧が電極の１つに印加され、かつ、負の電圧が他の電極に印加され、Ｔ３の間に、電極の極性が反転された。短絡状態の間、電圧は電極に対して印加されず、電極の端子は短絡された。

電極材料の性能は、以下の式を使用して、ＴＤＳの還元と、回復とを観察することによって決定された。

塩除去（％）＝［１−（ＴＤＳ_{ｉｎｐｕｔ}／ＴＤＳ_{ｏｕｔｐｕｔ}）］＊１００
回復（％）＝［浄化水の容量／流入水の容量］＊１００
流出水は、ＴＤＳが５５０ｐｐｍ（ＴＤＳ_ｓｅｔ）未満であった場合、純粋であると考えられた。データは、表１に示されている。

表１：単一セルのデータ

銀の含有は、電池の性能を著しく向上させた（実施例１と比べて実施例２）。これは、炭素を含浸させた銀が活性材料の抵抗を減少させるので、イオンを吸着するために電極−溶液界面に印加される電位をより表すのに役立つと考えられている。

多くの銀を追加することが、ある程度の導電性を改善するが、それはまた、乏しい性能をもたらす銀の高いドーピングでのキャパシタを還元させる（実施例１および２と比較して実施例３）。

［実施例４および５］
電極のスタックの性能
実験は、また、１１対の電極のスタック（配置）で実行され、ここで、個々のセルは、並列構成で配置された。４．４Ｖの電位が、流速を１１０ｍｌ／分に保つスタックに対して印加された。ＴＤＳの限度（ＴＤＳ_ｓｅｔ）は、５５０ｐｐｍに固定された。

実施例１に従って製造された電極が、実施例４に使用された。

実施例２に従って製造された電極が、実施例５に使用された。

表３

性能の改善が、また、電極セルが１１対の電極のスタック（構成）に調整された場合に、ＴＤＳおよび回復の低下における絶対的な増加の観点と、電極の寿命にわたる性能の相対的な低下との両方において、観察された。さらに、ＴＤＳ中の所望の低下をもたらすのに必要な時間がより少なくなることによって示されるように、吸着速度も向上した。

Claims (12)

1. （ｉ）１００ｍ^２／ｇから１３００ｍ^２／ｇの比表面積を有する吸着剤と、
   （ｉｉ）導電性カーボンブラックと、
   （ｉｉｉ）結合剤と、を備え、
   前記吸着剤には、１０^５Ｓ／ｍから１０^７Ｓ／ｍの範囲の導電率と、−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準水素電位とを有する物質を含浸させた、容量性脱イオン化用電極。
2. 前記吸着剤は、活性炭、高比表面積のグラファイト（ＨＳＡＧ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、活性炭、活性炭素繊維、陽イオン交換樹脂、ゼオライト、スメクタイトまたはバーミキュライトから選択される、請求項１に記載の電極。
3. 前記吸着剤は、活性炭である、請求項２に記載の電極。
4. 前記物質は、貴金属である、請求項２または３に記載の電極。
5. 前記貴金属は、銀である、請求項４に記載の電極。
6. 前記活性炭に含浸させた銀の割合は、前記吸着剤の０．１重量％から０．８重量％である、請求項３または４に記載の電極。
7. 活性炭：結合剤：導電性カーボンブラックの比は、５：２：３から８：１：０．５の範囲にある、請求項３から６のいずれか１項に記載の電極。
8. 前記結合剤は、熱可塑性結合剤である、請求項１から７のいずれか１項に記載の電極。
9. 請求項１に記載の、水の浄化のための電極の使用。
10. （ｉ）吸着剤６０から８８重量部の混合物を形成する工程であって、前記吸着剤は、１００^２／ｇから１３００^２／ｇの比表面積、熱可塑性ポリマー結合剤５から３０重量部および導電性カーボンブラック２から２０重量部を有し、かつ前記混合物への流体を含み、前記流体の量は、前記混合物の重量の４倍以下である、工程と、
    （ｉｉ）工程（ｉ）で得られた組成物を金型で成型する工程と、
    （ｉｉｉ）前記金型を圧縮する工程と、
    前記金型を１５０から３５０℃の範囲の温度で加熱する工程と、
    （ｉｖ）成形された前記電極を離型する工程と
    を備え、
    前記吸着剤には、１０^５Ｓ／ｍから１０^７Ｓ／ｍの範囲の導電率および−０．３Ｖから＋１．３Ｖの範囲の標準水素電位を有する物質を含浸させている、請求項１に記載の水の容量性脱イオン化用電極の製造方法。
11. 前記流体は、水である、請求項１１に記載の方法。
12. 請求項１に記載の電極を複数有するハウジングを備え、
    前記電極は、ＤＣ電力源に接続され、前記電極に対して１．４Ｖ電位未満の電圧を供給する、水から溶解塩を除去するための重力供給水浄化装置。