JP2017505229A - 水からイオンを除去するための装置およびその装置を作製する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、炭素被覆した第１の電流コレクタと、炭素被覆した第２の電流コレクタと、水が第１および第２の電流コレクタ間に流れることを可能にするための第１および第２の電流コレクタ間のスペーサと、アニオンまたはカチオンが第１の電荷障壁を通って流れることを選択的に可能にするための第１の炭素被覆電流コレクタとスペーサとの間の第１の電荷障壁とを有する、水からイオンを除去するための装置に関する。本装置は、接触を改善するために、炭素被覆した第１の電流コレクタ上に被覆され、第１の電荷障壁と接触する第２の電荷障壁を有してもよい。膜として機能する第３の電荷障壁が、第２の炭素被覆電流コレクタとスペーサとの間に提供されてもよい。

Description

本発明は、水からイオンを除去するための装置に関し、その装置は、
炭素被覆した第１の電流コレクタと、
第２の電流コレクタと、
水が第１および第２の電流コレクタ間に流れることを可能にするための第１および第２の電流コレクタ間のスペーサと、
アニオンまたはカチオンが第１の電荷障壁を通って流れることを選択的に可能にするための第１の炭素被覆電流コレクタとスペーサとの間の第１の電荷障壁とを備える。

近年、人は、環境への人間の活動の影響およびこれが有することもある否定的な結果をますます自覚するようになった。リソースを低減し、再使用し、リサイクルするための方法は、より重要になりつつある。特に、清浄水は、乏しい生活必需品になりつつある。従って、水を浄化するための様々な方法およびデバイスが、公表されている。

水浄化のための方法は、容量性脱イオン化によるものであり、水のイオンを除去するためにフロースルーキャパシタ（ｆｌｏｗ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）（ＦＴＣ）を設けた装置を使用する。ＦＴＣは、容量性脱イオン化のための電気的に再生可能なセルとして機能する。電極を帯電させることによって、イオンは、電解質から除去され、電極での電気二重層に保持される。電極は、化学薬品を追加することなくそのような前に除去されたイオンを脱離させるために（部分的に）電気的に再生されることもある。

イオンを除去するための装置は、間隔のあいた電極（カソードおよびアノード）の１つまたは複数の対ならびに電極を分離し、水が電極間に流れることを可能にするスペーサを備える。電極は、電流コレクタまたはバッキング層および除去されたイオンを蓄えるために使用されてもよい例えば炭素などの高表面積材料を有する。電流コレクタは、高表面積材料と直接接触していることもある。電流コレクタは、導電性であり、電荷を電極の内外にかつ高表面積材料の中に輸送する。

電荷障壁が、フロースルーキャパシタの電極に隣接して置かれることもある。用語電荷障壁は、イオンについて透過性または半透過性であり、電荷を保持する能力がある材料の層を指す。電荷障壁の電荷と反対の電荷を有するイオンは、電荷障壁材料を通ることができ、一方電荷障壁の電荷と同様の電荷のイオンは、電荷障壁材料を通ることができない。電荷障壁材料と同様の電荷のイオンは従って、例えば電極室および／またはスペーサ室に含有されるまたはトラップされる。電荷障壁は、膜内に提供されるイオン交換材料を備えることもある。イオン交換材料を設けた膜は、イオン効率の増加を可能にすることもあり、それは次に、エネルギー効率の良いイオン除去を可能にする。

図１ａは、イオン除去ステップ中の炭素被覆電流コレクタの帯電の概略図を与える。イオン除去中に、アニオン１は、アニオン交換膜３（電荷障壁）を通り、炭素電極（第１の炭素被覆電流コレクタ）５に入る。これらのイオンは主に、電極５の帯電により炭素−水界面に生じる電気二重層に蓄えられる。この例では、アニオン１は、膜３を通ることができ、一方カチオン７は、通れない。カチオン７は、炭素−水界面から追い払われるが、しかし膜３を通ることができず、従って電極細孔の内部に蓄積される。

図１ｂは、逆転電位での電極再生ステップ中の炭素被覆電流コレクタの放電の概略図を与える。逆転電位での電極再生中に、電極５は、今では負に帯電され、反対の電荷（ｃｏｕｎｔｅｒｃｈａｒｇｅ）は従って、主にカチオン７から成る。これらのカチオンは、炭素細孔から除去され、炭素−水界面に蓄積される。結果として、カチオンは、電極に入ることができず、一方アニオンは、再生中に電極スペースから除去されるので、炭素細孔内の塩濃度は、非常に低くなる。この低い塩濃度は、特に第１の電荷障壁層３が、第１の炭素被覆電流コレクタ５と密着していないとき、再生中の抵抗の増加につながることもある。

炭素被覆した第１の電流コレクタは、第１の電荷障壁が炭素被覆した第１の電流コレクタと最適接触するのをより少なくさせることもある粗さを有することもあるので、フロースルーキャパシタにおける電荷障壁の機能は、必ずしも最適であるとは限らない。

水からイオンを除去するための改善された装置を提供することが、本発明の目的である。

それに応じて、水からイオンを除去するための装置が、提供され、本装置は、
炭素被覆した第１の電流コレクタと、
炭素被覆した第２の電流コレクタと、
水が第１および第２の電流コレクタ間に流れることを可能にするための第１および第２の電流コレクタ間のスペーサと、
アニオンまたはカチオンが第１の電荷障壁を通って流れることを選択的に可能にするための炭素被覆した第１の電流コレクタとスペーサとの間の第１の電荷障壁とを備え、
本装置は、炭素被覆した第１の電流コレクタ上に被覆され、第１の電荷障壁と接触する第２の電荷障壁層を備える。

炭素被覆した第１の電流コレクタ上に第２の電荷障壁を被覆することによって、炭素被覆した第１の電流コレクタは、粗さをより少なくされる。第１の電荷障壁層と炭素被覆した第１の電流コレクタとの間の接触は、このようにして改善され、第１の電荷障壁の機能を改善する。

第２の電荷障壁層は、電荷を第２の電荷障壁層に提供するためにアニオンおよび／またはカチオン基を提供されてもよい。被覆は、荷電基を第２の電荷障壁層に保つために強い構造を提供するので、高電荷密度が、第２の電荷障壁層に達成されることもある。この構造は、架橋ポリマーネットワークによって提供されてもよい。同じ強い構造は、ゲルが炭素被覆した第１の電流コレクタ上に塗布される場合よりも第１の電荷障壁を第２の電荷障壁層に押し付けることがより容易であるので、有利には本装置の作製中である。さらに、第２の電荷障壁層の材料が浸出するリスクは、被覆によって提供される強い構造によって最小限にされる。第２の電荷障壁層の荷電基の浸出は、浸出した荷電基が、水からのイオンと反応することもあり、それが、炭素被覆した第１の電流コレクタまたは第２の電荷障壁層内での析出につながって、本装置の機能を妨げることもあるので不利である。浸出に関するさらなる問題は、より少ないイオン基が、第２の電荷障壁層にとどまることになり、それによってこの層の機能が、時間とともに低下することになるということである。これは、本装置の不安定な機能につながることになる。

さらなる実施形態によると、第２の電流コレクタは、炭素で被覆され、第３の電荷障壁が、アニオンまたはカチオンが第３の電荷障壁層を通って流れることを選択的に可能にするために、炭素被覆した第２の電流コレクタとスペーサとの間に提供される。

第３の電荷障壁を第２の炭素被覆電流コレクタとスペーサとの間に提供することによって、スペーサを通って流れる水からのアニオンまたはカチオンは、第３の電荷障壁層を通って選択的に輸送されてもよい。

さらなる実施形態によると、第１および第２の電荷障壁層は、両方とも正に帯電されてもよくまたは両方とも負に帯電されてもよい。第１および第２の電荷障壁層は両方とも、同じイオン（アニオンまたはカチオン）について選択的であるように同じ電荷を有する。

第１および／または第３の電荷障壁は、１０から４００、好ましくは１０から２００、より好ましくは１５から１５０ミクロン厚の間であってもよい。この厚さを用いると、第１および／または第３の電荷障壁は、水からアニオンまたはカチオンを除去するのに十分に選択的とすることができる。第２の電荷障壁層は、１から４０、好ましくは１から３０、最も好ましくは１から２０ミクロン厚の間であってもよい。第２の電荷障壁層の厚さは、第１の電流コレクタ上に被覆される炭素の表面粗さに依存することもある。もし炭素被覆した第１の電流コレクタの表面が、非常に粗いならば、第２の電荷障壁は、第１の電流コレクタの表面を平坦にするためにより厚くてもよい。

第１および第２の電荷障壁層は、異なる材料を含んでもよい。第２の電荷障壁の材料は、炭素被覆した第１の電流コレクタ上に被覆されるために最適化されてもよい。第１の電荷障壁は、被覆のために最適化される必要がないこともあるが、しかしイオンを除去するための装置の作製中に取り扱うためにある強度を有しなければならない。両方の層は従って、異なる要件または仕様を有してもよい。

本装置は、アノードおよびカソードを備えてもよく、炭素被覆した第１の電流コレクタは、アノードとして機能し、第１および第２の電荷障壁層を提供されてもよく、それらは両方とも、正に帯電した障壁であってもよい。第１および第２の電荷障壁層の電荷密度は、同じであってもよいが、しかしまた異なることも可能である。アノードの機能は従って、第１および第２の電荷障壁層の正しい仕様を選択することによって最適化されてもよい。

本装置は、アノードおよびカソードを備えてもよく、第１の電流コレクタは、カソードとして機能し、第１および第２の電荷障壁層を提供されてもよく、それらは両方とも、負に帯電した障壁層であってもよい。

第１の電荷障壁は、補強のための繊維構造を備えてもよい。補強は、第１の電荷障壁層の作製および取り扱い中に第１の電荷障壁を強化することができる。補強はまた、イオンを除去するための装置の組み立てに役立つこともある。

第１および第２の電荷障壁は、同じ材料を含んでもよい。本装置の認定および試験は、もし同じ材料が使用されているならば簡略化される。それにもかかわらず、第１および第２の電荷障壁層の物理的特性は、異なってもよく、それによって第２の電荷障壁層は、炭素被覆電流コレクタと密着することになる。

炭素被覆した第２の電流コレクタは、第４の電荷障壁で被覆されてもよい。このようにして、両方の炭素被覆電流コレクタは、さらなる電荷障壁と接触する前に被覆電荷障壁を提供されてもよい。第３の電荷障壁と第４の電荷障壁との間の接触は、このようにして同様に最適化されてもよい。

第１および第２の電荷障壁層は、一緒にスタックに組み立てられる別個の障壁層であってもよい。製造中に、第１の電荷障壁は、第２の電荷障壁層に押し付けられてもよい。

第２の電荷障壁は、ポリエピクロロヒドリン、ポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）、およびスルホン化ポリエーテルエーテルケトンの１つを含んでもよい。良好な結果は、これらの電荷障壁を用いて得られている。カソードに使用されるスルホン化ポリエーテルエーテルケトンは、アノードのためのポリエピクロロヒドリンまたはポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）と組み合わされてもよい。このようにして、アノードおよびカソードの両方における接触が、改善されてもよい。

一実施形態によると、第２の電荷障壁は、第１の電荷障壁層との接触を改善するために実質的に平坦でかつ滑らかな表面を提供する。

第１の電荷障壁と第２の電荷障壁との間の改善された接触は、炭素被覆した第１の電流コレクタと第１および第２の電荷障壁４との間の接触が改善されるということをもたらす。これによって、炭素被覆電流コレクタと第１の電荷障壁との間の界面における抵抗は、減少されてもよい。また電荷障壁を通るより高いイオン束があってもよく、給水からのイオン除去のためのエネルギー消費量は従って、より低い全体抵抗のために減少してもよい。本装置の動作は、より低い電圧でなされてもよくかつ／または電荷障壁を通るイオン束は、増加してもよいので、本装置におけるファラデー反応およびスケーリングのリスクは、下げられてもよい。本装置の安定性、効率および寿命は、それによって改善されてもよい。

本発明はさらに、フロースルーキャパシタを作製する方法に関し、本方法は、
第１の電流コレクタを準備するステップと、
第１の電流コレクタ上に炭素を被覆するステップと、
炭素被覆した第１の電流コレクタ上に第２の電荷障壁を被覆するステップと、
アニオンまたはカチオンが第１の電荷障壁層を通って流れることを選択的に可能にするために第２の電荷障壁と接触する第１の電荷障壁を準備するステップと、
水が炭素被覆した第１の電流コレクタに沿って流れることを可能にするために第１の電荷障壁と接触するスペーサを準備するステップと、
スペーサに接触して炭素被覆した第２の電流コレクタを準備するステップとを含む。

炭素被覆した第１の電流コレクタ上に、第１の電荷障壁と接触する第２の電荷障壁を被覆することによって、第１の電荷障壁と第１の電流コレクタとの間の接触は、改善され、それ故に第１の電荷障壁の機能を改善する。

第１の電荷障壁は、第１および第２の電荷障壁間の接触を改善するために第２の電荷障壁に押し付けられてもよい。

第２の電荷障壁層の１つの利点は、この層が、電極の炭素粒子間のスペースを埋めることによって第１の炭素被覆電流コレクタ（電極）を平坦にするまたは滑らかにすることができるということである。これは、電極と電荷障壁との間のより密着した接触につながることになる。

第２の電荷障壁層を使用する別の利点は、炭素被覆電流コレクタと第１の電荷障壁との間のイオン伝導度の増加であることもある。この利点は、特に再生が、逆転電位において行われるとき、特に炭素被覆電流コレクタ（電極）の再生中に観察されることもある。

抵抗の低下は、第１の炭素被覆電流コレクタの上部に第２の電荷障壁層を被覆することによってギャップを埋めることにより起こることもあり、それによって第２の電荷障壁層は、炭素電極と第１の電荷障壁層との間のイオンの伝導度を改善するのに役立つ。

本発明の実施形態は、ほんの一例として付随する概略的図面を参照して述べられることになり、その図面では対応する参照記号は、対応する部分を示す。

従来技術によるイオン除去ステップ中の炭素被覆電流コレクタの帯電の概略図を与える図である。 従来技術による逆転電位での電極再生ステップ中の炭素被覆電流コレクタの放電の概略図を与える図である。 本発明によるイオンを除去するための装置の概略横断面を示す図である。 本発明による逆転電位での電極再生ステップ中の炭素被覆電流コレクタの放電の概略図を与える図である。 ＦＴＣの典型的な再生および浄化サイクルを示す図である。 時間（日）の関数として浄化サイクルの終了中に測定されるセル電圧を示す図である。 １．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２スペーサ面積の流量におけるＦＴＣおよび１．２Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２スペーサ面積において動作する被覆した第２の電荷障壁を有する他の３つのモジュールの典型的な再生および浄化サイクルを示す図である。 ｔａｂｅｌ ４（表４）によるＦＴＣの再生および浄化サイクルを示す図である。 ｔａｂｌｅ ５（表５）によるＦＴＣの再生および浄化サイクルを示す図である。

図１ｃは、イオンを除去するための装置において炭素被覆電流コレクタ、スペーサおよび電荷障壁を有するスタックを概略的に示す。炭素被覆電流コレクタはまた、電極とも呼ばれ、それらは、動作中はアノード（イオン除去中は正に帯電される）としてまたはカソード（イオン除去中は負に帯電される）として機能することができる。炭素被覆した第１の電流コレクタ４および炭素被覆した第２の電流コレクタ６は、スペーサ８とともに積み重ねられる。膜として機能する第１の電荷障壁１０は、炭素被覆した第１の電流コレクタ４とスペーサ８との間に位置決めされてもよい。第２の電荷障壁１２は、炭素被覆した第１の電流コレクタ４の炭素上に被覆されてもよい。第１の電流コレクタ４の比較的粗い炭素被覆は、被覆した第２の電荷障壁１２によってこのようにして平坦にされてもよい。膜として機能する第３の電荷障壁１４は、炭素被覆した第２の電流コレクタ６とスペーサ８との間に位置決めされてもよい。

電荷障壁１０および１４は、例えば膜から突き出る、膜補強のための繊維マトリクスの繊維に起因する表面粗さを有することもある。膜および／または炭素被覆電流コレクタの表面粗さは、数ミクロンから数十ミクロンに至るまでの程度であることもある。炭素被覆電流コレクタの粗さは主に、表面が、高密度に充填された炭素粒子で構成され、それによって炭素粒子が、炭素被覆電流コレクタの表面から突き出ることもあり、それが、表面粗さにつながるという事実によって決定される。

炭素被覆した第１の電流コレクタ４上に第２の電荷障壁１２を被覆することによって、第１の電荷障壁層１０と炭素被覆した第１の電流コレクタ４との間の接触は、改善され、本装置の機能を最適化する。改善された接触はまた、第１の電荷障壁層を通って、電極に入る（イオン除去中に）または電極から第１の電荷障壁を通る（電極再生中に）イオン束の改善にもつながる。炭素被覆した第１の電流コレクタ４の平滑性または平坦性は、第２の電荷障壁１２が炭素被覆した第１の電流コレクタ４の炭素被覆上に被覆されることによって改善される。平坦性または平滑性を改善することによって、第１および第２の電荷障壁１０、１２間の、それ故に炭素被覆した第１の電流コレクタ４との接触が、改善される。これによって、炭素被覆電流コレクタと第１の電荷障壁との間の界面における抵抗は、減少させられてもよい。また電荷障壁を通るより高いイオン束があってもよく、給水からのイオン除去のためのエネルギー消費量は従って、より低い全体抵抗のために減らすことができる。本装置の動作は、より低い電圧において行われてもよくかつ／または電荷障壁を通るイオン束は、増やすことができるので、本装置におけるファラデー反応およびスケーリングのリスクは、下げることができる。本装置の安定性、効率および寿命は、それによって改善することができる。ファラデー反応は、電圧が、あまりにも高くなり、それによって電子が、化学反応、例えば水の酸化または還元によって電極から溶液中に移送されるときに起こる。ファラデー反応は、イオンを除去するための装置の酸化につながることもある。

イオン除去中は、イオンを有する水が、スペーサ８を通って流れていることもある間に、正の電圧が、炭素被覆した第１の電流コレクタ４に印加されてもよく、負の電圧が、炭素被覆した第２の電流コレクタ６に印加されてもよい。第１の電荷障壁１０は、アニオンの選択的輸送を可能にすることができ、アニオンは、正の電極（アノード）の電荷によって引き付けられて、またアニオンを選択的に輸送もする第２の電荷障壁層でまた被覆もされる炭素被覆した第１の電流コレクタ４に入る。第２の電荷障壁層の透過選択性は、第１の電荷障壁層の透過選択性より低くてもよい。また、第２の電荷障壁層の抵抗は、第１の電荷障壁層のそれより低くてもよい。被覆した第２の電荷障壁層の厚さは、２００μｍよりも小さく、より好ましくは２０μｍよりも小さいことになる。被覆した第２の電荷障壁層は、１μｍよりも大きい、好ましくは２μｍよりも大きい厚さを有してもよい。第１および第２の電荷障壁層の機能は、アニオンの輸送を選択的に可能にすることである。これらのアニオンは、炭素被覆した第１の電流コレクタ４の炭素に蓄えられる。しかしながら、いくらかのアニオンはまた、第１の電荷障壁１０および／または第２の電荷障壁１２に蓄えられることもある。

もしそれ以上のアニオンが、炭素被覆した第１の電流コレクタ４の炭素、第１の電荷障壁１０および／または第２の電荷障壁１２に吸着できないならば、本装置は、それ以上のアニオンを蓄えることができず、次のステップとして、イオン放出ステップが、正の電圧を第１の電流コレクタ４から低減することによってまたは炭素被覆した第１の電流コレクタに負の電圧を印加することによって極性を逆転さえさせることによって次に来ることになる。アニオンは、その後に第２および第１の電荷障壁を通ってスペーサに戻るように流れることになり、本装置から外へ追い出されることになる。同様に、カチオンは、イオン除去ステップ中に電極（カソード）上の負の電荷によって炭素被覆した第２の電流コレクタ６の炭素に蓄えられ、電圧が、低減されるまたは逆転さえされるとき、電極再生ステップ中に電極から除去されてもよい。これらのイオンは次いで、また本装置から追い出されもする。このようにして、イオン除去ステップ中に水からイオンを除去し、電極再生ステップ中に、追い出される廃水の流れにイオンを集結させることが可能である。

第１および第２の電荷障壁１０、１２は、アニオンが上記の例でのように第１および第２の電荷障壁層を選択的に通り抜けることを可能にするために、両方とも正に帯電されてもよい。正の帯電により、正のイオン交換基が、第１および第２の電荷障壁層に提供され、それらが、同じ電荷を有するので、カチオンを阻止しながらアニオンがその層を通り抜けることを可能にするということが、意味される。

第１および第２の電荷障壁層１０、１２はまた、例えばカチオンが第１および第２の電荷障壁層を通り抜けることを可能にするために両方とも負に帯電されてもよい。この例では、炭素被覆した第１の電流コレクタ４は、スペーサ８を通って流れる水からイオンを除去するために負に帯電させる必要があることもある。

第２の電荷障壁層１２はまた、両性イオン性であってもよく、それは、この層が、アニオンおよびカチオン基の両方を含有することを意味する。第２の電荷障壁層のアニオンおよびカチオン基は、第１の電荷障壁層を通るイオンの輸送に役立つこともある。

第１および／または第３の電荷障壁は、１０から４００、好ましくは２０から２００、より好ましくは３０から１５０ミクロン厚の間であってもよい。この厚さを用いると、第１および／または第３の電荷障壁は、給水の流れの水（本装置に入る水）のイオンにとって十分に選択的とすることができる。負および正に帯電した電荷障壁層は、異なる供給者から得られてもよい。よく知られた材料は、Ｓｅｌｅｍｉｏｎ膜−旭硝子株式会社（日本）、Ａｃｉｐｌｅｘ膜−旭化成ケミカルズ株式会社（日本）、Ｆｕｍａｓｅｐ膜−ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ（ドイツ）、ＦｕｊｉＦｉｌｍ膜−富士フィルム株式会社（日本）、ＡＲおよびＣＲシリーズ膜−Ｉｏｎｉｃｓ Ｉｎｃ．（米国）、Ｒａｌｅｘ膜−Ｍｅｇａ Ｓ．Ａ．（チェコ共和国）、Ｎｅｏｓｅｐｔａ膜−株式会社アストム（日本）、Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ（商標） Ｉ−１００／Ｉ−２００膜−ＳｎｏｗＰｕｒｅ ＬＬＣ（米国）、不均質膜および均質膜−Ｑｉａｎｑｉｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ Ｌｔｄ．（中国）、不均質膜および均質膜−Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｔｉａｎｗｅｉ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．（中国）、ＰＣ−ＳＡ／ＨＤ、ＰＣ−ＳＫ、ＰＣ−ＳＡ、ＰＣ １００Ｄ、ＰＣ ２００Ｄ、ＰＣ Ａｃｉｄ ６０およびＰＣ Ａｃｉｄ １００−ＰＣＡ ＧｍｂＨ（ドイツ）、ＣＭＩ−７０００およびＡＭＩ−７００１−Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．（米国）、Ａｎｉｏｎ膜Ｒ１−ＰＡ、Ｃａｔｉｏｎ膜（ＣＥＭ ＣＤＩ）−富士フィルムである。

第１および／または第３の電荷障壁は、補強のための繊維構造を備えてもよく、それによって第１および／または第３の電荷障壁の取り扱いおよび／または組み立てを改善する。

第３の電荷障壁はまた、炭素被覆した第２の電流コレクタ上に被覆されてもよい。同様に、第１の電荷障壁はまた、第２の電荷障壁層上に被覆されてもよい。

第２の電荷障壁１２の厚さは、第１の電流コレクタ４上に被覆された炭素の粗さに依存することもある。もし第１の炭素被覆電流コレクタ４が、非常に粗いならば、第２の電荷障壁１２は、第１の電流コレクタの表面を平坦にし、炭素被覆した第１の電流コレクタと第１の電荷障壁との間のギャップを埋めるためにより厚くてもよい。またその厚さは、第２の電荷障壁層１２の表面を炭素被覆した第１の電流コレクタ４よりも平坦にするために、炭素被覆電流コレクタ４の表面にわたって変動してもよい。

図１ｄは、逆転電位での電極再生ステップ中の本発明による炭素被覆電流コレクタの放電の概略図を与える。逆転電位での電極再生中に、電極５は、今では負に帯電され、反対の電荷は従って、主にカチオン７から成る。これらのカチオンは、炭素細孔から除去され、炭素−水界面に蓄積される。結果として、カチオンは、電極に入ることができず、一方アニオンは、再生中に電極スペースから除去されるので、炭素細孔内の塩濃度は、非常に低くなる。この低い塩濃度はしかしながら、第２の電荷障壁層が、第１の電荷障壁層３と伝導度を増加させる電荷を有する第１の炭素被覆電流コレクタ５との間に提供されるので、再生中の抵抗の増加につながらない。

第２の電荷障壁１２の被覆は、次の例に従って得られてもよい。

アノードでの用途に適しているポリエピクロロヒドリンの第２の電荷障壁層−第１の電荷障壁としてはＦｕｊｉＦｉｌｍ膜
ポリエピクロロヒドリン（ＰＥＣＨ）層は、ＤＭＡｃ（ＣＡＳ １２７−１９−５）中のポリエピクロロヒドリン（ＣＡＳ ２４９６９−０６−０）１５％溶液、ＤＭＡｃ中のポリアクリロニトリル（ＣＡＳ ２５０１４−４１−９）１２％溶液、ＤＭＡｃ中の１，４−ジアザビシクロ［２，２，２］オクタン（ＣＡＳ番号２８０−５７−９）１５％溶液から用意された。すべての成分は、均一な溶液を得るために３０分の間混合された。質量比ＰＥＣＨ（ＤＭＡｃ中の１５％溶液）：ポリアクリロニトリル（ＤＭＡｃ中の１２％溶液）：１，４−ジアザビシクロ［２，２，２］オクタン（ＤＭＡｃ中の１５％溶液）は、１：１．１：１．５２（体積比）である。その後、混合物は、７０℃に至るまで加熱され、溶液が混濁するまで３０時間の間混合された。この時間の後、溶液は、冷却され、アノードを作るために炭素被覆電流コレクタ４上に被覆するための第２の電荷障壁１２として塗布される準備ができた。

アノードでの用途に適しているポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）の第２の電荷障壁層−第１の電荷障壁としてはＦｕｊｉＦｉｌｍ膜
ポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）（ＶＰ）層は、ＤＭＡｃ（ＣＡＳ １２７−１９−５）中のポリ−４−ビニルピリジンスチレン共重合体１５．００％溶液およびＤＭＡｃ中のポリアクリロニトリル（ＣＡＳ ２５０１４−４１−９）１２％溶液から用意された。両方の成分は、均一な溶液を得るために３０分の間混合された。質量比ポリ−４−ビニルピリジンスチレン共重合体（ＤＭＡｃ中の１５％溶液）：ポリアクリロニトリル（ＤＭＡｃ中の１２％溶液）：１−ブロモペンタン（１００％純粋）は、１：０．３８：０．１１（体積比）である。

その後、混合物は、９０℃に至るまで加熱され、溶液が褐色に達するまで３０時間の間混合された。この時間の後、溶液は、冷却され、それは、アノードを作るために電荷障壁層１２として塗布される準備ができた。

カソードでの第２の電荷障壁層としての用途に適しているスルホン化ポリエーテルエーテルケトン−第１の電荷障壁としてはＦｕｊｉＦｉｌｍ膜
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ＳＰＥＥＫ）層は、硫酸（最小９５％）（ＣＡＳ ７６６４−９３−９）に一晩中溶解されたポリエーテルエーテルケトンから用意された。ＰＥＥＫ：硫酸（９５％）の質量比は、１：２０である。

混合物は、１０時間の間連続してかき混ぜられ、５０℃に至るまで加熱された。この時間の後、溶液は、冷却され、ｐＨが安定するまで純水で５回洗い流された（逆浸透）。膨張したポリマーは、乾燥され、ＤＭＡｃ（ＣＡＳ １２７−１９−５）に溶解され、それは、カソードを作るために炭素被覆電流コレクタ上に被覆される準備ができた。

電荷障壁層のポリエピクロロヒドリン（ＰＥＣＨ）、ポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）（ＶＰ）およびスルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ＳＰＥＥＫ）は、炭素被覆電流コレクタの上部にブレード法によって被覆された。被覆の後、その層は、オーブン内で１時間の間１００℃で乾燥された。第１の炭素被覆電流コレクタ４の炭素上に被覆された第２の電荷障壁１２の目視検査は、炭素被覆電流コレクタの粗さが、その上部に第２の電荷障壁層１２を適用することによって減少することを示す。

ＦＴＣスタックは、ＰＶＣから作られた２つの端板の間に挟まれる１８〜２０の繰り返しセルから成る。各セルは、炭素（厚さδ＝２５０μｍ）で被覆されたグラファイト電流コレクタ（δ＝２５０μｍ）、富士フィルムによって作製されたアニオン電荷障壁ＡＣＢ（δ＝２００μｍ）Ｒ１−ＰＡおよびカチオン電荷障壁ＣＣＢ（δ＝１３０μｍ）膜（ＣＥＭ ＣＤＩ）ならびに織ったスペーサ（δ＝１１５μｍ）から成る。

炭素被覆電流コレクタは、アノードまたはカソードのいずれかとしての役割を果たすことができ、それによって浄化中にカチオンは、カソードへ移動し、アニオンは、アノードへ移動する。ＦＴＣスタック中の全電極面積は、約１ｍ^２である。ＦＴＣスタックを通る水の流れは、１Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２スペーサ面積に設定された。５５０μＳ／ｃｍの伝導度を有する水道水が、使用された。すべてのスタック構成要素は、２．５ｂａｒで圧縮された。

炭素被覆した第１の電流コレクタ４上の第２の電荷障壁１２は、ｔａｂｌｅ １（表１）に従って作られた。

このようにして得られたＦＴＣスタックは、ｔａｂｌｅ ２（表２）の試験条件に従って試験された。

図２は、上記の仕様によるＦＴＣの再生および浄化サイクルを示す。時間Ｔ（ｓ）に対する電圧（Ｖ）が、描かれる。最初の８０秒（Ｒｅｇ．）中に、システムは、吸着された塩から再生し、この時間の後、電極の極性は、逆転され、システムは、浄化（Ｐｕｒ．）を始める（供給チャンネルからイオンを除去する）。定電流条件が、そのサイクル中に適用され、２つの電流コレクタ間の電圧であるセル電圧が、測定された。定電流条件でのセル電圧は、システム抵抗に比例し、それは、第２の電荷障壁のないスタックについて最も高い。カソード（ＳＰＥＥＫ）として炭素被覆した第１の電流コレクタ４上に被覆された第２の電荷障壁１２を有するスタックは、基準よりも良好に機能する。しかしながら、最も低いセル電圧は、アノードとして機能する第１の電流コレクタ４上に被覆されたＶＰおよびＰＥＣＨの第２の電荷障壁１２を有する。これらの結果は、第１の電流コレクタ上への被覆電荷障壁１２の適用が、セル電圧を低減し、それが、低エネルギー消費量およびまたファラデー反応のより低いリスクにも変わることを示す。

図３は、時間Ｔ（日）の関数として浄化サイクルの終了中に測定されたセル電圧を示す。このパラメータは、ＦＴＣモジュールの長期的な安定性を示す。電圧の傾きから、モジュール寿命が、計算されてもよく、基準モジュールについて、寿命は、約８０日に等しく、一方ポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）ＶＰおよびポリエピクロロヒドリンＰＥＣＨの第２の電荷障壁１２を有するモジュールについて、モジュール寿命は、それぞれ約６２０日および２１５日である。その上、エネルギー消費量は、直線下（ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌｉｎｅ）の面積に比例し、それは、被覆した第２の電荷障壁の適用が、全体のエネルギー消費量を低減することを明瞭に示す。

低いセル電圧は、モジュールを通るより高い電流を有することによってより高いイオン束を使用して同じレベル、すなわち７０％の除去で流量を増加させる機会を提供する。図４では、基準モジュールが、１．０Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２スペーサ面積の流量で動作し、被覆した第２の電荷障壁を有する他の３つのモジュールが、１．２Ｌ／ｍｉｎ／ｍ^２スペーサ面積において動作することが、分かる。２０％高い流れで動作するモジュールについてのセル電圧（Ｖ）は、秒単位で同じ時間Ｔにおける基準モジュールと比較して同じレベルであるかまたはさらにより低い。これらの結果は、ＦＴＣスタックの性能が、セル電圧のどんな増加もなしに２０％だけ増加できることを示す。

例にあるように、第１および第２の電荷障壁層は、異なる材料を含んでもよい。第１の電流コレクタは、アノードとして機能することができ、両方とも正に帯電された障壁層である第１および第２の電荷障壁層を提供されてもよい（詳細については例ＶＰおよびＰＥＣＨを参照）。

第１の電流コレクタは、カソードとして機能することもでき、両方とも負に帯電された障壁である第１および第２の電荷障壁層を提供されてもよい（詳細については例ＳＰＥＥＫを参照）。

我々はまた、ＶＰまたはＰＥＣＨの第２の被覆電荷障壁をＳＰＥＥＫによる第４の電荷障壁層で被覆された第２の炭素被覆電流コレクタと組み合わせることもできる。

アノードでの用途に適しているポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）の第２の電荷障壁、−第１の電荷障壁としてはＰＣＡ膜
ポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）の電荷障壁は、研究室においてブレード被覆された（１００μｍ濡れ膜厚）。被覆溶液は、実施例２に従って用意された。電極は、１時間の間１００℃で乾燥され、乾燥層厚さは、約１２μｍであった。炭素の上部の被覆電荷障壁層を乾燥した後、電極は、水道水の中で１２時間の間調整された。アノードに電荷障壁層を有し、２０セルを用いたＦＴＣモジュール（コードＰＣＡ＋ＶＰ）が、構築され、データは、システム平衡を確保するために３日目の後に測定された。基準モジュールは、どんな導電層もなしに構築された（コードＰＣＡ）。

Ｔａｂｌｅ ３（表３）には、スタック構成要素が、記載されている。

ＦＴＣスタックは、ＰＶＣから作られた２つの端板の間に挟まれる２０の繰り返しセルから成る。各セルは、炭素（厚さδ＝２５０μｍ）で被覆されたグラファイト電流コレクタ（δ＝２５０μｍ）、ＰＣＡ ＧｍｂＨ（ドイツ）によって作製されたアニオン電荷障壁ＡＣＢ（δ≒２２０μｍ）ＰＣＡ強化イオン交換膜およびカチオン電荷障壁ＣＣＢ（δ≒３０μｍ）ＰＣＡ膜（ＰＣＡ標準イオン交換膜−非強化）ならびに織ったスペーサ（δ＝１１５μｍ）から成る。

Ｔａｂｌｅ ４（表４）には、試験の試験条件が、提示されている。

図５は、上記の仕様によるＦＴＣの再生および浄化サイクルを示す。時間Ｔ（ｓ）に対する電圧（Ｖ）が、描かれる。最初の８０秒（Ｒｅｇ．）中に、システムは、吸着された塩から再生し、この時間の後、電極の極性は、逆転され、システムは、浄化（Ｐｕｒ．）を始める（供給チャンネルからイオンを除去する）。定電流条件が、そのサイクル中に適用され、２つの電流コレクタ間の電圧であるセル電圧が、測定された。定電流条件でのセル電圧は、システム抵抗に比例し、それは、電荷障壁のないスタック（コードＰＣＡ）について最も高い。アノードとして第１の電流コレクタ４上に被覆された第２の電荷障壁１２を有するスタック（コードＰＣＡ＋ＶＰ）は、基準よりも良好に機能する。これらの結果は、第１の電流コレクタ上への被覆電荷障壁１２の適用が、セル電圧を低減し、それが、より低いエネルギー消費量およびまたファラデー反応のより低いリスクにも変わることを示す。

ポリエピクロロヒドリンの第２の電荷障壁層は、アノードでの応用に適しており、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの第２の電荷障壁層は、カソードでの応用に適しており−第１の電荷障壁としてはＳｎｏｗＰｕｒｅ Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ（商標）膜
ポリエピクロロヒドリンの電荷障壁は、研究室においてブレード被覆された（１００μｍ塗布厚さ）。被覆溶液は、実施例１に従って調製された。電極は、１時間の間１００℃で乾燥され、乾燥層の厚さは、約１２μｍであった。炭素の上部への被覆電荷障壁層を乾燥した後、電極は、水道水の中で１２時間の間調整された。スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの第２の電荷障壁は、研究室においてブレード被覆された（５０μｍ塗布厚さ）。被覆溶液は、実施例３に従って調製された。電極は、１時間の間１００℃で乾燥され、乾燥層厚さは、約１０μｍであった。炭素の上部への被覆電荷障壁層を乾燥した後、電極は、水道水の中で１２時間の間調整された。

ＦＴＣスタックは、ＰＶＣから作られた２つの端板の間に挟まれる１６の繰り返しセルから成る。各セルは、炭素（厚さδ＝２５０μｍ）で被覆されたグラファイト電流コレクタ（δ＝２５０μｍ）、ＳｎｏｗＰｕｒｅ（米国）によって作製されたアニオン電荷障壁ＡＣＢ（δ≒３５０μｍ乾燥）ＳｎｏｗＰｕｒｅ Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ（商標）Ｉ−２００およびカチオン電荷障壁ＣＣＢ（δ≒３５０μｍ乾燥）ＳｎｏｗＰｕｒｅ Ｅｘｃｅｌｌｉｏｎ（商標）Ｉ−１００ならびに織ったスペーサ（δ＝１１５μｍ）から成る。両方のＳｎｏｗＰｕｒｅ膜は、強化されている。電荷障壁を有し、１６セルを用いたＦＴＣモジュール（コードＳｎｏｗＰｕｒｅ＋ＰＥＣＨ＋ＳＰＥＥＫ）が、構築され、データは、システム平衡を確保するために３日目の後に測定された。基準モジュールは、電荷障壁層なしで構築された（コードＳｎｏｗＰｕｒｅ）。

Ｔａｂｌｅ ５（表５）には、ＦＴＣスタック構成要素が、記載されている。

Ｔａｂｌｅ ６（表６）には、試験の試験条件が、提示されている。

図６は、ｔａｂｌｅ ５（表５）によるＦＴＣの再生および浄化サイクルを示す。時間Ｔ（ｓ）に対する電圧（Ｖ）が、描かれる。最初の８０秒（Ｒｅｇ．）中に、システムは、吸着された塩から再生し、この時間の後、電極の極性は、逆転され、システムは、浄化（Ｐｕｒ．）を始める（供給チャンネルからイオンを除去する）。定電流条件が、そのサイクル中に適用され、２つの電流コレクタ間の電圧であるセル電圧が、測定された。定電流条件でのセル電圧は、システム抵抗に比例し、それは、電荷障壁のないスタック（コードＳｎｏｗＰｕｒｅ）について最も高い。アノードとして炭素被覆した第１の電流コレクタ４上に被覆された第２の電荷障壁（ポリエピクロロヒドリン）１２を有し、第２の電荷障壁（スルホン化ポリエーテルエーテルケトン）を有するスタック（コードＳｎｏｗＰｕｒｅ＋ＰＥＣＨ＋ＳＰＥＥＫ）は、基準よりも良好に機能する。これらの結果は、アノードおよびカソードへの炭素被覆した第１の電流コレクタ上の被覆電荷障壁１２の適用が、セル電圧を低減し、それが、より低いエネルギー消費量およびまたファラデー反応のより低いリスクにも変わることを示す。

本発明の具体的な実施形態が、上で述べられたが、本発明は、述べられたのとは別の方法で実践されてもよいことが、理解されるであろう。本発明は、限定せずに説明に役立つことを意図されている。それ故に、変更が、以下で提示される請求項の範囲から逸脱することなく、述べられたような本発明になされてもよいことが、当業者には明らかであろう。

１ アニオン
３ 膜、第１の電荷障壁層
４ 炭素被覆した第１の電流コレクタ
５ 電極、炭素被覆した第１の電流コレクタ
６ 炭素被覆した第２の電流コレクタ
７ カチオン
８ スペーサ
１０ 第１の電荷障壁
１２ 第２の電荷障壁
１４ 第３の電荷障壁

Claims (16)

1. 水からイオンを除去するための装置であって、前記装置は、
   炭素被覆した第１の電流コレクタと、
   炭素被覆した第２の電流コレクタと、
   水が前記第１および第２の電流コレクタ間に流れることを可能にするための前記第１および第２の電流コレクタ間のスペーサと、
   アニオンまたはカチオンが第１の電荷障壁を通って流れることを選択的に可能にするための前記炭素被覆した第１の電流コレクタと前記スペーサとの間の前記第１の電荷障壁とを備え、
   前記装置は、前記炭素被覆した第１の電流コレクタ上に被覆され、前記第１の電荷障壁と接触する第２の電荷障壁層を備える、水からイオンを除去するための装置。
2. 前記第２の電流コレクタは、炭素で被覆され、第３の電荷障壁が、アニオンまたはカチオンを前記第３の電荷障壁層を通って流れるように選択的に輸送するために前記炭素被覆した第２の電流コレクタと前記スペーサとの間に提供される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１および第２の電荷障壁は、両方とも正に帯電されるまたは両方とも負に帯電される、請求項１または２のいずれか一項に記載の装置。
4. 前記第１および／または第３の電荷障壁は、１０から４００、好ましくは１０から２００、より好ましくは１５から１５０ミクロン厚の間である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記第２の電荷障壁は、１から４０、好ましくは１から３０、最も好ましくは１から２０ミクロン厚の間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第１および第２の電荷障壁層は、異なる材料を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記装置は、アノードおよびカソードを備え、前記第１の電流コレクタは、アノードとして機能し、両方とも正に帯電した障壁層である前記第１および第２の電荷障壁層を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記装置は、アノードおよびカソードを備え、前記第１の電流コレクタは、カソードとして機能し、両方とも負に帯電した障壁層である前記第１および第２の電荷障壁層を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記第１の電荷障壁は、補強のための繊維構造を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記第１および第２の電荷障壁は、同じ材料を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記第２の炭素被覆電流コレクタは、第４の電荷障壁層で被覆される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第１および第２の電荷障壁は、一緒にスタックに組み立てられる別個の層である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記第２の電荷障壁は、ポリエピクロロヒドリン、ポリ（４−ビニルピリジンスチレン共重合体）、およびスルホン化ポリエーテルエーテルケトンの１つを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記第２の電荷障壁は、前記第１の電荷障壁層との接触を改善するために実質的に平坦でかつ滑らかな表面を提供する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. フロースルーキャパシタを作製する方法であって、前記方法は、
    第１の電流コレクタを準備するステップと、
    前記第１の電流コレクタ上に炭素を被覆するステップと、
    前記炭素被覆した第１の電流コレクタ上に第２の電荷障壁を被覆するステップと、
    アニオンまたはカチオンが第１の電荷障壁層を通って流れることを選択的に可能にするために前記第２の電荷障壁と接触する前記第１の電荷障壁を準備するステップと、
    水が前記炭素被覆した第１の電流コレクタに沿って流れることを可能にするために前記第１の電荷障壁と接触するスペーサを準備するステップと、
    前記スペーサに接触して炭素被覆した第２の電流コレクタを準備するステップとを含む、フロースルーキャパシタを作製する方法。
16. 前記第１の電荷障壁は、前記第２の電荷障壁層に押し付けられる、請求項１５に記載の方法。