TW201336787A - 用於電凝聚之裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本揭示案闡述一種自組裝高表面積電極。該自組裝高表面積電極包括電極基板、電極磁粒子及磁場源。在該磁場源之影響下，該等電極磁粒子於該電極基板之表面上進行組裝。該自組裝高表面積電極可用作用於處理受污染給水之電凝聚系統中的陽極及/或陰極。該自組裝高表面積電極產生金屬氫氧根離子及金屬氫氧化物物種以幫助生成聚集物來移除給水中之污染物。可移除該磁場源，此舉導致電極磁粒子離開該電極基板之表面用於清潔。再引入該磁場源導致該自組裝高表面積電極之再組裝。

Description

用於電凝聚之裝置及方法
本揭示案大體上係關於水處理之方法及特定言之係關於電凝聚。
以下論述並非承認可引用下文所述任何內容作為先前技術或習知常識。
電凝聚(EC)係一種自廢水移除污染物之電化學方法。例如，已利用EC方法來處理食品及蛋白質廢水、受硝酸鹽及砷污染之水、紙漿及紙廢水及紡織物廢水(M.Kobya等人，「Treatment of Textile Waste waters by Electocoagulation Using Iron and Aluminum Electrodes」(2003)Journal of Hazardous Materials B100，163頁)及其他工業廢水。EC方法一般涉及利用電流及鋁或鐵或鋁與鐵電極之組合來在原位產生鋁或鐵氫氧根離子及氫氧化物物種。該等金屬離子物種吸附至廢水中之污染物上而形成凝聚物。於EC製程期間，該等凝聚物可使累積質量及尺寸增加及最終形成聚集物。該等聚集物隨後藉由沉降或過濾移除。
然而，典型的EC方法具有固有缺陷。一此種固有缺陷為陽極之降解。陽極之降解係由於在典型EC製程期間發生之電解反應所發生。例如，電流導致在陰極及陽極二者之表面處發生電解反應。於陰極之表面處，發生還原反應：2H2O+2e- → H2+2OH- (1) 於陽極(例如鐵陽極)之表面處，發生以下氧化反應：Fe → Fe2++2e- (2)Fe2+離子會導致生成不同的鐵氫氧根離子及氫氧化物物種，諸如：FeOH2+；Fe(OH)2 +；Fe2(OH)2 4+；Fe(OH)4 -；Fe(H2O)2+；Fe(H2O)5OH2+；Fe(H2O)4(OH)2+；Fe(H2O)8(OH)2 4+；及Fe2(H2O)6(OH)4 2+。該等不同的氫氧根離子及氫氧化物物種共同促成凝聚物及聚集物之形成。產生該等鐵氫氧根離子及氫氧化物物種會耗乏該鐵陽極。
因此，典型的EC方法無法以連續製程工作，因為產生金屬氫氧根離子及氫氧化物物種係使金屬陽極降解之犧牲性過程。該降解需求定期終止EC製程以容許更換犧牲陽極。
另外，該等電極中之任何一者或兩者會在EC製程期間積垢。因此，亦定期地終止典型的EC製程以洗滌或將該等電極去污垢。
此外，典型的EC製程需要具有足夠大電極表面積之大型裝置，以達成進行大規模工業水處理所需要之電流密度水平。例如，需要具有多個電極堆疊之大體積處理槽來提供足夠的電極表面積以處理工業規模的水。當單一槽中具有多個電極堆疊時，電極更換及清潔之問題更為複雜。每當需要在給定處理槽中更換或清潔電極時，必須終止EC製程。
本揭示案論述一種自組裝高表面積電極及一種電凝聚(EC)系統。亦論述一種清潔電極及再建立電極之方法。該EC系統可例如用以自廢水移除污染物。
自組裝高表面積電極包括電極基板、電極磁粒子及磁場源。在該磁場源之影響下，該等電極磁粒子於該電極基板之表面上進行組裝。如此，該電極基板、該磁場源及該等電極磁粒子形成自組裝電極。
在如下文更詳細陳述的EC系統中，電極中之任何一者或兩者為自組裝電極。該EC系統包括EC電池容器、磁場源、電極基板及電極磁粒子。該電極基板及該等電極磁粒子係裝納於該EC電池容器中。將欲藉由該EC系統處理之給水引入該EC電池容器中。在組裝之前，該等電極磁粒子可為粒子於給水中之流體懸浮液。
於磁場源存在下，電極基板經包絡於磁場中。當電極基板經包絡於磁場中時，電極磁粒子於磁場之場線中對齊且經吸引至該電極基板之表面。該等電極磁粒子直接或藉由其他電極磁粒子移動從而接觸該電極基板之表面。如此，該等電極磁粒子為自組裝電極。
當移除磁場源時，電極磁粒子自電極基板之表面解組裝且返回至給水中之流體懸浮液。儘管該等電極磁粒子係在流體懸浮液中，其等仍可藉由給水於EC電池容器中之移動實質上地清潔及去污垢。如此，電極為自清潔電極。當該等電極磁粒子經去污垢時，可再引入磁場源及再建立自組裝電極。
可將電極磁粒子添加至EC製程中以替換於EC製程期間犧牲之電極磁粒子。再建立電極，而無需終止EC製程。
如下文將進一步論述，可使用各種不同的電極磁粒子，例如，鐵或鐵與其他材料之組合。該等電極粒子建立比典型電極板大的電極表面積。該較大的電極表面積容許將更大的電流密度施加至指定大小之EC系統。
自組裝電極
圖1顯示第一自組裝電極150。該第一自組裝電極150包括一電極基板118、電極磁粒子120及一磁場源122。該電極基板118係由非充作磁屏蔽之導電金屬製成。視情況，該電極基板118不可溶於電場中。例如，該電極基板118可為由鈦所製成之板。該電極基板118係充作該第一自組裝電極150之物理支撐。
該第一自組裝電極150亦包括電極磁粒子120。該等電極磁粒子120可呈流體懸浮液形式。有多種不同材料適用作為電極磁粒子120。適用作為電極磁粒子120之材料具磁性且於氧化條件下將產生一或多種金屬氫氧根離子及金屬氫氧化物物種。該等不同的金屬氫氧根離子及金屬氫氧化物物種有助於形成凝聚物之聚集物。術語磁性係指材料對磁場影響作出反應之固有特性，例如，藉由與磁場之場線對齊，該等電極磁粒子120直接或透過其他電極磁粒子120移動而接觸電極基板，使得電流自該電極基板118流動通過該等電極磁粒子120。該等電極磁粒子120之適宜材料為粒 度大體上在10 μm至1000 μm範圍內之鐵粒子。該等鐵粒子具磁性，且在暴露至氧化條件時，產生以下鐵氫氧根離子及氫氧化鐵物種中之一或多者：FeOH2 +；Fe(OH)2 +；Fe2(OH)2 4+；Fe(OH)4 -；Fe(H2O)2 +；Fe(H2O)5OH2 +；Fe(H2O)4(OH)2 +；Fe(H2O)8(OH)2 4+；及Fe2(H2O)6(OH)4 2+。
該第一自組裝電極150亦包括一磁場源122。該第一自組裝電極150之該磁場源122為一永久磁鐵123。該永久磁鐵123係置於實質上與該第一自組裝電極150分開之一個別室126中。與該個別室126相對之該電極基板118之側稱為該電極基板118之組裝表面124。該組裝表面124係暴露至該等電極磁粒子120。該磁場源122產生其強度足以吸引一實質量之電極磁粒子120至該電極基板118之該組裝表面124之磁場。基於本揭示案之目的，片語「一實質量」意指使電極基板之表面積增加至少5倍，或相對於在無磁場存在下電極基板之表面積之比率大體上在25至1000：1範圍內之足夠多的電極磁粒子。每個自組裝電極150之磁場強度可大體上在100至10,000 G範圍內。較佳地，與該第一自組裝電極150相連通之電極磁粒子120之總量之至少一半將於該第一自組裝電極150上組裝。假若電極基板118不止一個，則較佳地，與該等電極基板118相連通之電極磁粒子120之總量除以電極基板118數目之至少一半將於各電極基板118上組裝。儘管於該磁場源122影響中之其他粒子可具磁性及因此可與磁場場線對齊且移動至接觸該電極基板118，但該等其他粒子不會氧化產生EC製程所需之不同的 金屬氫氧根離子及金屬氫氧化物物種。因此，該等其他粒子不會促成被吸引至該電極基板118之該組裝表面124之該實質量的電極磁粒子120。
當一實質量之該等電極磁粒子120被吸引至該電極基板118之該活性表面124時，該第一自組裝電極150具有極高表面積。於一典型EC系統中，使用平面電極板。該等典型平面電極板具有由板之長度及寬度所界定之表面積。例如，圖1之該第一自組裝電極150係形成於具有10 cm長度及4 cm寬度之一電極基板118上，其產生具有40 cm2之表面積之該電極基板118之一組裝表面124。相比之下，當使用20 g 40 μm鐵粒子作為該等電極磁粒子120時，該第一自組裝電極150具有超過3800 cm2之計算表面積。
圖2顯示第二自組裝電極250。該第二自組裝電極250包括一電極基板118、電極磁粒子120及一磁場源222。該電極基板118及該等電極磁粒子120係如上所述。該第一自組裝電極150與該第二自組裝電極250之間之不同處在於該第二自組裝電極250之該磁場源222為一電磁鐵228。
該電磁鐵228包括傳導電流之一導線230。該導線230可連接至一電源206。當電流流動通過該導線230時，電磁電路完成並建立電磁場。流動通過該導線230之電流量決定電磁場之強度。增加電流流量會導致電磁場強度增加。
視情況，可操縱該導線230以進一步增加電磁場之強度。例如，該導線230可經捲繞成線圈結構232。另外，該導線230之該線圈結構可捲繞在鐵磁性材料周圍以強加電 磁場之強度。適宜鐵磁性材料之實例包括(但不限於)：鐵、鎳、鈷及多種其他已知的鐵磁合金。
將電磁鐵228用作磁場源222提供藉由開始或停止電流流動通過該導線230來開啟及關閉電磁場之優點。另外，電磁場之強度可藉由使流動通過該導線230之電流量增加或減少或藉由操縱該導線230來進行調整。
於該第二自組裝電極250中，該電磁鐵228可置於實質上與該第二自組裝電極250分開之一個別室126中。與該個別室126相對之該電極基板118之側稱為該電極基板118之組裝表面124。該組裝表面124係暴露至電極磁粒子120。該磁場源222產生其強度足以吸引一實質量之電極磁粒子120至該電極基板118之該組裝表面124之磁場。
由電磁電路所產生之磁場係不包括可藉由使電流流動通過電解電路所產生之任何固有磁場。該固有磁場並非其強度足以吸引一實質量之電極磁粒子120至該電極基板118之該組裝表面124之磁場。然而，由該電磁電路所產生電磁場之強度係足以吸引實質量之該等電極磁粒子120至該電極基板118之該組裝表面124。
圖3顯示第三自組裝電極350。該第三自組裝電極350包括一電極基板318、電極磁粒子120及一磁場源322。該等電極磁粒子120係如以上針對該等第一及第二實例所述。該第二自組裝電極250與該第三自組裝電極350之間之不同處在於該磁場源322為於該電極基板318中一體化之一電磁鐵328。該電磁鐵328可藉由置於該電極基板318中或藉由 捲繞在該電極基板318之外表面周圍，而於該電極基板318中一體化。如將於下文中所述，該電極磁鐵318於該電極基板318中之一體化可使該基板充作該磁場源322，而無需外部磁場源322。
該電磁鐵328與以上所述之該電磁鐵228類似。該電磁鐵328包括連接至一電源206之一導線230。該導線230可經類似地操縱以增強當電流流動通過該導線230時所建立之電磁場。例如，該導線230可藉由將該導線230捲繞成線圈結構232或將該導線捲繞在鐵磁材料周圍來操縱。視情況，該電極基板318係由鐵磁材料製成及該線圈結構232係捲繞在該電極基板318周圍。當電流流動通過該導線230時，電磁電路完成及該電極基板318成為該磁場源322。該磁場源322可藉由控制流過該導線230之電流流量而開啟及關閉。當開啟該磁場源322時，該等電極磁粒子120可於該電極基板318之活性表面上組裝。
該第二自組裝電極250與該第三自組裝電極350之間之另一不同處在於該第三自組裝電極350不包括一個別室126來放置該磁場源322。因此，該第三自組裝電極350由於在該電極基板318之該表面與該磁場源322之間沒有實體分離，故可提供較大表面積充作該組裝表面324。於該等第一及第二自組裝電極150、250中，由於該等磁場源122及222與該電極基板118實體分離，故僅有一個組裝表面積124。然而，於該第三自組裝電極350中，該電極基板318為該磁場源322，且有多個表面或整個電極基板318表面可充作該組 裝表面324。
該等第一、第二及第三自組裝電極150、250、350中之任一者可作為電極用於如下所述之電凝聚系統400中。
電凝聚系統
圖4顯示電凝聚(EC)系統400。該EC系統400包括一給水來源402、一泵系統404、一電源406、一經處理水之收集器408及一EC電池410。該給水來源402可為經重金屬離子、小油滴或膠態有機物質、膠態無機物質或其他污染物污染之工業廢水流。該泵系統404自該給水來源402泵送給水至該EC電池410。另外，該泵系統404可自該EC電池410傳送經處理水至一經處理水之收集器408。該經處理水之收集器408可為輸送該經處理水之管之系統，或該經處理水之收集器408可為保存容器。
該電源406可為提供電力給整個EC系統400及於該EC系統400中之多個個別電路之DC電源。如將於下文所述，該EC系統400可具有與電磁電路分開之電解電路。此兩電路可藉由該電源406供電。流動通過電解電路之電流可在10 mA至1500 mA之範圍內。流動通過電磁電路之電流進一步論述於下文。
該EC電池410為具有一內表面及一外表面之容器。該EC電池410可由非導電材料製成或該EC電池410之其中一個表面可具有非導電塗層。該EC電池410具有兩個電極，一陽極412及一陰極414。該陽極412及該陰極414統稱為一電極堆疊440。該陽極412係定位於該EC電池410之一端。該陰 極414係定位於該EC電池410與該陽極412相對之端。該EC電池410亦裝納給水416，其一般係介於該陽極412與該陰極414之間。該電源406同時連接至該陽極412及該陰極414，及電解電路在該等電極之間藉由存於該給水416中之多種不同電解質而完成。
設計實驗設置以測試該第一自組裝電極150於如上所述之該EC系統400中之用途。於該設置中，該第一自組裝電極150替代該EC系統400之該陽極412。該第一自組裝電極150包括一電極基板118、電極磁粒子120及為一永久磁鐵123之一磁場源122。於該實驗中，將該永久磁鐵123置於定位至該EC電池410之一側，與該EC電池410之外表面相鄰之該個別室126中。該個別室126係定位至該電極基板118之一側以形成一組裝表面124。
於該實驗中，該電極基板118為4×10 cm鈦板及該陰極414為類似之4×10 cm鈦板。該等電極磁粒子120為具有約40 μm之粒度之鐵粒子。該等電極磁粒子120係懸浮於給水416之兩不同樣本之一者中。一給水樣本係奈米過濾系統之滯留物。第二個給水樣本係重油萃取操作中之蒸汽輔助重力洩油(steam assisted gravity drainage)(SAGD)所產生水。該實驗設置測量二氧化矽及鈣離子自此兩不同給水樣本之移除。下表1及2中之結果係來自以50 ml/min速率及在室溫下單程通過該EC單元400。奈米過濾滯留物樣本之實例結果顯示於下表1及SAGD所產生水之實例結果顯示於下表2。
如兩表1及2所示，二氧化矽及鈣經移除且電流之增加與二氧化矽及鈣離子自給水416之此兩樣本之增加移除率之間存在某種關係。
於使用該第一自組裝電極150替代該陽極412之該EC系統400之操作期間，該等鐵電極磁粒子120經犧牲而產生鐵氫氧根離子及氫氧化鐵物種，此促成凝聚物之形成。替代停止EC製程來更換經耗乏之鐵粒子，可藉由該等電極磁粒 子120之一或多個額外劑量將額外的鐵粒子添加於該EC系統400中。該額外劑量可在該給水來源402處添加或直接添加於該EC電池410內之該給水416中。當該等額外的電極磁粒子120處在該磁場源122之影響中時，該等額外的電極磁粒子120自身於磁場之場線中對齊及強化經耗乏之該第一自組裝電極150。如此，該第一自組裝電極150可經強化而無需停止連續EC製程。
隨著該EC製程連續地操作，會在該第一自組裝電極150處發生積垢。為對該第一自組裝電極150進行洗滌及去污垢，操作者可自該個別室126暫時移去該磁場源122，以致磁場不再對經積垢的電極磁粒子120產生影響。移去該磁場源122導致該第一自組裝電極150因該等電極磁粒子120離開該組裝表面124而解組裝。當該等電極磁粒子120離開該組裝表面124時，其等返回至該給水416中之流體懸浮液。當該等電極磁粒子120處於該給水416中時，其等經受可能因該泵系統404而產生之物理湍流。該給水416之湍流洗滌及使該等電極磁粒子120去污垢。當該等電極磁粒子120經去污垢時，操作者可再引入該磁場源122至該EC電池410之該個別室126。此將重建該第一自組裝電極150，且該EC製程可繼續，而無需長時間地停止。
該第二自組裝電極250亦可用於該EC系統400中以替代該陽極412。該第二自組裝電極250包括一磁場源222，該磁場源為置於該個別室126中之一電磁鐵228。
隨著該EC製程以該第二自組裝電極250繼續操作，如上 所述，可將一或多個額外劑量之電極磁粒子120添加至該給水416以強化該第二自組裝電極250。
隨著該EC製程繼續操作及該第二自組裝電極250發生積垢，可停止使電流流動通過該導線230。當停止電流之流動通過該導線230時，該磁場源222消散及該第二自組裝電極250因該等電極磁粒子120離開該組裝表面124而解組裝。如上所述，該等電極磁粒子120進入該給水416中，在此其等經受該給水416中之物理湍流。該給水416之湍流洗滌及使該等電極磁粒子120去污垢。當該等電極磁粒子120經去污垢時，操作者可引導電流流動通過該導線230以再建立該磁場源222。再建立該磁場源222會導致該等電極磁粒子120於該電極基板118之該組裝表面124上進行再組裝，此重建該第二自組裝電極250。
該第三實例之自組裝電極350亦可用於該EC系統400中以替代該陽極412。該第三實例之自組裝電極350包括一磁場源322，其為於該電極基板318中一體化之一電磁鐵328。若使用該第三自組裝電極350來替代該EC系統400之該陽極412，則可使用一或多個額外劑量之電極磁粒子120來強化在該電極基板318之該組裝表面324上所組裝之經耗乏之電極磁粒子120。另外，如上所述，該第三自組裝電極350可藉由移除該磁場源322而去污垢。操作者可藉由使通過該導線230之電流停止流動來消散該磁場源322。類似地，當該等電極磁粒子120藉由該給水416之湍流去污垢時，則可藉由引發電流流動通過該導線230來再建立該磁 場源322。再建立該磁場源322引起該自組裝電極350重建。
該等第一、第二或第三自組裝電極150、250、350可用以替代該EC系統400中之該陽極412。假若該陰極414為典型的陰極板，則該陽極412之該替代會導致該等自組裝電極150、250、350之表面積與該陰極414之表面積之間的差異。電極表面積之差異會限制可使用之電流密度。例如，假若該第一自組裝電極150具有比該陰極414更大的表面積，則該陰極414之較小表面積將限制此兩電極之間之電流密度。
該表面積差異之一種解決辦法係使用該第一、第二或第三自組裝電極150、250、350來替代該陽極412及該陰極414二者。以自組裝電極150、250、350替代該陽極412及該陰極414二者將於電解電路之兩電極處提供高表面積且容許使用較高電流密度。
使用該第一、第二或第三自組裝電極150、250、350來替代該陽極412及該陰極414將於該EC電池410之任一端建立兩磁場源122、222、322。此兩磁場源會在此兩自組裝電極150、250、350之間競爭該等電極磁粒子120。此競爭該等電極磁粒子120亦會導致此兩自組裝電極150、250、350之表面積之間的差異。因競爭磁場源所引起之該等電極之間之表面積差異可小於因使用一自組裝電極150、250、350及一典型陰極板412所引起之該差異。一種針對因競爭磁場源所引起之表面積差異之解決辦法可包括該等 電極磁粒子120於該給水416中之均勻懸浮液及同時引入兩磁場源。例如，假若使用該第一自組裝電極150作為該陽極412及該陰極414，則在同一時間將各永久磁鐵123置於其各自的個別室126中。
當使用該第一自組裝電極150作為該陽極412及該陰極414二者時，去污垢程序可包括自該等各自的個別室126移去兩永久磁鐵123歷時一段重疊的時段。於該去污垢程序之後，可如上所述同時將該等永久磁鐵123再引入至其等各自的個別室126中。
當使用該第二自組裝電極250作為該陽極412及該陰極414時，可同時開始電流流動通過各電磁鐵228之該等導線230，以減小兩自組裝電極250之間之任何電極表面積差異。
當使用該第二自組裝電極250來替代該陽極412及該陰極414時，去污垢程序可包括停止電流之流動通過兩電磁鐵228之該等導線230。於該去污垢程序之後，可同時引發電流流動通過該等電磁鐵228之該等導線230，以減小兩自組裝電極250之間之任何表面積差異。
當使用該第二自組裝電極250來替代該陽極412及該陰極414時，可如以上針對該第二自組裝電極250所述使用針對任何電極表面積差異及去污垢程序之解決辦法。
圖5A描繪另一EC系統500。該EC系統500包括如該EC系統400之相同特徵，諸如給水來源、泵系統及經處理水之收集器，其等均未顯示於圖5中。該EC系統500包括具有兩 個外電極、多個內電極及一電源506之一EC電池510。
EC系統500可為雙極配置，其中僅該兩外電極係直接連接至電源，形成該陽極512及該陰極514。多個內電極為定位於該陽極512與該陰極514之間之內部電極基板519。該等內部電極基板519可與先前所述之電極基板118、318相同。於該雙極配置中，該等內部電極基板519係間接地受該陽極512與該陰極514之間的電位影響。各內部電極基板519之側具有與緊鄰內部電極基板519或該等陽極512或陰極514(視情況而定)之平行側相反的電荷。
於圖5B所示之該EC系統500中，該陽極512可經一自組裝電極550替代及該陰極514可為一電極板。該自組裝電極550包括一電極基板518、電極磁粒子520及一磁場源522。該自組裝電極550係類似於如上所述之該等第一、第二或第三自組裝電極150、250、350中之任一者。該磁場源520之強度係足以將一實質量之電極磁粒子520吸引至該電極基板518及該等多塊內部電極基板519及於其等之上組裝。
當僅該陽極512經自組裝電極550替代時，EC電池510中只有一個磁場源522。此一磁場源522可位於該EC電池510之一端。視情況，假若該磁場源522為永久磁鐵(如在自組裝電極150中)，或假若該磁場源522為電磁鐵(如在自組裝電極250中)，則可將該磁場源522置於相對於該EC電池510之任意不同位置。可將該磁場源522置於任意不同位置，其限制條件為磁場導致一實質量之電極磁粒子520於該電極基板518及該等多塊內部電極基板519上組裝。
視情況，該陰極514亦可經一自組裝電極550替代。當該陽極512及該陰極514二者皆為自組裝電極550時，來自各自組裝電極550之磁場之強度將足以使一實質量之電極磁粒子520被吸引至該等電極基板518及該等多塊內部電極基板519及於其等之上組裝。如上所述，該等電極磁粒子520於該電極基板518及該等內部電極基板519上之組裝建立自組裝電極550。如此，高表面積自組裝電極將於外部的兩電極基板518上組裝及該等自組裝電極可充作陽極及陰極。另外，該等內部電極基板519將形成促使形成金屬氫氧根離子及氫氧化物物種之高表面積自組裝電極。
視情況，該多個內部電極可各包括一專用磁場源522。各內部電極基板519可為管狀，或為具有可容納永久磁鐵或電磁鐵中任一者之室之網篩(未顯示)。或者，該內部電極基板519與具有於該內部電極基板519中一體化之電磁鐵(未顯示)之該電極基板318類似。於該選項中，可藉由自該內部電極基板519移去該等永久磁鐵或藉由斷開流動通過電磁鐵之電磁電路之電流來移除磁場。
另一選擇為，該EC系統500可為單極配置，其中該等內及外電極與各相鄰電極形成成對之電極堆疊540(如圖5C中所示)。各電極堆疊540係直接連接至電源及形成一陽極512及一陰極514。該單極配置可能需要電阻箱來調整電流流量。於該單極配置中，該等內及外電極可以如以上針對雙極配置所述之電極配置中之任一者來配置。該陽極512及該陰極514中之任一者可為該等自組裝電極550中之任一 者。
圖6描繪污染物移除設備600。該污染物移除設備600類似述於國際PCT申請案CN 11/001237，標題「AN APPARATUS AND METHOD FOR ONE STEP REMOVAL OF CONTAMINANTS FROM AN AQUEOUS SYSTEM」中之設備，該案以引用的方式併入本文中。
該污染物移除設備600包括一外部圓柱體615、一中間圓柱體610及一內部圓柱體605。該外部圓柱體615具有一圓柱形上部619及一大致上圓錐形的下部621。該大致上圓錐形的下部621終止於一排放出口660。該污染物移除設備600亦包括至少一個流出物出口625及一溢流出口655。該等出口係位於該外部圓柱體615之頂部附近。
如圖7所示，該污染物移除設備600具有3個室。第一室705係藉由內部圓柱體605之內徑界定。第二室710係界定在內部圓柱體605之外徑與中間圓柱體610之內徑之間。第三室715係界定在該外部圓柱體615之內徑與該中間圓柱體610之外徑之間。
該污染物移除設備600亦包括定位在該外部圓柱體615頂部之一可卸除蓋651。該可卸除蓋651支撐兩個自組裝電極650及一混合裝置641於該第一室705中。該等自組裝電極650與該電源606連接。與該電源606之該連接在貫穿存在於該污染給水616中之電解質完成電解電路之該兩自組裝電極650之間產生電位。如此，該兩自組裝電極650形成一電極堆疊640。
該自組裝電極650包括一電極基板618、電極磁粒子620及一磁場源622。該電極基板618可為管狀，或為具有可容納該磁場源622之室之網篩。該磁場源622可為通過可卸除蓋651中之孔以針對該第一室705引入或移除該磁場源622之永久磁鐵。或者，該磁場源622可為穿過該可卸除蓋中之孔插入一電極基板618之室中之電磁鐵。該磁場源622亦可為於該電極基板618中一體化之電磁鐵。
無論是否經一體化，該電磁鐵具有形成與電解電路不同之電磁電路之導線。該電磁電路可或可不連接至該電源606。電流流動通過各電極基板618之導線建立一電磁場及使各電極基板618轉換成磁場源622。
該混合裝置641具有藉由馬達645旋轉之一葉輪646。該葉輪646之旋轉引起軸向流動通過該內部圓柱體605。該軸向流動減小或防止該等第三自組裝電極350之積垢。
該污染物移除設備600亦包括至少一根入口管631。該入口管631延伸穿過該污染物移除設備600之該大致上圓錐形的下部621(如圖6及7中所示)。或者，該入口管631延伸穿過該污染物移除設備600之該蓋651(未顯示)。
該污染給水616經由該入口管631進入該污染物移除設備600。在污染給水616進入該污染物移除設備600時，該馬達645使該葉輪646旋轉以產生該給水616之軸向流動。可將該等電極磁粒子620添加至該污染給水616。藉由混合裝置641所產生之軸向力導致該污染給水616及該等電極磁粒子620流動通過該第一室605。在該污染給水616及該等電 極磁粒子620進入該第一室605時，該磁場源622自該第一室605中將該等電極磁粒子620吸引至該電極基板618之該組裝表面624而形成該等自組裝電極650。
於形成該等自組裝電極650之後或之前，該電源606於該等自組裝電極650各者之該電極基板618之間建立電壓電位。當該電壓電位形成時，一自組裝電極650充作陽極及另一者充作陰極。如上所述，該陽極將於該第一室305中產生金屬氫氧根離子及金屬氫氧化物。該等金屬氫氧根離子及金屬氫氧化物幫助污染物於該給水616中凝聚。軸向力自該第一室705將流體流及凝聚物攜載至該第二室710，在此該等凝聚物開始形成累積質量及大小增加的聚集物。 該等聚集物中之一部分可沉至外部管大致上圓錐形下部621之底部。軸向力使含有聚集物之流體流自該第二室710移至該第三室715。於該第三室715中，該等聚集物達到使其等沉至該大致上圓錐形下部621之底部的累積質量及尺寸。經澄清之流體離開該流出物出口625。提供該溢流出口655以防該流出物出口625遭遇堵塞。該等聚集物自該大致上圓錐形下部621之底部通過該排放出口660移去。
視情況，該等電極基板118、318、518、519、618可由鉑、銀、金、石墨、碳板或具有不溶於電場中及不充作磁屏蔽之塗層之導電金屬製成。
視情況，該電極基板118、318、518、519、618可為網狀結構或管狀結構而非固體板結構。
視情況，該等電極磁粒子120、520、620係由鐵及鋁合 金製成。
視情況，該等電極磁粒子120、520、620係呈粉末形態。
視情況，該等電極磁粒子120、520、620為棒、針或殼結構。
該污染物移除設備600之另一選用特徵包括於該第一室705中之至少兩個電極堆疊640。
視情況，該等第一、第二或第三自組裝電極150、250、350可使用於將自高表面積自組裝電極之特徵獲益之任何電化學系統中。例如，電化學氧化及電催化氧化系統將自該等自組裝電極獲益。此外，電化學氧化系統可使用電極磁粒子120，其等為經以下塗覆材料中之任一者塗覆之鐵粒子：SnO2、PbO2、Sb2O5、RuO2、IrO2、MnO2或其他類似化合物。
於該EC系統400之另一選用特徵中，該電極堆疊440之極性係可切換的，其中該陽極412及該陰極414由該等第一、第二或第三自組裝電極150、250、350中之一者替代。切換極性使電解電路中之電位反轉且可於該EC製程期間發生。極性之反轉分享該陽極412之犧牲負載。分享該犧牲負載將減少額外投放電極磁粒子120之頻率。一電極堆疊440中之極性反轉亦可改良該電極堆疊440中電流密度之對稱性。此外，該電極堆疊440中之極性反轉可有利於該等第一、第二或第三自組裝電極150、250、350之二者之去污垢，而與所給定自組裝電極是否充作該陽極412或 該陰極414無關。
於該污染物移除裝置600之另一選用特徵中，該污染物移除設備600之該內部圓柱體605係由導電材料製成。於該污染物移除裝置600之該選用特徵中，該內部圓柱體605係連接至該電源606，以致在該內部圓柱體605與該第一室705中之該等第三自組裝電極350之間產生電壓電位。於該污染物移除裝置600之該選用特徵中，自該電源606在內部圓柱體之內表面間利用該等自組裝電極350各者穿過該第一室705中之該給水616完成電解電路。此外，該內部圓柱體605及該等自組裝陽極155包括一電極堆疊640。於該污染物移除裝置600之該額外選用特徵中，該內部圓柱體605充作陰極及該等自組裝電極650充作陽極。
本書面論述利用實例來揭示本發明，包括最佳模式，以令所有擅長該技術者可實施本發明，包括製作及使用任何裝置或系統及實施任何所引用方法。本發明之專利申請範圍係由請求項界定，及可包括擅長該技術者可明瞭之其他實例。
118‧‧‧電極基板
120‧‧‧電極磁粒子
122‧‧‧磁場源
123‧‧‧永久磁鐵
124‧‧‧組裝表面
126‧‧‧個別室
150‧‧‧第一組組裝電極
206‧‧‧電源
222‧‧‧磁場源
228‧‧‧電磁鐵
230‧‧‧導線
232‧‧‧線圈結構
250‧‧‧第二自組裝電極
305‧‧‧第一室
318‧‧‧電極基板
322‧‧‧磁場源
324‧‧‧組裝表面
328‧‧‧電磁鐵
350‧‧‧第三自組裝電極
400‧‧‧電凝聚(EC)系統/單元
402‧‧‧給水來源
404‧‧‧泵系統
406‧‧‧電源
408‧‧‧經處理水之收集器
410‧‧‧EC電池
412‧‧‧陽極
414‧‧‧陰極
416‧‧‧給水
440‧‧‧電極堆疊
500‧‧‧EC系統
506‧‧‧電源
510‧‧‧EC電池
512‧‧‧陽極
514‧‧‧陰極
518‧‧‧電極基板
519‧‧‧內部電極基板
520‧‧‧電極磁粒子
522‧‧‧磁場源
540‧‧‧電極堆疊
550‧‧‧自組裝電極
600‧‧‧污染物移除設備/裝置
605‧‧‧內部圓柱體/第一室
606‧‧‧電源
610‧‧‧中間圓柱體
615‧‧‧外部圓柱體
616‧‧‧污染給水/給水
618‧‧‧電極基板
619‧‧‧圓柱形上部
620‧‧‧電極磁粒子
621‧‧‧大致上圓錐形的下部
622‧‧‧磁場源
625‧‧‧流出物出口
631‧‧‧入口管
641‧‧‧混合裝置
645‧‧‧馬達
646‧‧‧葉輪
650‧‧‧自組裝電極
651‧‧‧可卸除蓋/蓋
655‧‧‧溢流出口
660‧‧‧排放出口
705‧‧‧第一室
710‧‧‧第二室
715‧‧‧第三室
圖1為第一自組裝電極之橫截面示意圖。
圖2為第二自組裝電極之橫截面示意圖。
圖3為第三自組裝電極之橫截面示意圖。
圖4為電凝聚系統之示意圖。
圖5A為具有多個電極之電凝聚系統之橫截面示意圖。
圖5B為具有多個電極之電凝聚系統之橫截面示意圖。
圖5C為具有多個電極之電凝聚系統之橫截面示意圖。
圖6為污染物移除設備之分解示意圖。
圖7為圖6之污染物移除設備之橫截面示意圖。
500‧‧‧EC系統
506‧‧‧電源
510‧‧‧EC電池
512‧‧‧陽極
514‧‧‧陰極
519‧‧‧內部電極基板

Claims (19)

  1. 一種電極，其包括：具有組裝表面之導電電極基板；複數顆磁粒子；及磁場源，其吸引該複數顆磁粒子中之至少一部分來接觸該組裝表面。
  2. 如請求項1之電極，其中該磁場源為永久磁鐵或該磁場源為包括電源及導線之電磁電路，其中該電磁電路係於該電極基板之外部或該電磁電路係與該電極基板呈一體。
  3. 如請求項1之電極，其中該複數顆流體磁粒子係選自由鐵、鐵-鋁合金及經塗覆鐵粒子組成之群。
  4. 如請求項3之電極，其中該等經塗覆鐵粒子係塗覆有選自SnO2、PbO2、Sb2O5、RuO2、IrO2及MnO2之群之材料。
  5. 如請求項1之電極，其中該導線為線圈結構。
  6. 如請求項5之電極，其中該線圈結構係捲繞在鐵磁材料周圍。
  7. 如請求項1之電極，其中該導電電極基板係選自網狀結構、管狀結構及板狀結構之群。
  8. 如請求項1之電極，其中該導電電極基板係選自由碳、鈦、鉑、銀及金組成之群。
  9. 一種電化學系統，其包括：第一電極，其中該第一電極為具有組裝表面之導電電 極基板；第二電極；介於該等第一及第二電極之間之電解質流體；複數顆磁粒子；磁場源，其吸引該複數顆磁粒子中之至少一部分來接觸該組裝表面；及電源，其完成介於該等第一及第二電極之間之一電路。
  10. 如請求項9之電化學系統，其中該磁場源為永久磁鐵或該磁場源為包括電源及導線之第一電路，其中該第一電路係於該電極基板之外部或該第一電路係與該電極基板呈一體。
  11. 如請求項10之電化學系統，其中該第二電極為具有第二組裝表面之第二導電電極基板，及該磁場源吸引該複數顆磁粒子中之至少一部分來組裝該第二組裝表面。
  12. 如請求項11之電化學系統，其進一步包括第二磁場源，其中該第二磁場源為永久磁鐵或該磁場源為包括電源及導線之第三電路，其中該第三電路係定位於該第二電極基板之外部或該第三電路係與該第二電極基板呈一體。
  13. 如請求項9之電化學系統，其中該第一電極及該第二電極係可在陽極與陰極之間切換的。
  14. 如請求項9之電化學系統，其進一步包括定位於該等第一及第二電極之間之至少一電極基板。
  15. 如請求項14之電化學系統，該至少一電極基板各者進一 步包括磁場源。
  16. 一種用於組裝電極之方法，其包括：提供包括組裝表面之導電電極基板；提供複數顆電極磁粒子；及建立磁場，其吸引該複數顆流體電極磁粒子中之至少一部分來接觸該組裝表面。
  17. 如請求項16之方法，其中該磁場係藉由永久磁鐵或電磁鐵來建立。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包括藉由移除該磁場來自該組裝表面解組裝該複數顆流體電極磁粒子。
  19. 如請求項18之方法，其進一步包括藉由再建立該磁場來使該複數顆流體電極磁粒子再組裝至該導電電極基板之該組裝表面。
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