TW514623B - Ion-removal from water using activated carbon electrodes - Google Patents

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514623 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本發明係關於使用使用活性碳電極以去除水中離子 其使用由碳前身產物戦之活性碳製造^電 為 蜂巢體。 發明背景： ，去離子水鱗多4界應騎需要的，·為去鹽份， 工業廢水雜，以及電轉界之處料程。縣，去離子藉 由逆滲透，使_子交換樹脂進行。離子交換樹脂為昂貴曰 的以及會產生許多問題，例如為_滋長於樹脂上，假如使 用陽離子之離子交換樹脂鈉離子將加入水中，其可能為並 不想要的。陰離子交換樹脂對管線以及一些設嗇具有腐蝕 性，以及會導致水中銅，鐵，或鉛離子含量增加以及縮短設 備之使用哥命。逆滲透為耗能源，需要高水壓以迫使水移 動通過阻塞之薄膜。蒸餾為得到潔靜水而不會產生這些問 題之一種方式，但是其非常耗用能源以及人工以及對許多 情況並不實際。 去離子水已利用電解方式進行，其使用黏接劑黏附碳 顆粒之碳電極。該方法缺點在於該電極並不耐用。黏接劑 分解導致電極崩解。存在黏接劑亦減小電極之導電性。 美國第5425858號專利揭不出一種精由使用相當大數 目電極之電解由水中去除離子之方法，該電極由黏附至鈦 戶斤構成支撐板之碳形成，該方式為非常昂貴的。碳藉由混 合樹脂與纖維墊片以及再加以碳化而製造出。其受限於具 有水B物黏接劑之欽基板。由於;5反存在作為支撐材料，必 要產生效用為電極功能之碳數量並不需要报大。因而必需 ----—%—9—^— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐 B7 五、發明説明（工） 使用大篁電極以完成任何有效數量之解離子。該方法另外 一項缺點在於電極間之距離必需保持約為〇· 5刪臨界距離 以有效率產生去離子。為了達成該距離，板必需加工為完 美平坦，其為相當昂貴的，以及測量為重要的，以及由於較 長流程使產量受到限制。 美國第5415768以及562_號專利係關於由活性礙纖 維製造出之去離子系統。由於經濟以及性能觀點來看，使 1活性碳並不是非常有益的。由碳纖騎成之活性碳為昂 貴的，由於製造過料昂貴的。這些纖維在高溫下進行更 進-步活性處理_，其將提高纖維之費用。包含這 責而受到限制。由性能觀點來看，纖維 ° 、’重要的。商業化碳以及活性碳纖維為非常細 之直徑c十微米）。在正常處理過程中由於活性化（其能夠 促使孔隙形成於纖料）纖維變為非常脆弱以及非 斷裂。由於其脆弱性，纖維束(含有數條纖維)沿著其j 包含多個破裂端部。破裂端部產生不連續性，此產生= 纖 。由於其低強度，纖維必需包裝為含有數 面張力所肋4理難巾大部域軸# 別纖維束轉單聽構。料致辨敎叹 作。使用導電讀為纖維所必需』為其且有彈性有政知 昂貴金屬例如為鈦或相當便宜材料例如為Z 祕U。石墨片_石_ 為石且墨 514623 五、發明説明（3 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 有彈性，由於其需要製造為彈性，其必需非常細因而非常跪 弱。其非常難以將導電接點連接至其上面以及形成強固裝 置以作為貫際應用，其將遺留一些應力例如為任何一段時 間流動水所施加之應力。 由黏接劑非導電性觀點來看，使用含有黏接劑之壓力 活性碳墊_構成-賴題，以及優先導·係由於不規 則顆粒與顆粒接觸所致。這些形式長期耐久性受到質疑。 因而存在一項需求，即需要價格競爭性，有效以及簡單 方法以由水份去除離子以適合各種應用。 發明大要： 本發明一項係關於提供去離子水之電極，其由連續性 活性碳結構製造出。活性碳由合成碳前身產物形成。結構 具有開孔，入口以及出口端部使得進入端部之水份通過開 孔以及離開出口端部，至少一部份結構外側表面上導電塗 膜，金屬.線與結構接觸。 本發明另外一項為提供由水中去離子之系統，其由串 連電極所構成使得一個電極出口端部緊鄰下一個電極之入 口端部。每一電極金屬線連接至電源在當傳送至其相鄰電 極電荷時將傳送相反電荷。每一電極固定地連接至以及密 封於具有空氣以及氣密性之密封外殼内。界於電極間外殼 中開孔能夠在使用前將空氣排除。 本發明另外一項係關於提供一種使用上述所說明系統 以及電極由水流去除離子之方法。該方法包含由系統藉由 Μ氏張尺度適用中國國家縣（CNS ) Α4規格（2了〇χ297公羡） έ ------- —·—"— — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂' 五、發明説明（士） 知加真空抽除於外说開孔去除空氣以及密封外殼開孔，將 電流通過裝置，以及通過含有離子水流於其中以去除離子。 附圖簡單說明： 第一圖至第四圖，以及第四圖A(圖丨至4及圖4A)為本發 明電極示意圖，其具有各種開孔之構造。 ^第五圖（圖5)麻；in，其顯示出本發明由水中去離子 之系統中水流通過電極之位置。 第六圖（圖6)為本發明由水中去離子系統之示意圖。 第七圖（圖7)為本發明氯化鈉去除與時間之關係圖。 第八圖（圖8)為本發明利用不同表面積電極之氯化納 去除與時間關係圖。 第九圖（圖9)為本發明利用不同啟始濃度鹽份之 鈉去除與時間關係圖。 鈉去為本發明利用不同表面積電極之氣化 比較=瞻12)梅购_義去除與時間 第十三目（關)絲伽糊* _氯化齡除與日相之比__。積紐之减 第十四圖（@⑷為柄^ 電 鈉去除與時關侧。 列峰之跳 第十五圖（圖15)為錢流過本發明蜂魏電極與先 514623 五、發明説明（厂）

經濟部中央標準局員工消費合作社印装 技術水流流經板電極之氯化鈉去除與時間關係圖。 第十六圖（圖16)為本發明使用範例5所說明系統之氯化 鈣除與時間關係圖。 附圖數字符號說明： 電極10;孔隙12;端部表面14，16;導電塗膜17;厚 度18;金屬線19;壁板24;電極30;壁板厚度34;電極 40;端部表面42, 44;孔目48, 49;蜂巢體52;蜂巢體孔目 54;孔目壁板56;系統60;輸入端部61電極62.給 部阶外殼64;溝槽65;開孔66,68;電線 詳細說明： 本發明係關於活性碳電極以及一種使用串連電極由水 中去除離子之系統。 電極由連續性碳前身產物形成之活性碳所構成。所謂 石反如身產物係指含有碳合成物質，其藉由加熱轉變為連續 性碳。碳前身產物可包含任何合成液體或可液體化之碳化 合物。有用的碳前身產物包含交互連結樹脂例如為熱凝性 樹脂，熱塑性樹脂（例如為聚碘乙稀，聚氯乙稀，聚乙稀醇等 )，吡喃醇。. 低黏滯性碳前體（例如為熱凝性樹脂）為優先使用。紛 樹脂為最優先，由於其相對於其他前身產物為低黏滯性，高 石反生成里，由於固化南度相互連結以及低價格。特別適合 岛树月曰為可溶性g分酸樹脂例如為ply0phen(NQ. 43290)由

Occidental Chemical Co·，Niagara Falls, Ν· γ·供應。 使用於本發明方法之碳前身產物包含單一前身產物材 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 料或兩種或多種前身產物材料之混合物。 通常，由碳前身產物產生之活性碳物體具有一些優點 優於藉由成形分脑性碳職L製造出物體。直接地由活性 碳製造出物體由不連續性碳所構成，其必f藉由永久性黏 妾刻黏接在-起。在許多情況下，由活性碳顆粒製造出物 ，在水中並不_久，目為將結構固定在—起之黏接劑為水 溶性。碳雌通常並不會與任何雜_献好的黏接以 ，任何含有碳粉末以及黏接劑結構之耐久性將成為主要問 題。流體侵錄接劑與碳間之界面而破壞已有脆弱鍵結， 促使結構失去整體性。其倾繼構_之問題包含優先 地經由結構之導電路徑（由於顆粒與顆粒接觸所致)，整體 t構導電性不良（由於非導電性黏接劑），在水中顆粒流動 π走使得結構緩慢地失去整體性，及去除這些顆粒過濾介 1規格。另外一方面由前身產物產生活性碳物體由連續性 碳所構成以及並不需要永久錄制。鱗續性碳結構為 強固的以及耐久的以及能夠使用於高流動性化學處理過程 中。該物體在液體流動中亦具有耐久性。這些前身產物生 成<活性碳特性產生改良之導電性優於分離活性碳顆粒之 導電性。 活性碳電極能夠為任何實用形式。由於高數量碳，活 性碳優先地為活性碳成形物體，雖然亦能夠為塗覆非導電 性基質上活性碳塗膜之形式。 先m貫麵例中，碳前身產物，黏接劑及/或填充料，以及 成形輔助劑能夠藉由擠製，壓力鑄造，射出成形模造等形成 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂* -線赢 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 x 297公羡） 514623 A7

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (!呂石夕酸鹽黏土)，飛灰(發電_燒煤炭所得靡時酸鹽灰 燼)，石夕酸鹽例如為釣石夕石（約石夕酸鹽），鈦酸鹽，錄酸鹽，锆 石，鍅石尖晶石，鎂鋁矽酸鹽，莫來石，礬土，三水礬土，尖晶 石，長石，綠坡縷石，以及礬土矽酸鹽纖維，堇青石粉末等。 -些特別適合無機填充料範例為堇#石粉末，滑石，以 及礬土矽酸鹽纖維。 有機填充料對成形結構提供額外之支撐以及在碳化時 在壁板產生孔隙，因為其通常會遺留下非常小碳殘餘物。 -些有機填充料為聚丙騎纖維，聚!旨纖維⑻，尼龍纖維 ，聚丙烯纖維（絮）或粉末，壓克力纖維或粉末，aramid纖維， 聚乙烯醇等。 將磷酸加入至碳前身產物發現將提高所製造活性碳導 電性。加入石厌刖身產物磷酸重量比約為〇· 至丨〇%於添加 其他填充料之前。 一些特別適合黏接劑以及填充料說明於美國第582096 7號專利以及美國第09/231859號專利申請案中，這些專利 之說明在此加入作為參考。 一些成形例如為擠製辅助劑為肥皂，油脂酸例如為油 酸，亞油酸等，聚乙醛硬脂酸鹽等或其混合物。特別地優先 為硬脂酸鈉。最佳數量擠製輔助劑決定於組成份以及黏接 劑。 通常蜂巢體孔目密度能夠在775孔目/平方公分至1孔 目/平方公分。一些蜂巢體所使用並非限制性範例為235孔 目/平方公分，94孔目/平方公分，β2孔目/平方公分，或47孔 本紙张尺度通州肀國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公翁 --------- ^-----------訂 ^-------線·1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

II 514623 發明説明（ ο 11 經濟部中央標準局員工消費合作衽印製 目/平方公分，以及31孔目/平方公分。通常62孔目/平方公分蜂巢體壁板厚度約為〇· 15mm。壁板（翼板)厚度通常在〇.1至1· 5mm範圍内。 除了高碳含量，成形蜂巢體為非常耐久以及能夠為1至 100%活性碳，以及具有連續性高度導電之碳結構。蜂巢體 能夠形成產生不同的壁板厚度以及孔目密度。離子去除所 而要短距離藉由控制蜂巢體孔目密度達成。例如，約為 孔目/平方公分蜂巢體孔目壁板間距離約為丨刪。藉由控制孔目壁板厚度，孔目密度，以及碳材料特性，能夠達成高離 子去除率。 ， 在後者實施例中，基質必需具有足夠強度以在應用中 產生功能以及能夠承受在形成活性碳塗覆過程所遭遇之高 熱處理溫度。基質具有通過開孔之結構，水份能夠通過其 中之開孔。優先地多孔目結構例如為先前所說明蜂巢體， 或具有例如細縫開孔之結構以使水份通過其中。 基質整體開孔孔隙率至少為丨0%，優先地大於25%以及 最優先大於40%。對於大部份用途，所需要孔隙率範圍約為 45%至55%。優先地基質材料孔隙產生相亙連接孔隙率，其 主要特徵在於連接至其他孔隙及/或與其他孔隙相交之孔 隙將在基質内產生扭曲網狀之孔隙結構。適當多孔性基質材料包含陶瓷，玻璃陶瓷，玻璃，金屬， 及其組合物。組合物係指物理性或化學性組合物，例如混 合物，化合物，或複合物。一些材料特別適合於本發明操作中，雖然人們了解本

(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· A7 ------—--- - B7五、發明説明（\〇 ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 發明並不受限於此，這些材料為堇青石，莫來石，黏土，滑石 ,1。石，，氧化錯，錯酸鹽，錯石尖晶石，沸石，鎂紹石夕酸鹽，尖 晶石，礬土，矽石，矽酸鹽，硼化物，礬土矽酸鹽例如瓷土，鋰 紹石夕酸鹽，象土石夕石，長石，氧化鈦，、溶融石夕石，氮化物，石朋化 物，$反化物例如碳化石夕，氮化石夕，或其混合物。特別是有用 的材料為堇青石及/或莫來石。堇青石優先使用，因為其熱 月罗脹係數與碳之熱膨脹係數相當，將增加活性碳物體之穩 定性。 一項特別優先得到活性碳塗覆基質之方法說明於美國 第5451444號專利中，該專利在此加入作為參考之用。 當碳前身產物為熱凝性樹脂時，碳前身產物在活性化 前以及在碳化前加以固化。固化通常藉由將前身產物加熱 至溫度100°C至20(TC歷時0· 5至5. 0小時達成。固化通常在 空氣中大氣壓力下進行。當使用特定前身產物時(例如為 喃醇）固化能夠在室溫下藉由添加固化觸媒劑例如為酸 觸媒達成。 碳化為可碳化材料之熱分解，因而去除低分子量種類（ 例如一氧化碳，水，氣態氫氣等）以及產生固定碳質量以及 未形成孔隙結構於碳中。 固化碳前身產物之碳化或轉化通常在還原性或惰性氣 體(例如為氮氣，氬氣，氦氣等）中藉由加熱至溫度600°C至 1000°C歷時1至10小時逹成。 將碳前身產物固化以及碳化產生未中斷碳。當碳為塗 膜形式，碳塗膜固定至基質孔隙内以及為高度黏附性。碳 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉13 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 、發明説明（〔( 2 11 經濟部中央檩準局員工消費合作社印製 炭與碳之鍵結層。假如交互連結孔 予:土、中，父互連結碳網路形成於組成份產生更JL 、、二二又谷里，儘官其相當低礙含量，高強度，以及使用 溫度較高之優點。 活丨生化達成將提昇體積以及擴大碳化過程中所形成微 細孔隙之直徑，以及產錢。活性減生高表面 積以及_使結難錄高容量。蹄化藉由.的方法 例如為將結構暴露於高溫(例如600°c至10〇〇。〇氧化劑例 如水療：nn —氡化碳，金屬氯化物（例如為氯化鋅），磷酸，或 硫化钟達成。 由碳前身產物產生之活性碳物體或塗膜具有明顯優點 優於由活性碳顆粒製造出塗膜以及物體。直接地由活性碳 製造出物體由不連續性破所構成，其必需藉由永久性黏接 劑黏接在一起；因而活性碳物體例如由合成碳前身產物產 生蜂巢體由連續性碳製造出以及並不需要永久性黏接劑。 此連續性石炭結構為強固的以及而才久的以及能夠使用於高流 動率處理過程。該物體在液體流動情況下亦具有高度耐久 性。在許多情況下由活性碳顆粒製造出物體在水中並非耐 久的，因為將結構固定在一起之黏接劑為水溶性。由活性 碳顆粒製造出塗膜並不均勻的或黏附性，由於其由碳前身 產物形成以及易受到侵蝕。 本發明笮極具有導電性優點同時並不活潑性，為耐久 性，以及高表面積例如為>1000平方米/公克，與非活性碳 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） \屮 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂· 514623 A7 B7 3 11 五、發明説明（α) 例如為石墨低表面触較。最録面積受隱電荷密度， 因而需要表面積並不大於1600平方米/公克，以及優先地界 於100至1600平方米/公克。 -項優先組成份以重量百分比表示為55.6%(± 2幻酚 樹脂，22.2%(± 1%)纖維素纖維，14 ?/q(土 1%)堇青石粉末， 4· 6%(± 0· 5%)甲基纖維素，〇· 9%(± 〇, 1%)硬脂酸鈉，以及2% (± 〇· 2_酸。在9.碳化以及活性化產生活性碳結構， 其具有表面積約為1000平方米/公克。 電極能夠具有任何斷面例如為圓形，姻形，方形，長 方形等。 同時電極尺寸並不受到限制，其通常長度（或厚度）小 於2· 54公分，優先地卜25mm，It優先地小於10刪，以及最優 先約為5画。 電極為能夠使水流經其中之結構。通過量以及離子去 除效率大於目前-般所烟電極，其巾流紐生於電極四 週。 通過水份之開孔能夠為任何形式，例如為相當大 分佈於整個結構，其中平均直徑至少為0· 5微米，通過溝槽 能夠為任何職例如為細縫，箱減夠為具有多孔性壁 板之多個孔目，例如鱗巢體結構。同時部份蜂巢體結構 孔目能夠在輸入端部處封閉以及其餘孔目能夠在輸出端部 處封閉使得入口端部處經由敞開孔目進入結構之水份通過 多孔性壁板以及經由輸出端部處關孔目離開該結構 構造能夠提南效率以及容量。 ^^尺度適用中國國 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) S! -I I i · 、發明説明（G) ^導電塗膜至少與電極外側表面接觸使電極 減為賴。同時其能夠在外側表面上任何位置，優先地在 =端部表面及/或輸出端部表面處。塗膜能夠為任何防 腐姓之金屬。優先地導電塗膜為鈦。_目當薄。通常 j J度並不大娜長度2%，優先地並不大於。.1%，以及 ^先私大於_，這錄值—般躲據為電極厚度 為5毫米。通常，導電性塗膜厚度並不超過職米。導電塗 膜用途在於提高通過電極之導電性。 *對電極之導電連接融電麟由金屬線產生連接。其 通常包纏於電極之四週，或其能夠經由f極開孔機械性地 固定f電極。必驗接觸電阻絲最低鱗接至電極 :同時任何由高度電化學抗雜金屬製如金屬線為可接 受的，鈦金屬線為優先採用。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 電極籍由參考附圖加以說明。圖卜4示意性地顯示出 電極，其通常為活性碳物體，其具有不同形式之開孔，水份 成夠流經其中。圖1顯示出電極10具有孔隙12以及外側表 面或厚度18。水通過孔隙進入入口端部表面14以及經由出 口端部表面16離開，其接著等於電極厚度之流動路徑。圖】 顯示出導電塗膜Π於入口端部表面上，以及金屬線19捲繞 於外側表面或厚度之四週。 圖2顯示出具有細縫開孔之電極，水將通過該細縫。知 缝彼此藉由具有厚度之壁板24分離。 圖3顯示出多個孔目結構或蜂巢體之電極30 為壁板厚度34之蜂巢體孔目。 一用中國國_(⑽—(瘦) 15514623 A7 B7 五 、發明説明（l(p) 濟 部 中 央 標 準 員 工 消 合 作 社 印 製 圖4為電極40,其具有多孔目結構類似於圖猶況，但是 孙孔目49被封閉於輸人端部表面42處以及未封閉或敞 開於輸出端部表面44處；以及其餘部份孔目48為敞開的於 輸入端部表面42以及封_輸出端部表面顺。在輸入端 部表面處水流人敞開孔目48，以及再通衫孔性孔目壁板 46以及最終經由輸出端部表面處敞開孔目仙離開電極。 如圖5所示，電極排列與傳統形式不相同。水流方向垂 直於電極。能夠使用圖Η之任何電極。作為列舉用途，高 孔目密度蜂巢體52類似於圖3形式。流鱗巢體孔目5妹 流通過孔目壁板56如箭頭所示而非傳統電極之間。該水流 圖案能夠使由水中去離子裝置之構造變為非常簡單。所顯 示每-蜂巢體電極電荷與相鄰之電荷相反。電極能夠封閉 於外殼中例如為管件，或其他外殼，其能夠為圓形，方形，橢 圓形等，其由聚合物材料例如為聚丙稀(並未顯示出），以及 水能，流經其巾以去除離子。在蜂巢體情況巾，藉由控制 孔目密度以及壁板厚度，有效流動面積能夠加以控制以在 水中離子與電極之間制非常有效接觸。在傳統設計中 電極間距離減為最低以得到該接觸效率。由於孔目密度以 及壁板厚度控制本伽系統魏置之效率，系統對電極^ 之距離相當不靈敏。與傳統平板味，本發明系統之其他 優點在於蜂缝具有高的面積與體齡值，具有相同數量 活性材料具有較高離子絲效转高於平板餘之情況。 離子去除容量與電辦每單㈣積魏量成正比。 使用圖4所描繪電極之系統，交替地未封閉之設計去除 訂

I 本纸—

五、發明説明（丨Jf) 9i 7./2 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 離^放率為κ目為該結構促使水心鱗麟多孔性壁 夠使離子與電極間產生更密切之接觸以及完全利用電 極結構中之碳。 、電極裂置於外殼中。外殼必需具有適當直徑之開孔作 為金屬線通軌輕各财餘m錢開孔以去除被 捕獲之空氣。電極密封於外殼中使得並無水轉經其邊緣 。在外殼之外表凹下溝槽為-項方式以達成ά目 標。能夠 加入橡皮或塑膠墊圈以防止流動於電極四週。外殼應該具 有結構整體性崎電極產生支樓以及為非導電性。 圖6顯示出系統⑼具有一組多個電極犯如圖1—4所說明 。。外殼64具有凹下溝鶴，其中每―電極保持於適當位置 “凹下溝槽具有小的開孔68作為電極電線69穿過以連接至 電源(並未顯示丨）。外殼具有—組乡侧或分供洞孔 位於其上面，在水份通過前經由該洞孔藉由例如利用真空 果^以真空抽除(並未顯示出）去除空氣。每-電極由AC或 DC，源供應态供應電流，使得每一電極具有與相鄰相反之 電何雖丄亥構造視為最有效率，一個正電極，相鄰為負電 極，超過一個連續性正電極相鄰超過一個連續眭負電極例 如^兩個正極相鄰兩個負極視為可工作的。水份藉由泵通 過電極。通過系統水流由輸入端部61至輸出端部63以箭頭 表示。在通過進入以及離開連續性電極過程中，離子被吸 引至具有相反储之電極。不含離子水經丨輸丨端部離開 糸統。 已顯不離子能夠利用本發明系統以及活性碳電極由水 本紙張尺度適用?iiii^7CNS) A4規格（ ir 16(請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁)

有效地加以去除。電極魏對任何水巾化學作用為情性 的以及僅作為電流之導體。與未活性化碳比較，活性碳電 極發現具有相當低修之電極以及發職夠良好地作為電 極之功此。與未活性化碳作比較，本發明活性碳電極另外 -項優點為具有較高之表面積。此⑽解為非常有益的。 旦其，優點在於該形式使用流經物體水流之系統將避免 量測問題，其中水流流經電極四週。導紐材確認並不需 要金屬性支樓結構。同時在流動通過設計中，電極間距離 並非關鍵性的，使得製造更為容易。 一本發明系統優於先前技術離子去除系統之其他優點為 高幾何表面積/體積比值（10 一 20倍或更高）高於水流流經電 極四週之系統，其產生較高效率以及低壓力降。並不需要 昂貴的鈦板。量測為相當簡單。每單位面積含碳量較高（ 例如系統一般材料為〇· 5立方英呎/立方英呎，相對於先’前 系統為0· 002)，以及較佳使用碳導致較高容量。存在較低 能量損耗，因為較少接觸界面以及經過這些界面較小壓力 降低，而低於使用大數目電極之系統。製造處理過程為簡 單的以及有效的。本發明系統適合使用於任何應用中，其 經濟部中央操準局員工消費合作.杜印製 中離子由水中去除以及並不受限於任何特定用途或任何特 定離子。一些應用為水軟化，超純水淨化，工業用途等以去 除例如為鈉，乾鎮，鎳，編，鉻，錄，氯化物，确酸鹽，及 # 酸鹽等。 ，〆瓜 使用後，·在保持離子至電極之電場移除後電極可移除 電源以及被吸引至電極之離子能夠簡單地藉由水沖洗加^以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2ΐ〇χ297公董） )14bZ3 A7

8 1 經濟、部中央標準局員工消費合作社印製 去除。 依據本發明另外一項實施例，在操作時去離子水裝置 能夠連同特定過濾系統一起使用以防止裝置受到阻塞。特 定過濾裝置能夠為任何已知可利用之裝置。其一些範例為 依據聚合物薄膜，或陶究薄膜之裝置作為微細過遽或超級 過濾。 能夠平行地使用超過一個去離子系統。同時一個系統 正在運作，另外一個系統進行再生。在一些情況下，能夠平 行地使用系統，累積於再生裝置上之電荷能夠使用作為第 —糸統之電源。 為了更進一步顯示本發明，提出下列非限制性範例。 除非另有說明，所有百分比，單位為重量比。 範例1: 600孔目/平方公分碳蜂巢體藉由擠製55. 6%酚樹脂， 22. 2%纖維素纖維，14· 7%堇青石粉末，甲基纖維素，〇. 9%硬 脂酸納，以及2%碟酸之混合物。蜂巢體在i5〇°c下加以固化 及在900°C下分別地在氮氣以及二氧化碳中加以碳化以及 活性化。蜂巢體再切割為55x20x4. 8刪大小。銅線藉由將 電線穿過一個蜂巢體孔目加入以及再將端部銲接至蜂巢體 而加以連接。蜂巢體藉由約為1_厚度聚丙烯單纖維連接 至另外一個相同之蜂巢體。單纖維捲繞於蜂巢體相鄰端部 四週將其連接在一起但是仍然使兩個電極分離。該組件加 入含有900ppm氯化鈉之水。約為1. 2伏特電位差值施加於電 極兩端。溶液藉由蠕動泵循環通過電極以及監測由溶液去 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂， 514623 A7 B7 19 五、發明説明（@ ) 經濟部中央標準局員工消費合作、社印裂 除鹽份。人們發現對於400ml體積溶液鹽份濃度由9〇〇〇ppm 降低至8200ppm。電極藉由移除電源進行再生以及簡單地 利用瘵餾水清洗電極。在再生後，電極性能回復至原先性 能之100%。開始時電流為〇· 14毫安培，以及在2〇分鐘後降 低至0.05¾安培。只利用一對小電極去除鹽份數量為顯著 的。此顯示流經蜂巢體電極之水流產生功能以及單純的去 離子系統為容易實現。 範例2: 活性碳蜂巢體能夠藉由混合以及攪拌酚樹脂與各種填 充料例如為纖維素纖維，陶瓷顆粒填充料，磷酸，以及甲基 纖維素如範例1所示製造出。混合物擠製通過4〇〇孔目/平 方公分模，在80~90°C下乾燥，以及在150°C流動空氣中加以 口化固化蜂巢體在900 C下氮氣中加以碳化以及在二氧 化碳中活性化以得到不同表面積之活性碳。表面積藉由在 活性化溫度下藉由控制時間歷時1至12小時而加以控制。 在该溫度下較長時間產生較高表面積。在碳化處理過程中 ，蜂巢體收縮而提高孔目密度為6〇〇孔目/平方公分。蜂巢 體再切割為適當厚度以製造出電極。 兩個電極放置於外殼之塑膠容器中，其尺寸大小為5〇 聰長x50mm寬x20mm高。電極為50mmx20mmx5mm厚。在去離 子測試過程中，電極浸潰於溶液中深度約為40mm。連接銅 線藉由銲接連接至電極。小心保持水位與銲接接觸間之顯 著距離可防止金屬腐蝕之問題。鹽溶液藉由蠕動泵經由蜂 巢體孔目再循環通過電極。使用直流電源供應1. 2伏特電 本氏張尺度適用中國國家縣（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂； 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 514623 A7 __________ B7 五、發明説明（丨Q ) 位。對各個電極量取及不同的鹽份溶液之鹽份濃度為 時間之函數如下所說明。 '氯化納溶液藉由溶解適當鹽份於蒸館水中而製造出。 活性碳電極具有非常高表面伽及孔_積以及含有大量 必需被去除吸收之氣藉由浸潰電極於超音波水浴 之蒸館水巾。超音義_除大部份空氣。含有蒸餘水電 極再浸潰於填充孔目鹽溶液中。溶液循環通過電極歷_ 分鐘使濃度讀數穩定。施加電壓以及量測濃度為時間之函 數。圖7顯示出去離子數據。曲線最初斜率產生去除速率， 以及吸附最大數量使用來計算電極之總吸附數量。去除速 率約為30mg/l，min以及總容量約為990mg/1。溶液最先濃 度約為lOOOOppui氯化納。 範例3: 為了 了解碳結構對性能之影響，電極在不同的活性化 時間以及溫度情況下加以處理以得到表面積在5〇〇平方公 尺/公克至1760平方公尺/公克碳重量。氣化鈉溶液再通過 這些電極，如先前所說明。圖8顯示出對電極中石炭數量標準 化之數據。如圖顯示，其趨勢為表面積提高去除速率以及 容量將提高，到達一點後，其去除速率以及容量將降低。附 圖Y軸為對電極中碳公克數標準化之去除氯化鈉數量。較 高表面積之無預期降低將說明於底下。圖9顯示出具有平 方米表面積電極對氯化納去除影響。這些結果再次對電極 中碳重量標準化。如數據所示，去除速率以及容量為濃度 函數。速率由500ppm之3· 2mg/l，g/inin提高至5000ppm之10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ297公董〉 Ί> . --#-------訂 * ——’----%. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 514623 A7 _____ B7五、發明説明（：U?) 11 2 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 mg/1，g/min以及lOOOOppm濃度之 17. 5mg/l，g/min。容量在 500ppm 之 170mg/g 提高至 5000ppm 之260mg/g 以及 i〇0〇〇ppm 之450mg/g。所有這些測試利用相同的一對電極進行。 由於許多這些測試利用相同的電極重複地進行其在 元成特疋试驗後進彳于清洗以去除離子，必需確認所有離子 確實完全地去除以及電極再達到其原先性能。利用相同的 電極清洗5回合後重複地進行試驗。在每一情況下，達成相 同去除容量以及效率。圖10顯示出第一及第五回合所得到 結果以作為比較。如圖所示，性能完全地重現，此由於蒸餾 水清洗所致。 ^ ^ 氯化鈣測試··在相同的濃度下進行。數據顯示於圖丨丨中，其 顯示對電極中碳重量標準化之數據。該情況與氯化納情^ 相同。數據顯示出1039平方米/公克試樣之性能為最佳以 及性能隨著表面積增加至1200平方米/公克而衰退。 lOOOOppm濃度溶液之氯化鈉與氣化鈣數據比較顯示於 圖12。如數據所示，氯化詞以較低速率去除以及去除容量 為較低。5000ppm濃度溶液亦有相同的趨勢。圖13顯示出 鈉及鈣去除速率為表面積之函數。清楚地，在所有表面積 值大小下氯化鈣去除速率低於氯化鈉。另外一項重點為在 1000平方米/公克表面積情況下兩種鹽份去除速率具有清 楚之最大值。 範例4: 進行測試以評估水流流經蜂巢體電極之優點。圖14顯 示出些數據，利用相同電位差已知電極對以及在相同測

(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 、T- 參· « —^ϋ I —^1 514623 A7 --— 87五、發明説明) 22 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 試情況下除了電極分離雜受_化。如數據所示，高達 3. 4mm分離距離(相當大距離)，在去除速率或容量存在相當 小差值或並無差值。在6· 8刪分離情況下，最初去除速率保 持為相1的，但是容量些微地減小。在非常大距離15刪情 況下，性能顯著地下降。_，在絲置構造愧夠使用高 達4mm分離距離。電極間較大距離能夠在製造裝置時產生 相當特性。 另外一項重點顯示於圖15中。該圖顯示出流經蜂巢體 電極以及平板電極比較數據，其中水流標準地流動於電極 四週。電極以相㈤的方式製造，其具有相同的組成份， 以及 相同的碳結構。兩獅式電極含有相同數量碳。在相同的 濃度溶液，施加相同電位等情況下進行測試。如圖所示，蜂 巢體電極性能貫質地優於平板電極，因為蜂巢體表面積與 體積比值為較高。總離子去除容量高出4倍，最初高去除速 率保持較長時間為2〇分鐘而平板電極為5分鐘。 範例5:. 製造活性碳電極結構如範例丨及2所示。直徑約為5〇刪 厚度為5mm電極以及由方形蜂巢體結構鑽出。電極一個表 面以鈦喷塗以產生厚度約為3微米。約為〇.8mm厚度之鈦電 線纏繞於電極四週以形成引線。製造出16個該電極。 結構由聚甲基胺基丙烯酸酯塊機械加工出如圖6所示， f作為電極外殼。分供洞孔放置於外殼中使得分供洞孔為 每一電極對之出口。所有16個電極插入至外殼内。外殼再 加以閉合以及水能夠流入其中。空氣經由分供洞孔流出系 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2ΐ〇χ297公着） 514623 A7 ~~------B7_ 五、發明説明 統，再將洞孔密封。一旦系統被密封，電極交替地連接至2 伏特電源正極及負極端埠。蠕動泵使用來泵運3〇〇毫升5〇〇 ppm氯化鈣溶液經由該系統。在2〇分鐘内，約為95%氯化鈣 被去除，歷時一個小時將100%去除，如圖16所示。 人們了解本發明已對列舉性以及特定實施例詳細加以 說明，人們了解本發明並不受限於此，其可以以其他方式加 以使用而不會脫離下列申請專利範圍界定出之本發明精神 與範圍。 23 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 、al· -線赢 經濟部中央標率扃員工消費合作社印裝 張 一一紙 本 適 準 標 家 國 國 ^ I釐 公 7 9 · 2

Claims (1)

1. 514623 A8 B8 C8 ____j -----------------——I D8 24 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 k 一種由水中去除離子之電極，其包含 、^a)連續性活性碳結構，其中活性碳由合成碳前身產物製 适出，結構具有開孔位於其中，以及入口端部以及出口端部 ，使得進入入口端部水份通過開孔，及經由出口端部離開； b) 導電性塗膜塗覆於至少一部份結構外側表面上；以及 c) 金屬線與結構接觸。 2·依據申請專利範圍第丨項之電極，其中通過結構之開孔 孔隙形式。 ' 3·依據申請專利範圍第3項之電極，其中平均孔隙直徑至少 為0· 5微米。 4. 依據申請專利範圍第旧之電極，其中活性碳表面積在⑽ 平方米/公克至1600平方米/公克範圍内。 5. 依據申請專利範圍第lJM之電極，其中通過連續性活性礙 結構之開孔為通過溝槽形式，該結構長度由人^端部延人 至出口端部。 6. 依據申請專利範圍第！項之電極，其中結構為具有一組多 個由多孔性壁板界定出難之蜂巢體，其平行於結構長度 由八口端部至出口端部。 ^ 7·依據申請專利範圍第6項之電極，其中部份蜂巢體通道被 封閉於入口表面處，以及其餘部份蜂⑽職被封閉於出 口端部處，因而水流經由入口端部處敵開孔目進入結構，通 過多孔性壁板，以及經由出口端部處敞開孔目離開結 8·依齡請專利翻幻奴電極，其巾導缝 大於結構厚度2%。 + 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（ (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁} W. I n f ^14623

   申請專利範圍

   之電極，其中導電塗膜厚度並不 項鐵其㈣咖度並 =·依據申請專利範圍第！項之電極，其中導電塗膜為欽金 I2. 一種由水中電解去除離子之系統，其包含： a) —組多個電極，每一電極包含： * 連續性活性碳結構，其中活性碳由合成碳前身產物 ^結構具有開孔位於其中，以及人口端部以及出口端部 ，使侍進入入口端部水份通過開孔，及經由出口端部離開， 11)導電塗膜位於至少部份結構表面上，以及 iii)金屬線與結構接觸， 經濟部中央榡隼局員工消費合作社印製 m In I, n m n —i m n I — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁j 、1T 電極串連地放置使得一個電極出口端部緊鄰最靠近下游 電極之入口、部，使得水流通入每一串連電極入口端部，以 ，在出口端部離開，持續到離開裝置最下游電極出口端部， 每一電極金屬線連接至電源在電荷傳送至其相鄰電極時將 傳送相反電荷，使得一個電極為正電極以及相鄰為負電極， 因而含有離子水流流經系統，正離子被吸引至負電極，以 及負離子被吸引至正電極，以及得到減少離子之水份，以及 在最下游電極出口端部離開； b) —個外殼以固定該一組多個電極，每一電極為空氣以 及水蒸汽密封地固定地連接以及密封於該外殼；以及 c) 外殼開孔位於電極間外殼中，經由該開孔空氣被排出 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)八術^ (21〇><297公瘦） 26514623 Α8 Β8 C8 D8 ☆、申請專利範圍 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 後以及水流通過系統前將開孔密封。 13.依據申請專利範圍第12項之系統，其中每一電極中經由 結構之開孔為孔隙形式。 14·依據申睛專利範圍第12項之系統，其中每一電極中平均 孔隙直徑至少約為0.5微米。 15·依據申請專利範圍第12項之系統，其中活性碳表 ⑽平方米/公加断料/錢。 積為 16.依據申請專利範圍第12項之系統，其中每一電極中經由 結構之開孔為通過溝槽形式，其長度由入口端部延伸至出 口端部。 ·. 17·依<據申請專利範圍第丨2項之系統，其中每一電極中結構 為蜂巢體，其具有一組多個由多孔性壁板界定出之通道，其 沿著結構長度由入口端部至出口端部彼此平行延伸。” 18·依據申請專利範圍第i了項之系統，其中每一電極中一部 伤蜂巢體溝槽在入口端部被封閉，以及其餘部份蜂巢體溝 槽在輸出端部處被封閉，因而水流經由入口端部處敞開孔 目進入結構，通過多孔性壁板，以及經由出口端部處敞開孔 目離開結構。 19·依據申請專利範圍第12項之系統，其中每一電極 塗膜厚度並不大於電極構造厚度2%。 2〇·依據申請專利範圍第19項之系統，其中導電塗膜厚度並 不大於電極構造厚度〇· 1%。 21.依據申請專利範圍第2〇項之系統，其中導電塗 不大於電極構造厚度Μ4%。 子又並 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ri 樣張尺度涵 27 Α8 Β8 C8 D8 /、、申凊專利範圍 7 /2 22·依據申請專利範圍第12項之系統，其中導電塗膜為鈦金 屬。 23· 一種由水中電解去除離子之方法，該方法包含： a) 藉由對外殼開孔施以真空抽除由申請專利範圍第12項 之系統去除空氣，以及密封外殼開孔； b) 將電流由電源通過申請專利範圍第12項之系統使得每 一電極具有電荷與相鄰電極之電荷相反；以及 c) 通過含有離子之水流經由申請專利範圍第12項之系統 使得水流到達每一電極之入口端部，以及在出口端部處離 開每一電極，其開始於最上游電極處，以及終止於最下游電 極終ί而，其中在通過每一電極過程中，離子被吸引至與離子 電何相反的電極由水中去除。 24.依據申請專利範圍第23項之方法，其中水中離子為由鈉 ，鈣，鎂，鎳，鎘，鉻，銨，氯化物，硝酸鹽，及/或硫酸鹽種類選 取出。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Ρ 輕濟部中央榡準局員工消f合作衽印製 t 準 標 一家 國 ί國 -讀