[實用新型]一種基于流動式電極的高效膜電容去離子裝置

有效

• 申請號: 201420846013.6
• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN204400676U
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 孫卓;潘麗坤;劉勇;徐興濤
• 申請（專利權）人: 上海納晶科技有限公司;華東師范大學
• 主分類號: C02F1/469
• 分類號: C02F1/469;C02F1/42;B01D61/48
• 代理公司: 北京連城創新知識產權代理有限公司 11254
• 代理人: 劉伍堂

技術領域

本實用新型涉及電容去離子技術領域，具體地說是一種基于流動式電極的高效膜電容去離子裝置。

背景技術

全球淡水資源的缺乏和人口不斷增長使得人類對淡水的需求與日俱增，對那些位于干旱地區的城市來說，這種需求尤為迫切。然而對于如何有效利用地球上五分之四面積的海洋及湖泊水，至今仍然沒有能得到徹底的解決。主要是由于海洋、湖泊和河流中的天然水中含有各種病原微生物和有毒有機物、固體懸浮物、重金屬和許多無機鹽類。其中重金屬和無機鹽類尤其難以去除。就我國現狀而言，即使從自來水廠出廠的自來水，由于管道污染，至用戶端也會受到不同程度的污染。為了對這些水體進行凈化，必須對其進行殺菌消毒、過濾固體懸浮物以及脫鹽處理。同時，處理過程中的經濟成本和社會成本也是一個不容忽視的問題。

在以上各種綜合因素的要求下，各種新型的、改良的高效的水處理技術應運而生。目前，去除固體懸浮物和殺菌消毒已經有了十分成熟的技術，但是廣泛使用的脫鹽技術還存在很大的技術缺陷，例如閃蒸能耗大；離子交換和反滲透技術都需要昂貴的再生工藝，而且再生過程中會帶來二次污染；電滲析系統雖然得到商業化，但是由于使用的電壓非常高，所以比較耗電，同時由于電解水還會產生大量的氣體。社會的進步和能源的缺乏使得人們在評價脫鹽技術時越來越考慮成本和效率的因素。為此，非常需要開發一種節能環保的除鹽技術。

作為一種新型節能的水處理技術，電容去離子（Capacitive?Deionization,?CDI）技術采用比表面積較大的材料作為電容器的電極，當電容器充電并且電極極化時，會在其與電解質溶液界面處產生很強的雙電層。盡管雙電層的厚度只有1～10nm，卻能吸引大量的電解質離子，并儲存一定的能量。在實際使用時，外加電壓控制在電極表面不發生電解水（電壓低于1.2V）的狀態，因此工作電壓很低，相比電滲析非常節能。而且，電容去離子系統與離子交換樹脂不同，它的再生不需要使用任何酸、堿和鹽溶液，只需通過電極的放電完成，因此不會有額外的廢物產生，也就沒有污染。此外，同蒸發這種熱過程相比，電容去離子具有更高的能量利用率。

傳統的電容去離子單元主要由成對的碳電極，如多孔活性碳、碳氣凝膠、碳纖維、碳納米管、石墨烯或碳材料復合材。通過在電極的兩端加上靜電場吸附溶液中的離子，當電極飽和時，將電極短接或者加上反向電壓進行再生。但是在再生過程中，陽極表面陰離子的脫附和陽離子的吸附以及陰極表面陽離子的脫附和陰離子的吸附同時存在，從而會嚴重影響再生后電極的電吸附能力。因此，到目前為止，電容去離子單元設計已經成為一個熱點，經查閱專利文獻有以下介紹。

專利1，公開號為CN101642702的一種多級電容去離子裝置，該裝置包括端板和電極單元，電極單元為多極，多個電極單元依次置于兩個端板之間；每個電極單元包括二個集電極、二個墊片和一個電極框；端板、集電極、墊片和電極框的四個角部各開有通孔，集電極、墊片、電極框、墊片、集電極依次由絕緣螺栓通過孔將其疊裝后穿在端板之間。

專利2，公開號為CN1417816的一種獨立式流通型電容器，此電容器是由同心卷軸的二個電極及二個分隔膠條構成一中空卷筒。卷筒的中心開口可以插入液體進液管以使流體輸送入獨立式流通型電容器。電極活性材料以Fe₃O₄為主的水合氧化鐵的納米微粒或粉末。當液體由進液管注入時，通過卷筒的分隔條所形成的信道，可以使得流體限制在獨立式流通型電容器之中并且向外流經獨立式流通型電容器的整個電極。

專利3，公開號為CN101518748的一種電容去離子裝置及其制造方法，電容去離子裝置包括多個電極模塊，每個電極模塊具有集流體和設置在集流體的上表面和下表面上的電極，電極模塊與剛性材料制成的多個板交替堆疊，使得電極模塊以特定間隔隔開，其中，集流體和電極由多個板中的成對的相鄰的板進行擠壓，從而保持它們之間相互接觸。

專利4，公開號為CN101624229的一種混合式電極的電容去離子裝置。裝置同時設有單極性電極和雙極性電極，利用超級電容器的“不受限電流”，以強化由所施電壓及流通電容器架構所共同形成的電場，此外，亦為電容器提高一種獨特的流型，以提高電容去離子技術產出。

專利5，公開號為EP2605326A2的一種集去離子和電能儲存為一體的流動式電極系統，裝置同樣基于雙電層電容的原理，應用流動式電極懸濁液為電極，從而達到去離子和能量儲存的目的。