用于电容式去离子化的浸渍电极,制备其的方法和使用所述电极的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于电容式去离子化的电极。
【背景技术】
[0002] 可以采用数种技术来净化水。所列出的包括紫外线（UV)辐射、化学净化试剂例如 次氯酸盐以及多种不同的膜的使用。所列出的技术并不会提供去离子化。然而，其它的方 法，例如蒸馏、反渗透、电容式去离子化和离子交换树脂会提供去离子化。
[0003] 如果水含有大量溶解固体（通常根据水的TDS (总溶解固体）而被测定），那么去 离子化就变为必需的。令水去离子化的净化器通常具有内嵌式机构（例如电导计），用以检 测总溶解固体。只要总溶解固体低于预设定限值，那么用户就可以通过分配端口 /龙头收 集净化水。当甚至经净化的水超过该预设定限值的时候，就会来到这一阶段。在该阶段，传 感器立即检测该变化，并切断水至所述端口 /龙头的供给。水随后会被转移至用于废水的 出口。这种预定义水平（TDSiss)通常会在考虑输入水的平均TDS和消费者所期望的净化 水的平均TDS之后而被确定。在水中存在一定量的TDS是良好的口感所必需的。
[0004] 在典型的电容式去离子化过程中，水流经一对或多对带有相反电荷的电极，在此 期间，在水中存在的离子被吸引并吸附至电极表面。该现象导致TDS的下降。吸附为受到 电极的有效表面积（available surface area)的限制的表面现象。含有电容式去离子化 电极的商用水净化器通常含有循环充电和放电的若干个电极的布置。流经这该电极堆的水 在充电循环期间被连续地去离子化。
[0005] 然而，任何电极的性能通常都在一定时期的使用后而有所下降。那么，该器件就不 再能够提供所期望程度的TDS下降。据信，这是由于盐在电极上的沉积。该现象会影响电 极的使用寿命。然而，消费者会希望更加耐用的电极。
[0006] 在电容式去离子化的过程中，水的纯度通过称作TDSise的预先决定的参数来确 定。含有比设定值更多TDS的水被认为是不纯净的，并且因此而不适用于消耗。换句话说， 这样的水包含更高量的溶解固体（主要是无机盐），这致使其不可饮用。相反地，只要是净 化（或输出）水的TDS小于TDS isg，那么水就会保持为适用于消耗的。
[0007] 任何⑶I系统的性能都可通过两个参数来计量。
[0008] 第一个为由所述系统带来的TDS下降程度，并且第二个被称为回收率 (recovery)，其被定义为净化水与水的总进入量的比率。
[0009] 优选的电极是能够尽可能长时间地连续提供纯水，具有较高的回收率并始终提供 较多的TDS移除的电极。
[0010] US2012187054A1 (SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD)公开了在电极上使用金属吸收 材料以通过吸附从输入水移除金属污染物。
[0011] EP1601617B1(M0RGANITE ELECT CARBON)公开了在电极中包括金属，从而通过电 解令金属浸出至水中以形成电絮凝剂，从而降低输入的不纯水的浊度。代表性的电极基于 碳基体计具有1至90%的石墨，以及尚至40%的金属，例如错、铜、银、镇、铁。
[0012] W02008016671A1 (Quos Inc，US)公开了由树脂粘合剂、作为活性吸附剂的炭黑和/ 或石墨、以及作为吸附促进剂的金属氧化物制成的碳基复合电极。其指出为了更佳的导电 性，还可将一定量的金属，例如银或金添加至电极。
[0013] DE10013457A1 (Noack Andreas，2001)公开了用于净化水的装置，其包含壳体和至 少两个带有相反电荷的电极，一个包含在多孔载体上的多孔碳膜。用于净化水的装置包含 壳体和至少两个带有相反电荷的电极，一个包含在多孔载体上的多孔碳膜。
[0014] 在前者情况中的电极意图用于移除金属微污染物，但是并不旨在用于降低无机盐 /TDS。在后者情况中，电极用来令金属离子浸出至水中，以用于电絮凝，其为一种降低浊度 的方法。其未着手与任何关于降低无机盐或TDS的技术问题。
[0015] 本发明的目的在于提供给出提高的回收率以及较高TDS移除的电极。
【发明内容】
[0016] 已经确定的是，如果吸附介质浸渍有电导率为IO5SAi至IO7SAi并且标准还原电势 为-0. 3V至+1. 3V的物质，那么就能够解决至少一些些问题。
[0017] 因此，根据第一方面，公开了用于电容式去离子化的电极，其具有：
[0018] ⑴吸附剂，其具有100至1300m2/g的比表面积；
[0019] (ii)导电炭黑；和，
[0020] (iii)粘合剂；
[0021] 其中所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势为-0.3V至 +1.3V的物质。
[0022] 发明详述
[0023] 本发明公开了用于电容式去离子化的电极，其含有：
[0024] ⑴吸附剂，具有100至1300m2/g的比表面积；
[0025] (ii)导电炭黑；和
[0026] (iii)粘合剂；
[0027] 其中所述吸附剂浸渍有电导率为105S/m至107S/m并且标准还原电势为-0. 3V至 +1.3V的物质。
[0028] 电容式去离子化为用于对通常具有300至3000ppm TDS的半咸水进行去离子化的 较新的技术。工作原理为电吸着（electro-sorption)或电吸附（electro-adsorption)，其 中在水中存在的离子会在所施加的电场的影响下被吸附在电极上。典型的电容式去离子化 循环包括净化步骤和再生步骤。
[0029] 电容式去离子化的过程需要电极，其作为用于电吸着离子以降低在输入水中含有 的总溶解固体的基材。
[0030] 吸附剂
[0031] 优选的吸附剂选自活性炭、高比表面积石墨（HSAG)、碳纳米管（CNT)、活性炭纤 维、阳离子交换树脂、沸石、蒙皂石或蛭石。特别优选的吸附剂为活性炭。优选的是，活性 炭由烟煤、椰子壳、木材或石油焦油获得。优选活性炭的表面积大于500m 2/g ;更优选大于 1000m2/g。活性炭的尺寸均匀性系数优选小于2,更优选小于1. 5。
[0032] 优选活性炭的四氯化碳值大于50%，更优选大于60%。进一步优选活性炭的碘值 大于800单位，更优选大于1000单位。还优选的是，活性炭的颗粒尺寸为75至300 μ m，优 选为100至250 μ m。
[0033] 活性炭的改性形式包括碳布、碳带、碳气凝胶也可被用于替代活性炭，或者除了活 性炭之外来使用。
[0034] 导电炭黑
[0035] 导电炭黑为元素形式的碳。导电炭黑大多是通过油炉法由液体芳烃来制造。在选 择用于电极的炭黑时，优选的和重要的因素为总表面积和介孔表面积，结构和表面氧化。
[0036] 导电炭黑的总表面积优选大于500m2/g。另外，优选的是，导电炭黑的介孔面积大 于 100m2/g，更优选为 IOOmVg 至 1000m2/g。
[0037] 炭黑结构的特征在于吸油值（OAN)。炭黑的OAN优选为45至400cm3/100g，更优 选为100至400cm 3/100g，还更优选为250至400cm3/100g。优选的是，导电炭黑在其表面上 具有较低量的化学吸附氧。
[0038] 合适等级的炭黑可选自 TIMCAL Graphite 5Carbon (等级：Ensaco? 250G， Ensaco? 350)或者 Cabot Corporation (等级：Regal?，Black Pearl? 2000, Vulcan)或者 Evonovik (等级：PRINTEX? XE-2)或者 Akzo Nobel (Ketjen Black)。
[0039] 粘合剂
[0040] 电极还含有含粘合剂。粘合剂优选为热塑性的。术语热塑性粘合剂表示熔体流动 速率（MFR)小于5g/10min的粘合剂，更优选小于2g/10min，还更优选小于lg/10min。粘合 剂的体密度优选小于或等于〇. 6g/cm3,更优选小于或等于0. 5g/cm3,并且还更优选小于或 等于 0· 25g/cm3。
[0041] 合适的例子包括具有所述的低MFR值的超高分子量聚合物，优选为聚乙烯、聚丙 烯及其组合。分子量优选为IO 6至109g/mol。这类粘合剂是市售的，其商品名为H0STALEN， 其来自 Tycona GMBH，GUR，Sunf ine (来自 Asahi，Japan)，Hizex (来自 Mitsubishi)和来自 Brasken Corp(Brazil)。其它合适的粘合剂包括以 Lupolen(来自 Basel Polyolefins)销 售的 LDPE，和来自 Qunos(Australia)的 LLDPE。
[0042] 优选的是，热塑性粘合剂不是有原纤维的聚合物，例如聚四氟乙烯（PTFE)。
[0043] 优选的是，热塑性粘合剂的颗粒尺寸范围为20至60 μ m，优选为40至60 μ m。优 选的电极含有以重量计8至30wt %，更优选10至30wt %，还更优选12至28wt %的粘合剂。
[0044] 活性炭：粘合剂：导电炭黑的重量比率优选为5 : 2 : 3至8 : 1 : 0.5,更优选 为7 : 2