产生盐流和脱盐流来实 现海水脱盐。
[0125] 材料和方法
[0126] 微流体装置的制造
[0127] 使用本领域中已知的制造方法来准备PDMS/石英混合微流体装置。在图2中示意 性地示出微流体装置的结构。该装置包括被单个双性电极横跨的脱盐单元和辅助通道。
[0128] 在石英载片（1英寸X 1英寸）上制造裂解光致抗蚀剂碳电极。光致抗蚀剂以 3500rpm旋转涂覆到载片上持续45秒，然后在100°C下在热板上软烘焙持续1分钟以消除 过量溶剂。然后，将装置暴露于UV灯，且图案化的掩模在上方以显露电极（100μπι宽乘 6. 3_长）设计。然后，通过显影移除过量的光致抗蚀剂。然后，可以将装置连同以100标 准立方体厘米每分钟连续地流动的5% H2和95% N 2的合成气体放置在管状石英炉中以允 许光致抗蚀剂热分解。在热分解之后，使装置冷却至室温。
[0129] 使用在硅晶片上图案化的SU-8胶印模制造并行于辅助通道（5. Omm长、22 μπι 高、100 μ m宽）的具有100 μ m宽的进口通道和50 μ m宽的稀释出口通道和浓缩出口通道 的PDMS脱盐单元（5. Omm长和22 μπι高）。脱盐单元与辅助通道之间的距离是6. Omm(中 心-到-中心）。用酒精冲洗PDMS通道然后在N2下干燥，然后将PDMS和石英/电极表面 暴露于空气等离子体持续15秒，最终将两个部分与BPE结合一起，在稀释出口通道和浓缩 出口与进口通道分叉的交叉点处对准。然后，在65°C将PDMS/石英微流体装置放置在炉中 持续5分钟以促进不可逆结合。
[0130] 脱盐的评估
[0131] 使用从得克萨斯州阿兰萨斯港收集的海水来评估脱盐。为了防止微流体通道 堵塞，在样品收集之前允许海水样品经历简单的沉降过程。在海水中加入阳离子示踪剂 (20 μΜ Ru(bpy)2+)以荧光标记方式监测在脱盐期间通过脱盐单元的离子的移动。
[0132] 在流体地连接到进口通道（110 J1)的流体贮存器和流体地连接到浓缩出口通道 (112 ;V2)且流体地连接到稀释出口通道（114, V3)的流体贮存器之间产生溶液高度差。以 这种方式，压力驱动流动（PDF)从右至左开始。
[0133]
[0134] 使用Pt驱动电极，对贮存器212和210施加 Etot= 3. 0V，同时将流体贮存器110、 112和114接地。偏压在BPE(204)的两极之间产生充分大的电位差以在BPE阳极（206)和 阴极（208)处驱动水氧化和还原。分别参见反应式1和2。而且，随着氯产生，在BPE阳极 (206 ;反应式3)处产生的氧化物氧化直接导致靠近BPE的离子耗尽区。
[0135] (反应式 I) +4fr
[0136] (反应式 2) 2"?0 + 2e-+20/T
[0137] (反应式 3) 2￡Γ - 2e_ (:7? ( 2 )
[0138] 此外，通过水氧化电生的H+(反应式I)可以中和海水中可能存在的重碳酸盐和硼 酸盐，进一步有助于离子耗尽区（109)和随后形成的电场梯度的强度。在从右至左的TOF 的情况下，海水并且因此存在于海水中的离子朝在稀释出口通道（104)和浓缩出口通道 (106)与进口通道（102)分叉的交叉点处形成的电场梯度被输送。
[0139] 一般而言，导致带电粒种的浓度下降的任意法拉第反应（或继法拉第反应之后的 均相反应）将产生离子耗尽区。氯化物氧化成氯是这样的法拉第反应的示例。水氧化成H+连同溶液中H+和阴离子的随后的均相反应产生无电荷化学种是继法拉第反应之后这样的 均相反应的示例。离子耗尽区是具有高溶液电阻的局部化区域。如果施加偏压，则离子耗 尽区也是具有高电场的局部化区域。如下文所讨论的，这种升高的电场可能引起离子从流 动的流体流（例如，水）的离析。
[0140] 带电分析物的电泳速度（Uep)取决于方程4,其中μερ是分析物的电泳迀移率，并 且V1是局部电场强度。
[0141] (方程 4) Uep= μ ^V1
[0142] 在图2中所描绘的装置的所有区域中，除通过在接近稀释出口通道和浓缩出口通 道与进口通道分叉的交叉点处靠近双性电极的阳极形成的离子耗尽区以外，水和所有溶解 的物质的传输受到TOF的控制。因此，所有中性粒子（neutrals)和离子一般沿流体流动 (即，从右至左）的方向移动通过装置。然而，随着离子接近通过在交叉点附近的电极形成 的局部电场梯度，随着电场强度增加，所述离子经历增加的lP。在阳离子的情况下，作为离 子的局部电泳速度（Ip)超过如图7中所描绘的流体（PDF)的平均对流速度的结果，该梯度 促使它们朝卤水流的接地贮存器重定向。为了通过微通道维持电中性，也将阴离子重定向 到卤水流中。
[0143] 通过观察通过装置的Ru(bpy)2+(荧光阳离子示踪剂）的流动来监测通过装置的 微通道的离子各类的流动。图8A和图8B是在施加偏压之前（图8A)和之后（图8B)的装 置的荧光显微照片。如图8A所示，当未施加偏压时，离子流经进口通道（702)，并且到稀释 出口通道（704)和浓缩出口通道（706)中。一旦施加偏压，离子耗尽区和随后的电场梯度 在接近稀释出口通道（704)和浓缩出口通道（706 ;图8B)的交叉点（710)处靠近BPE阳极 (708)形成。因此，包括荧光阳离子示踪剂Ru(bpy)2+的离子被引导至浓缩出口通道（706) 中。脱盐的水（由于不存在荧光阳离子示踪剂Ru(bpy)2+，其在显微照片中是非荧光的）流 入到稀释出口通道（704)中。这些结果证明，阳离子和阴离子流入到浓缩出口通道（706) 中。3. OV的最初施加在靠近BPE阳极处产生氧化环境，该氧化环境导致碳阳极的局部溶解。
[0144] 为了确认在流入到装置中的流体的消电离作用中产生的离子耗尽区的形成，使用 缺乏氯化物离子的溶液进行类似的实验。如果从溶液除去所有的氯化物离子，则将不期望 BPE阳极导致离子耗尽区和局部电场梯度的形成（如在含有氯化物离子的盐水的情况下）。 在对照实验中，似#04的溶液流经装置。如图9A所示，在施加3. OV之前，在靠近BPE阳极处 观察到类似的荧光强度。一旦施加3. 0V，在靠近BPE阳极处观察不到荧光强度的下降（图 9B)。该发现与在靠近BPE阳极处形成离子耗尽区的结果的海水脱盐是一致的。
[0145] 为了确认Cl氧化是形成电场梯度和脱盐的关键，脱盐单元填充有50mS/cm NaCl 溶液。在这种情况下，仅Cl氧化可以有助于形成耗尽区。图IOA示出在无偏压的情况下 在装置中没有观察到荧光。一旦施加3.(^偏压，[此0^7)3]2+被重新引导至卤水流中（图 10B)，清楚地表明Cl作为脱盐过程中的关键因素。
[0146] 在海水、Na2SOjP NaCl中的电场梯度测量证实在仅存在包含Cl的溶液的情况下 形成局部电场梯度（图11)。从图11可知，仅在有Cl氧化发生的海水和NaCl存在的情况 下，才观察到升高的电场。在Na2SO4溶液中，没有观察到升高的电场强度。
[0147] 在该离析过程期间进行的导电性测量表明使用双向脉冲方法来执行。从五项单 独的试验得知脱盐的流中的平均导电率是37. 5±2. 5mS/cm，表明来自供给的海水的截盐率 为~25±5% (50mS/cm)。
[0148] 图12示出流经装置的总电流（〇相对于时间的代表性图。装置的稳定状态操 作电流是20nA。在3. OV偏压驱动脱盐过程的情况下，装置在仅60nW的功率消耗下操作。
[0149] 可以使用未充电的珠子和荧光染料来测量通过稀释出口通道的流体流率。通过稀 释出口通道的流体流率也可以在断开3. OV驱动电位之后通过跟踪荧光示踪剂的移动来测 量，在这种情况下，所有的质量传输都是由于roF。从进口至出口的总流率为近似0. 08 μ L/ min。流经每一个支流为~0.04 μ L/min。在更高的流体流率下，离子耗尽区不尽可能远地 延伸到稀释出口通道中。因此，脱盐过程变得效率低，并且在装置操作期间离子开始流入到 稀释出口通道中。
[0150] 使用在60nW下操作的装置，实现25mWh/L能量效率。该能量效率对于该给定离析 而言恰好是理论最小效率的1. 5倍，这好于任何目前技术水平的海水脱盐技术。例如，逆渗 透通常在近似5Wh/L的能量效率下执行，并且对于在理论上需要1.0 Wh/L的离析而言，仅实 现近似2. OWh/L的最大能量效率。当考虑到这些逆渗透能量效率对应于包括能量回收装置 的工业脱盐设施的效率（常常强于对于在更小规模上进行的相同过程所观察的效率），微 流体装置相对于逆渗透的这种优越效率是特别显著的。
[0151] 装置规模上的缩小通常导致能量效率的下降。因此，这些装置对于小规模脱盐使 用似乎是极具竞争力的。而且，因为不需要设备，并且装置操作仅需要3. OV电源，可以在缺 水区域中使用这些装置。此外，因为BPE不需要直接电连接，所以可以使用简单电源同时操 作若干并行的装置。
[0152] 除了脱盐水以外，所附权利要求的装置、系统和方法还可以同时对水进行消毒。在 阳极处的氯化物氧化导致产生氯和电场梯度。然后，氯可以与水起反应以产生次氯酸，含有 次氯酸盐，一种常见的水消毒剂。如果充分浓度的这种消毒剂流入到已脱盐的流中，则预期 用于淡水使用的水将不仅被脱盐，而且还被消毒，由此减少了后期处理需要。
[0153] 所附权利要求的装置、系统和方法在范围上不受到由本文所描述的特定装置、系 统和方法的限制，其意图作为权利要求的几个方面的说明。在功能上相等的任意装置、系统 和方法意图落入权利要求的范围内。除本文所示出和所描述的那些之外，装置、系统和方法 的各种修改意图落入所附权利要求的范围内。此外，虽然仅特别描述了本文所公开的某些 代表性装置、系统和方法步骤，但是装置、系统和方法步骤的其它组合即使没有具体叙述也 意图落入所附权利要求的范围内。因此，步骤、元件、部件或组分的组合可能在本文中明确 地提及或更少，然而，步骤、元件、部件和组分的其它组合即使未明确地陈述也被包括。
[0154] 实施例2 :使用微流体电极装置进行脱盐
[0155] 微流体装置的制造
[0156] 使用本领域中已知的微制造方法来准备PDMS/玻璃混合微流体装置。在图1中示 意性地示出微流体装置的结构。该装置包括脱盐单元和单电极。
[0157] 在玻璃载片（1英寸X 1英寸）上涂覆有Pt的Ti电极。光致抗蚀剂以3500rpm 旋转涂覆到载片上持续45秒，然后在KKTC下在热板上软烘焙持续1分钟以消除过量溶剂。 然后，将装置暴露于UV灯，且图案化的掩模在上方以显露电极（100 μ m宽乘6. 3mm长）设 计。然后，通过显影以暴露原玻璃来移除过量的光致抗蚀剂。然后将装置放置在Ti的第一 个IOnm所沉积的电子束真空室中。然后，使IOOnm的Pt沉积以形成Pt电极。然后，通过 在丙酮浴中剥离来移除过量光致抗蚀剂和沉积的金属。
[0158] 使用在硅晶片上图案化的SU-8胶印模制造具有100 μπι宽的进口通道和50 μπι宽 的稀释出口通道和浓缩出口通道的PDMS脱盐单元（5. Omm长和22 μ m高）。用酒精冲洗PDMS 通道然后在N2下干燥，然后将PDMS和玻璃/电极表面暴露于空气等离子体持续15秒，最 终将两个部分与电极结合一起，在稀释出口通道和浓缩出口与进口通道分叉的交叉点处对 准。然后，在65 °C将PDMS/玻璃微流体装置放置在炉中持续5分钟以促进不可逆结合。
[0159] 脱盐的评估
[0160] 使用从得克萨斯州阿兰萨斯港收集的海水来评估脱盐。为了防止微流体通道 堵塞，在样品收集之前允许海水样品经历简单的沉降过程。在海水中加入阳离子（20μΜ Ru(bpy)2+)示踪剂以荧光标记方式监测在脱盐期间通过脱盐单元的离子的移动。
[0161] 在流体地连接到进口通道（110 J1)的流体贮存器和流体地连接到浓缩出口通道 (112 ;V2)且流体地连接到稀释出口通道（114, V3)的流体贮存器之间产生溶液高度差。以 这种方式，压力驱动流动（PDF)从右至左开始。
[0162]
[0163] 使用Pt线反电极和微制造 Pt驱动电极，在电极108与流体贮存器110、112和114 之间施加1.4V偏压。流体贮存器接地。偏压在电极与溶液之间产生充分大的电位差以驱 动氯化物氧化以及产生离子耗尽区和局部电场梯度。
[0164] 通过观察通过装置的Ru (bpy)2+ (荧光阳离子示踪剂）的流动来监测通过装置的微 通道的离子各类的流动。图13A和图13B是在施加偏压之前（图13A)和之后（图13B)的 装置的荧光显微照片。如图13A所示，当未施加偏压时，离子流经进口通道（702)，并且到 稀释出口通道（704)和浓缩出口通道（706)中。一旦施加1.4V偏压，离子耗尽区和随后的 电场梯度在接近稀释出口通道（704)和浓缩出口通道（706 ;图13B)的交叉点（710)处靠 近阳极（708)形成。因此，包括荧光阳离子示踪剂Ru(bpy)2+的离子被引导至浓缩出口通道 (706)中。脱盐的水（由于不存在荧光阳离子示踪剂Ru(bpy)2+，其在显微照片中是非荧光 的）流入到稀释出口通道（704)中。这些结果证明，阳离子和阴离子流入到浓缩出口通道 (706)中。不像碳阳极，这些Pt阳极不经历溶解。
[0165] 实施例3:脱盐模拟
[0166] 微流体装置的制造
[0167] 除了上文的实施例以外，使用数值模拟来对脱盐进行建模。使用计算方法来对 50mS/cm NaCl溶液的脱盐进行建模，类似于图IOB实施例1。模拟系统的三维几何结构是 (5. Omm长和22 μ m高），具有100 μ m宽的进口通道和50 μ m宽的稀释出口通道和浓缩出口 通