一种电容去离子电极及电容去离子装置的制作方法

[0001]
本发明涉及电容去离子领域，尤其涉及一种电容去离子电极及电容去离子装置。


背景技术：

[0002]
双电层是指水溶液中性质不同的两相之间界面处所产生的正电荷与负电荷分布层，在电极/电解液界面发生电子和离子(偶极子)或带电粒子的定向排布，形成类似于平板电容的带电正负极板，即形成所谓双电层电容。当外加低电压直流电场在电极上后，受电场力的作用，强化电极表面吸附水溶液中的带电离子或粒子，从而形成固液表面双电层电容(electric double layer capacitors,edlcs)，以达到去除水中的离子或带电粒子的目的，从而净化水质。当电极上吸附的离子量趋于饱和时，通过断电、短接正负电极或对正负电极分别施以反向电压，可使得界面定向排布的电子和离子(偶极子)脱离电极，双电层电容消失。
[0003]
但现有的电容去离子装置存在电极接触电阻高或者单纯的依靠电极去除离子导致去离子能力较弱的问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题是：如何确保电极接触电阻低的同时强化电极的去除不同类型离子的能力。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明提出了一种电容去离子电极及电容去离子装置。
[0006]
一种电容去离子电极，包括电极片、壳体、离子交换树脂、以及透水膜或者离子交换膜；
[0007]
所述壳体与所述电极片接触部分的上下表面为格网结构；
[0008]
所述电极片封装于所述壳体内并紧贴所述壳体的上下表面；
[0009]
所述壳体的上下表面填充有所述离子交换树脂，所述离子交换树脂的表面覆盖有所述透水膜或者所述离子交换膜。
[0010]
进一步地，所述壳体的底端和/或顶端设有第一通孔。
[0011]
进一步地，所述壳体的格网结构的上表面设有隔板。
[0012]
进一步地，所述壳体的材质为abs塑料、聚丙烯或者聚乙烯。
[0013]
进一步地，所述壳体的两端的两侧分别设有第一凸起和第一安装孔。
[0014]
本发明还提出一种电容去离子装置，包括上述电容去离子电极和两个板框；
[0015]
多个所述电容去离子电极中的正负电极交替固定于两个所述板框之间。
[0016]
进一步地，所述板框的两端设有第二通孔。
[0017]
进一步地，所述板框靠近所述电容去离子电极的侧壁上设有多个布水槽，多个所述布水槽的两端连通所述第二通孔和所述电容去离子电极的表面。
[0018]
进一步地，所述板框与所述电容去离子电极相对的内侧壁设有第二凸起和第二安装孔；所述电容去离子电极的两端的两侧分别设有第一凸起和第一安装孔；所述板框与相
邻的所述电容去离子电极通过所述第二凸起与第一安装孔配合连接，或者通过所述第二安装孔与所述第一凸起配合连接；相邻的所述电容去离子电极通过第一凸起和第一安装孔配合连接。
[0019]
进一步地，所述板框和所述电容去离子电极的壳体上设有密封垫圈槽，所述密封垫圈固定于所述密封垫圈槽内实现相邻的电容去离子电极密封连接，或者相邻的所述板框与所述电容去离子电极密封连接。
[0020]
进一步地，相邻的所述电容去离子电极之间的间距为2.5mm-6mm。
[0021]
进一步地，两个所述板框通过螺栓固定连接。
[0022]
本发明与现有技术对比的有益效果包括：电容去离子电极中，壳体与所述电极片接触部分的上下表面为格网结构，将电极片封装于壳体内并紧贴所述壳体的上下表面，可以完美的将电极片中的电极板材料与集电极压实在一起，充分保证二者之间的接触，装置通电后，保证电极活性材料与集电极之间的接触电阻低，同时还可以保证电极活性材料与集电极之间紧密接触，不易剥离，延长电极使用寿命。将电容去离子电极用于电容去离子装置进行电容去离子处理时，将离子交换树脂巧妙地填充至壳体的上下表面，利用离子交换树脂的离子交换能力，除了电极片去除离子外，还可进一步强化去除不同类型的离子的能力；将透水膜或者离子交换膜覆盖于离子交换树脂的表面可将离子交换树脂与水隔开，防止离子交换树脂被水冲刷掉，也能确保水与离子交换树脂的接触，实现离子交换的进行，从而强化电极去除不同类型离子的能力。当离子交换树脂表面覆盖离子交换树脂时，即可形成填充离子交换树脂的膜电容去离子电极(mcdi，membrane capacitive deionization)。
[0023]
本发明包括电容去离子电极的电容去离子装置，壳体中的格网结构能够将相邻的电极片隔开，当电容去离子装置进水后，可防止水压作用下导致的电极变形引起的电极板短路，延长电极使用寿命，该装置可进一步延长电极使用寿命的同时确保电极接触电阻低，同时强化去除不同类型离子的能力。
附图说明
[0024]
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0025]
图1为本发明具体实施方式中电容去离子电极的剖视图。
[0026]
图2为本发明具体实施方式中电容去离子电极的爆炸图。
[0027]
图3为本发明具体实施方式中电容去离子装置的剖视图。
[0028]
图4为本发明实施例1中电容去离子装置的侧视图。
[0029]
图5为本发明实施例2中电容去离子装置的侧视图。
[0030]
图6为本发明实施例3中电容去离子装置的侧视图。
[0031]
附图标记说明：1、电容去离子电极；11、电极片；12、壳体；121、第一通孔；122、第一凸起；123、第一安装孔；124、隔板；125、密封垫圈槽；13、离子交换树脂；14、透水膜或者离子交换膜；2、板框；21、螺栓；22、第二通孔；3、进水管；4、出水管；5、格网结构；6、布水槽。
具体实施方式
[0032]
结合图1-6，本具体实施方式提出一种电容去离子电极，包括电极片11、壳体12、离
子交换树脂13、以及透水膜或者离子交换膜14；
[0033]
壳体12与电极片11接触部分的上下表面为格网结构5；
[0034]
电极片11封装于壳体12内并紧贴壳体12的上下表面；
[0035]
壳体12的上下表面填充有离子交换树脂13，离子交换树脂13的表面覆盖有透水膜或者离子交换膜14。其中透水膜或者离子交换膜14的孔径小于离子交换树脂13的粒径，透水的同时防止树脂从膜中穿出而泄露。
[0036]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式壳体12的底端和/或顶端设有第一通孔121。第一通孔121用于形成被处理的水的进水通道或者出水通道。
[0037]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式壳体12的隔网结构5上设有隔板124。隔板124将壳体的上下表面隔断为多个区域，在多个区域内填充树脂可防止在电极表面积大的情况下树脂填充不均匀的情况。
[0038]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式壳体12的材质为abs塑料、聚丙烯或者聚乙烯。壳体12可采用现有技术中的磨具注塑工艺、3d打印工艺制得。需要说明的是，abs塑料是丙烯腈(a)、丁二烯(b)、苯乙烯(s)三种单体的三元共聚物。
[0039]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式壳体12的两端的两侧分别设有第一凸起122和第一安装孔123。第一凸起122与第一安装孔123配合连接可实现相邻的电容去离子电极的连接。另外也可通过第一凸起122与第二安装孔的配合连接，第一安装孔123与第二凸起的配合连接实现电容去离子电极与板框2的连接。
[0040]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式填充于所述壳体12上的离子交换树脂13的厚度为0.5～0.9mm。
[0041]
需要说明的是，本具体实施方式中的电极片的集电极可由石墨、钛、镍、不锈钢板、铝、铜、银等材料制成；电极片11的材料可由活性炭、活性炭纤维、碳纳米管、碳气凝胶、活性焦、石墨烯的一种或几种的混合物作为活性材料，使用聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)作为粘结剂，使用导电炭黑、碳纳米管的一种或二种的混合物作为导电剂制成。
[0042]
还需要说明的是，离子交换树脂13为强酸、强碱型树脂、弱酸、弱碱性树脂、耐高温树脂、核级树脂、磷酸锆离子交换树脂、水合氧化锆等离子交换树脂等。
[0043]
结合图3-5，本具体实施方式还包括一种电容去离子装置，该装置包括多个电容去离子电极1和两个板框2；
[0044]
多个电容去离子电极1中的正负电极交替固定于两个板框2之间，相邻的电容去离子电极1之间有缝隙。电容去离子电极1之间的缝隙为流水的部分通道。
[0045]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式板框2的两端设有第二通孔。第二通孔为进水孔或者出水孔。第二通孔的数量可以是1个也可以是多个，优选为1个或者2个。
[0046]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式中的板框靠近所述电容去离子电极的侧壁上上设有多个布水槽6，多个所述布水槽6的两端连通第二通孔22与电容去离子电极1，用于将第二通孔中22的水引入电容去离子电极1中，或者将电容去离子电极1中的水引入至第二通孔22，多个布水槽22将从第二通孔流入电容去离子电极的水分散成多个支流，或者将从电容去离子电极流入第二通孔中的水分散成多个支流，减缓了水的流速，避免水压太大冲击电容去离子电极上的离子交换树脂树脂，进一步地，布水槽6的形状可以是直线型和/或曲线型，曲线型的布水槽更能延长水的流通路径，更有利于减缓水的流速。
[0047]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式板框2与电容去离子电极1相对的内侧壁设有第二凸起和第二安装孔；电容去离子电极1的两端的两侧分别设有第一凸起122和第一安装孔123；板框2与相邻的电容去离子电极1通过所述第二凸起与第一安装孔123配合连接，或者通过所述第二安装孔与第一凸起122配合连接；相邻的电容去离子电极1通过第一凸起122和第一安装孔123配合连接。
[0048]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式中两个板框2通过螺栓21固定连接。将板框2固定牢固。
[0049]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式中板框2、电容去离子电极1上均设有密封垫圈槽125，所述密封垫圈固定于密封垫圈槽125内实现相邻的电容去离子电极1密封连接，或者相邻的板框2与电容去离子电极1密封连接，结合图1和2可以看出，去离子电极上的密封垫圈槽125设于壳体12上表面上并位于第一通孔121与第一凸起122之间或者设于壳体12的下表面上并位于第一通孔121与第一安装孔123之间。
[0050]
在上述具体实施方式的基础上，本具体实施方式中在板框2的侧面的底部的第二通孔22中设有进水管3，进水管3与电容去离子电极的底端第一通孔121连通，实现水流经电容去离子电极，板框2的侧面的顶部的第二通孔22中设有出水管4，出水管4与电容去离子电极的顶端第一通孔121连通，出水管4实现水流经电容去离子电极1后从板框2中流出。
[0051]
本具体实施方式中，水的处理过程如下：
[0052]
水从板框2的底部的进水管3进入第二通孔22流经多个布水槽6，水由多个布水槽6引入电容去离子电极的底部第一通孔121，之后进入电容去离子电极间的缝隙，被电容去离子电极去除其中的阴离子或者阳离子，从电容去离子电极的顶部的第一通孔121流出，由多个布水槽6引入板框2的顶部的第二通孔22，再从出水管4流出，实现水的去离子处理。
[0053]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例的详细结构设计，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0054]
实施例1
[0055]
本实施例电容去离子电极中采用纯铝片作为集电极、活性炭纤维为电极活性材料，聚四氟乙烯(ptfe)为粘结剂、超导电炭黑为导电剂，组成的电极片11的厚度为1.0mm。柔性壳体12的注塑材料为abs塑料，该电容去离子电极的厚度为3.0mm(不含凸起厚度)。
[0056]
电容去离子电极单面的树脂填充厚度为0.8～0.9mm。正电极双面都填充有核级阳离子交换树脂、负电极双面都填充有核级阴离子交换树脂。
[0057]
树脂填充完毕后上覆盖一层透水膜，透水膜的孔径小于核级离子交换树脂的粒径。组装完成的一种填充离子交换树脂的电容去离子装置，相邻的电容去离子电极之间的间距为3.0mm。
[0058]
结合图4，本实施例电容去离子装置的顶部和底部分别设有两个第二通孔22，多个布水槽为直线型布水槽，即布水流道采用直线布水流道。
[0059]
实施例2
[0060]
电容去离子电极中采用泡沫镍作为集电极、活性焦粉为电极活性材料，聚偏氟乙烯(pvdf)为粘结剂、超导电炭黑为导电剂，组成的电极片11的厚度为1.0mm。柔性壳体12通过聚丙烯(pp)塑料一体注塑成型，电容去离子电极厚度为2.5mm(不含第一凸起厚度)，优化
布水流道采用曲线型布水流道。电容去离子电极单面的树脂填充厚度为0.5～0.7mm。在电极表面积较大的情况下，为防止树脂填充不均匀，结合图5，电极的表面设有相对地两个竖直隔板124将电极表面分割成3个板块，布水流道形成三个通道，分别向三个通道进水。每一板块中都可填充树脂，另外板框的两端分别设有一个第二通孔22，多个布水槽6为曲线型布水槽，即布水流道采用曲线布水流道。正、负电极双面都填充有混合的核级阴、阳离子交换树脂、阴阳离子交换树脂的比例为2:1。树脂填充完毕后覆盖一层透水膜，透水膜的网格孔径小于核级离子交换树脂的粒径。
[0061]
组装完成的电容去离子装置，电容去离子电极之间的间距为2.5mm。
[0062]
实施例3
[0063]
电容去离子电极中采用不锈钢片作为集电极、活性炭粉为电极活性材料，聚偏氟乙烯(pvdf)为粘结剂、超导电炭黑为导电剂，组成的电极厚度为1.0mm。一体成型复合电极注塑材料为聚乙烯(pe)塑料，复合电极有效厚度为2.5mm(不含第一凸起厚度)，优化布水流道采用曲线型布水流道。复合电极单面的树脂填充厚度为0.5～0.7mm。正、负电极双面都填充有核级阳离子交换树脂。正极电极树脂填充完毕后上覆盖一层阳离子交换膜，负极电极树脂填充完毕后上覆盖一层阴离子交换膜，阴、阳离子交换膜的网格孔径小于核级离子交换树脂的粒径。结合图6，该电容去离子装置的板框的两端分别设有两个第二通孔22，多个布水槽6为曲线型布水槽，即布水流道采用曲线布水流道。
[0064]
组装完成的电容去离子装置，电容去离子电极之间的间距为2.5mm。
[0065]
其他有益效果：
[0066]
1)本发明中的一体成型复合电容去离子电极的壳体采用磨具注塑工艺或3d打印工艺，成型精度高，可进行标准化批量工业化生产。
[0067]
2)本发明可根据需要处理的水溶液中离子的浓度和水量大小，任意扩展电极对数量，以期达到预期的去离子效果。
[0068]
3)本发明中的一体成型复合电容去离子电极，其电极板材料与电极外框格网紧密接触，可以完美的将电极板材料与集电极压实在一起，充分保证二者之间的接触，装置通电后，保证集电极和电极活性材料二者之间的接触电阻低。
[0069]
4)本发明在一体成型的复合电容去离子电极上填充离子交换树脂，可强化装置的去离子能力。另外，可通过添加可定向进行离子交换的树脂，可定向强化去除不同类型离子。
[0070]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。