超电容式脱盐装置及其制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是基于申请日为2007年10月24日，优先权日为2006年12月19日，申请 号为200780045835. 7 (PCT/US2007/082346)，发明名称为："超电容式脱盐装置及其制造方 法"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及超电容式脱盐装置（supercapacitive desalination)及其制造方法。
【背景技术】
[0003] 超电容式脱盐装置采用一对极性相反的电极。在充电步骤过程中，允许进料流 (feed stream)从超电容式脱盐装置中流过。进料流中的离子性物质吸附于带有相反电 荷的电极表面，从而除去进料流中的离子，生成淡化输出物（dilute output)。在放电步 骤过程中，离子性物质从电极表面上解吸附并进入进料流而生成浓输出物（concentrate output)〇
[0004] 此外，电极的多孔材料的孔隙体积内存在与该电极所带电荷相同的离子（此后称 为带相同电荷的离子（similarly charged ion))。在充电步骤过程中，施加电压后，一部分 带相同电荷的离子可随即从电极中脱出并加入到进料流中。这种不期望出现的孔隙体积离 子迀移消耗额外的电流并增加进料流中的杂质。在这种情况下，可能仅在电极吸附过量进 料离子（超过从孔隙体积中脱出的离子）时进行进料流的净化。相反，在放电步骤过程中， 除了带相反电荷的离子从多孔电极上解吸附进入进料流之外，进料流中一部分带相同电荷 的离子也可能吸附到孔隙体积中。尽管吸附带相同电荷的离子在所有浓度下均会发生，但 在较高浓度下变得更为严重。
[0005] 可能期望获得不同于现有装置的超电容式脱盐装置。可能期望获得不同于现有方 法的超电容式脱盐装置制造方法。
【发明内容】
[0006] 根据一种实施方案，提供电极组件。该组件包括经配置吸附带相反电荷的离子的 可充电电极，其中该电极包括多孔材料。该组件还包括与可充电电极的多孔材料接触的离 子交换材料，其中该离子交换材料与可充电电极带有相同的电荷，并且其中该离子交换材 料可渗透带相反电荷的离子且至少部分地不可渗透带相同电荷的离子。
[0007] 根据一种实施方案，提供超电容式脱盐装置。该装置包括一对电荷相反的电极。电 荷相反的电极中的至少一个包括可选择性渗透带电离子的离子交换材料。
[0008] 根据一种实施方案，提供制造电极组件的方法。该方法包括：形成电极材料和离子 交换材料的混合物、将该混合物分散在溶剂中以形成浆料、以及对该浆料进行模塑以形成 电极组件。
[0009] 根据一种实施方案，提供制造电极组件的方法。该方法包括形成离子交换材料和 粘结剂的混合物以及将该混合物涂布在多孔电极上。
[0010] 根据一种实施方案，提供制造电极组件的方法。该方法包括形成可聚合材料以及 将该可聚合材料涂布在多孔电极的表面上以形成聚合物涂层。
[0011] 本发明包括以下内容：
[0012] 实施方式1. 一种电极组件，包括：
[0013] 经配置吸附带相反电荷的离子的可充电电极，其中该电极包括多孔材料；及
[0014] 与所述可充电电极的多孔材料接触的尚子交换材料，其中该尚子交换材料与所述 可充电电极带有相同的电荷，及其中该离子交换材料可渗透带相反电荷的离子且至少部分 地不可渗透带相同电荷的离子。
[0015] 实施方式2.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料包括设置在所述可充 电电极表面上的层。
[0016] 实施方式3.实施方式2的电极组件，其中所述层的厚度为0.0001mm至Imm0
[0017] 实施方式4.实施方式2的电极组件，其中所述层的电阻为0. 1Ω · cm2至 50 Ω · cm2。
[0018] 实施方式5.实施方式2的电极组件，其中所述层包含粘结剂和树脂。
[0019] 实施方式6.实施方式5的电极组件，其中所述树脂包括Amberlite IR-120，Dowex 50, Diaion SK-IA，Amberlite IRA-400, Diaion SA-10A，或者其中两种或更多种的组合。 [0020] 实施方式7.实施方式5的电极组件，其中所述粘结剂包括聚四氟乙烯，聚偏二氟 乙烯，或者它们的任意衍生物。
[0021] 实施方式8.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料包括粘结剂。
[0022] 实施方式9.实施方式8的电极组件，其中所述粘结剂至少部分地设置在所述可充 电电极内。
[0023] 实施方式10.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料的量占电极材料总 重的1重量％至70重量％。
[0024] 实施方式11.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料包含粒径为0. 1微 米至10微米的颗粒。
[0025] 实施方式12.实施方式1的电极组件，其中所述组件用于超电容式脱盐装置。
[0026] 实施方式13.实施方式1的电极组件，其中所述装置的电流效率为40 %至99%。
[0027] 实施方式14.实施方式1的电极组件，其中在所述装置工作过程中没有电压施加 在所述离子交换材料上。
[0028] 实施方式15.实施方式1的电极组件，其中所述可充电电极为负极并且其中所述 离子交换材料为阳离子交换材料，该阳离子交换材料经配置至少部分地阻止阴离子从电极 的孔隙体积中脱出，并且其中该阳离子交换材料经配置允许阳离子通过所述离子交换材 料。
[0029] 实施方式16.实施方式15的电极组件，其中所述阳离子交换材料包括阴离子型单 体的聚合产物。
[0030] 实施方式17.实施方式16的电极组件，其中所述阴离子型单体包括下述阴离子化 合物：磺酸盐，磷酸盐，羧酸盐，硼酸盐，或者其中两种或更多种的组合。
[0031] 实施方式18.实施方式15的电极组件，其中所述阳离子交换材料包括非离子型单 体的聚合产物的磺酸盐，磷酸盐，羧酸盐，硼酸盐，或者其中两种或更多种的组合。
[0032] 实施方式19.实施方式18的电极组件，其中所述非离子型单体包括下述单体：苯 乙烯，丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，丙烯酰胺，乙烯基吡啶，乙烯基吡咯烷酮，环氧化物，硅氧 烷，氨基甲酸酯，或者其中两种或更多种的组合。
[0033] 实施方式20.实施方式1的电极组件，其中所述可充电电极为正极并且其中所述 离子交换材料为阴离子交换材料，该阴离子交换材料经配置至少部分地阻止阳离子从电极 的孔隙体积中脱出，并且其中该阴离子交换材料经配置允许阴离子通过所述离子交换材 料。
[0034] 实施方式21.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括阳离子聚合 物。
[0035] 实施方式22.实施方式21的电极组件，其中所述阳离子聚合物包括：伯胺盐、仲胺 盐、叔胺盐或季铵盐，咪唑4翁，胍i翁，吡啶铕，或者其中两种或更多种的组合。
[0036] 实施方式23.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括具有叔胺基 团的材料的季铵化反应产物。
[0037] 实施方式24.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括聚甲基丙烯 酸二甲基氨基乙酯。
[0038] 实施方式25.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括导电聚合物 材料。
[0039] 实施方式26.实施方式25的电极组件，其中所述导电聚合物材料包括聚苯胺，聚 吡咯，聚噻吩，或者其中两种或更多种的组合。
[0040] 实施方式27. -种超电容式脱盐装置，包括：
[0041 ] -对电荷相反的电极，其中所述电荷相反的电极中的至少一个包括可选择性渗透 带电离子的离子交换材料。
[0042] 实施方式28.实施方式27的超电容式脱盐装置，其中该超电容式脱盐装置包括布 置成层叠结构的两对或更多对电荷相反的电极。
[0043] 实施方式29.实施方式27的超电容式脱盐装置，还包括绝缘隔离体，该绝缘隔离 体设置在所述电荷相反的电极之间，并且配置成使一个电极与另一个电极电绝缘。
[0044] 实施方式30. -种制造电极组件的方法，包括：
[0045] 形成电极材料和离子交换材料的混合物；
[0046] 将所述混合物分散在溶剂中，以形成浆料；及
[0047] 模塑该浆料，以形成电极组件。
[0048] 实施方式31.实施方式30的方法，其中所述电极材料包括：碳，活性炭，石墨，多孔 炭末颗粒，炭黑气凝胶，碳纳米管，碳布，碳纤维，或者其中两种或更多种的组合。
[0049] 实施方式32. -种制造电极组件的方法，包括：
[0050] 形成离子交换材料和粘结剂的混合物；及
[0051] 将所述混合物涂布于多孔电极表面，以形成涂层。
[0052] 实施方式33.实施方式32的方法，还包括使所述混合物交联。
[0053] 实施方式34. -种制造电极组件的方法，包括：
[0054] 形成可聚合的材料；及
[0055]