专利名称：去离子设备、用于该设备的电极模块及制造该设备的方法
技术领域：
本发明涉及一种去离子设备，更具体地讲，涉及一种使用电化学方法去除液体中
含有的离子的去离子设备、一种用于该设备的电极模块以及一种用于制造该设备的方法。
背景技术：
存在几种用于净化含有物质(例如NaCl或者重金属)的水的方法。这些方法中，通常使用利用离子交换树脂净化水的方法。然而，这种方法在再循环树脂时需要使用酸性溶液或者碱性溶液，并需要使用大量聚合物树脂和化工品以处理大量水，从而不利地存在经济效率低的缺点。 为了解决该缺点，近来对电容去离子(以下称为"CDI")设备进行了大量研究。
CDI技术基于以下简单的原理，当电压施加在层叠形式的两个多孔碳电极(即，正电极和负电极)之间时，阳离子和阴离子分别被电吸附到负电极和正电极上，以去除流体(例如水)中含有的离子。此外，对于这种技术，当电极上的离子饱和时，可容易地将电极拆下，从而通过切换电极的极性或者断开电源(也称为"电流源")而能够简单地使电极再循环。与离子交换树脂方法或者用于电极再循环的反渗透不同，CDI技术避免使用任何酸性清洁溶液或者碱性清洁溶液，从而不产生二代化学废品。此外，CDI技术几乎不腐蚀或者污染电极，所以存在的优点在于具有半永久性寿命(semi permanentlifespan)和相对高的能量效率，从而与其它方法相比，节省10-20倍的能量。 这种CDI设备包括端板，设置在上端和下端；多个电极模块，构成中间层；例如螺钉、螺母和密封件的材料，用于将所述电极模块结合。 通过使用导电材料将碳材料粘合到集电极上而形成电极模块的电极，所述碳材料具有高特殊表面(high specific surface)的孔以及吸附离子的能力。能够形成路径的通道形成在集电极的预定区域内，并且碳材料粘合到集电极的一侧或者两侧上，以形成电极。
CDI设备由包括多个交替的(alternating)电极模块的堆(stack)组成。在这种CDI堆中，当正(+)电极和负(_)电极连接到电极的电源上接着将水注入到布置在上部或者下部上的入口中时，水通过设置在每个集电极中的通道按照Z字形运动。当水通过正电极和负电极时，包含在水中的阴离子被吸附到正电极的碳材料上，包含在水中的阳离子被吸附到负电极的碳材料上。在离子被吸附到电极上之后，电极被彼此切换或者电流被中断，从而去除被吸附在碳材料上的离子成分，因此使电极的再循环变得简单。
在传统的CDI设备中，应用于正(+)电极的电极模块和应用于负(_)电极的电极模块二者均包括具有吸附离子能力的电极。因此，由于两个电极均具有去离子能力，所以水中包含的阳离子和阴离子都被去除。 然而，目前，当CDI设备在各种领域中被使用时，通常，去除阳离子和阴离子中的一种可能已经足够了，因此，需要开发其功能适合于各种领域的CDI设备。例如，可通过仅去除阳离子提供用于清洗衣物所需要的量的用于清洗衣物的水，从而避免设计用于去除阴离子的CDI设备。
发明内容
因此，实施例一方面提供一种去离子设备，其中，为了仅去除阳离子和阴离子中的
一种，在施加电源的一对电极模块中，仅一个电极模块具有去除液体中含有的阳离子或者阴离子的能力，从而提高生产效率并降低制造成本。 实施例的另一方面提供一种电极模块，其中，对于具有去离子能力的电极模块，碳
纳米材料直接生长在集电极表面上，以形成电极，保护膜用于提高集电极的强度，从而最小化碳纳米材料和集电极之间的接触电阻，并提高结构强度，实施例的另一方面还提供一种制造电极模块的方法。 将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。 根据实施例的一方面，提供一种去离子设备，该去离子设备包括第一电极模块，正电或者负电施加在该第一电极模块上；第二电极模块，与施加给第一电极模块的电的极性相反的电或者地电位施加在该第二电极模块上，其中，仅第一电极模块包括用于吸附仅阳离子和阴离子中的一种的离子吸附材料。 根据本发明的另一方面，提供一种去离子设备，该去离子设备包括一对端板单
元；多个单元电极模块，层叠在所述一对端板单元之间，其中，所述单元电极模块包括第
一电极模块，正(+)电或者负(_)电施加在该第一电极模块上；第二电极模块，不包含离子
吸附材料，与施加给第一电极模块的电的极性相反的电或者地电位施加在该第二电极模块
上，仅第一电极模块具有用于吸附仅阳离子和阴离子中的一种的离子吸附材料。
第一电极模块可具有一体的结构，所述结构包括集电极，包含离子吸附材料；保
护膜，被热挤压到集电极的边缘；绝缘板，使离子吸附材料绝缘。
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中 图1是示出根据一个实施例的去离子设备的截面图； 图2是示出图1中示出的去离子设备的"A"部分的局部放大图； 图3是示出去离子设备的结构的视图，其中，第一电极模块接负电，第二电极模块
接地； 图4是根据一个实施例的去离子设备中包含的第一电极模块的局部透视 图5是示出用于制造第一电极模块的方法的流程图； 图6是示出根据第一实施例的去离子设备中包含的第一电极模块中的碳纳米材料的布置的视图； 图7是示出根据另一实施例的去离子设备中包含的第一电极模块的视 图8是示出根据一个实施例的去离子设备中包含的第二电极模块的分解透视 图9是示出根据另一实施例的去离子设备中包含的第二电极模块的分解透视图。
具体实施例方式
现在对实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同的元件。下面通过参照附图对实施例进行描述。 根据一个实施例，去离子设备被设计成使得一对电极模块中只有一个电极模块能够去除流体中含有的离子，从而去除流体中含有的阳离子或者阴离子。以下，为了更容易理解起见，将举例说明能够去除水中含有的阳离子的去离子设备。
图1是示出根据一个实施例的去离子设备的截面图。
图2是示出图1中示出的去离子设备的"A"部分的放大图。 如图1和图2所示，根据一个实施例的电容去离子设备(以下，称为"CDI设备")旨在电化学地去除液体中的离子，该CDI设备包括一对端板单元10a和10b，分别构成CDI设备的底部和顶部，各自设置有入口 1 la ;多个单元电极模块20和30，层叠在所述端板单元10a和10b之间，使得所述单元电极模块20和30相互分开预定距离；结合构件40，用于将所述一对端板单元10a和10b结合到所述单元电极模块20和30。 因此，在单元电极模块20和30中，当第一电极模块20接负电，第二电极模块30接正电时，水被引入到顶部和底部的入口 ，在水通过在所述电极模块20和30中形成的通道沿着箭头方向按照Z字形运动，并通过接负电的电极模块时，水中含有的阳离子被吸附到电极模块的离子吸附材料上。 因此，CDI设备具有多个电极模块20和30交替地布置在一个端板单元10a上的层叠结构，另一个端板单元10b层叠在所述层叠结构上，相邻的电极模块20和30之间设置的间隔对应于吸附离子的单元室50。 端板单元10a和10b包括形成CDI设备的底部外表的第一端板单元10a和形成CDI设备的顶部外表的第二端板单元10b。 第一端板单元10a和第二端板单元10b设置有相同的结构。因此，以下，将仅给出对第一端板单元10a的详细解释。第一端板单元10a包括端板单元11和布置在端板单元11上的端部分隔件12。入口 lla形成在端板单元11的一侧上，并连接到布置在外部的供水管，水通过该入口 lla被供应和排放，通道llb形成在端板单元11的另一侧，水通过该通道lib被供应到CDI设备和被从CDI设备排放出去。此外，端板单元11可以从金属、塑料和橡胶中可变地选择。最好是塑料材料。 单元电极模块20和30包括施加有负(_)电的第一电极模块20和施加有正(+)电的第二电极模块30。 对于根据一个实施例的去离子设备，将负电施加给第一电极模块20，将正电施加给第二电极模块30，充有相反电的电源可被施加给第一电极模块20和第二电极模块30，但是所述实施例不限于此。如图3所示，去离子设备可具有这样的结构，其中，将负电施加给第一电极模块20，通过将第二电极模块30接地而将地电位施加给第二电极模块30。
虽然在下面提及，第一电极模块20具有离子吸附材料，从而表现出去除离子的能力，但是第二电极模块30不具有离子吸附材料，从而不表现出去除离子的能力。
在图4至图7中示出了第一电极模块20的实施例，在图8和图9中示出了第二电极模块30的实施例。 第一电极模块20可以仅在集电极的任意一侧(顶部或者底部)或者两侧上具有离子吸附材料。 以下，将在下面描述在集电极的两侧上具有离子吸附材料的第一电极模块。
图4是根据一个实施例的去离子设备中包含的第一电极模块的局部透视图。
如图4所示，根据一个实施例的去离子设备中包含的第一电极模块20包括集电 极21，从外部将负(_)电施加在该集电极21上，并且碳纳米材料22a作为多孔离子吸附材 料直接生长在集电极21的表面上；一对保护膜23，附着到集电极21的边缘处；绝缘板24， 结合到保护膜23上。在本实施例的结构中，粘附到集电极和绝缘板的一对保护膜也可适用 于使用不同的离子吸附材料或者在集电极上单独设置和吸附离子吸附材料的情况(见下 面在图5中所示)。 集电极21包括电源连接件21a，从主体延伸，用于连接到外部电源；端子金属片 21b，连接到电源连接件21a。集电极21通过连接到电源连接件21a的端子金属片21b接收 外部电源。集电极21在其一侧设置有通道21c，以允许水通过下一个单元室50。通道21c 的尺寸和形状可以变化。集电极21可由具有低电阻并能够承受高温的材料构成。集电极 材料的代表性示例包括金属(例如，钛(Ti)、镍(Ni)和不锈钢)和石墨片。在本实施例中， 防腐蚀的并且实现节约制造成本的石墨片被用作示例性集电极材料。 碳纳米材料22a具有大量的孔并表现出良好的吸附能力。碳纳米材料22a可以是 活性碳、碳纳米管或者碳纳米纤维。具体地讲，碳纳米材料可以通过化学气相沉积(CVD)直 接生长在集电极21的表面上。下面将描述在集电极21上直接生长碳纳米材料的方法。除 了碳纳米材料22a之外，离子吸附材料也可以是纳米级金属氧化物。金属氧化物可以是氧 化钌(RuO》、氧化铱(IrO》、氧化镍(NiO)等。 金属氧化物可按照与通过CVD在集电极的表面上直接形成碳纳米材料的方式类 似的方式通过溅射方法直接形成在集电极上。 保护膜23设置有孔23a，所述孔23a的形状和尺寸足以覆盖碳纳米材料22a的区 域。保护膜23连接到集电极21，同时通过使碳纳米材料22a穿过孔23a而暴露碳纳米材料 22a。保护膜23被热压到集电极21的边缘处。因此，通过将保护膜23热压到集电极21上， 而使集电极21的结构强度加强，从而可防止对集电极21的损坏。也就是说，由于用于集电 极21的材料(即，石墨片)除了具有一些优点之外其缺点在于由于强度低而易于撕裂，所 以可在石墨片的边缘涂覆有保护膜23，以防止对石墨片造成损坏。保护膜23可以是聚酰亚 胺膜。 目前的绝缘板24也被称为分隔件，该绝缘板24呈网格形式，以使碳纳米材料22a 绝缘，并允许水在碳纳米材料22a中流动。绝缘板24连接到保护膜23，使得绝缘板24覆盖 碳纳米材料22a，以使电极模块30与和所述电极模块30相邻的碳纳米材料22a绝缘。
图5示出了用于制造第一电极模块的方法。 参照图5，提供预定尺寸的集电极21(100)。用于集电极的材料是石墨片。
提供集电极21之后，为了直接在集电极表面上生长碳纳米材料22a，将催化剂金 属颗粒置于集电极21的两个表面上(110)。用于在石墨片表面上放置催化剂金属颗粒的方 法包括溅射或者喷雾干燥。 在于集电极21上放置催化剂金属之后，通过CVD在集电极表面上直接生长碳纳米 材料22。例如，含有催化剂金属(例如金属盐或者铝盐(alumi皿msalt))的集电极表面在 60(TC至120(TC条件下被热处理并还原，接着与40(TC至1200°C的氢气和含碳气体的混合 物接触超过预定时间，以将碳纳米材料22a沉积在集电极21上。
在直接生长碳纳米材料22a之后，去除催化剂金属(130)。在该工艺中，通过使用 化学清洁材料清洁集电极表面来去除催化剂金属。 在去除催化剂金属之后，金属颗粒被引入到碳纳米材料22a中(140)。金属颗粒具 有消毒活性，从而防止细菌在与碳纳米材料22a接触的水中繁殖。 在将金属颗粒引入到碳纳米材料22a中之后，将保护膜23热压到集电极21的边 缘上(150)。如上所述，由于用于集电极21的材料(g卩，石墨片)易于撕裂，所以集电极21 的边缘上涂覆有保护膜23，以防止对石墨片造成损坏。集电极21的电源连接件21a连接到 端子金属片21b，并且保护膜23涂覆在所述电源连接件21a上。 在将保护膜23热压到集电极21的边缘上之后，绝缘板24被辊压在保护膜23和 碳纳米材料22a上(160)。如图6所示，使用一对辊子60压迫绝缘板24。为了提高碳纳米 材料22a的吸附能力，绝缘板24被辊压，使得碳纳米材料22a沿着一个方向定向。
在将绝缘板24辊压之后，绝缘板24的边缘被压迫(170)。在该工艺中，使用夹具 进一步压迫绝缘板24的边缘，以与保护膜23紧密地接触。 图7示出了图4中示出的第一电极模块20的另一实施例，这是第一电极模块20 的局部透视图，其中，通过导电材料将离子吸附材料粘附到集电极上。 如图7所示，第一电极模块20中的集电极21所呈的形式是离子吸附材料22b物 理或者化学粘附到集电极21上。在这种情况下，与离子吸附材料直接生长在集电极上的电 极相比，离子吸附材料与集电极之间的接触电阻相对较大，使得导电性能轻微降低。
同时，第二电极模块30不必要具有离子吸附能力，从而第二电极模块30可采取 (例如)其上不粘附有碳纳米材料的金属板的形式。然而，当来自传统电极结构的集电极 或者金属板仅省去离子吸附材料时，会出现以下问题，例如，电极材料不必要的浪费的问题 以及由于通道狭窄导致的流动路径狭窄而使层叠结构(stack)的内部液压升高的问题。因 此，为了解决这些问题，在本发明的实施例中，第二电极模块30形成为电线或者薄膜形式 的正(+)电极，从而由于能够代替板形而可变地改变电极形状而降低电极材料的成本，并 且由于源自电线/薄膜电极的通道区域变宽，所以显著降低了层叠结构的内部液压。
图8是示出根据本发明的一个实施例的去离子设备中包含的第二电极模块的局 部透视图。第二电极模块包括电线形式的电极。 如图8所示，根据一个实施例的去离子设备中包含的第二电极模块30包括电极 部分32，不具有离子吸附材料；分隔板31，支撑电极部分32，使得第二电极模块30与第一 电极模块20隔开预定距离。此外，第二电极模块30可包括设置在分隔板31的两侧的密封 材料33，以防止水泄漏到分隔板31的周围。分隔板31包括用于接纳密封材料33的密封凹 槽31d。 电极部分32包括连接到端子32b的多个电线电极32a并通过连接到端子32b的 连接端子32c接收电。 分隔板31包括矩形形状的通孔31a，电极部分32安装在该通孔31a上。此外，分 隔板31还包括突起31b，用于将电极部分32的电线电极32a的一侧固定在分隔板31的 内周表面上；连接凹槽31c，位于分隔板31的相对的内周表面上，连接端子32c的一部分穿 过该连接凹槽31c，并且该连接凹槽31c暴露于外部。分隔板31包括在其顶部和底部的密 封凹槽31d，用于将密封材料33固定在该密封凹槽31d中。
因此，电极部分32的电线电极32a连接到形成在分隔板31中的突起31b，连接端 子32c插入到分隔板31的连接凹槽31c中，以将电极部分32安装在分隔板31中。密封材 料33固定在分隔板31的密封凹槽31d中。 图9示出了图8中示出的第二电极模块的另一实施例，示出了包括薄膜电极的第 二电极模块。 如图9所示，除了电极部分32'之外，第二电极模块30'具有与图6中示出的第 二电极模块30的结构相同的结构。 电极部分32'包括具有薄膜形状的多个电极。用于防止电极32a'弯曲或者下陷 从而使强度提高的保护膜32a' -l粘附到电极32a'的一侧。 从上面的描述清楚的是，在根据一个实施例的去离子设备中，不具有去离子能力 的电极模块的电极按照电线或者薄膜形式形成，从而由于能够代替板形而可变地改变电极 形状，所以使电极材料成本降低，提高了生产效率，并且由于源自电极形状的改变而使水通 道变宽，所以使第二电极模块的内部液压降低。 虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱 离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例 进行修改。
权利要求
一种去离子设备，包括第一电极模块，正电或者负电施加在该第一电极模块上；第二电极模块，与施加给第一电极模块的电的极性相反的电或者地电位施加在该第二电极模块上，其中，仅第一电极模块包括用于仅吸附阳离子和阴离子中的一种的离子吸附材料。
2. 如权利要求1所述的去离子设备，其中，第一电极模块包括 集电极，从外部接收负电，并包含在其表面上的碳纳米材料； 保护膜，被热挤压到集电极的边缘；绝缘板，使离子吸附材料绝缘。
3. 如权利要求1所述的去离子设备，其中，包含在第一电极模块中的离子吸附材料通 过化学气相沉积或者溅射形成在接收电的集电极的表面上。
4 如权利要求1所述的去离子设备，其中，包含在第一电极模块中的离子吸附材料粘 附到接收电的集电极的表面上。
5. 如权利要求1所述的去离子设备，其中，离子吸附材料是碳纳米材料或者金属氧化物。
6. 如权利要求5所述的去离子设备，其中，碳纳米材料是活性碳、碳纳米管或者碳纳米 纤维。
7. 如权利要求5所述的去离子设备，其中，金属氧化物是Ru02、 Ir02或者Ni0。
8. 如权利要求1所述的去离子设备，其中，第二电极模块包括电线电极或者薄膜电极。
9. 如权利要求8所述的去离子设备，其中，薄膜电极的一个表面涂覆有膜以防止电极 弯曲。
10. 如权利要求8所述的去离子设备，其中，第二电极模块包括分隔板，该分隔板用于 将电线电极或者薄膜电极容纳在设置在该分隔板中的空间中，并允许第二电极模块与第一 电极模块隔开预定距离。
11. 如权利要求10所述的去离子设备，其中，分隔板包括突起，用于固定所述电极的 一侧；连接孔，布置在所述电极的另一侧的连接端子穿过该连接孔。
12. 如权利要求IO所述的去离子设备，其中，分隔板包括密封凹槽，该密封凹槽用于接 纳密封材料，以防止液体泄漏到分隔板的周围表面。
13. —种去离子设备，包括 一对端板单元；多个单元电极模块，层叠在所述一对端板单元之间，其中，所述单元电极模块包括第一电极模块，正电或者负电施加在该第一电极模块 上；第二电极模块，不包含离子吸附材料，与施加给第一电极模块的电的极性相反的电或者 地电位施加在该第二电极模块上，仅第一电极模块具有用于仅吸附阳离子和阴离子中的一 种的离子吸附材料。
14. 如权利要求13所述的去离子设备，其中，第一电极模块具有一体的结构，所述结构 包括集电极，包含离子吸附材料； 保护膜，被热挤压到集电极的边缘；绝缘板，使离子吸附材料绝缘。
15.如权利要求13所述的去离子设备，其中，第二电极模块包括电线电极或者薄膜电 极；分隔板，支撑所述电极，使得第二电极模块与第一电极模块隔开预定距离；密封凹槽， 接纳密封材料，以防止水泄漏到分隔板的周围。
全文摘要
本发明涉及去离子设备、用于该设备的电极模块及制造该设备的方法。本发明提供一种去离子设备，在该去离子设备中，为了仅去除阳离子和阴离子中的一种，在施加电源的一对电极模块中，仅一个电极模块包括能够吸附离子而被给予离子吸附能力的电极，另一个电极模块包括没有离子吸附能力从而不被给予离子吸附能力的电极，从而提高生产效率并降低制造成本。
文档编号B01D53/32GK101711941SQ20091015169
公开日2010年5月26日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年9月30日
发明者卢滢铢, 李垣炅, 池埈虎 申请人:三星电子株式会社