專利名稱：一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置的制作方法
一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置
本發(fā)明涉及電容去離子裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種高效率節(jié) 能型隔膜電容去離子裝置。 [技術(shù)背景]
全球淡水資源的缺乏和人口不斷增長(zhǎng)使得人類對(duì)水的需求與曰俱 增，而對(duì)那些位于干旱地區(qū)的城市來(lái)說，這種需求尤為迫切。然而對(duì) 于如何利用地球上五分之四面積的海洋及湖泊水，至今仍然沒有能得 到徹底解決。主要是海洋、湖泊和河流中的天然水含有各種病原微生 物和有毒有機(jī)物、固體懸浮物、重金屬和許多無(wú)機(jī)鹽類。即使從自來(lái) 水廠出廠的自來(lái)水，由于管道污染，到了用戶那里也受到不同程度的 污染。為了凈化這些水體，必須進(jìn)行殺菌消毒、過濾固體懸浮物和脫 鹽處理，同時(shí)人們還要考慮它的經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)成本。
在社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化的要求下，各種新型的、改良的高效 的水處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，去除固體懸浮物和殺菌消毒已經(jīng)有十 分成熟的技術(shù)，但是廣泛使用的脫鹽技術(shù)還存在很大的缺點(diǎn)，例如， 閃蒸能耗大；離子交換和反滲透技術(shù)需要昂貴的再生工藝，而且再生 過程中會(huì)帶來(lái)二次污染；電滲析系統(tǒng)雖然得到商業(yè)化，但是由于使用 的電壓非常高，所以比較耗電，同時(shí)由于電解水還會(huì)產(chǎn)生大量的氣 體。社會(huì)的進(jìn)步和能源的缺乏使得人們?cè)谠u(píng)價(jià)脫鹽技術(shù)時(shí)越來(lái)越考慮 成本和效率的因素，為此非常需要開發(fā)一種節(jié)能環(huán)保的凈化水技術(shù)。
作為一種新型節(jié)能的水處理技術(shù)，電容去離子(Capacitive Deionizaiton, CDI)技術(shù)采用比表面積較大的材料作為電容器的電 極，當(dāng)電容器充電并且電極極化時(shí)，會(huì)在其與電解質(zhì)溶液界面處產(chǎn)生 很強(qiáng)的雙電層，盡管雙電層的厚度只有1 10ran，卻能吸引大量的電解 質(zhì)離子，并儲(chǔ)存一定的能量。在實(shí)際使用時(shí)，外加電壓控制在電極表 面不發(fā)生電解水(電壓低于1.2V)的狀態(tài)，因此工作電壓很低，相比 電滲析非常節(jié)能。而且，電容去離子系統(tǒng)與離子交換樹脂不同，它的 再生不需要使用任何酸、堿和鹽溶液，只需通過電極的放電完成，因 此不會(huì)有額外的廢物產(chǎn)生，也就沒有污染；另外同蒸發(fā)這種熱過程相 比，電容去離子具有更高的能量利用率。
傳統(tǒng)的電容去離子單元主要由成對(duì)的電極，如多孔活性碳、碳?xì)?凝膠或碳納米管及纖維，通過在電極的兩端加上靜電場(chǎng)吸附溶液中的 離子，當(dāng)電極飽和時(shí)，將電極短接或者加上反向的電壓進(jìn)行再生。但 是在再生過程中，陽(yáng)極表面陰離子的脫附和陽(yáng)離子的吸附及陰極表面 陽(yáng)離子的脫附和陰離子的吸附同時(shí)存在，從而會(huì)嚴(yán)重影響再生后電極 的電吸附能力。 [發(fā)明內(nèi)容]
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在電容去離子 系統(tǒng)中加入離子交換膜，由于離子交換膜對(duì)離子選擇性透過，在陽(yáng)極 加上陰離子交換膜和陰極表面加上陽(yáng)離子交換膜后，能有效遏制再生 過程中陽(yáng)離子在陽(yáng)極和陰離子在陰極的吸附，從而顯著提高電極的去 離子能力。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝 置，主要由一個(gè)或多個(gè)通液型電容器單元組成，其中，
一、通液型電容器單元的基本組成
主要在隔板1兩側(cè)成對(duì)的排列離子交換膜2、多孔活性電極3、導(dǎo)
電基體4、電極引線5、支撐板6組成，上下的支撐板上設(shè)通水口 7方 便水的進(jìn)出，上、下兩個(gè)通水口相錯(cuò)排列。
隔板1為有機(jī)或無(wú)機(jī)織造布或者非織造布，能讓液體自由流過， 并且是電絕緣的，例如多孔聚合物(聚丙烯纖維)模板、尼龍纖維、 丙綸纖維，也可以采用紙質(zhì)隔膜作為隔板材料，每層隔板的厚度為 0. 01 0. 5mm。
離子交換膜2是一種含離子基團(tuán)的、對(duì)溶液里的離子具有選擇透 過能力的高分子膜，因一般在應(yīng)用時(shí)主要是利用它的離子選擇透過 性，所以也稱為離子選擇透過性膜，離子交換膜可制成均相膜或非均 相膜兩類。其中，均相膜，先用高分子材料如丁苯橡膠、纖維素衍生 物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈等制成 膜，然后引入單體如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等，在膜內(nèi)聚合成高分 子，再通過化學(xué)反應(yīng)引入所需功能基，也可通過甲醛、苯酚等單體聚 合制得；非均相膜，選用粒度為200 400目的離子交換樹脂和普通成 膜性高分子材料如聚苯乙烯、聚氯乙烯等充分混合后加工成膜制得， 為免失水干燥而變脆破裂，須保存在水中。
電極為多孔活性電極，主要采用多孔的碳基材料，它可以為活性 碳、碳纖維、碳?xì)饽z或碳納米管薄膜等。
導(dǎo)電基體采用導(dǎo)電性能良好、耐化學(xué)和電化學(xué)腐蝕的材料，如石 墨片、碳纖維、不銹鋼片，鈦片等，導(dǎo)電基體的厚度為O. 1 lmm。
電極引線采用導(dǎo)電性能良好、耐化學(xué)和電化學(xué)腐蝕的材料，如石墨片、碳纖維、不銹鋼片，鈦片等。
支撐板采用硬質(zhì)的、不易變形的、機(jī)械強(qiáng)度較大的平板，如ABS 塑料板，或有機(jī)玻璃板等，厚度在2 10mm為宜。
二、 通液型電容器的裝配 一個(gè)通液型電容器單元各個(gè)部件的排列順序?yàn)橹伟?/電極引
線5/導(dǎo)電基體4/電極3/離子交換膜2/隔板1 /離子交換膜2/電極3/ 導(dǎo)電基體4/電極引線5 /支撐板6。
實(shí)際的電容器使用很多電容器單元，則電容器部件的排列順序?yàn)?6/[5/4/3/2/l/2/3/4/5]n/6， n為單元個(gè)數(shù)。
電極引線5固定在導(dǎo)電基體與支撐板之間。支撐板6應(yīng)配有通水 口以及裝配螺釘?shù)穆菘?。每個(gè)電容器單元的支撐板兩個(gè)通水口 7相對(duì) 排列，這樣使得水在電容器中沿曲折路線流動(dòng)，有效提高吸收效率。
在電容器單元中，電極3和隔板1外側(cè)邊緣均放置硅橡膠墊圈，
硅橡膠墊圈用于密封水，硅橡膠墊圈和支撐板6上的緊固螺絲將保證 整個(gè)單元水密封良好。
三、 通液方式
采用恒流泵使水循環(huán)通過電容器，同時(shí)通電去離子，當(dāng)水的電導(dǎo) 率下降到一定范圍后，可以將水通過閥門引出。
我們將加入離子交換膜的電容去離子系統(tǒng)稱為隔膜電容去離子
(Membrane Capacitive Deionizaiton， MCDI) 系統(tǒng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用致密多孔的碳基材料作為電容去離 子電極，并加入離子交換膜，使器件薄而輕，結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，提高了 吸附的性能，降低了電極工作時(shí)所加電壓，從而大大降低了器件的能 耗以及制造和使用成本，離子吸附效率高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、功耗
低、響應(yīng)速度快和可重復(fù)使用等。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中通液型電容器單元主要部件分離圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中在導(dǎo)電基體表面生長(zhǎng)電極的示意圖，其中 (a)為剖面示意圖，(b)為俯視圖。
圖3為采用一對(duì)多孔碳基材料電極的MCDI裝置與不加離子交換膜 的一對(duì)和十對(duì)多孔碳基材料電極CDI裝置對(duì)低濃度低濃度NaCl溶液的 吸附能力的比較。
圖4為本發(fā)明中采用一對(duì)多孔碳基材料電極的MCDI裝置與不加 離子交換膜的一對(duì)和十對(duì)多孔碳基材料電極CDI裝置對(duì)高濃度低濃度 NaCl溶液的吸附能力的比較。
指定圖1為摘要附圖。
參見圖1和圖2，其中，1為隔板；2為離子交換膜；3 為電極；4為導(dǎo)電基體；5為電極引線；6為支撐板；7為通 水口 。
下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本工藝技術(shù)對(duì)本專業(yè)的人 來(lái)說還是比較清楚的。 實(shí)施例l
一個(gè)隔膜去離子電容器單元，采用100匿xl00ran的方形石墨片作 為導(dǎo)電基體4，石墨片厚度為0. 3隨，其表面鉆有直徑為6mm的孔，以 便讓水通過，用丙酮清洗石墨片的表面，然后用磁控濺射的方法在其
表面制備一層鎳金屬催化劑層，接著利用低壓化學(xué)氣相沉積設(shè)備在其
表面生長(zhǎng)碳納米管-碳纖維薄膜作為電極3，乙炔與氫氣流量分別為 40sccm和200sccm，生長(zhǎng)溫度為550。C，生長(zhǎng)時(shí)間為30分鐘；
電極引線5采用碳纖維絲；采用丙綸布作為隔板1，厚度為 0.2rran;支撐板6為有機(jī)玻璃板，厚度為5mm;單元中采用異相離子交 換膜2。
實(shí)施例2
一個(gè)隔膜去離子電容器單元，電極為100mmx200mm的碳?xì)饽z， 厚度為0. 5 mra，其表面鉆有直徑為8mm的孔，以便讓水通過，碳?xì)饽?膠采用以下方法制得將間苯二酚和甲醛以1: 2的摩爾比混合，加 入二次去離子水作為溶劑并調(diào)節(jié)其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，用Na2C0:,作催化劑， 充分?jǐn)嚢?，使溶液混合均勻，將混合液移至密閉容器內(nèi)，室溫下放置 一天后移放入恒溫箱，于(85士3)。C下，經(jīng)幾天反應(yīng)，生成紅色的RF 氣凝膠。將氣凝膠切成柱狀，在適宜的有機(jī)溶劑中浸泡幾小時(shí)，更換 幾次有機(jī)溶劑，以偏將氣凝膠中的水分替換完全。將浸泡過的氣凝膠 在空氣中干燥幾天即得到具有連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的RF氣凝膠。在惰性氣 體保護(hù)下，將干燥后的RF氣凝膠升溫到IOO(TC左右，維持?jǐn)?shù)小時(shí)， 使氣凝膠均勻碳化為黑色碳?xì)饽z；
電極引線5采用碳纖維絲；采用尼龍纖維作為隔板1，厚度為 0. 3,;支撐板6為有機(jī)玻璃板，厚度為7mm;單元中采用均相離子交 換膜2。
權(quán)利要求
1、一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，主要由一個(gè)或多個(gè)通液型電容器單元組成的通液型電容器組成，其中，一個(gè)通液型電容器單元主要由隔板(1)上下兩端分別依次對(duì)稱排列表面設(shè)孔電極(3)、表面設(shè)孔的導(dǎo)電基體(4)、電極引線(5)、表面設(shè)孔的支撐板(6)組成，多個(gè)通液型電容器單元組成的電容器的部件的排列順序?yàn)?6)/[(5)/(4)/(3)/(2)/(1)/(2)/(3)/(4)/(5)]n/(6)，n為單元個(gè)數(shù)，其特征在于在隔板(1)與電極(3)之間加入離子交換膜(2)，所述的上下支撐板(6)上均設(shè)有水口(7)，上下兩個(gè)水口的位置相錯(cuò)排列。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其 特征在于所述的電極采用多孔碳基材料，如活性碳或碳纖維或 碳?xì)饽z或碳納米管，電極的邊緣設(shè)有硅橡膠墊圈。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其 特征在于所述的離子交換膜(2)為含離子基團(tuán)的對(duì)溶液里的離子具有選擇透過能力的均相膜或非均膜。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其 特征在于所述的隔板(1)采用液體能自由流過的電絕緣的紙 質(zhì)隔膜或有機(jī)/無(wú)機(jī)織造布或者非織造布，如多孔的聚丙烯纖維模板或尼龍纖維或丙綸纖維，每層隔板的厚度為0.01 0.5mm， 隔板的邊緣設(shè)有硅橡膠墊圈。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其特征在于所述的導(dǎo)電基體(4)采用厚度為0.2 lrnrn的導(dǎo)電性 能良好、耐化學(xué)和電化學(xué)腐蝕的材料，如石墨片、碳纖維、不銹 鋼片或鈦片。
6、 如權(quán)利要求1所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其 特征在于所述的電極引線(5)采用導(dǎo)電性能良好、耐化學(xué)和 電化學(xué)腐蝕的材料，如石墨片、碳纖維、不銹鋼片或鈦片。
7、 如權(quán)利要求1所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其特征在于所述的支撐板(7)采用具有機(jī)械強(qiáng)度的塑料板或有機(jī)玻璃板，厚度在2 10mm。
8、 如權(quán)利要求3所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其 特征在于所述的均相膜是主要由丁苯橡膠、纖維素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯和聚丙烯腈中加入苯乙 烯、甲基丙烯酸甲酯聚合成膜，或采用甲醛或苯酚單體聚合制 得。
9、 如權(quán)利要求3所述的一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其 特征在于所述的非均相膜是主要由離子交換樹脂與聚苯乙烯、 聚氯乙烯混合成膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及電容去離子裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種高效率節(jié)能型隔膜電容去離子裝置，其特征在于在隔板(1)與電極(3)之間加入離子交換膜(2)，所述的上下支撐板(6)上均設(shè)有水口(7)，上下兩個(gè)水口的位置相錯(cuò)排列。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，采用致密多孔的碳基材料作為電容去離子電極，并加入離子交換膜，使器件薄而輕，結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，提高了吸附的性能，降低了電極工作時(shí)所加電壓，從而大大降低了器件的能耗以及制造和使用成本，離子吸附效率高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、功耗低、響應(yīng)速度快和可重復(fù)使用等。
文檔編號(hào)C02F1/46GK101337717SQ20081004073
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者卓 孫, 李海波, 潘麗坤, 陽(yáng) 高 申請(qǐng)人:上海納晶科技有限公司