[发明专利]去离子装置中使用的电极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种电化学分离电极，其用于除去离子，并控制、氧化和减少水、液体和其它水性工业生产液流中的污染物和杂质，以及在再生工序期间将去除的离子置于溶液中。本发明进一步涉及制造该电极的方法。

背景技术

现有许多不同的体系用于从污水或其类似物中分离出离子和杂质。例如，惯用方法包括但不限于离子交换、反渗透、电渗析、电沉积和过滤。近几年来，许多装置已被推荐用于污水等的去离子和随后的再生。

US 6309532公开了一种用于去离子和净化污水的装置。该分离装置采用一种被称作电容性去离子(CDI)的工艺，且与其它传统离子交换法相比，该工艺不需要化学试剂，不管是用于再生系统的酸、碱还是盐溶液，但该系统使用电能。在去离子(净化)循环期间，将包含多种阴离子和阳离子、电偶极子、和/或悬浮粒子的待处理电解质流，通过大量的电化学电容性去离子单元。这样单元中的电极吸引相反电荷的微粒或粒子，从而将其从溶液中除去。

这样，该系统对进水和排水进行去离子和净化。例如，一种系统包括有许多去离子单元的槽，该去离子单元由两种不同类型的非牺牲(non-sacrificial)电极形成。一种电极由基于碳的惰性碳基质(ICM)组成。当施加电流时该电极将粒子从水溶液中除去并保留。另一种电极，由导电材料形成，在施加电流时不除去或除去较少数的粒子，因此被分类为非-吸收性的(“非ICM电极”)。这种性质是在水溶液的电场中不降解的碳纤维布、石墨、钛、铂及其他导电材料形成的电极所共有的。非ICM碳电极形成双电极，其具有一对相互电离析(electrically isolated)的导电表面。

相应的，在一个实施方案中，装置包括许多导电非牺牲电极，各自为平板形式，共同以相反电荷对形成去离子单元。在工作期间，一对邻近电极间产生电势电位差。这是通过将电压源的一根导线连接到一个电极，另一根导线连接到与该电极邻接的另一电极，从而在其间产生电势电位差。

为了构造稳定坚固的ICM电极，用强化剂来加强高表面积吸收材料。一般的，强化剂为碳源的形式，例如碳毡、粒状碳或碳纤维；当然，其还可以为碳/纤维素或碳硅石混合物的形式。碳源被用作电极形成中的强化物，其可以不同的形式进入，重要的是碳强化物是导电的且不会减少电极的导电率。所选的碳源容许电极具有必要的导电性，且必须完全地分散在形成ICM电极的其它材料中，即间苯二酚-甲醛溶液，其随后固化，或在基质中能够吸收相似量溶液并随后固化。

包含纤维强化物的现有技术电极的非均一性，影响了它的吸收性和电性质。更具体地说，作为碳强化物的碳纤维的使用提供较少的粒子附着位点，在除去正离子和负离子中电极也趋向较少的平衡。因此，希望制造出同质电极，其坚固且强化特性提高，而没有使用传统的纤维强化。

发明内容

根据一个方面，本发明主要涉及一种系统或装置，用于去离子和净化进水或排水，例如生产用水和排出废水；更特别的，涉及一种非牺牲电极及其制造方法。本发明的电极采用微粒强化(优选与电极自身相同化学组成的微粒强化材料)，而不需要基于碳纤维的强化。

用于本发明去离子装置的电极一般通过优先将粒状导电碳材料引入由溶剂和聚合剂形成的液体中来制造。强化材料被固化和碳化，随后优选被机械加工为电极。

根据一个典型的实施方案，制造该电极的工艺包括以下步骤：(1)制备第一液体，包括至少一种聚合单体溶于第一交联剂(交联试剂)中，(2)用溶剂和第一液体混合物湿润粒状导电碳材料，(3)将第二交联剂加入第一液体、溶剂、导电碳材料混合物中，(4)将该混合物在足够温度下保持充足的时间直到混合物聚合为固体和(5)将固体在足够温度下碳化充足的时间，这样固体碳化为导电衬底。

粒状导电材料可商业购买或通过以下形成：(1)将选自二羟基苯、二羟基萘、三羟基苯和三羟基萘及其混合物的至少一种材料溶解于第二交联剂中形成第二液体，(2)将第二液体在足够温度下保持充足的时间直到第二液体聚合为固体(坯件)，(3)将坯件在足够温度下烧制充足的时间，这样坯件碳化为导电元件，和(4)待坯件冷却后进行加工，将碳化坯件碎裂为粒状导电碳材料。