[发明专利]混合式电极的电容去离子装置

说明书

技术领域

本发明是关于一种可通过表面吸附离子的方式进行水处理的流通电容器(Flow Through Capacitor；FTC)的单体结构。详言之，本发明是利用一种电容器架构减少水中总溶解固体量(Total Dissolved Solids；TDS)，其中该电容器架构是由多个单极性电极与多个双极性电极组成，且通过此一架构，带电电极内所形成的静电场可在水流通过时吸附水中所含离子。

背景技术

海水是地球上最丰沛的地表水，但由于内含极高浓度的盐份及来自陆地或水面航行船只的多种污染物，因此亦为最难净化至饮用水标准的水源。就商业规模而言，逆渗透法(RO)及蒸馏法(尤其是多级闪蒸法(MSF)是两种最广为使用的海水淡化技术。逆渗透法的优点在于技术成熟、普及性高、以及价格平价化，缺点则为水回收率偏低、对表面活性剂等等化学物的抵抗力偏低、以及工作温度的范围偏低。至于多级闪蒸法及其它蒸馏法的优点则为不论进给水的组成为何，其产出一定体积的洁净水及高净度水产品所需的能源消耗量均相同。但所有热处理法均有设备成本偏高及高耗能等等缺点，例如仅MSF循环泵本身的用电量便超过海水逆渗透法(SWRO)的整体运转耗能。然而，逆渗透法与多级闪蒸法均须以化学物进行关键构件的再生，故均会产生二次污染；上述关键构件是指逆渗透法的多孔膜、及多级闪蒸法的冷凝器(及锅炉)。

就耗能与二次污染而言，电容去离子技术(CDI)是一种优于逆渗透法及多级闪蒸法的去盐技术。电容去离子技术与多级闪蒸法相似之处在于“不论进给水的组成为何，均可处理”；意即电容去离子技术与多级闪蒸法均不需对进给水进行繁复的前置处理；但若使用逆渗透法则有此必要，否则逆渗透膜将因而毁坏。逆渗透法的前置处理既需使用化学物又增加耗能，因而产生二次污染。电容去离子技术则是利用一直流低电压，从穿过其关键构件亦即一流通电容器的水流中吸附离子。电容去离子技术吸附离子的过程即为电容器的充电过程，其速度快且耗能极少。在生产相同体积、相同水质的水产品时，电容去离子技术的耗能仅海水逆渗透法的三分之一。因此，在以上三种去盐技术中，电容去离子技术的耗能最少。此外，流通电容器模块饱和后的再生作业是一简易的电容器放电过程，其不但释出可供直接取用的电力，亦释出处于原始状态且可供回收的宝贵离子。因此，电容去离子技术不仅可用于生产淡水，实为一含有附加价值的水处理技术。

电容去离子技术已问世逾三十年，例如在美国专利第3,515,664号及第3,658,674号中便已揭示此项技术。而在过去二十年中所积极推广的电容去离子技术，是以碳气凝胶作为一板框总成单体内的离子吸附媒介，并以此作为流通电容器的基本设计。举例而言，先前技术可见诸美国专利第5,192,432号、第5,425,858号、第6,096,179号、第6,309,532号及第6,569,298号等，都是以碳气凝胶作为一板框总成单体内的离子吸附媒介。此外，流通电容器亦可使用其它吸附剂，例如美国专利第4,072,596号所使用的金属氧化物触媒、美国专利第6,410,128号所使用的石墨、及美国专利第6,462,935号所使用的活性碳。在各种离子吸附媒介中，以活性碳最适合流通电容器，此是因活性碳可以低成本提供较大的表面积。

另外，流通电容器内的液体流路(liquid flow path)及流型(flowpattern)是另外两项决定流通电容器运转效能的重要因素，其重要性与吸附材质不相上下。先前技术的板框单体是使用一蛇形流型，并搭配0.05公分的电极间隙。然而其流路偏长，间隙偏小，不利于液体通过流通电容器；且不仅在电容去离子作业的去盐阶段会产生压力降，在流通电容器重设时亦难免发生交互污染。除上述缺点外，如美国专利第5,192,432号及第6,462,935号所述，以同心卷绕法制备的蛋糕卷形流通电容器尚有水流以均匀分布的方式流入该流通电容器圆柱形流道的问题。综言之，流速低、电极使用效率低以及流通电容器再生作业耗时费水，均导致电容去离子技术无法成为一可行的商用水处理技术。