[发明专利]用于软化水的基于嵌入的材料和过程

说明书

一种用于从水流中去除离子的装置包括第一电极以及在所述水流中与所述第一电极相对的对电极。所述第一电极包含能够嵌入所述水流中的Mg²⁺和Ca²⁺离子中的一者或两者的至少一种材料。所述对电极可以包括能够结合所述水流中的阴离子的材料。

优先权声明

本申请是来自于2018年11月13日提交的并且题为“Intercalation-based materialsand processes for softening water（用于软化水的基于嵌入的材料和过程）”的美国临时申请No.62/760,862的实用新型申请并且要求其优先权，所述美国临时申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本公开内容涉及水的电化学处理，并且更具体地涉及水软化装置，其并入被配置成嵌入目标离子的电极材料。

背景技术

然而，来自传统安全源（诸如市政水源）的水或来自井的饮用水可能具有水消耗者较不期望的质量。例如，来自饮用水源的水可以在味道、气味、浊度、细菌和/或病毒污染、重金属污染、硬度、矿物沉积物和/或这些水质参数的组合方面显著变化。水硬度的质量参数涉及在给定体积的水中存在的钙离子（Ca²⁺）和/或镁离子（Mg²⁺）的浓度。钙和/或镁以盐的形式存在于饮用水中，所述盐通常以硫酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐或氯化物的形式可溶。所述可溶性盐通常被离子化成使得水包含相对高浓度的钙离子和/或镁离子。

水通常根据硬度分类为“软水”或“硬水”。水越硬，则每体积中钙和/或镁离子的浓度越高。通常不期望硬水，因为其可能导致管道系统、固定装置和器具中的结垢，并且可能影响这些系统和装置的性能。例如，来自热水加热器的热从水中去除一些碳酸钙和碳酸镁，从而导致可能减慢加热过程并增加能量使用的结垢。与硬水一起使用的清洁剂通常不太有效。在硬水中洗过的衣服可能随时间变得昏暗和变灰，并且感到粗糙或刺痒。玻璃器皿在干燥时可能变得有斑点。膜可能留在淋浴门或淋浴帘、墙壁和浴盆上，并且在硬水中洗过的头发可能看起来暗淡并且感到不干净。从硬水去除钙离子和/或镁离子的过程通常称为水软化。

存在用于从水中去除离子的多种现有技术，每一技术具有优点和缺点，其使得不同技术针对给定应用或多或少是可取的。反渗透（RO）和现代热蒸馏在从水中全面、非选择性地去除离子（即，去离子化）方面是有效的技术。由于这些技术从盐中去除水，因此当初始离子负荷相当高时（诸如在海水脱盐的情况下），其最有利。然而，由于需要大量能量输入，因此RO和热蒸馏技术通常遭受高成本。用于从水中去除离子的另一技术包括电化学技术，诸如电渗析或电吸附（即，电容性去离子化）。这些技术通常使用离子交换膜和/或高表面积碳结合所施加的电势将离子从水中吸出到电极并且限制解吸附来从给水去除离子。因此，电渗析和电吸附对于微咸水源或需要从水流部分地去除离子的应用更具吸引力。

市政水软化的最常用技术是离子交换。在离子交换软化系统中，软化装置在工作时使用离子交换树脂来用钠离子替换给水流中的钙离子和镁离子。虽然离子交换系统可以比CDI系统回收稍微更多的水，并且离子交换系统中的能量消耗通常比利用CDI系统时低，但是离子交换确实具有一些缺点。由于用钠离子替换钙和镁离子，因此经软化的水可能尝起来是咸的。另外，离子交换系统必须定期再充填钠离子。这需要用户程式化地向系统添加盐以维持系统效率，这可能是用户的负担。此外，具有大量硬水的地区中的盐水废物流可能给当地水处理厂和环境造成负担。由于此负担，一些市政当局已经完全禁止加盐软水剂。

用于从水中去除离子的另一技术包括向电吸附平台添加嵌入主体以形成“脱盐电池”或类似混合系统。向电吸附平台添加嵌入主体提供许多优点。例如，使用嵌入主体的系统可以比碳基电容性去离子化（CDI）系统具有更高可用容量，这提高效率并减少电极磨损。另外，由于嵌入主体并不依赖于高表面积来实现高容量，因此比起典型CDI电极，其较不易于积垢。此外，嵌入化合物（intercalation compound）可被配置成从水流中去除特定目标离子，当水满足给定应用的大多数质量标准但不是全部的质量标准时，这是有利的。