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TW200815294A - Non-faraday based systems, devices and methods for removing ionic species from liquid - Google Patents

Non-faraday based systems, devices and methods for removing ionic species from liquid Download PDF

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TW200815294A
TW200815294A TW96131286A TW96131286A TW200815294A TW 200815294 A TW200815294 A TW 200815294A TW 96131286 A TW96131286 A TW 96131286A TW 96131286 A TW96131286 A TW 96131286A TW 200815294 A TW200815294 A TW 200815294A
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TW
Taiwan
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electrode
substrate
conductive
porous
carbon
Prior art date
Application number
TW96131286A
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English (en)
Inventor
Wei Chang
Yu Du
Wei Cai
Rihua Xiong
Lei Cao
Original Assignee
Gen Electric
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Publication date
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Description

200815294 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於用於自流體移除離子物種之系統及裝 置，且更特定言之，係關於利用非法拉第電極之電透析 及/或倒極式電透析糸統、裂置及方法。 【先前技術】 使用電透析分離溶液中離子物種為吾人所知。例如參見 吳國專利第4,539，091號。已知之用於分離溶液中離子物種 之電透析方法基本上包含用於選擇性通過陽離子之陽離子 交換膜與選擇性通過陰離子之陰離子交換膜在一對電極之 間交替排列。在電極之間通過的直流電引起陽離子向陰極 轉移，且陰離子向陽極轉移。此等離子選擇性通過離子交 換膜。定位淡化槽及濃縮槽以接收離子溶液之分離部分。 自二十世紀六十年代早期以來，商業上已瞭解電透析 (ED)。已知之電透析方法依賴於以下一般原理··溶解於 水中之大部分鹽為離子的，帶正電（陽離子）或負電（陰離 子）；（2)該等離子吸引至具有相反電荷之電極；及（3)可建 構膜以選擇性通過陰離子或陽離子。 離子溶液中所溶解之離子組份（諸如Na+、Ca2+及c〇32-) 刀政於水中，有效中和其個別電荷。當連接外部直流電源 (諸如電池）之電極置於包括鹽水之電路中時，電流通過鹽 水，且離子傾向於向具有相反電荷之電極遷移。例如且尤 其參見圖1，展示電透析系統1〇，其包括一陰極12及一陽 極24此外，系統10包括一第一陽離子轉移膜14、一陰離 121844.doc 200815294 子轉移膜18、一第二陽離子轉移膜22及一直流電源26。閉 合包括電源26、陽離子12及陰離子24之電路後，鈉離子 (Na+)向陰極12遷移，而氯離子（ci_)向陽極24遷移。此遷移 導致單輸入受損水流分成去礦質產物流16及濃縮流2〇。 自二十世紀七十年代早期以來，已瞭解倒極式電透析 (EDR)技術。除EDR之電極性經常倒轉外，EDR系統以與 標準電透析系統相同之一般原理操作。一小時相隔數次， 將電極極性倒轉，且同時轉換流動，使得鹽水通道成為產 物水通道，且產物水通道成為鹽水通道。此倒轉之基本原 理在於藉由隨時間交替鹽水通道與產物通道（含有淡化水） 來倒轉產物通道。倒轉方法用於在單元中水垢、泥渣及其 他沈積物可逐漸形成及產生問題前分散及沖洗該等物質。 沖洗使該單το以較少預處理化學物質操作，最小化膜淤 塞。 已知之用於海水之電透析系統及方法包含使用法拉第反 應。法拉第反應為發生在電池及電解池中電極與電解質之 間的反應或當電通過電解質時發生在電解質中之反應。重 要特欲之-在於其為電子轉移過程。電子轉移反應由發生 在每-電極處之還原反應及氧化反應組成。#化學物種經 由遷原反應獲得電子時，稱化學物種被還原，i當其經由 氧化反應失去電子時，其被氧化。法拉第反應之實例提供 於下文中。舉例而t ’在以下所示反應中，物種b氧化成 A， B =A+e_ ; 121844.doc 200815294 其中Β·為處於其還原態之物質，且A為處於其氧化態之物 質。其他實例包括： 2Cr=Cl2+2e* ； A 2H++2e-=H2 0 已知之ED與EDR系統之缺點包括系統設計之複雜性、發 生在系統（尤其膜）内結垢及淤塞之量及歸因於源自法拉第 反應之腐蝕的低電極壽命。特定言之，鹽水中氯引起腐 餘，尤其膜的腐蝕，此降低了膜的有效壽命。此外，氣體 (陽極處氧及陰極處氫）放出需要除氣機，此增加了利用 及/或EDR技術之複雜性及脫鹽設備成本。 【發明内容】 本發明包括關於離子物種移除系統之實施例，該離子物 種移除系統包括一電源、一用於輸送液體通過系統之泵及 複數個多孔電極。每一多孔電極包括一導電多孔部分。 本發明包括關於用於形成一多孔電極之方法之實施例。 该方法包括形成包括電極材料之漿料，且將漿料塗佈於一 基板上。 本發明包括關於一多孔電極之實施例，該多孔電極包括 表面積在10-10000 m2/g之範圍内的一導電多孔部分。 此等及其他優點及特徵在結合附圖提供之本發明之較佳 K方也例的以下實施方式中將更易理解。 【實施方式】 圖2及3描述根據本發明之實施例之離子物種移除系統。 參見圖2及3，展示一用於自液體移除離子物種之ed系統 121844.doc 200815294 110，其包括進料槽112、一進料泵114、一過濾器116及一 膜堆璺130。離子物種自其移除之液體可例如為可在多種 應用（諸如水純化、廢水處理及礦物移除）中遇到之受損供 水。此外’液體可能需要離子物種移除之可應用工業包括 (但不限於）水處理（water and pr〇cess)、製藥及食品及飲料 工業。雖然本文所述之離子物種移除系統之實施例（諸如 ED系統11〇)可用於其中離子物種待自液體移除之任何應 用’但為達成示範之目的，根據水純化系統（諸如脫鹽系 統）僅描述ED系統11〇。膜堆疊13〇包括交替之陽離子轉移 膜122與陰離子轉移膜124以及一多孔陰極125及一多孔陽 極127。諸如受損水（如鹽水）之液體藉由一輸入線ιΐ3自進 料水槽112轉移至進料泵114，進料泵！ 14抽吸鹽水使其通 過過濾器116。過濾器用以防止可能存在於進料水中之小 顆粒進入膜堆疊且淤塞或堵塞堆疊。接著經過濾之鹽水劃 分至一稀薄物流管線丨丨8及一濃稠物流管線12〇。藉由將鹽 水劃分至兩股物流管線118、120,能夠分開控制兩股流之 流動速率。物流管線118、12〇均通過膜堆疊13〇，以進一 步將濃縮物分入濃稠物流管線12〇。 菖來自一DC電源132(圖3)之直流電源通過電極125、127 犄’ ％離子及陰離子向相反電極遷移，藉此引起鹽水分成 濃稠物流管線及稀薄物流管線。應瞭解雖然圖3中展示一 DC電源，但可使用其他電源。舉例而言，代替電源 132，可使用一 AC電源、一具有短暫持續時間脈衝電流之 DC電源或一具有短暫持續時間脈衝電流之Ac電源。在來 121844.doc 200815294 自DC電源132之直流電下’淡化室中陽離子向陰極⑵遷 移且通過陽離子交換膜122至靠近陰極125之濃縮室，而淡 化室中陰離子向陽極127遷移且通過陰離子㈣膜a*至靠 近陽極127之濃縮室。藉由此方式 凡乃忒，使淡化室中進料水除 去鹽分，形成所謂稀流。同時，雖然在濃縮室中，陰離子 及陽離子亦傾向於向相反電極遷移，但此等遷移由:有反 離子交換能力之膜阻斷。亦即，離子僅可自淡化室遷移至 濃縮室而不可自濃縮室遷移至淡化室。因此，濃縮室中進 料水濃度增加，此為濃流形成之原因。 已知之ED及EDR系統利用氧化或還原過程之法拉第反 應。參考本發明之實施例所描述之非法拉第過程為靜電過 程，其中在該過程中無電子轉移。為有效利用印及/或 EDR系統中非法拉第過程， 而要使用低電壓或使用高表面 積電極。此需要在以下電荷·電源等式中說明： q=cv， 其中q為電荷，C為電容，及V為電壓。根據此等式，若電 容大，則電壓減至最小，且相反，若電容小則電塵增至最 大。 尤其參見圖4’接著描述高表面積多孔電極，諸如電極 125、U7。多孔電極125、m包括—基板129及一多孔部 =3卜基板129可由任何合適金屬結構形成，諸如板 格、荡片或薄片。料，純129可由合料電材料形 诸如不鏽鋼、石墨、鈦、麵、銥、錢或導電塑膠。此 外’金屬可未經塗佈或經塗佈。一此類實例為經翻塗佈之 121844.doc 200815294 不鏽鋼網格。在一實施例中，基板129為鈦網格。在其他 實施例中，基板129為不鏽鋼網格、石墨網袼或鈦板。 多孔部分可由具有高表面積之任何導電材料或複合物形 成。該等電極材料之實例包括碳、碳奈米管、石墨、碳纖 維、碳織布、碳氣凝膠、金屬粉末（例如鎳）、金屬氧化物 (例如氧化釕）、導電聚合物及任何以上材料之任何混合 物。應瞭解整個電極125、127可足夠多孔及導電，使得無 需一基板。亦應瞭解基板可由經導電塗層（諸如麵、鏠 (Rh)、銥（lr)或任何以上金屬之合金）塗佈之非導電材料形 成。 形成夕孔部分131之方法產生而表面積，使電壓減至最 小。離子物種可利用多孔部分131之高表面積。藉由使多 孔部分131與離子電解質接觸，電極之表觀電容可在帶電 b非$ 1¾。當多孔電極帶電作為陰極時，電解質中陽離子 在靜電力下吸引至多孔電極表面。雙電層電容器可藉由此 方式形成。在電容增強下，當在兩電極125、127之間施加 電流時可帶之電荷量亦可增強，接著電極上電壓達到水解 極限。 現參見圖5，展示EDR系統210形式之一離子物種移除系 統，其包括一對進料泵214a，b、一對變頻驅動器216〇及一 對將膜堆疊130夾在中間之換向閥228〇。進料泵21夂用以 自進料槽（未圖示）牽拉鹽水。接著經抽吸之鹽水劃分至一 對物流管線221、223。變頻驅動器216a控制進料泵21必之 速度。進料泵214b抽吸一部分鹽水使其通過物流管線 121844.doc 11 200815294 223，且其速度由變頻驅動器216b控制。一壓力指示器22〇& 及一電導計222&位於第一換向閥228&上游之物流管線221， 而一壓力指示器220b及一電導計222b位於第二換向閥228b 下游之物流管線221。壓力指示器220a，b用以量測及控制分 別在膜堆疊130上游及下游之流221之壓降。電導計222a b 監測物流管線221中水的電導率。 定位一壓力差指示器226a以監測膜堆疊130上游之物流 管線221與223之間的壓力差，而一壓力差指示器226b位於 膜堆疊130之下游以監測物流管線221與223之間的壓力 差。重要的是保持兩物流管線221與223之間的壓力差在一 定程度以確保最小反向擴散。 定位一流量指示器224以監測及控制物流管線22 1中流體 流動之量。定位一流量指示器232以監測及控制物流管線 223中流體流動之量。一流回線229自膜堆疊130之下游物 流管線223延伸，且傳輸流體回到進料泵214b之上游。 換向閥228a，b使流體通過膜堆疊130之流動週期性換向。 同時流動之換向為膜堆疊130中電極極性之換向。在極性 及流動換向後立刻傾倒足夠產物水，直至堆疊及線沖洗， 且恢復所需水品質。 流經物流管線22 1之流體最後分成一不合格產物線234及 一產物線236，而流經物流管線223及換向閥228b之流體經 由流回線229及泵2 14b部分流回物流管線223，且其他部分 以濃縮物形式在一濃縮物排放線238中離開系統210。對物 流管線221而言，分成不合格產物線234及產物線236由電 121844.doc -12- 200815294 導計222b控制。當流出物之電導率在產物規格内時，物流 笞線221轉換至產物線236，否則其轉換成不合格線234。 對物流管線223而言，其分成流回線229及排放線23 8。以 上兩條線之流動速率由預定水回收率決定。在較高水回收 率下使用較小排放流量’且在較低水回收率下使用較大排 放流量。 應瞭解ED系統110&EDR系統21〇不包括除氣機。雖然在 ED系統11〇及EDR系統21〇中未利用法拉第為基礎之反應， 但改為利用非法拉第過程。非法拉第過程之靜電性質意謂 在ED系統11〇及EDR系統21〇中不形成待用除氣機移除之氣 體。此外，膜堆疊130中之膜可能比已知之ed&edr系統 中之膜需要更少清潔程序且具有t長有效壽命。 現參見圖6，接著討論用於形成一諸如電極i25、之 多孔電極的方法步驟。在步驟3〇〇，將一部分電極材料懸 浮於水中。對電極面積為^ cmxl5 cm(225咖2)而言， 應使用約22.5至2250毫克之電極材料。接著，在步驟 305添加不溶於水之黏合劑，例如氟化物聚合物，諸如 聚四氟乙烯㈣Ε)或聚乙浠二氟-乙烯（pvDF)。在一實施例 中，添加介於6 wt%_ wt%之間的量之pTFE。在一態樣 I可添加呈20-60%之水性乳液形式之pTFE。應瞭解不 溶於水之黏合劑可在攪拌下添加。在步驟31〇，執行進一 步授動’直至形成均句分散糊狀物。在步驟315，乾燥混 合物。：-實施例中，在諸如1〇〇。。之高溫下，乾燥混合 物。接者’在步驟320，將混合物懸浮於乙醇中以形成漿 121844.doc -13 - 200815294 料、。應瞭解混合物可懸浮於以水、醇為基礎之液體或乙醇 ^合液中而代替懸浮於乙醇中。接著，在步驟奶，將裝 砷k佈在集電器或基板上，諸如基板129，且在空氣中 、中乂形成具有與一導電基板相鄰接之一多孔部分的一電 極Y接著，在步驟330,可在高壓下壓製電極且在高溫下 、’電極以產生最終電極。高壓之實例在8與15兆帕斯卡 之間且阿溫之實例為約8 0°C。經由此過程，最終電極形 成，成為高表面積電極，諸如電極125、ι27。在一實施例 _ 巾電極材料之表面積可在10-10000 m2/g之範圍内。 雖然已結合僅限制數量之實施例來詳細描述本發明，但 應易於瞭解本發明不限於該等所揭示實施例。相反，本發 明可經修改以併入迄今未描述但與本發明之精神及範圍相 等之任何數量的變化、改變、取代或等效安排。舉例而 雖述本發明之實施例已針對脫鹽系統，但應瞭解本發 月之實％例對離子物種自流體移除之通用過程（諸如水純 Φ 化、廢水處理、礦物移除等）而言均可應用。可應用工業 包括（但不限於）水處理、製藥及食品及飲料工業。此外， 雖然已描述本發明之多個實施例，但應瞭解本發明之態樣 可僅包括某些所述實施例。因此，本發明不應視為受前面 - 描述限制’而僅受隨附申請專利範圍之範疇限制。 【圖式簡單說明】 圖1為已知之電透析方法之示意圖。 圖2為根據本發明之一實施例建構之一電透析系統示意 圖0 121844.doc -14· 200815294 圖3為圖2之電透析系統中電流動示意圖。 圖 圖4為根據本發明之一實施例建構一 。 母 夕孔電極之示意 ^為根據本發明之-實施例建構之—倒極式電透析系 統的示意圖。 圖6展示用於形成根據本發明之一實施例之一多孔碳電 極的方法步驟。 【主要元件符號說明】 10 電透析系統 12 陰極 14 第一陽離子轉移膜 16 去鑛質產物流 18 陰離子轉移膜 20 濃縮流 22 第二陽離子轉移膜 24 陽極 26 直流電源 110 ED糸統 112 進料槽 113 輸入線 114 進料泵 116 過濾器 118 稀薄物流管線 120 濃稠物流管線 121844.doc * 15- 200815294
122 陽離子轉移膜 124 陰離子轉移膜 125 多孔陰極 127 多孔陽極 129 基板 130 膜堆疊 131 多孔部分 132 DC電源 210 EDR系統 214ajb 進料泵 216a,b 變頻驅動器 220a,b 壓力指示器 221 、 223 物流管線 222a，b 電導計 224 流量指示器 228a,b 換向閥 229 流回線 232 流量指示器 234 不合格產物線 236 產物線 23 8 排放線 300 將電極材料懸浮於溶液中 305 添加不溶於水之黏合劑 310 擾動混合物 121844.doc -16- 200815294 315 乾燥混合物 320 將混合物懸浮於溶液中 325 將漿料塗佈於基板上 330 完成電極 121844.doc -17-

Claims (1)

  1. 200815294 十、申請專利範圍： 1 · 一種離子物種移除系統，其包含： 一電源； 一用於輸送液體通過該系統之泵；及 複數個多孔電極，各包含一導電多孔部分。 2 ·如明求項1之系統，其中該等多孔電極經組態以經由养 法拉第過程自該液體移除離子物種。 3 ·如明求項1之系統，其中該系統為一倒極式電透析系
    統0 4. 如請求項1之系、统，其中該系統為一電透析系統。 5. 如請求項4之系統，其包含分別用於輸送經預過濾之稀 j部分及濃稠部分穿過該複數個多孔電極的一稀薄物流 官線及一濃稠物流管線。 月求項1之系統，其中該等多孔部分之每一者的表面 積在10-10000 m2/g之範圍内。 7·如明求項1之系、、统，其進一步包含—與該多孔部分相鄰 基板，且其中該基板為來自由板、網袼、箔片及薄 片組成之群之一者。 ' 8. 9. 10. ^明求項7之系統，其中該基板由來自由不鏽鋼、石 ^鈦及導電塑膠組成之群之材料形成。 如明求項8之系統，其中該·基板由經 導電材料形成。 金曰堂佈之非 如明求項9之系統，其中該導電塗層包含鉑 奚厶A. % 銀或 121844.doc 200815294 u·如凊求項丨之系統，其中該多孔部分包含選自由下列各 材料組成之群之電極材料：碳、碳奈米管、石墨、碳纖 維、碳織布、碳氣凝膠、金屬粉末、金屬氧化物、導電 聚合物及其任何組合。 如明求項1之系統，其中該電源為一 Dc電源、一 電 源、一具有短暫持續時間脈衝電流之〇(：：電源或一具有短 暫持續時間脈衝電流之AC電源。 13·如明求項！之系統，其中該系統經組態用於水純化、廢 水處理、礦物移除、製藥及食品及飲料製程。 ^ 14. 一種用於形成一多孔電極之方法，其包含·· 形成包含電極材料之漿料；且及 將該漿料塗佈於一基板上。 15’如明求項14之方法’其中該形成包含形成包含選自由下 列各材料組成之群之電極材料的漿料：碳、碳奈米管、 石墨、奴纖維、碳織布、碳氣凝膠、金屬粉末、金屬氧 化物'導電聚合物及其任何組合。 16·如請求項14之方法，其中該形成包含： 將電極材料糊狀物懸浮於溶液中； 將不/合於水之黏合劑添加至該溶液中以形成混合物； 授動該混合物；及 將該混合物黎注# 土她 …予於去離子水溶液、醇為基礎之溶液、 乙醇溶液或乙醇水溶液中。 17·如請求項16之方法，^ , * 其中該形成包含在懸浮該混合物前 乾燥該混合物。 121844.doc 200815294 如明求項16之方法’其包含對該電極進行最後加工。 如明求項18之方法，其中該最後加工包含在高壓下壓製 該電極及在高溫下乾燥該電極。 2〇·如請求項14之方法，其中該塗佈包含將該聚料塗佈於由 選自由下列各材料組成之群之材料形成的一基板上:不 鋪^鋼、石墨、叙、私 、友鉑、銀、鍺及導電塑膠。 如明求項14之方法，其中該塗佈包含將該聚料塗佈於
    =、網格、箱片或薄片形式之一基板上。 、 種夕孔電極’其包含表面積在10-1⑽⑽m2/g之範圍内 的一導電多孔部分。 23·如請求項22之電極’其進-步包含-與該多孔部分相鄰 接之基板。 24·如凊求項23之電極，其中該基板為來自由板、網袼、落 片及薄片組成之群之一者。 25·如請求項23之電極，其巾該基板由選自由下列各材料組 成之群之材料形成：不鏽鋼、石墨、鈦、銘、銀、鍺及 導電塑膠。 其中該電極由用導電塗層塗佈之非 26.如請求項23之電極， 導電材料形成。 121844.doc
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