CN1607183A - 流体去离子装置和降低液体中的微生物和离子浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有去离子池(80)的装置，各池具有两个不同的电极(20，22)。所述第一电极(22)由从雷琐酚、甲醛、碳增强剂、催化剂及其反应产物制得的呈碳化形态的高表面积吸收性材料(“HSAAM”)来制备。所述第二电极(20)由非HSAAM材料来制备，如碳布或碳毡。各去离子池(80)具有单一的HSAAM电极(22)，其两侧每侧邻接非HSAAM电极(20)，相邻池不共有两种类型的任何电极。本发明还公开了HSAAM电极(22)的制备方法，其中使雷琐酚、甲醛与以碳纤维、碳毡或纤维素形态提供的碳增强剂的聚合混合物在控制的温度和限制的时间内固化，随后使得到的产物焙烧以使电极碳化。

Description

流体去离子装置和降低液体中的微生物和离子浓度的方法
本申请是申请号为CN98811876.9母案的分案申请。该母案的申请日为1998年10月5日；发明名称为“具有不同类型的非牺牲电极的去离子装置”。
技术领域
本发明涉及用于废水去离子及净化的碳气凝胶、电化学电池和系统。
背景技术
雷琐酚是一种在树脂、染料、粘合剂、药物及其它应用中公知的常用物质。它可以多种等级和形态来获得，如晶体、薄片、丸粒等。呈各种形态的雷琐酚可溶于水、醇、醚、苯、甘油、和甲醛中。
如Farmer的USP5425858中所公开的，雷琐酚可用于合成碳气凝胶。具体来说，可通过在微碱性介质中雷琐酚与甲醛缩聚、随后经超临界干燥和在惰性气氛中高温分解来制备碳气凝胶。如在这篇文献中所公开那样，由这种碳气凝胶形成的薄电极可用于电容性去离子应用中，该文献内容将其全文引入本文作参考。
然而，通过这种方法形成的薄电极板(约0.25mm厚)具有一些缺点。首先，它们对于工业规模应用来说过于昂贵，费用约为$1000/平方英寸表面积。其次，使用这些电极的装置仅在低于水电解的电压和电流下才可有效驱动。再有，所述板的薄的特性限制了去离子能力。所述薄板不是自支撑的，难以与其进行直接可靠的电连接。最后，这些电极粘合到钛板上，因而每一个这些板的一侧不能用作去离子表面。
发明内容
本发明针对的是一种去离子装置，其包括具有多个去离子池的槽。各个去离子池包括两种不同类型的三个非牺牲性电极。一个电极包括高表面积的吸收性材料(“HSAAM电极”)，其成形为具有朝向对面方向的两个侧面。HSAAM电极从所要去离子化的液体中除去离子。这种HSAAM电极与两个电极相连接，每侧一个，这两个电极不从所要去离子化的液体中除去离子。
所述槽的底部可提供用来导入空气的管道网络，各管道提供有小孔，空气可从所述小孔中逸出。经这些管道泵入的空气使所要去离子化的液体搅拌并混合，从而促进离子在HSAAM电极上的接触和捕集。
在本发明中的非-HSAAM电极呈碳布(CC)或石墨板电极的形态存在，所述碳布(CC)或石墨板电极粘附在平的非导电的结构支撑构件的两侧的每侧面上。在所述结构支撑构件的一侧上的非HSAAM电极与在所述结构支撑构件另一侧上的非HSAAM电极是电绝缘的。因而，每个非HSAAM电极与不同的HSAAM电极相关连。这便得到了去离子池，其包括第一和第二非HSAAM电极，每个设置在不同的结构支撑构件上，但朝向夹在其中的相同的HSAAM电极。
在去离子池中使用的HSAAM电极是通过首先将雷琐酚溶解在甲醛中以形成初始液体而制备的。添加催化剂以促进聚合并实现最终的HSAAM结构。向所述初始液体中引入预定数量的非牺牲性材料作为增强材料。通过在足够温度下加热混合物或加热混合物足够长的时间来添加足够热量，使得发生受控制的聚合且所述混合物达到足以支撑增强材料的稠度。然后使所得到的粘稠液体连续聚合以在模具中形成固体。随后首先将所得到的块料在烘箱中焙烧直到其碳化，接着对其进行机械加工以便随后用于所述装置中。
附图说明
本发明的这些和其它的特征、方面、和优点可从附图中看出，其中：
图1是按照本发明形成的装置的透视图。
图2A是本发明装置中使用的槽的图。图2B和2C表明了所述槽内固定所述HSAAM板的两种安置方式。
图3是设置成蛇形流动的图1装置的顶视图。
图4a和4b所示是由相邻电极形成的去离子池；
图5所示是具有三个串联连接的设备的装置。
图6A和6B所示为具有所有互相平行的电极的另一种实施方案。
图7所示为具有在其中形成的离子出口孔的槽的顶视图。
图8所示为沿图5所示路线构造的实验装置。
图9A-9E所示为使用图8装置的分批式操作的结果。
图10所示为自动去离子化装置的框图。
具体实施方式
图1所示为按照本发明制备的装置18。所述装置包括一些平行布置的、直立的电极20、22。如以下所讨论的，提供了两种不同类型的电极，且其是交替的。
所述装置的电极在基本为矩形的室或槽24中横向设置。所述槽本身包括一对侧壁26、28、一对端壁30、32、和平面的底板34。所述槽壁优选由玻璃、塑料、树脂玻璃或其它电绝缘的、不透水的材料制成。
形成在底部的入口36和在第一端壁上的出口38提供了在槽中去离子化的液体的进口和出口。另外，当需要蛇形流动时，如在图3中虚线路径所绘出的，入口也可在第二端壁上形成。再有，当采用单一的槽来对不同来源的液体去离子化，各液体中要除去的离子的极性和量不同时，可在底部、或侧壁上提供多个互相间隔的入口和出口。
在所述槽的底部是空气扩散器42，经由该扩散器来引入空气。如图2A中所示，所述空气扩散器包括许多平行布置的由苯乙烯或类似物制成的管道44，其上具有小的开口。管道44沿槽的横向延伸，且在优选的实施方案中，在两个面对的电极之间设置。当所述装置处于操作状态时，经由这些管道泵入空气以向槽中的液体通气并对其搅拌。其通过使所述槽内的液体混合并在充有相反电荷的电极之间搅拌离子而促进去离子化。
本领域技术人员显而易见，可使用等同的通气装置(手段means)来取代所述的设有开口的平行管道网络。例如，可提供活底板，在所述槽底板和活底板之间泵入的空气将穿过在所述活底板上形成的孔口。另一种可供选择的方案是在槽底板上设置基本上为平展的塑料气囊，一旦向所述气囊中泵入空气，所述空气就会经在所述气囊顶侧上的孔口而进入液体中。
在所述槽的所述侧壁26、28的朝内的表面上设置有一排也由苯乙烯或其它塑料模铸成的装配夹。所述装配夹46、48，如图2a所示，用来校直并保持插入到所述槽中的电极不动。根据所要设计容纳的电极20、22的物理和化学性质，装配夹46和48的尺寸、形状和材料可有所不同。
电极可在其各侧边直接插入相对的装配夹中。在这种情况下，就形成带有孔口50的电极，该孔口与电极插入装配夹处相邻，如图3所示。这一孔口50用来作为液体流经所述槽时液体穿过的通道。
另外，电极可经丙烯酸类垫片52直接由装配夹在其一或两端夹持，所述丙烯酸类垫片通过连接夹54固定在所述电极上。在这种情况下，可在丙烯酸类垫片自身上形成孔口56以使液体从中穿过。当由于结构、电学或其它原因，不能在电极自身上形成所述孔口时，这种布置是特别有利的。
此外，所述槽的底部34上可设置沿所述槽横向延伸的塑料防护件57，见图2B，或沟槽58，见图2C。这种防护件及沟槽使得可选择性地可滑动地向一侧壁或另一侧壁调整电极。当需要在从所述槽的一个端壁的入口至在相对的端壁处形成的出口之间，所述液体以蛇形流动方式流过各电极的各面时，这是特别有利的。作为电极可沿其滑动的防护件或沟槽的一种替代方案，底板的中央部分可设置狭槽，向所述狭槽中插入直立的底部钳夹或装有弹簧的保持器。而可按距两侧壁任何所需距离将电极的底边插入这些底部钳夹或保持器中。如上所述，可使用丙烯酸类连接杆来桥接电极的自由边与装配夹之间的间隙。
在所述槽的外侧壁上可设置汇流线60。各汇流线设置多个互相电绝缘的接线柱62，各接线柱布置成与相关的电极相连接。这使得可分别控制施加到各电极上的电压、和电流。可通过通用的电导线如弹簧夹或同等的连接装置使各接线柱与其相关的电极电连接。但更优选，各接线柱通过经非牺牲性石墨棒与对应的装配夹或对应的连接夹(如使用的话)连接的铜导线64来连接。然后当所述电极插入到装配夹或连接夹时，所述电极与石墨棒接触。为促进这种电接触，可以公知方式，将片状弹簧或类似物固定于导电带的端部。所述片状弹簧可然后紧固于其中插入电极边的的所述夹的槽中。
如上所述，在按照本发明制备的装置中使用了两种类型的导电、非牺牲性电极。在优选的实施方案中，成形为平板的第一种类型的电极其两侧的每侧与第二种类型的电极相邻接。所述三个电极一起构成了一个去离子池。在操作过程中，在第一种类型的电极与第二种类型的各个电极之间一般建立基本相似的电压电位。这通过将电压源的一个引线与第一种类型的电极相连并将同一电压源的一对共用引线与第二类型的两个电极的每一个相连。所述共用引线保证在第一种类型的电极与邻接所述第一种类型电极的第二种类型的各电极之间保持基本相似的电位。
所述第一种类型的电极(22)由基于碳的高表面积吸收材料来制备(“HSAAM电极”)。当施加电流时，这种电极从水溶液中除去离子并保留离子。在优选的实施方案中，所述HSAAM电极由雷琐酚、甲醛、至少一种碳纤维、碳毡和和纤维素、催化剂、和其反应产物以碳化的形态来制备。制备HSAAM电极的方法将在以下叙述。
所述第二种类型的电极(20)，虽然是由导电材料来制备，但当施加电流时，它不除去或保留离子，因而是非吸收性的(“非HSAAM电极”)。对于由碳布、石墨、金、铂、和其它在水溶液中的电场中不降解的导电材料制备的电极来说，这一性质是常见的。在优选的实施方案中，或由石墨、或更优选由碳布如由Zoltek出售的零件编号(partno.)PANEX 30编织纤维来制备非HSAAM碳电极。
如图4a中所示，所述非HSAAM碳电极20成形为双电极，即，其具有一对互相电绝缘的导电表面。所述双电极20通过将独立部件碳布72a、72b固定在3/8″厚的片状树脂玻璃74的两侧之一侧来制备。所述树脂玻璃用作非导电的、结构刚性的支撑件，并防止液体直接流过所述两片碳布。因而，可用玻璃、丙烯酸类及类似物来代替树脂玻璃。在优选的实施方案中，碳布通过环氧粘合剂固定在所述树脂玻璃片的两侧之一侧上。如本领域普通技术人员所公知的，可使用其它粘合剂、甚至机械固定装置如螺旋、钳夹及类似物来固定碳布(CC)电极。
一旦固定在树脂玻璃片74的两侧之一侧上，在一侧上的所述碳布72a如需要可与在同一片74的另一侧上的对等物72b电连接。但通常不是这样，因而可通过独立的电压源给所述树脂玻璃各侧上的碳布施加不同的电压。在这种情况下，在单一槽内的相邻的池可以不同的电压源来驱动。
如图4b中所示，在本发明的装置中，这些双面的非HSAAM电极20与HSAAM电极22在所述槽中交替排布，在任何给定时间可在各电极上施加单一的电压。因而，在本发明的装置中，HSAAM电极的一侧朝向固定在树脂玻璃的第一片74上的CC电极72b，而所述HSAAM电极的背面即第二侧朝向固定于树脂玻璃第二片78上的CC电极76a。以这种方式，各HSAAM电极22与一对其对应的非HSAAM布电极构成了去离子池80。端壁30、32具有固定于其朝内侧边上的碳布电极，所述电极构成池的部分。
在使用中，朝向相同HSAAM电极22的两个CC电极72b、76a通常保持在相同的极性和电压值下。另外，如需要，它们也可保持在不同的数值下，因为在汇流线60上各设有其独自的接线柱62。当在HSAAM电极22及其对应的非HSAAM电极72b、76a之间施加电压时，池80活化，在HSAAM电极22的两边上发生去离子化。优选，在单一池的两个非HSAAM电极上施加相同的电压值。但如在HSAAM电极的两侧每侧的两个非HSAAM电极具有不同的表面积，从而可保持不同的电流密度，则可以不同的电压来驱动它们。
HSAAM电极可相对于非HSAAM电极带正电荷或带负电荷。当所述HSAAM电极带正电荷时，它吸引、吸收并保持阴离子。这造成在所述池的紧邻近区域中的水的PH上升，或变得更呈碱性。当所述HSAAM电极带负电荷时，它吸引、吸收并保持阳离子，从而降低水的PH，并使之更呈酸性。
由于各HSAAM电极22在其两边邻接属于它自己的一对CC电极，所以在相同槽内的相邻去离子池可用来除去不同类型的离子。因而，如在同一槽的底部或侧边上提供成对的间隔设置的入口或出口，则最接近这些入口的去离子池可被活化，使得第一组池除去第一种类型的离子，第二组池除去第二种类型的离子。相似的，当需要蛇形流体流动时，所述流体遇到的上游第一组池被活化以除去第一种类型的离子，而下游第二组池被活化以除去第二种类型的离子。
在给定的槽中，通常存在多个池。为使在所述槽中的水完全去离子化，带负电荷和正电荷的HSAAM电极两个都应存在。一般，应对带正电的和带负电的池施加不同的电压以实现离子的去除，且带正电和带负电的池的数目可不相同。这使得带正电和负电荷的HSAAM电极独立地被活化并处于不同的电压数值下。改变所述板的间隔及施加的电压，能够从所要处理的流体中除去特定的离子。
如图5中所示，多个槽可串连到一起，一个的出口与下一个的入口相连。在这种情况下，在各槽中的去离子池可以相同的方式活化使得各槽集中除去一种类型的离子。另外，连续的槽可用来除去数量不断减小的同一种离子。
如图6A和6B中所示，一种类型的电极可相对于另一种类型的电极略转动一个角度。在图6A中，所示的HSAAM电极是互相平行且竖直的。相反，在HSAAM电极两侧每侧的非HSAAM碳布电极相对于HSAAM电极对称地倾斜一个角度。在这种情况下，相邻的HSAAM电极使得它们的对应的碳布电极以不同方式倾斜。相似的，如图6B中所示，可使碳布电极直立，而HSAAM电极相对于碳布电极成一角度倾斜。在图6B的构形中，HSAAM电极仍互相平行，但相对于如所述槽的底和壁成一倾角。
图7所示为包括四个去离子池的槽的顶视图。具有带正电荷的HSAAM板的第一对去离子池与具有带负电荷的HSAAM板的第二对交错设置。在构成各去离子池基部的区域中，所述槽的底部设有一排孔。对于带正电荷的去离子池，这些图示为孔82，对于带负电荷的去离子池，这些图示为孔84。
孔82、84的目的是所述槽操作时，使得选择性地除去在所述HSAAM板上收集的阳或阴离子。因而，在具有带正电荷的HSAAM板的那些池中，在所述板上将收集阴离子。当所述池再生时，这些离子可从孔82被收集。相似的，在再生过程中，在带负电荷的HSAAM板上收集的离子，可经孔84收集。如图7中所示，孔82和84具有近于相同的尺寸和排布。但这不是必须的。例如，对于带负电荷的离子来说，所述孔可较用于带正电荷的离子的孔小。再有，所述孔可呈更不规则的图形，如棋盘或蜂窝状，而不是与HSAAM和非HSAAM电极平行设置的一排孔。
如上所述，所述HSAAM电极由高表面积吸收性材料来制备。在本发明中，这种材料通过一种创造性的方法来制备，所述方法需要三个组分：雷琐酚、甲醛和增强剂如碳源。还可使用催化剂以促进雷琐酚-甲醛树脂的聚合。
雷琐酚有许多不同的等级，可从许多供应商处以粒料、片料、和其它方便的形态来得到。在以下给出的实施例中，使用来自HoechstCelanese Company的呈适于有机化学配剂的形态的雷琐酚。
甲醛可从许多供应商处得到，并也有不同的等级和形态。在以下给出的实施例中，使用来自Georgia-Pacific Resin，SpectrumChemical Company的适于染料、树脂和生物保存的呈甲醛水溶液的甲醛。
在HSAAM电极的制备中用作增强物的碳源可以不同形态得到。例如，松散的碳纤维，如由Amoco出售的THORNELP25 4K 1/4″机号(cut)的碳纤维，已成功地用于制备用于本发明的HSAAM电极。还已成功使用的另一种替代物是碳毡，有石墨毡wdf3331060级或碳毡VDG3330500，均由National Electric Carbon Company出售。一般，可使用预定数量的任何较纯的碳源，只要其能够完全分散于随后固化的雷琐酚-甲醛液体中，或其能够在基体中吸收相似数量的液体并随后固化。重要的是碳纤维应是导电的。虽然优选的实施方案要求碳毡碳布，但重要的是使用非牺牲性导电体。因而，可使用如石墨、金、铂、导电的塑料、玻璃化碳黑(如由St.Mays，Pennsylvania的SGLCarbon Group出售的SIGRADUR)等的材料来代替碳布或碳毡。
无论使用何种增强剂，都以相同的方式来开始制备HSAAM电极的工艺过程。在室温下将41b的雷琐酚固体添加到3.5升的甲醛中，得到约1比2的摩尔比。当然所述的数量可线性地按比例向上或向下增减，以制备出不同总量的这种初始混合物。这种初始混合物搅拌30至90分钟，或直到雷琐酚溶解。
当雷琐酚完全溶解时，所得到的混合物具有琥珀黄色至粉红色。如雷琐酚溶解后，这种混合物在室温(即约72°F)或低于室温下保持约12至24小时，则这种颜色的混合物变为乳白色液体。
向测定比例的液体和碳源中添加预定数量的碳酸钠催化剂，并将所述液体完全混合。
然后将所得到的材料加热并倾入8″×8″模具中达约3/4″的厚度，且在所述模具中使之固化为干凝胶(xero gel)(由聚合的雷琐酚-甲醛组成)块。所述模具然后置于室温水平表面上，在该处使聚合反应在空气中持续进行，这时所述材料变成干凝胶块。在室温下所述材料在模具中经约20至60分钟凝固。在凝固时，所述材料的各尺寸收缩约0.5-1.0％，并从所述模具的一或多个侧壁脱开。随后可通过简单地将模具颠倒而将所述块移出。
从其模具中移出时，使各模块在约80°-90°F的空气中固化并硬化约两小时，以确保完全聚合。与现有技术固化技术不同，本发明的固化方法不需要严格的点干燥(point drying)(即超临界干燥)。这节约相当多的时间和费用。虽然固化除去了一些过量的液体，所得到的块状物仍是很不良的导电体。
在固化后，所述块状物平铺在烘箱中，然后进行碳化。在碳化过程中，在各块状物上放置重物以防止开裂、不均匀变形、及其边缘卷曲。优选在约1850-2200°F的温度下进行碳化。但实验表明，低至1750°F的温度及10至20分钟的碳化时间也是可接受的，温度越低，碳化时间越长。使所述块状物经受这一温度的处理产生进一步的干燥并烧掉在原始组分中存在的许多杂质。在优选的实施方案中，可在空气环境中进行碳化，因为所述块状物的厚度可经受住由于燃烧而引起的一些物质损失。这与现有技术形成了对照，在现有技术中，必须使用氮或其它惰性气体气氛来防止较薄的块状物在碳化过程中消耗掉。
一旦碳化完成，所得到的HSAAM板可然后进行加工并用砂纸磨光成所需形状、尺寸和厚度的板状电极。优选，所述电极具有足够的厚度以成为自支撑的(如当以其端部放置时能够承受住其自身重量)。对于2″×4″的电极来说，这需要厚度至少为约1mm。可形成比这薄的板，但所述材料的脆性使得这种薄板难以操作并严重限制其从溶液中除去并贮存离子的能力。一般，所述板的厚度应与其表面积成比例，表面积越大的板通常需要更厚。无论厚度多少，在碳化后，所述块状物均成为良好的电导体。
根据所使用的碳源类型，可以多于一种的方式来实施向所述液体中添加催化剂和碳源步骤的确切细节。现在更详细地来考虑这一步骤。
首先，是使用THORNEL碳纤维的情况。将八百毫升(ml)的液体倾入混合机中，同时加入3盎司的前述1/4″THORNEL碳纤维、及10ml的1.0摩尔碳酸钠溶液，后者作为促进聚合的催化剂。这一混合物然后混合约3-5分钟直到所述碳纤维及液体完全混合在一起。在混合过程中，所述碳纤维被进一步切成更小的尺寸。这一混合得到粘性的、黑色浆状物，其中包括混有碳酸钠的雷琐酚/甲醛液体，和结合在其中的碳纤维。混合步骤后所述浆状物的温度为约90°F。这里应指出的是，虽然在这一实施例中仅使用了800ml的液体，所述方法是成比例增减的。因而，在同时可以分批的方式处理几升或甚至更多的液体。
然后将以这一方式制备的1600ml浆状物转移至不锈钢混料槽中，并使用台式电加热器(electric table heater)对所述浆状物进行逐渐加热。在加热过程中，搅拌所述浆状物并严密监测其温度。以这种方式，使所述浆状物的温度经25至45分钟升至并保持在约130-140°F，最佳温度为135°F。
在加热过程中，控制所述浆状物的温度使得其不超过150°F而造成聚合失控。可通过许多装置来实现温度控制，如温差电池、其中循环有冷却剂的蛇形管、甚至是可放下混料槽的水浴。也可使用任何多种公知的监测和控制装置来进行自动温度调节。
在加热过程中还监测所述浆状物的稠度。这保证所述碳纤维不结块或沉降，这会产生分散不均匀的缠结碳纤维的凝聚物。如发生这种情况，可将所述浆状物放回混合机中以对其内容物进一步均化。
将所述浆状物保持在约135°F的温度下，连续搅拌以提供均一的聚合。这一温度保持约35分钟，在这段时间内，一旦有几秒钟不对所述浆状物搅拌，就会在浆状物表面形成微细的膜。随着聚合持续，所述浆状物增稠，粘度不断增加直到其达到所述碳纤维呈胶体颗粒悬浮在所述浆状物内的稠度。当达到这一点时，将加热的浆状物倾入8″×8″模具中达到约3/4″的厚度。
这里应指出的是，所述浆状物倾倒时其温度范围应为约135-150°F。这有助于保证当所述浆状物固化时所得到的固体块状物具有各向同性的机械和电学性能。当所述浆状物处在或超出高于150°F的温度下进行倾倒时，发生失控反应，得到变形的块状物，其具有气泡和其它的不均匀表面和体积特征。这导致块状物结构和电性能的各向异性。
第二种情况是碳毡、普通的纤维素纤维、或浸有活性碳的纤维素纤维用来增强雷琐酚-甲醛树脂。将所述碳纤维毡或垫切割以适合于装入模具。然后将雷琐酚-甲醛液体倾入所述模具中，覆盖所述碳毡，从而排出在所述毡内截留的空气。然后将所述模具转移到设定在92°F固化烘箱中，使之进行约72小时的聚合以形成一种干凝胶块。所述干凝胶然后置于烘箱中并在1850-2200°F下碳化。在所述烘箱中碳化过程中，以耐火垫的形式对所述干凝胶施以0.5-0.81b/in2的力进行限制。用于这一目的的烘箱是具有顶部通风口的电马弗炉。这一碳化结果得到的是HSAAM产品。在从所述炉中取出HSAAM后，使之在空气中冷却。冷却后的HSAAM然后在平板砂轮上加工成所需均一的厚度。最后，这一板状物用装有碳化物的台锯锯为方形。
无论使用何种碳源，所得到的块状物均是黑色的，并用作电导体。
在上述说明中，使用雷琐酚作为一种组分。但实验表明可使用如下的一种化学品代替雷琐酚来制备适用的块状物，所述化学品是：1，5-二羟基萘、2，3-二羟基萘、1，4-二羟基萘和1，4-二羟基苯。发现各种这些化学品与甲醛形成聚合物，顺利地碳化成块状物，并随后当施加电流时使水去离子化。一般，认为可使用任何的二羟基或三羟基苯或萘来代替雷琐酚。这是因为这些化学品具有相似的化学结构，均具有与甲醛形成聚合物的特性，并易于形成碳化的可用于除去离子的块状物。目前，雷琐酚是优选的，因为它的费用低，来源广泛可大量得到，且在室温和室内压力下易于与甲醛反应。
图8所示为按本发明构造的装置。这种装置包括三个槽102、104、106。所述三个槽串连用来对Pueblo，Colorado城市的污水去离子化。所述污水在入口108引入到第一槽102，最终的产物从槽106的出口122排出所述系统。总体来说，所述系统可每分钟对高达1500毫升进行去离子化(ml/分钟)。
在这一系统中，槽102和106具有相同的结构。各设有六个去离子池。在102、106两槽中，在相邻去离子池中的HSAAM电极具有不同的极性。这在各槽中给出了交错电压的去离子排布。从而，102、106两槽布置成去除阳离子和阴离子两种离子。因而，这些槽各具有两个电压源，一个电压源设置用来产生带正电荷的去离子池，第二个电压源设置用来产生带负电荷的去离子池。
槽102与中间槽104连接。来自槽102的部分去离子化的排出物流流经出口110、阀112、入口114并接着进入第二个槽104。虽然所示为单一的入口，但事实上入口114是进入第二个槽104的多个导管。阀112的目的是截断槽102与104之间的电导过程。再有，槽102的出口110处可设置排泄孔(未示出)以对部分去离子化的排出物流进行测试来评价槽102的性能。
槽104也设有六个去离子池。但这些去离子池是双倍的长度。各HSAAM电极在其端部设置有兔耳形槽口接合从而它们可与相似板的互补结构紧密配合。与槽102相反，在槽104中的所有去离子池均为带正电荷的HSAAM电极。这意味着在槽104中只能除去阴离子。
出自槽104的进一步去离子化的排出物流从出口116排出，流经阀118，进入入口120，并于该处进入槽106。出口116也可设置排泄孔从而对出自槽104的排出物流进行采样。
如上所述，槽106与槽102的结构相似。它对进入入口120的液体进一步进行去离子化。出自槽106的去离子化产品在出口122排出所述系统。
在槽102和106中，HSAAM电极是6.5″×13″×0.4″，由尺寸为6.5″×6.5″×0.4″的两块板制成。为制备槽102、106的所述板，在对接板的一边切下0.25″的兔耳形槽口接合，并在所述对接板的相对的一边切下互补的接口。所述两个板接合成框架并用导电环氧树脂首尾胶合。对于槽104，用相似的方法将四块板接合。对于所有的槽，是用碳纤维电线进行电连接的，该碳纤维电线例如用环氧树脂粘合连接到将HSAAM板安装到框架上的装配夹上。
在槽102和106中，在HSAAM电极的顶部附近在一点处向各槽引入水。一旦处于所述槽内，所述的水在去离子化过程中连续混合。混合的目的是在去离子过程中有助于防止所述槽局部产生酸或碱性区域。可通过在所述槽的沿槽底的多点处通气来实现混合，尽管可用其它混合装置如磁力或机械搅拌及旋转器来代替。水在给定槽中的总的停留时间仅由流速来确定，如上所述，所述流速为1500ml/分钟以下。
作为在各槽的一点处引入水的替代方案，可在HSAAM和非HSAAM板的一端设置进入各槽的多个入口，并在所述板的另一端设置多个出口。在这种情况下，所述的水将在排出之前流经去离子池的全长度。
槽102和106施加的电压取决于所要去离子化的水的电导率。在这两个槽的去离子化过程中施加的电压范围为0.01-15伏。在去离子化过程中的对应的电流强度范围为0.01-10安培。所述水的去离子化速率(即除去离子的速率)随所要去离子化的的水的类型而变化。因而，在具有更多杂质的槽102中的去离子化速率要大于槽106中的，所述槽106中处理的水已经过两次去离子化。
第二个槽104除去的是带负电荷的离子。这导致在这一槽中的水变得呈碱性，因而产生碱性絮凝物。所述第二个槽以蛇形流动流型进行操作，其入口设置于HSAAM板的底部附近。施加于在槽104内的水的电压和电流足以使所述水发生电解。在这一第二槽中水的处理导致除去约300-500μmho/cm或μS/cm的电导率。然而，出自这一槽的碱性产物的PH范围为8-12，该碱性产物然后送至第三槽106。
表1所示为使用图8系统所达到的实验结果。特别是，表1表明了使用按照本发明制备的装置所进行的各阶段去离子化的效果。表1中所列出的阀表明，出自槽106(最后的槽)的产物与可饮用水是一致的，因为它满足联邦水标准的限制。
      参数    进入系统     排出102     排出104     排出106
    电导率μS     2000     1300     900     500
     PH范围     7.1-7.7     3.3-11.2     10.1-12.4     6.6-7.2
   总硬度mg/l     560     492     342     144
 总大肠菌(菌落/100ml)     长满     456     5     0
  总碱度mg/l     280     60     60     10
     氨mg/l     17.1     12     6     4
  总溶解的固体mg/l     1188     781     540     300
   硫酸盐mg/l     840     830     423     400
   氯化物mg/l     28     10     8     3
      气味     强     中等     无     无
      颜色  澄清绿色   澄清绿色   澄清无色   澄清无色
表1
使用图8系统对Pueblo，Colorado城市污水去离子化
表2所示为使用图8系统所达到的实验结果。特别是，表2表明了使用按照本发明制备的装置所进行的去离子化各阶段的效果。
    参数   进入系统    排出102    排出104    排出106
  电导率μS     1240     860     680     300
  PH范围     3.2-4.2     7.1-7.6     8.6-11.1     7.1-7.7
  颜色     不透明/橙色     澄清橙色     澄清/无色     澄清/无色
  总砷μg/l     2     未检测     ＞mdl     ＞mdl
  总镉μg/l     137     未检测     100     45.7
  总铜μg/l     40     未检测     25     11
  总铁μg/l     4060     未检测     456     176
  总铅μg/l     8     未检测     ＞mdl     ＞mdl
  总锰μg/l     13800     未检测     5370     2970
  总锌μg/l     38600     未检测     23000     11400
  总硬度mg/l     980     376     64     34
  总碱度mg/l     0     70     176     72
  硫酸盐mg/l     778     414     231     39.8
  氯化物mg/l     16.7     4.8     4.8     5.8
  钙硬度mg/l     240     276     64     34
  镁硬度mg/l     740     100     ＞mdl     ＞mdl
表2
由在Leadville附近的Asarco，Inc.操作来处理Super Fund Siteof Yak Tunnel/Califonia Gulch，图8系统的去离子结果
除连续流离子化外，所述装置还可用于以分批的方法来进行去离子化。分批处理的结果在图9A-9E中给出。特别是，这些图表明了添加已知浓度的铁、钠和铜离子的一批水样分批去离子化的结果。铁和铜离子的去除达到低于十亿分之1份的数值，钠离子的去除达到低于百万分之2份的数值，电导率从12150μS降至410μS。
监测在三个槽每一个中的水的pH和电导率的数值以确定HSAAM板何时饱和。排出水流的电导率上升而无对应的pH变化则表明HSAAM板已被离子饱和，所述装置需要再生。相似地，在所述池中的存储电荷可与pH和电导率相结合来指示何时需要对所述装置进行再生。一般，HSAAM板随着对水进行去离子化而变色。其变化的类型和颜色取决于所要处理的水的类型。例如，具有高硫酸盐含量的水随着硫酸盐在所述板上沉积而使其变白。相似的，有机废物含量高的水使HSAAM板变为褐色。这两种变色方式均表明由于离子饱和程度而需要再生。
对于槽102和106，在再生过程中都可形成氧化的絮凝物或浓缩的离子溶液。究竟产生哪一种，取决于所施加的电压值。施加的电压低于使水产生电解所需的数值，则可在带负电荷或正电荷的去离子池经底部孔82、84收集富离子的水，如图7所示。另一方面，施加的电压足以使水电解，导致形成氧化的絮凝物。在这种情况下，在再生过程中需要混合以从所述槽中产生并排出这种絮凝物。
在所述第二槽104中，带负电荷的离子被除去。这导致水变为碱性，所导致的pH约为8-12。这还导致形成碱性的絮凝物。在操作过程中，向槽104中的去离子池施加的电压足以使水电解。因而，施加的电压约为1至12伏，电流强度为1.3-12安培。其结果是，所述第二槽104除去300-500μmho/cm或μS/cm的电导率。
通过以足以克服所述池的存储电荷的电压(反电动势)，使施加到所述板的电流反向来实现第二槽104中板的再生。再有，排出水流的电导率上升而无pH变化表明在第二槽104中的HSAAM被离子饱和，表示所述装置需要再生。这可很容易地通过HSAAM板严重变色的事实来识别，变化的类型和颜色取决于所要清洁的水的类型。在再生过程中，通过在抗衡所述系统操作过程中积累的EMF所需的电压下来操作所述装置，产生氧化的絮凝物。
这些絮凝物然后可经在所述槽104的底部的孔来收集。在再生后，所有三个槽102、104、106均可以与先前相同的效力来重新使用。
用来提供去离子化所需电压的电源优选可控制在有限范围内的电压。通常，所述电源为可插入AC电源插座的类型。然而，由于需要相当低的电压和电流，在一些装置中可使用可移动式的、以电池供电的电源。在这种情况下，已制造出太阳能去离子化装置并成功地进行操作，虽然其生产能力小。尺寸减小的太阳能和电池供电的系统所提供的两个优点是费用低和可移动性高。
图10所示为按照本发明的自动去离子化控制系统130的总框图。所述系统监测水质以自动调整电压来达到目标去离子化率。如该图中所示，系统130控制两槽132、134的操作。应记住的是，控制系统还可用于单一的槽、或三个或更多的槽，无论它们是串联、或并联、或是这两种连接方式的结合。
所述控制系统使用传感器组件138监测在去离子化设备的各个不同阶段的排出物流。这些传感器组件138包括一或多个传感器，所述传感器配置用来计量排出物流的如PH、电导率、水流速、温度、光学特性等的性能。所述传感器组件还可包括离子特定探针，如测量氟化物、氨、氯化物和其它物质如列于表1和2中的那些。所述传感器可以按预定的间隔时间或根据控制器136的要求对排出物流连续采样。而在优选的实施方案中，所示传感器是在与槽连接的管道中采样，所述传感器也可置于槽内。
传感器数据提供给程序逻辑控制器136。该控制器可作为微处理器或等同物来执行。所述控制器136根据传感器数据来评价槽132、134的性能。所述控制器使用这些数据来确定是否对流速及流型进行任何改变。如需要改变，则所述控制器输出信号至发动机驱动的阀140以调整流速。这些阀可同时或分别进行控制。在具有多个入口或多个出口的情况下，可仅控制这些中的一部分从而保证任何槽都不溢出。
除选择性控制流速外，控制器136还控制通过各种电源施加的电压，所述电源通常如142所示。特别是，所述控制器加工传感器的数据并输出控制信号至电源，从而控制施加到所述槽中的去离子化池的电压和/或电流。所述控制器136使用传感器数据来确定所述槽中的电极是否需要再生，如需要，则输出适当的信号至电源以使之实现。
如上所述的控制系统可用于能够以数千加仑每小时的流速进行处理的大型去离子化装置。因而，这种装置可按比例放大以满足工业设备、城市水和污水处理设备等去离子化的需要。实验结果表明，可呈线性增加电极尺寸和电极数目，不会明显影响施加的电压或产生的电流。
应指出的是，本发明的装置严格来讲不进行电容性的去离子化，因为所述非HSAAM(非吸收性)电极实际上从不贮存电荷。确实，离子从不沉积在这些电极上，无论这些电极是怎样带有电荷的；只有HSAAM电极截留并贮存离子。
还应指出的是，前述的优选实施方案说明了板状电极的制备和使用。然而，还可使用替代的电极和去离子化池几何构形。一种这类实例是环形去离子池，包括1)实心或环形内-非HSAAM电极，2)与内-非HSAAM电极同心的环形HSAAM电极，和3)环形外-非HSAAM电极，其与前两个电极同心。这种排布将使流体从环形HSAAM电极与两个非HSAAM电极之间流过。然而，在这种排布中，所述内和外-非HSAAM电极将具有不同的朝向HSAAM电极的表面积。因而，在两个非HSAAM电极和夹在该两电极之间的HSAAM电极之间可能需要使用不同的电压或不同的电流。
已参照一些优选实施方案公开了本发明，但不应认为这是对本发明的限制。本领域普通技术人员可容易地看出，这些实施方案可进行改变，这均属于以下权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (39)

1.一种降低液体中的微生物浓度的方法，所述方法包括：
提供第一槽部件；
在所述第一槽部件中设置第一种类型的第一非牺牲性碳增强的电极，该电极由第一种材料形成，该材料包括：
至少一种选自二羟基苯、三羟基苯、二羟基萘和三羟基萘及其混合物的物质；
甲醛；
碳增强剂；
催化剂；或
其反应产物，总体呈碳化形态，
其中所述第一种类型电极的厚度至少为3mm并且所述碳增强剂基本被分散在所述厚度各处；
在所述第一种类型电极的每侧设置第二种类型的非牺牲性电极，所述第二类型的电极是由不同于所述第一种材料的第二种材料形成；
将所述液体加入所述第一槽部件，以及
在所述第一种类型的第一电极与至少一个位于所述第一种类型的第一电极每侧的第二种类型的电极之间施加正电压差，由此从所述液体中去除阴离子而使所述液体的pH上升并杀死所述微生物。
2.权利要求1的方法，其中进一步包括：
提供第二槽部件；
在所述第二槽部件中设置第一种类型的第二非牺牲性碳增强的电极；
在所述第一种类型的第二电极的每侧设置第二种类型的非牺牲性电极；
将所述液体加入所述第二槽部件，以及
在所述第一种类型的第二电极与至少一个位于所述第一种类型的第二电极每侧的第二种类型的电极之间施加负电压差，由此从所述液体中去除阳离子。
3.权利要求2的方法，其中所述第一和第二槽部件是连接的并且所述液体首先通过所述第一槽部件，然后通过所述第二槽部件。
4.权利要求2的方法，其中所述第一和第二槽部件是连接的并且所述液体首先通过所述第二槽部件，然后通过所述第一槽部件。
5.权利要求1的方法，其中在施加正电压差后，所述液体的pH为8-10。
6.权利要求1的方法，其中包括施加1至12伏的正电压差的步骤。
7.一种降低液体中的微生物浓度的方法，所述方法包括：
提供第一槽部件，其中含有至少一个去离子池，该去离子池包括：
第一种类型的非牺牲性碳增强的电极，该电极由第一种材料形成；以及
在所述第一种类型的电极的每侧设置的第二种类型的非牺牲性电极，该第二种类型的非牺牲性电极由不同于所述第一种材料的第二种材料形成；
将液体加入所述第一槽部件，以及
在位于所述第一槽部件中的所述至少一个去离子池中的所述第一种类型的电极与所述第二种类型的电极之间施加正电压差，由此从所述液体中去除阴离子而使所述液体的pH上升。
8.权利要求7的方法，其中进一步包括：
提供第二槽部件，其中含有至少一个去离子池；
将所述第一槽部件与所述第二槽部件连接，从而让其中一个槽部件的液体流到另外一个槽部件；以及
在位于所述第二槽部件中的所述至少一个去离子池中的所述第一种类型的电极与第二种类型的电极之间施加负电压差，由此从所述液体中去除阳离子。
9.权利要求8的方法，其中所述液体首先被加入所述第一槽部件，然后从所述第一槽部件中流到所述第二槽部件。
10.权利要求8的方法，其中所述液体首先被加入所述第二槽部件，然后从所述第二槽部件中流到所述第一槽部件。
11.权利要求7的方法，其中进一步包括：
测量所述流体的物理性质；以及
根据至少一个所述物理性质的测量结果调整所述流体进入所述第一槽部件的流速。
12.权利要求7的方法，其中所述第一种类型的非牺牲性碳增强的电极是由第一种材料形成，该材料包括：
至少一种选自二羟基苯、三羟基苯、二羟基萘和三羟基萘及其混合物的物质；
甲醛；
碳增强剂；
催化剂；或
其反应产物，总体呈碳化形态，
其中所述第一种类型电极的厚度至少为3mm并且所述碳增强剂基本被分散在所述厚度各处。
13.一种降低液体中至少一种类型的具有预先确定的电极性的离子的浓度的方法，该方法包括：
提供第一槽部件，其中含有至少一个去离子池，该去离子池包括：
第一种类型的非牺牲性碳增强的电极，该电极由第一种材料形成；以及
在所述第一种类型的电极的每侧设置的第二种类型的非牺牲性电极，该第二种类型的非牺牲性电极由不同于所述第一种材料的第二种材料形成；
将液体加入所述第一槽部件，以及
在位于所述第一槽部件中的所述至少一个去离子池中的所述第一种类型的电极与所述第二种类型的电极之间施加第一电压差，其中所述第一电压差的第一极性与去除的离子的极性相反。
14.权利要求13的方法，其中进一步包括：
提供第二槽部件，其中含有至少一个去离子池；
将所述第一槽部件与所述第二槽部件连接，从而让其中一个槽部件的液体流到另外一个槽部件；以及
在位于所述第二槽部件中的所述至少一个去离子池中的所述第一种类型的电极与第二种类型的电极之间施加第二电压差，所述第二电压差的第二极性不同于所述第一极性。
15.权利要求13的方法，其中进一步包括：
测量所述流体的物理性质；以及
根据至少一个所述物理性质的测量结果调整所述流体进入所述第一槽部件的流速。
16.权利要求15的方法，其中测量了所述流体的pH。
17.牵引器15的方法，其中测量了所述流体的电导率。
18.权利要求13的方法，其中包括
施加第一电压差，该电压差足以在所述槽中产生碱性的絮凝物；
从所述槽中去除所述碱性的絮凝物以从所述液体中去除溶解的离子物种。
19.权利要求13的方法，其中包括
在所述第一槽部件中提供至少一个其它的去离子池；以及
在位于所述第二槽部件中的所述至少一个去离子池中的所述第一种类型的电极与第二种类型的电极之间施加第二电压差，所述第二电压差的第二极性不同于所述第一极性，从而从所述液体中去除第二类型的离子。
20.权利要求13的方法，其中所述第一种类型的非牺牲性碳增强的电极是由第一种材料形成，该材料包括：
至少一种选自二羟基苯、三羟基苯、二羟基萘和三羟基萘及其混合物的物质；
甲醛；
碳增强剂；
催化剂；或
其反应产物，总体呈碳化形态，
其中所述第一种类型电极的厚度至少为3mm并且所述碳增强剂基本被分散在所述厚度各处。
21.一种流体去离子装置，包括：
槽部件，其中含有多个背对背设置的去离子池，各个去离子池包括：
第一种类型的非牺牲性碳增强的电极，该电极由第一种材料形成；以及
在所述第一种类型的电极的每侧设置的第二种类型的非牺牲性电极，该第二种类型的非牺牲性电极由不同于所述第一种材料的第二种材料形成；
第一电源，该电源设定为在第一数量的各个去离子池中的第一类型的电极与第二类型的电极之间提供第一电压差；
第二电源，该电源设定为在第二数量的各个去离子池中的第一类型的电极与第二类型的电极之间提供第二电压差，其中所述第一电压差与第二电压差的其中一个与另外一个不同。
22.权利要求21的流体去离子装置，其中沿所述槽部件的一个长度上，与第一电源连接的去离子池和与第二电源连接的去离子池是交替的。
23.权利要求21的流体去离子装置，其中所述第一和第二电压差具有相反的极性。
24.权利要求23的流体去离子装置，其中进一步包括：
第三电源，该电源设定为在第三数量的各个去离子池中的第一类型的电极与第二类型的电极之间提供第三电压差，其中所述第三电压差不同于所述第一和第二电压差的至少一个。
25.权利要求21的流体去离子装置，其中进一步包括：
至少一个传感器，设定为测量与所述槽部件有关的流体的物理性质；以及
控制器，设定为根据所述物理性质的测量结果调整所述流体进入所述槽部件的流速，
其中所述物理性质是所述流体的pH和电导率的至少一种。
26.权利要求21的流体去离子装置，其中进一步包括：
至少一个传感器，设定为测量与所述槽部件有关的流体的物理性质；以及
控制器，设定为根据所述物理性质的测量结果调整至少一个所述第一和第二电压差。
27.权利要求26的流体去离子装置，其中所述至少一个传感器测量所述流体的pH。
28.权利要求26的流体去离子装置，其中所述至少一个传感器测量所述流体的电导率。
29.权利要求26的流体去离子装置，其中所述至少一个传感器测量至少一种氟化物、氨、氯化物的浓度。
30.权利要求21的流体去离子装置，其中所述第一类型的非牺牲性碳增强的电极是由甲醛、碳增强剂、催化剂及其反应产物形成，所述碳增强剂基本被分散在所述电极各处，所述电极当以其端部放置时，其厚度足以承受住其自身重量。
31.一种流体去离子装置，其中包括：
第一和第二槽部件，这些部件之间具有第一导管，该导管用作将所述第一槽部件的流体通到所述第二槽部件的通道，各个槽部件中含有至少一个去离子池，所述至少一个去离子池包括：
第一类型的非牺牲性碳增强的电极，该电极由第一种材料形成；以及
在所述第一种类型的电极的每侧设置的第二种类型的非牺牲性电极，该第二种类型的非牺牲性电极由不同于所述第一种材料的第二种材料形成；
第一电源，该电源设定为在所述第一槽部件中的至少一个去离子池中的第一类型的电极与第二类型的电极之间提供第一电压差；
第二电源，该电源设定为在所述第二槽部件中的至少一个去离子池中的第一类型的电极与第二类型的电极之间提供第二电压差；
其中所述第一电压差与第二电压差的其中一个与另外一个不同。
32.权利要求31的流体去离子装置，其中所述第一和第二电压差具有相反的极性。
33.权利要求31的流体去离子装置，其中进一步包括：
第三槽部件，该部件通过第二导管与所述第二槽部件连接，该导管用作将所述第二槽部件的流体通到所述第三槽部件的通道，所述第三槽部件中含有至少一个去离子池，所述至少一个去离子池包括：
第一类型的非牺牲性碳增强的电极，该电极由第一种材料形成；以及
在所述第一种类型的电极的每侧设置的第二种类型的非牺牲性电极，该第二种类型的非牺牲性电极由不同于所述第一种材料的第二种材料形成；
第三电源，该电源设定为在所述第三槽部件中的至少一个去离子池中的第一类型的电极与第二类型的电极之间提供第三电压差；
其中所述第三电压差不同于第一和第二电压差的至少一个。
34.权利要求31的流体去离子装置，其中进一步包括：
至少一个传感器，设定为测量与所述槽部件有关的流体的物理性质；以及
控制器，设定为根据至少一个所述物理性质的测量结果调整所述流体进入所述至少一个槽部件的流速，
其中所述物理性质是所述流体的pH和电导率的至少一种。
35.权利要求32的流体去离子装置，其中进一步包括：
至少一个传感器，设定为测量与各个所述槽部件有关的流体的物理性质；以及
控制器，设定为根据至少一个所述物理性质的测量结果调整至少一个所述第一和第二电压差。
36.权利要求35的流体去离子装置，其中所述至少一个传感器测量所述流体的pH。
37.权利要求35的流体去离子装置，其中所述至少一个传感器测量所述流体的电导率。
38.权利要求35的流体去离子装置，其中所述至少一个传感器测量至少一种氟化物、氨、氯化物的浓度。
39.权利要求31的流体去离子装置，其中所述第一类型的非牺牲性碳增强的电极是由甲醛、碳增强剂、催化剂及其反应产物形成，所述碳增强剂基本被分散在所述电极各处，所述电极当以其端部放置时，其厚度足以承受住其自身重量。
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