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用于水脱盐的能够实现选择性离子亲和力的 电压受控的阴离子交换膜和包含该膜的装置

阅读：835发布：2020-05-08

专利汇可以提供用于水脱盐的能够实现选择性离子亲和力的电压受控的阴离子交换膜和包含该膜的装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用于水脱盐的能够实现选择性离子亲和力的电压受控的阴离子交换膜和包含该膜的装置。脱盐装置包括容器、第一和第二电极、阴离子交换膜(AEM)和电源。容器容纳具有升高的溶解盐浓度的盐水。AEM将容器分成第一和第二隔室，向其中分别设置第一和第二电极。AEM具有连续的多孔结构和与该多孔结构偶合的多个带负电荷的氧官能团。电源被配置成向第一和第二电极中的一个选择性地施加电压。当施加电压时AEM具有选择渗透性，以使得盐水溶液中的阳离子具有从中穿过的第一扩散速率d1且盐水溶液中的阴离子具有从中穿过的第二扩散速率d2。第一扩散率d1小于第二扩散率d2并大于或等于零。，下面是用于水脱盐的能够实现选择性离子亲和力的电压受控的阴离子交换膜和包含该膜的装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于脱盐装置的阴离子交换膜，其包括：
膜载体，其具有多孔的第一面、多孔的第二面和从第一面延伸至第二面的连续的多孔结构，该连续的多孔结构包括氧化石墨烯(GO)片和与GO片偶合的多个带负电荷的氧官能团。
2.根据权利要求1所述的阴离子交换膜，其中所述多个带负电荷的氧官能团包括羟基和羧基中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的阴离子交换膜，其中所述多个带负电荷的氧官能团包括环氧基和羰基中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的阴离子交换膜，其中所述连续的多孔结构包括GO片与至少一种电子导电的其它聚合物的混合物。
5.根据权利要求4所述的阴离子交换膜，其中所述至少一种其它聚合物包括聚(吡咯)(PPY)、聚苯胺(PANI)、聚(噻吩)(PT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(对苯硫醚)(PPS)、聚乙炔(PAC)和聚(对苯撑乙烯) (PPV)中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的阴离子交换膜，其中所述连续的多孔结构包括GO片与至少一种离子导电而非电子导电的其它聚合物的混合物。
7.根据权利要求6所述的阴离子交换膜，其中所述至少一种其它聚合物包括聚环氧乙烷(PEO)、交联的聚乙烯醇(PVA)、交联的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的阴离子交换膜，其中所述连续的多孔结构包括石墨、硬碳、软碳和炭黑中的一种或多种。
9.脱盐装置，其包括：
容器，其被配置成容纳具有升高的溶解盐浓度的盐水溶液；
第一电极和第二电极，其分别被设置在容器的第一隔室和第二隔室中，第一电极和第二电极被配置成与盐水溶液以流体连通的形式设置，
分隔第一和第二隔室的阴离子交换膜(AEM)，该AEM具有多孔膜结构和与该多孔膜结构偶合的多个带负电荷的氧官能团；和
电源，其被配置成向第一和第二电极中的一个选择性地施加电压，当施加电压时AEM具有选择渗透性，以使得盐水溶液中的阳离子具有从中穿过的第一扩散速率d1且盐水溶液中的阴离子具有从中穿过的第二扩散速率d2，其中0≤d1＜d2。
10.根据权利要求9所述的脱盐装置，其中所述多孔膜结构包括氧化石墨烯片。
11.根据权利要求10所述的脱盐装置，其中所述多个带负电荷的氧官能团包括羟基和羧基中的一个或多个。
12.根据权利要求10所述的脱盐装置，其中所述多个带负电荷的氧官能团包括环氧基和羰基中的一个或多个。
13.根据权利要求9所述的脱盐装置，其中所述电源被配置成经由外部电路向所述AEM施加膜电压，所述膜电压被配置成降低阳离子穿过该AEM的第一扩散速率d1且增加阴离子穿过该AEM的第二扩散速率d2。
14.根据权利要求13所述的脱盐装置，其中以0至± 0.5 V施加膜电压。
15.根据权利要求9所述的脱盐装置，其中相对于标准氢电极，阳离子进出AEM的(解)吸附电压为-1.0至1.5V。
16.根据权利要求9所述的脱盐装置，其中所述多孔的膜结构包括单层和很少层的石墨烯，所述层具有1至8层。
17.根据权利要求9所述的脱盐装置，其中所述第一和第二电极是含有相同嵌入材料的对称电极。
18.根据权利要求17所述的脱盐装置，其中所述嵌入材料是掺杂或未掺杂的立方尖晶石MnO2、隧道结构的斜方晶Na4Mn9O18或NaM2(PO4)3中的一种，其中M = Ti、Mn、Fe、Ni、Cu或其组合。
19.根据权利要求9所述的脱盐装置，其中所述第一和第二电极是不对称电极，每个电极含有由金属氧化物构成的电极材料，所述金属氧化物内的碱金属浓度被配置成在所述电极材料之间不同。
20.用于使水脱盐的方法，其包括：
用具有升高的溶解盐浓度的盐水溶液填充容器的第一和第二隔室，该容器包括分别设置在第一和第二隔室中的第一和第二电极以及将第一和第二隔室隔开的阴离子交换膜(AEM)；
沿正向或反向操作第一和第二电极，以将阳离子释放到第一和第二隔室的一个中并从第一和第二隔室的另一个中移除阳离子；和
在操作第一和第二电极的同时，向AEM施加膜电压，分别相对于当未向AEM施加膜电压时的第一和第二扩散速率，膜电压降低阳离子穿过AEM的第一扩散速率且增加阴离子穿过AEM的第二扩散速率。

说明书全文

用于水脱盐的能够实现选择性离子亲和力的 电压受控的阴离

子交换膜和包含该膜的装置

[0001] 本申请要求2018年10月26日提交的美国临时申请62/751,006的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

[0002] 本公开内容涉及水的电化学处理，更特别地涉及用于水脱盐装置的具有能够实现选择性离子亲和力的材料的阴离子交换膜。

背景技术

[0003] 对饮用淡水的需求是巨大的，并且对于地球上日益增长的人口而言确保可饮用的淡水源是二十一世纪最重要的挑战之一。不仅需要增加的淡水量用于人类消耗，而且还需要用于工业和农业活动。脱盐是一种新兴技术，其用于从原本非淡水源中获取淡水并涉及从海水中移除盐和其它杂质。脱盐过程可以以不同的途径，如通过热(例如加热和干燥过程、热蒸馏)、施加电能(即基于电荷的离子分离)以及通过机械能/压力(例如反渗透(RO)、基于膜的过滤))来实现。

[0004] 电容去离子(CDI)是一种使用电能进行基于电荷的离子分离的技术。CDI装置通常包括阴极和阳极。在纯化循环过程中，阳离子被添加到阴极且阴离子被添加到阳极。下一个循环施加电压以将离子冲洗出电极，从而排出重杂质的废水。然后电极可用于下一个纯化循环。在一些实施方式中，CDI装置包括至少两个被阴离子交换膜(AEM)隔开的阳离子嵌入主体(host)电极，以用于水脱盐和清洁过程。该技术有时被称为混合电容去离子(HCDI)技术并在包括如下的最新文献中进行了讨论：Energy Environ. Sci., 2014, 7, 3683；J. Electrochem. Soc., 2016, 163, A530；Electrochim. Acta, 2016, 203, 265；和ACS Omega, 2017, 2, 1653。

[0005] 图5示出了常规的电化学装置500，其实施HCDI技术以使来自供水的盐水脱盐。装置500包括第一电极504、与第一电极504隔开的第二电极508和设置在第一电极与第二电极之间的交换膜512。膜512通常是阴离子交换膜(AEM)，其将装置500分成具有第一电极504的第一盐水隔室516和具有第二电极508的第二盐水隔室520。在一些装置中，阳离子嵌入主体材料(通常是Na0.44MnO2或类似的氧化物)用作电极组分(即阴极和阳极)。在其它装置中，第一电极504是阳离子嵌入主体电极且第二电极508是在另一侧上与第一电极耦合的基于碳的电极(例如多孔碳、活性炭等)。

[0006] 图5示出了处于第一操作状态的装置500，其中在第一电极504(阳极)上施加正电压VIN，并将第二电极508(阴极)接地。在第一操作状态下，第一目标离子524如Na+阳离子从第一电极504释放并分散在第一隔室516中，该第一隔室在该操作状态下有时被称为“盐水隔室”。当第一隔室516中的Na+浓度增加时，静电将产生电场，该电场从第二隔室520吸引第-二目标离子528如阴离子Cl ，该第二隔室在第一操作状态下有时被称为“清洁隔室”或“淡水隔室”。当Cl-离子528从第二隔室520移动到第一隔室516时，来自第二隔室520的Na+离子
524嵌入第二电极508中以维持中性静电荷，这完成了水脱盐回路。经由该脱盐回路，处于第一操作状态的装置500在第一隔室516中增加盐浓度且在第二隔室520中减小盐浓度。

[0007] 在第二隔室520中的水被装置500充分清洁之后，分开提取在第一操作状态下产生的盐水和清洁水。为了进行另一个纯化循环，将第一隔室和第二隔室516、520用来自供水的新盐水填充。然后，装置500以第二操作状态(未示出)运行，其中在第二电极508上施加正电压，并将第一电极504接地。在第二操作状态下，装置500在第一隔室516(在第二操作状态下的“淡水隔室”)中产生淡水，并在第二隔室520(在第二操作状态下的“盐水隔室”)中产生盐+水。装置500的交替操作有助于将嵌入主体电极材料中的Na离子浓度的量保持在期望的范围内。应当认识到，仅当Na+从盐水隔室扩散到清洁隔室的趋势被阴离子交换膜(AEM) 512减慢或阻止时，该方法才起作用，这限制了Na+阳离子的扩散，同时促进了阴离子(例如Cl-)的无阻碍的扩散。因此，装置500的AEM 512的选择性离子渗透性极大地影响水脱盐方法的整体效率。

[0008] 用于HCDI技术的典型阴离子交换膜(AEM)，如AEM 512，包括“固定的”带正电荷的基团，该基团拒绝阳离子穿过AEM传输，同时允许阴离子传输。期望的是制造一种用于水脱盐方法的薄的、低电阻的且规模可调(scalable)的AEM，其允许选择性的离子扩散。例如，石墨烯和氧化石墨烯(GO)是导电的二维材料，其已被建议用于水过滤应用中。(Nano Lett. 2012, 12, 3602和Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1134)。在这些建议的应用中，“施加压力”允许水分子渗透穿过，而来自盐水的盐留在石墨烯过滤器中。最近的文献还表明，在GO上施加电压将改变跨过GO片的水传输和扩散特性(Nature, 2018, 559, 236)。

[0009] 因此需要的是一种提高使用HCDI装置的水脱盐效率的AEM。通过被配置成在受控电压下包封和捕获离子的特定受控化学官能团来提高效率的AEM将是进一步有利的。发明内容

[0010] 在一个实施方案中，用于脱盐装置的阴离子交换膜包括膜载体，其具有多孔的第一面、多孔的第二面和从第一面延伸到第二面的连续的多孔结构。该连续的多孔结构包括氧化石墨烯(GO)片和与GO片偶合的多个带负电荷的氧官能团。

[0011] 在一个实施方案中，脱盐装置包括容器、第一电极、第二电极、阴离子交换膜(AEM)和电源。容器被配置成容纳具有升高的溶解盐浓度的盐水溶液。AEM将容器分成第一隔室和第二隔室。第一和第二电极分别被设置在第一隔室和第二隔室中，并被配置成与盐水溶液流体连通(fluid communication)。AEM具有多孔膜结构和与该多孔膜结构偶合的多个带负电荷的氧官能团。电源被配置成向第一和第二电极中的一个选择性地施加电压，而第一和第二电极中的另一个接地。当施加电压时AEM具有选择渗透性，以使得盐水溶液中的阳离子具有从中穿过的第一扩散速率d1且盐水溶液中的阴离子具有从中穿过的第二扩散速率d2，其中0≤d1＜d2。

[0012] 在一个实施方案中，用于使水脱盐的方法包括：用具有升高的溶解盐浓度的盐水溶液分别填充容器第一和第二隔室。该容器包括分别设置在第一和第二隔室中的第一和第二电极以及分隔第一和第二隔室的阴离子交换膜(AEM)。该方法进一步包括沿正向或反向操作第一和第二电极，以将阳离子释放到第一和第二隔室中的一个并从第一和第二隔室中的另一个中移除阳离子。该方法进一步包括在操作第一和第二电极的同时向AEM施加膜电压。相对于当未向AEM施加膜电压时的第一和第二扩散速率，膜电压降低阳离子穿过AEM的第一扩散速率且增加阴离子穿过AEM的第二扩散速率。附图说明

[0013] 图1是被配置成从供水中移除目标离子的混合电容去离子(HCDI)装置的简化示意图，该装置以第一操作状态示出，其中向两个电极中的一个施加第一电压且向设置在电极之间的阴离子交换膜(AEM)施加第二电压；图2是说明具有受控的氧化还原电压的使用图1的AEM的设计策略的示意图；
图3示出了Na+离子在图1的AEM的不同材料中的吸附；
图4示出了Cl-离子在图1的AEM的不同材料中的吸附；
图5是具有已知AEM的HCDI装置的简化示意图；和
图6描绘了使用图1的装置使水脱盐的方法。

具体实施方式

[0014] 详述为了促进对本公开内容原理的理解，现在将参考在附图中示出并在以下书面说明书中描述的实施方案。应当理解，并不意图由此限制本公开内容的范围。还应进一步理解，本公开内容包括对所示出的实施方案的任何变更和修改，并包括如本公开内容所属领域的技术人员通常会想到的本公开内容原理的进一步应用。

[0015] 图1示出了装置100的非限制性第一实施方案，其被配置成通过混合电容去离子(HCDI)方法从供水中移除离子。装置100包括容器102，其被配置成容纳液体溶液，如具有升高的溶解盐124、128浓度的盐水溶液。容器102可以是任何形状、大小或构造的容器、隔室、壳体、器皿、罐、筒等，其能够获得、保留、保持和/或释放液体溶液如盐水、咸水、海水、海洋水、淡水、甜水、饮用水、脱盐水、污水、工业用水等。所述容器足够宽敞，以储藏足够量的正在进行脱盐的水溶液；因此，尺寸根据特定的应用而不同。所述容器可以足够大以服务于工业应用。

[0016] 所述容器可以由能够承受腐蚀、温度波动、变化的pH、变化的压力并且抵抗其它化学、机械和/或物理条件的不同材料制成。所述容器可以由玻璃、塑料、复合材料、金属、陶瓷或材料组合制成。所述容器可以一个或多个保护涂层为特征。所述容器可以由使水污染的发生最小化的材料制成。所述容器可以由无毒且符合饮用水标准的(一种或多种)材料制成。

[0017] 装置100进一步包括第一电极104、与第一电极104隔开的第二电极108和设置在第一电极104与第二电极108之间的阴离子交换膜(AEM) 112。AEM 112将容器102分成具有第一电极104的第一隔室113和具有第二电极108的第二隔室115。第一和第二电极104、108被设置在容器102内以与存在于第一和第二隔室113、115中的盐水溶液流体连通。第一和第二电极104、108至少部分浸没在盐水溶液中。在一些实施方案中，第一和第二电极104、108可以完全浸没在盐水溶液中。第一和第二电极104、108可以如图所示相隔一定距离放置在容器102的相反侧。该距离可以是1mm或更大，1cm或更大，10cm或更大，20cm或更大，30cm或更大，这取决于容器102以及第一和第二电极104、108的尺寸。也可考虑第一和第二电极之间的其它距离。

[0018] 在所示实施方案中，第一和第二电极104、108各自包括嵌入主体材料116，其在装置100的不同操作状态下可逆地移除和释放第一目标离子124。嵌入是指一种或多种离子可逆地包入具有分层结构的材料中。层之间的空间可以用作一种或多种类型的离子的临时存储空间。在所示实施方案中，第一目标离子124包括阳离子Na+，但是在其它实施方案中，第一目标离子124可以包括阳离子K+、Mg2+、Ca2+、Pb2+等。在一些实施方案中，第一和第二电极104、108的嵌入主体材料116包括类似的碱金属氧化物或磷酸盐，如NaxMnO2和NaxMPO4，其中碱金属浓度发生变化，这例如通过改变x而改变Na的组成。在其它实施方案中，基于碳和其它基于氧化物的电极材料可用于通过附加的碳和PVDF 粘合剂来制造装置100中的电极材料。

[0019] 在另外的实施方案中，第一和第二电极104、108的嵌入主体材料116是掺杂或未掺杂的立方尖晶石MnO2、Na4Mn9O18(或等效地Na0.44MnO2)、隧道结构的斜方晶材料以及NaM2(PO4)3(其中M = Ti、Mn、Fe、Ni、Cu或其组合)中的至少一种，其中Na的确切组成可以通过将不同起始量的Na2CO3与金属氧化物前体充分混合并然后在高温(例如800℃)下热处理来进行控制。在这些另外的实施方案中，可允许用Li、Mg、Ca和/或K部分取代Na(如果有的话)。

[0020] 在所示实施方案中AEM 112包括膜材料120，其已使用详细的第一原理密度泛函理论(DFT)计算来确定。在一些实施方案中，AEM 112的膜材料120包括具有至少一种化学加成的官能团的单层和很少层石墨烯和氧化石墨烯(GO)片，该官能团被配置成在装置100的至少一种操作状态下包封和捕获第一目标离子124。如本文所用，“单层”是指石墨烯和GO各自可以各自被配置成单个层，而“很少层”是指石墨烯和GO可以各自被配置成最多8层。所述化学官能团是带负电荷的含氧官能团，其可使溶解在供水(例如海水或工业用水)中的第一目标离子124能够缓慢扩散。在该实施方案中，第一目标离子124包括但不限于钠、镁、钙、钾、锶、硅、碳和铝离子。由于带负电荷的AEM 112与供水中存在的第二目标离子128之间的排斥力，AEM 112中的化学官能团也允许第二目标离子128在电极104、108之间非常快速地扩散。在该实施方案中，第二目标离子128包括但不限于氯离子、硫、溴、硝酸根和氨。

[0021] 在一些实施方案中，AEM 112的膜材料120包括基于碳或基于聚合物的多孔膜结构以及与该结构偶合的羟基(-OH)氧官能团和羧基(-COOH)氧官能团中的一个或多个，以使得在AEM中实现选择性阳离子(解)吸附过程。在其它实施方案中，化学加成的氧官能团可以包括羰基(= O)氧官能团、环氧(-O)基团或其组合。在一个实例中，通过Hummer法制备了富含羟基(-OH)的GO样品，该方法在Carbon, 2013, 64, 225 & J. Am. Chem. Soc., 1958, 6, 1339中进行了描述。首先，石墨板和NaNO3可以在低温(例如5℃)下分散在H2SO4中，并且可以将KMnO4添加到所述悬浮体中。在继续搅拌并用水稀释后，可以将混合物加热到大约100℃，并用H2O2处理。所得粉末可用HCl和去离子水冲洗。由于第一目标离子124的捕获取决于GO中存在的氧官能团的数量，因此可以通过加工方法来调节离子传输的控制。特别地，进一步的热处理可以控制官能团的密度，随后过滤、洗涤和在真空下干燥。

[0022] 在一些实施方案中，AEM 112进一步包括膜材料120和其它电子导电(electronically conductive)聚合物的混合物，所述其它电子导电聚合物是例如聚(吡咯)(PPY)、聚苯胺(PANI)、聚(噻吩)(PT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(对苯硫醚)(PPS)、聚乙炔(PAC)和聚(对苯撑乙烯)(p-phenylene vinylene) (PPV)中的一种或多种。
在其它实施方案中，AEM 112包括膜材料120和非电子导电但离子导电的其它聚合物，如聚环氧乙烷(PEO)、交联聚乙烯醇(PVA)、交联聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。可以根据需要添加附加的电子导电材料，如石墨、硬碳、软碳、炭黑等。

[0023] 图3在结构上描绘了本文公开的膜材料120中的Na+离子吸附。图3中所示的结构包括钠(Na)、碳(C)、氧(O)和氢(H)。这些元素在图中通过根据相应的图例在表示元素的圆圈内使用不同的填充图案而彼此区分。膜材料120显示为：面a中为纯石墨烯，面b中为具有环氧基(-O)的GO，面c中为具有羰基(=O)的GO，面d中为具有羟基(-OH)的GO，面e中为具有羧基+(-COOH)的GO。图3进一步示出了在面a-e中示出的每种情况的计算Na 离子吸附电压。纯石墨烯(面a)、具有羟基的GO(面d)和带有羧基的GO(面e)在水稳定性窗口内符合目标电压标准(即相对于标准氢电极(SHE)为-0.401至+1.23 V，其由于溶液的pH值可能发生轻微变化)。GO中可以包括环氧或羰基官能团(面b和c)，但是可能需要施加更大的电压以可逆地嵌入(脱出)阳离子。

[0024] 进一步的计算评估了除Na+离子以外的第一目标离子124在本文公开的膜材料120的一些GO官能团上的吸附电压。例如，表1使用第一原理密度泛函理论(DFT)计算确定了在羟基和羧基GO官能团上的K、Mg和Ca吸附的计算电压。

[0025] 表1相对于SHE的电压 K Mg Ca
羟基(-OH) -0.908 -0.915 -1.119
羧基(-COOH) -0.865 -0.897 -0.832

[0026] 本文公开的结果建议，除了Na、Mg、K和Ca离子以外的阳离子还可以在水稳定性窗口内(或略微位于其外)被基于GO的AEM 112吸引。

[0027] 图4在结构上描绘了本文公开的膜材料120中的Cl-离子吸附。图4中所示的结构包括氯(Cl)、碳(C)、氧(O)和氢(H)。这些元素在图中通过根据相应的图例在表示元素的圆圈内使用不同的填充图案而彼此区分。膜材料120显示为：面a中为纯石墨烯，面b中为具有环氧基(-O)的GO，面c中为具有羰基(=O)基团的GO，面d中为具有羟基(-OH)的GO，面e中为具有羧基(-COOH)的GO。图4进一步示出了在面a-e中示出的每种情况的计算Cl-离子吸附电压。如所示，所有GO氧官能团(面b至e)排斥Cl-离子。换句话说，这些GO氧官能团需要非常大的电压(大于3 eV)以吸引Cl-离子。相反，如面a中所描述，例如当施加约0.4V并由此形成C-Cl-C类似环氧的键时，可能Cl-离子会吸附到纯石墨烯上。为了减轻AEM 112中的阴离子解吸附，如上述控制GO官能团密度的方法中所述，可以使GO官能团数量最大化。

[0028] 进一步的计算还评估了水在本文公开的膜材料120的GO官能团上的DFT结合能。例如，表2确定了H2O对不同GO官能团的结合能，以eV/H2O计。

[0029] 表2GO官能团 H2O的结合能 [eV/H2O]
环氧(-O-) +1.191
羰基(=O) +1.184
羧基(-COOH) +1.273
羟基(-OH) +1.285

[0030] 基于这些计算，对于H2O需要至少约1 eV以与GO官能团结合。因此，使用本文公开的基于GO的AEM 112将不会影响穿过AEM的H2O传输。换句话说，H2O分子132将如图1所示穿过AEM 112。

[0031] 由图3和4看来，本文公开的AEM 112的膜材料120中的第一目标离子124的(解)吸附电压大约在水稳定性窗口内(即相对于标准氢电极(SHE)为-1.0至1.5V)。在一些实施方案中，可能由于动力学限制的离子扩散、活化超电势、欧姆电阻和钝化层形成中的一个或多个，第一目标离子124的测量的(解)吸附电压可以略微超出水稳定性电压窗口。相反，需要非常大的能量以将第二个目标离子128如单个阴离子物类F-、Cl-、Br-、I-和S2-以及阴离子配- - - - - 2- 2- -合物如ClO4 、ClO3、ClO2、BrO4 、BrO3、SO4 、SiO3 和CN吸引到AEM 112上。因此，第二目标离子128自由地穿过AEM112。换句话说，氧化石墨烯(GO)中的氧官能团的受控变化通过将阳离子捕获在膜材料120的羟基(-OH)和羧基(-COOH)中而允许在水稳定性窗口内发生可逆的阳离子(例如Na、Mg、K和Ca)(解)吸附。阴离子如Cl-离子将不受GO上存在的氧官能团的束缚，从而使阴离子能够快速扩散穿过GO。

[0032] 再次参考图1，在一些实施方案中，装置100进一步包括在AEM 112上的外部回路，其被配置成在AEM上施加电压偏置。包含不具有电压出口(voltage outlet)的AEM的HCDI装置(如图5的装置500)将经历有效的“自然”电压VN,eff，其范围从施加电压VIN至电极上的地面。为了能够实现更有效和更快的离子交换，装置100进一步被配置成相对于地面在AEM 112上施加新的膜电压VM。在一些实施方案中，以0至±0.5 V施加膜电压VM。在一些实施方案中，控制和调节自然电压VN,eff和膜电压VM中的一个或多个，以控制AEM 112中某些阳离子和阴离子的吸附和解吸速率。

[0033] 图2是说明具有受控的氧化还原电压的使用装置100的AEM 112的设计策略的示意图。钠离子是海水中最主要的物类，其中由于倾向于吸附到AEM上的带负电荷的物类上而将发生缓慢扩散，而阴离子(例如Cl-)将穿过AEM。其它阳离子如K+、Ca2+和Mg2+将需要较低的可逆反应电势，其可在水稳定性窗口内(或略微位于其外)竞争(即-0.401至+1.23V，这取决于pH)。海水中这类阳离子(例如K+、Ca2+和Mg2+)的浓度较低，但是仍非常希望可逆提取这些阳离子。在一些实施方案中，电极104、108包括本文讨论的用于调节总电压窗口的其它氧化物材料。y轴的电压未按比例绘制。

[0034] 图1的装置100分别在第一隔室113和第二隔室115中交替产生淡水和盐水的基本操作原理类似于关于图5的装置500所讨论的。但是，装置100包括基于氧化石墨烯(GO)的AEM 112，其使氧官能团如羟基(-OH)和羧基(-COOH)最大化，以使得能够捕获阳离子(例如Na、Mg、Ca和K)。此外，装置100在AEM 112上施加膜电压VM，以允许更有效地捕获阳离子并增强阴离子穿过AEM扩散。

[0035] 在所示的实施方案中，装置100包括与本文公开的AEM 112一起使用的对称电极104、108。所述对称电极104、108允许在用于水纯化的连续循环中连续收集清洁水。在其它实施方案中，该装置包括本文公开的与不对称电极(未示出)结合使用的AEM 112，其中金属氧化物内的碱金属浓度可以在电极之间不同。在其它实施方案中，该装置包括两种不同的电极材料，其作为阳极和阴极并入两个隔室中的各一个。一个隔室连接到存贮器以收集和/或沉淀盐，且另一个隔室连接到清洁水料流并交替输出纯化水。在这些其它实施方案中，该装置可能需要额外的循环以使电极再生。

[0036] 图6描绘了使用HCDI装置，如参照图1-4描述的装置100使水脱盐的方法600。方法600包括用具有升高的溶解盐124、128浓度的盐水溶液填充容器102的第一和第二隔室113、
115(方框602)。根据先前操作第一和第二电极的方向，沿正向或反向操作第一和第二电极
104(方框604)。当第一和第二电极104、108沿正向操作时，向第一电极104施加电压VIN，且第二电极108接地。第一电极104被配置成当沿正向操作时从第一电极104脱出阳离子124进入存在于第一隔室113中的盐水溶液中。第二电极108被配置成当沿正向操作时将来自存在于第二隔室115中的盐水溶液的阳离子124嵌入第二电极108中。

[0037] 当第一和第二电极104、108反向操作时，向第二电极108施加电压VIN，且第一电极104接地。第二电极108被配置成当沿反向操作时从第二电极108脱出阳离子124进入存在于第二隔室115中的盐水溶液中。第一电极104被配置成当沿反向操作时将来自存在于第一隔室113中的盐水溶液的阳离子124嵌入第一电极104中。当第一和第二电极104、108沿正向或反向操作时(方框604)，经由外部回路向AEM 112施加膜电压VM(方框606)。分别相对于当未向AEM施加膜电压VM时的第一和第二扩散速率，在向AEM施加膜电压VM时(方框606)，阳离子
124穿过AEM 112的第一扩散速率d1降低，且阴离子128通过AEM的第二扩散速率d2增加。

[0038] 当方框604和606同时执行并且第一和第二电极104、108沿正向操作时，方法600在第一隔室113中产生盐水溶液且在第二隔室115中产生淡水溶液。当方框604和606同时执行并且第一和第二电极104、108沿反向操作时，分别在第二隔室115和第一隔室113中产生盐水和淡水溶液。盐水溶液具有的溶解盐124、128浓度高于最初填充在第一隔室113中的盐水溶液中的溶解盐浓度。淡水溶液具有的溶解盐124、128浓度低于最初填充在第二隔室115中的盐水溶液中的溶解盐浓度。

[0039] 方法600进一步包括从第一和第二隔室113、115中分开提取盐水溶液和淡水溶液(方框608)。当嵌入第一或第二电极104、108中的一定量的阳离子124接近或满足电极容量时，可以从容器102中提取盐水和淡水溶液。如果要进行另一个纯化循环(方框610)，方法600返回到方框602，其中用盐水溶液填充容器102的第一和第二隔室113、115。如果不进行另一个纯化循环(方框610)，方法600结束(方框612)。

[0040] 在一些实施方案中，在提取盐水和淡水溶液(方框608)之后和在第一和第二隔室113、115被重新填充以准备用于后续的纯化循环(方框602)之前，方法600可以包括清洁操作。清洁操作通过将电极和AEM浸入清洁的水、酸(即HCl)或碱(即NaOH)中来清洁第一和第二电极104、108和AEM 112。清洁操作可以以定期的间隔或根据需要来进行。在清洁操作完成之后，方法600可以结束(方框612)，或可以继续进行根据方框602-608的另一个纯化循环。

[0041] 尽管已在附图和前面的说明书中详细说明和描述了本公开内容，但是应当将其视为示例性的，而在性质上不具有限制性。应该理解，仅呈现了优选实施方案，并且希望保护落入本公开内容的精神之内的所有改变、修改和其它应用。

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