背景技术：

使用高表面积电极的流通(flow-through)电容器用于水的净化已经 得到商业上证实并且有很多专利申请，例如，Andelman U.S.专利 5,192,432，公开日为1993.3.9；专利5,196,115，公开日为1993.3.23；专 利5,200,068，公开日为1993.4.6；专利5,360,540，公开日为1994.11.1； 专利5,415,768，公开日为1995.5.16；专利5,547,581，公开日为1996.8.20； 专利5,620,597，公开日为1997.4.15；专利5,748,437，公开日为1998.5.5； 专利5,779,891，公开日为1998.7.14；Otowa U.S.专利5,538,611，公开 日为1996.7.23；Farmer U.S.专利5,425,858，公开日为1995.6.20；Benak U.S专利3,658,674，公开日为1972.4.25，它们均描述了高表面积材料的 使用。这些材料通常具有由包括活性碳粉、活性碳布以及气凝胶的碳形 成的高表面积。例如，Otowa U.S.专利5,538,611要求保护表面积通常 大于约1000B.E.T的活性碳的使用(见第6栏，第29-33行)，以及 Andelman U.S.专利5,620,597描述了在流通电容器中每克活性碳2000平 方米的使用(见第14栏，第8-10行)，U.S.专利6,620,597描述了实质 上由任何耐腐蚀、高表面积材料组成的流通电容器电极(见第4栏第51 行至第5栏第16行)。U.S.专利5,196,115、5,192,432、5,200,068均描述 了高表面积材料的使用。U.S.专利5,547,581叙述了每克大于约1000平方 米的高表面积材料(见第14栏第7行)。U.S.专利5,425,858规定了在流 通电容器结构中使用高表面系数气凝胶(见第5栏第66-69行)并描述了 具有特别高表面系数气凝胶电极的使用，例如，每克400到1000平方米 (见第5栏第66行至第6栏第1行)。

同样也有许多使用低表面积且高电阻电极的流通电容器的例子。这 可能是由于使用内在绝缘材料或由于加入了足够绝缘的惰性材料或粘合 剂从而不利地影响了体电导率特性。例如，由Danny D.Caudel等发表 的Electrochemical Demineralizatin of Water with Carbon Electrodes(U.S. Department of the Interior Research and Development Progress Report No.188，1996年5月)一文，描述了具有碳电极的流通电容器的使用。 该出版物中的表III描述了作为表面积的一种功能的去矿化作用。该著作 主要描述了列入衬底材料的碳黑电极的使用，该衬底材料添加相当多的 绝缘材料到电极中，并因此产生了高电阻。所有使用的碳均为低表面积， 即每克低于1000平方米但均结合了惰性高电阻材料。列出的所有阳极- 阴极对至少包括一种具有低表面积即每克低于310平方米的材料。

然而，在表I至表III中列出的直通电阻(through resistance)是很高 的，即超过0.5欧姆，并且通常是超过1欧姆。尽管Caudle的出版物在 电极中使用高导电性碳黑和石墨，因为从粉状导电碳黑材料(例如， Caudle描述了一种结合导电碳黑的calendared DARCRON (E.I.duPont de Nemours和Company of Wilmington，Delaware的注 册商标)的使用(见第66页))制作单个电极的大量惰性粘合剂材料的 使用，所以制作好的电极具有高电阻。

发明内容：

本发明涉及一种流通电容器，在该电容器中使用的电极，以及一种 制作和操作该流通电容器的方法。

本发明涉及一种用于净化一种液体的流通电容器，该电容器包括： 一个外壳；在该外壳中用于引入待净化的液体的一个入口；以及在该外 壳中用于排出净化后的液体的一个出口。本发明也包括由电极材料组成 的多个电极，以便形成用于净化液体的一个或多个单元，其中，所述电 极包括一个阳极层和一个阴极层。这些层被安排和构造成可使液体在这 些层之间和通过所述单元流动；并包括一个电容器，该电容器的每一单 个单元的串联电阻大约为0.03欧姆或更小；以及包括具有每克B.E.T (Brunauer Emmett Teller方法)大约10-1000平方米的表面积和具有每 克电容超过约1法拉的电容的电极材料。

本发明还提供一种包括上述电容器的流通电容器系统，该流通电容 器系统包括电源，其中，从该电源到该电容器的电阻电压降低于4伏特。

本发明提供一种用于净化包含离子污染物的水的方法，其中，该方法包 括下列步骤：a)提供如上所述的流通电容器；b)将待净化的水引入到入口中； c)从出口排出离子污染过的水；d)排除从电容器收集的离子污染物。

本发明的一个目的是利用低电阻、低表面积、高电容材料以便提供 具有提高的流速、更高的能量效率以及更好的耐腐蚀性的流通电容器。

本发明的另一个目的是提供具有低表面积以及具有低于约0.3欧姆 串联电阻的高导电材料的流通电容器。

高电阻限制了能流入电容器的电流量。通过限制电流，高电阻也能 限制可能在流通电容器中净化的水的流速。低电阻提供具有更大能量效 率的流通电容器，该电容器具有每克所使用的电容材料的更快的流速。 为获得90％的净化所要求底流速应当为每克低表面积材料每分钟超过 1ml，最好是每克低表面积材料每分钟超过4ml。这应当应用于一个跨浓 度宽范围，达到至少0.02N。许多低表面积材料是内在导电的，因此他们 不需集电器或到它们集电器的压紧接触，因此减少了一个电阻元件。

由于材料内部增加的电容，因而使用现有技术的这些高表面积材料。 现有技术的高表面积材料需具有高孔隙度或高纹理，这些结构降低了材 料的体电导率。然而，高表面积材料内在的高孔隙度增加了体电阻率。 因此，每一给定量的材料的流速和能量效率也降低了。由于那些材料的 高电阻，用高表面积材料所做的流通电容器通常要求更高的操作电压来 补偿电压降。由于高表面积材料的氧化或腐蚀，因此强调了材料并减少 了电极寿命。通常，当在1伏特以上电压下操作而低表面积材料也可能 有用时，低表面积材料充电更快并能利用每克材料的更高的安培数，因 此可使得流通电容器工作。

因此，由于在充电周期期间由电阻导致的电压降更小，与电源端相 对，在电容器自身中所测量的操作电压的平均值将会更低。例如，电源 端可供电2伏，而电容器本身内部所承受的电压按照在充电期间求平均 值，最好低于1伏。剩余电压降降落在流向电容器的导线内并且不会用 来氧化表面积电极材料或对其产生不利的影响。由于减少了氧化和腐蚀， 因而提供的低平均操作充电周期电压提高了电极寿命。本发明的低平均 操作周期电压也使能量利用得更充分。

在腐蚀不是很重要的场合，低电阻、低表面积材料在更大的电流和电 压下也能工作，因此充电更快并且提供大约每克每分钟超过1ml的更快 的流速净化，当要求增加流速时，对90％的净化来说最好电极材料每分 钟大约为4ml，并且最好是在每克电极材料超过50毫安的情况下操作流 通电容器。

对电极材料每一给定的重量或体积具有较慢流速净化的、充电较慢的 现有技术的高表面积、高电阻电容器需要在数值较高而能量效率较低的 电压下运行，以便补偿高电阻材料。因此，需要表面积降低、电阻降低 的然而仍具有高比电容的流通电容器。

为利用提高了电能效率的改进性能，需要低电阻流通电容器。通常， 较低表面积材料，因其降低的孔隙度和较高的体积密度，所以具有较高 的导电性，除非其与大量绝缘材料结合。然而幸亏因为它们较好的电导 率，所以对于以低电阻材料用作电容来说，其更多的表面积是有用的。 因此由于其具有较低的电阻，所以可以使用较低表面积材料而不牺牲电 容，同时增加了流速、能量效率极其性能。

本发明允许使用具有较低表面系数的气凝胶以利用低表面积、较低孔 隙度材料中的增加的电导率。例如，活性碳粉末，活性碳布，碳黑，气 凝胶，泡沫、玻璃化碳黑，多孔或有纹理的石墨，具有每克低于400平 方米的表面系数的其他活性碳材料，也可用作流通电容器电极，以便利 用那些较低表面积材料的较高的电导率。然而，为了提供高的比电容， 表面积不应该低于每克大约10平方米。所以使用较密的、较低表面积材 料提供了增强的体电导率，因此具有较高的性能。

尽管是低表面积，但由于其低电阻和高电容，串联铂碳黑和导电氧化 物仍可作为相当好的电极。氧化钌，氧化钛，其它过渡金属氧化物，氮 化物，硼化物，以及碳化物，或它们中的组合是最佳实施例。Magneli phase 低价钛氧化物(titanium suboxide)是一种特别的导电材料，即TiNO2n-1，其中(n)是4到10之间的整数。低表面积陶瓷电极，不管是烧结的 整体还是粉末，均用包含聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂的一种粘合剂粘合 在一起。

当用在双极性电极组中时，导电性氧化物也用电化学的方法覆盖并且 耐腐蚀和抗氧化。通常，电化学上的惰性材料和导电陶瓷可以微粒、纤 维、烧结的、片、或单块形式使用。相对于上述现有技术专利中描述的 高电阻材料，这些材料也具有极其有利的低电阻。

通常，低表面积导电电极的表面积最好是每克低于400平方米，但 每克不低于10平方米。并不要求表面积太低，或牺牲比电容，如简单的 烧结的粉状金属的表面积过低。导电电极材料应当具有足够的表面积以 具备高的比电容，最好是每克超过1法拉。每克10平方米和每克400平 方米之间的表面积是提供高的比电容和高的电导率的最佳参数选定。与 这一表面积数值相称的孔隙度和纹理结构是需要的。每克10到400平方 米之间和具有每立方厘米0.1克或更高密度的低表面积密实材料提供每立 方厘米的高体积电容或高电容。

通常，可使用具有高比电容的，且每克表面积在10和400平方米之 间的任何抗腐蚀、高电导率材料。这种电容典型地可能在每克1法拉以 上或电容器体积每立方厘米1法拉以上。这种电容最好是每克10法拉以 上或每立方厘米10法拉以上。电阻典型地是低于0.03欧姆-厘米，最好 是低于0.01欧姆-厘米。一些电阻低于0.03欧姆-厘米的高导电材料可能 具有稍高于每克400平方米的表面积，如每克达到1000平方米。例如， 校直的纳米管或纳米管电极通常可能在每克100-1000平方米之间，且具 有比现有技术的活性碳、气凝胶或碳布更高的导电性和电容。纳米管材 料的电阻是0.001欧姆-厘米或更低。一些高导电性的碳黑如 Monarch1400，其表面积在每克560平方米内，与现有技术材料相比其 具有电容，且电阻仍低于0.01欧姆-厘米，这比现有技术的表面积碳材料， 如气凝胶、活性碳和碳布更低。

因此，由相对低的表面积的碳黑和每克低于1000平方米的纳米管制 成的电容器可提供具有更高能量效率的流通电容器，对每一给定的电容 器装置或系统的大小具有更快的净化流速。

令人感到意外的是，尽管较低表面积材料与现有技术的高电阻、高表 面积材料相比表面积很低，但其电容却很高。这是因为在低表面积、导 电性更好的材料中更好地利用了表面积。因此，低表面积、低电阻材料 对于提供性能改进的流通电容器是有用的。

钛箔以及氧化钌材料提供一种具有低串联电阻和对每一给定电极材料 量具有更快的流速净化的改进的流通电容器。这些材料可能以单独使用， 混合使用，涂覆到基片上或涂覆到集电器上来使用。例如，氧化钌可能 被镀、烧结、涂覆到集电器基片上，包含钽、钛、石墨。换句话说，这 些材料的粉末可能通过烧结或通过使用一种聚合粘合剂，包括形成原纤 维的PTFE粘合而形成薄片。U.S.专利4,153,661描述了使用PTFE 与粉末材料制作薄片材料。可使用表面积在每克10平方米和每克400平 方米之间的导电性碳黑或多孔填料的石墨。在PTFE电极中粘合剂的总 量低于10％，通常是低于6％，因此粘合剂将导电性粉状电极材料装入 到电极薄片中，而没有显著地影响体电导率。

电极薄片可被用作是集电极或与导电箔、聚合物、石墨箔、金属或其 他导电的集电器一起使用。可能使用每克在10到400平方米的纳米管填 料，包括校直的纳米管。目前的集电器和电极可以是薄片、导线、或杆 形，或任何几何形状，从而使其可面向由隔片分隔开的阳极-阴极对。 该隔片可能是具有离子导电性而仍是电绝缘的任何材料。例如，该隔片 包括绝缘的微突出、网板印制的绝缘体，或可能是单独的薄片材料，例 如无纺的聚烯烃、有纺或无纺的聚合网格材料、NAFION(E.I.du Pont de Nemous and Company of Wilmington，Delaware的注册商标)、陶瓷的玻 璃纤维、矿物微粒等等组成。换句话说，电极可能用在盒状支座内分裂 开的垫片或支撑物隔开，只要电极是低表面积、低电阻。通常，每克400 平方米到每克10平方米之间的表面积足够为性能改进的流通电容器提供 低电阻电极，例如，低于1欧姆-厘米，最好是低于0.3欧姆-厘米。这些 电极应当具有最小表面积，以便提供高的比电容，例如玻璃碳、泡沫状 以及利用粉末治金术制成的多孔金属电极。然而，除非这些材料具有最 小表面积，最好是每克超过10平方米，否则电极将有低的比电容。并且 由于离子吸附能力减少，因此对制造流通电容器用处很小。如果表面积 过高，电阻就增加。烧结的粉状金属的表面积应当在每克10平方米到每 克400平方米之间。

具有平均操作电压的低表面积、低电阻材料可使流通电容器的内部部 件串联连接到流通电容器电极的盒状支座，因为改进的导电性和较低的 平均操作电压使得从电源到导电引线、任选集电器、以及电容器电极本 身的电阻电压降更低。该电压降最好低于4伏。低电压降允许将内部部 件串联连接到盒状支座而不超过电解发生处的电位。每一阳极和阴极对 成为一个单个的电容器。

在导电引线中损失较少的电极组本身的电压最好低于水的击穿电压加 上电极的过电压。对水溶液来说最好是2伏或更低，对有机溶液来说最 好是4伏或更低。在电极组中的每一单个电容器的实际电压是用电极组 电压除以多个电极对层的数目。每一个电极对表示一个串联电容器。

电极的串联连接通过对给定安培数使用更高的电压功率来提高电能效 率。整个电极组具有与并联连接的电容器相同的电压。然而，该电极组 是由串联的多个(n个)内部电容器组成。这些电容器中的每一个由于该 数目(n)而降低了电压。因此，与并联连接的电容器相比，电极具有一 个被降低为1/n的平均操作电压，因此显示出更好的耐腐蚀性，对安培 数要求更低，能量使用更充分，以及利用廉价、更低的安培功率的能力。 不使用低电阻、低表面积材料，电阻就太大因而不能进行实际应用。

下面将仅结合某些示出的实施例为图解说明的目的来描述本发明；然 而，应当认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，还可在这些 说明性实施例中做出各种改变、更改、补充以及改进。

附图说明：

图1是用在串联电容器中的多层电极的示意性分解图；以及

图2说明了本发明的一种流通、串联的电容器。

具体实施方式：

图1示出了用于构造一个串联的流通电容器的电极层的排列。在该实 施例中，实际上只有端电极1用来连接到电源。设置孔2以便能连接如 图2中所示的螺杆9以及垫圈螺钉装置11，从而形成与导电引线和螺栓 10的紧密连接。层3是低表面积、高导电电极；该电容器还具有任选内 部集电器5，以及具有如图1所示的引线连接器孔2的可串联的端集电器 1。高导电性、低表面积电极可能省略端集电器1和5并起它们自己的集 电器的作用，在这种情况下，可串联的低表面积电极被扩展并设置一个 连接装置，如孔2。换句话说，某些材料可能被焊接、压接或拉出以形成 一条引线如电线引线。层的数目可能是任何整数，但最好低于1000。也 可能串并联结合。例如，如图1中所示的层可能重复多次，具有伸长的 含有引线的并联连接的电极以及内部的、未伸长的串联连接的电极。串 联连接意指以电子感知(electronic sense)方式连接。在内部电极之间 没有实际的连接，因为它们被隔片4分隔开。

图2示出了一种组装的串联装置9、螺栓装置10以及垫圈螺钉装置 11，它们形成与端电极1之间的紧密电连接。导电引线1可能被压在顶 板15和螺栓之间以形成与垫圈螺钉装置11的紧密连接。整个电极组14 被设置在具有入口和出口7以及液体连接的定位器8的盒状支座13内。 箭头表示流动通路，其流入顶部或底部。例如，在围绕电极组14的侧面 流动，在层3之间流动，或者如果电极材料多孔的话，流过电极材料， 或者流过由隔片形成的流体通道，或者从那里起通过由内部电极、隔片 或如图1所示的集电器孔6的组合所形成的内部通路12。

任何流通电容器的几何结构通过非物理性连接内部电极可被转换成串 联的流通电容器。例如，串联的流通电容器的螺旋缠绕变形可通过提供 多个阳极-阴极层、但仅仅延长或连接来自端电极的一条引线来完成。 通过将电源仅连接到端电极和简单地切断中间并行的连接引线4，可使用 Andelman U.S.专利5,779,891的图1所示出层叠圆片设计。Andelman U.S.专利5,779,891的图12示出了一种不常用的多棒状电极的几何结构， 所有棒状电极均并联连接。为串联这些电极，分开的成行的棒状电极可 被连接到电源的相反的电极，具有至少两行的居中偶数数目的棒状电极 没有与电源物理连接。内部未连接的棒状电极形成阳极-阴极对，充当 单个串联电容器。

本发明的流通电容器可用来净化水、污水或冷却塔水。另外，本发明 的流通电容器在包括但不局限于己内酰胺、乙二醇、糖和玉米糖浆的化 学处理液流的处理或消除离子杂质上很有用。本发明的流通电容器可用 来吸收静电的离子化合物、电催化地分解有机分子、或电化学地与金属 溶液起化学反应或电镀金属溶液。本发明的流通电容器也可用于电化学 合成中。

实施例1

在具有一种碳氟化合物，如在形成原纤维的PTFE的0.01英寸厚的 薄片中，具有40-400平方米表面积的RuO2xH2O粉状材料被做成图1的 流通电容器。NALTEX(Nalle Plastics，Inc.of Austin，Texas的注册商 标)双面过滤网用做隔片，石墨箔、钛、或者其他不会腐蚀的材料用来 做任选集电器。以每克电极材料每分钟超过4毫升的流速，将包含0.1M 的NaCl的微咸水净化90％，到含NaCl 0.01M。

实施例2

将RuO2作为一0.005英寸厚的薄镀层镀覆到0.005英寸厚的钽箔上 以制成一种具有内在的集电器的合成电极，该集电器具有每克400-200平 方米的B.E.T表面积以及低于0.001欧姆-厘米的电阻，RuO2被切割为3 平方英寸并被装配成一种螺旋缠绕的流通电容器。一DC电源提供给流 通电容器1.2伏电压，同时被污染的水从地下水源抽出并被送到该电容器 中。

含有放射性锶和铯的水被净化超过90％并重新被送回地下。浓缩的 放射性污水从电容器中放出并被送入到一个结晶器单元中用做进一步浓 缩。

实施例3

沉淀在0.5密耳厚的钽箔上的氮化钼、硼化物以及碳化物薄膜，如在 Andelman U.S.专利5,680,292中所述，被做成如图2所示的一种串联流 通电容器。一DC电源为整个电极组提供2伏电压。这与Andelman U.S. 专利5,620,597的图15中所示的控制系统相结合，以便提供一种更小的 流通电容器，该电容器以电容器盒状支座大小每立方厘米每分钟3ml的 加速的体积流速净化500ppm溶解的固态水。

实施例4

来自Cabot公司，具有每克560平方米氮表面积的亲水性导电碳黑 Monarch1400TM形成具有5％PTFE粘合剂的0.02英寸厚的薄片材料， 以便制作低于0.02到0.01欧姆-厘米的合成电极。0.05英寸厚的石墨箔被 用作导电底座。具有1厘米宽网格的0.02英寸NALTEX双面过滤网用 作隔片。这就做成了如图1所述的流通电容器。一个DC电源连接到并 行捆在一起的阳极和阴极引线上并以1伏的恒定电压驱动电容器。

在每一个充电周期极性被颠倒。城市水的2000 microSiemen(微西 门子)溶液被净化到70％以上。一旦电导达到600 microSiemen(微西 门子)，一个继电器分路一个三通阀门来消耗，而同时电容器是短路的。 这就放出了已吸收的污染物，且该污染物被冲入排水沟中。电容器极性 被颠倒以进行下一个充电/净化周期。一种砂预过滤器(sand prefilter)被 用来除去颗粒状物。使用一种布柱(cloth post)过滤器以便截住可能从 电容器中释放的并且流入到产品液流中的凝结的有机物和其它颗粒状 物。任选消电离树脂或反渗透系统精加工来自电容器的产品水。本发明 的流通电容器也可用在RO消电离电渗析或过滤系统的供水、再生、或 污水回路中。

实施例5

实施例4的流通电容器被用来在零电压时吸收卤代烃。因此电容器在 2伏电压下运行5分钟，以便电催化地裂解所吸收的卤代烃。

实施例6

在有氯化物的情况下，实施例2的流通电容器运行在2伏电压下，以 便为水中微生物消毒的目的而生成氯气以及其他氧化还原化合物。

实施例7

实施例4中的电容器以串联的方式电连接以便允许使用较高电压、较 低安培数的电源。为DC电源提供分压装置。每个单元被单独监视和控 制，以便为该每个单元提供相等的电压。

在先申请：

本申请的基础及优先权是U.S.临时专利申请，序列号为60/146,397， 申请日为1999.7.30，在此引入作为参考。