СЛОИСТАЯ ОСНОВА ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЕМКОСТНОЙ ДЕИОНИЗАЦИИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК C02F1/469 C25B11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к электроду для емкостной деионизации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Технология удаления растворенных в воде солей при помощи мембран включает способ с использованием обратноосмотической мембраны, способ электродиализа, способ емкостной деионизации (capacitive deionization, CDI) и т.п. Технология емкостной деионизации отличается от других технологий мембранного разделения тем, что представляет собой технологию удаления разных присутствующих в воде ионов с высокой эффективностью деионизации при малой концентрации - 3000 частей на миллион или менее, более высокой энергоэффективностью и высоким темпом отбора воды. Более конкретно, технология емкостной деионизации подразумевает возможность изменения эффективности деионизации в зависимости от целевого использования воды и позволяет регулировать степень удаления ионов в соответствии с вариантом целевого использования.

Например, степень удаления ионов может быть отрегулирована так, чтобы в воде, предназначенной для использования в кофемашине, содержалось надлежащее количество ионов (минералов) для улучшения вкуса кофе. Кроме этого, она может быть применена в водоумягчительной установке, водоочистительной установке, используемых в быту, а также в качестве воды, циркулирующей в трубах бойлера, в градирне, промышленной оборотной воды и воды иного промышленного применения.

Принцип технологии емкостной деионизации состоит в следующем: когда к обоим концам угольного электрода, на котором на графит (токосниматель) нанесен активированный уголь, подводят электрический заряд, на активированном угле под действием электрического притяжения адсорбируются присутствующие в воде ионы, а когда адсорбция ионов на угольном электроде близка к состоянию насыщения, подводят противоположный электрический заряд, и адсорбированные на угольном электроде ионы десорбируются с него под действием силы отталкивания зарядов, и электрод регенерируется. При этом ионы, мгновенно отдаляющиеся от угольного электрода, снова адсорбируются на противоэлектроде под действием электрического притяжения к этому электроду.

В рамках технологии емкостной деионизации для повышения эффективности электрода в процессе регенерации применяют ионообменную мембрану; ионообменная мембрана выполняет роль ионного барьера и защищает активированный уголь от побочных реакций, предотвращая окисление материала угольного электрода в воде.

Однако, поскольку стоимость ионообменной мембраны составляет значительную долю стоимости электрода для емкостной деионизации, ее массовое использование или использование на крупномасштабных водоочистных установках на практике ограничено, следовательно, имеется потребность в электроде для емкостной деионизации, характеризующемся высокой рентабельностью, обеспечивающей возможность его крупномасштабного производства с низкими издержками, и высокой эффективностью деионизации, а также технологии его изготовления.

Релевантные документы

Патентные документы

Патентный документ 1: Выложенная патентная заявка Кореи №10-2018-0115825 (24 октября 2018г.)

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

Целью настоящего изобретения является обеспечение электрода для емкостной деионизации, характеризующегося высокой эффективностью деионизации и износостойкостью при низкой себестоимости и способа его изготовления.

Одной из целей настоящего изобретения является обеспечение электрода для емкостной деионизации, характеризующегося относительно высокой износостойкостью и высокой эффективностью деионизации даже при значительно сниженной себестоимости по сравнению с традиционными технологиями за счет сведения к минимуму доли довольно дорогостоящего ионообменного слоя, и способа его изготовления.

Решение технической проблемы

В одном из основных аспектов слоистая основа электрода для емкостной деионизации включает: слой пористой подложки и ионообменный слой, нанесенный на одну или обе поверхности слоя пористой подложки, при этом внутреннее пространство пор пористой подложки заполнено поперечносшитым гидрофильным полимером.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения гидрофильный полимер может включать полимер на основе винилового спирта.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения поперечносшитый гидрофильный полимер может быть получен в результате реакции полимера на основе винилового спирта со сшивающим агентом.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения сшивающий агент может включать одно или несколько соединений, выбранных из соединений на основе альдегида и соединений на основе амина.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения слой пористой подложки может иметь среднюю толщину от 5 до 50 мкм.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения слой пористой подложки может характеризоваться средним размером пор от 0,05 до 50 мкм и пористостью от 20 до 70%.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения средняя толщина ионообменного слоя не имеет определенных ограничений, однако может составлять от 0,1 до 30 мкм.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения пористая подложка может быть выполнена из материала, включающего гидрофобный полимер.

В другом основном аспекте электрод для емкостной деионизации включает: слоистую основу электрода для емкостной деионизации и угольный электрод, нанесенный на одну или обе поверхности слоистой основы электрода.

В еще одном основном аспекте изобретения способ изготовления слоистой основы электрода для емкостной деионизации включает следующие стадии: стадию пропитки, на которой слой пористой подложки пропитывают раствором гидрофильного полимера; стадию сшивания, на которой на пропитанный гидрофильным полимером слой пористой подложки наносят сшивающий раствор с образованием внутри пор пористой подложки поперечносшитого гидрофильного полимера; и стадию формирования ионообменного слоя, на которой на одну или обе поверхности слоя пористой подложки, заполненного поперечносшитым гидрофильным полимером, наносят раствор ионообменной сломы.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения гидрофильный полимер может включать полимер на основе винилового спирта.

В одном из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения на стадии сшивания сшивающий агент может включать одно или несколько соединений, выбранных из соединений на основе альдегида и соединений на основе амина.

Положительный эффект

Электрод для емкостной деионизации и способ его изготовления в соответствии с настоящим изобретением имеют эффект обеспечения электрода для емкостной деионизации с малыми затратами по сравнению с традиционными технологиями, при этом электрод характеризуется высокой эффективностью деионизации и износостойкостью.

А именно, в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается электрод для емкостной деионизации с относительно высокой износостойкостью и высокой эффективностью деионизации даже при значительно сниженных затратах по сравнению с традиционными технологиями за счет сведения к минимуму доли сравнительно дорогостоящего ионообменного слоя и способ его изготовления.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее подробно описан электрод для емкостной деионизации, характеризующийся высокой рентабельностью, и способ его изготовления в соответствии с настоящим изобретением.

Технические и научные термины, используемые в настоящей заявке, имеют общее значение, привычное специалистам в данной области, если не указано иное, и в нижеследующем описании для ясности опущено описание известных функций и конфигураций.

Форма единственного числа используемых терминов может также подразумевать включение формы множественного числа, если не указано иное.

Единицы %, приводимые без конкретных оговорок, означают весовые проценты, если не указано иное.

Термин «слой» или «пленка» в контексте настоящей заявки означает, что материал образует сплошную область, толщина которой мала по сравнению с шириной и длиной. Следовательно, не следует интерпретировать термин «слой» или «пленка» как двумерную плоскость

Слоистая основа электрода для емкостной деионизации в соответствии с настоящим изобретением включает слой пористой подложки и ионообменный слой, нанесенный на одну или обе поверхности слоя пористой подложки, при этом внутреннее пространство пор пористой подложки заполнено поперечносшитым гидрофильным полимером, тем самым, достигается эффект относительно высокой износостойкости и высокой эффективности деионизации даже при значительно уменьшенном весе и стоимости ионообменного полимера, используемого при ионном обмене, по сравнению с традиционными технологиями.

Внутреннее пространство пор слоя пористой подложки заполнено поперечносшитым гидрофильным полимером, и когда гидрофильный полимер не сшит, износостойкость, конечно, значительно меньше, а эффективность деионизации существенно снижается. Следовательно, для достижения цели настоящего изобретения гидрофильный полимер, которым заполнено поровое пространство слоя пористой подложки, должен представлять собой поперечносшитый гидрофильный полимер. Кроме этого, поскольку внутреннее пространство пор слоя пористой подложки заполнено поперечносшитым полимером, высокая эффективность деионизации может быть обеспечена без специальной обработки, направленной на достижение гидрофилизации, такой как лазерная обработка, увеличивающей производственные затраты.

Термин «гидрофильный полимер» в контексте настоящей заявки может относиться к различным типам соединений, например, это может быть один из полимеров на основе винилового спирта, такой как поливиниловый спирт (PVA) и поливинилпирролидон (PVP), полимеров на кислотной основе, такой как полиакриловая кислота (РАА) и хитозан, полимеров на оксидной основе, такой как полиэтиленоксид (РЕО), и т.п. С точки зрения повышения износостойкости и эффективности деионизации в сочетании с высокой рентабельностью предпочтительно использовать полимер на основе винилового спирта, более предпочтительно, поливиниловый спирт.

Таким образом, с точки зрения снижения производственных издержек и повышения износостойкости и эффективности деионизации является предпочтительным, чтобы поперечносшитый гидрофильный полимер был получен посредством реакции полимера на основе винилового спирта со сшивающим агентом.

«Сшивающий агент» в контексте настоящей заявки может быть любым при условии, что он пригоден для сшивания гидрофильного полимера, например, он может представлять собой любое одно или два или более соединений, выбранных из соединений на основе альдегида, например, глутаральдегид (GA), соединений на основе амина, например, диаллиламин и триаллиламин, борной кислоты (ВА), лимонной кислоты (СА), фосфорной кислоты (РА) и т.п. Однако могут быть использованы и другие сшивающие агенты при условии, что они пригодны для осуществления реакции сшивки для сшивания гидрогеля и т.п., и настоящее изобретение не ограничивается описанными выше сшивающими агентами.

В качестве не имеющего ограничительного характера примера, поскольку материал, обладающий ионообменными свойствами, по существу, может отсутствовать в порах слоя пористой подложки, содержание относительно дорогостоящего ионообменного иономера может быть сведено к минимуму, в частности, поскольку внутреннее пространство пор заполнено поперечносшитым гидрофильными полимером, обладающим специфическими свойствами, эффективность деионизации остается высокой, а вес ионообменного иономера может быть сведен к минимуму без значительного снижения эффективности деионизации.

Является предпочтительным, чтобы слой пористой подложки представлял собой материал, содержащий гидрофобный полимер, а именно, гидрофобный полимерный материал, обладающий высокой износостойкостью. Поскольку внутреннее пространство пор слоя пористой подложки, изготовленного из гидрофобного полимерного материала, заполнено поперечносшитым гидрофильным полимером, он обладает износостойкостью и может длительное время обеспечивать высокую эффективность деионизации. Например, в качестве материала слоя пористой подложки может быть выбран один или два или более полимеров на основе полиолефина, целлюлозы, органических и неорганических гибридных полимеров, в которых на пористой положке образован слой неорганических частиц. Конкретными примерами полиолефина могут служить полиэтилен, полипропилен и т.п. Кроме этого, могут быть использованы и другие материалы при условии, что они являются износостойкими, а именно, гидрофобные полимерные материалы.

Слой пористой подложки может характеризоваться средним размером пор от 0,005 до 50 мкм, например, от 0,01 до 30 мкм, более конкретно, от 0,1 до 20 мкм. Кроме этого, слой пористой подложки может характеризоваться пористостью от 20 до 80%, например, от 30 до 80%, более конкретно, от 40 до 60%. Когда удовлетворяются эти условия, слой пористой подложки может обладать достаточной износостойкостью, снижать сопротивление ионообменного слоя во время деионизации и поддерживать высокую эффективность деионизации.

Слой пористой подложки может иметь среднюю толщину от 5 до 50 мкм, например, от 10 до 30 мкм. Когда удовлетворяется это условие, механические свойства слоя пористой подложки, такие как свойства при изгибе и ударная прочность, могут способствовать достижению максимальной эффективности деионизации при достаточной износостойкости.

Поскольку среднюю толщину ионообменного слоя можно надлежащим образом регулировать в зависимости от стоимости, эффективности деионизации и т.п., эта величина не имеет определенных ограничений и может составлять, например, от 0,1 до 30 мкм. Когда выполняется это условие, высокая эффективность деионизации может быть достигнута без чрезмерного увеличения затрат.

Ионообменный слой представляет собой катионообменный слой или анионообменный слой, при этом, катионообменный слой или анионообменный слой может быть нанесен на обе поверхности пористой подложки, либо катионообменный слой и анионообменный слой могут быть нанесены, соответственно, на обе поверхности пористой подложки. Катионообменный слой или анионообменный слой может быть нанесен в соответствии с конкретной конфигурацией, а именно, последовательной или параллельной, элемента с использованием данного электрода для емкостной деионизации. Например, в различных случаях основная цепь полимера ионообменного слоя может включать как катионообменную группу, так и анионообменную группу. В качестве одного из конкретных примеров, полимер может представлять собой полистирол, полисульфон, полиэфирсульфон, полифениленоксид, полиэфирэфиркетон, полиамид, сложный полиэфир, полиимид, простой полиэфир, полиэтилен, политетрафторэтилен, полиглицидилметакрилат и т.п., однако, конечно, этим не ограничивается. Примерами катионообменной группы могут служить -SO₃^-, -COO^-, -PO₃^2-, -PO₃H^- и т.п., примерами анионообменной группы могут служить -NH₃⁺, -NRH₂⁺, -NR₂H⁺, -NR₃⁺, -PR₃⁺, -SR₂⁺ и т.п. При этом, R может иметь различные заместители, например, в виде углеводородной группы, более конкретно, углеводородной группы, включающей от 1 до 5 атомов углерода.

Ионообменный слой формируют из полимера, включающего ионообменную группу, как описано выше, и средневесовой молекулярный вес этого полимера не имеет определенных ограничений при условии, что обеспечивается достаточная эффективность деионизации, например, он может составлять от 5000 до 500000 г/моль. Однако это лишь один из конкретных примеров, и этим примером настоящее изобретение не ограничивается.

Настоящим изобретением может обеспечиваться электрод для емкостной деионизации; и электрод для емкостной деионизации, соответствующий одному из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, может включать: слоистую основу электрода для емкостной деионизации и угольный электрод, нанесенный на одну или обе поверхности слоистой основы электрода. Одним из конкретных примеров может служить основа слоев, расположенных в порядке катионообменный слой, слоистая основа электрода для емкостной деионизации и катионообменный слой; структура слоев, расположенных в порядке анионообменный слой, слоистая основа электрода для емкостной деионизации и анионообменный слой; и структура слоев, расположенных в порядке катионообменный слой, слоистая основа электрода для емкостной деионизации и анионообменный слой. Кроме этого, множество единичных элементов с указанной структурой слоев располагают последовательно или параллельно, чтобы проводить крупномасштабную деионизацию. Более конкретное описание структуры и формы электрода для емкостной деионизации можно найти в документах известного уровня техники.

Электрод для емкостной деионизации, соответствующий одному из примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, может дополнительно включать разделитель, обеспечивающий свободное протекание обрабатываемой воды. Разделитель может иметь структуру, в которой имеется траектория потока, представляющая собой пространство, по которому протекает обрабатываемая вода, может быть выполнен из любого материала, достаточно прочного, но не влияющего на обработку воды, может включать пространство, известное из предшествующего уровня техники, следовательно, может быть использован любой известный разделитель. Например, структура траектории потока в разделителе может иметь разные формы, например, треугольную, полуэллиптическую, полукруглую, трапециевидную, прямоугольную, спиральную, решетчатую (сетчатую), коническую, цилиндрическую, гребенчатую, волнообразную, полосчатую и точечную. Средняя толщина разделителя может быть выбрана свободно, например, может лежать в диапазоне от 0,5 до 5000 мм, однако, конечно, этим диапазоном не ограничивается.

Разделитель может быть надлежащим образом размещен в различных конфигурациях в зависимости от целевого назначения. Например, разделитель может быть расположен вблизи или у одной или обеих поверхностей слоистой основы электрода для емкостной деионизации, соответствующего настоящему изобретению, и пара угольных электродов может быть разделена расположенным между ними разделителем.

Кроме этого, слоистая основа электрода для емкостной деионизации и включающий ее электрод для емкостной деионизации настоящего изобретения не имеют ограничений в отношении размера и технических условий и могут быть надлежащим образом спроектированы в соответствии с целевым назначением, условиями использования, масштабом применения и т.п.

Угольный электрод представляет собой углеродсодержащий слой, придающий ему электропроводность; углеродсодержащий слой может быть сам по себе использован в качестве электрода, либо может быть применен электрод, на одну или обе поверхности токоснимателя которого нанесен углеродсодержащий слой. Например, углеродсодержащий слой может быть создан путем нанесения на токосниматель электродной суспензии, содержащей углеродный материал и растворитель. При этом, возможны различные растворители, например, это может быть органический растворитель, представляющий собой любой один или два или более растворителей, выбранных из н-метил-2-пирролидона, диметилформамида, диметилацетамида, ацетона, хлороформа, дихлорметана, трихлорэтилена, этанола, метанола, н-гексана и т.п.

Углеродный материал может представлять собой любой материал на основе углерода, придающий электроду электропроводность, например, может включать любой один или два или более материалов, выбранных из порошкообразного активированного угля, волокнистого активированного угля, графита, углеродной сажи, углеродных нанотрубок, углеродного аэрогеля, ацетиленовой сажи, ketjenblack (электропроводная углеродная сажа высокой степени чистоты), углерода XCF, углерода SFR и т.п. Кроме того, могут быть использованы различные материалы, образующие угольный слой.

С точки зрения сведения к минимуму электрического сопротивления и повышения эффективности деионизации, средняя толщина угольного слоя может составлять от 50 до 500 мкм, однако, этим не ограничивается и может быть выбрана надлежащим образом.

Токосниматель может быть выполнен из любого электропроводного материала, должным образом могут быть использованы различные известные материалы. Например, это может быть любой индивидуальный материал или сплав, содержащий два или более материала, выбранных из графита, алюминия, никеля, меди, титана, железа, нержавеющей стали и т.п. Кроме того, токосниматель может иметь различные формы, такие как лист, тонкая пленка, сетка полотняного переплетения и т.п., и поскольку его среднюю толщину можно выбрать надлежащим образом, она не имеет определенных ограничений и может составлять, например, от 10 до 5000 мкм.

Способ изготовления слоистой основы электрода для емкостной деионизации, соответствующий настоящему изобретению, включает: стадию пропитки, на которой пористую подложку пропитывают раствором гидрофильного полимера; стадию сшивания, на которой на пропитанную гидрофильным полимером пористую подложку наносят сшивающий раствор с образованием внутри пор пористой подложки поперечносшитого гидрофильного полимера; и стадию формирования ионообменного слоя, на которой на одну или обе поверхности пористой подложки, заполненной поперечносшитым гидрофильным полимером, наносят раствор ионообменной сломы.

В слоистой основе электрода для емкостной деионизации, соответствующей настоящему изобретению, когда внутреннее пространство пор пористой подложки не заполнено поперечносшитым гидрофильным полимером, или когда полимер является несшитым полимером, отличным от поперечносшитого гидрофильного полимера, эффективность деионизации может быть неудовлетворительной. Кроме этого, полимер может давать усадку во время сушки (отверждения) полимера, включающего ионообменную группу, на последующей стадии производства, из-за чего ионообменный слой может не принимать нормальную - плоскую и гладкую - форму.

На стадии пропитки пористую подложку пропитывают раствором гидрофильного полимера, тем самым, заполняя внутренние поры пористой подложки раствором гидрофильного полимера. При этом, на поверхности пор пористой подложки может образовываться слой раствора гидрофильного полимера.

Раствор гидрофильного полимера содержит гидрофильный полимер и растворитель, и растворитель может представлять собой любой растворитель, в котором может быть растворен гидрофильный полимер; например, это может быть вода, органический растворитель или смесь растворителей. При этом, содержание гидрофильного полимера не имеет строгих ограничений, однако, может составлять, например, от 5 до 30% вес., более конкретно, от 10 до 20% вес. гидрофильного полимера относительно общего веса раствора гидрофильного полимера. Однако, это лишь предпочтительный пример, и настоящее изобретение им не ограничивается.

Гидрофильный полимер может характеризоваться низкой степенью полимеризации и имеет, предпочтительно, средневесовой молекулярный вес, например, 3000 г/моль или менее, а именно, от 300 до 3000 г/моль, более конкретно, от 500 до 2000 г/моль, более конкретно, от 800 до 2000 г/моль. Когда удовлетворяется это условие, гидрофильный полимер может легко проникать и заполнять поры пористой подложки, а также дополнительно увеличивается сила сцепления со внутренней поверхностью пор, что не только обеспечивает высокую износостойкость, но и способствует повышению эффективности деионизации. Предпочтительно, когда материал пористой подложки является гидрофильным полимером, а гидрофобный полимер имеет средневесовой молекулярный вес, лежащий в указанном выше диапазоне, пористая подложка обладает высокой износостойкостью, гидрофильный полимер лучше сцепляется со внутренней поверхностью пор пористой подложки, являющейся гидрофобной, и сшивается с ней, тем самым, придавая структуре достаточную устойчивость и повышая эффективность деионизации.

Сшивание на стадии сшивания может быть проведено в состоянии, когда гидрофильный полимер, введенный в пористую подложку на стадии пропитки, поддается сшиванию. А именно, является предпочтительным проводить сшивание до того, как испарится весь растворитель раствора гидрофильного полимера, введенного в пористую подложку на стадии пропитки, то есть, до того, как гидрофильный полимер достаточно высохнет.

Условия сшивания на стадии сшивания могут быть выбраны надлежащим образом и состоять из таких переменных, как тип гидрофильного полимера, тип сшивающих агентов и их применяемое количество. Более конкретно, температура сшивания и время сшивания могут соответствовать диапазонам, в которых в достаточной степени происходит сшивание гидрофильного полимера; например, возможны диапазоны низкой температуры, комнатной температуры и повышенной температуры. Например, сшивание может проводиться при комнатной температуре от 10 до 60 мин, однако, этим не ограничивается.

На стадии сшивания сшивающий раствор содержит сшивающий агент и растворитель, и растворитель может представлять собой любой растворитель, в котором растворяется сшивающий агент; например, это может быть вода, органический растворитель или смесь растворителей. При этом, содержание сшивающего агента не имеет строгих ограничений и может составлять, например, от 0,1 до 5% вес., более конкретно, от 0,5 до 3% вес. сшивающего агента относительно общего веса сшивающего раствора. Однако, это лишь предпочтительным пример, и настоящее изобретение им не ограничивается.

На стадии формирования ионообменного слоя на одну или обе поверхности пористой подложки наносят раствор ионообменной смолы с образованием ионообменного слоя, а именно, раствор ионообменной смолы образует слой на одной или обеих поверхностях пористой подложки, после чего ионообменный слой может быть высушен. При этом, температура сушки и время сушки могут соответствовать диапазонам, в которых в достаточной степени происходит отверждение полимера, включающего ионообменную группу, например, возможны диапазоны низкой температуры, комнатной температуры и повышенной температуры.

Раствор ионообменной смолы содержит описанный выше полимер, включающий ионообменную группу, и растворитель и обладает удельной вязкостью, придающей ему адгезионные свойства. При этом, содержание полимера, включающего ионообменную группу, не имеет строгих ограничений, однако, может составлять, например, от 1 до 30% вес., более конкретно, от 3 до 20% вес. полимера, включающего ионообменную группу, относительно общего веса раствора ионообменной смолы. Растворитель может представлять собой любой растворитель, в котором растворяется полимер, включающий ионообменную группу, и может быть органическим растворителем, включающим любой один или два или более растворителей, выбранных из н-метил-2-пирролидона, диметилформамида, диметилацетамида, ацетона, хлороформа, дихлорметана, трихлорэтилена, этанола, метанола, н-гексана и т.п. Однако, это лишь один из конкретных примеров, и настоящее изобретение им не ограничивается.

Для обработки каждым раствором на каждой стадии могут быть использованы различные способы, например, распыление, окунание, покрытие погружением, литье на машине шаберного типа, покрытие с использованием ножевого устройства, способ центрифугирования, способ каландрования и т.п.; затем может быть проведена стадия сушки. На стадии сушки могут быть применены различные средства сушки, например, сушка инфракрасным излучением и сушка горячим воздухом. На стадии сшивания могут быть использованы различные способы сшивания, при этом, поскольку температура, время, влажность, давление и т.п. могут регулироваться надлежащим образом, эти способы не имеют ограничений.

Далее настоящее изобретение описано подробно на примерах, однако, примеры предназначены только для детального пояснения настоящего изобретения, и объем изобретения нижеследующими примерами не ограничивается.

Пример 1

Изготовление пористой подложки, заполненной поперечносшитым гидрофильным полимером

Пористый лист, изготовленный из полиэтилена со средним размером пор 0,3 мкм, пористостью 50% и средней толщиной 25 мкм погрузили в водный раствор поливинилового спирта (PVA) (средневесовой молекулярный вес 1000 г/моль) с концентрацией 10% вес. в реакторе на 30 мин с целью пропитки. Затем пропитанный водным раствором поливинилового спирта пористый лист вынули из реактора и при помощи ткани удалили водный раствор поливинилового спирта, оставшийся на наружной поверхности пористого листа. Затем пористую подложку погрузили для пропитки в водный раствор глутаральдегида (GA) с концентрацией 2% вес. с целью сшивания поливинилового спирта, заполнившего поры пористой подложки. При этом, использовали водный раствор глутаральдегида, содержащий 1,5% вес. 0,1М соляной кислоты (HCl) относительно глутаральдегида.

Создание ионообменного слоя

Раствор катионообменного иономера (ICS, 20% вес. в н-метил-2-пирролидоне, Innochemtech Co., Ltd.) и раствор анионообменного иономера (ITA, 15% вес. в н-метил-2-пирролидоне, Innochemtech Co., Ltd.) нанесли способом каландрования слоем толщиной 15 мкм, соответственно, на одну и другую поверхности пористого листа, заполненного поперечносшитым поливиниловым спиртом. Затем в сушильной камере инфракрасного нагрева при 40°С провели сушку, достаточную для получения слоистой основы электрода для емкостной деионизации, включающей пористую положку, заполненную поливиниловым спиртом, и ионообменный слой, нанесенный на обе поверхности пористой подложки.

Изготовление устройства емкостной деионизации

Раствор н-метил-2-пирролидона (NMP) распыляли на поверхности ионообменного слоя слоистой основы электрода для емкостной деионизации и соединяли с угольным электродом с целью изготовления электрода для емкостной деионизации. Единичный элемент на основе электрода для емкостной деионизации изготовили с использованием двух электродов для емкостной деионизации указанным способом и провели измерения эффективности деионизации.

Для измерения эффективности деионизации в качестве единичного элемента на основе электрода для емкостной деионизации использовали два электрода размером 10 см х 10 см; эффективность деионизации измеряли в следующих условиях: водный раствор хлорида натрия (NaCl) с концентрацией 260 частей на миллион инжектировали в элемент с расходом 30 мл/мин, длительность циклов адсорбции при 1,5 В и десорбции при -1,5 В составляла 2 мин, соответственно.

Сравнительный пример 1

Способ осуществляли так же, как и в примере 1, за исключением того, что ионообменный слой формировали непосредственно на пористой подложке, а не на пористой подложке, заполненной поперечносшитым поливиниловым спиртом.

Сравнительный пример 2

Способ осуществляли так же, как и в примере 1, за исключением того, что ионообменный слой соединяли непосредственно с угольным электродом без использования пористой подложки, заполненной поперечносшитым поливиниловым спиртом.

Сравнительный пример 3

Способ осуществляли так же, как и в примере 1, за исключением того, что поры пористой подложки заполняли поливиниловым спиртом, но сшивание поливинилового спирта не проводили.

Провели испытания эффективности деионизации на единицу содержания используемого иономера для электродов для емкостной деионизации, изготовленных в примере 1 и сравнительных примерах 1 и 2, полученные результаты приведены в таблице 1:

Таблица 1

Степень деионизации/вес ионообменного слоя, использованный на единицу объема электрода (%/г) Пример 1 57,7 Сравнительный пример 1 27,9 Сравнительный пример 2 11,7

В результате, хотя содержание иономера в сравнительных примерах 1 и 2 было больше, чем в примере 1, в частности, в сравнительном примере 2, примерно, в 5 или более раз, степень удаления ионов была немногим больше, чем в примере 1; и степень деионизации/вес ионообменного слоя, использованный на единицу объема электрода (%/г) в сравнительном примере 2 была в 5 или более раз меньше, чем в примере 1. Кроме этого, таким же образом, хотя содержание иономера, использованное в сравнительном примере 1, примерно, в 2 раза превышало использованное в примере 1, степень деионизации/вес ионообменного слоя, использованный на единицу объема электрода (%/г) была, примерно, в 2-3 раза меньше, чем в примере 1.

В соответствии с настоящим изобретением, как показано в примере 1, внутреннее пространство пористой подложки (упрочняющего материала) заполняют поперечносшитым гидрофильным полимером с целью существенного уменьшения используемого количества дорогостоящего ионообменного иономера, в частности, эффективность деионизации уменьшается лишь незначительно даже при существенном уменьшении используемого количества ионообменного иономера. Кроме этого, поскольку поперечносшитый полимер зафиксирован в порах пористой подложки, предотвращается усадка полимера, которая могла бы происходить в процессе нанесения на поверхность подложки покрытия ионообменного иономера и его сушки, поэтому ионообменная мембрана может беспрепятственно образовываться и при использовании обычного устройства для нанесения покрытия с одноосной анизотропией. В сравнительном примере 1, где заполнение поперечносшитым гидрофильным полимером не проводят, износостойкость может быть меньше, и когда в устройстве прикладывается одноосное растяжение, и ионообменная мембрана высыхает, из-за ее усадки трудно получить ровную пленку, поэтому в этом случае пленку нужно фиксировать по двум осям, что ведет к увеличению стоимости устройства для осуществления этого способа.

Кроме того, когда используют несшитый гидрофильный полимер, как в сравнительном примере 3, могут возникать проблемы, связанные с тем, что гидрофильный полимер непрочно соединяется с поверхностью пор пористой подложки, являющейся гидрофобной, что устойчивость структуры слоистой основы может быть недостаточной, и что на практике эффективность деионизации может недолго оставаться высокой.

Изобретение относится к технологии изготовления электродов. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации включает слой пористой подложки и ионообменный слой, нанесенный на одну или обе поверхности слоя пористой подложки, при этом внутреннее пространство пор пористой подложки заполнено поперечносшитым гидрофильным полимером. Электрод для емкостной деионизации включает слоистую основу электрода для емкостной деионизации и угольный электрод, нанесенный на одну или обе поверхности слоистой основы электрода. Способ изготовления слоистой основы электрода для емкостной деионизации включает стадию пропитки, на которой слой пористой подложки пропитывают раствором гидрофильного полимера, стадию сшивания, на которой на пропитанный гидрофильным полимером слой пористой подложки наносят сшивающий раствор с образованием внутри пор слоя пористой подложки поперечносшитого гидрофильного полимера, и стадию формирования ионообменного слоя, на которой на одну или обе поверхности слоя пористой подложки, заполненного поперечносшитым гидрофильным полимером, наносят раствор ионообменной смолы. Технический результат: электрод для емкостной деионизации характеризуется высокой эффективностью деионизации и износостойкостью. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр.

1. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации, включающая: слой пористой подложки и ионообменный слой, нанесенный на одну или обе поверхности слоя пористой подложки,

при этом внутреннее пространство пор пористой подложки заполнено поперечносшитым гидрофильным полимером.

2. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации по п.1, в которой гидрофильный полимер включает полимер на основе винилового спирта.

3. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации по п.2, в которой поперечносшитый гидрофильный полимер получен в результате реакции полимера на основе винилового спирта со сшивающим агентом.

4. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации по п.3, в которой сшивающий агент включает одно или несколько соединений, выбранных из соединений на основе альдегида и соединений на основе амина.

5. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации по п.1, в которой слой пористой подложки имеет среднюю толщину от 5 до 50 мкм.

6. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации по п.1, в которой слой пористой подложки характеризуется средним размером пор от 0,05 до 50 мкм и пористостью от 20 до 70%.

7. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации по п.1, в которой ионообменный слой имеет среднюю толщину от 0,1 до 30 мкм.

8. Слоистая основа электрода для емкостной деионизации по п.1, в которой слой пористой подложки выполнен из материала, включающего гидрофобный полимер.

9. Электрод для емкостной деионизации, включающий: слоистую основу электрода для емкостной деионизации по любому из пп.1-8 и угольный электрод, нанесенный на одну или обе поверхности слоистой основы электрода.

10. Способ изготовления слоистой основы электрода для емкостной деионизации, включающий:

стадию пропитки, на которой слой пористой подложки пропитывают раствором гидрофильного полимера,

стадию сшивания, на которой на пропитанный гидрофильным полимером слой пористой подложки наносят сшивающий раствор с образованием внутри пор слоя пористой подложки поперечносшитого гидрофильного полимера, и

стадию формирования ионообменного слоя, на которой на одну или обе поверхности слоя пористой подложки, заполненного поперечносшитым гидрофильным полимером, наносят раствор ионообменной смолы.

11. Способ изготовления слоистой основы электрода для емкостной деионизации по п.10, в котором гидрофильный полимер включает полимер на основе винилового спирта.

12. Способ изготовления слоистой основы электрода для емкостной деионизации по п.11, в котором на стадии сшивания сшивающий раствор содержит одно или несколько соединений, выбранных из соединений на основе альдегида и соединений на основе амина.