[发明专利]用于电化学水软化的转化材料

说明书

本发明涉及用于电化学水软化的转化材料。水软化装置包括被构造成容纳水的容器、被布置成与水流体连通的第一和第二电极、以及电源。第一电极包括具有第一组成和与第一组成共存的第二组成的转化材料。第一组成包括键合到其的钙离子并且第二组成包括键合到其的钠离子。在第一操作状态下，电源供应电流，使得第二组成用钠离子来交换水中的钙离子以产生软水溶液。在第二操作状态下，第一和第二电极连接使得第一组成用钙离子来交换水中的钠离子以产生废水溶液。转化材料进行可逆转化反应以在水稳定性窗口内在第一和第二组成之间转化。

本申请要求对提交于2018年10月22日的美国临时申请62/749,087的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开涉及水的电化学处理，并且更特别地涉及用于电化学水软化装置的电极转化材料。

背景技术

对于新鲜饮用水的需求量很大，并且由于人口增长而不断增大。该不断增长的需求为海水淡化和其他纯化（purification）活动创造了巨大的市场，特别是因为地球上可用的水绝大多数是“咸水”（约97.5％），其通常具有对于人类饮用来说过高的盐浓度。咸水包括海水和“半咸水”，“半咸水”含有的盐比淡水多但是比海水少。大部分留存可用的“淡水”被锁在冰（冰川和冰帽）中和地下。在世界许多干旱地区，淡水资源的稀缺和对额外供水的需要已经至关重要，并且在未来将变得越来越重要。

存在用于从水中去除离子的各种各样的现有技术，每种技术都有其优点和缺点，这使得不同技术或多或少对于给定应用是合乎需要的。反渗透（RO）和现代热蒸馏是有效地全面、非选择性地从水中去除离子（即，去离子化）的技术。由于这些技术从盐中去除水，因此当初始离子负载很高时（诸如在海水淡化的情况下），这些技术是最有利的。然而，由于需要大量的能量输入，因此RO和热蒸馏技术受制于普遍较高的成本，使得通常不建议用这些技术来纯化具有较低离子负载的半咸水源。

从水中去除离子的另一种技术包括诸如电渗析或电吸附之类的电化学技术。这些技术通常使用离子交换膜和/或高表面积碳结合所施加的电势以将离子从水中吸引到电极并限制解吸来从给水中去除离子。由于半咸水的纯化通常仅需要从水流中部分去除离子，因此电容去离子化（CDI）已被认为是用于从半咸水源中纯化水的有效的电化学工艺。

CDI装置通常包括阴极和阳极。在纯化循环期间，阳离子加入到（add to）阴极，并且阴离子加入到阳极。下一循环施加电压以将离子冲洗出电极，从而排出杂质较多的废水。然后电极可用于下一纯化循环。扩展CDI以供半咸水源淡化之用的一个挑战在于识别能够在纯化循环中从水中取走氯（Cl^—）和/或其他阴离子并然后在再生循环中可逆地释放它们的合适的阳极材料。

尽管如此，淡化水以及来自传统安全来源（诸如市政水源）的淡水或来自水井的饮用水可能仍具有对于用水户来说较不合乎期望的质量。例如，这样的水在味道、气味、浊度、细菌和/或病毒污染、重金属污染、硬度、矿物质沉积和/或这些水质量参数的组合方面可能显著变化。水硬度的质量参数与给定体积的水中存在的钙离子（Ca²⁺）和/或镁离子（Mg²⁺）的浓度有关。钙和/或镁以盐的形式存在于水中，其通常可以硫酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐或氯化物的形式溶解。可溶性盐经常被离子化，使得水中含有相对高浓度的钙离子和/或镁离子。

水通常根据硬度分类为“软水”或“硬水”。水越硬，每体积中钙和/或镁离子的浓度越高。硬水通常不合期望，因为硬水可能会导致管道系统、固定装置和家用器具中积垢，并可能影响这些系统和装置的性能。例如，来自热水加热器的热量从水中去除了一些碳酸钙和碳酸镁，导致积垢，这可能会减慢加热过程并增加能源使用。与硬水一起使用的清洁剂通常效果较差。用硬水洗过的衣服随着时间的流逝可能会变暗变灰，并让人感到粗糙或刺痛。玻璃器皿在干燥后可能会变得有斑点。在浴室的门或窗帘、墙壁和浴缸上可能会留有薄膜，并且用硬水洗过的头发可能看起来暗淡且感觉不干净。硬水在制造或工业环境中尤其成问题。从硬水中去除钙离子和/或镁离子的工艺通常称为水软化。