專利名稱：使用電去離子過程從微粒材料中除去離子以及為此所用的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用電去離子過程從微粒材料中除去離子。在一方面，微粒材料是用于燃料電池應(yīng)用的催化劑。
背景技術(shù)：
雜質(zhì)可以嚴(yán)重影響諸如催化劑之類的微粒的活性。對于質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池所使用的電催化劑，情況更是如此。電催化劑，特別是基于鉑的電催化劑可以強(qiáng)烈吸附氯化物離子。因此這些催化劑可能失去活性部位，從而導(dǎo)致活性的降低。因此，應(yīng)該從燃料電池催化劑中將諸如氯化物離子之類的陰離子除去到非常低的水平。
陽離子通過不同的機(jī)制影響燃料電池催化劑的性能。陽離子可以和質(zhì)子交換膜，諸如，例如Nafion膜中的質(zhì)子交換。陽離子還可以取代催化劑層中的離子交聯(lián)聚合物的質(zhì)子。當(dāng)膜中和離子交聯(lián)聚合物中的質(zhì)子被其它陽離子交換時，燃料電池阻抗升高而它的性能降低。
因此，應(yīng)該從燃料電池催化劑中將陰離子和/或陽離子除去到非常低的水平。用于減少離子含量的現(xiàn)有技術(shù)方法包括高溫連續(xù)水洗或索氏提取法。然而，由于大部分催化劑的載體是高表面積材料，其本身對很多種離子種類具有很強(qiáng)的吸附，因而很難通過簡單的清洗將離子降低到很低的水平。傳統(tǒng)的水洗過濾過程還非常慢而且要消耗大量水。
離子污染物除了影響電催化劑外，還影響其它微粒材料。例如，離子可有助于多種系統(tǒng)內(nèi)的腐蝕，并且離子污染物可以干擾基質(zhì)化學(xué)物(matrix chemistries)?？赡苁茈x子雜質(zhì)影響的其它系統(tǒng)的例子包括，但不限于，電線和電纜系統(tǒng)、表面涂層涂料、墨水和涂料系統(tǒng)以及其它電子應(yīng)用。
電去離子(EDI)已經(jīng)用在水純化中用于除去溶劑化離子種類。如可以參見于1995年6月20號頒給Farmer的美國專利No.5,425,858。
于2001年7月3日頒給Miller的美國專利No.6,254,752 B1公開了從鋼筋混凝土的成品中除去氯化物離子的EDI過程。陰極位于該混凝土本身的內(nèi)部。
于1987年10月14日公布的Vaccare的歐洲公布專利申請0241308 A1，公開了利用電子擴(kuò)充真空過濾器通過EDI過程從濾餅中除去或置換選擇的離子的方法，該濾餅由懸浮液固體物質(zhì)組成。然而，離子濃度，特別是氯化物離子濃度，并沒有降到許多應(yīng)用可接受的水平，如對于電催化劑純化。
因此，本技術(shù)領(lǐng)域需要有用于生產(chǎn)具有低水平的陰離子和/或陽離子的微粒材料的過程和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明涉及用于從含有離子的含碳微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的方法，包括在(a)陽極和(b)陰極之間通一足夠長時間的直流電，其中該陽極和該陰極都和該含碳微粒材料的含水漿狀物電接觸，其中該陽極和陰離子交換膜電接觸，以及其中該陰極和陽離子交換膜電接觸，因此使得該至少一種類型離子中的至少一些的除去是從該含碳材料中除去。
在又一個方面，本發(fā)明涉及用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的方法，包括在(a)陽極和(b)陰極之間通一足夠長時間的直流電，其中該陽極和該陰極都和該微粒材料的含水漿狀物電接觸，其中該陽極和陰離子交換膜電接觸，以及其中該陰極和陽離子交換膜電接觸，因此使得該至少一種類型離子中的至少一些的除去是從該材料中除去。
在又一個方面，本發(fā)明涉及用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的設(shè)備，包括電源；以及電池，該電池包括(a)定義第一內(nèi)部空腔的第一腔室；(b)定義第二內(nèi)部空腔的第二腔室；(c)至少部分包含在該第一內(nèi)部空腔中的陽極，該陽極電連接到該電源；(d)至少部分包含在該第二內(nèi)部空腔中的陰極，該陰極電連接到該電源；(e)鄰近該第一腔室底端放置的陰離子交換膜，該陰離子交換膜具有基面；(e)鄰近該第二腔室底端放置的陽離子交換膜，該陽離子交換膜具有基面；(f)鄰近該陰離子和陽離子交換膜相應(yīng)的基面放置的陰離子和陽離子交換樹脂混合物層，其中相應(yīng)的陰離子和陽離子交換膜分別放置在該陽極與該樹脂混合物層之間以及該陰極與該樹脂混合物層之間。
在又一個方面，本發(fā)明涉及用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的電池的框架構(gòu)件，包括陰離子交換膜；陽離子交換膜；以及具有上表面和相對的下表面的構(gòu)件，該構(gòu)件定義第一開口和第二開口，該開口在該上表面和該下表面之間延伸并形成公共壁構(gòu)件，該公共壁構(gòu)件在該第一開口的一部分和該第二開口的一部分之間延伸，其中該陰離子交換膜安裝于該構(gòu)件的第一開口中，而其中該陽離子交換膜安裝于該構(gòu)件的第二開口中。
在又一個方面，本發(fā)明涉及用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的電池的框架構(gòu)件，包括陰離子和陽離子交換樹脂混合物層；濾膜；以及具有頂面和相對的底面的基本平面的構(gòu)件，該構(gòu)件定義至少一個開口，該開口在該頂面和底面之間延伸，其中該陰離子和陽離子交換樹脂混合物層安裝在該至少一個開口的上部內(nèi)，接近該構(gòu)件的頂面，以及其中該濾膜安裝在該至少一個開口的下部內(nèi)，接近該構(gòu)件的底面。
其它優(yōu)點(diǎn)將部分地在以下的描述中得到闡明，部分地通過描述變得明顯，或者通過對下面描述的多方面的實(shí)踐來得知。通過附加的權(quán)利要求中具體指出的成分和結(jié)合將會認(rèn)識到并獲取以下描述的優(yōu)點(diǎn)。要理解的是，上述的總體描述和以下的詳細(xì)描述都只是示例性和解釋性的而非限制性的。


包括在本說明書中，并構(gòu)成該說明書一部分的附解了下面要描述的多個方面。所有圖中相同的數(shù)字表示相同的元件。
圖1是該發(fā)明的間歇設(shè)備示意圖。
圖2是本發(fā)明的間歇設(shè)備第一實(shí)施方案立體圖。
圖3是圖2間歇設(shè)備的俯視圖。
圖4是圖3間歇設(shè)備沿線4-4截取的截面圖。
圖5是圖2間歇設(shè)備的電池本體的側(cè)視圖。
圖6是圖5電池本體的仰視圖。
圖7是圖2間歇設(shè)備上框架構(gòu)件的側(cè)視圖。
圖8是圖7上框架構(gòu)件的俯視圖。
圖9是圖2間歇設(shè)備下框架構(gòu)件的側(cè)視圖。
圖10是圖9下框架構(gòu)件的俯視圖。
圖11是圖2間歇設(shè)備套子的俯視圖。
圖12是圖11套子的側(cè)視圖。
圖13是本發(fā)明的間歇設(shè)備第二實(shí)施方案的立體圖。
圖14是圖13間歇設(shè)備的部分截面圖，示出了置于其中的上框架構(gòu)件和下框架構(gòu)件。
圖15是可用在本發(fā)明過程的一個方面中的連續(xù)設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
在公開和描述當(dāng)前的化合物、組合物、制品、設(shè)備和/或方法之前，要理解的是下面描述的方面不限于具體的合成方法或具體的材料，它們當(dāng)然是可以變化的。還要理解的是，此處所用的術(shù)語只是出于描述特定方面的需要，而不擬于作為限制。
公開的材料、化合物、組合物以及組分可用于所公開的方法和組合物、可用于與所公開的方法和組合物一起使用、可用于所公開的方法和組合物的制備或者是所公開的方法和組合物的產(chǎn)物。此處公開了這些以及其它材料，要理解的是在公開這些材料或過程的結(jié)合、子集、相互作用、基團(tuán)等的時候，盡管沒有清楚公開這些化合物或過程的多種個體、共同結(jié)合以及變換的具體所指，但是此處具體考慮并描述了以上每種情況。例如，如果公開和討論了催化劑載體，以及討論了若干用于催化劑載體上的金屬催化劑，那么除非特別指出了相反情況，否則就是可具體地考慮到每種催化劑載體及其每種結(jié)合以及變換。因此，如果公開了一類載體A、B和C，也公開了一類金屬D、E和F以及公開了一個結(jié)合的例子A-D，那么即使沒有單獨(dú)陳述每一個，也可單獨(dú)地和共同地考慮到每一種情況。于是，在這個例子中，具體地考慮到每一種組合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E以及C-F，而且應(yīng)該認(rèn)為其由于公開了A、B和C；D、E和F；以及示例結(jié)合A-D而得到了公開。同樣地，這些載體和金屬的任何子集或組合也應(yīng)被具體考慮到并得到公開。于是，例如，子集合A-E，B-F，以及C-E被具體地考慮到，而且應(yīng)該認(rèn)為其由于A、B和C；D、E和F；以及示例組合A-D的公開而得到公開。該概念適用于本公開的所有方面，包括但不限于，制造和使用公開的組合物的方法中的步驟，用于制造所公開的組合物的設(shè)備以及組合物本身。于是，如果有多個可執(zhí)行的其它步驟，要理解的是，這些其它步驟的每一個可以與所公開的方法的任何具體實(shí)施方案或?qū)嵤┓桨傅慕M合一起被執(zhí)行，并且每個這樣的組合被具體地考慮到而且應(yīng)被認(rèn)為得到了公開。
在本說明書以及隨后的權(quán)利要求中，將涉及若干術(shù)語，這些術(shù)語將被定義為有如下含義必須注意，如在本說明書和附加的權(quán)利要求書中所用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”包括復(fù)數(shù)對象，除非本文中明確地指出了不同情況。于是，例如，提到的“一種金屬”包括多種金屬的混合物，提到的“一個粒子”包括兩個或更多粒子的混合物，等等。
“任選的”或“任選地”意指隨后描述的事件或情況可以發(fā)生或可以不發(fā)生，而且該描述包括該事件或情況發(fā)生的事例以及不發(fā)生的事例。例如，短語“任選被加熱”意指該過程可以被加熱也可以不被加熱，而且該描述包括不被加熱和被加熱的兩個實(shí)施方案。
此處范圍被表示成從“約”一個具體數(shù)值，和/或到“約”另一個具體數(shù)值。當(dāng)表示這樣的范圍時，另一方面還包括從該一個具體數(shù)值，和/或到所述的另一個具體數(shù)值。類似地，當(dāng)通過使用先行詞“約”將數(shù)值表示為近似值時，要理解的是該具體值又構(gòu)成另一方面。還要進(jìn)一步理解的是每個范圍的端點(diǎn)不但在與另一個端點(diǎn)相關(guān)聯(lián)中至關(guān)重要，并且在獨(dú)立于另一個端點(diǎn)時也是有意義的。
說明書和所得出的權(quán)利要求書中提到的組合物或制品中的具體成分或組分的重量份，表示該組合物或制品中的該成分或組分和任何其它成分或組分的重量關(guān)系，其中該重量關(guān)系用重量份來表達(dá)。于是，在包含2重量份組分X以及5重量份組分Y的化合物里，X和Y呈現(xiàn)的重量比例是2∶5，并且不管化合物里是否包含了其它組分，都按這種比例呈現(xiàn)。
組分重量百分比是基于該組分所在的組成或組合物的整個重量，除非特別陳述了相反情況。
“含碳的”指的是基本包括元素碳的固態(tài)材料。“含碳材料”擬于包括，而不限于，i)具有單一的可定義的結(jié)構(gòu)的含碳化合物；或者ii)含碳微粒的聚集體，其中該聚集體不一定非得有單一的、重復(fù)的和/或可定義的結(jié)構(gòu)或聚集度。
“碳黑”是可傳導(dǎo)的細(xì)粒狀碳，被用作如催化劑載體。
此處所用的“電接觸”指的是使電流流過系統(tǒng)的硬線或非硬線布置。例如，陽極通常是用硬線連接至電源，而電源通常用硬線連接至陰極。然而，陽極和陰極通常不是用硬線連接到微粒材料含水漿狀物處。在該系統(tǒng)的這個部分，出現(xiàn)在微粒材料含水漿狀物中的離子為電流流過系統(tǒng)建立了通路，而不是通過硬線為電流穿過系統(tǒng)建立通路。
“電解質(zhì)”指離子交換樹脂、漿狀物的含水部分或者樹脂和含水部分一起。
“電去離子”指電化學(xué)過程，其中在陽極和陰極兩端施加電壓，并且電勢促使離子從特定的載體上除去。
此處所用的“金屬”關(guān)系到加載在載體(如，含碳的或不含碳的載體)上的金屬，它可以是，如一個或多個貴重金屬、貴金屬、鉑族金屬、鉑、上述任何金屬的合金或氧化物或者包括上述任何金屬的過渡金屬元素或氧化物的組合物。如此處所用的，是“金屬”作為燃料電池中進(jìn)行的反應(yīng)或其它催化操作中的催化劑。該金屬可以對含有污染物的CO耐受，并且還可以用于直接甲醇燃料電池。
“微?！币庵釜?dú)立的固態(tài)顆粒材料。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)得知，除了其它情況外，電去離子過程可以從微粒的含水漿狀物中除去離子。在一具體方面，含有微粒的離子是含碳微粒材料。在更具體方面，EDI過程用于純化碳載催化劑的含碳微粒材料。
在一方面，這樣的EDI過程提供了改進(jìn)的純化效率，具體指，對于給定數(shù)量的時間和/或能量支出和/或材料支出，離子種類有更大的減少。在另一個方面，這樣的EDI過程可以實(shí)現(xiàn)微粒材料上離子種類絕對值更小。在又一個方面，本發(fā)明的EDI過程使得用于純化微粒材料的運(yùn)行溫度降低。較之現(xiàn)有技術(shù)方法通常使用70℃-80℃的連續(xù)水洗或100℃索氏提取法，本發(fā)明過程使用的典型溫度為45℃。本發(fā)明降低的溫度將潛在的材料燒結(jié)減至最少，特別是對于載有金屬的催化劑，如載有金屬的以碳為載體的催化劑。本發(fā)明過程相比于從濾餅除去離子還產(chǎn)生更好的結(jié)果。不希望被理論限制，可以相信的是離子污染物從漿狀物處移動比從濾餅處移動更有效率。
盡管該過程可有效用于從電催化劑除去離子，它還可以用于從其它類型的催化劑以及非催化劑固體除去離子。于是，本發(fā)明不限于電催化劑，而是適用于所有微粒材料。任何包含可溶解離子雜質(zhì)的非離子固體都可在本發(fā)明中使用。含有微粒材料的不含碳離子的例子包括但不限于硅石、氧化鋁、沸石、氧化鈦(二氧化鈦)、碳化物、不含碳的催化劑材料(例如，以硅石、氧化鋁或沸石為載體的貴重金屬)，以及包含離子雜質(zhì)的有機(jī)固體(例如，含有可溶解離子雜質(zhì)的烯聚合物珠)。非催化劑的含碳材料的例子包括但不限于碳黑、石墨、納米碳、富勒烯、富勒烯材料(fullernic material)、細(xì)碎碳(finely dividedcarbon)，或它們的混合物。其它非電催化劑應(yīng)用的例子包括電線和電纜應(yīng)用、表面涂層涂料、墨水和涂料系統(tǒng)以及其它電子應(yīng)用。
對于含碳催化劑材料，該含碳材料可以是任何微粒的、基本含碳材料。例如，可使用碳黑、石墨、納米碳、富勒烯、富勒烯材料、細(xì)碎碳，或它們的混合物。該含碳載體可以由諸如磺化基團(tuán)之類來取代。在WO 2003/100889中示出了這種磺化取代碳黑，此處通過援引的方式將該公開完整納入，并取其磺化取代碳黑的教導(dǎo)。
該含碳催化劑材料可以是碳黑。在本發(fā)明中，碳黑的選擇不是關(guān)鍵。任何碳黑都可用于本發(fā)明中?？墒褂镁哂斜砻娣e約200到約1400m2/g(氮表面積，NSA，ASTM D6556)，如約200、220、240、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、950、1000、1100、1200、1300或1400m2/g的碳黑。在一方面，可以使用具有表面積為240m2/g(NSA，ASTM D6556)的碳黑。優(yōu)選地，碳黑具有對于金屬分散有效的表面積。優(yōu)選地，碳黑具有對于氣體擴(kuò)散有效的結(jié)構(gòu)。
本技術(shù)領(lǐng)域人員將意識到碳黑具有主要由顆粒和聚集體的尺寸、聚集體的形狀、石墨的規(guī)則程度和顆粒的表面化學(xué)作用決定的物理性質(zhì)和電傳導(dǎo)性質(zhì)。
而且，高結(jié)晶或高石墨顆粒的傳導(dǎo)性高于較無定形的顆粒的傳導(dǎo)性。通常，任何形式的碳黑顆粒都適合用于本發(fā)明的實(shí)踐，其尺寸、結(jié)構(gòu)以及石墨的規(guī)則程度的具體選擇依賴于對碳黑所期望的物理的和傳導(dǎo)性的需求。
本技術(shù)領(lǐng)域人員能輕松地選擇合適的碳黑用于特定的應(yīng)用。多種碳黑可從商業(yè)上獲取(如從喬治亞州，亞特蘭大的Columbian Chemical公司)。
含碳催化劑微粒材料可以是除碳黑之外的其它材料。對其它含碳材料的選擇在本發(fā)明中不是很重要。任何基本含碳的材料都可用于本發(fā)明中。例如，可使用石墨、納米碳、富勒烯、富勒烯材料、細(xì)碎碳，或它們的混合物。
優(yōu)選地，含碳催化劑材料具有對于金屬分散有效的表面積。優(yōu)選地，含碳材料具有對于氣體擴(kuò)散有效的結(jié)構(gòu)。
本技術(shù)領(lǐng)域的人員能輕松地選擇用于具體應(yīng)用的含碳材料。多種含碳材料可從商業(yè)上獲取。
本發(fā)明所用的含碳催化劑進(jìn)一步包括一種或多種金屬。上面定義了金屬。在具體的方面，該金屬可以是，例如，鉑、銥、鋨、錸、釕、銠、鈀、釩、鉻或它們的混合物，或它們的合金。在一方面，該金屬是鉑。如上面定義的，該金屬還可以是有效作為催化劑的合金或金屬氧化物。
所期望的是，金屬的形狀和/或尺寸能使每單位質(zhì)量(mass)有盡可能高的表面積。所期望的是，為達(dá)到該目的，金屬顆粒的尺寸要保持為盡可能地小。通常，本技術(shù)領(lǐng)域中，由于燒結(jié)，燃料電池使用過程中的金屬顆粒平均直徑最終為約2nm到約6nm。小于約2nm的直徑可提供更好的性能。
金屬的量可以是任意的。金屬的量可以是有效催化的量。本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以確定對于所期望的性能有效的量。
該金屬可以占整個含碳組合物的約2％到約80％，例如，約3、5、7、8、10、12、13、15、17、20、22、25、27、30、32、35、37、40、42、45、47、50、52、55、57、60、62、65、67、70、72、75或78％。該金屬可以占組合物的約2％到約60％，例如，約5、7、10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55或57％。該金屬可以占組合物的約20％到約40％，例如，約22、25、30、35或38％。該金屬可以均勻分布于組合物上，如，位于組合物的表面上。
本技術(shù)領(lǐng)域的人員能夠輕松地為了具體的應(yīng)用，選擇用于組合物中的金屬。多種金屬可從商業(yè)上獲取。
金屬可以均勻分布或分散于含碳載體的上面和/或內(nèi)部。
在一方面，金屬顆粒可具有納米結(jié)晶體結(jié)構(gòu)。在又一方面，分散于含碳載體上的金屬顆粒具有窄的顆粒尺寸分布。
在一方面，含碳微粒材料包括載有貴金屬的碳載催化劑。在又一方面，含碳微粒材料包括載有鉑的碳載催化劑。在又一方面，含碳微粒材料包括載有鉑的，以碳黑為載體的催化劑。在一方面，載有金屬的催化劑的例子可以在，例如，WO 03/100889 A1，WO 03/100883 A2和WO 03/100884 A2中找到，此處通過援引的方式將其完整納入，并取其所述具體教導(dǎo)。
微粒材料位于含水漿狀物中。在多個方面，該漿狀物包括在整個含水漿狀物重量中占從0.1到50的重量百分比，從0.1到10的重量百分比，從0.5到5的重量百分比，從1.5到1.9的重量百分比，或1.7的重量百分比的固態(tài)微粒材料。除了微粒材料和水之外，含水漿狀物可以包括其它組分，如，任選表面活性劑、分散劑或潤濕劑。
陽極和陰極可以由通常用于陽極和陰極的任何合適的材料制成。陽極和陰極通常是電化學(xué)惰性材料，如此，通常是鉑或金。在一方面，陽極和陰極是鉑網(wǎng)或鉑紗。
在陽極和陰極之間放置電源，以提供電流，該電流通常是直流電。由這個電源產(chǎn)生的電壓，其值可以是任意的，只要其足以從微粒材料中除去離子。當(dāng)電壓增加時，用于從微粒材料中除去離子污染物的時間通常減少。然而，使用更高的電壓可能導(dǎo)致有害的結(jié)果，諸如水的部分氧化，微粒材料的燒結(jié)，以及過熱的產(chǎn)生。在一方面，在不使用樹脂混合材料的過程中，電壓是120-140V，而在又一方面，電壓是128V。在又一方面，通過使用樹脂混合材料，電壓是25-45V，而在又一個方面，電壓是35V。該電壓可以更低，但運(yùn)行時間將更長。
離子交換膜材料可以是本技術(shù)領(lǐng)域人員已知的任何離子交換膜。它通常是一平面的以及透水的膜。在一方面，離子交換膜材料是Excellion IX 1-100陽離子交換膜以及Excellion IX 1-200陰離子交換膜，兩者都可從美國加利福尼亞的Lugana Hills的Electopure，Inc.公司獲取。陽離子交換膜可以是Nafion膜。
陰離子和陽離子交換樹脂混合物是本發(fā)明任選層。通過為電流提供增強(qiáng)的通路，它的使用可以減少系統(tǒng)的阻抗。陰離子和陽離子交換樹脂混合物層通常是陰離子交換樹脂和陽離子交換樹脂的均勻混合物。該混合物可以是由供應(yīng)商事先混合的，也可以是陰離子交換樹脂和陽離子樹脂分開購買，使用之前自己混合的。通常，陰離子樹脂和陽離子樹脂的比例是約1∶1，不過該比例可以變化。
陰離子和陽離子交換樹脂混合物層可以是本技術(shù)領(lǐng)域人員已知的任何離子交換樹脂材料。通常，樹脂為珠子狀或可以通過切碎離子交換膜材料而制成。在一具體方面，陰離子和陽離子交換樹脂混合物是Dowex MR-3混床離子交換樹脂(混合的陰離子和陽離子樹脂)。在又一方面，混合樹脂的陰離子部分是Dowex Monosphere 550A陰離子交換樹脂而陽離子部分是Dowex 50WX-8陽離子交換樹脂。每種Dowex產(chǎn)品可從美國威斯康星州的密爾沃基的Sigma-Aldrich公司獲取。該樹脂層應(yīng)該是連續(xù)的，以提供電流通路。
在一獨(dú)立方面，離子交換膜的小碎片可以混合在陰離子和陽離子交換樹脂混合物中，以增強(qiáng)電通路。在該方面，膜碎片可看作是樹脂混合物定義中的一部分。例如，由美國特拉華州威爾明頓杜邦公司加工，可從美國威斯康星州的密爾沃基的Sigma-Aldrich公司獲取的Nafion膜小碎片可以加入到陰離子和陽離子交換樹脂混合物中。此外，上述列出的陰離子交換膜或陽離子交換膜小碎片還可以和陰離子和陽離子樹脂混合物混合。
濾膜是允許離子穿過該膜遷移，但可使微粒材料避免和陰離子和陽離子交換樹脂層混合的任意多孔膜。濾膜還保持樹脂材料作為一整體層的完整性。在多個方面，濾膜可以由諸如尼龍或聚丙烯的聚合物膜之類的多孔聚合物膜制成。濾膜的例子包括，但不限于WhatmanPaper/Cellulose Filter Papers，如可從美國新澤西州克利夫頓的Whatman，Inc.公司獲取的Whatman#2或從美國密執(zhí)安州的安阿伯的Pall Corporation公司獲取的Versapor 3000膜過濾器。
在本發(fā)明的一個方面，使用了絕緣間隔物或壁，至少部分處于陽極腔室和陰極腔室之間，以防止電池短路。在一方面，這樣的絕緣構(gòu)件包括玻璃或聚丙烯材料。
在本發(fā)明的過程中，從含有離子的微粒材料中除去至少一種類型的離子。被除去的離子的類型可以是陰離子、陽離子或這兩個類型的混合物。通常，如果除去了陰離子，會有相當(dāng)電量的陽離子被除去，反之亦然。在本發(fā)明中，被除去的“至少一些”離子傾向于是被有效地從微粒材料中除去的一種或多種類型離子的一些或基本全部。該離子通常被除去直至低水平，但是為使過程有效，不一定將其從系統(tǒng)中完全除去。即指，其目標(biāo)是將剩余在微粒材料上的離子數(shù)量減至最少或?qū)㈦x子的數(shù)量降低到可接受的低水平，但是并不要求除去所有離子。當(dāng)剩余離子的數(shù)量降低時，離子的除去速率通常降低。
在一方面，可除去的離子例如有氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽、鉻、銅、鉛、鎳、鈣、鐵、鎂、鈷、鈉。尤其重要的是除去氯化物離子，因?yàn)樗鼈冏璧K了燃料電池中的催化劑的催化活性。由于使用了氫氯鉑酸，燃料電池催化劑中的氯化物離子的起始水平可能特別高，氫氯鉑酸是在生產(chǎn)一些載有鉑的催化劑中使用的材料。
在多個方面，微粒材料上的起始氯化物離子濃度大于5000ppm，大于2000ppm或大于500ppm。在一方面，將電流通一足夠長的時間，從而使微粒材料上的最終氯化物離子濃度少于100ppm，在又一方面，少于60ppm，在又一方面，少于40ppm，以及在另一方面少于30ppm。
陰離子污染物從微粒材料中被除去并移向陽極，相當(dāng)?shù)兀栯x子污染物從微粒材料中被除去并移向電池的陰極。
系統(tǒng)的溫度通常從約30到約60℃，從約40到約50℃，或者約45℃，不過可以使用更高的溫度來使該過程加速。然而，更高的溫度可能產(chǎn)生燒結(jié)問題，特別是當(dāng)載有金屬的催化劑被純化時。
本發(fā)明的這個過程可以是間歇過程、連續(xù)過程或半連續(xù)過程。在連續(xù)過程中，通常微粒的含水漿狀物通過中心腔室被連續(xù)地灌入。陰離子穿過陰離子交換膜進(jìn)入通常裝有含水媒介的腔室中，并且該陰離子隨后繼續(xù)進(jìn)一步移向陽極。相當(dāng)?shù)?，陽離子從中心腔室穿過陽離子交換膜進(jìn)入通常裝有含水媒介的腔室中，然后移向陰極。位于陽極和陰離子交換膜之間和位于陰極和陽離子交換膜之間的裝有含水媒介的腔室可以以一種連續(xù)的方式運(yùn)行，以將陰離子和陽離子帶出該過程。可替換地，這些腔室可以以半連續(xù)的方式運(yùn)行，以周期性地通過這個腔室沖洗水或其它溶劑，從而周期性地除去分別集結(jié)在陽極和陰極上的陰離子和陽離子。
本發(fā)明的EDI過程可以單獨(dú)使用，或者在另一方面，可以用熱水沖洗、索氏提取或兩者都用對微粒材料進(jìn)行預(yù)處理。
圖1示出了本發(fā)明的電去離子設(shè)備10的示例性的示意圖。電去離子設(shè)備包括電源20以及電池30。該電池包括定義第一內(nèi)部空腔34的第一腔室32，以及定義第二內(nèi)部空腔38的第二腔室36。該電池進(jìn)一步包括陽極40和陰極42，兩者都電連接到電源20。陽極40至少部分包含在第一腔室的第一內(nèi)部空腔34內(nèi)，陰極42至少部分包含在第二腔室的第二內(nèi)部空腔38內(nèi)。為有最佳性能，陽極40和陰極42之間的通路長度可以減到最小。在本發(fā)明的一方面，電池相應(yīng)的第一和第二腔室被整體形成，以此使第一腔室的一部分和第二腔室的一部分形成公共壁35(未示出)。在本發(fā)明又一方面，公共壁的至少一部分由絕緣構(gòu)件37(未示出)形成，以防止設(shè)備的短路以及腐蝕。在一方面，這樣的絕緣構(gòu)件由玻璃或聚丙烯制成。
電池30還包括陰離子交換膜50以及陽離子交換膜52。陰離子交換膜鄰近第一腔室32的底端33放置，和第一內(nèi)部空腔34相通，陽離子交換膜52鄰近第二腔室36的底端33放置，和第二內(nèi)部空腔38相通。陰離子交換膜50和陽離子交換膜52都有基面54。
電池還可以具有陰離子和陽離子交換樹脂混合物層60，該層鄰近陰離子和陽離子交換膜50、52各自的基面54放置。在一方面，相應(yīng)的陰離子和陽離子交換膜50、52分別放置在陽極40與樹脂混合物層60之間和陰極42與樹脂混合物層60之間。
設(shè)備10的電池30還可以包括濾膜70。在一方面，樹脂混合物層60放置在相應(yīng)的陰離子和陽離子交換膜50、52與濾膜70之間。
設(shè)備還可以包括箱子80以及容器90。箱子80定義內(nèi)部容積(interior volume)82并進(jìn)一步定義至少一個開口84，該開口和箱子的內(nèi)部容積相通。使用中，電池30至少部分放置在箱子的內(nèi)部容積82里。容器90通常被塑造為用于容納微粒材料含水漿狀物的形狀。箱子80可以至少部分包含在容器內(nèi)，這使得箱子的至少一個開口84與含水漿狀物流體相通。
在多個方面，陰離子和陽離子交換樹脂混合物層可以靠近、鄰近或者鄰近并接觸陰離子交換膜和/或陽離子交換膜。在多個方面，濾膜可以靠近、鄰近或鄰近并接觸陰離子和陽離子交換樹脂混合物層。
在使用中，在容器90中填充微粒材料含水漿狀物最高達(dá)足夠高度，H，而含有電池30的箱子部分浸入到容器內(nèi)，以提供電接觸形成完整的直流電回路。打開電源20并保持一足夠長的時間，用于充分地從微粒材料中除去待除去的至少一種類型離子中的至少一些。一旦完成離子去除，就關(guān)閉電源，將箱子和電池從容器移走。然后從容器內(nèi)部回收純化的微粒材料。
在本發(fā)明的方法中，微粒材料上的陰離子雜質(zhì)趨向于從含水漿狀物處移向陽極。含水漿狀物中的陰離子與陰離子和陽離子交換樹脂混合物層、陰離子交換膜以及陽極電接觸。與此類似，微粒材料上的陽離子雜質(zhì)通過與陰離子和陽離子交換樹脂混合物層、陽離子交換膜以及陰極電接觸，而趨向于移向陰極。
利用本技術(shù)領(lǐng)域已知的標(biāo)準(zhǔn)溫度控制技術(shù)(未示出)，可以根據(jù)需要控制微粒材料含水漿狀物的溫度。此外，在一方面，可以利用本技術(shù)領(lǐng)域已知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(未示出)連續(xù)和/或非連續(xù)地?cái)噭游⒘２牧虾疂{狀物，以使微粒材料均勻混合。該箱子或電池可以自由漂浮在容器中，或可以被固定到容器上。
在一具體方面，第一腔室32和第二腔室36是取自Ace Glass公司(新澤西，瓦恩蘭)的玻璃管，其外徑為28mm長為100mm，一端有Ace螺紋(#32GL)。在一具體方面，使用多個管子32和多個管子36。帶有孔洞的Ace帶螺紋的塑料蓋子連接至管子的帶螺紋的端。膜材料70固定在管子的帶螺紋的端的頂部和蓋子之間。蓋子和帶螺紋的管子是任選的?？商鎿Q地，可以使用更大的管子，如外徑為40mm，長度為100mm的帶螺紋的管子，使用Ace螺紋(45GL)。
當(dāng)使用小玻璃管時，它們間隔約2cm(管子之間的間隔)，其中中心到中心的距離約4.5cm。該距離是所用的帶螺紋的蓋子的本體所要求的。如果使用更小的蓋子或沒有使用蓋子，管子可以直接鄰接并彼此接觸。當(dāng)管子之間的距離(通路長度)增加時，效率(電流輸出)通常降低。使用更大的管子，并隨此增加膜表面積，這通?？墒闺娏鬏敵鼍€性增加。
玻璃管子浸在大到足以容納所需數(shù)量的管子和樹脂的塑料環(huán)、廣口瓶里或桶中，其中可放置濾膜，并隨后往其中加入交換樹脂。然后整個組件浸入或下降到更大的裝有含離子材料的漿狀物的容器中。
現(xiàn)在參考圖2-14，在一方面，電去離子設(shè)備的電池30可以包括電池本體100，上框架構(gòu)件120，下框架構(gòu)件140，以及套子160。該電池本體100有頂端102，以及間隔開的底端104，以及外部的外圍表面106。如我們將要理解的，電池本體100定義電池相應(yīng)的第一和第二腔室34、36。在一方面，第一和第二腔室各自基本在電池本體的頂端和底端之間延伸。在又一方面，第一腔室34的一部分和第二腔室36的一部分形成公共的電池本體壁108。公共的電池本體壁108的一部分可以形成電池本體相應(yīng)的頂端和底端的一部分。在可替換的實(shí)施方案中，公共的電池本體壁108的至少一部分由絕緣構(gòu)件37形成。在本發(fā)明的一方面，第一內(nèi)部空腔34以及第二內(nèi)部空腔38具有基本相同的容積。
上框架構(gòu)件120具有上表面122，相對的下表面124，以及上框架外圍邊沿表面126。在一方面，上框架構(gòu)件120定義第一開口128以及第二開口130，該開口在上框架構(gòu)件的上表面和下表面之間延伸。所定義的第一和第二開口128、130形成公共壁構(gòu)件132，該壁構(gòu)件在第一開口的一部分和第二開口的一部分之間延伸。設(shè)計(jì)上框架構(gòu)件120的尺寸和形狀，用于對齊地位于電池本體100的下面，這樣，在使用中，上框架構(gòu)件的至少一部分上表面122位于電池本體的至少一部分底端104的下面。在本發(fā)明的又一方面，陰離子交換膜50安裝于上框架構(gòu)件的第一開口128中，陽離子交換膜52安裝于上框架構(gòu)件的第二開口130中。
使用中，第一開口128位于第一腔室的第一內(nèi)部空腔34的下面，并與之基本對齊，第二開口130位于第二腔室的第二內(nèi)部空腔38的下面，并與之基本對齊，公共壁構(gòu)件132位于公共的電池本體壁108的下面，并與之基本對齊。在一方面，公共壁構(gòu)件132定義外突出134，該突出大體橫向于上框架構(gòu)件的上表面延伸，公共的電池本體壁108定義內(nèi)凹槽110，該凹槽大體橫向于電池本體的底面延伸。在該方面，設(shè)計(jì)外突出134和內(nèi)凹槽110的大小和尺寸，使其互補(bǔ)嚙合連接。
電池下框架構(gòu)件140有頂面142、相對的底面144以及下框架外圍邊沿表面146。在下框架構(gòu)件中定義至少一個開口148，其在頂面和底面之間延伸。設(shè)計(jì)下框架構(gòu)件140的尺寸和形狀，用于對齊地位于上框架構(gòu)件的下面，這樣，在使用中，下框架構(gòu)件的至少一部分頂面142位于上框架構(gòu)件的至少一部分下表面124的下面。在一方面，所述至少一個開口是多個開口。在一個實(shí)施方案中，陰離子和陽離子交換樹脂混合物層60可以安裝于至少一個開口148的上部150內(nèi)，并鄰近下框架構(gòu)件的頂面142。在該實(shí)施方案中，濾膜70可以安裝于至少一個開口148的下部152內(nèi)，并鄰近下框架構(gòu)件的底面144。在該實(shí)施例中，陰離子和陽離子交換樹脂混合物層60以及濾膜70形成分層結(jié)構(gòu)。在替換實(shí)施方案中，陰離子和陽離子交換樹脂混合物層60可安裝在下框架構(gòu)件的至少一個開口148的至少一部分內(nèi)。
電池30的套子160有敞開的遠(yuǎn)端162，以及相對的敞開的近端164。套子的近端164上有向內(nèi)延伸并形成于其中的凸緣166。套子160定義孔168，該孔從套子遠(yuǎn)端延伸至凸緣。在一方面，套子的孔168有內(nèi)部表面170，設(shè)計(jì)該內(nèi)部表面的尺寸和形狀，用于互補(bǔ)地與電池本體的至少一個外部外圍表面106以及上框架和下框架構(gòu)件120、140的相應(yīng)的外圍邊沿表面126、146相符合。在一個實(shí)施例中，使用中，下框架構(gòu)件的底面144的至少一部分位于凸緣166的至少一部分的上面。在圖13和14中部分示出的可替換的實(shí)施方案中，套子遠(yuǎn)端162有凸緣，該凸緣大體橫向于該遠(yuǎn)端延伸，使得電池的套子可以被容器的邊沿支撐。
使用中，電池本體和相應(yīng)的上框架和下框架構(gòu)件彼此相對堆疊在套子里。在一方面，電池本體和相應(yīng)的上框架和下框架構(gòu)件選擇性地相對于彼此可松開地放置在套子里。在一個實(shí)施例中，電池本體和相應(yīng)的上框架和下框架構(gòu)件與電池的套子摩擦配合，這樣它們可以相對彼此固定。在又一個實(shí)施例中，電池本體的至少一部分外部的外圍表面和套子的至少一部分內(nèi)部表面有互補(bǔ)的帶螺紋表面?？梢砸庾R到的是上框架和/或下框架構(gòu)件可以具有任意的所需幾何形狀，如，大體為圓環(huán)形狀、大體為正方形形狀以及大體為矩形形狀等等。
在可替換實(shí)施例中，電池本體100定義至少一個電池本體孔109，該電池本體孔從電池本體的頂端延伸至底端，上框架構(gòu)件120定義至少一個上框架構(gòu)件孔129，該上框架構(gòu)件孔從上框架構(gòu)件的上表面延伸至下表面，下框架構(gòu)件140定義至少一個下框架構(gòu)件孔149，該下框架構(gòu)件孔從下框架構(gòu)件的頂面延伸至底面，套子的凸緣166定義至少一個凸緣孔169。在使用中，至少一個電池本體孔、至少一個上框架構(gòu)件孔、至少一個下框架構(gòu)件孔以及凸緣孔彼此基本同軸放置。在該實(shí)施例中，可以提供常規(guī)的緊固件180，諸如螺母、螺母及螺栓、螺絲、摩擦安裝棒等，該緊固件的尺寸和形狀被設(shè)計(jì)，用于互補(bǔ)地配備在基本同軸的至少一個電池本體孔109、至少一個上框架構(gòu)件孔129、至少一個下框架構(gòu)件孔149以及凸緣孔169內(nèi)，使得電池本體、上框架構(gòu)件、下框架構(gòu)件以及套子相對于彼此可松開地固定。
可以提供墊片，用于幫助維護(hù)電池的液體完整性當(dāng)它被連接到一起時。例如，第一墊片可放置在上框架構(gòu)件的一部分上表面和電池本體的一部分底端之間。類似地，第二墊片可以放置在上框架構(gòu)件的一部分下表面和下框架構(gòu)件的一部分頂面之間。此外，第三墊片可以放置在下框架構(gòu)件的一部分底面和一部分凸緣之間。
圖15示出了連續(xù)或半連續(xù)設(shè)備。電池400包括陽極410、陰極420以及由陰離子交換膜430和陽離子交換膜440構(gòu)成的中心腔室470。陰離子交換腔室450在陽極410和陰離子交換膜430之間，陽離子交換腔室460在陰極420和陽離子交換膜440之間。陽極410經(jīng)過硬線490、491和電源480連接到陰極420。微粒材料含水漿狀物在472進(jìn)入中心腔室，在471離開中心腔室。水或其它溶劑流過陽極腔室450以除去陰離子，從452流向451，或者相反。類似地，水或其它溶劑流過陰極腔室460以除去陽離子，并且從462流向461，或者相反。水或其他溶劑可以以連續(xù)的方式或半連續(xù)的方式流過腔室450和460。在半連續(xù)的方式中，水或溶劑以周期性的方式流過相應(yīng)的腔室，根據(jù)需求除去離子。通常，陰離子和陽離子交換樹脂材料不用在連續(xù)設(shè)備400中。
在另一方面，在本發(fā)明的任何設(shè)備或過程中，可提供以交替格局或陣列排列的多個陽極和陰極作為陽極和陰極。具體地，在一方面，提供一列陽極與一列陰極相鄰，該陰極與一列陽極相鄰，該陽極又與一列陰極相鄰，等等。這種陽極列和陰極列交替的格局可以適當(dāng)?shù)刂貜?fù)。該陣列方法使陽極和陰極之間的通路長度減到最小。在該方面，可以提供任意數(shù)量的陽極和陰極。
實(shí)施例以下提出實(shí)施例，是為了向本技術(shù)領(lǐng)域的人員提供此處所描述和要求保護(hù)的化合物、組合物、制品、設(shè)備和/或方法是如何制造和評價的全部公開和描述，并且只擬于作為純粹的示例性，而不擬于限制發(fā)明人所認(rèn)為的他們的發(fā)明的范圍。關(guān)于數(shù)字(如，量、溫度等)，盡管努力確保其精確，但還應(yīng)考慮到一些誤差和偏差。除非另有說明，份是重量份，溫度是℃下，或處于室溫下，壓力處于或接近于大氣的壓力。反應(yīng)條件有多種變體和結(jié)合，如，組分濃度、所需溶劑、溶劑混合物、溫度、壓力和其他可用于使從描述的過程獲取的產(chǎn)品純度和收益最優(yōu)化的反應(yīng)范圍和條件。只要求合理的和常規(guī)的實(shí)驗(yàn)來使這種過程條件最優(yōu)化。
實(shí)施例1(對比的)使用加壓過濾裝置和Versapor 3000膜過濾器(Pall Corp.)清洗兩個其上有40％鉑的CDX-975碳黑催化劑樣品(由美國喬治亞州Marietta的Columbian Chemicals公司制造和銷售)。該樣品被清洗六次，每次清洗使用1升蒸餾水。頭三次清洗所用的蒸餾水處于室溫下。最后三次清洗所用的蒸餾水處于約70℃。認(rèn)為氯化物離子一開始的濃度約為2000到5000ppm，兩個碳催化劑樣品上的最終氯化物離子濃度為128和202ppm。
實(shí)施例2(對比的)如上面實(shí)施例1中所述，首先清洗(熱水清洗)三個其上有60％鉑的Ketjen EC-600催化劑樣品(由Ketjen Black International公司制造，美國伊利諾斯州芝加哥Akzo Nobel Polymer Chemicals銷售)。隨后將該樣品放入裝滿了蒸餾水的索氏提取裝置的提取套筒(thimble)里。將索氏提取裝置加熱至沸騰8小時。認(rèn)為氯化物離子一開始的濃度約為2000到5000ppm，三個碳催化劑樣品上的最終氯化物離子濃度為76ppm、95ppm和108ppm。
實(shí)施例3使用如圖1總體所圖解的從碳載催化劑除去離子的電去離子(EDI)設(shè)備。陽極和陰極電極都由鉑薄片的碎片制成。所用的陰離子交換膜是Excellion IX 1-200陰離子交換膜，所用的陰極交換膜是Excellion IX 1-100陽離子交換膜，兩個Excellion交換膜可從美國加利福尼亞的Lugana Hills的Electopure，Inc.公司獲取。離子交換膜的暴露面積約為1cm2。用水將陽極和陰極腔室填充約至其10cm高度的2/3。使用陰離子和陰極交換樹脂混合物層，具體為美國威斯康星州的密爾沃基的Sigma-Aldrich的Dowex MR-3混床離子交換樹脂，其中，陰離子交換樹脂和陽離子交換樹脂所用比例為1∶1。Excellion陽離子和陰離子交換膜小碎片被切成約1-2cm2的碎片，并和陰離子交換樹脂混合物混合。離子交換樹脂混合物置于Versapor 3000濾膜上。
根據(jù)實(shí)施例1的程序，用水清洗10克其上有40％鉑的CDX-975碳黑催化劑的催化劑樣品。然后將催化劑樣品放入燒杯，加入約600ml的水，并進(jìn)行攪動以形成漿狀物。漿狀物的溫度控制在約45℃。將EDI設(shè)備置于燒杯頂部并將設(shè)備的2/3浸入到水面下。將電源連接到EDI設(shè)備上，其正電源連接到陽極電極，負(fù)電源連接到陰極。施加約35V的直流電壓約20小時。之后，移去EDI設(shè)備，過濾催化劑。以下表格1中示出了雜質(zhì)結(jié)果。沒有測量實(shí)施例3-8中的每一個實(shí)施例所用具體催化劑的氯化物一開始的濃度。然而，對于實(shí)施例3-8，認(rèn)為氯化物離子濃度在熱水清洗前的范圍為約2000ppm到約5000ppm，在熱水清洗后以及EDI處理前，該氯化物離子濃度的范圍為約100到約200ppm。
表格1雜質(zhì)名稱 數(shù)量(ppm)氯化物15硫酸鹽276鉻3.6銅4.9鉛4.5鎳19鈣94鐵60鎂2.9鈷1.8
實(shí)施例4對15克其上有55％鉑的Ketjen EC 300碳催化劑(由KetjenBlackInternational Company制造，美國伊利諾斯州芝加哥Akzo NobelPolymer Chemicals銷售)，重復(fù)與實(shí)施例3相同的過程和設(shè)備，催化劑之前根據(jù)實(shí)施例1用水清洗過，并再用0.1M的H2SO4清洗過。約17小時17分鐘后，溫度調(diào)到約55℃，直到19小時8分鐘運(yùn)行結(jié)束。碳催化劑上的最終氯化物離子雜質(zhì)水平為22ppm。
實(shí)施例5使用9.7克其上有55％鉑的Ketjen EC 300碳催化劑，其之前根據(jù)實(shí)施例1用水清洗過，并再用0.1M的H2SO4清洗過，除此之外，使用與實(shí)施例3相同的過程和設(shè)備。使用500ml水。溫度范圍為約32℃到63℃。所用電壓為直流40V。整個運(yùn)行時間為12小時16分。催化劑材料上的最終氯化物離子濃度為25ppm。
實(shí)施例6使用其上有50％鉑的CDX-975碳催化劑樣品(量未知)，其之前根據(jù)實(shí)施例1用水清洗過，并再用0.1M的H2SO4清洗過，除此之外，使用與實(shí)施例3相同的過程和設(shè)備。在整個運(yùn)行時間17小時15分內(nèi)溫度控制在約45℃。碳催化劑上的最終氯化物離子濃度為37ppm。
實(shí)施例7使用22克其上有50％鉑的Ketjen EC-300碳催化劑，其之前根據(jù)實(shí)施例1用水清洗過(沒有經(jīng)過酸洗)，除此之外，使用與實(shí)施例3相同的過程和設(shè)備。最初溫度設(shè)置在約45℃，在約16小時12分時調(diào)整至約55℃。整個運(yùn)行時間為19小時5分。碳催化劑上的最終氯化物離子濃度為36ppm。
實(shí)施例8除了沒有使用離子交換樹脂層外，使用與實(shí)施例3相同的過程和設(shè)備。此外，使用10.9克其上有50％鉑的Ketjen EC-300的碳催化劑，其之前根據(jù)實(shí)施例1用水清洗過，并再用1M的H2SO4清洗過。所用電壓為直流128V。沒有記錄溫度。整個運(yùn)行時間為4小時20分。碳催化劑上的最終氯化物離子濃度為23ppm。
在整個本申請中，參考了多個公開文本。為了更完全地描述此處所描述的化合物、組合物、設(shè)備、制品和/或方法，此處通過對這些公開內(nèi)容的援引將其完整納入本申請中。
可以對此處描述的發(fā)明做多種修改和變體。通過考慮此處公開的本發(fā)明的說明書和實(shí)踐，此處描述的本發(fā)明的其他方面將變得顯而易見。本說明書和實(shí)施例擬看作是示例性的。
權(quán)利要求
1.一種用于從含有離子的含碳微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的方法，包括在(a)陽極和(b)陰極之間通一足夠長時間的直流電，其中該陽極和該陰極都和該含碳微粒材料的含水漿狀物電接觸，其中該陽極和陰離子交換膜電接觸，以及其中該陰極和陽離子交換膜電接觸，因此使得該至少一種類型離子中的至少一些的除去是從該含碳材料中除去。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該陽極和該陰極都和陰離子和陽離子交換樹脂混合物層電接觸，其中該陰離子交換膜放置在該陽極和該樹脂混合物層之間，該陰極交換膜放置在該陰極和該樹脂混合物層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，進(jìn)一步包括濾膜，其中該樹脂混合物層放置在(i)該陰離子以及該陽離子交換膜和(ii)該濾膜之間。
4.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該含碳微粒材料包括以碳為載體的催化劑。
5.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該含碳微粒材料包括載有貴金屬的以碳為載體的催化劑。
6.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該含碳微粒材料包括載有鉑的以碳為載體的催化劑。
7.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該含碳微粒材料包括載有鉑的以碳黑為載體的催化劑。
8.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該陽極和該陰極包括鉑。
9.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該方法是間歇過程。
10.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該方法是連續(xù)過程。
11.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中該至少一種類型的離子包括氯化物離子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該含碳微粒材料上的起始氯化物離子濃度大于500ppm，將電流通一足夠長的時間，從而使該含碳微粒材料上的最終氯化物離子濃度少于100ppm。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中該最終氯化物離子濃度少于40ppm。
14.一種用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的方法，包括在(a)陽極和(b)陰極之間通一足夠長時間的直流電，其中該陽極和該陰極都和該微粒材料的含水漿狀物電接觸，其中該陽極和陰離子交換膜電接觸，以及其中該陰極和陽離子交換膜電接觸，因此使得該至少一種類型離子中的至少一些的除去是從該微粒材料中除去。
15.一種用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的設(shè)備，包括電源；以及電池，該電池包括(a)定義第一內(nèi)部空腔的第一腔室；(b)定義第二內(nèi)部空腔的第二腔室；(c)至少部分包含在該第一內(nèi)部空腔的陽極，該陽極電連接到該電源；(d)至少部分包含在該第二內(nèi)部空腔的陰極，該陰極電連接到該電源；(e)鄰近該第一腔室底端放置的陰離子交換膜，該陰離子交換膜具有基面；(f)鄰近該第二腔室底端放置的陽離子交換膜，該陽離子交換膜具有基面；以及(g)鄰近該陰離子和陽離子交換膜相應(yīng)的基面放置的陰離子和陽離子交換樹脂混合物層，其中相應(yīng)的陰離子和陽離子交換膜分別放置在該陽極與該樹脂混合物層之間以及該陰極與該樹脂混合物層之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中該電池進(jìn)一步包括濾膜，其中該樹脂混合物層放置在相應(yīng)的陰離子和陽離子交換膜與濾膜之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求15-16中任一項(xiàng)的設(shè)備，進(jìn)一步包括定義內(nèi)部容積以及進(jìn)一步定義至少一個開口的箱子，該開口和該箱子的內(nèi)部容積相通，其中該電池至少部分放置在該箱子的內(nèi)部容積里。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，進(jìn)一步包括用來容納該微粒材料含水漿狀物的容器，其中該箱子包含在該容器里，使得該箱子的至少一個開口與該含水漿狀物流體連通。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該樹脂混合物進(jìn)一步包括離子交換膜碎片。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-19中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中相應(yīng)的第一和第二腔室整體形成，以此使該第一腔室的一部分和該第二腔室的一部分形成一公共壁。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其中該公共壁的至少一部分由絕緣構(gòu)件形成。
22.根據(jù)權(quán)利要求15-21中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該電池進(jìn)一步包括電池本體，該電池本體有頂端、間隔開的底端以及外部的外圍表面，該電池本體定義該電池的相應(yīng)的第一和第二腔室，其中該相應(yīng)的第一和第二腔室基本在該電池本體的頂端和底端之間延伸。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的設(shè)備，其中該第一腔室的一部分和該第二腔室的一部分形成公共的電池本體壁，其中該公共的電池本體壁部分形成該電池本體的相應(yīng)的頂端和底端的一部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中該公共的電池本體壁的至少一部分由絕緣構(gòu)件形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求15-24中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該第一內(nèi)部空腔以及該第二內(nèi)部空腔具有基本相同的容積。
26.根據(jù)權(quán)利要求23-24中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該電池進(jìn)一步包括具有上表面、相對的下表面以及上框架外圍邊沿表面的上框架構(gòu)件，該上框架構(gòu)件定義第一開口以及第二開口，該開口在該上表面和該下表面之間延伸并形成公共壁構(gòu)件，該公共壁構(gòu)件在該第一開口的一部分和第二開口的一部分之間延伸，其中設(shè)計(jì)該上框架構(gòu)件的尺寸和形狀，用于對齊地位于該電池本體的下面，使得在使用中，該上框架構(gòu)件的至少一部分上表面位于電池本體的至少一部分底端的下面。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的設(shè)備，其中，在使用中，該第一開口位于該第一內(nèi)部空腔的下面，并與之基本對齊，該第二開口位于該第二內(nèi)部空腔的下面，并與之基本對齊，該公共壁構(gòu)件位于該公共的電池本體壁下面，并與之基本對齊。
28.根據(jù)權(quán)利要求26-27中任一項(xiàng)的設(shè)備，進(jìn)一步包括放置在該上框架構(gòu)件的一部分上表面和該電池本體的一部分底端之間的第一墊片。
29.根據(jù)權(quán)利要求26-28中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該陰離子交換膜安裝在該上框架構(gòu)件的第一開口里，以及其中該陽離子交換膜安裝在該上框架構(gòu)件的第二開口里。
30.根據(jù)權(quán)利要求26-29中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該公共壁構(gòu)件定義外突出，該外突出大體橫向于該上框架構(gòu)件的上表面延伸，其中該公共的電池本體壁定義內(nèi)凹槽，該內(nèi)凹槽大體橫向于該電池本體的底端延伸，其中設(shè)計(jì)該外突出和該內(nèi)凹槽的大小和尺寸，使其互補(bǔ)嚙合連接。
31.根據(jù)權(quán)利要求26-30中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該電池進(jìn)一步包括具有頂面、相對的底面以及下框架外圍邊沿表面的下框架構(gòu)件，該下框架構(gòu)件定義至少一個開口，該開口在該頂面和該底面之間延伸，其中設(shè)計(jì)該下框架構(gòu)件的尺寸和形狀，用于對齊地位于上框架構(gòu)件的下面，使得在使用中，該下框架構(gòu)件的至少一部分頂面位于該上框架構(gòu)件的至少一部分下表面的下面。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的設(shè)備，其中該至少一個開口是多個開口。
33.根據(jù)權(quán)利要求31-32中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該陰離子和陽離子交換樹脂混合物層安裝在該至少一個開口的上部，并鄰近該下框架構(gòu)件的頂面。
34.根據(jù)權(quán)利要求31-33中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該濾膜安裝在該至少一個開口的下部內(nèi)，并鄰近該下框架構(gòu)件的底面。
35.根據(jù)權(quán)利要求31-34中任一項(xiàng)的設(shè)備，進(jìn)一步包括放置在該上框架構(gòu)件的一部分下表面和該下框架構(gòu)件的一部分頂面之間的第二墊片。
36.根據(jù)權(quán)利要求31-35中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該電池進(jìn)一步包括具有敞開的遠(yuǎn)端以及相對的敞開的近端的套子，該近端具有向內(nèi)延伸的凸緣，該套子定義從該套子遠(yuǎn)端延伸至該凸緣的孔。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的設(shè)備，其中，在使用中，該下框架構(gòu)件底面的至少一部分位于該凸緣的至少一部分的上面，其中該套子的孔有內(nèi)部表面，設(shè)計(jì)該內(nèi)部表面的尺寸和形狀，用于互補(bǔ)地與該電池本體的外部外圍表面以及上框架和下框架構(gòu)件相應(yīng)的外圍邊沿表面相符合。
38.根據(jù)權(quán)利要求36-37中任一項(xiàng)的設(shè)備，進(jìn)一步包括放置在該下框架構(gòu)件的一部分底面和該凸緣的一部分之間的第三墊片。
39.根據(jù)權(quán)利要求36-38中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中該電池本體定義至少一個電池本體孔，該電池本體孔從該電池本體的頂端延伸至底端，其中該上框架構(gòu)件定義至少一個上框架構(gòu)件孔，該上框架構(gòu)件孔從該上框架構(gòu)件的上表面延伸至下表面；其中該下框架構(gòu)件定義至少一個下框架構(gòu)件孔，該下框架構(gòu)件孔從該下框架構(gòu)件的頂面延伸至底面，其中該套子的凸緣定義至少一個凸緣孔，其中，在使用中，該至少一個電池本體孔、該至少一個上框架構(gòu)件孔、該至少一個下框架構(gòu)件孔以及該凸緣孔彼此基本同軸放置，進(jìn)一步包括緊固件，設(shè)計(jì)該緊固件的尺寸和形狀，用于互補(bǔ)地配備在基本同軸的至少一個電池本體孔、至少一個上框架構(gòu)件孔、至少一個下框架構(gòu)件孔以及凸緣孔內(nèi)，使得該電池本體、該上框架構(gòu)件、該下框架構(gòu)件以及該套子可松開地相對彼此固定。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的設(shè)備，其中該緊固件是螺栓和互補(bǔ)的螺母。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的設(shè)備，其中該緊固件是螺絲。
42.根據(jù)權(quán)利要求39的設(shè)備，其中該緊固件是摩擦安裝棒。
43.根據(jù)權(quán)利要求15-42中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中提供至少兩個陽極和至少兩個陰極。
44.一種用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的電池的框架構(gòu)件，包括陰離子交換膜；陽離子交換膜；以及具有上表面和相對的下表面的構(gòu)件，該構(gòu)件定義第一開口和第二開口，該開口在該上表面和該下表面之間延伸并形成公共壁構(gòu)件，該公共壁構(gòu)件在該第一開口的一部分和該第二開口的一部分之間延伸，其中該陰離子交換膜安裝于該構(gòu)件的第一開口中，其中該陽離子交換膜安裝于該構(gòu)件的第二開口中。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的框架構(gòu)件，其中該第一開口和該第二開口有基本相同的面積。
46.一種用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的電池的框架構(gòu)件，包括陰離子和陽離子交換樹脂混合物層；濾膜；以及具有頂面和相對的底面的基本平面的構(gòu)件，該構(gòu)件定義至少一個開口，該開口在該頂面和底面之間延伸，其中該陰離子和陽離子交換樹脂混合物層安裝在該至少一個開口的上部內(nèi)，接近該構(gòu)件的頂面，其中該濾膜安裝在該至少一個開口的下部內(nèi)，接近該構(gòu)件的底面。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的框架構(gòu)件，其中該至少一個開口是多個開口。
全文摘要
公開了用于從含有離子的微粒材料中電去離子以及除去至少一種類型離子中的至少一些的方法，包括在(a)陽極和(b)陰極之間通一足夠長時間的直流電，其中陽極和陰極都和微粒材料的含水漿狀物電接觸，其中陽極和陰離子交換膜電接觸，以及其中陰極和陽離子交換膜電接觸，因此使得至少一種類型離子中的至少一些的除去是從該微粒材料中除去。還公開了用于從含有離子的微粒材料中電去離子和除去至少一種類型離子中的至少一些的設(shè)備。
文檔編號B01D61/46GK101043948SQ200580035820
公開日2007年9月26日 申請日期2005年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者C·何 申請人:哥倫比亞化學(xué)公司