具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步说明。

除非本申请中清楚地另行定义，所用到的科学和技术术语的含义为本申请所述技术领域的技术人员通常所理解的含义。本申请中使用的“包括”、“包含”、“具有”或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以内。

在说明书和权利要求中，除非清楚地另行指出，所有项目的单复数不加以限制。本申请说明书及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的材料或实施例等。

除非上下文另外清楚地说明，术语“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。

本说明书中提及“一些实施例”等，表示所述与本发明相关的一种特定要素(例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出现于其它实施例中。另外，需要理解的是，所述发明要素可以以任何适当的方式结合。

本说明书提及的“去离子”即从待处理液体中除去离子，包括各种价态的阴离子和阳离子。在大部分情况下，“去离子”与“脱盐”具有同样的含义。在某些情况下，去离子也被称之为脱除矿物质。

实施例1。

一种卷式双极膜滤芯，包括至少一对电极组以及由一张以上的双极膜卷绕而成的膜结构，该电极组至少包括一个多孔电极，每张双极膜由贴合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成，构成同一张双极膜的阳离子交换膜和阴离子交换膜之间无流道。

一对电极组可以由两个多孔电极构成，也可以是由一个多孔电极和一个普通电极构成。普通电极如金属电极、具有钌钇涂层的钛电极、钌钇电极、碳电极、石墨电极等。

其中，多孔电极可由多孔材料构成，或者由多孔材料和集电体层叠构成，或者由集电体、多孔材料和离子交换膜依次层叠形成。离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜，当含有离子交换膜的时，多孔电极中的离子交换膜靠近双极膜。多孔电极中的阳离子交换膜或者阴离子交换膜可以根据实际需要灵活选择。

多孔材料可以是具有大比表面的任意导电材料，比如，比表面大于100m²/g的导电材料。在一些实施例中，多孔材料为疏水的导电材料。多孔材料具有孔径在0.5至50纳米之间的多孔结构。多孔材料可为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、金属粉末(如镍)、金属氧化物(如氧化钌)和导电聚合物中的一种或多种制备而成的导电体。在某一实施例中，所述多孔材料是由活性炭制成的厚度在100至5000微米范围内的片状或板状结构，优选厚度在200至2,500微米范围内，另外，所述活性炭片状结构的孔径介于0.5至20纳米之间，优选介于1至10纳米之间。

采用多孔电极能够减轻卷式双极膜滤芯的结垢风险。由于离子交换膜中含有或者吸附有离子带电单位，因此，当多孔电极处离子的量不足以完成解吸附过程时，通过在离子交换膜中的离子被释放出来以帮助完成解吸附过程，使电极上的过量电荷得到缓冲。这样，结垢风险会大大降低。

集电体用于与导线或电源相连接，也称作“集流体”。集电体由选自金属、金属合金、石墨、石墨烯、碳纳米管和导电塑料中的一种或多种材料形成。集电体可以是板、网、箔或片等任何合适的形式。在一些实施例中，集电体可以是金属或金属合金制成，合适的金属包括钛、铂、铱或铑等，优选地包括钛，而合适的金属合金可以是不锈钢等。在另一些实施例中，集电体可以由导电碳材料制成，例如石墨、石墨烯、碳纳米管等。在另一些实施例中，集电体是由导电塑料材料，例如聚烯烃(如，聚乙烯)制成的，且其中可混合导电的炭黑或金属颗粒等。在一些实施例中，集电体为片状或板状结构，厚度可以在50微米至5毫米的范围内。在一些实施例中，集电体和多孔电极具有大致相同的形状和/或尺寸。

需要说明的是，当多孔材料的多孔性和导电性足够时，多孔材料本身可以起到集电体的作用时，也可不设置集电体。

本实施例的卷式双极膜滤芯，可由多个电极组构成，当包括多个电极组时，电极组之间可以通过串联或者并联或者同时具有串联和并联的混联方式进行流道连接。需要说明的是，本说明书提及的“串联”和“并联”是指考虑到流道液流产出液的流向而决定的。例如，若两个电极组串联，则从前一个电极组流道的产出液进入后一个电极组的流道。又例如，若两个电极组并联，则是指这两个电极组的流道接收同一股进液。串联的电极组用于进一步除去液体中的离子，而并联的电极组组用于增大装置的处理量。

下面以附图1至3的卷式双极膜滤芯为例，对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，该卷式双极膜滤芯10，含有由一对多孔电极100、200构成的电极对，电极100处于中心位置，双极膜300径向卷绕在处于中心位置的电极100形成螺旋状膜结构，另一个电极200套设于膜结构的外侧。膜结构的双极膜卷绕的相邻层间形成流道，电极与相邻的双极膜之间也形成层状结构。

本实施例中，多孔电极100由集电体130和多孔材料110层叠形成，多孔电极100为阴膜电极。多孔电极200由集电体230和多孔材料210依次层叠形成，多孔电极200为阳膜电极。多孔电极可由集电体、多孔材料层叠在一起夹紧即可，不需要使用粘结剂；或者也可以通过热贴合固定或者通过粘结剂粘结。多孔电极中的阳离子交换膜或者阴离子交换膜可以根据实际需要灵活选择。

双极膜300由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，构成同一个双极膜的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320夹紧即可，不需粘结剂；也可以将阳离子交换膜310和阴离子交换膜320热贴合构成。阳离子交换膜310和阴离子交换膜320之间无流道，双极膜与双极膜之间形成流道或者双极膜与电极之间形成流道。市面上销售的双极膜均可作为本方案中的双极膜，在此不再赘述。

本实施例中，沿着图1的“A-A”剖面来看，多孔电极100、多孔电极200之间的双极膜300为四层，四层双极膜300的排列方向相同，排列方向相同指每层双极膜300的阳离子交换膜310的朝向相同，当然对应的每层双极膜300的阴离子交换膜320的朝向也必然相同。需要说明的是，双极膜300卷绕后所形成的剖面中双极膜的层数不限于本实施例中的四层，可以根据实际需要灵活设置，一般电极对之间的双极膜300的层数为1-50个，甚至更多。

需要说明的是，本实施例中，双极膜为单层双极膜，实际中，也可以选择多层双极膜叠层后，整体径向卷绕电极100形成螺旋状膜结构。双极膜的叠层数量可以为2张或者3张或者其它数量。

如图2所示，卷式双极膜滤芯在脱盐过程中，双极膜的阳离子交换膜面对的是正电极,原水在两层的双极膜之间形成的流道中进行脱盐。原水中的阴离子如Cl^-，朝着正电极方向移动，置换左侧的阴离子交换膜中的OH^-，OH^-进入流道中；同时原水中的阳离子如Na⁺，朝着负电极方向移动，置换右侧双极膜的阳离子交换膜中的H⁺离子，H⁺进入流道中；H⁺和OH^-在流道中发生中和反应，生成水，从而实现对原水中的盐分去除，纯水从流道末端出。

在施加正向电压的多孔电极100与相邻的双极膜300及此二者所形成的第一个流道中，原水中的阴离子如Cl^-朝着正电极方向移动，被多孔电极110吸附，同时原水中的阳离子如Na+朝着双极膜方向移动，置换阳离子膜中的H⁺离子，实现对原水中的盐分去除，此时，从流道末端排出的纯水呈酸性。同理，在施加负电压的多孔电极200与相邻的双极膜300及此二者所形成的第二个流道中，原水中的阳离子如Na⁺朝着负极方向移动，被多孔电极210吸附；同时原水中的Cl^-朝着双极膜方向移动，置换阳离子树脂膜中的OH^-离子，实现对原水中的盐分脱除，此时，从流道末端排出的纯水呈碱性。第一流道和第二流道的纯水汇集在一起，H⁺和OH^-中和生成水，最终形成中性的纯水。

当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中离子。此时，如图3所示，双极膜的阳离子膜和阴离子膜的界面层在电场下产生OH^-和H⁺离子，右侧双极膜的阳离子膜内部的阳离子如Na⁺被H⁺离子置换并向负电极移动，左侧双极膜的阴离子膜中的阴离子如Cl^-被OH^-置换朝正电极移动，Na⁺、Cl^-进入流道中，完成了再生。

此时，在施加负向电压的多孔电极100与相邻的双极膜300及此二者所形成的第一个流道，多孔电极110所吸附的阴离子如Cl^-向正电极移动，进行解吸附，进入流道中；同时双极膜的阳膜内部的的Na⁺被H⁺置换，朝着负电极的方向移动，进入流道中；含盐的浓水排出滤芯，完成再生。同时，在施加正电压的多孔电极200与相邻的双极膜300及此二者所形成的第二个流道，多孔电极210中所吸附的阳离子如Na⁺向负电极移动，进入流道；同时双极膜片的阴膜内部的的Cl^-被OH^-置换，朝着正电极的方向移动，进入流道；含盐的浓水排出滤芯，完成再生。

本实施例的卷式双极膜滤芯，使用时，多孔材料直接接触到流道，多孔电极间的双极膜按照相同的方式设置。本实施例的方式下，能实现脱盐和再生。在脱盐状况下，多孔材料会吸附原水中的阴离子和阳离子，没有选择性，吸附效率约50％。在再生状况下，多孔材料中的阴离子和阳离子会脱附到流道中去实现再生。

本发明的卷式双极膜滤芯，在制水时，所有单通道同时制备水，没有浓水产生。再生时，倒极即可实现再生，再生过程也是单通道进行。因此，本发明的卷式双极膜滤芯水路结构简单。

该卷式双极膜滤芯，重复利用了双极膜的膜面积，电解离子交换的方式大大提高了离子交换的速度和效率。本发明的卷式双极膜滤芯，极水中不会产生气体，也不会造成结垢现象。

故该卷式双极膜滤芯采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。

此外，实验发现，采用多孔电极不仅解决了金属电极生成气体的问题，而且可以实现极室流道单独出水的设计。而且采用多孔电极较普通电极，采用多孔电极的电去离子装置整体脱盐效率可以提高8％以上。这是因为多孔电极可以吸附原水的离子，这种吸附效率比双极膜片的离子交换效率要高。

需要说明的是，位于中心位置的电极100可以为柱状，也可以为为由片状的电极卷绕形成的实心电极或者空心电极，也可以由电极丝盘成的螺旋状，还可以为镂空或者非镂空的筒状等，具体可以根据实际情况进行选择。

套设于膜结构外侧的电极200可以为圆筒状或者椭圆筒状或者方筒或者三角筒或者不规则筒状，还可以为为电极丝盘成的螺旋状等，具体可以根据实际情况进行选择，在此不一一列出。

实施例2。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1相同，不同之处在于，本实施例中：如图4、图5所示，多孔电极100由集电体130、多孔材料110、阴离子交换膜120依次层叠形成，多孔电极100为阴膜电极；多孔电极200由集电体230、多孔材料210、阳离子交换膜220依次层叠形成，多孔电极200为阳膜电极。多孔电极可由集电体、多孔材料、离子交换膜层叠在一起夹紧即可，不需要使用粘结剂；或者也可以通过热贴合固定或者通过粘结剂粘结。

本实施例的卷式双极膜滤芯，其脱盐过程如图4所示，卷式双极膜滤芯在脱盐过程中，双极膜的阳离子交换膜面对的是正电极,原水在两层双极膜之间形成的流道中进行脱盐。原水中的阴离子如Cl^-，朝着正电极方向移动，置换左侧的阴离子交换膜中的OH^-，OH^-进入流道中；同时原水中的阳离子如Na⁺，朝着负电极方向移动，置换右侧双极膜的阳离子交换膜中的H⁺离子，H⁺进入流道中；H⁺和OH^-在流道中发生中和反应，生成水，从而实现对原水中的盐分去除，纯水从流道末端出。

在施加正向电压的多孔电极100与相邻的双极膜300及此二者所形成的第一个流道中，原水中的阴离子如Cl^-朝着正电极方向移动，被多孔电极110吸附，同时原水中的阳离子如Na+朝着双极膜方向移动，置换阳离子膜中的H⁺离子，实现对原水中的盐分去除，此时，从流道末端排出的纯水呈酸性。同理，在施加负电压的多孔电极200与相邻的双极膜300及此二者所形成的第二个流道中，原水中的阳离子如Na⁺朝着负极方向移动，被多孔电极210吸附；同时原水中的Cl^-朝着双极膜方向移动，置换阳离子树脂膜中的OH^-离子，实现对原水中的盐分脱除，此时，从流道末端排出的纯水呈碱性。第一流道和第二流道的纯水汇集在一起，H⁺和OH^-中和生成水，最终形成中性的纯水。

当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中离子。此时，如图5所示，双极膜的阳离子膜和阴离子膜的界面层在电场下产生OH^-和H⁺离子，右侧双极膜的阳离子膜内部的阳离子如Na⁺被H⁺离子置换并向负电极移动，左侧双极膜的阴离子膜中的阴离子如Cl^-被OH^-置换朝正电极移动，Na⁺、Cl^-进入流道中，完成了再生。

此时，在施加负向电压的多孔电极100与相邻的双极膜300及此二者所形成的第一个流道，多孔电极110所吸附的阴离子如Cl^-向正电极移动，进行解吸附，进入流道中；同时双极膜的阳膜内部的的Na⁺被H⁺置换，朝着负电极的方向移动，进入流道中；含盐的浓水排出滤芯，完成再生。同时，在施加正电压的多孔电极200与相邻的双极膜300及此二者所形成的第二个流道，多孔电极210中所吸附的阳离子如Na⁺向负电极移动，进入流道；同时双极膜片的阴膜内部的的Cl^-被OH^-置换，朝着正电极的方向移动，进入流道；含盐的浓水排出滤芯，完成再生。

本发明的卷式双极膜滤芯，在制水时，所有单通道同时制备水，没有浓水产生。再生时，倒极即可实现再生，再生过程也是单通道进行。因此，本发明的卷式双极膜滤芯水路结构简单。

该卷式双极膜滤芯，重复利用了双极膜的膜面积，电解离子交换的方式大大提高了离子交换的速度和效率。本发明的卷式双极膜滤芯，极水中不会产生气体，也不会造成结垢现象。

故该卷式双极膜滤芯采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。

此外，实验发现，采用多孔电极不仅解决了金属电极生成气体的问题，而且可以实现极室流道单独出水的设计。而且采用多孔电极较普通电极，采用多孔电极的电去离子装置整体脱盐效率可以提高10％以上，脱盐效率比实施例1中的结构的效率提高的幅度更高。这是因为多孔电极可以吸附原水的离子，这种吸附效率比双极膜片的离子交换效率要高。可见，本实施例采用多孔电极的电去离子装置的整体性能优良。

实施例3。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1或2相同，不同之处在于：多孔电极没有设置集电极，只由多孔材料和离子交换膜层叠形成。本实施例的多孔材料具有的导电性能满足导电的需要，因此不需要设置集电极。

需要说明的是，两个多孔电极的具体结构，可以根据需要灵活设置，如一个多孔电极具有集电极，另一个多孔电极没有集电极，或者两个多孔电极同时具有集电极或者两个多孔电极同时不设置集电极，只要满足实际需求即可。

实施例4。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1至3中任意一个实施例相同，不同之处在于：一对电极组的一个电极处于中心位置，另一个电极套设于膜结构的外部，两个电极之间形成空腔，每张双极膜呈筒状并层层套设形成所述膜结构，膜结构整体装配于空腔。

如图6所示卷式双极膜滤芯，一个电极100处于中心位置，另一个电极200、四层双极膜300各自形成圆筒状，四层双极膜及外部的电极200与中心位置的电极100共圆心，形成层层环绕的结构。

该卷式双极膜滤芯采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。

需要说明的是，电极100可以直接选用柱状的电极，也可以选择以片状的电极卷绕形成实心或者空心的电极100，也可以由电极丝盘成的螺旋状，还可以为镂空或者非镂空的筒状等，具体可以根据实际情况进行选择。

套设于膜结构外侧的电极200可以为圆筒状或者椭圆筒状或者方筒或者三角筒或者不规则筒状，还可以为为电极丝盘成的螺旋状等，具体可以根据实际情况进行选择，在此不一一列出。

实施例5。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1至3中任意一个实施例相同，不同之处在于：两个电极为柔性，按照电极100、至少一张双极膜300、另一电极200的顺序叠层，整体卷绕形成夹心卷式双极膜滤芯，如图7所示。

两个电极可以均呈片状结构，在卷绕前，展开状态的两个电极与双极膜整体重叠，按照一个电极、至少一张双极膜、另一电极的顺序叠成层状结构，将整体层状结构从一端起卷绕形成夹心卷式双极膜滤芯。

在卷绕前，展开状态的两个电极可能部分与双极膜不完全重叠，这样可以将电极与双极膜叠层设置，进行卷绕。例如内部电极为丝状，将电极丝铺设于双极膜，将内部的电极丝、双极膜及外部的电极整体卷绕。卷绕后电极丝可以形成一截圆筒，也可以形成以螺旋状位于双极膜的外层的形式。

该卷式双极膜滤芯采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。

实施例6。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1至5中的任意一个实施例相同，不同之处在于：还设置有导流网，可在电极与双极膜之间、双极膜与双极膜之间至少设置有一张导流网。导流网材料包括聚丙烯，尼龙，聚酯等网状材料，厚度在0.05-2mm之间。通过导流网，形成流道，确保双极膜滤芯准确有效工作。

实施例7。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1至6中任意一个相同，不同之处在于：滤芯中含有双极膜及部分单独的阳离子交换膜和/或阴离子交换膜。此种排列的方式，也能实现脱盐的功能。只是部分流道对进入的水流不进行脱盐或者再生处理。

此情形下，一种排列方式是滤芯一侧的离子交换膜与单独阳离子交换膜、阴离子交换膜按照阳离子交换膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜的次序依次排列。此种情形下的工作方式与实施例1中的情形相同。

另外一种排列方式是滤芯一侧的离子交换膜与单独阳离子交换膜、阴离子交换膜的排列中，出现相邻的两个膜同属于阳离子交换膜或者同属于阴离子交换膜，此种情况下，同种离子交换膜所构成的流道对液体不进行脱盐或者再生处理，其它流道的工作方式与实施例1的方式相同。

实施例8。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1至6中的任意一种相同，不同之处在于：两个多孔电极均设置有阳离子交换膜，多孔电极间的双极膜按照相同的方式设置。此种方式下，也能实现脱盐和再生，只是效果不及实施例1和2，在脱盐状况下，多孔电极的阳离子交换膜与邻近的双极膜的阳离子交换树脂膜一侧所形成的的流道只脱除阳离子，而不脱除阴离子，出水水质偏酸性。在再生状况下，与多孔电极的阳离子交换膜邻近的双极膜的阳离子交换树脂膜也会再生。其它的流道的脱盐和再生方式与实施例1或2中的相同。

实施例9。

一种卷式双极膜滤芯，其它特征与实施例1至6中的任意一种相同，不同之处在于：两个多孔电极均设置有阴离子交换膜，多孔电极间的双极膜按照相同的方式设置。此种方式下，也能实现脱盐和再生，只是效果不及实施例1和2，在脱盐状况下，多孔电极的阴离子交换膜与邻近的双极膜的阴离子交换树脂膜一侧所形成的的流道只脱除阴离子，而不脱除阳离子，出水水质偏碱性。在再生状况下，多孔电极的阴离子交换膜与邻近的双极膜的阴离子交换树脂膜一侧所形成的的流道也会再生。其它的流道的脱盐和再生方式与实施例1或2中的相同。

实施例10。

一种双极膜电去离子装置，具有如实施例1至9中的任意一种所述的卷式双极膜滤芯。本发明所说的双极膜电去离子装置，含有滤芯及管路、电源，能够独立进行水的脱盐和再生。由于采用多孔电极及双极膜并且双极膜绕成卷式的结构，能够避免现有技术中极室水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。

实施例11。

一种水处理设备，具有如实施例1至10中的任意一种所述的卷式双极膜滤芯，该水处理设备可用于工业或者家用水处理。本文提及的工业用水处理设备的用途的示例包括但不限于工业污水处理、市政污水处理、海水淡化、盐水处理、河湖水处理、乳酪乳清脱矿物质等。工业用水处理设备包括，除了本发明实施例的卷式双极膜滤芯以外，其还可包括例如絮凝和/或混凝单元、高级氧化单元、吸附单元、电解单元、膜分离单元(包括微滤、超滤、纳滤和反渗透中的一种或多种)中的一种或多种。

本发明实施例的家用水处理设备，除了本发明实施例的卷式双极膜滤芯、管路、电源装置以外，一般还包括例如超滤、纳滤、活性炭吸附单元、紫外杀菌单元中的一种或多种。

该水处理设备，其卷式双极膜滤芯采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极室水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，制水率高，水资源浪费少。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。