(57)【要約】【課題】この発明は、水、液体、その他の水性処理流からイオンを除去し、保持し、酸化し、汚染物や不純物を減少し、再生操作中に除去されたイオンを溶液内に戻して配置する電子化学分離電極およびその製造方法に関する。【解決手段】  脱イオン装置に使用される電極が提供され、該電極は、（１）フェノール、フルフラールアルコール、ジヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから選択される少なくとも１つの重合性単量体、（２）架橋体、（３）触媒、あるいは炭素繊維補強材のない炭化形態であるそれらの反応生成物より形成される。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状導電性炭素材料を湿潤液、溶剤、および第１架橋体で湿潤して第１混合物を形成し、
第１混合物を第２架橋体と混合し、
第１混合物がブロックへと重合するまで、十分な時間と十分な温度で第１混合物を維持し、
ブロックが導電性基板へと炭化するように、十分な時間と十分な温度でブロックを焼成するステップ群を含む、電極を形成する方法。
【請求項２】
重合性単量体は、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１架橋体と第２架橋体はホルムアルデヒドである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１架橋体内で、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから選択される少なくとも１つの材料を溶解して部分的に反応した混合物を形成し、
部分的に反応した混合物を第２架橋体と混合して第２混合物を形成し、
第２混合物がブランクに重合するまで、十分な時間と十分な温度で第２混合物を維持し、
ブランクが導電性部材へと炭化するように、十分な温度と十分な時間でブランクを焼成し、
ブランクが冷却後、炭化ブランクを粒状導電性炭素材料へと破壊するようにブランクを処理することにより、粒状導電性炭素材料が形成される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１架橋体と第２架橋体はホルムアルデヒドであり、第１混合物と第２混合物は同一である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１混合物と第２混合物は、ホルムアルデヒドとレゾルシノールとの混合物を含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
粒状導電性炭素材料の少なくとも７５％は、約２０ミクロンと約１００ミクロンとの間の粒子サイズを持つ粒子を含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１架橋体内で少なくとも１つの重合性単量体を溶解して第１液体を形成し、
第１液体が部分的に反応した液体になるまで、十分な時間と十分な温度で第１液体を維持し、
部分的に反応した液体を第２架橋体と混合して、混合された第１液体を形成し、混合された第１液体が第１固体ブランクへと重合するまで、十分な時間と十分な温度で混合された第１液体を維持し、
第１固体ブランクが導電性部材へと炭化するように、十分な温度と十分な時間で第１固体ブランクを焼成し、
第１ブロックが冷却後、炭化ブランクを粒状炭素材料へと破壊するように、第１固体ブランクを処理し、
第１液体と湿潤溶剤の混合物である湿潤液で粒状炭素材料を湿潤し、
粒状炭素材料を十分に脱気するため時間と十分な温度で湿潤した粒状炭素材料を混合し、
第２架橋体に粒状炭素材料、溶剤および第１液体混合物を添加して第２混合物を形成し、
第２混合物が第２固体ブランクに重合するまで、十分な温度と十分な時間で第２混合物を維持し、
第２固体ブランクが導電性基板へと炭化するように、十分な時間と十分な温度で第２固体ブランクを焼成するステップ群を含む、電極を形成する方法。
【請求項９】
第１液体の温度は、重合中に約４８．９℃から約６２．８℃の間に維持される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第１固体ブランクは少なくとも９００℃の温度で焼成される請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの単量体はレゾルシノールであり、第１架橋体および第２架橋体の内の１つ以上はホルムアルデヒドを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
第１固体ブランクは、約２１．１℃から約５１．７℃の間で１８時間以上硬化される請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
第１固体ブランクを焼成するステップは、
第１耐火物と第２耐火物を含む炉を提供し、ここで第１耐火物は静止下方耐火物である第２耐火物に関して移動できる上方耐火物であり、上方耐火物は重量の保持として機能し、また第１固体ブランクを焼成するステップのため、上方耐火物と下方耐火物との間に設置される第１固体ブランクによる酸素大気環境を最小化する、ステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
第１固体ブランクを焼成するステップ中に、第１固体ブランクの材料が少なくとも約９７５℃の温度に均一に上昇するように、第１固体ブランクが加熱される請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
第１固体ブランクを焼成するステップは、第１固体ブランクの焼成中に第１固体ブランクを炭化する結果として形成される燃焼ガスの生成を通して、第１固体ブランクの焼成の最初の期間中に炉の空気を放出するステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
第１固体ブランクを処理するステップは、
第１固体ブランクの塊をクラッシャーに導入してより小さい片を形成し、
より小さい片をジェットミルに導入し、より小さい片を粒状炭素材料にまで破砕させるステップ群を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
粒状導電性炭素材料の少なくとも７５％は、約２０ミクロンから１００ミクロンの間の粒子サイズを持つ粒子を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
粒状導電性炭素材料を湿潤するステップは、溶剤を添加しながら部分的に反応した重合液に粒状導電性炭素材料を導入し、約１８時間と３６時間の間の脱気環境で湿潤した導電性炭素材料を維持して混合物を脱気するステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
粒状炭素材料を第２架橋体の追加量と混合して第２混合物を形成するステップは、第２混合物が第２固体ブランクへと重合されるため、粒状炭素材料を縣濁液内に保持するように第１混合物を撹拌するステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項２０】
第２ブランクを重合するステップの後であり、また第２ブランクを焼成する前に、さらに、第２ブランクを約２１．１℃から約６２．８℃の間の温度で少なくとも２４時間、最大で４８時間、気密密閉環境下に置いて第２ブランクを硬化させる、ステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項２１】
焼成ステップが完了した後で、導電性板を残滓装置内に置き、
導電性板をほぼ室温に冷却し、
導電性板を所定の寸法に機械加工することにより、導電性板を処理するステップ群を含む請求項８に記載の方法。
【請求項２２】
導電性基板を処理するステップは、導電性基板が全表面に亘り平坦で正確であるように、前記基板をトリミングし、スクウエアリングするステップを含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
導電性基板を処理するステップは、電気接続部を付加するステップを含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記基板に形成された窪みの場所に電気接続部を固定接続し、
電気接続部構成部品を窪みの中で密封するステップ群を含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
第１液体および湿潤液は同一であり、かつホルムアルデヒドとレゾルシノールの混合物で形成される請求項８に記載の方法。
【請求項２６】
第１固体ブランクと第２固体ブランクの焼成は、
第１耐火物と第２耐火物で形成される炉を提供し、ここで第１耐火物は炉辺耐火物であり、第２耐火物は移動可能な耐火物であり、
第１耐火物と第２耐火物との間に第１固体ブランクと第２固体ブランクとの内の一方を配置し、
それぞれのブランクが設定温度に上昇されるように、耐火物が熱のグラムあたりの設定度数を提供するように炉を動作するステップ群を含む請求項８に記載の方法。
【請求項２７】
第１湿潤液、溶剤、および第１架橋体で粒状導電性炭素材料を湿潤し、湿潤された粒状導電性炭素材料を第２架橋体量と混合して第１混合物を形成し、
第１混合物がブロックへと重合するまで、十分な時間と十分な温度で第１混合物を維持し、
ブロックが導電性基板へと炭化するように、十分な時間と十分な温度でブロックを焼成し、
ブロック長に沿った場所で電気接続部構成部品を固定接続し、
電気接続部構成部品を密封するステップ群を含む電極を形成する方法。
【請求項２８】
重合性単量体は、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから選択される請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
重合性単量体、架橋体、および触媒、並びに、またはそれらの反応生成物であって、重合性単量体および架橋体の混合物に添加される炭素繊維補強剤のない、共に炭化形態となった反応生成物とを含む脱イオン装置に使用する電極。
【請求項３０】
重合性単量体は、ジヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから選択される少なくとも１つの材料を含む請求項２９に記載の電極。
【請求項３１】
重合性単量体、架橋体、および触媒、あるいはそれらの反応生成物であって、実質的に電極と同じ化学成分を有する粒状導電性炭素材料で形成される均質補強材から形成され、共に炭化形状となった反応生成物を含む脱イオン装置に使用する電極。
【請求項３２】
湿潤液、溶剤、および第１架橋体で粒状導電性炭素材料を湿潤して第１混合物を形成し、
第１混合物を第２架橋体と混合し、
第１混合物がブロックへと重合するまで、十分な時間と十分な温度で第１混合物を維持し、
赤外線炉により放射される赤外線エネルギーをブロックに受けさせることにより、ブロックが導電性基板へと炭化するように、十分な時間と十分な温度でブロックを焼成するステップ群を含む電極を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、水、液体、他の水性処理流からイオンを除去し、保持し、酸化し、汚染物や不純物を減少し、再生操作中に除去されたイオンを溶液内に戻して配置する電子化学分離電極に関するものである。本発明は、さらに、このような電極を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排出水等からイオンや不純物を分離するための多数の異なるシステムがある。例えば、従来の方法は、イオン交換、逆浸透、電気透析、電着および濾過を含むが、それらに限定されない。多年に亘り、排出水等の脱イオンとそれに続く再生を実行するために多数の装置が提案されている。
【０００３】
排出水の脱イオンおよび浄化のための１つの提案された装置は、特許文献１に開示されている。この分離装置は、容量性脱イオン（ＣＤＩ）と称され、他の従来のイオン交換処理とは対照的である処理を使用し、この処理は、システムの再生ために酸、塩基、または食塩水であれ、化学製品を必要とせず、むしろ、このシステムは電気を使用する。種々の陰イオンと陽イオン、電気双極子、および／または縣濁粒子を含む、処理される電解液流は、脱イオン（浄化）サイクル中に大量の電気化学容量性脱イオンセルを通過される。セル内のそのような電極は、反対電荷の粒子またはイオンを引きつけ、それにより、溶液からそれらを除去する。
【０００４】
それで、このシステムは、流入水および排出水の脱イオンと浄化を実行するために構成される。システムの１つのタイプは、２つの異なるタイプの非犠牲電極で形成される複数の脱イオンセルを有するタンクを含む。電極の１つのタイプは、炭素を主原料とする不活性炭素マトリックス（ＩＣＭ）から形成される。この電極は電流が印加される時に水溶液からイオンを除去し、保持する。導電性材料から形成される他のタイプの電極は、電流が印加される時に、イオンを除去しないか、または、わずかなイオンを除去し、それ故、非吸収性（「非ＩＣＭ電極」）であるとして分類される。この特性は、炭素織布、黒鉛、チタン、白金、水溶液内で電界中に分解しない他の導電性材料から形成される電極では一般的である。非ＩＣＭ炭素電極は相互に電気的に絶縁される一対の導電性表面を持つ２重電極として形成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、一実施例では、この装置は、反対電荷対で共に脱イオンセルを形成する各々が平坦板の形状である多数の導電性、非犠牲電極を含む。動作中に、一対の隣接電極間で電位が確立される。これは、間で電位を生じるように、電源の一方のリード線を電極の一方に接続し、他方のリード線を一方の電極に隣接する電極に取り付けすることにより達成される。
【０００６】
安定して丈夫なＩＣＭ電極を構成するため、高度な表面積吸収材料を強化するための補強体が使用される。典型的には、補強体は、炭素フェルト、粒状炭素または炭素繊維のような炭素源の形であり、また、炭素／セルロースまたは炭素シリカ混合物の形にもなりうる。炭素源は電極の形成中に補強体として使用され、他方、炭素源は異なる形にできるが、炭素補強体が導電性であり、電極の導電を減少しないことが重要である。炭素源は電極が必要な導電特性を持つのを許容するために選択され、また、ＩＣＭ電極を形成する他の材料、すなわち、レゾルシノールホルムアルデヒド液中にもまた十分に分散されなければならならず、そしてレゾルシノールホルムアルデヒド液は固化し、あるいはマトリックス内の液体と同様の量を吸収しそして固化することができる。
【特許文献１】米国特許第６３０９５３２号
【０００７】
繊維補強体を含む先行技術の電極の非均質性は、電極の吸収性や電気特性に影響を及ぼす。さらに特別には、炭素補強体としての炭素繊維の使用は、イオンのためのわずかな付着部位を提供し、電極は、また、正イオンや負イオンの除去中にバランスを低下する傾向がある。それで、従来の繊維補強体を使用することなく、丈夫で増加された補強特性を有する均質な電極を生産することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの局面によると、本発明は、一般的に、処理水および排出水のような流入水や流出水を脱イオンおよび浄化するシステムや装置に向けられ、さらに特には、非犠牲電極および非犠牲電極の製造方法に向けられる。粒子補強体（好ましくは、電極自体として同一化学組成である粒子補強材料である）を採用する本発明の電極は、炭素繊維を主材料とする補強体を必要としない。
【０００９】
この脱イオン装置に使用される電極は、一般的に粒状導電性炭素材料を、溶剤や重合剤で形成される液体に最初に導入することにより生産される。補強材料は凝固され、炭化され、それから、好ましくは電極に機械加工される。
【００１０】
一実施例によると、この電極の製造工程は、（１）第１架橋体（架橋剤）内に溶解される少なくとも１つの重合性単量体を含む第１溶液を製造するステップと、（２）溶剤と第１液体混合物で粒状導電性炭素材料を湿潤するステップと、（３）第２架橋体を第１液体、溶剤、導電性炭素材料混合物に添加するステップと、（４）混合物が固体へと重合するまで、十分な時間と十分な温度にて混合物を維持するステップと、（５）固体が導電性基板へと炭化するように、十分な時間と十分な温度にて固体を炭化するステップとを含む。
【００１１】
粒状導電性材料は市販されているものを購入することができ、またはそれは（１）ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから選択された少なくとも１つの材料を、第２架橋体内で溶解して第２液体を形成し、（２）第２液体が固体（ブランク）へと重合するまで、十分な時間と十分な温度にて第２液体を維持し、（３）ブランクが導電性部材へと炭化するように、十分な温度と十分な時間でブランクを焼成し、（４）ブランクが冷却後、炭化されたブランクを粒状導電性炭素材料へと破壊するようにブランクを処理することにより形成できる。
【００１２】
この粒状導電性炭素材料補強電極を形成する１つの特定の例示工程は、（１）架橋体（例えば、ホルムアルデヒド（３７％ホルマリン溶液））により、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループの内の少なくとも１つの材料を溶解して液体を形成するステップ（事前反応）と、（２）液体が第１固体（ブロック）へと重合するまで、十分な時間と十分な温度にて生じた事前反応の液体を第２架橋体（３７％ホルマリン溶液）と混合するステップと、（３）第１ブロックが導電性部材へと炭化するように、十分な温度と十分な時間で第１ブロックを焼成するステップと、（４）第１ブロックの冷却後に、炭化された第１ブロックを均一な粒状導電性炭素材料へと破壊するように、第１ブロックを処理するステップと、（５）架橋体（例えば、ホルムアルデヒド（３７％ホルマリン溶液））により、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから少なくとも１つの材料を溶解して第２液体を形成するステップ（第２事前反応）と、（６）処理された粒状導電性炭素材料を溶液、第２液体により湿潤する工程（第２事前反応）と、（７）第２液体、溶液および処理された粒状導電性炭素材料混合物に最終架橋体（３７％ホルマリン溶液）を添加して、混合物が第２固体（ブロック）へと重合するまで、十分な時間と十分な温度で混合するステップと、（８）第２ブロックが均一で均質な炭素材料である導電性構造へと炭化するように、十分な時間と十分な温度で第２ブロックを焼成するステップとを含む。
【００１３】
本発明で実現されるように、一層均質な電極を有することは、多数の利点がある。例えば、均質な電極の生産は装置の動作、イオン除去、強度、多孔性、流動特性、ヘッド損失および電極の物理的完全さを最適にするために重要である。対照的に、本発明は、炭素補強体を含む先行技術の電極に比較して、一層のイオン性能を有する。従来の工程は充填材料として炭素繊維を使用していたが、ここで開示される新規な工程は充填材料を使用せず、それ故、生原料が少ない。さらに、先行技術の電極内の充填材料としての炭素繊維の使用は、分離工程中に機能的に活動する電極面積（表面積）の量を減少する。換言すれば、炭素繊維充填材料は、単に電極内で死空間として作用をする。加えて、繊維補強体を使用する１つの不利益は溶液からイオンを吸収する構造を含まず、したがって繊維補強体の追加は、イオンを除去する活性部位を減少するであろう。本発明の電極は、これらの不利益や欠点を克服する。
【００１４】
一層均質な電極を有することによって実現される多数の利点がある。特に、抵抗率と電極の至る所での電気分布は、電極（板）が均質である時、一層均一となる。加えて、この電極は先行技術の電極の多数の欠点を克服し、全てが同じ炭素材料から作られる厚い自己支持式電極を生産することを可能にすることで、問題を解決する。この電極は、また、陽イオンや陰イオンの両方にとって一層等しく、平衡した除去速度を生じる。さらに、本発明の方法による電極の製造は、水から帯電物質（イオン）を除去できる均一で連続的な材料を提供する。電極は不活性充填材または補強材を含まないので、電極内の全ての材料は、上記の特徴を有する。この工程は、また、製造工程が極端な発熱反応を生じる機会を減少する。重合反応は２つの部分、すなわち、事前反応と最終反応とに分かれるので、各ステップで発生される熱量は制限される。これは、また、反応を実施するためのリスクを減少し、これらの電極の製造に使用される設備の複雑性を減少する。
【００１５】
本発明の他の特徴および利点は、次の図面に関連して読むことにより、次の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の前述および他の特徴は、以下の本発明の実施形態についての詳細な説明と図によって、より急速に明らかになるであろう。
上記のように、本発明は電極と、この電極を採用する水脱イオン装置に向けられる。本発明の電極は、水脱イオンのための従来の電極と比較すると、優れた強度と、伝導性と、吸収特性とを有する。多分、重要なものとして、製造工程が簡単で、ある実施例では、有効な材料を容易に採用する。それで、本発明は、産業上、商業上および住宅除染用途のための費用対効果のある水脱イオン装置の開発を大いに促進する。
【００１７】
[非犠牲電極］
本発明は、一般的に帯電粒子、イオン、汚染物質、不純物を、水、流体、他の水溶液処理流または極性液体処理流から除去する電気化学分離電極１００（図１）と、その適当な応用に関するものである。例えば、一実施例によると、この電極１００は、特に、平行して直立する多数の電極１００を含む脱イオン装置での使用に適する。下記で説明するように、この装置は電極の単一型を含むことができ、または、この装置は、装置内で変更したパターンで配置される電極の１以上の型で形成できる。例えば、１つの脱イオンスキームでは、単一型電極が使用され、隣接する電極が反対帯電の粒子を反対に引きつけるために帯電されるように配置される。この装置は、発明の電極の１つの使用を単に例示し、この応用の他の型式と同様の他の脱イオンの応用を含む電極の多数の他の応用があることが理解され、評価されるであろう。
【００１８】
電極１００はフロースルー、フローバイまたはバッチシステム構成で使用でき、流体は反対に帯電されるイオン、粒子等を引きつけるための帯電表面積を利用できる。電極２０の周辺の回りに構造上の支持体を設けるために、フレーム３０を電極２０の周囲に配置することができる。
【００１９】
この装置は多数の異なる方式で構成でき、電極を装置内で任意数の異なるパターンで配置できる。例えば、これにより、全て参考により組込まれる米国特許第５９２５２３０号、第５９７７０１５号、６０４５６８５号、６０９０２５９号、第６０９６１７９号は、ここに含まれる電極の適切な配置と同様に装置１０のための適切な構造を開示する。上記のように、一実施例では、この装置は、各々が共に脱イオンセルを形成する平坦板状部材の形である多数の導電性の非犠牲電極を含む。動作中に、電位が隣接電極のセット間で確立される。これは、両方の電極間で電位を生じるように電源の一方のリード線を電極の一方のリード線に接続し、他方のリード線が一方の電極に隣接する電極に取付けられることにより達成される。これは、隣接する電極が反対に帯電する結果となる。しかしながら、上記の板の実施例は当然に単に例示であり、本発明は板形状以外の多数の設計を持つように製造できるので、本発明を制限するものではないことが分かる。
【００２０】
本発明の電極１００は、一般的に、粒状導電性炭素材料を重合体液（重合性単量体と架橋体で形成される）内に導入してブランクを鋳込み、ブランクを炭化し、それから、通常、電極を形成するために炭化されたブランクを機械加工することを含む一連のステップで形成される。以下で詳細に説明するように、粒状導電性炭素材料は、電極製造工程に対応する材料を使用する多数の工程段階に従って調製することができるか、または市販されているものを得ることができる。好ましくは、粒状導電性炭素材料は、重合体固体が形成される前に予め湿潤され、脱気される。
【００２１】
粒状導電性炭素材料が電極製造工程の一部分として準備される場合に、粒状補強材料がない重合ブランクが最初に作られ、それから、最終電極内に使用される粒状導電性炭素材料を形成するために炭化されて処理される。本発明の電極は、典型的には、炭素フェルト、紙または繊維または炭素／セルロース混合物のような炭素源の形である繊維補強材の使用を必要としないで形成される。
【００２２】
以下でより詳細に説明するように、電極ブランクおよび粒状材料を調製するためのブランクは、一般的に重合性単量体、架橋体、任意の触媒または活性化剤、および水、アルコール等のような不活性原料を含む多数の原料で形成される重合体液から形成される。
【００２３】
［重合体液］
したがって、重合体液は、溶液内に重合性単量体を懸濁するように、重合性単量体を溶解できる架橋体と同様に重合性単量体を含む混合物と称する。また、重合体液は水、アルコール等のような不活性原料を含むことができる。重合体液は、重合工程を誘発し、または促進する重合触媒または活性剤の添加に対応できる。
【００２４】
［重合性単量体］
重合性単量体は、（ｉ）重合体を形成するために他の単量体と架橋できるべきであり、該重合体もまた、（ｉｉ）導電性材料を形成するために炭化されうる。一実施例では、好ましい重合剤は、ポリヒドロキシアリール基、特に、ジヒドロキシルおよびトリヒドロキシルベンゼンならびにナフタレンの種類である。本発明で使用する特定のジヒドロキシベンゼンはレゾルシノールである。特別な実施例では、単量体は、フェノール、フルフラールアルコール、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシナフタレンおよび、それらの混合物から成るグループから選択される。
【００２５】
レゾルシノールは多くの異なる等級があり、ペレット、フレークおよび他の都合の良い形での多くの供給者から得ることができる。例えば、ヘキストセラニーズ社から市販されて入手できる有機化学製剤として適した形のレゾルシノールは、この電極を作るために使用できる。
【００２６】
上記のように、１つの好ましい材料は塩基で触媒されるレゾルシノールである。生じる重合体は炭化でき、高度な導電性材料とならなければならない。したがって、材料が形状を保持するならば、炭化工程の任意の間に、液相を形成することに対抗して炭化物を形成しなければならない。結果として、椰子殻のようなある種の天然材料で入手できるリング構造は、利用できる導電性炭素を形成できるセルロース構造での基本構造を有すると思われる。
【００２７】
［架橋体］
重合体液の溶剤は、典型的には重合体液を形成するために重合剤を溶解できるバイリアクティブ分子または架橋剤の形式である。１つの特に好ましい溶剤はホルマリンである。しかしながら、グルテルアルデヒドあるいはパラホルムアルデヒド、メタナミン、ヘキサメチレンテトラミンのようなホルムアルデヒドの固体源を含む他の架橋体が、使用できる。ホルムアルデヒドは様々な供給者から入手でき、また、異なる等級と形状として提供される。例えば、一実施例によると、ホルムアルデヒドはホルマリンの形にでき、これは、染料、樹脂および生体保存に適し、ジョージア  パシフィック  レジン  スペクトリュウム  ケミカル社から入手できる。
【００２８】
［触媒］
触媒は重合速度を調整する。触媒のタイプを変えることにより、最終製品の多孔率と強度を変化できる。架橋を開始または促進することに役立つ限り、任意数の触媒を使用できる。例えば、レゾルシノールホルムアルデヒドタイプ重合体では、アルカリ性触媒または塩基触媒を使用でき、特に、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムまたは他の塩基触媒は、本発明の使用に適する。メチロール化合物が使用される時、塩基触媒は、そのような反応を開始できる。また、混合物内に最少しか汚染物質を入れないことになる触媒を使用することが望ましい。
【００２９】
［事前に準備される液体］
ブランクおよび電極の好ましい出発原料は、混合レゾルシノール／ホルムアルデヒド液を含むが、これらの反応物を混合するための別の選択肢がある。レゾルシノールとホルムアルデヒドの市販にて入手できる製品や反応混合物は、レゾールやノボラックの一般的カタログにより入手できる。これらの製品の各々は、固形物になるであろうモル比で反応しないレゾルシノール、ホルムアルデヒドおよび触媒の混合物である。これらの選択肢によって、触媒、ホルムアルデヒド、レゾルシノールの所要のモル比や粘性率に適合した特注生産の混合物が提供されることが可能になる。
【００３０】
［粒状導電性炭素材料］
以下で詳細に説明し、ここで使用するように、用語「粒状導電性炭素材料」は、基礎炭化ブランク材料になることができ、または、別の炭素を主原料とする粒子導電性材料となることができる粒子材料と称する。好ましい粒状導電性炭素材料は、電界内で損なわれず、水に溶解しないとされる材料である。少なくとも、いくつかの応用では、粒状導電性炭素は、また、カーボンナノチューブの形状が可能である。
【００３１】
一実施例では、粒状導電性炭素材料は、炭化ブランクを最初に生成することで形成され、それから、炭化ブランクを処理し、より小さい粒子に破壊することにより形成されるが、他の実施例では、粒状導電性炭素材料は、市販にて購入でき、使用できることが分かるであろう。粒状導電性炭素材料は構造強度と補強を増加し、それ故、材料を強化し、導電性を維持してイオン除去を行うことができる任意の材料は、本発明の電極を製造する場合の使用に適するものである。結果として、ある種の活性炭素や平坦なガラス状炭素構造は、ある種の応用において満足な結果を生じることができる。
【００３２】
［電極の成形工程］
電極を製造する目標は、電流が印加される時に液体からイオンを除去するために構成される脱イオン装置内で、吸収電極として機能する平坦で、導電性で、均質な多孔炭素構造体を生産することである。
【００３３】
電極を成形する製造工程は、一般的に液体（ブランク材料）を重合し、重合されたブランク材料を粒状導電性炭素材料へと炭化し、添加される粒状導電性炭素材料と共に第２液を重合し、電極を形成するために第２補強材料を焼成または炭化するステップ群を含む。それから、それは要すれば機械加工ができる。
【００３４】
［ブランクの重合］
一例の製造工程によると、重合性単量体および架橋体は、プレ・ブランク部分反応を形成して使用され、混合される重合体液を形成するために、適切な量で測定される。最初の重合反応が終了した後で、プレ・ブランク重合体は、所要の物理的特性を持つブランクを形成するために追加の架橋体と混合される。全ての混合物は均一になるまで撹拌される。反応を加速するために重合開始剤（触媒）を追加できるけれども、開始剤を使用しなくても重合工程を促進でき、この場合、通過時間の結果として重合が起こる。重合体液は、好ましくは制御された温度に保持されるモールド（例えば、トップ開放成形モールド）内に分配される。モールド温度は、所要の温度にモールドを維持できる加熱要素の使用または浴等に使用を含む任意数の従来技術を使用して所要の温度に保持できる。成形される固体を十分な時間、設置した後、硬化された固体はモールドから除去され、炭化される。
【００３５】
それで、ブランク補強材を形成する工程は、架橋体と重合性単量体の約０．４から０．６：１．０のモル比で重合体液を形成することで始まる。例えば、レゾルシノール固体の７５００ｇバッチが、ホルマリン溶液（１１％のメタノールを持つ３７％ホルムアルデヒド）の２７６５ｇに添加される。最初の反応が終了して冷却された後、最終架橋体体積は、架橋体と重合性単量体の約１．２から１．８：１のモル比を生じる混合物に添加される。例えば、ホルマリン溶液（１１％のメタノールを持つ３７％ホルムアルデヒド）の追加の４９７５ｇは、この特定例での混合物に添加される。
【００３６】
上記に列挙した量は、当然、単なる例であり、これらの量はブランクを成形するために使用される初期混合物を異なる全体量とするために、上方または下方へ線形に増減できることは理解されるであろう。
【００３７】
重合性単量体が架橋体内で溶解する率は、２つの材料間のモル比を含むファクター数に依存する。その組み合わせを混合または撹拌すると工程を助成することができ、逆に温度を上げると工程を加速できる。一般に知られているように、一方の材料を他方の材料内に溶解する時に、時間は温度と交換することができ、それ故、重合性単量体を架橋体内で溶解するために使用されうる温度と時間の多数の異なる範囲がある。
【００３８】
それから、重合工程を促進できる適切な条件に重合体液を置くことにより、重合体液は重合できる。また、重合体の重合を容易にするために触媒を使用できる。重合時間、触媒、温度は制御され、好ましくは、温度は約２１．１℃（７０°Ｆ）と約５１．７℃（１２５°Ｆ）との間に保持される。前記のことを考慮すると、ブランクを作る最適方法は、固体の均一な構造を生産するための重合中の温度を制御することである。
【００３９】
［モールド］
ブランクを成形するために使用されるモールドは、多数の異なる形状を有することができ、多数の異なる材料で形成できる。例えば、成形モールドは、正方形の形状である３０４ステンレスのようなステンレス鋼形成パンとなりうる。しかしながら、モールドは、特に、重合体液と任意の結合特性を持たないアルミニウムやプラスチックのような他の材料で形成できることが理解されよう。モールドを作るために適するプラスチックの１つのタイプはポリエチレンであるが、他のプラスチックはモールドを形成するために使用できる。
【００４０】
モールドは、好ましくは、重合体液を受けるために調製される。より特別には、モールドが加工品に接着する組織を持つのであれば、モールド中に連続して成形される固体の除去を容易にするために、モールド剥離剤が使用される。一例のモールド剥離剤は、重合体液が加えられる前にモールド表面上に広げられるカルナウバろうである。モールドに使用することができる他のモールド剥離剤が存在することが理解されるであろう。モールド剥離剤が使用されなければ、ライナーを金属モールド内に直接に組込むことができる。例えば、ポリエチレンライナーは、スティールモールド内に直接に組込むことができ、これは、適用される剥離剤の使用の必要性を排除する。しかしながら、モールドライナーは、また、重合体と結合しないクラフト紙または他の材料のような他の材料で製造できることが理解されよう。
【００４１】
モールドは、重合体液が注がれることができる任意の形状または幾何学形状できるが、射出モールドにもできる。知られているように、射出モールドは閉鎖体を形成するために対となる２つの補足部分を含む。補足部分の一方または両方は、重合体液が導入される入口を備え、射出モールドは、さらに、通気部を備える。射出は、使用される射出モールド技術のタイプ、射出物の粘度および他のファクターに依存して幅広い圧力範囲で行うことができる。変更実施例では、モールドは蓋を備えた容器である。しかしながら、モールドは、その温度に関して調整される空洞を選択的に密封できることが認められる。例えばモールドは、モールド自体の温度を制御するために役立つ温度制御浴内に漬けることができる。しかしながら、モールドは、モールド温度を制御するために役立つフロースルー温度調整器の固体状態を持つことができる。
【００４２】
［ブランクの硬化］
一実施例では、重合体液混合物を含むモールドは、約２４から７２時間の期間、約２１．１℃（７０°Ｆ）から約６２．８℃（１４５°Ｆ）の間の対流式熱に導かれる。他の熱源を使用できる。硬化段階中にモールド内で硬化されたブロックは、硬く、いくつかの無反応なホルムアルデヒドでダンプし、電気的に非導電性である。このモールド内加熱の１つの目的は、硬化と収縮を促進することであり、これによりブロックはモールドから除去できる。
【００４３】
重合液は、この時には、アンバーであり、典型的にはキセロゲルと称されるガラス状のような重合固体である。重合体液が固化し、固体に変化した後、モールドから除去または解放される。
【００４４】
［ブランクの炭化］
非導電性ブランク補強なし重合体は硬化され、モールドから除去された後、ブランクは焼成して粒状導電性炭素材料へと炭化するように炉内に設置される。好ましくは、炭化工程は炉内で引き受けられ、制限されるものではないが電気、天然ガス、紫外線または赤外線エネルギー等によって加熱されるのを含む、任意数の手段により加熱される。
【００４５】
図２により一般的に図示される一実施例では、加熱装置は概して２００で示される赤外線ヒーターである。この出願人は、赤外線ヒーターの使用が準備工程において大幅に時間を節約するなどの、多数の望ましい利点を生じることを発見した。さらに特別に、炭化工程は一般的に従来の炉内では１時間から４時間ほどかかるが、本発明の炭化工程は約１０分から約３０分の間に縮められた。これは、大幅な時間の節約のみならず、また、生産時間が大きく減少されるので費用の節約となる。加えて、赤外線炉の使用は、温度に対する瞬間的なリアルタイム制御を持つ性能を含めて、多数の他の利点／長所を提供する。さらに特別に、温度変更が必要となり、炉が温度を変化させる指令を受けた際には、従来の炉には緩慢な応答時間があり、典型的には、そのような新たな温度が実現される前に大きな遅延時間がある。これとは逆に、粒状補強材料と同様に、この電極を炭化するための、この赤外線炉の使用は、炉内の温度の瞬間的なリアルタイム制御を許容し、温度を急速に変化させることができ、必要であれば、特定の温度に保持されるので、材料の特性が制御できる。リアルタイムで炉の温度加熱特性を正確に制御できることにより、電気性能特性、例えば、電極の導電性等は変更でき、また特定の応用に調製することができる。
【００４６】
より好ましくは、炉の構成は、炭化の目的のため炉内に設置されるブランクに熱を導入する改良された仕方に至ることができる。一実施例では、炉は２つの加熱要素２１０、２２０を含み、それらは、炉２００が赤外線炉である時、２つの赤外線ヒーターパネルの形にできる。他の実施例では、炉は第１耐火物と第２耐火物とを含み、一実施例によると、第１耐火物は炉辺耐火物であり、第２耐火物は可動耐火物である。可動耐火物は炉内に配置され、２つの耐火物の内の上方耐火物を表す。しかしながら、下方耐火物は上方耐火物に対抗して可動耐火物となるように構成できる。耐火物は、２重の目的を有し、ブランクでの炭化工程に使用される時は、耐火物の目的は、ブランク材料が設定温度に完全に上昇されるように熱のグラム当たりの正確な度数を得るためである。例えば、ブランク材料は約７００℃から１０００℃の間の温度で加熱される。
【００４７】
観察すべき他のパラメータは炉の気圧である。この工程では、炉の気圧は不活性ガスで制御されなくて、むしろ、気圧は炉の設計により制御される。さらに、特に、炉の設計は、上下の耐火物の存在と構造のため、ブランクの表面の主要部分と酸素が接触することを防止するようにされている。しかしながら、炉の大気は不活性ガスと炉の設計の両方を使用して制御できる。換言すれば、窒素のような不活性ガスは、この特徴を達成するための排気ガスを使用するのと対抗して炉の気圧を制御するために使用できる。
【００４８】
一実施例によると、耐火物は酸素が侵入するのを防ぐため、材料は酸素不足環境下にある。炉は、炭化の最初の数分で生成される燃焼ガスを通して気圧が抜かれる。これらの最初の数分後に、炉内には空気がなく、それ故、材料は酸素減少環境下にある。
【００４９】
ブランク材料を焼成する目的は、材料をフェノール性の重合体または樹脂から炭素材料に転換することである、と認められる。換言すれば、この焼成工程は炭化工程である。炉のための適切な温度範囲は約７００℃から１０００℃の間である。適切でない温度は、ブランク材料の物理的特性が、電気導電性、体積導電性、強度を含むが、それらに限定されない、いくつかの観点に関して望ましくない温度である。炭化材料のバルク抵抗率は、温度が７００℃より下の時に高く、炉の温度が高すぎると、材料は黒鉛化になり過ぎるであろう。
【００５０】
ブランク材料を上記の温度に当てると、さらに、乾燥を生じて原料内にある多くの不純物は燃焼する。それから、ブランクは炭化工程を完了するために所定期間、加熱され、加熱時間と加熱温度は共に未加熱材料の重量に依存して決定される。加熱プロトコルは材料の厚さにより大きく影響される。
【００５１】
熱電対が材料の頂部に使用でき、また炉温度に保温された材料温度と共に、材料温度と炉温度を比較するのに使用される。バルク抵抗率は、有用な炭素結晶形に転換されたかを見るための主要なチェックの１つである。ブランク材料の炭化はプラスチック材料を採用し、それを炭素に転換することを含む。
【００５２】
ブランク材料は完全に焼成され、炭化された後、炉は開放されて炭化ブランク材料は材料の温度によりオレンジ色の輝きを持つ。ブランク材料は炭化工程の結果として破砕されて小片になる。ブランクは、材料の損失を防ぐためにステンレス鋼パンのような容器内で焼成できる。ステンレス鋼パンは、破壊および破砕された材料を保持し、炉からの回収を完全に行える。ステンレス鋼は、いくつかの応用に適し、ステンレス鋼は、容器の選択された材料である必要がないが、選択された材料は高温度に耐えられなくてはならず、ブランク導電性炭素材料に汚染物質を加えてはならない。
【００５３】
容器を確実に把持し、それから、高熱炉から取り外すことができるトング、プッシャーまたは、いくつかの形式の工具により、容器は機械的に取り外される。パンが炉から取り外され、ブランク材料が酸素に露呈されるため、ブランク材料から生じる炎にかすかな兆候がある。容器が炉から取り出された後に材料が燃焼するのを防止するために、耐火物スナッフィングブロックを設けることができ、酸素がブランクに入るのを防止するために容器上に設置できる。材料が迅速に冷却されうる環境を作り出すこともできる。ブランクの温度が２００℃のような設定温度に達するや否や、炭化ブランクは、スナッフィングブロックにより作り出される酸素減少環境から取り出すことができる。
【００５４】
［粒状導電性材料の形成］
ブランクが室温にまで冷却されると直ちに、ブランクは、さらに、加工される。特には、室温のブランクは、ブランクを、より小さい片に破壊するために構成される工程へ導かれる。一実施例では、ブランクは、ブランクを周知なサイズで分布する粒子に破壊するために構成される粉砕ハンマーミル工程を通過する。材料をより小さい片に破壊するために、任意数の異なる方法を使用できる。ブランクを破壊する１つの好ましい方法は、炭化ブランク材料を、ジェットミルに通すことである。ジェットミルは１／８インチ直径より大きい供給粒子を扱うことができないという事実のために、ジェットミルは事前の粉砕段階を必要とする。この事前段階は、ジェットミルのための適切に寸法決めされる供給材料を提供する任意の手段で可能である。この材料は非常に硬く磨耗作用があるため、ハンマーミルまたは類似の設備を使用する時には、炭化タングステンまたは同等に硬い材料が破砕材料として考慮されるべきである。
【００５５】
したがって、粒状導電性材料を形成するために任意数の従来のミル工程や技術を使用できることが認められる。ここで開示された構成は例示であって、この発明では上記実施例に限定されるものではない。
【００５６】
一実施例によると、第１ステップは、クラッシャーが大きい塊を粉砕するために使用することであり、ジェットミル装置を使用する続くステップの前に、所定の小さい寸法、例えば、ブランクの大きな塊を約１／８インチの寸法に減らす。それ故、この第１装置は、ジェットミルステップの前に使用される予備工具または予備装置（塊破壊機またはクラッシャー）である。それから、１／８インチ材料は塊破壊機またはクラッシャーから取り出され、ジェットミルに入れられる。
【００５７】
ハンマーミル装置は、要求される粒子分布サイズを生産するために、正確なハンマーと、隙間および回転速度ＲＰＭ（全ては変更できる）を備えて構成される。制御されうるなお別の機能は、ハンマーミル内への破壊ブランクの供給速度である。ブランク材料をより小さいサイズに研削し、減少するために、公知の他の装置を使用できる。ハンマーミルの使用は、この工程に限定されず、代わりに、ピンミル、ボールミル、ローラミル等を使用できる。
【００５８】
破壊されたブランク材料がミルを通過した後、生じたブランク材料の粒子のサイズは、実質的に約２０ミクロンから約１００ミクロンの範囲内であり、この範囲を越える粒子の数％であるサイズを有する。しかしながら、この範囲は単に１つの例示範囲であり、生じる破砕粒子の適用および所要のサイズに依存して、所定の要求されるサイズの粒子を生産するように設備（例えば、クラッシャーおよびハンマーミル）は選択でき、配置できる。
【００５９】
硬化を含むブランクを形成し、ブランクの炭化を形成する目的は、導電性炭素材料を形成することであり、それから、導電性炭化材料を研削することは、大きい炭素化材料を、より小さいミクロンサイズの導電性材料に転換することである。この材料は、粒状炭素材料とも称することができ、粒状の砂状材料（小さい粒子）および黒色であることにより、その外観のために「ブラックサンド」と称することもできる。この粒状炭素材料は、電極を補強するために使用される出発原料を表すが、従来の炭素繊維充填材と異なり、改良された電気性能特性を有する電極を生じる。
【００６０】
［粒状導電性材料を電極に成形する工程］
粒状炭素材料は、特に上記の重合体ブランクから作られた場合では、一般的に、非常に多孔質で非常に乾燥した材料である。したがって、重合体液を添加する前に、粒状材料は、最初に湿潤脱気粒状炭素材料を生産するように湿潤液で湿潤される。適切な湿潤液は、ホルムアルデヒド溶剤、水、低分子量アルコール、重合体工程を阻止したり、変化しないであろう任意の液体を含む。適切なアルコールは、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、Ｉ−プロパノール、ｎ−ブタノール、Ｉ−ブタノールおよび、それらの混合物を含む。アルコールまたはアルコール混合物は水も含むことができる。アルコールは、不活性で、揮発性であり、粒状材料内の気孔の通過を容易にする低い表面張力を有するので、望ましい湿潤剤である。
【００６１】
［湿潤粒状導電性材料の脱気］
最初に粒状炭素材料を湿潤する１つの理由は、材料を飽和し、多孔性材料内に補足される全ての空気を追い出すことである。それ故、この工程は脱気工程と呼ぶことができる。粒状炭素材料は大きい表面積を有するので、湿潤液による材料の湿潤により、湿潤液は、重合体が凝固する前に粒状炭素材料の内側の全ての気孔内に入る。このことは望ましく、重要であり、電極に必要である物理的特性および電気的特性を達成するため、結合がこれらの補強粒子（粒状炭素粒子）に生じる。
【００６２】
それで、脱気および湿潤液による粒状炭素材料の湿潤は、最後に有用で丈夫な電極を生じることを確実にするための重要なステップである。この工程中に、粒状導電性炭素材料は重合体液にゆっくりと導入され、１００°Ｆ未満の温度で混合することにより、粒状導電性材料の体積の約２０％から３０％である湿潤液で、架橋体と重合体単量体との約０．４−０．６：１．０のモル比の液体混合物を湿潤する。この時間中に、見える空気泡が混合物から出る。好ましくは、この手順は、密封タンク環境下で行われ、ここで該密封タンク環境は、真空に連結されている、または真空に連結できるものであり、また混合物が撹拌されることを確実にするため、一種の攪拌機構を該タンク内に含んでいる。そのような容器は、脱気真空タンクまたは脱気撹拌タンクと称することができる。
【００６３】
一実施例では、タンクは、３０４ステンレス鋼材料から構成され、継続的に制御可能に湿潤材料を撹拌するために内側に適切に設計された撹拌車を有する。材料の脱気を達成するためにタンクが真空と作動的に連結される時、タンクは、最初に乾燥粒状炭素材料で満たされ、真空が生成される。真空強度は異なるパラメータと与えられる適用に依存するが、適切な真空強度は約２気圧から４気圧の間の度数である。しかしながら、これらは、単に例示的な強度であり、そのような真空の実際強度は、本発明の実施にとって重要ではない。真空が形成される後で、湿潤液のある液状重合体は真空下で導入され、液体がタンク内側の気体と置換するにつれて、タンク内から気体は抜かれる。このようにして、気体はタンクから置換されるにつれて抜けて、また真空の減少された粒状炭素素材内の空間を液体が満たすことができる。タンク内側の粒状材料が液体で覆われるまで、真空は減少せず、または、開放されない。
【００６４】
前記の任意の重合体液は脱気工程で利用できることが認められる。
【００６５】
材料の脱気は、脱気工程が他の物理特性と同様に電極の密度に影響を及ぼし、より良い電極を形成することとなる。
【００６６】
湿潤粒状炭素材料が脱気された後で、電極を形成する工程の次のステップは、架橋体の最終量を加えて、適切な設定温度で材料を重合化することである。
【００６７】
［湿潤粒状炭素材料の重合］
電極の製造の何らかの不揃いは、材料を有用に使用することに失敗して生じる。この出願人は、重合化ステップでの温度制御が粒状炭素材料の実際の形成に比較すると、粒状炭素材料から電極の生産中に一層、重要であることを観察した。重合には少なくともいくつかの重要な問題がある。１つの問題は、重合工程中に撹拌されなければ粒状炭素材料は沈降することであり、結果として、粒状炭素材料の撹拌は材料を縣濁液中に保持するために必要である。撹拌は前記のように任意数の異なるタイプの装置を使用して達成できる。押出しチップに類似する静的インラインミキサが使用でき、これは、粒子がモールド内に押出されると、直ちに、沈降しないように、混合物が十分に厚い時点に重合を制御することを含むであろう。加えて、材料は、沸騰または塊を生じない温度と速度で重合され、材料が沈降することなくモールド内に分配できるまで、材料の撹拌が続かなければなららない。
【００６８】
重合性単量体、架橋体等から重合体液を形成する別の選択肢は、いくらかの準備時間を減らす市販にて入手できる混合物を使用することである。しかしながら、たとえ、市販にて入手できる混合物を使用しても、いかなるホルマリンおよびレゾルシノールの源でも、脱気粒状炭素材料と適切なモル比で混合することが重要である。重合体液と粒状炭素材料は、その表面が大量熱交換器に露呈されながら、選択されかつ制御された、好ましくは約５１．７℃（１２５°Ｆ）以下の温度にて混合される。必要とされる撹拌量は、基本触媒のような触媒が使用されているかどうかを含むいくつかの要素に依存する。前記のように、ある種の適切な触媒は、炭酸ナトリウム１Ｍ、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウム、重炭酸塩カルシウム等を含むが、これらに限定されない。混合作業の目標は、材料が硬化状態になるまで密になるようにできるだけ均一にされた材料や、また垂直方向にも水平方向にも、粒状炭素材料が好ましくは実質的に等しく分配された材料を作ることである。
【００６９】
また、重合工程は、加圧下で実施されることが理解されるであろう。なぜならばこれにより、いくつかの工程関係パラメータが制御されるのを可能にする。例えば、モールドが圧力容器内に設置され、それから、モールド内に含まれる材料を重合するために反応されるならば、圧力は増加でき、生産物の重合に必要な時間を短くでき、重合温度を制御できる。これは、また、重合液が、粒状導電性炭素材料を形成するために使用されるブランクを形成するために重合される時に当てはまる。
【００７０】
混合物の撹拌が停止され、混合物は適当な硬さを得た後、材料はモールド内に設置される。一実施例では、重合体液混合物を含むモールドは、約２４時間から７２時間の時間の間、約２１．１℃（７０°Ｆ）から約６２．８℃（１４５°Ｆ）の間の対流加熱器に導かれる。所要の温度を維持するために他の加熱源を使用できる。この硬化段階中にインモールド硬化ブロックは硬く、多少の無反応なホルムアルデヒドで給湿し、非導電性である。このインモールド加熱の１つの目的は、重合を完了し、ブロックがモールドから除去できるように硬化と収縮を許容することである。
【００７１】
［電極材料の炭化］
電極は十分な期間、硬化した後、それから、電極は気密硬化環境から移され、炭化を受ける焼成環境下に設置される。この環境は、典型的には炉（かま）等の形式であり、好ましくは、炉はブランク材料の重合に関連する前記と同じ仕方で構成される。換言すれば、炉は構成されまた固定耐火物および可動耐火物を含んでいる。電極自体、モールドパンなしで、炉内に挿入され、移動可能な耐火物は電極を覆う場所に低下され、それから、炉のドアは閉じられる。
【００７２】
焼成工程中に、電極は縁から縁まで約９００℃から９７５℃の間の温度に達することが重要である。換言すれば、電極材料が均一な仕方で電極を通して完全に前記温度に加熱されるように、重合体電極は加熱される。
【００７３】
電極が設定期間中に、この温度で保持される後、それから、電極は炉から除去され、酸素環境と接触すると、発火し始める可能性が高い。電極はスナッフボックス（嗅ぎたばこ入れ）のようなボックスに配置され、もう一度、電極が約２００℃に冷却するまで減少酸素環境が維持される。電極が、この冷却温度に達するや否や、電極はスナッフボックスから除去され、室温に冷却できる。
【００７４】
電極を製造するために使用される粒状材料の粒子サイズ
粒子サイズおよび粒子サイズの分布に関して、これらのパラメータの可変性は、電極の少なくとも４つの特性に影響を及ぼすために使用できる。さらに特別には、４つの特性は、（１）抵抗率、（２）材料が接触され、摩擦され、研削され、または別の方法にて処理されるのにつれてバラバラになるかどうかの基準である脆弱性、（３）材料の物理的強度―材料を鋸引きし、砂磨きし、運送し、溝切りし、ハンダ付け等をするための十分な物理的強度を有する材料の必要性および（４）水を十分に吸収する電極の性能である。電極が大きい粒子（２００ミクロン以上）で形成される時、生じる電極は非常に良好な流動特性を持つが、非常に貧弱な物理的強度と貧弱な脆弱性および抵抗率を持つことが観察された。逆に、グラウンド炭素材料がダストの形であり、１／１０ミクロンより下であるサイズを有する時、電極の強度は上昇する。小さい粒子の濃度を増加すると、電極は硬度が増加し、フロースルーの多孔率（空隙率）は低下する。したがって、粒子サイズと粒子分布を制御することにより、選択範囲で電極の物理的特性、水力特性および可能な電気特性を制御できる。一実施例では、粒子の少なくとも７５％は、粒状材料は約２０ミクロンと１００ミクロンの間の粒子サイズを有する粒子で形成される。
【００７５】
［電極の機械加工／仕上げ］
電極が室温度に冷却すると直ちに、電極は完全強度を有し、この時点で電極は炉から取り扱うことができ、別の工程または、鋸引き区域、砂磨き区域、トリミング区域の形にできる電極仕上げ区域に送出できる。
【００７６】
換言すれば、電極が室温に冷却され、完全強度になる後、電極は仕上げ電極を生産するために機械加工または他の方法で仕上げられる。１つの例示の第１仕上げステップは、電極の縁をトリミングすることである。電極に実行されなければならない２つの作業がある。第１は、電極はトリミングされ、正方形にされ、それから、設定された所要厚さに砂で磨かなければならないことである。それで、電極は平坦で、全表面に亘り完全に正確であり、それで、この作業は電極をスクエアリングすると称することができる。１つの例示の電極は、約３／１６インチから約３／８インチの厚さを有する２４インチ平方の形である。第２ステップは、電極を電源に導かれるように電気接続を電極に取付けることである。材料の選択は、電気接続が水／電界型環境に浸水するかもしれないことを考慮すると重要である。
【００７７】
電極板の正確な特性にもかかわらず、電極板が脱イオン装置内に使用される時、電極板に電圧を印加しなければならない。これは、銅または他の導電体のようなロッドまたはワイヤーで行うことができる。しかしながら、ロッドまたはワイヤーが脱イオンされる液体に露呈されるならば、ロッドまたはワイヤーは損傷される（損なわれることにより）であろう。それ故、ロッドまたはワイヤーと電極板との間の乾式接続が確立されるのが好ましい。
【００７８】
図３、図４は、電極（電極板）１００と、導電体１１０、好ましくは、８−１８ＡＷＧ、または、他の厚さを使用できる絶縁銅線との間で、そのような乾式接続がどのようにして行うことができるかを図示する。導電体１１０と電極板１００との間の連結は、電極板の一方の縁を越えて電極板内に通路または溝１２０をドリルで穴あけすることで形成される。ストリップされた導電体１１０は、ワイヤーの自由端部が電源への電気接続ために電極板１００から離れて外方へ延びるため、溝１２０に置かれる。ストリップされた導電体１１０は、それから、ハンダ材料１３０の使用を含む任意数の従来の手段により、電極板１００に確実に取付けられ、または、接続される。水が電気接続に到達し、または、電気接続を遮断するのを防止するために、電気接続を有効に包むために、保護被覆１４０が電極板１００に亘り配置される。例えば、電極板１００は、オハイオ州、シンシナティー市在、ファイバー  ガラス  エバコート社製の２−パートエポキシ樹脂Ｎｏ．２のような船舶等級非導電性エポキシにより飽和される。非導電性エポキシ１４０は、銅線１１０の周囲の領域を密封し、他方、露呈されたワイヤー１１０と電極板１００との間の予め存在する電気接続を乱さない。保護被覆は上記の材料に限定されず、むしろ、材料が炭素電極板１００内に浸透でき、電極板１００の動作中に犠牲とならない限り、任意数の異なる材料を用いうる。加えて、一度、保護被覆が炭素に付加されると、保護被覆は電極板１００に至り、電極板１００の形状の変化を生じるので、保護被覆の形状を変化できず、それにより、電極板１００の完全さを減じさせる。
【００７９】
図５、図６で示される他の実施例では、電極板１００への電気接続は、電極板の一方の縁に沿って電極板１００内に直接、穴１５０をドリルで開けることにより形成され、好ましくは、電極板１００のコーナーの一方を閉じる。図示の実施例では、穴１５０が電極板１００の上縁にドリルで開けられ、それから、必然的に穴１５０を充填するように穴１５０内にハンダ材料１５２が配置される。それから、導電体１６０が充填穴１５０内に挿入され、導電体１６０と電極板１００との間に配置されるハンダ材料により、充填穴内で摩擦的に、または、機械的に保持される。ハンダ材料と電極板１００の炭素との間に接着剤はなくて、むしろ、それらの間で機械的な適合だけがある。導電体１６０は充填穴１５０内に摩擦的に適合されるねじ付きボルト等のような形であり、導電体は充填穴内に固定して保持され、導電体１６０の一方端部（自由端部）１７０は電極板１００の縁から外方へ突出して延びる。導電体１６０のこの端部は、導電体１６０の自由端部に取付けられる電気ケーブル等により、電源との接続のために自由である。あるいは、導電体１６０の自由端部は、ねじ付きの接続部またはボルト部材といった、相補的なねじ付き導電体とねじ切り的に一致するように、ねじ付きにでき、それによりこの第２導電体が導電体１６０とねじ切り的に一致することが可能になり、電源への電気接続を構築することとなる。
【００８０】
ここで、密封電気接続は、また、最初に非導電性エポキシで板を飽和し、穴をドリルであけ、ストリップした銅線を挿入し、それから、シールを形成するために追加のエポキシを付加して成される。別の変形は、板の縁内での単なる穴よりむしろ、通路を形成し、それから、エポキシで密封する前に電気接続部のワイヤーストリップを挿入することを含む。基本的な原理は、板の領域に電気接続を形成し、それから、好ましくは、板（電極）の電気特性に影響を及ぼさない材料で接続部の周囲を密封することである。
【００８１】
しかしながら、エポキシ被覆または保護被覆が電極内に浸透でき、接続部を包囲でき、作業中に損なうこととなるであろうハンダワイヤーや銅線と作業中に水が接触するのを防止できる限り、導電性ワイヤーの上で保護被覆として異なるタイプのプラスチックまたはエポキシを使用できる。換言すれば、物質は電極内で芯となり、電気特性に影響を及ぼさず、ハンダ接続部を絶縁することなく、外側で電極を包まなければならない。この方法の利点は、電気接続部を保存し、容易な電気接続とすることである。
【００８２】
他の実施例では、電極に対する電気接続は、一般的に図７、図８で図示される火炎噴射接触析出技術を使用して形成される。この実施例では、通路または溝１８０が電極板１００の一方の縁に沿って形成され（例えば、機械加工による）、それから、導電性材料１９０が、電極板１００との導電性通路および電気接触を形成し、定義するように電極板１００の一方の縁に沿って火炎噴射される。導電性材料を火炎噴射により、接触が電極１００に沿って容易に形成でき、任意数の形状を有するために形成される。例えば、導電性材料を受ける通路１８０は、当然、単なる直線である必要はなくて、むしろ、装着や応用を考慮することを含む、多数の理由のために、通路内に形成される１つ以上の湾曲や曲線を含むことができる。
【００８３】
導電性通路を形成するために、導電性材料１９０を通路１８０内に配置後、この構造物は上記の技術を使用して密封される。例えば、導電性材料１９０は、導電性材料１９０と電極板１００の炭素との間に形成される電気接続の完全さを保護するような上記の熱可塑性材料の内の１つのようなシーリング材料１９２で被覆できる。
【００８４】
この出願人は、粒状炭素材料の使用により（この材料をスクラッチから生成するか、事前に準備された材料で開始するかによる）、生じる電極１００は導電性を増加し、粒状炭素材料は電極を補強することを発見した。電極１００の仕様は、その用途に応じて変化するが、例示の電極１００は約０．５ｇ／ｃｍ３から約２．５ｇ／ｃｍ３の密度を有する。
【００８５】
電極１００の物理的寸法は用途に応じて変化するが、例示の実施例では、電極１００は約３／１６インチから約３／８インチの厚さ、約１０インチから約２４インチの高さ、約１０インチから約２４インチの幅を有する。上記の例示の電極は、正方形を有するものとして説明し、図示したが、電極は多数の他の形状を有することができるのが分かるであろう。例えば、電極は、これらの形状の流動特性や機械特性を利用するために、規則的形状または不規則的形状を含む矩形または三角形または他型式の形状を有することができる。換言すれば、１つの特別な応用によると、電極は間にある厚さを持つ幾何学形状により定義される平行な吸収表面を備えるように、電極は脱気装置内に配置される。例えば、幾何学形状は、規則的形状にも不規則的形状にもでき、さらに特別に、幾何学形状は、正方形、矩形、台形、円、楕円形、円筒形等の形状にできる。
【００８６】
例
電極は上記の原理により製造され、次の性質／特性が測定され、次の表で示される。
【００８７】
【表１】
2008512229.tif 000002
【００８８】
【表２】
2008512229.tif 000003
【００８９】
【表３】
2008512229.tif 000004
【００９０】
上記の例は単に例示で図示したものであり、本発明を限定しない。換言すれば、上記の特性や測定値は本発明の特定の電極のために得られる単なる例であり、それで、本発明により製造される電極は上記の測定値に限定されない。
【００９１】
加えて、本発明により製造される電極は、さらに、定量分析を受け、結果は同一条件の下で従来の電極から得られる結果と比較された。さらに特に、この電極材料はＸ線回析（ＸＲＤ）分析を受けた。周知なように、ＸＲＤ分析は結晶質または非晶質で、典型的には必ずではないが、固体材料の性質を特徴付ける。実験中に、上記の方法で生産され、上記のサンプルに列挙されるものを含む上記の特性を有する電極のサンプルが粉砕され、適切なサンプルホルダー内に設置され、それから、Ｘ線の入射ビームに露呈された。同じことが、本発明の材料と従来の電極材料、特に、エーロゲル・ベースの電極（例えば、Marke Tech Aerogels）のＸＲＤ分析（いわば、材料指紋）を比較するために、他の市販にて入手できる炭素質材料に対して行われた。
【００９２】
粒子はサイズが２００メッシュ（７４ミクロン）未満であった。加えて、以前の分析よびテストは、粒子は、ほぼ均一で、それ故、ロッドまたは板状ではないことを示した。
【００９３】
粉砕された粉末サンプルは、銅Ｋアルファ波長放射線に露呈され、０．２度のステップで測定される回析強度で２０度から３０度の角度範囲に亘り入射ビームによりスキャンされた。サンプル内の構造の結晶質が表され、また結晶質化学構造または形態に特有な回析強度プロット内のピークによって示されている。炭素質材料では、黒鉛は独特な結晶構造を有し、それで、ピークの識別可能なＸＲＤセットを有する。図９は、曲線３００により示される本発明に応じて製造される電極と、全体的に曲線３１０で示されるエーロゲル材料から製造される従来の電極との例示のサンプルＸＲＤ分析を示すグラフである。図９の結果は、曲線３００は、ＸＲＤ分析が本発明および類似の電極材料で実行される時に計算された曲線を図示し、曲線３１０は、ＸＲＤ分析が従来の電極材料で実行され、特に、エーロゲル材料から製造される電極で実行される時に計算された曲線を図示するように、データの編集と多数の生じる結果を反映する曲線を図示する。
【００９４】
本発明の電極材料は、グラフのピークは水平軸線上に約２５度で現れた。このピークは１５度から３５度へ広がる非常に幅広く本質的に非晶質なピークに載せられる。この箇所でのこのグラフピークは本発明の方法に応じて製造される全ての電極サンプルで検出され、異なる加熱特性、例えば、異なる加熱期間および／または異なる加熱温度のような工程条件を変化することにより、一方の電極材料から他方の電極材料へと緩やかに変化するピーク高さ（回析強度）を有する。図９で明らかなように、従来のエーロゲル材料ベースの電極を反映する曲線３１０は、水平軸線上で約２５度の区域内では、そのようなグラフピークを有さない。同様に、その上、このグラフピークは同じＸＲＤ分析を受ける３つの「活性炭素」市販用材料には無かった。それで、従来の導電性電極材料は、これらの材料のＸＲＤ分析が水平軸線上での２５度の区域でグラフピークのないことを示すので、本発明の電極の特別なグラフ構造に不足していると思われる。出願人は、炭素充填材料を使用する従来の電極と比較してこの電極のＸＲＤ分析におけるグラフピークの存在は、異なる結晶構造を有し、この異なる結晶構造は、本発明の電極内で前記の他の改良された特性や特徴と同様に改良されたイオン容量を有することを生じると考えている。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１実施例による電気化学分離電極の斜視図である。
【図２】２つの耐火物で形成される加熱装置内に挿入されるブランクまたは電極の材料の概要図である。
【図３】第１実施例による導電体への電気接続部を備えた電極の斜視図である。
【図４】図３の線４−４に沿ってとられた断面図である。
【図５】第２実施例による導電体への電気接続部を備えた電極の斜視図である。
【図６】図５の線６−６に沿ってとられた断面図である。
【図７】第３実施例による導電体への電気接続部を備えた電極の斜視図である。
【図８】図７の線８−８に沿ってとられた断面図である。
【図９】従来の電極材料と比較した本発明により製造される電極材料で実行されるＸ線回析（ＸＲＤ）分析の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９６】
１００    電極板
１１０    導電体
１２０    溝
１３０    ハンダ材料
１５０    穴
１６０    導電体
１７０    一方端部
１８０    通路
１９０    導電性材料
１９２    シーリング材料
２００、２１０  赤外線ヒーター
２２０    加熱要素
３００、３１０  曲線
【図１】
2008512229.tif 000005
【図２】
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【図３】
2008512229.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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