專利名稱：帶有電再生的離子交換去離子設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適于進行電去離子功能的無膜方法和設備，其包括使流入物去離子和使相關離子交換材料上的活性離子交換位點再生。
背景技術：
電去離子(EDI)是一種使用電活性介質和電勢來影響離子遷移，從液體去除電離和可電離的物類的過程。在很多EDI過程中，使用離子傳導膜和施加的電流。給水中的陽離子和陰離子與離子交換樹脂或膜中的氫離子和氫氧根離子交換，從而產生去礦物質的給水。需要氫離子 和氫氧根離子以再生交換位點，而這些在EDI過程中通過電驅動的水分解過程(由此產生H+和0H_離子)連續(xù)地再生。在該過程中所用的離子傳導膜為半透性的陰離子和陽離子離子交換膜，并且在電極間的堆疊中提供，配置膜之間的空間以產生流體流動隔室。陰離子膜允許僅負電荷離子(陰離子)透過，而陽離子膜允許僅正電荷離子(陽離子)透過。經過堆疊往它們的相反極性電極遷移的離子被俘獲在特定的“濃縮”隔室中，同時流入物進料在所謂稀釋隔室中被純化，鹽給出的離子從所述稀釋隔室中遷出。將減少離子的純化產物從這些稀釋隔室中取出到集管等以供收集。這些EDI裝置依賴于使用昂貴的離子交換膜或碳電極。因此，在本領域中需要可進行預期的去離子功能，使用較不昂貴的材料(例如離子交換珠)的裝置。發(fā)明簡述
在一個實施方案中，本發(fā)明涉及一種電極化學去離子裝置和包括兩個操作步驟的方法。第一步驟或階段包括再生離子交換樹脂上的活性位點。在這個階段中，將沖洗液作為流入物進料，使電流通過裝置。在第二或去離子階段中，使電流關閉或反向，而再生的離子交換樹脂在水流經該裝置時使水去離子。這兩個步驟按時交替，在再生步驟繼而去離子步驟之間循環(huán)。根據本發(fā)明的一個方面，提供一種降低流入物溶液中離子濃度的方法。作為該方法的一部分，而且在其去離子階段中，將流入物進料到無膜電去離子(EDI)堆疊。所述堆疊包含多孔陰離子交換材料(AIX)和陽離子交換材料(CIX)的交替層的陣列。在一個實施方案中，AIX和CIX材料以類似三明治的結構布置，在相鄰的AIX和CIX層之間存在至少一個界面區(qū)域。流入物經過AIX和CIX陣列，從而流入物的離子濃度經由與AIX和CIX材料的活性位點離子交換而降低。從EDI堆疊中收集去離子產物。在該方法的再生階段中，跨電極施加電壓，并提供沖洗溶液作為穿過EDI堆疊的無膜三明治陣列的流入物，其橫穿AIX和CIX材料。水分解沿界面區(qū)域中的至少一個發(fā)生，導致形成氫H+和0H_離子，其遷移至并補充AIX和CIX材料。該再生階段的結果是從堆疊中回收作為流出物的廢物流。根據本發(fā)明的另一個方面，待純化的流入物是其中溶解有鈉離子和氯離子的水。在某些示例性實施方案中，CIX材料包含在其中具有固定的SO32-離子的珠，而在其它實施方案中，AIX材料包含在其中具有固定的季銨離子的珠。在其它實施方案中，EDI堆疊還包含放置在AIX和CIX材料層之間的至少一種混合的離子交換材料。由設備觀點，EDI設備包含放置在相對的陰極和陽極之間的AIX和CIX材料的交替層的無膜堆疊。交替層的堆疊確定了 AIX和CIX之間的至少一個界面區(qū)域。根據本發(fā)明，除了可與電極鄰接的膜以外，EDI堆疊在其中沒有任何離子交換膜。附圖簡述


圖1為根據本發(fā)明的一個無膜EDI堆疊的示意圖；且 圖2為根據本發(fā)明的另一個無膜EDI堆疊的示意圖。示例性實施方案的詳述
首先轉到圖1，顯示有本發(fā)明的第一示例性實施方案，其包含無膜電去離子(EDI)堆疊配置。如圖所示，EDI堆疊100包含相對的陰極2和電極4，電極之間的空間完全由多孔陰離子離子交換材料6和多孔陽離子離子交換材料8的交替相鄰的層組成。如圖所示，多個AIX和CIX界面區(qū)域14由這種交替的三明治結構形成。電極2、4可由常規(guī)材料組成，例如耐腐蝕金屬像鈦、鈮、不銹鋼等，而且在一些情況下，這些材料可提供有貴金屬(例如鉬)外涂層。在所示實施方案中，陰極2由不銹鋼組成，而陽極4由涂布有IrO2的Ti組成。堆疊構造的交替相鄰的層在電極之間的整個距離上延伸，并確定了類似三明治的陣列。至于離子交換材料6、8，這些可以是不同于膜形式的任何形式。優(yōu)選離子交換珠，但是技術人員將認識到這些材料還可以按除膜形式以外的纖維、顆?；蚱渌x子吸收形式存在。
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示例性陰離子離子交換樹脂(AIX)包括基于包含季氨基團的強堿類型，例如三甲基銨基團，包括三甲基芐基銨；以及基于伯、仲和/或叔胺的弱堿基團，例如聚乙烯胺。這些陰離子交換樹脂在市場上有售。如本領域已知，這些材料提供該結構的固定離子部分上的反離子(例如CD的離子交換。示例性陽離子離子交換(CIX)材料可包括基于磺酸基團(例如聚苯乙烯磺酸鈉或聚AMPS (丙烯酰胺基丙烷磺酸)鈉)或弱酸基團(例如羧酸基團)的那些。這些陽離子交換樹脂均為熟知，而且市售可得。如本領域已知，這些材料提供該結構的固定離子部分上的反離子(例如Na+)的離子交換。圖2顯示另一個實施方案，其中包括放置在陰離子離子交換材料6和陽離子交換材料8的層之間的混合床離子交換(MBIX)層10。包含混合床用來增加兩類離子交換材料之間的接觸表面積，以促使在隨后會提到的再生階段期間需要跨電極施加的電壓的適當降低。MBIX層優(yōu)選包含AIX和CIX材料的混合物，AIXiCIX比例為約0.177-5.67:1。在操作中，參考圖1，描述了操作的充電階段，其中，例如將流入物流按箭頭所示方向進料到堆疊的底部。在此著重說明的是，使流入物流穿過交替的陰離子離子交換和陽離子交換材料的三明治陣列的整個表面，從底部進料直至頂部，作為流出物廢物流退出。在該充電或再生階段期間，使例如5安培的直流電流從陰極流過組合件到陽極，且流入物流可按例如約100升/小時進料。流入物進料，或在該充電或再生階段期間稱為沖洗進料，可具有例如2PS/cm的傳導率。電場使水分解為組分離子H+和0H_，其經過離子交換材料向具有相反極性的電極遷移。也就是說，H+離子向陰極遷移，而具有負電荷的0H_向陽極遷移。這種水分解在AIX/CIX界面區(qū)域(圖1中表示為“A”)發(fā)生。H+和0H_離子遷移到它們各自的IX樹脂中，替換鹽離子并有效再生IX材料。IX樹脂中保有的鹽離子還會在電場I中遷移，最后到達第二 AIX/CIX界面，它們在該點釋放到溶液中。該濃縮溶液作為流出物或廢物從關于圖1的堆疊的頂部移除，以免污染新生的IX樹脂，而且該流出物可如預期地具有約為例如SOOPS/cm的高傳導性。流入物或沖洗進料可維持一定時間，以產生最終呈現減低或穩(wěn)態(tài)的傳導率的廢物流流出物。一旦IX樹脂部分或完全再生，可停止對堆疊的供電以使堆疊可隨后在其去離子階段操作。在去離子階段期間，將待去離子的流入物(例如鹽水)進料穿過IX材料的陣列，如圖1中箭頭所示。流入物進料中的陽離子和陰離子碰撞到IX珠等，被吸附到IX材料中，且IX材料釋放H+和0H_，它們再組合形成水，當流入物流經(對于圖1為向上)堆疊時水進入流入物流。從堆疊的頂部移出純化產物。作為實例，在操作的去離子階段期間，進料可以是輕度的鹽水，例如測得25PS/cm。(類似于反滲透產物水)。流入物可按例如1100升/小時進料。如上說明，在一個實施方案中，在通常的去離子階段期間，不跨電極施加電壓。再生的IX珠等的床通過常規(guī)IX方法去除鹽給出的離子。去離子將發(fā)生直到IX床耗盡。要說明的是，可根據本發(fā)明使具有最多約lOOOPS/cm的水去離子。技術人員將容易認識到，傳導率傳感器可用來例如在再生或去離子循環(huán)之中的一個或兩者期間測量流出物的傳導率。例如，傳感器可以與控制器操作關聯(lián)，以開始或終止跨電極施加供電，或調節(jié)流入物進料類型，即，再生沖洗或在去離子過程期間待純化的水。例如，在再生階段期間，可測量流出物傳導率，并且當該測量結果小于預選值時，再生將會終止，然后進料流入物水用于在去離子階段期間純化。此外，在去離子階段期間，可測量產物傳導率，并且當該測量結果超過預選值時，可將流入物進料變換為再生沖洗進料，相應施加跨電極的電勢。此外，要說明的是，與圖1所示流動方向相比，若使用多孔電極，可使流體與圖1所示的流體流動方向垂直地流經電極。此外，對再生階段和去離子階段提供相反的流動方向可能有利。 圖2顯示另一個實施方案，其中將例如珠、纖維等的離子交換材料的混合床10放置在陽離子離子交換材料的層之間。該實施方案的操作原理與上文關于圖1所闡述的基本相同。在再生循環(huán)期間，水分解沿界面區(qū)域14中的一些發(fā)生，鹽給出的離子在界面區(qū)域14中的另一些被俘獲和濃縮。如以上簡要說明，在去離子階段期間，可能可通過按照與再生極性相反的極性施加電場來增強去礦物質過程。認為用于此的電流或電壓將是再生階段所需電流或電壓的一定部分。技術人員可認識到，可將膜(例如離子交換，透水膜，像薄的UF膜等，或非常緊密的篩網膜)與電極中的一個或兩者相鄰但有間隔地放置，以免再生期間氣體進入堆疊的本體。例如，參考圖1，可在陰極2旁邊的AIX材料6與陰極之間提供膜。此外，膜可位于和陽極4相鄰的CIX層與陽極之間。詞組“無膜去離子”或對于堆疊在其中沒有離子交換膜的事實的提述或等價用語不應排除如上文預想的那些結構，其中膜可與電極中的一個或兩者鄰接。然而，這些詞組確實表示了 AIX、CIX和MBIX材料的陣列不包括位于該陣列中相鄰的AIX、CIX或MBIX成員之間的任何界面表面的膜。
對本領域技術人員將顯而易見的是，可在上文方法和設備中進行其它改變和修改而不偏離本發(fā)明的范圍，而且預期以上說明所含的所有事物應以說明性而非限制性的意義
來理解。雖然已就優(yōu)選實施方案描述了本發(fā)明，但是在此所附的權利要求旨在包括落入本發(fā)明精神之內的所有 其它實施方案。
權利要求
1.降低流入物溶液中離子濃度的方法，其包含: 在操作的去離子階段，將所述流入物進料到陰離子交換材料(AIX)和陽離子交換材料(CIX)的無膜電去離子(EDI)堆疊，所述堆疊包含放置在陰極和陽極之間的多孔的所述AIX和CIX的交替層，并確定AIX和CIX之間的至少一個界面區(qū)域，使所述流入物經過所述AIX和CIX從而通過與所述AIX和CIX離子交換降低所述離子濃度； 從所述EDI堆疊收集去離子產物；和 在操作的再生階段，跨所述電極施加電壓，并將沖洗水作為流入物進料到所述EDI堆疊并穿過所述AIX和CIX材料，從而水分解沿所述界面區(qū)域中的至少一個發(fā)生，導致形成遷移至并補充所述AIX和CIX材料的H+和0H_離子，和回收作為流出物的廢物流。
2.權利要求1所述的方法，其中所述流入物為水，在其中溶解有Na+和Cl—離子。
3.權利要求2所述的方法，其中所述CIX材料包含在其中具有固定的SO,離子的珠。
4.權利要求2所述的方法，其中所述AIX材料包含在其中具有固定的季銨離子的珠。
5.權利要求1所述的方法，其中所述EDI堆疊還在其中包含放置在AIX和CIX之間的至少一種混合的離子交換材料。
6.電去離子設備，其包含放置在陰極和陽極之間的陰離子交換材料AIX和陽離子交換材料CIX的交替層的堆疊，所述交替層的堆疊確定AIX和CIX之間的至少一個界面區(qū)域，所述堆疊沒有離子交換膜。
7.權利要求6所述的設備，其中所述AIX包含在其中具有固定的SO3-離子的珠。
8.權利要求6所述的設備，其中所述AIX包含在其中具有固定的季銨離子的珠。
9.權利要求6所述的設備，其還包含在所述堆疊中并放置在AIX和CIX之間的至少一種混合的離子交換材料。
全文摘要
電去離子方法和設備，其中不利用離子交換膜。取而代之，將例如珠、纖維等的離子交換材料布置在相反極性電極之間的陰離子交換(AIX)材料和陽離子交換(CIX)材料的交替層中。在再生階段中，跨電極施加電流，水分解沿相鄰的AIX和CIX材料之間的界面區(qū)域中的至少一個發(fā)生。經由水分解形成的H+和OH離子響應電流而遷移，并取代分別在AIX和CIX中的鹽離子。在再生階段期間沖洗該堆疊以去除濃縮的鹽溶液。在去離子階段期間，終止電流，將流入物進料到該堆疊用于去離子。當流入物接觸AIX和CIX時，流入物中的鹽離子通過離子交換消耗。
文檔編號C02F1/42GK103249485SQ201180060394
公開日2013年8月14日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權日2010年12月14日
發(fā)明者J·H·巴伯 申請人:通用電氣公司