專(zhuān)利名稱(chēng)：電滲析裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)的電滲析(“ED”包括“EDR”)設(shè)備和系統(tǒng)，包括改進(jìn)的填料池電滲析設(shè)備和系統(tǒng)，以及使用這些設(shè)備和系統(tǒng)的改進(jìn)的方法。(在本領(lǐng)域中填料池ED也被稱(chēng)為電去電離作用(“EDI”)。在本領(lǐng)域中填料池EDR也被稱(chēng)為逆電去電離作用(“EDIR”))。
然而由于技術(shù)因素，特別是相對(duì)較低的限制電流密度和去弱電離物質(zhì)的不足，使得ED的使用受到限制，在下面進(jìn)一步討論了現(xiàn)有技術(shù)的ED系統(tǒng)的這些限制和不足。A、限制電流密度因?yàn)镋D中使用的IX膜對(duì)一種符號(hào)或另一種符號(hào)離子具有高選擇性，通過(guò)膜的大部分離子必須從周?chē)芤簲U(kuò)散穿過(guò)沿著膜和去離子溶液(即本領(lǐng)域中已知的稀液或稀釋溶液或流)間分界面形成的層流層到達(dá)膜壁，穿過(guò)稀釋溶液的離子的最大擴(kuò)散速率發(fā)生在膜界面處電解質(zhì)的濃度實(shí)質(zhì)為零的時(shí)候。對(duì)應(yīng)于膜界面處零濃度的電流密度在本領(lǐng)域中被稱(chēng)為限制電流密度。提高離子擴(kuò)散速率就能提高限制電流密度，例如，加快膜表面周?chē)芤旱牧魉?，減少層流層的厚度和/或使用湍流促進(jìn)劑，和/或提高溫度。對(duì)于每立方米溶液的每千克當(dāng)量鹽，實(shí)際的限制電流密度通常在5000到10000安培每平方米范圍內(nèi)(即，對(duì)于克當(dāng)量每升的鹽來(lái)說(shuō)，為0.5到1安培每平方厘米)。含鹽水的鹽濃度通常為大約0.05kg-eq/m3(也就是大約0.05-eq/l或大約百萬(wàn)分之3000份(“ppm”))，因此，限制電流密度在250至500安培每m2(0.025至0.05安培每cm2)范圍內(nèi)。為了最有效利用ED設(shè)備，需要在盡可能高的電流密度下運(yùn)行。然而，當(dāng)達(dá)到限制電流密度時(shí)，發(fā)現(xiàn)水會(huì)在(傳統(tǒng)的)陰離子交換(“AX”)膜與稀釋流的界面處電離(即，“分解”)成氫離子和氫氧根離子，氫離子進(jìn)入稀釋流而氫氧根離子穿過(guò)AX膜進(jìn)入旁邊富含離子的溶液中(在本領(lǐng)域中被稱(chēng)為“濃縮液，濃縮的，濃縮或鹽水溶液或流”)。由于含鹽水經(jīng)常含有碳酸氫鈣，因此碳酸鈣也會(huì)在與濃縮流接觸的(傳統(tǒng)的)AX膜的表面趨于沉淀。幾項(xiàng)技術(shù)中都遇到了這個(gè)問(wèn)題對(duì)給水或濃縮流進(jìn)行化學(xué)或IX軟化；在給水或濃縮流(脫碳或不脫碳)中加酸；納濾(“NF”)；或者是，有規(guī)律的倒轉(zhuǎn)電流方向使?jié)饪s流變?yōu)橄♂屃?以及稀釋流變?yōu)闈饪s流)。例如，參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利2,863,813。在上面的技術(shù)中，最成功的是最后提到的工藝，即涉及“電滲析倒轉(zhuǎn)”(“EDR”)技術(shù)的電流方向的倒轉(zhuǎn)。
ED中限制電流理論表明例如在氯化鈉溶液中，陽(yáng)離子交換(“CX”)膜應(yīng)達(dá)到它們的限制電流密度，其值約為AX膜的2/3rds。精細(xì)的測(cè)量表明情況也確實(shí)如此。然而，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)(傳統(tǒng)的)CX膜的限制電流密度時(shí)，發(fā)現(xiàn)在CX膜和稀釋流界面處的水并沒(méi)有分解成氫氧根離子和氫離子。(傳統(tǒng)的)AX和CX膜在它們各自的限制電流時(shí)水所出現(xiàn)的不同分解現(xiàn)象在近幾年一直解釋為，AX膜中弱堿胺對(duì)水分解的催化作用。只有季銨陰離子交換基團(tuán)(或無(wú)弱堿基團(tuán))的AX膜在達(dá)到限制電流的最初時(shí)段內(nèi)沒(méi)有有效地分解水。這種現(xiàn)象會(huì)持續(xù)僅幾個(gè)小時(shí)，然而，在這個(gè)時(shí)期后水開(kāi)始分解并隨著時(shí)間加快。然后發(fā)現(xiàn)AX膜會(huì)含有一些由季胺基團(tuán)水解而產(chǎn)生的弱堿基團(tuán)。結(jié)論是傳統(tǒng)的AX膜在限制電流密度或其附近所出現(xiàn)的水的分解在實(shí)際中令人遺憾地不可避免。
ED中限制電流的存在也意味著在稀釋溶液中限制電流密度是相對(duì)很低的。例如，當(dāng)鹽濃度約為0.005kg-eq/m3(也就是大約0.005g-eq/l或大約300ppm，典型的飲用水濃度)時(shí)，限制電流密度在25至50安培每m2(0.0025至0.005安培每cm2)范圍，即，單位面積單位時(shí)間鹽的轉(zhuǎn)移是相當(dāng)少的(即每小時(shí)每平方米50至100克鹽)。這個(gè)問(wèn)題最初好象是由W.Walters等人在1955年(Ind.Eng.Chem.47(1955)61-67)往ED疊層組件(即，一組AX和CX膜)的稀釋層內(nèi)填注強(qiáng)堿和強(qiáng)酸離子交換(IX)顆粒的混合物時(shí)提出的。自此關(guān)于這項(xiàng)課題出現(xiàn)了很多專(zhuān)利，其中有美國(guó)專(zhuān)利3,149,061；3,291,713；4,632,745；5,026,465；5,066,375；5,120,416和5,203,976,這些專(zhuān)利在此均作為參考。這里這種填料池ED(所稱(chēng)的EDI)有兩種操作模式。在第一種模式中，IX顆粒用作擴(kuò)展的膜表面積，因此大大提高了限制電流密度。在第二種模式中，使用的電流密度大大高于IX顆粒存在時(shí)的限制電流密度。在這些情況下，在膜-稀釋流界面處水的分解速度是非常高的，Ⅸ顆粒主要是強(qiáng)堿和強(qiáng)酸的形式。在連續(xù)電解再生(混合床)離子交換操作中很好地描述了這種模式的設(shè)備。還有一種中間模式，其中水部分分解，但I(xiàn)X顆粒主要不是強(qiáng)堿和強(qiáng)酸的形式。
大多數(shù)填料池ED(也就是EDI)系統(tǒng)是在兩種模式下運(yùn)行的，例如，(1)在同一ED池中，池入口附近為第一模式池出口附近為第二模式；(2)在池中，在一對(duì)電極串流；或(3)在單獨(dú)的疊層組件中串流(每個(gè)疊層組件都有自己的一對(duì)電極)。填料池ED被用來(lái)替換逆滲透或傳統(tǒng)的、化學(xué)再生IX系統(tǒng)，如，強(qiáng)酸CX交換柱之后為弱堿AX交換柱，或者至少部分是混合床IX交換柱。在后面的任一情況中，CX和AX顆粒卻分別被化學(xué)再生，例如，分別用硫酸或鹽酸的酸溶液和氫氧化鈉的堿溶液再生。因此不會(huì)有碳酸鈣，硫酸鈣和氫氧化鎂的沉淀。細(xì)顆粒柱是在化學(xué)再生中被洗去顆粒膠體物質(zhì)的有效過(guò)濾器。相反地，在EDI中，從稀溶液中去除的任何鈣，碳酸氫鹽和/或硫酸鹽發(fā)生在較高濃度的濃縮流中，特別是在稀釋流需要達(dá)到高回收率時(shí)(通常情況)。這樣的高濃度經(jīng)常導(dǎo)致濃縮液中存在沉淀。此外，從填料池ED設(shè)備中反洗IX顆粒以除去可能已經(jīng)濾出的膠體物質(zhì)是困難的(雖然在技術(shù)上是可能的)。
對(duì)于EDI的這些問(wèn)題通常通過(guò)預(yù)處理來(lái)解決，例如(1)可再生陽(yáng)離子交換軟化之后是可再生陰離子交換吸收劑用于去除膠體和/或去除碳酸氫鹽；(2)用于去除膠體的超濾或微孔過(guò)濾之后采用EDR來(lái)軟化處理和部分脫礦；或，(3)用于去除膠體的超濾或微孔過(guò)濾之后采用納濾來(lái)軟化處理或者采用逆向滲透來(lái)軟化處理和部分脫礦處理。
如上面指出的，填料池用于替換，至少部分替換混合床IX交換柱。然而，后者通常會(huì)產(chǎn)生電阻大約為18meg ohm-cm的水和濃度在當(dāng)前的檢測(cè)限值附近的二氧化硅。直到現(xiàn)在，這樣高性能的填料池ED(EDI)也是很難獲得的。B、弱電離物質(zhì)的去除許多工廠(chǎng)都用ED(包括EDR)來(lái)脫除干酪乳清的灰分。通常天然的乳清首先被濃縮到20至25重量百分比的固體，在ED(或EDR)濃縮乳清的過(guò)程，電流密度(也就是，單位膜面積，單位時(shí)間灰分的去除速度)維持相對(duì)較高，直到大約百分之50至60的灰被除去。殘留的灰的特性象弱電離的物質(zhì)，可能會(huì)與乳清中的蛋白質(zhì)結(jié)合或絡(luò)合。脫灰乳清的重要市場(chǎng)要求脫灰百分之90或更高的乳清。使用ED(包括EDR)將乳清從大約百分之40的灰分水平脫灰到百分之10的灰分水平比從百分之100的灰分脫灰到百分之40的灰分需要更多的接觸時(shí)間。在從百分之40灰分脫灰至百分之10灰分的過(guò)程中往乳清中或多或少地連續(xù)添加酸時(shí)可能會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題，雖然酸能將灰從蛋白質(zhì)中釋放出來(lái)，然而添加的酸會(huì)被ED(包括EDR)迅速除去，因此需要大量的酸來(lái)完成這個(gè)過(guò)程，這是我們不希望的。通過(guò)ED(包括EDR)來(lái)去除乳清中大約百分之60的灰分同時(shí)通過(guò)離子交換來(lái)除去剩余百分之40灰分中的大部分灰分的過(guò)程也會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題。所用的離子交換設(shè)備通常包括強(qiáng)酸CX顆粒組成的交換柱，和跟在之后的弱堿AX顆粒的交換柱。在這個(gè)過(guò)程中需要相當(dāng)量的酸和堿來(lái)再生IX顆粒。
象上面討論的那樣，填料ED池的電去電離作用(EDI)非常適用于水中微量污染物離子的去除，但還可以對(duì)該過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)。這些改進(jìn)包括1)提高產(chǎn)物的純度。EDI系統(tǒng)中的雜質(zhì)源包括，但不限于(a)由濃差(differercesand)電場(chǎng)驅(qū)使的污染物離子穿過(guò)離子交換膜的反擴(kuò)散和電遷移；(b)中性弱電離物質(zhì)穿過(guò)極化膜的反擴(kuò)散；和，(c)在稀釋流歧管中，污染物離子從膜到產(chǎn)品水的電滲析。
2)設(shè)備和控制的簡(jiǎn)化需要運(yùn)行傳統(tǒng)的EDI。今天，這些EDI子系統(tǒng)包括鹽水再循環(huán)，鹽水和電解質(zhì)PH值和傳導(dǎo)率的控制。簡(jiǎn)化應(yīng)該包括設(shè)備費(fèi)用的降低，減少操作者所需的經(jīng)驗(yàn)以及減少設(shè)備控制和調(diào)節(jié)所需的時(shí)間。
3)減少EDI疊層組件和泵的電力消耗。
4)提高濃縮流的對(duì)污垢形成的阻止能力。
5)在EDI之前減少水的預(yù)處理。
6)在不犧牲產(chǎn)物水回收率的條件下提高產(chǎn)物水的質(zhì)量。
7)間斷運(yùn)行和啟動(dòng)后立即產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)產(chǎn)物的能力。
8)提高溶液的輸送壓力進(jìn)而省去輸送泵。
9)可靠運(yùn)行，沒(méi)有外部泄漏，不會(huì)形成外部鹽堆積。
上述傳統(tǒng)EDI系統(tǒng)的大部分限制和不足，如果不是全部，可通過(guò)本發(fā)明電滲析的改進(jìn)設(shè)備和方法來(lái)克服或大大改進(jìn)。本發(fā)明其他的目的和優(yōu)點(diǎn)的一部分很明顯，其部分將在下文中呈現(xiàn)出。本發(fā)明包括，但不局限于，一類(lèi)設(shè)備及相關(guān)的方法，包括幾個(gè)步驟和不同的部件，以及一個(gè)或多個(gè)步驟和部件的關(guān)系和排列順序，這些將通過(guò)下面的描述和附圖被舉例說(shuō)明。在此描述的設(shè)備和方法的各種改進(jìn)和改變對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的，所有這樣的改進(jìn)和改變都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
稀釋的流出液到濃縮的流入液所形成的這種內(nèi)部回流最好與EDI疊層組件電流方向的周期性逆轉(zhuǎn)一起使用。如果這種電流逆轉(zhuǎn)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間(例如，如果逆轉(zhuǎn)在時(shí)間上是對(duì)稱(chēng)的)，那么根據(jù)本發(fā)明，流過(guò)稀釋層和濃縮層的流動(dòng)方向也最好被逆轉(zhuǎn)，來(lái)自“新”稀釋層的流出液向“新”濃縮層提供純回流液。
當(dāng)然，在上述的內(nèi)部回流模式中，稀釋的流出液進(jìn)入濃縮層的流量是稀釋層流出液流量的幾分之一。然而，最好且有必要給來(lái)自疊層組件的稀釋流出物提供一個(gè)背壓，例如，通過(guò)混合床離子交換設(shè)備的壓降來(lái)提供這樣的背壓，這種稀的流出液可以不必增壓而直接流入混合床離子交換設(shè)備。
例如，濃縮的流出液可以通過(guò)逆向滲透，納米過(guò)濾，蒸發(fā)或ED的另一段部分再生。
為了通過(guò)EDI獲得超純水，必須除去例如NaCl，CaSO4等強(qiáng)電離電解質(zhì)，以及例如CO2、NH3、SiO2和H3BO3，這樣的弱電離電解質(zhì)。實(shí)質(zhì)上這些弱電離電解質(zhì)僅是在強(qiáng)電離的離子(Na+，Cl-，Ca++，SO4--)幾乎全部除去后才會(huì)被除去。只有在局部電流效率很低時(shí)才能(通常)有效去除弱電解質(zhì)。在低電流效率下，通過(guò)交換膜的全部電流幾乎都由OH-和H+攜帶。如果濃縮流的PH值大體上是中性的，并且沒(méi)有填充離子交換材料，那么在大部分鹽水流中，像二氧化硅這樣的弱電離電解質(zhì)在穿過(guò)陰離子交換膜之后，實(shí)質(zhì)上在鹽水流的主流中變成非電離物質(zhì)。雖然在大體上阻止了負(fù)電荷強(qiáng)離子返回到稀釋流中，但陽(yáng)離子交換膜不能阻止像CO2、SiO2和H3BO3這樣的小分子量的中性物質(zhì)擴(kuò)散回稀釋流中。雖然阻止了正電荷的強(qiáng)離子返回到稀釋流中，但陰離子交換膜不能阻止像NH3和胺這樣的小分子量的中性物質(zhì)擴(kuò)散回稀釋流中。
濃縮流的傳導(dǎo)率可能很低，它構(gòu)成了EDI疊層組件的一多半電阻。在這種情況下，最好把離子交換材料填入濃縮流。濃縮流中的離子交換材料可以是陽(yáng)離子交換材料緊跟在陽(yáng)離子交換膜之后并且陰離子交換材料緊跟在陰離子交換膜之后。在此，作為參考的美國(guó)專(zhuān)利4,033,850中公開(kāi)了這樣的一種僅用于電滲析裝置的稀釋層中的離子交換材料的布置。與陽(yáng)離子交換膜并列的陽(yáng)離子交換材料可以與膜(例如珠粒，桿，篩網(wǎng)等)做成一體(例如上面的結(jié)構(gòu))，也可不成一體。同樣，與陰離子交換膜并列的陰離子交換材料也可與膜做成一體或不做成一體，這與陽(yáng)離子交換膜無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，一個(gè)膜的交換材料可以與膜做成一體，而其他膜的交換材料可以不與膜做成一體。進(jìn)一步說(shuō)，例如，其中一種或兩種膜均具有紋理，并且還并置有電荷相同的未集成于一體的交換材料。如果兩種膜都是有紋理的，它們彼此直接接觸，紋理表面凸起之間的敞開(kāi)區(qū)域就是流體流動(dòng)通道。顯然在上述任一個(gè)例子中，穿過(guò)濃縮層的溶液在流動(dòng)上不會(huì)受到嚴(yán)重的阻礙。
在EDI隔離物中，由于側(cè)壁和離子交換材料叉交，使得穿過(guò)離子交換材料的液流不均勻分布。因?yàn)槿S離子交換珠粒不可能部分地穿過(guò)側(cè)壁，所以接近側(cè)壁的離子交換材料的堆放布置與遠(yuǎn)離側(cè)壁的大量離子交換材料的布置并不一致，這種空間的阻礙允許側(cè)壁附近有更多的液流。在側(cè)壁附近發(fā)展的滑流(slipstream)相對(duì)于離子交換物質(zhì)具有較大的擴(kuò)散距離和較少的接觸停留時(shí)間；結(jié)果，沿著稀釋層隔離物有被去除的離子很少。因此滑流攜帶大量污染物到達(dá)稀釋層隔離物的出口端，在那里滑流與大量的隔離物液流混合，從而降低了產(chǎn)物的純度。
然而，按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，發(fā)現(xiàn)沿著隔離物的長(zhǎng)度方向在隔離物的側(cè)壁處間斷地放入機(jī)械靜態(tài)混合器來(lái)使這種影響達(dá)到最小。這些靜態(tài)混合器有助于沿著側(cè)壁流動(dòng)的滑流與大量流體之間的混合，從而增加接觸時(shí)間，提高離子交換材料對(duì)污染物的去除。因此，這里加入的靜態(tài)混合器進(jìn)一步提高了產(chǎn)物質(zhì)量。在圖3中表示了本發(fā)明沿著EDI池的隔離物側(cè)壁的靜態(tài)混合器的合適布置。
離子交換材料中捕獲的氣泡或由水中除氣形成的氣泡可能會(huì)導(dǎo)致液流分布不均勻，從而降低產(chǎn)物質(zhì)量。電極處產(chǎn)生的氣泡也會(huì)在離子交換材料中被捕獲，并長(zhǎng)大到足以使EDI中電流分布變差。由于離子交換材料的尺寸小同時(shí)該尺寸下的表面張力(毛細(xì)作用)會(huì)將它們留在原處，因此，很難通過(guò)浮力或流動(dòng)作用去除所有這些氣泡。
而按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，將氣體可滲透過(guò)(例如，非多孔和/或疏水微孔)區(qū)域和/或部件，如空心纖維或其他幾何體被并入到EDI隔離物中以提供使氣泡中的氣體滲過(guò)這些區(qū)域和/或進(jìn)入空心纖維的腔中并逸出，而不損失任何液體的手段。如圖4中所示，一EDI池中布置有本發(fā)明的疏水多微孔空心纖維。圖4的實(shí)施例還表示出了一種帶有EDI隔離物的EDI池，其中的EDI隔離物具有疏水的多微孔區(qū)。


圖1B是圖1A中所示的EDI疊層組件的頂視圖，其展示了進(jìn)料口11，通用歧管13，產(chǎn)物出口12，濃縮流出口14，陽(yáng)極流出口15。圖1B也畫(huà)出了稀釋流16，濃縮流17和電極流18流動(dòng)的大致方向。各歧管間的點(diǎn)線(xiàn)代表隔離物的可能形狀，隔離物在相鄰隔離物的相對(duì)壁間形成了三種不同液流，即稀釋流，濃縮流和電極流的流動(dòng)通道。
圖2A為本發(fā)明交替螺旋EDI疊層組件或模塊結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖，其中有進(jìn)料口21，產(chǎn)物出口22，濃縮流出口23，稀釋流24，濃縮流25，中央電極26(其在優(yōu)選例中包括一個(gè)陽(yáng)極)，和一個(gè)外部的導(dǎo)電(例如金屬)容器27作為反向電極。
圖2B是圖2A中全部(非部分)螺旋EDI疊層組件的左端視圖，其示出了相同的部分(具有相同編號(hào))。
圖3是本發(fā)明填料池(EDI)隔離物的輪廓圖，其展示了隔離物框31，中心用離子交換材料32填充，以及沿著側(cè)壁35的多篩網(wǎng)混合器33。
圖4是本發(fā)明填料池(EDI)隔離物的輪廓圖，其展示了隔離物框41，中心用離子交換材料42填充，以及多微孔疏水元件43，和/或疏水多微孔區(qū)44。
圖5A是本發(fā)明具有表面紋理膜51的一個(gè)實(shí)施例的輪廓圖，其只顯示了一個(gè)表面上的在中部的凸起紋理52。雖然沒(méi)有顯示出，但可以明白按照本發(fā)明可以在膜的兩個(gè)表面上都制造紋理并使用。圖5B是圖5A中有表面紋理的膜的側(cè)視圖。
圖6是本發(fā)明另一類(lèi)型的、有表面紋理的膜的輪廓圖，該膜具有較小的紋理圖案，這樣的形式具有增加的表面積并提高了湍流促進(jìn)效果。
圖7是按照本發(fā)明又一類(lèi)型的、有表面紋理的膜的輪廓圖，該膜具有傾斜的凸起帶。可以理解，當(dāng)緊挨著的、具有反向傾斜帶的膜(沒(méi)有畫(huà)出)與圖7中所示的膜相結(jié)合時(shí)，所產(chǎn)生的EDI池將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自支持流動(dòng)通道而不需隔離物。這樣的交叉帶模式促進(jìn)了湍流，使流體在沿著這樣的流動(dòng)通道橫向流動(dòng)時(shí)完全混合。
圖8A是本發(fā)明又一種膜的平面圖，圖8B是對(duì)應(yīng)的這種膜的橫截面視圖，其中該膜在流動(dòng)通道面上具有三維褶或褶皺。圖8A和8B所示的膜的整體構(gòu)成了一種模式。
圖9A是本發(fā)明另外一種膜的平面圖，圖9B是對(duì)應(yīng)該膜的橫截面視圖，其中該膜在流動(dòng)通道面上有三維的波紋。
圖10是本發(fā)明優(yōu)選的逆流濃縮流螺旋EDI疊層組件結(jié)構(gòu)的橫截面軸視圖。中心“管”或管狀件104被密封在離子交換膜102和103中，也用作第一電極(陽(yáng)極或陰極)，并在內(nèi)部被分流器壁107分開(kāi)，從而在壁107的第一側(cè)面上為進(jìn)料口101提供一個(gè)歧管，在壁107的第二側(cè)面上形成一個(gè)濃縮流出口105。產(chǎn)物出口108相對(duì)膜沒(méi)有密封，從而允許產(chǎn)物流入旁路并供入濃縮流。外殼106用作反向電極。
圖11是本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選逆流濃縮流螺旋疊層組件結(jié)構(gòu)的橫截面軸視圖。中心“管”或管狀件114相對(duì)于離子交換膜112和113密封，其用作一個(gè)電極(陽(yáng)極或陰極)，產(chǎn)物流出歧管和鹽水進(jìn)料口。濃縮流出口歧管116對(duì)帶有相反電荷的離子交換膜112和外殼115的邊緣液封。提供進(jìn)料流117的進(jìn)料歧管111對(duì)離子交換膜113和外殼115的邊緣密封。外殼115也用作反向電極。
圖12是本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選逆流濃縮流螺旋組件結(jié)構(gòu)的橫截面軸視圖，中心“管”或管狀件12用作一個(gè)電極(陽(yáng)極或陰極)，但其沒(méi)有對(duì)離子交換膜液封，從而允許產(chǎn)物供入濃縮流。產(chǎn)物出口歧管126對(duì)膜不液封，并使旁通產(chǎn)物流流入電極流和濃縮流。濃縮液出口歧管127對(duì)離子交換膜122的邊和外殼125液封。提供進(jìn)料流128的進(jìn)料口歧管121對(duì)帶有相反電荷的離子交換膜123和外殼125液封。外殼125也用作反向電極。
圖13是橫截面示意圖，其詳細(xì)地展示了優(yōu)選的中心電極和歧管裝置，與圖10中的元件104相比，歧管用來(lái)把膜131和篩網(wǎng)132箝制并液封到中心電極133上。該裝置由金屬管135的兩個(gè)弧形部分和一個(gè)中心楔形體134構(gòu)成。后者使管段135和膜或者使箝在該管段之間的膜和篩網(wǎng)彼此擠壓。中心楔形體134也把中心電極分隔為兩個(gè)歧管，一個(gè)歧管層相對(duì)于另一個(gè)液封。中心楔形體134由兩個(gè)或多個(gè)部件構(gòu)成，這些部件在布置上可沿軸向相反方向擠壓這些部件，從而使該元件在垂直于該軸的方向上的尺寸增加，從而產(chǎn)生了所需的箝位力。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1A和1B中所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，取把EDI疊層組件的最終產(chǎn)物供入到單通道中的濃縮流和電極流中。濃縮流(在濃縮層7中)和電極流(在電極層8中)的優(yōu)選液流方向是與稀釋流(在稀釋層9中)的流動(dòng)方向大體相反。在該單通道實(shí)施例中，使用初始純度很高、大體逆流的濃縮流能使進(jìn)入產(chǎn)物的污染物的反擴(kuò)散和電遷移達(dá)到最小?？拷a(chǎn)物出口的膜不會(huì)暴露于污染物，從而使這些膜含有極少量的污染物，其有益的結(jié)果是有效地減少了從這些膜電滲析和/或擴(kuò)散到產(chǎn)物中的污染物。由于產(chǎn)物的傳導(dǎo)率低，從而在各自的層中至少在入口附近要使用離子導(dǎo)電物質(zhì)來(lái)保證濃縮和電離流的電的連續(xù)性。離子交換材料可以是這里描述的珠粒，顆粒，纖維，棒，篩網(wǎng)，布，氈，織物，膜本身的表面紋理等。離子交換材料最好與濃縮層兩邊的膜接觸，這些膜至少在入口處形成一個(gè)連續(xù)的接觸通路。在電極層中，離子交換材料最好與電極和電極層邊上的膜接觸，并在它們之間形成連續(xù)的接觸通路。另一方面電極可與鄰近的膜緊密接觸或成為一體。圖1A和1B中所示的EDI疊層組件可以有偶數(shù)或奇數(shù)個(gè)池。
下面的例子說(shuō)明了圖1A和1B中單通道EDI設(shè)備的效果。
實(shí)施例與具有傳統(tǒng)同流再循環(huán)濃縮流的EDI設(shè)備(對(duì)照物)相比，該例比較了圖1A和1B(設(shè)備A)使用的單通道逆流濃縮流的EDI設(shè)備的效果。兩種EDI疊層組件使用相同類(lèi)型和數(shù)量的膜、隔離物和離子交換樹(shù)脂。下面的表1顯示對(duì)于CO2濃度較高的鹽水流來(lái)說(shuō)，本發(fā)明(設(shè)備A)與對(duì)照設(shè)備相比，其性能有顯著的提高。
表一對(duì)照設(shè)備 設(shè)備A給料傳導(dǎo)率(microS/cm) 20 37給料CO2(ppb) 300 23,610鹽水CO2(ppm) 310 411給料二氧化硅(ppb) 500 1,064停留時(shí)間(Sec.) 40 40電流(Amps) 1.5 0.82產(chǎn)物電阻(Mohm-cm) 10.4 17.88如表1所示，即使鹽水流中的二氧化碳濃度較高，單通道逆流鹽水疊層組件，設(shè)備A，仍能維持產(chǎn)物的質(zhì)量。鹽水中的二氧化碳的反擴(kuò)散不會(huì)對(duì)單通道逆流鹽水疊層組件產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因?yàn)槿魏畏磾U(kuò)散都發(fā)生在遠(yuǎn)離稀釋流通道末端的上游，所以能被離子交換材料吸收。
濃縮流通道中的離子交換材料可以是兩性的物質(zhì)、陽(yáng)離子物質(zhì)、陰離子物質(zhì)、陽(yáng)離子物質(zhì)和陰離子物質(zhì)的混合物，或者以層狀或其他幾何形式布置的陽(yáng)離子和陰離子物質(zhì)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，濃縮層中的物質(zhì)由緊跟在陰離子交換膜之后的陰離子交換材料和緊跟在陽(yáng)離子交換膜之后的陽(yáng)離子交換材料構(gòu)成，并且兩種形式的離子交換材料在層的中心附近彼此接觸。電極流流動(dòng)通道中的離子交換材料可以是兩性的物質(zhì)、陽(yáng)離子物質(zhì)、陰離子物質(zhì)、陽(yáng)離子物質(zhì)和陰離子物質(zhì)的混合物，或者以層狀或其他幾何形式布置的陽(yáng)離子和陰離子物質(zhì)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電極流層中的物質(zhì)由陽(yáng)離子交換材料構(gòu)成。其中一些池可由同種電荷的離子交換膜界定，產(chǎn)生所謂的“中性”池或?qū)?。在其中一個(gè)中性層中，離子穿過(guò)層而不會(huì)改變電離的或可電離物質(zhì)的總濃度。在這些中性池流動(dòng)通道中的離子交換材料可以是兩性的物質(zhì)、陽(yáng)離子物質(zhì)、陰離子物質(zhì)、陽(yáng)離子和陰離子物質(zhì)的混合物，或者以層狀或其他幾何形式布置的陽(yáng)離子和陰離子物質(zhì)。
為了使層中離子交換材料填料的電阻更低，可在填入EDI設(shè)備之前用電解質(zhì)或可混溶于水的有機(jī)物如甘油，丙二醇，糖等的水溶液收縮或部分烘干離子交換材料。當(dāng)使用電解質(zhì)時(shí)，最好使用能增加離子交換材料收縮量的電解質(zhì)(這在本領(lǐng)域是眾所周知的)。在收縮的離子交換材料被導(dǎo)入EDI設(shè)備之前，用水沖洗離子交換材料可使之膨脹，在壓緊的層中產(chǎn)生更大的壓縮力，從而擠壓離子交換材料的珠?；蝾w粒，增加離子交換材料自身之間以及離子交換膜和電極之間的接觸面積。適用于這個(gè)過(guò)程的一種電解質(zhì)是氯化物鹽。在層的初始化啟動(dòng)過(guò)程中，為了避免陽(yáng)極層產(chǎn)生氯，避免陽(yáng)極層中的離子交換材料產(chǎn)生可能的氧化物，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例使用含鹽的非氯化物。
非極化區(qū)域中增強(qiáng)的壓縮力增加了離子交換材料和離子交換膜之間的接觸面積。這個(gè)效果是有益的，因?yàn)楫?dāng)接觸面積增加時(shí)，電阻減小。增加的接觸面積促進(jìn)了離子進(jìn)入離子交換膜，并有助于防止膜在離子交換填充物質(zhì)極化之前出現(xiàn)不希望的極化作用。如果陰離子膜在離子交換材料極化之前極化，穿過(guò)膜的氫氧根離子會(huì)使?jié)饪s液的局部出現(xiàn)較高的PH值。穿過(guò)陽(yáng)離子膜的鈣離子能夠進(jìn)入PH值較高的區(qū)域并沉淀，結(jié)垢。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將離子交換材料是以完全再生的形式填入疊層組件。該優(yōu)選實(shí)施例中從隔離物框的固體表面之間的膜表面擴(kuò)散到產(chǎn)物歧管的鹽最少，隔離物框在有效電場(chǎng)的外側(cè)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例使用由聚合物構(gòu)成的篩網(wǎng)或布，該聚合物至少在表面有離子交換的功能。用珠粒，微?；蚓?xì)纖維離子交換填料填充的EDI池只能使用潔凈無(wú)微粒流。這些填料池通常有較高的流體阻力、跨床壓力梯度和泵能損失。傳統(tǒng)的EDIR也存在潛在缺點(diǎn)，即由于離子交換材料的整個(gè)結(jié)構(gòu)被功能化具有相對(duì)較高的離子存儲(chǔ)能力從而在電流逆轉(zhuǎn)后很慢才能達(dá)到平衡。相反，通過(guò)在聚合物，例如聚丙烯，聚乙烯等的外表上只讓很薄的一層被功能化，使得在電流逆轉(zhuǎn)之后很快就能達(dá)到平衡。使用如機(jī)織型篩網(wǎng)，或者擠出的單纖維篩網(wǎng)(例如Vexar)，或者穿孔的、波紋形的篩網(wǎng)或者擴(kuò)展的塑料篩網(wǎng)都會(huì)產(chǎn)生非常小的水力壓降，從而能使沿流動(dòng)通道更長(zhǎng)并減少泵送能耗。
在所有或大多數(shù)類(lèi)型的IX物質(zhì)中，填料陣列在其邊緣處例如隔離物的壁面，其密度是不連續(xù)的。由于該不連續(xù)性，比大部分填料陣列液流更快的滑流能夠沿著這樣的壁發(fā)展，該滑流在隔離物內(nèi)的停留時(shí)間較短，與離子交換材料的接觸較少。在稀釋層中，污染物從水中去除，這就意味著滑流中的污染物濃度較高，因而其電阻要低于穿過(guò)陣列體部分的體流。因此隔離物出口處滑流與產(chǎn)物流的混合將會(huì)增加總產(chǎn)物流中污染物的總量，降低總產(chǎn)物流的電阻。為了改善滑流的作用，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，在沿著隔離物壁的長(zhǎng)度方向上放入靜止混合器。這些靜止混合器可以間斷地放置或填滿(mǎn)隔離物的整個(gè)敞開(kāi)表面?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)混合器的作用是把滑流與大部分的稀釋流混合在一起，這樣前者就會(huì)與離子交換材料有更長(zhǎng)的接觸時(shí)間，從而有更多的污染物被除去。
靜止混合器可以由例如Vexar公司生產(chǎn)的篩網(wǎng)，或者織物篩網(wǎng)，或者打孔的、波形的或擴(kuò)展的篩網(wǎng)構(gòu)成。靜止混合器可以由聚乙烯，聚丙烯，或任何不溶物質(zhì)制成，并且最好附著在隔離物壁上。在另一種變化形式中，這樣的篩網(wǎng)至少可由離子交換材料的部分構(gòu)成。篩網(wǎng)可以間斷地伸入到的離子交換材料體中或者在整個(gè)隔離物表面上擴(kuò)展從而把滑流與體流混合在一起。在本發(fā)明這方面的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，篩網(wǎng)凹進(jìn)隔離物壁并使液流轉(zhuǎn)向混入壁中的篩網(wǎng)空間。
篩網(wǎng)線(xiàn)的間距可以在0.01英寸(.254mm)和1.0英寸(25.4mm)之間，優(yōu)選的在0.0625英寸(1.59mm)和0.5英寸(12.7mm)之間，最好是在0.1英寸(2.54mm)和0.25英寸(6.35mm)之間。篩網(wǎng)的最佳厚度和靜止混合器沿著隔離物壁放置的最佳間距部分取決于離子交換材料的大小和幾何形狀。對(duì)于平均直徑為0.5mm的離子交換珠?；蝾w粒來(lái)說(shuō)，篩網(wǎng)的厚度在0.001mm和10mm之間是有益的。如果篩網(wǎng)在整個(gè)隔離物中展開(kāi)時(shí)，篩網(wǎng)線(xiàn)應(yīng)該足夠細(xì)并且間距應(yīng)足夠大以便不干涉離子交換材料間的接觸，除非篩網(wǎng)的表面至少是由離子交換材料構(gòu)成。
在電極中產(chǎn)生或液流除氣時(shí)形成的氣泡能夠被離子交換材料捕集。在離子交換珠粒間捕集的小氣泡會(huì)導(dǎo)致EDI隔離物的液壓滲透性和液流產(chǎn)生很大變化。這些小氣泡可以長(zhǎng)大到足以使電流分布很差的尺寸，在極端情況下，會(huì)導(dǎo)致膜氧化或電極失效。在此作為參考的美國(guó)專(zhuān)利5,558,753中公開(kāi)了在濃縮流再循環(huán)回路中除去氣泡的方法。
在EDI疊層組件的稀釋流、濃縮流或電極流中也可以捕集氣泡。按照本發(fā)明的另一方面，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)透氣材料能用來(lái)使被捕集的氣體透過(guò)EDI層。透氣材料可以是疏水多微孔的，以便氣體能夠透過(guò)該材料的微孔，也可以是無(wú)孔的(如硅樹(shù)脂橡膠)以便氣體能夠擴(kuò)散通過(guò)該材料。如果材料是疏水多微孔的，孔的有效直徑必需足夠小以便表面張力能夠阻止液體在EDI設(shè)備的操作壓力下透過(guò)孔造成液體損失。在本發(fā)明這方面的一個(gè)實(shí)施例中，這些材料可以以圖4所示的透氣區(qū)空心纖維和/或其他幾何結(jié)構(gòu)的形式與EDI隔離物結(jié)合在一起。這些透氣物在其面向水流的相反一側(cè)可由其他材料支持。
如圖2、10、11、12和13所示，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種螺旋盤(pán)繞形式的EDI設(shè)備，其流出的產(chǎn)物供入單通道濃縮流的入口。與公開(kāi)了一種將稀釋流和濃縮流密封分開(kāi)的結(jié)構(gòu)的美國(guó)專(zhuān)利5,376,253相比，在本發(fā)明的實(shí)施例中，稀釋的流出液和濃縮的流入液共享一個(gè)共用歧管。這樣，在本發(fā)明的螺旋盤(pán)繞結(jié)構(gòu)中，稀釋流在通過(guò)稀釋流層之前，可以有選擇地供入陽(yáng)離子層或者陰離子層。并且，在電極層之前或者在通過(guò)反向電極層之后的該部分，可以作為產(chǎn)物存在。本發(fā)明的螺旋盤(pán)繞件可由一對(duì)盤(pán)繞在一起的膜(陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜)構(gòu)成(如圖所示)，或者也由兩對(duì)或多對(duì)構(gòu)成(圖中沒(méi)有表示出，但很容易理解其結(jié)構(gòu))。在任何一種情況中，螺旋盤(pán)繞都會(huì)形成一個(gè)(虛擬的)中心軸，膜相對(duì)于該軸盤(pán)繞以產(chǎn)生螺旋形外觀(guān)(當(dāng)向前看時(shí))。通過(guò)濃縮層的液體流可以向內(nèi)流向虛擬的軸，或者向外遠(yuǎn)離該軸流動(dòng)。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，通過(guò)稀釋層的液體相應(yīng)的向外流動(dòng)或者向內(nèi)流動(dòng)。在使用螺旋結(jié)構(gòu)的另一種變化情形中，通過(guò)濃縮層的液體可大致“平行”于虛擬軸(例如，沿著從左到右的方向)，以及交替的“反平行”(在此定義為與“平行”方向相反的方向，在該實(shí)施例中為從右到左)于虛擬軸，相應(yīng)的通過(guò)稀釋層的液流成為逆流，即，分別為“反平行”和交替的“平行”流動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)，在該實(shí)施例中液流在第一方向上可以大致平行于虛擬軸，交替地在相反的第二方向上平行于虛擬軸。
在上面的任一種情況下，通過(guò)螺旋的電流都可以倒轉(zhuǎn)，從而使“舊的”濃縮層變成“新的”稀釋層，并且，相應(yīng)地，“舊的”稀釋層變成“新的”濃縮層。按照本發(fā)明的實(shí)施例，在電流倒轉(zhuǎn)之后，通過(guò)這些層的液流方向倒轉(zhuǎn)，“新的”稀釋層將“純凈的”出流逆流提供給“新的”濃縮層。
按照本發(fā)明配置和操作的供入EDI設(shè)備的優(yōu)選電流可通過(guò)對(duì)下面的公式作圖來(lái)確定Rprod對(duì)I/q(Cin-Cout)其中Rprod是稀釋池產(chǎn)物的電阻，I是EDI設(shè)備的電流，q是稀釋池的體積流量，Cin是供入單個(gè)稀釋池的溶液中的電離的或可電離的物質(zhì)的單位體積當(dāng)量濃度，Cout是從單個(gè)稀釋池中排出的溶液中的電離的或可電離的物質(zhì)的單位體積當(dāng)量濃度。
這個(gè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)將會(huì)有一個(gè)拐點(diǎn)。加到EDI設(shè)備上的優(yōu)選電流將位于這個(gè)拐點(diǎn)之上。Rprod、I、q、Cin和Cout可用任何一種相互一致的單位來(lái)表達(dá)，因?yàn)楦信d趣的對(duì)象是拐點(diǎn)。并且，應(yīng)該注意到在拐點(diǎn)下面的數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合線(xiàn)有一個(gè)斜度，而拐點(diǎn)上面數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合線(xiàn)則有第二個(gè)、不同的斜度。拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)曲線(xiàn)上的點(diǎn)，這里二階導(dǎo)數(shù)(d2Rprod/d(I/q(Cin-Cout))2)的絕對(duì)值最大。這就意味著如果用回歸公式來(lái)擬合曲線(xiàn)上的數(shù)據(jù)，二階導(dǎo)數(shù)仍然是I/q(Cin-Cout)的變量。另一方面，除了Rprod對(duì)I/q(Cin-Cout)的曲線(xiàn)之外，可畫(huà)出下面任一數(shù)據(jù)關(guān)系的曲線(xiàn)以確定拐點(diǎn)Rprod對(duì)i/q(Cin-Cout)Rprod對(duì)i/q(cin-cout)Rprod對(duì)i(RinRprod)/q(Rprod-Rin)Rprod比(RinRprod)/qVp(Rprod-Rin)其中Rin為稀釋層進(jìn)料的電阻，i是平均電流密度，cin是稀釋層進(jìn)料的傳導(dǎo)率，及cout是稀釋層流出物的傳導(dǎo)率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都清楚如何從上面的數(shù)據(jù)關(guān)系中優(yōu)選出一個(gè)拐點(diǎn)附近斜度有急劇變化的關(guān)系。并且，都明白上面關(guān)系式的兩側(cè)都可以乘以或除以一個(gè)常數(shù)而不會(huì)改變拐點(diǎn)的值，在關(guān)系式每一側(cè)乘以或除以的常數(shù)不需要相同，因?yàn)榭梢岳斫馄鋽U(kuò)大或縮小了一個(gè)或另一個(gè)軸，或者兩軸，另外，在關(guān)系式的任一側(cè)加上或減去一個(gè)常數(shù)，會(huì)改變拐點(diǎn)在圖中的位置，并且其值也會(huì)發(fā)生變化。舉例來(lái)說(shuō)，這意味著在一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)中，如果要使拐點(diǎn)的確定更加簡(jiǎn)單或更方便，可以單獨(dú)地?cái)U(kuò)大或縮短或平移軸。如果需要，可以用本領(lǐng)域中的其他熟知方法來(lái)處理相關(guān)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明另外還提供了一種根據(jù)供入設(shè)備的離子負(fù)荷來(lái)自動(dòng)控制輸入EDI設(shè)備的電流方法。從效率的角度出發(fā)，在高離子負(fù)荷時(shí)希望有更多的電流通過(guò)設(shè)備，當(dāng)離子負(fù)荷降低時(shí)，電流也減少。按照本發(fā)明可通過(guò)與之相連的電導(dǎo)池/計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)EDI的進(jìn)料，并列用(最好是經(jīng)溫度修正的)電導(dǎo)計(jì)的輸出來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)供入EDI設(shè)備的電流量，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此該實(shí)施例能使平均能量消耗最小，提高了設(shè)備的整體性能。
使用電滲析來(lái)從水溶液中有效地捕集二氧化硅和硼酸通常需要大量可再生的陰離子樹(shù)脂?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)稀釋流中碳酸鹽的存在會(huì)極大地減少這種陰離子樹(shù)脂的可用量，這樣二氧化硅和硼酸的捕集效率會(huì)由于碳酸鹽的存在而極大地降低。除去第一部分以外的所有碳酸鹽的電流效率很低，這是因?yàn)榇罅康臉?shù)脂都以O(shè)H-1的形式存在，對(duì)于特定的樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，OH-1的遷移率是碳酸鹽的3倍。當(dāng)陰離子樹(shù)脂為50％碳酸鹽和50％氫氧化物時(shí)，需要8個(gè)電子來(lái)除去一個(gè)CO2分子，6個(gè)電子去除OH-，兩個(gè)電子去除CO3-2。當(dāng)陰離子樹(shù)脂為20％碳酸鹽和80％氫氧化物時(shí)，需要26個(gè)電子來(lái)除去一個(gè)碳酸鹽，而其中24個(gè)電子則浪費(fèi)在OH-的去除。如果樹(shù)脂沒(méi)有被高度極化，那么每個(gè)CO2只需使用一個(gè)電子就可以把CO2作為碳酸氫根除去。(盡管HCO3-只有OH-遷移率的大約20％，如果HCO3-的濃度很大，實(shí)質(zhì)上就不存在OH-離子。)按照本發(fā)明運(yùn)行疊層組件，相對(duì)于離子負(fù)荷實(shí)時(shí)地控制電流，將會(huì)導(dǎo)致CO2主要以碳酸氫根的形式以相對(duì)較高的效率在疊層組件基本相同的位置處被除去。并且平均能量消耗最小，該運(yùn)行模式能使該疊層組件中以所需OH-形式存在的陰離子樹(shù)脂達(dá)到最多。
該現(xiàn)象可以由一個(gè)例子來(lái)很好地解釋如果電流是常數(shù)，陰離子負(fù)荷在短暫時(shí)間內(nèi)加倍，CO2將從非?？拷B層組件出口端的樹(shù)脂中捕集去除。在高陰離子負(fù)荷下，CO2將以碳酸氫根被有效去除，但疊層組件除去二氧化硅的能力由于用來(lái)捕集二氧化硅的氫氧化物形式的樹(shù)脂的減少而受到嚴(yán)重?fù)p害。并且由于碳酸鹽以及之后的碳酸氫鹽兩者都會(huì)置換陰離子樹(shù)脂中存在的硅酸鹽，因此會(huì)有大量的二氧化硅瞬時(shí)釋放到產(chǎn)物水中從而使問(wèn)題惡化。即使在陰離子瞬時(shí)高負(fù)荷結(jié)束之后，情況也不會(huì)好轉(zhuǎn)。HCO3-1飽和樹(shù)脂迅速極化，產(chǎn)生的碳酸鹽的電去除效率迅速下降。這樣，在該系統(tǒng)中需要很長(zhǎng)時(shí)間和大量電流來(lái)重新恢復(fù)捕集二氧化硅的效率。由這個(gè)例子可以推斷出，疊層組件運(yùn)行中電流效率的連續(xù)波動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致二氧化硅的去除效果變差，這與疊層組件以最低瞬時(shí)電流效率連續(xù)運(yùn)行的情況同樣的糟糕。
按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例可以發(fā)現(xiàn)，從進(jìn)料傳導(dǎo)率(或傳導(dǎo)率，液流和堿度)和/或疊層組件電阻抗到控制電流的反饋回路能夠大大提高系統(tǒng)性能。在電滲析疊層組件中插入分段電極會(huì)有助于電流的控制?？蓪⑷我换騼蓚€(gè)電極分段，從而允許稀釋層流動(dòng)通道中不同區(qū)域的電流(密度)按照該層的離子負(fù)荷被精細(xì)調(diào)整。這些分段電極也可用來(lái)確定沿流動(dòng)通道長(zhǎng)度各不同區(qū)域處的阻抗。該阻抗信息可被用來(lái)確定離子交換材料的相對(duì)狀態(tài)(既，完全再生離子交換材料與鹽形式的離子交換材料相比有較低的電阻)，自動(dòng)調(diào)節(jié)通過(guò)特定段的電流從而按照離子負(fù)荷精細(xì)調(diào)整輸送到單個(gè)段的電流(密度)。
此外，無(wú)論是否與陰離子交換膜結(jié)合一起或部分結(jié)合在一起，陰離子交換樹(shù)脂的本質(zhì)(類(lèi)型)沿著流動(dòng)通道而變化。按堿度降低的順序，普通的陰離子交換部分近似排列如下(1) “類(lèi)型I”，聚(N-乙烯基苯甲基-N，N，N-三甲基銨)(2) “類(lèi)型III”，聚(N-乙烯基苯甲基-N-(3-羥基丙基)-N，N-二甲基銨)(3)
“四元丙烯酸”，聚((N-丙烯酰胺基丙基)-N，N，N-三甲基銨)(4) “類(lèi)型II”，聚(N-乙烯基苯甲基-N-(2-羥基乙基)-N，N-二甲基銨)(5) “弱堿”，聚(N-丙烯酰胺丙基)-N，N-二甲基胺。
在所謂的弱堿陰離子交換樹(shù)脂中后面的陰離子交換樹(shù)脂(上面的分子式5)呈現(xiàn)出最大的堿性，在自由堿狀態(tài)時(shí)，有足夠的堿與CO2(明顯主要是以HCO3-而不是CO3-2被吸收)形成鹽。而并不是以足夠的堿與二氧化硅形成鹽。
在上面的堿度遞減的順序所得的表的上端，類(lèi)型I的陰離子交換(“AX”)樹(shù)脂(上面的分子式1)和它們氫氧化物形式的等價(jià)物是強(qiáng)堿，能用來(lái)吸收二氧化硅和硼酸，并能像上面提到那樣主要以CO3-2而不是HCO3-1的形式吸收CO2。
上面樹(shù)脂中的固有pKb(堿離解常數(shù)的負(fù)對(duì)數(shù))在文獻(xiàn)中已有報(bào)道。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，由被吸收的游離和化合的CO2所攜帶的電流分?jǐn)?shù)與由氫氧根離子所攜帶的電流分?jǐn)?shù)的比值，對(duì)于上表底部(分子式5)的弱堿樹(shù)脂來(lái)說(shuō)最大，對(duì)于表頂部(分子式1)的強(qiáng)堿樹(shù)脂最小。因此，按照本發(fā)明的該實(shí)施例，最好使用上表底部(例如，分子式4和5或它們的等價(jià)物)的樹(shù)脂來(lái)定位和控制液流出口附近稀釋層流動(dòng)通道區(qū)域內(nèi)游離和化合二氧化碳的去除，使用上表頂部(例如，分子式1、2和3或它們的等價(jià)物)的樹(shù)脂來(lái)定位和控制鄰近液流出口附近稀釋層流動(dòng)通道區(qū)域內(nèi)的二氧化硅和硼酸的去除。
雖然上面列出的類(lèi)型II樹(shù)脂和弱堿樹(shù)脂通常被看作“中間堿”樹(shù)脂，但該術(shù)語(yǔ)通常是指含有四價(jià)銨基團(tuán)和非四價(jià)胺基團(tuán)的陰離子交換樹(shù)脂。這類(lèi)樹(shù)脂可以用適當(dāng)?shù)乃膬r(jià)銨樹(shù)脂控制降解來(lái)制備或制造。相對(duì)于表中樹(shù)脂，樹(shù)脂的多種多樣使在上表很難包括所有的樹(shù)脂，但是對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例來(lái)說(shuō)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能容易地確定任何特定中間堿或其他樹(shù)脂的作用。
特別地，如圖5、6、7、8和9所示，ED或EDI受益于離子交換膜表面上的不均勻紋理或凸起樹(shù)脂，因?yàn)檫m當(dāng)幾何形狀的表面會(huì)在膜表面產(chǎn)生更多的湍流，除了產(chǎn)生更大的表面積以外，還降低了膜表面附近停滯的離子耗盡區(qū)的形成。膜表面附近停滯的離子耗盡區(qū)的形成將導(dǎo)致所謂的“濃差極化”現(xiàn)象，該現(xiàn)象對(duì)ED和EDI系統(tǒng)的性能具有負(fù)面影響。本發(fā)明實(shí)施例中有紋理和凸起的表面的膜可用于任何電滲析層中，該過(guò)程受益于膜上湍流的增加和/或膜表面積的增加，該表面積包括膜間或膜和電極間的通道。
本發(fā)明該實(shí)施例的離子交換膜被有利地成圖案以便能產(chǎn)生多個(gè)層。例如，在一種優(yōu)選形式中，在其一個(gè)深度處形成流動(dòng)通道，在流動(dòng)通道之間產(chǎn)生有紋理的表面。在膜的周邊上，其表面較低以接納膜的邊緣和緊鄰的膜之間的不導(dǎo)電或?qū)щ娍?。在這種方式中，ED、EDI、EDIR或EDI疊層組件可以不使用分隔的“隔離物”而在膜之間產(chǎn)生被處理液體的流動(dòng)通道。
本發(fā)明實(shí)施例的新膜也可用在非電的系統(tǒng)中，其中離子交換、離子捕集，或中和發(fā)生在流體中的離子和具有較大表面積的固體離子交換介質(zhì)之間的中和。這種膜的應(yīng)用包括，但不限于，被用作脫礦器、水軟化介質(zhì)、PH調(diào)節(jié)介質(zhì)，和金屬選擇性和離子選擇性介質(zhì)(硝酸鹽選擇性或一價(jià)離子選擇性)。
按照本發(fā)明，將不均勻紋理和凸起的樹(shù)脂用作離子交換膜的表面，能夠使用在EDI、EDIR、ED、EDR或其他使用離子交換膜的電驅(qū)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生更大的表面積，這都受益于圖5、6、7、8和9中所示的不平表面。這些表面有紋理或凸起的膜可用標(biāo)準(zhǔn)膜制造成離子交換膜。這些膜也可被制成電荷選擇(一價(jià)離子選擇)膜，或者物質(zhì)選擇膜，例如重金屬選擇膜、硝酸鹽選擇膜或鈉選擇膜。
在此描述的有表面凸起的膜的一個(gè)特別好的應(yīng)用是在EDI設(shè)備中代替通常放在兩個(gè)膜之間或膜和電極之間的離子交換樹(shù)脂。按照本發(fā)明，目前使用與同種電荷離子交換膜鄰近的離子交換樹(shù)脂的EDI疊層組件的任何部分最好用表面有凸起的膜代替。同樣，這樣的膜可用于任何電滲析層中，該層將受益于跨膜湍流的增強(qiáng)和/或膜表面積的增加，即通過(guò)膜之間或膜與電極之間的通道。
在EDI疊層組件中使用這樣有表面紋理的膜有助于增加填料池中離子交換材料與膜表面的接觸面積。象前面討論的那樣，接觸面積的增加會(huì)降低池的電阻并促進(jìn)離子從離子交換填充材料傳送到離子交換膜。
圖5A和5B中顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的表面有紋理的膜，其中該膜片只有一個(gè)側(cè)面具有表面紋理，于是可以緊挨著一膜片的光滑表面，或者緊挨著離子交換材料形成填料池。在第一種情況下，膜的有紋理的表面也為膜間流動(dòng)的液體提供了流動(dòng)通道，而不需要通常被用來(lái)產(chǎn)生水流通道的隔離物和篩網(wǎng)。在第二種情況下，膜的有紋理的表面也在離子交換填充材料和膜之間提供了較大的接觸面積。
在另一個(gè)實(shí)施例中，膜的兩個(gè)側(cè)面都是有紋理的表面。一種情況，與鄰近的膜的有紋理的表面結(jié)合，在膜之間形成流過(guò)液體的流動(dòng)通道，而不需通常被用來(lái)產(chǎn)生水流通道的隔離物和篩網(wǎng)。另一種情況，兩個(gè)膜的紋理表面形成了一個(gè)包括離子交換材料的填料池，并在離子交換材料和膜之間提供了一個(gè)較大的接觸面。在再一個(gè)實(shí)施例中，疊層組件中其他所有膜的兩側(cè)都具有紋理，而插入的膜的兩側(cè)都沒(méi)有紋理。
在本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖6和7所示，制造表面有凸起的膜，從而在膜的一側(cè)或兩側(cè)的膜面內(nèi)形成一個(gè)限定的流動(dòng)通道。這個(gè)流動(dòng)通道可以是所希望的任何形狀，可以具有光滑的壁和底，或者在流道中制成波形以促進(jìn)湍流，或者與填充流動(dòng)通道的離子交換材料有更大的接觸面積。
本發(fā)明表面有紋理和凸起的膜可以以各種方式制造出來(lái)。一種方法是使用花紋表面脫模層把所希望的紋理傳到膜表面。脫模層上的花紋可用各種方式如鑄造、模壓、真空成形等方式形式。脫模層的再利用或處理取決于脫模層材料的費(fèi)用和耐久性。
另一種方法中使用有圖案的篩網(wǎng)或者脫模層另一花紋層的外側(cè)的來(lái)在膜上形成有紋理的表面。這種情況下的脫模層必須是易曲的，從而允許膜單體在足夠的壓力下按照?qǐng)D案在模上形成有紋理的表面。
上面描述的方法可用于制造大體上是平的但其表面有紋理的膜。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，整個(gè)膜都被膜制或成形為三維形狀。為了密封的需要，膜的邊緣是平的，而膜的流動(dòng)通道面被塑造成為盤(pán)旋的蛋箱(eggcrate)、褶皺、波紋、凸起或者凹陷等。圖8和9中所示為這些類(lèi)型的膜所可能采用的形式。圖8描繪了一種可折疊褶皺狀膜，為了表達(dá)的需要，極大地夸大了褶皺的尺寸。褶皺的尺寸范圍應(yīng)大約在0.010英寸到大約0.5英寸之間。類(lèi)似地，圖9中描繪了波紋形膜。褶皺和波紋形圖案可相對(duì)于流體的流動(dòng)方向具有大約10度到大約80度范圍的角度，優(yōu)選為大約45度。鄰近的下一個(gè)膜的褶皺或波紋方向與之相反，并與第一個(gè)膜的褶皺或波紋接觸，從而在膜之間所形成的流體流動(dòng)通道促進(jìn)了湍流。
本發(fā)明該方面所使用的膜可由單體形式反應(yīng)生成大體上完全聚合的形式，在過(guò)程的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，花紋的產(chǎn)生方法都布置就位。另一方面，膜可部分聚合以產(chǎn)生本領(lǐng)域中公知的“半固化片”物質(zhì)，然后用優(yōu)選的模型來(lái)壓印，此后再大體上完全聚合。具有上述形式或紋理的膜可由混合了聚合物粘合劑的離子交換樹(shù)脂通過(guò)真空或熱壓來(lái)塑造或者成形。這種膜在本領(lǐng)域中被稱(chēng)為“異型膜”。
在現(xiàn)有的ED技術(shù)中，極性逆轉(zhuǎn)可把那些很難穿過(guò)膜的物質(zhì)，包括大的離子和有機(jī)物從稀釋流中除去，其結(jié)果是進(jìn)入逆循環(huán)的鹽水流中。該凈化過(guò)程極大地增加了兩次凈化之間的運(yùn)行時(shí)間。按照本發(fā)明利用“逆流鹽水”構(gòu)想的ED/EDI疊層組件比使用再循環(huán)鹽水的標(biāo)準(zhǔn)ED/EDI疊層組件在本質(zhì)上更適于極化和液流逆轉(zhuǎn)。在采用再循環(huán)鹽水的標(biāo)準(zhǔn)ED/EDI疊層組件中，濃縮層中的離子交換材料大體上都是鹽的形式。當(dāng)導(dǎo)致濃縮層變成稀釋層的DC電極極性逆轉(zhuǎn)時(shí)，一些鹽會(huì)進(jìn)入產(chǎn)物流直到離子交換材料的下游大部分被水解產(chǎn)生的氫和氫氧根離子再生。在再生所需的時(shí)間段內(nèi)，產(chǎn)物的電阻比通常運(yùn)行過(guò)程的電阻低得多(因?yàn)殡x子數(shù)量的增加)，于是這部分產(chǎn)物水必須被拋棄或者再循環(huán)。如果這部分水混合到正常的產(chǎn)物中，將會(huì)使整個(gè)產(chǎn)物的電阻更低并降低產(chǎn)物的質(zhì)量。
通過(guò)對(duì)比，在本發(fā)明的逆流鹽水疊層組件中，在稀釋層進(jìn)料口附近的離子交換材料和濃縮層出口附近的離子交換材料大部分是鹽的形式；并且，與稀釋層出口越近的離子交換材料及與濃縮層入口越近的離子交換材料大部分都是再生形式。這樣，當(dāng)DC電極極性逆轉(zhuǎn)時(shí)(濃縮層變成稀釋層，在兩種類(lèi)型的層中的液流方向逆轉(zhuǎn))，產(chǎn)物水的電阻會(huì)維持在與正常運(yùn)行時(shí)大體相同的水平。這表明在傳統(tǒng)ED/EDI系統(tǒng)之上有了很大的提高。極性逆轉(zhuǎn)可經(jīng)常進(jìn)行，例如每小時(shí)幾次，也可不經(jīng)常發(fā)生，例如每天甚至幾個(gè)月一次?？赏ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)拈y門(mén)來(lái)自動(dòng)和手工完成這種逆轉(zhuǎn)，或者通過(guò)系統(tǒng)的人工“復(fù)排路”來(lái)完成?？蓪⒒瘜W(xué)釋放劑，這包括鹽、酸、堿，和/或非離子去污劑加到鹽水流中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在鹽水流入裝置的鹽水流下游的某個(gè)點(diǎn)處提供一個(gè)額外的流入裝置來(lái)引入前述的化學(xué)釋放介質(zhì)。
在本發(fā)明這里的另外一個(gè)實(shí)施例中，在離子交換膜的一個(gè)或兩個(gè)表面上加上不均勻膜紋理或者凸起的樹(shù)脂形態(tài)可以大大增加，EDI、ED、EDR或者其他未用離子交換膜的電驅(qū)動(dòng)過(guò)程所用到的表面積，這都得益于非平表面，并適用于標(biāo)準(zhǔn)離子交換過(guò)程。有凸起表面的膜與通常放置在兩個(gè)膜之間或者膜和電極之間的離子交換樹(shù)脂一起或代替離子交換樹(shù)脂用于EDI?，F(xiàn)在使用的緊靠相同電荷離子交換膜的離子交換樹(shù)脂的EDI疊層組件任何部分，可以被表面有紋理或者凸起的膜代替。同樣，這些類(lèi)型的膜可以被用于任何電滲析層中，從而增加跨膜湍流和/或提高膜的表面積，或者在膜和電極之間產(chǎn)生通道。這些表面有紋理的膜也被用于EDI疊層組件來(lái)增加填料池中離子交換材料和膜之間的接觸面積。增加的接觸面積減小了池電阻并促進(jìn)了離子從離子交換填充材料到離子交換膜的傳送。
很明顯，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍內(nèi)對(duì)上面描述的設(shè)備，過(guò)程和方法進(jìn)行改變和修改，以上所述應(yīng)被解釋為一種例證，而不是一種限制。
權(quán)利要求
1.一種電滲析設(shè)備，其包括一個(gè)疊層組件，該疊層組件至少包括一個(gè)稀釋層，至少一個(gè)濃縮層，至少一個(gè)電極層，至少一對(duì)電極，和使液體流入或流出所述疊層組件的入口和出口，所述的疊層組件還包括選自下組的一個(gè)或幾個(gè)子系統(tǒng)a)所述疊層組件中的歧管系統(tǒng)，其能使從所述疊層組件稀釋層的流出物至少部分流過(guò)所述疊層組件中的濃縮層，其流動(dòng)方向與所述稀釋層中的流體流動(dòng)方向大體相反；b)所述疊層組件內(nèi)部的歧管系統(tǒng)，其能使從所述疊層組件稀釋層的流出物至少部分流過(guò)所述疊層組件的至少一個(gè)電極層；c)濃縮層，其具有與陽(yáng)離子交換膜并置的離子交換材料，以及與陰離子交換膜并置的離子交換材料，所述的與陽(yáng)離子交換膜并置的離子交換材料大體上僅由陽(yáng)離子交換材料構(gòu)成，同時(shí)所述的與陰離子交換膜并置的離子交換材料大體上僅由陰離子交換材料構(gòu)成，并且其中所述的離子交換材料不與所述的陰離子或陽(yáng)離子膜組成整體，所述的離子交換材料可通過(guò)流經(jīng)所述濃縮層滲透到液體主流；d)至少一個(gè)混合元件，其位于濃縮層隔離物中至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一個(gè)邊緣處或邊緣上，用來(lái)使在所述邊緣處的液流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述邊緣；e)至少一個(gè)混合元件，其位于稀釋層隔離物中至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一個(gè)邊緣處或邊緣上，用于使所述邊緣處的液流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述邊緣；f)膜間隔離物，其包括一個(gè)或多個(gè)能使所述隔離物的流動(dòng)通道中的氣體從所述流動(dòng)通道中排出的透氣件，所述的透氣件不能使液體從所述流動(dòng)通道中排出；g)具有流動(dòng)通道的濃縮層，其至少包括一個(gè)具有表面區(qū)域的篩網(wǎng)，所述篩網(wǎng)大體上僅在所述表面區(qū)域上包括一個(gè)離子交換功能區(qū)；h)具有流動(dòng)通道的稀釋層，其至少包括一個(gè)具有表面區(qū)域的篩網(wǎng)，所述篩網(wǎng)大體上僅在所述表面區(qū)域上包括一個(gè)離子交換功能區(qū)；i)一個(gè)根據(jù)Rprod和I/q(cin-cout)之間的關(guān)系來(lái)優(yōu)化電流的電流調(diào)整系統(tǒng)，其中Rprod是所述疊層組件稀釋層產(chǎn)物的電阻測(cè)量值，I是施加到所述疊層組件的電流的測(cè)量值，q是所述稀釋層流量的測(cè)量值，cin是供入所述稀釋層的液體中單位體積電離的和/或可電離物質(zhì)的測(cè)量值，cout是從所述稀釋層流出的液體中單位體積電離的和/或可電離物質(zhì)的測(cè)量值，使用在這種關(guān)系中任何拐點(diǎn)的測(cè)定，和一個(gè)疊層組件運(yùn)行控制系統(tǒng)，控制所述疊層組件運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)I/q(cin-cout)值處，該值使Rprod值大于所述拐點(diǎn)處的Rprod值；j)一個(gè)電流控制系統(tǒng)，其用來(lái)維持所述疊層組件稀釋層中二氧化硅和/或硼酸的預(yù)定去除，所述的電流控制系統(tǒng)包括一個(gè)用來(lái)確定供入所述稀釋層的離子負(fù)荷的測(cè)量系統(tǒng)，和一個(gè)響應(yīng)于所述離子負(fù)荷的控制機(jī)構(gòu)，控制所述電流在有效維持預(yù)定去除的水平；k)稀釋層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述稀釋層中至少一些稀釋層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，與結(jié)構(gòu)類(lèi)似但不具有表面紋理的膜相比，所述的表面紋理有效地增加了所述膜的表面積；l)濃縮層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述層中至少一些層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，與結(jié)構(gòu)類(lèi)似但不具有表面紋理的膜相比，所述的表面紋理有效地增加了所述膜的表面積；m)稀釋層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述稀釋層中至少一些稀釋層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，所述的表面紋理有效地與鄰近膜相接觸，所述鄰近的膜具有或不具有表面紋理；n)濃縮層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述濃縮層中至少一些濃縮層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，所述的表面紋理有效地與鄰近膜相接觸，所述鄰近的膜具有或不具有表面紋理；o)一個(gè)用于維持游離和化合二氧化碳在所述疊層組件稀釋層中預(yù)定區(qū)域內(nèi)去除的電流控制系統(tǒng)，其包括一個(gè)用于確定供入所述稀釋層的離子負(fù)荷的測(cè)量系統(tǒng)和一個(gè)響應(yīng)于所述離子負(fù)荷的控制機(jī)構(gòu)，以便控制所述電流在一定水平上，從而有效地維持該預(yù)定區(qū)域內(nèi)的去除。
2.如權(quán)利要求1所述的電滲析設(shè)備，還包括一個(gè)或多個(gè)以螺旋形式盤(pán)繞在一起的陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜，它們一起形成了一個(gè)或多個(gè)螺旋稀釋層和一個(gè)或多個(gè)螺旋濃縮層。
3.如權(quán)利要求2所述的電滲析設(shè)備，還包括液體入口和液體出口，其排列成液體在所述一個(gè)或多個(gè)螺旋稀釋層中的一個(gè)螺旋中向內(nèi)流動(dòng)或者交替地在一個(gè)螺旋中向外流動(dòng)。
4.如權(quán)利要求2所述的電滲析設(shè)備，其中所述的一個(gè)或多個(gè)螺旋稀釋層形成了一個(gè)中心軸，所述疊層組件也具有一個(gè)或多個(gè)液體入口和出口，這些入口和出口排列成使液體在所述的一個(gè)或多個(gè)螺旋稀釋層中沿一個(gè)平行于所述中心軸的方向流動(dòng)。
5.如權(quán)利要求2所述的電滲析設(shè)備，其中所述的一個(gè)或多個(gè)嫘旋濃縮層形成了一個(gè)中心軸，所述疊層組件還具有一個(gè)或多個(gè)液體入口和出口，這些出口和入口排列成使液體在所述的一個(gè)或多個(gè)螺旋濃縮層中的一個(gè)螺旋中向內(nèi)流動(dòng)或交替地在另一個(gè)螺旋中向外流動(dòng)。
6.如權(quán)利要求2所述的電滲析設(shè)備，其中所述的一個(gè)或多個(gè)螺旋濃縮層形成了一個(gè)中心軸，所述疊層組件還具有一個(gè)或多個(gè)液體入口和出口，這些入口和出口排列成使液體在所述的一個(gè)或多個(gè)螺旋濃縮層中沿一個(gè)平行于所述中心軸的方向流動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的電滲析設(shè)備，還包括一個(gè)用于倒轉(zhuǎn)電流流過(guò)所述疊層組件的方向的電流開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的電滲析設(shè)備，還包括一個(gè)用于倒轉(zhuǎn)所述疊層組件中稀釋層和濃縮層中流體流動(dòng)方向的流體流動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的電滲析設(shè)備，其中所述的稀釋層包括與陽(yáng)離子交換膜并置的離子交換材料和與陰離子交換膜并置的離子交換材料，至少與所述陰離子交換膜并置的所述離子交換材料包括有陰離子交換材料，當(dāng)化合的二氧化碳實(shí)質(zhì)上僅是碳酸氫鹽的時(shí)候，所述陰離子交換材料能有效地在所述層入口的附近區(qū)域，把游離的和化合的(有效的)二氧化碳主要以碳酸氫鹽從進(jìn)入到所述層的液體中除去。
10.如權(quán)利要求9所述的電滲析設(shè)備，其中在與所述層入口鄰近的區(qū)域內(nèi)，所述陰離子交換材料不與所述的陰離子交換膜組成整體。
11.如權(quán)利要求9所述的電滲析設(shè)備，其中在與所述層入口鄰近的區(qū)域內(nèi)，所述陰離子交換材料至少部分與所述的陰離子交換膜組成整體。
12.如權(quán)利要求1所述的電滲析設(shè)備，其中用于維持所述稀釋層中的二氧化硅和/或硼酸的預(yù)定去除的所述電流控制系統(tǒng)還包括至少一個(gè)分段電極和一個(gè)響應(yīng)于所述離子負(fù)荷的控制機(jī)構(gòu)，以便控制所述的至少一個(gè)分段電極的電流。
13.如權(quán)利要求1所述的電滲析設(shè)備，其中用于維持所述預(yù)定區(qū)域中游離和化合二氧化碳去除的所述電控制系統(tǒng)還包括至少一個(gè)分段電極和一個(gè)響應(yīng)于所述離子負(fù)荷的控制機(jī)構(gòu)，以便控制所述至少一個(gè)分段電極的電流。
14.從含有電離的和/或可電離的物質(zhì)液體中除去電離的和/或可電離的物質(zhì)的方法，該方法包括以下步驟提供一個(gè)電滲析疊層組件，該疊層組件包括至少一個(gè)稀釋層，至少一個(gè)濃縮層，至少一個(gè)電極層，至少一對(duì)電極，和使液體從所述疊層組件流入或流出的入口和出口，所述疊層組件還包括選自下組的一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)a)在所述疊層組件內(nèi)部的設(shè)備，其能使從所述疊層組件稀釋層中流出物以大體上與所述稀釋層中流體的流動(dòng)方向相反的方向至少部分流過(guò)所述疊層組件濃縮層；b)在所述疊層組件內(nèi)的設(shè)備，其能使所述疊層組件稀釋層的流出物，至少部分流過(guò)所述疊層組件的至少一個(gè)電極層；c)濃縮層，其具有與陽(yáng)離子交換膜并置的離子交換材料，以及與陰離子交換膜并置的離子交換材料，所述的與陽(yáng)離子交換膜并置的離子交換材料大體上僅由陽(yáng)離子交換材料構(gòu)成，同時(shí)所述的與陰離子交換膜并置的離子交換材料大體上僅由陰離子交換材料構(gòu)成，并且其中所述的離子交換材料不與所述的陰離子或陽(yáng)離子交換膜組成整體，所述的離子交換材料可通過(guò)所述濃縮層滲透液體體流；d)位于濃縮層隔離物中至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一個(gè)邊緣處和/或上的設(shè)備，其用來(lái)使在所述邊處的液流轉(zhuǎn)向并遠(yuǎn)離所述邊；e)位于稀釋層隔離中至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一個(gè)邊緣處和/或上的設(shè)備，其用來(lái)使在所述邊處的液流轉(zhuǎn)向并遠(yuǎn)離所述邊；f)膜間隔離物，其包括位于其內(nèi)的能使所述隔離物中的流動(dòng)通道中的氣體從所述流動(dòng)通道中排出的設(shè)備，所述的設(shè)備不能使液體大量地從所述流動(dòng)通道中排出；g)具有流動(dòng)通道的濃縮層，其至少包括一個(gè)具有表面區(qū)域的篩網(wǎng)，所述篩網(wǎng)大體上僅在所述表面區(qū)域上包括一個(gè)離子交換功能區(qū)；h)具有流動(dòng)通道的稀釋層，其至少包括一個(gè)具有表面區(qū)域的篩網(wǎng)，所述篩網(wǎng)大體上僅在所述表面區(qū)域上包括一個(gè)離子交換功能區(qū)；i)一個(gè)用于確定Rprod和I/q(cin-cout)間的關(guān)系的相關(guān)性-確定設(shè)備，其中Rprod是所述疊層組件稀釋層產(chǎn)物的電阻測(cè)量值，I是施加到所述疊層組件的電流的測(cè)量值，q是稀釋層流量的測(cè)量值，cin是供入所述稀釋層的液體中單位體積電離的和/或可電離物質(zhì)的測(cè)量值，cout是從所述稀釋層流出的液體中單位體積電離的和/或可電離物質(zhì)的測(cè)量值，用于確定該關(guān)系的任何拐點(diǎn)的拐點(diǎn)確定設(shè)備，一個(gè)疊層組件運(yùn)行設(shè)備，其控制所述疊層組件運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)I/q(cin-cout)值處，該值使Rprod值大于所述拐點(diǎn)處的Rprod值；j)用于維持預(yù)定的所述疊層組件稀釋層中二氧化硅和/或硼酸的預(yù)定去除的設(shè)備，所述設(shè)備包括一個(gè)用來(lái)確定供入所述稀釋層的離子負(fù)荷的設(shè)備，和一個(gè)響應(yīng)于所述離子負(fù)荷的設(shè)備，其將所述電流控制在一水平上以有效地維持預(yù)定的去除；k)稀釋層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述層中至少一些層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，與結(jié)構(gòu)類(lèi)似但不具有表面紋理的膜相比，所述的表面紋理有效地增加了所述膜的表面積；l)濃縮層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述層中至少一些稀釋層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，與結(jié)構(gòu)類(lèi)似但不具有表面紋理的膜相比，所述的表面紋理有效地增加了所述膜的表面積；m)稀釋層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述稀釋層中至少一些稀釋層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，所述的表面紋理有效地與鄰近膜相接觸，所述鄰近的膜具有或不具有表面紋理；n)濃縮層，其包括至少一個(gè)具有表面紋理的膜，該膜面向所述濃縮層中至少一些濃縮層的至少一個(gè)流動(dòng)通道的至少一部分，所述的表面紋理有效地與鄰近膜相接觸，所述鄰近膜具有或不具有表面紋理；o)一個(gè)用于維持游離的和化合的二氧化碳在所述疊層組件稀釋層中預(yù)定區(qū)域內(nèi)去除的設(shè)備，其包括一個(gè)用于確定供入所述稀釋層的離子負(fù)荷的設(shè)備和一個(gè)響應(yīng)于所述離子負(fù)荷的設(shè)備，以便將所述電流控制在一定水平上，從而維持該預(yù)定區(qū)域內(nèi)的去除；并使流體流入所述疊層組件以及往所述的疊層組件中供入電流。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括提供一個(gè)或多個(gè)以螺旋形式盤(pán)繞在一起的陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜，以使它們一起形成一個(gè)或多個(gè)螺旋稀釋層的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括提供液體入口和液體出口，將它們排列成液體在所述一個(gè)或多個(gè)螺旋稀釋層中的一個(gè)螺旋中向內(nèi)流動(dòng)或者交替地在一個(gè)螺旋中向外流動(dòng)的步驟，所述方法還包括使所述層中的流體在所述的螺旋中向內(nèi)流動(dòng)，交替地在所述螺旋中向外流動(dòng)。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括提供一個(gè)或多個(gè)形成了一個(gè)中心軸的螺旋稀釋層的步驟，所述方法也提供一個(gè)或多個(gè)液體入口和出口，這些入口和出口排列成使液體在所述的一個(gè)或多個(gè)螺旋稀釋層中沿一個(gè)平行于，交替地反平行于所述軸的方向流動(dòng)，所述方法還包括使液體在所述層中平行于，交替地反平行于所述軸周期性地流動(dòng)。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括提供一個(gè)用于逆轉(zhuǎn)通過(guò)所述疊層組件的電流方向的設(shè)備的步驟，其中所述的方法還包括逆轉(zhuǎn)電流的方向。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括提供一個(gè)用于逆轉(zhuǎn)稀釋層和離子濃縮層中流體的流動(dòng)方向的設(shè)備的方法，其中所述的方法還包括逆轉(zhuǎn)稀釋層中和離子濃縮層中的流動(dòng)方向。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括在所述疊層組件的稀釋層中提供與陽(yáng)離子交換膜并置的離子交換材料和與陰離子交換膜并置的離子交換材料，至少與所述陰離子交換膜并置的所述離子交換材料包括有陰離子交換材料，當(dāng)化合的二氧化碳實(shí)質(zhì)上僅是碳酸氫鹽的時(shí)候，在所述層入口的附近區(qū)域，所述陰離子交換材料能有效地把游離的和化合的(有效的)二氧化碳主要以碳酸氫鹽的形式從進(jìn)入所述層的液體中除去的步驟，所述的方法還包括使液體流入所述的層中，所述的液體包括但不限于游離的和/或化合的二氧化碳，并把游離的和化合的二氧化碳從所述的液體中除去。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括提供至少一個(gè)分段電極和響應(yīng)于供入所述稀釋層中所述離子負(fù)荷的設(shè)備的步驟，其中所述的方法還包括控制供入所述至少一個(gè)分段電極的電流。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括步驟(a)確定Rprod與I/q(cin-cout)的值之間的相關(guān)性，其中Rprod是所述的疊層組件稀釋層產(chǎn)物的電阻的測(cè)量值，I是施加到所述疊層組件的電流測(cè)量值，q是所述稀釋層流量的測(cè)量值，cin_是供入所述稀釋層的液體中單位面積電離和/或可電離物質(zhì)的測(cè)量值，cout是從所述稀釋層流出的液體中單位體積電離和/或可電離物質(zhì)的測(cè)量值；(b)確定所述相關(guān)性中的任一拐點(diǎn)；和(c)其控制所述疊層組件運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)I/q(cin-cout)值處，該值使Rprod值大于所述拐點(diǎn)處的Rprod值。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括使所述疊層組件的稀釋層流出的流出物至少部分流過(guò)所述疊層組件中的其它層的至少一層，其流動(dòng)方向大體與所述稀釋層中的流動(dòng)方向相反。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括使所述疊層組件稀釋層中的二氧化硅和/或硼酸形成一個(gè)預(yù)定去除的步驟，確定供入所述稀釋層的離子負(fù)荷，根據(jù)所述的離子負(fù)電荷將電流控制在一定的水平上，以有效地維持該二氧化硅和/或硼酸的預(yù)定去除。
25.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括在所述疊層組件的稀釋層中建立預(yù)定區(qū)域以去除游離的和化合的二氧化碳的步驟，確定供入所述稀釋層的離子負(fù)荷，及根據(jù)所述的離子負(fù)荷將電流控制在一定的水平上，以有效地維持游離的和化合的二氧化碳在所述的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的去除。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改進(jìn)的使用電場(chǎng)和離子交換材料來(lái)去除水中離子以產(chǎn)生充分純凈的水的設(shè)備和操作方法，其中實(shí)施例包括一個(gè)或幾個(gè)新特征與去離子流的流向相反的鹽水和電極流，用分層的離子交換材料填充鹽水流，混合去離子流的流混合特征，除去氣體的除氣特征，按照本發(fā)明電滲析裝置的螺旋盤(pán)繞實(shí)施例，以及按照本發(fā)明來(lái)確定電滲析系統(tǒng)優(yōu)選運(yùn)行電流的方法。
文檔編號(hào)B01D63/10GK1468199SQ01817026
公開(kāi)日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2001年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月11日
發(fā)明者W·W·卡森, W·A·麥克雷, K·J·西姆斯, O·V·格列別紐克, T·J·蘇薩, H·R·扎納帕里多, R·J·麥克唐納, W W 卡森, 扎納帕里多, 格列別紐克, 蘇薩, 西姆斯, 麥克唐納, 麥克雷 申請(qǐng)人:艾奧尼克斯公司