專利名稱：用于處理具有高流速的第二遍ro透過水的分流式edi設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及電去離子的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
電去離子(EDI (Electro-Deionization))設(shè)備,是借助樹脂介質(zhì)、離子交換薄膜和DC電流,移除反滲透(“R0(reverse osmosis)”)透過水中溶解的雜質(zhì)的裝置。該EDI過程是連續(xù)的過程，因?yàn)樗恍枰瘜W(xué)藥品，諸如用于樹脂介質(zhì)和薄膜的再生的酸及堿。在水的純化期間，由于出現(xiàn)在ED設(shè)備內(nèi)部的連續(xù)水分解，樹脂介質(zhì)被再生。由于稀釋室內(nèi)從比0分子產(chǎn)生的電勢，使對應(yīng)的樹脂離子連續(xù)地再生，發(fā)生H+和OH-離子的分解。EDI設(shè)備一般用于使反滲透透過水純化高達(dá)0.055 U S/cm導(dǎo)電率的水平，并使它適合各種不同工業(yè)應(yīng)用，包含但不限于，鍋爐供給/蒸汽發(fā)生、微電子學(xué)/半導(dǎo)體制作或清洗水、以及純化的USP級水。EDI設(shè)備通常由離子交換樹脂、離子交換薄膜、用于DC電源的電極、以及用于水流分布的硬件部件組成。離子交換薄膜、陰離子交換薄膜和陽離子交換薄膜的布置，在EDI設(shè)備中非常重要。它們一般按交替方式相對于陽極和陰極電極布置。離子交換樹脂介質(zhì)被填充進(jìn)該腔/室，這些腔/室正對著陽離子和陰離子交換薄膜的布置被形成。這樣導(dǎo)致稀釋腔和濃縮腔的形成。稀釋腔是這樣的腔，其中的供給水(R0透過)被純化并變成超純水，而濃縮腔則交替地緊鄰稀釋腔被定位，在濃縮腔中，從稀釋腔移除的離子被收集并借助分開的水流被沖洗出該設(shè)備。該水的小部分亦稱電極清洗流(Electrode Rinse stream),還被用于沖洗和冷卻陰極和陽極電極，而該腔亦稱電極清洗腔(Electrode Rinse Chamber)。任何EDI設(shè)備的效率和商業(yè)利用率，取決于每單位面積薄膜、每單位體積離子交換介質(zhì)、或薄膜的每個(gè)槽對(cell pair)產(chǎn)生的產(chǎn)物水的質(zhì)量。市場上有許多商業(yè)EDI設(shè)備可以購得，這些設(shè)備能夠容易被分為三類-I)低流速EDI設(shè)備:該類EDI設(shè)備一般是薄槽板和有30或更多個(gè)槽對、產(chǎn)物流速在1.5m3/小時(shí)到2.0m3/小時(shí)范圍的框架式EDI。每一稀釋腔的輸出產(chǎn)物水流，一般在50到60LPH范圍或更小。2)中等流速EDI設(shè)備:該第二類EDI設(shè)備一般是厚槽板和有30或更多個(gè)槽對、產(chǎn)物流速為2.5m3/小時(shí)-5.0m3/小時(shí)的框架式EDI。每一稀釋腔的輸出產(chǎn)物水流，一般在80到170LPH范圍或更小。在第一和第二類二者中，稀釋腔兩端的壓力降(向產(chǎn)物供給)，對正常流速通常約20到30psi。對最大流速，它通常增加至40-60psi。這種EDI設(shè)備的稀釋腔有效長度，從350mm到450mm變化，而寬度從IOOmm到200mm變化。這些EDI設(shè)備的稀釋腔內(nèi)的樹脂體積，由于設(shè)備的高的壓力降、機(jī)械泄漏(mechanical leak)或機(jī)械強(qiáng)度的原因，不允許流速增加。兩類EDI設(shè)備的典型水流配置,在圖1中示出。第三類EDI設(shè)備也被使用。3)高流量EDI設(shè)備:為達(dá)到高于5.0m3/小時(shí)的高產(chǎn)物流速，第三類EDI設(shè)備還被使用，該第三類EDI設(shè)備一般是多個(gè)EDI設(shè)備的組合，以每單元40到60數(shù)量的槽對并行地連接在一起，以便從這些堆中產(chǎn)生高的產(chǎn)物流速。該類EDI設(shè)備每稀釋腔的產(chǎn)物流速，與中等流速EDI設(shè)備類似。通過這些EDI設(shè)備的高產(chǎn)物流速，僅歸因于增加的稀釋腔的面積。為了超純水的生產(chǎn)，EDI設(shè)備一般被用于，要么使單遍RO的透過水純化，其中供給離子負(fù)荷是高的，有挑戰(zhàn)性的結(jié)垢離子(scaling ion)，要么使第二遍RO透過的透過水純化，其中供給離子負(fù)荷是非常少的，有可忽略量的結(jié)垢離子。結(jié)垢離子(如，Ca2+·、Mg2+、C03、Si02等等)在任一 EDI操作中起巨大作用，并已經(jīng)成為要求額外的預(yù)處理的限制條件的原因，該額外的預(yù)處理在許多情形下經(jīng)濟(jì)上是不合算的。對該問題的某些解決方案已經(jīng)被提出。例如，美國專利序號N0.6，896，814中報(bào)告的分步去離子技術(shù)過程，使用雙電壓過程移除結(jié)垢離子的更高負(fù)荷，而不會(huì)在EDI設(shè)備中結(jié)垢，本文引用該專利，供參考。對某一水流的EDI設(shè)計(jì)，依賴于供給條件和產(chǎn)物質(zhì)量要求。對諸如有挑戰(zhàn)性的結(jié)垢離子的單遍RO透過水那樣的更嚴(yán)厲供給條件，產(chǎn)物流率通常會(huì)下降。這樣使該系統(tǒng)成本大從而對使用無吸引力。EDI設(shè)備的典型產(chǎn)物流速，在不同的供給硬度(作為CaCO3)和供給導(dǎo)電率(FCE)等效負(fù)荷下，概括如下，a.當(dāng)供給硬度(作為CaCO3)是3ppm且總FCE負(fù)荷是25_30 μ S/cm,對產(chǎn)物質(zhì)量要求高于10到16兆歐姆時(shí)，產(chǎn)物流速=2.4m3/小時(shí)b.當(dāng)供給硬度(作為CaCO3)是Ippm且總FCE負(fù)荷是15_20 μ S/cm,對產(chǎn)物質(zhì)量要求高于10到16兆歐姆時(shí)，產(chǎn)物流速=3.5m3/小時(shí)c.當(dāng)供給硬度(作為CaCO3)是0.1ppm且總FCE負(fù)荷是彡10 μ S/cm,對產(chǎn)物質(zhì)量要求高于10到16兆歐姆時(shí)，產(chǎn)物流速=4.5m3/小時(shí)當(dāng)供給硬度(作為CaCO3)小于0.1ppm,如在第二遍RO透過水中一樣時(shí)，該EDI行為十分不同。結(jié)垢不是主要關(guān)注的問題，而有效的現(xiàn)場介質(zhì)再生的速率，是支配該過程的主要判據(jù)，且甚至對高流速，更高產(chǎn)物質(zhì)量能夠容易獲得，但主要限制是規(guī)則水流方式下稀釋腔兩端的更高壓力降。前述美國專利序號N0.6，896，814B2的分步去離子過程，是兩級過程，它在分開的區(qū)中處理硬度和硅石的移除，因?yàn)樗鼈冇胁煌碾娏饕?。為此設(shè)備的設(shè)計(jì)有兩級，并能以它的規(guī)則水流方式產(chǎn)生高達(dá)5.0m3/小時(shí)的產(chǎn)物流速。該過程/設(shè)備當(dāng)被用于有新穎分流式設(shè)計(jì)的加倍遍數(shù)的RO級水時(shí)，能相對于3到5m3/小時(shí)的正常產(chǎn)物流速，處理如8到IOm3/小時(shí)那樣高的產(chǎn)物水。具有8到IOm3/小時(shí)的單個(gè)堆，降低生產(chǎn)線連接(line connection)、使稀釋腔兩端的壓力降最小化、降低每單位體積水的功率消耗、以及為用戶提供經(jīng)濟(jì)的和有生命力的建議。

發(fā)明內(nèi)容
為了嘗試克服高壓力降，更多個(gè)的槽對，或?yàn)榱烁吡魉俸屯ㄟ^EDI設(shè)備的機(jī)械泄漏而增加單位面積的限制，我們提供本文報(bào)告的獨(dú)有的EDI設(shè)備設(shè)計(jì)。本發(fā)明的實(shí)施例可以克服該限制中的一種或多種，并能只用30-35個(gè)槽對，產(chǎn)生5.0m3/小時(shí)到10.0m3/小時(shí)范圍中的高流速，用于處理第二遍RO透過水，達(dá)到高于1.0兆歐姆/cm產(chǎn)物的產(chǎn)生的超純水平(一般是10到16兆歐姆.cm的產(chǎn)物水)。通過該新型EDI設(shè)備實(shí)施例的每個(gè)稀釋腔輸出的產(chǎn)物流速，是150到280LPH，它幾乎是常用EDI設(shè)備的兩倍。如果單遍RO透過水作為供給水被提供，則該新型EDI設(shè)備的設(shè)計(jì)，在常用的方式中具有操作上的適應(yīng)性。


圖1示出常用EDI設(shè)備的水流配置。圖2按照本發(fā)明實(shí)施例，示出分流式EDI設(shè)備的示意圖。圖3示出包含適合供本發(fā)明實(shí)施例使用的尺寸的稀釋腔隔板的示例性實(shí)施例。圖4示出本發(fā)明的稀釋腔的新型設(shè)計(jì)。 圖5示出本發(fā)明濃縮腔的實(shí)施例。圖6示出本發(fā)明的隔板，重點(diǎn)是A處的中部肋條。圖7示出按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的EDI組件。圖8示出用于單遍RO透過水的新型EDI稀釋隔板實(shí)施例的水流配置。圖9示出本發(fā)明實(shí)施例一個(gè)例子的產(chǎn)物電阻率。圖10示出曲線2，它是在例子3中報(bào)告的本發(fā)明30個(gè)槽對的實(shí)施例的產(chǎn)物質(zhì)量圖。圖11示出曲線3，它是在例子3中報(bào)告的本發(fā)明35個(gè)槽對的實(shí)施例的產(chǎn)物質(zhì)量圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例提供的EDI設(shè)備，一般包括如下主要部件--稀釋腔(通常數(shù)量為30-35)-濃縮腔(通常數(shù)量為31-36)-電極腔(數(shù)量為2)，它含有陽極和陰極電極-金屬端板(數(shù)量為2)-外殼。在大多數(shù)情形中，被用作供給的單遍RO透過水，含有供給導(dǎo)電率等效(FCE)范圍在10和40 u S/cm之間，有高結(jié)垢離子，如鈣、鎂、重碳酸鹽、硅石和CO2,而該第二遍RO供給水，一般含有小于IOii S/cm的FCE，有可忽略的CO2和硅石的量。為了處理這樣的第二遍RO透過水，極短的樹脂床長度已經(jīng)足夠用于生產(chǎn)高于10兆歐姆/cm超純水。
基于這一發(fā)現(xiàn)，一種新型分流式EDI設(shè)備已經(jīng)被設(shè)計(jì)，它有兩個(gè)區(qū)域(區(qū)域I和2，如圖3中所示)。隔板的總長度被設(shè)計(jì)成550mm，每一區(qū)域中有效的樹脂床長度為200-220mm，最好是210mm，而隔板的總寬度被設(shè)計(jì)成300mm，每一區(qū)域中有效的樹脂床寬度為200mm。每一區(qū)域中稀釋腔的厚度是I Imm,凈體積為396cm3,而凈薄膜表面面積為360cm2。當(dāng)然，這些尺寸是對示例性實(shí)施例的，而不應(yīng)視為對權(quán)利要求書的限制。這允許實(shí)施新穎的分流式EDI概念的堆的設(shè)計(jì)，其中人們能夠令通過該EDI堆的水流分解成兩部分，使通過該EDI堆的水流最大化。在典型的實(shí)施例的操作過程中，供給水通過中央端口被供給并被改道，以相等流速進(jìn)入稀釋腔的每一區(qū)域，并產(chǎn)生兩股產(chǎn)物(產(chǎn)物I和產(chǎn)物2，如圖2所示)。該EDI設(shè)備有類似設(shè)計(jì)的濃縮腔，其中兩股分開的濃縮流，沖洗從稀釋腔來的被移除的離子。這一概念的一個(gè)獨(dú)特特征在于堆內(nèi)的水流模式。該水流模式是向上水流與向下水流的組合。堆的下部按向下水流方式操作，而堆的上部按向上水流方式操作。稀釋和濃縮腔遵循類似的水流模式并彼此保持同向流動(dòng)(co-flow)。因?yàn)樗牧鲃?dòng)是通過堆長度的一半發(fā)生，對相同壓力降的被處理的水體積能夠被增加，而相同量的水能夠通過另一半被處理。該分流式設(shè)計(jì)，降低處理第二遍RO透過水所要求的樹脂床深度。這樣導(dǎo)致通過該堆的更高流速，并與典型EDI相比，降低每單位體積水的功率消耗。對處理第二遍RO透過水，該RO透過水可以通過圖4所示端口 N2 (I英寸)被供給，然后按相等流速被分配進(jìn)稀釋腔的每一區(qū)域，最終產(chǎn)生從端口 NI和N4 (二者都是I英寸)流出的兩股產(chǎn)物(產(chǎn)物I和產(chǎn)物2)。因此，每一區(qū)域作為獨(dú)立的稀釋腔起作用。產(chǎn)物的輸出水流在單區(qū)域稀釋腔上被加倍。該EDI設(shè)備有濃縮腔，其中兩股分開的濃縮流移除來自相應(yīng)的稀釋腔的離子。該電極清洗腔也被設(shè)計(jì)成有類似的配置，使每一端上的每一區(qū)域有兩個(gè)分開的電極。新型EDI設(shè)備的稀釋隔板和稀釋腔水流配置的典型視圖，分別在圖3和圖4中示出。濃縮腔:新型EDI設(shè)備的濃縮隔板(圖5)，含有1.0-2.0mm厚的導(dǎo)電網(wǎng)，而包含襯墊的濃縮腔的總厚度是2.0-3.0mm。該EDI設(shè)備有兩股單獨(dú)的濃縮流，用于區(qū)域I和2 二者，且該水流是每一區(qū)域的稀釋水流的同向流(co-current),如圖5所示。在我們的EDI設(shè)備實(shí)施例中使用的濃縮腔水流配置的典型視圖，在圖5中示出。我們的EDI設(shè)備實(shí)施例的另一個(gè)特殊特征，是包含在部件/隔板中的中部實(shí)心支承肋條。肋條的例子如圖6的部分A所示。該肋條起重要作用并有如下特征:-分開和差別化兩個(gè)區(qū)域，并在較小的覆蓋區(qū)(footprint)中容納該兩個(gè)區(qū)域。-提供用于安裝入口和水流分配噴嘴的能力，以便分開兩個(gè)區(qū)域之間的水流。-向部件/隔板提供機(jī)械強(qiáng)度，和-防止部件/隔板鼓起，在常用EDI隔板中，如果正對稀釋腔中樹脂壓縮壓力的長度較長，該鼓起一般被觀察到。新型EDI設(shè)備組件:新型EDI設(shè)備的實(shí)施例，可以用圖7所示典型組件，按如下方式組裝:陰極腔是通過把陰離子薄膜放置在電極安放板EHP (Electrode housing plate)的每一區(qū)域中而被形成，該EHP在每一區(qū)域中含有兩個(gè)陰極和陽離子樹脂介質(zhì)。該陰極可以例如是SS-316陰極。然后，濃縮腔是通過把濃縮隔板(CS)放置在陰極腔的陰離子薄膜上而被形成。該濃縮隔板在每一區(qū)域中含有導(dǎo)電網(wǎng)。稀釋腔是通過把陽離子薄膜放置在新型設(shè)計(jì)的面對陰極的稀釋隔板的每一區(qū)域上，并把陰離子薄膜放置在面對陽極的稀釋隔板的每一區(qū)域上而被形成。樹脂介質(zhì)被容納在兩片薄膜之間的稀釋隔板的每一區(qū)域中。其他緊鄰的濃縮腔是通過把濃縮隔板按如下方式放置形成的:每一區(qū)域的陰離子薄膜面對陰極側(cè)，且陽離子薄膜面對陽極側(cè)。一個(gè)稀釋腔和一個(gè)濃縮腔形成一個(gè)槽對。通常稀釋和濃縮腔的30-35個(gè)槽對被組裝。陽極腔是通過放置電極安放板(EHP)在最后的濃縮腔之后被形成的。該EHP在每一區(qū)域中含有兩個(gè)鈦陽極和陽離子樹脂介質(zhì)。最后，稀釋和濃縮腔的全部30-35個(gè)槽對以及兩個(gè)電極腔，被每端一塊的兩塊端板(EP )，借助不銹鋼(SS )雙頭螺栓緊固。隔板可以用最好是EPDM (乙丙三元橡膠(ethylene propylene diene monomer))環(huán)分開，以防操作期間水的泄漏。用于處理單遍RO透過水的新型設(shè)計(jì)EDI設(shè)備的描述:新型EDI設(shè)備設(shè)計(jì)的實(shí)施例，在以更高導(dǎo)電的(高于IOii S/cm)R0透過水(單遍R0)代替第二遍RO透過水方面，具有操作上的適應(yīng)性。在單遍RO的情形下，該透過水從端口 NI(通常是I英寸端口)和區(qū)域-1產(chǎn)物(Dl)供給，因?yàn)槎丝?N2與N3的互連性，從端口 N3進(jìn)入?yún)^(qū)域-2中，最后，被純化的產(chǎn)物從端口 N4流出。兩股分開的濃縮流還在緊鄰的濃縮腔中作為同向流流動(dòng)，如圖8所示。例子:一系列試驗(yàn)在有30-35個(gè)槽對配置的新型設(shè)計(jì)EDI設(shè)備上被進(jìn)行。比較的例子-1 [常用方式]:30個(gè)槽對的堆被組裝，并用在底部供給和在頂部產(chǎn)出的有規(guī)則水流方式測試。該堆用10 u S/cm的供給FCE水流，以3.5m3/小時(shí)到5.0m3/小時(shí)的產(chǎn)物水流，被測試71小時(shí)。該堆的配置是:-稀釋腔-數(shù)量30，有樹脂介質(zhì)-濃縮腔-數(shù)量31，有導(dǎo)電網(wǎng)-電極腔-數(shù)量02-端板-數(shù)量02-電極:陽極-鈦，以及陰極-SS-316-薄膜:非均相離子交換薄膜-稀釋腔的有效薄膜面積-4.32m2堆的產(chǎn)物質(zhì)量高于16兆歐姆.cm，有更高的稀釋壓力降落。在3.5m3/小時(shí)的產(chǎn)物水流上，稀釋壓力降是27psi，在4.0m3/小時(shí)上，它是34psi，在4.5m3/小時(shí)上，它被增加到43psi，而在最大的5.0m3/小時(shí)上，它高達(dá)50psi。供給的溫度約25°C。比較的堆的總結(jié)數(shù)據(jù)，在表-1中:
表-1:比較的例子堆數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種電去尚子設(shè)備,包括: 第一端板； 第一電極安放板EHP，所述EHP包括兩個(gè)陰極、陽離子樹脂和陰離子薄膜； 包括交替的濃縮腔和稀釋腔的多個(gè)槽對，其中每一濃縮腔包括被放置在緊鄰的陰離子薄膜之上的濃縮隔板； 其中每一濃縮隔板包括被濃縮肋條分開的兩個(gè)獨(dú)立的濃縮區(qū)域，所述濃縮區(qū)域包括導(dǎo)電網(wǎng)，其中每一所述濃縮區(qū)域?qū)?yīng)于分開的濃縮入口端口和濃縮出口端口 ；和 其中每一稀釋腔包括向著第一 EHP取向的陽離子薄膜、稀釋隔板、以及陰離子薄膜，其中每一稀釋隔板包括兩個(gè)獨(dú)立的稀釋區(qū)域，被稀釋肋條分開并由公共供給端口供給，每一所述稀釋區(qū)域?qū)?yīng)于分開的排除、產(chǎn)物、以及濃縮端口 ； 最后的濃縮腔； 在該最后的濃縮腔之后是陽離子薄膜，接著是第二 EHP，所述第二 EHP包括兩個(gè)陽極和陽極樹脂介質(zhì)；和 第二端板。
2.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，還包括產(chǎn)物總箱，用于從每一所述產(chǎn)物端口收集和組合產(chǎn)物水。
3.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，包括30-35個(gè)槽對。
4.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備,包括至少30個(gè)槽對。
5.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，還包括在濃縮隔板和稀釋隔板之間的多個(gè)乙丙三元橡膠環(huán)。
6.一種組合的電去離子設(shè)備，包括串聯(lián)連接的權(quán)利要求1所述的多個(gè)電去離子設(shè)備。
7.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，其中該設(shè)備的電去離子能力，是有相同數(shù)量的槽但有單區(qū)域稀釋隔板和單區(qū)域濃縮隔板的電去離子設(shè)備的兩倍。
8.一種用于EDI設(shè)備的濃縮隔板，包括兩個(gè)獨(dú)立的濃縮區(qū)域，被濃縮肋條分開，所述濃縮區(qū)域包括導(dǎo)電網(wǎng)，其中每一所述濃縮區(qū)域?qū)?yīng)于分開的濃縮入口端口和濃縮出口端口。
9.一種用于分流式電去離子的方法，包括: 提供第二遍反滲透透過水的供給流； 使所述供給流通過電去離子設(shè)備，該電去離子設(shè)備包括多個(gè)槽對，每一槽對包括稀釋腔和濃縮腔，其中每一稀釋腔包括頂區(qū)域和底區(qū)域，其中該頂區(qū)域和底區(qū)域由公共供給端口供給，從而使供給流分開成兩股分開的供給流，用于通過電去離子純化。
10.一種用于使第一遍反滲透透過水的單向水流電去離子的方法，包括: 提供要被純化的第一遍反滲透透過水的供給流； 把所述供給流供給進(jìn)權(quán)利要求1所述的電去離子設(shè)備，其中所述供給流被供給進(jìn)所述稀釋隔板的底端口，而不是進(jìn)入公共供給端口。
11.權(quán)利要求9的方法，其中該供給流以大于8m3/小時(shí)的速率運(yùn)行。
12.權(quán)利要求9的方法，其中該供給流來自有10微西門子/cm或小于10微西門子/cm的供給水電導(dǎo)率等效(FCE)負(fù)載的兩遍RO產(chǎn)物。
13.權(quán)利要求9的方法，其中該分開的供給流的產(chǎn)物質(zhì)量，是10兆歐姆/cm或更高。
全文摘要
用于處理具有高流速的第二遍RO透過水的分流式EDI設(shè)備。我們報(bào)告一種電去離子裝置(EDI，electro-deionization)，該裝置有分流式布置，用于有高流速的第二遍RO透過水的純化，在該裝置中，供給水通過中央端口被供給并被改道進(jìn)入有相等流速的稀釋腔的每一區(qū)域，產(chǎn)生兩束產(chǎn)物流。該EDI裝置在堆的兩個(gè)區(qū)域中有濃縮腔，與稀釋腔緊鄰，允許獨(dú)立的水流通過該分開的區(qū)域。這種分流式設(shè)計(jì)，降低用于處理第二遍RO透過水的樹脂床深度要求。這導(dǎo)致通過該堆的更高流速，消除壓力降的限制，以及降低每單位體積水的功率消耗。
文檔編號B01D61/44GK103201020SQ201180054658
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月4日
發(fā)明者R·齊達(dá)姆巴蘭, N·S·比施特, P·萊納 申請人:水技術(shù)國際公司