專利名稱：液流的凈化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用離子交換物質(zhì)凈化含水液流的方法及裝置，和利用電化學(xué)方法使所說(shuō)的離子交換物質(zhì)物質(zhì)再生。
本發(fā)明的技術(shù)背景和現(xiàn)有技術(shù)高純凈水具有巨大的市場(chǎng)。它在工業(yè)應(yīng)用上被廣泛地使用，著名的主要用戶包括制藥業(yè)、電子工業(yè)和能源工業(yè)。
在大多數(shù)應(yīng)用的最后沖洗工序中，通常通過(guò)離子交換樹(shù)脂途徑將溶解的鹽從水中去除。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(以H+形式)和陰離子交換樹(shù)脂(以O(shè)H-形式)的結(jié)合使用分別將陽(yáng)離子和陰離子去除。兩個(gè)這樣的床可以串聯(lián)使用而使鹽去除。假如水溶液首先經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(以H+形式)床，那么在溶液中的陽(yáng)離子就被陽(yáng)離子交換樹(shù)脂吸收，并釋放等量的H+離子到溶液中(這樣保持電中性)。這溶液(現(xiàn)在呈酸性)再通過(guò)陰離子交換樹(shù)脂(以O(shè)H-形式)床，那么在溶液中的陰離子就被陰離子交換樹(shù)脂吸收，OH-被釋放出并中和溶液中的H+從而形成水。溶液中溶解的鹽被有效地去除(恰當(dāng)?shù)脑O(shè)想，假如用堿性溶液介質(zhì)將去鹽床的順序顛倒，那么交換樹(shù)脂就能重復(fù)利用)。
但是，在作為最后沖洗工序的大多數(shù)應(yīng)用中，離子交換樹(shù)脂的混合床優(yōu)選地以串聯(lián)方式配置或以疊加的方式配置。在這種情況下，陽(yáng)離子和陰離子樹(shù)脂緊密地混合在一起，并且在除去溶液中的陽(yáng)離子和陰離子的同時(shí)從樹(shù)脂中釋放出的H+和OH-立即中和。采用這種結(jié)構(gòu)，由于中和，大量H+和OH-被消耗，從而使化學(xué)平衡過(guò)程被“驅(qū)動(dòng)”，從水溶液中去除的鹽可以達(dá)到較高的量。
在這兩種配置中，一旦樹(shù)脂耗盡(即當(dāng)樹(shù)脂中再也沒(méi)有H+和OH-)，陽(yáng)離子和陰離子床必須分別用酸(典型是H2SO4)和堿(典型是NaOH)處理使其再生。這種再生包括要儲(chǔ)存和處理濃酸以及苛性堿溶液，同時(shí)還要處理用于處理樹(shù)脂再生后的污水和沖洗液。從成本、安全性以及環(huán)境考慮，這不是所希望的。在本發(fā)明中，我們要敘述一種使用無(wú)有害物質(zhì)的、廉價(jià)的以及生態(tài)上可以接受的電化學(xué)技術(shù)而使樹(shù)脂再生的方法。這種新方法消除了再生化學(xué)物質(zhì)，并具有額外的優(yōu)點(diǎn)是不必?cái)_動(dòng)樹(shù)脂床而在同一容器中完成水凈化過(guò)程和離子交換樹(shù)脂再生。在混合床系統(tǒng)中，這種方法還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不必將陽(yáng)離子和陰離子交換樹(shù)脂分開(kāi)而在樹(shù)脂床上完成再生。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的化學(xué)再生方法中，在進(jìn)行化學(xué)再生(分別使用酸和堿)之前，必須將混合樹(shù)脂床中的陽(yáng)離子和陰離子樹(shù)脂進(jìn)行物理分離。
現(xiàn)有技術(shù)使用傳統(tǒng)的離子交換技術(shù)來(lái)化學(xué)再生已經(jīng)使用過(guò)的樹(shù)脂，保留從水中除去溶解的鹽使殘存量達(dá)到很低的濃度的基本方法。下面的專利和專利申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)將說(shuō)明有關(guān)本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
電去離子裝置(美國(guó)專利4,632,745.國(guó)際專利WO92/11089)ElixTM電去離子方法(被Millipore TM注冊(cè))用來(lái)除去溶液中的離子時(shí)幾乎可達(dá)到用傳統(tǒng)的混合床離子交換系統(tǒng)得到的純度。在其最簡(jiǎn)單的形式中，系統(tǒng)包括四個(gè)交替陽(yáng)離子(C)和陰離子(A)的滲透隔膜，其夾在一對(duì)電極(陰極+和陽(yáng)極-)之間，其配置為+|C|A|C|A|-。在隔膜中間的空間填充了混合床離子交換樹(shù)脂(基本上是為了提高導(dǎo)電性)。供入的水流向下(垂直于施加的電場(chǎng))流入到離子交換隔膜片之間(該隔膜允許相應(yīng)的離子流過(guò)但不允許水通過(guò))。在供給溶液(位于中間模槽)中溶解的陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子滲透膜移向陰極，同時(shí)在陰極產(chǎn)生的OH-陰離子通過(guò)陰離子滲透膜。陽(yáng)離子氫氧化物鹽的濃縮液通過(guò)這種(富集的)腔室分離出去。同樣，在供給溶液(位于中間模槽)中溶解的陰離子通過(guò)陰離子滲透膜移向陽(yáng)極，同時(shí)在陽(yáng)極產(chǎn)生的H+陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子滲透膜。陰離子酸形式的濃縮液流通過(guò)這種(富集的)腔室分離出去。從中間腔室流出的是去除了溶解鹽的水，而從兩個(gè)外側(cè)腔室流出的是含有供給溶液的陽(yáng)離子和陰離子的水(廢水)。象這樣一組電解槽可以用于產(chǎn)生含有低濃度溶解離子的水。在這種情況下，在中間富集腔室中有陰離子和陽(yáng)離子通過(guò)在腔室相對(duì)兩側(cè)處的隔膜，并且富集的鹽溶液(而不是酸性和堿性溶液)通過(guò)這些腔室流出。在這種配置中，只有在最外側(cè)的腔室(其中裝有電極)中才有酸性和堿性溶液釋放出。盡管這一系統(tǒng)也用于拋光水，但其與本發(fā)明的技術(shù)完全不同。另外，其組件包括大量的獨(dú)立腔室，并且每一個(gè)腔室都設(shè)計(jì)復(fù)雜。大量的隔膜增加了從富集腔室泄漏(即使在一片隔膜中有一很小的孔洞就會(huì)致使系統(tǒng)失效)到純凈水腔室中，同樣大面積的隔膜提供了淤塞以及相對(duì)昂貴的可能性。本發(fā)明具有的顯著優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、可靠以及更低的成本。
電化學(xué)去離子(美國(guó)專利5,584,981)這一方法和上述發(fā)明非常相似，不同的是離子交換物質(zhì)是由多孔層構(gòu)成以使供給溶液中的水和離子一起通過(guò)離子交換片。
純化的離子交換樹(shù)脂和方法(美國(guó)專利5,259,936)將要純化的樹(shù)脂放入上面所說(shuō)的(美國(guó)專利4,632,745)“Elix”形式的結(jié)構(gòu)的去離子腔室中。用一組大量的離子交換隔膜對(duì)該工藝再次進(jìn)行操作。
使用雙極界面純化樹(shù)脂的方法(美國(guó)專利5,211,823)該專利所揭示的離子交換樹(shù)脂再生的方法，是在如美國(guó)專利4,632,745所述的電去離子裝置中的腔室里進(jìn)行的。但是，每一個(gè)稀釋腔室(含有一個(gè)被稱為陰離子和陽(yáng)離子交換膜)再次被雙極隔膜所分開(kāi)(陰離子滲透面朝向陰離子滲透隔膜，陽(yáng)離子滲透面朝向陽(yáng)離子滲透隔膜)。在這樣形成的次腔室里分別填充陰離子交換樹(shù)脂和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。在電場(chǎng)(正電壓施加在陰離子交換側(cè)，負(fù)電壓施加在陽(yáng)離子交換側(cè))的作用下，水在雙極隔膜中分離為OH-和H+，這些離子分別遷移到陰離子和陽(yáng)離子樹(shù)脂床，并替換相應(yīng)的陰離子和陽(yáng)離子。這些穿過(guò)陰離子和陽(yáng)離子滲透隔膜從腔室流出的物質(zhì)進(jìn)入由一系列平行排置的夾層構(gòu)成的富集腔室。由此，富集的鹽溶液被去掉，留下OH-和H+形式的陰離子和陽(yáng)離子樹(shù)脂。在最外側(cè)的兩個(gè)富集腔室(電極放置在這兩個(gè)腔室里，并在這里產(chǎn)生OH-和H+)陰離子和陽(yáng)離子分別被以O(shè)H-和H+形式而除去。這一系統(tǒng)太復(fù)雜，其中包括多層的陰離子、雙極和陽(yáng)離子隔膜，同樣，它們存在潛在的泄漏和淤塞的可能。再者，實(shí)際上這一系統(tǒng)是電滲析系統(tǒng)而不是電化學(xué)再生系統(tǒng)，因?yàn)樗臼且蕾囉陔妶?chǎng)和雙極隔膜來(lái)產(chǎn)生用于再生目的的OH-和H+，而不是以連續(xù)電解水而產(chǎn)生OH-和H+。
利用離子交換劑去除水溶液中礦物質(zhì)的方法和裝置(美國(guó)專利5,423,965)該專利所揭示的電化學(xué)再生陽(yáng)離子交換樹(shù)脂床的方法是將其放置在一對(duì)電極之間，用H+離子替代陽(yáng)離子。這些H+離子移向陰極，并與那里產(chǎn)生的OH-結(jié)合。在傳統(tǒng)的方法中通常是用堿性溶液化學(xué)地再生陰離子交換劑。但是，在這里兩種樹(shù)脂床的再生并不是同時(shí)發(fā)生，但同時(shí)產(chǎn)生H+和OH-并兩者借助其電性遷移通過(guò)樹(shù)脂床。它更象是用電化學(xué)再生單一樹(shù)脂床，然后流出物被用作另一樹(shù)脂床的常規(guī)再生。
電化學(xué)離子交換(英國(guó)專利申請(qǐng)GB 2,178,759A；申請(qǐng)?zhí)?614401)該專利說(shuō)明書(shū)公開(kāi)了電化學(xué)再生單一的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂床或陰離子交換樹(shù)脂床。它包括建立一個(gè)電化學(xué)電池，即工作電極周圍是離子交換樹(shù)脂，并將其放置在由該電極(并因此也從樹(shù)脂里交換出離子)所產(chǎn)生的離子能夠滲透的腔室中。將整個(gè)腔室浸入放置了相反電極的電解液中以組成電化學(xué)電池。在這種情況下工作電極是陽(yáng)極，產(chǎn)生H+，并且用電極周圍的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂替換相應(yīng)的離子，這些離子遷移通過(guò)離子滲透腔室并和在陰極(大概是OH-)產(chǎn)生的離子結(jié)合。然后除去再生的樹(shù)脂以備使用。相反極性的類似系統(tǒng)可以用作再生陰離子交換樹(shù)脂。該專利也包括電化學(xué)再生，但是本發(fā)明系統(tǒng)的新穎性在于由于在陰極和陽(yáng)極分別產(chǎn)生OH-和H+，所以能同時(shí)再生一對(duì)陰離子和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂床，并連續(xù)有效地利用所有產(chǎn)生的離子以及同時(shí)再生整個(gè)的去離子系統(tǒng)。本發(fā)明即使以混合床形式，在任何一個(gè)循環(huán)中，陰離子樹(shù)脂是一個(gè)混合床，而陽(yáng)離子樹(shù)脂是另外一個(gè)混合床，并同時(shí)被再生。
再生離子交換物質(zhì)的方法和裝置(國(guó)際專利申請(qǐng)?zhí)朜o.W089/00453)該專利說(shuō)明書(shū)公開(kāi)了離子交換樹(shù)脂再生的方法，是通過(guò)將交流電壓或脈沖直流電壓施加在含有陰離子交換或陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的電化學(xué)電池上而使其再生的。還記載了一種兩床系統(tǒng)，其中一床含有陰離子交換樹(shù)脂，另一床含有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，并且這兩床被一電極和一液態(tài)層所分隔。對(duì)其施加一高頻(1KHz～10MHz)交流電壓(數(shù)千伏特)。這一系統(tǒng)在概念上與本發(fā)明完全不同，假如兩者有任何共同點(diǎn)話就在于都要求使用電來(lái)再生離子交換樹(shù)脂。
離子交換樹(shù)脂再生的方法(印度專利15 08 70)該專利所揭示的方法是在電化學(xué)電池中部分再生離子交換樹(shù)脂。在該專利說(shuō)明書(shū)中，電極是埋入在離子交換樹(shù)脂腔室的中央。相反，本發(fā)明設(shè)計(jì)的夾層系統(tǒng)(樹(shù)脂包含在兩個(gè)電極之間)基本達(dá)到其成功的操作性能。再者，在該專利所說(shuō)方法的再生過(guò)程中沒(méi)有液體釋放，也就意味著鹽的積累導(dǎo)致在水中的鹽與樹(shù)脂上的鹽之間達(dá)到平衡而阻止進(jìn)一步再生。在給出的實(shí)施例中，每一次鹽溶液通過(guò)樹(shù)脂床的數(shù)量只達(dá)樹(shù)脂床總?cè)萘康?0％。只有四分之一的溶液被通過(guò)，因此不清楚是再生發(fā)生到何種顯著的程度，或是去鹽僅僅是由于存在未使用的樹(shù)脂，并不需要從溶液中去除鹽。通過(guò)電流后流出溶液的導(dǎo)電性的不同可能僅僅是由于H+/Na+和OH-/Cl-離子的遷移率的不同。最高純度可達(dá)到與水的277微歐姆導(dǎo)電率(3600歐姆水)一致。
本發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明所陳述的方法和裝置能連續(xù)生產(chǎn)凈化水和連續(xù)再生離子交換物質(zhì)床。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種凈化水流的裝置，包括至少兩種離子交換物質(zhì)床，一種是陰離子交換物質(zhì)和第二種是陽(yáng)離子交換物質(zhì)，兩個(gè)未通過(guò)至少一個(gè)連接處連接，該連接處能使離子滲透通過(guò)；使待凈化的液體連續(xù)流過(guò)一個(gè)和另一個(gè)床的結(jié)構(gòu)，至少有一對(duì)電極，它的每一電極分別與相應(yīng)的物質(zhì)床連在一起以使在所說(shuō)的每一電極和所說(shuō)的連接處之間至少夾著一些離子交換物質(zhì)；在所說(shuō)的電極對(duì)之間施加電勢(shì)的設(shè)施，其作用是在它們之間產(chǎn)生一電場(chǎng)并再生所說(shuō)的離子交換物質(zhì)。
根據(jù)又一方面，本發(fā)明提供一種凈化水流的裝置，包括至少兩個(gè)離子交換物質(zhì)床，每一個(gè)床含有陰離子和陽(yáng)離子凈化物質(zhì)的混合物，兩個(gè)床之間通過(guò)至少一個(gè)連接處連接，連接處能使離子滲透通過(guò)；使待凈化的液體連續(xù)流過(guò)一個(gè)和另一個(gè)床的結(jié)構(gòu)，至少有一對(duì)電極，它的每一電極分別與相應(yīng)的物質(zhì)床連在一起以使在所說(shuō)的每一電極和所說(shuō)的連接處之間至少夾著一些離子交換物質(zhì)；在所說(shuō)的電極對(duì)之間施加電勢(shì)的設(shè)施，其作用是在它們之間產(chǎn)生一電場(chǎng)并再生所說(shuō)的離子交換物質(zhì)。
本發(fā)明還提供一種凈化液流的方法，包括的步驟為使得待凈化液流連續(xù)通過(guò)至少一對(duì)離子交換物質(zhì)床，一種是陰離子交換物質(zhì)和第二種是陽(yáng)離子交換物質(zhì)，床之間至少有一個(gè)連接點(diǎn)，連接處能使離子滲透通過(guò)；通過(guò)在一對(duì)電極之間施加電勢(shì)，其中每一個(gè)電極分別與相應(yīng)的物質(zhì)床相連接，以便在兩電極之間產(chǎn)生一電場(chǎng)，從而連續(xù)地再生所說(shuō)的離子交換物質(zhì)床，所說(shuō)電極這樣放置以使在每一個(gè)所說(shuō)電極和所說(shuō)連接處之間夾著的至少一些離子交換物質(zhì)。
當(dāng)使用分開(kāi)的陰離子和陽(yáng)離子交換物質(zhì)床時(shí)，陰極放置在陰離子交換物質(zhì)床中以及陽(yáng)極放置在陽(yáng)離子交換物質(zhì)床中。要凈化的液流加入其中的一床中，最好是從一床的底部加入。然后液流被允許流過(guò)并流出第一床而進(jìn)入第二床，最好從第二床的底部進(jìn)入。然后液流流過(guò)第二床在這里離子被凈化。從第二床排出的液流作為凈化液流。
然而這些過(guò)程的發(fā)生是在連接離子交換物質(zhì)床的電極之間施加了一電勢(shì)而使電極之間產(chǎn)生了一電流。這樣產(chǎn)生的電場(chǎng)連續(xù)存在于充填在兩電極之間的離子交換物質(zhì)中，發(fā)生水的還原和氧化而分別在陰極和陽(yáng)極產(chǎn)生氫氧根離子和氫離子。電場(chǎng)使污染物離子被離子交換物質(zhì)床吸附收集，在床連接處形成鹽。污染物離子在離子交換物質(zhì)中被電極產(chǎn)生的氫氧根離子和氫離子所替代。在床的連接處附近，從該處的一側(cè)或兩側(cè)產(chǎn)生一小股細(xì)流帶走形成的鹽，流到外部收集器中。根據(jù)本發(fā)明，以這種方式，床中的離子交換物質(zhì)被連續(xù)地再生，同時(shí)也產(chǎn)生凈化水。這一方法允許在相當(dāng)長(zhǎng)期間內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生凈化水而不必打斷該過(guò)程以再生離子交換床。
當(dāng)使用的床填充了混合的陰離子和陽(yáng)離子交換物質(zhì)時(shí)，要凈化的液體可以通過(guò)單一的床或由離子交換物質(zhì)組成的多個(gè)床。在這種情況下，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫和氫氧根離子與離子交換床接觸。這些產(chǎn)物通過(guò)液流流過(guò)電極可以沖洗掉。陰極和離子交換床最好是用陽(yáng)離子隔膜分開(kāi)以及陽(yáng)極和離子交換床用陰離子交換膜分開(kāi)。在這種情況下鹽的分離是通過(guò)混合離子交換物質(zhì)吸收液流中的鹽而完成的。由于施加電場(chǎng)的存在，在電極之間產(chǎn)生了電流使得離子交換床中的離子定向遷移并在床的連接處以鹽形式積聚。如前所述，在鄰近床的連接處的一小股細(xì)流將積聚的鹽除去。隨著這鹽不斷地從床中除去而液流中的鹽不斷地替換而凈化，結(jié)果使進(jìn)入該裝置的液流不斷地凈化。
優(yōu)選地，要凈化的液流通過(guò)離子交換物質(zhì)床的流向至少有一部分與在電場(chǎng)作用下的離子的流向不同，更優(yōu)選的是流向相反或成直角。
在本發(fā)明的第二方面中，離子交換物質(zhì)床的連接處可使陰離子或陽(yáng)離子或陰陽(yáng)離子都能滲透通過(guò)，而基本限制或阻止水流通過(guò)。在這種方式下在離子交換物質(zhì)床之間存在一離子接觸通道而基本不允許水通過(guò)。這就抑制了由于待凈化的液流所導(dǎo)致的離子交換物質(zhì)床的水壓短路。
在本發(fā)明這一方面的優(yōu)選實(shí)施方案中，這樣的連接處可以通過(guò)使用陰陽(yáng)離子交換膜而形成從而使兩個(gè)離子交換物質(zhì)床分開(kāi)。更優(yōu)選使用陽(yáng)離子交換隔膜。這樣的隔膜例子有NafionTM(DuPont)、TosflexTM(TOSH)或IonacTM(Sybron Chemicals Inc.)。
形成連接處的另一方法是將離子交換樹(shù)脂充填在網(wǎng)中以使水流通過(guò)充滿的網(wǎng)柵有很大的阻力。樹(shù)脂顆?？梢詨喝氩⒎胖迷趩尉W(wǎng)的網(wǎng)柵中或在夾入在兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)柵之間。例如，具有較大網(wǎng)孔的網(wǎng)柵可以用作承接樹(shù)脂顆?；A(chǔ)支撐物，然后再夾入在另外兩個(gè)網(wǎng)孔更細(xì)的網(wǎng)柵之間。優(yōu)選，在所有這些網(wǎng)柵由中相對(duì)惰性的非導(dǎo)電物質(zhì)構(gòu)成。
假如需要，在床連接處附近的用于沖掉鹽的液流可通過(guò)分流器分配。
在操作本發(fā)明時(shí)，希望減小離子流通過(guò)離子交換物質(zhì)床的電阻。
在本發(fā)明中的第三方面，是發(fā)現(xiàn)了通過(guò)施加壓力使離子交換物質(zhì)床壓縮有可能使離子流通過(guò)床的阻力降低兩倍或更多。
如何實(shí)現(xiàn)這一壓縮的優(yōu)選實(shí)施方案是將電極結(jié)構(gòu)埋入床中或放置在床的表面，對(duì)夾在電極和床連接處之間的離子交換物質(zhì)施加壓力?？梢岳玫碾姌O結(jié)構(gòu)是用穩(wěn)定結(jié)構(gòu)部件加固了的，當(dāng)施加壓力時(shí)能防止不適當(dāng)?shù)膹澢?br> 在本發(fā)明這一方面的另一實(shí)施方案中，獨(dú)立的壓縮的結(jié)構(gòu)可以放置在與樹(shù)脂床相接觸的電極結(jié)構(gòu)上。例如，這可以是含有離子交換物質(zhì)容器的蓋子，在填裝物質(zhì)時(shí)使離子交換物質(zhì)過(guò)滿地填充給容器，在給容器裝上蓋子時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)壓縮。
除了壓縮離子交換物質(zhì)之外，還有其它方法降低其對(duì)離子流的阻力。傳統(tǒng)的用于水凈化的離子交換物質(zhì)是以小珠狀形式的。本發(fā)明的第四方面是發(fā)現(xiàn)離子交換物質(zhì)制成其它結(jié)構(gòu)時(shí)，用于床中時(shí)其比樹(shù)脂顆粒更能降低對(duì)離子流的阻力。其它結(jié)構(gòu)的例子有細(xì)絲狀的離子交換物質(zhì)或大孔隙獨(dú)石狀物質(zhì)。這些結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ频谩?br> 例如，大孔隙獨(dú)石可以通過(guò)向適當(dāng)?shù)木酆险吵砦镏屑尤氚l(fā)泡劑而制成。細(xì)絲狀的離子交換物質(zhì)例如可以通過(guò)對(duì)聚合物的熔融吹絲，并緊接著將其紡絲粘結(jié)，或用相似方法處理形成重疊的無(wú)紡細(xì)絲的片。這些片隨后可以隨意地壓縮和堆積或纏繞以形成多孔的大塊離子交換物質(zhì)。形成細(xì)絲的聚合物在形成細(xì)絲以前可以含有離子交換類物質(zhì)，或在形成片以后通過(guò)化學(xué)處理方法在聚合物上形成離子交換基團(tuán)。適合本發(fā)明的這一方面的聚合物的例子是聚苯乙烯或聚丙烯酸脂。適宜的離子交換基團(tuán)的例子是磺酸脂、羧酸、胺和季胺。降低混合離子交換物質(zhì)的離子流阻力的方法是使用細(xì)絲物質(zhì)，如上所說(shuō)一些細(xì)絲含有陽(yáng)離子交換基團(tuán)和一些陰離子交換基團(tuán)。這兩種類型的纖維狀物均勻地分布在組裝的大塊離子交換物質(zhì)中。
另一方法是使用細(xì)絲狀、小珠或獨(dú)石狀的合適的聚合物質(zhì)，并且在起化學(xué)反應(yīng)之前或之后制成這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)以使最終的離子交換物質(zhì)含有混合的陽(yáng)離子和陰離子聚合物質(zhì)。例如，聚苯乙烯小珠可以這樣化學(xué)處理使每一個(gè)小珠都含有陽(yáng)離子交換物質(zhì)和陰離子交換物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面是提供一凈化液流的裝置，包括至少含有兩種離子交換物質(zhì)的床，一種是陰離子交換物質(zhì)和第二種是陽(yáng)離子交換物質(zhì)，在床之間至少有一個(gè)連接點(diǎn)以使它們之間形成一連接處，使要凈化的液流流過(guò)每一個(gè)床的設(shè)施，該床是單一床或是至少含有陰離子交換物質(zhì)的床和至少含有陽(yáng)離子交換物質(zhì)的床，所說(shuō)的含有離子交換物質(zhì)的床是以一排放置的，并且至少具有一對(duì)電極與所說(shuō)的排相連接，在所說(shuō)的電極和所說(shuō)的床連接點(diǎn)或連接處之間施加電勢(shì)的設(shè)施。
在本發(fā)明的這一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，使用了一對(duì)離子交換床，以及在離子交換物質(zhì)床之間形成了兩種連接。在第一種連接方式中，電勢(shì)是施加在兩床的連接處，這樣使停留在離子交換物質(zhì)上的可移動(dòng)的陽(yáng)離子和陰離子分別從連接處被吸走而分別進(jìn)入離子交換物質(zhì)床中。這將使水在連接處分解成氫離子和氫氧根離子。這樣形成的氫離子和氫氧根離子然后在施加的電場(chǎng)作用下遷移通過(guò)離子交換物質(zhì)床而不斷再生物質(zhì)。在第二種連接方式中，電勢(shì)是施加在連接處之間，這樣使存在于床中的陽(yáng)離子和陰離子被吸至連接處并在那里形成鹽。這些鹽由在鄰近連接處產(chǎn)生的一小股水流從床中帶走。設(shè)置在連接處的底部的排水槽有助于排盡鹽溶液。
在本發(fā)明的這一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，采用多對(duì)離子交換物質(zhì)床，將其排列成一列，每一個(gè)離子交換物質(zhì)床至少具有兩個(gè)連接處，一個(gè)與近鄰的床相接，或者與一個(gè)含有電極的腔室相接。在這種情況下，當(dāng)施加一電勢(shì)時(shí)，一個(gè)連接處的作用是氫離子或氫氧根離子的產(chǎn)生源，而第二個(gè)連接處作為從床中去除污染物離子的場(chǎng)所。
根據(jù)本發(fā)明這一方面的優(yōu)選形式，連接處可以這樣形成，例如，在僅僅鄰接的兩個(gè)交換物質(zhì)床間使用紡織網(wǎng)或其它大孔隙隔膜使其分開(kāi)，將形成網(wǎng)或其它多孔物質(zhì)壓入離子交換物質(zhì)中，或使用半滲透隔膜將床分開(kāi)。在這種連接情況下，在連接處水被分解，半滲透隔膜可以是雙極隔膜或陽(yáng)離子或陰離子或陽(yáng)離子和陰離子可滲透隔膜。在這種鹽富集在連接處的情況下，隔膜可以是陽(yáng)離子或陰離子或陽(yáng)離子和陰離子可滲透隔膜。這樣隔膜的例子是NafionTM(DuPont)、TosflexTM(TOSH)或IonacTM(Sybron Chemicals Inc.)。
用于本發(fā)明實(shí)施方案的電極可以由在使用條件下呈惰性物質(zhì)制成。優(yōu)選，陽(yáng)極是由金、鉑、鈀、銥、碳或更優(yōu)選包覆金、鉑、鈀或銥的鈦構(gòu)成。陰極優(yōu)選由金、鉑、鈀、銥、碳、不銹鋼、銀、銅、鈦或包覆金、鉑、鈀或銥的鈦構(gòu)成。
在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，通過(guò)每一個(gè)離子交換物質(zhì)床的液流壓力能保持基本相等。在這種情況下，床之間不能有連接點(diǎn)這樣會(huì)充分限制液流通過(guò)連接點(diǎn)，所以簡(jiǎn)單將相鄰近交換物質(zhì)連成一體。在床之間的水壓相等通過(guò)供料口之間的供給液流提供一條通向各個(gè)床的通道而更好地實(shí)現(xiàn)。例如可以使用共用多支管使液流供給所有的床。
當(dāng)希望待凈化的液體最好連續(xù)通過(guò)一個(gè)以上排列的離子交換物質(zhì)床時(shí)，床之間必須至少有一些床連接設(shè)施，以使在操作過(guò)程中盡管在連接處存在水壓差，但基本上能夠限制液流通過(guò)連接處。例如，假如要凈化的液流是這樣的，對(duì)于每一對(duì)陽(yáng)離子/陰離子交換物質(zhì)床來(lái)說(shuō)，液流首先流過(guò)一種類型的離子交換物質(zhì)床，然后再通過(guò)鄰近的相反類型的離子交換物質(zhì)床，在這些床之間連接處積累可能限制液流流過(guò)，但是水的分解的連接處卻不會(huì)限制液流。在這種情況下最好使用多支管一起將原料液流供給第一離子交換物質(zhì)床以便使每一對(duì)床之間的水壓相等。
又一方面，本發(fā)明提供一種這樣的方法，即至少在離子交換物質(zhì)的兩個(gè)區(qū)域間形成一個(gè)連接處，其步驟包括在所說(shuō)的區(qū)域之間提供一個(gè)具有致密堆積結(jié)構(gòu)的離子交換物質(zhì)以形成所說(shuō)的連接，所說(shuō)的結(jié)構(gòu)具有的堆積密度足以能充分限制液流通過(guò)所說(shuō)的連接處。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明現(xiàn)在僅通過(guò)實(shí)施例陳述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其所參照的附圖如下；

圖1是說(shuō)明本發(fā)明第一方面的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；圖2是說(shuō)明本發(fā)明第一方面的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；圖3是說(shuō)明本發(fā)明第一方面的第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；圖4是說(shuō)明本發(fā)明第五方面的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；圖5是說(shuō)明本發(fā)明第五方面的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；和圖6是說(shuō)明本發(fā)明第五方面的第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖。
本發(fā)明的實(shí)施方法參照?qǐng)D1，兩個(gè)容器17和18分別含有陰離子交換物質(zhì)10和陽(yáng)離子交換物質(zhì)11。它們通過(guò)一片陽(yáng)離子交換隔膜4在兩個(gè)床之間形成離子導(dǎo)通連接，能充分防止水通過(guò)該隔膜。
要凈化的液流經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆峙淦鲝年庪x子床10的底部5供給以保證液流在床中以希望的方式流動(dòng)，液流上升通過(guò)床并在端口6流出。收集器可以任意放置在床10的頂部附近與端口6之間，再次保證液流在床中以希望的方式流動(dòng)。然后液流經(jīng)過(guò)管道7，借助第二個(gè)分配器輸送供給陽(yáng)離子床11的底部8。凈化水從床11的9處流出，任選地再次通過(guò)適當(dāng)?shù)氖占?，?br> 作為一個(gè)例子，讓我們假設(shè)需要凈化的液流是含有氯化鈉的水溶液。當(dāng)溶液上升通過(guò)床10時(shí)，氯離子被離子交換物質(zhì)所吸收并被氫氧根離子所替代。吸收幾乎都發(fā)生在床10的底部附近。因此液流作為氫氧化鈉溶液從6排出。然后，這溶液供給陽(yáng)離子交換物質(zhì)床11。當(dāng)溶液上升通過(guò)床11時(shí)，鈉離子被陽(yáng)離子交換物質(zhì)所吸收，又幾乎在床的底部被氫離子所替代，氫離子和存在的氫氧根離子反應(yīng)形成水。然后凈化水從裝置中的9排出以備使用。
在液流供給床以被凈化的同時(shí)，通過(guò)電源19在電極2和3之間施加了一電勢(shì)。該電勢(shì)值足夠大到使水在陰極2發(fā)生還原在陽(yáng)極3發(fā)生氧化，這些電極是由包覆鉑的鈦網(wǎng)制成的。水的還原反應(yīng)產(chǎn)生等摩爾的氫氣和氫氧根離子14，而水的氧化反應(yīng)產(chǎn)生等摩爾的氧氣和氫離子13。產(chǎn)生的少量氣體溶于液流中并和凈化水一起從9排出。在容器17和18的頂部的任意位置設(shè)置適當(dāng)?shù)耐ǖ朗谷魏畏e累的氣體能從其去除。
由于在雙極之間施加了電勢(shì)，電場(chǎng)的存在使陰離子14和16吸向陽(yáng)極3以及將陽(yáng)離子13和15吸向陰極2。這使陰離子14向下通過(guò)陰離子交換物質(zhì)床和使陽(yáng)離子13向下通過(guò)陽(yáng)離子交換物質(zhì)床。所以鈉離子15和氯離子16不斷沉積在離子交換物質(zhì)床的底部，正是這些離子而不是氫氧根離子或氫離子趨于達(dá)到床的連接處。因?yàn)闅溲醺x子14和氫離子13達(dá)到連接處而反應(yīng)生成水，從而導(dǎo)致本系統(tǒng)中庫(kù)侖定律失效，這正是所希望的。在電極上產(chǎn)生的氫氧根離子和氫離子13、14趨于向下遷移通過(guò)床并替代氯離子或鈉離子15、16，后者朝床連接處4遷移。這種在離子交換物質(zhì)中不斷地補(bǔ)充氫氧根離子和氫離子以保證液流凈化過(guò)程能連續(xù)不斷地進(jìn)行。
陰離子趨于向陽(yáng)離子交換隔膜和陰離子交換物質(zhì)之間的界面處遷移，陽(yáng)離子交換隔膜形成床之間的連接，陰離子基本上不能滲透通過(guò)陽(yáng)離子交換隔膜。陽(yáng)離子從床11通過(guò)陽(yáng)離子交換隔膜與在陽(yáng)離子交換隔膜/陰離子交換物質(zhì)界面4處的陰離子結(jié)合形成鹽。供給液流的一小部分允許從陰離子交換床的12出排出。這一液流用作是將在陽(yáng)離子交換隔膜/陰離子交換物質(zhì)界面4處形成的鹽帶走。事實(shí)上在界面上形成的富集鹽溶液的濃度要高于殘留在床中的液體的濃度，并因此趨于下降至排出口12，這樣有助于從這一界面去除鹽。通過(guò)使在床連接處附近處的容器18的底部?jī)A斜(如排出口12設(shè)置在最低點(diǎn))，能進(jìn)一步促使這一過(guò)程。
如圖2所示在本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，多個(gè)離子交換物質(zhì)30床21放置在電極22和23之間。根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案，離子交換床中可以含有混合的陰離子和陽(yáng)離子交換物質(zhì)30。這些床是這樣的，即可以流過(guò)每一個(gè)床底部的液流流過(guò)相對(duì)較直的通道。例如，如圖2所示，液流從床的底部25流入并從床的頂部26流出。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，要凈化的液流流過(guò)夾層式的幾個(gè)床，以相同方向或在鄰近床中改變方向。在這種情況下，液流通過(guò)這些床時(shí)可以連續(xù)凈化直至排出凈化液流。隨著待凈化液流流過(guò)這樣一堆床，鹽如前一個(gè)實(shí)施方案所說(shuō)的那樣從每一個(gè)連接處去除直到從這一堆床中流出的液流凈化至所要求的程度。通過(guò)將適當(dāng)?shù)囊毫鞣峙淦骱褪占飨到y(tǒng)放置在床端部，使導(dǎo)入的要凈化液流不會(huì)干擾在隔膜/交換物質(zhì)界面處鹽富集附近的液流。這能保證富集的鹽從排出口24被沖掉并充分防止其混入待凈化的液流中。
根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案，陽(yáng)極23放置在離子交換物質(zhì)床組21的一端并通過(guò)陰離子交換隔膜28任意地將鄰近的離子交換物質(zhì)床分開(kāi)。同樣，陰極22放置在離子交換物質(zhì)床組的另一端并通過(guò)陽(yáng)離子交換隔膜27任意地將鄰近的離子交換物質(zhì)床分開(kāi)。
當(dāng)在電極之間施加一電勢(shì)時(shí)，在電極上不斷產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，必須產(chǎn)生一液流使其流過(guò)電極以便于將這些產(chǎn)物帶走。這一液流可以直接廢棄或放出一小部分含有電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的液流并加入一小部分新鮮液流而循環(huán)通過(guò)電極附近。
本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施方案如圖3所描繪的。這個(gè)圖描繪了三個(gè)單元夾在一起并想示意性地說(shuō)明假如需要，無(wú)論是一個(gè)單元或是多個(gè)單元都能組裝成實(shí)施裝置。在這個(gè)實(shí)施方案中，容器21填充了混合的陰離子和陽(yáng)離子交換物質(zhì)30。每一個(gè)容器被一中央隔板29所分開(kāi)，隔板向上延伸至床的高度和床的長(zhǎng)度的位置處。要凈化的液流從每個(gè)單元的25進(jìn)入，向上通過(guò)床越過(guò)隔板29，再在另一側(cè)向下從26作為凈化液流排出。
當(dāng)這液流在被凈化時(shí)，在陰極22和陽(yáng)極23之間施加了一電勢(shì)。這使水在電極上產(chǎn)生還原和氧化以及使陽(yáng)離子被吸向陰極22和陰離子被吸向陽(yáng)極23。例如通過(guò)陽(yáng)離子交換隔膜27將容器21中的離子交換物質(zhì)30的床互相連接起來(lái)以便于離子輸送。如前面的實(shí)施方案，鹽趨于在陽(yáng)離子交換隔膜27和最靠近陰極22一側(cè)的離子交換物質(zhì)之間的界面上富集。這些鹽再通過(guò)一小股液流從容器中的24排出而去除。不是非要用混合離子交換物質(zhì)來(lái)鄰接陽(yáng)離子交換隔膜27，任選地一些陰離子交換物質(zhì)可以放置在鄰接陽(yáng)離子交換隔膜27最靠近陰極22一側(cè)和/或陽(yáng)離子交換物質(zhì)鄰接隔膜的最靠近陽(yáng)極23的一側(cè)。這有助于保證在界面上將離子去除而不再進(jìn)入被凈化的液流中。也可以任意使用一片陰離子交換隔膜28以阻止在陰極22形成的氫氧根離子進(jìn)入交換物質(zhì)床。
當(dāng)在電極22和23之間施加一電勢(shì)時(shí)，一小股液流導(dǎo)入之中以提供用于電極反應(yīng)的水和以便于將電極反應(yīng)產(chǎn)物帶走。這一液流可以直接廢棄或放出一小部分含有電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的液流并加入一小部分新鮮液流而循環(huán)通過(guò)電極附近。
參照本發(fā)明的第五方面的第一實(shí)施方案，如圖4所示，要凈化的液流49經(jīng)過(guò)公用的多支管54進(jìn)入一排的離子交換物質(zhì)床41。液流向上經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子44交換物質(zhì)床或陰離子45交換物質(zhì)床。通過(guò)這樣過(guò)程，供給的液流中的陽(yáng)離子或陰離子分別被氫離子或氫氧根離子所替代。然后液流產(chǎn)物50經(jīng)過(guò)公用的多支管53從床中排出。在這發(fā)生的同時(shí)，在陰極42和陽(yáng)極43之間施加了一電勢(shì)以使在電極之間有電流流過(guò)。電極與離子交換物質(zhì)床被陽(yáng)離子交換隔膜51或陰離子交換隔膜52所分開(kāi)。這使污染離子(這里所示的為鈉離子和氯離子)向床的連接處47遷移。在床的連接處47污染的離子結(jié)合形成鹽。水槽48有開(kāi)向裝置的外側(cè)的排放口，它產(chǎn)生一小股液流流向連接處47并進(jìn)入水槽48。這液流使在連接處47形成的鹽被沖入水槽48中并從床44、45中去除。所示在連接處46底部的水槽48是任選的，并且當(dāng)處理供給液流具有相對(duì)高的溶鹽濃度時(shí)這是必須有的。與在離子交換物質(zhì)相中的可移動(dòng)的離子濃度相比，在連接處46的液流中只有相對(duì)低濃度的離子。這些可移動(dòng)的離子在電場(chǎng)的作用下被吸離床的連接處46，以便于在連接處之間運(yùn)載電流而水將分解為氫離子和氫氧根離子。由于電場(chǎng)的存在，然后這些離子分別遷移通過(guò)陽(yáng)離子和陰離子交換物質(zhì)床，不斷地再生這些床。
根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案，幾乎有一半的污染鹽將從供給液流49中除去，并且連接處46和4僅僅需要7在兩種物質(zhì)床之間的一界面或一片大孔隙材料如網(wǎng)孔材料或多孔片?？蛇x擇地，流入床的液流多支管裝置可以變化以使要凈化的液流首先通過(guò)一種離子交換物質(zhì)床，然后再通過(guò)第二種相反類型的離子交換物質(zhì)床。這可以充分地將所有溶鹽從要凈化的液流中除去。這要求連接處46或47或兩者都充分限制液流通過(guò)其中以阻止在鄰近的離子交換物質(zhì)床之間發(fā)生不希望的液流混合。
在這個(gè)實(shí)施方案的又一形式中，可以使用兩排如圖4所描繪形式的離子交換物質(zhì)床，以使通過(guò)第一排床而凈化的液流再進(jìn)入第二排床使其進(jìn)一步凈化。另外，根據(jù)該實(shí)施方案的這種形式，已經(jīng)通過(guò)第一排的陽(yáng)離子交換物質(zhì)床的液流再被輸入第二排的陰離子交換物質(zhì)床。同樣，已經(jīng)通過(guò)第一排的陰離子交換物質(zhì)床的液流再被輸入第二排的陽(yáng)離子交換物質(zhì)床。在這種方式下陰離子和陽(yáng)離子都被從要凈化液流中除去。
根據(jù)該實(shí)施方案的這種形式，一對(duì)分離的電極可以與每一排床相連接或它們有一對(duì)公用電極。
在本發(fā)明的第五方面的第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，如圖5所示，兩排床是這樣放置的，即一排放置在另一排的上面，而且在第一排的每一離子交換床的上面直接就是一相反類型的離子交換床。陰極電極42放置在這兩排離子交換床的一端而陽(yáng)極電極43則放置在另一端。在這一實(shí)施方案中單一的陽(yáng)極和陰極電極同時(shí)對(duì)兩排床提供電流。假如需要，可以用陽(yáng)離子交換隔膜51或陰離子交換隔膜52將電極和離子交換床端分開(kāi)，要凈化的液流49直接通過(guò)這兩排床。圖5上的其它數(shù)字所表示的結(jié)構(gòu)與圖4所定義的相同。
在這實(shí)施方案的第二種形式中，兩排床可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞脚帕?，只要使從第一排床流出的液流?jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪B接器能夠供給第二排相應(yīng)的床。在該實(shí)施方案的這種形式中，一對(duì)分離電極被用于每一排床上。優(yōu)選將這些電極對(duì)串聯(lián)連接在一起。在該實(shí)施方案的這種形式中，希望將從第一排床流出的液流輸入第二排床的裝置是足夠長(zhǎng)，并且所說(shuō)裝置的橫截面足夠小，這樣離子流通過(guò)所說(shuō)的裝置的阻力要大于由于施加的電場(chǎng)的作用，阻止離子流通過(guò)這排離子交換物質(zhì)床的阻力。這樣能防止離子交換床明顯的電短路。
在本發(fā)明的第五方面的第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，一排離子交換物質(zhì)床的一端與第二排離子交換物質(zhì)床的一端有一連接處，該連接處允許兩床之間電連通而限制或充分阻止液流通過(guò)它。這樣的連接方式可用一離子交換隔膜。將第一排床流出的液流輸入第二排床的方式與第二優(yōu)選實(shí)施方案所提供的一樣。根據(jù)這第三實(shí)施方案，采用一對(duì)電極，其中陰極放置在一排連接的床的一端而陽(yáng)極則放置在另一端。在這實(shí)施方案中各排的床可以連接成棒狀或成U形狀，或其它適當(dāng)?shù)男螤?。如圖6所示本實(shí)施方案所給出的是一例棒狀形狀。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面提出了一形成床連接的方法。這一方法的應(yīng)用的連接方式可參照?qǐng)D4、5和6中的46和47。根據(jù)這第一方面，將離子交換物質(zhì)形成堆垛致密的結(jié)構(gòu)以構(gòu)成連接處。這離子交換物質(zhì)可以是細(xì)粉末狀形式、壓縮的細(xì)絲物質(zhì)、旋轉(zhuǎn)粘結(jié)的細(xì)絲物質(zhì)或其它可以致密堆積的物質(zhì)。堆積物質(zhì)的致密度有這樣一個(gè)要求，即在操作中能夠充分地阻止液流通過(guò)這致密堆積的物質(zhì)，只有一小部分供給的水流能夠通過(guò)。這個(gè)阻力可以是通過(guò)其本身限制液流以達(dá)到所要求的程度，或這樣的連接阻力與閥或毛細(xì)管結(jié)合使用，當(dāng)其使用其中之一時(shí)使所希望的液流通過(guò)連接處或流出連接處并進(jìn)入水槽中。
優(yōu)選，每一個(gè)致密堆積物質(zhì)之間具有兩個(gè)鄰接區(qū)域，一個(gè)區(qū)域含有陰離子交換物質(zhì)而第二個(gè)區(qū)域含有陽(yáng)離子物質(zhì)。含有陰離子交換物質(zhì)的區(qū)域面向陰離子交換床而含有陽(yáng)離子交換物質(zhì)的區(qū)域則面向陽(yáng)離子交換物質(zhì)床。任意地，一個(gè)或多個(gè)大孔隙片物質(zhì)或網(wǎng)放置在兩區(qū)域之間以使液流通過(guò)其的阻力與液流通過(guò)致密堆積物質(zhì)的阻力相比相對(duì)低一些。
當(dāng)在這一方面使用旋轉(zhuǎn)粘結(jié)物質(zhì)時(shí)，連接的結(jié)構(gòu)可以是其本身支承。當(dāng)使用細(xì)粉末物質(zhì)時(shí)，可以在網(wǎng)的外側(cè)形成一含有粉末的袋子。優(yōu)選足夠細(xì)的網(wǎng)以使粉末物質(zhì)充分保留在網(wǎng)內(nèi)但允許任意一些物質(zhì)擠出通過(guò)網(wǎng)。通過(guò)網(wǎng)擠出的物質(zhì)允許其在連接處的離子交換物質(zhì)和它的床物質(zhì)之間有更緊密地接觸，從而降低電阻。這擠出物質(zhì)可以任意地與粘結(jié)劑一起霧化以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固。細(xì)粉末狀物質(zhì)也可以與粘結(jié)劑混合以形成自身支承的連接結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明這又方面的優(yōu)選實(shí)施方案中，離子交換物質(zhì)形成一楔形，楔形的最厚端在連接處的底部。根據(jù)這個(gè)實(shí)施方案，液流通過(guò)楔的薄的部分的阻力要小于液流通過(guò)楔的厚的部分的阻力，這就使液流通過(guò)致密堆積物質(zhì)進(jìn)入連接處時(shí)趨于選擇從連接處的頂部進(jìn)入。然后液流趨于沿連接處向下流動(dòng)有助于除去假如需要除去的鹽。
只要不脫離本發(fā)明所陳述的精神實(shí)質(zhì)或范圍，可能能舉出更多的本發(fā)明的實(shí)施方案和范例，這都是可以理解的。
權(quán)利要求
1.一種凈化液流的方法，包括的步驟為將要凈化的液流順序地通過(guò)至少一對(duì)離子交換物質(zhì)床，其中一種是陰離子交換物質(zhì)而第二種是陽(yáng)離子交換物質(zhì)，被連接的床至少有這樣一個(gè)連接點(diǎn)，在它們之間所形成的連接處離子是可滲透過(guò)的，通過(guò)在一對(duì)電極之間施加一電勢(shì)，其中每一個(gè)電極與相應(yīng)的物質(zhì)床相連接，由此在電極之間產(chǎn)生一電場(chǎng)，從而同時(shí)再生所說(shuō)的離子交換物質(zhì)床，并且所說(shuō)的電極被這樣放置，即在每一個(gè)所說(shuō)電極與所說(shuō)的連接處之間夾著至少一些離子交換物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的凈化液流的方法，其中陰極放置在陰離子交換物質(zhì)床中以及陽(yáng)極放置在陽(yáng)離子交換物質(zhì)床中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的凈化液流的方法，包括下列步驟將要凈化的液流供給其中的一床，并允許液流流入該床并從中排出，然后再供給第二床并允許流入通過(guò)第二床并在這里提取離子，作為凈化的液流從第二床排出。
4.根據(jù)前面的任何一項(xiàng)權(quán)利要求的凈化液流的方法，包括在床的連接處附近提供一小股液流以便將富集的雜質(zhì)去除的步驟。
5.根據(jù)前面的任何一項(xiàng)權(quán)利要求的凈化液流的方法，包括要凈化的液流通過(guò)離子交換物質(zhì)床的方向是這樣的，其中至少有一部分方向與在電場(chǎng)作用下離子的流動(dòng)方向不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的凈化液流的方法，其中液流的方向與在電場(chǎng)作用下離子的流動(dòng)方向相反或垂直。
7.根據(jù)前面的任何一項(xiàng)權(quán)利要求的凈化液流的方法，包括離子交換物質(zhì)床所形成的連接處是陰離子或陽(yáng)離子或陰陽(yáng)離子都可以滲透通過(guò)的，但卻能基本上限制或阻止液流通過(guò)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的凈化液流的方法，其中連接處是通過(guò)使用一片陰離子或陽(yáng)離子交換隔膜而形成以將兩個(gè)離子交換物質(zhì)床分開(kāi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的凈化液流的方法，其中連接處是通過(guò)將離子交換樹(shù)脂小珠堆積在網(wǎng)柵而形成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的凈化液流的方法，其中形成所說(shuō)連接處的樹(shù)脂顆粒是被壓入并固定在單一網(wǎng)的網(wǎng)柵中或夾在兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)柵中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的凈化液流的方法，其中網(wǎng)柵是由相對(duì)惰性的非導(dǎo)電的物質(zhì)形成的。
12.根據(jù)前面的任何一項(xiàng)權(quán)利要求的凈化液流的方法，包括對(duì)床或離子交換物質(zhì)床施加壓力使其壓縮以便降低床對(duì)離子流的阻力的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的凈化液流的方法，其中施加壓力的方法是通過(guò)放置在床里面或床表面的電極結(jié)構(gòu)施加壓力到夾在電極與床連接處之間的離子交換物質(zhì)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的凈化液流的方法，其中通過(guò)使用適當(dāng)結(jié)構(gòu)的隔膜增強(qiáng)了電極結(jié)構(gòu)以防止當(dāng)施加壓縮力時(shí)產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)膹澢?br> 15.根據(jù)權(quán)利要求12的凈化液流的方法，其中施加的壓力是通過(guò)為含有離子交換物質(zhì)的床設(shè)置一蓋子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且包括在組裝床的過(guò)程中將離子交換物質(zhì)填充過(guò)滿，這樣當(dāng)對(duì)床裝蓋子時(shí)，里面的物質(zhì)被壓縮的步驟。
16.根據(jù)前面的任何一項(xiàng)權(quán)利要求的的凈化液流的方法，其中離子交換物質(zhì)是細(xì)絲狀的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1～15中的任何一項(xiàng)的凈化液流的方法，其中離子交換物質(zhì)是大孔隙獨(dú)石狀的物質(zhì)。
18.根據(jù)前面的任何一項(xiàng)權(quán)利要求的凈化液流的方法，其中離子交換物質(zhì)是由化學(xué)處理的聚合物質(zhì)形成的。
19.凈化液流的裝置，包括至少兩個(gè)離子交換物質(zhì)床，其中一個(gè)是陰離子交換物質(zhì)和第二個(gè)是陽(yáng)離子交換物質(zhì)，兩個(gè)床通過(guò)至少一個(gè)連接處連接，所述連接處是離子可滲透通過(guò)的，使待凈化的液體連續(xù)流過(guò)一個(gè)和另一個(gè)床的結(jié)構(gòu)，至少有一對(duì)電極，它的每一電極分別與相應(yīng)的物質(zhì)床連在一起以使在所說(shuō)的每一電極和所說(shuō)的連接處之間至少夾著一些離子交換物質(zhì)；在所說(shuō)的電極對(duì)之間施加電勢(shì)的設(shè)施，其作用是在它們之間產(chǎn)生一電場(chǎng)并再生所說(shuō)的離子交換物質(zhì)。
20.凈化液流的裝置，包括至少兩個(gè)離子交換物質(zhì)床，其中每一個(gè)床含有陰陽(yáng)離子交換物質(zhì)的混合物，兩個(gè)床通過(guò)至少一個(gè)連接處連接，所述連接處是離子可滲透通過(guò)的，使待凈化的液體連續(xù)流過(guò)一個(gè)和另一個(gè)床的結(jié)構(gòu)，至少有一對(duì)電極，它的每一電極分別與相應(yīng)的物質(zhì)床連在一起以使在所說(shuō)的每一電極和所說(shuō)的連接處之間至少夾著一些離子交換物質(zhì)；在所說(shuō)的電極對(duì)之間施加電勢(shì)的設(shè)施，其作用是在它們之間產(chǎn)生一電場(chǎng)并再生所說(shuō)的離子交換物質(zhì)。
21.凈化液流的裝置，包括至少兩個(gè)含有離子交換物質(zhì)床，其中一個(gè)是陰離子交換物質(zhì)和第二個(gè)是陽(yáng)離子交換物質(zhì)，兩個(gè)床通過(guò)至少一個(gè)連接處連接，使要凈化的液流通過(guò)每一個(gè)床的結(jié)構(gòu)，它或者通過(guò)單一一個(gè)床或通過(guò)一個(gè)至少含有陰離子交換物質(zhì)的床和至少含有陽(yáng)離子交換物質(zhì)的床，所說(shuō)的含有離子交換物質(zhì)的床以一排的方式放置，至少有一對(duì)電極與所說(shuō)的排相連接，在所說(shuō)的電極與所說(shuō)的床連接處或連接點(diǎn)之間施加一電勢(shì)的設(shè)施。
22.根據(jù)權(quán)利要求19～21中任意一項(xiàng)的凈化液流的裝置，包括通過(guò)施加壓力使床或離子交換物質(zhì)床壓縮以降低床對(duì)離子流的阻力。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的凈化液流的裝置，其中施加壓力的結(jié)構(gòu)包括放置在床里面或床表面的電極結(jié)構(gòu)施加壓力到夾在電極與床連接處之間的離子交換物質(zhì)中。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的凈化液流的裝置，其中通過(guò)采用適當(dāng)結(jié)構(gòu)的元件增強(qiáng)電極結(jié)構(gòu)以防止當(dāng)施加壓縮力時(shí)產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)膹澢?br> 25.根據(jù)權(quán)利要求22的凈化液流的裝置，其中施加的壓力是通過(guò)為含有離子交換物質(zhì)的床設(shè)置一蓋子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且在組裝床的過(guò)程中將離子交換物質(zhì)填充過(guò)滿，這樣當(dāng)對(duì)床裝蓋子時(shí)，里面的物質(zhì)被壓縮。
26.根據(jù)權(quán)利要求19～25中的任何一項(xiàng)的凈化液流的裝置，其中離子交換物質(zhì)是細(xì)絲狀的。
27.根據(jù)權(quán)利要求19～25中的任何一項(xiàng)的凈化液流的裝置，其中離子交換物質(zhì)是大孔隙獨(dú)石狀的物質(zhì)。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的凈化液流的裝置，其具有一對(duì)離子交換床和在離子交換床之間有兩種形式的連接處，第一種形式的連接處具有一電勢(shì)施加在連接處之間以使存在于離子交換物質(zhì)中的可移動(dòng)的陽(yáng)離子和陰離子被吸離連接處而分別進(jìn)入陽(yáng)離子和陰離子交換物質(zhì)床中，以及第二種形式的連接處具有一電勢(shì)施加在連接處之間以使分別存在于床中的陽(yáng)離子和陰離子被吸向連接處并在此形成鹽。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的凈化液流的裝置，其中所說(shuō)的鹽被流向連接處附近的一小股液流以溶液形式帶走，并在連接處的底部提供一水槽有助于將鹽溶液沖走。
30.根據(jù)權(quán)利要求21的凈化液流的裝置，其具有多對(duì)離子交換物質(zhì)床，排列成一排，每一個(gè)離子交換物質(zhì)床有至少兩個(gè)連接處與鄰近的床連接或與含有電極的腔室連接，其中一對(duì)所說(shuō)的連接處被施加了一電勢(shì)以使存在于離子交換物質(zhì)中的可移動(dòng)的陽(yáng)離子和陰離子被吸離連接處而分別進(jìn)入陽(yáng)離子和陰離子交換物質(zhì)床中，以及另一對(duì)所說(shuō)的連接處具有一電勢(shì)施加在連接處之間以使分別存在于床中的陽(yáng)離子和陰離子被吸向連接處并在此形成鹽。
31.根據(jù)權(quán)利要求21～30中的任何一項(xiàng)的凈化液流的裝置，其中連接處是在鄰近的離子交換物質(zhì)床中使用織物網(wǎng)柵或其它多孔隙隔膜而形成的，在形成網(wǎng)柵或其它多孔隙物質(zhì)中加入了離子交換物質(zhì)并被壓縮，或使用半滲透隔膜將床分開(kāi)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的凈化液流的裝置，包括在一連接處水被分解，半滲透隔膜可以是一雙極性隔膜或一陽(yáng)離子或陰離子或陽(yáng)離子和陰離子可滲透隔膜。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的凈化液流的裝置，包括在一連接處鹽被收集，半滲透隔膜可以是一陽(yáng)離子或陰離子或陽(yáng)離子和陰離子可滲透隔膜。
34.根據(jù)權(quán)利要求21～33中的任何一項(xiàng)的凈化液流的裝置，其中液流通過(guò)每一個(gè)離子交換物質(zhì)床的壓力基本是相等的。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的凈化液流的裝置，其中在床之間壓力均等通過(guò)在原料入口處之間的供給液流提供一個(gè)通往各個(gè)床的連接通道而實(shí)現(xiàn)。
36.一種在離子交換物質(zhì)中至少兩個(gè)區(qū)域之間形成一連接處的方法，包括的步驟為在所說(shuō)的區(qū)域形成所說(shuō)的連接處之間提供一致密堆積結(jié)構(gòu)的離子交換物質(zhì)，所說(shuō)的結(jié)構(gòu)具有一足夠的堆積密度以限制液流流過(guò)所說(shuō)的連接處。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的在離子交換物質(zhì)中至少兩個(gè)區(qū)域之間形成一連接處的方法，其中離子交換物質(zhì)形成的致密堆積結(jié)構(gòu)是以細(xì)粉末或一壓縮的細(xì)絲物質(zhì)形成的。
38.根據(jù)權(quán)利要求36或37的在離子交換物質(zhì)中至少兩個(gè)區(qū)域之間形成一連接處的方法，其中的連接限制是結(jié)合使用了一閥門或毛細(xì)管以使所期望的液流量通過(guò)連接處。
39.根據(jù)權(quán)利要求36、37或38的在離子交換物質(zhì)中至少兩個(gè)區(qū)域之間形成一連接處的方法，其中致密堆積的物質(zhì)是在相互鄰近的兩個(gè)區(qū)域形成的，一個(gè)含有陰離子交換物質(zhì)而第二個(gè)則含有陽(yáng)離子交換物質(zhì)。
40.根據(jù)權(quán)利要求36～39中的任何一項(xiàng)的在離子交換物質(zhì)中至少兩個(gè)區(qū)域之間形成一連接處的方法，其中每一個(gè)區(qū)域含有一種類型的離子交換物質(zhì)并放置在面向相同物質(zhì)類型的交換床上。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的在離子交換物質(zhì)中至少兩個(gè)區(qū)域之間形成一連接處的方法，其中在區(qū)域之間至少放置了一片大孔物質(zhì)或網(wǎng)柵，以相比于液流流過(guò)致密堆積的物質(zhì)，給液流提供阻力相對(duì)低的通道。
42.根據(jù)權(quán)利要求36～41中的任何一項(xiàng)的在離子交換物質(zhì)中至少兩個(gè)區(qū)域之間形成一連接處的方法，還包括以下步驟將形成連接處的離子交換物質(zhì)形成一楔形，楔形的最厚端在連接處的底部，這樣使液流通過(guò)楔形的更薄部分的阻力要小于其通過(guò)楔形更厚的部分，從而使液流通過(guò)致密堆積物質(zhì)進(jìn)入連接處時(shí)趨于優(yōu)先從連接處的頂部進(jìn)入。
全文摘要
一種凈化液流的方法和裝置,包括至少兩個(gè)離子交換物質(zhì)床(17,18),其中一個(gè)是陰離子交換物質(zhì)和第二個(gè)是陽(yáng)離子交換物質(zhì)。床(17,18)至少被一個(gè)連接點(diǎn)所連接,這樣在它們之間形成一個(gè)離子可滲透的連接處(4)。要凈化的液流被順序地通過(guò)一床然后另一床。一對(duì)電極(2,3)被這樣提供,每一個(gè)電極分別與相應(yīng)的物質(zhì)床相連,這樣在每一個(gè)電極(2,3)和連接處(4)之間至少夾著一些離子交換物質(zhì),在一對(duì)電極(2,3)之間施加了一電勢(shì)以便在它們之間產(chǎn)生一電場(chǎng)并再生離子交換物質(zhì)(10,11)。在另外一種方案中,床中可以含有陰離子和陽(yáng)離子交換物質(zhì)的混合物。提出了在床之間形成連接的一種方法。
文檔編號(hào)B01J47/06GK1273565SQ98809823
公開(kāi)日2000年11月15日 申請(qǐng)日期1998年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月3日
發(fā)明者A·M·郝吉斯, P·奧絲瓦斯 申請(qǐng)人:Usf過(guò)濾分離集團(tuán)公司