用于調(diào)節(jié)水的裝置和方法以及并入該裝置和方法的系統(tǒng)和工藝的制作方法
【專利摘要】水調(diào)節(jié)器，其利用離子流和選擇性離子過(guò)濾控制水硬度和/或pH。在某些實(shí)施方案中，水調(diào)節(jié)器包括一個(gè)或更多個(gè)調(diào)節(jié)電池，每個(gè)調(diào)節(jié)電池具有電極和被離子選擇性過(guò)濾器分離的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)。離子選擇性過(guò)濾器被設(shè)計(jì)/被配置/被選擇以傳遞堿土金屬陽(yáng)離子并且阻止對(duì)應(yīng)的碳酸根陰離子。當(dāng)電極被供給能量并且水在過(guò)濾器膜的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)上存在時(shí)，堿土金屬陽(yáng)離子穿過(guò)膜從陽(yáng)極側(cè)傳遞至陰極側(cè)，同時(shí)膜阻止在陰極側(cè)上的碳酸根離子傳遞至陽(yáng)極側(cè)。以此方式，堿土金屬陽(yáng)離子和水硬度可以在陽(yáng)極流中被降低。
【專利說(shuō)明】用于調(diào)節(jié)水的裝置和方法從及并入該裝置和方法的系統(tǒng)和 工藝
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)資料
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年11月1日提交并且題為"Membrane Water Conditioner(膜式 水調(diào)節(jié)器r的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列第61/899,026號(hào)的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，其通過(guò)引用W其整 體并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體上設(shè)及水調(diào)節(jié)的領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明設(shè)及用于調(diào)節(jié)水的裝置和方法、 W及并入該裝置和方法的系統(tǒng)和工藝。
[0004] 背景
[0005] 水對(duì)許多人類活動(dòng)是必需的，包括通過(guò)蒸汽和水輪機(jī)(water化rbine)產(chǎn)生電力、 加熱和加濕生存空間、沐浴、烹任、制造飲料、W及洗涂衣物并且將權(quán)皺從衣物中除去，僅舉 幾個(gè)例子。用于運(yùn)些活動(dòng)和其他活動(dòng)的水在化學(xué)組成（例如硬度)上不同，運(yùn)取決于水的來(lái) 源。在許多地理位置中，尤其在水從高巧和高儀(例如，石灰石、白聖、和白云石）的含水層獲 得的地方，水是高碳酸鹽硬度或暫時(shí)硬度（temporary hardness)的，運(yùn)典型地是由溶解的 碳酸巧和碳酸儀的存在引起的。高碳酸鹽硬度的水對(duì)在許多人類活動(dòng)中使用是不合意的， 因?yàn)閴A±金屬，例如巧和/或儀從水中沉淀出來(lái)并且隨著時(shí)間，在暴露至水的表面上形成礦 物垢(mineral scale)。運(yùn)樣的垢具有多種有害的作用，包括降低體積容量（volumetric capacity)(可能導(dǎo)致阻塞）、降低熱轉(zhuǎn)移效率、降低忍吸能力(wicking ability)、W及減少 電氣特性，除了別的之外。在碳酸鹽硬度是普遍的并且垢的有害作用中的一種或更多種導(dǎo) 致例如比如在鍋爐(boiler)、水加熱器、和加濕器中不可接受地加速的設(shè)備故障的情況下， 水常常使用離子交換樹脂來(lái)軟化，在離子交換樹脂中巧陽(yáng)離子在化電荷下用兩倍數(shù)目的一 價(jià)陽(yáng)離子例如鋼和鐘來(lái)替換。離子交換軟化的缺點(diǎn)是水包含比在軟化之前存在的更高水平 的一價(jià)陽(yáng)離子。
[0006] 公開(kāi)內(nèi)容概述
[0007] 在一個(gè)實(shí)施方式中，本公開(kāi)內(nèi)容設(shè)及調(diào)節(jié)包含堿±金屬陽(yáng)離子和對(duì)應(yīng)的碳酸根陰 離子的水的方法。該方法包括:使水流入到具有第一陰極側(cè)和第一陽(yáng)極側(cè)的第一調(diào)節(jié)電池 中W便分別提供陰極流和陽(yáng)極流;朝向第一陰極側(cè)誘導(dǎo)在陽(yáng)極流中的堿±金屬陽(yáng)離子;允 許在陽(yáng)極流中的堿±金屬陽(yáng)離子傳遞至陰極流；W及抑制在陰極流中的碳酸根陰離子傳遞 至陽(yáng)極流。
[000引在另一個(gè)實(shí)施方式中，用于調(diào)節(jié)包含堿±金屬陽(yáng)離子和碳酸根陰離子的水的裝 置。該裝置包括第一調(diào)節(jié)電池，所述第一調(diào)節(jié)電池:包括第一陰極側(cè);第一陽(yáng)極側(cè);位于第一 陰極側(cè)上的第一陰極;位于第一陽(yáng)極側(cè)上的第一陽(yáng)極;第一進(jìn)口，其被設(shè)計(jì)且被配置W接收 水并且提供水至第一陰極側(cè)和第一陽(yáng)極側(cè)兩者W分別提供陰極流和陽(yáng)極流;第一陰極出 口，其被設(shè)計(jì)且被配置W允許陰極流離開(kāi)第一陰極側(cè);第一陽(yáng)極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置W 允許陽(yáng)極流離開(kāi)第一陽(yáng)極側(cè)；W及第一離子選擇性過(guò)濾器膜，其將陰極流和陽(yáng)極流彼此分 離，當(dāng)水存在時(shí)，該第一離子選擇性過(guò)濾器膜被設(shè)計(jì)/被配置/被選擇w:允許在陽(yáng)極流中的 堿±金屬陽(yáng)離子傳遞至陰極流;W及抑制在陰極流中的碳酸根陰離子傳遞至陽(yáng)極流。
[0009] 附圖簡(jiǎn)述
[0010] 為了說(shuō)明本發(fā)明的目的，附圖示出本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方案的方面。然而， 應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于在附圖中示出的精確的布置和手段（instrumentality)，在附圖 中：
[0011] 圖1是根據(jù)本發(fā)明制成的并且包括單調(diào)節(jié)電池的單電池水調(diào)節(jié)裝置的示意圖；
[0012] 圖2是如沿著圖1的線2-2截取的放大的縱向的橫截面視圖；
[0013] 圖3是根據(jù)本發(fā)明制成的Ξ電池水調(diào)節(jié)裝置的示意圖；
[0014] 圖4是根據(jù)本發(fā)明制成的另一個(gè)Ξ電池水調(diào)節(jié)裝置的示意圖；
[0015]圖5是CaCO沸Ca(OH)姐水中的溶解度相對(duì)于抑的圖；W及
[0016]圖6是包括根據(jù)本發(fā)明制成的水調(diào)節(jié)裝置的示例性系統(tǒng)和工藝的示意圖。
[0017] 詳述
[0018] 本發(fā)明的方面W高水平設(shè)及使用誘導(dǎo)的離子流和受控制的離子過(guò)濾的組合來(lái)減 少水中的碳酸鹽、或暫時(shí)硬度。在本文描述的實(shí)例中，使用電極來(lái)誘導(dǎo)碳酸鹽硬度有關(guān)的離 子的離子流，即堿±金屬(AEM)陽(yáng)離子(例如，巧陽(yáng)離子(Ca2+)和儀(Mgh)陽(yáng)離子)和它們對(duì) 應(yīng)的基于碳酸根的陰離子(例如，碳酸根陰離子(0)32?和碳酸氨根陰離子化C〇3^)的離子 流，并且使用過(guò)濾器來(lái)進(jìn)行受控制的離子過(guò)濾，所述過(guò)濾器被設(shè)計(jì)且被配置、或被配置且被 選擇W選擇性地使在陽(yáng)離子的離子流中的陽(yáng)離子通過(guò)并且選擇性地阻止在基于碳 酸根的陰離子的離子流中的基于碳酸根的陰離子。W此方式，產(chǎn)生垢的AEM陽(yáng)離子的量可W 在過(guò)濾器的一側(cè)上的水中被減少W產(chǎn)生被調(diào)節(jié)的水，并且對(duì)應(yīng)地，運(yùn)樣的陽(yáng)離子的濃度可 W在過(guò)濾器的另一側(cè)上被增加。如下文將看到，陽(yáng)離子減少的被調(diào)節(jié)的水可W被用于任何 合適的基于人類活動(dòng)的用途，例如用于制造蒸汽和/或制造熱水，除了別的之外，同時(shí)陽(yáng)離 子濃縮的水可W任選地被加工W除去陽(yáng)離子。此外，被調(diào)節(jié)的水的一部分可W被再循環(huán)至 離子選擇性過(guò)濾器的另一側(cè)，其中其升高的酸度可W被用W使可W趨向于在那里累積的垢 溶解。另外地，或可選擇地，被調(diào)節(jié)的水的全部或一部分可W被提供至另一離子流/離子過(guò) 濾設(shè)備W用于進(jìn)一步加工。本發(fā)明的運(yùn)些和其他方面在下文詳細(xì)地被描述。如在閱讀全部 本公開(kāi)內(nèi)容之后本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，根據(jù)本發(fā)明制成的水調(diào)節(jié)電池、設(shè)備、和系統(tǒng)可W 相對(duì)廉價(jià)地被制成并且被操作，使得它們比常規(guī)的硬度除去系統(tǒng)是更合意的。
[0019] 典型地，碳酸巧硬度是碳酸鹽硬度的最普遍的形式。據(jù)估計(jì)，70%的水硬度和垢的 累積歸因于碳酸巧(CaC〇3)并且30%歸因于碳酸儀(MgC〇3)。因此，碳酸巧硬度在本文中比硬 度的其他形式更詳細(xì)地被解決，然而運(yùn)不意指本發(fā)明的方面和特征僅適用于碳酸巧。
[0020] 對(duì)于化C〇3(s)在水中形成，需要巧化離子和碳酸氨根2HC03-離子。如果運(yùn)些中的 一個(gè)是不可用的，那么形成的過(guò)程可W不發(fā)生。因?yàn)镃aC〇3(s)在出0中解離成碳酸根離子 C〇32-和巧離子化2+，所W陰離子和陽(yáng)離子可W被吸引至極化電極(polarized electrode)。 如果被設(shè)計(jì)且被配置W防止離子遷移的分離屏障（separation barrier),即離子選擇性過(guò) 濾器，被放置在空腔(cavity)內(nèi)的電極之間，那么被分離的離子將在兩個(gè)單獨(dú)的流中流出。 因?yàn)閹ж?fù)電荷的離子（陰離子)總是比它們從其衍生的中性原子更大并且?guī)д姾傻碾x子 (陽(yáng)離子)總是較小，合適地被選擇的分離膜可W被用W抑制較大的離子（陰離子）穿過(guò)屏 障。陽(yáng)離子，例如Ca2+、Mg2\出0%將朝向帶負(fù)電荷的陰極遷移，離開(kāi)具有OH-、HC03-和Cr (如 果存在）陰離子的帶正電荷的陽(yáng)極。運(yùn)將增加在陰極側(cè)上的抑水平并且將降低在陽(yáng)極側(cè)上 的抑水平。因?yàn)閮蓚€(gè)流趨向朝向平衡狀態(tài)，富含化的流可W通過(guò)沉淀被純化并且陽(yáng)極流可 W被利用(如果期望）W使巧沉積物溶解。
[0021] 現(xiàn)在參考附圖，圖1圖示根據(jù)本發(fā)明制成的示例性水調(diào)節(jié)裝置100。在此實(shí)例中，裝 置100包括具有在使用期間接收將被調(diào)節(jié)的水112的水進(jìn)口 108的調(diào)節(jié)電池104。在此實(shí)例 中，調(diào)節(jié)電池104還包括一對(duì)水出口、輸出陰極水流120的陰極側(cè)出口 116和輸出陽(yáng)極水流 128的陽(yáng)極側(cè)出口 124。如將在閱讀全部本公開(kāi)內(nèi)容之后理解的，陽(yáng)極水流128在本文中被認(rèn) 為包含"被調(diào)節(jié)的"水，其中產(chǎn)生垢的AEM陽(yáng)離子被除去，并且在某些情況下，陰極水流120可 W被認(rèn)為包含"廢"水，然而此廢水可W進(jìn)一步地被加工和/或被使用用于一個(gè)或更多個(gè)最 終使用工藝（end-use proCeSS)。應(yīng)注意，在此實(shí)例中，水進(jìn)口 108、陰極側(cè)出口 116、W及陽(yáng) 極側(cè)出口 124W單數(shù)形式被示出，但在其他實(shí)施方案中，運(yùn)些項(xiàng)目中的任一個(gè)或更多個(gè)可W 被對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目中的兩個(gè)或更多個(gè)替換，取決于期望的設(shè)計(jì)。
[0022] 圖2更詳細(xì)地圖示調(diào)節(jié)電池104。如在圖2中所看到，調(diào)節(jié)電池104包括陰極200和陽(yáng) 極204，它們彼此分離W部分地界定在該電池內(nèi)的內(nèi)部空間208。對(duì)應(yīng)地，內(nèi)部空間208包括 陰極側(cè)212和陽(yáng)極側(cè)216,其中陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)通過(guò)離子選擇性過(guò)濾器220,例如親水性膜式 過(guò)濾器彼此被分離。如在圖2中容易地看到，水進(jìn)口 108與陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)212、216兩者流體 連通，使得流入到內(nèi)部空間208的水112被分離成在調(diào)節(jié)電池104的對(duì)應(yīng)的各自側(cè)上的陰極 水流120和陽(yáng)極水流128。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解的，因?yàn)殛帢O側(cè)和陽(yáng)極側(cè)212、216 兩者與水進(jìn)口 108流體連通，所W運(yùn)些側(cè)的兩者上的水112的壓力典型地，然而不必然地是 彼此相等的或大體上彼此相等的。
[0023] 再次參考圖1并且還參考圖2,水調(diào)節(jié)裝置100還包括用于對(duì)陰極200和陽(yáng)極204供 給能量W分別產(chǎn)生負(fù)電荷和正電荷的電功率源（electrical power source) 132。陰極200 和陽(yáng)極204中的每個(gè)可W由任何合適的材料制成，例如不誘鋼或石墨，除了別的之外。電源 (power source)132優(yōu)選地是直流(DC)電源，然而在其他實(shí)施方案中，合適地整流的交流 (AC) (rectified alternating-current)電源可W被使用。在某些實(shí)施方案中，電源132可 W是可變的DC電源W提供可調(diào)整性。因?yàn)?，如上文所示的，根?jù)本公開(kāi)內(nèi)容的水調(diào)節(jié)的方面 將產(chǎn)生離子電流（ionic current),所W可能合意的是，通過(guò)經(jīng)由分別選擇在陰極200和陽(yáng) 極204的面對(duì)的面200AJ04A之間的相對(duì)小的間距S降低在調(diào)節(jié)電池104內(nèi)的電阻，使電源 132的操作電壓最小化。
[0024] 在某些實(shí)施方案中，陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)212、216中的一個(gè)、另一個(gè)、或兩者可W任選 地被提供有提供一種或更多種功能的對(duì)應(yīng)的間隔物(spacer)212A、216A。運(yùn)些功能包括但 不限于:通過(guò)防止離子選擇性過(guò)濾器220(尤其當(dāng)其是膜時(shí)）W免阻止流動(dòng)來(lái)保持在陰極側(cè) 和陽(yáng)極側(cè)212、216的每個(gè)上的均勻流動(dòng)；當(dāng)如在陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)之間的壓力是不均勻時(shí)，降 低損害膜的風(fēng)險(xiǎn);保持在膜上的均勻的張力、保持在陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)兩者上的恒定的體積 W及允許在陰極和陽(yáng)極200、204之間的非常小的間距S(如本文在別處提及的），可W提供明 顯的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)注意，每個(gè)間隔物212AJ16A的僅一部分在圖帥被示出。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容 易地理解，每個(gè)間隔物212AJ16A的尺寸和范圍可W被選擇W適合特定的設(shè)計(jì)條件。在某些 實(shí)施方案中，每個(gè)間隔物212AJ16A可W從被應(yīng)用于離子選擇性膜220和/或陰極和電極 200、204中的一個(gè)、另一個(gè)、或兩者的材料形成，然而在其他實(shí)施方案中，每個(gè)間隔物212A、 216A可W作為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)被提供。
[0025] 用于調(diào)節(jié)電池104的操作參數(shù)中的大部分與被處理的水112的性質(zhì)、特定的應(yīng)用、 W及電池的特定的設(shè)計(jì)相關(guān)。水112的溫度可W，例如是在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的從0°C至100°C的范 圍內(nèi)，但在某些應(yīng)用中，最優(yōu)的范圍可W是在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的從約fTC至約25Γ。具有溶解的 巧化合物和儀化合物的被處理的水的電導(dǎo)率(conductivity)范圍可W低至零W及高至飽 和，但最優(yōu)的范圍可W是從10化S/cm至飽和點(diǎn)（saturation point)。對(duì)于調(diào)節(jié)電池104的單 獨(dú)的小的版本，體積流量范圍可W低至〇. 1升每分鐘化P^0或高至化?1。在某些實(shí)施方案中， DC電壓可W低至5V或高至140V。測(cè)試中的大部分在0VDC至30VDC、120VDC、W及140VDC內(nèi)進(jìn) 行，因?yàn)檫\(yùn)樣的電力供應(yīng)器(power supply)是容易地可得的。在某些實(shí)施方案中，電流可W 低至10mA或高至20A;測(cè)試的最常見(jiàn)的范圍是0.5A至3A。當(dāng)然，運(yùn)些操作參數(shù)可W根據(jù)調(diào)節(jié) 電池的規(guī)模按需要而變化。
[0026] 應(yīng)注意，當(dāng)電流增加時(shí)，陰極水流120的電導(dǎo)率穩(wěn)定地增加；另一方面，陽(yáng)極水流 128的電導(dǎo)率初始減小并且然后開(kāi)始增大。運(yùn)表明在溶液中存在的游離的離子可能在水的 電解發(fā)生之前參與反應(yīng)。寬松地應(yīng)用法拉第電解第一定律（Faraday's 1st law of e 1 ectrolysis)(其陳述"在電解期間在電極處改變的物質(zhì)的質(zhì)量與在該電極處轉(zhuǎn)移的電量 (quantity of elec化icity)成正比"），它消耗定義明確的能量的數(shù)量W將已知量的巧離 子轉(zhuǎn)移至陰極水流120。同樣地，添加多于特定數(shù)量的能量將不導(dǎo)致巧離子進(jìn)一步地轉(zhuǎn)移至 陰極水流120。本發(fā)明人還觀察到，代表作為溫度的函數(shù)的陰極水流120的抑水平的標(biāo)繪圖 具有清楚可見(jiàn)的平臺(tái)（plateau)。對(duì)于給定的條件，運(yùn)可W是陰極水流120接近飽和水平的 指示物;在運(yùn)樣的情況下，進(jìn)一步的電流增加將對(duì)陰極水流的抑水平具有有限的影響或沒(méi) 有影響。因此，陰極水流120的最大抑水平可W作為應(yīng)用于陰極水流的電流的函數(shù)被確定。
[0027] 同樣地感興趣的是相對(duì)于電流變化的pH變化。在達(dá)到某種水平的離子電流 (ionizing current)之后，通過(guò)電流的進(jìn)一步的增加可W產(chǎn)生很少的pH變化或沒(méi)有產(chǎn)生進(jìn) 一步的pH變化。運(yùn)樣的水平的離子電流可W被認(rèn)為是最優(yōu)的操作點(diǎn)。在某些情況下，陽(yáng)極電 解液的最小電導(dǎo)率可W與陰極電解液的piH的趨平點(diǎn)（1 eve 1 ing-off point)相關(guān)。
[0028] 為了除去或溶解碳酸巧，必須有足夠量的此化合物沉淀或溶解。因?yàn)閷?duì)于本公開(kāi) 內(nèi)容的水調(diào)節(jié)裝置的某些實(shí)施方案所提議的性能范圍（performance envelope)可W被限 定為在1，01化化壓力下的5 <抑< 11、10°C < t < 90°C的限制內(nèi)，所W對(duì)于飽和和隨后的沉 淀所需的化C〇3的最小數(shù)量可W相對(duì)地明確地被定義。
[0029] 本公開(kāi)內(nèi)容的水調(diào)節(jié)裝置，例如圖1中的水調(diào)節(jié)裝置100,可W被配置W濃縮、沉 淀、并且然后從水中除去硬度組分，例如碳酸巧，W便充當(dāng)凈化器。在圖1和圖2的調(diào)節(jié)電池 104的情況下，濃縮通過(guò)上文描述的離子過(guò)濾工藝進(jìn)行。在碳酸巧的情況下，W下化學(xué)反應(yīng) 在理解離子分離過(guò)程中是有幫助的：
[0030] 化C〇3 = C〇32-+Ca2+[當(dāng)被添加至水時(shí)，化C03將離子化。]
[00川出0-〉0H-+出礦[水部分地被離子化(氨氧根離子和水合氨離子）。]2此0+C〇2 =肥〇3一+ 出0+[來(lái)自空氣中的C02將形成碳酸氨根離子和水合氨離子。]
[0032]因此，當(dāng)在由對(duì)陽(yáng)極和陰極供給能量的電力供應(yīng)器132產(chǎn)生的電場(chǎng)的存在下時(shí)，有 將流向陽(yáng)極204的C032-、0H-和HC03-離子W及將流向（-)陰極200的Ca2+和出礦離子。如上文所 示的，親水性離子選擇性過(guò)濾器220，例如NAFIO蛛孩膜(ΝΑ網(wǎng)謝膊):是E. I. DuPont de Numours的注冊(cè)商標(biāo))允許某些離子通過(guò)，但對(duì)于流動(dòng)的水可W產(chǎn)生高電阻，因此允許平行 的陰極水流和陽(yáng)極水流120、128在兩個(gè)流之間不混合的情況下的流動(dòng)。陰極水流和陽(yáng)極水 流120、128充當(dāng)離子的載體。合適的疏水性膜可W是惰性的并且同樣地，可W在化學(xué)反應(yīng) 和/或電化學(xué)反應(yīng)中不起明顯的作用。然而，活性膜，例如NAFION喊膜，可W改進(jìn)離子分 離的過(guò)程（此類型的膜被用于電解器和燃料電池，W及用于氯堿工藝（chloralkali process))。親水性膜可W不允許諸如化、出和CI2的氣體通過(guò)。
[0033] 關(guān)于沉淀，設(shè)及使碳酸巧沉淀的W下兩個(gè)反應(yīng)在科學(xué)論文中常常被呈遞：
[0034] Ca2++HC〇3-+OH--〉CaC〇3+出 0
[0035] Ca2++c〇32--〉CaC〇3
[0036] CaO)3在酸中是可溶的，酸在水電解池的陽(yáng)極電解液中局部地W高濃度產(chǎn)生。（"陽(yáng) 極電解液"是緊鄰陽(yáng)極的電解質(zhì)的那部分-緊鄰陰極的對(duì)應(yīng)的部分被稱為"陰極電解液"）。 在陽(yáng)極204處產(chǎn)生的酸度化+)可W與直接鄰近陽(yáng)極放置的礦物碳酸鹽反應(yīng)并且溶解直接鄰 近陽(yáng)極放置的礦物碳酸鹽。然后，獲得的化離子和C〇32^離子分別朝向陰極200和陽(yáng)極204遷 移，因此分別形成Ca(〇H)2和此C〇3(和/或C〇2+此0)。應(yīng)當(dāng)注意，在pH含8.2下，所有C〇2被轉(zhuǎn)化 成碳酸氨根離子HOV。
[0037] 基于W下反應(yīng)：
[003引 Ca (0H) 2 (aq) +C02 (g) -〉CaC03U S) +出0 (1)
[0039] 如果陰極電解液，此處的陰極水流120,被暴露至環(huán)境的C〇2或來(lái)自瓶的氣體被滲 透通過(guò)它，那么固體化C〇3將沉淀。此時(shí)，陰極水流和陽(yáng)極水流120、128可W不同地被處理。 基于特定的應(yīng)用，包含非常少的巧離子、相對(duì)地高酸度W及在大部分情況下比原始溶液更 低的電導(dǎo)率的陽(yáng)極水流128可W被用于特定的用途，例如用于產(chǎn)生蒸汽。在蒸汽產(chǎn)生的一個(gè) 實(shí)例中，蒸汽機(jī)（steamer)可W是歐姆加熱型蒸汽機(jī)(ohmic-heating type steamer),其中 陽(yáng)極水流128在用化Cl滲雜之后被提供至蒸汽機(jī)。堿性的、具有高濃度的巧離子、W及高電 導(dǎo)率的陰極水流120可W，例如被用于特定的目的，例如因?yàn)槠涓唠妼?dǎo)率，用于歐姆加熱過(guò) 程，或被進(jìn)一步加工W除去硬度并且然后被用于特定的目的，除了別的之外。
[0040] 對(duì)于除去步驟，在強(qiáng)堿性條件中，碳酸根離子(C〇3^占主導(dǎo)，而在弱堿性條件中，碳 酸氨根離子化C(V)是普遍的。在較酸性的條件中，含水二氧化碳，〇)2(aq)，是主要形式。因 為大部分肥化-和〇)32^離子是在陽(yáng)極水流128中并且〇)2可能不是可用的，因?yàn)殛帢O水流120 可能不被暴露至環(huán)境的C〇2,所WC〇2注入可W是實(shí)際的選項(xiàng)。運(yùn)樣的除去(純化)可W利用所 設(shè)及的化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)、在溫度和抑下的飽和、W及C〇2對(duì)沉淀的作用。
[0041] 特別地參考圖1，沉淀的除去可W使用用于收集沉淀的一個(gè)或更多個(gè)沉淀器136來(lái) 實(shí)現(xiàn)。在某些實(shí)施方案中，每個(gè)沉淀器136可W包括用于除去沉淀沉積物144的沉淀除去系 統(tǒng)140并且還可W任選地包括用于提高除去的效力的如在本公開(kāi)內(nèi)容中別處描述的加熱器 148和C〇2注入系統(tǒng)152中的一個(gè)或兩個(gè)。如由匯流(confluence)156所圖示，如果期望，沉淀 器136的輸出流160可W與輸出陽(yáng)極水流128連接。
[0042] 本公開(kāi)內(nèi)容的水純化裝置，例如圖1的水調(diào)節(jié)裝置100,可W在W下操作原理中的 一個(gè)或更多個(gè)下操作：
[0043] -輸入水112關(guān)于化C〇3是不飽和的；
[0044] -輸入水112被分成由離子選擇性過(guò)濾器分離的陰極水流和陽(yáng)極水流120、128;
[0045] -陰極水流和陽(yáng)極水流120、128的比率為使得增加的化離子濃度是在陰極側(cè)212 上；
[0046] -陰極水流和陽(yáng)極水流120、128的比率自動(dòng)地被調(diào)整W使陽(yáng)離子的濃度最大化；
[0047] -DC電壓被應(yīng)用至陰極200和陽(yáng)極204;
[004引-為了在陰極側(cè)212上實(shí)現(xiàn)最大飽和，進(jìn)口水使陰極200冷卻；
[0049] -將輸出陰極水流120加熱并且用C〇2滲雜；
[0050] -沉淀的化C〇3被收集并且周期性地被除去；W及 [0化1 ]-將被純化的水返回至該系統(tǒng)。
[0052] 調(diào)節(jié)電池設(shè)計(jì)考慮
[0053] 下文總結(jié)了當(dāng)設(shè)計(jì)本發(fā)明的水調(diào)節(jié)電池例如圖1和圖2的調(diào)節(jié)電池時(shí)可能不得不 被考慮的某些設(shè)計(jì)要素 W及因素。為了說(shuō)明的便利，對(duì)調(diào)節(jié)電池104的特定的部件和特征做 出參考。然而，應(yīng)當(dāng)理解，設(shè)計(jì)考慮不限于由調(diào)節(jié)電池104圖示的部件的具體的構(gòu)造和布置。
[0054] 離子選擇性過(guò)濾器-電極間距
[0055] 在離子選擇性過(guò)濾器220與陰極200和陽(yáng)極204中的每個(gè)之間的間距可W明顯地影 響調(diào)節(jié)電池104的性能。在電解過(guò)程期間，此的氣泡將在陰極200上產(chǎn)生并且C12將可能在陽(yáng) 極204上產(chǎn)生，如果水112包含氯化物。氣泡可W沿著流動(dòng)的路徑生長(zhǎng)得更大，從而增加電 阻。離子的濃度還可W沿著該路徑和/或沿著在陰極200和陽(yáng)極204中的每個(gè)與離子選擇性 過(guò)濾器220之間的間距S而改變，接近陰極和陽(yáng)極中的每個(gè)處具有局部最大值。存在飽和點(diǎn)， 在飽和點(diǎn)處，該過(guò)程的效力隨著離子飽和的增加迅速地劣化。將運(yùn)兩個(gè)條件組合可W導(dǎo)致 并入陰極200和陽(yáng)極204中的一個(gè)、另一個(gè)、或兩者的傾斜(slanting)(而不是平行的那些） 的非常規(guī)的設(shè)計(jì)。此概念可W被用W產(chǎn)生益處和制造復(fù)雜性的可接受的平衡。測(cè)試的原型 (prototype)具有相對(duì)于過(guò)濾器220被相等地間隔開(kāi)且對(duì)稱的平行的陰極200和陽(yáng)極204。 [0化6]電極之間的間距
[0057]從電學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，穿過(guò)陰極200和陽(yáng)極204的電阻是S/A的函數(shù)，其中如上文注明，S 是在陰極和陽(yáng)極之間的間距并且A是陰極和陽(yáng)極的表面積，假定相等的表面積。事實(shí)上，如 果離子電流的路徑不是均勻的，則實(shí)際的面積可W偏離電極的面積。應(yīng)注意，在陰極200和 陽(yáng)極204具有不同的表面積時(shí)，較小的表面積應(yīng)當(dāng)被用W定義電阻。間距S是在陰極200和陽(yáng) 極204之間的總距離。因?yàn)檫^(guò)濾器220在內(nèi)部空間208內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)單獨(dú)的室，所W在相應(yīng)的陰 極側(cè)212和陽(yáng)極側(cè)216中的每個(gè)上的陰極水流120和陽(yáng)極水流128呈現(xiàn)不同于彼此的電學(xué)性 質(zhì)。某些設(shè)計(jì)可W使用對(duì)于陰極200和陽(yáng)極204距離過(guò)濾器220的不同的間距，使得不同的電 導(dǎo)率被補(bǔ)償并且最低的可能的電阻被實(shí)施。運(yùn)可能在其中目的是分離離子，而不是產(chǎn)生熱 量的某些實(shí)施方案中是重要的。在歐姆加熱場(chǎng)之外，任何溫度增加可W被認(rèn)為是浪費(fèi)能量。 根據(jù)W=I2 · R · T[J]，保持電阻是低的將減少熱量產(chǎn)生。對(duì)于相同的電流，較低的電阻可W 允許使用較低的電壓，I=U/R(I:電流;U:電壓;R:電阻）。
[005引水流速度
[0059]在固定的幾何構(gòu)造中的可變的流體速度轉(zhuǎn)化成可變的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。更多的流量可W 不僅僅產(chǎn)生更多的離子，而且產(chǎn)生不得不被除去的更多的氣泡，但只有在有足夠的電流W 支持根據(jù)法拉第定律所需的增加的電解水平的情況下。對(duì)于每個(gè)調(diào)節(jié)電池104,存在可W在 實(shí)驗(yàn)上確定的最優(yōu)的流量范圍。原型在從ο. ILPM至化PM的范圍內(nèi)的體積水流量下被測(cè)試。 在恒定電壓下，不同的流量對(duì)離子電流的影響是可測(cè)量的并且在改變流量之后幾乎立即是 明顯的。
[0060]水進(jìn)口-出口位置(平行流或交叉流）
[0061 ]進(jìn)行的測(cè)試指示水的平行流比逆流(counter flow)更好。然而，運(yùn)可能不總是運(yùn) 種情況，特別地在包括變速流、總?cè)芙夤腆w的不同的濃度和/或不同的電流的實(shí)施方式中。 然而，如果陰極200和陽(yáng)極204不覆蓋離子選擇性過(guò)濾器220的全部長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)電池104的性 能可W迅速地劣化。據(jù)推斷，在此情況下離子可W迅速地重新組合，使電解過(guò)程反轉(zhuǎn)。還觀 察到，當(dāng)水進(jìn)口 108的Y形支管構(gòu)造不提供陰極側(cè)212和陽(yáng)極側(cè)216的充分的分離時(shí)，那么在 內(nèi)部空間208內(nèi)的陰極水流120和陽(yáng)極水流128之間的泄漏可W是明顯的，運(yùn)降低調(diào)節(jié)電池 104的性能。
[0062] 陰極和陽(yáng)極的面積
[0063] 為了示出歐姆定律適用于此設(shè)計(jì)，具有不同面積的陰極200和陽(yáng)極204的原型被測(cè) 試。在單獨(dú)的陳述中：在所有其他變量保持不變時(shí)，如果電極的面積加倍，則電流加倍。當(dāng)陰 極200和陽(yáng)極204不具有相同的面積時(shí)或當(dāng)陰極和/或陽(yáng)極的兩側(cè)被暴露至相應(yīng)的陰極水流 120和陽(yáng)極水流12別寸，應(yīng)當(dāng)小屯、。
[0064] 更仔細(xì)地看S/A的比率(在陰極200和陽(yáng)極204之間的間距S和作為近似值被當(dāng)作陰 極和/或陽(yáng)極的面積處理的離子電流流動(dòng)路徑的橫截面積A)，人們可W正確地推斷出，此比 率越低，電阻將越低。作為實(shí)例，使用1/16"間距和1.5"x9"電極（分別地，1.524xl〇-3m和 8.71xl(T3m2)將產(chǎn)生0.175的S/A比率。實(shí)際測(cè)試確證此比率的總體范圍，然而其他因素可W 被包括。使用理論比率作為起始點(diǎn)可W使該設(shè)計(jì)在可變通的范圍（ba 11 park)中，然后該設(shè) 計(jì)可W在W后基于測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整。
[0065] 應(yīng)用的電壓
[0066] 存在對(duì)于過(guò)程進(jìn)行所需的最小電壓。因?yàn)殡妷菏堑偷模?.4VDC至2.4VDC的范圍 內(nèi)，并且常規(guī)的實(shí)際電壓是5VDC、12VDC、24VDC、48VDC、60VDC、W及120VDC，最小電壓可W是 不相關(guān)的。測(cè)試在多達(dá)30V的可變DC電壓W及120V和140V的固定DC電壓下被進(jìn)行，然而其他 電壓可W被使用。安全性是當(dāng)選擇最大操作電壓時(shí)的因素。對(duì)于太陽(yáng)能電池板操作（solar panel operation)，在合適的負(fù)載匹配下，24-48-60VDC可W是最優(yōu)的。在最典型的條件下， 電壓不需要比60VDC更高。
[0067] 所需的實(shí)際最小電壓可W基于調(diào)節(jié)電池 104的幾何結(jié)構(gòu)和水112的電導(dǎo)率。難W計(jì) 算調(diào)節(jié)電池 104的真實(shí)的電阻，因?yàn)槿绱硕嗟囊蛩乇辉O(shè)及，例如在進(jìn)口和出口之間的溫度 差、離子的濃度、離子的類型、流速、幾何結(jié)構(gòu)等等。在實(shí)驗(yàn)中，電阻被確定是在對(duì)于進(jìn)口水 參數(shù)和出口水參數(shù)計(jì)算的電阻之間的某處。在任何情況下，若干實(shí)驗(yàn)值可W被用作用于該 設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)。對(duì)于測(cè)試原型的值的范圍是從約30 Ω至100 Ω。
[006引離子電流
[0069]根據(jù)法拉第電解第一和第二定律，電流越高，結(jié)果越好。然而，電流自身對(duì)于過(guò)程 繼續(xù)進(jìn)行將不是足夠的。離子通過(guò)水112的流動(dòng)的流被供應(yīng)。具有太多的電流和不足夠的離 子的水將產(chǎn)生與其中沒(méi)有足夠的電流和太多的離子的情形相同的作用。為了優(yōu)化該過(guò)程， 合適的平衡可W在實(shí)驗(yàn)上被確定。因?yàn)檫\(yùn)是動(dòng)態(tài)過(guò)程，所W水調(diào)節(jié)的持續(xù)的監(jiān)測(cè)可能是必 需的。高電流將具有電解并且加熱水112的趨向，運(yùn)兩者可W具有正面作用并且在某些條件 下是合意的，例如增加電導(dǎo)率用于功率控制和加熱。
[0070] 水飽和水平
[0071] 水112的飽和水平是其抑和溫度的函數(shù)。進(jìn)料水112可W包含W離子形式的各種水 平的溶解固體，運(yùn)可W產(chǎn)生電導(dǎo)率的差異。蒸饋水在對(duì)調(diào)節(jié)電池104特定的條件下的離子化 可W導(dǎo)致從約4yS/cm至35yS/cm的電導(dǎo)率的增加。運(yùn)可W發(fā)生，即使沒(méi)有總?cè)芙夤腆w的增 加。因?yàn)榫退柡捅辉O(shè)及而言，僅有Ξ種可能的情境(不飽和的、飽和的、W及具有固體的沉 積物），降低抑可能僅在存在待被溶解的可用的固體時(shí)是有用的。
[0072] 用飽和的水進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)指示，由于焦耳加熱效應(yīng)(Joule heating effect)的溫度 升高可W引起沉淀，對(duì)于由于碳酸的存在的抑的降低的情況或在由于碳酸氨根離子的高于 8.2的抑的情況下，所述沉淀不能被補(bǔ)償。如果不審慎地被設(shè)計(jì)，水調(diào)節(jié)器可W收集在低速 流動(dòng)的區(qū)域中被沉淀的化C〇3。
[0073] 流體離子化水平
[0074] 測(cè)試指示隨著增加的離子濃度，分離過(guò)程的效率降低至其中電流的進(jìn)一步的增加 可W使溶劑而不是溶質(zhì)電解的點(diǎn)，運(yùn)可W不僅浪費(fèi)能量，而且在陰極200處產(chǎn)生氨氣并且在 陽(yáng)極204處產(chǎn)生氧氣，將典型地不得不從并入調(diào)節(jié)電池104的系統(tǒng)中被除去的氣體。
[0075] 溶解固體的類型
[0076] 在許多情況下，氯化物和其他高度可溶的化合物可W在水中被發(fā)現(xiàn)。此調(diào)節(jié)電池 104的主要的、然而不是唯一的目的是消除難W溶解的巧化合物，并且特別地碳酸巧 (化〔〇3 )。
[0077] 氨氧化巧和暴露至環(huán)境C〇2
[0078] 當(dāng)化C〇3被分成巧離子(化2+)和碳酸根離子(0)32-)并且運(yùn)些組分彼此被分離時(shí)，該 系統(tǒng)將趨向于平衡。水典型地已經(jīng)被離子化為水合氨離子化3〇+)和氨氧根離子(Of)。將所 有運(yùn)些離子基于其電荷分組典型地導(dǎo)致化和曲0+被分組在陰極側(cè)212上并且C〇32-和0H-被 分組在陽(yáng)極側(cè)216上。因此，典型地，在陽(yáng)極側(cè)216上將有碳酸化2C〇3)并且在陰極側(cè)212上將 有氨氧化巧(&(0H)2)。
[0079] 高濃度的碳酸使得對(duì)于溶解更多碳酸巧是非常好的環(huán)境，然而在此情況下，大部 分的碳酸已經(jīng)被離子化并且移動(dòng)至陰極側(cè)212。在調(diào)節(jié)裝置100的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)下，來(lái)自陽(yáng)極 偵U216的陽(yáng)極電解液可W被用W溶解W對(duì)應(yīng)于在陰極側(cè)212上被除去的巧沉積物的量的巧 沉積物。
[0080] 在陰極側(cè)212上，新產(chǎn)生的氨氧化物當(dāng)被暴露至二氧化碳時(shí)，將轉(zhuǎn)化成碳酸巧和 水。因?yàn)榛?0H)2在水中比化C〇3可溶得多并且產(chǎn)生的氨氧化物的體積僅高至可用的巧離子 和水合氨離子的體積，在沉淀開(kāi)始之前比化C〇3多得多的化(0H)2可W被溶解。運(yùn)導(dǎo)致兩個(gè)有 用的過(guò)程:一個(gè)包括使流體成回路若干次W將更多巧累送到輸入流中，并且另一個(gè)需要加 工該流體并且將其分成具有越來(lái)越高的濃度的巧化合物的越來(lái)越小的流。兩種方法都被測(cè) 試并且兩者都起作用;然而，由于本文描述的條件，兩者的效力隨著每個(gè)循環(huán)明顯地降低。
[0081] 當(dāng)氨氧化巧被暴露至二氧化碳時(shí)，碳酸巧和水被形成。將陰極水流120暴露至環(huán)境 的C〇2可W幾乎即刻導(dǎo)致水變成乳狀的。此過(guò)程典型地降低流的抑和電導(dǎo)率，因?yàn)楣腆w化C〇3 將沉淀。此過(guò)程可W通過(guò)注入C〇2被加速。
[0082] 暴露至環(huán)境C〇2的陽(yáng)極電解液和陰極電解液
[0083] 如上文所描述，暴露至C〇2(來(lái)自大氣或W其他方式的）的化(0H)2將轉(zhuǎn)化成CaC〇3。 運(yùn)可W導(dǎo)致電導(dǎo)率和pH的降低并且，特別地在包括高度飽和的流體，Ca(X)3的沉淀的情況 下。在水的電導(dǎo)率能夠主要地通過(guò)某些存在（W百萬(wàn)分率計(jì)）的化C〇3實(shí)現(xiàn)時(shí)，則無(wú)論新鮮的 陰極水流120的電導(dǎo)率是多高，在被暴露至C〇2的足夠長(zhǎng)的時(shí)間段之后，陰極水流的電導(dǎo)率 將在可W或可W不對(duì)應(yīng)于飽和水平的水平下趨平，運(yùn)取決于在水中的巧化合物的水平。在 陰極水流120中，抑的降低(運(yùn)可W對(duì)應(yīng)于電導(dǎo)率的趨平或降低）也可W發(fā)生。陽(yáng)極水流128 的電導(dǎo)率水平經(jīng)過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間段沒(méi)有明顯地變化。初始降低可W歸因于巧離子的消耗，而增 加可W由碳酸的形成引起。
[0084] 水的溫度
[0085] 因?yàn)闇囟鹊脑黾于呄蛴诮档吞妓崆傻娜芙舛?，所W產(chǎn)生的熱量至少在電解池 (electrolytic cell)中應(yīng)當(dāng)被最小化。另一方面，如果使用沉淀器，升高的溫度將加速除 去固體的過(guò)程。
[00化]工作壓力
[0087] 其他出版物廣泛地設(shè)及壓力對(duì)巧化合物的溶解度的影響。然而，壓力對(duì)本文描述 的水純化的過(guò)程的質(zhì)量已經(jīng)幾乎沒(méi)有可測(cè)量的影響。從機(jī)械學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，電解池的設(shè)計(jì)可 W大大地受工作壓力影響。基于意圖的應(yīng)用，外殼224、任何墊圈（未示出）、W及離子選擇性 過(guò)濾器220的安裝必須小屯、地被設(shè)計(jì)W避免泄漏和機(jī)械故障(mechanical failure)。
[0088] 交叉污染和雜散電流防止
[0089] 實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)設(shè)及不覆蓋離子選擇性過(guò)濾器220的全部暴露的區(qū)域的陰極200和 陽(yáng)極204。存在調(diào)節(jié)電池104的性能的非常明顯的降低，運(yùn)可能是由于在電場(chǎng)不存在下離子 通過(guò)離子選擇性過(guò)濾器220的擴(kuò)散。陰極200和陽(yáng)極204兩者具有相同的寬度和長(zhǎng)度并且面 向彼此。當(dāng)陰極200和陽(yáng)極204中的一個(gè)較短時(shí)，相似的負(fù)面效應(yīng)(negative effect)可W發(fā) 生。遭遇的第二問(wèn)題是，當(dāng)?'形進(jìn)口太接近內(nèi)部空間20別寸，不平衡的壓力迫使流體從陰極 偵U212和陽(yáng)極側(cè)216中的一個(gè)溢出至另一個(gè)，從而污染已經(jīng)分離的流并且明顯地降低性能。
[0090] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，偏置電流(bias current)應(yīng)當(dāng)審慎地被確定W便優(yōu)化 離子分離而不浪費(fèi)能量在水電解上。在蒸饋水上進(jìn)行的測(cè)試指示由于電解，3化S/cm的電導(dǎo) 率增加可W被預(yù)期。
[0091] 再次參考圖1，水調(diào)節(jié)裝置100可W任選地包括控制系統(tǒng)164,控制系統(tǒng)164用于控 制該裝置的一個(gè)或更多個(gè)操作參數(shù)，例如應(yīng)用的電壓(感應(yīng)電流)和電極200、204的間距（圖 2)，W確保該裝置的期望的操作。在示出的實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)164包括:控制器168;用于 分別測(cè)量陰極流和陽(yáng)極流120、128的電導(dǎo)率的一對(duì)電導(dǎo)率傳感器172(1)、172(2);用于分別 測(cè)量陰極流和陽(yáng)極流的pH的一對(duì)pH傳感器176(1)、176(2);W及用于響應(yīng)于來(lái)自控制器的 控制信號(hào)（未示出）而分別移動(dòng)陰極200(圖2)和陽(yáng)極204W便調(diào)整在運(yùn)些電極之間的間距S (圖2)的一對(duì)電極致動(dòng)器180(1 )、180(2)。在此實(shí)例中，控制器168接收來(lái)自電導(dǎo)率傳感器 172 (1 )、172 (2)和抑傳感器176 (1 )、176 (2)的測(cè)量信號(hào)（未示出）并且執(zhí)行合適的控制算法 184,控制算法184確定電源132跨越陰極200(圖2)和陽(yáng)極204應(yīng)用的電壓的幅值或在電極之 間的間距S(圖2)，或電壓幅值和間距兩者。
[0092] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，控制器168可W包括任何合適的硬件188,例如 微處理器、專用集成電路、忍片上系統(tǒng)（system on chip)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn) 換器、W及特定實(shí)例化所需的任何其他支持硬件，例如存儲(chǔ)器、電力供應(yīng)器等等。類似地，傳 感器172(1)、172(2)、176(1)、176(2)中的每個(gè)可^是提供^原始的格式或調(diào)節(jié)的格式由控 制器168可用的測(cè)量信號(hào)的任何合適的傳感器。每個(gè)電極致動(dòng)器180(1)、180(2)可W是能夠 受控制器168控制的任何合適類型的致動(dòng)器，例如液壓的、氣動(dòng)的、螺桿的、磁性的等等。在 示出的實(shí)施方案中，一對(duì)電極致動(dòng)器180(1 )、180(2)被示出，使得陰極200(圖2)和陽(yáng)極204 可W-致地和在相反方向上被移動(dòng)W保持在離子選擇性過(guò)濾器220(圖2)的兩側(cè)上的相等 的體積。然而，應(yīng)注意，在其他實(shí)施方案中，電極致動(dòng)器180(1)、180(2)可W被單個(gè)的致動(dòng)器 和，例如可W使用單個(gè)的致動(dòng)器一起移動(dòng)陰極200(圖2)和陽(yáng)極204兩者的連接系統(tǒng)或齒輪 系統(tǒng)替代。在又其他實(shí)施方案中，陰極200(圖2)和陽(yáng)極204中的僅一個(gè)或另一個(gè)可W是可致 動(dòng)的。應(yīng)注意，對(duì)于討論中的水調(diào)節(jié)裝置100的特定的實(shí)例化，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地能 夠設(shè)想合適的算法184。在控制系統(tǒng)164的各個(gè)部件之間/之中和電源132之間/之中的通信 可W是經(jīng)由如所需的有線的和/或無(wú)線的通信通道。為了說(shuō)明，圖1將通道圖示為有線通道。
[0093] 示例性水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
[0094] W平行處理陰極輸出流和陽(yáng)極輸出流的Ξ電池系統(tǒng)
[00巧]圖3圖示具有Ξ個(gè)調(diào)節(jié)電池304、308、312的示例性Ξ電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)300，Ξ個(gè)調(diào) 節(jié)電池中的每個(gè)可W是與圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池104相同的或相似的。調(diào)節(jié)電池304接收輸 入水流316,并且根據(jù)上文描述的圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池104的操作原理輸出陰極流304C和 陽(yáng)極流304Α。然后，陰極流304C被提供至調(diào)節(jié)電池308，在調(diào)節(jié)電池308中根據(jù)圖1和圖2中的 調(diào)節(jié)電池104的操作原理，陰極流304C被加工W產(chǎn)生陰極-陰極流308CC和陰極-陽(yáng)極流 308CA。類似地，然后陽(yáng)極流304Α被提供至調(diào)節(jié)電池312，在調(diào)節(jié)電池312中根據(jù)圖1和圖2中 的調(diào)節(jié)電池104的操作原理，陽(yáng)極流304Α被加工W產(chǎn)生陽(yáng)極-陰極流312AC和陽(yáng)極-陽(yáng)極流 312ΑΑ。因?yàn)殛?yáng)極-陽(yáng)極流312ΑΑ將是最酸性的并且陰極-陰極流308CC將是最堿性的，所W陽(yáng) 極-陰極流312AC和陰極-陽(yáng)極流308CA可W被再加工W避免流體損失，如由任選的再循環(huán)回 路320和324指示的。在極度簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)中（未示出），Ξ電池系統(tǒng)304可W使用界定分別對(duì)應(yīng) 于調(diào)節(jié)電池304、308、312的Ξ個(gè)內(nèi)部空間的單個(gè)的殼體;跨越所有Ξ個(gè)電池的單個(gè)的陰極； 跨越所有Ξ個(gè)電池的單個(gè)的陽(yáng)極；W及也跨越所有Ξ個(gè)電池的單個(gè)的親水性離子選擇性膜 來(lái)實(shí)施。在運(yùn)樣的實(shí)施方案中，陰極和陽(yáng)極可W由單個(gè)的DC電源供給能量，所述單個(gè)的DC電 源可W與示出的DC電源328是相同的或相似的。當(dāng)然，許多可選擇的設(shè)計(jì)可W使用多個(gè)陰 極、多個(gè)陽(yáng)極、多個(gè)膜、多個(gè)DC電源、和/或多個(gè)殼體來(lái)產(chǎn)生。圖3描繪多個(gè)殼體的實(shí)施方案。
[0096]在示例性原型中，Ξ電池調(diào)節(jié)系統(tǒng)300可W具有W下構(gòu)造。親水性離子選擇性膜 332可W是親水性的、5550PP層壓的且涂覆的、厚度ηΟμπι、孔隙度55%、PP孔徑0.064皿的產(chǎn) 品類型5550-0208E-A1。在所描述的實(shí)施方案中，此功能性聚合物膜提供在每個(gè)內(nèi)部空間 3041、3081、3121中的正電極和負(fù)電極之間的電子屏障(electronic barrier)，而允許巧離 子從每個(gè)空間中的陽(yáng)極側(cè)交換至陰極側(cè)。每個(gè)陰極336和陽(yáng)極340可W各自是具有18標(biāo)準(zhǔn)尺 寸(gage)厚度的304不誘鋼。在可選擇的實(shí)施方案中，陰極336和陽(yáng)極340可W各自是具有16 標(biāo)準(zhǔn)尺寸厚度的316不誘鋼。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，陰極336和陽(yáng)極340可W是石墨或其他合適的材 料。每個(gè)殼體334可W由對(duì)酸和堿的作用有抗性的一種或更多種食品級(jí)的材料制成，例如 ABS(丙締臘下二締苯乙締)和/或PP(聚丙締)材料。在某些應(yīng)用中，用于ABS的V0等級(jí)可W是 合意的。
[0097] 在某些實(shí)施方案中，DC電源328可W是DC可變電力供應(yīng)器。因?yàn)橹饕康氖切纬呻x 子電流，所W操作電壓應(yīng)該通過(guò)經(jīng)由減小在電極之間的距離降低電池的電阻和增加暴露至 電池304、308、312中的每個(gè)的陰極336和陽(yáng)極340的面積來(lái)最小化。在一個(gè)特定的實(shí)例中，用 于DC電力供應(yīng)器328的標(biāo)稱設(shè)計(jì)點(diǎn)可W是60￥0(：，360胖，10化5八111的水電導(dǎo)率，從及0.1111/1112 的S/A比率。在某些實(shí)施方案中，合適的間距S已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是從約0.125英寸(mm)至約0.1875 英寸。
[0098] 原型和測(cè)試結(jié)果
[0099] 調(diào)節(jié)系統(tǒng)300的簡(jiǎn)單的對(duì)稱的Ξ電池模型版本被設(shè)計(jì)且被構(gòu)建，并且W下測(cè)試被 進(jìn)行。
[0100] 測(cè)試#1:測(cè)量在系統(tǒng)300沒(méi)有被供給能量的情況下立即采取的陰極-陰極(CC)流 304C、陽(yáng)極-陰極(AC)流312AC、陰極-陽(yáng)極(CA)流308CA、W及陽(yáng)極-陽(yáng)極(AA)流312AA的水參 數(shù)；
[0101] 測(cè)試#2:在向該系統(tǒng)供給能量之后立即采取的0：、4(：、〔4、^及44流的測(cè)量；
[0102] 測(cè)試#3:在該系統(tǒng)被供給能量下操作的3分鐘時(shí)采取的(：(：、4(：八4、^及44流的測(cè) 量；
[0103] 測(cè)試#4:在該系統(tǒng)被供給能量下操作的3小時(shí)時(shí)采取的(：(：、4(：八4、^及44流的測(cè) 量；
[0104] 測(cè)試#5:在該系統(tǒng)被供給能量下操作的24小時(shí)時(shí)采取的0：、4(：八4、^及44流的測(cè) 量；
[0105] 測(cè)試#6:在C〇2滲雜之前采取的CC、AC、CA、W及AA流的測(cè)量；
[0106] 測(cè)試#7:在C〇2滲雜之后采取的0：、4(：人4、從及44流的測(cè)量；
[0107] 測(cè)試#8:在C〇2滲雜之后3天采取的0：、4(：人4、從及44流的測(cè)量；
[010引測(cè)試#9:在化C03滲雜之前采取的CC、AC、CA、W及AA流的測(cè)量；W及
[0109] 測(cè)試#10:在CaC〇3滲雜之后采取的0：、4(：人4、從及44流的測(cè)量。
[0110] 來(lái)自運(yùn)些測(cè)試的電導(dǎo)率和抑測(cè)量分別在W下表1和表1I中被說(shuō)明。
[0111]
[0113] 為了進(jìn)行上文提到的測(cè)試，使用穩(wěn)壓DC電力供應(yīng)器。通過(guò)運(yùn)樣的電力供應(yīng)器產(chǎn)生 的清潔的電力典型地具有很少的至沒(méi)有波動(dòng)(ripple)并且可W提供穩(wěn)定的電壓，除了很大 的成本外，運(yùn)與電池的那種相似。在電場(chǎng)不存在下，離子具有擴(kuò)散和重新組合的趨向，運(yùn)可 W使離子分離的過(guò)程效率較低。通過(guò)使用簡(jiǎn)單的橋式整流器(bridge rectifier)和電容 器，根據(jù)本發(fā)明制成的水調(diào)節(jié)器的尺寸和成本可W明顯地被降低。另外，運(yùn)樣的方法允許使 用"斬波器（chopper)"或相角控制器(phase angle conholler)^改變偏置電流。簡(jiǎn)單的 電力供應(yīng)器可W被連接至自禪變壓器(autotransformer)。雖然運(yùn)樣的電力供應(yīng)器可W被 設(shè)計(jì)成處理30A電流，但是在15AW下的電流可W被使用。運(yùn)樣的電力供應(yīng)器可W被使用，W 替代穩(wěn)壓電力供應(yīng)器。同樣地，簡(jiǎn)單的、便宜的電力供應(yīng)器和上文提及的控制方法可W被使 用W使水調(diào)節(jié)器能夠如所意圖的和本文所描述的進(jìn)行。
[0114] W級(jí)聯(lián)處理陰極輸出流的Ξ電池系統(tǒng)
[0115] 圖4圖示具有Ξ個(gè)調(diào)節(jié)電池404、408、412的另一個(gè)示例性Ξ電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400， Ξ個(gè)調(diào)節(jié)電池中的每個(gè)可W是與圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池相同的或相似的。在此實(shí)施方案 中，調(diào)節(jié)電池404、408、412通常W串行的樣式(serial化shion)被布置，其中每個(gè)電池的陽(yáng) 極流404A、408A、412A被導(dǎo)引至收集器儲(chǔ)器(collector reservoirMlG并且電池404、408中 的每個(gè)的陰極流404C和408C能夠被導(dǎo)引至下一個(gè)調(diào)節(jié)電池，此處分別是電池408、412。在此 實(shí)例中，水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400包括用于防止陽(yáng)極流404A流入到調(diào)節(jié)電池408中的第一止回閥 (check valve)420和用于防止陽(yáng)極流404A、408A流入到調(diào)節(jié)電池412中的第二止回閥424。 在此實(shí)例中，水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400還具有沉淀器428、用于控制被送至調(diào)節(jié)電池408W及朝向沉淀 器旁通的陰極流404C的量的第一Ξ路閥（t虹ee-way valve)432、用于控制被送至調(diào)節(jié)電池 412W及朝向沉淀器的旁通的陰極流408C的量的第二Ξ路閥436、在一個(gè)或更多個(gè)另外的階 段(未示出）被實(shí)施的情況下的第Ξ任選的Ξ路閥440、W及用于控制被送至沉淀器或陰極 流儲(chǔ)器448的陰極流的量的第四Ξ路閥444。進(jìn)口閥452被提供W控制被提供至水調(diào)節(jié)系統(tǒng) 400的進(jìn)口流456。在此實(shí)例中，在沉淀器428內(nèi)沉淀通過(guò)來(lái)自C〇2氣體供應(yīng)器460的C〇2來(lái)促進(jìn) 并且來(lái)自沉淀器的渺泥464在合適的渺泥收集器468中被收集。累472在此實(shí)例中被提供W 使被清潔的水476從沉淀器428中累出。在圖4中沒(méi)有被圖示的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400的元件包括電 源和對(duì)應(yīng)的至電極的電連接件，運(yùn)些在圖4中沒(méi)有單獨(dú)地被標(biāo)記。運(yùn)些元件中的每個(gè)可W與 圖3的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)300中的對(duì)應(yīng)的各自的元件是相同的或相似的。
[0116] 作為實(shí)例，圖4的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400可W被用W使在最終使用設(shè)備480(例如蒸汽發(fā)生 器的加熱容器化eating vessel)、鍋爐等等）內(nèi)的巧沉積物的累積變慢。諸如蒸汽機(jī)和鍋爐 的設(shè)備是挑戰(zhàn)性的，因?yàn)楫?dāng)水被蒸發(fā)時(shí)，所有雜質(zhì)保持在加熱容器內(nèi)。需要多少維護(hù)取決于 進(jìn)料水的質(zhì)量和蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)。
[0117] 水通常攜帶多種產(chǎn)生硬度的化合物。為了簡(jiǎn)化分析，僅巧化合物，例如CaC〇3和化 (0H)2，W及氯化鋼(NaCl)將被考慮。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，其他化合物，例如儀 化合物(例如，MgO)3和Mg(0H)2)可W也被考慮或可選擇地被考慮。典型地，CaO)3和MgC〇3是 在水中溶解度最差的并且化(0H)2和Mg(0H)2在水中具有低的溶解度，但不像前兩者那樣低。 相比于其他離子化合物，化C1在水中具有高的溶解度。無(wú)論如何，隨著時(shí)間，固體將在最終 使用設(shè)備480的加熱容器內(nèi)積聚。在包括可購(gòu)自Ideas Well Done 1XC,Winooski,Vermont 的基于歐姆加熱的蒸汽機(jī)的測(cè)試中，四個(gè)電極和蒸汽機(jī)室的石墨外層護(hù)套之間的自由體積 (打ee volume)是80cm3。在2.7g/cm3的化C〇3密度下，沉積的固體的質(zhì)量將不會(huì)超過(guò)216g。當(dāng) 然，運(yùn)是不切實(shí)際的情境，因?yàn)檎羝麢C(jī)將在運(yùn)樣的質(zhì)量積聚之前很久就停止工作。平均地， 水的20-30%被廢棄并且?guī)ё吆艽蟛糠值墓腆w。所W，理論上，裝滿空腔將需要多久？W下兩 種情境被預(yù)期:具有50mg/L溶解的巧固體的軟水和具有400mg/L溶解的巧固體的硬水。
[0118] 基于每個(gè)負(fù)載6升的水和對(duì)一個(gè)負(fù)載1.5小時(shí)的蒸汽機(jī)運(yùn)行，對(duì)于軟水可能花費(fèi)多 至1，080小時(shí)并且對(duì)于硬水可能花費(fèi)少至135小時(shí)W沉積足W填滿發(fā)生器的固體。事實(shí)上， 可能需要更多時(shí)間W填滿空腔，但在單元停止工作之前更少的時(shí)間可能消逝。主要問(wèn)題不 是溶解固體，而是形成硬垢的沉淀的固體。石墨、NaCl、W及其他化合物的顆粒與被廢棄的 水一起被帶走并且因此不形成絕緣層（insulating layer)。
[0119] 從圖4中容易地看到，不同的抑影響化C〇3和化(OH) 2的溶解度。改變抑可W使用電 流、用C〇2滲雜、或通過(guò)添加堿或酸來(lái)完成。產(chǎn)生與將C〇2添加至化(0H)2的溶液相同的結(jié)果 (即，迫使碳酸巧沉淀）的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是將化(0H)2的溶液添加至化C〇3的溶液。通過(guò)此方法實(shí)現(xiàn) 的結(jié)果是驚人的。將相等體積的具有828yS/cm和7.21pH的CaC〇3和具有5,310yS/cm和 12.33pH的化(0H)2混合在一起。立即，混合物變成白色，并且在沉淀完成之后，電導(dǎo)率被降 低至1，27化S/cm并且11.77pH?；疌〇3的薄層在一分鐘或兩分鐘內(nèi)被沉積在塑料蓋(plastic cap)的底部上。通過(guò)圖5,化學(xué)反應(yīng)可W容易地被理解。在飽和條件下在水中溶解的巧化合 物的最低水平通過(guò)將抑保持在9左右來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，如果沒(méi)有足夠的溶質(zhì)是可用的，則溶液 將是不飽和的。
[0120] 為了從離子溶液中提取固體，兩種方法可W被使用：1)蒸發(fā)溶劑W及2)使溶質(zhì)沉 淀。第一方法是非常有效的，但不從溶液中除去溶質(zhì)；它除去溶劑。產(chǎn)生蒸汽的過(guò)程確實(shí)是 如此。第二方法將要求溶液具有高于飽和點(diǎn)的溶質(zhì)的濃度，運(yùn)在流體具有低濃度的總?cè)芙?固體時(shí)可能產(chǎn)生問(wèn)題。即使當(dāng)額外的固體沉淀時(shí)，流體的其余部分可W處于飽和狀態(tài)。
[0121] 本公開(kāi)內(nèi)容的純化方法可W基于W下原理和假設(shè)。用重量百分?jǐn)?shù)來(lái)表達(dá)的溶液的 濃度是溶質(zhì)％ = (g溶質(zhì)/g溶液）x 100%。如果一半溶液被除去，那么濃度將加倍。電解 Ca(X)3的化學(xué)（電化學(xué)）反應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生Ca(0H)2。因?yàn)榛?0H)2的溶解度比化C〇3的溶解度高許 多，更多的巧可W被"塞進(jìn)"到相同的溶劑體積中。當(dāng)溶液的pH被降低時(shí)，Ca(0H)2的飽和被 降低，迫使沉淀。當(dāng)C〇2被添加至Ca(0H)2時(shí)，W下反應(yīng)將發(fā)生:Ca(0H)2(aq) +C02(g)一CaC〇3 (s)+出〇a)DCaO)3和化(0H)2的溶解度在約9pH是最低的。濃縮的流可W被處置或被進(jìn)一步 加工W除去巧沉積物并且使水返回至系統(tǒng)。
[0122] 當(dāng)水進(jìn)入第一調(diào)節(jié)電池，例如圖4的調(diào)節(jié)電池404時(shí)，電流測(cè)量和電壓測(cè)量可W被 進(jìn)行。因?yàn)殡姵貛缀谓Y(jié)構(gòu)可W是固定的，所W計(jì)算的電導(dǎo)率可W是總?cè)芙夤腆w的函數(shù)。水溫 度也是因素，但預(yù)期的溫度范圍不應(yīng)當(dāng)明顯地改變計(jì)算的電阻?？赡鼙匦璧氖窃谀承?shí)施 方式中也控制抑水平。
[0123] 計(jì)算的電導(dǎo)率可W與在電池校準(zhǔn)表(未示出）中的值相比較，并且發(fā)生的概率可W 被確立。如果對(duì)于給定的條件，發(fā)生的概率明顯地比預(yù)測(cè)的飽和點(diǎn)更高，則輸入水流，例如 圖4中的進(jìn)口流456，最可能地包含其他可溶的化合物。作為實(shí)例，對(duì)于20°C和7.5pH，對(duì)于 化C〇3的電導(dǎo)率的預(yù)期值是5(K)yS/cm，然而它可W是更低的。
[0124] 基于獲得的電導(dǎo)率的值，初始DC電流可W被確立。在調(diào)節(jié)電池404中，進(jìn)口流456被 分離成兩個(gè)流。陽(yáng)極流404A可W被導(dǎo)引至共同的收集器，例如圖4中的收集器儲(chǔ)器416,來(lái)自 隨后階段(例如調(diào)節(jié)電池408、412和沉淀器428)的流也可W被導(dǎo)引至該共同的收集器。陰極 流404C可W被導(dǎo)引至第二階段調(diào)節(jié)電池，例如調(diào)節(jié)電池408。
[0125] 運(yùn)樣的巧分離過(guò)程的效率可W通過(guò)比較進(jìn)口電導(dǎo)率和出口電導(dǎo)率來(lái)測(cè)量。在其中 陽(yáng)極流和陰極流彼此是相等的簡(jiǎn)化的解釋中，因?yàn)殛帢O流的流量是初始流量的50%，如果 所有巧離子被提取，那么電導(dǎo)率應(yīng)該加倍。然而，在每種情形下情況不是運(yùn)樣的，運(yùn)是因?yàn)?穿過(guò)兩個(gè)室的體積流量、加熱效應(yīng)等等的差異。
[0126] 偏置電流不得不審慎地被確定W便得到最好的離子分離，而不將能量浪費(fèi)在水電 解上。在蒸饋水上進(jìn)行的測(cè)試指示由于電解，3化S/cm的電導(dǎo)率增加可W被預(yù)期。
[0127] 應(yīng)當(dāng)注意，陰極電解液將在通過(guò)調(diào)節(jié)電池之后轉(zhuǎn)化成化(0H)2(不是化C〇3)。運(yùn)意味 著在電池內(nèi)可W沒(méi)有沉淀，即使電導(dǎo)率顯著地增加。運(yùn)是有益的，因?yàn)榧词剐〉乃饕部蒞 包含高濃度的巧離子。
[01%]此時(shí)，可W做出關(guān)于包含高濃度巧離子的流將是否被導(dǎo)引至廢棄水盤(rejected water pan)或是進(jìn)一步被加工的決定。該流的加工可W包括注入CO2W降低pH并且迫使 化C〇3沉淀。
[0129] 沉淀器，例如圖4中的沉淀器428,可W是可W加工來(lái)自一個(gè)或更多個(gè)階段的陰極 電解液的單獨(dú)的附加單元（separate add-on unit);因此，單個(gè)的沉淀器可W被用于整個(gè) 水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。沉淀器，像沉淀器428,可W是能夠自動(dòng)調(diào)整被注入的C〇2W保持用于化C〇3沉淀 的最優(yōu)piH水平的流過(guò)單元(f 1 ow-throu曲uni t)。過(guò)分的C〇2滲雜可W將piH降低至其中溶解 度增加并且沉淀過(guò)程將是較低效的水平。
[0130] 對(duì)于具有與在圖4中示出的布置相似的調(diào)節(jié)電池布置的多電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，作為 進(jìn)口水的質(zhì)量和電池?cái)?shù)目的函數(shù)的陰極電解液的質(zhì)量是
[0131] πμ=πη·2-W
[0132] 其中；
[0133] ΠΜ =離開(kāi)第Ν個(gè)電池的陰極電解液的質(zhì)量[kg];
[0134] mi =進(jìn)入第一電池的溶液(水和固體)的質(zhì)量[kg]; W及
[0135] ΝΞ電池?cái)?shù)目
[0136] 作為實(shí)例，當(dāng)N = 6并且mi = ：Lkg/分鐘時(shí)，mc6=l · 2-6 = 0.01562f5kg/分鐘，運(yùn)是初始 流量的1.56 %。
[0137] 作為進(jìn)口水的質(zhì)量、固體的質(zhì)量、W及電池?cái)?shù)目的函數(shù)的陰極電解液的濃度是 [013引 CcN=l/(l+(mwi/mx) · 2-N)
[0139] 其中；
[0140] =在陰極電解液水中的固體的濃度比g/kg];
[0141] mw戸進(jìn)入第一電池的水(沒(méi)有固體)的質(zhì)量帖];W及
[01創(chuàng) mx蘭固體的質(zhì)量(假定在進(jìn)口處的mx等于在陰極電解液中的化)帖]。
[0143] 作為實(shí)例，當(dāng)N = 6，mwi= 1kg，并且mx = 50x l〇-6kg(其是50ppm)時(shí)，Cc6 = l/(1 + (1/ 50 · 1〇-6) · 2-6) = 3.19 · l〇-3kg，運(yùn)是3g/kg或3,000mg/kg或3,000卵m(的Ca(0H)2)。
[0144] 圖6圖示系統(tǒng)600,其包括一個(gè)或更多個(gè)水消耗設(shè)備604W及被設(shè)計(jì)且被配置W調(diào) 節(jié)輸入水612W向該一個(gè)或更多個(gè)水消耗設(shè)備提供被調(diào)節(jié)的水616的一個(gè)或更多個(gè)水調(diào)節(jié) 器608。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，每個(gè)水消耗設(shè)備604可W是廣泛種類的元件中的 任何元件，例如水加熱器（例如，對(duì)于蒸汽機(jī)、鍋爐、家庭水加熱器等等）、蓄水池 （storage reservoir)、加濕器、W及氨氣發(fā)生器，除了別的之外。在某些實(shí)施方案中，系統(tǒng)600可W被 包含在單個(gè)的設(shè)備中，例如咖啡制造機(jī)、服裝變燙機(jī)（garment steamer)、地毯蒸汽機(jī) (ca巧et steamer)、W及變斗，除了別的之外。根本上，除了源自在其中使用被調(diào)節(jié)的水616 相對(duì)于直接地使用輸入水612的益處，對(duì)每個(gè)水消耗設(shè)備604的性質(zhì)和特性沒(méi)有限制。使用 被調(diào)節(jié)的水616相對(duì)于輸入水612的示例性益處在本文別處被描述或被提及并且包括減少 的礦物結(jié)垢、減少的阻塞、增加的能量效率、減少的由不合意地高水平的硬度引起的其他損 害。
[0145] 該一個(gè)或更多個(gè)水調(diào)節(jié)器608中的每個(gè)可W包括本公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)或更多個(gè)調(diào)節(jié) 電池，例如圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池104,所述一個(gè)或更多個(gè)調(diào)節(jié)電池可W是W任何合適的方 式鉛垂的，例如如在圖3中的示例性Ξ電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)300中平行鉛垂的（parallel- 口11111160(1)或如圖4中的示例性^電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)4〇〇中串行鉛垂的（361'1曰117-口1111]166(1)，或 平行的或串行的鉛垂布置或其他鉛垂布置的任何合適的組合。根本上，除了水調(diào)節(jié)器608被 配置且被操作W實(shí)現(xiàn)期望水平的水調(diào)節(jié)之外，對(duì)每個(gè)水調(diào)節(jié)器608的構(gòu)造沒(méi)有限制。使用本 公開(kāi)內(nèi)容作為指南，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易地能夠設(shè)計(jì)且具體化適于期望的水調(diào)節(jié)的水 平的一個(gè)或更多個(gè)水調(diào)節(jié)器608而無(wú)需過(guò)度試驗(yàn)。
[0146] 示例性實(shí)施方案已經(jīng)在上文被公開(kāi)并且在附圖中被圖示。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理 解，可W對(duì)本文特定公開(kāi)的內(nèi)容作出各種變化、省略和添加而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種調(diào)節(jié)水的方法，所述水包含堿土金屬陽(yáng)離子和對(duì)應(yīng)的碳酸根陰離子，所述方法 包括： 使所述水流入到具有第一陰極側(cè)和第一陽(yáng)極側(cè)的第一調(diào)節(jié)電池中以便分別提供陰極 流和陽(yáng)極流； 朝向所述第一陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子； 允許在所述陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極流；以及 抑制在所述陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽(yáng)極流。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括引起在所述陰極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子中 的至少某些發(fā)生沉淀。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述引起所述堿土金屬陽(yáng)離子中的至少某些發(fā)生 沉淀包括將二氧化碳注入到所述陰極流中。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述引起所述堿土金屬陽(yáng)離子中的至少某些發(fā)生 沉淀包括加熱所述陰極流。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使所述陽(yáng)極流的一部分至所述陰極流形成回路。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 使所述陽(yáng)極流流入到具有第二陰極側(cè)和第二陽(yáng)極側(cè)的第二調(diào)節(jié)電池中以便分別具有 陽(yáng)極-陰極流和陽(yáng)極-陽(yáng)極流； 朝向所述第二陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陽(yáng)極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子； 允許在所述陽(yáng)極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陽(yáng)極-陰極流；以及 抑制在所述陽(yáng)極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽(yáng)極-陽(yáng)極流。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括： 使所述陰極流流入到具有第三陰極側(cè)和第三陽(yáng)極側(cè)的第三調(diào)節(jié)電池中以便分別具有 陰極-陰極流和陰極-陽(yáng)極流； 朝向所述第三陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子； 允許在所述陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽(yáng)極流。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 使所述陰極流流入到具有第二陰極側(cè)和第二陽(yáng)極側(cè)的第二調(diào)節(jié)電池中以便分別具有 陰極-陰極流和陰極-陽(yáng)極流； 朝向所述第二陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子； 允許在所述陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽(yáng)極流。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括使所述陽(yáng)極流和所述陰極-陽(yáng)極流中的每個(gè)流動(dòng) 至儲(chǔ)器。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括引起在所述陰極流和所述陰極-陰極流中的每 個(gè)中的所述堿土金屬陽(yáng)離子中的至少某些發(fā)生沉淀。11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括： 使所述陰極-陰極流流入到具有第三陰極側(cè)和第三陽(yáng)極側(cè)的第三調(diào)節(jié)電池中以便分別 具有陰極-陰極-陰極流和陰極-陰極-陽(yáng)極流； 朝向所述第三陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陰極-陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子； 允許在所述陰極-陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極-陰極流；以 及 抑制在所述陰極-陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽(yáng)極流。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括使所述陽(yáng)極流、所述陰極-陽(yáng)極流、以及所述陰 極-陰極-陽(yáng)極流中的每個(gè)流動(dòng)至儲(chǔ)器。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括引起在所述陰極流、所述陰極-陰極流、以及所 述陰極-陰極-陰極流中的每個(gè)中的所述堿土金屬陽(yáng)離子中的至少某些發(fā)生沉淀。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿土金屬陽(yáng)離子是鈣陽(yáng)離子。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿土金屬陽(yáng)離子是鎂陽(yáng)離子。16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制作為所述陽(yáng)極流和所述陰極流中的至少一 個(gè)的電導(dǎo)率和pH中的至少一個(gè)的函數(shù)的、應(yīng)用于在所述陽(yáng)極側(cè)上的陽(yáng)極和在所述陰極側(cè)上 的陰極的電壓。17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制作為所述陽(yáng)極流和所述陰極流中的至少一 個(gè)的電導(dǎo)率和pH中的至少一個(gè)的函數(shù)的、在所述陽(yáng)極側(cè)上的陽(yáng)極和在所述陰極側(cè)上的陰極 之間的間距。18. -種用于調(diào)節(jié)水的裝置，所述水包含堿土金屬陽(yáng)離子和碳酸根陰離子，所述裝置包 括： 第一調(diào)節(jié)電池，其包括： 第一陰極側(cè)； 第一陽(yáng)極側(cè)； 第一陰極，其位于所述第一陰極側(cè)上； 第一陽(yáng)極，其位于所述第一陽(yáng)極側(cè)上； 第一進(jìn)口，其被設(shè)計(jì)且被配置以接收所述水并且以提供所述水至所述第一陰極側(cè)和所 述第一陽(yáng)極側(cè)兩者，以分別提供陰極流和陽(yáng)極流； 第一陰極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陰極流離開(kāi)所述第一陰極側(cè)； 第一陽(yáng)極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陽(yáng)極流離開(kāi)所述第一陽(yáng)極側(cè)；以及 第一離子選擇性過(guò)濾器膜，其將所述陰極流和所述陽(yáng)極流彼此分離，當(dāng)所述水存在時(shí)， 所述第一離子選擇性過(guò)濾器膜被設(shè)計(jì)/被配置/被選擇以： 允許在所述陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極流；以及 抑制在所述陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽(yáng)極流。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述第一陰極包括具有廣闊的面的陰極板，所述 第一陽(yáng)極包括具有廣闊的面的陽(yáng)極板，所述陽(yáng)極板的所述廣闊的面面向所述陰極板的所述 廣闊的面，并且所述陰極板和所述陽(yáng)極板彼此間隔約0.125英寸(3.175mm)至約0.1875英寸 (4.7625mm)的距離。20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括再循環(huán)回路，所述再循環(huán)回路被設(shè)計(jì)且被配置 以使所述陽(yáng)極流的至少一部分再循環(huán)至所述第一調(diào)節(jié)電池的所述第一陰極側(cè)。21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括： 第二調(diào)節(jié)電池，其包括： 第二陰極側(cè)； 第二陽(yáng)極側(cè)； 第二陰極，其位于所述第二陰極側(cè)上； 第二陽(yáng)極，其位于所述第二陽(yáng)極側(cè)上； 第二進(jìn)口，其與所述第一陽(yáng)極出口流體連通以便接收所述陽(yáng)極流并且被設(shè)計(jì)且被配置 以提供所述陽(yáng)極流至所述第二陰極側(cè)和所述第二陽(yáng)極側(cè)兩者，以分別提供陽(yáng)極-陰極流和 陽(yáng)極-陽(yáng)極流； 第二陰極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陽(yáng)極-陰極流離開(kāi)所述第二陰極側(cè)； 第二陽(yáng)極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陽(yáng)極-陽(yáng)極流離開(kāi)所述第二陽(yáng)極側(cè)；以及 第二離子選擇性過(guò)濾器膜，其將所述陽(yáng)極-陰極流和所述陽(yáng)極-陽(yáng)極流彼此分離，當(dāng)所 述水存在并且所述第二陰極和所述第二陽(yáng)極被供給能量時(shí)，所述第二離子選擇性過(guò)濾器膜 被設(shè)計(jì)/被配置/被選擇以： 允許在所述陽(yáng)極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陽(yáng)極-陰極流；以及 抑制在所述陽(yáng)極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽(yáng)極-陽(yáng)極流。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，還包括： 第三調(diào)節(jié)電池，其包括： 第三陰極側(cè)； 第三陽(yáng)極側(cè)； 第三陰極，其位于所述第三陰極側(cè)上； 第三陽(yáng)極，其位于所述第三陽(yáng)極側(cè)上； 第三進(jìn)口，其與所述第一陰極出口流體連通以便接收所述陰極流并且被設(shè)計(jì)且被配置 以提供所述陰極流至所述第三陰極側(cè)和所述第三陽(yáng)極側(cè)兩者，以分別提供陰極-陰極流和 陰極-陽(yáng)極流； 第三陰極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陰極-陰極流離開(kāi)所述第三陰極側(cè)； 第三陽(yáng)極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陰極-陽(yáng)極流離開(kāi)所述第三陽(yáng)極側(cè)；以及 第三離子選擇性過(guò)濾器膜，其將所述陰極-陰極流和所述陰極-陽(yáng)極流彼此分離，當(dāng)所 述水存在并且所述第三陰極和所述第三陽(yáng)極被供給能量時(shí)，所述第二離子選擇性過(guò)濾器膜 被設(shè)計(jì)/被配置/被選擇以： 允許在所述陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽(yáng)極流。23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括在所述第一陰極出口的流體地下游處并且被 設(shè)計(jì)且被配置以使在所述陰極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子中的至少某些發(fā)生沉淀的沉淀 器。24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述沉淀器還包括沉淀容器和與所述沉淀容器 流體連通的二氧化碳供應(yīng)器。25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述沉淀器還包括用于接收所述陰極流的至少 一部分的沉淀容器、以及被提供用于加熱所述陰極流的所述部分的加熱器。26. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括： 第二調(diào)節(jié)電池，其包括： 第二陰極側(cè)； 第二陽(yáng)極側(cè)； 第二陰極，其位于所述第二陰極側(cè)上； 第二陽(yáng)極，其位于所述第二陽(yáng)極側(cè)上； 第二進(jìn)口，其與所述第一陰極出口流體連通以便接收所述陰極流并且被設(shè)計(jì)且被配置 以提供所述陰極流至所述第二陰極側(cè)和所述第二陽(yáng)極側(cè)兩者，以分別提供陰極-陰極流和 陰極-陽(yáng)極流； 第二陰極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陰極-陰極流離開(kāi)所述第二陰極側(cè)； 第二陽(yáng)極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陰極-陽(yáng)極流離開(kāi)所述第二陽(yáng)極側(cè)；以及 第二離子選擇性過(guò)濾器膜，其將所述陰極-陰極流和所述陰極-陽(yáng)極流彼此分離，當(dāng)所 述水存在并且所述第二陰極和所述第二陽(yáng)極被供給能量時(shí)，所述第二離子選擇性過(guò)濾器膜 被設(shè)計(jì)/被配置/被選擇以： 允許在所述陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽(yáng)極流。27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，還包括與所述第一陽(yáng)極出口和所述第二陽(yáng)極出口中 的每個(gè)流體連通以便分別接收所述陽(yáng)極流和所述陰極-陽(yáng)極流的儲(chǔ)器。28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，還包括與所述第一陰極出口和所述第二陰極出口中 的每個(gè)流體連通以便分別接收所述陰極流和所述陰極-陰極流的沉淀器。29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，還包括： 第三調(diào)節(jié)電池，其包括： 第三陰極側(cè)； 第三陽(yáng)極側(cè)； 第三陰極，其位于所述第三陰極側(cè)上； 第三陽(yáng)極，其位于所述第三陽(yáng)極側(cè)上； 第三進(jìn)口，其與所述第二陰極出口流體連通以便接收所述陰極-陰極流并且被設(shè)計(jì)且 被配置以提供所述陰極-陰極流至所述第三陰極側(cè)和所述第三陽(yáng)極側(cè)兩者，以分別提供陰 極-陰極-陰極流和陰極-陰極-陽(yáng)極流； 第三陰極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陰極-陰極-陰極流離開(kāi)所述第三陰極 側(cè)； 第三陽(yáng)極出口，其被設(shè)計(jì)且被配置以允許所述陰極-陰極-陽(yáng)極流離開(kāi)所述第三陽(yáng)極 偵h以及 第三離子選擇性過(guò)濾器膜，其將所述陰極-陰極-陰極流和所述陰極-陰極-陽(yáng)極流彼此 分離，當(dāng)所述水存在并且所述第三陰極和所述第三陽(yáng)極被供給能量時(shí)，所述第二離子選擇 性過(guò)濾器膜被設(shè)計(jì)/被配置/被選擇以： 允許在所述陰極-陰極-陽(yáng)極流中的所述堿土金屬陽(yáng)離子傳遞至所述陰極-陰極-陰極 流；以及 抑制在所述陰極-陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陰極-陽(yáng)極流。30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，還包括與所述第一陽(yáng)極出口、所述第二陽(yáng)極出口、以 及所述第三陽(yáng)極出口中的每個(gè)流體連通以便分別接收所述陽(yáng)極流、所述陰極-陽(yáng)極流、以及 所述陰極-陰極-陽(yáng)極流的儲(chǔ)器。31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，還包括與所述第一陰極出口、所述第二陰極出口、以 及所述第三陰極出口中的每個(gè)流體連通以便分別接收所述陰極流、所述陰極-陰極流、和所 述陰極-陰極-陰極流的沉淀器。32. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述堿土金屬陽(yáng)離子是鈣陽(yáng)離子。33. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述堿土金屬陽(yáng)離子是鎂陽(yáng)離子。34. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括被設(shè)計(jì)且被配置以控制作為所述陰極流和所 述陽(yáng)極流中的至少一個(gè)的電導(dǎo)率和pH中的至少一個(gè)的函數(shù)的、應(yīng)用于所述陰極和所述陽(yáng)極 的電壓的控制系統(tǒng)。35. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述陰極和所述陽(yáng)極具有間距，所述裝置還包 括： 至少一個(gè)電極致動(dòng)器，其被設(shè)計(jì)且被配置以移動(dòng)所述陰極和所述陽(yáng)極中的至少一個(gè)以 便改變所述間距；以及 控制系統(tǒng)，其被設(shè)計(jì)且被配置以控制所述至少一個(gè)電極致動(dòng)器以便控制作為所述陰極 流和所述陽(yáng)極流中的至少一個(gè)的電導(dǎo)率和pH中的至少一個(gè)的函數(shù)的、所述陰極和所述陽(yáng)極 的所述間距。
【文檔編號(hào)】B01D61/44GK105848760SQ201480071254
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年10月30日
【發(fā)明人】T·卡拉賓
【申請(qǐng)人】伍德斯托恩公司