电渗析装置和方法

专利名称：电渗析装置和方法
技术领域：
本发明涉及改进的电渗析(“ED”包括“EDR”)设备和系统，包括改进的填料池电渗析设备和系统，以及使用这些设备和系统的改进的方法。(在本领域中填料池ED也被称为电去电离作用(“EDI”)。在本领域中填料池EDR也被称为逆电去电离作用(“EDIR”))。
然而由于技术因素，特别是相对较低的限制电流密度和去弱电离物质的不足，使得ED的使用受到限制，在下面进一步讨论了现有技术的ED系统的这些限制和不足。A、限制电流密度因为ED中使用的IX膜对一种符号或另一种符号离子具有高选择性，通过膜的大部分离子必须从周围溶液扩散穿过沿着膜和去离子溶液(即本领域中已知的稀液或稀释溶液或流)间分界面形成的层流层到达膜壁，穿过稀释溶液的离子的最大扩散速率发生在膜界面处电解质的浓度实质为零的时候。对应于膜界面处零浓度的电流密度在本领域中被称为限制电流密度。提高离子扩散速率就能提高限制电流密度，例如，加快膜表面周围溶液的流速，减少层流层的厚度和/或使用湍流促进剂，和/或提高温度。对于每立方米溶液的每千克当量盐，实际的限制电流密度通常在5000到10000安培每平方米范围内(即，对于克当量每升的盐来说，为0.5到1安培每平方厘米)。含盐水的盐浓度通常为大约0.05kg-eq/m3(也就是大约0.05-eq/l或大约百万分之3000份(“ppm”))，因此，限制电流密度在250至500安培每m2(0.025至0.05安培每cm2)范围内。为了最有效利用ED设备，需要在尽可能高的电流密度下运行。然而，当达到限制电流密度时，发现水会在(传统的)阴离子交换(“AX”)膜与稀释流的界面处电离(即，“分解”)成氢离子和氢氧根离子，氢离子进入稀释流而氢氧根离子穿过AX膜进入旁边富含离子的溶液中(在本领域中被称为“浓缩液，浓缩的，浓缩或盐水溶液或流”)。由于含盐水经常含有碳酸氢钙，因此碳酸钙也会在与浓缩流接触的(传统的)AX膜的表面趋于沉淀。几项技术中都遇到了这个问题对给水或浓缩流进行化学或IX软化；在给水或浓缩流(脱碳或不脱碳)中加酸；纳滤(“NF”)；或者是，有规律的倒转电流方向使浓缩流变为稀释流(以及稀释流变为浓缩流)。例如，参见美国专利2,863,813。在上面的技术中，最成功的是最后提到的工艺，即涉及“电渗析倒转”(“EDR”)技术的电流方向的倒转。
ED中限制电流理论表明例如在氯化钠溶液中，阳离子交换(“CX”)膜应达到它们的限制电流密度，其值约为AX膜的2/3rds。精细的测量表明情况也确实如此。然而，当达到或超过(传统的)CX膜的限制电流密度时，发现在CX膜和稀释流界面处的水并没有分解成氢氧根离子和氢离子。(传统的)AX和CX膜在它们各自的限制电流时水所出现的不同分解现象在近几年一直解释为，AX膜中弱碱胺对水分解的催化作用。只有季铵阴离子交换基团(或无弱碱基团)的AX膜在达到限制电流的最初时段内没有有效地分解水。这种现象会持续仅几个小时，然而，在这个时期后水开始分解并随着时间加快。然后发现AX膜会含有一些由季胺基团水解而产生的弱碱基团。结论是传统的AX膜在限制电流密度或其附近所出现的水的分解在实际中令人遗憾地不可避免。
ED中限制电流的存在也意味着在稀释溶液中限制电流密度是相对很低的。例如，当盐浓度约为0.005kg-eq/m3(也就是大约0.005g-eq/l或大约300ppm，典型的饮用水浓度)时，限制电流密度在25至50安培每m2(0.0025至0.005安培每cm2)范围，即，单位面积单位时间盐的转移是相当少的(即每小时每平方米50至100克盐)。这个问题最初好象是由W.Walters等人在1955年(Ind.Eng.Chem.47(1955)61-67)往ED叠层组件(即，一组AX和CX膜)的稀释层内填注强碱和强酸离子交换(IX)颗粒的混合物时提出的。自此关于这项课题出现了很多专利，其中有美国专利3,149,061；3,291,713；4,632,745；5,026,465；5,066,375；5,120,416和5,203,976,这些专利在此均作为参考。这里这种填料池ED(所称的EDI)有两种操作模式。在第一种模式中，IX颗粒用作扩展的膜表面积，因此大大提高了限制电流密度。在第二种模式中，使用的电流密度大大高于IX颗粒存在时的限制电流密度。在这些情况下，在膜-稀释流界面处水的分解速度是非常高的，Ⅸ颗粒主要是强碱和强酸的形式。在连续电解再生(混合床)离子交换操作中很好地描述了这种模式的设备。还有一种中间模式，其中水部分分解，但IX颗粒主要不是强碱和强酸的形式。
大多数填料池ED(也就是EDI)系统是在两种模式下运行的，例如，(1)在同一ED池中，池入口附近为第一模式池出口附近为第二模式；(2)在池中，在一对电极串流；或(3)在单独的叠层组件中串流(每个叠层组件都有自己的一对电极)。填料池ED被用来替换逆渗透或传统的、化学再生IX系统，如，强酸CX交换柱之后为弱碱AX交换柱，或者至少部分是混合床IX交换柱。在后面的任一情况中，CX和AX颗粒却分别被化学再生，例如，分别用硫酸或盐酸的酸溶液和氢氧化钠的碱溶液再生。因此不会有碳酸钙，硫酸钙和氢氧化镁的沉淀。细颗粒柱是在化学再生中被洗去颗粒胶体物质的有效过滤器。相反地，在EDI中，从稀溶液中去除的任何钙，碳酸氢盐和/或硫酸盐发生在较高浓度的浓缩流中，特别是在稀释流需要达到高回收率时(通常情况)。这样的高浓度经常导致浓缩液中存在沉淀。此外，从填料池ED设备中反洗IX颗粒以除去可能已经滤出的胶体物质是困难的(虽然在技术上是可能的)。
对于EDI的这些问题通常通过预处理来解决，例如(1)可再生阳离子交换软化之后是可再生阴离子交换吸收剂用于去除胶体和/或去除碳酸氢盐；(2)用于去除胶体的超滤或微孔过滤之后采用EDR来软化处理和部分脱矿；或，(3)用于去除胶体的超滤或微孔过滤之后采用纳滤来软化处理或者采用逆向渗透来软化处理和部分脱矿处理。
如上面指出的，填料池用于替换，至少部分替换混合床IX交换柱。然而，后者通常会产生电阻大约为18meg ohm-cm的水和浓度在当前的检测限值附近的二氧化硅。直到现在，这样高性能的填料池ED(EDI)也是很难获得的。B、弱电离物质的去除许多工厂都用ED(包括EDR)来脱除干酪乳清的灰分。通常天然的乳清首先被浓缩到20至25重量百分比的固体，在ED(或EDR)浓缩乳清的过程，电流密度(也就是，单位膜面积，单位时间灰分的去除速度)维持相对较高，直到大约百分之50至60的灰被除去。残留的灰的特性象弱电离的物质，可能会与乳清中的蛋白质结合或络合。脱灰乳清的重要市场要求脱灰百分之90或更高的乳清。使用ED(包括EDR)将乳清从大约百分之40的灰分水平脱灰到百分之10的灰分水平比从百分之100的灰分脱灰到百分之40的灰分需要更多的接触时间。在从百分之40灰分脱灰至百分之10灰分的过程中往乳清中或多或少地连续添加酸时可能会遇到这个问题，虽然酸能将灰从蛋白质中释放出来，然而添加的酸会被ED(包括EDR)迅速除去，因此需要大量的酸来完成这个过程，这是我们不希望的。通过ED(包括EDR)来去除乳清中大约百分之60的灰分同时通过离子交换来除去剩余百分之40灰分中的大部分灰分的过程也会遇到这个问题。所用的离子交换设备通常包括强酸CX颗粒组成的交换柱，和跟在之后的弱碱AX颗粒的交换柱。在这个过程中需要相当量的酸和碱来再生IX颗粒。
象上面讨论的那样，填料ED池的电去电离作用(EDI)非常适用于水中微量污染物离子的去除，但还可以对该过程进行改进。这些改进包括1)提高产物的纯度。EDI系统中的杂质源包括，但不限于(a)由浓差(differercesand)电场驱使的污染物离子穿过离子交换膜的反扩散和电迁移；(b)中性弱电离物质穿过极化膜的反扩散；和，(c)在稀释流歧管中，污染物离子从膜到产品水的电渗析。
2)设备和控制的简化需要运行传统的EDI。今天，这些EDI子系统包括盐水再循环，盐水和电解质PH值和传导率的控制。简化应该包括设备费用的降低，减少操作者所需的经验以及减少设备控制和调节所需的时间。
3)减少EDI叠层组件和泵的电力消耗。
4)提高浓缩流的对污垢形成的阻止能力。
5)在EDI之前减少水的预处理。
6)在不牺牲产物水回收率的条件下提高产物水的质量。
7)间断运行和启动后立即产生优质产物的能力。
8)提高溶液的输送压力进而省去输送泵。
9)可靠运行，没有外部泄漏，不会形成外部盐堆积。
上述传统EDI系统的大部分限制和不足，如果不是全部，可通过本发明电渗析的改进设备和方法来克服或大大改进。本发明其他的目的和优点的一部分很明显，其部分将在下文中呈现出。本发明包括，但不局限于，一类设备及相关的方法，包括几个步骤和不同的部件，以及一个或多个步骤和部件的关系和排列顺序，这些将通过下面的描述和附图被举例说明。在此描述的设备和方法的各种改进和改变对本领域技术人员来说是明显的，所有这样的改进和改变都在本发明的范围内。
稀释的流出液到浓缩的流入液所形成的这种内部回流最好与EDI叠层组件电流方向的周期性逆转一起使用。如果这种电流逆转持续相当长时间(例如，如果逆转在时间上是对称的)，那么根据本发明，流过稀释层和浓缩层的流动方向也最好被逆转，来自“新”稀释层的流出液向“新”浓缩层提供纯回流液。
当然，在上述的内部回流模式中，稀释的流出液进入浓缩层的流量是稀释层流出液流量的几分之一。然而，最好且有必要给来自叠层组件的稀释流出物提供一个背压，例如，通过混合床离子交换设备的压降来提供这样的背压，这种稀的流出液可以不必增压而直接流入混合床离子交换设备。
例如，浓缩的流出液可以通过逆向渗透，纳米过滤，蒸发或ED的另一段部分再生。
为了通过EDI获得超纯水，必须除去例如NaCl，CaSO4等强电离电解质，以及例如CO2、NH3、SiO2和H3BO3，这样的弱电离电解质。实质上这些弱电离电解质仅是在强电离的离子(Na+，Cl-，Ca++，SO4--)几乎全部除去后才会被除去。只有在局部电流效率很低时才能(通常)有效去除弱电解质。在低电流效率下，通过交换膜的全部电流几乎都由OH-和H+携带。如果浓缩流的PH值大体上是中性的，并且没有填充离子交换材料，那么在大部分盐水流中，像二氧化硅这样的弱电离电解质在穿过阴离子交换膜之后，实质上在盐水流的主流中变成非电离物质。虽然在大体上阻止了负电荷强离子返回到稀释流中，但阳离子交换膜不能阻止像CO2、SiO2和H3BO3这样的小分子量的中性物质扩散回稀释流中。虽然阻止了正电荷的强离子返回到稀释流中，但阴离子交换膜不能阻止像NH3和胺这样的小分子量的中性物质扩散回稀释流中。
浓缩流的传导率可能很低，它构成了EDI叠层组件的一多半电阻。在这种情况下，最好把离子交换材料填入浓缩流。浓缩流中的离子交换材料可以是阳离子交换材料紧跟在阳离子交换膜之后并且阴离子交换材料紧跟在阴离子交换膜之后。在此，作为参考的美国专利4,033,850中公开了这样的一种仅用于电渗析装置的稀释层中的离子交换材料的布置。与阳离子交换膜并列的阳离子交换材料可以与膜(例如珠粒，杆，筛网等)做成一体(例如上面的结构)，也可不成一体。同样，与阴离子交换膜并列的阴离子交换材料也可与膜做成一体或不做成一体，这与阳离子交换膜无关。也就是说，一个膜的交换材料可以与膜做成一体，而其他膜的交换材料可以不与膜做成一体。进一步说，例如，其中一种或两种膜均具有纹理，并且还并置有电荷相同的未集成于一体的交换材料。如果两种膜都是有纹理的，它们彼此直接接触，纹理表面凸起之间的敞开区域就是流体流动通道。显然在上述任一个例子中，穿过浓缩层的溶液在流动上不会受到严重的阻碍。
在EDI隔离物中，由于侧壁和离子交换材料叉交，使得穿过离子交换材料的液流不均匀分布。因为三维离子交换珠粒不可能部分地穿过侧壁，所以接近侧壁的离子交换材料的堆放布置与远离侧壁的大量离子交换材料的布置并不一致，这种空间的阻碍允许侧壁附近有更多的液流。在侧壁附近发展的滑流(slipstream)相对于离子交换物质具有较大的扩散距离和较少的接触停留时间；结果，沿着稀释层隔离物有被去除的离子很少。因此滑流携带大量污染物到达稀释层隔离物的出口端，在那里滑流与大量的隔离物液流混合，从而降低了产物的纯度。
然而，按照本发明的另一个实施例，发现沿着隔离物的长度方向在隔离物的侧壁处间断地放入机械静态混合器来使这种影响达到最小。这些静态混合器有助于沿着侧壁流动的滑流与大量流体之间的混合，从而增加接触时间，提高离子交换材料对污染物的去除。因此，这里加入的静态混合器进一步提高了产物质量。在图3中表示了本发明沿着EDI池的隔离物侧壁的静态混合器的合适布置。
离子交换材料中捕获的气泡或由水中除气形成的气泡可能会导致液流分布不均匀，从而降低产物质量。电极处产生的气泡也会在离子交换材料中被捕获，并长大到足以使EDI中电流分布变差。由于离子交换材料的尺寸小同时该尺寸下的表面张力(毛细作用)会将它们留在原处，因此，很难通过浮力或流动作用去除所有这些气泡。
而按照本发明的又一个实施例，将气体可渗透过(例如，非多孔和/或疏水微孔)区域和/或部件，如空心纤维或其他几何体被并入到EDI隔离物中以提供使气泡中的气体渗过这些区域和/或进入空心纤维的腔中并逸出，而不损失任何液体的手段。如图4中所示，一EDI池中布置有本发明的疏水多微孔空心纤维。图4的实施例还表示出了一种带有EDI隔离物的EDI池，其中的EDI隔离物具有疏水的多微孔区。


图1B是图1A中所示的EDI叠层组件的顶视图，其展示了进料口11，通用歧管13，产物出口12，浓缩流出口14，阳极流出口15。图1B也画出了稀释流16，浓缩流17和电极流18流动的大致方向。各歧管间的点线代表隔离物的可能形状，隔离物在相邻隔离物的相对壁间形成了三种不同液流，即稀释流，浓缩流和电极流的流动通道。
图2A为本发明交替螺旋EDI叠层组件或模块结构的横截面示意图，其中有进料口21，产物出口22，浓缩流出口23，稀释流24，浓缩流25，中央电极26(其在优选例中包括一个阳极)，和一个外部的导电(例如金属)容器27作为反向电极。
图2B是图2A中全部(非部分)螺旋EDI叠层组件的左端视图，其示出了相同的部分(具有相同编号)。
图3是本发明填料池(EDI)隔离物的轮廓图，其展示了隔离物框31，中心用离子交换材料32填充，以及沿着侧壁35的多筛网混合器33。
图4是本发明填料池(EDI)隔离物的轮廓图，其展示了隔离物框41，中心用离子交换材料42填充，以及多微孔疏水元件43，和/或疏水多微孔区44。
图5A是本发明具有表面纹理膜51的一个实施例的轮廓图，其只显示了一个表面上的在中部的凸起纹理52。虽然没有显示出，但可以明白按照本发明可以在膜的两个表面上都制造纹理并使用。图5B是图5A中有表面纹理的膜的侧视图。
图6是本发明另一类型的、有表面纹理的膜的轮廓图，该膜具有较小的纹理图案，这样的形式具有增加的表面积并提高了湍流促进效果。
图7是按照本发明又一类型的、有表面纹理的膜的轮廓图，该膜具有倾斜的凸起带。可以理解，当紧挨着的、具有反向倾斜带的膜(没有画出)与图7中所示的膜相结合时，所产生的EDI池将会产生一个自支持流动通道而不需隔离物。这样的交叉带模式促进了湍流，使流体在沿着这样的流动通道横向流动时完全混合。
图8A是本发明又一种膜的平面图，图8B是对应的这种膜的横截面视图，其中该膜在流动通道面上具有三维褶或褶皱。图8A和8B所示的膜的整体构成了一种模式。
图9A是本发明另外一种膜的平面图，图9B是对应该膜的横截面视图，其中该膜在流动通道面上有三维的波纹。
图10是本发明优选的逆流浓缩流螺旋EDI叠层组件结构的横截面轴视图。中心“管”或管状件104被密封在离子交换膜102和103中，也用作第一电极(阳极或阴极)，并在内部被分流器壁107分开，从而在壁107的第一侧面上为进料口101提供一个歧管，在壁107的第二侧面上形成一个浓缩流出口105。产物出口108相对膜没有密封，从而允许产物流入旁路并供入浓缩流。外壳106用作反向电极。
图11是本发明另一个优选逆流浓缩流螺旋叠层组件结构的横截面轴视图。中心“管”或管状件114相对于离子交换膜112和113密封，其用作一个电极(阳极或阴极)，产物流出歧管和盐水进料口。浓缩流出口歧管116对带有相反电荷的离子交换膜112和外壳115的边缘液封。提供进料流117的进料歧管111对离子交换膜113和外壳115的边缘密封。外壳115也用作反向电极。
图12是本发明的又一个优选逆流浓缩流螺旋组件结构的横截面轴视图，中心“管”或管状件12用作一个电极(阳极或阴极)，但其没有对离子交换膜液封，从而允许产物供入浓缩流。产物出口歧管126对膜不液封，并使旁通产物流流入电极流和浓缩流。浓缩液出口歧管127对离子交换膜122的边和外壳125液封。提供进料流128的进料口歧管121对带有相反电荷的离子交换膜123和外壳125液封。外壳125也用作反向电极。
图13是横截面示意图，其详细地展示了优选的中心电极和歧管装置，与图10中的元件104相比，歧管用来把膜131和筛网132箝制并液封到中心电极133上。该装置由金属管135的两个弧形部分和一个中心楔形体134构成。后者使管段135和膜或者使箝在该管段之间的膜和筛网彼此挤压。中心楔形体134也把中心电极分隔为两个歧管，一个歧管层相对于另一个液封。中心楔形体134由两个或多个部件构成，这些部件在布置上可沿轴向相反方向挤压这些部件，从而使该元件在垂直于该轴的方向上的尺寸增加，从而产生了所需的箝位力。
优选实施例的详细描述图1A和1B中所示为本发明的一个实施例，取把EDI叠层组件的最终产物供入到单通道中的浓缩流和电极流中。浓缩流(在浓缩层7中)和电极流(在电极层8中)的优选液流方向是与稀释流(在稀释层9中)的流动方向大体相反。在该单通道实施例中，使用初始纯度很高、大体逆流的浓缩流能使进入产物的污染物的反扩散和电迁移达到最小。靠近产物出口的膜不会暴露于污染物，从而使这些膜含有极少量的污染物，其有益的结果是有效地减少了从这些膜电渗析和/或扩散到产物中的污染物。由于产物的传导率低，从而在各自的层中至少在入口附近要使用离子导电物质来保证浓缩和电离流的电的连续性。离子交换材料可以是这里描述的珠粒，颗粒，纤维，棒，筛网，布，毡，织物，膜本身的表面纹理等。离子交换材料最好与浓缩层两边的膜接触，这些膜至少在入口处形成一个连续的接触通路。在电极层中，离子交换材料最好与电极和电极层边上的膜接触，并在它们之间形成连续的接触通路。另一方面电极可与邻近的膜紧密接触或成为一体。图1A和1B中所示的EDI叠层组件可以有偶数或奇数个池。
下面的例子说明了图1A和1B中单通道EDI设备的效果。
实施例与具有传统同流再循环浓缩流的EDI设备(对照物)相比，该例比较了图1A和1B(设备A)使用的单通道逆流浓缩流的EDI设备的效果。两种EDI叠层组件使用相同类型和数量的膜、隔离物和离子交换树脂。下面的表1显示对于CO2浓度较高的盐水流来说，本发明(设备A)与对照设备相比，其性能有显著的提高。
表一对照设备 设备A给料传导率(microS/cm) 20 37给料CO2(ppb) 300 23,610盐水CO2(ppm) 310 411给料二氧化硅(ppb) 500 1,064停留时间(Sec.) 40 40电流(Amps) 1.5 0.82产物电阻(Mohm-cm) 10.4 17.88如表1所示，即使盐水流中的二氧化碳浓度较高，单通道逆流盐水叠层组件，设备A，仍能维持产物的质量。盐水中的二氧化碳的反扩散不会对单通道逆流盐水叠层组件产生严重影响，因为任何反扩散都发生在远离稀释流通道末端的上游，所以能被离子交换材料吸收。
浓缩流通道中的离子交换材料可以是两性的物质、阳离子物质、阴离子物质、阳离子物质和阴离子物质的混合物，或者以层状或其他几何形式布置的阳离子和阴离子物质。在本发明的一个优选实施例中，浓缩层中的物质由紧跟在阴离子交换膜之后的阴离子交换材料和紧跟在阳离子交换膜之后的阳离子交换材料构成，并且两种形式的离子交换材料在层的中心附近彼此接触。电极流流动通道中的离子交换材料可以是两性的物质、阳离子物质、阴离子物质、阳离子物质和阴离子物质的混合物，或者以层状或其他几何形式布置的阳离子和阴离子物质。在本发明的一个优选实施例中，电极流层中的物质由阳离子交换材料构成。其中一些池可由同种电荷的离子交换膜界定，产生所谓的“中性”池或层。在其中一个中性层中，离子穿过层而不会改变电离的或可电离物质的总浓度。在这些中性池流动通道中的离子交换材料可以是两性的物质、阳离子物质、阴离子物质、阳离子和阴离子物质的混合物，或者以层状或其他几何形式布置的阳离子和阴离子物质。
为了使层中离子交换材料填料的电阻更低，可在填入EDI设备之前用电解质或可混溶于水的有机物如甘油，丙二醇，糖等的水溶液收缩或部分烘干离子交换材料。当使用电解质时，最好使用能增加离子交换材料收缩量的电解质(这在本领域是众所周知的)。在收缩的离子交换材料被导入EDI设备之前，用水冲洗离子交换材料可使之膨胀，在压紧的层中产生更大的压缩力，从而挤压离子交换材料的珠粒或颗粒，增加离子交换材料自身之间以及离子交换膜和电极之间的接触面积。适用于这个过程的一种电解质是氯化物盐。在层的初始化启动过程中，为了避免阳极层产生氯，避免阳极层中的离子交换材料产生可能的氧化物，本发明的一个优选实施例使用含盐的非氯化物。
非极化区域中增强的压缩力增加了离子交换材料和离子交换膜之间的接触面积。这个效果是有益的，因为当接触面积增加时，电阻减小。增加的接触面积促进了离子进入离子交换膜，并有助于防止膜在离子交换填充物质极化之前出现不希望的极化作用。如果阴离子膜在离子交换材料极化之前极化，穿过膜的氢氧根离子会使浓缩液的局部出现较高的PH值。穿过阳离子膜的钙离子能够进入PH值较高的区域并沉淀，结垢。
在本发明的一个优选实施例中，将离子交换材料是以完全再生的形式填入叠层组件。该优选实施例中从隔离物框的固体表面之间的膜表面扩散到产物歧管的盐最少，隔离物框在有效电场的外侧。
本发明的另一个实施例使用由聚合物构成的筛网或布，该聚合物至少在表面有离子交换的功能。用珠粒，微粒或精细纤维离子交换填料填充的EDI池只能使用洁净无微粒流。这些填料池通常有较高的流体阻力、跨床压力梯度和泵能损失。传统的EDIR也存在潜在缺点，即由于离子交换材料的整个结构被功能化具有相对较高的离子存储能力从而在电流逆转后很慢才能达到平衡。相反，通过在聚合物，例如聚丙烯，聚乙烯等的外表上只让很薄的一层被功能化，使得在电流逆转之后很快就能达到平衡。使用如机织型筛网，或者挤出的单纤维筛网(例如Vexar)，或者穿孔的、波纹形的筛网或者扩展的塑料筛网都会产生非常小的水力压降，从而能使沿流动通道更长并减少泵送能耗。
在所有或大多数类型的IX物质中，填料阵列在其边缘处例如隔离物的壁面，其密度是不连续的。由于该不连续性，比大部分填料阵列液流更快的滑流能够沿着这样的壁发展，该滑流在隔离物内的停留时间较短，与离子交换材料的接触较少。在稀释层中，污染物从水中去除，这就意味着滑流中的污染物浓度较高，因而其电阻要低于穿过阵列体部分的体流。因此隔离物出口处滑流与产物流的混合将会增加总产物流中污染物的总量，降低总产物流的电阻。为了改善滑流的作用，在本发明的另一个实施例中，如图3所示，在沿着隔离物壁的长度方向上放入静止混合器。这些静止混合器可以间断地放置或填满隔离物的整个敞开表面。现发现混合器的作用是把滑流与大部分的稀释流混合在一起，这样前者就会与离子交换材料有更长的接触时间，从而有更多的污染物被除去。
静止混合器可以由例如Vexar公司生产的筛网，或者织物筛网，或者打孔的、波形的或扩展的筛网构成。静止混合器可以由聚乙烯，聚丙烯，或任何不溶物质制成，并且最好附着在隔离物壁上。在另一种变化形式中，这样的筛网至少可由离子交换材料的部分构成。筛网可以间断地伸入到的离子交换材料体中或者在整个隔离物表面上扩展从而把滑流与体流混合在一起。在本发明这方面的一个优选实施例中，筛网凹进隔离物壁并使液流转向混入壁中的筛网空间。
筛网线的间距可以在0.01英寸(.254mm)和1.0英寸(25.4mm)之间，优选的在0.0625英寸(1.59mm)和0.5英寸(12.7mm)之间，最好是在0.1英寸(2.54mm)和0.25英寸(6.35mm)之间。筛网的最佳厚度和静止混合器沿着隔离物壁放置的最佳间距部分取决于离子交换材料的大小和几何形状。对于平均直径为0.5mm的离子交换珠粒或颗粒来说，筛网的厚度在0.001mm和10mm之间是有益的。如果筛网在整个隔离物中展开时，筛网线应该足够细并且间距应足够大以便不干涉离子交换材料间的接触，除非筛网的表面至少是由离子交换材料构成。
在电极中产生或液流除气时形成的气泡能够被离子交换材料捕集。在离子交换珠粒间捕集的小气泡会导致EDI隔离物的液压渗透性和液流产生很大变化。这些小气泡可以长大到足以使电流分布很差的尺寸，在极端情况下，会导致膜氧化或电极失效。在此作为参考的美国专利5,558,753中公开了在浓缩流再循环回路中除去气泡的方法。
在EDI叠层组件的稀释流、浓缩流或电极流中也可以捕集气泡。按照本发明的另一方面，现已发现透气材料能用来使被捕集的气体透过EDI层。透气材料可以是疏水多微孔的，以便气体能够透过该材料的微孔，也可以是无孔的(如硅树脂橡胶)以便气体能够扩散通过该材料。如果材料是疏水多微孔的，孔的有效直径必需足够小以便表面张力能够阻止液体在EDI设备的操作压力下透过孔造成液体损失。在本发明这方面的一个实施例中，这些材料可以以图4所示的透气区空心纤维和/或其他几何结构的形式与EDI隔离物结合在一起。这些透气物在其面向水流的相反一侧可由其他材料支持。
如图2、10、11、12和13所示，本发明的另一个实施例提供了一种螺旋盘绕形式的EDI设备，其流出的产物供入单通道浓缩流的入口。与公开了一种将稀释流和浓缩流密封分开的结构的美国专利5,376,253相比，在本发明的实施例中，稀释的流出液和浓缩的流入液共享一个共用歧管。这样，在本发明的螺旋盘绕结构中，稀释流在通过稀释流层之前，可以有选择地供入阳离子层或者阴离子层。并且，在电极层之前或者在通过反向电极层之后的该部分，可以作为产物存在。本发明的螺旋盘绕件可由一对盘绕在一起的膜(阴离子交换膜和阳离子交换膜)构成(如图所示)，或者也由两对或多对构成(图中没有表示出，但很容易理解其结构)。在任何一种情况中，螺旋盘绕都会形成一个(虚拟的)中心轴，膜相对于该轴盘绕以产生螺旋形外观(当向前看时)。通过浓缩层的液体流可以向内流向虚拟的轴，或者向外远离该轴流动。在本发明的该实施例中，通过稀释层的液体相应的向外流动或者向内流动。在使用螺旋结构的另一种变化情形中，通过浓缩层的液体可大致“平行”于虚拟轴(例如，沿着从左到右的方向)，以及交替的“反平行”(在此定义为与“平行”方向相反的方向，在该实施例中为从右到左)于虚拟轴，相应的通过稀释层的液流成为逆流，即，分别为“反平行”和交替的“平行”流动。换句话说，在该实施例中液流在第一方向上可以大致平行于虚拟轴，交替地在相反的第二方向上平行于虚拟轴。
在上面的任一种情况下，通过螺旋的电流都可以倒转，从而使“旧的”浓缩层变成“新的”稀释层，并且，相应地，“旧的”稀释层变成“新的”浓缩层。按照本发明的实施例，在电流倒转之后，通过这些层的液流方向倒转，“新的”稀释层将“纯净的”出流逆流提供给“新的”浓缩层。
按照本发明配置和操作的供入EDI设备的优选电流可通过对下面的公式作图来确定Rprod对I/q(Cin-Cout)其中Rprod是稀释池产物的电阻，I是EDI设备的电流，q是稀释池的体积流量，Cin是供入单个稀释池的溶液中的电离的或可电离的物质的单位体积当量浓度，Cout是从单个稀释池中排出的溶液中的电离的或可电离的物质的单位体积当量浓度。
这个数据曲线将会有一个拐点。加到EDI设备上的优选电流将位于这个拐点之上。Rprod、I、q、Cin和Cout可用任何一种相互一致的单位来表达，因为感兴趣的对象是拐点。并且，应该注意到在拐点下面的数据点的拟合线有一个斜度，而拐点上面数据点的拟合线则有第二个、不同的斜度。拐点对应于数据曲线上的点，这里二阶导数(d2Rprod/d(I/q(Cin-Cout))2)的绝对值最大。这就意味着如果用回归公式来拟合曲线上的数据，二阶导数仍然是I/q(Cin-Cout)的变量。另一方面，除了Rprod对I/q(Cin-Cout)的曲线之外，可画出下面任一数据关系的曲线以确定拐点Rprod对i/q(Cin-Cout)Rprod对i/q(cin-cout)Rprod对i(RinRprod)/q(Rprod-Rin)Rprod比(RinRprod)/qVp(Rprod-Rin)其中Rin为稀释层进料的电阻，i是平均电流密度，cin是稀释层进料的传导率，及cout是稀释层流出物的传导率。本领域的技术人员都清楚如何从上面的数据关系中优选出一个拐点附近斜度有急剧变化的关系。并且，都明白上面关系式的两侧都可以乘以或除以一个常数而不会改变拐点的值，在关系式每一侧乘以或除以的常数不需要相同，因为可以理解其扩大或缩小了一个或另一个轴，或者两轴，另外，在关系式的任一侧加上或减去一个常数，会改变拐点在图中的位置，并且其值也会发生变化。举例来说，这意味着在一个实际的数据曲线中，如果要使拐点的确定更加简单或更方便，可以单独地扩大或缩短或平移轴。如果需要，可以用本领域中的其他熟知方法来处理相关数据。
本发明另外还提供了一种根据供入设备的离子负荷来自动控制输入EDI设备的电流方法。从效率的角度出发，在高离子负荷时希望有更多的电流通过设备，当离子负荷降低时，电流也减少。按照本发明可通过与之相连的电导池/计来监测EDI的进料，并列用(最好是经温度修正的)电导计的输出来自动调节供入EDI设备的电流量，由此来实现自动控制。因此该实施例能使平均能量消耗最小，提高了设备的整体性能。
使用电渗析来从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阴离子树脂。现已发现稀释流中碳酸盐的存在会极大地减少这种阴离子树脂的可用量，这样二氧化硅和硼酸的捕集效率会由于碳酸盐的存在而极大地降低。除去第一部分以外的所有碳酸盐的电流效率很低，这是因为大量的树脂都以OH-1的形式存在，对于特定的树脂来说，OH-1的迁移率是碳酸盐的3倍。当阴离子树脂为50％碳酸盐和50％氢氧化物时，需要8个电子来除去一个CO2分子，6个电子去除OH-，两个电子去除CO3-2。当阴离子树脂为20％碳酸盐和80％氢氧化物时，需要26个电子来除去一个碳酸盐，而其中24个电子则浪费在OH-的去除。如果树脂没有被高度极化，那么每个CO2只需使用一个电子就可以把CO2作为碳酸氢根除去。(尽管HCO3-只有OH-迁移率的大约20％，如果HCO3-的浓度很大，实质上就不存在OH-离子。)按照本发明运行叠层组件，相对于离子负荷实时地控制电流，将会导致CO2主要以碳酸氢根的形式以相对较高的效率在叠层组件基本相同的位置处被除去。并且平均能量消耗最小，该运行模式能使该叠层组件中以所需OH-形式存在的阴离子树脂达到最多。
该现象可以由一个例子来很好地解释如果电流是常数，阴离子负荷在短暂时间内加倍，CO2将从非常靠近叠层组件出口端的树脂中捕集去除。在高阴离子负荷下，CO2将以碳酸氢根被有效去除，但叠层组件除去二氧化硅的能力由于用来捕集二氧化硅的氢氧化物形式的树脂的减少而受到严重损害。并且由于碳酸盐以及之后的碳酸氢盐两者都会置换阴离子树脂中存在的硅酸盐，因此会有大量的二氧化硅瞬时释放到产物水中从而使问题恶化。即使在阴离子瞬时高负荷结束之后，情况也不会好转。HCO3-1饱和树脂迅速极化，产生的碳酸盐的电去除效率迅速下降。这样，在该系统中需要很长时间和大量电流来重新恢复捕集二氧化硅的效率。由这个例子可以推断出，叠层组件运行中电流效率的连续波动将会导致二氧化硅的去除效果变差，这与叠层组件以最低瞬时电流效率连续运行的情况同样的糟糕。
按照本发明另一个实施例可以发现，从进料传导率(或传导率，液流和碱度)和/或叠层组件电阻抗到控制电流的反馈回路能够大大提高系统性能。在电渗析叠层组件中插入分段电极会有助于电流的控制。可将任一或两个电极分段，从而允许稀释层流动通道中不同区域的电流(密度)按照该层的离子负荷被精细调整。这些分段电极也可用来确定沿流动通道长度各不同区域处的阻抗。该阻抗信息可被用来确定离子交换材料的相对状态(既，完全再生离子交换材料与盐形式的离子交换材料相比有较低的电阻)，自动调节通过特定段的电流从而按照离子负荷精细调整输送到单个段的电流(密度)。
此外，无论是否与阴离子交换膜结合一起或部分结合在一起，阴离子交换树脂的本质(类型)沿着流动通道而变化。按碱度降低的顺序，普通的阴离子交换部分近似排列如下(1) “类型I”，聚(N-乙烯基苯甲基-N，N，N-三甲基铵)(2) “类型III”，聚(N-乙烯基苯甲基-N-(3-羟基丙基)-N，N-二甲基铵)(3)
“四元丙烯酸”，聚((N-丙烯酰胺基丙基)-N，N，N-三甲基铵)(4) “类型II”，聚(N-乙烯基苯甲基-N-(2-羟基乙基)-N，N-二甲基铵)(5) “弱碱”，聚(N-丙烯酰胺丙基)-N，N-二甲基胺。
在所谓的弱碱阴离子交换树脂中后面的阴离子交换树脂(上面的分子式5)呈现出最大的碱性，在自由碱状态时，有足够的碱与CO2(明显主要是以HCO3-而不是CO3-2被吸收)形成盐。而并不是以足够的碱与二氧化硅形成盐。
在上面的碱度递减的顺序所得的表的上端，类型I的阴离子交换(“AX”)树脂(上面的分子式1)和它们氢氧化物形式的等价物是强碱，能用来吸收二氧化硅和硼酸，并能像上面提到那样主要以CO3-2而不是HCO3-1的形式吸收CO2。
上面树脂中的固有pKb(碱离解常数的负对数)在文献中已有报道。现已发现，由被吸收的游离和化合的CO2所携带的电流分数与由氢氧根离子所携带的电流分数的比值，对于上表底部(分子式5)的弱碱树脂来说最大，对于表顶部(分子式1)的强碱树脂最小。因此，按照本发明的该实施例，最好使用上表底部(例如，分子式4和5或它们的等价物)的树脂来定位和控制液流出口附近稀释层流动通道区域内游离和化合二氧化碳的去除，使用上表顶部(例如，分子式1、2和3或它们的等价物)的树脂来定位和控制邻近液流出口附近稀释层流动通道区域内的二氧化硅和硼酸的去除。
虽然上面列出的类型II树脂和弱碱树脂通常被看作“中间碱”树脂，但该术语通常是指含有四价铵基团和非四价胺基团的阴离子交换树脂。这类树脂可以用适当的四价铵树脂控制降解来制备或制造。相对于表中树脂，树脂的多种多样使在上表很难包括所有的树脂，但是对于本发明的实施例来说，本领域技术人员能容易地确定任何特定中间碱或其他树脂的作用。
特别地，如图5、6、7、8和9所示，ED或EDI受益于离子交换膜表面上的不均匀纹理或凸起树脂，因为适当几何形状的表面会在膜表面产生更多的湍流，除了产生更大的表面积以外，还降低了膜表面附近停滞的离子耗尽区的形成。膜表面附近停滞的离子耗尽区的形成将导致所谓的“浓差极化”现象，该现象对ED和EDI系统的性能具有负面影响。本发明实施例中有纹理和凸起的表面的膜可用于任何电渗析层中，该过程受益于膜上湍流的增加和/或膜表面积的增加，该表面积包括膜间或膜和电极间的通道。
本发明该实施例的离子交换膜被有利地成图案以便能产生多个层。例如，在一种优选形式中，在其一个深度处形成流动通道，在流动通道之间产生有纹理的表面。在膜的周边上，其表面较低以接纳膜的边缘和紧邻的膜之间的不导电或导电框。在这种方式中，ED、EDI、EDIR或EDI叠层组件可以不使用分隔的“隔离物”而在膜之间产生被处理液体的流动通道。
本发明实施例的新膜也可用在非电的系统中，其中离子交换、离子捕集，或中和发生在流体中的离子和具有较大表面积的固体离子交换介质之间的中和。这种膜的应用包括，但不限于，被用作脱矿器、水软化介质、PH调节介质，和金属选择性和离子选择性介质(硝酸盐选择性或一价离子选择性)。
按照本发明，将不均匀纹理和凸起的树脂用作离子交换膜的表面，能够使用在EDI、EDIR、ED、EDR或其他使用离子交换膜的电驱动过程产生更大的表面积，这都受益于图5、6、7、8和9中所示的不平表面。这些表面有纹理或凸起的膜可用标准膜制造成离子交换膜。这些膜也可被制成电荷选择(一价离子选择)膜，或者物质选择膜，例如重金属选择膜、硝酸盐选择膜或钠选择膜。
在此描述的有表面凸起的膜的一个特别好的应用是在EDI设备中代替通常放在两个膜之间或膜和电极之间的离子交换树脂。按照本发明，目前使用与同种电荷离子交换膜邻近的离子交换树脂的EDI叠层组件的任何部分最好用表面有凸起的膜代替。同样，这样的膜可用于任何电渗析层中，该层将受益于跨膜湍流的增强和/或膜表面积的增加，即通过膜之间或膜与电极之间的通道。
在EDI叠层组件中使用这样有表面纹理的膜有助于增加填料池中离子交换材料与膜表面的接触面积。象前面讨论的那样，接触面积的增加会降低池的电阻并促进离子从离子交换填充材料传送到离子交换膜。
图5A和5B中显示了本发明一个实施例的表面有纹理的膜，其中该膜片只有一个侧面具有表面纹理，于是可以紧挨着一膜片的光滑表面，或者紧挨着离子交换材料形成填料池。在第一种情况下，膜的有纹理的表面也为膜间流动的液体提供了流动通道，而不需要通常被用来产生水流通道的隔离物和筛网。在第二种情况下，膜的有纹理的表面也在离子交换填充材料和膜之间提供了较大的接触面积。
在另一个实施例中，膜的两个侧面都是有纹理的表面。一种情况，与邻近的膜的有纹理的表面结合，在膜之间形成流过液体的流动通道，而不需通常被用来产生水流通道的隔离物和筛网。另一种情况，两个膜的纹理表面形成了一个包括离子交换材料的填料池，并在离子交换材料和膜之间提供了一个较大的接触面。在再一个实施例中，叠层组件中其他所有膜的两侧都具有纹理，而插入的膜的两侧都没有纹理。
在本发明另一个优选实施例中，如图6和7所示，制造表面有凸起的膜，从而在膜的一侧或两侧的膜面内形成一个限定的流动通道。这个流动通道可以是所希望的任何形状，可以具有光滑的壁和底，或者在流道中制成波形以促进湍流，或者与填充流动通道的离子交换材料有更大的接触面积。
本发明表面有纹理和凸起的膜可以以各种方式制造出来。一种方法是使用花纹表面脱模层把所希望的纹理传到膜表面。脱模层上的花纹可用各种方式如铸造、模压、真空成形等方式形式。脱模层的再利用或处理取决于脱模层材料的费用和耐久性。
另一种方法中使用有图案的筛网或者脱模层另一花纹层的外侧的来在膜上形成有纹理的表面。这种情况下的脱模层必须是易曲的，从而允许膜单体在足够的压力下按照图案在模上形成有纹理的表面。
上面描述的方法可用于制造大体上是平的但其表面有纹理的膜。在本发明的另一个实施例中，整个膜都被膜制或成形为三维形状。为了密封的需要，膜的边缘是平的，而膜的流动通道面被塑造成为盘旋的蛋箱(eggcrate)、褶皱、波纹、凸起或者凹陷等。图8和9中所示为这些类型的膜所可能采用的形式。图8描绘了一种可折叠褶皱状膜，为了表达的需要，极大地夸大了褶皱的尺寸。褶皱的尺寸范围应大约在0.010英寸到大约0.5英寸之间。类似地，图9中描绘了波纹形膜。褶皱和波纹形图案可相对于流体的流动方向具有大约10度到大约80度范围的角度，优选为大约45度。邻近的下一个膜的褶皱或波纹方向与之相反，并与第一个膜的褶皱或波纹接触，从而在膜之间所形成的流体流动通道促进了湍流。
本发明该方面所使用的膜可由单体形式反应生成大体上完全聚合的形式，在过程的整个时间段内，花纹的产生方法都布置就位。另一方面，膜可部分聚合以产生本领域中公知的“半固化片”物质，然后用优选的模型来压印，此后再大体上完全聚合。具有上述形式或纹理的膜可由混合了聚合物粘合剂的离子交换树脂通过真空或热压来塑造或者成形。这种膜在本领域中被称为“异型膜”。
在现有的ED技术中，极性逆转可把那些很难穿过膜的物质，包括大的离子和有机物从稀释流中除去，其结果是进入逆循环的盐水流中。该净化过程极大地增加了两次净化之间的运行时间。按照本发明利用“逆流盐水”构想的ED/EDI叠层组件比使用再循环盐水的标准ED/EDI叠层组件在本质上更适于极化和液流逆转。在采用再循环盐水的标准ED/EDI叠层组件中，浓缩层中的离子交换材料大体上都是盐的形式。当导致浓缩层变成稀释层的DC电极极性逆转时，一些盐会进入产物流直到离子交换材料的下游大部分被水解产生的氢和氢氧根离子再生。在再生所需的时间段内，产物的电阻比通常运行过程的电阻低得多(因为离子数量的增加)，于是这部分产物水必须被抛弃或者再循环。如果这部分水混合到正常的产物中，将会使整个产物的电阻更低并降低产物的质量。
通过对比，在本发明的逆流盐水叠层组件中，在稀释层进料口附近的离子交换材料和浓缩层出口附近的离子交换材料大部分是盐的形式；并且，与稀释层出口越近的离子交换材料及与浓缩层入口越近的离子交换材料大部分都是再生形式。这样，当DC电极极性逆转时(浓缩层变成稀释层，在两种类型的层中的液流方向逆转)，产物水的电阻会维持在与正常运行时大体相同的水平。这表明在传统ED/EDI系统之上有了很大的提高。极性逆转可经常进行，例如每小时几次，也可不经常发生，例如每天甚至几个月一次。可通过适当的阀门来自动和手工完成这种逆转，或者通过系统的人工“复排路”来完成。可将化学释放剂，这包括盐、酸、碱，和/或非离子去污剂加到盐水流中。在一个优选实施例中，在盐水流入装置的盐水流下游的某个点处提供一个额外的流入装置来引入前述的化学释放介质。
在本发明这里的另外一个实施例中，在离子交换膜的一个或两个表面上加上不均匀膜纹理或者凸起的树脂形态可以大大增加，EDI、ED、EDR或者其他未用离子交换膜的电驱动过程所用到的表面积，这都得益于非平表面，并适用于标准离子交换过程。有凸起表面的膜与通常放置在两个膜之间或者膜和电极之间的离子交换树脂一起或代替离子交换树脂用于EDI。现在使用的紧靠相同电荷离子交换膜的离子交换树脂的EDI叠层组件任何部分，可以被表面有纹理或者凸起的膜代替。同样，这些类型的膜可以被用于任何电渗析层中，从而增加跨膜湍流和/或提高膜的表面积，或者在膜和电极之间产生通道。这些表面有纹理的膜也被用于EDI叠层组件来增加填料池中离子交换材料和膜之间的接触面积。增加的接触面积减小了池电阻并促进了离子从离子交换填充材料到离子交换膜的传送。
很明显，本领域技术人员可在本发明的范围内对上面描述的设备，过程和方法进行改变和修改，以上所述应被解释为一种例证，而不是一种限制。
权利要求
1.一种电渗析设备，其包括一个叠层组件，该叠层组件至少包括一个稀释层，至少一个浓缩层，至少一个电极层，至少一对电极，和使液体流入或流出所述叠层组件的入口和出口，所述的叠层组件还包括选自下组的一个或几个子系统a)所述叠层组件中的歧管系统，其能使从所述叠层组件稀释层的流出物至少部分流过所述叠层组件中的浓缩层，其流动方向与所述稀释层中的流体流动方向大体相反；b)所述叠层组件内部的歧管系统，其能使从所述叠层组件稀释层的流出物至少部分流过所述叠层组件的至少一个电极层；c)浓缩层，其具有与阳离子交换膜并置的离子交换材料，以及与阴离子交换膜并置的离子交换材料，所述的与阳离子交换膜并置的离子交换材料大体上仅由阳离子交换材料构成，同时所述的与阴离子交换膜并置的离子交换材料大体上仅由阴离子交换材料构成，并且其中所述的离子交换材料不与所述的阴离子或阳离子膜组成整体，所述的离子交换材料可通过流经所述浓缩层渗透到液体主流；d)至少一个混合元件，其位于浓缩层隔离物中至少一个流动通道的至少一个边缘处或边缘上，用来使在所述边缘处的液流转向远离所述边缘；e)至少一个混合元件，其位于稀释层隔离物中至少一个流动通道的至少一个边缘处或边缘上，用于使所述边缘处的液流转向远离所述边缘；f)膜间隔离物，其包括一个或多个能使所述隔离物的流动通道中的气体从所述流动通道中排出的透气件，所述的透气件不能使液体从所述流动通道中排出；g)具有流动通道的浓缩层，其至少包括一个具有表面区域的筛网，所述筛网大体上仅在所述表面区域上包括一个离子交换功能区；h)具有流动通道的稀释层，其至少包括一个具有表面区域的筛网，所述筛网大体上仅在所述表面区域上包括一个离子交换功能区；i)一个根据Rprod和I/q(cin-cout)之间的关系来优化电流的电流调整系统，其中Rprod是所述叠层组件稀释层产物的电阻测量值，I是施加到所述叠层组件的电流的测量值，q是所述稀释层流量的测量值，cin是供入所述稀释层的液体中单位体积电离的和/或可电离物质的测量值，cout是从所述稀释层流出的液体中单位体积电离的和/或可电离物质的测量值，使用在这种关系中任何拐点的测定，和一个叠层组件运行控制系统，控制所述叠层组件运行在一个或多个I/q(cin-cout)值处，该值使Rprod值大于所述拐点处的Rprod值；j)一个电流控制系统，其用来维持所述叠层组件稀释层中二氧化硅和/或硼酸的预定去除，所述的电流控制系统包括一个用来确定供入所述稀释层的离子负荷的测量系统，和一个响应于所述离子负荷的控制机构，控制所述电流在有效维持预定去除的水平；k)稀释层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述稀释层中至少一些稀释层的至少一个流动通道的至少一部分，与结构类似但不具有表面纹理的膜相比，所述的表面纹理有效地增加了所述膜的表面积；l)浓缩层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述层中至少一些层的至少一个流动通道的至少一部分，与结构类似但不具有表面纹理的膜相比，所述的表面纹理有效地增加了所述膜的表面积；m)稀释层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述稀释层中至少一些稀释层的至少一个流动通道的至少一部分，所述的表面纹理有效地与邻近膜相接触，所述邻近的膜具有或不具有表面纹理；n)浓缩层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述浓缩层中至少一些浓缩层的至少一个流动通道的至少一部分，所述的表面纹理有效地与邻近膜相接触，所述邻近的膜具有或不具有表面纹理；o)一个用于维持游离和化合二氧化碳在所述叠层组件稀释层中预定区域内去除的电流控制系统，其包括一个用于确定供入所述稀释层的离子负荷的测量系统和一个响应于所述离子负荷的控制机构，以便控制所述电流在一定水平上，从而有效地维持该预定区域内的去除。
2.如权利要求1所述的电渗析设备，还包括一个或多个以螺旋形式盘绕在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜，它们一起形成了一个或多个螺旋稀释层和一个或多个螺旋浓缩层。
3.如权利要求2所述的电渗析设备，还包括液体入口和液体出口，其排列成液体在所述一个或多个螺旋稀释层中的一个螺旋中向内流动或者交替地在一个螺旋中向外流动。
4.如权利要求2所述的电渗析设备，其中所述的一个或多个螺旋稀释层形成了一个中心轴，所述叠层组件也具有一个或多个液体入口和出口，这些入口和出口排列成使液体在所述的一个或多个螺旋稀释层中沿一个平行于所述中心轴的方向流动。
5.如权利要求2所述的电渗析设备，其中所述的一个或多个嫘旋浓缩层形成了一个中心轴，所述叠层组件还具有一个或多个液体入口和出口，这些出口和入口排列成使液体在所述的一个或多个螺旋浓缩层中的一个螺旋中向内流动或交替地在另一个螺旋中向外流动。
6.如权利要求2所述的电渗析设备，其中所述的一个或多个螺旋浓缩层形成了一个中心轴，所述叠层组件还具有一个或多个液体入口和出口，这些入口和出口排列成使液体在所述的一个或多个螺旋浓缩层中沿一个平行于所述中心轴的方向流动。
7.如权利要求1所述的电渗析设备，还包括一个用于倒转电流流过所述叠层组件的方向的电流开关机构。
8.如权利要求1所述的电渗析设备，还包括一个用于倒转所述叠层组件中稀释层和浓缩层中流体流动方向的流体流动控制机构。
9.如权利要求1所述的电渗析设备，其中所述的稀释层包括与阳离子交换膜并置的离子交换材料和与阴离子交换膜并置的离子交换材料，至少与所述阴离子交换膜并置的所述离子交换材料包括有阴离子交换材料，当化合的二氧化碳实质上仅是碳酸氢盐的时候，所述阴离子交换材料能有效地在所述层入口的附近区域，把游离的和化合的(有效的)二氧化碳主要以碳酸氢盐从进入到所述层的液体中除去。
10.如权利要求9所述的电渗析设备，其中在与所述层入口邻近的区域内，所述阴离子交换材料不与所述的阴离子交换膜组成整体。
11.如权利要求9所述的电渗析设备，其中在与所述层入口邻近的区域内，所述阴离子交换材料至少部分与所述的阴离子交换膜组成整体。
12.如权利要求1所述的电渗析设备，其中用于维持所述稀释层中的二氧化硅和/或硼酸的预定去除的所述电流控制系统还包括至少一个分段电极和一个响应于所述离子负荷的控制机构，以便控制所述的至少一个分段电极的电流。
13.如权利要求1所述的电渗析设备，其中用于维持所述预定区域中游离和化合二氧化碳去除的所述电控制系统还包括至少一个分段电极和一个响应于所述离子负荷的控制机构，以便控制所述至少一个分段电极的电流。
14.从含有电离的和/或可电离的物质液体中除去电离的和/或可电离的物质的方法，该方法包括以下步骤提供一个电渗析叠层组件，该叠层组件包括至少一个稀释层，至少一个浓缩层，至少一个电极层，至少一对电极，和使液体从所述叠层组件流入或流出的入口和出口，所述叠层组件还包括选自下组的一个或多个子系统a)在所述叠层组件内部的设备，其能使从所述叠层组件稀释层中流出物以大体上与所述稀释层中流体的流动方向相反的方向至少部分流过所述叠层组件浓缩层；b)在所述叠层组件内的设备，其能使所述叠层组件稀释层的流出物，至少部分流过所述叠层组件的至少一个电极层；c)浓缩层，其具有与阳离子交换膜并置的离子交换材料，以及与阴离子交换膜并置的离子交换材料，所述的与阳离子交换膜并置的离子交换材料大体上仅由阳离子交换材料构成，同时所述的与阴离子交换膜并置的离子交换材料大体上仅由阴离子交换材料构成，并且其中所述的离子交换材料不与所述的阴离子或阳离子交换膜组成整体，所述的离子交换材料可通过所述浓缩层渗透液体体流；d)位于浓缩层隔离物中至少一个流动通道的至少一个边缘处和/或上的设备，其用来使在所述边处的液流转向并远离所述边；e)位于稀释层隔离中至少一个流动通道的至少一个边缘处和/或上的设备，其用来使在所述边处的液流转向并远离所述边；f)膜间隔离物，其包括位于其内的能使所述隔离物中的流动通道中的气体从所述流动通道中排出的设备，所述的设备不能使液体大量地从所述流动通道中排出；g)具有流动通道的浓缩层，其至少包括一个具有表面区域的筛网，所述筛网大体上仅在所述表面区域上包括一个离子交换功能区；h)具有流动通道的稀释层，其至少包括一个具有表面区域的筛网，所述筛网大体上仅在所述表面区域上包括一个离子交换功能区；i)一个用于确定Rprod和I/q(cin-cout)间的关系的相关性-确定设备，其中Rprod是所述叠层组件稀释层产物的电阻测量值，I是施加到所述叠层组件的电流的测量值，q是稀释层流量的测量值，cin是供入所述稀释层的液体中单位体积电离的和/或可电离物质的测量值，cout是从所述稀释层流出的液体中单位体积电离的和/或可电离物质的测量值，用于确定该关系的任何拐点的拐点确定设备，一个叠层组件运行设备，其控制所述叠层组件运行在一个或多个I/q(cin-cout)值处，该值使Rprod值大于所述拐点处的Rprod值；j)用于维持预定的所述叠层组件稀释层中二氧化硅和/或硼酸的预定去除的设备，所述设备包括一个用来确定供入所述稀释层的离子负荷的设备，和一个响应于所述离子负荷的设备，其将所述电流控制在一水平上以有效地维持预定的去除；k)稀释层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述层中至少一些层的至少一个流动通道的至少一部分，与结构类似但不具有表面纹理的膜相比，所述的表面纹理有效地增加了所述膜的表面积；l)浓缩层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述层中至少一些稀释层的至少一个流动通道的至少一部分，与结构类似但不具有表面纹理的膜相比，所述的表面纹理有效地增加了所述膜的表面积；m)稀释层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述稀释层中至少一些稀释层的至少一个流动通道的至少一部分，所述的表面纹理有效地与邻近膜相接触，所述邻近的膜具有或不具有表面纹理；n)浓缩层，其包括至少一个具有表面纹理的膜，该膜面向所述浓缩层中至少一些浓缩层的至少一个流动通道的至少一部分，所述的表面纹理有效地与邻近膜相接触，所述邻近膜具有或不具有表面纹理；o)一个用于维持游离的和化合的二氧化碳在所述叠层组件稀释层中预定区域内去除的设备，其包括一个用于确定供入所述稀释层的离子负荷的设备和一个响应于所述离子负荷的设备，以便将所述电流控制在一定水平上，从而维持该预定区域内的去除；并使流体流入所述叠层组件以及往所述的叠层组件中供入电流。
15.如权利要求14所述的方法，还包括提供一个或多个以螺旋形式盘绕在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜，以使它们一起形成一个或多个螺旋稀释层的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，还包括提供液体入口和液体出口，将它们排列成液体在所述一个或多个螺旋稀释层中的一个螺旋中向内流动或者交替地在一个螺旋中向外流动的步骤，所述方法还包括使所述层中的流体在所述的螺旋中向内流动，交替地在所述螺旋中向外流动。
17.如权利要求15所述的方法，还包括提供一个或多个形成了一个中心轴的螺旋稀释层的步骤，所述方法也提供一个或多个液体入口和出口，这些入口和出口排列成使液体在所述的一个或多个螺旋稀释层中沿一个平行于，交替地反平行于所述轴的方向流动，所述方法还包括使液体在所述层中平行于，交替地反平行于所述轴周期性地流动。
18.如权利要求14所述的方法，还包括提供一个用于逆转通过所述叠层组件的电流方向的设备的步骤，其中所述的方法还包括逆转电流的方向。
19.如权利要求14所述的方法，还包括提供一个用于逆转稀释层和离子浓缩层中流体的流动方向的设备的方法，其中所述的方法还包括逆转稀释层中和离子浓缩层中的流动方向。
20.如权利要求14所述的方法，还包括在所述叠层组件的稀释层中提供与阳离子交换膜并置的离子交换材料和与阴离子交换膜并置的离子交换材料，至少与所述阴离子交换膜并置的所述离子交换材料包括有阴离子交换材料，当化合的二氧化碳实质上仅是碳酸氢盐的时候，在所述层入口的附近区域，所述阴离子交换材料能有效地把游离的和化合的(有效的)二氧化碳主要以碳酸氢盐的形式从进入所述层的液体中除去的步骤，所述的方法还包括使液体流入所述的层中，所述的液体包括但不限于游离的和/或化合的二氧化碳，并把游离的和化合的二氧化碳从所述的液体中除去。
21.如权利要求14所述的方法，还包括提供至少一个分段电极和响应于供入所述稀释层中所述离子负荷的设备的步骤，其中所述的方法还包括控制供入所述至少一个分段电极的电流。
22.如权利要求14所述的方法，还包括步骤(a)确定Rprod与I/q(cin-cout)的值之间的相关性，其中Rprod是所述的叠层组件稀释层产物的电阻的测量值，I是施加到所述叠层组件的电流测量值，q是所述稀释层流量的测量值，cin_是供入所述稀释层的液体中单位面积电离和/或可电离物质的测量值，cout是从所述稀释层流出的液体中单位体积电离和/或可电离物质的测量值；(b)确定所述相关性中的任一拐点；和(c)其控制所述叠层组件运行在一个或多个I/q(cin-cout)值处，该值使Rprod值大于所述拐点处的Rprod值。
23.如权利要求14所述的方法，还包括使所述叠层组件的稀释层流出的流出物至少部分流过所述叠层组件中的其它层的至少一层，其流动方向大体与所述稀释层中的流动方向相反。
24.如权利要求14所述的方法，还包括使所述叠层组件稀释层中的二氧化硅和/或硼酸形成一个预定去除的步骤，确定供入所述稀释层的离子负荷，根据所述的离子负电荷将电流控制在一定的水平上，以有效地维持该二氧化硅和/或硼酸的预定去除。
25.如权利要求14所述的方法，还包括在所述叠层组件的稀释层中建立预定区域以去除游离的和化合的二氧化碳的步骤，确定供入所述稀释层的离子负荷，及根据所述的离子负荷将电流控制在一定的水平上，以有效地维持游离的和化合的二氧化碳在所述的预定区域内的去除。
全文摘要
本发明公开了一种改进的使用电场和离子交换材料来去除水中离子以产生充分纯净的水的设备和操作方法，其中实施例包括一个或几个新特征与去离子流的流向相反的盐水和电极流，用分层的离子交换材料填充盐水流，混合去离子流的流混合特征，除去气体的除气特征，按照本发明电渗析装置的螺旋盘绕实施例，以及按照本发明来确定电渗析系统优选运行电流的方法。
文档编号B01D63/10GK1468199SQ01817026
公开日2004年1月14日 申请日期2001年8月10日 优先权日2000年8月11日
发明者W·W·卡森, W·A·麦克雷, K·J·西姆斯, O·V·格列别纽克, T·J·苏萨, H·R·扎纳帕里多, R·J·麦克唐纳, W W 卡森, 扎纳帕里多, 格列别纽克, 苏萨, 西姆斯, 麦克唐纳, 麦克雷 申请人:艾奥尼克斯公司