电脱盐系统和方法
【专利说明】电脱盐系统和方法
[0001 ] 本申请是申请日为2012年06月29日，申请号为"201280042728.X"，发明名称为"电 脱盐系统和方法"的申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 根据35U.S.C.§119(6)，本申请要求2011年7月1日提交的、名称为 巧LECTR0DESALINATI0N SYSTEM AND MET册护的美国临时专利申请序列号61/503,850的优 先权，出于所有目的，该美国临时专利申请的全部公开内容据此通过引用整体并入本文。
[0004] 公开内容的领域
[0005] 各方面大体设及电化学分离，并且更具体地，设及用于脱盐的电化学系统和方法。 [0006] 概述
[0007]各方面大体设及为降低能量消耗量的电脱盐系统和方法。
[000引根据一个或多个方面，脱盐系统可包括电渗析化D)设备、流体连接于ED设备的下 游的电去离子化DI)设备、和控制器，该控制器被配置为关于功率消耗量和盐除去来确定抓 设备和EDI设备之间的最佳转换点，并且还被配置为当抓设备的产物流达到最佳转换点时 使邸I设备联机。
[0009] 可选地，最佳转换点是基于电压降。
[0010] 可选地，最佳转换点是基于小室厚度。
[0011] 可选地，最佳转换点是基于电导率。
[0012] 可选地，最佳转换点在约2500ppm和约3000ppm之间。
[0013]可选地，最佳转换点是约2800ppm。
[0014] 可选地，控制器还被配置为调节所述抓设备和所述抓I设备中的至少一个中的电 解质的抑水平。
[0015] 可选地，系统还包括流体连接于所述邸设备的上游的预处理单元。
[0016] 可选地，控制器还被配置为对所述抓设备和所述抓I设备中的至少一个进行就地 消毒或就地清洁操作。
[0017] 根据一个或多个方面，提供饮用水的方法可包括将海水进料流流体连接到电净化 系统的入口，该系统包括至少第一级和在第一级下游的第二级；W第一速率从第一级回收 水；W小于第一速率的第二速率从第二级回收水；W及将电净化系统的出口流体连接到供 使用的饮用点。
[0018] 可选地，提供饮用水的方法还包括维持所述第一级和所述第二级中的每一个中的 浓缩隔室和稀释隔室之间的目标浓度梯度。
[0019] 可选地，提供饮用水的方法还包括进行与所述电净化系统的至少一级相关的浓缩 流的多重倾倒。
[0020] 可选地，提供饮用水的方法还包括调节所述电净化系统中的电解质的pH水平。
[0021] 可选地，提供饮用水的方法还包括对所述电净化系统进行就地消毒或就地清洁操 作。
[0022] 可选地，电净化系统包括电容去离子设备。
[0023] 根据一个或多个方面，提供饮用水的方法可包括将海水进料流流体连接到电净化 系统的入口，该系统包括至少第一电渗析化D)级和在第一抓级下游的第二抓级；通过使工 艺流（process stream)W相对于第一抓级增加的速度经过第二抓级中的稀释隔室来防止 浓差极化(concentration polarization); W及将饮用水递送到在电净化系统下游的供使 用的点。
[0024] 可选地，第一抓级包括至少第一通道和第二通道，且其中所述第一通道具有与所 述第二通道不同数目的小室对。
[00巧]可选地，第二邸级包括至少一个阻塞隔离物。
[0026] 根据一个或多个方面，脱盐系统可包括电净化系统，该电净化系统包括至少第一 电渗析化D)级和流体连接于第一 ED级下游的第二邸级；与电净化系统相关联的至少一个电 导传感器；W及控制器，该控制器被配置为基于来自电导传感器的输入向第一抓级施加第 一电压并且向第二邸级施加比第一电压低的第二电压W防止浓差极化。
[0027] 可选地，控制器还被配置为调节被施加到所述第一抓级的所述电压W在所述第一 邸级的出口处达到目标电导率。
[0028] W下详细地讨论了还其它方面、实施方式和运些示例性方面和实施方式的优势。 本文所公开的实施方式可WW与本文公开的原理中的至少一个相一致的任何方式与其它 实施方式结合，且提及"实施方式"、"一些实施方式"、"可选实施方式"、"各种实施方式"、 "一种实施方式"或类似物不必是相互排斥的，并且意在表明所描述的具体特征、结构或特 性可W包括在至少一种实施方式中。运些措辞在本文中出现不必都指相同的实施方式。
[0029] 附图简述
[0030] 下面参照附图论述了至少一种实施方式的各个方面，附图不意在按比例绘制。包 括附图W提供对各种方面和实施方式的说明和进一步理解，并且附图被并入本说明书并组 成本说明书的一部分，但并非意在作为本发明的范围的界定。在附图、详细描述或任一权利 要求中的技术特征后面有参照标记时，包括参照标记是为了增加附图、说明书的可理解性 的唯一目的。在附图中，在多个附图中图示的每一相同的或近似相同的部件由相同的数字 表示。为了清楚起见，在每一附图中并非每个部件都可W标出。在附图中：
[0031] 图1-2显示了根据一种或多种实施方式的PID控制示意图；
[0032] 图3-4显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例3中讨论的数据；
[0033] 图5显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例2中讨论的工艺图；
[0034] 图6A-抓显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例2中讨论的数据；
[0035] 图7显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例4中讨论的系统配置的示意 图；
[0036] 图8-10显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例4中讨论的数据；
[0037] 图11显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例5中讨论的隔离物配置的示 意图；
[0038] 图12显示了根据一种或多种实施方式的平衡数据(equil化rium data)和相关电 导率的实施例；
[0039] 图13-14显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例6中讨论的数据；
[0040] 图15显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例7中讨论的系统示意图。
[0041 ] 详细描述
[0042] 使用电场来净化流体的设备通常被用于处理含有溶解的离子物质的水和其它液 体。W运种方式处理水的两种类型的设备是电去离子设备和电渗析设备。在运些设备中是 由离子选择性膜隔开的浓缩隔室和稀释隔室。电渗析设备通常包括交替的、电活性的、半渗 透的阴离子和阳离子交换膜。膜之间的空间被配置为产生具有入口和出口的液体流隔室。 由电极强加的所施加的电场使被吸引到其相应的反电极的溶解的离子迁移通过阴离子和 阳离子交换膜。运通常导致稀释隔室的液体的离子耗尽，并且浓缩隔室中的液体富有被转 移的离子。
[0043] 电去离子化DI)是利用电活性介质和电势影响离子传输来从水除去或至少减少一 种或多种离子化的或可电离的物质的工艺。电活性介质通常用来交替地收集和排放离子物 质和/或可电离的物质，并且在一些情况下，用来通过离子或电子替换机制帮助离子传输， 所述离子传输可W是连续的。邸I设备可包括具有永久或暂时电荷的电化学活性介质，并且 可分批地、间歇地、连续地和/或甚至W反转极性模式操作。DEI设备可被操作W促进特别地 被设计为获得或增强性能的一个或多个电化学反应。而且，运种电化学设备可包括电活性 膜，诸如半渗透的或选择性渗透的离子交换膜或双极膜。连续电去离子(CEDI)设备是本领 域技术人员已知的抓I设备，其W其中水净化可连续进行、同时离子交换材料被连续补给的 方式操作。C抓I技术可包括如下的工艺，诸如连续去离子、填充小室电渗析(filled cell electrodialysis)或电透析(electrodiaresis)。在控制电压和控制盐度条件下，在CEDI系 统中，水分子可被分解W产生氨或水合氨离子或物质W及氨氧或径离子或物质，它们可使 设备中的离子交换介质再生且因此帮助被捕获的物质从其中释放。W运种方式，待处理的 水流可被连续地净化而不需要离子交换树脂的化学补给。
[0044] 除了电渗析化D)设备通常在膜之间不含有电活性介质W外，m)设备W与CEDI类似 的原理操作。因为缺少电活性介质，m)的操作对于低盐度的供水可因升高的电阻而受到阻 碍。并且，因为抓的操作对于高盐度的供水可导致升高的电流消耗量，所W迄今为止，抓装 置被最有效地用于中等盐度的源水。在基于抓的系统中，因为不存在电活性介质，所W分解 水是低效的并且通常避免W运样的方式进行操作。
[0045] 在CEDI和抓设备中，多个邻近的小室或隔室通常由选择性渗透膜分隔，所述选择 性渗透膜允许带正电荷或带负电荷的物质通过，但是通常不允许两者均通过。在运样的设 备中稀释隔室或消耗隔室通常用浓缩隔室或浓度隔室填充间隙。当水流过消耗隔室时，离 子物质和其它带电荷物质通常在电场诸如DC场的影响下被吸入到浓缩隔室中。带正电荷的 物质被吸向阴极，所述阴极通常位于多个消耗隔室和浓度隔室的堆叠的一端，而带负电荷 的物质又被吸向运种设备的阳极，所述阳极通常位于隔室的堆叠的相对端。电极通常被容 纳在电解质隔室中，所述电解质隔室常常与流体连通的消耗隔室和/或浓度隔室部分地隔 离。当在浓度隔室中时，带电荷的物质通常被至少部分地界定浓度隔室的选择性渗透膜的 屏障捕获。例如，通常通过阳离子选择性膜阻止阴离子从浓度隔室向阴极进一步迁移。当被 俘获在浓缩隔室中时，被捕获的带电荷的物质可在浓缩流中被除去。
[0046] 在CEDI设备和邸设备两者中，DC场通常从被施加到电极（阳极或正极，W及阴极或 负极）的电压和电流的源被施加到小室。电压和电流源(共同地"电源供应"）可自身通过多 种手段诸如AC电源或者例如源于太阳能、风能或波浪能的电源提供电力。在电极/液体界面 处，发生引起和/或帮助离子通过膜和隔室的转移的电化学半电池反应。在电极/界面处发 生的特定的电化学反应可通过容纳电极组件的专口隔室中的盐的浓度在某种程度上被控 审IJ。例如，对氯化钢含量高的阳极电解质隔室的供给将趋向于产生氯气和氨离子，而对阴极 电解质隔室的运样的供给将趋向于产生氨气和氨氧离子。通常，在阳极隔室中产生的氨离 子将与游离阴