用于多价离子脱盐的方法和装置与流程

本公开涉及用于多价离子脱盐的方法、系统和技术。

背景

越来越多地实施脱盐以由咸水制造淡水。最常实施的脱盐法是反渗透(“RO”)、纳米过滤(“NF”)、热脱盐和电渗析(“ED”)或倒极电渗析(electrodialysis reversal,“EDR”)。在RO中，在超过渗透压的压力下迫使水经过截留盐并允许水通过的膜。NF类似于RO，尽管NF产生比RO渗透物更富含一价离子盐的渗透物。在热脱盐中，将水蒸发，然后冷凝，有时在多个阶段中，以再循环冷凝的潜热。

ED和EDR是在伽伐尼电位(galvanic potential)的作用下穿过离子交换膜传输盐离子的水处理工艺。传统ED通常使用在两个电极(阳极和阴极)之间包含交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜的电渗析堆进行。作为在电极处生成的电压供应伽伐尼电位。典型的工业ED堆包含两组室：产物室和浓缩物室。通常使用一个水源供给产物回路和浓缩物回路，它们分别包含产物室和浓缩物室。在膜堆运行过程中，盐从产物转移到浓缩物室中。回收脱盐的产物水，浓缩物最终作为废物排出。

概述

根据第一方面，提供一种多价离子脱盐方法。该方法包括将给水、浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液导过一种装置，和将一价离子物质添加到所述浓缩多价阳离子溶液和所述浓缩多价阴离子溶液的至少一种中。该装置包含阴极和阳极；和位于阴极和阳极之间的电渗析槽，其中所述槽包含产物室、在所述产物室的阴极侧上的多价阳离子浓缩室和在所述产物室的阳极侧上的多价阴离子浓缩室。所述产物室和所述多价阳离子浓缩室各自以阳离子交换膜为界并共用该阳离子交换膜，且所述产物室和所述多价阴离子浓缩室各自以阴离子交换膜为界并共用该阴离子交换膜。给水流经产物室，浓缩多价阳离子溶液流经多价阳离子浓缩室，且浓缩多价阴离子溶液流经多价阴离子浓缩室。

所述浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液的至少一种中的一价离子物质浓度可保持在500mg/L以上。

该装置可包含多个电渗析槽，各槽包含分别界定该槽的阴极和阳极端的阴极和阳极槽端离子交换膜。至少两个槽可以以槽端离子交换膜之一为界并共用该槽端离子交换膜之一，且所述至少两个槽的槽端离子交换膜可以是相同类型的离子交换膜。

各槽端离子交换膜可以是一价离子选择性渗透离子交换膜。

各槽端离子交换膜可以是一价阴离子选择性渗透离子交换膜。

至少一个槽可进一步包含位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室(cell transfer solution chamber)，和界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜为界。该方法可进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

至少一个槽可进一步包含位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透交换膜为界。该方法可进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

各槽端离子交换膜可以是一价阳离子选择性渗透离子交换膜。

至少一个槽可进一步包含位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜为界。该方法可进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

至少一个槽可进一步包含位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界。该方法可进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

各槽端离子交换膜可以是阴离子交换膜，且至少一个槽可进一步包含位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阳极侧上以阳极槽端阴离子交换膜为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜为界。该方法可进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

各槽端离子交换膜可以是阳离子交换膜，且至少一个槽可进一步包含位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阴极侧上以阴极槽端阳离子交换膜为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界。该方法可进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

该方法可进一步包括由分别离开多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室的浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液沉淀多价离子物质并制造包含一价离子物质和多价离子的咸水。

该方法可进一步包括使用一价离子物质回收电渗析膜堆如下回收一价离子物质：(i)将所述包含一价离子物质和多价离子的咸水导向所述一价离子物质回收膜堆；(ii)将无多价阳离子和多价阴离子之一或两者的咸水导向所述一价离子物质回收膜堆；(iii)从所述一价离子物质回收膜堆输出包含一价离子物质的一价离子盐水；和(iv)输出包含多价离子的多价离子盐水；和将所述一价离子盐水添加到浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液之一中。

该方法可进一步包括经脱盐子系统将给水和离开所述装置并由所述装置通过将给水脱盐生成的产物水之一或两者脱盐。

该方法可进一步包括获得代表阳极和阴极之间的电阻的电阻测量结果、确定所述电阻是否超过一价离子物质添加阈值，和在所述电阻测量结果超过一价离子物质添加阈值时，提高所述装置的至少一个浓缩室中的一价离子物质浓度。

根据另一方面，提供一种用于多价离子脱盐的系统。该系统包含一种装置，其包含阴极和阳极和位于阴极和阳极之间的电渗析槽。该槽包含用于接收给水的产物室、在所述产物室的阴极侧上的多价阳离子浓缩室和在所述产物室的阳极侧上的多价阴离子浓缩室。所述产物室和所述多价阳离子浓缩室各自以阳离子交换膜为界并共用该阳离子交换膜，且所述产物室和所述多价阴离子浓缩室各自以阴离子交换膜为界并共用该阴离子交换膜。该系统还包含流体相连并将一价离子物质添加到所述装置的多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室的至少一个中的一价离子物质添加子系统。

所述一价物质添加子系统可以使多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室的所述至少一个中的一价离子物质浓度保持在500mg/L以上。

该装置可包含多个电渗析槽，且各槽可包含分别界定该槽的阴极和阳极端的阴极和阳极槽端离子交换膜。至少两个槽可以以槽端离子交换膜之一为界并共用该槽端离子交换膜之一，且所述至少两个槽的槽端离子交换膜可以是相同类型的离子交换膜。

各槽端离子交换膜可以是一价离子选择性渗透离子交换膜。

各槽端离子交换膜可以是一价阴离子选择性渗透离子交换膜。

至少一个槽可进一步包含位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜为界。

至少一个槽可进一步包含位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜为界。

各槽端离子交换膜可以是一价阳离子选择性渗透离子交换膜。

至少一个槽可进一步包含位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜为界。

至少一个槽可进一步包含位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界。

各槽端离子交换膜可以是阴离子交换膜，且至少一个槽可进一步包含位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阳极侧上以阳极槽端阴离子交换膜为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜为界。

各槽端离子交换膜可以是阳离子交换膜，且至少一个槽可进一步包含位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室，和界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜。该槽转移溶液室可以在阴极侧上以阴极槽端阳离子交换膜为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界。

该系统可进一步包含与所述装置的多价阴离子浓缩室和多价阳离子浓缩室流体连接的盐沉淀子系统。该盐沉淀子系统可由取自所述装置的浓缩多价阴离子和阳离子室的溶液沉淀多价离子物质并制造包含一价离子物质和多价离子的咸水。

该系统可进一步包含流体连接到所述盐沉淀子系统上以接收所述包含一价离子物质和多价离子的咸水并连接到无多价阳离子和多价阴离子之一或两者的溶液上的一价离子物质回收膜堆。所述一价离子物质回收膜堆可输出包含一价离子物质的一价离子盐水和包含多价离子的多价离子盐水，并可以将所述一价离子盐水导向多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室之一。

该系统可进一步包含与所述产物室流体连接的脱盐子系统以将给水和离开所述装置并由所述装置通过将给水脱盐生成的产物水之一或两者脱盐。

该系统可进一步包含电连接在阳极和阴极之间的欧姆计、与所述欧姆计和所述一价离子物质添加子系统通信连接的处理器、和与所述处理器通信连接并在其上存储程序代码的非瞬时计算机可读介质，所述程序代码可被所述处理器执行并在被所述处理器执行时使所述处理器接收来自欧姆计的电阻测量结果，确定所述电阻测量结果是否超过一价离子物质添加阈值，并在所述电阻测量结果超过一价离子物质添加阈值时，向所述一价离子物质添加子系统发送信号以使所述一价离子物质添加子系统提高所述装置的至少一个浓缩室中的一价离子物质浓度。

此概述不一定描述了所有方面的整个范围。其它方面、特征和优点是本领域普通技术人员在审查下列具体实施方案描述时显而易见的。

附图简述

在例示一个或多个示例性实施方案的附图中：

图1显示包含电渗析膜堆形式的多价离子脱盐装置的脱盐系统的一个示例性实施方案的示意图。

图2显示可用作图1的膜堆的包含一价阴离子选择性渗透离子交换膜的示例性电渗析膜堆的示意图。

图3显示可用作图1的膜堆的示例性电渗析膜堆的示意图，其在该膜堆的各电渗析槽中包含一价阴离子选择性渗透离子交换膜和槽转移室。

图4显示可用作图1的膜堆的包含一价阳离子选择性渗透离子交换膜的示例性电渗析膜堆的示意图。

图5显示可用作图1的膜堆的示例性电渗析膜堆的示意图，其在该膜堆的各电渗析槽中包含一价阳离子选择性渗透离子交换膜和槽转移室。

图6显示构成图1的脱盐系统的一部分的示例性的一价离子物质回收电渗析设备的示意图。

详述

如本公开中所用：

1.“多价离子物质”是指包含多价阳离子和多价阴离子的溶解和固体盐化合物。

2.“一价离子物质”是指包含一价阳离子和一价阴离子的溶解和固体盐或酸化合物。

3.“一价和多价离子选择性渗透离子交换膜”是指阳离子(无论一价还是多价)或阴离子(无论一价还是多价)可透的离子交换膜。除非本文中另行指明，提到“阳离子交换膜”是指一价和多价阳离子选择性渗透离子交换膜，提到“阴离子交换膜”是指一价和多价阴离子选择性渗透离子交换膜。

4.“一价阴离子选择性渗透离子交换膜”是指一价阴离子可透、多价阴离子明显较不可透，并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阳离子(无论多价还是一价)的阴离子交换膜。“明显较不可透”是指在相同浓度下一价阴离子与多价阴离子的渗透率比大于1，优选大于5，更优选大于10。

5.“一价阳离子选择性渗透离子交换膜”是指一价阳离子可透、多价阳离子明显较不可透，并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阴离子(无论多价还是一价)的阳离子交换膜。“明显较不可透”是指在相同浓度下一价阳离子与多价阳离子的渗透率比大于1，优选大于5，更优选大于10。

6.“一价离子选择性渗透离子交换膜”是指一价阳离子选择性渗透离子交换膜或一价阴离子选择性渗透离子交换膜。

7.如本公开和图1至6中所用：

(a)“1⁺”是指一价阳离子。

(b)“1^-”是指一价阴离子。

(c)“M⁺”是指多价阳离子。

(d)“M^-”是指多价阴离子。

(e)“E”是指电解质溶液。

(f)“T”是指转移溶液。

(g)“C^M+”是指浓缩多价阳离子的咸水溶液(这一溶液在下文中可互换地称作“浓缩多价阳离子溶液”)。

(h)“C^M-”是指浓缩多价阴离子的咸水溶液(这一溶液在下文中可互换地称作“浓缩多价阴离子溶液”)。

(i)“P”是指由给水在电渗析过程中生成的至少部分脱盐的产物水。

(j)“C”是指在电渗析过程中生成的浓缩咸水溶液。

脱盐法的水回收率主要受水化学而非脱盐法的物理特征限制。内陆咸水和工业咸水通常具有高含量的包含多价阳离子如Ca²⁺、Mg²⁺和Ba²⁺和缔合的多价阴离子如SO₄^2-和CO₃^2-的结垢性多价离子物质。该多价离子物质可具有小于0.1重量％的溶解度。这意味着它们可在低浓度下沉淀，限制回收率并因此造成脱盐系统的结垢问题。在一些用途中，高度可溶的一价离子物质，如NaCl可能不是主要的盐类。当前解决这种结垢问题的方法包括用离子交换单元预处理给水，其中首先除去结垢性多价离子，如Ca²⁺和SO₄^2-。但是，离子交换单元用作分批法的一部分并且需要相当大量的维护，包括频繁使用氯化钠或盐酸再生离子交换树脂。这种维护增加该脱盐法的成本和技术困难。减轻与多价离子物质相关的结垢问题的另一方法是在脱盐法的过程中在分开的步骤中除去多价阳离子和多价阴离子。

本文所述的实施方案涉及用于将通常富含难溶性多价离子物质，如CaSO₄、Ca₃(PO₄)₂和CaCO₃并且可能使脱盐设备结垢的咸水，如工业咸水和内陆微咸水脱盐的脱盐方法和系统。

在一些实施方案中，该脱盐方法包括使用膜堆形式的电渗析装置并以>95％水回收率有效地将含有结垢性多价离子物质的咸水脱盐。更特别地，在某些实施方案中，该膜堆包含一价阴离子选择性渗透离子交换膜和一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一，且该电渗析装置从给水中脱盐难溶性多价离子物质并将它们转化成一价-多价对的非结垢盐。

图1显示用于多价离子脱盐的脱盐系统102的一个实施方案的示意图。在所示实施方案中，脱盐系统102将含有多价离子物质的咸水脱盐。脱盐系统102包含用于将输入的咸水(下文称作“给水”)脱盐的电渗析膜堆150形式的装置，以使给水中的多价离子物质浓度降低，由此将给水脱盐并生成产物水。如本文所用，给水的“脱盐”是指从给水中除去盐离子(无论一价还是多价)，并包括并非从给水中除去所有盐离子的情况。产物水随后离开电渗析膜堆150。

在图1中存在四个不同的流体回路：给水回路；C^M+回路；C^M-回路；和转移溶液回路。给水回路包含给水箱110并流体连接到膜堆150的至少一个P室的入口和出口上；C^M+回路包含浓缩多价阳离子溶液罐140并流体连接到膜堆150的至少一个C^M+室的入口和出口上；C^M-回路包含浓缩多价阴离子溶液罐120并流体连接到膜堆150的至少一个C^M-室的入口和出口上；且转移溶液回路包含转移溶液罐130并流体连接到膜堆150的至少一个T室的入口和出口上。如下文参照图2至5更详细论述，在膜堆150用于脱盐的同时，将给水从给水箱110泵过膜堆150的P室，将C^M+从C^M+罐140泵过膜堆150的C^M+室，将C^M-从C^M-罐120泵过膜堆150的C^M-室，并将转移溶液从T罐130泵过膜堆150的T室。下面参照图2至5更详细论述膜堆150的结构和运行。

脱盐系统102还包含一价离子物质添加子系统105，其经由导管106、108、109和控制阀107在使用图2或3的膜堆150时向C^M-回路(如通过将一价离子物质添加到浓缩多价阴离子罐120中)，和在使用图4或5的膜堆150时向C^M+回路(如通过将一价离子物质添加到浓缩多价阳离子罐140中)供应至少一种类型的一价离子物质(例如NaCl和HCl之一或两者)。如下文进一步详细论述，选择添加到系统102中的一价离子物质(其包含一价盐和一价酸的至少一种)的含量以使该膜堆150的C^M-和C^M+室的至少一个中的一价离子物质足够高(例如高于500mg/l，优选高于1,000mg/l，更优选高于2,000mg/l)以能够传导离子电流。这允许膜堆150将难溶性多价离子物质转化成两种高度可溶的盐：i)在C^M+室和回路中为多价阳离子和一价阴离子的盐，和ii)在C^M-室和回路中为一价阳离子和多价阴离子的盐。尽管在图1中，一价离子物质添加子系统105通过将一价离子物质添加到罐120、140之一或两者或从膜堆150中取出的C^M+和C^M-回路之一或两者中的其它地方中而将一价离子物质间接添加到C^M+和C^M-室之一或两者中，但在不同实施方案中(未描绘)，一价离子物质添加子系统105可以将一价离子物质直接添加到C^M+和C^M-室之一或两者中。

脱盐系统102进一步包含脱盐子系统160，如RO或NF子系统，其流体连接到给水箱110上；多价离子对盐沉淀子系统(下文“盐沉淀子系统”)170，其流体连接到膜堆150并连接到C^M+和C^M-回路上；和一价离子物质回收电渗析膜堆(下文“一价离子物质回收膜堆”)180，其流体连接到盐沉淀子系统170上。在一些实施方案中，脱盐子系统160可以在从系统102中排出的回收水的质量和百分比方面改进系统102的脱盐效率。脱盐子系统160也可通过使输入膜堆150的给水中的盐离子含量保持在一定浓度范围内而改进膜堆150的电渗析效率。尽管脱盐系统102在图1中以分批处理模式显示，但在另一实施方案中(未描绘)，其可以通过控制合适的阀、导管和泵以“一过性(once through)”连续模式运行。

输入的咸水经由输入导管104供入给水箱110。在运行过程中，将至少四个咸水料流导向膜堆150：经由导管111的给水；经由导管121的用于接收多价阴离子的C^M-溶液；经由导管131的含有一价离子物质的转移溶液T；和经由导管141的用于接收多价阳离子的C^M+溶液。膜堆150从给水中除去多价和一价离子物质，由此将给水脱盐并生成产物水。同时，膜堆150也将多价阴离子浓缩到C^M-溶液中并将多价阳离子浓缩到C^M+溶液中。转移溶液在该脱盐方法的过程中充当用于离子转移的中间介质并通过接收和转出相同摩尔当量的具有相同电荷的离子而平衡其离子电荷中性。在离开膜堆150后，产物水经导管112流向给水箱110；C^M-溶液经导管122、阀123和导管124流向C^M-罐120，转移溶液经导管132流回至T罐130；且C^M+溶液经导管142、阀143和导管144流向C^M+罐140。

给水箱110中的产物水经导管113、161从系统102中排出，或可以在排出前通过脱盐子系统160进一步脱盐。脱盐子系统160产生脱盐渗透液，其经由排放导管161从系统102中排出。被脱盐子系统160截留的浓缩盐水经由导管162返回给水箱110并在此与输入的咸水或产物水混合以通过膜堆150进一步处理。尽管在一个示例性实施方案中脱盐子系统160是RO子系统，但在备选实施方案中脱盐子系统160可以是任何电渗析脱盐器、正渗透(forward osmosis)设备、纳米过滤脱盐器、膜蒸馏脱盐器和热蒸发脱盐器或两个或更多个上述设备的任何合适的组合。膜堆150除去多价离子对(多价阳离子和多价阴离子)以使这些对的浓度足够低以致它们不会因它们的低溶解度极限对盐子系统160造成不可接受的结垢危险。为了提高水回收率，C^M-罐120中的浓缩多价阴离子溶液和C^M+罐140中的浓缩多价阳离子溶液可经膜堆150再循环并浓缩到远低于它们在系统102的运行温度下的溶解度极限。浓缩多价阴离子溶液经由控制阀125和导管126，且浓缩多价阳离子溶液经由控制阀145和导管146可传送至盐沉淀子系统170，以产生多价离子物质如CaSO₄的沉淀物。这些沉淀物可经输出导管171从系统102中排出。或者，C^M-罐120中的浓缩多价阴离子溶液和C^M+罐140中的浓缩多价阳离子溶液可回收以用于其它工业用途或直接从脱盐系统102中排出。

盐沉淀子系统170中的反应也产生包含一价离子物质和多价离子的咸水，其可经由导管172供往一价离子物质回收电渗析膜堆180。下面参照图6更详细描述膜堆180。为了回收一价离子物质，经由导管181向膜堆180供应无多价阳离子和多价阴离子之一或两者的溶液。膜堆180从来自沉淀子系统170的咸水中分离出并回收一价离子物质，以产生富含一价离子物质的咸水(下文“一价离子盐水”)和富含多价离子的咸水(下文“多价离子盐水”)。该多价离子盐水可经由导管183供往给水箱110。该一价离子盐水在使用图2或3的膜堆150时可经由导管182供往C^M-罐120，或在使用图4或5的膜堆150时供往C^M+罐140。

图2显示作为显示为图1的膜堆150的多价离子脱盐装置的一个实施方案的膜堆202的示意图。将来自图1中的导管111的给水供往膜堆202及其产物室(下文“P室”)210；该溶液作为产物水经由导管112离开P室。C^M-溶液从图1的导管121供往膜堆202及其C^M-室(下文可互换地称作“多价阴离子浓缩室”)220，C^M-溶液经由图1的导管122离开C^M-室220。含有一价离子物质的转移溶液从图1中所示的导管131供往膜堆202及其转移室(下文可互换地称作“T室”)235、236。转移溶液经由图1的导管132离开T室235、236。C^M+溶液经由图1的导管141供往膜堆202及其C^M+室(下文可互换地称作多价阳离子浓缩室)。C^M+溶液经由图1的导管142离开C^M+室240。

在膜堆202的各端存在电解质室256、257。将电解质槽(未显示在图1和2中)中的电解质溶液经电解质分布导管254并行泵入电解质室256、257。该电解质溶液在闭环法中经由电解质回流导管255流回电解质槽。在另一实施方案中(未显示)，可以使用串联闭环回路，其中电解质溶液朝一个方向流经第二电解质室256，然后流经第一电解质室257，或反之亦然。示例性电解质可包括硫酸钠水溶液和硝酸钾水溶液。在膜堆运行过程中，直流电源(未显示在图1和2中)跨过膜堆202末端的阴极258和阳极259施加电位(电压)。

有三种类型的离子交换膜分隔膜堆202的室：阳离子交换膜(各为“CEM”)206、阴离子交换膜(各为“AEM”)207和一价阴离子选择性渗透离子交换膜(各为“mAEMm”)208。CEM 206可透过多价和一价阳离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阴离子。AEM207可透过多价和一价阴离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阳离子。mAEMm 208可透过一价阴离子，明显较不可透过多价阴离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阳离子(无论多价还是一价)。“明显较不可透”是指在相同浓度下一价阴离子与多价阴离子的渗透率比大于1，优选大于5，更优选大于10。合适的CEM 206包括Astom CMX^TM和Saltworks Ionflux^TM CEM。合适的AEM 207包括Astom AMX^TM和Saltworks Ionflux^TM AEMs。合适的mAEMm 208包括Astom ACS^TM和Saltworks Ionflux^TM mAEMm。

膜堆202包含阴极电解质室256和阳极电解质室257。阴极电解质室256在阴极侧上以阴极258为界并在其阳极侧上以CEM 206(“阴极电解质室CEM”)为界。类似地，阳极电解质室257在阳极侧上以阳极259为界并在其阴极侧上以CEM 206(“阳极电解质室CEM”)为界。

紧邻各电解质室256、257并通过阳离子交换膜206与它们隔开的是第一末端转移溶液室235和第二末端转移溶液室236。在图2中所示的实施方案中，转移室235与相邻C^M+室240通过一个mAEMm 208隔开，其确保基本没有多价阴离子从转移室235移入相邻C^M+室240，且另一转移室236与其相邻C^M-室220通过另一mAEMm 208隔开，其确保基本没有多价阴离子从相邻C^M-室220移向转移室236。在另一实施方案中，在该转移溶液仅包含一价离子物质时，转移溶液室235可通过AEM 207与其相邻C^M+室240隔开。除充当用于在室之间输送离子的过渡室外，转移溶液室235、236还防止电解质室256、257被二价结垢离子如Ca²⁺和Mg²⁺污染。转移溶液可包含导电但非结垢性水性盐，如氯化钠。

膜堆202包含位于阴极258和阳极259之间的一个或多个电渗析槽，各电渗析槽包含用于接收给水的产物室210、用于接收C^M+溶液的C^M+室240和用于接收C^M-溶液的C^M-室220。在各电渗析槽中，产物室210和C^M+室各自以CEM 206为界并共用该CEM 206，而产物室210和C^M-室各自以AEM 207为界并共用该AEM 207。C^M+室240在其阴极侧上以mAEMm 208(这是阴极槽端离子交换膜)为界，且C^M-室220在其阳极侧上以mAEMm 208(这是阳极槽端离子交换膜)为界。

一价离子物质添加子系统105向图1中的C^M-回路供应一种或多种一价盐(例如NaCl)和/或一种或多种一价酸(例如HCl)以使流入C^M-室220的溶液具有足够的一价阴离子以渗透mAEMm 208从而传导离子电流。例如，在膜堆运行过程中流入C^M-室220的溶液中的一价离子物质可保持在500mg/l以上，优选在1,000mg/l以上，更优选在2,000mg/l以上。

当跨过阴极258和阳极259施加电位(电压)且膜堆202在运行中时，流入P室210的给水的多价和一价阳离子经由界定P室210的阴极侧的CEM 206迁移到C^M+室240中，且流入P室210的给水的多价和一价阴离子经由界定P室210的阳极侧的AEM 207迁移到C^M-室220中。流过C^M-室220的C^M-溶液中的一价阴离子经由界定C^M-室220的阳极侧的mAEMm208迁移到C^M+室240中。C^M-溶液中的一价阴离子可在电渗析过程中接收自P室210，并且附加地或替代性地，可由一价离子物质添加子系统105供应。多价阴离子与来自供应的一价离子物质的一价阳离子在C^M-室220中组合以形成包含一价阳离子和多价阴离子的盐，且多价阳离子与一价阴离子在C^M+室240中组合以形成包含多价阳离子和一价阴离子的盐。由于电渗析过程，给水中的盐离子浓度在P室210中降低，包含一价阳离子和多价阴离子的盐的浓度在C^M-室220中提高，且包含多价阳离子和一价阴离子的盐的浓度在C^M+室240中提高。流入C^M-室220的流体相应地变成浓缩多价阴离子溶液，且流入C^M+室240的流体相应地变成浓缩多价阳离子溶液。T室235、236中的转移溶液充当离子转移介质并通过接收和转出相同摩尔当量的阴离子而平衡其离子电荷中性。C^M-室220中的一价阴离子浓度降低以使一价阴离子不足以传导经过mAEMm's 208的离子电流。在运行过程中C^M-室220中的一价阴离子不足(starving)可通过膜堆202的电阻提高证实。膜堆202的电阻的提高可相应地充当管理一价离子物质添加子系统的控制系统的信号。

在包含控制系统的系统102的一个实施方案中，该控制系统包含电连接在阴极258和阳极259之间以测量在阴极258和阳极259之间流动的电流遇到的电阻的欧姆计(未描绘)。如上文提到，随着C^M-室220中的一价阴离子浓度降低，电阻提高。该控制系统还包含与该欧姆计和与一价离子物质添加子系统105通信连接的处理器，和与该处理器通信连接的非瞬时(transitory)计算机可读介质。该计算机可读介质在其上存储程序代码，其可被处理器执行并在被处理器执行时使该处理器接收来自欧姆计的电阻测量结果，确定该电阻测量结果是否超过一价离子物质添加阈值，并在该电阻测量结果超过一价离子物质添加阈值时，向一价离子物质添加子系统105发送信号以使一价离子物质添加子系统105提高膜堆202的至少一个浓缩室中的一价离子物质浓度。在一价离子物质添加子系统105将一价离子物质添加到流入C^M-室220的溶液中的图2中所示的膜堆202的实施方案中，该处理器发送的信号使一价离子物质添加子系统105将一价离子物质添加到C^M-罐120中。

在一个实施方案中，该处理器通过将电阻测量结果直接与一价离子物质添加阈值比较确定电阻测量结果是否超过一价离子物质添加阈值。在另一实施方案中，该处理器通过确定一对电阻测量结果的变化百分比是否超过变化百分比阈值来确定电阻测量结果是否超过一价离子物质添加阈值。更特别地，该处理器分别在第一时间和随后的第二时间从欧姆计接收第一和第二电阻测量结果。该处理器测定第一和第二电阻测量结果之间的差值百分比并将该百分比差值与百分比变化阈值比较。当该百分比差值超过百分比变化阈值时，该处理器向一价离子物质添加子系统105发送添加一价离子物质的信号。

在一价离子物质添加子系统105接收来自处理器的信号并随后将一价离子物质添加到C^M-罐120中的实施方案中，该一价离子物质添加子系统105是自动化的并可包含例如含有一价离子物质的罐，其经由自动化阀门系统(如包含控制阀107，其包含响应来自处理器的信号打开和关闭该阀门系统的电动机)流体连接到罐120之一或两者上。在手动控制一价离子物质添加子系统105的不同实施方案中，该处理器可以向通信设备如显示器发送信号，其通知技术人员将更多一价离子物质添加到C^M-罐120中。

图3显示该装置的另一实施方案的示意图，其显示为膜堆302。将来自图1的导管111的给水供往膜堆302及其产物室(下文“P室”)310，该溶液作为产物水经由导管112离开P室310。C^M-溶液从图1的导管121供往膜堆302及其C^M-室(下文可互换地称作“多价阴离子浓缩室”)320，C^M-溶液经由图1的导管122离开C^M-室320。含有一价离子物质的转移溶液从图1的导管131供往膜堆302及其转移室(下文可互换地称作“T室”)330、335、336。转移溶液经由图1的导管132离开T室330、335、336。C^M+溶液经由图1的导管141供往膜堆302及其C^M+室(下文可互换地称作“多价阳离子浓缩室”)340。C^M+溶液经由图1的导管142离开C^M+室340。在图1和3中所示的实施方案中，两个末端T室335、336和中间T室330共用转移溶液回路(转移溶液罐130和导管131、132)。在另一实施方案中(未显示在图1和3)中，两个分开的转移溶液回路(罐和导管)独立地将T溶液供往末端T室335、336和中间T室330。

在膜堆302的各端存在电解质室356、357。将电解质槽(未显示在图1和3中)中的电解质溶液经电解质分布导管354并行泵入电解质室356、357。该电解质溶液在闭环法中经由电解质回流导管355流回电解质槽。在另一实施方案中(未显示)，可以使用串联闭环回路，其中电解质溶液朝一个方向流经第二电解质室356，然后流经第一电解质室357，或反之亦然。示例性电解质可包括硫酸钠水溶液和硝酸钾水溶液。在膜堆运行过程中，直流电源(未显示在图1和3中)跨过膜堆302末端的阴极358和阳极359施加电位(电压)。

有三种类型的离子交换膜分隔膜堆302的室：阳离子交换膜306(各为“CEM”)、阴离子交换膜307(各为“AEM”)和一价阴离子选择性渗透离子交换膜308(各为“mAEMm”)。CEM 306可透过多价和一价阳离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阴离子。AEM 307可透过多价和一价阴离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阳离子。mAEMm 308可透过一价阴离子，明显较不可透过多价阴离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阳离子(无论多价还是一价)。“明显较不可透”是指在相同浓度下一价阴离子与多价阴离子的渗透率比大于1，优选大于5，更优选大于10。合适的CEM 306包括Astom CMX^TM和Saltworks Ionflux^TM CEM。合适的AEM 307包括Astom AMX^TM和Saltworks Ionflux^TM AEM。合适的mAEMm 308包括Astom ACS^TM和Saltworks Ionflux^TM mAEMm。

膜堆302包含阴极电解质室356和阳极电解质室357。阴极电解质室356在阴极侧上以阴极358为界并在其阳极侧以CEM 306(“阴极电解质室CEM”)为界。类似地，阳极电解质室357在阳极侧上以阳极359为界并在其阴极侧上以CEM 306(“阳极电解质室CEM”)为界。

紧邻各电解质室356、357并通过阳离子交换膜306与它们隔开的是第一末端转移溶液室335和第二末端转移溶液室336。在图3中所示的实施方案中，末端转移室335与其相邻转移室330通过一个mAEMm 308隔开，其确保基本没有多价阴离子从末端转移室335移入相邻转移室330，且另一末端转移室336与相邻C^M-室320通过另一mAEMm 308隔开，其确保基本没有多价阴离子从C^M-室320移向末端转移室336。在另一实施方案中，在该转移溶液仅包含一价离子物质时，末端转移溶液室335可通过AEM 307与其相邻转移室330隔开。除充当用于在室之间输送离子的转移室外，末端转移溶液室335、336还防止电解质室356、357被二价结垢离子如Ca²⁺和Mg²⁺污染。转移溶液可包含导电但非结垢性水性盐，如氯化钠。

膜堆302包含位于阴极358和阳极359之间的一个或多个电渗析槽，各电渗析槽包含用于接收给水的产物室310、用于接收C^M+溶液的C^M+室340、用于接收C^M-溶液的C^M-室320和用于接收转移溶液的T室330。在各电渗析槽中，产物室310和C^M+室340各自以CEM 306为界并共用该CEM 306，而产物室310和C^M-室320各自以AEM 307为界并共用该AEM 307。不同于图2的膜堆202，图3的膜堆302的各电渗析槽进一步包含在阴极侧上以mAEMm 308为界并在阳极侧上以AEM 307和mAEMm 308之一为界的T室330。C^M-室320和T室330各自以mAEMm 308为界并共用该mAEMm 308。在图3中所示的实施方案中，T室330和C^M+室340各自以AEM 307为界并共用该AEM 307。在另一实施方案中(未描绘)，T室330和C^M+室340可以各自以mAEMm 308为界并共用该mAEMm 308。各槽相应地在其阴极和阳极端包含相同类型的离子交换膜(AEM 307或mAEMm 308)(这些膜是“槽端离子交换膜”)。

一价离子物质添加子系统105向图1中的C^M-回路供应一种或多种一价盐(例如NaCl)和/或一种或多种一价酸(例如HCl)以使流入C^M-室320的溶液具有足够的一价阴离子以渗透mAEMm 308从而传导离子电流。例如，在膜堆运行过程中流入C^M-室320的溶液中的一价离子物质可保持在500mg/l以上，优选在1,000mg/l以上，更优选在2,000mg/l以上。

当跨过阴极358和阳极359施加电位(电压)且膜堆302在运行中时，流入P室310的给水中的多价和一价阳离子经由界定P室310的阴极侧的CEM 306迁移到C^M+室340中，且流入P室310的给水中的多价和一价阴离子经由界定P室310的阳极侧的AEM 307迁移到C^M-室320中。流过C^M-室320的C^M-溶液中的一价阴离子经由界定C^M-室320的阳极侧的mAEMm 308迁移到T室330中。C^M-室320中的一价阴离子可在电渗析过程中接收自P室310，并且附加地或替代性地，可由一价离子物质添加子系统105供应。但是，C^M-溶液中的多价阴离子不能渗透mAEMm 308并因此留在C^M-室320中。多价阴离子与来自供应的一价离子物质的一价阳离子组合，由此在C^M-室320中形成包含一价阳离子和多价阴离子的盐。在T室330中，可来自C^M-室320或来自包含一价离子物质的转移电解质的一价阴离子经由界定T室330的阳极侧的AEM 307迁移到C^M+室340中。多价阳离子与一价阴离子在C^M+室340中形成包含多价阳离子和一价阴离子的盐。由于电渗析过程，给水中的盐离子浓度在P室310中降低，包含一价阳离子和多价阴离子的盐的浓度在C^M-室320中提高，且包含多价阳离子和一价阴离子的盐的浓度在C^M+室340中提高。T室中的转移溶液仅充当用于离子转移的中间介质并通过接收和转出相同摩尔当量的阴离子而平衡其离子电荷中性。C^M-溶液变成浓缩多价阴离子溶液，且C^M+溶液变成浓缩多价阳离子溶液。C^M-室320中的一价阴离子浓度降低以使一价阴离子不足以传导经过mAEMm 308的离子电流。在运行过程中C^M-室320中的一价阴离子不足可通过膜堆302的电阻提高证实。膜堆302的电阻的提高可相应地充当管理一价离子物质添加子系统的控制系统(未描绘)的信号。膜堆302的电阻的提高可相应地如上文参照图2所述充当管理一价离子物质添加子系统的控制系统的信号。

在各电渗析槽中提供转移室330以使转移室330在膜堆302中位于C^M+室340和C^M-室320之间有助于防止由C^M+室340和C^M-室320之间的内部泄漏(例如由膜针孔或密封不良造成的泄漏)造成的可能的结垢问题。当发生内部泄漏时，在转移室330中流动的转移溶液可以用补充转移溶液部分或完全更新以减轻结垢问题。膜堆302也可以以倒极电渗析模式运行以通过在同时交换在P室310和C^M+室340之间流动的流体和交换在C^M-室320和T室330之间流动的流体的同时切换施加在电极358、359上的电位的极性而除去积聚在膜表面上的结垢。

图4显示膜堆402形式的该装置的另一实施方案的示意图。将来自图1的导管111的给水供往膜堆402及其产物室(下文“P室”)410；该溶液作为产物水经由导管112离开P室410。C^M-溶液从图1的导管121供往膜堆402及其C^M-室(下文可互换地称作“多价阴离子浓缩室”)420，C^M-溶液经由图1的导管122离开C^M-室420。含有一价离子物质的转移溶液从图1的导管131供往膜堆402及其转移室(下文“T室”)435和436，该转移溶液经由图1的导管132离开T室435、436。C^M+溶液从图1的导管141供往膜堆402及其C^M+室(下文可互换地称作“多价阳离子浓缩室”)440，且C^M+溶液经由图1的导管142离开C^M+室440。

在膜堆402的各端存在电解质室456、457。将电解质槽(未显示在图1和4中)中的电解质溶液经电解质分布导管454并行泵入电解质室456、457。该电解质溶液在闭环法中经由电解质回流导管455流回电解质槽。在另一实施方案中(未显示)，可以使用串联闭环回路，其中电解质溶液朝一个方向流经第二电解质室456，然后流经第一电解质室457，或反之亦然。示例性电解质可包括硫酸钠水溶液和硝酸钾水溶液。在膜堆运行过程中，直流电源(未显示在图1和4中)跨过膜堆402末端的阴极458和阳极459施加电位(电压)。

有三种类型的离子交换膜分隔膜堆402的室：阳离子交换膜(各为“CEM”)406、阴离子交换膜(各为“AEM”)407和一价阳离子选择性渗透离子交换膜(各为“mCEMm”)408。CEM 406可透过多价和一价阳离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阴离子。AEM 407可透过多价和一价阴离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阳离子。mCEMm 408可透过一价阳离子，明显较不可透过多价阳离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阴离子(无论多价还是一价)。“明显较不可透”是指在相同浓度下一价阳离子与多价阳离子的渗透率比大于1，优选大于5，更优选大于10。合适的CEM 406包括Astom CMX^TM和Saltworks Ionflux^TM CEM。合适的AEM 407包括Astom AMX^TM和Saltworks Ionflux^TM AEM。合适的mCEMm 408包括Astom CMS^TM和Saltworks Ionflux^TM mCEMm。

膜堆402包含阴极电解质室456和阳极电解质室457。阴极电解质室456在阴极侧上以阴极458为界并在其阳极侧上以CEM 406(“阴极电解质室CEM”)为界。类似地，阳极电解质室457在阳极侧上以阳极459为界并在其阴极侧上以CEM 406(“阳极电解质室CEM”)为界。

紧邻各电解质室456、457并通过阳离子交换膜406与它们隔开的是第一末端转移溶液室435和第二末端转移溶液室436。在图4中所示的实施方案中，末端转移室435与其相邻C^M+室440通过一个mCEMm 408隔开，其确保基本没有多价阳离子从相邻C^M+室440移向末端转移室435，且末端转移室436与其相邻C^M-室420通过另一mCEMm 408隔开，其确保基本没有多价阳离子从所述另一末端转移室436移入相邻C^M-室420。在另一实施方案中，在该转移溶液仅包含一价离子物质时，末端转移溶液室436可通过CEM 406与相邻C^M-室420隔开。除充当用于在室之间输送离子的过渡室外，转移溶液室435、436还防止电解质室456、457被二价结垢离子如Ca²⁺和Mg²⁺污染。转移溶液可包含导电但非结垢性水性盐，如氯化钠。

膜堆402包含位于阴极458和阳极459之间的一个或多个电渗析槽，各电渗析槽包含用于接收给水的产物室410、用于接收C^M+溶液的C^M+室440和用于接收C^M-溶液的C^M-室420。在各电渗析槽中，产物室410和C^M+室各自以CEM 406为界并共用该CEM 406，而产物室410和C^M-室各自以AEM 407为界并共用该AEM 407。C^M+室440在其阴极侧上以mCEMm 408(这是阴极槽端离子交换膜)为界，且C^M-室420在其阳极侧上以mCEMm 208(这是阳极槽端离子交换膜)为界。

一价离子物质添加子系统105向图1中的C^M+回路供应一种或多种一价盐(例如NaCl)和/或一种或多种一价酸(例如HCl)以使流入C^M+室440的溶液具有足够的一价阳离子以渗透mCEMm 408从而传导离子电流。例如，在膜堆运行过程中流入C^M+室440的溶液中的一价离子物质可保持在500mg/l以上，优选在1,000mg/l以上，更优选在2,000mg/l以上。

当跨过阴极458和阳极459施加电位(电压)且膜堆402在运行中时，流入P室410的给水的多价和一价阳离子经由界定P室410的阴极侧的CEM 406迁移到C^M+室440中，且流入P室410的给水的多价和一价阴离子经由界定P室410的阳极侧的AEM 407迁移到C^M-室420中。流过C^M+室440的C^M+溶液中的一价阳离子经由界定C^M+室440的阴极侧的mCEMm 408迁移到C^M-室420中。C^M+室440中的一价阳离子可在电渗析过程中接收自P室410，并且附加地或替代性地，可由一价离子物质添加子系统105供应。多价阴离子与一价阳离子在C^M-室420中组合以形成包含一价阳离子和多价阴离子的盐，且多价阳离子与来自供应的一价离子物质的一价阴离子在C^M+室440中组合以形成包含多价阳离子和一价阴离子的盐。由于电渗析过程，给水中的盐离子浓度在P室410中降低，包含一价阳离子和多价阴离子的盐的浓度在C^M-室420中提高，且包含多价阳离子和一价阴离子的盐的浓度在C^M+室440中提高。C^M-溶液变成浓缩多价阴离子溶液，且C^M+溶液变成浓缩多价阳离子溶液。T室235、236中的转移溶液充当离子转移介质并通过接收和转出相同摩尔当量的阴离子而平衡其离子电荷中性。来自供应的一价离子物质的一价阳离子浓度在C^M+室440中降低以使一价阳离子不足以传导经过mCEMm 408的离子电流。在运行过程中C^M+室440中的一价阳离子不足可通过膜堆402的电阻提高证实。膜堆402的电阻的提高可相应地以与参照图2中所示的膜堆250的实施方案所述类似的方式充当管理一价离子物质添加子系统的控制系统的信号。不同于图2的膜堆250，在图4的膜堆450的实施方案中，一价离子物质添加子系统105将一价离子物质添加到流入C^M+室220的溶液中，并且该处理器发送的信号使一价离子物质添加子系统105将一价离子物质添加到C^M+罐120中。

图5作为膜堆502显示该装置的另一实施方案的示意图。将来自图1的导管111的给水供往膜堆502及其产物室(下文“P室”)510，该水作为产物水经由图1的导管112离开P室510。C^M-溶液从图1的导管121供往膜堆502及其C^M-室(下文可互换地称作“多价阴离子浓缩室”)520，C^M-溶液经由图1的导管122离开C^M-室520。含有一价离子物质的转移溶液从图1的导管131经由图1的导管130供往膜堆502及其转移室(下文可互换地称作“T室”)530、535、536，并且转移溶液经由图1的导管132离开T室530、535、536。C^M+溶液从图1的导管141供往膜堆502及其C^M+室(下文可互换地称作“多价阳离子浓缩室”)540，且C^M+溶液经由图1的导管142离开C^M+室540。在图1和5中所示的实施方案中，两个末端T室535、536和中间T室530共用转移溶液回路(T罐130和导管131、132)。在另一实施方案中(未描绘)，两个分开的转移溶液回路(罐和导管)独立地将转移溶液供往末端T室535、536和中间T室530。

在膜堆502的各端存在电解质室556、557。将电解质槽(未描绘)中的电解质溶液经电解质分布导管554并行泵入电解质室556、557。该电解质溶液在闭环法中经由电解质回流导管555流回电解质槽。在另一实施方案中(未显示)，可以使用串联闭环回路，其中电解质溶液朝一个方向流经第二电解质室556，然后流经第一电解质室557，或反之亦然。示例性电解质可包括硫酸钠水溶液和硝酸钾水溶液。在膜堆运行过程中，直流电源(未显示在图1和5中)跨过膜堆502末端的阴极558和阳极559施加电位(电压)。

有三种类型的离子交换膜分隔膜堆502的室：阳离子交换膜(各为“CEM”)506、阴离子交换膜(各为“AEM”)507和一价阳离子选择性渗透离子交换膜(各为“mCEMm”)508。CEM 506可透过多价和一价阳离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阴离子。AEM507可透过多价和一价阴离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阳离子。mCEMm 508可透过一价阳离子，明显较不可透过多价阳离子并且基本不可透过和在一些实施方案中和根据运行条件完全截留阴离子(无论多价还是一价)。“明显较不可透”是指在相同浓度下一价阳离子与多价阳离子的渗透率比大于1，优选大于5，更优选大于10。合适的CEM 506包括Astom CMX^TM和Saltworks Ionflux^TM CEM。合适的AEM 507包括Astom AMX^TM和Saltworks Ionflux^TM AEM。合适的mCEMm 508包括Astom CMS^TM和Saltworks Ionflux^TM mCEMm。

膜堆502包含阴极电解质室556和阳极电解质室557。阴极电解质室556在阴极侧上以阴极558为界并在其阳极侧上以CEM 506(“阴极电解质室CEM”)为界。类似地，阳极电解质室557在阳极侧上以阳极559为界并在其阴极侧上以CEM 506(“阳极电解质室CEM”)为界。

紧邻各电解质室556、557并通过阳离子交换膜506与它们隔开的是第一末端转移溶液室535和第二末端转移溶液室536。在图5中所示的实施方案中，转移室535与其相邻C^M+室540通过一个mCEMm 508隔开，其确保基本没有多价阳离子从相邻C^M+室540移向第一末端转移室535，且第二末端转移室536与其相邻转移室530通过另一mCEMm 508隔开，其确保基本没有多价阳离子从第二末端转移室536移入相邻转移室530。在另一实施方案中，在该转移溶液仅包含一价离子物质时，第二末端转移溶液室536可通过CEM 506与其相邻转移室530隔开。除充当用于在室之间输送离子的过渡室外，末端转移溶液室535、536还防止电解质室556、557被二价结垢离子如Ca²⁺和Mg²⁺污染。转移溶液可包含导电但非结垢性水性盐，如氯化钠。

膜堆502包含位于阴极558和阳极559之间的一个或多个电渗析槽，各电渗析槽包含用于接收给水的产物室510、用于接收C^M+溶液的C^M+室540、用于接收C^M-溶液的C^M-室520和用于接收转移溶液的T室530。在各电渗析槽中，产物室510和C^M+室540各自以CEM 506为界并共用该CEM 506，而产物室510和C^M-室520各自以AEM 507为界并共用该AEM 507。不同于图4的膜堆402，膜堆502的各电渗析槽进一步包含在阳极侧上以mCEMm 508为界并在其阴极侧上以CEM 506和mCEMm 508之一为界的T室530。转移室530和C^M+室540各自以mCEMm 508为界并共用该mCEMm 508。在图5中所示的实施方案中，C^M-室520和T室530各自以CEM 506为界并共用该CEM 506。在图5中未显示的另一实施方案中，C^M-室520和T室530可以以mCEMm为界并共用该mCEMm。各槽相应地在其阴极和阳极端包含相同类型的离子交换膜(CEM 506或mCEMm 508)(这些膜是“槽端离子交换膜”)。

一价离子物质添加子系统105向图1中的C^M+回路供应一种或多种一价盐(例如NaCl)和/或一种或多种一价酸(例如HCl)以使流入C^M+室540的咸水具有足够的一价阳离子以渗透mCEMm 508从而传导离子电流。例如，在膜堆运行过程中流入C^M+室540的溶液中的一价离子物质可保持在500mg/l以上，优选在1,000mg/l以上，更优选在2,000mg/l以上。

当跨过阴极558和阳极559施加电位(电压)且膜堆502在运行中时，流入P室510的给水中的多价和一价阳离子经由界定P室510的阴极侧的CEM 506迁移到C^M+室540中，且流入P室510的给水中的多价和一价阴离子经由界定P室510的阳极侧的AEM 507迁移到C^M-室520中。C^M+室540中的一价阳离子经由界定C^M+室540的阴极侧的mCEMm 508迁移到T室530中。C^M+室540中的一价阳离子可来自P室510，并且附加地或替代性地，可由一价离子物质添加子系统105供应。但是，C^M+室540中的多价阳离子不能渗透mCEMm 508并因此留在C^M+室540中。多价阳离子与来自供应的一价离子物质的一价阴离子组合以在C^M+室540中形成包含多价阳离子和一价阴离子的盐。在T室530中，可接收自C^M+室540或来自包含一价离子物质的转移溶液的一价阳离子经由界定T室530的阴极侧的CEM 506迁移到C^M-室520中。接收的一价阳离子和多价阴离子在C^M-室520中形成包含一价阳离子和多价阴离子的盐。由于电渗析过程，给水中的盐离子浓度在P室510中降低，包含一价阳离子和多价阴离子的盐的浓度在C^M-室520中提高，且包含多价阳离子和一价阴离子的盐的浓度在C^M+室540中提高。T室530中的转移溶液充当离子转移介质并通过接收和转出相同摩尔当量的阳离子而平衡其离子电荷中性。在C^M-室520中流动的C^M-溶液变成浓缩多价阴离子溶液，且在C^M+室540中流动的C^M+溶液变成浓缩多价阳离子溶液。来自供应的一价离子物质的一价阳离子浓度在C^M+室540中降低以使一价阳离子不足以传导经过mCEMm 508的离子电流。在运行过程中C^M+室540中的一价阳离子不足可通过膜堆502的电阻提高证实。膜堆502的电阻的提高可相应地如上文参照图4所述充当管理一价离子物质添加子系统的控制系统的信号。

在各电渗析槽中提供转移室以使转移室530位于膜堆502中的C^M+室540和C^M-室520之间有助于防止由C^M+室540和C^M-室520之间的膜堆502内泄漏(例如由膜针孔或密封不良造成的泄漏)造成的结垢。当发生内部泄漏时，在转移室530中流动的转移溶液可以用补充转移溶液部分或完全更新以减轻结垢问题。在某些实施方案中，膜堆502可以以倒极电渗析模式运行以除去积聚在膜表面上的结垢：在同时交换i)流经P室510和C^M-室520的流体，和ii)流经C^M+室540和T室530的流体的同时切换施加在电极558、559上的电位的极性。

图6是作为图1的一价离子物质回收电渗析膜堆180的一个实施方案的电渗析膜堆602的示意图。其使用如已参照膜堆202描述的电极658、659、电解质室656、657和电解质导管654、655的相同布置。膜堆602中的转移室635、636和转移导管631、632是任选的。各转移室635、636通过CEM 606与电解质室656、657隔开。在转移室635、636之间，膜堆602包含mAEMm’s 608和mCEMm’s 609的交替系列，它们划定浓缩室(下文“C室”)640和产物室(下文“P室”)630的交替系列。将两个咸水料流供入膜堆602：无多价阳离子和多价阴离子之一或两者的咸水经由导管181供往膜堆602及其C室640；且来自沉淀子系统170的包含一价离子物质和多价离子的咸水经由导管172供往膜堆602及其P室630。膜堆602中的mCEMm’s 609和mAEMm’s 608一起运行以从来自沉淀子系统170的咸水中分离和回收一价离子物质到作为一价离子盐水经过C室640的溶液中。来自沉淀子系统170的咸水中的任何剩余多价离子限定在作为多价离子盐水流经P室630的溶液中。该多价离子盐水可经由导管183供往给水箱110。该一价离子盐水可经由导管182在使用图2或3的膜堆150时供往C^M-罐120，或在使用图4或5所示的膜堆150时供往C^M+罐140。如同图2至5的膜堆150，浓缩一价盐的膜堆602可以以倒极电渗析模式运行以除去在运行过程中积聚的任何膜垢。

除非另行指明，如本公开中所用的术语“连接(couple)”及其变体，如“连接的(coupled)”、“couples”和“coupling”意在包括间接和直接连接。例如，如果第一设备连接到另一设备上，该连接可通过直接连接或通过经由其它设备和接点的间接连接。

此外，本说明书中所用的单数形式“一”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另行指明。

预计本说明书中论述的任何方面或实施方案的任何部分可与本说明书中论述的任何其它方面或实施方案的任何部分一起实施或组合。

尽管上文已经描述了特定实施方案，要理解的是，其它实施方案是可能的并且意在包括在本文中。本领域任何技术人员清楚的是，未显示的对上述实施方案的修改和调节是可能的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种多价离子脱盐方法，所述方法包括：

(a)将给水、浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液导过一种装置，所述装置包含：

(i)阴极和阳极；和

(ii)位于阴极和阳极之间的电渗析槽，其中所述槽包含产物室、在所述产物室的阴极侧上的多价阳离子浓缩室和在所述产物室的阳极侧上的多价阴离子浓缩室，其中所述产物室和所述多价阳离子浓缩室各自以阳离子交换膜为界并共用该阳离子交换膜，且所述产物室和所述多价阴离子浓缩室各自以阴离子交换膜为界并共用该阴离子交换膜，

其中所述给水流经所述产物室，所述浓缩多价阳离子溶液流经所述多价阳离子浓缩室，且所述浓缩多价阴离子溶液流经所述多价阴离子浓缩室；和

(b)将一价离子物质添加到所述浓缩多价阳离子溶液和所述浓缩多价阴离子溶液的至少一种中。

2.权利要求1的方法，其中所述浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液的至少一种中的一价离子物质浓度保持在500mg/L以上。

3.权利要求1的方法，其中所述装置包含多个电渗析槽，且其中各槽包含分别界定所述槽的阴极和阳极端的阴极和阳极槽端离子交换膜，其中至少两个槽以槽端离子交换膜之一为界并共用该槽端离子交换膜之一，且其中所述至少两个槽的槽端离子交换膜是相同类型的离子交换膜。

4.权利要求3的方法，其中各槽端离子交换膜是一价离子选择性渗透离子交换膜。

5.权利要求4的方法，其中各槽端离子交换膜是一价阴离子选择性渗透离子交换膜。

6.权利要求5的方法，其中：

(a)至少一个槽进一步包含：

(i)位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室；和

(ii)界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜为界；且

(b)所述方法进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

7.权利要求5的方法，其中：

(a)至少一个槽进一步包含：

(i)位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室；和

(ii)界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透交换膜为界；且

(b)所述方法进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

8.权利要求4的方法，其中各槽端离子交换膜是一价阳离子选择性渗透离子交换膜。

9.权利要求8的方法，其中：

(a)至少一个槽进一步包含：

(i)位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室；和

(ii)界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜为界；且

(b)所述方法进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

10.权利要求8的方法，其中：

(a)至少一个槽进一步包含：

(i)位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室；和

(ii)界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界；且

(b)所述方法进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

11.权利要求3的方法，其中各槽端离子交换膜是阴离子交换膜，且其中：

(a)至少一个槽进一步包含：

(i)位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室；和

(ii)界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阳极侧上以阳极槽端阴离子交换膜为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜为界；且

(b)所述方法进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

12.权利要求3的方法，其中各槽端离子交换膜是阳离子交换膜，且其中：

(a)至少一个槽进一步包含：

(i)位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室；和

(ii)界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阴极侧上以阴极槽端阳离子交换膜为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界；且

(b)所述方法进一步包括将包含一价离子物质的转移溶液导过所述槽转移溶液室。

13.权利要求1的方法，其进一步包括由分别离开多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室的浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液沉淀多价离子物质并制造包含一价离子物质和多价离子的咸水。

14.权利要求1的方法，其进一步包括：

(a)使用一价离子物质回收电渗析膜堆如下回收一价离子物质：

(i)将所述包含一价离子物质和多价离子的咸水导向所述一价离子物质回收膜堆；

(ii)将无多价阳离子和多价阴离子之一或两者的咸水导向所述一价离子物质回收膜堆；

(iii)从所述一价离子物质回收膜堆输出包含一价离子物质的一价离子盐水；和

(iv)输出包含多价离子的多价离子盐水；和

(b)将所述一价离子盐水添加到浓缩多价阳离子溶液和浓缩多价阴离子溶液之一中。

15.权利要求1的方法，其进一步包括经脱盐子系统将给水和离开所述装置并由所述装置通过将给水脱盐生成的产物水之一或两者脱盐。

16.权利要求1的方法，其进一步包括：

(a)获得代表阳极和阴极之间的电阻的电阻测量结果；

(b)确定所述电阻是否超过一价离子物质添加阈值；和

(c)在所述电阻测量结果超过一价离子物质添加阈值时，提高所述装置的至少一个浓缩室中的一价离子物质浓度。

17.一种用于多价离子脱盐的系统，所述系统包含：

(a)一种装置，其包含：

(i)阴极和阳极；

(ii)位于阴极和阳极之间的电渗析槽，其中所述槽包含用于接收给水的产物室、在所述产物室的阴极侧上的多价阳离子浓缩室和在所述产物室的阳极侧上的多价阴离子浓缩室，其中所述产物室和所述多价阳离子浓缩室各自以阳离子交换膜为界并共用该阳离子交换膜，且所述产物室和所述多价阴离子浓缩室各自以阴离子交换膜为界并共用该阴离子交换膜；

(b)流体相连并将一价离子物质添加到所述装置的多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室的至少一个中的一价离子物质添加子系统。

18.权利要求17的系统，其中所述一价离子物质添加子系统使多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室的所述至少一个中的一价离子物质浓度保持在500mg/l以上。

19.权利要求17的系统，其中所述装置包含多个电渗析槽，且其中各槽包含分别界定所述槽的阴极和阳极端的阴极和阳极槽端离子交换膜，其中至少两个槽以槽端离子交换膜之一为界并共用该槽端离子交换膜之一，且其中所述至少两个槽的槽端离子交换膜是相同类型的离子交换膜。

20.权利要求19的系统，其中各槽端离子交换膜是一价离子选择性渗透离子交换膜。

21.权利要求20的系统，其中各槽端离子交换膜是一价阴离子选择性渗透离子交换膜。

22.权利要求21的系统，其中至少一个槽进一步包含：

(a)位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室；和

(b)界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的阴离子交换膜为界。

23.权利要求21的系统，其中至少一个槽进一步包含：

(a)位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室；和

(b)界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阴极侧上以槽端一价阴离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜为界。

24.权利要求20的系统，其中各槽端离子交换膜是一价阳离子选择性渗透离子交换膜。

25.权利要求24的系统，其中至少一个槽进一步包含：

(a)位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室；和

(b)界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的阳离子交换膜为界。

26.权利要求24的系统，其中至少一个槽进一步包含：

(a)位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室；和

(b)界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阳极侧上以槽端一价阳离子选择性渗透离子交换膜之一为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界。

27.权利要求19的系统，其中各槽端离子交换膜是阴离子交换膜，且其中至少一个槽进一步包含：

(a)位于多价阴离子浓缩室的阳极侧上的槽转移溶液室；和

(b)界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阳极侧上以阳极槽端阴离子交换膜为界并在阴极侧上以也界定多价阴离子浓缩室的阳极侧的一价阴离子选择性渗透离子交换膜为界。

28.权利要求19的系统，其中各槽端离子交换膜是阳离子交换膜，且其中至少一个槽进一步包含：

(a)位于多价阳离子浓缩室的阴极侧上的槽转移溶液室；和

(b)界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜，

其中所述槽转移溶液室在阴极侧上以阴极槽端阳离子交换膜为界并在阳极侧上以也界定多价阳离子浓缩室的阴极侧的一价阳离子选择性渗透离子交换膜为界。

29.权利要求17的系统，其进一步包含与所述装置的多价阴离子浓缩室和多价阳离子浓缩室流体连接的盐沉淀子系统，其中所述盐沉淀子系统由取自所述装置的浓缩多价阴离子和阳离子室的溶液沉淀多价离子物质并制造包含一价离子物质和多价离子的咸水。

30.权利要求29的系统，其进一步包含流体连接到所述盐沉淀子系统上以接收所述包含一价离子物质和多价离子的咸水并连接到无多价阳离子和多价阴离子之一或两者的溶液上的一价离子物质回收膜堆，其中所述一价离子物质回收膜堆输出包含一价离子物质的一价离子盐水和包含多价离子的多价离子盐水，其中将所述一价离子盐水导向多价阳离子浓缩室和多价阴离子浓缩室之一。

31.权利要求17的系统，其进一步包含与所述产物室流体连接的脱盐子系统以将给水和离开所述装置并由所述装置通过将给水脱盐生成的产物水之一或两者脱盐。

32.权利要求17的系统，其进一步包含：

(a)电连接在阳极和阴极之间的欧姆计；

(b)与所述欧姆计和所述一价离子物质添加子系统通信连接的处理器；和

(c)与所述处理器通信连接并在其上存储程序代码的非瞬时计算机可读介质，所述程序代码可被所述处理器执行并在被所述处理器执行时使所述处理器：

(i)接收来自欧姆计的电阻测量结果；

(ii)确定所述电阻测量结果是否超过一价离子物质添加阈值；和

(iii)在所述电阻测量结果超过一价离子物质添加阈值时，向所述一价离子物质添加子系统发送信号以使所述一价离子物质添加子系统提高所述装置的至少一个浓缩室中的一价离子物质浓度。