无膜海水脱盐的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年12月21日提交的美国临时申请第61/740, 780号的权益， 该美国临时申请据此通过引用全部并入本文。
[0003] 关于联邦资助的研究或开发的声明
[0004] 本发明依据美国能源部授予的协议DE-FG02-06ER15758和由美国环境保护局授 予的合同EP-D-12-026在政府支持下完成。政府享有本发明中的某些权利。
技术领域
[0005] 本申请总体涉及用于水的脱盐的装置、系统和方法。
【背景技术】
[0006] 对淡水的全球需求正迅速增长。许多传统淡水资源，包括湖泊、河流和含水层，正 迅速变得枯竭。因此，淡水在许多地区中正成为有限的资源。事实上，联合国估计，到2025 年，世界人口的三分之二可能会居住在缺水地区中。
[0007] 目前，世界水供应的近似97%以海水的形式存在。脱盐，通过其将含盐的水（例 如，海水）转换成淡水的过程，提供为适合于人类消耗或灌溉的淡水提供可靠供应的可能 性。很遗憾，现有脱盐过程，包括蒸馏和逆渗透，需要大量的能量和专用的昂贵的基础设施。 因此，与最传统的水源相比，脱盐目前是昂贵的，并且在世界的发展中地区常常是过分昂贵 的。因此，总的人类用水的仅一小部分目前通过脱盐来满足。针对水脱盐的更节能的方法 提供解决特别是在缺水地区中对淡水的增加的需求的可能性。
【发明内容】
[0008] 公开了用于水的脱盐的微流体装置和系统。
[0009] 用于水的脱盐的微流体装置可以包括脱盐单元。该脱盐单元可以包括流体地连接 到稀释出口通道和浓缩出口通道的进口通道。稀释出口通道和浓缩出口通道可以在一交叉 点处与进口通道分叉。脱盐单元还可以包括与脱盐单元电化学接触的电极。电极可以被配 置成在接近稀释出口通道和浓缩出口通道与进口通道分叉的交叉点处产生电场梯度。在所 施加的偏压下并且在存在流动的盐水的情况下，电场梯度可以优选地将盐水中的离子引导 至浓缩出口通道中，而脱盐的水流入到稀释出口通道中。
[0010] 在一些实施方案中，微流体装置还可以包括与脱盐单元流体地隔离的辅助通道。 辅助通道可以经由双性电极电化学地连接到脱盐单元。在这些情况下，双性电极可以被配 置成与脱盐单元和辅助通道两者电化学接触。在横跨辅助通道和脱盐单元所施加的偏压下 并且在存在流动的盐水的情况下，电场梯度可以优选地将盐水中的离子引导至脱盐单元的 浓缩出口通道中，而脱盐的水流入到稀释出口通道中。
[0011] 在一些实施方案中，辅助通道包括脱盐单元。在这些实施方案中，微流体装置可以 包括两个脱盐单元，所述两个脱盐单元可以是相同的或不同的结构。第一脱盐单元可以通 过双性电极电化学地连接到第二脱盐单元。在横跨第一脱盐单元和第二脱盐单元所施加的 偏压下并且在存在压力驱动流动的盐水的情况下，电场梯度可以优选地将盐水中的离子引 导至第一和第二脱盐单元的浓缩出口通道中，而脱盐的水流入到第一和第二脱盐单元的稀 释出口通道中。
[0012] 本文所描述的多个微流体装置可以被组合以形成水净化系统。该系统可以包括本 文所描述的并行布置或流体地串联的多个装置。该系统还可以包括并行布置和流体地串联 的多个装置。例如，装置可以包括流体地串联的第一对装置，所述第一对装置布置成与流体 地串联的第二对装置并行。在这样的系统中，可以以单个平面（即，作为二维系统）或以三 维制造多个装置。
[0013] 还提供了使用本文所描述的装置和系统来使水的含盐量下降的方法。
【附图说明】
[0014] 图IA是示出用于对水进行脱盐的微流体装置的示意图。
[0015] 图IB是示出图IA中所示的微流体装置的放大部分的示意图。
[0016] 图IC是示出用于结合被配置成横跨脱盐单元施加偏压的电源对水进行脱盐的微 流体装置的示意图。
[0017] 图2是示出用于对水进行脱盐的微流体装置的示意图。该装置包括通过双性电极 电化学地连接的脱盐单元和辅助通道。
[0018] 图3是示出用于对水进行脱盐的微流体装置的示意图。该装置包括通过双性电极 电化学地连接的两个脱盐单元。
[0019] 图4是用于对水进行脱盐的水净化系统的示意图。该系统包括被配置成并行操作 的多个脱盐单元。
[0020] 图5是用于对水进行脱盐的水净化系统的示意图。该系统包括被配置成并行操作 的多个脱盐单元。
[0021] 图6是用于对水进行脱盐的水净化系统的示意图。该装置包括被配置成串行操作 的多个脱盐单元。
[0022] 图7是描绘靠近稀释出口通道与浓缩出口通道从进口通道分叉的交叉点的离子 的电泳重定向的示意图。
[0023] 图8A和图8B是示出经过图2中所示的装置的海水中的Ru(bpy)2+(阳离子荧光示 踪剂）的溶液的流动的荧光显微照片。图8A是在施加偏压之前拍摄的装置的荧光显微照 片。图8B是在施加偏压之后拍摄的装置的荧光显微照片。
[0024] 图9A和图9B是示出经过图2中所示的装置的Na2SO4中的Ru(bpy) 2+(阳离子荧光 示踪剂）的溶液的流动的荧光显微照片。图9A是在施加偏压之前拍摄的装置的荧光显微 照片。图9B是在施加偏压之后拍摄的装置的荧光显微照片。
[0025] 图IOA和图IOB是示出经过图2中所示的装置的NaCl中的Ru(bpy)2+(阳离子荧 光示踪剂）的溶液的流动的荧光显微照片。图IOA是在施加偏压之前拍摄的装置的荧光显 微照片。图IOB是在施加偏压之后拍摄的装置的荧光显微照片。
[0026] 图11是作为5mm长脱盐通道中的距离的函数的经过在图2中所示的脱盐单元的 轴向电场强度（以|V|/m绘制）的绘图。在海水、NaCl和Na2SOd^溶液中收集测量值。
[0027] 图12是在操作期间作为时间（以秒为单位）的函数流经图2所示的装置的总电 流（itot，以毫微安绘制）的图形。
[0028] 图13A-13B是示出经过图1中所示的装置的海水中的Ru(bpy)2+(阳离子荧光示 踪剂）的溶液的流动的荧光显微照片。图13A是在施加偏压之前拍摄的装置的荧光显微照 片。图13B是在施加偏压之后拍摄的装置的荧光显微照片。
[0029] 图14A-14B是在NaCl中发生的脱盐过程的数值模拟图。图14A描绘在脱盐期间 装置中的标准化含盐量分布。图14B示出在阳极上方的电场强度的绘图。
【具体实施方式】
[0030] 公开了用于水的脱盐的微流体装置和系统。
[0031] 用于水的脱盐的微流体装置可以包括脱盐单元。该脱盐单元可以包括流体地连接 到稀释出口通道和浓缩出口通道的进口通道。稀释出口通道和浓缩出口通道在一交叉点处 可以与进口通道分叉。脱盐单元还可以包括与脱盐单元电化学接触的电极。电极可以被配 置成在接近稀释出口通道和浓缩出口通道与进口通道分叉的交叉点处产生电场梯度。
[0032] 在图IA中示意性地示出包括脱盐单元（100)的示例装置。该脱盐单元包括流体 地连接到稀释出口通道（104)和浓缩出口通道（106)的进口通道（102)。稀释出口通道 (104)和浓缩出口通道（106)在一交叉点（107)处与进口通道（102)分叉。电极（108)被 定位成接近交叉点（107)。电极（108)被配置成在装置操作期间在电极处及其下游形成离 子耗尽区（109)，导致在接近交叉点处形成电场梯度。示例装置还包括流体地连接到进口通 道（102)的上游终点的流体贮存器（110)、流体地连接到稀释出口通道（104)的下游终点的 流体贮存器（114)和流体地连接到浓缩出口通道（106)的下游终点的流体贮存器（112)。
[0033] 可以鉴于多个因素来分别和/或以组合方式选择在脱盐单元（100)(例如，进口通 道（102)、稀释出口通道（104)和浓缩出口通道（106))中的微流体通道的尺寸，所述多个因 素包括电极相对于脱盐单元中微流体通道的大小和位置、所需的装置流率、被使用该装置 处理的盐水的含盐量和所需的盐化度减小。
[0034] 在某些情况下，进口通道（102)、稀释出口通道（104)和浓缩出口通道（106)的尺 寸使得稀释出口通道的截面面积和浓缩出口通道的截面面积之和大致等于进口通道的截 面面积。在该背景下，大致相等可能意味着稀释出口通道的截面面积与浓缩出口通道的截 面面积之和是例如在进口通道的截面面积的15%内（例如，在进口通道的截面面积的10% 内，或在进口通道的截面面积的5 %内）。在一些实施方案中，稀释出口通道和浓缩出口通 道具有大致相等的截面尺寸，意味着稀释出口通道的高度和宽度大致等于（例如，在15% 内、在10%内或在5%内）浓缩出口通道的高度和宽度。
[0035] 在脱盐单元（100)(例如，进口通道（102)、稀释出口通道（104)和浓缩出口通道 (106))中微流体通道的尺寸可以被制造成具有各种截面形状。在一些实施方案中，脱盐单 元（例如，进口通道、稀释出口通道和浓缩出口通道）中微流体通道具有大致方形或矩形截 面形状。
[0036] 在一些实施方案中，进口通道（102)具有约1000微米或更小（例如，约900微米 或更小、约800微米或更小、约750微米或更小、约700微米或更小、约600微米或更小、约 500微米或更小、约400微米或更小、约300微米或更小、约250微米或更小、约200微米或 更小、约150微米或更小、约100微米或更小、约75微米或更小、约50微米或更小）的宽度。 在一些实施方案中，进口通道（102)具有至少约1微米（例如，至少约5微米、至少约10微 米、至少约15微米、至少约20微米、至少约25微米、至少约50微米、至少约75微米、至少 约100微米、至少约150微米、至少约200微米、至少约250微米、至少约300微米、至少约 400微米、至少约500微米、至少约600微米、至少约700微米、至少约750微米、至少约800 微米、至少约900微米或至少约1000微米）的宽度。
[0037] 进口通道（102)可以具有范围从上文描述的任意最小尺寸至任意最大尺寸的宽 度。例如，进口通道（102)可以具有范围从约1000微米至约1微米（例如，从约750微米 至约5微米、从约500微米至约10微米、从约250微米至约20微米或从约150微米至约25 微米）的宽度。
[0038] 在一些实施方案中，进口通道（102)具有约50微米或更小（例如，约45微米或更 小、约40微米或更小、约35微米或更小、约30微米或更小、约25微米或更小、约20微米或 更小、约15微米或更小、约10微米或更小、约9微米或更小、约8微米或更小、约7. 5微米 或更小、约7微米或更小、约6微米或更小、约5微米或更小、约4微米或更小、约3微米或 更小、约2. 5微米或更小或约2微米或更小）的高度。在一些实施方案中，进口通道（102) 具有至少约1微米（例如，至少约2微米、至少约2. 5微米、至少约3微米、至少约4微米、 至少约5微米、至少约6微米、至少约7微米、至少约7. 5微米、至少约8微米、至少约9微 米、至少约10微米、至少约15微米、至少约20微米、至少约25微米、至少约30微米、至少 约35微米、至少约40微米或至少约45微米）的高度。
[0039] 进口通道（102)可以具有范围从上文描述的任意最小尺寸至任意最大尺寸的高 度。例如，进口通道（102)可以具有范围从约50微米至约1微米（例如，从约45微米至约 1微米、从约40微米至约1微米、从约35微米至约1微米、从约30微米至约1微米、从约 25微米至约1微米或从约20微米至约1微米）的高度。
[0040] 在一些实施方案中，稀释出口通道（104)具有约500微米或更小（例如，约450微 米或更小、约400微米或更小、约350微米或更小、约300微米或更小、约250微米或更小、 约200微米或更小、约150微米或更小、约125微米或更小、约100微米或更小、约75微米 或更小、约50微米或更小、约25微米或更小、约20微米或更小、约15微米或更小、约10微 米或更小、约5微米或更小或约1微米或更小）的宽度。在一些实施方案中，稀释出口通道 (1〇4)具有至少约0. 5微米（例如，至少约1微米、至少约2. 5微米、至少约5微米、至少约 10微米、至少约15微米、至少约20微米、至少约25微米、至少约50微米、至少约75微米、 至少约100微米、至少约150微米、至少约200微米、至少约250微米、至少约300微米、至 少约400微米或至少约450微米）的宽度。
[0041] 稀释出口通道（104)可以具有范围从上文描述的任意最小尺寸至任意最大尺寸 的宽度。例如，稀释出口通道（104)可以具有范围从约500微米至约0. 5微米（例如，从约 400微米至约1微米、从约250微米至约1微米、从约150微米至约5微米或从约80微米至 约10微米）的宽度。
[0042] 在一些实施方案中，稀释出口通道（104)具有约50微米或更小（例如，约45微米 或更小、约40微米或更小、约35微米或更小、约30微米或更小、约25微米或更小、约20微 米或更小、约15微米或更小、约10微米或更小、约9微米或更小、约8微米或更小、约7. 5微 米或更小、约7微米或更小、约6微米或更小、约5微米或更小、约4微米或更小、约3微米 或更小、约2. 5微米或更小或约2微米或更小）的高度。在一些实施方案中，稀释出口通道 (1〇4)具有至少约1微米（例如，至少约2微米、至少约2. 5微米、至少约3微米、至少约4 微米、至少约5微米、至少约6微米、至少约7微米、至少约7. 5微米、至少约8微米、至少约 9微米、至少约10微米、至少约15微米、至少约20微米、至少约25微米、至少约3