用于净化流体的装置和通过其净化流体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据各独立权利要求的前序部分的用于净化流体的装置以及特别地借助于前述装置的用于净化流体的方法。
[0002]更详细地说，根据本发明的装置和方法意在有利地用于从流体中去除电离粒子，以利于将这样的粒子回收或者去除的目的。这些粒子典型地可以由溶解在液体中的盐离子构成，或者由例如工业处理流体的金属离子构成，或者由可极化的有机质构成。
[0003]本装置可以意在用于工业和民用领域二者的多种应用，如海水的淡化、水质特别硬的硬水的软化、从水中去除盐(如氯化物和硫酸盐)以及从任何液体中去除例如硝酸盐、亚硝酸盐、氨、重金属、有机质(不论是具备本征电荷还是由于在有机质中存在感生电偶极子的电场而易于极化)或通常的微量污染物，或者用于例如工业处理的流体的去离子化，或者用于将难以处置或者利于回收的污染物质进行浓缩以备重新使用。
[0004]也可以将本装置即本发明的目的合并在机器中，特别是合并在供家庭使用的机器中。在这种情况下，本装置将使得能够净化用于这种机器的水，从而使这种机器能够更好地实现其被使用的功能；这样的功能例如可以包括生产饮料、清洗餐具、衣服等。
[0005]因此，本发明通常被插入生产用于从流体中去除电离粒子的装置的工业领域中。
【背景技术】
[0006]已知利用电容去离子的原理从流体中去除电离粒子的用于净化流体的装置。这样的装置包括至少一个由液流式电容器的组件组成的单元；该单元更具体而言由多个叠加的电极形成，使得待净化的液体在所述多个叠加的电极之间流过。这些电极彼此面对，并由直流供电单元以相反的极性充电。
[0007]操作上，这样的已知装置提供操作步骤和再生步骤的交替，在操作步骤中，流体中存在的离子在相对的电极上被捕获，在再生步骤中，借助于清洗流体将累积在电极上的离子去除。
[0008]液流式电容器的电极静电地吸附和释放离子电荷污染物并且主动参与待处理液体的去离子的处理。
[0009]电极也通常由例如由石墨制成的集电器供给，并且它们由导电的多孔材料(例如，通常由碳制成)制成，以在其表面上吸附大量的电离粒子。
[0010]例如在专利US 6，413，409和US 5，360, 540中描述了以上指出的已知类型的液流式电容器。
[0011]参照电极与离子之间的相互作用将前述用于单元的操作步骤和再生步骤翻译成下述操作步骤:
[0012]-用于吸附在被供给相反的电压的电极的碳的多孔表面上的离子的步骤；该步骤耗费的能量与被捕获的离子的数量成正比；
[0013]-从电极的碳静电释放离子，为电极提供先前吸收的电荷量，以便通过离子中和静电引力的步骤；
[0014]-借助于以相反极性对这些离子充电，将不再静电结合的离子移到多孔电极外部，随后可以借助于清洗液体的流过从单元去除这些离子的步骤。
[0015]已经在实践中证明市场上存在的根据上述循环重复的操作步骤的利用电容去离子原理的具有液流式电容的装置有许多缺点。
[0016]第一个缺点在于以下事实:具有液流式电容器的装置有间歇，并且因此具有不连续的操作，这就对其生产效率/输出产生强烈的负面影响。这样的缺点是这样的装置的操作原理本身固有的，导致单元在其操作的50%至75%之间的变化的时间中净化流体，原因在于需要使电极经受以上指出的不同步骤，以在不同的时间和模式下对离子进行操作(吸附离子、中和离子、将离子移走)。
[0017]另外，操作步骤和再生步骤的交替造成了不能被利用的稀释流体的队列，从而进一步加剧了对单元性能的负面影响。
[0018]第二个缺点在于以下事实:在单元内，随着随后盐的沉淀而可以达到高盐度浓缩，从而形成积垢。在具有液流式电容器的单元中普遍存在的问题确实涉及需要防止从电容器的电极间析出溶质，阻碍流体流过通道，从而使该单元长期看来变得无用。
[0019]还必须考虑电极捕获溶液中的离子的容量，并且更一般地说，带电粒子正面影响电容器的操作的特性。然而，在操作步骤中已经被电极捕获的离子必须易于在再生步骤的清洗液体的流动中释放。
[0020]为了这样的目的，开发了电极的大量不同的实施方式，这些实施方式旨在改变上述操作步骤(吸附、释放、移走)时尝试使相同电极的表面与待处理的离子之间的物理和电关系最优化。例如，电极已被设计成由海绵状活性炭制成，被成型为如例如在专利US 6，413，409中描述的片或纤维的形式，或者如例如在专利US 6，413，409中描述的包括PTFE(聚四氟乙烯)的混合物的片的形式。
[0021]然而，清楚的是，不是所有获得的电极都可以具有最佳的效率，因为总是需要对首先保持离子然后释放离子的相反需求进行平衡，在该处理中进行折衷。
[0022]已知利用电渗析的原理从流体中去除电离粒子的用于净化流体的装置。通过渗析，可以通过穿过阴离子和阳离子型的选择性渗透膜来获得溶解在溶液内的溶质的正负离子的分呙。
[0023]为了加速而非减慢渗析现象，通常借助于向电极施加正电来建立直流电位差，从而刺激离子朝着具有与其自身相反的电荷的电极迀移。
[0024]更详细地说，这些用于借助于电渗析来净化流体的装置包括交替地对阳离子和阴离子半渗透的膜序列。这样的膜限定了平行的室；使待净化的水溶液穿过这些室。在该膜序列的末端施加电位差。因此，离子朝向具有相反极性的电极迀移，形成盐浓缩室和盐稀释室。换句话说，由于膜的布置相对于其倾向而交替，使得离子能够迀移，随后在下述室中变得稳定:电解质陷阱室和净化溶液(例如水)室。
[0025]由此电渗析基于施加能够强制离子成分分别穿过离子选择性膜和不透水膜的直流电场。
[0026]电渗析装置的第一个缺点在于:为了防止半渗透膜被离子污染，必须使用大量的权宜之计，这些权宜之计可以提供过滤系统、使用化学试剂、以及在电渗析装置的操作中的临时修改，如极性反转。所有这些权宜之计使装置及其操作方法复杂，不是很实用，因此需要高成本的维护。
[0027]电渗析装置的第二个缺点在于它们不适合于处理具有低盐度，因此确定待净化流体的电导率低的流体。
[0028]除此以外，已知在电极上布置涂料，该涂料能够使正离子或负离子选择性地通过。
[0029]已知利用电去离子的原理从流体中去除电离粒子的净化流体的装置。在专利W000/44477、W02012/170192、JP 2003145164、TO 2005/011849、US 2012/031763 中描述的这样的装置包括至少一个离子吸附单元，该离子吸附单元被含电离粒子的待处理流体穿过，该离子吸附单元设置有容置结构，该容置结构限定待处理流体流过的至少一个第一操作室，并且该容置结构设置有第一壁，该第一壁具有相关联的设置有第一极性的第一电极，该容置结构限定待处理流体流过的至少一个第二操作室，并且该容置结构设置有第二壁，该第二壁具有相关联的设置有与第一极性相反的第二极性的第二电极，该容置结构限定至少一个第一室，该第一室用于排出介于第一操作室与第二操作室之间的电离粒子，清洗流体流过该第一室，并且该容置结构设置有彼此相对的第三壁和第四壁。
[0030]此外，第三壁和第四壁沿着第一壁和第二壁分别对第一操作室和第二操作室划界。第三壁和第四壁各自具有至少一个相关联的离子选择性区域，该区域易于由第一操作室和第二操作室中包含的具有相应的极性的电离粒子穿过，这些电离粒子在由电极产生的电场的作用下从第一操作室和第二操作室到达第一排出室。
[0031]根据上述现有装置，在第三壁与第四壁之间的第一排出室中总是存在电场，该电场作用于电离粒子，将电离粒子推出，以这种方式降低了待处理的流体的净化的效率。
[0032]参照在专利US 2012/031763中描述的装置，该专利指出，在具有相反极性的两个电极之间以地电位设置有中间电极。这样的电极不会降低具有相反极性的电极间的电场，并且在待处理流体流动的情况下以及在电场保持基本上恒定的电位值的情况下不限定任何体积。这样的装置具有与上述其他装置相同的限制。
【发明内容】
[0033]因此，在这种情况下，本发明的问题是:通过提供能够以高捕获效率去除大量的电离粒子的用于净化流体的装置以及特别地借助于上述装置的用于净化流体的方法，来消除现有技术中的上述问题。
[0034]本发明的另一个目的是提供一种能够以高能效去除电离粒子的用于净化流体的装置和方法。
[0035]本发明的另一个目的是提供一种能够以高能效/高输出去除电离粒子的用于净化流体的装置和方法。
[0036]本发明的另一个目的是提供一种能够净化被不同离子种类的盐污染的流体的用于净化流体的装置和方法。
[0037]本发明的另一个目的是提供一种清洗液体消耗低的用于净化流体的装置和方法。
[0038]本发明的另一个目的是提供一种简单且廉价地获得并且操作上完全可靠的用于净化流体的装置。
[0039]本发明的另一个目的是提供一种用于净化流体的装置，该装置使得能够在不同的应用中以通用的方式被采用，用于工业处理以及家庭使用的机器，用于水净化的民用领域的工厂中以及用于海水淡化的工厂中。
【附图说明】
[0040]根据前述目的的研究结果的技术特性在以下指示的权利要求书的内容中清楚地找到，并且根据参照附图进行的以下详细描述，其优势将更清楚，附图表示本发明的若干仅例示性的且非限制性的实施方式，在附图中:
[0041]图1以其最小结构部件示意性地示出了作为本发明的目的的用于净化流体的装置；
[0042]图2示出了作为本发明的目的的用于净化流体的装置的总体电和液压操作方案；
[0043]图3A和图3B以两个横截面图不意性地不出了根据第一实施方式的在两个不同操作时刻的作为本发明的目的的用于净化流体的装置的单元的一部分；
[0044]图4以横截面图示意性地示出了根据一个实施方式的作为本发明的目的的用于净化流体的装置的单元的一部分；
[0045]图5示出了图4的示例的第一实施方式变型；
[0046]图6以透视图示意性地示出了根据其中基础层或基础单元连续地重复的图5的实施方式的用于净化流体的装置；
[0047]图7、图8、图9和图10示出了图3A和图3B的示例的若干实施方式变型；
[0048]图11以横截面图示意性地示出了根据其中基础层或基础单元连续地重复的图3A和图3B的实施方式的用于净化流体的装置；
[0049]图12以透视图示意性地示出了图11的用于净化流体的装置的单元的一部分。
【具体实施方式】
[0050]参照附图的集合，附图标记1 一般指示作为本发明的目的的用于净化流体的装置的实施方式。
[0051]根据本发明的装置1适于被采用以移除存在于流体中的电离粒子，这样的粒子易于被电场的存在所影响，例如溶液中的离子。
[0052]在下文中，术语电离粒子将一般指示能够被静电场吸引的、溶解在待被处理的流体F1中的任何污染物，特别地例如溶解在流体中的离子。
[0053]因此，电离粒子将不仅包括诸如盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨和重金属的溶解的离子，并且将包括无论是设置有本征电荷还是易于(如下文所指示的)由于存在的电场而导致极化的一般有机物质或微量污染物物质，其中由于存在的电场而导致的极化弓I起物质本身中的电偶极子。
[0054]因此，装置1适于操作用于工业处理流体的去离子以及用于水的去离子，特别是用于使供水系统的水软化以及用于海水的脱盐；装置1特别能够从其内部移除溶液中的盐(例如氯化物和硫酸盐)、硝酸盐、亚硝酸盐、氨以及有