用于电化学分离的流量分配器的制造方法
【专利说明】用于电化学分离的流量分配器
[0001] 本公开的领域
[0002] 一些方面一般设及电化学分离，并且具体地设及用于电化学分离系统的流量分配 器。
【发明内容】
[0003] 根据一个或多个方面，用于电化学分离的流量分配器可W包括被配置成将流体传 送到电化学分离装置中的至少一个隔室或从电化学分离装置中的至少一个隔室传送流体 的多个竖直通道、与多个竖直通道流体连通且与和电化学分离装置相关联的流体歧管流体 连通的多个水平通道，W及布置在多个竖直通道和多个水平通道之间的交叉点处W限定在 流体歧管和电化学分离装置之间的迷宫流动路径多个挡板。
[0004] 根据一个或多个方面，用于电化学分离的模块化流量分配器可W包括限定被配置 成将流体传送到电化学分离装置中的至少一个隔室或从电化学分离装置中的至少一个隔 室传送流体的多个竖直通道的第一部件、W及限定多个水平通道并且包括多个挡板的第二 部件，该第二部件被配置成与第一部件配对使得挡板与多个竖直通道和多个水平通道被布 置为在电化学分离装置和流体歧管之间形成迷宫流动路径。
[0005] 根据一个或多个方面，模块化电化学分离单元可W包括限定多个交替的离子耗尽 隔室和离子提浓隔室的电池堆、围绕电池堆并且包括被配置成有利于流体流动通过该电池 堆的歧管系统的框架，W及至少部分被定位在该框架内的流量分配器，该流量分配器限定 在歧管系统和电池堆之间的迷宫流动路径，W促进均匀的流体流量分布，并且减少在电池 堆内的电流损失。
[0006] 另外其他的方面、实施例W及运些示例性方面和实施例的优点将在下面详细讨 论。本文公开的实施例可W和其它实施例W任何符合本文公开的原理中的至少一项的方式 组合在一起，并且对于"实施例"、"一些实施例"、"替代性实施例"、"多个实施例"、"一个实 施例"等不必互相排斥，并且旨在指示所描述的具体特征、结构或特性可W包括在至少一个 实施例中。本文出现的运些术语不必全部都指代相同的实施例。
[0007] 附图的简要说明
[0008]W下参考附图讨论了至少一个实施例的多个方面，运些附图不旨在按比例绘制。 该附图被包括在内，W便提供对于各种方面和实施例的阐述W及进一步的理解，并且该附 图被并入本说明书中且构成本说明书的一部份，但是并不旨在作为本发明的限制的定义。 在附图、具体说明书或任一项权利要求中的技术特征都后跟参考标号的情况下，引入运些 参考标号的唯一目的是提高附图和说明书的可理解性。在附图中，在各图中示出的每个相 同的或近似相同的部件用相同的数字来表示。为了清楚起见，并非在每张附图中把每个部 件都标注出来。在附图中：
[0009] 图1是根据一个或多个实施例的在一体化结构的框架中的电池对的堆的示意图；
[0010] 图2是根据一个或多个实施例的图1中的A-A剖面的示意图；
[0011] 图3是根据一个或多个实施例的邸装置的分解图的示意图；
[0012] 图4是根据一个或多个实施例的在邸装置中的电池和膜的布置的示意图；
[0013] 图5是根据一个或多个实施例的具有圆柱形外部形状的框架的示意图；
[0014] 图6是根据一个或多个实施例的在具有模制端板的圆柱形容器中的邸装置的示 意图；
[0015] 图7是根据一个或多个实施例的流动经过电池对的堆的示意图；
[0016] 图8是根据一个或多个实施例的具有待安装的插入物的框架的示意图；
[0017] 图9和图10呈现了根据一个或多个实施例的流动经过模块化框架歧管的示意 图；
[0018] 图11呈现了根据一个或多个实施例的被构造成装配到正方形模块框架的流量分 配器的示意图；
[0019] 图12呈现了根据一个或多个实施例的被构造成装配到具有圆形边缘的模块框架 的流量分配器的示意图；
[0020] 图13呈现了根据一个或多个实施例的由=部分组装的具有内部迷宫路径的流量 分配器的示意图；
[0021] 图13A呈现了根据一个或多个实施例的在图13中示出的流量分配器的替代性视 图；
[0022] 图13B呈现了根据一个或多个实施例的在图13A中示出的视图的特写示意图；
[0023] 图14呈现了根据一个或多个实施例的具有内部迷宫路径的流量分配器的正面分 解图；
[0024] 图14A呈现了根据一个或多个实施例的在图14中示出的流量分配器的替代性视 图；
[0025] 图15呈现了根据一个或多个实施例的图14的部分1的后视图； 阳0%] 图16、图17和图17A呈现了根据一个或多个实施例的迷宫流动路径的示意图；
[0027] 图18呈现了根据一个或多个实施例的具有成角狭槽的流量分配器插入物的正面 分解图；
[00測图19呈现了根据一个或多个实施例的在邸装置中的传送过程的示意图；化及
[0029] 图20呈现了根据一个或多个实施例的邸装置的电路图。
【具体实施方式】
[0030] 根据一个或多个实施例，电化学分离系统和方法可W通过用于在各种处理过程中 的应用的总柔初性和提高的效率来进行表征。电化学分离系统通常可W是如本文所述的模 块化的。在一些实施例中，诸如错流电渗析巧D)装置的错流电化学分离装置可W实施作为 对于传统板框式（plate-and-化ame)装置的替代。在一些实施例中，在错流电化学分离装 置中的电流低效率可W被降低。在至少某些实施例中，由于电流旁路通过入口和出口歧管 所导致的电流低效率可W被解决。能量消耗和膜需求量也会降低，运两者都会影响在各种 应用中的生命周期成本。在一些实施例中，可W实现至少85%的膜利用率。在一些具体的 实施例中，错流邸装置的处理效率可W被显著提高。在一些具体的实施例中，电化学分离 工艺的效率可W被改善W用于淡盐水、海水和盐水（诸如来自石油和天然气生产）的淡化。 在至少一些实施例中，与作为用于淡化的主要技术的RO相比，ED的成本竞争性可W提高。
[0031] 用于使用电场净化流体的装置通常用于处理含有溶解的离子物质的水和其他流 体。用运种方式处理水的两种类型的装置是电去离子和电渗析装置。在运些装置内的是被 离子选择膜隔开的浓缩和稀释隔室。电渗析装置通常包括交替的电活性半渗透的阴离子和 阳离子交换膜。在膜之间的空间被构造成产生具有入口和出口的流体流动隔室。经由电极 施加的外加电场导致溶解的离子，其被吸引到它们各自的对电极，W迁移通过阴离子和阳 离子交换膜。运一般导致稀释隔室的液体离子被耗尽，W及在提浓隔室中的液体富集有转 移的离子。
[0032] 电去离子脚I)是使用影响离子传输的电势和电活性介质从水中移除或至少减 少一种或多种离子化或可离子化的物质的过程。电活性介质通常用来交替地收集并排放 离子的和/或可离子化的物质，并且在一些情况下，用来通过离子或电子取代反应机制 (substitutionmechanism)促进离子的传输，运可W是连续的。EDI装置可W包括永久或暂 时电荷的电化学活性介质，并且可W分批地、间歇地、连续地，和/或甚至反极性模式来运 行。EDI装置可W被操作W促进一个或多个专口设计来实现或增强性能的电化学反应。另 夕F，此类电化学装置可W包括电活性膜，诸如半渗透的或选择渗透的离子交换膜或双极性 膜。连续电去离子（C邸I)装置是本领域技术人员已知的邸I装置，其W运样的方式运行， 在该方式中，水的净化可持续地进行，同时持续地补充离子交换材料。CEDI技术可W包括诸 如连续去离子、填充池电渗析或电透析（electrodiaresis)等工艺。在CEDI系统中，在受 控的电压和盐度的条件下，水分子可被分裂W产生氨或水合氨离子或物质W及氨氧化物或 氨氧离子或物质，它们可在装置中使离子交换介质再生并由此促进从其中被俘获的物质的 释放。W运种方式，可连续地净化待处理的水流，而无需离子交换树脂的化学再填充。
[003引除了邸装置在膜间通常不包含电活性介质之外，电渗析巧D)装置W与CEDI相似 的原理运行。由于没有电活性介质，邸的运行由于升高的电阻可能在低盐度的给水中受阻。 而且，因为在高盐度的给水中邸的运行能够导致升高的电流消耗，所W迄今为止，邸设备 在中等盐度的水源水下使用最有效。在基于邸的系统中，因为没有电活性介质，所W分解 水的效率低，并且通常避免在运种方式下运行。
[0034] 在CEDI和邸装置中，多个相邻的电池或隔室通常通过选择性渗透膜分隔，运些选 择性渗透膜允许带正电的或者带负电的物质通过，但通常不允许两者都通过。在此类装置 中，稀释隔室或耗尽隔室通常与提浓隔室或浓缩隔室相互间隔。在一些实施例中，电池对可 W指一对相邻的提浓隔室和稀释隔室。当水流经耗尽隔室时，离子和其它带电物质通常在 电场（诸如DC场）的影响下被吸入提浓隔室。带正电的物质被吸向阴极，阴极通常位于多 个稀释隔室和浓缩隔室的一堆的一端，并且带负电的物质类似地被吸向此类装置的阳极， 阳极通常位于隔室的堆的另一端。电极通常容纳在电解液隔室内，其通常部分地和与耗尽 隔室和/或浓缩隔室流体连通的隔离。一旦在浓缩隔室中，带电物质通常被至少部分地限 定浓缩隔室的选择性渗透膜的屏障所俘获。例如，通过阳离子选择膜，通常可防止阴离子进 一步向着阴极迁移出浓缩隔室外。一旦在提浓隔室中被捕获，被俘获的带电物质能够在浓 缩流中被去除。
[00对在CEDI和邸装置中，通常从施加于电极（阳极或正极，化及阴极或负电极）的电 压源和电流源给运些电池施加DC电场。电压源和电流源（统称"电源"）本身可由多种手 段来供电，诸如AC电源，或例如源自太阳能、风能或波能的电源。在电极/液体界面处，发生 了电化学半电池反应，其启动和/或促进了离子穿过膜和隔室的传输。在容纳电极组件的 专用隔室中，通过盐的浓度可在一定程度上控制电极/界面处发生的特定电化学反应。例 如，至氯化钢含量高的阳极电解液隔室的供应物将趋于产生氯气和氨离子，而至阴极电解 液隔室的运种供应物将趋于产生氨气和氨氧离子。一般来讲，在阳极隔室所产生的氨离子 将与诸如氯离子的自由阴离子相关联，W保持电荷中性并生成盐酸溶液，并且类似地，在阴 极隔室所产生的氨氧离子将与诸如钢的自由阳离子相关联，W保持电荷中性并生成氨氧化 钢溶液。电极隔室的反应产物，诸如产生的氯气和氨氧化钢，可W根据需要在工艺中进行使 用，W用于消毒目的、用于膜清洗和除污的目的化及用于抑调整的目的。
[0036] 板框式W及螺旋盘绕设计已经被用于各种类型的电化学去离子装置，包括但不限 于电渗析巧D)装置和电去离子（EDI)装置。市售可得的ED装置通常是板框式设计，而EDI 装置可用于板框式和螺旋构造二者。一个或多个实施例设及可W电净化流体的装置。待净 化的液体或其他流体进入净化装置，并且在电场的影响下被处理W产生离子耗尽的液体。 来自进入液体的物质被收集W产生离子提浓的液体。
[0037] 根据一个或多个实施例，电化学分离系统或装置可W是模块化的。每一个模块化 单元一般可W用作总电化学分离系统的子块。模块化单元可W包括任何期望数量的电池 对。在一些实施例中，每模块化单元的电池对的数量可W取决于在该分离装置中的电池对 和通道的总数。它还可取决于当测试交叉泄漏和其他性能标准时，W可接受的故障率热粘 合并灌封入框架内的电池对的数量。该数量可W基于制造工艺的统计分析，并且可W随工 艺控制改善而增加。在一些非限制性实施例中，模块化单元可W包括约50个电池对。模块 化单元可单独组装和质量控制测试，诸如泄漏、分离性能和被并入更大的系统中之前的压 降。在一些实施例中，电池堆可W被安装在框架中作为可W被独立测试的模块化单元。然 后多个模块化单元可W被组装在一起，W提供在电化学分离装置中的电池对的总的预期的 数量。在一些实施例中，组装方法一般可W包括将第一模块化单元放置在第二模块化单元 上，将第=模块化单元放置在第一和第二模块化单元上，并且重复W获得多个期望数量的 模块化单元。在一些实施例中，组装或单个的模块化单元可W被插入用于操作的压力容器 中。多通道流动构造可能在模