专利名称：去离子装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种去除流体(液体和气体)中的离子组分的去离子装置和 一种控制该去离子装置的方法，更具体地讲，涉及一种在离子被吸附到电极 后迅速并有效地解吸离子的去离子装置和一种控制该去离子装置的方法。
背景技术：
水，更具体地讲，地下水包含大量的诸如钙和镁的矿物质。表示钙和镁 的总量的数值称为硬度。具有高硬度的水称为硬水，具有低硬度的水称为软水。
如果在诸如洗衣机或洗碗机的电子设备中4吏用硬水(即具有高硬度的 水)，则由于硬水与洗涤剂反应导致去污力劣化。此外，由于大量的水垢堆积 在水流的通道中，因此产品的可靠性劣化。
为解决这种问题，传统上提出了一种使用离子交换树脂的软水机。
使用离子交换树脂的软水机将水软化，其中，包含在水中的硬水组分Ca2+ 离子和Mg"离子与从注入到离子交换树脂中的NaCl得到的Na+进行交换。 使用离子交换树脂的这种软水机的缺点在于要定期注入NaCl,且由于水中包 含的杂质导致要更换离子交换树脂。由于使用离子交换树脂的方法在再生树 脂时要使用酸溶液或碱溶液，且使用大量的聚合物树脂和化学品来处理大量 的水，因此这种方法是不经济的。
近来，为解决这种问题，对电容去离子(以下称为CDI)技术的研究正 活跃地进行着。
CDI技术是基于简单的原理实现的，所述原理为将电施加到两个多孔的 电极以将阴离子电吸附到正极并将阳离子电吸附到负极，从而去除包含在诸 如水的流体中的离子。此外，如果电极对离子的吸附达到饱和，则将电极极 性反转，或断开电源，从而被吸附到电极的离子脱离(解吸)，从而帮助电极 再生(regeneration )。因为CDI技术不像在离子交换树脂方法或反渗透方法 中那样使用诸如酸溶液或碱溶液的清洁溶液来再生电极，因此不产生二次化学废物。此外，由于不发生电极的腐蚀或污染，因此电极的使用期限是半永
久性的。此外，由于CDI技术具有比其它处理方法的能源效率高的能源效率， 因此，节约的能量是其它处理方法的10倍到20倍。
图1是示出普通CDI技术的单位单元的结构的示图。如果向单位单元10 的具有平行的两个电极11和12 (碳电极)的集流体13^是供DC电源20，则 阴离子被电吸附到正极11，阳离子被电吸附到负极12，从而去除流体(液体 和气体)中的离子。
图2是通过模拟图1的电源连接而得到的电路图。通过串联两个电容C1 和C2来模拟平行的两个电极11和12。可以用电容Cp[Cp=Cl.C2/(Cl+C2)] 表示两个电容C1和C2。 Rp表示导线的寄生电阻、集流体13的寄生电阻或 接触电阻的寄生电阻的总和。
CDI技术具有与离子交换树脂方法的处理容量相比相对低的处理容量。 然而，为解决此问题，如图3所示，通过并联连接若干个单位单元IO来构造 CDI组(stack) 100，从而在引入硬水时，吸附包含在水中的大量的离子。因 此，增加了处理得到的软水的量。
图4是通过才莫拟图3的电源连接而得到的电^各图。Cpl、 Cp2、 Cp3、... 表示对应CDI单元10的电容，Ct(Ct=Cpl+Cp2+Cp3+...)表示包括若干CDI 单元10的CDI组100的总电容。
图5是通过模拟包括至少两个CDI组的传统CDI装置的电源连接而得到 的电路图。Ctl、 Ct2、 Ct3、…表示对应的CDI组100的电容，Cs (Cs=Ctl+Ct2+Ct3+...)表示包括所述至少两个CDI组100的所述CDI装置 的总电容。
如果离子被图4的CDI组100或图5的CDI装置吸附(离子吸附模式)， 则开关连接到节点A，从而将DC电源20提供给CDI单元10和CDI组100。 当引入硬水时，在Cp、 Ct和Cs被充电的同时，离子被吸附到电极11和电极 12上。这样，水被软化。相反地，如果离子被解吸(离子解吸模式)，则开 关连接到节点B。然后，在由DC电源20的电压充电了的Cp、 Ct和Cs通过 Rp放电的同时，吸附到电极11和电极12上的离子被解吸且与水一起排出。 这样，电极11和电才及12再生。
如果在离子解吸模式中开关连接到节点B，则Cp、 Ct和Cs通过Rp放 电。此时，用等式1计算》文电电压Vc(t)。等式l
Vc(t) /T
其中，Vc(t)表示根据时间t的放电电压，Vi表示初始充电电压，Rp表示 电阻分量，Cs表示CDI装置的总电容，e为2.71828, t表示时间常数(Rp'Cs)。
随着CDI单元10或CDI组100的数量增加，总电容Cs (并联电连接的 电容的总和)增加(Csl<Cs2<Cs3)。此外，如图6所示，随着处理容量增加， 放电时间增加。因此，在CDI装置中，在将离子吸附到电极11和电极12之 后解吸离子消耗的时间增加。如果离子解吸的时间增加，则应排出的水量增 加，因此水的浪费增加。因此，对CDI装置来说，在增加处理容量的同时， 需要最小化水的浪费。
发明内容
因此，本发明的一方面提供了一种电学构造以在包括至少两个组的CDI 装置中快速且有效地解吸吸附到的电极上的离子，并提供了 一种所述构造的 再生方法。
本发明的另外的方面和/或优点将在随后的描述中部分地阐述，本发明的 另外的方面和/或优点的一部分从描述中将是清楚的，或可以通过本发明的实 践学到。
根据本发明，可以通过提供一种去离子装置来实现上述和/或其它方面， 所述装置包括多个组，所述多个组包括电极，包含在流体中的离子被吸附 到所述电极上；电路单元，将所述多个组的至少一部分并if关或串联连接；切 换单元，将所述多个组的至少一部分切换为串联连接或并Jf关连接。
在离子吸附模式中，切换单元可以被控制为将所述多个组并联连接，在 离子解吸模式中，切换单元可以被控制为将所述多个组的所述至少一部分串 联连接。
所述去离子装置还可以包括用于向所述多个组供电的电源单元，所述切 换单元还可以包括用于切换连接在电源单元和所述多个组之间的电源线的开 关。
在离子吸附模式中，切换单元可以被控制为向所述多个组供电，在离子 解吸模式中，切换单元可以^皮控制为将电源与所述多个组断开。
在离子解吸模式中，切换单元可以被控制为将所述多个组串联连接，在离子吸附模式中，切换单元可以被控制为将所述多个组的一部分并联连接， 并将所述多个组的剩余部分串联连接。
每个组可以通过连接包括所述电极的多个单元而得到，且每个组可以包 括用于将所述多个单元的至少一部分并联或串联连接的电^^单元，所述切换 单元可以包括用于将所述多个单元的所述至少一部分切换为串^:连4妄或并联 连接的开关。
在离子吸附模式中，切换单元可以被控制为将所述多个单元并联连接。 在离子解吸模式中，切换单元可以被控制为将所述多个单元串联连接。 在离子吸附模式中，切换单元可以被控制为将所述多个单元的一部分并 联连接并将所述多个单元的剩余部分串联连接。
根据本发明的一方面，提供了一种去离子装置，该去离子装置包括多
个单元，所述多个单元包括电极，包含在流体中的离子被吸附到所述电极上； 电路单元，将多个单元的至少一部分并联连接或串耳关连接；切换单元，将所 述多个单元的至少一部分切换为串联连接或并联连接。
在离子吸附模式中，切换单元可以被控制为将所述多个单元并联连接， 在离子解吸模式中，切换单元可以被控制为将所述多个单元串联连接。
在离子解吸模式中，切换单元可以被控制为将所述多个单元串联连接。
在离子吸附模式中，切换单元可以被控制为将所述多个单元的一部分并 联连接并将所述多个单元的剩余部分串联连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制包括多个组的去离子装置的方 法，所述方法包括如下步骤在离子吸附模式中将所述多个组并联连接；在 离子解吸模式中，将所述多个组的至少一部分串^f关连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制包括多个单元的去离子装置的 方法，所述方法包括如下步骤在离子吸附模式中将所述多个单元并联连接； 在离子解吸模式中，将所述多个单元的至少一部分串联连接。
通过下面结合附图对实施例的描述，本发明的这些和/或其它方面和优点 将变得清楚并更容易理解，附图中
图1是示出普通CDI技术的单位单元的结构的实施例的示图； 图2示出了通过模拟图1的电源连接而得到的电路图的实施例；图3是示出通过连接若干个图1的单位单元而得到的CDI组的结构的实 施例的示图4是通过模拟图3的电源连接而得到的电路图5是通过^t拟传统CDI装置的的电源连接而得到的电路图6是示出传统CDI装置的放电时间根据总电容Cs的曲线图7是根据本发明实施例的通过模拟CDI装置的电源连接而得到的电路
图8是示出根据本发明实施例的开关操作根据CDI装置的模式的表； 图9是根据本发明实施例的处于离子吸附模式的CDI装置的电源连接状 态的电路图IO是根据本发明实施例的处于离子解吸模式的CDI装置的电源连接 状态的电路图11是通过模拟包括两个组的传统CDI装置的电源连接而得到的电路
图12是根据本发明实施例的通过模拟包括两个组的CDI装置的电源连 接而得到的电路图13是示出根据本发明实施例的CDI装置和传统CDI装置的根据放电 电压的放电时间之间的差异的曲线图14是示出根据本发明第一实施例的CDI装置和传统CDI装置的根据 导电率的放电时间之间的差异的曲线图15是根据本发明另一实施例的通过模拟包括六个组的CDI装置的电 源连接而得到的电路图16是示出根据本发明另一实施例的开关操作根据CDI装置的模式的表。
具体实施例方式
现在将具体描述本发明的实施例，本发明的示例示出在附图中，在附图 中，相同的标号始终表示相同的元件。以下，参照附图描述实施例来解释本 发明。
图7是根据本发明实施例的通过模拟CDI装置的电源连接而得到的电路 图。用相同的标号表示与传统部件相同的部件。在图7的根据本发明实施例的CDI装置中，连接了 n个CDI组100。 Ctl 、 Ct2、 Ct3、...表示对应的CDI组100的电容，Rpl和Rp2表示寄生电阻的和， SW1至SW6表示用于切换CDI装置的离子吸附模式和离子解吸模式的电源 连接的开关。
图8是根据本发明实施例的示出开关操作根据CDI装置的模式的表。根 据离子吸附模式和离子解吸模式切换开关SW1至SW6的操作，并根据所述 模式连接CDI装置的电源。
图9是根据本发明实施例的处于离子吸附模式的CDI装置的电源连接状 态的电路图。根据图8中示出的离子吸附模式中的开关SW1至SW6的操作，
与相应CDI组100对应的电容Ctl、 Ct2、 Ct3.....和Ctn并联连接，从而
增加了 CDI装置的总电容Cs ( Cs=Ctl+Ct2+Ct3+...+Ctn )。
图10是根据本发明实施例的处于离子解吸模式的CDI装置的电源连接 状态的电路图。根据图8中示出的离子解吸模式中的开关SW1至SW6的操
作，与相应CDI组100对应的电容Ctl、 Ct2、 Ct3.....和Ctn从并联连接
切换到串联连接，从而减小了 CDI装置的总电容Cs (1/Cs=l/Ctl+1/Ct2+1/Ct3+.. ,+l/Ctn )。
因此，由于缩短了将施加到CDI组100上的电压降低到0V的放电时间， 所以被吸附到电极11和电极12上的离子被快速且有效地解吸以快速地再生 电极11和电极12。因此，通过缩短放电时间可以减少水的浪费。
在根据本发明的实施例的CDI装置中，由于增加了 CDI组的数量并提高 了处理容量，所以更快速地得到再生效果。图11至图13示出了在包括两个 CDI组100的CDI装置中本发明和传统技术之间的差异。
图11是通过模拟包括两个组的传统CDI装置的电源连接而得到的电路 图。在离子吸附模式中，开关SW7连接到节点E,从而将DC电源20提供
时，在引入硬水时，离子被吸附到电极11和电极12上。这样，水被软化。 相反，在离子解吸模式(电极再生)中，开关SW7连接到节点F，同时通过 DC电源20的电压充了电的Ctl和Ct2通过Rp3放电，吸附到电极11和电极 12上的离子被解吸并与水一起排出。因此，电极11和电极12再生。当电极 11和电极12再生时，Ctl和Ct2并联连接，因此增大了 CDI装置的总电容 Cs ( Cs=Ctl+Ct2 )。图12是根据本发明第一实施例的通过冲莫拟包括两个组的CDI装置的电 源连接而得到的电路图。在离子吸附模式中，导通开关SW1，开关SW2连 接到节点C且开关SW3连接到节点A，从而将DC电源20提供给两个CDI 组100。然后，在Ctl和Ct2被充电的同时，当引入硬水时离子被吸附到电极 11和电极12。这样，水被软化。相反，在离子解吸模式(电极再生)中，开 关SW1断开，开关SW2连接到节点D且开关SW3连4妻到节点B。因此，在 通过DC电源20的电压充了电的Ctl和Ct2通过Rp3》史电的同时，^!附到电 极11和电极12上的离子被解吸并与水一起排出。这样，再生了电极ll和电 极12。在再生电极11和电极12时，Ctl和Ct2串耳关连接，因此，减小了 CDI 装置的总电容Cs ( 1/Cs=l/Ctl+1/Ct2)。
在图11和图12中，如果假定Rpl=Rp2=Rp3、 Ctl=Ct2、 CDI组的初始 充电电压为Vi以简化等式，则图11中示出的传统CDI装置的总电容Cs变为 2xCtl，图12中示出的根据本发明实施例的CDI装置的总电阻变为Ctl/2。
从而，根据等式1将电压降低到OV的放电时间示出在图13中。
等式l
Vc(t)=Vi.e-t/T
其中，Vc(t)表示根据时间t的放电电压，Vi表示初始充电电压，Rp(Rp 1 、 Rp2和Rp3)表示电阻分量，Cs表示CDI装置的总电容，e为2.71828， t表 示时间常数(Rp.Cs)。
图13是示出根据本发明实施例的CDI装置和传统CDI装置的放电电压 的放电时间之间的差异的曲线图。
在图13中，当电极11和电极12再生时，充在两个CDI组100中的电 压Vi随时间降低到OV。可以看出，用图11中示出的传统的再生方法将电压 降低到OV的时间为用在图12中示出的根据本发明实施例的再生方法的时间 的大约3倍。随着CDI组100的数量的增多，图11中示出的传统再生方法的 总电容Cs随CDI组100的数量逐渐增大到n x Ctl。然而，根据本发明实施 例的再生方法的总电容Cs随CDI组100的数量逐渐减小到Ctl/n。因此，在 放电时间可逐渐减少的同时，被吸附到电极11和电极12上的离子可以被快 速并有效地解吸。如果减少了离子解吸时间，则减少了要排出的水的量，因 此减少了水的浪费。因此，可以实现在提高处理容量的同时最小化水的浪费 的CDI装置。在根据本发明的实施例的CDI水处理装置中，在吸附离子并将软水送至 使用软水的地方后，解吸被吸附到电极11和电极12上的离子所消耗的再生 时间被减少的效果示出在图14中。
图14是示出根据本发明实施例的CDI装置和传统CDI装置的根据导电 率的放电时间之间的差异的曲线图。
在图14中，当水以预定流速(A升/分钟)流进CDI装置中时，将DC 电源20施加到平行的两个电极11和12，通过两个电极11和12的电容使包 含在硬水中的离子被吸附到电极11和电极12上，在导电率降低的同时，软 水排出至使用软水的地方。在离子解吸模式中，在离子在电极11和电极12 中饱和之前施加OV (短路)，充在CDI组100中的能量被释放，吸附到电极 11和电极12上的离子净皮解吸且与水一起排出到水分配侧。此时，充在CDI 组100中的能量释放得越快，离子从电极11和电极12被解吸得越快。因此， 放电时间非常重要。可以看出，由于根据本发明实施例的CDI装置和传统CDI 装置之间的技术差异，使得电极的再生时间可以缩短At。如果At为B分钟， 由于流速为A升/分钟，则在CDI装置的一个循环中节约AxB升水。如果运 行了总共1000个循环，则可以节约总共1000 x A x B升水。
因此，在根据本发明实施例的CDI装置中，随着CDI组100的数量的增 加，处理容量增加，电极再生时间减少。因此，可以节约大量的水。
以下，将描述本发明的另一实施例。
在根据本发明实施例的CDI装置中，因为通过将CDI组100串联连接而 增大初始充电电压Vi,所以可以卩吏用串if关或并联连4妄至少两个CDI组100的 电学构造。
图15是才艮据本发明实施例的通过模拟包括六个组的CDI装置的电源连 接而得到的电路图。Ctl、 Ct2、 Ct3、 Ct4、 Ct5和Ct6表示六个CDI组100 的电容，Rpl和Rp2表示寄生电阻的和，SWl至SW6表示用于切换在离子 吸附模式和离子解吸模式中的CDI装置的电源连接的开关。
图16是示出根据本发明实施例的开关操作根据CDI装置的模式的表。 根据离子吸附模式和离子解吸模式来切换开关SWl至SW6的操作，并根据 所述模式连接CDI装置的电源。
在图15的CDI装置中，在离子吸附模式中，开关SW1、 SW2和SW4 导通，开关SW3连接到节点A,开关SW5连接到节点C,开关SW6断开，从而DC电源20施加到所述六个CDI组100。然后，在Ctl、 Ct2、 Ct3、 Ct4、 Ct5和Ct6充电期间，当引入硬水时，离子被吸附到电极11和电极12上。这 样，水被软化。相反，在离子放电模式(电极再生)中，开关SW1、 SW2和 SW4断开，开关SW3连接到节点B，开关SW5连接到节点D,开关SW6 导通。因此，在通过DC电源20的电压充电了的Ctl、 Ct2、 Ct3、 Ct4、 Ct5 和Ct6经Rp2放电的同时，吸附到电极11和电极12上的离子被解吸并与水 一起排出。这样，电极11和电极12再生。当电极11和电极12再生时，Ctl、 Ct2、 Ct3、 Ct4、 Ct5和Ct6串联和并联连接，因此，CDI装置的总电容 Cs(l/Cs^/(Ctl+Ct2)+l/(Ct3+Ct4)+l/(Ct5+Ct6))相对于当所述组并联连接时的 总电容(Cs二Ctl十Ct2+ Ct3+ Ct4+ Ct5+ Ct6 )减小了 。此外，相对于组100串联 连接时的情况，初始充电电压Vi会减小。
根据开关操作，组100的一部分可以并联连接，或者根据开关操作，组 100的剩余部分可以串耳关连接。
在本发明的实施例中，尽管多个组100在串联连接和并联连接之间切换， 但本发明适用于连接构成一个组100的多个单元10的电路，或同时适用于连 接一个组100中的多个单元10的电路和连接多个组100的电^各。
尽管已经示出并描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理 解的是，在不脱离范围由权利要求及其等同物限定的本发明的原理和精神的 情况下，可以在这些实施例中作出改变。
权利要求
1、一种去离子装置，包括多个组，所述多个组包括电极，包含在流体中的离子被吸附到所述电极上；电路单元，将所述多个组的至少一部分并联或串联连接；切换单元，将所述多个组的所述至少一部分切换为串联连接或并联连接。
2、 如权利要求1所述的去离子装置，其中，在离子吸附模式中，切换单 元被控制为将所述多个组并联连接，在离子解吸才莫式中，切换单元被控制为 将所述多个组的所述至少 一部分串联连接。
3、 如权利要求1所述的去离子装置，所述去离子装置还包括用于向所述 多个组供电的电源单元，其中，所述切换单元包括用于切换连接在电源单元 和所述多个组之间的电源线的开关。
4、 如权利要求3所述的去离子装置，其中，在离子吸附模式中，切换单 元被控制为向所述多个组供电，在离子解吸模式中，切换单元被控制为将电 源与所述 多个组断开。
5、 如权利要求2所述的去离子装置，其中，在离子解吸模式中，切换单 元被控制为将所述多个组串联连接。
6、 如权利要求2所述的去离子装置，其中，在离子吸附模式中，切换单 元被控制为将所述多个组的一部分并联连接，并将所述多个组的剩余部分串 联连接。
7、 如权利要求1所述的去离子装置，其中每个组通过连接包括所述电极的多个单元而得到，且每个组包括用于将 所述多个单元的至少一部分并联或串联连接的电路单元，所述切换单元包括 用于将所述多个单元的所述至少一部分切换为串联连接或并联连接的开关。
8、 如权利要求7所述的去离子装置，其中，在离子吸附模式中，切换单 元被控制为将所述多个单元并联连接。
9、 如权利要求8所述的去离子装置，其中，在离子解吸模式中，切换单 元被控制为将所述多个单元串联连接。
10、 如权利要求8所述的去离子装置，其中，在离子吸附模式中，切换 单元被控制为将所述多个单元的一部分并联连接，并将所述多个单元的剩余部分串联连接。
11、 一种控制包括多个组的去离子装置的方法，所述方法包括如下步骤:在离子吸附模式中将所述多个组并联连接；在离子解吸模式中，将所述多个组的至少一部分串联连接。
全文摘要
本发明提供了一种去离子装置和一种控制该去离子装置的方法，公开了一种再生方法，该再生方法在将离子吸附到去离子装置中的电极以去除流体(液体和气体)中的离子组分之后，快速并有效地解吸离子。连接多个单元以组成组，所述多个单元包括多个用于吸附包含在流体中的离子的电极。在包括至少两个组的电容去离子(CDI)装置中，如果施加0V电压以作为在离子被吸附到电极后解吸离子并再生电极的方法，则将所述单元或所述组串联连接为一种状态，在该状态中，将通过连接所述单元得到的单元单位或组单位与电源断开，减小了整个系统的电容，缩短了放电时间，快速并有效地解吸了离子。
文档编号C02F1/48GK101654295SQ20091014036
公开日2010年2月24日 申请日期2009年7月17日 优先权日2008年8月22日
发明者朴大煜, 李垣炅, 李尚俊, 罗善旭, 金兑恩 申请人:三星电子株式会社