用于纯化水性液体的方法和系统的制作方法

专利名称：用于纯化水性液体的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及水性液体(aqueous liquids)纯化且特别地涉及水性液体脱盐的领域。本发明的实施例涉及脱盐装置和使用该脱盐装置的方法。
背景技术：
地球表面上少于百分之一的水适合于在家用或工业应用中直接消耗。由于自然饮用水有限的资源，海水或微咸水的去离子(通常被称作脱盐)是产生淡水的一种途径。存在目前用于使水源去离子或脱盐的多种脱盐技术。电容去离子作用是在低电压(大约1伏)和低压力(15psig)操作的静电过程。当咸水被抽吸通过高表面积电极组件时，在水中的离子，诸如溶解的盐、金属和某些有机物附着到带相反电荷的电极上。此使得离子在电极处集中且减小了水中的离子浓度。当耗尽电极电容时，停止咸进给水，且电容器放电，可选地到单独的浓度更大的溶液内。然后重复此循环。可需要有不同于目前可用的那些装置或系统的用于脱盐的装置或系统。需要有不同于当前可用的那些方法的做出或使用用于脱盐的装置或系统的方法。

发明内容
在一实施例中，本发明提供一种纯化水性液体的方法，所述方法包括将包含离子溶质的水性进给溶液引入到第一超级电容器脱盐单元内，同时从第二超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物B)，且将浓缩物B引入到共同沉淀单元内；以及，之后将水性进给溶液引入到第二超级电容器脱盐单元内，同时从第一超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物 A)，且将浓缩物A引入到共同沉淀单元内；以及，回收纯化的液体和沉淀物。在另一实施例中，本发明提供一种海水脱盐的方法，所述方法包括将海水引入到第一超级电容器脱盐单元内，同时从第二超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物B)，且将浓缩物B引入到共同沉淀单元内；以及，之后将海水引入到第二超级电容器脱盐单元内， 同时从第一超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物A)，且将浓缩物A引入到共同沉淀单元内；以及，回收纯化的水和可选地回收盐沉淀物。在又一实施例中，本发明提供一种纯化水性液体的方法，所述方法包括将含离子溶质的水性进给溶液引入到第一超级电容器脱盐单元内，同时从第二超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物B)，且将浓缩物B引入到共同沉淀单元内；以及，之后将水性进给溶液引入到第二超级电容器脱盐单元内，同时从第一超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物 A)，且将浓缩物A引入到共同沉淀单元内；以及，回收纯化的液体和沉淀物，其中所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元各包括至少一对带相反电荷的表面，所述方法的特征在于浓缩物A或B在共同沉淀单元中的驻留时间在大约5分钟至大约4小时的范围，所述方法的特征在于充电时间和放电时间基本上相同且在大约5分钟至大约4小时的范围，所述方法的特征在于在所述成对的带交变电荷表面上大约1伏的电位降，所述方法的特征在于超级电容器脱盐单元中的至少一个通过能量回收装置来放电。在又一实施例中，本发明提供一种零液体排放水纯化系统，其包括(a)第一超级电容器脱盐单元；(b)第二超级电容器脱盐单元；(c)共同沉淀单元；(d)第一流体输入管线和第二流体输入管线；(e)第一流体排放管线和第二流体排放管线；(f)产物输出管线； 以及，(g)流体返回回路；其中所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元可交替地和相互独自地连接到产物输出管线或共同沉淀单元。通过参考下文的详细描述更易于了解本发明的这些和其它特征、方面和优点。


在不同附图中相同的附图标记表示基本上相同的部件。图1是超级电容器脱盐单元装置的示意图。图2是可选的超级电容器脱盐单元装置。图3是图1的堆叠的一部分的分解透视图。图4是根据本发明的某些实施例在充电操作模式期间超级电容器脱盐电池的透视图。图5是根据本发明的某些实施例在放电操作模式期间超级电容器脱盐电池的透视图。图6是在充电操作模式和放电操作模式期间零液体排放水纯化系统的方块图。图7是根据本发明的实施例的零液体排放水纯化系统的方块图。图8是根据本发明的实施例的零液体排放水纯化系统的方块图。
具体实施例方式在下文的说明书和权利要求中，将提及多个术语，其将被定义为具有以下意义。单数形式“一”、“该”和“所述”包括多个提及物，除非上下文清楚地表示为其它情况。“可选”或者“可选地”意谓随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且该描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。如在整个说明书和权利要求中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定量表示可容许变化而不会导致其相关的基本功能变化。因此，由诸如“大约”和“基本上”的术语修饰的值并不限于所规定的精确值。在至少某些情形下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。此处和在整个说明书和权利要求中，范围限制可组合和/或互换，这些范围被识别且包括含于其中的所有子范围，除非上下文或语言表示为其它情况。如在一实施例中所述，本发明提供一种纯化水性液体的方法，所述方法包括将包含离子溶质的水性进给溶液引入到第一超级电容器脱盐单元内，同时从第二超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物B)，且将浓缩物B引入到共同沉淀单元内；以及，之后将水性进给溶液弓I入到第二超级电容器脱盐单元内，同时从第一超级电容器脱盐单元排放浓缩物 (浓缩物A)，且将浓缩物A引入到共同沉淀单元内；以及，回收纯化的液体和沉淀物。可根据本发明提供的方法纯化的包括一种或多种离子溶质的水性液体说明性地为海水、微咸水、冷却塔排污水、化学过程废水流、盐水、湖水、河水、水库水和其组合。由于其相对充裕，海水是特别重要的进给溶液，其可根据本发明的方法被纯化。在一实施例中， 微咸水可用作待纯化的进给溶液。在一实施例中，水性溶液包括有机离子溶质，例如季铵盐。如本文所用的术语咸水广泛地指包含一种或多种离子溶质的水性溶液。通常，存在于咸水中的离子溶质为无机盐，诸如氯化钠、溴化钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氟化锂和类似物。在本发明的各种实施例中，包含离子溶质的水性进给溶液由串联工作的两个或更多的超级电容器脱盐单元纯化；第一超级电容器脱盐单元以“充电”模式操作(“充电”)且产生纯化产物液体，而第二超级电容器脱盐单元以“放电”模式(“放电”)操作且产生浓缩物。第一超级电容器脱盐单元的输出(纯化产物液体)作为纯化产物流从系统移除。第二超级电容器脱盐单元的输出是浓缩物，其被导向至共同沉淀单元，其中离子溶质的一部分沉淀且与其余液相分离，其可循环回到以“放电”模式操作的第二超级电容器脱盐单元。本领域技术人员应了解除了粘附于或包含于沉淀物内的液体之外，在此段落中和整个本公开中相似实施例中所描述的系统能够零液体排放且可在本文中有时被称作零液体排放水纯化系统。如将在下文中详细描述，以“充电”模式的超级电容器脱盐单元可以“充电”模式操作直到超过适用于保持离子溶质的其电容，且之后，超级电容器脱盐单元以“放电”模式操作，其中保留的离子溶质从超级电容器脱盐单元释放。传统零液体排放水纯化系统采用单个超级电容器脱盐单元和单个沉淀单元。因此，虽然超级电容器脱盐单元处于“充电”模式，沉淀单元并不接收浓缩物。因为超级电容器脱盐单元完全“充电”和“放电”所需的时间大致相等，在传统零液体排放水纯化系统中的沉淀单元未充分利用且并不在稳态条件下操作。由本发明所提供的方法和系统的重要优点在于不中断浓缩物到共同沉淀单元的供应且共同沉淀单元可在稳态条件或很接近稳态下操作，从而促进共同沉淀单元的高效操作。在一实施例中，本发明的方法和系统可用于海水脱盐或使其它微咸水去离子以将盐量减小至家用和工业使用可容许的水平。为了更好地理解本发明和其优点，在本文中简要地给出了超级电容器脱盐单元的某些基本原理。因此，超级电容器是具有比传统电容器相对更高能量密度的电化学电容器。 如本文所用的超级电容器包括其它高性能电容器，诸如高级电容器。电容器可为在一对紧密隔开的导体(被称作‘板’)之间的电场中储存能量的电装置。当电压施加到电容器时， 等量但极性相反的电荷在每个板上累积。参看图1，该图展示一示范性超级电容器脱盐单元(也被称作装置)10的图解视图，其具有控制器(未图示)且采用外壳12。该外壳具有限定一体积的内表面。在该体积内外壳包含超级电容器脱盐堆叠14。该脱盐堆叠包括多个超级电容器脱盐电池16。多个电池16中的每一个包括一对电极、绝缘间隔件和一对集流器。另外，外壳包括至少一个入口 18和一出口 20，进给液体通过入口 18进入超级电容器脱盐单元，液体在与超级电容器脱盐电池接触之后自出口 20从超级电容器脱盐单元出来。进给液体通过超级电容器脱盐单元的移动可借助各种手段，诸如重力、吸力和抽吸。仍参看图1，当经由进给入口 18进入以“充电”模式操作的超级电容器脱盐单元的进给液体(未图示)是咸溶液(例如海水)时，通过流体出口 20从超级电容器脱盐单元出来的产物液体的盐度将低于进给液体的盐度。相反，当超级电容器脱盐单元以“放电”模式操作时，通过流体出口 20从超级电容器脱盐单元出来的流体的盐度将通常大于进给液体的盐度。如上文所述，超级电容器脱盐单元包括控制器，且控制器提供对个别超级电容器脱盐电池16的电极上电位降的控制。此外，控制器可与适当阀、传感器、开关和类似物通信并控制它们，使得操作模式响应于限定标准从“充电”模式可逆地切换到‘放电’模式。这些标准可包括经过的时间、离子溶质的浓度、导电性、电阻率等。仍参看图1，在“充电”模式，进给液体在超级电容器脱盐单元堆叠(stack) 14内的驻留时间可受控制以便实现从流体出口 20出来的产物流体中特定盐度水平。即，可需要更多或更少时间来将进给液体去离子到限定的带电种类水平，如由与控制器通信的适当位置的传感器所测量。在某些实施例中，多个这种电池可布置于超级电容器脱盐单元中使得第一电池的输出可被当作第二电池的进给液体。参看图2，该图展示了由支承板32支承的超级电容器脱盐堆叠14，其包括多个超级电容器脱盐电池16，这些电池包括由绝缘分隔件观分开的电极M和沈。超级电容器脱盐堆叠可选地包括集流器30。集流器30可用于回收在超级电容器脱盐单元“充电”期间存储于超级电容器脱盐单元中且在超级电容器脱盐单元“放电”期间释放的电能。参看图3，该图相对于图1和图2更详细地展示了超级电容器脱盐堆叠14。该图示出超级电容器脱盐堆叠14，其包括支承板32和超级电容器脱盐电池16和安置于所述电池16之间的集流器30。超级电容器脱盐电池16包括电极对和沈和绝缘间隔件观。该图还示出使用孔或孔口 21，液体在存在于包括堆叠14的电容器脱盐单元内时可通过孔或孔口 21流动。举例而言，流体可通过孔口 21被引入到堆叠14内(由方向箭头22所示)， 流经堆叠的至少一部分，如由方向箭头23所示，且从堆叠出来，如由方向箭头25所示。参看图4，该图展示了在超级电容器脱盐单元“充电”期间的超级电容器脱盐电池 (未示出间隔件)。因此，进给流34被引入到该电池内，进给流34包括离子溶质，离子溶质包括阳离子36和阴离子38。相反电荷的电极M和沈在进给流经过该电池时吸引并保持来自进给流的相反电荷的离子。离开超级电容器脱盐电池的产物流体包含比进给流更少的离子溶质且在附图中被称作“稀释流10，其代表纯化的液体。通常，电极M和沈限定大约 1伏与大约2伏(直流)之间的电位差。离子溶质将在带相反电荷电极M和沈处吸附直到表面饱和，在此饱和点，进给流将通过该电池，而无任何离子溶质浓度变化。在本发明的各个实施例中，超级电容器脱盐电池的电极可在本文中有时被称作“带相反电荷的表面”。参看图5，该图展示了在超级电容器脱盐单元放电模式期间的超级电容器脱盐电池16。在超级电容器脱盐电池放电模式期间，电极M和沈短路(或者通过负载在受控制条件下放电以回收所存储的能量)且阳离子36和阴离子38从电极对和沈表面释放。在此实例中，在放电模式期间进入该电池的流体为离子溶质的饱和或过饱和流。此流体42离开沉淀单元46。在放电模式期间从电池出来的流体(在附图中被称作“排放流” 44)代表离子溶质的过饱和溶液。排放流被转移到沉淀单元46，在那里，某些离子溶质作为固体沉淀物48从排放流分离。在沉淀离子固体之后在沉淀单元中的流体保持离子溶质饱和或过饱和。此流的浓度小于排放流44，这是由于在沉淀单元46中离子种类的沉淀。此流体(在附图中被称作“饱和进给流”42)再循环通过该电池以辅助从该电池移除阳离子36和阴离子 38。因此，在放电期间超级电容器脱盐电池的产物是固体沉淀物48和饱和进给流42。固体沉淀物可为潮湿的，带有包括离子溶质的流体，该固体沉淀物可周期性地或者连续地从沉淀单元排放。
参看图6，该图展示了传统零液体排放水纯化系统50，其包括以“充电”模式和“放电”模式交替地操作的超级电容器脱盐单元10和沉淀单元46。在“充电”模式，包括离子溶质的水性进给流34经由阀52被引入到系统内且沿着流体输入管线M到超级电容器脱盐单元10。在“充电”模式，从超级电容器脱盐单元10出来的流体40为纯化液体，其沿着流体排放管线56传导至阀58且之后被回收，阀58在“充电”模式期间连接到产物输出管线59。仍参看图6的传统零液体排放水纯化系统50，该图还示出该系统以“放电模式”操作，其中从超级电容器脱盐单元出来的排放流44经由阀58经由泵60导向至沉淀单元46。 维持在沉淀单元中的条件使得排放流过饱和离子溶质，离子溶质在沉淀单元中沉淀为固体沉淀物48，固体沉淀物48可在诸如离心机的过滤装置上收集。存在于沉淀单元中的液相通过流体返回回路64、阀52和流体输入管线M导向回到超级电容器脱盐单元以辅助从超级电容器脱盐单元移除离子溶质。因此，在“放电”模式期间，超级电容器脱盐单元用溶液42 洗涤，溶液42相对于在沉淀单元中流行的条件为饱和或过饱和的。本领域技术人员应了解当图6中所描绘的传统零液体排放水纯化系统50以“充电”模式操纵时，沉淀单元将闲置。在“放电”模式，沉淀单元操作但在非稳态条件下。因此，传统零液体排放水纯化系统并不易于在沉淀单元处于稳态条件操作的情况下进行连续操作。本领域技术人员应了解需要在稳态条件下连续单元操作以有效地使用器械且运用高水平的过程控制。参看图7，该图示出本发明的若干实施例。在第一实施例中，图7示出零液体排放水纯化系统70，其同时以“充电”模式和“放电”模式操作，且包括易于在稳态条件下操作的共同沉淀单元46。图7a示出本发明的零液体排放水纯化系统，其包括第一超级电容器脱盐单元10、第二超级电容器脱盐单元10s、共同沉淀单元46、第一流体输入管线M和第二流体输入管线Ms、第一流体排放管线56和第二流体排放管线56s、产物输出管线59、泵60、可选的补充进给入口 62和流体返回回路64。本领域技术人员应了解零液体排放水纯化系统 70被配置成使得第一超级电容器脱盐单元10和第二超级电容器脱盐单元IOs可交替地和相互独自地连接到产物输出管线59或共同沉淀单元46。这意味着在操作期间，超级电容器脱盐单元之一的输出可被导向至产物输出管线59，而第二超级电容器脱盐单元的输出同时经由泵60被导向至共同沉淀单元46。本领域技术人员还认识到由共同沉淀单元带来的优点。即，由于共同沉淀单元由交替地以“充电”模式和“放电”模式操作的第一超级电容器脱盐单元和另一超级电容器脱盐单元交替地供应，共同沉淀单元可连续地且在稳态条件下操作。仍参看图7，该图示出本发明的第二方面，即纯化水性液体的方法。因此图7a示出其中水性进给溶液34经由阀52和流体输入管线M进入到以“充电”模式操作的第一超级电容器脱盐单元10内的方法。随着进给溶液通过存在于超级电容器脱盐单元中的超级电容器脱盐电池16 (参看图幻，存在于进给溶液中的离子溶质的一部分保留在该电池内，其中阴离子保留在带正电荷的电极(阳极)上且阳离子保留在带负电荷的电极(阴极)上， 如在图4中所描绘。产物流40从超级电容器脱盐单元10出现且通过流体排放管线56和阀58输送到产物输出管线59。产物流40构成纯化液体，在这个意义上，其包含比进给流 34显著更少的离子溶质。
仍参看图7，图7a示出本发明的特征，其中第二超级电容器脱盐单元(标记为 10s，为了方便起见且区分它与第一超级电容器脱盐单元10)在放电而第一超级电容器脱盐单元10在充电。本领域技术人员应了解在启动时，超级电容器脱盐单元10和IOs可循序地被充电使得在操作期间，超级电容器脱盐单元异相地操作使得当第一超级电容器脱盐单元在充电时，第二超级电容器脱盐单元在放电。在第二超级电容器脱盐单元IOs放电时， 包括离子溶质的浓缩的溶液(被称作“浓缩物B”或排放流44s)从第二超级电容器脱盐单元出现且在由泵60提供的力下通过第二流体排放管线56s和阀58转移。浓缩物B被引入到共同沉淀单元46内。在共同沉淀单元内流行的条件下，浓缩物B是过饱和溶液且离子溶质的一部分作为固体沉淀物48沉淀出来。共同沉淀单元配备用于连续移除固体沉淀物的装置，所述装置例如为离心机或旋转真空过滤器，和用于回收上层液体的装置，上层液体通过流体返回回路64、阀52和第二流体输入管线5如被导向回到第二超级电容器脱盐单元 10s。上层液体可通过超级电容器脱盐单元IOs再循环直到实现了所需放电水平。本领域技术人员应了解共同的沉淀单元的大小适当，使得一旦确立后，存在于排放流44s中溶解的溶质的量的变动不会不利地影响共同沉淀单元46的稳态操作。仍参看图7，图7b示出其中第一超级电容器脱盐单元10以放电模式操作而第二超级电容器脱盐单元IOs以“充电”模式操作的本发明的特征。在图7所示的实施例中，可简单地通过使超级电容器脱盐电池内的电极短路并旋转阀52和58而使超级电容器脱盐单元从“充电”模式切换到放电模式。或者，可简单地通过在超级电容器脱盐电池上施加电压电位并切换阀52和58而使超级电容器脱盐单元从“放电”模式切换到“充电”模式。参看图8，该图示出可根据本发明的方法使用的协议。图8a展示了当从图7a所示的配置切换到图7b所示的配置时适用的零液体排放水纯化系统70的中间配置。此配置使得能冲洗超级电容器脱盐单元IOs和10和相关联的管路56s和56的存量(inventory)以便俘获这些存量值且避免混合浓缩流和纯化流。该步骤也使得进给管线5 和M能被充注正确的成分以准备以图7b所描绘的模式操作。图8a所示的模式的操作持续时间相对于图 7a和图7b所示模式的操作持续时间较短。本领域技术人员应认识到图7a和图8a的配置是相关的且可通过切换阀52互换。参看图8a，进给流34被重新引入到第二超级电容器脱盐单元IOs内以冲洗电池IOs和管线56s的浓缩存量朝向共同沉淀单元。这导致管线5如和电池IOs至少部分地被填充新鲜进给且因此准备置于充电模式。这也导致管线M和电池10至少部分地被填充浓缩物且因此准备置于放电模式。以图8a所描绘的模式操作也从超级电容器脱盐单元10、流体排放管线56冲洗洁净的产物经由阀58到产物输出管线59。 当完成此冲洗步骤时，如由预设定时器或者适当导电率或浓度测量所示，阀58被切换成提供图7b所示的配置。图8b展示了当从图7b所示的配置切换回到图7a所示的配置时适用的零液体排放水纯化系统70的中间配置。本领域技术人员应认识到图7b和图8b的配置是相关的且可通过切换阀52互换。参看图8b，进给流34被重新引入到第一超级电容器脱盐单元10内以冲洗第一超级电容器脱盐单元10和流体排放管线56的浓缩存量朝向共同沉淀单元。这导致管线M和电池10至少部分地被填充新鲜进给且因此准备置于充电模式。这也导致管线5如和电池IOs至少部分地被填充浓缩物且因此准备置于放电模式。以图8b所描绘的模式操作也从第二超级电容器脱盐单元IOs和流体排放管线56s冲洗洁净的产物经由阀58到产物输出管线59。当完成此冲洗步骤时，如由预设定时器或者适当导电率或浓度测量所示，阀58被切换成提供图7a所示的配置。本领域技术人员应认识到在本发明的各个方面中所展示的共同沉淀单元46可产生湿固体，其可选地在单独操作(诸如热结晶器)中干燥，以能进行额外水回收。另外，在本发明的各个方面中展示的共同沉淀单元46可包括清除流。清除流也可在热结晶器中处理以能进行额外水回收。为了允许共同沉淀单元基本上稳态操作，由清除流所代表的从沉淀器的水流失、固体产物的水分含量或者二者可通过经由补充进给入口 62引入少量新鲜进给到沉淀器而补充。如上文所述，在本发明的各种实施例中，提供一种纯化包括离子溶质的水性液体的方法，其使用零液体排放水纯化系统，该零液体排放水纯化系统包括第一超级电容器脱盐单元、第二超级电容器脱盐单元和共同沉淀单元。在另一实施例中，本发明提供一种适用于纯化包括一种或多种离子溶质的水性液体的零液体排放水纯化系统。该系统包括第一超级电容器脱盐单元、第二超级电容器脱盐单元、共同沉淀单元、第一流体输入管线和第二流体输入管线、第一流体排放管线和第二流体排放管线、产物输出管线和流体返回回路。在一实施例中，超级电容器脱盐单元中的至少一个包括具有气凝胶(aerogel)的至少一个电极，该气凝胶例如为具有低电阻率和高比表面积的碳气凝胶。在某些实施例中，超级电容器脱盐单元中的至少一个包括一对带相反电荷的表面，其执行电极的离子保持功能。因此，在某些实施例中，第一超级电容器脱盐单元、 第二超级电容器脱盐单元或二者可包括至少一对带相反电荷的表面，这些表面中的至少一个包括气凝胶。在另一实施例中，所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元中的至少一个包括至少一对具有气凝胶的带相反电荷的表面。在一实施例中，本发明提供一种零液体排放水纯化系统，其包括第一超级电容器脱盐单元；第二超级电容器脱盐单元；共同沉淀单元；第一流体输入管线和第二流体输入管线；第一流体排放管线和第二流体排放管线；产物输出管线；以及，流体返回回路；其中所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元可交替地和相互独自地连接到产物输出管线或者共同沉淀单元。在一实施例中，当第一超级电容器脱盐单元连接到共同沉淀单元时，其也连接到所述流体返回回路，且第一流体输入管线的至少一部分连接到所述流体返回回路。在一实施例中，第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元使用不超过两个阀可交替地和相互独自地连接到产物输出管线或共同沉淀单元。在一实施例中，该零液体排放水纯化系统还包括流体泵。在另一实施例中，共同沉淀单元包括补充进给入口和连续过滤装置。在一实施例中，共同沉淀单元包括连续过滤装置，其选自伯德过滤器、鼓式过滤器、旋转真空过滤器、离心机和其组合。在一实施例中，本发明提供的零液体排放水纯化系统还包括共同沉淀单元，其包括伯德过滤器。在一实施例中，本发明提供一种零液体排放水纯化系统，其包括第一超级电容器脱盐单元；第二超级电容器脱盐单元；共同沉淀单元；第一流体输入管线和第二流体输入管线；第一流体排放管线，第二流体排放管线；产物输出管线；以及，流体返回回路；其中第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元可交替地和相互独自地连接到产物输出管线或共同沉淀单元，其中第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元中的至少一个包括能量回收装置(例如，逆变器)。
在一实施例中，本发明提供一种零液体排放水纯化系统，其包括至少一对带相反电荷的表面，这些表面包括可渗透离子的有机涂层，例如可渗透离子的有机聚合物。如上文所述，在本发明的各种实施例中，使用共同沉淀单元或者该系统包括共同沉淀单元，其可用于连续移除固体沉淀物。共同沉淀单元可包括连续过滤设备，其分离沉淀物与上层液体。在一实施例中，共同沉淀单元包括连续过滤设备，其选自伯德过滤器、鼓式过滤器、旋转真空过滤器、离心机和其组合。在一可选的实施例中，共同沉底单元包括连续过滤设备，其为离心机。在又一实施例中，共同沉淀单元包括连续过滤设备，其为旋转真空过滤器ο由本发明提供的方法的特征在于材料在用于实践本发明的系统的某些构件内的各种驻留时间。在一实施例中，本发明的方法的特征于浓缩物A或B在共同沉淀单元中的驻留时间在大约1分钟至大约M小时的范围。在一可选的实施例中，本发明方法的特征于浓缩物A或B在共同沉淀单元中的驻留时间在大约10分钟至大约4小时的范围。在各种实施例中，本发明提供的方法的特征在于充电时间和放电时间。充电时间是超级电容器脱盐单元以“充电”模式操作的时间间隔。放电时间是超级电容器脱盐单元以“放电”模式操作的时间间隔。尽管充电时间和放电时间可在包含离子溶质的水性液体的连续纯化期间根据需要而不同，循序相关的充电时间和放电时间可大约相同长度。在一实施例中，由本发明提供的方法的特征在于在所述成对的带相反电荷的表面上大约1伏的电位降。在一实施例中，由本发明提供的方法的特征在于在超级电容器脱盐电池中至少一对带相反电荷电极上大约1伏的电位降。如上文所述，当从“充电”模式切换到“放电”模式时，在充电超级电容器脱盐单元内的超级电容器脱盐电池的电极或带相反电荷的表面短路或经历受控制的放电。当采取受控制放电方案时，可回收在充电期间储存于超级电容器脱盐单元中的能量。在一实施例中， 在由本发明提供的方法中所用的超级电容器脱盐单元的至少一个经历受控制的放电且在充电期间储存于超级电容器脱盐单元中的能量由一个或多个能量回收装置回收。在一实施例中，能量回收装置是逆变器。在一实施例中，本发明提供一种零液体排放水纯化系统，其包括至少一个能量回收装置。在一实施例中，能量回收装置是逆变器。在一实施例中，本发明提供一种零液体排放水纯化系统，其包括逆变器。本文所述的实施例是具有与权利要求中所陈述的本发明的元件相对应元件的组合物、结构、系统和方法的实例。本书面描述可使得本领域技术人员可做出和使用具有同样对应于权利要求中所陈述的本发明元件的替代元件的实施例。本发明的范围因此包括并非不同于权利要求的字面语言的组合物、结构、系统和方法，且还包括与权利要求的字面语言并无实质不同的其它结构、系统和方法。虽然仅在本文中说明和描述了某些特点和实施例， 但本领域技术人员可想到许多修改和变化。权利要求涵盖所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种纯化水性液体的方法，所述方法包括将包含离子溶质的水性进给溶液引入到第一超级电容器脱盐单元内，同时从第二超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物B)，且将浓缩物B引入到共同沉淀单元内；以及，之后将水性进给溶液引入到所述第二超级电容器脱盐单元内，同时从所述第一超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物A)，且将浓缩物A引入到共同沉淀单元内；以及回收纯化的液体和沉淀物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性进给溶液是选自海水、微咸水、 冷却塔排污水、化学过程废水流、盐水、咸水(表面盐湖)和其组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性进给溶液是海水。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元中的至少一个包括至少一对具有气凝胶的带相反电荷的表面。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述带相反电荷的表面包括可渗透离子的涂层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共同沉淀单元包括至少一个过滤设备。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共同沉淀单元包括连续过滤设备，其选自伯德过滤器、鼓式过滤器、旋转真空过滤器、离心机和其组合。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法的特征在于，浓缩物A或B在所述共同沉淀单元中的驻留时间在大约1分钟至大约M小时的范围。
9.根据权利要求1所述的方法，所述方法的特征在于，浓缩物A或B在所述共同沉淀单元中的驻留时间在大约5分钟至大约4小时的范围。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法的特征在于，充电时间和放电时间基本上相同且在大约5分钟至大约4小时的范围。
11.根据权利要求4所述的方法，所述方法的特征在于在所述成对的带相反电荷的表面上大约1伏的电位降。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超级电容器脱盐单元中的至少一个通过能量回收装置(例如，逆变器)放电。
13.—种海水脱盐的方法，所述方法包括将海水引入到第一超级电容器脱盐单元内，同时从第二超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物B)，且将浓缩物B引入到共同沉淀单元内；以及之后将海水引入到所述第二超级电容器脱盐单元内，同时从所述第一超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物A)，且将浓缩物A引入到所述共同沉淀单元内；以及，回收纯化的水；以及可选地回收海盐沉淀物。
14.一种纯化水性液体的方法，所述方法包括将包含离子溶质的水性进给溶液引入到第一超级电容器脱盐单元内，同时从第二超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物B)，且将浓缩物B引入到共同沉淀单元内；以及，之后将水性进给溶液引入到所述第二超级电容器脱盐单元内，同时从所述第一超级电容器脱盐单元排放浓缩物(浓缩物A)，且将浓缩物A引入到共同沉淀单元内；以及回收纯化的液体和沉淀物；其中所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元各包括至少一对带相反电荷的表面，所述方法的特征在于浓缩物A或B在所述共同沉淀单元中的驻留时间在大约5分钟至大约4小时的范围，所述方法的特征在于充电时间和放电时间基本上相同且在大约5分钟至大约4小时的范围，所述方法的特征在于在所述成对的带交变电荷表面上大约1伏的电位降，所述方法的特征在于所述第一超级电容器脱盐单元中的至少一个通过能量回收装置来放电。
15.一种零液体排放水纯化系统，其包括(a)第一超级电容器脱盐单元；(b)第二超级电容器脱盐单元；(c)共同沉淀单元；(d)第一流体输入管线和第二流体输入管线；(e)第一流体排放管线和第二流体排放管线；(f)产物输出管线；以及，(g)流体返回回路；其中所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元可交替地和相互独自地连接到所述产物输出管线或所述共同沉淀单元。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，当所述第一超级电容器脱盐单元连接到所述共同沉淀单元时，其也连接到所述流体返回回路，且所述第一流体输入管线的至少一部分连接到所述流体返回回路。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，当所述第一超级电容器脱盐单元连接到所述产物输出管线时，所述第二超级电容器脱盐单元连接到所述共同沉淀单元和所述流体返回回路，且所述第二流体输入管线的至少一部分连接到所述流体返回回路。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述第一超级电容器脱盐单元和第二超级电容器脱盐单元使用不超过两个阀可交替地和相互独自地连接到所述产物输出管线或所述共同沉淀单元。
19.如权利要求15所述的系统，其还包括流体泵。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述共同沉淀单元包括补充流体入口和连续过滤装置。
21.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述共同沉淀单元包括伯德过滤器。
全文摘要
本发明提供用于高效纯化包括离子溶质的水性液体的方法和系统。液体由串联工作的多个超级电容器脱盐单元纯化；第一单元以“充电”模式操作，使进给溶液去离子且产生纯化产物液体，而第二超级电容器脱盐单元以“放电”模式操作，释放离子到循环流内且产生浓缩物。第一脱盐单元的输出作为纯化产物流被移除。第二脱盐单元的输出是浓缩物，其被导向至共同沉淀单元，其中离子溶质的一部分沉淀且与其余液相分离，其可再循环到第二脱盐单元。异相操作的两个超级电容器脱盐单元的使用允许共同沉淀单元在稳态条件下连续地操作。
文档编号C02F1/469GK102196999SQ200980142424
公开日2011年9月21日 申请日期2009年10月18日 优先权日2008年10月23日
发明者J·M·西尔瓦 申请人:通用电气公司