高回收率电渗析法的制作方法

高回收率电渗析法
1.相关申请的交叉引用
2.本申请根据35u.s.c.
§
119(e)要求于2018年10月9日提交的标题为“high recvoery electrodialysis method”的美国临时申请序号62/743,194的优先权，该美国临时申请为了所有目的通过引用以其整体并入本文。
技术领域
3.本文公开的方面和实施方案大体上涉及水处理系统，并且更具体地，涉及利用电渗析的水处理系统，该系统具有高的水回收率、高的回收水纯度和低的总能量消耗。
4.概述
5.根据一个方面，提供了一种用于处理微咸水的系统。该系统可以包括第一电化学分离级(first electrochemical separation stage)，该第一电化学分离级具有浓缩隔室、稀释物出口(diluate outlet)、浓缩物出口和可流体地连接到微咸水的源的稀释隔室入口。该系统还可以包括第二电化学分离级，该第二电化学分离级被定位在第一电化学分离级的下游并且具有浓缩隔室、产品水出口、浓缩物出口和可流体地连接到第一电化学分离级的稀释物出口的稀释隔室入口，第二电化学分离级的浓缩物出口是可流体地连接到第一电化学分离级的浓缩隔室的。该系统可以另外包括控制系统，该控制系统被配置成调节被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的进料，并且被配置成保持大于约90％的总产品水回收率(recovery rate)，具有小于约500ppm的溶解盐的浓度。
6.在一些实施方案中，微咸水的源还是可流体地连接到第二电化学分离级的浓缩隔室的。在一些实施方案中，第一电化学分离级的稀释物出口还是可流体地连接到第二电化学分离级的浓缩隔室的。
7.在另外的实施方案中，该系统包括可流体地连接在第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室之间的断流水箱(break tank)。在另外的实施方案中，该系统包括可流体地连接到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩物出口的传感器，所述传感器被配置成测量总溶解盐(tds)浓度和流量中的至少一种。
8.在一些实施方案中，控制系统被电连接到传感器，并且被配置成响应于来自第一电化学分离级的浓缩物的传感器测量结果，调节来自第二电化学分离级的浓缩物的体积。在一些实施方案中，控制系统被电连接到传感器，并且被配置成响应于来自第二电化学分离级的浓缩物的传感器测量结果，调节来自第一电化学分离级的稀释物的体积。在一些实施方案中，控制系统被电连接到传感器，并且被配置成响应于来自第二电化学分离级的浓缩物的传感器测量结果，调节来自微咸水的源的微咸水进料的体积。
9.在一些实施方案中，控制系统被配置成保持小于约4kwh/m3产品水的总能量消耗。在一些实施方案中，控制系统被配置成减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的唐南电势差(donnan potential difference)。在一些实施方案中，控制系统被配置成减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的渗透水损失。
10.根据另一个方面，提供了一种处理微咸水以产生饮用水的方法。在一些实施方案中，该方法包括将来自微咸水的源的微咸水引入到第一电化学分离级的稀释隔室的入口。该方法可以包括在第一电化学分离级中处理微咸水以产生稀释物。该方法还可以包括确定被引导到第二电化学分离级的稀释隔室的入口的稀释物的量。该方法可以包括在第二电化学分离级中处理第一电化学分离级的稀释物，以产生具有小于约500ppm的溶解盐的浓度的饮用水。该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以保持大于约90％的总产品水回收率。
11.在一些实施方案中，该方法还可以包括将来自第二电化学分离级的浓缩隔室的一定体积的浓缩物引导到第一电化学分离级的浓缩隔室。在一些实施方案中，该方法还可以包括将来自微咸水的源的一定体积的微咸水引导到第二电化学分离级的浓缩隔室。在一些实施方案中，该方法还可以包括将来自第一电化学分离级的一定体积的稀释物引导到第二电化学分离级的浓缩隔室。
12.在一些实施方案中，该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以保持小于约4kwh/m3产品水的总能量消耗。在一些实施方案中，该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的唐南电势差。在一些实施方案中，该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的渗透水损失。
13.根据另一个方面，提供了一种处理微咸水的方法。在一些实施方案中，该方法包括将来自微咸水的源的微咸水引入到第一电化学分离级的多于一个电化学分离模块的稀释隔室的入口。该方法可以包括在第一电化学分离级中处理微咸水以产生第一稀释物和第一浓缩物。该方法可以包括回收第一稀释物作为产品水。该方法还可以包括将第一浓缩物引导到第二电化学分离级的多于一个电化学分离模块的稀释隔室的入口。该方法可以包括在第二电化学分离级中处理第一浓缩物以产生第二稀释物和第二浓缩物。该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的第一电化学分离模块和第二电化学分离模块的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以减小在第一电化学级和第二电化学级的电化学分离模块的稀释隔室和浓缩隔室之间的唐南电势差。
14.在一些实施方案中，该方法还可以包括将一定体积的第一浓缩物引导到第二电化学分离级的浓缩隔室。在一些实施方案中，该方法还可以包括将第二稀释物引导到微咸水的源。在一些实施方案中，该方法还可以包括将来自微咸水的源的一定体积的微咸水引导到第一电化学分离级的浓缩隔室。在一些实施方案中，该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的电化学分离模块的稀释隔室和浓缩隔室之间的渗透水损失。在一些实施方案中，该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以保持大于约85％的总产品水回收率。在一些实施方案中，该方法还可以包括控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量，以保持小于约1.5kwh/m3的总能量消耗。
15.附图简述
16.附图并不意图是按比例绘制。在附图中，在各个图中图示出的每个相同的部件或近似相同的部件由类似的数字表示。为了清楚的目的，并非每个部件都可以在每个附图中被标记。在附图中：
17.图1是根据某些实施方案的水处理系统的示意图；
18.图2是根据某些实施方案的水处理系统的示意图；以及
19.图3是根据某些实施方案的具有两个电化学分离级的水处理系统的示意图。
20.详细描述
21.根据一个方面，提供了一种用于处理微咸水的系统，该系统使用第一电化学分离级和定位在第一电化学分离级的下游的第二电化学分离级。第一电化学分离级包括浓缩隔室、稀释物出口、浓缩物出口和具有可流体地连接到微咸水的源的入口的稀释隔室。第二电化学分离级包括浓缩隔室、产品水出口、浓缩物出口和具有可流体地连接到第一电化学分离级的稀释物出口的入口的稀释隔室。本文公开的系统和方法还可以包括第二电化学分离级的浓缩物出口，该浓缩物出口是可流体地连接到第一电化学分离级的浓缩隔室的。本文公开的系统和方法可以另外包括一个或更多个另外的电化学分离级。
22.电化学分离级指的是用于使用电场来净化流体的装置，并且通常可以被用于处理水和其他包含溶解的离子物质的液体。电化学分离级包括但不限于电去离子装置和电渗析装置。在一些实施方案中，电化学装置具有板框式(plate
‑
and
‑
frame)设计或螺旋缠绕设计。这样的设计可以被用于多种类型的电化学去离子装置，包括但不限于电渗析装置和电去离子装置。商业上可得的电渗析装置通常具有板框式设计，而电去离子装置可以以板框式构造和螺旋构造两者可得。
23.通常，电化学分离级可以使用电势来影响离子传输，并且从流体中去除或降低一种或更多种离子化物质或可离子化物质的浓度。电化学装置可以被操作以促进一个或更多个被特别地设计成实现或提高分离性能的电化学反应。例如，电化学装置可以通过允许在特定方向上的离子传输并且阻止在另一特定方向上的离子传输来驱动在特定方向上通过选择性渗透膜的离子传输。在某些实施方案中，电化学装置可以包括电活性膜(electrically active membrane)，诸如半渗透的或选择性渗透的离子交换膜或双极性膜。
24.电去离子(edi)系统还可以使用电活性介质来从流体中分离一种或更多种离子化物质或可离子化物质。电活性介质通常用于交替地收集和排出离子物质和/或可离子化物质，并且在一些情况下，用于促进离子的传输。离子的传输可以连续地发生，例如通过离子取代机制或电子取代机制。edi装置可以包括永久充填或暂时充填的电化学活性介质，并且可以分批地、间歇地、连续地和/或甚至以反极性模式来操作。
25.edi的一种实施方案是连续电去离子(cedi)。cedi装置是本领域技术人员已知的edi装置，其以可以连续地进行水净化而同时连续地再充填离子交换材料的方式来操作。cedi技术可以包括诸如连续去离子、填充池电渗析或电透析(electrodiaresis)的工艺。在特定的受控的电压和盐度的条件下，在cedi系统中，水分子可以被分裂以产生氢或水合氢离子或物质以及氢氧根或羟基离子或物质，它们可以在装置中使离子交换介质再生并且因此促进从其中释放被捕集的物质。以这种方式，可以连续地净化待处理的水流，而不需要离
子交换树脂的化学再充填。
26.电渗析(ed)装置与edi装置类似地操作(即，通过以分批过程、间歇地、连续地或以反极性模式交替地收集和排出物质)。然而，ed装置通常在膜之间不包含电活性介质。由于缺乏电活性介质，ed装置的操作可能在具有升高的电阻的低盐度的进料水上被阻碍。而且，因为ed在高盐度的进料水上的操作可以导致升高的电流消耗，所以迄今为止，ed装置已经最有效地用于中等盐度的源水(source water)。在基于ed的系统中，因为不存在电活性介质，所以分裂水是低效率的，并且通常避免以这样的方案操作。
27.在某些电化学分离级中，诸如在本文公开的系统和方法中使用的那些电化学分离级中，多于一个相邻的池或隔室可以通过选择性渗透膜分隔开，该选择性渗透膜允许带正电荷的物质或带负电荷的物质通过，但通常不允许两者都通过。在这样的装置中，稀释隔室通常与浓缩隔室或浓缩隔室(concentrating or concentration compartment)隔开。当水流过稀释隔室时，离子物质和其他带电荷的物质可以在电场诸如dc场的影响下被吸引到浓缩隔室中。带正电荷的物质可以被吸引朝向阴极，所述阴极通常位于多个稀释隔室和浓缩隔室的堆叠的一端处。带负电荷的物质可以被吸引朝向这样的装置的阳极，所述阳极通常位于隔室的堆叠的相对端处。电极可以被容纳在电解质隔室中，所述电解质隔室通常部分地与稀释隔室和/或浓缩隔室流体连通地隔离。一旦在浓缩隔室中，带电荷的物质可以被至少部分地界定浓缩隔室的选择性渗透膜的屏障捕集。例如，阴离子可以通过阳离子选择性膜被防止进一步朝向阴极迁移离开浓缩隔室。类似地，阳离子可以通过阴离子选择性膜被防止进一步朝向阳极迁移离开浓缩隔室。一旦被捕获在浓缩隔室中，所捕集的带电荷的物质可以在浓缩物流中被去除。
28.稀释隔室、阳离子选择性膜、浓缩隔室和阴离子选择性膜的组可以被称为电池对。在稀释隔室和浓缩隔室中的流动方向可以是平行的且在相同方向上(并流)、平行的且在相反方向上(逆流)、彼此垂直(错流(cross flow))或成角度。
29.在电化学分离级中，电场通常从被施加到第一电极和第二电极的电压源和电流源而被施加到隔室。电压源和电流源，在本文中统称为“电源”，本身可以通过多种系统诸如ac电源或例如源自太阳能、风能或波浪能的电源来供电。
30.在电极
‑
液体界面处，可以发生电化学半电池反应，其启动和/或促进离子穿过膜和隔室的传输。在电极和膜界面处发生的特定的电化学反应可以通过容纳电极组件的专门的隔室中的离子浓度来部分地控制。例如，向氯化钠高的阳极电解质隔室的进料可能趋向于产生氯气和氢离子，而向阴极电解质隔室的这样的进料将趋向于产生氢气和氢氧根离子。
31.通常，在阳极隔室处产生的氢离子可以与游离的阴离子诸如氯离子缔合，以保持电荷中性并且产生盐酸溶液。类似地，在阴极隔室处产生的氢氧根离子可以与游离的阳离子诸如钠离子缔合，以保持电荷中性并且产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物诸如所产生的氯气和氢氧化钠可以根据需要在工艺中使用，用于消毒目的、用于膜清洁和除污的目的以及用于ph调节的目的。本文公开的系统和方法可以包括被配置成向电极输送电极流的电极进料管线、将第一电极和第二电极彼此流体地连接的电极管线、以及被配置成排出电极管线废物的电极废料管线(electrode reject line)。电极可以进料有稀释的水例如来自第一进料管线的水，或者进料有另一种专门的溶液。
32.促进本发明的系统中电化学分离级的操作的一个因素是减小在电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的溶质浓度的差。在浓缩物流的进料水和稀释物流的进料水之间的溶质浓度差的增加对产生产品水所需的总能量消耗具有不利影响。首先是由半透膜分隔的稀释隔室和浓缩隔室之间的唐南电势差的增加。唐南电势差的增加降低了电化学分离级的电流效率，并且因此增加了在横跨电化学分离级的电极的较高电压降的情况下操作电化学分离级所需的电流。这导致从系统排出的每单位产品水的增加的功率消耗(例如，以kwh/m3测量)。第二是从稀释隔室到浓缩隔室的渗透水损失的增加。损失到电化学分离级的浓缩隔室中的较多稀释物降低了产品流量，并且特别地降低了从给定的微咸水的输入中产生的产品水的量。将转化为产品水的微咸水的分数(fraction)最大化可能是该工艺的主要目标。被转化的微咸水的分数在本文被称为“回收率”。回收率通常以百分比表示。提高回收率可以降低每单位产品的资本成本和操作成本。例如，高回收率可以降低对进料水预处理的需要或需要的程度，从而降低预处理微咸水的成本。最大化生产率和回收率也可以是有益的，因为这些应用中的许多应用是由缺水、用水限制或排放限制驱动的。在本发明中，在单个电化学分离级或包括多于一个电化学分离级的电化学分离级处的水的回收率大于约50％，诸如大于约60％、大于约65％、大于约70％、大于约75％、大于约80％、大于约85％、大于约90％或大于约95％。优选地，在单个电化学分离级或包括多于一个电化学分离级的电化学分离级处的水的回收率大于约80％，诸如大于约85％、大于约90％或大于约95％。最优选地，在单个电化学分离级或包括多于一个电化学分离级的电化学分离级处的水的回收率大于约85％或大于约95％。
33.本发明通过用系统内多个流动点之间的一个或更多个流体连接部(fluid connections)从微咸水中去除一定体积的离子污染物来实现从微咸水中高的水回收率、高纯度的产品水和降低的能量消耗。如本文所使用的术语“流体地连接”指的是在至少两个系统元件之间的连接，该连接允许流体在穿过或不穿过一个或更多个插入的系统元件的情况下在这样的系统元件之间移动。该连接被配置成最小化在电化学分离级的消耗隔室和浓缩隔室之间的溶质浓度的差。特别地，本发明的系统包括在第二电化学分离级的浓缩物出口和第一电化学分离级的浓缩隔室之间的流体连接部，并且来自第二电化学分离级浓缩隔室的一定体积的浓缩物可以被用作用于第一电化学分离级浓缩隔室的补充水，以平衡在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的溶质浓度。在本发明的系统中的其他流体路径和流体连接部可以被用于实现在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的溶质浓度的降低。作为非限制性实例，在一些实施方案中，微咸水的源还可以可流体地连接到第二电化学分离级的浓缩隔室，并且来自微咸水的源的一定体积的微咸水可以被用作用于第二电化学分离级的浓缩隔室的补充水。在另一个非限制性实例中，第一电化学分离级的稀释物出口还可以可流体地连接到第二电化学分离级的浓缩隔室，并且来自第一电化学分离级的一定体积的稀释物可以被用作用于第二电化学分离级的浓缩隔室的补充水。在一些情况下，来自第一电化学分离级的一定体积的稀释物可以被用作用于第二电化学分离级浓缩隔室的稀释隔室的进料。在任何这些配置中，流过第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室的流是逆流：在向浓缩隔室的进料和向稀释隔室的进料之间的溶质浓度差对于第二电化学分离级是较低的，但对于第一电化学分离级是较高的。
34.在一些情况下，第一电化学分离级和/或第二电化学分离级可以包括多于一个流体地连接的电化学分离装置，在本文中被称为模块，每个都具有稀释隔室和浓缩隔室。例如，第一电化学分离级和/或第二电化学分离级可以包括从1个至100个单独的电化学分离模块、从1个至20个、从10个至40个、从20个至50个或从40个至80个单独的电化学分离模块。在第一电化学分离级和第二电化学分离级的每一个中的单独的电化学分离模块的数目可以是相同的或可以是不同的。例如，第一电化学分离级可以具有比第二电化学分离级更多数目的单独的电化学分离模块，或者第二电化学分离级可以具有比第一电化学分离级更多数目的单独的电化学分离模块。
35.每个电化学分离模块可以由多于一个构造块(building block)，在本文中被称为子块(sub
‑
block)，组装而成。每个子块可以包含从1个至10个、从10个至50个、从50个至100个或从100个至200个电池对。多于一个子块可以布置有稀释隔室的入口和出口，并且每个子块中的浓缩隔室的入口和出口与其他子块中的相应的入口和出口流体地连接。稀释流平行地流过所有子块的稀释隔室，并且浓缩流平行地流过所有子块的浓缩隔室。
36.还可以布置多于一个子块，使得稀释流和浓缩流串联地流过每个子块中它们相应的隔室。穿过每个子块的流动路径在本文中被称为通路(pass)。
37.每个通路可以包括多于一个平行的子块。稀释流和浓缩流流过在第一通路中的子块中它们相应的隔室，然后流过在第二通路中的子块中它们相应的隔室，等等。
38.如果在每个通路中的子块的数目是相同的，则在电化学分离模块中子块的布置可以被描述为x数目的通路和每个通路y数目的子块，其中x和y通常可以是从1至10的数字。如果在每个通路中的子块的数目是不同的，则在电化学分离模块中子块的布置可以被描述为由连字符分隔的每个通路的子块的数目。例如，在第一通路和第二通路中具有四个子块并且在第三通路和第四通路中具有两个子块的模块可以被描述为4
‑4‑2‑
2。
39.在一些实施方案中，本发明的系统可以包括可流体地连接在第一电化学分离模块和第二电化学分离模块的浓缩隔室之间的断流水箱。断流水箱可以被配置成容纳来自第二电化学分离模块的浓缩物，并且可以经由泵将一定体积的第二浓缩物排出到第一电化学分离模块的浓缩隔室。
40.在一些情况下，本发明的系统可以包括第一电化学级和第二电化学级，每个级包括第一电化学分离子级和第二电化学分离子级，其中第一电化学分离子级和第二电化学分离子级中的每一个包括如本文描述的多于一个单独的电化学分离模块。第一电化学级和第二电化学级的第一电化学分离子级和第二电化学分离子级可以具有相同数目的单独的电化学分离模块，或者每个子级可以具有不同数目的单独的电化学分离模块。包括具有第一电化学分离子级和第二电化学分离子级的第一电化学分离级和第二电化学分离级的本发明的系统可以包括流体连接部，该流体连接部被配置成减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的电化学分离模块的稀释隔室和浓缩隔室之间的溶质浓度的差。例如，在包括具有第一电化学分离子级和第二电化学分离子级的第一电化学分离级和第二电化学分离级的系统的实施方案中，第一电化学分离级的浓缩物出口可以可流体地连接到第二电化学级的稀释隔室和浓缩隔室。作为另一个实例，在包括具有第一电化学分离子级和第二电化学分离子级的第一电化学分离级和第二电化学分离级的系统的实施方案中，第二电化学级的稀释物出口可以可流体地连接到水诸如微咸水的源。作为又一个实例，在包括具有第一
电化学分离子级和第二电化学分离子级的第一电化学分离级和第二电化学分离级的系统的实施方案中，水诸如微咸水的源可以可流体地连接到第一电化学级的浓缩隔室。这些流体连接部被配置成减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的第一电化学分离子级和第二电化学分离子级内的单独的电化学分离模块的稀释室和浓缩室之间的溶质浓度差。
41.在本发明的系统和方法中，从微咸水产生产品水的总能量消耗，无论产品水是可饮用的还是需要进一步处理的，都小于约5kwh/m3产品水。例如，本发明的系统的总能量消耗可以小于约4kwh/m3产品水、小于约3kwh/m3产品水、小于约2kwh/m3产品水或小于约1kwh/m3产品水。优选地，从微咸水产生产品水的总能量消耗小于约4kwh/m3产品水。在某些实施方案中，从微咸水产生产品水的总能量消耗小于约2kwh/m3产品水。在特定的实施方案中，从微咸水产生产品水的总能量消耗小于约1kwh/m3产品水。“总能量消耗”意指作为整体操作系统所消耗的总能量，该总能量包括驱动电化学分离模块和/或电化学分离级的电极所需的能量以及将水分配到包括泵、阀、调节器和其他流体处理部件的整个系统所需的能量。
42.电化学分离可以被用于处理海水、微咸水、河水或井水以用于市政和工业用途，例如通过对源水进行脱盐。电化学分离还可以被用于处理废水。用电化学分离处理的废水的一个非限制性实例是用于再利用或再循环的反渗透(ro)废料。这些水源可能包含多种类型的离子。例如，微咸水进料可以包含离子，该离子反应形成沉淀物和结垢物诸如ca(hco3)2、caco3、caso4和mg(oh)2，其他盐诸如钠盐，包括nahco3，以及硅酸盐矿物。微咸水进料可以具有约1,500ppm至10,000ppm的总溶解盐(tds)浓度。例如，进料水可以具有约9,000ppm、约8,000ppm、约7,000ppm、约6,000ppm、约5,000ppm、约4,000ppm、约3,000ppm、约2,000ppm或约1,500ppm的tds浓度。海水或河口水可以具有在约10,000ppm至约45,000ppm的范围内的总溶解盐的浓度。在某些实例中，海水或河口水可以具有约35,000ppm的总溶解盐的浓度。可以处理具有在约50,000ppm至约150,000ppm的范围内的总溶解盐含量的盐水，以产生饮用水。在一些实施方案中，可以处理具有在约50,000ppm至约150,000ppm的范围内的总溶解盐含量的盐水以产生具有较低总溶解盐含量的水，用于例如处置到水体诸如海洋的目的。饮用水通常具有小于约1,500ppm的tds含量。在一些实施方案中，饮用水可以具有小于约1,000ppm的tds。在一些情况下，饮用水可以具有小于约500ppm的tds含量。在一些非限制性实施方案中，饮用水可以具有小于约250ppm的tds含量。在一些情况下，通过本发明的系统和方法处理的微咸水被处理以降低tds含量，降低的量使得水适合于除饮用水之外诸如用于作物灌溉的水的目的。然后，可以使用另一种水处理系统，诸如ro或其他可用的水处理，对这种水进行进一步处理。
43.在一些实施方案中，系统还包括控制系统，该控制系统被配置成调节被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的进料。控制系统被配置成控制被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量。对被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量的这种控制可以允许系统保持小于约4kwh/m3产品水的总能量消耗。对被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量的这种控制还可以允许减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的唐南电势差，从而降低能量消耗。对被引导到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量的这种控制可以另外允许减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释
隔室和浓缩隔室之间的渗透水损失，从而增加回收的水量。
44.此外，控制系统可以被配置成当浓缩物或产物的离子浓度达到预定阈值时，调节补充进料的体积，所述补充进料诸如来自第二电化学分离级的浓缩物、来自第一电化学分离级的稀释物或微咸水进料。例如，当第一电化学分离级和/或第二电化学分离级的浓缩物的tds浓度大于约8,000ppm时，控制系统可以调节补充进料的体积。当tds浓度大于约9,000ppm、大于约10,000ppm、大于约11,000ppm、大于约11,500ppm、大于约12,000ppm、大于约12,100ppm、大于约12,200ppm、大于约12,300ppm、大于约12,400ppm或大于约12,500ppm时，控制系统可以调节补充进料的体积。
45.控制系统还可以被配置成当在再循环管线内的压力达到预定值或压力阈值时调节补充进料的体积。当横跨第一电化学分离级和/或第二电化学分离级的平均压力或绝对压力达到预定值时，可以达到压力阈值。控制系统还可以被配置成当第一电化学分离级和/或第二电化学分离级的浓缩隔室内的压力表现出预定的差异时调节补充进料的体积。具体地，横跨第一电化学分离级和/或第二电化学分离级的浓缩隔室的预定压力差可以作为横跨第一电化学分离级和/或第二电化学分离级的浓缩隔室的压力降来测量。压力可以在第一电化学分离级和/或第二电化学分离级的浓缩隔室和/或再循环管线内的两个或更多个点处被测量，以确定压力差。
46.系统还可以包括一个或更多个传感器。在一些实施方案中，系统包括可流体地连接到第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩物出口的传感器，其中传感器被配置成测量tds浓度和流量中的至少一种。一个或更多个传感器可以被配置成测量本发明的系统内的流体的另外的性质，诸如在系统内的一个或更多个位置处的水的ph或水的压力。在一些实施方案中，系统包括传感器，该传感器被电连接到一个或更多个电极，诸如电化学分离级中的第一电极和第二电极，并且被配置成测量横跨电极的电压和/或电流。控制系统可以被电连接到一个或更多个传感器，并且被配置成响应于从一个或更多个传感器接收的测量结果而行动。例如，控制系统可以被电连接到传感器，该传感器测量来自第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩物的性质，并且控制系统被配置成响应于来自第一电化学分离级的浓缩物的传感器测量结果，诸如tds或流量，从第二电化学分离级排出一定体积的浓缩物。作为另一个非限制性实例，控制系统可以被电连接到传感器，该传感器测量来自第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩物的性质，并且控制系统被配置成响应于来自第二电化学分离级的浓缩物的传感器测量结果，从第一电化学分离级排出一定体积的稀释物。作为又一个非限制性实例，控制系统可以被电连接到传感器，该传感器测量来自第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩物的性质，并且控制系统被配置成响应于来自第二电化学分离级的浓缩物的传感器测量结果，从微咸水的源排出一定体积的微咸水进料。
47.系统可以包括与任何数目的传感器电连通的一个控制系统，或者可以包括与每个传感器电连通的一个控制系统。系统还可以包括连接到任何数目的控制模块的控制系统中心(control system hub)。在一些实施方案中，控制模块和传感器通过一根或更多根电线连接。在一些实施方案中，控制模块和传感器无线地连接。类似地，一个或更多个控制模块可以通过电线或无线地连接到再循环管线上的一个或更多个阀。在一些实施方案中，控制系统被包括在阀内，使得阀本身被配置成基于计时器或响应于从传感器接收的测量结果来自动打开和关闭。
48.根据另一个方面，提供了一种处理微咸水以产生饮用水的方法。该方法可以包括将来自微咸水的源的微咸水引入到第一电化学分离级的稀释隔室的入口，并且在第一电化学分离级中处理微咸水以产生稀释物。该方法还可以包括确定被引导到第二电化学分离级的稀释隔室的入口的稀释物的量，并且在第二电化学分离级中处理第一电化学分离级的稀释物，以产生具有小于约500ppm的溶解盐的浓度的饮用水。总产品回收率可以大于90％，并且可以通过控制被引导到如本文描述的第一电化学分离级和第二电化学分离级的浓缩隔室的补充进料水的源和流量来保持。
49.在一些实施方案中，处理微咸水以产生饮用水的方法可以包括将来自第二电化学分离级的浓缩隔室的一定体积的浓缩物引导到第一电化学分离级的浓缩隔室。处理微咸水以产生饮用水的方法还可以包括将来自微咸水的源的一定体积的微咸水引导到第二电化学分离级的浓缩隔室。处理微咸水以产生饮用水的方法可以另外包括将来自第一电化学分离级的一定体积的稀释物引导到第二电化学分离级的浓缩隔室。在一些情况下，对补充进料水的控制可以保持小于4kwh/m3产品水的总能量消耗，可以减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的唐南电势差，并且可以减小在第一电化学分离级和第二电化学分离级的稀释隔室和浓缩隔室之间的渗透水损失。
50.根据另一个方面，提供了一种处理微咸水的方法。该方法可以包括将来自微咸水的源的微咸水引入到第一电化学分离级的多于一个电化学分离模块的稀释隔室的入口，在第一电化学分离级中处理微咸水以产生第一稀释物和第一浓缩物，以及回收第一稀释物作为产品水。该方法还可以包括将第一浓缩物引导到第二电化学分离级的多于一个电化学分离模块的稀释隔室的入口，以及在第二电化学分离级中处理第一浓缩物以产生第二稀释物和第二浓缩物。在第一电化学分离模块和第二电化学分离模块的稀释隔室和浓缩隔室之间的唐南电势差的减小可以通过控制被引导到如本文描述的第一电化学分离模块和第二电化学分离模块的浓缩隔室的补充进料水的源和流量来实现。通过这种方法产生的产品水可以被用于不需要饮用水的应用，或者可以被用作用于另外的水处理工艺诸如ro或类似工艺的进料水。
51.在一些实施方案中，处理微咸水的方法可以包括将一定体积的第一浓缩物引导到第二电化学分离级的浓缩隔室。处理微咸水的方法还可以包括将第二稀释物引导到微咸水的源。处理微咸水以产生饮用水的方法可以另外包括将来自微咸水的源的一定体积的微咸水引导到第一电化学分离级的浓缩隔室。在一些情况下，对补充进料水的控制可以减小在第一电化学分离模块和第二电化学分离模块的稀释隔室和浓缩隔室之间的渗透水损失，可以保持大于约85％的总产品水回收率，并且保持小于1.5kwh/m3产品水的总能量消耗。
52.上文讨论的实施方案和本发明的其他实施方案的功能和优点可以从以下附图的描述中进一步理解，所述描述进一步说明了本发明的一种或更多种系统和技术的益处和/或优点，但是没有例证本发明的全部范围。
53.如图1的示例性示意图所示，水处理系统包括第一电化学分离级110和第二电化学分离级120，每个电化学分离级包括稀释隔室130和浓缩隔室140。该系统包括流体地连接到第一电化学分离级110的稀释隔室130的第一进料管线100和流体地连接到第二电化学分离级120的浓缩隔室140的第二进料管线102。第一电化学分离级110的稀释隔室130通过稀释物出口104流体地连接到第二电化学分离级120的稀释隔室130。产品管线106排出来自第二
电化学分离级120的稀释隔室130的处理过的水。第二进料管线102被配置成允许进料流通过第二电化学分离级再循环管线160到达第二电化学分离级120的浓缩隔室140。第二电化学分离级再循环管线160还可以包括泵190，该泵190被配置成将第二电化学分离级120的浓缩隔室140的浓缩物180泵送回到第二电化学分离级120的浓缩隔室140的入口。第一电化学分离级110的浓缩隔室140包括第一电化学分离级再循环管线150，该第一电化学分离级再循环管线150与泵190一起被配置成将第一电化学分离级110的浓缩隔室140的浓缩物170泵送回到第一电化学分离级110的浓缩隔室140的入口。该系统还可以包括接收第二电化学分离级120的浓缩隔室140的浓缩物180的断流水箱112。如果被包括，则断流水箱112可以被连接到泵190，该泵190通过断流水箱排出管线114将第二电化学分离级120的浓缩隔室140的浓缩物180返回到第一电化学分离级110的浓缩隔室140的入口。
54.如图2的示例性示意图所示，水处理系统包括第一电化学分离级210和第二电化学分离级220。第一电化学分离级210和第二电化学分离级220可以包括多于一个电化学分离模块，每个电化学分离模块包括稀释隔室230和浓缩隔室240。该系统包括流体地连接到第一电化学分离级210的稀释隔室230的第一进料管线200。第一电化学分离模块210的稀释隔室230通过稀释物出口204流体地连接到第二电化学分离级220的稀释隔室230。产品管线206排出来自第二电化学分离级220的稀释隔室230的处理过的水。稀释物出口204包括分开的稀释物进料208，该稀释物进料208被配置成允许来自第一电化学分离级210的稀释隔室230的稀释物通过再循环回路260到达第二电化学分离级220的浓缩隔室240。第二再循环回路260还可以包括泵290，该泵290被配置成将第二电化学分离级220的浓缩隔室240的浓缩物280再循环回到第二电化学分离级220的浓缩隔室240的入口。第一电化学分离级210的浓缩隔室240包括第一再循环回路250，该第一再循环回路250与泵290一起被配置成将第一电化学分离级210的浓缩隔室240的浓缩物270再循环回到第一电化学分离级210的浓缩隔室240的入口。该系统还可以包括接收第二电化学分离级220的浓缩隔室240的浓缩物280的断流水箱212。如果被包括，则断流水箱212可以被连接到泵290，该泵290通过断流水箱排出管线214将第二电化学分离级220的浓缩隔室240的浓缩物280再循环回到第一电化学分离级210的浓缩隔室240的入口。
55.如图3的示例性示意图所示，水处理系统包括第一电化学分离级310和第二电化学分离级320。在第一电化学分离级310和第二电化学分离级320的每一个内是第一电化学分离子级和第二电化学分离子级，311和313，每个子级包括多于一个电化学分离模块，每个电化学分离模块包括稀释隔室330和浓缩隔室340。该系统包括流体地连接到第一电化学级310的第一子级311的稀释隔室330的第一进料管线300。
56.第一子级311的稀释隔室330通过稀释物出口304流体地连接到第二子级313的稀释隔室330，并且第一子级311的浓缩隔室340通过浓缩物出口306流体地连接到第二子级313的浓缩隔室340。第一产品管线308排出来自第一电化学级310的第二子级313的稀释隔室330的处理过的水。该系统还包括从第一进料管线300分开的第二进料管线301，该第二进料管线301被配置成允许进料流通过再循环回路312到达第一电化学分离级310的第一子级311和第二子级313的浓缩隔室340。再循环回路312还可以包括泵390，该泵390被配置成将第二子级313的浓缩隔室340的浓缩物312再循环回到第一电化学分离级310的第一子级311的浓缩隔室340的入口。第一电化学分离级310的第一浓缩物314被传送到第一断流水箱
380。
57.第一断流水箱380可以通过第三进料管线302流体地连接到第二电化学级320的第一子级313的稀释隔室330和浓缩隔室340。第一子级311的稀释隔室330通过稀释物出口304流体地连接到第二子级313的稀释隔室330，并且第一子级311的浓缩隔室340通过浓缩物出口306流体地连接到第二子级313的浓缩隔室340。
58.第二产品管线316将来自第二电化学级320的第二子级313的稀释隔室330的处理过的水排出到第二断流水箱382中。第二电化学分离级320包括再循环回路322，该再循环回路322与泵390一起被配置成将第二子级323的浓缩隔室340的浓缩物322再循环回到第二电化学分离级320的第一子级321的浓缩隔室340的入口。第二断流水箱382被配置成利用泵390将第二电化学级320的产物通过第四进料管线303输送回到系统的第一进料管线300。第二浓缩物出口324排出浓缩物。
实施例
59.实施例1
60.在本实施例中，模拟了包括两个级的电渗析模块的水处理系统的操作。每个级包括26个电渗析模块，每个电渗析模块具有稀释隔室和浓缩隔室。这种设计的系统在图1中被例证。以6,710ppm tds、采用174.1m3/hr的进料流量来模拟进料水。采用每个单独的模块26a的模拟电流、以502vdc模拟在第一电渗析级施加的电压。采用每个单独的模块6.4a的模拟电流、以428vdc模拟在第二电渗析级施加的电压。该系统以94.2％的tds去除率运行，使得产物具有391ppm的tds浓度，并且浓缩物具有63,583ppm的tds浓度。该系统以90.6％的总回收率和3.07kwh/m3水的总能量消耗运行，其中总能量消耗包括驱动电化学分离模块和用于分配水的所有泵。
61.每个电渗析模块包括12个子块，该子块被布置成使得稀释流和浓缩流在第一通路中平行地流过4个子块，在第二通路中平行地流过4个子块，在第三通路中平行地流过2个子块，并且在第四通路中平行地流过2个子块。子块的布置可以被描述为4
‑4‑2‑
2。
62.实施例2
63.在本实施例中，模拟了包括两个级的电渗析模块的水处理系统的操作。第一级包括28个电渗析模块，并且第二级包括26个电渗析模块，每个电渗析模块具有稀释隔室和浓缩隔室。这种设计的系统在图2中被例证。以6,710ppm tds、采用175.8m3/hr的进料流量来模拟进料水。采用每个单独的模块26.4a的模拟电流、以502vdc模拟在第一电渗析级施加的电压。采用每个单独的模块6.3a的模拟电流、以424vdc模拟在第二电渗析级施加的电压。该系统以94.6％的tds去除率运行，使得产物具有365ppm的tds浓度，并且浓缩物具有68,591ppm的tds浓度。该系统以90％的总回收率和3.31kwh/m3水的总能量消耗运行，其中总能量消耗包括驱动电渗析模块和用于分配水的所有泵。
64.每个电渗析模块包括12个子块，该子块被布置成使得稀释流和浓缩流在第一通路中平行地流过4个子块，在第二通路中平行地流过4个子块，在第三通路中平行地流过2个子块，并且在第四通路中平行地流过2个子块。子块的布置可以被描述为4
‑4‑2‑
2。
65.实施例3
66.在本实施例中，模拟了包括两个级的电渗析模块的水处理系统的操作。第一级包
括20个电渗析模块，并且第二级包括8个电渗析模块，每个电渗析模块具有稀释隔室和浓缩隔室。这种设计的系统在图1中被例证。以2,790ppm tds、采用142m3/hr的进料流量来模拟进料水。采用每个单独的模块4.8a的模拟电流、以366vdc模拟在第一电渗析级施加的电压。采用每个单独的模块2.3a的模拟电流、以491vdc模拟在第二电渗析级施加的电压。该系统以90.2％的tds去除率运行，使得产物具有274ppm的tds浓度，并且浓缩物具有17,056ppm的tds浓度。该系统以85％的总回收率和0.51kwh/m3水的总能量消耗运行，其中总能量消耗包括驱动电渗析模块和用于分配水的所有泵。
67.每个电渗析模块包括12个子块，该子块被布置成使得稀释流和浓缩流在第一通路中平行地流过4个子块，在第二通路中平行地流过4个子块，在第三通路中平行地流过2个子块，并且在第四通路中平行地流过2个子块。子块的布置可以被描述为4
‑4‑2‑
2。
68.实施例4
69.在本实施例中，模拟了包括两个级的电渗析模块的水处理系统的操作。第一级包括两个子级的电渗析模块，每个子级具有36个电渗析模块，每个电渗析模块具有稀释隔室和浓缩隔室。第一级模块被配置成接收微咸水作为进料，并且子块被布置在两个通路中，每个通路具有4个如本文中定义的子块。模拟的微咸水模块是nexed 6
‑
8a
‑
1模块(evoqua water technologies llc,pittsburgh,pa)。由第一电渗析级的浓缩物进料的第二电渗析级包括两个子级的电渗析模块，每个子级具有6个电渗析模块，每个电渗析模块具有稀释隔室和浓缩隔室。第二级模块被配置成用于高盐度进料水，并且具有5个通路，每个通路各自具有4个子块。模拟的高盐度水模块是nexed swi 6
‑
20b模块(evoqua water technologies llc,pittsburgh,pa)。这种设计的系统在图3中被例证。以7,585ppm tds、采用183.4m3/hr的总进料流量来模拟进入第一级的进料水(并且用来自第二级的产品水来平衡)。操作第一电渗析级所需的总功率是119.7kw，其中总能量消耗为0.77kwh/m3。操作第二电渗析级所需的总功率是76kw，其中总能量消耗为0.49kwh/m3。该系统以70.3％的tds去除率运行，使得产物具有2,250ppm的tds浓度，其中第一级的第一浓缩物以37,800ppm的tds浓度，并且第二级的第二浓缩物以91,085ppm的tds浓度。该系统以94％的总回收率(其中在第一级的回收率为85％，回收155.9m3/hr的总进料水，并且在第二级的回收率为63.8％，其中浓缩物排出为9.95m3/hr)以及1.26kwh/m3的总能量消耗运行以产生处理过的水。
70.本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且应当不被认为是限制性的。如本文所使用的，术语“多于一个(plurality)”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”无论在书面描述还是权利要求书及类似物中，都是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意指包括在其后列出的项目及其等效物，以及另外的项目。关于权利要求书，仅过渡词组“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭的或半封闭的过渡词组。在权利要求书中修饰权利要求要素的序数术语诸如“第一”、“第二”、“第三”及类似术语的使用，本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先、在先或顺序或者其中方法的动作被进行的时间顺序，而是仅仅用作标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(要不是使用序数术语)以区分权利要求要素。
71.本领域技术人员应当理解，本文描述的参数和配置是示例性的，并且实际的参数
和/或配置将取决于其中使用所公开的方法和材料的具体应用。本领域技术人员还应当认识到或能够仅使用常规实验确定所公开的具体实施方案的等效物。例如，本领域的技术人员可以认识到，根据本公开内容的方法及其部件还可以包括网络或系统或者可以是电化学水处理系统的部件。因此，应当理解，本文描述的实施方案仅通过实例的方式被呈现并且在随附的权利要求及其等效物的范围内；所公开的实施方案可以除如具体描述的之外进行实践。本系统和方法涉及本文描述的每个单独的特征、系统或方法。此外，如果这样的特征、系统或方法不是相互不一致的，则两个或更多个这样的特征、系统或方法的任何组合被包括在本公开内容的范围内。本文公开的方法的步骤可以按所示出的顺序或按交替的顺序来进行，并且方法可以包括另外的或可选择的动作或者可以在所示出的动作中的一个或更多个被省略的情况下进行。
72.此外，应当认识到，多种改变、修改和改进将容易被本领域技术人员想到。这样的改变、修改和改进意图是本公开内容的一部分，并且意图在本公开内容的精神和范围内。在其他情况中，现有的设施可以被修改，以利用或包括本文描述的方法和系统的任何一个或更多个方面。因此，在一些情况下，方法可以涉及操作电化学分离装置。因此，前述描述和附图仅仅是举例。此外，附图中的描绘不将本公开内容限制到特别说明的表述。
73.虽然在本文中公开了示例性实施方案，但是可以在其中作出许多修改、添加和删除，而不脱离如在随附权利要求中阐述的本发明的方面及其等效物的精神和范围。