电化学分离系统及方法
【专利说明】电化学分离系统及方法
[0001] 公开内容的领域
[0002] 各个方面大体上涉及电化学分离，且更特别地涉及包括具有用于改进的效率的不 同性能特性的膜的电化学分离系统和方法。
[0003] 概述
[0004] 根据一个或更多个方面，水处理系统可以包括：进料入口，其被流体地连接到待处 理的水源；第一电化学分离模块，其与进料入口流体连通，第一电化学分离模块包括具有第 一组性能特性的至少一种离子交换膜；第二电化学分离模块，其被流体地连接到第一电化 学分离模块的下游，第二电化学分离模块包括具有与第一组性能特性不同的第二组性能特 性的至少一种离子交换膜；以及产物出口，其被流体地连接到第二电化学分离模块的下游。
[0005] 根据一个或更多个方面，处理水的方法可以包括：将具有第一浓度的溶解固体的 水引入到第一电化学分离模块的入口以形成具有第二浓度的溶解固体的工艺流，第一电化 学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；将具有第二浓度的溶解固体 的工艺流引入到第二电化学分离模块以形成已处理的水，第二电化学分离模块包括具有与 第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及在第二电化学分离模 块的出口处收集已处理的水。
[0006] 根据一个或更多个方面，促进水处理的方法可以包括：提供第一电化学分离模块， 所述第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；提供第二电化 学分离模块，所述第二电化学分离模块包括具有与第一组性能特性不同的第二组性能特性 的至少一种离子交换膜；以及提供指令以用第一电化学分离模块处理水以产生具有预定浓 度的溶解固体的工艺流并且用第二电化学分离模块处理具有预定浓度的溶解固体的工艺 流。
[0007] 在下文中还详细讨论其他的方面、实施方案以及这些方面和实施方案的优点。本 文公开的实施方案可以以与本文公开的原理中的至少一个一致的任何方式与其他实施方 案组合，并且提到的"实施方案"、"某些实施方案"、"可选择的实施方案"、"多个实施方案"、 "一个实施方案"或类似物不一定是互相排斥的且被意图指示：在至少一个实施方案中可以 包含描述的特定的特征、结构、或特性。在本文中这样的术语的出现不一定全部指的是相同 的实施方案。
[0008] 附图简述
[0009] 参考不被意图按比例绘制的附图，下文讨论至少一个实施方案的多个方面。附图 被包括以提供对多个方面和实施方案的例证和进一步的理解，且被包括在本说明书中并且 组成本说明书的一部分，但不被意图作为本发明的限制的定义。在附图、详述或任何权利要 求中的技术特征后面是参考符号的情况下，参考符号被包括用于增加附图和描述的可理解 性的唯一目的。在附图中，在多个附图中图示的每个相同的或几乎相同的部件由相同的数 字代表。为了清楚的目的，可以不在每个图中标记每个部件。在附图中：
[0010] 图1呈现根据一个或更多个实施方案的工艺流程图的示意图；且
[0011] 图2呈现在根据一个或更多个实施方案的伴随的实施例中讨论的数据。
[0012] 详述
[0013] 根据一个或更多个实施方案，电化学分离的分阶段或模块化方法可以改进包括使 海水脱盐的多种处理工艺。在至少某些实施方案中，系统的多个阶段或模块可以包括如本 文讨论的具有一种或更多种不同性能特性的膜。具有特定性能特性的膜可以战略性地位于 电化学分离系统内以改进总工艺效率。
[0014] 用于使用电场净化流体的装置通常被用于处理含有溶解的离子物质的水和其他 液体。以这种方式处理水的两种类型的装置是电去离子装置和电渗析装置。在这些装置内 的是通过离子选择性膜分开的浓缩隔室和稀释隔室。电渗析装置通常包含交替的电活性的 半渗透性阴离子和阳离子交换膜。介于膜之间的空间被配置成产生具有入口和出口的液体 流动隔室。经由电极施加的外加电场引起具有相反电荷的溶解的离子被吸引至其相应的对 电极，以迀移通过阴离子和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室中的液体耗尽离子并且浓 缩隔室中的液体富集被转移的离子。
[0015] 电去离子（EDI)是使用电活性介质和电位从水中除去或至少减少一种或更多种 电离的或可电离的物质以影响离子传输的工艺。电活性介质通常用于交替地收集和排放离 子的和/或可电离的物质，并且在某些情况下，用于促进可以连续地通过离子或电子替代 机制的离子传输。EDI装置可以包括具有永久或临时的电荷的电化学活性介质，并且可以分 批、间歇地、连续地、和/或甚至以反极性模式操作。可以操作EDI装置以促进被特别设计 成实现或增强性能的一个或更多个电化学反应。此外，这样的电化学装置可以包括电活性 膜，比如半可渗透的或选择性地可渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子（CEDI)装 置是本领域的技术人员已知的EDI装置，CEDI装置以其中可以连续地进行水的净化同时连 续地再装载离子交换材料的方式操作。CEDI技术可以包括诸如连续的去离子、填充小池电 渗析（filledcellelectrodialysis)、或电渗透（electrodiaresis)的工艺。在控制的电 压和盐度条件下，在CEDI系统中，可以将水分子裂解以产生氢或水合氢离子或物质和氢氧 化物或羟基离子或物质，这可以使装置中的离子交换介质再生并且因此促进从其中释放捕 获的物质。以这种方式，可以连续地净化待处理的水流而不需要化学再装载离子交换树脂。
[0016] 除了ED装置通常不含有介于膜之间的电活性介质之外，电渗析（ED)装置以类似 于CEDI的原理操作。由于没有电活性介质，ED在低盐度的给水上的操作可能受阻碍（因 为高的电阻）。此外，因为ED对高盐度给水的操作可以导致高的电流消耗量，迄今为止，ED 设备一直被最有效地用在中间盐度的源水上。在基于ED的系统中，因为没有电活性介质， 裂解水是效率低的，并且通常避免以这样的方案操作。
[0017] 在CEDI和ED装置中，通常通过选择性地可渗透膜将多个相邻的小池（cell)或隔 室分开，所述选择性地可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，通常用浓缩（concentrating)或浓缩（concentration)隔 室隔开稀释隔室或消耗隔室。在某些实施方案中，小池对可以指的是一对相邻的浓缩隔室 和稀释隔室。随着水流经消耗隔室，通常在导致离子电流通量的电场比如DC场或DC电流 的影响下将离子和其他带电物质吸引到浓缩隔室内。带正电荷的物质被吸引到通常位于多 个消耗隔室和浓缩隔室堆叠的一端的阴极，并且同样地，带负电荷的物质被吸引到这样的 装置的通常位于隔室堆叠的相对端的阳极。通常将电极容纳在电解质隔室内，通常使所述 电解质隔室与消耗隔室和/或浓缩隔室流体连通地部分地分离。在浓缩隔室内后，通过电 极驱动力迀移的带电物质通常通过至少部分地界定浓缩隔室的选择性地可渗透膜的屏障 被捕获。例如，通常通过阳离子选择性膜防止阴离子另外向阴极迀移，离开浓缩隔室。在被 捕获在浓缩隔室内后，带电物质从耗尽的产物流中被除去或分离。
[0018] 在CEDI和ED装置中，通常从被应用于电极（阳极或正极，和阴极或负极）的电压 和电流的来源将DC场应用于小池。电压和电流的来源（共同地为"电源"）自身可以通过 多种设备驱动，比如AC电源，或例如，来源于太阳能、风能、或波浪能的电源。在电极/液体 界面处，发生电化学反应，导致分别来自在阳极和阴极表面处的物质的电子注入或给出。具 有相反电荷的粒子移动以中和由于此机制在电极表面产生的电荷。可以通过容纳电极组件 的专门隔室内的盐的浓度，在某种程度上控制在电极/界面处发生的特定的电化学反应。 例如，向阳极电解质隔室的高氯化钠的进料将倾向于通过类似的电化学机制产生氯气和氧 气，然而向阴极电解质隔室的这样的进料将倾向于产生氢气和氢氧化物离子。通常，在阳极 隔室处产生的氢离子将与游离的阴离子比如从相邻的消耗隔室中迀移的氯离子缔合，以保 持电荷中性并且产生盐酸溶液，并且类似地，在阴极隔室处产生的氢氧化物离子将与游离 的阳离子比如钠缔合，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比如 产生的氯气和氢氧化钠可以被用于如消毒目的、膜清洁和除污目的、和pH调节目的所需要 的工艺。
[0019] 板和框架以及螺旋卷绕的设计一直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（ED)装置和电去离子（EDI)装置。可商购的ED装置通常具有板和框架的设 计，然而EDI装置以板和框架以及螺旋构造两者都是可用的。
[0020] -个或更多个实施方案涉及可以电力地净化可以被包含于外壳内的流体的装置、 以及其制造方法和用途。待净化的液体或其他流体进入净化装置，且在电场的影响下被处 理以产生离子耗尽的液体。收集来自进入的液体的物质以产生离子浓缩的液体。
[0021] 根据一个或更多个实施方案，电化学分离系统或装置可以是模块化的。每个模块 化单元通常可以起到总体电化学分离系统的子块的作用。模块化单元可以包括任何期望 数目的小池对。在某些实施方案中，每个模块化单元的小池对的数目可以取决于分离装置 中的小池对和通路的总数目。其还可以取决于当被测试交叉泄漏及其他性能标准时可以被 热结合并且罐装在具有可接受的故障率的框架中的小池对的数目。数目可以基于制造工艺 的统计学分析，且可以随着工艺控制改进而增加。在某些非限制性实施方案中，模块化单元 可以包括约50个小池对。在被包含到较大的系统内之前，模块化单元可以被单独组装并且 质量控制被测试，比如泄漏、分离性能和压力下降。在某些实施方案中，小池堆叠可以作为 可以被独立地测试的模块化单元被安装在框架中。然后，可以将多个模块化单元组装到一 起以在电化学分离装置中提供总的预期数目的小池对。在某些实施方案中，组装方法通常 可以包括：将第一模块化单元放置于第二模块化单元上；将第三模块化单元放置于第一和 第二模块化单元上；以及重复以获得多