CN101454067B - 电去离子系统中用于偏移电流分布的方法和设备 - Google Patents

电去离子系统中用于偏移电流分布的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种电去离子(EDI)设备(10)和方法，该电去离子设备包括从流经设备的液体中去除离子的去离子室(20)，其中在室的出口区域附近连接电阻元件(32)，从而相对于室的入口区域增大室的出口区域的电阻。电阻元件可连接在邻接淡水室(20)和/或浓水室(21)的离子选择性膜(22，24)上。在替换性实施方式中，电阻元件可连接在去离子室内的离子交换介质粒子之间。在各实施方式中，相对于室的入口区域，出口区域的电阻增大，结果使电流从出口区域向入口区域偏移，从而提高了EDI设备的整体去离子性能。

Description

电去离子系统中用于偏移电流分布的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及改进的电去离子系统，更具体地，涉及可改变树脂床中特定区域的电导率以改进去离子过程的电去离子系统和方法。
发明背景
电去离子(EDI)系统用于从液体，特别是水中，去除离子。这些系统需要电源，电源向EDI组件施加电压，以净化工业用水达到超高纯度，从而用于电力、微电子、食品、化学、制药以及其它工业领域。
在示范性电去离子设备中，电流流过离子交换树脂床。通过离子交换膜，将树脂床容纳在垂直于流动电流的任一侧。电流经由离子迁移经过溶液和离子交换微球流过树脂床，并在阴-阳离子界面、微球-微球界面和微球-膜界面处发生水的电离。使电流通过所需的电势取决于微球和膜的离子交换相中的离子迁移率、微球周围溶液中的离子迁移率以及水电离所需的电势。
在电去离子设备中，垂直于所通的电流将杂质离子送入床的一端，净水从离子交换床的另一端排出。由此杂质离子从床的入口至出口形成梯度，例如，在送入NaHCO3的情况下，在入口处离子交换介质主要为Na+和HCO3 -形式，并且Na+和HCO3 -的浓度朝着出口方向逐渐减小。在出口区域，离子交换介质主要为再生H+和OH-形式。在进行常规反渗透的混合或分层淡水室电去离子设备中，物质从入口至出口的梯度导致设备入口的电导率小于出口的电导率，这是因为Na+和HCO3 -的相对迁移率明显小于H+和OH-的相对迁移率。因此，在对EDI设备施加恒定电压时，出口处的电流明显大于入口处的电流。
存在一些已知的影响离子交换介质床中离子迁移率的因素，例如：(1)离子的性质，即对于阳离子而言，H+相对Na+相对Ca2+；(2)离子交换材料的性质(包括交联率)、离子交换位置的浓度、离子交换位置分布和微球表面结构；(3)离子浓度；(4)阴-阳离子、微球-微球界面的数量；(5)阴-阳离子、微球-微球界面的质量；(6)经设备处理的溶剂的组成；以及(7)温度。
已知EDI设备去除杂质离子进而产出高纯产品水的能力主要取决于再生电流的分布。已进行了一些尝试，通过改变EDI设备中阴阳离子交换相的电导率，来改善去离子性能，例如在DiMascio等人的美国专利No.6,284,124和6,514,398中所披露的。DiMascio等人所披露的设备特征在于，具有离子交换树脂材料交替层的去离子室，其中将掺杂物质添加到其中一个层中以减小交替层之间的电导率差异。
现有技术没有教导或暗示包括至少一个电阻元件的改进的EDI设备，所述电阻元件连接在设备出口区域附近的微球-膜界面上，以相对简单且成本有效的方式相对于设备入口区域增大设备出口区域的电阻，从而相对于设备出口区域增加设备入口区域的电流分布并提高设备的整体去离子性能。此外，还期望获得易于适应各种不同应用的改进的EDI设备。
发明内容
针对目前的技术状况，特别是针对现有技术中利用现有EDI设备仍未完全解决的问题和需要，作出了本发明。因而，本发明提供改进的电去离子(EDI)设备，该设备包括从流经的液体中去除离子的去离子淡水室(ion-depleting dilute chamber)，其中至少一个电阻元件靠近淡水室出口区域连接在邻接淡水室的阴离子膜和阳离子膜之一或两者之上。电阻元件的作用是，通过电阻元件自身增加的电阻和/或由于电阻元件有效减小微球-膜接触面积，相对于淡水室入口区域增大淡水室出口区域的电阻。电阻元件可设置在膜的淡水侧或浓水侧(或者，可供选择地，设置在膜的两侧)。通过相对于淡水室入口区域增大淡水室出口区域的电阻，改善淡水室入口区域和出口区域之间的电流分布，从而提高EDI设备的去离子性能。此外，通过改变电阻元件的形状、尺寸、组成和/或位置，可容易地控制淡水室内的电流分布，从而提供易于适应各种不同应用和工作条件的EDI设备。
本发明还提供改善整个淡水室电流平衡的方法，该方法包括：在淡水室的入口端和出口端之间提供位于淡水室相对侧的离子选择性膜(例如阴离子膜和阳离子膜)；然后靠近出口区域将至少一个电阻元件连接在一个或两个离子选择性膜上(在淡水侧或浓水侧，或者同时在淡水侧和浓水侧)，以相对于入口区域增大出口区域的电阻。工作时，使液体从入口区域向出口区域流过淡水室，并对淡水室施加横穿液体流动方向的电场。至少一个电阻元件靠近淡水室出口区域连接在一个或两个离子选择性膜上，结果使流过出口区域的电流百分比减小，而流过入口区域的电流百分比增大，从而提高EDI设备的整体去离子性能。
在整个说明书中所提及的特征、优点或类似表达并不表示可通过本发明实现的所有特征和优点应当存在于或存在于本发明的任何单个实施方式中。而应当理解为，涉及特征和优点的表达表示结合实施方式所描述的具体特征、优点或特性包含在本发明的至少一种实施方式中。因而，在整个说明书中，关于特征、优点以及类似表达的讨论可以但非必须指相同的实施方式。
此外，在一种或多种实施方式中本发明描述的特征、优点和特性可以任何适当的方式组合。本领域技术人员应当理解的是，可在不具备具体实施方式中一个或多个具体特征或优点的情况下实现本发明。另外，可在一些实施方式中认识到可能不是本发明所有实施方式均具有的附加的特征和优点。
根据随后的说明和所附权利要求，本发明的这些特征和优点将变得更加明显，或者可通过如下所述实施本发明，认识到本发明的这些特征和优点。
附图说明
为了更容易理解本发明的优点，将参考示例于附图的具体实施方式对以上简要描述的本发明进行更具体的说明。应当理解的是，这些附图仅仅示意本发明的典型实施方式，而不应当认为是对本发明范围的限制，通过使用附图，额外具体、详细地描述和解释本发明，其中：
图1a是根据本发明示范性实施方式的去离子室的截面示意图，示出了电阻元件连接于阳离子选择性渗透膜的浓水侧的一种构造；
图1b是根据本发明示范性实施方式的去离子室的截面示意图，示出了电阻元件连接于阳离子选择性渗透膜的淡水侧的另一种构造；
图1c是根据本发明示范性实施方式的去离子室的截面示意图，示出了电阻元件连接于阴离子选择性渗透膜的浓水侧的另一种构造；
图1d是根据本发明示范性实施方式的去离子室的截面示意图，示出了电阻元件连接于阴离子选择性渗透膜的淡水侧的另一种构造；
图2a是常规电去离子(EDI)设备的去离子室的截面示意图，示出了去离子室中选定区域内的电流分布百分比；以及
图2b是根据本发明示范性实施方式构造的电去离子(EDI)设备的去离子室的截面示意图，示出了与图2a所示构造相比去离子室中选定区域内改善的电流分布百分比。
具体实施方式
为了增进对本发明构思的理解，现将参考附图中所示例的示范性实施方式，并采用特定的表达描述所述示范性实施方式。然而，应当理解这并不意图限制本发明的范围。应当认为，得益于本文的本领域技术人员，对本文所述发明特征作出的任何改变和进一步改进，以及对本文所述本发明构思的其它应用，均落在本发明的范围内。
在整个说明书中所提及的“一种实施方式”、“实施方式”或类似表达意指结合实施方式所描述的具体特征、结构或特性包含在本发明的至少一种实施方式中。因而，在整个说明书中措词“一种实施方式”、“实施方式”和类似表达的出现可以但非必须均指相同的实施方式。
本发明披露了改进的电去离子(EDI)设备，该设备包括可改变去离子室的树脂床内任意特定区域的电导率以改善整个去离子过程的构件。
发现整个去离子室的电流分布影响杂质离子在树脂床中的渗透深度，因而在整个树脂床内存在最佳电流分布，在选定的总电流下，对于给定的EDI设备设计，最佳电流分布使渗透深度最小化。
因而，本发明提供改进的电去离子(EDI)设备以及可改变树脂床中任意特定区域的电导率以改善去离子过程的方法。在一种示范性实施方式中，本发明通过在淡水室或浓水室中在膜和微球之间增加电阻元件，来赋予整个树脂床更加均匀的电流分布。在该示范性实施方式中。电阻元件所选用的材料为聚合物网状材料(polymer mesh material)，但应当理解的是，还可使用多种其它材料，提供去离子室出口区域附近邻接微球-膜界面的基本不导电的粒子层，来获得相同或相近的结果。例如，可预期靠近出口区域邻接微球-膜界面提供阻性树脂微球层或其它树脂材料层，以增大出口区域的电阻。还应当理解的是，电阻元件可配置为隔离体，用于有效减小出口区域附近的微球-膜接触面积，从而相对于入口区域增大出口区域的电阻。除本文披露的示范性实施方式以外，本领域技术人员应当认识到，电阻元件可采用多种不同的形式、形状和组成，只要将其置于出口区域附近邻接微球-膜界面时具有相对于入口区域提高出口区域电阻的作用即可。本发明的特征还在于，可通过电阻元件的形状和尺寸，例如通过改变网的开口度(openness)、网的厚度、网在去离子室中占据的百分比以及网片/单元对(cell-pair)的数量，控制床内特定区域的电阻。
认识到可通过以下方式中的至少某种方式影响离子交换床中特定区域的电导率，可更好地理解本发明的构思：(1)在淡水室或浓水室中在膜和微球之间增加电阻元件(在本文披露的示范性实施方式中，电阻元件所选用的材料为聚合物网)；(2)在离子交换床中增加电阻元件，使其在淡水室或浓水室中介于微球-微球界面之间(使用部分包覆微球的聚合物熔体进行示例)；(3)提高或降低树脂床内微球的接触压力(通过改变树脂床的特定区域中单位体积内离子交换材料的质量，最容易实现)；以及(4)增加或减少阳/阴离子交换接触位置的数量(可通过图案化离子交换微球或调整阳/阴离子交换比率实现)。
根据本发明的示范性实施方式，将聚合物网置于膜的表面。该聚合物网在微球-膜界面处限制微球-膜接触面积(从而提高电阻)，并可设置在膜的淡水侧或浓水侧。因而，可通过网的形状、尺寸和组成，包括但不限于网的开口度、网的厚度、网在室中占据的百分比以及网片/单元对的数量，来控制室的电阻和床内特定区域的电阻的增加。如随后在实施例1中更详细说明的，将聚合物网设置在阳离子膜的出口区域(浓水侧或淡水侧)使流过去离子室的电流百分比朝向室的入口区域有效偏移，从而提高整体去离子性能。
现参考示例本发明示范性实施方式的图1a-1d，示出了流通的电去离子(EDI)组件10，其包括位于浓水室21之间的去离子淡水室20。为了简化说明，示出了与一对浓水室21邻接的一个淡水室20。然而，应当理解的是，在不脱离本发明较宽范围的情况下，还可通过包括一个或多个交替的淡水/浓水单元对组件的EDI设备(以本领域已知的方式设置在正极14和负极12之间)，实现本发明。
仍参考图1a-1d，将阳离子选择性膜22和阴离子选择性膜26置于淡水室20的相对外侧。随后，将正极14和负极12设置在组件10的相对端，以提供横穿至少一个淡水室和浓水室20、21的电压。通常，室20、21可填充有电活化树脂微球(未示出)，以按照本领域已知的方式促进离子交换。沿淡水流方向箭头所示的方向将流体引入淡水室20的入口(即图的下部)。随后，净化流体从淡水室20的出口(即图的上部)排出。
图1a-1d示出了本发明的示范性实施方式，其中电阻元件32设置在淡水室20的出口区域附近。出于说明本文所述示范性实施方式的目的，实验选用的电阻元件32为具有预定长度L和表面结构厚度W的聚合物网。优选地，电阻元件32的长度L为室纵向总长度的约50％，然而应当理解的是，在不脱离本发明较宽范围的情况下，也可采用大于或小于50％的长度百分率，不论电阻元件的一部分是否还覆盖入口区域的一部分，只要电阻元件设置在室的出口区域附近即可。此外，还可预期，位于出口区域附近邻接微球-膜界面的不同位置中具有不同长度的电阻元件32可采用不同的厚度和/或表面结构(即网的密度、开口度)，以获得所需的结果。此外，如上所述，应当理解的是，根据本发明，还可使用非网型电阻元件32，例如膜片或适于提供基本不导电的粒子层的任意其它适宜的材料，并且在不脱离本发明较宽范围的情况下，可将具有不同长度的多个电阻元件按照一定策略设置在离子选择性膜22、24之一或两者之上的不同位置(在膜的淡水侧或浓水侧)，以改变淡水室20内预定区域的电导率。
在图1a所示的一种实施方式中，将电阻元件32设置在位于阳离子膜22浓水侧的膜22的出口半区。或者，可如图1b所示将电阻元件32设置在阳离子膜22的淡水侧。在图1c和1d示例的其它示范性实施方式中，示出了将电阻元件32设置在位于阴离子膜24浓水侧(图1c)或淡水侧(图1d)的出口半区。还应当理解的是，在不脱离本发明范围和构思的情况下，可采用所示示范性实施方式的各种组合和替换物。
此外，在本文披露的任意实施方式中，可通过在离子交换床中增加电阻元件，使该电阻元件在淡水室或浓水室中靠近出口区域介于微球-微球界面之间，来实现本发明。采用部分包覆微球的聚合物熔体进行了示例，结果使微球之间的微球-微球界面减少，因而增大了微球之间的电阻，从而相对于入口区域增大了出口区域的电阻。除了离子交换微球以外，还可预期本发明可如下实现：靠近出口区域将电阻元件设置在其它类型离子交换介质粒子如离子交换纤维或膜粒子之间，从而相对于入口区域增大出口区域的电阻。此外，在本文所述的任意实施方式中，可通过改变床的特定区域中单位体积内离子交换材料的质量，提高或降低微球和/或粒子接触压力，来改变离子交换床的电导率。
工作时，按照淡水流方向箭头所示的方向将欲净化的液体送入淡水室20的入口区域。然后，净化水从淡水室20的出口区域排出。在位于组件10的相对端的正极14和负极12之间施加电场，其中电流以本领域已知的方式垂直于流体流动的方向流动，使溶解的阳离子和阴离子组分从离子交换树脂微球或其它离子交换纤维或膜粒子(未示出)向其对应的电极12、14迁移。阳离子组分穿过阳离子渗透膜22迁移到朝向相邻负极的浓水室21中。阴离子组分的过程与此类似，但沿相反方向进行，其中阴离子组分穿过阴离子渗透膜24迁移到朝向正极的浓水室21中。以这种方式，将离子组分从流过淡水室20的流体中除去，从而形成从淡水室20出口区域排出的高纯液流。
以下实施例进一步示例本发明广泛的适用性，而不应当认为限制本发明的范围。
实施例1
将总可交换阳离子(TEA)浓度为20ppm的含NaHCO3水溶液(如CaCO3还含有250ppb SiO2)送入如图2A所示的常规EDI组件中。在该实施例1中，发现离开淡水室20的流体包含约15-18ppb的剩余SiO2。对整个淡水室20进行测量，1-4区的电流分布如图2A所示，其中电流分布如下：1区＝11％；2区＝18％；3区＝30％；4区＝41％。由此可知约71％的电流分布在淡水室的出口半区附近(即3区和4区)，与之相比，约29％的电流分布在淡水室的入口半区(即1区和2区)。偏向淡水室出口区域的电流分布不平衡说明通过淡水室的电流大部分用于去除强电离物质，而出口区域附近的电流部分用于去除弱电离物质，即SiO2。
与之相比，如图2B所示，按照本发明构造的在淡水室20出口区域附近设置有电阻元件32的EDI组件有效改变了淡水室整个1-4区的电流分布。显然整个室的电流分布更加平衡，其中电流分布如下：1区＝17％；2区＝33％；3区＝24％；4区＝26％。由此可见在淡水室20的入口区域和出口区域之间电流分布更加平衡，其中约50％的电流分布在1区和2区(即入口区域)，约50％的电流分布在3区和4区(即出口区域)。由于电流分布得到改善，发现从淡水室20出口侧排出的流体包含减少到约5-6ppb的剩余SiO2。因而，本发明具有电阻元件32的EDI装置有效改善了整个淡水室20的电流分布，从而使从设备排出的流体中SiO2含量从约15-18ppb降至约5-6ppb。这些结果表明成功利用本发明的网状电阻元件32使电流向入口区域(1区和2区)偏移，从而提高了整个去离子性能。
如图2a和2b所示，相对于不包括电阻元件的常规EDI设备(如图2a所示)，对本发明配置有电阻元件32的EDI设备(如图2b所示)的有效性进行了评价。出于说明该实施例1的目的，将电阻元件32设置在室的出口半区中阳离子膜22的淡水侧，然而应当理解的是，还可将电阻元件32设置在室的出口半区附近位于阳离子膜或阴离子膜的任意一侧，以获得相同或相近的结果。电阻元件32为聚合物网，该聚合物网的长度覆盖淡水室20总长度的约50％，然而在不脱离本发明较宽范围的情况下还可采用大于或小于50％的长度百分率。
由图2b所示淡水室20中1-4区的电流分布百分比可知，电阻元件32通过在淡水室20/阳离子膜22界面处限制微球-膜的接触面积有效增大了室20出口区域的电阻。因此，通过比较图2a和图2b中1-4区的电流百分比，证实了室的入口半区(即1区、2区)的电流分布百分比提高，同时由于电阻元件32使出口半区具有较高的电阻，出口半区(即3区、4区)的电流分布百分比降低。因而，如实施例1的结果所示(其中从设备排出的流体中SiO2的含量从约15-18ppb降至约5-6ppb)，入口区域较高的电流百分比改善了整体去离子性能。
尽管在典型示范性实施方式中对本发明进行了示例和说明，但本发明不限于所示细节，在不以任何方式脱离本发明构思的情况下，可进行各种改进和替换，因而，本领域技术人员可仅仅通过常规实验作出在此披露的本发明的变型和等同物，并认为所有这些变型和等同物落在所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种从流经的液体中去除离子的电去离子设备，所述设备包括：
设置在离子选择性渗透膜之间的至少一个淡水室，所述淡水室具有入口区域和出口区域；
邻接至少一个所述离子选择性渗透膜设置的至少一个浓水室；
靠近所述出口区域连接在所述至少一个离子选择性渗透膜上的至少一个电阻元件，从而相对于所述入口区域增大所述出口区域的电阻，由此增加在所述入口区域的电流分布。
2.权利要求1的设备，其中所述离子选择性渗透膜中的一个为阴离子膜并且所述离子选择性渗透膜中的另一个为阳离子膜。
3.权利要求2的设备，其中所述至少一个电阻元件包括聚合物网状材料。
4.权利要求2的设备，其中所述至少一个电阻元件包括微球树脂材料。
5.权利要求2的设备，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阴离子膜和所述淡水室之间。
6.权利要求2的设备，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阴离子膜和所述浓水室之间。
7.权利要求2的设备，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阳离子膜和所述淡水室之间。
8.权利要求2的设备，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阳离子膜和所述浓水室之间。
9.一种从电去离子设备中的液体中去除离子的方法，包括：
提供设置在离子选择性渗透膜之间的至少一个淡水室，所述淡水室具有入口区域和出口区域；
提供邻接至少一个所述离子选择性渗透膜设置的至少一个浓水室；
靠近所述出口区域将至少一个电阻元件连接在所述至少一个离子选择性渗透膜上，从而相对于所述入口区域增大所述出口区域的电阻；
使液体从所述入口区域向所述出口区域流过所述淡水室；以及
对所述淡水室施加横穿所述液体流动方向的电场，其中所述至少一个电阻元件相对于所述出口区域增加流过所述入口区域的电流分布，由此增加在所述入口区域的电流分布。
10.权利要求9的方法，其中所述电阻元件包括聚合物网状材料，所述方法还以下步骤：通过改变所述网的开口度、改变所述网的厚度、改变所述网的长度、改变所述网的位置、改变所述网的数量或通过它们的组合，控制所述电阻增加量。
11.权利要求9的方法，其中所述电阻元件包括微球树脂材料。
12.权利要求9的方法，其中所述离子选择性渗透膜中的一个为阴离子膜并且所述离子选择性渗透膜中的另一个为阳离子膜。
13.权利要求12的方法，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阴离子膜和所述淡水室之间。
14.权利要求12的方法，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阴离子膜和所述浓水室之间。
15.权利要求12的方法，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阳离子膜和所述淡水室之间。
16.权利要求12的方法，其中所述至少一个电阻元件连接在所述阳离子膜和所述浓水室之间。
17.一种从电去离子设备中的液体中去除离子的方法，包括：
提供设置在离子选择性渗透膜之间的淡水室，所述淡水室具有入口区域和出口区域；
将至少一个浓水室连接在一个所述离子选择性渗透膜上；
在至少一个所述室中提供多个离子交换粒子；
靠近所述出口区域在两个或更多所述粒子之间提供至少一个电阻元件，从而相对于所述入口区域增大所述出口区域的电阻；
使液体从所述入口区域向所述出口区域流过所述淡水室；以及
对所述淡水室施加横穿所述液体流动方向的电场，其中所述至少一个电阻元件相对于所述出口区域增加流过所述入口区域的电流分布，从而提高所述电去离子设备的去离子性能。
18.权利要求17的方法，其中所述电阻元件包括聚合物熔体材料。
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