CN103443034B - 用于水处理的电渗析装置 - Google Patents
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Abstract
电渗析装置8包括多个阴极68、多个阳极70和多个膜71；其中阴极68和阳极70在电极堆栈中交替排列，膜71在每个阴极68和阳极70之间；和其中阴极68和阳极70每个由单个传导板形成，从而封装在电极堆栈中的阴极板和阳极板的两个表面在使用时与被处理的水传导接触。
Description
技术领域
本发明涉及通过电渗析的水处理，比如为了杀死微生物的处理，优选海水的处理，比如压舱水处理。
背景技术
压舱水是通过船在压舱水罐或有时在其他合适的空间，比如货舱或油舱中运输的水。将其在水“供体”位置处泵入罐以补偿随货物和/或燃料的卸载/消耗所带来的重心点的改变，并因此维持稳定性。正确压舱从结构观点方面是必要的，并且也用于性能原因以便确保适当的推进器和舵浸入，合适的桥梁考虑以及保持期望的船只移动和操作特性。压舱水运输至水“容纳”位置，其通常在船只装载货物的位置，其潜在地在压舱水源地的生物地理区域之外。随着货物在船上装载可排出压舱水。压舱水可寄生一系列物种，其包括浮游动物、浮游植物、细菌和病毒。在排出点可能没有这些物种的天敌，并且其可在新的位置定居并且繁殖，对环境、工业和人健康造成严重的问题。
期望处理水和尤其是压舱水以便杀死微生物或使微生物失活，并且减少或去除其他污染物。
WO2008/047084描述了压舱水处理的方法和装置，包括膜电池中电渗析的使用。该类型的电渗析是流体处理方法，其基于通过在由离子交换膜隔开的两个电极之间施加恒定的或脉冲的电势差造成的离子分离。一个电极将用作吸引阴离子的阳极(正电荷)而另一个将用作吸引阳离子的阴极(负电荷)。膜和阳极之间隔室中的流体的特征为具有过多电子的阴离子并且可被称为浓缩物，而膜和阴极之间隔室中的流体的特征为存在缺少电子的阳离子并且可称为淡水（diluate）。
在一些电渗方法中，多膜电池排列成称为电渗析堆栈(electrodialysisstack)的构造，交替的阴离子和阳离子交换膜形成多膜电池——通常在单个阳极和阴极之间。电渗析的已知应用是大规模的含盐水和海水淡化和产盐，和小规模和中等规模的饮用水生产。电渗析也用于处理工业，用于分离某些污染物比如重金属。
在WO2008/047084的公开内容中，如下处理压舱水：将一部分压舱水与主流分开，使其通过膜电池，和将膜电池的产物返回主流。返回的产物主要是浓缩物并且这具有使水中的微生物失活或杀死微生物的作用。仅仅引导一部分水通过电渗析处理装置并且将膜电池的产物返回水的概念代表本领域的发展，因为实现了有效的水处理，而不需要使全部的水流过电渗析处理装置。
因此，WO2008/047084的电渗析设备提供了用于水处理，比如压舱水处理的有利形式的电渗析处理。但是，与使用该类型电渗析处理来处理海水比如压舱水相关的进一步工作已经鉴定为可作出改进的区域。
发明内容
本申请的权利要求涉及下面的第四至第六方面。下面阐释的其他本发明本文目前没有要求保护，并且包括它们以解释其它相关的发明。
从第一方面看，本发明提供电渗析装置，其包括：阴极、阳极、阴极和阳极之间的膜、用于沿着膜在阴极侧上水流动的阴极流动路程、用于沿着膜在阳极侧上水流动的阳极流动路程、和膜和阴极之间形成的其中阴极面向阳极的反应区，其中阴极流动路程布置为用于反应区中的层流，和其中电渗析装置包括流动调整元件，其布置为促进引入水流中的层流至阴极流动路程。
海水不完全是具有氯化钠的水溶液，而是包括其他盐和化合物，除了熟知的氯化钠和水反应之外，其还产生副反应。例如，镁盐可构成海水中盐的约3-4%。已经发现副反应之一在电渗析装置的阴极侧产生水镁石Mg(OH)2。水镁石具有乳白色粘性物质的外观。出乎意料地，本发明人已经发现当使用标准海水时，电渗析过程在电渗析装置中形成该水镁石物质，并且该水镁石沉淀物积聚在内部流动通道中。该问题没有在已知的现有技术中公开。该方面的电渗析装置包括解决该新问题的特征。
典型地，常规的电渗析装置将寻求促进湍流和二次流，因为认为该混合过程帮助电渗析反应和加速离子运输通过膜。因此，常规上不使用层流和不在已知的设备中采取措施来确保在阴极侧上的层流。本布置基于下列认识：水镁石沉淀物是潜在的问题并且通过包括促进层流的结构，可避免水镁石的积聚。在常规的电渗析装置中，通过湍流和不均匀或二次流帮助水镁石沉淀物的形成。利用这些流动模式，形成循环水流的死角或死区，其中水镁石被截留。这使得水镁石凝聚或凝结和积聚成更大的沉淀物。
如果流是层流的，则不存在二次流结构。通过并入意图在水进入反应区之前促进层流的特征，该方面的电渗析装置减少可在反应区中形成的水镁石和其他污染物凝聚或凝结的机会。保持层流通过反应区减少污染物被截留或粘附在设备中的机会。反应区是其中阳极和阴极充分重叠用于电渗析反应发生的电渗析装置的区域。当避免形成水镁石沉淀物时，该装置需要较少频率的清洁。也可减少其他污染物的积聚。
优选地，流动调整元件布置为促进反应区之前区域中的层流。反应区中的阴极流动路程可为大体上恒定维度的直边流动路程。不同形状和尺寸的流动路程的区域优选在反应区外，和优选与反应区间隔开。
优选地，阴极流动路程在反应区中不被阻塞。这避免产生湍流，否则可当水绕阻塞物流动时出现湍流。一般而言，电渗析装置将并入间隔元件以保持膜和电极之间的期望间隔。在现有技术中，这些间隔存在于阳极侧和阴极侧二者上，以保持膜在适当的位置上。优选地，该方面的电渗析装置在阴极侧上没有间隔元件，即可仅在离子交换膜的阳极侧上包括间隔元件。这避免在阴极侧上来自间隔元件的任何阻塞，并且因此减少阴极侧上的湍流。因为水镁石反应在阳极侧上不发生，所以没有源自在阳极流动路程中存在间隔元件产生湍流的问题。
在优选的实施方式中，布置装置，使得通过阴极流动路程的流率(flowrate)比通过阳极流动路程的流率更大。这是为了在膜的阴极侧提供更高的压力。因此，优选地，通过阴极流动路程的流速(flowvelocity)比通过阳极流动路程的流速更大。通过阴极流动路程的流量(flowvolume)也可大于通过阳极流动路程的流量。通过阴极流动路程的较高压力用于推动膜远离阴极，这可减少水镁石沉淀物在膜上积聚的机会。而且，较高流率的使用，尤其结合该方面的层流，用于冲洗掉可能存在的任何水镁石沉淀物。阴极流动路程(一个或多个)的水入口可大于阳极流动路程(一个或多个)的水入口。如果以相同的压力供应水至两个入口，那么这将导致需要的增加的流率，并且如果阴极流动路程(一个或多个)与阳极流动路程(一个或多个)具有相同的横截面积，则流速和流量将都更高。
电渗析装置可在反应区之前包括流动调整元件，以促进引入水横跨阴极流动路程和/或阳极流动路程的宽度均匀分布。在优选的实施方式中，在板形电极之间形成阴极和阳极流动路程，并且因此将具有细长的槽形横截面。流动路程的狭窄槽形横截面可促进层流。例如，流动路程的横截面可以是电极和膜之间宽度在1mm和4mm之间，优选宽度约2mm的槽。阴极流动路程和阳极流动路程的横截面可以是具有相同宽度的槽。用于确保引入水横跨槽形横截面的宽度均匀分布的流动调整元件将促进层流。
流动调整元件可包括通道、挡板和/或导向叶片，用于流从一个或多个水入口通道至阳极/阴极流动路程的均匀分配。优选地，引入水流横跨阳极/阴极流动路程的宽度均匀地分开。在尤其优选的实施方式中，流动调整元件包括流动通道，其以扇形从入口通道延伸至阴极/阳极流动路程。
优选的实施方式使用分层布置在电极堆栈中的多个重复的阴极板和阳极板，膜在每个阴极和阳极之间。这使得平行形成多个电渗析室，每个具有它们自己的电极，并且这提高了可处理水的速率。优选地，电渗析装置包括阴极板、膜、阳极板、膜顺序的重复，从而使用每个电极板的两侧(除了在重复顺序外端处的电极)。因此，在电极堆栈中心部分的每个阴极板将在板每侧具有阴极流动路程。类似地，每个阳极板可在每侧具有阳极流动路程。
为了减少水流入流动调整元件之后的电极流动路程时的中断，阴极和/或阳极的前沿优选地包括具有增加宽度的成形末端。该成形末端可例如包括楔形和/或曲线部分。在成形末端之后，阴极/阳极优选采取具有恒定宽度的板形式。成形末端的优选形状是具有圆点的对称楔形。成形末端的使用用于沿着电极的每侧轻柔地分开流。当电渗析装置在阳极流动路程中包括间隔元件时，这些间隔元件优选位于成形末端之后。
阴极和/或阳极的成形末端可通过使电极材料成形——例如通过机械加工——而形成。可选地，成形末端可通过添加由不同材料形成的成形组件而形成。当电极材料难以成形和/或成形昂贵时，这是有优势的。例如，如果使用钛电极，成形末端可以是模制的塑料插入物。
优选地，布置电渗析装置，使得反应区直到水已经沿着阴极流动预定的距离才开始。这是为了促进阴极流动路程中的层流通过反应区。在优选的实施方式中，这通过将阴极放置在水流动路程中实现，其中阴极的前沿比阳极的前沿距离入口的距离更短。利用该布置，穿过阴极板的水流在反应区之前有机会沉降，因为电反应直到流到达其中阳极和阴极充分靠近在一起的区域才开始。例如，阴极的前沿可放置比阳极的前沿更靠近水入口20mm和60mm之间。在优选的实施方式中，阴极的前沿放置比阳极的前沿更靠近水入口约30mm。
可允许引入水流动预定的距离，而在流动调整元件的末端之后和水到达阴极或阳极之前没有扰动。该未扰动的流帮助水从源自之前流动调整元件的任何破坏作用或从那些流动调整元件的终止恢复。例如，水可在到达阴极或阳极的前沿之前未扰动地流动至少5mm，优选至少10mm。距离越大，流沉降为层流模式的机会越多。但是，通常有一个这样的点，在该点增加距离不提供流动模式均匀性的相应增加。利用约2mm的槽宽度，当水在其到达阴极或阳极的前沿之前未扰动地流动约10mm时，看到好的结果。当电渗析装置由重复的被膜分开的阴极和电极板形成时，未扰动流的区域可形成为两个膜之间空间中的未扰动流动路程，该未扰动的流动路程在水到达位于两个膜之间的阴极或阳极的前沿之前在膜之间延伸预定的距离。
在如上述电渗析装置包括分层的电极堆栈的情况下，电渗析装置优选包括流量分配系统，其用于将引入水以相同的量分配至每个电极室。因此，电渗析装置可包括用于相等地分配引入水至每个阴极水入口的阴极流量分配系统和用于相等地分配引入水至每个阳极水入口的阳极流量分配系统。如上述，阴极流动路程可比阳极流动路程接收更大流率的水。阴极流量分配系统确保阴极流动路程，并且在多个阴极的每个处供应相等的水流。阳极流动路程类似地供应相等的水流。
在尤其优选的实施方式中，流量分配系统采用阳极流动路程和/或阴极流动路程的入口歧管形式，其中入口歧管包括沿着其长度配备孔的第一管，该孔连接至流动路程，和位于第一管中并且由第一管封装的第二管，第二管在一端具有入口并且在其第二端被封闭，并且第二管沿着其长度配备开向第一管的孔。下面讨论优选的入口歧管的进一步特征。
从第二方面看，本发明提供一种方法，其包括上述电渗析装置用于处理海水的应用，优选用于处理压舱水的应用。
从第三方面看，本发明提供制造电渗析装置的方法，其包括下述步骤：提供阴极、阳极、阴极和阳极之间的膜、用于沿着膜在阴极侧上水流动的阴极流动路程、用于沿着膜在阳极侧上水流动的阳极流动路程、和膜与阴极之间形成的其中阴极面向阳极的反应区；为反应区中的层流布置阴极流动路程；和在引入水流的区域中布置流动调整元件以在反应区之前促进引入水流中的层流。
该方法可包括提供如上面就第一方面优选的特征描述的电渗析装置的特征。
从第四方面看，本发明提供电渗析装置，其包括：多个阴极、多个阳极和多个膜；其中阴极和阳极在电极堆栈中交替排列，膜在每个阴极和阳极之间；和其中阴极和阳极每个由单个传导板形成，从而封装在电极堆栈中的阴极板和阳极板的两个表面在使用时都与被处理的水传导接触。
在该类型的常规电渗析装置中，电极由两片钛形成，其铜焊至铜棒以形成夹心。这些铜棒接着从电渗析装置伸出并且用于提供与主电源的连接。在该方面的电渗析装置中，单个传导板用于每个电极。结果，电渗析装置可制成更小和更紧凑。另外，因为传导材料是通常相对昂贵的，所以使用的板的数量减少致使成本节约。在电渗析装置优选的实施方式中，钛用于阳极板和阴极板。
单个传导板意思是，与上面现有技术讨论的两个板相比，电极的主传导和电活性部件由单个板形成。除了单个传导板之外，电极还可包括其他元件，比如固定部件、成形末端部等。
电极可以以连续的电极堆栈布置，以形成整个电渗析装置。但是，该布置有助于所有电极与电源的并联连接。其可有利地允许电渗析装置部件的串联连接，例如用于与电源阻抗匹配。因此，在优选的布置中，电极堆栈包括多组电极，单个组中的每个电极并联连接，并且每组电极串联连接。例如由50个阳极室和50个阴极室构成的电极堆栈可由每个包括10个阳极室和10个阴极室的5个组构成。
在电极堆栈或每组电极室的中心部分中，每个传导板的两面与水电接触，所以电极的两面都用作电渗析过程中的活性表面。电渗析装置包括下述顺序重复：阴极、膜、阳极、膜，使用每个电极板的两侧，除了外端处的电极。在电极堆栈中，每组电极外端处的电极优选是两个阴极。阴极生产可比阳极更便宜，因为阳极反应需要用于电极的昂贵涂层。因此，通过使用另外的阴极作为末端电极(对于其仅仅电极的一侧在反应中使用)生产电渗析装置可更便宜，而不减少总反应区域。
可使电极的电连接直接至传导板的传导材料。优选地，允许传导板在电渗析装置的反应区域之外延伸，以提供电连接点。
在优选的实施方式中，形成电极的传导板夹在非传导隔板之间并且被其支撑。隔板可用于隔开进入和离开阴极流动路程和阳极流动路程的流体流。隔板可包括将传导板暴露在反应区中的开口。膜可横跨阳极和阴极之间的这些开口放置，以完成其中发生电渗析反应的膜电池。
隔板优选包括用于引入水的入口通道和流出淡水和浓缩物的出口通道。流动导向部件也优选并入隔板中，比如上面就第一方面讨论的流动调整元件。因为隔板包括流动导向部件，它们通常具有比传导板更大的尺寸。
优选地，传导板配备结合到传导板并且形成对应隔板形状的形状的密封件。因为隔板大于传导板，所以密封件可延伸超过传导板的边缘。例如，传导板可通常为矩形，和密封件可沿着矩形的两个对边结合和接着向外延伸超过矩形的剩余两个边。当传导板和密封件放置在两个隔板之间时，密封件形成封装的电极室。两个隔板可通过任何适当的手段夹在传导板周围，例如通过封装电极堆栈的框架或通过将每对隔板连接在一起的螺钉。
密封件可为任何合适的材料，即有弹性的和耐水的材料。优选橡胶材料。优选地，密封件包括橡胶材料。可使用包含相对高水平填充剂的高密度橡胶。
已经发现，可能难以将密封件牢固地附连至电极，尤其是当使用钛电极时。在优选的布置中，通过使用热固性或硫化橡胶克服了该问题，其中在热处理之前将热固性或硫化橡胶施用至电极，并且接着通过加热和任选地加压橡胶将其结合至电极，以在其与电极接触时进行热固或硫化过程。电极的表面可被调整，然后施加未处理的橡胶，例如通过蚀刻或其他化学过程。
如上就第一方面讨论的，优选的实施方式对于阴极和阳极使用不同的流率。因此，该实施方式的电渗析装置优选地为阴极和阳极并入备选(alternate)隔板设计。这使得阳极和阴极能够使用不同的流动导向部件。而且，因为在优选的实施方式中，阳极和阴极可具有放置在距离各自水入口不同距离处的前沿，所以不同的隔板设计也可允许在需要的位置处支撑阳极板和阴极板。
在优选的实施方式中，装置包括阴极室，其包括位于传导板形式的阴极的每侧上的第一和第二阴极隔板。装置可包括阳极室，其包括位于传导板形式的阳极的每侧上的第一和第二阳极隔板。电渗析装置可接着由一系列阳极和阴极室形成，膜在每个室之间。
隔板可包括通孔，当许多电极室堆栈在一起时，所述通孔形成水入口和出口通道。可具有一个或多个阳极入口通道和阳极出口通道。类似地，可有一个或多个阴极入口通道和阴极出口通道。在优选的实施方式中，为提供通过阴极的增加的流率，有两个阴极入口通道，一个阳极入口通道，两个阴极出口通道和一个阳极出口通道，每个具有大约相同的尺寸。优选围绕通孔提供密封件以保持阳极流体和阴极流体分开。管可沿着堆栈中所有隔板的通孔穿过，以完成入口和出口通道。管可以是如下述的入口歧管。有利地，使用沿着通孔的管也可用于对齐电极堆栈中的室。
从第五方面看，本发明提供一种方法，其包括上述电渗析装置用于处理海水的应用，优选用于处理压舱水的应用。
从第六方面看，本发明提供制造包括多个阴极、多个阳极和多个膜的电渗析装置的方法；该方法包括在电极堆栈中交替排列阴极和阳极，膜在每个阴极和阳极之间；其中阴极和阳极每个由单个传导板形成，从而电极堆栈中阴极板和阳极板的两个表面在使用时都与被处理的水传导接触。
该方法可包括提供密封件和将密封件与传导板结合。在优选的实施方式中，热固性或硫化橡胶用于密封件，和方法包括在热处理之前施加橡胶至电极，和然后通过加热和任选地加压橡胶以在其接触电极时进行热固或硫化过程，将橡胶结合至电极。可调整电极的表面然后施加未处理的橡胶，例如通过蚀刻或其他化学过程。
优选地，方法包括将传导板和密封件夹在非传导隔板之间。两个隔板可通过任何适当的手段夹在传导板周围，例如通过封装电极堆栈的框架或通过将每对隔板连接在一起的螺钉。
隔板可用于隔开进入和离开阴极流动路程和阳极流动路程的流体流。隔板可包括将传导板暴露在反应区中的开口。优选地，方法包括横跨阳极和阴极之间的这些开口放置膜，从而膜夹在相邻的电极之间。
隔板可包括通孔，当许多电极室堆栈在一起时，所述通孔形成水入口和出口通道。可具有一个或多个阳极入口通道和阳极出口通道。类似地，可有一个或多个阴极入口通道和阴极出口通道。方法优选包括将管沿着堆栈中所有隔板的通孔穿过，以完成入口和出口通道。有利地，使用沿着通孔的管也可用于对齐电极堆栈中的室。
方法可包括上面就第三方面讨论的步骤。方法可包括提供如上面就第一或第四方面的优选的特征阐释的电渗析装置的其他特征。
从第七方面看，本发明提供电渗析装置，其包括：多个阴极、多个阳极和多个膜；阴极和阳极在电极堆栈中交替排列，膜在每个阴极和阳极之间，膜和阳极之间形成阳极流动路程并且膜和阴极之间形成阴极流动路程；电渗析装置进一步包括用于分配水至阳极流动路程或至阴极流动路程的入口歧管，其中入口歧管包括沿着其长度配备孔的第一管，该孔连接至流动路程，和位于第一管中并且由第一管封装的第二管，第二管在一端具有入口和在其第二端被封闭，并且第二管沿着其长度配备开向第一管的孔。
通过使用该嵌套管的布置，水可均匀地分配至沿着电极堆栈的所有流动路程。使用时，水可流过第二管的入口，流入并且沿着第二管流动，流出第二管的孔进入第一管，并且其后流出第一管进入电极堆栈。该水路程和来自孔的节流用于沿着电极堆栈的长度保持大体上恒定的压力，并且因此水均匀地供应至所有阳极/阴极流动路程。
可仅为阴极或仅为阳极提供入口歧管，但是优选地，为阴极和阳极二者提供类似的入口歧管。如上面所讨论的，通过阴极流动路程的流率比通过阳极流动路程的流率更高是有利的。因此，优选地，电渗析装置包括如此用于阴极流动路程的入口歧管，其布置为比用于阳极流动路程的入口歧管流率更高。这可通过更大的歧管实现。但是，优选地，装置包括用于阴极流动路程的两个平行的入口歧管，平行地供应水至流动路程。当仅仅有一个类似的用于阳极流动路程的入口歧管时，这能够确保与阳极流动路程相比大约两倍的阴极流动路程流率。
歧管的管优选是圆形的。圆形的管容易获得和/或制造，和另外地，易于形成用于安装圆形歧管的孔。但是，入口歧管的管不限于圆形管，并且可以是例如具有矩形横截面或另一管形的管。
第一管的孔优选经流动导向装置——例如上面讨论的流动调整元件连接至流动路程。第一管的孔可采用横向跨过管定位的狭缝形式。
第二管的孔可以是横向跨过管定位的狭缝。第二管可在面向第一管的孔的第一侧上具有孔。也可在对侧上具有另外的孔。
优选地，第二管位于第一管内中心位置，即第一和第二管可以是同心的。
在优选的实施方式中，阳极和阴极由隔板支撑并且隔板配备通孔，其中入口歧管沿着隔板中的通孔定位，并且优选地其中第一管中的孔开向隔板中形成的流动导向部件。第一管可以是通过对齐隔板中的通孔形成的管。第二管可以是插入第一管中的管道。
在优选的实施方式中，电渗析装置具有如上面结合第一或第四方面讨论的特征。
从第八方面看，本发明提供一种方法，其包括上述电渗析装置用于处理海水的应用，优选用于处理压舱水的应用。
从第九方面看，本发明提供制造电渗析装置的方法，所述电渗析装置包括：多个阴极、多个阳极和多个膜；阴极和阳极在电极堆栈中交替排列，膜在每个阴极和阳极之间，膜和阳极之间形成阳极流动路程并且膜和阴极之间形成阴极流动路程；方法包括提供用于分配水至阳极流动路程或至阴极流动路程的入口歧管，其中入口歧管包括沿着其长度配备孔的第一管，和在一端具有入口和在其第二端被封闭的第二管，并且第二管也配备孔，方法进一步包括在电极堆栈中提供第一管，从而第一管的孔连接至流动路程和将第二管定位在第一管中，从而第二管位于第一管中并且由第一管封装，并且第二管的孔开向第一管。
在优选的实施方式中，阳极和阴极由隔板支撑，并且隔板配备通孔，方法包括在电极堆栈中沿着隔板的通孔提供入口歧管。
方法可包括如上面就第三或第六方面讨论的步骤。方法可包括提供如上面就第一或第四方面的优选特征阐释的电渗析装置的其他特征。
从第十方面看，本发明提供用于处理水的电渗析装置，其包括：膜电池，用于监测引入水温度的温度监测设备和用于在引入水到达膜电池之前增加其温度的加热器，其中加热器布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加引入水的温度。
已经发现，引入水的温度低于某一水平导致驱动电渗析装置需要的电能显著增加。电能的该增加可小于加热水需要的电能。因此，当初始温度过低时，通过加热水提高了系统的效率。
电渗析装置优选地用于处理海水，更优选用于处理压舱水。电渗析装置可用于安装在船只比如轮船上。
加热器可以是电能加热器或燃料加热器。但是，优选地，加热器由废热提供动力，其可以例如通过来自发动机冷却系统的废热提供或通过从发动机排气回收的热提供。这进一步提高了效率。加热器可包括换热器或类似的设备。
在优选的实施方式中，当初始温度小于10℃时，更优选地当初始温度小于15℃时和仍更优选地当温度小于16℃时操作加热器来增加引入水的温度。已经发现，对于海水，当温度下降小于16℃时，出现能量使用的显著增加。优选地，水加热至高于16℃，更优选地至少18℃和任选地至20℃或更高。已经发现，对于海水，超过约20℃的温度没有能量使用的显著减少。
从第十一方面看，本发明提供通过使用膜电池的电渗析处理水的方法，方法包括：监测引入水的温度并且如果初始水温度低于预定水平在其到达膜电池之前增加引入水的温度。
优选地，方法是处理海水的方法，更优选地是处理压舱水的方法。方法可用于处理在船只比如轮船上的压舱水。
加热水的步骤可使用加热器。加热器可以是电能加热器或燃料加热器。但是，优选地，方法包括通过使用热加热水，其可例如通过来自发动机冷却系统的废热提供，或通过从发动机排气回收的热提供。
优选的实施方式包括当初始温度小于10℃时，更优选当初始温度小于15℃时和仍更优选地当温度小于16℃时，增加引入水的温度。优选地，水加热至高于16℃，更优选加热至至少18℃和任选地至20℃或更高。
从第十二方面看，本发明提供制造电渗析装置的方法，其包括提供膜电池，提供用于监测引入水温度的温度监测设备，和提供用于在引入水到达膜电池之前增加其温度的加热器，加热器布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加引入水的温度。
可组合上述方面和优选实施方式的电渗析装置和方法。上述方面和优选实施方式的电渗析装置可包括下列特征的一种或多种和/或可并入包括任何下列特征的水处理装置。
膜可以是用于水的电渗析的任何合适的膜，比如水不可渗透的离子交换膜。例如，如果膜电池由AC电供电，则可任选地使用离子选择性膜。
电渗析处理优选应用至待处理水的仅仅一部分，该部分与水的主体分开，并且电渗析装置的产物返回水的剩余部分以处理全部水。在优选的水处理装置中，电渗析装置处理的水部分优选就在处理之前与引入水流分开，并且接着随着水的剩余部分经过而通过电渗析装置——而不被电渗析装置处理。因此，装置可包括主流动路程，其中入口流动路程布置为将一部分流从主流动路程分离，并且引导其通过电渗析装置。可选地，电渗析装置处理的水部分可从分开的源提供，例如盐水或咸水的外部源。在两种情况下，装置可包括从出口流动路程至主流动路程的连接，其中出口流动路程将电渗析装置的产物添加至主流动路程。
未被电渗析装置处理的水可暴露于其他处理，有效地与对所述水部分的电渗析处理平行，例如空化处理或氮注入处理，如下面更详细讨论的。
优选地，按体积计小于10%，更优选小于5%和仍更优选小于2%的进入处理装置的总水流通过电渗析装置。尽管取决于条件可使用低至1%或0.5%的量，但是按体积计约1.6%的量是优选的。通过改变电渗析装置中使用的电流和水的盐度，可能操纵必要的流量。因此，取决于这些因素和具体的处理应用，使用的流量可以更大或更小。
在优选的实施方式中，本发明是压舱水处理装置。如上面所讨论的，该类型的水处理对于压舱水是尤其期望的。许多现有的水处理不适于压舱水处理，这是因为在短时间间隔内需要处理大量的水。因为仅仅一部分水需要通过电渗析装置，水的剩余部分不穿过电渗析装置，所以与需要全部水直接被电处理作用的备选方案相比，处理可在给定时间内应用于更大体积的水。
电渗析装置可用于分别在阴极和阳极生产淡水流和浓缩物流，返回水的电渗析装置的产物由这些流的一种或二者的一些或所有组成。电渗析装置的产物可简单地为电渗析装置产生的一些或所有的浓缩物流。但是，优选地，电渗析装置的产物是一些或所有的浓缩物流的混合物，理想地其大部分与至少一部分淡水流的混合物，理想地淡水流以比浓缩物量更小的量。浓缩物流包含增加含量的不同氧化物，并且当电渗析装置的产物返回主水流时，氧化物对于杀死水中的微生物或使其失活尤其有效。
电渗析处理之后，浓缩物可比处理之前的水具有更低的pH，并且淡水可具有更高的pH。混合浓缩物与一些或所有的淡水使得调整电渗析装置的产物的pH。
在优选的实施方式中，浓缩物流和至少一部分淡水流在穿过电渗析装置之后立即混合。这可通过移出一部分淡水流，并接着混合淡水的剩余部分与浓缩物流实现。移出的淡水的量可在按体积计20%和80%之间。在可选的优选实施方式中，返回主水流的电渗析装置的产物是所有淡水流连同所有的浓缩物流。已经发现，在一些情况下，需要全部淡水，以在电渗析装置的产物混合之后提供期望的pH和终水流的其他特性。在该情况下，淡水和浓缩物可一起反应以消耗来自水的所有的氧化物和活性产物。但是，在所有的氧化物和活性产物被淡水和浓缩物的反应消耗之前，也发生杀死微生物的反应。而且，电渗析过程不是完全可逆的。例如，反应可产生离开水的气体比如氢和氯。
为了控制混合比，监测pH，并且控制平衡以保持pH在期望的范围内。可通过pH电极进行pH监测。优选地，保持pH小于6，例如在从4至6的范围内，通常在约5的pH。可通过改变添加至浓缩物的淡水的量，例如通过改变混合之前移出的淡水的量，控制电渗析装置的产物的混合比和pH。通过控制供应至电渗析装置的电流或电压也可进行pH的控制，从而改变所得电渗析作用的强度，并且因此改变浓缩物的氧化强度。
装置可包括用于移出一部分淡水流的淡水移出流动路程。为了促进浓缩物和未移出的淡水的混合，装置可在出口流动路程之前包括混合区域。在一种优选的实施方式中，混合区域是缓冲液罐。可选地，可随着浓缩物和淡水流过出口流动路程，将其混合。混合可与浓缩物流和未移出部分的淡水流与主流混合同时发生，即电渗析装置的产物可由两部分组成：仅仅当这两部分与水的剩下部分混合时这两部分混合。可通过混合区域或出口流动路程中的静态混合器或湍流诱导工具促进混合。
移出的淡水可在电渗析装置之前再注入水上游。如果其他处理阶段包括在水处理装置中，比如空化处理或过滤处理，那么淡水的剩余部分优选在其他处理阶段之前并且甚至在压舱泵(ballastpump)之前再注入。再注入淡水避免对其处理的需要。淡水也将有利地用作清洗剂，尤其用于过滤过程——如果其在过滤之前注入。
可通过监测氧还原势(ORP)和/或总残余氧化物(TRO)的消耗，控制再注入主流的浓缩物和淡水的特性和量。ORP期望值的范围可为250–800mV，更优选300–500mV。再注入之后TRO的即刻初始值优选地在1和10mgCl/L之间，更优选在2和5mgCl/L之间，通常在1至36小时时期之后快速下降至0.01–1mgCl/L。TRO的消耗强烈依赖于待处理水的特性。为了使电渗析装置的性能最优化，期望布置校准流环，其允许在开始实际的水处理之前预先设定电流和混合比。当ORP和/或TRO测量值超过期望的范围时，那么相应地调整电渗析装置的操作。
为了引导水流，装置可包括导管、管道、挡板等。电渗析装置可整合入主水流的流动路程，并且因此装置可包括主流管道或主流的导管，更小的管道或导管或类似物用于引导一部分主流通过该装置。可选地，电渗析装置可提供为单机装置，其可连接至现有的水导管以处理其中的水。在该情况下，处理装置可包括用于将单机装置连接至现有导管的合适管道或导管，以及需要的阀门、计量泵(一个或多个)等。
盐水的独立源可用于增加用于电渗析装置的输入电解质并且增加其盐度。这可能是例如作为淡水生产的副产物产生的盐水或在专用盐水生产工厂，比如反渗工厂中产生的盐水。循环反渗工厂可用于产生饱和的盐水溶液，用于添加至输入电解质。当系统用于处理淡水或弱含盐水时，需要添加盐水或类似物，因为否则电处理将不是有效的，这是由于水中缺乏离子。盐水也可添加至低盐含量的海水，以便使电解质的含盐量至优选的水平。在较低的盐含量，需要较大的电流以实现使用电渗析装置的相同处理效果。因此，通过增加盐含量，可实现能量使用的减少。作为例子，在北海(NorthSea)，千分之25或更高的盐度是典型的，而在波罗的海，表面水具有约千分之7的低得多的盐度。优选地，盐水添加至电渗析装置的输入电解质，以保持至少千分之25的盐度。
优选地，处理之后，将水保存在容器或罐中一段时间。这使得来自电渗析装置的产物的氧化物和活性物质对水中的微生物和其他有害物质有充分的作用时间。在具体优选的实施方式中，本发明用于船的压舱水处理，其中水当被接收到压舱罐中时进行处理，并且接着其在排出之前存储在压舱罐中。在该情况下，当船在重新装载货物和排出压舱水之前从港口到港口移动时，通常有合理的存储时间。该时间可有利地用于允许电渗析装置产物的处理生效。
处理流动路程可由主流动路程外部的导管形成。这使得现有水流动路程容易调整，以通过添加适当的入口和出口接合点(junction)来包括处理装置。可选地，处理流动路程可与主流动路程整合为单个装置。
水处理装置可任选地包括气体注入装置，用于在电渗析装置的产物返回水之前或同时将氮气注入水。在一些情况下，优选在电渗析装置的产物返回水之后立即注入氮气。认为水的氮化作用延长氧化物处理，并且也具有有益的腐蚀降低作用。
氮气可注入所有的或部分水流，如在WO2008/047084中讨论的。氮气优选以足够量注入以确保处理的水用氮气过饱和。在优选的实施方式中，部分水流从主流分离，并且氮气注入该部分。优选地，该部分水流小于水流总体积的15%。当氮化的水流再引入主水流时，静态混合器可用于促进两个水流的混合。
水处理装置可任选地包括用于对水施加空化处理的空化装置。使用空化装置对水中的微生物和其他活的或非活的物质产生物理作用，并且因此分解这些有害的成分。优选地，空化装置放置为在应用电渗析处理之前处理水。任选的空化处理可因此用于消除更大的和更复杂的生物体，以及分解其他不期望的物质，并且尤其分解微生物群或簇(clump)。这可为电渗析装置的处理作用提供预处理，因为破坏的和分解的生物体更容易被膜电池的产物攻击，可接着提供最终水平的处理，其消除任何残留的生物体，并且能够更有效地起作用，这是因为更大尺寸的生物体和生物体群已经被分解的事实。
可选的预处理或另外的预处理可任选地通过对水施加高频率交流电的电处理装置提供，频率足够高以物理破坏水中的微生物。电处理装置可包括与流动水接触的电极。足够高意思是频率足够高以提供对微生物的物理作用。例如，可使用至少50Hz的频率，优选至少500Hz和更优选至少1kHz的频率。优选地，频率足够高以破坏或弱化生物体的细胞壁、细胞膜或细胞核。
电极可以1-相或3-相构造连接。施加的频率的特征可为其中频率改变，例如扫频或噪声图。优选地，使用中等电压，例如对于1-相构造可使用小于120伏特的电压。避开高压避免电击身亡的风险和与高压相关的其他危险。
上述各个方面的方法，在优选的实施方式中可包括对应优选的上面讨论的装置特征的方法特征。方法可用于处理压舱水，并且方法优选地包括：根据上面阐释的任何方面或优选的实施方式处理用于填充压舱罐的水，任选地将氮气注入水中，将处理的水存储在压舱罐中，从罐中排出水，任选地通过注入包含氧的气体处理排出的水，任选地向水施加重复的杀微生物动作，和将水释放至环境。
通过处理水，当水进入和离开罐时，存储和释放非期望物质尤其是微生物和其他有机物的风险大大降低，这是因为各种处理步骤导致这类物质分解成非危险状态。将氮气任选的注入随后存储的水中，通过减少溶解在水中的氧气量减少了压舱罐的腐蚀。另外，这减少了腐蚀保护系统比如涂层和涂料的风化，因为氧化是这种风化的原因。
附图说明
现在将仅仅通过实例的方式并且参考附图，描述本发明优选的实施方式，其中：
图1显示具有电渗析装置的压舱水处理系统，
图2图解包括电极堆栈的电渗析装置，
图3显示如图2的装置中使用的单个电极室，
图4显示电极板和密封件，
图5是电渗析装置的部分剖视图，其中可见流量分配器，
图6是流量分配器内管的透视图，
图7是显示流动调整元件的隔板的局部视图，
图8是示意性线框图，其显示流量分配器和流动调整元件的进一步细节，
图9是通过两个阴极室和一个阳极室一部分的横截面，其显示电极的前沿，
图10显示当未使用优选的流量分配器时，在计算机模型中，沿着电极堆栈，通过每个阴极室的速度的图，
图11显示当使用优选的流量分配器时，在计算机模型中，沿着电极堆栈，通过每个阴极室的速度的图，
图12显示当未使用优选的流动调整元件时，在计算机模型中，横跨阴极流动路程宽度的速度的图，和
图13显示当使用优选的流动调整元件时，在计算机模型中，横跨阴极流动路程宽度的速度的图。
具体实施方式
图1的布置使用压舱水处理系统中的电渗析装置，但是认识到存在优选电渗析装置的其他应用，并且可调整电渗析装置以适合不同的要求。尤其地，应理解本文描述的电渗析装置可用于压舱水处理，或用于其他水处理应用，而不需要结合图1示例性布置中显示的其他处理类型。
因此，图1图解包括电渗析装置8的压舱水处理系统。在该实施例中，过滤水和然后通过空化装置10、气体注入装置14和电渗析装置8处理。这一系列的处理使得水中的生物体破坏和死亡。以及影响水中的生物体，在注入装置14添加至水的氮气降低水中溶解的氧气水平，并且减少生物体再生长的可能，以及减小涂层的风化和腐蚀的速度。此外，认为氧气的减少延长经电渗析装置的产物8引入水中的氧化物的作用。通过控制的气氛管理，当压舱罐通过使用氮气排空时，这些作用被进一步提高。
在压舱罐的填充期间，通过使用船的压舱泵系统2，从大海通过入口管1泵送压舱水。泵2之后，水流通过管道并且通过第一过滤器4过滤，其从水中过滤较大的颗粒。这些形成在压舱上升道(uptake)排出的淤泥。
在第一过滤器4的下游，可任选地安装增压器。增压器可用于保持在装置进一步下游成功处理所需要的水压水平。
在该实施例中，水然后继续流入空化装置10。在空化装置10中，通过流体流速的快速加速诱导水动力空化，其使得流体静压力快速下降至流体蒸汽压力。然后，这导致蒸汽泡形成。在使得气泡生长的控制时间段之后，接着是快速控制的减速。这使得流体静压力快速上升，其造成蒸汽泡剧烈破裂或爆炸，使水中的任何生物体或类似物暴露于高强度压力和温度脉冲下，这使得水中的生物体分解。
空化装置10之后，部分水流过电渗析装置8。水的剩余部分未被电渗析装置8处理，并且可简单地继续沿着管道或导管流动至稍后的处理阶段。在图1的实施方式中，电渗析装置外部安装至主流导管，并且因此可改造更新现有的处理系统。
在可选的实施方式中，代替或除了通过电渗析装置8处理引入的压舱水，盐水或咸水的另一来源24可用作电渗析装置8的输入电解质。这可以是，例如，作为船淡水生产中副产物产生的盐水。
优选实施方式的电渗析装置8配备温度控制系统9。这用于确保电渗析装置8使用的水不下降至设定的温度以下。温度控制系统9包括监测引入水温度的温度监测设备9a和在引入水到达电渗析装置8的膜电池之前增加引入水温度的加热器9b，加热器9b布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加引入水的温度。在该实施方式中，预定水平是16℃。如果引入水的温度低于16℃，那么使用加热器将水加热上至约20℃。加热器9b使用来自船发动机的废热。
下面参考图2至9详细描述的电渗析装置8产生淡水流11和浓缩物流12。这两个流前进至pH平衡器或混合装置13，其产生引导返回主水流的电渗析装置8的产物17，并且取决于产物17的组成，混合装置13也可给出(giveout)淡水残余物(residue)18。混合装置13包括泵或类似物，以控制添加至浓缩物12的淡水11的量，以形成电渗析装置8的最佳产物17。
在电渗析装置8的产物17注入点的下游，有取样和测量点15，其测量ORP和/或TRO，将测量值传送至混合装置13。这些测量监测电渗析装置8对水的作用，并且用于控制混合装置13，例如通过控制计量泵。
淡水残余物18可在所有处理步骤之前并且优选地也在过滤器4和/或压舱水泵2之前再注入引入水。可选地，其可保存在储存罐25或船的舱底水罐26中。
在显示的布置中，在电渗析装置8的产物17返回主流之后，气体注入装置14处理水。但是，在可选的布置中，产物17返回气体注入装置14下游的主流，监测装置15类似地在气体注入装置14的下游，监测产物17已经混合之后水的状况。
在气体注入装置14中，使用蒸气/氮气注射器或气体/水混合器，将氮气16注入引入水，以便实现水中期望水平的氮过饱和，其杀死生物体，并且通过减少氧气水平减少腐蚀。这也延长水中氧化物的处理作用。
处理装置的下游，通过船的压舱水管道系统23，将处理的水分配至压舱水罐。这里，抽空过多的气体，直到实现稳定的状况。这通过与罐通风系统整合的阀门调节。这些阀门确保压舱水保留在罐中期间罐中稳定的状况，尤其水中高水平的氮过饱和和低水平的溶解氧。保持过饱和水平导致通过过饱和本身并且也通过由电渗析装置8引入的氧化物二者造成的持续的水处理。因此，处理产生处理的水，其在水存储在压舱罐中时继续杀死任何活的生物体或使其失活。
水接着留下静置在压舱水罐中。当排出压舱水时，水流过排出处理过程，该过程使水的含氧量返回至环境可接受的水平，进行排放。从压舱罐泵送水，并且至少经过气体注入装置14。这用于将氧气返回水——因为空气替换氮气作为注入气体。任选地，随着水排出，其可通过空化装置10再处理。
现在将阐释电渗析装置8的操作。下面参考图2至9描述电渗析装置8结构布置的实施方式。如上面所讨论，电渗析是电子膜过程，在该过程中，离子运输通过流体系统中的离子交换膜。在电渗析装置的最简单实施中，单个膜放置在电极之间。在两个电极之间施加电压产生的电荷允许离子被驱动通过膜，条件是流体是传导性的。通过图中未显示的常规类型的电源连接点施加电压。两个电极分别表示阳极和阴极。电荷在不同的电极产生不同的反应。在阳极，电解质将具有酸性特性，而在阴极，电解质的特性将变为碱性。选择电渗析中使用的膜以能够允许离子交换同时膜是液体不可渗透的。这使得碱性溶液与酸性溶液保持分开。
其中引入电解质是从压舱水管线引入的压舱水(即海水)的电渗析膜电池中发生的各种反应显示在下面表1中。这包括阴极侧上产生水镁石(Mg(OH)2)的反应。因为除了钠和镁盐之外，水中还可存在多种化合物，所以也将发生其他反应。
表1
下面表2图解在阳极产生的酸性溶液和在阴极产生的碱性溶液的典型性质。酸性溶液形成浓缩物流和碱性溶液形成淡水流。
表2
| pH | TRO(mgCl/L) | ORP(mV) | |
| 酸性溶液(在阳极) | 2-4 | 400-1200 | 1100-1200 |
| 碱性溶液(在阴极) | 11–14 | --- | 800-900 |
按比例混合两个分开的流，提供电渗析装置的产物和任选地残余物，典型特性显示在表3中。产物主要是来自阳极的浓缩物，可能添加淡水以控制pH水平。残余物由没有混合至产物的任何淡水形成。在电渗析处理的优选实施中，典型地，产物的pH在4-6之间，但是水的处理也将在下面给出的更宽pH范围内发生。
表3
为了调整(tailor)两个流的化学特性，可应用交叉处理。这可由如此布置组成：其使得源自隔室的一个或两个流的所有或一部分在相对隔室的入口处再注入至隔室。因此，阳极产生的浓缩物流可通过再注入电渗析装置的阴极侧中，进行交叉处理。由pH、ORP和TRO表示的流(一个或多个)的特性可进一步通过该方法调整，并且如果另外应用混合，使得混合之后残留淡水的量减少。
混合比将取决于原始电解质的“质量”、电极的尺寸和施加的功率。
与N2注入点结合——优选地就在其后，电渗析装置的产物进入压舱水流，并且因此被引入水中，同时进行过饱和/氧气去除的过程。如果存在残余物，就在过滤器之前将残余物注入主流中的上游。
图2至9图解可用于处理水的电渗析装置8的实施方式。电渗析装置可用于图1的压舱水处理系统或任何其他适当的水处理系统。其可单独使用以提供处理效果，或可选地其可结合其他水处理设备使用。
图2图解电渗析装置8，其包括夹在两个末端板32之间的电极堆栈槽30。电极堆栈通过螺钉34夹在末端板32之间。在绝缘层隔开的10个膜电池的组中，电极室30布置在一起。电极室30的组和塑料绝缘层可在图5中更清楚地可见。电极室30以该方式成组布置，以能够使多组室30串联连接。在电极室30的基部，水经阴极水入口50和阳极水入口52进入电极堆栈，并且接着向上流过阳极和阴极室。水入口50、52在图2中电渗析装置8的反面，但是图5中可见，其中装置8从对侧显示。来自阴极反应的淡水流11和来自阳极反应的浓缩物流12经浓缩物出口36和淡水出口38离开电极堆栈。如上面所讨论，在阴极侧具有更高的流率是有优势的，并且所以优选的实施方式包括阴极侧的两个水入口管和相应地淡水的两个出口管38，仅有一个浓缩物出口36。图2中也显示的是电极的暴露端40和供电至电极的电连接板42。
图3显示单个电极室30。图2的装置8由大量的堆栈在一起的这些电极室30组成。电极室30包括由两个隔板46支撑并且在两个隔板46内的钛电极板44，所述隔板46放置在电极44的每侧一个。橡胶密封件48围绕隔板46的外缘延伸，并且提供封装电极室30的防水屏障。电极的暴露端40延伸超过橡胶密封件48，从而可使电连接42在反应区外。
水在一端经通孔54进入电极室30并且在另一端经通孔54离开。通孔54与相应的水入口50、52和水出口36、38流体连通。每个隔板46具有用于三个入口50、52和出口36、38每个的通孔54。在电极室30中，隔板46配备流动导向装置，用于将来自适当水入口的水经过适当的水出口。因此，阴极电极室具有流动导向装置，以使来自阴极水入口50的水经在入口侧的两个外通孔54取得，引导其穿过阴极，并且接着使来自阴极反应的淡水经进一步流动导向装置至出口侧的外通孔54，并且因此至淡水出口38。阳极电极室具有流动导向装置，以使来自阳极水入口52的水经在入口侧的中心通孔54取得，引导其穿过阳极，并且接着使来自阳极反应的浓缩物经进一步流动导向装置至出口侧的中心通孔54，并且因此至淡水出口36。
图4显示附连隔板46之前的电极板44和密封件48。橡胶密封件48沿着两侧结合至电极板44，如图中显示。密封件48也在电极板44的正面和背面上。电极板44的暴露端40沿着电极板的一侧延伸超过密封件，以允许电连接，如上所阐述。
图5是电渗析装置的部分剖视图，其显示阴极水入口52之一的流量分配器56的细节。图5也更清楚地显示由塑料绝缘层隔开的5组膜电池。下面参考图9更详细描述膜电池的构造。在图5中，末端板32之一和每个电极室30被部分切割以暴露通过对齐的通孔54(也部分切割)形成的圆形通道。该圆形通道形成流量分配器56的第一管58。第一管58可更清楚地在图8的线框图中可见，其显示阴极流体流动布置的更多细节。流量分配器56也包括第二管60，同心位于通孔54中。在图5中，对于阴极入口50之一，插入该第二管60，但是对于其他阴极入口50或阳极入口52未显示。当完成电渗析装置8时，每个水入口有第二管60，与每组通孔54同心配置。
第二管60包括沿着其长度的孔62。这些孔62在第二管60的两侧采取横向狭缝缺口的形式，并且当第二管60插入第一管58时这些孔62布置在第二管60的上侧和下侧。图6是流量分配器56的第二管60的透视图，并且显示进一步细节，包括在第二管60的第二下侧的孔62。
阴极室的隔板46'上的流动调整元件64显示在图7A中，其是阴极隔板46'的较低部分的部分视图。流动调整元件64用于横跨阴极流动路程的宽度W均匀分配流。
3个通孔54将与电极堆栈中其他隔板46的通孔54对齐，以形成流量分配器的第一管58。在图7中未显示的第二管60将插入对齐的通孔54，第二管60中的孔62使得水进入第一管58。在图7A中，因为隔板46用于阴极室，外通孔54将开向阴极流动路程，而中心通孔54将被密封，以防止来自阳极入口52的水进入阴极室。该密封可通过围绕中心通孔布置的O-形环密封件实现。因此，可在两个外通孔54的第一管58中形成孔，以允许水从水入口50经过，沿着管60、58并且然后经流动调整元件64至阴极反应区域。
流动调整元件64采用以扇形形状从通孔54延伸远离的通道形式，以便横跨阴极流动路程的整个宽度W均匀地分配水。通道下凹进隔板46'并且通过壁66彼此分开。当形成阴极室的两个隔板46'连接在一起时，在每个隔板46'上的壁66彼此面向，并且接触，从而密封通道。每个通道具有末端部分，其与通过阴极流动路程的流动方向平行。这帮助减少湍流并且促进层流。
图7B是阳极室隔板46''的类似部分视图。该阳极隔板包括阳极流动路程的流动调整元件65。与阴极流动调整元件64一样，阳极流动调整元件65采用以扇形形状从通孔54延伸远离的通道形式，以便在横跨阳极流动路程的整个宽度W均匀分配水。因为阳极流动路程仅仅从单个中心通孔54供应水，所以阳极流动调整元件65散开的角度比阴极流动调整元件64更大。这使得来自中心通孔54的流量分配器56的水在阳极流动路程上均匀分配。将通过例如O-形环密封件密封两个外通孔，以防止水从阴极水供给进入。阳极流动调整元件65是壁67分开的下凹通道。阳极隔板46''的流动调整部分从通孔54延伸更大的距离，这是因为阳极的前沿位于距水入口更远的距离处，如下面参考图9更详细讨论的。
图8是示意性线框图，其显示电极堆栈中阴极流动路程的流量分配器56和流动调整元件64的进一步细节。为了清楚，省略了流动调整元件64的细节，但是可见扇形形状。每个阴极室具有两个对称组的流动调整元件64，其以类似的方式连接至隔板46的两个外通孔54中的两个流量分配器56。如上面所讨论的，对齐通孔54以产生流量分配器56的第一管58。第一管58经在上侧的孔与流动调整元件64组的每个连接。同心位于第一管58中的第二管60从两个阴极入口50供应水至第一管58。经第二管上表面和下表面中的狭缝形孔62，水在第一管58和第二管60之间穿过。
两个管流量分配器56用于沿着电极堆栈30的长度相等地分配水至每个阴极室。流动调整元件64横跨每个阴极流动路程的宽度W提供水的均匀分配，并且也促进阴极流动路程中的层流。
对于阳极室，有类似图8中显示的布置，但是水仅仅从中心通孔54而不是从两个外孔54分配。使用第一管58和第二管60，阳极水流动路程通过与上述流量分配器56相同设计的流量分配器56。该流量分配器56将使用通过连接至阳极水入口52的对齐的中心通孔54产生的第一管58形成。
在引入水穿过流量分配器56并且离开流动调整元件64、65之后，其流入阴极和阳极室中的阴极和阳极流动路程。在该点，如下面参考图10至13所阐释的，水沿着电极堆栈相等地分配至每个流动路程，并且横跨每个流动路程的宽度W均匀分配。水的相等分配确保横跨电极堆栈中的每个膜电池相等的反应速率。水横跨每个流动路程宽度W的均匀分配意思是在电极的宽度上反应均匀地发生，并且也促进阴极流动路程中的层流。
图9是在水进入阴极室和电极室的点处穿过两个阴极68和一个阳极70的一部分的横截面。膜71位于电极之间以形成膜电池。该图显示穿过两个完整膜电池(阳极70的每侧一个)和两个部分膜电池(在两个阴极68的外侧部分)的部分横截面。
图9图解用于促进层流通过电极室的进一步特征，尤其在阴极流动路程的反应区中。阴极流动路程72的引入水源自隔板46'的流动调整元件64，如箭头C指示。阳极流动路程74的水源自流动调整元件65，如箭头A指示。通过流动调整元件64、65的水流供应两个流动路程72、74，其沿着各自的阴极68或阳极70的两侧的每侧穿过。
允许离开流动调整元件64、65的水流动固定的距离，其中在流温和地分开成在电极的每侧进入流动路程72、74的两个等量流之前，该流未被扰动。该固定距离帮助流从可源自之前流动导向装置的任何破坏作用恢复。通过电极前沿76的形状——其是楔形以使湍流最小化——实现流的温和分开。在优选的实施方式中，未扰动流的固定距离是约10mm。
注意，阳极70的前沿76以比阴极68的前沿76更远离水入口的距离放置。设计电渗析装置，以便水在阴极上流动另外的固定距离X，然后在反应区中进行电处理。该进一步距离X使得任何残留湍流消散，并且帮助流形成层流，然后海水经历任何电流。这通过使用不同长度的阳极70和阴极68实现，其允许偏移的阴极/阳极构造。在本文显示的优选设计中，该固定距离X是约30mm，阴极68和膜之间的空隙为2mm。当阳极70和阴极68充分接近存在时，反应区开始，在该情况下，这将在距离X之后，如图上标记的。在反应区中，发生电渗析并且随着水在反应区中沿着阳极流动路程74和阴极流动路程72经过，通过膜71发生离子交换，在阳极侧产生酸性浓缩物和在阴极侧产生碱性淡水，如上述。浓缩物和淡水经出口36、38离开电渗析装置并且用于通过混合浓缩物与一些或所有淡水来处理水以提供对微生物有害的电渗析装置的产物。
在阳极70的每一侧，阳极流动路程74中包括间隔元件78。为了避免湍流，阴极流动路程72上没有间隔元件。在阴极流动路程72中，通过流动调整元件64提供调整的流。随着该流穿过未扰动流的10mm区域——其后被阴极68的楔形末端76分开——其变得更为层流。水接着沿着两个阴极流动路程72流动进一步30mm的距离，其用于进一步促进层流。到引入水进入阴极流动路程72中的反应区时，流是大体层流的。如上面所讨论的，该层流避免水镁石沉淀物的积聚并且也帮助避免其他污染物的积聚。
如上面所讨论，优选的电渗析装置由数组膜电池组成，每组电池由5个阳极和6个阴极形成，阴极放置在外端。利用该布置，外阴极将仅仅具有一个活性侧，沿着阴极内侧的一个流动路程。外阴极的外表面将不是活性的，并且将被阻塞以防止水流动。
计算机模拟已经用于图解优选实施方式的有利效果。
图10和11显示两管流量分配器系统的作用。图10显示当未使用优选的流量分配器56时，在计算机模型中，沿着电极堆栈，通过每个阴极室的速度的图，而图11显示当使用优选的流量分配器56时，在计算机模型中，沿着电极堆栈，通过每个阴极室的速度的图。图在垂直轴上显示流速，水平轴显示阴极流动路程72距离电极堆栈末端处阴极水入口50的距离。通过图的比较可见，当未使用流量分配器56时，在距离水入口50更大的距离处的阴极流动路程72中有相当高的速度。当使用流量分配器56时，水沿着电极堆栈的长度明显更均匀地分布。
图12和13显示流动调整元件64对横跨阴极流动路程72的水流的作用。图12显示当未包括优选的流动调整元件64，并且水改为穿过没有通道64或壁66的扇形区域时，在计算机模型中，横跨阴极流动路程的宽度的速度的图。图13显示当存在优选的流动调整元件64时，在计算机模型中，横跨阴极流动路程的宽度的速度的图。垂直轴显示流速和水平轴显示横跨阴极流动路程72的宽度的距离。每个图的峰图解在横跨阴极流动路程72的宽度W的点处可能的速度。尖锐的谷是由于流动调整元件在室出口处的作用，其很快消散。可见，当研究横跨室的平均流动时，通道64和壁66提供速度更均匀分布并且因此横跨阴极流动路程72的宽度W流动。当它们不存在时，速度和因此流动较不均匀并且这将在阴极流动路程72随后部分中导致湍流和二次流。
Claims (23)
1.电渗析装置，其包括：
多个阴极、多个阳极和多个膜；
其中所述阴极和所述阳极在电极堆栈中交替排列，膜在每个阴极和阳极之间；和
其中所述阴极和所述阳极每个由单个传导板形成，从而封装在所述电极堆栈中的阴极板和阳极板的两个表面在使用时与被处理的水传导接触，其中形成所述电极的所述传导板夹在非传导隔板之间并且被其支撑，用于隔开进入和离开阴极流动路程和阳极流动路程的流体流，并且其中所述传导板配备密封件，所述密封件结合至所述传导板并且形成对应所述隔板外缘形状的形状。
2.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述电极堆栈包括形成多个膜电池的多组电极，单个组中的每个电极并联连接，并且每组电极串联连接。
3.如权利要求2所述的电渗析装置，其中在所述电极堆栈中每组电极外端处的电极都是阴极。
4.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述电极被直接电连接至所述传导板的传导材料。
5.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述传导板在所述电渗析装置的反应区域之外延伸，以提供电连接点。
6.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述密封件延伸超过所述传导板的边缘。
7.如权利要求2至3任一项所述的电渗析装置，其中所述隔板包括将所述传导板暴露在反应区中的开口，和其中横跨阳极和阴极之间的这些开口放置所述膜，以完成所述膜电池。
8.如权利要求1至6任一项所述的电渗析装置，其中所述隔板包括用于引入水的入口流道和流出淡水和浓缩物的出口流道。
9.如权利要求1至6任一项所述的电渗析装置，其中所述隔板包括流动导向部件，用于向阴极流动路程和/或阳极流动路程提供均匀流和/或层流。
10.如权利要求1至6任一项所述的电渗析装置，包括所述阴极和所述阳极的备选隔板设计。
11.如权利要求10所述的电渗析装置，其中所述备选阴极和阳极隔板包括不同的流动导向部件和/或为阴极流动路程和阳极流动路程提供不同的流率。
12.如权利要求10所述的电渗析装置，其中当在所述电极堆栈中组装时，不同隔板设计在不同的位置支撑所述阳极板和阴极板。
13.如权利要求1至6任一项所述的电渗析装置，包括阴极室和阳极室，所述阴极室包括位于传导板形式的阴极的每侧上的第一阴极隔板和第二阴极隔板，并且所述阳极室包括位于传导板形式的阳极的每侧上的第一阳极隔板和第二阳极隔板，其中电渗析装置包括一系列阳极和阴极室，膜在每个室之间。
14.如权利要求1至6任一项所述的电渗析装置，其中所述隔板包括在所述电极堆栈中对齐以形成水入口和出口通道的通孔。
15.如权利要求14所述的电渗析装置，其中有两个阴极入口通道、一个阳极入口通道、两个阴极出口通道和一个阳极出口通道，每个具有大约相同的尺寸，以便提供通过所述阴极流动路程的增加的流率。
16.如权利要求14所述的电渗析装置，其中围绕所述通孔提供密封件以保持阳极流体和阴极流体分开。
17.一种方法，其包括前述权利要求任一项所述的电渗析装置用于海水处理的应用。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述应用是用于压舱水处理。
19.制造包括多个阴极、多个阳极和多个膜的电渗析装置的方法；所述方法包括：
在电极堆栈中交替排列所述阴极和所述阳极，膜在每个阴极和阳极之间；
其中所述阴极和所述阳极每个由单个传导板形成，从而所述电极堆栈中阴极板和阳极板的两个表面在使用时与被处理的水传导接触，其中形成所述电极的所述传导板夹在非传导隔板之间并且被其支撑，用于隔开进入和离开阴极流动路程和阳极流动路程的流体流，并且其中所述传导板配备密封件，所述密封件结合至所述传导板并且形成对应所述隔板外缘形状的形状。
20.如权利要求19所述的方法，包括为每个传导板提供密封件和将所述密封件与所述传导板结合。
21.如权利要求20所述的方法，其中热固性或硫化橡胶用于所述密封件，并且所述方法包括在热处理之前施加所述橡胶至所述电极，并且通过在其与所述电极接触的同时进行热固或硫化过程将所述橡胶结合至所述电极。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述方法包括将每个传导板和密封件夹在非传导隔板之间。
23.如权利要求22所述的方法，包括在所述隔板中提供将所述传导板暴露在反应区中的开口，并且横跨阳极和阴极之间的这些开口放置所述膜，从而所述膜夹在相邻的电极之间。
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