CN103739044A - 低水垢潜在性水处理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有低水垢潜在性的具有至少一个消耗室和至少一个浓缩室的电去离子装置及在具有消耗室和浓缩室的电去离子装置中处理水的方法。所述装置的特征至于，至少一个浓缩室包含由阴离子交换介质构成的第一浓缩层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的第二浓缩层，其中所述第二浓缩层位于第一浓缩层下游，其特征还在于，至少一个消耗室包含由阴离子交换介质构成的第一消耗层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的第二消耗层，其中所述第二消耗层位于第一消耗层下游，且其中所述由阴离子交换介质构成的层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的层在相邻的室中不完全取齐。

Description

低水垢潜在性水处理
本申请是申请号为200780023054.8(PCT/US2007/014622)、申请日为2007年6月22日的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及具有低水垢形成潜在性的水处理体系和方法，和尤其是涉及在采用电驱动分离装置的体系中降低水垢形成的潜在性。
背景技术
已用于处理水的电驱动分离装置包括，但不限于，电渗析以及电去离子设备。例如Liang等人在U.S.专利No.6,649,037公开了一种电去离子装置和通过去除可电离物质而用于纯化流体的方法。
发明内容
本发明的一个或多个方面涉及具有阳极室和阴极室的电去离子装置。该电去离子装置包括位于阳极室和阴极室之间的第一消耗室，与消耗室离子连通的浓缩室，与浓缩室离子连通的第二消耗室，和位于第一消耗室以及阳极室和阴极室中至少一个之间和与它们离子连通的第一隔绝单元。
本发明其它方面涉及一种电去离子装置，包括消耗室和与消耗室离子连通，并至少部分由阴离子选择性膜和阳离子选择性膜确定的第一浓缩室。第一浓缩室通常包含，至少是部分地包含，通过基本上包含阴离子交换介质的第二区与阴离子选择性膜基本上分开的基本上包含阳离子交换介质的第一区。
本发明其它方面涉及一种电去离子装置，包括消耗室，与消耗室离子连通的第一浓缩室，和与消耗室离子连通的第二浓缩室。第一浓缩室通常包含具有第一有效电阻(current resistance)的介质，第二浓缩室的一部分包含具有大于第一有效电阻的第二有效电阻的介质。
本发明其它方面涉及一种电去离子装置，包括消耗室，和与消耗室离子连通的浓缩室。浓缩室通常包含阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的混合物，阴离子交换树脂和阳离子交换树脂在混合物中的量相对浓缩室的流动路径长度而变化。
本发明其它方面涉及一种具有至少一个室的电去离子装置，所述室具有至少一个由具有多个孔的分配器确定的出口端口。电去离子装置可在以离子选择性膜为界的室中包含第一层颗粒。所述颗粒可包含具有低于孔最小尺寸的第一有效直径的介质。电去离子装置进一步在第一层下游的室中包含第二层颗粒。第二层颗粒通常具有大于第一有效直径和大于孔最小尺寸的第二有效直径。
本发明再一方面涉及电去离子体系，包括所要处理的水源，包括消耗室和浓缩室的处理组件，所述处理组件流体连接至所要处理的水源；包含酸生成室的电解组件，和流体连接至电解组件的酸生成室的入口上的盐水溶液源。电解组件流体连接在浓缩室的上游。
本发明的某些方面涉及一种电去离子装置，包括含阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的混合物的室。阴离子交换树脂的平均直径为阳离子交换树脂的平均直径的至少1.3倍。
本发明的某些方面涉及一种电去离子装置，包括含阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的混合物的室。阳离子交换树脂的平均直径为阴离子交换树脂的平均直径的至少1.3倍。
本发明其它方面涉及一种水处理体系，包括所要处理的水源，包含多个浓缩室和消耗室且流体连接至所要处理的水源上的电去离子设备，与要被引入电去离子设备的至少一个浓缩室中的水热连通的冷却器，被设置成提供要被引入浓缩室中的水和离开浓缩室的水中的至少一种的温度显示的传感器，和被设计成接收温度显示和产生促进冷却要被引入浓缩室中的水的信号的控制器。
本发明其它方面涉及电去离子装置，包括至少部分被阳离子选择性膜和阴离子选择性膜确定的消耗室，和至少部分被阴离子选择性膜确定并包含第一层阴离子交换介质和位于第一层下游的第二层介质的浓缩室，所述第二层包含阴离子交换介质和阳离子交换介质。
本发明其它方面涉及一种在具有消耗室和浓缩室的电去离子设备中处理水的方法。该方法包括测量浓缩室中的物流的温度，要被引入浓缩室中的物流的温度，和离开浓缩室的物流的温度之一；将要被引入浓缩室中的水的温度降低至预定温度；将所要处理的水引入消耗室；和从电去离子设备的所要处理的水中去除至少一部分至少一种非所需物质。
本发明其它方面涉及一种在电去离子设备中处理水的方法，包括将具有阴离子和阳离子物质的水引入电去离子设备的消耗室，促进至少一部分阳离子物质传输到位于电去离子设备的消耗室和阴极室之间的第一隔绝单元，和促进至少一部分阴离子物质传输到位于电去离子设备的消耗室和阳极室之间的第二隔绝单元。
本发明其它方面涉及一种在具有消耗室和浓缩室的电去离子设备中处理水的方法。该方法包括将所要处理的水引入电去离子设备的消耗室，促进非所需物质从消耗室传输到电去离子设备的浓缩室。浓缩室可通常包含第一层阴离子交换介质和位于第一层下游的第二层介质，且第二层可包含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物。
本发明其它方面涉及一种处理水的方法，包括将所要处理的水引入电去离子设备的消耗室，所述消耗室具有至少一层离子交换介质；和促进被引入消耗室中的水的至少一部分阴离子物质从第一层离子交换介质传输到第一浓缩室以生成具有第一中间质量的水。第一浓缩室至少部分地由阴离子选择性膜和阳离子选择性膜确定。第一浓缩室至少部分地包含通过包含阴离子交换介质的第二区基本上与阴离子选择性膜分开的包含阳离子交换介质的第一区。
本发明其它方面涉及一种在电去离子设备中处理水的方法。该方法包括将包含非所需物质的所要处理的水引入电去离子设备的消耗室，促进非所需物质从消耗室传输至电去离子设备的浓缩室以生成处理水；在辅助组件中电解产生酸溶液，和将至少一部分酸溶液引入浓缩室。
本发明的其它方面涉及一种水处理体系，包括所要处理的水源，和包括第一消耗室和第二消耗室的电去离子设备，第一和第二消耗室分别以平行流动构型流体连接至所要处理的水源上；和与第一消耗室离子连通的第一浓缩室，和流体连接至第一浓缩室下游的第二浓缩室。
本发明的其它方面涉及电去离子装置，包括多个被设计成使液体在其中沿着平行流动路径流动的消耗室，和多个与至少一个消耗室离子连通的浓缩室，其中至少部分浓缩室顺次排列。
附图说明
附图无意于按比例绘制。在附图中，在各图中显示的每一相同的或几乎相同的元件用相同数字表示。为清楚起见，不是每一元件都可在每一附图中标记。
在附图中：
图1示意说明按照本发明一个或多个实施方案的包括至少一个隔绝单元的电去离子装置的一部分；
图2示意说明按照本发明一个或多个实施方案，在其至少一个浓缩室中具有层化介质床的电去离子装置的一部分；
图3示意说明按照本发明一个或多个实施方案，包括至少一个具有介质区的浓缩室的电去离子装置的一部分；
图4示意说明按照本发明一个或多个实施方案的处理体系的一部分；
图5示意说明按照本发明一个或多个实施方案的电去离子装置的一部分，它具有至少一个被改变以在其它室中降低有效电阻(resistance)或改善流分布(current distribution)的室；
图6示意说明按照本发明一个或多个实施方案的电去离子装置的一部分，它在其至少一个浓缩室中具有增加的有效流速；
图7A和7B示意说明按照本发明一个或多个实施方案的电去离子装置的一部分，包括包含具有不同尺寸的树脂珠粒的室；和
图8显示水流的Langelier饱和指数值相对水流温度的关系；
图9A和9B示意说明按照本发明一个或多个实施方案的电去离子设备中的浓缩和消耗室单元对，其中图9A显示的室包含介质层，图9B显示的室包含介质的层和区；和
图10显示按照本发明一个或多个实施方案的电去离子装置的性能。
具体实施方式
本发明提供电驱动分离装置，例如但不限于填充室电去离子(CEDI)设备，如例如公开于U.S.专利4,632,745、6,649,037、6，824,662和7,083,733的那些。尤其是，实现本发明的一个或多个方面的实施方案在某些情况下可特征在于具有形成水垢的较低潜在性或较低可能性。尽管本发明的各方面通过包括电去离子设备的实施方案而呈现，但本发明的这些方面可在可有助于处理具有至少一种非所需物质的流体的其它电驱动或驱动的分离装置中实施。尤其，本发明的相关方面可包括用于从水流或水体中处理或去除至少一种溶解物质的电去离子装置。因此，本发明的各方面可有利地提供被构造或操作以处理具有高水垢潜在性的水的电去离子装置。
通常包括至少一个浓缩室112和至少一个消耗室114，它们构成单元对115并相互离子连通，且优选与阳极室120和阴极室122离子连通和位于两者之间。在本发明的有利实施方案中，该电去离子装置可进一步包括至少一个可捕集迁移物质的隔绝单元130。例如，电去离子装置100可具有相邻于阳极室120和阴极室122的隔绝或中间单元(neutral cell)130和132。隔绝单元通常为电极室提供缓冲区以隔离或防止物质形成局部水垢。电去离子装置通常产生氢氧化物离子，可在局部化区域，尤其在对电解反应导电的点或表面上升高pH。这些局部化区域，或甚至在电极室处，通常具有明显大于液体本体的pH条件。因为隔绝单元可用于在处理水的过程中将这些高pH区域与从一个或多个消耗室传输的成垢物质隔开，从而抑制或至少降低水垢形成的潜在性。如图1示例性说明，电去离子装置100可包括隔绝单元130，其将至少一种可沉淀组分，如Ca2+，与贡献于水垢形成的组分，如OH-离子，分离。通常，一个或多个隔绝单元130可至少部分地由允许阴离子物质如OH-迁移并同时抑制阳离子物质进一步迁移到相邻室中的阴离子选择性膜140A限定。按照所示，隔绝单元130可相邻于浓缩室112设置。一个或多个这些隔绝单元也可进一步部分被阳离子选择性膜140C限定。这样，例如，可抑制可沉淀化合物的组分，如Ca2+，进入通常因为氢氧化物物质生成而具有高pH局部区域的室，如电极室120。
本发明其它实施方案可包括分隔中性或弱电离、或至少可电离物质，如，但不限于硅石，SiO2的隔绝单元。硅石可从本体液体中沉淀，如果浓度足够高或其中发生pH改变，如从高pH改变至中性pH时。在电去离子装置中，硅石通常在其电离态，在高pH下被去除。可设置一个或多个隔绝单元132以离子分隔电去离子装置100的阳极室122，其中生成氢离子和因此可在其中具有低或中性pH液体流动。在硅石通过阴离子选择性膜140A从消耗室114迁移到浓缩室112之后，它被在其中包含高pH液体流动的隔绝单元132捕获和被抑制进一步迁移到具有中性或近中性pH的低或中性pH室中，从而降低聚合成硅石水垢的可能性。单元132，如单元130一样，可至少部分地被阳离子选择性膜140C和阴离子选择性膜140A限定。隔绝单元132可因此用于捕集pH-可沉淀物质和防止或至少抑制这些物质的沉淀。隔绝单元132也可至少部分地包含阴离子交换介质和阳离子交换介质或两者的混合物。另外，一个或多个隔绝单元可进一步包含可有助于电去离子装置的组装或在例如装置操作过程中提供理想的特性如电阻或流动分布的惰性介质或其它填料材料。同样，浓缩室、消耗室和电极室中的一个或多个可至少部分地包含阴离子和阳离子交换介质的混合物。确实，在浓缩室和电极室中的阴离子和阳离子交换介质的混合物可通过促进可沉淀物质传输离开选择性膜而进一步降低结垢潜在性，这避免了在使用单一种类活性交换介质的室或室的区域中可能发生的离子物质的聚集。
在本发明的一些实施方案中，阳极室可至少部分地包含基本上由耐氧化基材组成的介质。因此，例如，耐久性的高度交联离子交换树脂，如市售阳离子树脂，可用于其中可存在氧化环境的阳极室。另外，阳离子交换树脂在用于阳极室时可防止或抑制氯根离子传输至阳极表面，这些物质在阳极表面可被转化成氧化性氯。
本发明装置可处理硬度大于1mg/L(以CaC03计)和/或硅石含量大于1mg/L的水，或两者。因此，本发明的装置和技术不限于常规操作限制，如果用于处理体系，可省去至少一个意欲软化所要处理的水或去除硅石的单元操作。这有利地可降低资本和操作成本，同时提高处理体系的可靠性和可用性以及容量。例如，包括一个或多个本文所述电去离子设备的本发明处理体系可无需双程反渗透(RO)子体系而处理水，同时与采用双程RO设备以在电去离子设备之前去除或降低造成硬度的组分和硅石的浓度的体系相比提供具有相同或相当质量的水。
本发明的其它方面可包括电去离子装置，其包括至少一个消耗室和/或至少一个其中包含层化介质的浓缩室。例如，电去离子设备100的一个或多个消耗室112可包括第一颗粒层112A，其至少部分包含有助于第一目标、通常是电离物质的传输或迁移的活性介质。消耗室112可进一步包括第二层112B，其至少部分地包含有助于第一目标物质和第二目标物质或两者传输的活性介质。第一层112A可包含具有第一有效直径的颗粒，第二层112B可具有具有第二有效直径的颗粒。进一步的实施方案可包括在消耗室112中的第三层112C。第三层112C可具有活性或惰性介质，或两者的混合物，该介质具有第三有效直径。有效直径可以是颗粒的最小尺寸。或者，有效直径可以是全体颗粒的平均直径和是具有可比的体积和表面积的类似球的计算直径。例如，层中的颗粒的有效直径可以是颗粒体积与颗粒表面积的比率的函数或颗粒的最小尺寸的平均值。在优选的构型中，下游层中的颗粒的有效直径低于上游层中的颗粒的有效直径。例如，构成层112C的颗粒可以是球形颗粒，其有效直径大于构成层112B的颗粒的有效直径。视需要，构成层112A的颗粒的有效直径可大于层112B或112C中的颗粒的有效直径。一个或多个浓缩室可被类似层化。
在一个优选实施方案中，上游层中的颗粒的有效直径至少是下游层颗粒之间间隙的尺寸。在其它的实施方案中，上游颗粒的有效直径或最小尺寸低于确定消耗室112出口端口的分配器160的孔的最小尺寸。分配器160可以是用于将介质保留在室内的筛网。因此，包含介质的消耗室和浓缩室分别可具有至少一个分配器，使得流体从中流过，同时保留介质和其尺寸得以保留上游层中的颗粒的介质层。
通常设计分配器的孔或开口以保留具有直径约500μm至约700μm的树脂。采用本发明构型，可以使用尺寸小于孔尺寸的阴离子和阳离子交换树脂，这改善了经过该装置时的传质动力学。另外，较小离子交换树脂可提高在室内的填充和减少沿着室壁通道化或旁路流动的可能性。紧密堆积的球或几乎球形颗粒的间隙空间是球半径的约0.414倍。因此，上游树脂的有效直径优选不低于这种尺寸。例如，有效直径约62μm至约83μm的细网孔树脂珠粒可用于具有约300μm至约400μm直径的树脂珠粒的层的上游层。任何层可占室的任何合适的分数。上游层的深度可取决于所需性能的提供。另外，有利的构型考虑到将具有较小有效直径或尺寸的阳离子树脂珠粒与较大阴离子树脂珠粒一起使用以有助于阳离子迁移活性。值得注意的排列不限于使用活性树脂作为下方的下游介质，且本发明可在一个或多个下游层中采用惰性介质而实施。
层之间的界面可形成小和大树脂珠粒的梯度。因此，层之间的边界无需特别描绘。另外，其它构型可包括细网孔树脂珠粒与较大树脂的混合物。
本发明的另一方面可包括电去离子装置，其包括至少一个其中包含层化介质的浓缩室。如图2所示，电去离子设备200可具有至少一个浓缩室214和至少一个消耗室212。至少一个浓缩室214可具有第一层215和第二层216。在处理相对较纯的水，如RO渗透物，的电去离子设备中，电流效率通常低于100％，这据信是因为水分裂和所生成的氢和羟基离子的传输。这可产生局部pH波动和可促进水垢形成，尤其在羟基物质与碳酸氢根物质或二氧化碳反应形成碳酸根离子从而形成碳酸钙水垢的地方。
例如，在典型电去离子装置中，碳酸氢根离子转移通过靠近室入口的阴离子交换膜，但可被抑制从膜中进一步迁移。如果发生水分裂，传输通过阴离子交换膜的羟基物质可与碳酸氢根物质反应形成碳酸根，碳酸根随后与钙反应形成碳酸钙水垢。
通过在一个或多个浓缩室中采用层，目标物质可被导向其中它们不太容易形成水垢的场所。如图2所示，阴离子交换介质的层215可置于浓缩室214的入口周围，以促进碳酸氢根物质的迁移。在碳酸氢根物质传输通过阴离子交换膜240A之后，它被促进通过层215的阴离子树脂和移向阳离子选择性膜240C。即使有硬度离子通过阳离子选择性膜240C，该膜周围的流体的pH也相对较低，这减少了形成碳酸盐的可能性。
消耗室212和浓缩室214的其它一个或多个层216可包含混合的阴离子交换和阳离子交换介质。
为了进一步降低或抑制水垢形成，介质层可沿着浓缩室的流动路径长度设置。如图3所示，一个或多个浓缩单元可至少部分地包括离子交换介质的第一区314A和离子交换介质的第二区314B。第一和第二区可沿着室的长度线性分布(如边界350所表示)或可以是区315C和315D中的递增或递减量的各种离子交换介质的梯度和被梯度边界351描绘。第一或第二区可包含阴离子交换介质或阳离子交换介质，或由或基本上由阴离子交换介质或阳离子交换介质构成。例如，区314A可包含阳离子交换介质以使包含阴离子交换介质的区314B与阳离子选择性膜340C基本上隔离。基本上隔离是指，在某些情况下，位于区和膜之间以使得隔离区包含某种类型的介质或由某种类型的介质构成，该介质可以是阴离子、阳离子或惰性的。
在某些情况下，第一区或第二区可以是不同量的各种离子交换介质的混合物。例如，区315C可包含相邻于阳离子选择性膜340C的阳离子交换介质，或由或基本上由该介质构成，区315D可包含阴离子交换介质，或由或基本上由该介质构成，其中阴离子交换介质的量相对阳离子交换介质的量沿着流动路径长度或长度方向尺寸增加或下降，使得区之间的边界由梯度边界351确定。在另一实施方案中，第三介质区(未示)可位于第一和第二区之间。第三区可包含惰性介质、阳离子交换介质、阴离子交换介质、混合介质或其混合物，或由或基本上由上述介质构成。另外，一个或多个筛网可在区之间或在区内使用以有助于填充该装置的室，这在操作过程中也可改善流动分布和进一步抑制水垢形成。通过采用粘结剂固定每一区的介质也可有利于组装和填充。例如，第一区的介质可与水溶性粘结剂如淀粉混合。混合物可随后被放入室中。第二区的介质的第二混合物可类似制备和设置在室中。
区314B有助于阴离子物质，如碳酸氢根离子传输离开阴离子选择性膜340A，区315C有助于阳离子物质，如钙离子传输离开阴离子选择性膜340C。这些隔离区因此降低在膜表面周围水垢形成的可能性。
如图3所示，消耗室可包括第一介质层312A，第二介质层312B，和，视需要，第三介质层312C。第一层可包含阴离子交换介质、阳离子交换介质或惰性介质的混合物。第二层可包含阴离子交换介质或惰性介质或其混合物或由其组成或基本上由其组成。第三层可包含阴离子交换介质、阳离子交换介质、惰性介质或其混合物或由其组成或基本上由其组成。
本发明的其它方面包括改变在电去离子装置的至少一个浓缩室中流动的物流的pH的体系和技术。物流的pH可通过产生和向一个或多个浓缩物和电极室中加入酸性溶液而被降低，以减少水垢形成的可能性。酸性溶液可通过采用电解组件而产生或制备。进一步，水垢抑制或耐受性可通过浓缩物液体的脱气而实现。可以使用任何酸产生组件，如可购自加利福尼亚州Sunnyvale的Dionex公司的那些。
通常，电去离子设备可处理具有低硬度的液体。这一限制将加料到电去离子设备的进料水限定至1ppm或更低的硬度水平，以碳酸钙计。为了处理硬度值大于1ppm的水，必须使用预处理工艺如双程RO或RO后软化剂。附加的预处理单元操作增加体系复杂性和成本以及废物。但本发明电去离子设备可可靠地处理具有较高硬度的水，从而消除或降低对这些预处理操作的依赖性。
已知将酸性溶液加入电渗析设备的浓缩室以减少钙沉淀；但实际上不将酸性溶液加入电去离子设备，因为浓缩物室、尤其厚单元室中的物流流速低。另外，通常需要高量的酸。如图4所示，本发明的处理体系400可包括电化学设备435来生成被引入设置成从源411接收所要处理的水的电去离子设备445的室、通常是浓缩室414的酸溶液。来自电去离子设备445的一部分处理产品水可用于促进在电化学设备435的酸生成室472中产生酸溶液。至少一部分处理水可被传送至使用点413。来自例如软化剂盐水罐的包含盐的盐水溶液的源462可被引入电解组件435以促进酸溶液生成。电化学设备435可以是电去离子设备445的一部分。盐水溶液通常包含氯化钠。
在某些情况下，酸性溶液可被引入电去离子设备445的一个或多个消耗和浓缩室412和414以及电极室。优选，酸性溶液的加入量使得离开所述室的离去物流溶液的pH介于约2.5至4.3个单位之间。进一步的实施方案可包括中和来自电去离子设备445的一个或多个物流。例如由电解组件435的室472生成的碱性溶液可被合并以中和浓缩室414的通常具有低pH的出口物流，然后排放至排放口463或环境。
用于去除二氧化碳的浓缩物物流脱气可进一步降低或消除浓缩室中的沉淀潜在性。脱气可通过加入脱气设备或通过膜工艺或其它方法而实现。如果在浓缩室中采用酸性溶液，脱气可以是相关的，因为有可能形成可向回扩散通过膜和降低产品质量的二氧化碳气体。另外，物流在室中的流动可以是逆流的以有助于气体去除。
使用泵和视需要使用罐再循环浓缩物室可通过本文所述的酸化和脱气技术而进一步增强水垢抑制作用。
本发明的元件、设置和技术还提供在电去离子设备中改进的电流分布。如图5示意说明，通过电去离子装置500在电极520和522之间的电阻可表征为一系列室电阻573、575和577，它们代表消耗和浓缩室512和514，和表征为膜电阻584、586和588，它们代表阴离子选择性膜540A和阳离子选择性膜540B。贯穿电去离子装置500的改进的电流分布可通过采用至少一个其至少部分的有效电阻580大于其它室如浓缩室的有效电阻的浓缩室516而实现。
室或其部分的有效电阻可通过在浓缩室内混合惰性树脂珠粒或低导电或非导电材料而改变。选择性地增加有效电阻实现了通过其它室的更均匀的电流分布。减少贯穿消耗室的电流的变化例如会提高总体性能。
在电去离子设备中，电阻可取决于该设备中的介质的种类以及这些介质的活性化学形式，即，何种离子正移动通过介质。在层化床室中，电阻通常在不同层间变化，由于树脂的种类和树脂的形式不同。通常，强带电物质或离子被激发，随后发生水分裂现象和弱离子推进。因此，靠近室的入口的介质树脂会与加料水中的目标物质交换，而靠近出口的介质大多数是氢和氢氧化物形式。通常，大多数强带电离子必须被去除，如果加料浓度和/或流动足够高或如果电流足够低，这可能不会实现。
如果室中的电阻可在室中的层之间或沿着床的长度而变化，那么电流密度也可因此改变。但通过整个组件的电阻可能不仅取决于消耗室的电阻。消耗室与膜和可或也可不沿着其长度发生电阻改变的浓缩室和电极室电串联。如果消耗室的电阻是通过组件的总电阻的一小部分，那么即使这种电阻显著变化，总电阻会由其它因素决定和电流分布更均匀。但如果消耗室电阻相比其它电阻高，则电流分布受到消耗室内的电阻差异的影响。
典型电去离子设备结合有筛网填充的浓缩和/或电极室。在这些构型中，水在这些室中的电阻在大多数情况下明显大于树脂在消耗室中的电阻，因此，电流分布一般不受消耗室的电阻的控制。用树脂填充浓缩和电极室以及使用较低电阻离子交换膜明显降低总体组件电阻。但在某些情况下，这可导致不均匀的电流分布，因为组件电阻变为由消耗室的电阻决定。
因此在本发明的一些实施方案中，筛网填充的浓缩和电极室可尽量最大程度减少不均匀的电流分布。但在大多数RO后应用中，水具有非常低的导电率，导致高组件电阻。这种高电阻进一步产生限制，如果存在电势局限的话。相反，本发明无需将盐水注入流入浓缩室的物流中而提供相当性能，这样降低操作成本和工艺复杂性。
可以注意到，在一个或多个浓缩和/或电极室中混合惰性树脂作为填料可增加在这些室中的电阻，这样改善了通过组件的电流分布。如图5所示，一个或多个浓缩室516可包含惰性树脂以提供从中通过的较高有效电阻580，这决定了其它室和膜的集合电阻。因为占优势的电阻控制总电阻率，通过其它室的有效电流分布变得更均匀。惰性树脂的量可被改变以增加有效电阻和改变通过该装置的电流分布。惰性树脂也可用于一个或多个浓缩和电极室中的层以局部增加其中稀释电阻被确定为低的某些部分中的电阻。因此，如图5所示，通过区512的电流分布可通过在室515中采用较高电阻率层使得室515的层的有效电阻573增加而匹配或使之相当于通过装置的区511的电流。电阻的量可经验上可通过测量相对惰性树脂用量的有效电阻而确定。
具有低导电率的其它材料，如聚合物筛网或纤维材料，可用于增加沿着与惰性树脂珠粒的电阻。
电去离子装置可被限制至最大90-95％的回收率以防加料水中的有限溶解度物质如硬度和硅石形成水垢。如果加料水包含非常低量的这些物质，该设备应该能够在较高回收率下操作。本发明的某些方面包括电去离子装置，它具有多个通过其浓缩室的途径，从而提供回收率。多程构型有助于保持预定的速度而无需再循环泵和回路。但本发明可优选用于具有再循环回路的场合，其中加料水离子浓度低和需要非常高的回收率以免浪费或排出高纯度水和/或增加补充体系的操作时间。在本发明电去离子装置的一些实施方案中，流体流速足以降低产生死体积、通道化和在室内局部过热的可能性。例如，室中的所需流体流速可以是在浓缩室中至少约2加仑/分钟/平方英尺(162.8升/分钟/平方米)。其它流体流速可取决于其它因素，包括但不限于沉淀化合物的组分的浓度，流体的温度，和流体的pH。较低速率可诱导通道化。
图6示意说明电去离子装置600的一部分，包括在电极室630和632之间的消耗室614和浓缩室612。这种排列和构型在本发明的处理装置和体系中提供一个消耗室途经和相关的多个浓缩室途径。这些构型使得可以增加在浓缩室中的流体流速，优选最高提高至单程设备的流速的5倍。如图6所示，源615的水被顺序引入浓缩室612和导向下游浓缩室612B并随后至室612C和至排放口或至下游单元操作625。
所要处理的水被引入消耗室614和导向使用点而无需跟随或追踪通过室612、612A和612B的水的流动。但本发明不限制相对于消耗室体积数的相关浓缩室体积数，浓缩室与消耗室的任何比率可用于提供通过室的所需高流体流速。
混合层或室中的不同的尺寸阳离子和阴离子交换树脂珠粒可用于进一步降低较大珠粒抗衡离子的传输速率和有助于传输较小珠粒抗衡离子。
离子传输通常通过离子交换树脂而出现。成功的传输可因此取决于珠粒和膜之间的类似物质的全部路径。阳离子物质通常扩散到阳离子树脂珠粒上和往往跟随阳离子介质的路径移向阴极，直至它到达阳离子选择性膜和通入浓缩室。如果路径中断，阳离子物质必须从最后的珠粒扩散出和进入本体溶液，因此降低了以后在床中将它拾起的机会和增加它在产品水中出现(end up)的机会。该路径可因为填充不好使得珠粒不具有良好的接触而中断，或它可因为珠粒带相反电荷而中断。
使用相对较薄单元或紧密填充树脂可增加保持所需路径的可能性。采用具有类似和相对均匀尺寸的阳离子和阴离子交换树脂也增加保持所需路径的可能性。但使用不同尺寸的阳离子和阴离子交换树脂可阻断转移。
在某些情况下，可有利地抑制阳离子或阴离子的传输。通过选择性地降低混合床中的一种类型树脂的尺寸，较小珠粒抗衡离子的转移由于更完全的路径而被增强，而较大珠粒抗衡离子的转移由于不太完全的路径而被延迟，因为随着较小珠粒的尺寸接近较大珠粒的尺寸的某一分数，较小树脂珠粒往往填充在较大珠粒周围，这分离和中断从一个大珠粒至下一个的路径。该现象也可取决于大和小离子交换树脂珠粒的相对比率。例如，50体积％小珠粒的混合物对离子传输的影响明显不同于25体积％或75体积％小珠粒的混合物。
一旦介质的尺寸和混合比率被合适地选择以减慢目标或所选类型离子的传输和增加不同种类的传输，氢或羟基离子必须被转移以保持电中性。例如，如果基本上由阳离子树脂组成的床用于如图7A所示的消耗室，阳离子物质会迁移通过阳离子交换树脂珠粒731和阳离子膜740C进入相邻浓缩室。水会在阴离子选择性膜740A的位766处分裂，产生氢离子以替代消耗室中的迁移阳离子和产生羟基离子以迁移到相邻的浓缩室中和来自另一消耗室(未示)的阳离子物质迁移。该现象依赖于在阴离子膜的表面上分裂水的能力，此处有较小的阴离子膜和阳离子珠粒之间的接触面积。采用较小阳离子交换树脂珠粒733与较大阴离子交换树脂珠粒734，如图7B所示，降低了阴离子物质的传输速率。另外，不同树脂珠粒尺寸的使用在阳离子交换树脂733和阴离子交换树脂珠粒734之间的切线上提供附加的水分裂位766，这又通过降低通过组件的电阻而提高性能。
例如，本发明电去离子装置可包括含阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的混合物的室，所述阳离子交换树脂的平均直径为阴离子交换树脂的平均直径的至少1.3倍。或者或另外，电去离子装置可包括含阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的混合物的室，所述阳离子交换树脂的平均直径为阴离子交换树脂的平均直径的至少1.3倍。
实施例
本发明这些和其它实施方案的功能和优点可根据以下实施例进一步理解，这些实施例说明本发明一个或多个体系和技术的益处和/或优点但不例举本发明的全部范围。
实施例1
此实施例描述温度对Langelier饱和指数(LSI)的影响。
本领域已知计算LSI值用于测定水垢形成的潜在性。LSI是pH，总溶解固体(TDS)，温度，总硬度(TH)，和碱度的函数。对于电去离子装置的浓缩室物流的这些参数使用以下评估，相对LSI值的物流温度可被确定和代表性关系在图8中给出，基于具有pH9.5个单位，TDS30ppm，TH15ppm，以CaCO3计，和碱度约25ppm，以CaCO3计的物流。
如果物流的LSI值是正的，往往发生结垢。为了抑制结垢，物流的LSI值被降至优选为负值。图8显示，随着温度下降，LSI值在12.5℃左右降至低于零。因此，对于上述的条件，将进入电去离子设备的浓缩室的物流冷却至低于12.5℃应该会降低或防止形成水垢的可能性。
冷却可通过在电去离子装置的上游热偶联热交换器或冷却器而进行。可以使用有助于从进入该装置的一个或多个物流中去除热能的其它元件和子体系。例如，一个或多个传感器和控制器可用于确定温度控制回路和促使将物流温度保持至目标温度或甚至将有效LSI值降至所需或目标量。
目标温度可通过确定将要被引入电去离子设备浓缩室的物流的温度而经验地确定，或至少部分地基于计算出的LSI值而计算。例如，经验确立的目标温度可以是在有或没有其它边界的情况下历史上没有观察到结垢的温度以确保结垢被进一步抑制。LSI基目标温度可基于衍生的LSI-温度关系而确定，随后计算与LSI值的设定下降相关的目标温度。
实施例2
在该实施例中，研究树脂珠粒尺寸对按照本发明的一个或多个方面的电去离子装置的性能的影响。
在一个试验中，电去离子组件通过在消耗室中使用平均珠粒直径575μm的阴离子树脂和平均珠粒直径350μm的阳离子树脂的等份混合物而构建。这些树脂都具有根据工业标准的均匀颗粒尺寸。
组件被加入事先用反渗透处理和包含约0.5ppm Mg和1.5ppm Ca(都以CaCO3计)且pH约6.1的水。组件在几乎100％电流效率下操作，产品质量是约1-2MΩ-cm，没有几乎零的硅石去除。
产品水硬度水平低于通过Hach分光光度计(＜10ppb)测定的检测值且pH被降至约5.7。这表明，该组件正优先去除阳离子而非阴离子。
实施例3
在该实施例中，研究按照本发明一个或多个方面在其室中具有不同珠粒尺寸的几层的电去离子装置对性能的影响。
组件通过在消耗室中使用三层离子交换树脂而构建。第一和最后层由具有均匀颗粒直径约600μm的阳离子和阴离子树脂的均匀混合物组成。中间层由具有颗粒直径150-300μm的阳离子交换和阴离子交换树脂的均匀混合物组成。组件隔片具有在流分配器中的狭槽，用于将树脂固定就位，其宽度为254μm。组件在没有改变压降的情况下操作几个月，表明中间层中一些小于隔片孔的树脂没有通过树脂底层和离开组件。
另外，较小树脂的中间层的加入提高了相当电去离子设备，对照组件，的性能。该组件与另一电去离子组件平行操作，后一组件的室包含颗粒直径约600μm的阳离子交换和阴离子交换树脂的均匀混合物。使用事先用反渗透处理的具有导电率约30μS/cm和包含3.75ppm CO2的加料水，包含较小离子交换树脂的层的组件生成电阻率16.4MΩ-cm的水，而没有较小离子交换树脂的层的另一典型组件则生成电阻率13.5MΩ-cm的水。另外，包含较小交换树脂的层的组件显示出96.6％的硅石去除，而对照组件是93.2％。
实施例4
在该实施例中，研究带有通过其浓缩室的几个或多个行程的电去离子装置对性能的影响。
电去离子组件由四个消耗室，三个浓缩室，和两个电极室组装。
所有的消耗室被相互平行地加料以所要处理的水。
浓缩室和电极室被串联加料使得被引入浓缩室的物流首先进入阴极室，随后顺序流动通过浓缩室和最后通过阳极室。这不同于常规构型，其中水流通常被加料到电极室，同时水流进入浓缩室。组件因此具有五个有效浓缩室途径。
该组件的数据(标为＂系列浓缩物＂)以及使用平行流动操作的标准组件的性能数据(标为＂平行浓缩物＂)在下表1中列出。数据表明，通过顺序设置物流以流过浓缩和电极室，流体流速类似于在明显较低的不合格流速下的操作时。因此可在浓缩物中保持最低速度同时得到非常高的回收率。
表1具有单程浓缩物的组件与具有五个行程的组件的比较。
组件 平行浓缩物 系列浓缩物
加料，μS/cm 30.3 30.3
电阻，欧姆 4.3 4.2
产品质量，MΩ-cm 3.1 3.6
产品流动，gpm 2.25 2.25
浓缩物流动，gpm 7.2 1.2
回收率，％ 94.9 99.1
浓缩物速度，gpm/ft2 2.0 1.7
买施例5
在该实施例中，研究浓缩室中带水平和垂直层的电去离子装置对性能的影响。
两个组件使用如图9A和9B所示的不同的层构型组装。每一组件由四个被分别示出的重复单元对组成。在图中，＂MB＂是指混合物或树脂；＂A＂和＂C＂分别是指包含阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的区或层；＂AEM＂和＂CEM＂是指阴离子选择性膜和阳离子选择性膜。组件分别使用具有导电率约10μS/cm和包含2ppm总硬度(以碳酸钙计)的加料水操作2和3周。
在该时间之后，将它们打开，没有观察到水垢。相反，在消耗和浓缩室中包含混合床树脂的非层化组件在相同的加料水操作2周之后在浓缩物中的阴离子膜上出现水垢。
实施例6
在该实施例中，研究在其室中带垂直层以及加有酸性溶液的电去离子装置对性能的影响。
三组件被组装成在浓缩室中有水平层化和在浓缩室中沿着流动路径长度有垂直取向的区或层。另外设置隔绝单元相邻于两个电极室。组件使用包含约2ppm总硬度的RO后加料水操作90天。将酸性溶液注入浓缩室，注入速率使得离开浓缩室的水流的pH为约2.5-3.5。
图10给出了在整个90天中稳定的性能。在图中，＂FCE＂是指加料导电率当量，其通过将实际的加料导电率(μS/cm)加上加料二氧化碳(ppm)乘以2.67和加料硅石(ppm)乘以1.94而计算；＂加料TH＂是指加料总硬度。
本发明体系的控制器可使用一个或多个计算机体系而实现。计算机体系可以是，例如，通用计算机如基于Intel PENTIUM
Figure BDA0000466566370000173
型处理器，Motorola PowerPC
Figure BDA0000466566370000171
处理器，Sun UltraSPARC
Figure BDA0000466566370000172
处理器，Hewlett-PackardPA-RISC
Figure BDA0000466566370000174
处理器，或任何其它类型处理器或其组合的那些。或者，计算机体系可包括特殊程序化的特殊用途硬件，例如，应用专用型集成电路(ASIC)或预期用于分析体系的控制器。
计算机体系可包括通常连接至一个或多个储存器设备上的一个或多个处理器，其可包括，例如，任何一种或多种磁盘驱动器内存，闪存器设备，RAM储存器设备，或用于储存数据的其它设备。储存器常用于在处理体系和/或计算机体系操作过程中储存程序和数据。软件，包括实施本发明实施方案的编程代码，可被储存在计算机可读和/或可写非易失性记录介质上，并随后通常被复制到储存器中，其中它可随后被处理器执行。计算机体系的元件可通过互连机理而连接，其可包括一个或多个总线(如集成在同一设备内的元件之间)和/或网络(如在位于不同离散设备上的元件之间)。互连机理通常能使计算机体系的元件之间交换信息(如，数据，指令)。计算机体系也可包括一个或多个输入设备，例如键盘，鼠标，光标球，麦克风，触屏，和一个或多个输出设备，例如，印刷设备，显示屏，或扬声器。另外，计算机体系可包含一个或多个界面，其可将计算机体系连接至通信网络上(除可通过计算机体系的一个或多个元件形成的网络之外或作为其替代)。
根据本发明一个或多个实施方案，一个或多个输入设备可包括用于测量参数的传感器。或者，传感器，计量阀和/或泵，或所有的这些组件，可被连接至操作性连接至计算机体系上的连通网络上。控制器可包括一个或多个计算机储存介质如可读和/或可写非易失性记录介质，其中可储存用于确定被一个或多个处理器执行的程序的信号。储存介质可例如是磁盘或闪存。尽管计算机体系可以是可实现本发明各方面的一种类型的计算机体系，但应该理解，本发明不限于在例举给出的软件或计算机体系上实现。确实，代替在例如通用计算机体系上实施，控制器或其元件或分部可另外作为专用体系或作为专用可编程逻辑控制器(PLC)或在分配的控制体系上使用。另外，应该理解，本发明的一个或多个特点或方面可在软件，硬件或固件，或任何其组合中实现。例如，可被控制器执行的算法的一个或多个部分可在不同的计算机上进行，这些计算机又可通过一个或多个网络连通。
本领域熟练技术人员应该理解，本文所述的参数和构型是示例性的，实际的参数和/或构型取决于使用本发明体系和技术的特定场合。本领域熟练技术人员还应该认识到或能够至多使用常规实验确认本发明特定实施方案的等同物。因此，本文所述的实施方案要理解为仅作为例子而给出，而且在所附权利要求及其等同物的范围内；本发明可以特意描述之外的其他方式实现。
另外还应该理解，本发明涉及每一本文所述的特点，体系，子体系，或技术和两个或更多个本文所述特点，体系，子体系，或技术的任何组合，只要这些特点，体系，子体系，和技术相互不矛盾，那么两个或多个特点，体系，子体系，和/或方法的任何组合被认为在权利要求所体现在本发明范围内。另外，在涉及一个实施方案时讨论的行为，元件，和特点无意于被排除在其它实施方案中类似角色之外。
本文所用的术语＂多个＂是指两个或更多个物项或元件。无论在说明书或权利要求等部分中，术语＂包含＂、＂包括＂、＂携带＂、＂具有＂、＂含有＂和＂涉及＂都是开放式术语，即意味着＂包括但不限于＂。因此，这些术语的使用意味着包括在其后列出的项目及其等同物，以及其它的项目。仅转变词语＂由...组成＂和“基本上由...组成”在涉及权利要求时分别是封闭或半封闭转变词语。权利要求中用于修饰权利要求要素的序数术语如＂第一＂、＂第二＂、＂第三＂和类似术语本身不意味着任何优先，先后次序，或一个权利要求要素相对另一要素的顺序或其中进行一种方法的行为的临时顺序，而是仅作为标记用于将具有某一名称的一个权利要求要素区别于具有相同的名称的另一要素(但为了使用序数术语)以区分这些权利要求要素。

Claims (3)

1.具有至少一个消耗室和至少一个浓缩室的电去离子装置，其特征在于，至少一个浓缩室包含由阴离子交换介质构成的第一浓缩层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的第二浓缩层，其中所述第二浓缩层位于第一浓缩层下游，其特征还在于，至少一个消耗室包含由阴离子交换介质构成的第一消耗层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的第二消耗层，其中所述第二消耗层位于第一消耗层下游，且其中所述由阴离子交换介质构成的层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的层在相邻的室中不完全取齐。
2.在具有消耗室和浓缩室的电去离子装置中处理水的方法，包括：将所要处理的水引入电去离子装置的消耗室中，所述消耗室包含由阴离子交换介质构成的第一消耗层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的第二消耗层，其中所述第二消耗层位于第一消耗层下游，且其中所述由阴离子交换介质构成的层和含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物的层在相邻的室中不完全取齐；促进非所需物质从消耗室传输到电去离子装置的浓缩室中，所述浓缩室包含第一层阴离子交换介质和位于所述第一层下游的第二层介质，所述第二层包含阴离子交换介质和阳离子交换介质的混合物。
3.处理水的方法，包括：将所要处理的水引入电去离子装置的消耗室中，所述消耗室具有至少一层离子交换介质；和促进被引入消耗室中的水的至少一部分阴离子物质从第一层离子交换介质传输到第一浓缩室中，以生成具有第一中间质量的水，所述第一浓缩室至少部分由阴离子选择性膜和阳离子选择性膜确定，所述第一浓缩室具有第一层阴离子交换材料和第二层，其至少部分包含通过含阴离子交换介质的第二区基本上与阴离子选择性膜隔开的含阳离子交换介质的第一区。
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