CN103796520A - 电脱盐系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于海水和微咸水的脱盐以用于获得饮用水的目的的系统和方法。系统可包括电渗析模块和电去离子模块的组合。系统配置和工艺控制可实现低能量消耗量和稳定操作。

Description

电脱盐系统和方法

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2011年7月1日提交的、名称为“ELECTRODESALINATION SYSTEM AND METHOD”的美国临时专利申请序列号61/503,850的优先权，出于所有目的，该美国临时专利申请的全部公开内容据此通过引用整体并入本文。

公开内容的领域

各方面大体涉及电化学分离，并且更具体地，涉及用于脱盐的电化学系统和方法。

概述

各方面大体涉及为降低能量消耗量的电脱盐系统和方法。

根据一个或多个方面，脱盐系统可包括电渗析(ED)设备、流体连接于ED设备的下游的电去离子(EDI)设备、和控制器，该控制器被配置为关于功率消耗量和盐除去来确定ED设备和EDI设备之间的最佳转换点，并且还被配置为当ED设备的产物流达到最佳转换点时使EDI设备联机。

根据一个或多个方面，提供饮用水的方法可包括将海水进料流流体连接到电净化系统的入口，该系统包括至少第一级和在第一级下游的第二级；以第一速率从第一级回收水；以小于第一速率的第二速率从第二级回收水；以及将电净化系统的出口流体连接到供使用的饮用点。

根据一个或多个方面，提供饮用水的方法可包括将海水进料流流体连接到电净化系统的入口，该系统包括至少第一电渗析(ED)级和在第一ED级下游的第二ED级；通过使工艺流(process stream)以相对于第一ED级增加的速度经过第二ED级中的稀释隔室来防止浓差极化(concentration polarization)；以及将饮用水递送到在电净化系统下游的供使用的点。

根据一个或多个方面，脱盐系统可包括电净化系统，该电净化系统包括至少第一电渗析(ED)级和流体连接于第一ED级下游的第二ED级；与电净化系统相关联的至少一个电导传感器；以及控制器，该控制器被配置为基于来自电导传感器的输入向第一ED级施加第一电压并且向第二ED级施加比第一电压低的第二电压以防止浓差极化。

以下详细地讨论了还其它方面、实施方式和这些示例性方面和实施方式的优势。本文所公开的实施方式可以以与本文公开的原理中的至少一个相一致的任何方式与其它实施方式结合，且提及“实施方式”、“一些实施方式”、“可选实施方式”、“各种实施方式”、“一种实施方式”或类似物不必是相互排斥的，并且意在表明所描述的具体特征、结构或特性可以包括在至少一种实施方式中。这些措辞在本文中出现不必都指相同的实施方式。

附图简述

下面参照附图论述了至少一种实施方式的各个方面，附图不意在按比例绘制。包括附图以提供对各种方面和实施方式的说明和进一步理解，并且附图被并入本说明书并组成本说明书的一部分，但并非意在作为本发明的范围的界定。在附图、详细描述或任一权利要求中的技术特征后面有参照标记时，包括参照标记是为了增加附图、说明书的可理解性的唯一目的。在附图中，在多个附图中图示的每一相同的或近似相同的部件由相同的数字表示。为了清楚起见，在每一附图中并非每个部件都可以标出。在附图中：

图1-2显示了根据一种或多种实施方式的PID控制示意图；

图3-4显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例3中讨论的数据；

图5显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例2中讨论的工艺图；

图6A-6D显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例2中讨论的数据；

图7显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例4中讨论的系统配置的示意图；

图8-10显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例4中讨论的数据；

图11显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例5中讨论的隔离物配置的示意图；

图12显示了根据一种或多种实施方式的平衡数据(equilibrium data)和相关电导率的实施例；

图13-14显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例6中讨论的数据；

图15显示了根据一种或多种实施方式在随附的实施例7中讨论的系统示意图。

详细描述

使用电场来净化流体的设备通常被用于处理含有溶解的离子物质的水和其它液体。以这种方式处理水的两种类型的设备是电去离子设备和电渗析设备。在这些设备中是由离子选择性膜隔开的浓缩隔室和稀释隔室。电渗析设备通常包括交替的、电活性的、半渗透的阴离子和阳离子交换膜。膜之间的空间被配置为产生具有入口和出口的液体流隔室。由电极强加的所施加的电场使被吸引到其相应的反电极的溶解的离子迁移通过阴离子和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室的液体的离子耗尽，并且浓缩隔室中的液体富有被转移的离子。

电去离子(EDI)是利用电活性介质和电势影响离子传输来从水除去或至少减少一种或多种离子化的或可电离的物质的工艺。电活性介质通常用来交替地收集和排放离子物质和/或可电离的物质，并且在一些情况下，用来通过离子或电子替换机制帮助离子传输，所述离子传输可以是连续的。EDI设备可包括具有永久或暂时电荷的电化学活性介质，并且可分批地、间歇地、连续地和/或甚至以反转极性模式操作。DEI设备可被操作以促进特别地被设计为获得或增强性能的一个或多个电化学反应。而且，这种电化学设备可包括电活性膜，诸如半渗透的或选择性渗透的离子交换膜或双极膜。连续电去离子(CEDI)设备是本领域技术人员已知的EDI设备，其以其中水净化可连续进行、同时离子交换材料被连续补给的方式操作。CEDI技术可包括如下的工艺，诸如连续去离子、填充小室电渗析(filledcell electrodialysis)或电透析(electrodiaresis)。在控制电压和控制盐度条件下，在CEDI系统中，水分子可被分解以产生氢或水合氢离子或物质以及氢氧或羟离子或物质，它们可使设备中的离子交换介质再生且因此帮助被捕获的物质从其中释放。以这种方式，待处理的水流可被连续地净化而不需要离子交换树脂的化学补给。

除了电渗析(ED)设备通常在膜之间不含有电活性介质以外，ED设备以与CEDI类似的原理操作。因为缺少电活性介质，ED的操作对于低盐度的供水可因升高的电阻而受到阻碍。并且，因为ED的操作对于高盐度的供水可导致升高的电流消耗量，所以迄今为止，ED装置被最有效地用于中等盐度的源水。在基于ED的系统中，因为不存在电活性介质，所以分解水是低效的并且通常避免以这样的方式进行操作。

在CEDI和ED设备中，多个邻近的小室或隔室通常由选择性渗透膜分隔，所述选择性渗透膜允许带正电荷或带负电荷的物质通过，但是通常不允许两者均通过。在这样的设备中稀释隔室或消耗隔室通常用浓缩隔室或浓度隔室填充间隙。当水流过消耗隔室时，离子物质和其它带电荷物质通常在电场诸如DC场的影响下被吸入到浓缩隔室中。带正电荷的物质被吸向阴极，所述阴极通常位于多个消耗隔室和浓度隔室的堆叠的一端，而带负电荷的物质又被吸向这种设备的阳极，所述阳极通常位于隔室的堆叠的相对端。电极通常被容纳在电解质隔室中，所述电解质隔室常常与流体连通的消耗隔室和/或浓度隔室部分地隔离。当在浓度隔室中时，带电荷的物质通常被至少部分地界定浓度隔室的选择性渗透膜的屏障捕获。例如，通常通过阳离子选择性膜阻止阴离子从浓度隔室向阴极进一步迁移。当被俘获在浓缩隔室中时，被捕获的带电荷的物质可在浓缩流中被除去。

在CEDI设备和ED设备两者中，DC场通常从被施加到电极(阳极或正极，以及阴极或负极)的电压和电流的源被施加到小室。电压和电流源(共同地“电源供应”)可自身通过多种手段诸如AC电源或者例如源于太阳能、风能或波浪能的电源提供电力。在电极/液体界面处，发生引起和/或帮助离子通过膜和隔室的转移的电化学半电池反应。在电极/界面处发生的特定的电化学反应可通过容纳电极组件的专门隔室中的盐的浓度在某种程度上被控制。例如，对氯化钠含量高的阳极电解质隔室的供给将趋向于产生氯气和氢离子，而对阴极电解质隔室的这样的供给将趋向于产生氢气和氢氧离子。通常，在阳极隔室中产生的氢离子将与游离阴离子诸如氯离子缔合以保持电中性并且产生盐酸溶液，并且类似地，在阴极隔室中产生的氢氧离子将与游离阳离子诸如钠缔合以保持电中性并且产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物诸如产生的氯气和氢氧化钠可被用于如消毒目的、膜清洁和除污目的以及pH调节目的所需要的工艺中。

板框式和螺旋缠绕式设计已被用于多种类型的电化学去离子设备，包括但不限于ED和EDI设备。市售的ED设备通常是板框式设计，而EDI设备可以板框式配置和螺旋配置两者得到。不同的实施方式适用于本文所讨论的板框式、螺旋缠绕式和错流设计。

一种或多种实施方式涉及可用电力净化可能容纳在壳体中的流体的设备，以及其制造和使用的方法。待净化的液体或其它流体进入净化设备或装置，并且在电场的影响下被处理以产生离子耗尽的液体。从进入的液体收集物质以产生离子浓缩的液体。电净化装置(其也可被称为电化学分离系统或电化学分离设备)的部件可利用各种技术组装以实现装置的优化操作。

海水脱盐工艺的功率消耗量已成为对利用脱盐来生产饮用水的广泛接受的长期存在的障碍。典型的功率消耗量可从用于压力驱动工艺诸如反渗透的约3.5kwh/m³变化至用于热脱盐工艺的超过10kwh/m³。

电力驱动的电化学去离子工艺诸如电渗析和电去离子的使用在传统上已被限于净化具有比海水少的离子含量的水。然而，当根据一种或多种实施方式使用电化学分离设备的组合时可达到约1.8kwh/m³的功率消耗量。根据某些实施方式，饮用水可以以1.5kWh/m³或更小的能量值由海水产生。

如本文所用的，“净化”涉及降低总溶解固体含量以及任选地涉及使源水中的悬浮固体的浓度、胶体含量和离子化和非离子化杂质降低至净化水被认可是可饮用的并且可用于淡水目的的水平，所述淡水目的诸如但不限于，人和动物消耗、灌溉和工业应用。脱盐是从海水中除去盐的一种类型的净化。一种或多种实施方式可涉及海水的脱盐。供水或待处理的水可来自各种来源，包括具有在约3,000ppm和约40,000ppm之间或更高的TDS含量的那些来源。供水可以是例如来自海洋的海水、微咸水、灰水、工业流出物和注油回收水。供水可含有高水平的一价盐、二价盐和多价盐，以及有机物质。在一些实施方式中，显著的方面可涉及处理由或主要由海水组成的工艺用水或供水或者使其脱盐的方法。水可被加工至期望的或需要的纯度水平。

根据一种或多种实施方式，工艺流通常可包括可递送到电化学设备以用于处理的水流。在一些实施方式中，工艺流通常可包括盐溶液。盐溶液可含有单一的盐物质或多种盐物质的混合物，例如，如可存在于海水中的。在至少一种实施方式中，工艺流可包括非饮用水。饮用水通常具有小于约1,500ppm的总溶解固体(TDS)含量。在一些实施方式中，饮用水可具有小于约1,000ppm的TDS。在一些情况下，饮用水可具有小于约500ppm的TDS含量。在一些非限制性实施方式中，饮用水可具有小于约250ppm的TDS含量。非饮用水的实例可包括海水或盐水、微咸水、灰水和一些工业用水。工艺流可包括目标物质诸如氯化物、硫酸盐、溴化物、硅酸盐、碘化物、磷酸盐、钠、镁、钙、钾、硝酸盐、砷、锂、硼、锶、钼、锰、铝、镉、铬、钴、铜、铁、铅、镍、硒、银和锌。根据一种或多种实施方式，本发明涉及处理海水或微咸水的方法，其中源水包括溶质混合物。在一些实施方式中，与二价离子和其它多价离子的浓度相比，一价离子可以是更高的浓度。本文对海水的提及通常适用于非饮用水的其它形式。

在本公开内容的一些实施方式中，提供了提供饮用水源的方法。在某些实施方式中，提供了帮助由海水生产饮用水的方法。该方法可包括提供电净化装置，所述电净化装置包括小室堆(cell stack)。该方法还可包括流体连接海水进料流至电净化装置的入口。该方法还可包括流体连接电净化装置的出口至供使用的饮用点。海水或河口水可具有在约10,000ppm至约45,000ppm的范围内的总溶解固体浓度。在某些实例中，海水或河口水可具有约35,000ppm的总溶解固体浓度。

包括不同浓度的总溶解固体的其它类型的供水可利用本公开内容的装置和方法来处理或加工。例如，具有在约1000ppm至约10,000ppm的范围内的总溶解固体含量的微咸水可被处理以产生饮用水。具有在约50,000ppm至约150,000ppm的范围内的总溶解固体含量的盐水可被处理以产生饮用水。在一些实施方式中，具有在约50,000ppm至约150,000ppm的范围内的总溶解固体含量的盐水可被处理以产生具有较低的总溶解固体含量的水，用于处置例如水体诸如海洋的目的。

根据一种或多种实施方式，电渗析模块包括由包括例如屏和垫圈的隔离物分隔的阳离子交换膜和阴离子交换膜。这种组合的许多重复对被用于制造电渗析模块。在一些非限制性实施方式中，在模块中可存在约100至1000个重复对或小室对(cell pair)。每个小室对可包括稀释隔室和浓缩隔室。当水通过小室对时，由直流(DC)电源供应产生的电场可垂直于水流被施加。这可导致离子从稀释隔室通过离子交换膜迁移到浓缩隔室。在脱盐操作中，盐离子可通过离子交换膜转移。阳离子将通过阳离子膜转移并且阴离子将通过阴离子膜转移。来自小室对的水可在电渗析模块中的歧管中合并。两个水流(稀释流和浓缩流)可离开模块。电去离子还可使用由隔离物分隔的阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述隔离物具有填充有离子交换材料诸如离子交换珠、毡制品及类似物的空隙容积。在一些实施方式中，电去离子设备可包括离子交换屏。根据一种或多种实施方式，离子交换屏可以是功能化屏，诸如具有阳离子和/或阴离子功能性的屏。当水是稀释的，例如小于约5000mg/l的离子浓度时，离子交换材料代替惰性屏的使用可改进电去离子设备从水中除去离子的能力。离子交换材料可包括阳离子交换材料或阴离子交换材料及其组合。

根据一种或多种实施方式，电化学分离系统或设备可以是模块化的。每个模块化单元通常可用作整个电化学分离系统的子块。模块化单元可包括任何期望数目的小室对。在一些实施方式中，每模块化单元小室对的数目可取决于分离设备中的小室对和通道(pass)的总数目。当测试交叉泄漏和其它性能标准时，其还可取决于能够以可接受的失效率热结合并且罐装在框架中的小室对的数目。数目可以是基于制造工艺的统计分析并且可以随工艺控制的改进而增加。在一些非限制性实施方式中，模块化单元可包括约50个小室对。在被结合到较大的系统中之前，模块化单元可被单独地组装并针对诸如泄漏、分离性能和压力降进行质量控制测试。在一些实施方式中，小室堆可作为可独立地被测试的模块化单元被安装在框架中。然后，多个模块化单元可被组装在一起以在电化学分离设备中提供总预期数目的小室对。在一些实施方式中，组装方法可大体涉及将第一模块化单元放置在第二模块化单元上，将第三模块化单元放置在第一和第二模块化单元上，以及重复以获得期望数目的多个模块化单元。在一些实施方式中，组件或单独的模块化单元可被嵌入压力容器中以便操作。多通道流配置可以是可能的，其中在模块化单元之间或在模块化单元内布置有阻塞膜和/或隔离物。模块化方法可在时间和成本节约方面改进可制造性。模块性还可通过允许单个模块化单元的诊断、隔离、除去和替换而帮助系统维护。单个模块化单元可包括歧管系统和流动分布系统以帮助电化学分离工艺。单个模块化单元可以彼此流体连通以及与中心歧管系统和与整个电化学分离工艺相关联的其它系统流体连通。

根据一种或多种实施方式，电化学分离系统的效率可以得到改善。电流损失是低效率的一个可能来源。在一些实施方式中，诸如涉及错流设计的那些实施方式，电流漏泄的可能性可以得到解决。电流效率可被定义为有效地将离子从稀释流移动到浓缩流中的电流的百分数。电流低效率的各种来源可存在于电化学分离系统中。低效率的一个可能来源可涉及通过流过稀释入口和出口歧管和浓缩入口和出口歧管而绕过小室对的电流。开放的入口和出口歧管可以与流动隔室直接流体连通并且可降低每个流动通路中的压力降。从一个电极到另一个电极的电流的一部分可通过流过开放区域而绕过小室对的堆叠。旁路电流降低了电流效率并且增加了能量消耗量。低效率的另一个可能来源可能涉及由于离子交换膜的不完全的选择渗透性而从浓缩流进入稀释流的离子。在一些实施方式中，与设备中的膜和屏的密封和罐装相关联的技术可帮助减少电流漏泄。

在一种或多种实施方式中，通过堆叠的旁路通路可被操纵为促进电流沿着直接通路通过小室堆流动以便改进电流效率。在一些实施方式中，电化学分离设备可被构造和布置为使得一个或多个旁路通路比通过小室堆的直接通路曲折。在至少某些实施方式中，电化学分离设备可被构造和布置为使得一个或多个旁路通路存在比通过小室堆的直接通路高的电阻。在涉及模块化系统的一些实施方式中，单个模块化单元可被配置为促进电流效率。模块化单元可被构造和布置为提供将有助于电流效率的电流旁路通路。在非限制性实施方式中，模块化单元可包括被配置为促进电流效率的歧管系统和/或流动分布系统。在至少一些实施方式中，围绕电化学分离模块化单元中的小室堆的框架可被构造和布置为提供预定的电流旁路通路。在一些实施方式中，促进电化学分离设备中的多通道流配置可帮助减少电流漏泄。在至少一些非限制性实施方式中，阻塞膜或隔离物可被插入模块化单元之间以引导稀释流和/或浓缩流进入多通道流配置中以便改进电流效率。在一些实施方式中，可达到至少约60％的电流效率。在其它实施方式中，可达到至少约70％的电流效率。在还其它实施方式中，可达到至少约80％的电流效率。在至少一些实施方式中，可达到至少约85％的电流效率。

根据一种或多种实施方式，用于制备用于电净化装置的小室堆的方法可包括形成隔室。第一隔室可通过将离子交换膜彼此固定以提供具有被布置在离子交换膜之间的第一隔离物的第一隔离物组件而形成。例如，第一阳离子交换膜可在第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜的外周的第一部分处被固定到第一阴离子交换膜以提供具有被布置在第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜之间的第一隔离物的第一隔离物组件。

第二隔室可通过将离子交换膜彼此固定以提供具有被布置在离子交换膜之间的第二隔离物的第二隔离物组件而形成。例如，第二阴离子交换膜可在第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜的外周的第一部分处被固定到第二阳离子交换膜以提供具有被布置在第二阴离子交换膜和第二阳离子交换膜之间的第二隔离物的第二隔离物组件。

第三隔室可通过将第一隔离物组件固定到第二隔离物组件以及通过将隔离物定位于其间而形成于第一隔室和第二隔室之间。例如，第一隔离物组件可在第一阳离子交换膜的外周的第二部分处和在第二阴离子交换膜的外周的一部分处被固定到第二隔离物组件以提供具有被布置在第一隔离物组件和第二隔离物组件之间的隔离物的堆叠组件。

在一些非限制性实施方式中，第一隔室和第二隔室中的每个可被构造和布置为提供不同于第三隔室中的流体流动的方向的流体流动的方向。例如，第三隔室中的流体流动可在0°轴线的方向上延伸。第一隔室中的流体流动可在30°延伸，并且第二隔室中的流体流动可以在与第一隔室相同的角度(30°)或在另一角度诸如120°延伸。方法还可包括将被组装的小室堆固定在壳体内。

根据一种或多种实施方式，电化学分离系统可包括错流设计。错流设计可允许增加的膜利用率、较低的压力降以及减少的外部泄漏。另外，对操作压力的限制可通过错流设计而减少。在至少一些实施方式中，外壳和端盖的压力定额可能是对操作压力的唯一的实质限制。还可实现制造工艺的自动化。

根据一种或多种实施方式，第一流体流动通路和第二流体流动通路可作为固定于彼此的离子交换膜的外周的各部分来选择和提供。利用第一流体流动通路作为沿着0°轴线延伸的方向，第二流体流动通路可在大于零度且小于360°的任何角度的方向上延伸。在本公开内容的某些实施方式中，第二流体流动通路可在与第一流体流动通路成90°的角度或者垂直于第一流体流动通路延伸。在其它实施方式中，第二流体流动通路可在与第一流体流动通路成180°的角度延伸。如果额外的离子交换膜被固定到小室堆以提供额外的隔室，则这些额外的隔室中的流体流动通路可以是与第一流体流动通路和第二流体流动通路相同的或不同的。在某些实施方式中，隔室中的每一个中的流体流动通路在第一流体流动通路和第二流体流动通路之间交替。例如，第一隔室中的第一流体流动通路可在0°的方向上延伸。第二隔室中的第二流体流动通路可在90°的方向上延伸，并且第三隔室中的第三流体流动通路可在0°的方向上延伸。在某些实例中，这可被称为错流电净化。

在其它实施方式中，隔室中的每一个中的流体流动通路在第一流体流动通路、第二流体流动通路和第三流体流动通路之间顺序地交替。例如，第一隔室中的第一流体流动通路可在0°的方向上延伸。第二隔室中的第二流体流动通路可在30°延伸，并且第三隔室中的第三流体流动通路可在90°延伸。第四隔室中的第四流体流动通路可在0°延伸。在另一种实施方式中，第一隔室中的第一流体流动通路可在0°的方向上延伸。第二隔室中的第二流体流动通路可在60°延伸，并且第三隔室中的第三流体流动通路可在120°延伸。第四隔室中的第四流体流动通路可在0°延伸。在一些实施方式中，一个或多个流动通路可以是基本上非径向的。在至少一些实施方式中，一个或多个流动通路可帮助在系统内实现基本上均匀的液体流速分布。

根据一种或多种实施方式，隔室内的流动可被调节、再分布或重新定向以在隔室内提供流体与膜表面的更大接触。隔室可被构造和布置为在隔室内再分布流体流动。隔室可具有障碍物、突出部分、突出物、凸缘或挡板，它们可提供使通过隔室的流动再分布的结构，这将在以下被进一步讨论。在某些实施方式中，障碍物、突出部分、突出物、凸缘或挡板可被称为流动再分布器。流动再分布器可存在于小室堆的隔室中的一个或多个中。

在一些实施方式中，被彼此固定的多个离子交换膜可在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间交替以提供一系列离子稀释隔室和离子浓缩隔室。

膜的几何结构可以具有任何合适的几何结构，使得膜可被固定在小室堆内。在某些实施方式中，小室堆上的特定数目的拐角或顶点可能是期望的，以便将小室堆适当地固定在壳体内。在某些实施方式中，特定的膜可具有与小室堆中的其它膜不同的几何结构。膜的几何结构可被选择为帮助以下中的至少一个：将膜彼此固定、将隔离物固定在小室堆内、将膜固定在模块化单元内、将膜固定在支撑结构内、将一组膜诸如小室堆固定到壳体，以及将模块化单元固定在壳体中。

在本公开内容的一些实施方式中，提供了包括小室堆的电净化装置。电净化装置可包括包含离子交换膜的第一隔室并且可被构造和布置为在离子交换膜之间在第一方向上提供直接流体流动。电净化装置还可包括包含离子交换膜的第二隔室并且可被构造和布置为在第二方向上提供直接流体流动。第一隔室和第二隔室中的每个可被构造和布置为提供预定百分比的用于流体接触的表面积或膜利用率。在某些实施方式中，可实现的膜利用率大于65％。在其它实施方式中，可实现的膜利用率大于75％。在某些其它实施方式中，可实现的膜利用率可大于85％。膜利用率可以至少部分地取决于用于将膜中的每一个彼此固定的方法以及隔离物的设计。为了获得预定的膜利用率，可选择适当的固定技术和部件以便实现可靠的并且安全的密封，所述密封允许电净化装置的优化操作，不在装置中遭遇泄漏，同时保持可在工艺中使用的膜的大的表面积。

例如，提供了包括小室堆的电净化装置。电净化装置可包括包含第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜的第一隔室，该第一隔室被构造和布置为在第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜之间在第一方向上提供直接流体流动。装置还可包括包含第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜的第二隔室以在第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜之间在第二方向上提供直接流体流动。第一隔室和第二隔室中的每一个可被构造和布置为提供预定的膜利用率，例如，大于第一阳离子交换膜、第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜的表面积的85％的流体接触。第一隔室和第二隔室中的至少一个可包括隔离物，所述隔离物可以是阻塞隔离物。第一方向和第二方向的直接流体流动可通过隔室的构造和布置来选择和提供。

包括小室堆的电净化装置还可包括封装小室堆的壳体，其中小室堆的外周的至少一部分被固定到壳体。框架可被定位在壳体和小室堆之间以在壳体中提供第一模块化单元。流动再分布器可存在于小室堆的隔室中的一个或多个中。隔室中的至少一个可被构造和布置为在隔室内提供逆流。

在本公开内容的一些实施方式中，提供了用于电净化装置的小室堆。小室堆可提供多个交替的离子消耗隔室和离子浓缩隔室。离子消耗隔室中的每一个可具有在第一方向上提供稀释流体流动的入口和出口。离子浓缩隔室中的每一个可具有在不同于第一方向的第二方向上提供浓缩流体流动的入口和出口。隔离物可定位在小室堆中。隔离物可对隔室提供结构并且界定隔室，并且在某些实例中，隔离物可帮助引导流体流动通过隔室。隔离物可以是阻塞隔离物，该阻塞隔离物可以被构造和布置为重新定向通过小室堆的流体流动和电流中的至少一个。如所讨论的，阻塞隔离物可减少或防止电净化装置中的电流低效率。

在本公开内容的一些实施方式中，提供了电净化装置。装置可包括小室堆，所述小室堆包括交替的离子稀释隔室和离子浓缩隔室。离子稀释隔室中的每一个可被构造和布置为在第一方向上提供流体流动。离子浓缩隔室中的每一个可被构造和布置为在不同于第一方向的第二方向上提供流体流动。电净化装置还可包括在小室堆的第一末端处邻近第一离子交换膜的第一电极，和在小室堆的第二末端处邻近第二离子交换膜的第二电极。第一离子交换膜和第二离子交换膜中的每一个可以是阴离子交换膜或阳离子交换膜。例如，第一离子交换膜可以是阴离子交换膜，并且第二离子交换膜可以是阳离子交换膜。装置还可包括阻塞隔离物，其被定位在小室堆中，并且被构造和布置为重新定向通过电净化装置的稀释流体流动和浓缩流体流动中的至少一个并且阻止第一电极和第二电极之间的直接电流通路。如以上所讨论的，阻塞隔离物可被构造和布置为减少电净化装置中的电流低效率。

用于电净化装置的小室堆可被封装在壳体中，其中小室堆的外周的至少一部分被固定到壳体。框架可被定位在壳体和小室堆之间以在壳体中提供第一模块化单元。第二模块化单元还可被固定在壳体内。阻塞隔离物还可被定位在第一模块化单元和第二模块化单元之间。流动再分布器可存在于小室堆的隔室中的一个或多个中。隔室中的至少一个可被构造和布置为在隔室内提供逆流。支架组件可被定位在框架和壳体之间以对模块化单元提供支撑并且将模块化单元固定在壳体内。

在本公开内容的某些实施方式中，提供了减少或防止由较大的电功率消耗量引起的低效率的电净化装置。本公开内容的电净化装置可提供多通道流配置以减少或防止电流低效率。多通道流配置可通过消除或减少电净化装置的阳极和阴极之间的直流电通路来减少通过流动歧管的电流的旁路，或者减少电流的泄漏。

在本公开内容的某些实施方式中，隔室内的流动可被调节、再分布或重新定向以在隔室内提供流体与膜表面的更大接触。隔室可被构造和布置为在隔室内再分布流体流动。隔室可具有障碍物、突出部分、突出物、凸缘或挡板，它们可提供使通过隔室的流动再分布的结构。障碍物、突出部分、突出物、凸缘或挡板可形成为离子交换膜、隔离物的一部分，或可以是设置在隔室内的额外的分离的结构。障碍物、突出部分、突出物、凸缘或挡板可通过由可将离子交换膜彼此固定的粘合剂提供延伸部而形成。隔离物可浸渍有热塑性橡胶以形成突出物，该突出物可利用粘合剂来结合到邻近的膜。热塑性橡胶可利用诸如热压缩或圆网印花(rotary screenprinting)的工艺来施加到隔离物。隔室可含有或可不含有离子交换树脂。

根据一种或多种实施方式，水在电场的存在下经电渗析被净化。稀释隔室中的水变得更纯净，而邻近的浓缩隔室中的水变得富有离子化合物。这可导致模块的电阻增加，因为稀释的水不是非常导电的。而且，如果稀释隔室中的水变得太纯净，水将在离子交换膜附近离解，导致在直接邻近离子交换膜处的非常高电阻的水层，这增加了整体施加的电压。该低效率可将电渗析工艺限制于其中这些现象将不会发生的情况。为了使这种影响(也被称为浓差极化)减到最小，可根据一种或多种实施方式进行各种工艺修改。

在一些实施方式中，稀释隔室中的流体速度可被调节以避免浓差极化。通过增加通过每个隔离物的流速，靠近膜的边界层可减小，这可改进水在隔离物中的混合且因此可减少浓差极化的影响。例如，当水具有足够的电导率时，电渗析工艺可以以较低的速度进行以避免浓差极化，并且在水变得更加稀释时电渗析工艺可以以较高的速度进行。比如，在包括串联的若干电渗析级的多级工艺中，当水通过使用较少数目的小室对而变得更纯净时，后面级中的流体速度可以增加。

另外，电渗析模块可被修改以便具有容纳在单一模块中的通过电场的多个通道。根据一种或多种实施方式，在相同的ED模块中，速度可通过减少ED模块中每通道小室对的数目而增加。一个模块中的多个通道可被称为多倍通路模块(folded path module)。作为非限制性实例，对于在单一电渗析模块中的五个通道的多倍通路模块，每个通道中的小室对的数目可被修改为对于第一通道包括182个小室对，对于第二通道包括164个小室对、对于第三通道包括148个小室对、对于第四通道包括130个小室对和对于第五且最后的通道包括120个小室对。通过改变速度，离子交换膜旁边的边界层可被改变，导致较低的浓差极化影响，这还减小了模块的电阻。实施方式不限于级的数目、级内的通道的数目、每级中小室对的数目或电渗析或电去离子模块的流动通路的长度。

根据一种或多种实施方式，速度可随浓差极化或通道的减少而增加。ED操作中的浓差极化和极限电流密度通常受稀释隔室的溶液浓度、电流密度和速度支配。为了防止用于海水的ED操作中的极限电流，稀释隔室的速度可在根据一种或多种实施方式的脱盐工艺的后面几级中增加。避免在极限电流密度下脱盐可导致较低的模块电阻(即，较低的能量消耗量)、较低的结垢的风险(即，减少的OH离子的生成)，以及改进的电流效率(即，减小的模块电阻和减小的电短路或漏电的风险)。

根据一种或多种实施方式，包括电渗析模块和电去离子模块的电脱盐系统的功率消耗量和浓差极化可通过将不同的电压施加到多级系统的每个级来减小。来自第一级的水可被转移到第二级且然后被转移到第三级及其以后。更高的电压和/或更大的电流密度可用于其中待脱盐的水中的离子含量较大且然后随着水变得更加纯净而降低的级中，使得后面的几级具有较低的电流密度。在一个非限制性实例中，被供给有海水的第一级上的电流密度可以是约23.1A/m²，第二级可以是约17.8A/m²且第三级可以是约5.5A/m²。在一些实施方式中，每个电渗析级的入口和出口电导率可利用电导传感器来测量。然后，选定电压可被施加以便浓差极化不会发生。在另一种实施方式中，如图1中所示的比例-积分-微分(PID)控制可被用于控制多级电渗析/电去离子脱盐工艺中的每级的操作。PID控制器可利用反馈，比如，来自每级的入口和出口电导率，并且计算来自级的期望的输出的设置点的与实际读数相比的误差。图2图示了根据一种或多种实施方式的PID控制器。表1显示了控制模拟的非限制性实例。

表1：

根据一种或多种实施方式，PID控制器可调节所施加的电压以使设置点和来自每级的实际输出电导率之间的误差降到最低。流速也可被调节。PID控制可补偿入口电导率的变化，这帮助使浓差极化减到最小。在一些实施方式中，PID控制可设置有对于比例、积分和微分函数的增益参数连同对于每级的电导率设置点，比如，对于1级25mS/cm。在操作过程中，海水可被供应到第一级并且PID控制器可调节第一级所施加的电压以便获得靠近设置点的出口电导率。这可使每级中的效率最大化，这可帮助使脱盐工艺的整体功率消耗量降到最低，同时减小浓差极化。在另外的实施方式中，pH传感器可被用在电去离子模块或电渗析模块的入口和出口的稀释和/或浓缩流上，以检测由于由浓差极化所导致的水分解或水离解而产生的pH移位。所施加的电压或流速可被调节以控制pH且因此使浓差极化减到最小。PID控制器可被用于控制pH。这可帮助使效率最大化并且使电脱盐系统的功率消耗量降到最低。

在另一种实施方式中，每级的水回收率可被调节以影响功率消耗量。跨过离子交换膜的盐浓度可产生Donnan电压。这种电压(也被称为热力学电压)可被看作将离子从稀释隔室用电力驱动到浓缩隔室所需的最小电压。能斯特方程可被用于计算Donnan电压。

根据一种或多种实施方式，变化的水回收率可被应用于不同的ED级。在脱盐工艺过程中，后面的脱盐级可以以较低的水回收率操作以使稀释流和浓缩流之间的浓度差或Donnan电势降到最低。较高的回收率可放宽Donnan电势差距。相反地，早期的脱盐级可以以较高的水回收率操作，因为浓度差不是那么高。

ED的回收率可被描述为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{Q_{\mathrm{prac}}^p}{Q_{\mathrm{prac}}^f}$

在此，Δ是回收率，

是产物的实际流速，并且

是稀释流和浓缩流的实际总流速。当忽略由于稀释流和浓缩流之间的渗透和电渗透而导致的水迁移时，回收率可被计算为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{Q^{\mathrm{dilute}}}{Q^{\mathrm{dilute}}+Q^{\mathrm{concen}}}$

在此，Q^dilute和Q^concen分别是稀释进料和浓缩进料的流速。

在常规的ED中，恒定的回收率被应用于整个脱盐工艺的所有级。在该操作的后面的级，浓缩流变得更加浓缩并且稀释流变得更加稀释。因此，在两个流之间产生高浓度梯度，也就是说，存在高Donnan电势。Donnan电势可被简单地计算为：

在此，C^concen和C^dilute分别是浓缩流和稀释流的浓度。高Donnan电势意味着，更多的电能不得不被施加到ED系统以克服高浓度梯度。

通常，来自第一级的稀释水可被引导到第二级的稀释隔室且然后被引导到第三级及其以后。如果浓缩水也从一个级转移到另一个级，则稀释隔室和浓缩隔室之间的浓度差可增加，这导致对将离子从稀释隔室移动到浓缩隔室所需的电压量增加。为了抵消这种影响，新鲜的海水可被引入到第二级或后续的级的浓缩隔室中。

在具有多个级的电脱盐系统中，电渗析模块通常朝向海水入口使用，并且在水被部分净化之后电去离子模块后续被用于工艺中。当水的电导率低时，电去离子模块中容纳的离子交换树脂帮助降低所施加的电压。如果电去离子模块被用于海水上，稀释隔室中的离子交换树脂的影响是小的。相反地，如果电渗析模块中的水过于纯净，则将导致促成过量的功率消耗量的高电阻。

根据一种或多种实施方式，电渗析和电去离子的使用之间的转换点可以在战略上确定和实施。根据一种或多种实施方式，在脱盐工艺中ED和CEDI之间的最佳转换点可主要取决于电压降。促成ED/CEDI小室中的电压降的因素包括小室的电导率和小室的厚度。CEDI向小室中添加导电介质以增加整体小室电导率。然而，对使容纳导电介质的小室的厚度减到最小存在限制。在这种情况下，从ED到CEDI的最佳转换点很大程度上取决于两个小室的厚度。对于两个给定的厚度(其中ED小室通常比CEDI小室薄)，最佳转换点将在溶液的电导率充分降低使得ED小室变得比较厚的CEDI小室更不导电时产生。在一些非限制性实施方式中，转换点可以在约2000mg/L至约5000mg/L的范围内。在一些实施方式中，转换点可以在约2500mg/L和3500mg/L的范围内。在还其它实施方式中，转换点可以在约2500mg/L和3000mg/L的范围内。在一些特定的非限制性实施方式中，转换点可以是约2800ppm。

根据电渗析模块或电去离子模块的一种或多种实施方式，许多小室对以包括阳极和阴极的一套电极为边界。阴极材料可包括316L不锈钢、Hastelloy C或其它抗腐蚀的材料。阳极材料可包括涂覆有贵金属诸如铂、或稀土氧化物诸如氧化铱或氧化钌或其组合的碱金属诸如钛。液体可被用于冲洗电极隔室以便除去产生的气体和化学物质。在一些实施方式中，在电极隔室中使用以使电压降降到最低的液体可被改变以降低功率消耗量。降低电极隔室中的电压降的一种方法是使用具有极高电导率的液体。许多浓缩的盐溶液可被使用，诸如氯化钠或硫酸钠。这种液体可包括比如浓缩的海水。在其它实施方式中，强酸和强碱可被用于冲洗电极隔室。在一些实施方式中，如果阴极隔室用pH在0.5至2之间的盐酸溶液冲洗，则与使用其它液体相比，电压降可被降到最低。在至少一些实施方式中，阳极隔室可用浓缩的海水或氢氧化钠或盐酸来冲洗。

在脱盐过程中稀释流和浓缩流之间的浓度差(Donnan电势)增加，并且克服浓度差所需要的能量也因此增加。根据一种或多种实施方式，对浓缩流的多重倾倒策略可减少用于克服Donnan电势的能量。

根据一种或多种实施方式，电极溶液可以改变。电极隔室中的电压损失可取决于所使用的电解质的类型。理想的电解质应该具有低的电压损失并且使结垢的风险降到最低。

关于阴极隔室，羟离子在还原过程期间产生。结垢是阴极电解质的选择中的一个问题。盐酸是阴极电解质的优选的选择，因为它具有低的电压损失并且它使结垢风险降到最低。在一些实施方式中，低的阴极电解质pH可经供给与排放模式来实现，在所述供给与排放模式中阴极电解质流以再循环回路被连接到酸供给罐。酸罐被控制例如在pH3。盐酸可被按剂量加入到酸罐中以维持pH水平。不时地将酸罐排干以防止硬性离子饱和。在其它实施方式中，低的阴极电解质pH可通过利用未经处理的海水作为阴极电解质进料溶液将盐酸直接注入到阴极电解质流中而实现。阴极电解质流的pH可被维持在例如pH3。这种模式可允许在没有体积大的酸供给罐的情况下操作。

H₂O+e→1/2H₂+OH^-

关于阳极隔室，质子离子在氧化过程期间产生。氢氧化钠或盐酸作为阳极电解质可导致最低的电压损失。然而，为了成本和安全的原因，未经处理的海水可被用于阳极隔室中。模块排放流(浓缩流)也可在没有任何操作问题的情况下使用。这将导致预处理的未经处理的海水的较小的节约。

Cl^--e→1/2Cl₂

根据一种或多种实施方式，ED级-1产物水可被用作阴极电解质和阳极电解质。因为大部分硬度将在ED脱盐工艺过程的早期被除去，所以来自级-1的产物水将含有低的硬度。这种流可以首先被引导到阳极隔室，所述阳极隔室将产生酸性阳极出口。随后，阳极的产物可被引导到阴极隔室。HCl酸可被注入以维持阴极流的pH在小于3的水平。这可降低阴极隔室的酸消耗量。图12显示了钠、钙和镁的剩余比率作为电导率的函数的实例。

在其它实施方式中，电化学去离子设备可包括电容去离子设备。这种设备使用并行定位的多个电极。例如，约1.2的电压可被施加到电极，而水在电极之间通过。离子材料被吸引到电极表面，产生具有降低的离子含量的流出物。当电极孔或表面被离子饱和时，电极的极性被逆转并且水转变为排干。这是与连续工艺相反的批量类型的工艺。电容去离子设备可以与其它类型的电化学去离子设备联合或者单独用于电脱盐系统中。

根据一种或多种实施方式，预处理、就地消毒和/或就地清洁(CIP)可在脱盐工艺中实施。在一些实施方式中，次氯酸钠可被用作消毒剂。可能的给料点是在ED供给罐。在一些非限制性实施方式中，预计的接触时间可以是在供给到ED模块之前大于10秒。罐的残余氯可以例如被设置在0.5ppm，ORP读数在650mV以上。

在一些实施方式中，当未经处理的海水、ED级-1产物或ED浓缩物被用作电极流时，阳极反应可产生氯气。阳极流出口(具有氯气)可被引导到作为消毒剂的源的供给罐。分析物的战略使用可完全地或部分地消除对次氯酸钠的需求。

根据一种或多种实施方式，可以实施CIP以控制细菌污染。在一个程序中，次氯酸钠和盐酸可被添加到未经处理的海水中。可制备具有20ppm的残留游离氯的清洁溶液。清洁溶液的pH水平可通过添加盐酸而被维持在约6。这可防止清洁溶液在添加次氯酸钠之后变成碱性的。碱性的清洁溶液将导致较低的氯消毒效力和金属沉淀。清洁溶液可以在约20分钟的持续时间内以约2cm/s的速度再循环。然后ED设备可在ED设备恢复运行之前用海水冲洗约10分钟。

根据一种或多种实施方式，可以实施CIP以控制硬度标度。在一个示例性程序中，盐酸可被添加到未经处理的海水中。清洁溶液可通过添加盐酸至约2的pH设置点来制备。当需要维持pH水平时酸可被注入。清洁溶液可以在约20分钟的持续时间内以约2cm/s的速度再循环。然后ED设备可在ED设备恢复运行之前用海水冲洗直到出口pH水平大于约6。

根据一种或多种非限制性实施方式，总的处理工艺可包括圆盘过滤机处理，然后超滤，然后电化学脱盐，然后后处理操作。

净化水可作为饮用水送去供使用或存储。饮用水可被保存或被进一步消毒，如果期望的话，并且可以在包括农业和工业的多种应用中发现用途，诸如用于半导体制造。由电化学设备产生的排放流或浓缩流可被收集并排出为废物，通过系统回收，或被供给到下游单元操作以便进一步处理。产物流可在下游使用、上游使用或处置之前被进一步加工。例如，产物酸流或产物碱流的pH水平可被调节。在一些实施方式中，可能期望的是部分地或完全地混合一种或多种产物流。一个或多个额外的单元操作可以流体连接于电化学单元的下游。例如，一个或多个单元操作可被配置为诸如在将目标产物流递送到使用点之前接纳并加工目标产物流。还可存在抛光单元诸如涉及化学或生物处理的那些，以在使用或排出之前处理设备的产物流或流出物流。

根据一种或多种实施方式，可定位一个或多个传感器以检测通常与设备相关联的任何流、部件或子系统的一种或多种特征、条件、性能或状态。在一些非限制性实施方式中，传感器中的一个或多个可被配置为检测进入或离开设备的流中的目标物质的浓度。在一种实施方式中，可定位一个或多个传感器以检测在设备的一个或多个隔室的入口和/或出口处的浓度。在另一个非限制性实施方式中，可定位一个或多个传感器以检测在设备的一个或多个隔室的入口和/或出口处的pH水平。在还其它实施方式中，压力传感器可以与设备的一个或多个隔室相关联。在仍其它实施方式中，可以应用用于检测TDS的传感器。

在一些实施方式中，设备和方法涉及控制器，该控制器用于调节或调整设备或系统部件(诸如但不限于致动阀和泵)的至少一个操作参数，以及通过用电力驱动的分离设备来调节电流或被施加的电场的性能或特征。控制器可以与至少一个传感器电连通，所述至少一个传感器被配置为检测系统的至少一个操作参数。控制器通常可被配置为产生控制信号以响应于由传感器产生的信号而调节一个或多个操作参数。例如，控制器可被配置为接收设备的或来自设备的任何流、部件或子系统的条件、性能或状态的表示。控制器通常包括这样的算法，所述算法帮助至少一个输出信号的产生，所述至少一个输出信号通常是基于表示中的任一个和目标值或期望值诸如设置点中的一个或多个。根据本发明的一个或多个特定的方面，控制器可被配置为接收来自设备的任何流的测量性能中的任一个的表示，并且对处理系统部件中的任一个(包括设备)产生控制信号、驱动信号或输出信号，以减小测量性能与目标值的任何偏差。

根据一种或多种实施方式，控制器可被配置为逆转施加通过设备的电流的极性。控制器可以与一个或多个传感器连通，所述一个或多个传感器被配置为提供测量信号，所述测量信号是与设备相关联的流(例如，离开设备的隔室的产物流)中的目标物质的浓度的表示。在一些实施方式中，电导率水平、压力或浓度测量值可通过传感器检测并且被传送至控制器。控制器可被配置为响应于所接收的高于或超过预定水平的测量值而产生控制信号。控制信号可逆转施加通过设备的电流的极性以便使其中的隔室中的膜或介质再生。在一些实施方式中，控制信号可至少部分地基于测量信号而被发送到与设备相关联的电源供应。

在其它配置中，控制器可以是提供或改变处理系统的至少一个部件的一个或多个操作条件的开环控制。例如，控制器通常可根据预定义的方案周期性地产生输出信号或驱动信号，所述预定义的方案逆转所施加的电场的极性，以及优选地逆转从一个预定布置到第二预定布置的通过设备的流的流动通路。

在系统和方法中可应用的一个或多个传感器可提供进入设备、来自设备或在设备中的流的性能或特征的表示，或施加通过设备的电流的性能或特征的表示。例如，一个或多个传感器可被配置为测量和提供工艺条件(诸如离开隔室中的任一个的任一流的pH)的表示，例如，测量信号。一个或多个传感器还可提供进入设备、来自设备或在设备中的流中的任一个的测量电导率值或电阻率值。在特别有利的配置中，至少一个传感器可被用于通过直接测量或通过代理(proxy)来提供来自设备或来自隔室中的任一个的产物流中的至少一种目标物质的浓度的表示。浓度的测量可受到例如技术的影响，其中样品是被分批地、周期性地取回和分析，或者通过一个或多个测流被半连续地分析。

在电化学设备中处理供水之前，可利用多种预处理程序。例如，预处理技术可被用于可能含有固体或其它材料的供水，所述固体或其它材料可诸如通过结垢或污染而干扰或降低任何级或设备的效率。可提供任选的初始处理以除去高分子量的悬浮固体、胶体物质和/或溶质的至少一部分。预处理工艺可在EDI设备的上游进行并且可包括例如微粒过滤、砂滤、碳滤、超滤、纳滤、微滤诸如错流微滤、其组合及其它涉及减少微粒的分离方法。对供水的pH和/或碱度的调节还可通过例如添加酸、碱或缓冲液或通过充气来进行。电化学分离可在任何预处理操作之后以提供具有期望的最终纯度的水。

电化学设备可以以获得期望的产物和/或实现期望的处理的任何合适的方式操作。例如，各种实施方式可以连续地、或者基本上连续地或者不断地、间歇地、周期性地或者甚至根据需要来操作。多通道系统也可被使用，其中进料通常通过设备两次或更多次，或者可以通过任选的第二设备。电分离设备可以可操作地与一个或多个其它单元、组件和/或部件相关联。辅助部件和/或子系统可包括管、泵、罐、传感器、控制系统，以及电源供应和协助地允许系统操作的分布子系统。

应理解，系统、技术和方法可以与多种系统(其中一种或多种液体的加工可能是期望的)联合使用。因此，在不偏离本发明的范围的情况下，电分离设备可由本领域普通技术人员根据特定工艺的需要进行修改。

从以下非限制性实施例将会更完全地理解这些和其它实施方式的功能和优势。实施例事实上旨在是说明性的并且不被认为是限制本文所讨论的实施方式的范围。

预示的实施例

海水具有约35,000mg/l的总溶解固体(TDS)浓度或约46mS/cm的电导率。如果第一级的设置点是25mS/cm并且水回收率是约50％，(通过方程计算；％回收=(稀释流量/稀释流量+浓缩流量)×100)来自第一级的浓缩物的电导率将是约67mS/cm。如果来自第一级的稀释和浓缩的水被用于分别供给第二级的稀释流和浓缩流，则Donnan电压将是约25.31mV/小室对。然而，如果新鲜的海水被用于供给第二级的浓缩流，则Donnan电压将是约15.66mV/小室对，减少40％。这仅仅是改变被用于供给浓缩流的水的回收率和电导率可以如何影响电脱盐工艺的总功率消耗量的一个实例。将海水供给到后续级的浓缩流的许多不同的组合可被用于获得稀释流和浓缩流之间的最低可能的Donnan电压。协流和对流配置和组合也是可能的。

实施例1

进行实验以关于功率消耗量对盐除去来确定转换点应该在电渗析和电去离子的使用之间的什么地方。转换点被确定为在2600mg/l至约5000mg/l之间，其中优选的转换点在3000mg/l至3500mg/l的范围内。通过在工艺流程(process train)中使用电去离子模块，当水被净化至这一范围时，工艺的功率消耗量被降到最低。

实施例2

包括三级电渗析和一级电去离子的四级电脱盐系统对天然海水进行测试。预处理由砂滤或介质过滤、氯化和筒深度过滤组成。电脱盐系统的工艺图显示于图5中。以串流形式提供ED稀释并且以并流形式提供ED浓缩。级1-3各自包括ED模块。级4包括三个平行EDI模块。新鲜海水被用作用于每级的浓缩的浓缩进料。PID控制被用于通过传感稀释流的入口和出口电导率独立地控制每个模块的电压和电流。被用于前两级的电渗析模块利用三通道多倍通路配置。第三电渗析级使用五通道多倍配置。电去离子模块使用二通道多倍通路配置。入口电导率平均约46mS/cm。出口电导率是约1mS/cm或约500mg/l的TDS。如图6A所示，系统以1.8kwh/m3的平均功率消耗量操作1600小时，该图6A图示了作为时间的函数的功率消耗量。功率消耗量反映了脱盐功率、泵功率、电极损失和其它低效率的总和。电导率数据显示于图6B中。平均海水电导率是约32,000ppm TDS并且平均产物水电导率是约500ppm TDS。模块电阻数据显示于图6C中。由于产物水质量和电流设置点的变化，电阻通常是波动稳定的。由于稀释隔室中的树脂，CEDI电阻可能是较低的。流速数据显示于图6D中。系统流速被允许波动，因此保持压力降恒定。总的系统压力降是约1.5巴。总的回收率是约30％。与其它脱盐技术相比，电脱盐工艺在功率消耗量方面的性能被实质上改进。

实施例3

实验室实验表明，根据一种或多种实施方式，利用可变的水回收率，约5％的能量节省是可能的。

在脱盐工艺的初始阶段期间应用高回收率并且在后面的级中应用低回收率。目标是维持浓缩隔室和稀释隔室之间的流浓度的最低的可能的比率。这有益于降低由Donnan效应引起的能量损耗。

如实验室实验数据所显示的，一种方法是在整个21级中在每第四级时倾倒浓缩流。另一种方法是在第6级、第11级、第15级、第18级、第20级倾倒浓缩流。对于这两种操作，总的水回收率是相同的。根据实验，第二种方法有利于保持流之间的适度的浓缩梯度(与第一种方法中的11.4相比，比率是8.2)。这种可变的回收率操作可在脱盐工艺中节省约5％的能量。图3图示了具有可变回收率的ED/CEDI的转换点以及能量消耗量对ED产物中的ppm TDS的数据。图4图示了使用新鲜海水的可变回收率以及每小室对电压降对产物TDS的数据。

实施例4

利用速度分布以海水说明了ED配置。图7图示了旧的和新的配置。在新的配置中，增加的速度被应用于级2中。表3表明了在重新配置后ED级1和级2的速度分布。

表3：

图8图示了在增加级2中的速度之后的工艺效率的改进。图9图示了在增加级2中的速度之后级2模块的电阻的减小。图10图示了在增加级2中的速度之后的总功率消耗量的减少。

实施例5

说明了浓缩流的多重倾倒。在脱盐ED模块中，对于每个模块，浓缩流由两次倾倒组成，两者均平行于新鲜海水的入口。

使用以下假设，计算具有不同的浓缩流倾倒的脱盐能量消耗量，如表4所示：(1)在25℃下使35000ppm NaCl脱盐，得到500ppm，(2)膜区域电阻2.8ohm-cm2，和电流密度35A/m2，(3)α参数(反映由屏占据的隔室体积)0.45，和β参数(反映由屏占据的膜表面积)0.70，(4)渗透性4.5ml/(m2.hr.bar)，和电渗透性3.7摩尔-水每法拉第，(5)水回收率40％，(6)忽略电流效率损失，(7)忽略电极电压。

表4：

倾倒次数	能量
			(kWh/m3)
1	2.2621
		2	1.8332
4	1.6865
		10	1.6203

图11图示了ED模块中的隔离物配置和多重浓缩倾倒/通道的方法。

实施例6

进行实验以确定对于给定隔离物厚度的转换点。厚度被选择为匹配在示例的脱盐装置中使用的可能的厚度。实验由利用ED模块和CEDI模块使NaCl溶液和合成海水溶液脱盐组成。电压降数据在每次运行过程中被采集并且被绘图用于比较。图13和图14展示了结果。图13显示了对于NaCl脱盐的ED对EDI。图14显示了对于合成海水脱盐的ED对CEDI。对于NaCl溶液，这些厚度的最佳转换点被显示为约2800ppm TDS。对于合成海水溶液，这些厚度的最佳转换点被显示为约3000ppm。

使该转换点经受不同厚度和溶液电导率的变化。例如，当用0.38mm厚度的较薄的ED隔离物测试时，最佳转换点移动到约2600ppm并且这种趋势将可能随着ED和CEDI之间的厚度差距减小而继续。并且，根据给定溶液的离子组成，对于给定的TDS来说，电导率可能是不同的。例如，对于给定的TDS来说，海水比NaCl溶液的导电性小。这可以解释实验中的转换点的差异。

实施例7

如图15中示意性显示的四级系统以指示的速度操作。每个模块包含2880个小室对。以2.0kWh/m³实现40％回收率。证明减小的流速产生较大的能量效率。

虽然本公开内容的示例性实施方式已被公开，但是可在其中做出许多改良、添加和删除而不偏离本公开内容及其等效物的精神和范围，如以下权利要求所阐明的。

本领域的技术人员将容易理解的是，本文所描述的各种参数和配置旨在是示例性的，并且实际参数和配置将取决于使用本公开内容的电净化装置和方法的特定的应用。仅仅使用常规实验，本领域的技术人员将认识到或者能够确定本文所描述的特定实施方式的许多等同实施方式。例如，本领域技术人员可认识到，根据本公开内容的装置及其部件还可包括系统的网络或可以是水净化或处理系统的部件。因此，应理解，前述实施方式仅通过实施例的方式表示，并且在所附权利要求及其等效物的范围内，所公开的电净化装置和方法可以与具体描述不同地进行实践。本装置和方法涉及本文所描述的每个单独的特征或方法。另外，两个或更多个这样的特征、装置或方法的任何组合(如果这样的特征、装置或方法不是相互不一致的)被包括在本公开内容的范围内。

例如，壳体可以具有任何合适的几何结构，使得一个或多个膜小室堆或模块化单元可被固定在之内。例如，壳体可以是圆柱形的、多边形的、正方形的或矩形的。关于膜小室堆和模块化单元，任何合适的几何结构是可接受的，只要小室堆或模块化单元可被固定到壳体。例如，膜或隔离物的形状可以是矩形的。在某些实施方式中，壳体可以是不需要的。膜和隔离物的几何结构可以具有任何合适的几何结构，使得膜和隔离物可被固定在小室堆内。在某些实施方式中，壳体、小室堆、膜和隔离物中的任一个的几何结构可被选择为适应电净化装置的操作参数。例如，隔离物可以是不对称的以适应稀释流和浓缩流之间的流速差异。

而且，应理解，各种改变、改良和改进将容易被本领域技术人员想到。这样的改变、改良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。例如，现有设施可被改良以利用或结合本公开内容的任何一个或多个方面。因此，在一些情况下，装置和方法可涉及连接或配置现有设施以包括电净化装置。因此，前述描述和附图仅是作为实施例。而且，附图中的描绘没有将本公开内容限制为特定示出的表示。

如本文所用的，术语“多个”是指两个或更多个项目或部件。无论在撰写的说明书或权利要求书中，术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“带有(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”及类似术语是开放式术语，即，表示“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意味着包括其后所列的项目及其等效物，以及额外的项目。关于权利要求书，仅仅过渡短语“由...组成”和“主要由...组成”分别是封闭式或半封闭式过渡短语。在权利要求书中使用序数术语诸如“第一”、“第二”、“第三”及类似物来修饰权利要求要素不单独意味着任何优先、居先，或者一个权利要求要素的顺序超越执行方法行为的另一个顺序或临时顺序，而是仅仅被用作标签以区分具有某些名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但是使用序数术语)以区分权利要求要素。

Claims (20)

1.一种脱盐系统，包括：

电渗析(ED)设备；

电去离子(EDI)设备，其流体连接于所述ED设备的下游；以及

控制器，其被配置为关于功率消耗量和盐除去来确定所述ED设备和所述EDI设备之间的最佳转换点，并且还被配置为当所述ED设备的产物流达到所述最佳转换点时使所述EDI设备联机。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述最佳转换点是基于电压降。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述最佳转换点是基于小室厚度。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述最佳转换点是基于电导率。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述最佳转换点在约2500ppm和约3000ppm之间。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述最佳转换点是约2800ppm。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器还被配置为调节所述ED设备和所述EDI设备中的至少一个中的电解质的pH水平。

8.如权利要求1所述的系统，还包括流体连接于所述ED设备的上游的预处理单元。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器还被配置为对所述ED设备和所述EDI设备中的至少一个进行就地消毒或就地清洁操作。

10.一种提供饮用水的方法，包括：

将海水进料流流体连接到电净化系统的入口，所述系统包括至少第一级和在所述第一级的下游的第二级；

以第一速率从所述第一级回收水；

以小于所述第一速率的第二速率从所述第二级回收水；以及

将所述电净化系统的出口流体连接到供使用的饮用点。

11.如权利要求10所述的方法，还包括维持所述第一级和所述第二级中的每一个中的浓缩隔室和稀释隔室之间的目标浓度梯度。

12.如权利要求11所述的方法，还包括进行与所述电净化系统的至少一级相关的浓缩流的多重倾倒。

13.如权利要求10所述的方法，还包括调节所述电净化系统中的电解质的pH水平。

14.如权利要求10所述的方法，还包括对所述电净化系统进行就地消毒或就地清洁操作。

15.如权利要求10所述的方法，其中所述电净化系统包括电容去离子设备。

16.一种提供饮用水的方法，包括：

将海水进料流流体连接到电净化系统的入口，所述系统包括至少第一电渗析(ED)级和在所述第一ED级的下游的第二ED级；

通过使工艺流以相对于所述第一ED级增加的速度通过所述第二ED级中的稀释隔室来防止浓差极化；以及

将饮用水递送到在所述电净化系统的下游的供使用的点。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述第一ED级包括至少第一通道和第二通道，且其中所述第一通道具有与所述第二通道不同数目的小室对。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述第二ED级包括至少一个阻塞隔离物。

19.一种脱盐系统，包括：

电净化系统，其包括至少第一电渗析(ED)级和流体连接于所述第一ED级的下游的第二ED级；

至少一个电导传感器，其与所述电净化系统相关联；以及

控制器，其被配置为基于来自所述电导传感器的输入对所述第一ED级施加第一电压并且对所述第二ED级施加低于所述第一电压的第二电压以防止浓差极化。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述控制器还被配置为调节被施加到所述第一ED级的所述电压以在所述第一ED级的出口处达到目标电导率。

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