CN104291416A - 低能耗海水淡化系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种低能耗水处理系统和方法，尤其是低能耗海水淡化系统和方法。该系统具有至少一个能产生部分处理过的水和盐水副产物的电渗析装置、软化器、和至少一个电去离子装置。软化器可将所述部分处理过的水软化以降低所述电去离子装置中的结垢可能性和能耗，所述电去离子装置产生具有目标性能的水。所述电去离子装置使用的至少一部分能量可由引入到其室中的所述盐水和海水流之间的浓度差产生。所述盐水流还可用于再生所述软化器。

Description

低能耗海水淡化系统和方法
本申请是申请号为200880117037.5，申请日为2008年9月22日，发明名称为“低能耗海水淡化系统和方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及海水淡化系统和方法，特别是涉及包括分级电渗析装置和具有浓差电势半电池对的电去离子装置的低能耗海水淡化系统和方法。
背景技术
海水淡化多数采用热力工艺如蒸汽压缩蒸馏、多级闪蒸等。大多数热力工厂位于有充裕电力可用于海水淡化的地方。电渗析一般用于微咸水的脱盐或淡化。目前反渗透淡化系统由于与热系统相比具有更低的能量需求以及更低的投资和操作维修费用而广受关注。能量回收装置在反渗透系统中的应用进一步降低了能耗。不过，反渗透技术一般需要至少约2.5kWh/m3。由于淡化所需的相转变，热力工艺在功耗方面仍将继续很高。如果有废热可利用，则可以采用诸如膜蒸馏之类的能量需求低至1.5kWh/m3的工艺。
发明内容
目前在低功耗条件下工作的电渗析装置和电渗析装置电势产生半电池对的使用提供了与传统的基于反渗透的海水淡化系统相比具有相对更低能量需求的淡化系统。
本发明的一或多个方面涉及电去离子装置，其包括流体连接到其中含有溶解固体的水源的第一淡化室，其中所述淡化室至少部分由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定；流体连接在具有第一溶解固体浓度的第一水性液体源下游、并通过所述阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通的第一浓缩室；和流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水性液体源下游、并通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩室离子连通的第二淡化室，其中所述第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。
本发明的一或多个方面涉及用于处理其中含有溶解离子物质的水的装置。在某些实施方案中，所述装置可以包括流体连接到所述水源、并至少部分由第一阴离子选择性膜和第一阳离子选择性膜限定的第一淡化室；流体连接在具有第一溶解固体浓度的第一水溶液源的第一浓缩室，其中所述第一浓缩室一般通过所述第一阴离子选择性膜和所述第一阳离子选择性膜之一与第一淡化室离子连通；和流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水溶液源的第二淡化室，其中所述第二淡化室一般通过第二阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜之一与第一浓缩室离子连通，且其中所述第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。
本发明的一或多个方面涉及海水淡化系统。所述淡化系统可以包括至少一个包含至少一个第一淡化室和至少一个第一浓缩室的第一电渗析装置，其中所述第一淡化室具有与海水源流体连接的第一淡化室入口和第一淡化室出口，所述第一浓缩室具有第一浓缩室入口和第一浓缩室出口；至少一个包含至少一个第二淡化室和至少一个第二浓缩室的第二电渗析装置，其中所述第二淡化室具有与海水源流体连接的第二淡化室入口和第二淡化室出口，所述第二浓缩室具有与海水源流体连接的第二浓缩室入口和盐水出口；至少一个离子交换单元，所述离子交换单元具有与第一淡化室出口和第二淡化室出口中的至少一个流体连接的离子交换器入口和离子交换器出口；和至少一个电去离子装置，所述电去离子装置具有与离子交换器出口流体连接、并至少部分由第一阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定的第一淡化室，与海水源流体连接、并通过所述第一阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通的第一浓缩室，和流体连接在盐水出口下游、并通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩室离子连通的第二淡化室。
本发明的一或多个方面涉及淡化系统，其包括至少部分含有海水或者是海水的水源；用于选择性降低第一海水流中的单选择性物质的浓度以产生第一淡化流的装置；用于提高第二海水流中的溶解固体浓度以产生盐水流的装置；用于将至少一部分二价物质置换成第一淡化流中的一价物质的装置，其中所述置换装置一般具有第二淡化流出口；和电化学分离装置。所述电化学分离装置一般具有与第二淡化流出口流体连接的淡化室，和用于提供与所述淡化室离子连通的浓差电势的装置。
本发明的一或多个其它方面涉及电去离子装置，其包括流体连接到其中含有溶解固体的水源的淡化室和与所述淡化室离子连通的浓度半电池对，其中所述淡化室至少部分由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定。所述浓度半电池对一般包括与具有第一溶解固体浓度的第一水性液体源流体连接、并通过所述阳离子选择性膜和所述第一阴离子选择性膜之一与所述淡化室离子连通的第一半电池室，和流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水性液体源下游并通过第二阴离子选择性膜与所述第一半电池室离子连通的第二半电池室，其中所述第二溶解固体浓度大于所述第一溶解固体浓度。
本发明的一或多个更进一步的方面涉及海水淡化的方法，包括在第一淡化级降低海水中的一价物质的浓度以产生部分淡化的水；由海水产生盐水溶液，其中所述盐水溶液的总溶解固体浓度一般为海水中的总溶解固体浓度的至少两倍；将部分淡化水引入电驱动分离装置的淡化室；和在电驱动分离装置的浓差电池对中产生浓差电势，同时促进至少一部分溶解物质从淡化室中的部分淡化的水向浓差电池对的室内迁移。
附图说明
附图不是按比例绘制的。在附图中，不同图中的各个相同或近似相同的元件用相同数字表示。为清楚起见，可能没有在每个附图中都标明所有元件。在附图中：
图1是根据本发明一或多个实施方案的系统的示意流程图；
图2是根据本发明一或多个进一步的实施方案的系统的示意流程图；
图3是根据本发明一或多个实施方案的海水淡化系统的示意流程图；
图4是可用于根据本发明一或多个方面的一或多个系统中的电去离子装置的一部分的示意图；
图5是根据本发明一或多个方面的电去离子装置的一部分的示意图；
图6A和6B根据本发明一或多个方面的无电极连续去离子装置的一部分的示意图；
图7是根据本发明一或多个方面的预计能量需求图；
图8是根据本发明一或多个方面的唐南(Donnan)增强的电去离子（EDI)模块的示意图；
图9A和9B根据本发明一或多个方面的系统的示意图；
图10A和10B是可根据本发明的一或多个方面使用的电渗析列(train)的示意图；
图11A和11B是根据本发明的一或多个方面使用具有标准离子选择性膜(图11A)和单选择性膜(图11B)的电渗析装置处理人造海水("NaCl溶液")和海水时能量需求随目标产物总溶解固体浓度的变化图；和
图12A和12B是根据本发明的一或多个方面使用单选择性膜处理海水过程中阳离子(图12A)和阴离子(图12B)级分相对于电渗析阶段的变化图。
具体实施方式
本发明涉及一种处理系统，其在某些方面、实施方案或配置(configuration)中可以为水处理系统。本发明的某些特别有利的方面可涉及包括海水处理或淡化的海水处理系统或淡化系统和方法。本发明的系统和方法可有利地通过利用浓度差产生电势来提供净化水或促成有利于待处理水中的一或多种可迁移溶解固体迁移的条件。本发明的其它方面可涉及由海水或微咸水提供饮用水的系统和方法。
本发明的一或多个方面可以提供符合或超过世界卫生组织指标的饮用水，其可以以低于1.5kWh/m3所产生的水的总能耗由典型的海水原料产生。本发明的其它方面可涉及电渗析和连续电去离子组合系统和装置，以及利用浓度差来促进离子分离的新型连续电去离子构造。
本发明的某些实施方案可涉及利用电渗析(ED)装置将海水淡化至约3500-约5500ppm范围内的总溶解固体(TDS)浓度或盐浓度，继之以离子交换(IX)软化,和通过新型的连续电去离子(CEDI)装置最后淡化至小于约1000ppm盐含量的TDS水平的多步方法。
本发明的系统和方法可涉及现有技术与新技术的独特组合，其中通过有利地利用不同部件和单元操作之间的协同作用使其每个部件都用于降低、乃至最小化总能耗，该协同作用克服了现有ED和CEDI装置的各自限制。例如，由于当产物TDS水平降低到低于5500ppm时ED装置的能量效率通常会下降，一般是因为浓差极化和水分解现象,所以可以作为替代使用CEDI装置来对含有如此低TDS水平(低于5500ppm)的水以相对更高的效率进一步淡化，这是因为后一装置使用了离子交换树脂。为解决结垢问题，使用软化器除去或降低非一价的结垢物质的浓度。一价选择性膜在例如第二并联的电渗析列中的使用，可被用于产生用于软化阶段的再生流，其通常具有高浓度的一价物质，从而至少减少乃至消除对外部盐流存储的任何需要。其它优点包括提高的水回收率。
本发明的某些其它方面涉及可在充分低的电流密度下工作从而使浓差极化和水分解受到限制(这降低了能量需求)的ED和CEDI装置。
海水淡化系统例如可以包括优选地降低溶解物质如一或多种溶解固体的浓度的第一级处理。下面将针对海水对本发明的某些具体方面加以说明。不过，本发明并不仅限于海水处理或淡化，其一或多个原则可被用于处理具有待从中除去的目标物质的液体。
本发明的一或多个方面涉及电去离子装置，其包括流体连接到其中含有溶解固体的水源的第一淡化室，所述淡化室至少部分由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定；流体连接在具有第一溶解固体浓度的第一水性液体源下游、并通过所述阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通的第一浓缩室；和流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水性液体源下游、并通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩室离子连通的第二浓缩室，其中所述第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。
在本发明的某些实施方案中，所述第一水性液体为海水，通常具有小于约4wt%、一般为约3.3wt%-3.7wt%的第一溶解固体浓度，在某些情形下，所述第二水性液体为具有至少约10wt%的第二溶解固体浓度的盐水。在一或多个其它具体实施方案中，第一淡化室流体连接到溶解固体浓度小于约2500ppm的水源，或者第二溶解固体浓度与第一溶解固体浓度之比为至少约3。
本发明的一或多个方面可涉及用于处理其中含有溶解的离子物质的水的装置。在某些实施方案中，所述装置可以包括流体连接到所述水源、并至少部分由第一阴离子选择性膜和第一阳离子选择性膜限定的第一淡化室；流体连接在具有第一溶解固体浓度的第一水溶液源的第一浓缩室，所述第一浓缩室通过所述第一阴离子选择性膜和所述第一阳离子选择性膜之一与第一淡化室离子连通；和流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水溶液源的第二淡化室，其中所述第二淡化室一般通过第二阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜之一与第一浓缩室离子连通，且其中所述第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。
在本发明的某些实施方案中，所述装置可以进一步包括与具有第三溶解固体浓度的第三水溶液源和第一水溶液源至少之一流体连接的第二浓缩室，其中所述第二浓缩室通过第二阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜之一与第二淡化室离子连通，且其中所述第三溶解固体浓度小于第二溶解固体浓度。第二浓缩室可以，但非必须，通过第一阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通。在根据本发明某些方面的进一步配置中，所述装置包括一或多个例如离子连通第一淡化室与第二浓缩室的盐桥。在本发明的其它进一步的实施方案中，所述装置可以进一步包括与第二水溶液源和具有第四溶解固体浓度的第四水溶液源至少之一流体连接的第三淡化室，其中所述第三淡化室一般通过第三阳离子选择性膜与第二浓缩室离子连通，且其中所述第四溶解固体浓度大于第三溶解固体浓度。所述装置可以进一步包括与第一水溶液源、第三水溶液源和具有第五溶解固体浓度的第五水溶液源至少之一流体连接的第三浓缩室，其中所述第三浓缩室通过第三阴离子选择性膜与第三淡化室离子连通，且其中所述第五溶解固体浓度小于第二溶解固体浓度和第四溶解固体浓度中的任何一个。第三浓缩室可以通过第一阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通，在某些情形下，第三浓缩室通过盐桥与第一淡化室离子连通。由此，在某些配置中，所述装置没有电极或提供穿过其各个室的外部电动势的结构。
在所述装置的其它配置中，第一淡化室和第一浓缩室流体连接到同一源的下游。
本发明的一或多个方面可涉及海水淡化系统。所述淡化系统可以包括至少一个包含至少一个第一淡化室和至少一个第一浓缩室的第一电渗析装置，其中所述第一淡化室具有与海水源流体连接的第一淡化室入口和第一淡化室出口，所述第一浓缩室具有第一浓缩室入口和第一浓缩室出口；至少一个包含至少一个第二淡化室和至少一个第二浓缩室的第二电渗析装置，其中所述第二淡化室具有与海水源流体连接的第二淡化室入口和第二淡化室出口，所述第二浓缩室具有与海水源流体连接的第二浓缩室入口和盐水出口；至少一个离子交换单元，所述离子交换单元具有与第一淡化室出口和第二淡化室出口中的至少一个流体连接的离子交换器入口和离子交换器出口；和至少一个电去离子装置，所述电去离子装置具有与离子交换器出口流体连接、并可至少部分由第一阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定的第一淡化室，与海水源流体连接、并通过所述第一阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通的第一浓缩室，和流体连接在盐水出口下游、并通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩室离子连通的第二淡化室。
在所述淡化系统的一或多个实施方案中，第一浓缩室和第二淡化室中的至少一个不包含离子交换树脂。
在所述淡化系统的其它配置中，所述至少一个电去离子装置进一步包括至少部分由第一阴离子选择性膜限定并具有与海水源流体连接的入口的第二浓缩室，和通过第二阳离子选择性膜与第二浓缩室离子连通并具有与盐水出口、第一浓缩室出口和第二淡化室出口中的至少一个流体连接的入口的第三淡化室。在某些情形下，第一浓缩室、第二淡化室、第二浓缩室和第三淡化室中的至少一个不包含离子交换树脂。
在某些有利配置中，所述海水淡化系统可以进一步包括一或多个盐水贮罐，它们中的一或多个可以与第一浓缩室出口和第二淡化室出口中的至少一个流体连接。盐水贮罐中的一或多个可以分别包括出口，其中的任意一个或多个可以只与至少一个离子交换单元流体连接或能够与之流体连接，也可以连接到淡化系统的其它单元操作。
在其它配置中，所述海水淡化系统可以进一步包括具有流体连接在第一淡化室下游和离子交换单元上游的第三淡化室的第三电渗析装置。其它配置可以涉及包括具有流体连接在第二淡化室下游和离子交换单元上游的第四淡化室的第四电渗析装置的系统。
在所述系统的某些有利配置中，所述至少一个第一电渗析装置包括位于所述至少一个第一淡化室和所述至少一个第一淡化室之间的一价选择性膜。此外，所述电去离子装置的第一淡化室可以包含离子交换介质，如离子交换树脂，的混合床。
本发明的某些其它方面可涉及预处理水，优选地海水或微咸水。在本发明的一或多种配置中，所述淡化系统可以进一步包括至少一个预处理单元操作，其可以流体连接在待处理水源下游，并优选地流体连接到或能流体连接到所述至少一个第一电渗析装置、所述至少一个第二电渗析装置和所述至少一个电去离子装置中的至少一个的上游，其中所述待处理水可以为海水或微咸水。所述至少一个预处理单元操作可以包括选自过滤系统、氯化系统和脱氯系统的至少一个子系统。在所述系统的某些配置中，所述预处理单元操作可以包括微过滤器、砂滤器和微粒过滤器中的至少一个。
在某些情形下，所述预处理系统还可以包括能选择性去除二价物质如硫酸盐的压力驱动系统。例如，可使用采用来自Dow ChemicalCompany,Midland,Michigan的FILMTECTM膜的纳滤系统来降低至少硫酸盐物质的浓度，其将进一步降低一或多个下游单元操作如任一电渗析装置和电去离子装置的功耗。
在本发明的一或多个系统的其它配置中，所述至少一个电去离子装置中的至少一个包括阴离子物质收集器、阳离子物质收集器以及与所述阴和阳收集器离子连通的盐桥。所述离子物质收集器可以是至少部分由离子选择性介质限定的室。优选地，所述至少一个电去离子装置、至少一个第一电渗析装置和至少一个第二电渗析装置中的至少一个包括流体连接在包含溶解氯化物物质的水溶液源下游的阳极室，所述电极室包括氯气出口和次氯酸盐出口中的一个。进一步的配置可涉及所述至少一个电去离子装置、至少一个第一电渗析装置和至少一个第二电渗析装置中的至少一个，所述第二电渗析装置包括含有碱流(caustic stream)出口的第二电极室。
本发明的一或多个方面可涉及淡化系统，其包括至少部分含有海水或者是海水的水源；用于选择性降低第一海水流中的单选择性物质的浓度以产生第一淡化流的装置；用于提高第二海水流中的溶解固体浓度以产生盐水流的装置；用于将至少一部分二价物质置换成第一淡化流中的一价物质的装置，其中所述置换装置可以具有第二淡化流出口；和电化学分离装置。所述电化学分离装置一般具有与第二淡化流出口流体连接的淡化室，和用于提供与所述淡化室离子连通的浓差电势的装置。
在所述淡化系统的某些配置中，所述用于提高第一海水流中的溶解固体浓度的装置包括具有与海水源流体连接的淡化室和通过一价选择性膜与所述淡化室隔开的浓缩室的电渗析装置。所述用于提高第二海水流中的溶解固体浓度的装置可以包括具有与海水源流体连接的浓缩室和用于提供盐水流的盐水出口的电渗析装置。所述用于提供浓差电势的装置可以包括与具有第一总溶解固体浓度的第一半电池进料流源流体连接的第一半电池室，和与具有第二总溶解固体浓度的第二半电池进料流源流体连接的第二半电池室，其中所述第二总溶解固体浓度大于所述第一总溶解固体浓度。所述第一半电池室一般流体连接到海水源，而所述第二半电池室流体连接到盐水源。
本发明的一或多个其它方面可涉及电去离子装置，其包括流体连接到其中含有溶解固体的水源的淡化室，该淡化室至少部分由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定；和至少一个与所述淡化室离子连通的浓差半电池对。所述浓差半电池对一般包括与具有第一溶解固体浓度的第一水性液体源流体连接、并通过所述阳离子选择性膜和所述第一阴离子选择性膜之一与所述淡化室离子连通的第一半电池室，和流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水性液体源下游并通过第二阴离子选择性膜与所述第一半电池室离子连通的第二半电池室，其中所述第二溶解固体浓度大于所述第一溶解固体浓度。
在所述电去离子装置的某些配置中，所述第一水性液体为海水。所述第二水性液体可以为具有至少约10wt%的第二溶解固体浓度的盐水流。由此，在本发明的某些实施方案中，第二溶解固体浓度与第一溶解固体浓度之比为至少约3。
本发明的一或多个更进一步的方面可涉及海水淡化的方法，包括在第一淡化级降低海水中的一价物质的浓度以产生部分淡化的水；由海水产生盐水溶液，其中所述盐水溶液的总溶解固体浓度为海水中的总溶解固体浓度的至少两倍；将部分淡化的水引入电驱动分离装置的淡化室；和在电驱动分离装置的浓差电池对中产生浓差电势，同时促进至少一部分溶解物质从淡化室中的部分淡化的水向浓差电池对的室内迁移。所述方法可以进一步包括在第一淡化级中降低海水的一价物质浓度之前使至少一部分海水穿过纳滤系统。
在某些方案中，所述方法还可包括用溶解的一价物质置换所述部分淡化的水中的至少一部分溶解的非一价物质。降低海水的一价物质浓度可以包括在电渗析装置中选择性降低溶解的一价物质浓度。产生盐水溶液可以包括促进至少一部分溶解物质从海水向在电渗析装置的浓缩室中流动的第二海水流中的迁移。所述水淡化的方法可以进一步包括在电解装置、电渗析装置和所述电驱动分离装置中的至少一个的电极室、通常为阳极室中电解产生氯气和次氯酸盐物质之一，以及在所述电解装置、电渗析装置和电驱动分离装置中的至少一个的一或多个室中电解产生碱流。此外，所述淡化方法还可以包括用产生的氯气、产生的次氯酸盐物质或两者共用对至少一部分海水至少部分杀菌。
本发明的系统和方法的某些具体方面、实施方案和配置可涉及在如图1所例示的系统100中处理水。
处理系统100流体连接到或可流体连接到待处理液体源110。通常，待处理液体具有活动离子物质。例如，待处理液体可以为或包括其中具有作为溶解固体的盐的水。在本发明的具体应用中，待处理液体可以为海水、包括海水、或主要由海水构成。在其它情形下，待处理液体可以为微咸水、包括微咸水、或主要由微咸水构成。
处理系统100可以包括流体连接到待处理液体源110的第一处理级120。处理系统100可以进一步包括第二级130和在有利的情况下包括第三处理级140以向应用点190产生处理产物。
第一处理级改变待处理液体的至少一个性能或特性。优选地，第一处理级120将待处理液体中的一或多种目标物质减少至少一部分，以提供至少部分处理过的液体。例如，第一处理级120可以利用从来自源110的海水中除去至少一部分溶解物质的一或多个单元操作来产生含盐量小于海水的至少部分处理过的水或水流121。优选的配置可以提供比来自源110的海水含盐量少至少5%的至少部分处理过的水流121。其它优选的配置可以提供比海水含盐量少至少10%的至少部分处理过的水流。第一处理级120可以利用或可设计成提供待处理液体(例如海水)与至少部分处理过的液流(例如至少部分处理过的水)之间的相对浓度或含盐量的目标变化或差异。第一处理级120提供的浓度的目标差异可至少部分取决于包括但不限于以下任一因素或条件：一或多个下游单元操作的容量中的任意一个或多个、一或多个下游单元操作的一或多个要求，和在某些情形下处理系统100的总体需水量。例如，第一处理级120提供的浓度变化，例如含盐量变化，可能取决于海水淡化以提供至少部分处理过的水，其有助于通过电去离子装置、纳滤装置或两者进行的处理。可能影响第一处理级120的设计途径的其它因素可由或至少部分由经济或操作方面需要考虑的事项决定。例如，第一处理级120可设计成利用可由现有设备获得的电能提供至少部分处理过的水。
第一处理级120的进一步的配置或备选方案可以涉及从待处理液体中选择性去除一或多种目标或预定物质的一或多个单元操作。例如，第一处理级120可以包括或利用至少部分地选择性去除待处理液体中的溶解一价物质或降低其浓度的一或多个单元操作。在其它情形下，第一处理级120可以包括或利用能提供产物流的一或多单元操作，其中所述产物流中的一或多种溶解物质的浓度大于待处理流体中的所述溶解物质的浓度。在另一些情形下，第一处理级可以提供其中的溶解固体浓度大于辅助液流的第二产物流123，其中所述辅助液流可以是来自与处理系统100的单元操作无关的单元操作的流。例如，辅助流可以是一或多个源(未显示)的下游副产物。在其它情形下，第一处理级120提供的在至少部分处理过的流102中的浓度或含盐量变化可以取决于提供将可用于处理系统100的一或多个下游单元操作的第二产物流123。在另一些情形下，第一处理级120可以提供含盐量大于海水含盐量(其一般含盐量为约3.5%)的第二产物流123。优选地，第二产物流123的含盐量为至少约5%，但本发明的某些具体实施方案可能涉及含盐量为至少约9%的产物流123。例如，第二产物流123可以是溶解固体浓度为至少约10%、或至少约99000ppm的盐水流。在其它示例性实施方案中，第二产物流123中的溶解固体浓度与处理系统100的一或多个其它工艺流之比可为至少约3、优选地至少约5，在某些有利情形下，其例如可能要求至少约10的浓度差或梯度。
第二级130可以具有进一步处理所述至少部分处理过的产物流121的至少一个单元操作。在本发明的某些实施方案中，第二级130可以包括调节来自第一级120的所述至少部分处理过的流121的一或多个特性以提供第二至少部分处理过的产物流或改良(modified)液体131的一或多个单元操作。优选地，第二级130改变流121的至少两个特征以产生流131。
第三处理级140可以改变进入其中的一或多个进入流的性能或特性。在根据本发明一或多个方面的特别有利的配置中，第三处理级140可以包括利用来自至少一个上游单元操作的至少一个流来改变来自一或多个上游单元操作的另一个流的一或多个单元操作，以向应用点190提供具有至少一个期望性能或特性的产物流。第三处理级140的进一步的具体配置可以涉及产生电势差的一或多个单元操作，其中所述势差能促进所述至少部分处理过的流131的处理以产生产物流141。在更进一步优选的配置中，第三处理级可以产生能被用于处理系统100的一或多个上游单元操作的另一产物流142。例如，所述另一产物流142可以是能被第二级130的一或多个单元操作例如在其一个步骤或操作中作为进入流利用的副产物或第二产物流，其中所述进入流至少部分有利于所述至少部分处理过的流121的转化以提供具有至少一个期望的性能或特性的产物流131。第三处理级140的进一步优选实施方案或配置可以涉及依赖待处理液体的性能或特性相对于所述来自不相关单元操作或处理系统100的上游阶段或单元操作的产物流的性能或特性的差异，以至少部分促进处理从而提供产物流141的单元操作。例如，第三处理级140可以利用来自源110的海水（作为流111）的含盐量相对于流122的含盐量的差异来至少部分促进降低流131中的一或多个目标物质的浓度，以产生具有至少一个期望特性（例如纯度）的产物水141。
图2显示了根据本发明的一或多个方面的示例性水处理系统200。处理系统200可以包括含第一单元操作220和第二单元操作222的第一处理级，其中所述第一单元操作220和第二单元操作222各自优选但非必须地通过其各自的入口流体连接至待处理水源110。处理系统200进一步包括流体连接以通常在其入口处接收通常来自第一单元操作220和第二单元操作222的各自出口的一个或每个产物流的第二级230。处理系统200可以进一步包括第三处理级240，其具有与第二级230的出口、第一处理级的一或多个单元操作的出口、待处理水源和不相关的单元操作中的至少一个流体连接的入口，以例如向应用点或储罐190提供产物水。
如图2的示例性实施方案中所示，第一单元操作220可以提供第一部分处理过的水流并与另一来自单元操作222的至少部分处理过的水流结合以产生至少部分处理过的产物流221。来自单元220出口的第一水流可以具有与来自单元222的第二水流不同的一或多个特性。第一和第二单元操作优选地设计成能提供具有至少一个目标性能的至少部分处理过的水流221以用于在第二级230作进一步改变或处理。第二单元操作222可以提供第二产物流223，其优选地具有一或多个具体的或目标特性。由此，本发明的某些配置预期有能一起提供具有一或多个具体特性的至少部分处理过的水流221，并同时进一步提供具有一或多个通常不同于流221的特性的第二产物水流223的单元操作220和222。第一处理级可以利用例如但不限于电渗析装置和电去离子装置的水处理单元操作、装置或系统。
本发明进一步的具体实施方案可以涉及工作时相对于第二单元操作具有更低能耗的第一单元操作。可以进行第一单元操作220以由海水产生总溶解固体为约2500ppm的至少部分处理过的水产物或流，水回收率为约30%。可以进行第二单元操作222以由海水产生溶解固体浓度大于约99000ppm的约10%的盐水溶液。
在另一实施方案(未显示)中，第二级130可以包括两个或两个以上分别从第一和第二单元操作220和222接收流的单元操作。第二级230的一或多个优选配置可以涉及能改变来自第一处理级的至少一个单元操作的进入流221的至少一项性能的一或多个单元操作。由此，第二级可以提供具有一或多个目标特性的第三产物流231，其可在第三处理级240中被进一步处理。
本发明的其它实施方案可以涉及包括氯化物形式的阴离子交换树脂的离子交换单元，其用氯化物物质交换至少一部分硫酸盐物质以进一步降低一或多个下游单元操作的能量需求，和在某些情形下进一步降低在所述下游单元操作中结垢的可能性。由此，所述交换单元可以涉及能用一价阳离子物质如Na+至少部分降低非一价阳离子物质如Ca2+和Mg2+的浓度的阳离子交换树脂，并优选地还包括能用一价阴离子物质如Cl-至少部分降低非一价阴离子物质如SO4 2-的浓度的阴离子交换树脂，这可以降低一或多个下游单元操作的处理功率需求。任何离子交换树脂类型的再生都可以用例如具有溶解Na+和Cl-的废盐水流进行。
第三处理级240可以包括利用第二产物水或水流223和另一个流，比如来自源110的水流111，来促进第三水产物流231的处理并向应用点或储罐190提供处理过的产物水的一或多个单元操作。第三处理级240进一步优选的配置可以涉及产生副产物水或水流241，其可被用于处理系统200的一或多个上游或下游阶段。例如，所述副产物水流可在第二级230的一或多个单元操作的进行期间作为进料或反应物用于其中。第三处理级可以利用例如但不限于电渗析和电去离子装置的一或多个单元操作、装置或系统。
图3显示了根据本发明的一或多个方面的海水淡化系统300。淡化系统300一般包括具有至少一个第一电渗析装置321A和优选地至少一个第二电渗析装置322B的第一列。淡化系统300可以进一步包括具有至少一个第三电渗析装置323A和优选地第二电渗析装置324B的第二列。淡化系统300还可以包括至少一个离子交换子系统330，其具有至少一个与上游电渗析装置321A、322B、323A和324B中至少一个的出口流体连通的离子交换器入口。淡化系统300还可以包括能进一步处理来自离子交换子系统330的至少一个离子交换器出口的至少部分处理过的水331的第三处理级340。
第一电渗析装置321A具有至少一个具有与海水源310流体连接的入口的淡化室321D1。第一电渗析装置321A还包括至少一个优选地与海水源310流体连接的浓缩室321C1。第一列中的第二电渗析装置322B通常包括至少一个淡化室322D2和至少一个浓缩室322C2。第一淡化室321D1的出口流体连接到第二电渗析装置322B的所述至少一个淡化室322D2的入口和所述至少一个浓缩室322C2的入口中的至少一个。在某些具体实施方案中，第二电渗析装置322B的所述至少一个浓缩室322C2的入口流体连接到海水源310。根据本发明某些方面的优选实施方案涉及能至少部分处理海水以产生具有至少一个目标特性的至少部分处理过的水321的第一装置列。例如，能将水部分淡化，优选地，从海水中选择性去除溶解固体物质以产生至少部分处理过的产物水流321的第一电渗析装置列，其中所述至少部分处理过的产物水流321具有小于海水的溶解固体浓度、比海水的相应比值相对更高的溶解非一价溶解固体物质对溶解一价物质之比、和更低的溶解一价物质浓度中的任意一个或多个。在试图选择性去除溶解一价物质的实施方案中，可以使用一或多个一价选择性膜来至少部分限定淡化室和优选地至少部分限定浓缩室。例如，电渗析装置321A可以具有至少部分由一价阴离子选择性膜381和一价阳离子选择性膜(未显示)限定的第一淡化室321D1，和通过所述一价阴离子选择性膜381与所述第一淡化室离子连通以及任选地通过所述一价阳离子选择性膜与第二浓缩室(未显示)离子连通的第一浓缩室321C1。第二电渗析装置322B还可以任选地设计成具有能促进从引入到其淡化室和聚集到其浓缩室内的水流中去除或减少一或多种一价物质的一或多个一价选择性膜。
在第一和第二电渗析装置的工作过程中，可使用海水作为浓缩流输入浓缩室321C1和322C2中，所述浓缩室收集从引入淡化室的流中除去的一或多种物质。离开室321C1和322C2的包含从淡化室中去除的物质的浓缩流可作为废物或废弃流排放或用于其它不相关的工艺R。
所述至少一个第三电渗析装置323A可设计成能提供可用于淡化系统300的下游单元操作的产物流。根据某具体的实施方案，第三电渗析装置323A可以具有至少一个淡化室323D1和通过离子选择性膜382与所述淡化室323D1中的至少一个离子连通的至少一个浓缩室323C1。优选地，施加的穿过第三电渗析装置323A的电流能提供足够的电势以从浓缩室323C1提供具有一或多个预定或目标特性的产物水流。例如，电渗析装置323A还可以构造成具有能分隔淡化室323D1和浓缩室323C1但又在其之间提供离子连通的一价选择性膜。所述至少一个第四电渗析装置324B可以包括至少部分由阴离子和阳离子选择性膜限定的至少一个淡化室324D2和通常与淡化室324D2中的至少一个离子连通的至少一个浓缩室324C2。在系统300工作期间，可将来自淡化室323D1的产物水输入淡化室324B，以进一步处理来自源310的海水和促进产生至少部分处理过的水221。如上面所例示的，可将来自淡化室324D2的产物水与来自淡化室322D2的产物水321合并来产生至少部分处理过的水221，以供进一步的处理。
运行包括第一和第二电渗析装置321A和322B的第一列可以产生具有目标总溶解固体浓度（如约2500ppm）的水，总水回收率为约30%。第一和第二电渗析装置321A和322B可以使用一价阴离子选择性膜和阳离子选择性膜中的至少一个，优选地至少第一电渗析装置321A使用一价阴离子选择性膜和一价选择性阳离子选择性膜，这将至少降低其内的任何结垢可能性。
包括第三和第四电渗析装置323A和324A的第二列工作时可以产生在来自其一或多个浓缩室的浓缩流中具有至少约10%(NaCl)的目标含盐量的盐水流。优选地，第三电渗析装置在以约70%的水回收率工作时产生足够量的目标含盐量水平的盐水。第四电渗析装置324B工作时可以产生具有约2500ppm的目标溶解固体含量的至少部分处理过的水，优选地以约48%的回收率。在本发明的某些具体配置中，第二列的总回收率为约40%。
离子交换子系统330可以设计成能接收至少一部分所述至少部分处理过的水221并转换或改变其至少一个特性。本发明一或多个方面的某些实施方案涉及选择性降低待处理水的目标溶解物质的浓度，并同时至少部分保留或抑制至少一部分非目标或其它溶解类型物质的迁移，然后用目标溶解物质替代至少一部分保留的溶解物质。例如，水221可以具有比海水高的非一价溶解物质如钙和镁的浓度，并可被处理以将至少一部分所述非一价物质置换为一价物质如钠。交换子系统330的某些配置可以包括至少两个交换列(未显示)的软化器或离子交换介质床。第一离子交换列可以包括前导离子交换床，继之以滞后离子交换床，其可以优选地用一价溶解物质如Na+取代水中的至少一部分非一价溶解物质如Ca2+和Mg2+。第二离子交换列可以同样包括串联的前导和滞后离子交换床。在工作期间，第一和第二离子交换列之一可以具有流体连接以接收至少一部分至少部分处理过的水221的入口，并产生具有较小非一价溶解物质浓度的交换水流。一旦由于所述将非一价离子交换为一价离子的过程导致第一离子交换列中非一价物质变得饱和，就可以使用第二离子交换列。然后可以通过引入富含一价溶解物质的水流来取代至少一部分结合到离子交换床的离子交换介质上的非一价物质将第一列再生。离子交换单元可以包括离子交换树脂(如可作为AMBERLITETM和AMBERJETTM树脂从Rohm andHaas,Philadelphia,Pennsylvania商购的那些)的混合床。
离子交换介质的再生可使用来自盐水贮槽260的具有足够含盐量（如约10%）的盐水溶液261来进行。离子交换子系统330的排出流332可被作为废弃流排出。足够再生离子交换介质的含盐量可以是在超过将非一价物质结合到交换基质的热动力学阻力的水平。
第三处理级340可以包括一或多个电去离子装置。在本发明的某些实施方案中，第三处理级可以包括至少一个如图4所示的传统电去离子装置和如图5所示的改进的电去离子装置。在根据本发明的一或多个方面的进一步的配置中，第三处理级可以包括一或多个个无电极的连续去离子装置。
图4所示的电去离子装置通常包括至少一个淡化室411和与所述淡化室411中的至少一个相邻的至少一个浓缩室412。每个淡化室和浓缩室都至少部分由阴离子选择性膜AEM和阳离子选择性膜CEM中的任一种限定。相比电渗析装置，电去离子装置的室包含阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。在使用外加电流工作期间，阳离子物质如Na+通常向装置的阴极(-)迁移，而阴离子物质如Cl-通常向装置400的阳极(+)迁移。阴离子选择性膜AEM和阳离子选择性膜CEM俘获在相应的浓缩室412中作为废弃流R的所述迁移或转移的溶解物质即Na+和Cl-。一个或多个淡化室的进料通常为来自离子交换子系统330的软化水流331。淡化室的产物水可被储存起来或输送到应用点。一或多个电源(未显示)通常向促进目标溶解物质分离的电去离子装置400提供电能或电力。在某些情形下，一部分电能被用于将水离解成H+和OH-物质。可以控制所述电源以提供期望或目标电流水平、期望或目标电压或电势水平以及电流极性。
图5举例显示了可用于所述处理系统的第三处理级的改进的电去离子装置500。装置500包括至少一个第一淡化室511和至少一个第一浓缩室541，所述第一淡化室511通常至少部分由第一阳离子选择性膜521C和第一阴离子选择性膜531A限定，至少一个第一浓缩室521，所述第一浓缩室541可以至少由第二阴离子选择性膜532A限定、并通过第一阳离子选择性膜521C的至少一部分与第一淡化室511离子连通。装置500可以进一步包括第二淡化室512，其至少部分由第二阳离子选择性膜522C限定、并通过第二阴离子选择性膜532A的至少一部分与第一浓缩室541离子连通。电去离子装置500可以进一步包括至少部分由第三阳离子选择性膜523C限定的第二浓缩室542。第二浓缩室542优选地通过第一阴离子选择性膜531A至少部分与第一淡化室511离子连通。电去离子装置500可以进一步包括优选地由第三阴离子选择性膜533A限定的第三淡化室513。第三淡化室513优选地通过第三阳离子选择性膜523C至少部分与第二浓缩室542离子连通。电去离子装置500通常具有容纳着阳极的阳极室562和容纳着阴极的阴极室564。
根据本发明的其它方面，电去离子装置500包括含阳离子交换介质和阴离子交换介质如阳离子交换树脂CX和阴离子交换树脂AX、并至少部分由第一阳离子选择性膜521C和第一阴离子选择性膜限定的第一淡化室511。在某些情形下，只有第一淡化室或只有接收或流体连接在电渗析装置的淡化室和离子交换单元中的任意一个下游的室包括电活性介质如离子交换树脂，而另一室不含离子交换介质。例如，在电去离子装置500的某些配置中，所述一或多个第一淡化室中的每一个都包含511离子交换树脂混合床，且所述一或多个第一浓缩室541、一或多个第二淡化室512、一或多个第二浓缩室542和一或多个第三淡化室513中的每一个都不包含离子交换介质。
在工作中，来自电源(未显示)的能量为电场提供电能，所述电场通常跨过电去离子装置500通过阳极和阴极产生。来自例如第二级离子交换单元330的出口的待处理水通过淡化室511的入口进入淡化室511中。所述待处理水具有在电去离子装置500中的电场作用下可以迁移的溶解物质。通常，由于单元操作330中的离子交换过程，相对于溶解的非一价物质来说，水流331包含较高含量的溶解的目标一价物质Na+和Cl-。因此，由于促进一价物质迁移的能量可比促进非一价物质迁移的能量小，所以可以减少甚至消除第二级330的额外投资和操作费用。一价物质通常向相应的吸引电极迁移并进一步穿过阴离子或阳离子选择性膜进入第一浓缩室和第二浓缩室中的一个。例如，阳离子Na+物质可被吸向阴极方向并通常穿过阳离子选择性膜521C，而阴离子Cl-物质可被吸向阳极并通常穿过阴离子选择性膜531A。来自淡化室331出口的产物流通常将具有降低的目标溶解固体物质浓度。
在本发明的某些配置中，其中具有第一溶解固体浓度的流可被用作浓缩流来收集所述迁移的目标溶解固体物质。例如，具有约3.5%的含盐量的海水流111可被用作引入第一浓缩室541的浓缩流。因此，离开第一浓缩室541的流通常将富含迁移的阳离子或阴离子物质。此流可被作为废流或废弃流R排出。另外在工作过程中，通常还会向第二淡化室512和第三淡化室513中引入另一个进料流。
电去离子装置500可以进一步包括第一浓差电池对531和，任选地，第二浓差电池对532，其中每个都优选地与第一淡化室511离子连通。第一浓差电池对531可以包括与具有第一溶解固体浓度的第一水性液体流体连接、并通过第一阳离子选择性膜521C与淡化室511离子连通的第一半电池室541，和第二半电池室512。第二半电池室一般通过阴离子选择性膜532A与第一半电池室541离子连通。所述任选的第二浓差电池对532可以包括第三半电池室542和第四半电池室513。第三半电池室一般通过阴离子选择性膜531A与淡化室511离子连通。第四半电池室513一般通过阳离子选择性膜523C与第三半电池室542离子连通。
本发明的进一步有利的特征可以包括通过提供组成相似但溶解组分浓度不同的相应进料流在相邻电池之间建立浓度差。所述浓度差产生电势，例如电动势E(单位为V)，其可以至少部分通过能斯特方程量化，
E = RT ln [ ( conc 1 ) ( conc 2 ) ] nF
其中conc1为引入第二半电池512的流223中的溶解固体浓度，conc2为引入第一半电池541的流111中的溶解固体浓度，R为气体常数，8.314J/(K·mol)，T为温度，通常是298K，n为所述电池反应中传递的电子数目，对于海水和盐水来说n=1，F为法拉第常数，96498C/mol。因此，根据本发明某些方面的某些优选配置可以涉及使用溶解固体浓度大于引入第一淡化室的海水流111的溶解浓度的盐水流223。所述盐水流，通常含盐量为至少约8%、优选地至少约10%、更优选地至少约12%，或溶解固体浓度为至少约80000ppm、优选地至少约99400ppm、更优选地至少约120000ppm，可被用作引入第二半电池室512、优选地还引入第四半电池室513的进料流223，离开第二和第四半电池室512和513的每个流341都可以仍相对于海水具有高盐水含量，并可被引导储存在盐水贮罐260中。引入第一半电池室541、和任选地还引入第三半电池室542的进料流111可以为海水或含盐量为约3.5%或溶解固体浓度小于约36000ppm的水流。在上述示例条件下，每个浓差电池对可提供大约0.026伏特。由此，本发明可以有利地产生能促进海水处理或淡化的电势。下面的实施例1在浓差电池对中使用第一流和第二流时提供了基于示例条件所预期产生的电势，其中第二流的溶解固体浓度比第一流的大。
在某些情形下，第三处理级的一或多个装置包括足够数量的浓差电池对以基本上提供将产物流331淡化到期望水平所需的全部电势。在这种配置中，所述装置可以包括离子连通装置的半电池室的盐桥(未显示)，其内通常具有电解质如氯化钾或氯化钠。例如，盐桥的第一端可以离子连通第二半电池室512与淡化室511和第四半电池室513中的任意一个。
图6A和6B显示了无电极的连续去离子装置600和610，根据发明的另一些方面，其可能特征在于是唐南膜电势辅助的或唐南增强的EDI装置。装置600可以包括容纳有至少一个第一淡化室611的圆柱形壳601，其中每个第一淡化室611都具有引入其中的待处理液体331。该装置可以进一步包括至少一个第一浓缩室621和至少一个第二淡化室612，其中每个第一浓缩室621都具有引入其中的第一进料流111，每个第二淡化室612都具有引入其中的第二进料流223。装置600通常还包括至少一个第二浓缩室622，每个第二浓缩室622都具有引入其中的第三进料流112。第一淡化室611可以由阴离子选择性膜641A和阳离子选择性膜651C限定。第一浓缩室621可以由阴离子选择性膜如膜641A和第二阳离子选择性膜652C限定。如上面所举例说明的，第一淡化室通过膜641A与第一淡化室离子连通。第二淡化室612可以由阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜642A限定。优选地，第二淡化室612通过阳离子选择性膜652C与第一浓缩室621离子连通。第二淡化室622可以由阴离子选择性膜和阳离子选择性膜限定。优选地，第二浓缩室通过第二阴离子选择性膜642A与第二淡化室612离子连通。进一步优选的配置可以涉及使第二浓缩室通过盐桥和第一阳离子选择性膜651C之一与第一淡化室611离子连通。元件661可以为各个室提供离子和电绝缘以及结构支撑。
第二进料流223中的溶解固体浓度通常比第一进料流111中的大，并优选地，还比第三进料流112中的大。第一进料流和第三进料流中各自的溶解固体浓度可以等于或小于待处理液体331中的溶解固体浓度。如上所述，半电池对612与621、以及612与622之间的浓度差可以产生能促进Na+和Cl-物质从淡化室611的迁移的电势，如上所述，以产生产物流。
与无电极装置600相似，图6B中所示的装置610包括含淡化室613和浓缩室623的第二电池对，所述淡化室613和浓缩室623分别具有进料流113和114。进料流113可以为来自例如电渗析装置323A的盐水，进料流114可以为来自源310的海水。多个淡化室和浓缩室对利用海水和盐水流来有利地产生足以驱动对溶解固体浓度为例如约2500ppm的至少部分处理过的水进行处理的电势，以产生具有例如约500ppm的目标溶解固体浓度的产物水。
其它配置可以涉及进料流111和114中的任意一或多个，其至少部分包含至少部分处理过的水331，其可以提供更大的相对于盐水流223的浓度差。
进一步的显著区别包括某些穿过所述室的流的逆向流动方向。如图所示，相对于引入第一淡化室611的流的方向，或在某些情形下相对于引入第二淡化室的第三流223，第二流111可被逆向地引入第一浓缩室621。第二与第三流之间的浓度差可以产生由与溶解物质如Na+和Cl-的迁移有关的半电池反应驱动的电势。
装置600和610中的膜都可以是一价阴离子选择性的或一价阳离子选择性的。
在本发明的某些配置中，可使用电解装置(未显示)来产生包含杀菌物质如氯气、亚氯酸盐、次氯酸盐和次溴酸盐的水溶液。在其它配置中，可使用电去离子装置和任意一或多个电渗析装置中的至少一个来产生酸溶液、碱溶液和杀菌溶液中的任意一或多个。例如，可以向阳极室(+)中引入相对较纯的水流来收集或聚集H+物质以产生pH小于7的酸性排出流。可以将含氯化物的溶液在进料流中引入阴极室以促进产生杀菌物质如氯气和次氯酸盐物质。气态氢副产物可以排空或以其它方式排出。
本发明的各个子系统、阶段、列和单元操作中的任何一个都可以使用一或多个控制器来促进、监视和/或调节其操作。优选地，控制器(未显示)监视和在某些情形下控制本发明的系统的每个部件。
所述控制器可以使用一或多个计算机系统来实现。所述计算机系统可以是，例如，通用计算机，如那些基于Intel型处理器、Motorola处理器、Sun处理器、Hewlett-Packard处理器或任何其它类型处理器或其组合的通用计算机。或者，计算机系统可以包括专门编程的专用硬件，例如专用集成电路ASIC或为分析系统设计的控制器。
计算机系统可以包括一或多个通常连接到一或多个储存装置的处理器，其中所述储存装置可以包括例如磁盘驱动存储器、闪速存储装置、RAM存储装置或其它用于存储数据的装置中的任意一种或多种。存储装置一般用于在所述处理系统和/或计算机系统工作期间存储程序和数据。例如，存储装置可用于存储与一段时间内的参数有关的历史数据，以及操作数据。包括用于实施本发明的实施方案的编程代码在内的软件可以存储在计算机可读和/或可写的永久性记录介质上，然后通常被复制到存储装置中，然后其在存储装置中可被处理器执行。所述编程代码可用例如Java、VisualBasic、C、C#、C++、Fortran、Pascal、Eiffel、Basic、COBAL中的任何一种编程语言或其任意组合来编写。
计算机系统的部件可通过互连机制连接在一起,其中所述互连机制可以包括一或多个总线（例如在集成在同一装置内部的部件之间)和/或网络（例如在位于独立的分离器件上的部件之间)。所述互连机制一般使得可以在系统的部件之间交换信息，例如数据、指令。
计算机系统还可以包括一或多个输入装置，例如键盘、鼠标、轨迹球、麦克风、触摸屏、阀、示位器、流体传感器、温度传感器、电导传感器、pH传感器和组成分析仪，和一或多个输出装置，例如打印装置、显示屏或扬声器、致动器、电源和阀。此外，除了可由一或多个系统部件构成的所述网络之外或作为其替代，计算机系统可以包含一或多个可将计算机系统连接到通信网络的接口（未显示)。
根据本发明的一或多个实施方案，所述一或多个输入设备可包括用于测量处理系统的一或多个参数的传感器。或者，所述传感器、计量阀和/或泵、或所有这些部件都可连接到与计算机系统操作结合在一起的通信网络上。例如，可将传感器设为直接连接到计算机系统的输入设备，可将计量阀和/或泵设为连接到计算机系统的输出设备，且可将上述的任意一个或多个与另一个计算机系统或元件结合在一起，以通过通信网络与计算机系统通信。这样一种配置使得一个传感器可以离另一传感器很远，或使得所有传感器可以离任何子系统和/或控制器很远，但仍能在其之间提供数据。
控制器可以包括一或多个计算机存储介质如可读和/或可写的永久性记录介质，其中可以存储定义了待由一或多个处理器执行的程序的信号。所述介质可以例如为磁盘存储器或闪存。在典型操作中，所述一或多个处理器可以导致数据，如实施本发明的一或多个实施方案的代码，被从存储介质读入某一存储结构，该存储结构使得信息可以比所述介质更快地被所述一或多个处理器存取。所述存储结构通常为易失性随机存取存储器，如动态随机存取存储器DRAM或静态存储器SRAM或其它能促进进出处理器的信息传输的适合装置。
尽管举例显示的计算机系统是一类可以实施本发明不同方面的计算机系统，但应当理解，本发明并不仅限于如例子中所示以软件形式实现、或在计算机系统上实现。事实上，与其例如在通用计算机系统上实现，所述控制器或其元件或小段还可以作为专用系统或专用可编程逻辑控制器PLC或在分布式控制系统中实现。此外，还应理解，本发明的一或多个特征或方面可以以软件、硬件或固件或其任何组合的形式实现。例如，由控制器执行的算法的一或多个部分可在分离的计算机中运行，然后再通过一或多个网络通信。
实施例
由以下实施例可进一步了解本发明的这些及其它实施方案的功能和优点，这些实施例说明了本发明的一或多个系统和方法的好处和/或优点，但并未举例说明本发明的全部范围。
实施例1
在此实施例中，可以利用本发明的装置的某些配置中的浓差电池对来产生期望的电势。下表1提供了根据引入半电池室的流的浓度按照在室温下的能斯特方程计算的电势。
下表表明，进料流的浓度比优选地尽可能大，以提高产生的电势。例如，浓度比可以为至少约2、优选地至少约3、更优选地至少约5，更进一步优选地至少约10。
表1
浓度1 浓度2 E(V) E(mV)
1 1 0 0
10 1 0.059 59.1
100 1 0.118 118.2
1000 1 0.177 177.4
10000 1 0.024 236.5
2 1 0.018 18.8
3 1 0.028 28.2
4 1 0.036 35.6
5 1 0.041 41.3
6 1 0.046 46.0
7 1 0.050 50
8 1 0.053 53.4
9 1 0.056 56.4
56.8 1 0.044 44.6
2.3 1 0.021 21.4
以下列表提供了典型海水的离子浓度。海水中的主要阳离子物质为Na+、K+、Ca+2和Mg+2，主要阴离子物质为Cl-和SO4 2-。碳酸氢盐和碳酸盐物质的各自浓度将取决于水的pH。
实施例2
此实施例提供可根据本发明的某些方面使用的示例电渗析列。
图10A举例显示了可用于第一处理级的第一列220中的电渗析装置列。列220可以包括多级，每一级都工作在最佳电压和电流密度下以最小化能源消耗。如图所示，列220可以具有四级电渗析装置。
在所述第一列中，淡化室可以串联连接且淡化流也是串联的，某一级的产物充当下游淡化室的进料。新鲜海水被用作每一级中的每个相关浓缩室的进料，以使每一级中淡化和浓缩室之间的任何浓度差最小化。
每一级还可以具有一些并联工作的ED模块。
第二列222也可以包括多级具有串联连接的淡化室的电渗析装置。各自的淡化室也可以串联以将从其流出的盐水流中的累积NaCl浓度提高到约10%的盐含量。如图10B所示，第二列222可以具有四级电渗析，每一级都优选地使用一价选择性膜。
第三列(未显示)也可以包括多个电渗析级，以促进将水流中的溶解固体浓度降低到约3500-5500ppm的范围。
实施例3
此实施例描述了采用基本上如图3所示的本发明的方法和如图4所示意显示的装置的系统在用于以约8000m3/小时的速率进行海水淡化时的预期性能。
使用有限元计算用软化器和电去离子(EDI)装置模拟两列电渗析(ED)装置。在有限元模拟中使用了多个级；1-5级设计成能产生含至少10%NaCl的盐水流；最后两级设计成能通过所述软化器和电去离子装置降低产物流的溶解固体浓度。下面的表2和3A-3C列出了模拟参数和计算结果。表4汇总了所述ED/EDI系统的预计能量需求。
图7图解说明了海水淡化产生不同目标特性的产物水的预期能量需求。
进来的海水在用可商购的预处理设备以10微米的预过滤(未显示)预处理之后被认为具有约35700ppm的总溶解固体(TDS)。应当注意，广义的预处理，如通常与反渗透系统有关的预处理，对于本发明的ED/CEDI方法来说并不是必须的，因为在这些方法中并不迫使水穿过膜。
所述进料水被分到ED列1、ED列2，并将来自ED列2的浓缩流(盐水)供应给CEDI列。
ED列1经过两级，以最优化每一级的能量利用。列1以约30%的回收率产生2500ppmTDS质量的产物。在此列中期望使用标准的电渗析模块。一价选择性离子交换膜在此列的级1中的使用将能使浓缩室中的结垢可能性最小化。
ED列2的级1设计成能在浓缩流中产生10%NaCl(盐水)溶液。所述盐水将被用于再生下游的软化器和用作CEDl模块中的一个浓缩流。此电渗析级将利用一价选择性离子交换膜在浓缩室中产生10%NaCl溶液。ED列2中的级1将以约70%的回收率工作以产生所述盐水溶液。ED级2的预计回收率为48%。ED列2的总回收率为约40%。
至少部分处理过的产物水的TDS为约2500ppm，具有来自所述两个列的高钙、镁离子含量。所述至少部分处理过的水流将被软化器或离子交换单元软化，以用钠离子置换其中的钙和镁离子。从软化器向下游CEDI列的软化后的进料在淡化到目标饮用水品质过程中将不会有结垢的倾向。使用由ED列2的级1提供的10%的盐水溶液周期性再生软化器。
电去离子装置提供Na+和Cl-离子从盐水流(10%NaCl)向废弃流的迁移。反离子从淡化流向废弃流的迁移应保持电中性。由于至少一部分直流电压是通过半电池对产生的，所以穿过所述流的净热动力电压(netthermodynamicvoltage)将被降低。尽管未显示，但任何EDI废弃流都可被再循环到进入ED装置的进料中。
盐水室的排出流可被排入储罐中，以用作软化器再生剂。
一些模拟参数(TDS浓度和流量)包括(参照图2和3)：
·进水
海水进水：35700ppm
                             25277m3/小时
·第一处理级
第一ED列220，第一ED装置321A和第二ED装置322B
第二ED列222，第三ED装置323A和第四ED装置324B
·第二级
软化器330的进水：2500ppm
·第三处理级
电去离子装置340
·产物
来自室511的排水：500ppm
表2
表3A
表3B
表3C
表4
实施例4
此实施例描述了根据本发明的一或多个方面所述的唐南增强的EDI装置。图8显示了唐南增强的EDI工艺的示意图，在一个模块中具有四个被称作"重复单元"的电池(cells)。
当没有外加电场时，由于盐水与浓缩流之间的浓度差，盐水流B1中的阴离子穿过分离阴离子交换膜向右边的浓缩流ClB迁移。为保持电中性，相等数量的阳离子物质（基于电荷计），通常将穿过阳离子选择性膜CM从淡化流D1向浓缩流ClB迁移。类似地，阳离子物质通常穿过另一阳离子选择性膜CM从盐水流B1迁移到浓缩流ClA中。为保持电中性，阴离子物质通常穿过阴离子选择性膜AM从淡化流D2迁移到浓缩流ClA中。实际上，由于浓度差而导致的离子从盐水流向相邻浓缩流中的转移可被认为是促进离子物质从淡化流向浓缩流的迁移以保持电中性。淡化流由此被去离子。
如果施加了直流DC电场，则在被称作唐南增强的EDI工艺中电场导致的离子转移可被盐水与相邻浓缩流之间的浓度差导致的离子迁移现象增强，所述唐南增强的EDI基于由跨过可渗过这些离子的离子交换膜的离子的浓度差产生的唐南膜电势。
实施例5
此实施例描述了本发明的处理系统和方法的可选配置，其中使用ED装置，用软化和EDI装置来淡化微咸水和海水。
图9和9B显示了根据本发明一或多个方面的处理系统的进一步的实施方案；与图2所示的系统相比，处理系统905进一步使用了用于接收至少部分处理过的水的第三列电渗析单元ED列3，并通过在离子交换和在第三处理级(其可以为唐南增强的电去离子装置(DE-EDI))作进一步处理之前除去至少一部分目标物质而进一步处理所述水流。图9B显示了另一示例性处理系统910，其同样使用了同样用于接收至少部分处理过的水并进一步处理该水流的第三列电渗析单元ED列3，但不同的是使用传统的没有盐水流的EDI或具有极性和逆流的EDI(EDIR)，而非DE-EDI装置。
所述EDI R装置位于IX软化器下游并可以容许更高硬度的进料流，这使得可以实现更低的软化器硬度去除或在再生之前更高的硬度极限。更高的极限条件将延长IX软化器单元再生间的时间并且还可缩减软化器的尺寸以及投资和操作费用。
图9A和9B所示系统的进一步变体或改进可能涉及例如将IX软化器设置在ED列3之前。
这样一种系统可被用于淡化海水以及来自河口、河流和/或乃至地下水的微咸水。
实施例6
在此实施例中，使用具有标准的或一价的选择性膜的电渗析模块进行了淡化实验。初始进料溶液为约35000ppmNaCl溶液或具有约35000ppm总溶解固体(TDS)的人造海水。
图11A和11B显示了当产物流中的目标浓度从约35000ppm降到约500ppm时计算的每立方米ED产物的能量需求，分别使用了标准离子选择性膜(图11A)和一价选择性膜(图11A)。所用一价选择性膜为来自TokuyamaSodaCo.,Tokyo,Japan的CMS阳离子选择性膜和AMS阴离子选择性膜。图12A和12B显示了相对于使用一价选择性膜的电渗析阶段的级分阳离子物质(图12A)和阴离子物质(图12B)残余。
对于两类ED模块，都是进料为人造海水时能耗更高。海水与人造NaCl溶液的能耗之比为17%到32%(对于使用标准膜的ED模块来说)和21%(对于使用一价选择性膜的ED模块来说)。
使用一价膜的ED模块的能耗要高得多，几乎是使用标准膜的ED模块的能耗的两倍。
当目标产物TDS降低到约5000ppm以下时能耗急剧升高。
海水中除NaCl之外还包含二价离子如Ca+2、Mg+2和SO4 -2，如上面在实施例1中所列，其会影响二价离子能耗，如海水与人造NaCl溶液的比较数据所示。
由于一价选择性膜相对于二价离子更优先允许一价离子通过，所以当海水在一系列ED模块中淡化时淡化室中二价对一价离子的浓度比将升高。图12A和12B显示了在使用具有一价选择性膜的ED模块进行的试验中离子残余的级分。该数据表明，相对于一价离子来说，所述膜阻滞了二价离子的通过。阴离子膜的选择性为几乎100%，这与Tokuyama Soda的一价选择性阴离子膜的公开数据相一致。完美选择性的阴离子膜将导致没有SO4离子转移，因此SO4离子残余的量将保持在100%。人们相信SO4浓度的增大是由于电渗现象，借此水同样被迁移穿过膜。
基于图12A和12B，我们认为具有一价选择性膜的ED模块的较高能耗是由于二价对一价离子的浓度比的增大。还预期去除进料水中的二价离子尤其是SO4将降低ED和EDI模块的能耗。去除二价离子作为通过纳滤(NF)进行的ED步骤的预处理的一部分，例如，将降低ED和EDI步骤的能耗。由此与起始海水相比NF产物将主要包含更低浓度的NaCl和KCl，并将需要更少的能量来淡化到500ppm。由此，在本发明的某些配置中，NF操作作为压力驱动步骤可被用于促进回收和降低能耗，且NF废弃流中的残余将进一步降低系统能耗。原本为反渗透(RO)开发的能量回收装置被认为同样适用于NF单元操作。
或者，在ED装置之前或ED与EDI装置之间的盐再生阴离子交换步骤也将降低总能耗。
本发明的某些方面提供通过电驱动过程进行海水淡化的系统和方法。电势促进的离子转移被描述成效率较高的方法，这是因为离子运动的阻力受用于从废水/浓缩水中分离净化水的膜限制。本发明的其它特征和方面可以包括本文所述预处理操作。
上面已经记述了本发明的一些说明性实施方案，所属领域技术人员应当清楚上述内容仅仅是说明性的并不用于限制，只作为举例给出。实际上，本发明的装置、系统和方法的某些示例性配置以及所述配置中采用的具体部件也被认为是本公开的一部分。例如，每个单元操作当在本文中记述为可连接或被连接时，例如流体连接，包括提供所述连接的相应入口和出口。连接结构的非限制性例子包括管和带螺纹的或焊接的法兰，其通过螺栓和螺母固定，并通常用垫片密封。在本领域普通技术人员的能力范围之内有各种变体及其他实施方案，这些都被视为落入本发明的范围之内。特别是，尽管本文给出的许多实施例涉及方法动作或系统元件的特定组合，但应当清楚，这些动作及单元也可以以其它方式组合来实现相同的目的。
所属领域技术人员应当理解，本文所述的参数和配置是示例性的，实际的参数和/或配置将取决于采用本发明的系统和方法的具体应用。所属领域技术人员还应认识到或通过常规实验能够确定本发明的具体实施方案的等同物。因此可以理解本文所述的实施方案只作为举例给出，在附加权利要求及其等同物的范围之内；本发明也可以以具体描述的之外的方式实施。
此外，还应理解，本发明涉及本文所述的每个特征、系统、子系统或方法，和两个或两个以上本文所述特征、系统、子系统或方法的任意组合，以及两个或两个以上本文所述特征、系统、子系统和/或方法的任意组合，只要所述特征、系统、子系统和方法不相互矛盾，就被认为在权利要求概括的本发明的范围之内。另外，结合一个实施方案讨论的动作、单元和特征并不应被排斥在其它实施方案中的类似角色之外。
在本文中，术语"多个"是指两个或两个以上物项或部件。术语"包括"、"包含"、"带有"、"具有"、"含有"和"涉及"不管是在说明书中还是在权利要求书等中，都是开放式的术语，即意思是"包括但不限于"。因此，这类术语的使用表示包含后面所列项目及其等同物，以及其它附加项。对于权利要求书，只有短语"由……构成"和"基本上由……构成"才分别是封闭或半封闭式的过渡短语。序数词如"第一"、"第二"、"第三"等在权利要求书中用于限制权利要求单元时，本身并不暗示一个权利要求单元相对于另一个的任何优先、次序或顺序或执行方法动作的暂时次序，而只用于标记区别除了所用序数之外名称相同的权利要求单元。

Claims (23)

1.电去离子装置，其包括： 
流体连接到其中含有溶解固体的水源的第一淡化室，该淡化室至少部分由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定； 
流体连接在具有第一溶解固体浓度的第一水性液体源下游、并通过所述阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通的第一浓缩室；和 
流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水性液体源下游、并通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩室离子连通的第二淡化室，其中所述第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。 
2.权利要求1的电去离子装置，其中所述第一水性液体为具有小于约4wt％的第二溶解固体浓度的盐水。 
3.权利要求2的电去离子装置，其中所述第二水性液体为具有至少约10wt％的第二溶解固体浓度的盐水。 
4.权利要求3的电去离子装置，其中所述第一淡化室流体连接到溶解固体浓度小于约2500ppm的水源。 
5.权利要求1的电去离子装置，其中所述第二溶解固体浓度与所述第一溶解固体浓度之比为至少约3。 
6.用于处理其中含有溶解离子物质的水的水处理装置，包括： 
流体连接到水源、并至少部分由第一阴离子选择性膜和第一阳离子选择性膜限定的第一淡化室； 
流体连接在具有第一溶解固体浓度的第一水溶液源的第一浓缩室，该第一浓缩室通过所述第一阴离子选择性膜和所述第一阳离子选择性膜之一与第一淡化室离子连通；和 
流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水溶液源的第二淡化室，该第二淡化室通过第二阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜之一与第一浓缩室离子连通，其中所述第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。 
7.权利要求6的装置，进一步包括与具有第三溶解固体浓度的第三水溶液源和所述第一水溶液源中的至少一个流体连接的第二浓缩室，该第二浓缩室通过第二阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜之一与第二淡化室离子连通，其中所述第三溶解固体浓度小于第二溶解固体浓度 
8.权利要求7的装置，其中所述第二浓缩室通过第一阳离子选择性膜与第一淡化室离子连通。 
9.权利要求7的装置，进一步包括离子连通第一淡化室与第二浓缩室的盐桥。 
10.权利要求7的装置，进一步包括与第二水溶液源和具有第四溶解固体浓度的第四水溶液源中的至少一个流体连接的第三淡化室，该第三淡化室通过第三阳离子选择性膜与第二浓缩室离子连通，其中所述第四溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。 
11.权利要求10的装置，进一步包括与第一水溶液源、第三水溶液源和具有第五溶解固体浓度的第五水溶液源中的至少一个流体连接的第三浓缩室，该第三浓缩室通过第三阴离子选择性膜与第三淡化室离子连通，其中所述第五溶解固体浓度小于第二溶解固体浓度和第四溶解固体浓度中的任何一个。 
12.权利要求11的装置，其中第三浓缩室通过盐桥与第一淡化室离子连通。 
13.权利要求6的装置，其没有电极。 
14.权利要求6的装置，其中第一淡化室和第一浓缩室流体连接到同一源的下游。 
15.淡化系统，包括 
海水源； 
用于选择性降低第一海水流中的一价物质的浓度以产生第一淡化流的装置； 
用于提高第二海水流中的溶解固体浓度以产生第一淡化流的装置； 
用于提高第二海水流中的溶解固体浓度以产生盐水流的装置； 
用于将至少一部分二价物质置换成第一淡化流中的一价物质的装置，该置换装置具有第二淡化流出口；和 
电化学分离装置，其具有 
与第二淡化流出口流体连接的淡化室，和 
用于提供浓差电势的与所述淡化室离子连通的装置。 
16.权利要求15的淡化系统，其中所述用于提高第一海水流中的溶解固体浓度的装置包括具有与海水源流体连接的淡化室和通过一价选择性膜与所述淡化室隔开的浓缩室的电渗析装置。 
17.权利要求15的淡化系统，其中所述用于提高第二海水流中的溶解固体浓度的装置包括具有与海水源流体连接的浓缩室和用于提供盐水流的盐水出口的电渗析装置。 
18.权利要求17的淡化系统，其中所述用于提供浓差电势的装置包括 
与具有第一总溶解固体浓度的第一半电池进料流源流体连接的第一半电池室，和 
与具有第二总溶解固体浓度的第二半电池进料流源流体连接的第二半电池室，其中所述第二总溶解固体浓度大于所述第一总溶解固体浓度。 
19.权利要求18的淡化系统，其中所述第一半电池室流体连接到海水源，而所述第二半电池室流体连接到盐水源。 
20.电去离子装置，包括： 
流体连接到其中含有溶解固体的水源的淡化室，该淡化室至少部分由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定；和 
与所述淡化室离子连通的浓差电池对，该浓差电池对包括 
与具有第一溶解固体浓度的第一水性液体源流体连接、并通过所述阳离子选择性膜和所述第一阴离子选择性膜之一与所述淡化室离子连通的第一半电池室，和 
流体连接在具有第二溶解固体浓度的第二水性液体源下游并通过第二阴离子选择性膜与所述第一半电池室离子连通的第二半电池室，其中所述第二溶解固体浓度大于所述第一溶解固体浓度。 
21.权利要求20的电去离子装置，其中所述第一水性液体为海水。 
22.权利要求21的电去离子装置，其中所述第二水性液体为具有至少约10wt％的第二溶解固体浓度的盐水。 
23.权利要求21的电去离子装置，其中第二溶解固体浓度与第一溶解固体浓度之比为至少约3。 
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