CN104838043A - 电化学分离系统及方法 - Google Patents

Abstract

用于处理水的系统和方法，可以包括：第一电化学分离模块，其包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；以及第二电化学分离模块，其包括具有与所述第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜。性能特性可以涉及水损失、电阻及选择渗透性中的至少一种。分阶段的处理系统及方法可以提供改进的效率。

Description

电化学分离系统及方法

公开内容的领域

各个方面大体上涉及电化学分离，且更特别地涉及包括具有用于改进的效率的不同性能特性的膜的电化学分离系统和方法。

概述

根据一个或更多个方面，水处理系统可以包括：进料入口，其被流体地连接到待处理的水源；第一电化学分离模块，其与进料入口流体连通，第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；第二电化学分离模块，其被流体地连接到第一电化学分离模块的下游，第二电化学分离模块包括具有与第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及产物出口，其被流体地连接到第二电化学分离模块的下游。

根据一个或更多个方面，处理水的方法可以包括：将具有第一浓度的溶解固体的水引入到第一电化学分离模块的入口以形成具有第二浓度的溶解固体的工艺流，第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；将具有第二浓度的溶解固体的工艺流引入到第二电化学分离模块以形成已处理的水，第二电化学分离模块包括具有与第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及在第二电化学分离模块的出口处收集已处理的水。

根据一个或更多个方面，促进水处理的方法可以包括：提供第一电化学分离模块，所述第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；提供第二电化学分离模块，所述第二电化学分离模块包括具有与第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及提供指令以用第一电化学分离模块处理水以产生具有预定浓度的溶解固体的工艺流并且用第二电化学分离模块处理具有预定浓度的溶解固体的工艺流。

在下文中还详细讨论其他的方面、实施方案以及这些方面和实施方案的优点。本文公开的实施方案可以以与本文公开的原理中的至少一个一致的任何方式与其他实施方案组合，并且提到的“实施方案”、“某些实施方案”、“可选择的实施方案”、“多个实施方案”、“一个实施方案”或类似物不一定是互相排斥的且被意图指示：在至少一个实施方案中可以包含描述的特定的特征、结构、或特性。在本文中这样的术语的出现不一定全部指的是相同的实施方案。

附图简述

参考不被意图按比例绘制的附图，下文讨论至少一个实施方案的多个方面。附图被包括以提供对多个方面和实施方案的例证和进一步的理解，且被包括在本说明书中并且组成本说明书的一部分，但不被意图作为本发明的限制的定义。在附图、详述或任何权利要求中的技术特征后面是参考符号的情况下，参考符号被包括用于增加附图和描述的可理解性的唯一目的。在附图中，在多个附图中图示的每个相同的或几乎相同的部件由相同的数字代表。为了清楚的目的，可以不在每个图中标记每个部件。在附图中：

图1呈现根据一个或更多个实施方案的工艺流程图的示意图；且

图2呈现在根据一个或更多个实施方案的伴随的实施例中讨论的数据。

详述

根据一个或更多个实施方案，电化学分离的分阶段或模块化方法可以改进包括使海水脱盐的多种处理工艺。在至少某些实施方案中，系统的多个阶段或模块可以包括如本文讨论的具有一种或更多种不同性能特性的膜。具有特定性能特性的膜可以战略性地位于电化学分离系统内以改进总工艺效率。

用于使用电场净化流体的装置通常被用于处理含有溶解的离子物质的水和其他液体。以这种方式处理水的两种类型的装置是电去离子装置和电渗析装置。在这些装置内的是通过离子选择性膜分开的浓缩隔室和稀释隔室。电渗析装置通常包含交替的电活性的半渗透性阴离子和阳离子交换膜。介于膜之间的空间被配置成产生具有入口和出口的液体流动隔室。经由电极施加的外加电场引起具有相反电荷的溶解的离子被吸引至其相应的对电极，以迁移通过阴离子和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室中的液体耗尽离子并且浓缩隔室中的液体富集被转移的离子。

电去离子(EDI)是使用电活性介质和电位从水中除去或至少减少一种或更多种电离的或可电离的物质以影响离子传输的工艺。电活性介质通常用于交替地收集和排放离子的和/或可电离的物质，并且在某些情况下，用于促进可以连续地通过离子或电子替代机制的离子传输。EDI装置可以包括具有永久或临时的电荷的电化学活性介质，并且可以分批、间歇地、连续地、和/或甚至以反极性模式操作。可以操作EDI装置以促进被特别设计成实现或增强性能的一个或更多个电化学反应。此外，这样的电化学装置可以包括电活性膜，比如半可渗透的或选择性地可渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)装置是本领域的技术人员已知的EDI装置，CEDI装置以其中可以连续地进行水的净化同时连续地再装载离子交换材料的方式操作。CEDI技术可以包括诸如连续的去离子、填充小池电渗析(filled cell electrodialysis)、或电渗透(electrodiaresis)的工艺。在控制的电压和盐度条件下，在CEDI系统中，可以将水分子裂解以产生氢或水合氢离子或物质和氢氧化物或羟基离子或物质，这可以使装置中的离子交换介质再生并且因此促进从其中释放捕获的物质。以这种方式，可以连续地净化待处理的水流而不需要化学再装载离子交换树脂。

除了ED装置通常不含有介于膜之间的电活性介质之外，电渗析(ED)装置以类似于CEDI的原理操作。由于没有电活性介质，ED在低盐度的给水上的操作可能受阻碍(因为高的电阻)。此外，因为ED对高盐度给水的操作可以导致高的电流消耗量，迄今为止，ED设备一直被最有效地用在中间盐度的源水上。在基于ED的系统中，因为没有电活性介质，裂解水是效率低的，并且通常避免以这样的方案操作。

在CEDI和ED装置中，通常通过选择性地可渗透膜将多个相邻的小池(cell)或隔室分开，所述选择性地可渗透膜允许带正电荷的物质或带负电荷的物质通过但通常不允许两者都通过。在这样的装置中，通常用浓缩(concentrating)或浓缩(concentration)隔室隔开稀释隔室或消耗隔室。在某些实施方案中，小池对可以指的是一对相邻的浓缩隔室和稀释隔室。随着水流经消耗隔室，通常在导致离子电流通量的电场比如DC场或DC电流的影响下将离子和其他带电物质吸引到浓缩隔室内。带正电荷的物质被吸引到通常位于多个消耗隔室和浓缩隔室堆叠的一端的阴极，并且同样地，带负电荷的物质被吸引到这样的装置的通常位于隔室堆叠的相对端的阳极。通常将电极容纳在电解质隔室内，通常使所述电解质隔室与消耗隔室和/或浓缩隔室流体连通地部分地分离。在浓缩隔室内后，通过电极驱动力迁移的带电物质通常通过至少部分地界定浓缩隔室的选择性地可渗透膜的屏障被捕获。例如，通常通过阳离子选择性膜防止阴离子另外向阴极迁移，离开浓缩隔室。在被捕获在浓缩隔室内后，带电物质从耗尽的产物流中被除去或分离。

在CEDI和ED装置中，通常从被应用于电极(阳极或正极，和阴极或负极)的电压和电流的来源将DC场应用于小池。电压和电流的来源(共同地为“电源”)自身可以通过多种设备驱动，比如AC电源，或例如，来源于太阳能、风能、或波浪能的电源。在电极/液体界面处，发生电化学反应，导致分别来自在阳极和阴极表面处的物质的电子注入或给出。具有相反电荷的粒子移动以中和由于此机制在电极表面产生的电荷。可以通过容纳电极组件的专门隔室内的盐的浓度，在某种程度上控制在电极/界面处发生的特定的电化学反应。例如，向阳极电解质隔室的高氯化钠的进料将倾向于通过类似的电化学机制产生氯气和氧气，然而向阴极电解质隔室的这样的进料将倾向于产生氢气和氢氧化物离子。通常，在阳极隔室处产生的氢离子将与游离的阴离子比如从相邻的消耗隔室中迁移的氯离子缔合，以保持电荷中性并且产生盐酸溶液，并且类似地，在阴极隔室处产生的氢氧化物离子将与游离的阳离子比如钠缔合，以保持电荷中性并且产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物比如产生的氯气和氢氧化钠可以被用于如消毒目的、膜清洁和除污目的、和pH调节目的所需要的工艺。

板和框架以及螺旋卷绕的设计一直被用于多种类型的电化学去离子装置，包括但不限于电渗析(ED)装置和电去离子(EDI)装置。可商购的ED装置通常具有板和框架的设计，然而EDI装置以板和框架以及螺旋构造两者都是可用的。

一个或更多个实施方案涉及可以电力地净化可以被包含于外壳内的流体的装置、以及其制造方法和用途。待净化的液体或其他流体进入净化装置，且在电场的影响下被处理以产生离子耗尽的液体。收集来自进入的液体的物质以产生离子浓缩的液体。

根据一个或更多个实施方案，电化学分离系统或装置可以是模块化的。每个模块化单元通常可以起到总体电化学分离系统的子块的作用。模块化单元可以包括任何期望数目的小池对。在某些实施方案中，每个模块化单元的小池对的数目可以取决于分离装置中的小池对和通路的总数目。其还可以取决于当被测试交叉泄漏及其他性能标准时可以被热结合并且罐装在具有可接受的故障率的框架中的小池对的数目。数目可以基于制造工艺的统计学分析，且可以随着工艺控制改进而增加。在某些非限制性实施方案中，模块化单元可以包括约50个小池对。在被包含到较大的系统内之前，模块化单元可以被单独组装并且质量控制被测试，比如泄漏、分离性能和压力下降。在某些实施方案中，小池堆叠可以作为可以被独立地测试的模块化单元被安装在框架中。然后，可以将多个模块化单元组装到一起以在电化学分离装置中提供总的预期数目的小池对。在某些实施方案中，组装方法通常可以包括：将第一模块化单元放置于第二模块化单元上；将第三模块化单元放置于第一和第二模块化单元上；以及重复以获得多个期望数目的模块化单元。在某些实施方案中，可以将组件或单独的模块化单元插入到用于操作的压力容器中。在将阻塞性膜和/或间隔物放置在模块化单元之间或模块化单元内的情况下，多通路或多路径流动构造可以是可能的。模块化方法可以在时间和成本节约方面改进可制造性。模块性还可以通过允许诊断、分离、除去以及替换单独的模块化单元促进系统维护。单独的模块化单元可以包括歧管装置(manifolding)及流动分布系统以促进电化学分离工艺。单独的模块化单元可以彼此流体连通，并且可以与中心歧管装置及与总的电化学分离工艺相关的其他系统流体连通。

根据一个或更多个实施方案，可以改进电化学分离系统的效率。电流损失是低效率的一种潜在来源。在某些实施方案比如包括交叉流动设计的那些中，可以解决用于电流泄漏的电位。电流效率可以被定义为在将离子从稀释流移出到浓缩流中有效的应用的电流的百分比。电流低效率的多种来源可以存在于电化学分离系统中。低效率的一种潜在来源可以包括通过流经稀释的和浓缩的入口和出口歧管绕开小池对的电流。敞开的入口和出口歧管可以与流动隔室直接流体连通，并且可以减少在每个流动路径中的压力下降。从一个电极到另一个电极的电流的一部分可以通过流经敞开的区域绕开小池对的堆叠。旁路电流减少电流效率且增加能量消耗。低效率的另外的潜在来源可以包括由于离子交换膜的不完美的选择渗透性而从浓缩流进入稀释流的离子。在某些实施方案中，与将膜和筛网密封和罐装在装置内相关的技术可以促进电流泄漏的减少。

在一个或更多个实施方案中，通过堆叠的旁路路径可以被操纵以促进沿着通过小池堆叠的直接路径的电流流动，以便改进电流效率。在某些实施方案中，电化学分离装置可以被建造并且布置成使得一个或更多个旁路路径比通过小池堆叠的直接路径更迂回曲折。在至少某些实施方案中，电化学分离装置可以被建造并且布置成使得一个或更多个旁路路径呈现出比通过小池堆叠的直接路径更高的电阻。在包括模块化系统的某些实施方案中，单独的模块化单元可以被配置成促进电流效率。模块化单元可以被建造并且布置成提供将有助于电流效率的电流旁路路径。在非限制性实施方案中，模块化单元可以包括被配置成促进电流效率的歧管系统和/或流动分布系统。在至少某些实施方案中，在电化学分离模块化单元中环绕小池堆叠的框架可以被建造并且布置成提供预定的电流旁路路径。在某些实施方案中，促进在电化学分离装置内的多通道流动构造可以促进电流泄漏的减少。在至少某些非限制性实施方案中，可以将阻塞性膜或间隔物插入模块化单元之间以将稀释流和/或浓缩流引导到用于改进的电流效率的多通路流动构造中。在某些实施方案中，可以实现至少约60％的电流效率。在其他实施方案中，可以实现至少约70％的电流效率。在还其他实施方案中，可以实现至少约80％的电流效率。在至少某些实施方案中，可以实现至少约85％的电流效率。

根据一个或更多个实施方案，用于制备用于电净化设备的小池堆叠的方法可以包括形成隔室。第一隔室可以通过将离子交换膜彼此固定以提供具有被布置于离子交换膜之间的第一间隔物的第一间隔物组件来形成。例如，可以在第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜的周缘的第一部分处将第一阳离子交换膜固定到第一阴离子交换膜，以提供具有被布置于第一阳离子交换膜与第一阴离子交换膜之间的第一间隔物的第一间隔物组件。

第二隔室可以通过将离子交换膜彼此固定以提供具有被布置于离子交换膜之间的第二间隔物的第二间隔物组件来形成。例如，可以在第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜的周缘的第一部分处将第二阴离子交换膜固定到第二阳离子交换膜，以提供具有被布置于第二阴离子交换膜与第二阳离子交换膜之间的第二间隔物的第二间隔物组件。

通过将第一间隔物组件固定到第二间隔物组件且通过使间隔物位于其间，可以在第一隔室与第二隔室之间形成第三隔室。例如，可以在第一阳离子交换膜的周缘的第二部分处以及在第二阴离子交换膜的周缘的一部分处将第一间隔物组件固定到第二间隔物组件，以提供具有被布置于第一间隔物组件与第二间隔物组件之间的间隔物的堆叠组件。

第一隔室和第二隔室中的每个均可以被建造并且布置成提供与第三隔室中的流体流动方向不同的流体流动方向。例如，第三隔室中的流体流动可以在0°轴的方向上运行。第一隔室中的流体流动可以在30°下运行，且第二隔室中的流体流动可以在与第一隔室(30°)相同的角度下或在另外的角度比如120°下运行。方法还可以包括将组装的小池堆叠固定在外壳内。

根据一个或更多个实施方案，电化学分离系统可以包括交叉流动设计。交叉流动设计可以允许增加的膜利用、较低的压力下降以及外部泄漏的减少。此外，可以通过交叉流动设计减少关于操作压力的限制。在至少某些实施方案中，壳体和端帽的压力等级可以是对操作压力仅有的大体上的限制。制造工艺的自动化也可以被实现。

根据一个或更多个实施方案，通过彼此固定的离子交换膜的周缘的各部分的方式可以选择和提供第一流体流动路径和第二流体流动路径。使用第一流体流动路径作为沿着0°轴运行的方向，第二流体流动路径可以在大于零度且小于360°的任何角度的方向上运行。

在本公开内容的某些实施方案中，第二流体流动路径可以在90°角度下运行，或垂直于第一流体流动路径运行。在其他实施方案中，第二流体流动路径可以在第一流体流动路径的180°角度下运行。如果将另外的离子交换膜固定到小池堆叠以提供另外的隔室，这些另外的隔室中的流体流动路径可以与第一流体流动路径和第二流体流动路径相同或不同。在某些实施方案中，每个隔室中的流体流动路径在第一流体流动路径和第二流体流动路径之间交替。例如，第一隔室中的第一流体流动路径可以在0°方向上运行。第二隔室中的第二流体流动路径可以在90°方向上运行，且第三隔室中的第三流体流动路径可以在0°方向上运行。在某些实施例中，这可以被称为交叉流动电净化。

在其他实施方案中，每个隔室中的流体流动路径在第一流体流动路径、第二流体流动路径和第三流体流动路径之间顺序地交替。例如，第一隔室中的第一流体流动路径可以在0°方向上运行。第二隔室中的第二流体流动路径可以在30°下运行，且第三隔室中的第三流体流动路径可以在90°下运行。第四隔室中的第四流体流动路径可以在0°下运行。在其他实施方案中，第一隔室中的第一流体流动路径可以在0°方向上运行。第二隔室中的第二流体流动路径可以在60°下运行，且第三隔室中的第三流体流动路径可以在120°下运行。第四隔室中的第四流体流动路径可以在0°下运行。在某些实施方案中，一个或更多个流动路径可以是大体上非径向的。在至少某些实施方案中，一个或更多个流动路径可以促进实现在系统内的大体上均匀的液体流动速度概况。

根据一个或更多个实施方案，隔室中的流动可以被调整、再分布或重新定向以提供流体与膜表面在隔室内的较大接触。隔室可以被建造并且布置成再分布在隔室中的流体流动。隔室可以具有可以提供使流动再分布通过隔室的结构的障碍物、凸出物、突出物、法兰或挡板，这将在下文中进一步讨论。在某些实施方案中，障碍物、凸出物、突出物、法兰或挡板可以被称为流动再分布器。流动再分布器可以存在于小池堆叠的隔室中的一个或更多个中。

用于电净化设备的小池堆叠中的每个隔室可以被建造并且布置成提供用于流体接触的预定百分比的表面积或膜利用。已发现，较大的膜利用提供在电净化设备的操作中的较大效率。实现较大的膜利用的优点可以包括较低的能量消耗、较小的设备足迹、较少的通过设备的通路以及较高质量的产物水。在某些实施方案中，可以实现的膜利用大于65％。在其他实施方案中，可以实现的膜利用大于75％。在某些其他实施方案中，可以实现的膜利用可以大于85％。膜利用可以至少部分地取决于被用于将膜中的每个彼此固定的方法以及间隔物的设计。为了获得预定的膜利用，可以选择适当的固定技术和部件以便实现可靠的且安全的密封，所述密封允许最佳操作电净化设备而不遭遇设备内的泄漏。在某些实施方案中，堆叠的产生工艺可以包括使膜利用最大化同时维持可以被用于工艺中的大的膜表面积的热结合技术。

根据一个或更多个实施方案，提供包含小池堆叠的电净化设备。电净化设备可以包括包含离子交换膜的第一隔室且可以被建造并且布置成提供在离子交换膜之间的第一方向上的直接流体流动。电净化设备还可以包括包含离子交换膜的第二隔室且可以被建造并且布置成提供在第二方向上的直接流体流动。第一隔室和第二隔室中的每个均可以被建造并且布置成提供用于流体接触的预定百分比的表面积或膜利用。

电净化设备可以包括小池堆叠。电净化设备可以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，第一隔室被建造并且布置成提供在第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜之间的第一方向上的直接流体流动。设备还可以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，以提供在第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜之间的第二方向上的直接流体流动。第一隔室和第二隔室中的每个均可以被建造并且布置成提供预定的膜利用，例如，第一阳离子交换膜、第一阴离子交换膜以及第二阳离子交换膜的大于85％的表面积的流体接触。第一隔室和第二隔室中的至少一个可以包含间隔物，所述间隔物可以是阻塞性间隔物。

如上文所讨论，电化学分离系统可以包括单个小池堆叠。在其他实施方案中，其中可能存在两个或更多个小池堆叠的系统可以是模块化的或分阶段的。

根据一个或更多个实施方案，包括小池堆叠的电净化设备还可以包括封闭小池堆叠的外壳，使小池堆叠的周缘的至少一部分被固定于该外壳。框架可以位于外壳和小池堆叠之间。流动再分布器可以存在于小池堆叠的隔室中的一个或更多个中。隔室中的至少一个可以被建造并且布置成提供隔室内的流动逆转。在包括单个小池堆叠的系统中，可以存在封闭小池堆叠且被固定于外壳的单个框架。在模块化系统中，每个小池堆叠可以包括其自身的框架以提供可以进而被固定于外壳的模块化单元。因此，外壳可以包括具有任选地促进在外壳内安装的框架的单个小池堆叠或多个小池堆叠。

根据一个或更多个实施方案，外壳可以包括电极。端板可以包括电极。在某些实施方案中，单个小池堆叠可以位于电极对之间。在模块化实施方案中，各自包括小池堆叠的两个或更多个模块化单元可以位于电极对之间。

在本文讨论的某些实施方案中，在电极对之间安装的包括小池堆叠(单个或模块化)的组件可以被称为电化学处理模块。

在本公开内容的某些实施方案中，提供用于电净化设备的小池堆叠。小池堆叠可以提供多个交替的离子消耗隔室和离子浓缩隔室。每个离子消耗隔室均可以具有提供在第一方向上的稀释的流体流动的入口和出口。每个离子浓缩隔室均可以具有提供在不同于第一方向的第二方向上的浓缩的流体流动的入口和出口。间隔物可以位于小池堆叠中。间隔物可以提供界定隔室的结构，且在某些实施例中可以辅助将流体流动引导通过隔室。间隔物可以是阻塞性间隔物，所述阻塞性间隔物可以被建造并且布置成使流体流动和电流中的至少一种重新定向通过小池堆叠。如讨论的，阻塞性间隔物可以减少或防止电净化设备中的电流低效率。

电净化设备可以包括邻近在小池堆叠的第一端部处的阴离子交换膜的第一电极、以及邻近在小池堆叠的第二端部处的阴极交换膜的第二电极。设备还可以包括阻塞性间隔物，所述阻塞性间隔物位于小池堆叠中且被建造并且布置成使稀释的流体流动和浓缩的流体流动中的至少一种重新定向通过电净化设备，并且防止第一电极和第二电极之间的直接电流路径。如上文所讨论，阻塞性间隔物可以被建造并且布置成减少电净化设备中的电流低效率。

阻塞性间隔物可以位于第一模块化单元和第二模块化单元之间。流动再分布器可以存在于小池堆叠的隔室中的一个或更多个中。隔室中的至少一个可以被建造并且布置成提供隔室内的流动逆转。支架组件可以位于框架和外壳之间以提供对模块化单元的支撑并且将模块化单元固定在外壳中。

在第一方向上的流体流动可以是稀释流且在第二方向上的流体流动可以是浓缩流。在某些实施方案中，在使用极性逆转(其中外加电场被逆转从而逆转流的功能)的情况下，在第一方向上的流体流动可以被转变为浓缩流且在第二方向上的流体流动可以被转变为稀释流。通过间隔物分离的多个间隔物组件可以被固定到一起以形成小池对堆叠或膜小池堆叠。

本公开内容的电净化设备还可以包括封闭小池堆叠的外壳。小池堆叠的周缘的至少一部分可以被固定于外壳。框架或支撑结构可以位于外壳和小池堆叠之间以提供对小池堆叠的另外的支撑。框架还可以包括允许液体流入以及流出小池堆叠的入口歧管和出口歧管。框架和小池堆叠一起可以提供电净化设备模块化单元。电净化设备还可以包括被固定在外壳内的第二模块化单元。间隔物例如阻塞性间隔物可以位于第一模块化单元和第二模块化单元之间。第一电极可以位于第一模块化单元的与第二模块化单元连通的端部相对的端部处。第二电极可以位于第二模块化单元的与第一模块化单元连通的端部相对的端部处。

支架组件可以位于第一模块化单元、第二模块化单元或两者的框架和外壳之间。支架组件可以提供对模块化单元的支撑，且提供对外壳的安全附接。在本公开内容的一个实施方案中，电净化设备可以通过将膜小池堆叠定位于外壳或容器中来组装。端板可以被设置在小池堆叠的每个端部处。粘合剂可以被应用以将小池堆叠的周缘的至少一部分密封到外壳的内侧壁。

在本公开内容的某些实施方案中，提供减少或防止由较大的电源消耗导致的低效率的电净化设备。本公开内容的电净化设备可以提供多通路流动构造以减少或防止电流低效率。多通路流动构造可以通过消除或减少在电净化设备的阳极和阴极之间的直接电流路径来减少通过流动歧管的电流旁路或电流泄漏。在本公开内容的某些实施方案中，隔室中的流动可以被调整、再分布或重新定向以提供流体与膜表面在隔室中的较大接触。隔室可以被建造并且布置成使流体流动在隔室内再分布。隔室可以具有可以提供使流动再分布通过隔室的结构的障碍物、凸出物、突出物、法兰或挡板。障碍物、凸出物、突出物、法兰或挡板可以作为离子交换膜的一部分即间隔物被形成，或可以是被设置在隔室内的另外的单独结构。在至少一个实施方案中，膜或阻塞性间隔物可以是大体上非导电性的，以便影响系统内的电流流动。

根据一个或更多个实施方案，如本文讨论的小池堆叠可以具有任何期望数目的离子交换膜、小池对或流动隔室。在某些实施方案中，电化学分离系统可以包括单个小池堆叠。在其他实施方案中，例如在模块化实施方案中，并且电化学分离系统可以包括两个或更多个小池堆叠。在某些实施方案中，每个小池堆叠可以被包括在如本文讨论的单独的模块化单元中。模块性可以提供设计的灵活性以及容易的可制造性。

根据一个或更多个实施方案，电化学分离系统可以包括：第一电极；第二电极；第一电化学分离模块化单元，其具有界定通过第一框架支撑的多个交替的消耗隔室和浓缩隔室的第一小池堆叠，第一电化学分离模块化单元位于第一电极与第二电极之间；以及第二电化学分离模块化单元，其与第一电化学分离模块化单元协作，具有界定通过第二框架支撑的多个交替的消耗隔室和浓缩隔室的第二小池堆叠，第二电化学分离模块化单元位于第一电化学分离模块化单元与第二电极之间。第一小池堆叠可以被第一框架环绕，且第二小池堆叠可以被第二框架环绕。在某些实施方案中，第一和第二电化学分离模块化单元被串联或并联地流体地布置。第一和第二电化学分离模块化单元可以各自具有单元构造，或其自身可以由子块建造。第一和第二电化学分离模块化单元可以是可拆装的。在某些实施方案中，阻塞性间隔物可以位于第一和第二电化学分离模块化单元之间。如所讨论，每个框架均可以包括歧管系统和/或流动分布系统。第一和第二电化学分离模块化单元可以比如用支架组件安装于容器内。系统可以包括两个、三个、四个或更多个模块化单元，这取决于预期的应用和多种设计元素。待处理的水源可以被流体地连接到容器的入口。消耗隔室和浓缩隔室可以各自具有与容器的入口流体连通的入口。

根据一个或更多个实施方案，一个、两个或更多个模块化单元可以被插入第一电极与第二电极之间。在某些实施方案中，两个模块化单元在系统内可以是大体上彼此邻近的。在其他实施方案中，阻塞性间隔物可以位于两个邻近的模块化单元之间。在至少某些实施方案中，分离系统中的模块化单元可以不具有专用的电极组。相反，多个模块化单元可以位于单个电极对之间。可选择地，每个模块化单元可以包括其自身专用的电极对。

根据一个或更多个实施方案，电化学分离模块化单元可以包括界定多个交替的消耗隔室和浓缩隔室的小池堆叠以及支撑体系统。支撑体系统可以被配置成维持小池堆叠的竖直对齐。在某些实施方案中，支撑体系统可以是框架。框架可以至少部分地环绕小池堆叠。在其他实施方案中，框架可以大体上环绕小池堆叠。在某些实施方案中，框架可以包括被配置成促进通过小池堆叠的流体流动的歧管系统。歧管系统可以将工艺液体从中心系统歧管递送到其服务的单独的模块化单元中。歧管系统可以包括入口歧管和出口歧管。歧管系统可以包括与每个消耗隔室的入口并且与每个浓缩隔室的入口流体连通的入口歧管。歧管系统还可以包括与每个消耗隔室的出口并且与每个浓缩隔室的出口流体连通的出口歧管。歧管系统可以被配置成经由出口歧管将已处理的液体递送到下游。歧管系统的至少一部分可以与框架是整体的或在与框架分开的结构中。在至少某些实施方案中，歧管系统可以被建造并且布置成防止稀释流和浓缩流在模块化单元中混合。歧管系统可以流体地分离并且保持与堆叠相关的稀释隔室和浓缩隔室的分开的出口。

在某些实施方案中，支撑体系统比如框架可以包括流动分布系统。流动分布系统可以是歧管系统的一部分或单独的系统。流动分布系统可以与歧管系统流体连通，且可以被配置成促进向小池堆叠的均匀的流动分布。流动分布系统可以与每个消耗隔室的入口并且与每个浓缩隔室的入口流体连通。在某些实施方案中，流动分布系统的至少一部分可以与框架是整体的。在其他实施方案中，流动分布系统的至少一部分可以与框架啮合。在某些实施方案中，流动分布系统的至少一部分包括通过框架是可拆装地可接纳的插入物。这可以是为了流动分布系统的一种或更多种特征的容易的可制造性。歧管和/或流动分布系统的一种或更多种特征可以被整合到框架中，比如经由插入物结构。在某些实施方案中，流动分布系统可以与小池堆叠的每个入口和出口啮合。在某些实施方案中，框架可以包括与小池堆叠的至少一侧相关的插入物。在至少某些实施方案中，框架可以包括与小池堆叠的每侧相关的插入物。例如，矩形小池堆叠可以包括四个插入物。歧管系统和/或流动分布系统或其部件可以与小池堆叠的每侧相关。歧管和流动分布器可以被配置成促进均匀的流动并且防止电流损失。

本发明在使用中不限于电渗析装备。其他的电化学去离子装置比如电去离子(EDI)或连续电去离子(CEDI)也可以使用交叉流动构造被建造。系统可以是模块化的，如本文所描述。可以实现多个通路。在交叉流动的ED和EDI装置中，稀释流和浓缩流通常在彼此垂直的方向上流动。潜在的应用包括海水、微咸水及来自油和气体生产的盐水的脱盐。

根据一个或更多个实施方案，提供水处理系统。在多个实施方案中，水处理系统可以是如上文描述并且表征的电化学分离系统。水处理系统可以包括被流体地连接到待处理的水源的进料入口。适当的待处理的水源的非限制性实施例包括：饮用水来源，例如城市用水或井水；非饮用水来源，例如微咸水或盐水；预处理的半纯水；以及其任何组合。

根据一个或更多个实施方案，水处理系统可以包括可以与进料入口流体连通的第一电化学分离模块。第一电化学分离模块可以包括单个小池堆叠或各自包括如上文讨论的小池堆叠的两个或更多个模块化单元。第一电化学分离模块可以包括至少一种离子交换膜。至少一种离子交换膜可以具有第一组性能特性。第一组性能特性通常可以表征根据多种参数的膜。在某些实施方案中，第一组性能特性可以涉及至少一种离子交换膜的水损失、电阻以及选择渗透性中的至少一种。

如本文所使用，关于离子交换膜的术语“水损失”可以指的是电渗透性水损失和渗透性水损失中的至少一种。电渗透性水损失通常可以指的是当水分子连同离子(在它们由于外加电场而穿过膜时)被运输时，通过膜的水损失。渗透性水损失通常可以指的是由于膜壁的两侧的离子浓度的差异经由扩散的水损失。通过量化相关的水损失度，可以使用水损失系数表征膜。

如本文所使用，术语“电阻”和“面积电阻率”可以被可交换地使用且通常可以指的是膜材料对电流流动的阻力。在电化学分离工艺中，使用具有低的电阻的离子交换膜可以是合意的，因为其可以在操作期间增加能量效率且减少欧姆损失。

如本文所使用，术语“选择渗透性”可以指的是离子交换膜对一种化学物质是可渗透的但对另一种化学物质是不可渗透的能力。例如，在某些情况下，离子交换膜对反离子可以是可渗透的，但对共离子是不可渗透的。在至少某些实施方案中，具有用于效率的高的选择渗透性可以是合意的。

存在由本领域技术人员识别的可以定义第一电化学分离模块的性能特性的其他参数。

根据一个或更多个实施方案，水处理系统还可以包括被流体地连接到第一电化学分离模块的第二电化学分离模块。在某些实施方案中，第一和第二电化学分离模块可以被串联或并联地流体地连接。第二电化学分离模块可以包括单个小池堆叠或各自包括如上文讨论的小池堆叠的两个或更多个模块化单元。第二电化学分离模块可以包括至少一种离子交换膜。至少一种离子交换膜可以具有与第一组性能特性不同的第二组性能特性。第一和第二组性能特性可以基于一个或更多个参数而不同。

水处理系统还可以包括被流体地连接到第二电化学分离模块的下游的产物出口。产物出口可以直接提供适合用于一种或更多种用途的水，或可以被另外加工。根据至少一个实施方案，水处理系统可以适用于用脱盐工艺。例如，水处理系统可以被用于油田注水应用以改进离岸石油平台的恢复。在多个实施方案中，水处理系统可以产生饮用水或适合于大量其他用途(比如作物灌溉或工业应用)中的任一种的水。被用于灌溉目的的水处理系统可以使用与被用于产生饮用水的水处理系统或被用于油田注水的那种不同的离子交换膜组。此外，在用于预期目的的单个系统内，可以选择呈现不同的性能特性的多种离子交换膜来增强或提供最佳的加工能力。

根据某些实施方案，第一和第二电化学分离模块可以是电渗析装置。在某些其他的实施方案中，第一和第二电化学分离模块可以是电去离子化装置。在多个实施方案中，第二电化学分离模块可以包括具有与第一电化学分离模块的第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜。例如，涉及水损失、电阻以及选择渗透性的性能特性中的至少一种在第一和第二电化学分离模块的离子交换膜之间可以是不同的。在某些实施方案中，第一电化学分离模块的至少一种离子交换膜与第二分离模块的至少一种离子交换膜在一种或更多种性能特性方面不同。在至少某些实施方案中，第一电化学分离模块的至少一种离子交换膜与第二分离模块的至少一种离子交换膜在两种或更多种性能特性方面不同。

第一和第二电化学分离模块的离子交换膜可以是阴离子交换膜、阳离子交换膜或其组合。例如，在某些实施方案中，第一和第二电化学分离模块的至少一种离子交换膜可以是阴离子交换膜。在其他实施方案中，第一和第二电化学分离模块的至少一种离子交换膜可以是阳离子交换膜。

根据一个或更多个实施方案，水处理系统还可以包括第三电化学分离模块。第三电化学分离模块可以被流体地连接在第一和第二电化学分离模块之间，并且可以包括具有与第一和第二电化学分离模块的离子交换膜相关的第一和第二组性能特性不同的第三组性能特性的至少一种离子交换膜。在其他实施方案中，第三电化学分离模块可以包括具有与第一或第二电化学分离模块的离子交换膜相同的性能特性组的至少一种离子交换膜。

离子交换膜的性能特性在制造工艺期间可被控制。例如，膜可以被建造成呈现低的水损失、高的选择渗透性以及高的电阻。在其他实施例中，膜可以被建造成呈现低的电阻率、低的选择渗透性以及高的水损失。具有性质和参数的任何组合的膜可以被建造。

当被串联或并联地布置时，可以选择与第一和第二电化学分离模块相关的膜的性能特性以使能量效率最佳化或提供在一种或更多种其他工艺性能参数上的改进。例如，第一电化学分离模块可以呈现比第二电化学分离模块更低的电阻率。在多个非限制性实施方案中，第一电化学分离模块可以呈现比第二电化学分离模块更高的水损失。

根据一个或更多个实施方案，在多个阶段被放置于处理系统内的膜的性能特性可以被战略性地选择。选择可以至少部分地基于在给定阶段待用膜处理的工艺流的性质、在该阶段待通过膜进行的分离程度、以及在该阶段膜在总的处理系统内的位置。例如，与电化学分离模块相关的入口和/或出口工艺流的总的溶解固体(TDS)可以影响将被用于其中的膜及其性能特性的选择。为了效率的目的，使呈现第一组性能特性的膜位于系统内的上游并且使呈现第二组性能特性的膜位于系统内的下游可以是合意的。其他因素和考虑可以影响用于多个阶段的膜的选择。

在某些实施方案中，在单个系统内具有呈现一系列性能特性的不同的离子交换膜可以是有利的。离子交换膜可以被并联或串联地布置。膜可以提供用于特定应用(比如脱盐工艺)的多阶段布置。具有不同性能特性的膜可以位于单个模块化单元内。在其他实施方案中，单个模块化单元可以包括具有单组性能特性的膜。进而，性能特性中的变化可以存在于处理系统的模块化单元中，其中模块化单元以不同的性能特性组为特征。

在某些实施方案中，处理系统可以包括被限制于外壳中的电极对之间的单个小池堆叠。单个小池堆叠可以包括全部都具有相同的性能特性组的膜或拥有具有不同的性能特性组的膜的区域。在某些实施方案中，这可以被称为第一处理模块。包括被限制于外壳中的电极对之间的单个小池堆叠的第二处理模块可以被流体地连接到第一处理模块的下游。第二处理模块可以包括具有与第一处理模块中的膜的性能特性不同的性能特性组的膜。至少一种性能参数可以不同。第二处理模块可以包括具有相同的性能特性组的所有的膜或其中的不同区域。

在其他实施方案中，处理系统可以是模块化的，使得两种或更多种模块化单元被安装在单个外壳内的电极对之间。每个模块化单元可以包括通过如上文讨论的框架环绕的小池堆叠。每个模块化单元的小池堆叠可以具有一组性能特性。不同的模块化单元可以拥有具有不同的性能特性的膜。

因此，总的处理系统可以是模块化的(其中其包括各自具有其自身的外壳和电极对的两个或更多个处理模块)或模块化的(其中两个或更多个模块化单元可以位于单个电极对之间的单个外壳内)。混合系统在本公开内容的范围之内，其中其自身是模块化的模块被串联或并联地布置。多种模块和/或模块化单元可以包括具有不同的性能特性组的膜。某些模块和/或模块化单元可以以处理系统内的相同的性能特性组为特征。某些模块和/或模块化单元可以在如本文描述的一个或更多个参数方面不同。

在图1中图示根据一个或更多个实施方案的多阶段脱盐工艺的特定的非限制性实施例。如所示，具有两个或更多个阶段的电渗析系统可以被用于从海水(其中TDS通常为约35,000ppm)生产具有小于约500ppm的总的溶解固体(TDS)含量的饮用水。海水的TDS可以在从约10,000ppm至约100,000ppm的范围内。图1中图示的ED系统的每个阶段除去TDS含量中的一部分，且有被串联布置的总计九个阶段。将具有典型的海水的35,000ppm的TDS的给水进料到工艺的第一阶段中，且第一阶段或前几阶段可以除去盐中的大部分。工艺的此初始部分可以包括具有第一组性能特性的一种或更多种离子交换膜。例如，在工艺的第一阶段或前几阶段中使用具有低的电阻率、低的选择渗透性以及高的水损失中的至少一种的离子交换膜可以是合意的。工艺的中间阶段，比如被20,000ppm的水进料的第四阶段，可以包括具有与第一阶段不同的性能特性组的离子交换膜。工艺的较远的下游阶段可以包括具有与第一阶段和中间阶段不同的性能特性组的离子交换膜，比如可以用4000ppm的水进料的工艺的第八阶段。例如，在工艺的下游或最后阶段中，使用具有高的电阻率、高的选择渗透性以及低的水损失中的至少一种的离子交换膜可以是合意的。在每个阶段中使用的离子交换膜的性能特性可以全部都不同，或两个或更多个阶段可以包括具有相同的性能特性中的一个或更多个的离子交换膜。多种组合在本公开内容的范围内。

在多个阶段使用具有不同性质和特性的离子交换膜的水处理的多阶段方法可以增强与水处理工艺相关的一个或更多个性能参数。位于多个阶段的膜之间的竞争因素和折衷可以被权衡且性质被战略性地分配以改进处理工艺的总效率。例如，在多阶段工艺的下游阶段中的渗透性水损失可以是比第一阶段中的渗透性水损失更大的关注或效率因素，因为在邻近的消耗隔室和浓缩隔室之间的浓度差在下游可以是相当高。这可以导致工艺的低效率，因为已经被处理并且被部分地纯化的水可以被损失到浓缩隔室。通过在工艺的较后的阶段中使用以较低的水损失系数为特征的离子交换膜可以减少功率消耗。呈现低的水损失的离子交换膜还可以具有高的电阻率。然而，当与下游阶段中较低的水损失的收获相比时，较高的电阻的处罚可以是次要的。在早期阶段中，在稀释隔室与浓缩隔室之间的浓度差将是相对低的。因此，具有低的电阻率的离子交换膜可以被期望。同时，如果早期阶段的膜具有高的水损失系数，由于在浓度上的低的差异，水损失将不是显著的。在其中例如5000ppm的盐被除去的阶段中，电阻率可以不是同样重要的。因此，通过在不同阶段将具有不同的性能特性组的膜战略性地放置在处理系统内可以使能量消耗和成本最佳化。根据一个或更多个实施方案，可以使阳离子和阴离子交换膜两者均被最佳化。

根据一个或更多个实施方案，处理水的方法可以包括：将具有第一浓度的溶解固体的水引入到第一电化学分离模块的入口以形成具有第二浓度的溶解固体的工艺流，所述第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；将具有第二浓度的溶解固体的工艺流引入到第二电化学分离模块以形成已处理的水，所述第二电化学分离模块包括具有与第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及在第二电化学分离模块的出口处收集已处理的水。

根据一个或更多个实施方案，促进水处理的方法可以包括：提供包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜的第一电化学分离模块；提供包括具有与第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜的第二电化学分离模块；以及提供指令以用第一电化学分离模块处理水以产生具有预定浓度的溶解固体的工艺流并且用第二电化学分离模块处理具有预定浓度的溶解固体的工艺流。

根据一个或更多个实施方案，在不同的浓度梯度下使用具有涉及离子运输的不同特征(比如阻抗性、选择渗透性和/或水损失)的膜的组合的概念，可以被延伸至使用具有不同的物理本质和固有性质的膜的组合。例如，在硼或二氧化硅的除去期间，众所周知的是，除去率在低的稀释浓度下被增强。使加速的离子除去成为可能的选择性膜通常是更有抵抗力的。因此，在较早的阶段使用特定的选择性膜可能是不经济的。具有不同的本质和性质的膜的组合可以导致操作比如能量消耗的最佳化。

根据一个或更多个实施方案，脱盐的多个阶段可以被划分为单独的模块。因此提出某些实施方案用于例证。在其他实施方案中，脱盐的多个阶段可以在单个模块中建立。在不同脱盐阶段下不同的膜的组合通常可以利用膜的不同本质和性质用于在不同的浓度梯度下使用。

一个或更多个实施方案可以通过组合在不限于电阻、选择渗透性以及水损失性质的特征上不同的膜被应用于在任何TDS范围上的任何ED或CEDI工艺以获得改进的操作效率。

这些以及其他实施方案的功能及优点从以下的实施例中将被更充分地理解。实施例本质上被意图是例证性的且不被认为限制本文讨论的实施方案的范围。

实施例1

根据本文所讨论的一个或更多个实施方案，脱盐系统和方法可以是分阶段的。包括两个或更多个阶段的水处理系统比如ED系统可以被用于产生饮用水。例如，多阶段脱盐系统的第一阶段可以从具有约35,000ppm的TDS的给水中除去约10,000ppm，使得来自第一阶段的流出液为约25,000ppm。第一阶段的下游的随后阶段可以接收作为来自一个或更多个中间阶段的流出液的10,000ppm的进料，且可以从其中除去约5000ppm，使得来自该随后阶段的流出液为约5000pmm。

在第一阶段和随后阶段中使用的离子交换膜的至少一种性能特性可以是不同的。在其中从给水中除去10,000ppm的第一阶段中，在ED模块的消耗(稀释)隔室与浓缩隔室之间的浓度差可以是低的。因此，具有低的电阻率的离子交换膜可以被期望。同时，在性能特性方面，此膜可以具有高的水损失，因为由于两个隔室之间的低的浓度差，与工艺中的此阶段相关的相关水损失不是显著的。对应于渗透压幅度的浓度差是水损失的驱动力。此外，离子从其中移动的流越稀，在经由电渗透的离子运输期间越多的水将被拖曳通过。相反地，在其中5000ppm被除去的随后阶段中，在稀释隔室与浓缩隔室之间的浓度差可以是高的，这意味着在工艺的此阶段中电阻率可以不如第一阶段中重要。因此，具有高的电阻率的离子交换膜可以被期望。在其他性能特性方面，可以期望此膜具有低的水损失，因为与此阶段相关的水损失是较显著的。在表1中示出在此预言的脱盐工艺中两个阶段之间的对比。

表1-多阶段系统中的隔室的特性

阶段	稀释进料	浓缩进料	稀释流出	浓缩流出	浓缩流出/稀释流出
						第一	35000ppm	35000ppm	25000ppm	45000ppm	1.8
随后	10000ppm	35000ppm	5000ppm	40000ppm	8

如表1所示，在工艺的第一阶段中，来自浓缩隔室和消耗隔室的流出液的TDS之间的比率为1.8的值。对于工艺的随后阶段的此相同的比率具有8的值。在随后阶段中的渗透性水损失是比第一阶段中的渗透性水损失更显著的因素，因为邻近的消耗隔室和浓缩隔室之间的浓度差是高的且已经被处理并且被部分地纯化的水可以被损失到浓缩隔室。因此，为了使能量效率最大化，在多阶段脱盐工艺的较后的阶段中使用呈现低的水损失但高的电阻率和高的选择渗透性的膜并且在工艺的初始阶段中使用呈现高的水损失但低的电阻率和低的选择渗透性的膜可以是合意的。可以通过降低多阶段系统的较后的阶段中的水损失减少功率消耗。

实施例2

图2示出来自测试来自两种不同类型的离子交换膜的渗透性水损失的结果。在顶部上的曲线图示出用于呈现低的水损失和具有约3Ω-cm²的值的高的电阻的膜的渗透性水损失。相反地，在底部上的曲线图示出用于呈现具有约1Ω-cm²的值的低的电阻、但比被用于左边曲线图上描绘的结果的膜更高的水损失的膜的渗透性水损失。如上文所讨论，具有与底部上的曲线图中示出的特性类似的特性的膜可以适用于多阶段脱盐工艺的一个或更多个初始阶段，然而具有与顶部上的曲线图中示出的特性类似的特性的膜可以适用于工艺的一个或更多个下游阶段。阴离子和阳离子交换膜两者都可以具有期望的性质。

实施例3

表2呈现用于多种离子交换膜的水损失和膜固有数据。在从约35000ppm下至约500-1000ppm的海水脱盐期间，通过具有50cm²的电极面积的10个小池对实验室模块收集百分比水损失数据。此外，列出膜的固有性质。

表2-在使用特定的离子交换膜的海水脱盐期间的水损失率

如表2中所示，在整个典型的海水脱盐工艺期间的水损失在很大程度上取决于离子交换膜的选择渗透性。对于研究的膜，水损失范围为约12％-35％。然而，膜的水损失率在制造期间经由多种方法可以是可控制的。例如，水损失性质可以通过添加较多的交联单体、使用疏水性单体或添加非离子性单体被操控。约5％至约50％的宽的水损失值范围可以是可实现的。这可以对应于约0.2Ω/cm²至约10Ω/cm²的电阻率和选择渗透性值范围。在某些实施方案中，使用用于通常使TDS从约35000ppm下至约20000ppm的第一阶段部分脱盐的膜#4或#3可以是合意的。然后，使用用于通常使约20000ppm的TDS下至约5000ppm的TDS的下游第二阶段部分脱盐的膜#3或#2可以是合意的。最后，在通常用于约5000ppm下至约500ppm的TDS范围的第三阶段脱盐中的较远的下游使用#1膜可以是合意的。

应理解的是，本文讨论的方法和设备的实施方案在应用中不限于在说明书中陈述或在附图中图示的构造的细节和部件的布置。方法和设备能够在其他实施方案中实施，且能够以多种方式实践或进行。特定的实施方式的实施例在本文中被提供用于仅仅例证性的目的且不被意图是限制性的。特别地，关于任何一个或更多个实施方案讨论的行为、元件以及特征不被意图从任何其他实施方案中的相似的作用中排除。

此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应该被认为是限制性的。在本文中以单数提到的系统和方法的实施方案或元件或行为的任何指示物还可以涵盖包括多个这些元件的实施方案，并且任何实施方案或元件或行为的以复数的任何指示物在本文中还可以涵盖包括仅单个元件的实施方案。在本文中使用的“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”、“含有”、“包括(involving)”和其变型意指涵盖其后列出的项目和其等效物以及另外的项目。提到的“或”可以被解释为包括的，以便使用“或”描述的任何术语可以指示描述的单个、多于一个和全部的术语中的任何术语。对前和后、左和右、顶部和底部、上和下以及竖直和水平的任何指示物被意图用于描述的方便、不被意图将本系统和方法或其部件限制于任何一个位置或空间定向。

上文已经描述至少一个实施方案的若干方面，应理解的是，本领域技术人员将容易想到多种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进被意图为本公开内容的一部分且被意图在本发明的范围内。因此，前述描述和附图仅仅当作实例。

Claims (20)

1.一种水处理系统，包括：

进料入口，其被流体地连接到待处理的水源；

第一电化学分离模块，其与所述进料入口流体连通，所述第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；

第二电化学分离模块，其被流体地连接到所述第一电化学分离模块的下游，所述第二电化学分离模块包括具有与所述第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及

产物出口，其被流体地连接到所述第二电化学分离模块的下游。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电化学分离模块和所述第二电化学分离模块被串联地布置。

3.如权利要求2所述的系统，其中具有所述第一组性能特性的、所述第一电化学分离模块的所述至少一种离子交换膜为至少一种阴离子交换膜，且其中具有所述第二组性能特性的、所述第二电化学分离模块的所述至少一种离子交换膜为至少一种阴离子交换膜。

4.如权利要求2所述的系统，其中具有所述第一组性能特性的、所述第一电化学分离模块的所述至少一种离子交换膜为至少一种阳离子交换膜，且其中具有所述第二组性能特性的、所述第二电化学分离模块的所述至少一种离子交换膜为至少一种阳离子交换膜。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述第一组性能特性和所述第二组性能特性涉及水损失、电阻及选择渗透性中的至少一种。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述第一电化学分离模块具有比所述第二电化学分离模块更低的电阻率。

7.如权利要求5所述的系统，其中所述第一电化学分离模块具有比所述第二电化学分离模块更高的水损失系数。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电化学分离模块和所述第二电化学分离模块为电渗析装置。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电化学分离模块和所述第二电化学分离模块为电去离子装置。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电化学分离模块和所述第二电化学分离模块在两种或更多种性能特性方面不同。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述第一电化学分离模块的所述至少一种离子交换膜具有比所述第二电化学分离模块的所述至少一种离子交换膜更低的电阻、更低的选择渗透性及更高的水损失系数。

12.如权利要求10所述的系统，还包括被流体地连接在所述第一电化学分离模块和所述第二电化学分离模块之间的第三电化学分离模块，所述第三电化学分离模块包括具有与所述第一组性能特性和所述第二组性能特性不同的第三组性能特性的至少一种离子交换膜。

13.一种处理水的方法，包括：

将具有第一浓度的溶解固体的水引入到第一电化学分离模块的入口以形成具有第二浓度的溶解固体的工艺流，所述第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；

将具有所述第二浓度的溶解固体的所述工艺流引入到第二电化学分离模块以形成已处理的水，所述第二电化学分离模块包括具有与所述第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及

在所述第二电化学分离模块的出口处收集所述已处理的水。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一组性能特性和所述第二组性能特性涉及水损失、电阻及选择渗透性中的至少一种。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一电化学分离模块具有比所述第二电化学分离模块更低的电阻率及更高的水损失系数。

16.如权利要求13所述的方法，其中具有所述第一浓度的溶解固体的所述水是海水或微咸水。

17.如权利要求13所述的方法，还包括递送所述已处理的水用于灌溉、饮用水或供油注水。

18.一种促进水处理的方法，包括：

提供第一电化学分离模块，所述第一电化学分离模块包括具有第一组性能特性的至少一种离子交换膜；

提供第二电化学分离模块，所述第二电化学分离模块包括具有与所述第一组性能特性不同的第二组性能特性的至少一种离子交换膜；以及

提供指令，所述指令为用所述第一电化学分离模块处理水以产生具有预定浓度的溶解固体的工艺流以及用所述第二电化学分离模块处理所述具有预定浓度的溶解固体的工艺流。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一组性能特性和所述第二组性能特性涉及水损失、电阻及选择渗透性中的至少一种。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述第一电化学分离模块具有比所述第二电化学分离模块更低的电阻率及更高的水损失系数。