CN105392551A - 电化学水处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于水处理的系统和方法。在某些实例中，待处理的水为海水。所述系统和方法可利用包含离子交换膜的电化学水处理装置。在至少一个实例中，可将电化学水处理装置设置为对海水实施脱盐工艺。在一些实例中，离子交换膜可被设置为将浓缩流的pH与稀释流的pH之比提供为处于约0.9至约1.2的范围内。

Description

电化学水处理系统和方法

技术领域

本发明的方面一般地涉及通过将进料水源与置于电化学水处理装置中的至少一个离子交换膜接触来对水进行处理的系统和方法。

发明内容

本公开的一个或多个方面涉及关于水处理系统的实施方式。所述系统可包含电化学水处理装置(所述电化学水处理装置包含至少一个离子交换膜)、与所述至少一个离子交换膜流体连通的浓缩流(concentratestream)以及与所述至少一个离子交换膜流体连通的稀释流(dilutionstream)，其中，所述至少一个离子交换膜被设置为将所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比提供为处于约0.9至约1.2的范围内。

根据一个或多个进一步的方面，所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比处于约0.9至约1.1的范围内。根据进一步的方面，所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比处于约1.0至约1.1的范围内。根据一些实施方式，所述浓缩流的pH处于约5.0至约7.0的范围内。根据一些实施方式，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.7pH单位。在进一步的方面中，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.5pH单位。根据一个或多个进一步的方面，所述系统进一步包含与所述浓缩流和所述稀释流流体连通的进料流，所述进料流具有至少约40,000μS/cm的电导率。根据一些实施方式，所述进料流为海水。根据一些实施方式，所述稀释流的电导率为小于1000μS/cm或为约1000μS/cm。根据一些实施方式，所述水处理系统不需要用于所述浓缩流的单独的酸性水源。根据一些实施方式，所述水处理系统不需要极性逆转循环(reversepolaritycycle)。

本公开的一个或多个方面涉及水处理方法。本方法可包含将水进料至电化学水处理装置(所述电化学水处理装置包含至少一个离子交换膜)；使得进料水流经所述电化学水处理装置的浓缩区室，以生成浓缩流；以及使得所述进料水流经所述电化学水处理装置的稀释区室，以生成稀释流，其中，所述至少一个离子交换膜被设置为将所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比提供为处于约0.9至约1.2的范围内。

根据一个或多个进一步的方面，所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比处于约1.0至约1.1的范围内。根据一个或多个进一步的方面，所述方法进一步包含使得所述浓缩流再循环，且再循环的浓缩流的pH处于约5.0至约7.0的范围内。根据一些实施方式，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.7pH单位。根据进一步的实施方式，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.5pH单位。根据至少一个实施方式，所述进料水的电导率为至少约40,000μS/cm。根据一个或多个进一步的方面，所述方法进一步包含储存所述稀释流的至少一部分，且所述稀释流的储存部分的电导率为小于1000μS/cm或为约1000μS/cm。根据一些实施方式，所述方法不需要用于所述浓缩流的单独的酸性水源。根据一些实施方式，所述方法不需要极性逆转循环。

附图说明

将通过实例并任选地参照附图来对本文所述的系统和方法的非限制性实施方式进行描述。在以下的描述中，参照如下附图对本文所述的系统和方法的多个实施方式进行描述，其中：

图1为根据一个或多个实施方式的电化学水处理装置的示意图；

图2为根据一个或多个实施方式的水处理系统的工艺流程图；

图3为根据一个或多个实施方式的水处理系统的工艺流程图；以及

图4为对根据一个或多个实施方式实施比较研究的至少一项结果进行说明的图表。

具体实施方式

对于例如工业、商业、住宅或家庭应用中的一些用途而言，含有硬质物类(例如钙和镁)的水可能是不合期望的。就家庭洗衣和洗涤而言，硬水需要更多的肥皂和合成洗涤剂，并促使管道、锅炉和工业设施结垢。硬度由钙和镁以及多种其它金属的化合物引起，主要是地下水所处区域的地质作用。水作为良好的溶剂，易于溶解与其接触的矿物。随着水流经土壤和岩石，它溶解极少量的矿物并使其保持在溶液中。溶解至水中的钙和镁是使得水“硬化”的两种最常见的矿物，此外铁、锶和锰也可能做出贡献。水的硬度由三类测定值指示：每加仑格令数(grainspergallon，gpg)、毫克每升(milligramsperliter，mg/L)或百万分率(partspermillion，ppm)。硬度通常记录为碳酸钙(CaCO₃)当量。1格令的硬度相当于17.1mg/L或17.1ppm的硬度。水硬度归类的标准指南为：将0至60mg/L碳酸钙归类为软；61mg/L至120mg/L为中等硬度；121mg/L至180mg/L为硬；以及超过180mg/L为非常硬。

碱度和硬度均为水质的重要组成。碱度为达到指定pH之前水能够吸收(缓冲)的酸(氢离子)的量的计量。总碱度表明存在于水中的碱(例如碳酸氢盐、碳酸盐、磷酸盐和氢氧化物)的量。硬度表示二价盐(例如钙、镁和铁)的总浓度，但不标识这些元素中的哪种是硬度的来源。

硬水含有大于约60ppm的碳酸钙，通常使其流经水软化器来进行使用前的处理。典型地，水软化器为可再装填的(rechargeable)离子交换类型，并装填有钠形式的阳离子树脂和氯化物形式的阴离子树脂。随着水流经树脂床，硬度的主要贡献者(例如钙和镁物类)被交换为钠。通过这样的方式，由于降低了二价阳离子(特别是钙离子和镁离子)的浓度，可利用水软化系统将水软化。

离子交换是固相(例如离子交换树脂)与液相(例如水)之间离子的可逆交换。由于离子交换树脂作为“化学海绵”，它非常适合于有效地从水和其它液体中去除污染物。离子交换技术通常用于水的去矿化和软化、废水回收和其它水处理工艺中。离子交换树脂也常被用于多种专门的应用中，例如化学加工、制药、采矿以及食品饮料加工。

在水软化系统中，硬质离子离子性地结合混合在离子交换树脂表面上的相反电性的离子物类。离子交换树脂最终被离子性结合的硬质离子物类饱和，并需要再生。再生包括用更可溶的离子物类(例如氯化钠)置换结合的硬质物类。结合在离子交换树脂上的硬质物类被钠离子置换，从而离子交换树脂再次做好了用于后续的水软化步骤的准备。然而，对于去除的每当量的钙，在处理后的水中加入了当量的钠。因此，虽然水被软化，一些消费者可能认为用钠离子置换硬度是不合期望的。此外，当将这些离子交换床再装填时，必须对获得的盐水(brine)加以处理，通常将其排放至污水处理系统(septicsystem)，盐水在该系统中变得可重新进入地下水。在某些地区，将盐水排放至生活污水处理系统、城市废物流或环境中是受到管制或被禁止的。

对水进行软化的其它方法包括使用可提供高纯度水的反向渗透装置，然而这样做通常速度慢且需要使用高压泵。此外，由于溶解物质例如二氧化硅的存在(通常可在井水中发现)，许多反向渗透膜可能被污染。

优质的饮用水通常与高度纯化的水相关联。然而，只要水没有被微生物污染，最好的饮用水可不必须为最高的化学纯度。例如，纯化至高电阻(例如大于约1兆欧)的水可能因过度缺少离子含量而变得“饥饿”，从而对可用于水管路系统的材料(例如铜)具有腐蚀性。例如碳酸氢盐物类的去除也可能影响口感。此外，添加至水中的有益或期望的化学物质(例如氟化物和氯物类)可能随着不合期望的物类被去除，从而产生可能需要进行重新强化(re-fortified)的水。在一些地区，为符合健康和安全规定，最低水平的钙可能是必要的，并且，从供水中去除超过例如90％至99％的钙的高度纯化系统可能是不适合的。

借助电场纯化流体的装置常被用于处理含有溶解的离子物类的水和其它液体。这些装置内部为由离子选择性膜分隔的浓缩区室和稀释(或贫化)区室。此类装置的实例在图1中示出，其包含电化学水处理设备，所述电化学水处理设备的特征在于交替的电活性半透阴离子交换膜和阳离子交换膜。所述膜之间的空间被设置为产生具有入口和出口的液流区室。借助电极施加的外加电场造成被各自的对电极(counter-electrodes)所吸引的溶解的离子迁移穿过阴离子交换膜和阳离子交换膜。这通常导致稀释区室中的液体离子贫化，而浓缩区室中的液体富集转移的离子。

本文使用的短语“处理装置”或“纯化装置”或“设备”涉及可用于从待处理的流体中去除或减少任何不合期望的物类的浓度水平的任意装置。适合的处理设备的实例包括但不限于离子交换树脂装置，反向渗透、电去离子、电渗析、超滤、微滤和电容去离子装置。

在某些非限制性实施方式中，本文所公开的方法和系统包含电化学水处理装置。本文使用的短语“电化学水处理装置”是指任意数量的电化学水处理装置，其非限制性实例包括但不限于电去离子装置、电渗析装置、电容去离子装置及上述装置的任意组合。只要不与这些操作相矛盾或相反，电化学水处理装置可包含依照本文所述的系统和方法的原理来发挥功能的任意装置。

在某些实施方式中，电化学处理装置可包含电化学去离子单元。此类装置的非限制性实例包括电渗析(ED)、倒极电渗析(electrodialysisreversal，EDR)、电去离子(EDI)、电容去离子、连续电去离子(CEDI)、以及可逆连续电去离子(reversiblecontinuouselectrodeionization，RCEDI)。

电去离子(EDI)是使用电活性介质和电势来影响离子传输，从水中去除或至少减少一种或多种离子化(ionized)物类或可离子化(ionizable)物类的工艺。电活性介质通常交替收集和释放离子物类和/或可离子化物类，并在某些情况下促进离子传输，借助离子或电子取代机制，这可连续进行。EDI装置可包含永久或暂时带电荷的电化学活性介质，并可分批式、间歇式、连续式和/或甚至以极性逆转模式运行。可运行EDI装置以促进特别地设计用于实现或增强性能的一种或多种电化学反应。此外，此类电化学装置可包含电活性膜，例如半透或选择性透过的离子交换膜或双极膜。连续电去离子(CEDI)装置为本领域技术人员已知的以如下方式运行的EDI装置：水纯化可连续进行，同时离子交换材料连续再装填(recharged)。CEDI技术可包含诸如连续去离子、填充池电渗析(filledcellelectrodialysis)或电透析(electrodiaresis)的工艺。在受控制的电压和盐度条件下，在CEDI系统中，可以使水分子裂解而产生氢或水合氢离子或物类以及氢氧化物或氢氧根离子或物类，这些物质可使装置中的离子交换介质再生，并由此促进被捕获的物类从其中释放。通过这样的方式，可连续纯化待处理的水流而无需对离子交换树脂进行化学再装填。

除了电渗析(ED)装置在膜之间通常不包含电活性介质外，ED装置利用与CEDI相似的原理运行。由于缺乏电活性介质，ED的运行可能会因升高的电阻而受到低盐度的进料水的阻碍。而且，由于在高盐度进料水上运行ED可导致电流消耗的升高，迄今为止ED设备用于中等盐度的水源时最为有效。在基于ED的系统中，由于没有电活性介质，水的裂解不充分，通常避免在这种模式下运行。

电容去离子(CapDI)装置用于通过向具有纳米尺寸的孔的电极对施加电压将电极对极化，从介质(例如硬水)中去除离子物质。这使得离子物质被吸附至电极对的至少一个电极的表面上。在CapDI装置中，向电极对施加低DC电压，随后含有溶解的离子的介质在两个电极间流动。溶于介质中的阴离子在正电极中被吸附并浓缩，溶于介质中的阳离子在负电极中被吸附并浓缩。当提供反向电流时(例如通过使得两个电极短路)，浓缩的离子从负电极和正电极处解吸。由于CapDI装置不使用高电势差，能量效率高。当离子吸附至电极上时，CapDI装置可去除有害离子和硬质组分。CapDI装置不使用化学品对电极进行再生，因此CapDI装置具有相对较低的环境影响。

如图1所示，CEDI和ED装置可包含被选择性透过膜所分隔的多个相邻的池或区室，所述选择性透过膜允许带正电荷的物类或带负电荷的物类之一通过，但通常不允许这两种物类同时通过。在此类装置中，稀释或贫化区室通常与浓缩(concentrating/concentration)区室相互间隔。在一些实施方式中，电池对(cellpair)可以指相邻的浓缩区室和稀释区室对。当水流经贫化区室时，在电场(例如DC电场)的影响下，离子和其它带电荷物类通常被吸引入浓缩区室。带正电荷的物类被吸引向阴极，而带负电的物类类似地被吸引向此类装置的阳极；所述阴极通常位于堆叠的(astackof)多个贫化区室和浓缩区室的一端，所述阳极通常位于堆叠的区室的相对一端。电极通常置于电解质区室中，所述电解质区室通常可部分地与贫化区室和/或浓缩区室的流体连通隔绝。一旦处于浓缩区室中，带电荷的物类通常被选择性透过膜屏障所捕获，所述选择性透过膜可至少部分地限定所述浓缩区室。例如，借由阳离子选择性膜，可防止阴离子迁移出浓缩区室而进一步移向阴极。一旦被捕获于浓缩区室中，可在浓缩流中去除被捕获的带电荷物类。

在CEDI和ED装置中，通常从施加给电极(阳极或正极以及阴极或负极)的电压和电流源向电池施加DC电场。该电压和电流源(统称为“电源”)自身可以由多种途径(例如AC电源，或者例如来源于太阳能、风能或波浪能的能源)供能。在电极/液体界面处发生电化学半池反应，引发和/或促使经由膜和区室的离子转移。例如，在图1中，当在阴极和阳极之间施加电压时，可在溶液中形成碳酸氢根、钙、氢氧根和氢离子。

可利用容纳电极组件的专门区室中的盐的浓度，在一定程度上控制在电极/界面处发生的特定电化学反应。例如，具有高氯化钠含量的阳极电解质区室的进料将倾向于产生氯气和氢离子，而阴极电解质区室的此类进料将倾向于产生氢气和氢氧根离子。一般来说，阳极区室处产生的氢离子将与游离的阴离子(例如氯离子)缔合，以保持电中性并形成盐酸溶液；类似地，阴极区室处产生的氢氧根离子将与游离的阳离子(例如钠)缔合，以保持电中性并形成氢氧化钠溶液。可根据需要在工艺中将电极区室的反应产物(例如生成的氯气和氢氧化钠)用于消毒目的、用于膜清洁和除污目的以及用于pH调节目的。

电化学水处理装置的性能(特别是在硬水应用中)可能受限于硬质离子(例如钙和镁)形成的沉淀。当水超过溶解极限时，硬质离子(例如钙和镁)以晶体形式析出。确定溶解极限的方法之一是Langelier饱和指数(LSI)。Langelier饱和指数(有时称为Langelier稳定指数)是用于预测水中碳酸钙稳定性的计算值。可根据标准方法(例如ASTMD3739)计算LSI。获得的值表明水是否会沉淀、溶解碳酸钙或与碳酸钙达到平衡。

Langelier饱和水平近似于以pH作为主变量的饱和概念。LSI表示为实际系统pH和饱和pH之间的差异。LSI可理解为使得水达到平衡所需的pH改变。具有1.0的LSI的水为超过饱和1pH单位。将pH降低1单位将使得水达到平衡。这种情况的发生是由于作为CO₃ ^2-存在的总碱度部分随着pH降低而减少。对于LSI>0的情况，水为过饱和的并倾向于沉淀出CaCO₃垢层。对于LSI＝0或接近0的情况，水为CaCO₃饱和的(与CaCO₃达到平衡)。CaCO₃垢层不沉淀也不溶解。水质、温度改变或蒸发可改变该指数。对于LSI<0的情况，水未饱和，并倾向于溶解固体CaCO₃。

如果水的实际pH低于饱和pH，LSI为负，水具有极其有限的结垢可能。如果实际pH超过饱和pH，则LSI为正，其被CaCO₃过饱和，水具有形成水垢的倾向。随着指数正值的增加，结垢可能升高。

LSI值还依赖于温度，随着水温提高，LSI变得更趋向正值或正值更高。这对于使用井水的情况可具有特别的影响。最初离开井时，水的温度通常显著低于该井所供应的建筑内、或进行LSI测定的实验室内或处理单元内的温度。导致的温度升高可引起结垢(特别是在热水加热器中)。相反地，降低水温的系统将较少结垢。

电化学水处理工艺中的潜在问题之一是形成不溶性钙或镁沉积物的风险。这些沉积物在高Ca²⁺和/或Mg²⁺浓度以及高pH值条件下形成。因此，由于硬质离子浓度的升高，或由于水被去除而未降低硬质离子浓度，在电化学水处理装置的浓缩区室中LSI增加。大部分电化学水处理装置设计为使得LSI维持在约0-2的值。为维持该值，在浓缩区室中需要更多的水，导致更多体积的废水。这使得电化学水处理装置的运行低效。

通常，电化学水处理装置设计为去除尽可能多的离子。对于多种工业和商业用途而言，这种高度纯化的水可能是有益的；然而，对于其它用途(例如家庭或市政供水)，一定水平的阳离子含量是有益的，此时这一纯度水平可能是不合期望的。此外，高度纯化的水可具有腐蚀性，并倾向于侵蚀通常存在于水配分系统中的铜质管路。一些水配分系统可包含铅焊接接头，重金属(例如铅)也可能渗入流经管路的水中。

本文使用的“硬度”是指由于水中存在多价阳离子(例如钙、镁或其它金属)所导致的对水的清洁能力和水的“质感”产生不良影响，并可提高结垢可能的情况。通常通过测定钙和镁物类的浓度来对硬度进行定量。在某些实施方式中，不合期望的物类可包含硬质离子物类。

电导率(EC)是对水“负载”电流的能力的计量，是对水中溶解的固体或离子的间接计量。去离子水具有极低的电导率值(几乎为零)；因此，存在于水中的溶解的固体和离子越多，水能够传导的电流越多。与温度传感器相连的电导率探针能够确定液体的电阻。淡水通常反映为微西门子(μS/cm)单位的电导率。

总溶解固体(TDS)是溶解于给定体积水中的可移动的带电离子(包括矿物、盐或金属)的总量，以每单位体积水的mg数(mg/L)为单位表示，也以百万分率(ppm)表示。TDS与水的纯度和水质以及水纯化系统直接相关，并影响消耗水、生活于水中或使用水的一切事物(无论是无机的还是有机的)。术语“溶解固体”是指溶于水中的任意矿物、盐、金属、阳离子或阴离子，并包含存在于水中的除了纯水(H₂O)分子和悬浮固体外的任意物质。一般来说，总溶解固体浓度为水中阳离子和阴离子之和。百万分率(ppm)为任意离子与水的重量-重量比。TDS基于水的电导率(EC)，纯水几乎没有导电性。

本文使用的术语“系统产率”还涉及处理系统的回收率，意味着废物相对于产物的计量。使用如下计算来确定系统产率/回收率：

系统产率＝[产物体积/(废物体积+产物体积)]×100

本文所述的系统和方法涉及为工业、商业、住宅、家庭和市政设施提供处理后的水的水处理或纯化系统和方法。例如，一个或多个实施方式可适于对供给市政水处理设施的水进行处理。根据另一实例，一个或多个实施方式可适于对供给工业工艺(例如制造设施或生产设施)的水进行处理。将以水作为流体描述一个或多个实施方式，然而不应限于此。例如，当提及水处理时，认为可根据本文所述的系统和方法对其它流体进行处理。此外，认为本文所述的处理系统和设备适用于提及系统组件的情况或者提及对水或水的性质进行调节、改性、测定或操作的方法的情况。待处理的流体还可为包含水的混合流体。

在至少一个方面，本文所述的系统和方法提供了来自于多种来源类型的纯化后的水或处理后的水。可能的水源包括井水、地表水、市政水、海水和雨水。处理后的产物可用于一般用途、工业用途或人类消费或其它生活用途，例如沐浴、洗衣和洗碗。当提及水或流体时，本文使用的术语“处理后的”是指表现出适于一种或多种各类用途(例如住宅、商业、工业、市政等)的性质的水。例如，在某些实施方式中，处理后的水可具有约100μS/cm至约400μS/cm范围内的电导率。在至少一个实施方式中，处理后的水可具有约300μS/cm至约400μS/cm范围内的电导率。在一些实施方式中，处理后的水可具有约250μS/cm至约350μS/cm范围内的电导率。根据一些实施方式，处理后的水可具有小于500μS/cm的电导率。在至少一些实施方式中，处理后的水可具有小于1000μS/cm或约1000μS/cm的电导率。在一些实施方式中，处理后的水可具有约50ppm至约200ppm范围内的碱度。在某些实施方式中，处理后的水可具有约50ppm至约150ppm范围内的碱度。在其它一些实施方式中，处理后的水可具有约80ppm至约120ppm范围内的碱度。在一个或多个实施方式中，处理后的水可具有约1gpg至约10gpg范围内的硬度。根据一些实施方式，处理后的水可具有约1gpg至约5gpg范围内的硬度。在某些其它实施方式中，处理后的水可具有约4gpg的硬度。处理后的水的电导率、碱度和硬度可为适用于所期望的住宅和商业用途的这些相应性质的任意数值或数值范围，并可为特定用途或用户专门定制。

另一方面，可对本文所述的系统和方法进行操作，以降低在生成处理后的水的过程中发生的形成任何水垢或污物的可能性。可通过将流动液体从高结垢可能的液体替换为低结垢可能的液体(例如具有低LSI的水)，来抑制处理系统(包括其组件，例如泵、阀和流体管线)中水垢或污物的形成。

根据一个或多个实施方式的处理系统可从来源接收水，随后使其流经处理工艺，生成具有目的特征的产物流。处理系统可具有与至少一个或多个处理装置流体连通的水储存系统。适合的处理装置的非限制性实例可包括：电化学水处理装置、反向渗透装置、电渗析装置、离子交换树脂装置、电容去离子装置、微滤装置和/或超滤装置。

根据一个或多个实施方式，提供了水处理系统。在一些实施方式中，水处理系统包含电化学水处理装置。所述电化学水处理装置可包含至少一个离子交换膜。所述至少一个离子交换膜可为阴离子交换膜、阳离子交换膜或二者的组合。例如，所述装置可包含一系列交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜。所述电化学水处理装置可进一步包含容纳离子交换膜的至少一个区室。在某些实施方式中，所述电化学水处理装置可包含置于电极对之间的多个交替的贫化区室和浓缩区室。所述电极对可为阴极和阳极。水处理系统可包括浓缩流和稀释流。浓缩流和稀释流可与至少一个离子交换膜流体连通。

在某些实施方式中，所述至少一个离子交换膜可被设置为将所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比提供为小于约1.0。这可由用于产生浓缩流和稀释流的离子交换膜的一个或多个性质或特征造成。例如，可将离子交换膜设置为产生稀释流，所述稀释流具有恒定高于浓缩流pH的pH。

根据至少一个实施方式，可利用水处理系统实施脱盐工艺。例如，系统的进料水源可具有至少约30,000μS/cm的电导率。在另一实例中，进料水源可具有至少约40,000μS/cm的电导率。在某些情况下，海水可具有约50,000μS/cm的电导率。在至少一个实施方式中，水处理系统的进料流可包含海水。如上所述，水处理系统可包含一个或多个电化学水处理装置，所述电化学水处理装置包含一个或多个离子交换膜。在某些实施方式中，所述至少一个离子交换膜可被设置为将所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比提供为处于约0.9至约1.2的范围内。在一些实施方式中，所述比值可处于约0.9至约1.1的范围内。在另一些其它实施方式中，所述比值可处于约1.0至约1.1的范围内。在至少一个实施方式中，所述比值可为约1.0。在一个或多个实施方式中，浓缩流可具有小于8.0的pH。在某些实施方式中，浓缩流可具有小于7.0的pH。在另一些其它实施方式中，浓缩流可具有小于6.0的pH。在一些实施方式中，浓缩流可具有约5.0至约7.0范围内的pH。在多个实施方式中，浓缩流可为酸性的，并具有小于7.0的pH值。根据一些实施方式，稀释流的pH比浓缩流的pH低小于约0.7pH单位。在进一步的实施方式中，稀释流的pH比浓缩流的pH低小于约0.5pH单位。在至少一个实施方式中，稀释流的pH可为大约与浓缩流的pH相同。

根据某些方面，可利用单一阶段(stage)或独立的多个阶段实施脱盐工艺。例如，可使用多阶段工艺，其中，各阶段去除一定百分数的不合期望的离子。例如，各阶段可从进料水中去除5％-10％的不合期望的离子。在其它实例中，各阶段可去除约20％的不合期望的离子。在一个实例中，将脱盐工艺设置为生成具有小于约1000μS/cm的电导率的稀释流。可使用一个或多个工艺阶段实现该目的。

虽然如上讨论的脱盐工艺涉及海水，也可使用其它类型的进料液获得相同结果。例如，可利用本文所述的系统和方法对具有约500,000μS/cm电导率的盐水或者具有约100,000μS/cm电导率的苦咸水(brackishwater)进行处理，以获得类似结果。其它液体(例如垃圾填埋地的渗滤液，或者矿山的排放液以及湿地或沼泽)也在本公开的范围内。尤其是，可将离子交换膜设置为承受特定水平的氯，从而可增强其对此类高电导率液体的处理能力。

在至少一方面，本文所述的系统和方法提供了可经由电化学水处理装置循环的浓缩流。在某些方面，浓缩流可具有抑制水垢形成的LSI。例如，浓缩流可具有小于1或约为1、小于0.5或约为0.5、或者小于0.2或约为0.2的LSI。

在某些实施方式中，本文所述的系统和方法可提供具有特定期望性质的液体(例如水)，所述性质涉及电导率、碱度、pH、TDS和LSI。例如，稀释流可具有约250μS/cm至约350μS/cm范围内的电导率。在多个实施方式中，稀释流的电导率可为约300μS/cm。在至少一个实施方式中，稀释流的电导率可为小于约1000μS/cm。在一个或多个实施方式中，稀释流可具有大于5.0的pH。在某些实施方式中，稀释流可具有大于6.0的pH。在其它实施方式中，稀释流可具有大于7.0的pH。在一些实施方式中，稀释流可具有约5.0至约8.0范围内的pH。在其它实施方式中，稀释流可具有约5.0至约7.0范围内的pH。在多个实施方式中，稀释流可具有约80ppm至约150ppm范围内的碱度。例如，稀释流可具有约90ppm至约120ppm范围内的碱度。在一些实施方式中，稀释流可具有约100ppm的碱度。在多个实施方式中，可将水处理系统设置为生成具有约4gpg的硬度的稀释流。

在至少一个实施方式中，所述系统和方法提供符合世界卫生组织(WHO)所建立的水质标准的稀释流或产物流。例如，目前的WHO标准要求饮用水具有6.5-8.5的pH以及不超过500ppm的TDS。

在一个或多个实施方式中，水处理系统不需要用于浓缩流的单独的酸性水源，其它类型的水处理系统可能需要用于浓缩流的单独的酸性水源。在其它类型的系统中，为将浓缩流保持在期望的pH，单独的酸性水源可能是必须的。例如，其它类型的系统可能需要与浓缩流流体连通的单独的阳离子交换装置。所述阳离子交换装置可将间歇的或连续的酸性水供应提供至浓缩流。这一需要可能增加系统整体的维护和成本。本文所述的水处理系统因此提供了不需要此类设施的优势，从而尽可能减少或消除了这些额外成本。

在至少一个实施方式中，水处理系统不需要极性逆转循环。本领域技术人员将理解的是，控制器可根据预定的计划或根据运行状态(例如水质或处理系统中任何其它运行参数)，将由动力源施加给电化学水处理装置的外加场的方向逆转。浓缩区室和贫化区室的功能也被切换，各自的浓缩流和稀释流的功能也被切换。实施极性逆转循环可给系统增加额外的时间、成本、复杂度和尺寸。相比于可能需要极性逆转循环作为运行工艺的一部分的其它类型的系统，本文所述的水处理系统因此实现了独特的优势。

相比于目前市场上可用的其它系统，本文所述的水处理系统和方法的多个方面可提供运行方面的性价比优势。例如，参照图4，并如将在后文进一步详细讨论的，该电化学水处理装置也可提供相同的处理后的水(例如，提供具有4gpg的硬度的水)，然而工艺的持续时间可大大缩短。这一效率可能与电化学水处理装置中使用的离子交换膜的特征相关。例如，该膜可特别地对钙具有选择性，因此影响硬度和进料水被净化的速度。进而，浓缩流的LSI可以非常低(例如0.1-0.2)，从而无需任何额外的设施或材料而保持尽可能少的水垢。这一益处也可归因于离子交换膜的一个或多个特征。例如，该膜可特别地对碳酸氢盐具有较小的选择性，从而影响碱度和其后的pH。

在多个实施方式中，离子交换膜可具有与一种或多种离子的选择性有关的性质。例如，该膜可对钙具有选择性而对碳酸氢盐不具有选择性。这可为本文公开的系统贡献相对于其它类型的水处理系统的一种或多种优势。例如，其它系统可能需要额外的酸性水源来维持或提供浓缩流中的低pH，并且可能需要周期性的极性逆转循环来维持一定水平的运行效率。这些额外设施零件和工艺的消除可允许本文公开的电化学水处理装置降低工艺时间、减小模块尺寸、减少模块的占空比、增加产率，并降低整体系统的成本、复杂度和尺寸。

根据一个或多个实施方式，提供了水处理方法。在至少一个实施方式中，进料水可具有至少约40,000μS/cm的电导率。在至少一个实施方式中，进料水可为海水。所述方法可进一步包含使得进料水流经所述电化学水处理装置的浓缩区室和稀释区室，以生成具有约300μS/cm的电导率的产物流。在其它实施方式中，产物流可具有约300μS/cm至约400μS/cm范围内的电导率。根据至少一个实施方式，所述方法包含储存稀释流的至少一部分，且稀释流的储存部分的电导率可处于约300μS/cm至约400μS/cm的范围内。在一个或多个实施方式中，使得进料水流经所述电化学水处理装置的浓缩区室和稀释区室，生成浓缩流和产物流。在至少一个实施方式中，产物流的pH和浓缩流的pH之比为小于约1.0。在其它实施方式中，该比值处于约0.9至约1.2的范围内。在进一步的实施方式中，所述范围可为约1.0至约1.1。根据至少一个实施方式，浓缩流的pH处于约5.0至约7.0的范围内。在进一步的实施方式中，所述方法可包含使得浓缩流再循环，且再循环的浓缩流可具有约5.0至约7.0范围内的pH。在一个实施方式中，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.7pH单位。在进一步的实施方式中，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.5pH单位。根据某些实施方式，浓缩流的pH和稀释流的pH可均为酸性的，或者可均为小于约7.0。在一些实施方式中，浓缩流的LSI小于约1.0。在多个实施方式中，所述方法不需要向浓缩流添加单独的酸性水源。在某些实施方式中，所述方法不需要极性逆转循环。

根据一个或多个方面，电化学水处理装置可包含至少一个离子交换膜。所述离子交换膜可包括阴离子交换膜和阳离子交换膜。在多个方面，离子交换膜可具有低电阻率、高选择透过性、高化学稳定性和高机械强度。在至少一个方面，离子交换膜可具有小于约1.5Ohm-cm²的电阻率以及至少约95％的表观选择透过性(apparentpermselectivity)。适用于本文公开的系统和方法的离子交换膜可由EvoquaWaterTechnologies(Lowell，MA)获得。

离子交换膜的电阻率通常表示膜对电流流动有多强的阻抗作用。当电阻率高时，可能需要对电化学池施加更大的电流(因此需要更多能量)来促使离子跨膜转移，从而实现期望的电化学分离工艺。本文使用的术语“电阻率”和“电导率”可互换使用，是指材料对于电流流动的阻抗，可用每单位面积电阻(Ωcm²)表示。可用离子交换能力和膜基质内离子的移动性来确定膜的电阻率。一般来说，电阻率与离子浓度是成比例的，这意味着随着离子浓度的增加电阻率升高。因此，一般说来，离子交换膜的电阻率越低，膜的效率越高。在电化学工艺中，由于可在运行中节省能量并降低欧姆损耗，使用具有低电阻率的离子交换膜可为期望的。

本文使用的术语“选择透过性”是指离子交换膜对于一种化学物类是可透过的而对于另一化学物类是不可透过的的能力。例如，在某些情况下，离子交换膜可为对于反离子(counter-ions)是可透过的，而对于共离子(co-ions)是不可透过的。这意味着例如当对同时具有阴离子交换膜和阳离子交换膜的电化学池施加电流时，溶液中的阳离子将跨过阳离子膜而阴离子不跨过阳离子膜。在这一实例中，当允许阴离子跨过阳离子膜时，该工艺的整体效率降低。在某些情况下，使膜具有高选择透过性可为合乎期望的，其中，该膜对于反离子是高度可透过的，而对于共离子是高度不可透过的。

可由覆盖有聚合物层的聚合物基底构建离子交换膜。在多个方面，聚合物层可以是交联的。在至少一个实施方式中，交联的聚合物层可与聚合物基底反应，产生疏水表面。

离子交换膜可包含促使正离子或负离子跨膜传输的聚合物材料。可借助膜中固定的离子基团的分布、数量和类型，来部分地控制离子交换膜的性质(包括阻抗性和选择透过性)。例如，强碱阴离子交换膜一般可包含季胺，弱碱阴离子交换膜通常可包含叔胺。胺可具有被固定的正电荷，从而允许阴离子物类渗透跨膜。

在多种实施方式中，离子交换膜通常可为异质(heterogeneous)膜。异质膜可包含涂覆于基底顶部的聚合物层，所述聚合物层可在膜的外表面处提供被固定的电荷。在其它实施方式中，离子交换膜通常可为同质的(homogeneous)。同质膜可通过单体的聚合生成，且可包含聚合的微孔性基底。可用反应性单体填充基底的孔，产生具有高度一致的微结构的膜。可对反应性单体进行选择，以功能性地去除特定离子。例如，可对反应性单体进行选择，以去除碳酸氢盐。

在一个或多个方面，本文所述的方法和系统提供了处理后的水，同时降低了从处理系统排出的离子负载。例如，由处理工艺造成的排出的废水总量可显著低于传统处理工艺，并可小于处理的水的总体积的25％、小于处理的水的总体积的20％或小于处理的水的总体积的10％。

本文公开的处理系统的一个或多个实施方式可包含一个或多个流体控制装置，例如泵、阀、调控器(regulators)、传感器、管路、连接器(connectors)、控制器、动力源，以及上述控制装置的任意组合。

根据一个或多个实施方式，本文公开的处理系统可包含一个或多个泵。可将对流体进行泵送和/或循环的多个泵与处理系统结合使用。对于处理系统的一个或多个组件而言，泵可位于内部和/或外部，和/或可与处理系统整合。泵的非限制性实例包括：电动泵、气动泵和液压泵。可利用可为任何传统动力源的动力源来对泵进行驱动，所述传统动力源例如为汽油驱动马达、柴油驱动马达、太阳能马达、电力马达，以及上述动力源的任意组合。

根据一个或多个实施方式，本文公开的系统和方法进一步包含一个或多个阀。根据一个或多个实施方式的适于控制的阀的非限制性实例包括但不限于：止回阀、闸阀、旁通阀、电磁阀(solenoidvalves)、其它类型的液压阀、其它类型的气动阀、安全阀(reliefvalves)，以及上述阀的任意组合。适合的阀包括单通阀和/或多通阀。在某些非限制性实施方式中，阀可为导向阀(pilotvalve)、旋转阀、球形阀、膜片阀、蝶形阀、翼形阀、旋启式止回阀、瓣阀、止挡-止回阀(stopper-checkvalve)、提升式止回阀，以及上述阀的任意组合。阀可为手动致动(例如借助操作员)和/或液压致动、气动致动、电磁致动或其它方式致动，包括利用过程控制器或控制系统进行控制制动。阀可为开/关型的阀，或可为比例型的阀。

在本文所述的系统和方法的一些实施方式中，处理系统进一步包含一个或多个传感器或监测装置，所述传感器或监测装置设置用于对处理系统的运行状态或水的至少一种性质进行测定。传感器的非限制性实例包括组分分析仪、pH传感器、温度传感器、电导率传感器、压力传感器以及流量传感器。在某些实施方式中，传感器提供了对感兴趣的性质或状态进行读取或其它方式传感的实时检测。适用于一个或多个实施方式的传感器的一些非限制性实例包括光学传感器、磁性传感器、射频识别(RFID)传感器、霍尔效应传感器，以及上述传感器的任意组合。

在本文所述的系统和方法的某些非限制性实施方式中，处理系统进一步包含用于对流体的流量进行传感的流量计(flowmeter)。适于本文所述处理系统某些方面的流量计的非限制性实例包括霍尔效应流量计。适于所述处理系统某些方面的流量计的其它非限制性实例包括机械流量计，包括机械驱动的Woltman类型涡轮流量计。

根据一个或多个方面，本文公开的系统和方法可包含控制系统，所述控制系统配置或设置为用于接收来自处理系统中的一个或多个传感器的一种或多种信号。控制系统可进一步设置为用于将一个或多个输出信号或控制信号提供给处理系统的一个或多个组件。可利用一个或多个计算机系统执行一个或多个控制系统。所述计算机系统可为例如通用目的的计算机，如基于易得系统的计算机。在一些实施方式中，控制系统可包含与一个或多个存储装置相连的一个或多个处理器。控制系统可使用执行本文公开的系统和方法的实施方式的软件(包括易得的程序代码)。

可通过一种或多种互联机制将控制系统的组件连结，例如在整合入相同装置内的组件之间可包括一根或多根总线(busses)；和/或例如在处于单独的分散装置上的组件之间可包括一个或多个网络。

控制系统可进一步包含一个或多个输入装置(例如键盘、鼠标、轨迹球、扩音器、触屏)以及一个或多个输出装置(例如打印装置、显示屏或扬声器)。此外，控制系统可包含能够连接通讯网络的一个或多个接口。

根据一个或多个实施方式，一个或多个输入装置可包含一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于对处理系统中的流体的一个或多个参数进行测定。例如，可将传感器设置为直接与控制系统相连的输入装置。就本公开的目的而言，可通过非限制性的方式将术语“监测”定义为包括例如记录、观测、评估和识别等行为。

在某些实施方式中，处理系统还包含用于对处理系统的至少一个运行参数和它的组件进行调节、监测或调控的控制器。在某些实施方式中，控制器以开环控制模式或闭环控制模式对处理系统的运行状态进行调控。在又一实施方式中，控制器可进一步包含通讯系统，例如用于将测得的运行状态或运行参数传递或发送至远程工作站的远程通讯装置。

图2为根据一个或多个实施方式的水处理系统20的工艺流程图。该水处理系统包含电化学水处理装置200。电化学水处理装置200可具有置于阴极和阳极之间的一系列交替的阳离子交换膜和阴离子交换膜。处理系统可进一步包含浓缩流210和稀释流230，浓缩流210和稀释流230与电化学水处理装置200中的至少一个离子交换膜流体连通。浓缩流和稀释流还可与歧管(未示出)流体连通，所述歧管的功能在于收集从电化学水处理装置200的一个或多个区室离开的液体。例如，储罐240可与稀释流230流体连通，并起到储存处理后的水260以进一步利用的作用。浓缩流210和稀释流230还可与泵250流体连通，泵250的功能在于使得相应的流在水处理系统20中循环。水处理系统20可进一步包含与浓缩流210流体连通的废料流或废物流220和废料补充流270。

图3为根据一个或多个实施方式的处理系统30的另一工艺流程图。对液体回路(liquidcircuit)进行了阐述，其中将进料流304导入处理系统30。可将进料流304与水源一起提供或进料流304可与水源流体连通。水源的非限制性实例包括饮用水源(例如市政水、井水)、非饮用水源(例如苦咸水或含盐水(海水)、预处理后的半纯水)，以及上述水源的任意组合。在一些情况下，处理系统(例如纯化系统和/或除氯系统)在包含进料流之前对水进行处理。进料流可包含溶解的盐或者离子物类或可离子化物类(包括钠、氯化物、氯、钙离子、镁离子、碳酸盐、硫酸盐或其它不溶物类或半可溶物类)或者溶解的气体(例如二氧化硅和二氧化碳)。进料流还可包含添加剂，例如氟化物、氯酸盐和溴酸盐物类。作为替代，可在一个或多个工艺步骤后将这些物类添加入处理后的水。

根据一个或多个实施方式，处理系统30包含流体配分系统。配分系统包含流体连接的组件，从而提供处理系统组件之间的流体连通，例如为来自储存系统380的处理后的水提供与产物流360之间的流体连通。配分系统可包含任意排布的管路、阀、三通(tees)、泵、歧管及上述组件的任意组合，从而提供贯通处理系统30以及贯通用户可用的一个或多个产物流或储存系统的流体连通。在某些实施方式中，配分系统进一步包含住宅或家庭水配分系统，包括但不限于与一个或多个用水点(例如水龙头、莲蓬头、洗衣机和洗碗机)的连接。例如，可将处理系统30与家庭的冷、热或冷热水配分系统相连。为了通过对液体加压而控制液体流动，泵及真空源可与流体配分系统的多个组件流体连通。加压液流可进一步包含调控器，从而更易于对压力进行控制。流体还可因重力而流动。

液体回路可进一步包含一个或多个旁通阀312，旁通阀312可允许液体流经水处理系统30的一个部分，同时防止液体流经所述系统的另一部分。例如，旁通阀312的功能可在于允许来自进料流304的流体绕开水处理系统30并与产物流360一起离开；或者相反地，允许进料流304经由阀302、流量计316和预滤器305，流入水处理系统。

预滤器装置305可为设计用于在将水进一步导入处理系统30的一个或多个组件之前，从水中去除任何不合期望的物类的一部分的初滤器或预处理装置。预滤器装置的非限制性实例包括例如碳或木炭过滤器，所述碳或木炭过滤器可用于去除任何氯(包括活性氯)或可能对处理系统工艺流的任意组件的运行造成污染或干扰的任何物类的至少一部分。预处理装置的其它实例包括但不限于离子交换装置、机械滤器和反向渗透装置。可将预处理系统置于处理系统30内的任意位置。例如，由电化学水处理装置300处理后进入储存系统380的水可几乎不含或不含氯(或任何其它替代的消毒剂)。为保持储存系统380中的残余氯水平，可将水与来自进料流304的未处理的水进行混合。优选地，以足以使得经混合的水含有足够抑制细菌活性的氯的比例添加含氯的水。活性氯是指含有表现出抗微生物活性的物类的氯。本文将有效氯浓度定义为抑制储存系统380中细菌(例如大肠杆菌)生长的活性氯化物(例如次氯酸钠)的浓度。因此，进料水与处理后的水在储存系统380中混合的比例可依赖于多个因素，包括电化学水处理装置300的效率、期望的有效氯浓度、储存系统380中含有的水消耗的速率、储存系统380的温度以及进料水的来源和水质。预处理装置还可为例如颗粒滤器(particulatefilter)、曝气装置(aerationdevice)或降氯滤器，并可包含数个装置、或者并联排布或串联排布的多个装置。可将预处理装置305置于储存系统380的上游或下游，或置于电化学水处理装置300的上游，从而至少部分的氯物类保留在储存系统380中，而在水进入电化学水处理装置300之前被去除。

根据一些实施方式，可将预处理装置设置为在处理后的水中添加一种或多种期望的矿物来源或其它物质来源。例如，可在经电化学水处理装置处理后的处理后的水中添加碳酸氢盐和/或氟化物。

根据本文所述的系统和方法的某些实施方式，处理系统30还可包含一个或多个探针或传感器306，例如能够测定处理系统30中的至少一种物理性质的水性质传感器。例如，传感器306可为测定水的电导率、pH、温度、压力、组成和/或流量的装置。可将探针或传感器安装或放置于处理系统30内，以测定特别优选的水性质。例如，探针或传感器306可以是安装或者放置为与储存系统380流体连通的水电导率传感器，从而它测定水的电导率。这可为产物流360提供可用的水质指示。在另一实施方式中，处理系统30中，探针或传感器可包含多种设置或排布的一系列或一组传感器。可构建、排布传感器组并将其连接至控制器，从而控制器可间歇或连续地监测例如储存系统380中的水质。这一设置允许进一步优化处理系统30的性能。

根据本文所述的系统和方法的其它实施方式，处理系统30可包含在液流或整个处理系统30的其它组件的不同位置处的传感器组的组合。例如，探针或传感器可为测定进料流304流量的流量传感器，并可进一步包含对处理系统30的运行状态进行监测的pH计、浊度计、组分分析仪、温度传感器和压力传感器中的任意一种或多种。

储存系统380可储存或蓄积来自进料流304的水，还可用于为产物流360储存处理后的水，并可进一步为电化学水处理装置300供水。根据本文公开的系统和方法的一些实施方式，储存系统380包含罐、容器或储液池，所述罐、容器或储液池具有用于流体流动的入口和出口。在某些非限制性实施方式中，储存系统包含体积容量在约5加仑至约200加仑范围内的罐。在某些非限制性实施方式中，储存系统380可包含数个罐或容器，各个罐或容器可各自具有位于不同位置处的数个入口和/或出口。除其它方面外，根据产物流360的需求和流量、电化学水处理装置300的容量或效率以及储存系统380的容量或储量(hold-up)，可将入口和出口置于各容器的多个位置处。

储存系统380可进一步包含实现期望的功能或避免不合期望的后果的多种组件或元件。例如，罐或容器可具有内部组件，例如放置用于破坏任何内部流动或区域停滞的导流板。在一些实施方式中，储存系统380进一步包含用于对储存的流体进行加热或冷却的热交换器。例如，储存系统380可包含构建有加热盘管的容器，该加热盘管可具有相对于容器中流体的温度而言其温度升高的加热流体。加热流体可为与锅炉或其它产热单元处于闭环流动(closed-loopflow)的热水，从而在锅炉中加热流体的温度升高。加热流体转而借助热传递使得容器流体温度升高。辅助组件或额外组件的其它实例包括但不限于设计用于释放储存系统内部压力的泄压阀。根据进一步的实施方式，处理系统可包含至少两个罐或容器，或在一个或多个罐或容器中的两个区域，它们各自可至少部分地与另一者流体隔离。例如，处理系统可包含流体连接至进料流和流体连接至一个或多个处理装置的两个容器。这两个罐或容器可通过导管与阀彼此流体隔离，从而可将第一个与一个或多个处理装置一起投入使用，而将第二个停止使用从而用于例如维护或清洁。根据本文所述的系统和方法的一个或多个实施方式，使得罐或储液池系统与热交换器连接或热连通，并任选地与流体处理装置连接或热连通。流体处理装置可为电化学水处理装置、反向渗透装置、离子交换树脂床、电渗析装置、电容去离子装置，或上述装置的组合。

在某些实施方式中，可利用阀312将作为稀释流330离开电化学水处理装置300的液体引导入储存系统380。此外，储存系统380可储存或蓄积来自进料流304的水。因此，储存系统380可包含处理后的水以及未处理的水或最低限度处理的水。可对储存系统380进行设置，使得这两种来源的水混合在一起，或者可将两种水源隔离。例如，一种水源可经由一个或多个入口进入储存系统380的底部并以栓塞流(plug-flow)的方式向上流至位于储存系统380顶部的一个或多个出口。

在多个实施方式中，稀释流330可在通过电化学水处理装置300的循环环路(circulatingloop)中流动。循环的稀释流可在电化学水处理系统300的一个或多个贫化区室和储存系统380之间提供流体连通。类似地，浓缩流310可在通过电化学水处理装置300的循环环路中流动，并可与电化学水处理装置的一个或多个浓缩区室流体连通。

水处理系统30可进一步包含一个或多个闸阀302和流量计308。例如，从储存系统380流至产物流360的流体通路可包含闸阀302、流量计308以及一个或多个传感器306(例如离子电导率探针)。在一个或多个实施方式中，浓缩流310可包含来自于浓缩补充流314(浓缩补充流314由进料流304进料而来并流经预滤器305)的水。阀(未示出)可位于浓缩补充流314和浓缩流310的会合处。

在某些非限制性实施方式中，阀312可为电磁阀。电磁阀可为单通阀或多通阀，包括三通阀和四通阀。电磁阀可为开/关型的阀、比例型的阀或两种阀的任意组合。例如，四通电磁阀312可包含与电化学水处理装置的浓缩区室流体连通的第一端口。第二端口可与电化学水处理装置300的稀释区室流体连通。可将第二四通电磁阀312置于电化学水处理装置300的一个或多个出口的下游。例如，阀312的第一端口和第二端口可分别与电化学水处理装置300的浓缩腔室与稀释腔室的出口流体连通，并分别对浓缩流和稀释流进行给料。

在一个或多个实施方式中，控制系统可与多通阀通讯。例如，三通电磁阀可允许将两种进入流体(incomingfluids)中的任一种引导至出口。当阀处于“关闭”位置，可阻断来自进入流体流之一的流体流动。当阀处于“开启”位置，可阻断来自另一进入流体流的流体流动。例如，可利用阀312将来自浓缩流310和储存系统380的流体流动引导至电化学处理装置300。对这些流中的一种或全部的使用进行的精确选择可通过控制系统的一个或多个组件来控制。

处理系统30可进一步包含液体回路，所述液体回路允许电化学水处理装置300的一个或多个出口与储存系统380之间流体连通。例如，阀312的第三端口可与电化学水处理装置300的至少一个出口流体连通。在某些实施方式中，电化学水处理装置的出口包含来自电化学水处理装置300的一个或多个贫化区室的离子贫化水。阀312的第四端口可与传感器306(例如离子电导率探针)流体连通。所述液体回路还可与到达储存系统380的至少一个入口流体连通。储存系统380的出口可与到达电化学水处理装置300的至少一个入口流体连通。所述液体回路可包含一个或多个泵350，从而有助于引导流体通过处理系统30，例如，用于将流体引导入电化学水处理装置300的一个或多个入口。

本文所述的系统和方法进一步提供了处理系统，其中，控制器可提供阀的致动信号，从而基于多种运行参数对流体流动进行调节。这些参数可包括但不限于来自进料流304的水的性质、储存系统380中的水的性质、稀释流330中的水的性质、浓缩流310中的水的性质，以及上述参数的任意组合。其它参数可包括离开储存系统380的水的性质、有必要提供给产物流360的水的需求、电化学水处理装置300的运行效率或容量、与电化学水处理装置300相关的运行参数，以及上述参数的任意组合。具体测定的参数可包括但不限于水的电导率、pH、浊度、组成、温度、压力、流量，以及上述参数的任意组合。

在一个或多个实施方式中，控制器可接收来自一个或多个传感器的信号，从而控制器能够对处理系统30的运行参数进行监测。例如，可将电导率传感器置于储存系统380内，从而通过控制器监测电导率。在一个或多个实施方式中，控制器可接收来自一个或多个传感器的信号，从而控制器能够对稀释流的运行参数(例如电导率)进行监测。在运行中，控制器可对由动力源供给处理系统的一个或多个组件的电压、电流或二者进行升高、降低或者调节。控制器可包含算法，所述算法能够基于在系统中流动的液体的一种或多种所测定的性质，对处理系统30的运行参数进行调整。例如，在一些实施方式中，控制器可将浓缩流310和稀释流330的流量升高或降低。

可借助编程对控制器进行设置，或者控制器是可通过编程来设置的，或者控制器可以是自动调节的，从而所述控制器能够将使用寿命、效率的任一种最大化，或者降低处理系统30的运行成本。例如，控制器可包含微处理器，所述微处理器具有可由用户选择的设置点(setpoints)或自动调节的设置点，从而对施加于阀312的电压、电流或二者、浓缩流310中的流量以及流出至排出流(dischargestream)320的流量进行调节。

根据本文公开的系统和方法的另一实施方式，控制器通过纳入自适应算法或预测算法，对处理系统的运行进行调控，所述算法能够对需求和水质进行监测，并对处理系统30的任意一个或多个组件的运行进行调节。例如，在住宅用途中，控制器可预测在清晨时间预期会对处理后的水有更高的需求，从而为莲蓬头提供产物流360。

在某些非限制性实施方式中，利用射频识别(RFID)来提供对处理系统30中的某些性质或状态的实时检测。在某些实施方式中，设置多个内联识别标签(inlineidentifyingtag)读取器或光学传感器，随着液体在处理系统中传输，对所述液体的某些性质或状态进行跟踪或传感。可将RFID与一种或多种其它传感器(例如流量计)组合。例如，可将嵌入式标签(embeddedtag)置于预滤器装置305的滤芯(cartridge)中，并与流量计组合使用，以确定多种性质或状态(例如滤芯中存留的可用体积、在滤芯被消耗而需要替换前剩余的天数)。

在某些非限制性实施方式中，阀312可被致动，从而将待处理的液体从储存系统380提供至电化学水处理装置300，并将处理后的液体转移至储存系统380。在一些排布中，液体回路可包含连接(connections)，从而可将未处理的液体与将要离开电化学水处理装置300的任何电极区室的液体进行混合。在数个实施方式中，液体回路可进一步包含到达和来自储存系统380的连接，从而例如可将离开电化学水处理装置300的贫化区室的处理后的液体转移至储存系统380，并与来自进料流304的未处理液体混合。可将生成的混合液递送至产物流360，并任选地递送至处于并联或串联流路中的电化学水处理装置300的一个或多个离子交换膜。

根据本文所述的系统和方法的又一实施方式，借助传感器或传感器组，控制器可对水储存系统380中的至少一种水性质进行监测或测定，还可对产物流360中流动的流量进行测定。控制器可基于测得的性质对电化学水处理装置300和/或阀312的运行参数进行调节。在本文所述的系统和方法的一个或多个实施方式中，一个或多个传感器可测定储存系统380中的水以及进料流304的至少一种性质。

在某些实施方式中，储存系统380可连接在进料流304的下游，并可与电化学水处理装置300流体连通。例如，来自进料流304的水可流入储存系统380中含有的主体水(bulkwater)并与之混合。主体水可离开储存系统380并被引导至产物流360，或经由阀312离开并经由阀312被引导入电化学水处理装置300进行处理。在某些实施方式中，离开电化学水处理装置300的处理后的水可通过进入储存系统380而与来自进料流304的水混合。通过这样的方式，可在储存系统380、电化学水处理装置300和进料流304之间形成液体回路，并可作为对经由产物流360离开系统30的水进行补充的方法而发挥功能。

根据本文所述的系统和方法的进一步的实施方式，在处理系统中可使用一个或多个消毒和/或清洁设备组件。此类消毒或清洁系统可包含至少部分地对可能在处理系统的任何组件处积聚的任何微生物(例如细菌)造成破坏或使其失活的任何设备。清洁或消毒系统的实例包括能够引入消毒剂或消毒化合物(例如卤素、卤素供体、酸或碱)的清洁或消毒系统；以及将处理系统的湿组件暴露于能够进行清洁卫生处理的热水温度的系统。根据本文所述的系统和方法的另一些进一步的实施方式，处理系统可包含最终阶段或后处理系统或子系统，这些最终阶段或后处理系统或子系统在递送至使用点之前提供对流体的最后纯化。此类后处理系统的实例包括但不限于：将流体暴露于光化辐照或紫外辐照和/或臭氧的系统，或借助微滤或超滤去除不合期望的化合物的系统。因此，处理系统可用于家庭服务，并可安装在例如水槽下并提供处理后的水(在递送至使用点(例如水龙头)之前通过暴露于紫外辐照而被进一步处理)。

根据进一步的实施方式，处理系统可包含允许对处理系统的任何组件进行消毒的系统和技术。例如，可将处理系统暴露于消毒溶液或消毒剂。消毒剂可为能够对存在于处理系统的任何组件或子系统中的任何活微生物(例如细菌)的至少一部分造成破坏或至少使其失活的任何材料。消毒剂的实例可包括破坏细菌或使得细菌失活的碱、酸或杀菌剂(诸如卤素或卤素供体化合物，以及过氧化物或过氧化物供体化合物)。可借助任何合适的装置或技术将消毒剂导入处理系统。例如，可将氯导入至储存系统。可通过注入次氯化物(所述次氯化物来自可流体连接至处理系统的任何合适部分的消毒剂储液池)导入氯。含氯的水可在处理系统的至少部分中进一步循环，从而将系统的湿部分暴露于消毒剂。

根据另一实施方式，排出的水(包含例如经由废物流或废料流320离开系统的水)可被用于辅助用途，以便用于或提供额外益处或第二益处。例如，排出的水可用于为住宅和商业以及工业用途提供例如灌溉用水。排出的水也可用于对收集或浓缩的盐进行回收。

在一个或多个实施方式中，处理系统可包含混合系统，所述混合系统流体连接至流体配分系统和储存系统中的至少一者。混合或共混系统可包含流体配分系统中的一个或多个连接以及与进料流的连接。混合系统可提供例如未处理的水与处理后的水的流体混合，从而生成可给料至一个或多个产物流的供水(servicewater)。例如，混合系统可包含流体连接储存系统的出口和进料流的至少一个三通、混合罐或者这二者。在一些情况下，混合系统可包含对任何未处理的水流、处理后的水流以及流至产物流的任何其它流的流动进行调控的阀。在另一实施方式中，阀可为比例型阀，它根据预定的比例将处理后的水与未处理的水进行混合。在另一实施方式中，阀可基于例如流量、水的性质以及与产物流有关的特定用途而利用控制器致动。例如，如果产物流需要低硬度的水，则控制器可借助阀的致动来调控可与处理后的水混合的未处理的水的量(如果有的话)。这可借助测定混合水流的电导率的传感器进行闭环控制来实现。在另一实施方式中，阀可根据产物流的某些需要来调控与未处理的水混合的处理后的水的流量。在其它实施方式中，可对处理装置进行操作以达到低于一种或多种产物流所需要的任何值的设置点，从而处理后的水与未处理的水的任何混合可产生满足各产物流特定需求的供水。

本领域技术人员能够认识到的是，处理系统可以是可调节的，以便适应需求的波动以及水质要求的改变。例如，本文所述的系统和方法可产生低LSI的水，所述低LSI的水在延长的空转周期中对于处理系统整体而言是可获得的。在一些实施方式中，低LSI的水可用于冲洗处理系统的湿组件，从而可降低结垢的可能，并且不仅提高单个组件的使用寿命，还提高处理系统总体的使用寿命。根据一些实施方式，本文所述的系统和方法促使生成具有低电导率的处理后的液体(例如水)。处理系统可包含流体回路，所述流体回路为一个或多个产物流及随后的一个或多个使用点提供处理后的水、或在一些情况下提供软化后的水、或在其它情况下提供低电导率的水和/或低LSI的水。

在本文所述的系统和方法的另一实施方式中，处理系统30可包含对液体流量进行调控的一个或多个流量调控器。例如，流量调控器可对经由废物流从系统排出的流体的体积进行调控。根据本文所述的系统和方法的另一实施方式，流量调控器可为能够根据预定的方案间歇式地开启和关闭预定时间周期的阀，以允许预定体积的水流动。可通过例如改变流量调控器开启和关闭的持续时间和/或频率来调节流动流体的体积。在一些实施方式中，可借助控制器，通过例如致动信号来调控或控制流量调控器。控制器可为致动器提供致动信号(例如无线电、电流或气压信号)，利用马达或隔板(diaphragm)开启和关闭流量调控器。利用阀或流量调控器调控的流体可为处于水处理系统中的任何流体。

实施例

从如下实施例中，将更全面地理解这些实施方式和其它实施方式的功能和优势。这些实施例事实上旨在进行说明，而不应被认为是对本文讨论的实施方式的范围进行限定。

实施例1—比较研究

对根据本文所述的系统和方法的一个或多个实施方式并在图2中概括示出的电化学处理系统相对于对照处理系统的性能进行评估。进行了比较研究，来对两种系统将28加仑体积的进料水从20gpg净化至4gpg的性能特征进行评估。两种系统的进料流在组成上是相同的。在下表1中概述的条件下，利用电化学装置对水进行处理。

表1：电化学处理系统条件；高效电去离子(HEED)

此外，在下表2中概述的条件下，利用对照装置(CEDI装置)对水进行处理。

表2：对照处理系统条件(CEDI装置)

比较研究的结果在表3中示出，该结果表明，在等同的流量和伏/电池对的条件下，15电池对的电化学测试装置能够和30电池对的CEDI模块一样快地降低硬度。

表3：比较研究结果

该电化学测试装置生成具有300μS/cm的电导率的产物，表明为了实现硬度的同样降低，不需要将电导率降低至对照CEDI装置所需要的程度。因此，清洁速率显著改进；对两种系统所需的工艺时间的比较在图4中以图表的形式说明。如所示出的，与CEDI对照装置相比，该电化学测试装置降低进料流硬度所需的时间减少了至少25％。减少的工艺时间可带来其它优势，包括减少模块的尺寸、减少模块的占空比、以及提高产率。进而，该电化学测试装置不使用或者不需要CEDI对照装置那样的循环切换。对进料水和电化学测试装置生成的产物水的性质之间的直接比较在下表4中示出。

表4：进料流和产物流中的水的性质

电化学测试装置的LSI分析的结果在下表5中示出。测试装置中浓缩流的LSI显著低于CEDI对照装置的LSI。这在下表中示出，其中，测试装置持续地生成处于约0.2或低于约0.2的LSI值。

表5：电化学测试装置的LSI分析

研究使用的离子电导率探针是MyronLCompany^TMUltrameterII。利用由Oakton^TM可得的pH计测定pH。碱度、钙含量和总硬度均为利用由Hach^TM可得的滴定仪器测定，分别包括AL-AP、EDTA和HA71A型号。

实施例2—脱盐研究1

为了确定实施例1中使用的离子交换膜的效力，使用海水作为进料水来源，对电化学处理系统进行评估。将平均电导率为约40,000μS/cm的海水进料至浓缩流和稀释流中，并在下表6概述的条件下利用电化学装置进行处理。这一安排有效地实现脱盐工艺的功能。稀释流和浓缩流被连续地再循环，流量为约500ml/min。电化学装置中使用的阳离子交换膜(CEM)和阴离子交换膜(AEM)获得自EvoquaWaterTechnologies(Lowell，MA)。该阴离子交换膜具有约89％的离子选择透过性。膜间间距为0.4mm-0.5mm，不过，更小的距离也在本公开的范围内。

表6：脱盐研究1-电化学处理系统条件

模块	10电池对；SWT G2 CEM/AEM；10伏
		稀释流入口	海水；入口42.05mS/cm；16.5psi
稀释流出口	500ml/min；0psi；1升，再循环
		浓缩流入口	海水；入口42.05mS/cm；16psi
浓缩流出口	485ml/min；0psi；2升，再循环

在数个时间点对离开电化学处理系统区室的稀释流和浓缩流的pH和电导率进行测定，结果在下表7中示出。电化学测试装置能够将海水的电导率降低至约300μS/cm的数值。浓缩流的pH从7.65的数值降低至6.28的数值。这表明浓缩流的pH可被降低至微酸性。这与其它电化学系统相反，其它电化学系统中浓缩流可为碱性，因此更易于造成沉淀。进而，浓缩流的pH与稀释流的pH之比维持在约1.0的值。在本实施例中，浓缩流的酸性意味着不需要向浓缩流添加额外的酸源，从而降低工艺成本。

表7：脱盐研究1结果

实施例3—脱盐研究2

为了确认实施例2的结果，利用与实施例2所述类似的电化学处理系统进行第二实验。再次利用海水作为进料来源，其具体的工艺条件在下表8中概述。

表8：脱盐研究2—电化学处理系统条件

模块	10电池对；SWT G2 CEM/AEM；10伏
		稀释流入口	海水；入口41.8mS/cm；6.5psi
稀释流出口	436ml/min；0psi；1升，再循环
		浓缩流入口	海水；入口41.8mS/cm；16psi
浓缩流出口	400ml/min；0psi；2升，再循环

pH和电导率的测定数据结果在下表9中示出。进料流的电导率降低至约400μS/cm的值。浓缩流的pH降低至5.65的值，这比实施例2获得的结果酸性更强。浓缩流的pH与稀释流的pH之比再次产生约1.0的值。

表9：脱盐研究2结果

应理解的是，本文讨论的方法和设备的实施方式并不限于本文描述中所说明的或附图中所阐释的构造细节和组件排布的应用中。该方法和设备能在其它实施方式中执行并能以多种方式实施或进行。本文提供的具体实施方式的实例仅用于解释性目的，而非用于限定。特别是，与任何一个或多个实施方式相关的所讨论的动作、要素和特征不旨在排除其在任何其它实施方式中的类似作用。

另外，本文使用的短语和术语用于描述目的，不应理解为限定。以单数提及的对本文系统和方法的实施方式或要素或动作的任何指代还可包含包括复数个此类要素的实施方式；并且，以复数提及的对本文的任何实施方式或要素或动作的任何指代还可包含仅包括单个要素的实施方式。“包含”、“包括”、“具有”、“含有/含”、“涉及”(“comprising”，“including”，“having”，“containing”，“involving”)及它们的变体在本文中的使用意味着包括其后所列的项目及其等同物以及另外的项目。涉及“或”可被理解为包含性的，从而利用“或”描述的任何术语可指示所述术语中任何一个、超过一个以及全部。对于前和后、左和右、顶部和底部、上部和下部以及竖直和水平的任何指代旨在便于描述，并不将本系统和方法或它们的组件限定为任一位置或空间取向。

在上文已描述了至少一个实施方式的数个方面的情况下，应理解的是，本领域技术人员容易想到各种改变、修改和改进。此类改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本文公开的系统和方法的范围之内。因此，前述说明和附图仅为示例性的。

Claims (20)

1.一种水处理系统，所述水处理系统包含：

电化学水处理装置，所述电化学水处理装置包含至少一个离子交换膜；

浓缩流，所述浓缩流与所述至少一个离子交换膜流体连通；以及

稀释流，所述稀释流与所述至少一个离子交换膜流体连通，

其中，所述至少一个离子交换膜被设置为将所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比提供为处于约0.9至约1.2的范围内。

2.如权利要求1所述的水处理系统，其中，所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比处于约0.9至约1.1的范围内。

3.如权利要求2所述的水处理系统，其中，所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比处于约1.0至约1.1的范围内。

4.如权利要求1所述的水处理系统，其中，所述浓缩流的pH处于约5.0至约7.0的范围内。

5.如权利要求1所述的水处理系统，其中，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.7pH单位。

6.如权利要求5所述的水处理系统，其中，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.5pH单位。

7.如权利要求1所述的水处理系统，所述水处理系统进一步包含与所述浓缩流和所述稀释流流体连通的进料流，所述进料流具有至少约40,000μS/cm的电导率。

8.如权利要求7所述的水处理系统，其中，所述进料流为海水。

9.如权利要求7所述的水处理系统，其中，所述稀释流的电导率为小于1000μS/cm或为约1000μS/cm。

10.如权利要求1所述的水处理系统，其中，所述水处理系统不需要用于所述浓缩流的单独的酸性水源。

11.如权利要求1所述的水处理系统，其中，所述水处理系统不需要极性逆转循环。

12.一种水处理方法，所述水处理方法包含：

将水进料至电化学水处理装置，所述电化学水处理装置包含至少一个离子交换膜；

使得进料水流经所述电化学水处理装置的浓缩区室，以生成浓缩流；以及

使得所述进料水流经所述电化学水处理装置的稀释区室，以生成稀释流，

其中，所述至少一个离子交换膜被设置为将所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比提供为处于约0.9至约1.2的范围内。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述浓缩流的pH与所述稀释流的pH之比处于约1.0至约1.1的范围内。

14.如权利要求12所述的方法，其中，所述方法进一步包含使得所述浓缩流再循环，且再循环的浓缩流的pH处于约5.0至约7.0的范围内。

15.如权利要求12所述的方法，其中，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.7pH单位。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述稀释流的pH比所述浓缩流的pH低小于约0.5pH单位。

17.如权利要求13所述的方法，其中，所述进料水的电导率为至少约40,000μS/cm。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述方法进一步包含储存所述稀释流的至少一部分，且所述稀释流的储存部分的电导率为小于1000μS/cm或为约1000μS/cm。

19.如权利要求12所述的方法，其中，所述方法不需要用于所述浓缩流的单独的酸性水源。

20.如权利要求12所述的方法，其中，所述方法不需要极性逆转循环。