CN105555718A - 用于极化控制的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开的是预测极化的发生以及电化学系统将电流密度维持为低于极限电流密度且避免不稳定的设计和操作的方法。

Description

用于极化控制的方法和系统
技术领域
本公开内容的一个或更多个方面大体上涉及水处理，且更特别地涉及用于在电化学系统中处理水以控制浓差极化的系统和方法。
概述
本公开内容的一个或更多个方面提供操作多阶段电化学处理系统的方法。多阶段电化学处理系统可以具有第一阶段和第二阶段，所述第一阶段具有包括第一电池堆的至少一个电化学处理装置，所述第二阶段具有包括第二电池堆的至少一个电化学处理装置，所述第一阶段与所述第二阶段的上游流体连通。方法可以包括将待处理的液体引入所述第一阶段的入口。方法可以包括计算所述第一阶段的极限电流密度。方法可以包括在所述第一阶段中以横跨所述第一电池堆的第一电流密度操作，所述第一电流密度低于所述第一阶段的极限电流密度。方法可以包括在所述第一阶段中从所述液体中移除第一量的总溶解固体，以产生部分处理的液体。方法可以包括从所述第一阶段的出口取出所述部分处理的液体。方法可以包括将所述部分处理的液体引入所述第二阶段的入口。方法可以包括计算所述第二阶段的极限电流密度。方法可以包括在所述第二阶段中以横跨所述第二电池堆的第二电流密度操作，所述第二电流密度低于所述第二阶段的极限电流密度。方法可以包括在所述第二阶段中从所述部分处理的液体中移除第二量的总溶解固体，以产生处理的液体，所述第二量的总溶解固体少于所述第一量的总溶解固体。方法可以包括在所述第二阶段的出口处提供所述处理的液体。
方法还可以包括在第一液体流速下操作经过所述第一阶段，并且在所述第二阶段中操作包括在第二液体流速下操作经过所述第二阶段，所述第二液体流速大于所述第一液体流速。方法还可以包括在所述第一阶段的入口处测量所述待处理的液体的总溶解固体浓度和流量。方法还可以包括部分地基于所述待处理的液体的总溶解固体浓度和所述待处理的液体的流量计算所述第一阶段的极限电流密度。方法还可以包括部分地基于所述部分处理的液体的所测量的总溶解固体浓度和所述部分处理的液体的所测量的流量计算所述第二阶段的极限电流密度。在所述第一阶段的入口处，所述待处理的液体的总溶解固体浓度可以大于约30,000ppm。所述处理的液体的总溶解固体浓度可以小于约500ppm。
本公开内容的一个或更多个方面提供用于处理液体的多阶段电化学处理系统。系统可以包括第一阶段，其包括具有第一极限电流密度的电化学处理装置。系统可以包括第二阶段，其包括具有第二极限电流密度的电化学处理装置，所述第二阶段与所述第一阶段的下游流体连通。系统可以包括控制系统，其被配置成在所述第一阶段中在第一组电极之间提供低于所述第一极限电流密度的第一电流密度，并且被配置成在所述第二阶段中在第二组电极之间提供低于所述第二极限电流密度的第二电流密度，所述第二电流密度不同于所述第一电流密度。
所述系统的所述第一阶段还可以包括第一流速传感器和第一总溶解固体浓度传感器。所述系统的所述第二阶段还可以包括第二流速传感器和第二总溶解固体浓度传感器。所述控制系统还可以被配置成部分地基于来自所述第一流速传感器的第一输入信号和来自所述第一总溶解固体浓度传感器的第二输入信号来计算所述第一极限电流密度。所述控制系统还可以被配置成部分地基于来自所述第二流速传感器的第一输入信号和来自所述第二总溶解固体浓度传感器的第二输入信号来计算所述第二极限电流密度。所述第一阶段的所述电化学处理装置可以包括第一总数的电池对，并且所述第二阶段的所述电化学处理装置可以包括第二总数的电池对，所述第二总数的电池对少于所述第一总数的电池对。所述第一阶段或第二阶段的所述电化学处理装置还可以包括阻挡间隔件，所述阻挡间隔件被配置成促进所述液体的多个流道(flowpass)穿过所述第二阶段的所述电化学处理装置。所述阻挡间隔件可以被设置在第一流道子单元与第二流道子单元之间。
所述系统的所述第一流道子单元可以包括第一总数的电池对，并且所述第二流道子单元可以包括第二总数的电池对，所述第二总数的电池对少于所述第一总数的电池对。所述控制器可以被配置成提供在所述第一阶段中第一量的总溶解固体从所述液体中的移除以及在所述第二阶段中第二量的总溶解固体从所述液体中的移除，所述第一量的总溶解固体多于所述第二量的总溶解固体。所述第一阶段的所述电化学处理装置可以包括电渗析装置和电去离子装置(electrodeionizationdevice)中的一种。所述第二阶段的所述电化学处理装置可以包括电渗析装置和电去离子装置中的一种。所述系统还可以包括具有第三极限电流密度的第三阶段，所述第三阶段包括至少一个模块化电化学处理装置，所述第三阶段与所述第一阶段的下游流体连通并且与所述第二阶段的上游流体连通。
本公开内容的一个或更多个方面提供用于处理液体的多阶段电化学处理系统。系统可以包括第一电化学处理队列(firstelectrochemicaltreatmenttrain)。第一电化学处理队列可以包括第一阶段，其包括具有第一极限电流密度的电化学处理装置。第一电化学处理队列可以包括第二阶段，其包括具有不同于所述第一极限电流密度的第二极限电流密度的电化学处理装置，所述第二阶段与所述第一阶段的下游流体连通。系统可以包括与第一电化学处理队列流体连通的第二电化学处理队列。第二电化学处理队列可以包括第三阶段，其包括具有第三极限电流密度的电化学处理装置。第二电化学处理队列可以包括第四阶段，所述第四阶段包括具有不同于所述第三极限电流密度的第四极限电流密度的至少一个电化学处理装置，所述第四阶段与所述第三阶段的下游流体连通。系统可以包括控制系统，其被配置成在所述第一阶段中在第一组电极之间提供低于所述第一极限电流密度的第一电流密度，在所述第二阶段中在第二组电极之间提供低于所述第二极限电流密度的、不同于所述第一电流密度的第二电流密度，在所述第三阶段中在第三组电极之间提供低于所述第三极限电流密度的第三电流密度，以及在所述第四阶段中在第四组电极之间提供低于所述第四极限电流密度的、不同于所述第三电流密度的第四电流密度。
系统还可以包括在所述第一电化学处理队列和所述第二电化学处理队列的下游流体连接的精制器装置(polisherdevice)。所述精制器装置可以是电渗析装置和电去离子装置中的一种。所述第一电化学处理队列可以被布置成与所述第二电化学处理队列并列。
附图说明
附图并不意图是按比例绘制。为了清楚的目的，不是每一个部件可以标记在附图中，也不是在图示对于允许本领域的普通技术人员理解本公开内容不是必要的地方都示出了本公开内容的每个实施方案的每一个部件。
图1呈现在电渗析(ED)系统的电池对中的浓度分布；
图2呈现靠近电化学系统的阳离子交换膜的Na+离子的浓度分布；
图3呈现在极化即将发生的情况下的Na+离子的浓度分布；
图4呈现根据实施方案的多阶段电化学处理系统的示意图；
图5呈现根据实施方案的系统的每阶段的总溶解固体(TDS)移除的图；
图6呈现根据实施方案的系统的每阶段的TDS移除的图；
图7呈现根据实施方案的系统的每阶段对于各种进料浓度的TDS移除的图；
图8呈现根据实施方案的系统的每阶段对于各种进料浓度的电流的图；
图9呈现根据实施方案的每阶段或每子阶段的、具有不同的电池对的多阶段电化学系统的示意图；
图10呈现根据实施方案的系统的每阶段的TDS移除的图；
图11呈现根据实施方案的具有并联的多个队列的多阶段电化学系统的示意图；
图12呈现根据实施方案的具有并联的多个队列的多阶段电化学系统的示意图；
图13呈现对于根据实施方案的两个系统比较能量模块的数目与能量消耗的图；
图14呈现根据实施方案的具有并联的多个队列的多阶段电化学系统的示意图；
图15呈现根据实施方案的具有并联的多个队列的多阶段电化学系统的示意图；以及
图16呈现比较根据实施方案的两个系统的能量模块的数目与能量消耗的图。
详细描述
用于用电场净化流体的电化学系统可以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电化学处理装置是电去离子装置和电渗析装置。
电去离子(EDI)是使用电活性介质和电势从水中移除一种或更多种电离的或可电离的物质或至少减少所述一种或更多种电离的或可电离的物质的浓度以影响离子运输的工艺。电活性介质通常由源自水分子在EDI装置内的电解(分解)的离子产生。连续电去离子(CEDI)装置是以其中水净化可以连续地进行同时离子交换材料连续地再生的方式操作的EDI装置。
电渗析(ED)装置以与CEDI类似的原理操作，除了ED装置通常在膜之间不包含电活性介质。在基于ED的系统中，因为不存在电活性介质，所以水分子的分解不必要地消耗能量，这降低了系统的操作效率。以其中发生水分子的分解的方案操作基于ED的系统是期望地被避免的。
电化学处理装置通常包括由交替的电活性的半渗透性阴离子交换膜和阳离子交换膜构成的电池堆。在膜之间的间隔界定具有入口和出口的液体流动隔室。经由电极强加的施加的电场引起溶解的阳离子被吸引至电化学装置的阴极，以迁移穿过电化学装置的阳离子交换膜，而溶解的阴离子被吸引至电化学装置的阳极，迁移穿过电化学装置的阴离子交换膜。随着水流经耗尽隔室，通常在电场比如直流(DC)场的影响下将离子和其他带电物质吸引到浓缩隔室中。带正电荷的物质朝向通常位于多个耗尽隔室和浓缩隔室的堆的一端处的阴极吸引，并且同样地，带负电荷的物质朝向这样的装置的通常位于隔室的堆的相对端处的阳极吸引。
离子在施加的电场的影响下迁移穿过电化学装置的膜导致稀释隔室的液体被耗尽离子，并且浓缩隔室中的液体富有被转移的离子，如在2012年6月29日提交的、题为“ElectrodesalinationSystemandMethod”的专利申请第PCT/US2012/044937号中所讨论的，该专利申请为了所有目的据此通过引用以其整体并入。在电化学装置中，通常从被施加于包括阳极(或正极)和阴极(或负极)的一组电极的电压和电流的源将DC场施加于电池。电压源和电流源(共同地称为“电源”)可以通过多种手段比如AC电源或例如源自太阳能、风能或波浪能的电源来给自身提供动力。
在水分解发生之前在电化学系统中可实现的最大电流被称为极限电流。当离子从本体稀溶液转移至膜表面的速率低于离子穿过膜转移的速率时，电流极限发生在电渗析系统中。膜表面处的离子的浓度接近零。结果是驱动电流所需的电压、在膜表面处的水分解以及不稳定的操作的快速增加。已经研发了关于作为本体浓度和流速的函数的极限电流的经验等式。经常期望的是，在电化学系统的操作期间避免超过极限电流。
在电化学操作期间，离子在靠近膜表面的溶液中的浓度不同于在流动隔室的本体中的浓度。这种现象被称作浓差极化，Strathmann,H.2004.Ion exchangemembraneseparationprocesses；MembraneScienceandTechnology Series,9.Elsevier。在极化的极端情况下，在稀释隔室中的离子浓度在膜表面处接近零并且电流极限发生。在实验室操作和中试操作方面的经验表明，在达到极限电流后，仅可以困难地恢复稳定性。补救行动可能需要例如关掉电源并允许进料水未去离子地流经稀释隔室或用高盐度水冲洗模块。
在商业脱盐工厂中，使模块脱机以恢复稳定性是不期望的。因此，在电化学系统的设计和操作中，防止电流极限连同能量消耗和资本成本一起经常是优先考虑的事。
图1示出在电化学装置的电池中的离子在溶液中的理想化的浓度分布，以图示浓差极化。为了简单起见，假定溶液仅包含NaCl。假定离子的浓度在稀释流和浓缩流的本体中是一致的。在邻近膜的边界层内，溶液穿过电池的流动是层流的并且平行于膜表面，因此没有对流混合。边界层的厚度取决于本体溶液中的速度。
图2示出靠近阳离子交换膜(CEM)的Na+浓度的分布。假定膜是完美地选择性的，由于DC电场，仅Na+离子被转移穿过阳离子交换膜(CEM)。在边界层中，Na+离子通过由于电场的“迁移”和通过由于浓度梯度的扩散而从本体溶液转移至膜表面。Na+穿过膜和邻近的边界层的转移速率是相同的。由于电中性，Cl-离子的浓度具有与Na+离子相同的分布。
类似地，Cl-浓度在邻近阴离子交换膜(AEM)的边界层中降低并且再次由于电中性，Na+离子的浓度分布与Cl-离子的浓度分布相同。Na+和Cl-离子的浓度分布因此被假定是相同的，并因此由如图1中关于NaCl的分布表示。
图3示出在稀释流被进一步脱盐并且电流极限即将发生时的浓度分布。在稀释流的本体中的离子浓度已经降低至在膜表面处相应的浓度接近零的点。大致线性地依赖于浓度的稀释流电导率也降低至零。驱动电流穿过稀释流-膜界面所必需的电势因此急剧增加。只有在水分解发生以供应H+和OH-离子来提供电导率时，进一步的电流转移才是可能的。
在实际的电化学操作中的浓差极化通常比图1-3中图示的更复杂。例如，在流动隔室中可以被用来将膜保持分开的网状物可以促进流体混合。取决于网状物几何结构和雷诺数，网状物还可以在网状物的线的下游产生滞流区(被称为“阴影效应”)。如图1中示出的简单的边界层可能因此对于实际的电化学装置不是完全准确的。此外，离子交换膜不是完美地选择性的，并且水由于电渗透和渗透也被运输穿过膜。两种现象均影响在紧邻膜表面的溶液中的离子分布。
对极化和电流极限的数学上精密分析可能需要包含流体力学、传质、电化学和化学平衡的有限单元逼近。可能需要超级计算机。
因此，研究者已经在建模极化时依靠用于极限电流的经验等式，例如：
i极限＝aCub(1)
其中：
i极限＝极限电流密度
C＝本体浓度
u＝本体速度
a,b＝由实验数据确定的常数
等式1可以按需要被用于计算极限电流密度的更复杂的算法替换。算法可以考虑在所关注的特定电化学装置中的膜性质、网状物设计、膜之间的间距、或其他性质。
为了避免极化，所施加的电流密度必须低于在稀释流中的任何点处的极限电流密度。等式示出，i极限随着本体浓度接近零而降低至最小值。因此，预期的是，极化的风险在稀释流的出口处是最高的。
因为极限电流密度通过增加正在被处理的流体的本体速度和本体浓度而增加，所以对这些变量的适当控制可以帮助产生其中极限电流密度不被超过的系统。
电流密度可以被理解为电流除以电流穿过的面积。在电化学处理系统的上下文中，电流穿过的面积可以是与正在被处理的液体接触的膜的表面。
本文公开的是多阶段电化学处理系统和用于以有效的方式操作那些系统同时避免在产生超过极限电流密度的施加的电流密度的电流下操作的方法。公开的方法还可以帮助预测极化的发生以及电化学系统将电流维持为低于极限电流密度且避免不稳定的设计和操作。公开的系统和方法可以减少对于给定的产物流量所需的电化学装置的数目(并且因此资本成本)。
在开发和操作有效地避免极限电流密度的电化学处理系统中可以考虑许多因素。在产生和操作在不超过极限电流密度的情况下处理水的电化学系统中，可以期望的是，能量消耗和资本成本被最小化。类似地，可以期望的是，水回收率和产物流量被最大化。系统设计和操作可以涉及某些权衡。例如，在某些系统中增加产物流量还可能需要能量消耗的增加。系统的操作还可以解释(accountfor)输入变量，例如进料水组成和温度。
对电化学脱盐系统的操作者可用的控制变量包括施加的电流、施加的电压、流的温度、流的离子浓度或TDS浓度、流量和流速。例如，为了防止在用于海水脱盐的电化学操作中的极化，根据一个或更多个实施方案，液体在稀释隔室中的速度可以在脱盐过程的稍后阶段中被增加。避免极限电流密度可以导致较低的模块电阻(moduleresistance)(即较低的能量消耗)、较低的结垢风险(即OH-离子的产生减少)、和改善的电流效率(即减少的模块电阻以及电短路或漏电的风险减少)。
功率消耗可以受到在处理的特定阶段和对于特定的进料概况所选择的电化学装置的类型影响。例如，包含在EDI模块中的离子交换树脂有助于减少当水的电导率低时的施加的电压。如果EDI模块被用在海水上，则离子交换树脂在稀释隔室中的影响是小的。相反地，如果在ED模块中的水太纯，则高电阻将产生，这促成过量的功率消耗。
公开的处理系统和方法可以被用于多种目的。例如，待由电化学装置处理的流入液或液体可以包括盐溶液。盐溶液可以包含单一盐物质或盐物质的混合物，例如，如可以在海水中存在的。在至少一个实施方案中，产生的处理的液体可以包括饮用水。饮用水通常具有小于约1,500ppm的总溶解固体(TDS)含量。在某些实施方案中，加工的饮用水可以具有小于约1,000ppm的TDS。在某些实施方案中，加工的饮用水可以具有小于约500ppm的TDS含量。在某些非限制性实施方案中，加工的饮用水可以具有小于约250ppm的TDS含量。
可以根据本文公开的实施方案处理的非饮用水的实例可以包括海水或盐水、微咸水、灰水(graywater)、和某些工业用水。待处理的流入液或液体可以包括目标物质，例如氯化物、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/或锌。根据一个或更多个实施方案，方法包括处理其中待处理的液体包含溶质混合物的海水或微咸水。在某些实施方案中，在待处理的液体中的单价离子相比于二价离子和其他多价离子的浓度可以是处于较高浓度。本文中提及的海水一般可适用于其他形式的非饮用水。
如本文使用的，“处理的”涉及将水源水中的TDS含量减少至或将水源水中的悬浮固体、胶状内容物和电离的与非电离的杂质的浓度减少至以下的水平：其中净化的水已被使得适于饮用并且可以被用于淡水目的，例如但不限于人类和动物消耗、灌溉、和工业应用。脱盐是其中盐从诸如微咸水或海水的水中移除的净化类型。一个或更多个实施方案可以属于海水的脱盐。待处理的液体可以来自多种源，包括具有在约3,000ppm和约40,000ppm之间或更多的TDS含量的源。待处理的液体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(oilfillrecoverywater)。待处理的液体可以包含高水平的单价盐、二价盐和多价盐、以及有机物质。在某些实施方案中，值得注意的方面可以涉及处理或脱盐包括海水的待处理的液体的方法。待处理的液体可以被加工成期望的或所需的纯度水平。
根据一个或更多个实施方案，电化学处理装置可以是模块化的。每个模块化单元通常可以作为总体电化学分离系统的子块(sub-block)或子单元起作用。模块化单元可以包括任何期望数目的电池对。在某些实施方案中，每模块化单元的电池对的数目可以取决于在分离装置中的电池对和通道(pass)的总数。多个模块化单元然后可以被组装在一起以在电化学分离系统中提供总意图数目的电池对。模块化还可以通过允许诊断、分离、移除和替换相应的模块化单元而有利于系统维护。相应的模块化单元可以包括歧管装置和流动分配系统以有利于电化学分离过程。相应的模块化单元可以彼此流体连通以及与中心歧管装置和与总体电化学分离过程相关联的其他系统流体连通。
此外，电化学装置可以被修改，使得存在穿过单个装置的多个通道。在将阻挡间隔件(blockingspacer)或阻挡膜放置在电化学处理装置内、模块化单元之间、或模块化单元内的情况下，多通道流动构型可以是可能的。穿过其形成流道的电化学处理装置的部分可以被称作流道子单元。阻挡膜或阻挡间隔件可以被设置在多通道流动构型中的两个流道子单元之间。根据一个或更多个实施方案，在相同的电化学模块中，速度可以通过减少在电化学装置中的每流道子单元的电池对的数目而被增加。被配置成用于多通道流动的装置还可以被称作折叠路径装置(foldedpathdevice)。
一个或更多个模块可以包括流道子单元。一个或更多个模块或流道子单元可以包括电化学分离系统的阶段。一个或更多个电化学处理装置可以包括阶段。
根据一个或更多个实施方案，系统可以包括在处理过程的末端处的从正在经历处理的液体中移除溶解固体的最后的部分的精制器装置。精制器装置或模块可以是电渗析装置或电去离子装置。在这样的实施方案中，对于给定的产物流量，所需的电化学装置的数目可以被减少。最终精制步骤还可以被用于增加地移除特定的溶解组分例如硼，特别是在其中化学品的注入被进行的实施方式中。
除了模块资本成本的减少，精制器装置的使用具有其他潜在的益处。例如，根据实施方案，硼移除可以在大部分的TDS从正在经历处理的水中移除之后在最终精制阶段中进行。如果稀释流的pH被增加到～11同时电导率下降到低于2mS/cm(对应于约1,150ppm的TDS)，则硼可以从海水中的约2.28ppm的初始值移除至在约0.51mS/cm(～250ppm的TDS)的产物电导率下的约0.95ppm。根据另一个实施方案，精制器装置可以包含在交换较高电阻中比可选择的膜具有较低渗透水损失的膜。具有较低渗透水损失的膜的益处可能比与较高电阻相关联的能量成本重要。
根据一个或更多个实施方案，可以设置一个或更多个传感器以检测通常与系统相关联的任何流、组件、或子系统的一个或更多个特性、条件、性质或状态。在某些实施方案中，传感器中的一个或更多个可以配置成检测目标物质在进入或离开装置的流中的浓度。在一个实施方案中，可以设置一个或更多个传感器以检测在装置的一个或更多个隔室的入口和/或出口处的以及在系统的各个阶段中的浓度。可以设置一个或更多个传感器以检测在装置的一个或更多个隔室的入口或出口处的pH水平。压力传感器可以与装置的一个或更多个隔室相关联。可以实施用于检测TDS的传感器。可以实施用于检测流量或流速的传感器。
一个或更多个传感器可以提供进入装置中、来自装置或在装置内的流的性质或特性的表现或穿过装置或横跨电池堆施加的电流的性质或特性的表现。例如，所述一个或更多个传感器可以配置成测量并且提供工艺条件例如离开任何隔室的任何流的pH的表现，例如测量的信号。所述一个或更多个传感器还可以提供进入系统中、来自系统或在系统内的任何流的测量的电导率或电阻率值。
控制器可以被用于调节或调整装置或系统的部件的至少一个操作参数，例如，但不限于，启动阀(actuatingvalve)和泵，以及调节穿过电化学处理装置的电流或施加的电场的性质或特性。控制器可以与配置成检测系统的至少一个操作参数的至少一个传感器电连通。控制器通常可以配置成响应于由传感器产生的信号而产生控制信号以调节一个或更多个操作参数。例如，控制器可以配置成接收装置的任何流、部件、或子系统的条件、性质或状态的表现，或从装置接收该表现。控制器可以包括算法，该算法有利于至少一种输出信号的产生以控制系统的操作，该系统的操作可以基于一种或更多种目标的或期望的值例如设定点。
在多阶段电化学处理系统中处理进料水之前，可以采用多种预处理程序。例如，预处理技术可以被用于以下的进料水：所述进料水可以包含可以例如通过结垢或污染干扰或降低任何阶段或装置的效率的固体或其他材料。任选的初始处理可以被提供以移除悬浮固体、胶状物质和/或高分子量的溶质中的至少一部分。预处理过程可以在电化学处理装置的上游进行，并且可以包括例如微粒过滤(particulatefiltration)、砂滤、碳滤、超滤、纳滤(nanofiltration)、微滤例如交叉流微滤、其组合、以及其他涉及微粒的减少的分离方法。对进料水的pH或碱度的调节还可以通过例如添加酸、碱或缓冲剂或经过通气来进行。电化学分离可以在任何预处理操作之后以提供具有期望的最终纯度的水。
辅助的部件和/或子系统可以包括配合地允许系统的操作的管子、泵、罐、电源和分配子系统。
根据一个或更多个实施方案，电化学处理系统可以被用于海水脱盐。电化学处理系统可以包括可以并联或串联地以管子连接的许多模块化的子块。
在每个电化学处理装置内的流动路径可以包括处理的流体穿过内部的流道子单元的多个通道。
每流道子单元的电池对的数目在系统内可以变化。例如，根据等式1，每通道的电池对的数目可以在经过阶段的最后几个通道中被减少以增加在稀释流中的流速并且从而增加极限电流密度。
图4示出例如多阶段电化学系统400，其具有串联的三个阶段(每个阶段410包括电化学处理装置450，例如电渗析装置)以及在最后的阶段410中的每流道子单元415的减少的电池对。在图4中公开的实施方案中，在前两个阶段410中的每个中存在五个通道415，每个通道包含540个并联的电池对。在最后的阶段中，每流道子单元415的电池对的数目在第二通道至最后的通道中被减少到360个电池对以及最终对于最终的流道子单元415被减少到180个电池对。待处理的液体405可以被引入系统400的第一阶段410的入口。液体405的多通道流动路径可以通过阻挡间隔件460来促进，所述阻挡间隔件460引导往回流动穿过电化学处理装置450。其他阻挡间隔件(未示出)可以设置在阶段410的其他流道子单元415之间。
电化学处理装置450可以包括由交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜构成的一个或更多个电池堆，其在界定具有入口和出口的液体流动隔室的膜之间具有间隔。包括阴极和阳极的一组电极可以被设置在所述一个或更多个电池堆的任一端上以产生横跨电池堆的电流。第一阶段410的电化学处理装置450可以被操作以处理液体405。第一量的总溶解固体可以从液体405中移除以产生部分处理的液体435。部分处理的液体435可以从第一阶段410的出口取出。
图4中示出的实施方案包括三个阶段。然而，系统400可以具有两个或更多个阶段。在系统410的最终的阶段，一个或更多个电化学处理装置450可以通过横跨电池堆施加电流来操作以从部分处理的液体435中移除第二量的总溶解固体，以产生处理的液体445。处理的液体445可以在最终的阶段410的出口处被提供。
在下文讨论的另外的实施方案例如图11中示出的实施方案中，多个阶段610可以形成队列660。电化学系统600可以包括串联、并联或两者的多个队列660。大型市政或工业电化学系统可能需要许多并联的电化学队列，每个队列具有许多串联的阶段610。对于来自系统的给定的产物流量，非一致的TDS移除可能增加电化学装置650的总数并且因此增加相关联的资本成本。
根据一个或更多个实施方案，提供了用于控制电化学系统的方法。先前提出的控制方法已经涉及直接的反馈回路。例如，产物的电导率用传感器来测量并且被传输至工艺控制器。然后，控制器使用诸如PID(比例-积分-微分)的算法改变施加的电流以最小化与电导率设定点的任何偏差。
根据一个或更多个实施方案，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和浓差极化可以通过向多阶段系统的每个阶段施加不同的电压而减少。来自第一阶段的水可以被转移至第二阶段并且然后转移至第三阶段以及再往后。较高的电压和/或较大的电流密度可以被用于以下的阶段：在所述阶段中，在待被脱盐的水中的离子内容物的量较大并且然后随着水变得更纯而减少，使得稍后的阶段具有较低的电流密度。
在具有多个阶段的电脱盐系统中，电渗析模块可以朝向海水入口来使用并且电去离子模块可以在水已经被部分净化之后稍后用于工艺中。
根据一个或更多个实施方案，每阶段移除的TDS的量可以有意地改变。例如，系统可以被配置成使得TDS移除被前置(frontload)，使得在一个或更多个稍后的或下游的阶段比在一个或更多个较早的或上游的阶段移除更小量的TDS。这样的构型对于实现目标TDS移除而没有超过极限电流密度可能是有利的，因为在某些情况下，如果每阶段的TDS减少是相同的，则施加的电流密度在阶段的出口处可能超过极限电流密度。例如，图5呈现了每阶段的TDS移除的图，其中移除速率在整个系统如在图4中示出的系统中是恒定的。以下的表1指示对于此系统的极限电流密度和施加的电流密度。
在此实例中使用以下等式来计算极限电流：
i极限＝0.02264Cu0.6933
其中：
i极限＝以A/m2的单位的极限电流密度
C＝以ppm的本体浓度
u＝以cm/s的本体速度
在阶段3-2和3-3中，施加的电流密度将超过极限电流密度，因此引起极化，不期望的条件。
表1与图5相关联的数据
在一个实施方案中，防止在稀释流出物出口处极化的一种方法是减少在最后的阶段中的TDS移除，如在图6中所示。图6呈现了每阶段的TDS移除的图，其中TDS移除速率在如图4中示出的系统的系统中在最终的阶段处减小。以下的表2指示对于此系统的极限电流密度和施加的电流密度。与其中TDS移除在整个所有阶段中是一致的实施方案对照，表2指示，在系统的阶段3-2和3-3中的施加的电流密度将保持为低于极限电流密度并且极化将被避免。
表2与图6相关联的数据
TDS分布可以被调节以防止由于待处理的液体的TDS(例如海水)的极化。图7示出例如被进料至系统的入口的各种液体的TDS分布，所述系统如图4中示出的系统被布置。由进料中的每一种导致的产物流量随着进料TDS从30,000ppm变化至34,000ppm而被维持在3.40m3/h。然后，在权衡中，能量消耗随着进料TDS增加而增加。
每阶段的目标TDS可以通过控制施加的电流来实现，如图8中所示。在某些操作条件下，增加最后的通道中的流速可能不足以避免极限电流密度。除了增加速度之外还减少最后的阶段中的TDS移除可能是避免极限电流密度的一种方法。例如，计算在示例性的系统的阶段3的末端处的电流密度，假定45,000ppm的海水TDS和30℃的温度以及每阶段目标TDS的两种不同的分布，如图10中所示。以下表3示出，当每阶段的TDS移除相同时，在第三阶段中的电流密度超过极限电流密度，但当第三阶段仅必须将TDS从3,930ppm减少至500ppm时，电流密度低于极限电流密度。
表3与图10相关联的数据
根据一个或更多个实施方案，可以提供预测性的控制模式。预测性的控制模式可以响应于在例如进料入口处测量的参数而预计下游条件。用多通道，在系统如在图4中示出的系统的三个阶段中的总滞留时间是约200秒。例如，进料水TDS和温度的任何变化将不影响在稀释流出物出口处的产物TDS和极限电流密度，直到若干分钟以后。在缺乏预测性控制模式但代替地在最后的阶段中采用基于传感器的反馈控制的系统中，极化可能发生在施加的电流能够被调节并且系统能够相应地响应之前。如较早所讨论的，在极化发生后，系统可能迅速地变得不稳定并且变得对电流的进一步调节无响应。
根据使用预测性控制模式的一个或更多个实施方案，初始的工艺控制器响应基于进料水电导率、温度测量结果和流量。每阶段待施加的电流可以使用工艺模型和电化学系统的被调节的操作参数来计算。控制器可以被配置成起初“过冲”以确保极化不在稀释流出物出口处发生。在时间延迟以允许系统响应之后，控制输出可以基于稀释流出物出口电导率和流速的测量结果而被更精细地调整。
预测性的控制模式还可以配置成解释随时间观察到的参数值的形式。例如，逐月、逐天以及甚至在一天期间的进料水TDS和温度的变化的形式可以被用于调节电化学系统的操作参数。形式可以基于历史数据、气象数据等来预测。在另一个实施方案中，季节性、每日或每小时的产物水需求的变化的形式可以被用于调节电化学系统的操作参数。流量可以被相应地调节。施加的电流可以被控制以防止极化。在另一个实施方案中，电的成本的变化的形式可以被用于调节电化学系统的操作参数。流量和电流可以被调节以最小化操作成本同时确保极化将不发生。
实施例
实施例1
水处理系统被设计为使海水脱盐，用于再注入储油器中以增加油回收率。对于900ppm的最终的TDS，所需的产物流量是16,000m3/天。总体水回收率将被保持在50％。在表4中示出的组成下，平均的海水TDS在20℃的温度下是36,520ppm。
表4在实施例1中的主要离子的浓度
离子 Mg/l
Na 11,150
K 420
Ca 428
Mg 1,410
Cl 20,310
SO4 2,800
比较用于电化学和CEDI队列以及阶段的两种可选择的构型。第一构型在图11中示出并且不包括在队列的下游的精制器装置，每个队列包括三个阶段。第二构型在图12中示出并且包括在队列的下游的精制器装置，每个队列仅包括两个阶段。如将在下文讨论的，具有精制器装置的第二构型允许从液体进料流中更能量有效地移除TDS。
使用基于计算机的工艺模型，针对每队列不同的产物流量来计算每单位产物的能量消耗(kWh/m3)。表5给出用于模型中的关键膜性质并且表6给出关于电化学处理装置的规格。
表5用于工艺模型中的关键膜性质
在0.5NaCl中在20℃下的平均膜面积电阻(ohm cm2) 1.30
电渗透水损失系数(转移穿过膜的每摩尔NaCl的H2O的摩尔数) 9.20
渗透水损失系数(mL m-2h-1巴-1) 4.50
表6电化学处理装置的关键规格
设计 交叉流构型
流动隔室的厚度(mm) 0.25
每膜的有效面积(m2) 0.0783
每装置的电池对的总数 3,600
在所有情况下，每阶段的TDS移除被调节使得操作电流密度在每个阶段的出口处小于极限电流密度的90.9％。然后计算用于系统的队列和电化学处理装置的总数。
N＝队列的数目＝Qp/qp，舍入到最接近的整数
n＝电化学处理装置＝SN
其中：
Qp＝对于系统的总产物流量
qp＝每队列的产物流量
S＝在每个队列中串联的电化学处理装置的数目。例如，在图11中，S＝3。
图11表示比较的构型中的第一个的示意图。图11示出具有并联的多个3阶段队列660的系统。每个队列660接收待处理的液体605。随着液体605穿过相应的队列660的每个阶段610，总溶解固体被移除以提供部分处理的液体635。在部分处理的液体635已经穿过队列的所有阶段610以产生处理的液体645后，处理的液体645可以从各个队列660收集并且递送至例如使用点。同时，来自浓缩流670的流动可以被引导至例如排放器。待处理的液体605可以是海水。处理的液体645可以是饮用水。
在每个队列中的稀释流动路径如在图9中示出。在图9中示出的多阶段电化学处理系统500包括三个阶段510。第一阶段510包括通过阻挡间隔件560分开的五个流道子单元515。第一阶段和第二阶段510的电化学处理装置550的每个流道子单元515包括720个电池对。第三阶段510的前三个子单元515中的每个包括720个电池对。最终的阶段510的最终的三个子单元515中的每个包括480个电池对。
图12表示实施例1的比较的构型中的第二个的示意图。图12示出对于电化学装置的另一个可能的构型。在此构型中，电化学系统700由并联的多个子系统(重复单元)组成。在每个重复单元中，待处理的液体705进入队列760并且来自四个队列760(每个由串联的两个阶段710组成)的产物被合并为至精制器装置780的进料以产生处理的液体745。使用该工艺模型，针对不同的总体能量消耗来计算用于系统的重复单元的数目。包括最终精制阶段780的每阶段710的TDS移除被再次调节以避免极限电流密度。如下计算电化学处理装置750的数目，n：
n＝U(ST+T/R)
其中：
U＝重复单元的总数
S＝在每个队列760中串联的电化学处理装置750的数目(在图12中的实施例中，S＝2)
T＝在每个重复单元中的队列760的数目(在图7中的实施例中，T＝4)
R＝对精制器装置780进料的队列760的数目(在图12中的实施例中，R＝4)
图13示出必需的电化学模块的总数相对于用于不同的模块构型的能量消耗。对于给定的能量消耗，必需的电化学模块的总数在存在精制器阶段的情况下实际上较低，因为每队列的产物流量可以被增加。如图12中所示的两阶段加精制器设计导致必需的模块的总数减少约5％，以及相关联的资本设备(例如支撑滑道(supportskid)、管道、阀、仪器和电源)的相应的减少。
实施例2
水处理系统被设计成使海水脱盐为用于城市中使用的饮用水。对于500ppm的最终的TDS和40％的总体水回收率，所需的产物流量是140,000m3/天。海水TDS在30℃的温度下是45,000ppm。
测试的第一构型是在图11中描绘的构型，其具有已经在上文描述的并联的多个三模块队列。在每个队列中的流动构型如在图9中示出。测试的第二构型是在图14中描绘的构型。图14示出具有并联的多个队列860随后精制器装置880的重复单元800。此外，如在实施例1中，在队列860的下游实施精制器装置880的系统能够实现更加能量有效的水处理，如图16中所示。
在图14中示出的系统800的每个单元中，待处理的液体805被引入队列860并且来自三个队列860(每个由串联的三个阶段810组成)的产物被合并为至精制器模块880的进料，其产生最终的处理的液体845。添加最终精制阶段880允许每队列的产物流量增加，同时维持给定的总体能量消耗。每阶段810的TDS移除被调节使得操作电流密度在每个阶段的出口处小于极限电流密度的90.9％。
图15中示出的实施方案类似于图14的实施方案并且示出穿过重复单元的稀释流动路径。在图15中示出的实施方案中，待处理的液体905被引入每个队列960的第一阶段910。在队列960的第一阶段910中的每个流道子单元包括720个电池对。在每个队列960的第三阶段910中，电化学处理装置950的最终的三个流道子单元各自包括480个电池对。精制器装置980包括各自包括1,200个电池对的三个流道子单元。系统900的并联的队列960的数目被选择使得在精制器阶段980的入口处的速度等于或大于在每个队列960中的最后的装置950的出口处的速度。精制器装置980产生处理的液体945。
图16示出必需的电化学模块的总数相对于用于在此实施例中使用的不同的模块构型的能量消耗。工艺模型是与实施例1中相同的。必需的模块的总数对于在图14中描绘的三阶段加精制器设计相对于在图11中描绘的三阶段设计是约8-11％更低，再次证明在队列的下游的精制器装置的效用。
本领域的技术人员将容易理解，本文所描述的各种构型意指是示例性的，并且实际的构型将取决于本公开内容的水处理系统和方法所用于的具体应用。本领域的技术人员将认识到或者能够仅仅使用常规实验确定本文所描述的具体实施方案的许多等同物。例如，本领域的技术人员可以认识到，根据本公开内容的系统及其部件还可包括系统的网络或是水处理系统的部件。因此，应当理解，前述实施方案仅通过实施例呈现并且在随附的权利要求及其等同物的范围内，所公开的系统和方法可以除如具体描述的之外进行实践。本系统和方法涉及本文所描述的每个相应的特征或方法。此外，如果这样的特征、系统或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统或方法的任何组合包括在本公开内容的范围内。
此外，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进意图是本公开内容的一部分，并且意图是在本公开内容的精神和范围内。例如，现有的设施可以被修改，以利用或包含本公开内容的任何一个或更多个方面。因此，在某些情况下，系统和方法可以涉及将现有设施连接或配置至处理系统。因此，前述描述和附图仅仅是举例。此外，附图中的描述不将本公开内容限制到特别说明的表述。
如本文使用的，术语“多个”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有”、“含有(containing)”和“包含(involving)”无论在书面描述还是权利要求及类似物中，是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意指包括在其后列出的项目和其等效物，以及另外的项目。仅过渡词组“由......组成”和“基本上由......组成”是分别相对于权利要求的封闭的或半封闭的过渡词组。术语“流体连通”的使用应当被理解为包括以并联或串联布置配置的装置。在权利要求中使用序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”及类似物来修饰权利要求要素，本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一个的任何优先、优越或顺序或在其中方法的动作被进行的时间顺序，而是仅用作为标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但用于使用序数术语)以区分权利要求要素。
虽然本公开内容的示例性实施方案已经公开，但是可以在其中作出许多修改、添加和删除，而不脱离如在随附权利要求中阐述的本公开内容及其等同物的精神和范围。

Claims (23)

1.一种操作多阶段电化学处理系统的方法，所述多阶段电化学处理系统具有第一阶段和第二阶段，所述第一阶段具有包括第一电池堆的至少一个电化学处理装置，所述第二阶段具有包括第二电池堆的至少一个电化学处理装置，所述第一阶段与所述第二阶段的上游流体连通，所述方法包括：
将待处理的液体引入所述第一阶段的入口；
计算所述第一阶段的极限电流密度；
在所述第一阶段中以横跨所述第一电池堆的第一电流密度操作，所述第一电流密度低于所述第一阶段的极限电流密度；
在所述第一阶段中，从所述液体中移除第一量的总溶解固体，以产生部分处理的液体；
从所述第一阶段的出口取出所述部分处理的液体；
将所述部分处理的液体引入所述第二阶段的入口；
计算所述第二阶段的极限电流密度；
在所述第二阶段中以横跨所述第二电池堆的第二电流密度操作，所述第二电流密度低于所述第二阶段的极限电流密度；
在所述第二阶段中，从所述部分处理的液体中移除第二量的总溶解固体，以产生处理的液体，所述第二量的总溶解固体少于所述第一量的总溶解固体；和
在所述第二阶段的出口处提供所述处理的液体。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述第一阶段中操作还包括在第一液体流速下操作经过所述第一阶段，并且在所述第二阶段中操作包括在第二液体流速下操作经过所述第二阶段，所述第二液体流速大于所述第一液体流速。
3.如权利要求1所述的方法，还包括在所述第一阶段的入口处测量所述待处理的液体的总溶解固体浓度和流量。
4.如权利要求3所述的方法，其中计算所述第一阶段的极限电流密度包括部分地基于所述待处理的液体的总溶解固体浓度和所述待处理的液体的流量计算所述第一阶段的极限电流密度。
5.如权利要求4所述的方法，其中计算所述第二阶段的极限电流密度包括部分地基于所述部分处理的液体的所测量的总溶解固体浓度和所述部分处理的液体的所测量的流量计算所述第二阶段的极限电流密度。
6.如权利要求1所述的方法，其中在所述第一阶段的入口处，所述待处理的液体的总溶解固体浓度大于约30,000ppm。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述处理的液体的总溶解固体浓度小于约500ppm。
8.一种用于处理液体的多阶段电化学处理系统，所述系统包括：
第一阶段，其包括具有第一极限电流密度的电化学处理装置；
第二阶段，其包括具有第二极限电流密度的电化学处理装置，所述第二阶段与所述第一阶段的下游流体连通；和
控制系统，其被配置成在所述第一阶段中在第一组电极之间提供低于所述第一极限电流密度的第一电流密度，并且被配置成在所述第二阶段中在第二组电极之间提供低于所述第二极限电流密度的第二电流密度，所述第二电流密度不同于所述第一电流密度。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第一阶段还包括第一流速传感器和第一总溶解固体浓度传感器。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述第二阶段还包括第二流速传感器和第二总溶解固体浓度传感器。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述控制系统还被配置成部分地基于来自所述第一流速传感器的第一输入信号和来自所述第一总溶解固体浓度传感器的第二输入信号来计算所述第一极限电流密度。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述控制系统还被配置成部分地基于来自所述第二流速传感器的第一输入信号和来自所述第二总溶解固体浓度传感器的第二输入信号来计算所述第二极限电流密度。
13.如权利要求8所述的系统，其中所述第一阶段的所述电化学处理装置包括第一总数的电池对，并且所述第二阶段的所述电化学处理装置包括第二总数的电池对，所述第二总数的电池对少于所述第一总数的电池对。
14.如权利要求8所述的系统，其中所述第二阶段的所述电化学处理装置还包括阻挡间隔件，所述阻挡间隔件被配置成促进所述液体的多个流道穿过所述第二阶段的所述电化学处理装置，所述阻挡间隔件被设置在第一流道子单元与第二流道子单元之间。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述第一流道子单元包括第一总数的电池对，并且所述第二流道子单元包括第二总数的电池对，所述第二总数的电池对少于所述第一总数的电池对。
16.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器被配置成提供在所述第一阶段中第一量的总溶解固体从所述液体中的移除以及在所述第二阶段中第二量的总溶解固体从所述液体中的移除，所述第一量的总溶解固体多于所述第二量的总溶解固体。
17.如权利要求8所述的系统，其中所述第一阶段的所述电化学处理装置包括电渗析装置和电去离子装置中的一种。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述第二阶段的所述电化学处理装置包括电渗析装置和电去离子装置中的一种。
19.如权利要求8所述的系统，还包括具有第三极限电流密度的第三阶段，所述第三阶段包括至少一个模块化电化学处理装置，所述第三阶段与所述第一阶段的下游流体连通并且与所述第二阶段的上游流体连通。
20.一种用于处理液体的多阶段电化学处理系统，所述系统包括：
第一电化学处理队列，其包括：
第一阶段，其包括具有第一极限电流密度的电化学处理装置；和
第二阶段，其包括具有不同于所述第一极限电流密度的第二极限电流密度的电化学处理装置，所述第二阶段与所述第一阶段的下游流体连通；
第二电化学处理队列，其与所述第一电化学处理队列流体连通，所述第二电化学处理队列包括：
第三阶段，其包括具有第三极限电流密度的电化学处理装置；和
第四阶段，所述第四阶段包括具有不同于所述第三极限电流密度的第四极限电流密度的至少一个电化学处理装置，所述第四阶段与所述第三阶段的下游流体连通；以及
控制系统，其被配置成在所述第一阶段中在第一组电极之间提供低于所述第一极限电流密度的第一电流密度，在所述第二阶段中在第二组电极之间提供低于所述第二极限电流密度的、不同于所述第一电流密度的第二电流密度，在所述第三阶段中在第三组电极之间提供低于所述第三极限电流密度的第三电流密度，以及在所述第四阶段中在第四组电极之间提供低于所述第四极限电流密度的、不同于所述第三电流密度的第四电流密度。
21.如权利要求20所述的系统，还包括在所述第一电化学处理队列和所述第二电化学处理队列的下游流体连接的精制器装置。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述精制器装置是电渗析装置和电去离子装置中的一种。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述第一电化学处理队列被布置成与所述第二电化学处理队列并联。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106006872A (zh) * 2016-07-01 2016-10-12 宁波市川宁环保科技有限公司 一种卡槽式多级串联电容去离子装置
CN112672981A (zh) * 2018-02-22 2021-04-16 懿华水处理技术有限责任公司 用于产生高产物强度溶液的电氯化系统配置
CN113929189A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 佛山市顺德区美的饮水机制造有限公司 水处理装置和净水设备

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11883783B2 (en) 2021-02-26 2024-01-30 Saudi Arabian Oil Company System and method for electrochemical treatment of aqueous fluid for oilfield applications

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101468836A (zh) * 2007-12-25 2009-07-01 通用电气公司 电渗析装置和方法
CN102046253A (zh) * 2008-04-03 2011-05-04 西门子水处理技术公司 海水脱盐的低能量系统和方法
US20110209530A1 (en) * 2007-04-03 2011-09-01 Siemens Water Technologies Corp. Method for measuring a concentration of a compound in a liquid stream
WO2013006438A1 (en) * 2011-07-01 2013-01-10 Siemens Pte. Ltd. Electrodesalination system and method

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7083733B2 (en) * 2003-11-13 2006-08-01 Usfilter Corporation Water treatment system and method
US20100006438A1 (en) 2008-07-11 2010-01-14 Biological Targets, Inc. Water purification process
KR101947994B1 (ko) * 2011-05-25 2019-02-14 코웨이 주식회사 수처리 기기

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110209530A1 (en) * 2007-04-03 2011-09-01 Siemens Water Technologies Corp. Method for measuring a concentration of a compound in a liquid stream
CN101468836A (zh) * 2007-12-25 2009-07-01 通用电气公司 电渗析装置和方法
CN102046253A (zh) * 2008-04-03 2011-05-04 西门子水处理技术公司 海水脱盐的低能量系统和方法
WO2013006438A1 (en) * 2011-07-01 2013-01-10 Siemens Pte. Ltd. Electrodesalination system and method

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
宋德政: "电渗析脱盐时威尔逊公式修正的新方法", 《东海海洋》 *
王方等: "电去离子净水设备的最佳工作参数", 《工业水处理》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106006872A (zh) * 2016-07-01 2016-10-12 宁波市川宁环保科技有限公司 一种卡槽式多级串联电容去离子装置
CN112672981A (zh) * 2018-02-22 2021-04-16 懿华水处理技术有限责任公司 用于产生高产物强度溶液的电氯化系统配置
US11814305B2 (en) 2018-02-22 2023-11-14 Evoqua Water Technologies Llc Electrochlorination system configurations for the generation of high product strength solutions
CN112672981B (zh) * 2018-02-22 2024-01-12 懿华水处理技术有限责任公司 用于产生高产物强度溶液的电氯化系统配置
CN113929189A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 佛山市顺德区美的饮水机制造有限公司 水处理装置和净水设备

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