CN105612127A - 用于电化学处理水的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理水的电渗析装置8，例如处理以便杀死微生物，其包括：膜电池，用于引导一部分引入水流至膜电池的阳极侧的阳极流动路径52，用于引导一部分引入水流至膜电池的阴极侧的阴极流动路径50，用于监测水温度的温度监测设备9a和用于在阳极流动路径52中的水到达膜电池之前增加其温度的加热器9b，其中加热器9b布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加阳极流动路径52中的水的温度。膜71位于电极(阴极68和阳极70)之间。

Description

用于电化学处理水的装置和方法

本发明涉及通过电渗析的水处理，比如为了杀死微生物的处理，优选地海水的处理，比如压舱水处理。

如本文所使用，术语“水”一般不指纯净水，而是由上下文显而易见，其指需要处理的水，比如在天然形成的水体中发现的海水或盐水。

压舱水是通过船在压舱水罐或有时在其他合适的空间比如货舱或油舱中运输的水。将其在水“供体”位置处泵入舱以补偿随货物和/或燃料的卸载/消耗所带来的重心点的改变，并因此维持稳定性。正确压舱从结构观点方面是必要的，并且也用于性能原因以便确保适当的推进器和舵浸入，合适的桥梁考虑以及保持期望的船只移动和操作特性。压舱水运输至水“容纳”位置，其通常在船只装载货物的位置，其潜在地在压舱水源地的生物地理区域之外。随着货物在船上装载可排出压舱水。压舱水可寄生一系列物种，其包括浮游动物、浮游植物、细菌和病毒。在排出点可能没有这些物种的天敌，并且其可在新的位置定居并且繁殖，这对环境、工业和人健康造成严重的问题。

期望处理水和尤其是压舱水以便杀死微生物或使微生物失活，并且减少或移出其他污染物。

WO2008/047084描述了压舱水处理的方法和装置，包括膜电池中电渗析的使用。该类型的电渗析是流体处理方法，其基于通过在由离子交换膜隔开的两个电极之间施加恒定的或脉冲的电势差造成的离子分离。一个电极将用作吸引阴离子的阳极(正电荷)而另一个将用作吸引阳离子的阴极(负电荷)。膜和阳极之间隔室中的流体的特征为具有过多电子的阴离子并且可被称为浓缩物，而膜和阴极之间隔室中的流体的特征为存在缺少电子的阳离子并且可称为淡水(diluate)。

在一些电渗析方法中，多个膜电池排列成称为电渗析堆栈(electrodialysisstack)的构造，交替的阴离子和阳离子交换膜形成多个膜电池——通常在单个阳极和阴极之间。电渗析的已知应用是大规模的含盐水和海水淡化和产盐，和小规模和中等规模的饮用水生产。电渗析也用于处理工业，用于分离某些污染物比如重金属。

在WO2008/047084的公开内容中，如下处理压舱水：将一部分压舱水与主流分开，使其通过膜电池，和将膜电池的产物返回主流。返回的产物主要是浓缩物并且这具有使水中的微生物失活或杀死微生物的作用。仅仅引导一部分水通过电渗析处理装置并且将膜电池的产物返回水的概念代表本领域的发展，因为实现了有效的水处理，而不需要使全部的水流过电渗析处理装置。

因此，WO2008/047084的电渗析设备提供了用于水处理比如压舱水处理的有利形式的电渗析处理。但是，与使用该类型电渗析处理来处理海水比如压舱水相关的进一步工作已经鉴定为可作出改进的区域。

从第一方面看，本发明提供了一种用于处理水的电渗析装置，其包括：膜电池，用于引导一部分引入水流至该膜电池的阳极侧的阳极流动路径，用于引导一部分引入水流至该膜电池的阴极侧的阴极流动路径，用于监测水温度的温度监测设备和用于在阳极流动路径中的水到达膜电池之前增加其温度的加热器，其中加热器布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加阳极流动路径中的水的温度。

已经发现，引入水的温度低于一定水平导致驱动电渗析装置需要的电功率的显著增加。该功率增加可大于加热水需要的功率。因此，当初始温度太低时通过加热水改进系统的效率。以上方法需要在阳极流动路径中的水到达膜电池之前将其加热。有利地，阴极流动路径中的水通至(passto)膜电池而不用任何预热。例如，如先前在GB2487249中所描述的，申请人提出加热引入水，而没有任何在加热之前分离水流的建议。尽管在GB2487249中描述的一般概念提供了显著优势，但已经发现通过仅预热阳极流动路径中的水的更具体的特征提供了无法比拟的优势。

由于发生在由膜分开的电渗析电池的阳极和阴极侧的不同化学反应产生该优势。在阳极侧，生成氧化剂。高于约17℃的温度有助于氧化剂形成，而低于该温度，更有助于氧形成的竞争反应。具有为约14℃至18℃的转变温度范围，并且随着温度进入该范围然后离开该范围，具有效率的显著改变。显然，当水温度低于转变温度——通常约17℃时，加热供应至阳极侧的水具有显著优势。高于17℃，氧化剂形成是稳定的，所以在温度的持续增加方面不具有真正优势。因此，在阳极侧加热的水优选地用于使温度升高至高于17℃，或可能是18℃，并且不显著更高。事实上，在更高的温度例如高于35℃下，化学反应改变并且可开始产生不期望的副产物。因此，优选地，阳极水不被加热至超过35℃，并且更优选地其不被加热至超过25℃。

在阴极侧，形成氢和碱性化合物即Mg(OH)₂。Mg(OH)₂以凝胶状物质的形式出现，其可阻碍水流动通过电池。因此，它是高度不期望的。而且，氢的形成产生显著的安全考虑。理想地，应限制氢和Mg(OH)₂的生成。温度通常具有加速化学反应的作用。因此，避免加热阴极水对于化学反应可具有积极作用。与加热所有水的现有技术相比，这也降低了能量消耗。

而且，在优选的实施方式中，水的分布以及在阳极和阴极流动路径中的相对流率可以是非对称的(skew)。尤其是，在阳极流动路径中的流率可以低于在阴极流动路径中的流率，例如阴极侧的体积流率可以是阳极侧的体积流率的至少两倍，可能是约三比一或更大的比率。这允许在阴极侧的“冲洗作用”以最小化水镁石沉积的累积。在膜的每侧流动的水量的这种不平衡进一步扩大了仅加热进入膜电池的阳极侧的水的益处，因为这小于水的总量的一半并且可以是全部的四分之一或更少。能量消耗的益处不与需要加热的水的体积减少完全一致，这是因为当然需要一些额外的热来平衡通过与阴极侧的较冷的水的热交换造成的热损失。尽管如此，该益处仍是显著的。

电渗析装置优选地用于海水的处理，更优选地用于压舱水的处理。电渗析装置可用于安装在船只比如轮船上。

加热器可以是电能加热器或燃料加热器。但是优选地，加热器由废热提供动力，例如其可以由来自发动机冷却系统的废热或由发动机排气回收的热提供。这进一步提高了效率。加热器可包括换热器或类似的设备。因此，阳极流动路径可与加热器连接用于传热，并且例如可包括通过热交换回路的流动路径。

温度监测设备可即在分离为阳极和阴极流动路径之前监测整个引入水流的温度，或它可用于单独监测阳极流动路径温度。可选地或另外地，温度监测设备可监测膜电池的温度，并且因此监测加热之后——如果已施加加热的话——和/或在膜电池的阳极侧的出口处的温度以便估计与阴极侧的较冷的水传热之后的温度。以此方式，温度监测设备执行两个功能，当未施加加热时监测未加热的水的温度，和监测膜电池中例如膜电池中的阳极流动路径中加热的水的温度，以便确定是否已经达到并正在维持需要的温度。温度监测设备可采用任何适合的形式，并且例如可包括一个或多个温度传感器和控制设备比如微处理器。

优选地设定触发加热阳极水的引入水的预定温度水平，使得避免上面提到的阳极反应效率的下降。对于不同的水组合物，这发生的温度可变化，但是通常在10℃至18℃的范围中。在优选的实施方式中，当初始温度低于10℃时，更优选地当初始温度低于15℃时和又更优选地当温度低于16℃时操作加热器以增加引入水的温度。已经发现，对于海水，当温度下降至低于约15℃或16℃时，发生功率使用的显著增加，这是如上所述的化学反应效率改变的结果。水可被加热至高于15℃，优选地高于16℃，更优选地加热到至少17℃，更优选地加热到至少18℃和任选地加热到20℃或更高。已经发现，对于海水，超过约20℃的温度，功率使用没有显著下降。将阳极水加热至的温度优选地足以维持沿着整个膜电池的范围阳极侧高于15℃，优选地高于16℃，更优选地高于17℃，和更优选地高于18℃的温度。

应当理解，随着水通过电池可损失热，并且因此在可能需要初始过热(即高于最佳温度的加热)的地方做出妥协以确保整个电池维持需要的最小温度。

从第二方面看，本发明提供了使用膜电池通过电渗析处理水的方法，其中膜电池被连接至用于引导一部分引入水流至该膜电池的阳极侧的阳极流动路径和用于引导一部分引入水流至该膜电池的阴极侧的阴极流动路径，该方法包括：监测引入水的温度，并且如果初始水温度低于预定水平在阳极流动路径中的水到达膜电池之前增加其温度。

和以上装置一样，该方法涉及加热阳极侧的水，并且有利地不加热膜电池的阴极侧的水。

优选地，该方法是处理海水的方法，更优选地是处理压舱水的方法。该方法可用于在船上处理船只比如轮船的压舱水。

加热阳极流动路径中的水的步骤可使用加热器。加热器可以是电能加热器或燃料加热器。但是优选地，该方法包括通过使用回收热加热水，其可以是例如来自发动机冷却系统的废热或由发动机排气回收的热。加热阳极流动路径中的水可包括使水通过热交换回路，例如，用于与由发动机冷却或排气废热加热的水热交换。

优选的实施方式包括当初始温度低于10℃时，更优选地当初始温度低于15℃时和又更优选地当温度低于16℃时增加引入水的温度。水可被加热到高于15℃，优选地高于16℃，更优选地高于17℃，又更优选地被加热到至少18℃和任选地被加热到20℃或更高。

将阳极水加热至的温度优选地足以维持沿着整个膜电池的范围阳极侧高于15℃，优选地高于16℃，更优选地高于17℃和又更优选地高于18℃的温度。

过度加热可产生问题并且不提供额外的节能，如上所解释的。因此，优选地，阳极水不被加热至超过35℃，和更优选地其不被加热至超过25℃。

从第三方面看，本发明提供了制造电渗析装置的方法，其包括提供膜电池，提供用于引导一部分引入水流至该膜电池的阳极侧的阳极流动路径，提供用于引导一部分引入水流至该膜电池的阴极侧的阴极流动路径，提供用于监测水温度的温度监测设备，和提供用于在阳极流动路径中的水到达膜电池之前增加其温度的加热器，加热器布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加阳极流动路径中的水的温度。

以上描述的这些方面和优选的实施方式中的电渗析装置可包括一个或多个下述特征和/或可被并入包括任何下述特征的水处理装置。

膜可以是用于水的电渗析的任何适当的膜，比如不透水离子交换膜。例如如果膜电池是由交流电(ACelectricity)供电，则可任选地使用离子选择性膜。

优选地，电渗析处理是用于产生电渗析装置的产物，其然后与需要处理的水混合以杀死微生物或使微生物失活。因此，电渗析装置可以是较大的水处理系统的一部分，该水处理系统可包括用于储存电渗析装置的产物和其他需要处理的水的混合物的罐或储蓄器。

电渗析处理优选地被应用至仅一部分待处理的水，该部分从水的主体分离(留下水的剩余物)，并且电渗析装置的产物被返回至水的剩余物以处理水的剩余物和形成为电渗析电池的产物的水的混合物。在优选的水处理装置中，由电渗析装置处理的这部分水就在处理之前从主水流分离，并且然后通过电渗析装置，同时水的剩余物经过而不被电渗析装置处理。因此，水处理装置可包括主流动路径和布置为从主流动路径分离一部分流并且引导它通过电渗析装置的入口流动路径。可选地，通过电渗析装置处理的这部分水可由分离源，例如盐水或咸水的外部源提供。在两种情况中，水处理装置可包括电渗析装置的出口流动路径与主流动路径，或与罐或储蓄器的连接，其中出口流动路径添加电渗析装置的产物至待处理的水，例如其可以是如上所讨论的水的剩余物。

不被电渗析装置处理的水可暴露于有效地与所述部分的水的电渗析处理平行的其他处理，例如在优选的实施方式中讨论的空化处理或氮注入处理。

优选地，按体积计小于10％，更优选小于5％和仍更优选小于2％的进入处理装置的总水流通过电渗析装置。按体积计约1.6％的量是优选的，尽管取决于条件可使用低至1％或0.5％的量。通过改变电渗析装置中使用的电流和水的盐度，可能操纵必要的流量。因此，取决于这些因素和具体的处理应用，使用的流量可以更大或更小。

在优选的实施方式中，电渗析装置被并入压舱水处理装置中。例如，主流动路径可以是引入压舱水的流，可分离一部分该压舱水用于通过电渗析装置处理，并且电渗析装置的产物可返回至压舱水的剩余物以处理水。水可储存在压舱罐中一段时间，同时发生处理。电渗析装置可被流体地连接至压舱水源并且可由压舱泵供应水。电渗析装置也可被流体地连接至压舱罐和可将电渗析装置的产物提供至压舱罐。

如上所讨论，该类型的水处理对于压舱水是尤其期望的。由于在短时间间隔里需要被处理的大体积的水，许多现存的水处理不适于压舱水处理。由于仅一部分水需要通过电渗析装置，水的剩余物不通过电渗析装置，该处理可在给定时间内运用于至比备选方案多很多体积的水，所述备选方案需要全部水直接受电处理地作用。

电渗析装置可用于在阴极和阳极分别产生淡水流和浓缩物流，返回至待处理的水的电渗析装置的产物由这些流中的一个或两个的一些或全部组成。电渗析装置的产物可仅仅是由电渗析装置产生的一些或全部浓缩物流。但是，优选地，电渗析装置的产物是一些或全部浓缩物流，理想地其主要部分，其与至少一部分淡水流——理想地比浓缩物的量更少的量——混合。浓缩物流包含增加含量的不同氧化剂，并且当电渗析装置的产物返回至该主水流时氧化剂在杀死水中的微生物或使其失活上是尤其有效的。

在电渗析处理之后，浓缩物可具有比处理之前的水低的pH，并且淡水可具有较高的pH。使浓缩物与一些或全部淡水混合使得电渗析装置的产物的pH被调节。

在优选的实施方式中，浓缩物流和至少一部分淡水流在通过电渗析装置之后立即混合。这可通过移出一部分淡水流并且然后使淡水的剩余物与浓缩物流混合进行。移出的淡水的量可以在按体积计20％和80％之间。在可选的优选的实施方式中，返回至主水流的电渗析装置的产物是连同全部浓缩物流的全部淡水流。已经发现，在一些情况中，需要全部的淡水来提供在电渗析装置的产物混合之后最终水流的期望的pH和其他特征。在该情况下，淡水和浓缩物可一起反应以消耗水中的一些氧化剂和活性产物。但是，杀死微生物的反应也将在通过淡水和浓缩物的反应消耗所有氧化剂和活性产物之前发生。而且，电渗析过程不是完全可逆地。尤其，在通常为压舱水和天然水，尤其是盐水的背景下，如果淡水和浓缩物稍后混合在一起，那么电渗析装置内的反应不能充分反转。例如，反应可产生离开水的比如氢和氯的气体和不可回收的热。

为了控制混合比，监测pH和控制平衡以保持pH在期望的范围。pH监测可以经由pH电极。优选地，pH维持在6以下，例如在4至6的范围内，通常在大约5的pH。可通过改变添加至浓缩物的淡水的量，例如通过改变在混合之前移出的淡水量，控制电渗析装置的产物的混合比和pH。pH的控制也可通过控制供应至电渗析装置的电流或电压发生，从而改变所得电渗析作用的强度并且因此改变浓缩物的氧化强度。

装置可包括用于移出一部分淡水流的淡水移出流动路径。为了有利于浓缩物和未移出的淡水的混合，装置在出口流动路径之前可包括混合区域。在一个优选的实施方式中，混合区域是缓冲罐。可选地，浓缩物和淡水可随着它们流过出口流动路径混合。混合可与浓缩物流和淡水流的未移出部分与主流混合同时发生，即电渗析装置的产物可由两部分组成：仅在这两部分与剩余的水混合时这两部分混合。通过混合区域或出口流动路径中的静态混合器或湍流诱发装置可促进混合。

移出的淡水可被重新注入电渗析装置之前的水的上游。如果其他处理阶段比如空化处理或过滤处理包括在水处理装置中，那么淡水的剩余物优选地在其他处理阶段之前和甚至在压舱泵之前被重新注入。重新注入淡水避免了处置其的需要。淡水也将有利地充当清洁剂，尤其是如果其在过滤之前注入，用于过滤过程。

重新注入主流的浓缩物和淡水的特征和量可通过监测氧还原电位(ORP)和/或总残留氧化剂(TRO)的消耗控制。ORP的期望值的范围可以是250-800mV，更优选地300-500mV。在重新注入之后TRO的即刻初始值优选地在1和10mgCl/L之间，更优选地在2和5mgCl/L之间，在通常1至36小时的时间段之后迅速下降至0.01-1mgCl/L。TRO的消耗强烈地依赖于待处理的水的特征。为了优化电渗析装置的性能，布置允许在开始实际水处理之前预设定电流和混合比的校准流动回路是期望的。当ORP和/或TRO测量的值在期望的范围之外时，则相应地调节电渗析装置的操作。

为了引导水流，装置可包括导管、管道、挡板等等。电渗析装置可整合入主水流的流动路径，并且因此装置可包括用于主流的主流管道或导管，较小的管道或导管等用于引导一部分主流通过该装置。可选地，电渗析装置可提供为单独的装置，其可连接至现有的水管以处理其中的水。在该情况下，处理装置可包括适当的管道或导管，用于将单独的装置连接至现有的导管，以及需要的阀、计量泵(一个或多个)等。

盐水的独立来源可用于增大电渗析装置的输入电解质并且增加其盐度。例如，这可能是作为淡水生产的副产物产生的盐水或在专用盐水生产工厂，比如反渗工厂中产生的盐水。循环反渗工厂可用于生成饱和的盐水溶液，用于添加至输入电解质。当系统用于处理淡水或弱含盐水时，需要添加盐水或类似物，因为否则由于水中缺乏离子电处理将不是有效的。盐水也可添加至低盐含量的海水，以便使电解质的含盐量至更优选的水平。在较低的盐含量，需要较大的电流以实现使用电渗析装置的相同处理效果。因此，通过增加盐含量，可获得能量使用的减少。作为例子，在北海(NorthSea)，千分之25或更高的盐度是典型的，而在波罗的海，表面水具有可能千分之7的低得多的盐度。优选地，盐水添加至电渗析装置的输入电解质，以保持至少千分之25的盐度。

优选地，处理之后，将水保存在储蓄器或罐中一段时间。这使得来自电渗析装置的产物的氧化剂和活性物质对水中的微生物和其他有害物质有充分作用的时间。在特别优选的实施方式中，本发明用于船的压舱水处理，其中水当被接收到压舱罐中时进行处理，并且然后其在排出之前存储在压舱罐中。在该情况下，当船在重新装载货物和排出压舱水之前从港口到港口移动时，通常有合理的存储时间。该时间可有利地用于允许电渗析装置产物的处理生效。

处理流动路程可由主流动路程外部的导管形成。这使得现有水流动路程容易调整，以通过添加适当的入口和出口接合点(junction)来包括处理装置。可选地，处理流动路程可与主流动路程整合为单个装置。

现在仅通过举例并且参考附图将描述本发明的优选的实施方式，在附图中：

图1显示了具有电渗析装置的压舱水处理系统，

图2图解了包括电极堆栈的电渗析装置，

图3显示了如在图2的装置中使用的单个电极室，

图4显示了电极板和密封件，

图5是其中可见流量分配器的电渗析装置的部分剖视图，

图6是流量分配器的内管的透视图，

图7是显示流动调整元件的分离器的部分视图，

图8是显示流量分配器和流动调整元件的进一步细节的示意性线框图，

图9是显示电极前缘的通过两个阴极室和一个阳极室的一部分的横截面，

图10显示了当不使用流量分配器时在计算机模型中沿着电极堆栈横跨每个阴极室的速度的图，

图11显示了当使用流量分配器时在计算机模型中沿着电极堆栈横跨每个阴极室的速度的图，

图12显示了当不使用流动调整元件时，在计算机模型中横跨阴极流动路径宽度的速度的图，和

图13显示了当使用流动调整元件时在计算机模型中横跨阴极流动路径宽度的速度的图。

图1的布置使用压舱水处理系统中的电渗析装置，但是认识到存在优选电渗析装置的其他应用，并且可调整电渗析装置以适合不同的要求。尤其地，应理解本文描述的电渗析装置可用于压舱水处理，或用于其他水处理应用，而不需要结合图1示例性布置中显示的其他处理类型。

因此，图1图解了包括电渗析装置8的压舱水处理系统。在该实例中，过滤水并且然后通过空化装置10、气体注入装置14和电渗析装置8被处理。空化装置10和气体注入装置14不是必需的并且可以省略。一些优选的实施方式使用过滤和电渗析的组合而不用其他处理。处理使得水中的生物体破坏和死亡。

也影响水中的生物体，任选地在注入装置14添加至水的氮气降低水中溶解的氧水平，并且减少生物体再生长的可能性，以及降低涂层的风化和腐蚀的速度。此外，认为氧的减少延长经电渗析装置8的产物引入水中的氧化剂的作用。通过控制的气氛管理，当压舱罐通过使用氮气排空时，这些效果被进一步增强。

在压舱罐的填充期间，通过使用船的压舱泵系统2，从大海通过入口管道1泵送压舱水。泵2之后，水流动通过管道并且通过第一过滤器4过滤，其从水中过滤较大的颗粒。这些形成在压舱上升道(uptake)排出的淤泥。

在第一过滤器4的下游，可任选地安装增压器。增压器可用于保持在进一步下游装置中成功处理所需要的水压水平。

在该实例中，水然后继续流至空化装置10，其为任选的处理设备并且可被省略。在空化装置10中，通过流体流动速率的快速加速诱导流体力学空化，这使得流体静压力快速下降至流体蒸汽压力。这然后导致蒸汽气泡的形成。在使得气泡生长的控制时间段之后，然后接着快速控制的减速。这引起流体静压力快速升高，其引起蒸汽气泡剧烈地破裂或内爆，使水中的任何生物体等暴露于高强度压力和温度脉冲，其使得水中的生物体分解。

在空化装置10之后，一部分水流动通过电渗析装置8。水的剩余物不被电渗析装置8处理，并且可沿着管道或导管简单地继续流动至稍后的处理阶段。在图1中的实施方式中，电渗析装置被外部安装至主流导管，并且因此可被改造更新(retro-fitted)至现有的处理系统。

优选的实施方式的电渗析装置8被提供具有温度控制系统9。这用于确保由电渗析装置8使用的水不下降至低于设定温度。温度控制系统9包括用于监测引入水温度的温度监测设备9a，和用于在阳极侧的引入水到达电渗析装置8的膜电池之前增加其温度的加热器9b。加热器9b布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加阳极侧的引入水的温度。膜电池的阴极侧的水不被加热。在该实施方式中，预定水平是16℃。如果引入水的温度低于16℃，则使用加热器将水加热至高达约20℃。选择该温度以确保甚至在热损失至阴极侧的较冷的水之后沿着膜电池的整个范围的阳极水温度足够高，例如高于约16℃或高于约18℃。在阳极液的出口处可具有温度传感器以直接监测温度，但是这不是必需的，因为对于给定的膜电池和阴极/阳极流率可通过常规测试确定传热速率。加热器9b使用来自轮船发动机的废热并且可采用任何适合的形式，例如它可以是管式换热器中的管。

在以下参考图2至图9更详细描述的电渗析装置8产生淡水流11和浓缩物流12。这两个流前进至pH平衡器或混合装置13，其产生引导返回至主水流的电渗析装置8的产物17，并且取决于产物17的组成，混合装置13也可给出(giveout)淡水18的残留物。混合装置13包括泵等以控制添加至浓缩物12的淡水11的量以形成电渗析装置8的最佳产物17。

在电渗析装置8的产物17的注入点的下游具有取样和测量点15，其测量ORP和/或TRO并且将测量值传送至混合装置13。这些测量监测电渗析装置8对水的作用并且用于例如通过控制计量泵控制混合装置13。

淡水残留物18可在所有这些处理步骤之前，并且优选地也在过滤器4和/或压舱水泵2之前被重新注入引入水。可选地，其可被储存在收集罐25或轮船的舱底水罐26中。

在显示的布置中，在电渗析装置8的产物17返回至主流之后气体注入装置14处理水。但是，在可选的布置中，产物17在气体注入装置14下游返回至主流，监测装置15类似地在气体注入装置14的下游，监测产物17已经混合之后水的状况。

在任选的气体注入装置14中，使用蒸汽/氮气注射器或气体/水混合器将氮气16注入引入水中，以便实现水中期望水平的氮过饱和，其通过降低氧水平杀死生物体并且降低腐蚀。这也延长了水中氧化剂的处理作用。

在处理装置的下游，通过轮船的压舱水管道系统23将处理的水分配至压舱水罐。这里，过量气体被任选地抽空直到实现稳定状态。这经由与罐通风系统整合的阀调节。这些阀确保在压舱水保持在罐内期间罐的稳定状况，尤其是水中高水平的氮过饱和和低水平的溶解的氧。保持过饱和水平导致通过过饱和自身以及还通过由电渗析装置8引入的氧化剂二者的持续的水处理。因此，处理产生持续杀死任何存活的生物体或使其失活的处理水，同时将水储存在压舱罐中。

然后水留在压舱水罐静置。在压舱罐中，由电渗析处理造成的化学反应继续发生，杀死压舱水中的微生物和/或使其失活。当排出压舱水时，水流动通过使水中的含氧量返回至环境可接受的排出水平的排出处理过程。水从压舱罐泵送并且至少通过气体注入装置14。这用于随着空气替代氮气作为注入气体使氧返回至水。任选地，随着水被排出，其可由空化装置10重新处理。

现在将解释电渗析装置8的操作。以下参考图2至图9描述了电渗析装置8的结构布置的实施方式。如上所讨论，电渗析是其中离子运输通过流体系统中的离子交换膜的电隔膜工艺(electro-membraneprocess)。在电渗析装置的最简单的实施中，单个膜被放置在两个电极之间。假设流体是导电的，通过在两个电极之间施加电压产生的电荷允许离子被驱动通过膜。通过常规类型的电源连接点施加电压，该电源连接点在附图中未显示。两个电极分别表示阳极和阴极。电荷在不同的电极处产生不同的反应。在阳极处，电解质将具有酸性特征，而在阴极处，电解质的特征为变为碱性。选择用于电渗析的膜具有允许离子交换的能力同时是液体不可渗透的。这使得碱性溶液与酸性溶液保持分离。

以下在表1中显示了在电渗析膜电池中发生的各种反应，其中引入电解质是从压舱水管线得到的压舱水(即海水)。这包括在阴极侧产生水镁石(Mg(OH)₂)的反应。其他反应也将发生，因为除了钠盐和镁盐之外在水中还可存在多种化合物。

表1

以下表2图解了在阳极产生的酸性溶液和在阴极产生的碱性溶液的典型特性。酸性溶液形成浓缩物流和碱性溶液形成淡水流。

表2

按比例混合两个分离的流，提供电渗析装置的产物和任选地残留物，典型特性显示在表3中。产物主要是来自阳极的浓缩物，可能添加淡水以控制pH水平。残留物将由不混合至产物的任何淡水形成。通常地，电渗析处理的优选的实施中的产物的pH在4-6之间，但是水处理也将在以下给出的更宽的pH范围内发生。

表3

	pH	TRO(mg Cl/L)	ORP(mV)
				产物	2-8.5	400-1000	750-800
残留物	8.5-14		800-900

为了调制(tailor)这两个流的化学特征，可应用交叉处理。这可构成如此布置：其使得源自隔室的一个或两个流的所有或一部分在相对隔室的入口处重新注入。因此，阳极产生的浓缩物流可通过重新注入电渗析装置的阴极侧中，进行交叉处理。由pH、ORP和TRO表示的流(一个或多个)的特征可进一步通过该方法调制，并且如果另外应用混合，使得混合之后残留淡水的量减少。

混合比将取决于原始电解质的“质量”、电极的尺寸和施加的功率。

任选地与N₂注入点结合——优选地就在其后，电渗析装置的产物进入压舱水流，并且因此结合过饱和/氧去除的过程被任选地引入水中。如果存在残留物，就在过滤器之前将残留物注入主流中的上游。

图2至9图解了可用于处理水的电渗析装置8的实施方式。电渗析装置可用于图1中的压舱水处理系统或任何其他适当的水处理系统。其可单独用于提供处理作用，或可选地其可与其他水处理设备组合使用。

图2图解电渗析装置8，其包括夹在两个端板32之间的电极室堆栈30。电极堆栈通过螺钉34夹在端板32之间。以绝缘层隔开的10个膜电池组，电极室30布置在一起。电极室30的组和塑料绝缘层可在图5中更清楚地可见。电极室30以该方式成组布置，以能够使多组室30串联连接。在电极室30的基部，水经由阴极进水口50和阳极进水口52进入电极堆栈，并且然后向上流过阳极和阴极室。进水口50、52在图2中电渗析装置8的反面，但是在图5中可见，其中装置8从对侧显示。来自阴极反应的淡水流11和来自阳极反应的浓缩物流12经由浓缩物出口36和淡水出口38离开电极堆栈。如上面所讨论，在阴极侧具有更高的流率是有优势的，并且所以优选的实施方式包括阴极侧的两个进水口管道和相应地淡水的两个出口管道38，仅有一个浓缩物出口36。流率比可以为大约3∶1。图2中也显示的是电极的暴露端40和供电至电极的电连接板42。

图3显示了单个电极室30。图2中的装置8由堆栈在一起的许多这些电极室30组成。电极室30包括由两个分离器46支撑或在这两个分离器46内的钛电极板44，所述分离器46在电极44的任一侧上放置一个。橡胶密封件48围绕分离器46的外边缘延伸并且提供封装电极室30的防水屏障。电极的暴露端40延伸超过橡胶密封件48从而可在反应区之外进行电连接42。

水在一端经通孔54进入电极室30和在另一端经通孔54离开。通孔54与相应的进水口50、52和出水口36、38流体连通。每个分离器46具有用于三个入口50、52和出口36、38的每个的通孔54。在电极室30内，分离器46装备有使水从适当的进水口通向适当的出水口的流动导向装置。因此，阴极电极室将具有经由入口侧的两个外通孔54从阴极进水口50取得水的流动导向装置，引导其横穿阴极，并且然后经由进一步流动导向装置将来自阴极反应的淡水传递至出口侧的外通孔54并且因此至淡水出口38。阳极电极室将具有经入口侧的中间通孔54从阳极进水口52取得水的流动导向装置，引导其横穿阳极，并且然后经由进一步流动导向装置将来自阳极反应的浓缩物传递至出口侧的中间通孔54并且因此至淡水出口36。

图4显示了在附连分离器46之前的电极板44和密封件48。橡胶密封件48沿着两侧被连接至电极板44，如图中所显示。密封件48也在电极板44的前表面和后表面二者上。电极板44的暴露端40沿着电极板的一侧延伸超过密封件以允许如上所陈述的电连接。

图5是显示用于一个阴极进水口52的流量分配器56的细节的电渗析装置的部分剖视图。图5也更清楚地显示了由塑料绝缘层分离的五组膜电池。以下参考图9更详细地描述了膜电池的构造。在图5中，一个端板32和每个电极室30被部分切掉以露出由对齐的通孔54(也部分切掉)形成的环形通道。该环形通道形成流量分配器56的第一管58。在图8的线框图中可更清楚看到第一管58，图8显示了阴极的流体流动布置的更多细节。流量分配器56还包括同心地位于通孔54内的第二管60。在图5中，对于一个阴极入口50插入该第二管60，但是对于另一个阴极入口50或阳极入口52未显示。当电渗析装置8完整时，每个水入口具有与每组通孔54同心安装的第二管60。

第二管60包括沿着其长度的孔62。这些孔62采取第二管60的两侧上的横向狭缝的形式，并且当其插入第一管58中时放置在第二管60的上侧和下侧。图6是流量分配器56的第二管60的透视图并且显示了进一步细节，其包括在第二管60的第二侧、下侧的孔62。

在图7A中显示了用于阴极室的分离器46′上的流动调整元件64，其为阴极分离器46′下部的部分视图。流动调整元件64用于横跨阴极流动路径的宽度W均匀地分配流量。

三个通孔54将与电极堆栈中的其他分离器46中的通孔54对齐以形成流量分配器的第一管58。第二管60——其在图7中未显示——被插入对齐的通孔54，第二管60中的孔62允许水进入第一管58。在图7A中，因为分离器46用于阴极室，所以外通孔54对阴极流动路径是开放的，而中间通孔54被密封以防止水从阳极入口52进入阴极室。该密封可通过围绕中间通孔放置的O-形环密封件实现。孔因此在两个外通孔54处的第一管58中形成以允许水沿着管60、58从进水口50经过并且然后经由流动调整元件64至阴极反应区域。

流动调整元件64采用以扇形远离通孔54延伸的通道形式以便横跨阴极流动路径的整个宽度W均匀地分配水。通道下凹进分离器46′内并且通过壁66彼此分离。当形成阴极室的两个分离器46′连接在一起时，每个分离器46′上的壁66面向彼此并且接触使得通道被密封。每个通道具有与通过阴极流动路径的流动方向平行的末端部分。这有助于减少湍流并促进层流。

图7B是用于阳极室的分离器46″的类似部分视图。该阳极分离器包括用于阳极流动路径的流动调整元件65。与阴极流动调整元件64一样，阳极流动调整元件65采用以扇形远离通孔54延伸的通道形式，以便横跨阳极流动路径的整个宽度W均匀地分配水。因为仅从单个中间通孔54向阳极流动路径供应水，所以阳极流动调整元件65以比阴极流动调整元件64大的角度成扇形散开。这使得中间通孔54中来自流量分配器56的水均匀地分配在阳极流动路径中。这两个外通孔将被例如O-形环密封件密封以防止水由阴极水供应进入。阳极流动调整元件65是通过壁67分开的下凹通道。阳极分离器46″的流动调节部件自通孔54延伸开更大的距离，因为阳极的前缘位于距进水口的更远距离处，如下面参考图9更详细讨论的。

图8是示意性线框图，其显示电极堆栈中阴极流动路径的流量分配器56和流动调整元件64的进一步细节。为了清楚，省略了流动调整元件64的细节，但是可见扇形形状。每个阴极室具有两个对称的流动调整元件64组，其以类似的方式连接至分离器46的两个外通孔54中的两个流量分配器56。如上所讨论，对齐通孔54，以产生流量分配器56的第一管58。第一管58经由上侧上的孔连接至流动调整元件64组的每一个。第一管58中同心设置的第二管60从两个阴极入口50向第一管58供应水。经由第二管的上表面和下表面中的狭缝形孔62，水在第一管58和第二管60之间经过。

两个管流量分配器56用于沿着电极堆栈30的长度，均等地将水分配至每个阴极室。流动调整元件64横跨每个阴极流动路径的宽度W提供均匀的水分布，并且也促进阴极流动路径中的层流。

对于阳极室，具有与图8中显示的类似布置，但是水仅仅从中间通孔54分配而不是从两个外孔54分配。阳极水流动路径使用第一和第二管58、60穿过相同设计的流量分配器56至上述流量分配器56。该流量分配器56将使用第一管58形成，上述第一管58通过对齐连接至阳极进水口52的中间通孔54产生。

在引入水穿过流量分配器56并离开流动调整元件64、65之后，其流入阴极和阳极室中的阴极和阳极流动路径。此时，如下面参考图10至13阐释的，水沿着电极堆栈均等地分配至每个流动路径并且横跨每个流动路径的宽度W均匀地分配。均等的水分布确保横跨电极堆栈中的每个膜电池的相同反应速度。横跨每个流动路径宽度W的均匀水分布意思是反应在电极的宽度上均匀地发生，并且也促进阴极流动路径中的层流。

图9是在水进入阴极室和电极室的点处通过两个阴极68和一个阳极70的一部分的横截面。膜71位于电极之间，以形成膜电池。该图显示通过两个完全的膜电池(阳极70的每侧一个)和两个部分膜电池(在两个阴极68的外侧部分)的部分横截面。

图9图解了用于促进层流通过电极室的进一步特征，尤其在阴极流动路程的反应区中。阴极流动路径72的引入水源自分离器46′的流动调整元件64，如箭头C指示。阳极流动路程74的水源自流动调整元件65，如箭头A指示。通过流动调整元件64、65的水流供应两个流动路程72、74，其沿着各自的阴极68或阳极70的两侧的每侧穿过。

允许离开流动调整元件64、65的水流动固定的距离，其中在流温和地分开成进入电极的每侧上的流动路程72、74的两个相同流之前，该流未被扰动。该固定距离帮助流从可由先前的流动导向装置产生的任何破坏作用恢复。通过电极前缘76的形状——其是楔形以使湍流最小化——实现流的温和分开。在优选的实施方式中，未扰动流的固定距离是约10mm。

注意，阳极70的前缘76以比阴极68的前缘76距离进水口更远的距离放置。设计电渗析装置使得水在经历反应区中的电处理之前在阴极上流动额外的固定距离X。该进一步的距离X使得在海水经历任何电流之前任何残留的湍流消散并且有助于该流形成为层流。这通过使用允许偏离的阴极/阳极构造的不同长度的阳极70和阴极68实现。在本文显示的优选的设计中，该固定的距离X为大约30mm，在阴极68和膜之间具有2mm的间隙。当阳极70和阴极68二者以足够接近存在时，反应区开始，在该情况下，这将在距离X之后，如图上标记的。如上所述，在反应区发生电渗析并且随着水沿着反应区中的阳极流动路径74和阴极流动路径72通过，横跨膜71发生离子交换，在阳极侧生成酸性浓缩物和在阴极侧生成碱性淡水。浓缩物和淡水经由出口36、38离开电渗析装置并且用于通过将浓缩物与一些或全部淡水混合处理水以提供电渗析装置的产物，其对微生物是有害的。

在阳极70的每一侧，间隔元件78包括在阳极流动路径74中。为了避免湍流，在阴极流动路径72上没有间隔元件。在阴极流动路径72中，通过流动调整元件64提供调整的流。随着该流横跨未扰动的流的10mm区域通过，其变为更层流的，在其之后其被阴极68的楔形末端76分开。水然后沿着两个阴极流动路径72流动30mm的进一步距离，其起作用以进一步促进层流。到引入水进入阴极流动路径72中的反应区时，该流是大体层流的。如上所讨论，该层流避免水镁石沉积的累积并且也有助于避免其他污染物的累积。

如上所讨论，优选的电渗析装置由若干组膜电池组成，每组电池由五个阳极和六个阴极形成，阴极被放置在外端。采用该布置，外阴极仅具有一个活性侧，其具有沿着阴极内侧的一个流动路径。外阴极的外表面将不是活性的并且将被堵塞以防止水流动。

当其包括流量分配器和流动调整元件时，计算机建模已经用于图解优选实施方式的有利效果。

图10和11显示了两个管流量分配器系统的作用。图10显示了当不使用优选的流量分配器56时沿着计算机模型中的电极堆栈横跨每个阴极室的速度的图，而图11显示了当使用优选的流量分配器56时沿着计算机模型中的电极堆栈横跨每个阴极室的速度的图。该图在垂直轴上显示流动速度，水平轴显示阴极流动路程72距离电极堆栈末端处阴极进水口50的距离。通过图的比较可见，当未使用流量分配器56时，在距离进水口50更大的距离处的阴极流动路程72中有相当高的速度。当使用流量分配器56时，水沿着电极堆栈的长度明显更均匀地分配。

图12和13显示流动调整元件64对横跨阴极流动路径72的水流的作用。图12显示当不包括优选的流动调整元件64时，在计算机模型中横跨阴极流动路径的宽度的速度的图，并且是水替代地通过扇形区域而不是通道64或壁66。图13显示当存在优选的流动调整元件64时，在计算机模型中横跨阴极流动路径的宽度的速度的图。垂直轴显示流动速度，和水平轴显示横跨阴极流动路径72的宽度的距离。每幅图中的峰图解了在横跨阴极流动路径72的宽度W的点处最可能的速度。尖锐的谷是由于流动调整元件在室出口处的作用，其很快消散。可见，当研究横跨室的平均流量时，通道64和壁66提供更均匀分布的速度和因此横跨阴极流动路径72的宽度W的流量。当其不存在时，速度和因此流量是较不均匀的，并且这将在阴极流动路径72的后续部分产生湍流和二次流。

Claims (21)

1.一种用于处理水的电渗析装置，其包括：膜电池，用于引导一部分引入水流至所述膜电池的阳极侧的阳极流动路径，用于引导一部分引入水流至所述膜电池的阴极侧的阴极流动路径，用于监测所述水的温度的温度监测设备和用于在所述阳极流动路径中的水到达所述膜电池之前增加其温度的加热器，其中所述加热器布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加所述阳极流动路径中的水的温度。

2.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述阴极流动路径中的水通至所述膜电池而不用任何预热。

3.如权利要求1或2所述的电渗析装置，其中所述阳极流动路径中的流率低于所述阴极流动路径中的流率。

4.如权利要求3所述的电渗析装置，其中所述阴极侧的体积流率为所述阳极侧的体积流率的至少两倍。

5.如任一前述权利要求所述的电渗析装置，其中选择触发加热所述阳极水的引入水的预定温度水平，使得避免阳极反应效率的下降。

6.如任一前述权利要求所述的电渗析装置，其中当所述初始温度低于10℃时操作所述加热器来增加所述引入水的温度。

7.如任一前述权利要求所述的电渗析装置，其中当所述初始温度低于15℃时操作所述加热器来增加所述引入水的温度。

8.如任一前述权利要求所述的电渗析装置，其中所述加热器布置为操作来使所述阳极流动路径中的水的温度增加至高于15℃。

9.如任一前述权利要求所述的电渗析装置，其中所述加热器布置为操作来使所述阳极流动路径中的水的温度增加至高于16℃。

10.如任一前述权利要求所述的电渗析装置，其中所述加热器布置为操作来使所述阳极流动路径中的水的温度增加至如此温度，其足以维持沿着整个膜电池的范围所述膜电池的所述阳极侧高于15℃的温度。

11.如任一前述权利要求所述的电渗析装置，其中所述加热器由废热提供动力，例如发动机冷却系统或由发动机排气回收的热。

12.一种压舱水处理装置，其包括如任一前述权利要求所述的电渗析装置。

13.一种包括权利要求12所述的压舱水处理装置的船只。

14.一种使用膜电池通过电渗析处理水的方法，其中所述膜电池被连接至用于引导一部分引入水流至所述膜电池的阳极侧的阳极流动路径和用于引导一部分引入水流至所述膜电池的阴极侧的阴极流动路径，所述方法包括：监测所述引入水的温度并且如果初始水温度低于预定水平，则在所述阳极流动路径中的水到达所述膜电池之前增加其温度。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述膜电池的所述阴极侧的水不被加热。

16.如权利要求14或15所述的方法，为在船上处理船只比如轮船的压舱水的方法。

17.如权利要求14、15或16所述的方法，包括通过使用回收的热加热所述水，所述回收的热可以是例如来自发动机冷却系统的废热或由发动机排气回收的热。

18.如权利要求14至17任一项所述的方法，包括当所述初始温度低于10℃时，优选地当所述初始温度低于15℃时，增加所述引入水的温度。

19.如权利要求14至18任一项所述的方法，其中增加所述阳极流动路径中的水的温度包括加热所述水至高于15℃，优选地高于16℃。

20.如权利要求14至19任一项所述的方法，其中将所述阳极水加热至的温度足以维持沿着所述整个膜电池的范围所述阳极侧高于15℃，优选地高于16℃的温度。

21.一种制造电渗析装置的方法，包括提供膜电池，提供用于引导一部分引入水流至所述膜电池的阳极侧的阳极流动路径，提供用于引导一部分引入水流至所述膜电池的阴极侧的阴极流动路径，提供用于监测所述水的温度的温度监测设备，和提供用于在所述阳极流动路径中的水到达所述膜电池之前增加其温度的加热器，所述加热器布置为当初始水温度低于预定水平时操作来增加所述阳极流动路径中的水的温度。