CN106536024A - 错流电化学分离装置及其组装方法 - Google Patents

错流电化学分离装置及其组装方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106536024A
CN106536024A CN201580017526.3A CN201580017526A CN106536024A CN 106536024 A CN106536024 A CN 106536024A CN 201580017526 A CN201580017526 A CN 201580017526A CN 106536024 A CN106536024 A CN 106536024A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sept
group
end sections
embedding
electrochemical separation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201580017526.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106536024B (zh
Inventor
梁荔乡
K·H·叶
廖慧婷
陈政宪
J·D·吉福德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yi Hua Water Treatment Technology Co Ltd
Original Assignee
Siemens Industry Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Industry Inc filed Critical Siemens Industry Inc
Publication of CN106536024A publication Critical patent/CN106536024A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106536024B publication Critical patent/CN106536024B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46—Apparatus therefor
    • B01D61/48—Apparatus therefor having one or more compartments filled with ion-exchange material, e.g. electrodeionisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/06—Separation of liquids from each other by electricity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/422—Electrodialysis
    • B01D61/423—Electrodialysis comprising multiple electrodialysis steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46—Apparatus therefor
    • B01D61/463—Apparatus therefor comprising the membrane sequence AC or CA, where C is a cation exchange membrane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46—Apparatus therefor
    • B01D61/50—Stacks of the plate-and-frame type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
    • C02F1/4695—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis electrodeionisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/04—Specific sealing means
    • B01D2313/041—Gaskets or O-rings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/04—Specific sealing means
    • B01D2313/042—Adhesives or glues
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/08—Flow guidance means within the module or the apparatus
    • B01D2313/083—Bypass routes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/14—Specific spacers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B01D2313/201—Closed housing, vessels or containers
    • B01D2313/2011—Pressure vessels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B01D2313/203—Open housings
    • B01D2313/2031—Frame or cage-like structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/54—Modularity of membrane module elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2315/00—Details relating to the membrane module operation
    • B01D2315/10—Cross-flow filtration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/4611—Fluid flow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

提供了用于处理水的电化学净化设备以及组装该装置的方法。该设备可以是错流电化学装置。该装置可以通过掩蔽和应用灌封材料来组装和密封。该装置可以包括被配置以改进装置的电流效率、减少泄漏以及改进组装的灌封材料的分布的多种结构。

Description

错流电化学分离装置及其组装方法
技术领域
一个或更多个方面通常涉及电净化设备及其组装方法。更具体地，一个或更多个方面涉及错流电净化设备(cross-flow electrical purification apparatus)以及其组装方法。
概述
根据一个或多个方面，电化学分离设备可以包括电池堆(cell stack)。电池堆还可包括多个对齐的电池对，多个对齐的电池对中的每对包括被构建和布置以在第一方向上提供流体流动的离子提浓隔室和被构建和布置以在不同于第一方向的第二方向上提供流体流动的离子稀释隔室。离子提浓隔室中的每个可以包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、以及被定位在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的第一间隔物，该第一间隔物具有掩蔽(masked)的第一组端部部分和灌封(potted)的第二组端部部分。离子稀释隔室中的每个可以包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、以及被定位在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的第二间隔物，该第二间隔物具有灌封的第一组端部部分和掩蔽的第二组端部部分。第一间隔物的掩蔽的第一组端部部分可以与第二间隔物的灌封的第一组端部部分对齐，并且第一间隔物的灌封的第二组端部部分与第二间隔物的掩蔽的第二组端部部分对齐。第一组端部部分和第二组端部部分中的每个端部部分可以界定延伸穿过其的通道，每个通道与所述通道延伸穿过其的掩蔽的端部部分的那些间隔物流体连通，并且每个通道与所述通道延伸穿过其的密封的端部部分的那些间隔物流体隔离。电化学分离设备还可以包括围绕电池堆以形成第一模块的框架和封闭第一模块的外壳。
根据一个或更多个方面，第一间隔物中的每个的掩蔽的第一组端部部分和第二间隔物中的每个的掩蔽的第二组端部部分中的每个可以包括围绕该间隔物的端部部分的套筒。
根据一个或更多个方面，套筒中的每个可以包括焊接在一起的一对薄膜。
根据一个或更多个方面，该对薄膜可以在掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分中的每个处在多个内部位置处被焊接至第一间隔物或第二间隔物中的每个，以形成对流体和电流流动的阻碍。
根据一个或更多个方面，该对薄膜可以在掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分中的每个处在多个内部位置处直接地焊接至彼此，形成对流体动和电流流动的阻碍。
根据一个或更多个方面，第一多个套筒的套筒中的每个可以包括由成对的塑料薄膜的被焊接在一起的部分形成的多个肋状物。
根据一个或更多个方面，在掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分中的每个处的第一间隔物或第二间隔物中的每个可以包括在掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分的内部中的多个升高的阻碍物，以阻碍流体和电流流动。
根据一个或更多个方面，每个套筒可以包括塑料薄膜和在端部部分的周边处被焊接至第一间隔物或第二间隔物的掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分的膜的部分，该膜的该部分是阴离子交换膜和阳离子交换膜中的一个的一部分。
根据一个或更多个方面，电化学分离设备还可以包括围绕第二电池堆的第二框架以在外壳内形成第二模块，以及被定位在第一模块和第二模块之间的垫圈，该垫圈包括多个孔，每个孔分别与第一电池堆的通道和第二模块的通道对齐以提供在第一模块和第二模块之间的流体连通。
根据一个或更多个方面，还可以包括围绕第二电池堆的第二框架以在外壳内形成第二模块，以及被定位在第一模块和第二模块之间的阻挡间隔物以重新导向在第一模块和第二模块之间的流动。
根据一个或更多个方面，框架可以包括被配置以保持灌封材料的储器。
根据一个或更多个方面，框架可以包括被配置以将灌封材料从储器转移至电池堆的通道。
根据一个或更多个方面，框架可以包括接近电池堆并且与通道流体连通的灌封扩散器机构。
根据一个或更多个方面，灌封扩散器机构可以包括在框架内形成的有角度的切除部(cut-out)，该有角度的切除部被配置成将灌封材料均匀地分布至电池堆的全宽度。
根据一个或更多个方面，框架可以包括单一的主体(unitary body)。
根据一个或更多个方面，电化学分离设备还可以包括在外壳的第一端部处的第一电极以及在外壳的第二端部处的第二电极。
根据一个或更多个方面，电化学分离设备还可以包括围绕第一电极的壳体，该壳体包括密封托架、密封帽、以及被定位在密封托架和密封帽之间的o形环。
根据一个或更多个方面，电化学分离设备还可以包括多个可膨胀的插塞，该多个可膨胀的插塞延伸通过电池堆并且被布置以保持多个对齐的电池对的对齐。
根据一个或更多个方面，组装电化学分离设备的方法可以包括：在第一组端部部分处掩蔽第一多个间隔物；在第二组端部部分处掩蔽第二多个间隔物，第二组端部部分以至第一组端部部分的一定角度定向；对于每个电池对，通过将来自第一多个间隔物的间隔物定位在第一阴离子交换膜和阳离子交换膜之间以提供被配置成在第一方向上导向流体流动的离子提浓隔室，并且通过将来自第二多个间隔物的间隔物定位在阳离子交换膜和第二阴离子交换膜之间以提供被配置成在不同于第一方向的第二方向上导向流体流动的离子稀释隔室，来形成多个电池对；通过将形成的多个电池对依次堆积在框架内以形成电池堆；灌封第一组端部部分和第二组端部部分，使得灌封材料进入第二多个间隔物的第一组端部部分，同时被掩蔽免于进入第一多个间隔物的第一组端部部分，并且使得灌封材料进入第一多个间隔物的第二组端部部分，同时被掩蔽免于进入第二多个间隔物的第二端部部分；界定通过第一组端部部分和第二组端部部分中的每个的灌封部分中的每个的通道，使得在第一组端部部分中的通道中的每个与多个离子提浓隔室流体连通并且与多个离子稀释隔室流体隔离，同时在第二组端部部分中的通道中的每个与多个离子耗尽隔室流体连通并且与多个离子提浓隔室流体隔框架离；以及将有通道的电池堆和框架插入到外壳中以形成电化学分离设备。
根据一个或更多个方面，在第一组端部部分处掩蔽第一多个间隔物可以包括将一对塑料薄膜焊接在一起以包封第一组端部部分中的每个。
根据一个或更多个方面，该对塑料薄膜可以被直接地焊接至彼此。
根据一个或更多个方面，该对塑料薄膜可以被焊接至第一间隔物或第二间隔物中的每个。
根据一个或更多个方面，灌封可以包括将灌封的框架环氧树脂从其被芯吸到第一组端部部分和第二组端部部分中之处注射到围绕电池堆的框架中。
根据一个或更多个方面，灌封可以包括当灌封的环氧树脂被注射到框架中时，使框架绕中心轴旋转。
根据一个或更多个方面，该方法还可以包括促进灌封的环氧树脂的均匀分布。
根据一个或更多个方面，该方法还可以包括将第二电化学分离设备安装在外壳中。
根据一个或更多个方面，该方法还可以包括将阻挡间隔物插入在第一电化学分离设备和第二电化学分离设备之间。
根据一个或更多个方面，该方法还可以包括利用至少一个可膨胀的插塞保持电池堆对齐。
根据一个或更多个方面，该方法还可以包括促进电化学分离设备中的电流效率。
另外其他方面、实施方案以及这些示例性方面和实施方案的优点在下文中详细地讨论。此外，应当理解，前述信息和以下详述两者均仅是各个方面和实施方案的说明性实例，并且不意图提供用于理解要求保护的方面和实施方案的性质和特性的综述或架构。附图被包括以提供对各个方面和实施方案的说明以及进一步的理解，并且被并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图与说明书的其余部分一起有助于解释所描述的和所要求保护的方面和实施方案的原理和操作。
附图简述
下文参考附图讨论多个实施方案的各个方面，这些附图不意图按比例绘制。图被包括以提供对各个方面和实施方案的说明以及进一步的理解，并且图被并入本说明书中且构成本说明书的一部分，但是不意图作为本发明的限制的定义。在图、详细描述或任何权利要求中的技术特征跟随有参考符号的情况下，这些参考符号为了增加图和说明书的可理解性的唯一目被包括。在图中，在各个图中图示出的每个相同的或近似相同的部件由相同的数字来表示。为了清楚的目的，并不是每个部件可以在每个图中被标记。在图中：
图1A-图1B呈现根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图2是根据一个或更多个实施方案的图1B中的截面A-A'的示意图；
图3是根据一个或更多个实施方案的电池对的示意图；
图4是根据一个或更多个实施方案的电池堆的示意图；
图5是根据一个或更多个实施方案的处理模块的示意图；
图6A是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图6B是根据一个或更多个实施方案的图6A中的截面A-A'的示意图；
图7是根据一个或更多个实施方案的电池堆的示意图；
图8是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图9是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图10是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图11是根据一个或更多个实施方案的处理模块的示意图；
图12A是根据一个或更多个实施方案的图11中的截面A-A'的示意图；
图12B是根据一个或更多个实施方案的图11中的截面B-B'的示意图；
图13A和图13B示出通过根据一个或更多个实施方案的电化学分离设备的流动隔室的流动模式的示意图；
图14是根据一个或更多个实施方案的潜在的电流旁路通路的示意图；
图15是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图16是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图17是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图18是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图19是根据一个或更多个实施方案的处理模块的示意图；
图20是根据一个或更多个实施方案根据一个或更多个实施方案的处理模块中的电阻的示意图和数学表示；
图21是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图22是穿过根据一个或更多个实施方案的图21的截面A-A'的视图的示意图；
图23是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图24是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图25是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图26是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图27A是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图27B是穿过根据一个或更多个实施方案的图27A的截面A-A'的视图的示意图；
图28A是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图28B是穿过根据一个或更多个实施方案的图28A的截面A-A'的视图的示意图；
图29A是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图29B是如在图29A中所示出的根据一个实施方案的电池堆高度的示意图；
图30A是根据一个或更多个实施方案的间隔物的示意图；
图30B是如在图30A中所示出的根据一个实施方案的电池堆高度的示意图；
图31A是根据一个或更多个实施方案的框架的示意图；
图31B是穿过根据一个或更多个实施方案的图31A的截面A-A'的视图的示意图；
图32是根据一个或更多个实施方案的单一框架的示意图；
图33A是根据一个或更多个实施方案的框架的示意图；
图33B是根据一个或更多个实施方案的框架的示意图；
图34是根据一个或更多个实施方案的框架的示意图；
图35是根据一个或更多个实施方案的电源接线盒(power connection box)的示意图；
图36是根据一个或更多个实施方案的电源接线盒的示意图；
图37是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图38是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图39是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图40是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图41是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图42是根据一个或更多个实施方案的组装错流电化学处理装置的方法中的一个步骤的示意图；
图43是根据一个或更多个实施方案的包括多个模块的电化学处理设备的分解图；
图44是根据一个或更多个实施方案的包括多个模块的电化学处理设备的示意图；
图45是根据一个或更多个实施方案的电化学处理设备的外壳的示意图；
图46是根据一个或更多个实施方案的电化学处理设备的外壳的示意图；以及
图47是根据一个或更多个实施方案的电化学处理设备的外壳的示意图。
详细描述
使用电场净化流体的装置常常被用于处理包含溶解的离子物质的水和其他流体。以此方式处理水的两种类型的此类电化学分离装置是电去离子(electrodeionization)装置和电渗析装置。
电去离子(EDI)是使用电活性介质和电势影响离子传输从水中除去或至少减少一种或更多种离子化或可离子化的物质的过程。电活性介质通常用来交替地收集和排放离子的和/或可离子化的物质，并且在一些情况下，用来通过离子或电子取代反应机制(substitution mechanism)促进离子的传输，这可以是连续的。EDI装置可以包括永久或暂时电荷的电化学活性介质，并且可以分批地、间歇地、连续地和/或甚至反极性模式来操作。EDI装置可以被操作以促进一个或多个专门设计来实现或增强性能的电化学反应。另外，此类电化学装置可以包括电活性膜，例如半渗透的或选择性渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)装置是对本领域技术人员已知的EDI装置，其以这样的方式运行，在该方式中，水净化可以持续地进行，同时持续地补充离子交换材料。CEDI技术可以包括诸如连续去离子、填充电池电渗析或电透析(electrodiaresis)的工艺。在CEDI系统中，在受控的电压和盐度的条件下，水分子可以被分裂以产生氢或水合氢离子或物质以及氢氧化物或羟基离子或物质，它们可在装置中使离子交换介质再生并由此促进从其中释放被俘获的物质。以此方式，可以连续地净化待被处理的水流，而不需要离子交换树脂的化学再填充。
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。由于缺乏电活性介质，ED的操作由于升高的电阻可能在低盐度的给水中受阻。而且，因为ED在高盐度的给水中的操作可以导致升高的电流消耗，所以迄今为止，ED设备在中等盐度的水源水下使用最有效。在基于ED的系统中，因为不存在电活性介质，所以分解水是低效率的并且通常避免在这种方式下操作。
在CEDI和ED装置中，多个相邻的电池或隔室通常通过选择性渗透膜来分离，选择性渗透膜允许带正电的或者带负电的物质通过，但通常不允许两者都通过。在此类装置中，稀释隔室或耗尽隔室通常与提浓隔室或浓缩隔室相互间隔开。当水流过耗尽隔室时，离子和其它带电物质通常在电场(例如DC场)的影响下被吸入提浓隔室。带正电荷的物质被吸引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，并且同样地，带负电荷的物质被吸引朝向这样的装置的通常位于隔室的堆的相对端处的阳极。电极通常容纳在电解液隔室内，其通常使与耗尽隔室和/或浓缩隔室的流体连通部分地隔离。一旦在浓缩隔室中，带电物质通常被至少部分地界定浓缩隔室的选择性渗透膜的屏障所俘获。例如，通过阳离子选择膜，通常可以防止阴离子进一步向着阴极迁移出浓缩隔室。一旦在提浓隔室中被捕获，被俘获的带电物质可以在浓缩流中被除去。
在CEDI和ED装置中，通常从施加于电极(阳极或正极，以及阴极或负电极)的电压源和电流源给这些电池施加DC电场。电压源和电流源(共同地为“电源”)自身可以通过多种手段供电，例如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，电化学半电池反应发生，该反应启动和/或促进了离子穿过膜和隔室的传输。在容纳电极组件的专用隔室中，在电极/界面处发生的特定电化学反应可以通过盐的浓度在一定程度上被控制。例如，至氯化钠含量高的阳极电解液隔室的给料将趋于产生氯气和氢离子，而至阴极电解液隔室的这样的给料将趋于产生氢气和氢氧离子。通常，在阳极隔室处所产生的氢离子将与诸如氯离子的自由阴离子结合，以保持电荷中性并生成盐酸溶液，并且类似地，在阴极隔室处所产生的氢氧离子将与诸如钠的自由阳离子结合，以保持电荷中性并生成氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物，例如产生的氯气和氢氧化钠，可以根据需要在工艺中使用，以用于消毒目的、用于膜清洗和除污的目的以及用于pH调整的目的。
板框式设计以及螺旋盘绕设计已经被用于各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装置通常是板框式设计，而板框式构型和螺旋构型的EDI装置是可用的。
本发明涉及可以在外壳内电净化流体的装置，及其制造和使用的方法。待净化的液体或其他流体进入净化装置或设备，并且在电场的影响下被处理以产生离子耗尽的液体。来自进入液体的物质被收集以产生离子提浓的液体。电净化设备(其还可以被称为电化学分离系统或电化学分离装置)的部件可以使用各种技术来组装以实现该设备的最优操作。
在本公开内容的一些实施方案中，提供用于组装电化学分离装置的方法。该电化学分离装置可以是错流装置。在错流电渗析装置中，稀释流和提浓流在彼此成一角度的(例如，垂直的)方向上流动。可能的应用包括海水、淡盐水和来自石油和天然气生产的盐水的淡化。
根据一个或多个实施方案，可以提高电化学分离系统的效率。电流损失是低效率的一个可能来源。在一些实施方案中，例如涉及错流设计的那些实施方案，电流泄漏的可能性可以被解决。电流效率可以被定义为有效地将离子移动出稀释流进入浓缩流的电流的百分比。电流低效率的各种来源可以在电化学分离系统或电净化设备中存在。低效率的一个可能来源可以包括通过流经稀释和浓缩的入口和出口歧管绕过电池对(相邻的浓缩隔室和稀释隔室的对)的电流。入口和出口歧管可以与流动隔室直接流体连通，并且可以降低在每个流动路径中的压降。从一个电极到另一个的电流的部分可以通过流经歧管绕过电池对的堆。旁路电流降低了电流效率并且增加了能量消耗。低效率的另一个可能来源可以包括由于离子交换膜的不完善的选择渗透性所导致的从浓缩流进入稀释流的离子。在一些实施方案中，与装置内的膜和筛网的密封和灌封相关联的技术可以有助于电流泄漏的减少。
在一个或多个实施方案中，在堆中的旁路路径可以被调控以促进电流沿直接路径流动通过电池堆，以便提高电流效率。在一些实施方案中，电化学分离装置或电净化设备可以被构建和布置，使得电流流动被导向通过活性膜表面，而不是通过不期望的旁路路径。在一些实施方案中，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。在另一些实施方案中，可以实现至少约80％的电流效率。在至少一些实施方案中，可以实现至少约85％的电流效率。在至少一些实施方案中，可以实现至少约90％的电流效率。
例如筛网的间隔物可以被定位在隔室内以提供结构并且界定隔室，并且在某些实例中，间隔物可以帮助导向流体流动通过隔室。间隔物可以由允许期望的结构并且在隔室内的期望的流动流体的聚合物材料或其他材料制成。在某些实施方案中，间隔物可以被构建和布置以在隔室内重新定向或重新分布流动流体。在一些实例中，间隔物可以包括网状或筛网材料，以提供结构并且允许期望的流体流动穿过隔室。
间隔物可以被构建和布置以重新定向流体流动和电流中的至少一个以提高电流效率。间隔物还可以被构建和布置以在电净化设备内产生多个流体流动阶段。在一些实施方案中，多个离子交换膜可以在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间交替，以提供一系列离子稀释隔室和离子提浓隔室。
膜的几何形状可以是任何合适的几何形状，使得膜可以被固定在电池堆内。在某些实施方案中，可以期望的是在电池堆上的特定数目的拐角或顶点，以便将电池堆适当地固定在框架内。在某些实施方案中，特别的膜可以具有不同于在电池堆内的其他膜的几何形状。
在本公开内容的某些实施方案中，在隔室内的流动可以被调节、重新分布或重新定向，以提供流体与隔室内的膜表面的更大的接触。隔室可以被构建和布置以重新分布在隔室内的流体流动。隔室可以具有阻碍物、突出物、突起、凸缘或挡板，该阻碍物、突出物、突起、凸缘或挡板可以提供重新分布通过隔室的流动的结构，这将在下面进一步讨论。在某些实施方案中，阻碍物、突出物、突起、凸缘或挡板可以被称为流动再分配器。
在某些实例中，间隔物组件(例如在一对膜对之间的筛网)可以被固定至彼此，以提供具有在第一方向上的流体流动路径的第一隔室和具有在第二方向上的流体流动路径的第二隔室。
在本公开内容的一些实施方案中，提供用于固定间隔物和离子交换膜以产生用于电净化设备的膜电池堆的方法。该方法可以提供用于电净化设备(例如错流电渗析(ED)装置)中的多个间隔物、阴离子交换膜以及阳离子交换膜的固定。该方法可以允许通过灌封工艺将间隔物和膜固定至框架。该方法可以消除对于焊接周边(例如膜的一个或更多个边缘)的需要。
在一些实施方案中，该方法可以包括掩蔽间隔物的端部部分以在连续的灌封步骤期间提供保持不含灌封材料的掩蔽的端部部分。例如，该方法可以包括在灌封工艺之前，将薄膜焊接至如本文描述的间隔物的交替的端部部分。在灌封完成之后，可以通过例如穿过灌封部分钻孔，在电池对中形成端口。端口可以与其端部部分被掩蔽的隔室流体连通，并且在被灌封的端部部分处流体隔离，以提供交替的错流隔室，例如交替的提浓隔室和耗尽隔室。
根据一个或多个实施方案，电化学分离系统或电净化设备可以是模块化的。每个模块化单元通常可以用作总电化学分离系统的子块(sub-block)。模块化单元可以包括任何期望数目的电池对。在一些实施方案中，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。其还可以取决于当测试交叉泄漏和其他性能标准时，以可接受的故障率被固定在框架内的电池对的数目。该数目可以基于制造工艺的统计分析，并且可以随工艺控制改善而增加。在一些非限制性实施方案中，对于要求低产物流速的应用，例如模块化单元可以包括约20-50个电池对。在具有较高产物流速的其他应用中，模块化单元可以包括50-200个电池对。进一步增加至比方说500个电池对对具有非常高的流速的应用(例如将海水脱盐成用于市民的饮用水)可以是最优的。模块化单元可单独地被组装和例如用于泄漏、分离性能和被并入设备或系统中之前的压低的质量控制测试。在一些实施方案中，电池堆可以作为模块化单元被安装在框架中，该模块化单元可以被独立地测试。然后，多个模块化单元可以在外壳内被组装在一起，以在电化学分离装置中提供总的预期数目的电池对。在一些实施方案中，组装方法通常可以包括将第一模块化单元放置在第二模块化单元上，将第三模块化单元放置在第一模块化单元和第二模块化单元上，并且重复，以获得期望数目的多个模块化单元。在一些实施方案中，组件或单个的模块化单元可以被插入到用于操作的压力容器或外壳中。多通道流动构型在模块化单元之间放置阻挡膜和/或间隔物下可以是可能的。模块化方式可以在节约时间和成本方面改进可制造性。模块化还可以通过允许诊断、隔离、移除和替换单独的模块化单元而有助于系统维护。单独的模块化单元可以包括歧管装置和流动分布系统以有助于电化学分离过程。单独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的电化学分离过程相关联的其他系统流体连通。
电池对可以通过例如连续的灌封程序被固定在框架内以提供模块化单元。此模块化单元然后可以被固定在外壳内。模块化单元还可以包括可以将模块化单元固定到外壳的托架组件或拐角支撑件。第二模块化单元可以被固定在外壳内。一个或多个另外的模块化单元还可以被固定在外壳内。在本公开内容的某些实施方案中，阻挡间隔物可以被定位在第一模块化单元和第二模块化单元之间。拉杆(tie bar)或其他装置可以有助于将一个或更多个模块化单元安装在外壳内。
电净化设备还可以包括在电池堆的第一端处与第一离子交换膜相邻的第一电极，以及在电池堆的第二端处与第二离子交换膜相邻的第二电极。第一离子交换膜和第二离子交换膜中的每个可以是阴离子交换膜或阳离子交换膜。例如，第一离子交换膜可以是阴离子交换膜，并且第二离子交换膜可以是阳离子交换膜。两个或更多个模块化单元可以存在于单个电极对之间。
在本公开内容的一些实施方案中，提供用于组装错流装置的方法，所述错流装置消除对于焊接膜的需要，并且此外消除堆和框架之间的间隙。
该方法可以使用灌封材料(例如环氧树脂)来密封膜和筛网的边缘，以形成流动隔室并且防止在稀释隔室和提浓隔室之间的交叉泄漏。
根据一个或更多个实施方案，该方法可以包括掩蔽第一多个间隔物的第一组端部部分以保护那些端部部分在随后的灌封步骤期间免于接受灌封的环氧树脂。该方法还可以包括掩蔽第二多个间隔物的第二组端部部分。掩蔽可以包括围绕在保护性端部部分形成套筒。包括掩蔽的端部部分的间隔物被堆积在框架内，其中交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜定位在其间。在堆积期间，第一组间隔物与第二组间隔物交替，使得交替的间隔物的掩蔽的端部部分以一定角度彼此定向。交替的间隔物和膜提供最终形式将是错流电化学分离装置的交替的离子稀释隔室和离子提浓隔室。
根据一个或更多个实施方案，该方法还包括将灌封材料引入到电池堆的周边，从而灌封膜的周边和间隔物的未掩蔽的端部部分，进而产生间隔物的灌封的端部部分。然而，灌封材料不渗透间隔物的掩蔽的端部部分。
然后，通道可以通过间隔物的端部部分被界定以提供流动通道，该流动通道交替地穿过灌封的端部部分和掩蔽的端部部分。通道可以为被电化学处理系统处理的稀释流和浓缩流提供入口端口和出口端口。在通道渗透间隔物的掩蔽的端部部分的位置，通道将与和该间隔物相联系的流动隔室流体连通。在通道渗透间隔物的灌封的端部部分的位置，通道与该间隔物相联系的流动隔室流体隔离。
然后，有通道的电池堆和框架可以被插入到外壳中以形成电化学分离设备。以这样的方式，根据一种或更多种方法，可以形成错流电化学处理设备。
根据一个或更多个实施方案，参考图1A和图1B，组装过程通过将塑料薄膜110的模切件(die-cut piece)沿着边缘120焊接至间隔物(还被称为筛网)105来开始。筛网105的边缘120可以用热和压力预先变平。在焊接边缘125处联接的薄膜110形成围绕间隔物105的端部部分117的套筒130。根据某些实施方案，孔洞115可以在筛网内在对应于至稀释隔室和浓缩隔室的入口端口和出口端口的位置处被预冲压，端口在随后的步骤中被添加。图2示出通过间隔物105的截面视图，该图示出薄膜110形成具有筛网105在中间的开放的袋112。套筒130可以用作掩蔽物以防止灌封材料进入在袋112内的间隔物材料105，并且从而形成掩蔽的端部部分117。其他掩蔽技术在本公开内容的范围内。
如在图3中所示出的，阳离子交换膜(CEM)137、稀释间隔物107、阴离子交换膜(AEM)136以及至第一间隔物107以一定角度(例如，90度)定向的浓缩间隔物106构成电池对140的部件。在完成的组件中，电池对140允许在第一方向191上的流体流动和在第二方向192上的流体流动。每个流动隔室的厚度(膜间间距)通过筛网105和薄膜110的厚度来确定。对于筛网，厚度可以在从0.25mm-0.75mm(0.01”-0.03”)的范围内，并且对于每个薄膜，厚度在0.05mm-0.1mm(0.002”-0.004”)的范围内。因此，膜间间距可以在从0.35mm-0.95mm(0.014”-0.038”)的范围内。上文给出的在典型的范围外的厚度当然是可能的。
多个电池对140可以汇集以形成电池堆145，如在图4中所示出的。电极筛网108可以被添加至堆145的两个端部。尽管为了清楚，示出的电池对的数目受限制，然而本发明不限于可以组装的电池对的数目。每个设备的模块化单元和电池对的总数将取决于例如流速和每台设备需要的离子去除(以及基于能量消耗、资金成本以及寿命周期成本的系统设计的优化。对于高流速的海水应用，例如每台设备的被容纳在多个模块化单元中并且以多个通道流体连接的电池对的总数可以在从2000-4000的范围内。另一方面，对于住宅软化应用，具有20-50个流体地平行地电池对的仅一个模块化单元可以满足。
根据至少一个实施方案，完成的堆145被插入到框架155中并且被顶部覆盖物156和底部覆盖物157封闭，如在图5中所示出的，以形成模块化单元150。可选择地，覆盖物157可以被附接至框架的底部，并且部件可以在框架155内一个接一个地被堆积，其中然后顶部覆盖物156被附接。从底部覆盖物157向上突出的销(未示出)可以被用于对齐堆部件。覆盖物156和157可以用机械紧固物、粘合剂和/或弹性密封件的组合被附接且密封至框架155。
框架155和堆145的模块化组件150可以倾斜，使得中心纵向轴线是水平的。灌封粘合剂160(例如两部分的环氧树脂)可以被注射到一个端部部分117中，如在图6A和图6B中所示出的，并且被给予时间硬化，直到灌封粘合剂160不再流动。
当环氧树脂通过入口59被注射到端部部分117中时，环氧树脂将渗透到未被套筒130掩蔽的筛网109中。环氧树脂160的向上移动部分是由于芯吸到多孔筛网109中。
环氧树脂注射的速率和量连同芯吸的速率一起被观察和/或被控制，使得环氧树脂水平面161不升高在掩蔽套筒130的边缘以上，该掩蔽套筒130防止环氧树脂160溢出到掩蔽的筛网105中。被选择的环氧树脂160可以具有充分低的粘度以容易地流动到交替的灌封筛网109中和在膜135和邻近的部件之间的任何间隙中。环氧树脂160的凝固时间必须是充分长的，使得所有环氧树脂160可以在环氧树脂160开始凝固和硬化之前缓慢地被注射。灌封材料的最终水平面161可以是在足以嵌入膜135的边缘，而不在套筒130的顶部之上溢出到在端部部分117处的掩蔽的筛网105中的高度。
在随后的步骤中，其他端部部分117以及拐角118将被灌封，进而在中心部分中留下有效膜区域138。
图7是截面视图，其示出被焊接至在所示出的端部部分117中的交替的掩蔽的筛网105的塑料薄膜110防止环氧树脂160渗透到形成的袋112中，同时允许环氧树脂160渗透到交替的筛网105中。
组件150逐渐转动预设定的量(例如，一次90度)，并且粘合剂被注射，直到所有端部部分象限117被灌封，如在图8中所示出的。
然后，组件转动(例如，45度)，并且粘合剂被注射以灌封第一拐角118，如在图9中所示出的。图10示出通过稀释筛网的水平截面；其中粘合剂160的水平面161是足够高的以绕开在塑料薄膜110和筛网105之间的焊接部125，使得粘合剂可以流动到筛网105中。
通过连续的转动和粘合剂注射，所有四个拐角118被灌封。灌封粘合剂160可以被给予另外的时间以在室温下完全固化，或组件150可以被插入到加热室中以加速固化。
许多孔洞(例如，四个孔洞)或开口可以通过灌封的粘合剂和塑料膜被钻削或切割，以提供至稀释隔室和浓缩隔室的入口端口和出口端口165，如在图11中所示出的。图12A和图12B分别是图11的成直角的横截面线A-A'和B-B'的截面视图，该图示出一组直径地相对的端口165如何与通过稀释筛网界定的离子稀释隔室170连通，并且另一组端口165如何与通过浓缩筛网界定的离子浓缩隔室175连通。在某些实施方案中，在筛网105内预冲压的孔洞115可以在直径上大于端口165以防止在孔洞形成期间损害筛网105。
图13A和图13B中的每个是穿过离子稀释隔室170的水平截面，该图示出从一个端口165至另一个的流动路径190。灌封的拐角118产生锥形的侧壁，该锥形的侧壁允许流路190扩张和收缩，而没有尖锐的过渡、边缘或停滞区。在筛网105内的线，特别地在以至平均流动方向一定角度被定向时，可以促进流动的混合和分散。可选择地，诸如导向肋状物的结构可以被添加至筛网以导向流动。
因为膜135延伸越过有效区域138到端部部分112的灌封粘合剂160中，如在图14中所示出，所以在堆145和框架155之间不存在电流195可以穿过其绕开堆的间隙，不同于在可选择的实施方案中，虽然一些电流通过路径(例如端口165)绕开堆145的可能性依然存在。在一些实施方案中，大体上不存在通过堆的电流旁路。
根据一个或更多个可选择的实施方案，塑料薄膜仅沿着短截面225被焊接至筛网105的端部部分117以形成套筒230，如在图15中所示出的。塑料薄膜210的剩余的边缘不被附接。
电池对140部件以与在图1-图14中示出的先前描述的实施方案中相同的方式被堆积在框架内。然而，拐角118首先被灌封，如在图16中所示出的。由于塑料膜210不沿着整个侧边缘120焊接至筛网105，因此粘合剂渗透稀释筛网105和浓缩筛网105两者。图17是穿过稀释筛网105的水平截面，该图示出拐角粘合剂160嵌入塑料薄膜210的被焊接至筛网105的区段。因为在此实施方案中，被焊接的区段225比在先前描述的实施方案中的那些短，所以粘合剂160可以更自由地流到筛网105中一直到不阻挡端口165的水平面161。
四个端部部分117接下来被灌封。然后，端口165被钻削。图18示出穿过筛网105的水平截面。拐角117灌封和被焊接的边缘截面225的组合防止粘合剂160渗透在端部部分117中的筛网105，包含入口端口和出口端口165。
根据一个或更多个可选择的实施方案，在框架内的电池堆可以绕中心轴和被注射的粘合剂旋转。离心力使粘合剂形成环160，该环160嵌入堆的周边。转动可以在粘合剂凝固之后停止。用于端口165的孔洞可以在粘合剂160已经固化之后被钻削，如在图19中所示出的。此方法具有优点：粘合剂160可以所有一次被施加，而不是在相继的步骤中被施加，从而减少用于灌封的总时间。
上文描述的实施方案的任何一个可以利用将塑料薄膜110热焊接至筛网105或其他掩蔽技术代替膜135焊接(至彼此、至筛网或至塑料条)。塑料薄膜110可以是容易地可熔化的且良好地粘附至灌封粘合剂。用于塑料薄膜110的可能的材料可以包括PVC和聚酯。透明的PVC还具有另外的优点：其对可能在分离工艺期间被使用的清洁化学品(例如酸、碱或次氯酸盐)是抗性的。
筛网105可以由热塑性塑料挤出，例如聚酰胺(PA或尼龙)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及其共混物。聚丙烯由于其对宽泛范围的化学品的抗性、低成本以及可能符合用于饮用水系统部件的标准(例如NSF/ANSI 61)，因此常被使用。筛网还可以由以下材料编织而成：例如聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、乙烯四氟乙烯(ETFE)以及聚醚醚酮(PEEK)。被挤出的筛网和编织的筛网在合适地被定向时，可以导向流动的方向并且改进流动分布。
灌封粘合剂160可以能够渗透膜135之间的间隔，该间隔部分地用筛网105来填充并且通常具有在0.25–0.75mm(0.010–0.030英寸)的范围内的厚度。为了能够控制灌封的高度，粘合剂由于表面张力导致的任何向上芯吸必须被限制。
根据一个或更多个实施方案，由上文描述的工艺产生的电化学分离设备可以包括电池堆、框架以及外壳，该框架围绕该电池堆以形成第一模块化单元，该外壳封闭第一模块化单元。此外，电池堆可以包括多个对齐的电池对，每个电池对包括离子提浓隔室和离子稀释隔室。隔室中的每个可以包括被定位在离子交换膜和阳离子交换膜之间的间隔物。每个隔室的间隔物可以具有一组掩蔽的端部部分和一组灌封的端部部分。掩蔽物可以包括围绕间隔物的端部部分的套筒以防止端部部分被暴露至灌封材料。交替的间隔物可以被定向，使得一个间隔物的掩蔽的端部部分与相邻的间隔物的灌封的端部部分对齐。电池堆还可以包括通过灌封材料形成的通道，每个通道延伸穿过各自的端部部分。在通道延伸穿过掩蔽的端部部分的位置，该通道将与和该端部部分相联系的间隔物和流动隔室流体连通。同样地，在通道穿过相邻的未掩蔽的并且因此灌封的端部部分的位置，该通道将与和隔室相联系的间隔物流体地隔离。以这样的方式，通道能够向交替的隔室提供流动，同时保持各自的流是隔离的。
框架155和覆盖物156和157可以由具有必要的机械性能和与在操作期间遇到的流体的化学相容性的材料来制造。在诸如海水脱盐的应用中，由于其抗腐蚀能力和低成本，因此塑料材料受到青睐。可能的塑料包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA或尼龙)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚砜，或诸如改性聚苯醚(Noryl)的塑料的共混物，改性聚苯醚是聚苯醚(PPO)和聚苯乙烯(PS)的共混物。诸如玻璃纤维的增强填料可以被添加以用于耐化学性以及机械和热性能的提高。在生产中，最可能的制造的方法将是注射模制。
根据一个或更多个实施方案，堆145的每个膜135的全部周边被嵌入在灌封材料160中。每个堆被灌封并且因此被安装在框架内以形成模块化的组件。系统可以包括一个或更多个这样的模块化组件。
框架155和覆盖物156和157用于在多个注射步骤和固化期间以与模具类同的方式容纳并且形成环氧树脂160。根据一个或更多个可选择的实施方案，覆盖物156和157在灌封完成之后被除去。在每个覆盖物的与框架相邻的侧上的涂层或薄膜防止环氧树脂直接地接触覆盖物且粘附至覆盖物。涂层或薄膜可以被选择用于最小粘附至环氧树脂。端口可以在覆盖物被除去之前或之后被钻削或切割。产生的模块化单元具有与框架155的两侧齐平的环氧树脂。如在图4中所示出的，在堆的两侧上的另外的筛网108被嵌入在环氧树脂中。这样的筛网的对应于有效膜区域的中间截面可以预先被除去。
根据一个或更多过个实施方案，提供用于减少错流装置中的电流泄漏的方法和设备。可以通过增加在流动隔室的有效区域和端口之间的通道的电阻来促进电流泄漏减少。根据某些实施方案，控制粘合剂渗透到堆中的塑料薄膜可以以增加流体流动和电流流动的路径的弯曲度的模式来焊接在一起。
图13B是电池堆的水平截面，该图示出穿过间隔物的流体流动。由虚线界定的区域是离子传输的有效区域，对应于阳极和阴极的形状。无效区域(由实现界定)用作有效区域和端口之间的入口通道或出口通道。
图14示出DC电流的在此实例中向上流动的部分可以在某些实施方案中通过从底部间隔物中的有效区域向一侧流动至端口，向上通过端口，然后侧回到顶部间隔物，来绕开堆。旁路电流(还被称为泄漏电流)降低分离工艺的电流效率并且增加每单位体积产物的能量消耗。
在每个间隔物中，在端口和入口通道和出口通道中的流体的导电率接近间隔物的有效部分中的平均导电率。因此，总电流的绕开堆的部分随导电率增加而增加；例如在靠近出口端口的浓缩流中。
电流通过ED装置的流动可以通过并联和串联的电阻器的网络模式来模拟。通过端口和典型的通道的电阻可以通过图20中的等式来估计。增加电阻可以减少泄漏电流。可能的方法包括：(1)减小端口165的直径；以及(2)使从有效区域至端口的通道(或端部部分)117的宽度变窄并且长度增加。两种方法均具有增加流动阻力并且增加总压降的副作用。
根据一个或更多个实施方案，在粘合剂密封的错流装置中的电流泄漏通过增加流动隔室的有效区域138和端口165之间的通道117的电阻来减少。电阻可以通过增加用于流体流动和电流流动的路径的弯曲度来增加。
根据本公开内容的一个或更多个实施方案，在间隔物105的端部部分117处形成套筒330的薄膜310可以在端部部分117的内部119中被点焊接在一起，以产生对流体流动和电流流动的阻碍物326，如在图21和图22中所示出的。筛网105被焊接在薄膜310中间。焊接可以使用加热元件来进行；缝焊可以使用加热带来进行，并且点焊可以使用加热头来进行。可选择地，具有期望模式的突起的加热板可以被用于同时进行所有的焊接。超声焊接是另一种可能方案。塑料薄膜310和筛网105被夹在顶部上的“尖角(horn)”和底部上的砧座(anvil)之间。砧座具有将来自超声振动的能量集中在焊接区域上的突起。缝焊和点焊可以再次在单个步骤中或在多个步骤中进行，这取决于经济上可行的尖角的最大尺寸。
阻碍物326迫使电流195(和流体)采取从有效区域138至端口165的弯曲的路径(而不是假设的直的路径196)，或反之亦然，如在图23中所示出的。弯曲的路径195的平均长度与假设的直的路径196的长度的比率被称为“弯曲度”。
根据本公开内容的一个或更多个可选择的实施方案，薄膜410被直接地焊接至彼此。在筛网405中在阻碍物426周围模切开口，如在图24中所示出。此方法的优点是焊接两个薄膜410(例如塑料薄膜)至彼此比与中间的筛网405焊接更容易。热量或震动能量不一定穿过三层材料传递。
根据本公开内容的一个或更多个可选择的实施方案，筛网505可以被注射模制，如在图25中所示出的。升高的区域526可以模制在筛网505上以将能量集中在焊接区域上。可选择地，阻碍物526的区域可以通过围绕周边的升高的脊527来密封；这减少总的焊接区域，并且可以导致用于超声焊接机和尖角的较低的资本成本。
在先前图中示出的阻碍物的模式仅用于说明。事实上，该模式必须基于泄漏电流减少对流体压降增加之间的权衡来优化。
图26示出阻碍物626的类迷宫模式(labyrinth-like pattern)的极端的实例，该极端的实例在模制的筛网605的情况下可以是可能的。
根据一个或更多个实施方案，对设备的改进可以提供在用环氧树脂160灌封之后，电池堆145的周围区域的增加的刚度。
根据一个或更多个实施方案，间隔物可以包括增强结构以提供对抗堆压缩的另外的支持。增强结构可以通过从间隔物切除浮凸部分并且在该间隔处将薄膜焊接在一起来形成。这样的布置提供另外的环氧树脂在浮凸区段中集聚以提供增强。增强结构可以包括袋区段(pocket-region)中的焊接的肋状物或凸条以增加刚度。增加这些区域的刚度确保当子块被堆积成模块(还被称为模块化单元)时，子块的垫圈(sub-blocks’gas-kets)被尽可能均匀地压缩，进而改进子块之间的密封。它还鼓励环氧树脂在灌封步骤期间渗透到膜和套筒之间的间隔中，从而加强膜和套筒之间的结合，并且防止稀释隔室和浓缩隔室之间的交叉泄漏。
根据一个或更多个实施方案，套筒包括焊接的肋状物，该焊接的肋状物形成用于填充环氧树脂的通道。这些通道在被灌封时，有助于改进穿过整个堆高度的环氧树脂的分布并且消除间隙。结果，在歧管端口周围的区域被加强，从而提供需要的硬度来压缩用于子块之间的密封的垫圈。除了其他方面之外，由凸条产生的优点包括：(1)当组装到模块中时，提供子块之间的较好的密封，减少能量消耗；以及(2)在套筒和膜之间产生灌封材料给料通道以增加操作灵活性。
焊接间隔物的工艺有时可以在套筒的焊接部分和筛网分离处产生脱层。脱层可以允许环氧树脂在灌封期间流到隔室中，这是不期望的结果。根据一个或更多个实施方案，筛网705设计有如在图28A和图28B中所示出的另外的浮凸707切除部，从而减少或消除分层的问题。相比于像在图27A和图27B中所示出的缺少切除浮凸的设计，这样的设计具有以下优点。
在浮凸切除区域707处的焊接允许套筒710被直接地焊接在一起以形成较强的结合，从而减少或消除脱层。
如在图28A和图28B中所示出的凸条设计还可以有助于较好的堆硬度。根据无肋状物的实施方案，像在图27中所示出的实施方案，在焊接头之间，存在被定位在两个套筒之间的筛网以形成袋。筛网不是刚性的，并且当电池堆形成时，非焊接的部分将是软的，并且可能具有支撑垫圈以在模块组装期间形成良好的密封的问题。通过在焊接头中引入更多的肋状物下，当肋状物731被垂直地对齐时，环氧树脂160现在可以填满全部堆高度。这反过来将形成较硬的表面，该较硬的表面将支撑在模块组装期间用于在子块之间密封的垫圈。
凸条731，像在图28A和图28B中示出的那些的凸条，可以在套筒710和膜之间生成灌封材料给料通道，从而改进灌封材料的均匀且充分的分布。
根据某些实施方案，间隔物设计由筛网105构成，该筛网105具有被定位在两片薄膜111和112之间的两个相对的端部部分，薄膜111和112具有被焊接的边缘以形成袋的，以便防止环氧树脂在灌封期间进入歧管区域，如例如在图29A和图29B中所示出。两层薄膜111和112增加间隔物单元的总厚度。当许多电池对被堆积时，对于相同数目的电池对，此薄膜-筛网-薄膜布置产生总的更大的堆高度以及在膜135之间的更大的横截面积。
根据一个或更多个可选择的实施方案，两个薄膜111或112中的一个被完全片材的膜135代替，如在图30A和图30B中所示出的。这样的配置减少许多电池对堆积时的总高度。它还减少一个薄膜厚度的横截面积以用于较好的流动输送。结果，更多的电池对可以被堆积到相同的框架高度中，并且在堆内的环氧树脂渗透被增加。因为间隔物的高度减少一个薄膜厚度或更多，所以总高度减少膜厚度乘以电池对的数目或更多。根据一些实施方案，薄膜材料111可以是与膜135相同的材料，以用于较好的结合。
根据某些实施方案，膜135和薄膜111被焊接至彼此以产生密封进而在灌封期间保护歧管区域。
包括用膜135代替薄膜112的实施方案可以提供某些益处。这样的实施方案可以提供较短的堆高度。这样的实施方案可以通过减小间隔物筛网105和膜135之间的间隙提供通过筛网线的流动的改进的输送。这样的实施方案可以提供较好的环氧树脂渗透，因为这样的实施方案消除使膜135置于套筒120上的情形。因为膜135和套筒120两者均是薄的，具有平滑的表面，所以对于环氧树脂非常难以在中间渗透。在此新的设计下，理应用环氧树脂来填充的所有间隙铺设有筛网，这帮助环氧树脂渗透。
这样的实施方案可以在堆积期间提供更容易的操作，因为膜135已经被附接至间隔物105。根据某些实施方案，电池对根据两种配置来产生-(1)筛网、薄膜和AEM；以及(2)筛网、薄膜和CEM。通过将膜135焊接至筛网105和薄膜110，薄的膜135在堆产生期间更易于操作。同样地，因为膜135现在被结合至间隔物105上，所以两片或多片膜135在堆积期间彼此粘住的危险被减少。
这样的实施方案可以提供间隔物105的较好的储存。制好的间隔物105可以被更有效地成堆地储存在湿度控制的室内，因为在每个间隔物在一侧具有薄膜110并且在另一侧具有膜135的情况下，湿的空气能够更有效地行进至膜135以更好地保存间隔物。
根据一个或更多个实施方案，子块框架855被模制成两个半部861和862，该两个半部861和862组装在一起的以形成框架855，如在图31A和图31B中所示出的。根据某些实施方案，灌封材料流动通道856被定位在框架855的芯内两个半部861和862的接合处。框架855还包括灌封扩散器859和储器858。在灌封材料入口863处，灌封针可以被插入以递送环氧树脂。材料流动通过灌封通道856，如通过流动箭头所指示，并且被递送至环氧树脂储器858和/或灌封扩散器机构859。灌封通道856的入口863可以具有与灌封的水平面相同的或更高的水平面以避免在灌封针被撤回时，环氧树脂的回流。
根据一个或更多个可选择的实施方案，灌封材料流动通道956位于框架955的外部表面962处，如在图32和图33A和图33B中所示出的。将流动通道956定位在外部表面962处能够将框架模制为单一的单个件961，从而提供更简单的模制工具设计以及降低成本和生产步骤的数目，并且此外减少框架的重量的70％，减少至约2.3kg。
粘合剂密封薄膜可以附接至框架955的外部表面962以形成密闭的流动通道956。通道956将分散de灌封材料导向至穿透的扩散器槽959。扩散器槽959确保环氧树脂变平，因此帮助均匀地芯吸到堆中。扩散器槽959可以被成形为像在图34中示出的那样，或扩散器槽959可以被成形为不同的。在框架955的内侧内的切除袋充当灌封期间环氧树脂的储器958以最小化环氧树脂芯吸到堆中时的水平面的降低。储器958已经被设计以提高模制工艺，使得肋状物963可以具有相等的厚度，因此避免扭曲。支柱(tie-rod)孔洞957周围用肋状物壁963来加固，以加强孔洞957用于承受紧固力。
如在图33B中所示出的，环氧树脂入口863可以被定位在最终灌封水平面161处或之上以避免灌封针撤回时，环氧树脂的回流。在入口863和最终灌封水平面161之间的这样的布置可以在框架的多个实施方案中被提供。
根据一个或更多个实施方案，框架被提供一用于通过提供将灌封材料更均匀分布至电池堆来改进制造工艺的灌封步骤的一致性。
图34示出根据一个或更多个实施方案的模块框架1055的切除部。图34的框架示出两个扩散器机构1059。图的底部部分示出扩散器机构1059的横截面，而顶部部分示出在合适的位置的完全的扩散器1059。根据某些实施方案，灌封材料通过在框架1055中机械加工的通道被给料至扩散器。因为灌封子块的每个象限自底部向上进行，所以扩散器1059的有角度的切除部在灌封材料接触堆之前，使灌封材料相对堆的全部宽度变平。这样的配置促进将灌封材料均匀地填充和芯吸到堆中。均匀填充将减少可能导致内部交叉泄漏的不合适地灌封的拐角的机会。
根据一个或更多个实施方案，密封部件被提供用于减少在电化学分离设备的电极处的水泄漏和电流泄漏。
在电化学模块设置中，模块的两侧用厚的端板来夹住，该端板具有内置的电极用于将电力施加于模块。围绕电极的区域可以经历泄漏。
根据一个或更多个实施方案，电极密封被形成以消除泄漏。密封部件密封电极棒，防止泄漏电极水。此设计可以在电极棒与电极板的垂直方面适应轻微的不对齐。其还可以在泄漏密封方面提供改进的压力耐受性。
根据一个或更多个实施方案，如在图35中所示出的，密封部件可以包括制造的密封帽1015、密封托架1020、O形环1010以及橡胶垫圈1025。垫圈1025可以被定位在端板和密封托架1020之间。在密封托架1020的基部的密封垫圈1025可以密封端板和托架1020之间的泄漏。密封托架1020和密封帽1015中的每个可以具有锥形边缘，如在图36中所示出。O形环1010在密封托架1020和密封帽1015之间沿着这些部件锥形边缘1040和1045中的每个被定位。在操作中，当帽1015被紧固时，O形环1010被压缩，以在电极棒1030、密封托架1020和帽1015之间形成密封，如在图35和图36中所示出的。另外，电源接线盒1005具有用于电缆垫环1035的开口和垫圈覆盖物，并且密封暴露的金属部分，使得暴露的金属部分不能达到以防止触电，如在图35中所示出。
根据一个或更多个实施方案，可膨胀的筛网塞被提供以减少交叉泄漏。由于子拐角(sub-corner)的不完全灌封，因此可能在子块中存在交叉泄漏。PVC导向棒被用于在堆积工艺期间对齐多个筛网和膜，以及用于将堆对齐到子块的框架。由于在堆积期间在PVC导向棒周围的挤压现象，PVC导向棒引起膜的层之间的不均匀的压缩。根据某些实施方案，PVC导向棒可以用可膨胀的筛网插塞来替代。在堆中，可膨胀的筛网插塞可以减少不均匀的压缩，同时确保对齐各种材料。堆和其框架之间的对齐还通过由筛网材料制成的垫片来设定。筛网垫片可以在每个销的位置的两侧处插入堆和框架中间以便将堆对齐到框架中。
可膨胀的筛网插塞可以在部署之后膨胀。在插塞的膨胀能力下，插塞提高了通过多层材料对灌封材料的吸附，同时确保层保持在合适的位置。导向棒通常由固体材料制成，因为导向棒用作材料的支撑。
根据一个或更多个实施方案，PVC导向棒在用于形成隧道的堆积工艺期间被使用，并且然后在灌封步骤之前被可膨胀的筛网插塞替代，如在图37-图42中所示出。可膨胀的插塞可以由例如聚丙烯制成。聚丙烯可以是被松散地轧制的片材的形式。插塞可以由根据某些实施方案的薄的片材(例如0.38mm厚)形成。图37示出根据组装对齐的电池堆145的一种或更多种方法的第一步骤，第一步骤包括通过将电池堆材料穿过放置在拐角118处的PVC导向棒146放置，在灌封板158上堆积交替的膜和间隔物。导向棒146可以从灌封板158向上延伸。图37示出根据组装方法的第二步骤。在堆积电池堆材料之后，框架155围绕材料放置，并且在拐角118处添加平坦的套筒147和筛网垫片148以进一步地帮助对齐电池堆145。根据一个或更多个实施方案，在筛网垫片148被添加之后，平坦的套筒147可以被除去。在图39中所示出的第三步骤中，另一个板159被放置在框架155的顶部上，并且全部组件被紧固。然后，板被翻转，使得具有导向棒146的灌封板158现在在顶部位置并且板159在底部上。在图40中所示出的第四步骤中，重物或一些其他仪器163被放置在顶部上以保持电池堆145的位置，并且具有导向棒146的灌封板158被除去。结果，致使电池材料中保持导向棒的槽是空的。
在图41中所示出的第五步骤中，可膨胀的筛网插塞149被放置到空的槽的每个中。可膨胀的筛网插塞149可以经由由0.25mm厚的PP片材制成的管状套筒164来部署以便避免破坏具有堆的材料的层。一旦插塞149被部署至拐角118的每个中，在图42中示出的最终步骤包括将新的板166放置在框架155之上并且在除去重物163之前紧固组件。在此阶段，组件准备用于灌封。
包括可膨胀的筛网插塞149允许用于灌封材料的光滑的通道以在材料的层中间渗透，从而提高子块的强度。因为子拐角是可能的泄漏路径中的一个，因此灌封材料的均匀分布/渗透可以减少泄漏，导致提高产品的效率。
图43是示出没有外部外壳的电化学处理设备1900的示意图。每个模块或子块1930包含电池堆。模块1930通过防泄漏垫圈1920和膜1925分离。在每个端部处的是电极筛网1915、阳极或阴极端板组件1910和电源接线盒1905。示出的该实施方案例如2通路配置的布置有稀释流和浓缩流的两个模块化单元。电池对的许多组合和许多模块是可能的。另外，在每个模块中具有不同数目的电池对的该配置可以是不对称的。本发明不限于任何特定数目的电池对或任何特定数目的通路。
图44示出电净化设备或系统的实施方案，其中外壳2000包括在给料退出某些模块化单元2100之后偶尔重新导向稀释给料的阻挡间隔物2200。
图45示出模块化单元1516被外壳1518封闭的一个实施方案。端板1512通过拉杆1514被联结在一起。拉杆1514通过非金属套筒与流体流隔离。如果端部板1512是金属的，非金属端部阻挡物1520可以在每个端部处插入模块化单元1516和端板1512之间。端部阻挡物1520支撑电极并且将液体流与端板隔离。拉杆套筒的端部通过O形环抵着端部阻挡物1520被密封。可选择地，端板1520可以是非金属的，并且那么分离的端部阻挡物可以不是必需的。如在图45中所示出的，端板1520可以通过螺栓或螺杆1522和螺母1524被附接。如在图46中所示出的，端板1620可以通过凸缘1649被附接。如在图47中所示出的，端板1720可以通过夹具1728(例如通过型夹具)被附接。
在本公开内容的一些实施方案中，拉杆可以位于外壳外部。在本公开内容的一些其他实施方案中，端板可以通过插入到外壳的端部处的凹槽中的分段环或卡环被固定在外壳中。端板还可以通过粘合剂被结合至外壳。
金属端板可以例如通过机械加工或铸造来制造。非金属端部阻挡物或端板可以例如通过机械加工塑料块或通过注射模制来制造。
膜电池动流动隔室可以是约0.33mm至0.46mm厚，并且在某些实例中，灌封可以没有空隙率。
在本公开内容的一些实施方案中，提供了提供饮用水的来源的方法。在某些实施方案中，提供促进从海水生产饮用水的方法。该方法可以包括提供包括电池堆的电净化设备。该方法还可以包括将海水给料流流体地连接至电化净化设备的入口。该方法还可以包括将电净化设备的出口流体地连接至使用的便携位置。海水或河口水可以具有在约10,000ppm至约45,000ppm的范围内的总的溶解固体的浓度。在某些实例中，海水或河口水可以具有约35,000ppm的总的溶解固体的浓度。
在此实施方案中，电池堆可以包括交替的离子稀释隔室和离子提浓隔室。离子稀释隔室中的每个可以被构建和布置以提供在第一方向上的流体流动。离子提浓隔室中的每个可以被构建和布置以提供在不同于第一方向的第二方向上的流体流动，如上文所讨论的。
流体流动的第一方向和流体流动的第二方向可以通过构建和布置隔室的方式被选择和提供。使用流体流动的第一方向作为沿0°轴线运行的方向，流体流动的第二方向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以90°的角度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以至第一流体流动路径的180°的角度运行。
该方法还可以包括在交替的离子稀释隔室和离子提浓隔室中的至少一个中重新分布流体。隔室中的一个或更多个可以被构建和布置以重新分布或重新导向流体流动。这可以通过使用特定的间隔物或膜来完成，该特定的间隔物或膜界定可以提供配置以重新分布流体流动的隔室，如上文描述的。
电净化设备还可以包括封闭电池堆的框架。该框架可以与电池堆相邻或连接至电池堆以提供模块化单元。电净化设备还可以包括可以被固定在外壳内的第二模块化单元。第二模块化单元可以被固定在外壳内，使得第一模块化单元的离子交换膜与第二模块化单元的离子交换膜相邻。
提供饮用水的来源的方法可以包括重新导向在第一模块化单元和第二模块化单元之间的电流流动和流体流动中的至少一个。这可以例如通过在第一模块化单元和第二模块化单元之间提供阻挡间隔物来完成。
托架组件可以被定位在框架和外壳之间，以将模块化单元固定至外壳。
包含不同浓度的总的溶解固体的其他类型的给水可以使用该设备和本公开内容的设备和方法来处理或加工。例如具有在约1000ppm至约10,000ppm的范围内的总的溶解固体含量的淡盐水可以被处理以生产饮用水。具有在约50,000ppm至约150,000ppm的范围内的总的溶解固体含量的盐水可以被处理以生产饮用水。在一些实施方案中，为了处理水体(例如海洋)的目的，具有在约50,000ppm至约150,000ppm的范围内的总的溶解固体含量的盐水可以被处理以生产具有较低的总的溶解固体含量的水。
从以下实施例中，这些和其它实施方案的功能和优点将被更充分地理解。实施例本质上意图是说明性的，并且并不被认为限制本文所讨论的实施方案的范围。
实施例1
用93个电池对组装模块化单元。挤出的聚丙烯筛网具有0.38mm(0.015”)的厚度，并且薄膜是具有0.05mm(0.002”)的厚度的透明的PVC。离子交换膜通过Evoqua Water技术来制造，具有0.025mm(0.001”)的平均厚度。每个膜具有约305mm x 305mm(12”x 12”)的方形有效区域。堆被灌封在机械加工的PVC框架中，该PVC框架具有498mm(19.6”)的外部直径和92mm(3.62”)的厚度。
将模块化单元插入在阳极和阴极之间，阳极和阴极中的每个安装在通过机械加工的铝端板支持的机械加工的聚丙烯端部阻挡物中。通过8个拉杆将端板拉在一起以压缩模块化单元和端部阻挡物之间的垫圈。
该装置用去离子水来填充，并且稀释隔室被加压至4psi(27.6kPA,0.276巴)，同时浓缩隔室通向大气。环氧树脂灌封的失败将导致从稀释隔室泄漏到浓缩隔室中以及水流出浓缩隔室。没有检测到交叉泄漏。
将对应于35200ppm的总的溶解固体(TDS)的具有25.3℃的温度下和56mS/cm的导电率的NaCl溶液给料至稀释隔室和浓缩隔室两者。该TDS与典型的海水的TDS相似，然而海水将包含除Na+和Cl-之外的离子。稀释出口流速是9.1升每分钟(lpm)，对应于在每个稀释隔室中的1.4cm/s的平均流动速度，并且浓缩出口流速是9.6lpm，对应于1.51cm/s的平均速度。
应用8A的DC电流，在稀释出口处产生具有52.64mS/cm(32805ppm)的导电率的产物以及在浓缩出口处产生具有59.19mS/cm(37459ppm)的导电率的废品。以下定义的工艺效率ηp被计算为84.3％。
其中：
(qd)out＝每个稀释隔室的入口处的流速
Cin＝在稀释入口处的浓度
Cout＝在稀释出口处的浓度
z＝化合价＝对于NaCl是1
F＝法拉第常数
I＝电流
在电极上所需的总电压是12.9V，包括在电极隔室中的电压降低。
因此该单元能够有效地操作以从具有与典型的海水的特性相似的特性的处理流除去杂质。
实施例2
用93个电池对组装模块化单元。材料与实施例1中相同。但是，相比于在实施例1中的近似305mm x 305mm，每个膜具有近似170mm x170mm(7”x 7”)的方形有效区域。堆被灌封在机械加工的PVC框架中，该PVC框架具有280mm(11”)的外部直径和92mm(3.62”)的厚度。
电渗析装置组装有模块化单元并且被检测交叉泄漏。没有检测到交叉泄漏。
将对应于3117ppm的总的溶解固体(TDS)的具有28.5℃的温度和5.9mS/cm的导电率的NaCl溶液给料至稀释隔室和浓缩隔室两者。对于典型的淡盐水，TDS在范围内。稀释出口流速是7.5升每分钟(lpm)，对应于在每个稀释隔室中的1.7cm/s的平均流动速度，并且浓缩出口流速是7.2lpm，对应于1.63cm/s的平均速度。
应用2.71A的DC电流，在稀释出口处产生具有3.9mS/cm(2018ppm)的导电率的产物以及在浓缩出口处产生具有8.0mS/cm(4298ppm)的导电率的废品。工艺效率ηp被计算为90.2％。
在电极上所需要的总电压是60V，包括在电极隔室中的电压降低。电压比实施例1中的电压高许多，因为给料的导电率降低90％。
因此该单元能够有效地操作以从具有与典型的淡盐水的特性相似的特性的处理流除去杂质。
现在已经描述了一些说明性实施方案，对本领域那些技术人员来说应当明显的是，通过仅实例的方式被呈递的前述仅是说明性的并且不是限制性的。许多修改和其他实施方案是在本领域普通技术人员的范围内并且预期落在本发明的范围内。特别地，虽然本文呈递的实施例中的许多包括方法行为或系统要素的特定的组合，但是应当理解，那些行为和那些要素可以以其他方式来组合以完成相同目的。
应当理解，本文讨论的装置、系统和方法的实施方案不限于应用于以下说明书中所陈述的或附图中所示出的部件的构造和布置的细节。该装置、系统和方法能够在其它实施方案中实施，并且能够以各种方式实践或进行。本文仅为了说明的目的提供具体实施方式的实例，且具体实施方式的实例不意图是限制性的。特别地，讨论的与任何一个或更多实施方案有关的行为、要素和特征并不意图排除任何其它实施方案中的类似角色。
本领域那些技术人员应当理解，本文描述的参数和配置是示例性的，并且实际参数和/或配置将取决于本发明的系统和技术被使用的具体的应用。本领域那些技术人员还应认识到或者能够仅仅使用常规实验确定本发明的具体实施方案的等效物。因此，应理解，本文描述的实施方案仅通过实施例的方式来呈现并且在随附的权利要求及其等效物的范围内；本发明可以除如具体描述的之外de其他方式进行实践。
此外，还应当理解，本发明指向本文描述的每个特征、系统、子系统或技术以及本文描述的两个或更多个特征、系统、子系统或技术的任何组合，并且如果这样的特征、系统、子系统以及技术不是相互不一致的，则两个或更多个特征、系统、子系统和/或方法的任何组合被认为是在如在权利要求书中具体体现的本发明的范围内。另外，讨论的仅与一个实施方案有关的行为、要素和特征并不意图排除其它实施方案中的类似角色。
本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制性的。如本文所使用，术语“多个”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包含(including)”、“带有(carrying)”、“具有”、“含有(containing)”和“涉及(involving)”，无论在书面描述或权利要求及类似物中，是开放式术语，即意指“包含但不限于”。因此，这样的术语的使用意指涵盖在其后列出的项目和其等效物，以及另外的项目。仅连接词“由......组成”和“基本上由......组成”分别是关于权利要求的封闭的或半封闭的连接词。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行为进行的时间顺序，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(但使用序数术语)的另一个要素，进而区分权利要求要素。

Claims (29)

1.一种电化学分离设备，包括：
电池堆，所述电池堆包括：
多个对齐的电池对，所述多个对齐的电池对中的每个包含被构建和布置以提供在第一方向上的流体流动的离子提浓隔室和被构建和布置以提供在不同于所述第一方向的第二方向上的流体流动的离子稀释隔室；
所述离子提浓隔室中的每个包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、以及被定位在所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜之间的第一间隔物，所述第一间隔物具有掩蔽的第一组端部部分和灌封的第二组端部部分；
所述离子稀释隔室中的每个包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、以及被定位在所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜之间的第二间隔物，所述第二间隔物具有灌封的第一组端部部分和掩蔽的第二组端部部分；
所述第一间隔物的所述掩蔽的第一组端部部分与所述第二间隔物的所述灌封的第一组端部部分对齐，并且所述第一间隔物的所述灌封的第二组端部部分与所述第二间隔物的所述掩蔽的第二组端部部分对齐；
所述第一组端部部分和第二组端部部分中的每个端部部分界定延伸穿过其的通道，每个通道与所述通道延伸穿过其掩蔽的端部部分的那些间隔物流体连通，并且每个通道与所述通道延伸穿过其灌封的端部部分的那些间隔物流体隔离；
围绕所述电池堆以形成第一模块的框架；以及
封闭所述第一模块的外壳。
2.如权利要求1所述的电化学分离设备，其中所述第一间隔物中的每个第一间隔物的所述掩蔽的第一组端部部分和所述第二间隔物中的每个第二间隔物的所述掩蔽的第二组端部部分中的每个包括围绕所述间隔物的端部部分的套筒。
3.如权利要求2所述的电化学分离设备，其中所述套筒中的每个包括被焊接在一起的一对薄膜。
4.如权利要求3所述的电化学分离设备，其中所述一对薄膜在所述掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分中的每个处在多个内部位置处被焊接至所述第一间隔物或第二间隔物中的每个，以形成对流体流动和电流流动的阻碍。
5.如权利要求3所述的电化学分离设备，其中所述一对薄膜在所述掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分中的每个处在多个内部位置处被直接地焊接至彼此，以形成对流体流动和电流流动的阻碍。
6.如权利要求3所述的电化学分离设备，其中所述第一多个套筒的套筒中的每个包括由一对塑料薄膜的被焊接在一起的部分形成的多个肋状物。
7.如权利要求2所述的电化学分离设备，其中在所述掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分中的每个处，所述第一间隔物或第二间隔物中的每个包括在所述掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分的内部中的多个升高的阻碍物以阻挡流体流动和电流流动。
8.如权利要求2所述的电化学分离设备，其中每个套筒包括塑料薄膜和膜的在端部部分的周边处被焊接至所述第一间隔物或第二间隔物的所述掩蔽的第一组端部部分或掩蔽的第二组端部部分的部分，所述膜的所述部分是所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜中的一个的部分。
9.如权利要求1所述的电化学分离设备，还包括围绕第二电池堆以在所述外壳内形成第二模块的第二框架，以及被定位在所述第一模块和所述第二模块之间的垫圈，所述垫圈包括多个孔，每个孔分别与所述第一电池堆的通道和所述第二模块的通道对齐以提供所述第一模块和所述第二模块之间的流体连通。
10.如权利要求1所述的电化学分离设备，还包括围绕第二电池堆以在所述外壳内形成第二模块的第二框架，以及被定位在所述第一模块和所述第二模块之间以重新导向所述第一模块和所述第二模块之间的流动的阻挡间隔物。
11.如权利要求1所述的电化学分离设备，其中所述框架包括被配置以保持灌封材料的储器。
12.如权利要求11所述的电化学分离设备，其中所述框架包括被配置以将灌封材料从所述储器转移至所述电池堆的通道。
13.如权利要求12所述的电化学分离设备，其中所述框架包括接近所述电池堆并且与所述通道流体连通的灌封扩散器机构。
14.如权利要求13所述的电化学分离设备，其中所述灌封扩散器机构包括在所述框架内形成的有角度的切除部，所述有角度的切除部被配置为将灌封材料均匀地分布至所述电池堆的全部宽度。
15.如权利要求14所述的电化学分离设备，其中所述框架包括单一式主体。
16.如权利要求1所述的电化学分离设备，还包括在所述外壳的第一端部处的第一电极以及在所述外壳的第二端部处的第二电极。
17.如权利要求16所述的电化学分离设备，还包括围绕所述第一电极的壳体，所述壳体包括密封托架、密封帽、以及被定位在所述密封托架和所述密封帽之间的o形环。
18.如权利要求1所述的电化学分离设备，还包括延伸通过所述电池堆并且被布置为保持所述多个对齐的电池对的对齐的多个可膨胀的插塞。
19.一种组装电化学分离设备的方法，所述方法包括：
在第一组端部部分处掩蔽第一多个间隔物；
在第二组端部部分处掩蔽第二多个间隔物，所述第二组端部部分以至所述第一组端部部分的一定角度被定向；
通过以下方式来形成多个电池对：对于每个电池对，将来自所述第一多个间隔物的间隔物定位在第一阴离子交换膜和阳离子交换膜之间以提供被配置以在第一方向上导向流体流动的离子提浓隔室，并且将来自所述第二多个间隔物的间隔物定位在所述阳离子交换膜和第二阴离子交换膜之间以提供被配置以在不同于所述第一方向的第二方向上导向流体流动的离子稀释隔室；
通过将所形成的多个电池对依次堆积在框架内来形成电池堆；
灌封所述第一组端部部分和所述第二组端部部分，使得灌封材料进入所述第二多个间隔物的第一组端部部分，同时所述灌封材料被掩蔽免于进入所述第一多个间隔物的第一组端部部分，并且使得所述灌封材料进入所述第一多个间隔物的第二组端部部分，同时所述灌封材料被掩蔽免于进入所述第二多个间隔物的第二端部部分；
界定通过所述第一组端部部分和第二组端部部分的每个中的灌封的部分中的每个的通道，使得在所述第一组端部部分中的通道中的每个与多个离子提浓隔室流体连通并且与多个离子稀释隔室流体隔离，同时在所述第二组端部部分中的通道中的每个与多个离子耗尽隔室流体连通并且与所述多个离子提浓隔室流体隔离；以及
将有通道的电池堆和所述框架插入到外壳中以形成电化学分离设备。
20.如权利要求19所述的方法，其中在第一组端部部分处掩蔽第一多个间隔物包括将一对塑料薄膜焊接在一起以包封所述第一组端部部分中的每个。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述一对塑料薄膜直接地焊接至彼此。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述一对塑料薄膜被焊接至所述第一间隔物或第二间隔物中的每个。
23.如权利要求19所述的方法，其中灌封包括将灌封环氧树脂从其被芯吸到所述第一组端部部分和所述第二组端部部分中之处注射到围绕所述电池堆的所述框架中。
24.如权利要求23所述的方法，其中灌封包括当灌封环氧树脂被注射到所述框架中时，使所述框架绕中心轴线旋转。
25.如权利要求13所述的方法，还包括促进所述灌封环氧树脂的均匀分布。
26.如权利要求19所述的方法，还包括将第二电化学分离设备安装在所述外壳内。
27.如权利要求26所述的方法，还包括将阻挡间隔物插入在所述第一电化学分离设备和第二电化学分离设备之间。
28.如权利要求19所述的方法，还包括用至少一个可膨胀的插塞保持所述电池堆对齐。
29.如权利要求19所述的方法，还包括促进所述电化学分离设备内的电流效率。
CN201580017526.3A 2014-04-02 2015-04-02 错流电化学分离装置及其组装方法 Active CN106536024B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201461974027P 2014-04-02 2014-04-02
US61/974,027 2014-04-02
PCT/US2015/024089 WO2015153885A1 (en) 2014-04-02 2015-04-02 Cross-flow electrochemical separation devices and methods of assembling same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106536024A true CN106536024A (zh) 2017-03-22
CN106536024B CN106536024B (zh) 2018-03-27

Family

ID=54241291

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580017526.3A Active CN106536024B (zh) 2014-04-02 2015-04-02 错流电化学分离装置及其组装方法

Country Status (11)

Country Link
US (1) US9782725B2 (zh)
EP (1) EP3126036B1 (zh)
KR (1) KR101765331B1 (zh)
CN (1) CN106536024B (zh)
AU (1) AU2015240661B2 (zh)
CA (1) CA2939347C (zh)
ES (1) ES2912931T3 (zh)
IL (1) IL247827B (zh)
SA (1) SA516380009B1 (zh)
SG (1) SG11201606669RA (zh)
WO (1) WO2015153885A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108421564A (zh) * 2017-06-13 2018-08-21 Jiu株式会社 离子交换膜过滤装置用间隔物部件、具备其的离子交换膜过滤装置、净化处理装置及方法
CN111372619A (zh) * 2017-06-21 2020-07-03 懿华水处理技术有限责任公司 电渗析设备中流体歧管的设计
CN112368064A (zh) * 2018-07-04 2021-02-12 雷德斯塔克有限公司 堆叠组件

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015168801A1 (en) 2014-05-08 2015-11-12 Thetis Environmental Inc. Closed loop membrane filtration system and filtration device
JP6762291B2 (ja) * 2014-11-26 2020-09-30 エヴォクア ウォーター テクノロジーズ エルエルシーＥｖｏｑｕａ Ｗａｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＬＣ 電気化学的分離装置のセル対への入口及び出口の設置方法及びシステム
WO2017070775A1 (en) * 2015-10-26 2017-05-04 Thetis Environmental Inc. Potted flat sheet membrane filtration module
GB201520869D0 (en) * 2015-11-26 2016-01-13 Fujifilm Mfg Europe Bv Membrane stack and method for making the same
GB201604838D0 (en) 2016-03-22 2016-05-04 Fujifilm Mfg Europe Bv Multipurpose membrane cell stack and method of manufacturing the same
CN111867706A (zh) * 2018-01-16 2020-10-30 纳诺斯通水务公司 具有有限缺陷的膜片组件和相关方法
US11990607B2 (en) 2018-04-20 2024-05-21 Massachusetts Institute Of Technology Intercalation-conversion hybrid cathode for a Li—S battery
EP3599012B1 (en) * 2018-07-24 2022-05-04 Andrej Grabowski Method for preparing a membrane stack, membrane stack and use of the membrane stack
JP6778286B2 (ja) * 2019-01-21 2020-10-28 デノラ・ペルメレック株式会社 室枠エレメント、電解槽及び電気透析槽
US20220203302A1 (en) * 2020-12-30 2022-06-30 Industrial Technology Research Institute Cassette type electrodialysis unit and module comprising the same
TWI740763B (zh) * 2020-12-30 2021-09-21 財團法人工業技術研究院 卡匣式電透析單元及包括其之模組

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102066268A (zh) * 2008-06-24 2011-05-18 苏特沃克技术有限公司 用浓度差能使盐水脱盐的方法、装置和设备
CN103283070A (zh) * 2010-11-12 2013-09-04 西门子私人有限公司 电化学分离模块

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL104556C (zh) * 1958-04-29
DE4333019C2 (de) * 1993-09-28 1997-02-06 Fraunhofer Ges Forschung Ionenselektive Membran/Spacer-Einheit und Verfahren zu deren Herstellung
US20030155243A1 (en) 2002-02-21 2003-08-21 Eet Corporation Multi-path split cell spacer and electrodialysis stack design
EP2234703A2 (en) * 2007-12-17 2010-10-06 Ben Gurion University Of The Negev Research & Development Authority Apparatus and system for deionization
TW201206556A (en) * 2010-05-18 2012-02-16 Siemens Pte Ltd Systems and techniques for electrodialysis
US8524062B2 (en) * 2010-12-29 2013-09-03 General Electric Company Electrodeionization device and method with improved scaling resistance
EP2670710A1 (en) * 2011-02-04 2013-12-11 Siemens Water Technologies LLC Electrical purification apparatus and methods of manufacturing same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102066268A (zh) * 2008-06-24 2011-05-18 苏特沃克技术有限公司 用浓度差能使盐水脱盐的方法、装置和设备
CN103283070A (zh) * 2010-11-12 2013-09-04 西门子私人有限公司 电化学分离模块

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108421564A (zh) * 2017-06-13 2018-08-21 Jiu株式会社 离子交换膜过滤装置用间隔物部件、具备其的离子交换膜过滤装置、净化处理装置及方法
CN111372619A (zh) * 2017-06-21 2020-07-03 懿华水处理技术有限责任公司 电渗析设备中流体歧管的设计
CN112368064A (zh) * 2018-07-04 2021-02-12 雷德斯塔克有限公司 堆叠组件
CN112368064B (zh) * 2018-07-04 2023-10-31 雷德斯塔克有限公司 堆叠组件

Also Published As

Publication number Publication date
US20160346737A1 (en) 2016-12-01
AU2015240661A1 (en) 2016-09-22
ES2912931T3 (es) 2022-05-30
EP3126036A4 (en) 2017-12-20
EP3126036B1 (en) 2022-03-09
SG11201606669RA (en) 2016-10-28
KR101765331B1 (ko) 2017-08-04
CA2939347A1 (en) 2015-10-08
CA2939347C (en) 2018-05-29
IL247827B (en) 2020-07-30
AU2015240661B2 (en) 2016-10-27
EP3126036A1 (en) 2017-02-08
IL247827A0 (en) 2016-11-30
CN106536024B (zh) 2018-03-27
US9782725B2 (en) 2017-10-10
WO2015153885A1 (en) 2015-10-08
SA516380009B1 (ar) 2019-12-04
KR20160130319A (ko) 2016-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106536024B (zh) 错流电化学分离装置及其组装方法
JP5934716B2 (ja) 飲料水のソースを提供する方法
CN1898416A (zh) 螺旋电去离子装置及其部件
CN106715339A (zh) 用于在电化学分离装置中向电池对提供入口和出口的方法和系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: American Pennsylvania

Patentee after: Yi Hua Water Treatment Technology Co., Ltd.

Address before: American Pennsylvania

Patentee before: SIEMENS INDUSTRY, INC.

CP01 Change in the name or title of a patent holder