CN107530595B - 用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构 - Google Patents

用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构 Download PDF

Info

Publication number
CN107530595B
CN107530595B CN201680022815.7A CN201680022815A CN107530595B CN 107530595 B CN107530595 B CN 107530595B CN 201680022815 A CN201680022815 A CN 201680022815A CN 107530595 B CN107530595 B CN 107530595B
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow distribution
distribution system
flow
cell stack
ramp
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.)
Active
Application number
CN201680022815.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107530595A (zh
Inventor
梁荔乡
约书亚·W·格里菲斯
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.)
Evoqua Water Technologies LLC
Original Assignee
Evoqua Water Technologies LLC
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 Evoqua Water Technologies LLC filed Critical Evoqua Water Technologies LLC
Priority to CN202110042063.3A priority Critical patent/CN112843806B/zh
Publication of CN107530595A publication Critical patent/CN107530595A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107530595B publication Critical patent/CN107530595B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D25/00—Filters formed by clamping together several filtering elements or parts of such elements
    • B01D25/22—Cell-type filters
    • B01D25/26—Cell-type stack filters
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/38—Separation by electrochemical methods
    • 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
    • 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
    • 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
    • B01D61/48—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
    • 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
    • B01D61/52—Accessories; Auxiliary operation
    • 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
    • B01D2313/08—Flow guidance means within the module or the apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/10—Specific supply elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/10—Specific supply elements
    • B01D2313/105—Supply manifolds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/12—Specific discharge elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/12—Specific discharge elements
    • B01D2313/125—Discharge manifolds
    • 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
    • B01D2313/143—Specific spacers on the feed side
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

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

Abstract

模块包括电解池堆、入口歧管和第一流动分配系统，电解池堆具有多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室的，入口歧管被配置成有助于流体流动进入电解池堆，第一流动分配系统与入口歧管相关联，包括促进流体流动进入电解池堆的循环的第一斜坡。

Description

用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年4月24日提交的名称为“NOVELSTRUCTURES FOR NORMALIZING MULTI-PLANAR FLOW DISTRIBUTION WITHIN A PLENUM”的序列号62/152,102的美国临时专利申请的权益，为了所有目的，该美国临时专利申请据此通过引用以其整体并入本文。
公开内容的领域
方面大致涉及电化学分离，并且更具体地涉及在电化学分离系统中的流动分配(flow distribution)。
概述
根据一个或更多个方面，模块可以包括电解池堆(cell stack)、入口歧管和第一流动分配系统，电解池堆具有多个交替的离子耗尽隔室(ion depleting compartment)和离子浓缩隔室(ion concentrating compartment)，入口歧管被配置成有助于流体流动进入电解池堆，第一流动分配系统与入口歧管相关联，包括促进流体流动进入电解池堆的循环的第一斜坡(first ramp)。
在一些实施方案中，第一流动分配系统还包括多个径向间隔开的挡板。在一些实施方案中，多个径向间隔开的挡板包括肋和齿中的至少一种。
在一些实施方案中，第一斜坡定位于第一流动分配系统的底部和顶部中的至少一个上。
在一些实施方案中，第一流动分配系统被配置成促进均匀流体分配至电解池堆。
在一些实施方案中，第一流动分配系统包括多个第一斜坡。在一些实施方案中，多个第一斜坡被间隔开以界定第一凹槽。
在一些实施方案中，第一流动分配系统还包括出口歧管，出口歧管被配置成有助于流体流出电解池堆。在一些实施方案中，模块还包括与出口歧管相关联的第二流动分配系统。在一些实施方案中，第二流动分配系统包括第二斜坡。在一些实施方案中，第二斜坡定位于第二分配系统的底部和顶部中的至少一个上。在一些实施方案中，第二流动分配系统包括多个第二斜坡。在一些实施方案中，第一斜坡和第二斜坡具有不同的曲率半径。在一些实施方案中，多个斜坡被间隔开以界定凹槽。
根据一个或更多个方面，一种方法可以有助于在电化学分离装置中的均匀流体流动分配，所述电化学分离装置具有电解池堆，电解池堆包括多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室。该方法可以包括提供与电解池堆流体连通的第一流动分配系统，该第一流动分配系统包括促进流体流动进入电解池堆的重新定向的第一斜坡。
在一些实施方案中，该方法还包括提供与第一流动分配系统相关联的入口歧管。在一些实施方案中，提供第一流动分配系统包括将第一流动分配系统插入入口歧管中。在一些实施方案中，提供第一流动分配系统包括提供具有注射模制的第一流动分配系统的入口歧管。
在一些实施方案中，该方法还包括在第一流动分配系统中提供多个径向间隔开的挡板。在一些实施方案中，提供多个径向间隔开的挡板包括提供肋和齿中的至少一种。在一些实施方案中，第一流动分配系统包括多个第一斜坡。在一些实施方案中，多个第一斜坡被间隔开以界定第一凹槽。
在一些实施方案中，该方法还包括提供与电化学分离装置流体连通的出口歧管。
在一些实施方案中，该方法还包括提供与第二歧管相关联的第二流动分配系统。在一些实施方案中，提供第二流动分配系统包括将第二流动分配系统插入出口歧管中。在一些实施方案中，提供第二流动分配系统包括提供具有注射模制的第二流动分配系统的出口歧管。
根据一个或更多个方面，流动分配系统可以包括促进流体朝向电化学电解池堆流动的重新定向的斜坡。
在一些实施方式中，该系统还包括多个斜坡。在一些实施方案中，多个斜坡被间隔开以界定凹槽。
在一些实施方案中，该系统还包括多个径向间隔开的挡板。在一些实施方案中，径向间隔开的挡板包括肋和齿中的至少一种。
在一些实施方案中，该系统被配置成被接纳或一体化到容纳电解池堆的电化学分离模块的框架(frame)中。在一些实施方案中，该系统在沿着电解池堆内的各种流体通路的点之间实现小于约20％的流体速度的偏差。
在一些实施方案中，该系统被配置成将来自湍流的流体流转换成过渡流和层流中的至少一种。
在下文详细讨论了这些示例性方面和实施方案的还有的其它的方面、实施方案和优点。本文公开的实施方案可以以与本文公开的原理中的至少一个一致的任何方式与其它实施方案组合，并且提及“实施方案”、“一些实施方案”、“可选择的实施方案”、“各种实施方案”，“一个实施方案”及类似术语不一定是相互排斥的，并且意图表示所描述的特定特征、结构或特性可以被包括在至少一个实施方案中。本文中这样的术语的出现不一定都指的是相同的实施方案。
附图简述
下文参考附图讨论了至少一个实施方案的多个方面，这些附图不意图按比例绘制。这些附图被包括以提供对于各种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，但是并不意图作为本发明的限制的定义。在附图、详细描述或任何项权利要求中的技术特征后跟参考标记的情况下，包括这些参考标记的唯一目的是提高附图和说明书的可理解性。在附图中，图示在各图中的每个相同的或近似相同的部件用相似的数字来表示。为了清楚起见，并非在每张附图中把每个部件都标注出来。在附图中：
图1是根据一个或更多个实施方案的用于电化学分离装置的模块的示意性图示；
图2是根据一个或更多个实施方案的沿着剖面线2-2截取图1的模块的横截面图示；
图3是根据一个或更多个实施方案的没有流动分配系统的歧管的示意性图示；
图4是根据一个或更多个实施方案的具有包括肋的流动分配系统的歧管的示意性图示；
图5是根据一个或更多个实施方案的具有包括齿的流动分配系统的歧管的示意性图示；
图6A、图6B和图6C是根据一个或更多个实施方案的具有包括肋和齿的流动分配系统的歧管的示意性图示；
图7A是根据一个或更多个实施方案的具有流动分配系统的歧管的示意性图示，该流动分配系统包括歧管的底部面上的肋、齿和斜坡；
图7B是根据一个或更多个实施方案的具有流动分配系统的歧管的示意性图示，该流动分配系统包括歧管的底部面上的斜坡；
图8A是根据一个或更多个实施方案的具有流动分配系统的歧管的示意性图示，该流动分配系统包括歧管的底部面上的肋、齿、斜坡和凹槽；
图8B是根据一个或更多个实施方案的具有流动分配系统的歧管的示意性图示，该流动分配系统包括歧管的底部面上的斜坡和凹槽；
图9A是根据一个或更多个实施方案的具有流动分配系统的歧管的示意性图示，该流动分配系统包括歧管的底部面和顶部面上的肋、齿和斜坡；
图9B是根据一个或更多个实施方案的具有流动分配系统的歧管的示意性的图示，该流动分配系统包括歧管的底部面和顶部面上的斜坡；
图10是根据一个或更多个实施方案的穿过电解池堆的流动方向的示意性图示；
图11是根据一个或更多个实施方案的电解池堆的入口和中平面切割线(linecut)的示意性图示；
图12是根据一个或更多个实施方案的速度流线图(velocity streamline map)；
图13是根据一个或更多个实施方案的电解池堆的顶部平面、中心平面和底部平面的示意性的图示；
图14是根据一个或更多个实施方案的整体速度图(bulk velocity plot)；
图15是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；
图16是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；
图17是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；
图18是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；
图19是根据一个或更多个实施方案的平均平面速度图表(average planarvelocity chart)；
图20是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；
图21是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；
图22是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；
图23是根据一个或更多个实施方案的平均流动速度图表；
图24是根据一个或更多个实施方案的整体速度图；以及
图25是根据一个或更多个实施方案的整体速度图。
详细描述
根据一个或更多个实施方案，电化学分离系统和方法可以以用于在多种处理过程中应用的增强的流体流动分配为特征。在一些实施方案中，进入或离开电化学分离设备的流体流动分配可以被标准化(normalize)。在一些特定的实施方案中，进入或离开电化学分离设备的流动分配横跨该设备的所有平面可以是均匀的。
用于使用电场来净化流体的设备通常被用于处理含有溶解的离子物质的水和其它液体。以这种方式处理水的两种类型的设备是电去离子设备和电渗析设备。在这些设备内的是由离子选择膜间隔开的浓缩隔室和稀释隔室。电渗析设备通常包括交替的电活性半渗透的阴离子和阳离子交换膜。在膜之间的空间被配置成产生具有入口和出口的液体流动隔室。经由电极施加的外加电场促使被吸引到它们相应的对电极的溶解离子迁移穿过阴离子和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室中的液体耗尽离子，并且导致浓缩隔室中的液体富集有转移的离子。
电去离子(EDI)是使用电活性介质和电势从水中移除或至少减少一种或更多种电离的或可电离的物质以影响离子传输的工艺。电活性介质通常用于交替地收集和排出离子物质和/或可电离的物质，并且在一些情况下，用来通过离子或电子取代机制促进可以连续地或间歇地操作的离子的传输。EDI设备可以包括具有永久电荷或临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/或甚至以反向极性模式操作。可以操作EDI设备以促进专门被设计以实现或增强性能的一个或更多个电化学反应。此外，这样的电化学设备可以包括电活性膜(electrically active membrane)，例如半渗透的或选择性可渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)设备是本领域技术人员已知的EDI设备，其以其中可以连续地进行水的净化同时连续地再装料的离子交换材料的方式操作。CEDI技术可以包括诸如连续去离子、填充池电渗析(filled cell electrodialysis)或电透析(electrodiaresis)的工艺。在受控的电压和盐度条件下，在CEDI系统中，水分子可以被分解以产生可以在设备中再生离子交换介质并且因此有助于从其中释放所捕获的物质的氢或水合氢离子或物质以及氢氧化物或氢氧离子或物质。以这种方式，可以连续净化待处理的水流而不需要离子交换树脂的化学再装料。
电渗析(ED)设备以与CEDI类似的原理操作，除了ED设备通常在膜之间不含有电活性介质。由于缺乏电活性介质，ED的操作对于低盐度的供给水可能由于升高的电阻而受到阻碍。此外，因为ED对高盐度的供给水的操作可能导致升高的电流消耗量，所以迄今为止，ED设备已被最有效地用于中等盐度的源水。在基于ED的系统中，因为不存在电活性介质，所以分解水是低效的并且通常避免以这样的方式进行操作。
在CEDI和ED设备中，多个相邻的电解池或隔室通常由选择性可渗透膜分隔，该选择性可渗透膜允许带正电荷或带负电荷的物质通过，但是通常不允许两者均通过。在这样的设备中稀释隔室或耗尽隔室通常用浓缩隔室或浓度隔室填充间隙。在一些实施方案中，电解池对可以指一对相邻的浓缩隔室和稀释隔室。当水流动穿过耗尽隔室时，离子物质和其它带电荷物质通常在电场(例如，DC场)的影响下被吸入到浓缩隔室中。带正电荷的物质被吸向阴极，阴极通常位于多个耗尽隔室和浓度隔室的堆的一端处，而带负电荷的物质又被吸向这种设备的阳极，阳极通常位于隔室的堆的相对端。电极通常被容纳在电解质隔室中，所述电解质隔室常常与流体连通的耗尽隔室和/或浓度隔室部分地隔离。当在浓度隔室中时，带电荷的物质通常被至少部分地界定浓度隔室的选择性可渗透膜的屏障捕获。例如，通常通过阳离子选择性膜阻止阴离子从浓度隔室向阴极进一步迁移。当被捕获在浓缩隔室中时，被捕获的带电荷的物质可在浓缩流中被除去。
在CEDI设备和ED设备中，DC场通常从被施加到电极(阳极或正极，以及阴极或负极)的电压和电流的源施加到电解池。电压和电流源(共同地“电源供应”)可自身通过多种手段(例如，AC电源或者例如源于太阳能、风能或波浪能的电源)提供电力。在电极/液体界面处，发生引起和/或有助于离子穿过膜和隔室的转移的电化学半电池反应。在电极/界面处发生的特定的电化学反应可以通过容纳电极组件的专门隔室中的盐的浓度在某种程度上被控制。例如，对氯化钠高的阳极电解质隔室的供给将趋向于产生氯气和氢离子，而对阴极电解质隔室的这样的供给将趋向于产生氢气和氢氧离子。通常，在阳极隔室中产生的氢离子将与游离阴离子(例如，氯离子)结合以保持电荷中性并且产生盐酸溶液，并且类似地，在阴极隔室中产生的氢氧离子将与游离阳离子(例如，钠)结合以保持电荷中性并且产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物(例如，产生的氯气和氢氧化钠)可被用于如消毒目的、膜清洁和除污目的以及pH调节目的所需要的工艺中。
在一些实施方案中，电去离子设备可以包括离子交换筛网(ion exchangescreen)。根据一个或更多个实施方案，离子交换筛网可以是功能化筛网，例如具有阳离子和/或阴离子功能性的筛网。使用离子交换材料代替惰性筛网可以改进电去离子设备在水是稀的例如小于约5000mg/l的离子浓度时从水去除离子的能力。离子交换材料可以包括阳离子交换材料或阴离子交换材料及其组合。
每个流动隔室可以通过密封材料围绕周边被密封，并且筛网可以被放置在流动隔室内。替代地，筛网的外边缘可以被嵌入围绕周边的密封材料中。筛网和密封材料，例如热弹性弹性体(thermoelastic elastomer)，可以在单独的操作中组装。然后将所得到的间隔物(spacer)用于界定流动隔室，建立相邻的离子交换膜之间的距离，并且经由在DC电场下在隔室中增强的混合来促进离子传输。
电解池堆的厚度可以取决于每个隔室的厚度。在一些实施方案中，电解池堆的每个隔室的厚度可以是约3mm。电解池堆的每个隔室的厚度部分地由筛网(如果存在)的厚度确定。筛网的厚度可以在从约0.25mm至约2.0mm的范围内。以上给出的典型范围之外的厚度当然是可能的。
板框式和螺旋缠绕式设计已被用于多种类型的电化学去离子设备，包括但不限于电渗析(ED)和电去离子(EDI)设备。市售的ED设备通常是板框式设计，而EDI设备可采用板框式配置和螺旋配置。一个或更多个实施方案涉及可以电气净化流体的设备。待纯化的液体或其它流体进入净化设备，并且在电场的影响下被处理以产生离子耗尽的液体。收集来自进入的液体的物质以产生离子浓缩的液体。
根据一个或更多个实施方案，电化学分离系统或设备可以是模块化的。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)起作用。模块化单元可以包括任何期望数目的电解池对。在某些实施方案中，每模块化单元的电解池对的数目可以取决于分离装置中的电解池对和通道(passes)的总数。当测试交叉泄漏和其它性能标准时，其还可以取决于能够以可接受的失效率热结合并且罐装在框架中的电解池对的数目。该数目可以是基于制造工艺的统计分析并且可以随工艺控制的改进而增加。在一些非限制性实施方案中，模块化单元可以包括约26个电解池对。在一些非限制性实施方案中，模块化单元可以包括约50个电解池对。在一些非限制性实施方案中，模块化单元可以包括约100个电解池对。然后，多个模块化单元可以被组装在一起以在电化学分离设备中提供总预期数目的电解池对。
在本公开内容的一些实施方案中，提供了用于电气净化装置的电解池堆。电解池堆可以提供多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室。离子耗尽隔室中的每个可以具有入口和在第一方向上提供稀流体流动的出口。离子浓缩隔室中的每个可以具有入口和在第二方向上提供浓缩流体流动的出口。在一些实施方案中，第一方向可以不同于第二方向，例如在错流设备中。
本公开内容的电气净化装置还可以包括封装电解池堆的壳体。电解池堆的周边的至少一部分可以被固定到壳体。框架或支撑结构可以被定位在壳体和电解池堆之间以向电解池堆提供另外的支撑。框架还可以包括允许液体流入和流出电解池堆的入口歧管和出口歧管。在一些实施方案中，入口歧管和出口歧管可以基于流体流动的方向是可反转的。在一些实施方案中，歧管可以包括增压室。
框架和电解池堆在一起可以提供电气净化装置模块化单元。电气净化装置还可以包括固定在壳体内的第二模块化单元。间隔物例如阻挡间隔物(blocking spacer)可以定位于第一模块化单元和第二模块化单元之间。第一电极可以定位于第一模块化单元的端部处，该端部与和第二模块化单元连通的端部相对。第二电极可以定位于第二模块化单元的端部处，该端部与和第一模块化单元连通的端部相对。歧管装置，例如涉及框架的歧管装置，可以服务于一个或更多个模块化单元，使得多种模块化单元可以在较大的系统中在其间流体连通。
根据一个或更多个实施方案，如本文所讨论的电解池堆可以具有任何所需数目的离子交换膜、电解池对或流动隔室。在一些实施方案中，电化学分离系统可以包括单个电解池堆。在其它实施方案中，例如在模块化实施方案中，电化学分离系统可以包括两个或更多个电解池堆。在一些实施方案中，每个电解池堆可以被包括在如本文所讨论的单独的模块化单元中。模块化可以提供设计灵活性和易制造性。根据一个或更多个实施方案，电化学分离系统可以包括第一电极、第二电极、第一电化学分离模块化单元以及第二电化学分离模块化单元，第一电化学分离模块化单元具有界定由第一框架支撑的多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室的第一电解池堆，第一电化学分离模块化单元定位于第一电极和第二电极之间，第二电化学分离模块化单元与第一电化学分离模块化单元协作，具有界定由第二框架支撑的多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室的第二电解池堆，第二电化学分离模块化单元定位于第一电化学分离模块化单元和第二电极之间。
根据一个或更多个实施方案，电化学分离模块化单元可以包括电解池堆和支撑系统，电解池堆界定多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室。支撑系统可以被配置成保持电解池堆的竖直对准(vertical alignment)。在一些实施方案中，支撑系统可以是框架。框架可以至少部分地围绕电解池堆。在其它实施方案中，框架可以大体上围绕电解池堆。在一些实施方案中，框架可以包括被配置成有助于流体流动穿过电解池堆的歧管系统。歧管系统可以将来自中央系统歧管的工艺液体转移到其所服务的单独的模块化单元。歧管系统可以包括入口歧管和出口歧管。歧管系统可以包括入口歧管，该入口歧管与每个耗尽隔室的入口流体连通并且与每个浓缩隔室的入口流体连通。歧管系统还可以包括出口歧管，该出口歧管与每个耗尽隔室的出口流体连通并且与每个浓缩隔室的出口流体连通。歧管系统可以被配置成经由出口歧管将处理过的液体转移到下游。歧管系统的至少一部分可以与框架成一体或在与框架分离的结构中。在至少一些实施方案中，歧管系统可以构造和布置成防止在模块化单元中的稀释流和浓缩流的混合。歧管系统可以流体地隔离(fluidly isolate)与堆相关联的稀释隔室和浓缩隔室的出口并且保持该出口分离。在一些实施方案中，歧管系统可以包括流动分配系统。流动分配系统可以是歧管系统的一部分或是单独的系统。流动分配系统可以与歧管系统流体连通，并且可以被配置成促进到电解池堆的均匀流动分配。流动分配系统可以与每个耗尽隔室的入口和每个浓缩隔室的入口流体连通。在一些实施方案中，流动分配系统的至少一部分可以与框架成一体。在其它实施方案中，流动分配系统的至少一部分可以与框架接合。歧管和/或流动分配系统的一个或更多个特征可以一体化到框架中，例如经由插入结构。在一些实施方案中，流动分配系统可以与电解池堆的每个入口和出口接合。
可以根据一个或更多个实施方案来实现能够具有预期功能的流动分配系统的各种设计。基于电解池堆的特性，隔室入口和出口可以定位于电解池堆的一个或更多个侧面上。在一些实施方案中，隔室入口和出口可以定位于电解池堆的所有侧面上。包括歧管系统和流动分配系统的框架的设计可以被配置成使得其可以在任何定向上接纳电解池堆。插入件或流动分配系统也可以被插入或一体化到任何歧管中并且为了灵活性可以与电解池堆的任何侧面相关联。流动分配系统可以被插入或一体化，并且可以用于将待处理的流体提供到堆的多个隔室以及流体地隔离电解池堆的出口流并且保持该出口流分离。
在一些实施方案中，例如涉及湍流流体输入的实施方案中，对于电化学分离系统内不均匀流体分配的可能性可以由流动分配系统来解决。通常，湍流可以以高速度进入入口歧管或增压室，并且流动的动量可能导致有利于歧管和电解池堆的底部平面的大的体积。因此，与中心平面和顶部平面相比，流体的不成比例的体积(disproportionatevolume)可以被引导到一个或更多个电解池堆的底部平面。
在一个或更多个实施方案中，流动分配系统可以构造成促进穿过电解池堆和/或穿过其单独的隔室的均匀流体流动。在电解池堆的流体通路或隔室中的任何点处的流动速度可以取决于例如歧管尺寸和纵横比。在各种实施方案中，电解池堆的流体通路或隔室中的任何点处的流动速度可以变化小于约+/-20％。在一些实施方案中，速度可以变化小于约+/-10％。在一些实施方案中，均匀流动速度可以指在电解池堆的所有三个平面内的流动速度大体上相同。例如，在所有三个平面内的流动速度可以在电解池堆的中平面上大体上相同。在一些实施方案中，在所有三个平面内的流动速度可以在电解池堆的入口处大体上相同。均匀流动速度可以最小化或消除滞留区，从而增加系统的效率。均匀流动速度还可以降低浓缩隔室中的水垢形成(例如，CaCO3的沉淀)的可能性。提高最小流动速度消除了滞留区，并且降低了发生结垢的可能性。在一些实施方案中，流动分配系统可以构造成促进跨越电解池堆的所有平面的均匀流体流动。在至少某些实施方案中，流动分配系统可以构造和布置成引导进来的湍流作为过渡流进入电解池堆。湍流是特征化为以混沌性质变化的流动，包括低动量扩散、高动量对流以及在空间和时间上的压力和流动速度的快速变化。湍流的特征为雷诺数大于4,000。过渡流是在从湍流到层流或从层流到湍流的过程中的流体。过渡流的特征为雷诺数在约2,300和约4,000之间。
在一些实施方案中，流动分配系统可以构造和布置成重新定向进来的湍流作为层流进入电解池堆内。当流体以平行层流动并且在层之间没有中断时，发生层流。在低速度下，层流体倾向于在没有侧向混合的情况下流动。没有垂直于流动方向的错流，也没有流体的漩涡或涡流。此外，在层流中，流体的颗粒的运动是非常有序的，其中所有颗粒在明确的流线中移动。层流的特征为雷诺数小于约2,300。入口流的性质可以根据流体的预期应用和性质而变化。在一些实施方案中，流动分配系统可被配置成接受足以促进歧管内的再循环的入口流速。例如，流动分配系统可以被配置成接受来自源的在约1cm/s和约100cm/s之间的入口流速。在一些实施方案中，入口流速可以是约1cm/s至约100cm/s。低于约1cm/s，流动分配系统可能不会有效地重新定向流动，并且可能不会将流动均匀地分配到电解池堆。
在一些实施方案中，流动分配系统可以至少部分地在电化学分离装置的入口歧管或出口歧管内。流动分配系统可以在模块化单元的框架中。流动分配系统可以在歧管装置的增压室中。在一些实施方案中，流动分配系统可以包括多个至少部分地径向间隔开的挡板，以促进跨越电解池堆的宽度(即，x轴)的均匀流体流动。在一些实施方案中，挡板可以是障碍物、凸出物(projection)、突起(protrusion)、凸缘、肋或齿。根据一个或更多个实施方案，流动分配系统由具有必要的机械特性和与将通过电化学分离被去离子的流体的化学相容性的材料制成。在诸如城市用水、井水、半咸水或海水的脱盐的应用中，塑料材料由于其耐腐蚀性和低成本而是有利的。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)、聚砜或塑料的掺混物，例如Noryl，Noryl是聚苯醚(PPO)和聚苯乙烯(PS)的掺混物。可以加入增强填料，例如玻璃纤维，用于提高耐化学性以及机械性能和热性能。
挡板可以被设定尺寸成大体上完全跨越歧管的轴的长度。例如，挡板可以大体上完全跨越歧管的z轴的长度。挡板可以界定流体流动穿过的通路，并且可以间隔开以均匀地分开流体流动。在一些实施方案中，挡板可以彼此均匀地间隔开。在一些实施方案中，挡板可以彼此以一定角度间隔开。在一些实施方案中，挡板可以彼此至少部分地径向间隔开。挡板可以彼此间隔约3mm至约4mm。挡板的数目和间距可以根据包括电解池堆的尺寸和几何结构以及模块和/或歧管的设计的因素而变化。
在一些实施方案中，流动分配系统可以包括多个斜坡或流体升降器(fluidlift)，以促进到电解池堆的顶部平面、中心平面和底部平面的均匀流体流动。斜坡可以被配置和定位在与挡板分离的平面中。如上所述，通常，湍流以高速进入入口歧管，并且流动的动量导致有利于歧管的底部平面的大的体积。因此，与中心平面和顶部平面相比，流体的不成比例的体积可以被引导到电化学分离系统的底部平面。定位在歧管的底部面上的斜坡被配置成将进来的流体流动的动量重新定向为远离电解池堆的底部平面并且沿电解池堆的前部面向上。因此，歧管的底部面上的斜坡将来自电解池堆的底部平面的入口流体重新定向到顶部平面和中心平面。
在一些实施方案中，斜坡可以以阵列间隔开，使得它们界定凹槽。在歧管的底部面上的凹槽可以提供通道，流体可以通过所述通道流到底部平面。虽然歧管的底部面上的斜坡将流动重新定向到顶部平面和中心平面，但是凹槽允许流体流到底部平面。以这种方式，凹槽可以将流动速度标准化到所有三个流动平面。凹槽还可以通过将斜坡从连续凸起特征(continuous raised feature)转换为不同的凸台(boss)来简化注射模制的设计。
如上所述，在一些实施方案中，斜坡可以定位于歧管的底部面上。在一些实施方案中，斜坡可以定位于歧管的顶部面上。斜坡可以在歧管的顶部面和底部面两者上。在歧管的底部面上的斜坡可以具有将流体引导到电解池堆的中心线的任何几何结构。例如，斜坡可以被设计成使得斜坡的顶部的切线指向电解池堆的中心线。在一些实施方案中，斜坡可以具有抛物线几何结构。在一些实施方案中，斜坡可以具有增加的锥形高度。锥度可以通过任何数目的函数来定义，例如但不限于多项式函数、三角函数、指数函数或其它这样的数学方程式。这些函数可以适当地缩放到入口歧管的纵横比。在一些实施方案中，多个斜坡可以具有多个轮廓。在一些实施方案中，多个斜坡可以具有变化的高度。
斜坡的几何结构和尺寸可以变化，并且可以根据例如电解池堆的尺寸、电解池对的数目、电解池堆内的间距以及供给流速。歧管的顶部面上的斜坡可以具有引导流体流动穿过歧管再循环的任何几何结构。歧管的顶部面上的斜坡可以具有与底部面上的斜坡相同或不同的几何结构。例如，歧管的顶部面上的斜坡可以具有相同或不同的曲率半径。在一些实施方案中，歧管的顶部面上的斜坡可以呈圆弧(arc of a circle)的形状。在一些实施方案中，圆弧可以是具有25mm-30mm的直径的圆。与挡板一样，斜坡的数目、间距和几何结构可以取决于电解池堆的性质和模块和/或歧管设计。
根据一个或更多个实施方案，进入电解池堆的流动可以被调节、重新分配或重新定向，以提供电解池堆的隔室内的流体与膜表面的更均匀的接触。用于电气净化装置的电解池堆中的每个隔室可以被构造和布置成提供用于流体接触的预定百分比的表面积或膜利用率。已经发现，较大的膜利用率在电气净化装置的操作中提供较大的效率。
根据一个或更多个实施方案，流动分配系统可以与围绕电解池堆的歧管或框架的结构成一体。在其它实施方案中，流动分配系统的至少一部分可以被配置成与框架或歧管接合。流动分配系统可以包括可由歧管可移除地接纳的插入件。模块化单元可以包括一个或更多个流动分配系统。在一些实施方案中，流动分配系统可以与电解池堆的一个或更多个侧面相关联。在至少一些实施方案中，流动分配系统可以与电解池堆的每个侧面相关联。电解池堆的每个侧面可以具有专用的流动分配系统。流动分配系统可以被配置成由电化学分离设备可移除地接纳。
如所讨论的，电化学分离系统可以包括入口歧管，如在图1中示意性图示的。模块100可以包括框架110、包括入口121的入口歧管120和出口歧管130。图2呈现了在线2-2处截取的模块100的横截面图，图示了入口歧管120、出口歧管130和电解池堆140。多个模块可以流体连接以在一对电极之间提供期望的总数目的电解池对或隔室。
在一些实施方案中，入口歧管和/或出口歧管可以包括流体流动分配系统。图3描绘了包括入口321但不具有流体流动分配系统的歧管320。流体流动分配系统可以呈各种配置，如在非限制性的图4-9中所示。图4描绘了包括入口421和肋430的歧管420。图5图示了包括入口521和齿540的歧管520。图6A、图6B和图6C示出了包括入口621以及肋430和齿540的组合的歧管620。
参考图7A，歧管720包括入口721、肋430、齿540和在歧管的底部面上的流体升降器750。图7B示出了在流动分配系统中的斜坡750的侧视图。图8A和图8B将凹槽860引入到歧管的底部面上的流体升降器750。并且图9A将流体升降器970和凹槽980引入到歧管的顶部面。图9B分别示出了在歧管的底部面和顶部面上的流体升降器750和970。
在一些实施方案中，流动分配系统可以通过例如机械加工固体塑料材料或通过快速原型方法(rapid prototyping method)(例如，立体平版印刷(SLA))来制造。对于低成本的高容量制造，注射模制是优选的方法。在一些实施方案中，流动分配系统设计通常可以有利于注射模制。选择设计参数以促进制造，包括相对于其宽度竖直的流动通路的长度以及在流动通路之间的材料的厚度。在一些非限制性实施方案中，齿特征可以具有约30mm的高度、约5mm的长度和约2mm的宽度。在一些非限制性实施方案中，肋可以具有约30mm的高度、约27mm的长度和约2mm的宽度。在一些非限制性实施方案中，斜坡可以具有在约4mm和7mm之间的高度、在约11mm和约21mm之间的长度以及在约3mm和约7mm的宽度。在一些非限制性实施方案中，凹槽可以具有约1mm至约5mm的宽度。在一些实施方案中，流动分配系统可以以相对低的成本、在高尺寸精度下被制造。
在一些实施方案中，界定通路的挡板的厚度尽可能均匀地薄，以减少流动分配系统的总质量，并且确保在将熔融的塑料注入模具腔之后在所有各处均匀但快速的冷却。在注射模制术语中，该设计步骤被称为将部件“取出芯(coring out)”以减少材料成本和循环时间。“取芯”步骤一定不能导致内部空隙空间，内部空隙空间可能填充有滞留流体(stagnant fluid)，这可能导致生物生长。
根据一个或更多个实施方案，流动分配系统可以由被配置成组装在一起的分离的模制部件形成。取决于制造方法，可能需要密封内部空隙体积。不在流动路径中的内部空间必须被密封以防止流体到该空间中的泄漏和滞留流体的积聚。在一些优选的实施方案中，通常存在流过所有内部空间的流动。
连接部件的可能方法包括粘合剂粘接(adhesive bonding)和超声波焊接。在一些优选的实施方案中，部件可以被配置成配合在一起而不需要粘接或焊接，例如通过卡扣或紧密配合在一起。在一些实施方案中，可以通过在组装时相邻部件的相互作用或匹配来形成迷宫式流动图案。在每个部件中的狭槽具有足够小的长宽比，使得在模具中形成狭槽所需的刀片可以是足以承受模制过程中的应力的机械强度。
根据一个或更多个实施方案，流动分配系统可以具有被配置成邻近电化学分离装置的电解池堆设置的第一侧面，其中流动分配系统包括在第一侧面上的多个端口，并且还可以具有被布置成与第一侧面相对的第二侧面，其中流动分配系统包括在第二侧面上的多个端口。第一侧面上的端口可以流体连接到电解池堆的入口和/或出口。第二侧面上的端口可以流体连接到待处理的水源的出口或流体连接到使用点或下游单元操作的入口。
根据一个或更多个实施方案，流动分配系统由具有必要的机械性能和与将通过电化学分离被去离子的流体的化学相容性的材料制成。在诸如城市用水、井水、半咸水、或海水的脱盐的应用中，塑料材料由于其耐腐蚀性和低成本而是有利的。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)、聚砜或塑料的掺混物例如Noryl，Noryl是聚苯醚(PPO)和聚苯乙烯(PS)的掺混物。可以加入增强填料例如玻璃纤维，用于提高耐化学性以及机械性能和热性能。
根据一个或更多个实施方案，框架可以紧密地支撑电解池对的堆的侧面以保持对准。端口可以将入口歧管和出口歧管连接到流动隔室。这可以促进横跨流动隔室的宽度的均匀流动分配，并且减少从隔室到歧管的流泄漏。堆的端部处的膜可以用O形环、灌封(potting)或其它机制来固定并且密封到框架。膜还可以通过焊缝或一系列焊接点来固定，例如通过热塑性粘合产生的密封。框架可以由多个区段组装或者可以是一体的，例如模制为一个部件。紧接端部块(end block)的模块化单元可以通过膜与电极隔室分离，并且还可以被密封，例如用O形环或粘合剂密封。模块化单元框架或模块化单元框架的歧管系统通常可以包括一个或更多个稀释端口和一个或更多个浓缩端口。端口可以嵌入框架中或在流动分配系统插入件上。模块化单元框架可以包括歧管装置以及可以包括一个或更多个插入件的流动分配系统或可由框架可移除地接纳的流动分配系统。模块化单元歧管可以流体连接到更大的整体系统歧管装置。歧管可以包括一个或更多个凹部，该一个或更多个凹部被设定尺寸且成形为至少部分地接纳流动分配系统插入件。
根据一个或更多个具体的非限制性实施方案，电解池对的堆可以在整体构造的框架中在四个侧面上被封闭以形成模块化单元。框架区段中的一组歧管经由通路和通道的阵列将供给物供应到稀释隔室的入口。在稀释隔室的出口处，产品水流动穿过第二阵列的通路和通道，并且进入第二组歧管。另一区段将包括含有用于浓缩隔室的通路和通道的歧管的相同布置。稀释隔室和浓缩隔室的入口和出口可以通过堆和框架的角部之间的密封而彼此隔离。密封可以通过各种技术(例如，粘合剂、热结合或其组合)来实现。
将入口歧管和出口歧管连接到流动隔室的通路和通道在被适当设计时可以确保流动横跨每个稀释隔室的入口被均匀分配。没有必要将通路和通道与单独的隔室的入口排成一行。
在一些实施方案中，系统和方法可以通过框架在所有侧面上支撑电解池对的堆。框架可以具有根据适应堆中的电解池对的数目所需的深度。框架可以具有端口，该端口将用于稀释流和浓缩流的入口歧管和出口歧管连接到其在堆中的相应的流动隔室。这样的设计的预期的好处之一是通过消除在堆的入口和出口处的开放区域来减少流旁路(currentbypass)。电解池对的堆可以被罐封在框架中的角部处以形成可以检查交叉泄漏(cross-leak)、脱盐性能和压降的模块化子块。多个块可以被堆叠以形成模块化单元。阻挡膜可以插入块之间以将稀释流和/或浓缩流引导成多通流动配置(multiple-pass flowconfiguration)。歧管可以具有凹部，该凹部接纳用于歧管装置的插入件和端口。插入件可以在将堆罐装到歧管之前安装。
在一些非限制性实施方案中，具有以单通流动配置的稀释隔室和浓缩隔室的电解池对的堆可以分区段密封以形成模块化单元。这些单元可以与在其间的阻挡间隔物连接以形成多通配置。堆可以使用角部处的粘合剂来密封到壳体区段。阻挡间隔物不必被密封到壳体的内壁，而是代替地被夹在模块化单元之间并且被密封在端部之间。在一些非限制性实施方案中，端部处具有凸缘的两个模块化单元可以与在其间的阻挡间隔物一起被堆叠。凸缘可以被螺栓连接在一起。阻挡间隔物可以与框架一起模制并且用粘合剂或垫圈密封在凸缘之间。替代地，框架可以由热塑性材料或其它制造方法模制。在一些实施方案中，模块化单元可以用夹具或拉杆(tie bar)来连接。可以相应地修改阻挡间隔物的设计。
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，并且不应当被视为限制本文所讨论的实施方案的范围。
实施例
实施例1：在电解池堆中平面处的流动分配系统几何结构的影响
为了探索几何结构变化的影响，将流体从包括多种流动分配系统配置的入口歧管进料到电解池堆。结果，制备了多个代表性的速度图。使用竖直穿过电解池堆的中心平面的速度流线来比较湍流。在相应的多平面热图中描绘了整体速度。这些图将二维标高(two-dimensional elevation)与速度相关联。
首先确定对于没有流体流动分配系统的入口歧管的基本几何结构的速度流线和整体速度。图10描绘了沿着与具有基本几何结构的歧管相关联的电解池堆的y轴的流动方向。在入口速度切割线1101和推断的中平面速度切割线1102处(图11)测量速度。以100cm/s的流速将流体进给到入口歧管1220。当z平面中的高速湍流1201通过端口进入入口歧管中时，高速湍流1201在底表面处的y平面中经历了方向的突然变化，并且变为过渡流1202。过渡流1202在过渡到膜堆中的层流1204之前启动了固定涡流1203，如由图12中所图示的。流体在歧管内没有被有效地再循环，并且没有被均匀地分配到电解池堆的部件。
在推断的中平面切割线1102处，在以下三个独立的平面中测量电解池堆1301中的流体速度：顶部平面(1302)、中心平面(1303)和底部平面(1304)，如在图13中所图示的。
图14-18表示与特定流动分配系统结构相关联的推断的中平面1102速度曲线图。参考图14，速度曲线图示出了横跨具有歧管而不具有流动分配系统的设备中的顶部平面、中心平面和底部平面的不均匀速度分配。电解池堆面处的流动分配的变化导致不均匀的x轴和z轴速度曲线图。底部流动大于顶部平面中的流动速度，顶部平面中的流动速度大于中心平面中的流动速度。
为了解决沿着x轴的不均匀流动分配，并入了流动重新定向系统的数个变化，特别地，仅肋430(图4)、仅齿540(图5)和肋430与齿540(图6A、图6B和图6C)。仅添加肋430对沿着x轴重新分配流动帮助不大。与仅添加肋430相比，仅将齿540添加到流动分配系统中具有显著的效果。在歧管的流体流动分配系统中将两种类型的挡板，肋430和齿540组合，导致沿x轴的更均匀的流动分配以及沿着膜面的更紧密的固定涡流，但是底部平面中的速度仍然大于顶部平面中的速度，顶部平面中的速度仍然大于中心平面中的速度。与中心平面和顶部平面相比，任一种挡板类型对底部横截面的升高的速度都没有显著的影响。
由于在底部平面中相对于在中心平面中和在顶部平面中仍然观察到显著更高的速度，因此表明了对竖直流动重新定向的需要。在与歧管入口端口相对的底部面上并入斜坡特征750，如图7中所示。斜坡750提高最高速度流线的注入点，并且增加穿过中心平面和顶部平面的速度，同时降低底部平面中的堆速度(图16)。可认为，斜坡重新定向从电解池堆的底部平面到电解池堆的顶部平面的流动，这导致到底部平面的不充分的流动。
为了促进横跨所有三个平面的标准化速度，凹槽860被并入底部斜坡750(斜坡1)中以允许流动的通过。如图17中所示，顶部平面中的速度高于底部平面和中心平面中的速度，其中底部平面和中心平面中的速度大约相等。可认为，凹槽允许流体流动穿过底部平面的面，而不被斜坡重新定向。仍然，顶部平面中的流动高于底部平面和中心平面中的流动。
为了解决这个问题，于是互补的斜坡970(斜坡2)和凹槽980被并入到顶部歧管面，如图18中所描绘的。在此实施方案中，歧管内的固定涡流的更紧密的再循环连同在x轴和z轴两者上的速度分配的改进被观察到。
图19是根据由图14-18中绘制的数据组合的、在对于每种流动分配系统配置的电解池堆的底部、中心和顶部流动平面中的平均平面流动速度的图。
确定的是，肋、齿以及具有凹槽的顶部和底部流体升降器的组合在将进入和离开电化学分离设备的电解池堆的流体流动分配标准化中是最有效的。
实施例2：在电解池堆入口的流动分配系统几何结构的影响
为了进一步探索几何结构变化的影响，还使用与实施例1相同的实验设置在电解池堆的入口速度切割线1101处测量速度。
首先，将流体进给到不具有流动分配系统的入口歧管。如图20中所示，在顶部平面、中心平面和底部平面中的平均流动是不均匀的。参考图21，流体被进给到包括具有肋、齿和斜坡(斜坡1)的流动分配系统的入口歧管和该系统的底部面上的凹槽。流体在电解池堆的每个平面的入口处的速度在125mm的长度上很大地变化。图21和图22是包含作为x轴的35mm-122mm的长度的图。这些长度是指堆的入口孔径，入口孔径比中平面处的堆的总宽度窄。沿着入口速度切割线1101的速度曲线图被用作比较的基础。类似的结果示于图22中，图22是来自包括肋、齿和斜坡(斜坡1和斜坡2)的流动分配系统和在该系统的顶部面和底部面上的凹槽的流动的入口速度图。
对于每种配置，计算底部平面、中心平面和顶部平面处的平均流动。对于每种配置，底部平面处的入口流速高于中心平面和顶部平面的入口流速。对于每种配置，顶部平面处的入口流速高于中心平面的入口流速。当系统由肋、齿和斜坡以及在系统的顶部面和底部面上的凹槽组成时，所有三个平面处的流速最高。当歧管不包括流动分配系统时，所有三个平面处的流速最低(图23)。
实施例3：斜坡和凹槽的影响
为了探索单独的斜坡的影响以及单独的斜坡和凹槽的影响，将流体从由这些特征组成的入口歧管进给到电解池堆中。使用与实施例1和实施例2中相同的实验设置，在电解池堆的中平面切割线1102处测量流体速度。
首先，流体从由跨越歧管的底部面的长度的一个斜坡(斜坡1)组成的入口歧管流动。如图24中所示，电解池堆的顶部平面和中心平面中的流体速度大致相等并且高于电解池堆的底部平面中的速度。
其次，流体从由斜坡(斜坡1)组成的入口歧管流动，所述斜坡被间隔开以在歧管的底部面上界定凹槽。如图25中所示，底部平面中的速度高于仅使用单个斜坡时的速度，并且接近于中心平面中的速度，该中心平面中的速度在使用单个斜坡时减小。顶部平面中的速度高于底部平面和中心平面中的速度，并且在使用单个斜坡时也减小。
确定斜坡在从底部平面到顶部平面和中心平面重新定向流体流动方面是有效的，并且发现凹槽在提供流体流向底部平面的通道方面是有效的。
实施例4：输入流速的影响
为了探索进来的流速的变化对流动分配系统的有效性的影响，将流体从具有各种进来的流速的入口歧管进给至电解池堆。结果，制备了多个代表性的速度图。使用竖直穿过电解池堆的中心平面的速度流线来比较湍流。在所有情况下，流动分配系统包括肋、齿、斜坡和凹槽。
将湍流的水以约100cm/s的流速供给到包括流动分配系统的入口歧管，并且以约8cm/s分配穿过电解池堆。供给水在流动分配系统内再循环，并且被均匀分配到电解池堆。
当到歧管的供给流接近过渡流时，观察到流动分配系统的效果减小。采用约10cm/s的供给流速和约0.8cm/s的速度穿过电解池堆的速度，与湍流供给流相比，歧管内的流动的再循环减少，并且穿过电解池堆的速度降低。在进一步降低的约1cm/s的供给流速条件下，穿过堆的速度是约0.08cm/s，这表明有效性的降低甚至更大。
最后，当供给流是层流时，观察到流动分配系统无效。具有0.1cm/s的供给流速的流体在歧管内没有经历再循环，并且以约0.008cm/s的流速穿过电解池堆。
数据表明，流动分配系统对具有大于4,000的雷诺数的湍流的分配具有很大的效果，对具有约2,300至约4,000之间的雷诺数的过渡流的分配具有较低的效果，并且对具有小于2,300的雷诺数的层流的分配具有很小的效果。
应当理解，本文所讨论的方法和装置的实施方案在应用方面不限于在描述中阐述的或在附图中图示的构造的细节和部件的布置。方法和装置能够在其它实施方案中实施并且能够以各种方式被实践或被执行。在本文中提供具体实施方式的实施例仅为了说明的目的，并且不意图是限制性的。特别地，关于任何一个或更多个实施方案讨论的动作、元件和特征不意图排除在任何其它实施方案中的类似作用。
另外，本文所用措辞和术语是为了说明目的而不应视为是限制性的。对本文以单数形式提及的系统和方法的实施方案或要素或动作的任何引用也可以包括含有多个这些要素的实施方案，并且对本文任何实施方案或要素或动作的复数的任何引用也可以包括仅包括单一要素的实施方案。本文中“包括(including)”、“包含(comprising)”、“具有”、“含有(containing)”、“涉及(involving)”以及其变形的使用是指囊括其后列出的项目及其等同物以及额外的项目。对“或”的引用可以被视为包括性的，使得任何使用“或”描述的术语可以指代所描述的术语的单个、多于一个和全部中的任何。对前和后、左和右、顶部和底部、上和下以及竖直和水平的任何引用都意图是为了方便描述而不是将本系统和方法或其部件限制到任何一个位置或空间定向。
以上已经描述了至少一个实施方案的数个方面，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、修改和改进意图作为本公开内容的一部分，并且意图在本发明的范围内。因此，前述描述和附图仅仅是示例性的。

Claims (33)

1.一种模块(100)，包括：
电解池堆(140，1301)，所述电解池堆包括多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室；
入口歧管(120，420，520，620，720)，所述入口歧管包括位于所述入口歧管(120，420，520，620，720)的相对侧的第一面和第二面，其中所述入口歧管(120，420，520，620，720)与所述多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室中的每一个的入口(121，421，521，621，721)流体连通；和
第一流动分配系统，所述第一流动分配系统与所述入口歧管(120，420，520，620，720)流体连通，
其特征在于，所述第一流动分配系统包括第一斜坡(750)，所述第一斜坡(750)定位于所述入口歧管(120，420，520，620，720)的所述第一面，其中所述第一斜坡(750)的顶部的切线指向所述电解池堆(140，1301)的中心线(1303)，使得所述第一斜坡(750)将进来的流体流动的动量重新定向为远离所述电解池堆(140，1301)的第一平面(1304)到达所述电解池堆(140，1301)的至少中心线(1303)，从而促进所述流体流动在所述入口歧管(120，420，520，620，720)中的循环和均匀流体分配至所述电解池堆(140，1301)。
2.如权利要求1所述的模块，其中所述第一流动分配系统还包括多个径向间隔开的挡板。
3.如权利要求2所述的模块，其中所述多个径向间隔开的挡板包括肋(430)和齿(540)中的至少一种。
4.如权利要求1所述的模块，其中第二斜坡(970)定位于所述入口歧管(120，420，520，620，720)的所述第二面。
5.如权利要求4所述的模块，其中所述第二斜坡具有与所述第一斜坡(750)不同的曲率半径。
6.如权利要求1所述的模块，其中所述第一流动分配系统包括多个第一斜坡(750)。
7.如权利要求6所述的模块，其中所述多个第一斜坡(750)被间隔开以界定第一凹槽(860)。
8.如权利要求1所述的模块，还包括出口歧管(130)，所述出口歧管(130)与所述多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室中的每一个的出口流体连通。
9.如权利要求8所述的模块，还包括与所述出口歧管(130)相关联的第二流动分配系统。
10.如权利要求9所述的模块，其中所述第二流动分配系统包括另外的斜坡。
11.如权利要求10所述的模块，其中所述另外的斜坡定位于所述第二流动分配系统的第一面和第二面中的至少一个上，其中所述第一面和所述第二面位于所述出口歧管(130)的相对侧。
12.如权利要求11所述的模块，其中所述第二流动分配系统包括多个另外的斜坡。
13.如权利要求12所述的模块，其中第一另外的斜坡定位于所述第二流动分配系统的所述第一面，且第二另外的斜坡定位于所述第二流动分配系统的所述第二面，且所述第一另外的斜坡和所述第二另外的斜坡具有不同的曲率半径。
14.如权利要求12所述的模块，其中所述多个另外的斜坡被间隔开以界定凹槽。
15.一种有助于在电化学分离装置中的均匀流体流动分配的方法，所述电化学分离装置具有电解池堆，所述电解池堆包括多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室，所述方法包括：
提供与所述电解池堆流体连通的第一流动分配系统，还提供与所述第一流动分配系统相关联的入口歧管，
所述第一流动分配系统包括第一斜坡，所述第一斜坡定位于所述入口歧管的第一面，其中所述第一斜坡的顶部的切线指向所述电解池堆的中心线，使得所述第一斜坡将进来的流体流动的动量重新定向为远离所述电解池堆的第一平面到达所述电解池堆的至少中心线。
16.如权利要求15所述的方法，其中提供所述第一流动分配系统包括将所述第一流动分配系统插入所述入口歧管中。
17.如权利要求15所述的方法，其中提供所述第一流动分配系统包括提供具有注射模制的第一流动分配系统的入口歧管。
18.如权利要求15所述的方法，还包括在所述第一流动分配系统中提供多个径向间隔开的挡板。
19.如权利要求18所述的方法，其中提供多个径向间隔开的挡板包括提供肋和齿中的至少一种。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述第一流动分配系统包括多个第一斜坡。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述多个第一斜坡被间隔开以界定第一凹槽。
22.如权利要求15所述的方法，还包括提供与所述电化学分离装置流体连通的出口歧管。
23.如权利要求22所述的方法，还包括提供与所述出口歧管相关联的第二流动分配系统。
24.如权利要求23所述的方法，其中提供所述第二流动分配系统包括将所述第二流动分配系统插入所述出口歧管中。
25.如权利要求23所述的方法，其中提供所述第二流动分配系统包括提供具有注射模制的第二流动分配系统的出口歧管。
26.一种流动分配系统，包括：
斜坡，所述斜坡定位于入口歧管的第一面，其中所述斜坡的顶部的切线指向电化学电解池堆的中心线，使得所述斜坡将进来的流体流动的动量重新定向为远离所述电化学电解池堆的第一平面到达所述电化学电解池堆的至少中心线。
27.如权利要求26所述的系统，还包括多个斜坡。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述多个斜坡被间隔开以界定凹槽。
29.如权利要求26所述的系统，还包括多个径向间隔开的挡板。
30.如权利要求29所述的系统，其中所述径向间隔开的挡板包括肋和齿中的至少一种。
31.如权利要求26所述的系统，其中所述系统被配置成被接纳或一体化到容纳所述电解池堆的电化学分离模块的框架中。
32.如权利要求28所述的系统，其中所述系统在沿着所述电解池堆内的各种流体通路的点之间实现小于20％的流体速度的偏差。
33.如权利要求26所述的系统，被配置成将来自湍流的流体流转换成过渡流和层流中的至少一种。
CN201680022815.7A 2015-04-24 2016-04-22 用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构 Active CN107530595B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110042063.3A CN112843806B (zh) 2015-04-24 2016-04-22 用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562152102P 2015-04-24 2015-04-24
US62/152,102 2015-04-24
PCT/US2016/028912 WO2016172526A1 (en) 2015-04-24 2016-04-22 Structures for normalizing multi-planar flow distribution within an electrochemical separation system

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110042063.3A Division CN112843806B (zh) 2015-04-24 2016-04-22 用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107530595A CN107530595A (zh) 2018-01-02
CN107530595B true CN107530595B (zh) 2020-12-11

Family

ID=57144678

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680022815.7A Active CN107530595B (zh) 2015-04-24 2016-04-22 用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构
CN202110042063.3A Active CN112843806B (zh) 2015-04-24 2016-04-22 用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110042063.3A Active CN112843806B (zh) 2015-04-24 2016-04-22 用于在电化学分离系统内标准化多平面流动分配的结构

Country Status (9)

Country Link
US (2) US10814280B2 (zh)
EP (1) EP3285901B1 (zh)
JP (1) JP6830905B2 (zh)
CN (2) CN107530595B (zh)
AU (1) AU2016250790B2 (zh)
CA (1) CA2980190C (zh)
IL (1) IL254707B (zh)
SG (2) SG11201707794WA (zh)
WO (1) WO2016172526A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102570592B1 (ko) * 2017-06-21 2023-08-24 에보쿠아 워터 테크놀로지스 엘엘씨 전기투석 디바이스 내 유체 매니폴드의 설계
NL2021248B1 (en) * 2018-07-04 2020-01-15 Redstack Bv Flow distributor for a stack assembly
CN109293085B (zh) * 2018-10-17 2021-08-24 倍杰特集团股份有限公司 一种基于edm装置的水处理系统
EP4005984A4 (en) * 2019-07-30 2022-09-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. ION ELIMINATION SYSTEM

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5292422A (en) * 1992-09-15 1994-03-08 Ip Holding Company Modules for electrodeionization apparatus
CN1898015A (zh) * 2003-10-27 2007-01-17 维罗西股份有限公司 歧管设计和多路微通道装置中的流动控制
CN101143302A (zh) * 2006-07-28 2008-03-19 米利波尔公司 用于过滤设备的歧管转接板
CN101443111A (zh) * 2006-04-25 2009-05-27 维罗西股份有限公司 用来控制工艺管道中流量的流量分配管道
CN101558277A (zh) * 2006-10-13 2009-10-14 开利公司 具有带分配插件的返回歧管的多通路热交换器
CN101721889A (zh) * 2009-12-31 2010-06-09 无锡雪浪输送机械有限公司 一种烟气冷却塔气流分布装置
CN103118766A (zh) * 2010-09-24 2013-05-22 西门子工业公司 膜过滤系统的流体控制歧管
CN103153425A (zh) * 2011-08-12 2013-06-12 帕尔公司 流体处理组件、用于流体处理组件的歧管和用于处理流体的方法
CN103687790A (zh) * 2011-07-11 2014-03-26 海克隆实验室公司 流体歧管系统

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2946284A1 (de) 1979-11-16 1981-05-21 Forschungsinstitut Berghof GmbH, 7400 Tübingen Elektrodialyse-zellpaket
US4747929A (en) * 1986-10-01 1988-05-31 Millipore Corporation Depletion compartment and spacer construction for electrodeionization apparatus
US6098965A (en) * 1996-06-04 2000-08-08 Fluor Corporation Reactor distribution apparatus and quench zone mixing apparatus
EP1100140B1 (en) * 1997-12-18 2005-09-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell and separator for the same
DE19945978A1 (de) * 1999-09-24 2001-08-30 Univ Stuttgart Lehrstuhl Und I Fluidverteilungsrahmen für Mehrkammerstacks
US9453691B2 (en) * 2007-08-09 2016-09-27 Coolit Systems, Inc. Fluid heat exchange systems
CA2826589A1 (en) * 2011-02-04 2012-08-09 Siemens Water Technologies Llc Electrical purification apparatus and methods of manufacturing same
US9051657B2 (en) * 2012-07-16 2015-06-09 Wood Stone Corporation Modular electrolysis unit
US9350029B2 (en) * 2012-11-21 2016-05-24 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
WO2014142944A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Evoqua Water Technologies Llc Flow distributors for electrochemical separation

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5292422A (en) * 1992-09-15 1994-03-08 Ip Holding Company Modules for electrodeionization apparatus
CN1898015A (zh) * 2003-10-27 2007-01-17 维罗西股份有限公司 歧管设计和多路微通道装置中的流动控制
CN101443111A (zh) * 2006-04-25 2009-05-27 维罗西股份有限公司 用来控制工艺管道中流量的流量分配管道
CN101143302A (zh) * 2006-07-28 2008-03-19 米利波尔公司 用于过滤设备的歧管转接板
CN101558277A (zh) * 2006-10-13 2009-10-14 开利公司 具有带分配插件的返回歧管的多通路热交换器
CN101721889A (zh) * 2009-12-31 2010-06-09 无锡雪浪输送机械有限公司 一种烟气冷却塔气流分布装置
CN103118766A (zh) * 2010-09-24 2013-05-22 西门子工业公司 膜过滤系统的流体控制歧管
CN103687790A (zh) * 2011-07-11 2014-03-26 海克隆实验室公司 流体歧管系统
CN103153425A (zh) * 2011-08-12 2013-06-12 帕尔公司 流体处理组件、用于流体处理组件的歧管和用于处理流体的方法

Also Published As

Publication number Publication date
US10814280B2 (en) 2020-10-27
CA2980190A1 (en) 2016-10-27
CA2980190C (en) 2023-07-04
EP3285901A4 (en) 2019-01-23
WO2016172526A1 (en) 2016-10-27
CN112843806B (zh) 2023-03-03
US20220126238A1 (en) 2022-04-28
JP2018513014A (ja) 2018-05-24
JP6830905B2 (ja) 2021-02-17
IL254707A0 (en) 2017-11-30
US20180111093A1 (en) 2018-04-26
CN107530595A (zh) 2018-01-02
EP3285901A1 (en) 2018-02-28
IL254707B (en) 2021-08-31
SG11201707794WA (en) 2017-11-29
AU2016250790A1 (en) 2017-11-16
AU2016250790B2 (en) 2021-05-13
EP3285901B1 (en) 2024-08-14
SG10201909756WA (en) 2019-11-28
CN112843806A (zh) 2021-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9446971B2 (en) Techniques for promoting current efficiency in electrochemical separation systems and methods
US20220126238A1 (en) Structures for Normalizing Multi-Planar Flow Distribution Within an Electrochemical Separation System
US10301200B2 (en) Flow distributors for electrochemical separation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: American Pennsylvania

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

Address before: American Pennsylvania

Applicant before: SIEMENS INDUSTRY, INC.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant