CN109071280A - 以循环分批模式浓缩再循环的电化学系统 - Google Patents

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Abstract

运行电化学装置的方法包括在定时分批循环中周期性地排出一定体积的浓缩物废弃物，并且用进料水替换浓缩物废弃物。电化学水处理系统包括具有通过控制模块控制的阀的再循环管线。控制模块周期性地打开阀，以在分批定时循环中从再循环管线中排出浓缩物废弃物。再循环管线用进料水进料以替换排出的浓缩物废弃物。

Description

以循环分批模式浓缩再循环的电化学系统
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2016年5月6日提交的标题为“ED Systemwith Concentration Recirculation in Cyclic Batch Mode”的美国临时申请序列号62/332,536的优先权，该申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文公开的方面和实施方案涉及电化学水处理系统及运行该电化学水处理系统的方法。更具体地，公开的方面和实施方案涉及能够在分批定时循环中周期性地排出浓缩物废弃物(concentrate reject)的电化学系统，以及通过在分批定时循环中周期性地排出浓缩物废弃物来运行电化学分离装置的方法。
概述
根据一个方面，提供了运行电化学分离装置的方法。所述电化学分离装置可以包括稀释隔室、浓缩隔室、离子交换膜、第一电极和第二电极、被流体地连接至稀释隔室的第一进料流、被流体地连接至浓缩隔室的第二进料流、以及浓缩隔室再循环流。
在一些实施方案中，所述方法包括将第一进料流引导至稀释隔室以产生产物流，并且将第二进料流引导至浓缩隔室以产生废弃物流(reject stream)。所述方法可以包括将废弃物流再循环到浓缩隔室。该方法还可以包括在定时分批循环中周期性地排出一定体积的具有第一离子浓度的废弃物流。所述方法可以包括用基本上相等体积的具有低于第一离子浓度的第二离子浓度的第二进料流替换排出体积的废弃物流。
在一些实施方案中，所述方法包括周期性地反转第一电极和第二电极的极性。可选择地或另外地，所述方法还可以包括交换第一进料流和第二进料流的流动路径，使得第一进料流被引导至浓缩隔室，并且第二进料流被引导至稀释隔室。极性的周期性反转可以与废弃物流的周期性排出的定时相协调。流动路径的交换可以与极性的周期性反转的定时和/或废弃物流的周期性排出的定时相协调。
在一些实施方案中，所述方法还包括将废弃物流与第二进料流共混以产生废弃物和第二进料共混物。在这样的实施方案中，方法可以包括排出一定体积的废弃物和第二进料共混物。所述方法还可以包括用基本上相等体积的第二进料流替换排出体积的废弃物和第二进料共混物。
在一些实施方案中，所述方法还包括将废弃物流与第三进料流共混以产生废弃物和第三进料共混物。第三进料可以具有低于第二离子浓度的第三离子浓度。废弃物流可以与第二进料流和第三进料流两者共混，以产生废弃物、第二进料和第三进料共混物。在这样的实施方案中，所述方法可以包括排出一定体积的废弃物和第三进料共混物或者一定体积的废弃物、第二进料和第三进料共混物。所述方法还可以包括用基本上相等体积的第二进料流和第三进料流中的至少一种替换排出体积的废弃物和第三进料共混物或排出体积的废弃物、第二进料和第三进料共混物。
所述方法可以包括当第一离子浓度达到足以形成沉淀物的浓度时，周期性地排出一定体积的废弃物流。排出废弃物并用第二进料流或第三进料流替换它(每种进料流具有比废弃物更低的离子浓度)可以降低再循环流的总离子浓度。
在一些非限制性实施方案中，一定体积的废弃物流可以被周期性地排出持续约0.5分钟至约2.0分钟。废弃物流可以在约15分钟至约25分钟之间的定时分批循环中被排出。
根据另一个方面，提供了包括电化学分离装置的水处理系统。根据一些实施方案，电化学分离装置是电渗析装置和电去离子装置中的一种。
所述电化学分离装置可以包括具有入口和产物出口的稀释隔室、具有入口和废弃物出口(reject outlet)的浓缩隔室、被定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及被定位在电化学分离装置的远端处的第一电极和第二电极。所述系统还可以包括被流体地连接至稀释隔室的入口的第一进料管线和被流体地连接至浓缩隔室的入口的第二进料管线。所述系统可以包括被流体地连接至浓缩隔室的废弃物出口和入口的再循环管线。
在一些实施方案中，所述系统还包括与被定位在再循环管线上的阀电连通的控制模块。控制模块可以被配置为在分批定时循环中从再循环管线中周期性地排出一定体积的浓缩物废弃物。控制模块还可以被配置为将基本上相等体积的第二进料输送至浓缩隔室。
所述系统还可以包括一个或更多个传感器。在一些实施方案中，所述系统包括传感器，所述传感器被流体地连接至废弃物出口和产物出口中的至少一个并且被配置为测量浓缩物废弃物或产物的离子浓度、pH和流量中的至少一种。在一些实施方案中，所述系统包括一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被流体地连接至再循环管线和/或浓缩隔室并且被配置为测量再循环管线和/或浓缩隔室内的绝对压力或压力差。在一些实施方案中，所述系统包括传感器，所述传感器被电连接至第一电极和第二电极并且被配置为测量横跨电极的电压和/或电流。
控制模块可以被电连接至一个或更多个传感器，并且被配置为响应于从一个或更多个传感器接收的测量值而起作用。在一些实施方案中，控制模块被电连接至废弃物出口传感器和/或产物出口传感器，并且被配置为响应于废弃物或产物的离子浓度、pH和流量中的至少一种的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。在一些实施方案中，控制模块被电连接至再循环管线传感器，并且被配置为响应于再循环管线和/或浓缩隔室内的绝对压力或压力差的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。在一些实施方案中，控制模块被电连接至第一电极和第二电极传感器，并且被配置为响应于横跨电极的电压和电流中的一种的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。
在某些实施方案中，所述系统还包括被定位在再循环管线内的共混罐。共混罐可以被配置为接收和共混浓缩物废弃物和第二进料，以产生废弃物和第二进料共混物。所述系统可以包括被定位在共混罐的下游的阀，并且控制模块可以被配置为周期性地排出一定体积的废弃物和第二进料共混物。控制模块还可以被配置为将一定体积的第二进料输送至共混罐。在一些实施方案中，所述系统包括传感器，所述传感器被流体地连接至共混罐并且被配置为测量废弃物和第二进料共混物的离子浓度和pH中的至少一种。控制模块还可以被配置为响应于共混物的离子浓度或pH的测量值排出废弃物和第二进料共混物。
根据某些实施方案，所述系统可以包括被定位在共混罐的上游的阀。上游阀可以被配置为选择性地从系统中排出浓缩物废弃物或将浓缩物废弃物输送至共混罐。
所述系统还可以包括以并联配置被定位在再循环管线内的多于一个共混罐。在一些实施方案中，多于一个共混罐中的至少一个被配置为与浓缩隔室流体连通，而多于一个共混罐中的至少一个被配置为待机。待机的罐可以被配置为接收浓缩物废弃物、第二进料或第三进料中的至少一种。
在一些实施方案中，所述系统可以包括共混罐，所述共混罐被定位在再循环管线内并且被配置为接收和共混浓缩物废弃物与第二进料和第三进料中的至少一种，以产生废弃物和进料共混物。所述系统可以包括被定位在共混罐的上游的、被配置为将第二进料和第三进料中的一种引导至共混罐中的三通阀。
附图简述
附图不意图按比例绘制。在附图中，在各个图中图示的每个相同的或者接近相同的部件由相似的数字表示。为了清楚的目的，并非每个部件都可以在每个附图中被标记。在附图中：
图1是根据某些实施方案的水处理系统的示意图；
图2是根据某些实施方案的包括共混罐的水处理系统的示意图；
图3是根据某些实施方案的能够反转第一进料流和第二进料流的流动路径的水处理系统的示意图；
图4是根据某些实施方案的包括控制模块的水处理系统的示意图；
图5是根据本文公开的运行电化学分离装置的方法的某些实施方案，电化学分离装置的浓缩物废弃物、进料和产物的离子浓度随时间变化的图；
图6是根据某些实施方案的包括共混罐和第三进料流的水处理系统的示意图；
图7是根据某些实施方案的包括封闭的共混罐的水处理系统的示意图；
图8是根据某些实施方案的包括并联布置的两个共混罐的水处理系统的示意图；
图9是根据本文公开的运行电化学分离装置的方法的某些实施方案，共混罐中总溶解固体(TDS)浓度和液体体积随时间变化的图；和
图10是根据某些实施方案的包括并联布置的两个共混罐的系统的再循环管线、进料和产物的TDS浓度随时间变化的图。
详细描述
根据一个方面，提供了运行电化学分离装置的方法。本文公开的电化学分离装置可以包括稀释隔室、浓缩隔室、离子交换膜、以及第一电极和第二电极。离子交换膜可以被定位在稀释隔室和浓缩隔室之间。本文公开的系统和方法还可以包括流体地连接至稀释隔室的第一进料流或第一进料管线、流体地连接至浓缩隔室的第二进料流或第二进料管线、以及浓缩隔室再循环流或再循环管线。
如本文使用的，“电化学分离装置”指的是使用电场用于净化流体的装置。电化学分离装置通常可以用于处理水和其他包含溶解的离子物质的液体。电化学分离装置包括但不限于电去离子装置和电渗析装置。在一些实施方案中，电化学装置具有板框式(plate-and-frame)设计或螺旋盘绕式设计。这样的设计可以用于各种类型的电化学去离子装置，包括但不限于电渗析装置和电去离子装置。可商购的电渗析装置典型地是板框式设计，而电去离子装置可以以板框式和螺旋配置两者获得。
通常，电化学分离装置可以采用电势来影响离子传输，并且从流体中去除或降低一种或更多种电离物质或可电离物质的浓度。电化学装置可以被运行以促进一个或更多个专门被设计成实现或增强分离性能的电化学反应。例如，电化学装置可以通过允许在特定方向上的离子传输并且防止在另一个特定方向上的离子传输来驱动在特定方向上通过选择性渗透膜的离子传输。在某些实施方案中，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。
电去离子(EDI)系统还可以采用电活性介质以从流体中分离一种或更多种电离物质或可电离物质。电活性介质典型地用于交替地收集和排出离子物质和/或可电离物质，并且在一些情况下，用于促进离子的传输。离子的传输可以例如通过离子取代机制或电子取代机制连续地发生。EDI装置可以包括永久充填(charge)或暂时充填的电化学活性介质，并且可以分批地、间歇地、连续地和/或甚至以反极性模式运行。
EDI的一个实施方案是连续的电去离子(CEDI)。CEDI装置是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，水的净化可以连续地进行，同时离子交换材料被连续地再充填(recharge)。CEDI技术可以包括例如连续去离子、填充池电渗析或电透析(electrodiaresis)的工艺。在CEDI系统中，在特定的受控电压和盐度条件下，水分子可以被分裂以生成氢或水合氢离子或物质以及氢氧化物或羟基离子或物质，它们可以在装置中使离子交换介质再生，并且因此促进从其中释放被捕获的物质。以这种方式，待处理的水流可以被连续地净化，而不需要离子交换树脂的化学再充填。
电渗析(ED)装置与EDI装置类似地运行(即以分批工艺、间歇地、连续地或以反极性模式交替地收集和排出物质)。然而，ED装置典型地在膜之间不包含电活性介质。由于缺乏电活性介质，ED装置的运行可以在具有升高的电阻的低盐度的进料水中被妨碍。此外，由于在高盐度进料水中ED的运行可以导致升高的电流消耗，因此迄今为止ED装置已经被最有效地用于中等盐度的水源水。在基于ED的系统中，因为不存在电活性介质，所以分裂水是低效的，并且通常避免以这样的方案运行。
在某些电化学分离装置中，例如在本文公开的系统和方法中采用的那些电化学分离装置中，多个相邻的电池或隔室可以由选择性渗透膜分隔，所述选择性渗透膜允许带正电荷的物质或带负电荷的物质通过，但典型地不允许两者都通过。在这样的装置中，稀释隔室或耗尽隔室典型地与浓缩(concentrating)隔室或浓缩隔室相互间隔。当水流过稀释隔室时，离子和其他带电荷的物质可以在电场例如DC场的影响下被吸入浓缩隔室中。带正电荷的物质可以被吸向阴极，所述阴极通常位于多个稀释隔室和浓缩隔室的堆的一个端部处。带负电荷的物质可以被吸向这样的装置的阳极，所述阳极通常位于隔室的堆的相对端部处。电极可以被容纳在电解质隔室中，所述电解质隔室通常与稀释隔室和/或浓缩隔室流体连通部分地隔离。一旦在浓缩隔室中，带电荷的物质可以被至少部分地限定浓缩隔室的选择性渗透膜的屏障捕获。例如，阴离子可以通过阳离子选择性膜防止进一步朝向阴极迁移离开浓缩隔室。类似地，阳离子可以通过阴离子选择性膜防止进一步朝向阳极迁移离开浓缩隔室。一旦在浓缩隔室中被捕集，被捕获的带电荷物质可以在浓缩物废弃物流中被去除。
在电化学分离装置中，电场通常从施加到第一电极和第二电极的电压源和电流源施加到隔室。在本文中被统称为“电源”的电压源和电流源本身可以通过各种系统，例如AC电源或例如来自太阳能、风能或波浪能的电源来供电。
在电极-液体界面处，可以发生电化学半电池反应，所述电化学半电池反应引发和/或促进离子通过膜和隔室的传输。在电极和膜界面处发生的特定电化学反应可以部分地通过容纳电极组件的专用隔室中的离子浓度来控制。例如，向氯化钠高的阳极电解质隔室的进料可以倾向于生成氯气和氢离子，而向阴极电解质隔室的这样的进料将倾向于生成氢气和氢氧根离子。
通常，在阳极隔室处生成的氢离子可以与游离阴离子例如氯离子缔合，以保持电荷中性并且产生盐酸溶液。类似地，在阴极隔室处产生的氢氧根离子可以与游离阳离子例如钠缔合，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，例如生成的氯气和氢氧化钠，可以根据需要在工艺中使用，用于消毒目的、用于膜清洁和除污目的、以及用于pH调节目的。本文公开的系统和方法可以包括被配置为将电极流输送至电极的电极进料管线、将第一电极和第二电极彼此流体地连接的电极管线、以及被配置为排出电极管线废物的电极废弃物管线。电极可以用稀释水，例如来自第一进料管线的水或用另一种专用溶液来进料。
在电化学分离中，最大化被转化为产物水的进料水的级分可以是工艺的主要目的。被转化的进料的级分在本文中被称为“回收率”。回收率通常被表示为百分比。增加回收率可以降低每单位产物的资本和运行成本。例如，高回收率可以降低进料水的预处理必需的需要或程度，因此降低预处理进料水的成本。最大化生产率和回收率也可以是有益的，因为许多这些应用由水短缺、用水限制或排放限制驱动。
在一些实施方案中，所述方法包括将第一进料流引导至稀释隔室以产生产物流，并且将第二进料流引导至浓缩隔室以产生废弃物流。产物流可以包含比进料流更低的离子浓度。进料流中的污染物离子朝向浓缩隔室迁移，使得通常输出的浓缩物废弃物可以包含进料流中进入系统的浓缩的大部分的污染物离子。
电化学分离可以用于例如通过将水源水脱盐来处理用于市政和工业应用的微咸水(brackish water)、河水或井水。它还可以用于处理废水。用电化学分离处理的废水的一个非限制性实例是反渗透(RO)废弃物，用于再利用或再循环。这些水源可以包含多种类型的离子。例如，进料可以包含反应以形成沉淀物和垢，例如CaCO3、CaSO4和Mg(OH)2的离子。在一些实施方案中，进料流可以在引导至稀释隔室和/或浓缩隔室之前被预处理。例如，进料流可以通过过滤或化学定量给料被预处理。在某些实施方案中，进料流是RO废弃物。进料水可以具有小于约5,000ppm的总溶解固体(TDS)浓度。例如，进料水可以具有小于约4,000ppm、小于约3,000ppm、或小于约2,000ppm TDS的TDS浓度。
运行电化学分离装置的某些方法可以包括进料水通过电化学分离装置的直通式穿过(once-through pass)。电化学分离系统可以在第一流和第二流两者“直通式”穿过它们各自的隔室以产生出口流体的情况下来运行。在这样的实施方案中，高于50％的回收率将要求浓缩物废弃物流量小于产物流量。例如，在90％的回收率，浓缩物流量将仅为产物流量的约11.1％。
可选择地，本文公开的系统和方法可以采用将废弃物流再循环到浓缩隔室。由浓缩隔室产生的废弃物流的全部或部分可以再循环回到浓缩隔室，以减少进入电化学装置的需要的进料，并且增加回收率。浓缩隔室和再循环回路内的离子浓度可以随着浓缩物废弃物回到浓缩隔室的穿过次数而增加。
浓缩物再循环可以实现高回收率，同时还维持浓缩物隔室中的流速。再循环进料速率可以在再循环回路内用泵，例如在马达上具有变频驱动(VFD)的泵来控制。为了限制离子浓度的增加，浓缩物流的级分可以被排出并且用具有较低离子浓度的溶液替换，如将在下文更详细地解释的。
通过稀释隔室或浓缩隔室的流量不仅可以影响系统内的平均速度和压降，而且还影响隔室内的流动分布。例如，在NEXEDTM错流ED装置(Evoqua Water Technologies LLC,Lowell,MA)中，随着流量降低，在流动隔室的角部中可以形成低流动区域。在这样的低流动区域中，流体可以再循环或者甚至停滞。在从相邻的稀释隔室接收离子的浓缩隔室中，潜在的结垢离子物质的浓度可以在低流动区域积累，潜在地导致在膜上沉淀和结垢。
为了防止在浓缩隔室内沉淀或结垢，所述方法可以包括周期性地排出一定体积的具有第一离子浓度的废弃物流。特别地，排出的废弃物流可以是再循环流内的浓缩物废弃物，其将以其他方式再循环回到浓缩隔室。该方法还可以包括用具有比排出的废弃物流更低的离子浓度的流体替换排出体积的废弃物流。因此，再循环流和浓缩隔室中的总离子浓度可以降低。在一些实施方案中，排出体积的废弃物流用基本上相等体积的具有低于第一离子浓度的第二离子浓度的第二进料流替换。第二进料流可以与第一进料流相同，或者可以是单独的进料流。在一些实施方案中，排出体积的废弃物流用基本上相等体积的具有低于第一离子浓度的离子浓度的第三进料流替换。
本文公开的系统和方法可以在定时分批循环中采用废弃物的周期性排出。根据需要，排出体积的替换可以逐渐地或间歇地发生。例如，用基本上相等体积的进料替换排出体积可以与废弃物的排出同时发生。与采用连续排出和替换浓缩物废弃物的系统相比，本文采用的系统和方法利用了可以降低总能耗的分批定时循环。此外，分批定时循环可以降低结垢和沉淀的风险，同时维持较高的总回收率，减少反转期间产物品质的变化，并且可以允许极性反转或流动反转之间更长的循环。
在某些实施方案中，分批定时循环包括周期性地排出废弃物持续预定的时间量和/或排出预定体积的废弃物。通常，可以打开阀以允许废弃物离开系统持续预定的排出时间，或者直到预定的体积被排出。例如，一定体积的废弃物流可以被排出持续约0.1分钟和约5.0分钟之间。在一些实施方案中，一定体积的废弃物流被排出持续约0.25分钟和约3.0分钟之间或约0.5分钟和约2.0分钟之间。另外地或可选择地，被排出的废弃物的预定体积可以基于电化学分离装置内的电化学模块的数目、装置连接管线内的流体的体积和共混罐内的流体的体积中的任一种或更多种来计算。例如，预定的排出体积可以是再循环管线内共混罐中的流体的体积。预定的排出体积可以是再循环管线内的流体的体积。在一些实施方案中，预定的排出体积在浓缩隔室中的液体体积的约50％和约100％之间。预定体积可以占浓缩隔室、共混罐、再循环管线及其组合中的液体体积的约50％和约100％之间。预定体积可以占浓缩隔室、共混罐、再循环管线及其组合中的液体体积的约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或约100％。
分批定时循环可以包括在预定的定时循环中重复废弃物的排出。例如，排出可以每25分钟重复。在一些实施方案中，排出每5分钟、每10分钟、每15分钟、每20分钟、每21分钟、每22分钟、每23分钟、每24分钟、每25分钟、每26分钟、每27分钟、每28分钟、每29分钟、每30分钟、每35分钟、每40分钟、或每45分钟重复。在一些实施方案中，废弃物在约10分钟和约30分钟之间、在约15分钟和约25分钟之间、或在约20分钟和25分钟之间的循环中被周期性地排出。
用于废弃物排出和/或定时分批循环的预定时间量或预定体积可以基于浓缩隔室内的离子浓度来确定或计算。一般来说，废弃物流的排出的定时被计算成使得浓缩隔室内的第一离子浓度不会增加到足以形成沉淀物或垢的浓度。然而，在实践中，存在在浓缩物内可以容忍离子浓度的轻微过饱和的证据。在一些实施方案中，浓缩隔室内的平均离子浓度可以略微高于足以形成沉淀物的浓度。虽然不希望受任何特定理论束缚，但据信浓缩物废弃物可以保持略微高于足以使离子形成沉淀物的浓度的离子浓度，因为沉淀不会瞬间发生。
在某些实施方案中，用于废弃物排出和定时分批循环的预定时间量或预定体积基于以下中的一种或更多种来确定：进料流中的离子浓度、进料流的流量、进料流的pH、产物流中的离子浓度、产物流的流量、产物流的pH、废弃物流中的离子浓度、废弃物流中的流量、废弃物流的pH、横跨第一电极和第二电极的电压、第一电极和第二电极之间的电流、以及再循环回路内的压力。
用于废弃物排出和定时分批循环的预定时间量或预定体积可以通过在第一电极和第二电极之间的测量的电流来确定。在电化学分离装置中，对于给定的电流，可以存在从稀释隔室到浓缩隔室的相应的离子传输速率。每单位时间传输的离子的总量可以被称为“盐去除速率”，其以摩尔/秒或当量/秒的单位测量。通常，驱动电流所需的施加的电压取决于离子交换膜中的电阻，和稀释隔室、浓缩隔室中的电阻以及横跨第一电极和第二电极的电阻。由于膜的两侧上的浓度差，电压还必须克服横跨每个膜的Donnan电势电压。当浓度差很大时，横跨第一电极和第二电极的电压可以增加。在预定值，电流可以发出需要从系统中排出废弃物的信号。
在某些实施方案中，所述方法包括周期性地反转第一电极和第二电极的极性。本文公开的方法和系统可以采用电极反转，反转施加至第一电极和第二电极的电压，使得带正电荷的阳极变成带负电荷的阴极，并且带负电荷的阴极变成带正电荷的阳极。极性反转可以实现分离装置内离子传输方向的改变，由此离子传输反转方向。极性反转可以用于防止微溶化合物在浓缩隔室内沉淀，并且还可以防止可溶性化合物在膜上积累。能够极性反转的装置可以被称为电渗析反转(EDR)装置。
在一些实施方案中，极性反转的定时与废弃物流的周期性排出的定时协调。例如，极性反转可以基本上与废弃物流的周期性排出同时发生。在一些实施方案中，极性反转可以略微地在废弃物流的周期性排出之后发生，或略微地在废弃物流的周期性排出之前发生。在一些实施方案中，极性反转可以在基本上与废弃物流的排出一样长的时间段内发生。在其他实施方案中，极性反转在小于废弃物流排出的时间量的时间段内完成。协调废弃物流的排出的定时和极性反转可以提高防止在电化学分离装置内沉淀和结垢的能力和效率。
对于极性反转可选择地或另外地，所述方法还可以包括交换第一进料流和第二进料流的流动路径，使得第一进料流被引导至浓缩隔室，并且第二进料流被引导至稀释隔室。极性反转和/或流动路径交换可以在浓缩物废弃物排出的多个循环之后开始。极性反转和流动反转可以有效地改变隔室的特性(identity)，使得先前的浓缩隔室现在是稀释隔室，并且先前的稀释隔室现在是浓缩隔室。进料流的流动路径交换可以通过被配置为使第一进料流和第二进料流重新定向的阀来实现。极性的周期性反转可以与废弃物流的周期性排出的定时协调。在一些实施方案中，流动路径的交换可以与极性的周期性反转的定时和/或废弃物流的周期性排出的定时协调。在另外的循环中，所述方法可以包括再次反转极性和/或交换流体流动路径，使得电极和/或进料流反转回到它们的原始配置。与先前的讨论类似，极性和流动反转与废弃物流的排出的协调可以提高防止在电化学分离装置内沉淀和结垢的能力和效率。
对于充分混合的模型电化学分离装置，在反转之后再循环回路中的离子浓度的变化可以通过以下等式作为时间的函数来计算：
其中：
C＝再循环回路中的浓度
τ＝时间常数
t＝反转之后的时间
Ca＝当t→∞时的渐近浓度
Co＝初始浓度。
浓度朝向Ca的渐近值增加，这通过废弃物的排出速率和电极之间的电流来确定。
在一些实施方案中，所述方法还包括将废弃物流与第二进料流共混以产生废弃物和第二进料共混物。废弃物和第二进料共混物可以在再循环流内。例如，废弃物流和第二进料流可以在再循环流内在共混罐中共混。在某些实施方案中，所述方法可以包括通过排出一定体积的废弃物和第二进料共混物从系统中排出废弃物。所述方法还可以包括用基本上相等体积的第二进料流替换排出体积的废弃物和第二进料共混物，如先前讨论的。所述方法可以包括在废弃物和第二进料共混物未被排出时将废弃物和第二进料共混物输送至浓缩隔室。废弃物和第二进料共混物可以具有比浓缩物废弃物更低的离子浓度，因此降低了浓缩隔室内的总离子浓度。
在一些实施方案中，所述方法还包括将废弃物流与第三进料流共混以产生废弃物和第三进料共混物。第三进料可以具有低于第二离子浓度的第三离子浓度。在一些实施方案中，第三进料流具有基本上等于第二离子浓度的离子浓度。第三进料流可以包含酸或碱。在一些实施方案中，第三进料流可以包含一种或更多种化学定量给料化合物。第三进料可以是与第二进料流中相同的流体。在其他实施方案中，第三进料流是饮用水或包括小于约2,000ppm的TDS浓度。废弃物流可以与第二进料流和第三进料流两者共混，以产生废弃物、第二进料和第三进料共混物。例如，流可以在共混罐中共混，如先前讨论的。在一些实施方案中，所述方法可以包括排出一定体积的废弃物和第三进料共混物或者一定体积的废弃物、第二进料和第三进料共混物。所述方法还可以包括用基本上相等体积的第二进料流和第三进料流中的至少一种替换排出体积的废弃物和第三进料共混物或者排出体积的废弃物、第二进料和第三进料共混物，如先前讨论的。排出废弃物并用第二进料流或第三进料流替换它(每种进料流具有比废弃物更小的离子浓度)可以降低再循环流的总离子浓度。
根据另一个方面，提供了包括电化学分离装置的水处理系统，如本文先前描述的。电化学分离装置可以包括具有入口和产物出口的稀释隔室、具有入口和废弃物出口的浓缩隔室、被定位在稀释隔室和浓缩隔室之间的离子交换膜、以及被定位在电化学分离装置的远端处的第一电极和第二电极。
所述系统还可以包括被流体地连接至稀释隔室的入口的第一进料管线和被流体地连接至浓缩隔室的入口的第二进料管线。第一进料管线可以被配置为将第一进料流引导至稀释隔室，并且第二进料管线可以被配置为将第二进料流引导至浓缩隔室。在一些实施方案中，第一进料管线和第二进料管线从总进料管线分离并且携带相同的进料流。所述系统可以包括被流体地连接至浓缩隔室的废弃物出口和入口的再循环管线。再循环管线可以被配置为在系统内再循环浓缩物废弃物，如先前讨论的。各种进料管线和再循环管线可以包括任何数目的泵、阀或三通阀，以驱动和引导流体流过系统。阀可以是自动阀，由一个或更多个控制模块控制、手动地控制或其任意组合。例如，管线可以包括泵和阀，如图中图示的并且在下文中更详细地描述的。
在一些实施方案中，所述系统还包括与被定位在再循环管线上的阀电连通的控制模块。控制模块可以被配置为在分批定时循环中通过控制阀的打开和关闭从再循环管线中周期性地排出一定体积的浓缩物废弃物。控制模块还可以被配置为将基本上相等体积的较稀的进料输送至浓缩隔室。控制模块可以将第二进料流输送至浓缩隔室，或将单独的第三进料流输送至浓缩隔室。在一些实施方案中，控制模块被配置为通过打开进料阀或通过启动进料泵将进料水输送至再循环管线。
控制模块可以被配置为按定时器和/或响应于以下中的一种或更多种的测量值作用：进料流中的离子浓度、进料流的流量、进料流的pH、产物流中的离子浓度、产物流的流量、产物流的pH、废弃物流中的离子浓度、废弃物流中的流量、废弃物流的pH、横跨第一电极和第二电极的电压、第一电极和第二电极之间的电流、以及再循环管线内的压力。例如，控制模块可以被配置为如果再循环管线内的离子浓度达到足以形成沉淀物的浓度，则排出废弃物。控制模块可以被配置为如果再循环管线内的废弃物的pH达到预定的pH，则排出废弃物。预定的pH可以是这样的，当与测量的废弃物的离子浓度组合时，离子将形成沉淀物。控制模块还可以被配置为当再循环管线内的压力达到预定的压力阈值时排出浓缩物废弃物。此外，控制模块可以被配置为如果在进料流中满足参数的任何组合，例如当进料流达到预定的离子浓度和/或pH时，排出废弃物。
控制模块可以被配置为基于一个或更多个系统输入在计算的定时循环中排出浓缩物废弃物，并且还可以被配置为如果任何测量的参数超过预定值则排出浓缩物废弃物。通常，定时循环可以基于系统输入来计算，所述系统输入包括进料水类型、流量、压力、离子浓度、和进料流的pH、输送至第一电极和第二电极的电压、以及横跨电化学分离装置施加的电流中的任一种或更多种。
控制模块可以被配置为当废弃物或产物的pH达到预定的阈值时排出浓缩物废弃物。在一些实施方案中，当产物或废弃物的pH小于约3或大于约10时，控制模块可以排出浓缩物废弃物。在其他实施方案中，当产物或废弃物的pH小于约2或大于约11时，控制模块可以排出浓缩物废弃物。具体地，当产物或废弃物的pH落在约3至约10范围之外时，控制模块可以排出浓缩物废弃物，除非电化学分离装置经历极性或流动反转，在这种情况下控制模块可以允许在排出之前产物或废弃物的pH在约2至约11之间。在一些实施方案中，预定阈值pH通过关注的沉淀物来确定。例如，如果关注的沉淀物包含CaCO3和Mg(OH)2，则控制模块可以被配置为当pH大于约6时排出废弃物。如果关注的沉淀物包含CaSO4，则控制模块可以被配置为当pH落在约3至约10范围之外时排出废弃物。
此外，控制模块可以被配置为当废弃物或产物的离子浓度达到预定阈值时排出浓缩物废弃物。例如，当废弃物的TDS浓度大于约8,000ppm时，控制模块可以排出浓缩物废弃物。当TDS浓度大于约9,000ppm、大于约10,000ppm、大于约11,000ppm、大于约11,500ppm、大于约12,000ppm、大于约12,100ppm、大于约12,200ppm、大于约12,300ppm、大于约12,400ppm、或大于约12,500ppm时，控制模块可以排出浓缩物废弃物。
控制模块还可以被配置为当再循环管线内的压力达到预定值或压力阈值时排出浓缩物废弃物。当再循环管线内的平均压力或绝对压力达到预定值时，可以达到压力阈值。控制模块还可以被配置为当浓缩隔室内的压力展现出预定差时排出浓缩物废弃物。具体地，横跨浓缩隔室的预定压力差可以被测量为横跨浓缩隔室的压降。压力可以在浓缩隔室和/或再循环管线内的两个或更多个点处测量，以确定压力差。
所述系统还可以包括一个或更多个传感器。在一些实施方案中，所述系统包括传感器，所述传感器被流体地连接至废弃物出口和产物出口中的至少一个并且被配置为测量浓缩物废弃物或产物的离子浓度、pH和流量中的至少一种。在一些实施方案中，所述系统包括一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被流体地连接至再循环管线和/或浓缩隔室，被配置为测量再循环管线或浓缩隔室内的压力。在一些实施方案中，所述系统包括传感器，所述传感器被电连接至第一电极和第二电极并且被配置为测量横跨电极的电压和/或电流。
控制模块可以被电连接至一个或更多个传感器，并且被配置为响应于从一个或更多个传感器接收的测量值作用。例如，控制模块可以被电连接至废弃物出口传感器和/或产物出口传感器，并且被配置为响应于废弃物或产物的离子浓度、pH和流量中的至少一种的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。在一些实施方案中，控制模块被电连接至再循环管线传感器，并且被配置为响应于再循环管线内的压力的测量值或再循环管线和/或浓缩隔室内的压力差的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。在一些实施方案中，控制模块被电连接至第一电极和第二电极传感器，并且被配置为响应于横跨电极的电压和电流中的一种的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。
所述系统可以包括与任何数目的传感器电连通的一个控制模块，或者可以包括与每个传感器电连通的一个控制模块。所述系统还可以包括连接至任何数目的控制模块的控制模块集线器(hub)。在一些实施方案中，控制模块和传感器通过一根或更多根导线连接。在一些实施方案中，控制模块和传感器无线地连接。类似地，一个或更多个控制模块可以通过导线或无线地连接至再循环管线上的一个或更多个阀。在一些实施方案中，控制模块被包括在阀内，使得阀本身被配置为在定时器上或响应于从传感器接收的测量值而自动地打开和关闭。
所述系统还可以包括控制模块，所述控制模块被配置为控制流量、压力和被输送至第一电极和第二电极的电压中的一种或更多种。电化学分离装置和系统内的流量和压力的控制可以是复杂的和有挑战性的。通常，系统可以包括再循环管线中被配置为维持再循环管线内的恒定压力的压力调节器。再循环管线还可以包括被配置为与压力调节器协调以维持再循环管线内的恒定压力的泵。第一进料流量和第二进料流量可以通过在第一进料管线或第二进料管线上的泵或阀，或在分离以形成第一进料管线和第二进料管线的总进料管线上的泵或阀来控制。第二进料流的流量可以确定通过浓缩隔室的压降，这继而可以确定从浓缩隔室流出并通过再循环管线的浓缩物废弃物的流量。进料流压力和输出流压力之间的差异通常可以维持在低于预定的设定值以最小化系统隔室之间的交叉泄漏。由于许多过程输入可以影响多个过程输出，因此系统内的控制，例如流量和压力的控制，可能需要输入的迭代调节，并且可以通过控制模块来控制。
在某些实施方案中，所述系统还包括被定位在再循环管线内的共混罐。共混罐可以是罐、容器、室或隔室，其被配置为接收和共混浓缩物废弃物和进料流，以产生具有比浓缩物废弃物更低的离子浓度的共混流。共混罐可以是开放罐或可以是封闭的空气加压罐。封闭罐可以利用压缩空气或压缩气体。随着浓缩物废弃物中的离子浓度增加，系统可能需要将浓缩物废弃物与较稀的流共混，以防止在系统管线内或在膜上沉淀和结垢。共混的流体可以通过重力或通过施加的空气压力从罐中排出。
在一些实施方案中，共混罐被流体地连接至再循环管线并且被流体地连接至第二进料管线。共混罐可以被配置为接收和共混浓缩物废弃物和第二进料，以产生废弃物和第二进料共混物。系统可以包括被定位在共混罐的下游的阀，并且控制模块可以被配置为通过下游的阀周期性地排出一定体积的废弃物和第二进料共混物。阀可以被定位在共混罐出口管线上或在再循环管线内，共混罐的下游。控制模块还可以被配置为将一定体积的第二进料输送至共混罐，以替换排出体积的废弃物和进料共混物。被输送至共混罐的一定体积的稀释进料可以在最终到达浓缩隔室之前被流体地连接至共混罐。
在一些实施方案中，所述系统包括传感器，所述传感器被流体地连接至共混罐并且被配置为测量共混罐内废弃物和第二进料共混物的离子浓度和pH中的至少一种。控制模块还可以被配置为响应于废弃物和第二进料共混物的离子浓度或pH的测量值从共混罐中排出废弃物和第二进料共混物。
根据某些实施方案，所述系统可以包括被定位在共混罐的上游的阀。上游阀可以被配置为选择性地从系统中排出浓缩物废弃物或将浓缩物废弃物输送至共混罐。在一些实施方案中，控制模块可以被配置为响应于废弃物和第二进料共混物的离子浓度和/或pH的测量值从再循环管线中排出浓缩物废弃物。
在一些实施方案中，所述系统可以包括共混罐，所述共混罐被定位在再循环管线内并且被配置为接收和共混浓缩物废弃物与第二进料和第三进料中的至少一种，以产生废弃物和进料共混物。第三进料可以是具有比第二进料和/或比废弃物和第二进料共混物更低的离子浓度的稀释进料流。在一些实施方案中，第三进料流可以包含酸或碱。所述系统可以被流体地连接至第二进料管线和第三进料管线两者。所述系统可以包括被定位在共混罐的上游的一个或更多个三通阀，所述三通阀被配置为通过公共输入管线将第二进料和第三进料中的一种引导至共混罐中。
所述系统还可以包括并联的再循环管线配置，其中并联管线中的至少一条包括共混罐。并联配置可以允许具有较低离子浓度的浓缩物废弃物在再循环管线内再循环，而具有较高离子浓度的浓缩物废弃物可以在被再循环回到浓缩隔室之前与罐中的进料流共混。所述系统可以包括控制模块，所述控制模块被配置为响应于浓缩物废弃物的离子浓度或pH的测量值将浓缩物废弃物转移到浓缩隔室或转移到共混罐。
所述系统还可以包括以并联配置被定位在再循环管线内的多于一个共混罐。在一些实施方案中，所述多于一个共混罐中的至少一个被配置为与浓缩隔室流体连通，而所述多于一个共混罐中的至少一个被配置为待机。待机的罐可以被配置为接收浓缩物废弃物、第二进料或第三进料中的至少一种。控制并联配置，使得通常至少一个罐在使用，而至少一个罐正在准备使用。这样的配置可以允许系统根据分批定时循环执行而没有延迟。
从下文的附图的描述中，还可以理解上文讨论的实施方案和本发明的其他实施方案的功能和优点，这些附图还说明了本发明的一个或更多个系统和技术的益处和/或优点，但是没有例证本发明的全部范围。
如图1的示例性示意图所示，水处理系统包括电化学分离装置，所述电化学分离装置包括具有入口260(图4中所示)和产物出口280的稀释隔室160、具有入口300(图4中所示)和废弃物出口320的浓缩隔室180、被定位在稀释隔室160和浓缩隔室180之间的离子交换膜980、以及被定位在电化学分离装置的远端处的第一电极200和第二电极220。所述系统可以包括电极进料(electrode feed)360、电极废弃物340和流体地连接第一电极200和第二电极220的电极管线380。所述系统包括被流体地连接至稀释隔室160的第一进料管线100和被流体地连接至浓缩隔室180的第二进料管线120、130。第二进料管线可以包括上游端部130和下游端部120。第二进料管线的下游端部120可以被连接至浓缩隔室。第二进料管线的上游端部130可以被连接至进料入口。第一进料管线100和第二进料管线130可以分别从总进料管线140分离。第二进料管线130包括被配置为允许进料流通过再循环管线240到达浓缩隔室180的阀640。再循环管线240可以被流体地连接至废弃物出口320和浓缩隔室180。再循环管线还可以包括被配置为将浓缩物废弃物和/或第二进料流泵送至浓缩隔室180的泵400。
现在参考图2的示例性示意图，所述系统可以包括再循环管线240内的共混罐480。共混罐480可以被配置为通过再循环管线240接收浓缩物废弃物，并且通过第二进料管线130接收进料流，以产生废弃物和进料共混物。共混物可以通过泵400被泵送至浓缩隔室180。
在某些实施方案中，例如图3的示例性示意图中所示的实施方案，所述系统可以被配置为交换第一进料流和第二进料流的流动路径。所述系统可以包括一系列三通阀500、520、540和560，其被配置为实现进料流的流动路径交换。最初，进料三通阀500可以被配置为将第一进料流引导至隔室A，而进料三通阀520将第二进料流引导至隔室B。在此最初配置中，隔室A可以充当稀释隔室，使得出口三通阀540将产物水引导至产物管线280。隔室B可以充当浓缩隔室，使得出口三通阀560将废弃物引导至再循环管线240。在流动路径交换之后，进料三通阀500可以被配置为将第二进料流引导至隔室A，而进料三通阀520将第一进料流引导至隔室B。在此配置中，隔室A可以充当浓缩隔室，通过出口三通阀540将浓缩物废弃物引导至再循环管线240，而隔室B可以充当稀释隔室，通过出口三通阀560将产物引导至产物出口280。
紧接在流动路径交换之后，离开现在稀释隔室的水的一部分可以是具有高浓度污染物的废物。因此，出口三通阀540和560可以在入口三通阀500和520被切换以交换入口流体流动路径之后延迟切换。在一些实施方案中，一部分现在的产物水可以通过再循环管线或排出管线被排出。三通阀570可以选择性地将现在的产物水转移至产物出口280或再循环或排出出口。如图3中所示的系统可以包括在废弃物管线320上的被配置为从系统中排出浓缩物废弃物的阀420。
如图4的示例性示意图所示，所述系统还可以包括传感器900、传感器940和传感器920，其流体地连接至废弃物出口320(传感器940)、产物出口280(传感器920)和再循环管线240(传感器900)。废弃物出口传感器940和产物出口传感器920可以被分别配置为测量浓缩物废弃物和/或产物的离子浓度、pH和流量。再循环管线传感器900可以被配置为测量再循环管线240内的压力。传感器940、传感器920和传感器900可以被连接至控制模块860。控制模块860可以被电连接至传感器940、传感器920和传感器900并且被电连接至阀420。控制模块860可以被配置为响应于从传感器940、传感器920和传感器900中的至少一个接收的测量值，通过阀420排出一定体积的浓缩物废弃物。
控制模块860还可以被配置为在分批定时循环中通过阀420周期性地排出一定体积的浓缩物废弃物。这样的从再循环管线中周期性分批排出浓缩物废弃物将导致浓缩物中污染物浓度的尖锐峰值和急剧下降，如图5的图中所示。分批循环可以被定时，使得当废弃物中的离子浓度和/或pH达到足以形成沉淀物的浓度和/或pH时，周期性排出发生。因此，离子浓度的急剧下降可以防止在浓缩隔室内的结垢和沉淀。
现在参考图6的示例性示意图，控制模块860可以被电连接至传感器880和传感器960。传感器880可以被流体地连接至共混罐480，并且被配置为测量共混罐480内的流体的离子浓度或pH。传感器960可以被电连接至第一电极200和第二电极220，并且被配置为测量横跨电极200、220的电压或电流。控制模块860可以被连接至阀440，并且被配置为响应于从传感器880、960、900、940、920中的任一个接收的测量值从再循环管线中排出废弃物和进料共混物，如先前关于阀420讨论的。可选择地或另外地，控制模块860可以被电连接至阀420和/或阀460，并且被配置为通过阀420、阀460排出废弃物或共混物。所述系统可以包括连接至系统的各个传感器和阀的一个或更多个控制模块。
如图6的示例性示意图中进一步所示，所述系统可以包括与再循环管线240流体连通的第三进料管线580。在图6的实施方案中，第三进料管线580被流体地连接至共混罐480。第二进料管线130也被流体地连接至共混罐480。第三进料管线580可以包括泵620。所述系统还可以包括共混罐的下游的一个或更多个阀440、阀460。阀440和阀460被配置为通过管线680和管线660从系统中排出流体共混物。系统还可以包括在总进料管线140上的泵600。
如图7的示例性实施方案中所示，共混罐480可以是封闭的容器。所述系统还可以包括排气口(vent)和空气阀700，其被配置为将压缩空气或气体输送至共混罐480。
在某些实施方案中，例如图8的示例性示意图，所述系统包括在再循环管线240内以并联配置布置的多于一个罐720、罐760。在图8所示的实施方案中，罐T1 720与浓缩隔室180流体连通，而罐T2 760待机。在此配置中，下游三通阀800可以允许使用中的罐720和浓缩隔室180之间的流体连接，并且阻止待机的罐760和浓缩隔室180之间的流体连接。上游三通阀820和上游三通阀840可以允许再循环管线240和第二进料管线130与待机的罐760之间的流体连通，同时阻止再循环管线240和第二进料管线130与使用中的罐720之间的流体连通。下游阀740和下游阀780可以被配置为分别从罐720和罐760中排出流体共混物。
图10的图示出了再循环管线中TDS浓度随时间的变化。在接收浓缩物废弃物的罐中的浓度可以增加，直到达到预定的TDS浓度或直到预定的时间段已经过去。此时，罐中的共混物流体可以被排出，并且系统同时切换与浓缩隔室流体连通的罐和待机的罐。循环可以连续地重复。
实施例
实施例1：运行包括电化学分离装置的水处理系统的方法的预测实施例
该实施例涉及一种在废弃物流中包括自动阀的水处理系统。阀可以在启动之后立即完全关闭。第一进料和第二进料分别被引导至稀释隔室和浓缩隔室。如果每个隔室中的电流恒定，假设充分混合的模型，预期再循环管线中的离子浓度线性地增加。当浓度达到预定水平时，废弃物阀可以被完全打开以排出再循环管线中的浓缩物废弃物，而新鲜进料通过压力调节阀进入再循环管线。可以重复分批循环，导致浓缩隔室内离子浓度的锯齿图案。峰值浓度可以基于沉淀、结垢和/或有机污染的可能性来设定。循环可以基于测量的或计算的峰值离子浓度来定时。
实施例2：在具有关闭的罐的系统中的浓缩物再循环
在浓缩物再循环回路中具有封闭的罐的电化学分离装置用计算机程序模拟。图9的图总结了下文呈现的结果。系统进料以2,000ppm TDS在6.0m3/hr的流量的情况下模拟。施加的电流以5.1A在80％的电流效率的情况下模拟。将周期性排出分批循环时间设定为25分钟，其中罐被填充持续约9分钟，保持恒定体积持续约9分钟，并且被清空持续约7分钟。罐中的进料速率以4.0m3/hr的流量模拟，并且来自罐的排出速率以6.0m3/hr的流量模拟。防止沉淀的TDS浓度的上限为12,200ppm。在定时循环期间，系统中的浓缩物具有范围在约12,200ppm和约6,500ppm之间的TDS浓度。系统中的平均TDS浓度为约8,516ppm。系统以90％的TDS去除速率执行，使得产物具有211ppm的TDS浓度。系统以81％的总回收率执行。
实施例3：在具有两个罐的系统中的浓缩物再循环
在浓缩物再循环回路中具有两个罐的电化学分离装置用计算机程序模拟。图10的图总结了下文呈现的结果。系统进料以2,000ppm模拟，并且罐中的初始浓度也以2,000ppm模拟。每个罐具有0.4m3的体积。罐中的进料流量以6.0m3/hr模拟。在运行开始时，两个罐(T1和T2)填充有系统进料。图中的罐T1最初与浓缩隔室流体连通，而罐T2待机。在罐T1变为饱和之后，切换系统使得罐T2与浓缩隔室流体连通，而罐T1被隔离。倾倒罐T1中的液体并且用系统进料替换。然后将罐T1置于待机用于下一个循环。施加的电流以5A模拟。将周期性排出分批循环时间设定为22分钟。在再循环管线中TDS浓度的上限为11,070ppm。系统中的浓缩物具有范围在约11,070ppm和2,000ppm之间的TDS浓度。系统以87.7％的TDS去除速率执行，使得产物具有245ppm的TDS浓度。系统以84.6％的总回收率执行。
本文使用的措辞和术语是用于描述的目的并且应当不被认为是限制性的。如本文使用的，术语“多个(plurality)”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”无论在书面描述还是在权利要求及类似物中，是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意指涵盖在其后列出的项目和其等效物，以及另外的项目。相对于权利要求，仅过渡措辞“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭的或半封闭的过渡措辞。在权利要求中修饰权利要求要素的序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”及类似物的使用，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、在先或顺序或其中方法的动作被进行的时间顺序，而是仅仅用作标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但用于使用序数术语)以区分权利要求要素。
本领域技术人员应当理解，本文描述的参数和配置是示例性的，并且实际的参数和/或配置将取决于其中使用所公开的系统和材料的具体应用。本领域技术人员还应当认识到或能够仅仅使用常规实验确定公开的具体实施方案的等效物。例如，本领域技术人员可以认识到，根据本公开内容的方法及其部件还可以包括网络或系统，或者是电化学水处理系统的部件。因此，应当理解，本文描述的实施方案通过仅实施例的方式被呈现并且在所附权利要求及其等效物的范围内；公开的实施方案可以以不同于具体描述的被实践。本系统和方法涉及本文描述的每个单独的特征、系统或方法。此外，两个或更多个这样的特征、系统或方法的任何组合，如果这样的特征、系统或方法不是相互矛盾的话，也被包括在本公开内容的范围内。本文公开的方法的步骤可以以图示的顺序或替换的顺序执行，并且方法可以包括另外的或替换的动作，或者可以用省略的一个或更多个图示的动作来执行。
此外，应理解，本领域技术人员将容易地想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进意图是本公开内容的一部分，并且意图本公开内容的精神和范围内。在其他情况下，可以修改现有设施以利用或并入本文描述的方法和系统的任何一个或更多个方面。因此，在一些情况下，方法可以涉及运行电化学分离装置。因此，前述描述和图仅仅是示例性的。此外，图中的描述并不将本公开内容限制于具体示出的表示。
虽然本文公开了示例性实施方案，但是在不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明方面及其等效物的精神和范围的情况下，可以在其中进行许多修改、添加和删除。

Claims (23)

1.一种运行电化学分离装置的方法，所述电化学分离装置包括稀释隔室、浓缩隔室、被定位在所述稀释隔室和所述浓缩隔室之间的离子交换膜、第一电极和第二电极、被流体地连接至所述稀释隔室的第一进料流、被流体地连接至所述浓缩隔室的第二进料流、以及浓缩隔室再循环流，所述方法包括：
将所述第一进料流引导至所述稀释隔室以产生产物流；
将所述第二进料流引导至所述浓缩隔室以产生废弃物流；
将所述废弃物流再循环到所述浓缩隔室；
在定时分批循环中周期性地排出一定体积的具有第一离子浓度的所述废弃物流；以及
用基本上相等体积的具有低于所述第一离子浓度的第二离子浓度的所述第二进料流替换排出体积的废弃物流。
2.如权利要求1所述的方法，还包括周期性地反转所述第一电极和第二电极的极性，并且协调所述废弃物流的周期性排出的定时与所述极性的周期性反转的定时。
3.如权利要求2所述的方法，还包括与所述极性的周期性反转的定时协调地交换所述第一进料流和所述第二进料流的流动路径，使得所述第一进料流被引导至所述浓缩隔室，并且所述第二进料流被引导至所述稀释隔室。
4.如权利要求1所述的方法，还包括将所述废弃物流与所述第二进料流共混以产生废弃物和第二进料共混物。
5.如权利要求4所述的方法，还包括周期性地排出一定体积的所述废弃物和第二进料共混物，并且用基本上相等体积的所述第二进料流替换排出体积的所述废弃物和第二进料共混物。
6.如权利要求1所述的方法，还包括将所述废弃物流与第三进料流共混以产生废弃物和第三进料共混物。
7.如权利要求6所述的方法，还包括周期性地排出一定体积的所述废弃物和第三进料共混物，并且用基本上相等体积的所述第二进料流或所述第三进料流中的至少一种替换排出体积的所述废弃物和第三进料共混物。
8.如权利要求1所述的方法，还包括在约15分钟至约25分钟的分批循环中周期性地排出一定体积的所述废弃物流持续约0.5分钟至约2.0分钟。
9.如权利要求1所述的方法，还包括当所述第一离子浓度达到足以形成沉淀物的浓度时，周期性地排出一定体积的所述废弃物流。
10.一种水处理系统，包括：
电化学分离装置，所述电化学分离装置包括具有入口和产物出口的稀释隔室、具有入口和废弃物出口的浓缩隔室、被定位在所述稀释隔室和所述浓缩隔室之间的离子交换膜、以及被定位在所述电化学分离装置的远端处的第一电极和第二电极；
第一进料管线，所述第一进料管线被流体地连接至所述稀释隔室的入口；
第二进料管线，所述第二进料管线被流体地连接至所述浓缩隔室的入口；
再循环管线，所述再循环管线被流体地连接至所述浓缩隔室的所述废弃物出口和所述入口；以及
控制模块，所述控制模块与被定位在所述再循环管线上的阀电连通，所述控制模块被配置为在分批定时循环中从所述再循环管线中周期性地排出一定体积的浓缩物废弃物，并且将一定体积的第二进料输送至所述浓缩隔室，第二进料的体积基本上等于所述浓缩物废弃物的排出体积。
11.如权利要求10所述的系统，还包括被流体地连接至所述废弃物出口和所述产物出口中的至少一个的传感器，所述传感器被配置为测量所述浓缩物废弃物或产物的离子浓度、pH和流量中的至少一种。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述控制模块被电连接至所述传感器，并且被配置为响应于从所述传感器接收的所述浓缩物废弃物或所述产物的离子浓度、pH和流量中的至少一种的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。
13.如权利要求10所述的系统，还包括一个或更多个被流体地连接至所述再循环管线的传感器，所述传感器被配置为测量所述再循环管线内的绝对压力或压力差；以及控制模块，所述控制模块被电连接至所述传感器并且被配置为响应于从所述传感器接收的在所述再循环管线内的绝对压力和压力差中的至少一种的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。
14.如权利要求10所述的系统，还包括被电连接至所述第一电极和所述第二电极的传感器，所述传感器被配置为测量横跨所述电极的电流；以及控制模块，所述控制模块被电连接至所述传感器并且被配置为响应于从所述传感器接收的横跨所述电极的电流的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。
15.如权利要求10所述的系统，还包括共混罐，所述共混罐被定位在所述再循环管线内并且被配置为接收和共混所述浓缩物废弃物和所述第二进料，以产生废弃物和第二进料共混物。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述阀被定位在所述共混罐的下游，并且所述控制模块被配置为从所述共混罐中周期性地排出一定体积的所述废弃物和第二进料共混物，并且将所述体积的第二进料输送至所述共混罐。
17.如权利要求16所述的系统，还包括传感器，所述传感器被流体地连接至所述共混罐并且被配置为测量所述废弃物和第二进料共混物的离子浓度和pH中的至少一种，其中所述控制模块被电连接至所述传感器并且被配置为响应于从所述传感器接收的离子浓度和pH中的至少一种的测量值排出一定体积的浓缩物废弃物。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述阀被定位在所述共混罐的上游并且被配置为选择性地从所述系统中排出所述浓缩物废弃物或将所述浓缩物废弃物输送至所述共混罐。
19.如权利要求15所述的系统，还包括以并联配置被定位在所述再循环管线内的多于一个共混罐。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述多于一个共混罐中的至少一个被配置为与所述浓缩隔室流体连通，而所述多于一个共混罐中的至少一个被配置为待机，待机的所述共混罐被配置为在待机时接收所述浓缩物废弃物、所述第二进料和第三进料中的至少一种。
21.如权利要求10所述的系统，还包括共混罐，所述共混罐被定位在所述再循环管线内并且被配置为接收和共混所述浓缩物废弃物与所述第二进料和第三进料中的至少一种，以产生废弃物和进料共混物。
22.如权利要求21所述的系统，还包括被定位在所述共混罐的上游的三通阀，所述三通阀被配置为将所述第二进料和所述第三进料中的一种引导至所述共混罐中。
23.如权利要求10所述的系统，其中所述电化学分离装置是电渗析装置和电去离子装置中的一种。
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