CN110800075A - 流体的电化学离子交换处理 - Google Patents

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Abstract

一种流体处理设备由至少一个电化学槽构造而成，所述至少一个电化学槽包含双极离子交换膜并且具有用于递送经过处理的流体的单个输出孔口。所述设备可以采用以磁漏电桥为特征的电源变压器来调节到次级线圈的磁通量，由此限制递送到负载的电流并保护所述设备免受过电流损坏。所述槽包含膜组合件，所述膜组合件并入有内电极和外电极两者以提供可重复的组合件和服务以及可靠的性能。当设计成具有至少两个阶段，每个阶段包含至少一个槽，其中一个阶段正在处理流入溶液，而另一个阶段正在进行再生时，所述设备将提供连续的流体处理。用于操作这些设备的方法包含以下步骤：不间断地对流入溶液进行去离子；中止去离子水流并从去离子槽中移除电力；将膜层之间的液体冲洗到排水出口；启动再生电力；以及启动再生流。

Description

流体的电化学离子交换处理
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月7日提交的美国临时申请第62/516,612号的权益，所述美国临时申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及工业电可再生离子交换。具体地，本发明的实施例涉及在电化学槽中的流体的处理、工作容量、电源以及槽和系统的设计，所述设计特别有益于在大型系统中部署。
背景技术
包括电可再生离子交换槽(ERIX槽)的流体处理设备可以用于处理流体以例如选择性地交换流体中存在的离子、从饮用水中移除污染物、减少总溶解固体(TDS)、处理工业过程中间体并且处理污水，以及其它用途。电可再生离子交换槽包含处于槽中的面对电极之间的水分解离子交换膜(也称为双极膜)。当通过槽电源向电极施加电流时，水在膜的阳离子交换层与阴离子交换层之间的边界处不可逆地解离成H+和OH-离子，从而使阳离子和阴离子在产生步骤期间从例如在流体的去离子期间穿过槽的流体流中交换。电化学槽可以再生而不使用有害化学品，在此期间，简单地通过反转所施加的电势，同时用流体冲洗所述槽，将在去离子步骤中移除的离子排入到膜之间的浓缩物中。
ERIX系统的工作容量限制了其实际应用范围。当离子交换容量耗尽时，在处理期间从流体中移除的离子以降低的速率从双极膜表面传输到其内部，从而使流体的去离子速率降低。最终，去离子速率下降到使得有必要进行再生的程度。通常，在已经消耗相当大比例的膜离子交换容量之前，需要进行再生。
具体地，在去离子期间，由于消耗了膜离子交换容量操作，因此槽的电阻降低，从而从电源汲取更多电流。所有电源都具有其可以递送的电压和电流(电力)的限制，并且由可负担的常规电源(无论是商用还是定制的)提供的相对较低的电流限制是电再生离子交换系统实践中的严格限制因素。
进一步地，在部署采用包含变压器的电源的大型电动操作设备(一种非常具有成本效益的设计)的过程中，所处理的电力大到足以带来严重的可靠性和安全性隐患。如果设备负载电阻下降太低，则变压器将递送比其可以处理的电流更多的电流，并且所述变压器将被损坏或自毁。例如，在用ERIX槽对流体进行去离子期间，所述槽的电阻或阻抗将持续下降，从而从变压器汲取更多电流。如果对具有高离子浓度的流体进行处理，则负载电阻下降的风险过大，使得所述负载电阻汲取太多电流、增加，从而冒着损坏或毁坏变压器的风险。可编程控制器可以用于测量并限制其电流，但是任何故障都会造成严重的可靠性和安全性隐患。
先前所述的ERIX槽设计取决于橡胶o形环密封件和与槽壳体集成的电极，以提供操作所需的流体流动和电场。虽然已经证明这对于小型设备来说实用，但是在不产生严重问题与在组装或维修期间引起的内部密封件泄漏和损坏的情况下，难以将这种设计扩展到大型设备。适合于工业应用的ERIX设备必须由大而重的膜元件构造而成。如果不是精确地安装每个膜元件并且每次都精确地安装，那么这些重的膜元件就会冒着使内部o形环密封件扭曲的风险，从而导致其泄漏并且造成污染，例如产物水的给水污染。进一步地，每当元件在组装或维修期间被移除或被安装在壳体中时，这些大的膜元件可能损坏固定到壳体壁或固定在作为壳体的一部分的内部支撑件上的电极。
当前ERIX系统设计要求用于每个槽的多个阀门。将先前所述的ERIX设计扩展到采用例如数百个槽的非常大型的ERIX设备将需要使用数百个阀门和非常复杂的管道歧管。仅与此类设计相关联的可靠性问题将致使非常大型的ERIX设备对于工业或市政应用是不切实际的。
期望具有一种采用ERIX槽的流体处理方法，所述方法可以扩展或增加用于离子移除和随后再生的槽工作容量。进一步期望提供一种能够递送比现在可用的电流更多的电流的电源以提高系统性能，所述系统性能包含工作容量和再生速率。有利的是具有一种电源，当电源的电阻负载下降到临界阈值以下时，即使电源当前的控制电路系统失效，所述电源本身不能损坏或自毁。还期望提供ERIX槽设计，当用于大而重的槽的构造时，所述ERIX槽设计可消除可靠性故障。而且，有利的是具有用于非常大型应用的系统设计，所述应用不取决于大量的阀门或复杂的管道歧管，所述阀门或管道歧管的数量以及复杂度确保了可靠性故障。
发明内容
一方面，提供了低频高压变压器，所述低频高压变压器包括一次使用一个的多个电压输出阶跃，所述低频高压变压器包括用于每个次级输出绕组的导体直径，所述导体直径被选择成提供类似电阻。在一个实施例中，所述变压器用于为ERIX槽供电。在一个实施例中，提供了一种ERIX槽，其中用于操作所述槽的电力由本文所述的变压器提供。
在一个实施例中，所述变压器包括一次使用一个的多个电压输出阶跃，其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈围绕磁芯缠绕，其中所述次级线圈包括次级输出绕组，其中用于每个次级输出绕组的导体直径被选择成提供类似电阻。
在一个实施例中，最大直径导体定位成距所述磁心最近。在一个实施例中，输入-输出频率为约50Hz到约200Hz。在一个实施例中，最高输出电压为至少约600V。在一个实施例中，每个电压输出阶跃的输出电力为至少约1000W。在一个实施例中，所述变压器包括两个次级线圈。在一个实施例中，所述变压器包括两个初级线圈。
在一些实施例中，所述变压器包括磁漏电桥，所述磁漏电桥具有磁阻，所述磁阻随着磁通量超过规定的通量密度而减小，所述减小足以防止输出电流损坏所述变压器或其它系统组件，而不管负载电阻如何。在一个实施例中，所述变压器包括磁漏电桥和磁通量，其中所述磁漏电桥包括磁阻，所述磁阻随着所述磁通量超过规定的通量密度而减小，所述减小足以防止输出电流损坏所述变压器和/或其它系统组件，而不管负载电阻如何。例如，所述磁漏电桥可以包括硅酸铁，例如不锈钢，例如硅酸铁不锈钢板。
另一方面，提供了用于降低流入溶液的离子浓度的方法，其包括：(a)电化学槽，所述电化学槽包括：(i)第一电极和第二电极；(ii)水分解离子交换膜，所述水分解离子交换膜处于所述第一电极与所述第二电极之间，所述膜包括：面对所述第一电极的阳离子交换表面和面对所述第二电极的阴离子交换表面；(iii)流入溶液入口和流出溶液出口，所述流入溶液入口与所述流出溶液出口之间具有溶液通道，所述溶液通道允许所述流入溶液流过所述水分解离子交换膜的所述阴离子交换表面和所述阳离子交换表面两者，并且由此形成流出溶液；以及(iv)电源，所述电源能够在离子交换阶段期间将所述第一电极和所述第二电极维持在一个或多个DC电压水平下；(b)第一步骤，在所述第一步骤中，不间断地维持去离子电力，同时使流入溶液流过所述槽；(c)停止溶液流动并关断所述槽电力；(d)使再生给水流动以排放所述槽中的离子；(e)接通具有相反极性的槽电力以使所述槽再生；以及(f)启动再生进料流体，例如水流。在一个实施例中，在步骤(a)与步骤(b)之间插入另外的步骤，其中维持所述去离子电力，同时用再生进料流体(例如，水)使槽内容物排放回流入进料源。在一些实施例中，所述方法包括如上所述使用变压器。
在一个实施例中，所述方法包括降低电化学槽中的流入溶液的离子浓度，所述电化学槽包括：(i)第一电极和第二电极；(ii)水分解离子交换膜，所述水分解离子交换膜处于所述第一电极与所述第二电极之间，所述膜包括：面对所述第一电极的阳离子交换表面和面对所述第二电极的阴离子交换表面；(iii)流入溶液入口和流出物出口，所述流入溶液入口与所述流出物出口之间具有溶液通道，所述溶液通道允许所述流入溶液流过所述水分解离子交换膜的所述阴离子交换表面和所述阳离子交换表面两者，并且由此形成流出溶液；以及(iv)电源，所述电源能够在离子交换阶段期间将所述第一电极和所述第二电极维持在一个或多个DC电压水平下；所述方法包括：(a)不间断地维持去离子电力，同时使流入溶液流过所述槽；(b)停止溶液流动并关断槽电力；(c)使再生进料流体(例如，水)流动以排放所述槽中的离子；(d)接通具有相反极性的槽电力以使所述槽再生；以及(e)启动再生进料流体，例如水流。
另一方面，提供了用于降低流入溶液的离子浓度的方法，其包括：(a)电化学槽，所述电化学槽包括：(i)第一电极和第二电极；(ii)水分解离子交换膜，所述水分解离子交换膜处于所述第一电极与所述第二电极之间，所述膜包括：面对所述第一电极的阳离子交换表面和面对所述第二电极的阴离子交换表面；(iii)流入溶液入口和流出溶液出口，所述流入溶液入口与所述流出溶液出口之间具有溶液通道，所述溶液通道允许所述流入溶液流过所述水分解离子交换膜的所述阴离子交换表面和所述阳离子交换表面两者，并且由此形成流出溶液；以及(iv)电源，所述电源能够在离子交换阶段期间将所述第一电极和所述第二电极维持在一个或多个DC电压水平下；(b)第一连续步骤，在所述第一连续步骤中，不间断地维持去离子电力，同时使流入溶液流过所述槽；(c)停止流动并关断槽电力；
(d)使再生进料流体(例如，水)流动以排放所述槽中的离子并重复步骤(b)到(d)。在一些实施例中，所述方法包括如上所述使用变压器。
在一个实施例中，所述方法包括降低电化学槽中的流入溶液的离子浓度，所述电化学槽包括：(i)第一电极和第二电极；(ii)水分解离子交换膜，所述水分解离子交换膜处于所述第一电极与所述第二电极之间，所述膜包括：面对所述第一电极的阳离子交换表面和面对所述第二电极的阴离子交换表面；(iii)流入溶液入口和流出物出口，所述流入溶液入口与所述流出物出口之间具有溶液通道，所述溶液通道允许所述流入溶液流过所述水分解离子交换膜的所述阴离子交换表面和所述阳离子交换表面两者，并且由此形成流出溶液；以及(iv)电源，所述电源能够在离子交换阶段期间将所述第一电极和所述第二电极维持在一个或多个DC电压水平下；所述方法包括：(a)不间断地维持去离子电力，同时使流入溶液流过所述槽；(b)停止溶液流动并关断槽电力；(c)使再生进料流体(例如，水)流动以排放所述槽中的离子；以及(d)重复步骤(b)到(d)。
在一些实施例中，提供了用于降低流入溶液的离子浓度的电化学槽，所述电化学槽包括：(a)壳体，所述壳体包括圆柱形管道、处于一端上的端盖以及处于另一端上的法兰配件；以及(b)双极膜组合件，所述双极膜组合件包括：(i)内电极支撑件，所述电极的至少一端穿过盲法兰，所述内支撑件具有允许水通过所述盲法兰中的孔从螺旋缠绕双极膜的内部体积传递到所述槽的外部的特征；(ii)螺旋缠绕双极膜，所述螺旋缠绕双极膜在一端上被密封并且在另一端上被密封到所述内电极支撑件的所述盲法兰；以及(iii)外电极，所述外电极卷绕在所述双极膜组合件的所述表面上，所述双极膜组合件具有至少一个穿过所述盲法兰的端。在一些实施例中，所述壳体和所述盲法兰包括聚氯乙烯(PVC)或氯化聚氯乙烯(CPVC)或由其组成。
在一些实施例中，所述电化学槽包括：(a)壳体，所述壳体包括第一端和第二端、处于所述壳体的所述第一端上的端盖以及处于所述壳体的所述第二端上的法兰配件；以及(b)双极膜组合件，所述双极膜组合件包括：(i)内电极，所述内电极围绕内电极支撑件缠绕，其中所述内电极的至少一端穿过盲法兰；(ii)双极膜，所述双极膜围绕所述电极支撑件缠绕并且包括内部体积，其中所述双极膜在一个上被密封并且在另一端上被固定到所述盲法兰；以及(iii)外电极，所述外电极围绕所述双极膜缠绕，其中所述外电极的至少一端穿过所述盲法兰，其中所述内电极支撑件包括开口，所述开口允许液体通过所述盲法兰中的孔从所述螺旋缠绕双极膜的内部体积传递到所述槽的外部。
另一方面，提供了用于处理流入溶液的设备，所述设备包括如上所述的电化学槽和如上所述的变压器。
另一方面，提供了用于连续处理流入溶液的设备，所述设备包括至少两个阶段，一个阶段包括至少一个包括双极膜的槽，其中在操作期间：(a)第一阶段对流入溶液进行去离子；(b)第二阶段是再生或再生之后的空闲模式；并且(c)当响应于时间、体积或其它参数达到服务时间时，随着所述第二阶段开始去离子，所述第一阶段开始再生。在一些实施例中，所述设备包括如上所述的电化学槽。在一些实施例中，所述设备包括如上所述的变压器。在一些实施例中，所述设备包括用于每个阶段的六个或更少阀门。在一些实施例中，所述设备在一个阶段中向每个电化学槽提供至少约5升/分钟的流速。在一些实施例中，所述服务时间为约5分钟到约60分钟。
在一个实施例中，提供了一种用于连续处理流入溶液的系统，所述系统包括至少两个阶段，其中每个阶段包括至少一个包括双极膜的电化学槽，其中在操作期间：(a)第一阶段包括对流入溶液进行去离子；并且(b)第二阶段包括再生或再生之后的空闲模式，其中当响应于时间、体积或另一个参数达到服务时间时，随着所述第二阶段开始去离子，所述第一阶段开始再生。在一个实施例中，用于每个阶段的所述至少一个电化学槽包括：(a)壳体，所述壳体包括第一端和第二端、处于所述壳体的所述第一端上的端盖以及处于所述壳体的所述第二端上的法兰配件；以及(b)双极膜组合件，所述双极膜组合件包括：(i)内电极，所述内电极围绕内电极支撑件缠绕，其中所述内电极的至少一端穿过盲法兰；(ii)双极膜，所述双极膜围绕所述电极支撑件缠绕并且包括内部体积，其中所述双极膜在一个上被密封并且在另一端上被固定到所述盲法兰；以及(iii)外电极，所述外电极围绕所述双极膜缠绕，其中所述外电极的至少一端穿过所述盲法兰，其中所述内电极支撑件包括开口，所述开口允许液体通过所述盲法兰中的孔从所述螺旋缠绕双极膜的内部体积传递到所述槽的外部。
另一方面，提供了一种用于连续处理流入溶液的设备，所述设备包括三个阶段，每个阶段包括两个包括双极膜的槽，其中在操作期间：(a)第一阶段对流入溶液进行去离子并且将其产物传递到第二阶段；(b)第二阶段进行去离子以提供产物水；(c)第三阶段进行再生或在再生之后处于空闲；并且(d)当响应于时间、体积或其它参数达到服务时间时：(i)所述第一阶段开始再生；(ii)所述第二阶段开始对流入溶液进行去离子；并且(iii)所述第三阶段开始对来自所述第二阶段的所述产物进行去离子。在一些实施例中，所述设备包括如上所述的电化学槽。在一些实施例中，所述设备包括如上所述的变压器。在一些实施例中，所述设备包括用于每个阶段的六个或更少阀门。在一些实施例中，所述设备在一个阶段中向每个电化学槽提供至少约5升/分钟的流速。在一些实施例中，所述服务时间为约5分钟到约60分钟。
在一个实施例中，提供了一种用于连续处理流入溶液的系统，所述系统包括至少三个阶段，其中每个阶段包括至少两个包括双极膜的电化学槽，其中在操作期间：(a)第一阶段包括对流入溶液进行去离子，从而产生产物溶液，所述产物溶液被传递到第二阶段；(b)第二阶段包括对所述产物溶液进行去离子，从而产生产物溶液；并且(c)第三阶段包括再生或再生之后的空闲模式，其中当响应于时间、体积或另一个参数达到服务时间时：(i)所述第一阶段开始再生；(ii)所述第二阶段开始对流入溶液进行去离子，从而产生产物溶液；并且(iii)所述第三阶段开始对来自所述第二阶段的所述产物溶液进行去离子。在一个实施例中，用于每个阶段的所述至少两个电化学槽包括：(a)壳体，所述壳体包括第一端和第二端、处于所述壳体的所述第一端上的端盖以及处于所述壳体的所述第二端上的法兰配件；以及(b)双极膜组合件，所述双极膜组合件包括：(i)内电极，所述内电极围绕内电极支撑件缠绕，其中所述内电极的至少一端穿过盲法兰；(ii)双极膜，所述双极膜围绕所述电极支撑件缠绕并且包括内部体积，其中所述双极膜在一个上被密封并且在另一端上被固定到所述盲法兰；以及(iii)外电极，所述外电极围绕所述双极膜缠绕，其中所述外电极的至少一端穿过所述盲法兰，其中所述内电极支撑件包括开口，所述开口允许液体通过所述盲法兰中的孔从所述螺旋缠绕双极膜的内部体积传递到所述槽的外部。
附图说明
参考以下描述、附图和所附权利要求，将更好地理解本文所述的系统、设备和方法的特征、方面和优点，所有这些提供所述系统、设备和方法的说明性实例。然而，应当理解，本文所述的特征中的每个特征可以单独使用或以任何选择性组合使用，而不仅仅在任何特定附图或任何特定描述的特征组合的上下文中使用，在附图中：
图1A是现有技术壳体的实施例的示意图，所述壳体具有定位在壳体中的整体电极，使得当安装膜盒时，电极被定位在螺旋缠绕膜的内部和外部。
图1B是现有技术膜盒的实施例的示意图。
图2是现有技术ERIX槽的实施例的示意图，
其中图1B所描绘的膜盒被安装在图1A所描绘的壳体中。
图3是ERIX系统的实施例的示意图，其中关键组件被标识。
图4是ERIX去离子过程步骤的示意图。
图5是ERIX再生过程步骤的示意图。
图6示出了展示电容离子结合程度的实验结果，所述电容离子结合程度将用于饮用水系统的去离子服务体积限制到6L。
图7示出了展示从有意开发的电容去离子中提取增加的离子的实验结果。
图8是包含磁阻电桥的变压器的示意图，所述磁阻电桥限制在为负载供电的次级线圈处可用的电流以保护变压器免于自毁。
图9是控制图8所描绘的变压器行为的磁路的等效电路图。“Rh”是磁阻，并且“R”是电阻。
图10A是如本文所述的内电极支撑件的示意图，所述内电极支撑件是图10B所描绘的膜组合件的整体部分。
图10B是如本文所述的ERIX膜组合件的实施例的示意图，所述ERIX膜组合件包含在一端上直接结合到盲法兰的螺旋卷绕双极膜和在另一端上的盖，所述ERIX膜组合件具有与盲法兰成一体的内电极和外电极，所述盲法兰是膜组合件的一部分。
图10C是如本文所述的ERIX壳体的示意图。
图11是如本文所述的ERIX槽的示意图，所述ERIX槽包含图10B所描绘的安装在图10C所描绘的壳体中的ERIX膜组合件。
图12示出了实验结果，其展示了电流、电压和电力对时间的关系、代表了整个去离子和再生循环、使用了本文所述的变压器，所述变压器具有为如图11所描绘的大型ERIX槽供电的磁漏电桥。
图13示意性地描绘了ERIX模块的实施例的管道，所述ERIX模块包含三对槽(如本文所述，总共六个槽)，其中两个槽对串联运行以用于去离子步骤，并且一个槽对用于再生。
具体实施方式
本发明的实施例可以用于处理流体以提取、替换离子或将所述离子添加到流体中。本文提供了流体处理设备和方法的示例性实施例以说明本发明，但是这些实施例并不旨在限制其范围。例如，除了本文所述的作为示例性实施例的水的处理之外，流体处理设备还可以用于处理其它流体，如包含溶剂或油的流体、包含悬浮固体和废水的流体。
图1A示出了先前所述的电可再生离子交换(ERIX)壳体的代表性实施例。壳体100包含容器101，所述容器具有圆柱形壁、底面或底部以及螺纹112或用于将盖子102固定在容器的顶部处的其它特征。外电极103通过圆柱形塑料网104或避开电极表面的实质绝缘的其它机械装置保持抵靠内容器壁。电极表面的阻断或绝缘部分将减少其寿命，并且可能干扰使用中电场的均匀分布。在所述两个部分滑入到容器中之前，外电极优选地附接到网状物，所述网状物具有模制到网中的特征。外电极端穿过容器底部中的孔108，并且所述孔用例如橡胶衬垫和压紧螺母密封，所述压紧螺母从外部底部拧入容器中。内电极105在安装在容器中之前围绕立管106卷绕，并且带有电极的立管被压缩配合到容器底面中的特征中，以将其固定作为壳体的一部分。内电极的端穿过孔107，所述孔与外电极同样用橡胶衬垫进行密封。当此可替换组件被安装在壳体中时，容器内部底面上的“平台”特征109被包含在内以密封膜盒o形环。壳体在再生期间具有一个入口110和一个出口111，所述入口和所述出口通常在去离子期间切换，使得111为入口，而110为出口。
图1B中示出了先前所述的膜盒120的实施例。膜盒120由例如25片双极膜122制备，每片双极膜例如40cm长，所述25片双极膜并行地缠绕在芯网管124上以形成膜“桩(log)”。在加盖之前，对这个桩进行修剪以形成例如方形端，并且在此实施例中，切割长度为例如15.6cm。顶盖126和底盖127用粘合剂(例如，聚酰胺粘合剂)附接，其中底盖127具有鼻形特征，o形环128安装到所述鼻形特征上。底盖127还具有处于中心的孔，所述孔大到足以在具有电极105的立管106上滑动，所述电极与壳体100成一体。在另一个先前所述的实施例中，未在此示出，但出于完整性在本文中进行描述，壳体盖子102既可用作膜盒顶盖126又可用作壳体盖子。
膜盒120配合到壳体100中，以提供如图2所示的ERIX槽130。当安装所述盒时，壳体的内电极/立管进入芯网管124。o形环128密封到壳体中的平台109的内壁上，以防止膜盒内部和外部的流体混合。在此实例中，水在穿过壳体时平行于双极膜122的表面流动(例如，40并行缠绕)。当膜盒被移除或被替换时，电极保持与壳体成一体，以便与重新安装的膜盒120一起使用。
图3中展示了ERIX系统。所述系统包含ERIX槽130、直流(DC)电源132，所述DC电源通过向电极供应电流和电压来为电极103和105供电。控制器133管理槽130的电力输出和电极极性，并且监测传感器或其它读数并将其报告给操作者。控制由来自流体源罐136的泵135提供的流体供应的阀门系统134在去离子入口111处向槽提供流入流体流。经过处理的流体在出口110处从槽130中传递出，所述流体然后在产物出口138处被释放。例如，美国专利第5,788,812号、第7,344,629号、第7,780,833号、第7,959,780号、第8,562,803号中描述了电化学离子交换设备的非限制性实例，所有这些美国专利以全文引用的方式并入本文中。
ERIX槽130的电极103、105由导电材料(如金属或金属合金)制成，在槽130操作期间，所述导电材料抵抗在电极103、105的正极化和负极化期间形成的低或高pH化学环境中的腐蚀。合适的电极可以由抗腐蚀材料制成，如但不限于钛或铌，并且可以具有贵金属的外涂层，如但不限于钌或铂。电极的形状取决于电化学槽130的设计以及流过槽130的流体流的电导率。电极的合适形状包含例如电线、金属丝网卷绕物以及带有穿孔的薄片。将电极布置成在向电极103、105施加电流后跨膜盒120中的垂直于膜表面的双极膜层提供基本上均匀的电势降。
双极膜的阳离子交换层和阴离子交换层分别包含通常呈固体或凝胶形式的阳离子交换材料和阴离子交换材料，所述固体或凝胶含有离子，所述离子可被其它离子替换或与特定离子化学反应以从流体流中移除离子。例如，合适的阳离子交换材料和阴离子交换材料可以包含交联或未交联的有机聚合物或无机结构，如例如沸石。
阳离子交换材料在不永久改变材料结构的情况下交换阳离子，并且可以包含例如酸性基团。合适的阳离子交换材料可以包含一个或多个能够交换阳离子的酸性官能团，如例如-COOM、-SO3M、-PO3M2和-C6H4OM，其中M是阳离子(例如，氢离子、钠离子、钙离子或铜离子)。阳离子交换材料还包括包含通过配位而不是静电或离子键结合阳离子的中性基团或配体的材料(例如，吡啶、磷化氢和硫化物基团)以及包含络合或螯合基团的基团(例如，衍生自氨基磷酸、氨基羧酸和异羟肟酸的基团)。
阴离子交换材料在不永久改变材料结构的情况下交换阴离子。合适的阴离子交换材料可以包含一个或多个能够交换阴离子的碱性官能团，如例如-NR3A、-NR2HA、-PR3A、-SR2A或C5H5NHA(吡啶)，其中R是烷基、芳基或其它有机基团，并且A是阴离子(例如，氢氧根离子、碳酸氢根离子、氯离子或硫酸根离子)。
用于双极膜的合适的阳离子交换材料和阴离子交换材料的选择取决于所期望的一个或多个用途应用。例如，在一个实施例中，在水基溶液流的去离子中，使用包含具有-SO3M或羧酸(-COOH)基团的阳离子交换层和具有-NR3A基团(如三甲基(-NCH3)或三乙基铵(-N(C2H5)3基团)的阴离子交换层的膜。此类膜在水中容易膨胀，由此在宽范围pH内提供较低的电阻和较高的传质速率。当需要特别有效的离子交换再生时，可以使用包含弱碱或弱酸基团的阴离子交换材料。例如，-NR2HA将与OH-在非常有利的反应中进行反应以形成-NR2、H2O，并且排出A-。作为另一个实例，为了从含有其它离子(例如，钠离子)的液体中选择性地移除钙离子或铜离子，可以使用离子交换基团(如-COOM)或螯合基团(如氨基羧酸)。由于-(COO)nM与H+发生强烈有利的反应以形成-COOH并排出M+n，因此这些弱酸基团提供了特别有效再生的附加益处，其中M是金属离子。
在一些实施例中，水分解离子交换膜可以被纹理化为重复三维形状的图案，如峰和谷的阵列，美国专利第7,780,833号和第7,959,780号中描述了其示例性但非限制性实施例，所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。纹理化特征可以是线性地间隔开的沟槽和脊的阵列并且平行于穿过槽的流体流的流动路径。在一些实施例中，所述纹理化特征的尺寸为约50微米到约500微米。纹理化双极膜可以用直接沉积在一个或两个膜表面上的间隔物缠绕或不用间隔物进行缠绕。
电再生离子交换过程在一个或多个去离子步骤与再生步骤之间循环。作为实例，图4中示出了用于从溶液中移除氯化钠的去离子步骤。这是典型的离子交换过程，其中阳离子交换材料和阴离子交换材料在去离子开始时分别呈酸和碱形式。然而，在ERIX过程中，通常在去离子步骤期间施加电压以加速离子提取(离子在电场中移动得更快)。离子提取步骤附图4：反应1和2中示出了两种类型的阳离子交换树脂——强酸(P-SO3H)和弱酸(P-COOH)，并且反应3和4中示出了两种类型的阴离子交换树脂——强碱(P-NR3OH)和弱碱(P-NR2)。“P-”表示不溶性离子交换基质。
(1)P-SO3H+OH- w-s+Na+＝＝P-SO3Na+H2O
(2)P-COOH+OH- w-s+Na+＝＝P-COONa+H2O
(3)P-NR3OH+H+ w-s+Cl-＝＝P-NR3Cl+H2O
(4)P-NR2+H+ w-s+Cl-＝＝P-NR2HCl
离子OH- w-s和H+ w-s产生于水分解膜的阴离子层与阳离子层之间的边界处，因此得其名。这些离子分别在具有相反极性的电极方向上迁移通过阳离子层和阴离子层。在此过程中，所述离子与酸和碱在离子交换树脂上进行反应，从而加速从溶液中提取Na+和Cl-。因为离子交换树脂呈酸和碱形式，因此NaCl被从溶液中移除并且被H2O替换，从而有效地使流体去离子。此外，由于在去离子步骤之前离子交换树脂的酸和碱形式，所以弱碱(如氨(NH3))被阳离子层提取，并且弱酸(如乙酸(CH3COOH)或氯乙酸(ClCH2COOH))被阴离子层提取。
当ERIX装置的离子容量耗尽时，需要进行再生步骤(图5)。再生通过反转电压极性以及典型地还有流动方向而启动。在阳离子交换层与阴离子交换层之间的边界处，水分解成其组分离子酸(H+ w-s)和氢氧化物(OH- w-s)，所述组分离子酸和氢氧化物朝着具有相反记性的电极迁移通过离子交换层。氢离子(H+)替换阳离子交换层中的钠，并且氢氧根离子(OH-)替换阴离子交换层中的氯化物。反应5和6示出了两种类型的阳离子树脂的离子排出反应，并且反应7和8示出了两种阴离子树脂的离子排出反应。
(5)P-SO3M+H+ w-s＝＝P-SO3H+M+
(6)P-COOM+H+ w-s＝＝P-COOH+M+
(7)P-NR3Cl+OH- w-s＝＝P-NR3OH+Cl-
(8)P-NR2HCl+OH- w-s＝＝P-NR2+H2O+Cl+
在图5中，氯化钠“废水”被浓缩在离开装置的溶液中，并且水分解膜被返回到另一个去离子循环所需的条件中。
当超过有效离子交换容量时，需要再生。当处于空闲状态时(例如，当用于间歇性应用(如使用点(POU)饮用水)时)，先前所述的ERIX系统被编程为当装置处于将离子释放到膜层之间的水中的状态下时进行再生。这种现象被称为“电导率尖峰”。电导率尖峰离子不会发生化学交换，而是集中在双极膜附近或其内，直到电压被移除为止。例如，图6中示出了在两个服务体积(6升和12升)下操作ERIX POU系统的结果。对于图6中的两条折线图，电导率为985S/cm的连续给水以1.9升/分钟进料到小型ERIX POU系统(由Pionetics公司制造的LINX 140饮用水系统)中，直到经过处理的体积达到比经过编程的服务体积小2.0升。然后，停止流动3分钟。然后，对最后的2.0升恢复去离子流动，之后再生开始。在图6中，在3分钟空闲期之前以2升的间隔对产物水电导率进行记录和绘制，并且此后以0.5升的间隔对其进行记录和绘制。当在所述空闲期之前去离子的体积从4升增加到10升时，在重新开始流动后观察到的电导率尖峰显著增加。这种在空闲期后离开系统的高电导率溶液由未在离子交换膜上发生化学交换的离子产生，因为此时在去离子过程中膜表面处和附近的离子交换位点被之前提取的离子所占据。因此，在文献中先前所述的间歇地操作的ERIX系统被编程为在将出现显著的电导率尖峰之前进行再生，从而使相当大比例的双极膜离子交换容量保持未使用，并且由此通过使用成比例地更多的水进行再生来降低生产率，所述水被丢弃排放到废水。
补充电容去离子作用
电容去离子是不同于电再生离子交换的过程，所述过程还从流体中移除离子。电容去离子采用导电电极，所述导电电极通过电源进行充电；通过施加电压，一个电极接收过量的电子，并且另一个电极接收不足的电子。该过程在低于在电极表面处引起电化学反应所需阈值的电压下实践，以避免电极腐蚀。相比之下，ERIX过程需要高电极电压以在槽中跨每个双极膜层产生足够的电场(例如，两个电极之间的50层膜要求电极两端的电压为300V)。当将电压施加在电容去离子装置中时，阳离子(例如，Na+)向负电极迁移，并且阴离子(例如，Cl-)向正电极迁移以在两个电极表面处形成“双层”。双层是指在两个电极表面附近堆叠正离子层和负离子层，以有效地降低其本体流体浓度。当去离子步骤期间电极两端的电压(典型地约2V)短路(接近零)时，这些电容保持的离子被释放到电极之间的流体中。由于离子没有化学地结合到电极，因此所述离子立即扩散到本体溶液中并且被泵送出装置，从而提供再生步骤。欲了解电容去离子过程和设备的详细描述，请参见例如美国专利第5,779,891号以及本文引用的参考文献，所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。
现在已经发现，电导率尖峰的开始(上文对于ERIX槽进行了描述，并且迄今为止限定了在一组给定条件下ERIX系统的服务体积的上限)呈现提高ERIX系统的性能的机会。因为ERIX装置不包含用于离子移除的作为电容器的高表面积电极，而是取决于离子导电双极离子交换膜，所以先前没有预料到电导率尖峰可能是电容移除机制的结果，并且在文献中没有讨论电容机制在ERIX系统的操作中的作用。
现在已经发现，出乎意料地，当离子交换对离子移除的贡献显著降低时，有利地，ERIX槽和系统在其去离子服务的后半部分期间表现为电容去离子器。然而，在制定本文所述的用于大型ERIX设备和操作方法的设计规则时，发现在槽电压短路到接近零后不久发生的这种电导率尖峰是电容去离子器在其再生模式下的行为。在ERIX系统中利用这一现象的关键是在产生水的同时持续施加电场。一旦所述电场被移除，那么显然地这些电容保持的离子就会被释放。实例1中示出了四个实验的结果，其中小型ERIX系统处理增加体积的流入水溶液，以量化根据去离子时间或体积获得的电容去离子程度。
变压器
在图3所描绘的ERIX系统的示意图中，电源132将AC电压源转换成DC电压输出，以对槽电极103、105进行充电并驱动槽130中的流体处理。在将新再生的ERIX槽投入去离子服务后不久，槽电阻较高，槽电压相应地较高(例如，最大值)，并且槽电流较低但缓慢上升。槽电阻最初较高，因为膜包含在阴离子交换层与阳离子交换层之间的边界处从流入流体或从水分解反应中吸收的较少离子。随着膜盒对更多离子进行化学交换并且水分解反应继续进行，膜的电阻降低。同时，膜的表面离子交换位点被从流入流体中吸收的离子更多地占据，这使从流入流体中移除离子的速率降低。这使膜层之间的流体电阻率降低。降低膜电阻率和流体电阻率的组合使电源132最终达到其电流极限。其后，电源控制器133降低输出电压，以防止电流进一步上升并避免损坏任何系统组件。遗憾的是，电流极限越低，去离子步骤必须越快结束，并且再生必须通过切换施加到电极上的电压极性而开始。从去离子中提前离开会导致生产率较低且浪费更多的水。
电源132通常包含用于驱动一个或多个ERIX槽的三个元件：用于将AC电流转换成DC电流的整流器；用于控制或限制电流的装置；以及如果需要多个电压输出，改变或切换槽电压的装置。包含增加一个或多个DC电压输出的装置通常也是有益的。为了充分利用ERIX槽的离子交换容量和新发现的电容去离子贡献，设计能够提供比来自变压器的当前可用电流极限更高的电流极限的电源是有利的。在一些实施例中，电源设计(尤其是对于需要高电压(>200V)和电力(>1000W)的槽)采用低频高压隔离变压器以将输入AC电力转换成一个或多个更高电压AC输出。AC电力到DC电力的转换以及电源控制由变压器之后的独立电气和电子电路提供。低频是指在约50Hz到约200Hz(例如，约50Hz到约60Hz)范围内的频率。某些实施例包含允许控制器根据情况指示电源将或多或少电压递送到一个或多个ERIX槽的电压阶跃。例如，当新再生的槽投入去离子服务时，其具有高电阻，并且因此需要高电压并且汲取相对较少的电流。当此槽处理更多流入流体时，其电阻如上所述下降，这汲取更多电流，并且最终达到变压器的电流极限。不管电压阶跃(例如，5A)如何，当前可用的变压器递送或“额定”最大恒定电流。因此，如果当前可用的变压器额定为5A，并且具有六个电压阶跃(例如，600V、500V、400V、300V、200V和100V)，则这六个阶跃的电力输出分别以3000W、2500W、2000W、1500W、1000W和500W的顺序减小(电力＝伏特*电流)。在较低电压下可用于ERIX槽的电力的这种降低成比例地降低了槽的去离子效率，从而使去离子步骤提前结束，这降低了生产率并造成更大的水浪费。
本文提供了具有多个电压输出的低频变压器的设计，每个电压输出被单独使用(一次一个)，以在每个输出处提供相似的电力。与先前描述的变压器相比，这种设计在较低的电压阶跃下提供了大得多的电流，从而允许显著扩展ERIX槽的去离子时间或服务体积。例如，如果电源具有3000W的最大输出，则本文所述的包含六个独立绕组(电压阶跃)的变压器将在以下六个电压阶跃中的每个电压阶跃下向ERIX槽提供高达3000W：600V/5A、500V/6A、400V/7.5A、300V/10A、200V/15A或150V/20A。前述变压器将在所有六个电压输出处提供5A，电流的仅25％可以由当前公开的变压器的此实施例供应。在此实例中，在150V下四倍大的电流输出允许去离子步骤的服务体积扩展若干倍。再生需要固定的时间和水量(作为废水排出ERIX系统)，例如，20分钟和50升。如果去离子服务体积从例如200升翻倍增加到400升，则回收率(即进入系统的作为产物或经过处理的水排出的水的百分比)从200/250＝80％增加到400/450＝89％，这大大减少了水处理过程中的水浪费。
每个电压阶跃处的这种类似的电力输出通过一种设计获得，所述设计包含用于较低电压/较高电流输出的较大直径导线(例如，铜线而不是铝线，因为前者的电阻率较低)。在较大直径的导线(例如，铜线)中，较大电流通过较低欧姆损耗获得。每个输出电压阶跃要求磁芯周围有一定数量的导体匝数。
为了计算每个绕组的理想导体直径，可以使用从等式9-11中导出的等式12：
(9)R＝ρ*L/A
(10)V＝l*ρ*L/A
(11)V＝I*ρ*L/((D/2)2*π)
(12)D＝2*{I*ρ*L)/V*π}0.5
其中R是电阻(ohm)，V是伏特，I是电流(A)，p(rho)是导体材料电阻率(ohm-cm)，L是导体(绕组)长度(cm)，A是导体横截面积(cm2)，并且D是导体直径(cm)。
实际上，人们可能无法获得根据等式12计算出的精确直径，并且因此最接近的直径必须足够接近。因此，每个电压阶跃的最大电力输出可能有所不同。
最大直径的导线卷绕在磁芯附近，以使振动噪声最小化，为外部导线绕组提供最高的磁导率，减少磁芯附近产生的欧姆热并使导线长度最小化，从而提供必要匝数的此类最昂贵的大直径导体。最小直径的导线卷绕在绕组外部，以在此最大电阻的导体中提供最佳散热。
作为说明，本文公开的3000W恒定电力输出变压器在如下水去离子步骤中与单个ERIX槽一起工作：去离子开始时，槽以最高电压阶跃(例如，600V)运行，并汲取适度电流(例如，3A)，使得输出电力为600V×3A＝1800W。当电流接近此电压的变压器电力极限(例如，5A和3000W)时，控制器指示使用较低的变压器电压阶跃(例如，500V)。当电流接近此阶跃极限(6A和3000W)时，控制器再次指示使用仍更低的阶跃电压。这允许在采用较低电压阶跃时槽汲取越来越多的电流，因为ERIX槽一次只能使用一个变压器阶跃，可从每个绕组获得相似的电力。随着去离子槽处理更多的流入流体，保持每个电压阶跃下的电力基本上延长了此槽的服务(去离子)时间，从而提高了生产率并减少了水浪费。
当前可用的电源采用电流传感器和可编程控制器以将电流限制到安全水平。当接近电流极限时，控制器指示电源向槽施加较低的电压，从而成比例地减小电流。这种电源电流控制可以通过可编程控制电路和较小电源(例如，在ERIX设备文献中描述的限于100W或300W的电源)可靠地获得。然而，随着电源输出的显著增加，例如，达到3000W或本文所公开的大型ERIX槽的操作所期望的更高值，控制电路和继电器变得容易损坏和发生故障。不仅电力控制更加困难，而且无法控制电流也相称地更加危险，这对设备和人员构成威胁。
本文提供了在具有一个或多个电压阶跃的低频高压变压器中产生磁漏电桥的材料和设计。在ERIX系统中使用时，这些变压器避免了每个阶跃的过大电力或电流输出，而无需可编程控制器。事实上，即使在本文公开的输出出现短路时，变压器也会继续将电流限制到安全水平持续一个小时以上，而不会出现任何变压器过热的迹象。在一个实施例中，可编程控制器仍用于切换电压阶跃以将电力维持在最佳水平，但是在保护所公开的变压器免于过热方面不起作用。
如变压器等磁性装置一般通过霍普金森定律(Hopkinson's Law)(等式13)来描述，所述定律类似于欧姆定律(Ohm's law)，其电阻被磁阻(Rh)代替，电流被磁通量(Φ)代替，并且电压被磁动势(MMF)代替。虽然欧姆定律描述了电力损耗，但是霍普金森定律描述了磁能存储。类似于电流将根据电路电阻分布的方式，磁通量将成比例地穿过磁阻较低的材料(等式14)。
(13)MMF＝Φ*Rh(类似于欧姆定律：V＝I*R)
(14)Φ＝N*I/Rh(MMF＝匝数*电流，或N*I)
(15)Rh＝L/(μ*A)
在某些条件下，磁性材料的磁阻像电阻一样基本上是恒定的，使得当通量加倍时，MMF遵循等式13和14，并且变压器中的次级线圈处提供的输出电流加倍。在铁磁材料中，磁导率以及因此磁阻取决于通量。铁磁材料包含磁畴，所述磁畴在没有磁场的情况下随机取向。根据等式15，当施加外部磁场时，磁畴开始在外部磁场的方向上取向，从而导致磁导率有效增加并且磁阻降低。随着外部磁场增加并且越来越多的铁磁材料畴对齐，受影响的磁畴越来越少，并且材料接近“饱和”。磁导率在饱和时达到峰值，而在高于饱和通量时，磁导率开始下降，直至达到值1为止。
通过选择在适当通量下表现出开始饱和的材料并选择适当的几何形状，我们发现，获得了一种用于产生可抵抗过大电流引起的过热的高压低频变压器的磁漏电桥。此变压器适用于与本文公开的大型ERIX槽一起使用，所述槽在循环操作期间表现出负载电阻或阻抗的较大波动。然而，这种自我保护变压器发明的使用不限于此应用。磁漏电桥的物理位置如图8所示。在图9中示出了用于图8中的变压器的等效磁路，其中电桥磁阻Rh电桥与一个或多个次级芯磁阻Rh次级线圈并联。当磁通量在使磁电桥开始饱和的范围内增加时，电桥磁阻降低，并且更多通量穿过电桥，而较少通量在次级线圈处穿过磁芯。如等式14中所述，其中N是给定电压阶跃的次级线圈匝数(给定变压器设计的常数)，I是由次级线圈递送到负载的电流，并且Rh是一个或多个次级线圈的磁阻(此变压器设计中的常数)，次级线圈处的通量的减小使在次级线圈处递送到负载的电流成比例地减小。设计合理的磁漏电桥将表现出作为磁通量的函数的磁阻降低，这足以防止对本发明的变压器或其它系统组件造成损坏，同时仍然允许通过次级线圈向预期应用递送所期望的电力。平衡这两个需求需要大量的实验试错。
在低于24VDC的低压变压器中使用磁漏电桥是已知的。例如，Black和Decker制造了12VDC电池充电器，所述电池充电器包含以产物名BDV090为名称的用于过电流保护的磁漏电桥。然而，在高于24VDC的情况下，并未实践使用磁漏电桥来防止变压器在低负载下发生灾难性故障，并且文献中也没有描述这样做的方法或材料。文献中没有关于高压变压器中磁漏电桥的描述或工作实例表明其设计非常复杂，并且需要经验丰富的人来成功安全地设计、细化和确认其在高压变压器中的表现。这由于需要创建提供变压器的磁漏电桥而变得更复杂，所述变压器一方面将所需电力递送到预期负载，但也不允许过大电流，所述过大电流将损坏变压器，从而破坏了电桥的用途。进一步推测，之前描述的高压变压器中的磁漏电桥的实践是未知的，因为常规的变压器设计不适合于用于定制设计具有磁漏电桥的变压器的灵活实验方法，或者这些设计导致非常多变的结果。本文提供了一种用于产生包含磁漏电桥的高压低频变压器的设计和方法，所述设计和方法有助于优化电桥以平衡对高电流(包含短路)的自我保护的需求和应用所需的电流的递送。
用于本发明的变压器芯和磁漏电桥的合适材料包含铁磁材料(例如，晶粒取向电工钢)，也称为硅酸铁不锈钢，其硅浓度通常为约3％(Si:11Fe)。这些材料中的磁通量在金属轧制方向(晶粒方向；晶粒作为轧制过程的结果是明显的)上增加了30％，并且这是优选的取向。用于所公开的变压器的适合的电工钢可在一般工业说明书“铁III 80w 1.5/kg”下获得，例如，可从西门子公司(Siemens Corporation)或COFER金属有限公司(COFER METALS.p.a.)获得，并且其厚度为约0.8mm。用于绕组的铜导体材料可以是H类的，其具有最少杂质以提供最高导电率，并且因此由欧姆损耗导致的温度升高最低。绕组导体上的涂层可以为例如聚酰亚胺。
本文所公开的用于设计合适的磁漏电桥的一般方法涉及：估计用于本发明目的的材料的表现的第一步；随后对变压器中的各种电桥进行试错测试，直到获得期望的表现为止。电桥的合适候选材料和其大致尺寸的识别开始于根据等式15识别磁阻与磁漏电桥的磁导率和尺寸有关。与电气材料有关的标准参考源提供了作为通量密度(韦伯)的函数的磁导率。根据霍普金森定律和已知的匝数、电流、横截面积和电桥长度，然后可以计算出电桥通量相对于磁导率的变化。选择电桥材料和尺寸(横截面积和长度、通量方向上的后一个尺寸)的候选列表，这将增加足以防止短路损坏变压器的磁阻。这仅是使用来自参考源的理想或代表性数据的近似方法。为了选择最终材料和磁漏电桥尺寸，需要便于测试各种材料和尺寸的合适的设计。获得呈所需形式(尺寸)的若干种材料，并进行反复试错，在所关注变压器中构建各种电桥，测量每个电桥的有效性以防止变压器在非常低的负载(例如，零(0)欧姆负载)下损坏并递送应用所需的电流。
实例2中描述了本发明变压器设计的一个实例，所述变压器设计有助于优化高压低频变压器中的实际、有用的磁漏电桥。
大型ERIX槽
之前描述的ERIX槽设计(例如，住宅应用中的使用点(POU)饮用水系统)对于已经商业化的小型系统是有效的。如上所述并且如图1A、1B和2所示，这些槽包含：壳体，所述壳体具有整体电极；独立膜盒，所述独立膜盒包含围绕可拆卸且可更换的芯网管卷绕的双极膜：以及壳体盖子。在一个实施例中，所述盖子与膜盒成一体。在另一个实施例中，盖子与膜盒分离。电极与壳体成一体，因为它们相对昂贵，为系统的寿命(例如，10年)而设计，出于安全和认证的目的，电源的电气连接必须是硬连线的并与人隔离，并且在电极与外膜盒膜表面和内膜盒膜表面之间提供空间改善了提供均匀电场的前景。最后一点，在膜盒的外电极和外表面与内电极和内表面之间提供距离以填充此间隙的水的形式提供了串联电阻，这改进了垂直于膜表面通过的电流的均匀性，从而提供了更好的膜盒性能。
在文献中描述的实施例中，壳体包含卷绕在或固定到立管上的内电极，所述立管还用于排出在从膜盒外部流向内部时将在去离子期间积聚的气体。如果没有立管，则膜盒的整个内部体积可以填充有通过在内电极处电解产生的气体(去离子期间的氢气)，所述气体作为绝缘体，从而防止从内电极到外电极的大量电传导。用塑料框架或网将外电极压靠在内壳体壁上。此支撑框架或网必须完全打开，以避免堵塞大量电极表面区域，这将减少电极寿命。这种开放结构提供了相对柔性、脆弱的组件，在膜盒以一定角度或以过大的力插入到壳体中时，所述组件容易变形。对于已经商业化的小型ERIX POU系统和膜盒而言这不是一个严重的问题，因为膜盒质量很小，并且在将盒插入壳体中时，服务人员很清楚是否与外电极或内电极存在干扰。
在处理硬水时，由于在膜表面上形成水垢，膜盒的寿命被限制为例如2年或3年，这降低了其有效性。因此，在ERIX POU系统的使用寿命内，必须多次更换此盒。为了配合在壳体的内电极/立管特征上，当前可用的膜盒底盖中具有立管可穿过的孔。此底盖的盖鼻上还具有至少一个o形环，所述o形环密封到壳体底部中的圆形特征以形成密封件，所述密封件防止膜盒内部和外部的水混合。o形密封件对于提供这种临界密封非常有效，因为壳体和膜盒盖尺寸小，并且在膜盒安装和维修期间作用的力小。即使在去离子期间水从一侧进入外部体积时，膜盒的小质量和小尺寸也不会施加过大的力而使壳体上的o形密封件变形，这避免了将经过处理的进水与从膜盒的中心流出的去离子水分离的o形密封件破裂。
在扩大用于工业和市政应用的膜盒的尺寸和质量时，例如制造具有比现有技术的盒所用的双极膜面积大20倍的双极膜面积的膜盒，已经确定，对于这种设计，如文献中所述将电极集成在壳体中并在膜盒与壳体底部之间提供有效的流体密封件以防止进入的给水与去离子水混合是不可靠的。在一个实施例中，本文公开的用于工业系统的ERIX膜盒高0.9米，直径为18cm，重20kg。这种尺寸和质量难以手动操作，并且在将盒插入到具有整体电极的壳体中时，与内电极结构和外电极结构的干扰是不可避免的，并且常常会导致其严重变形和故障。此外，这些大型ERIX槽的底部处的由于高膜盒的甚至很小的运动引起的o形环的变形如此大，使得o形环经常泄漏，从而使进入的给水污染从膜盒中心排出的去离子水。
现在已经发现，内电极和外电极可以与大型ERIX膜组合件集成，而非集成在壳体中，以允许大型ERIX槽的可靠组装。令人惊讶的是，外电极直接卷绕在膜组合件表面上不会由于电流均匀性较差而导致性能明显下降。电极可以紧紧地卷绕在外膜组合件表面上，以提供优异的抗变形能力，即使其在插入壳体期间机械地干扰壳体壁。由于集成在盒中，整体内电极没有干扰膜组合件的内壁的风险。本文公开的ERIX膜组合件设计具有更重要的优点，底盖可以为实心盖，而非必须通过可再进入的橡胶(例如，o形环)密封件密封到壳体上的底盖。电极穿过顶盖，以便于维护此大型设备的维护工程师容易触及。参考作为一个非限制性实例的图10A-C和图11来描述此大型ERIX槽的实施例。然而，此描述并不意味着排除其它实施例。
图10A示出了内电极支撑组合件194的构造细节，螺旋缠绕双极膜随后安装并密封到所述内电极支撑组合件。内电极201缠绕在支撑管道203上，所述支撑管道由例如30英寸长、1.25英寸的PVC管道构造而成，其中端盖204处于底部并且堵住另一端以防止水进入此管道。内电极和外电极包含例如涂覆到例如1.5mm钛丝上的铂或其它贵金属催化剂，并且两个电极都是例如315英寸长。将例如1.25英寸的联接器207放置在堵塞的管道端上，并且将例如2.5英寸长、1.25英寸的一段PVC管道连接到联接器。在距流体流动端一英寸的短管道延伸部中钻四个例如0.5英寸的孔205。在盲法兰206的顶部中心形成例如1.0英寸的螺纹孔，所述盲法兰可以是例如商用的80号、8英寸PVC或CPVC配件；将一个短管道拧入到此孔中，以作为缠绕膜中心的出入口。在盲法兰的底部中心机加工一个例如直径为1.25英寸、深度为0.25英寸的空腔，内电极支撑管道203使用粘合剂(例如，PVC)结合到此空腔(四个孔在法兰附近)。内电极201的一端或两端穿过盲法兰中的例如0.125英寸的孔202，并且此孔用橡胶衬垫/压紧螺母或环氧树脂密封。此外，三个刚性圆形件208(例如，每个刚性圆形件的直径为3.1英寸、具有用于竖直水流的大开口)以均匀间隔结合到内电极支撑管道203以向缠绕双极膜的芯网管提供结构支撑(芯网管内径为例如约3.0英寸)。例如，当在去离子期间由于高流速进入外部ERIX槽体积而变暖并受到压缩时，ERIX膜卷绕物可能变形为椭圆形——内电极支撑管道上的圆形件抵抗这种力。除了底部圆盘209之外，这些圆形支撑件208具有较大开口，以在去离子和再生期间使水在两个方向(上下)通过，并且便于安装内电极。底部圆盘209没有孔，并且当水在再生期间涌入此内部体积中时、当再生入口处于膜组合件的中心并且再生出口位于外部槽体积处时，所述底部圆盘用于缓冲指向底部端盖的力。
如果ERIX槽安装有定位在底部处的入口-出口-电极连接件(与图10A-C和图11相比，取向颠倒)，则内电极支撑管道203充当排出积聚气体的立管。在这种情况下，立管的顶部不包含盖204，支撑管道203是单管道长度，盲法兰206附近没有管塞、联接器207或孔205。
图10B示出了本文公开的ERIX膜组合件221的实施例。采用例如由Pionetics公司生产的双极膜。双极膜桩190由例如43个双极膜片构成，每个双极膜片为例如31.5英寸长和35英寸宽，所述双极膜片并行缠绕在外径为例如3.5英寸的芯网管上以产生“桩”。外径为例如7.0英寸的此桩的两端被修剪以提供例如正方形的平坦表面。桩的一端用例如粘合剂196(例如，聚酰胺)固定到盲法兰206，所述粘合剂首先施加到盲法兰，随后通过插入内电极支撑组合件194而向下到达双极膜桩的中心。PVC端盖198(内径为例如7.25英寸的定制设计)然后用粘合剂(例如，相同的粘合剂)固定到膜桩的底端以密封此端。外电极192紧紧地卷绕在双极膜桩的外表面上，其一端或两端穿过盲法兰顶盖中的例如0.125英寸的孔193。
图10C中示出了图10B中的ERIX膜组合件221可以插入的ERIX壳体223的实施例。其可以由例如商用的8英寸80号PVC或CPVC管道和配件组装而成。壳体可以包含例如0.90米长的管道211，所述管道的底部用端盖212密封。管道顶部装配有法兰配件213。在例如约1英寸以下的法兰上钻孔并为作为外部进水口/出水口的短管道214攻入例如1.0英寸的孔。由于其阻燃性和刚性，使用PVC或CPVC是有利的。对于水温或环境温度高于约60℃的应用，使用CPVC材料。
完整的大型ERIX槽225在图11中示出，并且包含插入到壳体223中的ERIX膜组合件221。可再进入的密封件由例如使用例如八个螺栓224压紧的例如8英寸的商用橡胶衬垫222提供。任选地，外径等于法兰外径的大(定制)金属垫圈可以安装在八个螺栓穿过并拧紧的顶部法兰表面和底部法兰表面上。这可以更好地将螺栓力均匀地分布在整个密封面上。
实例2中描述的变压器用于在40分钟去离子和随后的20分钟再生期间为图11中的大型ERIX槽供电，并且所得电流、电压和电力相对于时间的关系绘制在图12中。在整个60分钟的实验中，槽电阻从400欧姆下降到14欧姆(在0分钟和40分钟根据电压和电流判断，并且V＝I*R)。这是负载电阻的一个非常大的变化，但变压器从未向槽递送超过约2000W的其设计极限，也未超过其11A的电流极限。这种表现是由于当变压器芯通量增加到可能导致过大电流的水平时磁漏电桥磁阻增加而造成的。在此实验中，没有外部控制电路改变电压或电流来限制电流或电力。
ERIX模块
用于提供例如约10到100升/分钟流速的模块可以由数量适中的大型ERIX槽构造而成，以提供连续运行的设备，其中一些槽用于生产，而另一些槽用于再生或闲置。模块可以构造在可移动的刚性框架上，并且可以具有足够小的占用空间，以便在许多工作空间中高效运输和安装。当需要更高流速时，可以将多个模块用于给定应用，从而单独运行或使用主控制系统同步运行。模块包含刚性框架，以便在需要多个模块时允许堆叠以提供更高包装密度。用于再生的给水可以与被处理的给水不同；对于再生，需要较低输入电导率或TDS以获得最佳结果。
所公开的ERIX模块的实施例采用不锈钢框架，在不锈钢框架的一端上固定有三对本文公开的大型ERIX槽，每对槽并联连接(例如，每对槽中的两个槽等效)。每个槽具有在流体流中的流量传感器，所述流量传感器是在再生期间用于测量再生水量的入口。电导率、温度和压力传感器任选地位于两种进料流体中(被处理的流体和用于再生的流体)。在产物输出流中任选地放置流速传感器、电导率传感器、温度传感器和压力传感器。在模块框架的另一端，与槽、阀门和管道液压隔离处有六个ERIX槽控制电路(每个槽一个)、主控制系统或计算机以及一个或多个变压器(如本文公开的变压器)。在某些情况下，为每个ERIX槽提供一个变压器可能是有利的。然而，用成比例较大的变压器为两个或更多个槽供电可能是有利的。例如，可以使用六个3000W变压器为模块的六个槽供电，或者使用三个6000W变压器为槽对供电，或者使用一个18,000W变压器为ERIX模块中的所有六个槽供电。模块中所用的变压器数量将包含变压器尺寸、热量产生和成本方面的考虑。专用于每个槽的控制电路从属于主控制系统。这些从属控制电路遵循来自主控制系统的指令以提供所期望的槽电源，启动适当的阀门并监测传感器。主控制系统协调模块中的六个槽和所有阀门的操作，并向操作者报告结果和状态。
成对的槽并联连接以减少压降，并且因此提供更高的流速。在任何时候，串联操作两对ERIX槽以提供两个去离子阶段，以便在其再生之前更完全地利用双极膜的离子交换能力。图13中示出了此实施例的管道示意图。第三对槽用于再生。通过打开和关闭适当的阀门，完成再生的槽对移动到第二或精细去离子位置。已经完成精细步骤的槽对移动到第一或粗略去离子位置。当粗略去离子阶段完成时，通过以下制备用于再生阶段的这些槽：1)任选的步骤，将槽内容物返回到经过处理的水进料罐中(例如，如果这些内容物具有足够的值)，同时继续施加去离子电力以将电容结合离子保持在膜表面附近；2)关断粗略去离子槽电源，并立即使规定的再生给水体积(近似于空隙体积)在再生方向上流动以基本上移除从槽中释放的电容结合离子；3)用再生极性为槽对供电；4)在一些规定的时间之后，例如在此实例中75秒，启动例如5升的第一再生涌水，以从槽对中排出第一不合格的化学交换离子；以及5)此后以间隔(例如，75秒的间隔)在再生方向上涌水，以完成再生。以此方式，当两个槽再生时，模块从四个ERIX槽提供连续生产。在本实例中，每个槽对在给定阶段使用的时间为例如约5分钟到约40分钟(例如，约10分钟到约30分钟)。
本文还提供了可以仅以电容模式操作的ERIX模块或类似系统，也就是说，双极膜基本上被交换的离子饱和，并且不采用使用双极膜水分解反应的ERIX化学再生步骤。用于此操作的设备包含至少两组ERIX槽，一组通过施加去离子极性对流入溶液进行去离子，另一组通过关断槽电源并使用再生给水来释放先前结合的离子以将这些离子排放到排水管中。这一过程不使用再生槽电源(节约成本)，并且去离子和再生时间短，在一些实施例中提供了有用生产率。这种装置的缺点是在不使用补充去离子过程的情况下难以获得流入离子浓度的大幅降低(例如，90-99％)，因为在每个去离子步骤期间移除离子的工作量低。进一步地，获得较高的水回收率(水浪费率低)可能是具挑战性的，因为在再生步骤期间排放释放的离子需要大量的水，并且这种排废步骤将不得不非常频繁地发生。然而，本文提供了这种采用双极膜而不是文献中描述的碳或其它电极的电容装置，所述电容装置要么单独工作，要么与ERIX系统或其它工艺结合工作。
超大型ERIX(VL-ERIX)设备
对于大规模的流体去离子应用，例如湖泊污染治理或超大型工业过程，用于这些应用的超大型ERIX(VL-ERIX)设备包含本文公开的成百上千个ERIX槽。VL-ERIX设备不是像本文公开的ERIX模块那样串联连接两个槽，而是由每级并联连接的更多ERIX槽构造而成。例如，对于精细(第二)去离子阶段，100个ERIX槽可以并联连接，对于粗略(第一)去离子阶段，另外100个槽并联连接，并且对于再生阶段，另外100个槽并联连接。此概念扩展到任何数量的阶段(两个或更多个阶段)，但是由于压降的考虑，三个阶段都是有利的实施例。每个ERIX槽都具有用于优化性能的专用电源。专用电源是指为槽提供适当电压和电流的控制板。对于模块，VL-ERIX系统中的槽可以共享变压器，如本文所公开的具有恒定电力输出并利用磁漏电桥来防止对电源的过电流损坏的变压器。
每个阶段(例如，包含100个或更多个槽)仅由六个阀门液压驱动。因此，整个设备将仅包含约22个大阀门(包含用于清洁操作的阀门)，以驱动300个ERIX槽。相比之下，使用本文公开的ERIX模块以提供包含300个槽的VL-ERIX设备的性能将需要例如50×22个阀门或1,100个小阀门。对于这种VL-ERIX架构，这转化为重要的成本和可靠性(避免泄漏和阀门操作)益处。操作与对于ERIX模块描述的操作相同并且如图13所示(在这种情况下，图13中的每个槽对代表100个并联连接槽)，其中100个ERIX槽组从第二(精细)去离子阶段切换到第一(粗略)去离子阶段，并且然后切换到再生阶段，从而提供连续的水处理生产。电源与ERIX槽和管道隔离，以防止水暴露的风险。
以下实例旨在说明而非限制本发明。
实例
实例1
由氯化钙、碳酸氢钠和硫酸镁制备电导率为950S/cm的进入溶液。在四个实验中，采用由
Figure BDA0002326211200000261
公司生产的
Figure BDA0002326211200000262
140饮用水系统增加服务体积对其进行去离子，所述饮用水系统包括两个用纹理化双极膜制备的小型LINX 100 TDS膜盒(LINX和Pionetics是Pionetics公司的商标)。当去离子流动和电源关闭3分钟时，以1.9升/分钟对6升、12升、18升和24升的服务体积进行连续去离子，直到在去离子步骤被编程为结束(和再生开始)之前达到2.0升为止。收集2.0升体积并记录其电导率。中断3分钟后，去离子流动和电源恢复，同时收集四份0.5升体积的生产水，还对所述生产水的电导率进行测量。结果绘于图7中。相对于中断前和去离子结束前后测量的生产水电导率内插的基线电导率，由每个实验中的四个箭头指示的3分钟中断后观察到的电导率尖峰是对由双极膜电容保持而不是化学离子交换的离子的直接度量。对于24升服务体积实验，电容保持离子占从溶液中移除的总离子的11％，这是一个重要贡献。
在实例1中观察到的这种大电容去离子效应不能用ERIX槽中内电极和外电极的小表面积来解释，内电极与外电极之间具有在表面积上多出许多量级的50到100层双极膜。尽管不希望受理论的束缚，但是发明人假设，随着ERIX膜被离子饱和，这种大电容去离子效应由于双极膜内的离子H+ w-s和OH- w-s的积累造成，所述离子由水分解反应形成并需要反离子(即相反电荷的离子)以在原子水平上平衡它们的电荷。电容保持离子的快速释放表明这种效应集中在膜表面或其附近，然而也可能发生在大部分膜中。无论如何，对ERIX槽操作的这种电容去离子组件的认识提供了一种扩展ERIX工艺去离子步骤的手段，从而提高了生产率并降低了废水体积占经过处理的总水体积的比例。
这一发现促成了重要的ERIX工艺改进，以有效地将电容保持离子排放到废水流或排放流中作为再生过程的一部分，而不会使这些释放的离子传递到产物流中。在第一实施例中，在包括双极膜或水分解膜的ERIX槽中，第一再生涌水发生在移除去离子电压之后和施加再生电压之前。当去离子电压被移除时，此涌水的体积被选择成释放大量释放的离子。排放体积优选地为膜盒空隙体积的1到3倍，空隙体积是包含在ERIX盒内、处于膜层之间的水。在去离子电压短路后不久，从槽中排出这种高浓度的离子作为再生过程的一部分避免了这些离子抑制随后在ERIX系统再生期间被排斥的化学交换离子的扩散。在电极电源关断的情况下，排放优选地发生在1到30秒后，使得电极两端的电压小于约40V(由于槽的电容组件，电极电压衰减得相当慢)。当对低本体浓度的离子不利时，离子从膜中扩散更快。在去离子电压关断之后和施加再生电压之前向排放流进行的这种涌水与现有技术的ERIX槽操作相反，在所述现有技术的ERIX槽操作中，从施加再生电源后到流体向排放流进行的第一再生涌水发生之前经过相当长的时间(例如，1分钟)。这种延迟使得水分解反应(5)-(8)在排放再生废水之前驱动大量的离子交换。
在第二实施例中，在包括水分解膜的ERIX装置中，电容保持离子在去离子步骤期间通过以下周期性地释放：1)停止流动并关断电压；2)等待一段时间(例如，几秒钟或几十秒钟)；3)将膜层之间的ERIX盒空隙体积中的离子在再生流动方向上排放到一定体积的水中，以将现在处于膜之间的流体中的电容保持离子基本上从ERIX槽中推出；4)重新施加去离子电压和生产流动；以及5)在重复这五步过程之前等待一段时间或生产量。以此方式，去离子步骤的持续时间可以延长以例如增加产量并减少水浪费。每个生产中断的定时可以基于时间、由流量传感器测量的体积、槽电压-电流特征或由可以监测进水或生产水特征的一些其它传感器(如电导率传感器或特定离子传感器)的结果来触发。
实例2
变压器的磁芯由大约0.8毫米厚的冲压电工钢板制成。在图8所示的优选实施例中，芯被形成为外部尺寸(从图8的角度来看)为40cm高×22cm宽且芯横截面为7cm×7cm的矩形。芯材料以两种形状(即“C”和“E”)的冲压套管的形式获得，使得在组装变压器芯的标准过程中在一个堆放在另一个顶部时互锁。套管被冲压成使得钢晶粒方向平行于磁通量取向。此横截面面积为随后围绕如图所示的两个初级线圈和两个次级线圈的矩形芯缠绕提供了适当均匀的磁通分布和尺寸。这种结构与低频变压器的常规设计形成鲜明对比，在常规设计中，初级线圈和次级线圈两者围绕中心圆柱形芯缠绕，然后围绕所述中心圆柱形芯安装矩形磁性结构以在二维空间中包围磁芯。因此，本发明的变压器可以通过在每个次级线圈中采用更多匝数来提供高电压(例如，700V)，并且通过从两个初级线圈和两个次级线圈汲取电流来使电流(例如，20A)加倍。两个初级线圈和次级线圈以相反的方向缠绕在芯上，使得电流增加。如上所述，ERIX系统在某些时段期间需要高电压，而在其它时段期间需要高电流。具有两个初级线圈和两个次级线圈的本发明的矩形磁芯进一步包含磁漏电桥，所述磁漏电桥将次级线圈电流输出限制到预定值。此磁电桥由用于芯的相同电工钢板材料(约0.8mm厚)构造而成。对于芯，钢板晶粒取向被取向成平行于磁通量方向，以获得更高的磁导率(图8中的晶粒取向是左右的)。电桥材料冲压套管各自都是7cm深和8cm宽(从图8的角度看)，使得它们在深度上具有与芯横截面相同的尺寸，并且在宽度上精确地横跨两个竖直芯柱之间的开放空间，从而在磁漏电桥与芯内壁之间几乎没有空气。在设计本发明的变压器时，添加或移除磁性材料套管来构建电桥。在此实例中，使用10个套管来创建0.8cm高的电桥。在多次测试之后，确定提供在本发明中能够经受住负载短路至少一小时的变压器。一旦设计确定，变压器将涂覆有商用热固性树脂(例如，由POOLKEMIE液体橡胶和树脂公司(POOLKEMIE Liquid Rubbers and Resins)提供的KEMIEPOX EL黑色)以将所有组件固定到位并密封以防止水侵入。
尽管已经出于清楚理解的目的通过说明和举例的方式对上述发明进行了一些详细描述，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不偏离所附权利要求中描述的本发明的精神和范围的情况下对其进行某些改变和修改。因此，以上说明不应该被解释为限制本发明的范围。
本文引用的所有出版物、专利和专利申请均在此通过引用整体并入，并且达到如同每个独立的出版物、专利或专利申请被专门且单独地指示通过引用并入的相同程度。

Claims (25)

1.一种低频高压变压器，
其中所述变压器包括一次使用一个的多个电压输出阶跃，
其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈围绕磁芯缠绕，其中所述次级线圈包括输出绕组，其中用于每个次级输出绕组的导体直径被选择成提供类似电阻。
2.一种电可再生离子交换(ERIX)槽，其中用于操作所述槽的电力由根据权利要求1所述的变压器提供。
3.根据权利要求1所述的变压器，其中最大导体直径位于所述磁芯的近侧。
4.根据权利要求1或3所述的变压器，其中所述变压器提供约50Hz到约200Hz的输入-输出频率。
5.根据权利要求1和3到4中任一项所述的变压器，其中最高电压输出为至少约600V。
6.根据权利要求1和3到5中任一项所述的变压器，其中所述变压器在每个电压输出阶跃处提供至少约1000W的输出电力。
7.根据权利要求1和3到6中任一项所述的变压器，其包括两个次级线圈。
8.根据权利要求1和3到7中任一项所述的变压器，其包括两个初级线圈。
9.根据权利要求1和3到8中任一项所述的变压器，其包括磁漏电桥和磁通量，
其中所述磁漏电桥包括磁阻，所述磁阻随着所述磁通量超过规定的通量密度而减小，所述减小足以防止输出电流损坏所述变压器或其它系统组件，而不管负载电阻如何。
10.根据权利要求9所述的变压器，其中所述磁漏电桥包括硅酸铁不锈钢。
11.一种用于降低电化学槽中的流入溶液的离子浓度的方法，所述电化学槽包括：
(i)第一电极和第二电极；
(ii)水分解离子交换膜，所述水分解离子交换膜处于所述第一电极与所述第二电极之间，所述膜包括：面对所述第一电极的阳离子交换表面和面对所述第二电极的阴离子交换表面；
(iii)流入溶液入口和流出物出口，所述流入溶液入口与所述流出物出口之间具有溶液通道，所述溶液通道允许所述流入溶液流过所述水分解离子交换膜的所述阴离子交换表面和所述阳离子交换表面两者，并且由此形成流出溶液；以及
(iv)电源，所述电源能够在离子交换阶段期间将所述第一电极和所述第二电极维持在一个或多个DC电压水平下；
所述方法包括：
(a)不间断地维持去离子电力，同时使流入溶液流过所述槽；
(b)停止溶液流动并关断槽电力；
(c)使再生给水流动以排放所述槽中的离子；
(d)接通具有相反极性的槽电力以使所述槽再生；以及
(e)启动再生给水流。
12.根据权利要求11所述的方法，其包括介于步骤(a)与步骤(b)之间的另外的步骤，其中维持去离子电力，同时用再生给水使槽内容物排放回所述流入溶液入口。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述电化学槽进一步包括低频高压变压器，
其中所述变压器包括一次使用一个的多个电压输出阶跃，
其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈围绕磁芯缠绕，其中所述次级线圈包括输出绕组，其中用于每个次级输出绕组的导体直径被选择成提供类似电阻。
14.一种用于降低电化学槽中的流入溶液的离子浓度的方法，所述电化学槽包括：
(i)第一电极和第二电极；
(ii)水分解离子交换膜，所述水分解离子交换膜处于所述第一电极与所述第二电极之间，所述膜包括：面对所述第一电极的阳离子交换表面和面对所述第二电极的阴离子交换表面；
(iii)流入溶液入口和流出物出口，所述流入溶液入口与所述流出物出口之间具有溶液通道，所述溶液通道允许所述流入溶液流过所述水分解离子交换膜的所述阴离子交换表面和所述阳离子交换表面两者，并且由此形成流出溶液；以及
(iv)电源，所述电源能够在离子交换阶段期间将所述第一电极和所述第二电极维持在一个或多个DC电压水平下；
所述方法包括：
(a)不间断地维持去离子电力，同时使流入溶液流过所述槽；
(b)停止溶液流动并关断槽电力；
(c)使再生给水流动以排放所述槽中的离子；以及
(d)重复步骤(b)到(d)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电化学槽进一步包括低频高压变压器，
其中所述变压器包括一次使用一个的多个电压输出阶跃，
其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈围绕磁芯缠绕，其中所述次级线圈包括输出绕组，其中用于每个次级输出绕组的导体直径被选择成提供类似电阻。
16.一种用于降低流入溶液的离子浓度的电化学槽，所述电化学槽包括：
(a)壳体，所述壳体包括第一端和第二端、处于所述壳体的所述第一端上的端盖以及处于所述壳体的所述第二端上的法兰配件；以及
(b)双极膜组合件，所述双极膜组合件包括：
(i)内电极，所述内电极围绕内电极支撑件缠绕，其中所述内电极的至少一端穿过盲法兰，
(ii)双极膜，所述双极膜围绕所述电极支撑件缠绕并且包括内部体积，其中所述双极膜在一端上被密封并且在另一端上被固定到所述盲法兰；以及
(iii)外电极，所述外电极围绕所述双极膜缠绕，其中所述外电极的至少一端穿过所述盲法兰，
其中所述内电极支撑件包括开口，所述开口允许液体通过所述盲法兰中的孔从所述螺旋缠绕双极膜的所述内部体积传递到所述槽的外部。
17.根据权利要求16所述的电化学槽，其中所述壳体和所述盲法兰包括聚氯乙烯(PVC)或氯化聚氯乙烯(CPVC)。
18.一种用于处理流入溶液的系统，所述系统包括根据权利要求16或17所述的电化学槽和变压器，其中所述变压器包括一次使用一个的多个电压输出阶跃，
其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈围绕磁芯缠绕，其中所述次级线圈包括输出绕组，其中用于每个次级输出绕组的导体直径被选择成提供类似电阻。
19.一种用于连续处理流入溶液的系统，所述系统包括至少两个阶段，其中每个阶段包括至少一个包括双极膜的电化学槽，其中在操作期间：
(a)第一阶段包括对流入溶液进行去离子；并且
(b)第二阶段包括再生或再生之后的空闲模式；
其中当响应于时间、体积或另一个参数达到服务时间时，随着所述第二阶段开始去离子，所述第一阶段开始再生。
20.一种用于连续处理流入溶液的系统，所述系统包括至少三个阶段，其中每个阶段包括至少两个包括双极膜的电化学槽，其中在操作期间：
(a)第一阶段包括对流入溶液进行去离子，从而产生产物溶液，所述产物溶液被传递到第二阶段；
(b)第二阶段包括对所述产物溶液进行去离子，从而产生产物溶液；并且
(c)第三阶段包括再生或再生之后的空闲模式，
其中当响应于时间、体积或另一个参数达到服务时间时：(i)所述第一阶段开始再生；(ii)所述第二阶段开始对流入溶液进行去离子，从而产生产物溶液；并且(iii)所述第三阶段开始对来自所述第二阶段的所述产物溶液进行去离子。
21.根据权利要求19或20所述的系统，其中所述电化学槽包括：
(a)壳体，所述壳体包括第一端和第二端、处于所述壳体的所述第一端上的端盖以及处于所述壳体的所述第二端上的法兰配件；以及
(b)双极膜组合件，所述双极膜组合件包括：
(i)内电极，所述内电极围绕内电极支撑件缠绕，其中所述内电极的至少一端穿过盲法兰，
(ii)双极膜，所述双极膜围绕所述电极支撑件缠绕并且包括内部体积，其中所述双极膜在一端上被密封并且在另一端上被固定到所述盲法兰；以及
(iii)外电极，所述外电极围绕所述双极膜缠绕，其中所述外电极的至少一端穿过所述盲法兰，
其中所述内电极支撑件包括开口，所述开口允许液体通过所述盲法兰中的孔从所述螺旋缠绕双极膜的所述内部体积传递到所述槽的外部。
22.根据权利要求19到21中任一项所述的系统，其进一步包括变压器，
其中所述变压器包括一次使用一个的多个电压输出阶跃，
其中所述变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈围绕磁芯缠绕，其中所述次级线圈包括输出绕组，其中用于每个次级输出绕组的导体直径被选择成提供类似电阻。
23.根据权利要求19到22中任一项所述的系统，其包括用于每个阶段的六个或更少阀门。
24.根据权利要求19到23中任一项所述的系统，其中在每个阶段中，向每个电化学槽提供每分钟至少5升的流速。
25.根据权利要求19到24中任一项所述的系统，其中所述服务时间为约5分钟到约60分钟。
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