CN1110351C

CN1110351C - 电化学辅助的离子交换

Info

Publication number: CN1110351C
Application number: CN98802953A
Authority: CN
Inventors: 埃里克·D·尼贝里
Original assignee: Pionetics Corp
Current assignee: Pionetics Corp
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 2003-06-04
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JP2001509074A; CN1249697A; JP4044148B2; KR100518045B1; WO1998032525A1; US5788826A; EP1017482A1; EP1017482B1; BR9807019A; AU5925398A; KR20000070555A; DE69830662D1; DE69830662T2

Abstract

一种用于从液流中移除离子的电化学槽(20)包括一个具有第一电极(40)和第二电极(45)的容器(25)。在电极之间设置至少一个水分解离子交换膜(100)，该水分解膜(100)包括：(i)面对第一电极(40)的阳离子交换表面(105)，和(ii)面对第二电极(45)的阴离子交换表面(110)。一个液流路径(121)由水分解膜限定。该液流路径具有(i)使液流流入的入口，(ii)至少一条通道，允许流入液流流过水分解膜的至少一个表面以形成一条或多条处理液流，以及(iii)单一出口(35)，使处理液流结合在一起以形成单一流出溶液。优选地，该液流路径包括单一且邻接的溶液通道，流过水分解膜的阳离子和阴离子交换表面，更优选地是以不间断的方式顺序贯穿并且基本上从入口连续延伸至出口。

Description

电化学辅助的离子交换

背景技术

本发明涉及离子交换领域，更具体的说，涉及在电化学槽中使用离子交换膜。

离子交换材料用于除去或者替代溶液中的离子，例如用去离子作用生产高纯水，废水处理(从工业废流中提取铜离子)，以及对溶液中的离子的选择替代(例如水的软化工艺，其中“硬”的二价离子如钙，被“软”的钠或钾离子所替代)。离子交换材料一般分为两类，即阳离子交换材料和阴离子交换材料，两种类型一般均为固体或胶体，其含有可交换离子或可与特定离子发生化学反应起离子交换材料的作用。它们可以是交联的或非交联的有机聚合物或无机结构如沸石。阳离子交换材料含有酸性基团如-COOM，-SO₃M，-PO₃M₂，以及-C₆H₄OM，其中M为阳离子(例如氢离子、钠离子、钙离子或铜离子)，这些酸性基团可交换阳离子而不使材料结构发生永久性改变。阳离子交换材料一般分为“强酸”型和“弱酸”型，表征离子交换基团的术语为酸的强度或pK_a。强酸型，例如那些含有-SO₃M基团的，在整个溶液酸度范围内起作用(例如，pH＝0至15)。弱酸型例如那些含有-COOM的，仅当pH接近于或高于酸基团的pK_a时才可作为离子交换材料。阳离子交换材料还包括那些含有中性基团或通过配位与阳离子结合而不是通过静电或离子键与阳离子结合的配位体。例如，添加到聚合物中的吡啶基团将与Cu⁺²离子形成配位键以便将其从溶液中除去。其它阳离子交换材料包括含有配合或螯合基团(例如，那些从氨基磷酸，氨基羧酸和异羟肟酸衍生得到的)的聚合物。

阴离子交换材料交换阴离子而不使该材料的结构发生永久性的改变，并且包括下列碱性基团，如-NR₃A，NR₂HA，-PR₃A，-SR₂A或者C₅H₅NHA(吡啶鎓)，其中R一般为一种脂族或芳族的烃基团并且A为一种阴离子(例如氢氧根、碳酸氢根或磺酸根)。阴离子交换材料一般分为“强碱”型或“弱碱”型。弱碱型树脂如-NR₂HA和C₅H₅NHA只有当溶液的pH值接近于或低于碱性基团的pK_a时才能交换阴离子，而强碱型树脂例如-NR₃A在更宽的溶液pH值范围内起作用。

离子交换材料可以几种形式使用，例如小的或大的球或珠，将球珠磨碎而获得的粉末，以及膜。最简单的离子交换膜是单极膜，该膜基本上仅含有两种类型的离子交换材料中的一种：或者是阳离子，或者是阴离子交换材料。另一种类型的膜是水分解膜，也称作双极、复极或层状膜。水分解膜具有包括强酸性阳离子交换表面或层(磺酸基团；-SO₃M)以及强碱性阴离子交换表面或层(季铵基团；-NR₃A)相结合的结构，从而使得在向两电极间施加电压所产生的足够高的电场作用下水不可逆地解离或“分解”为其组分离子H⁺和OH^-。在水分解膜的阳离子交换层和阴离子交换层之间的边界处发生的水的解离最为有效，并且所得到的H⁺和OH^-通过离子交换层向相反极性的电极方向迁移(例如，H⁺向阴极方向迁移)。

常规的离子交换是一种批量生产，一般采用堆积在柱状物中的离子交换树脂球。使需要处理的单一溶液流(原料溶液)通过一柱状物或通道。溶液中的离子被离子交换材料移除或替代，并且产物溶液或水从柱状物的出口排出。当离子交换材料被从原料溶液得到的离子饱和(也就是其容量耗尽或“用尽”)时，用适当的溶液使小球再生。阳离子交换树脂一般用酸性溶液再生，而阴离子交换树脂用碱性溶液再生。一个值得注意的特例是，用氯化钠或氯化钾的溶液来再生水软化柱。在再生过程中，设备不能用于生产产物溶液或水。再生通过除去捕获的再生剂溶液的洗涤步骤而完成。此种批量生产与连续生产的区别在于连续生产采用的膜无需再生步骤。

用于溶液处理的批量离子交换工艺与连续工艺相比具有许多重要的优点。第一，离子交换材料具有高选择性，并且仅仅移除或替代溶液中的离子，而在很大程度上忽略了中性基团。在从其他离子中移除或替代一种类型的离子时，它们也会有很高的选择性。例如，在水软化工艺中，包括磺酸根基团的阳离子交换材料从溶液中选择提取多价离子，如钙和镁，而一价离子(如钠)的浓度不受影响。发生水软化的原因是磺酸根基团对二价离子的亲和力(选择性)是对一价离子的10倍。可替代地，一种螯合阳离子交换基团如亚氨基乙酰乙酸特别适用于选择性地从含有其它离子的溶液中提取铜离子。该离子交换基团对铜离子的亲和力比对钠离子的高8个数量级。批量离子交换工艺的第二个优点是它们可以防止由于生物生长(例如藻类)或矿物结垢造成的污染。通常使用强酸和强碱分别再生阳离子和阴离子交换材料，将造成一个生物有机质无法存活的环境。在中性或碱性(pH＞7)环境下，在有多价阳离子存在时，会发生矿物结垢；结垢一般包括钙和镁的碳酸盐，氢氧化物和硫酸盐。在水处理的连续设备表面上或沟槽中结垢对于离子移除效率具有惊人的不利影响。在批量离子交换体系中水垢的形成不是那么严重的问题，因为阳离子交换材料不断地用强酸再生(其中多价阳离子被浓缩)，强酸快速溶解水垢。第三个优点是生产浓缩的再生水流(含有在预先的溶液处理步骤中移除的离子)的潜能。当用离子交换材料移除的离子是重要的化学品而且希望使其分离(例如将一种氨基酸或蛋白质从细胞培养物中移除)时，这是很重要的。生产更多的浓缩再生污水的能力有益于消耗较少的水和给废水处理厂带来较小的压力。

尽管批量型离子交换工艺具有重要的优点，但是再生剂化学品的需要使该工艺昂贵并且不利于环境。环境成本(涉及购买、储存、加工以及处理用过的有毒的或有腐蚀性的再生剂化学品如硫酸、氢氯酸和苛性碱)限制了此种离子交换工艺在许多领域的应用。即使在水的软化中，氯化钠或氯化钾的再生剂的毒性很小的情况下，需要用户每隔几周从杂货店运50lb的盐袋到家以补充软化剂是一个主要的不方便处。另外，从水软化器排入排水管的富盐再生污水在城市的污水处理厂将难于处理。另一个由化学品再生带来的环境不利因素归因于需要大量的水洗涤再生的离子交换柱并且使之可用于其后的操作步骤中。不仅在世界许多地方缺少水，而且所得到的大量稀释废水也必须在排出前进行处理(例如中和)。

例如在美国专利US 3,645,884(Gilliland)，US 4,032,452(Davis)和US 4,465,573(O′Hare)中公开了避免用于电化学方法再生离子交换材料的再生剂化学品的连续工艺，所有上述文献结合入本文以供参考。在这些电渗析体系中，离子交换材料(通常以小球状使用)被许多单极阳离子交换膜和阴离子交换膜与两个电极相互分开；而后离子交换小球材料连续地用电渗析工艺再生，其中离子在电场的作用下穿过溶液、小球以及相容的单极隔膜(即阳离子通过单极阳离子交换膜，而阴离子通过单极阴离子交换膜)，直到它们被不相容的单极隔膜阻挡而不能再移动。单极离子交换膜可以通过一种极性的离子而阻止相反极性离子通过的这种性能被称作选择渗透性(permselectivity)。由于它是一个连续过程，电渗析的特征在于两个不同组分的独立的、邻接的溶液流，即从中连续除去离子的产物液流，和离子在其中浓缩的废水流。该电渗析工艺与常规离子交换相比的主要优点在于，连续操作减少了停机时间或避免了对第一离子交换柱再生期间操作的第二(多余)设备的需求。第二个重要优点在于，作为使用电能而非化学能移除或交换离子的结果，电渗析废流中仅含有从生成的水中移除的离子。因为在常规的离子交换中，化学再生相当慢并且效率低，而且重要的是，为了减少停机时间一般采用过量的化学品。从而使得批量离子交换工艺的再生溶液中除在预定的循环中从生成的水中移除的离子外，还含有相当大量的过量化学品。如果希望从再生剂中回收预先移除的离子(例如铜离子)将是非常复杂的因素。过量的化学品也给废水处理系统带来更沉重的负担。

连续电渗析水处理工艺有几个缺点。首先，它是一个选择性较差的离子移除工艺，主要受到传质速率的控制而不是化学平衡的控制。由于电渗析设备需要使用高导电性的隔膜以到达高电效率和高传质速率，对于选择性较佳的隔膜几乎没有选择余地。第二个缺点是电渗析设备易被矿物结垢污染导致设备完全被阻塞，该结垢受到液体流动、离子迁移或电极效率的影响。因此在许多水去离子作用电渗析设备中，在使其流过设备之前必须使水软化。可替代地，当多价离子引入设备中时，可偶尔改变电极的极性，如在US 2,863,813(Juda)中描述的，其中提供一种酸性环境以溶解掉矿物结垢。然而，此种极性变换不能从根本上改变隔膜或离子交换材料的离子交换容量。

如US 5,019,235(Nyberg)、US 4,888,098(Nyberg)以及US5,007,989(Nyberg)中公开的设备被称作离子粘结电极(IBE′s)，它结合了常规批量离子交换法和电化学再生法的优点，上述所有文献结合入本文以供参考。IBE′s一般包括被单极离子交换膜所包围并固定于其上的导电聚合物电极。IBE′s在批量模式下工作并可提供良好的离子交换选择性，例如从含有大量单价离子的溶液中提取多价离子(例如，水的软化或铜离子的提取过程)。在涉及电解水产生H⁺的电化学再生步骤中，矿物结垢污染IBE膜得以减少。第三，通过使用IBE设备可获得浓缩的再生剂水流，从而方便了污水中离子的回收或作为废水的处理。而且IBE设备的设计和生产的复杂性与电渗析系统相比显著降低，因为它们在单一液流下操作而且离子交换膜受电极支撑。相反地，在电渗析中使用的薄而韧的单极膜必须小心地用间隔器定位以获得有效的离子移除和保持两种液流相互分开。然而IBE槽具有两大缺点。它们需要固定在电极相对侧的阳离子和阴离子交换膜，因此增加了槽的成本和尺寸，而且水电解形成氢气和氧气可能损伤电极和膜之间的界面或影响流过该槽的液流。

在US 2,829,095(Oda)、US 4,024,043(Dege)以及US 4,107,015(Chlanda)中公开了包括从不同的盐溶液生产酸和碱的水分解离子交换膜的电化学槽，所有上述文献结合入本文以供参考。这些槽均为连续操作的槽，再次必须包括两种液流，自此情况中两种产物流：一种为酸溶液而另一种为碱溶液。为便于操作，这些槽必须包括单极离子交换膜以分隔两种液流。例如，在US 2,829,095(Oda)中所描述的水分解膜设备，适用于从流入的NaCl连续生产HCl和NaOH，例如，由置于槽中的每对水分解膜之间的阴离子交换膜和阳离子交换膜构成。当没有单极膜时，产物流HCl和NaOH将混合形成水和NaCl，从而阻止槽的操作。

电化学槽的一种替代设计和应用包括，用于从液流中连续移除离子的水分解膜，上述内容公开在US 3,654,125(Leitz)中，在此结合入本文以供参考。这是连续电渗析槽的一种变形，采用水分解膜而不是单极离子交换膜以产生两种分开液流：一种是移除离子的产物流，而另一种是废液流其中离子发生浓缩。在槽中水分解膜的阴离子交换层或表面面对面定向，阳离子交换层表面也一样。只有此种取向才能使用于连续电渗析分离工艺的水分解膜对NaCl的选择渗透性这一特性得以利用。该Leitz槽和方法与前述电渗析方法具有同样缺陷，包括差的离子选择性、易受矿物结垢或生物生长的污染以及产生相当大量的废水。另外，该Leitz槽和方法仅限于处理NaCl溶液。

作为现有技术中的水分解膜槽连续操作的又一结果，酸/碱生产槽和Leitz离子移除槽的特征均在于，水分解膜包括强酸磺酸根和强碱季铵离子交换层而不是采用其它离子交换物质。此种特定的组合提供了具有特别低的电阻和高选择渗透性的膜。

因此，希望提供这样的离子交换设备和方法，其批量离子交换法具有高离子选择性，耐矿物结垢，以及浓缩的再生剂流出液。而且希望提供再生离子交换材料的设备和方法，其中使用电能进行再生而不是引入化学品。这将减少与再生剂化学品有关的不便和环境污染，并可减少洗涤水量。电再生也将避免再生剂废液被化学品污染。它还将有利于提供可避免需要大量的电极从而避免产生过量气体的设备和方法，并且减少设备的成本和尺寸。

总结

本发明提供了一种新型电化学设备和方法，用于移除或替代液流中的离子和离子交换材料。它结合了批量离子交换法的高效率和电再生法的环境安全的优点。本发明还允许使用较少量的水和离子移除或替代用设备的较简单设计。

在一个方面，本发明包括用于从液流中移除离子的电化学槽，该槽包括容纳第一和第二电极的容器。设置于电极之间的至少一个水分解离子交换膜，该水分解膜包括(i)面对第一电极的阳离子交换表面，以及(ii)面对第二电极的阴离子交换表面。由该水分解膜限定了一条液流路径。该液流路径包括(i)可使液流流入的入口，(ii)至少一条通道，允许流入液流流过水分解膜的至少一个表面，以形成一股或多股处理液流，以及(iii)将处理液流混合在一起以形成单一流出液的单一出口。优选地，该液流路径包括单一且邻接的通道，该通道使流体通过水分解膜的阳离子交换表面和阴离子交换表面，更优选地，该通道以不间断的方式连续贯穿并且基本上连续地从入口通向出口。

本发明的另一方面包括选择性地从溶液中移除多价离子的电化学槽组件。该组件包括第一电化学槽，其含有：(1)两个电极；(2)设置于电极之间的至少一个水分解离子交换膜，每个水分解膜包括面对第一电极的阳离子交换表面，以及面对第二电极的阴离子交换表面；以及(3)第一液流路径，具有(i)流入液流的入口，(ii)至少一个通道，该通道允许流入液流流过至少一个水分解膜表面以形成一股或多股处理液流，以及(iii)使处理液流混合以形成第一流出液的单一出口。至少一个第二电化学槽组件，包括：(1)两个电极；(2)设置于两个电极之间的至少一个水分解离子交换膜，每个水分解膜包括面对第一电极的阳离子交换表面，和面对第二电极的阴离子交换表面；以及(3)第二液流路径，具有(i)允许液流流入的入口，(ii)至少一个允许流入液流流过水分解膜至少一个表面以形成一股或多股处理液流的通道，以及(iii)混合处理液流以形成第二流出液的单一出口。向第一和第二槽的电极提供电压的装置。一个流动控制器，按比例将液流分配给第一和第二槽，以使液流以第一速率流入第一槽并且以第二速率流入第二槽，选择第一和第二流速以提供在混合的第一和第二流出液中所希望的多价离子浓度。

本发明还包括通过向电化学槽施加电压以在离子交换材料中进行离子替换的方法。该方法包括：(i)第一和第二电极；(ii)设置于电极之间的至少一个水分解膜，每个水分解膜包括离子交换层A和B，阳离子交换层面对第一电极而另一个阴离子交换层面对第二电极，上述两层中分别含有离子I_1A和I_1B。一个单一的且邻接的溶液通道由膜的阳离子和阴离子交换表面限定，该溶液通道与两个电极相邻，并且从容器的入口连续地延伸至出口。一种含离子的溶液使电极与水分解膜电连接。在槽中，离子I_1A和I_1B分别被I_2A和I_2B替代。

在又一方面，本发明包括一种从溶液中移除多价离子的方法。该方法包括向含有第一和第二电化学槽的组件施加电压。该第一电化学槽包括第一和第二电极，以及设置于电极之间的至少一个水分解膜。每个水分解膜分别包括阳离子交换层A和阴离子交换层B，这些层分别包括离子I_4A和I_4B。离子I_4A和I_4B基本上包括H⁺和OH^-。水分解膜的阳离子交换层面对第一电极，而阴离子交换层面对第二电极。在槽中存在单一且邻接的液流。第一电化学槽也包括含有离子I_2A和I_2B的溶液，该溶液使电极和水分解膜电连接，其中槽离子I_4A和I_4B分别被离子I_2A和I_2B替代。第二电化学槽包括第一和第二电极，以及至少一个设置于电极之间的水分解膜。每个水分解膜包括阳离子交换层A和阴离子交换层B的组合。该层分别包括离子I_5A和I_5B。离子I_5A和I_5B分别包括除H⁺和OH^-离子以外的多价离子，其中水分解膜的阳离子交换层被取向为面对第一电极，而水分解膜的阴离子交换层被取向为面对第二电极，在槽中有一个单一且邻接的液流；以及含有离子I_2A和I_2B的溶液，该溶液使电极和水分解膜电连接，其中槽离子I_5A和I_5B分别被I_2A和I_2B所替代。

附图

本发明的这些及其它特征、方面和优点将通过下面的附图、描述和所附的权利要求得以更好地理解，其中说明了本发明的实施例。

图1是本发明电化学槽一个实施方案的截面侧视图；

图2是显示水分解离子交换膜阴离子和阳离子交换表面的截面示意图；

图3是含有多层阳离子和阴离子交换层的水分解离子交换膜的另一个实施方案的隔膜截面示意图；

图4是具有多个水分解膜的本发明电化学槽的另一个实施方案的截面侧视图；

图5是图4所示槽的另一个实施方案；

图6是电化学槽的一个实施方案的截面图，该电化学槽具有多条供平行液流流经的溶液通道，且提供单一的流出溶液；

图7a是本发明电化学槽的另一个实施方案的俯视图，所示为具有单一的且连续的溶液通道的螺旋一卷状槽；

图7b是图7a所示螺旋一卷状槽的截面侧视图；

图8是螺旋一卷状槽的另一个实施方案的截面俯视图，所示为三个水分解膜卷绕成平行设置以提供可供单一流出液流出的三个平行通道；

图9是包括两个电化学槽的，用于从液流中移除多价离子的离子交换设备的部分截面示意图；以及

图10是包括第三个电化学槽的，用于从液流中移除多价离子的离子交换设备的部分截面示意图。

描述

本发明提供了一种电化学槽组件和移除存在于溶液中的离子的方法，以及替代离子交换材料中的离子的方法。

图1表示本发明的一个实施方案的电化学槽组件20，包括容器25，该容器具有至少一个引入流入液流的入口30，和一个提供单一流出溶液的出口35。槽中反极性的第一和第二电极40、45通过电极电源50向其施以电压。在容器25中，至少一个水分解膜100置于的电极40和45之间。每个水分解膜100包括至少相邻和毗连的阳离子交换表面105(一般地，阳离子交换层具有阳离子交换基团)与阴离子交换表面110(一般地，包括具有阴离子交换基团的阴离子交换层)的结合。水分解膜100设置于容器25中，以使隔膜的阳离子交换表面面对第一电极40，并使隔膜的阴离子交换表面面对第二电极45。

由水分解膜100的表面、电极40、45以及槽的侧壁限定出了一条液流路径(如箭头121所示)。液流路径121(i)从入口30延伸(该入口用于将流入液流引入液流路径)，(ii)包括至少一条通道，该通道允许流入液流流过至少水分解膜的一个表面以形成一股或多股处理液流，以及(iii)终止于单一出口35，在该出口将处理液流结合在一起形成单一的流出液流。液流路径121可包括在槽中连续延伸的单一串行液流通道，或者可包括相互连接并终止于单一出口35的许多平行的液流通道。在图1所示的实施方案中，水分解膜100布置成可提供液流路径121，该路径具有单一且邻接的溶液通道122，流经水分解膜的阳离子和阴离子交换表面。优选地，通道122以不间断的方式连续贯穿且从入口连续地延伸到出口，并且流经水分解膜的阴离子和阳离子交换表面。因此在槽中单一且邻接的通道的周长至少包括水分解膜的阳离子和阴离子交换层表面的一部分。

容器25一般包括由金属或塑料制造的平板和框架结构并且包括一个或多个入口孔30以将溶液引入槽中，以及一个或多个出口孔35以将流出液从槽中排出。在提供一个或多个出口孔的同时，从槽中流出的流出液优选包括在流出出口孔之前或之后(例如在排出管使不同液流混合)的单一流出液流。水分解膜100通过设置在水分解膜两侧的垫圈115固定在容器25内。泵120，例如压缩泵或水压与流动控制相结合的设备，用于使溶液从溶液源125通过通道122流动，并且进入处理液罐130。在该实施方案中，泵120作为使单一液流流过槽的装置。电极电压供给装置50，一般在电化学槽20外部，包括与电阻140串联的直流电压源135。电接点145、150用于使电压供给装置50与第一和第二电极40、45电连接。代替DC电流源，电压源也可为整流交流电流源，例如半波或全波整流交流电流源。

阳极和阴极40、45由导电材料制备，例如金属，优选为在槽20操作过程中对电极的正极化和负极化时所产生的低或高pH值化学条件耐蚀的。适当的电极可由下列材料制备：铜、铝或钢芯外覆耐蚀材料如铂、钛或铌。电极40、45的形状依赖于电化学槽20的设计以及流过槽的溶液的导电性。电极40、45应能提供通过水分解膜100表面的均匀的电压，对于槽20而言适当的电极形状为平板状，其尺寸与水分解膜的面积近乎相等，并置于槽20的顶部和底部，而且具有在容器内部的电极表面。优选地，第一和第二电极40、45在靠近平面水分解膜100的两侧附近具有平面结构。可替代的电极形状包括分配设计如纺织筛网、拉制网、或者具有特别造型的线例如螺旋形。为使原料溶液进入和排出槽20，例如在图1的实施方案中，可能需要截断两个电极40和45中的开口以使溶液流入和流出通道122。

优选地，电极40、45具有两层或多层结构以提供所希望的导电和耐蚀相结合的性能。适当的构造包括：内部导电层，其具有足够低的电阻以提供穿过水分解膜100的基本均匀的电压；一个耐蚀层以防止导电层腐蚀；以及在电极表面上的催化剂涂层以减少操作电压、延长电极寿命、并且减少电源的需求。优选的电极结构包括被覆耐蚀材料如钛或铌，而后涂覆贵金属催化剂层如铂的铜导体。

分隔槽20中的水分解膜100并且形成侧壁155、160的垫圈115具有许多功能。在第一个功能中，垫圈115防止溶液从槽20的侧壁155、160泄漏。在另一功能中，垫圈115由电绝缘材料制成以防止通过槽20的侧壁155、160的电流通道发生短路或分散。这使得电极40、45之间的电流通道或电场朝向基本垂直于水分解膜100平面的方向以提供更为有效的离子移除或替代。溶液通道122内优选设置间隔器132，例如从槽的侧壁悬挂下来的塑料网材的片层。间隔器132具有几种功能：分隔水分解膜100，提供更均匀的流动，并且在液流路径中产生湍流以提供更高的离子迁移速率。如果两个或多个水分解膜直接接触，多余的电流可能流过这种低阻路径，使隔膜过热并且使溶液分路(从而降低槽性能)。该分隔器可以为平均孔径或开孔直径大于10μm的任何结构。槽中的溶液通道122也可包括离子交换材料颗粒或纤维，例如小球状、粒状、纤维状、疏松的纺织结构，或者任何其它结构，该结构可允许通道122中的溶液与水分解膜的阳离子和阴离子交换层表面相接触，形成通道的周边部分。任何位于通道122中的离子交换材料仍然提供槽20中的单一、邻接液流。通道122中的离子交换材料可包括阳离子交换材料、阴离子交换材料或两者的混合。然而，通道122中的离子交换材料不应以分隔槽中的两股或多股液流的单极离子交换膜的形式存在。因此，该槽优选包括在相邻的水分解膜之间的实质上非单极的离子交换膜。

该水分解膜100可为包括阳离子交换表面105和阴离子交换表面110相结合的任何结构，从而当向电极40和45施加电压而产生足够高的电场时，可以使水在膜中分解成其组分离子H⁺和OH^-。该分解作用在膜的阳离子和阴离子交换表面或层的边界处，或者在它们之间最为有效地发生，而且所得到的H⁺和OH^-离子穿过离子交换层向具有相反极性的电极方向迁移。例如，H⁺将向负极(阴极)方向迁移，而OH^-将向正极(阳极)方向迁移。优选的，该水分解膜包括邻接的阳离子和阴离子交换层105、110，相互固定或粘结在一起，以提供具有单一层压结构的水分解膜100。该阳离子和阴离子交换层105、110可以为物理接触而无需粘合固定，或者该水分解膜100可包括非离子中间层，例如水-溶胀的聚合物层，多孔层，或含有溶液的层。

包括邻接的阳离子和阴离子交换表面或层的水分解膜100的一个实施方案的放大截面图如图2所示。适当的阳离子交换层105可包括能够交换阳离子如-COOM、-SO₃M、-PO₃M₂和-C₆H₄OM的一种或多种酸性官能团，其中M为阳离子(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那些含有可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位体(例如吡啶、膦和硫化物基团)，以及含有配合或螯合基团的基团(例如：那些由氨基磷酸、氨基羧酸和异烃肟酸衍生而得的)。对阳离子交换基团的选择依赖于槽20的用途。在水的去离子化作用中，需要非选择性移除离子，优选使用-SO₃M基团，因为它在很宽的pH值范围内具有良好的膜溶胀性、高传质速率、以及低电阻。对于从含有其他离子如钠离子的液体中选择性地移除铜离子的情况，离子交换基团如-COOM或螯合基团如氨基羧酸是优选的。这些弱酸基团提供了又一优点，即由于-(COO)_nM与H⁺之间将发生非常有益的反应生成-COOH并放出M⁺ⁿ，从而导致特别有效的再生作用，其中M是一种金属离子。

适用于水分解膜100的阴离子交换层110包括能够交换阴离子如-NR₃A、-NR₂HA、-PR₃A、-SR₂A或者C₅H₅NHA(吡啶)的一种或多种碱性基团，其中R为烷基、芳基或其他有机基团，且A为阴离子(例如：氢氧根、碳酸氢根、氯离子或者硫酸根)。对于阴离子交换基团的选择也依赖于用途。在水去离子化作用中，优选使用-NR₃A，因为它在宽的pH值范围内具有良好的膜溶胀性并且能够提供低电阻和高传质速率。当需要特别有效的再生作用时，弱碱性基团是优选的。例如：-NR₂HA将与OH^-发生非常有益的反应生成-NR₂、H₂O，并放出A^-。

水分解离子交换膜还可包括多于两个阴离子和阳离子交换层。图3中的水分解膜101是包括四个离子交换层的实施方案，其中包括两个阳离子交换层106和107以及两个阴离子交换层111和112。两个阳离子和或两个阴离子交换层可以具有不同的离子交换能力或离子交换官能团。例如：水分解膜101的内阳离子交换层106可含有-SO₃基团且外层107含有-COOH基团；而内阴离子交换层111可含有-NR₃基团且外层112含有-NR₂H基团。可替代的是，阳离子交换层106或107或者阴离子交换层111和112可以为多孔的以容纳溶液。该多孔层可为开放的晶格泡沫，例如使用发泡剂或浸提技术制备，含有离子交换颗粒的纺织纤维或无纺织纤维组分，或者任何其它能够提供溶液快速流过水分解离子交换膜厚度的至少一部分的结构，从而使得包含在多孔层内且与离子交换材料接触的溶液的流速得以提高，并且提高了流经槽的溶液的速率。优选地，该多孔层的平均孔径为至少1μm，更优选为大于10μm；并且孔体积至少占多孔层总体积的10％，更优选为至少20％。

该水分解离子交换膜可用任何方法制造，例如那些可提供均匀的或不均匀的离子交换膜的方法。均匀膜是通过使适当的单体聚合，而后进行一步或多步化学步骤引入离子交换基团而制备的。一般地，包括可以交联所得到的聚合物的单体，以提供不可溶离子交换材料。聚合作用可以在有溶剂或没有溶剂的条件下进行，并且依赖于溶剂的选择，获得的离子交换材料还可进一步称为胶体(未使用溶剂制备)，等孔的(isoporous)(良好的单体和聚合物溶剂)，或者大孔的(良好的单体，但是聚合物溶剂差)。制备均匀膜的典型方法是在玻璃片之间浇铸单体混合物，注意防止单体或溶剂挥发，并且加热固化。对于其它离子交换材料(例如：小球)可通过随后的化学官能作用使之官能化。水分解膜可使用几种相关方法制备，包括在已固化层上浇铸第二单体混合物，随后逐步地使这两层化学官能化，或者通过使用不同的官能化化学作用从两侧使单一的浇铸层化学官能化。

不均匀的水分解离子交换膜包括紧密地混合有均匀的离子交换材料的主体聚合物。该离子交换颗粒比主体聚合物吸收更多的水，而后者使膜结构完整。由于该离子交换颗粒的横截面一般大于1微米，这些水分解膜在微米级具有不均匀结构。制备不均匀膜的优选方法是使离子交换材料熔融混合，例如以晶粒形式，并且使用热塑性聚合物，例如聚乙烯、聚乙烯共聚物，或者聚1，1-二氟乙烯。任何适合于将主体聚合物熔融混合的方法均可使用，例如使用轧制机或混合挤出机。离子交换材料的独立薄片可以通过例如压塑或挤出形成，而且水分解膜可以用相同方法从两层或多层制备。

用于不均匀水分解膜的离子交换材料优选其平均颗粒尺寸小于200微米，更优选小于100微米。小颗粒可以通过小球的直接合成获得，例如通过乳化聚合作用，或者粒化较大的具有所希望的化学和物理性能的离子交换小球来获得。为制备用于此处描述的实施例中的不均匀膜，粒化的离子交换树脂是从Graver Chemical Company获得的，PCH强酸阳离子交换树脂(H⁺形式)和PAO强碱阴离子交换树脂(OH-形式)。在不均匀水分解膜的阳离子和阴离子交换层中离子交换材料的体积百分率优选至少为30％，更优选为至少35％，且最优选为至少40％。

选择用于不均匀膜的主体聚合物，依赖于所得到的水分解膜和离子交换材料所允许的最高操作温度的需要。例如，如果片状和框架结构槽需要刚性、不可压缩的膜，如图1所示，可以选择如高密度聚乙烯(HDPE)作为主体聚合物。相反地，螺旋状结构槽需要柔韧的水分解膜，并且优选使用弹性体如热塑性的乙烯-丙烯。可替代地，主体聚合物为水溶胀材料，例如聚环氧乙烷或者聚乙烯醇。这将使离子较快地穿过水分解膜的离子交换层。为了防止水溶胀聚合物溶解，优选使主体聚合物/离子交换材料组合物发生交联以提供不可溶的交联结构。交联可以在组合物形成最终形状(例如片状)后进行，使用化学试剂或辐射(例如UV、电子或伽玛射线)。交联也可赋予非水溶胀主体聚合物组合物机械性能方面的优点，例如改进的抗撕裂能力。

水分解膜的阳离子和阴离子交换层，优选其离子交换容量至少为约0.1meq/cc，更优选为至少0.2meq/cc，并且最优选为至少0.5meq/cc。较高的离子交换容量导致在溶液中提高的膜的溶胀性和降低的电阻。较高的离子交换容量还可提供一种设备，该设备对于给定体积的水分解膜材料的再生频率较低。另一个减少再生步骤频率的方法是使用较厚的水分解膜以提高离子交换容量。优选地，水分解膜的溶液饱和厚度至少为约200微米(μm)，更优选为至少400μm，最优选为至少600μm。

本发明电化学槽20的另一种变形示于图4中。在该变形中，电化学槽20包括许多水分解膜100a-g。每个水分解膜包括阳离子交换表面105和阴离子交换表面110。水分解膜100a-g被垫圈115分隔并且相互叠置以形成在每个水分解膜100a-g一端附近具有一个或多个开口195的交错排列。该膜100a-g在交替的端部与槽20的侧壁接触以提供交错叠置布置。该布置限定了通道122内的液流路径121，可允许溶液进入入口30以流过水分解膜100a-g的整个表面，并最终从出口35排出。该水分解膜100a-g设置在容器25内，以使液流流过单一且邻接的溶液通道122。该第一水分解膜100a包括直接面对第一电极40的阳离子交换表面105a，并且最后的水分解膜100g包括直接面对第二电极45的阴离子交换表面110g。水分解膜190的一部分也可设置于邻近开口195处以提高暴露于通道122内的液流的水分解膜的表面积。第一和第二电极40，45置于容器25中以提供与水分解膜表面100a-g的平面基本上正交的电流。与图1相比，该槽设计允许较高的离子移除或替代速率，这是由于与液流接触的较大的总的水分解膜表面积所致，而且同时由于具有较大的离子交换容量，可允许处理较大体积的溶液。水分解膜的总表面积选择为：在移除或替代操作时，以所需流速提供所希望的离子浓度变化。

另一种电化学槽20的实施方案如图5所示。在该实施例中，液流路径121最初通过入口30，进入第一电极40和水分解膜100a之间的第一溶液通道截面175，而后流过出口31。此后，通过入口32该液流路径121进入位于第二电极45和水分解膜100b之间的第二溶液通道截面180，并且通向出口33。而后液流路径121通过入口34进入位于水分解膜对100a-i之间的第三通道截面185。最后，处理溶液从出口35排出。通道截面175、180和185相结合形成了与图1和4相似的连续通道。本发明的该实施方案提供了在排出槽时不与电极之一相接触的产物溶液，因此提供了在两个电极通过水电解而产生无氢离子或氢氧根离子的溶液。发生该情况是因为单一且邻接的通道22开始时使液流流经两个电极(例如通过通道截面175和180)而后使液流流经位于槽中心部位的水分解膜剩余表面(例如流过通道截面185)。该实施方案特别适合于作为水去离子化器使用，因为从出口35排出的液流不被电极水电解产物(离子)污染。这些产物离子不仅提高流出水流的导电性，而且提供酸性或碱性流出液流(而不是中性pH值的溶液)。

电化学槽20的另一个实施方案包括许多如图6所示的平面水分解膜100a-g。在该槽中，水分解膜100a-g设置于容器25内的两个电极40和45之间，以提供液流路径121，该路径包括许多被膜分隔成的通道122a-h。进入入口30的溶液分开或分为许多支流流过这些平行的溶液通道122a-h。水分解膜的此种布置允许每个通道122b-g中的液流同时暴露给交替的水分解膜的阴离子和阳离子交换表面。流过通道122a和122h的该液流暴露于该槽任一侧的电极40和45之一，以及阴离子交换表面105a或者阳离子交换表面110g。虽然槽的设计不能提供槽中的独立的单一且邻接的溶液通道，但从每个通道流出的流出液结合却在一起以提供单一的流出液。由于槽中的液流流过每段通道的阴离子和阳离子交换表面(除了对槽中的总离子移除效率作用很小的第一段和最后段)形成连续的液流，该溶液流经通道122a-h结合为单一液流，例如在出口35处，而对于水处理步骤(例如去离子化)的产量无不利影响。这是由于每个通道中的溶液都经过相同的操作(例如：去离子化或者再生)。由于在每个通道122b-g中的液流同时暴露于水分解膜100a-g的阳离子和阴离子交换层表面，而且在两个外通道122a和122h中的液流暴露于水分解膜的至少一个表面，通道122a-h基本上是等价的。相反地，现有技术的电渗析方法在液流流出后，不将两股液流混合形成单一的流出液，因为这将导致产物与废液流混合使得溶液具有与输入原料溶液相同的组成。其结果将导致不能提供离子的净移除或再生。相反地，本系统使液流相混合以提供单一的流出液，其特征在于批量离子交换法。这样可获得批量离子交换离子选择性，抗污染性以及浓缩的再生溶液等好处。

本发明的一个实施方案采用螺旋状的电化学槽20，如图7a和7b(俯视图和侧视图)所示。在此变形中，由邻接的分隔器132卷绕或卷起至少一个水分解膜100以提供其俯视图所示的环形形状(图7)。该旋卷绕组件优选包括至少两个整卷水分解膜(图7a所示的槽具有五个整卷)。为了将该螺旋卷组件保持在适当限定的直径而且为了使之与外电极40分开并且相间隔，优选将该螺旋卷组件设置于圆柱状的塑料网管137内。外电极40的形状为圆柱形，并且其直径大于卷绕成的水分解膜和间隔器的直径(包括如果采用的网管)。内电极45位于该螺旋卷的中部，优选位于其中心。内电极45可为任意形状，只要它不与水分解膜的内表面相接触即可。它的形状可以是，例如固体圆柱或棒，固体管，或网管，或具有非圆柱形的形状(例如具有方形截面)。外电极可以是电化学槽20的第一或第二电极。由于水分解膜100的阳离子交换表面105面对的是第一电极40，因此在该实施例中外电极是第一电极40。可替代地，外电极可为第二电极45，在此种情况中水分解膜100的阴离子交换层110面对外电极。从图7b侧视图中可见，在容器25的外壁上设置有入口30，而出口35设置于槽的顶部。溶液流过入口30进入通道段200，流经该螺旋卷组件的开口190，并进入位于水分解膜100的卷之间的通道段205中。在通道段205中该液流同时与水分解膜100的阳离子和阴离子交换层105和110相接触。而后溶液进入通道210并且从出口35排出。可替代地，该溶液可向相反方向流动。水分解膜的此种布置再次提供了通过槽20的单一连续液流。

本发明的该螺旋卷电化学槽20的另一个实施例如图8所示。该螺旋卷槽20包括三个水分解膜100a-c，它们之间通过三个间隔器132a-c相互分开，它们一个叠置在另一个上并且卷成螺旋形布置。该螺旋组件也可置于圆柱体塑料网管137内，该网管既可以容纳具有适当直径的该组件，又可将其与外电极40分开。容器25，电极40和45，以及入口30和出口35的设置适合于包括单一水分解膜的螺旋卷电解槽。在卷绕或者使之成螺旋形之前，将三个水分解膜100和三个间隔器132以交替方式叠置布置，其中阳离子交换层面对同一个方向(或者朝上或者朝下)。以此种平面布置，每个水分解膜/间隔器对的端部不重合，从而使得在卷绕时，螺旋卷组件的三个开口190a-c沿螺旋的边缘均匀地分布(如图8所示，分开约120°)。溶液通过入口30进入容器25，流入通道200，并且流过螺旋卷组件的孔隙190a-c，其中溶液分为三个平行液流流过通道205a-c。随着每股液流呈螺旋状流入的同时，液流与水分解膜100的阳离子和阴离子交换表面105和110接触，所有三股液流结合汇入位于螺旋卷中心的单一通道210中，以提供从槽出口35排出的单一流出液。

在本发明电化学槽的所有实施方案中，在此作为实例，设置于槽中的水分解膜用于提供流出该槽的单一流出液，其中所有液流在给定的时间流经该槽经历同样的处理操作(例如去离子化或再生)。单一液流从一个入口引入并从一个出口排出。由本发明电化学槽排出的水混合，或可以混合，而不降低设备或方法的效率。这一点明显区别于现有技术的电渗析设备和方法，该电渗析使用单极离子交换膜或者水分解膜并具有分开的废液和产物液流。该电渗析体系其连续操作依赖于保持两股分开的液流，也就是，移除了离子的产物流和沉积有离子的废液流。这两股分开的液流最常见的是由单极离子交换膜提供的。使两股液流在排出电渗析槽后相互混合将得到与输入液流相同的溶液，因而没有净离子移除或替代。相反地，本发明的该槽产生排出该槽的单一液流，作为批量操作模式的结果。这提供了具有高离子交换性，抗污染，且浓缩再生溶液的设备，这是用连续操作和采用至少两股流出液流的方法所不能实现的优点。

本发明电化学槽进一步的特征在于，具有位于相邻的水分解膜之间的非单一、分立的单极离子交换膜。本发明的批量操作模式避免了分隔液流用的单极膜的需求。而且，在本电解槽中，水分解膜的设置方向是阳离子交换层面对第一电极而阴离子交换层面对第二电极。这要求所有的水分解膜均以生产模式(例如去离子化)操作或均以再生模式操作。如果使一些水分解膜的阳离子交换层或阴离子交换层相互面对则将降低生产步骤和随后的再生步骤的效率。因为，所有水分解膜的阳离子和阴离子交换层均分别面对第一和第二电极，向两个电极施加电压而产生的电场其方向基本上垂直于或正交于水分解膜的表面。这将有助于水分解反应产生离子的传质作用，该离子(通过迁移)直接垂直向膜的表面移动(以提供穿过该膜的最短的路径，并提高离子交换移除效率)，或者，可替代地是，以正交于水分解膜表面的方式将离子从溶液中拖入或进入离子交换层中。由于它防止了可能绕过大部分离子交换材料的分散电场或电流通量，而使得离子交换材料得以充分利用。直接垂直于膜的均匀电场或电流通量提供穿过水分解膜的最均匀的电流分布和离子流动方式。

在本发明所例举的槽设计中，该水分解膜还用于提供均匀而邻接的溶液通道。该布置提供串行液流；还提供一条通道，该通道的周长包括在该槽中水分解膜的所有阳离子和阴离子交换层表面的至少一部分。可替代的是，如在其它实施例中那样，水分解膜可以设置成提供多条溶液通道，该布置可提供流过槽的平行液流，流出液流在该槽的单一出口汇合，以提供单一流出液。电渗析槽不能具有此种布置，因为这种布置不能提供电渗析方法所需的分隔开的废液和产物液流。

当本发明的电化学槽包括许多水分解膜时，相邻的水分解膜布置成可提供槽中的至少一个溶液通道，在其中溶液流同时暴露于水分解膜的阳离子和阴离子交换表面。由于现有技术中的电渗析槽采用的是连续操作，在这些槽的所有通道中的溶液暴露于至少一个单极离子交换膜，或者在Leitz槽中，暴露于水分解膜的两个阳离子或两个阴离子交换层(并非两者兼而有之)。

本发明操作电化学槽的方法将通过对氯化钠溶液以及对硫酸铜的处理进行说明。尽管本发明选择这两个实施例进行说明，但是应能理解本发明可以用于许多其它用途，而且不应限制在此处所例举的实施例范围内。在第一个实施例中，氯化钠被移除并从溶液中浓缩出来。该电化学槽含有水分解膜，该膜具有磺酸盐阳离子交换层和季铵阴离子交换层。在该方法的第一步骤中，移除离子，向面对阳离子交换层的该第一电极施加正电(阳极)，而向第二电极施加负电(阴极)。在水分解离子交换膜的阳离子和阴离子交换层之间的界面处，液流中的水分解为其组分离子H⁺和OH^-，而且OH^-穿过阳离子交换表面向第一(正)电极迁移，而H⁺穿过阴离子交换表面向第二(负)电极迁移。在该步骤中，Na⁺发生扩散并穿过阳离子交换表面向负极方向迁移。在阳离子交换层中发生的反应为：

(1)

(2) 其中“P”指的是连接离子交换基团的聚合物或固体载体。由水分解反应产生并且迁移过阳离子交换表面的OH^-与H⁺反应生成水。H⁺的消耗保持了电和浓度梯度，该梯度可促进从溶液中移除Na⁺的速率。

在阴离子交换层中，Cl^-发生扩散并穿过阴离子交换层向正极方向迁移。在阴离子交换层中发生的反应为：

(3)

(4) 与阳离子交换层中的情况相似，水分解反应产生的H⁺与OH^-反应以促进从溶液中移除Cl^-的速率。

虽然离子移除步骤可以在没有电压(或电流)的情况下发生，但是与前面所描述的相比由于缺少迁移和化学中和作用而使得其速率较慢。没有电压水分解的不可逆反应不能发生，因此中和反应(2)和(4)不能发生。离子移除速率完全由Na⁺，H⁺，Cl^-，和OH^-穿过阳离子和阴离子交换层的扩散速率控制。

当水分解膜的阳离子和阴离子交换层中的离子交换基团分别被Na⁺和Cl^-完全占据后，需要再生步骤使水分解离子交换膜恢复到反应(1)和(4)进行以前它们的初始化学状态。在该步骤中，将液流引入槽中，例如，用在第一步骤中处理氯化钠溶液，并且改变电极的极性，使得第一电极现在变为负极而第二电极变为正极。在该步骤中，水分解反应产生的H⁺穿过阳离子交换层向负极方向移动，导致发生反应(5)：

(5) 类似地，水分解反应产生的OH^-穿过阴离子交换层向正极方向移动，导致发生反应(6)：

(6) 在阳离子和阴离子交换层中被H⁺和OH^-代替的Na⁺和Cl^-结合在一起生成流出液流中的NaCl。在该再生步骤中通过控制液流的流速，可生产比在离子移除步骤的流入液流中的NaCl浓度高的NaCl。如果在反应(1)至(4)中的离子移除倾向于使液流去离子化，则可排出在反应(5)和(6)中形成的NaCl浓缩物。如果在该设备中移除NaCl的目的是为了析出该盐，则NaCl浓缩物可以为进一步的用途而保留下来。

作为该实例槽的操作将结合从溶液中移除和随后浓缩CuSO₄的上下文中进行描述。在水分解膜的阳离子和阴离子交换层中可以使用任何适当的离子交换材料。例如，阳离子交换层可含有P-COOH基团，而阴离子交换层中可含有P-NR₂H基团。在离子移除过程中，在水分解反应中产生的OH^-再次穿过阳离子交换层向正极方向迁移，并且在阳离子交换层中发生反应(7)和(8)：

(7)

(8) 由于不利的热力学因素，在P-COOH中Cu⁺²不能直接代替H⁺，从而需要用反应(7)从P-COOH中移除H⁺，形成可直接与Cu⁺²反应的P-COO^-。

在阴离子交换层中，水分解反应中生成的H⁺穿过阴离子交换层向负极方向移动，导致发生反应(9)和(10)：

(9)

(10) 反应(9)由中性的P-NR₂形成离子基团，使得随后在反应(10)中与SO₄ ^-2的反应得以进行。

当离子移除完全后，阳离子和阴离子交换层通过使相同或不同的溶液流过该槽并转换电极的极性而恢复到离子移除以前的状态。水分解反应产生的H⁺穿过阳离子交换层，导致反应(11)：

(11) 而水分解反应生成的OH^-穿过阴离子交换层，导致反应(12)：

(12) 反应(11)和(12)均是热力学有利的，允许CuSO₄在溶液中浓缩。在随后的步骤中，铜和/或硫酸盐可以从液流中回收或者排出。

在前述两个实施例中说明的在离子替换材料中交换离子的方法可以用下述常规术语描述。水分解膜包括离子交换层A和B，其中一个为阳离子交换层，另一个为阴离子交换层，该两层中分别含有离子I_1A和I_1B。一种含有离子的溶液与电极和水分解膜电接触，一旦向两个电极施加足够的电压，在离子交换层A和B之间界面区域的水“分解”为其组分离子H⁺和OH^-。这种现象，被称作“水分解反应”，涉及水自发分解为组分离子H⁺和OH^-(在有电场或无电场的条件下发生分解)，而后这些离子在电场的作用下迁移入离子交换层A和B中。H⁺向负极方向迁移，而OH^-向正极方向迁移。当H⁺和OH^-迁移入层A和B中时，更多的水在界面区域扩散以使水分解反应循环连续。当H⁺和OH^-移动穿过层A和B时，它们导致离子I_1A和I_1B分别被离子I_2A和I_2B代替。在离子交换层A和B中的这种离子交换既可以是直接交换，例如在P-SO₃ ^-离子交换基团上H⁺被Na⁺代替，也可以是间接的交换，例如发生在当第一步骤中OH^-与P-COOH反应生成P-COO^-，而后反应以结合Cu⁺²时。

以单一液流流过槽从而移除或交换离子的这些电化学槽和方法，在结合有批量离子交换和电化学再生的优点方面是独一无二的。因此这些槽可提供良好的离子选择性，抗矿物结垢污染，以及浓缩的再生流出溶液，该溶液是常规离子交换的典型溶液。使用电能进行再生，通过避免化学品的使用和减少洗涤水的用量基本上可减少环境污染。电再生还可避免化学品对再生流出液的污染，促进产物回收或废液的处置。实现上述优点的结合还无需IBE设备所需要的大量电极。

参照图9，现在将描述从溶液中选择性地移除多价离子的电化学槽组件。该组件包括含有第一和第二电极40a和45a的第一电化学槽20a，其中至少含有一个位于第一和第二电极之间的水分解膜100a。该阳离子交换表面105a面对第一电极40a，而阴离子交换表面110a面对第二电极45a，电极通过电源50a供电。该组件还包括含有第一和第二电极40b和45b的第二电化学槽20b，其中至少含有一个位于第一和第二电极之间的水分解膜100b。该阳离子交换表面105b面对第一电极40b，而阴离子交换表面110b面对第二电极45b。该组件还包括流动控制器37，以便适当的控制进入第一和第二槽的液流速率，从而使液流以第一流速流入第一槽20a，并以第二流速流入第二槽20b。溶液经入口30a流入第一槽20a并作为第一流出液从出口35a排出。类似地，溶液经入口30b流入第二槽20b并作为第二流出液从出口35b排出。该第一和第二流速选择为可提供在槽组件出口36处所希望的离子排出浓度，在该出口处从两个槽流出的第一和第二流出液相结合。该组件还可包括离子测量计38a和38b，用于(i)测量第一和第二流出液中的离子浓度，(ii)产生测得离子浓度的输出信号，以及(iii)将该信号输送给流动控制器37。而后流动控制器37根据传感器38a和38b输出的信号分配输送给第一和第二槽的液流，以便控制流过两个槽的唯一出口36的混合流出液中的离子浓度。

在该变形中，第一槽20a的离子移除效率保持比第二槽20b高，即在水处理循环过程中，溶解在第二流出液中的一价离子的平均浓度高于第一流出液中的一价离子中的平均浓度。在操作循环的开始，第一槽20a就基本上完全再生完毕；第一槽水分解膜的阳离子和阴离子交换层基本上分别包括H⁺和OH^-。优选的，第一槽20a为再生槽。因此第一槽20a作为水去离子化器，从液流中除去一价和多价离子。相反地，第二槽20b的离子交换容量降低；它含有除H⁺和OH^-以外的一价和多价离子。优选地，在预先的操作循环中，第二槽20b用作第一槽20a，因此其离子交换容量至少被部分消耗。离子交换容量表示该槽从溶液中吸收更多一价离子的能力。优选地该第二槽对一价离子的离子交换容量基本上在预先的使用中被耗尽。从而当溶液流过第二槽20b时，溶液中的多价离子代替水分解膜中的一价离子。因此该第二槽20b用作水软化器。用盐溶液再生后，常规水软化器的离子交换树脂球中含有一价离子(往往为钠)。由于吸收多价离子的优选离子交换材料(具有磺酸根)具有近十倍的亲合力，这些离子被从液流中吸收的多价离子替代出来。

如图10所示，该组件还可包括含有第一和第二电极40c和45c的第三槽20c，其中至少含有一个位于电极之间的水分解膜100，以及向电极供电的电源50。也包括设备37用于在分开的液流流过槽20a和20b的同时使液流流过出口30c。极性转换装置52，用于转换第三槽的第一和第二电极的极性，40c和45c。该第三槽20c以转换极性功能的方式操作，在第一和第二槽20a，20b操作时用于使其自身再生。还提供分隔器装置39，用于在排出槽20c时将废水流41与产物水流36分开。在图9和10中所示的多个槽组件还可包括转换权能(capabilities)，作为装置37和39的部件，用于改变流入和流出槽20a，20b和20c的液流方向。流动和电压极性转换操作可根据传感器/输入装置38a，38b和38c的信号进行，例如在第二槽20b移除多价离子的容量耗尽后，自动开始再生，或者准备将再生槽20c用作第一槽20a。

如图9所示，第一和第二槽20a，20b组件的操作，以及可选择的第三槽20c的操作，使用包括至少两个电化学槽的组件从溶液中移除多价离子的方法将结合上下文予以说明。该方法将结合对含有硫酸钙和氯化钠混合物溶液的处理进行描述。对于该实施例中的两个槽，水分解膜的阳离子和阴离子交换层分别含有磺酸根和季铵基团；而且阳离子交换层面对正极(第一电极为正极)。水分解膜还可包括其它离子交换基团，例如弱酸，弱碱，或螯合离子交换基团。该液流在该组件的第一和第二槽之间分别以第一和第二流速进行分配。在第一槽20a中，在阳离子交换材料中发生反应(13)至(15)：

(13)

(14)

(15) 在反应(15)中释放出来的钠离子可被反应(13)消耗。反应(16)到(18)发生在阴离子交换材料中：

(16)

(17)

(18) 在反应(18)中释放的氯化物可被反应(16)消耗。在反应(13)到(18)中，水分解膜中的氢离子和氢氧根离子被溶液中的钠，钙，氯离子和硫酸根离子取代，导致第一流出液中的当量离子浓度减少。当量离子浓度是溶液中电荷的摩尔/升数。例如，1摩尔/升硫酸钙和2摩尔/升氯化钠各含有两摩尔电荷/升(它们是当量离子浓度)。溶液流过第一槽时钙离子浓度优选至少减少60％，更优选为至少70％，最优选为至少80％。反应(15)和(18)是磺酸根和季铵离子交换基团对二价钙和硫酸根离子的亲合力大于对一价钠和氯离子的亲合力的结果。而后，钙离子和硫酸根离子在第一槽20a的入口附近浓缩，而且接近第一槽出口的下游钠离子和氯离子占据离子交换位点。当第一流出液中的当量离子浓度达到预定水平时，完成水处理循环。而后该第一槽20a准备用作进行随后循环的第二槽20b。

当第一溶液以第一流速进行反应(13)到(18)的处理时，剩余的部分流入溶液以第二流速平行地流过第二槽。由于第二槽20b在预先的循环中用作第一槽20a，它的水分解膜在临近入口处含有钙离子和硫酸根离子，在临近出口处含有钠离子和氯化物离子。因此反应(19)和(20)在第二槽中起主导作用：

(19)

(20) 在第二槽中钙离子的浓度优选为至少减少50％，更优选至少60％，最优选至少70％。在反应(19)中离子交换材料中的钠离子被钙离子取代的反应是常规的水软化反应。本发明的方法进一步从溶液中除去二价离子(反应20)，这是常规的水软化反应中没有的。流出组件的液流是第一和第二流出液的混合物，因此(1)基本上没有二价钙离子和硫酸根离子，以及(2)具有降低的当量浓度。相反地，常规水软化由两个钠离子取代一个钙离子构成；没有二价阴离子或当量浓度的减少。

由于一些离子交换基团仍含有H⁺和OH^-(在用作第二槽之前，该第一槽的离子交换容量可能未被全部耗尽)，去离子反应(13)，(14)，(16)和(17)也可在循环开始时在第二槽20b中发生。残余的H⁺和OH^-降低了第二流出液中的当量离子浓度，但是比第一槽20a降低得少。随着循环的进行，以及H⁺和OH^-被取代，第二流出液的当量离子浓度增加并且接近流入液流的浓度。为了在整个溶液处理循环中在组件的流出液中提供均匀且预定好的当量离子浓度，应当包括具有传感器的反馈系统，以监测第一和第二流出液中的离子浓度，以及流动控制器，以改变第一和第二流速(去离子效率是流速的函数)，如图9所示。

当水处理循环结束时，对耗尽的第二槽20b进行再生以准备在随后的循环中用作第一槽20a。此种离线操作需要改变第二槽20b的电极的极性，从而使阳离子交换层面对负极，并且引入分开的液流。反应(21)和(22)在阳离子交换层中发生：

(21)

(22) 在阴离子交换层中发生反应(23)和(24)：

(23)

(24) 在再生过程中，在阳离子交换层中的钠和钙基本上被氢离子取代，而阴离子交换层中的氯离子和硫酸根基本上被氢氧根所取代。再生流出液仅含有在前面的循环中被移除的钙，钠，硫酸根和氯离子。它不含化学再生过程中引入的外加离子。

一般而言，从液流中移除多价离子的方法包括使电流流过第一和第二电化学槽20a，20b。该第一电化学槽20a含有第一和第二电极40a，45a以及至少一个位于电极之间的水分解离子交换膜100a，用于提供流过该槽的单一且邻接的液流。水分解膜100a包括离子交换层A和B，一层为阳离子交换层而另一层为阴离子交换层，该层分别含有离子I_4A和I_4B。离子I_4A和I_4B为H⁺和OH^-。一种含有离子的溶液以第一流速流过第一槽20a并且使电极和水分解膜电接触。该第二电化学槽20b包括第一和第二电极40b，45b以及至少一个设置于电极之间的水分解离子交换膜100b，以提供单一且邻接的液流。水分解膜包括离子交换层A和B，一层为阳离子交换层而另一层为阴离子交换层，这些层分别含有离子I_5A和I_5B’离子I_5A和I_5B包括除H⁺和OH^-以外的一价离子(例如钠离子)。一种含有离子的溶液以第二流速流过第二槽20b并且使电极和水分解膜电接触。

通过向第一和第二槽20a，20b的两个电极施加足够的电压，使第一槽20a的离子I_4A和I_4B分别被流入溶液的离子I_2A和I_2B取代。同时，第二槽20b中的离子I_5A和I_5B分别被离子I_2A和I_2B取代。由于该槽从原料溶液中去除一价和多价离子，所以从第一槽20a流出的第一流出液基本上被去离子化。在第二槽20b中，多价离子有效地移除，但是一价离子就差多了，因为该槽在循环开始时含有一价离子。第一和第二流出液在槽组件的出口处汇合以提供与流入液流相比具有较低多价离子和当量离子浓度的液流。从液流中移除多价离子的方法还可包括控制流过第一和第二槽20a，20b的液流流速的步骤，以获得第一和第二流出液中预定的离子浓度。它还可包括监测第一和第二流出液流组分的步骤，以及根据第一和第二流出液流调节流过第一和第二槽的溶液的流速。

当第二槽20b多价离子的容量减少至不能接受的水平时，通过改变第二槽20b中电极的极性以及引入分开的液流进行再生，准备将其用作第一槽20a。这导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B取代(离子I_4A和I_4B为H⁺和OH^-)。当再生完成后，原来的第一槽变成第二槽，而再生的第二槽变为第一槽。在该方法中可以采用第三电化学槽20c以允许再生用过的第二槽20b而不中断水处理步骤。该第三电化学槽20c包括第一和第二电极40c，45c以及至少一个位于电极之间的水分解离子交换膜100c，以提供单一且邻接的液流。该水分解膜100c包括离子交换层A和B，一层为阳离子交换层而另一层为阴离子交换层，该层分别含有I_2A和I_2B。与流入第一和第二槽20a，20b的液流分开的溶液使第三槽20c的电极和水分解膜电接触。第三槽20c的极性相应于第一和第二槽进行转换，从而使第三槽中的离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B取代。在该再生步骤完成后，该第三槽20c可用作第一槽20a。当第二槽多价离子的容量减少至不能接受的水平时，用刚刚再生完的第三槽代替第一槽，耗尽的第一槽变成第二槽，而第二槽变成第三槽。

用于从溶液中移除多价离子的该电化学槽组件和方法，在减少溶液的当量离子浓度，同时提供基本上无多价离子的水(例如软化水)方面是新颖的。还具有重要的优点即电再生而不是需要用氯化钠或氯化钾盐进行频繁地再生。为了住宅用水的软化，例如，本发明组件和方法的性能，即移除多价离子的同时减少当量离子浓度，提供与常规水软化器提供的水相比具有较少一价盐的水。这种较低的总的盐浓度不仅提供较好味道的水，而且对健康有益，可根据个人需要控制消耗的氯化钠。而且，使用电再生免除了消费者购买并从当地的杂货店往家里运50lb的盐袋的需要，该盐是每隔几周就需要补充常规水软化所需的。电再生提供进一步的优点，即无需处置排入下水管的富盐再生剂溶液，因为富盐再生剂溶液将影响下游城市污水处理厂的常规操作。采用电再生，冲入下水管的仅有离子是那些在预先的水处理循环中被移除的离子。

实施例1

平板状框架电解槽按照如图1所示的方式构造，由七个水溶胀的，14cm×7cm，水分解离子交换膜，当膨胀时每个水分解膜约2mm厚，两片相邻的片状DSA电极(在钛基体上有适当的催化剂；ElectrodeCorporation)，和八个2mm厚的Buna N(固化的橡胶)垫圈构成。该容器由17cm×10cm刚性塑料片，2.5cm厚，用十二根金属螺拴穿过片的边缘均匀地压制成。在电极之间实现电连接而且用金属弹簧将洗涤器安装于塑料片的外侧。

水分解膜为不均匀型并且用两种离子交换膜层制备。该阴离子交换材料是由转化为氯化物形式的66％真空干燥的PAO(重量)(PAO是以氢氧化物形式存在的颗粒状的季铵阴离子交换树脂；GraverCorporation)和34％Marlex 6003(高密度聚乙烯；Philips Corporation)制备的。该阳离子交换材料由转化为钠形式的60％真空干燥的PCH(PCH为以酸形式存在的颗粒状磺酸盐化阳离子交换树脂；GraverCorporation)和40％Marlex 6003制备的。用配备有西革玛(σ)叶片的Brabender混合器将该离子交换树脂混合入聚乙烯中，在185℃的温度下搅拌超过七分钟，而后在190℃的温度下，膜被模压成15cm×15cm，厚0.75mm的片。然后，水分解离子交换膜通过将阳离子交换层层压在阴离子交换层上制备，形成干态的1.5mm厚的薄片。在水中膨胀成约2mm厚。将用于该槽中的该水分解膜被切割成尺寸为14cm×7cm的水溶胀膜。

采用电流限制在60或120mA、电压限制在127V的电源。为了排出在预先的实验中从溶液中吸收的离子，该槽在60或120mA(ca.40V)下操作60-120分钟进行再生，其中第一电极具有负极性；该电极面对阳离子交换层。导电率为1000μS/cm的水溶液以5ml/分钟的流速流过该槽。该溶液含有1.83mM CaCl₂，0.82mM MgSO₄，2.40mM NaHCO₃。对在再生过程中收集的去离子水流出液流的离子导电率作记录。

而后改变电极的极性使1.89l相同的溶液去离子化。在整个去离子化过程中，电压保持在127V，记录电流从23变为53mA。对处理溶液的离子导电率作记录。在表1中列出了再生电流和时间对去离子效率的影响，以％离子移除测量。显然在再生过程中，再生后收集的溶液的导电率高于流入溶液的导电率，显示出在再生过程中离子从水分解膜中排出并在溶液中浓缩。还可看出，使用该设备可以获得高的去离子化效率(高达98％的离子移除)。而且，在再生过程中消耗的水量少，仅有300-600ml(16％-32％体积产物水)。

表1

再生电流和时间对去离子化性能的影响

实验号	再生电流(mA)	再生时间(分钟)	再生流出液导电率(μS/cm)	去离子化效率(％离子移除)
实验号	再生电流(mA)	再生时间(分钟)	再生流出液导电率(μS/cm)	去离子化效率(％离子移除)	12345678	60601201206060120120	60606060120120120120	14201620182021601240126014301400	67％72％89％92％94％92％98％98％

实施例2

使用实施例1的槽，测试去离子电压的影响。再生在120mA进行120分钟，而后去离子1.89l。对于再生和去离子，水的导电率均为1000μS/cm，而流速均为5ml/分钟。在去离子过程中改变电压，从0V(无电压)至127V，的结果示于表2中。电压对于从水中移除离子不是必须的，去离子效率通过采用很小的电压(例如：40V)得以改进。

表2

以％被移除离子计，去离子电压的影响

实验号	去离子电压	去离子效率(％离子移除)
实验号	去离子电压	去离子效率(％离子移除)	12345678	0040V40V80V80V127V127V	27％31％72％71％90％94％98％98％

实施例3

从液流中除去多价离子的设备和方法通过使用两个平行操作的槽来说明。每个槽(第一和第二槽)由如图8所示构造的三个螺旋状卷绕的筒组成，并由串行的面对面的液流连接。所有筒的水分解膜均为7cm宽，77cm长，和1mm厚，并具有与前述实施例相同的组分，所不同的是使用柔性的、乙烯共聚物粘合剂而不是刚性的、高密度聚乙烯。间隔器材料为1mm厚的聚丙烯网(XN1678；Conwed Plastics)，7cm宽和85cm长。每个螺旋结构的直径为8.5cm(7cm高)，且其外表面为阳离子交换层。顶部和底部用Elvax 4310粘合剂(DuPont)密封并且具有聚乙烯帽以形成在其内表面和外表面均具有三个均匀分隔开的开口的筒(约120°间隔)。每个筒上的帽具有1cm直径的孔，以提供进入螺旋状水分解膜中心的入口。

每个筒安装在内径为10.16cm(4.00英寸)(0.64cm(0.25英寸)壁)长为8cm的管状化学玻璃容器中。每个化学玻璃管的端部用0.64cm(0.25英寸)厚、11.43cm(4.5英寸)直径的化学玻璃密封。具有0.32cm(八分之一英寸)管线的孔形成于具有与第一玻璃片相同尺寸的第二化学玻璃片的中心，而后将具有该孔的筒端帽用Elvax4310密封在化学玻璃盖上，注意使端盖与化学玻璃孔成一直线。在化学玻璃片的该通孔中设置具有中间电极(在2mm钛上具有适当的催化剂，Electrode Corporation)的聚丙烯配件和供溶液流通的开口。将具有0.32cm(八分之一英寸)管线的孔设置在容器壁上作为筒的第二开口。在容器的内壁上附有拉制的网状电极(在钛上有适当的催化剂；Electrode Corporation)。对两个槽而言，溶液从外表面流入最初的两个筒的内表面，而且从第三个筒的内表面流向外表面。在两个槽中，该三个筒中的每个均在127V的电压下操作。

含有0.9mM CaCl₂和5.0mM NaCl的液流以30ml/分钟的流速(总流速为60ml/分钟)泵入第一和第二槽中。该第一槽刚刚再生而将该第二槽作为第一槽用于预先的实验。测量钠离子和钙离子相对于时间的浓度。在表3中总结了第一和第二槽的结果以及从该两个槽中流出的混合流出液的组成。在设备经过250分钟的操作后，混合的流出液至多仅含有存在于流入溶液中的钙离子的12％(总共有15升的水进行处理，移除了91％的钙)。同时，在循环中至少48％的钠离子从溶液中除去(总共，75％的钠从15升处理的水中除去)。因此15升用于处理的水的当量离子浓度减少80％(在初始溶液中为6.8mF，在最终的溶液中为1.3mF)。

Claims

1、一种能够从液流中移除离子的电化学槽，该槽包括：

(a)具有第一和第二电极的容器；

(b)位于电极之间的至少一个水分解离子交换膜，该水分解膜包括(i)面对第一电极的阳离子交换表面，以及(ii)面对第二电极的阴离子交换表面；以及

(c)由水分解膜限定的液流路径，该液流路径具有(i)使液流流入的入口，(ii)至少一条通道，允许流入液流流过水分解膜的至少一个表面以形成一条或多条处理液流，以及(iii)单一出口，使处理液流结合在一起以形成单一流出溶液。

2、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于该液流路径包括单一且邻接的溶液通道，流过水分解膜的阳离子和阴离子交换表面。

3、根据权利要求2的电化学槽，其特征在于该液流路径包括单一且邻接的溶液通道，以不间断的方式顺序贯穿并且从入口连续延伸至出口。

4、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于该槽不包括单极离子交换膜。

5、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于包括多个水分解膜，并且其中该液流路径包括单一且邻接的溶液通道，该通道流经(i)电极，和(ii)每个水分解膜的阳离子和阴离子交换表面。

6、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于多个水分解膜，并且其中该液流路径包括多个通道，每个通道允许流入溶液流经邻近的水分解膜的阳离子和阴离子交换表面。

7、根据权利要求6的电化学槽，其特征在于在邻近的水分解膜之间不包括单极离子交换膜。

8、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于该槽包括多个交错的水分解膜，其具有与容器接触的交替端部。

9、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于(i)该水分解膜卷绕成螺旋状布置，以形成圆柱形状，以及(ii)第一或第二电极包括包围水分解膜螺旋状布置的圆柱体。

10、根据权利要求9的电化学槽，其特征在于该液流路径允许流入液流以螺旋方向流经水分解膜的阳离子和阴离子交换层表面。

11、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于该水分解膜包括至少下列特征之一：

(a)阳离子交换表面包括的化学基团选自由-SO₃M，-COOM，-PO₃M₂，-C₆H₄OM，脂族胺，芳族胺，脂族膦，芳族膦，脂族硫化物，芳族硫化物，氨基磷酸，氨基羧酸，异烃肟酸组成的组，及其混合物，其中M为阳离子；

(b)阴离子交换表面包括的化学基团选自有脂族胺，芳族胺，脂族膦，芳族膦，脂族硫化物，芳族硫化物组成的组，及其混合物；

(c)每个水分解膜的至少一个交换表面包括至少约为1微米的平均孔径；

(d)每个水分解膜的至少一个交换表面包括至少为10体积％的孔体积；或者

(e)该膜为不均匀的而且包括交联的水可膨胀的高分子主体材料。

12、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于该水分解膜的阳离子交换表面包括至少两层阳离子交换层，每层包括不同的阳离子化学基团。

13、根据权利要求12的电化学槽，其特征在于内部的阳离子交换层含有SO₃ ^-化学基团，而外部的阳离子交换层含有除SO₃ ^-以外的其它离子交换化学基团。

14、根据权利要求1的电化学槽，其特征在于该水分解膜的阴离子交换表面包括至少两层阴离子交换层，每层含有不同的阴离子化学基团。

15、根据权利要求14的电化学槽，其特征在于内部的阴离子交换层含有NR₃ ⁺基团，而外部的阴离子交换层含有除NR₃ ⁺以外的其它离子交换基团，其中R选自脂族烃，脂族醇和芳族烃。

16、一种电化学离子交换系统，该系统包括：

(a)权利要求1所述的电化学槽；

(b)向第一和第二电极供电的电压源；以及

(c)使流入液流流过槽的装置。

17、根据权利要求16的电化学离子交换系统，其特征在于该水分解膜的设置使得一旦电压源供给电极电压，所产生的电场基本垂直于水分解膜的阴离子和阳离子交换表面。

18、一种能够从液流中移除离子的电化学槽，该槽包括：

(a)具有第一和第二电极的容器；

(c)单一且邻接的溶液通道允许流入液流流过(i)电极，以及(ii)水分解膜的阳离子和阴离子交换表面。

19、根据权利要求18的电化学槽，其特征在于该单一且邻接的溶液通道以不间断的方式顺序贯穿并且连续地从容器的入口延伸至出口。

20、根据权利要求18的电化学槽，其特征在于该槽不包括单极离子交换膜。

21、根据权利要求18的电化学槽，其特征在于该槽包括多个水分解膜。

22、根据权利要求18的电化学槽，其特征在于水分解膜交错布置，其交替的端部与容器接触。

23、根据权利要求18的电化学槽，其特征在于(i)该水分解膜卷绕成螺旋状布置，以形成圆柱形状，以及(ii)第一或第二电极包括包围水分解膜螺旋状布置的圆柱体。

24、根据权利要求18的电化学槽，其特征在于该水分解膜包括至少下列特征之一：

(b)阴离子交换表面包括的化学基团选自由脂族胺，芳族胺，脂族膦，芳族膦，脂族硫化物，芳族硫化物组成的组，及其混合物；

25、一种电化学离子交换系统，该系统包括：

(a)权利要求18所述的电化学槽；

(b)向第一和第二电极供电的电压源；以及

(c)使流入液流流过槽的装置。

26、一种能够从溶液中选择性地移除多价离子的电化学槽组件，该组件包括：

(a)第一电化学槽，包括：

(1)两个电极，

(2)位于电极之间的至少一个水分解离子交换膜，每个水分解膜包括面对第一电极的阳离子交换表面，和面对第二电极的阴离子交换表面；以及

(3)第一液流路径具有(i)用于流入液流的入口，(ii)至少一条通道，可允许流入液流流经水分解膜的至少一个表面，以形成一股或多股处理液流，以及(iii)单一出口，使处理液流结合在一起，以形成第一流出溶液；

(b)至少一个第二电化学槽，包括：

(1)两个电极，

(3)第二液流路径具有(i)用于流入液流的入口，(ii)至少一条通道，可允许流入液流流经水分解膜的至少一个表面，以形成一股或多股处理液流，以及(iii)单一出口，使处理液流结合在一起，以形成第二流出溶液；

(c)向第一和第二槽的电极施加电压的装置；以及

(d)流动控制器，用于分配流入第一和第二槽的液流，从而使液流以第一流速流入第一槽并使液流以第二流速流入第二槽，该第一和第二流速选择为可提供在汇合的第一和第二流出液流中所希望的多价离子的浓度。

27、根据权利要求26的组件，其特征在于该第一和第二槽不包括单极离子交换膜。

28、根据权利要求26的组件，其特征在于两个槽中的水分解膜布置成允许液流流经每个槽中的阳离子和阴离子交换表面。

29、根据权利要求26的组件，其特征在于每个槽中的至少部分液流路径同时暴露于阳离子和阴离子交换表面。

30、根据权利要求26的组件，其特征在于第二流出液的当量离子浓度至少是第一流出液的两倍。

31、根据权利要求26的组件，其特征在于第一槽从流入液流中移除一价和多价离子，而第二槽优选从流入液流中移除多价离子。

32、根据权利要求26的组件，其特征在于第一流出溶液中的平均当量离子浓度少于流入溶液的50％。

33、根据权利要求26的组件，其特征在于第二流出溶液中的平均多价离子浓度少于流入溶液的50％。

34、根据权利要求26的组件，其特征在于分配给第一和第二槽的流入液流的流速选择为可提供在汇合的流出溶液中离子的预定组分。

35、根据权利要求26的组件，其特征在于该组件还包括流动控制器，分配第一和第二槽的液流，从而使得至少10体积％的液流流经这些槽中的一个。

36、根据权利要求26的组件，其特征在于该组件还包括离子测量计，用于(i)测量第一和第二流出溶液中的离子浓度，(ii)产生正比于所测得的离子浓度的输出信号，以及(iii)将该信号输送给流动控制器，并且其中流动控制器根据该输出信号分配流入第一和第二槽的流入液流来控制汇合流出液中的离子浓度。

37、根据权利要求26的组件，其特征在于该组件还包括第三电化学槽，包括(i)第一和第二电极，(ii)至少一个水分解膜，位于电极之间，(iii)使第二流入液流独立于流过第一和第二槽的流入液流，流过该第三槽的装置，以及(iv)转换第三槽的第一和第二电极极性的装置，其中该第三槽再生成第一槽的情况。

38、一种通过向电化学槽施加电压而在离子交换材料中替代离子的方法，包括：

(a)第一和第二电极；

(b)至少一个位于电极之间的水分解膜，每个水分解膜包括离子交换层A和B，一层为面对第一电极的阳离子交换层另一层为面对第二电极的阴离子交换层，该层分别含有离子I_1A和I_1B；

其中由该膜的阳离子和阴离子交换层表面限定了单一且邻接的溶液通道，该溶液通道与两个电极邻接并且连续地从容器的入口延伸至出口；

(c)含有离子的溶液将电极和水分解膜电连接；

其中槽离子I_1A和I_1B分别被离子I_2A和I_2B替代。

39、根据权利要求38的方法，其特征在于该槽不包括单极离子交换膜。

40、根据权利要求38的方法，其特征在于该水分解膜设置成可提供允许液流流过水分解膜阳离子和阴离子交换层表面的连续通道。

41、根据权利要求38的方法，其特征在于在槽的至少一条通道中的该溶液同时暴露于水分解膜的阳离子和阴离子交换层表面。

42、根据权利要求38的方法，其特征在于在水分解膜内生成H⁺和OH-并且分别流经离子交换层A和B，导致离子I_1A和I_1B分别被离子I_2A和I_2B替代。

43、根据权利要求42的方法，其特征在于离子I_1A和I_1B的极性与H⁺和OH^-离子的相同，从而导致替代作用。

44、根据权利要求42的方法，其特征在于离子I_1A和I_1B的极性与H⁺和OH^-离子的相反，从而导致替代作用。

45、根据权利要求38的方法，其特征在于该方法包括转换电极极性的附加步骤，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_3A和I_3B替代。

46、根据权利要求45的方法，其特征在于在该转换步骤中，在水分解膜中生成了H⁺和OH^-并且分别流经离子交换层A和B，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_3A和I_3B替代。

47、根据权利要求45的方法，其特征在于该方法包括终止电流的附加步骤，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_3A和I_3B替代。

48、一种从溶液中移除多价离子的方法，该方法包括向组件施加电压，该组件包括第一和第二电化学槽：

(a)第一电化学槽包括：

(i)第一和第二电极；

(ii)至少一个水分解膜，其位于电极之间，每个水分解膜包括阳离子交换层A和阴离子交换层B，该层分别包括离子I_4A和I_4B，离子I_4A和I_4B分别包括H⁺和OH^-，其中阳离子交换层面对第一电极而阴离子交换层面对第二电极，在该槽中具有单一且邻接的溶液通道，以及

(iii)含有离子I_2A和I_2B的溶液使电极和水分解膜电连接，在该槽中离子I_4A和I_4B分别被离子I_2A和I_2B代替；

(b)第二电化学槽，包括：

(i)第一和第二电极；

(ii)至少一个水分解膜，其位于电极之间，每个水分解膜包括阳离子交换层A和阴离子交换层B，该层分别包括离子I_5A和I_5B，离子I_5A和I_5B分别含有除H⁺和OH^-以外的其它离子，其中阳离子交换层面对第一电极而阴离子交换层面对第二电极，在该槽中具有单一且邻接的溶液通道，以及

(iii)含有离子I_2A和I_2B的溶液使电极和水分解膜电连接，

其中槽离子I_5A和I_5B分别被离子I_2A和I_2B替代。

49、根据权利要求48的方法，其特征在于每个槽不包括单极离子交换膜。

50、根据权利要求48的方法，其特征在于从第一槽流出的第一流出液中钙离子的浓度至少减少60％，而从第二槽流出的第二流出液中的钙离子浓度至少减少50％。

51、根据权利要求48的方法，其特征在于该方法包括向第二电化学槽中引入另一种溶液并且转换电极极性的附加步骤，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B替代。

52、根据权利要求48的方法，其特征在于两个槽中的水分解膜设置成可提供在每个槽中流过其水分解膜的阳离子和阴离子交换层表面的连续液流。

53、根据权利要求48的方法，其特征在于在第一和第二槽的至少一条通道中的溶液同时暴露于水分解膜的阳离子和阴离子交换层表面。

54、根据权利要求48的方法，其特征在于使液流流过第一和第二槽的步骤包括控制流经第一和第二槽的溶液流速以获得从槽中流出的液流中具有预定离子浓度的步骤。

55、根据权利要求48的方法，其特征在于控制流过第一和第二槽的溶液流速以获得从槽中流出的液流中具有预定离子浓度的步骤包括监测从第一和第二槽流出的液流组分的步骤，以及相应于流出液流的组分调节流经第一和第二槽溶液的流速。

56、根据权利要求48的方法，其特征在于所述组合含有第三电化学槽，该第三槽包括：

(a)第一和第二电极；

(b)位于电极之间的至少一个水分解膜，每个水分解膜包括阳离子交换层A和阴离子交换层B的结合，该层含有离子I_2A和I_2B，其中阳离子交换层面对第一电极而阴离子交换层面对第二电极，在该槽中具有单一且邻接的液流，以及

(c)使电极和水分解膜电连接的溶液，

其中第三槽的第一和第二电极的极性相应于第一和第二槽转换，从而使得在第三槽中的离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B代替。

57、根据权利要求56的方法，其特征在于在第三槽中发生在第一和第二槽从分开的液流中移除多价离子的同时，发生离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B替换。