CN113039009A

CN113039009A - 用于从流体和非流体流中去除溶剂的电渗析系统

Info

Publication number: CN113039009A
Application number: CN201980077761.8A
Authority: CN
Inventors: E·S·贝; M·贝尼迪特; E·卡拉塔伊; J·L·B·里韦斯特
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-06-25
Also published as: MX2021005733A; US20200164312A1; IL282993A; BR112021009334A2; EP3887023A1; JP7273959B2; US11185823B2; KR102591724B1; AU2019385908A1; WO2020112712A1; JP2022507713A; TW202027842A; TWI812816B; KR20210094632A

Abstract

一种系统，其包括具有盐室的电渗析装置，盐流流过该盐室。脱盐室通过中央离子选择性膜与盐室隔开。脱盐流流过脱盐室。阳极电解液室和阴极电解液室在盐室和脱盐室的相反的外侧，并且通过第一和第二离子交换膜与其隔开。溶剂交换界面在第一侧与盐流接触，并且在第二侧与介质流接触。溶剂交换界面将溶剂从介质流移动到盐流。

Description

用于从流体和非流体流中去除溶剂的电渗析系统

发明内容

本公开涉及用于从流体和非流体流中去除水的电渗析系统。在一个实施例中，一种系统包括电渗析装置，该电渗析装置具有盐室（salinate chamber），盐流（salinatestream）流过该盐室。脱盐室通过中央离子选择性膜与盐室隔开。脱盐流流过脱盐室。阳极电解液室和阴极电解液室位于盐室和脱盐室的相反的外侧，并且通过第一和第二离子交换膜与其隔开。阳极电解液室和阴极电解液室之间的离子传输由法拉第反应驱动，该法拉第反应由施加在阳极电解液室和阴极电解液室两端的电压引起。溶剂交换界面在第一侧与盐流接触，并且在第二侧与介质流接触。溶剂交换界面将溶剂从介质流移动到盐流。

鉴于以下详细讨论和附图，可以理解各种实施例的这些和其他特征和方面。

附图说明

以下讨论参考附图，其中，相同的参考数字可以用于标识多个图中的相似/相同组件。附图不一定是按比例的。

图1和图1A是根据示例实施例的液体干燥剂系统的示图；

图2是根据示例实施例的空调系统的透视图；

图3是根据示例实施例的空调系统的框图；

图4是根据示例实施例的液体干燥剂系统的示图；

图5A和图5B是根据示例实施例的电渗析堆叠的示图；

图6是根据示例实施例的供气-液界面使用的热交换器的示图；

图7是根据示例实施例的多级电渗析堆叠的示图；

图8是根据示例实施例的方法的流程图；

图9和图10是根据附加的示例实施例的电渗析装置的示图；

图11是根据示例实施例的用于从各种流体和非流体中去除溶剂的系统的示图；以及

图12是根据另一个示例实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及液体干燥剂系统。液体干燥剂系统除其他事物之外尤其可以用于加热、通风和空气调节（HVAC）中。空调是美国电力消耗的将近10％的原因，其中除湿占潮湿地区负荷的一半以上。本公开描述了一种用于空气调节的除湿的有效热力学方法。通常，系统包括：与氧化还原辅助的电渗析液体干燥剂浓缩器合作的膜式除湿器。

本文中描述的系统利用了氧化还原辅助的电渗析过程，该过程使得能够实现基于膜的液体干燥剂空调系统。在该氧化还原辅助的电渗析（ED）过程中，氧化还原活性种类的水溶液在电化学堆叠的阳极和阴极之间循环以浓缩离子溶液，从而消除了由蒸汽压缩（VC）或基于干燥剂的空气调节所需的压力或热所驱动的热力学相变。液体干燥剂（例如，氯化锂LiCl的水溶液）将从空气中跨膜界面吸收水分。稀释的液体干燥剂将被有效地重新浓缩，避免了蒸发水所需的潜热输入。据估计，到2030年，该新提议循环的提高的效率导致每年3/8倍（1.5 Quads）的能量节省。

在图1中，示图图示了根据示例实施例的电渗析液体干燥剂空气调节（ELDAC）系统100。系统100包括干燥剂部分102和冷却部分104。在干燥剂部分102中，室外空气106（和/或再循环空气）被迫跨过载液膜式干燥器108，在本文中也被称为气液界面。空气106可以是高温和高相对湿度（RH）的外部空气。来自空气106的水109在膜界面108处被吸收到（例如，LiCl水溶液的）浓缩的液体干燥剂110中，然后通过氧化还原辅助的再生器112以分离稀释流114（例如，排出的水）并重新浓缩干燥剂流110。其他浓缩物可以代替LiCl被用于干燥剂，例如，NaCl、LiBr和CaCl₂。

离开干燥剂部分102的空气115中的湿度降低，其中，空气被冷却部分104冷却。该冷却部分104可以包括蒸发器116和其他未示出的组件（例如，冷凝器、压缩机）。因为与外部/再循环空气106相比，进入冷却部分104的空气115具有较低的相对湿度，所以与蒸发器116也必须冷凝来自传入空气115的水分的情况相比，蒸发器116更有效，并且可以将冷却空气120的温度降低更大的量。测量氧化还原辅助的电渗析用于浓缩离子水溶液的能量的实验结果示出，ELDAC系统100的再生比热输入（RSHI）可以小于0.05 kBTU/lb，这是当前使用的热再生方法的低至三十分之一。

如在图1A的详细视图122中所见，氧化还原辅助的再生器112具有两个外部离子交换膜124，其将外部氧化还原通道126与内部浓缩物110和稀释流114隔开。在该示例中，外部离子交换膜124被配置为阴离子交换膜（AEM）。浓缩物110和稀释流114被中央离子交换膜130隔开，该中央离子交换膜130在该示例中是阳离子交换膜（CEM）。在其他配置中，中央离子交换膜130可以是AEM，并且外部膜124可以是CEM。

外部电压132引起氧化还原活性的穿梭分子的氧化或还原，从而驱动离子跨膜124、130移动，而不会分解水或产生其他气态副产物（例如，氯），并且产生两股流：重新浓缩的干燥剂110和排出的水114。这个目标可以通过多个级实现。所提出的一种氧化还原梭是带正电的二茂铁衍生物，诸如（双（三甲基氨丙基）二茂铁/双（三甲基氨丙基）二茂铁盐[BTMAP-Fc]²⁺/[BTMAP-Fc]³⁺）134，它是无毒的、高度稳定的，具有非常快的电化学动力学和可忽略不计的膜渗透性。其他氧化还原梭溶液可以包括亚铁氰化物/铁氰化物（[Fe(CN)₆]^4-/[Fe(CN)₆]^3-）或带负电的二茂铁衍生物。系统的移动部分可以包括用于液体循环的低压泵和用于空气循环的风扇。可以在共同拥有的美国专利申请16/200,289（代理人案卷号20171214US03/PARC.225U1）中找到带有氧化还原梭辅助的这种类型的四通道电渗析堆叠的附加详细信息，该美国专利申请由此通过引用整体地并入本文中。

在图2中，透视图示出了根据示例实施例的ELDAC系统200的细节。在图3中，框图示出了图2中所示的组件中的一些之间的功能关系，以及示出了根据附加实施例的其他组件。系统200包括：容纳各种功能组件并且提供空气管道路径的外壳202。经由鼓风机212将加湿的空气214（例如，外部和/或返回空气）引导通过第一管道220。该空气214被迫跨过气-液界面除湿器206。在该示例中，除湿器206被配置为填充第一管道220的矩形膜元件。

在除湿器206的框架206a内的是一个或多个平面膜206b，液体干燥剂通过该平面膜206b循环。在其他实施例中，代替平面膜206b或除了平面膜206b之外，中空管、液体与空气表面、液体喷雾可以用在除湿器206中。可以使用液体的毛细管作用、重力自流进料、直接泵送等的任何组合来实现流体干燥剂通过膜206b的移动。可以提供格栅206c来机械支撑膜206b，以减少由来自气流214的气压引起的挠曲。液泵207用于将液体干燥剂从可选的储罐210移动到膜式除湿器206，在那里它从空气214吸收水，并且被馈送回到氧化还原辅助的再生器208。氧化还原辅助的再生器208从液体干燥剂中分离水，其中分离出的水经由排水管209排出。注意的是，尽管为了便于说明，将组件207、208、210和相关联的管道示为在外壳202的外部，但它们也可以部分或全部位于外壳202内。

通过了膜式除湿器206的空气216具有低RH，并且因此能够通过显热消除器204（例如，制冷剂循环式空气调节机的蒸发器）更有效地进行处理。已经通过显热消除器204的冷却空气218穿过供应管道220，在那里它离开外壳202，并且用于冷却目标空间，例如，建筑物、车辆等。

注意的是，在图3中，氧化还原储罐300被示为与LD再生器208流体连通。ELDAC系统200可以包括氧化还原和干燥剂储存器300、210之一或两者。注意的是，干燥剂存储装置210可以存储浓缩流和稀释流（例如，图1中的流110和114）两者的流体，通过使用单独的储存器或具有两个或更多个分区的单个储存器来存储。氧化还原存储装置300可以类似地存储氧化还原流的浓缩和稀释部分（例如，图1中所示的流126的底部和顶部部分）。在一些实施例中，这些储存器210、300可以用作缓冲器。例如，如果从ELDAC系统200排出的水不等于从空气中吸收的水，则可以从储存器210中抽出浓缩或稀释的干燥剂中的一种（或两者的组合），以确保干燥剂回路保持所需的浓缩物水平和/或流速。

储存器210、300可以具有足够的容量以用于除湿之外的其他目的。例如，如美国专利申请16/200,289（代理人案卷号20171214US03/PARC.225U1）中所描述的，电渗析电池组302可以使用氧化还原溶液300来发电，因此回收除湿中使用的一些电。这样的过程可以与除湿一起进行或与除湿分开进行。例如，当系统被轻度利用或关闭时，发电可能会在晚上发生。

在图4中，示图示出了根据示例实施例的液体干燥剂系统的附加细节。电渗析堆叠400为液体干燥剂回路402和氧化还原梭回路404提供了外壳。回路402、404在壳体400内被外部交换膜406隔开，并且液体干燥剂回路402的稀释/浓缩路径402a、402b被中央交换膜408隔开。回路402、404中的流体分别由泵412、410驱动。

液体干燥剂回路402从点402c处的浓缩液体干燥剂开始。干燥剂回路402包括离子水溶液，诸如水中的氯化锂。典型的起始浓度将为干燥剂重量的〜30％。使浓缩的干燥剂溶液与空气与膜界面/交换器414接触，诸如图2和图3所示的膜式除湿器206。在交换器414处，较高RH的空气416进入并且较低RH的空气418离开。来自空气的水蒸气420被干燥剂在交换器414处拉过水选择性膜422（或其他液-气界面），由此稀释了干燥剂溶液，其在点402d处以较低浓度离开。

在电渗析堆叠400处，较低浓度的液体干燥剂溶液402d在接合点402e处被拆分成单独的流402a、402b，使它们与堆叠400的膜406、408接触。流402b在它通过堆叠400时被浓缩，并且重新进入泵412，其具有与点402c相同的浓度。另一股流402a在它通过堆叠400时被稀释，并且作为高度稀释的水流离开，可以将其排出、存储或用于某种其他目的。

泵410使氧化还原梭在点404a和404b之间循环，于是它与电极424接触。施加在电渗析堆叠两端的电压426驱动离子从流402a到流402b，从流402a到流404b中，以及从流404a到流402b中。在每种情况下，驱动离子通过膜406、408都会影响浓度。电渗析堆叠500的替换实施例在图5中示出，其使用LiCl作为干燥剂浓缩物，并且使用[BTMAP-Fc]²⁺/[BTMAP-Fc]³⁺作为氧化还原梭。LiCl干燥剂浓缩物被中央离子交换膜506（在这种情况下为CEM）拆分成脱盐/稀释流和浓缩流504。氧化还原梭回路508具有第一和第二氧化还原流508a-b，其通过与中央离子交换膜506不同类型的相应第一和第二外部离子交换膜507、509（在这种情况下为AEM）与液体干燥剂回路的稀释流和浓缩流隔开。

电渗析堆叠510的另一个替代实施例在图5B中示出，其使用LiCl作为干燥剂浓缩物，并且使用[Fe(CN)_6] ^4-/[Fe(CN)₆]^3-作为氧化还原梭。LiCl干燥剂浓缩物被中央离子交换膜516（在这种情况下为AEM）拆分成脱盐/稀释流和浓缩流514。氧化还原梭回路518具有第一和第二氧化还原流518a-b，其通过与中央离子交换膜516不同类型的相应第一和第二外部离子交换膜517、519（在这种情况下为CEM）与液体干燥剂回路的稀释流和浓缩流隔开。注意的是，图5A和图5B中所示的电渗析堆叠500、510可以用于本文中所示的任何除湿回路中。

上述系统的除湿部分仅需要用于驱动泵和电渗析堆叠的输入电力，以及要被除湿的输入空气流。将存在水和低RH空气的出口流。该系统意图用于除湿，尽管它可能适用于附加用途，例如，从存储的氧化还原溶液中发电。提供了一个好处，因为由于使用了电渗析浓度为零或接近零的超电势，与现有的除湿系统相比，ELDAC需要显著更少的能量。因为该系统不依赖于水分解来驱动离子运动，所以与其他电化学过程（比如常规电渗析）不同，ELDAC在浓缩盐溶液中使用时不会生成任何有毒或可燃气体（例如，氯气或氢气）。一个示例应用可能是在普通空气调节机的上游使用ELDAC，以消除空气调节机的潜热负荷并且降低空气调节账单。

液体干燥剂中水分的吸收是放热的，使得它将增加承载液体干燥剂的气-液界面的温度。温度的这种增加可能会导致显冷部分（sensible cooling section）上的负荷增加，该部分接收通过气-液界面的空气。在图6中，示图示出了根据示例实施例的用于从气液界面600去除热的系统。热交换器602热耦合到传热元件604，该传热元件604通过界面600的部分（例如，膜）分布。

传热元件604可以是导电条（例如，金属、碳纳米管等）、气体填充或液体填充的无源热管（例如，热虹吸管），通过其泵送气体或液体的管、辐射热吸收器或本领域已知的其他载热结构。通过元件604承载的热被传递到热交换器602，该热交换器经受冷却流606。冷却流606是气体或液体流，其将热从热交换器602带走，并且最终可以将热倾倒给环境散热器（例如，空气、土壤、水）。在其他实施例中，热608可以被传递（例如，沿着热传递路径610）到其他散热器，诸如电渗析堆叠612（其可以是向界面600提供干燥剂的同一堆叠或者是不同的堆叠），和/或来自系统的排出的水614（例如，图1中的排出的水114）。

在先前的示例中，电渗析堆栈包括单个氧化还原回路。在其他实施例中，堆叠可以包括多个氧化还原回路和相关联的离子膜，以进一步增加稀释/浓缩的水平，和/或增加可以被处理的干燥剂流的量。在图7中，框图示出了根据示例实施例的双级电渗析堆叠700。

电渗析堆叠700处理液体干燥剂回路702，该液体干燥剂回路702被拆分成通过第一级704的稀释流702a和浓缩流702b。离开级704的流702a进一步被拆分成通过第二级706的第二稀释流702d和第二浓缩流702e。离开级706的流702e的浓度低于离开级704的流702b的浓度，并且可以与输出流702c重新混合并且被重新引入到前一级704，而不是与702b重新混合并且被重新引入到气-液界面708。为了使效率最大化，流702c和702e中的干燥剂浓度大约相等（例如，在0-20％内）。

级704、706中的每一个具有中央离子交换膜704a、706a，其将稀释流702a、702d和浓缩流702b、702e隔开。级704、706中的每一个具有氧化还原梭回路704b、706b，其中第一和第二氧化还原流704ba、704bb、706ba、706bb与液体干燥剂回路702的稀释流702a、702d和浓缩流702b、702e通过相应的第一和第二外部离子交换膜704c、704d、706c、706d隔开。级704、706均包括第一和第二电极704e、704f、706e、706f，它们可操作以跨电渗析堆叠700的级704、706施加电压。

气-液界面708与离开第一级704的液体干燥剂的浓缩流702b流体连通。气液界面708使液态干燥剂的浓缩流702b暴露于流过气-液界面708的空气，该浓缩流经由从空气中吸收水而被稀释以形成输出流702c。输出流702c与离开第二级706的输出流702e组合。第一泵712使液体干燥剂循环通过电渗析堆叠700和气-液界面708。在与输出流702e组合之后，来自气-液界面708的输出流702c在进入电渗析堆叠700时被拆分成稀释流702a和浓缩流702b。

跨电极704e、704f、706e、706f的电压引起跨中央离子交换膜704a、706a和第一外部离子交换膜704c、706c的离子移动，从而导致干燥剂浓缩物从第一稀释流702a移动到级704的第一氧化还原流704ba和第一浓缩流702b，以及类似地从第二稀释流702d移动到级706的第一氧化还原流706ba以及第二浓缩流702e。第二泵714、716使氧化还原梭回路704b、706b循环，使得第一氧化还原流704ba、706ba和第二氧化还原流704bb、706bb流过相应的第一外部离子交换膜704c、706c和第二外部离子交换膜704d、706d。电压还将引起跨第二外部交换膜704d、706d的第二（和类似的）离子移动，这导致干燥剂浓缩物从第二氧化还原流704bb、706bb移动到浓缩流702b、702e。

注意的是，级704、706可以相同或不同。例如，每个级704可以使用氧化还原梭溶液、中心和外部交换膜类型、电压、膜几何形状、干燥剂流几何形状、氧化还原流速等的不同组合。以这种方式，可以针对在稀释流702a、702d和浓缩流702b、702e的部分内的不同预期浓度来优化级704、706。级704、706可以同时操作，并且在某些条件下一个或另一个可以被关闭。例如，如果稀释流702a内的浓缩物水平低于某个阈值，则级704、706之一可以被关闭以节省能量并减少磨损。如果稀释流702a内的浓缩物水平超过该阈值，则可以重新启动停用的级704、706。

可以将图7中所示的实施例扩展到两个以上的级704、706。另外，虽然级704、706被示为单个电渗析堆叠单元700的一部分，但是它们可以被实现为分离的外壳，它们例如通过管路耦合以承载干燥剂回路702的流702a、702b、702d、702e。在一个实施例中，例如，通过并联或串联运行环路704b、706b，可以使用一个氧化还原泵代替两个泵714、716。注意的是，诸如图7中所示的多级电渗析堆叠可以用在先前（例如，图1-5）示出的实施例中的任何实施例中，并且可以并入那些和其他图中所示的任何特征，例如，流体存储储存器、热交换器等。

在图8中，流程图示出了根据示例实施例的方法。该方法涉及使液体干燥剂循环800通过气-液界面。使空气流过801气-液界面，使得液体干燥剂从空气吸收水。液体干燥剂经由吸收水被稀释以形成输出流。在电渗析堆叠的输入处，将输出流拆分802成稀释流和浓缩流。电渗析堆叠具有中央离子交换膜以及与中央离子交换膜不同类型的第一和第二外部离子交换膜（例如，阳离子或阴离子）。

使稀释流在中央离子交换膜和第一外部离子交换膜之间流动803。使浓缩流在中央离子交换膜和第二外部离子交换膜之间流动804。氧化还原梭回路在第一和第二外部离子交换膜周围循环805。在电渗析堆叠两端施加806电压，以引起跨中央离子交换膜和第一外部离子交换膜的离子移动。该移动导致干燥剂浓缩物从稀释流移动到氧化还原梭回路并且移动到浓缩流。

在上面的示例中，电渗析堆叠用于从气体（诸如空气）中去除水，该气体通常被分类为流体。该技术还可以用于从空气以外的其他流体以及非流体中去除水（或其他溶剂）。例如，如下所述的设备可以用于从诸如饮料或调味品之类的一定浓度的水性液体中去除水、干燥非水性液体、使固体脱水等等。该设备利用氧化还原穿梭式电化学电池，该电池被设计成通过将溶解在水中的氧化还原活性物种从阳极循环到阴极并且往回再次循环、以节能的方式从溶解了盐的溶剂中分离盐。电化学电池接受溶解到水中的盐（或弱汲取溶液）的输入，并且将其分成溶解在水中的浓缩盐（或强汲取溶液）的一个输出流和溶解在水中的耗尽水平的盐（或可忽略不计的水平的盐）的第二输出流。

氧化还原穿梭的电化学电池连接在膜界面模块的下游，该膜界面模块为强汲取溶液提供大的表面积，使与待干燥的材料发生膜接触。在膜界面模块处，通过膜从所讨论的材料中吸收水，并将水吸收到强汲取溶液中，从而形成较大体积的弱汲取溶液。弱汲取溶液被再生为较小体积的强汲取溶液，并返回到膜界面模块。

正向渗透是一种通常用于从输入流体中去除水并且进入汲取溶液的技术。无机盐的水溶液（诸如氯化钠）照例用作正向渗透汲取溶液。在汲取溶液从输入流体吸收了水之后，它现在比以前稀释了更多，并且必须重新浓缩（或再生）到其原始浓度，同时去除从进气中吸收的额外的水。

重新浓缩汲取溶液的一种方法是通过加热稀释溶液来蒸发多余的水。这是效率低下的，因为当盐含量高且相对湿度也高时蒸发速率变慢。浓缩液体干燥剂溶液的非热方法将避免这些问题。电渗析非常适合于浓缩盐水，诸如上述汲取溶液；然而，与其他脱盐技术（比如RO）（0.06–0.08 kWh/kg NaCl）相比，其目前消耗相对更多的能量用于除盐（~0.26–0.30 kWh/kg NaCl），但是比热技术（比如蒸气压缩）消耗的能量（0.6–1.0 kWh/kg NaCl）要少。电容去离子使用电能，但也是能量密集型（0.22 kWh/kg NaCl），并且最适合于从水中去除极少量的溶解盐，因为根据定义，电极必须是固体。尽管电渗析是一种可以采用以在任何盐度下处理盐水的技术，但与RO不同，它看到了有限的用途，因为其用于除盐的高单位能量消耗。

在常规的电渗析中，通过法拉第反应在阳极和阴极处将离子驱出水、或将离子驱入水中。在大多数情况下，法拉第反应是水分解的反应：水在阳极被氧化成氧气，并且在阴极被还原成氢气，这然后在电极处产生电荷不平衡，该电荷不平衡通过离子移动通过策略性放置的离子选择性膜来平衡。然而，水分解涉及高能惩罚（energetic penalty），因为这样做需要能量。由于大量的过电位与水的氧化和还原两者都相关联这一事实，该问题被加重。此外，在阳极处生成的氧气、氯气或溴气是高度破坏性的，并且需要使用镀铂/铱的电极。

电化学电池可以用于节能型电渗析，以重新浓缩稀释的盐溶液，并且从已吸收的水中分离出浓缩盐流。在图9和图10中，示图示出了根据示例实施例的电化学电池900、1000。电化学电池900包括：串联的四个室902-905，每个室由适当的离子选择性膜908-910与其相邻室隔开。在这种情况下，使用带正电的氧化还原梭，BTMAP-Fc 508a、508b。在图10中，电化学电池1000使用带负电的氧化还原梭Fe（CN），其具有膜1008-1010的不同布置。注意的是，原则上可以采用任意数量的成对交替的盐室和脱盐室，尽管一旦施加的电压超过1.26 V，可能会在大量室处开始发生水分解。

在一个实施例中，溶解于水中的氧化还原载体在阴极处还原，然后穿梭到阳极，在阳极它被再氧化并且随后重新传递到阴极以完成循环。原则上也可以采用固体氧化还原载体，但是需要大量的载体和频繁地切换盐流和脱盐流，因为固体氧化还原活性材料不能够容易地从电池的一侧传输到另一侧。

原则上，电渗析能够从盐度明显更高的进料流开始，产生盐度远低于0.5 ppt的水。在一个实施例中，采用相同的装置来重新浓缩汲取溶液的流，其通常是无机盐的浓缩溶液。为了使通过从脱盐流到盐流的水交叉（water crossover）的损失最小化，该装置可以由几个不同的电池制成，其中，在几个级中使盐度降低到低水平。另外，氧化还原梭应当理想地以下面的浓度来操作，该浓度使去往或来自盐流和脱盐流两者的净水交叉最小化。为此，BTMAP-Fc是理想的，因为它在水中的溶解度非常高，这可以与干燥剂流的浓度（高达1.9摩尔或〜10摩尔）相匹配。

现在参照图11，示图示出了根据示例实施例的系统，该系统可以用于通过重新浓缩溶液（例如，盐溶液）的流来从输入流体中吸收水。该系统包括：具有盐室1102的电渗析（ED）装置1100，盐流1104流过该盐室1102。ED装置1100包括：通过中央离子选择性膜1108与盐室1102隔开的脱盐室1106。脱盐流1110流过脱盐室1106。脱盐流1110可以替代地在其进入ED装置1100之前与盐流1104拆分1111。阳极电解液室1112和阴极电解液室1114在盐室1102和脱盐室1106的相反的外侧，并且通过第一和第二离子交换膜1116、1118与其隔开。

阳极电解液室1112和阴极电解液室1114之间的离子传输由法拉第反应驱动，该法拉第反应由跨阳极电解液室1112和阴极电解液室1114施加的电压引起。在一个实施例中，一种或多种氧化还原载体流过阳极电解液室1112和阴极电解液室1114，例如，溶解在水中并且从阳极电解液室1112循环到阴极电解液室1114并且往回再次循环的单个氧化还原载体流。注意的是，阳极电解液室1112和阴极电解液室1114可以与此处所示相反地定位，例如，使用不同的氧化还原载体和不同类型的膜1108、1116、1118。

盐流被发送到交换单元1120，该交换单元也耦合到介质流1122。交换单元1120包括：在第一侧与盐流1104接触并且在第二侧与介质流1122接触的水交换界面1124（例如，正向渗透膜）。水1126从介质流1122离开，跨过水交换界面1124，并且进入盐流1104中。介质流1122可以是液体、半固体、固体、凝胶、薄雾等，其包含至少一些可以提取的水。

在该示例中，LiBr被示为流过盐流1104和脱盐流1110的示例汲取溶液溶质。示出了用于脱盐流1110的1％LiBr的示例浓度，但是其可以高于或低于该浓度。可以使用相同或不同的方法将脱盐流1110丢弃，或可选地进行重新浓缩，并馈送回到系统，例如，馈送入室1102、1106中的一个或两个中。其他溶质可以包括NaCl、KCl、CaCl2、CaBr2或LiCl。

如框1128指示的，脱盐流1110仍然包含少量溶解盐，如果盐足够便宜以至于丢弃，则这些盐可以简单地作为废物排放或作为灰水再利用，由此引起操作成本。替换地，可以使用诸如膜渗透蒸发、反渗透或与第一ED装置1100构造类似的第二ED装置之类的技术来重新浓缩脱盐流1110，并且将其往回馈送到ED装置1100的中间级。脱盐流1110还可以包含浓度足够低（低于0.5ppt）以至于可饮用的盐。

在图12中，流程图示出了根据示例实施例的方法。该方法涉及：使1200盐流流过盐室。使1201脱盐流流过脱盐室，该脱盐室通过中央离子选择性膜与盐室隔开。跨阳极电解液室和阴极电解液室施加1202电压，所述阳极电解液室和阴极电解液室在盐室和脱盐室的相反的外侧，并且通过第一和第二离子交换膜与其隔开。电压引起法拉第反应，该法拉第反应引起在阳极电解液室与阴极电解液室之间的离子传输。使1203盐流流过水交换界面的第一侧。使介质流与水交换界面的第二侧接触1204。水交换界面将水从介质流移动到盐流。

再次参考图11，盐流1104和1110中的溶剂不一定必须是水，而可以是任何通用溶剂。流1104、1110中的示例溶剂可以是易混合溶剂的任何组合。示例溶剂包括但不限于水、乙醇、丁醇、异丙醇、乙二醇、二甘醇、N，N-二甲基甲酰胺、1，4-二恶烷、丙酮和四氢呋喃。

盐流1104和脱盐流1110中的溶解溶质要被理解为包括一种或多种可以在ED装置1100中浓缩的电解质。例如，流1104、1110中的电解质可以是可溶于流1104、1110的溶剂中的离子盐的任何组合，所述离子盐包括但不限于海水或废水中遇到的那些。可以存在于电解质中的示例阳离子包括但不限于：水合氢、锂、钠、钾、镁、钙、铝、铵、烷基铵和咪唑井。可以存在于电解质中的示例阴离子包括但不限于：氯化物、溴化物、碘化物、磺酸盐、膦酸盐、碳酸盐、碳酸氢盐、羧酸盐、卤代氧阴离子、硫氧阴离子、磷氧阴离子和氮氧阴离子。

除非另行指定，否则在说明书和权利要求书中使用的所有表示特征大小、量和物理属性的数字都要被理解为在所有情况下均被术语“大约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在前述说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数是近似值，其可以取决于本领域技术人员利用本文中公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。通过端点对数字范围的使用包括该范围内的所有数字（例如，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5）以及该范围内的任何范围。

出于说明和描述的目的，已经呈现了示例实施例的前述描述。该描述不意图是穷尽的或者将所述实施例限制成所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。所公开的实施例的任何或所有特征可以单独地或以任何组合的应用，并不意味着是限制性的，而仅仅是说明性的。意图的是，本发明的范围不用该详细描述来限制，而是由所附于此的权利要求书确定。

Claims

1.一种系统，其包括：

电渗析设备，其包括：

盐室，盐流流过所述盐室；

脱盐室，其通过中央离子选择性膜与盐室隔开，脱盐流流过所述脱盐室；以及

阳极电解液室和阴极电解液室，所述阳极电解液室和所述阴极电解液室在盐室和脱盐室的相反的外侧，并且通过第一和第二离子交换膜与其隔开，在阳极电解液室和阴极电解液室之间的离子传输由法拉第反应驱动，所述法拉第反应由跨阳极电解液室和阴极电解液室施加的电压引起；以及

溶剂交换界面，其在第一侧与盐流接触，并且在第二侧与介质流接触，所述溶剂交换界面将溶剂从介质流移动到盐流。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述介质流包括流体。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述介质流包括固体、半固体或流体与固体或半固体的混合物。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述法拉第反应利用流过阳极电解液室和阴极电解液室的氧化还原载流。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述氧化还原载流从阳极电解液室循环至阴极电解液室并且往回再次循环。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，盐流和脱盐流中的溶剂包括水。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，盐流和脱盐流包括盐溶液。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，盐溶液包括NaCl、KCl、CaCl₂、CaBr₂、LiCl或LiBr中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述溶剂交换界面包括正向渗透膜。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述脱盐流被重新浓缩并且返回到所述电渗析装置。

11.一种方法，其包括：

使盐流流过盐室；

使脱盐流流过通过中央离子选择性膜与盐室隔开的脱盐室；

跨阳极电解液室和阴极电解液室施加电压，所述阳极电解液室和所述阴极电解液室在盐室和脱盐室的相反的外侧并且通过第一和第二离子交换膜与其隔开，所述电压引起法拉第反应，所述法拉第反应导致阳极电解液室和阴极电解液室之间的离子传输；

使盐流流过溶剂交换界面的第一侧；以及

使介质流接触溶剂交换界面的第二侧，所述溶剂交换界面将溶剂从介质流移动到盐流。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述介质流包括流体。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述介质流包括固体、半固体或流体与固体或半固体的混合物。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述法拉第反应利用流过阳极电解液室和阴极电解液室的氧化还原载流。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述氧化还原载流从阳极电解液室循环至阴极电解液室并且往回再次循环。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，盐流和脱盐流中的溶剂包括水。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，盐流和脱盐流包括盐溶液。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，盐溶液包括NaCl、KCl、CaCl₂、CaBr₂、LiCl或LiBr中的至少一种。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述溶剂交换界面包括正向渗透膜。

20.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：重新浓缩脱盐流，并且将重新浓缩的脱盐流返回到盐室和脱盐室中的一个或多个。