CN113401988B - 一种分离装置及其水处理设备 - Google Patents
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Abstract
一种分离装置及其水处理设备，按照脱盐的液流方向，多级电去离子装置设置有依次串联的N个处理单元，N为大于1的自然数；每个处理单元包含一对电极对及处于构成所述电极对的两个电极之间的至少一张双极膜，一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值；任意一个处理单元的有效值不小于其后的任意一个后级处理单元的有效值，且至少存在一个处理单元的有效值大于其后的至少一个后级处理单元的有效值。本发明通过在水路前端设置脱盐率高，能整体提高脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种多级电去离子装置及其水处理设备。
背景技术
一种新型家用净水器使用电去离子技术，基于离子交换的原理。离子交换是采用离子交换材料从液流中提取或去除液流中离子的方法之一。目前，离子交换已广泛应用于水的纯化与软化；海水、苦咸水淡化；溶液(如糖液)的精制和脱色等各种应用。离子交换材料除了广泛使用的离子交换树脂球或粉末外，另一种重要形式是离子交换膜，是含有离子交换基团的、由高分子材料制成的薄膜。全部含有阳离子交换基团的被称为阳离子交换膜(阳膜)，全部含有阴离子交换基团的被称为阴离子交换膜(阴膜)。
现有技术中的多级电去离子装置，每级处理单元对对液体的处理性能基本一致。这种结构的装置，当多级电去离子装置长时间运行后，前级膜堆性能衰减极快，极大地影响后级膜堆的入水质量和使用寿命，从而影响多级电去离子装置的整体性能，制水率低。
因此，针对现有技术的不足，提供一种多级电去离子装置及其水处理设备以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种多级电去离子装置及具有该装置的水处理设备，能够避免现有技术中由于双极膜膜堆结构单一，前级膜堆的性能下降快的问题，通过提高前级膜堆的脱盐率和制水率，提高整体制水率。
本发明的目的通过以下技术措施实现。
提供一种多级电去离子装置，按照脱盐的液流方向，设置有依次串联的N个处理单元，N为大于1的自然数；
对于任意一个处理单元，串联在该处理单元前级水路的都是该处理单元的前级处理单元，串联在该处理单元后级水路的都是该处理单元的后级处理单元；
每个处理单元包含一对电极对及处于构成所述电极对的两个电极之间的至少一张双极膜，一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值；
任意一个处理单元的有效值不小于其后的任意一个后级处理单元的有效值，且至少存在一个处理单元的有效值大于其后的至少一个后级处理单元的有效值。
优选的，上述多级电去离子装置，同类离子交换基团总量为阳离子交换膜中的阳离子交换基团总量、阴离子交换膜中的阴离子交换基团总量中的至少一种。
优选的，上述多级电去离子装置，至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量大于或者等于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量。
优选的，上述多级电去离子装置，至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量是每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量的1.05～10倍。
优选的，上述多级电去离子装置，至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量是每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量的2.5～4倍。
优选的，上述多级电去离子装置，任意一个处理单元中每张双极膜的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度分别不小于其后任意一个后级处理单元中每张双极膜中对应的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度；
至少存在一个处理单元中每张双极膜的阳离子交换膜或者阴离子交换膜的厚度中的至少一个厚度大于其后任意一个后级处理单元中每张双极膜中对应的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度。
优选的，上述多级电去离子装置，双极膜中的阳离子交换膜由多张子阳离子交换膜复合构成。
优选的，上述多级电去离子装置，双极膜中的阴离子交换膜由多张子阴离子交换膜复合构成。
优选的，上述多级电去离子装置，构成同一双极膜的阳离子交换膜干膜片的厚度为0.1mm～5mm，阴离子交换膜干膜片的厚度为0.1mm～5mm。
优选的，上述多级电去离子装置，构成同一双极膜的阳离子交换膜干膜片的厚度为0.5mm～4mm，阴离子交换膜干膜片的厚度为0.5mm～4mm。
优选的，上述多级电去离子装置，任意一个处理单元中的双极膜数量不小于其后任意一个后级处理单元中的双极膜数量，且至少存在一个处理单元中的双极膜数量大于其后的至少一个后级处理单元中的双极膜数量。
优选的，上述多级电去离子装置，至少存在一个处理单元的一对电极对中含有一个多孔电极。
优选的，上述多级电去离子装置，所述多孔电极设置有多孔材料。
优选的，上述多级电去离子装置，多孔材料具有孔径在0.5至50纳米之间的多孔结构。
优选的，上述多级电去离子装置，所述多孔材料为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、金属粉末、金属氧化物和导电聚合物中的一种或多种。
优选的，上述多级电去离子装置，所述多孔电极还设置有集电体，集电体与多孔材料层叠设置。
优选的，上述多级电去离子装置，所述集电体的材料选自金属、金属合金、石墨、石墨烯、碳纳米管和导电塑料中的一种或多种。
优选的，上述多级电去离子装置，所述多孔电极还设置有离子交换膜，多孔材料和离子交换膜层叠设置。
优选的，上述多级电去离子装置，所述多孔电极中的离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜。
优选的，上述多级电去离子装置，一个多孔电极具有阳离子交换膜，定义为阳膜电极；另一个多孔电极具有阴离子交换膜，定义为阴膜电极；
最靠近阳膜电极的双极膜中的阴离子交换膜面向阳膜电极；
最靠近阴膜电极的双极膜中的阳离子交换膜面向阴膜电极。
本发明提供的一种多级电去离子装置，按照脱盐的液流方向，设置有依次串联的N个处理单元，N为大于1的自然数；对于任意一个处理单元，串联在该处理单元前级水路的都是该处理单元的前级处理单元，串联在该处理单元后级水路的都是该处理单元的后级处理单元；每个处理单元包含一对电极对及处于构成所述电极对的两个电极之间的至少一张双极膜，一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值；任意一个处理单元的有效值不小于其后的任意一个后级处理单元的有效值，且至少存在一个处理单元的有效值大于其后的至少一个后级处理单元的有效值。该多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
本发明的另一目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种具有多级电去离子装置的水处理设备。该水处理设备能够避免现有技术中由于双极膜处理单元结构单一，前级处理单元的性能下降快的问题，通过提高前级处理单元的脱盐率和制水率，从而提高多级电去离子装置的整体制水率，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
本发明的目的通过以下技术措施实现。
提供一种水处理设备，具有多级电去离子装置。
本发明提供的一种水处理设备，具有多级电去离子装置。多级电去离子装置，按照脱盐的液流方向，设置有依次串联的N个处理单元，N为大于1的自然数；对于任意一个处理单元，串联在该处理单元前级水路的都是该处理单元的前级处理单元，串联在该处理单元后级水路的都是该处理单元的后级处理单元；每个处理单元包含一对电极对及处于构成所述电极对的两个电极之间的至少一张双极膜，一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值；任意一个处理单元的有效值不小于其后的任意一个后级处理单元的有效值，且至少存在一个处理单元的有效值大于其后的至少一个后级处理单元的有效值。该具有多级电去离子装置的水处理设备，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
附图说明
利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是一种双极膜的结构示意图。
图2是本发明实施例1的多级电去离子装置的结构示意图。
图3是一个处理单元脱盐状态的示意图。
图4是图3的处理单元再生状态的示意图。
图5是本发明实施例5中的处理单元A长期脱盐性能实验结果。
图6是本发明实施例5中的处理单元B长期脱盐性能实验结果。
图7是本发明实施例5中的处理单元C长期脱盐性能实验结果。
图8是本发明实施例5中的处理单元D长期脱盐性能实验结果。
图9是本发明实施例11的多级电去离子装置的处理单元的脱盐状态的示意图。
图10是本发明实施例11的多级电去离子装置的处理单元的脱盐状态的示意图。
图11是本发明实施例12的多级电去离子装置的处理单元的脱盐状态的示意图。
在图1至图11中，包括：
电极一100、电极二200、
双极膜300、阳离子交换膜310、阴离子交换膜320、
处理单元一61、处理单元二62、处理单元三63、
集电体一130、多孔材料一110、多孔电极的阴离子交换膜一120、
集电体二230、多孔材料二210、多孔电极的阳离子交换膜二220。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
本说明书提及的“去离子”即从待处理液体中除去离子，包括各种价态的阴离子和阳离子。在大部分情况下，“去离子”与“脱盐”具有同样的含义。在某些情况下，去离子也被称之为脱除矿物质。
实施例1。
一种多级电去离子装置，如图1所示，按照脱盐的液流方向，设置有依次串联的N个处理单元，N为大于1的自然数。N的数量可以根据需要设置选择，如设置为2至100，也可以设置为其它需要的数量。
对于任意一个处理单元，串联在该处理单元前面水路(也称为前级水路)的都是该处理单元的前级处理单元，串联在该处理单元后面水路(也称为后级水路)的都是该处理单元的后级处理单元。
每个处理单元包含一对电极对及处于构成该电极对的两个电极之间的至少一张双极膜，一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值。
任意一个处理单元的有效值不小于其后的任意一个后级处理单元的有效值，且至少存在一个处理单元的有效值大于其后的至少一个后级处理单元的有效值。
本实施例的多级电去离子装置，处理单元是能够进行净水处理的最小单元，包括至少一对电极及设置于两个电极之间的多个双极膜。处理单元、外部管路及电源等构成电去离子装置，电去离子装置是能够独立进行净水的装置。
如图1所示，双极膜300由复合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，构成同一张双极膜的阳离子交换膜310与阴离子交换膜320之间无流道。
本说明书提及的“串联”是指基于流道液流产出液的流向而决定的。例如，若两个处理单元串联，则从前一个处理单元流道的产出液进入后一个处理单元的流道。
以图2所示一种多级去离子装置的结构形式为例进行说明，该多级去离子装置有三个处理单元，分别为处理单元一61、处理单元二62和处理单元三63，三个处理单元依次串联。在脱盐时，液流先进入处理单元一61进行脱盐，从处理单元一61产出的液体再进入处理单元二62进行脱盐，从处理单元二62产出的液体进入处理单元三63进行脱盐，经处理单元三63脱盐后排出纯水。
相对于处理单元二62，处理单元一61位前级处理单元，处理单元三63为后级处理单元；相对于处理单元一61，处理单元二62、处理单元三63均为后级处理单元；同理，相对于处理单元三63，处理单元一61、处理单元二62均为前级处理单元。
图2中每个处理单元中均含有两张双极膜300，需要说明的是，构成多级去离子装置的处理单元的数量不局限于图1中的三个，可以根据需要设置为其它数量。每个处理单元所含有的双极膜300的数量可以相同，也可以不同，可以为三张，也可以为其它数量，不局限图2的方式。
以其中一级的处理单元为例，对处理单元的工作过程进行说明。如图3、图4所示，该处理单元设置有电极一100、电极二200以及位于电极一100、电极二200之间的两张双极膜300，每张双极膜300由复合在一起的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成。电极可为金属电极如钌钇电极、碳电极、石墨电极、电容电极等，双极膜为市售的双极膜。处理单元的脱盐过程，如图3所示。当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中的离子，如图4所示。有不同处理单元串联形成整体多级电去离子装置，在脱盐或者再生过程中，每个处理单元中分别进行脱盐或者再生的原理是相同的。
阳离子交换膜中含有阳离子交换基团，阴离子交换膜中含有阴离子交换基团。阳离子交换基团能够吸附原水中的盐正离子，且置换出氢离子，阴离子交换基团能够吸附原水中的盐负离子，且置换出氢氧根离子。双极膜中离子交换基团含量越高，双极膜对原水中的盐离子吸附能力越强，使得双极膜的脱盐能力更强。
一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值，同类离子交换基团总量选择阳离子交换膜中的阳离子交换基团总量、阴离子交换膜中的阴离子交换基团总量中的至少一种。可以选择以一个参数指标或者两个参数指标同时进行比对判断，如以阳离子交换膜中的阳离子交换基团总量为对比参数，则比较前后级处理单元中的所有双极膜的阳离子交换基团总量；如以阴离子交换膜中的阴离子交换基团总量为对比参数，则比较前后级处理单元中的所有双极膜的阴离子交换基团总量；如同时以阳离子交换膜中的阳离子交换基团总量、阴离子交换膜中的阴离子交换基团总量为对比参数，则将前后级的所有双极膜的阳离子交换基团总量进行对比，同时还需比较比较前后级处理单元中的所有双极膜的阴离子交换基团总量，在同时满足的情况下得出对比结论。
该多级电去离子装置，任意一个处理单元的有效值不小于其后的任意一个后级处理单元的有效值，且至少存在一个处理单元的有效值大于其后的至少一个后级处理单元的有效值。当前级处理单元的离子交换基团总量大于后级处理单元的离子交换基团总量时，前级处理单元比后级处理单元的脱盐率更高，制水量更大。
因此，该多级电去离子装置，水路的前端脱盐总量高，相应地靠前的处理单元的制水量大。制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例2。
一种多级电去离子装置，按照脱盐的液流方向，依次设置有多个处理单元，每个处理单元中含有相同数量的双极膜，每张双极膜的阳离子交换膜面向相同极性的电极。
按照脱盐的液流方向，每个在先的前级处理单元中的有效值大于与其相邻的后面一个后级处理单元的有效值。
该多级电去离子装置，顺着脱盐方向，每级处理单元处理的总盐量逐渐减小。该多级电去离子装置，通过处理单元的有效值使得越靠前的处理单元制水量越大。大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
需要说明的是，本实施例中，每个处理单元所设置有双极膜数量相同。在实际中，也可以选择前后级所设置的双极膜的数量不同。
实施例3。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1或2相同，不同之处在于：至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量大于或者等于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量。通常，为了保持平衡，常规的双极膜的阳离子交换膜中的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量等于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量。
然而，本申请采用每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量大于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量的双极膜作为处理单元中的部分双极膜，可以提高该双极膜的长期工作性能，减少处理单元因频繁倒极再生而中断制水的情况。
为了达到双极膜的阳离子交换膜中的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量大于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量，可以采用两种方式。一种方式，在同一张双极膜中提高每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量，阴离子交换膜中的阴离子数量保持不变，这种不对称的双极膜可以提高该双极膜的长期工作性能，减少处理单元因频繁倒极再生而中断制水的情况。第二种方式，在同一张双极膜中同时提高每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量和每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量，也可以提高该双极膜的长期工作性能，但是不如第一种方式方便。
需要说明的是，处于前级的处理单元中可以全部采用此类不对称双极膜，也可以仅部分膜片采用不对称的双极膜。一般以在流道前端的几个处理单元采用不对称双极膜效果较好。可以是部分处理单元里面设置有这种不对称的双极膜，也可以是全部处理单元中设置有这种双极膜。
本实施例的多级电去离子装置，能够提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。且可以提高该双极膜的长期工作性能，减少处理单元因频繁倒极再生而中断制水的情况。
实施例4。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例3相同，不同之处在于：还具有如下技术特征，任意一个处理单元中每张双极膜的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度分别不小于其后任意一个后级处理单元中每张双极膜中对应的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度。且至少存在一个处理单元中每张双极膜的阳离子交换膜或者阴离子交换膜的厚度中的至少一个厚度大于其后任意一个后级处理单元中每张双极膜中对应的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度。
在同等膜面积及同等单位面积具有相同的离子交换基团数量前提下，增加膜片的厚度，相应地能够提高离子交换膜内的离子交互基团数量。
因此，本实施例的多级电去离子装置，能够提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。且可以提高该双极膜的长期工作性能，减少处理单元因频繁倒极再生而中断制水的情况。
实施例5。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例4相同，不同之处在于：双极膜中的阳离子交换膜由多张子阳离子交换膜复合构成。双极膜中的阴离子交换膜由多张子阴离子交换膜复合构成。
处理单元膜的阳离子交换膜可由多张子阳离子交换膜贴合构成。同一双极膜的阴离子交换膜可由多张子阴离子交换膜贴合构成。在膜片面积、单位面积内所含有的离子交换基团数量、每层膜片厚度相同的前提下，可以直接通过叠加的子离子交换膜的数量改变离子交换膜的离子交换基团总量。
本实施例的一种前级处理单元选用处理单元A,B,C,D进行脱盐率的实验，其中，处理单元A的双极膜A由1张子阳离子交换膜和1张子阴离子交换膜热压贴合构成；处理单元B的双极膜B由2张子阳离子交换膜和2张子阴离子交换膜热压贴合构成；处理单元C的双极膜C由1张子阳离子交换膜和2张子阴离子交换膜热压贴合构成；处理单元D的双极膜D由2张子阳离子交换膜和1张子阴离子交换膜热压贴合构成；所有双极膜的膜面积都为0.2m2，所有子阳离子交换子、阴离子交换膜的厚度一致。实验步骤为：将4种处理单元分别安装进电去离子装置中，然后分别向处理单元A,B,C,D中以0.5L/min的流速通入750ppm NaCl溶液，NaCl溶液一次性流过，4种处理单元的脱盐率随时间变化情况如图5至8所示。本发明的方案为处理单元B与处理单元D。
处理单元长期性能实验结果：处理单元A的脱盐率在300分钟后从48％-52％衰减到38％-52％，在900分钟后衰减到26％-43％。处理单元B的脱盐率在1100分钟内维持在80％以上，在1200后缓慢衰减到70％-80％。处理单元C的脱盐率在400分钟后从70％以上衰减到65％-80％，在1200后缓慢衰减到40％-60％。处理单元D的脱盐率在1700分钟内一直维持在70％以上。由实验结果可知，本发明的方案的处理单元B与处理单元D的双极膜设计可以达到最好的长期脱盐效果，即处理单元中所有双极膜每平方厘米离子交换膜的离子交换基团总量越大，长期脱盐效果好；更进一步地，处理单元中所有双极膜每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量大于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量，长期脱盐效果最佳。
本实施例的多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例6。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1至5中任意一个实施例相同，不同之处在于：至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量是每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量的1.05～10倍。双极膜的阴、阳离子交换基团总量在此比例下，处理单元的长期脱盐效果好，且可以控制生产成本。
本实施例的多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例7。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量是每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量的2～5倍。双极膜的阴、阳离子交换基团总量在此比例下，处理单元的长期脱盐效果好，且可以有效控制生产成本。
本实施例的多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例8。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1至7相同，不同之处在于：构成同一双极膜的阳离子交换膜干膜片的厚度为0.1mm～5mm，阴离子交换膜干膜片的厚度为0.1mm～5mm。此厚度内为市售离子交换膜的常规规格，可以控制处理单元的合理体积，并满足净水需要。
本实施例的多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例9。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1相同，不同之处在于：构成同一双极膜的阳离子交换膜干膜片的厚度为0.5mm～4mm，阴离子交换膜干膜片的厚度为0.5mm～4mm。此厚度内为市售离子交换膜的常规规格，可以有效控制处理单元的合理体积，并满足净水需要。
本实施例的多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐总量高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例10。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1至9中任意一个相同，不同之处在于：任意一个处理单元中的双极膜数量不小于其后任意一个后级处理单元中的双极膜数量，且至少存在一个处理单元中的双极膜数量大于其后的至少一个后级处理单元中的双极膜数量。通过前后级处理单元中流道的设计，使前级的处理单元的流道更多，处理的水量更多。解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例11。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1至10中任意一个相同，不同之处在于：一对电极组中至少包括一个多孔电极。
一对电极组可以由两个多孔电极构成，也可以是由一个多孔电极和一个普通电极构成。普通电极如金属电极、具有钌钇涂层的钛电极、钌钇电极、碳电极、石墨电极等。
其中，多孔电极可由多孔材料构成，或者由多孔材料和集电体层叠构成，或者由集电体、多孔材料和离子交换膜依次层叠形成。离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜，当含有离子交换膜的时，多孔电极中的离子交换膜靠近双极膜。多孔电极中的阳离子交换膜或者阴离子交换膜可以根据实际需要灵活选择。
多孔材料可以是具有大比表面的任意导电材料，比如，比表面大于100m2/g的导电材料。在一些实施例中，多孔材料为疏水的导电材料。多孔材料具有孔径在0.5至50纳米之间的多孔结构。多孔材料可为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、金属粉末(如镍)、金属氧化物(如氧化钌)和导电聚合物中的一种或多种制备而成的导电体。在某一实施例中，所述多孔材料是由活性炭制成的厚度在100至5000微米范围内的片状或板状结构，优选厚度在200至2,500微米范围内，另外，所述活性炭片状结构的孔径介于0.5至20纳米之间，优选介于1至10纳米之间。
采用多孔电极能够减轻滤芯的结垢风险。由于离子交换膜中含有或者吸附有离子带电单位，因此，当多孔电极处离子的量不足以完成解吸附过程时，通过在离子交换膜中的离子被释放出来以帮助完成解吸附过程，使电极上的过量电荷得到缓冲。这样，结垢风险会大大降低。
集电体用于与导线或电源相连接，也称作“集流体”。集电体由选自金属、金属合金、石墨、石墨烯、碳纳米管和导电塑料中的一种或多种材料形成。集电体可以是板、网、箔或片等任何合适的形式。在一些实施例中，集电体可以是金属或金属合金制成，合适的金属包括钛、铂、铱或铑等，优选地包括钛，而合适的金属合金可以是不锈钢等。在另一些实施例中，集电体可以由导电碳材料制成，例如石墨、石墨烯、碳纳米管等。在另一些实施例中，集电体是由导电塑料材料，例如聚烯烃(如，聚乙烯)制成的，且其中可混合导电的炭黑或金属颗粒等。在一些实施例中，集电体为片状或板状结构，厚度可以在50微米至5毫米的范围内。在一些实施例中，集电体和多孔电极具有大致相同的形状和/或尺寸。
需要说明的是，当多孔材料的多孔性和导电性足够时，多孔材料本身可以起到集电体的作用时，也可不设置集电体。
以附图9、10的一种交换单元为例进行说明，该交换单元双含有，
由一对多孔电极一100、多孔电极二200构成的电极对，由于两个多孔电极，因此此对电极构成特征电极组；
设置于电极对之间的两张双极膜300，每个双极膜300由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，构成同一个双极膜300的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320之间无流道，两张双极膜300之间的排列方式相同；
以及由电极与膜堆或者膜堆与膜堆之间形成的流道。
本实施例中，多孔电极一100由集电体一130和多孔材料一110层叠形成，多孔电极一100为阴膜电极。多孔电极二200由集电体二230和多孔材料二210依次层叠形成，多孔电极二200为阳膜电极。多孔电极可由集电体、多孔材料层叠在一起夹紧即可，不需要使用粘结剂；或者也可以通过热贴合固定或者通过粘结剂粘结。
多孔电极中的阳离子交换膜或者阴离子交换膜可以根据实际需要灵活选择。
双极膜300由贴合在一起的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320构成，构成同一个双极膜的阳离子交换膜310和阴离子交换膜320夹紧即可，不需粘结剂；也可以将阳离子交换膜310和阴离子交换膜320热贴合构成。阳离子交换膜310和阴离子交换膜320之间无流道，双极膜与双极膜之间形成流道或者双极膜与电极之间形成流道。市面上销售的双极膜均可作为本方案中的双极膜，在此不再赘述。
本实施例中，多孔电极一100、多孔电极二200电极之间的双极膜300为两个，两个双极膜300的排列方向相同，排列方向相同指每张双极膜300的阳离子交换膜310的朝向相同，当然对应的每张双极膜300的阴离子交换膜320的朝向也必然相同。需要说明的是，双极膜300的数量不限于本实施例中的两个，可以根据实际需要灵活设置，一般电极对之间的双极膜300为1-50个，甚至更多。
该处理单元的脱盐过程如图9所示，当脱盐进行一段时间后，需要进行倒极再生，以释放出吸附在双极膜上的水中离子，如图10所示。
本实施例的方式下，能实现脱盐和再生。在脱盐状况下，多孔材料会吸附原水中的阴离子和阳离子，没有选择性，吸附效率约50％。在再生状况下，多孔材料中的阴离子和阳离子会脱附到流道中去实现再生。
本实施例中的处理单元，在制水时，所有单通道同时制备水，没有浓水产生。再生时，倒极即可实现再生，再生过程也是单通道进行。因此，水路结构简单。
由于重复利用了双极膜的膜面积，电解离子交换的方式大大提高了离子交换的速度和效率。故该处理单元，采用多孔电极及双极膜的结构，能够避免现有技术中极水水解产生气体及结垢的问题，且能够提高脱盐率，具有制水率高、水资源浪费少的特点。采用多孔电极较普通电极，采用多孔电极的处理单元整体脱盐效率可以提高8％以上。
本实施例的多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例12。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例11中任意一个相同，不同之处在于：处理单元的多孔电极一100由集电体一130、多孔材料一110、阴离子交换膜一120依次层叠形成，多孔电极一100为阴膜电极；多孔电极二200由集电体二230、多孔材料二210、阳离子交换膜二220依次层叠形成，多孔电极二200为阳膜电极，如图11所示。多孔电极可由集电体、多孔材料、离子交换膜层叠在一起夹紧即可，不需要使用粘结剂；或者也可以通过热贴合固定或者通过粘结剂粘结。
实验发现，采用多孔电极不仅解决了金属电极生成气体的问题，而且可以实现极室流道单独出水的设计。而且采用多孔电极较普通电极，采用多孔电极的电去离子装置整体脱盐效率可以提高10％以上，脱盐效率大幅提高。这是因为多孔电极可以吸附原水的离子，这种吸附效率比双极膜片的离子交换效率要高。可见，本实施例采用多孔电极的电去离子装置的整体性能优良。
本实施例的多级电去离子装置，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
实施例13。
一种多级电去离子装置，其它特征与实施例1至12中任意一个相同，不同之处在于：设置有依次串联的N个处理单元，N为大于1的自然数。每个处理单元包含一对电极对及处于构成该电极对的两个电极之间的至少一张双极膜，一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值。
至少存在一个处理单元的有效值大于或者等于其它处理单元的有效值。
本实施例的多级电去离子装置，可通过有效值大的处理单元处理较多的水，对水流的处理进行分配。
实施例14。
一种水处理设备，具有如实施例1至8中的任意一种所述的多级电去离子装置，该水处理设备可用于工业或者家用水处理。本文提及的工业用水处理设备的用途的示例包括但不限于工业污水处理、市政污水处理、海水淡化、盐水处理、河湖水处理、乳酪乳清脱矿物质等。工业用水处理设备包括，除了本发明实施例的双极膜电去离子装置以外，其还可包括例如絮凝和/或混凝单元、高级氧化单元、吸附单元、电解单元、膜分离单元(包括微滤、超滤、纳滤和反渗透中的一种或多种)中的一种或多种。
本发明实施例的家用水处理设备，除了本发明实施例的多级电去离子装置以外，一般还包括例如超滤、纳滤、活性炭吸附单元、紫外杀菌单元中的一种或多种。
该水处理设备，通过在水路前端设置脱盐率高，制水量大的前级处理单元，大幅提高后级处理单元的入水质量和使用寿命，解决了多级电去离子装置长时间运行后，前级处理单元性能衰减快的问题，并对后级处理单元起到保护作用，从而提高多级电去离子装置的整体脱盐率和制水率，延长整机的使用寿命，减少水资源浪费，同时能够减小滤芯尺寸，使设备结构紧凑，适用于工业和家用水处理。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (20)
1.一种多级电去离子装置，其特征在于：按照脱盐的液流方向，设置有依次串联的N个处理单元，N为大于1的自然数；
对于任意一个处理单元，串联在该处理单元前级水路的都是该处理单元的前级处理单元，串联在该处理单元后级水路的都是该处理单元的后级处理单元；
每个处理单元包含一对电极对及处于构成所述电极对的两个电极之间的至少一张双极膜，一个处理单元中的所有双极膜中的同类离子交换基团总量定义为该处理单元的有效值；
任意一个处理单元的有效值不小于其后的任意一个后级处理单元的有效值，且至少存在一个处理单元的有效值大于其后的至少一个后级处理单元的有效值；
同类离子交换基团总量为阳离子交换膜中的阳离子交换基团总量、阴离子交换膜中的阴离子交换基团总量中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的多级电去离子装置，其特征在于：至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量大于或者等于每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量。
3.根据权利要求2所述的多级电去离子装置，其特征在于：至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量是每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量的1.05～10倍。
4.根据权利要求3所述的多级电去离子装置，其特征在于：至少一个处理单元中的至少一张双极膜的每平方厘米阳离子交换膜的阳离子交换基团总量是每平方厘米阴离子交换膜的阴离子交换基团总量的2.5～4倍。
5.根据权利要求1所述的多级电去离子装置，其特征在于：任意一个处理单元中每张双极膜的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度分别不小于其后任意一个后级处理单元中每张双极膜中对应的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度；
至少存在一个处理单元中每张双极膜的阳离子交换膜或者阴离子交换膜的厚度中的至少一个厚度大于其后任意一个后级处理单元中每张双极膜中对应的阳离子交换膜、阴离子交换膜的厚度。
6.根据权利要求1所述的多级电去离子装置，其特征在于：双极膜中的阳离子交换膜由多张子阳离子交换膜复合构成。
7.根据权利要求1所述的多级电去离子装置，其特征在于：双极膜中的阴离子交换膜由多张子阴离子交换膜复合构成。
8.根据权利要求1所述的多级电去离子装置，其特征在于：构成同一双极膜的阳离子交换膜干膜片的厚度为0.1mm～5mm，阴离子交换膜干膜片的厚度为0.1mm～5mm。
9.根据权利要求8所述的多级电去离子装置，其特征在于：构成同一双极膜的阳离子交换膜干膜片的厚度为0.5mm～4mm，阴离子交换膜干膜片的厚度为0.5mm～4mm。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的多级电去离子装置，其特征在于：任意一个处理单元中的双极膜数量不小于其后任意一个后级处理单元中的双极膜数量，且至少存在一个处理单元中的双极膜数量大于其后的至少一个后级处理单元中的双极膜数量。
11.根据权利要求1至9任意一项所述的多级电去离子装置其特征在于：至少存在一个处理单元的一对电极对中含有一个多孔电极。
12.根据权利要求11所述的多级电去离子装置，其特征在于：所述多孔电极设置有多孔材料。
13.根据权利要求12所述的多级电去离子装置，其特征在于：多孔材料具有孔径在0.5至50纳米之间的多孔结构。
14.根据权利要求12所述的多级电去离子装置，其特征在于：所述多孔材料为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、金属粉末、金属氧化物和导电聚合物中的一种或多种。
15.根据权利要求14所述的多级电去离子装置，其特征在于：所述多孔电极还设置有集电体，集电体与多孔材料层叠设置。
16.根据权利要求15所述的多级电去离子装置，其特征在于：所述集电体的材料选自金属、金属合金、石墨、石墨烯、碳纳米管和导电塑料中的一种或多种。
17.根据权利要求12所述的多级电去离子装置，其特征在于：所述多孔电极还设置有离子交换膜，多孔材料和离子交换膜层叠设置。
18.根据权利按要求17所述的多级电去离子装置，其特征在于：所述多孔电极中的离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜。
19.根据权利要求18所述的多级电去离子装置，其特征在于：
一个多孔电极具有阳离子交换膜，定义为阳膜电极；另一个多孔电极具有阴离子交换膜，定义为阴膜电极；
最靠近阳膜电极的双极膜中的阴离子交换膜面向阳膜电极；
最靠近阴膜电极的双极膜中的阳离子交换膜面向阴膜电极。
20.一种水处理设备，其特征在于：具有如权利要求1至19中任意一项所述的多级电去离子装置。
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