CN118201882A - 具有热管理的去离子系统 - Google Patents

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Abstract

一种电化学去离子系统，其维持流过电化学去离子系统的池的溶液料流(例如，海水或咸淡水)的操作温度范围。维持操作温度范围的目的是延长系统的使用寿命并提高电化学去离子系统的整体性能。

Description

具有热管理的去离子系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年8月27日提交的美国申请序列号17/458,804的优先权，该申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及具有热管理的去离子系统。
背景
地球上对新鲜饮用水的需求正在增加。因此，获得用于人类消费、农业和工业用途的新鲜和可饮用水非常重要。除了热过程(例如干燥过程)和机械过程(例如反渗透)之外，通过脱盐过程从海水和/或工业水中除去盐和其它杂质是确保新鲜水安全的重要技术之一。
概括
根据一个实施方案，公开了一种用于从溶液料流中除去离子的电化学去离子系统。该系统包括上游池，该上游池具有至少一个上游隔室，该上游隔室包括上游隔室入口和上游隔室出口。至少一个上游组件被配置为使溶液料流在上游隔室入口与上游隔室出口之间流动。该系统还包括下游池，该下游池具有至少一个下游隔室，该下游隔室包括下游隔室入口和下游隔室出口。至少一个下游组件被配置为使溶液料流在下游隔室入口与下游隔室出口之间流动。至少一个上游隔室与至少一个下游隔室流体连通。该系统还包括第一热装置，该第一热装置被配置为在进入至少一个上游隔室之前将溶液料流加热至升高的温度。该系统还包括第二热装置，该第二热装置被配置为在进入至少一个下游隔室之前将溶液料流冷却至低于升高的温度的降低的温度。降低的温度和升高的温度处于电化学去离子系统的操作温度范围内，其中一种或多种电化学阻抗和一种或多种降解机制效应在操作温度范围内降低。
根据另一个实施方案，公开了一种用于从溶液料流中除去离子的电化学去离子系统。该系统包括具有第一上游隔室和第二上游隔室的上游池。第一上游隔室具有第一入口和第一出口。第一上游隔室被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动。第二上游隔室具有第一入口和第一出口。第二上游隔室被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动。该系统还包括具有第一下游隔室和第二下游隔室的下游池。第一下游隔室具有第一入口和第一出口。第一下游隔室被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动。第二下游隔室具有第一入口和第一出口。第二下游隔室被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动。该系统还包括第一热装置，该第一热装置被配置为在进入第一上游隔室之前将进入第一上游隔室的溶液料流的部分加热到第一升高的温度。该系统还包括第二热装置，该第二热装置被配置为在进入第二上游组件之前将进入第二上游隔室的溶液料流的部分加热到第二升高的温度。该系统还包括第三热装置，该第三热装置被配置为将离开第一上游隔室的溶液料流的部分冷却至低于第一升高的温度的第一降低的温度。该系统还包括第四热装置，该第四热装置被配置为将离开第二上游隔室的溶液料流的部分冷却至低于第二升高的温度的第二降低的温度。第一和第二降低的温度和升高的温度处于电化学去离子系统的操作温度范围内，其中一种或多种电化学阻抗和一种或多种降解机制效应在操作温度范围内降低。
在又一个实施方案中，公开了一种用于从溶液料流中除去离子的电化学去离子系统。该系统包括热管理计算机，该热管理计算机包括非暂时性计算机可读介质，该介质包括用于电化学去离子系统的热管理的指令，在所述指令由处理器执行时，使得处理器执行操作。该操作包括从电化学去离子系统的下游温度传感器接收指示溶液料流的温度的数据。该操作还包括响应于指示溶液料流的温度的数据和一个或多个热模型来确定流过去离子系统的溶液料流的实际温度范围。该操作还包括响应于实际温度范围将上游和/或下游热信号发送至上游和/或下游热装置，以通过试图将实际温度范围维持在电化学去离子系统的操作温度范围内的调节来调节上游和/或下游热装置的加热速率和/或冷却速率，其中一种或多种电化学阻抗和一种或多种降解机制效应在操作温度范围内降低。上游热装置和下游热装置被配置为分别调节溶液料流的上游部分和下游部分的温度。
附图简述
图1描绘了电容式去离子(CDI)池的示意图。
图2a和图2b描绘了插入式脱盐(IDI)池的示意图。
图3描绘了混合电容式去离子(HCDI)池的一个实例的示意图。
图4描绘了根据一个实施方案的电化学去离子系统的示意图。
详细描述
本文描述了本公开的实施方案。然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是实例，并且其它实施方案可以采用各种和替代形式。这些附图不一定按比例；某些特征可能会被放大或最小化以显示特定组件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为教导本领域技术人员以不同方式使用实施方案的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参考任一附图图示和描述的各种特征可以与一个或多个其它附图中图示的特征组合以产生未明确图示或描述的实施方案。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施方案。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可能是特定应用或实施所需要的。
除实例中或另有明确说明外，本说明书中表示材料量或反应和/或使用条件的所有数值均应理解为在描述本发明的最广泛范围时由词语“约”修饰。通常优选在规定的数值界限内实践。此外，除非有相反的明确说明：百分比、“份数”和比率值均按重量计；将一组或一类材料描述为适合或优选用于与本发明相关的给定目的意味着该组或类中任何两种或更多种成员的混合物同样适合或优选；化学术语中的成分描述是指添加到描述中指定的任何组合时的成分，并不一定排除混合后混合物成分之间的化学相互作用。
首字母缩略词或其它缩写词的第一个定义适用于同一缩写词在本文中的所有后续使用，并比照适用于最初定义的缩写词的正常语法变体；并且，除非有相反的明确说明，否则对属性的测量是通过与先前或以后针对相同属性引用的相同技术来确定的。
还必须注意的是，如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数对象，除非上下文清楚地另有说明。例如，提及单数的组件旨在包括多个组件。
如本文所用，术语“基本”、“大致”或“约”是指所讨论的量或值可以是指定的特定值或其附近的一些其它值。通常，表示特定值的术语“约”旨在表示在该值的+/-5％内的范围。作为一个实例，短语“约100”表示100+/-5的范围，即从95到105的范围。通常，当使用术语“约”时，可以预期在所示值的+/-5％的范围内可以获得根据本发明的类似结果或效果。术语“基本”可以修改在本公开中公开或要求保护的值或相关特征。在这种情况下，“基本”可表示它所修饰的值或相关特性在该值或相对特征的±0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％之内。
还应当理解，整数范围明确地包括所有中间整数。例如，整数范围1-10明确包括1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。类似地，范围1至100包括1、2、3、4…97、98、99、100。类似地，当要求任何范围时，作为上限和下限之差除以10的增量的中间数可以取为替代性上限或下限。例如，如果范围是1.1至2.1，则可以选择以下数1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0作为下限或上限。类似地，每当本文提供列表整数时，还应当理解，整数列表明确地包括列表内的任何两个整数的范围。
在本文所述的实例中，浓度、温度和反应条件(例如压力、pH、流量等)可以用实例中提供的值的舍入或舍位至两位有效数字所指示的值的正负50％来实施。在一个改进中，浓度、温度和反应条件(例如压力、pH、流量等)可以用实例中提供的值的舍入或舍位至两位有效数字所指示的值的正负30％来实施。在另一个改进中，浓度、温度和反应条件(例如压力、pH、流量等)可以用实例中提供的值的舍入或舍位至两位有效数字所指示的值的正负10％来实施。
对于所有表示为具有多个字母和数字下标的经验化学式(例如CH2O)的化合物，下标的值可以是被舍入或舍位至两位有效数字所指示的值的正负50％。例如，如果指示为CH2O，则为式C(0.8-1.2)H(1.6-2.4)O(0.8-1.2)的化合物。在一个改进中，下标的值可以是被舍入或舍位至两位有效数字所指示的值的正负30％。在再一个改进中，下标的值可以是被舍入或舍位至两位有效数字所指示的值的正负20％。
如本文所用，术语“和/或”是指所述组的所有或仅一个要素可存在。例如，“A和/或B”是指“仅A，或仅B，或A和B两者”。在“仅A”的情况下，术语还涵盖了B不存在的可能性，即“仅A，而不是B”。
还应当理解，本发明不限于下面描述的具体实施方案和方法，因为具体的组件和/或条件当然可变化。此外，本文所用的术语仅用于描述本公开的特定实施方案的目的，而不旨在以任何方式进行限制。
术语“包含”与“包括”、“具有”、“含有”或“特征为”同义。这些术语是包含性的和开放式的，并且不排除附加的、未列举的要素或方法步骤。
短语“由…组成”排除权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求主体条款中而不是紧跟在前序部分之后时，其仅限制该条款中阐述的要素；其它要素不排除在作为整体的权利要求之外。
短语“基本由…组成”将权利要求的范围限制到指定的材料或步骤，加上那些不会实质影响所要求保护的主题的基本和新颖的(一个或多个)特性的材料或步骤。
关于术语“包含”、“由…组成”和“基本由…组成”，在这三个术语中的一个在本文中使用的情况下，本发明所公开和要求保护的主题可以包括使用另外两个术语中的任一个。
术语“一个或多个”表示“至少一个”，并且术语“至少一个”表示“一个或多个”。术语“一个或多个”和“至少一个”包括“多个”作为子集。
与一个或多个实施方案相关的适用于给定目的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的任何两个或更多个成员的混合物是合适的。化学术语中的成分描述是指在加入到说明书中指定的任何组合中时的成分，并且不一定排除一旦混合混合物的成分之间的化学相互作用。首字母缩略词或其它缩写的首次定义适用于相同缩写在本文中的所有后续使用，并且比照适用于最初定义的缩写词的正常语法变体。除非有相反的明确说明，否则对属性的测量是通过与先前或以后针对相同属性引用的相同技术来确定的。
反渗透和热蒸馏是从溶液中除去离子的系统的两个实例。虽然两种系统在对具有高盐度的盐水溶液(例如海水)进行脱盐方面非常有效，但是这些系统与相对较高的成本和能耗相关。具有高盐度的盐水溶液中溶解盐的浓度可以是以下值之一或者在以下值中的任意两个的范围内：30,000；31,000；32,000；33,000；34,000；35,000；36,000；37,000；38,000；39,000；和40,000ppm。具有较低盐度的盐水溶液例如咸淡水的脱盐可以通过使用电化学脱盐系统例如电渗析系统或电容式去离子系统来完成。这些系统可以通过从盐水溶液料流中部分除去一种或多种类型的离子来处理盐水溶液。具有较低盐度的盐水溶液中溶解盐的浓度可以是以下值之一或者在以下值中的任意两个的范围内：1,500；2,000；3,000；4,000；5,000；6,000；7,000；8,000；9,000；10,000；11,000；12,000；13,000；14,000；和15,000ppm。
水源的脱盐可以通过在电化学池中通过施加电能来产生离子的电荷分离进行电容式去离子(CDI)来执行。因此，CDI池通常包含两个电极，其中阴离子和阳离子可以通过吸附和/或双层形成储存在电极材料的表面处。CDI池包括被配置为吸附离子的碳基电极。活性炭材料可用作基底，以在施加电位时构建电化学双层。在碳基电极对之间流动的盐水溶液料流可以通过减少溶液料流中的离子数量来脱盐。当该电极对之间的电位反转或通过短接产生电位的电路时，吸附的离子被配置为通过离子解吸而释放到具有高浓度溶解盐的浓盐水(brine)溶液中。
针对电化学脱盐池的另一提议使用被配置为将一种或多种类型的离子插入到基质(host)结构中的流通式脱盐池组(battery cell)。这种类型的电化学脱盐池可称为插入式水脱盐(IDI)池。在IDI池中，两个阳离子插层电极交替地从两个独立的水料流或水储器中吸收阳离子并将阳离子释放到两个独立的水料流或水储器。通常，两个电极是对称的(例如，相同的活性材料和电极组成、孔隙率、厚度等)。离子交换膜(通常是阴离子交换膜)放置在这两个电极之间并分隔两个不同的盐水隔室，其中一个是净化的(例如，除去离子)，而另一个是浓缩的(例如，添加离子)。
与基于电吸附的电化学脱盐系统(例如依赖于高表面积电极的电容式去离子(CDI)池)相比，IDI池可具有一项或多项优点。电极的表面积可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1,000、1,050和1,110m2/g。例如，IDI系统的电极通常具有更高的可用容量，以用于较低盐度溶液的脱盐。这些更高的可用容量可以提高效率和/或降低电极的磨损。作为另一个实例，由于IDI池不依赖于高表面积电极来实现相对高的容量，因此IDI池比典型CDI池中的电极更不容易受到结垢的影响。此外，插层化合物可以选择性地从溶液料流中除去特定类型的目标离子，当溶液满足给定应用的大多数但不是全部质量标准时，这是有利的。
电化学去离子池的第三种替代方案是混合电容式去离子(HCDI)池。HCDI使用阳离子插层基质电极并结合阴离子交换膜进行水脱盐和清洁过程。HCDI池具有与另一侧上的碳基电极(例如，多孔碳、活性炭等)耦合的一个阳离子插层基质电极。
图1描绘了电容式去离子(CDI)池10的示意图。CDI池10包括第一碳基电极12、第二碳基电极14和在其间延伸的隔室16。第一碳基电极12和/或第二碳基电极14可由活性炭、中孔碳、分级多孔碳、碳纳米管、石墨烯、碳气凝胶及其组合形成。隔室16包括入口18，入口18被配置为通入盐水溶液，如由箭头20所示。盐水溶液可以是咸淡水或海水。对盐水溶液施加力，使得盐水溶液从入口18通过隔室16流到出口22。可以通过泵施加力。
如图1中所示，电源通过电路24施加电流以在第一碳基电极12和第二碳基电极14之间产生电位，使得第一碳基电极12具有正电荷并且第二碳基电极14具有负电荷。当盐水溶液料流过隔室16时，阴离子26(例如氯阴离子)被吸引并吸附在第一碳基电极12上，如由箭头28所示，并且阳离子30(例如钠阳离子)被吸引并吸附在第二碳基电极14上，如由箭头32所示。第一碳基电极12和/或第二碳基电极14可具有高表面积以使被吸附的离子的数量最大化。电极的表面积可以是下列任意值或者在下列值的任意两个的范围内：400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1,000、1,050和1,110m2/g。当盐水溶液从出口22离开时，溶液的盐度大大降低，使得新鲜溶液从出口22离开，如由箭头34所示。新鲜溶液可以是由咸淡水产生的脱盐淡水溶液。当切换电路24的极性时，吸附的离子物类被释放回盐水溶液料流中，从而产生高度浓缩的浓盐水溶液。
IDI池可被配置为同时处理第一盐水溶液料流和第二盐水溶液料流，例如第一咸淡水料流和第二咸淡水料流，以产生稀释溶液料流和浓缩溶液料流。图2A和图2B描绘了IDI池50的示意图。IDI池包括第一插层电极和第二插层电极。第一插层电极52和第二插层电极54被阴离子交换膜56隔开。当向第一插层电极和第二插层电极施加电位时，来自基本充满侧的阳离子被解吸以产生浓盐水溶液料流，同时包括基本空的电极的相邻隔室中的阳离子通过插入到基本空的电极中而从进料溶液中除去。
第一插层电极52包括第一基底51和被施加到第一基底51的第一插层基质53。第二插层电极54包括第二基底55和被施加到第二基底55的第二插层基质57。在一个或多个实施方案中，离子选择性膜或阴离子交换构件放置在第一插层电极52和/或第二插层电极54的表面与盐水溶液之间。这种配置允许释放的阳离子与来自相反池隔室的阴离子重新结合。可以使用透水隔离件(未示出)来防止第一插层电极52和第二插层电极54之间的电接触。
第一隔室58形成在第一插层电极52和阴离子交换膜56之间。第二隔室60形成在第二插层电极54和阴离子交换膜56之间。如由箭头62所示，将第一盐水溶液进料到第一隔室58中。如由箭头64所示，将第二盐水溶液进料到第二隔室60中。第一盐水溶液和/或第二盐水溶液可以是咸淡水。
第一插层电极52和第二插层电极54各自具有在操作期间连续变化的荷电状态(SOC)。例如，第一插层电极52可以在100％SOC开始并且第二插层电极54可以在0％SOC开始。当IDI池50操作时，第一插层电极52的SOC从100％下降到0％，而第二插层电极54的SOC从0％上升到100％。在该“半循环”结束时，至少在IDI池50的最终出口处，电流(或电压)翻转并且池反向运行，同时与阀的切换协调操作，使得废物料流(浓盐水)和净化料流根据需要继续提供在IDI池50中。
图2A描绘了IDI池50的第一半循环操作并且图2B描绘了IDI池50的第二半循环操作。在第一半循环操作开始时，第一插层电极52是基本空的并且第二插层电极54是基本满的。在第一半循环操作期间，电源通过电路68施加电流以在第一插层电极52和第二插层电极54之间产生电位，使得第一插层电极52具有正电荷而第二插层电极54具有负电荷。图2A示出了其中阳离子70从第一插层电极52释放到第一隔室58中、而第二隔室60中的阳离子70插入到第二插层电极54中的状态。在每个半循环操作期间，阴离子72穿过阴离子交换膜56并与从第一插层电极52和第二插层电极54之一释放的阳离子70重新结合。IDI池50被配置为供应连续的淡水料流。当盐水溶液(例如，咸淡水)流过IDI池50并且由电源通过电路68施加电流时，钙和/或镁阳离子被插入到第一插层基质53或第二插层基质57中，并且阴离子(例如，氯和碳酸根阴离子)穿过阴离子交换膜56传输而在相对的第一隔室58或第二隔室60中积累。来自第一隔室58或第二隔室60之一的出口溶液被软化(例如，含有较低浓度的钙和/或镁阳离子)，而第一隔室58和第二隔室60中的另一个盐度富集并且被认为是废水料流。
图3描绘了混合电容式去离子(HCDI)系统100的示意图。HCDI池100包括与碳基电极104呈层对层配置的阴离子交换膜102。阴离子交换膜102可以接触碳基电极104。HCDI池100包括与插层基质108呈层对层配置的阳离子交换膜106。阳离子交换膜106可以接触插层基质108。隔室110形成在间隔开的阴离子交换膜102和阳离子交换膜106之间。HCDI池100可被配置为基于离子插层和电吸附的组合来脱盐和软化盐水溶液。
隔室110包括被配置为通入盐水溶液的入口112，如由箭头114所示。盐水溶液可以是咸淡水或海水。对盐水溶液施加力，使得其通过隔室110从入口112流到出口116，如由箭头122所示。进料盐水溶液料流内的阳离子118通过插层被除去，而阴离子120被吸附在碳基电极104上。阴离子交换膜102被配置为通过减少共离子吸附(例如碳基电极104上的共离子吸附)来提高效率。由于HCDI池100的非对称性质，盐水溶液仅在一个半循环期间被脱盐。
虽然上面公开的去离子系统足以从溶液料流中除去离子，但是仍然需要用热管理系统改进去离子系统。在一个或多个实施方案中，热管理系统与去离子系统一起使用以实现一种或多种益处。热管理系统可被配置为维持去离子系统内的每个池和/或池模块的一个或多个隔室中的溶液的操作温度范围。可以选择操作温度范围，使得温度范围的上限不超过可能导致池组件中的一个或多个过早热降解的温度。可以选择期望的温度范围，使得温度范围的下限足够高以促进快速反应动力学和/或避免寄生反应。
在CDI或IDI系统中，第一水料流和第二水料流分别依次流过CDI或IDI池系列，其中当电流同时通过一个或多个池或池堆叠体(stack)时，一个料流的一个或多个目标离子浓度(例如，溶解盐浓度)在给定池内并从上游池到下游池降低(例如，连续降低)，且另一个料流的一个或多个目标离子浓度(例如，溶解盐浓度)增加(例如，连续增加)。
电化学去离子系统(例如CDI、IDI和HCDI系统)存在固有阻抗(例如欧姆阻抗、动力学阻抗和扩散阻抗)，这会导致能量效率低下和/或产生废热。此外，当这些电化学去离子系统涉及对流流体流动时，由于电化学去离子系统的移动流体和静止固体组件之间的摩擦而产生热量。由于这种摩擦，系统中流体的温度趋于从第一个池的入口到最后一个池的出口升高。
相对较低的流体温度往往会导致较高的电化学阻抗，且因此可能导致高产热率。此外，这些高阻抗往往会增加寄生副反应的驱动力，例如水系统中H2和O2的生成。寄生副反应可能进一步降低系统效率，并可能导致电极容量之间平衡的漂移(例如，随着时间的推移会降低有效池容量)，并且在最坏的情况下可驱使系统的过早老化。此外，由于碳酸钙或其它盐的沉淀而导致的系统结垢会随着时间的推移使电极表面失活，并且这种沉淀在温度相对较低时在较低盐浓度下发生。因此，避免操作温度过低有一些优点。另一方面，将系统温度提高得太高会驱使其它不需要的降解机制(例如，热驱动的寄生反应、活性材料的溶解等)。
因此，合意的是维持整个电化学去离子系统的操作温度范围以延长系统的寿命并提高系统的整体性能。一个或多个实施方案，提供了一种电化学去离子系统，其使流过电化学去离子系统的池的流体(例如，海水或咸淡水)维持这样的操作温度范围。
图4描绘了根据一个实施方案的电化学去离子系统200。电化学去离子系统200包括第一池202、第二池204和第n池206。电化学脱盐系统200可以具有位于第二池204和第n池206之间的多个池。如图4中所示，池202、204和206串联布置。在一个或多个实施方案中，池可以串联、并联或其组合布置。
第一池202包括第一隔室208和第二隔室210。第二池204包括第一隔室212和第二隔室214。第N池206包括第一隔室216和第二隔室218。第一流体料流分别流过第一池202、第二池204和第n池206的第一隔室208、212和216。第二流体料流分别流过第一池202、第二池204和第n池206的第二隔室210、214和218。尽管图4描绘了池202、204和206内的并流布置，但是在一个或多个实施方案中可以实施逆流和错流布置。尽管图4将电化学去离子系统200描绘为具有各自具有两个隔室的池的IDI系统，但是一个或多个实施方案的热管理系统和方法可应用于具有一个隔室池的其它电化学脱盐系统，例如CDI系统和HCDI系统。
第一温度传感器220和第二温度传感器222分别连接到第一池202的第一隔室208和第二隔室210。第一温度传感器220和第二温度传感器222被配置为感测指示分别流过第一池202的第一隔室208和第二隔室210的流体的温度的数据。如图4中所示，第一温度传感器220和第二温度传感器222分别布置在第一池202的第一隔室208和第二隔室210的入口处或附近。在其它实施方案中，这些温度传感器可以定位在隔室的中间部分中或者定位在隔室的出口处或附近。在一些实施方案中，多于一个的传感器可连接到隔室以沿着隔室的长度或其它维度在两个或更多个位置处感测指示流经隔室的流体的温度的数据。第一温度传感器220和第二温度传感器222电连接至控制器224。第一温度传感器220和第二温度传感器222可以无线连接到控制器224。在其它实施方案中，第一温度传感器220和第二温度传感器222各自接线至控制器224。
第一热装置226和第二热装置228被配置为分别加热和/或冷却流过第一隔室208和第二隔室210的流体，以分别升高或降低流过第一隔室208和第二隔室210的流体的温度。在一个或多个实施方案中，第一热装置226和第二热装置228被配置为均匀地加热和/或冷却分别包含在第一池202的第一隔室208和/或第二隔室210内的全部体积的流体。第一热装置226和/或第二热装置228可分别位于第一池202的第一隔室208和第二隔室210的内部。例如，热装置可以是具有盘管的热交换器，其被配置为使流体在与流过隔室的流体的温度不同的温度下流过其中。第一热装置(heating device)226和/或第二热装置228可以分别在第一隔室208和第二隔室210的外部。第一热装置226和/或第二热装置228还可用于加热和/或冷却在相邻池或池模块的隔室之间的管道中流动的流体。第一热装置226和/或第二热装置228电连接到控制器224。第一热装置226和/或第二热装置228可以无线连接到控制器224。在其它实施方案中，第一热装置226和/或第二热装置228各自接线至控制器224。
第一温度传感器230和第二温度传感器232分别连接到第二池204的第一隔室212和第二隔室214。第一温度传感器230和第二温度传感器232被配置为感测指示分别流过第二池204的第一隔室212和第二隔室214的流体的温度的数据。如图4中所示，第一温度传感器230和第二温度传感器232分别布置在第二池204的第一隔室212和第二隔室214的入口处或附近。在其它实施方案中，这些温度传感器可以定位在隔室的中间部分中或者定位在隔室的出口处或附近。在一些实施方案中，多于一个的传感器可连接到隔室以沿着隔室的长度或其它维度在两个或更多个位置处感测指示流经隔室的流体的温度的数据。第一温度传感器230和第二温度传感器232电连接到控制器224。第一温度传感器230和第二温度传感器232可以无线连接到控制器224。在其它实施方案中，第一温度传感器230和第二温度传感器232各自接线至控制器224。
第一热装置234和第二热装置236被配置为分别加热和/或冷却流过第一隔室212和第二隔室214的流体，以分别升高或降低流过第一隔室212和第二隔室214的流体的温度。在一个或多个实施方案中，第一热装置234和第二热装置236被配置为分别均匀地加热或冷却包含在第一隔室212和/或第二隔室214内的全部体积的流体。第一热装置226和/或第二热装置228可分别位于第一隔室208和第二隔室210的内部。例如，热装置可以是具有盘管的热交换器，其被配置为使流体在与流过隔室的流体的温度不同的温度下流过其中。第一热装置234和/或第二热装置236可分别在第一隔室212和第二隔室214的外部。第一热装置226和/或第二热装置228还可用于加热和/或冷却在相邻池或池模块的隔室之间的管道中流动的流体。第一热装置234和/或第二热装置236电连接至控制器224。第一热装置234和/或第二热装置236可无线连接到控制器224。在其它实施方案中，第一热装置234和/或第二热装置236各自接线至控制器224。
第一温度传感器238和第二温度传感器240分别连接到第n池206的第一隔室216和第二隔室218。第一温度传感器238和第二温度传感器240被配置为感测指示分别流过第n池206的第一隔室216和第二隔室218的流体的温度的数据。如图4中所示，第一温度传感器238和第二温度传感器240分别布置在第n池206的第一隔室216和第二隔室218的入口处或附近。在其它实施方案中，这些温度传感器可以定位在隔室的中间部分中或者定位在隔室的出口处或附近。在一些实施方案中，多于一个的传感器可连接到隔室以沿着隔室的长度或其它维度在两个或更多个位置处感测指示流经隔室的流体的温度的数据。第一温度传感器238和第二温度传感器240电连接至控制器224。第一温度传感器238和第二温度传感器240可以无线连接到控制器224。在其它实施方案中，第一温度传感器238和第二温度传感器240各自接线至控制器224。
第一热装置242和第二热装置244被配置为分别加热和/或冷却流过第一隔室216和第二隔室218的流体，以分别升高或降低流过第一隔室216和第二隔室218的流体的温度。在一个或多个实施方案中，第一热装置242和第二热装置244被配置为分别均匀地加热或冷却包含在第一隔室216和/或第二隔室218内的全部体积的流体。第一热装置242和/或第二热装置244可分别位于第一隔室242和第二隔室244的内部。例如，热装置可以是热交换器，其被配置为使流体在与流过隔室的流体的温度不同的温度下流过其中。第一热装置242和/或第二热装置244可分别在第一隔室216和第二隔室218的外部。第一热装置242和/或第二热装置244还可用于加热和/或冷却在相邻池或池模块的隔室之间的管道中流动的流体。第一热装置242和/或第二热装置244电连接到控制器224。第一热装置242和/或第二热装置244可无线连接至控制器224。在其它实施方案中，第一热装置242和/或第二热装置244各自接线至控制器224。
在一个实施方案中，在接纳第一入口流体料流和第二入口流体料流进入第一隔室208和第二隔室210之前，可以使用热装置加热第一入口流体料流和第二入口流体料流。第一入口流体料流和第二入口流体料流可以用电加热器加热。第一入口流体料流和第二入口流体料流可被加热至预热温度范围内的温度。预热温度范围可以是任何以下温度：40、45、50、55、60、65、70、75、80和85℃。当流体流过去离子系统的池或模块(例如，一组两个或更多个堆叠的池)时，可以使用一个或多个冷却装置来冷却预热的流体。流体可以在串联连接的池或模块之间以预定时间间隔进行冷却。所述预定时间间隔可以为以下任意值或者以下任意两个值的范围：1秒、15秒、30秒、45秒、1分钟、2分钟、3分钟、4分钟、5分钟、6分钟、7分钟、8分钟、9分钟、10分钟、11分钟、12分钟、13分钟、14分钟和15分钟。可以利用其它操作间隔。当基于传感器读数的温度超过特定设定点时，可以触发冷却，该特定设定点也可取决于盐浓度。当温度下降至第二温度(其可以是浓度的函数)时，则暂停冷却。
一个或多个温度传感器(例如，温度传感器220、222、230、232、238和240)可用于在去离子系统的不同位置处感测流过流体的温度。来自一个或多个温度传感器的一个或多个感测到的温度可被发送至控制器224。控制器224可以具有用于存储一种或多种热模型(例如，一种或多种估计算法)的存储器，其被配置为响应于接收感测到的温度值来估计流过去离子系统的池的流体的实际温度范围。实际温度范围可包括整个流体流动路径(例如，去离子系统的所有池)或其一部分(例如，去离子系统的一个或多个池的一个或多个隔室)的温度分布。控制器224可具有处理器以响应于实际温度范围来增加或减少去离子系统200的加热速率和/或冷却速率。例如，控制器224可响应于实际温度范围发送用于调节(例如，增加、减少和/或维持)加热和/或冷却流体的流量的信号。作为另一个实例，控制器224可以响应于实际温度范围发送用于调节(例如，增加、减少和/或维持)热装置(例如，电热装置或燃烧热装置)的加热速率的信号。又一实例是响应于实际温度范围来调节(例如，增加、减少和/或维持)冷却装置(例如，第二态压缩机)的冷却速率。流经去离子系统的(一个或多个)隔室的流体被控制以维持在较低的温度阈值，其中较高的电化学阻抗不会遇到或被最小化。较低的温度阈值可以是以下值中的任意值或者在以下值中的任意两个值的范围内：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20℃。该过程还可以维持较窄的操作温度范围，其上限用于避免将流体过热到不希望的降解机制(例如，热驱动的寄生反应、活性材料的溶解等)发生的点。
在另一个实施方案中，热管理系统包括将流过中间、下游池的流体与流过入口池或中间、上游池的流体进行换热。流过一个或多个中间、下游池的流体具有比流过一个或多个入口池或中间、上游池的流体的较低温度范围更高的升高的温度范围。流过一个或多个中间、下游池的流体的升高的温度预热流过一个或多个入口池或中间、上游池的流体，同时将流过一个或多个中间、下游池的流体的温度降低至在可接受的温度范围内并且低于最高期望温度。在一个实施方案中，可以使用热交换器来将热量从下游流体直接转移到上游流体。在另一个实施方案中，使用具有两个热交换器的单独的流体回路。其中一个热交换器从下游流体除去热量，而另一个热交换器向上游流体增加热量。另一个实施方案是一种通过流体再循环(在第一池之前或者从第一池的出口到入口)来提高入口料流的温度的系统和方法，从而利用流体的摩擦来将其加热。
每个池或模块的可接受操作温度范围可取决于每个料流在池或模块系列中该点处的平均盐浓度。例如，在该系列的下游，净化料流相对于源水具有较低的盐浓度，而废水料流具有较高的盐浓度。相对于源水，具有这些更极端盐浓度的水往往具有更高的电化学电阻，并且将温度升高到超出系列中的第一池或模块的操作温度范围的上限可有利于降低该电阻并避免废物料流中的沉淀(例如，盐析)和净化料流中的H2析出。在下游池或模块中包括再循环回路是因摩擦损失而升高的温度的一种方法。
一种或多种实施方案的电化学去离子系统可具有一个或多个传感器，其被配置为感测指示一个或多个池或池模块的一种或多种目标离子的浓度的数据。感测到的数据可被发送到控制器224。控制器224可以使用感测到的浓度数据以及感测到的温度以及热模型和/或估计算法来确定可接受的操作温度范围。
在一种或多种应用中，水被软化或以其它方式净化以及加热至期望的操作温度。例如，洗碗机或洗衣机中使用的水通常是热的或被加热以改善清洁或消毒，或提供舒适的沐浴温度。对于去离子装置的耐用性和性能来说，这些温度可能是不可接受的。因此，一个或多个实施方案的去离子系统可包括热处理模块，其被配置为将流出物净化料流加热至最终应用可接受的第二温度范围。在一个实施方案中，进入去离子装置的流体可被冷却，然后在退出时被重新加热。在全屋软化系统中，水软化器可以位于热水器之前，以避免温度过高并提高热水器的耐用性，并且可以与热水器热集成以优化整个去离子系统的温度。
本文公开的过程、方法或算法可以是可递送至处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机实施，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，过程、方法或算法可以以多种形式存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在不可写存储介质如ROM设备上的信息和可改变地存储在可写存储介质，例如软盘、磁带、CD、RAM设备以及其它磁性和光学介质上的信息。过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实施。或者，过程、方法或算法可以全部或部分地使用合适的硬件组件来体现，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或设备，或硬件、软件和固件组件的组合。
尽管上面描述了示例性实施方案，但并不意指这些实施方案描述了权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前所述，可以组合各种实施方案的特征以形成可未明确描述或示出的本发明的其它实施方案。虽然各种实施方案可以已经被描述为提供优点或者相对于其他实施方案或现有技术实现方式在一个或多个期望的特性方面是优选的，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的总体系统属性，其取决于具体应用和实现方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命循环成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、组装容易性等。因此，就一个或多个特性而言，在任何实施方案被描述为比其它实施方案或现有技术实施方案不那么合意的程度上，这些实施方案不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可以是合意的。一种或多种实施方案的去离子系统的应用包括水脱盐(例如，将咸淡水或咸水转化为纯净水，用于饮用、农业、工业应用、发电、电解等)和水软化(例如，有针对性地除去硬离子例如钙和镁)，以提高用水管道和器具(例如洗碗机或蒸汽炉)的耐用性。

Claims (20)

1.一种用于从溶液料流中除去离子的电化学去离子系统，所述系统包括：
上游池，其具有至少一个上游隔室，所述上游隔室包括上游隔室入口和上游隔室出口，并且被配置为使溶液料流在上游隔室入口和上游隔室出口之间流动；
下游池，其具有至少一个下游隔室，所述下游隔室包括下游隔室入口和下游隔室出口，并且被配置为使溶液料流在下游隔室入口和下游隔室出口之间流动，所述至少一个上游隔室与所述至少一个下游隔室流体连通；
第一热装置，其被配置为在溶液料流进入至少一个上游隔室之前将其加热至升高的温度；和
第二热装置，其被配置为在溶液料流进入至少一个下游隔室之前将其冷却至低于所述升高的温度的降低的温度，所述降低的温度和所述升高的温度处于电化学去离子系统的操作温度范围内，其中一种或多种电化学阻抗和一种或多种降解机制效应在操作温度范围内降低。
2.根据权利要求1所述的电化学去离子系统，其中所述第二热装置被配置为在溶液料流离开所述上游隔室出口之后将其冷却。
3.根据权利要求1所述的电化学去离子系统，其中所述第一热装置是流体热交换器装置，其被配置为使来自所述下游池的所述溶液料流的至少一部分流过与所述上游池热连通的所述流体热交换器装置。
4.根据权利要求3所述的电化学去离子系统，其中所述第二热装置是流体热交换器装置，其被配置为在与所述上游池热连通之后返回所述溶液料流的所述至少一部分。
5.根据权利要求3所述的电化学去离子系统，其中所述第一热装置是来自下游池的溶液料流的所述部分在上游装置的溶液料流中的再循环，以在流体料流内产生摩擦。
6.根据权利要求1所述的电化学去离子系统，其中所述第一热装置是被配置为向流经所述上游池的溶液料流添加热量的第一流体热交换器装置，并且所述第二热装置是被配置为从流经所述下游池的溶液料流移除热量的第二流体热交换器装置。
7.根据权利要求1所述的电化学去离子系统，其中所述电化学去离子系统包括一个或多个电容式去离子(CDI)池、一个或多个插入式脱盐(IDI)池、一个或多个混合电容式去离子(HCDI)池或其组合。
8.根据权利要求1所述的电化学去离子系统，其中所述上游池和所述下游池串联布置。
9.一种用于从溶液料流中除去离子的电化学去离子系统，所述系统包括：
上游池，其具有第一上游隔室和第二上游隔室，所述第一上游隔室具有第一入口和第一出口并被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动，并且第二上游隔室具有第一入口和第一出口并被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动；
下游池，其具有第一下游隔室和第二下游隔室，第一下游隔室具有第一入口和第一出口并被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动，并且第二下游隔室具有第一入口和第一出口并被配置为使溶液料流的一部分在第一入口和第一出口之间流动；
第一热装置，其被配置为在进入第一上游隔室之前将进入第一上游隔室的溶液料流的部分加热至第一升高的温度；
第二热装置，其被配置为在进入第二上游隔室之前将进入第二上游隔室的溶液料流的部分加热到第二升高的温度；
第三热装置，其被配置为将离开第一上游隔室的溶液料流的部分冷却至低于第一升高的温度的第一降低的温度；和
第四热装置，其被配置为将离开第二上游隔室的溶液料流的部分冷却至低于第二升高的温度的第二降低的温度，第一降低的温度、第二降低的温度、第一升高的温度和第二升高的温度在电化学去离子系统的操作温度范围内，其中一种或多种电化学阻抗和一种或多种降解机制效应在操作温度范围内降低。
10.根据权利要求9所述的电化学去离子系统，还包括第五热装置，其被配置为在离开所述下游池时加热所述溶液料流。
11.根据权利要求9所述的电化学去离子系统，其中所述上游池和/或所述下游池由上游和/或下游池堆叠体模块组成，所述上游和/或下游池堆叠体模块包括两个或更多个堆叠的池。
12.根据权利要求9所述的电化学去离子系统，其中所述上游池和所述下游池串联布置。
13.根据权利要求9所述的电化学去离子系统，其中所述电化学去离子系统包括一个或多个插入式脱盐(IDI)池。
14.根据权利要求9所述的电化学去离子系统，其中所述第一热装置和第二热装置是电加热器。
15.一种用于从溶液料流中除去离子的电化学去离子系统，所述系统包括：
热管理计算机，其包括非暂时性计算机可读介质，所述介质包括用于电化学去离子系统的热管理的指令，所述指令在由处理器执行时，使所述处理器执行以下操作：
从电化学去离子系统的下游温度传感器接收指示溶液料流的温度的数据；
响应于指示溶液料流的温度的数据和一个或多个热模型来确定流经去离子系统的溶液料流的实际温度范围；和
响应于实际温度范围，将上游热信号和/或下游热信号发送到上游热装置和/或下游热装置，以通过试图维持电化学去离子系统的操作温度范围内的实际温度范围的调节来调节上游热装置和/或下游热装置的加热速率和/或冷却速率，其中一种或多种电化学阻抗和一种或多种降解机制效应在操作温度范围内降低，上游热装置和下游热装置被配置为分别调节溶液料流的上游部分和下游部分的温度。
16.根据权利要求15所述的电化学去离子系统，其中所述调节是加热速率和/或冷却速率的增加、减少或维持。
17.根据权利要求15所述的电化学去离子系统，其中所述实际温度范围是所述电化学去离子系统的流体流动路径的至少一部分的温度部分。
18.根据权利要求15所述的电化学去离子系统，其中所述上游热装置和/或下游热装置是被配置为使流体分别以上游流量和/或下游流量流过所述上游流体热交换器装置和/或下游流体热交换器装置，并且调节是流量之一或两者的增加、减少或维持。
19.根据权利要求15所述的电化学去离子系统，其中响应于预定时间间隔重复所述发送操作。
20.根据权利要求15所述的电化学去离子系统，其中所述操作还包括：从所述电化学去离子系统的下游离子浓度传感器接收指示所述溶液料流的离子浓度的数据，并且所述发送操作包括响应于实际温度范围和指示溶液料流的离子的数据向上游热装置和/或下游热装置发送上游和/或下游热信号。
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