CN1200960A - 电去电离垫料和装置 - Google Patents

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Abstract

电去电离单元组合装置的垫料具有包括多个由节流阀部分连接以形成串联流道的流道部分的螺旋形串联流道。串联流道包以离子交换材料。集流管孔位于串联流道的相对端。刚性端口位于每个集流管孔和串联流道端点之间。多个垫料以面对面的关系层叠,以使集流管也形成液体流进每个串联流道和从每串联流道流出的管道。

Description

电去电离垫料和装置
本发明涉及电去电离装置，更具体地说，涉及用于在直流驱动力的作用下转移液体中的离子以达到液体高度去盐目的的便宜的垫料。
电去电离作用是一种已知的达到含水液体的高水平去盐目的的手段。所述过程涉及诸如离子交换树脂的离子交换材料，离子交换材料处在原始液流中或者处在负离子和正离子交换薄膜之间的垫料构成的离子耗尽室中。需要去盐的含水原始液流在耗尽室中循环。
在许多美国专利中详细地描述了电去电离过程。最近授予的比较重要的专利是：4066375；4203976；4349422；4465673；4632745；4727929；4871431；4925541；4931160；4956071；4969983；5066375；5116509；510416；5203976；5292422；5308466和5316637。这些专利中公开的用于离子耗尽室中的垫料或室(即含有离子交换材料的室)，有各种结构。
美国专利4465573描述了含有以离子交换树脂填充的狭窄的“曲折”流道的垫料。这些流道由从液流进口延伸到出口的多个平行的肋片构成。需要去离子(纯化)的水流通过这些流道。专利的垫料设计很复杂，要求仔细筛选原始液流和浓缩液流的垫料组分，并将有很高的压降。
美国专利4632745；4747929；4925541；4931160和4956071(被授予Millipore公司)描述一种垫料、装置和处理过程，其中原始液流(也称为耗尽或者离子耗尽)室的间隔构造包括原始液流的进口和出口，而分布集流管与进口和中央部分相沟通。分布集流管向中央部分送料。中央部分的厚度与垫料的厚度相同，且由沿中央部分长度方向延伸的多个肋片形成，以构成宽度为由两相邻肋片或肋片与一相邻的垫料的纵向边缘部分之间的距离的分室。在中央部分，还有从集流管延伸至分室进口的指板(finger)。离子交换材料填充此分室、原始溶液和可选地填充浓缩室。
分室相当狭窄，最好在0.5至1.5英寸之间。为确保良好的密封，离子交换膜胶合或焊在原始溶液室垫料上。此设计相当复杂且要求密封在垫料上的很大的薄膜面积。因而，此密封区无法用于离子去除。使用多个平行分室改善了垫料的刚性及离子换树脂的容量；然而，它要求很大的液体分布面积并可能会导致液体分布问题。
美国专利4066375；4203976；5130416；(被授予Ionics公司)涉及垫料设计和向组装的去电离叠层导入或去除离子交换树脂和其他粒子的电去电离装置。此设计要求有第三套相当大开放进口集流管以允许所述树脂和粒子的导入和去除，或要求其他两通道(即进口或出口)之一允许所述粒子的进入和流出。为形成原始液流和浓缩室之间良好的密封，特别是在第三进口集流管处，薄膜必需足够固定且不易于膨胀/褶皱。使用第三套端口引起另一些密封问题和提供给实际去盐操作的有用薄膜面积的减小。
虽然向组装垫料和薄膜而形成的电去电离叠层充入或去除粒子的能力很强，但如果出现薄膜污塞、泄漏或破损问题，还必须拆卸此叠层。另外，没有确保去盐室的适当封装，特别是对大型叠层和涉及多流道时。如果采用毡式或纤维式离子交换材料代替树脂粒，此设计也变得十分繁琐。
美国专利4249422(被授予IP Holding)公开了一种改善了薄膜和垫料间密封的电去电离装置。该装置采取多个碟形稀释和浓缩单元(cell)对。此装置方便了向各个单元充入离子交换树脂。虽然对较早的设计有一些改进，它还是相当复杂。
因而，存在着对改进的电去电离垫料和可以更大地利用离子交换膜且可能使用高性能，即薄形、有更大选择性、低电阻或非加强型薄膜的相关装置的需求，此薄膜也许易于膨胀/褶皱。这些薄膜在中央区被足够地支撑且对原始液流和缩浓室垫料密封。
还存在着对一种确保良好的液流和电流分布且具有对于液流的低的总压降的垫料的需求。垫料也应包含离子交换材料，而在操作延伸期没有过多的树脂粒迁移。
还存在着对构造简单，即可大尺寸构造(总面积超过1平方米)、对树脂粒或毡/布式离子交换材料均可有效利用，且在电去电离装置内易于组装/拆卸的垫料的进一步的需求。
与本发明的一个方面相符合，垫料构造便宜：(a)可在垫料内构成的离子耗尽室内保持离子交换树脂粒，(b)确保垫料室内低压降的均匀液流，(c)可避免树脂的离解和迁移及液体进口和出口被树脂粒堵塞，(d)可获得含水液体或处理液流的相当高的去盐水平。
本发明提供了水或去盐处理液流的电去电离的垫料或隔离器、装置和方法。垫料的中央区被分隔成具有最好为2-8英尺的基本上相等宽度的多个流道部分。各个流道部分被具有与外围垫料厚度相同厚度的垫料的“肋片”相互隔离。2至6个，最好为3至4个流道部分由流体节流阀串联连接。各个节流阀处在180度转折处，以便形成串联流道。从进口延伸至出口的此流道组合被称为“串联流道”。节流阀将流过串联流道的液体流动速度提高到流过串联流道其他部分的液体流动速度的150-200％。
结合各个流道部分的流体节流阀也可被充以用于浓缩室的离子交换或网状材料。或者，该流体节流阀可以包括独立的端口。节流阀的宽度可以是流道宽度的20-90％。
每个串联流道有两个“端口”给出液流进入所述串联流道的进口和从所述串联流道流出的出口。在单个垫料中可以存在多于一条的此串联流道，且此串联流道也可并联相连。
肋片具有足以确保各流道部分隔离的宽度，且对相邻薄膜和对相邻室的垫料的密封，并对薄膜提供足够的支持。实际上，垫料、肋片和集流管孔由具有统一厚度的简单的垫料起始片(starting sheet)做成。
如果垫料将用作原始溶液或稀释室垫料，则流道部分以最好为最小膨胀形式的离子交换材料填充，通常对正离子交换树脂为钠而对负离子交换树脂为氯化物。如果采用树脂混合物，在用来填充流道之前可在氯化纳溶液中进行调节。
如果垫料将用作产品或浓缩室垫料，则流道部分以具有与垫料厚度基本相同的厚度的适当的网状材料(最好为无纺材料)填充，它对处理的液体在化学性能上稳定，且有很大的开放区(＞50％)以保证液体和电流的流动。
用于电去电离单元(cell)室的离子交换材料可以是正离子或负离子交换树脂或两种树脂的混合物。另外，树脂还可以是毡式或树脂布形式的。第三种选择是在紧密纺织或者是很小微孔的布网上涂敷树脂以隔离树脂。无论所用材料为何，保持树脂的布网被插入组成垫料活动区的串联流道中。布有30-75％的通透(open)面积形成液体和电通道。用以包围离子交换材料的布可以由聚烯烃或氟化高聚合物材料制成。可选择地，布可进一步地利用标准技术，如辐射处理、苯乙烯化和磺化或syrenation和氯甲基化处理，赋予正离子或负离子交换薄膜特性功能。
垫料也含有集流管孔，当多个垫料层叠在一起时它们排成一列，以便为流进和流出垫料串联流道的流体提供路径或通道，以及形成用于把流体分布到电去电离叠层中所有并联单元的管道。每个串联流道、每条处理液流有最多两个集流管孔。而数目最少的，单一垫料上的多个串联流道可以共享集流管孔。
垫料本身可由适当的软材料(如EPDM橡胶或低密度聚乙烯)或包括有诸如苯乙烯丁二烯橡胶薄片叠在一侧或两侧的较硬的核心(如聚丙烯)的复合材料制成。无论使用何种材料，所有垫料有基本上一致的厚度。
连接集流管孔和串联流道的所述端口名义上与垫料具有相同的厚度。所述端口具有平的顶面和底面，它们有足以在所施的叠层闭合(closure)压力下防止坍塌的刚性。在垫料的两侧，所述平的表面贴着相邻离子交换薄膜密封。顶面和底面之间的空间足以形成适当的液流通道。端口和网状材料，如果被采用的话，可以机械附着在原始溶液垫料上以易于处理。
在直流驱动力影响下，离子从原始液流中，透过离子交换薄膜，转移至原始溶液室两侧的浓缩室。在从液体中去除离子方面，发明的处理过程非常有效。发明的电去电离过程与传统的在原始溶液室或浓缩室中未采用离子交换材料的电去电离处理不同。
电去电离装置由以交错方式组装近乎相等数目(例如20至100)的原始溶液室和浓缩室垫料而构成。就是说，正离子薄膜放在原始溶液室的一端，而负离子薄膜放在原始溶液室的另一端。薄膜的外表面邻靠着浓缩室。整个装置成为电去电离叠层模块。在叠层模块的各端，比如说，在叠层左边的阳极和在叠层右边的阴极构成电极室。阳极和阴极包含了用于处理过程并连接到DC电源的电极。这样构成的叠层模块对含有盐和糖的含水溶液的去盐很有效。
从以下结合附图所作的说明，本发明的最佳实施例将十分清晰，附图中：
图1(a)-1(c)显示用于电去电离装置的本发明垫料的构造；
图2显示包括两条串联流道的本发明的垫料；
图3(a)-3(e)显示可用于本发明垫料的一些端口的设计；
图4显示包含由两串联流道共享共同集流管的垫料。
图5和5(a)显示带有共同集流管的两种流动布局，预定形成四条串联流道；
图6为利用串联流道垫料的本发明的示范性的电去电离装置的分解视图；
图7为电去电离叠层的单元外形；而
图8为显示用于测试电去电离过程的控制系统的方框图。
根据本发明，电去电离垫料提供基本上无泄漏的操作，它具有良好的长期可靠性、低压降、减少了的液体再循环要求，以及减少了分流/杂散电流损失。与现有技术相比，本发明的垫料构造和组装更简单，且具有用于电流传输和去盐液体的产生的更大的工作薄膜面积。
图1(a)-1(c)显示了既可用于原始溶液或稀释室，也可用作浓缩室的垫料构造。垫料22的工作区或中央区20被分成由节流阀部分27、29串联连接的多个流道部分24、26、28，以分别构成进口和出口P1、P2间的螺旋形路径。在垫料外围的八个“H”孔提供一种将电去电离叠层中的各垫料和薄膜排列并将叠层紧固在一起的方法。并不是所有孔都要用于叠层的构造。
垫料有两个集流管孔30和32，通过它们原始液流流进和流出垫料，比如说。其他两个集流管孔34和36为第二(浓缩)液流提供“管接”管道。由于垫料为统一的厚度，垫料对相邻离子交换膜有良好的配合及密封。在原始溶液室(或去盐室)中包含于垫料边缘(如38)和中间支持肋片40、42中垫料的中央区20，填充有树脂或其他离子交换材料，如图1(b)中44所示。或者，塑料网状材料可以填充浓缩室，如图1(a)中46所示。
图1(b)中中心区44的离子交换材料可以是阳离子或阴离子交换树脂，或者这两种树脂的混合物。另外，也可以使用已经做成网或织物的离子交换材料。或者，离子交换材料可以任选地包含于密织的或合适的微孔聚合物布料中。后面的选择方案有助于容易进行最初的组装和树脂的去除和更换，如果树脂的性能随时间降低的话。这种树脂更换方案不需要废弃整个垫料/薄膜组件。包含离子交换树脂的室的厚度最好是1.5至5mm。薄的室可能导致离子交换材料的不充分密封。厚的室不能提供显著的工艺改进并且可以导致高电力消耗。
浓缩室的垫料图1(a)通常比包含离子交换材料的室薄，一般为0.5至3毫米，且最好填充具有大通透面积的塑料网状物，因为流过它的溶液有较高的导电性。较薄的垫料在给定的泵速(pump rate)有更高的线性流速，减小极化，且降低电耗。在一实例中垫料的总尺寸为13″X13″。
溶液通过集流管孔30和端口P1进入垫料的工作区44(图1(b))，并通过端口P2和集流管孔32流出工作区。
工作区包括串联连接的三个流道部分24、26、28(图1(a))。流道部分的宽度约为2.875″且占总垫料宽度的22％。流道部分应足够宽以容纳向垫料供料的集流管孔30、32，及提供孔之间足够的空间以保证叠层模块中垫料与薄膜间的良好的密封。集流管孔的面积由液压上的考虑，如每垫料的液流的容量，和给定叠层模块中的垫料数而定。
垫料中的流道应足够窄以便在电去电离叠层中并联放置的所有垫料间形成良好的液流分布，并在流道中提供必不可少的紊流。较窄的流道也改善了由垫料边缘和肋片提供的对薄膜的机械支撑。然而，较窄的流道以减小工作薄膜面积和增大压降为代价。
本发明的垫料可有2到6个串联连接的流道部分，流道宽度为总垫料宽度的5-49％。最优且最佳的串联流道有3至4个流道部分。绝对地说，流道宽度可以2″至8″的范围，最好在2.5″至6″。更窄的流道并不一定提供更大的可靠性；事实上，它增加了垫料的复杂性。宽度过宽引致液流分布不佳及对许多商业提供的薄膜没有充足的支撑。原始溶液室垫料中的串联流道填充有适当的离子交换材料，它可以是正离子交换树脂、负离子交换树脂或正离子和负离子树脂的混合物。对于大多数涉及去除正离子和负离子的去离子应用，最好是混合层离子交换材料。
离子交换材料被清洗以去除有机物和其他杂质。离子交换材料由适当的介质均衡而被转变成其最小膨胀形式，通常对正离子和负离子树脂分别为Na+和Cl-形式。
适当的离子交换树脂由Rohm and Haas、Dow Chemical及其他渠道广泛提供。最好树脂粒的直径为0.4-0.5毫米；商用树脂粒为16-50号(mesh)。日本Nitivy公司提供毡式离子交换材料。如TetkoInc等众多的应供商均有提供保持珠粒状树脂的多孔布。
对于浓缩室垫料，在流道上放置聚合物网状材料，最好为无纺型。网状材料的总厚度大约与垫料本身的厚度相同。网状材料对于叠层中处理的液体具有化学稳定性。用于做网筛的材料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和聚氟乙烯。适当的网筛材料由Nalle Pleastics和Applined Extrusion Technology提供。最好网筛密度为8-15线/英寸(strand/inch)，而最佳密度为10-12线/英寸。
电去电离过程在低电流密度下进行，通常为1-10mA/cm2。因而，热量产生并不是显著的问题。使用串联连接的多流道在叠层内形成良好的液体分布，即使在相当低的线性流速下，比如说，在浓缩室为2-5厘米/秒，而原始溶液室(去盐)甚至更低，例如0.2/0.5厘米/秒。
如图1所示，液体通过集流管孔30和端口P1进入螺旋形串联流道。通过串联连接的流道内的循环，液体通过端口P2和集流管孔32流出。各流道部分被在垫料原材料上适当切除而形成的肋片40、42相互分离。肋片足够宽以对相邻的薄膜提供足够的支撑，及对各流道提供足够的密封和分隔。还有，肋片应尽可能的窄以使可用薄膜面积最大。肋片宽度可以在0.25厘米至4厘米，而最好在1至2.5厘米的范围。
各流道24、26、28(图1(c))一个与一个相邻，并通过流体节流阀部分45、48相互连接，形成通过工作区的螺旋形通道。实际上，这些部分可以被看作是当用于去盐室时以离子交换材料填充，或用于浓缩室时以网状材料填充的备用端口。另外，还可在流体节流阀部分用更密的网状材料(例如12-30线/英寸)，或利用与用于端口P1具有相同设计的端口。
节流阀部分46、48的宽度可以为流道宽度的20-90％，最好为流道宽度的30-50％。流体节流阀部分的长度约与肋片的宽度相同，但原则上短一些，并影响在各流道部分内的流体分布，且用于消除“死角”。流体节流阀部分46、48(图1(c))，可如图所示为长方形。它们也可是梯形、逐渐收缩的、缩喉管，或V形的，以提供更好的压力恢复。
端口P1和P2最好有相同的设计。一些可能的端口设计在图3(a)-3(e)中显示出。端口的顶面和底面50、52为平面，以易于对相邻薄膜和垫料密封。端口由足够的刚性以在施以叠层闭合力的压力下，防止内部通道坍塌的材料构成。在用于原始溶液或去盐室时，端口应能保留离子交换树脂粒。因而，使用离子交换树脂时，端口具有比树脂直径小的有效直径的流道，通常为0.3-0.45毫米。
图3(a)显示适用于包含毡式/布式离子交换材料的室的端口，或包含塑料网状过滤器的室(即浓缩室)。由单块如聚丙烯或聚四氟乙烯材料制成的端口，具有许多钻孔形成的或其他方式形成的圆形切面的孔54。当用于包含粒状离子交换材料的室时，网级(mesh rating)大于80的纺布或无纺布附着在端口的一端，其时端口被以网筛端面向树脂粒安装在室内。无纺布通常由如聚乙烯、聚丙烯、聚酯等塑料制成。
图3(b)显示了相同的端口设计，但有软弹性外表面以改善与具有较硬质地的离子交换薄膜的密封。较软的层应对要去盐/浓缩的液流在化学性能上稳定，也可由低密底聚乙烯或苯乙烯丁二烯橡胶制成。
图3(c)显示中央部分具有方形或长方形通道的端口设计。这种的端口由在约为垫料厚度一半的一块塑料上刻一系列通道而预制，把它切成适当的端口长度的块。两块切块面对面地覆盖，以使所刻通道相互配合形成方形或长方形通道。两半可以胶合、焊接或以其他方式接合在一起形成端口。应当小心以确保完成的块的壁厚足以提供必要的端口刚性。当端口用于包含离子交换粒的垫料中时，网级大于80的纺布或无纺布附着于完成的端口面向树脂粒的一端。
图3(d)显示了一复合端口构造。这里，一块具有沟通通道的无纺网状材料夹在两层适当的聚合物膜之间。所述无纺网状材料的密度最好比用于浓缩室的流道的材料密度高。无纺材料的strand opening小于用于去盐室的树脂粒的直径。聚合物膜可以由聚丙烯、聚四氟乙烯等制成。聚合物膜具有最好为0.005″-0.01″的厚度，以使其有足够的刚性。当端口用于厚度超过0.75毫米的垫料时，复合端口可由多层聚合膜和无纺网筛制成，如图3(e)中所示。如图3(b)所示，例如，端口可具有附加软顶层和底层。本专业的技术人员可见其他的适当的设计。
图2、4、5和5(a)显示有多个串联流道的垫料。此类结构特别用于例如，要求有1米乘1米或更高数量级的垫料的大规模应用。大体上，此类结构在垫料中被制成标准组件。
图2显示具有两串联流道62、64的垫料，每个分别有4个流动通道部分66-72和74-80，它们串联连接并由分开的集流管孔供料。如图所示，总共8个集流管孔82-88和90-96，以及4个端口P3-P6被用于各垫料以提供原始液流，并从电去电离叠层中提取产品。
图2的布局使两半垫料62-64并联相连或起两个独立级的作用。另外，还可利用两半的公共集流管，因而将两部分62，64并联设置，而将集流管孔102-108的数目(图4)、端口P7-P10的数目减少到每种4个。此4端口垫料并不提供具有两个独立操作级的选择方案。
图5和5(a)显示了带有4条串联流道120-126、分别具有总共8个集流管孔128-134和136-142，及8个端口P11-P14和P15-P18的垫料。每一串联流道有4个串联相连的流道部分(如51-54)。其他各种设计对本专业的技术人员是显而易见的。
图6显示本发明电去电离叠层的最佳构造。叠层在水平位置用一组定位销组装(未示)。整个装置由夹固螺栓和螺帽固定(未示)。垫料包括具有1.5-4毫米厚度的去盐室以包含必不可少的离子交换材料量。用于浓缩室的垫料最好薄些，在0.5-2毫米的量级。然而，两垫料具有相同的集流管和肋片外形，使得完全组装好的叠层的集流管、肋片和垫料边缘相互合适地对准，以提供必不可少的薄膜支撑和室与相邻薄膜间的密封。
垫料最好设计为对称的，使得绕其轴旋转180度时，相同的垫料能够成为去盐或浓缩室垫料。此要求不是必需的，特别是因为两液流的垫料可能具有不同的厚度。然而，对于用于产生两种类型垫料的相同的冲压裁剪机，就有此需要。
商用电去电离叠层可包含20-10单元对，且具有1米乘1米或更大的垫料尺寸。所述叠层，包括垫料、薄膜、电极和端板(end plate)，在使用一套紧固螺栓或液压密闭机构以提供必不可少的密封压力的过滤器压力装置中被固定在一起。
从阳极端(左边)(图6)开始，叠层具有钢的端板150(0.25-0.5″厚)，聚丙烯极板152(1-2″厚)及阳极电极板154(0.062″厚)，其间有橡胶密封垫料(未示)。电极154可由铂、镀铂的钛或不锈钢制成，或在钛上镀有如氧化铱的贵金属氧化物。所有这些材料制成的电极，在电去电离处理过程中所遇到的弱酸介质中均可令人满意地工作。在另一端(右边)，使用了类似的钢板156、塑料端板158和阴极电极板160。阴极电极材料最好是316不锈钢。电极154和160具有接头T1、T2，用来电连接到外部DC电源。所述各电极可配合在塑料端板152、158的凹坑内，或与端板有大约相同的总长度和宽度。垫料和薄膜组装在两电极之间。去盐(D)和浓缩(C)室包含在垫料162和164中。离子交换膜(如正离子膜166和负离子膜168)极性交错。
去盐室以离子交换材料封装，最好为混合层树脂，而浓缩室包含有无纺网状材料。进入和流出叠层的溶液，最好都从阴极端(低电势)进行。溶液通过垫料和薄膜中的集流管孔分布进垫料中的各室。端口的分布位置决定了流过集流管孔的特定液流供给哪一垫料。
进入各垫料的溶液通过由串联连接的集流管形成的流道156流入。在所示的布局中，在D和C室中的溶液流为伴流(co-current)。通过流道167流出各垫料的溶液，被分流通过流出集流管孔并在阴极端流出电去电离叠层装置。电极漂洗液ER和ER’最好通过单独的循环馈入。也可以通过电极漂洗循环对浓缩循环溶液进行循环。阳极漂洗液或阳极液ER通过阳极垫料170循环，并被负离子薄膜172从相邻的稀释循环中分离出来，负离子薄膜可与用于叠层中的其他负离子薄膜168为同一类型或不同类型。阴极漂洗液或阴极液ER’通过阴极垫料174循环，并被正离子薄膜176从相邻的去盐液流中分离出来，正离子薄膜可与用于叠层中的其他正离子薄膜166为同一类型或不同类型。
显示包含8个单元对的控制单元装置的机制的图7最好地说明了电去电离处理过程的组装顺序和操作。单元装置由去盐室(D)和浓缩室(C)间隔的负离子薄膜180和正离子薄膜182构成。通过内部集流管孔，各室被供以从其各自料箱184、186(图8)取出的适当的溶液。分别在阳极端和阴极端的电极漂洗室、ER和ER’，被供以从公用供应箱188提供的电极漂洗液流。此箱最好是个可接收来自浓缩箱溢流材料的单独的箱，这样使由电极反应产生引入叠层主体部分的氧化物副产品最少。可选地，电极漂洗循环可从浓缩箱本身馈入。
直流驱动力被施加在电去电离装置的阳极端190和阴极端192。电极分别被装在塑料端板194和196内或与之相邻。正离子M+由去盐室D迁移，穿过正离子交换薄膜进入浓缩室。同时，去盐室D中的负离子X-穿过负离子薄膜迁移进入浓缩室C。结果是对原始液流的逐渐去盐。由离子迁移和伴随之的水合作用的水产生浓缩废液流，离子和水合作用水迁移进入浓缩室。
由简图7可见，对从相邻去盐室接收离子的电极漂洗液提供有备有浓缩室。通常地，去盐室中的混合层树脂方便了离子由大量的溶液迁移至薄膜表面，因而提高了处理过程的流量效率。比如，进行高水平去盐时，溶液电导率约为1微欧或更小，以使一定量的水分离产生H+和OH-离子。此分离有助于在树脂和大量溶液中出现的少量残余离子，向离子交换薄膜表面的移动和迁移。
图8为显示可以用于展示本发明垫料性能和硬件的电去电离处理装置的方框图。组合叠层200放在包括3种溶液循环，也就是原始溶液循环202、浓缩循环204和电极漂洗循环206的处理装置中。将要去盐的溶液在原始溶液箱184中，并由泵P10通过叠层的去盐室D，经过过滤器F、流量计FM和在压力表G控制下或与之相连的流量调节阀V循环。类似的步骤用于从浓缩和电极漂洗箱186、188分别通过泵P11和P12供应溶液。为简化附图，绕泵的旁路循环未在图8中显示。
去盐循环202的馈入液流为单循环操作(once-through)。其他两种循环204、206最好为馈入和吸出(feed and bleed)方式。在原始溶液循环202中的流速被调整到获得去盐的目标水平。压力表G和流量调节阀V在其他两循环204、206中调节流量，以在单元叠层的所有进口获得大约相同的压力。
实施例：电去电离单元叠层结构
本发明的垫料由低密度聚丙烯的冲压剪切片制成。垫料的设计为图1(a)和1(b)所示，且总尺寸为13″X13″。垫料有3个通过两流体节流阀部分46、48相互串联连接的单独的流道部分24、26、28(图1(c))。通过垫料的流道总长度约为30″。流道的宽度约为2.875″。流体节流阀部分的宽度约为1″。流体传送可用的有效面积约为0.5平方英尺。用于去盐室的垫料的厚度范围在1.5-4毫米；然而，大多数实验是在垫料总厚度约为2.5毫米的条件下进行。为制造此垫料，冲压剪切90密尔(2.25毫米)厚的聚丙烯板。一5密尔厚的苯乙烯丁二烯橡胶板(Shell Chenical公司出产商标为Kraton-G并由Clopay以板状提供)，被胶合在垫料的每面。形成的复合垫料为平面的且易于组装进一电去电离叠层。
每一去盐垫料有2个端口P1、P2，由多层的约5密尔聚乙烯和20密尔厚具有沟通通道无纺聚乙烯网，由图3(e)所示方法组合而成。在绞合(strand)方向网的通透(opening)，约为10密尔或0.25毫米，并足以保持流道中的离子交换粒。有5层膜和4层无纺材料用以制造总厚度约为100-105密尔(2.5-2.6毫米)的复合物。完成的端上有平面的顶表面和底表面。复合端口装置的各块由薄的粘贴带组合在一起。完成的端口，在向流道空间内填充离子交换材料之前，简单地插入。
软性“Kraton材料大大改善了垫料和相邻薄膜间的密封。还有使用“Kraton″材料基本上消除了叠层装置中垫料和薄膜间的离子交换树脂材料的迁移。结果是，不必对垫料和薄膜进一步固定。此特性具有的附加的好处在于如需改变树脂粒或特殊的离子交换膜时，可在日后拆御和重新装备所述单元。这样，不必象胶合在一起时那样扔掉整个组合装置。
用于浓缩室的垫料以类似的冲压剪切方式制成。垫料的总厚度为1毫米，并由两面胶合了约5密尔厚的Kraton橡胶板的30密尔厚的低密度聚乙烯板制成。中央串联流道填充有Naltex公司提供的30-35密尔厚无纺聚丙烯网(约11线/英寸)。完成的垫料，包括网，为平面的且易于组装进叠层中。
每一垫料有2个由中央带有一个无纺聚丙烯网的两片约5密尔聚丙烯膜制成的端口。所述网每英尺约有18线(股)且总厚度约为32密尔。完成的端口具有平面的顶面和底面，且总厚度为约42密尔，被薄粘贴带固定在一起。在叠层装配时，此端口被简单地插入并固定。
试验电去电离叠层有8个单元对，各元件的组装按照图7所示的顺序。单元被水平组装，然后在垂直方向测试，流道垂直伸延。叠层的组装使用了垫料、硬件和薄膜外围的6个校准孔H。垫料和薄膜(在盐水中均衡)为平面的。校准孔周围的间隙足以确保产品的适当组装。
装置从阳极端150(图6)开始。插入复合端口后，去盐垫料的中央区填充了50∶50的正离子和负离子交换树脂的混合物。在10-15％的NaCl溶液中树脂被适当地清洗和调节。每个去盐垫料需要125毫升树脂。流道被人工填充含水的混合层树脂，这样确保树脂混合物一致地在整个流动区涂敷。
被适当组装后，8单元对叠层的室内泄漏相当低，在每平方英寸4磅的压力差下约为2-10毫升/分钟。
为对电去电离做初步研究，组装两个叠层，每个包括8个组装的单元对，如图7中所示。两叠层均使用由Electrode Products公司提供的镀有氧化铱的钛制成的阳极和不锈钢阴极。第一叠层(叠层I)由从Asahi Glass公司提供的CMT正离子和AMT负离子交换薄膜制成。
去盐室以50∶50的IR 122正离子树脂和RA 402负离子树脂混合物填充。
叠层(叠层II)由Ionics公司的正离子和负离子交换薄膜制成。去盐室填充以Ambersep 132正离子树脂和Ambersep 440负离子树脂混合物。两种树脂均从Rohm and Hass公司获得。在随后的测试中，完全组装好的叠层并无可测量的树脂损失，显示出复合端口保持树脂粒的有效性。实施例1
在图8所示的测试设置中，叠层I被安装进去并进行管道连接。DC电源连接至叠层上的阳极T1(图6)和阴极T2。原始溶液箱184(图8)装有电导率为535μS/cm的氯化钠溶液。浓缩箱和电极漂洗箱184、186分别装有部分氯化钠和硫酸的稀释溶液，电导率为2.5-3.2mS/cm。泵P10-P12被接通，且通过叠层的液流通过在管线内的阀进行调节。小心维持循环间的压力平衡。在进口压力约为4磅/英寸2计示压强(psig)时，原始溶液、浓缩和电极漂洗循环202、204、206中的流速分别为800毫升/分钟、0.4加仑/分钟、1.05加仑/分钟。打开DC电源且电压被控制在22伏。这表示单位单元电压约为2.2伏，允许约4伏的电压用于电极漂洗循环。
在2小时的运行中，电流保持在1.3-1.4A(约为2.7A/平方英尺的电流密度)，而由于从去盐循环流入的离子，浓缩和电极漂洗循环206中的电导率增加到4-5mS/cm。产品水电导率相当稳定地保持在约6.5μS/cm；表示原始溶液的去盐率大于98％。实施例2
叠层II被安装进图8所示的设置中。实验沿实施例1所述的线路重复进行。电导率为540μS/cm的氯化钠溶液被再次用作原始液流。均持续约1小时的三次试验，在电压降为2伏的条件下进行。电流输出在1.7-3.9A的范围。产品水质量和叠层压降列表如下：
    产品水电导率μS/cm 原始溶液、浓缩液、电极漂洗液的流速毫升/分钟 加仑/分钟 加仑/分钟   在叠层进口处原始溶液、浓缩液、电极漂洗液的压降磅/英寸2计示压强
    2.42   700      0.4       1.7   6.2      5.5      5.5
    4.35   1000     0.55      1.95   8        7.5      7.5
    2.78   760      0.4       1.55   4.9      4.5      4.5
    3.1   850      0.4       1.6   5        4.2      4.4
    4.6   920      0.47      1.75   6.2      5.8      5.8
叠层II的性能或许比叠层I的稍好。叠层II中的压降比叠层I稍高。从产品水质量可以看出，叠层II也去除了流入原始溶液中98％以上的盐。实施例3
叠层I和II用液压式串联连接并安装进图8所示的装置中。因而，此装置等效于串联相连的6个流道；总流道长度为60″。原始液流、浓缩和电极漂洗循环202、204、206的流速分别为1.2升/分钟、0.48加仑/分钟和1.48加仑/分钟。在此流速下叠层进口处压降分别为10.5、10.5和10psig。压力与单独使用叠层II观察到的一致。因而，通过另外3个流道循环溶液时出现最小的附加压力损失；表示在串联流道设计中压力恢复非常好。
电导率为650μS/cm的氯化钠溶液被用作原始溶液。稀释氯化钠和硫酸分别用于浓缩和电极漂洗循环。按要求以水稀释，它们的电导率分别保持在6和2mS/cm。电学上，叠层并联连接，以使每一个叠层具有施于其电极的相同的电压。每一叠层施以22伏电压，它在叠层I中引起1.4-1.6A的电流输出，而在叠层II中引起0.8-1.2A的电流输出。测试进行了约5小时。产品水质量与浓缩液的电导率的关系如下：
    产品水电导率μS/cm     浓缩液电导率mS/cm
    0.9-1.0     1.5-2.3
    1.1-1.4     2.3-3.5
    1.5-2.2     4.0-5.5
可以看到，穿过离子交换膜的浓缩液的反扩散对水质有一些影响。然而，总去盐率＞98％。去盐处理过程的流量效率(等于由每法拉第电流输入去除的盐的比率)大于0.5。
对去盐实验做总结，打开叠层并检验内部元件。负离子交换薄膜轻微地带棕黑色(由电去电离操作中pH值变化所影响)，但在其他方面状况良好。重要的是，在去盐室中的离子交换包装根本未受影响；即，没有树脂迁移、聚集的迹象。实施例4
用AMT、CMT离子交换薄膜组装包含8个单元对的新型电去电离叠层。50∶50的“Ambersep″132和440树脂的混合物用于填充叠层的去盐室。组装的叠层安装进图8所示的设置。包含200gm/l果糖和280gm/l葡萄糖、201gm/l钠、42.5gm/l镁的高果糖玉米浆液用作去盐循环202的原始溶液。果糖溶液已被进行碳处理以去除大量的高分子有机物和色体。果糖溶液的电导率为348μS/cm。在实验开始时浓缩箱186内有6升同样的果糖溶液。电导率为1.2mS/cm的稀释硫酸钠溶液充入电极漂洗箱188。叠层中的电极端连接到DC电源。
溶液象前面的实施例一样，通过三个循环202、204、206进行循环。溶液的高粘稠度引致去盐循环中的较低的流速和较高的压降。一般地，循环中的流速和压降如下：在去盐循环202中为160毫升/分钟a 6.5psig，浓缩循环204中为0.5加仑/分钟a 5.8psig，而在电极漂洗循环206中为1.7加仑a 5.5psig。处理过程操作了12小时。按照需要抽取物质或加入果糖溶液或水，浓缩和电极漂洗循环204、204中电导率分别保持在5和3mS/cm以下。在实验期间，施加电压的范围从25至36伏，而电流输出为0.8-1.0A。产品果糖溶液电导率为9-16μS/cm。对9-10μS/cm范围产品的分析显示没有可探测到的量级的Na、Ca或Mg。因而，电去电离处理过程在糖溶液的脱盐上特别有效。
本专业的技术人员将易于理解如何更改本发明。因而，所附的权利要求书将被认作涵盖包括在本发明的范围和精神内的所有等价的结构。

Claims (25)

1.一种用于电去电离单元叠层的垫料，所述垫料有统一厚度、集流管孔和端口，用于向所述垫料提供和从所述垫料去除含水溶液，至少一些所述集流管孔形成用来使溶液能够直接流至叠层中的其他垫料的道管，每个串联流道有最多4个所述集流管孔，所述垫料的工作区包括由流体节流阀顺序连接在一起的多个流道部分，以便在所述垫料中形成至少一个串联流道，每一个所述流道部分具有比流体节流阀宽度大的宽度，所述节流阀将流过所述流道的液体的速度减至在所述流体节流阀部分的所述液体速度的50-100％，每个串联流道具有第一所述端口、用于向所述流道提供流体进口，和第二所述端口、用于向所述流道提供流体出口，所述端口具有基本上与所述垫料厚度相同的厚度，所述端口比垫料更硬且包括基本为平面的顶面和底面，其间至少有一个流体流动通道；和填充在串联流道部分和连接流体节流阀部分的离子交换材料。
2.权利要求1的单元，其特征在于所述离子交换材料是从包括正离子树脂粒、负离子树脂粒、混合树脂粒、包含树脂粒的编织毡、包含树脂粒的微孔垫、包含树脂粒的编织布和包含树脂粒的微孔布的一组材料中选择的。
3.权利要求1的垫料，其特征在于所述离子交换材料是从包括毡或布的一组材料中选择的。
4.权利要求3的垫料，其特征在于毡或布将树脂粒保持在紧密编织物或微孔布料中，此树脂保持布料在垫料流动区域中形成袋子。
5.权利要求1的垫料，其特征在于每一个所述流道部分具有2-8英寸数量级的宽度，且做180度转折的所述流道部分由流体节流阀部分连接在一起，以形成串联流道，每个串联流道所述集流管孔最多有4个。
6.权利要求1中的垫料，其特征在于所述垫料为电去电离叠层的浓缩室，并且网筛间隔装置覆盖包括流道部分和其连接流体节流阀部分的串联流道。
7.权利要求1的垫料，其特征在于所述端口为其上有沟通渠道的网筛间隔装置，所述网筛间隔装置具有盖板形式的所述顶面和底面。
8.权利要求2的垫料，其特征在于还包括相当硬的聚合板，在聚合板的至少一个表面有软弹性表面层。
9.权利要求8的垫料，其特征在于所述软弹性表面层在聚合板的两个表面。
10.一种利用权利要求2的垫料的叠层的对含水原始液流去盐的系统，所述叠层包括在一端的阳极和在相对端的阴极，正离子和负离子薄膜形成所述阳极和所述阴极之间的连续的稀释和浓缩单元，并且至少所述垫料之一在所述薄膜之间。
11.权利要求2的系统，其特征在于所述离子交换材料对糖溶液去盐。
12.权利要求11的系统，其特征在于所述糖溶液是从包括葡萄糖、果糖、蔗糖和其混合物的一组中选择的。
13.权利要求2的系统，其特征在于所述流道部分具有在约为2.5″至10″范围的宽度。
14.权利要求2的系统，其特征在于所述垫料包含至少一个包括2至6个流道部分的串联流道。
15.权利要求2的系统，其特征在于所述垫料包含1至4个串联流道。
16.一种电去电离单元组件，其特征在于包括：
一系列以阳极开始、以阴极结束的元件，所述一系列元件进一步包括一系列配对的室；
所述一系列配对的室包括与浓缩室配对和交错的去盐室，所述一系列室位于所述阳极和阴极之间；
每一个所述对的所述去盐室位于所述浓缩室的阳极侧，每一个所述对由所述对前、后的阴离子薄膜和同心地位于所述阴离子薄膜之间的阳离子薄膜之一限定；
所述阴离子薄膜处在所述去盐室的阳极侧和所述浓缩室的阴极侧，所述阳离子薄膜处在所述去盐室的所述阴极侧和所述浓缩室的所述阳极侧；
每一个所述室包括垫料，后者的工作区由在所述工作区中把垫料材料分隔成空穴、形成流道部分的一些肋片限定，所述流道部分由限流阀部分连接、以构成至少一延伸在两个端部之间的串联流道；
所述串联流道用离子交换材料填充或者用支持网复盖；
在所述串联流道的所述两端的每一端的所述垫料中，形成至少一个集流管孔；以及
把所述集流管孔连接到所述串联流道的各自相关的端部的端口装置。
17.权利要求16中的单元，其特征在于所述离子交换材料是从包括正离子树脂粒、负离子树脂粒、混合树脂粒、包含树脂粒的编织毡、包含离子交换粒的微孔毡、包含树脂粒的编织布和包含树脂粒的微孔布的一组材料中选择的。
18.权利要求16中的单元，其特征在于所述垫料具有统一的厚度，所述端口装置包括具有不超过所述统一厚度的厚度的板，所述板具有多个穿孔，而所述端口在所述垫料的所述穿孔以所述串联流道内连所述集流管的位置，由此进入所述集流管孔之一的液体流过所述端口之一、所述串流道、另一个所述端口、并流出另一个所述集流管孔，而所述端口具有阻断树脂粒流出的装置。
19.权利要求18中的单元，其特征在于所述阳极、阴极、薄膜和垫料排成一列而叠加组装以形成所述单元，所述集流管孔与所述叠层校准以形成流过所述叠层的液体的管道。
20.权利要求16中的单元，其特征在于所述串联流道包括用于促进通过所述串联流道的液体流动的紊度的节流阀部分。
21.权利要求16中的单元，其特征在于所述节流阀部分具有提供占所述流道宽度20-90％数量级的通道的宽度。
22.一种叠层包括：多个具有离子交换材料填充在工作区的垫料；所述垫料以面对面关系密封，以便形成所述叠层，负离子和正离子交换薄膜隔开所述工作区；至少一对延伸通过所述叠层的管道，所述管道由所述垫料和薄膜内排成一排的集流管孔形成；将所述工作区连接至所述管道的所述对的其他工作区的进入端口；驱动液体通过所述管道、所述工作区，并流出其他所述管道的装置；以及所述工作区内改善所述液体在所述工作区内的分布的装置。
23.权利要求22中的垫料叠层，其特征在于有至少4个所述集流管孔，它们排列形成两对所述管道，所述垫料成对连接到所述管道，每对垫料中的一个垫料连接到所述管道的第一对，而所述每对垫料的另一垫料连接到所述垫料的另一对。
24.权利要求23中的叠层，其特征在于所述工作区被所述垫料材料分隔形成通过所述工作区的螺旋形通道。
25.一种用于电去电离单元叠层中的改进的垫料，其特征在于包含：集流管孔和端口，用于向所述垫料提供或从所述垫料去除含水溶液，而集流管孔起管道或溶液流向单元叠层中其他垫料的作用；所述垫料具有统一厚度，它的工作区包括多个连接在一起形成串联流道的流道，在垫料中有一个或更多此串联流道，每一个所述流道为2″至8″宽且由流体节流阀部分在其作180度转折处连接，每个串联流道有最多4个集流管孔，每一个串联流道另外有一个液体进口的端口和液体出口的第二端口，所述端口具有基本上与垫料相同的厚度，但比垫料更硬，而且包括基本上为平面的顶面和底面，在顶面和底面之间形成供液体流动的一个通道或几个通道；以及当安装到组合单元叠层中时，所述串联流道和连接流道的节流阀部分被以离子交换材料填充，所述端口能将离子交换材料保持在工作区内。
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