CN1273565A

CN1273565A - 液流的净化

Info

Publication number: CN1273565A
Application number: CN98809823A
Authority: CN
Inventors: A·M·郝吉斯; P·奥丝瓦斯
Original assignee: USF Filtration and Separations Group Inc
Current assignee: Pall Filtration and Separations Group Inc
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2000-11-15
Also published as: AU7324798A; AU738488B2

Abstract

一种净化液流的方法和装置,包括至少两个离子交换物质床(17,18),其中一个是阴离子交换物质和第二个是阳离子交换物质。床(17,18)至少被一个连接点所连接,这样在它们之间形成一个离子可渗透的连接处(4)。要净化的液流被顺序地通过一床然后另一床。一对电极(2,3)被这样提供,每一个电极分别与相应的物质床相连,这样在每一个电极(2,3)和连接处(4)之间至少夹着一些离子交换物质,在一对电极(2,3)之间施加了一电势以便在它们之间产生一电场并再生离子交换物质(10,11)。在另外一种方案中,床中可以含有阴离子和阳离子交换物质的混合物。提出了在床之间形成连接的一种方法。

Description

液流的净化

技术领域

本发明涉及一种使用离子交换物质净化含水液流的方法及装置，和利用电化学方法使所说的离子交换物质物质再生。

本发明的技术背景和现有技术

高纯净水具有巨大的市场。它在工业应用上被广泛地使用，著名的主要用户包括制药业、电子工业和能源工业。

在大多数应用的最后冲洗工序中，通常通过离子交换树脂途径将溶解的盐从水中去除。阳离子交换树脂(以H⁺形式)和阴离子交换树脂(以OH^-形式)的结合使用分别将阳离子和阴离子去除。两个这样的床可以串联使用而使盐去除。假如水溶液首先经过阳离子交换树脂(以H⁺形式)床，那么在溶液中的阳离子就被阳离子交换树脂吸收，并释放等量的H⁺离子到溶液中(这样保持电中性)。这溶液(现在呈酸性)再通过阴离子交换树脂(以OH^-形式)床，那么在溶液中的阴离子就被阴离子交换树脂吸收，OH^-被释放出并中和溶液中的H⁺从而形成水。溶液中溶解的盐被有效地去除(恰当的设想，假如用碱性溶液介质将去盐床的顺序颠倒，那么交换树脂就能重复利用)。

但是，在作为最后冲洗工序的大多数应用中，离子交换树脂的混合床优选地以串联方式配置或以叠加的方式配置。在这种情况下，阳离子和阴离子树脂紧密地混合在一起，并且在除去溶液中的阳离子和阴离子的同时从树脂中释放出的H⁺和OH^-立即中和。采用这种结构，由于中和，大量H⁺和OH^-被消耗，从而使化学平衡过程被“驱动”，从水溶液中去除的盐可以达到较高的量。

在这两种配置中，一旦树脂耗尽(即当树脂中再也没有H⁺和OH^-)，阳离子和阴离子床必须分别用酸(典型是H₂SO₄)和碱(典型是NaOH)处理使其再生。这种再生包括要储存和处理浓酸以及苛性碱溶液，同时还要处理用于处理树脂再生后的污水和冲洗液。从成本、安全性以及环境考虑，这不是所希望的。在本发明中，我们要叙述一种使用无有害物质的、廉价的以及生态上可以接受的电化学技术而使树脂再生的方法。这种新方法消除了再生化学物质，并具有额外的优点是不必扰动树脂床而在同一容器中完成水净化过程和离子交换树脂再生。在混合床系统中，这种方法还有一个优点是不必将阳离子和阴离子交换树脂分开而在树脂床上完成再生。因为在传统的化学再生方法中，在进行化学再生(分别使用酸和碱)之前，必须将混合树脂床中的阳离子和阴离子树脂进行物理分离。

现有技术

使用传统的离子交换技术来化学再生已经使用过的树脂，保留从水中除去溶解的盐使残存量达到很低的浓度的基本方法。下面的专利和专利申请说明书将说明有关本发明的现有技术。

电去离子装置(美国专利4,632,745.国际专利WO92/11089)

Elix^TM电去离子方法(被Millipore TM注册)用来除去溶液中的离子时几乎可达到用传统的混合床离子交换系统得到的纯度。在其最简单的形式中，系统包括四个交替阳离子(C)和阴离子(A)的渗透隔膜，其夹在一对电极(阴极+和阳极-)之间，其配置为+|C|A|C|A|-。在隔膜中间的空间填充了混合床离子交换树脂(基本上是为了提高导电性)。供入的水流向下(垂直于施加的电场)流入到离子交换隔膜片之间(该隔膜允许相应的离子流过但不允许水通过)。在供给溶液(位于中间模槽)中溶解的阳离子通过阳离子渗透膜移向阴极，同时在阴极产生的OH^-阴离子通过阴离子渗透膜。阳离子氢氧化物盐的浓缩液通过这种(富集的)腔室分离出去。同样，在供给溶液(位于中间模槽)中溶解的阴离子通过阴离子渗透膜移向阳极，同时在阳极产生的H⁺阳离子通过阳离子渗透膜。阴离子酸形式的浓缩液流通过这种(富集的)腔室分离出去。从中间腔室流出的是去除了溶解盐的水，而从两个外侧腔室流出的是含有供给溶液的阳离子和阴离子的水(废水)。象这样一组电解槽可以用于产生含有低浓度溶解离子的水。在这种情况下，在中间富集腔室中有阴离子和阳离子通过在腔室相对两侧处的隔膜，并且富集的盐溶液(而不是酸性和碱性溶液)通过这些腔室流出。在这种配置中，只有在最外侧的腔室(其中装有电极)中才有酸性和碱性溶液释放出。尽管这一系统也用于抛光水，但其与本发明的技术完全不同。另外，其组件包括大量的独立腔室，并且每一个腔室都设计复杂。大量的隔膜增加了从富集腔室泄漏(即使在一片隔膜中有一很小的孔洞就会致使系统失效)到纯净水腔室中，同样大面积的隔膜提供了淤塞以及相对昂贵的可能性。本发明具有的显著优点是操作简单、可靠以及更低的成本。

电化学去离子(美国专利5,584,981)

这一方法和上述发明非常相似，不同的是离子交换物质是由多孔层构成以使供给溶液中的水和离子一起通过离子交换片。

纯化的离子交换树脂和方法(美国专利5,259,936)

将要纯化的树脂放入上面所说的(美国专利4,632,745)“Elix”形式的结构的去离子腔室中。用一组大量的离子交换隔膜对该工艺再次进行操作。

使用双极界面纯化树脂的方法(美国专利5,211,823)

该专利所揭示的离子交换树脂再生的方法，是在如美国专利4,632,745所述的电去离子装置中的腔室里进行的。但是，每一个稀释腔室(含有一个被称为阴离子和阳离子交换膜)再次被双极隔膜所分开(阴离子渗透面朝向阴离子渗透隔膜，阳离子渗透面朝向阳离子渗透隔膜)。在这样形成的次腔室里分别填充阴离子交换树脂和阳离子交换树脂。在电场(正电压施加在阴离子交换侧，负电压施加在阳离子交换侧)的作用下，水在双极隔膜中分离为OH^-和H⁺，这些离子分别迁移到阴离子和阳离子树脂床，并替换相应的阴离子和阳离子。这些穿过阴离子和阳离子渗透隔膜从腔室流出的物质进入由一系列平行排置的夹层构成的富集腔室。由此，富集的盐溶液被去掉，留下OH^-和H⁺形式的阴离子和阳离子树脂。在最外侧的两个富集腔室(电极放置在这两个腔室里，并在这里产生OH^-和H⁺)阴离子和阳离子分别被以OH^-和H⁺形式而除去。这一系统太复杂，其中包括多层的阴离子、双极和阳离子隔膜，同样，它们存在潜在的泄漏和淤塞的可能。再者，实际上这一系统是电渗析系统而不是电化学再生系统，因为它基本是依赖于电场和双极隔膜来产生用于再生目的的OH^-和H⁺，而不是以连续电解水而产生OH^-和H⁺。

利用离子交换剂去除水溶液中矿物质的方法和装置(美国专利5,423,965)

该专利所揭示的电化学再生阳离子交换树脂床的方法是将其放置在一对电极之间，用H⁺离子替代阳离子。这些H⁺离子移向阴极，并与那里产生的OH^-结合。在传统的方法中通常是用碱性溶液化学地再生阴离子交换剂。但是，在这里两种树脂床的再生并不是同时发生，但同时产生H⁺和OH^-并两者借助其电性迁移通过树脂床。它更象是用电化学再生单一树脂床，然后流出物被用作另一树脂床的常规再生。

电化学离子交换(英国专利申请GB 2,178,759A；申请号：8614401)

该专利说明书公开了电化学再生单一的阳离子交换树脂床或阴离子交换树脂床。它包括建立一个电化学电池，即工作电极周围是离子交换树脂，并将其放置在由该电极(并因此也从树脂里交换出离子)所产生的离子能够渗透的腔室中。将整个腔室浸入放置了相反电极的电解液中以组成电化学电池。在这种情况下工作电极是阳极，产生H⁺，并且用电极周围的阳离子交换树脂替换相应的离子，这些离子迁移通过离子渗透腔室并和在阴极(大概是OH^-)产生的离子结合。然后除去再生的树脂以备使用。相反极性的类似系统可以用作再生阴离子交换树脂。该专利也包括电化学再生，但是本发明系统的新颖性在于由于在阴极和阳极分别产生OH^-和H⁺，所以能同时再生一对阴离子和阳离子交换树脂床，并连续有效地利用所有产生的离子以及同时再生整个的去离子系统。本发明即使以混合床形式，在任何一个循环中，阴离子树脂是一个混合床，而阳离子树脂是另外一个混合床，并同时被再生。

再生离子交换物质的方法和装置(国际专利申请号No.W089/00453)

该专利说明书公开了离子交换树脂再生的方法，是通过将交流电压或脉冲直流电压施加在含有阴离子交换或阳离子交换树脂的电化学电池上而使其再生的。还记载了一种两床系统，其中一床含有阴离子交换树脂，另一床含有阳离子交换树脂，并且这两床被一电极和一液态层所分隔。对其施加一高频(1KHz～10MHz)交流电压(数千伏特)。这一系统在概念上与本发明完全不同，假如两者有任何共同点话就在于都要求使用电来再生离子交换树脂。

离子交换树脂再生的方法(印度专利15 08 70)

该专利所揭示的方法是在电化学电池中部分再生离子交换树脂。在该专利说明书中，电极是埋入在离子交换树脂腔室的中央。相反，本发明设计的夹层系统(树脂包含在两个电极之间)基本达到其成功的操作性能。再者，在该专利所说方法的再生过程中没有液体释放，也就意味着盐的积累导致在水中的盐与树脂上的盐之间达到平衡而阻止进一步再生。在给出的实施例中，每一次盐溶液通过树脂床的数量只达树脂床总容量的10％。只有四分之一的溶液被通过，因此不清楚是再生发生到何种显著的程度，或是去盐仅仅是由于存在未使用的树脂，并不需要从溶液中去除盐。通过电流后流出溶液的导电性的不同可能仅仅是由于H⁺/Na⁺和OH^-/Cl^-离子的迁移率的不同。最高纯度可达到与水的277微欧姆导电率(3600欧姆水)一致。

本发明概述

根据本发明所陈述的方法和装置能连续生产净化水和连续再生离子交换物质床。

根据本发明的一个方面是提供一种净化水流的装置，包括至少两种离子交换物质床，一种是阴离子交换物质和第二种是阳离子交换物质，两个未通过至少一个连接处连接，该连接处能使离子渗透通过；使待净化的液体连续流过一个和另一个床的结构，至少有一对电极，它的每一电极分别与相应的物质床连在一起以使在所说的每一电极和所说的连接处之间至少夹着一些离子交换物质；在所说的电极对之间施加电势的设施，其作用是在它们之间产生一电场并再生所说的离子交换物质。

根据又一方面，本发明提供一种净化水流的装置，包括至少两个离子交换物质床，每一个床含有阴离子和阳离子净化物质的混合物，两个床之间通过至少一个连接处连接，连接处能使离子渗透通过；使待净化的液体连续流过一个和另一个床的结构，至少有一对电极，它的每一电极分别与相应的物质床连在一起以使在所说的每一电极和所说的连接处之间至少夹着一些离子交换物质；在所说的电极对之间施加电势的设施，其作用是在它们之间产生一电场并再生所说的离子交换物质。

本发明还提供一种净化液流的方法，包括的步骤为：使得待净化液流连续通过至少一对离子交换物质床，一种是阴离子交换物质和第二种是阳离子交换物质，床之间至少有一个连接点，连接处能使离子渗透通过；通过在一对电极之间施加电势，其中每一个电极分别与相应的物质床相连接，以便在两电极之间产生一电场，从而连续地再生所说的离子交换物质床，所说电极这样放置以使在每一个所说电极和所说连接处之间夹着的至少一些离子交换物质。

当使用分开的阴离子和阳离子交换物质床时，阴极放置在阴离子交换物质床中以及阳极放置在阳离子交换物质床中。要净化的液流加入其中的一床中，最好是从一床的底部加入。然后液流被允许流过并流出第一床而进入第二床，最好从第二床的底部进入。然后液流流过第二床在这里离子被净化。从第二床排出的液流作为净化液流。

然而这些过程的发生是在连接离子交换物质床的电极之间施加了一电势而使电极之间产生了一电流。这样产生的电场连续存在于充填在两电极之间的离子交换物质中，发生水的还原和氧化而分别在阴极和阳极产生氢氧根离子和氢离子。电场使污染物离子被离子交换物质床吸附收集，在床连接处形成盐。污染物离子在离子交换物质中被电极产生的氢氧根离子和氢离子所替代。在床的连接处附近，从该处的一侧或两侧产生一小股细流带走形成的盐，流到外部收集器中。根据本发明，以这种方式，床中的离子交换物质被连续地再生，同时也产生净化水。这一方法允许在相当长期间内连续产生净化水而不必打断该过程以再生离子交换床。

当使用的床填充了混合的阴离子和阳离子交换物质时，要净化的液体可以通过单一的床或由离子交换物质组成的多个床。在这种情况下，通过电化学反应产生的氢和氢氧根离子与离子交换床接触。这些产物通过液流流过电极可以冲洗掉。阴极和离子交换床最好是用阳离子隔膜分开以及阳极和离子交换床用阴离子交换膜分开。在这种情况下盐的分离是通过混合离子交换物质吸收液流中的盐而完成的。由于施加电场的存在，在电极之间产生了电流使得离子交换床中的离子定向迁移并在床的连接处以盐形式积聚。如前所述，在邻近床的连接处的一小股细流将积聚的盐除去。随着这盐不断地从床中除去而液流中的盐不断地替换而净化，结果使进入该装置的液流不断地净化。

优选地，要净化的液流通过离子交换物质床的流向至少有一部分与在电场作用下的离子的流向不同，更优选的是流向相反或成直角。

在本发明的第二方面中，离子交换物质床的连接处可使阴离子或阳离子或阴阳离子都能渗透通过，而基本限制或阻止水流通过。在这种方式下在离子交换物质床之间存在一离子接触通道而基本不允许水通过。这就抑制了由于待净化的液流所导致的离子交换物质床的水压短路。

在本发明这一方面的优选实施方案中，这样的连接处可以通过使用阴阳离子交换膜而形成从而使两个离子交换物质床分开。更优选使用阳离子交换隔膜。这样的隔膜例子有Nafion^TM(DuPont)、Tosflex^TM(TOSH)或Ionac^TM(Sybron Chemicals Inc.)。

形成连接处的另一方法是将离子交换树脂充填在网中以使水流通过充满的网栅有很大的阻力。树脂颗粒可以压入并放置在单网的网栅中或在夹入在两个或多个网栅之间。例如，具有较大网孔的网栅可以用作承接树脂颗粒基础支撑物，然后再夹入在另外两个网孔更细的网栅之间。优选，在所有这些网栅由中相对惰性的非导电物质构成。

假如需要，在床连接处附近的用于冲掉盐的液流可通过分流器分配。

在操作本发明时，希望减小离子流通过离子交换物质床的电阻。

在本发明中的第三方面，是发现了通过施加压力使离子交换物质床压缩有可能使离子流通过床的阻力降低两倍或更多。

如何实现这一压缩的优选实施方案是将电极结构埋入床中或放置在床的表面，对夹在电极和床连接处之间的离子交换物质施加压力。可以利用的电极结构是用稳定结构部件加固了的，当施加压力时能防止不适当的弯曲。

在本发明这一方面的另一实施方案中，独立的压缩的结构可以放置在与树脂床相接触的电极结构上。例如，这可以是含有离子交换物质容器的盖子，在填装物质时使离子交换物质过满地填充给容器，在给容器装上盖子时就可以实现压缩。

除了压缩离子交换物质之外，还有其它方法降低其对离子流的阻力。传统的用于水净化的离子交换物质是以小珠状形式的。本发明的第四方面是发现离子交换物质制成其它结构时，用于床中时其比树脂颗粒更能降低对离子流的阻力。其它结构的例子有细丝状的离子交换物质或大孔隙独石状物质。这些结构能够通过任何适当的方法制得。

例如，大孔隙独石可以通过向适当的聚合粘稠物中加入发泡剂而制成。细丝状的离子交换物质例如可以通过对聚合物的熔融吹丝，并紧接着将其纺丝粘结，或用相似方法处理形成重叠的无纺细丝的片。这些片随后可以随意地压缩和堆积或缠绕以形成多孔的大块离子交换物质。形成细丝的聚合物在形成细丝以前可以含有离子交换类物质，或在形成片以后通过化学处理方法在聚合物上形成离子交换基团。适合本发明的这一方面的聚合物的例子是聚苯乙烯或聚丙烯酸脂。适宜的离子交换基团的例子是磺酸脂、羧酸、胺和季胺。降低混合离子交换物质的离子流阻力的方法是使用细丝物质，如上所说一些细丝含有阳离子交换基团和一些阴离子交换基团。这两种类型的纤维状物均匀地分布在组装的大块离子交换物质中。

另一方法是使用细丝状、小珠或独石状的合适的聚合物质，并且在起化学反应之前或之后制成这种物质结构以使最终的离子交换物质含有混合的阳离子和阴离子聚合物质。例如，聚苯乙烯小珠可以这样化学处理使每一个小珠都含有阳离子交换物质和阴离子交换物质。

根据本发明的第五方面是提供一净化液流的装置，包括至少含有两种离子交换物质的床，一种是阴离子交换物质和第二种是阳离子交换物质，在床之间至少有一个连接点以使它们之间形成一连接处，使要净化的液流流过每一个床的设施，该床是单一床或是至少含有阴离子交换物质的床和至少含有阳离子交换物质的床，所说的含有离子交换物质的床是以一排放置的，并且至少具有一对电极与所说的排相连接，在所说的电极和所说的床连接点或连接处之间施加电势的设施。

在本发明的这一方面的一个实施方案中，使用了一对离子交换床，以及在离子交换物质床之间形成了两种连接。在第一种连接方式中，电势是施加在两床的连接处，这样使停留在离子交换物质上的可移动的阳离子和阴离子分别从连接处被吸走而分别进入离子交换物质床中。这将使水在连接处分解成氢离子和氢氧根离子。这样形成的氢离子和氢氧根离子然后在施加的电场作用下迁移通过离子交换物质床而不断再生物质。在第二种连接方式中，电势是施加在连接处之间，这样使存在于床中的阳离子和阴离子被吸至连接处并在那里形成盐。这些盐由在邻近连接处产生的一小股水流从床中带走。设置在连接处的底部的排水槽有助于排尽盐溶液。

在本发明的这一方面的一个实施方案中，采用多对离子交换物质床，将其排列成一列，每一个离子交换物质床至少具有两个连接处，一个与近邻的床相接，或者与一个含有电极的腔室相接。在这种情况下，当施加一电势时，一个连接处的作用是氢离子或氢氧根离子的产生源，而第二个连接处作为从床中去除污染物离子的场所。

根据本发明这一方面的优选形式，连接处可以这样形成，例如，在仅仅邻接的两个交换物质床间使用纺织网或其它大孔隙隔膜使其分开，将形成网或其它多孔物质压入离子交换物质中，或使用半渗透隔膜将床分开。在这种连接情况下，在连接处水被分解，半渗透隔膜可以是双极隔膜或阳离子或阴离子或阳离子和阴离子可渗透隔膜。在这种盐富集在连接处的情况下，隔膜可以是阳离子或阴离子或阳离子和阴离子可渗透隔膜。这样隔膜的例子是Nafion^TM(DuPont)、Tosflex^TM(TOSH)或Ionac^TM(Sybron Chemicals Inc.)。

用于本发明实施方案的电极可以由在使用条件下呈惰性物质制成。优选，阳极是由金、铂、钯、铱、碳或更优选包覆金、铂、钯或铱的钛构成。阴极优选由金、铂、钯、铱、碳、不锈钢、银、铜、钛或包覆金、铂、钯或铱的钛构成。

在本发明的优选形式中，通过每一个离子交换物质床的液流压力能保持基本相等。在这种情况下，床之间不能有连接点这样会充分限制液流通过连接点，所以简单将相邻近交换物质连成一体。在床之间的水压相等通过供料口之间的供给液流提供一条通向各个床的通道而更好地实现。例如可以使用共用多支管使液流供给所有的床。

当希望待净化的液体最好连续通过一个以上排列的离子交换物质床时，床之间必须至少有一些床连接设施，以使在操作过程中尽管在连接处存在水压差，但基本上能够限制液流通过连接处。例如，假如要净化的液流是这样的，对于每一对阳离子/阴离子交换物质床来说，液流首先流过一种类型的离子交换物质床，然后再通过邻近的相反类型的离子交换物质床，在这些床之间连接处积累可能限制液流流过，但是水的分解的连接处却不会限制液流。在这种情况下最好使用多支管一起将原料液流供给第一离子交换物质床以便使每一对床之间的水压相等。

又一方面，本发明提供一种这样的方法，即至少在离子交换物质的两个区域间形成一个连接处，其步骤包括在所说的区域之间提供一个具有致密堆积结构的离子交换物质以形成所说的连接，所说的结构具有的堆积密度足以能充分限制液流通过所说的连接处。

附图的简要说明

现在仅通过实施例陈述本发明的优选实施方案，其所参照的附图如下；

图1是说明本发明第一方面的一个优选实施方案的示意图；

图2是说明本发明第一方面的第二个优选实施方案的示意图；

图3是说明本发明第一方面的第三个优选实施方案的示意图；

图4是说明本发明第五方面的一个优选实施方案的示意图；

图5是说明本发明第五方面的第二个优选实施方案的示意图；和

图6是说明本发明第五方面的第三个优选实施方案的示意图。

本发明的实施方法

参照图1，两个容器17和18分别含有阴离子交换物质10和阳离子交换物质11。它们通过一片阳离子交换隔膜4在两个床之间形成离子导通连接，能充分防止水通过该隔膜。

要净化的液流经过适当的分配器从阴离子床10的底部5供给以保证液流在床中以希望的方式流动，液流上升通过床并在端口6流出。收集器可以任意放置在床10的顶部附近与端口6之间，再次保证液流在床中以希望的方式流动。然后液流经过管道7，借助第二个分配器输送供给阳离子床11的底部8。净化水从床11的9处流出，任选地再次通过适当的收集器，。

作为一个例子，让我们假设需要净化的液流是含有氯化钠的水溶液。当溶液上升通过床10时，氯离子被离子交换物质所吸收并被氢氧根离子所替代。吸收几乎都发生在床10的底部附近。因此液流作为氢氧化钠溶液从6排出。然后，这溶液供给阳离子交换物质床11。当溶液上升通过床11时，钠离子被阳离子交换物质所吸收，又几乎在床的底部被氢离子所替代，氢离子和存在的氢氧根离子反应形成水。然后净化水从装置中的9排出以备使用。

在液流供给床以被净化的同时，通过电源19在电极2和3之间施加了一电势。该电势值足够大到使水在阴极2发生还原在阳极3发生氧化，这些电极是由包覆铂的钛网制成的。水的还原反应产生等摩尔的氢气和氢氧根离子14，而水的氧化反应产生等摩尔的氧气和氢离子13。产生的少量气体溶于液流中并和净化水一起从9排出。在容器17和18的顶部的任意位置设置适当的通道使任何积累的气体能从其去除。

由于在双极之间施加了电势，电场的存在使阴离子14和16吸向阳极3以及将阳离子13和15吸向阴极2。这使阴离子14向下通过阴离子交换物质床和使阳离子13向下通过阳离子交换物质床。所以钠离子15和氯离子16不断沉积在离子交换物质床的底部，正是这些离子而不是氢氧根离子或氢离子趋于达到床的连接处。因为氢氧根离子14和氢离子13达到连接处而反应生成水，从而导致本系统中库仑定律失效，这正是所希望的。在电极上产生的氢氧根离子和氢离子13、14趋于向下迁移通过床并替代氯离子或钠离子15、16，后者朝床连接处4迁移。这种在离子交换物质中不断地补充氢氧根离子和氢离子以保证液流净化过程能连续不断地进行。

阴离子趋于向阳离子交换隔膜和阴离子交换物质之间的界面处迁移，阳离子交换隔膜形成床之间的连接，阴离子基本上不能渗透通过阳离子交换隔膜。阳离子从床11通过阳离子交换隔膜与在阳离子交换隔膜/阴离子交换物质界面4处的阴离子结合形成盐。供给液流的一小部分允许从阴离子交换床的12出排出。这一液流用作是将在阳离子交换隔膜/阴离子交换物质界面4处形成的盐带走。事实上在界面上形成的富集盐溶液的浓度要高于残留在床中的液体的浓度，并因此趋于下降至排出口12，这样有助于从这一界面去除盐。通过使在床连接处附近处的容器18的底部倾斜(如排出口12设置在最低点)，能进一步促使这一过程。

如图2所示在本发明的第二个优选实施方案中，多个离子交换物质30床21放置在电极22和23之间。根据这个实施方案，离子交换床中可以含有混合的阴离子和阳离子交换物质30。这些床是这样的，即可以流过每一个床底部的液流流过相对较直的通道。例如，如图2所示，液流从床的底部25流入并从床的顶部26流出。在另一个优选实施方案中，要净化的液流流过夹层式的几个床，以相同方向或在邻近床中改变方向。在这种情况下，液流通过这些床时可以连续净化直至排出净化液流。随着待净化液流流过这样一堆床，盐如前一个实施方案所说的那样从每一个连接处去除直到从这一堆床中流出的液流净化至所要求的程度。通过将适当的液流分配器和收集器系统放置在床端部，使导入的要净化液流不会干扰在隔膜/交换物质界面处盐富集附近的液流。这能保证富集的盐从排出口24被冲掉并充分防止其混入待净化的液流中。

根据这个实施方案，阳极23放置在离子交换物质床组21的一端并通过阴离子交换隔膜28任意地将邻近的离子交换物质床分开。同样，阴极22放置在离子交换物质床组的另一端并通过阳离子交换隔膜27任意地将邻近的离子交换物质床分开。

当在电极之间施加一电势时，在电极上不断产生的电化学反应产物，必须产生一液流使其流过电极以便于将这些产物带走。这一液流可以直接废弃或放出一小部分含有电化学反应产物的液流并加入一小部分新鲜液流而循环通过电极附近。

本发明的第三个实施方案如图3所描绘的。这个图描绘了三个单元夹在一起并想示意性地说明假如需要，无论是一个单元或是多个单元都能组装成实施装置。在这个实施方案中，容器21填充了混合的阴离子和阳离子交换物质30。每一个容器被一中央隔板29所分开，隔板向上延伸至床的高度和床的长度的位置处。要净化的液流从每个单元的25进入，向上通过床越过隔板29，再在另一侧向下从26作为净化液流排出。

当这液流在被净化时，在阴极22和阳极23之间施加了一电势。这使水在电极上产生还原和氧化以及使阳离子被吸向阴极22和阴离子被吸向阳极23。例如通过阳离子交换隔膜27将容器21中的离子交换物质30的床互相连接起来以便于离子输送。如前面的实施方案，盐趋于在阳离子交换隔膜27和最靠近阴极22一侧的离子交换物质之间的界面上富集。这些盐再通过一小股液流从容器中的24排出而去除。不是非要用混合离子交换物质来邻接阳离子交换隔膜27，任选地一些阴离子交换物质可以放置在邻接阳离子交换隔膜27最靠近阴极22一侧和/或阳离子交换物质邻接隔膜的最靠近阳极23的一侧。这有助于保证在界面上将离子去除而不再进入被净化的液流中。也可以任意使用一片阴离子交换隔膜28以阻止在阴极22形成的氢氧根离子进入交换物质床。

当在电极22和23之间施加一电势时，一小股液流导入之中以提供用于电极反应的水和以便于将电极反应产物带走。这一液流可以直接废弃或放出一小部分含有电化学反应产物的液流并加入一小部分新鲜液流而循环通过电极附近。

参照本发明的第五方面的第一实施方案，如图4所示，要净化的液流49经过公用的多支管54进入一排的离子交换物质床41。液流向上经过阳离子44交换物质床或阴离子45交换物质床。通过这样过程，供给的液流中的阳离子或阴离子分别被氢离子或氢氧根离子所替代。然后液流产物50经过公用的多支管53从床中排出。在这发生的同时，在阴极42和阳极43之间施加了一电势以使在电极之间有电流流过。电极与离子交换物质床被阳离子交换隔膜51或阴离子交换隔膜52所分开。这使污染离子(这里所示的为钠离子和氯离子)向床的连接处47迁移。在床的连接处47污染的离子结合形成盐。水槽48有开向装置的外侧的排放口，它产生一小股液流流向连接处47并进入水槽48。这液流使在连接处47形成的盐被冲入水槽48中并从床44、45中去除。所示在连接处46底部的水槽48是任选的，并且当处理供给液流具有相对高的溶盐浓度时这是必须有的。与在离子交换物质相中的可移动的离子浓度相比，在连接处46的液流中只有相对低浓度的离子。这些可移动的离子在电场的作用下被吸离床的连接处46，以便于在连接处之间运载电流而水将分解为氢离子和氢氧根离子。由于电场的存在，然后这些离子分别迁移通过阳离子和阴离子交换物质床，不断地再生这些床。

根据这个实施方案，几乎有一半的污染盐将从供给液流49中除去，并且连接处46和4仅仅需要7在两种物质床之间的一界面或一片大孔隙材料如网孔材料或多孔片。可选择地，流入床的液流多支管装置可以变化以使要净化的液流首先通过一种离子交换物质床，然后再通过第二种相反类型的离子交换物质床。这可以充分地将所有溶盐从要净化的液流中除去。这要求连接处46或47或两者都充分限制液流通过其中以阻止在邻近的离子交换物质床之间发生不希望的液流混合。

在这个实施方案的又一形式中，可以使用两排如图4所描绘形式的离子交换物质床，以使通过第一排床而净化的液流再进入第二排床使其进一步净化。另外，根据该实施方案的这种形式，已经通过第一排的阳离子交换物质床的液流再被输入第二排的阴离子交换物质床。同样，已经通过第一排的阴离子交换物质床的液流再被输入第二排的阳离子交换物质床。在这种方式下阴离子和阳离子都被从要净化液流中除去。

根据该实施方案的这种形式，一对分离的电极可以与每一排床相连接或它们有一对公用电极。

在本发明的第五方面的第二个优选实施方案中，如图5所示，两排床是这样放置的，即一排放置在另一排的上面，而且在第一排的每一离子交换床的上面直接就是一相反类型的离子交换床。阴极电极42放置在这两排离子交换床的一端而阳极电极43则放置在另一端。在这一实施方案中单一的阳极和阴极电极同时对两排床提供电流。假如需要，可以用阳离子交换隔膜51或阴离子交换隔膜52将电极和离子交换床端分开，要净化的液流49直接通过这两排床。图5上的其它数字所表示的结构与图4所定义的相同。

在这实施方案的第二种形式中，两排床可以以任何适当的方式排列，只要使从第一排床流出的液流经过适当的连接器能够供给第二排相应的床。在该实施方案的这种形式中，一对分离电极被用于每一排床上。优选将这些电极对串联连接在一起。在该实施方案的这种形式中，希望将从第一排床流出的液流输入第二排床的装置是足够长，并且所说装置的横截面足够小，这样离子流通过所说的装置的阻力要大于由于施加的电场的作用，阻止离子流通过这排离子交换物质床的阻力。这样能防止离子交换床明显的电短路。

在本发明的第五方面的第三个优选实施方案中，一排离子交换物质床的一端与第二排离子交换物质床的一端有一连接处，该连接处允许两床之间电连通而限制或充分阻止液流通过它。这样的连接方式可用一离子交换隔膜。将第一排床流出的液流输入第二排床的方式与第二优选实施方案所提供的一样。根据这第三实施方案，采用一对电极，其中阴极放置在一排连接的床的一端而阳极则放置在另一端。在这实施方案中各排的床可以连接成棒状或成U形状，或其它适当的形状。如图6所示本实施方案所给出的是一例棒状形状。

在本发明的另一个方面提出了一形成床连接的方法。这一方法的应用的连接方式可参照图4、5和6中的46和47。根据这第一方面，将离子交换物质形成堆垛致密的结构以构成连接处。这离子交换物质可以是细粉末状形式、压缩的细丝物质、旋转粘结的细丝物质或其它可以致密堆积的物质。堆积物质的致密度有这样一个要求，即在操作中能够充分地阻止液流通过这致密堆积的物质，只有一小部分供给的水流能够通过。这个阻力可以是通过其本身限制液流以达到所要求的程度，或这样的连接阻力与阀或毛细管结合使用，当其使用其中之一时使所希望的液流通过连接处或流出连接处并进入水槽中。

优选，每一个致密堆积物质之间具有两个邻接区域，一个区域含有阴离子交换物质而第二个区域含有阳离子物质。含有阴离子交换物质的区域面向阴离子交换床而含有阳离子交换物质的区域则面向阳离子交换物质床。任意地，一个或多个大孔隙片物质或网放置在两区域之间以使液流通过其的阻力与液流通过致密堆积物质的阻力相比相对低一些。

当在这一方面使用旋转粘结物质时，连接的结构可以是其本身支承。当使用细粉末物质时，可以在网的外侧形成一含有粉末的袋子。优选足够细的网以使粉末物质充分保留在网内但允许任意一些物质挤出通过网。通过网挤出的物质允许其在连接处的离子交换物质和它的床物质之间有更紧密地接触，从而降低电阻。这挤出物质可以任意地与粘结剂一起雾化以增强结构的坚固。细粉末状物质也可以与粘结剂混合以形成自身支承的连接结构。

在本发明这又方面的优选实施方案中，离子交换物质形成一楔形，楔形的最厚端在连接处的底部。根据这个实施方案，液流通过楔的薄的部分的阻力要小于液流通过楔的厚的部分的阻力，这就使液流通过致密堆积物质进入连接处时趋于选择从连接处的顶部进入。然后液流趋于沿连接处向下流动有助于除去假如需要除去的盐。

只要不脱离本发明所陈述的精神实质或范围，可能能举出更多的本发明的实施方案和范例，这都是可以理解的。

Claims

1.一种净化液流的方法，包括的步骤为：将要净化的液流顺序地通过至少一对离子交换物质床，其中一种是阴离子交换物质而第二种是阳离子交换物质，被连接的床至少有这样一个连接点，在它们之间所形成的连接处离子是可渗透过的，通过在一对电极之间施加一电势，其中每一个电极与相应的物质床相连接，由此在电极之间产生一电场，从而同时再生所说的离子交换物质床，并且所说的电极被这样放置，即在每一个所说电极与所说的连接处之间夹着至少一些离子交换物质。

2.根据权利要求1的净化液流的方法，其中阴极放置在阴离子交换物质床中以及阳极放置在阳离子交换物质床中。

3.根据权利要求1或2的净化液流的方法，包括下列步骤：将要净化的液流供给其中的一床，并允许液流流入该床并从中排出，然后再供给第二床并允许流入通过第二床并在这里提取离子，作为净化的液流从第二床排出。

4.根据前面的任何一项权利要求的净化液流的方法，包括在床的连接处附近提供一小股液流以便将富集的杂质去除的步骤。

5.根据前面的任何一项权利要求的净化液流的方法，包括要净化的液流通过离子交换物质床的方向是这样的，其中至少有一部分方向与在电场作用下离子的流动方向不同。

6.根据权利要求5的净化液流的方法，其中液流的方向与在电场作用下离子的流动方向相反或垂直。

7.根据前面的任何一项权利要求的净化液流的方法，包括离子交换物质床所形成的连接处是阴离子或阳离子或阴阳离子都可以渗透通过的，但却能基本上限制或阻止液流通过。

8.根据权利要求7的净化液流的方法，其中连接处是通过使用一片阴离子或阳离子交换隔膜而形成以将两个离子交换物质床分开。

9.根据权利要求7的净化液流的方法，其中连接处是通过将离子交换树脂小珠堆积在网栅而形成的。

10.根据权利要求9的净化液流的方法，其中形成所说连接处的树脂颗粒是被压入并固定在单一网的网栅中或夹在两个或多个网栅中。

11.根据权利要求9或10的净化液流的方法，其中网栅是由相对惰性的非导电的物质形成的。

12.根据前面的任何一项权利要求的净化液流的方法，包括对床或离子交换物质床施加压力使其压缩以便降低床对离子流的阻力的步骤。

13.根据权利要求12的净化液流的方法，其中施加压力的方法是通过放置在床里面或床表面的电极结构施加压力到夹在电极与床连接处之间的离子交换物质中。

14.根据权利要求13的净化液流的方法，其中通过使用适当结构的隔膜增强了电极结构以防止当施加压缩力时产生不适当的弯曲。

15.根据权利要求12的净化液流的方法，其中施加的压力是通过为含有离子交换物质的床设置一盖子来实现的，并且包括在组装床的过程中将离子交换物质填充过满，这样当对床装盖子时，里面的物质被压缩的步骤。

16.根据前面的任何一项权利要求的的净化液流的方法，其中离子交换物质是细丝状的。

17.根据权利要求1～15中的任何一项的净化液流的方法，其中离子交换物质是大孔隙独石状的物质。

18.根据前面的任何一项权利要求的净化液流的方法，其中离子交换物质是由化学处理的聚合物质形成的。

19.净化液流的装置，包括：至少两个离子交换物质床，其中一个是阴离子交换物质和第二个是阳离子交换物质，两个床通过至少一个连接处连接，所述连接处是离子可渗透通过的，使待净化的液体连续流过一个和另一个床的结构，至少有一对电极，它的每一电极分别与相应的物质床连在一起以使在所说的每一电极和所说的连接处之间至少夹着一些离子交换物质；在所说的电极对之间施加电势的设施，其作用是在它们之间产生一电场并再生所说的离子交换物质。

20.净化液流的装置，包括：至少两个离子交换物质床，其中每一个床含有阴阳离子交换物质的混合物，两个床通过至少一个连接处连接，所述连接处是离子可渗透通过的，使待净化的液体连续流过一个和另一个床的结构，至少有一对电极，它的每一电极分别与相应的物质床连在一起以使在所说的每一电极和所说的连接处之间至少夹着一些离子交换物质；在所说的电极对之间施加电势的设施，其作用是在它们之间产生一电场并再生所说的离子交换物质。

21.净化液流的装置，包括至少两个含有离子交换物质床，其中一个是阴离子交换物质和第二个是阳离子交换物质，两个床通过至少一个连接处连接，使要净化的液流通过每一个床的结构，它或者通过单一一个床或通过一个至少含有阴离子交换物质的床和至少含有阳离子交换物质的床，所说的含有离子交换物质的床以一排的方式放置，至少有一对电极与所说的排相连接，在所说的电极与所说的床连接处或连接点之间施加一电势的设施。

22.根据权利要求19～21中任意一项的净化液流的装置，包括通过施加压力使床或离子交换物质床压缩以降低床对离子流的阻力。

23.根据权利要求22的净化液流的装置，其中施加压力的结构包括放置在床里面或床表面的电极结构施加压力到夹在电极与床连接处之间的离子交换物质中。

24.根据权利要求23的净化液流的装置，其中通过采用适当结构的元件增强电极结构以防止当施加压缩力时产生不适当的弯曲。

25.根据权利要求22的净化液流的装置，其中施加的压力是通过为含有离子交换物质的床设置一盖子来实现的，并且在组装床的过程中将离子交换物质填充过满，这样当对床装盖子时，里面的物质被压缩。

26.根据权利要求19～25中的任何一项的净化液流的装置，其中离子交换物质是细丝状的。

27.根据权利要求19～25中的任何一项的净化液流的装置，其中离子交换物质是大孔隙独石状的物质。

28.根据权利要求21的净化液流的装置，其具有一对离子交换床和在离子交换床之间有两种形式的连接处，第一种形式的连接处具有一电势施加在连接处之间以使存在于离子交换物质中的可移动的阳离子和阴离子被吸离连接处而分别进入阳离子和阴离子交换物质床中，以及第二种形式的连接处具有一电势施加在连接处之间以使分别存在于床中的阳离子和阴离子被吸向连接处并在此形成盐。

29.根据权利要求21的净化液流的装置，其中所说的盐被流向连接处附近的一小股液流以溶液形式带走，并在连接处的底部提供一水槽有助于将盐溶液冲走。

30.根据权利要求21的净化液流的装置，其具有多对离子交换物质床，排列成一排，每一个离子交换物质床有至少两个连接处与邻近的床连接或与含有电极的腔室连接，其中一对所说的连接处被施加了一电势以使存在于离子交换物质中的可移动的阳离子和阴离子被吸离连接处而分别进入阳离子和阴离子交换物质床中，以及另一对所说的连接处具有一电势施加在连接处之间以使分别存在于床中的阳离子和阴离子被吸向连接处并在此形成盐。

31.根据权利要求21～30中的任何一项的净化液流的装置，其中连接处是在邻近的离子交换物质床中使用织物网栅或其它多孔隙隔膜而形成的，在形成网栅或其它多孔隙物质中加入了离子交换物质并被压缩，或使用半渗透隔膜将床分开。

32.根据权利要求31的净化液流的装置，包括在一连接处水被分解，半渗透隔膜可以是一双极性隔膜或一阳离子或阴离子或阳离子和阴离子可渗透隔膜。

33.根据权利要求31的净化液流的装置，包括在一连接处盐被收集，半渗透隔膜可以是一阳离子或阴离子或阳离子和阴离子可渗透隔膜。

34.根据权利要求21～33中的任何一项的净化液流的装置，其中液流通过每一个离子交换物质床的压力基本是相等的。

35.根据权利要求34的净化液流的装置，其中在床之间压力均等通过在原料入口处之间的供给液流提供一个通往各个床的连接通道而实现。

36.一种在离子交换物质中至少两个区域之间形成一连接处的方法，包括的步骤为：在所说的区域形成所说的连接处之间提供一致密堆积结构的离子交换物质，所说的结构具有一足够的堆积密度以限制液流流过所说的连接处。

37.根据权利要求36的在离子交换物质中至少两个区域之间形成一连接处的方法，其中离子交换物质形成的致密堆积结构是以细粉末或一压缩的细丝物质形成的。

38.根据权利要求36或37的在离子交换物质中至少两个区域之间形成一连接处的方法，其中的连接限制是结合使用了一阀门或毛细管以使所期望的液流量通过连接处。

39.根据权利要求36、37或38的在离子交换物质中至少两个区域之间形成一连接处的方法，其中致密堆积的物质是在相互邻近的两个区域形成的，一个含有阴离子交换物质而第二个则含有阳离子交换物质。

40.根据权利要求36～39中的任何一项的在离子交换物质中至少两个区域之间形成一连接处的方法，其中每一个区域含有一种类型的离子交换物质并放置在面向相同物质类型的交换床上。

41.根据权利要求40的在离子交换物质中至少两个区域之间形成一连接处的方法，其中在区域之间至少放置了一片大孔物质或网栅，以相比于液流流过致密堆积的物质，给液流提供阻力相对低的通道。

42.根据权利要求36～41中的任何一项的在离子交换物质中至少两个区域之间形成一连接处的方法，还包括以下步骤：将形成连接处的离子交换物质形成一楔形，楔形的最厚端在连接处的底部，这样使液流通过楔形的更薄部分的阻力要小于其通过楔形更厚的部分，从而使液流通过致密堆积物质进入连接处时趋于优先从连接处的顶部进入。