CN1328180C - 分级去离子方法 - Google Patents

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Abstract

一种处理液体的方法，在没有沉淀或不结垢的情况下，依次顺序去除强度逐渐降低的离子。本发明的一个实施例包括双重的电去离子操作。第一电去离子操作是通过施加计算出的电压实现的，该计算出的电压能够在不结垢的情况下去除供水中的强离子如钙和镁。然后第一电去离子操作的出水进行第二电去离子操作。第二电去离子操作是通过施加强于第一电去离子操作所施加的电压实现的，第二电去离子操作的电压能够去除更弱的离子如硅和二氧化碳。在电去离子期间，弱离子通常容易出现沉淀或结垢，而本发明中不会出现这种情况，原因是高压下容易结垢的强离子已经通过第一电去离子操作从原料流中去除。如果需要的话可以进行大于二级的连续电去离子操作。多级电去离子操作可以在一个电去离子单元中进行或者在多个电去离子单元组中进行。

Description

分级去离子方法
相关申请的交叉引用
本申请是于2001年12月20日申请的、专利申请序号为60/343,323、题目为“分级去离子方法”的共同待审申请的继续，在这里，通过引用以上待审申请，其所有公开的内容将并入本申请中。
技术领域
本申请涉及一种去除原料流中离子的新技术，即使进水的硬度很高，也不会结垢。本申请利用一种控制工艺系统把一些离子成分从其它离子成分中去除，而且在淡水室和浓水室都不结垢，从而实现水的去离子化。结垢已成为目前的电去离子(EDI)系统的限制操作条件，同时也是这种系统商业成功的障碍。在分级去离子(FDI)方法中，控制适当的pH值产生的H+和OH-能够以一定的能效去除水中的离子成分，而且还不结垢，从而使水的净化程度好于传统的EDI系统，H+和OH-还能够去除水中的弱离子成分从而得到纯净水。这项有利于环境保护的新技术不产生任何污染物，而且不使用任何化学物质，除了能够用于水的分离外，还能用于其它液体的分离。
背景技术
目前，社会面临的最大的环境挑战是水的净化。不仅活体需要水，工业上也需要水。因此，迫切需要提高水净化技术。
现有技术中典型的水净化系统不外乎以下三种：(1)离子交换树脂系统，(2)离子交换膜系统，以及(3)EDI系统。下面简要讨论这些系统。
离子交换树脂系统：
离子交换树脂在其各自的活性位置吸附离子。一旦树脂的活性位置吸附饱和，就利用酸或碱洗涤树脂，分别利用H+或OH-替换吸附的离子，从而实现树脂再生。这一过程称为树脂的再生，也是去除各种流体中阴、阳离子的主要原因。这一技术最主要的应用之一是水的软化。
离子交换膜系统：
离子交换膜由与树脂相同的材料制成，但是工作原理不同。在膜系统中，使用电驱动力驱使阴膜和阳膜之间水中的离子移动。离子朝着与电极相反的方向吸引移动，然后遇到离子选择膜，该选择膜允许离子选择性的移动通过。阳离子膜允许阳离子移动通过并且阻止任何阴离子移动通过。相似的，阴离子膜允许阴离子移动通过并且阻止任何阳离子移动通过。
电渗析方法是通过施加电压作为驱动力，该电压大大低于水分解的电压值。当需要高纯度的水时，电渗析方法由于高阻力以及不可能去除类似于硅这类离子而受到限制。
EDI系统：
EDI是一项将其固有离子吸附性能的树脂以及电渗析的离子交换膜系统结合一起使用的技术。EDI结合树脂和电渗析工艺，将树脂作为膜之间的传导介质。通常的EDI系统能够处理的供水水质变化范围很窄。需要的供水水质相当于反渗透(RO)的出水，硬度小于1000ppb。一些现有技术教导在EDI系统处理前先进行反渗透处理(美国专利号：US6,379,518)。由于反渗透处理不能满足这一供水水质，使用软化水作为EDI系统供水也成为一必要条件。
在EDI系统中，树脂必须吸附水中存在的离子。然后树脂释放这些离子，使离子具有一定的迁移率并朝着膜的方向移动，在这一系统中，必须产生H+和OH-。由于电驱动力而产生的H+和OH-可以使离子再生，由此可以补偿通常的离子再生。离子必须移动通过膜进入相反的室。在含有强离子(如硬度)以及弱离子(如硅和碳酸)的水中，通常的EDI系统在不结垢的情况下不可能去除所有的离子。EDI系统的供水通常仅限于硬度小于1ppm。现有技术中的EDI系统包括那些使用各种孔径的树脂离子交换器(美国专利号：US6,471,867)或者许多去离子堆中使用的多种树脂。
在大多数供水系统中，待去除的杂质包括强阳离子(比如钠离子和钙离子)和强阴离子(比如氯离子和硫酸根)。在EDI系统中，钠离子和氯离子化学上不易沉淀，因此其相对于钙离子来说更易于去除。另一方面，钙离子和镁离子易沉淀。钙离子和镁离子是否转化成氢氧化物或碳酸盐形式，取决于系统的酸碱度。氢氧化物和碳酸盐易于沉淀。
目前的EDI技术，对所有的离子都施加统一的电驱动力(US4,298,442，US6,391,178)，所以不能将混合的强离子和弱离子有效地分开。因此，该系统必须将钙离子浓度或硬度限制在低于1000ppb。
现有技术中的EDI系统不能达到为防止结垢所必需的硬度容许极限。尽管该系统的最大硬度容许极限是1ppm，发现该系统即使在1ppm时也易结垢，从而使工艺的应用受到限制。此外，一些现有技术中用于防垢和除硅的系统需要使用许多去离子装置和其它的化学物质(US6,398,965)，使用非标准的树脂(US6,187,162)，或在不同的树脂堆中使用不同种类的树脂(US3,330,750，US3,149,061，US6,402,917)。本发明旨在通过提供一个净化方法，该方法可以单组或多组操作，不需要添加化学物质，并且可以使用统一的树脂，就可以解决以上提到的一个或多个问题。
本发明内容
本发明提供一种利用多级电去离子工艺实现水净化的分级去离子方法。该方法可用于净化含有如镁、钙、二氧化碳和硅污染物的水，当然，本发明的方法不限于上述用途。分级去离子方法包括在第一去离子模件中处理污染的原料流，在第一去离子模件中施加第一电压。去离子方法中的其它变量已进行了说明，第一电压是系统保持在某些离子不易结垢或不易沉淀的状态下计算出的能够去除原料流中强离子的电压，否则，就会遗留在去离子系统的原料流中。
在原料流流过第一去离子模件后，就变成了第一产物流。尽管通过第一去离子模件的运行能够基本上去除第一产物流中的强离子污染物，但是大量的弱离子仍存于其中。因此，将第一产物流引入到第二去离子模件中。第二电压施加到第二去离子模件中。第二电压大于一级电压，计算出的第二电压有利于去除在第一模件中难以去除的更弱的离子。在传统的去离子方法中，去除更弱离子所施加的足够强的电压由于不适当的pH值容易使强离子结垢。在本发明中，这种强离子在经过第一去离子模件得以去除后就不再出现。在不害怕结垢的情况下弱离子就可以有效地去除。因此，该方法的能效很高。
所述方法最好在原料流pH值大约为中性并且流速为100-200cm/分钟的情况下实施。当然，其它条件也可以考虑。尽管本发明的一个实施例是整个方法在一个单独的改进的去离子堆中进行，在该去离子堆的变化点可以施加一种以上的电压，但是另一个实施例中该方法的每一个步骤都在一个分开的单独的去离子堆中进行。
本方法不局限于仅使用两个分离的去离子模件和两个分离的电压。然而，任何数目的去离子模件和电压都可以使用，只要在每一个去离子件模件中去除的离子具有明显的区别就可以了。如果使用多个模件，该方法就可以在一个模件堆或多个模件堆中进行。
本发明中的每一个模件堆都使用同类型的树脂，而现有技术的系统中，不同的模件堆需要使用不同类型的树脂。
具体地说，本申请提供下列发明：
1、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在包括至少一阴极和至少一阳极的第一模块内处理原料流，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加第一电压，从而去除所述原料流中的大部分第一种结垢离子，产生第一产物流；
(c)在包括至少一阴极和至少一阳极的第二模块内处理第一产物流，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加高于第一电压的第二电压，从而去除所述第一产物流中的大部分第二种离子，产生第二产物流；以及
(d)回收第二产物流。
2、如上款1所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在一个单元中。
3、如上款1所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在分开的单元中。
4、如上款1所述的方法，其中所述第二模件后接至少一个后续模件，每一个所述后续模件都有至少一阴极和至少一阳极，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加高于前级模件的电压，每一个所述后续模件处理前级模件的产物流。
5、如上款4所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件都容纳在一个单元中。
6、如上款4所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件中的至少两个被容纳在分开的单元中。
7、如上款1所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
8、如上款7所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
9、如上款2所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
10、如上款9所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
11、如上款7所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据的至少一个，采用至少一种方法向第一产物流中添加至少一种化学物质。
12、如上款1所述的方法，其中
(a)所述第一模件中的第一树脂包含废树脂；以及
(b)所述第二模件中的第二树脂包含彻底再生树脂。
13、如上款12所述的方法，所述第一模件中单位体积的树脂填充量大于所述第二模件中单位体积的树脂填充量。
14、如上款1所述的方法，所述第一模件包括至少一个阳离子透过膜和至少一个阴离子透过膜，其中没有膜-树脂两极分界面。
15、如上款14所述的方法，所述第二模件包括至少一个第二阳离子透过膜和至少一个第二阴离子透过膜，其中没有膜-树脂两极分界面。
16、如上款4所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
17、如上款16所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压、所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
18、如上款5所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
19、如上款18所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压、所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
20、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在第一电去离子模件中处理原料流，该模件的阴极和阳极之间包括稀释室和浓缩室，从而去除原料流中的大部分第一类离子，产生第一产物流；
(i)其中在所述阴极和所述阳极之间施加第一电去离子模件电压；
(c)在第二电去离子模件中处理第一产物流，该模件的阴极和阳极之间包括淡水室和浓水室，从而去除第一产物流中的大部分第二类离子，产生第二产物流；
(i)其中在所述阴极和所述阳极之间施加第二电去离子模件电压；
(ii)其中所述第二电去离子模件电压不同于所述第一电去离子模件电压；并且
(d)回收第二产物流。
21、如上款20所述的方法，其中所述第一电去离子模件和所述第二电去离子模件被容纳在一个单元中。
22、如上款20所述的方法，其中所述第一电去离子模件和所述第二电去离子模件被容纳在分开的单元中。
23、如上款20所述的方法，其中所述第二电去离子模件后接至少一个后续电去离子模件，每一个所述后续电去离子模件都有至少一阴极和至少一阳极，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加不同于前级电去离子模件的电压，每一个所述后续电去离子模件处理前级电去离子模件的产物流。
24、如上款23所述的方法，其中所述第一电去离子模件，所述第二电去离子模件以及所述至少一个后续电去离子模件都容纳在一个单元中。
25、如上款23所述的方法，其中所述第一电去离子模件，所述第二电去离子模件以及所述至少一个后续电去离子模件中的至少两个被容纳在分开的单元中。
26、如上款20所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
27、如上款26所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
28、如上款23所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
29、如上款28所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压、所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
30、上款1的净化液体的方法，还包括以下步骤：
向第一产物流中添加一种化学物质处理第一产物流。
31、如上款30所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在一个单元中。
32、如上款30所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在分开的单元中。
33、如上款30所述的方法，其中所述第二模件后接至少一个后续模件，每一个所述后续模件都有至少一阴极和至少一阳极，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加不同于前级模件电压的电压，每一个所述后续模件处理前级模件的产物流。
34、如上款33所述的方法，其中通过添加一种化学物质而处理第二产物流或所述后续产物流中的至少一个从而制备出后续改性产物流。
35、上款33所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件被容纳在一个单元中。
36、上款33所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件中的至少两个被容纳在分开的单元中。
37、如上款30所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
38、如上款37所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
39、如上款33所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，所述其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
40、如上款39所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压，所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
41、上款1的净化液体的方法，其中：
(a)液态原料流为水，所述原料流中的杂质包括有硬度至少为5ppm的化学成分；
(b)所述第一类离子至少包括钙离子；
(c)所述第二类离子至少包括硅阴离子；以及
(d)所述第二产物流的电阻率到18.3兆欧/厘米，硅浓度小于5ppb。
42、如上款41所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
43、如上款42所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
44、通过依次去除原料流中至少两种离子净化液体的方法，包括依次向所述原料流施加至少两种不同的电压，所述至少两种不同电压中的每一种都选择以去除不同类的离子且所述至少两种不同电压的每一个电压都大于前一个电压。
45、通过依次去除原料流中至少两种离子净化液体的方法，包括依次向所述原料流施加至少两种不同的电压，所述至少两种不同电压中的每一种都优先选择以去除不同的离子，所述至少两种不同电压中的每一种都选择以在净化所述液体期间降低能耗且所述至少两种不同电压的每一个电压都大于前一个电压。
46、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在第一模件中处理原料流，该模件包括有至少一个阴极和至少一个阳极以及第一填充树脂；其中
(i)所述第一填充树脂包括完全废尽的树脂；并且
(ii)在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加第一电压，从而去除所述原料流中的大部分第一类离子，产生第一产物流；
(a)在第二模件中处理第一产物流，该模件包括有至少一个阴极和至少一个阳极以及第二填充树脂；其中
(i)所述第二填充树脂包括再生树脂；并且
(ii)在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加大于所述第一电压的第二电压，从而去除所述第一产物流中的大部分第二类离子，产生第二产物流；并且
(b)回收第二产物流。
47、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在第一模件中处理原料流，该模件包括有第一树脂，至少一个阴极和至少一个阳极，其中在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加第一电压，从而去除所述原料流中的大部分第一类离子，产生第一产物流；
(c)在第二模件中处理第一产物流，该模件包括有第二树脂，至少一个阴极和至少一个阳极，其中：
(i)所述第二树脂的成分与所述第一树脂的成分相似；并且
(ii)在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加大于所述第一电压的第二电压，从而去除所述第一产物流中的大部分第二类离子，产生第二产物流；并且
(d)回收第二产物流。
本发明的其它方面以及优点通过阅读说明书、附图以及权利要求书就可以得知。
附图说明
图1是在淡水室不填充树脂导致旁通流以及保持离子运动的介质的连续性的流动图形。
图2a和2b代表在树脂-树脂分界面和树脂-膜分界面加速水分解的两种可能情况。
图3所示的是在第一阶段导致第一阶段的废物流pH值降低的离子迁移的可能情形。
图4说明本发明的一个实施例。
图5是产物中的硅去除率随时间变化的曲线。
图6是作为产物质量的参数电阻率随时间变化的曲线。
图7是作为产物质量的参数电阻率随时间变化的曲线。
优选实施例的详细描述
本发明的FDI方法是利用离子交换树脂和离子交换膜并且结合其它的水分解作用，按照控制的顺序模式进行盐/离子分离。这一方法允许净化处理的硬度较高，而且没有结垢的危险。FDI方法可以在连续的条件下去除钙和硅，而且互不干扰。在现有技术的EDI系统中，有利于除去硅的条件也会除去硬度；然而，如果硬度较高，在适于去除硅的条件下就会产生沉淀。而本发明就不会产生这种沉淀。
FDI方法是在不同的电化学工艺条件下可以有选择地去除离子，所述电化学工艺条件就是将电去离子模件堆的溶液中的pH值设计成不易结垢和离子易溶解的条件。在传统的电去离子模件堆中，向模件堆施加一个电压，该模件堆含有位于膜之间的的带电介质。利用较低的电压及其电流可以去除二价离子，如Ca2+和Mg2+，若要去除难以除去的离子如硅就需要较高的电压。因此，传统的EDI模件堆要去除硅就需要高压运行，这时二价离子如Ca2+和Mg2+就会由于原料流的pH值而产生沉淀。这就会导致模件堆结垢。
FDI克服了传统的EDI系统硬度容许极限低的缺点。FDI能够产生使树脂再生的离子，并且具有一定的离子迁移率从而实现离子去除。因此，即使供水的硬度为5ppm，也可以在不结垢的情况下实现离子分离。在FDI方法中，向相邻的去离子模件堆或单独的电去离子单元中的相邻区域施加不同的电压。向第一模件堆或模件堆的一部分施加一低压从而去除硬度。然后向第二模件堆或模件堆的一部分施加一高压从而去除硅和其它难去除的离子。因此，FDI不会由于供水流最初的高硬度而容易结垢，原因在于在硅去除阶段，pH值呈碱性，处理水流中已没有硬度。
FDI方法的细节：
分级去离子方法设计的原理是在不结垢的情况下提高系统的硬度容许极限。此外，不需要投加任何其它的用于防垢的化学药剂，例如不需要加酸。同时，系统能够高效能地去除硅并且供应高质量的产品。
分级去离子方法还考虑以下问题：
1、某些离子如Ca2+，Mg2+，Na+，Cl-和硫酸盐容易去除，原因在于这些离子具有固然的亲合力，适于进行离子吸附并且能够沿着驱动力的方向在树脂介质中进行流动。
2、这些离子不需要高驱动力，在适当的直流电压条件下就可以去除，原因在于这些离子在树脂介质中的迁移率很高。
3、某些其它离子的存在形式不易吸附和移动，需要对其结构进行改进使其适应于去离子工艺。
4、在上面的3中定义的离子需要高驱动力。
5、水在某一电压以上会发生分解，分解的程度可以通过控制施加的电压及其电流进行控制。
6、废物流的pH值可以通过水分解的程度以及氢离子和氢氧根离子的性能进行控制，从而使其益于结垢成分溶于溶液中。
分级去离子方法利用以上提到的原理从而达到设计的目的。按照序列方式或者在相同的模件堆中，通过向每单元对施加最小可能电压3-5伏，重点在于去除结垢离子和其它的单价离子，所述最小可能电压正好高于水分解电压。对于二价离子和一点儿单价离子如Na+，K+，Cl-和HCO3 -，不需要较高的再生环境，只要有利于离子迁移并且有一迁移方向就可以在电去离子模件堆中得以去除。水进行分解，但是分解程度要控制在废物流中的pH值小于中性或呈酸性，从而控制饱和指数，使潜在的垢成分溶解于溶液中。由于一些氢离子迁移到废物流中使碱度减小，因此以上控制可以实现，而氢氧根离子由于扩散速度很慢而不能影响处理工艺。氢氧根离子保留在淡水室中，或被阴离子消耗剂消耗掉并且成为一级产物流的一部分。所施加的电压足以将碳酸钙硬度降低到小于0.5ppm。然而，这时一级产物流中的硅含量没有降低，其它离子的含量中只是局部降低，这在后面的例子中再做描述。在这里，不需要施加高压，就可分级去除易结垢的所有离子，如果施加高压，这些离子容易结垢。在一个相同的模件堆中，使原料流首先流过模件堆的施加低压的下部就可以实现以上工艺。这部分模件堆称为硬度去除区。如果在一个单独的模件堆中进行，就可以从这部分的取样点取样进行硬度变化监测和其它参数的测试。如果在分开的模件堆中进行，就可以从第一模件堆的出口取样确认处理效果。
采用这一方法，水再流过下一阶段(在相同的或不同的模件堆中)，这里就需要通过施加电压产生高驱动力，从而使难以去除的离子发生改变并且迁移，这些离子需要水的高度分解。如果每单元对施加10-15伏的高压，就足以使水发生分解，在优先去除其它阴离子后使阴离子位置再生从而吸附硅，并且将硅转化成不同形式的阴离子，不同形式的阴离子可以通过膜介质或膜向废物流迁移。相似地，二氧化碳也与可利用的氢氧根离子结合，以HCO3 -的形式向废物流迁移。这时废物流的pH值大于9，通常在9-10.5。pH值高的原因在于氢氧根离子能够容易地扩散通过阴离子树脂介质，将其作为硅和二氧化碳的载体迁移到废物流中。因此，废物流中的pH值呈碱性并且硅完全溶解。在这一过程中，其它的单价阴离子和阳离子也达到希望的去除水平。在没有沉淀的情况下硅可能能够减少到2-5ppb。在相同的模件堆中去除硅，是在模件堆的施加高压的上部进行的。这部分称为硅去除区。可以分别地取样，分析传导率以及硅含量从而评价模件堆这一部分的性能。
这两个阶段的废物流分开处理并且呈再循环模式。
以下问题对于理解和区别FDI的工作也很重要。
1、分级去离子方法中不同阶段的树脂特性
研究发现，由于FDI的不同阶段中每一阶段的离子负荷不同，那么树脂的特性也稍有不同。重要的是，在两个阶段中，膜之间完全填满树脂，并且全部与膜表面接触。目的在于确保不出现如图1所示的旁通流，确保介质的连接性从而使离子容易迁移穿过介质进入膜再到废物流中。
研究发现，如果第一阶段介质采用再生树脂，第一阶段的性能就不一致。硬度结果不一致，并且从原料流中去除的硬度的实质平衡结果相对于废物流中收集的结果也不吻合。原因在于树脂一旦投入使用就会收缩，从而导致树脂缺乏接触和性能恶化。很显然在这些条件下打开模件堆以后这时就需要检查淡水隔板。如果介质采用完全填充的废树脂，由于树脂一旦开始使用就会部分再生，因树脂的膨胀特性会增强树脂的接触，从而使树脂从头开始就具备减小硬度的特性，并且这种特性与操作保持一致。采用这种树脂，在建立必须的离子平衡方面就不困难。这也进一步证实：第一阶段的去离子过程更多的是离子迁移的结果，在低压的适当驱动力的影响下，介质有助于离子迁移。即使采用废树脂，期望的硬度减小的特性也能实现，从这一事实可以清楚地看出，没有进行有效的树脂再生。水分解的效果很小，仅有助于将废物流维持在适当的pH值。因此，第一阶段的树脂接近于耗尽状态，当用它填充淡水室时仅具有5％的膨胀范围。
在第二阶段，树脂应当彻底再生，这取决于高电压下的水分解。在树脂特性建立之前以及树脂具备高度的再生状态之前，需要先经过几个小时的再生，即使介质采用外部再生的树脂也是如此。但在这种情况下，树脂特性随时间而提高。另外，树脂还需要保持全部填充。然而，对于相同的淡水隔板体积，由于第二阶段树脂的高再生能力以及随后的膨胀状态下的填充，因此，树脂体积小于第一阶段的树脂体积。第二阶段所需的树脂净体积小于第一阶段，为10-12％，预备有15-20％的体积膨胀。
由此显然可以看出，FDI的两个阶段中的树脂特性以及去离子机理是完全不同的。
水分解及其位置的控制
我们都知道，在电压高于系统的最低电压时水发生分解，然而，在如图2a和2b所示的不同的树脂-树脂和树脂-膜分界面上，有利于水的分解。以下标准对于FDI方法中水分解的控制和利用都是非常重要的。
1、水分解按照控制模式进行，因此，如果不需要就可以避免水分解，从而节能。这与FDI的第一阶段相关，在第一阶段，没有进行任何有效的水分解，就能够实现容积的减小。
2、水分解发生在特定的位置，设计中，在相应位置再生时最有可能使用氢离子和氢氧根离子，而不是在不沉淀的情况下两种离子重新结合或进入到废物流或相反地开始影响出水的pH值。
3、水分解发生的位置是强烈混合并且不停滞的位置，从而避免任何局部沉淀。
把树脂-树脂界面和树脂-膜界面中的两极表面区域的分布进行几种结合操作，可以观察出，当水分解仅限于树脂-树脂两极位置时FDI特性最好。这能够使在再生过程中有效地利用水分解产物，并且使流过介质的流量最大。尤其在高流量时或希望的硅标准比较低时，这也可以确保整个膜区域进行有效的离子扩散。
实验详情
每运行100至700小时，都要进行一系列试验。所用供水的最初传导率为5μs/cm，然后升高到100μs/cm。传导率的升高是通过额外添加氯化钠，碳酸钠和氯化钙实现的。对供水中添加硅也进行了详细的研究。试验01的目的是在电压变化的情况下，模拟FDI方法中不同条件从而研究pH值的变化情况。对每一种情况都记录了电压和电流的影响从而用于分析。
所用的模件堆的淡水室是9.5mm，浓水室是2.5mm，膜的有效尺寸是190mm×350mm。所用的树脂-树脂两极表面积等于可用膜表面积的一半。通过对含有不同成分的供水施加不同的电压和电流，从而对FDI方法进行评价。以下选出的数据根据电压和电流的影响进行分类。
1) 低压和低电流条件：
供水含有阳离子杂质(钠离子和钙离子)和阴离子杂质(氯离子，重碳酸盐和溶解的二氧化碳)。供水采用循环式从而使出水与供水混合。供水维持一定的传导率和pH值都是通过以上提到的的方法实现的，即从外部向化学溶液中添加阴离子、阳离子从而补偿废物流中去除的离子。
表1
     供水        供水     出水   电压   电流  浓缩液     排出的浓缩液
  压力   流量   传导率   pH     pH  流量     pH
  psi   cc/min   μs/cm   伏/对   Adc  cc/min
  36   1920   25.7   7     9.3   5.25   0.19  210     5.6
  36   1920   26   6.9     9.3   5   0.19  210     4.5
  36   1920   26   6.5     9.3   5   0.19  210     4.4
  36   1920   24.5   6.1     9.2   5   0.19  210     4.2
  36   1920   27   7.4     9.2   5.25   0.19  210     3.7
  36   1920   26   6     9.2   5.25   0.2  210     3.7
  36   1920   25.9   6.3     9.2   5.25   0.21  210     3.6
  36   1960   27   7     9.2   5.25   0.2  210     3.62
  36   1990   29   6.5     9.1   5.25   0.2  210     3.55
  36   1990   29   6     9.1   5.25   0.21  210     3.5
  36   1980   30   6.1     9   5.25   0.2  210     3.6
  36   1960   28   6     9.1   5.25   0.2  210     3.65
  36   1960   29   5.8     9.1   5.25   0.2  210     3.5
从表1可以看出，监测到供水的pH值在6-6.5之间，偶尔升高到7。施加的电压是4-6伏/对，消耗的电流很小，不超过0.25安培。
阳离子去除率在85％以上，氯离子去除率超过90％。水发生了过度的分解。监测到出水呈强碱性(pH值大于9)，由此可以证明产生的氢氧根离子不能够向膜方向移动，而是随出水流出。然而，氢离子很容易流出淡水室进入到废物流中，从而使废物流呈酸性。如果把每对电压降低到4伏/对并且降低水分解度，出水的pH值就会呈中性。
2) 高压和高电流条件：
另一种情况的结果如下面的表2所示，A部分供水中的硅含量不超过1ppm，除了钠离子，氯离子，碳酸，重碳酸盐或溶解的二氧化碳外没有其它的杂质。也就是说，供水中阴离子负荷为重碳酸盐，氯离子，硅和碳酸，阳离子负荷只有钠离子。
B部分的钙取代A部分的硅，含量不超过1ppm。供水中阴离子负荷包括氯离子和碳酸，阳离子负荷包括钠离子和钙离子。
所有状态下监测供水的pH值在6-7.0之间，施加电压大于等于10伏/对。所有状态下出水的pH值为中性或接近中性，大于供水的pH值，供水的pH值也为中性或接近中性。废物流的所有结果的pH值都为碱性或在于9。
表2
      供水        供水     出水    伏/对   安培   浓缩液       排出的浓缩液
  压力  流量   传导率  pH     pH   流量   传导率   pH
  A-1   28  2520   30  6.5     7     10   1.75   370   830   9.9
  -2   28  2520   30  6.5     7     10   1.69   370   790   9.8
  -3   28  2080   4  6.9     7     15   2.22   390   920   10.2
  B-1   33  2120   5  5.9     6     15   1.1   325   260   8.2
  -2   32  2040   6.2  6.3     7     18   1.97   320   490   9.25
  -3   32  2020   7.8  6.6     7.1     14   1.43   325   470   9.47
  -4   33  2400   5  7.1     7.2     16   1.87   320   740   9.7
  -5   15  1300   2.5  6.4     6.9     14   1.7   740   550   9.5
入口处浓缩液的传导率在400μs/cm至700μs/cm之间变化，除了B-1的数据仅为200μs/cm。现在比较表2中的A-3和B-1，每单元对施加相同的电压，但是由于浓缩液的传导率不同导致消耗的电流也不同。A-3高传导率的电流是B-1电流的两倍。这一变化对pH值产生急剧的影响。一方面，供水传导率越高，废物流的pH值就会进一步增加，达到10以上，另一方面，供水传导率越低，废物流的pH值降低到9以下。这说明第二阶段有很多控制水分解的手段从而来控制去离子方法。
每单元对施加大于10伏的电压足以使阴离子活化，如果采用第二种手段(除了电压以外)增大电流，相同的电压(如A-3)也能够使更多的氢氧根离子迁移到废物流中。在这一系统中，大于等于10伏的电压可以称为高压，大于1.5安培的电流可以称为高电流。
低压低电流和高压高电流两种状态在创建FDI系统中起到了重要的作用并且成为其进一步研究的基础。
模件堆串联：
第一种情况：
供水中含有钙离子杂质。供水pH值在6至6.5之间，偶尔升高到7.5。
供水中的所有钙离子都分离到了废物流中，因此，出水中不合钙，而废物流中含有钙离子。供水中的钙离子含量大大低于废物流中的钙离子含量。在废物流中应当避免产生沉淀，为此，废物流的pH应当稍微偏酸性，更多的氢离子应当随阳离子一起迁移到废物流中。保持废物流中的pH值低于中性就足以防止钙离子沉淀，pH值再低就会浪费能量。
另一方面，在供水室中避免呈碱性。如果出水的pH值呈中性或接近中性，该方法就可以顺利地进行。由于在废水流中需要更多的氢离子，那么更多的氢氧根离子在反应完后进入到出水中，即使出水的pH值不呈中性，出水口pH值稍微偏碱性也不会有什么危害。
废物流：pH中性→趋向于酸性
出水：pH中性→趋向于弱碱性
如果供水中含有上述两种情况涉及的阴离子杂质和阳离子杂质，而且这些离子是强离子和弱离子的混合物，那么这两种离子的最有益的操作条件彼此相反。一种情况下废物流的pH值适用酸性，另一种情况下适用碱性。对于每一种情况使用的方法不同，操作条件也就不同。
这一点是对分级去离子方法进行改进的基础。在一个单独的模件堆单元中，供水进入模件堆并且沿途经过第一电阶段，目标在于最大可能的去除硬度(阳离子杂质)。这里所要求的第一个条件是低压低电流，使钙离子浓度由5ppm降低到1ppm。废物流pH的要求是硬度不从供水中沉淀出来。在电流不足时产生的氢氧根离子不能使硅离子化，因此，硅基本上不能去除。在出水室中产生的一些氢氧根离子提高碱度，其中部分将重碳酸盐转化成碳酸盐。
第一阶段效果
所使用的模件堆具有以下规格：有效的模尺寸是190mm×350mm。淡水室厚度是10mm，浓水室厚度是2.0mm。树脂-树脂两极表面积是膜表面积的一半。软化水的传导率是4μs/cm。从外部向供水中添加的碳酸钙硬度是5ppm。浓缩液传导率保持在200μs/cm。施加电压为4-5伏/对。
例-01
两个标准的模件堆，每个模件堆包括两个单元对，设置成原始的双重电压系统，并且每个模件堆带有相互独立并且串联的淡水室，从而使供水和浓缩液供入第一模件堆，第一模件堆的出水和废物流供给第二模件堆。
试运行所使用的模件堆中的有效膜的特性是：
尺寸：190mm宽350mm长
淡水室：每一阶段有两个淡水室
每一阶段的工作膜表面积：1330cm2
两个阶段的总表面积：2660cm2
每一阶段的床体长度为0.7m，总长度为1.4m。
在这一设计中出水的流速是0.56-0.71cm3/min.cm2表面积。这一试验的结果如表3所示。
表3
  供水   供水         出水   电压   电流   浓缩液      排出的浓缩液      硬度
  压力  流量   传导率   pH  传导率   pH   流量  传导率  pH     以碳酸钙计算
psi  cc/min   us/cm  us/cm   伏/对   adc   cc/min  us/cm  供水   出水
 ppm   ppm
  36  1800   22.3   6.5  4.6   8.56   4.75   0.19   720  280  3.96
  36  1800   21.8   6.5  4.23   8.5   4.75   0.18   720  280  3.9  6   0.54
  36  1800   22   6  4   8.4   4.75   0.18   720  290  3.76
  36  1800   21.7   6.4  4.24   8.8   4.75   0.18   720  290  3.85  6   0.69
  36  1800   22   6.6  4.2   8.6   4.75   0.18   720  300  3.84  6   0.51
  36  1730   22.3   6.1  5.2   8.8   4.5   0.16   710  270  4.16  6   0.67
  36  1740   22   6  5.2   8.76   4.5   0.16   710  270  4.06
  36  1740   21.6   6.4  4.6   8.66   4.5   0.16   710  270  4  6   0.45
  36  1760   20.6   6  4.4   8.5   4.5   0.17   710  270  3.86
  36  1760   22   6  4.5   8.6   4.5   0.18   710  270  3.8  6.5   0.67
  36  1760   28   6.6  7.8   8.8   4.5   0.19   710  280  3.88
  36  1760   28.5   6.7  7.9   8.8   4.5   0.19   710  310  4.3  6   0.78
  36  1760   29.2   6.5  8.2   8.9   4.5   0.2   710  290  4.2
多阶段分级去离子系统中的第一阶段是低压低电流运行。监测出水的pH值大于8，废物流pH值为3.6-4.2。供水CaCO3硬度由6ppm降低到1ppm。这一阶段的传导率以及盐的去除率至少大于70％，即使钙的去除率大于85％时，这一结果仍然小于期望值。由于采用低压运行，淡水室里产生的氢氧根离子不能运动迁移到废物流侧，因此留在出水中。供水中的碳酸由于氢氧根离子的存在而转变成重碳酸盐，出水的碱度相比供水的碱度升高就可以证明这一点，但是电流还是低于离子迁移穿过膜的电流。
第二种情况
供水中含有硅和碳酸杂质。供水pH值在6至6.5之间。
供水中的所有阴离子杂质都从供水中分离出来，从而使出水中不含硅和碳酸，废物流中收集了所有分离出来的离子。为此，在供水室中必须产生足够的氢氧根离子用于反应。还需要高能量从而使膜表面的的离子浓度保持足够高的水平，有利于离子迁移。这也会使更多的氢氧根离子迁移。结果废物流侧的pH值呈碱性，而出水侧的pH值保持中性。
废物流：pH中性→趋向于碱性
出水：pH弱酸性→趋向于中性
第二阶段效果
这一阶段的供水中的主要杂质是第一阶段不能去除的弱离子。如先前的解释，硅和碳酸的离子化和迁移需要氢氧根离子和高能量。第二阶段所需的电压大于10伏/对。
我们使用相同规格的模件堆，但是水的传导率为5μs/cm。供水中加入硅浓度为1ppm。硅浓度升高到1ppm以上只需很短的时间。水中含有溶解的二氧化碳，但是这时不存在硬度。在加入硅时向水中引入了强离子钠。试验结果如表4-A所示。
表4-A
  供水  供水     供水     废物流   浓缩液   电压   电流     浓缩液           Si   电阳率
  压力  流量     传导率     传导率   流量     出水   供水   出水   Mega
  psi  cc/min     us/cm     us/cm   伏/对   Adc     pH   ppb   ppb   Ohms
  S-1
  1   36  2100     2.5     400   300   13.5   2.66     9.6   350   小于20ppb   18
  2   36  2100     6.5     400   300   13.75   2.75     9.31   700   17.75
  3   36  2130     7.6     400   300   14.25   2.7     9.21   1000   17.5
  4   36  2100     7     400   300   14   2.71     9.15   1000   17.2
  5   36  2130     7     400   300   14.5   2.86     9.16   1000   17
  S-2
  1   36  2060     10     400   570   13.75   3.04     9.87   1400   小于20ppb   17.8
  2   36  2060     10     400   570   13.5   3.16     9.83   1400   16
  3   36  2060     7     400   570   13.5   3.14     9.86   1400   13
  4   36  2060     7     400   570   13.5   3.14     9.81   1400   12.8
  S-3
  1   36  2000     6.1     400   510   11.5   2.44     9.82   1000   小于20ppb    18
  2   36  2020     6.5     400   510   13.5   3.12     9.83   1000    17.6
  3   36  2020     6.8     400   510   16.25   4.05     10.1   1000    16.9
  4   36  2020     6.8     400   510   15   3.79     9.96   1000    15.8
  5   36  2020     6.8     400   510   17.25   4.8     10.1   1000   小于20ppb    15
  6   36  2020     6.8     400   510   16.75   4.31     10.1   1000    14
  7   36  2020     6.8     400   510   16   4.18     9.93   1000    12.3
  8   36  2040     6.8     400   510   16   4.6     10.1   1000    11.6
第二阶段的目标是去除所有剩余杂质，出水的电阻率为18兆欧/厘米。
首先再生床体，然后向开始的原料流中添加包括硅在内的离子。模件堆运行100小时以上。废物流的传导率保持在400μs/cm。施加电压为11-17伏/对。电压以及废物流的传导率都对消耗的电流在2.5安培以上有影响。
表4-A分成三部分来解释每一种情况下的效果。所有操作条件都是高压高电流。
第一部分
当再循环的出水的持续电阻率至少为18兆欧/厘米时进行初始添加。添加硅使供水中的浓度维持在1000ppb。利用Hack分光光度计监测出水中的硅浓度，并且在所有操作温度25-40℃之间，测得的硅浓度为20ppb。尽管出水中的硅浓度有所降低，但是出水的电阻率仅从18兆欧/厘米降到17兆欧/厘米。一旦停止添加硅，电阻率就又返回到18兆欧/厘米。
电阻率的变化是由于碳酸的存在以及使用的高压高电流。在高压高电流条件下，氢氧根离子的迁移率变快而且流动方向的路径变短，使离子更快速地通过膜实现迁移，而不是通过水实现理想的迁移。短期内可利用的氢氧根离子可选择地与硅反应，而留下碳酸。碳酸几乎没有去除，这将立即导致出水的电阻率降低。
第二部分
通常，在不添加硅的情况下，运行一小时以内电阻率降低到17兆欧/厘米。再添加硅使硅含量稍微高于1ppm，这将使电流升高到大于3安培。这时，电阻率极速下降，一旦停止添加硅，电阻率就立即升高。这再次证明，即使控制硅浓度，导致过度水分解的大电流不利于电阻率的保持。
第三部分
与第二部分相似，消耗的电流升高到4安培，从而确保所有的电流强度都在那一水平以上，结果相同，不令人满意。
在这三部分中，从提到的pH值条件可以看出氢氧根离子向废物流迁移。第一部分中2.5安培的电流时pH值约为9.2，在第二部分中，3安培的电流时pH值升高到9.8。随着电流进一步升高到4安培以上，发现pH值升高到10以上。这是由于淡水室里的氢氧根离子过多迁移导致的，即使控制硅浓度，出水的电阻率也会降低。
由于水中含有弱离子，因此必须施加高电压。
然而，电压过高不会提高去除效率，相反，降低效率。
表4-B
   供水   供水     供水   废物流   浓缩液    电压   电流   浓缩液          Si   电阻率
   压力   流量     传导率   传导率    流量    出水   供水   出水   Mega
   psi   cc/min     us/cm   us/cm    伏/对   Adc    pH   Ppb   ppb   Ohms
  S-1
  1    24   2080     6   100    390    16.75   1   8.9   1000   小于20ppb   18.35
  2    24   2120     6   100    390    17   1   9.09   1000   18.2
  3    24   2100     6   100    390    17   0.99   9.01   1000   18.25
  4    24   2180     6   100    385    16.5   0.99   9.26   1000   18.45
  S-2
  1    24   2080     11   100    370    16.75   1.02   9.26   1000   小于20ppb   18.3
  2    24   2140     11   100    365    16.75   1.02   9.36   1000   18.35
  3    24   2130     11   100    365    16.75   1.06   9.48   1000   18.35
  4    28   2480     11   100    400    16.75   1.05   9.4   1000   18.29
  5    28   2460     11   100    400    16.75   1   9.35   1000   18.4
  S-3
  1    28   2440     10   100    395    17.25   0.89   9.19   1000   小于20ppb   18.4
  2    28   2420     8   100    400    17.25   0.82   8.91   1000   18.3
  3    28   2400     6.8   100    380    16.25   0.75   8.98   18
表4-B有三组数据。这儿的变化在于通过降低废物流的传导率在高压下降低电流强度。废物流的传导率从400μs/cm降低到100μs/cm。电流强度由2.5-4.5安培降低到1安培。三组数据的流动条件都有很小的变化。
在第一组数据中，供水流量约为2100cm3/分钟，供水传导率为6μs/cm。
在第二组数据中，供水流量保持在2100cm3/分钟不变，但是传导率升高到11μs/cm，随后流量也升高到2400cm3/分钟。
第三组数据中，流动条件都有所提高。
在以上所有变化当中，施加电压是16.5-17.5伏/对，消耗电流约为1安培。废物流的pH值为8.9-9.2。从表中可以看出，pH值已升高到9.4，但是又回落到低水平。出水中的硅浓度低于20ppb，同时出水的传导率大于18兆欧/厘米。模件堆运行超过50分钟，出水质量无任何变化。
在这里，大于5ppm的碳酸钙硬度已在第一阶段的低压低电流条件下得以去除。硅没有去除，而且碳酸部分转化成强离子成分重碳酸盐，但是重碳酸盐仍存在于水中。第一阶段的出水在进行第二阶段时，电压和电流高于第一阶段，去除剩余的杂质，从而得到高纯度的净化。两个阶段可以通过使用两个串联连接的不同的模件堆连接起来，或者使用一个特殊设计的能够适应两个电阶段的模件堆将两个阶段连接起来。采用这两种结构进行试验来证明我们的结果。
双重电压的FDI：
图4说明了本发明的一个实施例。为了易于操作，设计了一种新型的模件堆，从而使水在一个单一的路径上被施加两种不同的电压。前半部分是分级去离子系统的第一阶段，施加一种电压，能够去除强离子和硬度。后半部分是高压区域，能够去除微量的包括弱离子在内的剩余离子杂质。
例子-02
本设计的模件堆特性如下：
膜尺寸：190mm宽350mm长
淡水室：每一阶段有一个半淡水室
每一阶段的工作膜表面积：998cm2
两个阶段的总表面积：1996cm2
每一阶段的床体长度为0.5m，总长度为1.0m。
对同样的单元设计进行改进以后的模件堆中，供水从第一阶段连续流入第二阶段，从而在需要分析时对第一阶段的出水(第二阶段的供水)进行取样。
设计一种改进的二合一模件堆，运行如下：形成两个单独的水循环回路。一个供水回路在模件堆的入口处连接起来。这一水流的出口排放的是最终出水，返回至池中用于再循环。一旦需要提高供水的传导率，可以向供水池中添加氯化钙硬度和/或氯化钠硬度或重碳酸钠硬度。其它回路是与两个阶段的模件堆的废物流相连接的浓缩液循环回路。为了控制浓缩液的传导率，从模件堆排放出的废物流在返回循环回路之前对其进行稀释。模件堆最初运行的几个小时的传导率最小，从而对模件堆进行调整和再生。考虑到以上提到的膜表面积和标准模件堆系统的经验，预期流量为1200-1400cm3/分钟。
运行的模件堆采用如下条件和预期值：
1.供水碳酸钙硬度：5ppm
2.供水传导率：13-16μs/cm
3.第一阶段出水：硬度低于1ppm
4.第二阶段出水：许可硬度
5.第一阶段：低压，第二阶段：高压
模件堆的其中一个运行性能如下：
a)模件堆最初运行80个小时，包括其稳定期；
b)接下来运行的40个小时，供水流量保持在1200cm3/分钟，供水传导率为12-14μs/cm(见下表5)
c)从第41个小时往后，向供水中添加氯化钠使供水传导率升高至60μs/cm，供水硬度保持在5ppm。
表5
  碳酸钙硬度分析
  模件堆   供水   出水-2   废物流   废物流   废物流
  运行   传导率   PH   电阻率  pH   1   2   供水   出水1   出水2   供水 废物流1 废物流2
  小时   us/cm   Mohm   pH   PH   ppm   ppm   ppm   ppm  ppm   ppm
  供水流量    1200   cc/min
  2   12   6.1   16.67  6.6   4.1   10.0   4.5   0.5   0.029   1.25  19.0   2.0
  4   12   6.0   15.63  6.5   4.0   10.2   5.0   0.5   0.023   1.5  20.5   2.0
  6   13   6.0   15.87  6.4   4.0   10.0   6.5   0.5   0.021   1.5  23.5   2.5
  8   13   6.0   15.63  6.4   3.9   9.9   4.5   0.5   0.024   2.5  24.0   4.0
  10   13   6.3   15.38  6.5   4.0   10.1   5.0   0.5   0.025   1.5  24.0   2.5
  12   13   6   15.87  6.4   3.8   10.1   5.5   0.5   0.020   1  37   3
  13   13   6.1   15.87  6.5   3.8   10.4   5   0.5   0.021   1  38   2
  15   12   6.1   15.63  6.5   3.5   10.4   5.5   0.5   0.023   1.5  30   2.5
  17   12   6   15.38  6.4   3.6   10.3   5.0   0.5   0.025   1.5  29.5   2
  18   11   6.1   15.38  6.5   3.5   10.3   5   0.5   0.023   1.5  30.5   2
  20   12   6.3   14.93  6.6   3.5   10   4.5   0.5   0.024   1.5  34   2
  21   13   6.0   14.29  6.4   4.0   9.5   6.0   0.5   0.025   2.0  23   2.0
  22   14   6.0   14.49  6.4   4.4   10.1   5.0   0.5   0.026   2.0  19   2.5
  24   14   6.1   14.71  6.5   4.1   10.3   4.5   0.5   0.024   1.5  17.5   2.5
  25   14   6.1   15.15  6.5   3.9   10.1   5.5   0.5   0.025   1.5  17   2.0
  27   14   6.1   15.15  6.9   3.9   10.2   4.5   0.5   0.023   1.5  20   2.0
  29   14   5.9   14.93  6.7   4.0   10.2   5.0   0.5   0.024   1.5  22   2.0
  31   14   6.0   12.99  7.0   3.8   10.3   4.5   0.5   0.024   2.0  23   2.5
  33   14   6.2   13.51  6.9   4.4   10.2   5.0   0.5   0.023   1.5  22   2.0
  35   14   6.2   13.51  6.7   4.2   10.2   5.0   0.5   0.025   1.5  21   2.5
  36   15   6.1   13.51  6.9   4.3   10.2   4.0   0.5   0.021   2.0  19   2.5
  39   14   6.1   12.82  6.8   4.4   9.4   5.6   0.5   0.020   2  20.6   2.8
  41   18   6.1   12.99  6.7   4.3   10   5   0.5   0.024   1.5  21   1.8
  43   60   6.1   12.05  6.9   4.5   10.2   4   0.5   0.021   1.5  19   1.9
  46   100   6.0   13.51  6.5   4.9   10.6   4.5   0.5   0.020   1.2  21   2
  51   17.5   6   17.24  6.3   4.4   10.4   4.5   0.3   0.021   1  15.8   1.8
  52   16   6.1   17.54  6.7   4.1   10.4   4.4   0.2   0.020   1  15   1.6
  54   16   6.1   17.24  6.5   4.4   10.5   5   0.4   0.020   1.2  17   2
  56   17   6   15.15  6.7   4.19   10.4   4.5   0.4   0.022   1.2  18   2.2
  60   55   6.0   16.13  6.5   5.4   10.5   5.1   0.5   0.023   1.2  20   2.2
  62   64   6.1   17.24  6.7   5.8   10.4   4.6   0.5   0.021   2  26   2.9
  64   60   6.1   16.39  6.7   5.7   10.4   4.2   0.5   0.02   1.5  24   2.2
  66   61   6.0   17.86  6.8   5.1   10.3   4.5   0.5   0.024   1.6  24   2
  67   64   6.1   16.95  6.8   5.1   10.3
  68   68   6   17.86  6.5   4.9   10.4
随同每一水流的pH值监测，还监测硬度和传导率。结果如下：
i.供水硬度是5±1ppm，其中第一阶段的硬度去除率仅为90％，出水硬度不超过0.5ppm。分析最终出水硬度小于24ppb.
ii.还监测了废物流中的硬度，发现结果也正确，废物流是去除的盐的载体，用于寻找材料的平衡.
iii.发现第一阶段的废物流pH值呈酸性，证明去除的盐没有在浓水室沉淀。第二阶段的废物流pH值呈碱性，证明在去除剩余的弱离子所需的高压下离子发生水分解这一理论。
iv.出水电阻率保持在16-13兆欧/厘米之间。第一阶段主要进行分离，第二阶段是补充缺少的传导材料，电阻率从16至13兆欧/厘米之间变化。
v.通过添加氯化钠使供水传导率升高到60μs/cm，从而来证明第四点。除了出水的电阻率升高到17兆欧/厘米以外，其它参数都没有变化。
这一方法接下来所需的条件，供水流量升高到1500cm3/分钟，同时供水传导率仍保持在高水平，为60μs/cm。接下来80个小时的数据如下：
表6
                    碳酸钙硬度分析
模件堆  供水   出水-2   废物流   废物流              废物流
运行  传导率  PH   电阻率  pH   1   2   供水   出水1   出水2   供水   废物流1  废物流2
小时  us/cm   Mohm   pH   PH   ppm   ppm    ppm   ppm   ppm  ppm
供水流量     1500
70  62  6   16.67  6.7   4.9   10   5.4   0.6   0.022   1.5   18  2
72  60  6   16.67  6.2   4.6   10.1   5   0.7   0.023   1.5   17  1.8
74  58  6   16.95  6.2   4.6   10   4.8   0.6   0.02   1.2   15  1.8
76  60  6.1   17.54  6.3   4.8   9.9   5.4   0.6   0.02   1.2   16  2
80  61  6.1   16.95  6.6   5.9   7.9   5   0.8   0.02   1.2   10  1.8
82  61  6   16.95  6.7   8.2   7   5.5   0.8   0.019   1.4   12  2.5
84  60  6.2   17.24  6.2   9.2   6.5   5   0.8   0.02   1.7   14.5  2.5
86  67  6   17.24  6.5   8.3   5.9   5   0.5   0.021   2.1   15.5  3
89  65  6.4   17.24  7.2   9.4   5.8   5   1   0.02   3.5   19  3.5
91  60  6.2   17.54  6.9   8   6   4.5   0.8   0.022   2.8   17  3.2
93  65  6.2   17.54  6.7   8.2   6.5   5.5   0.5   0.02   2.5   18  3.5
97  60  6.1   16.95  6.8   4.6   4.2   5.5   0.5   0.022   2.6   17  4.2
99  60  6.0   17.24  6.6   4.8   5   6   1   0.023   3.2   19  5
101  60  6.3   17.24  7.0   6   7.4   4.5   0.8   0.021   2.2   16  3.4
105  60  6.3   17.24  6.9   5.8   9.4   5.2   0.8   0.023   2.5   14  4
107  60  6.2   16.95  6.9   4.3   6.9   5.6   0.8   0.022   2.6   15  3.8
109  60  6.3   16.95  6.9   4.7   6.2   4.6   0.5   0.021   3.6   14  4.4
111  60  6.2   16.67  7.2   5.5   6.5   4.5   0.8   0.022   8.5   21  10
114  67  6.4   16.39  6.9   5.7   7   5   1   0.023   10   20  11
116  60  6.3   16.39  7.1   5.4   7   4.5   1   0.02   8.5   18  10
118  60  6.6   16.67  7.2   4.7   9.1   5.2   0.8   0.019   9.5   21  12
120  61  6.1   16.67  7   4.5   9.6   5.4   0.5   0.018   10   22  13
123  60  6.3   14.71  7.1   4.2   10.1   4.6   0.6   0.02   9   19  11
125  60  6.1   14.71  7.4   4   9.96   4.4   0.8   0.021   9.5   23  12.5
127  64  6.2   14.93  6.9   3.9   9.8   5.2   0.8   0.02   10   22  13
129  65  6.2   15.63  7.2   4.1   10.1   5.5   0.8   0.019   10   24.5  12
132  63  5.4   16.13  7.3   4.9   10   5   0.6   0.022   9   12  22
134  63  5.6   15.38  7.3   4.8   10   5.5   0.6   0.02   9.5   12  19.5
139  63  5.6   16.67  7.2   4.3   10.4   5.5   1   0.022   9.5   16.5  18
14l  67  6.3   13.89  7.1   4.2   10.5   5.5   0.8   0.02   10   16  18
145  60  6.5   13.51  7.5   4.3   10.6   4.5   0.5   0.02   9   15.5  20
147  30  6.9   15.87  7.5   4.8   10.6   6   0.8   0.023   3   10  9
149  30  6.6   15.87  7.1   4.4   10.7   5.5   0.8   0.025   2.5   11  6
151  19  6.9   15.87  7   4.2   10.8   5.5   0.5   0.024   2   10  7
i.出水电阻率保持可用状态。
ii.以上提到的所有其它参数都根据需要设置，穿过膜的盐分平衡保持可用状态。
这一方法重复多次从而证实该方法能够在改进的结构中进行。
因而发现改进的结构具有以下优点：
1)出水的电阻率能够尽快或极好地达到理想值。
2)单位膜表面积的流量较大。
3)该方法中水能够进行较好的混合从而使结果更好且更稳定。
4)该结构具有较好的机械强度，不大可能发生机械泄漏。
5)由于在该系统中的不同点分离强导电离子和弱导电离子，因此，使有效负荷得以分配，并且单位体积处理水的能耗极具下降。
例-03
采用四单元对结构进行另一个实验。该系统有一部件能够从第一阶段吸取出水对其进行分析，第一阶段的出水是该系统最后阶段的供水。在证明没有任何困难就可以去除硬度的情况下，这里重点在于去除供水中存在的硅。
在不同的树脂和膜之间所保持的双级表面积是：
1)阴离子树脂-阳离子树脂：140cm2。
2)阳膜-阴离子树脂：198cm2。
3)阴膜-阳离子树脂：99cm2。
4)在一个含有三个淡水室的系统中的流量保持在1700cm3/分钟-2000cm3/分钟。
模件堆按以下条件运行：
1)供水传导率：15-20μs/cm。
2)供水碳酸钙硬度：5ppm。
3)供水的二氧化硅硅浓度：200-225ppb。
在第一阶段施加的直流电压为3-5伏/对，而最后阶段施加的电压为15-18伏/对。
对出水的硬度去除率、残余硅浓度以及电阻率进行连续监测。
硅去除
图5所示的曲线是运行超过300小时的硅去除曲线。
在图5中，左侧的Y轴代表供水中的硅值和中间阶段测得的硅值，分别用实亮纹线和虚暗纹线表示。两个数值基本上相同，这表明在系统的最初阶段硅的去除很少。右侧的Y轴是最终出水中残余的硅。运行300小时期间，最小的硅浓度是2ppb，最大的硅浓度是15ppb。平均残余硅浓度是10ppb以下。
出水电阻率
图6记录的是出水电阻率随时间的变化曲线，说明在整个300小时的操作期内，供水经过最初的20-25小时的稳定期以后，出水电阻率保持在17兆欧/厘米或以上。
例-04
在一个四单元对的相同结构中进行另一个实验。在一个含有三个淡水室的系统中，流量保持在1700cm3/分钟-2000cm3/分钟。最初，模件堆的供水中硬度为2ppm，硅杂质200ppb；然后，添加其它的强阴离子和阳离子从而计算出在每一阶段的去除率。该实验的目标是计算出特定离子在FDI方法的不同阶段的去除率。
运行超过300小时的模件堆的性能如表7所示。
表7
模件堆       供水       出水1        出水2  电压  电流  电压  电流  小时
运行  流量  传导率  pH  传导率  PH   电阻率  pH  V-1  A-1  V-2  A-2
小时  cc/min  us/cm  us/cm   Mohms  vdc  adc  vdc  adc
最初的60小时是模件堆的稳定期
57  1600  20  7.2  0.8  7.4   15.9  6.8  16  0.38  67  3.55  57
58  1600  20  7.2  1.0  7.5   15.8  6.8  16  0.4  67  3.6  58
59  1600  20  7.1  1  7.6   15.7  6.8  16  0.39  66  3.5  59
60  1600  20  6.9  0.8  7.2   15.7  6.3  11  0.23  66  3.3  60
62  1600  20  6.5  0.8  6.9   15.5  6.1  11  0.25  65  3.3  62
63  1600  20  6.5  0.8  6.9   15.7  6.1  11  0.26  65  3.3  63
Figure C0282725300441
  111   2000   20   6.5   2  7.8   12.9   6.6   11   0.3   72   1.95   111
  112   2000   20   6.5   2.2  7.8   12.6   6.6   11   0.33   71   2.2   112
  113   2000   21   6.4   2.1  8   13.4   6.5   12   0.33   70   2.15   113
  114   2000   22   6.6   1.8  7.9   13.8   6   10   0.2   72   1.3   114
  116   2000   23   6.7   1.9  8   14.2   6.7   9   0.2   70   1.42   116
  117   2000   20   6.5   2  7.9   14.6   6.5   11   0.27   70   1.48   117
  119   2000   26   6.6   2.7  8.3   14.2   6.7   11   0.33   68   1.68   119
  120   2000   20   6.3   1.5  7.6   13.8   6.5   12   0.32   71   1.89   120
  121   2000   20   6.4   1.8  7.9   13.9   6.5   12   0.33   70   1.94   121
  122   2000   20   6.5   1.9  8   13.9   6.5   12   0.33   71   1.96   122
  123   2000   19   6.1   1  7.4   14.3   6.7   12   0.26   72   1.4   123
  125   2000   20   6.4   1.4  7.6   13.5   6.8   12   0.32   72   1.48   125
  126   2000   23   6.4   1.9  7.5   13.3   6.7   12   0.29   70   1.4   126
  128   2000   21   6.5   1.4  7.6   14.1   6.5   12   0.27   70   1.5   128
  129   2000   20   6.5   1.3  7.5   14.1   6.5   10   0.28   70   1.63   129
  130   2000   25   6.3   1.8  8.1   14.5   6.7   10   0.29   70   1.6   130
  131   2000   23   6.1   1.3  8.1   14.6   6.3   10   0.27   69   1.4   131
  132   2000   23   6.3   1.2  8.1   14   6.4   10   0.26   71   1.5   132
  133   2000   19   5.8   1  7.3   14.4   6.4   11   0.24   74   1.12   17
  135   2000   21   6.5   2  7.8   14.7   5.9   11   0.28   72   1.5   135
  137   2000   20   6.3   2  7.6   14.2   5.8   11   0.28   72   1.65   137
  138   2000   20   6.2   2.1  7.5   14   6.1   11   0.28   71   1.55   138
  139   2000   20   6   2  7.6   14   6.4   11   0.22   73   1.32   139
  140   1900   26   6.5   2.3  8.1   14.1   6.8   11   0.22   72   1.35   140
  141   1900   15   6.3   2  7.9   14.4   6.5   11   0.23   73   1.5   141
  142   2000   20   6   1.4  7.5   14.35   6.3   11   0.24   71   1.5   142
  143   2000   23   5.8   1.3  7.5   14.4   6.4   11   0.25   69   1.5   143
  145   2000   20   5.8   1.2  7.4   14.5   6.4   11   0.27   69   1.65   145
  146   2000   19   5.7   1  7.2   14.3   6.5   11   0.26   73   1.87   146
  147   2000   19   5.6   1.1  7.3   14.3   6.5   11   0.26   73   2.6   147
  149   2000   19   5.6   1  7.3   14   6.3   11   0.16   72   2.65   149
  150   1900   21   6   1.8  7.5   14.2   6   13   0.18   70   1.8   150
  151   2000   19.5   5.9   1.2  7.3   14.15   6.2   13   0.19   70   1.85   151
  152   2000   20   5.8   1.6  7.35   14.5   6.2   12   0.21   70   2.15   152
  153   2000   20   5.7   1.4  7.35   14.2   6.1   12   0.21   70   2.3   153
  154   2000   20   5.8   1.5  7.45   13.9   6   12   0.22   70   2.23   154
  155   2000   20   5.9   1.5  7.45   13.8   6.1   12   0.22   70   2.2   155
  156   2000   20   5.9   2  7.5   14.1   6.1   12   0.21   70   2.28   156
  158   2000   19.5   5.9   2.1  7.4   13.9   6.2   12   0.21   70   2.7   158
  159   2000   19.5   5.9   2  7.6   14.1   6.2   12   0.21   70   2.75   159
  160   1900   20   5.8   1.5  7.6   12.5   6.1   13   0.18   71   2.2   160
  161   2000   20   5.8   1.7  7.5   12.7   6.2   11   0.18   72   2.35   161
  162   1950   2   5.9   0.5  6.1   6.5   6.2   12   0.19   70   3.0   162
  163   2100   2   6   0.5  7.1   15.2   6.1   9.8   0.17   73   1.5   163
 164   1600   15   6   0.7  7   15.6   6.2  23   0.26   73   1.9   164
 166   1600   23   6.1   1  6.9   16.2   6.1  13   0.15   70   2.1   166
 167   2200   20   6.2   1.2  6.8   16.3   6.2  13   0.13   70   2.1   167
 168   2200   21   5.9   1.8  7.6   16.6   6.3  18   0.23   74   2.1   168
 170   2200   20   5.8   2.1  7.7   16.6   6.2  18   0.22   70   2.1   170
 171   2200   20   5.8   2.5  7.8   16.7   6.3  18   0.21   70   2.1   171
 172   2200   20   5.8   2.8  7.6   16.9   6  18   0.21   72   2.1   172
 173   2200   21   5.9   3  7.3   17   6  18   0.23   72   1.9   173
 174   2200   24   6   4  7.4   16.6   6.1  18   0.17   70   2.0   174
 176   2200   21   5.8   3.8  6.9   17   6  18   0.2   72   2.0   176
 177   2200   20   5.8   4.3  6.6   17.1   6  18   0.21   72   2.0   177
 178   2200   23   5.7   4.8  6.1   17.4   6.5  18   0.2   70   1.9   178
 179   1900   23   5.8   5  6.5   17.2   6  17   0.24   72   2.0   179
 180   1900   22   5.7   4.6  6.5   17.25   6.1  17   0.25   70   2.0   180
 181   1900   22   5.7   4.2  6.3   17.4   6.1  17   0.25   70   2.0   181
 182   2000   22   5.9   4  6.4   17.4   6.1  18   0.19   72   2.4   182
 183   2000   22   5.8   4.2  6.3   17.6   6.1  18   0.22   72   2.3   183
 184   2000   21   5.7   4.7  6.1   17.7   6.2  18   0.23   72   2.2   184
 185   2000   19   5.7   4.6  6   17.8   6.2  18   0.23   74   2.3   185
 187   2000   20   5.7   4  6   17.9   6.2  18   0.23   74   2.3   187
 188   2000   20   5.7   4.3  6.1   18.0   6.2  13   0.13   70   2.1   188
 189   2000   20   5.7   5  6.2   18.00   6.1  12   0.13   70   2.1   189
 190   2000   21   5.7   5  6.3   17.95   6.1  12   0.12   70   2.1   190
 191   2000   11   5.9   3.5  6   17.95   6  12   0.09   73   2.2   191
 193   2000   20   5.9   3.7  6.9   18.10   6.1  13   0.13   71   2.2   193
 195   2000   23   5.9   5.8  5.8   18.00   6.2  12   0.14   70   2.1   195
 196   2000   20   6   5.7  5.9   17.80   6.3  12   0.13   70   2.3   196
 197   2000   22   6   6.2  6   17.75   6.3  12   0.13   70   2.13   197
 199   2000   21   6   7  5.3   17.75   6.3  12   0.13   72   2.1   199
 200   2000   20   6   6.8  5.5   17.75   6.3  12   0.13   72   2.0   200
 201   2000   19   5.8   7  5.4   17.75   6.1  12   0.09   70   2.1   201
 202   2000   22   5.9   7.3  5.7   17.7   6.1  17   0.21   72   2.2   202
 203   2000   22   6   8  5.7   17.7   6.3  18   0.22   70   2.3   203
 204   2000   22   6   7.7  5.5   17.5   6.2  18   0.23   71   2.1   204
 205   2000   20   6   6.9  5.8   17.3   6.3  18   0.23   70   2.1   205
 207   2000   20   6.1   7.3  5.9   17.25   6.2  12   0.12   70   2.25   207
 208   2000   23   6.2   7.2  5.8   17.2   6.1  12   0.14   70   2.1   208
 209   1300   22   6   5  6   17.1   6  12   0.15   71   1.9   209
 210   2050   23   5.9   8  5.6   17.6   6.2  13   0.13   70   2.15   210
 211   2100   22   5.9   7.6  5.6   17.55   6.2  13   0.13   70   2.1   211
 212   2100   22   5.9   7.8  5.7   17.6   6.3  13   0.14   70   2.16   212
 213   2100   21   5.9   8.5  5.7   17.55   6.3  13   0.14   70   2.08   213
 214   2000   18   5.75   7  5.6   17.5   6.2  12   0.1   70   2.2   214
 215   2000   22   5.8   8.5  5.5   17.6   6.1  12   0.12   70   2.25   215
 216   2000  22   5.8     9  5.45   17.7   6.1   12   0.12   70   2.15   216
 217   2000  22   5.8     9  5.5   17.6   6.1   12   0.12   70   2.11   217
 218   2000  21   5.8     9  5.5   17.6   6.1   12   0.13   70   2.08   218
 219   2000  20   5.7     9  5.5   17.4   6.1   12   0.12   70   2.28   219
 222   2000  20   5.8     9  5.5   17.3   6.1   12   0.13   70   2.3   222
 223   1400  20   5.8     5.5  6   8.2   6   12   0.17   71   2.7   223
 224   1650  22   5.7     7.3  6   10.2   6.1   12   0.16   70   2.8   224
 225   1700  21   5.8     7.2  6.1   12.8   6.1   12   0.17   70   2.9   225
 226   1700  21   5.8     6.8  6.1   14.3   6   12   0.17   70   2.95   226
 227   1600  20   5.9     6.5  6.1   12.5   6   12   0.16   40   2.5   227
 228   1800  21   6.3     6.2  6.2   8.5   6.4   12   0.18   42   3.0   228
 229   1800  20   6.1     6.7  6   5.1   6.2   12   0.18   41   3.0   229
 230   1800  19   6.2     4.2  6.5   17.5   6.5   23   0.23   72   2.2   230
 232   1500  21   6.3     2.5  6.9   18.0   6.5   21   0.19   72   2.12   232
 234   1500  22   6.4     2.2  6.8   18.0   6.5   19   0.21   71   2.2   234
 236   2000  18   5.9     2.5  6.8   18.0   6.1   16   0.16   70   2.27   236
 238   2000  10   5.8     2  6   18.2   6.1   20   0.17   72   2.3   238
 239   2000  23   6.1     4  6.8   17.9   6.2   18   0.23   70   2.2   239
 242   2000  22   6.1     5  6.5   17.5   6.3   18   0.2   70   2.1   242
 243   2000  23   6.2     5.3  6.6   17.4   6.5   20   0.23   70   1.99   243
 244   2000  22   6.3     5.1  6.7   17.5   6.7   20   0.23   70   2   244
 246   2000  23   6.4     5  6.8   17.5   6.5   22   0.26   70   2.15   246
 247   2000  23   6.4     5  6.3   17.45   6.7   23   0.28   70   2.2   247
 248   2000  23   5.95     6  6.1   17.15   6.3   16   0.16   72   2.08   248
 250   2000  24   5.8     7.8  5.3   17.3   6.1   15   0.16   72   2.18   250
 251   2000  23   5.8     7.3  5   17.35   6   21   0.24   71   2.05   251
 252   2000  23   5.8     6.3  5.1   17.4   6.1   21   0.23   70   2   252
 253   2000  22   5.9     5.3  5.3   17.1   6.4   21   0.25   70   2.1   253
 254   2000  21   6     4.9  5.3   17.25   6.5   22   0.26   72   2.1   254
 256   2000  24   6.3     3.9  5.6   17.25   6.8   23   0.26   70   2   256
 258   2000  21   6.3     3.3  6.1   17.3   6.5   22   0.21   71   1.98   258 开始添加硫酸钠
 259   2000  21   6.1     3.5  6   17.35   6.3   22   0.23   71   2.08   259
 260   2000  21   6.1     3.5  5.9   17.4   6.3   23   0.24   71   2.18   260
 262   2000  21   6.3     2.8  6.1   17.35   6.6   22   0.26   71   2.1   262
 264   2000  21   6.1     3  6.6   17.3   6.5   22   0.26   70   2   264
 265   2000  22   6     2.9  6.2   17.2   6.5   22   0.25   70   2.04   265
 267   1900  22   5.85     2  7.2   14.1   6.05   18   0.18   70   1.95   267
 268   1900  22   6.2     3.3  7.8   14.8   6.5   19   0.18   72   2.1   268
 269   1900  22   6.1     3.6  7.3   15   6.5   19   0.18   72   2.1   269
 270   2000  22   6.2     4.2  6.7   15.3   6.5   19   0.18   72   2.1   270
 271   2000  21   6.4     4.1  6.6   15.45   6.7   19   0.19   71   2   271
 273   2000  21   6.2     4.5  6.3   15.5   6.5   19   0.18   71   2   273
 275   2000  20   6.1     4.1  6.2   15.45   6.2   18   0.18   71   2   275
  276   2000  16  7.8   3.3   6.5   14.3   6.2   27   0.27   70   2.1   276   开始添加碳酸氢钠
  277   2000  21  7.7   4.7   5.1   14.25   6.4   19   0.18   70   2.15   277
  278   2000  21  7.8   6.2   5.1   14.4   6.7   202   0.21   70   2.2   278
  279   2000  22  8   6.5   5.2   14.5   6.8   20   0.22   70   2.14   279
  281   2000  21  7.9   6   5.1   14.75   6.7   23   0.24   70   2.1   281
  282   2000  23  8   6.5   5.2   14.9   6.7   21   0.23   70   2.08   282
  283   2000  24  8   6.6   5.2   14.95   6.6   21   0.22   70   2   283
  284   2000  22  7.9   7   5.2   15   6.5   21   0.21   71   2.17   284
  285   2000  23  7.9   7.2   5.2   15.2   6.5   21   0.21   71   2.1   285
  286   2000  22  7.95   5.9   5.3   14.5   6.4   23   0.25   71   2   286
  287   2000  21  7.9   6   5.1   15   6.3   22   0.23   71   2.1   287
  288   2000  21  8   6   5   15.2   6.5   22   0.24   72   2.15   288
  290   2000  16  6   4   5.2   16   6   22   0.26   72   2.1   290   开始添加六水氯化镁
  292   2000  15  5.8   3.7   5.4   16.4   6.5   22   0.26   72   2   292
  293   2000  16  5.8   3.8   5.4   16.5   6.5   23   0.28   72   2.1   293
  294   2000  16  5.8   3.4   5.4   16.6   6.5   23   0.28   72   2.08   294
  296   2000  15  5.8   2.6   5.6   16.6   6   22   0.25   70   1.9   296
  297   2000  15.5  5.7   2.5   5.2   16.7   6   21   0.23   70   2   297
  298   2000  15.5  5.7   2.6   5.2   16.85   6   21   0.24   70   1.99   298
  299   2000  16  5.9   2.5   5.4   16.95   6.2   21   0.24   72   1.95   299
  301   2000  16  5.8   2.6   5.3   17.1   6.2   21   0.25   71   1.99   301
  303   2000  14  6   2   5.8   17.2   6.3   20   0.23   72   1.9   303   开始添加氯化钙
  304   2000  14  6.1   1.9   5.7   17.3   6.3   20   0.23   72   1.86   304
  305   2000  16  5.5   1.7   5.9   17.3   6   22   0.24   71   2.1   305
  306   2000  16.5  5.7   1.5   5.7   17.25   6.1   23   0.27   70   2.1   306
  307   2000  16  5.6   1.5   5.6   17.4   6.2   23   0.28   70   2   307
  309   2000  17  5.6   1.5   5.8   17.5   6   12   0.12   72   1.98   309
  310   2000  17  5.6   1.5   6.2   17.6   6   12   0.13   72   2   310
  312   2000  17  5.7   1.7   6   17.6   5.9   12   0.13   72   2   312
  313   2000  16  5.8   2   6.1   17.65   6   12   0.13   72   2.1   313
在经过最初的稳定期后，出水的电阻率如图7所示。
第一阶段的离子去除率
a.强离子去除率
    成分   测得的最小&最大去除百分比
    钠(Na)   80.4和94.1
    氯(Cl)   83.5和85.8
    硫酸盐(SO4)   90和91.7
    镁(Mg)   98.4和99.3
    钙(Ca)   99.1和99.3
    二氧化碳总量   63和78
b.弱离子去除率
引入到供水中的硅浓度限定为200ppb，等于第一阶段的硅浓度，由此可以证明，第一阶段硅浓度没有降低或降低很少。
第一阶段期间，计算测得的二氧化碳总量降低了，如下表所示
    成分     测得的最小&最大去除百分比
    二氧化碳总量     63和78
第二阶段的离子去除率
a.强离子去除率
在所使用的仪器的精度范围内监测，发现第二阶段不存在以上的阴离子和阳离子。所用的分析仪器的最小可测极限如下：
    成分     所用仪器的最小可测极限
    以ppm计算
    钠(Na)     0.1
    氯(Cl)     1.0
    硫酸盐(SO4)     1.0
    镁(Mg)     0.05
    钙(Ca)     0.05
b.弱离子去除率
在第一阶段，硅的去除率最小。供水中的硅又进入第二阶段进行去除，其中去除率如下：
    成分     测得的最小&最大去除百分比
    硅(Si)     大于98％
    仪器的最小可测极限是0.001ppm
很显然，在第一阶段的极小电压下，能够有效去除所有的包括单价钠离子和氯离子在内的二价离子，该极小电压是超过水分解电压的极小电压，从而使该方法的能量有效利用。仅在需要水分解时施加高压，使能量集中在使离子负荷极小化到要忽略的水平，而且总容许硬度升高。
尽管已经描述了分级去离子方法的某些优选实施例，但是很容易理解，本发明不局限于此，而是还包括其它等效的方法。本发明不局限于水的去离子化，而是适用于所有液体。很明显，按照以上的教导，可以对本发明做很多改进和变化。因此，本发明是在所附的权利要求的范围之内实施，而不是在具体描述的范围内实施。

Claims (47)

1、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在包括至少一阴极和至少一阳极的第一模块内处理原料流，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加第一电压，从而去除所述原料流中的大部分第一种结垢离子，产生第一产物流；
(c)在包括至少一阴极和至少一阳极的第二模块内处理第一产物流，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加高于第一电压的第二电压，从而去除所述第一产物流中的大部分第二种离子，产生第二产物流；以及
(d)回收第二产物流。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在一个单元中。
3、如权利要求1所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在分开的单元中。
4、如权利要求1所述的方法，其中所述第二模件后接至少一个后续模件，每一个所述后续模件都有至少一阴极和至少一阳极，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加高于前级模件的电压，每一个所述后续模件处理前级模件的产物流。
5、如权利要求4所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件都容纳在一个单元中。
6、如权利要求4所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件中的至少两个被容纳在分开的单元中。
7、如权利要求1所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
8、如权利要求7所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
9、如权利要求2所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
10、如权利要求9所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
11、如权利要求7所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据的至少一个，采用至少一种方法向第一产物流中添加至少一种化学物质。
12、如权利要求1所述的方法，其中
(a)所述第一模件中的第一树脂包含废树脂；以及
(b)所述第二模件中的第二树脂包含彻底再生树脂。
13、如权利要求12所述的方法，所述第一模件中单位体积的树脂填充量大于所述第二模件中单位体积的树脂填充量。
14、如权利要求1所述的方法，所述第一模件包括至少一个阳离子透过膜和至少一个阴离子透过膜，其中没有膜-树脂两极分界面。
15、如权利要求14所述的方法，所述第二模件包括至少一个第二阳离子透过膜和至少一个第二阴离子透过膜，其中没有膜-树脂两极分界面。
16、如权利要求4所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
17、如权利要求16所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压、所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
18、如权利要求5所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
19、如权利要求18所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压、所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
20、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在第一电去离子模件中处理原料流，该模件的阴极和阳极之间包括稀释室和浓缩室，从而去除原料流中的大部分第一类离子，产生第一产物流；
(i)其中在所述阴极和所述阳极之间施加第一电去离子模件电压；
(c)在第二电去离子模件中处理第一产物流，该模件的阴极和阳极之间包括淡水室和浓水室，从而去除第一产物流中的大部分第二类离子，产生第二产物流；
(i)其中在所述阴极和所述阳极之间施加第二电去离子模件电压；
(ii)其中所述第二电去离子模件电压不同于所述第一电去离子模件电压；并且
(d)回收第二产物流。
21、如权利要求20所述的方法，其中所述第一电去离子模件和所述第二电去离子模件被容纳在一个单元中。
22、如权利要求20所述的方法，其中所述第一电去离子模件和所述第二电去离子模件被容纳在分开的单元中。
23、如权利要求20所述的方法，其中所述第二电去离子模件后接至少一个后续电去离子模件，每一个所述后续电去离子模件都有至少一阴极和至少一阳极，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加不同于前级电去离子模件的电压，每一个所述后续电去离子模件处理前级电去离子模件的产物流。
24、如权利要求23所述的方法，其中所述第一电去离子模件，所述第二电去离子模件以及所述至少一个后续电去离子模件都容纳在一个单元中。
25、如权利要求23所述的方法，其中所述第一电去离子模件，所述第二电去离子模件以及所述至少一个后续电去离子模件中的至少两个被容纳在分开的单元中。
26、如权利要求20所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
27、如权利要求26所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
28、如权利要求23所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
29、如权利要求28所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压、所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
30、权利要求1的净化液体的方法，还包括以下步骤：
向第一产物流中添加一种化学物质处理第一产物流。
31、如权利要求30所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在一个单元中。
32、如权利要求30所述的方法，其中所述第一模件和所述第二模件被容纳在分开的单元中。
33、如权利要求30所述的方法，其中所述第二模件后接至少一个后续模件，每一个所述后续模件都有至少一阴极和至少一阳极，其中向所述的至少一阴极和所述的至少一阳极施加不同于前级模件电压的电压，每一个所述后续模件处理前级模件的产物流。
34、如权利要求33所述的方法，其中通过添加一种化学物质而处理第二产物流或所述后续产物流中的至少一个从而制备出后续改性产物流。
35、权利要求33所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件被容纳在一个单元中。
36、权利要求33所述的方法，其中所述第一模件，所述第二模件以及所述至少一个后续模件中的至少两个被容纳在分开的单元中。
37、如权利要求30所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
38、如权利要求37所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
39、如权利要求33所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，所述其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述后续产物流的至少一个条件从而产生后续产物流数据，分析所述最终产物流的至少一个条件从而产生最终产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据，分析所述后续废物流的至少一个条件从而产生后续废物流数据。
40、如权利要求39所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述后续产物流数据、所述最终产物流数据、所述第一废物流数据、所述第二废物流数据以及所述后续废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压，所述第二电压以及所述后续电压中的至少一个。
41、权利要求1的净化液体的方法，其中：
(a)液态原料流为水，所述原料流中的杂质包括有硬度至少为5ppm的化学成分；
(b)所述第一种结垢离子至少包括钙离子；
(c)所述第二种离子至少包括硅阴离子；以及
(d)所述第二产物流的电阻率到18.3兆欧/厘米，硅浓度小于5ppb。
42、如权利要求41所述的方法，其中步骤(b)产生第一产物流和第一废物流，其中步骤(c)产生第二产物流和第二废物流，其中采用至少一种方法分析所述原料流的至少一个条件，产生原料流数据，分析所述第一产物流的至少一个条件从而产生第一产物流数据，分析所述第二产物流的至少一个条件从而产生第二产物流数据，分析所述第一废物流的至少一个条件从而产生第一废物流数据，分析所述第二废物流的至少一个条件从而产生第二废物流数据。
43、如权利要求42所述的方法，其中根据所述原料流数据、所述第一产物流数据、所述第二产物流数据、所述第一废物流数据以及所述第二废物流数据中的至少一个数据，采用至少一种方法调整所述第一电压和所述第二电压的至少一个。
44、通过依次去除原料流中至少两种离子净化液体的方法，包括依次向所述原料流施加至少两种不同的电压，所述至少两种不同电压中的每一种都选择以去除不同类的离子且所述至少两种不同电压的每一个电压都大于前一个电压。
45、通过依次去除原料流中至少两种离子净化液体的方法，包括依次向所述原料流施加至少两种不同的电压从而，所述至少两种不同电压中的每一种都优先选择以去除不同的离子，所述至少两种不同电压中的每一种都选择以在净化所述液体期间降低能耗且所述至少两种不同电压的每一个电压都大于前一个电压。
46、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在第一模件中处理原料流，该模件包括有至少一个阴极和至少一个阳极以及第一填充树脂；其中
(i)所述第一填充树脂包括完全废尽的树脂；并且
(ii)在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加第一电压，从而去除所述原料流中的大部分第一类离子，产生第一产物流；
(c)在第二模件中处理第一产物流，该模件包括有至少一个阴极和至少一个阳极以及第二填充树脂；其中
(i)所述第二填充树脂包括再生树脂；并且
(ii)在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加大于所述第一电压的第二电压，从而去除所述第一产物流中的大部分第二类离子，产生第二产物流；并且
(d)回收第二产物流。
47、一种净化液体的方法，其包括以下步骤：
(a)提供待净化的液态原料流；
(b)在第一模件中处理原料流，该模件包括有第一树脂，至少一个阴极和至少一个阳极，其中在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加第一电压，从而去除所述原料流中的大部分第一类离子，产生第一产物流；
(c)在第二模件中处理第一产物流，该模件包括有第二树脂，至少一个阴极和至少一个阳极，其中：
(i)所述第二树脂的成分与所述第一树脂的成分相似；并且
(ii)在所述至少一个阴极和所述至少一个阳极之间施加大于所述第一电压的第二电压，从而去除所述第一产物流中的大部分第二类离子，产生第二产物流；并且
(d)回收第二产物流。
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