CN220537619U

CN220537619U - 电化学辅助离子交换水处理装置

Info

Publication number: CN220537619U
Application number: CN202222499552.4U
Authority: CN
Inventors: 王尧; 鄢睿; 黄苗全; 张呈乾; 赵楠
Original assignee: Zhejiang Qinyuan Water Treatment Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Qinyuan Water Treatment Technology Co Ltd
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2024-02-27
Anticipated expiration: 2032-09-21

Abstract

公开了一种电化学辅助离子交换水处理装置，其包括预过滤单元；能够从溶液流中除去离子的电化学池，其包括：具有第一和第二电极的壳体；位于电极之间的至少一个水分解离子交换膜，其包括(i)面向第一电极的阳离子交换表面，和(ii)面向第二电极的阴离子交换表面；以及由水分解膜限定的溶液流路径，其具有(i)用于流入溶液流的入口，(ii)允许流入溶液流流过水分解膜的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流的至少一个通道，和(iii)组合经处理的溶液流以形成单一流出溶液的单个出口；和位于电化学池组件下游的碳过滤单元。

Description

电化学辅助离子交换水处理装置

技术领域

本发明涉及一种电化学辅助离子交换水处理装置。更具体地，本发明涉及离子交换领域，并且涉及离子交换膜在电化学池(electrochemical cell)中的用途。

背景技术

离子交换材料用于除去或置换溶液中的离子，例如在通过去离子化生产高纯水中、在废水处理中(从工业废水流中提取铜离子)和在溶液中离子的选择性置换(例如水软化过程，其中“硬”二价离子如钙被“软”钠或钾离子替代)中使用。离子交换材料通常分为两个类别，即阳离子交换和阴离子交换，这两种类型通常是固体或凝胶，其包含可置换的离子，或其与特定的离子发生化学反应以起到离子交换材料的作用。它们可以是交联或非交联的有机聚合物或无机结构如沸石。阳离子交换材料包含酸性基团，诸如--COOM、--SO₃M、--PO₃M₂和--C₆H₄OM，其中M是阳离子(例如，氢、钠、钙或铜离子)，其可以交换阳离子而不对材料的结构产生永久性改变。阳离子交换材料通常细分为“强酸”和“弱酸”类型，这是指离子交换基团的酸强度或pKa的术语。强酸类型如包含--SO₃M基团的那些几乎在溶液酸强度的全部范围(例如，pH＝0至15)内起作用。弱酸类型如包含--COOM的那些仅在pH接近或高于酸性基团的pKa时用作离子交换材料。阳离子交换材料还包括包含通过配位键而不是静电或离子键结合阳离子的中性基团或配体的那些。例如，固定到聚合物上的吡啶基团将与Cu⁺²离子形成配位键以将其从溶液中除去。其他阳离子交换材料包括包含络合或螯合基团(例如，衍生自氨基磷酸、氨基羧酸和异羟肟酸的那些)的聚合物。

阴离子交换材料交换阴离子而不对材料的结构产生永久性改变，并且包含碱性基团，诸如--NR₃A、NR₂HA、--PR₃A、--SR₂A、或C₅H₅NHA(吡啶鎓)，其中R通常为脂族或芳族烃基并且A为阴离子(例如，氢氧根、碳酸氢根或磺酸根)。阴离子交换材料通常细分为“强碱”和“弱碱”类型。弱碱树脂如--NR₂HA和C₅H₅ NHA仅在溶液pH接近或低于碱性基团的pKa时才交换阴离子，而强碱树脂如--NR₃ A在宽得多的溶液pH值范围内起作用。

几种形式的离子交换材料是有用的，例如小或大的球或珠粒、由珠粒粉碎产生的粉末及膜。最简单的离子交换膜是单极膜，其基本上仅包含两种类型的离子交换材料中的一种：阳离子或阴离子交换材料。另一种类型的膜是水分解膜(water-splittingmembrane)，也称为双极、双重或层状膜(laminar membrane)。水分解膜是包含组合的强酸阳离子交换表面或层(磺酸根基团；--SO₃M)和强碱阴离子交换表面或层(季铵基团；--NR₃A)的结构，使得在通过向两个电极施加电压而产生的足够高的电场中，水不可逆地解离或“分解”成其组成离子H⁺和OH^-。水的解离在水分解膜中的阳离子交换层表面和阴离子交换层之间的边界处最有效地发生，并且所得的H⁺和OH^-离子在具有相反极性的电极的方向上迁移通过离子交换层(例如，H⁺向负电极迁移)。

常规离子交换是通常使用填充到柱中的离子交换树脂珠粒的分批方法(batchprocess)。待处理的单一溶液流(源溶液)通过柱或通道。溶液中的离子被离子交换材料除去或置换，且产物溶液或水从柱的出口排出。当离子交换材料被从源溶液获得的离子饱和(例如，其容量被消耗或“耗尽”)时，珠粒用合适的溶液再生。阳离子交换树脂通常使用酸性溶液再生，阴离子交换树脂使用碱性溶液再生。在再生期间，该装置不能用于产生产物溶液或水。再生以除去截留的再生剂溶液的冲洗步骤结束。这种分批方法与使用不需要再生步骤的膜的连续方法形成对比。

相较于连续方法，用于溶液处理的分批离子交换操作产生了几个重要的益处。首先，离子交换材料是高选择性的，并且专门地除去或置换溶液中的离子，在很大程度上忽略中性基团。与其他离子相比，它们在一种类型的离子的除去或置换方面也可以是非常具有选择性的。例如，在水软化过程中，包含磺酸根基团的阳离子交换材料选择性地从溶液中提取多价离子如钙和镁，同时单价离子浓度(例如钠)保持不受影响。由于磺酸根基团对二价离子的亲和力(选择性)比对单价离子的亲和力大十倍，发生了水软化。或者，螯合阳离子交换基团如亚氨基二乙酸特别适用于从含有其他离子的溶液中选择性提取铜离子。

该离子交换基团对铜离子的亲和力比对钠离子的亲和力大8个数量级。分批离子交换方法的第二个优点是它们对生物生长(例如藻类)或矿物结垢的抗性更大。强酸和强碱最常用于分别再生阳离子和阴离子交换材料，因而产生生物有机体不能存活的环境。在多价阳离子存在下在中性或碱性环境(pH>7)中形成矿物结垢；结垢通常包括钙和镁的碳酸盐、氢氧化物和硫酸盐。结垢在用于水处理的连续装置的表面上或通道中的积累对离子去除效率具有有害影响。分批离子交换系统中结垢的形成是不太严重的问题，因为用快速溶解结垢的强酸进行的阳离子交换材料频繁再生(其中多价阳离子被浓缩)。第三个优点是可能产生浓缩的再生剂流出物(含有在前面的溶液处理步骤中除去的离子)。当由离子交换材料除去的离子是感兴趣的化学物质并且希望对其进行分离(例如从细胞培养物中除去氨基酸或蛋白质)时，这很重要。产生更浓缩的再生剂流出物的能力提供了更少的水消耗和废物处理厂的更小负担的另外的重要益处。

虽然分批类型离子交换方法具有重要的益处，但是对再生剂化学品的需求使得此类方法昂贵且对环境不友好。与用过的有毒或腐蚀性再生剂化学品如硫酸、盐酸和苛性钠的购买、储存、操作和处置相关的环境成本阻止了在许多应用中使用这种离子交换方法。即使是在水软化中，虽然氯化钠或氯化钾再生剂的危害小得多，但消费者需要每几周从杂货店将50lb的盐袋拉回家以重新填充他们的软化器是主要的不便之处。此外，来自水软化器的、冲洗到下水道中的富盐再生流出物可能难以在城市废物处理设施中处理。化学再生的另一个负面环境影响是由于需要大量的水来冲洗再生的离子交换柱并将其准备用于随后的操作步骤。水不仅在世界的许多地区是稀缺的，而且在废弃处置之前还必须处理(例如中和)产生的大量的稀释的漂洗废水。

避免了用于电化学再生离子交换材料的再生剂化学品的连续方法公开于例如美国专利号3,645,884(Gilliland)、美国专利号4,032,452(Davis)和美国专利号4,465,573(O'Hare)中，这些专利全部通过援引并入本文。在这些电渗析系统中，离子交换材料(最通常为珠粒形式)通过多个单极阳离子和阴离子交换膜与两个电极分隔；然后通过电渗析过程连续再生离子交换珠粒材料，在电渗析过程中，离子在电场中迁移通过溶液、珠粒和相容的单极膜(即，阳离子通过单极阳离子交换膜，且阴离子通过单极阴离子交换膜)，直到它们的进一步移动被不相容的单极膜屏障阻止。单极离子交换膜使一种极性的离子通过而阻止相反极性的离子通过的这种性质被称为选择渗透性。因为电渗析是连续的过程，所以其特征在于两个分开的、连续的、组成实质上不同的连续溶液流，即从其中连续除去离子的产物水流及其中浓缩这些离子的废水流。电渗析方法相对于常规离子交换的主要优点在于其连续操作，这减少了停机时间或避免了在第一离子交换柱再生期间需要第二(冗余)装置运行。第二个重要的优点是电渗析废物流仅含有从产物水中除去的离子，这是由于使用电能而不是化学能来除去或置换离子。因为常规离子交换中的化学再生是相对缓慢和低效的过程，并且使停机时间最小化很重要，所以通常使用过量的化学品。因此，除了在前一循环中从产物水中除去的离子之外，分批离子交换方法中的再生溶液还含有大量过量的化学品。如果希望从再生剂中回收先前除去的离子(例如铜离子)，这是一个重要的复杂因素。过量的化学品还对废物处理系统产生进一步的负担。

连续电渗析水处理方法有几个缺点。首先，它是选择性低得多的离子去除方法，其由传质速率而不是化学平衡控制。由于电渗析装置需要使用高导电膜以获得良好的电效率和高传质速率，所以优化膜的选择性特性方面几乎没有余地。第二个缺点是电渗析装置易于产生矿物结垢，其干扰液体的流动、离子的迁移或电极的有效性，最终导致设备堵塞。因此，在许多水去离子电渗析装置中，水必须在通过装置之前软化。或者，当将多价离子引入装置中时，电极极性可能偶尔反转，如美国专利号2,863,813(Juda)中所描述的，这提供溶解矿物结垢的酸性环境。然而，这种极性反转未实质上改变膜或离子交换材料的离子交换容量。

称为离子结合电极(IBE)的装置结合了常规分批离子交换方法和电化学再生的优点，如美国专利号5,019,235(Nyberg)、美国专利号4,888,098(Nyberg)和美国专利号5,007,989(Nyberg)中所公开的，这些专利全部通过援引并入本文。IBE通常包括导电聚合物电极，其被单极离子交换膜包围并固定到单极离子交换膜上。IBE以分批模式操作并提供良好的离子交换选择性，例如从含有高浓度单价离子的溶液中提取多价离子(例如水软化或铜离子提取方法)。IBE膜的矿物结垢在涉及通过水电解产生H⁺的电化学再生步骤期间减少。

第三，可以使用IBE装置获得浓缩的再生剂流出物，从而促进流出物中离子的回收或其作为废物的处置。此外，与电渗析系统相比，IBE装置的装置设计和制造复杂性显著降低，因为它们以单一溶液流操作，并且离子交换膜被支撑在电极上。相比之下，电渗析中使用的薄且柔性的单极膜必须使用间隔物仔细定位，以获得有效的离子去除并保持两种溶液流的分离。然而，IBE池(cell)具有两个显著的缺点。它们要求阳离子和阴离子交换膜固定到电极的相对侧，从而增加了池成本和尺寸，并且水的电解形成氢气和氧气，这可能损害电极和膜之间的界面或干扰溶液流过池。

在例如美国专利号2,829,095(Oda)、美国专利号4,024,043(Dege)和美国专利号4,107,015(Chlanda)中公开了用于从各种盐溶液生产酸和碱的包括水分解离子交换膜的电化学池，这些专利全部通过援引并入本文。这些是同样必须包含两种溶液流的连续操作的池，在此情况下是两种产物流：一种是酸溶液，另一种是碱溶液。为了操作，这些池必须包括单极离子交换膜以分开这两种溶液流。例如，美国专利号2,829,095(Oda)中描述的例如适于从流入的NaCl连续生产HCl和NaOH的水分解膜装置由位于所述池的每对水分解膜之间的阴离子交换膜和阳离子交换膜构成。在单极膜不存在的情况下，产物流出物HCl和NaOH将混合以形成水和NaCl，从而阻止池发挥作用。

在美国专利号3,654,125(Leitz)中描述了用于从溶液流连续去除离子的包括水分解膜的电化学池的替代设计和应用，该专利全部通过援引并入本文。这是连续电渗析池的变体，其使用水分解膜而不是单极离子交换膜来产生两种单独的溶液流：一种是去除了离子的产物流，另一种是离子被浓缩的废物流。水分解膜的阴离子交换层或表面在池中取向为彼此相对，阳离子交换层或表面也是如此。只有在这种取向下，水分解膜的特别的NaCl选择渗透性特征才能用于连续电渗析分离过程。Leitz池和方法具有与关于电渗析方法所述的相同的缺点，包括差的离子选择性、对矿物水垢或生物生长的结垢的敏感性、以及产生大量的水废物体积。此外，Leitz池和方法很大程度上受限于NaCl溶液的处理。

此外，由于连续操作，现有技术的水分解膜池——Leitz的酸/碱生产池和离子去除池两者——共有水分解膜包括强酸磺酸根和强碱季铵离子交换层的组合而不是采用其他离子交换材料的特性。这种特定的组合提供了具有特别低的电阻和高渗透性的膜。

美国专利US5788826(Eric Nyberg,1998)提供了离子交换装置和方法，其提供了分批离子交换方法的益处，包括高离子选择性、对矿物水垢结垢的抗性和浓缩的再生剂流出物溶液；以及用于离子交换材料再生的装置和方法，其使用电能而不是引入用于再生的化学品。这消除了与再生剂化学品相关的不便和环境危害，减少了漂洗水的体积并避免了再生剂流出物溶液被化学品污染。然而，此发明具有一些缺点，例如当此发明用于水处理时，它只能除去离子污染物而不能除去中性污染物，例如微粒、杀虫剂、VOC。因此，需要一种装置和方法来解决这些缺点。

US2014027288 A1(Pionetics Corp)公开了一种包括电化学池的流体处理装置，该电化学池具有流体孔以接收输入流体并释放输出流体，输入流体具有第一水平的微生物。第一和第二电极在电化学池中围绕水分解膜。阀控制流体流动通过电化学池的流体孔。电源向第一和第二电极提供电流。控制模块包括程序代码，用于操作阀以使输入流体流入电化学池的流体孔并提供至少0.05分钟的流体在池中的停留时间，同时控制电源向第一和第二电极提供电流密度为0.01至20mA/cm²的电流。

该装置对流体进行处理以控制流体中的离子水平，去除沉积物和微粒，并对流体进行处理以改变离子含量或类型、硬度、pH、温度和压力、更快更彻底地再生膜、并降低流体消耗和电能使用。该装置还使微生物失活并防止其繁殖。

CN113493272 A(Foshan Viomi,2021)公开了家用净水装置，其在冲洗再生过程中单流道脱盐组件中的水流方向与净水过程中单流道脱盐组件中的水流方向相反，且冲洗效率高。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种水处理装置(1)，包括：

(i)将水进料到管线L₀中的第一入口(2)；

(ii)预过滤单元(10)；

(iii)能够从溶液流中除去离子的电化学池(20)，所述电化学池(20)包括：

a)具有第一电极(40)和第二电极(45)的壳体(25)；

b)位于所述电极(40，45)之间的至少一个水分解离子交换膜(100)，所述水分解膜(100)包括(i)面向所述第一电极(40)的阳离子交换表面(105)，和(ii)面向所述第二电极(45)的阴离子交换表面(110)；以及

c)由所述水分解膜(100)限定的溶液流路径，所述溶液流路径(121)具有(i)流入溶液流的入口，(ii)允许流入溶液流流过所述水分解膜(100)的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流的至少一个通道，和(iii)组合所述经处理的溶液流以形成单一流出溶液的单个出口；

(iv)位于所述电化学池(20)下游的碳过滤单元(17)；以及

(v)经处理的水的出口(5A)；

其中所述管线L₀在点M处分支成管线L₁和L₂，管线L₁通向所述电化学池(20)；管线L₂绕过所述电化学池(20)并在所述碳过滤单元上游的点N处与L₁汇合；以及

其中L₁在所述电化学池(20)上游的点O处分支成管线L₁₁，所述管线L₁₁是用于通过废水出口(5B)弃去在所述电化学池(20)的再生阶段期间来自所述电化学池(20)的水的废水管线。

本发明的第二方面提供了一种处理水的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)使所述水通过所述预过滤单元(10)过滤；

(ii)置换电化学池(20)的离子交换材料中的离子，所述电化学池(20)包括：

a)第一和第二电极(40，45)；

b)在所述电极(40，45)之间的至少一个水分解膜(100)，每个水分解膜(100)包括离子交换层A和B，一个阳离子交换层面向所述第一电极(40)，另一个阴离子交换层面向所述第二电极(45)，所述层分别包含离子I_1A和I_1B；

其中单一且连续的溶液通道由所述膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面(105，110)限定，所述溶液通道(122)邻接电极(40，45)两者并且从壳体(25)的入口(30)连续延伸到出口(35)；

c)将所述电极(40，45)和所述水分解膜(100)电连接的含离子溶液；

在该池中离子I_1A和I_1B分别被离子I_2A和I_2B置换；

其中所述水分解膜(100)被布置成提供连续通道(122)，所述连续通道(122)允许溶液流流过所述水分解膜(100)的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面(105，110)；

其中所述池(20)的至少一个通道(122)中的溶液同时暴露于水分解膜(100)的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面(105，110)；以及

(iii)允许来自电化学池组件(20)的水被碳过滤单元(17)过滤。

附图说明

图1是第一方面的水处理装置中的水流的示意图；

图2是电化学池的示意性截面侧视图；

图3是显示阴离子和阳离子交换表面的水分解离子交换膜的示意性截面图；

图4是包括多个阳离子交换层和阴离子交换层的水分解离子交换膜的另一个实施方案的示意性截面图。

具体实施方式

本发明提供了一种水处理装置(1)，其包括：

(A)将水进料到管线L₀中的第一入口(2)；

(B)预过滤单元(10)；

(C)能够从溶液流中除去离子的电化学池(20)，所述电化学池(20)包括：

a)具有第一电极(40)和第二电极(45)的壳体(25)；

b)位于所述电极(40，45)之间的至少一个水分解离子交换膜(100)，所述水分解离子交换膜(100)包括(i)面向所述第一电极(40)的阳离子交换表面(105)，和(ii)面向所述第二电极(45)的阴离子交换表面(110)；以及

c)由所述水分解离子交换膜(100)限定的溶液流路径，所述溶液流路径(121)具有(i)用于流入溶液流的入口，(ii)允许流入溶液流流过所述水分解离子交换膜(100)的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流的至少一个通道，和(iii)组合所述经处理的溶液流以形成单一流出溶液的单个出口；

(D)位于所述电化学池(20)下游的碳过滤单元(17)；以及

(E)经处理的水的出口(5A)；

其中所述管线L₀在点M处分支成管线L₁和L₂，管线L₁通向所述电化学池(20)；管线L₂绕过所述电化学池(20)并在所述碳过滤单元(17)上游的点N处与L₁汇合；以及

本发明人惊奇地发现，本发明的水处理装置提供了优异的矿物质过滤性能。与RO装置相比，电化学辅助离子交换技术的使用使得能够控制水中的TDS，同时有效地从水中除去污染物。可以看到，本发明的装置通过除去不能通过离子交换除去的污染物(例如仅通过电化学池部分除去的微粒、VOC和生物体)而提高了水处理效率。还发现本发明的装置提供了意想不到的高水回收率。本发明装置的水回收率高，当流入水的TDS低时高达97％。该装置不产生噪音，因为水在膜和泵之间流动对于该装置的功能不是必需的。与用于水净化的常规RO装置相比，该装置还具有更长的寿命。

本发明在其应用中不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实现。

本文使用的术语“包括”、“包含”、“含有”或“具有”及其变化形式意在涵盖其后列出的项目以及额外的项目。除非另外规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变化形式广义使用且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和耦合。

在本发明的整个说明书中，术语“再生”和“反向极化”可互换地使用并且旨在表示相同的含义。

术语“电化学池”或“电化学池盒”或术语“电化学池组件”意指包括至少一个电化学池的组件。

本发明提供包含电化学离子交换系统的水处理装置，所述电化学离子交换系统包括：

a)第一方面的电化学池；

b)电压源(voltage supply)，用于向所述第一和第二电极提供电压；以及

c)用于使流入溶液流流过池的装置。

优选的是，在本发明的电化学离子交换系统中，水分解膜定位成使得在通过电压源施加电压后由电极产生的电场基本上横向于水分解膜的阴离子和阳离子交换表面。

本发明提供了一种水处理装置，其具有通向预过滤器的入口，该预过滤器允许原水(raw water)或未经过滤的水通过预过滤单元过滤，该预过滤单元用于除去悬浮固体，例如微粒、病毒、细菌和胶体。从预过滤单元L₀离开的水管线在点M处被分成管线L₁和L₂；L₁是到电化学池的路线，L₂是旁路路线。在L₁连接到电化学池之前，L₁具有另一条分支管线L₁₁，当电化学池的极性需要反转时，该分支管线L₁₁排出水。离开电化学池的更下游的管线L₁优选地在连接到碳过滤单元之前与旁路管线L₂连接。

管线L₀在点M处分支成管线L₁和L₂，管线L₁通向电化学池；管线L₂绕过电化学池并在碳过滤单元上游的点N处与L₁汇合。

L₁在电化学池上游的点O处分支成管线L₁₁，管线L₁₁是用于通过废水出口弃去在电化学池的再生阶段期间来自所述电化学池的水的废水管线。

优选地是，水处理系统以两个阶段操作：去离子阶段和反向极化阶段。

优选地，管线L₀、L₁、L₁₁和L₂具有机电装置以控制通过它们的水运动，更优选地，用于该用途的机电装置是阀。

管线L₀在点M处分支成管线L₁和L₂。还优选地是阀V1位于点M的下游，更优选位于电化学池的上游。

优选地是，管线L₂在点N处与电化学池下游的管线L₁会合。优选地是，阀V3位于管线L₂上。

管线L₁₁在点O处(点M的下游和电化学池的上游)从L₁分支出来。进一步优选地是，阀V4位于管线L₁₁上。

优选地是，阀V2在碳过滤单元下游位于管线L₁上。

本发明进一步提供一种水处理装置，其包括能够从溶液流中除去离子的电化学池，所述池包括：

a)具有第一电极和第二电极的壳体；

b)位于所述电极之间的至少一个水分解离子交换膜，所述水分解膜包括(i)面向所述第一电极的阳离子交换表面，和(ii)面向所述第二电极的阴离子交换表面；以及

c)单一且连续的溶液通道，所述溶液通道允许流入溶液流流过(i)所述电极，以及(ii)所述水分解膜的阳离子交换表面和阴离子交换表面。

a)具有第一电极和第二电极的壳体；

c)由所述水分解膜限定的溶液流路径，所述溶液流路径具有(i)用于流入溶液流的入口，(ii)允许流入溶液流流过所述水分解膜的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流的至少一个通道，和(iii)组合所述经处理的溶液流以形成单一流出溶液的单个出口；

本发明还提供一种水处理装置，其包括能够从溶液流中除去离子的电化学池，所述池包括：

a)具有第一电极和第二电极的壳体；

本发明还提供一种水处理装置，其包括用于从溶液中选择性除去多价离子的电化学池的组件，所述组件包括：

a)第一电化学池，其包括：

(i)两个电极，

(ii)在所述电极之间的至少一个水分解离子交换膜，每个水分解膜包括面向所述第一电极的阳离子交换表面，和面向所述第二电极的阴离子交换表面；以及

b)第一溶液流路径，其具有(i)用于流入溶液流的入口，(ii)允许流入溶液流流过所述水分解膜的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流的至少一个通道，和(iii)组合所述经处理的溶液流以形成第一流出溶液的单个出口；

至少一个第二电化学池，其包括：

(1)两个电极，

(2)在所述电极之间的至少一个水分解离子交换膜，每个水分解膜包括面向所述第一电极的阳离子交换表面，和面向所述第二电极的阴离子交换表面；以及

(3)第二溶液流路径，其具有(i)用于流入溶液流的入口，(ii)允许流入溶液流流过所述水分解膜的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流的至少一个通道，和(iii)组合所述经处理的溶液流以形成第二流出溶液的单个出口；

c)用于向所述第一和第二池的电极提供电压的装置；以及

d)流量控制器，所述流量控制器用于将溶液流的流动分配到所述第一和第二池中，使得所述溶液流以第一流速流入所述第一池中和以第二流速流入所述第二池中，所述第一和第二流速选择为在组合的第一和第二流出溶液中提供所需的多价离子浓度。

优选地是，在本发明的电化学池中，溶液流路径包括单一且连续的溶液通道，其经过所述水分解膜的阳离子交换表面和阴离子交换表面。

优选地是，在本发明的电化学池中，溶液流路径包括单一且连续的溶液通道，所述溶液通道以不中断的顺序贯穿地连接并且从入口基本上连续地延伸到出口。

优选地是，本发明的电化学池基本上不包含单极离子交换膜。

本发明的电化学池可以是包括一个或多个电化学池的电化学池组件的形式。

优选地是，本发明的电化学池包括多个水分解膜，并且其中溶液流路径包括单一且连续的溶液通道，所述溶液通道流过(i)电极，和(ii)每个水分解膜的阳离子交换表面和阴离子交换表面。

优选地是，本发明的电化学池包括多个水分解膜，并且其中溶液流路径包括多个通道，每个通道允许流入溶液流过相邻水分解膜的阳离子交换表面和阴离子交换表面。

优选地是，本发明的电化学池在相邻的水分解膜之间基本上不包含单极离子交换膜。

优选地是，本发明的电化学池包括多个梳状(interdigited)水分解膜，其具有交替的连接到壳体的端部。

优选地是，在本发明的电化学池中，水分解膜以螺旋布置方式卷绕以形成圆柱形，以及(ii)第一或第二电极包括包围水分解膜的螺旋布置的圆柱体。

优选地是，在本发明的电化学池中，溶液流路径允许流入溶液流在螺旋方向上流过水分解膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面。

优选地是，在本发明的电化学池中，水分解膜包括以下特征中的至少一个：

(a)阳离子交换表面，其包含选自由以下组成的组的化学基团：-SO₃M、--COOM、--PO₃M₂、--C₆H₄OM、脂族胺、芳族胺、脂族膦、芳族膦、脂族硫化物、芳族硫化物、氨基磷酸、氨基羧酸、异羟肟酸及其混合物，其中M为阳离子；

(b)阴离子交换表面，其包含选自由以下组成的组的化学基团：脂族胺、芳族胺、脂族膦、芳族膦、脂族硫化物、芳族硫化物及其混合物；

(c)每个水分解膜的至少一个交换表面包含至少约1微米的平均孔径；

(d)每个水分解膜的至少一个交换表面包含至少10体积％的孔体积；或

(e)膜是非均相的，并包含交联的水溶胀性聚合物主体材料。

优选地是，在本发明的电化学池中，水分解膜的阳离子交换表面包括至少两个阳离子交换层，每个阳离子交换层包含不同的阳离子化学基团。

优选地是，在本发明的电化学池中，内部阳离子交换层包含SO₃ ^-化学基团，并且外部阳离子交换层包含不同于SO₃ ^-的离子交换化学基团。

优选地是，在本发明的电化学池中，水分解膜的阴离子交换表面包括至少两个阴离子交换层，每个阴离子交换层包含不同的阳离子化学基团。

优选地是，在本发明的电化学池中，内部阴离子交换层包含NR₃ ⁺基团，并且外部阴离子交换层包含不同于NR₃ ⁺的离子交换基团，其中R选自由脂族烃、脂族醇和芳族烃组成的组。

方法

根据另一方面，公开了一种使用装置(1)处理水的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)使水通过所述预过滤单元(10)过滤；

a)第一和第二电极(40，45)；

在该池中离子I_1A和I_1B分别被离子I_2A和I_2B置换；

(iii)允许来自电化学池组件(20)的水通过碳过滤单元(17)过滤。

优选地是，在所述方法的步骤(ii)中向电化学池施加电压以获得更好的离子交换速度和增加的盐除去速率。

在本发明的方法中，优选以两个阶段操作：去离子阶段和反向极化阶段。

优选地是，在本发明的方法中，在再生阶段期间，管线L2和L11是打开的，而在去离子阶段期间，管线L2和L11是关闭的。

本发明还提供一种使用本发明的装置通过向电化学池施加电压来置换离子交换材料中的离子的方法，所述电化学池包括：

(a)第一和第二电极；

(b)在所述电极之间的至少一个水分解膜，每个水分解膜包括离子交换层A和B，一个阳离子交换层面向所述第一电极，另一个阴离子交换层面向所述第二电极，所述层分别包含离子I_2A和I_2B；

其中单一且连续的溶液通道由所述膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面限定，所述溶液通道邻接两个电极并且从壳体的入口连续延伸到出口；

(c)将所述电极和所述水分解膜电连接的含离子溶液；

在该池中离子I_1A和I_1B分别被离子I_2A和I_2B置换。

本发明还提供一种从溶液中除去多价离子的方法，所述方法包括向组件施加电压，所述组件包括第一和第二电化学池：

a)第一电化学池，包括：

(i)第一和第二电极；

(ii)在所述电极之间的至少一个水分解膜，每个水分解膜包括阳离子交换层A和阴离子交换层B，这些层分别包含离子I_4A和I_4B，离子I_4A和I_4B分别基本上包括H⁺和OH^-，其中所述阳离子交换层面向所述第一电极并且所述阴离子交换层面向所述第二电极，在该池中存在单一且连续的溶液通道，以及

(iii)含有离子I_2A和I_2B的溶液，所述溶液电连接所述电极和水分解膜，在该池中离子I_4A和I_4B被离子I_2A和I_2B置换；

b)第二电化学池，包括：

(i)第一和第二电极；

(ii)布置在所述电极之间的至少一个水分解膜，每个水分解膜包括阳离子交换层A和阴离子交换层B，这些层分别包含离子I_5A和I_5B，离子I_5A和I_5B分别包括H⁺和OH^-之外的单价离子，其中所述阳离子交换层面向所述第一电极并且所述阴离子交换层面向所述第二电极，在该池中存在单一且连续的溶液通道，以及

(iii)含有离子I_2A和I_2B的溶液，所述溶液电连接所述电极和水分解膜，在该池中离子I_5A和I_5B分别被离子I_2A和I_2B置换。

优选地是，在本发明的方法中，池基本上不包含单极离子交换膜。

优选地是，在本发明的方法中，水分解膜被布置成提供连续通道，所述连续通道允许溶液流流过所述水分解膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面。

优选地是，在本发明的方法中，池的至少一个通道中的溶液同时暴露于水分解膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面。

优选地是，在本发明的方法中，其中H⁺和OH^-在水分解膜内产生并分别通过离子交换层A和B，导致离子I_1A和I_1B分别被离子I_2A和I_2B置换。

优选地是，在本发明的方法中，离子I_1A和I_1B的极性与引起它们的置换的H⁺和OH^-离子的极性相同。

优选地是，在本发明的方法中，离子I_1A和I_1B的极性与引起它们的置换的H⁺和OH^-离子的极性相反。

优选地，本发明的方法包括反转电极极性的附加步骤，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_3A和I_3B置换。

优选地是，在本发明的方法中，在反转步骤中，OH^-和H⁺在水分解膜内产生并分别通过离子交换层A和B，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_3A和I_3B置换。

优选地，本发明的方法包括终止电流的附加步骤，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_3A和I_3B置换。

优选地，从溶液中除去多价离子的方法包括将另一种溶液引入到第二电化学池中并使电极的极性反转的附加步骤，导致离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B置换。

优选地是，在从溶液中除去多价离子的方法中，在两个池中，水分解膜被布置成在每个池中提供连续的溶液流，所述溶液流流过它们的水分解膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面。

优选地是，在从溶液中除去多价离子的方法中，将第一和第二池的至少一个通道中的溶液同时暴露于水分解膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面。

优选地，在从溶液中去除多价离子的方法中，使溶液流流过第一和第二池的步骤包括控制溶液流过第一和第二池的流速以在来自池的流出流中获得预定的离子浓度的步骤。

优选地是，在从溶液中除去多价离子的方法中，控制溶液通过第一和第二池的流速以在来自池的流出流中获得预定的离子浓度的步骤包括监测来自第一和第二池的流出流的组成，并相对于流出流的组成调节溶液通过第一和第二池的流速的步骤。

优选地，从溶液中除去多价离子的方法包括第三电化学池，所述第三电化学池包括：

(a)第一和第二电极；

(b)布置在所述电极之间的至少一个水分解膜，每个水分解膜包括阳离子交换层A和阴离子交换层B的组合，这些层包含离子I_2A和I_2B，其中所述阳离子交换层面向所述第一电极并且所述阴离子交换层面向所述第二电极，在所述池中存在单一且连续的溶液流，以及

(c)电连接所述电极和水分解膜的溶液；

其中所述第三池中的所述第一和第二电极的极性相对于所述第一和第二池的极性相反，使得在所述第三池中，离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B置换。

优选地是，在从溶液中除去多价离子的方法中，在第三池中发生离子I_2A和I_2B分别被离子I_4A和I_4B置换，而第一和第二池从它们单独的溶液流中除去多价离子。

优选地，预过滤单元包括聚丙烯沉淀过滤器、微滤过滤器、超滤过滤器及其组合。

超滤单元优选地包括至少两个腔室，并且优选地允许水在通量相同时更快地冲洗，并且因此与传统的超滤单元相比获得更长的寿命的两个腔室。优选地，定期清洗超滤单元以除去微粒和胶体，导致延长的装置寿命。

超滤单元位于电化学池组件的上游和水处理装置入口的下游。

超滤单元优选用于通过超滤膜从水中滤出悬浮固体、较大颗粒、胶体物质和蛋白质。优选地，超滤单元还从水中除去细菌、原生动物和一些病毒。

碳过滤器优选用于除去不能通过超滤单元和电化学池除去的污染物。碳过滤器优选为活性炭过滤器。碳过滤器可选自VOC去除碳过滤器、重金属去除碳过滤器、灭菌/抗菌碳过滤器、广谱碳过滤器、维生素C过滤器、草本过滤器、锶-碳过滤器或任何其他含矿物的碳过滤器。

碳过滤器位于电化学池组件的下游，且水在离开碳过滤器后被分配使用。

优选地，在本发明的方法中，水通过水处理装置的入口进入并流入预过滤器，该预过滤器允许原水或未经过滤的水通过预过滤单元过滤，离开预过滤单元的水管线L₀被分成管线L₁和L₂；L₁是到电化学池的路线，L₂是旁路路线。在L₁连接到电化学池之前，L₁具有另一条分支管线L₁₁，当电化学池的极性需要反转时，该分支管线L₁₁排出水。离开电化学池的更下游的管线L₁在连接到碳过滤单元之前与旁路管线L₂连接。

优选地，本发明的水处理方法以两个阶段操作，去离子阶段和反向极化阶段。优选地是，在去离子阶段中，阀V1和V2优选打开，而阀V3和V4优选关闭。进一步优选地是，在反向极化阶段，阀V3和V4优选打开，而阀V1和V2优选关闭。

在去离子阶段，原水或进料水通过入口进入，穿过管线L₁、通过打开的阀V1并进入电化学池，从电化学池流出的水流入碳过滤单元、穿过打开的阀V2并通过出口流出处理装置。

优选地，在反向极化阶段，原水或进料水通过入口进入，穿过管线L₁，遇到关闭的阀V1，并因此通过管线L₂绕过电化学池，流过管线L₂的水在电化学池下游的点N处与管线L₁会合。在这个过程中，当阀V2关闭时，来自L₂的水流以相反方向从管线L₂通过点N被引导到电化学池中，然后通过电化学池，穿过阀V4进入管线L₁₁，以优选地被弃去或再循环用于二次使用。

优选地，进入去离子状态的触发器基于由装置处理的预定水量来编程。优选地，流量传感器位于阀V2之前，其感测由装置处理的水量。进一步优选地，在电化学池组件通过极性反转再次转变回到去离子状态之前，电化学池组件保持在再生状态一段预定的时间。

图1示出了本发明的水处理装置1的流程图，所述装置包括预过滤单元10、电化学池组件20和碳过滤器17。

水通过入口2进入装置并进入预过滤单元10，随后通过阀V1进入电化学池组件20，离开电化学池组件20的水流随后通过碳过滤器17过滤并最终在通过阀V2之后通过出口5A分配。

图1示出了本发明的水处理装置的流程图，所述水处理装置具有通向预过滤单元(10)的入口(2)，所述预过滤单元(10)允许原水或未经过滤的水通过所述预过滤单元(10)过滤，所述预过滤单元(10)用于除去悬浮固体，例如微粒、病毒、细菌、胶体等。离开预过滤单元的水管线L₀显示分成管线L₁和L₂；L₁是到电化学池的路线，L₂是旁路路线。在L₁连接到电化学池(20)之前，L₁具有另一条分支管线L₁₁，当电化学池(20)的极性需要反转时，该分支管线L₁₁排出水。离开电化学池(20)的更下游的管线L₁在连接到碳过滤单元(17)之前与旁路管线L₂连接。

管线L₀、L₁、L₁₁和L₂具有机电装置，例如阀V1、V2、V3和V4，以控制通过它们的水运动。

管线L₀显示在点M处分支成管线L₁和L₂。阀V1位于点M的下游和电化学池(20)的上游。

管线L₂在点N处与电化学池(20)下游的管线L₁会合。阀V3位于管线L₂上。

L₁₁在点O(点M的下游和电化学池(20)的上游)从L₁分支出来。阀V4位于管线L₁₁上。

阀V2在碳过滤单元(17)下游的管线L₁上。

图2示出了电化学池组件20的一个实施方案，其包括壳体25，壳体25具有至少一个入口30和一个出口35，入口30用于将流入溶液流引入池中，出口35提供单一流出溶液。池中相对的第一和第二电极40，45由跨电极提供电压的电极电压源50供能。至少一个水分解膜100定位在壳体25中的电极40，45之间。每个水分解膜100包括相邻和邻接的阳离子交换表面105(通常为具有阳离子交换基团的阳离子交换层)和阴离子交换表面110(通常包括具有阴离子交换基团的阴离子交换层)的至少一个组合。水分解膜100布置在壳体25中，使得膜的阳离子交换表面面向第一电极40，膜的阴离子交换表面面向第二电极45。

溶液流路径(如箭头121所示)由水分解膜100的表面、电极40，45和池的侧壁限定。溶液流路径121(i)从入口30(其用于将流入溶液流引入溶液流路径中)延伸，(ii)包括至少一个通道，其允许流入溶液流流过水分解膜的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流，以及(iii)终止于单个出口35，其组合经处理的溶液流以形成单一流出溶液。溶液流路径121可以包括连续延伸通过池的单一串联流动通道，或者可以包括连接并终止于单个出口35的多个并联流动通道。在图2的实施方案中，水分解膜100被布置成提供具有单一且连续的溶液通道122的溶液流路径121，所述溶液通道122流过水分解膜的阳离子交换表面和阴离子交换表面。优选地，通道122以不中断的顺序贯穿地连接，从入口连续延伸到出口并流过水分解膜的阴离子和阳离子交换表面。因此，单一且连续的通道的周边包括池中的水分解膜的所有阳离子交换层表面和阴离子交换层表面的至少一部分。

壳体25通常包括由金属或塑料制成的板和框架结构，并且包括一个或多个将溶液引入到池中的入口孔30和一个或多个从池中除去流出溶液的出口孔35。虽然可以提供一个或多个出口孔，但是来自池的流出溶液优选包括在出口孔之前或之后形成的单一排出溶液流(例如在组合不同溶液流的排出歧管中)。使用位于水分解膜的任一侧上的垫圈115将水分解膜100保持在壳体25中。泵120(例如蠕动泵)或与流量控制装置结合的水压用于使来自溶液源125的溶液流过通道122并进入处理溶液罐130。在该实施方案中，泵120用作使单一溶液流流过池的装置。通常在电化学池20外部的电极电压源50包括与电阻器140串联的直流电压源135。电触点145，150用于将电压源50电连接到第一和第二电极40，45。代替DC电源，电压源也可以是整流的交流电源，例如半波或全波整流的交流电源。

阳极电极40和阴极电极45由导电材料制成，例如金属，其优选地在池20的操作期间在电极的正极化和负极化期间产生的低pH或高pH化学环境中耐腐蚀。合适的电极可由铜芯、铝芯或钢芯制成，所述芯涂覆有耐腐蚀材料，例如铂、钛或铌。电极40，45的形状取决于电化学池20的设计和流过池的溶液的电导率。电极40，45应当跨水分解膜100的表面提供均匀的电压，池20的合适的电极形状是尺寸大致与水分解膜的面积一样大的平板，位于池20的顶部和底部，并且具有在壳体内部的电极表面。优选地，第一和第二电极40，45包括在彼此相邻定位的平面水分解膜100的任一侧的平面结构。可选的电极形状包括分布式设计，例如编织网、扩张网、或成型为特定构型(例如蛇形)的金属线。为了使源溶液进入和离开池20，例如在图2的实施方案中，可能需要在两个电极40和45中切出开口以允许溶液流进和流出通道122。

优选地，电极40，45由提供导电性和耐腐蚀性的期望组合的两层或更多层构成。合适的配置包括内部导电层，其具有足够低的电阻以提供跨水分解膜100的基本上均匀的电压；抗腐蚀层，用于防止导电层的腐蚀；以及在电极表面上的催化涂层，用于降低工作电压、延长电极寿命并使功率需求最小化。优选的电极结构包括耐腐蚀材料如钛或铌覆盖的铜导体，然后用贵金属催化剂层如铂涂覆。

分隔池20中的水分解膜100并形成其侧壁155，160的垫圈115具有多种功能。在第一功能中，垫圈115防止溶液通过池20的侧壁155，160泄漏。在另一功能中，垫圈115由电绝缘材料制成以防止通过池20的侧壁155，160的电流通道短路或分流。这迫使电流通道或电极40，45之间的电场基本上垂直地穿过水分解膜100的平面，以提供更有效的离子去除或置换。在溶液通道122内优选设置间隔件132，例如，悬挂于池侧壁上的塑料网状材料层。间隔件132具有多种功能：它们分隔水分解膜100，提供更均匀的流动，并且在溶液流路径中产生湍流以提供更高的离子传输速率。如果两个或更多个水分解膜直接接触，则过量电流可能流过该低电阻路径，使膜过热并使溶液分路(从而降低池性能)。该间隔件可以是具有大于10μm的平均孔径或开口直径的任何构造。池中的溶液通道122还可以包括离子交换材料颗粒或细丝，例如珠粒、颗粒、纤维、松散编织结构、或允许通道122中的溶液接触水分解膜的阳离子交换层表面和阴离子交换层表面的任何其他结构，所述水分解膜形成通道外围的一部分。位于通道122中的任何离子交换材料仍然在池20中提供单一连续的溶液流。通道122中的离子交换材料可包括阳离子交换材料、阴离子交换材料或两者的混合物。然而，位于通道122中的离子交换材料不应是将池中的两个或更多个溶液流分隔开的单极离子交换膜的形式。因此，池优选在相邻的水分解膜之间基本上不包含单极离子交换膜。

水分解膜100是包括组合的阳离子交换表面105和阴离子交换表面110的任何结构，使得在通过向电极40和45施加电压而产生的足够高的电场下，水在膜中解离成其组成离子H⁺和OH^-。这种解离在膜中的阳离子交换表面和阴离子交换表面或层之间的边界处或在它们之间的体积中最有效地发生，并且所得的H⁺和OH^-离子沿具有相反极性的电极的方向迁移通过离子交换层。例如，H⁺离子将向负极(阴极)迁移，OH^-离子将向正极(阳极)迁移。优选地，水分解膜包括邻接的阳离子交换层和阴离子交换层105，110，所述阳离子交换层和阴离子交换层105，110彼此固定或结合以提供具有单一层压结构的水分解膜100。阳离子交换层和阴离子交换层105，110可以在没有将它们固定在一起的联结的情况下物理接触，或者水分解膜100可以包括非离子中间层，例如水溶胀性聚合物层、多孔层或含溶液层。

图3中示出了包括邻接的阳离子交换表面和阴离子交换表面或层的水分解膜100的放大截面图。合适的阳离子交换层105可以包含一个或多个能够交换阳离子的酸性官能团，例如--COOM、--SO³M、--PO₃M₂和--C₆H₄OM，其中M是阳离子(例如，氢、钠、钙或铜离子)。阳离子交换材料还包括包含通过配位而非静电或离子键结合阳离子的中性基团或配体(例如吡啶、膦和硫化物基团)，以及包含络合或螯合基团(例如衍生自氨基磷酸、氨基羧酸和异羟肟酸的那些)的基团的那些。阳离子交换官能团的选择取决于池20的应用。在需要非选择性除去离子的水去离子化中，优选--SO₃ M基团，因为它们能够赋予良好的膜溶胀、高传质速率和在宽pH范围内的低电阻。为了从含有其他离子如钠离子的液体中选择性除去铜离子，优选的是离子交换基团如--COOM或螯合基团如氨基羧酸。由于--(COO)_nM与H⁺形成--COOH并排出M⁺ⁿ(其中M是金属离子)的强烈有利的反应，这些弱酸基团提供了特别有效的再生的额外益处。

水分解膜100的合适的阴离子交换层110包含一种或多种能够交换阴离子的碱性官能团，例如--NR₃A、--NR₂HA、--PR₃A、--SR₂A、或C₅H₅NHA(吡啶)，其中R是烷基、芳基或其他有机基团，并且A是阴离子(例如氢氧根、碳酸氢根、氯离子或硫酸根离子)。阴离子交换官能团的选择也取决于应用。在水去离子化中，--NR₃A因其在宽pH范围内赋予良好的膜溶胀并因此提供低电阻和高传质速率的能力而是优选的。当需要特别有效的再生时，优选弱碱性基团。例如，--NR₂HA将以非常有利的反应与OH^-反应以形成--NR₂、H₂O并排出A^-。

水分解离子交换膜还可以包含多于两个阴离子和阳离子交换层。图4中的水分解膜101包含四个离子交换层：两个阳离子交换层106和107以及两个阴离子交换层111和112。两个阳离子或两个阴离子交换层的离子交换容量或离子交换官能团可以不同。例如，水分解膜101的内部阳离子交换层106可以基本上包含--SO₃基团，并且外层107包含--COOH基团；而内部阴离子交换层111可包含--NR₃基团，并且外层112包含--NR₂H基团。或者，阳离子交换层106或107或阴离子交换层111或112可以是多孔的以容纳溶液。多孔层可以是开孔泡沫(例如使用发泡剂或浸出技术制备的)，包含离子交换颗粒的织造和非织造纤维复合材料，或提供通过至少一部分水分解离子交换膜厚度的快速溶液输送的任何其他结构，从而增加溶液与包含在多孔层内的离子交换材料接触的速率并增加溶液流过孔的速率。优选地，多孔层的平均孔径为至少1μm、更优选大于10μm；孔隙体积为多孔层体积的至少10％、更优选至少20％。

水分解离子交换膜可以通过任何方法制备，例如提供均相或非均相离子交换膜的那些。均相膜通过聚合合适的单体、随后进行一个或多个化学步骤以引入离子交换基团而形成。通常，包括交联所得聚合物的单体以提供不溶性离子交换材料。聚合可在存在或不存在溶剂的情况下进行，并且取决于溶剂的选择，可获得可进一步表征为凝胶(在无溶剂的情况下制备)、均孔型(良好单体和聚合物溶剂)或大孔(良好单体但不良的聚合物溶剂)的离子交换材料。制备均相膜的典型方法是在玻璃板之间浇铸单体混合物，注意防止单体或溶剂蒸发，并加热固化。随后的化学官能化与其他离子交换材料(例如珠粒)相同。水分解膜可以通过几种相关方法制备，包括将第二单体混合物浇铸在固化层上，随后逐步化学官能化这两层，或通过使用不同官能化化学从两侧化学官能化单个浇铸层。

非均相水分解离子交换膜包含与均相离子交换材料颗粒紧密混合的主体聚合物。离子交换颗粒比主体聚合物吸收显著更多的水，后者为膜提供结构完整性。由于离子交换颗粒的横截面通常大于1微米，这些水分解膜具有微米级的非均相结构。制备非均相膜的优选方法是通过熔融共混离子交换材料(例如以颗粒形式)和热塑性聚合物(例如聚乙烯、聚乙烯共聚物或聚偏二氟乙烯)。可以使用适合于熔融共混主体聚合物的任何方法，例如使用辊磨机或混合挤出机。离子交换材料的单个薄片可以通过例如压塑或挤出形成，并且水分解膜可以通过相同的方法由两层或更多层形成。

用于非均相水分解膜的离子交换材料优选具有小于200微米、更优选小于100微米的平均粒度。小颗粒可通过直接合成小珠粒(例如在乳液聚合中)或通过制粒具有所需化学和物理性质的较大离子交换珠粒来获得。为了制备用于本文所述实施例的非均相膜，从Graver Chemical Company获得粒化离子交换树脂：PCH强酸阳离子交换树脂(H⁺形式)和PAO强碱阴离子交换树脂(OH^-形式)。非均相水分解膜的阳离子交换层和阴离子交换层中的离子交换材料的体积分数优选为至少30％，更优选至少35％，最优选至少40％。

用于非均相膜的主体聚合物的选择取决于所得水分解膜的要求和离子交换材料可允许的最大加工温度。例如，如果板和框架构造池需要刚性、不可压缩的膜，如图2所示，可以选择主体聚合物如高密度聚乙烯(HDPE)。相比之下，螺旋构造池可能需要柔性水分解膜，并且弹性体例如乙烯-丙烯热塑性塑料可能是优选的。或者，主体聚合物可以是水可溶胀性材料，例如聚(环氧乙烷)或聚乙烯醇。这可以提供通过水分解膜的离子交换层的更快的离子传输。为了避免水溶胀性聚合物的溶解，交联主体聚合物/离子交换材料复合物以提供不溶的交联结构可能是有利的。交联可以在使用化学试剂或辐射(例如UV、电子或γ辐射)将复合材料形成最终形状(例如片材)之后完成。交联还可以为非水溶胀性主体聚合物复合材料提供机械益处，例如改善的抗撕裂性。

水分解膜的阳离子交换层和阴离子交换层优选包含至少约0.1meq/cc，更优选至少0.2meq/cc，最优选至少0.5meq/cc的离子交换容量。较高的离子交换容量导致膜在溶液中的溶胀增加，电阻降低。较高的离子交换容量还提供了对于给定体积的水分解膜材料需要较低频率的再生的设备。降低再生步骤频率的另一种方法是使用具有更大厚度的水分解膜以增加离子交换容量。优选地，水分解膜具有至少约200微米(μm)，更优选地至少400μm，最优选地至少600μm的溶液饱和厚度。

已参考本发明的某些优选形式相当详细地描述本发明，然而，其他形式也是可能的。

实施例

实施例1

根据本发明的第一方面组装水处理装置。

根据图1设置水处理装置。超滤膜(来自)用作预过滤器。使用电化学池盒(来自ERIX Solutions)作为主要的盐除去单元，其由25层15.6cmX40cm电子再生的离子交换膜构成。碳过滤器(来自/>)用作后过滤器。中心上升管(central risingtube)位于电化学池盒壳体中以保持内部电极。电源连接到提供电场的两片电极上。将进料水引入到系统中并调节进料水压力，从而以2L/min恒定地产生产物水。在去离子阶段，螺线管阀1和2打开，而螺线管阀3和4关闭。因此，在水通过超滤处理之后，水流入电化学池盒，溶解的盐通过离子交换反应除去并在电场中加速。最后，通过活性炭过滤器处理水之后，在系统末端收集产物水。

在处理6L水之后，通过反转电源的极性(与去离子阶段相反)使其再生。在该阶段，螺线管阀3和4打开，而螺线管阀1和2关闭。将水以160ml/min的流速引入系统。电源的电压为300V，电流上限值为1A。20分钟后，再次改变电源极性(与去离子阶段相同)3分钟。

将NaCl和CHCl₃分别溶于纯水中，得到400ppm NaCl水溶液和0.3ppm CHCl₃水溶液。这些溶液用作上述系统的进料水，以评价盐去除和VOC(挥发性有机化合物)去除性能。在不使用超滤和VOC除去碳过滤器的情况下进行相同的实验。结果总结在表1中。

表1

在该实施例中，当电化学池盒仅用于水处理时，VOC除去性能很差。几乎没有VOC被除去，因为CHCl₃是中性的。在使用UF和碳过滤单元的系统中，VOC除去率增加到>99％。

因此，尽管电化学池盒是极好的水处理技术，但为了从水中除去所有污染物，必须将电化学池盒与其他水处理技术例如PP、UF、MF和碳一起使用以获得更好的性能。

所公开的实施例说明本发明的水处理装置的性能是优异的。与RO装置相比，电化学辅助离子交换技术的使用使得能够控制水中的TDS，同时有效地从水中除去污染物。本发明的装置通过除去包括微粒和VOC在内的多种污染物而显著地提高了水处理效率。还发现本发明的装置提供了意想不到的高水回收率。已经观察到，当水在膜之间流动时，本发明的装置不产生噪音，并且泵对于该装置的功能不是必需的。

此外，与用于净水的常规RO装置相比，本发明的装置还具有更长的寿命。

Claims

1.一种水处理装置(1)，其特征在于包括：

A)将水进料到管线L₀中的第一入口(2)；

B)预过滤单元(10)；

C)能够从溶液流中除去离子的电化学池(20)，所述电化学池(20)包括：

a)具有第一电极(40)和第二电极(45)的壳体(25)；

b)位于所述电极(40，45)之间的至少一个水分解离子交换膜(100)，所述水分解离子交换膜(100)包括i)面向所述第一电极(40)的阳离子交换表面(105)，和ii)面向所述第二电极(45)的阴离子交换表面(110)；以及

c)由所述水分解离子交换膜(100)限定的溶液流路径，所述溶液流路径(121)具有i)用于流入溶液流的入口，ii)允许流入溶液流流过所述水分解离子交换膜(100)的至少一个表面以形成一个或多个经处理的溶液流的至少一个通道，和iii)组合所述经处理的溶液流以形成单一流出溶液的单个出口；

D)位于所述电化学池(20)下游的碳过滤单元(17)；以及

E)经处理的水的出口(5A)；

2.根据权利要求1所述的水处理装置(1)，其特征在于所述溶液流路径(121)包括单一且连续的溶液通道，所述溶液通道流过所述水分解离子交换膜(100)的阳离子交换表面(105)和阴离子交换表面(110)。

3.根据权利要求1或2所述的水处理装置(1)，其特征在于所述电化学池(20)包括多个水分解离子交换膜(100)，并且其中所述溶液流路径(121)包括单一且连续的溶液通道(122)，所述溶液通道(122)流过i)所述电极(40，45)，以及ii)每个水分解离子交换膜(100)的阳离子交换表面(105)和阴离子交换表面(110)。

4.根据权利要求1所述的水处理装置(1)，其特征在于所述电化学池(20)包括多个梳状水分解离子交换膜(100)，所述水分解离子交换膜(100)具有交替的连接到所述壳体(25)的端部。

5.根据权利要求1所述的水处理装置(1)，其特征在于i)所述水分解离子交换膜(100)以螺旋布置方式卷绕以形成圆柱形，以及ii)所述第一电极(40)或所述第二电极(45)包括包围所述水分解离子交换膜(100)的螺旋布置的圆柱体。

6.根据权利要求1所述的水处理装置(1)，其特征在于所述溶液流路径(121)允许所述流入溶液流在螺旋方向上流过所述水分解离子交换膜(100)的所述阳离子交换层表面(105)和所述阴离子交换层表面(110)。

7.根据权利要求1所述的水处理装置(1)，其特征在于所述水分解离子交换膜(100)的所述阳离子交换表面(105)包括至少两个不同的阳离子交换层。

8.根据权利要求7所述的水处理装置(1)，其特征在于所述至少两个不同的阳离子交换层包括包含SO₃ ^-化学基团的内部阳离子交换层，和包含不同于SO₃ ^-的离子交换化学基团的外部阳离子交换层。

9.根据权利要求1所述的水处理装置(1)，其特征在于所述水分解离子交换膜(100)的所述阴离子交换表面(110)包括至少两个不同的阴离子交换层。

10.根据权利要求9所述的水处理装置(1)，其特征在于所述至少两个不同的阴离子交换层包括包含NR₃ ⁺基团的内部阴离子交换层，和包含不同于NR₃ ⁺的离子交换基团的外部阴离子交换层，其中R选自由脂族烃、脂族醇和芳族烃组成的组。