CN220564436U - 具有串联布置的电化学池的电化学辅助离子交换水处理装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有串联布置的电化学池的电化学辅助离子交换水处理装置，其包括将水进料到管线L₀中的入口；预过滤单元；能够从溶液流中除去离子的电化学池组件，所述组件包括彼此串联连接的至少两个电化学池；废水管线(WL)，其用于通过管线WL₁和WL₂弃去来自所述电化学池(EC‑I，EC‑II)的废水，其中通过管线WL₁和WL₂的水流通过位于相应管线上的阀WLV1和WLV2可操作地控制；其中相应电化学池的废水管线WL₁和WL₂在相应电化学池上游的相应点N和P处从管线L₁分支出来；位于所述电化学池组件下游的碳过滤单元；以及用于分配经处理的水的出口。

Description

具有串联布置的电化学池的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C₅H₅NHA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--NR₃A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。产生较浓缩的再生剂流出物的能力提供了较少的水消耗和废物处理厂的较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22.67kg(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。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。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。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。

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。

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。

CN113402084(Foshan Viomi,2021)公开了2个串联的电化学膜以及前过滤器和后过滤器。其公开了膜应串联使用，即图示例了一次操作两个膜并依次再生—一个接一个的使用。该发明在再生步骤中使用不同的阀组。

还观察到，通过增加电化学池的数量，水处理装置的电流效率受损。还观察到，较高的盐除去效率要求保持低流速，这成为水处理装置的使用电化学池的类似装置的严重制约因素。因此，问题是当需要较高的水输出通量时，装置的盐除去效率受到影响。

因此，需要用于除去中性污染物例如颗粒、杀虫剂、VOC的水处理装置，其具有高盐除去效率和低功耗，并且还提供高水输出通量。

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：

a)将水进料到管线L₀中的入口(2)；

b)预过滤单元(10)；

c)能够从溶液流中去除离子的电化学池组件(20)，所述组件包括彼此串联连接的至少两个电化学池(EC-I，EC-II)，每个电化学池(20)包括：

i)具有第一电极(40)和第二电极(45)的壳体(25)；

ii)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

iii)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)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(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；

其中所述管线L₀在所述预过滤单元(10)下游的点M处分支成管线L₁和L_R；其中管线L₁通向所述电化学池(EC-I，EC-II)并且管线L_R进一步分支成管线L_R1和L_R2，这些管线在相应电化学池(EC-I，EC-II)的下游分别汇合到管线L₁中，L_R1在EC-I下游且EC-II上游的点O处与管线L₁汇合，并且L_R2在EC-II下游且碳过滤单元(17)上游的点Q处与管线L₁汇合；其中分别通过管线上的阀VR1和VR2可操作地控制相应管线L_R1和L_R2上的水流；

d)废水管线(WL)，其用于通过管线WL₁和WL₂弃去来自所述电化学池(EC-I，EC-II)的废水，其中通过所述管线WL₁和WL₂的水流由位于相应管线上的阀WLV1和WLV2可操作地控制；其中相应电化学池的废水管线WL₁和WL₂在相应电化学池上游的相应点N和P处从管线L₁分支出来；

e)位于所述电化学池组件(20)下游的碳过滤单元(17)；

以及

f)用于分配经处理的水的出口(5)。

本发明的第二方面提供了根据本发明所述的装置处理水的方法，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；

ii)置换电化学池组件(20)的离子交换材料中的离子，所述组件包括彼此串联连接的至少两个电化学池(EC-I，EC-II)，每个电化学池(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)邻接两个电极(40，45)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)；

其中所述电化学池(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)允许来自所述电化学池组件(20)的水通过所述碳过滤单元(17)过滤；

其中所述水处理装置(1)在给定时间点处于去离子状态或再生状态；

其中在去离子状态期间，水从L₀流到L₁，流过所述电化学池组件(20)，通过所述碳过滤单元(17)过滤并通过所述出口(5)分配；以及

其中在所述再生状态期间，通向所述电化学池组件(20)和出口(5)的管线L₁被阻断，使得水从管线L_R流入相应的进料水管线L_R1和L_R2中，这些水管线在相应的点O和Q处与管线L₁汇合，使得在反向极化状态期间，水以与去离子状态期间的水流相反的方向流动；并且其中通过废水管线WL分别通过在点N处和点P处从管线L₁分支出来的相应废水管线WL₁和WL₂弃去来自处于反向极化状态的所述电化学池的水。

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是本发明的电化学池的一个实施方案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；且

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

本发明提供了包括电化学池组件的水处理装置，和用于除去溶液中存在的离子及置换离子交换材料中的离子的方法。

本发明提供了一种水处理装置，其包括：

a)将水进料到管线L₀中的入口(2)；

b)预过滤单元(10)；

c)能够从溶液流中去除离子的电化学池组件(20)，所述组件包括彼此串联连接的至少两个电化学池(EC-I，EC-II)，每个电化学池组件(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；

其中所述管线L₀在所述预过滤单元(10)下游的点M处分支成管线L₁和L_R；其中管线L₁通向所述电化学池(EC-I，EC-II)并且管线L_R进一步分支成管线L_R1和L_R2，这些管线在相应电化学池(EC-I，EC-II)的下游分别汇合到管线L₁中，L_R1在EC-I下游且EC-II上游的点O处与管线L₁汇合，并且L_R2在EC-II下游且碳过滤单元(17)上游的点Q处与管线L₁汇合；其中相应管线L_R1和L_R2上的水流分别通过所述管线上的阀VR1和VR2可操作地控制；

d)废水管线(WL)，其用于通过管线WL₁和WL₂弃去来自所述电化学池(EC-I，EC-II)的废水，其中通过所述管线WL₁和WL₂的水流由位于相应管线上的阀WLV1和WLV2可操作地控制；其中相应电化学池的废水管线WL₁和WL₂在相应电化学池上游的相应点N和P处从管线L₁分支出来；

e)位于所述电化学池组件(20)下游的碳过滤单元(17)；以及

f)用于分配经处理的水的出口(5)。

本发明人惊奇地发现，与使用单个电化学池的系统相比，本发明的水处理装置即使在流速不改变时也产生较好的盐除去率，并且随着流速增加产生良好的盐除去率。

还发现，甚至与使用并联的电化学池组件相比，本发明的具有串联的电化学池的装置在提供相同性能的同时使用较少的电力。换句话说，发现本发明装置的电流效率高于并联使用电化学池的装置的电流效率。

还发现，与电化学池并联使用时相比，即使性能较差的膜也能得到较好的结果。

此外，对于提供≥90％盐去除的产物水的池，流速必须为≤1L/min。可以看出，当流速增加时，盐除去率降低。本发明的令人惊讶的发现是，在本发明的装置中，可以增加流速，同时保持盐除去率。

本发明的发现导致水输出通量增加，同时保持盐除去率。

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)串联连接的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，其具有通向进料管线L₀的入口，所述进料管线L₀与预过滤器流体连通，所述预过滤器允许原水或未过滤的水通过预过滤单元过滤，所述预过滤单元用于从水中除去悬浮固体、较大颗粒、胶体物质和蛋白质，从所述预过滤单元离开的水管线L₀优选分成管线L₁和L_R；L₁优选为经由阀V1至电化学池I和II(EC-I，EC-II)的路径；而L_R是当装置处于反向极化状态时打开和使用的管线。管线L_R分支成L_R1和L_R2。L_R1优选通过阀VR1通向EC-I，并且优选在再生EC-I时打开和使用。L_R2优选通过阀VR2通向EC-II，并且优选在再生EC-II时打开和使用。

优选地，管线L₀在点M处分支成管线L₁和L_R。还优选地是阀V1位于点M的下游，更优选位于EC-I的上游。

离开EC-I的更下游的管线L₁通向EC-II，使得EC-I和EC-II在相同的水流动管线中，即串联连接。

优选地，管线L₁和L_R在电化学池EC-I和EC-II下游且在点Q处与管线L₁会合。优选地，点Q位于EC-II的下游，更优选地位于VR2的下游，并且优选地，点Q位于管线L₁上的碳过滤单元的上游。更优选地，阀V1A位于碳过滤单元的下游。

优选地，水处理系统以两个状态操作：去离子状态和反向极化/再生状态。

优选地，在去离子状态期间，阀V1和V1A打开，水依次流过电化学池EC-I和EC-II，然后通过碳过滤单元并通过出口分配。优选地，在去离子状态期间，管线L_R、L_R1和L_R2、WL、WL₁和WL₂都被关闭。

优选地，在反向极化或再生状态期间，阀V1和V1A关闭，因此迫使水沿与去离子状态期间水流相反的方向进入电化学池EC-I和EC-II。

优选地，L_R分支成L_R1和L_R2，这提供了水沿与去离子状态的水流相反的方向通过电化学池的通道。通过L_R1和L_R2的水流由相应阀VR1和VR2可操作地控制。非常优选地，在反向极化状态期间，L_R1或L_R2中的任一个在给定时间点打开。

装置中设置了废水管线WL，当装置处于反向极化状态时，废水管线WL使得装置能够弃去水。当处于反向极化状态时，来自EC-I的水流过EC-I进入WL₁，最后通过阀WLV1进入WL。当处于反向极化状态时，来自EC-II的水流过EC-II进入WL₂，最后通过阀WLV2进入WL。

当EC-I处于反向极化状态时，水沿这样的方向流过EC-I，使得水从L_R1流动通过阀VR1、通过点O、流入EC-I、到达L₁上的点N，其中水由于阀V1的关闭而从该点流入管线WL₁中，并最终通过阀WLV1汇合到废水管线WL中。

当EC-II处于反向极化状态时，水沿这样的方向流过EC-II，使得水从L_R2流动通过阀VR2、通过点Q、流入EC-II、到达L₁上的点P，其中水由于阀V1和优选地阀WL1和VR1的关闭而从该点流入管线WL₂中，并最终通过阀WLV2汇合到废水管线WL中。

本发明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，所述电化学池包括：

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。

所述水处理装置包括能够从溶液流中除去离子的至少一个电化学池，以及一个反渗透单元(RO)，所述电化学池和所述RO彼此并联连接，所述电化学池包括：

(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)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；

所述水处理装置包括能够从溶液流中除去离子的电化学池组件，所述组件包括彼此并联连接的电化学池(EC)和RO单元，每个电化学池包括：

(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。

本发明还提供了一种水处理装置，其包括：

a)将水进料到管线L₀中的入口(2)；

b)预过滤单元(10)；

c)能够从溶液流中去除离子的电化学池组件(20)，所述组件包括彼此串联连接的至少两个电化学池(EC-I，EC-II)，每个电化学池组件(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；

其中所述管线L₀在所述预过滤单元(10)下游的点M处分支成管线L₁和L_R；其中管线L₁通向所述电化学池(EC-I，EC-II)并且管线L_R进一步分支成管线L_R1和L_R2，这些管线在相应电化学池(EC-I，EC-II)的下游分别汇合到管线L₁中，L_R1在EC-I下游且EC-II上游的点O处与管线L₁汇合，并且L_R2在EC-II下游且碳过滤单元(17)上游的点Q处与管线L₁汇合；其中相应管线L_R1和L_R2上的水流分别通过所述管线上的阀VR1和VR2可操作地控制；

d)废水管线(WL)，其用于通过管线WL₁和WL₂弃去来自所述电化学池(EC-I，EC-II)的废水，其中通过所述管线WL₁和WL₂的水流由位于相应管线上的阀WLV1和WLV2可操作地控制；其中相应电化学池的废水管线WL₁和WL₂在相应电化学池上游的相应点N和P处从管线L₁分支出来；

e)位于所述电化学池组件(20)下游的碳过滤单元(17)；以及

f)用于分配经处理的水的出口(5)。

优选地，在电化学池中，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两者。

优选地，在电化学池中，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，电化学池基本上不包含单极离子交换膜。

优选地，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，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，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，电化学池包括多个梳状水分解离子交换膜(interdigited water-splitting ion exchange membrane)，其具有交替连接到壳体的端部。

优选地，在电化学池中，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，在电化学池中，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，在电化学池中，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，在电化学池中，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，在电化学池中，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，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，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

公开了一种使用本发明的装置处理水的方法。

提供一种根据本发明的装置处理水的方法，所述方法包括以下步骤：

i)使水通过所述预过滤单元过滤；

ii)置换电化学池组件的离子交换材料中的离子，所述组件包括彼此串联连接的至少两个电化学池(EC-I，EC-II)，每个电化学池(20)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_1A和I_1B；

c)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；

d)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；

其中所述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；

其中所述电化学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；以及

iii)允许来自所述电化学池组件的水通过所述碳过滤单元过滤；

其中所述水处理装置在给定时间点可以处于去离子状态或反向极化状态；

其中在去离子状态期间，水从L₀流到L₁，穿过所述电化学池组件，通过所述碳过滤单元过滤并通过所述出口分配；以及

其中在所述反向极化状态期间，通向所述电化学池组件和出口的管线L₁被阻断，使得水从管线L_R流入相应的进料水管线L_R1和L_R2中，这些水管线在相应的点O处和点Q处与管线L₁汇合，使得在反向极化状态期间，水以与去离子状态期间的水流相反的方向流动；并且其中通过废水管线WL分别通过在点N处和点P处从管线L₁分支出来的相应废水管线WL₁和WL₂弃去来自处于反向极化状态的所述电化学池的水。

优选地，在本发明的方法中，在所述反向极化状态期间，通过在一个时间点关闭所述阀VR2和WLV2同时打开所述VR1和WLV1，和交替地打开所述阀VR2和WLV2同时关闭所述阀VR1和WLV1，一次一个地使水流过所述电化学池。优选地，水在反向极化状态期间的给定时间点流过L_R1或L_R2。

本发明还提供了一种使用本发明的装置置换电化学池组件的离子交换材料中的离子的方法，所述电化学池组件包括至少两个串联连接的电化学池(EC)，每个电化学池包括：

(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_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，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，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，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，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，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，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，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，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，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，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通道，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。

本发明的超滤单元优选地包括至少两个腔室，并且优选地四个腔室，其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。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。

超滤单元优选地位于电化学池组件的上游并且优选地位于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。

优选地，碳过滤器位于电化学池组件的下游，且更优选地水在离开碳过滤器后被分配使用。

优选地，水处理系统以两个状态操作：去离子状态和反向极化状态。

优选地，在本发明的方法中，水通过水处理装置的第一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，优选地通过管线L₀离开预过滤单元的水管线在优选地这两个电化学池上游的点M处分成管线L₁和L_R；L₁优选是通向EC-I和EC-II的管线；L_R优选是当装置处于反向极化状态时向EC-I和EC-II供水的管线。

优选地，在去离子状态期间，阀V1和V1A打开，水依次流过电化学池EC-I和EC-II，然后通过碳过滤单元并通过出口分配。优选地，在去离子状态期间，管线L_R、L_R1和L_R2、WL、WL₁和WL₂都被关闭。

优选地，在反向极化或再生状态期间，阀V1和V1A关闭，因此迫使水沿与去离子状态期间水流相反的方向进入电化学池EC-I和EC-II。

优选地，L_R分支成L_R1和L_R2，这提供了水沿与去离子状态的水流相反的方向通过电化学池的通道。通过L_R1和L_R2的水流由相应阀VR1和VR2可操作地控制。非常优选地，在反向极化状态期间，L_R1或L_R2中的任一个在给定时间点打开。

优选地，在本发明的方法中，装置中设置了废水管线WL，当装置处于反向极化或再生状态时，废水管线WL使得装置能够通过废水出口弃去水。

优选地，当EC-I处于反向极化状态时，水沿这样的方向流过EC-I，使得水从L_R1流动通过阀VR1、通过点O、流入EC-I、到达L₁上的点N，其中水由于阀V1的关闭而从该点流入管线WL₁中，并最终通过阀WLV1汇合到废水管线WL中。

优选地，当EC-II处于反向极化状态时，水沿这样的方向流过EC-II，使得水从L_R2流动通过阀VR2、通过点Q、流入EC-II、到达L₁上的点P，其中水由于阀V1和优选地阀WL1和VR1的关闭而从该点流入管线WL₂中，并最终通过阀WLV2汇合到废水管线WL中。

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V1A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，其包括预过滤单元(10)、包括EC-I和EC-II的电化学池组件(20)和碳过滤器(17)。

具有入口(2)，水从该入口流入预过滤单元，进入管线L₀中。L₀在点M处分支成管线L₁和L_R。阀V1位于点M的下游，并且更优选位于电化学池组件(20)(EC-I和EC-II)的上游。

离开EC-I的更下游的管线L₁通向EC-II，使得EC-I和EC-II在相同的水流管线中，即串联连接。

管线L₁和L_R在电化学池EC-I和EC-II两者的下游且在点Q处与管线L₁会合。点Q位于EC-II和VR2的下游，及点Q位于管线L₁上的碳过滤单元(17)的上游。阀V1A位于碳过滤单元的下游。

L_R分支成L_R1和L_R2，其提供了水沿与去离子状态的水流相反的方向通过电化学池的通道。通过L_R1和L_R2的水流由相应阀VR1和VR2可操作地控制。

装置中设置了废水管线WL，当装置处于反向极化状态时，废水管线WL使得装置能够弃去水。当处于反向极化状态时，来自EC-I的水流过EC-I进入WL₁，最后通过阀WLV1进入WL中。当处于反向极化状态时，来自EC-II的水流过EC-II进入WL₂，最后通过阀WLV2进入WL中。

图2示出了本发明的电化学池组件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⁺将向负极(阴极)迁移，OH^-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的实施方案的放大截面图。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--SO₃M、--COOM、--PO₃M₂、--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--SO₃M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的一个实施方案：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。

实施例1

根据本发明的第一方面组装水处理装置。

对于该实施例，根据本发明构建水处理方法，串联使用两个电化学池盒(EC-I和EC-II)。

超滤(来自Truliva)用作预过滤器。串联使用两个电化学池盒(EC-I和EC-II)作为主盐除去单元。每个盒由25层15.6cmX40cm电子再生离子交换膜构成，且可处理6L水(再生后<400ppm)。活性炭过滤器(来自Kortech)用作后过滤器。总共使用了2片Ti电极。中心上升管(central rising tube)位于电化学池壳体中以保持内部电极。另一片固定在电化学池壳体的内侧上。电源连接到提供电场的两片电极上。

在该实验中，比较了使用一个电化学池盒和串联的两个电化学池盒的方法的盐除去性能。使用400ppm NaCl水溶液作为进料水。

对于使用一个电化学池盒(EC-I)的系统：

在去离子阶段，螺线管阀V1和V1A打开，其余的阀关闭。收集6L产物水后，关闭阀V1和V1A，打开阀VR1和WLV1用于再生/反向极化。反应分别以1L/min和2L/min的流速进行。

对于使用串联的两个电化学池的系统：

在去离子阶段，螺线管阀1和1A打开，阀VR1、VR2、WLV1和WLV2关闭。在通过超滤单元处理后，将进料水引入EC-1中。然后进料水流至EC-II，最后用活性炭处理并通过出口收集。

在处理6L水之后，关闭阀V1和V1A。首先打开阀VR1和WL1，用于EC-1的再生/反向极化。在EC-I的再生完成之后，关闭阀VR1和WL1，并打开阀VR2和WL2用于EC-II的再生。

反应也以1L/min和2L/min的流速及300V进行。

表1

对于仅使用1个电化学池的系统，当流速为1L/min时，系统的盐除去率为91％。当流速增加时，盐除去率降低。流速为2L/min时，盐除去率为71％。

在使用串联的两个电化学池的系统中，在系统末端的盐除去率为99％。当流速增加到2L/min时，与使用一个电化学池的系统相同，每个盒的盐除去率降低，而本发明的系统的总除去率仍>90％。

因此，即使在较高的流速下，使用几个串联的ERIX盒也可以增加盐除去率。

实施例2

电压的影响

对于该实施例，根据本发明构建水处理方法，串联使用两个电化学池盒(EC-I和EC-II)。并联使用具有两个电化学池盒(EC-I和EC-II)的另一个系统。

应注意，对于具有一个电化学池盒的系统，当施加的电压降低时，盐除去率在相同流速下降低。当并联使用电化学池时，当在300V下流速为1L/min时，盐除去率为91％，电流为约1A(功率为300W)。当电压降低至150V时，电流为约0.5A，盐除去率为70％(功率为75W)。当在150V下使用具有串联的电化学池的本发明的装置时，与在300V下使用具有一个电化学池盒的系统(300W)相比，该装置使用更少的功率(150W)给出>90％的盐除去率，并且当本发明的装置的流速增加到2L/min时，电流仅增加约0.1A(180W)。

表2

因此，与使用并联的电化学池组件相比，串联在提供相同性能的同时使用较少的电力。换言之，电化学池盒串联使用的装置的电流效率高于电化学池并联使用的装置的电流效率。

Claims (12)

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中的入口(2)；

b)预过滤单元(10)；

c)能够从溶液流中去除离子的电化学池组件(20)，所述组件包括彼此串联连接的至少两个电化学池(EC-I，EC-II)，每个电化学池组件(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；

其中所述管线L₀在所述预过滤单元(10)下游的点M处分支成管线L₁和L_R；其中管线L₁通向所述电化学池(EC-I，EC-II)并且管线L_R进一步分支成管线L_R1和L_R2，这些管线在相应电化学池(EC-I，EC-II)的下游分别汇合到管线L₁中，L_R1在EC-I下游且EC-II上游的点O处与管线L₁汇合，并且L_R2在EC-II下游且碳过滤单元(17)上游的点Q处与管线L₁汇合；其中相应管线L_R1和L_R2上的水流分别通过所述管线上的阀VR1和VR2可操作地控制；

d)废水管线(WL)，其用于通过管线WL₁和WL₂弃去来自所述电化学池(EC-I，EC-II)的废水，其中通过所述管线WL₁和WL₂的水流由位于相应管线上的阀WLV1和WLV2可操作地控制；其中相应电化学池的废水管线WL₁和WL₂在相应电化学池上游的相应点N和P处从管线L₁分支出来；

e)位于所述电化学池组件(20)下游的碳过滤单元(17)；以及

f)用于分配经处理的水的出口(5)。

2.根据权利要求1所述的水处理装置(1)，其特征在于相应管线L_R1和L_R2分别通过所述管线上的阀VR1和VR2可操作地控制。

3.根据权利要求1或2所述的水处理装置(1)，其中所述管线WL₁和WL₂由位于相应管线上的阀WLV1和WLV2可操作地控制。

4.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)。

5.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组件(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)。

6.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组件(20)包括多个梳状水分解离子交换膜(100)，其具有交替的连接到所述壳体(25)的端部。

7.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。

8.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)的阳离子交换层表面(105)和阴离子交换层表面(110)。

9.根据前述权利要求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。

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。

11.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。

12.根据权利要求11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。