DE60125769T2

DE60125769T2 - Verbessertes elektroentionisierungssystem

Info

Publication number: DE60125769T2
Application number: DE60125769T
Authority: DE
Inventors: Benny West Roxbury GARCIA; Andrew Concord PROULX
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: WO2002006163A1; US20020092769A1; DE60125769D1; JP2004504128A; US6391178B1; ES2275671T3; EP1299309B1; EP1299309A1; US6726822B2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Elektro-Deionisierungssystem, bei dem die Leistungsversorgung an- und ausgepulst wird, um eine Ausgangswasserqualität, z.B. den spezifischen Ausgangswiderstand, in einem vorbestimmten Bereich zu halten.
Hintergrund der Erfindung
Elektro-Deionisierungssysteme werden verwendet, um Ionen aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, zu entfernen. Diese Systeme erfordern eine Leistungsversorgung, die Spannung an das Elektro-Deionisierungsmodul anlegt. Typischerweise sind diese Leistungsversorgungen konstante Gleichspannungs-Leistungsversorgungen, bei denen der Strom verändert wird, so dass eine konstante Spannung aufrecht erhalten bleibt. Eine andere Option besteht darin, eine konstante Gleichstrom-Leistungsversorgung zu verwenden, bei der die Spannung nach Bedarf verändert wird, um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten.
Die hinsichtlich des spezifischen Widerstands gemessene Ausgangsflüssigkeitsqualität ist teilweise von der Eingangswasserqualität und teilweise von der an das Elektro-Deionisierungsmodul angelegten Spannung abhängig. Aufgrund von Unterschieden in der Ionenzusammensetzung und -Konzentration der zugeführten Flüssigkeit müssen Leistungsversorgungen mit konstanter Spannung mit einem ausreichenden Ausgangsstrom dimensioniert sein, um Einspeisungen, die eine hohe Ionenkonzentration aufweisen, insbesondere Wasser, das hohe Konzentrationen von schwach ionisierten Spezies enthält, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid und Kieselsäure (Silica), zu handhaben. Leistungsversorgungen mit konstantem Strom leiden unter dem gleichen Nachteil. Außerdem sind, wenn das Zufuhr- oder Speisewasser eine niedrigere Ionenkonzentration insbesondere von Kohlendioxid oder Kieselsäure aufweist, derartige Leistungsversorgungen häufig größer und kostspieliger, als nötig, um das Ergebnis zu erreichen. In derartigen Fällen wird das Elektro-Deionisierungsmodul ebenfalls kontinuierlich einer höheren Spannung (oder Strom) als notwendig unterworfen, was zu einer schlechten Leistung sowie auch einer Verkürzung der nützlichen Lebensdauer des Moduls beitragen kann. Ferner kann die Größe des Elektro-Deionisierungsmoduls ein Problem sein, wenn mehr Strom als notwendig an das Modul angelegt wird.
Die US-A-5 425 858 und die WO 99/17864 A offenbaren jeweils ein Elektro-Deionisierungssystem zum Entfernen von Ionen aus dadurch laufenden Flüssigkeiten, das ein Durchfluss Elektro-Deionisierungsmodul, eine Leistungsversorgung, die elektrisch mit dem Elektro-Deionisierungsmodulelektroden verbunden ist, um einen Spannungsgradienten darüber aufzubauen, und ein Mittel zum Überwachen des Werts einer Eigenschaft der Flüssigkeitsausgangsströmung vom dem Elektro-Deionisierungsmodul umfasst.
Diese Systeme sind Systeme mit veränderlicher Spannung, die kontinuierlich an sind, es sei denn, dass, oder bis sie, regeneriert werden müssen. Dann wird die Leistung abgeschaltet und kein reines Wasser kann mit der Zelle abgegeben werden, bis die EDI-Medien regeneriert wurden. Um dies zu überwinden, könnten zwei Zellen verwendet werden, sodass immer eine regeneriert wird. Beide Systeme lassen ihre Elektroden kontinuierlich laufen und verwenden Überwachungsvorrichtungen, um die mit der Zeit gelieferte Energie einfach zu verändern.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Elektro-Deionisierungssystem bereitzustellen, das eine effizientere Leistungsversorgung verwenden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein derartiges System bereitzustellen, das den Leistungsverbrauch, insbesondere bei Speisewassern mit niedriger Ionenkonzentration, in der Größenordnung von 30–50% absenkt.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein derartiges System bereitzustellen, das einen Zielbereich eines spezifischen Ausgangsflüssigkeits-Widerstands berücksichtigt.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe mittels eines Elektro-Deionisierungssystems gemäß Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche sind auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung gerichtet.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein derartiges System bereitzustellen, das die in dem Elektro-Deionisierungsmodul auftretenden Größenanforderungen verringern kann.
Diese Erfindung ist ein Ergebnis der Erkenntnis, dass ein gewünschter Ausgangswasserqualitätsbereich in einem Elektro-Deionisierungssystem verwirklicht werden kann, indem die Leistungsversorgung mit einem Arbeitszyklus an und aus gepulst wird, der der Ausgangswasserqualität innerhalb des Bereichs proportional ist. Dies ermöglicht die Verwendung einer einfachen kostengünstigen Leistungsversorgung mit konstantem Strom oder konstanter Spannung, um ein maßgeschneidertes Qualitätsergebnis zu erreichen.
Diese Erfindung zeichnet sich durch ein verbessertes Elektro-Deionisierungssystem zum Entfernen von Ionen aus durchgeleiteten Flüssigkeiten aus, mit: einem Durchfluss-Elektro-Deionisierungsmodul; einer Leistungsversorgung, die elektrisch mit dem Elektro-Deionisierungsmodul verbunden ist, um einen Spannungsgradienten darüber aufzubauen; einem ersten Mittel zum Überwachen des Werts (z.B. spezifischer Widerstand) einer Eigenschaft der Flüssigkeitsausgangsströmung von dem Elektro-Deionisierungsmodul; und einem Mittel, das von dem ersten Mittel zum Überwachen abhängig ist, um die Zeitdauer zu steuern, in der die Leistungsversorgung eingeschaltet ist.
Die Leistungsversorgung ist eine Leistungsversorgung mit konstantem Strom oder konstanter Spannung. Das System kann ebenfalls ein Steuermittel zum Überwachen des Werts der Eigenschaft der Flüssigkeitseinlassströmung zu dem Elektro-Deionisierungsmodul aufweisen, und das Mittel zum Steuern kann ferner von dem Steuermittel zum Überwachen abhängen.
Das Mittel zum Steuern kann ein proportionales Bandsteuermittel umfassen, um die Zeitdauer, in der die Leistungsversorgung an ist, proportional innerhalb eines Bereichs von Werten der gemessenen Eigenschaft zu steuern. Das System kann dann ferner ein Mittel aufweisen, um den Bereich der Werte festzulegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich diese Erfindung durch ein verbessertes Elektro-Deionisierungssystem zum Entfernen von Ionen aus durchgeleiteten Flüssigkeiten aus, mit: einem Durchfluss-Elektro-Entionisierungsmodul mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass; einer Leistungsversorgung, die mit den Elektroden des Elektro-Deionisierungsmodul verbunden ist, um einen Spannungsgradienten darüber aufzubauen; einer Überwachungsvorrichtung für den spezifischen Widerstand zum Überwachen des spezifischen Widerstands der Flüssigkeitsausgangsströmung von dem Elektro-Deionisierungsmodul; einem Mittel zum Festlegen eines Zielbereichs für den spezifischen Widerstand für die Flüssigkeitsausgangsströmung; und einem proportionalen Bandsteuermittel, das von dem Überwachungsmittel für den spezifischen Widerstand und den Zielbereich für den spezifischen Widerstand abhängt, um die Zeitdauer proportional zu steuern, in der die Leistungsversorgung eingeschaltet ist, sodass die Leistungsversorgung kontinuierlich an ist, wenn der spezifische Widerstand unterhalb des Bereichs ist, und kontinuierlich aus ist, wenn der spezifische Widerstand oberhalb des Bereichs ist, und intermittierend an ist, wenn der spezifische Widerstand innerhalb des Bereichs ist.
Das Steuermittel kann einen Leistungsversorgungszykluszeit festlegen. Wenn der spezifische Widerstand in dem Zielbereich ist, kann das Steuermittel die Leistungsversorgung für einen Abschnitt jeder Zykluszeit einschalten, der dem überwachten spezifischen Widerstand bezogen auf den Bereich umgekehrt proportional ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile wird ein Fachmann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den begleitenden Zeichnungen erkennen, in denen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des verbesserten Elektro-Deionisierungssystems dieser Erfindung; und
2 konzeptionell die bevorzugte Proportional-Band-Leistungsversorgungssteuerung für die Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Diese Erfindung kann bei einem verbesserten Elektro-Deionisierungssystem zum Entfernen von Ionen aus durchgeleiteten Flüssigkeiten erreicht werden. Das System umfasst ein Durchfluss-Elektro-Deionisierungsmodul mit einer Leistungsversorgung, die elektrisch mit den Modulelektroden verbunden ist, um einen Spannungsgradienten über das Modul aufzubauen, wie es in der Technik bekannt ist. Es gibt ein erstes Mittel, wie beispielsweise eine Überwachungsvorrichtung für den spezifischen Widerstand, zum Überwachen des Werts einer Eigenschaft (wie beispielsweise des spezifischen Widerstands) der Flüssigkeitsausgangsströmung von dem Elektro-Deionisierungsmodul. Die Zeitdauer, in der die Leistungsversorgung eingeschaltet ist, wird durch einen Controller gesteuert, der von der Überwachungsvorrichtung für den spezifischen Widerstand abhängt. Vorzugsweise ist der Controller ein Proportional-Band-Controller, der die „An"-Zeit der Leistungsversorgung in umgekehrtem Verhältnis zu dem Ausgangswert des spezifischen Widerstands bezogen auf einen voreingestellten Ausgangswertebereich bestimmt.
In 1 wird ein verbessertes Elektro-Deionisierungssystem 8 gemäß dieser Erfindung gezeigt. Das System 8 umfasst ein Durchfluss-Elektro-Deionisierungsmodul 10 und eine Leistungsversorgung 12, die elektrisch mit Modulelektroden 14, 16 verbunden ist, um einen Spannungsgradienten über das Modul 10 auf eine in der Technik bekannten Art und Weise aufzubauen. Die Leistungsversorgung 12 ist eine Leistungsversorgung mit konstantem Strom oder konstanter Spannung, obwohl eine Leistungsversorgung mit konstantem Strom bevorzugt wird, weil die Ausgangswasserqualität teilweise in Bezug zu dem Strom durch Modul 10 steht. Vorzugsweise kann der Ausgangsstrom der Leistungsversorgung 12 vor jeder Verwendung des Systems abhängig von der eingegebenen Wasserqualität und dem gewünschten Ausgangsbereich eingestellt werden. Zugeführtes Wasser tritt in das Modul 10 am Flüssigkeitseinlauf 30 ein, und sauberes Wasser verlässt das Modul 10 am Ausgang 32. Rückstände bzw. Abfall verlassen das Modul 10 am Ort 33.
Diese Erfindung erreicht eine An/Aus-Steuerung der Leistungsversorgung 12, um einen gewünschten Flüssigkeitsausgangsqualitätsbereich bereitzustellen. Dieses Ergebnis kann mit der Kombination eines ersten Mittels (spezifische Widerstandszelle 18) zum Überwachen des Werts einer Eigenschaft der Flüssigkeitsausgangsströmung von dem Elektro-Entionisierungsmodul 10 und eines Mittels erreicht werden, (beispielsweise der Steuerschaltung 20), das auf die spezifische Widerstandszelle 18 anspricht, um die Zeitdauer, in der die Leistungsversorgung 12 eingeschaltet ist, zu steuern.
Vorzugsweise schafft die Steuerschaltung 20 ein Proportional-Bandsteuermittel. Ein derartiges Proportional-Bandsteuermittel hat einen voreingestellten Bereich des spezifischen Widerstands am Ausgang, der, falls gewünscht, in dem System konstant oder durch den Bediener einstellbar sein kann. Dieses Steuermittel steuert die Zeitdauer, in der die Leistungsversorgung 12 eingeschaltet ist, proportional, sodass die Leistungsversorgung 12 kontinuierlich an ist, wenn der spezifische Widerstand unterhalb des vorbestimmten Bereich ist, kontinuierlich aus ist, wenn der spezifische Widerstand oberhalb dieses Bereichs ist, und in umgekehrtem Verhältnis zu dem spezifischen Widerstand der Ausgangsströmungsflüssigkeit bezogen auf den Bereich an- und ausgeschaltet wird, wenn der spezifische Widerstand innerhalb des vorbestimmten Bereichs ist.
Die Arbeitsweise einer bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Proportional-Bandsteuerschemas wird in 2 dargestellt. Der voreingestellte Bereich des spezifischen Widerstands am Ausgang ist der Bereich zwischen der niedrigen Einstellung 40 und der hohen Einstellung 42, die auf der y-Achse gezeigt sind. Vorzugsweise wird die Größe dieses Bereichs und sein Ort entlang der Linie des möglichen spezifischen Widerstandswerts durch den Bediener durch die Software-Programmsteuerung 44 voreingestellt. Wenn der spezifische Ausgangswiderstand unter der unteren Einstellung 40 ist, was durch die spezifische Widerstandszelle gemessen wird (1), ermöglicht die Steuerschaltung 20, dass die Leistungsversorgung 12 kontinuierlich eingeschaltet ist. Umgekehrt ist, wenn der spezifische Widerstand über dem oberen Ende 42 dieses Bereichs ist, die Leistungsversorgung kontinuierlich aus. Wenn der spezifische Widerstand innerhalb des Proportional-Bandes 46 ist, wird die Leistungsversorgung für eine Zeit eingeschaltet, die dem spezifischen Ausgangswiderstand bezogen auf den Bereich umgekehrt proportional ist. Diese Proportional-Steuerung ist schematisch in 2 für die Werte von 75%-iger, 50%-iger und 25%-iger Einschaltdauer dargestellt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird diese Proportional-Bandsteuerung wie folgt erreicht. Die Steuerschaltung 20 umfasst ein Festkörper-Relais oder einen anderen Schalter, der im Stande ist, die Leistungsversorgung 12 ein- und auszuschalten. Die Steuerschaltung 20 legt eine Leistungsversorgungs-Zykluszeit fest, die beispielsweise 10 Sekunden sein kann. Während jedes derartigen 10-Sekunden-Zyklus steuert die Steuerschaltung 20 den Leistungsversorgungs-Arbeitszyklus oder die Zeitdauer, in der die Leistungsversorgung eingeschaltet ist. Wenn der spezifische Ausgangswiderstand beispielsweise 25% über der unteren Einstellung des spezifischen Widerstandsbereichs ist, wird die Leistungsversorgung für 75% jedes 10-Sekunden-Zyklus eingeschaltet. Umgekehrt wird, wenn der spezifische Ausgangswiderstand 75% des Bereichs oberhalb der unteren Einstellung ist, die Leistungsversorgung für 25% jedes Zyklus eingeschaltet. Diese Proportional-Bandsteuerung hält den spezifischen Ausgangswiderstand innerhalb des voreingestellten Bereichs, während Leistung gespart wird. Wenn die Leistungsversorgung aus ist, fährt das Ionen-Austauschharz fort, Ionen zu entfernen. Die Leistung erhöht die Ionentransportrate und regeneriert ebenfalls das Ionen-Austauschharz. Das Steuerschema ermöglicht die Verwendung einer relativ einfachen Leistungsversorgung mit konstantem Strom oder konstanter Spannung, die nicht überdimensioniert sein muss, um einen gewünschten spezifischen Widerstand zu erzielen.
In Situationen, in denen sich die Eingangswasserqualität verändern kann, kann es ebenfalls wünschenswert sein, eine zweite Messvorrichtung vorzusehen, wie beispielsweise eine Leitfähigkeitszelle (in den Zeichnungen nicht gezeigt), um die Leitfähigkeit der Eingangsflüssigkeit zu messen, die zu dem Elektro-Deionisierungsmodul geführt wird. In dieser Situation kann das Proportional-Bandsteuermittel ebenfalls von der Leitfähigkeitszelle abhängen. Der Leitfähigkeitssensor bestimmt den Eingangswert der Flüssigkeit und liefert diesen Wert an den Controller. Der Controller vergleicht den Wert mit einem vorbestimmten Mindestwert und der aktuellen Spannung und bestimmt, ob das System, wie eingestellt, im Stande sein wird, Flüssigkeit innerhalb des gewünschten Bereichs zu erzeugen. Falls nicht, wird das System dem Bediener dies entweder über eine Nachricht oder einen Alarm mitteilen, und der Bediener kann das System manuell einstellen, um die notwendige Spannung bereitzustellen, um diesen Bereich zu erzielen, oder es kann die Spannung mit geeigneter Elektronik automatisch einstellen, um die Ausgangsflüssigkeit innerhalb des gewünschten Bereichs zu halten. Eine Option besteht darin, dass das System periodisch den Eingang prüft und die Spannung ändert, um den durch den aktuellen Flüssigkeitszulauf präsentierten Bedürfnissen zu entsprechen. Auf diese Art und Weise kann man ein sich konstant einstellendes System bereitstellen, das bei Flüssigkeitszuläufen hilfreich sein kann, bei denen sich die Qualität mit der Zeit ändert, oder es kann verwendet werden, um die Leistungsversorgung kontinuierlich einzustellen, bis sie das optimierte Niveau erreicht.
Obwohl bestimmte Merkmale dieser Erfindung nur in einigen Zeichnungen und nicht in anderen gezeigt sind, dient dies nur der zweckmäßigen Darstellung, weil die Merkmale auf in der Technik bekannte Arten und Weisen kombiniert werden können und auch dabei in den Umfang der Ansprüche fallen. Andere Ausführungsformen werden einem Fachmann in den Sinn kommen und sind ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

Elektro-Entionisierungssystem zum Entfernen von Ionen aus durchlaufenden Flüssigkeiten, mit: einem Durchfluss-Elektro-Entionisierungsmodul (10); einer Leistungsversorgung, die einen konstanten Strom oder eine konstante Spannung liefert, die elektrisch (12) mit Elektroden (14, 16) der Entionisierungsmodul verbunden ist, um einen Spannungsgradienten aufzubauen; einem ersten Mittel (18) zum Überwachen des Werts einer Eigenschaft der Flüssigkeitsausgangsströmung von dem Elektro-Entionisierungsmodul; und einem zweiten Mittel zum Festlegen eines voreingestellten Wertbereichs (Ziel) für eine Eigenschaft der Flüssigkeitsausgangsströmung, und einem Steuermittel (20), das auf das erste Mittel (18) zum Überwachen anspricht und angepasst ist, um die Leistungsversorgung mit einem Arbeitszyklus an und aus zu pulsen, der proportional der Ausgangswasserqualität in dem Bereich ist, so dass die Leistungsversorgung an ist, wenn die überwachte Eigenschaft unterhalb des Bereiches ist, aus ist, wenn die überwachte Eigenschaft oberhalb des Bereiches ist, und intermittierend an ist, wenn die überwachte Eigenschaft innerhalb des Bereichs ist.
Elektro-Entionisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Leistungsversorgung (12) eine einstellbare konstante Spannungsversorgung ist, die manuell eingestellt werden kann oder Software-programmierbar ist.
Elektro-Entionisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Leistungsversorgung (12) eine einstellbare konstante Stromversorgung ist, die manuell eingestellt werden kann oder Software-programmierbar ist.
Elektro-Entionisierungssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Eigenschaft der spezifische Widerstand ist.
Elektro-Entionisierungssystem gemäß Anspruch 1, ferner mit einem Steuermittel zum Überwachen des Werts der Eigenschaft des Flüssigkeitszulaufstroms zu dem Elektro-Entionisierungsmodul
Elektro-Entionisierungssystem gemäß Anspruch 1, ferner mit einem Flüssigkeitszulauf und einem Flüssigkeitsauslauf; einem Monitor (18) für den spezifischen Widerstand zum Überwachen des spezifischen Widerstands der Flüssigkeitsausgangsströmung vom dem Elektro-Entionisierungsmodul.
Elektro-Entionisierungssystem gemäß Anspruch 9, bei dem das Steuermittel eine Leistungsversorgungszykluszeit festlegt.
Elektro-Entionisierungssystem gemäß Anspruch 7, bei dem, wenn der spezifische Widerstand in dem Zielbereich ist, das Steuermittel die Leistungsversorgung für einen Abschnitt jeder Zykluszeit einschaltet, der dem spezifischen Widerstand der Ausgangsflüssigkeit bezogen auf den Bereich umgekehrt proportional ist.