DE69531800T2

DE69531800T2 - Vorrichtung and Verfahren zur elektrischen Entionisierung mit Polaritätsumschaltung und Doppelumschaltung

Info

Publication number: DE69531800T2
Application number: DE69531800T
Authority: DE
Inventors: Christopher J. Burlington Gallagher; Frederick Pepperell Wilkins; Gary C. Lexington Ganzi
Original assignee: United States Filter Corp
Current assignee: Siemens Water Technologies Holding Corp
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: EP1034833A2; DE69531800D1; EP0759805B1; EP1034833A3; JP2006297392A; EP1044717A3; US5558753A; DE69532281T2; EP1044717A2; EP1034833B1; DE69531415D1; EP0759805A1; US5736023A; DE69531415T2; WO1995032052A1; DE69532281D1; JPH10500617A; JP2006297393A; EP1044717B1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektroentionisierungsvorrichtungen und insbesondere auf Elektroentionisierungsvorrichtungen, die eine Strömungsumkehrung durch Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammern mit kontinuierlicher Produktgewinnung bereitstellt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Reinigung von Flüssigkeiten durch Reduzieren der Konzentration von Ionen oder Molekülen in der Flüssigkeit ist schon immer ein Bereich von wesentlichem technologischen Interesse gewesen. Viele Techniken sind verwendet worden, um Flüssigkeiten zu reinigen und zu isolieren oder konzentrierte Pools spezifischer Ionen oder Moleküle aus einem flüssigen Gemisch zu erhalten. Wohl bekannte Prozesse umfassen Destillation, Elektrodialyse, Umkehrosmose, Flüssigkeitschromatographie, Membranfiltration, Ionenaustausch und Elektroentionisierung. Moderne Elektroentionisierungseinheiten werden beispielsweise in den U.S. Patenten 5,308,466, herausgegeben am 3. Mai 1994, und 5,316,637, herausgegeben am 31. Mai 1994, von denen jeweils Ganzi et al. gemeinschaftlicher Inhaber ist, beschrieben.
Ein mit vielen Flüssigkeitsreinigungseinrichtungen einhergehendes Problem ist die Bildung von Ablagerung auf verschiedenen Flüssigkeit kontaktierenden Oberflächen. Beispielsweise im Falle der Entionisierungsvorrichtung ist bekannt, dass sich auf Ionenaustauschmembranen, die Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammern definieren, sowie auf Ionenaustauschharzen, die innerhalb mindestens einiger der Kammern enthalten sind, Ablagerung bildet.
In zahlreichen Verfahren ist versucht worden, der Ablagerungsbildung in elektrischen Wasserreinigungsvorrichtungen vorzubeugen oder diese zu entfernen. Beispielsweise beschreibt U.S. Patent Nr. 2,854,394 an Kollsman die Verwendung von Polaritätsumkehrung in Elektrodialyseeinrichtungen als eine Art und Weise, um das Verstopfen von Poren, die in den in derartigen Einrichtungen verwendeten Membranen enthalten sind, zu reduzieren.
Polaritätsumkehrungstechniken sind auch in Elektroentionisierungseinrichtungen verwendet worden. Beispielsweise beschreibt U.S. Patent Nr. 4,956,071 an Giuffrida et al. eine Polaritätsumkehrungselektroentionisierungseinrichtung, die die teilweise Wasserstoff- und Hydroxidregenerierung des Harzbettes verwertet und das nicht zeitgleiche Wechseln der Polarität über die Einrichtung und das Austauschen der anreichernden und abreichernden Ströme vorsieht. Das Ergebnis ist die kontinuierliche Produktion von gereinigtem Wasser. U.S. Patent Nr. 5,026,465 an Katz et al. beschreibt eine Polaritätsumkehrungselektroentionisierungseinrichtung, in der die anreichernden und abreichernden Ströme ausgetauscht werden, während zeitgleich die Polarität über die Einrichtung gewechselt wird.
Obwohl die Verwendung von Polaritätsumkehrung zur Entfernung von Schmutzstoffen, Verunreinigungen und Ablagerung von den Elektroden, Membranen und Harzen, die in den verschiedenen elektrisch betriebenen Entionisierungs- und Fraktioniereinrichtungen enthalten sind, bekannt ist, sind die bisherigen Ergebnisse alles andere als zufriedenstellend gewesen. Beispielsweise dauert das „Zeit-Qualität"-Verhältnis, das heißt, die auf die Polaritätsumkehrung folgende Zeitdauer, die für die neuen Ionenabreicherungskammern erforderlich ist, um Wasser von annehmbarer Qualität zu produzieren, bei vielen Anwendungen im Wesentlichen länger als erwünscht. Hinzu kommt, dass in Fluid in Ionenanreicherungskammern von Elektroentionisierungsvorrichtungen typischerweise Kohlendioxidgas erzeugt wird. Die Gegenwart von Kohlendioxid im gasförmigen Zustand in Ionenanreicherungskammern verursacht einen unvorteilhaften Anstieg elektrischen Widerstands über diese Kammern. In Fluid gelöstes Kohlendioxid in Ionenanreicherungskammern existiert im Gleichgewicht mit Kohlensäure, und deren Gegenwart ist unvorteilhaft, da Kohlensäure schwach ionisiert ist und deshalb kein guter Leiter und nur schwer aus der Lösung entfernbar ist. Zudem fehlt es bei vielen bekannten Elektroentionisierungseinrichtungen an chemischer und biologischer Steuerung innerhalb der Ionenanreicherungskammern.
Eine andere Komplikation, die mit dem Betrieb von Elektroentionisierungsvorrichtungen einhergeht, ist, dass derartige Einrichtungen oft ferner die Eliminierung von Schmutzpartikeln aus den Verarbeitungsströmen erfordern, die dazu neigen, sich zwischen den Harzpartikeln innerhalb der Einrichtung abzusetzen, insbesondere, wenn ein minderwertiges Speisewasser verwendet wird. Derartige Schmutzpartikel neigen dazu, die Einrichtung zu verstopfen, was eine Reduzierung in der Strömung der Produkt- und Konzentratströme und eine Erhöhung des Druckabfalls über die Einrichtung verursacht. Das Problem von Harzverschmutzung ist typisch für Elektroentionisierung und untypisch für Elektrodialyse, da Elektrodialysekammern keine Ionenaustauschharze aufweisen. Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieses Problems besteht darin, die Vorrichtung mit dem darin befindlichen Harz einem Rückwaschprozess zu unterziehen. Ein derartiger Prozess ist im U.S. Patent Nr. 4,692,745 an Giuffrida et al. beschrieben. Rückwaschung ist ein Zwischenprozess, bei dem die Strömung durch die Anreicherungs- und Abreicherungskammern während eines Zeitraums, in dem die Elektroden der Einrichtung nicht mit Strom versorgt werden, umgekehrt wird. Das Gegenströmungsabwasser beinhaltet einen Abfallstrom, der ein bestimmtes Material enthält, das normalerweise in einen Abfluss entsorgt wird. Eine andere Möglichkeit ist, die Vorrichtung einer Rückwaschung zu unterziehen, wenn das Harz entfernt ist. Ein derartiger Prozess ist im U.S. Patent Nr. 5,120,416 an Parsi et al. beschrieben. Dieser Prozess zieht notwendigerweise das Wiederauffüllen der Harz enthaltenden Kammern nach sich, was hinderlich und zeitaufwendig ist. Beide Möglichkeiten ziehen notwendigerweise eine Ausfallzeit der Vorrichtung nach sich.
Trotz der oben beschriebenen Versuche besteht Bedarf an einer Elektroentionisierungsvorrichtung, die die Entwicklung von Ablagerung und Verschmutzung vermeidet (oder die das Entfernen von Ablagerung und Schmutzstoffen ermöglicht), während ein kontinuierlicher hochreiner Produktstrom bereitgestellt wird.
Es besteht ebenfalls Bedarf an einer Elektroentionisierungsvorrichtung, die ein hochreines Produkt kontinuierlich gewinnen, die leicht gefertigt werden und die durch einen Polaritätsumkehrungsprozess mit gutem Zeit-Qualität-Verhältnis manuell oder maschinell gestuft werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein verbessertes Elektroentionisierungsströmungsumkehrungsmodul und -system, das die Entwicklung von schwer löslichen Materialien (d. h. Ablagerung), die sich innerhalb der Lücken der Ionenaustauschharzverpackung innerhalb der Einrichtung und auf den Einrichtungsmembranen bilden können, im Wesentlichen eliminiert. Die Einrichtung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie den Bedarf an der Durchführung eines Rückwaschprozesses vermeidet und dass es unnötig ist, das innerhalb der Einrichtung enthaltene Ionenaustauschmaterial zu entfernen oder zu stören, um Partikel und Ablagerung zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Reinigung eines Fluids bereit, das beim Ermöglichen eines effizienten Betriebs eines Elektroentionisierungssystems besonders effektiv ist, die Entwicklung von Schmutzstoffen innerhalb der Anreicherungs- oder Abreicherungskammern des Systems minimiert wird. Das Verfahren zieht das Aufbauen eines ersten Fluidstroms durch eine Ionenanreicherungskammer und eines zweiten Fluidstroms durch eine Ionenabreicherungskammer eines wie oben beschriebenen Elektroentionisierungssystems sowie das Erregen der Elektroden nach sich, um einen abgereicherten Fluidstrom, der aus der Ionenabreicherungskammer austritt, und einen angreicherten Fluidstrom, der aus der Ionenanreicherungskammer austritt, aufzubauen. Das Verfahren zieht ferner das Umkehren der Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms durch die Ionenanreicherungskammer und das Gewinnen eines abgereicherten Fluidprodukts aus der Ionenabreicherungskammer, während der erste Fluidstrom durch die Ionenanreicherungskammer in die umgekehrte Richtung strömt, nach sich.
Dieses Verfahren wird vollendet, indem ein wie oben beschriebenes Elektroentionisierungssystem bereitgestellt wird, das aber einen Vorwärtsströmungsfluidkreislauf und einen Gegenströmungsfluidkreislauf umfasst. Der Vorwärtsströmungsfluidkreislauf verbindet eine Quelle des ersten Fluidstroms mit einem ersten Port der Ionenanreicherungskammer, um einen zweiten Fluidstrom, der durch die Ionenanreicherungskammer in eine erste Richtung strömt, bereitzustellen. Der Vorwärtsströmungsfluidkreislauf verbindet auch eine Quelle eines zweiten Fluidstroms mit einem ersten Port der Ionenabreicherungskammer, um den zweiten Fluidstrom, der durch die Ionenabreicherungskammer in eine erste Richtung strömt, bereitzustellen. Der Gegenströmungsfluidkreislauf verbindet die Quelle des ersten Fluidstroms mit einem zweiten Port der Ionenanreicherungskammer, um einen ersten Fluidstrom, der durch die Ionenanreicherungskammer in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung strömt, bereitzustellen. Der Gegenströmungsfluidkreislauf kann auch die Quelle des zweiten Fluidstroms mit dem zweiten Port der Ionenabreicherungskammer verbinden, um den zweiten Fluidstrom, der durch die Ionenabreicherungskammer in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung strömt, bereitzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen ersten Fluidkreislauf definiert;
3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen ersten Fluidkreislauf, der chemische/biologische Artensteuerung umfasst, definiert;
4 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen ersten Fluidkreislauf, der einen isolierten Rückführungsweg umfasst, definiert;
5 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei die erste und zweite Elektrode unerregt sind;
6 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei die relativen Geschwindigkeiten der Elektrolytströmung durch die erste und zweite Elektrodenkammer umgekehrt sind;
7 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei auf die erste und zweite Elektrode eine umgekehrte Polarität angelegt ist;
8 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten ersten Fluidkreislauf, der chemische/biologische Artensteuerung umfasst, definiert;
9 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten ersten Fluidkreislauf, der einen isolierten Rückführungsweg umfasst, definiert;
10 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten ersten Fluidkreislauf mit Rückführungswegverdünnung definiert;
11 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei die erste und zweite Elektrode unerregt sind;
12 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei die relativen Geschwindigkeiten der Elektrolytströmung durch die erste und zweite Elektrodenkammern umgekehrt sind;
13 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei auf die Elektrode die ursprüngliche Polarität des ersten Fluidkreislaufs angelegt ist;
14 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen ersten Fluidkreislauf von umgekehrter Strömung definiert;
15 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen Fluidkreislauf von umgekehrter Polarität und umgekehrter Strömung definiert;
16 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Elektroentionisierungsstufe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ist eine schematische Ansicht, die den Betrieb der in 16 dargestellten ersten Stufe darstellt;
18a ist eine schematische Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung von zwei separaten Elektroentionisierungsunterkammern aus angrenzenden, gestapelten Kammergruppierungen, bevor diese komprimiert werden; und
18b ist eine schematische Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung von zwei separaten Elektroentionisierungsunterkammern aus angrenzenden, gestapelten Kammergruppierungen, nachdem diese komprimiert wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die eine oder mehrere Elektroentionisierungsstufen umfasst, wobei Jede Elektroentionisierungsstufe mindestens eine Ionenanreicherungskammer, die an mindestens eine Ionenabreicherungskammer angrenzt, umfasst. Vorzugsweise umfasst die erfinderische Vorrichtung eine Reihe von Ionenanreicherungskammern, die sich mit einer Reihe von Ionenabreicherungskammern abwechselt. Die Kammern sind teilweise durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde anionen- und kationendurchlässige Membranen definiert. Jede der Anreicherungskammern und der Abreicherungskammern enthält ein Ionenaustauschmaterial, wie etwa ein Gemisch aus einem Anionenaustauschharz und einem Kationenaustauschharz. Repräsentative geeignete Ionenaustauschmaterialien umfassen Fasern, gewobene Fasern, Kügelchen oder dergleichen.
Die erfinderische Vorrichtung umfasst mindestens eine erste und zweite Elektrode, die in elektrischer Verbindung mit den Ionenanreicherungs- und Ionenabreicherungskammern bereitgestellt sind, sowie eine Quelle elektrischen Potentials, die in elektrischer Verbindung mit der ersten und zweiten Elektrode bereitgestellt ist und die, in Kombination mit den Elektroden und den Kammern, einen elektrischen Stromkreislauf definiert. Auf diese Weise kann ein elektrisches Potential über die Ionenanreicherungs- und Ionenabreicherungskammern oder über eine oder mehrere Elektroentionisierungsstufen, die eine Vielzahl derartiger Kammern umfassen, bereitgestellt werden, so dass während des Vorrichtungsbetriebs ein ionenabgereicherter Produktfluidstrom aufgebaut werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereit, die entworfen ist, um die Strömungsrichtung von Fluid in den Ionenanreicherungskammern während des Vorrichtungsbetriebs umzukehren, während eine ununterbrochene Gewinnung von abgereichertem Fluidprodukt aus den Ionenabreicherungskammern der Vorrichtung bereitgestellt wird. Die Strömungsrichtung in den Ionenabreicherungskammern kann auch, gleichzeitig oder nicht gleichzeitig mit der Fluidströmungsumkehrung in den Ionenanreicherungskammern, bei ununterbrochener Gewinnung von abgereichertem Fluidprodukt umgekehrt werden. Die erfinderische Fluidströmungsrichtungsumkehrung stellt die Aufrechterhaltung von ablagerungsfreien und insbesondere schmutzstofffreien Ionenanreicherungs- und Ionenabreicherungskammern bereit, sogar wenn die erfinderische Vorrichtung eingesetzt wird, um sehr minderwertiges Speisefluid zu behandeln. Der Betrieb der erfinderischen Strömungsumkehrungselektroentionsierungsvorrichtung kann unabhängig von oder in Verbindung mit einem Polaritätsumkehrungsprotokoll ausgeführt werden, um eine(n) doppelte(n) (Polarität und Strömung) Umkehrungsprozess und Vorrichtung bereitzustellen.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Polaritätsumkehrung, der Strömungsumkehrung oder der doppelten Umkehrungselektroentionisierungsvorrichtung sind ein Mittel und ein Verfahren zur effizienten Entfernung von während des Vorrichtungsbetriebs in den Ionenanreicherungskammern erzeugten Gases daraus bereitgestellt. Dies wird erreicht, indem Ionenanreicherungskammern derart ausgerichtet werden, dass ihre Fluideinlässe niedriger liegen als ihre Fluidauslässe. Auf diese Weise wird jegliches während des Vorrichtungsbetriebs erzeugtes Gas nach oben gespült. Da dies die Richtung ist, in die Gas in einer Fluidumgebung, die eine höhere Dichte als Gas aufweist, natürlicherweise strebt, stellen das Mittel und Verfahren somit eine Fluidströmung bereit, die zu der Richtung, in die Gas natürlicherweise strebt, komplementär ist, was dessen effiziente Entfernung vereinfacht. Ähnlich kann das während des Elektroentionisierungsvorrichtungsbetriebs an den Elektroden erzeugte Gas effizient aus den Elektrodenkammern entfernt werden, indem Elektrolytströmung in derartigen Kammern in eine Aufwärtsrichtung bereitgestellt wird.
Wenn ein Rückführungsweg aufgebaut wird, kann der Rückführungsweg auch eine Flüssigkeit/Gas-Schnittstelle umfassen, die das Entfernen von gelöstem Gas aus dem Fluid, das aus den Ionenanreicherungskammern austritt, vereinfacht, wobei das Gas vor der Wiedereinführung des Fluids in die Anreicherungskammern vorteilhafterweise vom Fluid gereinigt wird.
Bei einer Ausführungsform einer bevorzugten Elektroentionisierungsvorrichtung sind die Anreicherungs- und Abreicherungskammern so konfiguriert, dass sie eine Vielzahl von unabhängigen, getrennten Unterkammern umfassen, von denen jede eine Breite von ungefähr 102 mm (4 Inch) oder weniger, vorzugsweise zwischen 13 mm (0,5 Inch) und ungefähr 38 mm (1,5 Inch) aufweist. Die getrennten Unterkammern werden gebildet, indem, wie durch Binden, eine anionendurchlässige Membran und eine kationendurchlässige Membran an der Peripherie der Kammerabstandshalter, die jeweils Rippen aufweisen, die sich über die Dicke und entlang der Länge der Kammern erstrecken, befestigt werden. Somit ist jede Unterkammer durch ein Paar Rippen, eine anionendurchlässige Membran und eine kationendurchlässige Membran definiert. Die Unterkammern sind jeweils mit Ionenaustauschmaterial gefüllt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen Elektroentionisierungsvorrichtungen, die eine oder mehrere Gruppen von Kammern oder „Doppelkammern" umfassen. Derartige Doppelkammern sind im U.S. Patent Nr. 4,956,071 an Giuffrida et al., herausgegeben am 11. September 1990, beschrieben. Die Doppelkammern sind jeweils durch eine ungerade Anzahl von selektiv durchlässigen Membranen, mindestens eine Abreicherungskammer und mindestens eine Anreicherungskammer definiert, wobei jede der Kammern, wie oben beschrieben, in Unterkammern unterteilt ist. Die ionendurchlässigen Membranen sind so angeordnet, dass sich die anionendurchlässigen Membranen und die kationendurchlässigen Membranen entlang der Dicke der Doppelkammern abwechseln. Somit kann die Doppelkammer eine kationendurchlässige Membran mehr als anionendurchlässige Membran umfassen, oder sie kann eine anionendurchlässige Membran oder kationendurchlässige Membran mehr umfassen.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch eine oder mehrere Elektroentionsierungsstufen beinhalten. Eine zur Verwendung in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung geeignete Beispielstufe ist in der gleichzeitig schwebenden U.S. Patentanmeldung Seriennr. 07/938,329 an gemeinschaftlichen Inhaber, eingereicht am 28. August 1992, beschrieben. In jeder Stufe ist zwischen den ersten und zweiten Elektrode ein Stapel Abreicherungskammern und Anreicherungskammern positioniert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Stufe der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von gestapelten Gruppen von Kammern, wobei jede Gruppe teilweise durch Außenmembranen an jedem ihrer Enden definiert ist. Eine Außenmembran von mindestens einer Gruppe überlappt ein Außenelement einer angrenzenden Gruppe und gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind alle Gruppen in einem Stapel angrenzend aneinander und Außenmembranen von angrenzenden Gruppen überlappend angeordnet. Diese Anordnung ist unten mit Bezug auf 18a und 18b ausführlicher beschrieben.
Jede Elektrode ist in elektrischer Verbindung mit einer ionendurchlässigen Membran, die eine Grenze eines Stapels von Kammern definiert, bereitgestellt. Derartige elektrische Verbindung kann anhand eines beliebigen bekannten Verfahrens, beispielsweise mittels eines Elektrolyts in einer Elektrolytkammer, die die Elektrode enthält und teilweise durch eine ionendurchlässige Membran definiert ist, durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Elektrode mit einem angrenzenden Elektrodenabstandshalter und einer ionendurchlässigen Membran versehen, wobei ein Elektrolyt durch den Elektrodenabstandshalter verläuft. Wahlweise kann der Elektrodenabstandshalter auch mit einem Ionenaustauschharz gefüllt sein. Der Elektrodenabstandshalter kann ein ausgedehntes Materialblatt, eine Abschirmung oder dergleichen, beinhalten und kann elektrisch leitend oder nichtleitend sein.
Die Amplitude und Variabilität des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden und den direkt an sie angrenzenden Membranen sind wichtige Faktoren bei der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung und des Zeit-Qualität-Verhältnisses nach der Polaritätsumkehrung und nach dem Neustart aus einem Bereitschaftsmodus. Der elektrische Widerstand der Elektrodenkammer ist besonders wichtig, wenn die Elektroentionisierungsvorrichtung mit einer Vorbehandlung durch Umkehrosmose betrieben wird oder ihr andere Zuströme von relativ geringem Ionengehalt zugeführt werden und in Fällen, in denen die Elektrodenkammerkonstruktion Abstandshalter und Abschirmungen beinhaltet, die an sich nichtleitend sind.
Im Falle, dass Speisewasser einen relativ niedrigen Ionengehalt aufweist, wie stromabwärts von Umkehrosmosevorrichtungen, sind ionische Unreinheiten oft überwiegend schwach ionisierte Verbindungen, wie etwa Kohlensäure, jeweils gemischt mit relativ niedrigen Konzentrationen starker Ionen und Ionen mit mittlerer Stärke, wie etwa Natrium- und Bicarbonationen. Es wird bevorzugt, dass die relative Konzentration starker Ionen innerhalb der Vorrichtung und der Ströme durch die Wahl der den Elektrodenkammern zugeführten Flüssigkeiten und durch die Wahl der direkt an die Elektroden angrenzenden Membranen gewahrt und erhöht wird. Es wird auch bevorzugt, dass die Variabilität des elektrischen Widerstands der Elektrodenströme minimiert wird, um den Bedarf an Regelung der Vorrichtungsspannung zu vermeiden.
Für Vorrichtungen, die die Polarität umkehren, wird es bevorzugt, dass die Membran von derselben Art, angrenzend an jede Elektrode, ist. Bei derartigen Vorrichtungen sind die Elektrodenstrombedingungen für jeden halben Betriebszyklus dieselben. Die bevorzugte Wahl für die Zufuhr an die Elektrodenströme ist das Speisewasser. Speisewasser ist bezüglich der Konzentration beständiger, obwohl es eine niedrigere Ionenstärke als der Anreicherungsstrom in konstantem Zustand aufweist. Zudem weist der Zustrom während der Polaritätsumkehrung und sofort nach Inbetriebsetzung der Vorrichtung oft eine größere Ionenstärke als der Anreicherungsstrom auf.
Der verbleibende Teilabschnitt jeder Stufe beinhaltet eine Reihe von sich abwechselnden Abreicherungs- und Anreicherungskammern, die wie hier angeführt konstruiert sind. Die mit Ionen abzureichernde Flüssigkeit kann parallel durch jede Abreicherungskammer in jeder Stufe geführt werden und eine zweite Flüssigkeit kann parallel durch jede Anreicherungskammer in jeder Stufe geführt werden, um die Entfernung von Ionen aus der ersten Flüssigkeit in den Abreicherungskammern und in die zweite Flüssigkeit in der Anreicherungskammer durchzuführen.
Nun wird Bezug auf die Figuren genommen und ein bevorzugtes Polaritätsumkehrungprotokoll wird beschrieben. Es versteht sich, dass die Prozessschritte und Fluidkreisläufe der vorliegenden Erfindung und andere Merkmale jeweils unabhängig vom unten beschriebenen bevorzugten Protokoll verwertet werden können.
Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine Elektroentionisierungsvorrichtungsanordnung 20 schematisch dargestellt und diese umfasst eine Ionenanreicherungskammer 22 und eine Ionenabreicherungskammer 24, die angrenzend an die Ionenanreicherungskammer 22 positioniert ist und von dieser durch eine selektiv durchlässige Membran 26 getrennt ist. Die Ionenanreicherungskammer 22 ist ferner durch eine selektiv durchlässige Membran 28 definiert und die angrenzende Ionenabreicherungskammer 24 ist ferner durch eine selektiv durchlässige Membran 30 definiert. Somit sind die Ionenanreicherungskammer 22 und die Ionenabreicherungskammer 24 durch im Wesentlichen parallele, selektiv durchlässige Membranen 26, 28 und 30 definiert, die sich abwechselnde anionendurchlässige und kationendurchlässige Membranen sind. Wie für jemanden mit durchschnittlichen Fachkenntnissen ersichtlich ist, ist die besondere Durchlässigkeit jeder der Membranen 26, 28 und 30 unwichtig. Sie müssen sich nur hinsichtlich ihrer spezifischen Ionendurchlässigkeit abwechseln. Zu Darstellungszwecken sind die Membranen 28 und 30, die die Außengrenzen der Kammern 22 und 24 definieren, kationendurchlässige Membranen und die Membran 26, die die Kammern 22 und 24 trennt, ist eine anionendurchlässige Membran.
Um ein elektrisches Potential über die Kammern 22 und 24 bereitzustellen, sind die erste Elektrode 32 und die zweite Elektrode 34 jeweils in elektrischer Verbindung mit den kationendurchlässigen Membranen 28 bzw. 30 bereitgestellt. Das heißt, dass die Elektroden auf einer ersten und zweiten Seite des Paares von Kammern 22 und 24 und in elektrischer Verbindung mit diesen bereitgestellt sind. Wie oben beschrieben, kann eine derartige elektrische Verbindung eine Vielfalt von Formen annehmen. Alternativ dazu können die Elektroden 32 und 34 jeweils in den Elektrodenkammern 36 bzw. 38 bereitgestellt und teilweise durch die Membranen 28 und 30 definiert sein, und sie enthalten Elektrolyt, um elektrische Verbindung zwischen den Elektroden und den Membranen bereitzustellen. Diese Anordnung ist in 1 dargestellt. Zusätzlich kann ein Abstandshalter, obwohl dies nicht dargestellt ist, die Elektrode 32 von der Membran 28 und die Elektrode 34 von der Membran 30 physikalisch trennen, wobei der Abstandshalter die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden und den Membranen bereitstellt und/oder den Fluss des Elektrolyts durch die Hohlräume im Abstandshalter ermöglicht.
Die Elektroden 32 und 34 sind in einem elektrischen Stromkreislauf 40 enthalten, der eine elektrische Quelle 42, die elektrisch mit den Elektroden 32 und 34 verbunden ist, umfasst. Die Quelle 42 ist eine Wechselstrom- oder Gleichstromquelle. Wird eine Wechselstromquelle eingesetzt, ist ein Gleichrichter mit der Quelle verbunden, um die Vorrichtung mit Gleichstrom zu versorgen. Gemäß der in den Figuren dargestellten Ausführungsform ist die Quelle 42 eine Gleichstromquelle oder eine Quelle von konstantem Polaritätspotential und der elektrische Stromkreislauf 40 umfasst ein Mittel zum Anlegen einer positiven Polarität auf die Elektrode 32 und einer negativen Polarität auf die Elektrode 34 oder zum Anlegen einer positiven Polarität auf die Elektrode 34 und einer negativen Polarität auf die Elektrode 32. Somit kann die Polarität der Elektroden 32 und 34 gesteuert und umgekehrt werden. Wie dargestellt, können die elektrischen Schalter 44 und 46 geschaltet werden, um die erste Elektrode 32 mit einem positiven Pol der elektrischen Quelle 42 zu verbinden, während die zweite Elektrode 34 mit einem negativen Pol der Quelle 42 verbunden wird, oder sie können geschaltet werden, um entgegengesetzte Polaritäten auf die Elektroden 32 und 34 anzulegen.
Obwohl eine Quelle von konstantem Potential als elektrische Quelle 42 der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, kann auch eine Quelle von konstantem Strom eingesetzt werden. Gemäß einigen Elektroentionisierungsvorrichtungsanordungen ist der Einsatz einer konstanten Stromquelle unvorteilhaft, weil bewirkt wird, dass sich das Potential über die Kammern auf nicht annehmbaren Niveaus erhöht, weil sich der elektrische Widerstand in den Kammern aufgrund von Gaserzeugung, von Verunreinigung oder Ablagerung, Hochreinheitsniveaus in den Abreicherungskammern und dergleichen erhöht. Jedoch ist der Einsatz einer Quelle von konstantem Strom in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung durchführbarer als in Elektroentionisierungsanordnungen des Stands der Technik, weil die erfinderische Polaritätsumkehrung, Strömungsumkehrung, Doppelumkehrung, die Aufwärtsströmung und andere neuartige Merkmale so funktionieren, dass sie die Parameter innerhalb der Vorrichtung, wie etwa Ablagerungs- und Verunreinigungsparameter, in einem Rahmen halten, der für den Einsatz einer konstanten Stromquelle annehmbar ist.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Reinigungszentrum der Elektroentionisierungsvorrichtung 20 lediglich eine Ionenanreicherungskammer 22 und eine Ionenabreicherungskammer 24, die an die Ionenanreicherungskammer 22 angrenzt. Jedoch ist, obwohl eine derartige Anordnung machbar ist, diese lediglich zur schematischen Darstellung bereitgestellt und wird nicht bevorzugt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform würde zwischen den Elektroden 32 und 34 eine Vielzahl von sich abwechselnden Ionenanreicherungs- und Ionenabreicherungskammern, die eine Stufe von Kammern definieren, angeordnet werden, und diese Anordnung wird unten genauer beschrieben.
Die Ionenanreicherungskammer 22 umfasst einen ersten Port 48 und einen zweiten Port 50 und die Ionenabreicherungskammer 24 umfasst einen ersten Port 52 und einen zweiten Port 54. Vorzugsweise befinden sich die Ports 48 und 50 der Ionenanreicherungskammer 22 an im Wesentlichen gegenüberliegenden Enden der Kammer und die Ports 52 und 54 der Ionenabreicherungskammer 24 sind ähnlich angeordnet. Wie aus der Beschreibung unten ersichtlich ist, können die Ports 48, 50, 52 und 54 als Fluideingänge oder -ausgänge der Kammern dienen, je nachdem ob Strömungsumkehrung eingesetzt wird und bei welcher Stufe des Strömungsumkehrungsprotokolls die Vorrichtung betriebsbereit ist.
Die Ports 48, 50, 52 und 54 der Kammern 22 und 24 sind mit einem Fluidkreislaufnetz, das eine Vielzahl von Fluidwegen aufweist, die durch herkömmliche Leitungen und Ventile definiert sind, verbunden. Die Ventile können gemäß vorbestimmten Einstellungen eingestellt werden, um zwischen einem beliebigen Port 48, 50, 52 und/oder 54 und Speisefluideinlässen, Produktfluidauslässen, einer Quelle chemischer und/oder biologischer Arten, einem Gas/Flüssigkeits-Schnittstellenbehälter oder einem Rückführungsweg, der einen ersten Port 48 oder 52 mit einem zweiten Port 50 oder 54 der Ionenanreicherungskammer 22 oder Ionenabreicherungskammer 24 verbindet, jeweils eine Fluidverbindung bereitzustellen. Eine derartige Einstellung und Verbindung wird unten mit Bezug auf die nachfolgenden Darstellungen beschrieben, gemäß einer Vielfalt von Fluidkreisläufen. Der Begriff „Fluidkreislauf", wie hier verwendet, soll eine bestimmte Anordnung von Ventilen der Vorrichtung 20 definieren, die einen bestimmten vorbestimmten Fluidstrom durch die Kammer 22 und einen bestimmten vorbestimmten Fluidstrom durch die Kammer 24 bereitstellt.
Die restlichen Merkmale und Kreisläufe der Vorrichtung 20 werden mit Bezug auf 2–15 beschrieben. In allen Figuren werden die Elemente der Vorrichtung 20, die mehreren Figuren gemein sind, durch gemeinsame numerische Bezeichnungen verdeutlicht. In den Figuren stellen fett gedruckte Linien Wege dar, durch die Fluid gemäß der Fluidkreislaufanordnung des dargestellten Schritts im Polaritätsumkehrungsprotokoll strömt. Zu Darstellungszwecken wird die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Wasserreinigung beschrieben. Jedoch versteht es sich, dass die Behandlung eines beliebigen mit einer Elektroentionisierungsvorrichtung behandelbaren Fluids im Allgemeinen vom Einsatz der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung profitieren wird.
In 2 ist eine erste Fluidkreislaufanordnung dargestellt, in die Speiseflüssigkeit, beispielsweise Leitungswasser, Brackwasser oder vorbehandeltes halbreines Wasser beim Zufuhreinlass 56 in die Vorrichtung 20 eintritt. Der Begriff „Fluidkreislauf", wie hier verwendet, soll einen oder mehrere Fluidwege definieren, die zusammen eine gewünschte Fluidströmung durch die Ionenanreicherungskammern 22 und Ionenabreicherungskammern 24 bereitstellen. Jeder Fluidkreislauf der Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann durch Einstellen von Ventilen, oder dergleichen, auf vorbestimmte Positionen errichtet werden. Das heißt, wenn die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung von einem ersten Fluidkreislauf zu einem zweiten Fluidkreislauf geschaltet wird, kann dies erreicht werden, indem die Position von einer oder mehreren Ventilen gewechselt wird, und die Demontage oder erneute Montage jeglicher Vorrichtungskomponenten ist unnötig.
Beim in 2 dargestellten ersten Fluidkreislauf dient der Zufuhreinlass 56 als eine Quelle eines Fluidstroms 58, der eine bestimmte Ionenkonzentration aufweist, der mit der Ionenabreicherungskammer 24 und insbesondere mit deren ersten Port 52 verbunden ist. Der erste Fluidkreislauf stellt auch eine Verbindung eines Fluidstroms 62, der eine bestimmte Ionenkonzentration aufweist, mit einer Ionenanreicherungskammer 22 und insbesondere mit deren ersten Port 48 bereit.
Der Begriff „Ionenkonzentration", wie hier verwendet, soll den ionischen Aufbau eines bestimmten Fluids definieren. Somit kann sich eine erste Ionenkonzentration von einer zweiten Ionenkonzentration hinsichtlich der Ionenstärke, der Gegenwart oder Abwesenheit von besonderen Ionenarten, oder beidem, unterscheiden. Beispielsweise kann sich ein erster Fluidstrom, der eine erste Ionenkonzentration aufweist, von einem zweiten Fluidstrom, der eine zweite Ionenkonzentration aufweist, allein in der Ionenstärke unterscheiden, während beide Fluidströme ausschließlich ähnliche Ionenarten umfassen. Oder der erste Fluidstrom und der zweite Fluidstrom können von ähnlicher oder gleicher Ionenstärke sein, wobei der erste Fluidstrom eine bestimmte Konzentration von einer ersten Ionenart enthält und der zweite Fluidstrom eine bestimmte Konzentration einer zweiten Ionenart, die sich von der ersten Ionenart unterscheidet, enthält.
Wie für jemanden mit durchschnittlichen Fachkenntnissen ersichtlich ist, wird, wenn die Vorrichtung 20 so betrieben wird, dass auf die erste Elektrode 32 eine positive Polarität angelegt wird, während auf die zweite Elektrode 34 eine negative Polarität angelegt wird, wenn die selektiv durchlässige Membran 26 eine anionendurchlässige Membran ist und die selektiv durchlässigen Membranen 28 und 30 kationendurchlässige Membranen sind, ein Fluidstrom 58, der in der Ionenabreicherungskammer 24 aufgebaut wurde, mit Ionenarten abgereichert wird, um einen abgereicherten Fluidstrom 60, der aus der Ionenabreicherungskammer 24, insbesondere an deren zweiten Port 54, austritt, aufzubauen. Wie für jemanden mit durchschnittlichen Fachkenntnissen auch ersichtlich ist, nimmt ein Fluidstrom 62, der in der Ionenanreicherungskammer 22 aufgebaut wurde, während des Betriebs der Vorrichtung 20 Ionenarten aus dem Fluid in der Ionenabreicherungskammer 24 auf, und ein angereicherter Fluidstrom 64, der aus der Ionenanreicherungskammer 22, und insbesondere aus deren Port 50, austritt, wird aufgebaut. Der abgereicherte Fluidstrom 60 fließt durch die Strömungsumkehrungsventile 128 und 130, durch das Ausgabeleitventil 132 und wird zum Produktauswahlventil 134 geleitet. Gemäß einer ersten Einstellung des Produktauswahlventils 134 wird der abgereicherte Fluidstrom 60 zur Produktgewinnung geleitet, und gemäß einer zweiten Einstellung des Ventils 134 wird der abgereicherte Fluidstrom 60 zum Abfluss 84 geleitet.
Während des Betriebs der Vorrichtung 20 weist der abgereicherte Fluidstrom 60, der aus der Ionenabreicherungskammer 24 austritt, typischerweise eine Ionenkonzentration, besonders eine Ionenstärke, auf, die niedriger ist, als die des angereicherten Fluidstroms 64, der aus der Ionenanreicherungskammer 22 austritt. Dies muss jedoch nicht der Fall sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 20 verwendet werden, um bestimmte Ionenarten aus hoch konzentrierten Lösungen, wie etwa Fruchtsaft, zu entfernen. In einem derartigen Fall wird die angereicherte Lösung als ein Fluidstrom 58 in der Ionenabreicherungskammer 24 aufgebaut, wobei die Ionenarten entfernt werden und ein etwas abgereicherter Produktfluidstrom 60 aus der Ionenabreicherungskammer 24 gewonnen wird, der eine Ionenstärke aufweisen könnte, die viel höher ist, als die Ionenstärke des Fluidstroms 64, der aus der Ionenkonzentrationskammer 22 gewonnen wird. Somit stellt die Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine reine Strömung von Ionenarten aus der Ionenabreicherungskammer 24 und in die Ionenanreicherungskammer 22 bereit, und die relativen Ionenkonentrationen der Fluidströme, die innerhalb der Anreicherungskammer 22 und der Abreicherungskammer 24 aufgebaut und aus diesen gewonnen wurden, für die vorliegende Erfindung unwichtig sind.
Wie oben beschrieben, ist die Vorrichtung 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer ersten Elektrodenkammer 36 und einer zweiten Elektrodenkammer 38 versehen. Die Kammern werden mit einem Elektrolyt zum Aufbauen von elektrischer Verbindung zwischen den Elektroden 32 und 34 und der Anreicherungs- und Abreicherungskammer der Vorrichtung versorgt. Wie dargestellt, verbindet die Leitung 66 den Zufuhreinlass 56 mit den Elektrodenkammern 36 und 38. Die Elektrolytquelle 68 kann in Verbindung mit der Leitung 66 positioniert werden, um vorbestimmte Elektrolytniveaus in die Elektrodenkammern bereitzustellen. Das Elektrolytventil 70 kann eingestellt werden, um die Elektrolytkonzentration in den Fluidströmen, die in die Elektrodenkammern eintreten, zu steuern. Wenn normal- bis minderwertiges Fluid in den Zufuhreinlässen 56 und der Leitung 66 der Vorrichtung 20 bereitgestellt wird, kann die Elektrolytquelle 68 unnötig werden oder die Vorrichtung kann mit dem geschlossenen Elektrolytventil 70 betrieben werden. Ein derartiges normal- bis minderwertiges Fluid weist typischerweise eine Ionenstärke auf, die ausreicht, um jeweils eine adequate elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 32 und 34 und den Membranen 28 bzw. 30 ohne zusätzlichen Elektrolyten aufzubauen. Wenn jedoch ein besonders hochwertiges Fluid in den Zufuhreinlass 56 eingespeist wird, das heißt, wenn das Fluid eine besonders niedrige Ionenstärke aufweist, dann kann das Elektrolytventil 70 vorteilhafterweise so eingestellt werden, dass es Elektrolyt aus der Quelle 68 in die Leitung 66 einführt.
Ein Elektrolytfluidstrom tritt in die Elektrodenkammern 36 und 38 jeweils an deren ersten Ports 72 bzw. 74 ein. Der Elektrolyt tritt aus den Elektrodenkammern 36 und 38 jeweils an deren zweiten Ports 76 bzw. 78 aus und fließt durch die Ventile 80 und 82. Die Ventile 80 und 82 sind so eingestellt, dass sie Elektrolytströmung durch jeweils die Elektrodenkammern 36 bzw. 38 derart steuert, dass die Wasserstoffionenkonzentration in einer der Elektrodenkammern maximiert wird, wenn die Elektrode als Anode polarisiert ist, während die Hydroxidionenkonzentration in der anderen Elektrodenkammer minimiert wird, wenn die Elektrode als Kathode polarisiert ist. Beispielsweise kann das Ventil 80, wenn die Elektrode 32 als Anode polarisiert ist und an der Elektrode 32 Wasserstoffion erzeugt wird, so eingestellt werden, dass es die Fluidströmung durch die Elektrodenkammer 36, in der die Elektrode 32 untergebracht ist, derart minimiert, dass die Wasserstoffionenkonzentration maximiert wird. Auf diese Weise wird der Ablagerung an der Elektrode 32 entgegengewirkt. Ähnlicherweise kann das Ventil 82, wenn die Elektrode 34 als Kathode polarisiert ist, so eingestellt werden, dass es die Elektrolytströmung durch die Elektrodenkammer 38 maximiert, um die Hydroxidionenkonzentration darin zu minimieren, da sich herausgestellt hat, dass Hydroxidionen Ablagerung begünstigen. Zusätzlich kann das Ventil 82 gemäß einer derartigen Ausführungsform so eingestellt werden, dass es die Fluidströmung durch die Elektrodenkammer 38 maximiert, wenn Kationen während des Vorrichtungsbetriebs aus der Verdünnungskammer 24 in die Elektrodenkammer 34 entfernt werden.
Die Ventile 80 und 82 können mechanische Strombegrenzungsventile, Impulsventile oder ein beliebiger Mechanismus zur Steuerung der gesamten Elektrolytströmung durch die Elektrodenkammern 32 und 34 sein. Zusätzlich müssen die Ventile 80 und 82 nicht unbedingt stromabwärts der Elektrodenkammern 36 und 38, sondern eher stromaufwärts positioniert werden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Ventile 80 und 82 jeweils stromabwärts der Elektrodenkammern 36 und 38 positioniert und beinhalten Impulsventile. Zu Darstellungszwecken bezüglich der Fluidströmung durch die Elektrodenkammern 36 und 38 bedeutet eine punktierte Linie eine Impulsströmung. Es sollte eine derartige Impulsströmung eingestellt werden, um eine reine Fluidströmung durch die Elektrodytkammern bereitzustellen, die ausreicht, um darin erzeugtes Gas zu entfernen.
Wie dargestellt, wird das Abwasser aus den Elektrodenkammern 36 und 38 zum Abfluss 84 befördert. Jedoch kann derartiges Abwasser zur Leitung 66 befördert werden, um den Elektrolyt durch die Elektrodenkammern zum Fluidstrom 62, der in die Anreicherungskammer 22 eintritt, zum Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 (unten beschrieben), zur Quelle 88 chemischer/biologischer Arten (unten beschrieben) oder zu einem anderen Teilabschnitt der Vorrichtung 20, falls angemessen, rückzuführen. Alternativ dazu könnten zum Abfluss 84 beförderte Fluide zu einem Wiederverwertungs- oder Wiederverwendungskreislauf geleitet werden, der nicht Teil der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist. Vorzugsweise wird das Abwasser aus den Elektrodenkammern zum Abfluss 84 befördert und entsorgt, da es typischerweise eine relativ hohe Hydroxidionenkonzentration aufweist. Eine Vielzahl von Abflüssen ist in den Figuren schematisch dargestellt und mit der Ziffer 84 bezeichnet. Es versteht sich, dass ein einziger Abfluss bereitgestellt werden könnte, wobei entsorgbares Abwasser zu einem einzigen Abfluss von einer Vielfalt von Vorrichtungsstellen befördert wird. Alternativ dazu kann eine beliebige Anzahl von Abflüssen 84 bereitgestellt werden, von denen einige oder alle entsorgbares Abwasser von verschiedenen Vorrichtungsstellen aufnehmen können.
Ein Rückführungsströmungsweg wird während bestimmter Schritte des Polaritätsumkehrungsprotokolls aufgebaut und dieser Rückführungsweg wird in dem in 2 dargestellten ersten Fluidkreislauf aufgebaut. Der Rückführungsweg ist angeordnet, um Fluidströmung vom Port 50 der Ionenanreicherungskammer 22 zu deren Port 48 rückzuführen. Gemäß dem Schritt des in 2 dargestellten Polaritätsumkehrungsprotokolls tritt Fluid durch den Port 50 der Ionenanreicherungskammer 22 aus, fließt durch die Strömungsumkehrungsventile 90 und 92, durch das Ausgabeleitventil 94, die Leitung 96, die das Ventil 94 mit dem Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 verbindet, durch den Schnittstellenbehälterauslass 98, die Pumpe 100, die Leitung 102 und die Leitung 104, die die Leitung 102 mit dem Eingang 48 der Ionenanreicherungskammer 22 verbindet, und tritt durch den Port 48 wieder in die Ionenanreicherungskammer 22 ein. Die Leitung 104 umfasst auch Strömungsumkehrungsventile 106 und 108. Die Pumpe 100 kann an einer Vielfalt von Stellen entlang dem Rückführungsweg positioniert werden, solange sie eine adequate Fluidströmung durch den Rückführungsweg verursacht.
Der Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 stellt eine Eliminierung von Gas, im Allgemeinen Kohlendioxid, das in der Ionenanreicherungskammer 22 der Elektroentionisierungsvorrichtung erzeugt wird, bereit. Der Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 kann eine Vielfalt von Formen annehmen, solange die Entfernung einer adequaten Menge an Gas aus dem angereicherten Fluidstrom 64, der aus der Ionenanreicherungskammer 22 austritt, erreicht wird. Beispielsweise kann der Behälter 86 einfach einen zur Atmosphäre offenen Behälter beinhalten. Alternativ dazu kann der Behälter 86 ein geschlossenes System sein und kann eine Gasdrucksteuerung 110 umfassen, die bereitgestellt ist, um die Geschwindigkeit der Gasentwicklung aus dem Fluid im Behälter 86 zu steuern. Beispielsweise kann die Gasdruckbegrenzung 110 eine Vakuumpumpe sein, die so eingestellt ist, dass sie die Entfernung von Gas aus der Flüssigkeit im Behälter 86 beschleunigt. Anstelle des Behälters 86 oder in Kombination mit diesem kann ein Einblasrohr verwendet werden, um die Entfernung von Gas aus dem Fluid zu unterstützen. Alternativ dazu kann innerhalb der Rückführungsschleife ein Membranentgaser verwendet werden. Oder es kann ein sterilisierender Grad-Filter verwendet werden, um das Gas aus dem angereicherten Fluidstrom 64 am Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 zu entfernen. Ein sterilisierender Gradfilter kann auch an anderen Stellen in der Fluidkreislaufanordnung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise können einer oder mehrere sterilisierende Gradfilter in den Leitungen 104 und/oder 105 platziert werden, so dass das in der Ionenanreicherungskammer 22 und/oder in der Ionenabreicherungskammer 24 bereitgestellte Fluid gefiltert wird.
Der Rückführungsweg umfasst mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass zum Einführen einer gewünschten chemischen und/oder biologischen Art in den Fluidstrom, um Speiseflüssigkeit oder ein Fluid von relativ niedriger Ionenkonzentration in den Rückführungsweg einzuführen und um Überlauf davon zu entfernen. Auf diese Weise kann die Ionenkonzentration des Fluidstroms 62, der in die Ionenanreicherungskammer 22 durch die Leitung 104 eintritt, gesteuert werden. Gemäß einem in 2 dargestellten Fluidkreislauf umfasst der Rückführungsweg eine Leitung 112, die den Zufuhreinlass 56 mit der Leitung 104 verbindet, die in Fluidverbindung mit der Anreicherungskammer 22 steht. Die Fluidströmung durch die Leitung 112 kann durch das Ventil 114 gesteuert werden. Zusätzlich umfasst der Fluidkreislauf Schlammausblaseauslass 116, wobei die Fluidströmung in den Abfluss 84 durch diesen vom Schlammausblaseventil 118 gesteuert werden kann. Auf diese Weise stellt der Rückführungsweg eine Konservierung von Fluid, das durch die Ionenabreicherungskammer 22 fließt, bereit, da das Fluid rückgeführt wird, um wieder in die Anreicherungskammer einzutreten. Jedoch kann die Ionenkonzentration des Fluidstroms 62, der in die Anreicherungskammer 22 eintritt, in Verbindung mit der Rückführung, gesteuert werden, indem der Rückführungsströmungsweg durch Zusatzleitung 112 verdünnt und der Überlauf von dem Weg durch den Schlammausblaseauslass 116 entfernt wird. Eine derartige Steuerung der Ionenkonzentration durch Öffnen der Ventile 114 und 118 kann vorteilhaft sein, wenn die Ionenstärke des Fluids, das durch den Rückführungsweg strömt, besonders hoch ist. Jedoch wird die Ionenstärke eines derartigen Fluids vorteilhafterweise bei einem Niveau gehalten, das adequate Ionenleitfähigkeit über die Anreicherungskammer 22 bereitstellt, und es ist oft vorteilhaft, die Ventile 114 und 118 geschlossen zu halten, um die Ionenstärke des Fluids über die Ionenanreicherungskammer 22 zu erhöhen.
Wie oben angegeben, können die chemischen und/oder biologischen Parameter des Fluidstroms, der in die Ionenanreicherungskammer 22 eintritt, und insbesondere chemische oder biologische Parameter innerhalb des Rückführungswegs gesteuert werden. Der Einsatz einer derartigen Steuerung ist in 3 dargestellt, in der chemische und/oder biologische Arten aus der Quelle 88 chemischer/biologischer Arten in den Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 eingeführt werden. Die Quelle 88 kann eine Vielfalt von Formen annehmen, wie etwa die eines Vorratsraums, der mit dem Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 mit einer gesteuerten Lieferungsleitung, die eine Pumpe oder dergleichen umfasst, verbunden ist. Wie dargestellt, nimmt die Quelle 88 die Form eines Vorratsraums an, der von einem Venturi-Rohr 120, durch das Fluid über die Zufuhrleitung 122 aus dem Zufuhreinlass 56 strömt, adressiert wird. Das Steuerventil 124 für chemische/biologische Arten steuert die Speisefluidströmung durch das Venturi-Rohr 120 und die Zufuhrleitung 122 führt weiter durch das Venturi-Rohr 120 und führt dem Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 zu. Somit strömt das Speisefluid, wenn die Vorrichtung 20 betriebsbereit und das Steuerventil 124 offen ist, durch das Venturi-Rohr 120, wobei die chemischen und/oder biologischen Arten aus der Quelle 88 gezogen und die Arten in den Behälter 86 eingeführt werden. Die Quelle 88 muss keine Arten direkt in den Tank 86 bereitstellen, wie dargestellt, aber kann derartige Arten an beliebiger Stelle bereitstellen, um derartige Arten in den Fluidstrom 62, der mit der Ionenanreicherungskammer 22 verbunden ist, einzuführen. Chemische und/oder biologische Arten aus der Quelle 88 können über eine Pumpe, über Schwerkraft oder über andere bekannte Verfahren in den Fluidstrom 62 eingeführt werden.
Während der Einführung von chemischen und/oder biologischen Arten in den Rückführungsweg aus der Quelle 88 kann es von Vorteil sein, die Konzentration derartiger Arten im Rückführungsweg zu maximieren.
Somit können das Zusatzventil 114 und das Schlammausblaseventil 118 während des Schritts geschlossen werden, so dass der Rückführungsweg zu einem geschlossenen Kreislauf wird, mit Ausnahme der Einführung von Arten aus der Quelle 88. Wie in 3 zu sehen, ergibt eine derartige Einführung einen reinen Anstieg des Fluidgehalts im Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86. Deshalb kann das Fluid, wenn das Fluidniveau im Behälter 86 ein vorbestimmtes Niveau erreicht, aus dem Behälter 86 durch den Überlauf 126 in den Abfluss 84 austreten.
Die Quelle 88 kann eine Vielfalt von chemischen und/oder biologischen Arten enthalten. Beispielsweise kann die Quelle 88 Bakterien enthalten, die ausgewählt wurden, um bestimmte im Rückführungsweg oder als Ergebnis der Ionenanreicherungsfunktion der Kammer 22 vorhandene Arten abzubauen. Die Quelle 88 kann alternativ dazu antibakterielle Mittel zur Entfernung von Bakterien aus dem Rückführungsweg enthalten. Die Quelle 88 kann auch chemische Sterilisationsmittel, wie etwa Peressigsäure, Natriumcarbonat und dergleichen, enthalten. Zusätzlich können in der Quelle 88 andere Reinigungsmittel, wie etwa alkalische Salzlösung, Salzlösung, Säure, chemische Alkaliarten und dergleichen, enthalten sein. Jegliche aus der Quelle 88 bereitgestellten Mittel können wahlweise vor der Zugabe zum Fluidstrom 62 auf eine gewünschte Temperatur eingestellt werden.
In einer noch anderen Ausführungsform kann die Quelle 88 chemische Arten, wie etwa sich nicht ablagernde Arten umfassen. Der Begriff „sich nicht ablagernde Arten", wie hier verwendet, soll Arten, typischerweise anorganische Salze, definieren, die Kationen und Anionen, die eine geringe Neigung aufweisen, Ausfällung aus wässrigen Lösungen zu verursachen, beinhalten. Der Begriff „sich ablagernde Arten", wie hier verwendet, soll Arten, typischerweise anorganische Salze, definieren, die Kationen und Anionen beinhalten, wobei die einen oder beide eine geringe Neigung aufweisen, Ausfällung aus wässrigen Lösungen zu verursachen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Quelle 88 eine konzentrierte Natriumchloridlösung. Gemäß dem in 2 dargestellten Polaritätsumkehrungsprotokollschritt, in dem ein Teilabschnitt des Fluidstroms 62, der in die Ionenanreicherungskammer 22 eintritt, von einer Zufuhrquelle 56 zugeführt wird, werden sich ablagernde Ionen wie Kalzium, Magnesium, Carbonat und Hydroxid typischerweise vom Zufuhreinlass 56 in die Ionenanreicherungskammer 22 gespeist, wenn ein Fluid von durchschnittlicher bis minderwertiger Qualität verwendet wird, und können Ausfällung, und demnach Ablagerung, fördern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird beim in 3 dargestellten Schritt konzentriertes Natriumchlorid als sich nicht ablagernde Art aus der Quelle 88 in den Rückführungsweg eingeführt, und der Überfluss wird bei 126 entfernt. Sobald ausreichende Mengen an chemischen und/oder biologischen Arten aus der Quelle 88 in den Rückführungsströmungsweg eingeführt wurden (d. h. sobald die Konzentration derartiger Arten im Rückführungsströmungsweg auf ein erwünschtes Niveau eingestellt ist), ist es oft von Vorteil, die Einführung derartiger Arten aus der Quelle 88 zu beenden und das Fluid durch die Ionenanreicherungskammer 22 in einem isolierten Rückführungsweg für einen Zeitraum, der zur Herstellung eines vorbestimmten Gleichgewichts innerhalb des Rückführungswegs ausreicht, rückzuführen. Beispielsweise kann die Rückführung fortgeführt werden, bis ein Gleichgewicht, bei dem die sich nicht ablagernde Arten gegenüber den sich ablagernde Arten in dem Ionenaustausschharzbett in der Kammer 22 überwiegen, hergestellt ist.
Zusätzlich kann die Rückführung fortfahren, bis ein Gleichgewicht hergestellt ist, bei dem das Ungleichgewicht im elektrischen Widerstand innerhalb der und unter den verschiedenen Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammern minimiert ist. Beispielsweise kann die Rückführung fortfahren, bis die Arten, die einen relativ hohen elektrischen Widerstand ergeben, aus den Ionenanreicherungskammern entfernt sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, ein Gleichgewicht herzustellen, bei dem beispielsweise die Natrium- und Chloridionen gegenüber Arten, wie etwa Carbonat, Kohlensäure, langsam diffundierende organische Stoffe und mehrwertige Ionen, überwiegen. Ein mit der Herstellung eines Gleichgewichts innerhalb des Rückführungswegs, in dem der elektrische Widerstand minimiert ist, verbundener Vorteil ist, dass der elektrische Strom über die Kammern viel freier fließt, wenn eine elektrische Quelle von konstanter Spannung benutzt wird. Dies ergibt eine Minimierung der pH-Verschiebung während des Polaritätsübergangs, was wiederum ein schnelleres Zeit-Qualität-Verhältnis nach der Polaritätsumkehrung ergibt. Ferner ergibt die Zugabe von Arten mit relativ geringem elektrischen Widerstand, wie etwa Natrium und Chlorid, in jede beliebige oder in alle Ionenabreicherungs- und/oder Ionenanreicherungskammern ein Gleichgewicht im elektrischen Widerstand zwischen dem Anionenaustauschharz und dem Kationenaustauschharz innerhalb der Kammer oder der Kammern. Dies minimiert auch die pH-Verschiebung während des Polaritätsübergangs.
Die oben beschriebene isolierte Rückführungsanordnung ist in 4 dargestellt, wobei das Zusatzventil 114, das Schlammausblaseventil 118 und ein Steuerventil 124 chemischer/biologischer Arten jeweils geschlossen sind. In diesem Fall wird ein isolierter Rückführungsweg aufgebaut, der die Ionenanreicherungskammer 22, deren Port 50, die Strömungsumkehrungsventile 90 und 92, das Ausgabeleitventil 94, die Leitung 96, den Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86, den Schnittstellenbehälterauslass 98, die Pumpe 100, die Leitung 102, die Leitung 104, die Strömungsumkehrungsventile 106 und 108 und den Port 48 der Ionenanreicherungskammer 22 umfasst. Wird das konzentrierte Natriumchlorid während des in 3 dargestellten Schritts in den Rückführungsweg eingeführt und der Rückführungsweg wird über einen Zeitraum wie in 4 dargestellt isoliert, kann das gemischte Ionenaustauschharzbett in der Ionenanreicherungskammer 22 von einer sich ablagernden Form, wie eine Kalzium-, Magnesium- und/oder Carbonat- oder Hydroxidform, zu einer sich nicht ablagernden Form, das heißt eine Natrium- und Chloridform, umgebildet werden.
Wie soweit mit Bezug auf 2–4 dargestellt, ist ein erster Fluidkreislauf der vorliegenden Erfindung dargestellt, der die Quelle eines ersten Fluidstroms 62, der eine erste Ionenkonzentration aufweist, mit der Ionenanreicherungskammer 22 verbindet und der die Quelle eines zweiten Fluidstroms 58, der eine zweite Ionenkonzentration aufweist, mit der Ionenabreicherungskammer 24 verbindet. Die Ionenkonzentration des Fluidstroms 62 wird im Allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, größer sein als die des zweiten Fluidstroms 58. Werden die Elektroden 32 und 34 erregt, wird ein abgereicherter Fluidstrom 60 aufgebaut, der aus der Ionenabreicherungskammer 22 austritt und eine dritte Ionenkonzentration aufweist, und es wird ein angereicherter Fluidstrom 64 erzeugt, der aus der Ionenanreicherungskammer 22 austritt und eine vierte Ionenkonzentration aufweist. Die vierte Ionenkonzentration des angereicherten Fluidstroms 64 ist im Allgemeinen, aber nicht notwendigerweise, größer als die dritte Ionenkonzentration des abgereicherten Fluidstroms 60, aufgrund der Reinigung des Fluids in der Ionenabreicherungskammer 24 der Elektroentionisierungsvorrichtung.
Als nächstes wird ein bei der Verbindung mit dem Polaritätsumkehrungsprotokoll nützlicher Schritt beschrieben. Der Substitutionsschritt wird durch einen zweiten Fluidkreislauf durchgeführt, bei dem die Verbindung zwischen dem Fluidstrom 58 und der Ionenabreicherungskammer 24 erhalten bleibt, während die Verbindung zwischen dem Fluidstrom 62, der die Ionenanreicherungskammer 22 speist, unterbrochen wird und ein Fluidstrom, der eine niedrigere Ionenkonzentration als die des Fluidstroms 62 aufweist, mit der Ionenanreicherungskammer 22 verbunden wird. Bezug nehmend auf 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines zweiten Fluidkreislaufs der vorliegenden Ausführungsform dargestellt, bei der eine einzelne Fluidstromquelle, das heißt, Zufuhreinlass 56, mit sowohl der Ionenanreicherungskammer 22 als auch mit der Ionenabreicherungskammer 24 verbunden ist. Dies wird durchgeführt, indem die Pumpe 100 angehalten wird und die Zufuhrleitventile 136 und 138 eingestellt werden, um das Speisefluid in sowohl die Ionenanreicherungskammer 22 als auch die Ionenabreicherungskammer 24 zu leiten. Die Einstellungen der Ausgabeleitventile 94 und 132 und des Produktauswahlventils 134 ändern sich nicht, wodurch der abgereicherte Fluidstrom 60 zur Produktsammlung gerichtet bleibt und der angereicherte Fluidstrom 64 zum Flüssigkeit/Gas-Schnittstellentank 86 gerichtet bleibt. Wie ersichtlich ist, liegt eine reine Eingabe von Fluid in den Behälter 86 vor, und der Behälter 86 strömt durch den Überlauf 126 in den Abfluss 84 über.
Auf diese Weise wird die Ionenanreicherungskammer 22, nachdem sie in eine sich nicht ablagernde Form und/oder in eine Form mit geringem Widerstand umgebildet worden ist, wie oben mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben, mit Speisefluid von niedrigerer Ionenstärke bei der Vorbereitung zum Einsatz als zweite Ionabreicherungskammer gespült, wie unten beschrieben. Zusätzlich kann zugelassen werden, dass der Tank 86 überströmt, was die Konzentration von als Ergebnis ihrer Verschiebung aus der Ionenanreicherungskammer 22 während des chemischen Eingabe- und Rückführungschritts, der in 3 und 4 dargestellt ist, vorhandenen sich ablagernden Ionen verdünnt.
Während des Substitutionsschritts der vorliegenden Erfindung können die Elektroden 32 und 34 unerregt sein. Dies ist in 5 durch die Abschaltung der elektrischen Schalter 44 und 46 dargestellt. Während des Betriebs der Vorrichtung 20 kann in der Ionenabreicherungskammer 24 Wasserabspaltung auftreten, wenn eine positive Polarität auf die Elektrode 32 angelegt wird und eine negative Polarität auf die Elektrode 34 angelegt wird. Eine derartige Wasserabspaltung kann auftreten, wenn die Potentialdifferenz an Harz- und Membranoberflächen größer ist als 0,83 Volt, was die Erzeugung von H⁺- und OH^–-Ionen im Fluid in den Abreicherungskammern ergibt. Wenn das Verhältnis der Konzentration an H⁺ und OH^– zu anderen Kationen und Anionen in den Ionenabreicherungskammern ausreichend ist und über einen adäquaten Zeitraum andauert, ergibt dies den Aufbau eines gemischten Ionenaustauschbetts in den Ionenabreicherungskammern in der H⁺- und OH^–-Form. Somit fährt die Ionenabreicherungskammer 24, wenn die Elektroden 32 und 34 unerregt sind, wie in 5 dargestellt, mit der Produktion eines hochwertigen abgereicherten Fluidstroms 60 mittels herkömmlichen Ionenaustauschs in der Ionenabreicherungskammer fort, solange sich das Ionenaustauschbett in der Kammer 24 in einer im Wesentlichen H⁺- und OH^–-Form befindet. Diese unerregte Anordnung bewirkt, dass die Ionenmigration in die Ionenabreicherungskammer 22 aufhört, was die Fluidionenkonzentration darin bei der Vorbereitung zum Einsatz durch die Kammer 22 als zweite Ionenabreicherungskammer senkt und elektrischen Strom spart.
Als nächstes, wie in 6 dargestellt, wird die Elektrolytströmung durch die erste Elektrodenkammer 36 aus einem beschränkten oder Impulszustand in einen frei strömenden Zustand umgewandelt und die Strömung des Elektrolyts durch die zweite Elektrodenkammer 38 wird aus einem frei strömenden Zustand in einen beschränkten oder Impulszustand umgewandelt. Dies wird durchgeführt, indem die Elektrolytströmungsventile 80 und 82 eingestellt werden, und um den Aufbau der Elektrode 32 als Kathiode und den Aufbau der Elektrode 34 als Anode vorzubereiten, wie unten beschrieben.
Nun mit Bezug auf 7 sind die Schalter 44 und 46 des elektrischen Stromkreislaufs 40 positioniert, um auf die erste Elektrode 32 eine negative Polarität und auf die zweit Elektrode 34 eine positive Polarität anzulegen, das heißt, die Polarität der Elektroden wird von der gemäß dem Rückführungsschritt, wie oben beschrieben, aufgebauten Polarität umgekehrt. Diese Anordnung wird bereitgestellt, während, und hält nur so lange wie, das Ionenaustauschbett in der Kammer 24 eine H⁺- und OH^–-Form aufweist, die ausreicht, um der Kammer 24 zu ermöglichen, ein hochwertiges abgereichertes Fluidprodukt bereitzustellen. Die umgekehrte Polarität der Elektroden bewirkt, dass die Anionen aus der Kammer 22 durch die anionendurchlässige Membran 26 in die Kammer 24 getrieben werden und die Kationen durch die kationendurchlässige Membran 28 in die Elektrodenkammer 36 getrieben werden. Auf diese Weise wird die Ionenstärke des Fluids in der Kammer 22 als Vorbereitung zum Einsatz durch die Kammer 22 als Ionenabreicherungskammer minimiert, wie unten mit Bezug auf 8 beschrieben.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die Polaritätsumkehrung der Elektroden im Anschluss an den Substitutionschritt, der oben mit Bezug auf 5 beschrieben wurde und bei dem die Elektroden unerregt sind, durchgeführt. Jedoch kann die Umkehrung der Polarität der Elektroden während des Substitutionsschritts ohne das Aberregen der Elektroden durchgeführt werden. Mit Bezug auf 5 würde dies durch Einstellen der Schalter 44 und 46 verdeutlicht werden, um den positiven Pol der Quelle 42 mit der Elektrode 34 und den negativen Pol der Quelle 42 mit der Elektrode 32 zu verbinden. Somit müssen die Elektroden während jedes Schritts des Polaritätsumkehrungsprotokolls nicht aberregt werden. Gemäß einer derartigen Ausführungsform würde im elektrischen Stromkreislauf 40 nur ein Schalter benötigt.
Nach dem oben beschriebenen Substitutionsschritt wird die Ionenanreicherungskammer 22 in eine zweite Ionenabreicherungskammer umgewandelt und die Ionenabreicherungskammer 24 wird in eine zweite Ionenanreicherungskammer umgewandelt. Mit Bezug auf 8 wird dies aufgebaut, indem die Polarität der Elektroden 32 und 34 so umgekehrt wird, dass eine negative Polarität auf die erste Elektrode 32 angelegt und eine positive Polarität auf die zweite Elektrode 34 angelegt wird, falls dies während des Substitutionsschritts oder anschließend an diesen noch nicht getan worden ist, und indem der erste Fluidstrom 62, der eine erste Ionenkonzentration durch die zweite Ionenanreicherungskammer 24 aufweist, und der zweite Fluidstrom 58, der eine zweite Ionenkonzentration durch die zweite Ionenabreicherungskammer 22 aufweist, aufgebaut werden. Auf diese Weise wird ein abgereicherter Fluidstrom 140 aufgebaut, der aus der zweiten Ionenabreicherungskammer 22 austritt, und ein angereicherter Fluidstrom wird rückgeführt. Insbesondere wird das Ausgabeleitventil 132 so geschaltet, dass der angereicherte Fluidstrom 142, der aus der zweiten Ionenanreicherungskammer 24 austritt, aufgebaut wird. Wie in dem oben mit Bezug auf 3 beschriebenen Schritt wird der angereicherte Fluidstrom rückgeführt. Insbesondere wird das Ausgabeleitventil 132 so geschaltet, dass der angereicherte Fluidstrom 142 durch die Leitung 96, den Behälter 86, die Pumpe 100, die Leitung 102 und die Leitung 105 rückgeführt wird, um als erster Fluidstrom 62, der in die zweite Ionenanreicherungskammer 24 eintritt, aufgebaut zu werden.
Dieser Umwandlungsschritt wird durch das Einstellen der Vorrichtung 20 durchgeführt, um einen vierten Fluidkreislauf zu definieren, in dem das Zufuhrleitventil 136 so eingestellt ist, dass es den ersten Fluidstrom 62 durch die Strömungsumkehrungsventile 144 und 146 in die zweite Ionenanreicherungskammer 24 leitet, und das Zufuhrleitventil 138 so eingestellt ist, dass es den zweiten Fluidstrom (Speisefluidstrom) 58 durch die Strömungsumkehrungsventile 106 und 108 in die zweite Ionenabreicherungskammer 22 leitet. Der abgereicherte Fluidstrom 140 tritt aus der zweiten Ionenabreicherungskammer 22 aus, fließt durch die Strömungsumkehrungsventile 90 und 92 und wird vom Ausgabeleitventil 94 zum Produktauswahlventil 134 geleitet, wo es zur Produktsammlung geleitet werden kann, wie dargestellt. Der angereicherte Fluidstrom 142 tritt aus der Ionenanreicherungskammer 24 aus, fließt durch die Strömungsumkehrungsventile 128 und 130 und wird durch das Ausgabeleitventil 132 durch die Leitung 96 und in den Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86, wie beschrieben, geleitet.
Wie in 8 dargestellt, umfasst der Umwandlungschritt das Leiten des Speisefluids durch die Leitung 122 und das Steuerventil 124 für chemische/biologische Arten, um chemische und/oder biologische Arten aus der Quelle 88 durch das Venturi-Rohr 120 und in den Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 zu ziehen, auf eine dem in 3 dargestellten Schritt ähnliche Weise. Der Überlauf aus dem Behälter 86 kann aus dem Überlauf 126 zum Abfluss 84 entfernt werden.
Bei vielen Stufen des Polaritätsumkehrungsprotokolls ist es von Vorteil, wenn der Widerstand über jede Ionenabreicherungs- oder Ionenanreicherungskammer minimiert ist. Beispielsweise, wie oben mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben, wird vorteilhafterweise ein Gleichgewicht innerhalb der Ionenanreicherungskammer 22 hergestellt, das einen geringeren Widerstand begünstigt. Ein Vorteil eines geringeren Widerstandzustands innerhalb der Ionenanreicherungskammer 22 ist, dass, nachdem der oben mit Bezug auf 8 beschriebene Umwandlungsschritt stattgefunden hat, die stärker leitenden Salze in der Kammer 22, die nicht auf Ionenaustauschharz unbeweglich gemacht wurden, leichter über die ionendurchlässige Membran 26 in die Ionenanreicherungskammer 24 und über das die Kammern füllende Harz transferiert werden können, Dies stellt ein besseres Zeit-Qualität-Verhältnis nach der Polaritätsumkehrung bereit. Ein anderer Vorteil ist, dass stärker leitende Salze auf Ionenaustauschharz innerhalb der Kammer 22 unbeweglich gemacht werden, was elektrischen Widerstand über diese Kammer minimiert.
Als nächstes, mit Bezug auf 9, wird das Steuerventil 124 für chemische/biologische Arten geschlossen, um die Einführung von Arten aus der Quelle 88 in den Behälter 86 zu stoppen, ein isolierter Rückführungsströmungsweg durch die zweite Ionenanreicherungskammer 24 wird auf eine dem in 4 dargestellten Schritt ähnliche Weise aufgebaut. Dann, mit Bezug auf 10, können das Zusatzventil 114 und das Schlammausblaseventil 118 geöffnet werden, um den Zufuhreinlass 56 mit dem Fluidstrom 62 mittels der Zusatzleitung 112 zu verbinden, um den Rückführungsströmungsstrom mit einer kontinuierlichen Verdünnung zu versorgen. Der Schlammausblaseauslass 116 entfernt überschüssiges Fluid aus dem Rückführungsströmungsstrom.
Ein vollständiger halber Zyklus des Polaritätsumkehrungsprotokolls ist mit Bezug auf die 2–9 beschrieben worden. Im ersten halben Zyklus des Protokolls weist der in 2 dargestellte erste Fluidkreislauf Funktionen wie ein erster Langzeit-Betriebsmodus auf. Gemäß diesem Modus wird die Rückführung durch die Ionenanreicherungskammer 22 durch Verdünnung aus der Zusatzleitung 112 und durch Schlammausblasen durch den Schlammausblaseauslass 26 aufgebaut. Der Begriff „Langzeit-Betriebsmodus" soll einen Modus definieren, der sich am besten für die kontinuierliche Gewinnung eines abgereicherten Produkts aus der Vorrichtung 20 über einen ausgedehnten Zeitraum, d. h. Stunden oder Tage, eignet. Obwohl während der in 3–9 dargestellten Schritte kontinuierlich ein hochwertiges abgereichertes Produkt gewonnen wird, sind diese Schritte im Allgemeinen kurzfristige Zwischenschritte im Polaritätsumkehrungsprotokoll.
Wie in den Darstellungen zu erkennen, definiert der in 10 dargestellte vierte Fluidkreislauf auch einen Langzeit-Betriebsmodus, da dieser bezüglich der Bedienung mit dem in 2 dargestellten ersten Fluidkreislauf identisch ist, mit der einzigen Ausnahme, dass die Kammern 22 und 24 hinsichtlich der Ionenanreicherungs- und Ionenabreicherungsfunktionen umgekehrt worden sind.
Anschließend kann die zweite Hälfte des Zyklus auf eine dem ersten Zyklus gleichende oder entsprechende Weise ausgeführt werden, wie oben beschrieben, jedoch aus einer zweiten Perspektive, bei der die Kammer 22 eine Ionenabreicherungskammer und die Kammer 24 eine Ionenanreicherungskammer ist.
Die zweite Hälfte des erfinderischen Polaritätsumkehrungsprotokolls entspricht den oben in 3–9 beschriebenen Schritten und wird kurz beschrieben werden. Nach dem in 10 dargestellten Schritt, der den zweiten Langzeit-Betriebsmodus definiert, können das Zusatzventil 114 und das Schlammausblaseventil 118 geschlossen werden und das Steuerventil 124 für chemisch/biologische Arten kann geöffnet werden, um chemische und/oder biologische Arten aus der Quelle 88 in den Behälter 86 einzuführen. Diese Anordnung ist in 8 dargestellt. Anschließend kann das Ventil 124 geschlossen werden, um einen isolierten Rückführungsweg aufzubauen, wie in 9 dargestellt, der sich vom in 10 dargestellten Langzeit-Betriebsmodus dahingehend unterscheidet, dass das Zusatzventil 114 und das Schlammausblaseventil 118 geschlossen sind, und der isolierte Rückführungsströmungsweg vergrößert sich in der Ionenstärke aufgrund der Ionenmigration aus der zweiten Ionenabreicherungskammer 22 zur zweiten Ionenanreicherungskammer 24. Dann kann ein Substitutionsschritt, der dem oben mit Bezug auf 5 beschriebenen entspricht, durchgeführt werden, und dies ist in 11 dargestellt, wobei die Elektroden 32 und 34 unerregt sind. Mit Bezug auf 12 wird die Elektrolytströmung durch die Elektrodenkammern 36 und 38 erneut eingestellt, um eine kontinuierliche Strömung durch die Kammer 38 bereitzustellen und eine Impulsströmung oder anderweitig beschränkte Strömung durch die Kammer 36 bereitzustellen. Anschließend kann eine positive Polarität auf die Elektrode 32 und eine negative Polarität auf die Elektrode 34 angelegt werden, wie in 13 dargestellt. Mit Bezug auf 3 wird ein zweiter Umwandlungsschritt durchgeführt, bei dem die Kammer 22 von einer zweiten Ionenabreicherungskammer in eine Ionenanreicherungskammer umgewandelt wird, und wobei die Kammer 24 von einer zweiten Ionenanreicherungskammer in eine Ionenabreicherungskammer umgewandelt wird, während das Ventil 124 geöffnet wird, um Arten aus der Quelle 88 in den Behälter 86 zu ziehen. Das Ventil 124 kann dann geschlossen werden, wie in 4 dargestellt, um einen Rückführungsströmungsweg durch die Ionenanreicherungskammer 22 zu isolieren, wobei danach die Ventile 114 und 118 geöffnet werden, um den Rückführungsweg mit Verdünnung und Schlammausblasen zu versorgen, und die zweite Hälfte des Protokolls ist abgeschlossen, indem mit dem in 2 dargestellten ersten Langzeit-Betriebsmodus begonnen wird und die zweite Hälfte des Polaritätsumkehrungsprotokolls abgeschlossen wird.
Soweit ist ein Polaritätsumkehrungsprotokoll beschrieben worden. Zusätzlich ist, wie oben erwähnt, gemäß der Erfindung ein Strömungsumkehrungsprotokoll bereitgestellt. Gemäß dem Strömungsumkehrungsprotokoll kann die Strömung nur in der Ionenanreicherungskammer 22 umgekehrt werden oder die Strömung kann gleichzeitig in der Ionenanreicherungskammer 22 und der Ionenabreicherungskammer 24 umgekehrt werden. Bezugnehmend auf 14 ist eine derartige gleichzeitige Umkehrung dargestellt. In der Ionenanreicherungskammer wird die Umkehrung durchgeführt, indem die Umkehrungsventile 106, 108, 90 und 92 so geschaltet werden, dass ein erster Fluidstrom 62 aufgebaut wird, der durch die Ionenanreicherungskammer 22 in eine zweite Richtung, die der in 2 dargestellten ersten Richtung entgegengesetzt ist, strömt. In der Ionenabreicherungskammer 24 wird die Umkehrung durchgeführt, indem die Strömungsumkehrungsventile 144, 146, 128 und 130 so geschaltet werden, dass ein zweiter Fluidstrom 58 aufgebaut wird, der durch die Anreicherungskammer 24 in eine zweite Richtung, die der in 2 dargestellten ersten Richtung entgegengesetzt ist, strömt. Mit Bezug auf 15 ist der Strömungsumkehrungskreislauf in Verbindung mit einem Schritt des Polaritätsumkehrungsprotokolls dargestellt, bei dem die Kammer 22 eine zweite Ionenabreicherungskammer definiert und die Kammer 24 eine zweite Ionenanreicherungskammer definiert.
Die Schritte des in 14 und 15 dargestellten erfinderischen Strömungsumkehrungsprotokolls entsprechen jeweils den Schritten des in 2 bzw. 10 Polaritätsumkehrungsprotokolls. Das heißt, 14 und 15 stellen Schritte in einem Strömungsumkehrungsprotokoll dar, das Langzeit-Betriebsmodi definiert. Dies dient ausschließlich Darstellungszwecken. Die erfinderischen Strömungsumkehrungsschritte können bei jeder beliebigen Stufe des Polaritätsumkehrungsprotokolls ausgeführt werden oder sie können in Verbindung mit oder unabhängig von dem Polaritätsumkehrungsprotokoll ausgeführt werden.
Ein Polaritätsumkehrungsprotokoll kann Umkehrungsschritte von variierender Dauer nach sich ziehen, wobei die Schritte in variierender Sequenz gemäß oder getrennt von dem Strömungsumkehrungsprotokoll der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können. Beispielsweise können zahlreiche Polaritätsumkehrungsschritte ohne jegliche Zwischenströmungsumkehrungsschritte durchgeführt werden, oder die zahlreichen Strömungsumkehrungsschritte können ohne jegliche Zwischenpolaritätsumkehrungsschritte ausgeführt werden, und die Dauer der einzelnen Schritte der Polaritätsumkehrung und/oder der Strömungsumkehrung können variieren. Wenn die Strömungsumkehrung in Verbindung mit der Polaritätsumkehrung durchgeführt wird, können die Frequenz der Strömungsumkehrungsschritte relativ zu den Polaritätsumkehrungschritten sowie die Dauer der einzelnen Schritte von entweder dem Strömungs- oder dem Polaritätsumkehrungsprotokoll als Reaktion auf eine Vielfalt von Faktoren eingestellt werden. Beispielsweise können Einstellungen auf der Basis der Qualität des Speisefluids, mit dem die Vorrichtung beliefert wird, der Grad der Ablagerungsneigung der Vorrichtungsmembranen relativ zu den Harzfüllungsvorrichtungskammern, der Druckabfall durch verschiedene Kammern, die Fluidströmungsgeschwindigkeit durch verschiedene Kammern, das Niveau von Spannung oder Strom, die durch die elektrische Quelle geliefert werden, und dergleichen, vorgenommen werden.
Im Allgemeinen bietet ein in Verbindung mit einem Polaritätsumkehrungsprotokoll durchgeführtes Strömungsumkehrungsprotokoll den Vorteil, dass es die chemische Natur der Membranen, die die Kammern der Elektroentionisierungsvorrichtung auf eine gleichmäßigere Weise in allen Kammern definiert, und die chemische Natur des Harzes, das diese Kammern auf ebensolche Weise füllt, aufrechterhält. Während des normalen Elektroentionisierungsvorrichtungsbetriebs tritt eine reine Strömung von Ionenarten aus den Ionenabreicherungskammern und in die Ionenanreicherungskammern auf. Da Fluidströmung durch die Kammern während eines einzelnen Protokollschritts nur in eine Richtung auftritt, variiert während des einzelnen Schritts zwangsläufig den chemischen Aufbau aller Kammern zwischen dem Einlass und dem Auslass jeder Kammer. Das heißt, die chemische Aufmachung der Membranen, die jede Kammer und den Harzfüller innerhalb jeder Kammer definieren, unterscheiden sich etwas nahe dem Einlass im Gegensatz zu nahe dem Auslass jeder Kammer während eines einzelnen Schritts.
Beispielsweise kann die Ablagerungsbildung in der Elektroentionisierungsvorrichtung überraschenderweise in größerem Maße nahe den Einlässen der Ionenanreicherungskammern als nahe den Kammerauslässen auftreten, und sie kann auch innerhalb der Ionenabreicherungskammern, in erster Linie nahe den Kammereinlässen, auftreten.
Als anderes Beispiel tritt Wasserabspaltung in größerem Maße nahe den Auslässen der Ionenabreicherungskammern auf. Somit wird der Ionenfüller in den Ionenabreicherungskammern in Wasserstoff- und Hydroxidform in größerem Maße nahe den Auslässen dieser Kammern umgebildet. Umbildung von Harz zur Wasserstoff- und Hydroxidform bewirkt, dass sich Ablagerung oder Schmutzstoffe auf dem Harz lösen, und es ist von Vorteil, eine derartige Umbildung gleichmäßig durch die Ionenabreicherungskammern zu vereinfachen. Indem eine Strömungsumkehrung durchgeführt wird, ist es möglich, zu bewirken, dass Wasserabspaltung auf lange Sicht gleichmäßiger durch die Ionenabreicherungskammern auftritt.
Gleichzeitig kann es von Vorteil sein, zu bewirken, dass andere chemische Reaktionen, die vorrangig nahe dem Einlass oder Auslass einer bestimmten Kammer auftreten, auf lange Sicht gleichmäßiger durch die Kammer auftreten, indem Strömungsumkehrung durchgeführt wird. Natürlich dienen alle Kammern der Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung sowohl als Ionenabreicherungskammern als auch Ionenanreicherungskammern gemäß dem Polaritätsumkehrungsprotokoll. Deshalb wird jeder Vorteil, der in einer Abreicherungs- oder Anreicherungskammer realisiert wird, aufgrund der Strömungsumkehrung auf lange Sicht in allen Kammern realisiert werden, wenn die Strömungsumkehrung in Verbindung mit Polaritätsumkehrung verwendet wird.
Die Steuerung der Ventile der Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf vielfältige Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Einstellung manuell, maschinell oder mittels einer Kombination aus sowohl manuell als auch maschinell ausgeführten Abläufen ausgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden auf Mikroprozessoren basierende Kontroller und Computer verwendet, um die Ventile der erfinderischen Vorrichtung zu den gewünschten Positionen einzustellen. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Steuerung der Impulsströmung von Elektrolyt durch die Elektrodenkammern 36 und 38.
Wie oben angegeben, kann die Länge von Polaritäts- oder Strömungsumkehrungszyklen oder -schritten die gleiche oder eine ungleiche Dauer aufweisen. Beispielsweise kann ein halber oder ganzer Polaritätsumkehrungszyklus in den Mikroprozessor einprogrammiert werden, und kann mittels manuellen Schattens, eines Signals von einer anderen Steuerung oder Einrichtung außerhalb der Elektroentionisierungsvorrichtung (beispielsweise eine Zeitschaltuhr, ein Produktwasserbehälterniveaumonitor, ein Produktwasserqualitätsmonitor, eine Vorbehandlungsrückwaschungseinrichtung, ein Hauptcomputer, eine Einrichtung zum Messen von elektrischem Strom, ein Ionenmonitor, ein Bakterienmessmonitor oder dergleichen) oder durch eine interne Zeitschaltuhr innerhalb der Vorrichtung initiiert werden. In einem derartigen Fall würde der Mikroprozessor die Reihenfolge und Dauer der Schritte innerhalb des halben oder ganzen Zyklus steuern. Zusätzlich können eine gewünschte Reihenfolge und Frequenz der Polaritätsumkehrungszyklen, der Strömungsumkehrungszyklen oder einer Kombination durch einen Mikroprozessor gesteuert werden und voll maschinell sein.
Somit kann eine breite Vielfalt an Kombinationen von halben oder ganzen Polaritätsumkehrungszyklen, die wahlweise in Strömungsumkehrungszyklen integriert sein können, darauf zugeschnitten werden, einer breiten Vielfalt an Fluidreinigungsbedürfnissen gerecht zu werden, und die Steuerung der Reihenfolge und der Frequenz der Zyklen und Schritte der Zyklen können vollständig manuell, vollständig maschinell oder eine Kombination aus manuell und maschinell sein. Vorzugsweise werden die Reihenfolge und Dauer der bestimmten Schritte eines halben Polaritätsumkehrungszyklus von einem Mikroprozessor gesteuert, und eine externe Steuerung, entweder manuell oder maschinell als Reaktion auf eine Bedingung der Vorrichtung oder des Speise- oder Produktfluids, wird die Frequenz des Schattens des halben Zyklus und die Strömungsumkehrungseinbeziehung steuern.
Wie oben angegeben, sind die Ionenanreicherungskammern der Elektroentionisierungsvorrichtung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, so angeordnet, dass das Fluid durch die Ionenanreicherungkammern in eine Aufwärtsrichtung strömt, um in den Anreicherungskammern erzeugtes Gas aus den Kammern effizienter zu entfernen. Gemäß dem oben mit Bezug auf 14 und 15 beschriebenen Strömungsumkehrungsprotokoll können die Strömungsumkehrungsschritte eine Fluidströmung durch die Anreicherungskammern in eine allgemeine Abwärtsrichtung während der sich abwechselnden Strömungsumkehrungsschritte ergeben. Deshalb können derartige Schritte, die eine Abwärtsströmung ergeben, vorteilhafterweise lediglich über einen kurzen Zeitraum ausgeführt werden, und die Strömungsrichtung durch die Kammern kann wieder in ihre ursprüngliche Richtung geändert werden. Auf diese Weise wird die Zeit, während der die Strömung durch die Anreicherungskammern in eine Aufwärtsrichtung auftritt, maximiert. Alternativ dazu kann die Elektroentionisierungsvorrichtung so entworfen sein, dass die Kammern während der Vorwärtsströmung in eine erste Ausrichtung und während der Gegenströmung in eine zweite Ausrichtung angeordnet werden können, so dass die Strömung in beiden Fällen eine allgemeine Aufwärtsrichtung durch die Anreicherungskammern ist.
Die Elektroentionisierung der vorliegenden Erfindung ist soweit mit Bezug auf die schematischen Darstellungen beschrieben worden. Eine bevorzugte Anordnung für das Reinigungszentrum der Vorrichtung wird in 1–15 durch die Anreicherungskammer 22, die Abreicherungskammer 24 und die Elektrodenkammern 36 und 38 verdeutlicht. Eine derartige bevorzugte Anordnung ist detaillierter in 16 dargestellt.
Bezugnehmend auf 16 beinhaltet das Reinigungszentrum 150 eine Vielzahl von gestapelten Kammern, die durch ein Paar sich gegenüberliegende Endplatten 154 gebunden sind. Angrenzend an jede Endplatte befindet sich ein Endblock 156, der als ein Montierelement für ein Paar sich gegenüberliegende Elektroden 158 dient. Jede Elektrode weist eine Zunge 160 auf, die sich durch deren angrenzenden Endblock und deren angrenzende Endplatte erstreckt. In der Perspektive aus 16 ist eine untere Elektrode 158 sichtbar und die Zunge 160 der oberen Elektrode ist sichtbar. Angrenzend an jede Elektrode befindet sich ein Elektrodenabstandshalter 162, der eine Vielzahl von Rippen 164, die Fluidströmungswege durch den Elektrodenabstandshalter definieren, aufweist. Eine inerte Abschirmung (nicht gezeigt) kann angrenzend an die Rippen positioniert werden, um ein turbulente Fluidströmung durch diese bereitzustellen.
Ein Stapel 166 von sich abwechselnden Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammern ist zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenabstandshaltern 162 positioniert. Der Stapel 166 beinhaltet eine Reihe von sich abwechselnden Anionenaustauschmembranen 168 und Kationenaustauschmembranen 170 und ist an Abstandshaltern 172 befestigt und durch diese getrennt. Die sich abwechselnden Membranen 168, 170 und der Abstandshalter 172 definieren jeweils einzelne Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammern 176 und 178. Jeder Abstandhalter 172 umfasst eine Vielzahl von Rippen 174, um Strömungswege durch die Ionenabreicherungs- oder Ionenanreicherungskammern zu definieren. Jede der Kammern 176, 178 ist mit einem Ionenaustauschharz gefüllt, vorzugsweise mit einer Mischung, die ein Anionenaustauschharz und ein Kationenaustauschharz beinhaltet. Löcher 179 in den Endplatten 154 und in den Endblöcken 156 sind entworfen, um Verbindungsriegel (nicht gezeigt) unterzubringen, die die Vielzahl von gestapelten Kammern des Reinigungszentrums 150 zusammenhalten und zusammendrücken.
Die Abstandshalter 172 sind vielfältig verteilt, so dass jede der Kammern in Fluidverbindung mit ihren gleichen Kammern steht. Somit stehen die Ionenabreicherungskammern 176 jeweils miteinander in Fluidverbindung, und die Ionenanreicherungskammern 178 stehen jeweils miteinander in Fluidverbindung. Das vielfältige Verteilen kann erreicht werden, indem jeder Abstandshalter mit einem Raumeinlass 180 und einem Raumauslass 182 sowie einem Paar Transferkanälen 184 versehen wird, die dem Fluid ermöglichen, durch den Abstandshalter aus den angrenzenden Kammern geführt zu werden, ohne in den teilweise durch diesen Abstandshalter definierten Raum einzutreten. Der Raumeinlass 180 und der Raumauslass 182 können auf sich diagonal gegenüberliegenden Ecken eines jeden Abstandshalter so positioniert werden, dass ein Paar verschachtelte, aber isolierte Strömungswege durch den Stapel 166 gebildet werden, wenn angrenzende, identische Abstandshalter vertauscht werden. Als solches ist es möglich, ein einziges Abstandshalterdesign zu verwenden, das einen Stapel bereitstellt, der eine Vielzahl von Ionenabreicherungskammern in Fluidverbindung miteinander, eine Vielzahl von Ionenanreicherungskammern in Fluidverbindung miteinander, aber keine Fluidverbindung zwischen den Ionenabreicherungskammern und den Ionenanreicherungskammern bereitstellt. Natürlich kann gesagt werden, dass die Ionenabreicherungskammern und die Ionenanreicherungskammern eine gegenseitige Verbindung mittels Ionen, die über die Ionenaustauschmembranen transferiert werden, erreichen.
Jede Endplatte 154 ist mit einer Vielzahl von Ports versehen, um Fluidströmung durch die Einrichtung zu ermöglichen. Somit kann jede Endplatte einen Konzentrateinlassport 186, einen verdünnenden Stromeinlassport 188, einen Konzentratauslassport 190, einen Verdünnungsproduktauslassport 192, einen Elektrodeneinlassport 194 und einen Elektrodenauslassport 196 umfassen. Zusätzlich ist auch ein Elektrodenkontaktport 198 bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass die Zunge 160 jeder Elektrode 158 von den Enden der Einrichtung vorstehen kann.
Bezugnehmend auf 17 werden die Strömungswege der Flüssigkeiten in den verschiedenen Kammern des in 16 dargestellten Reinigungszentrums erläutert. Gezeigt wird eine zweistufige Einrichtung, obwohl auch einstufige oder mehrstufige Einrichtungen verwendet werden können. Zu reinigende Flüssigkeit tritt in den Einlass 188 ein, fließt durch die Abreicherungskammer 176, wird dann durch eine zweite Abreicherungskammer 176 geführt und wird aus dem Auslass 192 gewonnen. Es versteht sich, dass die Flüssigkeitsströmung durch die Abreicherungskammern in jeder Stufe in eine Richtung erfolgen kann. Die Flüssigkeit kann auch durch mehr als eine Abreicherungskammer in jeder Stufe geführt werden. Zusätzlich kann das flüssige Abwasser aus einer Abreicherungskammer in mehrere Ströme aufgespalten und dann durch einen zweiten Satz von Abreicherungskammern geführt werden. Anreichernde Flüssigkeit wird durch den Einlass 186 durch die Anreicherungskammern 178 und dann durch den Auslass 190 zum Abfluss geführt. Flüssiger Elektrolyt wird durch die Elektrodenkammern 210 und 212 aus den Einlässen 194 geführt und durch die Auslässe 196 zum Abfluss entsorgt.
In der in 16 oben abgebildeten Vorrichtung teilten die Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammer jeweils eine gemeinsame Membranwand mit ihrer angrenzenden Kammer. Da die Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammer jeweils mit Ionenaustauschharz gefüllt ist, ist das Trennen der Kammern, falls beispielsweise Wartung erforderlich ist, schwierig. Ein üblicher Ansatz, um dieses Problem zu behandeln, ist die Bereitstellung von inerten Abschirmungsabstandshaltern periodisch innerhalb des Stapels von Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammern. Dieser Ansatz führt jedoch zu weiteren Komplikationen, da die Fluid- und elektrische Verbindung über die Abschirmungen aufrechterhalten werden müssen. Infolgedessen ist ein kompliziertes zusätzliches vielfältiges Verteilen notwendig.
Die Verwendung eines inerten Abschirmungsabstandshalters kann vermieden werden, indem die Ionenabreicherungs- und Ionenanreicherungskammer jeweils als einzelnes, unabhängiges Modul, das mit seinen angrenzenden Modulen in einem Überlappungsverhältnis gehalten wird, bereitgestellt wird. Wie in 18a gezeigt, umfasst jedes Modul 250, 250' einen Abstandshalter 252, 252', der eine Anionenaustauschmembran 254, 254', die auf einer Seite montiert ist, und eine gegenüberliegende Kationenaustauschmembran 256, 256' auf seiner gegenüberliegenden Seite aufweist. Die Membranen und der Abstandshalter definieren eine Kammer 258, 258', die mit einem Ionenaustauschmedium 260, 260', vorzugsweise einem Gemisch aus Anionen- und Kationenharzen, gefüllt ist.
Frei stehend neigen die Membranen jedes Moduls dazu, sich infolge von Harzschwellung nach außen zu wölben. Obwohl das Schwellen den Abstand zwischen den Membranen beeinträchtigt, wenn die einzelnen Module wie in 18b gezeigt unter Druck zusammengehalten werden, werden die Harze zusammengedrückt und die Membranen werden in eine paralleles Verhältnis mit gewünschtem Abstand zwischen den Membranen gezwungen. Wie in 18b zu erkennen ist, werden die Module 250, 250' unter Druck, der von angrenzenden Modulen und letztlich von an jedem Ende des Reinigungszentrumstapels positionierten Endplatten bereitgestellt wird, zusammengezwungen. Der Druck drückt das Harz 260, 260', das in jeder Kammer 258, 258' enthalten ist, zusammen und zwingt die Membranen auch in eine parallele Konfiguration, die dem gewünschten Abstand zwischen den Membranen entspricht. Anders als eine herkömmliche Elektroentionisierungsvorrichtung wird die Kationenmembran 256 des ersten Moduls 250 bei der Konfiguration aus 18b in Überlappung mit der Kationenaustauschmembran 256' des angrenzenden Moduls 250' gedrückt. Obwohl nicht in der Figur gezeigt, würde sich, wenn zusätzliche Module angrenzend an Modul 250' bereitgestellt wären, die Anionenaustauschmembran 254' des Moduls 250' in Überlappung mit einer Anionenaustauschmembran des angrenzenden Moduls befinden. Somit ist, anders als eine Konfiguration, bei der jede Kammer durch eine einzelne Ionenaustauschmembran getrennt ist, bei der Konfiguration aus 18b jede Kammer von der angrenzenden Kammer durch ein Paar gleiche, sich überlappende Membranen getrennt. Anders als die bipolaren Membrankonfigurationen einiger Einrichtungen des Stands der Technik (siehe beispielsweise U.S. Patent Nr. 4,871,431 an Parsi) ergibt die Vorrichtung aus 18b eine für alle praktischen Zwecke einzelne Anionen- oder Kationenaustauschmembran von doppelter Stärke. Eine derartige Konfiguration bietet ein Leistungsverhalten, das dem von Einrichtungen, die durch eine einzelne Ionenaustauschmembran getrennte Kammern aufweisen, entspricht. Da die Vorrichtung aus 18a und 18b jedoch ein Moduldesign bereitstellt, ist der Bedarf an der Bereitstellung von Innenabschirmungen zwischen den Innenteilabschnitten des Stapels beseitigt und, falls erwünscht, wird es möglich, selbst eine einzelne Ionenaustauschkammer zu ersetzen, falls dies erwünscht ist. Schließlich wirken die Harze dahingehend, eine Bewegung der Membranen zu verhindern und den gewünschten Abstand zwischen den Membranen über jede Ionenaustauschkammer aufrechtzuerhalten, da die Harze, die innerhalb des Modulstapels enthalten sind, auf jeder Seite des Paares sich überlappender Membranen unter Druck gehalten werden.
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Vorteile der vorliegenden Erfindung. Sie sollen jedoch nicht den gesamten Bereich der Erfindung erläutern. Beispielsweise kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die Reihenfolge der wie oben und/oder wie in den Beispielen beschriebenen Protokollschritte umzustellen, obwohl ein bestimmtes Polaritätsumkehrungsprotokoll erläutert wird. Zusätzlich können Schritte des Protokolls beseitigt werden oder Einstellungen einiger Schritte können in andere dieser Schritte eingesetzt werden. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, das Timing der Polaritätsumkehrung der Elektroden 32 und 34 im Protokoll eingestellt werden und/oder der Aberregungsschritt kann beseitigt werden. Als ein anderes Beispiel kann die Einführung von chemischen und/oder biologischen Arten aus dem Behälter 88 bei jedem beliebigen Protokollschritt durchgeführt werden oder kann aus dem Protokoll beseitigt werden. Gleichermaßen können die Aufmachung und das Schlammausblasen bei jedem beliebigen Schritt durchgeführt werden oder vollständig beseitigt werden. Die in 14 und 15 dargestellten Strömungsumkehrungsschritte können an jedem Punkt während des Polaritätsumkehrungsprotokolls durchgeführt werden. Insbesondere, wenn ein minderwertiges Fluid als Speisefluid verwendet wird, kann recht häufig, beispielsweise so oft wie oder öfter als die Frequenz des Polaritätsumkehrungsprotokolls, eine Strömungsumkehrung notwendig sein, da ein minderwertiges Fluid typischerweise partikuläres Material enthält, das das Ionenaustauschharz und die ionendurchlässigen Membranen der Anreicherungskammern der Vorrichtung schneller verunreinigen kann. Es versteht sich, dass die oben beschriebenen und andere Modifikationen sowie ihre Äquivalente in der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Beispiel 1: Beispielshaftes Polaritätsumkehrungsprotokoll
Zwei identische, vierzellpaarige einstufige Elektroentionisierungsvorrichtungen wurden in einer Konfiguration der in 16 gezeigten Art aufgebaut, wobei jede folgende Komponenten beinhaltete: zwei 13 mm (0,5 Inch) dicke Aluminiumendplatten, zwei 13 mm (0,5 Inch) dicke Polypropylen-Elektrodenblöcke, zwei mit Iridiumoxid beschichtete Titan-Elektroden, die jeweils von ihren nächstliegenden (kationendurchlässigen) Ionenaustauschmembranen um eine 0,625 mm (0,025 Inch) dicke, gewobene Polyester-Elektrodenkammerabschirmung, die um die Peripherie durch einen Rahmen aus thermoplastischem Elastomer abgedichtet ist, getrennt ist, einen alternierenden Stapel von neun heterogenen, auf Polyethylen basierenden Kationen- und Anionenaustauschmembranen in einer Sequenz, die mit einer Kationenmembran beginnt und endet, wobei jede Membran mit Kleber an Polypropylen-Zwischenmembranabstandshaltern geklebt ist (Abstand zwischen den Membranen von ungefähr 2,4 mm (0,1 Inch) und einer Strömungsweglänge von 330 mm (13 Inch)), wobei jeder Abstandshalter 3 Unterkammern beinhaltet, die jeweils annähernd 30,5 mm (1,2 Inch) breit sind, wobei jede Unterkammer mit Rohm und Haas Amberjet gemischtem Ionenaustauschharz in einem 60 : 40 Anionen-Kationen-Verhältnis pro Volumen gefüllt ist.
Den zwei Vorrichtungen wurde parallel Bohrlochwasser eingespeist, das durch UV-Sterilisierungsbehandlung vorbehandelt wurde, gefolgt von granulataktiviertem Kohlenstoff und gefolgt von 0,5 Mikrometer Nominalfiltrierung. Jeder Ionenabreicherungs- und jeder Ionenanreicherungsstrom wurde parallel ohne Stromrückführung in eine Stromabwärtsrichtung eingespeist, und jeder Strom wurde bei einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 0,9 I/min betrieben. Eine Gleichstromspannung von ungefähr 19,5 Volt wurde zwischen den Elektroden jeder Vorrichtung angelegt. Das Speisewasser für jede Vorrichtung enthielt ungefähr 235 ppm gesamter gelöster Feststoffe (wie etwa CaCO₃), einschließlich 102 ppm Calcium, 57 ppm Magnesium und 117 ppm Bicarbonationen, 9 ppm Kieselsäure und einen pH-Wert von ungefähr 8,05. Die Produkt- und Konzentratauslässe wurden durcheinander ersetzt und die Polarität wurde auf jeder Vorrichtung in Intervallen von 30 Minuten umgekehrt. Über einen Zeitraum von 4 Tagen wurde die Betriebsspannung auf jeder Vorrichtung allmählich auf 41 Volt erhöht, um eine schnell erkennbare pH-Verschiebung innerhalb der Vorrichtung zu errichten. Beginnend am vierten Tag und danach alle 24 Stunden wurden die Strömungsrichtungen aller Ströme auf der ersten Vorrichtung umgekehrt, so dass auf täglicher Basis zwischen den Strömaufwärts- und Stromabwärtsrichtungen abgewechselt wird. Es gab keine Strömungsumkehrung auf der zweiten Vorrichtung und beide Vorrichtungen führten identische Polaritätsumkehrungssequenzen in Intervallen von 30 Minuten fort.
Am 4. Tag lagen die Reinigungsniveaus in den ionenabreicherungsströmen beider Vorrichtungen, wie durch elektrische Konduktanz überwacht, bei ungefähr 80%. Beginnend am 5 Tag des Betriebs neigten die Ionenabreicherungsströme beider Vorrichtungen dazu, den pH-Wert auf ein Maximum von 9,5 zu erhöhen und dann, bei Polaritätsumkehrung, neigte der pH-Wert der Ströme – nun Ionenanreicherungsströme – dazu, sich auf ein Minimum von ungefähr 6,6 zu verringern. Langelier-Sättigungsindexrechnungen zeigten an, dass die Konzentratströme eine durchweg niedrigere Ablagerungsneigung aufwiesen und dass die Abreicherungsströme beim höchsten pH-Wert eine hohe Ablagerungsneigung aufwiesen. Am 5. Tag des Betriebs begann sich die Reiniungsleistung der zwei Vorrichtungen zu unterscheiden – die erste erhielt bis zum 12. Tag eine annähernde Reinigung von 80% aufrecht und die zweite Vorrichtung ließ allmählich bis auf ungefähr 60% Reinigung nach. Während dieser Zeit erhielt die erste Vorrichtung einen elektrischen Widerstand von ungefähr 25 Ohm aufrecht und bei der zweiten Vorrichtung erhöhte sich der elektrische Widerstand auf ungefähr 31 Ohm. Nach 12 Tagen wurde der Test beendet und die Vorrichtungen wurden abgebaut. Auf den Membran- oder Elektrodenoberflächen wurde wenig oder keine Ablagerung beobachtet. Bei beiden Vorrichtungen wurde innerhalb der Lücken der Harzkügelchenfüller Ablagerung entdeckt. Innerhalb des Füllers der ersten Vorrichtung gab es bedeutend weniger Ablagerung.
Äquivalente
Der Fachmann wird schnell erkennen, dass alle hier aufgelisteten Parameter exemplarisch sein sollen und dass die aktuellen Parameter von der spezifischen Anwendung, für die die erfinderische Elektroentionisierungsvorrichtung verwendet wird, abhängig sein werden. Daher versteht es sich, dass die obigen Ausführungsformen und Beispiele lediglich als Beispiel gegeben sind und dass die Erfindung innerhalb des Bereichs der angehängten Ansprüche anderweitig als spezifisch beschrieben angewandt werden kann.

Claims

Ein Verfahren zur Reinigung eines Fluids, das Folgendes beinhaltet: a) Bereitstellen einer Elektroentionisierungsvorrichtung (20), die eine Vielzahl von Kammern beinhaltet, die mindestens eine Ionenanreicherungskammer (22), die angrenzend an mindestens eine Ionenabreicherungskammer (24) positioniert ist, umfasst, wobei die Ionenanreicherungs- und die Ionenabreicherungskammer jeweils ein Ionenaustauschmaterial enthalten und die Vielzahl der Kammern teilweise durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde anionendurchlässige Membranen und kationendurchlässige Membranen (26, 28, 30) definiert ist, wobei die Kammern zwischen einer ersten und zweiten Elektrode (32, 34) in elektrischer Verbindung mit den Kammern Positioniert sind; b) Aufbauen eines ersten Fluidstroms (62) durch die mindestens eine Ionenanreicherungskammer (22) in einer ersten Richtung und eines zweiten Fluidstroms (58) durch die mindestens eine Ionenabreicherungskammer (24) in einer ersten Richtung; c) Erregen der Elektroden (32, 34) durch Anlegen einer ersten Polarität auf die erste Elektrode (32) und einer zweiten Polarität auf die zweite Elektrode (34), um eine elektrische Spannung über die Kammern (22, 24) bereitzustellen, wodurch ein abgereicherter Fluidstrom (60), der aus der mindestens einen Ionenabreicherungskammer (24) austritt, und ein angereicherter Fluidstrom (64), der aus der mindestens einen Ionenanreicherungskammer (22) austritt, aufgebaut werden, wobei der abgereicherte Fluidstrom (60) eine niedrigere Ionenkonzentration als die des zweiten Fluidstroms (58) aufweist; d) Umkehren der Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (62) durch die mindestens eine Ionenanreicherungskammer (22) aus der ersten Richtung in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung; und e) Gewinnen eines abgereicherten Fluidprodukts aus der mindestens einen Ionenabreicherungskammer (24), während der erste Fluidstrom durch die mindestens eine Ionenanreicherungskammer (22) in die zweite Richtung strömt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Umkehrschritt ferner das Umkehren der Strömungsrichtung des zweiten Fluidstroms (58) durch die mindestens eine Ionenabreicherungskammer (24) aus der ersten Richtung in eine zweite, der ersten entgegengetzte Richtung beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Umwandeln der mindestens einen Ionenabreicherungskammer (24) in mindestens eine zweite Ionenanreicherungskammer und das Umwandeln der mindestens einen Ionenanreicherungskammer (22) in mindestens eine Ionenabreicherungskammer beinhaltet.
Elektroentionisierungsvorrichtung, die Folgendes beinhaltet: eine Vielzahl von Kammern, die mindestens eine Ionenanreicherungskammer (22), die angrenzend an mindestens eine Ionenabreicherungskammer (24) positioniert ist, beinhaltet, wobei die Ionenanreicherungs- und die Ionenabreicherungskammer (22, 24) jeweils ein Ionenaustauschmaterial enthalten und die Vielzahl von Kammern teilweise durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde anionendurchlässige Membranen und kationendurchlässige Membranen (26, 28, 30) definiert ist; eine erste Elektrode (32) auf einer ersten Seite der Vielzahl von Kammern und in elektrischer Verbindung damit; eine zweite Elektrode (34) auf einer zweiten Seite der Vielzahl von Kammern und in elektrischer Verbindung damit; eine mit der ersten und zweiten Elektrode (32, 34) in elektrischer Verbindung stehende elektrische Quelle (42), die in Kombination mit den Elektroden und der Vielzahl von Kammern einen elektrischen Stromkreis definiert; einen Vorwärtsströmungsfluidkreislauf, der eine Quelle eines ersten Fluidstroms (62) mit einem ersten Port (48) der Ionenanreicherungskammer (22) verbindet, um den ersten Fluidstrom (62), der durch die Ionenanreicherungskammer (22) in eine erste Richtung strömt, bereitzustellen, und der eine Quelle eines zweiten Fluidstroms (58) mit einem ersten Port (52) der Ionenabreicherungskammer (24) verbindet, um den zweiten Fluidstrom (58), der durch die Ionenabreicherungskammer (24) in eine erste Richtung strömt, bereitzustellen; und einen Gegenströmungsfluidkreislauf, der die Quelle des ersten Fluidstroms (62) mit einem zweiten Port (50) der Ionenanreicherungskammer (22) verbindet, um den ersten Fluidstrom (62), der durch die Ionenanreicherungskammer (22) in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung strömt, bereitzustellen.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Vorwärtsströmungsfluidkreislauf den zweiten Port (50) der Ionenanreicherungskammer (22) mit dem ersten Port (48) davon verbindet, um den ersten Fluidstrom durch die Ionenanreicherungskammer (22) rückzuführen.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Gegenfluidkreislauf die Quelle des zweiten Fluidstroms (58) mit einem zweiten Port (54) der Ionenabreicherungskammer (24) verbindet, um den zweiten Fluidstrom (58), der durch die Ionenabreicherungskammer (24) in eine zweite, der ersten entgegengesetzten Richtung strömt, bereitzustellen.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, die ferner einen Gegenpolaritätsfluidkreislauf beinhaltet, der die Quelle des ersten Fluidstroms (62) mit dem ersten Port (52) der Ionenabreicherungskammer (24) verbindet und der die Quelle des zweiten Fluidstroms (58) mit dem ersten Port (48) der Ionenanreicherungskammer (22) verbindet.
Ein Verfahren zur Reinigung eines Fluids, das Folgendes beinhaltet: a) Bereitstellen einer Elektroentionisierungsvorrichtung, die eine Vielzahl von Kammern beinhaltet, die mindestens eine Ionenanreicherungskammer (22), die angrenzend an mindestens eine Ionenabreicherungskammer (24) positioniert ist, umfasst, wobei die Ionenanreicherungs- und die Ionenabreicherungskammer (22, 24) jeweils ein Ionenaustauschmaterial enthalten und die Vielzahl der Kammern teilweise durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde anionendurchlässige Membranen und kationendurchlässige Membranen (26, 28, 30) definiert ist, wobei die Kammern zwischen der ersten und zweiten Elektrode (32, 34) in elektrischer Verbindung mit den Kammern positioniert sind; b) Aufbauen eines ersten Fluidstroms (62), der eine Ionenkonzentration durch die mindestens eine Ionenanreicherungskammer (22) aufweist, und eines zweiten Fluidstroms (58), der eine Ionenkonzentration durch die mindestens eine Ionenabreicherungskammer (24) aufweist; c) Erregen der Elektroden (32, 34) durch Anlegen einer ersten Polarität auf die erste Elektrode (32) und einer zweiten Polarität auf die zweite Elektrode (34), um eine elektrische Spannung über die Kammern (22, 24) bereitzustellen und einen abgereicherten Fluidstrom (60), der aus der mindestens einen Ionenabreicherungskammer (24) austritt, und einen angereicherten Fluidstrom (64), der aus der mindestens einen Ionenanreicherungskammer austritt, aufzubauen, wobei der abgereicherte Fluidstrom (60) eine niedrigere Ionenkonzentration als die des zweiten Fluidstroms (58) aufweist; d) Umwandeln der mindestens einen Ionenabreicherungskammer (24) in mindestens eine zweite Ionenanreicherungskammer und Umwandeln der mindestens einen Ionenanreicherungskammer (22) in mindestens eine zweite Ionenabreicherungskammer durch Aufbauen des ersten Fluidstroms (62) durch die mindestens eine zweite Ionenanreicherungskammer und Aufbauen des zweiten Fluidstroms (58) durch die mindestens eine zweite Ionenabreicherungskammer und Umkehren der Polarität der ersten und zweiten Elektrode (32, 34); und e) Umkehren der Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (62) durch die mindestens eine zweite Ionenanreicherungskammer aus der ersten Richtung in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung und Gewinnen eines abgereicherten Fluidprodukts (60) aus der mindestens einen zweiten Ionenabreicherungskammer, während der erste Fluidstrom (62) durch die mindestens eine zweite Ionenanreicherungskammer in die zweite Richtung strömt.