DE69532281T2

DE69532281T2 - Verfahren und vorrichtung zur elektrischen entionisierung mit polaritätsumschaltung und doppelumkehrung

Info

Publication number: DE69532281T2
Application number: DE69532281T
Authority: DE
Inventors: J. Christopher GALLAGHER; Frederick Wilkins; C. Gary 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: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: WO1995032052A1; EP1034833A3; DE69531415T2; EP0759805A1; DE69532281D1; US5558753A; EP1044717A2; DE69531800T2; US5736023A; EP0759805B1; DE69531800D1; EP1034833B1; EP1034833A2; EP1044717B1; JPH10500617A; DE69531415D1; EP1044717A3; JP2006297392A; JP2006297393A

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektroentionisierungsvorrichtungen und insbesondere auf Elektroentionisierungsvorrichtungen, die ein neuartiges Polaritätsumkehrungsschema aufweisen und Flussumkehrung durch Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammern mit kontinuierlicher Produktgewinnung bereitstellen.
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 den 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 Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammern 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 konzentrierenden und verarmenden Ströme vorsieht. Ergebnisse kontinuierlicher Produktion von gereinigtem Wasser. U.S. Patent Nr. 5,026,465 an Katz et al. beschreibt eine Polaritätsumkehrungselektroentionisierungseinrichtung, in der die konzentrierenden und verarmenden 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 Fraktionierungseinrichtungen 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 Ionenverarmungskammern erforderlich ist, um Wasser von annehmbarer Qualität zu produzieren, bei vielen Anwendungen im Wesentlichen länger als erwünscht. Hinzu kommt, dass in Fluid in Ionenkonzentrationskammern von Elektroentionisierungsvorrichtungen typischerweise Kohlendioxidgas erzeugt wird. Die Gegenwart von Kohlendioxid im gasförmigen Zustand in Ionenkonzentrationskammern verursacht einen unvorteilhaften Anstieg elektrischen Widerstands über diese Kammern. In Fluid gelöstes Kohlendioxid in Ionenkonzentrationskammern 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 Regelung innerhalb der Ionenkonzentrationskammern.
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 im Fluss 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 der Fluss durch die Konzentrations- und Verarmungskammern während eines Zeitraums, in dem die Elektroden der Einrichtung nicht mit Strom versorgt werden, umgekehrt wird. Das Gegenstromabwasser 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 bezieht notwendigerweise das Wiederauffüllen der Harz enthaltenden Kammern ein, was hinderlich und zeitaufwendig ist. Beide Möglichkeiten bringen notwendigerweise eine Ausfallzeit der Vorrichtung mit sich.
FR-A-1282890 offenbart eine umkehrbare Elektrodialyseeinheit, die die elektrische Polarität und die Fluidfließrichtungen vertauschen kann. Jedoch bezieht sich diese weder auf Elektroentionisierung noch auf die Verwendung von Ionenaustauschmaterialien.
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.
Es besteht ebenfalls Bedarf an Elektronenentionisierungsvorrichtungen, die eine gute Regelung der chemischen und/oder biologischen Substanzen in einem Ionenkonzentrationskammersystem ermöglichen.
Zudem besteht Bedarf an einer effizienten Entfernung von Gas, das während des Betriebs der Entionisierungsvorrichtung in Ionenkonzentrationskammern erzeugt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein verbessertes Elektroentionisierungspolaritätsumkehrungsmodul 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 erfinderische Einrichtung stellt ebenfalls eine effiziente Entfernung von Gas, das in Ionenkonzentrationskammern der Elektroentionisierungsvorrichtung erzeugt wird, sowie eine gute Regelung von chemischen und biologischen Parametern innerhalb der Vorrichtungskreisläufe und -kammern bereit.
Das Elektroentionisierungssystem umfasst eine Vielzahl von Kammern, die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer, die angrenzend an mindestens eine Ionenverarmungskammer positioniert ist, umfasst, wobei die Kammern jeweils ein Ionenaustauschmaterial enthalten und teilweise durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde anionendurchlässige Membranen und kationendurchlässige Membranen definiert werden. Auf jeder Seite der Vielzahl von Kammern sind Elektroden positioniert und und sie befinden sich in elektrischer Verbindung mit den Kammern und einer elektrischen Quelle, so dass ein Potential über die Vielzahl von Kammern angelegt werden kann. Das Elektroentionisierungssystem umfasst eine Vielzahl von Fluidkreisläufen, wobei es einen ersten Fluidkreislauf, der eine Quelle eines ersten Fluidstroms mit der Ionenkonzentrationskammer verbindet, und der eine Quelle eines zweiten Fluidstroms mit der Ionenverarmungskammer verbindet, sowie einen zweiten Fluidkreislauf, der eine Quelle eines dritten Fluidstroms mit der Ionenkonzentrationskammer verbindet, und der die Quelle des zweiten Fluidstroms mit der Ionenverarmungskammer verbindet, umfasst. Der dritte Fluidstrom weist eine niedrigere Ionenkonzentration als die des ersten Fluidstroms auf.
Auf diese Weise kann ein Verfahren zur Reinigung eines Fluids unter Verwendung des Elektroentionisierungssystems ausgeführt werden. Das Verfahren bezieht das Schaffen eines ersten Fluidstroms durch die Ionenkonzentrationskammer und eines zweiten Fluidstroms durch die Ionenabreicherungskammer ein. Die Elektroden werden dann erregt, um einen verarmten Fluidstrom, der aus der Ionenverarmungskammer austritt, und einen konzentrierten Fluidstrom, der aus der Ionenkonzentrationskammer austritt, zu schaffen, wobei der verarmte Fluidstrom eine niedrigere Ionenkonzentration als die des zweiten Fluidstroms aufweist. Diese Anordnung wird mittels des ersten Fluidkreislaufs geschaffen.
Dann wird der erste Fluidstrom mittels des zweiten Fluidkreislaufs durch einen dritten Fluidstrom, der eine niedrigere Ionenkonzentration als die des ersten Fluidstroms aufweist, substituiert, während der zweite Fluidstrom durch die Ionenverarmungskammer erhalten wird; und auf diese Weise wird die Ionenkonzentrationskammer für den Einsatz als eine zweite Ionenverarmungskammer vorbereitet. Anschließend wird die Ionenverarmungskammer in eine zweite Ionenkonzentrationskammer umgewandelt, und die Ionenkonzentrationskammer wird in eine zweite Ionenverarmungskammer umgewandelt. Dies wird durch Schaffen des ersten Fluidstroms durch die zweite Ionenkonzentrationskammer und Schaffen des zweiten Fluidstroms durch die zweite Ionenverarmungskammer und durch Umkehren der Polarität der ersten und zweiten Elektrode erreicht.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Reinigung eines Fluids unter Verwendung des oben beschriebenen Elektroentionisierungssystems bereit. Das Verfahren bezieht das Schaffen eines ersten und zweiten Fluidstroms durch jeweils Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungskammern des Systems sowie das Erregen der Elektroden, um einen verarmten Fluidstrom, der aus der Ionenverarmungskammer austritt, und einen konzentrierten Fluidstrom, der aus der Ionenkonzentrationskammer austritt, zu schaffen, wie oben beschrieben, ein. Die Ionenkonzentration des ersten Fluidstroms wird dann erhöht und die Ionenverarmungskammer wird in eine zweite Ionenkonzentrationskammer umgewandelt, während die Ionenkonzentrationskammer in eine zweite Ionenverarmungskammer umgewandelt wird. Die Erhöhung der Ionenkonzentration des ersten Fluidstroms vor dem Austauschen der Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungskammern ergibt ein erhöhtes Zeit-Qualität-Verhältnis bei der Gewinnung eines verarmten Fluidprodukts.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Reinigung von Fluid bereit, bei dem ein erster Fluidstrom, der eine Ionenkonzentration aufweist, durch eine Ionenkonzentrationskammer eines Elektroentionisierungssystems wie oben beschrieben geschaffen wird. Ein Ausgangsfluidstrom, der ein Ionenkonzentration aufweist, wird aus der Ionenkonzentrationskammer gewonnen und rückgeführt, so dass er als der erste Fluidstrom geschaffen werden kann. Gemäß dem Verfahren wird die Ionenkonzentration des rückgeführten ersten Fluidstroms erhöht. Diese Anordnung wird mittels eines Fluidkreislaufs, der einen Rückführungsweg umfasst, der angeordnet ist, um den Fluidfluss von einem Ausgang der Ionenkonzentrationskammer zu einem Eingang davon rückzuführen, und der eine Quelle von Substanzen, wie chemische Substanzen, biologische Substanzen und Gemische davon in Fluidverbindung mit dem Rückführungsweg umfasst, geschaffen.
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 erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen ersten Fluidkreislauf definiert;
3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen ersten Fluidkreislauf, der chemische/biologische Substanzenregelung umfasst, definiert;
4 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen 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 erfinderischen 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 erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei die relativen Geschwindigkeiten des Elektrolytflusses durch die erste und zweite Elektrodenkammer umgekehrt sind;
7 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen 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 erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten ersten Fluidkreislauf, der chemische/biologische Substanzenregelung umfasst, definiert;
9 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen 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 erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten ersten Fluidkreislauf mit Rückführungswegverdünnung definiert;
11 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen 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 erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen umgekehrten zweiten Fluidkreislauf definiert, wobei die relativen Geschwindigkeiten des Elektrolytflusses durch die erste und zweite Elektrodenkammern umgekehrt sind;
13 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen 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 umgekehrtem Fluss definiert;
15 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfinderischen Vorrichtung, die so eingestellt ist, dass sie einen Fluidkreislauf von umgekehrter Polarität und umgekehrtem Fluss 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 Ionenkonzentrationskammer, die angrenzend an mindestens eine Ionenverarmungskammer positioniert ist, umfasst. Vorzugsweise umfasst die erfinderische Vorrichtung eine Reihe von Ionenkonzentrationskammern, die sich mit einer Reihe von Ionenverarmungskammern abwechselt. Die Kammern sind teilweise durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde anionen- und kationendurchlässige Membranen definiert. Jede der Konzentrationskammern und Verarmungskammern 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 Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungskammern 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 Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungskammern oder über eine oder mehrere Elektroentionisierungsstufen, die eine Vielzahl derartiger Kammern umfassten, bereitgestellt werden, so dass während des Vorrichtungsbetriebs ein ionenverarmter Produktfluidstrom geschaffen werden kann.
Während herkömmlicher Elektroentionisierungspolaritätsumkehrung werden in Kammern eintretende Fluidströme ausgetauscht, während die Polarität über die Elektroentionisierungskammern umgekehrt wird, wodurch die Konzentrationskammern als zweite Verarmungskammern und die Verarmungskammern als zweite Konzentrationskammern definiert werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein neuartiges Polaritätsumkehrungsprotokoll bereit, das eher eine Fluidstromsubstituierung als einen herkömmlichen konzentrierenden und verarmenden Fluidstromaustausch während des Polaritätsumkehrungszyklus einbezieht. Der wie hier verwendete Begriff „Substituierung" soll eine Änderung im Fluidstromeinlass in eine oder mehrere Ionenkonzentrationskammern, während sich der Fluidstromeinlass in eine oder mehrere Ionenverarmungskammern der Vorrichtung nicht ändert und die Gewinnung von verarmtem Fluidprodukt aus den Verarmungskammern andauert, beschreiben. Diese Änderung kann typischerweise eine Ionenkonzentration sein und bezieht typischerweise das Senken der Ionenstärke des Fluidstromeinlasses in die Ionenkonzentrationskammern ein. Die Substituierung kann von der Abschaltung der Elektroden von der elektrischen Quelle begleitet werden, so dass Ionenmigration von einer oder mehreren Ionenverarmungskammern in die eine oder in die mehreren Ionenkonzentrationskammern unterbleibt. Auf diese Weise kann die Ionenstärke des Fluids in der Ionenkonzentrationskammer oder den Ionenkonzentrationskammern in Vorbereitung für den Einsatz durch diese Kammer oder diese Kammern als eine oder mehrere zweite Ionenverarmungskammern gesenkt werden.
Zusätzlich zum neuartigen Substituierungsschritt im erfinderischen Polaritätsumkehrungsprotokoll stellt die vorliegende Erfindung während des Vorrichtungsbetriebs eine präzise Regelung chemischer und/oder biologischer Parameter innerhalb der Ionenkonzentrationskammer oder -kammern bereit, während Fluid, das durch diese Kammern strömt, gespart wird. Diese chemische und/oder biologische Regelung kann über einen Rückführungsweg bereitgestellt werden, der das konzentrierte Fluid, das aus den Ionenkonzentrationskammern austritt, gewinnt und eine Schleife schafft, die dieses Fluid zum Eingang der Konzentrationskammern leitet. Diese Regelung chemischer und/oder biologischer Parameter innerhalb der Ionenkonzentrationskammern wird durch Einführung einer oder mehrerer Substanzen, die entworfen sind, um einen oder mehrere chemische oder biologische Parameter in den Ionenkonzentrationskammern einzustellen, in einen Fluidstrom, der in die Ionenkonzentrationskammern eintritt, durchgeführt. Eine derartige Einführung kann auftreten, während die Ionenverarmungskammern damit fortfahren, verarmtes Fluidprodukt zu produzieren. Beispielsweise kann eine chemische oder biologische Substanz, die in Ionenverarmungskammern während des Betriebs der Elektroentionisierungsvorrichtung vorteilhafterweise vorhanden ist, in den Rückführungsweg eingeführt werden; und auf diese Weise können die Ionenkonzentrationskammern für den Einsatz als zweite Ionenverarmungskammern vorbereitet werden. Als ein anderes Beispiel kann eine bestimmte Substanz, die in den Ionenverarmungskammern während des Vorrichtungsbetriebs vorteilhafterweise nicht vorhanden ist, aus den Ionenkonzentrationskammern entfernt werden, indem in den Rückführungsweg eine chemische und/oder biologische Substanz, die zum Entfernen der bestimmten Substanz ausgewählt wurde, eingeführt wird. Dies kann die Ionenkonzentrationskammern für den Einsatz als zweite Ionenverarmungskammern vorbereiten.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereit, die entworfen ist, um die Fließrichtung von Fluid in den Ionenkonzentrationskammern während des Vorrichtungsbetriebs umzukehren, während eine ununterbrochene Gewinnung von verarmtem Fluidprodukt aus den Ionenverarmungskammern der Vorrichtung bereitgestellt wird. Die Fließrichtung in den Ionenverarmungskammern kann auch, gleichzeitig oder nicht gleichzeitig mit der Fluidflussumkehrung in den Ionenkonzentrationskammern, bei ununterbrochener Gewinnung von verarmtem Fluidprodukt umgekehrt werden. Die erfinderische Fluidfließrichtungsumkehrung stellt die Aufrechterhaltung von ablagerungsfreien und insbesondere schmutzstofffreien Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungskammern bereit, sogar wenn die erfinderische Vorrichtung eingesetzt wird, um sehr minderwertiges Speisefluid zu behandeln. Der Betrieb der erfinderischen Flussumkehrungselektroenionsierungsvorrichtung kann unabhängig von oder in Verbindung mit dem erfinderischen Polaritätsumkehrungsprotokoll ausgeführt werden, um eine(n) neuartige(n) Polaritätsumkehrungs-, Flussumkehrungs- oder doppelte(n) (Polarität und Fluss) Umkehrungsprozess und Vorrichtung bereitzustellen.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Polaritätsumkehrung, der Flussumkehrung oder der doppelten Umkehrungselektroentionisierungsvorrichtung sind ein Mittel und ein Verfahren zur effizienten Entfernung von während des Vorrichtungsbetriebs in den Ionenkonzentrationskammern erzeugten Gases daraus bereitgestellt. Dies wird erreicht, indem Ionenkonzentrationskammern 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 erfinderische Mittel und Verfahren somit einen Fluidfluss bereit, der zu der Richtung, in die Gas natürlicherweise strebt, komplementär ist, was dessen effiziente Entfernung vereinfacht. Ähnlich kann das während des Betriebs der Elektroentionisierungsvorrichtung an den Elektroden erzeugte Gas effizient aus den Elektrodenkammern entfernt werden, indem Elektrolytfluss in derartigen Kammern in eine Aufwärtsrichtung bereitgestellt wird.
Wenn ein Rückführungsweg geschaffen wird, kann der Rückführungsweg auch eine Flüssigkeit/Gas-Schnittstelle umfassen, die das Entfernen von gelöstem Gas aus dem Fluid, das aus den Ionenkonzentrationskammern austritt, vereinfacht, wobei das Gas vor der Wiedereinführung des Fluids in die Konzentrationskammern vorteilhafterweise vom Fluid gereinigt wird.
Bei einer Ausführungsform einer bevorzugten Elektroentionisierungsvorrichtung sind die Konzentrations- und Verarmungskammern so konfiguriert, dass sie eine Vielzahl von unabhängigen, getrennten Unterkammern umfassen, von denen jede eine Breite von ungefähr 4 Inch oder weniger, vorzugweise zwischen 0,5 Inch und ungefähr 1,5 Inch aufweist. Die getrennten Unterkammern werden gebildet, indem, wie etwa 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 Verarmungskammer und mindestens eine Konzentrationskammer 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 eine 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 Elektroden ein Stapel Verarmungskammern und Konzentrationskammern 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 agrenzend 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 über einen Elektrolyt in einer Elektrodenkammer, die die Elektrode enthält und teilweise durch die 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 strömt. 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 elektrisch 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 dem Zeit-Qualität-Verhältnis nach der Polaritätsumkehrung und 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, die an sich nichtleitend sind, beinhaltet.
Im Falle, dass Speisewasser einen relativ niedrigen Ionengehalt aufweist, wie flussabwärts von Umkehrosmosevorrichtungen, sind ionische Unreinheiten oft überwiegend schwach ionisierte Verbindungen, wie etwa Kohlensäure, gemischt mit relativ niedrigen Konzentrationen starker Ionen und Ionen mittlerer Stärke, wie etwa Natrium- bzw. 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 Konzentrationsstrom in konstantem Zustand aufweist. Zudem weist der Zustrom während der Polaritätsumkehrung und sofort nach Inbetriebsetzung der Vorrichtung oft eine größere Ionenstärke als der Konzentrationsstrom auf.
Der verbleibende Teilabschnitt jeder Stufe beinhaltet eine Reihe von sich abwechselnden Verarmungs- und Konzentrationskammern, die wie hier angeführt, konstruiert sind. Die um Ionen zu verarmende Flüssigkeit kann parallel durch jede Verarmungskammer in jeder Stufe geführt werden und eine zweite Flüssigkeit kann parallel durch jede Konzentrationskammer in jeder Stufe geführt werden, um die Entfernung von Ionen aus der ersten Flüssigkeit in den Verarmungskammern und in die zweite Flüssigkeit in der Konzentrationskammer 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 umfasst eine Ionenkonzentrationskammer 22 und eine Ionenverarmungskammer 24, die angrenzend an die Ionenkonzentrationskammer 22 positioniert ist und von dieser durch eine selektiv durchlässige Membran 26 getrennt ist. Die Ionenkonzentrationskammer 22 ist ferner durch eine selektiv durchlässige Membran 28 definiert, und die angrenzende Ionenverarmungskammer 24 ist ferner durch eine selektiv durchlässige Membran 30 definiert. Somit sind die Ionenkonzentrationskammer 22 und die Ionenverarmungskammer 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 dieser 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 das Durchströmen des Elektrolyts durch 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 an die Elektrode 32 und einer negativen Polarität an die Elektrode 34 oder zum Anlegen einer positiven Polarität an die Elektrode 34 und einer negativen Polarität an die Elektrode 32. Somit kann die Polarität der Elektroden 32 und 34 geregelt 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 an 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 annehmbare Niveaus erhöht, weil sich der elektrische Widerstand in den Kammern aufgrund von Gaserzeugung, von Verunreinigung oder Ablagerung, Hochreinheitsniveaus in den Verarmungskammern 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, Flussumkehrung, Doppelumkehrung, der Aufwärtsfluss 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 Ionenkonzentrationskammer 22 und eine Ionenverarmungskammer 24, die an die Ionenkonzentrationskammer 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 Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungskammern, die eine Stufe von Kammern definieren, angeordnet werden, und diese Anordnung wird unten genauer beschrieben.
Die Ionenkonzentrationskammer 22 umfasst einen ersten Port 48 und einen zweiten Port 50, und die Ionenverarmungskammer 24 umfasst einen ersten Port 52 und einen zweiten Port 54. Vorzugsweise befinden sich die Ports 48 und 50 der Ionenkonzentrationskammer 22 an im Wesentlichen gegenüberliegenden Enden der Kammer und die Ports 52 und 54 der Ionenverarmungskammer 24 sind ähnlich angeordnet. Wie aus der Beschreibung unten ersichtlich wird, können die Ports 48, 50, 52 und 54 als Fluideingänge oder -ausgänge der Kammern dienen, je nachdem, ob Flussumkehrung eingesetzt wird und bei welcher Stufe des Flussumkehrungsprotokolls 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 Substanzen, einem Gas/Flüssigkeits-Schnittstellenbehälter oder einem Rückführungsweg, der einen ersten Port 48 oder 52 mit einem zweiten Port 50 oder 54 der Ionenkonzentrationskammer 22 oder Ionenverarmungskammer 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 fließt. 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 einen gewünschten Fluidfluss durch die Ionenkonzentrationskammern 22 und Ionenverarmungskammern 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 Ionenverarmungskammer 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 Ionenkonzentrationskammer 22 und insbesondere mit deren ersten Port 48 bereit.
Der Begriff „Ionenkonzentration", wie hier verwendet, soll der ionische Aufbau eines bestimmten Fluids definieren. Somit kann sich eine erste Ionenkonzentration von einer zweiten Ionenkonzentration hinsichtlich der Ionenstärke, der Gegenwart oder Abwesenheit von besonderen Ionensubstanzen, 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 Ionensubstanzen umfassen. Oder der erste Fluidstrom und der zweite Fluidstrom können von ähnlicher oder gleicher Ionenstärke sein, wobei der erste Fluidstrom eine bestimmte Konzentration einer ersten Ionensubstanz enthält und der zweite Fluidstrom eine bestimmte Konzentration einer zweiten Ionensubstanz, die sich von der ersten Ionensubstanz unterscheidet, enthält.
Wie für jemanden mit durchschnittlichen Fachkenntnissen ersichtlich ist, wird, wenn die Vorrichtung 20 so betrieben wird, dass an die erste Elektrode 32 eine positive Polarität angelegt wird, während an 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 Ionenverarmungskammer 24 geschaffen wurde, um Ionensubstanzen verarmt wird, um einen verarmten Fluidstrom 60, der aus der Ionenverarmungskammer 24, insbesondere an deren zweiten Port 54, austritt, zu schaffen. Wie für jemanden mit durchschnittlichen Fachkenntnissen auch ersichtlich ist, nimmt ein Fluidstrom 62, der in der Ionenkonzentrationskammer 22 geschaffen wurde, während des Betriebs der Vorrichtung 20 Ionensubstanzen aus dem Fluid in der Ionenverarmungskammer 24 auf, und ein konzentrierter Fluidstrom 64, der aus der Ionenkonzentrationskammer 22, und insbesondere aus deren zweiten Port 50, austritt, wird geschaffen. Der verarmte Fluidstrom 60 strömt durch die Flussumkehrungsventile 128 und 130, durch das Ausgabeleitventil 132 und wird zum Produktauswahlventil 134 geleitet. Gemäß einer ersten Einstellung des Produktauswahlventils 134 wird der verarmte Fluidstrom 60 zur Produktgewinnung geleitet, und gemäß einer zweiten Einstellung des Ventils 134 wird der verarmte Fluidstrom 60 zum Abfluss 84 geleitet.
Während des Betriebs der Vorrichtung 20 weist der verarmte Fluidstrom 60, der aus der Ionenverarmungskammer 24 austritt, typischerweise eine Ionenkonzentration, besonders eine Ionenstärke, auf, die niedriger ist, als die des konzentrierten Fluidstroms 64, der aus der Ionenkonzentrationskammer 22 austritt. Dies muss jedoch nicht der Fall sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 20 verwendet werden, um bestimmte Ionensubstanzen aus hoch konzentrierten Lösungen, wie etwa Fruchtsaft, zu entfernen. In einem derartigen Fall wird die konzentrierte Lösung als ein Fluidstrom 58 in der Ionenverarmungskammer 24 geschaffen, wobei die Ionensubstanzen entfernt werden und ein etwas verarmter Produktfluidstrom 60 aus der Ionenverarmungskammer 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 einen reinen Fluss von Ionensubstanzen aus der Ionenverarmungskammer 24 und in die Ionenkonzentrationskammer 22 bereit, und die relativen Ionenkonzentrationen der Fluidströme, die innerhalb der Konzentrationskammer 22 und der Verarmungskammer 24 geschaffen und aus diesen gewonnen wurden, sind für die vorliegende Erfindung unwichtig.
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 Schaffen von elektrischer Verbindung zwischen den Elektroden 32 und 34 und der Konzentrations- und Verarmungskammer 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 regeln. Wenn normal- bis minderwertiges Fluid in dem Zufuhreinlass 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 zu schaffen. 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 Elektrolytfluss durch jeweils die Elektrodenkammern 36 bzw. 38 derart regeln, 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 den Fluidfluss 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 den Elektrolytfluss 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 Anordnung so eingestellt werden, dass es den Fluidfluss 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 Regelung des gesamten Elektrolytflusses durch die Elektrodenkammern 32 und 34 sein. Zusätzlich müssen die Ventile 80 und 82 nicht unbedingt flussabwärts der Elektrodenkammern 36 und 38 positioniert sein, sondern können eher flussaufwärts positioniert werden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Ventile 80 und 82 jeweils flussabwärts der Elektrodenkammern 36 und 38 positioniert und beinhalten Impulsventile. Zu Darstellungszwecken bezüglich des Fluidflusses durch die Elektrodenkammern 36 und 38 bedeutet eine punktierte Linie ein Impulsfluss. Es sollte ein derartiger Impulsfluss eingestellt werden, um einen reinen Fluidfluss durch die Elektrolytkammern bereitzustellen, der ausreicht, um darin erzeugtes Gas zu entfernen.
Wie dargestellt, wird Abwasser aus den Elektrodenkammern 36 und 38 zum Abfluss 84 befördert. Jedoch kann derartiges Abwasser zur Leitung 66 umgeleitet werden, um den Elektrolyt durch die Elektrodenkammern zum Fluidstrom 62, der in die Konzentrationskammer 22 eintritt, zum Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 (unten beschrieben), zur Quelle 88 chemischer/biologischer Substanzen (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 diese sind jeweils 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.
Gemäß der Erfindung wird ein neuartiger Rückführungsfließweg während bestimmter Schritte des Polaritätsumkehrungsprotokolls der vorliegenden Erfindung geschaffen, und dieser Rückführungsweg wird in dem in 2 dargestellten ersten Fluidkreislauf geschaffen. Der Rückführungsweg ist angeordnet, um Fluidfluss vom Port 50 der Ionenkonzentrationskammer 22 zu deren Port 48 rückzuführen. Gemäß dem Schritt des in 2 dargestellten Polaritätsumkehrungsprotokolls tritt Fluid durch den Port 50 der Ionenkonzentrationskammer 22 aus, strömt durch die Flussumkehrungsventile 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 Ionenkonzentrationskammer 22 verbindet, und tritt durch den Port 48 wieder in die Ionenkonzentrationskammer 22 ein. Die Leitung 104 umfasst auch Flussumkehrungsventile 106 und 108. Die Pumpe 100 kann an einer Vielfalt von Stellen entlang dem Rückführungsweg positioniert werden, solange sie einen adequaten Fluidfluss durch den Rückführungsweg verursacht.
Der Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86 stellt eine Eliminierung von Gas, im Allgemeinen Kohlendioxid, das in der Ionenkonzentrationskammer 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 konzentrierten Fluidstrom 64, der aus der Ionenkonzentrationskammer 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 Gasdruckregelung 110 umfassen, die bereitgestellt ist, um die Geschwindigkeit der Gasentwicklung aus dem Fluid im Behälter 86 zu regeln. Beispielsweise kann die Gasdruckregelung 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 Gradfilter verwendet werden, um Gas aus dem konzentrierten 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 Ionenkonzentrationskammer 22 und/oder in der Ionenverarmungskammer 24 bereitgestellte Fluid gefiltert wird.
Der Rückführungsweg umfasst mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass zum Einführen einer gewünschten chemischen und/oder biologischen Substanz 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 Ionenkonzentrationskammer 22 durch die Leitung 104 eintritt, geregelt 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 Konzentrationskammer 22 steht. Der Fluidfluss durch die Leitung 112 kann durch das Ventil 114 geregelt werden. Zusätzlich umfasst der Fluidkreislauf Schlammausblaseauslass 116, wobei der Fluidfluss in den Abfluss 84 durch diesen vom Schlammausblaseventil 118 geregelt werden kann. Auf diese Weise stellt der Rückführungsweg ein Sparen von Fluid, das durch die Ionenverarmungskammer 22 fließt, bereit, da das Fluid rückgeführt wird, um wieder in die Konzentrationskammer einzutreten. Jedoch kann die Ionenkonzentration des Fluidstroms 62, der in die Konzentrationskammer 22 eintritt, in Verbindung mit der Rückführung, geregelt werden, indem der Rückführungsflussweg durch Zusatzleitung 112 verdünnt und der Überlauf von dem Weg durch den Schlammausblaseauslass 116 entfernt wird. Eine derartige Regelung der Ionenkonzentration durch Öffnen der Ventile 114 und 118 kann vorteilhaft sein, wenn die Ionenstärke des Fluids, das durch den Rückführungsweg fließt, besonders hoch ist. Jedoch wird die Ionenstärke eines derartigen Fluids vorteilhafterweise bei einem Niveau gehalten, das adequate Ionenleitfähigkeit über die Konzentrationskammer 22 bereitstellt, und es ist oft vorteilhaft, die Ventile 114 und 118 geschlossen zu halten, um die Ionenstärke des Fluids in der Ionenkonzentrationskammer 22 zu erhöhen.
Wie oben angegeben, können die chemischen und/oder biologischen Parameter des Fluidstroms, der in die Ionenkonzentrationskammer 22 eintritt, und insbesondere chemische oder biologische Parameter innerhalb des Rückführungswegs geregelt werden. Die Implementierung einer derartigen Regelung ist in 3 dargestellt, in der chemische und/oder biologische Substanzen aus der Quelle 88 chemischer/biologischer Substanzen 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 geregelten 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 Regelventil 124 für chemische/biologische Substanzen regelt den Speisefluidfluss durch das Venturi-Rohr 120, und die Zufuhrleitung 122 führt weiter durch das Venturi-Rohr 120 und speist den Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbehälter 86. Somit fließt das Speisefluid, wenn die Vorrichtung 20 betriebsbereit und das Regelventil 124 offen ist, durch das Venturi-Rohr 120, wobei die chemischen und/oder biologischen Substanzen aus der Quelle 88 gezogen und die Substanzen in den Behälter 86 eingeführt werden. Die Quelle 88 muss dem Tank 86 keine Substanzen direkt bereitstellen, wie dargestellt, aber kann derartige Substanzen an beliebiger Stelle bereitstellen, um derartige Substanzen in den Fluidstrom 62, der mit der Ionenkonzentrationskammer 22 verbunden ist, einzuführen. Chemische und/oder biologische Substanzen 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 Substanzen in den Rückführungsweg aus der Quelle 88 kann es vorteilhaft sein, die Konzentration derartiger Substanzen im Rückführungsweg zu maximieren. Somit können das Zusatzventil 114 und das Schlammausblaseventil 118 während dieses Schritts geschlossen werden, so dass der Rückführungsweg zu einem geschlossenen Kreislauf wird, mit Ausnahme der Einführung von Substanzen 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 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 Substanzen enthalten. Beispielsweise kann die Quelle 88 Bakterien enthalten, die ausgewählt wurden, um bestimmte im Rückführungsweg oder als Ergebnis der Ionenkonzentrationsfunktion der Kammer 22 vorhandene Substanzen 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 Substanzen, wie etwa sich nicht ablagernde Substanzen umfassen. Der Begriff „sich nicht ablagernde Substanzen", wie hier verwendet, soll Substanzen, typischerweise anorganische Salze, definieren, die Kationen und Anionen, die eine geringe Neigung aufweisen, Ausfällung aus wässrigen Lösungen zu verursachen, beinhalten. Der Begriff „sich ablagernde Substanzen", wie hier verwendet, soll Substanzen, typischerweise anorganische Salze, definieren, die Kationen und Anionen beinhalten, wobei die einen oder beide eine 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 Ionenkonzentrationskammer 22 eintritt, von der Zufuhrquelle 56 zugeführt wird, werden sich ablagernde Ionen wie Kalzium, Magnesium, Carbonat und Hydroxid typischerweise vom Zufuhreinlass 56 in die Ionenkonzentrationskammer 22 gespeist, wenn ein Speisefluid von durchschnittlicher bis minderwertiger Qualität verwendet wird, und können Ausfällung, und demnach Ablagerung, fördern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird beim in 3 dargestellen Schritt konzentriertes Natriumchlorid als sich nicht ablagernde Substanz aus der Quelle 88 in den Rückführungsweg eingeführt, und der Überfluss wird bei 126 entfernt. Sobald ausreichende Mengen an chemischen und/oder biologischen Substanzen aus der Quelle 88 in den Rückführungsflussweg eingeführt wurden (d. h. sobald die Konzentration derartiger Substanzen im Rückführungsflussweg auf ein erwünschtes Niveau eingestellt ist), ist es oft vorteilhaft, die Einführung derartiger Substanzen aus der Quelle 88 zu beenden und das Fluid durch die Ionenkonzentrationskammer 22 in einem isolierten Rückführungsweg für einen Zeitraum, der zum Schaffen eines vorbestimmten Gleichgewichts innerhalb des Rückführungswegs ausreicht, rückzuführen. Beispielsweise kann die Rückführung fortgeführt werden, bis ein Gleichgewicht, bei dem die sich nicht ablagernden Substanzen gegenüber den sich ablagernden Substanzen in dem Ionenaustausschharzbett in der Kammer 22 überwiegen, geschafft ist.
Zusätzlich kann die Rückführung fortfahren, bis ein Gleichgewicht geschaffen ist, bei dem das Ungleichgewicht im elektrischen Widerstand innerhalb der und zwischen den verschiedenen Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammern minimiert ist. Beispielsweise kann die Rückführung fortfahren, bis die Substanzen, die einen relativ hohen elektrischen Widerstand ergeben, aus den Ionenkonzentrationskammern entfernt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, ein Gleichgewicht zu schaffen, bei dem beispielsweise die Natrium- und Chloridionen gegenüber Substanzen, wie etwa Carbonat, Kohlensäure, langsam diffundierende organische Stoffe und mehrwertige Ionen, überwiegen. Ein mit dem Schaffen 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 Substanzen mit relativ geringem elektrischen Widerstand, wie etwa Natrium und Chlorid, in jede beliebige oder in alle Ionenverarmungs- und/oder Ionenkonzentrationskammern ein Gleichgewicht im elektrischen Widerstand zwischen dem Anionenaustauschharz und dem Kationenaustauschharz innerhalb der Kammer oder 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 Regelventil 124 für chemische/biologische Substanzen jeweils geschlossen sind. In diesem Fall wird ein isolierter Rückführungsweg geschaffen, der die Ionenkonzentrationskammer 22, deren Port 50, die Flussumkehrungsventile 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 Flussumkehrungsventile 106 und 108 und den Port 48 der Ionenkonzentrationskammer 22 umfasst. Werden das konzentrierte Natriumchlorid während des in 3 dargestellten Schritts in den Rückführungsweg eingeführt und der Rückführungsweg über einen Zeitraum wie in 4 dargestellt isoliert, kann das gemischte Ionenaustauschharzbett in der Ionenkonzentrationskammer 22 von einer sich ablagernden Form, wie etwa 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 Ionenkonzentrationskammer 22 verbindet und der die Quelle eines zweiten Fluidstroms 58, der eine zweite Ionenkonzentration aufweist, mit der Ionenverarmungskammer 24 verbindet. Gemäß der Erfindung wird die Ionenkonzentration des Fluidstroms 62 im Allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, höher sein als die des zweiten Fluidstroms 58. Werden die Elektroden 32 und 34 erregt, wird ein verarmter Fluidstrom 60 geschaffen, der aus der Ionenverarmungskammer 22 austritt und eine dritte Ionenkonzentration aufweist, und es wird ein konzentrierter Fluidstrom 64 geschaffen, der aus der Ionenkonzentrationskammer 22 austritt und eine vierte Ionenkonzentration aufweist. Die vierte Ionenkonzentration des konzentrierten Fluidstroms 64 ist im Allgemeinen, aber nicht notwendigerweise, höher als die dritte Ionenkonzentration des verarmten Fluidstroms 60, aufgrund der Reinigung des Fluids in der Ionenverarmungskammer 24 der Elektroentionisierungsvorrichtung.
Als nächstes wird ein bei der Verbindung mit dem Polaritätsumkehrungsprotokoll nützlicher Schritt beschrieben. Der Substituierungsschritt wird durch einen zweiten Fluidkreislauf durchgeführt, bei dem die Verbindung zwischen dem Fluidstrom 58 und der Ionenverarmungskammer 24 erhalten bleibt, während die Verbindung zwischen dem Fluidstrom 62, der die Ionenkonzentrationskammer 22 speist, unterbrochen wird und ein Fluidstrom, der eine niedrigere Ionenkonzentration als die des Fluidstroms 62 aufweist, mit der Ionenkonzentrationskammer 22 verbunden wird. Bezug nehmend auf 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines zweiten Fluidkreislaufs der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der eine einzelne Fluidstromquelle, das heißt, der Zufuhreinlass 56, mit sowohl der Ionenkonzentrationskammer 22 als auch mit der Ionenverarmungskammer 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 Ionenkonzentrationskammer 22 als auch die Ionenverarmungskammer 24 zu leiten. Die Einstellungen der Ausgabeleitventile 94 und 132 und des Produktauswahlventils 134 ändern sich nicht, wodurch der verarmte Fluidstrom 60 zur Produktsammlung gerichtet bleibt und der konzentrierte 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 Ionenkonzentrationskammer 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 für den Einsatz als zweite Ionabreicherungskammer gespült, wie unten beschrieben. Zusätzlich kann zugelassen werden, dass der Tank 86 überstömt, was die Konzentration von als Ergebnis ihrer Verschiebung aus der Ionenkonzentrationskammer 22 während des chemischen Eingabe- und Rückführungschritts, der in 3 und 4 dargestellt ist, vorhandenen sich ablagernden Ionen verdünnt.
Während des Substituierungsschritts 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 Ionenverarmungskammer 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 Verarmungskammern ergibt. Wenn das Verhältnis der Konzentration an H⁺ und OH^– zu anderen Kationen und Anionen in den Ionenverarmungskammern ausreichend ist und über einen adäquaten Zeitraum andauert, ergibt dies das Schaffen eines gemischten Ionenaustauschbetts in den Ionenverarmungskammern in der H⁺- und OH^–-Form. Somit fährt die Ionenverarmungskammer 24, wenn die Elektroden 32 und 34 unerregt sind, wie in 5 dargestellt, mit der Produktion eines hochwertigen verarmten Fluidstroms 60 über herkömmlichen Ionenaustausch in der Ionenverarmungskammer 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 Ionenkonzentrationskammer 22 aufhört, was die Fluidionenkonzentration darin bei der Vorbereitung zum Einsatz durch die Kammer 22 als zweite Ionenverarmungskammer senkt und elektrischen Strom spart.
Als nächstes, wie in 6 dargestellt, wird der Elektrolytfluss durch die erste Elektrodenkammer 36 aus einem beschränkten oder Impulszustand in einen frei fließenden Zustand umgewandelt und der Fluss des Elektrolyts durch die zweite Elektrodenkammer 38 wird aus einem frei fließenden Zustand in einen beschränkten oder Impulszustand umgewandelt. Dies wird durchgeführt, indem die Elektrolytflussventile 80 und 82 eingestellt werden, und um das Schaffen der Elektrode 32 als Kathode und das Schaffen 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 an die erste Elektrode 32 eine negative Polarität und an die zweit Elektrode 34 eine positive Polarität anzulegen, das heißt, die Polarität der Elektroden wird von der gemäß dem Rückführungsschritt, wie oben beschrieben, geschaffenen 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 verarmtes 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 eine Ionenverarmungskammer, wie unten mit Bezug auf 8 beschrieben, minimiert.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die Polaritätsumkehrung der Elektroden im Anschluss an den Substituierungschritt, 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 Substituierungsschritts 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 des erfindungsgemäßen Polaritätsumkehrungsprotokolls nicht aberregt werden. Gemäß einer derartigen Ausführungsform würde im elektrischen Stromkreislauf 40 nur ein Schalter benötigt.
Nach dem oben beschriebenen Substituierungsschritt wird die Ionenkonzentrationskammer 22 in eine zweite Ionenverarmungskammer umgewandelt und die Ionenverarmungskammer 24 wird in eine zweite Ionenkonzentrationskammer umgewandelt. Mit Bezug auf 8 wird dies geschaffen, indem die Polarität der Elektroden 32 und 34 so umgekehrt wird, dass eine negative Polarität an die erste Elektrode 32 angelegt und eine positive Polarität an die zweite Elektrode 34 angelegt wird, falls dies während des Substituierungsschritts oder anschließend an diesen noch nicht getan worden ist, und indem der erste Fluidstrom 62, der eine erste Ionenkonzentration durch die zweite Ionenkonzentrationskammer 24 aufweist, und der zweite Fluidstrom 58, der eine zweite Ionenkonzentration durch die zweite Ionenverarmungskammer 22 aufweist, geschaffen werden. Auf diese Weise wird ein verarmter Fluidstrom 140 geschaffen, der aus der zweiten Ionenverarmungskammer 22 austritt, und ein konzentrierter Fluidstrom wird rückgeführt. Insbesondere wird das Ausgabeleitventil 132 so geschaltet, dass der konzentrierte Fluidstrom 142, der aus der zweiten Ionenkonzentrationskammer 24 austritt, geschaffen wird. Wie in dem oben mit Bezug auf 3 beschriebenen Schritt wird der konzentrierte Fluidstrom rückgeführt. Insbesondere wird das Ausgabeleitventil 132 so geschaltet, dass der konzentrierte 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 Ionenkonzentrationskammer 24 eintritt, geschaffen 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 Flussumkehrungsventile 144 und 146 in die zweite Ionenkonzentrationskammer 24 leitet, und das Zufuhrleitventil 138 so eingestellt ist, dass es den zweiten Fluidstrom (Speisefluidstrom) 58 durch die Flussumkehrungsventile 106 und 108 in die zweite Ionenverarmungskammer 22 leitet. Der verarmte Fluidstrom 140 tritt aus der zweiten Ionenverarmungskammer 22 aus, strömt durch die Flussumkehrungsventile 90 und 92 und wird vom Ausgabeleitventil 94 zum Produktauswahlventil 134 geleitet, wo es zur Produktsammlung geleitet werden kann, wie dargestellt. Der konzentrierte Fluidstrom 142 tritt aus der Ionenkonzentrationskammer 24 aus, strömt durch die Flussumkehrungsventile 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 Regelventil 124 für chemische/biologische Substanzen, um chemische und/oder biologische Substanzen 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 erfinderischen Polaritätsumkehrungsprotokolls ist es von Vorteil, wenn der Widerstand über jede Ionenverarmungs- oder Ionenkonzentrationskammer minimiert ist. Beispielsweise, wie oben mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben, wird vorteilhafterweise ein Gleichgewicht innerhalb der Ionenkonzentrationskammer 22 hergestellt, das einen geringeren Widerstand begünstigt. Ein Vorteil eines derartigen geringeren Widerstandzustands innerhalb der Ionenkonzentrationskammer 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 Ionenkonzentrationskammer 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 Regelventil 124 für chemische/biologische Substanzen geschlossen, um die Einführung von Substanzen aus der Quelle 88 in den Behälter 86 zu stoppen, ein isolierter Rückführungsflussweg durch die zweite Ionenkonzentrationskammer 24 wird auf eine dem in 4 dargestellten Schritt ähnliche Weise geschaffen. Dann, mit Bezug auf 10, können das Zusatzventil 114 und das Schlammausblaseventil 118 geöffnet werden, um den Zufuhreinlass 56 mit dem Fluidstrom 62 über die Zusatzleitung 112 zu verbinden, um den Rückführungsflussstrom mit einer kontinuierlichen Verdünnung zu versorgen. Der Schlammausblaseauslass 116 entfernt überschüssiges Fluid aus dem Rückführungsflussstrom.
Ein vollständiger halber Zyklus des neuartigen Polaritätsumkehrungsprotokolls der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf die 2-9 beschrieben worden. Im ersten halben Zyklus des Protokolls weist der in 2 dargstellte erste Fluidkreislauf Funktionen wie ein erster Langzeit-Betriebsmodus auf. Gemäß diesem Modus wird die Rückführung durch die Ionenkonzentrationskammer 22 durch Verdünnung aus der Zusatzleitung 112 und durch Schlammausblasen durch den Schlammausblaseauslass 26 geschaffen. Der Begriff „Langzeit-Betriebsmodus" soll einen Modus definieren, der sich am besten für die kontinuierliche Gewinnung eines verarmten 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 verarmtes hochwertiges Produkt gewonnen wird, sind diese Schritte im Allgemeinen kurzzeitige Zwischenschritte im neuartigen 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 Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungsfunktionen 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 Ionenverarmungskammer und die Kammer 24 eine Ionenkonzentrationskammer 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 Regelventil 124 für chemisch/biologische Substanzen kann geöffnet werden, um chemische und/oder biologische Substanzen 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 islolierte Rückführungsflussweg vergrößert sich in der Gesamtionenstärke aufgrund der Ionenmigration aus der zweiten Ionenverarmungskammer 22 zur zweiten Ionenkonzentrationskammer 24. Dann kann ein Substituierungsschritt, der dem oben mit Bezug auf 5 beschriebenen entspricht, durchgeführt werden, und dies ist in 11 dargestellt, wobei die Elektroden 32 und 34 unnerregt sind. Mit Bezug auf 12 wird der Elektrolytfluss durch die Elektrodenkammern 36 und 38 wieder eingestellt, um einen kontinuierlichen Fluss durch die Kammer 38 bereitzustellen und einen Impulsfluss oder anderweitig beschränkten Fluss durch die Kammer 36 bereitzustellen. Anschließend kann eine positive Polarität an die Elektrode 32 und eine negative Polarität an 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 Ionenverarmungskammer in eine Ionenkonzentrationskammer umgewandelt wird, und wobei die Kammer 24 von einer zweiten Ionenkonzentrationskammer in eine Ionenverarmungskammer umgewandelt wird, während das Ventil 124 geöffnet wird, um Substanzen aus der Quelle 88 in den Behälter 86 zu ziehen. Das Ventil 124 kann dann geschlossen werden, wie in 4 dargestellt, um einen Rückführungsflussweg durch die Ionenkonzentrationskammer 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 gemäß der Erfindung, wie oben erwähnt, auch ein Flussumkehrungsprotokoll bereitgestellt. Gemäß dem Flussumkehrungsprotokoll kann der Fluss nur in der Ionenkonzentrationskammer 22 umgekehrt werden oder der Fluss kann gleichzeitig in der Ionenkonzentrationskammer 22 und der Ionenverarmungskammer 24 umgekehrt werden. Bezug nehmend auf 14 ist eine derartige gleichzeitige Umkehrung dargestellt. In der Ionenkonzentrationskammer wird die Umkehrung durchgeführt, indem die Umkehrungsventile 106, 108, 90 und 92 so geschaltet werden, dass ein erster Fluidstrom 62 geschaffen wird, der durch die Ionenkonzentrationskammer 22 in eine zweite Richtung, die der in 2 dargestellten ersten Richtung entgegengesetzt ist, fließt. In der Ionenverarmungskammer 24 wird die Umkehrung durchgeführt, indem die Flussumkehrungsventile 144, 146, 128 und 130 so geschaltet werden, dass ein zweiter Fluidstrom 58 geschaffen wird, der durch die Konzentrationskammer 24 in eine zweite Richtung, die der in 2 dargestellten ersten Richtung entgegengesetzt ist, fließt. Mit Bezug auf 15 ist der Flussumkehrungskreislauf in Verbindung mit einem Schritt des Polaritätsumkehrungsprotokolls dargestellt, bei dem die Kammer 22 eine zweite Ionenverarmungskammer definiert und die Kammer 24 eine zweite Ionenkonzentrationskammer definiert.
Die Schritte des in 14 und 15 dargestellten erfindungsgemäßen Flussumkehrungsprotokolls entsprechen jeweils den Schritten des in 2 und 10 erfindungsgemäßen Polaritätsumkehrungsprotokolls. Das heißt, 14 und 15 stellen Schritte in einem Flussumkehrungsprotokoll dar, das Langzeit-Betriebsmodi definiert. Dies dient auschließlich Darstellungszwecken. Die erfinderischen Flussumkehrungsschritte können bei jeder beliebigen Stufe des Polaritätsumkehrungsprotokolls ausgeführt werden oder sie können in Verbindung mit oder unabhängig von dem Polaritätsumkehrungsprotokoll ausgeführt werden.
Ein Polaritätsumkehrungsprotokoll gemäß der vorliegenden Erfindung kann Umkehrungsschritte von variierender Dauer einbeziehen, wobei die Schritte in variierender Sequenz gemäß oder getrennt von dem Flussumkehrungsprotokoll der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Beispielsweise können zahlreiche Polaritätsumkehrungsschritte ohne jegliche Zwischenflussumkehrungsschritte durchgeführt werden, oder die zahlreichen Flussumkehrungsschritte können ohne jegliche Zwischenpolaritätsumkehrungsschritte ausgeführt werden, und die Dauer der einzelnen Schritte der Polaritätsumkehrung und/oder der Flussumkehrung können variieren. Wenn die Flussumkehrung in Verbindung mit der Polariätsumkehrung durchgeführt wird, können die Frequenz der Flussumkehrungsschritte relativ zu den Polaritätsumkehrungschritten sowie die Dauer der einzelnen Schritte von entweder dem Fluss- 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 Fluidfließgeschwindigkeit 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 Flussumkehrungsprotokoll 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 Betriebs der Elektroentionisierungsvorrichtung tritt ein reiner Fluss von Ionensubstanzen aus den Ionenverarmungskammern und in die Ionenkonzentrationskammern auf. Da Fluidfluss durch die Kammern während eines einzelnen Protokollschritts nur in eine Richtung auftritt, variiert während des einzelnen Schritts zwangsläufig der chemische Aufbau aller Kammern zwischen dem Einlass und dem Auslass jeder Kammer. Das heißt, der chemische Aufbau der Membranen, die jede Kammer und den Harzfüller innerhalb jeder Kammer definieren, unterscheiden sich etwas zu einem gewissen Grad 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 Ionenkonzentrationskammern als nahe den Kammerauslässen auftreten, und sie kann auch innerhalb der Ionenverarmungskammern, in erster Linie nahe den Kammereinlässen, auftreten.
Als anderes Beispiel tritt Wasserabspaltung in größerem Maße nahe den Auslässen der Ionenverarmungskammern auf. Somit wird der Harzfüller in den Ionenverarmungskammern in Wasserstoff- und Hydroxidform in größerem Maße nahe den Auslässen dieser Kammern umgebildet. Umbildung von Harz zur Wasserstoff- und Hydroxidform bewirkt, dass sich jegliche Ablagerung oder Schmutzstoffe auf dem Harz lösen, und es ist vorteilhaft, eine derartige Umbildung gleichmäßig durch die Ionenverarmungskammern zu vereinfachen. Indem eine Flussumkehrung durchgeführt wird, ist es möglich, zu bewirken, dass Wasserabspaltung auf lange Sicht gleichmäßiger durch die Ionenverarmungskammern auftritt.
Gleichzeitig kann es vorteilhaft 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 Flussumkehrung durchgeführt wird. Natürlich dienen alle Kammern der Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung sowohl als Ionenverarmungskammern als auch Ionenkonzentrationskammern gemäß dem erfinderischen Polaritätsumkehrungsprotokoll. Deshalb wird jeder Vorteil, der in einer Verarmungs- oder Konzentrationskammer realisiert wird, aufgrund der Flussumkehrung auf lange Sicht in allen Kammern realisiert werden, wenn die Flussumkehrung in Verbindung mit Polaritätsumkehrung verwendet wird.
Die Regelung der Ventile der Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf vielfältige Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Einstellung manuell, maschinell oder über eine 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 Regelung des Impulsflusses von Elektrolyt durch die Elektrodenkammern 36 und 38.
Wie oben angegeben, kann die Länge von Polaritäts- oder Flussumkehrungszyklen oder -schritten eine gleiche oder ungleiche Dauer aufweisen. Beispielsweise kann ein halber oder ganzer Polaritätsumkehrungszyklus in den Mikroprozessor einprogrammiert werden, und kann über manuelles Schalten, über ein Signal 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 regeln. Zusätzlich können eine gewünschte Reihenfolge und Frequenz der Polaritätsumkehrungszyklen, der Flussumkehrungszyklen oder einer Kombination durch einen Mikroprozessor geregelt werden und voll maschinell sein.
Somit kann eine breite Vielfalt an Kombinationen von halben oder ganzen Polaritätsumkehrungszyklen, die wahlweise in Flussumkehrungszyklen integriert sein können, darauf zugeschnitten werden, einer breiten Vielfalt an Fluidreinigungsbedürfnissen gerecht zu werden, und die Regelung 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 Schaltens des halben Zyklus und die Flussumkehrungseinbeziehung regeln.
Wie oben angegeben, sind die Ionenkonzentrationskammern der Elektroentionisierungsvorrichtung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, so angeordnet, dass das Fluid durch die Ionenkonzentrationskammern in eine Aufwärtsrichtung strömt, um in den Konzentrationskammern erzeugtes Gas aus den Kammern effizienter zu entfernen. Gemäß dem oben mit Bezug auf 14 und 15 beschriebenen Flussumkehrungsprotokoll können die Flussumkehrungsschritte einen Fluidfluss durch die Konzentrationskammern in eine allgemeine Abwärtsrichtung während der sich abwechselnden Flussumkehrungsschritte ergeben. Deshalb können derartige Schritte, die einen Abwärtsfluss ergeben, vorteilhafterweise lediglich über einen kurzen Zeitraum ausgeführt werden, und die Fließrichtung durch die Kammern kann wieder in ihre ursprüngliche Richtung geändert werden. Auf diese Weise wird die Zeit, während der der Fluss durch die Konzentrationskammern in eine Aufwärtsrichtung auftritt, maximiert. Alternativ dazu kann die Elektroentionisierungsvorrichtung so entworfen sein, dass die Kammern während des Vorwärtsflusses in eine erste Ausrichtung und während des Gegenstroms in eine zweite Ausrichtung angeordnet werden können, so dass der Fluss in beiden Fällen eine allgemeine Aufwärtsrichtung durch die Konzentrationskammern 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 Konzentrationskammer 22, die Verarmungskammer 24 und die Elektrodenkammern 36 und 38 verdeutlicht. Eine derartige bevorzugte Anordnung ist detaillierter in 16 dargestellt.
Bezug nehmend 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 Fluidflusswege durch den Elektrodenabstandshalter definieren, aufweist. Eine inerte Abschirmung (nicht gezeigt) kann angrenzend an die Rippen positioniert werden, um einen turbulenten Fluidfluss durch diese bereitzustellen.
Ein Stapel 166 von sich abwechselnden Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammern 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 abwechelnden Membranen 168, 170 und der Abstandshalter 172 definieren jeweils einzelne Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammern 176 und 178. Jeder Abstandhalter 172 umfasst eine Vielzahl von Rippen 174, um Flusswege durch die Ionenverarmungs- oder Ionenkonzentrationskammern zu definieren. Jede der Kammern 176, 178 ist mit einem Ionenaustauschharz gefüllt, vorzugsweise mit einem Gemisch, das 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 Ionenverarmungskammern 176 jeweils miteinander in Fluidverbindung, und die Ionenkonzentrationskammern 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 Flusswege 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 Ionenverarmungskammern in Fluidverbindung miteinander, eine Vielzahl von Ionenkonzentrationskammern in Fluidverbindung miteinander, aber keine Fluidverbindung zwischen den Ionenverarmungskammern und den Ionenkonzentrationskammern bereitstellt. Natürlich kann gesagt werden, dass die Ionenverarmungskammern und die Ionenkonzentrationskammern einen gewissen Grad an einer gegenseitigen Verbindung über Ionen, die über die Ionenaustauschmembranen transferiert werden, erreichen.
Jede Endplatte 154 ist mit einer Vielzahl von Ports versehen, um Fluidfluss 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.
Bezug nehmend auf 17 werden die Flusswege 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, strömt durch die Verarmungskammer 176, wird dann durch eine zweite Verarmungskammer 176 geführt und wird aus dem Auslass 192 gewonnen. Es versteht sich, dass der Flüssigkeitsfluss durch die Verarmungskammern in jeder Stufe in eine Richtung erfolgen kann. Die Flüssigkeit kann auch durch mehr als eine Verarmungskammer in jeder Stufe geführt werden. Zusätzlich kann das flüssige Abwasser aus einer Verarmungskammer in mehrere Ströme aufgespalten und dann durch einen zweiten Satz von Verarmungskammern geführt werden. Konzentrierende Flüssigkeit wird durch den Einlass 186 durch die Konzentrationskammern 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 Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammer jeweils eine gemeinsame Membranwand mit ihrer angrenzenden Kammer. Da die Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammer 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 Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammern. 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 von inerten Abschirmungsabstandshaltern kann vermieden werden, indem die Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationskammer 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', die auf seiner gegenüberliegenden Seite montiert ist, 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 ein 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 Substanzen aus dem Behälter 88 bei jedem beliebigen Protokollschritt durchgeführt werden oder kann aus dem Protokoll beseitigt werden. Gleichermaßen können der Aufbau und das Schlammausblasen bei jedem beliebigen Schritt durchgeführt werden oder vollständig beseitigt werden. Die in 14 und 15 dargestellten Flussumkehrungsschritte können an jedem beliebigen Punkt während des Polaritätsumkehrungsprotokolls durchgeführt werden oder müssen im Protokoll nicht notwendig sein. Insbesondere, wenn ein minderwertiges Fluid als Speisefluid verwendet wird, kann recht häufig, beispielsweise so oft wie oder öfter als die Frequenz des Polaritätsumkehrungsprotokolls, eine Flussumkehrung notwendig sein, da ein minderwertiges Fluid typischerweise partikuläres Material enthält, das das Ionenaustauschharz und die ionendurchlässigen Membranen der Konzentrationskammern der Vorrichtung schneller verunreinigen kann. Alternativ dazu kann die Flussumkehrung ganz unnötig sein, wenn ein hochwertiges Speisefluid eingesetzt wird. Es versteht sich, dass die oben beschriebenen und andere Modifikationen sowie ihre Äquivalente in dem Bereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Beispiel 1: Beispielhaftes Polaritätsumkehrungsprotokoll
Zwei identische, vierzellpaarige einstufige Elektroentionisierungsvorrichtungen wurden in einer Konfiguration der in 16 gezeigten Substanz geschaffen, 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 sich abwechselnden 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 Flussweglänge 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 Ionenverarmungs- und jeder Ionenkonzentrationsstrom wurde parallel ohne Stromrückführung in eine Flussabwärtsrichtung eingespeist, und jeder Strom wurde bei einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr 0,9 l/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 Fließrichtungen aller Ströme auf der ersten Vorrichtung umgekehrt, so dass auf täglicher Basis zwischen den Flussaufwärts- und Flussabwärtsrichtungen abgewechselt wird. Es gab keine Flussumkehrung auf der zweiten Vorrichtung und beide Vorrichtungen führten identische Polaritätsumkehrungssequenzen in Intervallen von 30 Minuten fort.
Am 4. Tag lagen die Reinigungsniveaus in den Ionenverarmungsströmen beider Vorrichtungen, wie durch elektrische Konduktanz überwacht, bei ungefähr 80%. Beginnend am 5. Tag des Betriebs neigten die Ionenverarmungsströme 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 Ionenkonzentrationsströme – dazu, sich auf ein Minimum von ungefähr 6,6 zu verringern. Langelier-Sättigungsindexberechnungen zeigten an, dass die Konzentratströme eine durchweg niedrigere Ablagerungsneigung aufwiesen und dass die Verarmungsströme 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.
Beispiel 2: Zweites beispielhaftes Polaritätsumkehrungsprotokoll
Zwei identischen vierzellpaarigen einstufigen Elektroentionisierungsvorrichtungen wurde wie in Beispiel 1 beschrieben parallel durch Umkehrosmose vorbehandeltes Wasser eingespeist. Die erste Vorrichtung wurde in eine Flussaufwärtsrichtung gespeist und die zweite Vorrichtung wurde in eine Flussabwärtsrichtung gespeist. Jeder Strom arbeitete bei einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr 1,1 l/min. Jeder Konzentrationsstrom wurde rückgeführt und Zusatzwasser wurde bei einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr 0,1 l/min zugeführt. Die Zufuhrleitfähigkeit des Ionenverarmungsstroms und des Konzentrataufbaus betrug ungefähr 13 Mikrosiemen-cm^–1 und enthielt gemischte Ionensalze, annähernd 4 ppm gelöstes Kohlendioxid und annähernd 250 ppb (Teile pro Milliarde) gelöste Kieselsäure. Eine Gleichstromspannung von ungefähr 20 Volt wurde zwischen den Elektroden jeder Vorrichtung angelegt. Die Polarität wurde alle 24 Stunden umgekehrt, indem die folgenden Schritte vollzogen wurden: (1) Ausschalten des Stroms (bei Zeit = 0); (2) Substituieren des Verarmungs- und Konzentrationsstroms durcheinander (bei Zeit = 10 Sekunden); (3) Umkehren der Polarität (bei Zeit = 15 Sekunden) und (4) Einschalten des Stroms (bei Zeit = 20 Sekunden). Produktwasser wurde durch den ganzen Zyklus kontinuierlich erhalten.
Umgehend nach der Initiierung des Polaritätsumkehrungsprotokolls betrug der Reziprokwert der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Produktwassers ungefähr 17 Megohm-cm und die Kieselsäurekonzentration betrug ungefähr 7 ppb für beide Vorrichtungen. Der Produktwasserleistungswiderstand für beide Vorrichtungen ging auf ein Minimum von ungefähr 6 Megohm-cm für beide Vorrichtungen bei Zeit = 1 Minute zurück. Für die erste und zweite Vorrichtung betrug die maximale Kieselsäurekonzentration ungefähr jeweils 164 ppb und 260 ppb, was ebenso bei Zeit = 1 Minute auftrat. Die erste Vorrichtung und zweite Vorrichtung erlangten einen Produktwasserleistungwiderstand von ungefähr 15 Megohm-cm jeweils bei Zeit = 25 und 45 Minuten und sie erlangten eine Reinheit von 8 ppb Kieselsäure jeweils bei Zeit = 6 Minuten und 15 Minuten.
Beispiel 3: Drittes beispielhaftes Polaritätsumkehrungsprotokoll
Eine Elektroentionisierungsvorrichtung wurde auf eine der in Beispiel 1 beschriebenen Weise identische Weise konstruiert, mit der Ausnahme, dass die Zellenkammern mit Dow Marathon-Ionenaustauschharzfüller gefüllt wurden.
Der Vorrichtung wurde Permeatwasser aus einer Umkehrosmosevorrichtung eingespeist. Jeder Ionenverarmungs- und jeder Ionenkonzentrationsstrom wurde parallel in eine Flussabwärtsrichtung eingespeist, und jeder Verdünnungs- und Konzentrationsstrom wurde bei einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr 0,2 l/min betrieben. Eine Gleichstromspannung von ungefähr 20 Volt wurde zwischen den Elektroden der Vorrichtung angelegt. Das Speisewasser an die Vorrichtung enthielt ungefähr 4 ppm vollständig gelöster Feststoffe (wie CaCO₃), einschließlich 2,5 ppm Kohlendioxid und 1,5 ppm gemischte Ionen.

(i) In einem ersten Polaritätsumkehrprotokoll, das als ein Kontrolltest betrachtet wird, der auf den allgemeinen Stand der Technik hinweist, wurden die Ionenverarmungs- und Ionenkonzentrationsströme mit keiner Konzentratrückführung betrieben und die Ströme wurden bei annähernd der gleichen Zeit ausgetauscht, bei der die elektrische Polarität umgekehrt wurde;
(ii) In einem zweiten Polaritätsumkehrungsprotokoll wurde der Ionenkonzentrationsstrom rückgeführt und bei dem Konzentrateinlass der Vorrichtung mit einer Zufuhr von RO-Permeat kombiniert. Kombiniertes Konzentrat wurde aus dem Rückführungsstrom bei einer derartigen Geschwindigkeit entfernt, dass der Gesamtproduktwassergewinn aus der Vorrichtung annähernd 90% des gesamten RO-Permeats, das in die Vorrichtung eingespeist wird, betrug. Die Ströme wurden bei annähernd der gleichen Zeit ausgetauscht, bei der die elektrische Polarität umgekehrt wurde;
(iii) In einem dritten Polaritätsumkehrungsprotokoll wurden die Ströme auf eine Beispiel (3, ii) identische Weise eingespeist und rückgeführt. Das Umkehrungsprotokoll beinhaltete die folgenden Schritte: (a) der Gleichstrom wurde abgeschaltet und (b) die Ströme wurden ausgetauscht, die elektrische Polarität umgekehrt und der Gleichstrom wurde bei ungefähr der Zeit, bei der die Stromleistungswiderstände gleich waren, wieder angelegt;
(iv) In einem vierten Polaritätsumkehrungsprotokoll wurden die Ströme auf eine Beispiel (3, ii) identische Weise eingespeist und rückgeführt. Das Umkehrungsprotokoll beinhaltete die folgenden Schritte: (a) die Speise- und Produktstromflüsse wurden modifiziert, um auf eine mit dem Beispiel (3, i) identische Weise zu abeiten; (b) nach dem Betrieb in Modus (iv, a) ungefähr zwei Minuten lang wurden die Ströme ausgetauscht und die elektrische Polarität wurde umgekehrt und (c) die Stromflüsse wurden bei ungefähr der Zeit, bei der die Produktleistungswiderstände gleich waren, zu einer Art und Weise zurückgeführt, die mit Beispiel (3, ii) identisch ist;
(v) In einem fünften Polaritätsumkehrungsprotokoll wurden die Ströme auf eine Beispiel (3, ii) identische Weise eingespeist und rückgeführt. Das Umkehrungsprotokoll beinhaltete die folgenden Schritte: (a) die Speise- und Produktstromflüsse wurden modifiziert, um auf eine mit dem Beispiel (3, i) identische Weise zu arbeiten; (b) nach dem Betrieb in Modus (v, a) ungefähr zwei Minuten lang wurde der Gleichstrom abgeschaltet; (c) die Stromflüsse wurden ausgetauscht und der Gleichstrom wurde umgekehrt und bei ungefähr der Zeit, bei der die Produktleistungswiderstände gleich waren, wieder angelegt und (d) die Stromflüsse wurden auf eine Art und Weise zurückgeführt, die mit Beispiel (3, ii) identisch ist, nach dem Betrieb in Modus (v, c) ungefähr 10 Minuten lang arbeiteten; und
(vi) In einem sechsten Polaritätsumkehrungsprotokoll wurden die Ströme auf eine Beispiel (3, ii) identische Weise eingespeist und rückgeführt. Das Umkehrungsprotokoll beinhaltete die folgenden Schritte: (a) die RO-Permeatzufuhr an den Rückführungskonzentatstrom wurde ausgeschaltet; (b) eine konzentrierte wässrige Natriumchloridlösung wurde in den rückführenden Konzentratstrom in einer Menge eingespeist, die ausreicht, um eine 2%ige Salzlösung innerhalb des Konzentrationsstroms zu errichten; (c) nach dem Betrieb in Modus (vi, b) ungefähr fünf Minuten lang wurden die Speise- und Produktstromflüsse modifiziert, um auf eine mit Beispiel (3, i) identische Weise zu arbeiten; (d) nach dem Betrieb in Modus (vi, c) ungefähr 2 Minuten lang wurden die Ströme ausgetauscht und die Gleichstrompolarität wurde umgekehrt und (e) bei ungefähr der Zeit, bei der die Produktleistungswiderstände gleich waren, wurden die Stromflüsse auf eine Weise zurückgeführt, die mit Beispiel (3, ii) identisch ist.

Für jeden Polaritätsumkehrungsprotokolltest wurde der Reziprokwert der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Wasser überwacht und Produktwasser wurde aus dem Strom, der die beste Wasserqualität produzierte, kontinuierlich gesammelt. Während der Zeit des Umkehrungszyklus und nach dem Umkehrungszyklus, bis zum Wiedererreichen eines gleichmäßigen Zustands, wurde Produktwasser bei Betrieb in gleichmäßigem Zustand vor der Initiierung des Umkehrungszyklus gesammelt. Tabelle I unten stellt die Zeitdauer, während der die Produktwasserqualität niedriger war als der gegebenen Leistungswiderstand zu einer beliebigen Zeit während des kontinuierlichen Betriebs der Vorrichtung tabellarisch dar.
Tabelle I Leistungswiderstandszeitdauer niedriger als Leistungswiderstandswert (Stunden)
Tabelle II stellt die Zeit, bei der der niedrigste Produktwasserleistungswiderstand gesammelt wurde (d. h. die Zeit, bei der die zwei Ströme bei einem gleichen Wasserleistungswiderstand lagen), tabellarisch dar.
Tabelle II
Beispiel 4: Erster Vergleich von Elektroentionisierungsvorrichtungen mit und ohne Zellpaargruppierungen
Zwei Vorrichtungen wurden aufgebaut. Die erste beinhaltete wie in Beispiel 1 beschriebene Komponenten, außer, dass sie zwei Zellgruppierungen von jeweils zwei Zellpaaren beinhaltete und außer, dass der Harzfüller ein Dow Marathon-Ionenaustauschharz war. Jede Zellgruppierung beinhaltete fünf sich abwechselnde Kation- und Anionenmembranen, die mit einer Kationenmembran begannen und endeten. Die zweite Vorrichtung war mit der ersten identisch, außer, dass sie fünf Zellpaare in einer Zellgruppierung, die elf sich abwechselnde Kationen- und Anionenmembranen beinhaltete, beinhaltete.
Jeder Vorrichtung wurde, bei einer Fließgeschwindigkeit zum Ionenverarmungsstrom von 0,2 l/min pro Zelle, Wasser eingespeist, das durch Umkehrosmose vorbehandelt worden war und 4 ppm Kalzium, 6 ppm gelöstes Kohlendioxid und 296 ppb Kieselsäure enthielt. Die Konzentrationsströme wurden ohne Zusatzspeisewasser bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,2 l/min pro Zelle rückgeführt. Eine Gleichstromspannung von 3 Volt pro Zelle wurde an jede Vorrichtung angelegt.
Nach 24 Stunden Betrieb produzierte die erste Vorrichtung Produktwasser mit einem Leistungswiderstand von 11 Megohm-cm, wobei die Stromstärke der Vorrichtung 0,58 Ampere betrug und der Konzentratstrom 140 ppm Kalzium enthielt. Die zweite Vorrichtung produzierte Produktwasser mit einem Leistungswiderstand von 7 Megohm-cm, wobei die Stromstärke der Vorrichtung 0,78 Ampere betrug und der Konzentratstrom 120 ppm Kalzium enthielt. Nach 72 Stunden Betrieb wurden beide Vorrichtungen abgebaut. Innerhalb der Konzentrationszellen beider Vorrichtungen wurde Ablagerung gefunden. In der ersten Vorrichtung an der Schnittstelle zwischen den Zellpaargruppierungen wurde keine Ablagerung gefunden.
Beispiel 5: Zweiter Vergleich einer Elektroentionisierungsvorrichtung mit und ohne Zellpaargruppierunqen
Zwei Vorrichtungen wurden aufgebaut und ihnen wurde Wasser eingespeist, wie in Beispiel 4 beschrieben, außer, dass den Rückführungskonzentrationsströmen bei einer Geschwindigkeit von 0,02 l/min pro Konzentrationszelle Zusatzwasser eingespeist wurde. Die erste und zweite Vorrichtung wurden bei 15 Volt betrieben und die Stromstärke betrug ungefähr jeweils 0,60 und 0,58 Ampere. Nach 8 Tagen Betrieb betrug der Reziprokwert der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Produktwassers ungefähr 16,6 Megohm-cm für die erste Vorrichtung und ungefähr 15 Megohm-cm für die zweite Vorrichtung. Am neunten Tag des Betriebs wurden die Verarmungs- und Konzentrationsströme durcheinander substituiert, gefolgt vom Umkehren der Polaritäten jeder Vorrichtung. Am elften Tag des Betriebs betrug der Reziprokwert der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Produktwassers ungefähr 17 Megohm-cm für die erste Vorrichtung und ungefähr 15 Megohm-cm für die zweite Vorrichtung. Nach Beendigung des Tests wurde die erste Vorrichtung abgebaut, und es fanden sich keine Ablagerung oder keinerlei Anzeichen von Membranschaden an der Schnittstelle zwischen den Zellpaargruppierungen.
Äquivalente
Der Fachmann wird schnell erkennen, dass alle hier aufgelisteten Parameter beispielhaft 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 ihrer Äquivalente 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 Ionenkonzentrationskammer (22), die angrenzend an mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) positioniert ist, umfasst, wobei die Ionenkonzentrations- und die Ionenverarmungskammer 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, wobei die Kammern zwischen einer ersten und zweiten Elektrode (32, 34) in elektrischer Verbindung mit den Kammern positioniert sind; b) Schaffen eines ersten Fluidstroms (62), der eine Ionenkonzentration durch die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer (22) aufweist, und eines zweiten Fluidstroms (58), der eine Ionenkonzentration durch die mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) aufweist; und c) Erregen der Elektroden (32, 34) durch Anlegen einer ersten Polarität an die erste Elektrode (32) und einer zweiten Polarität an die zweite Elektrode (34), um ein elektrisches Potential über die Kammern (22, 24) bereitzustellen, wodurch ein verarmter Fluidstrom (60), der aus der mindestens einen Ionenverarmungskammer (24) austritt, und ein konzentrierter Fluidstrom (64), der aus der mindestens einen Ionenkonzentrationskammer (22) austritt, geschaffen werden, wobei der verarmte Fluidstrom (60) eine niedrigere Ionenkonzentration als die des zweiten Fluidstroms (58) aufweist; gekennzeichnet durch: d) Substituieren des ersten Fluidstroms durch einen dritten Fluidstrom, während der zweite Fluidstrom durch die mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) erhalten wird, wobei der dritte Fluidstrom eine niedrigere Ionenkonzentration als die des ersten Fluidstroms (62) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der konzentrierte Fluidstrom (64) mindestens teilweise rückgeführt und als der erste Fluidstrom (62) geschaffen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Fluidstrom (62) ein Ionengemisch umfasst, das im Wesentlichen aus von dem zweiten Fluidstrom (58) weitergeleiteten Ionen gebildet ist, wobei das Verfahren ferner das Einstellen der Konzentration niederohmiger Ionen im konzentrierten, rückgeführten Fluidstrom beinhaltet, um die Ionenform des Ionenaustauschmaterials innerhalb der Ionenkonzentrationskammer (22) im Wesentlichen zu ändern.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der dritte Fluidstrom eine Kombination aus dem ersten Fluidstrom (62) und einem Fluidstrom, der eine niedrigere Ionenkonzentration als die des ersten Fluidstroms aufweist, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Fluidstrom (62) sich ablagernde und sich nicht ablagernde Substanzen umfasst, wobei das Verfahren ferner das Einstellen der Konzentration der sich nicht ablagernden Substanzen in dem konzentrierten, rückgeführten Fluidstrom beinhaltet, um die Ionenform des Ionenaustauschmaterials innerhalb der Ionenkonzentrationskammer (22) im Wesentlichen zu ändern.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgenden Schritt beinhaltet: Umkehren der Polarität der ersten und der zweiten Elektrode (32, 34).
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner Folgendes beinhaltet: e) Umwandeln jeder der mindestens einen Ionenverarmungskammer (24) in zweite Ionenkonzentrationskammern und Umwandeln jeder der mindestens einen Ionenkonzentrationskammer (22) in zweite Ionenverarmungskammern; f) Schaffen des ersten Fluidstroms (62) durch die zweiten Ionenkonzentrationskammern (24) und Schaffen des zweiten Fluidstroms (58) durch die zweiten Ionenkonzentrations (22)-kammern; und g) Umkehren der Polarität der ersten und der zweiten Elektrode (32, 34), wodurch ein verarmter Fluidstrom, der aus den zweiten Ionenverarmungskammern (22) austritt, und ein konzentrierter Fluidstrom, der aus den zweiten Ionenkonzentrationskammern (24) austritt, geschaffen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der konzentrierte Fluidstrom mindestens teilweise rückgeführt und als der erste Fluidstrom (62) geschaffen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der erste Fluidstrom ein Ionengemisch umfasst, das im Wesentlichen aus von dem zweiten Fluidstrom weitergeleiteten Ionen gebildet ist, wobei das Verfahren ferner das Einstellen der Konzentration niederohmiger Ionen in dem konzentrierten, rückgeführten Fluidstrom (64) beinhaltet, um die Ionenform des Ionenaustauschmaterials innerhalb der Ionenkonzentrationskammer (22) im Wesentlichen zu ändern.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der erste Fluidstrom (62) sich ablagernde und sich nicht ablagernde Substanzen umfasst, wobei das Verfahren ferner das Einstellen der Konzentration der sich nicht ablagernden Substanzen in dem konzentrierten, rückgeführten Fluidstrom (64) beinhaltet, um die Ionenform des Ionenaustauschmaterials innerhalb der Ionenkonzentrationskammer (22) im Wesentlichen zu ändern.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der erste Fluidstrom durch die zweiten Ionenkonzentrationskammern (24) in eine erste Richtung fließt (62), und die Fließrichtung des ersten Fluidstroms (62) durch die zweiten Ionenkonzentrationskammern (24) von der ersten Richtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung umgekehrt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der zweite Fluidstrom durch die zweiten Ionenverarmungskammern (22) in eine erste Richtung fließt, und die Fließrichtung des zweiten Fluidstroms durch die zweiten Ionenverarmungskammern (22) von der ersten Richtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung umgekehrt wird.
Eine Elektroentionisierungsvorrichtung, die Folgendes beinhaltet: eine Vielzahl von Kammern, die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer (22), die angrenzend an mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) positioniert ist, beinhaltet, wobei die Ionenkonzentrations- und die Ionenverarmungskammer 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 (22, 24) und in elektrischer Verbindung damit; eine zweite Elektrode (34) auf einer zweiten Seite der Vielzahl von Kammern (22, 24) 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 (32, 34) und der Vielzahl von Kammern (22, 24) einen elektrischen Stromkreis definiert; und eine erste Fluidkreislaufanordnung, die eine Quelle eines ersten Fluidstroms (62), der eine Ionenkonzentration aufweist, mit der Ionenkonzentrationskammer (22) verbindet, und zum Verbinden einer Quelle eines zweiten Fluidstroms (58), der eine Ionenkonzentration aufweist, mit der Ionenverarmungskammer (24); gekennzeichnet durch: eine zweite Fluidkreislaufanordnung, die eine Quelle eines dritten Fluidstroms mit einer Ionenkonzentrationskammer (22) verbindet, und zum Verbinden der Quelle des zweiten Fluidstroms mit der Ionenverarmungskammer (24), wobei der dritte Fluidstrom eine niedrigere Ionenkonzentration als die des ersten Fluidstroms aufweist.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die erste Fluidkreislaufanordnung, in Fluidverbindung mit dem ersten Fluidstrom, ferner eine Quelle (88) von Substanzen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus chemischen Substanzen, biologischen Substanzen und Gemischen daraus besteht, beinhaltet.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei die erste Fluidkreislaufanordnung einen Rückführungsweg (50, 90, 92, 94, 96, 86, 98, 100, 102, 104, 48) umfasst, der angeordnet ist, um Fluidfluss von einem Ausgang (50) der Ionenkonzentrationskammer (22) zu einem Eingang (48) der Ionenkonzentrationskammer (22) rückzuführen.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die erste Fluidkreislaufanordnung ferner einen in Fluidverbindung mit dem Rückführungsflussweg stehenden Einlass (112) beinhaltet.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Einlass (112) in Fluidverbindung mit einer Quelle (88) von Substanzen steht, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus chemischen Substanzen, biologischen Substanzen und Gemischen daraus besteht.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Einlass (112) in Fluidverbindung mit einer Quelle (56) eines Fluidstroms steht, der eine niedrigere Ionenkonzentration als die des ersten Fluidstroms (62) aufweist, wobei der Rückführungsflussweg ferner einen Auslass (116) zum Entfernen von Überlauf von dem Rückführungsflussweg beinhaltet.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15-18, wobei der Rückführungsflussweg ferner einen Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbereich (86) beinhaltet.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei der Flüssigkeit/Gas-Schnittstellenbereich (86) einen Behälter und eine Gasdruckregelung (110) beinhaltet, um das Entfernen von Gas aus dem durch die Ionenkonzentrationskammer (22) verlaufenden Fluid zu erleichtern.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13-20, wobei die Quelle des zweiten Fluidstroms und die Quelle des dritten Fluidstroms dieselben sind.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13-21, wobei die erste Fluidkreislaufanordnung die Quelle des ersten Fluidstroms mit der Ionenkonzentrationskammer (22) verbindet, um den durch die Ionenkonzentrationskammer (22) in eine erste Richtung fließenden ersten Fluidstrom zu schaffen, wobei die Vorrichtung ferner eine dritte Fluidkreislaufanordnung, die die Quelle des ersten Fluidstroms mit der Ionenkonzentrationskammer (22) verbindet, um den durch die Ionenkonzentrationskammer (22) in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung fließenden ersten Fluidstrom (62) zu schaffen, beinhaltet.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 22, wobei die erste Fluidkreislaufanordnung die Quelle des zweiten Fluidstroms (58) mit der Ionenverarmungskammer (24) verbindet, um den durch die Ionenverarmungskammer (24) in eine erste Richtung fließenden zweiten Fluidstrom zu schaffen, und wobei der dritte Fluidkreislauf die Quelle des zweiten Fluidstroms (58) mit der Ionenverarmungskammer (24) verbindet, um den durch die Ionenverarmungskammer in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung fließenden zweiten Fluidstrom zu schaffen.
Ein Verfahren zur Reinigung eines Fluids, das Folgendes beinhaltet: a) Bereitstellen einer Elektroentionisierungsvorrichtung (20), die eine Vielzahl von Kammern beinhaltet, die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer (22), die angrenzend an mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) positioniert ist, umfasst, wobei die Ionenkonzentrations- und die Ionenverarmungskammer 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 (22, 24) positioniert sind; und b) Schaffen eines ersten Fluidstroms (62), der eine Ionenkonzentration durch die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer (22) aufweist, und eines Ausgangsfluidstroms (64), der eine Ionenkonzentration aufweist, die aus der mindestens einen Ionenkonzentrationskammer (22) austritt; gekennzeichnet durch: c) Rückführen des Ausgangsfluidstroms (64), um den Ausgangsfluidstrom (64) als den ersten Fluidstrom (62) zu schaffen; und d) Erhöhen der Ionenkonzentration des ersten Fluidstroms (62).
Verfahren gemäß Anspruch 24, das ferner das Schaffen eines zweiten Fluidstroms (58), der eine Ionenkonzentration durch die mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) aufweist, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 25, das ferner das Erregen der Elektroden (32, 34) durch Anlegen einer ersten Polarität an die erste Elektrode und einer zweiten Polarität an die zweite Elektrode, um ein elektrisches Potential über die Kammern (22, 24) bereitzustellen und einen konzentrierten Fluidstrom (60), der eine niedrigere Ionenkonzentration als die des zweiten Fluidstroms (58) aufweist, der aus der mindestens einen Ionenverarmungskammer (24) austritt, und den Ausgangsfluidstrom (64) als einen konzentrierten Fluidstrom, der aus der mindestens einen Ionenkonzentrationskammer (22) austritt, zu schaffen, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 24, das ferner das Substituieren des ersten Fluidstroms (62) durch einen dritten Fluidstrom beinhaltet, wobei der dritte Fluidstrom eine niedrigere Ionenkonzentration als die des ersten Fluidstroms (62) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei der erste Fluidstrom (62) durch die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer (22) geschaffen wird, um in eine erste Richtung zu fließen, und die Fließrichtung des ersten Fluidstroms (62) durch die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer (22) von der ersten Richtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung umgekehrt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 28, das ferner das Schaffen eines zweiten Fluidstroms (58) durch die mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) beinhaltet, wobei der zweite Fluidstrom (58) durch die mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) geschaffen wird, um in eine erste Richtung zu fließen, und wobei der Umkehrschritt ferner das Umkehren der Fließrichtung des zweiten Fluidstroms (58) durch die mindestens eine Ionenverarmungskammer (24) von der ersten Richtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung beinhaltet.