TW200427634A - Fluid deionization system - Google Patents

Description

玫、發明說明： 【發明所屬之技術領織】 本發明係有關一種流體去離子化系統。 【先前技術3 背景 去離子水被用於許多商業應用，諸如，半導體及鑛絡 板、汽車工業、飲料生產，及鋼加工處理。再者，系統被 家用機器、產業、製造及城市設備及其它循環其水輸出、 刪減成本及保護環境之應用被考量。 當然，流通電容器之主要目的需要丨、；人m 1 文曰π而要Μ合理成本使海水 去除鹽份，提供無窮盡供應之可用水至需要區域。現今， 進階研究係進行使用新材料，包含碳奈米管。 然而，第三世界之水需求係立即地。三分之二之世界 人口無清潔水可用。發展中世界之大部份疾病係與水有關 -每年多於5百萬人死於可輕㈣免之財為媒介之疾病， 諸如，腹瀉、痢疾及霍亂。 明白表示，可攜帶的水係未來最有價值之物品。世界 人口於50至90年内將成雙倍。每人水消耗量增加，但供應 量退化。80%之世界人口生活於海岸線2〇〇英哩内，其間 水雖可獲得，但係不可攜帶或適於農業。7〇%之地下水係 含有鹽份。所有疾病之85%係與不安全飲水有關。 流通電容器已被發展用以使物料與流體分離，諸如， 鹽與水分離。例如，Andleman之美國專利第5，192,432 ; 5，186，115 ; 5,200,068 ; 5,360,540 ; 5,415,768 ; 5,547,581 ; 5,620,597 ; 5,415,768號案，及Toshiro Otowa之美國專利第 5,538,611號案（其等在此皆被併入以供參考之用）描述流通 電容器系統，其係於活性碳之交替電極（電容器）間過濾被 污染及含鹽份之水。再者，Faris之PCT申請案US02/25076 號案（2002年8月7日申請，發明名稱，，可移動之電極流通電 容器”），及Faris等人之pCT申請案US03/26693號案（2003年 8月26日申請，發明名稱，，流體去鹽化流通電容器系統，，）， 二者在此被全部併入以供參考之用，其等係描述具改良通 過里之流通電谷器糸統。一般而言，當施加電壓時，水中 之鹽、硝酸鹽、完全溶多之固體及其它摻雜物被吸引至高 表面積之石反材料。固體於電極上發展，因此，加工處理需 停止以移除呈濃縮液體之污染物。此係藉由電極之短路而 完成。 此方法已被教示係一種比傳統系統（諸如，逆滲透， 其使諸如硝酸鹽之污染物通過，促進細菌生長且對於每一 次純化係耗損一或更多加侖的水）更佳之水去鹽方法。再 者，離子交換系統（亦被廣泛使用）產生污染且使用強酸' 鹼及鹽使樹脂再生。 但是，電極有限壽命造成高成本，且電極需經常替換。 複雜之電極支撐結構、電極内及電極間之鉛管及外殼係難 以自傳統流通電容器系統回收。 再者，許多傳統流通電容器及其它去離子化系統之另 外缺點，特別是對於經濟之水去鹽化，係高濃度之排放鹽 水。傳統之水去鹽化設備普遍地係直接將鹽水排放至海 200427634 年。此鹽水可具有最高達海水兩倍，甚至更大之濃度。此 產生高鹽濃度海水之不自然區域，破壞生態系統。因此， 雖^達成提供可攜$式之水至城市及灌凝用水源之必要目 標’傳統去鹽化設備及系統之非故意的環境及生態衝擊最 5 終會超過所欲結果。 因此，所欲地係提供-種相對較有益於生態之系統及 方法’以依所需地使水去鹽或自—物料移除其它物質。 C 明内】 概要 10 f知技藝之如上騎討及其它之㈣絲失可藉由本 發明用以自流體移除離子性物質（諸如，自水移除鹽）之數 種方法及裝置克服或減緩。 種階段式或串聯式之去離子化系統被描述。此系統 包含N個去離子化次系統（例如，流通電容器）。此系統具 15有一用以使流體去離子化之加料態，及用以使個別去離子 化次系統去離子化之放料態。於加料態，具有離子濃度c 之輸入之經離子化流體被引入第N個去離子化次系統，以 使流體之濃度降低ΔΝ，形成具濃度之流體流。 n流體流被輸入至其後之去離子化次系統，且藉由使流體 20濃度降低An而使其它加料。此處理方法最後提供具有濃 度c-fx之輸出流體流。 k=l 為使此系統放料’於某些較佳實施例，此系統被呈短 路，且具有濃度F之沖刷流體係呈並聯式經N個去離子化次 7 系統沖刷。因此，鹽水(放料流體）之最大濃度係f+am， 其中，Δμ係ΔΝ之最大值。此係特別優於傳統系統，其會 排放。 灸=1 例如，若所有Δν值約相等（△)，且沖刷流體係相同之 欲被去離子化之入口流體(F=C)，則自Ν個次系統之放料流 體係約C_△，其係相反於具有C_N△放料流體濃度之傳統 糸統。 本發明之如上所探討及其它之特徵及優點由下列詳細 描述及圖式可被熟習此項技藝者認知及瞭解。 圖式簡單說明 第1圖係具有並聯式放料模式之一串聯式去離子化系 統之示意圖；及 第2A-2C圖描述另一串聯式去離子化系統及操作模 式。 I：實施方式;3 詳細說明 此間所揭露係一種串聯式去離子化系統。此串聯式去 離子化系統給與一種模組式、規格化、快速去離子化及有 效率之一種系統結構。 參考第1圖，一種用以使流體去離子化之系統1〇〇被描 述。此系統100包含複數個去離子化次系統10,20,3〇...N， 諸如，流通電容器。三個被方便地顯示，因此，2至N之任 何數值可被用於此系統，其中，N可少至2，且可多達應用 200427634 所需者(例如，數十、數百、數千）。 流通電容器被電連接至一電源，且電力連接係建構成 父替式，例如，交替加料作用（例如，使流經流通電容器 之流體進行去離子化）或放料作用（例如，使來自流經電容 盗之經收集離子進行去離子化）。電源可為沉或从。於dc 操作時，極性可被反向於加料及放料間切換。於ac操作， 例如’相可被替換以改變加料及放料周期。 ίο 15 於加料（流體去離子化)操作期間，具有濃度c之經離 子化流體係經由液朗丨人第—去離子化次系統(例如，流 通電容器）10。閥5係於，，_’，位置，以避免具濃度c之流 體進4離子化次系統2〇, 3〇,.. n。閱w〇被建構成能 抓入第一去離子化_人系統(例如，流通電容器）如。閥^〇/〇⑽ 被建構成能流入第三去離子化次系統(例如，流通電容 器）30’等等至第N個去離子化系統。去離子化次系統1〇,2〇, 3LN每-者使個別進入流體之濃度減少、、〜、〜.. N值/、中△!〇 每一者可為相同或不 同口此、.-工去離子化之流體5〇具有濃度〔_(△ ι〇+Δ2〇+δ 3〇..人），因此，若〜〇、〜〇、〜〇、〜相同，經去離子 化之流體50具有濃度C_n厶。 20 換言之’包含N個去離子化次系統之系統，每一者係 使流體濃度（具起始料濃度c)減少\，去離子化之輸出 流體形成具濃度。 於放料態時(去離子化系 統去離子化），如第1圖之實施 9 200427634 例所示，每一系統10, 20, 30…N接收來自輸入流2之輸入， 其中，閥5被打開。每一次系統10, 20, 30...N之輸出閥被建 構成能使經離子化之流體經由出口 60流出。 第1圖系統（稱為”串聯式加料/並聯式放料，，)之主要益 處係放料產物僅具有C+△範圍之濃度，相較於傳統去離子 化糸統輸出或鹽水放料產物，於環境上係安全。 換言之，使用具有濃度F之沖刷流體之n個電池之放 料形成F+AM之最大鹽水(經放料流體）濃度，其中，△1^係 △ N值之最大值。此係特別優於傳統系統（其會排放C- 10 ίχ)。 k=l 於第1圖之實施例及此間其它實施例之去離子化次系 統可包含任何已知逆滲透系統、離子交換系統、流通電容 器系統，或其混合。於某些較佳實施例，流通電容器系統 被使用。典型之流通電容器系統包含一對其間具有用於流 15體流動之空間的電極。於施加電壓時(例如，自DC電源， 且經由適當接觸使電極接觸）及通過離子性流體時，適當 電荷之離子被吸引至電極，形成電雙層。 單獨之高表面積導性組份可形成作為電極，或可被支 撐於適當基材上（導性或非導性，依電極形式而定）。另外， 20電流收集器及高表面積導性組份可為多層形式，或可為單 一層。例示之空氣陰極係揭示於美國專利第6,368,751號 案，發明名稱”用於燃料電池之電化學電極，，，Wayne Ya〇 及Tsepin Tsai，1999年10月8日申請，其在此被全部併入以 10 200427634 供參考之用。 用於流通電容器之高表面積導性材料可勺人 種導電材料，其不受限地包含石墨、、 尹、乏之各 ，古性碳顆粒、活性碳 纖維、與黏合劑材料一體成形之活性磁军 灭稍粒、機織之活性 碳纖維片材、機織之活性碳纖維布材、 謂非機織之活性t纖 維片材、非機織之活性碳纖維布材、懕制 蝥1之活性碳顆粒、 壓製之活性碳顆粒纖維；居石（azite)、 )金屬，特別是導性 ίο 顆粒，金屬導電纖維、乙炔黑、貴金屬、链貴金屬之材料 富勒稀、導性喊、導性聚合物，或包含前述至少_者之 任何混合物。高表面積材料可選擇性地包含以導性材料(諸 如’鈀、翻系列黑)之塗覆物或電鍍處理，以促進導電性。 高表面積材料亦可以化學物(諸如，鹼，例如，氫氧化鉀， 15 或i素，例如，氟)處理，以增加表面積及導性。每克大 於約ι_平方公尺之表面積的錄碳㈣倾佳，但需瞭 解較低表面積之材料亦可被使用，其係依不受限地^電 極間之距離、施加之電壓、所欲之離子移除度、可移動陰 極的速度及可移動陰極之結構等因素而定。 π 20 、現參考第2Α·2,，階段式或串聯式之去離子化系統 被描述。此系統包含Ν個流通電容器11〇, ΐ2〇, ι3〇 ν， 其係與適當電力供應電連接，而呈用以使流體去離子化之 加料態，被電短路而呈用以使個職通電容器去離子化之 放料態。 於加料態，如第2Β圖所示，具有離子濃度C之輸入離 子化流體被引人流通電容器UG，其間，流體濃度減少Δ1， 11 200427634 而成為具濃度C-ΔΙ之流體。C-ΔΙ之流體被輸入流通電容 器120，且於其内藉由使流體濃度減少Δ 2而成為具有濃声 0：-Δ1-Δ2之經去離子化之輸出流體而被加料。同樣地， △ 1-Δ 2之流體被輸入流通電容器130，且於其内藉由使、、斧 5 體濃度減少△ 3而成為具有濃度C- △ 厶2- △ 3之經去離子 化輸出流體而被加料。注意如上所述△值可為相同或相 異。 於放料態，且現參考第2C圖，具有濃度F之放料輪入 流體係呈並聯地被引至流通電容器11〇，12〇 。呈有、、曲 10度F+△卜F+A2、F+A3之來自流通電容器11〇, 12〇, 13〇 之輸出>’IL體自糸統排放。此一糸統係生態上無宏，特別是 與傳統系統(其會排放具有Ρ+Λ1+Λ2+Λ3ΔΝ濃度之流體) 之相比。 於-較佳實施例，閥及管線之配置係被建構成可再使 μ用，其中，去離子化單元或流通電容器⑽⑽叫或队 20, 30)係模組式且可替換。 雖然較佳實施例已被顯示及描述，但各種改良及替代 可於未偏離本發明之精神及範圍下對於為之。因此，需瞭 解本發明係藉由例示說明而非限制地被描述。 20 【圖式簡單說明】 第1圖係具有並聯式放料模式之一串聯式去離子化系 統之示意圖；及 第2A-2C圖描述另一串聯式去離子化系統及操作模 式。 12 200427634 【圖式之主要元件代表符號表】 100.. ....流體去離子化系統 10,20,30……去離子化次系統 2......液流 5……閥

Ic2(/〇D10......閥

Ic3(/〇D20......閥 〇C3〇/〇D30......閥 50.. ....去離子化流體 60......出口 110, 120, 130……流通電容器

Claims (1)

1. 200427634 拾、申請專利範圍： 1. 一種階段式去離子化系統，包含： 第一及第二去離子化次系統，具有用以使流體去離子 化之加料態及用以使個別去離子次系統去離子化之放料 5 態，其中， 於該加料態， 具離子濃度C之輸入離子化流體被引入該第一去 離子化次系統，其中，流體之濃度減少而成具濃度C-Δ i之流體，且 10 該C-Aii流體被引至該第二去離子化次系統，且 被注至第二去離子化次系統，使該流體之濃度減少Δ2而 成具濃度之去離子化輸出流體，且，其中 於該放料態， 沖刷流體係呈平聯地輸入至該第一去離子化次系 15 統及第二去離子化次系統，其中，於該第一去離子化次系 統及該第二去離子化次系統集結之離子被排放。 2. —種階段式去離子化系統，包含： Ν個以k=l至Ν表示之去離子化次系統，每一者具有用 以使流體去離子化之加料態及用以使個別去離子化次系統 20 去離子化之放料態，其中 於該加料態，N個呈串聯式連接之系統，每一者使起 始具有濃度C之輸入流體之濃度於每一階段減少之量， 形成具有濃度之輸出去離子化流體，且其中 k=\ 14 200427634 於該放料態，N個去離子化次系統以具有濃度F之沖刷 流體呈並聯地沖刷，形成F+AM之最大放料流體濃度，其 中，ΔΜ係數值Δκ之最大值。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之階段式去離子化系統， 5 其中，該等去離子化次系統之至少一者係包含包含流通電 容器，其於該加料態係電連接至一電連接器，且於該放料 態係呈電短路。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之階段式去離子化系統， 其中，輸出流體、去離子化系統、沖刷流體及放料流體間 10 之連通係以管線及閥之形式提供，其等係被建構成可再使 用，且其中，該去離子化系統係模組式。

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