电渗析装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种改进的使用电场和离子交换材料来去除水中离子以产生充分纯净的水的设备和操作方法，其中实施例包括一个或几个新特征：与去离子流的流向相反的盐水和电极流，用分层的离子交换材料填充盐水流，混合去离子流的流混合特征，除去气体的除气特征，按照本发明专利技术电渗析装置的螺旋盘绕实施例，以及按照本发明专利技术来确定电渗析系统优选运行电流的方法。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及改进的电渗析(“ED”包括“EDR”)设备和系统，包括改进的填料池电渗析设备和系统，以及使用这些设备和系统的改进的方法。(在本领域中填料池ED也被称为电去电离作用(“EDI”)。在本领域中填料池EDR也被称为逆电去电离作用(“EDIR”))。然而由于技术因素，特别是相对较低的限制电流密度和去弱电离物质的不足，使得ED的使用受到限制，在下面进一步讨论了现有技术的ED系统的这些限制和不足。A、限制电流密度因为ED中使用的IX膜对一种符号或另一种符号离子具有高选择性，通过膜的大部分离子必须从周围溶液扩散穿过沿着膜和去离子溶液(即本领域中已知的稀液或稀释溶液或流)间分界面形成的层流层到达膜壁，穿过稀释溶液的离子的最大扩散速率发生在膜界面处电解质的浓度实质为零的时候。对应于膜界面处零浓度的电流密度在本领域中被称为限制电流密度。提高离子扩散速率就能提高限制电流密度，例如，加快膜表面周围溶液的流速，减少层流层的厚度和/或使用湍流促进剂，和/或提高温度。对于每立方米溶液的每千克当量盐，实际的限制电流密度通常在5000到10000安培每平方米范围内(即，对于克当量每升的盐来说，为0.5到1安培每平方厘米)。含盐水的盐浓度通常为大约0.05kg-eq/m3(也就是大约0.05-eq/l或大约百万分之3000份(“ppm”))，因此，限制电流密度在250至500安培每m2(0.025至0.05安培每cm2)范围内。为了最有效利用ED设备，需要在尽可能高的电流密度下运行。然而，当达到限制电流密度时，发现水会在(传统的)阴离子交换(“AX”)膜与稀释流的界面处电离(即，“分解”)成氢离子和氢氧根离子，氢离子进入稀释流而氢氧根离子穿过AX膜进入旁边富含离子的溶液中(在本领域中被称为“浓缩液，浓缩的，浓缩或盐水溶液或流”)。由于含盐水经常含有碳酸氢钙，因此碳酸钙也会在与浓缩流接触的(传统的)AX膜的表面趋于沉淀。几项技术中都遇到了这个问题对给水或浓缩流进行化学或IX软化；在给水或浓缩流(脱碳或不脱碳)中加酸；纳滤(“NF”)；或者是，有规律的倒转电流方向使浓缩流变为稀释流(以及稀释流变为浓缩流)。例如，参见美国专利2,863,813。在上面的技术中，最成功的是最后提到的工艺，即涉及“电渗析倒转”(“EDR”)技术的电流方向的倒转。ED中限制电流理论表明例如在氯化钠溶液中，阳离子交换(“CX”)膜应达到它们的限制电流密度，其值约为AX膜的2/3rds。精细的测量表明情况也确实如此。然而，当达到或超过(传统的)CX膜的限制电流密度时，发现在CX膜和稀释流界面处的水并没有分解成氢氧根离子和氢离子。(传统的)AX和CX膜在它们各自的限制电流时水所出现的不同分解现象在近几年一直解释为，AX膜中弱碱胺对水分解的催化作用。只有季铵阴离子交换基团(或无弱碱基团)的AX膜在达到限制电流的最初时段内没有有效地分解水。这种现象会持续仅几个小时，然而，在这个时期后水开始分解并随着时间加快。然后发现AX膜会含有一些由季胺基团水解而产生的弱碱基团。结论是传统的AX膜在限制电流密度或其附近所出现的水的分解在实际中令人遗憾地不可避免。ED中限制电流的存在也意味着在稀释溶液中限制电流密度是相对很低的。例如，当盐浓度约为0.005kg-eq/m3(也就是大约0.005g-eq/l或大约300ppm，典型的饮用水浓度)时，限制电流密度在25至50安培每m2(0.0025至0.005安培每cm2)范围，即，单位面积单位时间盐的转移是相当少的(即每小时每平方米50至100克盐)。这个问题最初好象是由W.Walters等人在1955年(Ind.Eng.Chem.47(1955)61-67)往ED叠层组件(即，一组AX和CX膜)的稀释层内填注强碱和强酸离子交换(IX)颗粒的混合物时提出的。自此关于这项课题出现了很多专利，其中有美国专利3,149,061；3,291,713；4,632,745；5,026,465；5,066,375；5,120,416和5,203,976,这些专利在此均作为参考。这里这种填料池ED(所称的EDI)有两种操作模式。在第一种模式中，IX颗粒用作扩展的膜表面积，因此大大提高了限制电流密度。在第二种模式中，使用的电流密度大大高于IX颗粒存在时的限制电流密度。在这些情况下，在膜-稀释流界面处水的分解速度是非常高的，Ⅸ颗粒主要是强碱和强酸的形式。在连续电解再生(混合床)离子交换操作中很好地描述了这种模式的设备。还有一种中间模式，其中水部分分解，但IX颗粒主要不是强碱和强酸的形式。大多数填料池ED(也就是EDI)系统是在两种模式下运行的，例如，(1)在同一ED池中，池入口附近为第一模式池出口附近为第二模式；(2)在池中，在一对电极串流；或(3)在单独的叠层组件中串流(每个叠层组件都有自己的一对电极)。填料池ED被用来替换逆渗透或传统的、化学再生IX系统，如，强酸CX交换柱之后为弱碱AX交换柱，或者至少部分是混合床IX交换柱。在后面的任一情况中，CX和AX颗粒却分别被化学再生，例如，分别用硫酸或盐酸的酸溶液和氢氧化钠的碱溶液再生。因此不会有碳酸钙，硫酸钙和氢氧化镁的沉淀。细颗粒柱是在化学再生中被洗去颗粒胶体物质的有效过滤器。相反地，在EDI中，从稀溶液中去除的任何钙，碳酸氢盐和/或硫酸盐发生在较高浓度的浓缩流中，特别是在稀释流需要达到高回收率时(通常情况)。这样的高浓度经常导致浓缩液中存在沉淀。此外，从填料池ED设备中反洗IX颗粒以除去可能已经滤出的胶体物质是困难的(虽然在技术上是可能的)。对于EDI的这些问题通常通过预处理来解决，例如(1)可再生阳离子交换软化之后是可再生阴离子交换吸收剂用于去除胶体和/或去除碳酸氢盐；(2)用于去除胶体的超滤或微孔过滤之后采用EDR来软化处理和部分脱矿；或，(3)用于去除胶体的超滤或微孔过滤之后采用纳滤来软化处理或者采用逆向渗透来软化处理和部分脱矿处理。如上面指出的，填料池用于替换，至少部分替换混合床IX交换柱。然而，后者通常会产生电阻大约为18meg ohm-cm的水和浓度在当前的检测限值附近的二氧化硅。直到现在，这样高性能的填料池ED(EDI)也是很难获得的。B、弱电离物质的去除许多工厂都用ED(包括EDR)来脱除干酪乳清的灰分。通常天然的乳清首先被浓缩到20至25重量百分比的固体，在ED(或EDR)浓缩乳清的过程，电流密度(也就是，单位膜面积，单位时间灰分的去除速度)维持相对较高，直到大约百分之50至60的灰被除去。残留的灰的特性象弱电离的物质，可能会与乳清中的蛋白质结合或络合。脱灰乳清的重要市场要求脱灰百分之90或更高的乳清。使用ED(包括EDR)将乳清从大约百分之40的灰分水平脱灰到百分之10的灰分水平比从百分之100的灰分脱灰到百分之40的灰分需要更多的接触时间。在从百分之40灰分脱灰至百分之10灰分的过程中往乳清中或多或少地连续添加酸时可能会遇到这个问题，虽然酸能将灰从蛋白质中释放出来，然而添加的酸会被ED(包括EDR)迅速除去，因此需要大量的酸来完成这个过程，这是我们不希望的。通过ED(包括EDR)来去除乳清中大约百分之60的灰分同时通过离子交换来除去剩余百分之40灰分中的大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电渗析设备，其包括一个叠层组件，该叠层组件至少包括一个稀释层，至少一个浓缩层，至少一个电极层，至少一对电极，和使液体流入或流出所述叠层组件的入口和出口，所述的叠层组件还包括选自下组的一个或几个子系统：ａ）所述叠层组件中的歧管系统，其 能使从所述叠层组件稀释层的流出物至少部分流过所述叠层组件中的浓缩层，其流动方向与所述稀释层中的流体流动方向大体相反；ｂ）所述叠层组件内部的歧管系统，其能使从所述叠层组件稀释层的流出物至少部分流过所述叠层组件的至少一个电极层；ｃ）浓缩 层，其具有与阳离子交换膜并置的离子交换材料，以及与阴离子交换膜并置的离子交换材料，所述的与阳离子交换膜并置的离子交换材料大体上仅由阳离子交换材料构成，同时所述的与阴离子交换膜并置的离子交换材料大体上仅由阴离子交换材料构成，并且其中所述的离子交换材料不与所述的阴离子或阳离子膜组成整体，所述的离子交换材料可通过流经所述浓缩层渗透到液体主流；ｄ）至少一个混合元件，其位于浓缩层隔离物中至少一个流动通道的至少一个边缘处或边缘上，用来使在所述边缘处的液流转向远离所述边缘；ｅ）至少 一个混合元件，其位于稀释层隔离物中至少一个流动通道的至少一个边缘处或边缘上，用于使所述边缘处的液流转向远离所述边缘；ｆ）膜间隔离物，其包括一个或多个能使所述隔离物的流动通道中的气体从所述流动通道中排出的透气件，所述的透气件不能使液体从所 述流动通道中排出；ｇ）具有流动通道的浓缩层，其至少包括一个具有表面区域的筛网，所述筛网大体上仅在所述表面区域上包括一个离子交换功能区；ｈ）具有流动通道的稀释层，其至少包括一个具有表面区域的筛网，所述筛网大体上仅在所述表面区域上包括一 个离子交换功能区；ｉ）一个根据Ｒ↓［ｐｒｏｄ］和Ｉ／ｑ（ｃ↓［ｉｎ］－ｃ↓［ｏｕｔ］）之间的关系来优化电流的电流调整系统，其中Ｒ↓［ｐｒｏｄ］是所述叠层组件稀释层产物的电阻测量值，Ｉ是施加到所述叠层组件的电流的测量值，ｑ是所述稀释层流量 的测量值，ｃ↓［ｉｎ］是供入所述稀释层的液体中单位体积电离的和／或可电离物质的测量值，ｃ↓［ｏｕｔ］是从所述稀释层流出的液体中单位体积电离的和／或可电离物质的测量值，使用在这种关系中任何拐点的测定，和一个叠层组件运行控制系统，控制所述叠层组件运行在一个或多个Ｉ／ｑ（ｃ↓［ｉｎ］－ｃ↓［ｏｕｔ］）值处，该值使Ｒ↓［ｐｒｏｄ］值大于所述拐点处的Ｒ↓［ｐｒｏｄ］值；ｊ）...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：WW卡森，WA麦克雷，KJ西姆斯，OV格列别纽克，TJ苏萨，HR扎纳帕里多，RJ麦克唐纳，
申请(专利权)人：艾奥尼克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]