用于电膜工艺中非对称极性反转的方法和设备技术

描述了一种通过施加具有高强度和可变频率的非对称反向极性脉冲来中断浓差极化相关现象和用于电膜工艺的自清洁的方法和设备的电路。该设备是双极开关，基于使用诸如MOSFET(金属氧化物半导体半场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)的固态电子元件来以一个范围的频率、强度和脉冲宽度进行极性反转，以防止或减少在膜表面上形成沉淀物。还提供了反转方案，其中频率根据膜上污垢的出现而变化，该频率通过在电膜工艺中膜单元的电压或电阻的降低来测量。当需要清洁系统时，可以单独施加高频，也可以与其他物理化学原位清洁程序(CIP，就地清洁)一起施加。各种固态电子元件可以并联连接。所述多个元件允许施加更高的功率。该设备和配置使用第二电源来提供经调制且稳定的高强度脉冲。可以通过更换适合极性反转的电极且添加所描述的第二电源和双极开关很容易更新电膜工艺。

Method and equipment for asymmetric polarity reversal in electric film process

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电膜工艺中非对称极性反转的方法和设备
本专利技术的实施方案涉及电膜(EM)工艺中减轻污垢(ensuciamiento)和结垢(incrustacion)以及中断浓差极化的领域，所述电膜工艺是诸如常规电渗析(ED)、可逆电渗析(EDR，其中极性每隔15-30分钟反转一次，以用于膜的自清洁)、双极膜电渗析(BMED)、电容去离子化(CDI)、电去离子化(EDI)、反向电渗析(RED，其中使用盐分梯度来获得能量)、微生物燃料电池(MFC)系统、通过离子浓差极化(ICP)的脱盐以及与所有上述系统相关联的这种改进操作。
技术介绍
目前，电膜工艺的污垢和结垢仍然是限制应用这些技术的问题。通过极性反转减轻污垢和结垢是EDR操作中常用的一种策略；每隔15到30分钟应用一次反转功能，每次电极性反转时，脱矿质水的隔室就会变成浓缩液的隔室，反之亦然。该操作还需要改变液压流的相应轨迹。这使得需要复杂液压流且通过自动阀用至少40秒来控制。造成的时间损失以及产物与排斥电流的混合是不可避免的损失，约占总产量的5％。因此，由于时间、劳动力和贵重产品的损失，EDR不用于生产精细化学品。此外，浓差极化是EM工艺中固有的现象，它也限制了这样的系统的操作。在某些时候，当流经系统的电流增加时，由于浓差极化而最终达到限值。在EM工艺的操作中，该值被称为极限电流密度(LCD)，该极限电流密度(LCD)取决于许多参数，因此通常凭经验确定。当以LCD值(或高于该值)工作时，由于水的离解，EM单元中的pH失控，从而导致结垢和污垢的问题。在实践中，仅应用了LCD的80％-90％。通常期望的是，增大这些LCD值以增强工艺，减小要使用的膜的面积，从而减小设备的尺寸和资本成本。50多年前的专利US3.029.196中描述了直流循环的使用。专利US8.038.867B2涉及电脉冲在电渗析中的不明确应用，没有详细提及用于执行该方法的设备。申请WO2010/143945涉及一种膜自清洁方法，该方法使用用于ED、RED、CDI和MFC的电脉冲的反转。此说明书提及了电渗析设备，但是没有描述用于产生脉冲电场(PEF)的装置。申请WO2010/143945要求保护一种使用反向极性电脉冲清洁膜的设备和方法。但是，它仅提及生成用于施加脉冲宽度的函数，没有关于所使用的电子电路的细节。该申请没有描述基于工艺参数来施加非对称脉冲，H桥的使用或者如何调制脉冲的强度、频率和宽度。专利申请US2016/228820涉及一种使用不同方法来改善电渗析性能的方法，其中描述了脉冲的反向极性。作者提及，脉冲的施加仅用于清洁电极且无需改变电子和液压系统。没有提及使用任何H桥，使用非对称脉冲中断膜表面上污垢和结垢，以及在单元工作时相对于单元电阻的频率、强度和脉冲宽度变化。此外，文献CN104.022.676描述了一种使用具有MOSFET和电源的半桥构造来产生非对称脉冲方波的方法。该电路系统与由两个电源供电的H桥(全桥)的配置完全不同。此外，该设备的目的是生成脉冲宽度调制(PWM)，而没有提及在EM工艺中的应用。专利申请US2014/0254204涉及一种基于半桥构造的DC/DC(直流/直流)变流器，以用于使用非对称脉冲实现零电压操作。该文献中所描述的电路系统和应用与本专利技术完全不同。因此，期望的是一种装置，它可以更新EM工艺，减少污垢和结垢的出现，通过破坏浓差极化现象来增大LCD值，以及增大EDR中的电和液压的极性反转周期。这需要用于反转极性的一对合适的电极(诸如，EDR具有的电极)、第二电源和所描述的设备。该设备可以集成到电源中，以用于施加具有可变频率、脉冲宽度和强度的非对称反向极性脉冲。术语“非对称”是指脉冲的频率、宽度(时间)和强度根据每个系统的需求动态变化。
技术实现思路
只要具有为此类应用设计的合适的反转电极(均可用作阳极或阴极)、第二电源和双极开关，就可以通过以可变频率和可变强度周期性地反转电极性来避免电膜技术中的污垢。反向极性脉冲中断了形成新的矿物质结垢和有机物质污垢，从而避免了对离子交换膜和双极性膜的不可逆损害。此外，反向极性的周期性脉冲通过生成湍流来中断浓差极化现象，从而由于可以达到的更大的极限电流密度(LCD)而允许工艺的强度增加。此外，浓差极化的中断有助于形成pH值，因此减少了结垢的出现。对于EM工艺，这种极性改变必须被施加作为具有可变频率、短脉冲宽度和大于正常操作值的强度的非对称脉冲。因此，需要合适的双极开关，该双极开关被设计用于简单且在资本投资、安装和运行成本方面具有低成本的EM工艺。与EDR不同，通过使用非对称脉冲，不需要改变液压流，因此不需要使用具有复杂流动轨迹的自动阀。此双极开关基于H桥配置，H桥配置是一种在电动机中用于改变旋转方向的技术。这是首次在电膜系统中使用H桥，且H桥由两个不同的电源供电，以用于调节反向极性脉冲的强度。此外，这是首次根据工艺特性来自动调节频率、强度和脉冲宽度。该方法允许在各种电膜系统中反转极性，减少了化学品的添加和系统的维护，增加了膜的稳定性和使用寿命，且通过破坏浓差极化现象增强了工艺(以高极限电流密度)。所描述的系统包括一个或两个(供电或能量的)电源、一个双极开关和一个EM单元。电膜单元是包括各种前述工艺的一般术语，其中如果未调节脉冲强度，则仅使用一个电源，且如果增大了脉冲强度或执行了暂停，则使用两个电源。该单元包含两个电极和一组膜，通常是离子交换膜和/或双极膜。电膜单元中的电极必须适合用作阴极和阳极，以减少极性反转期间退化的风险。如果要包括此功能，则第二电源使得能够调节脉冲的强度。电源通过双极开关将能量传递到电膜单元。直流电流流经控制该电流的方向的双极开关。电能由发生氧化还原反应的电极接收。电极中生成电化学势，从而引起离子向单元的不同隔室移动、水分子离解等。在一些工艺中，由盐分梯度生成的电化学势可产生电能，在这种情况下，所产生的部分能量可以被用于膜的周期性自清洁且被用作就地清洁(CIP)的方法。附图说明图1是与用于周期性反转极性的双极开关耦合的电膜工艺的示意表示。图2是使用第二电源的用于具有可变强度的电膜工艺中的极性反转的H桥电路系统。图3A是在具有非对称反向极性脉冲的常规电膜工艺、可逆电渗析和电膜系统中通过膜堆的近似电压降和/或电阻。图3B是施加为反向极性脉冲、可变频率脉冲且在执行常规清洁方案时可选地使用高频脉冲的近似波形。图4A是在每个反转周期之间的反转脉冲中施加非对称极性、保持用于改变液压流的自动阀的EDR操作模式。所施加的脉冲频率是可变的，且在执行膜的化学清洗时可选地可以使用高频脉冲。图4B是施加具有可变频率脉冲且在应用清洗方案时可选的高频脉冲的非对称极性反向脉冲的电膜工艺的操作模式。图5A是施加具有比正常操作中更高的强度、可变频率且在执行就地清洁方案时可选的高频非对称极性反向脉冲的经更新的EDR操作模式。在每个反转周期之间对该系统进行脉冲控制，以保持用于改变液压流量的自动阀。图5B是施加具有比正常操作中更高的强度、可变频率且在执行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于非对称极性反转的方法，以用于减轻膜表面上的污垢和结垢以及中断电膜工艺中的浓差极化，其特征在于，该方法包括：/n-提供一个电膜单元，该电膜单元包括一对适于反转极性的电极以及一组膜，其中一个电极用作阳极(5)且另一电极用作阴极(6)；/n-提供一个双极开关，该双极开关包括至少四个固态电子元件，该双极开关具有用于调节强度的H桥配置，其中在正常操作条件下一些元件(8和11)是闭合的，且另外的元件(9和10)是打开的，以给定电流方向；/n-提供一个在该工艺运行时根据系统的需求来改变所施加的反向极性的频率和脉冲宽度的设备；/n-提供一个或两个彼此不同的用于调节脉冲的强度的电源，以将能量传递到所述电膜单元，其中所述电源中的一个电源(1)在正常条件下推进电膜工艺，另一电源(2)推进在所述电膜单元中施加反向极性脉冲；/n-使直流电流沿不同方向通过所述双极开关，以流向发生氧化还原反应的电极；/n-在所述电极中产生电化学势，以引起离子向所述单元的不同隔室移动；/n-提供一个微控制器或脉冲发生器，所述微控制器或脉冲发生器将指示所述开关改变极性；/n-连续地测量所述电膜单元中的电压降和/或电阻；/n-为所述电膜单元的电压降和/或电阻限定阈值；/n-一旦达到所述阈值，就通过施加具有可变频率、短脉冲宽度且优选地具有比正常条件下操作的强度更大的强度的非对称反向极性脉冲或施加暂停脉冲来清洁所述膜。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于非对称极性反转的方法，以用于减轻膜表面上的污垢和结垢以及中断电膜工艺中的浓差极化，其特征在于，该方法包括：
-提供一个电膜单元，该电膜单元包括一对适于反转极性的电极以及一组膜，其中一个电极用作阳极(5)且另一电极用作阴极(6)；
-提供一个双极开关，该双极开关包括至少四个固态电子元件，该双极开关具有用于调节强度的H桥配置，其中在正常操作条件下一些元件(8和11)是闭合的，且另外的元件(9和10)是打开的，以给定电流方向；
-提供一个在该工艺运行时根据系统的需求来改变所施加的反向极性的频率和脉冲宽度的设备；
-提供一个或两个彼此不同的用于调节脉冲的强度的电源，以将能量传递到所述电膜单元，其中所述电源中的一个电源(1)在正常条件下推进电膜工艺，另一电源(2)推进在所述电膜单元中施加反向极性脉冲；
-使直流电流沿不同方向通过所述双极开关，以流向发生氧化还原反应的电极；
-在所述电极中产生电化学势，以引起离子向所述单元的不同隔室移动；
-提供一个微控制器或脉冲发生器，所述微控制器或脉冲发生器将指示所述开关改变极性；
-连续地测量所述电膜单元中的电压降和/或电阻；
-为所述电膜单元的电压降和/或电阻限定阈值；
-一旦达到所述阈值，就通过施加具有可变频率、短脉冲宽度且优选地具有比正常条件下操作的强度更大的强度的非对称反向极性脉冲或施加暂停脉冲来清洁所述膜。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微控制器或脉冲发生器被编程具有指示需要反向极性来清洁所述膜的电压降和/或电阻的阈值。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过施加具有高强度的非对称反向极性脉冲来执行所述膜的清洁，其中在固态元件被反转的情况下，闭合的元件(8和11)被打开且打开的元件(9和10)被闭合，所述电极的极性被反转，其中用作阳极(5)的电极将用作阴极且用作阴极(6)的电极将用作阳极，以10-2至103Hz的频率施加具有在10-5和100秒之间变化的脉冲宽度的脉冲。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过施加暂停脉冲来实现所述膜的清洁，其中在施加暂停期间，所有所述固态元件(8，9，10，11)都是打开的，其中所述暂停对应于每100至103秒施加的具有在10-2至103秒之间变化的脉冲宽度的脉冲。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电膜工艺是连续的，以更高的频率施加脉冲直到达到一阈值频率值为止，操作中止且施加具有101至107Hz的高频脉冲且持续10-1至104秒，以用于彻底清洁所述膜。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述工艺的占空比达到80.0％至99.9％之间时，选择所述频率的阈值，该占空比指示了使用就地清洁(CIP)程序彻底清洁所述膜的需要。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，与传统的清洁方案(CIP)一起执行所述膜的清洁。


8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与由常规系统所实现的极限电流密度相比，增大了极限电流密度，因此增强了所述电膜工艺。


9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电膜工艺选自以下工艺中的一个工艺：常规电渗析(ED)、可逆电渗析(EDR)、双极膜电渗析(BMED)、电容去离子化(CDI)、电去离子化(EDI)、反向电渗析(RED)、微生物燃料电池系统(MFC)、通过离子浓差极化(ICP)的脱盐。


10.根据权利要求3或9所述的方法，其特征在于，所述电膜工艺是可逆电渗析(EDR)工艺，其中维持...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·冈萨雷斯沃格尔，O·P·乔西莫，K·E·伯恩哈特布拉克曼，
申请(专利权)人：百奥福瑞斯特森林研究有限公司，
类型：发明
国别省市：智利;CL