可再充電電化學電池的製作方法
2023-11-10 09:59:52 2
可再充電電化學電池的製作方法
【專利摘要】本發明提供了可再充電電化學裝置，其中所述再生技術基於將電流或電流密度分批施加到所述電池，其中有不施加電流或電流密度的維護模式和施加電流或電流密度的再充電模式。根據本發明的實施例的電化學和EDI系統適用於在純化的、低TDS水需求為間歇性的應用中的典型的市政自來水質量的水的去離子和/或純化。這種操作避免了使用化學品添加成分，用於再生目的。此外本發明提供的電池適應於佔地面積小的消費者和商業應用，例如：洗碗機、洗衣機、咖啡機、製冰機、保溫餐桌、洗車水源和蒸汽機。
【專利說明】可再充電電化學電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於純化水的電化學電池領域及其使用方法，更具體地講，本發明涉及可充電以及使水垢積聚最小化的電化學電池領域，這種電池可用於水去離子法和/或由於鹼度而具有降低的硬度的水的製備。
【背景技術】
[0002]作為水的硬度或溶解固體總量(TDS)測量的溶解於淡水源中的鹽在工業、商業以及居民用水方面會產生顯著的問題，並且早已實行了去除這些鹽的方法。隨著人類淡水使用的加強，我們的水源由於多種原因而越來越成為鹽水溶液:農業徑流；含有道路防結冰用鹽的城市徑流；地下水的過量抽取導致海水侵入蓄水層中；以及此前未考慮供人類使用的微鹹水的開採。因此，預計未來降低TDS的需求會增長，並且會需要新技術來改善TDS降低工藝的效率以及環境可持續性。
[0003]一般來講，美國自來水中的TDS含量的範圍是140ppm至400ppm。在TDS實例的濃度為大於25ppm的情況下，會警告對消費者的不利之處。例如，在TDS實例的濃度為小於約25ppm的情況下，在使用民用洗碗機(使用不含磷酸鹽的洗滌劑)之後，出現殘留水潰的可能性會強烈地減少。在寬泛的佔地面積小的簡單設計以及無廢物流的入口水條件的範圍內，某些已知的混合床式樹脂商業技術能夠生產這種質量的水，但為了處理這種根據生產能力加載的樹脂，需要強酸和強鹼，這不適於消費者或輕型商業應用。
[0004]通過電化學電池提供的電化學反應又稱為純化水的一種方式。電去離子(EDI)電池(或裝置或模塊)使用電化學`反應來特別生成去離子水。EDI電池通常用於產生用於電子器件、醫藥、發電以及冷卻塔應用的超純水。EDI模塊包括下列元件:由位於陽極和陰極之間的選擇性地陽離子可滲透隔膜(CPM)和選擇性地陰離子可滲透隔膜(APM)隔開的產物和濃縮物(或廢料)隔室。產物和濃縮物隔室各自填充有陰離子交換樹脂珠和陽離子交換樹脂珠的混合物。給水(一般為來自需要超純化的反滲透(RO)裝置的水)進入產物和濃縮物隔室兩者，並且在整個陽極和陰極連續施加電壓。在產物隔室中，陽離子鍵合到陽離子交換樹脂珠，然後在陽離子交換樹脂珠上陽離子在陰極方向從一個位點遷移到另一位點，直至其跨過CPM進入濃縮物隔室中。另外，在產物隔室中，陰離子鍵合到陰離子交換樹脂珠，然後陰離子在與陽離子相比相反方向上移動，直至其跨過APM進入濃縮物隔室中。在濃縮物隔室中，陽離子和陰離子均被選擇性的隔膜阻止進入產物隔室中。這樣，在產物隔室中的水可達到適用於超純水應用的非常低的TDS。另外，在陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂之間的界面處，施加的電場導致水的水解，從而連續不斷地將其分別再生為酸和鹼的形式。在這種操作中，既不需要添加化學品也不需要施加高壓。
[0005]當前，EDI主要限於在TDS已經低的入口水方面的使用。為了提純滲透到甚至更低TDS含量的低TDS RO以在超純應用中使用，EDI最常用作針對RO的三級處理。這是由於EDI的技術缺陷，這種缺陷是在鄰近與濃縮物隔室接觸的隔膜表面的區域處的鹽溶解/沉澱。在這種區域內，施加的電場濃縮隔膜表面附近的TDS。對於所有但除了非常低的入口 TDS含量，該濃度使得在隔膜表面處的鹽迅速沉澱，從而導致模塊的故障。到目前為止，這種技術缺陷已經抑制了 EDI應用於廣大消費者和商業利益。
[0006]由於當前的可再充電電化學電池，特別是電去離子電池，該技術受到隔膜被去除的離子和/或固體汙染的影響。本發明提供避免這種汙染的可再充電電池。
【發明內容】
[0007]本發明提供了可再充電電化學裝置，其中再生技術基於電池的電流或電流密度的分批施加，其中有不施加電流或電流密度的維護模式以及施加電流或電流密度的再充電模式。
[0008]在第一方面中，本發明提供了電化學電池，所述電化學電池包括:產物隔室，所述產物隔室包含一個或多個離子交換樹脂；濃縮物隔室；和至少兩個離子交換隔膜，所述至少兩個離子交換隔膜選自陽離子可滲透隔膜、陰離子可滲透隔膜、雙極性隔膜、以及它們的組合；以及陰極和陽極；其中所述電化學電池分批操作，具有不將電流密度施加到所述電化學電池的維護模式和將電流密度施加到所述電化學電池的再充電模式。
[0009]在一個或多個實施例中，在再充電模式期間，電流密度是低電流密度，其可有效地基本上保持鄰近至少兩個離子交換隔膜表面的區域中的溶液中溶解的離子。
[0010]一個實施例提供的離子交換樹脂包括陽離子樹脂和陰離子樹脂的組合，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和陰離子可滲透隔膜。
[0011] 另一個實施例提供的離子交換樹脂包括陽離子樹脂，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜。陽離子樹脂可包括弱酸陽離子樹脂或強酸陽離子樹脂。詳細的實施例提供的陽離子樹脂是弱酸陽離子樹脂。
[0012]另外的實施例提供的電池包括兩個串聯的產物隔室，其中第一產物隔室的離子交換樹脂包括陽離子樹脂，第二產物隔室的離子交換樹脂包括陰離子樹脂，並且至少兩個離子交換隔膜包括陰離子可滲透隔膜、陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜。
[0013]在具體的實施例中，所述至少兩個離子交換隔膜限定包含離子交換樹脂的產物隔室，所有這些形成可釋放地附接到電化學電池的料筒。
[0014]另一個實施例提供的陽極可釋放地附接到電化學電池。
[0015]本文提供的電化學電池還可包括阻垢裝置。在一個或多個實施例中，阻垢裝置包括控制系統，以用於將低電流密度施加到電化學電池，用於將低電流密度脈衝到電化學電池，或既將低電流密度施加到電化學電池、又將低電流密度脈衝到電化學電池。該脈衝可在I毫秒(mS)至I秒(S)範圍內或者甚至10至IOOmS範圍內的持續時間內發生。可按照每I毫秒至I秒或者甚至10至500mS的時間間隔施加該脈衝。
[0016]其他阻垢裝置可以是一個或多個流體傳輸層。一個或多個流體傳輸層的表面可具有非平滑表面特徵，例如通道。
[0017]提供的其他方面包括如下系統，所述系統包括一件需要純化水的設備以及本文提供的電化學電池，其中所述一件設備選自:洗碗機、洗衣機、咖啡機、製冰機、保溫餐桌、洗車水源和蒸汽機。
[0018]另一個方面是用於提供電化學電池的維護和再生的系統，該系統包括:料筒，所述料筒包括至少兩個離子交換隔膜，所述至少兩個離子交換隔膜選自陽離子可滲透隔膜、陰離子可滲透隔膜、雙極性隔膜、以及它們的組合，所述至少兩個離子交換隔膜限定包含離子交換樹脂的產物隔室；維護外殼，所述料筒可釋放地裝配到所述維護外殼中；再充電外殼，所述料筒可釋放地裝配到所述再充電外殼中，所述再充電外殼具有陰極和陽極；其中所述電化學電池分批操作，具有不將電流密度施加到所述電化學電池的維護模式和將電流密度施加到所述電化學電池的再充電模式。
[0019]處理水的方法包括使水流動通過分批操作的電化學電池，具有不將電流密度施加到所述電化學電池的維護模式和將電流密度施加到所述電化學電池的再充電模式。這些方法還可包括使來自電化學電池的處理過的水流動以滿足各種需求。在一個實施例中，在洗碗機中提供無汙潰衝洗。在另一個實施例中，為汽車提供無汙潰衝洗。另外的實施例提供的處理過的水用於製備飲料，所述飲料選自咖啡、茶、軟飲料、果汁、以及它們的組合。
[0020]在詳細的實施例中，在不將電流密度施加到電化學電池的維護模式期間，水通過產物隔室，以經純化的形式離開產物隔室，而在將電流密度施加到電化學電池的再充電模式期間，廢物流進入濃縮物隔室，以與廢物流進入濃縮物隔室時相比溶解的離子量增加的形式離開濃縮物隔室，並且在再充電模式之後，與再充電模式開始時相比，離子交換樹脂具有較少的離子。
[0021]在具體的實施例中，當離子交換樹脂包括陽離子樹脂和陰離子樹脂的組合併且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和陰離子可滲透隔膜時，在維護模式期間，水通過產物隔室並且接觸陽離子樹脂和陰離子樹脂的組合，以經純化的去離子形式離開產物隔室，而在再充電模式期間，廢物流進入濃縮物隔室並接觸陽離子可滲透隔膜和陰離子可滲透隔膜，以與廢物流進入濃縮物隔室時相比溶解的離子量增加的形式離開濃縮物隔室，並且在再充電模式之後，與再充電模式開始時相比，陽離子樹脂和陰離子樹脂的組合具有較少離子。
[0022]在另一個具體的實施例中，當離子交換樹脂包括弱酸陽離子樹脂並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜時，在維護模式期間，水通過產物隔室並且接觸弱酸陽離子樹脂 ，以經純化的鹼度降低的形式離開產物隔室，而在再充電模式期間，廢物流進入濃縮物隔室並接觸陽離子可滲透隔膜和陰離子可滲透隔膜，以與廢物流進入濃縮物隔室時相比溶解固體量增加的形式離開濃縮物隔室，並且在再充電模式之後，與再充電模式開始時相比，弱酸陽離子樹脂具有較少的離子。
[0023]在另外的具體的實施例中，當離子交換樹脂具有兩個產物隔室和三個離子交換隔膜時，其中第一產物隔室的離子交換樹脂包括陽離子樹脂，第二產物隔室的離子交換樹脂包括陰離子樹脂，並且離子交換隔膜包括陰離子可滲透隔膜、陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜，在維護模式期間，水通過第一產物隔室或第二產物隔室並且分別接觸陽離子樹脂或陰離子樹脂，然後通過第二產物隔室或第一產物隔室中的另一個，以經純化的去離子形式離開產物隔室，而在再充電模式期間，廢物流進入濃縮物隔室並接觸陰離子可滲透隔膜和陽離子可滲透隔膜，以與廢物流進入濃縮物隔室時相比離子量增加的形式離開濃縮物隔室，並且在再充電模式之後，與當再充電模式開始時相比，陰離子樹脂和陽離子樹脂具有較少的離子。
[0024]本文提供的方法可排除對用於再生目的的電化學電池使用化學添加物。【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是一個實施例的示意圖，其示出通過混合去離子樹脂床的產物流(例如，自來水)的維護流動的方向；
[0026]圖2是圖1的實施例的示意圖，其示出在混合去離子樹脂的再生期間積累廢物的廢物流的流動方向；
[0027]圖3是另一個實施例的示意圖，其示出通過陽離子樹脂床的產物流(例如，自來水)的維護流動的方向；
[0028]圖4是圖3的實施例的示意圖，其示出在陽離子樹脂的再生期間積累廢物的廢物流的流動方向；
[0029]圖5是圖3的實施例的示意圖，其示出平行的多個產物隔室；
[0030]圖6是使用本文公開的電池/料筒的再充電器工位和維護/水處理工位中的任何者的實施例的示意圖；
[0031]圖7是另一個實施例的示意圖，其示出通過第一陽離子樹脂床以及第二陰離子樹脂床的產物流(例如，自來水)的維護流動的方向；
[0032]圖8是圖7的實施例的示意圖，其示出在樹脂床的再生期間積累廢物的廢物流的流動方向；以及
[0033]圖9A、9B和9C是具有不同的非平滑表面的流體傳輸層的不意圖。
【具體實施方式】
[0034]本發明提供可再充電電化學裝置，其中再生技術基於將電流分批施加到電池，其中有不施加電流密度的維護模式和施加電流密度的再充電模式。根據本文實施例的電化學和EDI系統適用於在純化的、低TDS水需求為間歇性的應用中的典型的市政自來水質量的水的去離子和/純化。這種操作避免了使用化學品添加法用於再生目的。此外本文提供的電池適應於佔地面積小的消費者應用。
[0035]「電流密度」是指每單位電化學電池橫截面面積的電流的量。對於給定的電池尺寸/應用，電流密度的選擇是這樣的:這種選擇基於確保溶解離子基本保持在溶液中並且不沉澱到離子交換隔膜上。可基於再充電周期的期望持續時間來選擇所需的電流密度。可以使用低電流密度，從而得到在一段時間內可以確保再生的最少的能量。
[0036]引用「維護模式」意味著這樣的持續時間，即要純化的入口水進入電池的產物隔室並且經純化的水離開產物隔室。在根據本文提供的實施例的維護模式期間，沒有電流流到電池。
[0037]引用「再充電模式」意味著這樣的持續時間，即在產物隔室中沒有被純化的水時，廢物流供應至濃縮物隔室，電流供應至電池，並且離子交換樹脂再生。
[0038]一般來講，在維護模式開始時，離子交換樹脂、陽離子和陰離子交換樹脂分別為其酸形式和鹼形式。沒有電流流動，並且高TDS入口水進入產物隔室。入口水中的陽離子和陰離子鍵合到各自的陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂，從而分別置換H+離子和0H_離子。當離子交換樹脂具有幾乎為生產能力的鍵合陽離子和陰離子時，維護周期結束。在再充電模式開始時，通過產物隔室的流動停止，並且清洗水/廢水的緩流開始通過濃縮物隔室並且電流導通。陽離子和陰離子分別向陰極和陽極遷移，進入濃縮物隔室中，並且被通過電解生成的H+離子和0H_離子置換。在再充電周期結束時，電池中的樹脂再生成其酸形式和鹼形式，準備用於下一個維護周期。
[0039]本發明已經發現，通過樹脂實現的TDS捕集和通過隔膜實現的TDS傳送分為兩個單獨的周期的步驟對於水純化應用是有利的，其在需求模式/維護周期之間具有延長的休息時間段。在這種休息時間段中(其可以為例如在民用洗碗機的情況下12小時或更多)，通過選擇性可滲透膜傳送TDS的步驟可以使用比在典型連續的EDI方法中使用的低得多的電流密度實現。通過平衡在整個隔膜上的離子通量(通過所施加的電流)和離子從濃縮物隔室去除速率(經清洗水/廢水流)，可以使在隔膜表面上的鹽的沉澱最小化/被避免。因此，當去離子和/或純化的水的需求為間歇性時，可以將電化學電池和EDI電池應用到廣大的消費者和商業相關設施的入口水。這種應用包括但不限於民用和商用洗碗機、民用和商用洗車設施、民用和消費者咖啡機和製冰機、民用和商用洗衣機、民用和商用蒸汽機、民用和商用保溫餐桌、或者甚至用於水處理的廢水脫鹽設備。這種再充電模式可自動制定，無需大量的易耗品更換件或周期性專業維護。
[0040]一個或多個實施例提供的電池包括阻垢裝置，所述阻垢裝置為用於破壞來自電池中水的沉澱物沉積到離子交換隔膜上的機構。這種阻垢裝置的一個實例是在再充電模式期間用於控制施加到電池的電流密度的控制系統。控制系統基於期望標準例如正處理的水的TDS負載和/或再充電模式的期望持續時間，允許施加的電流密度根據需要定製。控制系統還可提供的在再充電循環期間在整個電極上施加的電勢是脈衝的，以允許在鄰近隔膜表面的區域內的離子濃縮物的周期性擴散鬆弛。
[0041]另一個示例性阻垢裝置是電池內部的一個或多個流體傳輸層。遠離隔膜表面的離子物質的傳送可通 過這種微複製型流體混合層插入濃縮物隔室中來增強。如圖9A、9B和9C所示，流體傳輸層是隔膜或者說是對於基本抑制其上以及離子交換隔膜上沉積物累積有效的可滲透結構110A、110B、110C。一個或多個實施例提供的流體傳輸層的表面具有非平滑表面特徵111、112、113。這種特徵通過減少界面層來改善流體傳送。例如，非平滑表面特徵可具有通道111。
[0042]在描述本發明的若干示例性實施例之前，應當理解，本發明並不限於以下描述中所提及的構造或工藝步驟的細節。本發明能夠具有其他的實施例，且能夠以各種方式實施或執行。
[0043]參考附圖，圖1和2示出電化學電池，特別是根據本實施例的電化學電池10。這種電池可單獨使用或與電極之間的多個產物/濃縮物隔室一起使用。圖1示出在維護模式期間的維護流動(進水，例如自來水)。電去離子電池10包括產物隔室12中的樹脂混合床(陽離子樹脂和陰離子樹脂)20，該產物隔室一側被陽離子可滲透隔膜(CPM)16界定，另一側被陰離子可滲透隔膜(APM) 18界定。不包含樹脂的濃縮物隔室14 一側被陽極24界定，並且另一側被陰極22界定。在維護模式期間，水流經產物隔室12，其中水通過離子交換被軟化。特別地，在入口水中的陽離子和陰離子鍵合到各自的陽離子交換樹脂和陰離子交換樹月旨，從而分別置換H+離子和0H_離子。在維護模式之後，在產物隔室的另一端(未示出)離開電池的水與其進入電池時相比基本完全去離子。水的流動取決於應用需要，但一般來說應該有足夠的接觸時間以通過離子交換樹脂實現溶解離子的顯著減少。維護模式的結束可通過應用需要的去離子水或通過樹脂接近耗盡的時間來限定。樹脂的耗盡可以例如通過監測出口水的電導率確定。指示溶解離子濃度增加的電導率的增加可定義樹脂接近耗盡。
[0044]圖2是圖1的裝置，其示出在再充電模式期間的廢物流流動，其中廢物流在一側(例如陽極側)進入濃縮物隔室14。在經過其他電極(例如陰極)之後，廢物流離開電池。儘管廢物流可在任何所需的方向流動，但已經發現的是，通過使所述流首先在整個產生氫離子的陽極上、然後在整個產生氫氧根離子的陰極上流動，可以控制廢物流的pH，並且使在電極處的水垢積聚最小化。在許多情況下，易於獲得的用於廢物流的最合適的流體與入口水是相同的流體。例如，廢物流可以是自來水。在濃縮物隔室中廢物流不暴露於樹脂。將電流密度施加到電極時，通過樹脂捕集的陽離子和陰離子被通過電解生成的礦離子和0H_離子置換，並且分別通過CPM和APM分別向陰極和陽極遷移。廢物流接收離子。離開電池時，與其進入電池時相比，廢物流包含較高量的TDS。陽離子樹脂和陰離子樹脂因此返回其各自的酸形式和鹼形式。廢物流的流動取決於應用需要，但一般來說廢物流流動速率可以這樣的方式來控制，即，將在鄰近選擇性的離子可滲透隔膜界面層中溶解的離子保持為低濃度，將這些濃度保持為低於溶解的鹽可能沉澱的濃度，同時使用水量最小化。再充電模式的結束可以只是當去離子水的需求恢復時或當樹脂基本返回其酸形式和鹼形式時。
[0045]圖1-2的技術的一個應用是將這種電池安裝到洗車噴頭裝置中，從而得到用於無汙潰最終衝洗的DI水。一旦完成衝洗，就將電池置於再充電器中。根據該應用，電池可包含在一個外殼中，然後可置於供應電流密度的再充電器中。根據需要，料筒可由電池的某些元件組成，並且再充電器提供其他元件。例如，僅由通過兩層隔膜和樹脂限定的產物隔室組成的料筒可在維護點處使用，並且再充電器可供應廢物流、形成濃縮物隔室的結構、和電極。在再充電器處，勢場施加到電池或料筒，並且樹脂上的陽離子和陰離子向相反極性的電極遷移，並且在整個選擇性的離子膜上進入廢物流中。在樹脂床中以及在陰離子樹脂珠和陽離子樹脂珠之間的交界處發生水解，從而產生氫離子和氫氧根離子。這些離子連續地產生，並且在整個樹脂床上遷移，從而置換由樹脂交換位點保持的其他離子中的任何者。隨著時間的推移，樹脂再生為氫離子和氫氧根離子形式，並且準備用於下一次使用。因此，一個電池或料筒可為重複使用再充電，從而減少成本和填埋處理材料。
[0046]圖3、4和5示出 根據另一個實施例的電化學電池。這種電池可與單個產物隔室或與電極之間的多個產物/濃縮物隔室一起使用。在圖3中，示出在維護模式期間的維護流動(進水，例如自來水)，並且示出包括產物隔室42中陽離子樹脂床(弱陽離子樹脂或強陽離子樹脂)50的電化學電池40，該陽離子樹脂床一側被陽離子可滲透隔膜(CPM) 46界定，另一側被雙極性隔膜47界定。不包含樹脂的濃縮物隔室44 一側被陽極54界定，另一側被陰極52界定。在維護模式期間，水流動通過產物隔室42，其中與鹼度相關的硬度通過離子交換去除。特別地，在入口水中與鹼度相關的陽離子鍵合到陽離子交換樹脂，從而置換H+。在維護模式之後，與其進入電池時相比，在產物隔室另一端(未示出)離開電池的水基本上完全去除鹼度。水的流動取決於應用需要，但一般來說應該有足夠的接觸時間以通過離子交換樹脂實現溶解離子的顯著減少。維護模式的結束可通過應用需要的產物水或通過樹脂接近耗盡的時間來限定。樹脂的耗盡可以例如通過監測出口水的電導率確定。指示溶解離子濃度增加的電導率的增加可限定樹脂接近耗盡。
[0047]圖4是圖3的裝置，其示出在再充電模式期間的廢物流流動，其中廢物流在一側(例如陽極側)進入濃縮物隔室44。在通過其他電極(例如陰極)之後，廢物流離開電池。廢物流不接觸濃縮物隔室中的樹脂。將電流密度施加到電極時，通過樹脂捕集的陽離子被電解生成的H+離子和在雙極性隔膜上通過水解生成的H+離子置換，並且現在通過CPM向陰極遷移。廢物流接收離子。離開電池時，與其進入電池時相比，廢物流包含與鹼度/TDS相關的較高量的離子。陽離子樹脂因此返回其酸形式。廢物流的流動取決於應用需要，但一般來說廢物流流動速率應以這樣的方式控制，即，將在鄰近選擇性的離子可滲透隔膜界面層中溶解的離子保持為低濃度，將這些濃度保持為低於溶解的鹽可能沉澱的濃度，同時使用水量最小化。再充電模式的結束可以只是當去離子水的需求恢復時或者當樹脂基本返回其酸形式和鹼形式時。
[0048]在圖5中，示出多個平行的隔室。電化學電池40包括在多個產物隔室42中的多床陽離子樹脂(弱陽離子樹脂或強陽離子樹脂)50，所述產物隔室被陽離子可滲透隔膜(CPM)46a和46b以及被雙極性隔膜47b和47a界定。不包含樹脂的多個濃縮物隔室44a和44b由電池結構界定。即，外部濃縮物隔室44a—側被陽極54界定，另一側被陰極52界定。內部濃縮物隔室44b被雙極性隔膜47b和陽離子可滲透隔膜46b界定。
[0049]圖3-5的技術的一個應用是將這種電池安裝到商業咖啡機、和/或製冰機中，從而得到鹼度/硬度降低的水，以減少在機器中的水垢積聚並且改善最終產品的味道。例如，一旦這種產物的日常需求(例如，在餐館中)結束，電池就被置於再充電器中。根據應用，電池可包含在一個外殼中，然後可置於供應電流密度的再充電器中。根據需要，料筒可由電池的某些元件組成，並且再充電器提供其他元件。例如，僅由通過兩層隔膜和樹脂限定的產物隔室組成的料筒可用在維護點處，並且再充電器可供應廢物流、形成濃縮物隔室的結構、和電極。在再充電器處，勢場施加到電池或料筒，並且在樹脂上的陽離子向相反極性的電極遷移，並且在整個陽離子可滲透隔膜上進入廢物流中。在樹脂床中以及在陽離子樹脂珠和雙極性隔膜處發生水解，從而產生氫離子和氫氧根離子。這些離子連續產生，並且H+離子在整個樹脂床上遷移，從而置換由樹脂交換位點保留的與硬度相關的其他離子中的任何者。隨著時間的推移， 樹脂再生成氫形式，並且準備用於下一次使用。因此，一個電池或料筒可為重複使用再充電，從而減少成本和填埋處理材料。
[0050]圖6示出可適應本文所述實施例中的任何者的一般方案，其中包括例如限定產物隔室和樹脂的隔膜的料筒100在維護模式期間可以可釋放地插入水處理系統102中而在再充電模式期間插入再充電器104中。水處理系統接收例如市政或其他給水106，並且純化水被輸送至其最終使用設施108，例如但不限於:民用和商用洗碗機、民用和商用洗車設施、民用和消費者咖啡機和製冰機、民用和商用洗衣機、民用和商用蒸汽機、民用和商用保溫餐桌、或者甚至用於水處理的廢水脫鹽設備。
[0051]圖7和8示出電化學電池，特別是根據另一個實施例的電化學電池。這種電池可與單個產物隔室使用或與電極之間的多個成對的產物隔室和濃縮物隔室一起使用。在圖7中，示出在維護模式期間的維護流動(進水，例如自來水)並且示出包括成對樹脂床的電化學電池80:即，在第一產物隔室82中的第一陽離子樹脂床(弱陽離子樹脂或強陽離子樹脂)90和在第二產物隔室83中的第二床陰離子樹脂91床。第一產物隔室82 —側由陽離子可滲透隔膜(CPM) 86界定，並且另一側由雙極性隔膜87界定。第二產物隔室83 —側由陰離子可滲透隔膜(APM) 89和雙極性隔膜87界定。不包含樹脂的濃縮物隔室84 —側由陽極94界定，並且另一側由陰極92界定。在維護模式期間，水流過第一產物隔室82，其中陽離子通過離子交換去除，然後流過第二產物隔室83，其中陰離子同樣被去除。特別地，在入口水中的陽離子鍵合到陽離子交換樹脂，從而置換H+。類似地，在入口水中的陰離子鍵合到陰離子交換樹脂，從而置換0H—。在維護模式之後，在第二產物隔室另一端離開電池的水與當其進入電池時相比基本上完全去離子。水的流動取決於應用需要，但一般來說應該有足夠的接觸時間以通過離子交換樹脂實現溶解離子的顯著減少。維護模式的結束可通過應用需要的產物水或通過樹脂接近耗盡的時間來限定。樹脂的耗盡可以例如通過監測出口水的電導率確定。指示溶解離子濃度增加的電導率的增加可定義樹脂接近耗盡。
[0052]圖8是圖7的裝置，其示出在再充電模式期間的廢物流流動，這裡廢物流進入在一側(例如陽極側)的濃縮物隔室84。在通過其他電極(例如陰極)之後，廢物流離開電池。儘管廢物流可在任何期望方向流動，但已經發現的是，通過使所述流首先在整個產生氫離子的陽極上然後在整個產生氫氧根離子的陰極上流動，可以控制廢物流的PH，並且使在電極處的水垢積聚最小化。在許多情況下，易於獲得的對於廢物流最合適的流體是與入口水相同的流體。例如，廢物流可以是自來水。廢物流不接觸樹脂。電流密度施加至電極時，通過陽離子樹脂捕集的陽離子被通過電解生成的H+離子和通過在雙極性隔膜的水解生成的H+離子置換，並且此時通過CPM向陰極遷移。此外，通過陰離子樹脂捕集的陰離子被通過電解生成的0H_離子和通過在雙極性隔膜的水解生成的0H_離子置換，並且此時通過APM向陽極遷移。廢物流接收離子。在離開電池時，與其進入電池時相比，廢物流包含與TDS相關的較高量的離子。陽離子樹脂和陰離子樹脂因此返回其各自的酸形式和鹼形式。廢物流的流動取決於應用需要，但一般來說應該有足夠的接觸時間以通過離子交換樹脂實現溶解離子的顯著減少。維護模式的結束可通過應用需要的產物水或通過樹脂接近耗盡的時間來限定。樹脂的耗盡可以例如通過監測出口水的電導率確定。指示溶解離子濃度增加的電導率的增加可限定樹脂接近耗盡。
[0053]實例
[0054]實例I
[0055]製備電化學電池，所述電化學電池包含在由兩個離子交換隔膜限定的單個產物隔室中的250cc的樹脂。兩個濃縮物隔室各自通過電極(陽極或陰極)之一和兩個離子交換隔膜之一形成。電池還具有能夠在整個電極上供應恆定的或隨意脈衝的電壓的電源。將提供電導率、電阻率和PH探針，以用於自動監測電池的產物和濃縮物隔室上遊和下遊的水的TDS和pH。數字泵將提供通過隔室中的每一個的受控的流量。
[0056]在不存在向電池提供任何電流的情況下，模擬維護周期從市政入口水流到產物隔室並接觸樹脂開始，加載該模擬維護周期直到耗盡，如產物水的電導率增加所指示。然後再充電周期將在變化的電流密度(使得總電流從約0.025至0.25amp變化)和變化的脈衝頻率下進行。為保持界面層中濃度低於沉澱閾值，積累時間為IOms至10s，並且鬆弛時間為20ms至20s ;或者甚至積累時間為IOms至3s,並且鬆弛時間為20ms至6s。
[0057]在再充電周期期間測試的其他變量包括流入水硬度、濃縮物通道(廢物流)流速、和再充電時間。再生性能將通過監測流出物的PH和電導率評估。
[0058]在再充電周期後，將運行第二維護周期，以評估再生效率。性能分析將包括檢查再充電時間、用於再充電所需的廢物流體積、和鹽的沉澱量。
[0059]測試各種配置，如表1中的匯總。
【權利要求】
1.一種電化學電池，包括: 產物隔室，所述產物隔室包含一個或多個離子交換樹脂； 濃縮物隔室； 至少兩個離子交換隔膜，所述至少兩個離子交換隔膜選自陽離子可滲透隔膜、陰離子可滲透隔膜、雙極性隔膜、以及它們的組合；和陰極和陽極； 其中所述電化學電池分批操作，具有不將電流密度施加到所述電化學電池的維護模式和將電流密度施加到所述電化學電池的再充電模式。
2.根據權利要求1所述的電化學電池，其中所述電流密度是低電流密度，所述低電流密度在所述再充電模式期間能夠有效地基本上保持鄰近所述至少兩個離子交換隔膜的所述表面的區域中的溶液中的溶解的離子。
3.根據權利要求1所述的電化學電池，其中所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂和陰離子樹脂的組合，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和陰離子可滲透隔膜。
4.根據權利要求1所述的電化學電池，其中所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜。
5.根據權利要求4所述的電化學電池，其中所述陽離子樹脂包括弱酸陽離子樹脂。
6.根據權利要求1所述的電化學電池，包括兩個產物隔室，其中第一產物隔室的所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂，並且第二產物隔室的所述離子交換樹脂包括陰離子樹脂，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陰離子可滲透隔膜、陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜。`
7.根據權利要求1所述的電化學電池，其中所述至少兩個離子交換隔膜限定包含所述離子交換樹脂的所述產物隔室，所有這些形成可釋放地附接到所述電化學電池的料筒。
8.根據權利要求1所述的電化學電池，其中所述陽極可釋放地附接到所述電化學電池。
9.根據權利要求1所述的電化學電池，還包括阻垢裝置。
10.根據權利要求9所述的電化學電池，其中所述阻垢裝置包括控制系統，所述控制系統用於將所述低電流密度施加到所述電化學電池，用於將所述低電流密度脈衝到所述電化學電池，或既用於將所述低電流密度施加到所述電化學電池、又用於將所述低電流密度脈衝到所述電化學電池。
11.根據權利要求10所述的電化學電池，其中在I毫秒至I秒的範圍內的持續時間內發生所述脈衝。
12.根據權利要求10所述的電化學電池，其中按照每I毫秒至I秒的時間間隔來施加所述脈衝。
13.根據權利要求9所述的電化學電池，其中所述阻垢裝置包括一個或多個流體傳輸層。
14.根據權利要求13所述的電化學電池，其中所述一個或多個流體傳輸層的表面包括非平滑表面特徵。
15.根據權利要求14所述的電化學電池，其中所述非平滑表面特徵包括通道。
16.一種系統，包括:需要純化水的一件設備以及根據權利要求1所述的電化學電池，其中所述一件設備選自:洗碗機、洗衣機、咖啡機、製冰機、保溫餐桌、洗車水源和蒸汽機。
17.一種用於提供電化學電池的維護和再生的系統，所述系統包括: 料筒，所述料筒包括至少兩個離子交換隔膜，所述至少兩個離子交換隔膜選自陽離子可滲透隔膜、陰離子可滲透隔膜、雙極性隔膜、以及它們的組合，所述至少兩個離子交換隔膜限定包含離子交換樹脂的產物隔室； 維護外殼，所述料筒可釋放地裝配到所述維護外殼中； 再充電外殼，所述料筒可釋放地裝配到所述再充電外殼中，所述再充電外殼包括陰極和陽極； 其中所述電化學電池分批操作，具有不將電流密度施加到所述電化學電池的維護模式和將電流密度施加到所述電化學電池的再充電模式。
18.根據權利要求17所述的系統，其中所述電流密度包括低電流密度，所述低電流密度在所述再充電模式期間能夠有效地基本上保持鄰近所述至少兩個離子交換隔膜的所述表面的區域中的溶液中溶解的離子。
19.根據權利要求17所述的系統，其中所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂和陰離子樹脂的組合，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和陰離子可滲透隔膜。
20.根據權利要求17所述的系統，其中所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜。
21.根據權利要求20所述的系統，其中所述陽離子樹脂包括弱酸陽離子樹脂。
22.根據權利要求17所述的系統，包括兩個產物隔室，其中第一產物隔室的所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂，並且第二產物隔室的所述離子交換樹脂包括陰離子樹脂，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陰離子可滲透隔膜、陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜。
23.根據權利要求17所述的系統，其中所述陽極可釋放地附接到所述再充電外殼。
24.根據權利要求17所述的系統，還包括阻垢裝置。
25.根據權利要求24所述的系統，其中所述阻垢裝置包括控制系統，所述控制系統用於將所述低電流密度施加到所述電化學電池，用於將所述低電流密度脈衝到所述電化學電池，或既用於將所述低電流密度施加到所述電化學電池、又用於將所述低電流密度脈衝到所述電化學電池。
26.根據權利要求25所述的系統，其中在I毫秒至I秒的範圍內的持續時間內發生所述脈衝。
27.根據權利要求25所述的系統，其中按照每I毫秒至I秒的時間間隔來施加所述脈衝。
28.—種處理水的方法，包括:使水流動通過電化學電池，所述電化學電池分批操作，具有不將電流密度施加到所述電化學電池的維護模式和將電流密度施加到所述電化學電池的再充電模式。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述電流密度是低電流密度，所述低電流密度在所述再充電模式期間能夠有效地基本上保持鄰近所述至少兩個離子交換隔膜的所述表面的區域中的溶液中溶解的離子。
30.根據權利要求28所述的方法，其中所述電化學電池包括料筒、陽極和陰極，並且所述料筒包括產物隔室，所述產物隔室包含離子交換樹脂；濃縮物隔室；和至少兩個離子交換隔膜，所述至少兩個離子交換隔膜選自陽離子可滲透隔膜、陰離子可滲透隔膜、雙極性隔膜、以及它們的組合；並且 其中在不將電流密度施加到所述電化學電池的所述維護模式期間，所述水通過所述產物隔室，從而以經純化的形式離開所述產物隔室； 其中在將所述電流密度施加到所述電化學電池的所述再充電模式期間，廢物流進入所述濃縮物隔室，從而以與所述廢物流進入所述濃縮物隔室時相比溶解的離子量增加的形式離開所述濃縮物隔室，並且在所述再充電模式之後，與所述再充電模式開始時相比，所述離子交換樹脂具有較少離子。
31.根據權利要求28所述的方法，其中所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂和陰離子樹脂的組合，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和陰離子可滲透隔膜； 其中在不將電流密度施加到所述電化學電池的所述維護模式期間，所述水通過所述產物隔室並且接觸陽離子樹脂和陰離子樹脂的所述組合，從而以經純化的去離子形式離開所述產物隔室； 其中在將所述電流密度施加到所述電化學電池的所述再充電模式期間，廢物流進入所述濃縮物隔室並接觸所述陽離子可滲透隔膜和所述陰離子可滲透隔膜，從而以與所述廢物流進入所述濃縮物隔室時相比溶解的離子量增加的形式離開所述濃縮物隔室，並且在所述再充電模式之後，與所述再充電模式開始時相比，陽離子樹脂和陰離子樹脂的所述組合具有較少離子。
32.根據權利要求28所述的方法，其中所述離子交換樹脂包括弱酸陽離子樹脂，並且所述至少兩個離子交換隔膜包括陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜； 其中在不將電流密度施加到所述電化學電池的所述維護模式期間，所述水通過所述產物隔室並且接觸所述弱酸陽離子樹脂，從而以經純化的鹼度降低的形式離開所述產物隔室; 其中在將所述電流密度施加到所述電化學電池的所述再充電模式期間，廢物流進入所述濃縮物隔室並接觸所述陽離子可滲透隔膜和所述陰離子可滲透隔膜，從而以與所述廢物流進入所述濃縮物隔室時相比溶解固體量增加的形式離開所述濃縮物隔室，並且在所述再充電模式之後，與所述再充電模式開始時相比，所述弱酸陽離子樹脂具有較少離子。
33.根據權利要求28所述的方法，其中所述離子交換樹脂包括兩個產物隔室和三個離子交換隔膜，其中第一產物隔室的所述離子交換樹脂包括陽離子樹脂，並且第二產物隔室的所述離子交換樹脂包括陰離子樹脂，並且所述離子交換隔膜包括陰離子可滲透隔膜、陽離子可滲透隔膜和雙極性隔膜； 其中在不將電流密度施加到所述電化學電池的所述維護模式期間，所述水分別通過所述第一產物隔室或所述第二產物隔室，並且接觸所述陽離子樹脂或所述陰離子樹脂，然後通過所述第二產物隔室或所述第一產物隔室中的另一個，從而以經純化的去離子形式離開所述產物隔室； 其中在將所述電流密度施加到所述電化學電池的所述再充電模式期間，廢物流進入所述濃縮物隔室並接觸所述陰離子可滲透隔膜和所述陽離子可滲透隔膜，從而以與所述廢物流進入所述濃縮物隔室時相比離子量增加的形式離開所述濃縮物隔室，並且在所述再充電模式之後，與所述再充電模式開始時相比，所述陰離子樹脂和所述陽離子樹脂具有較少離子。
34.根據權利要求28所述的方法，其中所述方法排除對所述電化學電池使用化學添加物。
35.根據權利要求28所述的方法，還包括使來自所述電化學電池的處理過的水流動，以在洗碗機中提供無汙潰衝洗。
36.根據權利要求28所述的方法，還包括使來自所述電化學電池的處理過的水流動，以給汽車提供無汙潰衝洗。
37.根據權利要求28所述的方法，還包括使來自所述電化學電池的處理過的水流動，以製備選自咖啡、茶、軟飲料、果汁、以及它們的組合的飲料。
【文檔編號】C02F1/469GK103732545SQ201280038586
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年7月31日 優先權日:2011年8月3日
【發明者】R·E·阿瑟爾, J·F·赫斯特, 鄭滇 申請人:3M創新有限公司