使用電容去離子系統去除離子的製作方法

2023-05-31 16:16:51

使用電容去離子系統去除離子的製作方法
【專利摘要】本發明的實施方案提供使用流通式電容器從進料水流中除去離子的方法和用於進行該方法的控制器。為離開該流通式電容器的處理水流建立水性質濃度的目標值或將要除去的水性質濃度的固定去除百分比。測量進入該流通式電容器的進料水流中的水性質濃度的進料值。控制該流通式電容器的安培數與穿過該流通式電容器的流速以從進料水流中除去離子以達到水性質的所需去除率。
【專利說明】使用電容去離子系統去除離子
[0001]發明背景
[0002]本申請涉及用於使用電化學處理的水處理的系統、裝置和方法。
[0003]電容去離子可用於從水中除去帶電荷的成分如離子，在電容去離子系統中，水流通過一個或多個包括極化電極對的流通式電容器。為了在水通過電極之間時處理該流，在電極之間建立電壓電位。該電壓電位使得水中的成分被吸引到並至少暫時保持在電極之一上，而令相對淨化的水離開該電容器。
[0004]在一段時間的處理後，電極變得將被成分飽和，以使得該電極不再能有效地從水流中除去成分。為了再生該流通式電容器的容量，可以將流通式電容器設置為排放捕獲的成分。通常，通過去除該電壓電位或通過在與處理過程中建立的電壓電位相反的方向上臨時施加電壓電位，由此從電極上釋放該成分，而進行排放。在排放過程中，攜帶該成分的流出水通常送入廢水管道。
[0005]發明概述
[0006]本發明的一些實施方案提供了使用具有至少一對彼此隔開以容納水流並配置為在該電極對與水之間轉移離子的電極的流通式電容器從進料水流中去除離子的方法。為離開該流通式電容器的處理水流建立水性質濃度的目標值。測量進入該流通式電容器的進料水流中的水性質濃度的進料值。基於進料值計算將要從該進料水流中除去的水性質濃度的量以達到處理水流中水性質濃度的目標值。控制該流通式電容器的安培數與穿過該流通式電容器的流速以便從進料水流中除去離子以達到處理水流中水性質濃度的目標值。
[0007]本發明的一些實施方案提供了從進料水流中除去離子的方法，其使用使用具有至少一對電極的流通式電容器，所述電極彼此隔開以容納水流並配置為在該電極對與水之間轉移離子。建立從流經該流通式電容器的進料水流中除去的水性質濃度的固定去除百分t匕。測量進入該流通式電容器的進料水流中的水性質濃度的進料值。控制該流通式電容器的安培數與穿過該流通式電容器的流速以從進料水流中除去離子以達到從進料水流中除去水性質濃度的固定去除百分比。
[0008]本發明的一些實施方案提供了用於實施上述方法的一者或兩者的控制器。
[0009]附圖描述
[0010]圖1是根據本發明的一個實施方案的具有流通式電容器和液壓氣動儲罐的電容去尚子系統的不意圖。
[0011]圖2是根據本發明的另一實施方案的具有流通式電容器和常壓儲罐的電容去離子系統的不意圖。
[0012]圖3是流通式電容器的示意圖。
[0013]圖4是包含流通式電容器的容器的局部橫截面側視圖，其中該容器具有配置為選擇性引導(route)水穿過該流通式電容器的連接於其上的閥，並且該閥實現由圖1和2的多個單獨的閥的一些所提供的各種功能。
[0014]圖5是顯示根據本發明的方法的一種形式的具有流通式電容器的電容去離子系統的一般操作的工藝流程圖。
[0015]圖6是描述在一個操作循環的實例過程中該流通式電容器的電流與電壓值的圖。
[0016]圖7是描述根據本發明的方法的一個方面的處理循環的工藝流程圖。
[0017]圖8是描述根據本發明的方法的一個方面的再生循環的工藝流程圖。
[0018]發明詳述
[0019]在詳細解釋本發明的任何實施方案之前，要理解的是本發明在其應用中不限於在下面的說明書中列舉或在下面的附圖中描述的構造細節與組件布置。本發明可以具有其它實施方案，並可以以各種方式實踐或實施。同樣，要理解的是本文中所用的措辭和術語用於描述目的而不應視為限制。在本文中使用「包括」、「包含」或「具有」及其變體指的是涵蓋其後列舉的項目及其等價物以及其它項目。除非另行規定或限定，術語「安裝」、「連接」、「支持」和「偶聯」及其變體是概括地使用的，並涵蓋直接和間接的安裝、連接、支持和偶聯。此外，「連接」和「偶聯」不限於物理或機械的連接或偶聯。
[0020]提出下列討論以使得本領域技術人員能夠做出和使用本發明的實施方案。對所述實施方案的各種修改對本領域技術人員顯而易見，並且本文中的通用原則可以在不離開本發明的實施方案的情況下應用於其它實施方案和用途。因此，本發明的實施方案並非意在限於所示實施方案，而是符合與本文中公開的原則和特徵一致的最寬範圍。參照附圖閱讀下面的詳細描述，其中，不同的圖中相同的元件具有相同的附圖標記。該附圖(並非一定按比例)描述了所選的實施方案並且並非意在限制本發明的實施方案的範圍。熟練的技術人員將認識到本文中提供的實施例具有許多可用的替代方案，它們落在本發明的實施方案的範圍內。
[0021]圖1和2分別描述了不具有和具有常壓儲罐163的電容去離子系統10、110。這些電容去離子系統10、110設計為接收進料水並與其它任選處理方法一起利用電容去離子對該水進行處理以便從水中除去成分。這種類型的系統可用於例如處理水以改善水質用於特定用途，或從水流中回收有價成分(例如金屬)。因此，雖然描述了用於水處理的系統，本文中描述的系統與方法可用於任何其中可以使用流通式電容器的應用。
[0022]此外，雖然圖1和2描述了使用多個閥引導水穿過系統10、110，其它閥布置也可使用，例如如圖4中所示的連接到流通式電容器上的單一閥布置，其中單一閥實現圖1和2中的多個閥的功能。
[0023]現在回到圖1和2的說明，在各電容去離子系統10、110的入口一側上，進料水入口 12、112向流通式電容器26、126選擇性提供用於過濾和去離子的水。在顯示的實施方案中，水流從進料水入口 12、112經由具有依次安置於其上的鐵過濾器14、114、碳和/或沉澱物預過濾器20、120以及入口隔離閥16、116(當開啟時)的入口管道流至流通式電容器26、126。對於圖1的電容去離子系統10，還存在安置在鐵過濾器14與預過濾器20之間的可用於保持系統10中壓力的泵17。該泵17或壓力源可以以其它布置不同地放置或連接到系統10，且因此，所示實施方案僅僅是系統10的一種可能構造。該入口管線還包括安置在入口隔離閥16、116與流通式電容器26、126之間的多個指示器和傳感器，包括壓力傳感器
18、118，電導率指示器22、122以及流量傳感器25、125。
[0024]進料水入口 12、112與流通式電容器26、126之間的多個元件是任選的。例如，該鐵過濾器14、114和/或該預過濾器20、120可能不存在，且進料水入口 12、112可能直接偶聯到入口隔離閥16、116上或與入口隔離閥16、116直接連通。同樣，如果需要的話，該鐵過濾器14、114和/或該預過濾器20、120可以由另一預處理方法替代或補充。
[0025]如參照圖3在下文中更詳細地描述的那樣，該流通式電容器26、126能夠通過從水中除去帶電荷成分將水去離子，並能夠周期性排放收集的成分以再生該流通式電容器26、126的容量。
[0026]在流通式電容器26、126的出口一側，水流從出口管線52、152離開該流通式電容器26、126並穿過多個組件以最終到達處理水出口 76、176或排水口 58、158。該處理水出口 76、176可以將處理過的水提供到例如住宅管道系統，而排水口 58、158適於在流通式電容器26、126的離子排放、清洗、或再生過程中處置富含雜質或富含成分的水。在其中該系統用於從水流中回收成分(如金屬)的某些實施方案中，來自排水口 58、158的水不被處置而代之以收集以便進一步加工。
[0027]在電容去離子系統10、110中，流通式電容器26、126的出口管線52、152在一個方向上分支到排水口 58、158並在另一方向上分支到處理水出口 76、176。在圖1和2中顯示的實施方案中，通過支路後的控制閥的構造決定來自出口管線52、152的水的流動路徑。在去往排水口 58、158的路徑上並在出口管線52、152中的支路後，存在排水口控制閥56、156，其在開啟時令出口管線52、152與排水口 58、158流體連通。在由出口 52、152至處理水出口 76、176的路徑上並在支路後，存在處理水控制閥62、162，其在開啟時允許水流向處理水出口 76、176。在圖1和2的實施方案中，將僅開啟這兩個閥的一個，而另一個將關閉。
[0028]兩條管線提供使一些或所有水繞過流通式電容器26、126轉移的路徑。這些管線的第一根是共混管線88、188，其可用於將已經穿過該流通式電容器26、126的處理水與已經繞過該流通式電容器26、126的未處理水選擇性共混以便輸送到處理水出口 76、176。該共混管線88、188在流量傳感器25、125和流通式電容器26、126之前從入口管線的一部分上分支並與流通式電容器26、126和處理水控制閥62、162之後的處理水出口管線重新連接。沿著共混管線88、188，存在共混閥90、190，其可用於選擇允許穿過共混管線88、188的水的流動。
[0029]第二繞行管線是手動旁路管線84、184，其可用於在入口隔離閥16、116關閉時完全繞過該流通式電容器26、126和共混管線88、188。在圖1和2中顯示的實施方案中，該旁路管線84、184在碳和沉澱物預過濾器20、122之後從入口管線上分支並在流通式電容器26、126下遊提供該水。沿著該旁路管線84、184可以存在手動旁路閥86、186，當不使用該手動旁路管線84、184時該閥86、186關閉。如果要繞行或繞過系統10、110以便在電源故障時進行維修或重新引導水，隨即關閉入口隔離閥16、116(在一些實施方案中，水出口隔離閥，如圖1中的閥74，也可以關閉)並打開手動旁路閥86、186以引導水繞過該系統的流通式電容器部分。
[0030]現在回到電容去離子系統10、110的出口一側的說明，可以看出，在處理水控制閥62,162的下遊，電容去離子系統10、110的布置不同。最值得注意的是，圖1顯示了僅具有液壓氣動儲罐72的電容去離子系統10，而圖2顯示了還具有常壓儲罐163的電容去離子系統 110。
[0031]首先來看圖1中缺少常壓儲罐的實施方案，可以存在任選的泵(未顯示)，該泵泵送已經穿過處理水控制閥62 (意味著一部分水已經被流通式電容器26處理過)和/或穿過共混管線88的水。上遊泵17可以提供系統壓力源。該水在下遊經管線輸送至接收並儲存加壓水的液壓氣動儲罐72。壓力傳感器可以連接到液壓氣動儲罐72上以監控液壓氣動儲罐72中的空氣腔室中的空氣或水壓力。按照需要，該液壓氣動儲罐72在壓力下將水輸送至處理水出口 76。此外，壓力傳感器66和電導率指示器68連接到處理水控制閥62與出口隔離閥74之間的管線上，所述出口隔離閥74位於液壓氣動儲罐72與處理水出口 76上遊。
[0032]在圖2的構造中，該電容去離子系統110包括常壓儲罐163。穿過處理水控制閥162、共混管線188和/或手動旁路管線184的水進料到該常壓儲罐163中，在這裡水可以臨時儲存。電導率指示器168可以偶聯到從處理水控制閥162和共混管線188進料該常壓儲罐163的管線上。該常壓儲罐163可以包括一個或多個水平傳感器或開關165、167，其確定是否已經實現在罐163中的最低水面和/或是否已經達到在罐163中的目標最高水面。這些水平開關165、167也可用於確定穿過該流通式電容器的流速126是否為額定或高。常壓儲罐163的一個益處是該罐163可能夠儲存相對大體積的處理水以便可以向使用或管道系統的連接點按需供應更大量的處理水，即使是在該系統不能實時處理足夠量的水和/或提供特定品質的水時。
[0033]來自儲罐163的水隨後可供應到泵164，該泵164將水穿過單向閥向下遊泵送至任選的液壓氣動儲罐172。如果存在液壓氣動儲罐172的話，那麼壓力傳感器170可以連接到液壓氣動儲罐172上並可以傳感該液壓氣動儲罐172的空氣腔室中的空氣或水壓力。該壓力傳感器170可以向泵164提供信號，指示是否需要泵送更多的水以保持罐172中的壓力。在顯示的特定實施方案中，還存在位於泵164和液壓氣動儲罐172下遊但位於處理水出口176前的隔離閥174之前的任選的紫外(UV)處理系統175。
[0034]儘管在圖2中顯示了液壓氣動儲罐172，可以通過替代使用例如變速泵或另一可變壓力源以保持基本恆定的壓力。
[0035]圖3示意性描述了用於水的電容去離子的流通式電容器26。該流通式電容器26可以類似於流通式電容器126，並且圖3的描述僅意在提供對流通式電容器的布置的一般理解。穿過電容器的實際的流可以包括為簡化說明起見從示意圖中省略的各種密封件、接頭、傳感器等等。
[0036]該流通式電容器26包括個體流體處理室28的堆疊27，其包含在具有水入口 30和水出口 31的外殼29中。配置該流通式電容器26以使得，為了將水從流通式電容器26的水入口 30送至水出口 31，水必須穿過個體處理室28的堆疊27。在堆疊27中，水在處理過程中被去離子，或在排放或再生過程中接收成分。堆疊27中的各個室28包括一個或多個下列元件的組合:電極對32、陽離子膜35、陰離子膜36和通常由塑料網製成的流動間隔件37。雖然陽離子和陰離子膜可用於在電極上提供改善的成分附著和儲存，該膜不是必需的，並且可以在沒有它們的情況下製造該室。此外，該電極可以構造成具有兩部分電極構造，包括碳吸附電極層和集電器。
[0037]在圖3中顯示的實施方案中，這些室元件各自具有與其它層平行安置的相對薄層形式，該薄層以第一電極/陽離子膜/間隔件/陽離子膜/第二電極/陰離子膜/間隔件/陽離子膜的重複方式一個堆疊在另一個上面。在最後的陽離子膜之後，可以存在另一第一電極並可以重複該方式。由於帶電荷成分的任何通量(flux)因第一與第二電極之間產生的電壓差而發生，電極層可以形成堆疊27的最底層和最頂層。
[0038]為了更好地理解下面對流通式電容器26的描述，應理解的是，圖3是穿過流通式電容器26的一個示例性實施方案的中心所取的橫截面側視圖。各個室元件通常是具有對齊以形成中心流柱38的中心開口的薄平面層。因此，對任何給定層，在中心流柱38左側和右側上的室元件是同一層的一部分。此外，水能夠在容器或外殼29內部與該堆疊27的室元件的外周之間流動。這意味著在示意圖左側和右側上在外殼29與堆疊27之間的區域是彼此流體連通的。
[0039]在圖3中，箭頭通常描述穿過該流通式電容器26的向前流動模式。儘管顯示了向前流動方向，在一些情況或操作循環中，水可以在相反方向上運行穿過該流通式電容器26。在一些實施方案中，為了在該流通式電容器26中實現所需流動模式，存在多個水入口或結構，其能夠有助於穿過該堆疊27中流動間隔件37的平穩水流動模式或其它合意的水流動模式。存在用於定位、電連接和/壓縮堆疊27中一些或所有室元件的另外的結構元件。
[0040]同樣如圖3中所不,該流通式電容器26包括許多電極對32。在一個實施方案中，各電極對32包括第一電極33 (其在處理過程中充當陰極)和第二電極34(其在處理過程中充當陽極)。該電極33和34可以由高表面積導電材料如活性炭、炭黑、碳氣凝膠、碳納米纖維、碳納米管、石墨、石墨烯或其混合物構造而成。在一些實施方案中，該電極33和34可以作為單獨的層放置在集電器的頂部，或者可以直接塗布到集電器上。
[0041 ] 第一電極33和第二電極34相對於彼此構造並電連接以便在二者之間建立電壓差或電位。流通式電容器26中的第一電極33可以彼此連接，並隨後連接到電源上。類似地，流通式電容器26中的第二電極34可以彼此連接並隨後連接到電源上。儘管在圖3的示意圖中並未顯示，該電極可以在其外邊緣處使用彼此接觸的外周片或使用其它形式的連接件彼此連接。該堆疊27將排布以使得最鄰近的電極為不同類型(即，第一電極將安置在第二電極之間，反之亦然)。在一些實施方案中，各個電極組可以彼此交錯排布以便彼此串聯放置多個電極對。
[0042]不考慮電極的具體電排布和連接，在操作過程中，這些第一和第二電極33與34可以彼此不同地帶電以便建立跨電極對的電壓電位。該電壓電位可用於朝向電極將帶電荷成分從水中抽取出來(例如在處理過程中)或將收集的成分釋放回到水中(例如在再生、排放或清洗過程中)。
[0043]陽離子膜35和陰離子膜36分別相鄰於第一電極33和第二電極34安置。該陽離子膜35和陰離子膜36充當可以放置在電極33和34與布置在中心的流動間隔件37之間的電荷屏障。本文中及所附權利要求書中所用的術語「電荷屏障」指的是可以保持電荷並且對離子為可透過或半透過的材料層。具有與電荷屏障中相同的電荷符號的離子不能穿過該電荷屏障到相應的電極上。結果，存在於與電荷屏障相鄰的電極隔室中並具有與電荷屏障中的電荷相同的電荷符號的離子至少暫時地保持或截留(trapped)在電極隔室中。電荷屏障可允許提高離子去除效率並降低用於離子去除的整體能耗。
[0044]最後，該塑料網流動間隔件37安置在陽離子膜35和陰離子膜36 (以及相應的電極對32)之間。該網狀間隔件37具有類似於窗格的圖案，且還具有一些在高度尺寸(高度尺寸通常垂直於穿過該間隔件37的流動方向)上比其它部分更高的部分，以使得當間隔層在兩個其它層如陽離子膜35和陰離子膜36之間略微壓縮時，水能夠或被允許跨間隔件37層並在相應的電極對33和34之間流動。
[0045]圖3僅僅是流通式電容器26的簡化示意圖，並且並未顯示可以是該流通式電容器26的部分的所有機械組件。例如，流通式電容器有可能包括數十或成百上千個電極對以提供用於將可用量的處理水去離子的適當表面積量。此外，雖然僅描述了單個堆疊，可以構造室組件的多個模塊或塔盤(tray)。在一些實施方案中(如圖4中顯示的模塊)，含有多個電極對的塔盤可以在彼此上疊放，並且單獨或總體壓縮該塔盤。
[0046]此外，儘管並未顯示在圖3的示意圖中，可以壓縮該堆疊的各個層以控制室組件之間的間隔量，由此建立水可以流經該堆疊27時穿過的橫截面面積。該壓縮可以以多種方式實施。在一種實施方案中，在流通式電容器頂部處的壓力板可以在垂直於流體流經該堆疊27的方向的方向上壓縮該室組件。此類壓力板能夠通過機械緊固(例如，使用可以擰緊或鬆開以調節壓縮力的螺紋螺杆元件)施加可變的壓縮力。在其它實施方案中，該堆疊可以分成多個部分，如在模塊中，各部分可以單獨地壓縮。
[0047]在一般操作中，水流經由位於外殼29底部側壁上的水入口 30進入流通式電容器26。此時，水能夠流經該外殼29與該堆疊27之間的一些體積。一些施加的壓力差(可能通過水連續流入至該流通式電容器26建立)將然後能夠導致迫使水穿過該堆疊27的間隔件37並進入中心柱38，在該位置處水向上流動並流出水出口 31。通過在電極對32之間建立電壓差，帶電荷的成分如離子可以在流經該間隔件37的水與陽離子和陰離子膜35與36之間轉移。下面將更詳細地描述該室的控制與操作的具體細節。
[0048]圖4描述了電容去離子系統410的一部分的一個實施方案，包括位於容納流通式電容器426的容器404的頂部的閥402。在該實施方案中，該閥402在單一位置處偶聯到容器404上，使得水可以通過單獨的通道從該閥402流入該容器404和由該容器404返回到該閥402。可以穿過容器404建立流路，其中在該容器的相同開口處提供入口通道和出口通道。
[0049]在圖4中，箭頭用於描述穿過系統410的該部分的水的向前流動。箭頭顯示了以下流動:從閥402進入該容器404的腔室480、在容器壁與流通式電容器426之間、穿過該流通式電容器426、沿流通式電容器426的中心柱438向上、沿壓縮該流通式電容器426的堆疊的壓縮元件484的中心柱482向上、並使該流返回至該閥402以便引導至處理水出口或排水口。該向前流動僅為描述目的，並且流動的具體方向與用於導引該流動的結構可以與所述的不同。
[0050]該閥402是實現多種水引導功能並消除對圖1和2中所示多個單獨閥的需要的控制閥組件。例如，該閥402可以具有多種狀態(posit1n)，包括以下狀態:(I)工作狀態:其中將從入口管線至該閥的所有水引導到容器404中、穿過該流通式電容器426並隨後引導至處理水出口(如出口 76、176) ； (2)共混狀態:其中將一部分從入口管線進入閥402的水引導至容器404中並穿過該流通式電容器425，同時來自入口管線的水的剩餘部分並未引導穿過該流通式電容器426而是與通過該流通式電容器426的水重新組合以共混處理和未處理的水；(3)排水狀態:其中將水引導穿過該流通式電容器426並隨後引導至排水管至排水口(如排水口 58、158);以及(4)關閉狀態:其中閥402的出口關閉以使得水不繼續基本上流過該閥402或該流通式電容器426。
[0051]圖1和2進一步描述了與該流通式電容器26、126和該電容去離子系統10、110的許多組件電連通的處理器或控制器78、178。該控制器78、178連接到許多傳感器上，該傳感器包括壓力傳感器18、118，電導率指示器22、122，流量傳感器25、125，壓力傳感器66，電導率傳感器68、168和水平傳感器或開關165、167。該控制器78、178還連接到多個閥上，包括排水口控制閥56、156，處理水控制閥62、162和共混閥90、190。該控制器78、178還可以連接到用於該流通式電容器26、126的電源上。本領域普通技術人員將容易地認識到以下事實:控制器78、178可以潛在地包括一個或多個處理器、微處理器、可編程邏輯控制器、或其它合適的軟體與硬體配置。此外，在替代實施方案中，該控制器可以連接到其它系統元件上或不連接到一些所述系統元件上。此外，該控制器78、178可以提供或連接到用戶界面上以便監控水性質(或水性質濃度)、監控系統功能、調節用於系統控制的設定點、回顧操作歷史和提供診斷。
[0052]例如，參照圖1，該控制器78在存在時可以控制水向該液壓氣動儲罐72的輸送。當一個或多個壓力傳感器感知到液壓氣動儲罐72中的空氣或水的壓力在較低設定點以下時，該控制器78打開該控制閥62，開啟泵17的向前操作，並開啟用於流通式電容器26的電源(條件是流通式電容器26不需要再生，如下文中更詳細地描述的那樣)直到液壓氣動儲罐72中的空氣或水壓力達到壓力的較高設定點。如果該流通式電容器26需要再生，那麼該控制器78將關閉該控制閥62，並去除和/或逆轉電源提供給流通式電容器26的電荷。當將要將再生模式過程中去除的離子經由排水口 58排放時，該控制器78打開排水口控制閥56。
[0053]該控制器178還可以如圖2中所示控制水向系統110的常壓儲罐163的輸送。該控制器178可以連接到常壓儲罐163上的低水平傳感器165和高水平傳感器167。當高水平傳感器167感知常壓儲罐163中的水位在其設定點以下時，該控制器178打開控制閥162並開啟用於流通式電容器126的電源(條件是該流通式電容器126不需要再生)直到該常壓儲罐163中的水位達到該水平傳感器167的上限設定點。如果該流通式電容器126需要再生，該控制器178可以暫時關閉控制閥162，去除和/或逆轉電源提供給流通式電容器126的電荷，並打開控制閥156，因此在再生循環過程中除去的離子經由排水口 158排出。如果常壓儲罐163中的水位落到該低水平傳感器165的下限設定點以下，並且流通式電容器126不能滿足需求，那麼控制器178開啟共混閥190直到常壓儲罐163中的水位達到該低水平傳感器165的上限設定點，對特別高的水需求暫時繞行該流通式電容器126。在這種情況下，電導率傳感器168可監控進入常壓儲罐的水以確保水品質不超過不可接受的程度。
[0054]水平傳感器165、167可用於測量和調節穿過該流通式電容器26、126的水的流動。在一些實施方案中，存在可用於進行此類操作或測量的一個或多個水平傳感器或開關。
[0055]此外，該控制器78、178可以使用測定的品質(例如壓力和電導率)和相關邏輯以進行各種操作並提供用於例如開啟和/關閉閥、引導水流完全或部分穿過系統的各個管線以及運行或調節該流通式電容器的運行參數的指令。
[0056]現在解釋該電容去離子系統10、110、410的一些實施方案的深層結構，將更詳細地描述該系統10、110、410的一般操作和該系統10、110、410的各個操作循環。
[0057]一般操作
[0058]在典型操作過程中，該電容去離子系統10、110和流通式電容器26、126在四種主要操作模式之間循環:待機模式:其中基本不由流通式電容器26、126處理水流；處理模式:其中流通式電容器26、126從穿過其的水流中除去帶電荷成分，再生模式:其中流通式電容器26、126消除或排放收集的帶電荷成分以恢復容量用於進一步處理，和清洗模式:其中維護該流通式電容器26、126以防止結垢和長期循環的其它潛在效果。該系統10、110可以基於多項標準配置為在待機、處理、再生和清洗模式之間切換，所述多項標準包括但不限於對水的需求(在附加的液壓氣動儲罐或常壓儲罐中或在更大的管道系統中)、檢測的進料水和處理水性質(例如水壓力、水電導率等等)和測定的系統參數值(例如與該流通式電容器的運行相關的性質)。
[0059]為了簡化理解用於該應用的系統操作，將最詳盡地描述這四種主要運行模式。該系統不僅限於描述的操作模式，該系統也不一定需要包括本文中詳細描述的所有四種操作模式。該系統可以包括其它操作模式，例如診斷模式。同樣，該系統可以包括如下功能:在電源故障期間包括故障檢測和/或允許系統運行。系統的運行可以手動控制(例如以用戶直接指令)或自動控制(例如根據預先制定的程序)。當自動控制該系統時，其將受控制器78,178指導，其能夠感知系統10、110中的條件並指示或控制該系統10、110的各組件的運行。
[0060]將更詳細地描述該系統的具體運行。應理解的是，描述該系統或流通式電容器的運行的任何語言，不管是否具體提及該控制器，應解讀為有可能採用或通過該控制器進行。例如，如果該系統描述為監控電流值。可以通過該控制器實現該監控功能。同樣，當該系統或流通式電容器操作改變時，可以由該控制器提供指令。
[0061]電流調節操作
[0062]電容去離子系統中的操作的基本原理在於，通過在電極之間受控和選擇性施加電壓差，帶電荷的成分可以在水與流通式電容器的電極(和/或膜)之間轉移。由於電壓差或電壓電位是離子轉移的「驅動力」，現有的系統主要集中於控制或調節電壓差以運行該電容去尚子系統。
[0063]公開了電容去離子系統的控制操作的方法以及用於電容去離子系統的控制器。公開的方法與控制器尤其利用了不同於常規系統中可以找到的運行流通式電容器的模式。然而，常規系統目的在於調節跨電極建立的電壓電位，本文中描述的方法與控制器依賴於控制和監控電流。通過在運行時間上對電流或其它值進行積分，電容去離子系統可以以使得更準確地反映該電容器的實際狀態的方式運行。
[0064]本文中描述的方法、系統和控制器將新的和獨特的不同方法應用於電容去離子系統的操作。本發明的一些實施方案的方法、系統和控制器監控並調節在該系統操作過程中該流通式電容器的電流，替代了在離子或帶電荷成分的轉移過程中控制和保持電極之間的特定電壓電位或差值。由於帶電荷的粒子的通量與電流和發生的處理或排放量直接相關，電流調節控制是一種可用的經此運行和測量電容去離子系統運行的代理手段(proxy)。儘管施加電壓以便在該流通式電容器中產生跨電極的電位，選擇施加的電壓以便在該循環中的給定點處在該流通式電容器中獲得特定電流。在其中在流通式電容器中保持恆定電流的情況下，這意味著由於電極趨於飽和，電壓發生變化，且必須建立更大的電壓電位以保持恆定電流。
[0065]通過電流調節操作(與電壓調節操作相反)實現的優點尤其在於通過在單次操作周期長度上對傳輸(transfer)的電流進行積分,可以確定已經收集在電極和/或其相應膜上或從電極和/或其相應膜上排放的離子或帶電荷成分的合計量。該安培-秒值或「安培總和(ampsum)」(其為在時間上積分的安培數值)可以與該流通式電容器的已知或計算的總可用容量進行比較以確定何時流通式電容器的電極對已經飽和(即達到它們的可用處理極限)或脫飽和(即達到一個點，在該點處大部分或全部離子或帶電荷成分已經排放)。
[0066]因此，電流調節操作提供了尚未實現的方法以控制電容去離子系統的操作，並提供了經此能獲得電容去離子系統的優異效率的量度。通過使用電流調節操作，該系統可以配置為當發生最小的或不發生離子或帶電荷粒子轉移時不繼續施加電壓差。這例如防止了在已經達到該流通式電容器的飽和點時以處理模式繼續施加電壓差。
[0067]替代直接監控和積分電流以確定循環的持續時間和流通式電容器的容量，可以使用水性質、值、特性或參數(或其組合)。例如，通過測量水流的電導率或去除的電導率(通過比較由該流通式電容器處理之前和之後的水)並在循環持續時間上積分該值，可以間接地測定在該流通式電容器中使用的容量的量。因此，在本發明的方法的一些實施方案中，「電流」測量和計算可以潛在地被其它測定的水品質或性質，如電導率或硬度替代。此類特性、值或參數(即部分取決於水中的離子數量的水的電導率)與電流相關聯至如此程度，以至於它們可以充當操作的良好代理手段。
[0068]圖5顯示了根據本發明的一個實施方案的電流調節操作的方法500。但是要認識至|J，可以控制另一參數，例如水性質(例如電導率)，替代了測量和調節電流。根據方法500，在步驟502中確定流通式電容器的加和電流容量。該加和電流容量對應於該系統的可用容量。打個比方，該加和電流容量對應於該電極可以支持的離子或帶電荷成分的量，其方式可以確定海綿吸收水的量的方式(憑經驗或通過計算)相同。
[0069]該加和電流容量可以例如基於電容去離子系統的品質和特性(例如使用物理和化學值和/或設計參數，如模塊數量、堆疊尺寸、電極對數量、室面積和表面性質)理論計笪
ο
[0070]或者，該加和電流容量可以通過觀察或測量來確定。例如，該系統可以以處理模式運行直到該流通式電容器達到飽和點或水達到性質極限(這可以通過比較輸入和輸出的水的電導率來確定，因為電導率與水中的離子數量相關)。該流通式電容器隨後設定為再生，直到從該電極/膜上驅走所有離子和帶電荷成分。在處理或再生過程中，電流可以在時間上積分直到不傳輸或幾乎不傳輸額外的電流。測定值對應於可用的加和電流容量。
[0071]在一些實施方案中，該系統可以使用兩種方法和/或持續周期性重新計算或重新確定該加和電流容量。例如，該系統初始可以使用理論值運行，隨後開始監控處理或排放循環以進一步精確化該加和電流容量值。在其它實施方案中，該系統可以持續或周期性地監控排放或再生循環以重新確定或修訂用於各後繼處理循環的加和電流容量。在再其它實施方案中，該系統可以持續或周期性地監控處理循環以重新確定或修訂該加和電流容量。該流通式電容器可以經多個操作循環運行，直到達到或接近平衡容量。
[0072]可以允許該系統和控制器在排放與處理循環之間的不平衡狀態下運行，使得在各處理循環中儲存比後繼排放循環中排放的更多能量，直到足夠的容量用於實現最佳再生循環。隨後，該系統可以在將要大致相等的各循環中排放能量與儲存能量之間的平衡下運行。
[0073]在電容去離子系統中，該加和電流容量通常為每堆疊大約1000安培.秒至2200安培.秒，各堆疊的電極對面積可以為大約5800平方釐米。但是，也可以使用具有更高或更低容量的系統。容易理解的是，設計參數可以影響特定系統的加和電流容量。
[0074]一旦按照步驟502確定加和電流容量，隨後可以按照步驟504開始該流通式電容器的操作循環。該操作循環可以是例如處理模式、再生模式或清洗模式。
[0075]該操作循環不需要在確定該加和電流容量後立即開始。例如，在確定該加和電流容量後，系統可以處於待機模式直到需要處理水。此外，該操作循環不需要完全連續。例如，可以基於對水的需要開始處理模式，隨後臨時停止，直到需要更多水。
[0076]一旦操作循環已經開始，控制器按照步驟506監控電流並隨操作循環時間對該電流進行積分以確定監控的電流值。在操作循環過程中，監控的電流值按照步驟508與加和電流容量進行比較以決定是否如下操作:(I)如果未達到終點條件，繼續以特定操作模式運行，在這種情況下該系統按照步驟506繼續監控電流並隨後按照步驟508再次比較加和電流容量與監控電流值，直到已經達到端點條件；或(2)如果已經達到端點條件，按照步驟510結束該操作循環。導致該操作循環在端點處終止的條件在一個實施方案中可以是當該加和電流容量等於監控電流值時。在一些實施方案中，這可能意味著積分和計數該監控電流值直至加和電流容量。在其它實施方案中，這可能意味著加和電流容量減去該監控電流值直到所得值等於零。
[0077]一些離子或帶電荷成分可以在處理過程中牢固地連接到電極和/或膜上。結果，也可以存在這樣的邏輯，如果已經基本達到端點，雖然尚未達到，仍允許循環終止。例如，在一段時間排放後，相對較小百分比的帶電荷粒子可能因其附著強度而仍未與電極和/或膜分離。系統和控制器可以配置為如下:如果加和電流值在例如端點的5%以內並基本保持在該加和電流下一段預定長度時間的話即可終止該循環。此類邏輯可以防止當轉移因流通式電容器容量變化而變得無效(或甚至不可能)時系統以特定操作模式變得鎖死。
[0078]在一些實施方案中，該系統可能經受局部處理循環，並隨後在規定的休止時間後，進入排放循環以便僅排放收集的電荷量。在這些實施方案中，可以將放電過程中的監控電流容量與在先處理循環中的最終監控電流容量進行比較。此類操作可用於在長期不使用或待機過程中將流通式電容器恢復至其全部容量。
[0079]在持續需要超過該流通式電容器的總可用容量的處理水的過程中，在處理模式和再生模式之間的切換可以基於該加和電流容量與該監控電流值的比較。例如，當需要水時，系統可以以處理模式運行，直到監控電流值等於加和電流容量。此時，系統可以確定在沒有首次排放收集的離子與成分的情況下不進行進一步的可用處理。因此，該系統可以切換至再生模式，其中離子將從流通式電容器中排放直到加和電流容量與監控電流值的比較顯示由於已經到達循環的端點(即所有離子或帶電荷粒子已經排放)，可以停止該再生循環。
[0080]或者，可以採用固定時間再生循環，替代了在再生過程中比較加和值與容量值。當使用固定時間時，對於排放該成分時的速率進行某些假設，當有效時這可以簡化該再生循環。例如，如果該系統設定為20安培，並且再生循環運行90秒的固定持續時間，隨後(假定成分從電極上有效地轉移到水中)可以假定重新獲得了 1800安培-秒的容量。
[0081]可以將該控制器編程，以使得在一定條件下(例如相應於高成分含量的高測定輸入或輸出水電導率，並且流通式電容器具有充分但不完全的再生)可以令該系統返回到處理模式而沒有完全完成該排放/再生循環。再次，由於系統的電流調節控制提供了該流通式電容器的可用容量的精確量度，可以在系統操作中使用如此的複雜邏輯，這在此前是不可得的，或其中該可用容量充其量是一種猜測。
[0082]圖6顯示了其中電流和電壓歷經時間或在操作循環過程中操作循環的一個實施方案。上圖610描述了歷經時間的電流，下圖612描述了歷經時間的電壓電位或差值。
[0083]如上圖610中所示，電流-時間線614描述了隨循環時間的電流測量值，其在虛線所示時間616處終止。電流或安培數在該循環的至少第一部分上保持恆定，直到其在第二部分處在接近循環終點時開始逐漸降低。但是，在一些實施方案中，該電流可以在整個循環上保持恆定(例如在具有1800安培?秒容量的系統中，處理循環可以在20安培下90秒)。
[0084]電流可以保持恆定的一個原因是在該循環持續上提供離子與帶電荷粒子的相對恆定的通量。但是在一些實施方案中，可以就實際運行條件調節電流，所述實際運行條件例如進料水條件(如電導率和流速)的變化。例如，如果流經該流通式電容器的水的流速提高，可合意的是提高該電流以提高電極和/或膜與水之間的粒子與帶電荷粒子的通量。同樣，觀察到的水的電導率的顯著變化(指示不同量的離子或帶電荷成分)可以支配電流或安培數水平的提高或降低以獲得或保持處理水中的所需水性質或水性質濃度。還可以基於處理水性質或水性質濃度，如處理水電導率來設定或調節該電流或安培數水平。
[0085]仍參照上圖610，陰影面積618對應於該循環的總安培?秒或安培總和(即歷經時間的電流積分)。如上所述，在該循環的整個過程中，由循環開始時的零時間至該循環中的當前時間所取的積分是監控電流值，隨後將該監控電流值與加和電流容量比較以確定循環的終點或時間。線616是終止時間，由零時間至終止時間的安培數曲線下的積分(顯示為陰影面積618)同樣對應於特定系統的加和電流容量。
[0086]如下圖612中所示，電壓-時間線620用於描述隨循環時間的電壓。如果該電流或安培數保持恆定，那麼電壓必須在該循環的持續過程中提高以保持恆定的離子流通速率。這可以是，例如，由於電極和/或膜被離子或帶電荷成分飽和時所施加的電壓的有效性降低。在整個循環過程中的一些點處，有可能的是，基於該系統的功率限制達到最大電壓差。當此情況發生時，電壓將達到恆定水平的峰值，離子或電荷的通量開始降低，因為恆定電壓隨時間進一步推展有效性降低。
[0087]可以使用公式將該電容去離子系統的電容量轉化為以mEq(毫當量)計的離子容量，反之亦然。此類公式可用於將安培總和信息轉化為可用信息，該可用信息通過控制器傳送給最終用戶。
[0088]待機模式
[0089]當系統不轉移離子時，其可置於待機模式。在待機模式中，該電容去離子系統10、110處於以下狀態:水既不流入也不流出該系統10、110(或至少不以要求處理水的顯著量流入或流出)。由於沒有水主動流經該流通式電容器26、126，不需要從水中抽取成分(如在處理過程中所發生的那樣)或從電容器中衝洗成分至水中(如在再生或清洗過程中所發生的那樣)。甚至在該穩態條件下，可以跨電極對32施加一定量的電壓差，以使得成分不會遷移出陽離子膜35和陰離子膜36並進入保持在流通式電容器26、126中的水中。
[0090]當系統處於待機狀態時，除了防止結垢外，施加的電壓電位有助於防止啟動時的低劣水質。這是由於離子不太可能遷移到流通式電容器中的靜置水中。在特別長的待機時間後，系統可以配置為將預定體積的水送至排水口以確保送至處理出口的初始體積水不會在停滯在流通式電容器或另一部分上遊管道中時變得富含雜質或成分。
[0091]處理模式
[0092]當需要處理水且水流經該流通式電容器26、126時，系統10、110可以進入處理模式或純化模式。在處理模式中，至少一部分水或溶液穿過該流通式電容器26、126，並在法向上施加電壓電位以使得離子和表現出電荷吸引力的化合物或粒子被吸引到電極對32上。這些成分被從水流中抽取出，並穿過該陽離子膜35與陰離子膜36，並被捕集在碳電極33、34上。水流(現在一部分成分被除去)以可與進入流通式電容器26、126的水相比的純淨狀態離開該流通式電容器26、126，並可以將處理水引導至處理水出口 76、176。
[0093]許多變量會影響處理過程中從水中除去離子與帶電荷成分的速率和數量，包括但不限於在電極對32上建立的電壓電位(以及相關安培數，其事實上是電容器的調節部分)、水流經該流通式電容器26、126所處的流速、穿過該流通式電容器26、126的流動模式、入口水品質、以及膜和/或電極被該成分飽和的程度。可以使用一個或多個閥調節該流速，可以在模塊配置和/或運行條件所確定的最小限度和最大限度內變化，並可以至少部分基於對處理水的需求。通過控制器78、178確定該流通式電容器的安培數。
[0094]作為一般規則，當流速降低和/或安培數提高時，在穿過該流通式電容器的水與電極之間，每單位體積轉移更多的離子或帶電荷成分。相反，當流速提高和/或安培數降低時，每單位體積的水將轉移更少的離子或帶電荷成分。
[0095]圖7中描述了一種處理方法700。根據方法700，可以根據步驟702首先對處理的水建立目標水性質(或水性質濃度)或電導率、或者水性質(或水性質濃度)或電導率的固定去除百分比。隨後，根據步驟704測量水的一些性質，如進料水的電導率(儘管也可以使用其它品質)。由於該電容去離子系統除去了離子和帶電荷粒子以便將水純化至所需水性質，控制器隨後能夠在步驟706中測定流通式電容器中必須從進料水中除去的電導率的量以實現目標水性質(即處理過的水的電導率)或去除百分比。基於待除去的電導率，該控制器可以根據步驟708控制該流通式電容器的電流或安培數，和穿過該流通式電容器的水的流速以便在處理過的水流中實現所需的所得性質。可以測量處理過的水的電導率以證實離子和帶電荷成分的有效去除。這可限制實現的處理水平。例如，過於純淨的水會造成住宅管道的問題，並在室中造成過大的阻力，這會導致處理所需的高電壓和較低效的處理。
[0096]一旦計劃或選擇特定的水性質或去除百分比，考慮到進料水的性質(例如電導率)，可以計算相應於可以在處理循環中完全處理的水量的體積。此類體積可以通過考慮加和電流或該流通式電容器的總可用容量(這代表了可以從水中接收的電荷量)和將要從水中除去的電導率量(這相應於每單位體積的水為實現所需水性質而要去除的離子或帶電荷成分的量)來確定。在一些裝置或進入點中，可接受的是假定進料水電導率將保持相對恆定，並且因此該控制器可以使用該計算體積作為確定處理循環長度的基礎。在此類條件下，可以根據流速調節或改變安培數以持續去除每單位體積處理水的特定電荷，以使得在已處理計算體積的水時將處理循環設定為結束。
[0097]根據該方法的一些實施方案，穿過該系統的流速可以通過在一些情況下隨處理水需求的改變來確定。可以通過監控液壓氣動水罐中的壓力和/或常壓儲罐中的水箱水位提供對水的需求。如果壓力或水位降低至特定閾值水平以下，通常提高對處理水的需求。有可能的是，可以觀察到作為二元條件(即需要處理更多的水或並非如此)的需求，或者可以存在各種水平的水需求，無論分步或連續，基於觀察到的壓力或水平傳感器值。例如液壓氣動儲罐中壓降的程度或量可用於確定水需求的程度。此外，一個或多個流量傳感器可用於確定對水的需求。
[0098]在低需求情況下，該系統通常滿足對處理水的需求。在此類情況下，可以指示該流通式電容器僅將水處理至目標水性質或去除百分比以節約能量和流通式電容器的容量，或可以指示將水處理至儘可能純淨。此外，在一些情況下，處理水可以再循環一次或多次以便從水中進一步去除成分。
[0099]在高需求情況下，待處理的水的流速可以超過該流通式電容器將水處理至所需性質的能力。當這種情況發生時，系統可以將水處理至可能的程度並允許處理水低於所需品質或純度。可以優選不為了滿足使用需求的點而以足夠量提供水。可以通過允許系統在低於為提供設計去除百分比所計算的電流的處理電流或安培數下運行來降低去除率。同樣，為了防止該流通式電容器的室超過其最大運行電壓，可以限制進料水電導率或其它測定性質的目標變化。該控制器可以設定為如果超過預定或計算的處理體積、超過過循環時間長度和/或已經達到最大電壓時終止該處理循環。
[0100]還可以設想，改變循環中的流速可以有助於疏通或去除處理過程中的結垢和/或汙垢。特別地，在使用前儲存水的情況下，可能有益的是在較高和較低值之間循環該流速以改變流動模式和水施加在流通式電容器表面上的剪切力。
[0101]此外，可以使用或考慮處理循環的各個方法以調節該系統的加和電流容量。例如，在處理循環期間，可以確定達到最大電壓的時間。歷經多個循環該時間的降低可以指示流通式電容器中容量的損失。作為再一個實施例，在達到最大電壓前實現的加和電流容量的百分比可用於確定系統容量的損失。隨著達到最大電壓之前所用系統容量百分比降低，該流通式電容器的可用容量也如此。基於任一這些觀察到的條件，可以調節該系統的加和電流容量和/或觸發該再生循環。
[0102]在處理模式的另一實施方案中，可以測量處理水電導率(相對於進料水電導率)以確定是否調節該流通式電容器的安培數。假定進料水品質相對恆定，可以接受的是僅基於測定的處理水電導率或上或下調節安培數。此類調節可適於精確調節待除去的電導率，即使在其中進料水電導率未知的情況下。
[0103]在其它實施方案中，除了水電導率之外的水性質可用作確定運行該流通式電容器所處的安培數的基礎。例如，水的PH值或鹼度可以用作監控的水性質。
[0104]此外，在處理水純度據信接近最小可接受水性質或在目標水性質以下連續運行的情況下，該系統可以設置為警報或存儲該情況作為故障條件。這可以提醒用戶系統中的缺陷以及需要維修系統或系統的特定尺寸不能在使用時持續滿足對處理水的需求。
[0105]再生模式
[0106]一旦電極在處理模式過程中變得被離子飽和，該電極33、34可以在再生循環過程中容量再生。在再生過程中，該電極對32短路或電壓電位逆轉，並且離子(和表現出電荷吸引力的化合物或粒子)被驅使離開該電容器的電極33、34和/或膜35、36。該方法在流動間隔件37中形成富含雜質或成分的濃縮溶液，其隨後通常經排水口 58、158從流通式電容器26、126中水力排放。攜帶排放成分的水將被導引至廢水輸出或排水口 58、158，直到釋放基本所有成分，或恢復目標容量(儘管一些成分可能過於牢固地粘附到電極和/或膜上，以至於不容易脫離)。一旦該流通式電容器26、126的一些或全部容量恢復，則該流通式電容器26、126再次準備好用於以處理模式去除離子或雜質。
[0107]由該電極釋放的離子可以包括硬度離子，如鈣，和鹼度離子，如碳酸根和碳酸氫根離子。如果在廢水中這些離子的濃度變得過高，這些離子可在間隔件37上沉澱並形成結垢。流通式電容器中的結垢會堵塞水流路也可能汙染電極，特別是陰極。這可以不利地影響該流通式電容器的性能或甚至導致該流通式電容器停止工作。雖然周期性的再生和清洗有助於改善該系統的可用壽命，其應當理想地以不由形成結垢損害該系統的長期性能的方式運行。
[0108]在一些實施方案中，為了改善再生循環的效率，該再生模式可以用清潔的水、純化的水和/或化學品進行以清洗該系統。但是，在最基礎的實施方案中，進料水可以充當用於排放尚子的運輸劑。
[0109]在一些形式的再生的過程中，該系統或控制器可以將再生循環過程中的監控電流值(即排放離子的安培總和)與在先處理循環的最終監控電流值或該流通式電容器的加和電流容量相比以確定如上所述的再生循環的終點。該再生循環的監控電流值是在時間上的電流積分，其對應於再生循環期間從流通式電容器轉移到水流中的帶電荷成分的量。
[0110]在一些實施方案中，該再生模式可以開始，並且在再生模式中的所有步驟可以基於時間和/或基於通過(不限於此)電導率、pH、0RP(氧化還原電位)、離子選擇電極或其它手段測定的水性質方面的變化來開始或終止。此外，進料水硬度、pH、鹼度和電導率的一者或多者可以測量並用作計算最大排放電導率的基礎，在所述最大排放電導率下結垢的可能降低。
[0111]雖然在再生循環過程中淨離子通量將由電極和/或膜進入排放水流，該電流或安培數以及流速可以在循環長度上改變。例如，再生循環可以具有其中電極短路、其中電極設定為反向極性和甚至其中電極臨時設定為正極性的狀態。此外，可以在量級(低流速和高流速)與方向(向前、反向和不流動)方面調節流速。在一些實施方案中，為了減少水的使用但保持流量(flow)，水可以至少在一定程度上在再生過程中再循環穿過該流通式電容器。
[0112]可以按照圖8中描述的方法800控制排放水中離子或帶電荷成分的濃度以減少結垢的可能和/或提供收集的離子與帶電荷成分的時間有效排放。如處理一樣，可以控制流速和安培數以調節離子和帶電荷成分轉移到水中所處的速率和暴露於該離子通量的水的體積。
[0113]按照方法800，可以按照步驟802確定目標水性質(例如排放流的最大雜質水平)或成分的添加百分比。隨即可以在其接收在流通式電容器中之前按照步驟804測量進料水中的這種性質(例如水的電導率)。按照步驟806，目標水性質和測量的進料水性質可以進行比較以確定每單位體積進料水可添加的性質量(如離子形式的電導率)以提供具有目標水性質的排放流或感興趣的水性質的添加百分比。基於該計算值，可以按照步驟808改變穿過該流通式電容器的流速和/或該流通式電容器的安培數以在流通式電容器中由電極和/或膜向排放流中添加雜質。
[0114]因此，在該方法的一個實施方案中，通過控制排放安培數或安培數設定點，測量進料水電導率或其它水性質參數，由排放安培數計算粒子轉移速率、計算控制排放水濃度所需的流速以及使用閥或其它方法控制水流以實現對流速、濃度和/或轉移到排放水中的雜質的量的控制。類似地，可以基於計算的離子轉移速率根據排放水速率和測定的進料水電導率或其它水性質參數通過調節電流或電流設定點來改變該濃度和/或量。可以基於進料水電導率和離子排放速率使用公式計算再生中用於稀釋的流速。
[0115]根據再生的一種實施方案，多個流速可用於節約水同時防止水中的離子和/或成分的濃度超過過最大容許濃度。離子和成分進入水中的通量初始可以高並隨後在再生循環長度上降低。這意味著流經該流通式電容器的水可以初始以高流速提供以接收和輸送初始的高離子通量水平。當離子通量降低時，該流速可以降低，因為每單位時間需輸送出該流通式電容器的離子更少。因此，在再生循環結束時，水可以比循環開始時更長時間地滯留在該流通式電容器中，且不接近排放水的最大可接受雜質含量。
[0116]在再生模式的某些實施方案中，水的流速可以脈衝化以減少用水量或提供可變流速以抑制結垢。如上文相關於處理模式所述，切換高和低流速可用於在再生過程中疏通或去除結垢和/或防止汙垢。
[0117]在再生模式的其它實施方案中，在離子和帶電荷雜質排放過程中流動可以暫時反轉。如果流動反轉的話，可以在流通式電容器的上遊安置排水口，以反向流動的富含雜質或成分的水可以在流通式電容器之前從系統中除去。
[0118]該控制器可以限制再生模式過程中流通式電容器操作的各個方面。例如，再生流速可以在最小限度和最大限度變化，其由模塊配置決定並由閥配置的控制。此外，再生模式可設定為基於多個因素而終止，所述因素包括過長的時間、過度的安培數、或監控電流值與最終處理監控電流值或系統的加和電流容量的比較。同樣，這些條件可以如上文建議的那樣用於改變該流通式電容器的加和電流容量。
[0119]此外，該控制器可以配置為確保流速不在最小再生流速以下，所述最小再生流速設定為確保在整個室內的水分布。如果流速在再生過程中變得過低，會產生高度濃縮排放水的局部區域，這可導致例如在流動間隔件上的不合意結垢。
[0120]清洗模式
[0121]如上文中簡要提到的，一旦附著到電極和/或膜上，一些離子可能不能容易地去除。去除這些粒子所需要的可以多於標準排放循環。儘管已經發現更高的離子負載實際上改善了轉移過程中離子轉移的動力學，但是太多牢固附著的離子對系統的容量可具有負面影響。
[0122]因此，該系統可以偶爾進入清洗模式，其中，該系統經受更為時間密集型的再生過程。這些可以包括具有更大電壓差或脈衝電壓的更長再生模式、可變流速、使用清潔劑或其它工藝變化以去除難以從電極/膜上脫離的離子。
[0123]該系統和控制器可以設定為當滿足多個條件的一個或多個時自動進入清洗模式，所述條件包括但不限於已進行閾值數量的循環、已經處理閾值處理體積的水、系統已經保持待機一段時間、在流通式電容器上觀察到顯著高的壓降、一天的時間或時間窗發生，以及觀察到容量的損失。
[0124]如果該系統不能在清洗過程中將系統容量恢復到特定水平，該系統可以設定為提供容量損失警報。此類警報可以有助於最終用戶確定何時需要更換組件或以其它方式進行維護。
[0125]本領域技術人員將要理解，雖然已經結合特定實施方案與實施例在上文中對本發明進行了描述，本發明不需要限制於此，並且大量其他實施方案、實施例、用途、由該實施方案、實施例和用途進行的修改和偏離意在被所附權利要求涵蓋。本文中引用的各專利和出版物的全部公開內容經此引用併入本文，如此類專利或公開各自單獨地經此引用併入本文那樣。
[0126]在下列權利要求書中列舉了本發明的各種特徵與優點。
【權利要求】
1.從進料水流中去除離子的方法，其使用具有至少一對電極的流通式電容器，所述電極彼此隔開以容納水流並配置為在電極對與水之間轉移離子，所述方法包括: 建立離開該流通式電容器的處理水流的水性質濃度的目標值； 測量進入該流通式電容器的進料水流的水性質濃度的進料值； 基於進料值計算將要從該進料水流中除去的水性質濃度的量以達到處理水流中水性質濃度的目標值； 控制該流通式電容器的安培數與穿過該流通式電容器的流速以從進料水流中除去離子以達到處理水流中水性質濃度的目標值。
2.權利要求1的方法，其中該安培數是將要從進料水流中除去的離子的量的函數。
3.權利要求2的方法，其中離子的量與將要從進料水流中除去的水性質濃度的量相關。
4.權利要求2的方法，其中該安培數進一步是流速的函數。
5.權利要求1的方法，其中該水性質濃度與電導率相關，並且測量的進料值是電導率。
6.權利要求1的方法，其進一步包括基於該流通式電容器的電壓極限限制在給定流速下將要除去的水性質濃度的量。
7.權利要求1的方法，其中該流速基於在連接到該流通式電容器的系統中對水的系統需求。
8.權利要求7的方法，其中該系統需求通過測量系統中的水壓和罐水位的至少一者來測量。
9.權利要求7的方法，其中，當對水的系統需求超過流通式電容器的在特定需求流速下從該進料水流中除去水性質濃度的量能力時，降低將要從進料水流中除去的水性質濃度的量。
10.權利要求1的方法，進一步包括以下步驟:測量離開該流通式電容器的處理水流的水性質濃度並且在該水性質濃度的測量值不同於目標值時，改變安培數與流速的至少一者的控制。
11.權利要求1的方法，進一步包括給定該流通式電容器的加和電流容量，計算可以處理的進料水流的體積，並基於該加和電流容量和流速建立處理循環的持續時間。
12.權利要求1的方法，其中當達到該流通式電容器的最大電壓時建立處理循環的終點。
13.權利要求1的方法，其中在該循環持續時間過程中改變流速以抑制結垢。
14.權利要求1的方法，其中通過將流通式電容器在處理循環持續時間中的監控電流容量與預先建立的該流通式電容器的加和電流容量相比來建立處理循環的終點。
15.權利要求14的方法，其中當達到流通式電容器的最大電壓時建立處理循環的終點，並將系統的加和電流容量調節至最大電壓下的監控電流容量。
16.權利要求1的方法，其中在已經處理預定體積的進料水流和達到循環持續時間的至少一者時，建立該處理循環的終點。
17.權利要求1的方法，其中該流速具有最大流速和最小流速。
18.配置為實施權利要求1的方法的控制器。
19.從進料水流中除去離子的方法，其使用具有至少一對電極的流通式電容器，所述電極彼此隔開以容納水流並配置為在電極對與水之間轉移離子，所述方法包括: 建立將要從流經該流通式電容器的進料水流中除去的水性質濃度的固定去除百分比； 測量進入該流通式電容器的進料水流中的水性質濃度的進料值； 控制該流通式電容器的安培數與穿過該流通式電容器的流速以從進料水流中除去離子以達到從進料水流中去除水性質濃度的固定去除百分比。
20.權利要求19的方法，其中該安培數是要從進料水流中除去的離子的量的函數。
21.權利要求20的方法，其中離子的量與將要從該進料水流中除去的水性質濃度的固定去除百分比相關。
22.權利要求20的方法，其中該安培數進一步是流速的函數。
23.權利要求19的方法，其中該水性質濃度與電導率相關，並且測量的進料值是電導率。
24.權利要求19的方法，其進一步包括基於該流通式電容器的電壓極限限制在給定流速下將要除去的水性質濃度的量。
25.權利要求19的方法，其中該流速基於在連接到該流通式電容器的系統中對水的系統需求。
26.權利要求25的方法，其中該系統需求通過測量系統中的水壓和罐水位的至少一者來測量。
27.權利要求25的方法，其中當對水的系統需求超過流通式電容器在特定需求流速下從該進料水流中除去離子的量的能力時，降低將要從進料水流中除去的離子的量。
28.權利要求19的方法，其進一步包括如下步驟:測量離開該流通式電容器的該處理水流的水性質濃度並且當該水性質濃度的測量去除百分比值不同於目標固定去除百分比時，改變安培數與流速的至少一者的控制。
29.權利要求19的方法，其進一步包括給定該流通式電容器的加和電流容量，計算可以處理的進料水流的體積,並根據該加和電流容量和流速建立處理循環的持續時間。
30.權利要求19的方法，其中當達到該流通式電容器的最大電壓時建立處理循環的終點。
31.權利要求19的方法，其中在該循環持續時間過程中改變流速以抑制結垢。
32.權利要求19的方法，其中通過將流通式電容器在處理循環持續時間中的監控電流容量與預先建立的該流通式電容器的加和電流容量相比來建立處理循環的終點。
33.權利要求32的方法，其中當達到流通式電容器的最大電壓時建立處理循環的終點，並將系統的加和電流容量調節至最大電壓下的監控電流容量。
34.權利要求19的方法，其中在已經處理預定體積的進料水流和達到預定循環持續時間的至少一者時，建立該處理循環的終點。
35.權利要求19的方法，其中該流速具有最大流速和最小流速。
36.配置為實施權利要求19的方法的控制器。
【文檔編號】C02F1/42GK104169224SQ201280060769
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2012年10月29日 優先權日:2011年10月27日
【發明者】D·J·埃弗貝克, R·M·塔倫, B·A·波德科爾 申請人:濱特爾民用水處理有限責任公司