去除離子的裝置以及去除離子的方法

2023-05-18 21:27:16 1

專利名稱：去除離子的裝置以及去除離子的方法
去除離子的裝置以及去除離子的方法
技術領 域本發明涉及一種從水中去除離子的裝置，所述具有外殼的裝置包括用於讓水進入外殼內部的進水口、用於讓水流出外殼內部的出水口以及連接到在第一和第二電極之間提供電勢差的功率控制器的第一和第二電極。
背景技術：
近年來人們越來越意識到人類活動對環境的影響及這些影響可以導致的負面後果。減少、再利用和循環利用資源的方法正在變得更加重要。特別是，淨水正在變成一種稀缺商品。因此，開發了各種用於淨化水源的方法和設備。一種水質淨化的方法是通過電容消除離子，其使用設置有流過式電容器(FTC)的裝置去除水中的離子。FTC如同電再生電池那樣運行以電容消除離子。通過向電極供電，離子從電解質中去除並且保留在電極的雙電層中。電極在不添加化學物質的情況下，能夠被(部分的)電再生以釋放先前去除的離子。去除離子的裝置包括一對或多對被隔開的電極(陰極和陽極)，該裝置也可以包括分隔電極並且允許水流入電極之間的間隔區。該具有外殼的裝置包括讓水進入外殼的進水口和讓水流出外殼的出水口。在去除離子的裝置的外殼中，電極層(和間隔區)通過壓力堆疊為「三明治」型，通常是通過機械緊固。該裝置的效率在淨化過程中十分重要，因為其表示在一段時間中該裝置可淨化的水的量。

發明內容
本發明的目的是優化去除離子的裝置的效率。根據本發明實施方案提供了從水中去除離子的裝置，所述裝置具有外殼31，其包括用於讓水進入外殼31的進水口 32 ；用於讓水流出外殼31的出水口 33 ;第一和第二電極21、22，其連接到用於在第一和第二電極21、22之間提供電勢差的功率控制器PC ；其中該裝置還包括速度調節器64，其被構造和設置為相對於在第一和第二電極之間流動的水的第二部分，調節在第一和第二電極之間流動的水的第一部分的流速。根據本發明的另一個實施方案，本發明涉及去除離子的方法，該方法包括在外殼31中設置第一和第二電極21、22 ；在第一和第二電極21、22之間提供電勢差；允許水從外殼中的進水口 32流入第一和第二電極21、22之間，並且流到外殼31中的出水口 33 ;以及
相對於水的第二部分調節水的第一部分的流速。


本發明的實施方案將只通過舉例方式、結合參考所附示意圖的方式描述，圖中相應的附圖標記代表相應的部分，並且其中圖I顯示了用於本發明的電極的實施方案示意圖；圖2顯示了用於本發明的電極的疊層的實施方案示意圖；圖3顯示了用於本發明的去除離子的裝置的實施方案示意圖；圖4示意地顯示了在兩個電極之間的離子濃度；圖5a_c顯示了根據本發明實施方案的去除離子的裝置的部分橫截面示意圖；·
圖6顯示了兩個間隔區的橫截面示意圖；圖7顯示了用於本發明的去除離子的裝置的配置示意圖；圖8a到Sc顯示了根據本發明實施方案的去除離子的裝置；以及圖9a到9e顯示了根據本發明實施方案的去除離子的裝置。
具體實施例方式圖I顯示了電極(第一或第二電極)的實施方案的橫截面示意圖。在這個實例中，電極11為呈矩形狀的薄片，但是也可以是例如圓形、多角形或六邊形的其他形狀。在電極中設置有通孔12，該通孔可以為矩形也可以是其他形狀，例如其可能是圓形。當電極11工作時，水可以從外邊緣沿著電極向通孔流動，如在圖I中由虛箭頭13所示。典型地，電極11的外部尺寸大約是16x 16cm,而通孔12的尺寸大約是3x 3cm。矩形或六邊形電極的優點是生產這些電極時對於材料的高效利用。而中間具有圓形孔的圓形電極的優點是對於所有流動方向在外邊緣與內邊緣之間的距離(即水沿著電極流動的距離)恆定。圖2顯示了電極的疊層。第一電極21和第二電極22分別包括在圖3中由34表示的集流體和在圖3中由35表示的離子儲存材料。集流體連接到在兩個鄰近電極之間提供電勢差的功率控制器PC。離子儲存材料可以儲存從水中去除的離子。離子儲存材料可以是所謂的大於500m2/gr的高表面積材料，或優選大於1000m2/gr，或甚至更優選大於2000m2/gr。該材料在電極與水接觸的兩側上都可以包含活性碳、碳氣凝膠、石墨、碳納米纖維和/或碳納米管。圖3顯示了用於本發明的去除離子的裝置的示意圖。該裝置具有外殼31，並且具有進水口 32和出水口 33。在去除水中離子的過程中，水將從進水口 31通過流過式電容器(FTC)流到出水口 33，該流過式電容器包括一對第一電極21和鄰近的第二電極22。水流由虛線箭頭表示。在兩個鄰近的電極之間可以設置間隔區36。間隔區36可以具有如在圖I中描述的形狀。間隔區的主要功能是分隔第一電極和第二電極，例如通過保持兩個電極之間恆定的或固定的距離。通過由功率控制器PC在第一和第二電極之間提供電勢差，例如施加正電壓到相對第二電極22的第一電極(陽極)21上，第二電極為陰極，流過間隔區36的水中的陰離子被吸附到第一電極21，而陽離子被吸附到第二電極22。通過這種方法流過間隔區36的離子(陰離子和陽離子)將從水中去除。為了提高該裝置去除離子的效率，電極可以設置有電荷屏障，例如離子交換膜或離子選擇膜。例如，設置在陰極上的薄膜可以是可滲透陽離子的並且基本上只允許陽離子的傳輸而基本上屏蔽陰離子的傳輸，設置在陽極上的薄膜可以是可滲透陰離子的並且基本上屏蔽陽離子的傳輸。在陽極和陰極之間的電勢差相當低，例如低於2伏特，優選低於I. 7伏特甚至更優選低於I. 4伏特。功率控制器用來控制來自電源的電壓和電流變換以滿足第一和第二電極所需的電壓差。該裝置的效率基礎是離子通量，因此離子通量可以定義為從水中去除離子的數量，例如每單位時間每投影電極面積(liter/m2projectedelectrode area/min)從間隔區中到其中一個電極的水中去除離子的數量。圖4顯示了去除離子的裝置中兩個鄰近的電極。虛線41表示在兩個電極之間流動的水中的離子濃度。如圖4中所示，靠近電極表面的離子濃度低於其在中間的離子濃度。例如，在區域42中的水中離子濃度可以低於在區域43中的離子濃度。雖然在圖4中只顯示出兩個區域，但是應當了解離子濃度可以逐漸降低或者甚至與其中一個電極的距離為線性關係，因此可任意選擇區域。在使用離子交換膜或離子選擇膜的情況下，該薄膜放置在電極和間隔區之間，那麼類似的情況可以發生，從而在區域42中的水中離子濃度可以低於在區域43中的離子濃度。靠近電極(或薄膜)的低離子濃度可以造成到電極的低離子通量(或通過薄膜到電極)。通過增加靠近電極(或薄膜)的離子濃度，離子通量可以增加，因此提高了去除離子的效率。靠近電極的離子濃度可以例如通過混合水、通過在垂直於電極的方向中水的移動或通過提高離子在水中的移動性而增加。根據一個實施方案，離子通量優化設備包括混合設備。混合設備可以是具有特殊結構的間隔區，其造成了水的混合併且甚至可以在水中造成湍流。間隔區可以具有盤旋或螺旋結構。螺旋間隔區可以通過使液體沿間隔區旋動而影響水流，產生的效果可以是水的更快的局部速度，或者可以使得具有更高離子濃度且遠離電極(或薄膜)的水被帶到更靠近電極(或薄膜)的位置，這可以增加向著電極的離子通量。與非螺旋間隔區相比，螺旋間隔區可以將離子通量提高到兩倍。另外，螺旋間隔區可以在水流為平穩層流的位置增強水的混合。螺旋間隔區也可以提升流動通道中的湍流，其可以進一步改善水的混合。根據另一個實施方案，混合設備造成水中的非穩定流。在非穩定流中，流的形態(flow profile)不是恆定的,也就是說其隨時間變化。例如流速在特定點可以隨時間和/或方向改變。離子通量優化設備也可以包括在間隔區的水中製造湍流的湍流製造器或具有泵的再循環通路，以及儲存設備。在儲存設備中，來自FTC且具有低離子濃度的水可以與在儲存設置中且具有高離子濃度的水進行混合。儲存的水可以用於其他目的，例如遊泳池或用於灌溉。根據一個實施方案，離子通量優化設備包括間隔區，該間隔區是離子導電的或包含離子導電材料。離子導電間隔區可以改善向著其中一個電極的離子移動性。離子導電間隔區可以包括薄膜(例如陰離子交換膜、陽離子交換膜、鑲嵌膜(用於混合電荷)和雙極膜)或離子交換樹脂(例如陰離子交換樹脂、陽離子交換樹脂和混合離子交換樹脂)。離子導電間隔區成為如離子的帶電物的通道並且可以提高離子向其中一個電極的移動性。圖5a顯示了第一和第二電極的橫截面示意圖，水在兩個電極之間流動。在圖5中示意性地顯示了如電極21和22的元件的尺寸和相互距離。通過間隔區的水流可以近似為層流，例如在沒有混合水或沒有水沿垂直於電極的方向分量流動的情況下，水在近似恆定的層中(平行於電極)流動。在區域61中顯示了平行於電極的層流的流速，其中直箭頭的長度表示流速更長的箭頭表示更高的速度。根據實施方案，離子優化設備可以包括用於調節相對於水的第二部分而言的水的第一部分流速的速度調節器64，在工作中，也就是在從水中去除離子的過程中，所述第一部分的水中的離子濃度高於所述第二部分水中的離子濃度。在水中離子濃度相同的情況下，如果水的某一部分經歷電勢差的時間長於(也就是流速較低)水的另一部分，那麼從這部分水中去除離子的數量將高於經歷電勢差的時間較短的水的另一部分。 速度調節器64可以放置在間隔區中、沿著間隔區放置、或放置在間隔區外部或也可以被包含在間隔區中。在沒有速度調節器64時，流動通道中的水流具有在流動通道中間為最大流速而在電極兩個表面為零流速的類似拋物線(「Poisseuille」)曲線(profile)的流速分布。速度調節器64被構造成如此改變水的速度，即相對於更靠近其中一個電極(例如在區域62中)流動的部分水，遠離其中一個電極(例如在區域63中)流動的那部分水流動的更慢。區域65顯示了可能對水的流速產生的影響，其中直箭頭的長度表示絕對流速更長的箭頭表示更高的速度，而箭頭的方向表示流動的方向。在圖5中顯示了一種情況，其中速度調節器64較多減小水速使得流動通道中間的水流速度變得比更靠近電極的速度更低。然而，在另一個實施方案中，速度調節器64可以實現在中間流速的降低程度更小，而水流速度從中間至靠近電極的位置將逐漸減小。在另一個實施方案中，速度調節器可以使得在間隔區內部的速度更加一致，從而流速將基本上與電極的距離無關。速度調節器64可以包括多孔材料，其中速度調節器中間的流動阻力大於在邊緣處的流動阻力，使得與經過速度調節器64的邊緣(例如在區域62中)的水相比，經過速度調節器64中間(例如區域63)的水速被減小。這個速度調節器的流動阻力可以從靠近其中一個電極的邊緣位置向速度調節器的中間即間隔區的中央軸線連續地增加。例如，速度調節器64的多孔結構可以在靠近電極的位置(例如區域62)從大於70%的值(優選大於80%,並且最優選大於90%)，向著速度調節器的中間(例如區域63)改變至小於70%的值(更優選小於60%，並且最優選小於50%)。多孔結構可以空隙的量佔總量的百分比來測量。根據本發明實施方案的去除離子的裝置中使用的速度調節器64可以包括在電極之間具有多層的間隔區，並且靠近電極的層可以具有低流動阻力而遠離電極的層具有相對更高的流動阻力。低流動阻力可以使得靠近電極的水速更高，而更高的流動阻力可以使得遠離電極的水速更低。在沒有速度調節器64時，因為這些離子將必須遷移更長的距離，所以從間隔區或流動通道中間的水中去除的離子將更少，然而離子在間隔區或流動通道的中間的滯留時間短於在更靠近電極位置的滯留時間。由於遠離電極的水比更靠近電極的水更不容易消除離子，因此遠離電極的水具有更低的速度是有利的，使得水在電極之間停留更久從而導致電極有更多的時間來吸附離子。由於靠近電極以及離子的遷移距離更短，所以靠近電極的水可以相對快速地消除離子，因此靠近電極的水在電極之間停留的時間可以相對較短。間隔區中的層可以具有在第一方向中具有低流動阻力而在第二方向中具有更高流動阻力的多孔材料。這可以通過在間隔區中基本上平行於第一方向和/或垂直於第二方向的取向纖維來實現。間隔區中靠近電極的層可以取向為基本上等於水流方向的第一方向。因此水可以遇到靠近電極的低流動阻力，因此水速可以相對較高。間隔區中遠離電極的層取向為基本上等於水流方向的第二方向，使得遠離電極的水遇到較高阻力，其導致水速較低。具有速度調節器的間隔區的厚度可以為20-300微米，優選40-200微米，更優選60-150微米以及最優選70-120微米。速度調節器的另一個實例包括封閉間隔區的材料，但是其在間隔區的縱向方向中具有一些小通道，通過這些小通道水可以從一側流到另一側。在接近邊緣的區域中的通道總橫截面可以大於速度調節器64的中間區域的通道總橫截面。圖5b為根據本發明實施方案的去除離子的裝置中使用的速度調節器64的實例。速度調節器64具有在間隔區64中構造小通道67、68的通道壁66。通道壁66可以滲透流 過水和/或離子，但是其給水流製造了阻力。如圖所示通道壁平行於電極，但是它們也可以更隨機地取向。間隔區中間的小通道68製造了更高的流動阻力，那麼越靠近電極的小通道67越大。從而在流動方向69上水的流速被調節使得間隔區中間的流速低於更靠近電極21,22的流速。小通道的流動阻力可以從接近邊緣處(接近其中一個電極21、22)的較大的小通道67向中間處(也就是向間隔區中間的小通道68)連續不斷地增加。遠離電極的水可以得到更低的速度使得其在電極之間停留更長時間，並且電極21、22具有更多的時間來吸附離子。由於鄰近電極，靠近電極的水可以相對快速地消除離子，這些水在電極之間停留的時間相對較短。由於遠離電極處的較高流動阻力，遠離電極的水也可以向著電極移動使得離子更容易吸附到電極。圖5c顯不了垂直於流動方向69的圖5b所不的速度調節器64的橫截面。圖5c顯示了小通道所具有的總橫截面，其在靠近流動通道的中間68的位置減小而在更靠近電極21、22的位置67增加。速度調節器的另一個實例可以是如圖6中所示的可變換間隔區(shiftedspacer).該間隔區可以包括網格結構71。該網格結構將影響流過間隔區的水速，也可以造成水的混合或造成水在垂直於電極方向上移動。通過變換或旋轉網格相對於電極的取向，可以進一步優化這些效果。圖6顯示了做了變換的網格結構72。取向的變換或旋轉可以是大約45度，即間隔區的紋理(threads)相對於其中一個電極的側面成約45度角，從圖6中可知。或者換句話說，間隔區的紋理平行於電極的對角線。注意到間隔區的尺寸與圖I中所示的電極的尺寸大概相同或略大，例如17x17cm。圖7顯示了離子通量優化設備的另一個實施方案，其包括電流測量設備A和水流控制器FC。電流測量設備A測量流到第一電極21或第二電極22的電流。離子通量是電流的函數，因此電流可以用於離子通量的測量。電流測量設備A提供電流信號給水流控制器FC，其可以根據所測量的電流來調節水流。水流控制器FC可以被設置以調節水的流速，例如通過控制信號來控制泵P。在這種方法中，離子通量可以通過水流控制器來控制。通過提高流速，到電極(或到離子交換膜或離子選擇膜)附近(如圖4中的區域42)的離子濃度增加，離子通量就可以增加。但是，在流速較高時，進一步提高流速可能不會增加離子通量。當每周期從水中去除離子的百分比相對較低時，可以獲得到電極(或薄膜)的最佳離子通量，該百分比例如低於80%，優選低於60%，更優選低於40%，或甚至更優選低於20%。在一個周期中水在兩個FTC電極之間流過一次。
在例如流速高於I升/平方米投影電極面積/分鐘，或高於2升/平方米投影電極面積/分鐘，或甚至高於3升/平方米投影電極面積/分鐘，直到甚至高於4升/平方米投影電極面積/分鐘時，可以得到高離子通量。雖然增加流速可以使得每周期從水中去除離子的離子數量或百分比更低，但是定義為每單位時間每投影電極面積的離子通量可以增加，因為每單位時間的周期數量也可以隨更高流速而增加。根據本發明的設備的實施方案中，離子通量優化設備可以包括消除離子速率測量設備以測量每周期消除離子的速率(也就是從水中去除離子的百分比)。消除離子速率測量設備可以包括兩個離子濃度測量設備，一個在水流入兩個電極之間以前測量水的離子濃度，一個在水流入兩個電極之間以後測量水的離子濃度。消除離子速率測量設備可以只包括這兩個離子濃度測量設備中的一個，以及如上所述的電流測量設備。消除離子速率測量設備可以根據離子濃度的一個測量值和流到其中一個電極的電流的測量值來計算消除離子速率。消除離子速率測量設備可以給出顯示測量或計算的消除離子速率的消除離子速率信號。離子通量優化設備可以進一步包括水流控制器以根據消除離子速率信號來控制水流。通過這種方法，有可能(自動地)通過調節流速以保持每周期特定的消除離子速率，例如每周期消除離子速率低於20%，從而每周期水中只有20%的離子被去除。可替代地，也有可能增加每周期去除離子的百分比，例如從第一周期中的20%到第二周期中的40%到第三周期中的60%以及到第四周期中的80%，並且在第五周期中幾乎有效地完成去除。使用上述設備以從水中去除鹽，離子通量可以高於O. 5克鹽每平方米投影電極面積每分鐘，優選高於I克鹽每平方米投影電極面積每分鐘，更優選高於I. 5克鹽每平方米投影電極面積每分鐘，甚至更優選高於2克鹽每平方米投影電極面積每分鐘。增加流速可以使得流態(flow regime)從層流改變至非穩定流或瑞流。在層流流態中壓降顯示了與流速的線性關係。但是，在非穩定流或湍流的流態中，在間隔區或流動通道上的壓降不再與流速成線性，但是其隨著流動而增加得更快。這需要更大的泵送能量。為了防止流動從層流變為(半)湍流，應該限制壓降，例如在0-20巴每平方米投影電極面積的範圍中，或更優選在15-18巴每平方米投影電極面積的範圍中，並且甚至更優地在2-10巴每平方米投影電極面積的範圍中，也可以將壓降限制為O. 1-20巴，優選1-15巴每平方米投影電極面積。圖8a表示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子裝置的橫截面，其包括第一和第二電極21、22以及在第一和第二電極21、22之間的間隔區。該間隔區可以具有螺旋結構81。具有螺旋結構81的間隔區的厚度可以為20-300微米，優選40-200微米，更優選60-150微米以及最優選70-120微米。螺旋結構81可以通過使液體在方向85中沿螺旋結構旋動而影響主水流83，其效果可以是水更快的局部速度，或者可以使得具有更高離子濃度的遠離電極(或薄膜)的水可以被帶至更靠近電極(或薄膜)的位置，這可以增加向著電極的離子通量。間隔區中的螺旋結構與沒有螺旋結構的間隔區相比可以將離子通量提高到兩倍。另外，螺旋結構可以對於平緩層流增強水的混合。螺旋結構也可以提升流動通道中的湍流，其可以進一步提高水的混合。電極可以具有平展的表面，並且多個螺旋結構可以夾在第一電極的平展表面和第二電極的平展表面之間。間隔區的一個功能是保持兩個電極的表面基本上恆定的例如在O. 02至O. 5mm之間的距離上。後者是重要的，因為如果電極之間的距離是不規律的，那麼可以影響朝向電極的離子通量，這時該電極在間隔區較厚的位置具有較低通量。螺旋結構81沿著螺旋結構的長度具有7個旋動。7個旋動保證了水流過每個電極至少7次。具有螺旋結構的間隔區的多孔結構可以大於50%，優選大於60%，更優選大於70%，並且最優選大於90%。圖Sb表示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子裝置的橫截面，其包括第一和第二電極21、22以及在第一和第二電極21、22之間的間隔區。間隔區具有螺旋結構81，該螺旋結構具有較緩的旋動(lesssteep torsion),—共只有半個旋動。這種情況的優點是其流動阻力更低，而水仍將沿電極旋轉。在低流動阻力和充分接觸電極之間的最佳選擇可以是旋動的數量在O. 5和7之間，優選在I和5之間，以及最優選在2和4次旋動之間。 圖Sc顯示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子的裝置的橫截面。圖Sc給出一個去除了其中一個電極的間隔區的俯視圖，可以看到電極22的平展表面上的多個相鄰的螺旋結構81。螺旋結構具有四個半旋動並且兩個鄰近螺旋結構81的旋動是相反的。螺旋結構81使得水到了圍繞水的主流動方向83的旋動85，由於兩個鄰近的螺旋結構81具有相反的旋動，因此在螺旋結構81之間的水在垂直於主水流方向83的相同方向中移動。這可以提高水在螺旋結構81之間的位置89朝向電極的流動。由於兩個鄰近的螺旋結構的合作，所增加的流動阻力可以相對較低。兩個鄰近的螺旋結構81的旋動方向也可以相同，其造成了在螺旋結構之間的湍流並且增強了混合。圖8c中的螺旋結構在其中心具有支架87，這使得水離開螺旋結構的中心，流向消除水中離子的電極。上述去除離子的裝置的任意實施方案可以用於從遊泳池中的水、從存放槽中的水中或從植物工廠的水中或從地下水中去除離子。圖9a表示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子裝置的橫截面，其包括第一和第二電極21、22以及在第一和第二電極21、22之間的間隔區。間隔區可以具有如支撐91的結構以保持電極在固定的距離上。具有支撐結構的間隔區的厚度可以為20-300微米，優選40-200微米，更優選60-150微米以及最優選70-120微米。支撐結構91可以在網結構或框架結構93中產生以形成可以形成間隔區的層。間隔區是電絕緣的，但同時其打開足夠久讓水和離子通過。術語支撐被解釋為結構元件，其將第一和第二電極保持在一定距離上。網93保持支撐91相對於間隔區的主方向的垂直。網框架使在電極21、22之間的流動通道中間具有更高的流動阻力，從而使得在流動通道中的水移動以更靠近第一或第二電極，並導致增加在水中消除離子。網框架和支撐可以使得流動通道中的水更好的混合，以提高朝向電極的離子通量。具有支撐和網的間隔區的優點是其創造了十分開放的間隔區，特別是在具有低流動阻力的流動方向中，其可以使通道中的壓降更低，或者增加在流動通道中的流動，並且其也可以使間隔區的故障風險降低。具有支撐結構的間隔區的多孔結構可以大於50%，優選大於60%，更優選大於70%,以及最優選大於90%。電極可以具有平展的表面，並且由網支承多個支撐可以夾在第一電極的平展表面和第二電極的平展表面之間。間隔區的其中一個功能是保持兩個電極的表面在基本上恆定或固定的距離上，例如在O. 02至O. 5mm之間。後者是重要的，因為如果在電極之間的距離是不規律的，那麼可以影響朝向電極的離子通量。圖9b給出了具有去除其中一個電極的部分間隔區的俯視圖，使得可以看到被支撐在網93中的電極22的平展表面頂端上的多個鄰近的支撐91。網 93在電極的整個表面上提供支持使得其保持支撐91垂直於電極表面以及支撐相互之間的固定距離。圖9c顯示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子的裝置的橫截面。在這個實施方案中的支撐95可以具有球面形、橢圓形或蛋形，使得支撐結構可以具有更厚的中間部分以此在流動通道中間提供更高的流動阻力，以便使得水在電極21、22之間的流動通道的中間部分中沿電極的方向流動。同時流動通道中間的水相比於更靠近第一和/或第二電極流動的水，其流速降低。支撐也可以具有中間比邊緣更厚的錐形或菱形結構。間隔區具有網97以保持支撐95在其位置中。圖9c的網可以被構造為與圖9b中的網相似。圖9d顯示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子的裝置的橫截面。這個實施方案與圖9c的實施方案相同，除了其不包括網。支撐97可以為球面形、橢圓形、錐形、菱形或球形以此為遠離電極21、22的位置提供更高的流動阻力，因此相比於間隔區的邊緣增加了水在通道中間的滯留時間。支撐97可以附到電極使得電極通過例如膠水或特定塗層保持支撐垂直於電極表面。支撐也可以通過用如3D印表機在第一電極上印刷支撐而產生，接著將第二電極設置在已經被印刷的電極的上面。支撐也可以印刷在例如離子交換膜的附加層的上面，其可以作為分隔層或作為塗層或層板(laminate)放置在電極的上面。圖9e顯示了根據本發明的另一個實施方案的去除離子的裝置的橫截面。這個實施方案與圖9a和9b的實施方案相同，除了其不包括網。支撐99可以連接到電極使得電極保持支撐垂直於電極。支撐可以通過如用3D印表機在電極上印刷支撐而產生。無網支撐的優點是創造了十分開放的間隔區，其中流動阻力被降低，而故障的風險也被降低。另外，本描述也解釋了通過提供包含如下步驟的方法如何能夠去除離子a)在外殼內部設置第一和第二電極；b)在第一和第二電極之間提供電勢差；c)允許水從外殼中的進水口流入第一和第二電極之間，並流到外殼中的出水口 ；以及d)優化水到第一和第二電極其中之一的離子通量。下面描述從水中去除離子的裝置，該裝置可以具有外殼，該裝置包括用於讓水進入外殼的入水口 ；用於讓水流出外殼的出水口 ；連接到用於在第一和第二電極之間提供電勢差的功率控制器的第一和第二電極；該裝置可以具有用於優化流入第一和第二電極之間的水到第一和第二電極的其中之一的離子通量的離子通量優化設備。離子通量優化設備可以包括被構造和設置以混合水的混合設備，或者用於在水中製造非穩定流的非穩定流製造器，或者用於在水中製造湍流的湍流製造器，或者在第一和第二電極之間並允許水流入第一和第二電極之間的間隔區，該間隔區可以具有用於改變水的流態的螺旋結構。混合設備可以包括被構造和設置以將在第一和第二電極之間流動的水再循環的再循環通路，該再循環通路可以優選地包括泵和儲存設備。離子通量優化設備可以包括在第一和第二電極之間並允許水流入第一和第二電極之間的間隔區；並且該間隔區可以包括離子導電材料以增強向著第一和第二電極其中之一的離子的移動性。離子通量優化設備可以包括在第一和第二電極之間並允許水流入第一和第二電極之間的間隔區，該第一和第二電極以及間隔區可以具有基本上為矩形的薄片狀，其中可以設置通孔；並且該間隔區可以包括網格結構，網格結構的取向相對於第一和第二電極的直邊可以有至少30度的旋轉，或優選在30-50度的範圍中，或更優選大概45度。離子通量優化設備可以包括被構造和設置以相對於水的第二部分調節水的第一部分的流速的速度調節器，其在運行中，也就是當從水中去除離子時，在所述第一部分中離子濃度高於在所述第二部分中的離子濃度。離子通量優化設備可以包括被設置和構造以測量在第一和第二電極之間的電流並且發送表示所述電流的電流信號的電流測量設備；以及被設置和構造以接收所述電流信號並且調節與所述電流信號相對應的在第一和第二電極之間流動的水的流速的水流控制器。離子通量優化設備可以包括被設置和構造以測量在第一和第二電極之間的水的每周期消除離子速率並且發送表示所述消除離子速率的消除離子速率信號的消除離子速率測量設備；以及被設置和構造以接收所述消除離子速率信號並且調節與所述消除離子速率信號相對應的在第一和第二電極21、22之間流動的水的速率的水流控制器FC。水流控制器可以被設置和構造以維持消除離子速率每周期去除離子的比例低於60%，優選低於40%或甚至更優選低於20%。可替代地，可以增加每周·期去除離子的百分比，例如從第一周期中的20%到第二周期中的40%到第三周期中的60%以及到第四周期中的80%，並且在第五周期中幾乎有效地完成去除。水流控制器可以被設置和構造以維持流速高於2升/平方米投影電極面積/分鐘，優選高於3升/平方米投影電極面積/分鐘，或甚至更優選高於4升/平方米投影電極面積/分鐘。水流控制器FC可以被構造和設置以發送控制信號到泵P，該泵P被構造和設置以接收所述控制信號並且抽吸在第一和第二電極21、22之間具有與所述控制信號相對應的流速的水。實施方案也可以設置在下面編號的條款中I、從水中去除離子的裝置，所述具有外殼31的裝置包括用於讓水進入外殼31的進水口 32 ；用於讓水流出外殼31的出水口 33 ；連接到用於在第一和第二電極21、22之間提供電勢差的功率控制器PC的第一和第二電極21、22 ；其中所述裝置包括被構造和設置以相對於在第一和第二電極之間流動的水的第二部分，調節在第一和第二電極之間流動的水的第一部分的流速的速度調節器64。2、根據條款I所述的裝置，其中速度調節器64被構造和設置以相對於水的第二部分的流速，調節水的第一部分的流速，並使之減小。3、根據條款I或2所述的裝置，其中水的第一部分比水的第二部分在更遠離第一或第二電極的位置上流動。4、根據條款I到3任一項所述的裝置，其中水的第一部分在速度調節器64的中間63流過。5、根據條款I到4任一項所述的裝置，其中水的第二部分在速度調節器64的邊緣62流過。6、根據條款I到5任一項所述的裝置，其中水的第二部分在更靠近速度調節器64中的其中一個電極62的位置上流動。7、根據條款I到6任一項所述的裝置，其中速度調節器64包括具有流動阻力的材料，所述速度調節器64可以被調節並以此調節水的流速。8、根據條款I到7任一項所述的裝置，其中速度調節器64包括多孔材料，其中速度調節器中間63的流動阻力大於更靠近邊緣的流動阻力，使得相比於流過速度調節器64邊緣的水，流過所述速度調節器64中間的水速被降低。9、根據條款I到8任一項所述的裝置，其中速度調節器64包括多孔材料，從而多孔結構從速度調節器64的中間到電極21、22的其中之一而增大。
10、根據條款7、8或9所述的裝置，其中速度調節器64的流動阻力從靠近其中一個電極的位置向速度調節器64的中間連續地增加。11、根據條款1-10任一項所述的裝置，其中速度調節器64沿著間隔區設置，或設置在間隔區的外部，或被包含在間隔區中。12、根據條款1-11任一項所述的裝置，其中速度調節器64包括具有網格結構的間隔區，該網格結構相對於電極可轉換和/或可旋轉以調節流經間隔區的水速。13、根據條款1-12任一項所述的裝置，其中速度調節器64包括在電極之間具有多層的間隔區，並且靠近電極的層具有低流動阻力，而遠離電極的層具有相對較高的流動阻力。14、根據條款13所述的裝置，其中具有多孔材料的層在第一方向中具有低流動阻力，而在第二方向中具有較高的流動阻力，從而靠近電極的層被取向為基本上等於水流方向的第一方向。15、根據條款14所述的裝置，其中遠離電極的層被取向為基本上等於水流方向的
第二方向。16、根據條款I所述的裝置，其中速度調節器包括具有小通道的材料，並且在更靠近電極的區域中通道的橫截面可以大於在速度調節器64中間的通道的橫截面。17、根據條款16所述的裝置，其中速度調節器包括封閉間隔區的材料，但是該材料在間隔區的縱向方向中具有一些小通道，通過這些通道水可以從一側流到另一側，並且在接近邊緣區域中的通道的總橫截面可以大於在速度調節器64中間區域的通道的總橫截面。18、去除離子的方法，所述方法包括在外殼31中設置第一和第二電極21、22 ；在第一和第二電極21、22之間提供電勢差；允許水從外殼31中的進水口 32流入第一和第二電極21、22之間，並且流到外殼31中的出水口 33 ;以及相對於水的第二部分調節水的第一部分的流速。19、根據條款18所述的方法，其中水的第一部分的流速慢於水的第二部分的流速，並且水的第一部分流動在比水的第二部分更遠離電極的位置。20、從水中去除離子的裝置，所述具有外殼31的裝置包括用於讓水進入外殼31的進水口 32 ；用於讓水流出外殼31的出水口 33 ;
連接到用於在第一和第二電極21、22之間提供電勢差的功率控制器PC的第一和第二電極21、22 ；其中所述裝置包括在第一和第二電極21、22之間並允許水在第一和第二電極21、22之間流動的間隔區，所述間隔區包括螺旋結構。21、根據條款20所述的裝置，其中第一和第二電極都具有基本上平展的表面，所述平展表面設置在相互基本恆定的距離上。22、根據條款21所述的裝置，其中螺旋結構夾在第一和第二電極的平展表面之間。23、根據條款20-22任一項所述的裝置，其中螺旋結構使水沿著螺旋結構而旋動。24、根據條款20-23任一項所述的裝置，其中螺旋結構使得遠離電極的水流到更 靠近電極的位置。25、根據條款20-24任一項所述的裝置，其中螺旋結構在第一和第二電極之間製造了瑞流以改善水的混合。26、根據條款20-25中一項所述的裝置，其中間隔區包括多個螺旋結構。27、根據條款20-26任一項所述的裝置，其中間隔區包括多個螺旋結構並且鄰近的螺旋結構的旋轉方向是相反的。28、根據條款20-27任一項所述的裝置，其中流經間隔區的水具有基本上平行於電極的主方向，並且螺旋結構被取向為基本上平行於主方向。29、根據條款28所述的裝置，其中螺旋結構使水在垂直於主方向的方向中旋轉。30、根據條款29所述的裝置，其中兩個鄰近的螺旋結構以相反方向旋轉水流。31、根據條款29所述的裝置，其中兩個鄰近的螺旋結構以相同方向旋轉水流。32、根據條款20-31任一項所述的裝置，其中螺旋結構包括在螺旋結構中間的支架。33、去除離子的方法，所述方法包括在外殼31中設置第一和第二電極21、22 ；在第一和第二電極21、22之間提供電勢差；允許水從外殼中的進水口 32流入第一和第二電極21、22之間，並且流到外殼31中的出水口 33 ;以及使水沿圍繞基本上平行於電極的主軸的旋轉方向旋轉；以及提高從水到第一和第二電極21、22其中之一的離子通量。34、從水中去除離子的裝置，所述具有外殼31的裝置包括用於讓水進去外殼31的進水口 32 ；用於讓水流出外殼31的出水口 33 ;連接到用於在第一和第二電極21、22之間提供電勢差的功率控制器PC的第一和第二電極21、22 ；其中所述裝置包括在第一和第二電極21、22之間並允許水在第一和第二電極21、22之間流動的間隔區，所述間隔區包括支撐結構。35、根據條款34所述的裝置，其中第一和第二電極都具有基本上平展的表面，並且支撐結構設置在電極之間以保持電極基本相互恆定的距離。
36、根據條款35所述的裝置，其中支撐結構夾在第一和第二電極或提供給第一或第二電極的薄膜的平展表面中。37、根據條款34-36任一項所述的裝置，其中支撐結構以物理或化學方式連接到電極或提供給第一或第二電極的薄膜的表面上。38、根據條款34-36任一項所述的裝置，其中支撐結構垂直於流動方向放置在電極之間。39、根據條款34-38任一項所述的裝置，其中間隔區包括網框架以保持支撐結構相互間的固定距離。40、根據條款39所述的裝置，其中網框架被構造和設置以保持支撐結構的縱軸相對於在第一和第二電極之間流動的水的流動方向而垂直。
41、根據條款34-40任一項所述的裝置，其中支撐結構的中間部分連接到網框架。42、根據條款39-41任一項所述的裝置，其中網框架和/或支撐結構創造了垂直於在第一和第二電極之間流動的水的流動方向的水的移動。43、根據前述任一項所述的裝置，其中支撐結構具有較厚的中間部分以便在第一和第二電極之間的流動通道的中間提供被增加的流動阻力。44、根據條款34-43任一項所述的裝置，其中支撐結構的厚度從支撐結構的中間向支撐結構的邊緣減少。45、根據條款34-44任一項所述的裝置，其中支撐結構是球面形、橢圓形、菱形、蛋形或球形。46、根據條款39-45任一項所述的裝置，其中網框架設置在第一和第二電極之間的流動通道中的中間。47、根據條款34-46任一項所述的裝置，其中支撐結構由在第一和第二電極之間的流動通道的全部寬度上延伸的一整片(one piece)構成。49、製造從水中去除離子的裝置的方法，所述方法包括設置第一電極21;為第一電極設置包括支撐結構的間隔區；以及為第二電極22設置間隔區。50、根據條款49所述的方法，其中所述方法包括在為第一電極設置間隔區之前為
第一電極設置薄膜。51、根據條款49或50所述的方法，其中設置的間隔區包括連接支撐結構到第一電極或薄膜。應當了解，公開的實施方案僅僅是本發明的示例性實施方案，其能以各種方式實現。因此，在此公開的特定結構和應用細節不能解釋為限制性的，而是僅作為權利要求的基礎以及作為教導本領域技術人員在任意適合的具體結構中以各種方式使用本發明。另外，本文所使用的術語和詞組並非旨在限制，而是為了提供對本發明的可理解的描述。此處所使用的術語「一」(a)或「一」(an)被定義為一或多於一。在此所使用的「另一」被定義為至少二或更多。此處所使用的術語包含(including)和/或具有(having)被定義為包括(comprising)(也就是不排除其他元件或步驟)。在權利要求中的任意參考符合不應被理解為限制本發明或權利要求的範圍。記載在相互不同從屬權利要求中的特定測量值 的純粹事實並不表示這些測量值的不能進行有利的組合使用。本發明的範圍只通過權利要求被限制。
權利要求
1.從水中去除離子的裝置，所述裝置具有外殼(31)，所述裝置包括 用於讓水進入所述外殼(31)的進水口( 32 ); 用於讓水流出所述外殼(31)的出水口(33)； 第一和第二電極(21、22)，其連接到用於在所述第一和所述第二電極(21、22)之間提供電勢差的功率控制器(PC); 其中所述裝置還包括速度調節器(64)，其被構造和設置為相對於在所述第一和第二電極之間流動的水的第二部分，調節在所述第一和第二電極之間流動的水的第一部分的流速。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中所述速度調節器(64)被構造和設置為相對於水的第二部分的流速，調節水的第一部分的流速，並使之減小。
3.根據權利要求I或2所述的裝置，其中水的所述第一部分流動在比水的所述第二部分更遠離所述第一電極或所述第二電極的位置。
4.根據權利要求I到3任一項所述的裝置，其中水的所述第一部分在所述速度調節器(64)的中間(63)流過。
5.根據權利要求I到4任一項所述的裝置，其中水的所述第二部分在所述速度調節器(64)的邊緣(62)流過。
6.根據權利要求I到5任一項所述的裝置，其中所述速度調節器(64)中水的所述第二部分在更靠近其中一個電極的位置(62)上流動。
7.根據權利要求I到6任一項所述的裝置，其中所述速度調節器(64)包括具有流動阻力的材料，所述流動阻力可被調節並以此調節水的流動速度。
8.根據權利要求1-7任一項所述的裝置，其中所述速度調節器(64)包括多孔材料，其中在所述速度調節器的所述中間(63)的流動阻力大於更靠近邊緣的流動阻力，使得與流經所述速度調節器(64)的所述邊緣的水相比，流經所述速度調節器(64)的所述中間的水速被減小。
9.根據權利要求1-8任一項所述的裝置，其中所述速度調節器(64)包括多孔材料，而多孔結構從所述速度調節器(64)的所述中間到其中一個所述電極(21、22)增大。
10.根據權利要求7、8或9所述的裝置，其中所述速度調節器(64)的所述流動阻力從靠近其中一個電極的位置向所述速度調節器(64)的所述中間連續地增加。
11.根據權利要求1-10任一項所述的裝置，其中所述速度調節器(64)沿著所述間隔區設置，或設置在所述間隔區外部，或包含在所述間隔區中。
12.根據權利要求1-11任一項所述的裝置，其中所述速度調節器(64)包括具有網格結構的間隔區，所述網格結構相對於所述電極可轉換和/或可旋轉以調節流經所述間隔區的水的所述速度。
13.根據權利要求1-12任一項所述的裝置，其中所述速度調節器(64)包括在所述電極之間具有多層的間隔區，靠近所述電極的所述層具有低流動阻力，而遠離所述電極的所述層具有相對較高的流動阻力。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述層具有多孔材料，所述多孔材料在第一方向上具有低流動阻力而在第二方向上具有更高的流動阻力，而靠近所述電極的所述層取向為基本上等於水流方向的所述第一方向。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中遠離所述電極的所述層取向為基本上等於水流方向的所述第二方向。
16.根據權利要求I所述的裝置，其中所述速度調節器包括具有小通道的材料，並且更靠近所述電極的區域中的所述通道的橫截面可以大於所述速度調節器(64)的所述中間的所述通道的橫截面。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中所述速度調節器包括封閉所述間隔區的材料，但是所述材料在所述間隔區的縱向方向中具有一些小通道，通過所述小通道水可以從一側流到另一側，並且靠近所述邊緣的所述區域中的所述通道的總橫截面可以大於所述速度調節器(64)的所述中間區域的所述通道的總橫截面。
18.去除離子的方法，所述方法包括 在外殼(31)中設置第一和第二電極(21、22)； 在所述第一和所述第二電極(21、22)之間提供電勢差； 允許水從所述外殼中的進水口(32)流入所述第一和所述第二電極(21、22)之間，並流到所述外殼(31)中的出水口(33);以及， 相對於水的第二部分調節水的第一部分的流速。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中水的所述第一部分的所述流速低於水的所述第二部分的所述流速，並且水的所述第一部分流動在比水的所述第二部分更遠離所述電極的位置上。
全文摘要
一種從水中去除離子的裝置和方法。所述裝置具有外殼並且包括用於讓水進入外殼的進水口、用於讓水流出外殼的出水口、連接到用於在第一和第二電極之間產生電勢差的電源的第一和第二電極以及在第一和第二電極之間並允許水流入第一和第二電極之間的間隔區。所述裝置具有被構造和設置為相對於在第一和第二電極之間流動的水的第二部分，調節在第一和第二電極之間流動的水的第一部分的流速的速度調節器(64)。
文檔編號C02F1/469GK102906028SQ201180024162
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月17日 優先權日2010年5月17日
發明者H·R·賴因霍特, A·范德瓦爾, P·E·德盧戈萊茨基 申請人:沃爾泰亞公司