專利名稱：用于處理具有高流速的第二遍ro透過水的分流式edi設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例涉及電去離子的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
電去離子(EDI (Electro-Deionization))設(shè)備,是借助樹脂介質(zhì)、離子交換薄膜和DC電流,移除反滲透(“R0(reverse osmosis)”)透過水中溶解的雜質(zhì)的裝置。該EDI過程是連續(xù)的過程，因為它不需要化學藥品，諸如用于樹脂介質(zhì)和薄膜的再生的酸及堿。在水的純化期間，由于出現(xiàn)在ED設(shè)備內(nèi)部的連續(xù)水分解，樹脂介質(zhì)被再生。由于稀釋室內(nèi)從比0分子產(chǎn)生的電勢，使對應(yīng)的樹脂離子連續(xù)地再生，發(fā)生H+和OH-離子的分解。EDI設(shè)備一般用于使反滲透透過水純化高達0.055 U S/cm導電率的水平，并使它適合各種不同工業(yè)應(yīng)用，包含但不限于，鍋爐供給/蒸汽發(fā)生、微電子學/半導體制作或清洗水、以及純化的USP級水。EDI設(shè)備通常由離子交換樹脂、離子交換薄膜、用于DC電源的電極、以及用于水流分布的硬件部件組成。離子交換薄膜、陰離子交換薄膜和陽離子交換薄膜的布置，在EDI設(shè)備中非常重要。它們一般按交替方式相對于陽極和陰極電極布置。離子交換樹脂介質(zhì)被填充進該腔/室，這些腔/室正對著陽離子和陰離子交換薄膜的布置被形成。這樣導致稀釋腔和濃縮腔的形成。稀釋腔是這樣的腔，其中的供給水(R0透過)被純化并變成超純水，而濃縮腔則交替地緊鄰稀釋腔被定位，在濃縮腔中，從稀釋腔移除的離子被收集并借助分開的水流被沖洗出該設(shè)備。該水的小部分亦稱電極清洗流(Electrode Rinse stream),還被用于沖洗和冷卻陰極和陽極電極，而該腔亦稱電極清洗腔(Electrode Rinse Chamber)。任何EDI設(shè)備的效率和商業(yè)利用率，取決于每單位面積薄膜、每單位體積離子交換介質(zhì)、或薄膜的每個槽對(cell pair)產(chǎn)生的產(chǎn)物水的質(zhì)量。市場上有許多商業(yè)EDI設(shè)備可以購得，這些設(shè)備能夠容易被分為三類-I)低流速EDI設(shè)備:該類EDI設(shè)備一般是薄槽板和有30或更多個槽對、產(chǎn)物流速在1.5m3/小時到2.0m3/小時范圍的框架式EDI。每一稀釋腔的輸出產(chǎn)物水流，一般在50到60LPH范圍或更小。2)中等流速EDI設(shè)備:該第二類EDI設(shè)備一般是厚槽板和有30或更多個槽對、產(chǎn)物流速為2.5m3/小時-5.0m3/小時的框架式EDI。每一稀釋腔的輸出產(chǎn)物水流，一般在80到170LPH范圍或更小。在第一和第二類二者中，稀釋腔兩端的壓力降(向產(chǎn)物供給)，對正常流速通常約20到30psi。對最大流速，它通常增加至40-60psi。這種EDI設(shè)備的稀釋腔有效長度，從350mm到450mm變化，而寬度從IOOmm到200mm變化。這些EDI設(shè)備的稀釋腔內(nèi)的樹脂體積，由于設(shè)備的高的壓力降、機械泄漏(mechanical leak)或機械強度的原因，不允許流速增加。兩類EDI設(shè)備的典型水流配置,在圖1中示出。第三類EDI設(shè)備也被使用。3)高流量EDI設(shè)備:為達到高于5.0m3/小時的高產(chǎn)物流速，第三類EDI設(shè)備還被使用，該第三類EDI設(shè)備一般是多個EDI設(shè)備的組合，以每單元40到60數(shù)量的槽對并行地連接在一起，以便從這些堆中產(chǎn)生高的產(chǎn)物流速。該類EDI設(shè)備每稀釋腔的產(chǎn)物流速，與中等流速EDI設(shè)備類似。通過這些EDI設(shè)備的高產(chǎn)物流速，僅歸因于增加的稀釋腔的面積。為了超純水的生產(chǎn)，EDI設(shè)備一般被用于，要么使單遍RO的透過水純化，其中供給離子負荷是高的，有挑戰(zhàn)性的結(jié)垢離子(scaling ion)，要么使第二遍RO透過的透過水純化，其中供給離子負荷是非常少的，有可忽略量的結(jié)垢離子。結(jié)垢離子(如，Ca2+·、Mg2+、C03、Si02等等)在任一 EDI操作中起巨大作用，并已經(jīng)成為要求額外的預(yù)處理的限制條件的原因，該額外的預(yù)處理在許多情形下經(jīng)濟上是不合算的。對該問題的某些解決方案已經(jīng)被提出。例如，美國專利序號N0.6，896，814中報告的分步去離子技術(shù)過程，使用雙電壓過程移除結(jié)垢離子的更高負荷，而不會在EDI設(shè)備中結(jié)垢，本文引用該專利，供參考。對某一水流的EDI設(shè)計，依賴于供給條件和產(chǎn)物質(zhì)量要求。對諸如有挑戰(zhàn)性的結(jié)垢離子的單遍RO透過水那樣的更嚴厲供給條件，產(chǎn)物流率通常會下降。這樣使該系統(tǒng)成本大從而對使用無吸引力。EDI設(shè)備的典型產(chǎn)物流速，在不同的供給硬度(作為CaCO3)和供給導電率(FCE)等效負荷下，概括如下，a.當供給硬度(作為CaCO3)是3ppm且總FCE負荷是25_30 μ S/cm,對產(chǎn)物質(zhì)量要求高于10到16兆歐姆時，產(chǎn)物流速=2.4m3/小時b.當供給硬度(作為CaCO3)是Ippm且總FCE負荷是15_20 μ S/cm,對產(chǎn)物質(zhì)量要求高于10到16兆歐姆時，產(chǎn)物流速=3.5m3/小時c.當供給硬度(作為CaCO3)是0.1ppm且總FCE負荷是彡10 μ S/cm,對產(chǎn)物質(zhì)量要求高于10到16兆歐姆時，產(chǎn)物流速=4.5m3/小時當供給硬度(作為CaCO3)小于0.1ppm,如在第二遍RO透過水中一樣時，該EDI行為十分不同。結(jié)垢不是主要關(guān)注的問題，而有效的現(xiàn)場介質(zhì)再生的速率，是支配該過程的主要判據(jù)，且甚至對高流速，更高產(chǎn)物質(zhì)量能夠容易獲得，但主要限制是規(guī)則水流方式下稀釋腔兩端的更高壓力降。前述美國專利序號N0.6，896，814B2的分步去離子過程，是兩級過程，它在分開的區(qū)中處理硬度和硅石的移除，因為它們有不同的電流要求。為此設(shè)備的設(shè)計有兩級，并能以它的規(guī)則水流方式產(chǎn)生高達5.0m3/小時的產(chǎn)物流速。該過程/設(shè)備當被用于有新穎分流式設(shè)計的加倍遍數(shù)的RO級水時，能相對于3到5m3/小時的正常產(chǎn)物流速，處理如8到IOm3/小時那樣高的產(chǎn)物水。具有8到IOm3/小時的單個堆，降低生產(chǎn)線連接(line connection)、使稀釋腔兩端的壓力降最小化、降低每單位體積水的功率消耗、以及為用戶提供經(jīng)濟的和有生命力的建議。

發(fā)明內(nèi)容
為了嘗試克服高壓力降，更多個的槽對，或為了高流速和通過EDI設(shè)備的機械泄漏而增加單位面積的限制，我們提供本文報告的獨有的EDI設(shè)備設(shè)計。本發(fā)明的實施例可以克服該限制中的一種或多種，并能只用30-35個槽對，產(chǎn)生5.0m3/小時到10.0m3/小時范圍中的高流速，用于處理第二遍RO透過水，達到高于1.0兆歐姆/cm產(chǎn)物的產(chǎn)生的超純水平(一般是10到16兆歐姆.cm的產(chǎn)物水)。通過該新型EDI設(shè)備實施例的每個稀釋腔輸出的產(chǎn)物流速，是150到280LPH，它幾乎是常用EDI設(shè)備的兩倍。如果單遍RO透過水作為供給水被提供，則該新型EDI設(shè)備的設(shè)計，在常用的方式中具有操作上的適應(yīng)性。


圖1示出常用EDI設(shè)備的水流配置。圖2按照本發(fā)明實施例，示出分流式EDI設(shè)備的示意圖。圖3示出包含適合供本發(fā)明實施例使用的尺寸的稀釋腔隔板的示例性實施例。圖4示出本發(fā)明的稀釋腔的新型設(shè)計。 圖5示出本發(fā)明濃縮腔的實施例。圖6示出本發(fā)明的隔板，重點是A處的中部肋條。圖7示出按照本發(fā)明一個實施例的EDI組件。圖8示出用于單遍RO透過水的新型EDI稀釋隔板實施例的水流配置。圖9示出本發(fā)明實施例一個例子的產(chǎn)物電阻率。圖10示出曲線2，它是在例子3中報告的本發(fā)明30個槽對的實施例的產(chǎn)物質(zhì)量圖。圖11示出曲線3，它是在例子3中報告的本發(fā)明35個槽對的實施例的產(chǎn)物質(zhì)量圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例提供的EDI設(shè)備，一般包括如下主要部件--稀釋腔(通常數(shù)量為30-35)-濃縮腔(通常數(shù)量為31-36)-電極腔(數(shù)量為2)，它含有陽極和陰極電極-金屬端板(數(shù)量為2)-外殼。在大多數(shù)情形中，被用作供給的單遍RO透過水，含有供給導電率等效(FCE)范圍在10和40 u S/cm之間，有高結(jié)垢離子，如鈣、鎂、重碳酸鹽、硅石和CO2,而該第二遍RO供給水，一般含有小于IOii S/cm的FCE，有可忽略的CO2和硅石的量。為了處理這樣的第二遍RO透過水，極短的樹脂床長度已經(jīng)足夠用于生產(chǎn)高于10兆歐姆/cm超純水。
基于這一發(fā)現(xiàn)，一種新型分流式EDI設(shè)備已經(jīng)被設(shè)計，它有兩個區(qū)域(區(qū)域I和2，如圖3中所示)。隔板的總長度被設(shè)計成550mm，每一區(qū)域中有效的樹脂床長度為200-220mm，最好是210mm，而隔板的總寬度被設(shè)計成300mm，每一區(qū)域中有效的樹脂床寬度為200mm。每一區(qū)域中稀釋腔的厚度是I Imm,凈體積為396cm3,而凈薄膜表面面積為360cm2。當然，這些尺寸是對示例性實施例的，而不應(yīng)視為對權(quán)利要求書的限制。這允許實施新穎的分流式EDI概念的堆的設(shè)計，其中人們能夠令通過該EDI堆的水流分解成兩部分，使通過該EDI堆的水流最大化。在典型的實施例的操作過程中，供給水通過中央端口被供給并被改道，以相等流速進入稀釋腔的每一區(qū)域，并產(chǎn)生兩股產(chǎn)物(產(chǎn)物I和產(chǎn)物2，如圖2所示)。該EDI設(shè)備有類似設(shè)計的濃縮腔，其中兩股分開的濃縮流，沖洗從稀釋腔來的被移除的離子。這一概念的一個獨特特征在于堆內(nèi)的水流模式。該水流模式是向上水流與向下水流的組合。堆的下部按向下水流方式操作，而堆的上部按向上水流方式操作。稀釋和濃縮腔遵循類似的水流模式并彼此保持同向流動(co-flow)。因為水的流動是通過堆長度的一半發(fā)生，對相同壓力降的被處理的水體積能夠被增加，而相同量的水能夠通過另一半被處理。該分流式設(shè)計，降低處理第二遍RO透過水所要求的樹脂床深度。這樣導致通過該堆的更高流速，并與典型EDI相比，降低每單位體積水的功率消耗。對處理第二遍RO透過水，該RO透過水可以通過圖4所示端口 N2 (I英寸)被供給，然后按相等流速被分配進稀釋腔的每一區(qū)域，最終產(chǎn)生從端口 NI和N4 (二者都是I英寸)流出的兩股產(chǎn)物(產(chǎn)物I和產(chǎn)物2)。因此，每一區(qū)域作為獨立的稀釋腔起作用。產(chǎn)物的輸出水流在單區(qū)域稀釋腔上被加倍。該EDI設(shè)備有濃縮腔，其中兩股分開的濃縮流移除來自相應(yīng)的稀釋腔的離子。該電極清洗腔也被設(shè)計成有類似的配置，使每一端上的每一區(qū)域有兩個分開的電極。新型EDI設(shè)備的稀釋隔板和稀釋腔水流配置的典型視圖，分別在圖3和圖4中示出。濃縮腔:新型EDI設(shè)備的濃縮隔板(圖5)，含有1.0-2.0mm厚的導電網(wǎng)，而包含襯墊的濃縮腔的總厚度是2.0-3.0mm。該EDI設(shè)備有兩股單獨的濃縮流，用于區(qū)域I和2 二者，且該水流是每一區(qū)域的稀釋水流的同向流(co-current),如圖5所示。在我們的EDI設(shè)備實施例中使用的濃縮腔水流配置的典型視圖，在圖5中示出。我們的EDI設(shè)備實施例的另一個特殊特征，是包含在部件/隔板中的中部實心支承肋條。肋條的例子如圖6的部分A所示。該肋條起重要作用并有如下特征:-分開和差別化兩個區(qū)域，并在較小的覆蓋區(qū)(footprint)中容納該兩個區(qū)域。-提供用于安裝入口和水流分配噴嘴的能力，以便分開兩個區(qū)域之間的水流。-向部件/隔板提供機械強度，和-防止部件/隔板鼓起，在常用EDI隔板中，如果正對稀釋腔中樹脂壓縮壓力的長度較長，該鼓起一般被觀察到。新型EDI設(shè)備組件:新型EDI設(shè)備的實施例，可以用圖7所示典型組件，按如下方式組裝:陰極腔是通過把陰離子薄膜放置在電極安放板EHP (Electrode housing plate)的每一區(qū)域中而被形成，該EHP在每一區(qū)域中含有兩個陰極和陽離子樹脂介質(zhì)。該陰極可以例如是SS-316陰極。然后，濃縮腔是通過把濃縮隔板(CS)放置在陰極腔的陰離子薄膜上而被形成。該濃縮隔板在每一區(qū)域中含有導電網(wǎng)。稀釋腔是通過把陽離子薄膜放置在新型設(shè)計的面對陰極的稀釋隔板的每一區(qū)域上，并把陰離子薄膜放置在面對陽極的稀釋隔板的每一區(qū)域上而被形成。樹脂介質(zhì)被容納在兩片薄膜之間的稀釋隔板的每一區(qū)域中。其他緊鄰的濃縮腔是通過把濃縮隔板按如下方式放置形成的:每一區(qū)域的陰離子薄膜面對陰極側(cè)，且陽離子薄膜面對陽極側(cè)。一個稀釋腔和一個濃縮腔形成一個槽對。通常稀釋和濃縮腔的30-35個槽對被組裝。陽極腔是通過放置電極安放板(EHP)在最后的濃縮腔之后被形成的。該EHP在每一區(qū)域中含有兩個鈦陽極和陽離子樹脂介質(zhì)。最后，稀釋和濃縮腔的全部30-35個槽對以及兩個電極腔，被每端一塊的兩塊端板(EP )，借助不銹鋼(SS )雙頭螺栓緊固。隔板可以用最好是EPDM (乙丙三元橡膠(ethylene propylene diene monomer))環(huán)分開，以防操作期間水的泄漏。用于處理單遍RO透過水的新型設(shè)計EDI設(shè)備的描述:新型EDI設(shè)備設(shè)計的實施例，在以更高導電的(高于IOii S/cm)R0透過水(單遍R0)代替第二遍RO透過水方面，具有操作上的適應(yīng)性。在單遍RO的情形下，該透過水從端口 NI(通常是I英寸端口)和區(qū)域-1產(chǎn)物(Dl)供給，因為端口 N2與N3的互連性，從端口 N3進入?yún)^(qū)域-2中，最后，被純化的產(chǎn)物從端口 N4流出。兩股分開的濃縮流還在緊鄰的濃縮腔中作為同向流流動，如圖8所示。例子:一系列試驗在有30-35個槽對配置的新型設(shè)計EDI設(shè)備上被進行。比較的例子-1 [常用方式]:30個槽對的堆被組裝，并用在底部供給和在頂部產(chǎn)出的有規(guī)則水流方式測試。該堆用10 u S/cm的供給FCE水流，以3.5m3/小時到5.0m3/小時的產(chǎn)物水流，被測試71小時。該堆的配置是:-稀釋腔-數(shù)量30，有樹脂介質(zhì)-濃縮腔-數(shù)量31，有導電網(wǎng)-電極腔-數(shù)量02-端板-數(shù)量02-電極:陽極-鈦，以及陰極-SS-316-薄膜:非均相離子交換薄膜-稀釋腔的有效薄膜面積-4.32m2堆的產(chǎn)物質(zhì)量高于16兆歐姆.cm，有更高的稀釋壓力降落。在3.5m3/小時的產(chǎn)物水流上，稀釋壓力降是27psi，在4.0m3/小時上，它是34psi，在4.5m3/小時上，它被增加到43psi，而在最大的5.0m3/小時上，它高達50psi。供給的溫度約25°C。比較的堆的總結(jié)數(shù)據(jù)，在表-1中:
表-1:比較的例子堆數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種電去尚子設(shè)備,包括: 第一端板； 第一電極安放板EHP，所述EHP包括兩個陰極、陽離子樹脂和陰離子薄膜； 包括交替的濃縮腔和稀釋腔的多個槽對，其中每一濃縮腔包括被放置在緊鄰的陰離子薄膜之上的濃縮隔板； 其中每一濃縮隔板包括被濃縮肋條分開的兩個獨立的濃縮區(qū)域，所述濃縮區(qū)域包括導電網(wǎng)，其中每一所述濃縮區(qū)域?qū)?yīng)于分開的濃縮入口端口和濃縮出口端口 ；和 其中每一稀釋腔包括向著第一 EHP取向的陽離子薄膜、稀釋隔板、以及陰離子薄膜，其中每一稀釋隔板包括兩個獨立的稀釋區(qū)域，被稀釋肋條分開并由公共供給端口供給，每一所述稀釋區(qū)域?qū)?yīng)于分開的排除、產(chǎn)物、以及濃縮端口 ； 最后的濃縮腔； 在該最后的濃縮腔之后是陽離子薄膜，接著是第二 EHP，所述第二 EHP包括兩個陽極和陽極樹脂介質(zhì)；和 第二端板。
2.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，還包括產(chǎn)物總箱，用于從每一所述產(chǎn)物端口收集和組合產(chǎn)物水。
3.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，包括30-35個槽對。
4.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備,包括至少30個槽對。
5.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，還包括在濃縮隔板和稀釋隔板之間的多個乙丙三元橡膠環(huán)。
6.一種組合的電去離子設(shè)備，包括串聯(lián)連接的權(quán)利要求1所述的多個電去離子設(shè)備。
7.權(quán)利要求1的電去離子設(shè)備，其中該設(shè)備的電去離子能力，是有相同數(shù)量的槽但有單區(qū)域稀釋隔板和單區(qū)域濃縮隔板的電去離子設(shè)備的兩倍。
8.一種用于EDI設(shè)備的濃縮隔板，包括兩個獨立的濃縮區(qū)域，被濃縮肋條分開，所述濃縮區(qū)域包括導電網(wǎng)，其中每一所述濃縮區(qū)域?qū)?yīng)于分開的濃縮入口端口和濃縮出口端口。
9.一種用于分流式電去離子的方法，包括: 提供第二遍反滲透透過水的供給流； 使所述供給流通過電去離子設(shè)備，該電去離子設(shè)備包括多個槽對，每一槽對包括稀釋腔和濃縮腔，其中每一稀釋腔包括頂區(qū)域和底區(qū)域，其中該頂區(qū)域和底區(qū)域由公共供給端口供給，從而使供給流分開成兩股分開的供給流，用于通過電去離子純化。
10.一種用于使第一遍反滲透透過水的單向水流電去離子的方法，包括: 提供要被純化的第一遍反滲透透過水的供給流； 把所述供給流供給進權(quán)利要求1所述的電去離子設(shè)備，其中所述供給流被供給進所述稀釋隔板的底端口，而不是進入公共供給端口。
11.權(quán)利要求9的方法，其中該供給流以大于8m3/小時的速率運行。
12.權(quán)利要求9的方法，其中該供給流來自有10微西門子/cm或小于10微西門子/cm的供給水電導率等效(FCE)負載的兩遍RO產(chǎn)物。
13.權(quán)利要求9的方法，其中該分開的供給流的產(chǎn)物質(zhì)量，是10兆歐姆/cm或更高。
全文摘要
用于處理具有高流速的第二遍RO透過水的分流式EDI設(shè)備。我們報告一種電去離子裝置(EDI，electro-deionization)，該裝置有分流式布置，用于有高流速的第二遍RO透過水的純化，在該裝置中，供給水通過中央端口被供給并被改道進入有相等流速的稀釋腔的每一區(qū)域，產(chǎn)生兩束產(chǎn)物流。該EDI裝置在堆的兩個區(qū)域中有濃縮腔，與稀釋腔緊鄰，允許獨立的水流通過該分開的區(qū)域。這種分流式設(shè)計，降低用于處理第二遍RO透過水的樹脂床深度要求。這導致通過該堆的更高流速，消除壓力降的限制，以及降低每單位體積水的功率消耗。
文檔編號B01D61/44GK103201020SQ201180054658
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月4日
發(fā)明者R·齊達姆巴蘭, N·S·比施特, P·萊納 申請人:水技術(shù)國際公司