CN101468836A - 电渗析装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电渗析装置和方法，该电渗析装置包括第一电极、与第一电极相隔一定距离的第二电极、以及控制器。控制器控制从一个电源传送到所述第一、第二电极上的电流，该电源在控制器的控制下在每一个周期内可以从一第一模式切换到一第二模式，而在所述第二模式下的电流极性与第一模式下的电流极性相反，所述电流的频率约为100赫兹到10千赫兹。

Description

电渗析装置和方法

技术领域

本发明有关水处理装置和方法，尤其是一种电渗析装置和方法。

背景技术

电渗析装置和方法可以用于脱盐和水淡化。通常电渗析装置可以包括一对电极和位于该对电极之间的若干个离子交换膜，所述离子交换膜通常包括阳离子交换膜和阴离子交换膜两种类型。阳离子交换膜是指分子量较小的阳离子易于通过，而阴离子或分子量较大的阳离子难以通过的膜；阴离子交换膜则是指分子量较小的阴离子易于通过，而阳离子或分子量较大的阴离子难以通过的膜。所述阳离子交换膜和阴离子交换膜间隔设置在电极对之间，并在每两个相邻的膜之间形成隔室。当在所述电极对上形成电压并使其中一个作为正极，另一个作为负极时，在电场的作用下，分子量较小的阳离子穿过阳离子交换膜向着负极移动，但是其被阴离子交换膜阻挡而无法进一步移动；同时，分子量较小的阴离子穿过阴离子交换膜向正极移动，并被阳离子交换膜阻挡而无法进一步移动。从而，在阴离子交换膜靠近阳极的一侧的隔室成为离子数量多的浓室；而在阴离子交换膜靠近阴极的一侧的隔室成为离子数量少的淡室。电渗析方法通过这种方法将输入的入水流分离成淡水(淡室流出的水)和浓水(浓室里流出的水)。

电渗析的效率与所施加在电极上的电流或电压的大小有关。电流密度是指膜上单位有效面积的电流大小，通常情况下，提高电流密度会相应提高电渗析的效率。但是另一方面，在电渗析的过程中会出现极化现象，而使得电流密度不能无限升高。极化是指在电场作用下，由于离子的移动，导致膜附近局部离子浓度变化的现象。由于极化现象导致的离子浓度减小会导致该处电阻升高，当某些局部出现离子浓度接近零的现象时的电流称为极限电流。实际电渗析过程中，当电流达到极限电流后，水会分解成氢离子和氢氧根离子，该水解过程会消耗部分电能而降低系统效率。同时，水解后的溶液pH值变化，会在膜表面产生结垢现象。

反向电渗析是一种自动定期反转电极极性，以减缓或消除极化及结垢的技术。但是在反向电渗析过程中，两电极的极性反转后，相应的浓室变为淡室，而原淡室变为浓室，需要相应及时切换出水路。

发明内容

本发明提供一种电渗析装置，该电渗析装置包括第一电极、与第一电极相隔一定距离的第二电极、以及控制器。控制器控制从一个电源传送到所述第一、第二电极上的电流，该电源在控制器的控制下在每一个周期内可以从一第一模式切换到一第二模式，而在所述第二模式下的电流极性与第一模式下的电流极性相反，所述电流的频率约为100赫兹到10千赫兹。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是电渗析装置的示意图；

图2所示为图1电渗析装置的一个阴离子交换膜在浓室附近极化现象示意图；

图3所示为图1中电渗析装置的电压/电流关系曲线图；

图4所示为本发明施加在电渗析装置的两个电极上的脉冲电流信号的一个实施方式；

图5所示为利用有限元分析软件模拟图2中浓室内在一定的正向电流作用下，经三段不同时间后的浓度分布曲线；

图6为所示为利用有限元分析软件模拟在一定反向电流作用下，经三段不同时间后浓室内的浓度分布曲线；

图7为所示为本发明施加在电渗析装置的两个电极上的脉冲电流信号的另一个实施方式。

具体实施方式

说明书和权利要求中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的修正的部分，而不会导致相关基本功能的改变。相应的，用“大约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。

作为本发明的一种实施方式，一种电渗析装置包括第一电极、与第一电极相隔一定间距的第二电极以及一个控制器。该控制器控制从一个电源传送到所述第一、第二电极上的电流。该电源在控制器的控制下在每一个周期内可以从一第一模式切换到一第二模式，而在所述第二模式下的电流极性与第一模式下的电流极性相反。所述电流有若干个周期，该若干个周期有一定持续时间和频率。

电渗析装置包括至少一个淡室，作为本发明的一种实施方式，所述控制器进一步控制一个阀的开、关，从而使流经膜表面的水流有动态的变化。

电渗析装置包括与流进其中的入水流相接触的离子交换膜，所述离子交换膜靠近至少一个电极。作为本发明的一种实施方式，可以在第一、第二电极之间设置两个或两个以上的离子交换膜，包括阳离子交换膜和阴离子交换膜。

所述电流的频率影响电渗析装置的功能和使用寿命，在本发明的一个实施方式中，所述频率的恒定的。在其他的实施方式中，该频率也可以是变化的。可以使用传感器来实时检测入水流的成份或离子浓度、输出浓水或淡水的离子浓度以及实际电流等讯息，并将所述实时讯息传递给控制器，以便控制器及时调整其控制。在某些实施方式中，传感器测量入水流的成份，并反馈给电流的频率、周期时间以及电流大小的控制。

在电流信号的一个周期内，电渗析过程可以包括一个脱盐阶段和膜恢复阶段。在脱盐阶段，电源向第一、第二电极传送正向电流(I_f)并持续一个正向时间(T_f)，使得第一、第二电极分别作为正极和负极；在膜恢复阶段，电源向第一、第一电极传送反向电流(I_r)并持续一个反向时间(T_r)，使得第一、第二电极分别作为负极和正极。

所述电流信号的频率可是大于100赫兹，小于10千赫兹，该电流频率范围可以是100赫兹至500赫兹之间，或者500赫兹到1千赫兹，或者从1千赫兹到2千赫兹，或者从2千赫兹到5千赫兹，或者从5千赫兹到10千赫兹。

如前所述，电流周期包括第一、第二模式，其周期的持续时间可以小于约10毫秒，其可以是10毫秒到5毫秒，可以是5毫秒到1毫秒，从1毫秒到0.5毫秒，或从0.5到0.1毫秒。

每一电流周期中，正向电流持续时间(T_f)与反向电流持续时间(T_r)之比约为大于80:20。该T_f与T_r的比值范围可以是80:20至85:15，或者从85:15至90:10，或者是90:10至95:5，或者是95:5至99:1。

控制器控制电源传输的电流从一种模式转换到另一种模式，并在任一模式持续一定的时间。作为本发明的一种实施方式，控制器控制电源传输的电流进一步包括一个第三模式，在该第三模式，电源不向电极提供电流，为一停顿阶段，并持续一个停顿时间Ti。该第三模式可以介于所述第一、第二模式之间。

作为本发明的一种实施方式，两个周期之间进一步包括一第二反向电流I_p，该第二反向电流I_p与正向电流I_f的方向相反，且持续一第二反向时间T_p。

一个电流周期内可以进一步包括一电源提供电流的停顿阶段，该停顿阶段可以介于脱盐阶段与膜恢复阶段之间。

一个电渗析过程包括将入水流导入电渗析装置，向电渗析装置内的电极施加一正向电流，监测电渗析装置的淡室内离子交换膜附近离子浓度的变化，一旦该离子浓度降低到一个预设的第一参考浓度，则施加在电极上的电流反向，直到所述淡室内离子交换膜附近的离子浓度恢复到一个预设的第二参考浓度，再向电极施加正向电流。

参照图1所示，一个示意性的电渗析装置10包括一个第一电极12和一个与第一电极12间隔一定距离的第二电极14，该电渗析装置10还包括两个阳离子交换膜16、一个位于该两个阳离子交换膜16之间的阴离子交换膜18、以及一个电源20。所述间隔设置的两个阳离子交换膜16和阴离子交换膜18也被称为膜堆，该膜堆可以根据需要包括若干个间隔设置的阳离子、阴离子交换膜16、18。一个入水流22可以包括若干解离的阳离子(M⁺)，如Na⁺、Ca²⁺、K⁺和Mg²⁺等，以及若干解离的阴离子(X^-)，如Cl^-、SO₄ ^2-和CO₃ ^2-。

在包括电源20、正极12和负极14的电路闭合时，正、负极12、14其中之一作为正极，而另一个作为负极。入水流22中的阳离子M+向着正极移动，而其中的负离子X^-则向着正极移动。这种离子的移动导致阳离子和阴离子分离开来，阴离子18靠近正极的一侧形成一个淡室24，而阴离子18靠近负极的一侧形成一个浓室26，从淡室24和浓室26流出的水流分别为淡水流和浓水流。

前述离子在电场作用下的移动也导致了膜附近边界层的极化现象。图2所示为淡室内阴离子交换膜18附近的极化现象示意图。参照图2所示，对于一个使用传输恒定电流I的电源的现有电渗析装置，在电渗析过程的开始，电渗极装置内各处的离子浓度相等，都大致等于入水流的离子浓度，一旦电源开始向电极传输恒定电流I，阳离子在电场力的作用下向阴极移动，同时阴离子在电场力的作用下向阳离移动，阴离子交换膜18靠近淡室24附近的阳离子浓度降低。另一方面，阴离子交换膜18阻止浓室26内的阳离子通过，导致其靠近淡室24一侧的阳离子浓度进一步降低，在阴离子交换膜18附近形成一个离子浓度梯度28。且在阴离子交换膜18附近形成低离子浓度的边界层30(或称“能斯特层”)，该边界层30的厚度为D。

至少两个因素阻碍前述边界层30离子浓度进一步降低，其一为注入电渗析装置的入水流22的动态流动，一旦所述浓度梯度28延伸到入水流，入水流22的动态流动会在该区域形成对流，而阻止离子浓度进一步降低。所述入水流22的动态流动与其他因素一起决定了边界层30的厚度D，所述其他的因素可能包括温度以及入水流22的粘性和流速等等。另一个阻止离子浓度降低的因素为扩散力，在离子浓度降低的过程中，扩散力驱动所有阳离子和阴离子同时向着阴离子交换膜18移动。扩散力加强了边界层30内的阴离子的运动，但是因为该扩散力与电场力的方向相反，其减弱了阳离子在其中的运动。如果扩散力与电场力达到平横，则边界层30的离子浓度梯度达到一个稳定的状态，以下简称“稳态”。

如果电流密度进一步增加，当阴离子交换膜18在淡室的边界层处离子浓度接近零的时候，相应的电流为极限电流(Ilim)。如果电流继续增加至大于极限电流，此时水分子会分解成氢离子和氢氧根离子。参照图3中的电压/电流曲线，当操作电流超过极限电流后，水分解，膜堆两侧的电压急剧升高，而在阴离子交换膜18上形成较大的电压降。这种情况的出现大大降低了电解效率。对于阳离子交换膜也存在相应现象。

相对于一个固定电渗析装置，以及其他确定的影响参数，前述的极限电流L_lim是入水流的流速及离子浓度的函数，可以用实验的方法获得。对一个采用恒定直流电流的普通电渗析装置，其恒定工作电流I可以根据该极限电流I_lim来确定，即I＝I_lim*f，其中f约为在0.3至0.7之间。

作为本发明的一个实施方式，可以采用一控制器(未图示)控制电源20向第一、第二电极12、14发送脉冲电流信号，图4所示为该脉冲电流信号的第一个实施方式，其中，该脉冲电流信号包括若干个周期，每一个周期包括一个用于脱盐的正向电流信号和一个用于膜恢复的反向电流信号。所述正向电流信号有一正向电流(I_f)，并持续一个正向电流时间(T_f)；所述反向电流信号有一反向电流(I_r)，并持续一个反向电流时间(T_r)。每一个周期时间(T)为正向电流时间和反向电流时间之和。在所述正向电流时间内，第一、第二电极12、14分别作为正极和负极，而在反向电流时间内，第一、第二电极12、14分别作为负极和正极。所述正向电流与该电渗析装置的极限电流的比较可为0.314-0.91，可以大于通常恒定电流电源的工作电流。该脉冲电流信号的平均电流值Ia被定义为：

$I_a=\frac{I_f\×T_f-I_r\×T_r}{T_f+T_r}$

因为利用电渗析装置进行脱盐的效率与该平均电流大致成正比，因此可以通过控制器控制该平均电流值大于通常恒定电流电源的工作电流而提高脱盐效率。

在所述脉冲电流信号的每一个周期内，电源20先向第一、第二电极12、14传送一正向电流，监测电渗析装置的淡室内离子浓度的变化，一旦该离子浓度降低到一个预设的第一参考浓度，则施加在电极上的电流反向，用以缓解膜表面的极化。

在离子浓度达到其稳态之前，控制器控制电源20输出的电流反向，从而阻止膜表面离子浓度进一步降低。在反向电流作用下，一旦所述淡室内的离子浓度恢复到一个预设的第二参考浓度，电源20输出电流的极性回复到正向，开始下一个周期。因此脉冲电流信号的正向电流可以比通常恒定电流电源的工作电流高百分之五至百分之三十。脉冲电流信号的平均电流也可以大于通常恒定电流电源的工作电流，从而提高脱盐效率。

作为一种实施方式，所述脉冲电流信号的正向电流时间和反向电流时间可以根据能斯特(Nernst)方程来计算：

$\∂c_i/\∂t+\▿\·(-\mathrm{Di}\▿c_i-z_i{u}_{\mathrm{mi}}{\mathrm{Fc}}_i\▿\mathrm{\Φ}+c_i\stackrel{\‾}{u})=R_i$

其中

表示随时间变化的离子浓度变化，

反应离子浓度梯度所引起的扩散力因素，

代表电场力的作用，c_iu代表入水流的动态流动因素，而R_i反应化学反应的影响因素。

在电渗析过程中，几乎没有化学反应发生，因此R_i的影响忽略不计。因施加在第一、第二电极12、14上的电场力方向大致垂直于入水流的流动方向，能斯特方程中水流的动态流动因素也可忽略不计，即R_i部分为零。从而仅电场力和扩散力影响所述随时间变化的离子浓度变化的关系，能斯特方程可简化为：

$\∂c_i/\∂t=\▿\·(\mathrm{Di}\▿c_i+z_i{u}_{\mathrm{mi}}{\mathrm{Fc}}_i\▿\mathrm{\Φ}$

所述正向电流时间和反向电流时间可以根据该简化的能斯特方程，用商业上的有限元数值分析软件来模拟，比如COMSOL公司设计的分析软件。

图5和图6所示为使用COMSOL软件模拟正向电流和反向电流时间曲线的一个例子。在该例子中，入水流为一离子浓度约为百万分之一千(1000PPM)的氯化钠溶液，其扩散系数为2*10^-9平方米/秒，设定第一参考浓度为约百万分之四百(400PPM)，第二参考浓度为约百万分之六百(600PPM)。

图5所示三条曲线为正向电流作用下，正向电流密度为25安培/平方米，分别经0.5毫秒、1毫秒和2毫秒时淡室内靠近阴离子交换膜的浓度分布。模拟显示经大约1秒左右，所述阴离子交换膜靠近淡室一侧的浓度降至百万分之四百(400PPM)。

图6所示为模拟在正向电流作用结束后，将图5施加正向电流1毫秒时的曲线为曲线(即离子浓度降至第一参考浓度时)，施加反向电流后0.01毫秒、0.02毫秒、0.03毫秒、0.06毫秒、0.08毫秒后淡室内靠近阴离子交换膜的浓度分布。所施加的反向电流为1.2倍的正向电流密度(即1.2*25＝30安培/平方米)，则由图6所示在约大约0.03毫秒时，所述阴离子交换膜靠近淡室一侧的浓度恢复至百万分之六百(600PPM)。

用上述软件模拟的方法得到正向电流时间和反向电流时间可以再经实验的方法进行验证，以得到优化的正向电流、正向电流时间、反向电流及反向电流时间参数。在实验过程中，正向电流时间、反向电流与正向电流的比值以及反向电流时间对正向电流时间的比值这三个参数分别被独立控制。

对于图4中脉冲电流信号的每一个周期，正向电流时间占整个周期时间的80％以上，其可以是整个周期的80％至85％，从85％到90％，从90％到95％，或从95％到99％。通过控制所述正向电流时间与周期时间的比值控制脱盐效率。

如图4所示，所述脉冲电流信号还包括一个持续一个第二反向电流时间的第二反向电流信号，该第二反向电流信号位于两个相邻周期的正向电流信号之间。该第二反向电流时间大于前述的第一反向电流时间。该第二反向电流大于前述的第一反向电流。

参照图7所示，本发明的脉冲电流信号的第二个实施方式的每一个周期除包括一个正向电流信号和一个反向电流信号之外，还包括一个在正向电流信号和反向电流信号之间的无电流信号期间。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。例如，本发明的实施例是针对脱盐的应用，但是其也可以适用于去除液体中的离子，例如水净化、废水处理和矿物质脱除。工业应用包括但不限于水处理、医药品以及食品饮料行业。

Claims (11)

1.一种电渗析装置，包括：

第一电极和与第一电极相隔一定距离的第二电极；以及

控制器，用以控制从一个电源传送到所述第一、第二电极上的电流，该电源在控制器的控制下在每一个周期内可以从第一模式切换到第二模式，而在所述第二模式下的电流极性与第一模式下的电流极性相反，所述电流的频率约为100赫兹到10千赫兹。

2.如权利要求1所述的电渗析装置，其中该电渗析装置进一步包括位于第一、第二电极之间的阳离子交换膜和阴离子交换膜。

3.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述第一模式与第二模式持续时间的比值约为80:20至99:1之间。

4.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述频率恒定的。

5.如权利要求1所述的电渗析装置，其中所述频率经一定时间后是变化的。

6.一种电渗析装置，包括：

第一电极，

与第一电极相隔一定距离的第二电极；

电源，向所述第一、第二电极提供脉冲电流；

控制器，控制该电渗析装置的电渗析过程包括若干个周期，其中至少一个周期包括：

去离子阶段，电源向第一、第二电极提供正向电流，使得该第一、第二电极分别作为正极、负极，并持续正向时间；以及

膜恢复阶段，电源向第一、第二电极提供反向电流，使得该第一、第二电极分别作为负极、正极，并持续反向时间；以及

所述电流的频率约为100赫兹到10千赫兹。

7.如权利要求6所述的电渗析装置，其中所述正向时间与正向、反向时间之和的比值约为0.7:1至0.99:1。

8.如权利要求6所述的电渗析装置，其中至少一个周期有一个停顿阶段，在该停顿阶段，电源停止向第一、第二电极供电。

9.如权利要求8所述的电渗析装置，其中所述停顿阶段位于所述去离子阶段与膜恢复阶段之间。

10.如权利要求1-9中任何一项所述的电渗析装置，其中在某两个周期之间还有反向电流阶段。

11.一种电渗析方法，包括：

入水流导入电渗析装置；

向电渗析装置内的电极施加正向电流；

监测电渗析装置的淡室内离子交换膜附近离子浓度的变化，一旦该离子浓度降低到预设的第一参考浓度，则施加在电极上的电流反向，直到所述淡室内离子交换膜附近的离子浓度恢复到预设的第二参考浓度，再向电极施加正向电流。

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