TW201226329A - Techniques for promoting current efficiency in electrochemical separation systems and methods - Google Patents

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201226329 六、發明說明： [相關申請案之對照參考資料] 本申請案根據35U.S.C.§119(e)主張2010年11月12 日所提出之名稱為 “CROSS-FLOW ELECTROCHEMICAL DEIONIZATION DEVICE AND METHODS OF MANUFACTURING THEREOF”的美國臨時專利申請案序 號第61/413，021號及2011年7月21日所提出之名稱為 “MODULAR CROSS-FLOW ELECTRODIALYSIS φ DEVICES AND METHODS OF MANUFACTURING THEREOF”的美國臨時專利申請案序號第61/510,157號 之優先權，在此基於所有目的以提及方式併入每一美國 臨時專利申請案之整個揭露。 【發明所屬之技術領域】 態樣大體上係有關於電化學分離’以及更具體地’ 係有關於模組化電化學系統及方法。 【先前技術】

【發明内容】 依據一或多個態樣，一種電化學分離系統可以包 括：一第一電極；一第二電極；一第一電化學分離模組 組件，其具有一第一單元堆疊（first cell stack)’該第一 單元堆疊界定複數個交替的耗乏隔室（dePleting compartments)及濃縮隔室（concentrating compartments) 且以一第一框架來支撐，該第一電化學分離模組組件定 位於該第一電極與該第二電極間；以及一第二電化學分 -3- 201226329 離模組組件，其相鄰於該第一電化學分離模組組件 該第一電化學分離模組組件合作，該第二電化學分 組組件具有一第二單元堆疊（second cell stack)，該 單元堆疊界定複數個交替的耗乏隔室及濃縮隔室且 第二框架來支撐，該第二電化學分離模組組件定位 第一電化學分離模組組件與該第二電極間。 依據一或多個態樣，一種組裝電化學分離系統 法可以包括：在一容器中安裝一第一電化學分離模 φ 件於一第一電極與一第二電極之間，該第一電化學 模組組件具有一以一第一框架包圍之第一單元堆疊 及在該容器中安裝一第二電化學分離模組組件於該 電化學分離模組組件與該第二電極之間，該第二電 分離模組組件具有一以一第二框架包圍之第二單 疊。 依據一或多個態樣’一種電化學分離模組組件 包括：一單元堆疊’其界定複數個交替的耗乏隔室 φ 縮隔室；以及一框架，其包圍該單元堆疊及包括一 成用以有助於流體流經由該單元堆疊之歧管 (manifold system) ° 依據一或多個態樣’一種用於電化學分離之流 配器（flow distributor)可以包括：複數個第一通道， 向在一第一方向及建構成用以傳送給料至一電化學 裝董之至少一隔室；以及複數個第二通道，其定向 第二方向，該複數個第二通道與該複數個第一通道 相通且具有一入口歧管與該電化學分離裝置相連。 且與 離模 第二 以一 於該 之方 組組 分離 ;以 第一 化學 元堆 可以 及濃 配置 系統 量分 其定 分離 在一 流體 -4 - s 201226329 依據一或多個態樣’ 一種電化學分離系統可以包 括：一第一電極；一第二電極；一第一電化學分離模組 組件’其包括複數個交替的耗乏隔室及濃縮隔室且定位 於該第一與第二電極之間；一第二電化學分離模組組 件’其包括複數個交替的耗乏隔室及濃縮隔室，該第二 電化學分離模組組件配置成與該第一電化學分離模組組 件合作且定位於該第一電化學分離模組組件與該第二電 極之間；以及一間隔物（spacer)，其配置在該第一與第二 ® 電化學分離模組組件之間且相鄰於該第一與第二電化學 分離模組組件及建構成用以減少在該系統中之電流損失 (current loss) 〇 下面詳述還有其它態樣、實施例及這些示範性態樣 及實施例之優點。在此所揭露之實施例可以以任何方式 與其它實施例結合’以符合在此揭露之原理中之一，以 及“ 一實施例”、“一些實施例，，、“ 一替代實施例，，、“各種 實施例”、“ 一個實施例，，等之提及沒有必要相互排外且意 φ 欲表示可以在至少一實施例中包括一所述特定特微、結 構或特性。在此這樣的術語之出現沒有必要完全意指同 一實施例。 【實施方式】 下面將參考所附圖式來論述至少一實施例之各種態 樣，該等圖式沒有意欲以比例來繪製。包含該等圖式’ 以提供對該等各種態樣及實施例之描述及進一步了解， 以及併入該等圖式，以構成此說明圖之一部分，但是該 等圖式沒有意欲做為本發明之限定的釋意。在以元件符 -5- 201226329 號跟隨該等圖式、 情況下’該等元件 述之可理解性。在 示在各種圖式中所 清楚起見’在每一 示。 詳細敘述或任何主 符號之包含僅用以 該等圖式中，以一 述之每一相同或幾 圖式中，可以不是 張中之技術特徵的 增加該等圖式及敘 相似元件符號來表 乎相同組件。為了 每一組件都要被標 依據一或多個實施例，一種模組化電化學分離系統 (亦可以稱為一電淨化裝置或設備）可以提高各種處理程 #序之效率及整個彈性。在一些實施例中，可以實施如又 流電透析（ED)裝置的叉流（cross_f1〇w)電化學分離f $ 而，做為傳統板框裝置（plate-and-frame devices)之顯著 替代。在一些實施例中，可以減少在叉流電化學分離麥 置中之電流無效率（current inefficiencies)。在至少某此 實施例中，可以對付因經由入口及出口歧管之電流旁兩 所造成之電流無效率。亦可以減少能量消耗及膜需求， 在各種應用中此兩者可能影響壽命週期成本。在〜些實 #施例中’可以達成至少85%膜利用率。膜需求之减少可 能轉而導致電化學分離裝置之製造成本、重量及空間需 求的減少。在一些特定實施例中，可以顯著地改善又流 ED裝置之製程效率（process efficiency)。在一些實施例 中，對於來自石油及瓦斯生產的鹹水、海水及齒水之淡 化，可以改善電化學分離系統之效率。在至少一些實施 例中’相較於目前是淡化之主導技術的，可以改盖 ED之成本競爭力。 使用電場來淨化流體之裝置通常用以處理水及其它

-6- S 201226329 包含溶解離子物種之液體。以此方式處理水之 =係電去離子及：透析裝置。在這些裳置中係由離、 、！·生膜所分隔之濃縮及稀釋隔室。一電透析裝置通 =括交替的電活性半渗透陰離子及陽離子交換膜。該 體：：間之空間係配置成用以產生具有入口及出口之液 體-動隔室。經由電極所強加之電場造成附著至它們的 個別相&電極之分解離子經由該陰離子及陽離子交換膜 遷移。此通常導致在該稀釋隔室之液體中的離子耗乏， ®以及在該濃縮隔室之液體t富有轉移離子。 電去離子（EDI)係藉由使用電活性介質及電位影響 離子輸送而從水移除或至少減少一或多個離子化或離 子化物種之程序。該電活性介質通常適用以交替地收集 及釋放離子及/或可離子化物種，以及在一些情況中，有 助於離子之轉移，該動作可以藉由離子或電子取代機制 來持續進行。削裝置可包括永久或暫時裝填電化學活 性介質，以及可以批次方式（batch_wise)、間歇地、持續 _地及/或甚至以反極性模式（reversing p〇la出y⑽心）來 操作。可以操作EDI裝置，以引起特別設計成用以達成 或增加性能之一或多個電化學反應。再者，這樣的電化 學裝置可以包括電活性膜，例士。，半滲透或選擇性可渗 透離子交換或雙極膜。連續電去離子（CEDI)裝置係熟習 該項技藝者所已知之EDI裝置，其以下面方式來操作： 可持續地進行水淨化，同時持續地再裝填離子交換材 料。CEDI技術可包括像連續去離子、填充單元電透析 (filled cell electrodialysis)或倒極式電透析 201226329 (electrodiaresis)之程序。在控制電壓及鹽度條件下，在 CEDI系統中，可使水分子分離，以產生氫或銼離子或物 種及氫氧化物或氫氧基離子或物種，其可在該裝置中再 產生離子父換介質及因而有助於從那裡釋放入陷物種。 X此方式可在不需要離子交換樹脂之化學再裝填的情 況下持續地淨化待處理水流。

除了 ED裝置在該等膜間通常沒有包含電活性介質 之外，電透析（ED)襞置以相似於CEDI之原理來操作。 由於缺乏電活性介質，在低鹽度之進給水下，可能會因 高電阻而阻礙ED之操作。並且’因$ ED在高鹽度進給 水下操作會導致高電流消耗，所以目前為止ED裝置在 中鹽度之水源水下使用係最有效率的。 系統中’因為沒有電活性介質，所以使水分離 的及通常避免在這樣的架構中操作。 曰在咖及ED裝置中’通常以允許正或負帶電物 (但是，通常不是兩者皆被允許）之通道的選擇性可滲 膜來分隔複數個相鄰電池或隔室。在這樣的裝置中通 以濃縮隔室佔據稀釋或耗乏隔室間之空間。在—此實 例中，-單元對可能意指—對相鄰濃縮及稀釋隔=貫 水流經該等耗乏隔室時’離子及其它帶電物種在電場( 如，DC場）之影響下通常被吸入濃縮隔室中。正俄+ 種-陰極，該陰極通常位於一多耗之及濃：： 之堆邊的-端，以及同樣地，負帶電物種被拉向這種 裝置之陽極，該陽極通常位於該堆疊隔室之相對端。 常在與該等耗之及/或濃縮隔室經常部分隔離流體相| -8 - 201226329 之電解質隔室中客物 畑至甲m寻電極。—旦在一濃縮隔室中， 帶電物種通當被一$ +卹人β + μ 〇Ρ刀界疋该濃縮隔室之選擇性可 渗透的障壁所捕獲。例如，通常藉由-陽離子選擇性膜 阻止陰離子朝該陰極進—步遷移離開該濃縮隔室。一旦 在該濃縮隔室中被捕聛，^ 六 ,， X 了在一農縮流中移除捕獲帶電 物種。 在CEDI及ED裝詈Φ，、s告〜 曰 置中通常從—被施加至該等電極

(陽極或正電極及陰極或負電極)之電壓及電流源施加DC 場至該等、池。該電壓及電流源（統稱為“電源”）本身可藉 由各種方式(例如，AC電源或例如，由太陽能、風力或 波浪能所獲得之電源)來供電。纟電極/液體界面處，發 生電化學半電池反應（electr〇chemical haif cell reaction小其開始及/或有助於離子經由該等膜及隔室之 轉移彳藉由在用以各納電極組合件之指定隔室中的鹽 之濃度來控制在該等電搞/@_ 寸包極/液體界面處所發生之特定電 化學反應至某一程度。你丨1 s ^ ^ 例如’至軔極電解質隔室之具有 高氯化鈉的給料將傾向於姦斗备> , & 丁只口於產生氯軋及氫離子，然而至陰 極電解質隔室之給料將傾闩认方*^ 竹傾向於產生虱氣及氫氧離子。通 常’在陽極隔室所產生之备 王之虱離子將與一自由陰離子（例 如，氣離子）結*，卩維持電荷巾性及產^該溶液， 以及同樣地，在陰極隔室所產生之氫氧離子將與一自由 陽離子（例如，鈉）結合，以φ祕砧她 # ^ ^ Μ Τ性地維持電荷及產生氫氧 化納溶液。如需要的話，+ + i 而文’可在該程序中使用電極隔室之 反應生成物（例如，所產峰夕备备B# 度玍之虱軋及虱乳化鈉）於消毒、 薄膜清潔及去垢以及pH調整之用。 -9 - 201226329 板框（plate-and-frame)及螺旋（spiral wound)設計已 使用於各種型態之電化學去離子裝置（包括並不侷限於 電透析（ED)及電去離子（EDI)裝置）。在市場上可購得之 ED裝置通常是屬於板框設計，然而EDI裝置則具有板框 及螺旋配置。 一或多個實施例係有關於可以用電力淨化在一殼體 中所容納之流體的裝置及其製造及使用方法。待淨化之 液體或其它流體進入該淨化裝置，以及在電場之影響下 被處理’以產生一離子耗乏（ion-depleted)液體。收集來 自該等進入液體之物種，以產生一離子濃縮 (ion-concentrated)液體 〇 依據一或多個實施例，一電化學分離系統或裝置矸 以是模組化的。每一模組組件通常可有做為一整個電化 學分離系統之子區塊的功能。一模組組件可以包括任何 期望數目之單元對。在一些實施例中，每一模組組件之 單兀對的數目可依在該分離裝置中之單元對及流遒 φ (passes)之總數而定。它亦可能依在針對交叉洩漏及其它 性此準則做測試時以一可接受故障率熱結合及裝填在〆 框架令之單7L對的數目而定。該數目可根據製造程序厶 統計分析及可隨程序控制之改善而增加。在一些非限定 貫施例中’一模組組件可以包括約個單元對。可以個 別組合模組組件，以及測試它們的品質控制，例如，在 併入一較大系統前之洩漏、分離性能及壓力降。在一毖 實施例中，可以在一框架中安裝一單元堆疊做為一可被 獨立地測試之模組組件。然後，可一起組合複數個模組 -10- 201226329

組件’以在一電化學分離裝置中提供一總預定數目之單 元對。在一些實施例中，一組合方法通常可包含：放置 一第一模組組件於一第二模組組件上；放置〆第三模組 組件於該第一及第二模組組件上；以及重複以獲得一期 望數目之複數個模組組件。在一些實施例中’為了操作 可以將該等組合或個別模組組件插入一壓力容器中。以 在模組組件間或模組組件内放置阻擋薄膜（bl〇cking membranes)及/或間隔物（Spacers)而可多流道流量架構 (multi-pass flow configuration)。一 模組化方法在時間及 成本節省方面可以改善可製造性。模組化藉由容許個別 模組組件之判斷、隔離、移除及更換，亦可以有助於維 修。個別模組組件可以包括歧管及流量分配系統 (manifolding and flow distribution systems)，以有助於一 電化學分離程序。個別模組組件可以彼此流體相通，且 中心歧管（central manifolding)及其它系統與一整個電化 學分離程序相關連。 依據一或多個實施例’可以改善電化學分離系統之 政率。電流損失（current loss)係無效率之潛在來源β在 —些實施例（例如，包含叉流（c r 0 s s _ f 1 〇 w)設計）中，可以 對付電流洩漏之可能性。電流效率（current efficiency)可 乂界疋為有效地將離子移離稀釋流至濃縮流中之電流的 百分比。電流無效率之各種來源可能存在於一電化學分 離系統中。無效率之一可能來源包含電流藉由流經稀釋 及/辰Im入口及出口歧管繞過該等單元對。開放的入口及 出口歧管可以與流體隔室直接流體相通及可以減少在每 -11- 201226329 一流動路徑中之壓力降。從一電極至另一電極之電流的 部分可能藉由流經該等開放區域而繞過該堆疊單元對。 ^旁路電減少電流效率及增加能量消耗。無效率之另 /曰在來源包含離子因離子交換膜之不完善選擇透過性 (permselectivity)而從濃縮流進入稀釋流。在一些實施例 中在裝置中之膜（membranes)及篩網（screens)的密封及 裳填之相關技術可以有助於電流洩漏之減少。 在一些實施例中，可以操控一經由一堆疊之旁通路 ^ 以促使電流沿著一直接路徑流經一單元堆疊，以便 改善電流效率。在—些實施例中，可以建構及配置一電 化學分離裝置’以便一或多個旁通路徑比一經由該單元 堆疊之直接路徑迂迴曲折。在至少某些實施例中，可以 建構及配置一電化學分離裝置，以便一或多個旁通路徑 呈現比一經由該單元堆疊之直接路徑高之電阻。在包含 —模組系統之一些實施例中，可以配置個別模組組件以 促進電流效率。可建構及配置模組組件以提供一將促成 φ 電流效率之電流旁通路徑。在非限定實施例中，一模組 組件可以包括一歧管系統（m a n i f 〇 1 d s y s t e m)及/或一流量 分配系統（flow distribution system)，其配置成用以促進 電流效率。在至少一些實施例中，可以建造及配置一在 一電化學分離模組組件中包圍一單元堆疊之框架，以提 供一預定電流旁通路徑。在一些實施例中’在一電化學 分離骏置中促成一多流道流量配置，可以有助於電流洩 漏之減少。在至少一些#限定實施例中，可以在模組組 件間插入阻擋膜或間隔物，以導引稀釋及/或濃縮流成為

-12- S 201226329 用於改善電流效率之多流道流量配置。在一些實施例 中，可以達成至少約6 0 %之電流效率。在其它實施例中， 可以達成至少約7 0 %之電流效率。在還有其它實施例 中’可以達成至少約8 〇 %之電流效率。在至少一些實施 例中’可以達成至少約85 %之電流效率。 依據一或多個實施例，一種用以製備一用於電淨化

設備之單元堆疊的 此固定離子交換膜 換膜間之第一間隔 隔室。例如，可以 子交換膜之周圍的 定至該第一陰離子 一陽離子交換膜與 的第一間隔物組合 方法可以包括形成 ’來提供一具有一 物的第一間隔物組 在一第一陽離子交 第一部分處將該第 交換膜，以提供一 該第一陰離子交換 件0 隔室。可以藉由彼 配置在該等離子交 合件而形成一第一 換膜及一第一陰離 一陽離子交換膜固 具有一配置在該第 膜間之第一間隔物

可以藉 置在該等離 件而形成一 膜及一第二 田彼此固定離子交 子交換膜間 弟—隔室。 陰離子交換 之第二 例如， 膜之周 陰離子交換膜固定至該第一陽 有一配置在 間之第二間 可以藉 物組合件， 隔室與該第 第一陽離子 該第二陰離 隔物的第二 由將該第一 並藉由將一 二隔室間形 交換膜之周 子交換 間隔物 間隔物 間隔物 成一第 圍的第 間隔物 可以在 圍的第 離子交 膜與該 組合件 組合件 定位在 三隔室 一部分 來提供一具有一配 的第二間隔物組合 ~''第—1¼離子交換 一部分處將該第二 換膜， 第二陽 〇 固定至 其間， 。例如 處及在 以提供一具 該第二間隔 而在該第一 ，可以在該 該第二陰離

S -13- 201226329 子交換膜之周圍的一部分處將該第一間隔物組合件固定 至該第二間隔物組合件，以提供一具有一配置在該第一 間隔物組合件與該第二間隔物組片間之間隔物的堆疊組 合件。 每一該第一隔室及該第二隔室可被建構及配置以提 供不同於在該第三隔室中之流體流動方向的流體流動方 向。例如，在該第三隔室中之流體流動可以朝〇。軸之方 向行進。在該第一隔室中之流體流動可以在30。上行進， φ 以及在該第二隔室中之流體流動可以在相同於該第一隔 室之角度（30。）上或在另一角度（例如，120。）上行進。該 方法可以進一步包括將該組合單元堆疊固定在一殼體 内0 依據一或多個實施例，一種電化學分離系統可以包 括一叉流（cross-flow)設計。叉流設計可以容許增加的膜 利用率、較低的壓力降及外部洩漏之減少。此外，藉又 流設計可以減少對操作壓力之限制。在至少一些實施例

中，外殼及端盍 質限制。可以達成製造程序之自動化。 依據一或多個實施例，可以經由彼此固定之該* 子交換膜的周圍之部分選擇及提供一第一流體漭 及一第二流體流動路徑。使用該第一流體流動$ j 沿著〇。轴行進之方向，該第二流體流動路徑可以：' 0〇且小於360。之任何角度 朝； 内及的方向行進。在 + 實施例：’該第：流體流動路經可以在9。:角;之; 直於該第一流體流動路押、 角度上. 丁進。在其它實施例中， '1 4>

S 201226329 1 80。角声動路挂可以在相對於該第一流體流動路徑之 、又上订進。如果額外離子交換膜固定至該單元堆 疊’以是招' 你 ，、額外隔室，則在這些額外隔室中之流體流 動路徑可以如π > 相同或不同於該第—流體流動路徑及該第二 流體SlL動路^τ< 二。在某些貫施例中，在每一該等隔室中的 流體流動路徑尤_ ^ . 仏在第一流體流動路徑與一第二流體流動 路徑間交替。Μ 1 i ^ _ 例如’在該第一隔室中之第一流體流動路 以·Λ Ο

方向行進。在該第二隔室中之第二流體流動 路徑可以朝Qn。士 a > & 90方向仃進，以及在該第三隔室中之第三 流體流動路擅订丨、7力卩Λ。+丄 讧可以朝0°方向行進。在某些範例中，此可 稱為流電淨化（cross-fl〇w electrical purification)。 广j其匕實施例中，在每一該等隔室中的流體流動路 仅在第以體流動路徑、一第二流體流動路徑及一第 三流體流動路徑間依序交替。例如，在該第一隔室中之 第一流體流動路徑可以朝〇。方向行進。在該第二隔室中 之第二流體流動路徑可以在3〇。上行進，以及在該第三 隔室中之第二流體流動路徑可以在9〇。上行進。在該第 四隔室中之第四流體流動路徑可以在0。上行進。在另— 實施例中，在該第一隔室中之第一流體流動路徑可以朝 0。方向仃進。在該第二隔室中之第二流體流動路徑可以 在60。上行進，以及在該第三隔室中之第三流體流動路 徑可以在120。上行進。在該第四隔室中之第四流體流動 路仏可以在0上行進。在一些實施例中，一或多個流動 路挫貫質上可以是非放射狀的（non-radial)。在至少—些 實施例中，一或多個流動路徑可以有助於在該系統中達

S -15- 201226329 成一實質均勻液體流速度分佈圖（liquid flow velocity profile) ° 依據一或多個實施例，可以調整、重新分配或重新 導引在一隔室内之流動，以在該隔室内提供流體與膜表 面之較大接觸。該隔室可以建構及配置成以重新分配在 該隔室内之液體流動。該隔室可以具有可提供用以重新 分配經由§亥隔室之流量的結構之障礙（obstructions)、凸 部（projections)、突出物（protrusions)、凸緣（flanges)或 φ 擋板（baffies)，此將論述於後。在某些實施例中，該等障 礙、凸部、突出物、凸緣或擋板可以稱為流量重新分配 器（flow redistributor)。流量重新分配器可以存在於該單 元堆疊之一或多個隔室中。 在用於一電淨化設備之早元堆疊中的每一隔室可以 建構及配置成對流體接觸提供一預定百分比之表面面積 或膜利用率。已發現到，在該電淨化設備之操作中較大 的膜利用率提供較大的效率。達成較大的膜利用率之優 •點可以包括較低能量消耗、該設備之較小覆蓋區 (footprint)、較少流道經過該設備及較高品質的生成水。 在某些實施例中，可以達成之臈利用率大於65%。在其 它實施例中，可以達成之膜利用率大於75%。在某些其 它實施例中，可以達成之膜利用率大於85%。該膜利用 率可以至少部分依用以彼此固定該等膜之每一者的方法 及该間隔物之設計而定《為了獲得一預定膜利用率，可 以選擇適當的固定技術及組件，以便達成一允許該電淨 化設備之最佳操作的可靠且固定密封，而沒有在該設備 -16- 201226329 内遭遇洩漏。在一些實施例中，堆疊產生程序可以包含 熱接合技術（thermal bonding techniques)，以最大化膜利 用率’同時維持在該程序中可以使用之薄膜的大表面面 積。

依據一或多個 電淨化設備◎該電 之第一隔室及可以 間提供一朝第一方 可以包括一包含離 置成用以提供一朝 一隔室及該第二隔 觸提供一預定百分 一種電淨化設 備可以包括一包含 父換膜之第一隔室 該第一陽離子交換 第一方向之直接流 陰離子交換膜及一 該第一陰離子交換 第二方向之直接流 至可以建構及配置 大於該第一陽離子 二陽離子交換膜之 隔室及該第二隔室 間隔物可以做為一 貫施例，提供一種 淨化設備可以包括 建構及配置成用以 向之直接流體流動 子交換膜之第二隔 第二方向之直接流 室可以建構及配置 比之表面面積或膜 備可以包括一單元 一第一陽離子交換 ，該第一隔室係建 膜與該第一陰離子 體流動。該設備亦 第二陽離子交換膜 膜與該第二陽離子 體流動。每一該第 成用以提供一預定 交換膜、該第一陰 表面面積的85 %之 中之至少一者可以 阻擋間隔物。 包括一單元堆疊之 一包含離子交換膜 在s亥等離子交換膜 。該電淨化設備亦 室及可以建構及配 體流動。每一該第 成用以針對流體接 利用率。 堆疊。該電淨化設 膜及一第一陰離子 構及配置成用以在 交換膜間提供一朝 包括一包含該第一 之第二隔室，以在 交換膜間提供一朝 一隔室及該第二隔 膜利用率，例如， 離子交換膜及該第 流體接觸。該第一 包括一間隔物，該

-17- S 201226329 依據一或多個實施例後’包括一單元堆疊之該電淨 化設備可以進一步包括一圍住該單元堆疊之殼體’且將 該單元堆疊之周圍的至少一部分固定至該殼體。可以將 一框架定位在該殼體與該單元堆疊間，以在該殼體中提 供一第一模組組件。一流量重新分配器可以存在於該單 元堆疊之一或多個隔室中。該等隔室中之至少一者可以 建構及配置成用以在該隔室中提供流動逆轉（flow reversal) °

在該揭露之一些實施例中’提供一用於電淨化設備 之單元堆疊。該單元堆疊可以提供複數個交替的離子耗 乏及離子濃縮隔室。每一該等離子耗乏隔室可以具有一 入口及一提供朝第一方向之稀釋流體流動之出口。每一 該等離子濃縮隔室可以具有一入口及一提供朝不同於該 第一方向之第二方向的濃縮流體流動之出口。一間隔物 可定位在該單元堆疊中。該間隔物可以提供結構及界定 該等隔室，以及在某些範例中’可以協助導引流體流經 過該隔室。該間隔物可以是—建造及配置成用以重新導 引流體流及電流中之至少一者經過該單元堆疊之阻擋間 隔物。如上所論述’該阻擒間隔物可以減少或防止在該 電淨化設備中之電流無效率。 在該揭露之一些實施例中，提供一種電淨化設備。 該設備可以包括一包含交替離子稀釋隔室及離子濃縮隔 室之單兀堆疊。每一該等離子隔室可以建構及配置成用 以提供朝第一方向之稀釋流體流。每一該等離子濃縮隔 室可以建構及配置成用以提供朝不同於該第一方向之第

-18- C 201226329 二方向的流體流。該電淨化設備亦可以包括一在該單元 堆疊之第一端上相鄰於—陰離子交換膜之第一電極及一 在該單元堆疊之第二端上相鄰於一陽離子交換膜之第二 電極。該設備可以進—步包括一定位於該單元堆疊中且 建構及配置成用以重新導引稀釋流體流及濃縮流體流中 之至少一者經過該電淨化設備及用以防止該第一電極與 該第二電極間之直流路徑的阻擋間隔物。如上所論述， 該阻撐間隔物可以建構及配置成用以減少在該電淨化設 φ 備中之電流無效率。 可以將用於該電淨化設備之該單元堆疊圍住在一殼 體中，且該單元堆疊之周圍的一部分固定至該殼體。可 以將一框架定位在該殼體與該單元堆疊間，以在該殼體 中提供第一模組組件。亦可以在該殼體中固定一第二模 組組件《在該第一模組組件與該第二模組組件間亦可以 放置一阻擋間隔物。一流量重新分配器可以存在於該單 元堆疊之一或多個隔室中。該等隔室之至少一者可以建 φ構及配置成用以在該隔室中提供回流。一托架組合件 (bracket assembly)可定位在該框架與該殼體間，以提供 對該模組組件之支撐及在該殼體中固定該模組組件。 朝該第一方向之流體流動可以是一稀釋流及朝該第 二方向之流體流動可以是一濃縮流。在某些實施例中， 以極性反向之使用（其中使所施加之電場反向，因而反轉 流的功能）’可以將朝該第一方向之流體流轉換至一濃縮 流及可以將朝該第二方向之流體流動轉換至一稀釋流。 玎以將由間隔物所隔開之多間隔物組合件固定在一起，

S -19- 201226329 以形成一堆疊單元對或—膜單元堆疊。 本揭露之電淨化設備可以進一步包括一 塊，殼體。料元堆疊之周圍的至少-部：=電:也 容器。一框架或支撲έ士；+ 固疋至β玄 爻棕…構可疋位在該容器與誃 間’以對該單元堆疊提供額外支撐。該樞：：兀隹： 容許液體流人及流出該單元堆疊之人σ 2 H y y_ Lr- -At* T7 _V_1_ S 出口歧

&。該框•及該單元堆疊可以—起提供—電淨 組組件。該電淨化設備在可以進—步包括固定在該殼體 中：-第二杈組組件。—Μ隔物(例 >，一阻擋間隔物) 可定位在該第一模組組件與該第二模組組件間。一第一 電極可定位在該第一模組組件之相對於與該第二模組組 件相通之一端的端》—第二電極可定位在該第二模組組 件之相對於與該第一模組組件相通之一端的端。 一托架組合件可定位在該第一模組組件、該第二模 組組件或兩者之框架與容器間。該托架組合件可以對該 等模組組件提供支撐，以及提供對該容器之固定附著。 φ 在該揭露之一實施例中，可以藉由將一膜單元堆疊放在 一殼體或容器中來組合該電淨化設備。可以在該單元堆 疊之每一端上提供端板。可施以黏著劑而將該單元堆疊 之周圍的至少一部分密封至該容器之内壁。 在該揭露之某些實施例中，提供一種電淨化設備， 其減少或防止因較大電力消耗所造成之無效率。本揭露 之電淨化設備可以提供，多流道流動配置，以減少或防 止電流無效率。該多流道流動配置可以藉由去除或減少 在該電淨化設備之陽極與陰極間之直流路徑’減少電流

-20- S 201226329 經由該等流動歧管之旁通或電流洩漏。在該揭露之某此 實施例中，可以調整、重新分配或重新導引在—隔室内 之流動，以在該隔室内知供k體與膜表面之較大接觸 該隔室可以建構及配置成用以重新分配在該隔室内之流 體流動。該隔室可以具有可提供用以重新分配經由該隔 室之流動的結構之障礙、凸部、突出物、凸緣或撐板。 該等障礙、凸部、突出物、凸緣或擋板可以形成做為離 子交換膜之部分及該間隔物’或者可以是一在該隔室内 #所提供之額外個別結構。在至少一個實施例中，一膜或 阻擋間隔物可以是實質非導電的，以便影響在該系統内 之電流流動。 在本揭露之一些實施例中，提供—種用以固定或接 合離子交換膜及任選地固定或接合間隔物以製造用於電 淨化設備之膜單元堆疊的方法。該方法可以提供在電淨 化設備（例如，又流電透析（ED)模組組件）中所使用之多 陰離子交換膜及陽離子交換膜之固定。

製備一用於電 可以包括將— 。一間隔物可 換膜間，以形 備中時，此間 一隔室。複數 。在某些實施 以彼此固定該 該等間隔物組 在該揭露之某些實施例中，提供—種 淨化設備之第一單元堆疊的方法。該方法 第一離子交換膜固定至一第二離子交換膜 定位在該第一離子交換膜與該第二離子交 成一間隔物組合件。當使用在一電淨化設 隔物組合件界定一可以允許流體流動之^ 個離子交換膜可彼此固定提供一連串隔室 例中，可以建構複數個間隔物组合件及可 等間隔物組合件。一間隔物可定位在每一

-21- S 201226329 合件之間。在此方式中，建構—連串用於電淨化設備之 隔室，以允許在每一該等隔室中朝一或多個方向之流體 流動。 定位在該等隔室内之該等間隔物可以提供結構用以 界定該等隔室，以及在某些範例中’可以協助導引流體 流經該隔室。該等間隔物可以由聚合物材料或其它容, 之流體流動的材料所製成。 物可以建構及配置成用以重 室内之流體流。在—些範例 狀（mesh-like)或筛網（screen) 望流體流經該隔室。該間隔 新導引流體流動及電流中之 。該間隔物亦可以建構及配 多流體流動階段。該間隔物 一特定方向重新導引流體流 特別方向重新導引電流流動 陽極與陰極間之直接路徑。 可以促進電流流經—單元堆 堆疊之電流旁通。—包括一 阻擋間隔物。該阻擋間隔 或者可定位在一第一單元堆 '單元堆疊或第二模組組件 一期望結構及在該等隔室内 在某些實施例中，該等間隔

新導引或重新分配在該專隔 中，該間隔物可以包括一網 材料，以提供結構及容許期 物可以建構及配置成用以重 至少一者，以改善製程效率 置成在一電淨化設備中產生 可以包括一固體部分，以朝 動。該固體部分亦可以朝一 及防止在一電淨化設備中之 在一些實施例中，一間隔物 登及通常阻礙相對於該單元 固體部分之間隔物可以稱為 物可定位在一單元堆疊内， 登或第一模組組件與一第二 間〇 該複數個離子交換膜 膜間交替，以提供一 在 些貫施例中，彼此固定之 以在陽離子交換膜與陰離子交換

-22- S

依據一 或多個實施 201226329 連串離子豨釋隔室與離子濃縮隔室。該等膜 是任何合適幾何，以便可以在一單元堆疊 膜。在某些實施例中’可以期望在該單元堆 定數目的角落或頂點’以便在一殼體中適當 元堆疊 「『. _____，一卜立, 具有不同於其它膜之幾何。可以選擇該等思 協助彼此固定該等膜、固定在該單元堆疊户 固疋在杈組組件或模組組件内之膜、固灵 構内之膜、^ 固弋一群組膜（例如，一單元堆 及固定一植έΒ z 、a '、·且件或模組組件至一殼體中3 可以在該等贈 ^勝、間隔物或間隔物組合件之月 一部分上固食七 一加、 5亥等膜、間隔物及間隔物組< 一。[^分可以θ Λ 非連續 疋孩等膜、間隔物或間隔物組4 人件度。破選擇用以固定該膜、間隔來 口仵之周111 Μ Α 動之邊界或邊：分可在一預定方向上提供11 依據一 Μ _ Μ. ± .—夕個貫施例，在此所論述之3 异有任何期望 ^ 在一此眘^ 目之離子交換膜、單元對矣 ‘夏知例Φ 單元堆疊。 一種電化學分離系統可r 一插啼· 其它實施例中，例如’在模έ且· -ib Ψ ^ . 系統可以包括兩個或更多j 之分離模組έ ，母一單元堆疊可以包含在_ 可製造性。、且件中。模組化可以提供設計弓 例’一種電化學分離 -23- 之幾何可以 内固定該等 疊上之一特 地固定該早 特定膜可以 之幾何，以 之間隔物、 在一支撑結 )至一容器 至少一者。 圍或邊緣的 件。周圍之 件之連續或 或間隔物組 直接流體流 元堆疊可以 流動隔室。 包括一單一 i實施例中， 元堆疊。在 在此所論述 性及容易的 :系統可以包 201226329 括一第一電極；一第二電極；一第一電化學分離模組組 件，其具有一第一單元堆疊，該第一單元堆疊界定複數 個交替的耗乏隔室及濃縮隔室且以一第一框架來支撐， 該第一電化學分離模組組件定位於該第一電極與該第二 電極間；以及一第二電化學分離模組組件，其與該第一 電化學分離模組組件合作，該第二電化學分離模組組件 具有一第二單元堆疊，該第二單元堆疊界定複數個交替 的耗乏隔室及濃縮隔室且以一第二框架來支撐，該第二 φ 電化學分離模組組件定位於該第一電化學分離模組組件 與該第二電極間。該第一單元堆疊被該第一框架所包 圍，以及該第二單元堆疊被該第二框架所包圍。在一些 實施例中，以並列方式流動性地配置該第一及第二電化 學分離模組組件。該第一及第二電化學分離模組組件之 每一者可以是屬於單一構造或者它們本身可以由子區塊 所建構而成。該第一及第二電化學分離模組組件可為可 移除的。在一些實施例中，一阻擋間隔物可定位在該第 φ —與第二電化學分離模組組件間。如下所述，每一該等 框架可以包括一歧管系統及/或一流量分配系統。該第一 及第二電化學分離模組組件可以例如以一托架組合件安 裝在一容器中。該系統可以依據預期應用及各種設計元 件包括二、三、四或更多個模組組件。一待處理水源可 以流體連接至該容器之入口。該等耗乏隔室及濃縮隔室 之每一者可以具有一與該容器之入口流體相通之入口。 在一些非限定實施例中，該等耗乏隔室及濃縮隔室 中之至少一者包括一流量重新分配器。在一些實施例 -24- 201226329 中，配置該系統，以便流經該等耗乏隔室之流方向係不 同於流經該等濃縮隔室之流方向。在至少一個實施例 中，可以配置該系統，以便流經該等耗乏隔室之方向係 實質垂直於流經該等濃縮隔室之方向。該第一及第二電 化學分離模組組件可以配置成在該系統内有助於多流道 流動（multi-pass flow)。 依據一或多個實施例，一種組合一分離系統之方法 可以包括：在一容器中安裝一第一電化學分離模組組件 φ 於一第一電極與一第二電極間，該第一電化學分離模組 組件具有一被一第一框架包圍之第一單元堆疊；以及在 該容器中安裝一第二電化學分離模組組件於該第一電化 學分離模組組件與該第二電極間，該第二電化學分離模 組組件具有一被一第二框架包圍之第二單元堆疊。該方 法可以進一步包括配置一阻擋間隔物於該第一與第二電 化學分離模組組件間。可以在安裝在該容器中前測試每 一者該第一及第二電化學分離模組組件的性能。一待處 φ 理水源可以流體連接至該容器之入口。 依據一或多個實施例，可以在一第一電極與一第二 電極間插入一、二或更多個模組組件。在一些實施例中， 兩個模組組件可以在該系統中實質彼此相鄰。在其它實 施例中，一阻擋間隔物可定位在兩個相鄰模組組件間。 在至少某些實施例中，在一分離系統中之模組組件可以 不具有一專屬組電極。取而代之，多模組組件可定位在 一单對電極間。 依據一或多個實施例，一電化學分離模組組件可以 -25- 201226329 包括一界定複數個交替的耗乏隔室及濃縮隔室之單元堆 疊與一支撐系統。該支撐系統係配置成用以維持該單元 堆疊之垂直對齊。該支撐系統在一些實施例中可以是一 框架。一框架可以至少部分包圍該單元堆疊。在其它實 施例中，該框架可以實質包圍該單元堆疊。在一些實施 例中，一框架可以包括一配置成有助於流體流經該單元 堆疊之歧管系統。一歧管系統可以包括一入口歧管及一 出口歧管。一歧管系統可以從一中心系統歧管傳遞製程 φ 液體至它所作用之一個別模組組件。一歧管系統可以包 括一與每一耗乏隔室之入口及與每一濃縮隔室之入口流 體相通之入口歧管。該歧管系統可以進一步包括一與每 一耗乏隔室之出口及與每一濃縮隔室之出口流體相通之 出口歧管。該歧管系統可以配置成用以經由該出口歧管 向下游傳遞已處理液體。該歧管系統之至少一部分可以 與該框架整合或者成為一與該框架分離之結構。在至少 一些實施例中，該歧管系統可以建構及配置成用以防止 φ 在一模組組件.中稀釋及濃縮流之混合。該歧管系統可以 流動性地隔離及維持與一堆疊關連之稀釋及濃縮隔室的 出口之分離。 在一些實施例中，一支撐系統（例如，一框架）可以 包括一流量分配系統。該流量分配系統可以是該歧管系 統或一分離系統之一部分。該流量分配系統可以與該歧 管系統流體相通及可以配置成促進對一單元堆疊之均勻 流量分配。該流量分配系統可以與每一耗乏隔室之入口 及與每一濃縮隔室之入口流體相通。在一些實施例中， -26- 201226329 。玄:里刀配系統之至少一部分為構成整體必須的框架。 在其它實施例中，該流量分配系統之至少一部分可以與 名框架唧合。在—些實施例甲，該流量分配系統之至少 分包括一可移除地被該框架收納之嵌入件 (insert)。這是為了該流量分配系統之—或多個特徵的容 易可製造性。該歧管及/或流量分配系統之一或多個特徵 可以例如經由一嵌入件結構整合至該框架中。在一些實 施例中，一流量分配系統可以與該單元堆疊之每一入口 ^及出口 °即合。在一些實施例中，一框架可以包括一與該 單元堆疊之至少一側相連之嵌入件。在至少一些實施例 中’一框架可以包括一與該單元堆疊之每一側相連之嵌 入件。例如，一矩形電池塊可以包括四個嵌入件。該歧 管系統及/或流量分配系統或其組件可以與一單元堆疊 之每一側相連。

依據一或多個實施例’可以建構及配置與一模組組 件框架相連之流量分配系統或嵌入件，以供應待處理液 體至一單元堆疊之稀釋及濃縮隔室的入口。該流量分配 系統或嵌入件可以進一步建構及配置成用以接收及流動 性地隔離與該單元堆疊之稀釋及濃縮隔室相連的出口 流。該流量分配系統或振入件可以保持稀釋及濃縮出入 流分離。可以依據一或多個實施例實施能具有預期功能 之里分配糸統的各種設计。根據該單元堆疊之性質， 隔室入口及出口可定位在該單元堆疊之—或多側上。在 一些實施例中，隔室入口及出口可定位在該單元堆疊之 所有側上。該框架（包括歧管系統及流量分配系統）之設 201226329 計可配置成使其可以在任何方位容納 彈性亦可以將嵌入件或流量分配器插 且與該單元堆疊之任一側相連。一嵌 可以被插入及適用以提供待處理流體 以及流動性地隔離及維持該單元堆疊 者，如在此論述，該嵌入件或流量分 配置成用以改善該整個模組組件之電 在一或多個實施例中，可以操控 φ 通路徑，以促進電流沿著一經由一單 流動，以便改善電池效率。在一些實 及配置一電化學分離裝置，以便一或 經由該單元堆疊之直接路徑迂迴曲折 例中，可以建構及配置一電化學分離 個旁通路徑呈現比一經由該單元堆疊 抗。在包含一模組化系統之一些實施 別模組組件，以促進電流效率。可以 φ 件，以提供一將促進電流效率之電流 定實施例中，一模組組件可以包括配 效率之一歧管系統及/或一流量分配系 施例中，可以建構及配置一包圍在一 件中之一單元堆疊的框架，以提供-徑。在一些實施例中，可以配置與該 歧管或流量分配系統之組件）相連之嵌 效率。 依據一或多個實施例，可以建構 該單元堆疊。為了 入該框架之任一側 入件或流量分配器 至該堆疊之多隔室 之分離出口流。再 配器亦可以建構及 流效率。 一經過一堆疊之旁 元堆疊之直接路徑 施例中，可以建構 更多旁通路徑比一 。在至少某些實施 裝置，以便一或多 之直接路徑高之阻 例中，可以配置個 建構及配置模組組 旁通路徑。在非限 置成用以促進電流 統。在至少一些實 電化學分離模組組 -預定電流旁通路 支撐系統（例如，一 入件，以促進電流 及配置該歧管系統 «% -28- 201226329 久竑风置力、乐既〒之至少一 效率。該流量分配系統可以包 失之至少一個旁通路徑。該流 在一第一方向之複數個第一流 進一步包括定向在一第二方向 道流體相通之複數個第二流體 該第一與第二方向可以是大致 可以包括一嵌入件，其中該框 Φ該嵌入件之凹部。在至少一些 界定一配置成用以促進對該單 栅格結構（lattice structure)。 在一些非限定實施例中， 該單元堆疊之第一側及一相對 嵌入件在該第一及第二侧中之 個埠（ports)。在一些實施例中 縫或凹槽。在該嵌入件之一側 Φ不同的。在一些實施例中，該 埠可被大致定向為垂直於該單 及該嵌入件之第二側上的每一 該單元堆疊之離子交換膜。在 上之至少一埠與該單元堆疊之 通。可以在該嵌入件之一側上 可以作用一或多隔室。在一些 置一單元堆疊，以相對於界定 的表面面積達成至少約8 5 %流 者，以改吾一棋組組忏I 括配置成用以減少電流損 量分配系統可以包括定向 體通道。該流量分配系統 且與該複數個第一流體通 通道。在一些實施例中， 垂 直 的 0 該 流 量 分 配 系 統 架 界 定 一 配 置 成 用 以 容 納 實 施 例 中 ， 該 嵌 入 件 可 以 元 堆 疊 之 均 勻 流 旦 里 分 配 的 該 嵌 入 件 可 以 具 有 一 緊 鄰 於 該 第 — 側 之 第 二 側 〇 該 至 少 一 者 上 可 以 包括 複數 y 該 至 少 一 些 埠 可 以 是 狹 上 相 對 於 另 一 侧 上 的 埠係 嵌 入 件 之 第 一 側 上 的 每 一 元 堆 疊 之 離 子 交 換 膜 > 以 埠 可 被 大 致 定 向 為 平 行 於 一 些 實 施 例 中 該 第 一 側 兩 個 或 更 多 個 隔 室 流 體 相 交 錯 安 排 複 數 個 埠 Ο 埠 實 施 例 中 5 可 以 建構 及 配 該 單 元 堆 疊 之 離 子 交 換 膜 體 接 觸 0 該 等 粍 乏 隔 室 及 -29- 201226329 濃縮隔室中之至少一者可以包括一阻擋間隔物 新分配器。在一些實施例中，一單元堆疊被配 流經該等耗乏隔室之方向不同於流經該等濃縮 向。在至少一個實施例中，該單元堆疊被配置 經該等耗乏隔室之方向係大致垂直於流經該等 之方向。 依據一或多個實施例，一電化學分離模組 包括一配置成用以促進在一單元堆疊内之均勻 的流量分配器。該流量分配器可以整合至一包 堆疊之框架或歧管的結構。在其它實施例中， 分該流量分配器可以配置成與該框架或歧管唧 量分配器可以包括一可移除地被該框架收納之 該模組組件可包括一或多個流量分配器。在一 中，一流量分配器可以與該單元堆疊之一或多 在至少一些實施例中，一流量分配器可以與該 之每一側相連。該單元堆疊之每一侧可以具有 φ 量分配器。一流量分配器可以配置成可移除地 學分離裝置來收納。可以使用阻擋薄膜，使多 配置成為可能。 依據一或多個實施例，一用於電化學分離 配器可以包括定向在一第一方向且配置成用以 至一電化學分離裝置之至少一個隔室的複數個 及一定向在一第二方向之複數個第二通道，該 二通道與該複數個第一通道且與一與該電化學 相連之入口歧管流體相通。在一些實施例中， 或流量重 置成使得 隔室之方 成使付流 濃縮隔室 組件可以 流量分配 圍該單元 至少一部 合。該流 嵌入件。 些實施例 側相連。 單元堆疊 一專屬流 以該電化 流道流量 之流量分 傳送給料 第一通道 複數個第 分離裝置 該第一方 -30- 201226329 向係大致垂直的。在至少一實施例中，該第二方 致水平的。該複數個第一通道可以並列方式配置 少一實施例中，該複數個第二通道可以並列方式 在一些實施例中，至少一個第一通道與至少一^ 相交。一阻擋構件可定位在一第一通道與一第二 父又處。該複數個第一通道及該複數個第二通道 置成用以減少在該電化學分離裝置内之電流洩漏 些非限定實施例中，該複數個第一通道可配置成 φ數個第二通道界定一格子結構。 依據一或多個實施例，一流量分配器可以具 置成緊接該電化學分離裝置之一單元堆疊的第— 分配器可以包括在該第一側上的複數個槔。所靖 置分配器可以具有一配置成相對於該第一側且之 及可以在該第二側上具有複數個埠。在一些實施 該第一及第二側上之該複數個蟑可以包括狹縫或 在至少一實施例中，在該第一及第二側上的該等 #不同。在一些非限定實施例中，可以使該第—側 一埠定向成大致垂直於該電化學分離裝置之隔室 使S玄第二側上之每一埠定向成大致平行於該電化 裝置之隔室。該第二側上之複數個埠可以配置成 一側上之複數個埠分配流體流。在一些實施例中 一側上之至少一埠可以與該電化學分離裝置之兩 多隔室流體相通。在一些實施例中，可以交錯安 第一側或該第二側上之複數個埠。該流量分配器 構及配置成用以促進電流流至該電化學分離裝置 -3 1- 向係大 °在至 酉己置。 二通道 通道之 可以配 0 在一 以該複 有一配 側。該 之該流 第二侧 例中， 凹槽。 埠可為 上之每 °可以 學分離 對該第 ，該第 個或更 排在該 可以建 之操作

S 201226329 表面。一個埠可以與兮泣 、这抓頁分配器相連。該埠相 流量分配器可以具有不同 1 ^ δ| + β 、 位置。该流置分配器相對於矽 流量分配器大致中間處可以 1對於》亥 歧管至該電化學分離裝置 逛攸这入口 ^ t, 石 之隔至的均勻流量分配。在豆 匕只施例申，一埠可以相對 '、 τ於该流罝分配置偏移。 依據一或多個實施例， 』^在最後組合成一雷4卜與 分離糸統前，為了品質控 .._ 匕于 成一模組組件或子區塊。 乂形 黏著劑或其它方法來形成 …、接。 坚貫她例中，可以右、、目丨丨 試一子區塊之單元對後，組 “ 口 又机模纽組件。可以力 一外忒之壁上嵌入複數個蜂 .、备 以在插作期間容許多重傾 卸(二，ping):在—叉流模組組件中，可以具有在一外殼 或谷器中堆璺及包裝之大 盥吵算覃…“ 里早几對。可以使封膠(seals) ，、“兀對相連’以界定流動路徑。如果甚至該等封 膠中之一故障，則該整個模組組件可能視為不可3 的。依據一或多個實施例，可以在堆疊所有該等單元對， 以形成一較大模組組件或丰 & 干及糸統刖，使用子區塊之單开 對，偵測缺陷封膠。在一此實 ^ 解成複數個堆（每一堆係封裝 對刀 合前確定封膠完整性。在^ ^ 取设、，且 r在一些貫施例中，該封裝 以使用一0型環或一墊圈，以機械地連接-子區塊至另 :子：塊或一電極而沒有任何内部交又浪漏或 漏。框Θ設計彳α有助力濃縮流體之多重傾 (mUltl/dUmpS) ’以便針對-特定操作條件可以製造、r 存及輕易地配置一標準子余&灰 丁 知半子£塊成母一模組組件有任何期

S -32- 201226329 望數目之流道及傾卸。框架設計可以促進均勻流量分 配、稀釋與濃縮流之隔離及電流效率。

依據一或多個實施例，一框架可以堅固地支撐—堆 單元對之侧邊，以維持對齊。垂直狹縫可以連接入口及 出口歧管至該等流動隔室。此可以在流動隔室之整個寬 度上促進均勻流量分配及減少從隔室至歧管之電流洩 漏。可以將在-堆之端上的薄膜以0型環或其它機：固 定及密封至該框架。—框架可以*彡個部分所組合或者 可以整合（模製）成為一個部件。每一模組組件可以做為 一具有一密封在模組組件間之阻擋薄膜的流道。緊鄰端 塊之模組組件可以藉由薄膜與電極隔室分隔及亦可以像 以〇型環或黏著劑來密封。一模組組件框 不故一棋組組 件框架之歧管糸統通常可以包括一或多個稀釋璋及一 多個濃縮埠。該等埠可以是在該框架上或太 ^ " 必在—嵌入件 上。該模組組件框架亦可以包括一流量分配系統，其可 以包括可移除地以該框架來收納之一或多個嵌入件咬流 量分配器。該框架可以包括具有用以收納礙入件之大小 及形狀的一或多個凹部。該整個框架及模組組件設計可 以配置成用以減少旁通電流。一旁通路徑可以是迁曲的 及呈現比一經由該堆之直接路徑高之電阻。在—此作限 疋貫施例中’電流可以精由沿者该荨水平歧管、纟a由下面 一半狹縫流至該埠歧管、沿著該上水平歧管返回及經由 上面一半狹缝返回至該堆中只繞過該堆。 依據一或多個特定非限定實施例，如第丨圖所示， 可以在一單一構造之框架1 2 0中以4個側面圍住一堆疊 201226329 11 0單元對，以形成模組組件1 〇 〇。第2及3圖呈 Α-Α之示圖。為了清楚起見，增大該等流動隔室見刮面 薄膜之厚度。在框架部份的一組歧管經由定向為及场等 膜表面的溝槽陣列而提供進給至稀釋隔室之入〇垂直於 等稀釋隔室之出口上，生成水流經—第二陳 在該 干t狹縫 進入在該圖之右侧的框架剖面中之一篦_〜 > 、嘴及 乐一組之歧營。 垂直於剖面A-A之剖面將顯示用於該等濃縮隔室 〜 配置的歧管及狹縫。 < 相同 如第2圖所示’可以藉由在該堆與該框 之密封使至該等稀釋及濃縮隔室之入口洛山 间 ^ 久K 口彼此陪 離。此密封可藉由像黏著劑、熱結合或其組合 知 〇 谷^種 術而達成。第4圖顯示密封該等角落之— 议 iu乃/¾•。將堆 逢410插入框架420中及施加一裝填黏著劑至該堆疊々μ 與該框架420間之間隙，以形成模組組件4〇〇。在$已訊 置該黏著劑後，使該堆及框架旋轉9〇。及裝填下一個叹 落等。再者，可能必需在-高溫下硬化，以完全產= 黏著劑之特性。在另一情況中’可將—足夠低黏度之溶 化熱熔黏著劑施加至該等間隙中，直 直則襞填所有4個角 洛 ||" 0 上述整個設計之框架可以適合數個 . M叨旎。它可以維 得在該堆疊中之單元對的對齊。 ^ n J錯由減*少該等流動隔 至及该等薄膜之厚度’降低在一 E D裝置中之能量消耗。 ㈣技藝裝置之目前情況中的流動隔室(薄膜間距離)可 二至0.38随（0.015〃），*薄膜厚度可低至3〇微米 (ο·。。由這樣薄且彈性組件所組合之_堆12〇〇個單 201226329 元對具有非小的剛性及應該根據側移（lateral shifting)來 支撐。此問題在需要壓縮以密封該堆之組件以及依賴側 支樓通道及繫桿（tie-bars)來使該堆對齊之傳統板框裝置 中特別嚴重的。縱使以黏著劑或熱接合密封該等堆組件 及在一圓筒形容器中容納該整個堆，該問題仍然存在一

气裝置中° 5亥專狹縫可確保使流量均勻地分配在每一 稀釋隔室之入口，其中當適當地設計，該等狹縫連接該 等入口及出口歧管至該等流動隔室。沒有必要使該等狹 t個別隔室之入口對齊。該等狹縫減少從該堆至該等 =二及出> 口歧管之電流洩漏所可用之面積及因而減少繞 :该堆薄膜及電池之電流的部分。電流旁通減少電流效 =根據法拉第常數96,498庫倫/當量，所需理論電流/ 耗。、彳里貝際屯流）及增加生成物之每單位體積的能量消 ,,”匕改善電流效率之方法包含使用阻擋薄膜或間隔 之多流道模組組件配置的使用。 在另一實施例中，可修改該等狹縫之配置，以在該 縫内放置阻塞物(bl〇cks)來進一步減少電流洩漏及 改善電流效率。第5圖顯示在—具有垂直定向之入 出口的框架52〇中包括—堆51〇單元對之模組組件 。第6圖係顯示流1 产 追 爪1之机動路徑的剖面圖。從該入口 ’液體經由並列之3個水平入口 & 流動隔室，其中垂直狹缝#接 5 5" 之 且狄縫係接在該3個水平入口歧管後 。從該堆疊，液體經由另一 導士 、，且垂直狹缝及3個出口歧 &流入該出口琿。 然而’第7圖顯示電流可能藉由從該堆埠710之一 201226329 端經由該等垂直狹縫流至其另—端而繞過該堆埠7 1 0。 第8圖顯米關於模組組件8 0 0之狹縫變型的一非限定實 施例。可以在該等狹縫中放置障礙物或阻塞物，以強迫 旁通電流採取一更迁曲路徑及因而增加在該旁通路徑中 之電阻。在一些實施例十，可以在該等狹縫中放置像水 平阻塞物之阻塞物。 在一些實施例中，該等水平阻塞物在每一狹縫中不 是在相同位置，否則，可以使一或多個流動隔室與該等 ®入口或出口歧管70全阻絕。第9圖顯示如何交錯安排阻 塞物930，因而只阻擋至任何既定流動隔室之入口或出 口的小部分。藉由该薄膜間栅網之適當設計仍然可達成 在該隔室中之均勻平均流速。在一些實施例中，如果以 一體成形機製或模製該框架（此限制該等阻塞物之數目 及位置），則可以使該等交錯阻塞物皆與該等水平歧管中 之一對齊。 4供表μ Ί二不叫汉负錄寻狄 縫。分別製造及插入包含有兮璧朴β , τ 3有連#狹缝及水平阻塞物之柵 格（grids)於框架1020中做為筮 Ί又马弟1 0及11圖所示之流量分 配器1050。因而，阻塞物夕虹α „ 土物之數目及位置更具彈性。可以 陣列或隨機方式配置該等阻塞物。 可由具有必要機械特性及對ED所要離子化之液體 的化學相容性之材料製造哕 . m 。"杧本。在像海水之淡化的應 ^ ^ . 材科之抗蝕性及低成本，它們係 (ΡΕ, ^包括聚氣乙烯（pvc)、聚乙烯 (Ph)、聚丙浠（pp)、聚驢 釅知（M或尼龍）、丙烯睛_丁二烯 ~36- 201226329 -苯乙稀（ABS)、聚颯或塑膠之混合物，例如，變性聚氧 化二曱苯（Noryl) ’其係聚苯醚（PPO)與聚苯乙稀之混 合物。為了化學抗性以及機械及熱特性之扭 |二托咼，可以加 入像玻璃纖維之強化填料。 在一些實施例中，該框架可使用像機械加工及/或射 出成型之方法來製造。此外’可使用像立體微影技術 (stereolithography)、3D 印刷（3D printing)、熔融擠製成 型（fused deposition modeling)沈積之快速成型（rapid Φ PrototyPing )技術來製造該框架。在另一實施例中，如 第1 2圖所示，由以黏著劑、熱或機械方法或其組合所接 合之4個部分來組合該框架丨220。該等部分係使用像上 述相同材料及方法來製造。 特別是如果由數個部分組合該框架，該框架可依需 要夠深以容納在一堆中之單元對的數目（見第2圖中之高 度‘‘ D ’’）。要容納例如具有〇. 3 8 m m (0.0 1 5 ")之薄膜間距離 及30微米（〇.〇〇 12")厚之薄膜的一堆1220單元對，該框 • 架之深度必須為約0,984m(38.74")。 然而’對於這樣的組合之製造可能有實際限制。可 能很難將一具有大量單元對之堆插入一深框架中。在堆 中之彈性薄膜及柵網最初僅以黏著劑或熱密封來連接， 因而該堆沒有剛性。裝填該等角落可能變得更難，因為 該堆之高度增加了。如第4圖所示，例如需要沿著該堆 與該框架間之間隙的整個長度均勻地施加一裝填黏著 劑。可以不測試在一框架中所組合之一堆中的封膠，直 到装填等角落為止。如果有任何密封故障，可能必須丟 -37- 201226329 棄該整個組合件，此導致材料及勞力之全部損失。 第圖係例如在一具有12〇〇個單元對之3_流这 裝置中的稀釋流的示意圖。具有6個模組組件，每 組組件具有200個單元對。在另一情況中，可以使 模組組件，每一模組組件具有400個單元對。單元 流道數目之許多組合係可能的。此外，該配置可以 對稱的’其中在每一流道中具有不同數目之單元對 發明並非侷限於任何特定數目之單元對或流道。 第1 4圖顯示一模組組件1 400做為另一實施例 15及16圖分別係剖面A-A及B-B之示圖。為了清 見’再次極其放大該等流動隔室及該等薄膜之厚度 一用以分隔該等相鄰薄膜及在流體流經該隔室時增 體之混合的柵網來填充每一隔室。第15圖係在第 中之d面A-A的示圖，其顯示流經該等稀釋隔室 動。在該堆之上面的最後薄膜（AEM)及在下面之最 膜（CEM)延伸超過該堆且以夾子所固定之〇型環 封。這些薄膜使該稀釋流（入口及出口歧管、狹縫及 與在該堆之上下端的最後濃縮隔室隔離。第16圖呈 口至稀釋隔室的特寫圖。第17圖係第14圖之剖面 示圖該浪縮流以並行方式流經所有濃縮隔室，其 該堆之上下端的濃縮隔室。 使用在第15圖之框架的上表面上的外〇型環， 相郇平坦表面密封該模組組件，該相鄰平坦表面 疋則”式裝置之頂板、一上述相鄰模組組件之框架 端板。第18圖顯示例如穿過一模組組件裝置18〇〇 I ED 一模 3個 對與 是非 。本 。第 楚起 0以 加流 14圖 之流 後薄 來密 隔室） 現入 B-B 包括 靠著 可以 或一 之剖 -38- 201226329 面圖，以測試在一模組組件中之封膠的完整 組件夾在兩個板之間^該下板具有一靠著該 架之下表面密封之〇型環。在該模組組件之 環靠著該上板來密封。塞住稀釋出口埠及供 體或氣體至稀釋入口埠。在該等薄膜間之任 任何角落密封的洩漏將導致對該濃縮流之交 使用父又洩漏之存在或速率做為決定模組組 則。苐1 9圖顯示在組合前之一堆端板、模〗 @及分隔薄膜1 9 7 0。可使用例如定位銷使該等 在一些實施例中，每一模組組件可以使 6又计。如以該等夹子之位置描述，可以將單 定位成垂直於單元1及3之框架。在單元i 疊係相同的’但是不同於在單元2中之堆疊 單元1中之剖面A-A的示圖及第21圖係單 分B-B的示圖。在單元1之頂部及底部的最 縮隔室，在頂部之最後薄膜係一延伸或分隔 Φ在底部之最後薄膜係一延伸或分隔CEM。在 在頂部及底部的最後隔室係稀釋隔室，在頂 膜係一延伸CEM，以及在底部之最後薄膜係 離 AEM。 如第22圖之示意圖所示，在該等模組組 及電池與阻擋薄膜的配置允許稀釋及濃縮流 里配置及導致濃縮隔室緊鄰電極隔室。那些 當電極隔室與緊鄰稀釋隔室間之緩衝 cells)。第23圖係一顯示3·流道流經過該等 性。該模組 模組組件框 上面的0型 應一加壓流 何黏合或在 又Ά漏。可 件品質之準 紅組件1900 組件對齊。 用相同框架 元2之框架 及3中之堆 。第20圖係 元2中之部 後隔室係濃 AEM，以及 單元2中， 部之最後薄 一延伸或分 件中之薄膜 之多流道流 濃縮隔室充 電池（buffer 稀釋隔室之 -39- 201226329 組合ED裝置的示圖。第24圖係模組組件1之稀釋出口 及單元2之稀釋入口的詳圖，其描述在模組組件24〇〇間 之阻擋間隔物2470。 垂直於第23圖之剖面的該組合ED模組組件的剖面 圖將顯示3 -流道流經過該等濃縮隔室《可使用在板框Ε〇 裝置中之端上具有螺帽的螺絲桿（threaded rods)(通常， 稱為繫桿（tie_r〇ds or tie-bars)或繫棒）將第19圖及第23 圖所示之ED裝置中的端板拉在一起。該等端板必須對 該等模組組件施加足夠壓縮，以密封該等〇型環。亦可 使用其它設備，以施加壓縮力該等模組組件。一範例係 一位於該堆模組組件之端上的加壓氣囊。該等繫桿可以 配置在该框架之外部（外側），或者，該等框架有足夠的 壁厚’以允許該等繫桿位於該等壁之内部（内側）。為了 整飾或安全理由，可圍住該ED裝置。可例如由熱形成 塑膠板（thermo-formed plastic panels)組合該包殼。為了 安全及結構上的理由，亦可將該ED裝置插入一壓力容 益中。在一些實施例中，該等框架在外部形狀上係方形 的及具有實質固體之壁。如果以射出成型形成該等榷 架，則挖去該等壁之核心，以避免過厚之剖面。在操作 期門、·呈由„亥等模組組件抽取加壓流體，因而為了硬度及 強度可以將加強肋件（reinf〇rcing Ms)加至該壁。該等 t木之外形狀不需是方形的。例如，第”圖顯示—在 外部形狀上係f質圓形且針對射出成型所設計之樞架 2520。其它可能形狀有矩形、六邊形及八邊形。該框架 之邊在長度及數目上亦可是非對稱的。 、 S. -40- 201226329 第26圖顯不6個模組組件2600在兩個模製端板 間’其全部容納在—圓筒形容器268〇(顯示成透明的） 中在該等^板上之Ο型環靠著該圓筒在端上之内壁來 山封°亥圓筒具有多個功能，其包括模組區塊在組合期 間之對齊；當在操作期間加壓該ED裝置内之流動隔室 及歧&時’對該等圓形框架之結構支撐；如果在該等模 組組件間及在該等單元與該等端板間之任何Ο型環有洩 漏，可防止外部洩漏；以及做為一整飾遮蓋物。如果以 _ :夠硬度及強度來設計及製造該等框架，則該圓筒形容 益可以是不必要的。可以使用一或多個非結構整飾遮篕 物以圍住该等模組組件。第27及28圖之每一者描述 在久有一框架下將一模組組件插入一圓形包殼中。第29 及3〇圖描述一建構成具有—包含狹缝3〇9〇之框架3〇2〇 的模組組件。 本發明並非侷限於電透析設備。以使用一具有可插 入單元對之狹缝的模組框架之具有多流道的叉流配置， φ亦可建構其它像電去離子（EDI)或連續電去離子（cedi) 之電化學去離子裝置。 在叉流電透析（ED)及電去離子（EDI)裝置中，稀釋及 /辰縮流朝彼此垂直之方向流動。可能應用包括來自石油 及瓦斯生產之海水、鹹水及鹵水的淡化。 又流模組組件可以使用各種設計及製造方法，在一 些非限定實施例中，可以將模組組件併入一容器中。在 至少一非限定實施例中，該容器實質上是圓筒形的。第 27圖描述一 50個單元對模組組件。在此設計中，如第 -41 - 201226329 2 8圖所示，開放入口及出口歧管係與該等流動隔室直接 流體相通。該等開放歧管減少每一流之壓力降，但是從 一電極至另一電極的電流之部分會藉由流經該等開放區 域而繞過該堆單元對。該旁通電流減少電流效率及增加 能量消耗。為了 NaCl溶液之淡化，可以計算電流效率如 下：

„ _ i^d )i„ Cin - (^d )〇ut C〇u, W 7 _其中： T|i=電流效率 (qd)in =每一稀釋隔室在入口處之流速 (qd)out =母一稀釋隔室在入口處之流速 Cin =在稀釋入口處之濃度 Cout1^在稀釋出口處之濃度 Z =價數=對NaCl為1 F=法拉第常數 修1=電流 對於海水之淡化，可以計算電流效率如下： [(^ )ίπ (Σ cizi )ίπ - )- (Σ L· w _ _ i i -1- 其中：

Ci =個別離子之濃度 z i =個別離子之價數 -42- 201226329 對於NaCl溶液，可、 „ _(<ld)〇,ACm~c〇m)zF 以界定“製程效率ηρ”如下： — J ' 該製程效率通常小於 „ A(qd)CinzF "或等於該電流效率：

n--J 其中： △ (qd)=因電滲透或渗 之速率 遷所造成之從該稀釋隔室的水損失

在 有邊上 框架可 釋及濃 室。在 入口及 之角落 漏、淡 個區塊 阻擋薄 一些實施例中 Λ Τ ’系統及方法 支撐I元對之堆疊。如第 以具有垂直狹鏠其中該等 縮流之入口及出口歧管至在 這樣的設計之預期益處中， 出口處的開放區域來減少電 處裝填一單元對之堆疊，以 化效能及壓力降被檢查之模 ，以形成一 ED模組組件。 膜’以導引該稀釋及/或濃縮 可以藉由 29 及 30 垂直狹縫 該堆中之 藉由去除 一框架在所 圖所示，該 連接該等稀 個別流動隔! 在至該堆之 流旁路。在一框架中 形成一可 組子區塊 可在該等 流成為多 針對交又茂 。可堆疊多 區塊間插人 流道流量分 配。第3 1圖描述在一理想電化學分離系統中之傳送裎 序。第32圖描述在一電化學分離械中之包含電流無效率 的傳送程序及第3 3圖描述在一電化學分離系統中之包 含電流無效率與水損失之傳送程序。 第34圖描述藉由從該堆之一端至另—端流經在該 框架與該堆疊間之間隙及該等垂直狹縫，電流仍可繞過

-43- S 第36圖係

弟 37 圖 201226329 該堆。因此，經由該等狭縫之電流旁通係重要的 一或多個實施例’方法可以減少在叉流ED裝置 流旁通。在一呰實施例中’在一子區塊框架中之 道可以減少繞過該堆之電流的部分及因而增加 率。該等通道β以連接該等入口及出口埠至在該 對中之流動隔室9第35圖顯示在一子區塊框架内 通道的流體容積。例如’流1在一入口槔進入該 經由格子狀通道（a lattlce of passages)流入該堆疊 φ 簡化起見，以/透明區塊來表示在該堆中之流體 以薄膜及柵網界定在該堆疊中之流動隔室的實際 積。流1從該堆經由第二柵格狀通道流至出口埠 2定位成垂直於流1，除此之外，流動通道之設計 的。 ·-» V W I |*=*J w 月于 口埠之流量以it行方式分配至一些水平通道。 通道轉而分配它的流量部分經由垂直通道分配 之一些流動隔室。在該等流動隔室之出口處， 反順序（垂直通道~>水平通道—出口埠）允許涂 子區塊。 、电机可只經由一連串^ 平通道從該堆之一端流至另一端；該等水平 該等璋歧管彼此流體相冑。具有兩組旁 路徑經由該入口埠歧管及另-旁通路徑經由: 管。嵌入件3795包括入口歧管3797。 〜 因此’可將經由該子區塊之電流路徑 。依據 中之電 流動通 電流效 堆單元 之流體 框架及 0為了 容積。 流體容 °將流 係相同 自該入 一水平 %堆中 道之相 ^開該 直及水 只經由 —旁通 D埠歧 201226329 有3個並聯電阻涔 ^ OD . 益之電路；一電阻器係在該堆中之早兀 對的電阻及复夕A & & l ^ 兩個電阻器係該旁通電流之兩組路徑的 阻抗。 藉由。亥等通道之適當塗料，可顯著地使該旁通電流 之适迴路把的雷P曰 rrt 刃％阻比鉍由該堆之直接路徑的電阻尚。因 此會強追該電流之大部分流經該堆疊。在至少一些實 施例中°玄電流之至少、70%可以流經該堆疊及因而可以

達成至少約70%電流效率。在至少一些實施例中，該電 流之至少80%可以流經該堆疊及因而可以達成至少約 8 0 /〇电/爪效率。在至少一些實施例中，該電流之至少9 〇 % 可以流經該堆疊及因而可以達成至少約9〇%電流效率。 垂直地定位相鄰於該堆疊之該等流量通道，以便每 一流量通道與數個單元對相通。如第38圖所示垂直地交 錯安排它們’以便每一流動隔室與多垂直通道相通。該 等垂直及水平流量通道之尺寸及間隔影響在該堆疊中之 流動隔室的流量分配及在該兩個流中之總壓力降。 千 使 CFD)軟 用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics 體，最佳化該設計。 _ 以整 在一些實施例中，可以在一塊材料中形成如第3 6 所示之内部流量通道。因此’該專内部流量通道可 合至該框架。在其它實施例中，該等流量通道之至+ 部分可以形成於個別部分之材料中及然後將它們插入Α 框架。例如，一嵌入件可以包括該等流量通道之〜部八 一欲入件可以包括被個別製造及然後被插入—樞架tb 布〒之 狹縫及/或凹槽。

S -45- 201226329 第39圖顯示在一嵌入件3995之一面上的垂直狭缝 及在另一面上之水平凹槽’以分別形成該等垂直及水平 流量通道。該嵌入件可藉由機械加工或藉由模製來製 造。第4 0圖顯示順應以機械加工製造之框架4 〇 2 〇設計 的範例。該框架具有4個用於嵌入件之凹部4025及4個 用以形成該等埠歧管之相對寬凹槽。為了清楚起見，沒 有顯示像用以密封一子區塊之〇型環用的凹槽之特微。 第41圖顯示具有一待安裝嵌入件4095之框架的剖面 φ 圖。在該等角落處以黏著劑將該堆裝填至該框架前，安 裝所有4個嵌入件’兩個嵌入件用於每一流。第42圖係 顯示每一水平通道如何與一些並列垂直通道流體相通及 該等水平通道如何經由該埠歧管彼此流體相通之剖面 圖。為了簡化起見’再次以一透明方塊來表示該堆之單 元對。所示之嵌入件在其上面及下面亦具有額外狹縫， 該等額外狹縫係與在該框架中之用以供應流至該堆之上 下端的狹縫流體相通。第43圖顯示一可容納第39圖所 鲁示之嵌入件的模製框架43 10。可使用有限元素分析 (Finite Element Analysis，FEA)軟體，最佳化該框架設 計’以最小化會影響零件成本之重量，同時在最大内部 壓力下符合關於換度（deflection)及應力（stress)之機械 規格。第44圖顯系一模製框架4420之另一範例。用於 該等嵌入件之凹部4425具有與該框架之整個圓形形狀 一致之曲壁。可將使用此框架設計之多子區塊向上堆疊 及插入一圓筒形容器中。第45圖顯示一在曲面上具有水 平凹槽之對應嵌入件。不是所有流量通道必須被設置在 -46- 201226329 該等嵌入件中。如第46圖所述，水平凹槽可位於該等框 架4620中，以提供該等水平流體通道，而垂直狹缝可位 於該等嵌入件中。一叉流模組組件之最佳框架及嵌入件 設計的選擇將受組件製造及組合之相對複雜度及成本的 影響。 —可以由具有必要機械特性及對待處理流體之化學相 奋！·生之材料來製造肷入件及框架。在像海水之淡化的應 用中，例如，由於塑膠材料之抗蝕性及低成本，它們係 又偏支的。可能的塑膠包括聚氯乙烯'聚乙烯 (^)、聚丙婦（ΡΡ)、聚醯胺似丨尼龍）、@稀睛-丁二烤 '本乙烯(ABS)、聚砜或如變性聚氧化二甲苯之塑 膠混合物，其係聚苯趟（pp〇)與聚笨乙稀（PS)之混合物。 為了化學抗性以及機械及熱特性之提高，可以加入像玻 璃纖維之強化填料。 依據或多個實施例，一種電化學去離子裝置可以 至〆單元對及一框架❶該至少一單元對可以容納 於該框架中。在-些實施例令，該電化學去離子裝置可 以包括一電透析裝置。在其它實施例t，該電化學去離 子裝置可以包；+# 夕 栝電去離子裝置。該框架可以包括一或 夕個狹缝二在一些實施例中，阻塞物可以在該等狹缝内。 在至少一實施例中’該等狹缝可以垂直於該至少一單元 對。 、依據或多個實施例，一種又流電化學分離裝置可 乂包括力杈組組件。該模組組件可以包括至少一單元對 及杧木。该至少一單元對可以裝至該框架。該裝置可 -47-

201226329 乂疋电透析裝置。在其它實施例中，該 電去離子襄置。該框架可以包括& 實施例中，阻塞物可以在該等狹縫内。在^ 中，該等狹缝可以垂直於該至少一單元對。$ 在每一模組組件間進一步包括一阻擋薄犋或= 裝置可以包括複數個模組組件。該等模 、'议沒且1千 成允許一多流道流量配置。在一些實施例中， 組件可以容納於一圓筒形容器中。 依據一或多個實施例’一種電化學去離子 合方法可以包括接合一第一離子交換膜至一第 接合一第二離子交換膜至該第一離子交換膜及 合一第二栅網至該第一離子交換膜、第一柵網 子交換臈，以形成一單元對；接合複數個單元紫 以形成一堆單元對；將該堆單元對插入一框架 密封該堆單元對至該框架，以形成一模組組件 可以進一步包含密封一第一離子交換膜至該模 第—侧及密封一第二離子交換膜至該模組組 侧。在一些實施例中，該方法進—步包括放置 組組件於一第二模組組件上；放置一額外模組 第~及第二模組組件上；以及重複獲得一期望 數個模組組件。可以將該複數個模組組件插入 容器中。 在一些非限定實施例中，單元對之堆疊可 薄骐做為開始及結束。此可以協助在一框架 釋、濃縮及電極流。該等延伸薄膜可以是不同 可以是一 〇在一些 一實施例 裝置可以 隔物。該 可以配置 該等模組 裝置之組 一栅網； 柵網；接 及第二離 [在一起， 中；以及 。該方法 組組件之 件之第二 一第一模 組件於該 數目之複 一圓筒形 以以延伸 中隔離稀 於在該堆 -48- 201226329 s中之其餘薄膜的形狀。該等延伸薄膜可以在至少一側 上（例如，在兩側上）接合至該主堆疊。在一些實施例中， 拇網之角落可以在薄膜角落處自該堆疊突出。栅網之突

出角落可以稍後充當一加強件，以在角落裝填後固該等 薄膜’以及可以在角落裝填期間通過毛細作用將低黏度 裝填材料吸入該堆疊中。在完成4個角落之裝填後，上 下薄膜之延伸部分可以如第47A圖所示被折疊及如第 4 7B圖所示被接合’以形成一隔室。關於所形成之隔室，

可以檢查在該 一開口 ，以允 區塊中。可以 在—子區塊接 型環或墊圈。 墊圈，以構成 件内支撐結構 出口埠之側壁 組裝期間可能 個別濃縮及稀 混合。它們亦 表面，以有助 一外部支撐結 正壓力，因而 工作，以強化 可以在組裝期 長1供子區塊之 的完整性。然 後使稀釋流體 稀釋及電極流 塊或至一電極 中’可以使用 子區塊中，可 個角落，以在 表面。蟑在兩 為它們在一子 用流動路徑， 上方及下方產 子區塊與端區 強件，以抵擋 。它亦可以與 件外部支撐結 以防止失準。 經由延伸薄膜 堆疊中之封膠 許在最後組裝 使濃縮流體與 合至另一子區 在一些實施例 一連接。在一 與該堆叠之4 上產生一平坦 是重要的，因 釋流提供一替 可以在該薄膜 於在組裝期間 構可以充當加 防止薄膜破裂 接合。在每— 間提供引導， 連接。當需要 後’可以產生 轉向至另一子 體分離。可以 板處，使用 〇 一單Ο型環或 以一起裝填4 一用於入口及 個子組合件之 區塊連接處對 以確保流不會 生平坦且堅固 塊間之密封。 該模組組件之 該内支撐結構 構上之突出物 埠連接器可以 牙過子區槐連

S -49- 201226329 接之流動路徑時，可以把它塞仕。+ y ^ t 亦可以在適當位置夾 住該外部及内部支撐結構，以確 尺 ’、在注入一裝填材料來 模製该等角落前’將該延伸薄膜之私+ 犋之所有4個邊折成一框 狀圖樣（frame-like pattern)。可以彻 # & T以與该等角落裝填一起裝 填上下栅網，以是對該等延伸薄 τ溽膜k供額外的保持強 度。該兩個柵網可以做為在每一毺技 運接處之子區塊的延伸 薄膜間之間隔物。可以模製用於 ^型％或墊圈之凹槽於 角落裝填輪廓之兩端中。在操作期門 **

卞π朋間，该角溥裝填輪廓 可以將内與外支撐結構握在一起， 巧 以抵擋在該等歧管中 之正壓力。經由該栅網之角落的毛細作用的該裝填角落 部分可以用以密封該堆疊。它亦可以做為一隔離阻塞 物，使該稀釋歧管與該濃縮歧管分離，以防止交又洩漏二 該角落輪廓之兩端可以充當一防止器（stopper)，以防止 在所有連接處之密封的過度夾緊β第47C圖描述依據這 些實施例之組裝。在一些實施例中，製造可以包含在薄 膜間之第一組接合及在一堆疊之4個角落處的第二組接 合。可以例如以〇型環組裝多模組組件，以及可以在生 產期間實施子區塊品質控制測試。 依據一或多個實施例中，可以在一包括一入口歧管 及一出口歧管之框架或支撐結構内固定〆單元堆疊，以 提供模組組件。然後，可以在一容器令固定此模組組件。 該模組組件可以進一步包括一可以固定該模組組件至該 谷器之托架組合件或角落支稽·物。可以在該容器内固定 一第二模組組件。亦可以在該容器内固定一或多個額外 模組組件。在該揭露之某些實施例中，吁以在該第一模 5 -50- 201226329 組組件與該第二模組組件間放置一阻擋間隔物。在一些 非限定實施例中，可以分段密封在單流道流量分置中之 具有稀釋及濃縮隔室的複數堆單元對，以形成數個模組 組件。可以使該等單元與其間之阻擋間隔物結合在一 起，以形成多流道配置。可以在角落處使用黏著劑，將 忒等堆密封至該容器部分。該等阻擋間隔物沒有必定密 封至《亥谷器之内壁，但是取而代之，可夾在模組組件間 及岔封在兩端間。在一些非限定實施例中，可以堆疊在 端上具有凸緣之兩個模組組件且其間具有一阻擋間隔 物。可以將該等凸緣栓在一起。該阻擋間隔物可以以一 框架來模製及以黏著劑或墊圈密封於該等凸緣間。在另 一情況中，該框架可以由一熱塑性材.料或其它製造方法 來模製。在一些貫施例中，模組組件可以與夾子或繫桿 連接。因而，可以修改該阻擋間隔物之設計。第48圖描 述組裝有一凸緣之模組組件的非限定實施例。 依據一或多個實施例，可以設計在此所論述之嵌入 件，以促進均勻流量分配及在一經由一電化學分離裝置 之流體中以較低壓力降橫越一薄膜。均勻流量分配可以 協助防止在間隔物上之水垢（scaling)及改善電流欵率。 可以改變入口及出口埠位置及嵌入件之開口尺寸，以影 響流量分配。CFD軟體可以有助於流量分配及壓力降之 評估。較低壓力降可能造成一較低泵壓（pumping)需求。 亦可降低模組組件成本，因為該模組組件可以以較薄材 料來建立。嵌入件可以充當一流量分配器及改善電流效 率。可以在該嵌入件上改變埠或狹縫之尺寸，以改變流 -5 1- 201226329 量分配。第49圖描述一具有位於中心之埠4997的流量 分配器或欲入件4 9 9 5。在一些實施例中，在該嵌_入件上 之狹缝的尺寸可以隨不同位置有所不同。 從下面範例將完全了解這些及其它實施例之功能及 優點。該等範例在本質上意欲描述用及不應解讀成用以 限制在此所論述之實施例的範圍。 範例1

使用一叉流配置來建構兩個模組組件。該兩個模組 組件在一單流道中包括50個單元對。如第27及28圖所 示，該控制模組組件沒有包括一框架，而只是被插入一 圓形包殼中。如第29及30圖所示，該第二模組組件係 建構成具有一包含狹縫之框架。用於該兩個模組組件之 每一薄膜的有效面積為 0.024m2。該流動路徑長度為 17.1m。該薄膜間間隔為0.038m。使用一包含NaCl之給 水來操作該兩個模組組件。施加一電位至該兩個模組組 件及決定該電流效率。 操作參數係如下： 模組組件 控制 框架 給料導電率 mS/cm 56.16 55.9 生成物導電率 mS/cm 55.23 54.08 安培 A 2.01 3.0 生成物流速 1/min 2.81 2.66 電流效率％ 49 63.3 ί"· -52- 201226329 效 〇 有 沒有框架之控制模組組件具有49%之測量電流 率。具有框架之模組組件具有63 3%之測量電流效率 此表示當使用-具有狹縫之框架時，在電流 約29%之改善。 ％

祀1夕，J L 組裝一在一 3 -流道流量配置中 。 了丹有145個早疋對之 原型模組組件。該等單元對俏名^ & 平几耵係在3個框架中，該3個框 架分別包含50個單元對、5〇個輩；非丄 川们皁tl對及45個別單元對。 在以56mS/cm NaCl溶液做兔认粗> 文做馮給枓之測試中，該平均製程 效率在2.0-4.3cm/s範圍内之流速下為65%。 範例3 相較於一在該支撐框架中不具有嵌入件之模組組件 (BetU) ’操作一在該支撐框架中具有嵌入件之模組組件 (Beta2.5)。資料呈現於第4圖中，其描述一與該嵌入件 相關之較高壓力降。 範例4

相較於一具有一有偏移歧管（〇ffset manifold)之嵌 入件的模組組件’使用計算流體力學（Cfd)來模組及模擬 一具有一有中心歧管（central manifold)之嵌入件的模組 組件。結果指出：相較於該中心歧管，該偏移歧管與一 較寬區域之低速流相關連。很可能在低速度之區域形成 水垢，因而該中心歧管可以提供較好的流量分配。相較 於該偏移歧管，該中心歧管亦與低約1 4%的壓力降相關 連。 將察覺到，在此所論述之方法及設備的實施例並非 -53- 201226329 侷限於應用至在下面敘述中及在所附圖式中所述之組件 的構造及配置之細部。該等方法及設備能實施於其它實 施例中且能以各種方式來實施。在此，特定實施之範例 係僅為了描述用所提供及沒有意欲做為限定用。具體 地，與任何一或多個實施例相關所論述之行為、元件及 特徵沒有意欲排除在任何其它具體例中之相似作用。 並且，在此所使用之措辭及術語係為了描述用及不 應§玄被視為限疋用。在此以草數所提及之該等系統及方 φ 法之實施例或元件或行為亦可以包含包括複數個這些元 件之實施例，以及在此以複數所提及之任何實施例或元 件或行為亦可以包含只包括單一元件之實施例。在此， 包括（including)、 包括（comprising)’’、“具有 (having) 包含（containing)”、“ 包含（involving)”及其 變型之使用表示包含之後所列出之項目及其均等物以及 額外項目°或（〇 r) ”之提及可以解讀為包含，以便使用“或 (or)，，所述之任何項目可以包括一個、一個以上及全部所 •述項目之任何一者。正面及背面、左邊及右邊、上面及 下凸、上及下以及垂直及水平之任何提及係意欲為了方 便描述用，不是要限定本系統及方法或它們的組件至任 何一位置或空間定位。 上面已描述至少一實施例之數個態樣，將察覺到， 熟習該項技藝者將輕易想到各種變更、修改及改進。$ 樣的變更、修改及改進意欲為此揭露之部分及意欲在= 發明之範園内。於是，前述敘述及圖式只是舉例說明用。 -54- 201226329 【圖式簡單說明】 第1圖係依據一或多個實施例之在單一結構的框架 中之一堆單元對的示意圖； 第2圖係依據一或多個實施例之第1圖的剖面A-A 之不意圖， 第3圖係依據一或多個實施例之顯示從狹縫至稀釋 流動隔室之入口的稀流的不意圖， 第4圖係依據一或多個實施例之以黏著劑來裝填角 φ 落的方法之示意圖； 第5圖係依據一或多個實施例之具有垂直定向之入 口及出口埠的框架中之單元堆疊的示意圖； 第 6圖係依據一或多個實施例之流動路徑的示意 圖， 第7圖係依據一或多個實施例之經由狹縫的可能電 流旁路之示意圖；

第8圖係依據一或多個實施例之用以減少電流旁路 的水平阻塞物之示意圖； 第9圖係依據一或多個實施例之交錯水平阻塞物的 示意圖； 第1 0圖係依據一或多個實施例之具有個別製造格 網的框架之示意圖； 第 π圖係依據一或多個實施例之具有交錯阻塞物 的格網之示意圖。 第1 2圖係依據一或多個實施例之由4片所組裝之框 架的不意圖， -55- 201226329 第1 3圖係依據一或多個實施例之電化學分離系統 的不意圖， 第1 4圖係依據一或多個實施例之具有被插入及裝 填在框架中之單元堆疊的模組組件之示意圖； 第1 5圖係依據一或多個實施例之第14圖的剖面 A-A之不意圖， 第1 6圖係依據一或多個實施例之顯示第1 5圖的細 部之示意圖；

第 17圖係依據一或多個實施例之第14圖的剖面 B-B之不意圖， 第 1 8圖係依據一或多個實施例之模組組件的剖面 之不意圖， 第1 9圖係依據一或多個實施例之ED裝置的展開圖 之不意圖， 第20圖係依據一或多個實施例之第1 9圖的模組組 件1中之剖面A-A的不意圖， 第21圖係依據一或多個實施例之第1 9圖的模組組 件2中之剖面B-B的示意圖； 第22圖係依據一或多個實施例之ED裝置中的薄膜 及電池之配置的示意圖； 第23圖係依據一或多個實施例之組合ED裝置的剖 面之示意圖； 第24圖係依據一或多個實施例之第23圖的細部之 不意圖， 第 25圖係依據一或多個實施例之具有圓筒形外部 -56- 201226329 形狀的框架之示意圖； 第26圖係依據一或多個實施例之具有模製 圓筒形容器中之ED裝置的示意圖； 第 27圖係依據一或多個實施例之透明壓克 中的原型模組組件之示意圖； 第 2 8圖係依據一或多個實施例之經由一堆 的流動之不意圖， 第 29圖係依據一或多個實施例之具有狹缝 ^ 中之單元堆疊的示意圖； 第3 0圖係依據一或多個實施例之經由框架 對堆的流動之示意圖； 第3 1圖係依據一或多個實施例之較佳ED模 中的輸送程序之示意圖； 第3 2圖係依據一或多個實施例之具有電流 的ED模組組件中之輸送程序的示意圖； 第3 3圖係依據一或多個實施例之具有電流 φ 及水損失的ED模組組件中之輸送程序的示意圖 第 3 4圖係依據一或多個實施例之模組組件 流路徑之示意圖； 第 3 5圖係依據一或多個實施例之模組組件 的流動通道中之流體谷積的不意圖， 第3 6圖係依據一或多個實施例之入口流動 不意圖， 第3 7圖係依據一或多個實施例之在單元堆 的電流旁路之路徑的範例之示意圖； 端板的 力圓筒 單元對 的框架 及單元 組組件 無效率 無效率 中的電 框架内 通道的 疊周圍 -57- 201226329 第 3 8圖係依據一或多個實施例之交錯垂直通道的 不意圖， 第3 9圖係依據一或多個實施例之嵌入物中的垂直 狹縫及水平凹槽之示意圖； 第40圖係依據一或多個實施例之具有用於敌入物 的凹部之框架之示意圖； 第41圖係依據一或多個實施例之具有待安裝之嵌 入物的框架之示意圖；

第 42圖係依據一或多個實施例之顯示在組合模組 組件中的流動路徑之剖面的示意圖； 第 43圖係依據一或多個實施例之模組框架的示意 圖 第 44圖係依據一或多個實施例之具有圓形周圍的 模製框架之示意圖； 第 45圖係依據一或多個實施例之在彎曲側上具有 水平凹槽的嵌入物之示意圖； 第 4 6圖係依據一或多個實施例之在用於嵌入物之 凹部中具有水平凹槽之模製框架的示意圖； 第47A-47C圖呈現依據一或多個實施例之包括延伸 末端薄膜的模組組件之示意圖； 第 4 8圖呈現依據一或多個實施例之與凸緣連接的 模組組件之示意圖； 第49圖呈現依據一或多個實施例之與嵌入物相連 的歧管之示意圖；以及 第5 0圖呈現依據一或多個實施例之伴隨範例中所 -58- 201226329 提及之資料。 【主要元件符號說明】 100 模組組件 110 堆 120 框架 400 模組組件 410 堆 420 框架 500 模組組件 510 堆 520 框架 710 堆 800 模組組件 930 阻塞物 1020 框架 1050 流量分配器 1220 框架 1400 模組組件 1800 模組組件裝置 1900 模組組件 1970 分隔薄膜 2400 模組組件 2470 阻擋間隔物 2520 框架 2600 模組組件 -59- 3 201226329

2680 圓筒形容器 3020 框架 3090 狹縫 3795 嵌入件 3797 入口歧管 3995 嵌入件 4020 框架 4025 凹部 4095 嵌入件 4320 框架 4420 框架 4620 框架 4995 流量分配器或嵌入件 4997 埠 D 向度

Claims (1)

1. 201226329 七、申請專利範圍： 1. 一種電化學分離系統，包括： 一第一電極； 一第二電極； 一第一電化學分離模組組件，其包括定位於該第 一與第二電極之間的複數個交替耗乏隔室及濃縮隔 室；

   一第二電化學分離模組組件，其包括複數個交替 的耗乏隔室及濃縮隔室，該第二電化學分離模組組件 係配置成與該第一電化學分離模組組件合作且定位 於該第一電化學分離模組組件與該第二電極之間；以 及 一間隔物，其配置在該第一與第二電化學分離模 組組件之間且相鄰於該第一及第二電化學分離模組 組件，及配置成用以減少在該系統内之電流損失。 2.如申請專利範圍第1項之系統，其中該間隔物係配置 成用以促進電流流至該系統内之耗乏隔室及濃縮隔 室。 3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中每一電化學分離 模組組件包括一界定該複數個交替耗乏隔室及濃縮 隔室之單元堆疊及一配置成用以維持該單元堆疊之 垂直對齊的支撐系統。 4. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該支撐系統包括 一圍繞該單元堆疊之框架。 5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該框架包括一歧 -6 1-

   201226329 管系統。 6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該框架包括 該歧管系統流體相通之流量分配系統。 7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中該流量分配 包括配置成用以減少在該系統内之電流損失的 一個旁通路徑。 8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該第一及第 化學分離模組組件係以平行方式來配置。 φ 9.如申請專利範圍第1項之系統，其中該第一及第 化學分離模組組件係可移除的。 10. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該第一及第 化學分離模組組件係安裝在一容器中。 11. 如申請專利範圍第1 0項之系統，進一步包括一 連接至該容器之入口的待處理水源。 12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該複數個 隔室及濃縮隔室之每一者具有一與該容器之入 體相通之入口。 1 3.如申請專利範圍第5項之系統，其中該流量分配 包括一嵌入件，以及其中該框架界定一配置成用 納該嵌入件之凹部。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之系統，其中該嵌入件 一配置成用以促進至該單元堆疊之均勻流量分 柵格結構。 1 5.如申請專利範圍第1項之系統，其中該第一及第 化學分離模組組件係配置成用以在該系統内提 一與 系統 至少 二電 二電 二電 流體 耗乏 口流 系統 以容 界定 配的 二電 供非 -62- 201226329 放射狀流動。 1 6.如申請專利範圍第1項之系統，其中該第一及第二電 化學分離模組組件係配置成用以在該系統内提供一 均勻液體流速分佈圖。 1 7.如申請專利範圍第1項之系統，其中該系統係建構及 配置成用以達成相對於界定該等電化學分離模組組 件之離子交換膜的表面面積之至少約85%流體接觸。

   1 8.如申請專利範圍第1項之系統，其中該等耗乏隔室及 濃縮隔室之至少一者包括一阻擋間隔物或一流量重 新分配器。 1 9.如申請專利範圍第1項之系統，其中該系統係配置成 使流經該等耗乏隔室之流動方向不同於流經該等濃 縮隔室之流動方向。 20.如申請專利範圍第1項之系統，其中該系統係配置成 使流經該等耗乏隔室之流動方向實質垂直於流經該 等濃縮隔室之流動方向。

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