[发明专利]电去离子系统中用于偏移电流分布的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及改进的电去离子系统，更具体地，涉及可改变树脂 床中特定区域的电导率以改进去离子过程的电去离子系统和方法。

发明背景

电去离子(EDI)系统用于从液体，特别是水中，去除离子。这些系统需 要电源，电源向EDI组件施加电压，以净化工业用水达到超高纯度，从而 用于电力、微电子、食品、化学、制药以及其它工业领域。

在示范性电去离子设备中，电流流过离子交换树脂床。通过离子交换 膜，将树脂床容纳在垂直于流动电流的任一侧。电流经由离子迁移经过溶 液和离子交换微球流过树脂床，并在阴-阳离子界面、微球-微球界面和微球 -膜界面处发生水的电离。使电流通过所需的电势取决于微球和膜的离子交 换相中的离子迁移率、微球周围溶液中的离子迁移率以及水电离所需的电 势。

在电去离子设备中，垂直于所通的电流将杂质离子送入床的一端，净 水从离子交换床的另一端排出。由此杂质离子从床的入口至出口形成梯度， 例如，在送入NaHCO₃的情况下，在入口处离子交换介质主要为Na⁺和HCO₃^-形式，并且Na⁺和HCO₃^-的浓度朝着出口方向逐渐减小。在出口区域，离子 交换介质主要为再生H⁺和OH^-形式。在进行常规反渗透的混合或分层淡水 室电去离子设备中，物质从入口至出口的梯度导致设备入口的电导率小于 出口的电导率，这是因为Na⁺和HCO₃^-的相对迁移率明显小于H⁺和OH^-的相 对迁移率。因此，在对EDI设备施加恒定电压时，出口处的电流明显大于 入口处的电流。

存在一些已知的影响离子交换介质床中离子迁移率的因素，例如：(1) 离子的性质，即对于阳离子而言，H⁺相对Na⁺相对Ca²⁺；(2)离子交换材料 的性质(包括交联率)、离子交换位置的浓度、离子交换位置分布和微球表面 结构；(3)离子浓度；(4)阴-阳离子、微球-微球界面的数量；(5)阴-阳离子、 微球-微球界面的质量；(6)经设备处理的溶剂的组成；以及(7)温度。

已知EDI设备去除杂质离子进而产出高纯产品水的能力主要取决于再 生电流的分布。已进行了一些尝试，通过改变EDI设备中阴阳离子交换相 的电导率，来改善去离子性能，例如在DiMascio等人的美国专利No. 6,284,124和6,514,398中所披露的。DiMascio等人所披露的设备特征在于， 具有离子交换树脂材料交替层的去离子室，其中将掺杂物质添加到其中一 个层中以减小交替层之间的电导率差异。

现有技术没有教导或暗示包括至少一个电阻元件的改进的EDI设备， 所述电阻元件连接在设备出口区域附近的微球-膜界面上，以相对简单且成 本有效的方式相对于设备入口区域增大设备出口区域的电阻，从而相对于 设备出口区域增加设备入口区域的电流分布并提高设备的整体去离子性 能。此外，还期望获得易于适应各种不同应用的改进的EDI设备。

发明内容

针对目前的技术状况，特别是针对现有技术中利用现有EDI设备仍未 完全解决的问题和需要，作出了本发明。因而，本发明提供改进的电去离 子(EDI)设备，该设备包括从流经的液体中去除离子的去离子淡水室 (ion-depleting dilute chamber)，其中至少一个电阻元件靠近淡水室出口区域 连接在邻接淡水室的阴离子膜和阳离子膜之一或两者之上。电阻元件的作 用是，通过电阻元件自身增加的电阻和/或由于电阻元件有效减小微球-膜接 触面积，相对于淡水室入口区域增大淡水室出口区域的电阻。电阻元件可 设置在膜的淡水侧或浓水侧(或者，可供选择地，设置在膜的两侧)。通过相 对于淡水室入口区域增大淡水室出口区域的电阻，改善淡水室入口区域和 出口区域之间的电流分布，从而提高EDI设备的去离子性能。此外，通过 改变电阻元件的形状、尺寸、组成和/或位置，可容易地控制淡水室内的电 流分布，从而提供易于适应各种不同应用和工作条件的EDI设备。