[发明专利]在稀释室中采用混合床和单相离子交换材料进行水电去离子化的方法及其装置

说明书

发明领域

本发明涉及水电去离子化的方法及装置，更特别涉及用于提高在电去离子化装置稀释室中的离子传导效率的方法和装置。

发明背景

公知可将须处理的水通过填充离子交换树脂床层以将杂质离子作为离子交换树脂中的吸附离子而除去来使水去离子化。吸附能力降低的离子交换树脂可通过酸或碱来再生。但是，此方法的缺点在于会排放用来再生的酸或碱废液。因此，希望能找到一种无需酸或碱来再生的制备去离子水的方法。因而，近年来越来越关注自我再生型电渗析去离子水制备方法，其中，离子交换树脂与离子交换膜组合使用，即通称的电去离子化。和该方法关联的物理设备被称作电去离子化装置。

一般的电去离子化装置包括交替设置的阴离子交换膜和阳离子交换膜，其围成了稀释室和浓缩室。每一个稀释室都含有离子交换固体组分，其包括一般为粒状或球状的阴离子和阳离子交换固体组分。须纯化的水通过稀释室中的离子交换材料颗粒。

水中的阴离子杂质被阴离子交换固体组分吸附，并且在施加于整个电去离子化装置的电压的影响下朝向并迁移通过所述阴离子交换膜，进入邻接的第一浓缩室作为从中流过的含水液流中的排出物。类似地，水中的阳离子杂质被阳离子交换固体组分吸附，并且朝向并迁移通过所述阳离子交换膜，进入邻接的第一浓缩室作为从中流过的含水液流中的排出物。

通常，所述离子交换固体组分包括随机分配的阳离子交换和阴离子交换固体组分球体，一般多称作“混合床”离子交换器。所述混合床离子交换材料的特点在于其中所含的阴离子交换材料和阳离子交换材料之间的高界面接触区。此类接触区有效地促进了离子杂质的除去。而且，它促进了水分子的电离。通过水分子电离，氢离子和羟基离子可用于再生离子交换材料。这在须纯化的水中的溶解离子杂质浓度较低，诸如接近稀释室排出流的时候尤其重要。

令人意外的是，当采用混合床离子交换材料时，所述稀释室的厚度必须薄。如果稀释室的厚度增加，杂质离子通过所述离子交换固体组分向所述膜的传导效率降低了，从而降低水产品的质量。这是由于阴离子交换材料不太可能通过一系列邻接的阴离子交换材料“连接”于所述阴离子交换膜(此后此类性质称为”连接性“)。而且，阳离子交换材料不太可能通过一系列邻接的阳离子交换材料连接于所述阳离子交换膜。

稀释室越薄，制造成本越高。而且，较薄的稀释室上增加的有效膜区域，同时伴随着材料成本的增加。

美国专利4,636,296公开了一种电去离子化装置，其以电去离子化装置稀释室中的混合床离子交换来减轻了上述连接性问题。特别地，其中所公开的电去离子化装置包括含有交替设置的阴离子交换材料层和阳离子交换材料层的稀释室。这样，提供一系列连续阴离子和阳离子交换材料分别促进阳离子杂质和阴离子杂质的迁移。但是，此类阴离子和阳离子交换材料层减少了阴离子和阳离子交换材料间的界面接触，从而降低了离子杂质的除去效率和在设定电压下水分子的电离速度。为了达到这个目的，在美国专利4,636,296中所披露的装置依赖在电极表面产生的、随后迁移进入离子交换固体组分中的再生氢和羟基离子。但是，这种方法需要多个昂贵的电极，并且使得设备变的复杂，使得多极离子电化学反应器的优点难以实现。

申请号No.WO97/34696的PCT申请披露了一种电去离子化装置，其增强了稀释室中离子交换材料包括混合床变体的连接性。这通过使用容置于所述稀释室中施加有0.1-20kg/m²压力的离子交换材料来实现，并且所述阳离子交换膜和阴离子交换膜围成所述稀释室，从而增强了单个离子交换材料间的界面接触。但是，施加于离子交换材料间的内部压力越大，在稀释室中的空洞部分减少了，从而水流动阻力增加，能够处理的水量减少。

因此，需要一种改善离子交换材料连接性的设置，其中离子交换材料促进水电离效率，而使得氢离子和羟基离子可用于再生离子交换材料。进一步地，需要改善自身具有0.1-20kg/m²内部压力的离子交换材料的连接性。

发明简述

广而言之，本发明提供一种用于水去离子化的电去离子化装置，其一端具有阳极室，另一端具有阴极室，以及多个交替排列设置于在所述阳极室和阴极室之间的稀释室和浓缩室，所述的每一个稀释室和浓缩室均由阴离子交换膜和阳离子交换膜围成。在每一个稀释室中设有离子交换材料，所述离子交换材料包括至少一种阴离子交换材料和阳离子交换材料的混合床相以及至少一种邻接于所述混合床相的阴离子交换材料或阳离子交换材料、或阴离子交换材料与阳离子交换材料的单相。