CN101878187B - 用于水处理的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于水处理的电化学装置和方法。电去离子装置可包括一个或多个含有离子选择性介质，如硼选择性树脂的隔室。目标离子的循环吸附及介质的原位再生被用来处理过程用水，并能够由电化学装置之内不同pH条件的升高所驱动。

Description

用于水处理的系统和方法
背景技术
1.技术领域
本发明涉及用于水处理的系统和方法，且尤其是，涉及从海水料流中有效去除一种或多种目标物种(specie)的电化学系统和方法。
2.相关技术的讨论
能够通过施加电场以去除其中的不需要的离子物种的水处理系统是已知的。这些电化学装置包括，但不限于，通常被用来产生纯净水，如去离子水的电渗析以及电去离子设备。
这些装置之内为由离子选择性膜隔开的浓缩隔室和稀释隔室。电去离子装置通常包括交替的电活化半透性阴离子和阳离子交换膜。膜之间的间距经配置以产生具有入口和出口的液体流动隔室。该隔室典型地含有吸附介质，如离子交换树脂以促进离子迁移。通过电极施加的施加电场使溶解的离子被吸引至其各自的对电极，从而迁移穿过阴离子和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室的液体中的离子被消耗(depleted)，而浓缩隔室中的液体由于迁移离子被富集。通常，稀释隔室中的液体是合意的(“产物”液体)，而浓缩隔室中的液体是被弃去的(“废料(reject)”液体)。
发明内容
本发明的方面通常涉及用于水处理的电化学装置和系统以及方法。
依照一个或多个方面，公开了处理海水的方法。该方法可包括将含有氯离子和含硼化合物的海水引入电驱动分离装置的至少第一隔室，第一隔室包括树脂床和出口，促使海水中的氯离子从第一隔室传送至电驱动分离装置的第二隔室，促使第一隔室中的海水中的含硼化合物的至少部分发生电离，在第一隔室中的树脂床上吸附至少部分的离子化的含硼化合物，并在第一隔室的出口回收已处理的水。
该方法可进一步包含释放被结合于第二隔室中的第二树脂床中的含硼化合物的至少一部分。在某些方面，该方法可进一步包含在第二隔室的出口回收含硼料流。已处理的水的pH水平也可被调节。该方法可进一步包含反转施加至电驱动分离装置的电流的极性。已处理的水中的硼的浓度可进行监测。响应于检测到高于预定水平的已处理的水中的硼浓度，施加至电驱动分离装置的电流的极性可被反转。在某些方面，预定水平为约1ppm。已处理的水可被引导至电驱动分离装置的第三隔室。在某些方面，已处理的水的pH水平可被监测且响应于检测到高于预定水平的已处理的水的pH水平，施加至电驱动分离装置的电流的极性被反转。
依照一个或多个方面，公开了操作电去离子装置的方法。该方法可包含将含有含硼化合物的过程用水(process water)引入至电去离子装置的第一隔室，第一隔室含有树脂床和出口，促使在第一隔室中的碱性pH条件，促使在与第一隔室相邻的电去离子装置的第二隔室中的酸性pH条件，在第一隔室中的树脂床上吸附硼酸根离子，在第一隔室的出口回收已处理的水，并在第二隔室的出口回收含硼料流。
该方法可进一步包含监测已处理的水中的硼浓度。施加至电去离子装置的电流的极性可响应于于检测到的硼浓度而被反转。在某些方面，已处理的水的pH水平可被调节。回收含硼料流可包含从第二隔室中的树脂释放含硼化合物。
依照一个或多个方面，公开了含有电驱动分离装置的水处理系统，所述电驱动分离装置含有包含硼选择性树脂床的第一隔室。
硼选择性树脂床可含有顺式-二醇官能团。在某些方面，构造和布置该电驱动分离装置以将海水中硼的浓度降至约0.5-1ppm的水平。该电驱动分离装置的第一隔室可至少部分地由第一阴离子选择性膜和第一阳离子选择性膜来界定。电驱动分离装置可进一步包含至少部分地由第一阴离子选择性膜和第二阳离子选择性膜来界定的第二隔室。在某些方面，该系统可进一步包含传感器，所述传感器流体连通地位于硼选择性树脂床的下游并经配置以提供代表来自该电驱动分离装置的已处理的水中硼的浓度的测量信号。该系统还可进一步包含与传感器通讯的控制器，且该控制器经配置以至少部分基于该测量信号对与电驱动分离装置相关联的电源产生控制信号。在某些方面，在第一隔室中的硼选择性树脂床的组成沿通过电驱动分离装置的第一隔室的液体流路可以是基本均一的。
依照一个或多个方面，公开了具有溶解物种和至少一种目标物种的海水的处理方法。该方法可包括将海水的第一部分从海水源引入电驱动分离装置的消耗隔室，该消耗隔室具有布置于阴离子可透过膜和第一阳离子可透过膜之间的目标物种吸附介质，将海水的第二部分从海水源引入电驱动分离装置的浓缩隔室，浓缩隔室具有布置于阴离子可透过膜和第二阳离子可透过膜之间的目标物种吸附介质，并促使至少部分溶解物种传送至浓缩隔室同时将至少一种目标物种的至少一部分转化为优选的离子态。
在某些方面，该方法可进一步包括在电驱动分离装置的中和隔室中调节来自消耗隔室的至少部分水的pH，中和隔室至少部分地由第二阳离子可透过膜和第三阳离子可透过膜所界定。促进至少部分溶解物种传送至浓缩隔室可包括施加电流通过消耗隔室和浓缩隔室。施加电流可促进电驱动分离装置的至少一个隔室中的水的极化以产生水合氢离子，且调节来自消耗隔室的至少部分水的pH可包括促使至少部分水合氢离子传送至中和隔室。在某些方面，施加电流包括通入足以使消耗隔室中的海水的pH升至至少9.2单位的电流。中和隔室可以不含电活性介质。
在某些方面，公开了电驱动分离装置。该装置可包括至少部分地由第一阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜所界定的第一隔室，至少部分地由第一阴离子选择性膜和第二阳离子选择性膜所界定的第二隔室，和位于第一和第二隔室的至少之一的硼选择性电活性介质。
在另一方面，该装置可进一步包括至少部分地由第二阳离子选择性膜所界定的第三隔室。第三隔室可至少部分地由双极性膜(bipolarmembrane)所界定。第一隔室的出口可以流体地连接(fluidly connected)至第三隔室的入口。电驱动分离装置的出口可以流体地连接至使用的饮用水点(potable point of use)。在某些方面，电活性介质可包括顺式-二醇官能团。第三隔室可以基本上不含电活性介质。在至少一个方面，没有反渗透膜流体地连接至电驱动分离装置的下游。在至少另一方面，没有树脂床流体地连接至电驱动分离装置的下游。
在又一方面，该系统可进一步包含传感器，所述传感器流体连接地位于树脂床的下游并经配置以提供代表来自该电驱动分离装置的已处理的水中硼浓度的测量信号。测量信号可进一步包含所检测的pH水平。该装置可进一步包含与传感器通讯的控制器，且该控制器经配置以至少部分地基于测量信号对与电驱动分离装置相关联的电源产生控制信号。在某些方面，电活性介质包括N-甲基葡萄糖胺官能团。
又一方面，实施方案以及这些示范性方面和实施方案的优点在下面作了详细描述。此外，应当理解的是不仅前述的信息而且下面的详细描述仅仅是多种方面和实施方案的示范性实施例，并旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施方案的性质和特性的概观和架构。所包括的附图对不同的方面和实施方案提供说明和进一步的理解，并与该说明书相结合以及作为其组成部分。附图与余下的说明书一起，用于解释所述的以及所要求保护的方面和实施方案的原理和操作。
附图说明
下面参照附图对至少一种实施方案的不同方面进行了讨论。在附图中，其不旨在按照比例绘制，在不同附图中所示的各个相同或接近相同的部件由相同的数字表示。为了清楚的目的，在每一副图中并非每一部件被标识出。附图被提供用于说明和解释的目的而并非旨在作为对发明的范围的限定。在附图中：
附图1示意性地说明依照一种或多种实施方案的装置；
附图2-4表示所附实施例中所参照的试验装置；
附图5表示依照一种或多种实施方案在所附实施例中所讨论的数据；和
附图6表示不同的pH水平时硼物种之间的平衡关系。
发明详述
涉及电化学装置的一种或多种实施方案包括用于水处理的电驱动分离装置和方法。该装置和方法通常有效地从水物流中去除一种或多种目标物种。在一种非限定性实施方案中，该装置和方法可从水中有效地去除硼。在至少一种实施方案中，该装置和方法也可被用于脱盐。如这里所更详细地描述的，一种或多种实施方案通常可包括酸和/或碱的产生以促进循环荷载和用于水处理的吸附介质的再生。这种用于电化学处理的新的方法在去除某些目标物种方面比依赖于用于电化学分离的横跨膜的离子传输的常规电化学技术更有效。有益地，一种或多种实施方案可提供品质足够于转移至下游的使用点的产物料流，如饮用水、灌溉和工业应用，例如半导体的制备。依照一种或多种实施方案，产物料流的pH水平也可被中和或原位调节。
应当理解的是，此处所讨论的该系统和方法的实施方案在应用于下面的说明书或在附图中所描述的详细的构造和部件的布置时并非限定性的。该系统和方法能够以其它实施方案实现并能够以不同的方式来实行或完成。此处所提供的具体实施的实施例仅仅用于说明的目的而并非旨在进行限定。尤其是，结合任一或多个实施方案所讨论的运作、原理和特征并非是要在任何其它实施方案中将相似的作用排除。同样，此处所使用的措词和术语用于说明的目的而并不能被看作限定。
依照一种或多种实施方案，设备和方法通常可涉及用于水处理的电分离技术。电化学装置，如电去离子装置，通常能够通过使用电场来影响和/或诱导传输或以其他方式地在液体中提供溶解的和/或悬浮物种的迁移，由此至少部分地实现从液体中分离或去除物种来分离液体的一种或多种成分，例如，溶解和/或悬浮在其中的离子。就某些方面而言，所述的液体中的一种或多种物种应被认为是“目标”物种。
依照一种或多种实施方案，且如此处所详细描述的，过程料流可被引入用于处理的电化学装置的至少一个隔室。过程料流可含有一种或多种目标物种或目标离子。某些目标物种可以是在电化学装置内产生的酸或碱的前体。因而，过程料流可以是酸或碱前体的来源。所述前体可包括一种或多种离子，通常存在于过程料流中。至少在某些实施方案中，该离子可以在过程料流中解离。从过程料流中去除一种或多种目标物种可能是所希望的。依照一种或多种实施方案，离子态的目标物种可通过电化学装置处理以促进将其去除。例如，目标物种可被转换为物种的优选的离子态以促进将其去除。
依照一种或多种实施方案，过程料流通常可包含可输送至电化学装置用于处理的水流。在某些实施方案中，过程料流通常可包括盐溶液。盐溶液可含有单一盐物种或盐物种的混合物，例如，可能存在于海水中的那些。在至少一种实施方案中，过程料流可包括非饮用水。饮用水通常所具有的总溶解固体(TDS)含量低于约1,000ppm。在某些情况下，饮用水可具有低于约500ppm的TDS含量。非饮用水的例子可包括海水或盐水、微咸水、灰水和某些工业水。过程料流可包含目标物种如氯化物、硫酸盐、溴化物、硅酸盐、碘化物、磷酸盐、钠、镁、钙、钾、硝酸盐、砷、锂、硼、锶、钼、锰、铝、镉、铬、钴、铜、铁、铅、镍、硒、银和锌。依照一种或多种实施方案，本发明涉及处理海水或微咸水的方法，其中来源水含有溶质混合物。在某些实施方案中，与二价的和其它多价离子的浓度相比，一价离子可处于更高的浓度。在这里对于海水所提及的通常可适应于其它形式的非饮用水。
在某些应用中，将水中的硼物种的浓度降至被认为是适于农业服务和/或人类消费的水平可能是重要的或期望得到的。例如，硼物种的期望的浓度可为所期望地低于约1ppm。在某些情况下，硼物种的浓度期望地为大约或者甚至低于由政府和/或健康组织建议的水平。例如，硼的浓度可以为大约或者低于由世界卫生组织建议的水平，大约0.5ppm。实际上，在某些应用中，在已处理的水中硼的浓度为优选地低于大约0.4ppm。由于海水经常含有高水平的硼，例如，大约1至大约4ppm，该目标也即推荐的或建议的硼含量利用常规的脱盐方法很难达到。有利地是，本发明的系统和技术可被利用来将给水中的硼物种浓度降至可接受的水平。实际上，本发明的某些实施方案涉及将进料流中的硼物种浓度从大约4.6ppm降至低于大约0.5ppm的系统和技术。
本发明的某些方面涉及用于净化海水和其它非饮用水的方法和装置，其尤其利用电脱盐或其它电化学系统。该电化学装置可涉及电去离子(″EDI″)，如在这里进一步所述的。电化学技术也可包括如连续去离子、填充池电渗析、电透析(electrodiaresis)、电流反向电渗析的方法。该技术可与压力驱动膜系统和/或其它水处理系统相结合。如在此所使用的，“净化”涉及降低总的溶解固体含量和任选地将来源水中悬浮固体、胶体含量和电离及非电离的杂质的浓度降至已经变得能饮用的纯净水和可被用于淡水目的，例如，但不限于，人和动物消费、灌溉和工业应用。脱盐为净化的一种类型，其中盐被从海水中去除。本发明在某些方面，涉及海水的脱盐。给水或待处理的水可来自多种来源，包括所具有的TDS含量为大约3,000ppm-大约40,000ppm或更高的那些。给水可以是，例如，来自海洋的海水、微咸水、灰水(gray water)、工业污水和充油回收水(oil fill recovery water)。给水可以含有高浓度的一价盐、二价和多价盐，以及有机物种。本发明值得注意的方面包括处理或脱盐由海水组成或基本由海水组成的过程用水或给水。
在将给水在电化学装置中进行处理之前，可以采用多种预处理步骤。例如，预处理技术可被用于可能含有例如通过结垢或污损来干扰或降低任何阶段或装置的效率的固体或其它原料的给水。可以提供用来去除至少部分悬浮固体、胶体物质和/或高分子量的溶质的任选的初处理。预处理步骤可在EDI装置的上游来完成，并可包括，例如，颗粒过滤、沙滤、碳过滤、超滤、纳滤、微滤，如错流微滤、其组合和其它涉及降低颗粒物的分离方法。对给水的pH和/或碱度的调节也可以通过，例如，加入酸、碱或缓冲液，或通过曝气来完成。电化学分离可继之以任何预处理操作以提供具有所需最终纯度的水。
依照一种或多种实施方案，水处理系统可包括一个或多个电化学装置。电分离装置或电驱动分离装置的非限制性例子包括电渗析和电去离子装置。术语“电去离子”被赋予如本领域中所使用的一般定义。在这些示例性的装置中典型地为通过具有选择渗透性的介质(如阴离子选择性和阳离子选择性膜)分离的浓缩隔室和稀释隔室。在这些装置中，施加电场引起可电离的物种、溶解离子迁移通过选择性透过介质，即阴离子选择性和阳离子选择性膜，导致稀释隔室中的液体的离子被消耗，而浓缩隔室中的液体富集有迁移、转移离子。在某些实施方案中，该电化学装置可包含一个或多个电去离子单元。在至少一种实施方案中，该电化学装置可基本上由一个或多个电去离子单元组成。
电去离子是利用电活性介质以及电势以便影响离子传输，从而从水中去除、或至少减少一种或多种已电离的或可电离的物种的方法。电活性介质通常可用于交替地收集和释放离子的和/或可电离的物种，并且在某些情况下，可通过离子的或电子的置换机理而促进离子传输，所述离子传输可以是连续的。EDI装置可包括永久荷电或暂时性荷电的电化学活性介质，并且可以批次地、间歇地、连续地和/或甚至以反转极性的模式而运行。EDI装置可被运行以促进一个或多个专门设计的电化学反应以实现或提高性能。此外，这种电化学装置可包括电活性膜，如半透膜或选择性透过离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)装置是本领域技术人员所公知的EDI装置，其以这样的方式运行，其中水的净化可连续地进行，同时，连续地补充离子交换材料。例如，参见编号为6,824,662；6,514,398；6,312,577；6,284,124；5,736,023；5,558,753和5,308,466的美国专利，其中的每一篇都通过引用而以其整体结合在本文中用于所有目的。CEDI技术可包括如连续去离子、填充池电渗析或电透析等方法。在CEDI系统中，在受控的电压和盐度条件下，水分子可被分裂以产生氢或水合氢离子或物种以及氢氧化物或氢氧根离子或可在装置中使离子交换介质再生并由此促进从其中被捕获的物种的释放的物种。通过这种方式，可连续地净化待处理的水流，而无需离子交换树脂的化学再充装(chemical recharging)。
除了ED装置在膜间不包含电活性介质之外，电渗析(ED)装置以与CEDI相似的原理运行。由于没有电活性介质，对于低盐度的给水，由于升高的电阻，ED的运行可能受阻。同样，因为对于高盐度的给水，ED的运行可能导致升高的电流耗费，因此迄今，ED设备对于用于至少中等盐度的来源水最有效。在基于ED的系统中，由于没有电活性介质，分解水的效率很低，通常避免在这种模式下运行。
在CEDI和ED装置中，多个相邻的池(cell)或隔室通常由选择性透过膜所分开，所述选择性透过膜要么允许带正电的物种通过，要么允许带负电的物种通过，但通常不允许两者都通过。在这种装置中，稀释隔室或消耗隔室通常与提浓隔室或浓缩隔室相互间隔。当水流过消耗隔室时，离子和其它荷电物种通常在电场，例如直流(DC)电场的影响下被吸入浓缩隔室。带正电的物种被吸向阴极，阴极通常位于多个消耗隔室和浓缩隔室的堆叠(stack)的一端，而带负电的物种类似地被吸向这种装置的阳极，阳极通常位于隔室的堆叠的相对端。电极通常容纳在电解液隔室内，其通常部分地被隔离以免与消耗隔室和/或浓缩隔室流体连通。一旦处于浓缩隔室中，荷电物种通常被至少部分地界定了该浓缩隔室的选择性透过膜的屏障所捕获。例如，通过阳离子选择性膜，通常可防止阴离子进一步向着阳极而迁移出浓缩隔室外。一旦被俘获在浓缩隔室中，被捕获的荷电物种就可在浓缩料流(concentrate stream)中被去除。
在CEDI和ED装置中，通常通过施加于电极(阳极或正极，以及阴极或负极)的电压源和电流源给这些池施加DC电场。电压源和电流源(统称“电源”)本身可由多种手段，例如AC电源，或例如源于太阳能、风能或潮汐能的电源而被供电。在电极/液体界面上，发生了电化学半电池反应，其引发和/或促进了离子穿过膜和隔室的传送。在容纳电极组合件的专用隔室中，通过盐的浓度，可将电极/界面处发生的特定电化学反应控制至一定程度。例如，送至阳极电解液隔室的高氯化钠含量的进料将趋于产生氯气和氢离子，然而送至阴极电解液隔室的这种进料将趋于产生氢气和氢氧根离子。通常，在阳极隔室所产生的氢离子将与自由阴离子，如氯离子相结合，以便保持电荷中性，并生成盐酸溶液，并且类似地，在阴极隔室所产生的氢氧根离子将与游离阳离子，如钠离子相结合，以便保持电荷中性，从而生成氢氧化钠溶液。依照本发明的其它实施方案，电极隔室的反应产物，如产生的氯气和氢氧化钠，可以根据需要在工艺中用于消毒目的、用于膜的清洁和除污(defouling)的目的以及调整pH的目的。
依照一种或多种实施方案，电化学装置可通过电极横跨隔室施加电场来操作。装置的操作参数可改变以提供所需的特性。例如，所施加的电场可响应一个或多个特性或条件而变化。由此，电场强度可保持恒定或响应装置或其中的过程料流的特性而变化。实际上，可改变一种或多种操作参数以响应一种或多种传感器测量值，例如，pH、电阻率、离子或其它物种的浓度。通过电极施加的电场促进了荷电物种如离子经离子选择性膜从一个隔室迁移至另一隔室。
依照一种或多种实施方案，电驱动分离装置的典型配置包括至少一电极对，通过电极对作用力如电场可促进一种或多种离子，或可电离物种的传送或迁移。该装置可因此包括至少一阳极和至少一阴极。电极可各自独立地由在装置内适合建立电场的任何材料制造。在某些情况下，电极材料可被选择使得电极可被用于，例如，延长的时间段而不显著腐蚀或降解。适合的电极材料和构造是本领域公知的。电化学装置的电极通常可包括由材料如碳、铂、不锈钢或钛制成的基底或芯。电极可用不同的材料例如，氧化铱、氧化钌、铂族金属、铂族金属氧化物或其组合或其混合物来涂覆。电极通常促进水合氢离子和氢氧根离子的形成。这些离子，与不同进料中的离子一起，通过横跨该电化学装置的电势传送。离子的流动与施加至模块的电流相关。
在某些实施方案中，电场可基本垂直施加于装置内的料流。电场可基本均一地跨隔室施加，致使跨隔室的电场基本均一、基本恒定；或在某些情况下，电场可非均一地施加，致使跨隔室的非均一电场密度。在本发明的某些实施方案中，在操作的过程中电极的极性可被反转，从而反转装置内电场的方向。
所施加的电场可促进水离解成氢或水合氢离子，以及氢氧根离子。所施加的电场也可促进电化学装置内一种或多种离子的迁移。存在的氢离子、氢氧根离子和/或一种或多种目标离子可迁移。离子迁移可横跨电化学装置的一个或多个离子选择性膜。离子可在一个或多个隔室中被浓缩或捕获，例如，基于其电荷或性质。例如，酸性产物可在一个隔室中被浓缩，而碱性产物可在另一隔室中被浓缩。电化学装置内不同离子选择性膜的取向和性质可影响在其中的迁移以及在不同隔室中可形成何种类型的产物。产生的产物的料流可经与不同隔室相关联的出口，例如，产物溶液出口和/或废料溶液出口离开电化学装置。
依照一种或多种实施方案，电化学装置可包括一个或多个隔室，如第一隔室和第二隔室。在一种或多种与涉及电化学分离技术的方面相关的实施方案中，电驱动分离装置可包括一个或多个消耗隔室和一个或多个浓缩隔室。隔室或池通常可根据其中所引入的流体的类型和/或组成而在功能上不同。然而，结构上的差别也可区分不同的隔室。在某些实施方案中，装置可包括一种或多种类型的消耗隔室和一种或多种类型的浓缩隔室。任何给定隔室的性质，例如是否其为浓缩隔室或消耗隔室，通常可由作为隔室边界的膜的类型，以及提供给隔室的进料(多个进料)的类型来得知。邻近隔室的性质可互相影响。在某些实施方案中，隔室可以是电解隔室。例如，消耗隔室可被称为电解隔室。在某些实施方案中，浓缩隔室也可被称为电解隔室。在某些实施方案中，在电解隔室中通常可发生水的分解。电解隔室可以是水分解池。在电解隔室中也可能发生其它的离子相互作用。
膜通常形成邻近隔室之间的边界。在某些实施方案中，膜可以是离子选择性、离子可透过性或选择透过性膜。这类膜通常可允许特定类型电荷的离子穿过膜而抑制或阻止具有不同电荷或化合价或电荷类型的离子通过。因而，一个或多个隔室可至少部分地由一个或多个离子选择性膜所界定。在电化学装置中，多个隔室通常布置为堆叠(stack)。消耗隔室通常由消耗隔室间隔物来界定而浓缩隔室通常由浓缩隔室间隔物来界定。组装的堆叠通常可在各末端由末端块绑定，并且通常使用能用螺帽固定的纵穿螺栓(tie rod)组装。在某些实施方案中，隔室包括阳离子选择性膜和阴离子选择性膜，其通常在外周密封到间隔物两侧周边。阳离子选择性膜和阴离子选择性膜通常包含离子交换粉末、聚乙烯粉末粘合剂和甘油润滑剂。在某些实施方案中，阳离子和阴离子选择性膜是异质膜。其可以是聚烯烃基膜或其它类型。其通常通过采用加热和加压的热塑性工艺挤出以产生复合片材。在某些实施方案中，均质膜，例如可采用从日本的Tokuyama Soda购得的那些。该一种或多种选择性可透过膜可以是任何离子选择性膜、中性膜、尺寸排阻膜或者甚至是对一种或多种特定离子或离子类型特定地不能透过的膜。在某些情况下，在电驱动装置内使用交替次序的阳离子和阴离子选择性膜。离子选择性膜可以是任何适合的膜，所述膜能够相对于其它离子优先允许至少一种离子从其中通过。
在一种实施方案中，多个隔室可以连在一起、分隔开或至少部分地由一个或多个离子选择性膜“c”和“a”限定。在某些实施方案中，离子选择性膜a和c布置为交替次序的相对于阴离子优先允许阳离子从其中通过的阳离子选择性膜(命名为“c”)；和相对于阳离子，优先允许阴离子从其中通过的阴离子选择性膜(命名为“a”)。在其它优选的实施方案中，可以采用例如“c c a c”或“a a c a”的排列，如下所更详细描述的。邻近的隔室可被认为是它们之间处于离子连通，例如经邻近的离子选择性膜。远端的隔室也可被认为是处于离子连通，例如经它们之间附加的隔室。
电去离子装置在装置内的一个或多个隔室中可包括固体“介质”(例如，电活性介质或吸附介质，如离子交换介质)。电活性介质通常提供用于离子迁移的通道，和/或在选择性膜之间充当提高传导率的桥梁以促进装置的隔室内的离子的运动。介质通常能够收集或排放离子和/或其它物种，例如通过吸附/解吸机理。介质可携带永久和/或临时电荷，且在某些情况下，能够操作以促进设计为达到或提高电去离子装置的性能，例如，分离、化学吸附、物理吸附，和/或分离效率的电化学反应。在某些情况下，至少部分介质可以具有连接至一种或多种目标物种的悬垂(pendent)官能团。优选地这类官能团促进一种或多种目标物种的吸附。更优选的官能团包括在电活性介质上适合对一种或多种目标物种的可逆吸附和解吸的那些。甚至更优选的实施方案包括在至少一种条件或状态下吸附一种或多种目标物种而在不同条件或状态下解吸所述一种或多种目标物种的至少之一的官能团。吸附可以离子、共价地或通过化学吸附实施。
依照本发明的某些实施方案，可被利用的介质的例子包括，但不限于，处于例如颗粒、纤维和膜形式的离子交换介质、树脂和螯合剂。这类材料在本领域是公知的且很容易商购获得。在本发明的任何一种或多种不同实施方案中，可使用任何上述形式的组合。
在某些实施方案中，所采用的介质通常可是一种或多种离子的有效传导体。在其它实施方案中，所采用的介质通常可以是一种或多种离子的不良传导体。在至少一种实施方案中可使用混合介质，例如传导性介质和不良传导性介质的混合物。某些实施方案还可以包括具有惰性成分的电活性介质的床。
依照一种或多种实施方案，电分离装置的一个或多个隔室可用介质如吸附介质，例如，离子交换介质填充。至少部分介质通常可为离子选择性的。在某些实施方案中，离子交换介质可包括树脂如阳离子交换树脂(优先吸附阳离子的树脂)，或阴离子交换树脂(优先吸附阴离子的树脂)、惰性树脂，以及其混合物。也可以实行不同的构型。例如，一个或多个隔室也可以用仅一种类型的树脂，例如，阳离子树脂或阴离子树脂填充；在其它情况下，隔室可以用多于一种类型的树脂，例如，两种类型的阳离子树脂、两种类型的阴离子树脂、阳离子树脂和阴离子树脂填充。可被用于本发明的一种或多种实施方案的可商购的介质的非限制性例子包括可从The Dow Chemical Company(Midland，Michigan)商购获得的强酸和I型强碱树脂、II型强碱阴离子树脂，以及弱酸或弱碱树脂。介质对于特定类型的离子，例如特定的阳离子或阴离子可以是选择性的。例如，依照一种或多种实施方案，介质可以是硼选择性、硝酸盐(根)选择性或砷选择性的。正如所说的，这类目标选择性介质可以是可逆吸附的。如此处所使用的，在特定条件下，选择性介质可以例如通过吸附机理连接至物种，包括离子物种。优选地，在本发明的某些实施方案中可应用的选择性介质在不同的条件下能够释放吸附的物种。目标选择性介质在特定条件或目标物种的特定状态下优先地结合至目标物种或类似类型的目标物种，并且能够释放，例如，解吸所结合的物种或甚至一种或多种类似类型的物种。选择性介质与离子交换介质的不同之处至少在于需要不同条件以释放结合的物种，例如，一种或多种目标物种。
在隔室中通常所利用的离子交换或选择性树脂在其表面区域上可具有多种官能团。官能团的选择可基于存在于过程料流中的离子物种的类型。如果某种存在的目标物种用来通过电化学装置去除，选择具有能够优先地结合目标物种的官能团的介质可能是合乎需要的。例如，在一非限制性实施方案中，想要从水中去除硼，介质可包括至少一顺式-二醇官能团。更特别地，依照一种或多种实施方案，顺式-二醇官能团可以具体化为N-甲基葡萄糖胺官能团。在至少一种实施方案中，N-甲基葡萄糖胺官能团可优先地依照下列机理结合至硼酸根离子：
其它官能团可包括，但不限于叔烷基氨基和二甲基乙醇胺基。多种介质也可与在其表面区域上具有其它官能团，例如铵基的离子选择性树脂材料相结合使用。可被用作离子交换树脂材料的其它改进和等同物在本领域技术人员使用不超过例行试验的范围之内进行确定。离子交换树脂的例子包括，但不限于DOWEXMONOSPHERETM 550A阴离子树脂、MONOSPHERETM 650C阳离子树脂、MARATHONTM A阴离子树脂和MARATHONTM C阳离子树脂以及DOWEX BSR-1TM树脂，均可获自TheDow Chemical Company(Midland，Michigan)。
如上所述，在电化学装置的一个或多个隔室中提供混合介质可能是合乎需要的。在一非限制性实施方案中，至少一个隔室可含有阴离子交换树脂和目标离子选择性树脂(例如硼选择性树脂)的混合物或床。不希望受限于任何特定的理论，阴离子树脂通常可经由常规横跨膜的传送来促进分离，这是通过传导一种或多种阴离子，如氯离子实现的；同时离子选择性树脂可吸附用于水净化的目标物种，如硼。在这点上，离子选择性树脂通常可为不良传导体。在本发明的不同系统和技术中所利用的特定构造可包括电去离子装置，所述电去离子装置包括一个或多个具有电活性介质的隔室，所述电活性介质基本上由目标选择性介质，例如树脂组成；所述隔室具有基本上由阴离子交换介质和目标选择性介质组成的介质的混合床；所述隔室具有基本上由阳离子交换介质和目标选择性介质组成的介质的混合床；或具有基本上由阴离子交换介质、阳离子交换介质和目标选择性介质组成的介质的混合床。
依照一种或多种实施方案，在每一隔室内不同介质可以以多种构型来布置。例如，介质如树脂可以以层来布置从而可以构造多个层的多种排列。其它实施方案或构造被认为是在本发明的保护范围之内，包括例如，在消耗隔室、浓缩隔室和电极隔室的任一中使用混合离子交换树脂床，在阴离子和阳离子交换树脂的层状床之间使用惰性树脂，以及使用不同种类的阴离子和阳离子树脂。树脂通常可对促进一个或多个隔室中的水的解离是有效的。树脂也可对提高一个或多个隔室中的电导率是有效的。树脂还可对吸附一种或多种目标物种是有效的。
依照一种或多种实施方案，隔室中介质的选择和布置可基于其中的一种或多种环境条件，在其中待处理的过程料流的一种或多种特性，或基于通常在其中预期的处理模式。在某些实施方案中，隔室中树脂床的组成沿通过隔室的流路可以是基本均一的。在其它实施方案中，沿通过隔室的流路叠加或分层可能是所期望的。在某些实施方案中，过程料流可含有这样的目标物种，其不太可能在引入隔室后马上被离子选择性树脂去除。例如，该目标物种可能需要被转换为用于去除的优选态，例如，易于吸附的状态，如离子态。在这些实施方案中，离子选择性树脂可被策略性地进一步沿通过隔室的流路放置。以此方式，当目标物种确实接触离子选择性树脂时，其处于被去除的优选态或被目标选择性介质吸附。不同的介质或树脂可被放置在离子选择性树脂的上游，以便传送存在于过程料流中的其它离子物种。在某些实施方案中，这可以促进目标物种转化为优选态。例如，调节过程料流的特性，例如在隔室中它的pH条件，可促进目标物种转化为优选态，从而促进从过程料流中去除。
包含在隔室中的介质可以以任何适当的形状或构造存在，例如，基本为球形和/或其它形状的离散颗粒、粉末、纤维、垫、膜、挤压筛网、簇、和/或颗粒的预制集合体，例如，树脂颗粒可以与胶粘剂混合形成颗粒簇。在某些情况下，该介质可以包括多种形状或构造。根据特定的用途，该介质可以包括任何适于从液体中吸附离子、有机物和/或其它物种的材料，例如硅石、沸石和/或可商购得到的很多种聚合物离子交换介质中的任一种或混合物。在隔室中可以另外存在其它材料和/或介质，例如，能够催化反应或过滤待处理液体中的悬浮固体的材料和/或介质。
此外，在隔室内可存在多种构造或排列。由此，本发明的分离系统的一个或多个隔室可以包含附加的组件和/或结构，例如，但不限于挡板、筛目、板、肋材、带、筛网、管、碳颗粒、碳过滤器，在某些情况下，其可被用于容纳该离子交换介质和/或控制液体流动。组件可以各自包含相同类型和/或数量的各种组件和/或具有相同构造，或者可以具有不同组件和/或结构/构造。
依照一种或多种实施方案，过程料流可被供给电化学装置的一个或多个隔室。如上所述，过程料流可包括一种或多种目标物种或目标物种类型。目标物种通常可为溶解和/或悬浮于过程料流中的任何物种，所述过程料流通常为液体，所述物种被期望去除或从第一溶液转移至另一溶液，通常使用电分离装置。被期望使用电分离装置去除或在溶液之间传送的目标物种的例子可包括装置内操作环境中的某些离子物种、有机分子、弱电离物质和可电离物质。依照本发明的某些方面需要去除或传送的目标离子物种可以是一种或多种能够从溶液中沉淀和/或能够与溶液中其它物种和/或离子发生反应形成能够从溶液中沉淀的盐和/或其它化合物的离子。在某些实施方案中，目标物种可以是在电化学装置运转过程中的条件下不可沉淀的物种或可溶物种，通常是指可以为其不易于从溶液中沉淀的离子组分的物种，或与溶液中的其它物种和/或离子反应以形成沉淀的盐和/或其它化合物。
含有一种或多种目标离子的过程料流可用依照一种或多种实施方案的装置和方法来处理。如在此所述，一种或多种目标离子的分离和转化可能是合乎需要的。例如，过程料流中的目标物种可通过该装置和方法来操作以形成产物料流。在某些实施方案中，该装置和方法可分离目标离子并使用它们来形成或产生目标化合物。因而，存在于过程料流中的目标离子可以是目标化合物的前体。在某些实施方案中，目标化合物可以是处于适合通过该装置去除的优选态的目标离子或物种。在其它实施方案中，目标离子可以是酸性或碱性产物的前体。在至少一种实施方案中，过程料流可以是水溶液，例如盐溶液。该盐溶液或其离子可以是酸或碱产物的前体。在某些实施方案中，目标离子通常可在过程料流中被解离。依照一种或多种实施方案，过程料流可提供离子物种(例如第一阳离子物种和第一阴离子物种)的来源。第一阳离子物种和/或第一阴离子物种可以是任何酸或碱的前体。
依照一种或多种实施方案，在电化学装置中产生酸性和/或碱性料流以促进水处理可能是合乎需要的。酸和/或碱可以是该电化学装置和方法的产物。酸和/或碱产物料流可以通过该电化学装置和方法来产生。在至少一种实施方案中，酸和/或碱产物可通过该电化学装置和方法来浓缩。任何酸或碱可从一种或多种存在于过程料流中的离子作为产物料流来产生。在某些实施方案中，供给电化学装置的过程料流中的目标离子可基于所需的产物料流来选择。在电化学装置中酸和/或碱料流的产生可能涉及提升或建立其中的一种或多种pH条件或pH环境。如在此所公开的，促成不同pH条件可有助于水处理。在至少一种实施方案中，第一pH条件可促进电化学装置的隔室中通过介质对目标物种的吸附。第二pH条件可促进它们的解吸。
温度也可被一致地利用，例如，与pH条件的差异一起，以促进一种或多种目标物种或目标物种类型的至少一部分发生结合，和更进一步地，促进一种或多种已结合的目标物种或目标物种类型的至少一部分发生释放。例如，其中具有目标物种的料流可在第一温度引入本发明的一种或多种装置和系统，且释放料流可具有更低或更高的温度以促进一种或多种已结合的目标物种或目标物种类型的释放或解吸。
依照一种或多种实施方案，待处理的水溶液可从源或进入点被引入电去离子装置。管道可作为多支管(manifold)将过程料流源流体地连接(fluidly connecting)至一个或多个电去离子装置的一个或多个隔室。过程流体的源可以典型地流体连接至电化学装置的至少一个隔室。在某些实施方案中，过程用水可被引入电化学分离装置的第一隔室和第二隔室。
在某些实施方案中，部分过程料流可被解离成氢或水合氢离子和氢氧根离子以促进经由电化学装置产生酸或碱。在某些实施方案中，在电去离子装置中施加的电场引起极化现象，这通常促进了水分解或解离成水合氢离子和氢氧根离子。依照一种或多种实施方案，这种水的分解可提供第一阴离子的源和第一阳离子的源。如在这里所描述的，电化学装置可促进离子的迁移使得第一阴离子和第一阳离子可分别与来自过程料流的第二阳离子和第二阴离子相缔合，从而产生一种或多种产物料流。
依照一种或多种特别的方面，本发明可以涉及用于诱导电离物种如矿物、盐、离子和有机物的成分在所施加力的影响下从电化学装置的第一隔室迁移至第二隔室。例如，离子可迁移至过程流体或从过程流体迁移以产生一种或多种产物料流。在某些方面，在第一隔室中的液体可能是所需要的，即产物，而第二隔室中的液体可作为废料被弃去。
某些实施方案涉及将一种或多种水溶液或过程料流处理或转换以提供，例如，一种或多种产物料流。产物料流可被产生、分离、聚集或浓缩。一种或多种实施方案涉及的是，处理水溶液可包括净化水溶液以从那里去除一种或多种不合意的物种。因而，产物料流可以是经净化的料流。产物料流，例如酸或碱料流，可通过电化学装置从往那里加入的一种或多种前体产生。该技术的一种或多种实施方案可包括通过从其中去除或迁移一种或多种物种来提供待处理的水溶液。将被去除或迁移的所述一种或多种物种可以是存在于进料流中的一种或多种阳离子物种和/或一种或多种阴离子物种。该技术可进一步包括将含有，例如，第一阳离子和缔合的第一阴离子的水溶液引入电分离装置(例如此处所述的电驱动装置的任何构造)的一个或多个隔室。一种或多种目标物种可被诱导或促进从而从水溶液迁移至离析或分离装置的一个或多个隔室中。一种或多种目标物种可被诱导或促进从而从水溶液吸附至离析或分离装置的一个或多个隔室中的介质。
在操作中，典型地具有溶解阳离子和阴离子成分的过程料流可被引入电化学装置的一个或多个隔室。越过电去离子装置的施加电场促使离子物种朝着其各自的吸引电极的方向迁移。在电场的影响下，阳离子和阴离子组分离开一个隔室并迁移至另一隔室。包含在一个或多个隔室中的介质或树脂可促进迁移。包含在一个或多个隔室中的某些介质或树脂也可以选择性地结合或吸附存在于过程料流中的离子，如目标物种。离子选择性膜可阻挡阳离子和阴离子物种迁移至下一隔室。因而，至少部分地通过缔合电化学装置内的一种或多种离子物种所产生的一种或多种产物可在其中的一个或多个隔室中被浓缩。产物料流可经与不同隔室相关联的出口流出。经消耗的料流也可经隔室出口流出。
一种或多种阳离子和/或阴离子物种在相邻隔室之间的迁移可改变那些隔室中的pH环境。在某些实施方案中，荷电物种的迁移可促进极化，这可导致pH条件更低或更高。例如，阴离子物种，例如氯离子从第一隔室迁移至第二隔室可促进第一隔室中pH条件的升高和第二隔室中pH条件的降低。依照一种或多种实施方案，过程用水可在一个或多个隔室中被电解以产生氢物种和氢氧化物物种。如果提供足够量的这类物种并传送或迁移，将导致第一隔室呈碱性以至其中所含或流动的液体具有大于约7pH单位的pH。同样地，可致使第二隔室为酸性以至其中所含或流动的液体具有小于约7pH单位的pH。来自所提供的过程料流的目标离子也可以迁移。因而，某些实施方案提供酸料流的产生和/或碱料流的产生。根据所期望得到的，其中之一或两者均可被丢弃、回收或循环。
依照一种或多种实施方案，改变的pH条件也可有助于用于水处理的电化学分离装置的运行。在某些实施方案中，升高的pH条件可促进存在于过程用水中的一种或多种目标物种转化为用于电化学去除的优选离子态。例如，在一非限制性实施方案中，在升高的pH条件下含硼化合物可被转化为硼酸根离子。这些硼酸根离子可结合或吸附至电化学装置的隔室中硼选择性介质上的官能团。同样地，在含有具有被吸附至此处的硼化合物的硼选择性介质的隔室中，可促成降低的pH条件以再生该介质。例如，一旦硼选择性介质饱和，则施加至电化学装置的电场的极性可被反转以促进介质的再生。以此方式，如下参照附图1所描述的，因而操作可以是循环的。
附图1表示依照本发明的一种或多种实施方案的电化学装置100。装置100包括第一隔室110和第二隔室120。第一隔室110至少部分地由第一阴离子选择性膜140和第一阳离子选择性膜130限制(bound)。第二隔室140至少部分地由第二阳离子选择性膜150和第一阴离子选择性膜130限制。过程用水的源160流体地连接至第一和第二隔室110，120中的至少之一。在所绘制的非限制性实施方案中，过程用水包括海水。在所施加的电场的影响下，氯离子(Cl-)跨第一阴离子选择性膜140从第一隔室110迁移至第二隔室120，而钠离子被俘获在第一隔室110中。在有利的操作条件下，水至少在第一阳离子选择性膜130处被分解。结果是条件的改变，例如，在第一隔室110中的pH条件升高。在第二隔室120中，例如，由于其中的氯离子和水合氢离子的产生以及某些情况下迁移可导致pH条件相应降低。第一和第二隔室110，120至少部分地分别含有离子选择性介质床170，180。在所描绘的非限制性实施方案中，介质床170包括阴离子交换树脂和硼选择性树脂的50/50掺混物。在某些非限制性实施方案中，隔室110中在升高的pH条件下，例如pH为约9-10，过程用水中的至少部分目标化合物，如含硼化合物被转化为优选态或优选条件，如优选的离子态，即硼酸根离子。一种或多种目标物种，例如硼酸根离子的至少一部分被第一隔室110中的介质床170中的目标选择性介质选择性地结合或吸附。
在第二隔室120中降低的pH条件可促进其中的树脂床180的再生。例如，在某些非限制性实施方案中，在第二隔室120中约2-4的pH水平下硼可被释放。净化水的产物料流在充当消耗隔室的第一隔室110的出口被收集。该产物料流可以是碱性产物料流。废料流在充当浓缩隔室的第二隔室120的出口被收集。床180可包括体积比为50％/50％的阴离子交换树脂和目标选择性树脂的掺混物。
所施加电场的极性可在任何时间被反转以便在第二隔室120中的树脂床180上吸附一种或多种目标物种，例如，硼酸根离子的至少一部分，而在第一隔室110中再生树脂床170。这样的话，第二隔室120可充当消耗隔室而第一隔室110可充当浓缩隔室。
如图所示，至少部分从隔室110流出的产物料流可被引导至电化学装置的第三隔室190。来自隔室110的产物料流可在隔室190中通过调节或改变它的至少一种性质或特性来进一步处理。在本发明另一有利的方面，隔室190可改变或调节往其中引入的料流的至少一种其它特性或性质。例如，产物料流可在那里被处理以去除其中任何残留的离子物种。处理或去除可在施加电场的影响下实现。因而，如图所示，可导致阳离子物种从料流迁移出来并迁移至隔室120中。至少在该特定实施方案中隔室190可被视为至少一个消耗隔室。在再其它的情况下，通常作为施加电流的结果，至少部分引入隔室190的料流中的水可被极化以产生水合氢离子和氢氧根离子。如图所示，产生的水合氢离子可迁移进入料流并调节它的pH水平。因此至少在这方面，隔室190可被视为pH调节隔室，而且，如果引入其中的料流具有高pH水平，例如，远大于7个单位的情况下，隔室190可被视为pH中和隔室，相对于入口处的pH水平，其提供具有更低pH的流出料流。
隔室190的构造可包括促进迁移物种的传送以及水的极化的组件。例如，隔室190可通过阳离子选择性膜150和第三阳离子选择性膜155来界定。在某些情况下，膜155可至少部分地为双极性膜，所述双极性膜至少部分地促进水的极化。其它的实施方案可包括具有电活性介质的隔室190，该电活性介质可以是阴离子和阳离子交换树脂的混合床。
装置100可包括多个隔室190。如果需要多个这种隔室来将(来自装置100的)产物料流的pH调节至期望值，这种布置可被有利地利用。正如所说的，附图1示范性地说明了具有一个或多个中和隔室190的装置100。然而，来自隔室110的料流的pH中和调节可通过本发明的进一步显著的构造和方面来实现。例如，来自隔室190的至少部分料流的pH可通过将其引入装置100的至少一个阴极隔室来降低。因而，例如，水合氢离子物种从隔室110迁移出来或，优选地，在至少部分地界定阴极隔室(未示出)的双极性膜处产生。在其它情况下，可通过在装置100外部的位置加入酸来实现将pH调节至目标水平。用来中和的酸溶液可由装置100或装置100的未连接的或可独立操作的辅助模块(未示出)产生。
经净化的水可被传送作为饮用水使用或储存。如果需要，饮用水可被保存或进一步消毒，且可以在不同的应用(包括农业和工业)中使用，例如用于半导体的制备中。由电化学装置产生的废料或浓缩料流可被收集并排放至废弃物，经由系统回收或进料至用于进一步处理的下游单元操作。产物料流可在下游利用、上游利用或处置之前进一步处理。例如，产物酸或产物碱料流的pH水平可被调节。在某些实施方案中，部分或完全混合一种或多种产物料流可能是所需要的。一种或多种附加单元操作可以被流体地连接在电化学单元的下游。例如，一个或多个单元操作可经配置以接受并处理目标产物料流，例如在将其传递至使用点之前。也可存在精制单元(polishing units)，例如包括化学或生物处理的那些，从而在使用或排放之前处理装置的产物或流出料流。在某些实施方案中，针对本发明的系统，反渗透单元操作并不位于电化学分离装置的下游。在至少一针对本发明的系统的实施方案中，离子选择性树脂床，如硼选择性树脂床并不位于电化学分离装置的下游。
依照一种或多种实施方案，可定位一个或多个传感器以检测任何料流、成分或通常与装置100相结合的子系统的一种或多种特性、条件、性质或状态。在某些非限制性实施方案中，所述传感器中的一个或多个可经配置以检测进入或流出装置100的流体中目标物种的浓度。在一实施方案中，一个或多个传感器被定位以检测装置100的一个或多个隔室的进口和/或出口处的硼浓度。在另一非限定性实施方案中，一个或多个传感器被定位以检测装置100的一个或多个隔室的进口和/或出口处的pH水平。
在某些实施方案中，装置和方法包括控制器，用于调整或调节装置或系统组件的至少一种操作参数，所述系统组件例如，但不限于促动阀(actuating valve)和泵，以及调节经过电驱动分离装置的电流或所施加的电场的性质或特性。控制器可与至少一经配置以检测系统的至少一个运行参数的传感器电子通讯。控制器通常可经配置以产生控制信号以响应由传感器产生的信号来调节一种或多种运行参数。例如，控制器可经配置以接收装置100的，或来自装置100的任何料流、组件或子系统的条件、性质或状态的表示(representation)。控制器通常包括算法，所述算法促进至少一输出信号的产生，所述输出信号通常基于任何表示中的一种或多种以及目标或期望值如设定点。依照本发明的一个或多个特定方面，控制器可经配置以接收来自装置100的任何料流的任何测定性质的表示，并产生控制、驱动或输出信号至任何处理系统组件，包括装置100，以降低测量特性与目标值的任何偏差。
依照一种或多种实施方案，控制器可经配置以反转施加至装置100的电流的极性。控制器可与一个或多个配置为提供测量信号的传感器通讯，所述测量信号代表与装置100相关的料流，例如，流出装置100的隔室的产物料流中的目标物种的浓度。在某些实施方案中，pH水平或浓度测量可通过传感器来测定并与控制器通讯。在至少一种实施方案中，表示硼浓度的测量信号表示可被传输至控制器。控制器可经配置以响应接收的高于或超过预定水平的测量值以产生控制信号。控制信号可反转对装置100施加的电流的极性以便在那里的隔室中再生介质。在某些实施方案中，控制信号可至少部分地基于测量信号传送至与装置100相关的电源。
在其它构造中，控制器可以处于开环控制，提供或改变本发明的处理系统的至少一种组件的一种或多种操作条件。例如，通常依照预定的时间表，控制器可周期性地产生输出或驱动信号，反转施加电场的极性，和优选地，反转料流通过装置100的流路，也即从预定布置(转变)至第二预定布置。
在本发明的系统和方法中可利用的一个或多个传感器可提供流入、流出或在装置100内的料流的性质或特性，或对装置100所施加的电流的性质或特性的表示。例如，该一个或多个传感器可经配置以测量并提供工艺条件的表示(例如测量信号)，所述工艺条件例如为流出任一隔室110的任一料流的pH，流出隔室120的料流的pH和流出隔室190的料流的pH。一个或多个传感器还可以提供所测定的流入、流出装置100或装置100内的任何料流的电导率或电阻率值。在特别有利的构造中，至少一个传感器可被用来通过直接测定或通过代理提供至少一种来自装置100，或来自隔室110和120之任一的产物料流中目标物种，例如，硼的浓度的表示。硼浓度的测量可通过，例如，比色或荧光技术来实现，其中样品被批次式地周期性地检索并分析，或通过一个或多个支流半连续地分析。
控制器通常为基于微处理器的装置，如可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统，其从装置或系统的部件接收输入和输出信号，或者发送输入和输出信号到装置或系统的部件，其中装置是运转着的。通讯网络可允许任何传感器或信号发生装置位于离控制器或相关的计算机系统相当远的距离，然而仍在它们之间提供数据。这些通讯机理可通过利用任何适合的技术包括但不限于利用无线协议的那些来实现。
在至少一种实施方案中，一个或多个双极性膜可被引入来至少部分地界定一个或多个隔室。双极性膜通常在一侧为阴离子膜而在另一侧为阳离子膜。双极性膜在分解水方面通常是有效的。在某些实施方案中，双极性膜可被用于水分解池的位置。在某些实施方案中，一种或多种双极性膜可与一种或多种阴离子和/或阳离子选择性膜结合使用。依照一种或多种实施方案，电化学装置可包括交替次序的双极性膜和阴离子选择性膜。同样地，依照一种或多种实施方案，电化学装置可包括交替次序的双极性膜和阳离子选择性膜。本领域普通技术人员可认识到，依照本发明的某些方面，也可以使用其它类型和/或排列的选择性膜。在至少一种实施方案中，电化学装置并不包括双极性膜。
依照某些实施方案，在处理系统中可以利用多个阶段来净化水或至少降低其中溶解固体的浓度。例如，待处理的水可以分阶段净化使得每一阶段选择性地去除一种或多种类型的溶解固体，从而产生纯净的，例如脱盐或甚至可饮用的水。在某些实施方案中，在单一电化学装置中可存在多个处理阶段。在其它实施方案中，在一系列电化学装置中可存在不同的处理阶段。在某些情况下，一个或多个阶段可包括一个或多个影响一类溶解物种的选择性留着(selective retention)的单元操作，所述溶解物种可随后在一个或多个后续或下游阶段去除。由此，在本发明的净化系统的某些实施方案中，第一阶段可去除或至少降低一类溶解物种的浓度。在其它实施方案中，第一阶段可去除或降低除一种类型的溶解物种以外所有溶解物种的浓度。任何没有从水中去除的残留的物种，可随后在一个或多个后续阶段中被去除或其浓度被降低。
电化学装置可以以任何获得所需产物和/或所期望处理效果的任何适合的方式来操作。例如，本发明的不同实施方案可连续地或基本连续地或持续地、间歇地、周期性地或甚至根据需要来操作。也可以采用多次通过(multipass)EDI系统，其中进料通常通过装置两次或更多次，或者可通过任选的第二装置。电分离装置可与一个或多个其它单元、组合件和/或部件相结合来操作。辅助部件和/或子系统可包括相互合作使得系统运转的管道、泵、储罐、传感器、控制系统，以及电源和分配子系统。
应当理解的是，当需要处理一种或多种液体时，本发明的系统和方法可与很多种系统相结合使用。因而，当需要用于特定过程时，本领域普通技术人员可对该电分离装置进行改变，而不偏离本发明的范围。
这些和其它实施方案的功能和优点将从下面的非限定性实施例得到更全面的理解。该实施例旨在从性质上进行说明而非意欲限定此处所述的实施方案的范围。
实施例
如下所提出的几种处理技术对于其从海水去除硼的适用性进行了研究。
实验上采用的ED和EDI池具有1.2x7.5英寸的有效膜面积。除在一价-选择性ED实验中采用Tokuyama Soda ACS和CMS一价-选择性膜外，始终使用IONPURE阴离子和阳离子选择性膜。所使用的树脂为DOWEXMSA树脂和/或DOWEXBSR-1硼选择性树脂。电极为RuO2涂覆的展开的(expanded)钛金属且用相同水的分开的料流进料。筛滤器包含在电极隔室中。除非另作说明，溶于去离子水的INSTANT OCEAN盐被用作模拟海水的进料。在某些实验中加入硼酸。硼浓度始终采用HachAzomethine-H法10061(0.02-1.50ppm，作为硼)进行测定。每一测量为三个样品的平均值。
Donnan渗析处理法依照附图2中所给出的实验装置来完成。通过ED(未示出)除盐的水被用作进料，而通过ED浓缩的水被用作接受溶液。结果汇总在下面的表1中。
表1.Donnan渗析
电去离子方法同样进行了测试。在这些实验中，每对池施加5V的电压。给水以每池10ml/min的流速进料，所具有的硼浓度为3.6ppm。在第一装置中，IONPURE离子选择性膜与DOWEXMSA阴离子选择性膜一起用作填料。在第二装置中，IONPURE离子选择性膜与BSR-1硼选择性树脂一起用作填料。对于进料料流的pH为7.5-10.8单位的结果汇总于下面的表2中。
表2.电去离子
  树脂   pH7.5   pH8.9   pH10.0   pH10.8
  MSA   没有去除   24％   33％   19.4％
  BSR-1   没有去除   没有去除   26％   -
在另一实验中，使用一价选择性阴离子膜的电渗析以pH水平为7.5的进料进行了测试。对于不同施加电流的数据列于下面的表3中。
表3.采用一价选择性阴离子膜的电渗析
  电压   V/池对   2   2   5   5
  电流   A   1   0.5   1   0.47
  进料   mS/cm   45.95   22.96   22.96   12.20
  产物   mS/cm   41.63   20.65   17.77   9.80
  进料硼   ppm   3.62   1.57   1.57   0.82
  产物硼   ppm   3.75   1.67   1.63   0.80
  产物流   ml/min/池   9.7   9.7   7.3   10.6
  盐去除   ％   9.4   10.1   22.6   19.7
  硼去除   ％   无   无   无   2.4
还依照附图3中所示装置使用具有非选择性树脂柱的离子交换进行了实验。两个相同的树脂床(Dow MSA)循环地、与ED极性反转同步地使用。通过ED脱盐的水被用作进料，而用ED浓缩的水被用作再生剂。结果汇总于下面的表4中。
表4.用非选择性树脂的离子交换
  已处理水的体积，BV 循环数 去除
  5   1   64％
  7   20   没有去除
  11   10   没有去除
如附图4中所绘制的使用硼选择性树脂的产生酸/碱EDI依照本发明的一种或多种实施方案进行了测试。使用IONPURE离子选择性膜，且树脂含有50％BSR-1树脂和50％Dow MarathonA阴离子交换树脂。隔室CA和AC以模拟海水进料。隔室CC以AC隔室的流出物作为进料。在AC隔室中，溶液变为碱性且BSR-1树脂吸附硼。在CA隔室中，溶液被酸化且使其中的BSR-1树脂再生。通过切换料流并反转极性，完成循环运转。该模块被循环四次。在第四次循环中，操作5分钟之后，所有的流出物被收集25分钟并对硼进行分析(产物以及浓缩物两者)。对接下来23分钟的所有流出物同样收集并分析。第三样品在90分钟时取得。表5表示经48分钟的平均去除率。结果汇总在下面所列的表5-7。表6表示第4次循环的硼数据。表5表示通过含有硼选择性树脂的产生酸/碱EDI去除硼的时间曲线。
表5.具有硼选择性树脂的产生酸/碱EDI
  进料硼   3.6ppm
  产物硼   0.72-0.82ppm
  废料硼   6.5-10.5ppm
  电流   2A
  电压   4V/稀释池
  产物流速/池   2.1
  浓缩物流速/池   1.3
  已处理水的总体积   26BVH
  浓缩物pH   1.4-2.1
  去除   77-80％
  对B的质量平衡   ～100％
表6.具有硼选择性树脂的产生酸/碱EDI
  pH   硼去除
  7.5   没有去除
  9   没有去除
  10   26％
表7.具有硼选择性树脂的产生酸/碱EDI
 进料   3.6ppm
 产物   0.72-0.82ppm
 废料   6.5-10.5ppm
 去除   77-80％
 对B的质量平衡   ～100％
Donnan渗析、ED和CDI方法在中性pH对于从海水中去除硼不是有效的。在升高pH下通过ED和EDI模块完成了一些硼的去除。这很可能是由于在pH约7.5，硼的化合物不发生电离，因而不能通过施加电场来去除。在升高pH下硼酸转变为硼酸根离子B(OH)4 -，其可通过电场移动。在pH 9-10通过EDI完成了一些硼的去除。在甚至更高的pH(～11)，去除率下降，可能由于来自OH-离子的竞争，所述OH-离子在离子交换树脂和膜中更易运动。硼选择性树脂上的离子交换对于从海水中去除硼是有效的。硼选择性树脂被发现可用相对弱的酸(pH＝2-4)再生。
具有硼选择性树脂的EDI比具有非选择性树脂的EDI去除硼的效率低。这表明硼选择性树脂可能并非硼酸根离子的良导体。硼在该树脂上的吸附机理与常规的阴离子交换树脂是非常不同的。类似地是在EDI装置中硼选择性树脂对硼的去除并没有贡献，和该堆叠(stack)本质上作为ED装置工作。在中性pH下，使用对一价阴离子和阳离子具有选择性的膜的电渗析对硼的去除是不是有效的。在膜附近的二价和一价离子之间平衡的移动可能不足以改变局部pH以至使硼酸电离。海水是中性的缓冲溶液，其中缓冲作用由碳酸盐、硫酸盐和硼酸盐产生。
依照本发明的一种或多种实施方案，最好的结果通过包含用硼选择性树脂进行离子交换的方法来获得，所述硼选择性树脂用特别配置的EDI或ED模块的酸性流出物或酸化的料流再生。在该方法中，在处于不同pH水平的硼物种之间的平衡，如附图6所示，可被用来获得优异的硼去除率。由此，本发明的某些方面包括在电驱动分离装置中改变将被处理的料流的pH条件至至少硼酸/硼酸根离子的pKa，即，依照关系：
H3BO3←→H3BO2 -+H+，
在约25℃下约为9.2。优选地，将被处理的料流的pH条件至少为约9.5，甚至更优选的是将pH升至至少大约10，以进一步促进顺式-二醇结合硼酸盐物种的形成。本发明另外的方面包括改变分离装置中的一种或多种其它料流的pH条件至低于硼酸/硼酸根离子的pKa，例如，pH低于大约9。硼物种的主要形态，例如，硼酸或硼酸根离子可取决于过程料流的pH水平。用含硼溶液平衡的硼选择性树脂，当用非常弱的酸(pH 2-4)冲洗时，可以开始释放硼。该酸度可通过酸/碱产生CDI模块获得。尽管在酸/碱产生CDI实验中的流速低，已处理的水的总体积26BVH，其是合理数字且流速可以提高。作为选择，CDI装置(或相同膜构造的ED装置)可被仅仅用来产生酸，而该酸可被提供用于硼选择性树脂的树脂床的再生。CDI装置可以用海水进料，或用脱盐过程的产物进料，任何一个被证实更适合用于产生酸和碱。在碱性隔室中以高得多的流速运行酸/碱产生装置应当是可能的。在这种情况下，在碱性隔室中的pH移动可能是不显著的，这使得能够在下游步骤无需中和地使用该料流。同时，酸可在树脂再生所需的浓度来产生。结果表明具有酸/碱产生和硼选择性树脂的EDI模块成功地降低了溶液中的硼浓度。对经受处理的溶液运用更长的驻留时间，例如可通过使用更大的床体积来完成，将导致溶液中硼浓度的更大的降低，例如，至少在某些实施方案中降至低于0.5ppm的水平。
尽管目前已经对本发明的一些示例性实施方案进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，前面的描述仅是示例性的而非限制性的，这些描述仅是通过举例的方式来说明的。无数变型和其它实施方案处在本领域的技术人员的范围内且被认为落入了本发明的范围内。尤其是，尽管本文所述的多个实例涉及方法行为或系统元件的特定组合，但应该理解的是，那些行为和那些元件可以其它方式进行组合以便实现相同的目的。
本领域技术人员应该意识到：本文所述的参数和构造是示例性的且实际参数和/或构造将取决于本发明的系统和技术所用于的特定应用。本领域技术人员还应该认识到或使用不超过例行实验就能够确定本发明的特定实施方案的等效方式。因此应该理解的是，本文所述的实施方案仅是通过举例的方式被示出的且在所附权利要求书及其等效方式的范围内；可通过除特定描述以外的方式来实施本发明。
此外，还应该意识到，本发明涉及本文所述的每个特征、系统、子系统或技术以及本文所述的两个或更多个特征、系统、子系统或技术的任何组合，且如果这些特征、系统、子系统和技术不彼此冲突，则两个或多个更特征、系统、子系统和/或方法的任何组合，被认为处于权利要求体现的本发明的范围内。进一步地，对于仅就一种实施方案讨论的行为、元件和特征而言，并不旨在排除其在其它实施方案中发挥的相似作用。
如本文中所使用地，术语“多个(plurality)”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包含(including)”、“带有(carrying)”、“具有(having)”、“包(containing)”和“含有(involving)”，无论在说明书还是在权利要求书和类似表述中，都是开放性术语，即意味着“包括但不限于”。因此，这种术语的使用旨在包括其后列举的项目，及其等效方式，以及附加的项目。对于权利要求书而言，仅有转折词“由...组成(consisting of)”和“基本上由...组成(consisting essentially of)”才分别是封闭或半封闭的转折词。在权利要求书中利用序数术语如“第一(first)”、“第二(second)”、“第三(third)”等来修饰要求保护的要素的情况下，这些术语本身并不意味着一个要求保护的要素与另一要素相比存在任何的优先级、优先性或二者之间有先后次序，或者方法的行为所实施的暂时顺序，而是仅被用作使具有某一名称的一个要求保护的要素与具有相同名称的另一要素区分开来(但使用了次序性术语)从而区分要求保护的要素的标记。

Claims (40)

1.处理海水的方法，包括：
将含有氯离子和含硼化合物的海水引入电驱动分离装置的第一隔室和相邻的第二隔室，第一隔室和第二隔室均包括树脂床和出口；所述树脂床之一包括阴离子交换树脂和硼选择性树脂的50/50掺混物；
促使海水中的氯离子从第一隔室传送至第二隔室；
促使第一隔室中的海水中的至少部分含硼化合物的电离；
在第一隔室中的树脂床上吸附至少部分已电离的含硼化合物；
在第一隔室的出口处回收已处理的水；和
反转对电驱动分离装置所施加的电流的极性，由此在第二隔室中的树脂床上吸附已电离的含硼化合物并通过从第一隔室的树脂床释放含硼化合物使第一隔室中的树脂床再生。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括释放结合在第二隔室中的树脂床中的至少部分含硼化合物。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括在第二隔室的出口回收含硼料流。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括调节已处理的水的pH水平。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括监测已处理的水中的硼浓度。
6.如权利要求5所述的方法，其中响应于检测到高于预定水平的已处理的水中的硼浓度，进行反转极性的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中该预定水平为1ppm。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括将已处理的水引导至电驱动分离装置的第三隔室。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括监测已处理的水的pH水平，并且其中响应于检测到高于预定水平的已处理的水的pH水平，进行反转极性的步骤。
10.操作电去离子装置的方法，包括：
将含有含硼化合物的过程用水引入该电去离子装置的第一隔室和相邻的第二隔室，第一和第二隔室均包括树脂床和出口；所述树脂床之一包括阴离子交换树脂和硼选择性树脂的50/50掺混物；
促使在第一隔室中产生碱性pH条件；
促使在第二隔室中产生酸性pH条件；
在第一隔室的树脂床上吸附硼酸根离子；
在第一隔室的出口回收已处理的水；
在第二隔室的出口回收含硼料流；和
反转对该电去离子装置所施加的电流的极性，由此在第二隔室中的树脂床上吸附硼酸根离子并通过从该第一隔室的树脂床释放含硼化合物使第一隔室中的树脂床再生。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括监测已处理水中的硼浓度。
12.如权利要求11所述的方法，其中响应于检测到的硼浓度进行反转极性的步骤。
13.如权利要求10所述的方法，进一步包括调节所述已处理水的pH水平。
14.如权利要求10所述的方法，其中回收含硼料流的步骤包括从第二隔室中的树脂床释放含硼化合物。
15.水处理系统，包括电驱动分离装置，所述电驱动分离装置包括含有对硼酸根离子具有选择性的硼选择性树脂床的第一隔室，所述隔室包括阴离子交换树脂和硼选择性树脂的50/50掺混物；所述树脂床含有顺式-二醇官能团。
16.如权利要求15所述的系统，其中该电驱动分离装置经构造和布置以使将海水中硼的浓度降至0.5-1ppm的水平。
17.如权利要求16所述的系统，其中该电驱动分离装置的第一隔室至少部分地由第一阴离子选择性膜和第一阳离子选择性膜来界定。
18.如权利要求17所述的系统，其中该电驱动分离装置进一步包含至少部分地由第一阴离子选择性膜和第二阳离子选择性膜界定的第二隔室。
19.如权利要求15所述的系统，进一步包括传感器，所述传感器流体连通地位于所述树脂床的下游并经配置以提供代表来自该电驱动分离装置的已处理的水中硼的浓度的测量信号。
20.如权利要求19所述的系统，进一步包括与所述传感器通讯的控制器，且该控制器经配置以至少部分基于所述测量信号对与电驱动分离装置相关联的电源产生控制信号。
21.如权利要求15所述的系统，其中在第一隔室中的树脂床的组成沿通过该电驱动分离装置的第一隔室的液体流路是基本上均一的。
22.处理具有溶解物种和至少一种目标物种的海水的方法，包括：
将海水的第一部分从海水源引入电驱动分离装置的消耗隔室，该消耗隔室具有布置于阴离子可透过膜和第一阳离子可透过膜之间的目标物种吸附介质；
将海水的第二部分从海水源引入电驱动分离装置的浓缩隔室，该浓缩隔室具有布置于该阴离子可透过膜和第二阳离子可透过膜之间的目标物种吸附介质；所述隔室之一包括阴离子交换树脂和目标选择性树脂的50/50掺混物；和
促使至少部分溶解物种传送到该浓缩隔室中，同时将所述至少一种目标物种的至少一部分转化为优选的离子态。
23.如权利要求22所述的方法，进一步包括在电驱动分离装置的中和隔室中调节来自消耗隔室的至少部分水的pH，该中和隔室至少部分地由该第二阳离子可透过膜和第三阳离子可透过膜所界定。
24.如权利要求22所述的方法，其中促进至少部分溶解物种传送至所述浓缩隔室包括施加电流通过所述消耗隔室和浓缩隔室。
25.如权利要求24所述的方法，其中施加电流促进电驱动分离装置的至少一个隔室中的水极化以产生水合氢离子，且其中调节来自所述消耗隔室的所述至少部分水的pH包括促使至少部分水合氢离子传送至所述中和隔室。
26.如权利要求25所述的方法，其中施加电流包括通入足以使所述消耗隔室中的海水的pH升至至少9.2单位的电流。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述中和隔室不含电活性介质。
28.电驱动分离装置，包括：
至少部分地由第一阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜所界定的第一隔室；
至少部分地由第一阴离子选择性膜和第二阳离子选择性膜所界定的第二隔室；第一隔室和第二隔室均包括树脂床和出口；所述树脂床之一包括阴离子交换树脂和硼选择性树脂的50/50掺混物；和
位于第一和第二隔室的至少之一中的硼选择性电活性介质。
29.如权利要求28所述的装置，进一步包括至少部分地由第二阳离子选择性膜所界定的第三隔室。
30.如权利要求29所述的装置，其中第三隔室至少部分地由双极性膜所界定。
31.如权利要求29所述的装置，其中第一隔室的出口流体地连接至第三隔室的入口。
32.如权利要求28所述的装置，其中该电驱动分离装置的出口流体地连接至使用的饮用水点。
33.如权利要求28所述的装置，其中所述电活性介质包括顺式-二醇官能团。
34.如权利要求29所述的装置，其中第三隔室不含电活性介质。
35.如权利要求28所述的装置，其中没有反渗透膜流体地连接至所述电驱动分离装置的下游。
36.如权利要求28所述的装置，其中没有树脂床流体地连接至电驱动分离装置的下游。
37.如权利要求28所述的装置，进一步包含传感器，所述传感器流体连接地位于所述树脂床的下游并经配置以提供代表来自该电驱动分离装置的已处理的水中硼浓度的测量信号。
38.如权利要求37所述的装置，其中所述测量信号包含所检测的pH水平。
39.如权利要求37所述的装置，进一步包含与传感器通讯的控制器，且该控制器经配置以至少部分地基于所述测量信号对与所述电驱动分离装置相关联的电源产生控制信号。
40.如权利要求33所述的装置，其中所述电活性介质包括N-甲基葡萄糖胺官能团。
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