[发明专利]可再充电电化学电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于纯化水的电化学电池领域及其使用方法，更具体地讲，本发明涉及可充电以及使水垢积聚最小化的电化学电池领域，这种电池可用于水去离子法和/或由于碱度而具有降低的硬度的水的制备。

背景技术

作为水的硬度或溶解固体总量（TDS）测量的溶解于淡水源中的盐在工业、商业以及居民用水方面会产生显著的问题，并且早已实行了去除这些盐的方法。随着人类淡水使用的加强，我们的水源由于多种原因而越来越成为盐水溶液：农业径流；含有道路防结冰用盐的城市径流；地下水的过量抽取导致海水侵入蓄水层中；以及此前未考虑供人类使用的微咸水的开采。因此，预计未来降低TDS的需求会增长，并且会需要新技术来改善TDS降低工艺的效率以及环境可持续性。

一般来讲，美国自来水中的TDS含量的范围是140ppm至400ppm。在TDS实例的浓度为大于25ppm的情况下，会警告对消费者的不利之处。例如，在TDS实例的浓度为小于约25ppm的情况下，在使用民用洗碗机（使用不含磷酸盐的洗涤剂）之后，出现残留水渍的可能性会强烈地减少。在宽泛的占地面积小的简单设计以及无废物流的入口水条件的范围内，某些已知的混合床式树脂商业技术能够生产这种质量的水，但为了处理这种根据生产能力加载的树脂，需要强酸和强碱，这不适于消费者或轻型商业应用。

通过电化学电池提供的电化学反应又称为纯化水的一种方式。电去离子（EDI）电池（或装置或模块）使用电化学反应来特别生成去离子水。EDI电池通常用于产生用于电子器件、医药、发电以及冷却塔应用的超纯水。EDI模块包括下列元件：由位于阳极和阴极之间的选择性地阳离子可渗透隔膜（CPM）和选择性地阴离子可渗透隔膜（APM）隔开的产物和浓缩物（或废料）隔室。产物和浓缩物隔室各自填充有阴离子交换树脂珠和阳离子交换树脂珠的混合物。给水（一般为来自需要超纯化的反渗透（RO）装置的水）进入产物和浓缩物隔室两者，并且在整个阳极和阴极连续施加电压。在产物隔室中，阳离子键合到阳离子交换树脂珠，然后在阳离子交换树脂珠上阳离子在阴极方向从一个位点迁移到另一位点，直至其跨过CPM进入浓缩物隔室中。另外，在产物隔室中，阴离子键合到阴离子交换树脂珠，然后阴离子在与阳离子相比相反方向上移动，直至其跨过APM进入浓缩物隔室中。在浓缩物隔室中，阳离子和阴离子均被选择性的隔膜阻止进入产物隔室中。这样，在产物隔室中的水可达到适用于超纯水应用的非常低的TDS。另外，在阳离子交换树脂和阴离子交换树脂之间的界面处，施加的电场导致水的水解，从而连续不断地将其分别再生为酸和碱的形式。在这种操作中，既不需要添加化学品也不需要施加高压。

当前，EDI主要限于在TDS已经低的入口水方面的使用。为了提纯渗透到甚至更低TDS含量的低TDS RO以在超纯应用中使用，EDI最常用作针对RO的三级处理。这是由于EDI的技术缺陷，这种缺陷是在邻近与浓缩物隔室接触的隔膜表面的区域处的盐溶解/沉淀。在这种区域内，施加的电场浓缩隔膜表面附近的TDS。对于所有但除了非常低的入口TDS含量，该浓度使得在隔膜表面处的盐迅速沉淀，从而导致模块的故障。到目前为止，这种技术缺陷已经抑制了EDI应用于广大消费者和商业利益。

由于当前的可再充电电化学电池，特别是电去离子电池，该技术受到隔膜被去除的离子和/或固体污染的影响。本发明提供避免这种污染的可再充电电池。

发明内容

本发明提供了可再充电电化学装置，其中再生技术基于电池的电流或电流密度的分批施加，其中有不施加电流或电流密度的维护模式以及施加电流或电流密度的再充电模式。

在第一方面中，本发明提供了电化学电池，所述电化学电池包括：产物隔室，所述产物隔室包含一个或多个离子交换树脂；浓缩物隔室；和至少两个离子交换隔膜，所述至少两个离子交换隔膜选自阳离子可渗透隔膜、阴离子可渗透隔膜、双极性隔膜、以及它们的组合；以及阴极和阳极；其中所述电化学电池分批操作，具有不将电流密度施加到所述电化学电池的维护模式和将电流密度施加到所述电化学电池的再充电模式。

在一个或多个实施例中，在再充电模式期间，电流密度是低电流密度，其可有效地基本上保持邻近至少两个离子交换隔膜表面的区域中的溶液中溶解的离子。

一个实施例提供的离子交换树脂包括阳离子树脂和阴离子树脂的组合，并且所述至少两个离子交换隔膜包括阳离子可渗透隔膜和阴离子可渗透隔膜。