[发明专利]极化电渗析

说明书

交叉引用

本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请61/783,881的权益，该临时申请全文以特定引用方式并入本文中。

背景技术

全球人口的日益增长、环境变化和工业化所导致的严重水源污染等因素已使得为人类提供足够的干净淡水成为一个严峻的挑战。上个世纪，人们发明并从根本上改进了诸多水净化方法，涉及蒸馏、过滤、化学和电化学等分类，这些方法被用以从海洋、地表水、地下水甚至废水等水源回收纯净淡水，作为生活、工农业用水。然而，现有技术水平在初始成本、维护成本和功耗方面仍远非完美。另外，每种技术仅有有限的成本效益好的应用和适合的水源水范围。对于越来越干涸的世界，必须通过对现有技术的持续改良和新技术开发，减少现有应用的材料和能源成本，探索新应用，并且从新的污染源获得淡水。

表1中列出了一些主要的水处理技术及其应用、适合的水源水、优点和缺点。其中，蒸馏技术已使用了几个世纪，甚至目前总海水淡化产能中超过一半仍基于该技术。在过去几十年中，大部分新海水淡化厂根据反渗透(RO)技术建造，因为其能效比蒸馏技术高。然而，只有在大规模淡化厂中才可以应用复杂的压力回收系统达到较高的能效。在苦咸/地表/地下水净化和小规模淡化应用中，电渗析(ED)和/或反向电渗析(EDR)(其是ED的相对较新的发展)因其在此类应用中的能效与RO类似甚或高于RO而被广泛采用，其额外益处包括回收率较高、压力和噪声低，污垢和预处理要求较低等。在RO系统中，膜阻挡大部分杂质(包括离子)，同时仅允许收集在高压下通过膜的净水，然而与此不同的是，在ED系统中，通过其离子交换膜迁移的带电离子中，只有一部分被从输出中去除，从而导致输出水的净化程度较低，并且TDS(总溶解固体)相对较多。电去离子(EDI)为一种可达到甚至高于RO的输出纯度的电化学处理工艺，也称为连续电去离子(CEDI)。EDI是ED和离子交换(IX)技术的融合。在传统IX中，需要定期化学(例如强酸)再生IX树脂。而在EDI中，树脂由电连续再生，因此其比IX更安全、更环保，并且需要的维护较少。在一些应用中，诸如用于发电厂、制药工艺和微电子行业的去离子水，EDI正在取代IX，但在现阶段，其采用仍受到相对较高的初始成本和较低效率的阻碍。

表1：现有水净化技术的对比

附图说明

在这些图示中：

图1是示意图，其示出用于执行极化电渗析的装置的实施例的横截面视图；

图2是示意图，其示出用于执行极化电渗析的装置的另一个实施例的横截面视图；

图3是示意图，其示出用于执行极化电渗析的装置的又一个实施例的横截面视图；

图4是示意图，其示出用于执行极化电渗析的装置的另外一个实施例的展开图。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考了附图，这些附图构成具体实施方式的一部分。在这些图示中，除非上下文另外指明，否则，类似符号通常标记类似部件。在具体实施方式、图示和权利要求中所述的示例性实施例并非意在进行限制。可利用其他实施例，并且可在不脱离本文所呈现主题的精神或范围的前提下作出其他改变。应当理解，如本文一般性描述并且在图中示出的本发明的方面可按很多不同配置来布置、代替、组合、分离和设计，所有这些配置都在本文中明确设想。

本文所述的一些实施例通常涉及用于通过极化电渗析(PED)进行水净化的设备和方法。如本文中所使用，术语“极化”在电渗析(ED)的上下文中可指：(1)除在产生离子耗尽流的离子交换膜附近的浓度极化以外，水因电渗析的净化；以及(2)被极化的阴离子交换膜(AEM)和阳离子交换膜(CEM)的不同有效尺寸，并且因此导致AEM和CEM的不同电流密度大小。如本文和权利要求中所使用，术语“膜”是指可具有渗透性或可不具有渗透性的层、阻隔物或材料。除非另外指明，否则，膜可采用固体、液体或凝胶的形式，并且可具有或可能不具有独特的晶格或交联结构。“阴离子交换膜”可指具有使其能够结合和释放带负电离子的官能团的膜。阴离子交换膜因此准许阴离子通过，同时基本上阻挡阳离子通过。“阳离子交换膜”可指具有使其能够结合和释放带正电离子的官能团的膜。阳离子交换膜可因此准许阳离子通过，同时基本上阻挡阴离子通过。