專利名稱：包括通過測(cè)量離子交換物質(zhì)膨脹進(jìn)行電流控制的去離子裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及專門的電去離子(EDI)裝置和方法。此裝置和方法被用于從極性液體供應(yīng)流生產(chǎn)至少部分被去離子的液體。這里，“被去離子”是指“被去陰離子”，“被去陽離子”，或“被完全去離子”(也就是說，既被去陰離子又被去陽離子)，而不管所實(shí)現(xiàn)的去離子的程度。
背景技術(shù)：
連續(xù)的或不連續(xù)的EDI在本領(lǐng)域中是大家熟知的方法，其使用電活性介質(zhì)和電勢(shì)差來驅(qū)動(dòng)離子傳輸，從極性液體例如水中至少部分地去除已電離的和可電離的 (ionizable)種類。去離子(deionization)發(fā)生在EDI的至少一個(gè)稀釋液隔室中，所述至少一個(gè)稀釋液隔室是電化學(xué)裝置中的隔室，在這里進(jìn)行凈化，即去除污染物。EDI當(dāng)前涉及標(biāo)準(zhǔn)的水去離子技術(shù)。它的最初原理，即在電滲析堆的稀釋液隔室中使用混合床離子交換樹脂，已經(jīng)被Millipore Corporation從1987開始商業(yè)化了。通常，EDI模塊包括至少一個(gè)可以用隔膜分開的電極和隔室對(duì)，稀釋液隔室被充滿離子交換物質(zhì)。典型地，隔室中稀釋液隔室和濃縮液隔室交替，并且分開這些隔室的隔膜是離子交換隔膜，通常陰離子和陽離子交換隔膜交替。根據(jù)此概念，包括電極的隔室即電極隔室可以用作稀釋液或用作濃縮液隔室。離子交換物質(zhì)通常是珠子(傳統(tǒng)的離子交換樹脂)、粉末、纖維(織物或非織物紡織品)以及多孔塊形式的陽離子和陰離子交換物質(zhì)。它們?cè)诟羰抑刑畛湟欢ǖ捏w積作為床，并且允許液體流流經(jīng)空隙體積(void volume)并且允許離子電流被傳導(dǎo)通過離子交換物質(zhì)。它們通常被稱為“樹脂”。在現(xiàn)有技術(shù)中，EDI的稀釋液隔室中的離子交換物質(zhì)的不同排列是可能的。最初的排列是離子交換樹脂的混合床?？商娲帕惺顷栯x子和陰離子交換樹脂層交替分布，叫做分層床。還已知，陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂用在完全分開的稀釋液隔室里，以連續(xù)的模式進(jìn)行電化學(xué)的再生。在某些方案中，供應(yīng)水溶液順序地流過陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂床，并且例如在電極反應(yīng)中產(chǎn)生的H+和0H—被用于樹脂的再生。在已知的利用離子交換物質(zhì)的電化學(xué)再生的EDI方法和相關(guān)裝置中，液體流分別被供應(yīng)入和流出每個(gè)隔室，或者通過放置在隔室外面的公共收集器被分布在模塊的平行隔室之間。用作供應(yīng)液的典型的液體是預(yù)處理過的水，例如反滲透的產(chǎn)物水(reverse osmosis permeate)0當(dāng)在電極之間施加電壓時(shí)，離子電流被主要傳導(dǎo)通過離子交換物質(zhì)。從供應(yīng)流中去除離子直接在離子交換物質(zhì)內(nèi)進(jìn)行，在這里它們被用H+或0H—離子交換。在再生的過程中，產(chǎn)生的H+和0H—離子，例如通過電化學(xué)增強(qiáng)的水離解產(chǎn)生的，再生對(duì)應(yīng)的離子交換物質(zhì)同時(shí)產(chǎn)生濃縮液作為廢物。通常需要樹脂的特殊再生程度以提供離子污染物從離子交換物質(zhì)中的充分去除，以及在水消電離(water deionization)的應(yīng)用中用于生產(chǎn)高電阻率的水。如果樹脂的再生度不夠高，稀釋液的電阻率也就是所生成的水的質(zhì)量會(huì)降低。在供應(yīng)水流速和組成固定也就是所有污染物的濃度固定的情況下，離子交換物質(zhì)的再生度和直流電流成正比。應(yīng)指出，再生形式的樹脂，也就是對(duì)于陽離子交換樹脂來說是 H+離子的形式以及對(duì)于陰離子交換樹脂來說是OH—離子的形式，溶脹(swell)更強(qiáng)烈，也就是比其(最初的)鹽形式體積大。如果EDI模塊的稀釋液隔室被樹脂完全充滿，所述樹脂的再生度的提高導(dǎo)致樹脂的膨脹和隔室的壁上的機(jī)械應(yīng)力。此應(yīng)力導(dǎo)致形成隔室的元件上的壓縮應(yīng)變，即，它使隔膜、框架、流量分配器等變形。這可能導(dǎo)致內(nèi)部或外部的泄露。此外，將電流保持在大大高于足以保持需要的再生度的水平會(huì)導(dǎo)致過度的能源消耗。另一方面，如果床的再生度降低并且體積減小，則隔室不能被樹脂床完全充滿，并且可能導(dǎo)致空隙區(qū)域中的電阻增大，樹脂床的流化以及隔膜的機(jī)械支撐減弱。所有的這些現(xiàn)象都是對(duì)模塊性能及其壽命不利的。而且，電流強(qiáng)度不夠高不足以使樹脂充分再生和去除污染物將導(dǎo)致生成的水質(zhì)量低下。因此，為了 EDI模塊的可持續(xù)并且可靠的操作，需要正確地調(diào)節(jié)電流以防止上面提到的缺陷。通常，當(dāng)測(cè)量供應(yīng)水的參數(shù)時(shí)，例如電導(dǎo)率以及用于反滲透產(chǎn)物水而溶解的CO2和硅的濃度，考慮固定的流速，可以計(jì)算出EDI的最佳電流。但是，供應(yīng)水的特征隨著時(shí)間的推移可能改變，這可能是由于上游處理的不穩(wěn)定性或系統(tǒng)用水的質(zhì)量變化所導(dǎo)致。而且，在裝置的使用壽命期間通過EDI設(shè)備的流速可能改變。由于所有這些可能的變化，設(shè)置的電流可能偏離最優(yōu)值，并且這可能引起故障。一些現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)已經(jīng)指出了 EDI裝置中電流控制的重要性。不同的參數(shù)常常作為電流控制的信號(hào)被監(jiān)控。例如，專利申請(qǐng)US 2004/060823公開了一種自動(dòng)控制通過EDI單元的設(shè)置電流的方法。通過測(cè)量供應(yīng)水的電導(dǎo)率和使用電導(dǎo)計(jì)的輸出自動(dòng)調(diào)整穿過EDI單元的電流，連續(xù)不斷地監(jiān)控被供應(yīng)至EDI單元的水的離子負(fù)載。本方法的局限性是電導(dǎo)率測(cè)量只估計(jì)已電離的種類含量而沒有估計(jì)可被電離的分子含量。在典型的EDI供應(yīng)水的組成中，作為可被電離的分子的CO2的濃度通?？梢耘c鹽離子的濃度類似(comparable)。因此，根據(jù)本方法的電流調(diào)節(jié)是不令人滿意的。US 7 264 737 B2公開了一種包含硼含量分析儀的水處理系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)EDI單元中的電流或電壓，并且將稀釋液隔室中的離子交換樹脂的一部分保持于充分再生的狀態(tài)下，控制器響應(yīng)于在所生成的水中檢測(cè)到的硼濃度。但是，在線硼含量分析儀價(jià)格昂貴并且需要特別的維護(hù)，因此根據(jù)該專利它們的使用對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說不是容易的解決辦法。在US 2008/0156710 Al中，使用EDI裝置的水生產(chǎn)設(shè)備包括檢測(cè)裝置，其在處理的不同階段測(cè)量水溫，以及控制裝置，其在這些水溫的基礎(chǔ)上控制被施加到EDI裝置上的電壓或電流。因?yàn)闇囟炔慌c污染物水平直接相關(guān)，所以使用溫度作為EDI中的電流調(diào)節(jié)參數(shù)不是令人滿意的。因此，用于控制EDI設(shè)備中的電流的現(xiàn)有技術(shù)的方法或者不充分或者過于浪費(fèi)， 所以現(xiàn)在需要一種簡(jiǎn)單可靠的方法用于調(diào)節(jié)電流和保持EDI中的離子交換物質(zhì)的足夠的再生度。此外，這些現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)都沒有考慮或建議用離子交換物質(zhì)的膨脹作為控制電流的參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
這里公開的解決方法提供一種控制EDI裝置中的電流的簡(jiǎn)單方式。這個(gè)問題的解決方法較便宜并且另外提供了最優(yōu)化去離子的能量消耗(操作成本)的可能性，同時(shí)提供生成的水的所需質(zhì)量并且避免了裝置中的機(jī)械損壞(例如嚴(yán)重的隔膜變形，或內(nèi)部或外部泄漏)。據(jù)此并且具有優(yōu)勢(shì)地，本發(fā)明提供了以簡(jiǎn)單、有效且經(jīng)濟(jì)的方式解決上面討論的一個(gè)或多個(gè)問題的裝置和方法。本發(fā)明提供了一種用于從極性液體中去除離子的裝置，其中，所述裝置包括電極， 至少一個(gè)隔室，所述至少一個(gè)隔室包括用于進(jìn)入的極性液體流的至少一個(gè)入口和用于流出的被去離子的液體流的至少一個(gè)出口，在所述隔室中的一區(qū)域被可電化學(xué)再生的離子交換物質(zhì)填充，液體流能夠經(jīng)過所述區(qū)域，所述裝置的特征在于其包括檢測(cè)填充所述區(qū)域的離子交換物質(zhì)的至少一個(gè)尺寸變化的至少一個(gè)傳感器。隔室通常是稀釋隔室或凈化隔室，因?yàn)槠洚a(chǎn)生凈化的和稀釋的液體。這個(gè)區(qū)域是凈化區(qū)或稀釋液區(qū)。根據(jù)本發(fā)明，隔室由離子交換介質(zhì)和將介質(zhì)包含在里面的塑料材料的框架組成。 稀釋液隔室是這樣的隔室，根據(jù)本發(fā)明，在其中至少具有可以在里面發(fā)生去離子作用的稀釋區(qū)。根據(jù)本發(fā)明，模塊是隔室和電極的組件。如果一個(gè)以上稀釋液隔室被包括在裝置中，那么根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選只有一個(gè)稀釋液隔室包含檢測(cè)至少一個(gè)尺寸變化的傳感器。其它的隔室可以包括用于緩沖填充所述隔室的一部分的離子交換物質(zhì)的至少一個(gè)尺寸變化的裝置。這些裝置例如是與多孔的流量分配器連接的彈簧，或位于所述隔室內(nèi)的撓性壁，例如所述方向變化的阻尼器。這具有優(yōu)勢(shì)地減少了破壞所述稀釋液隔室元件，例如外殼、隔膜和流量分配器，的危險(xiǎn)。這些緩沖裝置還有利地提供了離子交換物質(zhì)以合適的密度和與所述隔室元件本身良好接觸的方式在所述隔室的一部分內(nèi)的均勻封裝。在根據(jù)本發(fā)明的裝置的使用過程中，它們還有利地防止了流體溝流(flow channeling)同時(shí)提供良好的導(dǎo)電性。傳感器是能夠檢測(cè)并且優(yōu)選能夠檢測(cè)并記錄離子交換物質(zhì)的至少一個(gè)尺寸變化的元件。通常傳感器是儀器或儀器的一部分。所述方向變化通常發(fā)生在用裝置從極性液體中去除離子的過程中離子交換物質(zhì)邊界的位移處。所述位移可以是線性位移。離子交換物質(zhì)的尺寸變化主要是導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的隔室里面所述材料的體積變化。 此體積變化取決于物質(zhì)的離子含量。以其再生形式存在的離子交換物質(zhì)的體積通常比鹽形式的體積大。例如，交聯(lián)劑的重量占8%的一種典型陽離子交換物質(zhì)的H+離子形式的體積比Na+離子形式的體積大 %。交聯(lián)劑的重量占8%的一種典型陰離子交換物質(zhì)的OH—離子形式的體積比Cl—離子形式的體積大20%。當(dāng)離子交換物質(zhì)由剛性球狀珠組成時(shí)，這些珠子相對(duì)于它們的離子形式改變它們的直徑，因此導(dǎo)致由這些珠子形成的床的總體積的變化(三維的)。例如，如果離子交換物質(zhì)的床完全充滿在所有側(cè)面被壁限制的隔室，床的總體積的增加將在隔室壁上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。由膨脹的樹脂引起的膨脹程度和機(jī)械應(yīng)力取決于離子交換物質(zhì)的類型、交聯(lián)度和再生度，以及取決于隔室的幾何參數(shù)并且還取決于初始放置到隔室內(nèi)的離子交換物質(zhì)的量。其還隨著溫度、隔膜和框架的機(jī)械性能以及本領(lǐng)域內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員已知的其它參數(shù)而改變。傳感器的優(yōu)選位置是完全處于隔室內(nèi)部，在這里，預(yù)期有樹脂膨脹的最強(qiáng)列的變化。根據(jù)本發(fā)明，由樹脂膨脹產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力通過至少一個(gè)機(jī)械應(yīng)力傳感器測(cè)量，例如優(yōu)選安裝在隔室的框架中的壓阻式傳感器、磁阻式傳感器或磁致伸縮式傳感器，并且所述機(jī)械應(yīng)力被用作通過樹脂膨脹控制電流，即再生度測(cè)量，的參數(shù)。機(jī)械應(yīng)力傳感器的信號(hào)優(yōu)選被提供至控制施加在EDI裝置上的電流的電子裝置。具有優(yōu)勢(shì)地，隔室內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的測(cè)量被用于充分控制電流，所述電流將被應(yīng)用于隔室以在不破壞隔室的情況下生產(chǎn)所需質(zhì)量的水。在變異中，傳感器包括通常完全放在區(qū)域里面或者和區(qū)域接觸的機(jī)械應(yīng)力傳感器。例如機(jī)械應(yīng)力傳感器被安裝在隔室的框架中，例如，安裝在所述框架的壁上。被所述傳感器測(cè)量的應(yīng)力是隔室內(nèi)的水壓與由溶脹的離子交換樹脂物質(zhì)機(jī)械地產(chǎn)生的額外應(yīng)力的總禾口。機(jī)械應(yīng)力傳感器還可以包括壓阻式傳感器、磁阻式傳感器或磁致伸縮式傳感器， 或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟道的其它類型例如線性差動(dòng)變換器。機(jī)械應(yīng)力傳感器通常測(cè)定離子交換物質(zhì)的邊界位置，并且能夠產(chǎn)生與此位置相關(guān)聯(lián)的信號(hào)。從傳感器出來的信號(hào)典型地用作電流控制的參數(shù)。機(jī)械應(yīng)力傳感器可以與支撐構(gòu)件例如彈簧和板相關(guān)聯(lián)地使用，提供機(jī)械應(yīng)力測(cè)量的更高精度。在優(yōu)選的實(shí)施例中，離子交換物質(zhì)的邊界位置被通常由彈簧支撐的板固定。在另一實(shí)施例中，機(jī)械應(yīng)力傳感器是被離子交換物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)部分，例如桿，并且此可移動(dòng)部分與調(diào)節(jié)電流的電位器的可移動(dòng)部分機(jī)械連接。根據(jù)本發(fā)明，傳感器可以包括通常被放置在隔室外面的光傳感器。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，傳感器包括光傳感器，光傳感器包括通常被置于區(qū)域里面或與區(qū)域接觸的機(jī)械元件和檢測(cè)所述機(jī)械元件的位移的光檢測(cè)器，光檢測(cè)器包括通常放在隔室外面的收發(fā)器，并且其中，在機(jī)械元件的周圍隔室具有與機(jī)械元件相鄰的至少一個(gè)透明壁(或窗戶)，以使從發(fā)射器到接收器的光信號(hào)可以通過隔室。本描述既不限制于裝置的類型(模塊的設(shè)計(jì)、傳感器等)，如果有支撐構(gòu)件也不限制于所述支撐構(gòu)件(彈簧、固定裝置等)，也不限制于傳感器的類型。這里公開的電流控制可以應(yīng)用于(具有混合床、具有分層的或分隔開的床等)不同概念的EDI裝置，并且在裝置 (樹脂珠床、離子交換塊等)中使用不同的離子交換物質(zhì)。從傳感器到控制器以及從控制器到EDI電源的信號(hào)傳輸可以借助于電線，以及通過不同的無線技術(shù)完成。如果認(rèn)為這樣的措施對(duì)某些EDI的結(jié)構(gòu)更有利，電流的調(diào)節(jié)還可以與濃縮液隔室內(nèi)和/或電極隔室內(nèi)的離子交換物質(zhì)的膨脹有關(guān)地進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，本裝置可以還包括大體上不同于根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)傳感器，其能夠測(cè)量可以流通通過所述區(qū)域的液體流的液壓(并且只能測(cè)量此液壓)。如果根據(jù)本發(fā)明的傳感器對(duì)膨脹的離子交換物質(zhì)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和液體的液壓都起反應(yīng)，則極性液體液壓的另外測(cè)量應(yīng)該從根據(jù)本發(fā)明的傳感器執(zhí)行的測(cè)量中減除(deduct)。從而能夠獲得離子交換物質(zhì)的尺寸變化的更精確的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的傳感器通常能測(cè)量隔室里面液體的液壓和離子交換物質(zhì)的尺寸變化，而另一個(gè)傳感器能測(cè)量隔室里面液體的液壓。例如，如果另外一個(gè)傳感器監(jiān)控隔室的下游壓力，并且如果在隔室里面的根據(jù)本發(fā)明的傳感器監(jiān)控應(yīng)力，那么這兩個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果可以用來計(jì)算離子交換物質(zhì)導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力。在裝置下游的表壓接近于零(例如流至大氣壓力下的儲(chǔ)槽)的情況下，被靠近隔室例如稀釋液隔室的出口放置的傳感器上的應(yīng)力的測(cè)量值可以認(rèn)為是由于此隔室中的離子交換物質(zhì)的尺寸變化而導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力的測(cè)量值。同樣在大范圍流速中提供恒定壓力的情況下，例如使用壓力調(diào)節(jié)器或止回閥，通常不需要此液壓的另外監(jiān)控，并且通常從隔室內(nèi)部的傳感器的測(cè)量值中減去預(yù)定的或恒定的液壓值，以推導(dǎo)出樹脂膨脹的機(jī)械應(yīng)力。在變異中，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括被連接至傳感器的儀器，并且優(yōu)選地，此與傳感器相連的儀器能夠分析離子交換物質(zhì)的尺寸變化，并且能夠控制被傳導(dǎo)通過所述隔室或通過此裝置的電流。本發(fā)明還包括從極性液體中去除離子的方法，其中所述極性液體的至少一部分作為液流流經(jīng)位于隔室內(nèi)的可電化學(xué)再生的離子交換物質(zhì)，在隔室中施加電場(chǎng)以使將被去除的離子移動(dòng)。本方法包括控制被傳導(dǎo)通過所述隔室的電流的步驟。本方法的特征在于它包括測(cè)量離子交換物質(zhì)的至少一個(gè)尺寸變化的步驟，并且還包括考慮了此離子交換物質(zhì)的尺寸變化的控制電流的步驟?？刂齐娏鞯牟襟E至少與隔室中的電流關(guān)聯(lián)，然而它可以還控制包括隔室的裝置中的電流。在一個(gè)實(shí)施例中，將被去除的離子優(yōu)選在與流經(jīng)所述離子交換物質(zhì)的液流相反的方向上移動(dòng)。從而，用于離子去除的液體的流動(dòng)可以被指向與離子交換物質(zhì)內(nèi)的離子移動(dòng)相反的方向，也就是逆流。將通過離子交換去除的來自供應(yīng)流的相應(yīng)離子在離子交換物質(zhì)內(nèi)進(jìn)一步移動(dòng)并且最終在電極處被釋放至濃縮液流，進(jìn)入廢物。離子交換物質(zhì)通常被以電化學(xué)方式連續(xù)再生。因此，來自供應(yīng)流的離子可以被連續(xù)地交換，并且獲得基本上沒有相應(yīng)的鹽離子的液流。所述物質(zhì)的再生度被用作通過所述材料的體積變化控制電流的參數(shù)。極性液體的特征可能因?yàn)樯嫌翁幚淼牟环€(wěn)定性(例如溫度、氧化皮、堵塞或老化的影響)或者系統(tǒng)用水質(zhì)量的變化(水供應(yīng)商源的改變、季節(jié)變化等。)而隨著時(shí)間的推移改變。同樣在模塊的使用壽命期間通過EDI的流速可能改變。具有優(yōu)勢(shì)地，本發(fā)明的方法提供了一種具有所有的這些變化條件的操作方法，具有電流的良好控制級(jí)別。作為極性液體的典型液體是預(yù)處理過的水，例如反滲透、納米過濾或超過濾的產(chǎn)物水。用于從極性液體中去除已電離的或可電離的成分的本發(fā)明的方法和裝置的原理不但可以應(yīng)用于水電解質(zhì)溶液而且可以用于其它的極性溶劑或水/極性溶劑混合物中的溶液。
優(yōu)選地，對(duì)每一個(gè)EDI裝置的設(shè)計(jì)來說，確定用于EDI裝置的電流最大值的最大容許機(jī)械應(yīng)力被試驗(yàn)地確定。如果達(dá)到了此最大值，控制器會(huì)減小被傳導(dǎo)通過隔室的電流，以防止樹脂的過度膨脹以及隨后在框架上和隔膜上產(chǎn)生應(yīng)變。這將降低可能的泄露風(fēng)險(xiǎn)和隔室的能量消耗。機(jī)械應(yīng)力的下限可以被設(shè)置用于限制電流。例如，如果鹽形式的樹脂和再生形式的樹脂的比值減小，則樹脂珠收縮且傳感器接收到的機(jī)械應(yīng)力可以消失。在這種情況下，控制器應(yīng)該增大電流強(qiáng)度以達(dá)到大于所設(shè)定的最小值的值。電流變化和樹脂膨脹之間的時(shí)間段應(yīng)該被控制器考慮在內(nèi)。系統(tǒng)可能用較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，樹脂膨脹對(duì)應(yīng)于新的應(yīng)用電流，并且在控制電流時(shí)必須考慮這個(gè)事實(shí)。傳感器、控制器和電源之間的控制(調(diào)節(jié))算法和連通的細(xì)節(jié)在這里沒有詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易得到。不過，這里描述了電流調(diào)節(jié)的可能的方式，但沒有詳述算法的細(xì)節(jié)。EDI裝置內(nèi)樹脂床的膨脹以某個(gè)預(yù)定的間隔測(cè)量。測(cè)量之間的時(shí)間間隔根據(jù)模塊設(shè)計(jì)和尺寸以及操作條件來選擇。操作可以持續(xù)幾分鐘到幾小時(shí)。優(yōu)選地，進(jìn)行幾次測(cè)量并且計(jì)算并考慮平均值。被傳感器記錄的樹脂膨脹的某一范圍被定義為“最佳范圍”，在此范圍內(nèi)，不用調(diào)節(jié)并且模塊工作在恒定的電流下。在此最佳范圍之外有兩個(gè)“可接受的”膨脹范圍，在這些范圍內(nèi)電流被調(diào)節(jié)。如果膨脹低于其最佳范圍，要最大電流。電流增大的增量可以被預(yù)設(shè)或者其可以取決于膨脹的測(cè)量值與預(yù)設(shè)的相應(yīng)最佳值之間的差，例如，增量被與此差值成比例地增加。電流被改變的時(shí)刻與考慮膨脹的下一次測(cè)量之間的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔可以固定或者可以變化，例如， 根據(jù)電流強(qiáng)度的增量。如果膨脹在“可接受的范圍”內(nèi)，但高于最佳范圍，以與上面描述的方式類似的方式減小電流。超出最佳的和可接受的范圍的膨脹是不合需要的。當(dāng)樹脂床的膨脹為無法接受得低時(shí)可能導(dǎo)致生成的水質(zhì)量下降。當(dāng)樹脂床的膨脹為無法接受得高時(shí)可能導(dǎo)致效率低的能量消耗以及可能的泄露。如果膨脹無法接受得低，電流可以被設(shè)置到最大值，例如設(shè)置成預(yù)設(shè)值或可從電源得到最高電流，目的是便于樹脂的再生并且使樹脂膨脹接近最優(yōu)范圍。如果膨脹無法接受得高，電流可以被設(shè)置到最小值，例如設(shè)置成預(yù)設(shè)值或完全關(guān)掉電源。無法接受的范圍內(nèi)的膨脹應(yīng)該被連續(xù)監(jiān)控直到測(cè)量值移動(dòng)至可接受的或最佳范圍。根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量離子交換物質(zhì)的尺寸變化的步驟借助于傳感器進(jìn)行。在實(shí)施例中，傳感器包括光傳感器。在獨(dú)立于或不獨(dú)立于前面的實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施例中，傳感器包括機(jī)械應(yīng)力傳感
ο本發(fā)明還公開了一種方法，另外包括測(cè)量經(jīng)過離子交換物質(zhì)的液流的液壓的步
馬聚ο優(yōu)選地，控制電流的步驟考慮了在沒有液流液壓影響的情況下離子交換物質(zhì)的尺寸變化。作為變異，通過對(duì)流出液流中的壓力下降的水動(dòng)力調(diào)整來控制液流流動(dòng)。離子交換隔膜的存在是可選的?？蛇x地，具有被置于隔室中的可電化學(xué)再生的離子交換物質(zhì)不必須意味著該物質(zhì)完全充滿隔室。所述物質(zhì)通常充填隔室的區(qū)域，例如包括兩個(gè)離子交換隔膜之間或電極與離子交換隔膜之間的區(qū)域。無論如何，離子交換物質(zhì)充填此區(qū)域通常作為離子交換物質(zhì)的固定床。對(duì)應(yīng)于進(jìn)入和流出的液流之間的壓力差的本裝置的水阻力與本裝置的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。根據(jù)本發(fā)明，如上面所描述的包含陰離子交換物質(zhì)的裝置可以用于有效地去除存在于供應(yīng)流中的鹽陰離子。它還能夠去除以未離解的分子形式存在的弱離酸(weakly dissociated acid)，例如碳酸(或CO2)、硅酸、硼酸等。根據(jù)本發(fā)明，如上面所描述的被充滿陽離子交換物質(zhì)的裝置可以用于有效地去除存在于供應(yīng)流中的鹽陽離子。它還能夠去除以未離解的分子形式存在的堿(base)，例如 NH4OH (或 NH3)、胺(amines)等。下面描述的裝置可以用于從極性液體中去除酸或堿，或者用于從酸或堿的水鹽溶液生成堿或酸，用0H—或H+離子置換相應(yīng)的離子?？稍偕碾x子交換物質(zhì)通常是離子交換樹脂床。更通常地，慣用的離子交換物質(zhì)是樹脂珠、離子交換樹脂的高目數(shù)(mesh)珠、粉狀樹脂以及纖維的或多孔的離子交換器。 它們可以被提供為床或塊。對(duì)于陽離子和陰離子的去除，也就是完全的去離子，解決辦法是兩個(gè)裝置串聯(lián)使用，一個(gè)充滿陽離子交換物質(zhì)并且另一個(gè)充滿陰離子交換物質(zhì)。在這種情況下，裝置串聯(lián)的優(yōu)選順序必須考慮污染的類型確定。對(duì)于天然的典型污染物或處理過的(例如通過反滲透)的自然水來說，陽離子交換物質(zhì)-陰離子交換物質(zhì)的順序通常是有利的，但并不限制于此順序。如果希望，在不超出本發(fā)明的范圍的情況下，可以將兩個(gè)裝置集成到一個(gè)殼體內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的具有優(yōu)勢(shì)地用于完全去離子的另一種解決辦法是使用其中液體流被引導(dǎo)成相對(duì)于離子交換物質(zhì)內(nèi)部離子移動(dòng)的逆流的裝置，其中，雙極性電極或離子交換隔膜，優(yōu)選雙極性隔膜，被用于形成再生的H+和0H_離子。在極性液體是水溶液的情況下使用雙極性隔膜是有利的，因?yàn)樗粚?dǎo)致水電化學(xué)增強(qiáng)地離解成H+和OH—離子，而不像電極那樣形成氣體和其它的副產(chǎn)品。


在被去離子的是水溶液的情況下，通過考慮下面的詳細(xì)描述結(jié)合附圖，本發(fā)明的技術(shù)將被很容易地理解，其中圖1是使用根據(jù)本發(fā)明的任何去離子裝置的根據(jù)本發(fā)明的方法的示意性表述；圖2是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置的第一實(shí)施方式的示意性表述；圖3是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置的第二實(shí)施方式的示意性表述，此時(shí)隔室充滿樹脂珠；圖4是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置的第二實(shí)施方式的示意性表述，此時(shí)隔室充滿樹脂珠并且機(jī)械應(yīng)力被傳遞到框架上；圖5是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置的第二實(shí)施方式的示意性表述，此時(shí)隔室沒有完全充滿樹脂珠；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置的第三實(shí)施方式的示意性表述。
具體實(shí)施例方式為了便于理解，如果可能，使用相同的附圖標(biāo)記表示附圖共有的元件。圖示不按比例并且附圖中各個(gè)元件的相對(duì)尺寸是示意性描述，不按比例。在所有的圖示中，隔室由它的框架限定。圖1是根據(jù)本發(fā)明的EDI裝置2的根據(jù)本發(fā)明的方法的示意性表述。根據(jù)本發(fā)明的方法，裝置2可以被用于去除陰離子或用于去除陽離子，以及用于完全去電離。進(jìn)入的極性液體流(F箭頭)通過入口 4進(jìn)入裝置2。被去離子的液體流或稀釋液 (D箭頭)通過出口 6從裝置2流出。濃縮液流(C箭頭)可以從出口 5流出。其中每一個(gè)包括一個(gè)電極的兩個(gè)端板7和8限定出隔室(9、14')的模塊(7、8)，所有隔室9和14'被充滿離子交換物質(zhì)(圖中未示出)并且被端板7和8堆置在一起。隔室14'和任何其它的隔室9 一樣，除了在隔室14'內(nèi)放置了機(jī)械應(yīng)力傳感器1'之外，機(jī)械應(yīng)力傳感器1'優(yōu)選放置在壁上并且靠近出口 6。此機(jī)械應(yīng)力傳感器1'測(cè)量樹脂的膨脹，并且提供信號(hào)，信號(hào)被經(jīng)由儀器100傳輸至電子裝置或控制器10，儀器100是量發(fā)射器OiT)儀器。這使得能夠借助于電源11控制施加到EDI裝置2的電流。電流被通過電線12和13從電源11傳導(dǎo)到 EDI裝置2。根據(jù)本發(fā)明，在一個(gè)以上的隔室中設(shè)置傳感器1'是可行的。電流強(qiáng)度和樹脂膨脹的相互依賴關(guān)系可以表述如下通過EDI裝置2的電流增大意味著樹脂再生度的提高。樹脂再生度的提高意味著樹脂溶脹的增強(qiáng)引起所述樹脂更強(qiáng)烈的膨脹。根據(jù)本發(fā)明，控制基于對(duì)EDI裝置內(nèi)部的樹脂床的膨脹的測(cè)量，并且作用于電流強(qiáng)度。圖2是根據(jù)本發(fā)明的EDI裝置20的第一實(shí)施方式的示意性描述。這里只描繪了裝置20的一部分。裝置20包括限定隔室14的框架14和可移動(dòng)的流通型電極15。隔室 14是稀釋液隔室，其被充滿離子交換物質(zhì)，在圖中被顯示為樹脂床17。極性液體流通過入口 4進(jìn)入隔室14(F箭頭)。出口 5用于沖洗電極15的液體流出(C箭頭)。液體流被引導(dǎo)成相對(duì)于離子交換物質(zhì)17內(nèi)的離子電遷移的逆流(counter-current)。被整體放置在隔室 20的區(qū)域Z2tl中的傳感器1包括存在于可移動(dòng)電極15和機(jī)械應(yīng)力傳感器16之間的彈簧3。 機(jī)械應(yīng)力傳感器16被垂直地固定并且被連接至與控制器(沒有顯示)相連的導(dǎo)線沈。在本圖中，彈簧3推動(dòng)電極15使電極15保持和離子交換物質(zhì)17接觸。如果隔室14內(nèi)部的離子交換物質(zhì)17通過溶脹而改變膨脹程度，電極15將會(huì)移動(dòng)并且傳遞到傳感器16的應(yīng)力將改變。這導(dǎo)致對(duì)此運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并且估計(jì)樹脂的再生度。彈簧3將機(jī)械應(yīng)力從電極15 傳遞至機(jī)械應(yīng)力傳感器16。例如，如果樹脂的體積減小，彈簧3將推動(dòng)電極15向樹脂17的方向運(yùn)動(dòng)。因此， 通過彈簧3傳遞到傳感器16的機(jī)械應(yīng)力被減小。如果接近了設(shè)置的最低機(jī)械應(yīng)力，控制器可以增大電流以提高樹脂17的再生度， 樹脂17的體積將增大。本結(jié)構(gòu)允許使用具有低交聯(lián)度的離子交換物質(zhì)，其通常通過溶脹表現(xiàn)出更強(qiáng)的膨脹。
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圖3、4和5是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置22 (部分示出)的第二實(shí)施方式的示意性表述。裝置22包括由框架限定的隔室14'，所述隔室14'被充滿離子交換物質(zhì)17'作為樹脂珠床。根據(jù)本發(fā)明，傳感器1'被完全放置在隔室14'的區(qū)域Z中。傳感器1'包括彈簧3 ‘，作為流量分配器的多孔棒18，以及T型元件形式的機(jī)械應(yīng)力傳感器19。多孔棒18 從隔室14'的一側(cè)限制樹脂床17'。流動(dòng)液流流經(jīng)在隔室14'內(nèi)均勻分布的珠床17'， 流經(jīng)多孔棒18并且通過多孔棒18上游的出口 5' a流出隔室14' (F'箭頭)。機(jī)械應(yīng)力傳感器19被固定在棒18上，在與樹脂床17'相反的一側(cè)棒18的運(yùn)動(dòng)被彈簧3'傳遞。多孔棒18可以是具有一定程度彈性的塑料材料。在圖3的情況下，電流的狀態(tài)是正常的。樹脂膨脹是正常的在“最佳狀態(tài)”范圍內(nèi)。這是穩(wěn)定狀態(tài)的操作，且電流是恒定的。在圖4所示的離子交換物質(zhì)過度膨脹的情況下，機(jī)械應(yīng)力將被傳遞到棒18，棒18 被輕微變形并將機(jī)械應(yīng)力傳遞到傳感器19。檢測(cè)變形。但是樹脂膨脹仍在“可接受的范圍” 內(nèi)，且電流被減小。如果樹脂膨脹達(dá)到可接受的范圍之外的值，電流會(huì)被切斷。圖5是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置的第二實(shí)施方式的另一種示意性描述。圖5與圖 3和4的不同點(diǎn)是隔室14'沒有被樹脂珠完全充滿。珠床17' a包括沒有被珠完全充滿的區(qū)域Z'。區(qū)域Z'可以代表被流化的珠床的上區(qū)域。這是電阻被增大了的區(qū)域。沒有機(jī)械應(yīng)力被傳遞到傳感器1'并且電流需要增大。圖6是根據(jù)本發(fā)明的去離子裝置27的第三實(shí)施方式的透視圖的示意性描述，只有一個(gè)隔室14"被示出了。隔室14"被非常簡(jiǎn)要地表示出來以示意光傳感器是如何根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行實(shí)施的。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的傳感器1"包含光傳感器，光傳感器包括光信號(hào)或光的發(fā)射器23(如圖6所示，在隔室14"的前面)，接收器M(如圖6所示，在隔室14"的后面)，以及被連接至發(fā)射器23和接收器M的分析器25。分析器25被連接至控制器(圖中未示出)。彈簧3"被固定在隔室14"和可移動(dòng)的板18"之間。這里，可移動(dòng)的板18"被看作是傳感器1"的一部分。樹脂珠形式的離子交換物質(zhì)17"被提供作為隔室14"中的床。 珠床17"在可移動(dòng)的板18"下面填充隔室，可移動(dòng)的板18固定樹脂床17"在隔室14"內(nèi)的位置。陰離子交換隔膜26和陽離子交換隔膜27限定隔室14"的兩個(gè)側(cè)壁，在圖6中分別表述為右壁和左壁。可移動(dòng)的板18"可通過透明窗口觀檢測(cè)到。透明窗口觀形成隔室 14"前壁的一部分(如圖6所示)。光傳感器03、M、25)被置于隔室14"外面?？梢詸z測(cè)與樹脂17"的體積尺寸變化相對(duì)應(yīng)的板18"的位置的微小變化，使得控制電流成為可能。 流動(dòng)液流(F箭頭)流經(jīng)在隔室14"內(nèi)均勻分布的珠床17"，經(jīng)過多孔棒18"并且通過出口 5'流出隔室14〃(箭頭F')。
權(quán)利要求
1.一種用于從極性液體(F)中去除離子的裝置(2、20、22、27)，其中，所述裝置包括電極，至少一個(gè)隔室(14、14'、14")，所述至少一個(gè)隔室包括用于進(jìn)入的極性液體流(F)的至少一個(gè)入口(4)和用于流出的被去離子的液體流(D、F')的至少一個(gè)出口(5)，所述隔室(14、14'、14")中的一區(qū)域被可電化學(xué)再生的離子交換物質(zhì)(17、17'、17")填充，液體流能夠流經(jīng)所述區(qū)域，所述裝置O、20、22、27)的特征在于，其包括檢測(cè)填充所述區(qū)域的離子交換物質(zhì)(17、17'、17")的至少一個(gè)尺寸變化的至少一個(gè)傳感器(1、1' ；1")。
2.根據(jù)前二權(quán)利要求所述的裝置(2、20、22、27)，其中，所述傳感器(I")包括光傳感器(23,24,25)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的裝置(2、20、22、27)，其中，所述傳感器(1、1')包括機(jī)械應(yīng)力傳感器(16、19)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的裝置(2、20、22、27)，其中，所述傳感器(I")包括光傳感器，所述光傳感器包括機(jī)械元件(18")和檢測(cè)所述機(jī)械元件位移的光檢測(cè)器03、 24、25)，所述光檢測(cè)器(23,24,25)包括收發(fā)器(23、24)，并且其中，在所述機(jī)械元件(18") 的周圍隔室(14")具有與所述機(jī)械元件(18")相鄰的至少一個(gè)透明壁08)，以便從發(fā)射器(23)到接收器(24)的光信號(hào)能夠穿過所述隔室(14")。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的裝置(2、20、22、27)，包括另一個(gè)傳感器，其能夠測(cè)量可以循環(huán)到所述區(qū)域內(nèi)的液體流的液壓。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的裝置(2、20、22、27)，包括與所述傳感器連接的儀器(10、11、100)，并且優(yōu)選地，所述儀器(10、11、100)能夠分析離子交換物質(zhì)的尺寸變化并且能夠控制可以被傳導(dǎo)通過所述隔室或通過所述裝置的電流。
7.一種從極性液體(F)中去除離子的方法，其中，所述極性液體(F)的至少一部分作為液流經(jīng)過位于隔室(14、14'、14〃)中的可電化學(xué)再生的離子交換物質(zhì)(17、17'、17〃)， 在隔室中施加了電場(chǎng)以使將被去除的離子移動(dòng)，所述方法包括控制被傳導(dǎo)通過所述隔室(14、14'、14")的電流的步驟，所述方法的特征在于，它包括測(cè)量所述離子交換物質(zhì)(17、17'、17")的至少一個(gè)尺寸變化的步驟，并且，控制電流的步驟考慮了所述離子交換物質(zhì)(17、17'、17")的所述尺寸變化。
8.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的方法，其中，測(cè)量所述離子交換物質(zhì)(17、17'、17")的尺寸變化的步驟借助于傳感器(1 ；1")進(jìn)行。
9.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述傳感器(I")包括光傳感器03、M、25)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一所述的方法，其中，所述傳感器包括機(jī)械應(yīng)力傳感器 (1、1'、18〃)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一所述的方法，還包括測(cè)量經(jīng)過所述離子交換物質(zhì)(17、 17'、17")的液流的液壓的步驟。
12.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的方法，其中，控制所述電流的步驟考慮了在沒有液流液壓影響的條件下所述離子交換物質(zhì)(17、17'、17")的尺寸變化。
全文摘要
從極性液體(F)例如水中去除離子的裝置(2)包括至少一個(gè)隔室(14′)，所述至少一個(gè)隔室包括用于進(jìn)入的極性液體流的至少一個(gè)入口和用于流出的被去離子的液體流(D)的至少一個(gè)出口，在隔室(14′)中的一區(qū)域被可電化學(xué)再生的離子交換物質(zhì)填充，液體流能夠流經(jīng)所述區(qū)域，所述裝置(2)的特征在于，其包括檢測(cè)離子交換物質(zhì)的至少一個(gè)尺寸變化的一個(gè)傳感器(1)。傳感器可以包括光傳感器或機(jī)械應(yīng)力傳感器。優(yōu)選地，與傳感器連接的儀器(100、10、11)能夠分析此尺寸變化并且能夠控制電流。本發(fā)明還涉及使用所述裝置(2)的方法，從而根據(jù)樹脂的膨脹控制施加到裝置(2)的電流。
文檔編號(hào)C02F1/469GK102372346SQ201110189559
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者A·格拉博夫斯基 申請(qǐng)人:米利波爾公司