采用流体动力学流体分离的电去离子方法和装置

摘要

一种用于从极性液体(10)中去除离子和离子化物质的方法，包括至少一个步骤，其中所述极性液体(10)被分离为第一液流(F1)以及第二液流(F2)，所述第一液流(F1)穿过电化学可再生的离子-交换材料(2；)，该材料位于两个电极(4，5)之间施加的电场中，所述第一液流(F1)从一个电极(4)流向另一个电极(5)，因此将被去除的离子以相反于第一液流流经所述离子-交换材料(2)的方向进行迁移，所述第二液流(F2)冲洗所述一个电极(4)，并且所述材料被形成于另一电极(5)处的离子再生。还涉及特别用于实施所述方法的装置。

权利要求

1.一种用于从极性液体(10)中去除离子的装置(37)，其中该装置包括至少一个罩壳(25)，其具有至少一个腔室并且其中电极(5)和反电极(4)位于该装置(37)的两个不同端处，其中电化学可再生的离子-交换材料(2a，2c)位于电极(5)与反电极(4)之间，- +其中，罩壳(25)包括在罩壳(25)内限定第一和第二腔室(38，39)并且提供OH 和H离子来源的双极性膜(17)，罩壳(25)包括用于流入第一腔室(38)的进入液流(10)的一个入口(7)，所述入口(7)位于装置的电极(5)端处，每个腔室(38，39)包括用于在腔室的各出口之间分离进入液流(10，26)的工具，用于已去离子的液流(11，26)的出口(9，28)以及用于冲洗电极或反电极(5，4)的液流(12，14)并布置在装置的电极(4，5)端处的出口(13，8)，所述装置还包括连接第二腔室(39)的入口(27)与第一腔室(38)的出口(28)的管道(30)，所入口(27)位于装置的反电极(4)端处。

2.根据权利要求1所述的装置(37)，其特征在于，所述装置(37)包括位于装置(37)的出口(8，13)下游且用于调节进入液流(10，26)和排出液流(12，14)的流体动力学阻力的工具(18，23)。

3.根据权利要求1或2所述的装置(37)，其特征在于，所述装置(37)包括将电极(5)或反电极(4)与去离子腔室(39，38)分离的至少一个膜(3，15)。

说明书

采用流体动力学流体分离的电去离子方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及专用的电去离子(EDI)的方法和装置。该方法和装置用于由供给液流生产去离子液体。

[0002] 本专利申请中，“去离子”意味着“去阴离子”、“去阳离子”，或“完全去离子”(即去阴离子和去阳离子)。

背景技术

[0003] 现有技术已知，连续的电去离子或仅仅的电去离子(EDI)是使用电活性介质和电位差来影响离子迁移从而从液体如水中去除电离的或离子化的物质的过程。EDI目前涉及标准的水去离子技术。其主要原理，即在电渗析堆层的稀释腔室内使用混合床离子-交换树脂，已于1987年被Millipore公司商业化。

[0004] 在涉及EDI的最先发明之一中，要求保护的是，不仅混合床在稀释腔室内，而且阳离子-交换树脂层和阴离子-交换树脂层与流动方向对齐并且与电场方向垂直(平行于离子-交换膜)，或要求保护的是，交替的层或束与电场对齐并且与液流垂直。这样的定向旨在防止混合床内存在的反向接合，因此提高了去离子性能。离子-交换树脂束或层提供了用于再生离子的迁移路径，保持所再生的树脂并且能够从供给的水中去除离子。与具有混合床的EDI相比，束状或层状料层已经降低了稀释腔室的电阻并且提高了去离子性能，特别是对于弱离解的电解质来说。

[0005] 还已知在完全隔离的各稀释腔室内使用以连续的模式所电化学再生的阳离子-交换树脂和阴离子-交换树脂。在某些配置中，所供给的水溶液串联地通过阳离子-交+ -换树脂和阴离子-交换树脂床，并且例如在电极反应中产生的H 和OH 离子都用于树脂的再生。

[0006] 在利用离子-交换材料的电化学再生的已知EDI方法和相关装置中，液流单独地被供给到每个腔室并且从每个腔室流出，或液流通过位于模块的各平行腔室外部的共用收集器在各腔室之间分布。用于供给液流的典型液体是预处理过的水，如反渗透的渗透物。

[0007] 在商用EDI装置中，液体的通常流向与离子-交换膜或电极的表面相切。但是，某些公开内容涉及的装置中液体的通常流向完全或部分地垂直于电极表面，如美国专利申请US2003/0213695和US2006/0231403。

[0008] 图1为现有技术公开的装置100的示意图，即基于美国专利申请US2006/0231403的图6。

[0009] 装置100用于从含有阴离子和阳离子污染物的水流中去除阴离子和阳离子。装置100包括具有阴极111和阳极109的罩壳。阴极111电连接于发电机的a(-)侧113。阳极
109电连接于发电机的a(+)侧112。在电极111与109之间产生电场。罩壳包含五个腔室，它们是：阴极腔110、阳离子损耗腔102、中央的阴离子和阳离子损耗腔103、阴离子损耗腔
101以及阳极腔108。

[0010] 这些腔室110、102、103、101和108在罩壳内被两个阳离子-交换膜106和107以及两个阴离子-交换膜105和104所分隔开。阳离子-交换膜106封闭了阴极腔110，并且接近阴极111。阴离子-交换膜104封闭了阳极腔108，并且接近阳极109。中央的阴离子和阳离子损耗腔103在阳离子损耗腔102一侧被阳离子-交换膜107隔开并且在阴离子损耗腔101一侧被阴离子-交换膜105隔开。

[0011] 阳离子损耗腔102均匀地填充有阳离子-交换树脂，其保持液流的阳离子穿过它。阴离子损耗腔101均匀地填充有阴离子-交换树脂，其保持液流的阴离子穿过它。阴离子-交换树脂和阳离子-交换树脂被连续地再生。

[0012] 中央的阴离子和阴离子损耗腔103是不均一的，即填充有阴离子和阳离子-交换+ + -树脂的混合床。在该中央腔103中，产生水合氢离子H3O(还写作H)以及氢氧离子OH。
-
OH 穿过阴离子-交换膜105进入阴离子损耗腔101内，在此阴离子损耗腔101内通过替换+
捕获在液体中且向阳极109迁移的阴离子来再生阴离子-交换树脂。H 穿过阳离子-交换膜107进入阳离子损耗腔102内，在此阳离子损耗腔内通过替换捕获在流体中并向阴极111迁移的阳离子来再生阳离子-交换树脂。

[0013] 电极冲洗液流122进入阳极腔108，与阳极109相切地移动，并且在显然与液流114的入口同侧上以液流120流出。液流120进入阴极腔110，与阴极111相切地移动，并且在显然与液流115的入口同侧上以电极冲洗液流121流出。

[0014] 罩壳具有用于在接近阴离子-交换膜104处进入阴离子损耗腔101的水流114的入口。该水流101的流动方向与阴离子的迁移方向相反。阴离子损耗的水115从接近阴离子-交换膜105处的出口流出，接着进入阳离子-交换膜106附近的阳离子损耗腔102，该阴离子损耗的水115的流动方向与阳离子的迁移方向相反。因此阴离子和阳离子损耗的水116从接近阳离子-交换膜107处的出口流出。该阴离子和阳离子损耗的水116与离子-交换膜105和107相切地流经阴离子和阳离子损耗腔103，并且完全去离子的产物水117离开装置100。

[0015] 所要求保护的带有流动方向与电极垂直即与反离子迁移方向相反的装置具有更高的电流效率并且带来更好的去离子性能，优于其中流动与离子-交换膜相切并且垂直于电场的EDI装置。

[0016] 通常现有技术公开的液流与电极表面垂直的EDI装置具有下述可被减轻的“缺陷”：

[0017] ·具有数个腔室的单元，每个都配备有自己的入口和出口，以及至少两个独立的供给液流，一个用于去离子并且一个用于冲洗浓缩物如电极、腔室。因此，上述装置100相对较复杂，因为它需要四个离子-交换膜在装置内限定五个腔室。

[0018] ·在装置中使用离子-交换膜与树脂之间的界限来提供电化学增强的水离解，在+ -给定的电位差下产生的H 和OH 强度取决于两种材料的特性以及其间接触的表面积，后者根据条件的不同而差异很大。

[0019] ·在混合床中，串珠(bead)之间的反向接合降低了去除离子的效率和能力。

[0020] 因此，仍然需要一种简单、有效并且节约成本的EDI装置。因此优选地，本发明公开了可解决上述一种或多种问题的方法和装置。

发明内容

[0021] 除了用于去除阴离子和阳离子的方法和装置外，本发明还公开了一种用于对液+体完全去离子的方法和装置，其使用电化学再生的离子-交换材料和双极性膜作为H 和-
OH 离子的来源，提供与离子-交换材料内离子的电迁移方向相反的液流。在本发明中，公开了新的液流分布方法，其中液流在腔室内自身被分离为用于去除离子的第一液流和用于冲洗去除的离子的第二浓缩物液流。液流的流速优选通过排出液流的压降的流体动力学调节来调控。本发明可得到结构更简单的装置并且节约了材料，即不需要或更少地需要离子-交换膜来分隔腔室。根据本发明的这些和其它优点如下所述。

[0022] 本发明公开了一种用于从极性液体中去除离子的方法，包括至少一个步骤，其中：

[0023] -所述极性液体被分离为第一液流以及第二液流，

[0024] ·所述第一液流穿过电化学可再生的离子-交换材料，该材料位于两个电极之间施加的电场中，所述第一液流从一个电极流向另一个电极，因此将被去除的离子以相反于第一液流流经所述离子-交换材料的方向进行迁移，

[0025] ·所述第二液流冲洗所述电极之一或位于电极之间的离子-交换膜，并且[0026] -所述材料被形成于另一电极处或所述离子-交换膜处的离子再生。

[0027] 根据本发明，从电极之一流向另一个电极的所述第一液流可在到达另一个电极之前被离子-交换膜例如双极性膜所阻挡。

[0028] 根据本发明，离子-交换膜通常为阴离子-交换膜或阳离子-交换膜或双极性膜。优选离子-交换膜为双极性膜。

[0029] “双极性膜”通常为人造的无孔离子-交换膜，具有两个彼此接触的带电相反的离子-交换层。

[0030] 根据本发明，对电极之一的冲洗是必须的并且对另一个电极或反电极的冲洗是可选的。

[0031] 优选地，第二液流通过与电极之一相切地经过和/或通过所述电极来冲洗电极之一，优选通过该电极。

[0032] 在一个变型中，第三液流通过与另一个电极相切地经过和/或通过所述电极来冲洗另一个电极，优选通过该电极。

[0033] 根据优选实施例，用于冲洗电极之一液流中的至少一个在相切地经过和/或通过所述电极之前穿过膜。该膜优选为离子-交换膜，通常为无孔的。该膜也可为多孔膜。

[0034] 在电极之间施加电场。电极可彼此相对。

[0035] 本发明还包括一种方法，其中：

[0036] -用两个所述的步骤分别通过电化学可再生的阴离子-交换材料和电化学可再生的阳离子-交换材料来去除阴离子和阳离子，以及

[0037] -使用分别为阴离子-交换材料和阳离子-交换材料提供再生的OH-阴离子和H+阳离子来源的工具。

[0038] 优选地，这两个步骤要同时进行，并且更优选地，两个步骤同时并且在同一个装置内进行。

[0039] 根据本发明的方法，其中液流通过至少一种、优选所有排出液流内压降的流体动力学调节来调控。

[0040] 排出液流是在出口内流动的液流，并且进入液流是在入口内流动的液流。

[0041] 本发明还公开了一种用于从极性液体中去除离子的装置，其中该装置包括至少一个罩壳，其具有至少一个腔室并且其中电极和反电极位于该装置的两个不同端处，其中电化学可再生的离子-交换材料位于电极与反电极之间，罩壳包括用于液流进入的入口，所述入口位于装置的电极端处，以及用于去离子的液流的出口，所述出口位于装置的反电极端处或可选地位于装置的离子-交换膜端处，所述离子-交换膜位于电极之间，并且所述离子-交换膜优选为双极性膜，所述装置的特征在于：其包括用于分离进入的液流的装置，并且其中具有至少一个用于冲洗电极的液流的第二出口，该第二出口位于装置的电极端处。

[0042] 离子-交换膜的存在是可选的。可选地位于电极与反电极之间的电化学可再生的离子-交换材料并不必然意味着该材料完全地填充电极之间的空间。该材料通常填充电极之间的一个区域，例如电极之一与位于电极之间的离子-交换膜之间构成的区域。该区域可为该空间的容积或仅是其一部分。

[0043] 根据本发明，位于电极端处的入口和第二出口在由电极端形成的区域内彼此接近。更优选地，它们彼此相对。这对于流体动力学阻力来说是优选的。

[0044] 优选地，该装置包括用于冲洗反电极或离子-交换膜的冲洗液流的第三出口，如果存在，所述第三出口位于装置的反电极端处或装置的离子-交换膜端处。

[0045] 在一个变型中，装置可以是这样的，其中罩壳包括在罩壳内限定了两个腔室并且- +提供OH 和H 离子来源的工具，每个腔室包括用于分离进入的液流的工具，用于已去离子的液流的出口以及用于冲洗电极或反电极或离子-交换膜的液流的出口，若存在，还包括连接腔室之一的入口与另一腔室的出口的管道。

[0046] 装置的流体动力学阻力对应于进入和排出液流的差异，与装置的设计密切相关。根据本发明，装置优选包括用于调节进入和排出的液流的流体动力学阻力的工具，如位于装置出口下游处的阀、毛细管等。

[0047] 在根据本发明的一个优选实施例中，腔室通过与电化学可再生的离子-交换材料相接触的至少一个壁在某种意义上垂直于电极而限定，根据本发明的所述装置的特征在于：所述壁的面对所述离子-交换材料的表面的至少一部分、优选全部为皱折状。

[0048] 根据本发明，“皱折的”意味着“以通常平行的折痕、沟槽、隆起或皱纹为特征，或以阵列为特征”。这可根据本领域技术人员已知的不同形状来实现。

[0049] 在电化学可再生的离子-交换材料由串珠特别是球形串珠构成的情形下，最佳的皱折壁是其中串珠完美配合的壁。

[0050] 将球形串珠塞满腔室时，在腔室中央紧密填塞的串珠堆块可达到的最高存储密度为0.74。如果壁是平面，则靠近腔室壁的存储密度低于0.52。在距离大于10-20个串珠直径时可忽略该影响。在距离仅有几个串珠直径时该影响是显著的。由于这种较高空隙容积，在接近壁并且具有低于串珠直径一半的厚度的那层中的局部流速比串珠堆块中的要高。流动在整个通道厚度的分布不均导致化学可再生的离子-交换材料的使用效率更低。如果壁为皱折的壁，该缺陷被解决并且壁附近填塞的串珠的密度有利地被显著提高。

[0051] 根据本发明，如果壁具有一定的皱折，就平均了通道中央和壁附近的串珠的存储密度，有利地减少了填充床内的壁影响。这样的皱折应当具有约1/2串珠直径的高度并且可具有不同形状，如内(母)螺纹，平行凹槽、锥形突起的阵列等。

[0052] 在电化学可再生的离子-交换材料为纤维状或由多孔块体形成的情形下，皱折壁将提供在腔室内更好的材料固定并且避免流动在壁与离子-交换材料之间开沟。

[0053] 因此本发明的装置包括至少两个电极：阳极和阴极，离子-传导材料位于电极之间，并且提供离子传导通道。如果在电极之间施加外部电压差，在它们的表面发生反应并且在电极之间的电场中发生离子的电迁移，传导电流。本发明的装置包括至少一个位于电极之间的腔室，其为去离子腔并且包含离子-交换材料。该离子-交换材料通常为离子-交换流通介质，例如离子-交换树脂床。离子-交换材料内部存在的大多数流动离子是反离子，是用于阳离子-交换材料的阳离子和用于阴离子-交换材料的阴离子。这些离子担负着离子-交换材料内部电流传导的重任，同时阳离子-交换材料内部的阳离子从阳极移向阴极，同时阴离子-交换材料内部的阴离子从阴极移向阳极。

[0054] 用于去除离子的液流的流动方向与离子-交换材料内部的离子迁移方向相反。来自供给液流的相应离子被离子-交换去除，将进一步在离子-交换材料中迁移并且最终将在电极处被释放到浓缩物液流中到达废液中。

[0055] 考虑到反离子迁移和与电极平面垂直的电场，对于与离子-交换材料内部反离子迁移的方向完全相反的流动而言，流动与反离子迁移之间的角度大约为180°。根据装置的设计，该角度的一定偏差是允许的并且对于此处描述的与离子-交换材料内部的离子迁移方向相反的流动而言该角度可为180°±80°。

[0056] 离子-交换材料通常可被连续地电化学再生。因此，来自供给液流的离子可被连续地交换并且得到不含相应的盐离子的水溶液。

[0057] 根据本发明，如上所述的含有阴离子-交换材料的装置可用于有效去除供给液流中存在的盐的阴离子。它还可能去除以非游离态分子存在的弱游离的酸，如碳酸(或CO2)、硅酸、硼酸等。

[0058] 根据本发明，如上所述填充有阳离子-交换材料的装置可用于有效去除供给液流中存在的盐的阳离子。它还可能去除以非游离态分子存在的碱，如NH4OH(或NH3)、胺等。

[0059] 下面描述的装置可用于从极性液体中去除酸或碱，或从碱或酸的含水盐溶液中生- +产碱或酸，用OH 和H 离子交换相应的离子。

[0060] 可再生的离子-交换材料通常为离子-交换树脂床。更通常地，常规的离子-交换材料是树脂串珠，离子-交换树脂的高目数(high mesh)串珠，粉状树脂，以及纤维状或多孔的离子-交换器。它们可被堆叠为床或块体。

[0061] 根据本发明，电极腔为不同于去离子腔的腔室，其中存在电极。电极腔可包括传导流通(conductive flow-through)材料，如形为多孔块体或串珠床的金属或碳。它还可无填充物或填充有流通材料，即具有中性、阳离子-交换、阴离子-交换或电子传导特性的材料，如碳串珠。

[0062] 根据本发明，该装置包括一至五个腔室，优选一至三个腔室。

[0063] 为去除阳离子以及阴离子二者，即完全去离子，一个解决方案是使用两个串联的装置，一个填充有阳离子-交换材料并且另一个填充有阴离子-交换材料。这种情形下，串联的装置的优选顺序必须根据污染物的类型来确定。对于天然或处理过(例如反渗透处理)的天然水的典型污染物来说，通常优选的顺序是阳离子-交换材料--阴离子-交换材料，但不局限于此。如果希望，两个装置可被组合在一个罩壳内，这都在本发明的保护范围内。

[0064] 另一个解决方案，根据本发明优选用于完全去离子，在于使用具有与离子-交换材料内部的离子的电迁移方向相反的液流的装置，其中使用双极性电极或离子-交换膜- +(优选双极性膜)来形成再生的OH 和H 离子。当极性液体为水溶液时，双极性膜的使用- +
是优选的，因为当它与电极反应时，只会增强电化学水离解产生OH 和H 离子而不会生成气体和其它副产物。

[0065] 根据本发明，提供的电极冲洗优选类似于本发明前述实施例中描述的方法。电极冲洗可通过下述方法实现，即使用腔室内供给液流的流体动力学分离来进行，其中不使用或使用膜分隔电极腔。

[0066] 流体动力学流体分离以及(若需要的话)电极冲洗可使用附图中公开的装置和方法的不同变型得以实现，这对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明的用于去除离子的装置具有罩壳，其中主液流流经电化学再生的离子-交换材料的方向与该材料内部离子的电迁移方向相反，同时可采用下述的任何方法来冲洗至少一个电极(阴极或/和阳极)，即采用腔室内的流体分离进行，其中不具有任何膜，具有膜，或使用独立的供给电极腔。

附图说明

[0067] 通过考虑下面的详述并结合附图，就要被去离子化的水溶液的情形而论很容易理解本发明的技术，其中：

[0068] 图1为典型的现有去离子装置的示意图；

[0069] 图2为根据本发明的去离子装置的第一实施例的示意图；

[0070] 图3为根据本发明的去离子装置的第二实施例的示意图；

[0071] 图4为根据本发明的去离子装置的第三实施例的示意图；

[0072] 图5为根据本发明的去离子装置的第四实施例的示意图；

[0073] 图6为根据本发明的去离子装置的第五实施例的示意图；

[0074] 图7为图4装置的一部分的示意图；

[0075] 图8为图6装置的一部分的示意图；

[0076] 图9为图6装置的细节示意图；

[0077] 图10为图6装置的变型的示意图。

[0078] 为便于理解，只要可能，相同的附图标记就用于表示附图中相同的元件。附图并非按照比例绘制的，并且附图中不同元件的相对尺寸为示意性的而非按比例的。电化学可再生的离子交换材料通常由直径基本相同的串珠构成。

具体实施方式

[0079] 如上所述，图1为典型的现有去离子装置的示意图。

[0080] 图2为根据本发明第一实施例的去离子装置32的示意图。

[0081] 装置32可用于去除阴离子或阳离子。此处将描述一种用于从水中去除阴离子的-装置32，例如用OH 替换盐的阴离子和/或去除以游离或非游离形式存在的酸。

[0082] 装置32包括例如圆柱形或其它形状的罩壳21，其内部含有：阳极4、阴极5和位于阳极和阴极之间的阴离子-交换材料2。罩壳21限定了一个腔室并且形成了电化学电池。罩壳21具有用于水溶液供给液流10的入口7，用于阳极冲洗液流12的出口8和用于不含盐的阴离子的产物流11的出口9。

[0083] 供给液流10通过接近阳极4末端的入口7进入电池。入口7和阳极4位于罩壳21的一端即阳极4端处。罩壳21的另一端即阴极5端位于阳极端的相反端。当具有两个出口8和9时，液流10将分离为用于去除离子的第一液流(箭头F1)和用于冲洗阳极的第二液流(箭头F2)。用于去除离子的液流F1转至垂直于电极4和5的方向并且从阳极4流向阴极5(图2中从右到左)。

[0084] 在电极4与5之间施加电压差并且因此电流穿过罩壳21形成的电池被传导。水- -分离的电化学反应发生在阴极5处产生H2和OH。OH 离子在阴离子交换材料2内从阴极5向阳极4的方向迁移，即液流F1的反向。液流F1中盐的阴离子与阴离子交换材料2中的-
OH 之间发生交换。因此，接近阳极4端的阴离子交换材料大部分以盐的形式存在，同时接-
近阴极5端的阴离子交换材料大部分以再生的OH 形式存在。基本不含盐的阴离子的处理过的液流11从出口9离开罩壳21，其流体动力学阻力由阀19调控。出口9位于接近阴极
5的阴极端处。

[0085] 去除的阴离子以及阳极4处产生的H+和O2作为阳极废物12被阳极冲洗液流所冲洗并且通过出口8离开罩壳21，其流体动力学阻力由阀18调控。

[0086] 产物流11与废物流12的比例限定了装置的回收率。根据本发明，优选该比例可通过两条通路的流体动力学阻力来调节，该阻力取决于装置并且可额外地通过装置的一个或多个出口下游处的阀、毛细管等调控。在图2所示的实施例中，该调控主要通过分别位于出口9和8上的阀19和18来进行。

[0087] 如上所述，同样的原理也适用于阳离子的去除。在这种情形下，图2中相同的附图标记可能具有不同的含义，因此(2)代表阳离子交换材料，并且极性颠倒，例如(5)代表阳+极并且(4)代表阴极。该装置用于将阳离子从水溶液中去除，例如用H 替换盐的阳离子和-
/或去除以游离或非游离形式存在的碱。去除的阳离子以及在阴极处产生的OH 和H2被阴极冲洗液流(12)所冲洗。

[0088] 图3为根据本发明的去离子装置34的第三实施例的示意图。装置34可用于去除阴离子或去除阳离子。这里将描述用于从水溶液中去除阴离子的装置34。

[0089] 装置34包括可为圆柱形或其它形状的罩壳22，其含有阳极4、阴极5和位于阳极和阴极之间的阴离子-交换材料2。罩壳22限定了一个腔室并且形成了电化学电池。罩壳22具有用于水溶液供给液流10的入口7，用于阳极冲洗液流12的出口8，用于阴极冲洗液流14的出口13和用于基本不含盐的阴离子的产物流11的出口9。

[0090] 供给液流10通过接近阳极4端的入口7进入电池。入口7和阳极4位于罩壳22的一端即阳极端处。罩壳22的另一端即阴极端位于阳极端的相反端。出口9和13位于接近阴极5的阴极5端处，出口13比出口9更接近该阴极端。当具有三个出口8、13和9时，液流10将被分离为用于去除离子的第一液流(箭头F1)和用于冲洗阳极4的第二液流(箭头F2)。用于去除离子的液流F1转至垂直于电极4和5的方向并且从阳极4流向阴极5，在阴极处液流进一步分离为基本不含盐的阴离子的产物流11(箭头F’1)和作为阴极冲洗液流14的第三液流(箭头F3)。

[0091] 因此提供了用于阴极冲洗液流14的独立出口13并且通过流体动力学液流分离来冲洗阴极5。该阴极冲洗液流14将优选包含气体(如在阴极5处产生的H2)以及电极反应可能产生的副产品，因此产物流11将基本是纯的。根据本发明，用于去除离子的液流与离子交换材料2内离子的电迁移方向相反，而部分处理过的液体通过出口9作为产物11离开罩壳22，同时其余部分用于冲洗阴极5并且作为废液流14通过出口13离开腔室。

[0092] 在这种情形下，在罩壳22内在主液流的方向(箭头F1)上水溶液流体动力学分离发生两次：第一次接近入口7，并且第二次接近罩壳22的出口9。如前面的实施例所述，通过出口8、9和13的流速之间的比值受到三个通道的流体动力学阻力所限，该阻力取决于装置34的设计并且可通过装置34的出口下游的阀、毛细管等调控。

[0093] 在图3的实施例中，液体可流经电极4并且用于电极冲洗液流12的出口8位于电极4后部的腔室6内。因此用于电极冲洗的第二液流(箭头F2)经过电极4并且作为废液流12与去除的离子和电极反应的产物一同通过出口8离开电池21。

[0094] 在这种情形下，电极可为网状金属或可为多孔的金属或非金属材料。还可为由不同材料或结构制成的复合电极。腔室6可填充传导流通(conductive flow-through)材料。这可增加有效电极表面并且减少离子浓度、pH值的局部变化以及在电极表面的巨大气泡形成。在某些情形下，这可有效地防止氧化皮的形成。如果电极4为阴极，当使用含有硬性离子的水溶液时这是格外优选的，以减少与阴极4表面局部pH值增加相关的生成氧化皮的风险。

[0095] 图4为根据本发明的去离子装置35的第三实施例的示意图。装置35可用于去除阴离子或去除阳离子。这里将描述用于从水溶液中去除阴离子的装置35。

[0096] 装置35包括形成电化学电池的罩壳24。罩壳24具有用于供给液流10的入口7、用于电极冲洗液流12的出口8、用于基本不含盐的阴离子的产物流11的出口9、阳极4、阴极5以及阳极和阴极之间的离子交换材料2。罩壳24内用于去除离子的液流流动(箭头F1)与离子交换材料2内的反离子的迁移方向相反。

[0097] 罩壳被为平面的壁42在某种意义上垂直于电极4和5而限定且封闭成形成圆柱体。壁42与电化学可再生的离子交换材料2c相接触。所述壁42的部分细节如图7所示。液体流动用箭头F表示。d为材料2的串珠的半径。d的长度为一壁层厚度，该壁层内具有比所述材料2的堆块中更多的空隙。

[0098] 装置35除了具有膜3外通常类似于图2所示的装置32，该膜优选为离子交换膜，将罩壳24分隔为提纯腔16和主去离子腔40。部分供给液流10(箭头F’2)例如使用罩壳内和/或膜3下部的口(或孔)来冲洗阳极腔16，如图4所示。该膜3将罩壳24分隔为两个腔室16和40，这样优选地产生更好的流体动力学分离。

[0099] 此处在用于去除阴离子的装置的情形下，膜3优选为阴离子交换膜。在去除阳离子的情形下，膜3优选为阳离子交换膜。

[0100] 电极腔室16可不具有填充物(如图所示)或填充流通传导材料。

[0101] 如果不希望在阴极5处的产物流11中出现气体和其它反应的副产物，可通过使用流体动力学流动分离来提供用于冲洗阴极5的单独出口，如图5所示。

[0102] 图5为根据本发明的去离子装置36的第四实施例的示意图。装置35可用于去除阴离子或去除阳离子。这里将描述用于从水溶液中去除阴离子的装置36。

[0103] 装置36包括罩壳20，其具有用于供给液流10的入口7、用于基本不含盐的阴离子的产物流11的出口9、阴极5、用于阴极冲洗液流14的出口13、膜3与15之间的阴离子交换材料2、阳极4、用于阳极冲洗液流12的出口8以及被膜3分隔开的阳极腔室16。罩壳20内用于去除离子的液体流动(箭头F1)与离子交换材料2内的反离子的迁移方向相反。

[0104] 装置36除了膜15外通常类似于图4所示的装置35，该膜15优选为离子交换膜，分隔阴极腔16’。部分已去离子的供给液流10例如使用罩壳内和/或膜15下部的口(或孔)来冲洗电极腔16’，如图5所示。该膜15还将装置36分隔为腔室16’和主去离子腔41(而非图4中的主去离子腔40)，这样优选地产生更好的流体动力学分离。罩壳20包括三个腔室：阴极腔16’，阳极腔16，以及二者之间的主去离子腔41。

[0105] 在用于去除阴离子的装置的情形下，膜15优选为阴离子交换膜。在去除阳离子的情形下，(4)代表阴极，(5)代表阳极并且(15)优选为阳离子交换膜。

[0106] 电极腔16’可不具有填充物或填充具有中性、阳离子交换、阴离子交换(如图所示)或电子传导特性的材料。

[0107] 优选阴极腔16’填充有电子传导的流通(electron-conductiveflow-through)材料并且阳极腔16填充有阴离子-交换流通(flow-through)材料。

[0108] 在这种情形下，通过入口7进入罩壳20的供给液流10首先分离为用于去除离子的第一液流(箭头F1)以及用于电极冲洗的第二液流(箭头F’2)，其穿过膜3并且作为废液12与去除的离子和电极反应的产物一同通过出口8离开电池20。该第一液流在穿过离子交换材料2后被分离为通过出口9离开电池20的基本去离子的产物流11(箭头F”1)，以及穿过膜15并且作为废液14与电极反应的产物一同通过出口13离开电池20的第三液流(箭头F’3)。

[0109] 在图4和5所示的实施例中，我们验证了可能使用与填充有离子交换材料2的去离子腔(40，41)隔离的电极腔(16，16’)，同时穿过该去离子腔室的液流(箭头F1)与离子交换材料2内离子的迁移方向相反。

[0110] 图6为根据本发明的去离子装置37的第五实施例的示意图。

[0111] 装置37包括圆柱形的罩壳25，其内具有：阳极4、阴极5、双极性膜17、去离子腔39内位于阳极4与双极性膜17之间的阴离子交换材料2a、以及去离子腔38内位于双极性膜17与阴极5之间的阳离子交换材料2c。

[0112] 罩壳25形成电化学电池。罩壳25被为平面的壁43在某种意义上垂直于电极4和5而限定且封闭从而形成圆柱体。壁43如图9所示为皱折状的。该皱折的深度为尺寸a。

[0113] 壁43与电化学可再生的离子交换材料2a和2c相接触。与电化学可再生的阴离子交换材料2a接触的所述壁43的部分细节如图8所示，其中液体流动用箭头F表示。材料2c的串珠与皱折完美配合。每段皱折都具有波纹形状，其深度为尺寸a并且其长度为尺寸b，如图8所示。

[0114] 皱折的其它变型如图10所示，包括具有三角形截面的皱折(图10A)和具有多多少少半球形截面的皱折(图10B)。

[0115] 罩壳25具有用于阴极冲洗液流14的出口13、用于阳极冲洗液流12的出口8、用于流入阳离子-交换材料2c内的水溶液供给液流10的入口7、用于基本不含盐的阳离子的液流26的出口28，该液流26通过管道30流至入口27，并且再流入阴离子交换材料2a内，还流至用于基本不含盐的阳离子和阴离子的产物流11的出口9。双极性膜17包括至少两-层：面对阳极的阴离子交换层和面对阴极的阳离子交换层，并且能够通过水离解产生OH 和+
H。

[0116] 供给液流10通过位于阴极5附近的入口7进入电池。当有两个出口13和28时，液流10将分离为用于去除离子的液流(箭头FI1)和用于冲洗阴极的液流(箭头FI2)。用于去除离子的液流FI1转至垂直于电极4和5的方向并且从阴极5流向阳极4(图6中从左向右)，并且在流体动力学上受到双极性膜17和出口28的排流的限制。

[0117] 供给液流26通过位于阳极4附近的入口27进入电池。当有两个出口8和9时，液流26将分离为用于去除离子的液流(箭头FI3)和用于冲洗阳极的液流(箭头FI4)。用于去除离子的液流FI3转至垂直于电极4和5的方向并且从阳极4端流向阴极5端(图7中从右向左)，并且在流体动力学上受到双极性膜17和出口9的排流的限制。

[0118] 用于去离子的该装置37使用被双极性膜17分隔开的阳离子-交换材料2c和阴离子-交换材料2a，用于电化学增强的水离解，同时液流(FI1，FI3)与所述材料内离子的电迁移方向相反，其中去离子腔室39和38内的流体动力学流体分离被用于冲洗流通电极，电极4或5后部的空间6或16填充有电子传导材料(未示出)。

[0119] 根据本发明，通过出口8的液流12被阀18所调控，并且穿过出口13的液流14被阀23所调控。

[0120] 用于去离子的装置不局限于图6所示的液流顺序，即，其中供给液流首先通过具有阳离子-交换材料2c的腔室38，接着通过填充有阴离子-交换材料2a的腔室39。其它顺序也是可能的，即，其中液流首先穿过具有阴离子-交换材料2a的腔室39，接着穿过具有阳离子-交换材料2c的腔室38，使用图6中入口和出口的如下顺序：27-9-7-28，管道30位于出口9与入口7之间。

[0121] 其它实施例(未示出)包括至少一个、优选两个电极腔，该电极腔与去离子腔被液密的离子-交换膜分隔开并且具有自己的入口和自己的用于分离出的冲洗液流的出口。

[0122] 根据本发明，本实施例不排除用第二液流冲洗。因此在这种情形下，电极在两侧被冲洗两次：电极腔一侧和去离子腔一侧。

[0123] 在这种情形下，致密(无口或孔)的离子-交换膜被用于分隔电极腔和去离子腔。产物流或供给液流的一部分、其它电极腔的冲洗液流、以及其它液流可用于冲洗这样分隔的电极腔。

[0124] 如果需要，也可使用腔室内流体动力学流体分离的相同原理独立地冲洗双极性膜附近的空间，其中腔室不具有任何离子-交换膜、具有离子-交换膜或使用独立的供给腔室。例如双极性膜17可具有有限的选择透过性并且因此使得某些污染物从填充有2c的腔室迁移和/或扩散至填充有2a的腔室内。在这种情况下，这些污染物中的一些可能会出现在产物流11中。为避免此现象，可使用不带有或带有离子-交换膜的流体动力学流体分离或使用被离子-交换膜完全分隔开的额外腔室来冲洗填充有2a的腔室内邻近双极性膜的空间。如果使用邻近双极性膜的独立腔室，它应当填充有邻近双极性膜的阴离子交换层的阴离子-交换材料或由邻近双极性膜的阳离子交换层的阳离子-交换材料填充。因此本发明还涵盖了用于分隔电极腔室或邻近双极性膜的腔室的离子-交换膜的应用。

[0125] 根据本发明，第一与第二去离子腔室之间的水溶液液流、产物流以及其它液流也可部分或完全地用于冲洗独立的电极腔室或邻近双极性膜的带有外部入口或外部出口的腔室。

[0126] 液流连续地通过去离子腔室的优选顺序必须根据污染物类型来确定。对于天然或处理过(例如反渗透处理)的天然水的典型污染物来说，通常优选的液流顺序是首先通过填充有阳离子-交换材料的腔室，接着通过填充有阴离子-交换材料的腔室，但不局限于此。

[0127] 本发明的方法和装置是优选的，因为其具有极高的电流效率、极高的缓冲能力、优良的去离子性能、简单的构造和较低的材料成本。具有较小比例尺寸并且流速优选0-50L/h或优选0.05-5L/h的装置是最实用的，但不局限于此。

[0128] 本发明的装置一般不同于传统的板-和-框架或螺旋缠绕的模块设计。这就提供了额外的特征，如可能建立用于装置的原始3D设计。常规设计不局限于彼此平行放置的平面电极以及电极之间的线性腔室，从而提供与离子的电迁移方向相反的液流。

[0129] 用作供给液流的典型液体是预处理过的水，如反渗透、纳米过滤或超滤的渗透物。

[0130] 本发明的方法和装置用于从极性液体中去除电离的和/或离子化成分的原理不仅可应用于含水电解质溶液，还可应用于其它极性溶剂或水/极性溶剂混合物溶液。

[0131] 在水/极性溶剂混合物的情形下，离子迁移的原理类似于水溶液，即电化学水分+ -解(split)发生在电极处或双极性膜中，产生H 和OH 以用于离子-交换材料的电化学再生以及用于与液体交换离子。

[0132] 已知某些极性溶剂的电化学分解可能发生在电极处或双极性膜中。在双极性膜+ +中，某些有机酸可被电场分解为H 和羧酸盐离子，某些醇可被分解为H 和溶剂阴离子等。
+ -
例如，双极性膜内的甲醇的分解产生H 和CH3O(甲醇盐)离子。产生的离子可迁移进入离子-交换材料并且可用于与将被从液流中去除的离子进行离子-交换。但是，为简化解释，+
本发明说明书中的说明是基于水溶液即带有电离的或离子化污染物的水的使用，同时H 或-
/和OH 离子作为电化学水分解的产物用于离子-交换材料的电化学再生。