極化電滲析的制作方法
【專利說明】極化電滲析 陽OOU交叉引用
[0002] 本申請要求2013年3月14日提交的美國臨時申請61/783, 881的權(quán)益，該臨時申 請全文W特定引用方式并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003] 全球人口的日益增長、環(huán)境變化和工業(yè)化所導(dǎo)致的嚴(yán)重水源污染等因素已使得為 人類提供足夠的干凈淡水成為一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。上個世紀(jì)，人們發(fā)明并從根本上改進(jìn)了諸 多水凈化方法，設(shè)及蒸饋、過濾、化學(xué)和電化學(xué)等分類，運(yùn)些方法被用W從海洋、地表水、地 下水甚至廢水等水源回收純凈淡水，作為生活、工農(nóng)業(yè)用水。然而，現(xiàn)有技術(shù)水平在初始成 本、維護(hù)成本和功耗方面仍遠(yuǎn)非完美。另外，每種技術(shù)僅有有限的成本效益好的應(yīng)用和適合 的水源水范圍。對于越來越干澗的世界，必須通過對現(xiàn)有技術(shù)的持續(xù)改良和新技術(shù)開發(fā)，減 少現(xiàn)有應(yīng)用的材料和能源成本，探索新應(yīng)用，并且從新的污染源獲得淡水。
[0004] 表1中列出了一些主要的水處理技術(shù)及其應(yīng)用、適合的水源水、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其 中，蒸饋技術(shù)已使用了幾個世紀(jì)，甚至目前總海水淡化產(chǎn)能中超過一半仍基于該技術(shù)。在過 去幾十年中，大部分新海水淡化廠根據(jù)反滲透（RO)技術(shù)建造，因?yàn)槠淠苄П日麴伡夹g(shù)高。 然而，只有在大規(guī)模淡化廠中才可W應(yīng)用復(fù)雜的壓力回收系統(tǒng)達(dá)到較高的能效。在苦咸/ 地表/地下水凈化和小規(guī)模淡化應(yīng)用中，電滲析巧D)和/或反向電滲析巧DR)(其是ED的 相對較新的發(fā)展）因其在此類應(yīng)用中的能效與RO類似甚或高于RO而被廣泛采用，其額外 益處包括回收率較高、壓力和噪聲低，污垢和預(yù)處理要求較低等。在RO系統(tǒng)中，膜阻擋大部 分雜質(zhì)（包括離子），同時僅允許收集在高壓下通過膜的凈水，然而與此不同的是，在邸系 統(tǒng)中，通過其離子交換膜遷移的帶電離子中，只有一部分被從輸出中去除，從而導(dǎo)致輸出水 的凈化程度較低，并且TDS(總?cè)芙夤腆w）相對較多。電去離子巧DI)為一種可達(dá)到甚至高 于RO的輸出純度的電化學(xué)處理工藝，也稱為連續(xù)電去離子（CEDI)。EDI是邸和離子交換 (I訝技術(shù)的融合。在傳統(tǒng)IX中，需要定期化學(xué)（例如強(qiáng)酸）再生IX樹脂。而在邸I中，樹 脂由電連續(xù)再生，因此其比IX更安全、更環(huán)保，并且需要的維護(hù)較少。在一些應(yīng)用中，諸如 用于發(fā)電廠、制藥工藝和微電子行業(yè)的去離子水，EDI正在取代IX，但在現(xiàn)階段，其采用仍 受到相對較高的初始成本和較低效率的阻礙。 陽00引表1 :現(xiàn)有水凈化巧術(shù)的對比[0006]

【附圖說明】
[0007] 在運(yùn)些圖示中：
[000引圖1是示意圖，其示出用于執(zhí)行極化電滲析的裝置的實(shí)施例的橫截面視圖；
[0009] 圖2是示意圖，其示出用于執(zhí)行極化電滲析的裝置的另一個實(shí)施例的橫截面視 圖；
[0010] 圖3是示意圖，其示出用于執(zhí)行極化電滲析的裝置的又一個實(shí)施例的橫截面視 圖；
[0011] 圖4是示意圖，其示出用于執(zhí)行極化電滲析的裝置的另外一個實(shí)施例的展開圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 在W下【具體實(shí)施方式】中，參考了附圖，運(yùn)些附圖構(gòu)成【具體實(shí)施方式】的一部分。在運(yùn) 些圖示中，除非上下文另外指明，否則，類似符號通常標(biāo)記類似部件。在【具體實(shí)施方式】、圖示 和權(quán)利要求中所述的示例性實(shí)施例并非意在進(jìn)行限制。可利用其他實(shí)施例，并且可在不脫 離本文所呈現(xiàn)主題的精神或范圍的前提下作出其他改變。應(yīng)當(dāng)理解，如本文一般性描述并 且在圖中示出的本發(fā)明的方面可按很多不同配置來布置、代替、組合、分離和設(shè)計(jì)，所有運(yùn) 些配置都在本文中明確設(shè)想。
[0013] 本文所述的一些實(shí)施例通常設(shè)及用于通過極化電滲析（PED)進(jìn)行水凈化的設(shè)備 和方法。如本文中所使用，術(shù)語"極化"在電滲析巧D)的上下文中可指：（1)除在產(chǎn)生離子 耗盡流的離子交換膜附近的濃度極化W外，水因電滲析的凈化；W及（2)被極化的陰離子 交換膜（AEM)和陽離子交換膜（CEM)的不同有效尺寸，并且因此導(dǎo)致AEM和CEM的不同電流 密度大小。如本文和權(quán)利要求中所使用，術(shù)語"膜"是指可具有滲透性或可不具有滲透性的 層、阻隔物或材料。除非另外指明，否則，膜可采用固體、液體或凝膠的形式，并且可具有或 可能不具有獨(dú)特的晶格或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。"陰離子交換膜"可指具有使其能夠結(jié)合和釋放帶負(fù)電 離子的官能團(tuán)的膜。陰離子交換膜因此準(zhǔn)許陰離子通過，同時基本上阻擋陽離子通過。"陽 離子交換膜"可指具有使其能夠結(jié)合和釋放帶正電離子的官能團(tuán)的膜。陽離子交換膜可因 此準(zhǔn)許陽離子通過，同時基本上阻擋陰離子通過。
[0014] 本文所述的陽D技術(shù)為水處理提供獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和能力。原型裝置的制作和測試證 實(shí)，該陽D裝置能夠淡化并凈化水、去除或濃縮紅色染料，并且可在正向和反向極性兩者下 工作。與常規(guī)邸技術(shù)相比，本文所述的陽D技術(shù)提供了更少的膜用量、更高純度的輸出、W 及處理除離子W外的尺寸更大和弱帶電物質(zhì)的能力。憑借其能力，P邸可適于許多應(yīng)用，例 如，1)城市用水、地表水、地下水和苦咸水的除鹽，其可W是大規(guī)?；蛐∫?guī)模（例如日常應(yīng) 用，軟水劑）；2)占用面積、重量、噪聲、移動性、維護(hù)和初始成本是主要關(guān)注問題情況下的 小規(guī)模海水淡化或大規(guī)模海水淡化；3)用于電子、半導(dǎo)體、制藥行業(yè)和發(fā)電廠的高純度水 生產(chǎn)；4)廢水處理，諸如氣化物、重金屬、紡織染料等的去除或濃縮；W及5)弱帶電或不可 滲透物質(zhì)（如生物醫(yī)學(xué)樣品）的去除/濃縮。因此，本文所述的陽D技術(shù)可替代常規(guī)邸、 RO和/或邸I。
[0015] 在一些實(shí)施例中，用于執(zhí)行極化電滲析的設(shè)備可包括：電極對；至少一個陽離子 交換膜和至少一個陰離子交換膜，其設(shè)置在電極對之間并且與電極對間隔開；樣品蓄水池， 其位于至少一個陽離子交換膜和陰離子交換膜之間；W及分隔構(gòu)件，其至少部分地設(shè)置在 蓄水池中。在其中該設(shè)備包括多個陰離子和陽離子交換膜的實(shí)施例中，陰離子和陽離子交 換膜可彼此交替。陽離子交換膜和陰離子交換膜二者中的一者可具有彼此不同的大小或有 效面積W產(chǎn)生不同的電流密度。例如，運(yùn)些膜可被定制大小并配置成使得一者在低于限制 電流密度下工作，而同時另一者在高于限制電流密度下工作。運(yùn)些膜可各自被設(shè)置在框架 內(nèi)，并且框架可設(shè)置成與電極水平對齊。
[0016] 包含水和離子的樣品溶液可進(jìn)入在陰離子交換膜和陽離子交換膜之間形成的第 一蓄水池中?？蓪_洗溶液引入到位于第一電極和陰離子交換膜之間和位于第二電極和 陽離子交換膜之間的第二蓄水池中?？稍诘谝浑姌O和第二電極之間施加電壓W產(chǎn)生濃度 極化。如本文所使用，術(shù)語"濃度極化"可指陽離子交換膜和陰離子交換膜二者中至少一者 表面附近的離子濃度實(shí)質(zhì)上或顯著地低于樣品溶液中的離子濃度?？蓮膬艋隹诹魇占瘍?化水，位于陰離子交換膜和陽離子交換膜之間的分隔板將該凈化出口流與未凈化出口流分 離。
[0017] 與常規(guī)工藝相比，本文所述的設(shè)備和方法提供了有效的水凈化。
[001引參考圖1，其示出用于執(zhí)行極化電滲析的裝置的實(shí)施例。陰離子交換膜（AEM) 1連 同其框架5, W及陽離子交換膜（CEM)2連同其框架6設(shè)置在陽極3和陰極4之間。AEM 1 和CEM 2在本文中可統(tǒng)稱為"膜"。AEM 1和CEM 2對于離子交換具有本質(zhì)不同的有效面積 大小。分隔板7設(shè)置在AEM復(fù)合體（由AEM 1及其框架5形成）和CEM復(fù)合體（包括CEM 2及其框架6)之間。在操作期間，樣品溶液8從AEM復(fù)合體和CEM復(fù)合體之間的間隙的側(cè) 面流入。同時，導(dǎo)電陽極水洗溶液9流過陽極3和AEM復(fù)合體1和5之間的間隙或室，而導(dǎo) 電陰極水洗溶液10流過陰極4和CEM復(fù)合體2和6之間的間隙或室。樣品溶液8可包含 陽離子11、陰離子12和大小可比離子大的其他帶電或弱帶電材料13。
[0019] 當(dāng)在電極3和4之間施加電壓時，溶液8、9和10中的陽離子11被迫朝陰極4移 動，同時運(yùn)些溶液中的陰離子12被迫朝陽極