[发明专利]流体的电化学离子交换处理

说明书

相关申请的交叉引用

本申请为申请日为2005年10月6日的美国临时专利申请No. 60/724,456及申请日为2006年6月17日的美国临时申请No.60/831703 的继续申请，这两个申请全文皆以引用方式并入此处。

技术领域

本发明的实施例有关于电化学单元处理流体来控制流体中的离 子、微粒及微生物含量，以及再生单元。

背景技术

包含电化学离子交换单元的流体处理装置可用来处理流体，例如， 用于选择性交换存在于流体中的离子；由饮用水中去除污染物；减少 总溶解固体(TDS)处理工业废水或有害废水；及将盐水脱盐等等用 途。电化学离子交换单元具有水解作用离子交换膜于单元中的两相对 电极间。当凭借单元电源施加电流于电极时，于该膜的阳离子交换层 与阴离子交环层间的边界，水被不可逆地解离成为H⁺离子及OH^-离子， 造成阳离子及阴离子从通过单元的流体流中交换。电化学单元可未使 用危险化学品而被再生，单纯经由逆转所施加的电位，同时以流体冲 洗单元来再生。此外，为了获得连续操作，两个或多个电化学单元可 连接来允许于单元中进行流体的处理，同时另一个单元则被再生。当 施加反电位时，未使用任何化学品，膜被再生。单元也可具有阀，用 于控制处理程序及再生程序期间的流体流动。

电化学系统可用来选择性控制所处理的流体中的离子含量，但典 型无法从流体流中去除沉淀物及微粒。典型出现于诸如井水或甚至经 过处理的自来水等流体中的固体包括微粒及沉淀物，诸如砂石或泥土。 自来水也可能含有必需被移除的铅或其它重金属离子。工业废水系统 也可使用来减少微粒物质。除了从流体中去除离子之外，也希望从流 体流中去除此等微粒。有高固体含量的流体也可能堵塞膜，限制膜的 工作周期且阻塞电化学单元的孔口。

另一项问题为，来自于井或自来水源的硬水也含有溶解化合物， 诸如钙、镁及锰化合物及碳酸氢盐或硫酸盐。此等盐类可能于处理周 期期间于单元及管路中沉淀出。举例言之，溶解的碳酸钙化合物可能 沉淀出而堆积于单元壁、管路及膜上，需要频繁更换或清洁此等组成 组件。鳞垢堆积于卡匣、单元或管路，提高流体进入压力需求，且降 低流经单元的流速。于膜再生期间沉淀出的溶解钙化合物也可能以鳞 垢或微粒堵塞膜，而降低单元效能。

于流体处理程序中，也期望降低可能存在于处理后的流体流中的 微生物诸如细菌、微生物或甚至病毒的含量。未能适当消毒饮用水， 可能导致严重后果。例如，隐孢虫(cryptosporidium)乃饮用水的污染 物，造成威斯康星州密瓦基市发病人数超过40万人。此等微生物可能 存在于处理前的原水流体，及/或实际上于流体处理程序的本身产生及 添加至流体流。存在于原水流体中的微生物可于凭借离子交换进行流 体处理之前，凭借传统细菌分解、消毒或灭菌等手段去除。于流体处 理装置内部所产生的微生物生长也可凭借定期清洁流体处理系统来减 少。但此种清洁经常效力不彰，原因在于此种清洁只能部分去除形成 于流体处理系统内壁的有机生物残渣，但此种系统的多个组成组件内 表面难以接近。此外，刷洗装置内表面来完全去除强力黏着膜，可能 导致刮痕，后来形成的生物膜更为强力黏着于刮痕上，结果皆更难以 移除。

传统膜再生程序处理上过度费时，且需使用过量流体或电力来再 生。缩短再生膜所耗用的时间，将允许每单位时间单元可用于更大量 的处理周期。最小化再生膜耗用的电力，既可降低能量成本，同时也 可减少典型因温度梯度而增加的鳞垢形成。于水过滤用途中，再生过 程中的过量废水经常造成工作成本的升高。于工业应用中，用来再生 膜的流体可能昂贵，难以取得或危险，特别于化学过滤系统危险，因 而难以根据环保法规来弃置。如此期望最佳化膜再生程序，来缩短再 生时间，减少流体与能量的耗用。