[0002] 本申请在35 U.S.C.§119(e)下要求2008年4月3日提交的、标题为“HIGH CROSS LINKED ION EXCHANGE RESIN SOFTENING OF SEA WATER”待审未决US临时申请系列No.61/042040的权益，其全部内容在此引入作为参考。
发明领域
[0003] 本发明涉及
海水脱盐的系统和方法，具体的，涉及海水脱盐的低能耗系统和方法，包括分级的
电渗析装置和
电极电离装置，其具有浓度基电势半
电池对和包括处于几种可选择构造中的离子交换。其它水源也可以通过此处所述的系统和方法来脱盐。
[0004] 发明背景
[0005]
反渗透(RO)和热方法(蒸馏)在从海水生产
淡水中占据主要地位。最近的研究表明有稍大于一半的海水脱盐是通过RO进行的。在反渗透系统中使用能量回收装置进一3
步降低了能耗。但是，反渗透工艺典型的需要至少大约2.5kWh/m。热方法一直是高能耗的，这归因于脱盐所需的
相变。如果利用废热，则方法例如隔膜(membrane)蒸馏可以以低
3
到1.5kWh/m 的能量需要来使用。
[0006] 电渗析(ED)通常被认为适于有盐味的水和
废水脱盐，但是对海水使用来说太昂贵。一些研究显示ED在仔细控制的条件下存在着用于海水的潜
力。但是，对于海水脱盐来说，ED还没有变成一种经济的方法。
[0007] 电渗析是在直流
电压的原动力作用下，通过离子选择性膜来转移离子和一些带电的有机物，从而对水进行脱盐的。ED设备是由排列在电池中的阴离子迁移膜和阳离子迁移膜组成的。每个电池是通过阴离子和阳离子迁移膜结合的，并且合并成为电池对，即，两个相邻的电池。隔膜是导电的和水不能透过的。隔膜堆是由许多的，有时候是数百个电池对组成的，并且ED系统是由许多隔膜堆组成的。每个隔膜堆具有在该堆的每一端的DC电极、
阴极和
阳极。在DC电压下，离子移动到相反电荷的电极。这里有两种类型的电池，稀释电池和浓缩电池。在稀释电池中，阳离子将穿过面对阳极的阳离子迁移膜，但是在这样的方向上被相邻电池的成对的隔膜所阻止，该方向是该相邻电池的阳极迁移膜面对阴极的方向。类似的，阴离子将穿过面对阴极的阴离子迁移膜，但是被面对阳极的阳离子迁移膜所阻止。
以此方式，稀释电池中的盐将被除去，并且在浓缩的相邻的电池中，阳离子将从一个方向进入，而阴离子将从相反方向进入。对隔膜堆中的流动进行排列，以使得稀释物流和浓缩流动保持分开，以此方式，产生脱盐的水流。
[0008] 在该ED方法中，材料通常将在
电场方向上积聚在隔膜表面上，这会，并且通常降低了加工效率。为了克服这种作用，开发了反向电渗析(EDR)，并且其成为目前使用的主要方法。在EDR中，电极是以规律的
基础例如每15分钟来反转极性的。所述的流动也同时转换，浓缩物流变成稀释物流，反之亦然。以此方式除去了污垢
沉积物，并将其冲出。
[0009] 使用专
门的单价隔膜，
氯化钠可以通过ED由海水中浓缩。精制食盐可以通过这种方法，使
用例如Neosepta隔膜ACS和CIMS(日本东京的Astom Corporation)来生产。
[0010] 一旦稀释池中的浓度降低到低于约200毫克/升(mg/L)，
电阻会处于这样的水平，即，功率需求变得逐渐昂贵。为了克服这个问题以及为了能够产生高品质水，开发了电极电离(EDI)，其有时候也称作连续电极电离(CEDI)。在这种方法中，电池填充有离子交换介质，通常是离子交换珠。该离子交换介质处于比所述溶液更大的导电数量级。离子通过该交换珠传送到隔膜表面，用于转移到浓缩电池。当供料浓度足够低时，EDI能够以更低的功率产生比ED更纯净的水。
[0011] 用于水脱盐的ED方法优于RO。因为它们不使用压力来穿过隔膜移动溶液和溶质，并因此是不太倾向于在隔膜表面上生成水垢或者其它聚积物，它们需要更少的预处理，这将降低运行成本。它们具有更高的产物水回收率和更高的盐水浓度，即，处理更少的盐水。在一些情况中，可以生产产品例如精制食盐。
[0012] 当使用ED/EDI时，加工设计师和操作人员会面对降低资金和运行成本(包括原料)的问题。缩小装置尺寸是降低资金成本和(当获得效率时)降低运行成本的一种方法。为了利用用于海水脱盐的ED和EDI的优点，开发了一种创新的系统和方法，其降低了某些加工装置的尺寸，特别是离子交换
软化器(softener)的尺寸。
发明内容
[0013] 此处所述的是用于海水脱盐的低能耗系统和方法。
[0014] 在一种实施方案中，该系统包含电渗析装置和第二电渗析装置，其含有单选择性(monoselective)隔膜，以部分地对待处理的海水进行脱盐。将来自二者的稀释物流送向离子交换软化器，在这里除去
钙和其它结水垢离子(scaling ion)或者降低其浓度。来自该软化器的流出物被送到电极电离装置，来产生最终的水产品。该离子交换软化器具有这样的性能，即，在2mg/L钙离子的穿透浓度，离子交换流出物中钙离子与镁离子之比小于流入的稀释物流中钙离子与镁离子之比。来自第二电渗析的浓缩物可以用来再生该软化器。
[0015] 在一种实施方案中，该系统包含电渗析装置，其含有单选择性隔膜，来部分地对待处理的海水进行脱盐。将来自二者的稀释物流送向离子交换软化器，在这里除去钙和其它结水垢离子或者降低其浓度。来自该软化器的流出物被送到电极电离装置，来产生最终的水产品。该离子交换软化器具有这样的性能，即，在2mg/L钙离子的穿透浓度，该离子交换流出物中钙离子与镁离子之比小于该流入的稀释物流中钙离子与镁离子之比。来自该电渗析的浓缩物可以用来再生该软化器。
[0016] 在此处所述的实施方案中，离子交换流出物中钙离子与镁离子之比小于0.02。
[0017] 在此处所述的实施方案中，离子交换流出物中钙离子与镁离子之比小于0.01。
[0018] 在此处所述的实施方案中，离子交换流出物中钙离子与镁离子之比小于0.05。
[0019] 在该
说明书的一方面，所述的电极电离装置包含
流体连接到其中具有溶解的固体的水源的第一贫化隔室，该贫化隔室至少部分地由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定出来；第一浓缩隔室，该浓缩隔室流体连接到具有第一溶解固体浓度的第一含水液体源的下游，并且通过阳离子选择性膜与第一贫化隔室离子连通；和第二贫化隔室，该贫化隔室流体连接到具有第二溶解固体浓度的第二含水液体源的下游，并且通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩隔室离子连通，所述的第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。
附图说明
[0020] 该附图并非按照尺寸绘制。在该附图中，在不同的图中所示的每个相同的或者基本相同的部件是用相同的附图标记来表示的。为了清楚起见，在每个附图中没有标示出每个部件。
[0021] 在该附图中：
[0022] 图1是根据本发明的一种或多种实施方案的系统的示意性
流程图；
[0023] 图2是根据本发明的一种或多种另外的实施方案的系统的示意性流程图；
[0024] 图3是根据本发明的一种或多种实施方案的海水脱盐系统的示意性流程图；
[0025] 图4是电极电离装置一部分的示意性图示，该装置能够用于本发明一个或多个方面的一种或多种系统中；
[0026] 图5是根据本发明的一个或多个方面的电极电离装置一部分的示意性图示；
[0027] 图6A和6B是根据本发明的一个或多个方面的无电极连续消电离装置的部分的示意性图示；
[0028] 图7是图，表示了根据本发明的一个或多个方面的预定的能量需求；
[0029] 图8是根据本发明的一个或多个方面的Donnan增强的电极电离(EDI)模
块的示意性图示；
[0030] 图9A和9B是根据本发明的一个或多个方面的系统的示意性图示；
[0031] 图10A和10B是根据本发明的一个或多个方面的能够使用的电渗析顺序的示意性图示。
[0032] 图11A和11B是这样的图，其表示了根据本发明的一个或多个方面，相对于目标产物总溶解的固体浓度，在处理人造盐水(“NaCl溶液”)和海水中所需的能量，其使用了带有标准离子选择性膜(图11A)和单选择性隔膜(图11B)的电渗析装置；和
[0033] 图12A和12B是这样的图，其表示了根据本发明的一个或多个方面，在处理海水过程中，相对于使用单选择性隔膜的电渗析阶段，阳离子(图12A)和阴离子(图12B)的分数。
具体实施方式
[0034] 本发明涉及处理系统，其在一些方面、实施方案或者构造中可以是
水处理系统。本发明一些特别有利的方面可以涉及海水处理系统或者脱盐系统以及与海水处理或者脱盐有关的技术。本发明的系统和技术能够如下来有利的提供处理过的水：利用浓度差来产生电势或者移动条件，该条件促进了一种或多种可迁移的溶解固体在待处理的水中的传输。本发明另外的方面可以涉及这样的系统和技术，其由海水或者有盐味的水来提供
饮用水。
[0035] 本发明的一个或多个方面可以提供适于饮用的饮用水，其符合或者超过了世界卫3
生组织的方针，其可以由典型的海水供料，以低于1.5kWh/m 所产生的水的总能耗来生产。
本发明的其它方面可以涉及相结合的电渗析和连续的电极电离系统和装置和新的连续电极电离构造，其利用了浓度差来促进离子分离。
[0036] 本发明的一些实施方案可以包括多步方法，其利用了电渗析(ED)装置将海水脱盐到总溶解固体(TDS)浓度或者盐浓度为大约3500-大约5500ppm，随后进行离子交换(IX)软化，并通过新类型的连续的电极电离(CEDI)最终脱盐到TDS含量小于大约1000ppm盐含量。
[0037] 我们发明的系统和方法可以包括
现有技术和新技术的独特组合，其中其的每个部件通过有利的使用不同部件和装置运行之间的协同作用，而用于降低或者甚至使得整体能耗最小化，它们一起克服了目前的ED和CEDI装置各自的
缺陷。例如，因为ED装置的能量效率典型的随着产物TDS含量降低到低于5500ppm而降低，典型的因为浓度分化和水分配现象，CEDI装置可以替代使用来进一步以更高的相对效率对含有这样低的TDS含量(小于5500ppm)的水进行脱盐，这是因为后者的装置利用了离子交换
树脂。为了解决结水垢问题，软化器除去或者降低了非单价的、形成水垢物质的浓度。此处所述的一些实施方案一个新颖的方面是使用软化器，与在软化器入口的这些离子的比例相比，使用软化器以比镁更高的比例选择性除去钙离子。在例如第二平行的电渗析顺序中使用单价选择性膜可以用来产生用于软化阶段的再生性流，其典型的具有高浓度的单价物质，由此至少降低了(如果并非消除了)对于外部盐流体存储的任何需要。另外的优点可以包括提高水回收率。
[0038] 本发明的某些另外的方面可以包括ED和CEDI装置，其可以以足够低的
电流密度来运行，目的是限制浓度分化和水分配，这降低了能量需求。
[0039] 该海水脱盐系统例如可以包含第一处理阶段，该阶段优选降低了溶解的物质例如一种或多种溶解的固体的浓度。本发明某些具体的方面将以海水相关的内容来描述。但是，本发明不限于处理或者脱盐海水，并且它的一种或多种原理可以用来处理具有目标物质的液体，来从其中除去该目标物质。
[0040] 本发明的一个或多个方面可以涉及一种电极电离装置，其包含流体连接到其中溶解有固体的水源上的第一贫化隔室，该贫化隔室至少部分地由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定出来；第一浓缩隔室，该浓缩隔室流体连接到具有第一溶解固体浓度的第一含水液体源的下游，并且通过阳离子选择性膜与第一贫化隔室离子连通；和第二贫化隔室，该贫化隔室流体连接到具有第二溶解固体浓度的第二含水液体源的下游，并且通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩隔室离子连通，所述的第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。
[0041] 在本发明的一些实施方案中，该第一含水液体是海水，典型的具有小于大约4wt％，典型的大约3.3wt％-3.7wt％的第一溶解固体浓度，和在某些情况中，该第二含水液体是盐水，其具有至少大约10wt％的第二溶解固体浓度。在一种或多种另外的具体实施方案中，该第一贫化隔室流体连接到这样的水源上，其的溶解固体浓度小于大约2500ppm，或者第二溶解固体浓度：第一溶解固体浓度的比值至少是大约3。
[0042] 本发明的一个或多个方面可以涉及用于处理其中具有溶解的离子物质的水的装置。在一些实施方案中，该装置可以包含流体连接到水源上的第一贫化隔室，该贫化隔室至少部分地由第一阴离子选择性膜和第一阳离子选择性膜限定出来；第一浓缩隔室，该浓缩隔室流体连接到具有第一溶解固体浓度的第一水溶液源，该第一浓缩隔室通过第一阴离子选择性膜和第一阳离子选择性膜中的一个与第一贫化隔室离子连通；和第二贫化隔室，该贫化隔室流体连接到具有第二溶解固体浓度的第二水溶液源，所述的第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度，其中该第二贫化隔室典型的是通过第二阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜中之一与第一浓缩隔室离子连通的。
[0043] 在本发明的一些实施方案中，该装置可以进一步包含第二浓缩隔室，该浓缩隔室流体连接到具有第三浓度溶解固体(该第三溶解固体浓度小于第二溶解固体浓度)的第三水溶液源上和第一水溶液源的至少一个上，该第二浓缩隔室通过第二阴离子选择性膜和第二阳离子选择性膜之一与第二贫化隔室离子相连。该第二浓缩隔室可以，但非必需，是通过第一阳离子选择性膜与第一贫化隔室离子相连的。在根据本发明某些方面的另外的构造中，该装置包含一种或多种盐桥(bridges)，其例如离子连通该第一贫化隔室和该第二浓缩隔室。在本发明的其它另外的实施方案中，该装置可以进一步包含第三贫化隔室，该贫化隔室流体连接到第二水溶液源和具有第四浓度溶解固体(该浓度大于第三溶解固体浓度)的第四水溶液源中的至少一个上，其中该第三贫化隔室典型的是通过第三阳离子选择性膜与第二浓缩隔室离子相连的。该装置可以进一步包含第三浓缩隔室，该浓缩隔室流体连接到第一水溶液源、第三水溶液源、和具有第五浓度溶解固体(该浓度小于第二溶解固体浓度和第四溶解固体浓度中的任何一个)的第五水溶液源中的至少一个上，该第三浓缩隔室通过第三阴离子选择性膜与第三贫化隔室离子相连。该第三浓缩隔室可以通过第一阳离子选择性膜与第一贫化隔室离子相连，并且在某些情况中，该第三浓缩隔室是通过盐桥与第一贫化隔室离子相连的。因此，在某些构造中，该装置不具有电极或者通过其隔室提供外部电动势的结构。
[0044] 在该装置的其它构造中，第一贫化隔室和第一浓缩隔室是流体连接到相同源的下游的。
[0045] 本发明的一个或多个方面可以涉及一种海水脱盐系统。该脱盐系统可以包含至少一种第一电渗析装置，该装置包括至少一种第一贫化隔室(该隔室具有流体连接到海水源上的第一贫化隔室入口，和第一贫化隔室出口)，和至少一种第一浓缩隔室(该隔室具有第一贫化隔室入口和第一贫化隔室出口)；至少一种第二电渗析装置，该装置包括至少一种第二贫化隔室(该隔室具有流体连接到海水源上的第二贫化隔室入口，和第二贫化隔室出口)，和至少一种第二浓缩隔室(该隔室具有流体连接到海水源上的第二浓缩隔室入口，和盐水出口)；至少一种离子交换装置，该交换装置具有流体连接到第一贫化隔室出口和第二贫化隔室出口中的至少一个上的离子交换器入口，和离子交换器出口；和至少一种电极电离装置，该电离装置具有流体连接到离子交换器出口上的第一贫化隔室，该贫化隔室可以至少部分地由第一阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定出来，第一浓缩隔室流体连接到海水源上，并且通过第一阳离子选择性膜与第一贫化隔室离子连通，和第二贫化隔室流体连接到盐水出口的下游，并且通过第二阴离子选择性膜与第一浓缩隔室离子连通。
[0046] 在该脱盐系统的一种或多种实施方案中，第一浓缩隔室和第二贫化隔室中的至少一个不包含离子交换树脂。
[0047] 在该脱盐系统的其它构造中，该至少一种电极电离装置进一步包含第二浓缩隔室，该隔室至少部分由第一阴离子选择性膜限定出来，并且具有流体连接到海水源的入口，和第三贫化隔室，该贫化隔室通过第二阳离子选择性膜与第二浓缩隔室离子连通，并且具有流体连接到下面的至少一个上的入口：盐水出口，第一浓缩隔室出口，和第二贫化隔室出口。在某些情况中，第一浓缩隔室、第二贫化隔室、第二浓缩隔室和第三贫化隔室中的至少一个不含离子交换树脂。
[0048] 在一些有利的构造中，所述的海水脱盐系统可以进一步包含一个或多种盐水存储槽，该槽的一个或多个可以流体连接到第一浓缩隔室出口和第二贫化隔室出口的至少一个上。一种或多种的该盐水存储槽可以分别包含出口，该出口的任何一个或多个能够或者可以流体连接到至少一种专门的离子交换装置上或者连接到该脱盐系统的其它单元运行中。
[0049] 在其它构造中，该海水脱盐系统可以进一步包含第三电渗析装置，该装置具有流体连接第一贫化隔室下游和离子交换装置上游的第三贫化隔室。另外的构造可以包括这样的系统，其包含第四电渗析装置，该装置具有流体连接到第二贫化隔室下游和离子交换装置上游的第四贫化隔室。
[0050] 在该系统某些有利的构造中，该至少一种第一电渗析装置包含布置在至少一种第一贫化隔室和至少一种第一贫化隔室之间的单价选择性膜。此外，该电极电离装置的第一贫化隔室可以包含离子交换介质例如离子交换树脂的混合床。
[0051] 本发明的某些另外的方面可以包括预处理水，优选海水或者盐味的水。在本发明的一种或多种构造中，脱盐系统可以进一步包含至少一种预处理运行单元，其可以流体连接待处理的水源的下游，其可以是海水或者是盐味的水，并且优选流体连接或者可以连接到下面的至少一个的上游：至少一种的第一电渗析装置、至少一种的第二电渗析装置和至少一种的电极电离装置。该至少一种预处理运行单元可以包含至少一种选自下面的亚系统：过滤系统、氯化系统和脱氯化系统。在进入该处理方法顺序之前，可以使用预过滤步骤，通过除去粒子、有机物质、细菌和其它污染物来保护该电渗析，软化器或者电极电离装置。可以使用慢砂滤。更优选的方法是双介质砂滤。该方法在细砂层上面使用无烟
煤层。其它方法可以单独或者结合来使用。这些方法包括但不限于混合介质介质过滤，
无纺布筒过滤和隔
膜过滤。
[0052] 在某些情况中，该预处理系统还可以包含压力驱动的系统，其选择性除去二价物质例如
硫酸盐。例如可以使用来自密歇根州Midland的Dow Chemical Company的纳滤系TM统(该系统使用FILMTEC 隔膜)来降低至少一种
硫酸盐物质的浓度，其应当通过一种或多种下游运行单元(例如任何的电渗析装置和电极电离装置)来进一步降低能耗。
[0053] 在本发明一种或多种系统仍然的其它构造中，该至少一种电极电离装置中的至少一个包含阴离子物质收集器、阳离子物质收集器，和与阳极和阴极收集器离子相连的盐桥。该离子物质收集器可以是至少部分通过离子选择性介质限定的隔室。在有利的情况中，至少一种电极电离装置、至少一种第一电渗析装置和至少一种第二电渗析装置中的至少一种包含阳极隔室，该隔室流体连接到具有溶解的氯化物物质的水溶液源的下游，该电极隔室包含氯出口和
次氯酸盐出口之一。另外的构造可以包括下面的至少一种：至少一种的电极电离装置，至少一种的第一电渗析装置和至少一种第二电渗析装置，该第二电渗析装置包含着含有
腐蚀性流体出口的第二电极隔室。
[0054] 本发明的一个或多个方面可以包括脱盐系统，该系统包含：水源(其可以至少部分具有海水或者是海水)；装置，其用于选择性降低第一海水流中的单选择性物质的浓度，来产生第一稀释物流；装置，其用于增加第二海水流中溶解的固体浓度来产生盐水流；装置，其用于将第一稀释物流中的至少一部分的二价物质交换为单价物质，其中该用于交换的装置可以具有第二稀释物流出口；和电化学分离装置。该电化学分离装置典型的具有流体连接到第二稀释物流出口的贫化隔室，和与该贫化隔室离子相连的、用于提供浓度诱导的电势装置。
[0055] 在该脱盐系统的一些构造中，用于提高第一海水流中溶解固体浓度的装置包含电渗析装置，该电渗析装置具有流体连接到海水源的贫化隔室，和通过单价选择性膜与该贫化隔室分开的浓缩隔室。用于提高第二海水流中溶解的固体浓度的装置可以包含具有流体连接到海水源的浓缩隔室的电渗析装置，和提供盐水流的盐水出口。用于提供浓度诱导的电势的装置可以包含第一半电池隔室(该隔室流体连接到具有第一浓度的总溶解固体的第一半电池供料流体源)，和第二半电池隔室(该隔室流体连接到具有第二浓度的总溶解固体的第二半电池供料流体源)，该第二浓度大于第一总溶解固体浓度。该第一半电池隔室典型的流体连接到海水源，和该第二半电池隔室流体连接到盐水源。
[0056] 本发明的一个或多个另外的方面可以涉及一种电极电离装置，其包含流体连接到其中具有溶解固体的水源的贫化隔室，该贫化隔室至少部分是由阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜限定出的；和至少一种与该贫化隔室离子相连的浓缩半电池对。该浓缩半电池对典型的包含第一半电池隔室，该隔室流体连接到具有第一溶解固体浓度的第一含水液体源，并且通过阳离子选择性膜和第一阴离子选择性膜之一与贫化隔室离子相连，和第二半电池隔室，该隔室流体连接到具有第二溶解固体浓度的第二含水液体源下游，并且通过第二阴离子选择性膜与第一半电池隔室离子相连，该第二溶解固体浓度大于第一溶解固体浓度。
[0057] 在该电极电离装置的一些构造中，第一含水液体是海水。第二含水液体可以是这样的盐水流，其具有至少大约10wt％的第二溶解固体浓度。因此，在本发明的一些实施方案中，第二溶解固体浓度与第一溶解固体浓度处于至少大约3这样的浓度比例。
[0058] 本发明一种或多种仍然另外的方面可以涉及一种海水脱盐的方法，其包含在第一脱盐阶段中降低海水的单价物质的浓度，来产生部分脱盐的水；由海水来生产盐水溶液，该盐水溶液具有这样的总溶解固体浓度，该浓度至少是海水中总溶解固体浓度的两倍；将该部分脱盐的水引入到电驱动分离装置的贫化隔室中；和在该电驱动分离装置的浓缩电池对中产生浓度诱导的电势，同时促使至少一部分溶解的物质从贫化隔室的部分脱盐的水中传输到该浓缩电池对的隔室中。该方法可以进一步包含在第一脱盐阶段中，在降低海水单价物质浓度之前，使至少一部分海水通过纳滤系统。
[0059] 在一些方案中，该方法可以进一步包含用溶解的单价物质替代该部分脱盐的水中至少一部分溶解的非单价物质。降低海水单价物质的浓度可以包括在电渗析装置中选择性降低溶解的单价物质的浓度。生产盐水溶液可以包括促使至少一部分溶解的物质从海水中传输到在电渗析装置的浓缩隔室中流动的第二海水流中。该水脱盐的方法可以进一步包含在
电解装置、电渗析装置和电驱动分离装置中的至少一个的电极隔室中(典型的是阳极隔室中)电解产生氯和次氯酸盐物质之一，并且在电解装置、电渗析装置和电驱动分离装置中的至少一个的一种或多种隔室中电解产生腐蚀性流。此外，该脱盐方法还可以包含用所产生的氯、所产生的次氯酸盐物质或者用二者来至少部分的消毒至少一部分的海水。
[0060] 本发明的一些具体方面、实施方案和系统构造以及技术可以包括在图1示例性表示的系统100中处理水。
[0061] 该处理系统100能够或者可以流体连接到待处理的液体源110上。典型的，该待处理的液体具有可移动的离子物质。例如，该待处理的液体可以是或者包含其中具有盐作为溶解固体的水。在本发明的具体应用中，该待处理的液体可以是海水，包含海水，或者基本组成为海水。在其它情况中，该待处理的液体可以是盐味的水，包含盐味的水，或者基本组成为盐味的水。
[0062] 处理系统100可以包含第一处理阶段120，其流体连接到待处理的液体源110上。处理系统100可以进一步包含第二阶段130，并且在有利之处，包含第三处理阶段140来产生处理过的产物到使用处190。
[0063] 第一处理阶段改变了待处理的液体的至少一种性能或者特性。优选该第一处理阶段120减少了待处理液体中的至少一部分的一种或多种目标物质，来提供至少部分处理过的液体。例如，第一处理阶段120可以使用一种或多种运行单元，该单元从来自源110的海水中除去至少一部分溶解的物质，来产生至少一部分处理的水或者水流121，其具有小于海水的盐含量。优选的构造可以提供至少部分处理的水流121，其具有比来自源110的海水至少低了5％的
盐度。其它优选的构造可以提供该至少部分处理的水，其具有比海水少至少10％的盐度。第一处理阶段120可以利用或者设计来在下面二者之间提供相对浓度或盐度的目标变化或者差异：在待处理的液体(例如海水)与至少部分处理的液体流(例如至少部分处理的水)之间。通过第一处理阶段120提供的浓度的目标差异会至少部分的取决于几种因素或者条件，包括但不限于下面的任何一种或多种：一种或多种下游运行单元的能力，一种或多种下游运行单元的一种或多种需要，和在某些情况中处理系统100的整体水需求。例如，通过第一处理阶段120提供的浓度变化(例如盐度变化)可以取决于用于提供至少部分处理的水的脱盐海水，其有利于通过电极电离装置、纳滤装置或者二者进行处理。
其它因素(其会影响第一处理阶段120的设计方案)可以至少部分的通过经济的或者运行的考虑因素来表示。例如第一处理阶段120可以配置来利用现有设备的可利用的电功率来提供至少部分处理的水。
[0064] 第一处理阶段120另外构造或者选项可以包括一种或多种运行单元，其选择性的从待处理的液体中除去一种或多种目标物质或者预定的物质。例如，第一处理阶段可以包含或者利用一种或多种运行单元，其至少部分选择性的从待处理的液体中除去或者降低了其中的溶解的单价物质的浓度。在其它情况中，第一处理阶段可以包含或者利用一种或多种运行单元，其提供了其中具有一定浓度的一种或多种类型的溶解物质的产物流，该浓度大于待处理的液体中溶解的物质的浓度。在仍然的其它情况中，第一处理阶段可以提供第二产物流123，该产物流中具有一定浓度的溶解固体，该浓度大于辅助液体流，该辅助液体流可以是来自这样的运行单元的流体，该运行单元不与处理系统100的运行单元相连。例如，该辅助流可以是一种或多种源(未示出)的下游副产物。在其它情况中，通过第一处理阶段120所提供的至少部分处理流102中的浓度或者盐度变化可以取决于提供第二产物流123，该产物流将用于处理系统100的一种或多种下游运行单元中。在仍然的其它情况中，第一处理阶段120可以提供第二产物流123，该产物流的盐度大于海水的盐度，其典型的盐度是大约3.5％。优选该第二产物流123的盐度至少是大约5％，但是本发明一些具体的实施方案可以包括盐度至少是大约9％的产物流123。例如该第二产物流123可以是这样的盐水流，其具有至少大约10％，或者至少大约99000ppm的溶解固体浓度。在其它示例性实施方案中，第二产物流123中的溶解固体浓度与处理系统100的一种或多种其它加工流的溶解固体浓度比例可以是至少大约3，优选至少大约5，和在一些有利的情况中，其例如可以需要至少大约10的浓度差异或者梯度。
[0065] 第二阶段130可以具有至少一种运行单元，其进一步处理了所述的至少部分处理的产物流121。在本发明的一些实施方案中，该第二阶段130可以包含一种或多种运行单元，其对来自第一阶段120的至少部分处理的流121的一种或多种特性进行调整，来提供第二至少部分处理的产物流或者改性的液体131。优选第二阶段130改变了流121的至少两种特性来产生流131。
[0066] 第三处理阶段140可以改变其中的一种或多种入口流的一种或多种性能或者特性。在根据本发明一个或多个方面的特别有利的构造中，第三处理阶段140可以包含一种或多种运行单元，其利用了至少一种来自至少一种上游运行单元的流体，来改变另外一种来自一种或多种上游运行单元的流体，来提供具有至少一种令人期望的性能或者特性的产物流到使用处190。第三处理阶段140另外特别的构造可以包括一种或多种运行单元，其产生了电势差，该电势差促进了至少部分处理的流131的处理，来产生产物流141。在仍然的另外优选的构造中，第三处理阶段可以产生另一种产物流142，其可以用于处理系统100的一种或多种上游运行单元中。例如，该另一种产物流142可以是副产物或者第二产物流，该流体被第二阶段130的一种或多种运行单元作为入口流用于例如一种步骤或者其的运行中，该入口流至少部分的促进了至少部分处理的流121的转化，来提供具有至少一种令人期望的性能或者特性的产物流131。第三处理阶段140另外优选的实施方案或者构造可以包括这样的运行单元，该单元依靠待处理液体的性能或者特性相对于来自处理系统100的不相连的运行单元或者上游阶段或者运行单元的产物流的性能或者特性的差异，来至少部分的促进处理，以提供产物流141。例如，第三处理阶段140可以利用来自源110的海水(作为流111)的盐度相对于流122的盐度的差异，来至少部分的促进流131中的一种或多种目标物质浓度的降低，来产生具有至少一种期望特性(例如纯度)的产物水141。
[0067] 图2表示了根据本发明一个或多个方面的一种示例性水处理系统200。该处理系统200可以包含第一处理阶段，该阶段包括第一运行单元220和第二运行单元222，每个优选但非必需的通过其各自的入口流体连接到待处理的水源110。处理系统200进一步包含第二阶段230，该阶段流体连接来接收(典型的在其入口处接收)一种或者每种来自第一运行单元220和第二运行单元222的产物流，典型的是来自所述单元各自的出口。处理系统200可以进一步包含第三处理阶段240，其具有流体连接到下面的至少一个上的入口，来将产物水提供给例如使用处或者存储190：第二阶段230的出口、第一处理阶段的一种或多种运行单元的出口、待处理的水源、和不相连的运行单元。
[0068] 如图2的示例性实施方案中所示，第一运行单元220可以提供第一部分处理的水流，并且与来自运行单元222的另外一种至少部分处理的水流合并，来产生部分处理的产物流221。来自单元220出口的第一水流可以具有一种或多种特性，该特性不同于来自单元222的第二水流的这些特性。第一和第二运行单元优选被设计来提供具有至少一种目标性能的至少部分处理的水流221，用于在第二阶段230中进一步改变或者处理。第二运行单元
222可以提供第二产物流223，其优选具有一种或多种特别的性能或者目标特性。因此，本发明的一些构造涉及运行单元220和222，其共同提供一种具有一种或多种具体特性的至少部分处理的水流221，同时进一步提供具有一种或多种特性(该特性典型的不同于流221的特性)的第二产物水流223。第一处理阶段可以利用水处理运行单元，装置，或者系统，例如但不限于电渗析装置和电极电离装置。
[0069] 本发明另外具体的实施方案可以包括第一运行单元，该单元是相对于第二运行单元以更低的能耗来运行的。第一运行单元220可以运行来由海水产生至少部分处理的水产物或者具有大约2500ppm的总溶解固体的流体，具有大约30％的水回收率。第二运行单元222可以运行来由海水产生大约10％的盐水溶液，该溶液的溶解固体浓度大于大约99000ppm。
[0070] 在另外一种实施方案中(未示出)，第二阶段130可以包含两种或多种运行单元，其分别接收来自第一和第二运行单元220和222的流体。第二阶段230的一种或多种优选的构造可以包括一种或多种运行单元，其改变了来自第一处理阶段的至少一种运行单元的入口流221的至少一种性能。该第二阶段因此可以提供具有一种或多种目标特性的第三产物流231，并且其可以在第三处理阶段240中进一步处理。
[0071] 本发明的其它实施方案可以包括离子交换装置，该装置包含氯化物形式的阴离子交换树脂，其交换有利于氯化物物质的至少一部分的硫酸盐物质，来进一步降低一种或多种下游运行单元的能量需求，并且在某些情况中进一步降低在这样的下游运行单元中
结垢的可能性。因此，该交换装置可以包括阳离子交换树脂，其至少部分的降低了非单价阳离子2+ 2+ +
物质例如Ca 和Mg 的浓度，有利于单价阳离子物质例如Na，并且优选进一步包含阴离子
2-
交换树脂，其至少部分的降低非单价阴离子物质例如SO4 的浓度，有利于单价阴离子物质-
例如Cl，这可以降低一种或多种下游运行单元的处理功率需要。在一种特别优选的实施方案中，该离子交换装置能够将钙离子浓度降低到基本上不结水垢的水平，同时将镁离子吸收到相对更低的量。这降低了所需的离子交换树脂的体积。任何离子交换树脂类型的再生+ -
可以例如用具有溶解的Na 和Cl 的废盐水流来进行。
[0072] 第三处理阶段240可以包含一种或多种运行单元，其利用了第二产物水或者水流223和另外一种流(例如来自源110的水流111)来促进第三水产物流231的处理和提供处理的产物水到使用处或者存储190。该第三处理阶段240另外优选的构造可以包括产生副产物水或者水流241，其可以用于处理系统200的一种或多种上游或者下游阶段。例如，副产物水流可以作为输入物或者反应物，在第二阶段230的一种或多种运行单元的运行过程中，用于该单元中。该第三处理阶段可以使用一种或多种运行单元，装置，或者系统，例如但不限于电渗析和电极电离装置。
[0073] 图3表示了根据本发明一个或多个方面的一种海水脱盐系统300。脱盐系统300典型的包含第一顺序，该第一顺序具有至少一种第一电渗析装置321A和优选至少一种第二电渗析装置322B。脱盐系统300可以进一步包含第二顺序，该第二顺序具有至少一种第三电渗析装置323A和优选第二电渗析装置324B。脱盐系统300还可以包含至少一种离子交换亚系统330，该亚系统具有至少一种离子交换器入口，该入口与上游电渗析装置321A，322B，323A和324B中的至少一种的出口流体相连。脱盐系统300还可以包含第三处理阶段340，其可以进一步处理来自该离子交换亚系统330的至少一种离子交换器出口的至少部分处理的水331。
[0074] 第一电渗析装置321A具有至少一种贫化隔室321D1，该隔室具有流体连接到海水源310的入口。第一电渗析装置321A还包含至少一种浓缩隔室321C1，优选流体连接到海水源310上。第一顺序的第二电渗析装置322B典型的包含至少一种贫化隔室322D2和至少一种浓缩隔室322C2。第一贫化隔室321D1的出口流体连接到下面的至少一种上：第二电渗析装置322B的至少一种贫化隔室322D2的入口和至少一种浓缩隔室322C2的入口。在一些具体的实施方案中，第二电渗析装置322B的至少一种浓缩隔室322C2的入口流体连接到海水源310上的。根据本发明一些方面的优选的实施方案包括第一顺序的装置，其至少部分处理海水来产生具有至少一种目标特性的至少部分处理的水321。例如，第一顺序的电渗析装置(其对水进行部分脱盐)优选是选择性的从海水中除去溶解的固体物质，来产生至少部分处理的产物水流321，该产物水流具有任何的一种或多种溶解的固体浓度(该浓度小于海水)，比相应比例的海水更高的溶解的非单价溶解固体物质与溶解的单价物质的比例，和更低浓度的溶解的单价物质浓度。在寻求选择性除去溶解的单价物质的实施方案中，一种或多种单价选择性膜可以用来至少部分的限定出所述的贫化隔室，和优选至少部分的限定限定出浓缩隔室。例如，电渗析装置321A可以具有第一贫化隔室321D1(该隔室至少部分地由单价阴离子选择性膜381和单价阳离子选择性膜(未示出)限定出来)，和第一浓缩隔室321C1(该隔室通过单价阴离子选择性膜381与第一贫化隔室离子相连，以及任选的通过单价阳离子选择性膜与第二浓缩隔室(未示出)相连)。第二电渗析装置322B还可以任选的配置来具有一种或多种单价选择性膜，该膜促进了从引入到其贫化隔室中并且积聚在其浓缩隔室中的水流中选择性除去或者贫化一种或多种单价物质。
[0075] 在第一和第二电渗析装置运行过程中，海水可以用作浓缩物流，供给到浓缩隔室321C1和322C2中，其收集了来自引入到贫化隔室中的流体中的一种或多种除去物质。该离开隔室321C1和322C2并且含有从贫化隔室中除去的物质的浓缩物流可以作为废物或者废弃流排出或者可以用于其它的不相关的方法R中。
[0076] 至少一种第三电渗析装置323A可以配置来提供产物流，该产物流能够用于脱盐系统300的下游运行单元中。根据一种具体的实施方案，第三电渗析装置323A可以具有至少一种贫化隔室323D1和至少一种浓缩隔室323C1，通过离子选择性膜382与至少一种贫化隔室323D1离子相连。优选通过第三电渗析装置323A施加的电流提供了足够的电势来提供来自浓缩隔室323C1的产物水流，该水流具有一种或多种预定的或者目标特性。例如，电渗析装置323A还可以构造成带有单价选择性膜，该膜将贫化隔室323D1和浓缩隔室323C1隔开，并且在其之间提供了离子连通。至少一种第四电渗析装置324B可以包含至少一种贫化隔室324D2(该隔室至少部分的通过阴离子和阳离子选择性膜限定出来)和至少一种浓缩隔室324C2，其典型的与至少一种贫化隔室324D2离子相连。在系统300的运行过程中，来自贫化隔室323D1的产物水可以引入到贫化隔室324B中，来进一步处理来自源310的海水和促进至少部分处理的水221的产生。作为示例性的表示，来自贫化隔室324D2的产物水可以与来自贫化隔室322D2的产物水321合并，来产生用于进一步处理的至少部分处理的水221。
[0077] 该包括第一和第二电渗析装置321A和322B的第一顺序可以运行来产生目标总溶解固体浓度为例如大约2500ppm的水，并且整体水回收率是大约30％。第一和第二电渗析装置321A和322B可以使用单价阴离子选择性膜和阳离子选择性膜中的至少一种，并且优选至少该第一电渗析装置321A使用单价阴离子选择性膜和单价选择性阳离子选择性膜，其至少应当降低其中任何的结水垢可能。
[0078] 该包括第三和第四电渗析装置323A和324A的第二顺序可以运行来产生盐水流，该盐水流在来自其的一种或多种浓缩隔室中的浓缩物流中具有至少大约10％(NaCl)的目标盐度含量。优选该第三电渗析装置产生足够量的至少处于目标盐度水平的盐水，同时在大约70％的水回收率运行。第四电渗析装置324B可以运行来产生至少部分处理的水，其的目标溶解固体含量是大约2500ppm，并且优选具有大约48％的回收率。在本发明的一些具体的构造中，第二顺序的整体回收率可以是大约40％。
[0079] 离子交换亚系统330可以配置来接收至少一部分的至少部分处理的水221，并且转化或者改变其的至少一种特性。本发明的一个或多个方面的一些实施方案包括选择性的降低待处理的水的目标溶解物质的浓度，同时至少部分的保持或者抑制至少一部分的非目标或者其它溶解物质的传输，然后用目标溶解的物质代替至少一部分的所保持的溶解物质。例如，水221可以具有浓度比海水高的非单价溶解物质例如钙和镁，并且处理来将至少一部分的该非单价物质交换为单价物质例如钠。在一种特别优选的实施方案中，该离子交换装置能够将钙离子浓度降低到基本上不结水垢的水平，同时将镁离子吸收到相对更低的量。这降低了所需体积的离子交换树脂。
[0080] 交换亚系统330的一些构造可以包括至少两个交换顺序(未示出)的软化器或者离子交换介质床。第一离子交换顺序可以包含前导离子交换床，随后是滞后离子交换床，其2+ 2+
可以优选代替水中的至少一部分非单价溶解物质例如Ca 和Mg ，有利于单价溶解物质例+
如Na。在一种特别优选的实施方案中，该离子交换装置能够将钙离子浓度降低到基本上不结水垢的水平，同时将镁离子吸收到相对更低的量。这降低了所需体积的离子交换树脂。第二离子交换顺序可以类似的包含连续的前导和滞后离子交换床。在运行中，该第一和第二离子交换顺序之一可以具有入口，该入口流体连接来接收至少一部分的至少部分处理的水
221和产生具有较低的非单价溶解物质浓度的交换水流。一旦该第一离子交换顺序因为用于单价离子交换方法的非单价物质而变成非单价物质饱和的，则可以使用第二离子交换顺序。该第一顺序因此可以如下来再生：将富含单价溶解物质的水流引入来代替至少一部分的结合到离子交换床的离子交换介质上的非单价物质。该离子交换单元可以包含离子交换TM TM
树脂例如由宾夕法尼亚洲费城的Rohm and Haas销售的这些AMBERLITE 和AMBERJET 树脂的混合床。
[0081] 离子交换介质的再生可以通过使用来自盐水存储槽260的盐水溶液261来进行，该溶液具有例如大约10％的足够的盐度。来自离子交换亚系统330的放出流332可以作为废弃流而排出。足以再生该离子交换介质的盐度可以处于这样的水平，即，超过了
热力学阻力，该阻力与将非单价物质结合到交换基质上有关。
[0082] 第三处理阶段340可以包含一种或多种电极电离装置。在本发明的一些实施方案中，第三处理阶段可以包含图4所示的常规电极电离装置和图5所示的改进的电极电离装置中的至少一种。在根据本发明的一个或多个方面的仍然的其它构造中，第三处理阶段可以包含一种或多种无电极连续消电离装置。
[0083] 图4所示的电极电离装置典型的包含至少一种贫化隔室411和至少一种浓缩隔室412，该浓缩隔室邻近着至少一个的贫化隔室411布置。每个贫化和浓缩隔室至少部分的通过任何一个的阴离子选择性膜AEM和阳离子选择性膜CEM限定出来。与电渗析装置相反，电极电离装置的隔室包含阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。在带有所施加的电流的运行+ -
过程中，阳离子物质例如Na 典型的迁移到所述装置的阴极(-)，阴离子物质例如Cl 典型的朝着装置400的阳极(+)迁移。阴离子选择性膜AEM和阳离子选择性膜CEM在各自的浓缩+ -
隔室412中作为废弃流R截留了迁移的或者传输的溶解物质Na 和Cl。进入一种或多种贫化隔室中的供料典型的是来自离子交换亚系统330的软化水流331。来自贫化隔室的产物水然后可以存储或者传递给使用处。一种或多种电源(未示出)典型的将
电能或者功率提供给电极电离装置400，该装置促进了目标溶解物质的分离。在一些情况中，一部分的电+ -
能被用来将水离解成H 和OH 物质。可以控制该电源来提供期望的或者目标的电流水平，期望的或者目标的电压或者电势水平，和电流极性。
[0084] 图5示例性地表示了一种改进的电极电离装置500，其可以用于处理系统的第三处理阶段中。装置500包含至少一种第一贫化隔室511，其典型的是至少部分由第一阳离子选择性膜521C和第一阴离子选择性膜531A限定出来，至少一种第一浓缩隔室521，和至少一种第一浓缩隔室541，其可以至少部分地由第二阴离子选择性膜532A限定出来，并且通过至少一部分的第一阳离子选择性膜521C与第一贫化隔室511离子相连。装置500可以进一步包含第二贫化隔室512，其至少部分地由第二阳离子选择性膜522C限定出来，并且通过至少一部分的第二阴离子选择性膜532A与第一浓缩隔室541离子相连。电极电离装置500可以进一步包含第二浓缩隔室542，该隔室至少部分地由第三阳离子选择性膜523C限定出来。第二浓缩隔室542优选是至少部分的通过第一阴离子选择性膜531A与第一贫化隔室511离子相连的。电极电离装置500可以进一步包含第三贫化隔室513，该隔室优选是由第三阴离子选择性膜533A限定的。第三贫化隔室513优选是至少部分的通过第三阳离子选择性膜523C与第二浓缩隔室542离子相连的。电极电离装置500典型的具有包盖着阳极的阳极隔室562，和包盖着阴极的阴极隔室564。
[0085] 根据本发明的其它方面，电极电离装置500包含第一贫化隔室511，该隔室含有阳离子交换介质和阴离子交换介质例如阳离子交换树脂CX和阴离子交换树脂AX，并且至少部分地由第一阳离子选择性膜521C和第一阴离子选择性膜限定出来。在一些情况中，仅仅第一贫化隔室或者仅仅这样的隔室(该隔室接收或者流体连接到电渗析装置的贫化隔室和离子交换单元中任何一个的下游)包含电活化介质例如离子交换树脂，并且其它的隔室没有离子交换介质。例如，在电极电离装置500的一些构造中，一种或多种第一贫化隔室中的每一个包含511混合床离子交换树脂，并且一种或多种第一浓缩隔室541、一种或多种第二贫化隔室512、一种或多种第二浓缩隔室542和一种或多种第三贫化隔室513中的每一个不包含离子交换介质。
[0086] 在运行中，来自电源的(未示出)的功率提供用于电场的电能，该电场典型的是穿过电极电离装置500，通过阳极和阴极来产生。来自例如第二阶段离子交换装置330出口的待处理的水通过贫化隔室511的入口进入其中。待处理的水具有溶解的物质，其能够在电极电离装置500的电池影响下迁移。典型的，水流331包含比溶解的非单价物质更大量的+ -目标溶解单价物质Na 和Cl，这归因于运行单元330中的离子交换方法。因此，因为与促使单价物质传输有关的能量的量会相对小于与促使非单价物质传输有关的能量的量，因此即使不能消除的话，也可以降低第二阶段330的另外的资金和运行成本。单价物质典型的迁移向相应的吸引电极，并且进一步穿过阴离子或者阳离子选择性膜进入第一浓缩隔室和+
第二浓缩隔室之一中。例如，阳离子Na 物质可以在阴极的方向上移动，并且典型的通过阳-
离子选择性膜521C，而阴离子Cl 物质可以朝着阳极移动，并且典型的通过阴离子选择性膜
531A。来自贫化隔室331出口的产物流典型的将具有降低浓度的目标溶解固体物质。
[0087] 在本发明的一些构造中，其中具有第一浓度溶解固体的流体可以使用浓缩流来收集迁移的目标溶解固体物质。例如，盐度为大约3.5％的海水流111可以用作该浓缩流，引入到第一浓缩隔室541中。离开该第一浓缩隔室541的流体因此将典型的富含迁移的阳离子或者阴离子物质。该流体可以作为废物流或者废弃流R排出。同样在运行过程中，另外一种供料流典型的被引入到第二贫化隔室512和第三贫化隔室513中。
[0088] 电极电离装置500可以进一步包含第一浓缩电池对531和任选的第二浓缩电池对532，其每个优选是与第一贫化隔室511离子相连的。第一浓缩电池对531可以包含第一半电池隔室541，其流体连接到具有第一溶解固体浓度的第一含水液体源，并且通过第一阳离子选择性膜521C与贫化隔室511离子相连，和第二半电池隔室512。该第二半电池隔室典型的是通过阴离子选择性膜532A与第一半电池隔室541离子相连的。该任选的第二浓缩电池对532可以包含第三半电池隔室542和第四半电池隔室513。该第三半电池隔室典型的是通过阴离子选择性膜531A与贫化隔室511离子相连的。第四半电池513隔室典型的是通过阳离子选择性膜523C与第三半电池隔室542离子相连的。
[0089] 本发明另外有利的特征可以包括通过提供组成分别类似，但是具有浓度不同的溶解成分的供料流，来在相邻的电池之间建立浓度差。该浓度差产生了势例如电动势E(单位V)，其可以至少部分的通过
能斯特方程来量化，
[0090]
[0091] 这里conc1是引入到第二半电池512中的流223中的溶解固体的浓度，conc2是引入到第一半电池541中的流111中的溶解固体的浓度，R是气体常数8.314J/(K·mol)，T是
温度，典型的是298K，n是电池反应中转移的
电子数，对于海水和盐水来说n＝1，和F是法拉第常数96498库仑/mol。因此，根据本发明的一些方面，一些优选的构造可以包括使用盐水流223，该流的溶解固体浓度大于引入到第一贫化隔室中的海水流111的溶解浓度。可以使用盐水流(其典型的盐度是至少大约8％，优选至少大约10％，和更优选至少大约12％，或者其的溶解固体浓度是至少大约80000ppm，优选至少大约99400ppm，和更优选至少大约120000ppm)作为引入到第二半电池隔室512中和还优选引入到第四半电池隔室513中的供料流223。离开第二和第四半电池隔室512和513的每个流341仍然可以具有比海水高的盐水含量，并且可以导入来存储在盐水存储槽260中。引入到第一半电池隔室
541以及任选的还引入到第三半电池隔室542中的供料流111可以是海水或者是这样的水流，该水流的盐度是大约3.5％或者溶解固体浓度小于大约36000ppm。上述示例性条件可以提供大约0.026伏/浓缩电池对。因此，本发明可以有利的产生电势，其促进了海水的处理或者脱盐。下面的
实施例1提供了当在浓缩电池对中使用第一流和第二流时，基于示例性条件所期望产生的电势，其中该第二流的溶解固体浓度大于第一流的溶解固体浓度。
[0092] 在一些情况中，第三处理阶段的一种或多种装置包含足够数目的浓缩电池对，来提供将产物流331脱盐到期望的水平所需的基本上全部的电势。在这样的构造中，该装置可以包含盐桥(未示出)，其中典型的具有
电解质例如氯化
钾或者氯化钠，其离子连通该装置的半电池隔室。例如，盐桥的第一端可以将第二半电池隔室512与贫化隔室511和第四半电池隔室513中的任何一个离子连通。
[0093] 图6A和6B表示了无电极连续的消电离装置600和610，根据本发明仍然的一些方面，其可以表征为是Donnan电势辅助的或者Donnan增强的EDI装置。装置600可以包含包盖着至少一种第一贫化隔室611的圆柱形壳601，每个在其中具有所引入的待处理的液体331。该装置可以进一步包含至少一种第一浓缩隔室621，每个具有引入其中的第一供料流111，和至少一种第二贫化隔室612，每个具有引入其中的第二供料流223。装置600典型的进一步包含至少一种第二浓缩隔室622，每个具有引入其中的第三供料流112。第一贫化隔室611可以通过阴离子选择性膜641A和阳离子选择性膜651C限定出来。第一浓缩隔室621可以通过阴离子选择性膜例如隔膜641A和第二阳离子选择性膜652C限定出来。作为示例性表示，第一贫化隔室是通过隔膜641A与第一贫化隔室离子相连的。第二贫化隔室612可以通过阳离子选择性膜和第二阴离子选择性膜642A限定出来。优选该第二贫化隔室
612是通过阳离子选择性膜652C与第一浓缩隔室621离子相连的。第二浓缩隔室622可以通过阴离子选择性膜和阳离子选择性膜限定出来。优选该第二浓缩隔室是通过第二阴离子选择性膜642A与第二贫化隔室612离子相连的。另外优选的构造可以包括具有第二浓缩隔室，该隔室通过盐桥和第一阳离子选择性膜651C之一与第一贫化隔室611离子相连。元件661可以为所述隔室提供离子和电绝缘以及
支撑结构。
[0094] 第二供料流223典型的在其中具有这样的溶解固体浓度，该浓度大于第一供料流111中的溶解固体浓度，并且优选还大于第三供料流112中的溶解固体浓度。该第一供料流和第三供料流每个的溶解固体浓度可以相同或者小于待处理的液体331中的溶解固体的浓度。如上所述，在成对的半电池612与621，以及612与622之间的浓度差异能够产生+ -
势，其促进了来自贫化隔室611的Na 和Cl 物质的传输，如所示的来产生产物流。
[0095] 类似于无电极装置600，图6B所示的装置610包含第二电池对，其包括贫化隔室613和浓缩隔室623，分别具有供料流113和114。供料流113可以是来自例如电渗析装置323A的盐水，和供料流114可以是来自源310的海水。贫化和浓缩隔室的多个电池对利用海水和盐水流来有利的产生足以驱动至少部分处理的水(溶解固体浓度是例如大约
2500ppm)的处理的电势，来产生目标溶解固体浓度为例如大约500ppm的产物水。
[0096] 其它构造可以包括至少部分的包含至少部分处理的水331的供料流111和114中的任意一种或多种，其可以提供比盐水流223更大的浓度差。
[0097] 另外值得注意的差异包括穿过所述隔室的一些流的逆向流动方向。如所示的，第二流111可以相对于下面流的方向逆流引入到第一浓缩隔室621中：相对于引入到第一贫化隔室611中的流的方向，或者在一些情况中相对于引入到第二贫化隔室中的第三流223+的方向。第二和第三流之间的浓度差异能够产生电势，该电势是通过与溶解物质例如Na 和-
Cl 迁移有关的半电池反应驱动的。
[0098] 装置600和610中的任意一个隔膜可以是单价阴离子选择性的或者单价阳离子选择性的。
[0099] 在本发明的一些构造中，电解装置(未示出)可以用来产生水溶液，该溶液包含消毒性物质例如氯，亚氯酸盐，次氯酸盐和次溴酸盐。在其它构造中，至少一种的电极电离装置和任意一种或多种的电渗析装置可以用来产生任意一种或多种的酸性溶液，
碱性溶液和+消毒溶液。例如，相对纯净的水流可以引入到该阳极隔室(+)中来收集和聚集H 物质，来产生pH小于7的酸性出口流。含有氯化物的溶液可以在供料流中引入到阴极隔室中，来促进消毒物质例如氯和次氯酸盐物质的产生。气态氢副产物可以排出或者排放掉。
[0100] 本发明任何的不同的亚系统，阶段，顺序和运行单元可以使用一种或多种
控制器来促进、监控和/或调节其的运行。优选在某些情况中，控制器(未示出)监控和控制了本发明系统的每个部件。
[0101] 该控制器可以使用一种或多种
计算机系统来执行。该计算机系统可以是例如通用型计算机例如是基于下面的处理器的这些：Intel PENTIUM 类型处理器，Motorola PowerPC 处理器，Sun UltraSPARC 处理器，Hewlett-Packard PA-RISC 处理器，或者任何其它类型的处理器或者其组合。可选择的，该计算机系统可以包括专门编程的特殊用途的
硬件，例如打算用于分析系统的专用集成
电路ASIC或者控制器。
[0102] 该计算机系统可以包括一种或多种处理器，该处理器典型的连接到一种或多种
存储器装置上，其可以包含例如任何的一种或多种磁盘驱动存储器，闪存装置，RAM存储器装置或者用于存储数据的其它装置。该存储器装置典型的用于存储处理系统和/或计算机系统运行过程中的程序和数据。例如，该存储器装置可以用于存储与一段时间内的参数有关的历史数据，以及运行数据。
软件，包括执行本发明实施方案的程序码，可以存储在计算机可读取的和/或可写入的非易失性记录介质，然后典型的复制到存储器装置，其中它因此能够通过处理器来执行。这样的程序码可以通过任意的多种编程语言来编写，例如Java，++Visual Basic，C，C#，或者C ，Fortran，Pascal，Eiffel，Basic，COBAL，或者其任意的多种组合。
[0103] 计算机系统的部件可以通过互联机构来结合，其可以包括例如在部件之间的一种或多种总线，其整合在相同的装置中和/或例如在部件之间的网络，其存在于分别的离散装置上。互联机构典型的能够将例如待交换的数据，指令在其部件之间传送。
[0104] 该计算机系统还可以包括一种或多种输入装置，例如
键盘，
鼠标，
轨迹球，麦克
风，
触摸屏，电子管，
位置指示器，流量
传感器，温感器，电导传感器，pH传感器，和组成分析器，和一种或多种输出装置，例如打印装置，显示屏或者话筒，促动器，电源和电子管。另外，该计算机系统可以包含一种或多种未示出的界面，该界面能够将计算机系统与除了该网络(所述的网络可以通过该系统的一种或多种部件来形成)或者作为该网络的可选项的通讯网络相联。
[0105] 根据本发明的一种或多种实施方案，一种或多种输入装置可以包括传感器，用于测量处理系统的一种或多种参数。可选择的，传感器、计量
阀和/或
泵或者全部的这些部件可以连接到通讯网络上，该网络是运行结合到该计算机系统上的。例如，传感器可以作为输入装置来配置，其直接与计算机系统相连，并且计量阀和/或泵可以作为输出装置来配置，其连接到该计算机系统上，以及任何的一种或多种上述部件可以偶合到另外一种计算机系统或者部件上，来借助于通讯网络对计算机系统进行通讯。这样的构造使得一个传感器能够位于相对于另外一种传感器有效的距离上或者使得任何传感器位于相对于任何的亚系统和/或控制器有效的距离上，同时仍然在它们之间提供数据。
[0106] 该控制器可以包括一种或多种计算机存储介质例如可读和/或可写的非易失性记录介质，在其中能够存储
信号，该信号定义了通过一种或多种处理器来执行的程序。该介质可以例如是磁盘存储器或者闪存器。在典型的运行中，一种或多种处理器会将数据(例如执行本发明的一种或多种实施方案的代码)从存储介质中读入到存储器结构中，该存储器能够通过一种或多种处理器来比存储介质更快的获取信息。该存储器结构典型的是一种易失性的，
随机存取存储器例如
动态随机存取存储器DRAM或者静态存储器SRAM或者其它合适的装置，该装置促进了信息从处理器中转入和转出。
[0107] 虽然该计算机系统是为了举例而作为一种类型的计算机系统(通过该系统能够实践本发明的不同方面)而示意的，但是应当理解本发明不限于在软件中执行，或者在示例性表示的计算机系统上执行。确实的，除了在例如通用计算机系统上执行之外，所述的控制器，或者部件或者其分段可以可选择的作为专门的系统或者作为专门的可编程逻辑控制器PLC或者在分布式控制的系统中执行。此外，应当理解本发明的一种或多种特征或者方面可以在软件、硬件或者韧件或者其任意组合中执行。例如，控制器可执行的运
算法则的一种或多种段节可以在单独的计算机中执行，其依次可以通过一种或多种网络来联通。
[0108] 实施例
[0109] 本发明这些和其它实施方案的功能和优点可以从下面的实施例来进一步理解，其表示了本发明一种或多种系统和技术的好处和/或优点，但是并非例举本发明的全部范围。
[0110] 实施例1
[0111] 在该实施例中，所期望的电势可以通过在本发明装置的一些构造中使用浓缩电池对来产生。下表1提供了在室温，根据能斯特方程，基于引入到半电池隔室中的流的浓度所计算的电势。
[0112] 下面这个表表示了供料流浓度比例优选是尽可能大的，来提高所产生的电势。例如，该浓度比例可以是至少大约2，优选至少大约3，更优选至少大约5，和甚至更优选至少大约10。
[0113] 表1。
[0114]CONC1 CONC2 E(伏) E(mV)
1 1 0 0
10 1 0.059 59.1
100 1 0.118 118.2
1,000 1 0.177 177.4
10,000 1 0.024 236.5
2 1 0.018 18.8
3 1 0.028 28.2
4 1 0.036 35.6
5 1 0.041 41.3
6 1 0.046 46.0
7 1 0.050 50
8 1 0.053 53.4
9 1 0.056 56.4
5.68 1 0.044 44.6
2.3 1 0.021 21.4
[0115] 下面的列表提供了典型海水的离子浓度。海水中的主要阳离子物质是Na+，K+，Ca+2和Mg+2，并且主要的阴离子物质是Cl-和SO42-。
碳酸氢盐和碳酸盐物质各自的浓度将取决于该水的pH。
[0116]物质 浓度(ppm)
氯化物 19353
钠 10781
硫酸盐 2712
镁 1284
钾 399
钙 412
碳酸盐/碳酸氢盐 126
溴化物 67
锶 7.9
硼 4.5
氟化物 1.28
锂 0.173
碘化物 0.06
钡 小于0.014
铁 小于0.001
锰 小于0.001
铬 小于0.001
钴 小于0.001
铜 小于0.001
镍 小于0.001
硒 小于0.001
钒 小于0.002
锌 小于0.001
钼 小于0.01
铝 小于0.001
铅 小于0.001
砷 小于0.002
镉 小于0.001
硝酸盐 1.8
磷酸盐 0.2
[0117]
[0118] 实施例2
[0119] 该实施例提供了示例性的电渗析顺序，其可以根据本发明的一些方面来使用。
[0120] 图10A示例性地表示了电渗析装置的顺序，其能够用于第一处理阶段的第一顺序(train)220中。顺序220可以包含多个阶段，每个在最佳的电压和电流密度运行，来使得所用能量最小。如所示的，顺序220可以具有四个阶段的电渗析装置。
[0121] 在第一顺序中，贫化隔室可以是
串联连接的，并且稀释流是串联的，来自一个阶段的产物充当了下游贫化隔室的供料。将新鲜海水作为供料用于每个阶段中的每个相关的浓缩隔室，来使得每个阶段中的稀释和浓缩隔室之间的任何浓度差异最小。
[0122] 每个阶段还可以具有许多平行运行的ED模块。
[0123] 第二顺序222还可以包含多个阶段的电渗析装置，具有串联连接的贫化隔室。各自的贫化隔室也可以串联连接，来将盐水流中的聚集NaCl浓度提高到大约10％的盐含量。如图10B所示，第二顺序222可以具有四个电渗析阶段，每个阶段优选使用单价选择性膜。
[0124] 第三顺序(未示出)还可以包括多个电渗析阶段，来便于将水流中溶解固体的浓度降低到大约3500ppm-大约5500ppm。
[0125] 实施例3
[0126] 该实施例描述了利用基本上如图3所示的本发明的技术的预期性能的系统，具有3
图4示例性表示的装置，用来以大约8000m/h的速率对海水脱盐。
[0127] 两种顺序的电渗析(ED)装置是用软化器和电极电离(EDI)装置，通过有限元计算来模拟的。在有限元模拟中使用了几个阶段；阶段1-5设计来产生具有至少10％NaCl的盐水流；最后两个阶段设计来通过软化器和电极电离装置降低产物流的溶解固体浓度。下表2和3A-3C列出了模拟参数和计算结果。表4汇总了该ED/EDI系统所需的预测能量。
[0128] 图7图示了海水脱盐来产生不同目标特性的产物水时所需的预期能量。
[0129] 在使用市售的预处理装置，用10微米预
过滤器(未示出)预处理之后，引入的海水被认为具有大约35700ppm总溶解固体(TDS)。应当注意的是普遍使用的预处理，例如典型的与反渗透系统有关的预处理对于本发明的ED/CEDI方法来说并非必需的，因为在这些方法中没有迫使水穿过隔膜。
[0130] 将供料水分配到ED顺序1，ED顺序2中，并且来自ED顺序2的浓缩物流(盐水)被配置来供料给CEDI顺序。
[0131] ED顺序1通过两个阶段来优化每个阶段所用的功率。顺序1产生2500ppm TDS品质产物，回收率是大约30％。常规电渗析模块被认为可用于这种顺序中。在这个顺序的阶段1中，使用单价选择性离子交换隔膜应当使得浓缩隔室中结垢可能最小化。
[0132] ED顺序2，阶段1被设计来在浓缩物流中产生10％的NaCl(盐水)溶液。该盐水将用来再生下游的软化器，并且用作CEDI模块中的浓缩物流之一。该电渗析阶段将利用单价选择性离子交换隔膜，来在浓缩隔室中产生10％的NaCl溶液。ED顺序2中的阶段1将以大约70％的回收率运行，来产生盐水溶液。ED阶段2具有48％的估计回收率。ED顺序2的整体回收率是大约40％。
[0133] 该至少部分处理的产物水具有大约2500ppm的TDS，并且具有来自两个顺序的高含量的钙，镁离子。该至少部分处理的水流将软化所述的软化器或者离子交换装置，来将其中的钙和镁离子与钠离子交换。从软化器到下游CEDI顺序的软化供料在脱盐成为目标饮用水质的过程中不应当具有形成结垢物质的倾向。该软化器是用ED顺序2，阶段1所提供的10％盐水溶液来定期再生的。
[0134] 该电极电离装置用于将来自盐水流(10％NaCl)的Na+和Cl-离子传输到废弃流中。抗衡离子从稀释物流向废弃流中的传输应当保持电中性。沿着该流体的净热力学电压降低，这归因于至少一部分的DC电压是通过半电池对产生的。虽然没有示出，但是任何的该EDI废弃流可以再循环到ED装置中的供料中。
[0135] 来自盐水隔室的流出物可以排放到存储槽，用作软化器再生剂。
[0136] 一些模拟参数(TDS浓度和流量)包括(参考图2和3)：
[0137] ·入口
[0138] 海水入口：35700ppm
[0139] 25277m3/h
[0140] ·第一处理阶段
[0141] 第一ED顺序220，第一ED装置321A和第二ED装置322B
[0142] 入口海水到贫化隔室321D1：3100m3/h
[0143] 入口海水到浓缩隔室321C1：5167m3/h
[0144] 来自隔室321C1的排出物：49929ppm
[0145] 入口到贫化隔室322D2：10000ppm
[0146] 3100m3/h
[0147] 入口海水到浓缩隔室322C2：2067m3/h
[0148] 来自隔室322C2的排出物：49929ppm
[0149] 来自隔室322D2的产物水321：2500ppm
[0150] 来自ED顺序222的盐水：99500ppm
[0151] 第二ED顺序222，第三ED装置323A和第四ED装置324B
[0152] 入口海水到贫化隔室323D1：4900m3/h
[0153] 入口海水到浓缩隔室323C1：2100m3/h
[0154] 来自隔室323C1的出口盐水：99467ppm(10％盐度)
[0155] 入口到贫化隔室324D2：10000ppm
[0156] 入口海水到浓缩隔室324C2：5277m3/h
[0157] 来自隔室324C2的排出物：42664ppm
[0158] 隔室324D2的出口：2500ppm
[0159] ·第二阶段
[0160] 入口到软化器330：2500ppm
[0161] ·第三处理阶段
[0162] 电极电离装置340
[0163] 入口到贫化隔室511：8000m3/h
[0164] 入口海水到第一浓缩隔室541：2667m3/h
[0165] 入口到隔室512(盐水)：2100m3/h(10％盐度)
[0166] 来自隔室512的出口盐水：91848ppm
[0167] ·产物
[0168] 隔室511的出口：500ppm
[0169] 表2。
[0170]
[0171] 表3A。
[0172]
[0173] 表3B。
[0174]
[0175] 表3C。
[0176]
[0177] 表4。
[0178]
[0179] 实施例4
[0180] 该实施例描述了根据本发明一个或多个方面的Donnan增强EDI装置。图8表示了Donnan增强的EDI方法的示意，具有四个电池(在模块中称作“重复单元”)。
[0181] 在不施加电场时，由于盐水和浓缩物流之间的浓度差，盐水流B1中的阴离子在右侧穿过分开的阴离子交换隔膜朝着浓缩物流C1B转移。为了保持电中性，等价量的阳离子物质(基于电荷)将典型的从稀释物流D1沿着阳离子选择性膜CM迁移到浓缩物流C1B中。类似的，阳离子物质典型的从盐水流B1沿着另外一种阳离子选择性膜CM迁移到浓缩物流C1A中。为了保持电中性，阴离子物质典型的从稀释物流D2沿着阴离子选择性膜AM迁移到浓缩物流C1A中。有效的，由于浓度差引起的离子从盐水流转移到相邻的浓缩物流可以被认为促进了离子物质从稀释物流向浓缩物流的迁移，来保持电中性。该稀释物流因此是去离子的。
[0182] 如果施加直流DC电场，则由于该电场引起的离子转移会通过离子迁移现象而增大，该离子迁移是由于在称作Donnan增强EDI方法中的盐水和相邻的浓缩物流之间的浓度差引起的，其基于Donnan电势，该电势是因为沿着阴离子交换隔膜可渗透到这些离子的离子浓度差异而引起的。
[0183] 实施例5
[0184] 该实施例描述本发明的处理系统和技术的一种可选择的构造，其使用了ED装置，并且具有软化和EDI装置来对盐味的水和海水进行脱盐。
[0185] 图9和9B表示了根据本发明一个或多个方面的处理系统另外的实施方案。与图2所示的系统相比，处理系统905进一步使用了第三顺序电渗析单元ED顺序3布置来接收至少部分处理的水和通过在离子交换之前除去至少一部分的目标物质来进一步处理该水流以及在第三处理阶段(其可以是Donnan增强的电极电离装置(DE-EDI))中进一步处理。
[0186] 图9B表示了另外一种示例性处理系统910，其也使用了第三顺序电渗析单元ED顺序3，其还布置来接收至少部分处理的水和进一步处理该水流，但是改为使用无盐水流的常规EDI，或者具有极性和逆流的EDI(EDIR)，而非DE-EDI装置。
[0187] EDIR装置布置在IX软化器的下游，并且可以容忍更高硬度的供料流，其可以允许更低的软化器硬度除去，或者在再生前更高的硬度通过。更高的穿透条件将提高IX软化器单元再生之间的时间，并且还可以降低软化器的尺寸和资金成本以及运行成本。
[0188] 图9A和9B的系统另外的变化或者改进可以包括例如在ED顺序3之前布置IX软化器。
[0189] 图9A表示了另外类型的图2的方法，其使用ED，离子交换和EDI。将海水(必要时进行预处理)供给到两个平行的ED顺序。顺序1通常是常规的ED顺序，但是可以装备有单价特殊隔膜。ED顺序2优选装备有单价选择性膜，目的是产生高氯化钠含量的盐水。将1和2的稀释物流合并，并且供给到任选的ED顺序3处理来进一步降低离子含量。如果使用顺序3，则将来自顺序3的稀释物流供给到软化器，能够将钙离子浓度降低到基本上不结水垢的水平，同时将镁离子吸收到相对更低的量。这减少了所需体积的离子交换树脂。该低结水垢输出流供给到电极电离装置，其生产了最终的产物水和浓缩物，该浓缩物在这个实施方案中与ED顺序2的浓缩物流合并。其可以存储来随后作为再生性盐水用于软化器，或者直接使用，或者作为
废物处理掉。
[0190] 图9B表示了一种类似于图9A的方法，除了来自ED顺序2的盐水流被存储来随后作为再生性盐水用于软化器，或者直接用于再生，或者作为废物处理掉。
[0191] 这样的系统可以用来海水以及来自河口、河流和/或甚至
地下水的盐味水进行脱盐。
[0192] 实施例6
[0193] 在该实施例中，脱盐试验是使用电渗析模块来进行的，该模块具有标准膜或者单价选择性膜。初始供料溶液是大约35000ppm的NaCl溶液或者具有大约35000ppm总溶解固体(TDS)的人造海水。
[0194] 图11A和11B表示了使用常规离子选择性膜(图11A)和单价选择性膜(图11A)，3
随着产物流中的目标浓度从大约35000ppm降低到大约500ppm，每m 的ED产物所需的计算的能量。所用的单价选择性膜是CMS阳离子选择性膜和AMS阴离子选择性膜，来自日本东京的Tokuyama Soda Co.。图12A和12B表示了相对于使用单价选择性膜的电渗析阶段，所保留的阳离子物质(图12A)和阴离子物质(图12B)的份数。
[0195] 对于两种类型的ED模块来说，在供料是人造海水时能耗更高。与人造NaCl溶液相比，海水的能耗比例对于带有常规隔膜的ED模块来说是17％-32％，对于带有单价选择性膜的ED模块来说是21％。
[0196] 能耗对于带有单价隔膜的ED模块来说要高得多，几乎是带有常规隔膜的ED模块的两倍。
[0197] 当目标产物TDS低于大约5000ppm时，该能耗急剧增加。
[0198] 如上面的实施例1所示的那样，除了NaCl之外，海水包含二价离子例如Ca+2，Mg+2，-2和SO4 ，其会影响二价离子能耗，如海水和人造NaCl溶液之间的数据所示的那样。
[0199] 因为单价选择性膜使得单价离子优先于二价离子通过，因此据信在稀释隔室中，二价与单价离子的浓度比将随着海水在一连串的ED模块中的脱盐而增大。图12A和12B表示了在使用具有单价选择性膜的ED模块的试验中，保留的离子的分数。该数据表明相对于单价离子来说，该隔膜阻止了二价离子的通过。该阴离子迁移膜的选择性几乎是100％，这与在Tokuyama Soda单价选择性阴离子迁移膜上所公开的数据是一致的。理想的选择性阴离子迁移膜将不导致SO4离子的迁移，因此所保留的SO4离子的量将保持在100％。据信导致SO4浓度增加的原因是电渗现象，由此水也是穿过该隔膜传输的。
[0200] 基于图12A和12B，据信导致在带有单价选择性膜的ED模块中更高的能耗归因于二价与单价离子浓度比的增加。还可以预期除去供料水中的二价离子(特别是SO4)将降低ED和EDI模块二者中的能耗。作为ED步骤的预处理的一部分，通过纳滤(NF)除去二价离子例如将降低ED和EDI步骤二者中的能耗。该NF产物因此将主要包含浓度比起始海水更低的NaCl和KCl，并且将需要较少的能量来脱盐到500ppm。因此，在本发明的一些构造中，作为压力驱动方法的NF操作可以用来促进回收，并且NF滤出废物中的能量损耗和残留将进一步降低该系统的能耗。最初开发用于反渗透(RO)的能量回收装置据信也可用于NF运行单元。
[0201] 可选择的，在ED装置之前或者在ED和EDI装置之间的盐再生的阴离子交换步骤也会降低整体的能耗。
[0202] 关于离子交换(IEX)的研究
[0203] 在下面的讨论中，某些措词和术语是以与此处的说明和解释有关的特定含义来使用的。
[0204] 电渗析(ED)和反向电渗析(EDR)一般用于描述电渗析，除非在这里任何一个具有特定的含义之外。
[0205] 单价选择性或者单价选择性膜或者相当的离子交换隔膜是这样的隔膜，其主要转移单价离子。单价选择性阳离子迁移膜主要转移钠，钾等。同样，单价选择性阴离子迁移膜转移离子例如氯化物、溴化物等。
[0206] 稀释物流(dilute stream)指的是离子贫化的流，其是由电渗析或者电极电离方法形成的。浓缩物流(concentrate stream)是含有所转移的离子的流体。
[0207] 作为此处使用的，电渗析步骤意思是使用电渗析或者反向电渗析。这可以通过一个堆叠的或者许多堆叠的隔膜的系统，以水
净化或者水脱盐领域技术人员所明白的方式来进行。类似的，电极电离步骤意思是使用一种或多种电极电离堆，其具有具体的应用所需的任何尺寸。
[0208] 所用的树脂是Lewatit(Sybron Birmingham，NJ)，Amberlite(Rohm & Haas，Philadelphia，PA)，Purolite(Blal Cynwyd，PA)，Diaion(日本东京三菱)。
[0209] 流体连接指的是加工步骤的液体或者装置的部件被转移到另一步骤或者装置的部件。这可以通过管线和任何相关的阀门和控制装置来实现，或者在下面的情况中可以以半分批模式来进行：在加工步骤之后，流体被保持在槽或者其它存储器中，直到被泵送或者传输到接下来的加工步骤或者装置的部件。
[0210] 在软化器中2mg/L的钙穿透浓度被用作品质因数，来描述软化器柱效力。在穿透时，钙离子含量处于或者高于大约2mg/L，并且流出物中的钙含量开始快速增加。在这个阶段，加工操作者可以考虑再生。
[0211] 使用单价或者一价ED来产生具有大约10％氯化钠含量的盐水，已经发现其能够再生本发明方法的软化器。但是，这样所产生的盐水将包含二价阳离子。它们将处于比供料海水中更低的比例，但是仍然能够在一定程度上干涉柱再生。
[0212] 使用选择性离子交换软化器来选择性的降低水流中的钙含量在许多应用中是有用的。虽然在这里对EDI之前的选择性离子交换软化器的使用进行了诸多的讨论，但是也可以使用其它的。降低供给到反渗透隔膜的水中的钙含量将有助于保持产物率。在需要净化的镁盐的方法中，该工艺能够提供更纯的镁起始材料或者甚至最终产物。例如，创造性的使用了
硫酸镁来防止期前收缩和发作，以及来处理心脏病发作和哮喘。氢
氧化镁是一种阻燃剂，和油品添加剂。所以，该工艺获得了普遍的使用。
[0213] 海水具有大约6∶1比例的镁∶钙离子，这增强了使用钙选择性离子交换软化器的益处。通过使用选择性离子交换软化器，6倍降低离子交换软化器尺寸是可能的。该设计可以在全球范围内使用，因为地理位置的差异应当对所述运行不具有很大的影响。其它水例如酸性矿山排水具有变化的比例，并且不能适应这种方案。
[0214] 公知的是多价阳离子对于EDI具有有害的影响。令人惊讶的，已经发现除去大部分的钙离子足以防止EDI变差，而无需除去高百分比的镁离子。在一种典型的海水中，钙是总硬度的大约1/6。因为镁离子是非常可溶的，因此它们应当在EDI装置和步骤中引起比钙更少的问题，只要pH不过高就行。所以设计和运行该软化器来选择性除钙，同时使得镁通过将降低软化器尺寸和运行成本，以及降低10％盐水的量，该盐水是再生中必须使用的。
[0215] 降低所需的盐水还将允许更高比例的供料流去往带有常规隔膜的ED顺序，而非带有单选择性隔膜的顺序。常规的隔膜是更有效的，并且将除去更多的二价离子，降低在软化器上的负载。
[0216] 本领域技术人员将使用此处所述的方法来降低所使用的能量。这一方面是控制了流向单价选择性ED的量。这归因于该选择性膜更高的移
动能量。本领域技术人员可以使用非常高选择性的膜来使得盐水中的氯化钠百分比最大化，和使得干涉性二价离子最小化。如果该更高的氯化钠纯度允许更低的流量，则一个增加的好处可以是降低了通过该选择性ED方法的流量。
[0217] 一种可选择的运行方法是本领域技术人员必须接受增加的二价离子，特别是钙离子，
泄漏到通过该选择性膜产生的盐水中。使用更高的离子渗透隔膜发生了增加的泄漏，其以更低的能量需要来运行。
[0218] 与这项工作一起进行的试验研究已经表明来自具有常规ED隔膜的顺序1的最佳的稀释物流流动策略是84％，来自具有单选择性隔膜(一种或者多种)的顺序2的是16％，这产生了大约5.25-大约1.0的常规流量与单选择性流量的比例。该比例将受到供料水离子浓度变化的影响以及受到单价选择性膜选择性的影响。例如，阴离子交换隔膜(其具有比试验隔膜更大的选择性)将导致常规ED与单价选择性ED比例的升高。为了优化流动，在至少第一常规ED步骤和单价选择性第二步骤之间，构成总稀释物流的稀释物流的百分比应当是大约9.0-大约1.0，更优选大约6.0-大约1.0和最优选5.25-大约1.0。其它可接受的比例包括大约4.0-大约1.0和大约3.0-大约1.0。
[0219] 本发明的主要发现是通过正确的选择离子交换介质和运行条件，钙的除去和钙与镁离子的配给量可以用最少的介质来优化。这将降低离子交换器软化器步骤的运行和资金成本。
[0220] 变量(其影响通过阳离子交换器选择性的钙离子除去率)是介质类型，介质交联百分率，再生方法，特别是再生剂浓度，
吸附和
解吸附方法变量，例如流量和再生程度。
[0221] 阳离子交换器介质通常包含具有负带电基团的交联
聚合物珠。用于阳离子交换器的非常普通的聚合物结构是用二乙烯基苯交联的磺化聚苯乙烯。提高该结构中交联的百分率产生了具有更低的孔隙率和更低容量的珠子。但是，更高的交联成分将产生提高的选择性，即，在与不同离子的亲合性方面更大的差异。本领域技术人员必须在更高的选择性(在这种情况中是提高钙与镁吸附比例)，与降低的容量之间进行平衡，后者的效应需要更大的柱或者更频繁的再生。
[0222] 控制用于再生的溶液的体积来优化效率。体积是以所用的再生剂溶液的床体积数来测量的。床体积指的是所用的再生溶液或者盐
水体积，该体积是填充柱的等价体积数。它基本上是所用溶液的总体积除以柱体积。再生溶液过低的床体积不能完全再生所述的柱，需要更频繁的再生和增加了成本。使用过大的床体积降低了流出物中盐的浓度，这将增加废物处理的难度和成本。增加此是产生额外的再生溶液增加的成本。
[0223] 其它再生变量(其影响加工性能)是再生溶液中氯化钠的浓度，和再生盐水中二价阳离子(主要是钙和镁)的量。较高的氯化钠含量将降低所需的再生时间和盐水体积。但是，产生更高的盐水浓度需要更大的能量，并且将向该盐水中增加更多的二价离子。
[0224] 在EDI步骤之前，方法设计者可以选择使用组合的阳离子和阴离子除去软化器柱来优化离子除去。这将除去硫酸盐离子等等，所述的离子会使得EDI模块上的流动空间中的带负电荷的介质中毒。
[0225] 选择性阴离子迁移膜的使用为此处所述的系统和方法提供了增加的益处。选择性阴离子迁移膜对于除去硫酸盐离子来说是特别有用的。硫酸盐除去在不同的应用中是重要的。在电渗析中，公知的是硫酸盐离子提高了阴离子迁移膜的电阻系数，并且引起了不必用TM的增加用能。在反渗透隔膜上的硫酸钙水垢会显著降低生产率。FILMTEC SR90纳滤(NF)隔膜是一种专门开发来除去硫酸盐的隔膜的例子，并且例如防止了在注入海水的海上油井中硫酸盐结垢沉淀。
[0226] 纳滤还具有通用性能：对多价离子来说具有高的阻止通过能力，同时对于单价离子来说具有较低的阻止通过能力。可以想象使用适当的NF隔膜方法将明显降低供给到ED或者离子交换软化器步骤的海水的二价离子含量，通过降低电渗析二价离子较高的能量需求来降低用能。
[0227] 用于降低结水垢的二价阳离子(特别是钙)的其它可以用来降低电渗析装置和加工步骤的负担。阴离子交换软化器可以用作海水预处理的一部分，或者可以用于选择性膜ED装置的供料上。减少与这些装置(特别是选择性装置)
接触的钙和镁将降低能量需要。
[0228] 通过电渗析对水(特别是海水)脱盐领域的技术人员将认可在上述设备的设计和运行中所包括的选择将取决于每个设备的许多具体变量。这些变量可以包括设备输出体积，供料水类型和离子浓度，设备规模和它对于加工设计的影响，和可利用的不同离子交换介质的成本。本领域技术人员将调整此处的教导来适应所感兴趣的具体的设备。
[0229] 实施例7表示了不同的阳离子交换介质的效果，其同样具有不同的交联百分比(XL)。表14汇总了吸附和解吸的量以及所需的再生盐水的床体积。在它们的初始试验中，K2629(18％XL)和SK116(16％XL)在它们的初始试验中具有高的床体积，这推测归因于是作为酸的形式来购置的。每个的第二试验是常规的长期使用更典型的代表。
[0230] 这些第二试验和用于S100树脂的试验表明SK116树脂运行得更长，BV＝106(床体积数，在该体积数时，流出物钙浓度达到了大约2毫克每升(mg/L)，并且吸收了最大量的钙。它不具有最高的交流百分比。
[0231] 比较在大约2mg/L钙流出物浓度时钙和镁的流出物浓度，下表显示SK116具有高的选择性，因为镁离子的通过量是三种介质中最高的。
[0232]树脂 Ca(mg/L) 相同样品中的Mg(mg/L)
S100 1.9 5.5
K2629 2.44 19.3
SK116 1.83 108.5
[0233] 本领域技术人员将认识到不能仅仅依赖于设定的交联百分比，而且必须评价所感兴趣的方法中的介质。
[0234] 实施例8给出了在三种顺序试验中，比较三种所测试树脂的试验的结果。第三试验的结果是在表18中通过IEX 25来记录的。下面所示的表15中的汇总内容表明对于Purolite和Lewatit树脂来说，在新介质中可见初始高的床体积。该结果还表明了在第二和第三试验之间不一致的结果，这对于离子交换领域的技术人员来说意味着必须进行足够的试验来获得如何选择运行树脂的足够的知识。
[0235]
[0236] 实施例9比较了同流和逆流再生模式的运行。表18中的结果表明逆流模式产生了更高的解吸量，并且需要更少的盐水床体积。从表12中的结果还可以看到Diaion SK116树脂也具有高比例的钙∶镁吸附。在大约2mg/L的Ca穿透浓度，来自该测试的数据是，对于在逆流再生之前的耗尽循环来说，流出物样品为1.83mg/L的Ca和108.5mg/L的Mg，并且对于在同流再生之前的耗尽循环来说，为2.18Ca-46Mg。该结果表明可以通过适当选择树脂类型，能够以低的树脂体积来运行。
[0237] 实施例10是用人造海水来进行的，该人造海水是通过将当地的
海盐溶解到大约3.5％的浓度来补足的。该树脂的数据(表26)表明在该试验的早期具有高的钙和镁离子除去率，并且具有急剧的镁离子穿透和较慢的钙穿透。
[0238] 实施例11比较了在再生步骤中三种盐水浓度水平。下表IEX 33汇总了该结果。
[0239] 表38 用4％-6％-8％溶液再生Lewatit S100
[0240]
[0241] 该结果显示这些数据表明在吸附和解吸量和效率方面，最佳结果来自于中间的6％盐水。
[0242] 表35和36给出了两种试验的结果，在其中多阶段ED是用阳离子选择性膜来运行的。离子平均通过率是用1减去稀释阶段的浓度来计算的。
[0243] 这些试验的结果表示在下表中。
[0244]
[0245] 这些结果表明加工设计工程师也可以使用通过这种选择性膜所获得的通过比例范围来优化上述的能量需要。其它隔膜，包括将来开发的隔膜，可以产生其它的使用范围。
[0246] 表37给出了使用该单选择性阳离子隔膜的废弃(即，浓缩物流)浓缩物。在该试验中，该废弃流中的钙含量是大约500mg/L。这是一种典型的示例性试验，但是不应当被认为是限制。
[0247] 实施例
[0248] 实施例7
[0249] 具有不同的交联百分比的离子交换树脂的比较
[0250] 制备了下面组成的测试溶液，并且在大致相同尺寸的柱中穿过不同的IEX树脂。该列表结果表明在耗尽循环中，具体的离子作为运行时间函数而减少，以及具体的离子再生时间。
[0251] 表5
[0252]
[0253] 表6 耗尽循环运行条件和所用的树脂
[0254]
[0255] 表7
[0256]
[0257] 再生样品是在最初的10分钟运行之后，以10分钟的间隔来取样的。再生剂在柱中的大概驻留时间是50分钟。在再生后，用去离子水以相同的速率冲洗15-25分钟，然后以两倍的速率冲洗20-25分钟。
[0258] 样品是在所示的时间取样的，并且分析其的具体离子
[0259] 表8
[0260] 在耗尽循环Lewatit S100过程中的离子浓度
[0261]
[0262] 表9 Lewatit S100树脂的再生
[0263]
[0264] 表10 使用Lewatit K2629的耗尽
[0265]
[0266] 表11 Lewatit K2629的再生
[0267]
[0268] 表12 使用Diaion SK116的耗尽
[0269]
[0270] 表13 Diaion SK116的再生循环
[0271]
[0272] 表14 树脂和％交联比较汇总
[0273]
[0274] 实施例8
[0275] 在另外一组试验中，三种树脂的每一个是如实施例1所述来运行的。每个树脂是在三个顺序试验中测试的。结果汇总在下表15中。
[0276]
[0277] 在下面的实施例9中，Diaion SK116是如前面一样来进行耗尽测试的，并且以同流和逆流的模式来再生的。表16给出了耗尽运行数据，表17给出了再生运行数据。
[0278] 表16
[0279]
[0280] 表17
[0281]
[0282] 表18
[0283] 在同流和逆流模式中的钙离子的解吸附
[0284]
[0285] 实施例10
[0286] Purolite C100，Amberlite IR1200和Lewatit S100的比较。三次运行条件的平均。
[0287] 表19 用于树脂比较的运行条件
[0288]
[0289] 表20 Purolite C100试验3的耗尽
[0290]
[0291] 表21 Purlolite C100试验3的再生
[0292]
[0293] 表22 Amberlite IR1200试验3的耗尽
[0294]
[0295] 表23 Amberlite IR1200试验3的再生
[0296]
[0297] 表24 Lewatit S100试验3的耗尽
[0298]
[0299] 表25 Lewatit S100试验3的再生
[0300]
[0301] 实施例10
[0302] 用由当地(新加坡)海水盐制成的3.5％(w/w)的海水进行的测试
[0303] 表26 运行条件
[0304]
[0305] 表27 用人工海水的耗尽循环Lewatit TP208
[0306]
[0307] 实施例11
[0308] 不同再生溶液的效果测试
[0309] 表28 树脂和运行条件
[0310]
[0311] 表29
[0312]
[0313] 表30 用于8％再生的耗尽循环
[0314]
[0315] 表：用8％溶液的IEX28再生
[0316]
[0317] 表31 用于6％再生的循环
[0318]
[0319] 表32 用6％溶液的再生
[0320]
[0321] 表33 用于4％再生的耗尽循环
[0322]
[0323] 表34 用4％溶液的再生
[0324]
[0325] 表35来自电渗析试验的样品，具有Tokuyama Soda CMS单价选择性阳离子隔膜供料溶液“Tropic Marin”
[0326]
[0327] 表36
[0328] Tokuyama Soda CMS单价选择性阳离子隔膜供料溶液“INSTANT OCEAN”
[0329]
[0330] 表37 来自Tokuyama Soda CMS单价选择性阳离子隔膜供料溶液“INSTANT OCEAN”的废弃物浓度
[0331]
[0332] 下表39和相关的图表示了来自于ST标志试验的结果。在第15阶段中，稀释物流中的钠百分数已经降低到供料的大约10％，并且保留在该稀释物流中的Mg百分数开始从所述的点急剧下降。相应的浓缩物浓度比供料浓度增加了87％。在稀释物流中的钠浓度下降了大约30％时，浓缩物中的镁浓度增加了63％。
[0333] 表39
[0334]
[0335]
[0336] 制造者 类型 原产国
[0337] 阳离子隔膜 ASTOM CMX 日本
[0338] 阴离子迁移膜 ASTOM AMX 日本
[0339]
[0340] 保留的阳离子分数对阶段No.
[0341] 电渗析测试模块，带有Tokuyama Soda CMS单价选择性阳离子隔膜
[0342]
[0343] 阶段No.
[0344] 本发明的一些方面提供了使用电驱动方法的海水脱盐的系统和技术。通过电势促进的离子转移被描述为一种相对有效的方法，因为离子移动的阻力受限于隔膜，该隔膜被用于从废水/浓缩的水中分离纯净的水。本发明另外的特征和方面可以如此处所述进行预处理运行。
[0345] 现在已经描述了本发明的一些示例性实施方案，对本领域技术人员来说很显然前述内容仅仅是示例性的和非限制性的，其仅仅是为了举例而提出的。确实的，本发明的装置，系统和技术的一些示例性构造和在这样的构造中使用的具体部件被认为是本发明的一部分。例如，每个运行单元当在此处描述为可连接的或者连接的例如流体连接的时候，其包括各自的提供这样的连通的入口和出口。连接结构非限定性的例子包括管道和通过螺钉和
螺母固定的有线状图案的或者
焊接翼缘，并且典型的用
垫圈密封。在本领域技术人员能力范围内能够进行许多的改进和其它实施方案，并且可以预期其落入本发明的范围内。具体的，虽然此处提出的许多实施例包括了特定组合的加工动作或者系统元件，但是应当理解这些动作和这些元件可以通过其它方式组合来实现相同的目标。
[0346] 本领域技术人员应当理解此处所述的参数和构造是示例性的，并且实际的参数和/或构造将取决于本发明的系统和技术用于其中的具体应用。本领域技术人员还应当认可或者能够使用不超过例行的实验来确定本发明该具体实施方案的等价方案。因此应当理解此处所述的实施方案仅仅是为了举例而提出的，并且处于附加的
权利要求及其等价物的范围内；除了此处具体所述的之外，本发明可以进行相应的实践。
[0347] 此外，应当理解本发明涉及此处所述的每个特征，系统，亚系统或者技术以及此处所述的两种或者多种特征，系统，亚系统或者技术的任意组合以及任意组合的两种或者多种特征，系统，亚系统和/或方法(如果这样的特征，系统，亚系统和技术不是互相矛盾的)被认为处于权利要求所体现的本发明的范围内。此外，仅仅与一种实施方案有关的所讨论的动作，元件和特征目的并非排斥在其它实施方案的相似作用之外。
[0348] 作为此处使用的，术语“多个”指的是两个或者多个项目或者部件。术语“包含着”、“包括着”、“带有”、“具有”、“含有”和“包涵着”无论是否在说明书或者权利要求等中写出，其都是开放端术语，即，表示“包括但不限于”。因此，使用这样的术语表示包括了其后所列出的项目，和其等价物，以及另外的项目。仅仅与权利要求有关的连接词“由……组成”和“基本由……组成”分别是封闭的或者半封闭的连接词。在权利要求中用于修正权利要求元素的顺序术语例如“第一”、“第二”、“第三”等本身并不意味着一种权利要求的元素比另外一种元素或者在其中进行方法动作的顺序具有任何的优选权，居先权或者次序，而是仅仅用作标记来将一种具有某个名称的权利要求元素与具有相同名称的用于另外一种元素进行区分，用于使用顺序术语来区分该权利要求元素。
