CN1568220B - 流体净化设备及其制造方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及能够电净化包含在压力容器内的流体的设备，及其制造方法和用途。待净化的液体或其它流体进入净化设备，并且在电场的影响下被处理，从而产生去离子液。从进入液中收集离子物质，从而产生离子浓缩液。增大设备上的外部压力可减小设备内部与外部之间的压差，从而可降低制造成本或简化结构。

Description

流体净化设备及其制造方法和用途
发明背景
发明领域
本发明涉及能够电净化流体的设备，尤其是涉及包含在压力容器内的这些设备，以及这些设备的制造方法和用途。
相关技术的描述
目前普遍采用能够利用电场净化流体的装置，来处理含有可溶性离子物质的水和其它液体。有两种装置是电渗析装置和电去离子装置。在这些装置内，具有用阴阳离子选择性膜分开的浓缩室和稀释室。外加电场使可溶性离子迁移穿过膜，从而导致稀释室的液体中的离子减少，而浓缩室中的液体富集有所转移的离子。通常，稀释室内的液体(“产品”液体)是需要的，而浓缩室内的液体(“废弃”液)是要清除掉的。在电去离子中，稀释室和浓缩室还含有离子交换树脂。该离子交换树脂可用作离子迁移的路径，并且还可用作离子运动的膜之间增大的电导桥。
电去离子装置包括板框式电去离子装置，诸如Giuffrida的U.S.4,931,160、Giuffrida等人的U.S.4,956071以及Ganzi等人的U.S.5,316,637中所公开的那些装置。具有其它几何形状的电去离子装置已经在诸如Liang等人的U.S.5,292,422、Rychen等人的U.S.5,376,253以及Li等人的U.S.6,190,528中公开。
发明概述
本发明涉及包含在压力容器内、能够电净化液体的设备，及其制造方法和用途。
一方面，本发明提供了一种流体净化系统，包括：电净化装置，包括由离子交换膜分隔的离子交换室，每个离子交换室设有任何数目的入口和出口，以及条带、挡板、壁或肋，以便引导未汇聚到中心或者未从中心出发或者未接近该中心的液体流动路径；以及围绕所述电净化装置的压力容器。在一系列实施例中，这种系统包括电净化装置和围绕该电净化装置的压力容器。此净化装置的构造和布置使之能够在其内产生非径向流动。在一个实施例中，该电净化装置包括电去离子装置。
在另一系列实施例中，这种系统包括固定在压力容器内的电净化装置。该电净化装置还可以包括具有多个平行小室的离子交换室。
另一方面，本发明提供了一种液体的净化方法，包括：提供电净化装置，包括离子交换室，每个离子交换室设有任何数目的入口和出口，以及条带(270)、挡板、壁或肋，以便引导其流体流动路径未汇聚到中心或者未从中心开始或者未接近中心的流体流动路径；给所述装置加压；以及使要净化的液体流过所述装置。
所述流体净化系统在一系列实施例中包括压力容器、固定在压力容器内的电净化装置、与该装置以流体相连的进入点，以及与该装置以流体相连的使用点。此电净化装置的构造和布置使之能够在其内产生非径向流动。在一个实施例中，该电净化装置包括电去离子装置。
另一方面，本发明提供了一种易于净化液体的方法。该方法包括以下步骤：提供与进入点以流体相连的压力容器；提供一种电净化装置，该装置的构造和布置使之能够在其内产生非径向流动，并将此装置固定在压力容器内；提供与该装置以流体相连的使用点。在一个实施例中，该电净化装置包括电去离子装置。
另一方面，本发明提供了一种液体的净化系统。该系统包括具有离子交换室的电净化装置，以及围绕该装置的、基本上为圆柱形的压力容器。此电净化装置的构造和布置使之能够在其内产生非径向流动。该离子交换室的构造和布置使之能够在其内产生恒定的液体流速。在一个实施例中，该电净化装置包括电去离子装置。
以下通过结合附图详细地描述本发明的非限定性实施例，本发明的其它优点、新的特征以及目的将变得清晰易懂，而且这些附图是示意性的，并不是成比例画出的。在附图中，各个附图所一般示出的每个相同或相近部件用同一个标号表示。为了清楚起见，并不是每个附图中的每个部件，也不是所示出的本发明的每个实施例的每个部件都标记出来了，因为这些标记对于本领域的普通技术人员理解本发明是不必要的。当本发明的说明书与作为参考并入的文件在内容上发生冲突时，本发明的说明书应该能够解决这种冲突。
附图简述
优选的是，将参照附图借助于实例对本发明的非限定性实施例进行描述。
图1是按照本发明一个实施例的液体净化系统的示意图；
图2是本发明一个实施例的分解透视图；
图3是本发明一个实施例的示意图，示出了包含具有一个入口的电净化装置的压力容器；
图4图3是本发明一个实施例的示意图，示出了包含具有两个入口的电净化装置的压力容器；
图5是本发明一个实施例的示意图，示出了利用凸缘固定到压力容器壁上的电净化装置；
图6是是本发明一个实施例的示意图，示出了固定到压力容器侧壁上的电净化装置；
图7是本发明一个实施例的示意图，示出了固定到压力容器头部的电净化装置；以及
图8是本发明一个实施例的示意图，示出了整个包含在压力容器内部的电净化装置。
详细描述
本发明涉及包含在压力容器内的、能够电净化流体的设备，及其制造方法和用途。要净化的液体或其它流体进入净化设备，在电场的影响下进行处理，从而生成去离子液。将流入液体的离子物质收集起来，从而产生离子浓缩液。增大设备上的外部压力可以减小设备内部与外界之间的压差，因此降低了制造成本并使结构简化。
图1示出了按照本发明一个实施例的液体净化系统。系统105包括位于压力容器110内部的电净化装置100。利用任何适宜的技术，诸如通过用流体或固体材料填充或部分填充压力容器，可以给压力容器110加压或填充。在图1所示出的具体实施例中，源自进入点160的流体120通过入口130从压力容器110内部进入装置100。在正常工作中，装置100可通过施加电场在装置的某些室内浓缩离子，电场的施加可促进离子迁移穿过离子交换膜。该过程导致离子浓缩液140和去离子液150的产生。离子浓缩液140和去离子液150分别通过出口145和155从装置流出。去离子液150可转移到使用点170。进入压力容器110的流体135可以是有机化合物、水溶液或水，例如淡水、盐水或从诸如水处理厂或制造厂排出的废水。水还可以来自蓄水池、存储槽或海洋。在一些实施例中，去离子液可以是纯净水，例如含有少于1ppm、少于500ppb、少于100ppb、少于50ppb、少于10ppb、少于5ppb或少于1pp污染物的水。污染物可以是诸如难以从水中除去的离子例如Mg2+或Ca2+。在另一个实施例中，去离子液可以是超高纯水，例如电阻率大于18兆欧-厘米的水。
正如本文所采用的，“电净化装置”是，通过施加电位以影响流体内部的离子迁移，而能够净化含有可溶性离子物质的装置。电净化装置的例子包括电渗析装置和电去离子装置。术语“电渗析”和“电去离子”的含义就是它们在本领域内所用的普通定义。电渗析装置一般具有几个用来稀释或浓缩离子及其它可溶性污染物的流体室。在电渗析装置中，在一个或多个流体室内还额外利用电活性介质，来收集或废弃离子物质，或者通过离子或电子置换机制使离子容易迁移。电去离子装置可包括这样的介质：即，该介质能够永久或暂时充电，并且能够工作，以便使预期的电化学反应获得或增强性能。
进入点160可以是产生流体或在流体上工作的任何单元操作，例如但不限于，超滤、纤滤、沉降、蒸馏、增湿、反渗透、渗析、电去离子装置或电渗析装置。在一些实施例中进入点也可以是产生流体的反应器，或者是其中的流体是用于加热或冷却操作的热交换系统。在某些实施例中，进入点也可以是储液器例如储存容器、储槽或户外收集池，或者当液体是水时，进入点还可以是天然或人造水体，例如湖泊、河流、运河或海洋。在进入点160与压力容器110之间可以添加任何数目的在流体上工作的额外操作，例如反渗透装置或储器。
使用点170可以是需要液体的任何部位。例如，使用点可以是塞子、储器或者需要液体的单元操作，诸如在冷却系统、制冷系统或制造厂发现的单元操作。也可以将来自使用点170的液体用在净化或储存液体的设备(例如瓶或槽)中。使用点170还可以位于化工厂、城市或建筑物(诸如房屋或公寓复合住宅)中，或者是排放到自然环境的出口。在压力容器110与使用点170之间可以添加任何数目的额外操作或分布网络，例如超滤装置、储器或水分配系统。
应该理解，本发明的系统和方法可以与需要对一种液体或多种液体进行净化的任何系统一起使用。因此，可以象具体的工艺过程所需的那样，来变革图1所示的系统。例如，可以将额外的入口或出口添加到压力容器或电净化装置中；将泵、储器、阀门、搅拌器、缓冲罐、传感器或控制部件添加到系统中，以便控制体液流；或者将诸如过滤或反渗透单元这些额外的操作单元添加到系统中，以便进一步净化液体，以上这些都不脱离本发明的范围。
图2表示出本发明另一实施例的分解图。在该图所示的实施例中，所示出的压力容器200是围绕电净化装置100的圆柱体。电净化装置100在图2中也以分解图的形式示出。
虽然压力容器200是仅仅比电净化装置100稍大的圆柱体(如图2所示)，但是在其它实施例中，压力容器200还可以是其它形状的，且并不局限在装置100的尺寸上。例如，压力容器200可以是球形，或者是诸如具有半球端(如图1所示)、椭圆形头部或扁平端的圆柱体。该压力容器还可以是线或管，例如使至少两个单元操作以流体相连的管。正如文本所采用的，“压力容器”是能够承受在环境压力之上或之下的压力的任何容器，其中所承受的压力诸如是比环境压力大或小约2磅/英寸2(psi)的压力、比环境压力大或小约10psi的压力，或者比环境压力大或小约14psi的压力。在一些情况下，压力容器能够承受甚至更大的压力。该压力容器可以由能够承受这些压力的任何材料(例如金属或塑料)制成。在一些实施例中可用金属(例如不锈钢或铝)来制造容器，因为这样的金属能够承受更大的力。然而，在其它实施例中，诸如当液体污染物是初级成分，或者当进入压力容器的流体(例如酸或超高纯水)可发生化学反应时，可以采用聚合材料例如聚丙烯、聚砜、聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、玻璃纤维强化的塑料(“FRP”)(例如纤维绕制的塑料烯类聚酯复合物)或聚烯烃，因为这些聚合材料具有惰性或非导电性质。也可以采用其它聚合物。在一些实施例中，压力容器200可由用第二材料线化的第一材料制成。第一材料是能够承受压力的任何材料例如金属或塑料。线化容器的第二材料诸如对压力容器内的液体或气体来说是惰性的。例如，压力容器可以由具有聚合物(诸如聚四氟乙烯)涂层的不锈钢制成。压力容器200可具有其它功能，例如但不限于，能够实施混合或沉降操作、易于发生化学反应、进行反渗透，或具有电绝缘性质。根据应用目的的不同，压力容器之上或之内还可以存在其它部件，例如但不限于，安全阀、真空调节阀，或传感器(诸如用于测量电导率、温度、压力、组成或pH值)。
在一系列实施例中，电净化装置10包括由离子选择性膜220分开的离子交换室210。电净化装置100的每一端具有电极230和端封240。任选地，当进行组装时，一排系杆250穿过该装置。然而，在其它实施例中可以利用任何适宜的方法(诸如利用凸缘、焊接、扣环、止动销或粘合剂)来固定装置100。
离子交换室200可具有相同的尺寸或不同的尺寸。在图2中，离子交换室210的截面被画成环形；然而，其它截面形状例如矩形或多边形(诸如五边形或六边形)也在本发明的保护范围之内。尤其是，离子交换仓或室的形状并不由压力容器200的形状或尺寸来决定。每个离子交换室210都可以具有任何数目的入口或出口(未示出)。在一些实施例中，采用另一系列浓缩室和稀释室；然而，也可以采用其它布置形式，诸如两个稀释室毗邻两个浓缩室的一系列形式。用于形成离子交换室的材料可以是任何适当的材料，例如但不限于，聚合材料诸如聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、聚乙烯、聚烯烃，或玻璃强化的塑料或聚合物(例如玻璃强化的聚丙烯)。每个离子交换室210都可以具有任何数目的入口或出口(未示出)，以便使液体流过该室。在一些实施例中，这些入口和出口可以位于离子室210的四周，以便使静止液流或“死”体积最小。
离子交换膜220使带有一种电荷的离子通过，却通常限制带有相反电荷的离子的运动。例如，通常使阳离子(正离子)优先于阴离子(负离子)通过的膜是阳离子膜；而通常使阴离子优先于阳离子通过的膜是阴离子膜。离子交换膜可包括诸如离子交换粉末、聚乙烯粉末结合剂以及甘油润滑剂。离子交换粉末是诸如阳离子交换粉末例如从Purolite公司(Bala Cynwyd，PA)购得的PUROLITETMC-100IP树脂酸钠粉末；或阴离子交换粉末例如从Purolite公司(Bala Cynwyd，PA)购得的PUROLITETMA-430IP胆甾肉桂酸胺粉末。利用任何适当的技术，诸如通过使原材料混合并将由这些材料制成的丸片成型并挤压成复合片，可形成这些膜。其它类型的膜，诸如中性膜、尺寸排除膜或特定离子不可渗透的膜，能够用于本发明一些实施例中的电净化装置内。在一系列实施例中，采用另一系列由离子交换膜210分开的阳离子膜和阴离子膜；然而，在其它实施例中，也可以采用其它布置，其中包括利用其它类型膜(诸如尺寸排除膜)的那些布置。
可以使同一液体通过这两个离子交换室，或者使一种液体通过一个室，而使另一种不同的液体通过另一个室。在每个离子交换室内可利用条带、档板、壁、肋或其它部件来引导液体流。在一个实施例中，如图2所示，条带270的布置使其能够在每个离子交换室210内产生一系列平行的小室260，从而导致纯净的非径向流动275，其中纯净或均匀液流是液体的平均或主要流动方向，而忽略了由于小室260内存在树脂而导致的对液流的微扰。在一些实施例中，可如下设计小室260：即，使每个流动通道的宽度、高度或截面积基本上不变，诸如以便使通过室的液体流速均匀(从而使室内的混合更加均匀)，或者使通过室的迁移速率更加均匀。离子交换室210内的小室260无需一定得彼此平行，并且除了图2所示的圆头矩形之外，还可以有其它形状，例如但不限于，正方形、环形、矩形、三角形、椭圆形或六边形。在其它实施例中，条带270的布置使其可以产生通过室的锯齿形液流，从而延长了室内的液流流路的长度，或者条带270根本就不存在。也设想了小室260内的其它非径向流动275。例如，在离子交换室210内布置小室260，使其形成三角形或正方形小室阵列，从而使每个小室260内的液体不被引向离子交换室210的中心。正如本文所采用的，“径向”的意思是指，最终覆盖离子交换室的中心或从该中心出发或接近该中心的流体流。
与径向液流相比，离子交换室内的非径向流动可减小施加到离子交换室内的离子交换膜或条带或档板上的压力或剪切力，诸如由Liang等人的U.S.5,292,422所描述的那些，这些技术作为参考全部并入本文。于是，非径向流动据信延长了离子交换膜的寿命，或者使离子交换室由更轻或更廉价的材料构成。离子交换室内非径向流动的采用，还使离子交换室的结构更容易或更简单。离子交换室内非径向流动的采用，还使室内的液体流速均匀，从而与径向液流相比，可导致更加一致或更加可预知的离子交换、更快速的混合或更短的液体停留时间。也可使具有非径向流动的离子交换室的制造更简单，因为只需要非常少的内部条带或档板来产生非径向流动，并且入口和出口可位于离子交换室的四周而不是中心，从而导致进出更容易和更简单。在离子交换室四周就位的入口和出口还可简化室内(诸如电去离子装置内)所存在的任何离子交换树脂的装载和置换。每个离子交换室所需的以管及其它流体相连的数量更少，因此在一些情况下简化了结构。
在操作过程中，将电场从电极230施加到离子交换室中，从而产生使离子从稀释室转移到浓缩室内的势梯度。可从与液流275垂直的方向施加电场。使电场均匀地贯穿离子交换室210，从而使贯穿离子交换室210的电场密度均匀且基本上恒定；或者不均匀地施加电场，因此使电流密度不均匀。还可以将电场作为一个梯度来施加，例如使电场贯穿电净化装置100或沿液流271增大或减小。还可从与液流成微角或锐角的方向施加电场。任何一个电极230都可用作阳极或阴极。在本发明的一些实施例中，电极的极性在操作过程中可以临时被反向，即，使阳极和阴极的位置反过来。这些电极可由适合施加电场的任何材料制成。电极诸如可使用较长时间，而没有明显的腐蚀。电极制作材料的例子包括铂、钛或不锈钢。在一些实施例中还可涂覆电极，例如用铂、氧化铷或氧化铱进行涂覆。
在一系列实施例中，该电净化装置是电去离子装置。在这些实施例中，一个或两个离子交换室都用树脂进行填充(未示出)。树脂可以是阳离子、阴离子或惰性树脂，且可以球形珠或其它分散颗粒的形式存在。该树脂还可以其它几何形状(诸如粉末、纤维、簇丛或挤塑筛)存在。树脂可包括适合从溶液中结合离子和其它物质的任何材料，例如硅石、沸石或聚合物(诸如聚(二乙烯基苯-共-苯乙烯))。树脂可包括在其表面区域上具有弱碱性官能团(诸如叔烷基氨基)的阳离子材料。树脂还可包括阴离子树脂例如那些在其表面区域上含有II类官能团(二甲基乙醇胺)或在其表面区域上含有I类官能团(季铵基)的材料。这些材料可从商业上购得，例如从Dow Chemical公司(Midland，MI)购得的DOWEXTMWBA树脂或从Rohm&Haas公司(Philadelphia，PA)购得的AMBERJETTM4600II类树脂。另外，离子交换室210内的树脂具有各种布置，包括但不限于，由DiMascio等人的U.S.5,858,191所描述的层状填充，这些技术作为参考并入本文。对于诸如催化反应、吸附物或滤出固体，也可存在其它类型的颗粒。进一步的理解是，在离子交换室210内可存在各种结构。例如，离子交换室可含有额外的部件诸如档板、网或筛，这些部件可用来诸如包含和引导树脂或控制室内的液流。
在图2所示的一个实施例中，如下组装电净化装置100：在该装置的任一端上采用端封240，并利用系杆250固定在一起，如在本领域内所公知的典型的板框结构中所看到的。参见，诸如，Giuffrida的U.S.4,931,160、Giuffrida等人的U.S.4,956,071或Ganzi等人的U.S.5,316,637。在本发明中，“板”是指离子交换室210，“框”是指端封240。离子交换膜200彼此平行设置，且膜之间的空间形成离子交换室210。在操作过程中，每个离子交换室210具有一个内压。围绕离子交换室210的这些液压实质上是平衡的，并且减小了内部元件发生应力诱发的故障的可能性。系杆250和端封240并不是电净化装置100的操作所必需的，在一些实施例中，系杆250或端封240可以省略。也可以采用将装置100固定在压力容器110内的其它方法，诸如通过焊接或热熔。诸如以上所述的机械凸缘、粘合或其它方法也可用来组装该装置。系杆250或端封240可由金属(诸如不锈钢或铝)制成。然而，在其它实施例中，诸如考虑到安全原因、成本、可靠性、易于制造或易于维修，这些系杆或端板可由聚合材料(例如聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、聚乙烯、聚烯烃)、陶瓷或其它惰性或非导电性材料制成。在本发明的某些实施例中，端封240是两种或更多种不同材料的复合体。例如，端封240由两种材料(例如金属和聚合物)制成，从而可避免诸如在电净化装置内发生短路。在其它实施例中，端封240由三种或更多种材料制成。例如，其中一种材料可提供结构强度，第二种材料是绝缘材料，而第三种材料可用作电极230。该绝缘材料是能够发生电绝缘的任何材料例如聚合物(诸如聚氯乙烯或橡胶)。外部材料可以是任何材料，例如能够为装置提供结构强度的材料诸如金属(例如铝或不锈钢)。还可以设想端封240的其他设置。
在一系列实施例中，流体120在压力容器200之内和电净化装置100之外流过。流体120可以是任何流体。例如，流体120可以是空气、氮气、油、水溶液或水(诸如淡水、盐水或废水)。填充或部分填充压力容器110的流体可以是从电净化装置排出的一种或多种流体，既可以是进入装置100的流体，也可以是不进入该装置的流体。压力容器200内的流体120的压力大于、小于或等于装置100内的压力。在一些情况下，可利用压力容器200内的流体120与电净化装置100之间的较小压差，从而由于减小了装置100上压力诱发的应力，而因此减少了制造成本或延长了该装置的寿命。于是，在一个实施例中，压差可小于500psi、小于100psi、小于50psi、小于10psi或小于5psi。流体120或装置100可具有更大的压力。或者是，流体120与装置100之间基本上没有压差。
在另一系列实施例中，诸如通过用固体材料对装置与压力容器之间的空间进行填充和加压，可在结构上给压力容器200内的电净化装置100加压。该固体材料是能够用来对电净化装置与压力容器之间的空间进行填充和至少部分加压的任何材料，从而诸如将压力施加到至少部分电净化装置上。如果采用固体材料，则该材料可是惰性的，或由不与电净化装置中所用的流体反应(特别是在施加电场的过程中)的物质构成。例如，该固体材料可包括聚合材料诸如但不限于，聚丙烯、聚砜、聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯或聚烯烃。
在一系列实施例中，固体材料包括在其形成过程中膨胀或固化的材料。例如，将材料放在电净化装置与压力容器之间，并在诸如发泡或注模过程中原位固化。在一个实施例中，该材料是原位吹起并膨胀的聚合物例如但不限于，聚丁烯、聚乙烯或聚丙烯。在另一个实施例中，该材料(诸如环氧物)发生反应，以形成固体材料。
在另一系列实施例中，使这种固体材料在制造过程中就位于压力容器内。在一些实施例中给固体材料加压(例如压缩)。在某些实施例中，然而，并不给固体材料加压，固体材料而是用来诸如避免或减小流体从净化装置中泄露出来，或者用来占据空间或缓冲电净化装置从压力容器所受到的物理震动或温度变化。在一个实施例中，固体材料使电净化装置内产生的力被传递到压力容器。这些力包括内力(内部液压)，或者在使用树脂的实施例中(例如在电去离子装置中)由于树脂的膨胀而产生的膨胀力。在一个实施例中，使弹性固体在制造过程中就位于电净化装置与压力容器之间。例如，该固体材料是热塑性弹性体，诸如但不限于，橡胶、聚丁烯、聚丁二烯、聚异丙烯、聚异丁烯、。
应该注意，本发明可具有各种其它结构。例如，在本发明的某些实施例中，流体和固体材料都用于电净化装置与压力容器之间。另一个实例是，设想在电净化装置四周施加外压的其它方式。如果利用流体来给该装置加压，则诸如利用上游泵或通过应用更高的流速或液压头(而不是局限于压力容器内)，可给流体加压。正如本文所采用的，“加压流体”是指压力比环境压力大(一般至少比环境压力大2psi)的流体。如上所述，可利用不同的流体(诸如水或空气)来给该装置的外部加压。
电净化装置100还可具有其它的结构，例如包括额外的部件(诸如额外的电极)；或其它内部几何形状(诸如具有圆柱形或球形的离子交换室)。也可采用不同的入口和出口结构。例如，几种液体(诸如水、盐水、水溶液或有机溶液)同时流过该装置，以便被浓缩或稀释。流体120另外可具有悬浮或溶解在其内(诸如存在于海水中)的其它材料。
利用一种或多种流入的流体来馈送压力容器内的流体。例如，在图3的截面图中所示的一个具体实施例中，来自进入点160的流体300首先进入压力容器110与电净化装置100之间的区域370。利用阳离子交换膜330和阴离子交换膜340，将电净化装置100分成浓缩室310和稀释或减少(depleting)室320。如果电净化装置是电去离子装置，那么就用树脂将室310和320之一或两个都进行填充。在该装置的一端有阴极360和端封240；而在其另一端有阳极350和端封240。来自区域370的流体从压力容器内分别通过入口315和325流入浓缩室310和稀释室320，在这两个室中流体在外加电位的影响下被浓缩和稀释。然后，流体通过出口317和327、分别作为离子浓缩流140和去离子流150而从浓缩室310和稀释室320排出。在一些应用中，例如在水的净化过程中，去离子流作为产物被保留，而离子浓缩流被弃掉；然而，在需要浓缩操作的其它应用中，离子浓缩流被保留，而去离子流被弃掉。在图3所示的实施例中，离子浓缩流140和去离子流150每个都分别终止于使用点380和385。
在本发明的一些实施例中，例如，如果压力容器和电净化装置都具有环截面，那么区域370就是压力容器11与电净化装置100之间的环形区域。在本发明的一些实施例中，需要较小的区域370，诸如以便使压力容器110内的流体的量最少，并且在流体穿过区域370的实施例中，该流体不在电净化装置内。在其它实施例中，然而，需要压力容器110与装置100之间的区域370较大些。例如，在流体于压力容器和电净化装置之间流过的药物应用中，压力容器110与电净化装置100之间的较大区域370使该区域上的流体具有较大或较小的速度，从而使设备内的“死”体积最小。“死”或静止体积可具有非常小的流速，例如小于约10ft/s或小于约5ft/s，从而导致微生物的生长。在一系列实施例中，在区域370内可利用档板、条带、肋或其它装置来改变或影响区域内的流体流，诸如从而避免死区的形成，或者使环形空间内的流体流容易均匀。
图4的截面图中示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，利用两个分开的流入流体400、410，因此表示出，按照本发明可采用多个入口。利用来自进入点460的一个流入流体400来填充压力容器110与电净化装置100之间的区域370。流体从区域370通过入口315进入浓缩室310。来自进入点470的另一个流入流体410仅仅流过电净化装置100的稀释室320，并不进入压力容器110与装置100之间的区域370。这两个流体流过浓缩室310和稀释室320，并通过出口317和327排出，从而分别产生离子浓缩液140和去离子液150，并从此处分别到达使用点380和385。
图5的截面图中示出了本发明的另一实施例。其中，在电净化装置100内使用分别来自分离进入点460、470的两个分离流体400、410，但利用第三种流体或固体材料500来减小电净化装置100的内部与压力容器110之间的压差，而图5中仅仅示出了其中的一部分。另外，压力容器110比装置100大得多，并且该压力容器与装置100的形状并不相符，因此不能将装置100整个容纳进去。正如本文所采用的，“围绕”、“在内部就位”、“固定在内部”以及类似的词汇和用语包括，仅仅将装置100部分围绕或封闭在压力容器内的结构，以及装置100完全被压力容器围绕或封闭的的情形。在图5中，一个流入流体400通过入口315进入浓缩室310，而第二流入流体410通过入口325进入稀释室320。离子浓缩液140从浓缩室310通过出口317进入使用点170，而去离子液150从稀释室320通过出口327排出到压力容器110中，并与第三流体500混合。在该实施例中，利用凸缘将电净化装置100固定到压力容器110的壁上；然而，也可以利用其他安装方法(例如粘合剂或系杆)来安装电净化装置100。
应该理解，可采用许多其它结构。例如，任何流出流体都可以循环回其中一个入口或进入压力容器内，或者，如果利用流体来给电净化装置的外部加压，那么以任何方式也不能将流体与入口或出口相连。也可以设想其它结构。例如，使入口或出口依次或平行地与其它电净化装置相连，从而形成电净化装置连网。流体应该流过一系列的电净化装置，其次每个装置都浓缩或净化液体。
图6示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，已经将电净化装置100安装到压力容器110的侧壁上。在该实施例中，使一部分装置100位于压力容器110的外部，以便准备对装置100进行拆装，因此，诸如可以在电净化装置100上进行常规的维修操作，或者在内部或外部容易改变管路结构。在图7所示的实施例中，已经将电净化装置100安装到压力容器110的基底上。这在诸如压力容器110大的情形中具有如下优点：在容器底部对电净化装置100进行的拆装，将更实际、安全或经济合算。在其它实施例中，装置100还可位于压力容器110的顶部。
在图8中，电净化装置100完全被包容在压力容器110内。在该实施例中，两个流入液体800进入装置100，从而生成离子浓缩液140和去离子液150。使离子浓缩液140流入压力容器110，而弃掉去离子液150。诸如在有毒或生物危害性液体的净化中必须紧紧控制电净化装置100的泄露的某些情形中，该结构具有优势。应该理解，根据待浓缩或稀释的情形和液体的不同，还可采用其它结构。
通过以下实例，将更充分地理解本发明的这些和其它实施例的功能和优点。这些实例只是为了阐述本发明，而并不是对本发明保护范围的限定。
例1
这个实例表示出利用本发明的一个具体实施例(采用电去离子装置)的各个条件。
将具有十二个稀释室和十二个浓缩室的连续电去离子装置组装起来。室之间的中间膜为0.161英寸。设备内的阳离子膜是多相挤压的阳离子交换膜。阴离子膜是多相挤压的阴离子交换膜。稀释室和浓缩室内所用的树脂是Marathon A阴离子树脂与Marathon C阳离子树脂的混合物。阴离子树脂与阳离子树脂的比例为70∶30。
压力容器是由聚氯乙烯构成的。该压力容器是具有约12.4英寸内径的圆柱体。使这个聚氯乙烯圆柱体旋转，以便产生220psi的最大压力。电去离子装置之间的隔离物是由低密度的聚乙烯构成的。电极是由具有氧化铷涂层的钛构成的。压力容器上的端板也是由聚氯乙烯构成的。
表1中示出了利用特定的电去离子装置实施两个样品运转的结果。在运转1中被馈送到设备中的水比运转2中所用的水具有更高的导电性，这表明运转1中的水具有更高的离子负载。
该电去离子装置能够将流入的水中的二氧化硅成功地减少约99％。而且，发现，在电去离子之后去离子流体的电阻率为大约17兆欧-厘米。
于是，该实例表明，可利用本发明的一个实施例来减小二氧化硅的浓度和水样品流的电阻率。
  运转1   运转2
  进料电导率(微西门子/厘米)   14   8.26
  进料温度(℃)   24.3   22.1
  进料的CO<sub>2</sub>(ppm)   3.75   2.5
  进料的SiO<sub>2</sub>(ppb)   215   256
  运转1   运转2
  电压(V)   153   142.3
  电流(A)   5.0   4.0
  产物的电阻率(欧姆-厘米)   16.95   17.75
  稀释液流速(gpm)   2   2
  浓缩液流速(gpm)   0.2   0.2
  稀释液中的SiO<sub>2</sub>(ppb)   3   2
  SiO<sub>2</sub>的除去(％)   98.6％   99.2％
例2
在该实例中描述本发明的一种布置。
将电去离子装置构建并容纳在圆柱形压力容器内。形成稀释室和浓缩室的隔离物是具有5.75英寸外径的环形形状。每个稀释室的厚度为0.33英寸，而每个浓缩室的厚度为0.18英寸。在每个隔离物内有两个室，每个室长3.5英寸并在一端彼此相连，从而形成总长度为7英寸的U形流路。隔离物是由玻璃强化的聚丙烯模制的。
容纳电极的端封是由固态氯化聚乙烯(PVC)块用机器制成的。该圆柱形容器包括具有6英寸内径的PVC Schedule40管。将隔离物叠层、膜和端封组装并插入到压力容器内，并在两端用定位销固定在压力容器内。
将来自反渗透净化系统的渗析水作为进料，来操作电去离子装置。在29psig下将稀释室的进料直接引入到这些室内。产物流体在9psig的压力下。首先在5psig下将浓缩室的进料引入压力容器内部与该装置外部之间的环形空间。然后将水引入浓缩室。将来自浓缩室的洗脱液(即废弃物)排到阴沟内。
电净化装置的内部与外部之间的最大压差为约24psig(即，稀释室的进料与环形空间的进料之间的压差)。通过增大环形隔离物的进料压力并因此增大浓缩室的进料压力，可使该压差减小。如果两个进料流的压力增大相同的量，则对该压差的影响不明显。
以稀释室内高达100psig的进料压力来操作电净化装置。由于电净化装置被容纳在压力容器内并且环形空间内的进料还在100psig压力下，因此稀释室的内部与外部之间的最大压差是通过稀释室的压力降，大约为20psi。该较低的压差允许用玻璃强化的聚丙烯作为隔离物材料。
这样，该实例表示出本发明的一种设置。
本领域的技术人员容易理解，本文所述的所有参数和结构只是为了举例说明，而实际参数和结构将取决于利用本发明的系统和方法的具体应用。本领域的技术人员将认识到或能够确定采用的不仅仅是常规实验，而是本文所述的本发明具体实施例的许多等同物。例如，可以将额外的入口、出口、膜或流体添加到电去离子装置中，或者将本发明与反渗透或超滤设备一起使用。因此，应该理解，前面的实施例仅仅是为了举例说明并且落在所附的权利要求书及其等同物的范围内，本发明还可以具体描述之外的方式来实施。本发明包括本文所述的每个单独特征、系统或方法。而且，如果这些特征、系统或方法相互矛盾，那么两个或更多的这些特征、系统或方法的任何组合都包括在本发明的范围之内。

Claims (32)

1.一种流体净化系统(105)，包括：
电净化装置(100)，包括由离子交换膜(220)分隔的离子交换室(210)，每个离子交换室(210)设有任何数目的入口和出口，以及条带(270)、挡板、壁或肋，以便引导未汇聚到中心或者未从中心出发或者未接近该中心的液体流动路径；以及
围绕所述电净化装置(100)的压力容器(110)。
2.如权利要求1所述的流体净化系统，其特征在于，所述装置包括电去离子装置。
3.如权利要求1所述的流体净化系统，其特征在于，所述装置包括电渗析装置。
4.如权利要求1所述的流体净化系统，其特征在于，所述压力容器是圆柱形。
5.如权利要求1所述的流体净化系统，其特征在于，所述离子交换室(210)包括入口和出口，每个入口和出口都位于所述离子交换室(210)的四周。
6.如权利要求5所述的流体净化系统，其特征在于，所述离子交换室(210)的入口位于所述出口的相反侧。
7.如权利要求5所述的流体净化系统，其特征在于，所述入口和出口，以及条带(270)、挡板、壁或肋产生恒定的平均流速，所述流速与至入口的距离无关。
8.如权利要求1所述的流体净化系统，其特征在于，还包括围绕至少一部分所述装置(100)的固体材料。
9.如权利要求8所述的流体净化系统，其特征在于，所述固体材料包括弹性材料。
10.如权利要求1所述的流体净化系统，其特征在于：
所述的电净化装置(100)固定在压力容器(110)内；进入点(160)可流体相连到所述装置(100)；以及使用点(170)可流体相连到所述装置(100)。
11.如权利要求10所述的流体净化系统，其特征在于，所述装置(100)包括电去离子装置。
12.如权利要求10所述的流体净化系统，其特征在于，所述装置(100)还包括可流体相连到所述压力容器(110)的入口(130)。
13.如权利要求10所述的流体净化系统，其特征在于，所述装置(100)还包括可流体相连到所述压力容器(110)的出口。
14.如权利要求10所述的流体净化系统，其特征在于，所述装置(100)还包括暴露于所述压力容器(110)内的液体中的离子交换室(210)。
15.如权利要求10所述的流体净化系统，其特征在于，还包括与所述进入点以流体相连的储器。
16.如权利要求10所述的流体净化系统，其特征在于，还包括与所述装置以流体相连的水分配系统。
17.如权利要求10所述的流体净化系统，其特征在于，还包括端板，所述端板的结构和布置使之能够固定到所述压力容器(110)上。
18.如权利要求17所述的流体净化系统，其特征在于，还包括附着到所述端板上的绝缘材料。
19.如权利要求18所述的流体净化系统，其特征在于，所述绝缘材料使所述端板与所述压力容器(110)的内部电绝缘。
20.如权利要求19所述的流体净化系统，其特征在于，还包括附着到所述绝缘材料上的电极。
21.如权利要求10或11所述的流体净化系统，还包括：
电净化装置(100)，其包括的离子交换室构造和设计成在其中产生恒定的液体流速。
22.一种液体的净化方法，包括：
提供电净化装置(100)，包括离子交换室(210)，每个离子交换室(210)设有任何数目的入口和出口，以及条带(270)、挡板、壁或肋，以便引导其流体流动路径未汇聚到中心或者未从中心开始或者未接近中心的流体流动路径；
给所述装置(100)加压；以及
使要净化的液体流过所述装置(100)。
23.如权利要求22所述的液体净化方法，其特征在于，所述装置(100)包括电去离子装置。
24.如权利要求22所述的液体净化方法，其特征在于，所述装置(100)包括电渗析装置。
25.如权利要求22所述的液体净化方法，其特征在于，给所述装置(100)加压的步骤包括：用流体给所述装置加压。
26.如权利要求22所述的液体净化方法，其特征在于，给所述装置加压的步骤包括：用固体材料环绕至少一部分所述装置(100)。
27.如权利要求25所述的液体净化方法，其特征在于，所述加压流体具有50psi液压之内的压力。
28.如权利要求25所述的液体净化方法，其特征在于，所述加压流体具有10psi液压之内的压力。
29.如权利要求22所述的液体净化方法，其特征在于，所述加压流体具有5psi液压之内的压力。
30.如权利要求22所述的液体净化方法，其特征在于，还包括从垂直于所述液流的方向施加电场。
31.如权利要求22所述的液体净化方法，其特征在于，还包括将均匀的电场施加到所述液体中。
32.如权利要求22-31任何一个所述的液体净化方法，还包括将所述装置(100)固定到压力容器(110)中。
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