用于提高去离子水回收率的设备和方法

摘要

公开了一种提高去离子水从供水流的回收率的方法，其包括步骤：(i)将该供水流递送到电容去离子化单元中；(ii)测量离开该电容去离子化单元的水的盐浓度；(iii)当该盐浓度低于预定的下设定点时，收集离开该单元的水以制备净化水，或者当该盐浓度高于预定的上设定点时，抛弃离开该单元的水；其中当离开所述单元的水的盐浓度位于下设定点和上设定点之间时，将离开所述单元的水再循环到该供水流中。通过这种方法，可以再循环在电容去离子化过程中所产生的废水以提高水的总回收率以及延长电容去离子化单元的电极的寿命。

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于提高去离子水回收率的方法和设备，所述去离子水是使用电容去离子化方法从水中除去溶解的盐来净化的。

发明背景

世界上大量的人口生活在存在着严重的卫生饮用水短缺的国家。这些人中很高的百分比生活在乡村和偏远地区，那里存在着很少的(如果有的话)市政饮用水处理厂。人们不得不直接依赖于地面水源如井、池塘和河流。

来自这些水源的水会包含500-3000ppm量级的高含量的溶解盐，这使得该水不适于饮用目的。盐含量位于500-1500ppm量级的水具有令人讨厌的味道，并且盐含量超过1500ppm的水通常被称作“微咸水”，并且是相对难以下咽的。盐含量50-300ppm的水味道好，并且通常被大家接受为良好的饮用水。

电容去离子化是一种可用于除盐中的工艺。在这种工艺中，使得含盐的水流过一对带相反电荷的电极，离子被电吸附到电极表面上，由此除去所处理的水中的盐。这种工艺已经表现出以明显更低的能耗和明显更高的回收率来从水中有效地除盐。

US6127474 A(Andelman，2000)、US7110242B(C and T Company，2006)、US6022436A(Koslow Technologies Corporation，2000)、US2005/0042513A1(Curran等人)和US2006/0114643A1(Maxwell Technologies Inc)公开了用于电容去离子化工艺的电极组合物，并且它们公开了具有活性炭以及粘合剂(例如原纤化聚合物)和不同比例和不同粒度的导电炭黑的组合物。

WO09077276A1(Unilever，2009)公开了一种电极组合物，其用于电容去离子化来从水中除去溶解的盐，和制备其的方法以及这样的系统在水净化设备中的应用。它公开了一种用于电容去离子化水的电极，其包含活性炭、热塑性聚合物粘合剂和导电炭黑。

在电容去离子化方法过程中，一部分的供水被收集作为适于饮用的纯水，其具有低含量的总溶解盐，另一部分的水被作为废物丢弃，因为其盐含量高于上述含量。因此该方法中纯水的回收率不高。

已经尝试来提高电容去离子器的回收率。

在US2002167782A1(Andelman，2002)中进行了这样的一种尝试，其描述了一种流过式电容器，用于对流体进行去离子化或者净化。该申请公开了使用电荷阻挡层；其是渗透性或者半渗透性材料的层，并且能够保持电荷，其与电极相邻放置，以使得该电荷阻挡层补偿由于孔体积离子的吸附和排斥而导致的孔体积损失。这提供了具有改进的离子和能量效率的电容器。但是，在该申请中，没有公开用于回收或者再循环废水流的系统。

US2007/0284313 A1(Lee等人)公开了一种使用电吸附的水净化系统。该申请教导了一种淹没型的电吸附基水净化设备和方法，其能够提高脱盐效率和回收率，并且通过有效地除去附着到电极上的空气或气体来使得功耗最小。该申请公开了一种设备，其具有一个或多个以串联或者并行阵列排列的并且淹没在流入水的存储/净化水浴中的电吸附基反应器。该申请教导了在再循环周期过程中将一部分的再生溶液再循环到流入水中。因为该系统仅仅再循环了再生溶液，因此它将不能以任何方式真正地改进电极的效率。

发明内容

令人惊讶的是，现在已经发现一种方法，通过该方法，在水的净化过程中通过电容去离子化所产生的废水可以再循环以改进总回收率和延长电容去离子化单元的电极的寿命。

因此本发明的一个目的是提供一种改进去离子水从供水流的回收率的方法。

本发明的另一目的是提供一种设备，其用于改进去离子水从供水流的回收率。

本发明仍然的另一目的是延长电容去离子化单元的电极的寿命。

本发明的另一目的是降低水的损耗。

因此在第一方面，公开了一种提高去离子水从供水流的回收率的方法，其包括步骤：

(i) 将该供水流递送到电容去离子化单元中；

(ii) 测量离开该电容去离子化单元的水的盐浓度；

(iii) 当该盐浓度低于预定的下设定点时，收集离开所述单元的水以制备净化水，或者当该盐浓度高于预定的上设定点时，抛弃离开所述单元的水；

其中当离开所述单元的水的盐浓度位于下设定点和上设定点之间时，将离开所述单元的水再循环到该供水流中。

根据第二方面，公开了一种用于提高去离子水从供水的回收率的设备，其包括：

(i) 用于将供水输入到电容去离子化单元中的装置；

(ii) 电源，其能够施加预编程的正电势、负电势时间周期以及短接所述单元；

(iii) 用于测量离开所述单元的水的盐浓度的仪表；

(iv) 位于该仪表下游的电磁阀；

(v) 电子处理器；

特征在于该阀是四通阀，并且电子处理器已编程以从所述仪表接收离开所述单元的水的盐浓度值，和开动所述阀将水分离成三个流之一，其中第一个流用于在盐浓度低于预定的下设定点时收集净化的水，第二个流用于在盐浓度高于预定的上设定点时抛弃水，第三个流用于在盐浓度位于所述的下设定点和所述的上设定点之间时将水再循环回输入的供水流中。

通过阅读下面的具体实施方式和附加的权利要求，这些和其他方面、特征和优点对本领域技术人员来说将变得显而易见。措辞“包括”意在表示“包含”，但不一定“由…组成”或者“由…构成”。换句话说，所列出的步骤或者选项不必是穷举的。要注意的是下面的说明中给出的实施例/附图目的是阐明本发明，并非打算将本发明限制到那些实施例本身。

附图说明

图1是根据本发明的再循环电容去离子化单元基水去离子化系统的示意性结构图。

图2是根据本发明的四通电磁阀的示意图。

具体实施方式

水去离子化方法

本发明提供一种使供水流去离子化的方法，其包括步骤：将供水流递送到电容去离子化单元中；测量离开该电容去离子化单元的水的盐浓度，和制备净化的水或者抛弃水或者再循环离开该电容去离子化单元的水。

水去离子化设备

公开了一种用于提高去离子水从供水的回收率的设备，其包括：

(i) 用于将供水输入到电容去离子化单元中的装置；

(ii) 电源，其能够施加预编程的正电势、负电势时间周期以及短接所述单元；

(iii) 用于测量离开所述单元的水的盐浓度的仪表；

(iv) 位于该仪表下游的电磁阀；

(v) 电子处理器；

特征在于该阀是四通阀，并且电子处理器已编程以从所述仪表接收离开所述单元的水的盐浓度值，和开动所述阀将水分离成三个流之一，其中第一个流用于在盐浓度低于预定的下设定点时收集净化的水，第二个流用于在盐浓度高于预定的上设定点时抛弃水，第三个流用于在盐浓度位于所述的下设定点和所述的上设定点之间时将水再循环回输入的供水流中。

用于输入供水的装置

本发明的设备包括用于将供水输入到电容去离子化单元中的装置。该输入供水的装置优选包括供水存储器或内联源(inline source)以及泵。

存储在存储器中的供水可以供入到电容去离子化单元中，或者该电容去离子化单元可以连接到内联源。该泵优选将供水从存储器或者内联源转移到电容去离子化单元中。

该泵以优选1-1500ml/min的流量和更优选10-300ml/min的流量递送供水。

电容去离子化单元

该设备包括电容去离子化单元。该电容去离子化单元优选包括一对电极，并且电极成对并行布置和连接到正和负电势上。外壳优选包围着该电容去离子化单元并为水流入和流出所述单元作好准备。该外壳优选还提供和为外部连接到所述单元中的电极作好准备。

电极

该电极优选包括活性炭、热塑性粘合剂和导电炭黑的混合物，其通过热处理方法模制到石墨片基底上。优选所述成对电极中的一个电极连接到电源的正电势上，而所述成对电极的另一个连接到电源的负电势上。优选在所述单元内可以设置多个电极对。

活性炭

活性炭优选选自烟煤、椰壳、木头和石油焦中的一种或多种。活性炭的表面积优选超过500m²/g，更优选超过1000m²/g。优选该活性炭的尺寸均匀性系数小于2，更优选小于1.5；优选四氯化碳数超过50%，更优选超过60%。

该活性炭的碘值优选大于800，更优选大于1000。该活性炭的粒度为75-300微米，优选100-250微米。

热塑性粘合剂

用于电极中的术语热塑性粘合剂优选是熔体流动速率(MFR)小于5g/10分钟，更优选小于2g/10分钟，进一步更优选小于1g/10分钟的粘合剂。该粘合剂的体积密度优选小于或等于0.6g/cm³，更优选小于或等于0.5g/cm³，进一步更优选小于或等于0.25g/cm³。熔体流动速率(MFR)是使用ASTM D1238(ISO1133)测试来测量的。该测试测量了熔融聚合物在特定的温度和负荷条件下通过挤出塑度计的流动。

该挤出塑度计由立式圆筒组成，在底部具有2mm的小模头且在顶部具有可移动的活塞。将材料装料置于该圆筒中，并且预热几分钟。将活塞置于熔融的聚合物之上，它的重量迫使该聚合物穿过口模，并且到收集板上。用于测试的时间间隔是15秒-15分钟以适应不同粘度的塑料。所用温度是190、220、250和300℃(428、482和572℉)。所用的负荷是1.2、5、10和15kg。优选该测试是在190℃在15kg负荷进行的。称重了在具体的间隔之后收集的聚合物的量，并且校正到在10分钟内挤出的克数。熔体流动速率是以克/参考时间来表示的。

该粘合剂优选是热塑性聚合物，其具有上述的低MFR值。合适的例子包括超高分子量聚合物，优选聚乙烯、聚丙烯及其组合，其具有这些低的MFR值。

分子量优选为10⁶-10⁹g/mol。这类粘合剂可在下面的商标名下商购获得：来自Tycona GMBH的HOSTALEN、GUR、Sunfine(来自日本Asahi)、Hizex(来自Mitsubishi)和来自Brasken Corp(Brazil)。其他合适的粘合剂包括作为Lupolen销售的LDPE(来自Basel Polyolefins)和来自Qunos(Australia)的LLDPE。

该热塑性粘合剂优选不是原纤化的聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)。

该热塑性粘合剂的粒度优选为20-60微米，优选大于40微米。该热塑性粘合剂优选以电极的8-30%重量，更优选10-30%重量，进一步更优选12-28%重量存在。

活性炭与粘合剂的比率优选在1：1-20：1重量份的范围内，更优选在1：1-10：1重量份的范围内。

导电炭黑(CCB)

该炭黑是元素碳的一种形式。大多数炭黑是通过油炉法由液体芳烃生产的。在选择用于电极的炭黑时，关键的考虑因素是：总表面积和介孔表面积、结构和表面氧化。

本发明的电极中所用的导电炭黑的总表面积优选高于500m²/g。

该导电炭黑的介孔面积大于100m²/g，更优选在100-1000m²/g的范围内。

该炭黑的结构是通过吸油值(OAN)来表征的。市售炭黑的OAN在45-400cc/100g炭黑的范围内。导电炭黑的吸油值(OAN)优选大于100cc/100g，优选在100-400cc/100g的范围内，更优选在250-400cc/100g的范围内。该导电炭黑在它们的表面上具有低的化学吸附的氧。

合适等级的炭黑可以获自TIMCAL Graphite5 Carbon(等级：Ensaco250G，Ensaco350)或者获自Cabot Corporation(等级：Regal，Black Pearl2000，Vulcan)或者获自EVONOVIK(等级：PRINTEX XE-2)或者获自AKZO NOBEL(Ketjen Black)。

电源

电源优选是可编程的直流电源系统，用于提供电压范围0V-5V，100W的直流电压，和用于施加预编程的正电势、负电势时间周期以及短接该单元。

在净化周期过程中在电容去离子化单元的电极之间施加正电势，在再生周期过程中施加负电势。两个短接状态(S1)和(S2) 一个在再生周期中施加负电势之前(S1)施加，一个在再生周期中施加负电势之后(S2)施加。在净化周期过程中在电容去离子化单元的电极之间施加的电压优选为0.1-5V，更优选0.8-3.5V，进一步更优选1.0-2.5V。在再生周期过程中在电极之间施加的负电压优选为-0.1到-5V，更优选-0.8到-3.5V，进一步更优选-1.0到-2.5V。

该正电势的持续时间优选是60-1200秒。负电势的持续时间优选是10-300秒。在再生周期之前的短接状态(S1)的持续时间优选是2-60秒，在再生周期之后的短接状态(S2)的持续时间优选是5-1500秒。

仪表

本发明的设备包括用于测量离开单元的水的盐浓度的仪表。该盐浓度优选是使用电导率计来测量的。第一电导率计优选置于电容去离子化单元之前，并且测量供水流的盐浓度。第二电导率计优选置于电容去离子化单元之后，并且测量来自电容去离子化单元的输出水流的盐浓度。

该电导率计优选连接到电子处理器上。该电子处理器接收来自该电导率计的电信号。

该电子处理器将来自电导率计的电信号转化成总的溶解固体(TDS)浓度值。

该电导率优选以电子处理器控制的1秒的定期间隔来测量。

电磁阀

本发明的设备包括位于仪表下游的电磁阀；该电磁阀是四通阀。该电磁阀将水分离成三个流之一，其中第一个流用于在盐浓度低于预定的下设定点时收集净化的水，第二个流用于在盐浓度高于预定的上设定点时抛弃水，第三个流用于在盐浓度位于所述的下设定点和所述的上设定点之间时将水再循环回输入的供水流中。

该电磁阀优选具有输入口(用于接收来自第二电导率计的水)，输出回流水口(用于将第三个流再循环回供水流中)，输出废水口(用于丢弃第二个流)和输出纯水口(用于收集第一个流以制备净化的水)。

电磁阀相关口的打开和关闭是通过电子处理器控制的。

当来自电容去离子化单元的输出供水流的TDS浓度值位于上设定点和下设定点之间时，电子处理器打开电磁阀的输出回流水口。当来自电容去离子化单元的输出供水流的TDS浓度高于上设定点时，电子处理器打开输出废水口。当来自电容去离子化单元的输出供水流的TDS浓度低于下设定点时，电子处理器打开输出纯水口。在保持其他两个输出阀关闭的同时打开上述输出阀。

电子处理器

本发明的设备包括电子处理器。该电子器件开动电磁阀以将所述水分离成三个流之一。该电子处理器优选与第一电导率计、第二电导率计、电磁阀和电源相连。

该电子处理器是预编程的，具有用于总的溶解固体浓度值的上设定点和下设定点。

上设定点优选高于500ppm且优选低于1500ppm。上设定点优选不高于供水流的盐浓度。

下设定点优选低于300ppm。更优选低于200ppm。下设定点优选高于100ppm。

电子处理器基于所测量的输入和输出TDS浓度值以及总的溶解固体(TDS)浓度的所述预定的上和下设定点，来控制电磁阀的具体口的打开。

本发明现在将用下面的非限定性图来示例。

附图的说明

图1是根据本发明的再循环电容去离子化单元基水去离子化系统的示意方框图。具有通过位于电容去离子化单元(4)之前的第一电导率计(3)所测得的已知离子浓度的供水(1)被通过泵(2)，从供水的存储器/内联源泵送穿过电容去离子化单元(4)，该单元具有用于吸收阳离子的负电极和用于吸收阴离子的正电极(该图中未示出)。通过位于电容去离子化单元(4)与四通电磁阀(6)之间的第二电导率计(5)测定离开电容去离子化单元的输出水的离子浓度。电子处理器(7)接收来自第一(3)和第二(5)电导率计的电信号，并且将该信号转化成TDS浓度值。电子处理器(7)是预编程的，具有TDS浓度值的预定上设定点和下设定点。该电子处理器将所测量的离开第二电导率计(5)的水的TDS浓度与预编程的水平相比较，并控制四通电磁阀(6)的口的打开和关闭。

图2是根据本发明的四通电磁阀的示意图。来自电容去离子化单元的具有所测量的离子浓度值的输出供水流通过入口(8)进入四通阀。当进入入口(8)的水的TDS浓度值高于预定的上设定点时，电子处理器(7)打开电磁阀的输出废水口(10)。当进入入口(8)的水的TDS浓度低于预定的下设定点时，电子处理器(7)输送信号来打开电磁阀的输出纯水口(11)。

当进入入口(8)的水的离子浓度位于预定的下设定点和预定的上设定点之间时，电子处理器(7)输送信号来打开电磁阀的输出回流水口(9)。

实施例

实施例1

制作了图1所示的本发明的用于提高去离子水的回收率的设备，并且用于确定水的回收率。电容去离子化单元的电极是如下来制造的：将粉末活性炭、高密度聚乙烯和导电炭黑(Ensaco 350G，来自TIMCAL)以7：2：1的比例混合，并且通过热处理方法模制在石墨基底上。将一对圆形电极(15cm直径)置于外壳内，并使得水能够穿过该电极，并从电源向水施加电势。这形成了去离子化单元。

将该去离子化单元连接到直流电源系统，来提供在正和负电极之间的直流电压。在净化周期过程中在电极之间施加3.2V的正电势10分钟，并提供两个5分钟的短接周期和在再生周期过程中施加3.2V的负电势2分钟。通过蠕动泵以10ml/min的流量将供水流从存储器供入电容去离子化单元中。通过第一电导率计来测量该供水流的盐浓度。供水流的总溶解固体浓度(TDS)值为600ppm。该供水流以径向进入电容去离子化单元中，并且从顶部电极中心离开该去离子化单元。

将该电子处理器编程到用于在200ppm的TDS浓度值的预定的下设定点和在600ppm的TDS浓度值的上设定点。

在实施例A中，在净化周期过程中，当离开电容去离子化单元的水的TDS浓度值高于200ppm时，该电子处理器预编程来打开输出废水口，和当离开电容去离子化单元的水的TDS浓度值低于200ppm时打开输出纯水口。输出回流水口在整个周期过程中关闭。

实施例B类似于实施例A，只是在净化周期过程中，该电子处理器预编程来当离开电容去离子化单元的水的TDS浓度值位于200ppm到600ppm之间时打开输出回流水口。当离开电容去离子化单元的水的TDS浓度值低于200ppm时打开输出纯水口，和当TDS浓度值高于600ppm时打开输出废水口。

在完整的周期结束时使用下面的等式来计算回收率：

回收率%=(净化的水的体积/供水的体积)×100

关于回收率%的数据提供在表1中。

表1

实施例回收率% 第1周期回收率% 第20周期回收率% 第30周期回收率% 第37周期37个周期的平均回收率%A39.3300018.6B40.645353739.5

这组实施例清楚地表明，与对比例A相比，使用本发明的电容去离子化单元进行水去离子化(实施例B)产生了更好的回收率。

表2

实施例在其过程中回收率>0%的周期数回收率>0%的周期的总持续时间(小时)A31个周期8.8小时B>37个周期>10.5小时

表2表明，与对比例A相比，使用本发明的电容去离子化单元进行水去离子化(实施例B)提供了更长的电极寿命。