用于提高去離子水回收率的設備和方法
【專利摘要】公開了一種提高去離子水從供水流的回收率的方法，其包括步驟：(i)將該供水流遞送到電容去離子化單元中；(ii)測量離開該電容去離子化單元的水的鹽濃度；(iii)當該鹽濃度低于預定的下設定點時，收集離開該單元的水以制備凈化水，或者當該鹽濃度高于預定的上設定點時，拋棄離開該單元的水；其中當離開所述單元的水的鹽濃度位于下設定點和上設定點之間時，將離開所述單元的水再循環到該供水流中。通過這種方法，可以再循環在電容去離子化過程中所產生的廢水以提高水的總回收率以及延長電容去離子化單元的電極的壽命。
【專利說明】用于提高去離子水回收率的設備和方法
發明領域[0001]本發明涉及一種用于提高去離子水回收率的方法和設備，所述去離子水是使用電容去離子化方法從水中除去溶解的鹽來凈化的。
[0002]發明背景
世界上大量的人口生活在存在著嚴重的衛生飲用水短缺的國家。這些人中很高的百分比生活在鄉村和偏遠地區，那里存在著很少的(如果有的話)市政飲用水處理廠。人們不得不直接依賴于地面水源如井、池塘和河流。
[0003]來自這些水源的水會包含500-3000ppm量級的高含量的溶解鹽，這使得該水不適于飲用目的。鹽含量位于500-1500ppm量級的水具有令人討厭的味道，并且鹽含量超過1500ppm的水通常被稱作“微咸水”，并且是相對難以下咽的。鹽含量50-300ppm的水味道好，并且通常被大家接受為良好的飲用水。
[0004]電容去離子化是一種可用于除鹽中的工藝。在這種工藝中，使得含鹽的水流過一對帶相反電荷的電極，離子被電吸附到電極表面上，由此除去所處理的水中的鹽。這種工藝已經表現出以明顯更低的能耗和明顯更高的回收率來從水中有效地除鹽。
[0005]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)公開了用于電容去離子化工藝的電極組合物，并且它們公開了具有活性炭以及粘合劑(例如原纖化聚合物)和不同比例和不同粒度的導電炭黑的組合物。
[0006]W009077276A1 (Unilever, 2009)公開了一種電極組合物，其用于電容去離子化來從水中除去溶解的鹽，和制備其的方法以及這樣的系統在水凈化設備中的應用。它公開了一種用于電容去離子化水的電極，其包含活性炭、熱塑性聚合物粘合劑和導電炭黑。
[0007]在電容去離子化方法過程中，一部分的供水被收集作為適于飲用的純水，其具有低含量的總溶解鹽，另一部分的水被作為廢物丟棄，因為其鹽含量高于上述含量。因此該方法中純水的回收率不高。
[0008]已經嘗試來提高電容去離子器的回收率。
[0009]在US2002167782A1 (Andelman，2002)中進行了這樣的一種嘗試，其描述了一種流過式電容器，用于對流體進行去離子化或者凈化。該申請公開了使用電荷阻擋層；其是滲透性或者半滲透性材料的層，并且能夠保持電荷，其與電極相鄰放置，以使得該電荷阻擋層補償由于孔體積離子的吸附和排斥而導致的孔體積損失。這提供了具有改進的離子和能量效率的電容器。但是，在該申請中，沒有公開用于回收或者再循環廢水流的系統。
[0010]US2007/0284313 Al (Lee等人)公開了一種使用電吸附的水凈化系統。該申請教導了一種淹沒型的電吸附基水凈化設備和方法，其能夠提高脫鹽效率和回收率，并且通過有效地除去附著到電極上的空氣或氣體來使得功耗最小。該申請公開了一種設備，其具有一個或多個以串聯或者并行陣列排列的并且淹沒在流入水的存儲/凈化水浴中的電吸附基反應器。該申請教導了在再循環周期過程中將一部分的再生溶液再循環到流入水中。因為該系統僅僅再循環了再生溶液，因此它將不能以任何方式真正地改進電極的效率。
【發明內容】
[0011]令人驚訝的是，現在已經發現一種方法，通過該方法，在水的凈化過程中通過電容去離子化所產生的廢水可以再循環以改進總回收率和延長電容去離子化單元的電極的壽命O
[0012]因此本發明的一個目的是提供一種改進去離子水從供水流的回收率的方法。
[0013]本發明的另一目的是提供一種設備，其用于改進去離子水從供水流的回收率。
[0014]本發明仍然的另一目的是延長電容去離子化單元的電極的壽命。 [0015]本發明的另一目的是降低水的損耗。
[0016]因此在第一方面，公開了一種提高去離子水從供水流的回收率的方法，其包括步驟:
(i)將該供水流遞送到電容去離子化單元中；
(?)測量離開該電容去離子化單元的水的鹽濃度；
(iii)當該鹽濃度低于預定的下設定點時，收集離開所述單元的水以制備凈化水，或者當該鹽濃度高于預定的上設定點時，拋棄離開所述單元的水；
其中當離開所述單元的水的鹽濃度位于下設定點和上設定點之間時，將離開所述單元的水再循環到該供水流中。
[0017]根據第二方面，公開了一種用于提高去離子水從供水的回收率的設備，其包括:
(i)用于將供水輸入到電容去離子化單元中的裝置；
(ii)電源，其能夠施加預編程的正電勢、負電勢時間周期以及短接所述單元；
(iii)用于測量離開所述單元的水的鹽濃度的儀表；
(iv)位于該儀表下游的電磁閥；
(v)電子處理器；
特征在于該閥是四通閥，并且電子處理器已編程以從所述儀表接收離開所述單元的水的鹽濃度值，和開動所述閥將水分離成三個流之一，其中第一個流用于在鹽濃度低于預定的下設定點時收集凈化的水，第二個流用于在鹽濃度高于預定的上設定點時拋棄水，第三個流用于在鹽濃度位于所述的下設定點和所述的上設定點之間時將水再循環回輸入的供水流中。
[0018]通過閱讀下面的【具體實施方式】和附加的權利要求，這些和其他方面、特征和優點對本領域技術人員來說將變得顯而易見。措辭“包括”意在表示“包含”，但不一定“由…組成”或者“由…構成”。換句話說，所列出的步驟或者選項不必是窮舉的。要注意的是下面的說明中給出的實施例/附圖目的是闡明本發明，并非打算將本發明限制到那些實施例本身。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是根據本發明的再循環電容去離子化單元基水去離子化系統的示意性結構圖。
[0020]圖2是根據本發明的四通電磁閥的示意圖。【具體實施方式】
[0021]水去離子化方法
本發明提供一種使供水流去離子化的方法，其包括步驟:將供水流遞送到電容去離子化單元中；測量離開該電容去離子化單元的水的鹽濃度，和制備凈化的水或者拋棄水或者再循環離開該電容去離子化單元的水。
[0022]水去離子化設備
公開了一種用于提高去離子水從供水的回收率的設備，其包括:
(i)用于將供水輸入到電容去離子化單元中的裝置；
(ii)電源，其能夠施加預編程的正電勢、負電勢時間周期以及短接所述單元；
(iii)用于測量離開所述單元的水的鹽濃度的儀表；
(iv)位于該儀表下游的電磁閥；
(v)電子處理器；
特征在于該閥是四通閥，并且電子處理器已編程以從所述儀表接收離開所述單元的水的鹽濃度值，和開動所述閥將水分離成三個流之一，其中第一個流用于在鹽濃度低于預定的下設定點時收集凈化的水，第二個流用于在鹽濃度高于預定的上設定點時拋棄水，第三個流用于在鹽濃度位于所述的下設定點和所述的上設定點之間時將水再循環回輸入的供水流中。
[0023]用于輸入供水的裝置
本發明的設備包括用于將供水輸入到電容去離子化單元中的裝置。該輸入供水的裝置優選包括供水存儲器或內聯源(inline source)以及泵。
[0024]存儲在存儲器中的供水可以供入到電容去離子化單元中，或者該電容去離子化單元可以連接到內聯源。該泵優選將供水從存儲器或者內聯源轉移到電容去離子化單元中。
[0025]該泵以優選l-1500ml/min的流量和更優選10-300ml/min的流量遞送供水。
[0026]電容去離子化單元
該設備包括電容去離子化單元。該電容去離子化單元優選包括一對電極，并且電極成對并行布置和連接到正和負電勢上。外殼優選包圍著該電容去離子化單元并為水流入和流出所述單元作好準備。該外殼優選還提供和為外部連接到所述單元中的電極作好準備。
[0027]電極
該電極優選包括活性炭、熱塑性粘合劑和導電炭黑的混合物，其通過熱處理方法模制到石墨片基底上。優選所述成對電極中的一個電極連接到電源的正電勢上，而所述成對電極的另一個連接到電源的負電勢上。優選在所述單元內可以設置多個電極對。
[0028]活件炭
活性炭優選選自煙煤、椰殼、木頭和石油焦中的一種或多種。活性炭的表面積優選超過500m2/g，更優選超過1000m2/g。優選該活性炭的尺寸均勻性系數小于2，更優選小于1.5 ；優選四氯化碳數超過50%，更優選超過60%。
[0029]該活性炭的碘值優選大于800，更優選大于1000。該活性炭的粒度為75-300微米，優選100-250微米。
[0030]熱塑性粘合劑用于電極中的術語熱塑性粘合劑優選是熔體流動速率(MFR)小于5g/10分鐘，更優選小于2g/10分鐘,進一步更優選小于lg/ΙΟ分鐘的粘合劑。該粘合劑的體積密度優選小于或等于0.6g/cm3,更優選小于或等于0.5g/cm3,進一步更優選小于或等于0.25g/cm3。熔體流動速率(MFR)是使用ASTM D1238(IS01133)測試來測量的。該測試測量了熔融聚合物在特定的溫度和負荷條件下通過擠出塑度計的流動。
[0031]該擠出塑度計由立式圓筒組成，在底部具有2mm的小模頭且在頂部具有可移動的活塞。將材料裝料置于該圓筒中，并且預熱幾分鐘。將活塞置于熔融的聚合物之上，它的重量迫使該聚合物穿過口模，并且到收集板上。用于測試的時間間隔是15秒-15分鐘以適應不同粘度的塑料。所用溫度是190、220、250和300°C (428、482和572 °F )。所用的負荷是1.2、5、10和15kg。優選該測試是在190°C在15kg負荷進行的。稱重了在具體的間隔之后收集的聚合物的量，并且校正到在10分鐘內擠出的克數。熔體流動速率是以克/參考時間來表示的。
[0032]該粘合劑優選是熱塑性聚合物，其具有上述的低MFR值。合適的例子包括超高分子量聚合物，優選聚乙烯、聚丙烯及其組合，其具有這些低的MFR值。
[0033]分子量優選為106-109g/mol。這類粘合劑可在下面的商標名下商購獲得:來自Tycona GMBH 的 H0STALEN、⑶R、Sunfine (來自日本 Asahi)、Hizex (來自 Mitsubishi)和來自Brasken Corp (Brazil)。其他合適的粘合劑包括作為Lupolen銷售的LDPE (來自BaselPolyolefins)和來自 Qunos (Australia)的 LLDPE。
[0034]該熱塑性粘合劑優選不是原纖化的聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)。
[0035]該熱塑性粘合劑的粒度優選為20-60微米，優選大于40微米。該熱塑性粘合劑優選以電極的8-30%重量，更優選10-30%重量，進一步更優選12-28%重量存在。
[0036]活性炭與粘合劑的比率優選在1:1-20:1重量份的范圍內，更優選在1:1-10:1重量份的范圍內。
`[0037]導電炭黑(CCB)
該炭黑是元素碳的一種形式。大多數炭黑是通過油爐法由液體芳烴生產的。在選擇用于電極的炭黑時，關鍵的考慮因素是:總表面積和介孔表面積、結構和表面氧化。
[0038]本發明的電極中所用的導電炭黑的總表面積優選高于500m2/g。
[0039]該導電炭黑的介孔面積大于100m2/g，更優選在100_1000m2/g的范圍內。
[0040]該炭黑的結構是通過吸油值(OAN)來表征的。市售炭黑的OAN在45_400cc/100g炭黑的范圍內。導電炭黑的吸油值(OAN)優選大于100cc/100g，優選在100-400cc/100g的范圍內，更優選在250-400cc/100g的范圍內。該導電炭黑在它們的表面上具有低的化學吸附的氧。
[0041]合適等級的炭黑可以獲自TIMCAL Graph ite5 Carbon (等級:Ensaco250G，Ensaco350)或者獲自 Cabot Corporation(等級:Regal, Black Pearl2000, Vulcan)或者獲自 EV0N0VIK (等級:PRINTEX XE-2)或者獲自 AKZO NCffiEL (Ketjen Black)。
[0042]電源
電源優選是可編程的直流電源系統，用于提供電壓范圍0V-5V，IOOW的直流電壓，和用于施加預編程的正電勢、負電勢時間周期以及短接該單元。
[0043]在凈化周期過程中在電容去離子化單元的電極之間施加正電勢，在再生周期過程中施加負電勢。兩個短接狀態(SI)和(S2) —個在再生周期中施加負電勢之前(SI)施加，一個在再生周期中施加負電勢之后(S2)施加。在凈化周期過程中在電容去離子化單元的電極之間施加的電壓優選為0.1-5V，更優選0.8-3.5V，進一步更優選1.0-2.5V。在再生周期過程中在電極之間施加的負電壓優選為-0.1到-5V，更優選-0.8到-3.5V，進一步更優選-1.0 到-2.5V。
[0044]該正電勢的持續時間優選是60-1200秒。負電勢的持續時間優選是10-300秒。在再生周期之前的短接狀態(SI)的持續時間優選是2-60秒，在再生周期之后的短接狀態(S2)的持續時間優選是5-1500秒。
[0045]儀表
本發明的設備包括用于測量離開單元的水的鹽濃度的儀表。該鹽濃度優選是使用電導率計來測量的。第一電導率計優選置于電容去離子化單元之前，并且測量供水流的鹽濃度。第二電導率計優選置于電容去離子化單元之后，并且測量來自電容去離子化單元的輸出水流的鹽濃度。
[0046]該電導率計優選連接到電子處理器上。該電子處理器接收來自該電導率計的電信號。
[0047]該電子處理器將來自電導率計的電信號轉化成總的溶解固體(TDS)濃度值。
[0048]該電導率優選以電子處理器控制的I秒的定期間隔來測量。
[0049]電磁閥
本發明的設備包括位于 儀表下游的電磁閥；該電磁閥是四通閥。該電磁閥將水分離成三個流之一，其中第一個流用于在鹽濃度低于預定的下設定點時收集凈化的水，第二個流用于在鹽濃度高于預定的上設定點時拋棄水，第三個流用于在鹽濃度位于所述的下設定點和所述的上設定點之間時將水再循環回輸入的供水流中。
[0050]該電磁閥優選具有輸入口(用于接收來自第二電導率計的水)，輸出回流水口(用于將第三個流再循環回供水流中)，輸出廢水口(用于丟棄第二個流)和輸出純水口(用于收集第一個流以制備凈化的水)。
[0051]電磁閥相關口的打開和關閉是通過電子處理器控制的。
[0052]當來自電容去離子化單元的輸出供水流的TDS濃度值位于上設定點和下設定點之間時，電子處理器打開電磁閥的輸出回流水口。當來自電容去離子化單元的輸出供水流的TDS濃度高于上設定點時，電子處理器打開輸出廢水口。當來自電容去離子化單元的輸出供水流的TDS濃度低于下設定點時，電子處理器打開輸出純水口。在保持其他兩個輸出閥關閉的同時打開上述輸出閥。
[0053]電子處理器
本發明的設備包括電子處理器。該電子器件開動電磁閥以將所述水分離成三個流之一。該電子處理器優選與第一電導率計、第二電導率計、電磁閥和電源相連。
[0054]該電子處理器是預編程的，具有用于總的溶解固體濃度值的上設定點和下設定點。
[0055]上設定點優選高于500ppm且優選低于1500ppm。上設定點優選不高于供水流的鹽濃度。
[0056]下設定點優選低于300ppm。更優選低于200ppm。下設定點優選高于lOOppm。[0057]電子處理器基于所測量的輸入和輸出TDS濃度值以及總的溶解固體(TDS)濃度的所述預定的上和下設定點，來控制電磁閥的具體口的打開。
[0058]本發明現在將用下面的非限定性圖來示例。
[0059]附圖的說明
圖1是根據本發明的再循環電容去離子化單元基水去離子化系統的示意方框圖。具有通過位于電容去離子化單元(4)之前的第一電導率計(3)所測得的已知離子濃度的供水(I)被通過泵(2)，從供水的存儲器/內聯源泵送穿過電容去離子化單元(4)，該單元具有用于吸收陽離子的負電極和用于吸收陰離子的正電極(該圖中未示出)。通過位于電容去離子化單元⑷與四通電磁閥(6)之間的第二電導率計(5)測定離開電容去離子化單元的輸出水的離子濃度。電子處理器(7)接收來自第一(3)和第二(5)電導率計的電信號，并且將該信號轉化成TDS濃度值。電子處理器(7)是預編程的，具有TDS濃度值的預定上設定點和下設定點。該電子處理器將所測量的離開第二電導率計(5)的水的TDS濃度與預編程的水平相比較，并控制四通電磁閥(6)的口的打開和關閉。
[0060]圖2是根據本發明的四通電磁閥的示意圖。來自電容去離子化單元的具有所測量的離子濃度值的輸出供水流通過入口(8)進入四通閥。當進入入口(8)的水的TDS濃度值高于預定的上設定點時，電子處理器(7)打開電磁閥的輸出廢水口(10)。當進入入口(8)的水的TDS濃度低于預定的下設定點時，電子處理器(7)輸送信號來打開電磁閥的輸出純水口(11)。
[0061]當進入入口(8)的水的離子濃度位于預定的下設定點和預定的上設定點之間時，電子處理器(X)輸送信號來打開電磁閥的輸出回流水口(9)。
實施例
[0062]實施例1
制作了圖1所示的本發明的用于提高去離子水的回收率的設備，并且用于確定水的回收率。電容去離子化單元的電極是如下來制造的:將粉末活性炭、高密度聚乙烯和導電炭黑(Ensaco 350G，來自HMCAL)以7:2:1的比例混合，并且通過熱處理方法模制在石墨基底上。將一對圓形電極(15cm直徑)置于外殼內，并使得水能夠穿過該電極，并從電源向水施加電勢。這形成了去離子化單元。
[0063]將該去離子化單元連接到直流電源系統，來提供在正和負電極之間的直流電壓。在凈化周期過程中在電極之間施加3.2V的正電勢10分鐘，并提供兩個5分鐘的短接周期和在再生周期過程中施加3.2V的負電勢2分鐘。通過蠕動泵以10ml/min的流量將供水流從存儲器供入電容去離子化單元中。通過第一電導率計來測量該供水流的鹽濃度。供水流的總溶解固體濃度(TDS)值為600ppm。該供水流以徑向進入電容去離子化單元中，并且從頂部電極中心離開該去離子化單元。
[0064]將該電子處理器編程到用于在200ppm的TDS濃度值的預定的下設定點和在600ppm的TDS濃度值的上 設定點。
[0065]在實施例A中，在凈化周期過程中，當離開電容去離子化單元的水的TDS濃度值高于200ppm時，該電子處理器預編程來打開輸出廢水口，和當離開電容去離子化單元的水的TDS濃度值低于200ppm時打開輸出純水口。輸出回流水口在整個周期過程中關閉。[0066]實施例B類似于實施例A，只是在凈化周期過程中，該電子處理器預編程來當離開電容去離子化單元的水的TDS濃度值位于200ppm到600ppm之間時打開輸出回流水口。當離開電容去離子化單元的水的TDS濃度值低于200ppm時打開輸出純水口，和當TDS濃度值高于600ppm時打開輸出廢水口。
[0067]在完整的周期結束時使用下面的等式來計算回收率:
回收率％=(凈化的水的體積/供水的體積)X 100
關于回收率％的數據提供在表1中。
[0068]表1
【權利要求】
1.一種提高去離子水從供水流的回收率的方法，其包括步驟: (i)將供水流遞送到電容去離子化單元中； (ii)測量離開所述電容去離子化單元的水的鹽濃度； (iii)當所述鹽濃度低于預定的下設定點時，收集離開所述單元的水以制備凈化水，或者當所述鹽濃度高于預定的上設定點時，拋棄離開所述單元的水； 其中當離開所述單元的水的鹽濃度位于下設定點和上設定點之間時，將離開所述單元的水再循環到所述供水流中。
2.權利要求1的方法，其中所述上設定點不高于所述供水流的鹽濃度。
3.權利要求1或2的方法，其中所述上設定點高于500ppm。
4.前述任一項權利要求所要求的方法，其中所述上設定點低于1500ppm。
5.權利要求1的方法，其中所述下設定點低于300ppm。
6.權利要求1的方法，其中所述下設定點高于lOOppm。
7.一種用于提高去離子水從供水流的回收率的設備，其包括: (i)用于將供水流輸入到電容去離子化單元中的裝置； (ii)電源，其能夠施加預編程的正電勢、負電勢時間周期以及短接所述單元； (iii)用于測量離開所述單元的水的鹽濃度的儀表； (iv)位于所述儀表下游的電磁閥； (v)電子處理器； 特征在于所述閥是四通閥，并且所述電子處理器已編程以從所述儀表接收離開所述單元的水的鹽濃度值，和開動所述閥將水分離成三個流之一，其中第一個流用于在鹽濃度低于預定的下設定點時收集凈化的水，第二個流用于在鹽濃度高于預定的上設定點時拋棄水，第三個流用于在鹽濃度位于所述的下設定點和所述的上設定點之間時將水再循環回輸入的供水流中。
8.權利要求7的設備，其中所述儀表是電導率計。
【文檔編號】C02F1/00GK103702945SQ201280038208
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年7月18日 優先權日:2011年8月4日
【發明者】T.J.阿倫徹里, V.拉賈納拉亞納 申請人:荷蘭聯合利華有限公司