TW201326054A - 脫鹽系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種脫鹽系統，其包括經組態以接收用於脫鹽之第一液流及用以運走自該第一液流中移除之離子之第二液流的倒極式電透析裝置，及與該倒極式電透析裝置流體連通且經組態以在其間循環該第二液流之沉澱單元。至少一個可反洗過濾器係配置在該倒極式電透析裝置與該沉澱單元之間且與彼等流體連通，且其經組態在正常操作模式中過濾該第二液流。本發明亦提出一種脫鹽方法。
Description
本發明大體上係關於用於水回收之脫鹽系統及方法。更特定而言，本發明係關於用於產物水回收之使用倒極式電透析(EDR)裝置之脫鹽系統和方法。
在工業製程中，產生大量廢水，例如水性鹽溶液。一般而言，此等鹽溶液不適用於家用或工業應用中之直接消耗。鑑於有限的合格水源，諸如廢水、海水或半鹼水之液流之去離子化(俗稱脫鹽)成為產生用於此等應用之合格水之選項。
由於相對更高效率及更高品質之產物水，倒極式電透析裝置已用於此等液流之脫鹽。在操作期間，將此等液流引入用於脫鹽之EDR裝置供產物水回收用。通常，在該等液流之脫鹽期間，亦利用沉澱單元以循環液體至各自的EDR裝置中以便運走自該等液流移除之帶電物質。
然而，隨著EDR裝置與各自沉澱單元之間之液體之循環，該等液體中之鹽或其他雜質之濃度增加。此導致在沉澱單元中發生顆粒沉澱，其可藉由液體帶入EDR裝置中以致引起生水垢或結垢之傾向而損壞EDR裝置。
一直試圖避免引入顆粒沉澱至EDR裝置中。例如，可將筒式過濾器配置在沉澱單元與各自EDR裝置之間以在引入液體至EDR裝置之前過濾顆粒沉澱。然而，筒式過濾器可具有低效率及高更換頻率，其導致操作成本增加。
在另一個實例中，所需沉澱單元之尺寸可為大的，以便提供用於固液分離之其他沉降區域以便在液體循環期間減少引入顆粒沉澱至EDR裝置中之可能性。然而，大尺寸之沉澱單元可導致所需之安裝空間、資金成本及組裝難度增加，其可能會阻止彼等被廣泛地實施。
因此，需要用於水回收之液流脫鹽之新穎及改良之脫鹽系統和方法。
根據本發明之一實施例，提供一種脫鹽系統。該脫鹽系統包括經組態以接收用於脫鹽之第一液流及用以運走自該第一液流移除之離子之第二液流的倒極式電透析裝置，及與該倒極式電透析裝置流體連通且經組態以在其間循環該第二液流之沉澱單元。將至少一個可反洗過濾器進一步配置在該倒極式電透析裝置與該沉澱單元之間且與彼等流體連通且經組態以在正常操作模式中過濾該第二液流。
根據本發明之另一實施例，提供一種脫鹽方法。該脫鹽方法包括使第一液流通過用於脫鹽之倒極式電透析裝置，使第二液流經由沉澱單元通過該倒極式電透析裝置以運走自該第一液流移除之離子，及在將來自該沉澱單元之該第二液流引入該倒極式電透析裝置中之前，藉由至少一個可反洗過濾器在正常操作模式中過濾該第二液流。
從以下結合附圖所提供之本發明之較佳實施例之詳細描述，將更好地瞭解此等及其他優勢及特徵。
將參考附圖，在下文中描述本發明之較佳實施例。在以下之描述中，已熟知之功能或結構未詳細描述以避免以不必要之細節模糊本發明。
圖1係根據本發明之一實施例之脫鹽系統10之示意圖。對於所說明之實例，脫鹽系統10包括倒極式電透析(EDR)裝置11、與EDR裝置11流體連通之沉澱單元12及配置在EDR裝置11與沉澱單元12之間且與彼等流體連通之(第一)可反洗過濾器13。
在本發明之實施例中，EDR裝置11經組態以接收來自用於脫鹽之液體源(未顯示)之具有鹽或其他雜質之第一液流14，及以接收在第一液流14之脫鹽期間來自沉澱單元12之第二液流15，以便將自第一液流14移除之帶電物質(陰離子及陽離子)運出EDR裝置11。在非限制性實施例中，鹽可包括帶電離子，諸如鎂離子(Mg2+)、鈣離子(Ca2+)、鈉離子(Na+)、氯離子(Cl-)及/或其他離子。
因此，第一輸出流(產物流)16(其可為從EDR裝置11出來之稀液)可具有較第一液流14更低之帶電物質濃度。第二流出流(濃縮液流)17具有較從沉澱單元12輸入EDR裝置11之第二液流15更高之帶電物質濃度。在一些實例中，第一輸出流16可被送回至EDR裝置11中或被送至用於進一步脫鹽之其他電或電化學分離裝置。
在某些應用中，第一液流14及第二液流15可包含或不包含相同的鹽或雜質，且可具有或不具有相同濃度之鹽或雜質。在其他實施例中，第二液流15中之鹽或雜質濃度可為
或不為飽和或過飽和。
眾所周知，「EDR」係在DC電流下使用陰離子交換膜及陽離子交換膜以隨著週期性極性反轉從水及其他流體中除去離子或帶電物質之電化學分離裝置。在非限制性實例中，亦可使用其他電化學分離裝置，諸如超級電容器脫鹽(SCD)裝置或電透析(ED)裝置。
在一些非限制性實例中，EDR裝置11包括一對電極，其經組態以分別用作陽極和陰極。複數個交替之陰離子及陽離子交換膜配置在陽極與陰極之間以在其間形成複數個交替之稀釋及濃縮通道。該(等)陰離子交換膜經組態可通過陰離子。該(等)陽離子交換膜經組態可通過陽離子。此外，EDR裝置11包括複數個介於各對膜之間及介於電極與毗鄰膜之間的間隔物。
在一些應用中，電極可包括導電材料，其可導熱或不導熱，及可具有較小之尺寸及較大之表面積之顆粒。在一些實例中，電極可為鈦板或覆鉑鈦板。在其他實例中，導電材料可包括一或多種碳材料。該等碳材料之非限制性實例包括活性碳顆粒、多孔性碳顆粒、碳纖維、碳氣凝膠、多孔中間相碳微球或其組合。在其他實例中，該等導電材料可包括導電性複合物，例如錳或鐵或二者之氧化物，或鈦、鋯、釩、鎢之碳化物或其組合。
該等間隔物可包括任何離子可滲透、非導電性材料，包括膜及多孔及無孔材料。在非限制性實例中，陰離子交換膜可包含包括四級銨基之聚合物材料。陽離子交換膜可包
含包括磺酸基團及/或羧酸基團之聚合物材料。
在操作期間，當EDR裝置11係在正常極性狀態同時施加電流至EDR裝置11時，諸如第一及第二液流14及15之液體沿著如實線20及21所示之第一輸入管道通過第一閥門18及19，分別進入個別交替稀釋及濃縮通道。
在稀釋通道中，第一液流14中之陽離子經由陽離子交換膜朝陰極遷移，進入毗鄰通道中。陰離子經由陰離子交換膜朝陽極遷移，進入其他毗鄰通道中。在位於稀釋通道一側上之毗鄰通道(濃縮通道)中，即使電場對於朝個別電極之離子施加力(例如陰離子被吸引至帶正電荷之陽極)，陽離子亦可不經由陰離子交換膜遷移，且陰離子可不經由陽離子交換膜遷移。因此，陰離子及陽離子留在各自的濃縮通道中且濃縮。
因此，在第二液流15通過濃縮通道以將自稀釋通道遷移之濃縮陰離子及陽離子運送出EDR裝置11，以使第一輸出流(產物流)16及第二輸出流17通過第二閥門22及23，且進入如實線24及25所示之各自的第一輸出管道中。對於一些配置，第一輸出流(產物流)16及第二輸出流17可分別具有較第一及第二液流14、15更低及更高濃度之帶電物質。
可反轉EDR裝置11之電極之極性，以便減少EDR裝置中之生水垢及結垢之傾向。在經反轉之極性狀態中，來自正常極性狀態之稀釋通道可用作濃縮通道以接收第二液流15，及來自正常極性狀態之濃縮通道可用作稀釋通道以接收第一液流14。
因此，在操作期間，第一及第二液流14及15可沿著如虛線26及27表示之各自的第二輸入管道進入EDR裝置11。第一輸出流16及第二輸出流17可沿著如虛線28及29所示之各自的第二輸出管道流動。對於本發明之配置，應注意，EDR裝置11不限於用於處理液體之任何特定倒極式電透析(EDR)裝置。
如圖1所示，沉澱單元12包括容器且經組態以容納及引入第二液流15至EDR裝置11中以運走自第一液流14移除之帶電物質，來產生第二輸出流17。在所說明之實施例中，沉澱單元12之上部(未標示)具有中空之圓柱形狀，及沉澱單元12之下部(未標示)係錐形。或者，沉澱單元12可具有其他形狀，例如圓柱形或矩形。
將第二輸出流17從沉澱單元12之上部(未標示)重引導至沉澱單元12中。因此，第二液流15係在EDR裝置11與沉澱單元12之間循環以使第一液流14脫鹽。在某些應用中，可不將第二輸出流17重引導至沉澱單元12中，及可提供液體源(未顯示)以將液體15引入至沉澱單元12中。
隨著液體15之循環繼續，鹽或其他雜質之濃度不斷增加直至液體15飽和或過飽和。因此，飽和或過飽和之程度可達到隨著時間推移在液體15中出現顆粒沉澱之點。在非限制性實例中，沉澱單元12之上部之一部分可用作促進從第二液流(液體)15分離顆粒沉澱之固液分離空間。在操作期間，可從沉澱單元12之固液分離空間之上部提供或提取第二液流15。在其他實例中，可定義或不定義該固液分離空
間。
因此，在將第二輸出流17從沉澱單元12之上部引入沉澱單元12期間，至少部分顆粒沉澱可從沉澱單元12中之液體15(或從第二輸出流17)分離。在一些實例中，可將具有大於指定直徑之直徑之顆粒沉澱保持在沉澱單元12之限定區域(未顯示)內，或沉降在該沉澱單元12之下部中。具有小於指定直徑之直徑之其他顆粒沉澱可分散在液體15中。
在一些應用中，當將液體15從沉澱單元12引入EDR裝置11中而未過濾分散在其中之顆粒沉澱時，分散之顆粒沉澱可進入EDR裝置11中以引起結垢或生水垢之問題。對於所說明之配置，為了避免在脫鹽期間損壞EDR裝置11，將可反洗過濾器13配置在EDR裝置11與沉澱裝置12之間以過濾液體15，以便在將液體15從沉澱單元12引入EDR裝置11之前從液體15移除至少部分顆粒沉澱。
如本文所用之術語「可反洗過濾器」意指一種可再生之過濾器，其可在由洗滌流體沖洗，例如，以與正常流動方向相反之方向沖洗過濾器來過濾待過濾之液體後重複使用。
在非限制性實例中，可反洗過濾器可包括用於在正常操作模式中容納及過濾待過濾之液體之過濾元件(未顯示)，及與該等流體過濾元件流體連通以供應反洗流體，以在反洗模式中使該等流體過濾元件中之經過濾之材料(亦係指經累積之濾餅)移出可反洗過濾器之反洗管(未顯示)用於再生。如本文所用之術語「正常操作模式」意指可反洗過濾
器正過濾液體之模式。術語「反洗模式」意指經累積之濾餅被衝出可反洗過濾器之模式。在非限制性實例中，用於過濾元件之適宜材料包括聚四氟乙烯(PTFE)，因為PTFE過濾元件易於反洗(由於經累積之濾餅與PTFE過濾元件之間之低黏著力)。
對於本發明之配置，應注意，可反洗過濾器13不限於用於過濾液體15之任何特定可反洗過濾器。在一實例中，可反洗過濾器13可由在Washington,New York district,U.S.A.的Pall Corporation出售。
因此，當液體15從沉澱單元12通過用於過濾之可反洗過濾器13而被引入EDR裝置11中時，分散在液體15中之至少部分顆粒沉澱被過濾。隨著反沖過濾器13隨時間推移之過濾，經過濾之顆粒沉澱可在其間累積。在一些應用中，當經過濾之顆粒沉澱累積至一定水平時，可反洗過濾器13可從正常操作模式轉換至反洗模式，從而可將洗滌流體30引入可反洗過濾器13中以移除其間累積之過濾顆粒沉降以使可反洗過濾器13再生及產生排出流體31。在非限制性實例中，可沿著與液體15之流動方向相反之方向將洗滌流體30引入可反洗過濾器13中。
在所說明之實例中，洗滌流體30及第一液流14係由相同(單一)水源提供，從而第一液流14之一部分可用作洗滌流體30。或者，洗滌流體30可由沉澱單元12或其他水源提供。可將或不將排出流體31引入沉澱單元12中。
使用可反洗過濾器13過濾之後，液體15中之顆粒沉澱濃
度可降低。如圖1所示，過濾器32亦可配置在可反洗過濾器13與EDR裝置11之間且與彼等流體連通以用作用於進一步過濾來自可反洗過濾器13之液體15的後備過濾器。在非限制性實例中，過濾器32可包括可反洗過濾器或貫流式過濾器，例如筒式過濾器。在一實例中，過濾器32包括筒式過濾器。
在一些應用中，為了利於如圖2所示之脫鹽系統10之持續操作，將第二可反洗過濾器36與第一可反洗過濾器13平行配置以過濾來自沉澱單元12之液體15。因此，當第一可反洗過濾器13處於反洗模式時，第二可反洗過濾器36可處於過濾之正常操作模式來使脫鹽系統10連續且穩定地操作。在某些應用中，兩個以上之可反洗過濾器可平行地配置，以協作利於脫鹽操作之連續且穩定操作。
在某些實例中，一定量之液流33可在沉澱單元12中自沉澱單元12之上部從液體15移除以維持沉澱裝置12中之一些物質之恆定體積及/或減少飽和或過飽和度。液流33可與從沉澱單元12之下部移除之液流34混合以形成排出流35。
在一些實施例中，直到鹽或其他雜質之飽和或過飽和度相對極高，其才發生沉澱。因此，在某些實例中，可將晶種顆粒(未顯示)添加至沉澱單元12中以在鹽或其他雜質之較低過飽和度下引起其表面上之沉澱。在某些應用中，晶種顆粒可包含包括(但不限於)CaSO4顆粒劑及其水合物之固體顆粒以引起沉澱。
在本發明之實施例中，脫鹽系統10利用可反洗過濾器以
在液體15被引入EDR裝置11之前過濾來自沉澱單元12之液體15，以避免於其中生水垢或結垢之傾向而利於其穩定操作。相較利用例如筒式過濾器之貫流式過濾器之常規脫鹽系統，可反洗過濾器具有更高之負載顆粒沉澱之耐受性。由於在常規脫鹽系統中之筒式過濾器之相對更高之更換頻率，利用可反洗過濾器可提高系統效率及降低成本。
此外，在一些無可反洗過濾器之常規脫鹽系統中，其沉澱容器可具有大尺寸以定義固液分離空間，使得至少部分顆粒沉澱可從液體中分離以沉降於其中從而避免或減輕在將液體從沉澱容器引入EDR裝置中之後生水垢或結垢之傾向。一般而言，稱為「上升速率」之工程參數可用以決定沉澱單元中之固液分離空間之尺寸。根據定義，當從液固分離空間之上部提取液體時，上升速率係表面上移線性流速。其係提取流速對液固分離空間之截面面積之比率。
例如，在一些無可反洗過濾器之常規脫鹽系統中，通常將上升速率設計為小於0.50加侖/分鐘/平方英尺，例如0.25加侖/分鐘/平方英尺，以確保固液分離性能之適宜水平從而減少在常規脫鹽系統中所利用之拋棄式筒式過濾器之更換頻率。
在本發明之實施例中，因為可反洗過濾器具有更高之負載顆粒沉澱之耐受性，可減小沉澱單元12之尺寸。在一非限制性實例中，隨著利用可反洗過濾器13，將沉澱單元12之上升速率設計為大於0.50加侖/分鐘/平方英尺，例如0.75加侖/分鐘/平方英尺。在其他實例中，可將沉澱單元12之
上升速率設計為大於1.0加侖/分鐘/平方英尺，例如1.5加侖/分鐘/平方英尺。
隨著更大之上升速率，可減小沉澱單元12中之固液分離空間。例如，當沉澱單元12之上升速率從0.25加侖/分鐘/平方英尺增加至1.50加侖/分鐘/平方英尺時，相較無可反洗過濾器之常規脫鹽系統中之沉澱單元，沉澱單元12之固體液分離空間之體積減少約83%，其表示沉澱單元12之尺寸大大減小。在某些應用中，由於利用可反洗過濾器13，沉澱單元12甚至可消除固液分離空間。
因此，由於沉澱單元之固液分離空間之尺寸減小，可減小沉澱單元之覆蓋區。同時可節約沉澱單元之資金成本及可降低組裝難度，及亦可提高系統之靈活度。在工業應用中，脫鹽系統可易於實施且具有成本效益，同時具有更高之效率及性能。
雖然在典型之實施例中已說明及描述本發明，但不希望限於所示之細節，因為在不以任何方式脫離本發明之精神之情況下可作出多種改良及替換。因此，熟習此項技術者僅使用常規實驗可想到本文所揭示之本發明之其他改良及等效物，且據信全部此等改良及等效物係在如以下申請專利範圍所定義之本發明之精神及範疇內。
10‧‧‧脫鹽系統
11‧‧‧倒極式電透析裝置
12‧‧‧沉澱單元
13‧‧‧可反洗過濾器
14‧‧‧第一液流
15‧‧‧第二液流
16‧‧‧第一輸出流(產物流)
17‧‧‧第二流出流(濃縮液流)
18‧‧‧第一閥門
19‧‧‧第一閥門
20‧‧‧實線(第一輸入管道)
21‧‧‧實線(第一輸入管道)
22‧‧‧第二閥門
23‧‧‧第二閥門
24‧‧‧實線(第一輸出管道)
25‧‧‧實線(第一輸出管道)
26‧‧‧虛線(第二輸入管道)
27‧‧‧虛線(第二輸入管道)
28‧‧‧虛線(第二輸出管道)
29‧‧‧虛線(第二輸出管道)
30‧‧‧洗滌流體
31‧‧‧排出流體
32‧‧‧過濾器
33‧‧‧液流
34‧‧‧液流
35‧‧‧排出流
36‧‧‧第二可反洗過濾器
圖1係根據本發明之一實施例之脫鹽系統之示意圖；及圖2係根據本發明之一實施例之複數個可反洗過濾器之組件之示意圖。
10‧‧‧脫鹽系統
11‧‧‧倒極式電透析裝置
12‧‧‧沉澱單元
13‧‧‧可反洗過濾器
14‧‧‧第一液流
15‧‧‧第二液流
16‧‧‧第一輸出流(產物流)
17‧‧‧第二流出流(濃縮液流)
18‧‧‧第一閥門
19‧‧‧第一閥門
20‧‧‧實線(第一輸入管道)
21‧‧‧實線(第一輸入管道)
22‧‧‧第二閥門
23‧‧‧第二閥門
24‧‧‧實線(第一輸出管道)
25‧‧‧實線(第一輸出管道)
26‧‧‧虛線(第二輸入管道)
27‧‧‧虛線(第二輸入管道)
28‧‧‧虛線(第二輸出管道)
29‧‧‧虛線(第二輸出管道)
30‧‧‧洗滌流體
31‧‧‧排出流體
32‧‧‧過濾器
33‧‧‧液流
34‧‧‧液流
35‧‧‧排出流
Claims (20)
- 一種脫鹽系統，其包括，經組態以接收用於脫鹽之第一液流及用以運走自該第一液流移除之離子之第二液流的倒極式電透析裝置；與該倒極式電透析裝置流體連通且經組態以在其間循環該第二液流之沉澱單元；及至少一個配置在該倒極式電透析裝置與該沉澱單元之間且與彼等流體連通之可反洗過濾器，且其經組態在正常操作模式中過濾該第二液流。
- 如請求項1之脫鹽系統，其中該至少一個可反洗過濾器包括過濾元件，且其中該過濾元件包括聚四氟乙烯。
- 如請求項1之脫鹽系統，其中該至少一個可反洗過濾器進一步經組態以接受用於反洗之洗滌流體及在反洗模式中產生排出液。
- 如請求項3之脫鹽系統，其中該第一液流及該洗滌流體係由單一水源提供。
- 如請求項3之脫鹽系統，其中來自該至少一個可反洗過濾器之該排出液經組態以被引入該沉澱單元中。
- 如請求項1之脫鹽系統，其進一步包括配置在該至少一個可反洗過濾器與該倒極式電透析裝置之間且與彼等流體連通之過濾器，且其經組態以過濾來自該至少一個可反洗過濾器之該第二液流。
- 如請求項6之脫鹽系統，其中該過濾器包括筒式過濾器。
- 如請求項1之脫鹽系統，其中該脫鹽系統包括複數個彼此平行配置之可反洗過濾器以過濾來自該沉澱單元之該第二液流。
- 如請求項1之脫鹽系統，其中該沉澱單元包括固液分離空間，且其中該固液分離空間之上部經組態以提供用於引入該倒極式電透析裝置中之第二液流。
- 如請求項9之脫鹽系統，其中該沉澱單元之固液分離空間之上升速率係大於約0.5加侖/分鐘/平方英尺。
- 如請求項9之脫鹽系統，其中該沉澱單元之固液分離空間之上升速率係大於約1.0加侖/分鐘/平方英尺。
- 一種脫鹽方法，其包括，將第一液流通過用於脫鹽之倒極式電透析裝置；經由沉澱單元將第二液流通過該倒極式電透析裝置以運走自該第一液流移除之離子；及在將來自該沉澱單元之該第二液流引入至該倒極式電透析裝置中之前，藉由至少一個可反洗過濾器在正常操作模式中過濾該第二液流。
- 如請求項12之脫鹽方法，其中該沉澱單元包括固液分離空間，且其中在該至少一個可反洗過濾器之正常操作模式中，自該固液分離空間之上部提取該第二液流以將其引入該倒極式電透析裝置中。
- 如請求項13之脫鹽方法，其中當從該固液分離空間之上部提取該第二液流以將其引入該倒極式電透析裝置中時，該沉澱單元之固液分離空間之上升速率大於約0.5加 侖/分鐘/平方英尺。
- 如請求項13之脫鹽方法，其中當從該固液分離空間之上部提取該第二液流以將其引入該倒極式電透析裝置中時，該沉澱單元之固液分離空間中之上升速率大於約1.0加侖/分鐘/平方英尺。
- 如請求項12之脫鹽方法，其進一步包括將洗滌流體通過在反洗模式中之該至少一個可反洗過濾器以產生排出流體。
- 如請求項16之脫鹽方法，其進一步包括將該排出流體引入該沉澱單元中，且其中該洗滌流體及該第一液流係由相同液體源提供。
- 如請求項12之脫鹽方法，其進一步包括經由配置在該至少一個可反洗過濾器與該倒極式電透析裝置之間且與彼等流體連通之過濾器過濾來自該至少一個可反洗過濾器之該第二液流。
- 如請求項18之脫鹽方法，其中該過濾器包括筒式過濾器。
- 如請求項12之脫鹽方法，其中複數個可反洗過濾器係彼此平行地配置以過濾該第二液流。
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