專利名稱：用于純化水性液體的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及水性液體(aqueous liquids)純化且特別地涉及水性液體脫鹽的領(lǐng)域。本發(fā)明的實(shí)施例涉及脫鹽裝置和使用該脫鹽裝置的方法。
背景技術(shù)：
地球表面上少于百分之一的水適合于在家用或工業(yè)應(yīng)用中直接消耗。由于自然飲用水有限的資源，海水或微咸水的去離子(通常被稱作脫鹽)是產(chǎn)生淡水的一種途徑。存在目前用于使水源去離子或脫鹽的多種脫鹽技術(shù)。電容去離子作用是在低電壓(大約1伏)和低壓力(15psig)操作的靜電過程。當(dāng)咸水被抽吸通過高表面積電極組件時，在水中的離子，諸如溶解的鹽、金屬和某些有機(jī)物附著到帶相反電荷的電極上。此使得離子在電極處集中且減小了水中的離子濃度。當(dāng)耗盡電極電容時，停止咸進(jìn)給水，且電容器放電，可選地到單獨(dú)的濃度更大的溶液內(nèi)。然后重復(fù)此循環(huán)。可需要有不同于目前可用的那些裝置或系統(tǒng)的用于脫鹽的裝置或系統(tǒng)。需要有不同于當(dāng)前可用的那些方法的做出或使用用于脫鹽的裝置或系統(tǒng)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種純化水性液體的方法，所述方法包括將包含離子溶質(zhì)的水性進(jìn)給溶液引入到第一超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第二超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物B)，且將濃縮物B引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，之后將水性進(jìn)給溶液引入到第二超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第一超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物 A)，且將濃縮物A引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，回收純化的液體和沉淀物。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種海水脫鹽的方法，所述方法包括將海水引入到第一超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第二超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物B)，且將濃縮物B引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，之后將海水引入到第二超級電容器脫鹽單元內(nèi)， 同時從第一超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物A)，且將濃縮物A引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，回收純化的水和可選地回收鹽沉淀物。在又一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種純化水性液體的方法，所述方法包括將含離子溶質(zhì)的水性進(jìn)給溶液引入到第一超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第二超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物B)，且將濃縮物B引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，之后將水性進(jìn)給溶液引入到第二超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第一超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物 A)，且將濃縮物A引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，回收純化的液體和沉淀物，其中所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元各包括至少一對帶相反電荷的表面，所述方法的特征在于濃縮物A或B在共同沉淀單元中的駐留時間在大約5分鐘至大約4小時的范圍，所述方法的特征在于充電時間和放電時間基本上相同且在大約5分鐘至大約4小時的范圍，所述方法的特征在于在所述成對的帶交變電荷表面上大約1伏的電位降，所述方法的特征在于超級電容器脫鹽單元中的至少一個通過能量回收裝置來放電。在又一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括(a)第一超級電容器脫鹽單元；(b)第二超級電容器脫鹽單元；(c)共同沉淀單元；(d)第一流體輸入管線和第二流體輸入管線；(e)第一流體排放管線和第二流體排放管線；(f)產(chǎn)物輸出管線； 以及，(g)流體返回回路；其中所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元可交替地和相互獨(dú)自地連接到產(chǎn)物輸出管線或共同沉淀單元。通過參考下文的詳細(xì)描述更易于了解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。


在不同附圖中相同的附圖標(biāo)記表示基本上相同的部件。圖1是超級電容器脫鹽單元裝置的示意圖。圖2是可選的超級電容器脫鹽單元裝置。圖3是圖1的堆疊的一部分的分解透視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例在充電操作模式期間超級電容器脫鹽電池的透視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例在放電操作模式期間超級電容器脫鹽電池的透視圖。圖6是在充電操作模式和放電操作模式期間零液體排放水純化系統(tǒng)的方塊圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的零液體排放水純化系統(tǒng)的方塊圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的零液體排放水純化系統(tǒng)的方塊圖。
具體實(shí)施例方式在下文的說明書和權(quán)利要求中，將提及多個術(shù)語，其將被定義為具有以下意義。單數(shù)形式“一”、“該”和“所述”包括多個提及物，除非上下文清楚地表示為其它情況。“可選”或者“可選地”意謂隨后描述的事件或情形可發(fā)生或可不發(fā)生，且該描述包括事件發(fā)生的情況和事件不發(fā)生的情況。如在整個說明書和權(quán)利要求中所用的近似語言可用于修飾任何定量表示，這些定量表示可容許變化而不會導(dǎo)致其相關(guān)的基本功能變化。因此，由諸如“大約”和“基本上”的術(shù)語修飾的值并不限于所規(guī)定的精確值。在至少某些情形下，近似語言可對應(yīng)于用于測量該值的儀器的精度。此處和在整個說明書和權(quán)利要求中，范圍限制可組合和/或互換，這些范圍被識別且包括含于其中的所有子范圍，除非上下文或語言表示為其它情況。如在一實(shí)施例中所述，本發(fā)明提供一種純化水性液體的方法，所述方法包括將包含離子溶質(zhì)的水性進(jìn)給溶液引入到第一超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第二超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物B)，且將濃縮物B引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，之后將水性進(jìn)給溶液弓I入到第二超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第一超級電容器脫鹽單元排放濃縮物 (濃縮物A)，且將濃縮物A引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，回收純化的液體和沉淀物。可根據(jù)本發(fā)明提供的方法純化的包括一種或多種離子溶質(zhì)的水性液體說明性地為海水、微咸水、冷卻塔排污水、化學(xué)過程廢水流、鹽水、湖水、河水、水庫水和其組合。由于其相對充裕，海水是特別重要的進(jìn)給溶液，其可根據(jù)本發(fā)明的方法被純化。在一實(shí)施例中， 微咸水可用作待純化的進(jìn)給溶液。在一實(shí)施例中，水性溶液包括有機(jī)離子溶質(zhì)，例如季銨鹽。如本文所用的術(shù)語咸水廣泛地指包含一種或多種離子溶質(zhì)的水性溶液。通常，存在于咸水中的離子溶質(zhì)為無機(jī)鹽，諸如氯化鈉、溴化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、氯化鈣、氟化鋰和類似物。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，包含離子溶質(zhì)的水性進(jìn)給溶液由串聯(lián)工作的兩個或更多的超級電容器脫鹽單元純化；第一超級電容器脫鹽單元以“充電”模式操作(“充電”)且產(chǎn)生純化產(chǎn)物液體，而第二超級電容器脫鹽單元以“放電”模式(“放電”)操作且產(chǎn)生濃縮物。第一超級電容器脫鹽單元的輸出(純化產(chǎn)物液體)作為純化產(chǎn)物流從系統(tǒng)移除。第二超級電容器脫鹽單元的輸出是濃縮物，其被導(dǎo)向至共同沉淀單元，其中離子溶質(zhì)的一部分沉淀且與其余液相分離，其可循環(huán)回到以“放電”模式操作的第二超級電容器脫鹽單元。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解除了粘附于或包含于沉淀物內(nèi)的液體之外，在此段落中和整個本公開中相似實(shí)施例中所描述的系統(tǒng)能夠零液體排放且可在本文中有時被稱作零液體排放水純化系統(tǒng)。如將在下文中詳細(xì)描述，以“充電”模式的超級電容器脫鹽單元可以“充電”模式操作直到超過適用于保持離子溶質(zhì)的其電容，且之后，超級電容器脫鹽單元以“放電”模式操作，其中保留的離子溶質(zhì)從超級電容器脫鹽單元釋放。傳統(tǒng)零液體排放水純化系統(tǒng)采用單個超級電容器脫鹽單元和單個沉淀單元。因此，雖然超級電容器脫鹽單元處于“充電”模式，沉淀單元并不接收濃縮物。因?yàn)槌夒娙萜髅擕}單元完全“充電”和“放電”所需的時間大致相等，在傳統(tǒng)零液體排放水純化系統(tǒng)中的沉淀單元未充分利用且并不在穩(wěn)態(tài)條件下操作。由本發(fā)明所提供的方法和系統(tǒng)的重要優(yōu)點(diǎn)在于不中斷濃縮物到共同沉淀單元的供應(yīng)且共同沉淀單元可在穩(wěn)態(tài)條件或很接近穩(wěn)態(tài)下操作，從而促進(jìn)共同沉淀單元的高效操作。在一實(shí)施例中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可用于海水脫鹽或使其它微咸水去離子以將鹽量減小至家用和工業(yè)使用可容許的水平。為了更好地理解本發(fā)明和其優(yōu)點(diǎn)，在本文中簡要地給出了超級電容器脫鹽單元的某些基本原理。因此，超級電容器是具有比傳統(tǒng)電容器相對更高能量密度的電化學(xué)電容器。 如本文所用的超級電容器包括其它高性能電容器，諸如高級電容器。電容器可為在一對緊密隔開的導(dǎo)體(被稱作‘板’)之間的電場中儲存能量的電裝置。當(dāng)電壓施加到電容器時， 等量但極性相反的電荷在每個板上累積。參看圖1，該圖展示一示范性超級電容器脫鹽單元(也被稱作裝置)10的圖解視圖，其具有控制器(未圖示)且采用外殼12。該外殼具有限定一體積的內(nèi)表面。在該體積內(nèi)外殼包含超級電容器脫鹽堆疊14。該脫鹽堆疊包括多個超級電容器脫鹽電池16。多個電池16中的每一個包括一對電極、絕緣間隔件和一對集流器。另外，外殼包括至少一個入口 18和一出口 20，進(jìn)給液體通過入口 18進(jìn)入超級電容器脫鹽單元，液體在與超級電容器脫鹽電池接觸之后自出口 20從超級電容器脫鹽單元出來。進(jìn)給液體通過超級電容器脫鹽單元的移動可借助各種手段，諸如重力、吸力和抽吸。仍參看圖1，當(dāng)經(jīng)由進(jìn)給入口 18進(jìn)入以“充電”模式操作的超級電容器脫鹽單元的進(jìn)給液體(未圖示)是咸溶液(例如海水)時，通過流體出口 20從超級電容器脫鹽單元出來的產(chǎn)物液體的鹽度將低于進(jìn)給液體的鹽度。相反，當(dāng)超級電容器脫鹽單元以“放電”模式操作時，通過流體出口 20從超級電容器脫鹽單元出來的流體的鹽度將通常大于進(jìn)給液體的鹽度。如上文所述，超級電容器脫鹽單元包括控制器，且控制器提供對個別超級電容器脫鹽電池16的電極上電位降的控制。此外，控制器可與適當(dāng)閥、傳感器、開關(guān)和類似物通信并控制它們，使得操作模式響應(yīng)于限定標(biāo)準(zhǔn)從“充電”模式可逆地切換到‘放電’模式。這些標(biāo)準(zhǔn)可包括經(jīng)過的時間、離子溶質(zhì)的濃度、導(dǎo)電性、電阻率等。仍參看圖1，在“充電”模式，進(jìn)給液體在超級電容器脫鹽單元堆疊(stack) 14內(nèi)的駐留時間可受控制以便實(shí)現(xiàn)從流體出口 20出來的產(chǎn)物流體中特定鹽度水平。即，可需要更多或更少時間來將進(jìn)給液體去離子到限定的帶電種類水平，如由與控制器通信的適當(dāng)位置的傳感器所測量。在某些實(shí)施例中，多個這種電池可布置于超級電容器脫鹽單元中使得第一電池的輸出可被當(dāng)作第二電池的進(jìn)給液體。參看圖2，該圖展示了由支承板32支承的超級電容器脫鹽堆疊14，其包括多個超級電容器脫鹽電池16，這些電池包括由絕緣分隔件觀分開的電極M和沈。超級電容器脫鹽堆疊可選地包括集流器30。集流器30可用于回收在超級電容器脫鹽單元“充電”期間存儲于超級電容器脫鹽單元中且在超級電容器脫鹽單元“放電”期間釋放的電能。參看圖3，該圖相對于圖1和圖2更詳細(xì)地展示了超級電容器脫鹽堆疊14。該圖示出超級電容器脫鹽堆疊14，其包括支承板32和超級電容器脫鹽電池16和安置于所述電池16之間的集流器30。超級電容器脫鹽電池16包括電極對和沈和絕緣間隔件觀。該圖還示出使用孔或孔口 21，液體在存在于包括堆疊14的電容器脫鹽單元內(nèi)時可通過孔或孔口 21流動。舉例而言，流體可通過孔口 21被引入到堆疊14內(nèi)(由方向箭頭22所示)， 流經(jīng)堆疊的至少一部分，如由方向箭頭23所示，且從堆疊出來，如由方向箭頭25所示。參看圖4，該圖展示了在超級電容器脫鹽單元“充電”期間的超級電容器脫鹽電池 (未示出間隔件)。因此，進(jìn)給流34被引入到該電池內(nèi)，進(jìn)給流34包括離子溶質(zhì)，離子溶質(zhì)包括陽離子36和陰離子38。相反電荷的電極M和沈在進(jìn)給流經(jīng)過該電池時吸引并保持來自進(jìn)給流的相反電荷的離子。離開超級電容器脫鹽電池的產(chǎn)物流體包含比進(jìn)給流更少的離子溶質(zhì)且在附圖中被稱作“稀釋流10，其代表純化的液體。通常，電極M和沈限定大約 1伏與大約2伏(直流)之間的電位差。離子溶質(zhì)將在帶相反電荷電極M和沈處吸附直到表面飽和，在此飽和點(diǎn)，進(jìn)給流將通過該電池，而無任何離子溶質(zhì)濃度變化。在本發(fā)明的各個實(shí)施例中，超級電容器脫鹽電池的電極可在本文中有時被稱作“帶相反電荷的表面”。參看圖5，該圖展示了在超級電容器脫鹽單元放電模式期間的超級電容器脫鹽電池16。在超級電容器脫鹽電池放電模式期間，電極M和沈短路(或者通過負(fù)載在受控制條件下放電以回收所存儲的能量)且陽離子36和陰離子38從電極對和沈表面釋放。在此實(shí)例中，在放電模式期間進(jìn)入該電池的流體為離子溶質(zhì)的飽和或過飽和流。此流體42離開沉淀單元46。在放電模式期間從電池出來的流體(在附圖中被稱作“排放流” 44)代表離子溶質(zhì)的過飽和溶液。排放流被轉(zhuǎn)移到沉淀單元46，在那里，某些離子溶質(zhì)作為固體沉淀物48從排放流分離。在沉淀離子固體之后在沉淀單元中的流體保持離子溶質(zhì)飽和或過飽和。此流的濃度小于排放流44，這是由于在沉淀單元46中離子種類的沉淀。此流體(在附圖中被稱作“飽和進(jìn)給流”42)再循環(huán)通過該電池以輔助從該電池移除陽離子36和陰離子 38。因此，在放電期間超級電容器脫鹽電池的產(chǎn)物是固體沉淀物48和飽和進(jìn)給流42。固體沉淀物可為潮濕的，帶有包括離子溶質(zhì)的流體，該固體沉淀物可周期性地或者連續(xù)地從沉淀單元排放。
參看圖6，該圖展示了傳統(tǒng)零液體排放水純化系統(tǒng)50，其包括以“充電”模式和“放電”模式交替地操作的超級電容器脫鹽單元10和沉淀單元46。在“充電”模式，包括離子溶質(zhì)的水性進(jìn)給流34經(jīng)由閥52被引入到系統(tǒng)內(nèi)且沿著流體輸入管線M到超級電容器脫鹽單元10。在“充電”模式，從超級電容器脫鹽單元10出來的流體40為純化液體，其沿著流體排放管線56傳導(dǎo)至閥58且之后被回收，閥58在“充電”模式期間連接到產(chǎn)物輸出管線59。仍參看圖6的傳統(tǒng)零液體排放水純化系統(tǒng)50，該圖還示出該系統(tǒng)以“放電模式”操作，其中從超級電容器脫鹽單元出來的排放流44經(jīng)由閥58經(jīng)由泵60導(dǎo)向至沉淀單元46。 維持在沉淀單元中的條件使得排放流過飽和離子溶質(zhì)，離子溶質(zhì)在沉淀單元中沉淀為固體沉淀物48，固體沉淀物48可在諸如離心機(jī)的過濾裝置上收集。存在于沉淀單元中的液相通過流體返回回路64、閥52和流體輸入管線M導(dǎo)向回到超級電容器脫鹽單元以輔助從超級電容器脫鹽單元移除離子溶質(zhì)。因此，在“放電”模式期間，超級電容器脫鹽單元用溶液42 洗滌，溶液42相對于在沉淀單元中流行的條件為飽和或過飽和的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解當(dāng)圖6中所描繪的傳統(tǒng)零液體排放水純化系統(tǒng)50以“充電”模式操縱時，沉淀單元將閑置。在“放電”模式，沉淀單元操作但在非穩(wěn)態(tài)條件下。因此，傳統(tǒng)零液體排放水純化系統(tǒng)并不易于在沉淀單元處于穩(wěn)態(tài)條件操作的情況下進(jìn)行連續(xù)操作。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解需要在穩(wěn)態(tài)條件下連續(xù)單元操作以有效地使用器械且運(yùn)用高水平的過程控制。參看圖7，該圖示出本發(fā)明的若干實(shí)施例。在第一實(shí)施例中，圖7示出零液體排放水純化系統(tǒng)70，其同時以“充電”模式和“放電”模式操作，且包括易于在穩(wěn)態(tài)條件下操作的共同沉淀單元46。圖7a示出本發(fā)明的零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括第一超級電容器脫鹽單元10、第二超級電容器脫鹽單元10s、共同沉淀單元46、第一流體輸入管線M和第二流體輸入管線Ms、第一流體排放管線56和第二流體排放管線56s、產(chǎn)物輸出管線59、泵60、可選的補(bǔ)充進(jìn)給入口 62和流體返回回路64。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解零液體排放水純化系統(tǒng) 70被配置成使得第一超級電容器脫鹽單元10和第二超級電容器脫鹽單元IOs可交替地和相互獨(dú)自地連接到產(chǎn)物輸出管線59或共同沉淀單元46。這意味著在操作期間，超級電容器脫鹽單元之一的輸出可被導(dǎo)向至產(chǎn)物輸出管線59，而第二超級電容器脫鹽單元的輸出同時經(jīng)由泵60被導(dǎo)向至共同沉淀單元46。本領(lǐng)域技術(shù)人員還認(rèn)識到由共同沉淀單元帶來的優(yōu)點(diǎn)。即，由于共同沉淀單元由交替地以“充電”模式和“放電”模式操作的第一超級電容器脫鹽單元和另一超級電容器脫鹽單元交替地供應(yīng)，共同沉淀單元可連續(xù)地且在穩(wěn)態(tài)條件下操作。仍參看圖7，該圖示出本發(fā)明的第二方面，即純化水性液體的方法。因此圖7a示出其中水性進(jìn)給溶液34經(jīng)由閥52和流體輸入管線M進(jìn)入到以“充電”模式操作的第一超級電容器脫鹽單元10內(nèi)的方法。隨著進(jìn)給溶液通過存在于超級電容器脫鹽單元中的超級電容器脫鹽電池16 (參看圖幻，存在于進(jìn)給溶液中的離子溶質(zhì)的一部分保留在該電池內(nèi)，其中陰離子保留在帶正電荷的電極(陽極)上且陽離子保留在帶負(fù)電荷的電極(陰極)上， 如在圖4中所描繪。產(chǎn)物流40從超級電容器脫鹽單元10出現(xiàn)且通過流體排放管線56和閥58輸送到產(chǎn)物輸出管線59。產(chǎn)物流40構(gòu)成純化液體，在這個意義上，其包含比進(jìn)給流 34顯著更少的離子溶質(zhì)。
仍參看圖7，圖7a示出本發(fā)明的特征，其中第二超級電容器脫鹽單元(標(biāo)記為 10s，為了方便起見且區(qū)分它與第一超級電容器脫鹽單元10)在放電而第一超級電容器脫鹽單元10在充電。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解在啟動時，超級電容器脫鹽單元10和IOs可循序地被充電使得在操作期間，超級電容器脫鹽單元異相地操作使得當(dāng)?shù)谝怀夒娙萜髅擕}單元在充電時，第二超級電容器脫鹽單元在放電。在第二超級電容器脫鹽單元IOs放電時， 包括離子溶質(zhì)的濃縮的溶液(被稱作“濃縮物B”或排放流44s)從第二超級電容器脫鹽單元出現(xiàn)且在由泵60提供的力下通過第二流體排放管線56s和閥58轉(zhuǎn)移。濃縮物B被引入到共同沉淀單元46內(nèi)。在共同沉淀單元內(nèi)流行的條件下，濃縮物B是過飽和溶液且離子溶質(zhì)的一部分作為固體沉淀物48沉淀出來。共同沉淀單元配備用于連續(xù)移除固體沉淀物的裝置，所述裝置例如為離心機(jī)或旋轉(zhuǎn)真空過濾器，和用于回收上層液體的裝置，上層液體通過流體返回回路64、閥52和第二流體輸入管線5如被導(dǎo)向回到第二超級電容器脫鹽單元 10s。上層液體可通過超級電容器脫鹽單元IOs再循環(huán)直到實(shí)現(xiàn)了所需放電水平。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解共同的沉淀單元的大小適當(dāng)，使得一旦確立后，存在于排放流44s中溶解的溶質(zhì)的量的變動不會不利地影響共同沉淀單元46的穩(wěn)態(tài)操作。仍參看圖7，圖7b示出其中第一超級電容器脫鹽單元10以放電模式操作而第二超級電容器脫鹽單元IOs以“充電”模式操作的本發(fā)明的特征。在圖7所示的實(shí)施例中，可簡單地通過使超級電容器脫鹽電池內(nèi)的電極短路并旋轉(zhuǎn)閥52和58而使超級電容器脫鹽單元從“充電”模式切換到放電模式?；蛘撸珊唵蔚赝ㄟ^在超級電容器脫鹽電池上施加電壓電位并切換閥52和58而使超級電容器脫鹽單元從“放電”模式切換到“充電”模式。參看圖8，該圖示出可根據(jù)本發(fā)明的方法使用的協(xié)議。圖8a展示了當(dāng)從圖7a所示的配置切換到圖7b所示的配置時適用的零液體排放水純化系統(tǒng)70的中間配置。此配置使得能沖洗超級電容器脫鹽單元IOs和10和相關(guān)聯(lián)的管路56s和56的存量(inventory)以便俘獲這些存量值且避免混合濃縮流和純化流。該步驟也使得進(jìn)給管線5 和M能被充注正確的成分以準(zhǔn)備以圖7b所描繪的模式操作。圖8a所示的模式的操作持續(xù)時間相對于圖 7a和圖7b所示模式的操作持續(xù)時間較短。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到圖7a和圖8a的配置是相關(guān)的且可通過切換閥52互換。參看圖8a，進(jìn)給流34被重新引入到第二超級電容器脫鹽單元IOs內(nèi)以沖洗電池IOs和管線56s的濃縮存量朝向共同沉淀單元。這導(dǎo)致管線5如和電池IOs至少部分地被填充新鮮進(jìn)給且因此準(zhǔn)備置于充電模式。這也導(dǎo)致管線M和電池10至少部分地被填充濃縮物且因此準(zhǔn)備置于放電模式。以圖8a所描繪的模式操作也從超級電容器脫鹽單元10、流體排放管線56沖洗潔凈的產(chǎn)物經(jīng)由閥58到產(chǎn)物輸出管線59。 當(dāng)完成此沖洗步驟時，如由預(yù)設(shè)定時器或者適當(dāng)導(dǎo)電率或濃度測量所示，閥58被切換成提供圖7b所示的配置。圖8b展示了當(dāng)從圖7b所示的配置切換回到圖7a所示的配置時適用的零液體排放水純化系統(tǒng)70的中間配置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到圖7b和圖8b的配置是相關(guān)的且可通過切換閥52互換。參看圖8b，進(jìn)給流34被重新引入到第一超級電容器脫鹽單元10內(nèi)以沖洗第一超級電容器脫鹽單元10和流體排放管線56的濃縮存量朝向共同沉淀單元。這導(dǎo)致管線M和電池10至少部分地被填充新鮮進(jìn)給且因此準(zhǔn)備置于充電模式。這也導(dǎo)致管線5如和電池IOs至少部分地被填充濃縮物且因此準(zhǔn)備置于放電模式。以圖8b所描繪的模式操作也從第二超級電容器脫鹽單元IOs和流體排放管線56s沖洗潔凈的產(chǎn)物經(jīng)由閥58到產(chǎn)物輸出管線59。當(dāng)完成此沖洗步驟時，如由預(yù)設(shè)定時器或者適當(dāng)導(dǎo)電率或濃度測量所示，閥58被切換成提供圖7a所示的配置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到在本發(fā)明的各個方面中所展示的共同沉淀單元46可產(chǎn)生濕固體，其可選地在單獨(dú)操作(諸如熱結(jié)晶器)中干燥，以能進(jìn)行額外水回收。另外，在本發(fā)明的各個方面中展示的共同沉淀單元46可包括清除流。清除流也可在熱結(jié)晶器中處理以能進(jìn)行額外水回收。為了允許共同沉淀單元基本上穩(wěn)態(tài)操作，由清除流所代表的從沉淀器的水流失、固體產(chǎn)物的水分含量或者二者可通過經(jīng)由補(bǔ)充進(jìn)給入口 62引入少量新鮮進(jìn)給到沉淀器而補(bǔ)充。如上文所述，在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，提供一種純化包括離子溶質(zhì)的水性液體的方法，其使用零液體排放水純化系統(tǒng)，該零液體排放水純化系統(tǒng)包括第一超級電容器脫鹽單元、第二超級電容器脫鹽單元和共同沉淀單元。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種適用于純化包括一種或多種離子溶質(zhì)的水性液體的零液體排放水純化系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括第一超級電容器脫鹽單元、第二超級電容器脫鹽單元、共同沉淀單元、第一流體輸入管線和第二流體輸入管線、第一流體排放管線和第二流體排放管線、產(chǎn)物輸出管線和流體返回回路。在一實(shí)施例中，超級電容器脫鹽單元中的至少一個包括具有氣凝膠(aerogel)的至少一個電極，該氣凝膠例如為具有低電阻率和高比表面積的碳?xì)饽z。在某些實(shí)施例中，超級電容器脫鹽單元中的至少一個包括一對帶相反電荷的表面，其執(zhí)行電極的離子保持功能。因此，在某些實(shí)施例中，第一超級電容器脫鹽單元、 第二超級電容器脫鹽單元或二者可包括至少一對帶相反電荷的表面，這些表面中的至少一個包括氣凝膠。在另一實(shí)施例中，所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元中的至少一個包括至少一對具有氣凝膠的帶相反電荷的表面。在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括第一超級電容器脫鹽單元；第二超級電容器脫鹽單元；共同沉淀單元；第一流體輸入管線和第二流體輸入管線；第一流體排放管線和第二流體排放管線；產(chǎn)物輸出管線；以及，流體返回回路；其中所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元可交替地和相互獨(dú)自地連接到產(chǎn)物輸出管線或者共同沉淀單元。在一實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝怀夒娙萜髅擕}單元連接到共同沉淀單元時，其也連接到所述流體返回回路，且第一流體輸入管線的至少一部分連接到所述流體返回回路。在一實(shí)施例中，第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元使用不超過兩個閥可交替地和相互獨(dú)自地連接到產(chǎn)物輸出管線或共同沉淀單元。在一實(shí)施例中，該零液體排放水純化系統(tǒng)還包括流體泵。在另一實(shí)施例中，共同沉淀單元包括補(bǔ)充進(jìn)給入口和連續(xù)過濾裝置。在一實(shí)施例中，共同沉淀單元包括連續(xù)過濾裝置，其選自伯德過濾器、鼓式過濾器、旋轉(zhuǎn)真空過濾器、離心機(jī)和其組合。在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供的零液體排放水純化系統(tǒng)還包括共同沉淀單元，其包括伯德過濾器。在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括第一超級電容器脫鹽單元；第二超級電容器脫鹽單元；共同沉淀單元；第一流體輸入管線和第二流體輸入管線；第一流體排放管線，第二流體排放管線；產(chǎn)物輸出管線；以及，流體返回回路；其中第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元可交替地和相互獨(dú)自地連接到產(chǎn)物輸出管線或共同沉淀單元，其中第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元中的至少一個包括能量回收裝置(例如，逆變器)。
在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括至少一對帶相反電荷的表面，這些表面包括可滲透離子的有機(jī)涂層，例如可滲透離子的有機(jī)聚合物。如上文所述，在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，使用共同沉淀單元或者該系統(tǒng)包括共同沉淀單元，其可用于連續(xù)移除固體沉淀物。共同沉淀單元可包括連續(xù)過濾設(shè)備，其分離沉淀物與上層液體。在一實(shí)施例中，共同沉淀單元包括連續(xù)過濾設(shè)備，其選自伯德過濾器、鼓式過濾器、旋轉(zhuǎn)真空過濾器、離心機(jī)和其組合。在一可選的實(shí)施例中，共同沉底單元包括連續(xù)過濾設(shè)備，其為離心機(jī)。在又一實(shí)施例中，共同沉淀單元包括連續(xù)過濾設(shè)備，其為旋轉(zhuǎn)真空過濾器ο由本發(fā)明提供的方法的特征在于材料在用于實(shí)踐本發(fā)明的系統(tǒng)的某些構(gòu)件內(nèi)的各種駐留時間。在一實(shí)施例中，本發(fā)明的方法的特征于濃縮物A或B在共同沉淀單元中的駐留時間在大約1分鐘至大約M小時的范圍。在一可選的實(shí)施例中，本發(fā)明方法的特征于濃縮物A或B在共同沉淀單元中的駐留時間在大約10分鐘至大約4小時的范圍。在各種實(shí)施例中，本發(fā)明提供的方法的特征在于充電時間和放電時間。充電時間是超級電容器脫鹽單元以“充電”模式操作的時間間隔。放電時間是超級電容器脫鹽單元以“放電”模式操作的時間間隔。盡管充電時間和放電時間可在包含離子溶質(zhì)的水性液體的連續(xù)純化期間根據(jù)需要而不同，循序相關(guān)的充電時間和放電時間可大約相同長度。在一實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的方法的特征在于在所述成對的帶相反電荷的表面上大約1伏的電位降。在一實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的方法的特征在于在超級電容器脫鹽電池中至少一對帶相反電荷電極上大約1伏的電位降。如上文所述，當(dāng)從“充電”模式切換到“放電”模式時，在充電超級電容器脫鹽單元內(nèi)的超級電容器脫鹽電池的電極或帶相反電荷的表面短路或經(jīng)歷受控制的放電。當(dāng)采取受控制放電方案時，可回收在充電期間儲存于超級電容器脫鹽單元中的能量。在一實(shí)施例中， 在由本發(fā)明提供的方法中所用的超級電容器脫鹽單元的至少一個經(jīng)歷受控制的放電且在充電期間儲存于超級電容器脫鹽單元中的能量由一個或多個能量回收裝置回收。在一實(shí)施例中，能量回收裝置是逆變器。在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括至少一個能量回收裝置。在一實(shí)施例中，能量回收裝置是逆變器。在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括逆變器。本文所述的實(shí)施例是具有與權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明的元件相對應(yīng)元件的組合物、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法的實(shí)例。本書面描述可使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可做出和使用具有同樣對應(yīng)于權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明元件的替代元件的實(shí)施例。本發(fā)明的范圍因此包括并非不同于權(quán)利要求的字面語言的組合物、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法，且還包括與權(quán)利要求的字面語言并無實(shí)質(zhì)不同的其它結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法。雖然僅在本文中說明和描述了某些特點(diǎn)和實(shí)施例， 但本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到許多修改和變化。權(quán)利要求涵蓋所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種純化水性液體的方法，所述方法包括將包含離子溶質(zhì)的水性進(jìn)給溶液引入到第一超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第二超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物B)，且將濃縮物B引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，之后將水性進(jìn)給溶液引入到所述第二超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從所述第一超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物A)，且將濃縮物A引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及回收純化的液體和沉淀物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性進(jìn)給溶液是選自海水、微咸水、 冷卻塔排污水、化學(xué)過程廢水流、鹽水、咸水(表面鹽湖)和其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性進(jìn)給溶液是海水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元中的至少一個包括至少一對具有氣凝膠的帶相反電荷的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述帶相反電荷的表面包括可滲透離子的涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述共同沉淀單元包括至少一個過濾設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述共同沉淀單元包括連續(xù)過濾設(shè)備，其選自伯德過濾器、鼓式過濾器、旋轉(zhuǎn)真空過濾器、離心機(jī)和其組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法的特征在于，濃縮物A或B在所述共同沉淀單元中的駐留時間在大約1分鐘至大約M小時的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法的特征在于，濃縮物A或B在所述共同沉淀單元中的駐留時間在大約5分鐘至大約4小時的范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法的特征在于，充電時間和放電時間基本上相同且在大約5分鐘至大約4小時的范圍。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，所述方法的特征在于在所述成對的帶相反電荷的表面上大約1伏的電位降。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述超級電容器脫鹽單元中的至少一個通過能量回收裝置(例如，逆變器)放電。
13.—種海水脫鹽的方法，所述方法包括將海水引入到第一超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第二超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物B)，且將濃縮物B引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及之后將海水引入到所述第二超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從所述第一超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物A)，且將濃縮物A引入到所述共同沉淀單元內(nèi)；以及，回收純化的水；以及可選地回收海鹽沉淀物。
14.一種純化水性液體的方法，所述方法包括將包含離子溶質(zhì)的水性進(jìn)給溶液引入到第一超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從第二超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物B)，且將濃縮物B引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及，之后將水性進(jìn)給溶液引入到所述第二超級電容器脫鹽單元內(nèi)，同時從所述第一超級電容器脫鹽單元排放濃縮物(濃縮物A)，且將濃縮物A引入到共同沉淀單元內(nèi)；以及回收純化的液體和沉淀物；其中所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元各包括至少一對帶相反電荷的表面，所述方法的特征在于濃縮物A或B在所述共同沉淀單元中的駐留時間在大約5分鐘至大約4小時的范圍，所述方法的特征在于充電時間和放電時間基本上相同且在大約5分鐘至大約4小時的范圍，所述方法的特征在于在所述成對的帶交變電荷表面上大約1伏的電位降，所述方法的特征在于所述第一超級電容器脫鹽單元中的至少一個通過能量回收裝置來放電。
15.一種零液體排放水純化系統(tǒng)，其包括(a)第一超級電容器脫鹽單元；(b)第二超級電容器脫鹽單元；(c)共同沉淀單元；(d)第一流體輸入管線和第二流體輸入管線；(e)第一流體排放管線和第二流體排放管線；(f)產(chǎn)物輸出管線；以及，(g)流體返回回路；其中所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元可交替地和相互獨(dú)自地連接到所述產(chǎn)物輸出管線或所述共同沉淀單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述第一超級電容器脫鹽單元連接到所述共同沉淀單元時，其也連接到所述流體返回回路，且所述第一流體輸入管線的至少一部分連接到所述流體返回回路。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述第一超級電容器脫鹽單元連接到所述產(chǎn)物輸出管線時，所述第二超級電容器脫鹽單元連接到所述共同沉淀單元和所述流體返回回路，且所述第二流體輸入管線的至少一部分連接到所述流體返回回路。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一超級電容器脫鹽單元和第二超級電容器脫鹽單元使用不超過兩個閥可交替地和相互獨(dú)自地連接到所述產(chǎn)物輸出管線或所述共同沉淀單元。
19.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其還包括流體泵。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述共同沉淀單元包括補(bǔ)充流體入口和連續(xù)過濾裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述共同沉淀單元包括伯德過濾器。
全文摘要
本發(fā)明提供用于高效純化包括離子溶質(zhì)的水性液體的方法和系統(tǒng)。液體由串聯(lián)工作的多個超級電容器脫鹽單元純化；第一單元以“充電”模式操作，使進(jìn)給溶液去離子且產(chǎn)生純化產(chǎn)物液體，而第二超級電容器脫鹽單元以“放電”模式操作，釋放離子到循環(huán)流內(nèi)且產(chǎn)生濃縮物。第一脫鹽單元的輸出作為純化產(chǎn)物流被移除。第二脫鹽單元的輸出是濃縮物，其被導(dǎo)向至共同沉淀單元，其中離子溶質(zhì)的一部分沉淀且與其余液相分離，其可再循環(huán)到第二脫鹽單元。異相操作的兩個超級電容器脫鹽單元的使用允許共同沉淀單元在穩(wěn)態(tài)條件下連續(xù)地操作。
文檔編號C02F1/469GK102196999SQ200980142424
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者J·M·西爾瓦 申請人:通用電氣公司