用于調(diào)節(jié)水的裝置和方法以及并入該裝置和方法的系統(tǒng)和工藝的制作方法
【專利摘要】水調(diào)節(jié)器，其利用離子流和選擇性離子過濾控制水硬度和/或pH。在某些實施方案中，水調(diào)節(jié)器包括一個或更多個調(diào)節(jié)電池，每個調(diào)節(jié)電池具有電極和被離子選擇性過濾器分離的陰極側(cè)和陽極側(cè)。離子選擇性過濾器被設(shè)計/被配置/被選擇以傳遞堿土金屬陽離子并且阻止對應(yīng)的碳酸根陰離子。當(dāng)電極被供給能量并且水在過濾器膜的陰極側(cè)和陽極側(cè)上存在時，堿土金屬陽離子穿過膜從陽極側(cè)傳遞至陰極側(cè)，同時膜阻止在陰極側(cè)上的碳酸根離子傳遞至陽極側(cè)。以此方式，堿土金屬陽離子和水硬度可以在陽極流中被降低。
【專利說明】用于調(diào)節(jié)水的裝置和方法從及并入該裝置和方法的系統(tǒng)和 工藝
[0001] 相關(guān)申請資料
[0002] 本申請要求于2013年11月1日提交并且題為"Membrane Water Conditioner(膜式 水調(diào)節(jié)器r的美國臨時專利申請序列第61/899,026號的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，其通過引用W其整 體并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體上設(shè)及水調(diào)節(jié)的領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明設(shè)及用于調(diào)節(jié)水的裝置和方法、 W及并入該裝置和方法的系統(tǒng)和工藝。
[0004] 背景
[0005] 水對許多人類活動是必需的，包括通過蒸汽和水輪機(water化rbine)產(chǎn)生電力、 加熱和加濕生存空間、沐浴、烹任、制造飲料、W及洗涂衣物并且將權(quán)皺從衣物中除去，僅舉 幾個例子。用于運些活動和其他活動的水在化學(xué)組成（例如硬度)上不同，運取決于水的來 源。在許多地理位置中，尤其在水從高巧和高儀(例如，石灰石、白聖、和白云石）的含水層獲 得的地方，水是高碳酸鹽硬度或暫時硬度（temporary hardness)的，運典型地是由溶解的 碳酸巧和碳酸儀的存在引起的。高碳酸鹽硬度的水對在許多人類活動中使用是不合意的， 因為堿±金屬，例如巧和/或儀從水中沉淀出來并且隨著時間，在暴露至水的表面上形成礦 物垢(mineral scale)。運樣的垢具有多種有害的作用，包括降低體積容量（volumetric capacity)(可能導(dǎo)致阻塞）、降低熱轉(zhuǎn)移效率、降低忍吸能力(wicking ability)、W及減少 電氣特性，除了別的之外。在碳酸鹽硬度是普遍的并且垢的有害作用中的一種或更多種導(dǎo) 致例如比如在鍋爐(boiler)、水加熱器、和加濕器中不可接受地加速的設(shè)備故障的情況下， 水常常使用離子交換樹脂來軟化，在離子交換樹脂中巧陽離子在化電荷下用兩倍數(shù)目的一 價陽離子例如鋼和鐘來替換。離子交換軟化的缺點是水包含比在軟化之前存在的更高水平 的一價陽離子。
[0006] 公開內(nèi)容概述
[0007] 在一個實施方式中，本公開內(nèi)容設(shè)及調(diào)節(jié)包含堿±金屬陽離子和對應(yīng)的碳酸根陰 離子的水的方法。該方法包括:使水流入到具有第一陰極側(cè)和第一陽極側(cè)的第一調(diào)節(jié)電池 中W便分別提供陰極流和陽極流;朝向第一陰極側(cè)誘導(dǎo)在陽極流中的堿±金屬陽離子;允 許在陽極流中的堿±金屬陽離子傳遞至陰極流；W及抑制在陰極流中的碳酸根陰離子傳遞 至陽極流。
[000引在另一個實施方式中，用于調(diào)節(jié)包含堿±金屬陽離子和碳酸根陰離子的水的裝 置。該裝置包括第一調(diào)節(jié)電池，所述第一調(diào)節(jié)電池:包括第一陰極側(cè);第一陽極側(cè);位于第一 陰極側(cè)上的第一陰極;位于第一陽極側(cè)上的第一陽極;第一進口，其被設(shè)計且被配置W接收 水并且提供水至第一陰極側(cè)和第一陽極側(cè)兩者W分別提供陰極流和陽極流;第一陰極出 口，其被設(shè)計且被配置W允許陰極流離開第一陰極側(cè);第一陽極出口，其被設(shè)計且被配置W 允許陽極流離開第一陽極側(cè)；W及第一離子選擇性過濾器膜，其將陰極流和陽極流彼此分 離，當(dāng)水存在時，該第一離子選擇性過濾器膜被設(shè)計/被配置/被選擇w:允許在陽極流中的 堿±金屬陽離子傳遞至陰極流;W及抑制在陰極流中的碳酸根陰離子傳遞至陽極流。
[0009] 附圖簡述
[0010] 為了說明本發(fā)明的目的，附圖示出本發(fā)明的一個或更多個實施方案的方面。然而， 應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于在附圖中示出的精確的布置和手段（instrumentality)，在附圖 中：
[0011] 圖1是根據(jù)本發(fā)明制成的并且包括單調(diào)節(jié)電池的單電池水調(diào)節(jié)裝置的示意圖；
[0012] 圖2是如沿著圖1的線2-2截取的放大的縱向的橫截面視圖；
[0013] 圖3是根據(jù)本發(fā)明制成的Ξ電池水調(diào)節(jié)裝置的示意圖；
[0014] 圖4是根據(jù)本發(fā)明制成的另一個Ξ電池水調(diào)節(jié)裝置的示意圖；
[0015]圖5是CaCO沸Ca(OH)姐水中的溶解度相對于抑的圖；W及
[0016]圖6是包括根據(jù)本發(fā)明制成的水調(diào)節(jié)裝置的示例性系統(tǒng)和工藝的示意圖。
[0017] 詳述
[0018] 本發(fā)明的方面W高水平設(shè)及使用誘導(dǎo)的離子流和受控制的離子過濾的組合來減 少水中的碳酸鹽、或暫時硬度。在本文描述的實例中，使用電極來誘導(dǎo)碳酸鹽硬度有關(guān)的離 子的離子流，即堿±金屬(AEM)陽離子(例如，巧陽離子(Ca2+)和儀(Mgh)陽離子)和它們對 應(yīng)的基于碳酸根的陰離子(例如，碳酸根陰離子(0)32?和碳酸氨根陰離子化C〇3^)的離子 流，并且使用過濾器來進行受控制的離子過濾，所述過濾器被設(shè)計且被配置、或被配置且被 選擇W選擇性地使在陽離子的離子流中的陽離子通過并且選擇性地阻止在基于碳 酸根的陰離子的離子流中的基于碳酸根的陰離子。W此方式，產(chǎn)生垢的AEM陽離子的量可W 在過濾器的一側(cè)上的水中被減少W產(chǎn)生被調(diào)節(jié)的水，并且對應(yīng)地，運樣的陽離子的濃度可 W在過濾器的另一側(cè)上被增加。如下文將看到，陽離子減少的被調(diào)節(jié)的水可W被用于任何 合適的基于人類活動的用途，例如用于制造蒸汽和/或制造熱水，除了別的之外，同時陽離 子濃縮的水可W任選地被加工W除去陽離子。此外，被調(diào)節(jié)的水的一部分可W被再循環(huán)至 離子選擇性過濾器的另一側(cè)，其中其升高的酸度可W被用W使可W趨向于在那里累積的垢 溶解。另外地，或可選擇地，被調(diào)節(jié)的水的全部或一部分可W被提供至另一離子流/離子過 濾設(shè)備W用于進一步加工。本發(fā)明的運些和其他方面在下文詳細(xì)地被描述。如在閱讀全部 本公開內(nèi)容之后本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，根據(jù)本發(fā)明制成的水調(diào)節(jié)電池、設(shè)備、和系統(tǒng)可W 相對廉價地被制成并且被操作，使得它們比常規(guī)的硬度除去系統(tǒng)是更合意的。
[0019] 典型地，碳酸巧硬度是碳酸鹽硬度的最普遍的形式。據(jù)估計，70%的水硬度和垢的 累積歸因于碳酸巧(CaC〇3)并且30%歸因于碳酸儀(MgC〇3)。因此，碳酸巧硬度在本文中比硬 度的其他形式更詳細(xì)地被解決，然而運不意指本發(fā)明的方面和特征僅適用于碳酸巧。
[0020] 對于化C〇3(s)在水中形成，需要巧化離子和碳酸氨根2HC03-離子。如果運些中的 一個是不可用的，那么形成的過程可W不發(fā)生。因為CaC〇3(s)在出0中解離成碳酸根離子 C〇32-和巧離子化2+，所W陰離子和陽離子可W被吸引至極化電極(polarized electrode)。 如果被設(shè)計且被配置W防止離子遷移的分離屏障（separation barrier),即離子選擇性過 濾器，被放置在空腔(cavity)內(nèi)的電極之間，那么被分離的離子將在兩個單獨的流中流出。 因為帶負(fù)電荷的離子（陰離子)總是比它們從其衍生的中性原子更大并且?guī)д姾傻碾x子 (陽離子)總是較小，合適地被選擇的分離膜可W被用W抑制較大的離子（陰離子）穿過屏 障。陽離子，例如Ca2+、Mg2\出0%將朝向帶負(fù)電荷的陰極遷移，離開具有OH-、HC03-和Cr (如 果存在）陰離子的帶正電荷的陽極。運將增加在陰極側(cè)上的抑水平并且將降低在陽極側(cè)上 的抑水平。因為兩個流趨向朝向平衡狀態(tài)，富含化的流可W通過沉淀被純化并且陽極流可 W被利用(如果期望）W使巧沉積物溶解。
[0021] 現(xiàn)在參考附圖，圖1圖示根據(jù)本發(fā)明制成的示例性水調(diào)節(jié)裝置100。在此實例中，裝 置100包括具有在使用期間接收將被調(diào)節(jié)的水112的水進口 108的調(diào)節(jié)電池104。在此實例 中，調(diào)節(jié)電池104還包括一對水出口、輸出陰極水流120的陰極側(cè)出口 116和輸出陽極水流 128的陽極側(cè)出口 124。如將在閱讀全部本公開內(nèi)容之后理解的，陽極水流128在本文中被認(rèn) 為包含"被調(diào)節(jié)的"水，其中產(chǎn)生垢的AEM陽離子被除去，并且在某些情況下，陰極水流120可 W被認(rèn)為包含"廢"水，然而此廢水可W進一步地被加工和/或被使用用于一個或更多個最 終使用工藝（end-use proCeSS)。應(yīng)注意，在此實例中，水進口 108、陰極側(cè)出口 116、W及陽 極側(cè)出口 124W單數(shù)形式被示出，但在其他實施方案中，運些項目中的任一個或更多個可W 被對應(yīng)的項目中的兩個或更多個替換，取決于期望的設(shè)計。
[0022] 圖2更詳細(xì)地圖示調(diào)節(jié)電池104。如在圖2中所看到，調(diào)節(jié)電池104包括陰極200和陽 極204，它們彼此分離W部分地界定在該電池內(nèi)的內(nèi)部空間208。對應(yīng)地，內(nèi)部空間208包括 陰極側(cè)212和陽極側(cè)216,其中陰極側(cè)和陽極側(cè)通過離子選擇性過濾器220,例如親水性膜式 過濾器彼此被分離。如在圖2中容易地看到，水進口 108與陰極側(cè)和陽極側(cè)212、216兩者流體 連通，使得流入到內(nèi)部空間208的水112被分離成在調(diào)節(jié)電池104的對應(yīng)的各自側(cè)上的陰極 水流120和陽極水流128。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解的，因為陰極側(cè)和陽極側(cè)212、216 兩者與水進口 108流體連通，所W運些側(cè)的兩者上的水112的壓力典型地，然而不必然地是 彼此相等的或大體上彼此相等的。
[0023] 再次參考圖1并且還參考圖2,水調(diào)節(jié)裝置100還包括用于對陰極200和陽極204供 給能量W分別產(chǎn)生負(fù)電荷和正電荷的電功率源（electrical power source) 132。陰極200 和陽極204中的每個可W由任何合適的材料制成，例如不誘鋼或石墨，除了別的之外。電源 (power source)132優(yōu)選地是直流(DC)電源，然而在其他實施方案中，合適地整流的交流 (AC) (rectified alternating-current)電源可W被使用。在某些實施方案中，電源132可 W是可變的DC電源W提供可調(diào)整性。因為，如上文所示的，根據(jù)本公開內(nèi)容的水調(diào)節(jié)的方面 將產(chǎn)生離子電流（ionic current),所W可能合意的是，通過經(jīng)由分別選擇在陰極200和陽 極204的面對的面200AJ04A之間的相對小的間距S降低在調(diào)節(jié)電池104內(nèi)的電阻，使電源 132的操作電壓最小化。
[0024] 在某些實施方案中，陰極側(cè)和陽極側(cè)212、216中的一個、另一個、或兩者可W任選 地被提供有提供一種或更多種功能的對應(yīng)的間隔物(spacer)212A、216A。運些功能包括但 不限于:通過防止離子選擇性過濾器220(尤其當(dāng)其是膜時）W免阻止流動來保持在陰極側(cè) 和陽極側(cè)212、216的每個上的均勻流動；當(dāng)如在陰極側(cè)和陽極側(cè)之間的壓力是不均勻時，降 低損害膜的風(fēng)險;保持在膜上的均勻的張力、保持在陰極側(cè)和陽極側(cè)兩者上的恒定的體積 W及允許在陰極和陽極200、204之間的非常小的間距S(如本文在別處提及的），可W提供明 顯的優(yōu)點。應(yīng)注意，每個間隔物212AJ16A的僅一部分在圖帥被示出。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容 易地理解，每個間隔物212AJ16A的尺寸和范圍可W被選擇W適合特定的設(shè)計條件。在某些 實施方案中，每個間隔物212AJ16A可W從被應(yīng)用于離子選擇性膜220和/或陰極和電極 200、204中的一個、另一個、或兩者的材料形成，然而在其他實施方案中，每個間隔物212A、 216A可W作為單獨的結(jié)構(gòu)被提供。
[0025] 用于調(diào)節(jié)電池104的操作參數(shù)中的大部分與被處理的水112的性質(zhì)、特定的應(yīng)用、 W及電池的特定的設(shè)計相關(guān)。水112的溫度可W，例如是在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的從0°C至100°C的范 圍內(nèi)，但在某些應(yīng)用中，最優(yōu)的范圍可W是在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的從約fTC至約25Γ。具有溶解的 巧化合物和儀化合物的被處理的水的電導(dǎo)率(conductivity)范圍可W低至零W及高至飽 和，但最優(yōu)的范圍可W是從10化S/cm至飽和點（saturation point)。對于調(diào)節(jié)電池104的單 獨的小的版本，體積流量范圍可W低至〇. 1升每分鐘化P^0或高至化?1。在某些實施方案中， DC電壓可W低至5V或高至140V。測試中的大部分在0VDC至30VDC、120VDC、W及140VDC內(nèi)進 行，因為運樣的電力供應(yīng)器(power supply)是容易地可得的。在某些實施方案中，電流可W 低至10mA或高至20A;測試的最常見的范圍是0.5A至3A。當(dāng)然，運些操作參數(shù)可W根據(jù)調(diào)節(jié) 電池的規(guī)模按需要而變化。
[0026] 應(yīng)注意，當(dāng)電流增加時，陰極水流120的電導(dǎo)率穩(wěn)定地增加；另一方面，陽極水流 128的電導(dǎo)率初始減小并且然后開始增大。運表明在溶液中存在的游離的離子可能在水的 電解發(fā)生之前參與反應(yīng)。寬松地應(yīng)用法拉第電解第一定律（Faraday's 1st law of e 1 ectrolysis)(其陳述"在電解期間在電極處改變的物質(zhì)的質(zhì)量與在該電極處轉(zhuǎn)移的電量 (quantity of elec化icity)成正比"），它消耗定義明確的能量的數(shù)量W將已知量的巧離 子轉(zhuǎn)移至陰極水流120。同樣地，添加多于特定數(shù)量的能量將不導(dǎo)致巧離子進一步地轉(zhuǎn)移至 陰極水流120。本發(fā)明人還觀察到，代表作為溫度的函數(shù)的陰極水流120的抑水平的標(biāo)繪圖 具有清楚可見的平臺（plateau)。對于給定的條件，運可W是陰極水流120接近飽和水平的 指示物;在運樣的情況下，進一步的電流增加將對陰極水流的抑水平具有有限的影響或沒 有影響。因此，陰極水流120的最大抑水平可W作為應(yīng)用于陰極水流的電流的函數(shù)被確定。
[0027] 同樣地感興趣的是相對于電流變化的pH變化。在達(dá)到某種水平的離子電流 (ionizing current)之后，通過電流的進一步的增加可W產(chǎn)生很少的pH變化或沒有產(chǎn)生進 一步的pH變化。運樣的水平的離子電流可W被認(rèn)為是最優(yōu)的操作點。在某些情況下，陽極電 解液的最小電導(dǎo)率可W與陰極電解液的piH的趨平點（1 eve 1 ing-off point)相關(guān)。
[0028] 為了除去或溶解碳酸巧，必須有足夠量的此化合物沉淀或溶解。因為對于本公開 內(nèi)容的水調(diào)節(jié)裝置的某些實施方案所提議的性能范圍（performance envelope)可W被限 定為在1，01化化壓力下的5 <抑< 11、10°C < t < 90°C的限制內(nèi)，所W對于飽和和隨后的沉 淀所需的化C〇3的最小數(shù)量可W相對地明確地被定義。
[0029] 本公開內(nèi)容的水調(diào)節(jié)裝置，例如圖1中的水調(diào)節(jié)裝置100,可W被配置W濃縮、沉 淀、并且然后從水中除去硬度組分，例如碳酸巧，W便充當(dāng)凈化器。在圖1和圖2的調(diào)節(jié)電池 104的情況下，濃縮通過上文描述的離子過濾工藝進行。在碳酸巧的情況下，W下化學(xué)反應(yīng) 在理解離子分離過程中是有幫助的：
[0030] 化C〇3 = C〇32-+Ca2+[當(dāng)被添加至水時，化C03將離子化。]
[00川出0-〉0H-+出礦[水部分地被離子化(氨氧根離子和水合氨離子）。]2此0+C〇2 =肥〇3一+ 出0+[來自空氣中的C02將形成碳酸氨根離子和水合氨離子。]
[0032]因此，當(dāng)在由對陽極和陰極供給能量的電力供應(yīng)器132產(chǎn)生的電場的存在下時，有 將流向陽極204的C032-、0H-和HC03-離子W及將流向（-)陰極200的Ca2+和出礦離子。如上文所 示的，親水性離子選擇性過濾器220，例如NAFIO蛛孩膜(ΝΑ網(wǎng)謝膊):是E. I. DuPont de Numours的注冊商標(biāo))允許某些離子通過，但對于流動的水可W產(chǎn)生高電阻，因此允許平行 的陰極水流和陽極水流120、128在兩個流之間不混合的情況下的流動。陰極水流和陽極水 流120、128充當(dāng)離子的載體。合適的疏水性膜可W是惰性的并且同樣地，可W在化學(xué)反應(yīng) 和/或電化學(xué)反應(yīng)中不起明顯的作用。然而，活性膜，例如NAFION喊膜，可W改進離子分 離的過程（此類型的膜被用于電解器和燃料電池，W及用于氯堿工藝（chloralkali process))。親水性膜可W不允許諸如化、出和CI2的氣體通過。
[0033] 關(guān)于沉淀，設(shè)及使碳酸巧沉淀的W下兩個反應(yīng)在科學(xué)論文中常常被呈遞：
[0034] Ca2++HC〇3-+OH--〉CaC〇3+出 0
[0035] Ca2++c〇32--〉CaC〇3
[0036] CaO)3在酸中是可溶的，酸在水電解池的陽極電解液中局部地W高濃度產(chǎn)生。（"陽 極電解液"是緊鄰陽極的電解質(zhì)的那部分-緊鄰陰極的對應(yīng)的部分被稱為"陰極電解液"）。 在陽極204處產(chǎn)生的酸度化+)可W與直接鄰近陽極放置的礦物碳酸鹽反應(yīng)并且溶解直接鄰 近陽極放置的礦物碳酸鹽。然后，獲得的化離子和C〇32^離子分別朝向陰極200和陽極204遷 移，因此分別形成Ca(〇H)2和此C〇3(和/或C〇2+此0)。應(yīng)當(dāng)注意，在pH含8.2下，所有C〇2被轉(zhuǎn)化 成碳酸氨根離子HOV。
[0037] 基于W下反應(yīng)：
[003引 Ca (0H) 2 (aq) +C02 (g) -〉CaC03U S) +出0 (1)
[0039] 如果陰極電解液，此處的陰極水流120,被暴露至環(huán)境的C〇2或來自瓶的氣體被滲 透通過它，那么固體化C〇3將沉淀。此時，陰極水流和陽極水流120、128可W不同地被處理。 基于特定的應(yīng)用，包含非常少的巧離子、相對地高酸度W及在大部分情況下比原始溶液更 低的電導(dǎo)率的陽極水流128可W被用于特定的用途，例如用于產(chǎn)生蒸汽。在蒸汽產(chǎn)生的一個 實例中，蒸汽機（steamer)可W是歐姆加熱型蒸汽機(ohmic-heating type steamer),其中 陽極水流128在用化Cl滲雜之后被提供至蒸汽機。堿性的、具有高濃度的巧離子、W及高電 導(dǎo)率的陰極水流120可W，例如被用于特定的目的，例如因為其高電導(dǎo)率，用于歐姆加熱過 程，或被進一步加工W除去硬度并且然后被用于特定的目的，除了別的之外。
[0040] 對于除去步驟，在強堿性條件中，碳酸根離子(C〇3^占主導(dǎo)，而在弱堿性條件中，碳 酸氨根離子化C(V)是普遍的。在較酸性的條件中，含水二氧化碳，〇)2(aq)，是主要形式。因 為大部分肥化-和〇)32^離子是在陽極水流128中并且〇)2可能不是可用的，因為陰極水流120 可能不被暴露至環(huán)境的C〇2,所WC〇2注入可W是實際的選項。運樣的除去(純化)可W利用所 設(shè)及的化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)、在溫度和抑下的飽和、W及C〇2對沉淀的作用。
[0041] 特別地參考圖1，沉淀的除去可W使用用于收集沉淀的一個或更多個沉淀器136來 實現(xiàn)。在某些實施方案中，每個沉淀器136可W包括用于除去沉淀沉積物144的沉淀除去系 統(tǒng)140并且還可W任選地包括用于提高除去的效力的如在本公開內(nèi)容中別處描述的加熱器 148和C〇2注入系統(tǒng)152中的一個或兩個。如由匯流(confluence)156所圖示，如果期望，沉淀 器136的輸出流160可W與輸出陽極水流128連接。
[0042] 本公開內(nèi)容的水純化裝置，例如圖1的水調(diào)節(jié)裝置100,可W在W下操作原理中的 一個或更多個下操作：
[0043] -輸入水112關(guān)于化C〇3是不飽和的；
[0044] -輸入水112被分成由離子選擇性過濾器分離的陰極水流和陽極水流120、128;
[0045] -陰極水流和陽極水流120、128的比率為使得增加的化離子濃度是在陰極側(cè)212 上；
[0046] -陰極水流和陽極水流120、128的比率自動地被調(diào)整W使陽離子的濃度最大化；
[0047] -DC電壓被應(yīng)用至陰極200和陽極204;
[004引-為了在陰極側(cè)212上實現(xiàn)最大飽和，進口水使陰極200冷卻；
[0049] -將輸出陰極水流120加熱并且用C〇2滲雜；
[0050] -沉淀的化C〇3被收集并且周期性地被除去；W及 [0化1 ]-將被純化的水返回至該系統(tǒng)。
[0052] 調(diào)節(jié)電池設(shè)計考慮
[0053] 下文總結(jié)了當(dāng)設(shè)計本發(fā)明的水調(diào)節(jié)電池例如圖1和圖2的調(diào)節(jié)電池時可能不得不 被考慮的某些設(shè)計要素 W及因素。為了說明的便利，對調(diào)節(jié)電池104的特定的部件和特征做 出參考。然而，應(yīng)當(dāng)理解，設(shè)計考慮不限于由調(diào)節(jié)電池104圖示的部件的具體的構(gòu)造和布置。
[0054] 離子選擇性過濾器-電極間距
[0055] 在離子選擇性過濾器220與陰極200和陽極204中的每個之間的間距可W明顯地影 響調(diào)節(jié)電池104的性能。在電解過程期間，此的氣泡將在陰極200上產(chǎn)生并且C12將可能在陽 極204上產(chǎn)生，如果水112包含氯化物。氣泡可W沿著流動的路徑生長得更大，從而增加電 阻。離子的濃度還可W沿著該路徑和/或沿著在陰極200和陽極204中的每個與離子選擇性 過濾器220之間的間距S而改變，接近陰極和陽極中的每個處具有局部最大值。存在飽和點， 在飽和點處，該過程的效力隨著離子飽和的增加迅速地劣化。將運兩個條件組合可W導(dǎo)致 并入陰極200和陽極204中的一個、另一個、或兩者的傾斜(slanting)(而不是平行的那些） 的非常規(guī)的設(shè)計。此概念可W被用W產(chǎn)生益處和制造復(fù)雜性的可接受的平衡。測試的原型 (prototype)具有相對于過濾器220被相等地間隔開且對稱的平行的陰極200和陽極204。 [0化6]電極之間的間距
[0057]從電學(xué)觀點來看，穿過陰極200和陽極204的電阻是S/A的函數(shù)，其中如上文注明，S 是在陰極和陽極之間的間距并且A是陰極和陽極的表面積，假定相等的表面積。事實上，如 果離子電流的路徑不是均勻的，則實際的面積可W偏離電極的面積。應(yīng)注意，在陰極200和 陽極204具有不同的表面積時，較小的表面積應(yīng)當(dāng)被用W定義電阻。間距S是在陰極200和陽 極204之間的總距離。因為過濾器220在內(nèi)部空間208內(nèi)產(chǎn)生兩個單獨的室，所W在相應(yīng)的陰 極側(cè)212和陽極側(cè)216中的每個上的陰極水流120和陽極水流128呈現(xiàn)不同于彼此的電學(xué)性 質(zhì)。某些設(shè)計可W使用對于陰極200和陽極204距離過濾器220的不同的間距，使得不同的電 導(dǎo)率被補償并且最低的可能的電阻被實施。運可能在其中目的是分離離子，而不是產(chǎn)生熱 量的某些實施方案中是重要的。在歐姆加熱場之外，任何溫度增加可W被認(rèn)為是浪費能量。 根據(jù)W=I2 · R · T[J]，保持電阻是低的將減少熱量產(chǎn)生。對于相同的電流，較低的電阻可W 允許使用較低的電壓，I=U/R(I:電流;U:電壓;R:電阻）。
[005引水流速度
[0059]在固定的幾何構(gòu)造中的可變的流體速度轉(zhuǎn)化成可變的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。更多的流量可W 不僅僅產(chǎn)生更多的離子，而且產(chǎn)生不得不被除去的更多的氣泡，但只有在有足夠的電流W 支持根據(jù)法拉第定律所需的增加的電解水平的情況下。對于每個調(diào)節(jié)電池104,存在可W在 實驗上確定的最優(yōu)的流量范圍。原型在從ο. ILPM至化PM的范圍內(nèi)的體積水流量下被測試。 在恒定電壓下，不同的流量對離子電流的影響是可測量的并且在改變流量之后幾乎立即是 明顯的。
[0060]水進口-出口位置(平行流或交叉流）
[0061 ]進行的測試指示水的平行流比逆流(counter flow)更好。然而，運可能不總是運 種情況，特別地在包括變速流、總?cè)芙夤腆w的不同的濃度和/或不同的電流的實施方式中。 然而，如果陰極200和陽極204不覆蓋離子選擇性過濾器220的全部長度，調(diào)節(jié)電池104的性 能可W迅速地劣化。據(jù)推斷，在此情況下離子可W迅速地重新組合，使電解過程反轉(zhuǎn)。還觀 察到，當(dāng)水進口 108的Y形支管構(gòu)造不提供陰極側(cè)212和陽極側(cè)216的充分的分離時，那么在 內(nèi)部空間208內(nèi)的陰極水流120和陽極水流128之間的泄漏可W是明顯的，運降低調(diào)節(jié)電池 104的性能。
[0062] 陰極和陽極的面積
[0063] 為了示出歐姆定律適用于此設(shè)計，具有不同面積的陰極200和陽極204的原型被測 試。在單獨的陳述中：在所有其他變量保持不變時，如果電極的面積加倍，則電流加倍。當(dāng)陰 極200和陽極204不具有相同的面積時或當(dāng)陰極和/或陽極的兩側(cè)被暴露至相應(yīng)的陰極水流 120和陽極水流12別寸，應(yīng)當(dāng)小屯、。
[0064] 更仔細(xì)地看S/A的比率(在陰極200和陽極204之間的間距S和作為近似值被當(dāng)作陰 極和/或陽極的面積處理的離子電流流動路徑的橫截面積A)，人們可W正確地推斷出，此比 率越低，電阻將越低。作為實例，使用1/16"間距和1.5"x9"電極（分別地，1.524xl〇-3m和 8.71xl(T3m2)將產(chǎn)生0.175的S/A比率。實際測試確證此比率的總體范圍，然而其他因素可W 被包括。使用理論比率作為起始點可W使該設(shè)計在可變通的范圍（ba 11 park)中，然后該設(shè) 計可W在W后基于測試數(shù)據(jù)來調(diào)整。
[0065] 應(yīng)用的電壓
[0066] 存在對于過程進行所需的最小電壓。因為電壓是低的，在1.4VDC至2.4VDC的范圍 內(nèi)，并且常規(guī)的實際電壓是5VDC、12VDC、24VDC、48VDC、60VDC、W及120VDC，最小電壓可W是 不相關(guān)的。測試在多達(dá)30V的可變DC電壓W及120V和140V的固定DC電壓下被進行，然而其他 電壓可W被使用。安全性是當(dāng)選擇最大操作電壓時的因素。對于太陽能電池板操作（solar panel operation)，在合適的負(fù)載匹配下，24-48-60VDC可W是最優(yōu)的。在最典型的條件下， 電壓不需要比60VDC更高。
[0067] 所需的實際最小電壓可W基于調(diào)節(jié)電池 104的幾何結(jié)構(gòu)和水112的電導(dǎo)率。難W計 算調(diào)節(jié)電池 104的真實的電阻，因為如此多的因素被設(shè)及，例如在進口和出口之間的溫度 差、離子的濃度、離子的類型、流速、幾何結(jié)構(gòu)等等。在實驗中，電阻被確定是在對于進口水 參數(shù)和出口水參數(shù)計算的電阻之間的某處。在任何情況下，若干實驗值可W被用作用于該 設(shè)計的起始點。對于測試原型的值的范圍是從約30 Ω至100 Ω。
[006引離子電流
[0069]根據(jù)法拉第電解第一和第二定律，電流越高，結(jié)果越好。然而，電流自身對于過程 繼續(xù)進行將不是足夠的。離子通過水112的流動的流被供應(yīng)。具有太多的電流和不足夠的離 子的水將產(chǎn)生與其中沒有足夠的電流和太多的離子的情形相同的作用。為了優(yōu)化該過程， 合適的平衡可W在實驗上被確定。因為運是動態(tài)過程，所W水調(diào)節(jié)的持續(xù)的監(jiān)測可能是必 需的。高電流將具有電解并且加熱水112的趨向，運兩者可W具有正面作用并且在某些條件 下是合意的，例如增加電導(dǎo)率用于功率控制和加熱。
[0070] 水飽和水平
[0071] 水112的飽和水平是其抑和溫度的函數(shù)。進料水112可W包含W離子形式的各種水 平的溶解固體，運可W產(chǎn)生電導(dǎo)率的差異。蒸饋水在對調(diào)節(jié)電池104特定的條件下的離子化 可W導(dǎo)致從約4yS/cm至35yS/cm的電導(dǎo)率的增加。運可W發(fā)生，即使沒有總?cè)芙夤腆w的增 加。因為就水飽和被設(shè)及而言，僅有Ξ種可能的情境(不飽和的、飽和的、W及具有固體的沉 積物），降低抑可能僅在存在待被溶解的可用的固體時是有用的。
[0072] 用飽和的水進行的實驗指示，由于焦耳加熱效應(yīng)(Joule heating effect)的溫度 升高可W引起沉淀，對于由于碳酸的存在的抑的降低的情況或在由于碳酸氨根離子的高于 8.2的抑的情況下，所述沉淀不能被補償。如果不審慎地被設(shè)計，水調(diào)節(jié)器可W收集在低速 流動的區(qū)域中被沉淀的化C〇3。
[0073] 流體離子化水平
[0074] 測試指示隨著增加的離子濃度，分離過程的效率降低至其中電流的進一步的增加 可W使溶劑而不是溶質(zhì)電解的點，運可W不僅浪費能量，而且在陰極200處產(chǎn)生氨氣并且在 陽極204處產(chǎn)生氧氣，將典型地不得不從并入調(diào)節(jié)電池104的系統(tǒng)中被除去的氣體。
[0075] 溶解固體的類型
[0076] 在許多情況下，氯化物和其他高度可溶的化合物可W在水中被發(fā)現(xiàn)。此調(diào)節(jié)電池 104的主要的、然而不是唯一的目的是消除難W溶解的巧化合物，并且特別地碳酸巧 (化〔〇3 )。
[0077] 氨氧化巧和暴露至環(huán)境C〇2
[0078] 當(dāng)化C〇3被分成巧離子(化2+)和碳酸根離子(0)32-)并且運些組分彼此被分離時，該 系統(tǒng)將趨向于平衡。水典型地已經(jīng)被離子化為水合氨離子化3〇+)和氨氧根離子(Of)。將所 有運些離子基于其電荷分組典型地導(dǎo)致化和曲0+被分組在陰極側(cè)212上并且C〇32-和0H-被 分組在陽極側(cè)216上。因此，典型地，在陽極側(cè)216上將有碳酸化2C〇3)并且在陰極側(cè)212上將 有氨氧化巧(&(0H)2)。
[0079] 高濃度的碳酸使得對于溶解更多碳酸巧是非常好的環(huán)境，然而在此情況下，大部 分的碳酸已經(jīng)被離子化并且移動至陰極側(cè)212。在調(diào)節(jié)裝置100的創(chuàng)新性設(shè)計下，來自陽極 偵U216的陽極電解液可W被用W溶解W對應(yīng)于在陰極側(cè)212上被除去的巧沉積物的量的巧 沉積物。
[0080] 在陰極側(cè)212上，新產(chǎn)生的氨氧化物當(dāng)被暴露至二氧化碳時，將轉(zhuǎn)化成碳酸巧和 水。因為化(0H)2在水中比化C〇3可溶得多并且產(chǎn)生的氨氧化物的體積僅高至可用的巧離子 和水合氨離子的體積，在沉淀開始之前比化C〇3多得多的化(0H)2可W被溶解。運導(dǎo)致兩個有 用的過程:一個包括使流體成回路若干次W將更多巧累送到輸入流中，并且另一個需要加 工該流體并且將其分成具有越來越高的濃度的巧化合物的越來越小的流。兩種方法都被測 試并且兩者都起作用;然而，由于本文描述的條件，兩者的效力隨著每個循環(huán)明顯地降低。
[0081] 當(dāng)氨氧化巧被暴露至二氧化碳時，碳酸巧和水被形成。將陰極水流120暴露至環(huán)境 的C〇2可W幾乎即刻導(dǎo)致水變成乳狀的。此過程典型地降低流的抑和電導(dǎo)率，因為固體化C〇3 將沉淀。此過程可W通過注入C〇2被加速。
[0082] 暴露至環(huán)境C〇2的陽極電解液和陰極電解液
[0083] 如上文所描述，暴露至C〇2(來自大氣或W其他方式的）的化(0H)2將轉(zhuǎn)化成CaC〇3。 運可W導(dǎo)致電導(dǎo)率和pH的降低并且，特別地在包括高度飽和的流體，Ca(X)3的沉淀的情況 下。在水的電導(dǎo)率能夠主要地通過某些存在（W百萬分率計）的化C〇3實現(xiàn)時，則無論新鮮的 陰極水流120的電導(dǎo)率是多高，在被暴露至C〇2的足夠長的時間段之后，陰極水流的電導(dǎo)率 將在可W或可W不對應(yīng)于飽和水平的水平下趨平，運取決于在水中的巧化合物的水平。在 陰極水流120中，抑的降低(運可W對應(yīng)于電導(dǎo)率的趨平或降低）也可W發(fā)生。陽極水流128 的電導(dǎo)率水平經(jīng)過長的時間段沒有明顯地變化。初始降低可W歸因于巧離子的消耗，而增 加可W由碳酸的形成引起。
[0084] 水的溫度
[0085] 因為溫度的增加趨向于降低碳酸巧的溶解度，所W產(chǎn)生的熱量至少在電解池 (electrolytic cell)中應(yīng)當(dāng)被最小化。另一方面，如果使用沉淀器，升高的溫度將加速除 去固體的過程。
[00化]工作壓力
[0087] 其他出版物廣泛地設(shè)及壓力對巧化合物的溶解度的影響。然而，壓力對本文描述 的水純化的過程的質(zhì)量已經(jīng)幾乎沒有可測量的影響。從機械學(xué)觀點來看，電解池的設(shè)計可 W大大地受工作壓力影響。基于意圖的應(yīng)用，外殼224、任何墊圈（未示出）、W及離子選擇性 過濾器220的安裝必須小屯、地被設(shè)計W避免泄漏和機械故障(mechanical failure)。
[0088] 交叉污染和雜散電流防止
[0089] 實驗中的一個設(shè)及不覆蓋離子選擇性過濾器220的全部暴露的區(qū)域的陰極200和 陽極204。存在調(diào)節(jié)電池104的性能的非常明顯的降低，運可能是由于在電場不存在下離子 通過離子選擇性過濾器220的擴散。陰極200和陽極204兩者具有相同的寬度和長度并且面 向彼此。當(dāng)陰極200和陽極204中的一個較短時，相似的負(fù)面效應(yīng)(negative effect)可W發(fā) 生。遭遇的第二問題是，當(dāng)?'形進口太接近內(nèi)部空間20別寸，不平衡的壓力迫使流體從陰極 偵U212和陽極側(cè)216中的一個溢出至另一個，從而污染已經(jīng)分離的流并且明顯地降低性能。
[0090] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，偏置電流(bias current)應(yīng)當(dāng)審慎地被確定W便優(yōu)化 離子分離而不浪費能量在水電解上。在蒸饋水上進行的測試指示由于電解，3化S/cm的電導(dǎo) 率增加可W被預(yù)期。
[0091] 再次參考圖1，水調(diào)節(jié)裝置100可W任選地包括控制系統(tǒng)164,控制系統(tǒng)164用于控 制該裝置的一個或更多個操作參數(shù)，例如應(yīng)用的電壓(感應(yīng)電流)和電極200、204的間距（圖 2)，W確保該裝置的期望的操作。在示出的實施方案中，控制系統(tǒng)164包括:控制器168;用于 分別測量陰極流和陽極流120、128的電導(dǎo)率的一對電導(dǎo)率傳感器172(1)、172(2);用于分別 測量陰極流和陽極流的pH的一對pH傳感器176(1)、176(2);W及用于響應(yīng)于來自控制器的 控制信號（未示出）而分別移動陰極200(圖2)和陽極204W便調(diào)整在運些電極之間的間距S (圖2)的一對電極致動器180(1 )、180(2)。在此實例中，控制器168接收來自電導(dǎo)率傳感器 172 (1 )、172 (2)和抑傳感器176 (1 )、176 (2)的測量信號（未示出）并且執(zhí)行合適的控制算法 184,控制算法184確定電源132跨越陰極200(圖2)和陽極204應(yīng)用的電壓的幅值或在電極之 間的間距S(圖2)，或電壓幅值和間距兩者。
[0092] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，控制器168可W包括任何合適的硬件188,例如 微處理器、專用集成電路、忍片上系統(tǒng)（system on chip)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn) 換器、W及特定實例化所需的任何其他支持硬件，例如存儲器、電力供應(yīng)器等等。類似地，傳 感器172(1)、172(2)、176(1)、176(2)中的每個可^是提供^原始的格式或調(diào)節(jié)的格式由控 制器168可用的測量信號的任何合適的傳感器。每個電極致動器180(1)、180(2)可W是能夠 受控制器168控制的任何合適類型的致動器，例如液壓的、氣動的、螺桿的、磁性的等等。在 示出的實施方案中，一對電極致動器180(1 )、180(2)被示出，使得陰極200(圖2)和陽極204 可W-致地和在相反方向上被移動W保持在離子選擇性過濾器220(圖2)的兩側(cè)上的相等 的體積。然而，應(yīng)注意，在其他實施方案中，電極致動器180(1)、180(2)可W被單個的致動器 和，例如可W使用單個的致動器一起移動陰極200(圖2)和陽極204兩者的連接系統(tǒng)或齒輪 系統(tǒng)替代。在又其他實施方案中，陰極200(圖2)和陽極204中的僅一個或另一個可W是可致 動的。應(yīng)注意，對于討論中的水調(diào)節(jié)裝置100的特定的實例化，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地能 夠設(shè)想合適的算法184。在控制系統(tǒng)164的各個部件之間/之中和電源132之間/之中的通信 可W是經(jīng)由如所需的有線的和/或無線的通信通道。為了說明，圖1將通道圖示為有線通道。
[0093] 示例性水調(diào)節(jié)系統(tǒng)
[0094] W平行處理陰極輸出流和陽極輸出流的Ξ電池系統(tǒng)
[00巧]圖3圖示具有Ξ個調(diào)節(jié)電池304、308、312的示例性Ξ電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)300，Ξ個調(diào) 節(jié)電池中的每個可W是與圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池104相同的或相似的。調(diào)節(jié)電池304接收輸 入水流316,并且根據(jù)上文描述的圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池104的操作原理輸出陰極流304C和 陽極流304Α。然后，陰極流304C被提供至調(diào)節(jié)電池308，在調(diào)節(jié)電池308中根據(jù)圖1和圖2中的 調(diào)節(jié)電池104的操作原理，陰極流304C被加工W產(chǎn)生陰極-陰極流308CC和陰極-陽極流 308CA。類似地，然后陽極流304Α被提供至調(diào)節(jié)電池312，在調(diào)節(jié)電池312中根據(jù)圖1和圖2中 的調(diào)節(jié)電池104的操作原理，陽極流304Α被加工W產(chǎn)生陽極-陰極流312AC和陽極-陽極流 312ΑΑ。因為陽極-陽極流312ΑΑ將是最酸性的并且陰極-陰極流308CC將是最堿性的，所W陽 極-陰極流312AC和陰極-陽極流308CA可W被再加工W避免流體損失，如由任選的再循環(huán)回 路320和324指示的。在極度簡化的設(shè)計中（未示出），Ξ電池系統(tǒng)304可W使用界定分別對應(yīng) 于調(diào)節(jié)電池304、308、312的Ξ個內(nèi)部空間的單個的殼體;跨越所有Ξ個電池的單個的陰極； 跨越所有Ξ個電池的單個的陽極；W及也跨越所有Ξ個電池的單個的親水性離子選擇性膜 來實施。在運樣的實施方案中，陰極和陽極可W由單個的DC電源供給能量，所述單個的DC電 源可W與示出的DC電源328是相同的或相似的。當(dāng)然，許多可選擇的設(shè)計可W使用多個陰 極、多個陽極、多個膜、多個DC電源、和/或多個殼體來產(chǎn)生。圖3描繪多個殼體的實施方案。
[0096]在示例性原型中，Ξ電池調(diào)節(jié)系統(tǒng)300可W具有W下構(gòu)造。親水性離子選擇性膜 332可W是親水性的、5550PP層壓的且涂覆的、厚度ηΟμπι、孔隙度55%、PP孔徑0.064皿的產(chǎn) 品類型5550-0208E-A1。在所描述的實施方案中，此功能性聚合物膜提供在每個內(nèi)部空間 3041、3081、3121中的正電極和負(fù)電極之間的電子屏障(electronic barrier)，而允許巧離 子從每個空間中的陽極側(cè)交換至陰極側(cè)。每個陰極336和陽極340可W各自是具有18標(biāo)準(zhǔn)尺 寸(gage)厚度的304不誘鋼。在可選擇的實施方案中，陰極336和陽極340可W各自是具有16 標(biāo)準(zhǔn)尺寸厚度的316不誘鋼。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，陰極336和陽極340可W是石墨或其他合適的材 料。每個殼體334可W由對酸和堿的作用有抗性的一種或更多種食品級的材料制成，例如 ABS(丙締臘下二締苯乙締)和/或PP(聚丙締)材料。在某些應(yīng)用中，用于ABS的V0等級可W是 合意的。
[0097] 在某些實施方案中，DC電源328可W是DC可變電力供應(yīng)器。因為主要目的是形成離 子電流，所W操作電壓應(yīng)該通過經(jīng)由減小在電極之間的距離降低電池的電阻和增加暴露至 電池304、308、312中的每個的陰極336和陽極340的面積來最小化。在一個特定的實例中，用 于DC電力供應(yīng)器328的標(biāo)稱設(shè)計點可W是60￥0(：，360胖，10化5八111的水電導(dǎo)率，從及0.1111/1112 的S/A比率。在某些實施方案中，合適的間距S已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是從約0.125英寸(mm)至約0.1875 英寸。
[0098] 原型和測試結(jié)果
[0099] 調(diào)節(jié)系統(tǒng)300的簡單的對稱的Ξ電池模型版本被設(shè)計且被構(gòu)建，并且W下測試被 進行。
[0100] 測試#1:測量在系統(tǒng)300沒有被供給能量的情況下立即采取的陰極-陰極(CC)流 304C、陽極-陰極(AC)流312AC、陰極-陽極(CA)流308CA、W及陽極-陽極(AA)流312AA的水參 數(shù)；
[0101] 測試#2:在向該系統(tǒng)供給能量之后立即采取的0：、4(：、〔4、^及44流的測量；
[0102] 測試#3:在該系統(tǒng)被供給能量下操作的3分鐘時采取的(：(：、4(：八4、^及44流的測 量；
[0103] 測試#4:在該系統(tǒng)被供給能量下操作的3小時時采取的(：(：、4(：八4、^及44流的測 量；
[0104] 測試#5:在該系統(tǒng)被供給能量下操作的24小時時采取的0：、4(：八4、^及44流的測 量；
[0105] 測試#6:在C〇2滲雜之前采取的CC、AC、CA、W及AA流的測量；
[0106] 測試#7:在C〇2滲雜之后采取的0：、4(：人4、從及44流的測量；
[0107] 測試#8:在C〇2滲雜之后3天采取的0：、4(：人4、從及44流的測量；
[010引測試#9:在化C03滲雜之前采取的CC、AC、CA、W及AA流的測量；W及
[0109] 測試#10:在CaC〇3滲雜之后采取的0：、4(：人4、從及44流的測量。
[0110] 來自運些測試的電導(dǎo)率和抑測量分別在W下表1和表1I中被說明。
[0111]
[0113] 為了進行上文提到的測試，使用穩(wěn)壓DC電力供應(yīng)器。通過運樣的電力供應(yīng)器產(chǎn)生 的清潔的電力典型地具有很少的至沒有波動(ripple)并且可W提供穩(wěn)定的電壓，除了很大 的成本外，運與電池的那種相似。在電場不存在下，離子具有擴散和重新組合的趨向，運可 W使離子分離的過程效率較低。通過使用簡單的橋式整流器(bridge rectifier)和電容 器，根據(jù)本發(fā)明制成的水調(diào)節(jié)器的尺寸和成本可W明顯地被降低。另外，運樣的方法允許使 用"斬波器（chopper)"或相角控制器(phase angle conholler)^改變偏置電流。簡單的 電力供應(yīng)器可W被連接至自禪變壓器(autotransformer)。雖然運樣的電力供應(yīng)器可W被 設(shè)計成處理30A電流，但是在15AW下的電流可W被使用。運樣的電力供應(yīng)器可W被使用，W 替代穩(wěn)壓電力供應(yīng)器。同樣地，簡單的、便宜的電力供應(yīng)器和上文提及的控制方法可W被使 用W使水調(diào)節(jié)器能夠如所意圖的和本文所描述的進行。
[0114] W級聯(lián)處理陰極輸出流的Ξ電池系統(tǒng)
[0115] 圖4圖示具有Ξ個調(diào)節(jié)電池404、408、412的另一個示例性Ξ電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400， Ξ個調(diào)節(jié)電池中的每個可W是與圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池相同的或相似的。在此實施方案 中，調(diào)節(jié)電池404、408、412通常W串行的樣式(serial化shion)被布置，其中每個電池的陽 極流404A、408A、412A被導(dǎo)引至收集器儲器(collector reservoirMlG并且電池404、408中 的每個的陰極流404C和408C能夠被導(dǎo)引至下一個調(diào)節(jié)電池，此處分別是電池408、412。在此 實例中，水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400包括用于防止陽極流404A流入到調(diào)節(jié)電池408中的第一止回閥 (check valve)420和用于防止陽極流404A、408A流入到調(diào)節(jié)電池412中的第二止回閥424。 在此實例中，水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400還具有沉淀器428、用于控制被送至調(diào)節(jié)電池408W及朝向沉淀 器旁通的陰極流404C的量的第一Ξ路閥（t虹ee-way valve)432、用于控制被送至調(diào)節(jié)電池 412W及朝向沉淀器的旁通的陰極流408C的量的第二Ξ路閥436、在一個或更多個另外的階 段(未示出）被實施的情況下的第Ξ任選的Ξ路閥440、W及用于控制被送至沉淀器或陰極 流儲器448的陰極流的量的第四Ξ路閥444。進口閥452被提供W控制被提供至水調(diào)節(jié)系統(tǒng) 400的進口流456。在此實例中，在沉淀器428內(nèi)沉淀通過來自C〇2氣體供應(yīng)器460的C〇2來促進 并且來自沉淀器的渺泥464在合適的渺泥收集器468中被收集。累472在此實例中被提供W 使被清潔的水476從沉淀器428中累出。在圖4中沒有被圖示的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400的元件包括電 源和對應(yīng)的至電極的電連接件，運些在圖4中沒有單獨地被標(biāo)記。運些元件中的每個可W與 圖3的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)300中的對應(yīng)的各自的元件是相同的或相似的。
[0116] 作為實例，圖4的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)400可W被用W使在最終使用設(shè)備480(例如蒸汽發(fā)生 器的加熱容器化eating vessel)、鍋爐等等）內(nèi)的巧沉積物的累積變慢。諸如蒸汽機和鍋爐 的設(shè)備是挑戰(zhàn)性的，因為當(dāng)水被蒸發(fā)時，所有雜質(zhì)保持在加熱容器內(nèi)。需要多少維護取決于 進料水的質(zhì)量和蒸汽發(fā)生器的設(shè)計。
[0117] 水通常攜帶多種產(chǎn)生硬度的化合物。為了簡化分析，僅巧化合物，例如CaC〇3和化 (0H)2，W及氯化鋼(NaCl)將被考慮。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，其他化合物，例如儀 化合物(例如，MgO)3和Mg(0H)2)可W也被考慮或可選擇地被考慮。典型地，CaO)3和MgC〇3是 在水中溶解度最差的并且化(0H)2和Mg(0H)2在水中具有低的溶解度，但不像前兩者那樣低。 相比于其他離子化合物，化C1在水中具有高的溶解度。無論如何，隨著時間，固體將在最終 使用設(shè)備480的加熱容器內(nèi)積聚。在包括可購自Ideas Well Done 1XC,Winooski,Vermont 的基于歐姆加熱的蒸汽機的測試中，四個電極和蒸汽機室的石墨外層護套之間的自由體積 (打ee volume)是80cm3。在2.7g/cm3的化C〇3密度下，沉積的固體的質(zhì)量將不會超過216g。當(dāng) 然，運是不切實際的情境，因為蒸汽機將在運樣的質(zhì)量積聚之前很久就停止工作。平均地， 水的20-30%被廢棄并且?guī)ё吆艽蟛糠值墓腆w。所W，理論上，裝滿空腔將需要多久？W下兩 種情境被預(yù)期:具有50mg/L溶解的巧固體的軟水和具有400mg/L溶解的巧固體的硬水。
[0118] 基于每個負(fù)載6升的水和對一個負(fù)載1.5小時的蒸汽機運行，對于軟水可能花費多 至1，080小時并且對于硬水可能花費少至135小時W沉積足W填滿發(fā)生器的固體。事實上， 可能需要更多時間W填滿空腔，但在單元停止工作之前更少的時間可能消逝。主要問題不 是溶解固體，而是形成硬垢的沉淀的固體。石墨、NaCl、W及其他化合物的顆粒與被廢棄的 水一起被帶走并且因此不形成絕緣層（insulating layer)。
[0119] 從圖4中容易地看到，不同的抑影響化C〇3和化(OH) 2的溶解度。改變抑可W使用電 流、用C〇2滲雜、或通過添加堿或酸來完成。產(chǎn)生與將C〇2添加至化(0H)2的溶液相同的結(jié)果 (即，迫使碳酸巧沉淀）的一個實驗是將化(0H)2的溶液添加至化C〇3的溶液。通過此方法實現(xiàn) 的結(jié)果是驚人的。將相等體積的具有828yS/cm和7.21pH的CaC〇3和具有5,310yS/cm和 12.33pH的化(0H)2混合在一起。立即，混合物變成白色，并且在沉淀完成之后，電導(dǎo)率被降 低至1，27化S/cm并且11.77pH?；疌〇3的薄層在一分鐘或兩分鐘內(nèi)被沉積在塑料蓋(plastic cap)的底部上。通過圖5,化學(xué)反應(yīng)可W容易地被理解。在飽和條件下在水中溶解的巧化合 物的最低水平通過將抑保持在9左右來實現(xiàn)。當(dāng)然，如果沒有足夠的溶質(zhì)是可用的，則溶液 將是不飽和的。
[0120] 為了從離子溶液中提取固體，兩種方法可W被使用：1)蒸發(fā)溶劑W及2)使溶質(zhì)沉 淀。第一方法是非常有效的，但不從溶液中除去溶質(zhì)；它除去溶劑。產(chǎn)生蒸汽的過程確實是 如此。第二方法將要求溶液具有高于飽和點的溶質(zhì)的濃度，運在流體具有低濃度的總?cè)芙?固體時可能產(chǎn)生問題。即使當(dāng)額外的固體沉淀時，流體的其余部分可W處于飽和狀態(tài)。
[0121] 本公開內(nèi)容的純化方法可W基于W下原理和假設(shè)。用重量百分?jǐn)?shù)來表達(dá)的溶液的 濃度是溶質(zhì)％ = (g溶質(zhì)/g溶液）x 100%。如果一半溶液被除去，那么濃度將加倍。電解 Ca(X)3的化學(xué)（電化學(xué)）反應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生Ca(0H)2。因為化(0H)2的溶解度比化C〇3的溶解度高許 多，更多的巧可W被"塞進"到相同的溶劑體積中。當(dāng)溶液的pH被降低時，Ca(0H)2的飽和被 降低，迫使沉淀。當(dāng)C〇2被添加至Ca(0H)2時，W下反應(yīng)將發(fā)生:Ca(0H)2(aq) +C02(g)一CaC〇3 (s)+出〇a)DCaO)3和化(0H)2的溶解度在約9pH是最低的。濃縮的流可W被處置或被進一步 加工W除去巧沉積物并且使水返回至系統(tǒng)。
[0122] 當(dāng)水進入第一調(diào)節(jié)電池，例如圖4的調(diào)節(jié)電池404時，電流測量和電壓測量可W被 進行。因為電池幾何結(jié)構(gòu)可W是固定的，所W計算的電導(dǎo)率可W是總?cè)芙夤腆w的函數(shù)。水溫 度也是因素，但預(yù)期的溫度范圍不應(yīng)當(dāng)明顯地改變計算的電阻?？赡鼙匦璧氖窃谀承嵤?方式中也控制抑水平。
[0123] 計算的電導(dǎo)率可W與在電池校準(zhǔn)表(未示出）中的值相比較，并且發(fā)生的概率可W 被確立。如果對于給定的條件，發(fā)生的概率明顯地比預(yù)測的飽和點更高，則輸入水流，例如 圖4中的進口流456，最可能地包含其他可溶的化合物。作為實例，對于20°C和7.5pH，對于 化C〇3的電導(dǎo)率的預(yù)期值是5(K)yS/cm，然而它可W是更低的。
[0124] 基于獲得的電導(dǎo)率的值，初始DC電流可W被確立。在調(diào)節(jié)電池404中，進口流456被 分離成兩個流。陽極流404A可W被導(dǎo)引至共同的收集器，例如圖4中的收集器儲器416,來自 隨后階段(例如調(diào)節(jié)電池408、412和沉淀器428)的流也可W被導(dǎo)引至該共同的收集器。陰極 流404C可W被導(dǎo)引至第二階段調(diào)節(jié)電池，例如調(diào)節(jié)電池408。
[0125] 運樣的巧分離過程的效率可W通過比較進口電導(dǎo)率和出口電導(dǎo)率來測量。在其中 陽極流和陰極流彼此是相等的簡化的解釋中，因為陰極流的流量是初始流量的50%，如果 所有巧離子被提取，那么電導(dǎo)率應(yīng)該加倍。然而，在每種情形下情況不是運樣的，運是因為 穿過兩個室的體積流量、加熱效應(yīng)等等的差異。
[0126] 偏置電流不得不審慎地被確定W便得到最好的離子分離，而不將能量浪費在水電 解上。在蒸饋水上進行的測試指示由于電解，3化S/cm的電導(dǎo)率增加可W被預(yù)期。
[0127] 應(yīng)當(dāng)注意，陰極電解液將在通過調(diào)節(jié)電池之后轉(zhuǎn)化成化(0H)2(不是化C〇3)。運意味 著在電池內(nèi)可W沒有沉淀，即使電導(dǎo)率顯著地增加。運是有益的，因為即使小的水流也可W 包含高濃度的巧離子。
[01%]此時，可W做出關(guān)于包含高濃度巧離子的流將是否被導(dǎo)引至廢棄水盤(rejected water pan)或是進一步被加工的決定。該流的加工可W包括注入CO2W降低pH并且迫使 化C〇3沉淀。
[0129] 沉淀器，例如圖4中的沉淀器428,可W是可W加工來自一個或更多個階段的陰極 電解液的單獨的附加單元（separate add-on unit);因此，單個的沉淀器可W被用于整個 水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。沉淀器，像沉淀器428,可W是能夠自動調(diào)整被注入的C〇2W保持用于化C〇3沉淀 的最優(yōu)piH水平的流過單元(f 1 ow-throu曲uni t)。過分的C〇2滲雜可W將piH降低至其中溶解 度增加并且沉淀過程將是較低效的水平。
[0130] 對于具有與在圖4中示出的布置相似的調(diào)節(jié)電池布置的多電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，作為 進口水的質(zhì)量和電池數(shù)目的函數(shù)的陰極電解液的質(zhì)量是
[0131] πμ=πη·2-W
[0132] 其中；
[0133] ΠΜ =離開第Ν個電池的陰極電解液的質(zhì)量[kg];
[0134] mi =進入第一電池的溶液(水和固體)的質(zhì)量[kg]; W及
[0135] ΝΞ電池數(shù)目
[0136] 作為實例，當(dāng)N = 6并且mi = ：Lkg/分鐘時，mc6=l · 2-6 = 0.01562f5kg/分鐘，運是初始 流量的1.56 %。
[0137] 作為進口水的質(zhì)量、固體的質(zhì)量、W及電池數(shù)目的函數(shù)的陰極電解液的濃度是 [013引 CcN=l/(l+(mwi/mx) · 2-N)
[0139] 其中；
[0140] =在陰極電解液水中的固體的濃度比g/kg];
[0141] mw戸進入第一電池的水(沒有固體)的質(zhì)量帖];W及
[01創(chuàng) mx蘭固體的質(zhì)量(假定在進口處的mx等于在陰極電解液中的化)帖]。
[0143] 作為實例，當(dāng)N = 6，mwi= 1kg，并且mx = 50x l〇-6kg(其是50ppm)時，Cc6 = l/(1 + (1/ 50 · 1〇-6) · 2-6) = 3.19 · l〇-3kg，運是3g/kg或3,000mg/kg或3,000卵m(的Ca(0H)2)。
[0144] 圖6圖示系統(tǒng)600,其包括一個或更多個水消耗設(shè)備604W及被設(shè)計且被配置W調(diào) 節(jié)輸入水612W向該一個或更多個水消耗設(shè)備提供被調(diào)節(jié)的水616的一個或更多個水調(diào)節(jié) 器608。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，每個水消耗設(shè)備604可W是廣泛種類的元件中的 任何元件，例如水加熱器（例如，對于蒸汽機、鍋爐、家庭水加熱器等等）、蓄水池 （storage reservoir)、加濕器、W及氨氣發(fā)生器，除了別的之外。在某些實施方案中，系統(tǒng)600可W被 包含在單個的設(shè)備中，例如咖啡制造機、服裝變燙機（garment steamer)、地毯蒸汽機 (ca巧et steamer)、W及變斗，除了別的之外。根本上，除了源自在其中使用被調(diào)節(jié)的水616 相對于直接地使用輸入水612的益處，對每個水消耗設(shè)備604的性質(zhì)和特性沒有限制。使用 被調(diào)節(jié)的水616相對于輸入水612的示例性益處在本文別處被描述或被提及并且包括減少 的礦物結(jié)垢、減少的阻塞、增加的能量效率、減少的由不合意地高水平的硬度引起的其他損 害。
[0145] 該一個或更多個水調(diào)節(jié)器608中的每個可W包括本公開內(nèi)容的一個或更多個調(diào)節(jié) 電池，例如圖1和圖2中的調(diào)節(jié)電池104,所述一個或更多個調(diào)節(jié)電池可W是W任何合適的方 式鉛垂的，例如如在圖3中的示例性Ξ電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)300中平行鉛垂的（parallel- 口11111160(1)或如圖4中的示例性^電池水調(diào)節(jié)系統(tǒng)4〇〇中串行鉛垂的（361'1曰117-口1111]166(1)，或 平行的或串行的鉛垂布置或其他鉛垂布置的任何合適的組合。根本上，除了水調(diào)節(jié)器608被 配置且被操作W實現(xiàn)期望水平的水調(diào)節(jié)之外，對每個水調(diào)節(jié)器608的構(gòu)造沒有限制。使用本 公開內(nèi)容作為指南，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易地能夠設(shè)計且具體化適于期望的水調(diào)節(jié)的水 平的一個或更多個水調(diào)節(jié)器608而無需過度試驗。
[0146] 示例性實施方案已經(jīng)在上文被公開并且在附圖中被圖示。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理 解，可W對本文特定公開的內(nèi)容作出各種變化、省略和添加而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種調(diào)節(jié)水的方法，所述水包含堿土金屬陽離子和對應(yīng)的碳酸根陰離子，所述方法 包括： 使所述水流入到具有第一陰極側(cè)和第一陽極側(cè)的第一調(diào)節(jié)電池中以便分別提供陰極 流和陽極流； 朝向所述第一陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陽極流中的所述堿土金屬陽離子； 允許在所述陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極流；以及 抑制在所述陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽極流。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括引起在所述陰極流中的所述堿土金屬陽離子中 的至少某些發(fā)生沉淀。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述引起所述堿土金屬陽離子中的至少某些發(fā)生 沉淀包括將二氧化碳注入到所述陰極流中。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述引起所述堿土金屬陽離子中的至少某些發(fā)生 沉淀包括加熱所述陰極流。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使所述陽極流的一部分至所述陰極流形成回路。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 使所述陽極流流入到具有第二陰極側(cè)和第二陽極側(cè)的第二調(diào)節(jié)電池中以便分別具有 陽極-陰極流和陽極-陽極流； 朝向所述第二陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陽極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子； 允許在所述陽極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陽極-陰極流；以及 抑制在所述陽極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽極-陽極流。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括： 使所述陰極流流入到具有第三陰極側(cè)和第三陽極側(cè)的第三調(diào)節(jié)電池中以便分別具有 陰極-陰極流和陰極-陽極流； 朝向所述第三陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子； 允許在所述陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽極流。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 使所述陰極流流入到具有第二陰極側(cè)和第二陽極側(cè)的第二調(diào)節(jié)電池中以便分別具有 陰極-陰極流和陰極-陽極流； 朝向所述第二陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子； 允許在所述陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽極流。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括使所述陽極流和所述陰極-陽極流中的每個流動 至儲器。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括引起在所述陰極流和所述陰極-陰極流中的每 個中的所述堿土金屬陽離子中的至少某些發(fā)生沉淀。11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括： 使所述陰極-陰極流流入到具有第三陰極側(cè)和第三陽極側(cè)的第三調(diào)節(jié)電池中以便分別 具有陰極-陰極-陰極流和陰極-陰極-陽極流； 朝向所述第三陰極側(cè)誘導(dǎo)在所述陰極-陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子； 允許在所述陰極-陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極-陰極流；以 及 抑制在所述陰極-陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽極流。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括使所述陽極流、所述陰極-陽極流、以及所述陰 極-陰極-陽極流中的每個流動至儲器。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括引起在所述陰極流、所述陰極-陰極流、以及所 述陰極-陰極-陰極流中的每個中的所述堿土金屬陽離子中的至少某些發(fā)生沉淀。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿土金屬陽離子是鈣陽離子。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿土金屬陽離子是鎂陽離子。16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制作為所述陽極流和所述陰極流中的至少一 個的電導(dǎo)率和pH中的至少一個的函數(shù)的、應(yīng)用于在所述陽極側(cè)上的陽極和在所述陰極側(cè)上 的陰極的電壓。17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制作為所述陽極流和所述陰極流中的至少一 個的電導(dǎo)率和pH中的至少一個的函數(shù)的、在所述陽極側(cè)上的陽極和在所述陰極側(cè)上的陰極 之間的間距。18. -種用于調(diào)節(jié)水的裝置，所述水包含堿土金屬陽離子和碳酸根陰離子，所述裝置包 括： 第一調(diào)節(jié)電池，其包括： 第一陰極側(cè)； 第一陽極側(cè)； 第一陰極，其位于所述第一陰極側(cè)上； 第一陽極，其位于所述第一陽極側(cè)上； 第一進口，其被設(shè)計且被配置以接收所述水并且以提供所述水至所述第一陰極側(cè)和所 述第一陽極側(cè)兩者，以分別提供陰極流和陽極流； 第一陰極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陰極流離開所述第一陰極側(cè)； 第一陽極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陽極流離開所述第一陽極側(cè)；以及 第一離子選擇性過濾器膜，其將所述陰極流和所述陽極流彼此分離，當(dāng)所述水存在時， 所述第一離子選擇性過濾器膜被設(shè)計/被配置/被選擇以： 允許在所述陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極流；以及 抑制在所述陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽極流。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述第一陰極包括具有廣闊的面的陰極板，所述 第一陽極包括具有廣闊的面的陽極板，所述陽極板的所述廣闊的面面向所述陰極板的所述 廣闊的面，并且所述陰極板和所述陽極板彼此間隔約0.125英寸(3.175mm)至約0.1875英寸 (4.7625mm)的距離。20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括再循環(huán)回路，所述再循環(huán)回路被設(shè)計且被配置 以使所述陽極流的至少一部分再循環(huán)至所述第一調(diào)節(jié)電池的所述第一陰極側(cè)。21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括： 第二調(diào)節(jié)電池，其包括： 第二陰極側(cè)； 第二陽極側(cè)； 第二陰極，其位于所述第二陰極側(cè)上； 第二陽極，其位于所述第二陽極側(cè)上； 第二進口，其與所述第一陽極出口流體連通以便接收所述陽極流并且被設(shè)計且被配置 以提供所述陽極流至所述第二陰極側(cè)和所述第二陽極側(cè)兩者，以分別提供陽極-陰極流和 陽極-陽極流； 第二陰極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陽極-陰極流離開所述第二陰極側(cè)； 第二陽極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陽極-陽極流離開所述第二陽極側(cè)；以及 第二離子選擇性過濾器膜，其將所述陽極-陰極流和所述陽極-陽極流彼此分離，當(dāng)所 述水存在并且所述第二陰極和所述第二陽極被供給能量時，所述第二離子選擇性過濾器膜 被設(shè)計/被配置/被選擇以： 允許在所述陽極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陽極-陰極流；以及 抑制在所述陽極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陽極-陽極流。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，還包括： 第三調(diào)節(jié)電池，其包括： 第三陰極側(cè)； 第三陽極側(cè)； 第三陰極，其位于所述第三陰極側(cè)上； 第三陽極，其位于所述第三陽極側(cè)上； 第三進口，其與所述第一陰極出口流體連通以便接收所述陰極流并且被設(shè)計且被配置 以提供所述陰極流至所述第三陰極側(cè)和所述第三陽極側(cè)兩者，以分別提供陰極-陰極流和 陰極-陽極流； 第三陰極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陰極-陰極流離開所述第三陰極側(cè)； 第三陽極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陰極-陽極流離開所述第三陽極側(cè)；以及 第三離子選擇性過濾器膜，其將所述陰極-陰極流和所述陰極-陽極流彼此分離，當(dāng)所 述水存在并且所述第三陰極和所述第三陽極被供給能量時，所述第二離子選擇性過濾器膜 被設(shè)計/被配置/被選擇以： 允許在所述陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽極流。23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括在所述第一陰極出口的流體地下游處并且被 設(shè)計且被配置以使在所述陰極流中的所述堿土金屬陽離子中的至少某些發(fā)生沉淀的沉淀 器。24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述沉淀器還包括沉淀容器和與所述沉淀容器 流體連通的二氧化碳供應(yīng)器。25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述沉淀器還包括用于接收所述陰極流的至少 一部分的沉淀容器、以及被提供用于加熱所述陰極流的所述部分的加熱器。26. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括： 第二調(diào)節(jié)電池，其包括： 第二陰極側(cè)； 第二陽極側(cè)； 第二陰極，其位于所述第二陰極側(cè)上； 第二陽極，其位于所述第二陽極側(cè)上； 第二進口，其與所述第一陰極出口流體連通以便接收所述陰極流并且被設(shè)計且被配置 以提供所述陰極流至所述第二陰極側(cè)和所述第二陽極側(cè)兩者，以分別提供陰極-陰極流和 陰極-陽極流； 第二陰極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陰極-陰極流離開所述第二陰極側(cè)； 第二陽極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陰極-陽極流離開所述第二陽極側(cè)；以及 第二離子選擇性過濾器膜，其將所述陰極-陰極流和所述陰極-陽極流彼此分離，當(dāng)所 述水存在并且所述第二陰極和所述第二陽極被供給能量時，所述第二離子選擇性過濾器膜 被設(shè)計/被配置/被選擇以： 允許在所述陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極-陰極流；以及 抑制在所述陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陽極流。27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，還包括與所述第一陽極出口和所述第二陽極出口中 的每個流體連通以便分別接收所述陽極流和所述陰極-陽極流的儲器。28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，還包括與所述第一陰極出口和所述第二陰極出口中 的每個流體連通以便分別接收所述陰極流和所述陰極-陰極流的沉淀器。29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，還包括： 第三調(diào)節(jié)電池，其包括： 第三陰極側(cè)； 第三陽極側(cè)； 第三陰極，其位于所述第三陰極側(cè)上； 第三陽極，其位于所述第三陽極側(cè)上； 第三進口，其與所述第二陰極出口流體連通以便接收所述陰極-陰極流并且被設(shè)計且 被配置以提供所述陰極-陰極流至所述第三陰極側(cè)和所述第三陽極側(cè)兩者，以分別提供陰 極-陰極-陰極流和陰極-陰極-陽極流； 第三陰極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陰極-陰極-陰極流離開所述第三陰極 側(cè)； 第三陽極出口，其被設(shè)計且被配置以允許所述陰極-陰極-陽極流離開所述第三陽極 偵h以及 第三離子選擇性過濾器膜，其將所述陰極-陰極-陰極流和所述陰極-陰極-陽極流彼此 分離，當(dāng)所述水存在并且所述第三陰極和所述第三陽極被供給能量時，所述第二離子選擇 性過濾器膜被設(shè)計/被配置/被選擇以： 允許在所述陰極-陰極-陽極流中的所述堿土金屬陽離子傳遞至所述陰極-陰極-陰極 流；以及 抑制在所述陰極-陰極-陰極流中的所述碳酸根陰離子傳遞至所述陰極-陰極-陽極流。30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，還包括與所述第一陽極出口、所述第二陽極出口、以 及所述第三陽極出口中的每個流體連通以便分別接收所述陽極流、所述陰極-陽極流、以及 所述陰極-陰極-陽極流的儲器。31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，還包括與所述第一陰極出口、所述第二陰極出口、以 及所述第三陰極出口中的每個流體連通以便分別接收所述陰極流、所述陰極-陰極流、和所 述陰極-陰極-陰極流的沉淀器。32. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述堿土金屬陽離子是鈣陽離子。33. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述堿土金屬陽離子是鎂陽離子。34. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括被設(shè)計且被配置以控制作為所述陰極流和所 述陽極流中的至少一個的電導(dǎo)率和pH中的至少一個的函數(shù)的、應(yīng)用于所述陰極和所述陽極 的電壓的控制系統(tǒng)。35. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述陰極和所述陽極具有間距，所述裝置還包 括： 至少一個電極致動器，其被設(shè)計且被配置以移動所述陰極和所述陽極中的至少一個以 便改變所述間距；以及 控制系統(tǒng)，其被設(shè)計且被配置以控制所述至少一個電極致動器以便控制作為所述陰極 流和所述陽極流中的至少一個的電導(dǎo)率和pH中的至少一個的函數(shù)的、所述陰極和所述陽極 的所述間距。
【文檔編號】B01D61/44GK105848760SQ201480071254
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年10月30日
【發(fā)明人】T·卡拉賓
【申請人】伍德斯托恩公司