專利名稱：連續(xù)電去離子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電去離子裝置，特別是具有板框式組件的利用離子選擇電滲透除去水中離子的裝置。
背景技術(shù)：
連續(xù)電除鹽技術(shù)又稱電去離子技術(shù)(electrodeionization，下文中簡稱EDI)是利用可導離子材料(如離子交換樹脂和離子交換膜)和電流的共同做用，對流體中離子態(tài)或可離子化物質(zhì)(雜質(zhì))進行分離的一種技術(shù)。由于EDI組件在使用時，不需要酸堿再生，產(chǎn)水水質(zhì)可以達到或超過離子交換法所能達到的水質(zhì)，且產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，能夠連續(xù)操作，裝置占地少于離子交換法，不需要處理廢酸堿等優(yōu)點，在純水和超純水制造領(lǐng)域，EDI技術(shù)逐漸取代了離子交換技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于半導體、電子、電力、石化、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。
現(xiàn)有的典型EDI組件如圖1所示，電極包括陽極1和陰極2，電極間由兩類離子交換膜即陰離子交換膜3和陽離子交換膜4分隔出的一個或多個除鹽單元或稱淡水室5，淡水室5之間形成的單元稱為濃水室6。靠近電極1、2的兩個濃水單元分別稱作陽極水室7a、陰極水室7b。陽離子交換膜4和陰離子交換膜3這兩種膜具有選擇透過性，陽離子交換膜4只允許陽離子通過，陰離子交換膜3則只允許陰離子通過。在兩個電極1、2間，兩種離子交換膜呈交替方式排列。在淡水室5中，陽離子交換膜4位于陰極2一側(cè)，陰離子交換膜3位于陽極1一側(cè)。在濃水室6中，陽離子交換膜4位于陽極1一側(cè)，陰離子交換膜3位于陰極2一側(cè)。在淡水室5中填加可導離子材料8，如離子交換樹脂。在濃水室6和極水室7中，可以填加可導離子材料，也可以填充惰性材料如塑料網(wǎng)格。
在使用EDI組件時，在垂直于離子交換膜的方向上施加直流電流，見圖2。在淡水室5水流中的離子，首先和離子交換樹脂8發(fā)生交換，交換到離子交換樹脂8上的離子，在電流的作用下，分別向兩個電極1、2方向遷移，陽離子向陰極2方向遷移，最終遷移到陽離子交換膜4并通過該膜，進入到相鄰的濃水室6中；陰離子向陽極1方向遷移，最終通過陰離子交換膜3進入到相鄰的濃水室6中。進入濃水室6的離子在電流的作用下將繼續(xù)向電極1方向遷移，由于離子交換膜的選擇透過性，透過陽離子交換膜4從淡水室5進入到濃水室6中的陽離子會被濃水室6另一側(cè)的陰離子交換膜3擋住，而不能重新回到淡水室5中；同樣地，透過陰離子交換膜3進入到濃水室6中的陰離子會被濃水室6另一側(cè)的陽離子交換膜4擋住，不能重新回到淡水室5中。進入到濃水室6的離子，會隨著濃水水流而被移出EDI組件。這樣就達到了對淡水室中淡水的脫鹽作用。
在離子交換樹脂的界面處和樹脂與膜的界面處，水分子在一定電壓的作用下會發(fā)生裂解反應(yīng)，生成了氫離子和氫氧根離子。所生成的氫離子和氫氧根離子會對淡水室5中的離子交換樹脂8起到再生作用。因此，EDI是不需要另外加酸和堿對離子交換樹脂進行再生的。
EDI組件分為板框式和螺旋卷式兩類。板框式EDI也稱疊片式，其設(shè)計是將電極、離子交換膜、淡水室、濃水室和極水室以平面平行的方式疊放在一起，構(gòu)成有一個或多個淡水室的EDI組件。這方面的詳細描述見專利文獻如US4632745，US4925541，US5211823，US5316637，US5154809，US5868915，US6235166。螺旋卷式EDI是將陰陽離子交換膜之間夾入絕緣網(wǎng)格，構(gòu)成一個濃水單元，將此濃水單元以兼作一個電極的濃水配集管為螺旋軸向中心卷制成圓筒狀，將此圓筒狀膜芯放入兼做另一電極的筒狀殼體中，相鄰的濃水通道間填充樹脂構(gòu)成淡水單元。詳細描述見專利文獻如CN98225671.X和US6190528。
現(xiàn)有板框式EDI組件的淡水水流和濃水水流為并流形式，即淡水和濃水的流向相同，如圖2所示。在淡水室5的進水區(qū)域，首先是高價易脫除離子如硫酸根、鈣離子和鎂離子等首先被離子交換樹脂捕獲(交換)，然后低價離子如氯離子和鈉離子與離子交換樹脂發(fā)生交換，最后，在淡水室5出水端，弱電離的陰離子如碳酸根、碳酸氫根、有機硅等陰離子和陽離子如銨離子與離子交換樹脂交換。交換到離子交換樹脂上的離子在電流的作用下，通過離子交換樹脂和離子交換膜，從淡水室5遷移到濃水室6。對于弱電離的離子，可能不會完全從淡水室5中遷移出而進入到濃水室6，而是部分被脫除。在淡水室5的出水端，水分子在電流的作用下，會發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生出氫離子和氫氧根離子。同樣地，氫離子和氫氧根離子在電流的作用下，也會從淡水室5向濃水室6遷移。
進入到濃水室6中的離子在電流的作用下，會繼續(xù)向電極的方向遷移。在濃水室6中，通過陰離子交換膜3進入到濃水室6的陰離子向陽極1方向遷移，當它們到達濃水室6另一側(cè)的陽離子交換膜4時，由于離子交換膜的選擇性透過性，陰離子不能透過陽離子交換膜4，因此不能夠重新返回到淡水室5中。同樣地，通過陽離子交換膜4進入到濃水室6的陽離子會向陰極2方向遷移，當它們到達濃水室6另一側(cè)的陰離子交換膜3時，被阻擋而不會返回到淡水室5中。這樣，在組件的出水端，濃水室6中靠近陽離子交換膜4表面的局部，從淡水室5遷移過來的陰離子如硫酸根離子等濃度較高；而在濃水室6中靠近陰離子交換膜3表面的局部，從淡水室5遷移過來的陽離子如鈣離子和鎂離子等濃度較高。
施加于組件上的電流是由離子的遷移來實現(xiàn)的。在組件進水端，遷移離子主要為進水中易脫除的高價雜質(zhì)離子；而在組件的出水端，遷移離子主要是難脫除的低價雜質(zhì)離子或弱電離離子，如碳酸氫根、碳酸根和有機硅離子等，和由水分子電離而產(chǎn)生的氫離子和氫氧根離子。因此，在組件出水端濃水室6中，靠近陽離子交換膜4一側(cè)，有較多的氫離子進入，而使局部的pH值降低；而在濃水室6中靠近陰離子交換膜3一側(cè)，有較多的碳酸氫根、碳酸根和氫氧根離子進入，而使該局部的pH值升高。
這樣一來，在EDI組件出水端的濃水室6中，靠近陰離子交換膜3表面的局部，硬度離子如鈣離子和鎂離子將和從淡水室5中遷移過來的氫氧根離子、碳酸氫根和碳酸根等離子相遇，結(jié)果將造成在濃水室6中特別是在陰離子交換膜3濃水室一側(cè)發(fā)生結(jié)垢。而濃水室6中如果發(fā)生結(jié)垢，首先會使離子交換膜的性能降低，從而影響組件的脫鹽性能；結(jié)垢使離子的遷移受到影響，從而使組件的電阻增高，使組件的電壓升高；由于濃水室6中結(jié)垢，則濃水水流不暢，而不能將由電流所產(chǎn)生的熱及時移出組件，進一步地就會發(fā)生組件的局部過熱，最終導致離子交換膜和其它部件的高溫破壞。
在螺旋卷式EDI設(shè)計中，組件的濃水室如圖3所示。中心管9和濃水室10被分為上下兩個部分，濃水是通過中心管的下部分11進入組件，經(jīng)過下部分管壁上的開口進入到下部濃水室10。然后，沿著濃水流道螺旋式向外殼12方向流動。到達最外層濃水包覆膜13時，少部分濃水14從該膜開孔進入到外殼電極的極水室15，并從極水室上部極水口16流出組件。其余部分濃水向上并折返回上部的濃水室10，并沿濃水流道螺旋式向中心管9方向流動。最后從中心管9上部的開口流入到中心管上部，并最終從中心管上出口17流出組件。圖3中，18是對應(yīng)淡水室中淡水進水，19是淡水出水。
圖3所示的螺旋卷式EDI雖然濃水和淡水水流是以錯流方式流動，即兩個水流方向約呈90°角，但是，由于濃水水流是以折返方式流動，從淡水水流中脫除并進入到濃水室中的硬度離子(如鈣離子)，進入到組件下部分的濃水室中后，還會隨著濃水水流又折返流回到組件上部的濃水室中。弱電離離子(如碳酸氫根，碳酸根和有機硅離子等)和由水分子電離而產(chǎn)生的氫離子和氫氧根離子會進入到組件的上部分的濃水室中。這樣一來，在組件上部的濃水室中，硬度離子就會和碳酸氫根，碳酸根和氫氧根離子等相遇，所以也會像板框式EDI組件那樣，由于結(jié)垢而造成諸多對組件的影響。另外，由于濃水在濃水室中呈折返方式流動，在圖3中的A和B區(qū)域易形成流動不良區(qū)或流動死角，從而造成濃水室結(jié)垢等系列問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述兩類EDI組件中所存在的濃水室中結(jié)垢的問題，本實用新型提出了一種使淡水和濃水水流以完全錯流方式流動的電去離子裝置，從而降低了組件濃水室中結(jié)垢的可能性，提高了組件對進水的硬度適應(yīng)范圍，同時避免了濃水在濃水室中流動分布的不均勻。
為實現(xiàn)本實用新型目的，根據(jù)本實用新型的連續(xù)電去離子裝置包括平行相對的陽極和陰極；陰、陽離子交換膜，交替設(shè)置在陰極和陽極之間；陰、陽極水室，在陰極和陽極之間并分別靠近陰極、陽極，每個極水室具有與其相通的極水室進水孔和極水室出水孔；淡水室和濃水室，交替設(shè)置在陰、陽離子交換膜之間，淡水室沿淡水水流方向的上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)淡水室進水孔和淡水室出水孔，淡水室的工作區(qū)內(nèi)填充導離子材料；其中，在所述濃水室工作區(qū)的平行于淡水水流方向延伸的兩相對側(cè)，分別設(shè)濃水室進水口和濃水室出水口，濃水室進水口和濃水室出水口沿著與淡水流動方向平行的方向延伸。
特別是，濃水室的工作區(qū)中設(shè)置濃水導流部件，該導流部件是沿與淡水水流方向成0-180°角度延伸。濃水室除導流部件外，其它部分設(shè)置惰性支撐材料或可導離子材料，如惰性塑料網(wǎng)格。濃水室中的濃水在導流部件的控制下，沿著與淡水水流方向成0-180°角的方向流動，該角度范圍為優(yōu)選45-145°，最好選90°。
特別是，濃水室進水口包括濃水進水孔和由濃水進水孔延伸的長條形濃水進水分布孔；濃水室出水口包括濃水出水孔和由濃水出水孔延伸的長條形濃水出水收集孔。濃水進水分布孔最好由濃水進水口延伸至濃水室的工作區(qū)的長度；濃水出水收集孔最好由濃水出水口延伸至濃水室工作區(qū)的長度。濃水出水孔和濃水出水集水孔的排列方向與濃水進水孔和濃水進水分布孔的排列方向相反。
特別是，濃水進水布水裝置設(shè)置在濃水室的工作區(qū)內(nèi)靠近所述濃水進水口的一側(cè)，濃水出水集水裝置設(shè)置濃水室的工作區(qū)內(nèi)靠近濃水出水口的一側(cè)。
特別是，濃水導流部件是多孔或無孔的長條狀支撐材料，如多孔塑料支撐條或無孔塑料支撐條。優(yōu)選使用多孔塑料支撐條，這樣可以不影響工作區(qū)的電流分布。
本實用新型電去離子裝置的優(yōu)點是由于具有沿著與淡水水流方向大致平行的方向延伸的濃水室進水口和濃水室出水口，以及在濃水室中設(shè)置了濃水導流部件，保證了濃水在濃水室中沿著與淡水水流方向相垂直的方向均勻流動分布，因此，不但避免了現(xiàn)有板框式EDI裝置中濃水室易發(fā)生的結(jié)垢而導致的水流不暢、組件局部過熱的問題，而且避免在濃水室中因濃水流動分布不均衡、出現(xiàn)流動死角而帶來傳質(zhì)和傳熱等問題，如在螺旋卷式EDI中那樣，由于濃水在濃水室中流動分布不均勻，出現(xiàn)流動死角，不能將組件中產(chǎn)生的熱及時移出，而造成過熱損壞等問題。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)EDI裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示EDI裝置脫除雜質(zhì)離子的原理圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)螺旋卷式EDI裝置中濃水室及濃水水流示意圖；
圖4是本實用新型EDI裝置中淡水及濃水水流的示意圖；圖5是本實用新型EDI裝置中淡水室模片的示意圖；圖6是本實用新型EDI裝置中濃水室模片一個實施例的示意圖，其中長條形導流部件沿著與淡水水流方向垂直的方向布置；圖7是本實用新型EDI裝置中濃水室模片另一實施例的示意圖，其中長條形導流部件沿著與淡水水流方向成60°角的方向布置。
附圖標記說明1-陽極；2-陰極；3-陰離子交換樹脂；4-陽離子交換膜；5-淡水室；6-濃水室；7a-陽極水室；7b-陰極水室；8-離子交換樹脂；9-螺旋卷式EDI中心管；10-螺旋卷式EDI濃水室；11-螺旋卷式EDI中心管下部分；12-螺旋卷式EDI外殼；13-螺旋卷式EDI濃水包覆膜；14-螺旋卷式EDI濃水；15-螺旋卷式EDI極水室；16-螺旋卷式EDI極水口；17-螺旋卷式EDI中心管上出口；18-螺旋卷式EDI淡水進水；19-螺旋卷式EDI淡水出水；20-淡水室上的極水進水口；20’-濃水室上的極水進水口；21-淡水室上的極水出水口；21’-濃水室上的極水出水口；22-淡水室上淡水進水孔；22’-濃水室上的淡水進水孔；23-淡水室上淡水出水孔；23’-濃水室上的淡水出水孔；24-淡水室上的濃水進水口；24’-濃水室上濃水進水口；25-淡水室上的濃水出水口；25’-濃水室上濃水出水口；26-濃水室上濃水進水布水裝置；27-濃水室上濃水出水集水裝置；28-濃水導流部件；29-塑料網(wǎng)格；30-淡水水流；31-濃水水流。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施例進行詳細描述，本實用新型不限于以下公開的實施例，任何不脫離本實用新型精神和實質(zhì)的修改、替換均落入由權(quán)利要求限定的本實用新型保護范圍。
具體實施方式
如圖5所示，在淡水室5沿淡水水流方向的上游側(cè)、下游側(cè)分別設(shè)置與淡水室5的工作區(qū)連通的淡水進水孔22和淡水出水孔23，使得淡水由淡水進水孔22流入時，可流過淡水室5的工作區(qū)，并由淡水出水孔23流出。在淡水室5的工作區(qū)中裝填有離子交換樹脂8。
在淡水室5的沿平行于淡水水流方向延伸的兩相對側(cè)，分別設(shè)置不與淡水室5的工作區(qū)連通的濃水進水口24和濃水出水口25，使得濃水由濃水進水口24流入時，不能流入淡水室5的工作區(qū)。該濃水進水口24和濃水出水口25對應(yīng)于濃水室6上的濃水進水口24’和濃水出水口25’，見圖6。
如圖6所示，在濃水室6沿濃水水流方向的上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)有濃水室進水口24’和濃水室出水口25’，濃水室6的該上游測和下游側(cè)是沿著與淡水水流方向平行的方向延伸的兩相對側(cè)，使?jié)馑疫M水口24’和濃水室出水口25’也沿著大體與淡水水流方向平行的方向延伸。在濃水室6的與濃水水流方向垂直的方向，設(shè)置與淡水室的淡水進水孔22’和淡水出水孔23’，它們分別對應(yīng)于淡水室兩側(cè)上淡水進水孔22和淡水出水孔23，而且不與濃水室6的工作區(qū)連通。
其中，濃水室進水口24’包括濃水進水圓孔和呈長條狀的濃水進水分布孔，且分布孔平行于濃水室6工作區(qū)延伸至濃水室6的整個工作區(qū)長；濃水室出水口25’包括濃水出水圓孔和呈長條狀的濃水出水收集孔，且收集孔平行于濃水室6工作區(qū)延伸至濃水室的整個工作區(qū)長。濃水進水分布孔和濃水出水收集孔大致沿著與淡水水流方向平行的方向延伸。在濃水室工作區(qū)的中間空腔與濃水進水分布孔之間，沿著濃水進水分布孔，設(shè)置有濃水進水布水裝置26。同樣地，在濃水室工作區(qū)的中間空腔與濃水出水分布孔25之間，設(shè)置有濃水出水集水裝置27。在濃水室工作區(qū)的中間空腔處，裝配若干濃水導流部件28，還可填加惰性支撐材料如塑料網(wǎng)格29，或添加可導離子材料如離子交換樹脂。
此外，再參照圖5、6所示，淡水室5和濃水室6沿淡水水流方向的上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)有極水室進水口20和20’，極水室出水口21和21’。
另外，淡水室、濃水室的周邊均設(shè)置供緊固螺釘穿過的安裝孔(圖中未示出)。
本實用新型EDI裝置的上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，使?jié)馑偷藻e流方式流動由于濃水進水分布孔和濃水出水收集孔沿著與淡水水流方向平行的方向延伸，使得淡水水流方向與濃水水流方向交叉成90°角，即淡水水流和濃水水流呈錯流流動，使得從淡水室5進水端脫除并進入到濃水室6中的硬度離子如鈣離子和鎂離子等，在對應(yīng)于淡水室進水端的濃水室位置隨著濃水流出組件，而避免了在對應(yīng)于淡水室出水端的濃水室位置硬度離子與碳酸氫根，碳酸根和氫氧根離子等相遇，因此就防止了在濃水室6中發(fā)生結(jié)垢。
此外，可以通過在濃水室中設(shè)置與淡水水流方向成不同角度的導流部件28，如圖7所示，導流部件28與淡水水流方向大致成60°角，該角度還可以為0～180°中的任意角度，使得淡水水流方向與濃水水流方向交叉成0～180°；該角度范圍優(yōu)選45°～135°。當該角度為90°時，淡水水流方向與濃水水流方向交叉成90°角，即淡水水流和濃水水流呈完全的錯流流動。
本實用新型EDI組件中，淡水室和濃水室之間的離子交換膜可以是均相離子交換膜，也可以是多相離子交換膜。離子交換膜與淡水室和濃水室間形成密封，可以采用密封圈方式的密封，也可以采用密封膠方式的密封，或者是密封圈和密封膠組合方式的密封。
本實用新型EDI組件中除交替疊置的淡水室和濃水室外，還包括兩個極水室，即陰極室和陽極室，即分別鄰接陰極和陽極。
權(quán)利要求1.一種連續(xù)電去離子裝置，包括平行相對的陽極和陰極；陰、陽離子交換膜，交替設(shè)置在陰極和陽極之間；陰、陽極水室，在陰極和陽極之間并分別靠近陰極、陽極；淡水室(5)和濃水室(6)，交替設(shè)置在陰、陽離子交換膜之間，其中淡水室(5)沿淡水水流方向的上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)淡水室進水孔(22)和淡水室出水孔(23)，淡水室的工作區(qū)內(nèi)填充導離子材料；其特征在于在濃水室(6)的沿平行于淡水水流方向延伸的兩相對側(cè)，分別設(shè)濃水室進水口(24’)和濃水室出水口(25’)，濃水室進水口(24’)和濃水室出水口(25’)沿著與淡水水流方向平行的方向延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于所述濃水室(6)的工作區(qū)中設(shè)置導流部件(28)。
3.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于所述導流部件(28)沿與淡水水流方向成0-180°的角度延伸，使得濃水室(6)中的濃水沿著與淡水水流方向成0-180°角的方向流動。
4.如權(quán)利要求3所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于所述角度范圍為45-145°
5.如權(quán)利要求4所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于所述角度選擇90°。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于濃水室進水口(24’)包括濃水進水孔和由濃水進水孔延伸的長條形濃水進水分布孔；所述濃水室出水口(25’)包括濃水出水孔和由濃水出水孔延伸的長條形濃水出水收集孔。
7.如權(quán)利要求6所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于， 所述濃水進水分布孔由所述濃水進水孔延伸至濃水室工作區(qū)的長度；所述濃水出水收集孔由所述濃水出水孔延伸至所述濃水室工作區(qū)的長度。
8.如權(quán)利要求6所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征是濃水出水孔和濃水出水集水孔的排列方向與濃水進水孔和濃水進水分布孔的排列方向相反。
9.如權(quán)利要求1-5任一所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于濃水進水布水裝置(26)設(shè)置在濃水室(6)的工作區(qū)內(nèi)并鄰接所述濃水進水口(24’)，濃水出水集水裝置(27)設(shè)置濃水室(6)的工作區(qū)內(nèi)并鄰接濃水出水口(25’)。
10.如權(quán)利要求1-5任一所述的連續(xù)電去離子裝置，其特征在于所述濃水室和/或所述極水室中填加離子交換樹脂或惰性多孔材料。
專利摘要本實用新型公開一種電去離子裝置，包括平行相對的陽極和陰極；交替設(shè)置在陰極和陽極之間的陰、陽離子交換膜；靠近陰極、陽極的陰、陽極水室；淡水室(5)和濃水室(6)，交替設(shè)置在陰、陽離子交換膜之間，其中填充有導離子材料的淡水室沿淡水水流方向的上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)淡水室進水孔(22)和淡水室出水孔(23)，在濃水室的沿平行于淡水水流方向延伸的兩相對側(cè)分別設(shè)濃水室進水口(24’)和濃水室出水口(25’)，濃水室進水口和濃水室出水口沿著與淡水流動方向平行的方向延伸。本實用新型保證了濃水在濃水室中沿著與淡水水流方向相垂直的方向均勻流動分布，避免濃水室易發(fā)生的結(jié)垢而導致的水流不暢、組件局部過熱的問題。
文檔編號B01D61/42GK2915240SQ200620012789
公開日2007年6月27日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者李光輝 申請人:李光輝