專利名稱：：電去電離墊料和裝置的制作方法
技術領域：
：本發明涉及電去電離裝置，更具體地說，涉及用于在直流驅動力的作用下轉移液體中的離子以達到液體高度去鹽目的的便宜的墊料。電去電離作用是一種已知的達到含水液體的高水平去鹽目的的手段。所述過程涉及諸如離子交換樹脂的離子交換材料，離子交換材料處在原始液流中或者處在負離子和正離子交換薄膜之間的墊料構成的離子耗盡室中。需要去鹽的含水原始液流在耗盡室中循環。在許多美國專利中詳細地描述了電去電離過程。最近授予的比較重要的專利是4066375；4203976；4349422；4465673；4632745；4727929；4871431；4925541；4931160；4956071；4969983；5066375；5116509；510416；5203976；5292422；5308466和5316637。這些專利中公開的用于離子耗盡室中的墊料或室(即含有離子交換材料的室)，有各種結構。美國專利4465573描述了含有以離子交換樹脂填充的狹窄的“曲折”流道的墊料。這些流道由從液流進口延伸到出口的多個平行的肋片構成。需要去離子(純化)的水流通過這些流道。專利的墊料設計很復雜，要求仔細篩選原始液流和濃縮液流的墊料組分，并將有很高的壓降。美國專利4632745；4747929；4925541；4931160和4956071(被授予Millipore公司)描述一種墊料、裝置和處理過程，其中原始液流(也稱為耗盡或者離子耗盡)室的間隔構造包括原始液流的進口和出口，而分布集流管與進口和中央部分相溝通。分布集流管向中央部分送料。中央部分的厚度與墊料的厚度相同，且由沿中央部分長度方向延伸的多個肋片形成，以構成寬度為由兩相鄰肋片或肋片與一相鄰的墊料的縱向邊緣部分之間的距離的分室。在中央部分，還有從集流管延伸至分室進口的指板(finger)。離子交換材料填充此分室、原始溶液和可選地填充濃縮室。分室相當狹窄，最好在0.5至1.5英寸之間。為確保良好的密封，離子交換膜膠合或焊在原始溶液室墊料上。此設計相當復雜且要求密封在墊料上的很大的薄膜面積。因而，此密封區無法用于離子去除。使用多個平行分室改善了墊料的剛性及離子換樹脂的容量；然而，它要求很大的液體分布面積并可能會導致液體分布問題。美國專利4066375；4203976；5130416；(被授予Ionics公司)涉及墊料設計和向組裝的去電離疊層導入或去除離子交換樹脂和其他粒子的電去電離裝置。此設計要求有第三套相當大開放進口集流管以允許所述樹脂和粒子的導入和去除，或要求其他兩通道(即進口或出口)之一允許所述粒子的進入和流出。為形成原始液流和濃縮室之間良好的密封，特別是在第三進口集流管處，薄膜必需足夠固定且不易于膨脹/褶皺。使用第三套端口引起另一些密封問題和提供給實際去鹽操作的有用薄膜面積的減小。雖然向組裝墊料和薄膜而形成的電去電離疊層充入或去除粒子的能力很強，但如果出現薄膜污塞、泄漏或破損問題，還必須拆卸此疊層。另外，沒有確保去鹽室的適當封裝，特別是對大型疊層和涉及多流道時。如果采用氈式或纖維式離子交換材料代替樹脂粒，此設計也變得十分繁瑣。美國專利4249422(被授予IPHolding)公開了一種改善了薄膜和墊料間密封的電去電離裝置。該裝置采取多個碟形稀釋和濃縮單元(cell)對。此裝置方便了向各個單元充入離子交換樹脂。雖然對較早的設計有一些改進，它還是相當復雜。因而，存在著對改進的電去電離墊料和可以更大地利用離子交換膜且可能使用高性能，即薄形、有更大選擇性、低電阻或非加強型薄膜的相關裝置的需求，此薄膜也許易于膨脹/褶皺。這些薄膜在中央區被足夠地支撐且對原始液流和縮濃室墊料密封。還存在著對一種確保良好的液流和電流分布且具有對于液流的低的總壓降的墊料的需求。墊料也應包含離子交換材料，而在操作延伸期沒有過多的樹脂粒遷移。還存在著對構造簡單，即可大尺寸構造(總面積超過1平方米)、對樹脂粒或氈/布式離子交換材料均可有效利用，且在電去電離裝置內易于組裝/拆卸的墊料的進一步的需求。與本發明的一個方面相符合，墊料構造便宜(a)可在墊料內構成的離子耗盡室內保持離子交換樹脂粒，(b)確保墊料室內低壓降的均勻液流，(c)可避免樹脂的離解和遷移及液體進口和出口被樹脂粒堵塞，(d)可獲得含水液體或處理液流的相當高的去鹽水平。本發明提供了水或去鹽處理液流的電去電離的墊料或隔離器、裝置和方法。墊料的中央區被分隔成具有最好為2-8英尺的基本上相等寬度的多個流道部分。各個流道部分被具有與外圍墊料厚度相同厚度的墊料的“肋片”相互隔離。2至6個，最好為3至4個流道部分由流體節流閥串聯連接。各個節流閥處在180度轉折處，以便形成串聯流道。從進口延伸至出口的此流道組合被稱為“串聯流道”。節流閥將流過串聯流道的液體流動速度提高到流過串聯流道其他部分的液體流動速度的150-200％。結合各個流道部分的流體節流閥也可被充以用于濃縮室的離子交換或網狀材料。或者，該流體節流閥可以包括獨立的端口。節流閥的寬度可以是流道寬度的20-90％。每個串聯流道有兩個“端口”給出液流進入所述串聯流道的進口和從所述串聯流道流出的出口。在單個墊料中可以存在多于一條的此串聯流道，且此串聯流道也可并聯相連。肋片具有足以確保各流道部分隔離的寬度，且對相鄰薄膜和對相鄰室的墊料的密封，并對薄膜提供足夠的支持。實際上，墊料、肋片和集流管孔由具有統一厚度的簡單的墊料起始片(startingsheet)做成。如果墊料將用作原始溶液或稀釋室墊料，則流道部分以最好為最小膨脹形式的離子交換材料填充，通常對正離子交換樹脂為鈉而對負離子交換樹脂為氯化物。如果采用樹脂混合物，在用來填充流道之前可在氯化納溶液中進行調節。如果墊料將用作產品或濃縮室墊料，則流道部分以具有與墊料厚度基本相同的厚度的適當的網狀材料(最好為無紡材料)填充，它對處理的液體在化學性能上穩定，且有很大的開放區(＞50％)以保證液體和電流的流動。用于電去電離單元(cell)室的離子交換材料可以是正離子或負離子交換樹脂或兩種樹脂的混合物。另外，樹脂還可以是氈式或樹脂布形式的。第三種選擇是在緊密紡織或者是很小微孔的布網上涂敷樹脂以隔離樹脂。無論所用材料為何，保持樹脂的布網被插入組成墊料活動區的串聯流道中。布有30-75％的通透(open)面積形成液體和電通道。用以包圍離子交換材料的布可以由聚烯烴或氟化高聚合物材料制成。可選擇地，布可進一步地利用標準技術，如輻射處理、苯乙烯化和磺化或syrenation和氯甲基化處理，賦予正離子或負離子交換薄膜特性功能。墊料也含有集流管孔，當多個墊料層疊在一起時它們排成一列，以便為流進和流出墊料串聯流道的流體提供路徑或通道，以及形成用于把流體分布到電去電離疊層中所有并聯單元的管道。每個串聯流道、每條處理液流有最多兩個集流管孔。而數目最少的，單一墊料上的多個串聯流道可以共享集流管孔。墊料本身可由適當的軟材料(如EPDM橡膠或低密度聚乙烯)或包括有諸如苯乙烯丁二烯橡膠薄片疊在一側或兩側的較硬的核心(如聚丙烯)的復合材料制成。無論使用何種材料，所有墊料有基本上一致的厚度。連接集流管孔和串聯流道的所述端口名義上與墊料具有相同的厚度。所述端口具有平的頂面和底面，它們有足以在所施的疊層閉合(closure)壓力下防止坍塌的剛性。在墊料的兩側，所述平的表面貼著相鄰離子交換薄膜密封。頂面和底面之間的空間足以形成適當的液流通道。端口和網狀材料，如果被采用的話，可以機械附著在原始溶液墊料上以易于處理。在直流驅動力影響下，離子從原始液流中，透過離子交換薄膜，轉移至原始溶液室兩側的濃縮室。在從液體中去除離子方面，發明的處理過程非常有效。發明的電去電離過程與傳統的在原始溶液室或濃縮室中未采用離子交換材料的電去電離處理不同。電去電離裝置由以交錯方式組裝近乎相等數目(例如20至100)的原始溶液室和濃縮室墊料而構成。就是說，正離子薄膜放在原始溶液室的一端，而負離子薄膜放在原始溶液室的另一端。薄膜的外表面鄰靠著濃縮室。整個裝置成為電去電離疊層模塊。在疊層模塊的各端，比如說，在疊層左邊的陽極和在疊層右邊的陰極構成電極室。陽極和陰極包含了用于處理過程并連接到DC電源的電極。這樣構成的疊層模塊對含有鹽和糖的含水溶液的去鹽很有效。從以下結合附圖所作的說明，本發明的最佳實施例將十分清晰，附圖中圖1(a)-1(c)顯示用于電去電離裝置的本發明墊料的構造；圖2顯示包括兩條串聯流道的本發明的墊料；圖3(a)-3(e)顯示可用于本發明墊料的一些端口的設計；圖4顯示包含由兩串聯流道共享共同集流管的墊料。圖5和5(a)顯示帶有共同集流管的兩種流動布局，預定形成四條串聯流道；圖6為利用串聯流道墊料的本發明的示范性的電去電離裝置的分解視圖；圖7為電去電離疊層的單元外形；而圖8為顯示用于測試電去電離過程的控制系統的方框圖。根據本發明，電去電離墊料提供基本上無泄漏的操作，它具有良好的長期可靠性、低壓降、減少了的液體再循環要求，以及減少了分流/雜散電流損失。與現有技術相比，本發明的墊料構造和組裝更簡單，且具有用于電流傳輸和去鹽液體的產生的更大的工作薄膜面積。圖1(a)-1(c)顯示了既可用于原始溶液或稀釋室，也可用作濃縮室的墊料構造。墊料22的工作區或中央區20被分成由節流閥部分27、29串聯連接的多個流道部分24、26、28，以分別構成進口和出口P1、P2間的螺旋形路徑。在墊料外圍的八個“H”孔提供一種將電去電離疊層中的各墊料和薄膜排列并將疊層緊固在一起的方法。并不是所有孔都要用于疊層的構造。墊料有兩個集流管孔30和32，通過它們原始液流流進和流出墊料，比如說。其他兩個集流管孔34和36為第二(濃縮)液流提供“管接”管道。由于墊料為統一的厚度，墊料對相鄰離子交換膜有良好的配合及密封。在原始溶液室(或去鹽室)中包含于墊料邊緣(如38)和中間支持肋片40、42中墊料的中央區20，填充有樹脂或其他離子交換材料，如圖1(b)中44所示。或者，塑料網狀材料可以填充濃縮室，如圖1(a)中46所示。圖1(b)中中心區44的離子交換材料可以是陽離子或陰離子交換樹脂，或者這兩種樹脂的混合物。另外，也可以使用已經做成網或織物的離子交換材料。或者，離子交換材料可以任選地包含于密織的或合適的微孔聚合物布料中。后面的選擇方案有助于容易進行最初的組裝和樹脂的去除和更換，如果樹脂的性能隨時間降低的話。這種樹脂更換方案不需要廢棄整個墊料/薄膜組件。包含離子交換樹脂的室的厚度最好是1.5至5mm。薄的室可能導致離子交換材料的不充分密封。厚的室不能提供顯著的工藝改進并且可以導致高電力消耗。濃縮室的墊料圖1(a)通常比包含離子交換材料的室薄，一般為0.5至3毫米，且最好填充具有大通透面積的塑料網狀物，因為流過它的溶液有較高的導電性。較薄的墊料在給定的泵速(pumprate)有更高的線性流速，減小極化，且降低電耗。在一實例中墊料的總尺寸為13″X13″。溶液通過集流管孔30和端口P1進入墊料的工作區44(圖1(b))，并通過端口P2和集流管孔32流出工作區。工作區包括串聯連接的三個流道部分24、26、28(圖1(a))。流道部分的寬度約為2.875″且占總墊料寬度的22％。流道部分應足夠寬以容納向墊料供料的集流管孔30、32，及提供孔之間足夠的空間以保證疊層模塊中墊料與薄膜間的良好的密封。集流管孔的面積由液壓上的考慮，如每墊料的液流的容量，和給定疊層模塊中的墊料數而定。墊料中的流道應足夠窄以便在電去電離疊層中并聯放置的所有墊料間形成良好的液流分布，并在流道中提供必不可少的紊流。較窄的流道也改善了由墊料邊緣和肋片提供的對薄膜的機械支撐。然而，較窄的流道以減小工作薄膜面積和增大壓降為代價。本發明的墊料可有2到6個串聯連接的流道部分，流道寬度為總墊料寬度的5-49％。最優且最佳的串聯流道有3至4個流道部分。絕對地說，流道寬度可以2″至8″的范圍，最好在2.5″至6″。更窄的流道并不一定提供更大的可靠性；事實上，它增加了墊料的復雜性。寬度過寬引致液流分布不佳及對許多商業提供的薄膜沒有充足的支撐。原始溶液室墊料中的串聯流道填充有適當的離子交換材料，它可以是正離子交換樹脂、負離子交換樹脂或正離子和負離子樹脂的混合物。對于大多數涉及去除正離子和負離子的去離子應用，最好是混合層離子交換材料。離子交換材料被清洗以去除有機物和其他雜質。離子交換材料由適當的介質均衡而被轉變成其最小膨脹形式，通常對正離子和負離子樹脂分別為Na+和Cl-形式。適當的離子交換樹脂由RohmandHaas、DowChemical及其他渠道廣泛提供。最好樹脂粒的直徑為0.4-0.5毫米；商用樹脂粒為16-50號(mesh)。日本Nitivy公司提供氈式離子交換材料。如TetkoInc等眾多的應供商均有提供保持珠粒狀樹脂的多孔布。對于濃縮室墊料，在流道上放置聚合物網狀材料，最好為無紡型。網狀材料的總厚度大約與墊料本身的厚度相同。網狀材料對于疊層中處理的液體具有化學穩定性。用于做網篩的材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和聚氟乙烯。適當的網篩材料由NallePleastics和ApplinedExtrusionTechnology提供。最好網篩密度為8-15線/英寸(strand/inch)，而最佳密度為10-12線/英寸。電去電離過程在低電流密度下進行，通常為1-10mA/cm2。因而，熱量產生并不是顯著的問題。使用串聯連接的多流道在疊層內形成良好的液體分布，即使在相當低的線性流速下，比如說，在濃縮室為2-5厘米/秒，而原始溶液室(去鹽)甚至更低，例如0.2/0.5厘米/秒。如圖1所示，液體通過集流管孔30和端口P1進入螺旋形串聯流道。通過串聯連接的流道內的循環，液體通過端口P2和集流管孔32流出。各流道部分被在墊料原材料上適當切除而形成的肋片40、42相互分離。肋片足夠寬以對相鄰的薄膜提供足夠的支撐，及對各流道提供足夠的密封和分隔。還有，肋片應盡可能的窄以使可用薄膜面積最大。肋片寬度可以在0.25厘米至4厘米，而最好在1至2.5厘米的范圍。各流道24、26、28(圖1(c))一個與一個相鄰，并通過流體節流閥部分45、48相互連接，形成通過工作區的螺旋形通道。實際上，這些部分可以被看作是當用于去鹽室時以離子交換材料填充，或用于濃縮室時以網狀材料填充的備用端口。另外，還可在流體節流閥部分用更密的網狀材料(例如12-30線/英寸)，或利用與用于端口P1具有相同設計的端口。節流閥部分46、48的寬度可以為流道寬度的20-90％，最好為流道寬度的30-50％。流體節流閥部分的長度約與肋片的寬度相同，但原則上短一些，并影響在各流道部分內的流體分布，且用于消除“死角”。流體節流閥部分46、48(圖1(c))，可如圖所示為長方形。它們也可是梯形、逐漸收縮的、縮喉管，或V形的，以提供更好的壓力恢復。端口P1和P2最好有相同的設計。一些可能的端口設計在圖3(a)-3(e)中顯示出。端口的頂面和底面50、52為平面，以易于對相鄰薄膜和墊料密封。端口由足夠的剛性以在施以疊層閉合力的壓力下，防止內部通道坍塌的材料構成。在用于原始溶液或去鹽室時，端口應能保留離子交換樹脂粒。因而，使用離子交換樹脂時，端口具有比樹脂直徑小的有效直徑的流道，通常為0.3-0.45毫米。圖3(a)顯示適用于包含氈式/布式離子交換材料的室的端口，或包含塑料網狀過濾器的室(即濃縮室)。由單塊如聚丙烯或聚四氟乙烯材料制成的端口，具有許多鉆孔形成的或其他方式形成的圓形切面的孔54。當用于包含粒狀離子交換材料的室時，網級(meshrating)大于80的紡布或無紡布附著在端口的一端，其時端口被以網篩端面向樹脂粒安裝在室內。無紡布通常由如聚乙烯、聚丙烯、聚酯等塑料制成。圖3(b)顯示了相同的端口設計，但有軟彈性外表面以改善與具有較硬質地的離子交換薄膜的密封。較軟的層應對要去鹽/濃縮的液流在化學性能上穩定，也可由低密底聚乙烯或苯乙烯丁二烯橡膠制成。圖3(c)顯示中央部分具有方形或長方形通道的端口設計。這種的端口由在約為墊料厚度一半的一塊塑料上刻一系列通道而預制，把它切成適當的端口長度的塊。兩塊切塊面對面地覆蓋，以使所刻通道相互配合形成方形或長方形通道。兩半可以膠合、焊接或以其他方式接合在一起形成端口。應當小心以確保完成的塊的壁厚足以提供必要的端口剛性。當端口用于包含離子交換粒的墊料中時，網級大于80的紡布或無紡布附著于完成的端口面向樹脂粒的一端。圖3(d)顯示了一復合端口構造。這里，一塊具有溝通通道的無紡網狀材料夾在兩層適當的聚合物膜之間。所述無紡網狀材料的密度最好比用于濃縮室的流道的材料密度高。無紡材料的strandopening小于用于去鹽室的樹脂粒的直徑。聚合物膜可以由聚丙烯、聚四氟乙烯等制成。聚合物膜具有最好為0.005″-0.01″的厚度，以使其有足夠的剛性。當端口用于厚度超過0.75毫米的墊料時，復合端口可由多層聚合膜和無紡網篩制成，如圖3(e)中所示。如圖3(b)所示，例如，端口可具有附加軟頂層和底層。本專業的技術人員可見其他的適當的設計。圖2、4、5和5(a)顯示有多個串聯流道的墊料。此類結構特別用于例如，要求有1米乘1米或更高數量級的墊料的大規模應用。大體上，此類結構在墊料中被制成標準組件。圖2顯示具有兩串聯流道62、64的墊料，每個分別有4個流動通道部分66-72和74-80，它們串聯連接并由分開的集流管孔供料。如圖所示，總共8個集流管孔82-88和90-96，以及4個端口P3-P6被用于各墊料以提供原始液流，并從電去電離疊層中提取產品。圖2的布局使兩半墊料62-64并聯相連或起兩個獨立級的作用。另外，還可利用兩半的公共集流管，因而將兩部分62，64并聯設置，而將集流管孔102-108的數目(圖4)、端口P7-P10的數目減少到每種4個。此4端口墊料并不提供具有兩個獨立操作級的選擇方案。圖5和5(a)顯示了帶有4條串聯流道120-126、分別具有總共8個集流管孔128-134和136-142，及8個端口P11-P14和P15-P18的墊料。每一串聯流道有4個串聯相連的流道部分(如51-54)。其他各種設計對本專業的技術人員是顯而易見的。圖6顯示本發明電去電離疊層的最佳構造。疊層在水平位置用一組定位銷組裝(未示)。整個裝置由夾固螺栓和螺帽固定(未示)。墊料包括具有1.5-4毫米厚度的去鹽室以包含必不可少的離子交換材料量。用于濃縮室的墊料最好薄些，在0.5-2毫米的量級。然而，兩墊料具有相同的集流管和肋片外形，使得完全組裝好的疊層的集流管、肋片和墊料邊緣相互合適地對準，以提供必不可少的薄膜支撐和室與相鄰薄膜間的密封。墊料最好設計為對稱的，使得繞其軸旋轉180度時，相同的墊料能夠成為去鹽或濃縮室墊料。此要求不是必需的，特別是因為兩液流的墊料可能具有不同的厚度。然而，對于用于產生兩種類型墊料的相同的沖壓裁剪機，就有此需要。商用電去電離疊層可包含20-10單元對，且具有1米乘1米或更大的墊料尺寸。所述疊層，包括墊料、薄膜、電極和端板(endplate)，在使用一套緊固螺栓或液壓密閉機構以提供必不可少的密封壓力的過濾器壓力裝置中被固定在一起。從陽極端(左邊)(圖6)開始，疊層具有鋼的端板150(0.25-0.5″厚)，聚丙烯極板152(1-2″厚)及陽極電極板154(0.062″厚)，其間有橡膠密封墊料(未示)。電極154可由鉑、鍍鉑的鈦或不銹鋼制成，或在鈦上鍍有如氧化銥的貴金屬氧化物。所有這些材料制成的電極，在電去電離處理過程中所遇到的弱酸介質中均可令人滿意地工作。在另一端(右邊)，使用了類似的鋼板156、塑料端板158和陰極電極板160。陰極電極材料最好是316不銹鋼。電極154和160具有接頭T1、T2，用來電連接到外部DC電源。所述各電極可配合在塑料端板152、158的凹坑內，或與端板有大約相同的總長度和寬度。墊料和薄膜組裝在兩電極之間。去鹽(D)和濃縮(C)室包含在墊料162和164中。離子交換膜(如正離子膜166和負離子膜168)極性交錯。去鹽室以離子交換材料封裝，最好為混合層樹脂，而濃縮室包含有無紡網狀材料。進入和流出疊層的溶液，最好都從陰極端(低電勢)進行。溶液通過墊料和薄膜中的集流管孔分布進墊料中的各室。端口的分布位置決定了流過集流管孔的特定液流供給哪一墊料。進入各墊料的溶液通過由串聯連接的集流管形成的流道156流入。在所示的布局中，在D和C室中的溶液流為伴流(co-current)。通過流道167流出各墊料的溶液，被分流通過流出集流管孔并在陰極端流出電去電離疊層裝置。電極漂洗液ER和ER’最好通過單獨的循環饋入。也可以通過電極漂洗循環對濃縮循環溶液進行循環。陽極漂洗液或陽極液ER通過陽極墊料170循環，并被負離子薄膜172從相鄰的稀釋循環中分離出來，負離子薄膜可與用于疊層中的其他負離子薄膜168為同一類型或不同類型。陰極漂洗液或陰極液ER’通過陰極墊料174循環，并被正離子薄膜176從相鄰的去鹽液流中分離出來，正離子薄膜可與用于疊層中的其他正離子薄膜166為同一類型或不同類型。顯示包含8個單元對的控制單元裝置的機制的圖7最好地說明了電去電離處理過程的組裝順序和操作。單元裝置由去鹽室(D)和濃縮室(C)間隔的負離子薄膜180和正離子薄膜182構成。通過內部集流管孔，各室被供以從其各自料箱184、186(圖8)取出的適當的溶液。分別在陽極端和陰極端的電極漂洗室、ER和ER’，被供以從公用供應箱188提供的電極漂洗液流。此箱最好是個可接收來自濃縮箱溢流材料的單獨的箱，這樣使由電極反應產生引入疊層主體部分的氧化物副產品最少。可選地，電極漂洗循環可從濃縮箱本身饋入。直流驅動力被施加在電去電離裝置的陽極端190和陰極端192。電極分別被裝在塑料端板194和196內或與之相鄰。正離子M+由去鹽室D遷移，穿過正離子交換薄膜進入濃縮室。同時，去鹽室D中的負離子X-穿過負離子薄膜遷移進入濃縮室C。結果是對原始液流的逐漸去鹽。由離子遷移和伴隨之的水合作用的水產生濃縮廢液流，離子和水合作用水遷移進入濃縮室。由簡圖7可見，對從相鄰去鹽室接收離子的電極漂洗液提供有備有濃縮室。通常地，去鹽室中的混合層樹脂方便了離子由大量的溶液遷移至薄膜表面，因而提高了處理過程的流量效率。比如，進行高水平去鹽時，溶液電導率約為1微歐或更小，以使一定量的水分離產生H+和OH-離子。此分離有助于在樹脂和大量溶液中出現的少量殘余離子，向離子交換薄膜表面的移動和遷移。圖8為顯示可以用于展示本發明墊料性能和硬件的電去電離處理裝置的方框圖。組合疊層200放在包括3種溶液循環，也就是原始溶液循環202、濃縮循環204和電極漂洗循環206的處理裝置中。將要去鹽的溶液在原始溶液箱184中，并由泵P10通過疊層的去鹽室D，經過過濾器F、流量計FM和在壓力表G控制下或與之相連的流量調節閥V循環。類似的步驟用于從濃縮和電極漂洗箱186、188分別通過泵P11和P12供應溶液。為簡化附圖，繞泵的旁路循環未在圖8中顯示。去鹽循環202的饋入液流為單循環操作(once-through)。其他兩種循環204、206最好為饋入和吸出(feedandbleed)方式。在原始溶液循環202中的流速被調整到獲得去鹽的目標水平。壓力表G和流量調節閥V在其他兩循環204、206中調節流量，以在單元疊層的所有進口獲得大約相同的壓力。實施例電去電離單元疊層結構本發明的墊料由低密度聚丙烯的沖壓剪切片制成。墊料的設計為圖1(a)和1(b)所示，且總尺寸為13″X13″。墊料有3個通過兩流體節流閥部分46、48相互串聯連接的單獨的流道部分24、26、28(圖1(c))。通過墊料的流道總長度約為30″。流道的寬度約為2.875″。流體節流閥部分的寬度約為1″。流體傳送可用的有效面積約為0.5平方英尺。用于去鹽室的墊料的厚度范圍在1.5-4毫米；然而，大多數實驗是在墊料總厚度約為2.5毫米的條件下進行。為制造此墊料，沖壓剪切90密爾(2.25毫米)厚的聚丙烯板。一5密爾厚的苯乙烯丁二烯橡膠板(ShellChenical公司出產商標為Kraton-G并由Clopay以板狀提供)，被膠合在墊料的每面。形成的復合墊料為平面的且易于組裝進一電去電離疊層。每一去鹽墊料有2個端口P1、P2，由多層的約5密爾聚乙烯和20密爾厚具有溝通通道無紡聚乙烯網，由圖3(e)所示方法組合而成。在絞合(strand)方向網的通透(opening)，約為10密爾或0.25毫米，并足以保持流道中的離子交換粒。有5層膜和4層無紡材料用以制造總厚度約為100-105密爾(2.5-2.6毫米)的復合物。完成的端上有平面的頂表面和底表面。復合端口裝置的各塊由薄的粘貼帶組合在一起。完成的端口，在向流道空間內填充離子交換材料之前，簡單地插入。軟性“Kraton材料大大改善了墊料和相鄰薄膜間的密封。還有使用“Kraton″材料基本上消除了疊層裝置中墊料和薄膜間的離子交換樹脂材料的遷移。結果是，不必對墊料和薄膜進一步固定。此特性具有的附加的好處在于如需改變樹脂粒或特殊的離子交換膜時，可在日后拆御和重新裝備所述單元。這樣，不必象膠合在一起時那樣扔掉整個組合裝置。用于濃縮室的墊料以類似的沖壓剪切方式制成。墊料的總厚度為1毫米，并由兩面膠合了約5密爾厚的Kraton橡膠板的30密爾厚的低密度聚乙烯板制成。中央串聯流道填充有Naltex公司提供的30-35密爾厚無紡聚丙烯網(約11線/英寸)。完成的墊料，包括網，為平面的且易于組裝進疊層中。每一墊料有2個由中央帶有一個無紡聚丙烯網的兩片約5密爾聚丙烯膜制成的端口。所述網每英尺約有18線(股)且總厚度約為32密爾。完成的端口具有平面的頂面和底面，且總厚度為約42密爾，被薄粘貼帶固定在一起。在疊層裝配時，此端口被簡單地插入并固定。試驗電去電離疊層有8個單元對，各元件的組裝按照圖7所示的順序。單元被水平組裝，然后在垂直方向測試，流道垂直伸延。疊層的組裝使用了墊料、硬件和薄膜外圍的6個校準孔H。墊料和薄膜(在鹽水中均衡)為平面的。校準孔周圍的間隙足以確保產品的適當組裝。裝置從陽極端150(圖6)開始。插入復合端口后，去鹽墊料的中央區填充了50∶50的正離子和負離子交換樹脂的混合物。在10-15％的NaCl溶液中樹脂被適當地清洗和調節。每個去鹽墊料需要125毫升樹脂。流道被人工填充含水的混合層樹脂，這樣確保樹脂混合物一致地在整個流動區涂敷。被適當組裝后，8單元對疊層的室內泄漏相當低，在每平方英寸4磅的壓力差下約為2-10毫升/分鐘。為對電去電離做初步研究，組裝兩個疊層，每個包括8個組裝的單元對，如圖7中所示。兩疊層均使用由ElectrodeProducts公司提供的鍍有氧化銥的鈦制成的陽極和不銹鋼陰極。第一疊層(疊層I)由從AsahiGlass公司提供的CMT正離子和AMT負離子交換薄膜制成。去鹽室以50∶50的IR122正離子樹脂和RA402負離子樹脂混合物填充。疊層(疊層II)由Ionics公司的正離子和負離子交換薄膜制成。去鹽室填充以Ambersep132正離子樹脂和Ambersep440負離子樹脂混合物。兩種樹脂均從RohmandHass公司獲得。在隨后的測試中，完全組裝好的疊層并無可測量的樹脂損失，顯示出復合端口保持樹脂粒的有效性。實施例1在圖8所示的測試設置中，疊層I被安裝進去并進行管道連接。DC電源連接至疊層上的陽極T1(圖6)和陰極T2。原始溶液箱184(圖8)裝有電導率為535μS/cm的氯化鈉溶液。濃縮箱和電極漂洗箱184、186分別裝有部分氯化鈉和硫酸的稀釋溶液，電導率為2.5-3.2mS/cm。泵P10-P12被接通，且通過疊層的液流通過在管線內的閥進行調節。小心維持循環間的壓力平衡。在進口壓力約為4磅/英寸2計示壓強(psig)時，原始溶液、濃縮和電極漂洗循環202、204、206中的流速分別為800毫升/分鐘、0.4加侖/分鐘、1.05加侖/分鐘。打開DC電源且電壓被控制在22伏。這表示單位單元電壓約為2.2伏，允許約4伏的電壓用于電極漂洗循環。在2小時的運行中，電流保持在1.3-1.4A(約為2.7A/平方英尺的電流密度)，而由于從去鹽循環流入的離子，濃縮和電極漂洗循環206中的電導率增加到4-5mS/cm。產品水電導率相當穩定地保持在約6.5μS/cm；表示原始溶液的去鹽率大于98％。實施例2疊層II被安裝進圖8所示的設置中。實驗沿實施例1所述的線路重復進行。電導率為540μS/cm的氯化鈉溶液被再次用作原始液流。均持續約1小時的三次試驗，在電壓降為2伏的條件下進行。電流輸出在1.7-3.9A的范圍。產品水質量和疊層壓降列表如下</tables>疊層II的性能或許比疊層I的稍好。疊層II中的壓降比疊層I稍高。從產品水質量可以看出，疊層II也去除了流入原始溶液中98％以上的鹽。實施例3疊層I和II用液壓式串聯連接并安裝進圖8所示的裝置中。因而，此裝置等效于串聯相連的6個流道；總流道長度為60″。原始液流、濃縮和電極漂洗循環202、204、206的流速分別為1.2升/分鐘、0.48加侖/分鐘和1.48加侖/分鐘。在此流速下疊層進口處壓降分別為10.5、10.5和10psig。壓力與單獨使用疊層II觀察到的一致。因而，通過另外3個流道循環溶液時出現最小的附加壓力損失；表示在串聯流道設計中壓力恢復非常好。電導率為650μS/cm的氯化鈉溶液被用作原始溶液。稀釋氯化鈉和硫酸分別用于濃縮和電極漂洗循環。按要求以水稀釋，它們的電導率分別保持在6和2mS/cm。電學上，疊層并聯連接，以使每一個疊層具有施于其電極的相同的電壓。每一疊層施以22伏電壓，它在疊層I中引起1.4-1.6A的電流輸出，而在疊層II中引起0.8-1.2A的電流輸出。測試進行了約5小時。產品水質量與濃縮液的電導率的關系如下<可以看到，穿過離子交換膜的濃縮液的反擴散對水質有一些影響。然而，總去鹽率＞98％。去鹽處理過程的流量效率(等于由每法拉第電流輸入去除的鹽的比率)大于0.5。對去鹽實驗做總結，打開疊層并檢驗內部元件。負離子交換薄膜輕微地帶棕黑色(由電去電離操作中pH值變化所影響)，但在其他方面狀況良好。重要的是，在去鹽室中的離子交換包裝根本未受影響；即，沒有樹脂遷移、聚集的跡象。實施例4用AMT、CMT離子交換薄膜組裝包含8個單元對的新型電去電離疊層。50∶50的“Ambersep″132和440樹脂的混合物用于填充疊層的去鹽室。組裝的疊層安裝進圖8所示的設置。包含200gm/l果糖和280gm/l葡萄糖、201gm/l鈉、42.5gm/l鎂的高果糖玉米漿液用作去鹽循環202的原始溶液。果糖溶液已被進行碳處理以去除大量的高分子有機物和色體。果糖溶液的電導率為348μS/cm。在實驗開始時濃縮箱186內有6升同樣的果糖溶液。電導率為1.2mS/cm的稀釋硫酸鈉溶液充入電極漂洗箱188。疊層中的電極端連接到DC電源。溶液象前面的實施例一樣，通過三個循環202、204、206進行循環。溶液的高粘稠度引致去鹽循環中的較低的流速和較高的壓降。一般地，循環中的流速和壓降如下在去鹽循環202中為160毫升/分鐘a6.5psig，濃縮循環204中為0.5加侖/分鐘a5.8psig，而在電極漂洗循環206中為1.7加侖a5.5psig。處理過程操作了12小時。按照需要抽取物質或加入果糖溶液或水，濃縮和電極漂洗循環204、204中電導率分別保持在5和3mS/cm以下。在實驗期間，施加電壓的范圍從25至36伏，而電流輸出為0.8-1.0A。產品果糖溶液電導率為9-16μS/cm。對9-10μS/cm范圍產品的分析顯示沒有可探測到的量級的Na、Ca或Mg。因而，電去電離處理過程在糖溶液的脫鹽上特別有效。本專業的技術人員將易于理解如何更改本發明。因而，所附的權利要求書將被認作涵蓋包括在本發明的范圍和精神內的所有等價的結構。權利要求1.一種用于電去電離單元疊層的墊料，所述墊料有統一厚度、集流管孔和端口，用于向所述墊料提供和從所述墊料去除含水溶液，至少一些所述集流管孔形成用來使溶液能夠直接流至疊層中的其他墊料的道管，每個串聯流道有最多4個所述集流管孔，所述墊料的工作區包括由流體節流閥順序連接在一起的多個流道部分，以便在所述墊料中形成至少一個串聯流道，每一個所述流道部分具有比流體節流閥寬度大的寬度，所述節流閥將流過所述流道的液體的速度減至在所述流體節流閥部分的所述液體速度的50-100％，每個串聯流道具有第一所述端口、用于向所述流道提供流體進口，和第二所述端口、用于向所述流道提供流體出口，所述端口具有基本上與所述墊料厚度相同的厚度，所述端口比墊料更硬且包括基本為平面的頂面和底面，其間至少有一個流體流動通道；和填充在串聯流道部分和連接流體節流閥部分的離子交換材料。2.權利要求1的單元，其特征在于所述離子交換材料是從包括正離子樹脂粒、負離子樹脂粒、混合樹脂粒、包含樹脂粒的編織氈、包含樹脂粒的微孔墊、包含樹脂粒的編織布和包含樹脂粒的微孔布的一組材料中選擇的。3.權利要求1的墊料，其特征在于所述離子交換材料是從包括氈或布的一組材料中選擇的。4.權利要求3的墊料，其特征在于氈或布將樹脂粒保持在緊密編織物或微孔布料中，此樹脂保持布料在墊料流動區域中形成袋子。5.權利要求1的墊料，其特征在于每一個所述流道部分具有2-8英寸數量級的寬度，且做180度轉折的所述流道部分由流體節流閥部分連接在一起，以形成串聯流道，每個串聯流道所述集流管孔最多有4個。6.權利要求1中的墊料，其特征在于所述墊料為電去電離疊層的濃縮室，并且網篩間隔裝置覆蓋包括流道部分和其連接流體節流閥部分的串聯流道。7.權利要求1的墊料，其特征在于所述端口為其上有溝通渠道的網篩間隔裝置，所述網篩間隔裝置具有蓋板形式的所述頂面和底面。8.權利要求2的墊料，其特征在于還包括相當硬的聚合板，在聚合板的至少一個表面有軟彈性表面層。9.權利要求8的墊料，其特征在于所述軟彈性表面層在聚合板的兩個表面。10.一種利用權利要求2的墊料的疊層的對含水原始液流去鹽的系統，所述疊層包括在一端的陽極和在相對端的陰極，正離子和負離子薄膜形成所述陽極和所述陰極之間的連續的稀釋和濃縮單元，并且至少所述墊料之一在所述薄膜之間。11.權利要求2的系統，其特征在于所述離子交換材料對糖溶液去鹽。12.權利要求11的系統，其特征在于所述糖溶液是從包括葡萄糖、果糖、蔗糖和其混合物的一組中選擇的。13.權利要求2的系統，其特征在于所述流道部分具有在約為2.5″至10″范圍的寬度。14.權利要求2的系統，其特征在于所述墊料包含至少一個包括2至6個流道部分的串聯流道。15.權利要求2的系統，其特征在于所述墊料包含1至4個串聯流道。16.一種電去電離單元組件，其特征在于包括一系列以陽極開始、以陰極結束的元件，所述一系列元件進一步包括一系列配對的室；所述一系列配對的室包括與濃縮室配對和交錯的去鹽室，所述一系列室位于所述陽極和陰極之間；每一個所述對的所述去鹽室位于所述濃縮室的陽極側，每一個所述對由所述對前、后的陰離子薄膜和同心地位于所述陰離子薄膜之間的陽離子薄膜之一限定；所述陰離子薄膜處在所述去鹽室的陽極側和所述濃縮室的陰極側，所述陽離子薄膜處在所述去鹽室的所述陰極側和所述濃縮室的所述陽極側；每一個所述室包括墊料，后者的工作區由在所述工作區中把墊料材料分隔成空穴、形成流道部分的一些肋片限定，所述流道部分由限流閥部分連接、以構成至少一延伸在兩個端部之間的串聯流道；所述串聯流道用離子交換材料填充或者用支持網復蓋；在所述串聯流道的所述兩端的每一端的所述墊料中，形成至少一個集流管孔；以及把所述集流管孔連接到所述串聯流道的各自相關的端部的端口裝置。17.權利要求16中的單元，其特征在于所述離子交換材料是從包括正離子樹脂粒、負離子樹脂粒、混合樹脂粒、包含樹脂粒的編織氈、包含離子交換粒的微孔氈、包含樹脂粒的編織布和包含樹脂粒的微孔布的一組材料中選擇的。18.權利要求16中的單元，其特征在于所述墊料具有統一的厚度，所述端口裝置包括具有不超過所述統一厚度的厚度的板，所述板具有多個穿孔，而所述端口在所述墊料的所述穿孔以所述串聯流道內連所述集流管的位置，由此進入所述集流管孔之一的液體流過所述端口之一、所述串流道、另一個所述端口、并流出另一個所述集流管孔，而所述端口具有阻斷樹脂粒流出的裝置。19.權利要求18中的單元，其特征在于所述陽極、陰極、薄膜和墊料排成一列而疊加組裝以形成所述單元，所述集流管孔與所述疊層校準以形成流過所述疊層的液體的管道。20.權利要求16中的單元，其特征在于所述串聯流道包括用于促進通過所述串聯流道的液體流動的紊度的節流閥部分。21.權利要求16中的單元，其特征在于所述節流閥部分具有提供占所述流道寬度20-90％數量級的通道的寬度。22.一種疊層包括多個具有離子交換材料填充在工作區的墊料；所述墊料以面對面關系密封，以便形成所述疊層，負離子和正離子交換薄膜隔開所述工作區；至少一對延伸通過所述疊層的管道，所述管道由所述墊料和薄膜內排成一排的集流管孔形成；將所述工作區連接至所述管道的所述對的其他工作區的進入端口；驅動液體通過所述管道、所述工作區，并流出其他所述管道的裝置；以及所述工作區內改善所述液體在所述工作區內的分布的裝置。23.權利要求22中的墊料疊層，其特征在于有至少4個所述集流管孔，它們排列形成兩對所述管道，所述墊料成對連接到所述管道，每對墊料中的一個墊料連接到所述管道的第一對，而所述每對墊料的另一墊料連接到所述墊料的另一對。24.權利要求23中的疊層，其特征在于所述工作區被所述墊料材料分隔形成通過所述工作區的螺旋形通道。25.一種用于電去電離單元疊層中的改進的墊料，其特征在于包含集流管孔和端口，用于向所述墊料提供或從所述墊料去除含水溶液，而集流管孔起管道或溶液流向單元疊層中其他墊料的作用；所述墊料具有統一厚度，它的工作區包括多個連接在一起形成串聯流道的流道，在墊料中有一個或更多此串聯流道，每一個所述流道為2″至8″寬且由流體節流閥部分在其作180度轉折處連接，每個串聯流道有最多4個集流管孔，每一個串聯流道另外有一個液體進口的端口和液體出口的第二端口，所述端口具有基本上與墊料相同的厚度，但比墊料更硬，而且包括基本上為平面的頂面和底面，在頂面和底面之間形成供液體流動的一個通道或幾個通道；以及當安裝到組合單元疊層中時，所述串聯流道和連接流道的節流閥部分被以離子交換材料填充，所述端口能將離子交換材料保持在工作區內。全文摘要電去電離單元組合裝置的墊料具有包括多個由節流閥部分連接以形成串聯流道的流道部分的螺旋形串聯流道。串聯流道包以離子交換材料。集流管孔位于串聯流道的相對端。剛性端口位于每個集流管孔和串聯流道端點之間。多個墊料以面對面的關系層疊,以使集流管也形成液體流進每個串聯流道和從每串聯流道流出的管道。文檔編號B01D61/52GK1200960SQ9810365公開日1998年12月9日申請日期1998年1月16日優先權日1997年1月17日發明者K·N·馬尼申請人:阿切爾丹尼爾斯密德蘭公司