海水淡化系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于处理水的电化学电池，所述电化学电池包括：至少一个构造以容留待处理的水的水腔室；至少一个氧化还原电极，所述至少一个氧化还原电极包含能够接受并与所述水中的至少一种负离子具有可逆氧化还原反应的反应物；至少一个能够容纳和嵌入所述水中的至少一种正离子的嵌入电极，其中所述嵌入电极浸没在所述水腔室中或通过任选的多孔隔板与所述水腔室分离；和分离所述氧化还原电极与所述水腔室的阴离子交换膜。所述电池可用来淡化宽盐度范围的水，包括海水和微咸水。所述电池也可用来收集盐，所述盐可随后用来增浓工业盐水。公开了用于使用所述电化学电池来处理水、例如淡化盐水溶液的方法。还公开了用于生产增浓盐水以制盐的方法。

【技术实现步骤摘要】
海水淡化系统
总体而言，本专利技术涉及盐水淡化领域，更具体而言，涉及用于从海水分离盐的电化学方法。该方法也关系到盐水增浓和制盐领域。
技术介绍
地球表面上适合人口和工业直接消费的水不到百分之一。大多数地表淡水由河流和湖泊提供。不具有靠近此类河流和湖泊的地理优势的许多地方遭受着淡水的稀缺。虽然通过长管道从湖泊和河流输送淡水以及抽取地下淡水是一直流行的解决方案，但随着时间的推移，此类资源正变得越来越少。水的盐度常常由溶解的盐的总溶解固体(“TDS”)数表示，单位mg／L。海水的盐度在33,000和37,000mg／L之间变化，并接受平均35,000mg／L作为海水的TDS数。具有大于2,000-3,000TDS的水通常被认为太咸而不能饮用。微咸水不具有严格的定义，并且取决于其位置，其盐度可为2，000和35,000TDS之间。盐度在500和1,000TDS的范围内的水被认为是可饮用的，但常具有强烈的味道。世界上大多数公共供水保持淡水500以下的TDS数。海水含有许多种类的盐。平均起来，在海水中的35,000mg／LTDS中，氯化钠占30,000mg／L，其余的5,000mg／L主要为钙、钾、镁和硫酸根离子。通过淡化微咸水和海水来获得淡水是一个古老的做法。热蒸馏是商业基础上用来淡化海水的最早方法，改进的蒸馏方法在今天被继续使用着。该方法涉及蒸馏盐水和冷凝水蒸汽以获得淡水。虽然用蒸馏可获得很高纯度的淡水，例如25TDS以下，但由于水的蒸发比热和潜热大，故其仍是能量密集型方法。因此在可得到大量废热的地方如电厂附近、在出于自然原因而淡水稀缺的地方如干旱的沿海地区(如波斯湾)或在可非常廉价地得到能量的地方如中东，其将是商业上可行的。热蒸馏中的现代技术包括多级闪蒸(“MSF”)和多效蒸馏(“MED”)。因为来自水蒸汽冷凝的热必须被再利用以使得蒸馏方法成本有效，故在这样的方法中，热-机械布置要求很高。另外，由于热开支，故仅非常大的蒸馏装置才获得良好的能量效率。一般来说，在大装置中，能量消耗达到5-9kWh／m3。反向渗透(“RO”)方法使用半透膜和150至1200psi的驱动液压力来从微咸水或海水移除溶解的固体。在高压下，水分子移动通过所述膜，而盐离子在低若干数量级的速率下通过所述膜。因此，通过RO方法，大部分溶解盐被移除。通常，越高的盐度要求越高的淡化压力，并且常常采用多个压力阶段来驱使水通过RO膜。RO仍是能量密集型方法，通常，使用RO方法淡化海水需要3-10kWh／m3的能量。另外，除非进水被仔细地预先处理过，否则因为大量的水流经所述膜，故进水中的微粒和其它杂质可能堵塞和污染所述膜。伴随RO方法的其它问题包括其高的安装和基建费用。此外，由于RO膜的前侧上高的驱动压力及相应的低背压，故在RO方法过程中超过70％的进水进入废物流的情况并不少见。在现代淡化技术中，已采用电化学方法。一种这样的电化学方法为电渗析(“ED”)，其为电压驱动的膜过程。使用电势来使盐移动通过膜，而留下淡水作为产物。ED利用了溶解在水中的大多数盐为离子并且或带正电荷或带负电荷的事实。因为同性电荷互相排斥、异性电荷互相吸引，故离子将朝向具有相反电荷的电极迁移。可构建合适的膜以允许正离子或负离子的选择性通过。在盐溶液中，溶解的离子如带正电荷的钠和带负电荷的氯将通过允许阳离子或阴离子而非二者通过的选定膜迁移向相反的电极。在ED方法过程中，水槽的盐含量变稀，同时在电极处形成浓溶液。在ED单元中，膜常常以交替样式布置，在阴离子选择性膜后跟着阳离子选择性膜。浓溶液和稀溶液在交替的膜之间的空间中产生，由两个膜约束的空间被称为电池。典型的ED装置包括数百个与电极约束在一起的电池，并被称为堆叠体。进水同时通过所有电池以从堆叠体提供连续的淡化水流和稳定的浓缩物(盐水)流。ED的一种变型，称为倒极电渗析(“EDR”)方法，基于与ED单元相同的一般原理运行，不同的是产物槽和浓缩物槽二者构造相同。在一小时数次的时间间隔下，电极的极性倒转，使得离子以相反的方向被吸引通过膜。倒极后立即移除产物水，直至生产线被冲洗并恢复所需的水质。冲洗仅花数分钟即恢复制水。倒极方法可有用地在水垢、泥渣和电池中其它沉积物的积聚导致不利影响之前破碎和冲洗它们。冲洗有助于减少膜污染的问题。因为盐的浓度梯度在这样的双极膜结构中起着重要作用，故保持梯度所需的电压将随梯度的幅度而上升。电压不能上升到高于约1.3V的水的电解分解电压，故在其下ED／EDR起作用的最大盐度受限制。因此，该技术通常用来淡化微咸水，而不是高盐度水如海水。电容去离子(“CD”)为一种电吸附方法，使用电场梯度作为驱动力由此从盐水移除离子。盐水进料流经由材料如碳基气凝胶构成的电极。这些气凝胶具有非常大的表面积，通常400-1，000m2／g，这有助于得到比简单平板高的电荷电容。以1-2伏的电势差施加一个直流电，使阳离子被吸引到阳极电极，而阴离子被吸引到阴极电极。离子被保持在电极表面双电层中。该技术可淡化初始盐度为2,000-4,000TDS的微咸水至500TDS以下，从而使得其可饮用。采用良好的系统设计，通常可在放电过程中回收高达70％的充电储能。因此，CD的净能耗低于0.5kWh／m3。然而，盐度高于约4,000TDS的水不能使用该方法淡化，因为电容场上的浓度梯度将太大而不能通过静电力的施加得以分离。如上所述，不同的现有淡化技术具有各种优缺点。例如，CD和ED技术虽然能量高效并且可在商业上扩展至小单元，但不适于海水淡化。RO和热蒸馏技术如MED和MSF可用于海水淡化，但能量需求高并且不能在商业上扩展。为避免这些及其它缺陷，本文公开了一种新型电化学淡化方法，其高度高效、高度可扩展并且可有效地淡化高盐度水如海水。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种具有高能量效率和高可扩展性的电化学淡化方法，其在一系列盐度下起作用，包括高盐度如海水。本专利技术的另一个目的是提供一种电化学淡化方法，其可用来以可扩展并且成本有效的方式增浓盐水以用于其它应用。因此，本文公开了一种用于处理水的电化学电池，其中正、负盐离子被从水体分离；在相应的电极处或被还原或被氧化；并因适宜电压的施加而保持物理溶解、吸收、吸附或嵌入。还公开了用于使用这样的电化学电池从水移除盐的方法。附图说明引入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示意了本专利技术的若干示例性实施例并与具体实施方式一起用来说明本专利技术的原理。图1为示意图，示出了MnO2的主要晶体结构。图2为各种MnO2晶型的Na-MnO2循环伏安图。图3呈现了处于淡化(充电)模式的所公开淡化装置。图4呈现了处于增浓(放电)模式的所公开淡化装置。具体实施方式如本文所用，“淡化”及其变型指各离子如Na+和Cl-从初始水源的移除以使得淡化水的盐度低于初始水源的盐度。如本文所用，“增咸(resalination)”及其变型指各离子如Na+和Cl-向初始水源的添加以使得增咸水的盐度高于初始水源的盐度。如本文所用，“电化学电池”及其变型指能够通过电能的引入促进化学反应的装置。如本文所用，“嵌入电极”及其变型指用作自电解质向其中可逆地嵌入客体离子物质的主体固体的电活性材料。嵌入电极可明示或固有地含有促进电子传递的导电集电体。如本文所用，“氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于水的处理的电化学电池，所述电化学电池包括：至少一个构造以容留待处理的水的水腔室；至少一个氧化还原电极，所述至少一个氧化还原电极包含能够接受所述水中的至少一种负离子并与所述水中的至少一种负离子具有可逆氧化还原反应的反应物；至少一个能够容纳和嵌入所述水中的至少一种正离子的嵌入电极，其中所述嵌入电极浸没在所述水腔室中或通过任选的多孔隔板与所述水腔室分离；分离所述氧化还原电极与所述水腔室的阴离子交换膜；任选地，能够施加足以使得所述氧化还原电极比所述嵌入电极更正的电压的电源；任选地，至少一个用于移除所述经处理水的出口；和任选地，至少一个用于收集盐的腔室，其中所述氧化还原电极优选包含在盐酸中的氯化亚铁溶液，和其中所述嵌入电极优选包含二氧化锰，所述二氧化锰优选呈α或δ晶型。

【技术特征摘要】
2013.04.16 US 13/8639481.一种用于水的处理的电化学电池，所述电化学电池包括：至少一个构造以容留待处理的水的水腔室；至少一个氧化还原电极，所述至少一个氧化还原电极包含能够接受所述水中的氯离子并与所述水中的氯离子具有可逆氧化还原反应的在盐酸中的氯化亚铁溶液；至少一个能够容纳和嵌入所述水中的至少一种正离子的嵌入电极，其中所述嵌入电极浸没在所述水腔室中或通过任选的多孔隔板与所述水腔室分离；分离所述氧化还原电极与所述水腔室的阴离子交换膜。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述嵌入电极包含二氧化锰。3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中所述二氧化锰呈α或δ晶型。4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池还包括能够施加足以使得所述氧化还原电极比所述嵌入电极更正的电压的电源。5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述构造以容留待处理的水的腔室包含盐度为至少500mg/L的待淡化水。6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述构造以容留待处理的水的腔室包含盐度低于500mg/L的待增咸水。7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池还包括至少一个用于移除所述经处理水的出口。8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电化学电池还包括至少一个用于收集盐的腔室。9.一种淡化水的方法，所述方法包括使盐度为至少500mg/L的水流经电化学淡化电池，所述电化学淡化电池包括：至少一个构造以容留待处理的水的水腔室；至少一个氧化还原电极，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·K·萨胡，F·E·托雷斯，
申请(专利权)人：帕洛阿尔托研究中心公司，
类型：发明
国别省市：美国;US