电化学分离装置.pdf

提供了用于电化学分离的系统和方法。电化学分离装置可以包括围绕电极盘绕以形成具有跑道构型的线盘的至少一个电池对。

1.  一种电化学分离装置，包括：
第一电极；
至少一个电池对，所述至少一个电池对包括阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜围绕所述第一电极盘绕以形成具有跑道构型的线盘；以及
第二电极，所述第二电极环绕所述线盘。

2.  如权利要求1所述的装置，所述装置被配置使得稀释流和浓缩流从所述第一电极并流地流动到所述第二电极。

3.  如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极包括阳极，并且其中所述第二电极包括阴极。

4.  如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极包括直线部分，所述直线部分在每一端处具有半圆形部分以界定实质上长形的S形阳极。

5.  如权利要求4所述的装置，其中所述第一电极还包括紧固片，所述紧固片在每一端处以固定所述至少一个电池对。

6.  如权利要求3所述的装置，其中所述阳极涂覆有抗氧化材料。

7.  如权利要求1所述的装置，其中所述第一电极是分段的。

8.  如权利要求7所述的装置，还包括间隔件，所述间隔件配置为保持在所述阳极的第一部段和第二部段之间的预定距离。

9.  如权利要求3所述的装置，其中所述阴极是分段的。

10.  如权利要求1所述的装置，还包括歧管，所述歧管用于促进流体流动穿过所述至少一个电池对。

11.  如权利要求1所述的装置，其中所述线盘的至少一端被粘合剂密封。

12.  如权利要求1所述的装置，还包括容器，所述容器配置为容纳所 述线盘。

13.  如权利要求12所述的装置，其中所述容器包括端块。

14.  如权利要求1所述的装置，其以至少约85％的膜利用率为特征。

15.  如权利要求1所述的装置，其中，所述线盘的横截面具有实质上直线的部分和弯曲部分，所述弯曲部分在所述实质上直线的部分的第一端和第二端处。

16.  如权利要求15所述的装置，其中，电流密度遍及所述线盘的所述实质上直线的部分是实质上均匀的。

17.  如权利要求15所述的装置，其中所述实质上直线的部分的长度与所述弯曲部分中的每一个弯曲部分的半径的比率大于零。

18.  如权利要求17所述的装置，其中所述弯曲部分的半径不取决于电池对的数目。

19.  如权利要求15所述的装置，其中所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜沿着所述线盘的所述实质上直线的部分是平坦且平行的。

20.  如权利要求1所述的装置，其中所述线盘具有两个对称轴。

21.  一种水处理系统，包括如权利要求1所述的电化学分离装置。

电化学分离装置
公开领域
方面大体涉及电化学分离，并且更特别地，涉及包括以跑道构型(racetrack configuration)布置的离子交换膜的电化学分离系统和方法。
概述
根据一个或多个方面，电化学分离装置可以包括第一电极、至少一个电池对和第二电极，所述至少一个电池对包括围绕第一电极盘绕以形成具有跑道构型的线盘的阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述第二电极环绕线盘。
在一些方面，装置可以被配置使得稀释流和浓缩流从第一电极并流地流动到第二电极。第一电极可以包括阳极，并且第二电极可以包括阴极。阳极可以包括直线部分，所述直线部分在每一端处具有半圆形部分以界定实质上长形的S形阳极。阳极还可以包括比如紧固片的紧固件，所述紧固件在每一端处以固定所述至少一个电池对。阳极可以涂覆有抗氧化材料。
在一些方面，阳极可以是分段的。装置还可以包括间隔件，所述间隔件配置为保持阳极的第一部段和第二部段之间的预定距离。在其他方面，阴极可以是分段的。装置还可以包括歧管，其用于促进流体流动穿过所述至少一个电池对。
在一些方面，线盘的至少一端被粘合剂密封。容器可以配置为容纳线盘。容器可以包括端块(endblock)。装置可以以至少约85％的膜利用率为特征。
在一些方面，线盘的横截面具有实质上直线的部分和弯曲部分，所 述弯曲部分在实质上直线的部分的第一端和第二端处。电流密度遍及线盘的实质上直线的部分可以是实质上均匀的。实质上直线的部分的长度与弯曲部分中的每一个的高度的比率可以大于零。在至少一些方面，弯曲部分的高度不取决于电池对的数目。在一些方面，阴离子交换膜和阳离子交换膜沿着线盘的实质上直线的部分是平坦的且平行的。线盘可以通常具有两个对称轴。
在一些方面，水处理系统可以包括具有第一电极、至少一个电池对和第二电极的电化学分离装置，所述至少一个电池对包括围绕第一电极盘绕以形成具有跑道构型的线盘的阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述第二电极环绕线盘。
以下详细讨论这些示例性方面和实施方案的另外其他方面、实施方案和优点。本文公开的实施方案可以以与本文公开的原理的至少一个一致的任何方式与其他实施方案结合，并且对“实施方案”、“一些实施方案”、“替代实施方案”、“各种实施方案”、“一个实施方案”或类似物的引用不一定互相排斥，并且意图指示所描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实施方案中。本文中的这类术语的出现不一定全都指的是相同的实施方案。
附图简述
以下参考不意图按比例绘制的附图来讨论至少一个实施方案的各个方面。各图被包括以提供对各个方面和实施方案的说明和进一步理解，并且被并入及构成本说明书的一部分，但不意图作为本发明的限制的定义。在图、详细描述或任何权利要求中的技术特征跟随有参考标记的情况下，参考标记已经被包括以用于增加图和描述的可理解性的唯一目的。在图中，在各个图中示出的每一个相同或几乎相同的部件由相同的数字表示。出于清楚的目的，不是每个部件都可以在每个图中被标记。在图中：
图1呈现根据一个或多个实施方案的电化学分离装置的横截面示意 图；
图2呈现根据一个或多个实施方案的图1的一部分的详细视图；
图3a和图3b呈现根据一个或多个实施方案的电化学分离装置的示意图；
图4呈现根据一个或多个实施方案的图3a的一部分的详细视图；
图5呈现根据一个或多个实施方案的容纳在容器中的电化学分离装置的示意图；
图6a和图6b呈现根据一个或多个实施方案的各种流模式(flow pattern)的示意图；
图7呈现在根据一个或多个实施方案的随附实例中讨论的数据。
详细描述
用于使用电场净化流体的装置通常用来处理水和其他包含溶解的离子物质的液体。以这种方式处理水的两种类型的装置是电去离子装置和电渗析装置。由离子选择膜分离的浓缩隔室和稀释隔室在这些装置内。电渗析装置通常包括交替的电活性的半渗透的阴离子交换膜和阳离子交换膜。膜之间的空间配置为建立具有入口和出口的液体流动隔室。经由电极施加的应用电场导致溶解的离子被吸引至其各自的反电极(counter-electrode)，以迁移穿过阴离子交换膜和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室的液体被耗尽离子，并且浓缩隔室中的液体富有转移的离子。
电去离子(EDI)是使用电活性介质和电势以影响离子传输而从水中去除或至少减少一种或多种电离物质或可电离物质。电活性介质通常用来交替地收集和排出离子物质和/或可电离物质，并且在一些情况下，用来通过离子取代机理或电子取代机理促进离子的传输(其可以是连续的)。EDI装置可以包括永久充填或临时充填的电化学活性物质，并且可以分批地、间歇地、连续地和/或甚至以相反的极性模式来操作。EDI装置可以被操作来促进专门设计以实现或提高性能的一个或多个电化学反 应。此外，这类电化学装置可以包括电活性膜，比如半渗透或选择性渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)装置是对于本领域技术人员已知的EDI装置，其以其中能够连续进行水净化而同时连续再充填离子交换材料的方式来操作。CEDI技术可以包括比如连续去离子、填充床电渗析(filled cell electrodialysis)或电渗析(electrodiaresis)的过程。在控制的电压和盐度条件下，在CEDI系统中，水分子可以分解以生成氢或水合氢的离子或物质以及氢氧化物或羟基的离子或物质，所述氢或水合氢的离子或物质以及氢氧化物或羟基的离子或物质，其可以在装置中再生成离子交换介质并且从而促进捕集的物质从中释放。以这种方式，待处理的水流可以被连续净化，而不需要离子交换树脂的化学再充填。
电渗析(ED)装置以与CEDI类似的原理操作，除了ED装置通常不包含在膜之间的电活性介质。由于缺乏电活性介质，ED对低盐度的给水的操作可能由于升高的电阻而被妨碍。而且，由于ED对高盐度给水的操作可以导致升高的电流消耗，所以ED设备迄今为止最有效地用于中等盐度的水源水。在基于ED的系统中，由于没有电活性介质，所以分解水是无效率的并且通常避免以这种状况操作。
在CEDI和ED装置中，多个相邻的电池或隔室通常被选择性渗透膜分隔，该选择性渗透膜允许带正电的物质或带负电的物质通过，但通常不允许两者都通过。在这种装置中稀释隔室或耗尽隔室通常留有浓缩(concentrating)隔室或浓缩(concentration)隔室的空间。在一些实施方案中，电池对可以指的是一对相邻的浓缩隔室和稀释隔室。当水流动穿过耗尽隔室时，离子和其他带电物质通常在电场(比如DC场)的影响下被吸入浓缩隔室中。带正电的物质朝向通常定位在多个耗尽和浓缩隔室的堆的一端处的阴极被吸引，并且带负电物质朝向通常定位在该隔室堆的相对端处的这种装置的阳极同样地被吸引。电极通常容纳在电解质隔室中，所述电解质隔室常常与耗尽和/或浓缩隔室流体连通部分地隔离。一旦在浓缩隔室中，带电物质通常被至少部分地界定浓缩隔室的选择性渗透膜的屏障捕集。例如，阴离子通常通过阳离子选择膜防止进一步朝 阴极迁移离开浓缩隔室。一旦捕获在浓缩隔室中，则捕集的带电物质可以在浓缩流中被去除。
在CEDI和ED装置中，DC场通常从应用于电极(阳极或正极以及阴极或负极)的电压源和电流源施加到电池。电压源和电流源(统称为“电源”)可以通过多种手段比如AC电源或例如源自太阳能、风能或波浪能的电源来给自身提供动力。在电极/液体界面处，电化学半电池反应发生，其激发和/或促进离子转移穿过膜和隔室。在电极/界面处发生的特定电化学反应在一定程度上可以通过容纳电极组件的专用隔室中的盐的浓度来控制。例如，氯化钠高的阳极电解质隔室的进给将倾向于生成氯气和氢离子，而阴极电解质隔室的这种进给将倾向于生成氢气和氢氧离子。通常，在阳极隔室处生成的氢离子将与自由阴离子(比如氯离子)结合，以保持电荷中性(charge neutrality)并且产生盐酸溶液，并且相似地，在阴极隔室处生成的氢氧离子将与自由阳离子(比如钠)结合，以保持电荷中性并且产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物(比如生成的氯气和氢氧化钠)可按需用于该过程以用于消毒目的、以用于膜清洁和除污目的以及以用于pH调节目的。
在传统的板框式ED设计中，稀释流和浓缩流是平行的—同向流动或者逆向流动。另一可能设计包括横跨流动装置，其中稀释流和浓缩流彼此垂直。与板框式设计相比，横跨流动设计具有较高的膜利用和较低的压降的优点。板框式设计和横跨流动设计两者均具有平坦的并且被筛分隔的交替的阴离子膜和阳离子膜。每个平行部件的堆通过电极结合在两端处。除了通过流动穿过入口歧管和出口歧管绕过堆的部分(泄漏电流)，电流从阳极通过串联的每一个膜流动到阴极。如果泄漏电流是总电流的小部分，则平均电流密度将贯穿该堆为实质上均匀的。当给水流动穿过稀释隔室时，离子转移至相邻浓缩隔室的速率将因此沿着流动路径是大约相同的。
板框式设计和螺旋盘绕式设计已经用于各种类型的电化学去离子装置，包括但不限于：电渗析(ED)装置和电去离子(EDI)装置。可商购的ED装置通常是板框式设计，而EDI装置在板框式构型和螺旋式构 型两者中均可用。在螺旋盘绕式设计中，装置可以构造有膜和筛，所述膜和筛围绕中心的电极以螺旋形盘绕；另一电极环绕周界。稀释流和浓缩流能够以螺旋路径在径向上、向内或向外、并流或逆流地流动。可替代地，流中的一个可以是径向的，并且另一个在轴向方向上。在常用构型中，内电极是阳极，并且外电极是阴极。给水(比如海水)被引入中心并且进给到稀释隔室和浓缩隔室。两个流朝着阴极以螺旋路径向外流动。螺旋线盘的端部用灌封胶密封。在螺旋隔室的外端处收集产物和废弃物。
常规螺旋盘绕式设计可以具有超过板框式设计的某些优点。其仅有的泄漏电流是沿着螺旋路径而不是穿过膜流动并且预期为最小的电流。装置的组装具有较少步骤并且较容易自动化。板框式的部件(比如间隔件)不是必需的。螺旋盘绕式设计也具有某些缺点，包括电流密度随着距内电极的距离增加而减少，这样，离子从稀释流转移的速率随着稀释流向外螺旋而降低。为了去除应用所需要的离子量，膜面积可以通过增加螺旋的长度来增大，或者稀释速率可以被减小，从而增加滞留时间。增大膜面积和螺旋长度增加了膜的成本和压降。附加的膜面积进一步远离具有甚至更低的电流密度的内电极。此外，因为水份损失由于电渗透作用和渗透作用而存在，所以最终产物水的流速被进一步减小，使得每单位产物的能量和资本成本增大。因此，有可能在收益缩减的方案中，其中成本竞争力设计是不可能的。电池对的数目并且因而产物流速受到阳极部段之间的间隙的大小和盘绕大量薄片的困难的限制。然而，增大部段的半径增加了阳极的成本，该阳极必须由昂贵的抗氧化材料比如钛涂铂制成。为了实现需要的盐去除，阳极处的电流密度可以是不可接受的高，近似几百amp/m²。
根据一个或多个实施方案，跑道构型可以提供与螺旋设计相关联的某些优点，同时最小化其缺点。
一个或多个实施方案涉及可以包含在壳体内的可以电净化流体的装置，及其制造和使用的方法。待净化的液体或其他流体进入净化装置，并且在电场的影响下被处理以产生离子耗尽的液体。收集来自进入液体 的物质以产生离子浓缩的液体。
根据一个或多个实施方案，可以改进电化学分离系统的效率。电流损失是效率低的一个潜在根源。在一些实施方案中，可以解决潜在的电流泄漏。电流效率可以定义为使离子移动有效地离开稀释流进入浓缩流中的电流百分比。电流效率低的各种根源可能存在于电化学分离系统中。例如，在横跨流动装置中，效率低的一种潜在根源可能涉及通过流动穿过稀释流入口歧管和出口歧管以及浓缩流入口歧管和出口歧管而绕过电池对的电流。敞开的入口歧管和出口歧管可以与流隔室直接流体连通，并且可以降低每个流动路径中的压降。电流从一个电极到另一电极的部分可以通过流动穿过敞开区域而绕过电池对的堆。旁路电流降低了电流效率并且增大了能量消耗。效率低的另一潜在根源可能涉及由于离子交换膜的不完美的选择渗透性导致的从浓缩流进入稀释流的离子。在一些实施方案中，各种技术和设计可以促进电流泄漏的减少。
根据一个或多个实施方案，电化学分离装置可以包括跑道构型，以防止电流泄漏。
在一个或多个实施方案中，穿过堆的旁路路径可以被操纵以促进电流沿着穿过电池堆的直接路径流动，以便提高电流效率。在一些实施方案中，电化学分离装置可以被构造和布置，使得一个或多个旁路路径比穿过电池堆的直接路径更加曲折。在至少某些实施方案中，电化学分离装置可以被构造和布置，使得一个或多个旁路路径比穿过电池堆的直接路径呈现更高的电阻。在一些实施方案中，可以实现至少约60％的电流效率。在其他实施方案中，可以实现至少约70％的电流效率。在另外其他实施方案中，可以实现至少约80％的电流效率。在至少一些实施方案中，可以实现至少约85％的电流效率。在一些实施方案中，可以实现至少约90％的电流效率。
根据一个或多个实施方案，隔室内的流可以被调节、再分配或重新定向，以提供隔室内流体与膜表面的较大接触。隔室可以被构造和布置以再分配隔室内的流体流。隔室可以具有将在下文进一步讨论的障碍物、凸出部、突出部、凸缘、或挡板，其可以提供再分配穿过隔室的流 的结构。在某些实施方案中，障碍物、凸出部、突出部、凸缘、或挡板可以被称为流再分配器。流再分配器可以存在于电池堆的隔室的一个或多个中。
用于电净化设备的电池堆中的每一个隔室可以被构造和布置，以提供用于流体接触的预定百分比的表面积或膜利用率。已经发现的是，较大的膜利用率在电净化设备的操作中提供较大的效率。实现较大膜利用率的优点可以包括较低的能量消耗、较小的设备占地面积、几乎不穿过设备以及较高质量的产物水。在某些实施方案中，可以实现的膜利用率大于65％。在其他实施方案中，可以实现的膜利用率大于75％。在某些其他实施方案中，可以实现的膜利用率可以大于85％。膜利用率可以至少部分地取决于用来使膜中的每一个彼此固定的方法和任何间隔件的设计。为了获得预定的膜利用率，可以选择适当的固定技术和部件，以便实现可靠的且牢固的密封，该密封允许电净化设备的最佳操作，而不遭遇设备内的泄漏。在一些实施方案中，堆生产工艺可以包括热结合技术以最大化膜利用率，同时维持可用于工艺中的膜的大表面积。
根据一个或多个实施方案，提供了包括电池堆的电净化设备。电净化设备可以包括包含离子交换膜的第一隔室，并且可以构造和布置为在离子交换膜之间提供第一方向上的直接流体流。电净化设备还可以包括包含离子交换膜的第二隔室，并且可以构造和布置为提供第二方向上的直接流体流。第一隔室和第二隔室中的每一个可以构造和布置为提供用于流体接触的预定百分比的表面积或膜利用率。
电净化设备可以包括电池堆。电净化设备可以包括第一隔室，所述第一隔室包括第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜，第一隔室构造和布置为在第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜之间提供第一方向上的直接流体流。设备还可以包括第二隔室，所述第二隔室包括第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜，以在第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜之间提供第二方向上的直接流体流。第一隔室和第二隔室中的每一个可以构造和布置为提供预定的膜利用率，例如，大于第一阳离子交换膜、第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜的表面积的85％的流体接 触。第一隔室和第二隔室中的至少一个可以包括间隔件，其可以是阻挡间隔件(blocking spacer)。
根据一个或多个实施方案，包括电池堆的电净化设备还可以包括封闭电池堆的壳体，其中电池堆的周界的至少一部分固定至壳体。框架可以被定位在壳体和电池堆之间。流再分配器可以存在于电池堆的隔室的一个或多个中。隔室的至少一个可以构造和布置为在隔室内提供倒流。
在本公开内容的一些实施方案中，提供了用于电净化设备的电池堆。电池堆可以提供多个交替的离子耗尽隔室和离子浓缩隔室。间隔件可以定位在电池堆中。间隔件可以对隔室提供结构并且界定隔室，并且在某些实例中可以辅助引导流体流穿过隔室。间隔件可以是阻挡间隔件，其可以构造和布置为重新定向流体流和电流中的至少一个穿过电池堆。如讨论的，阻挡间隔件可以减少或防止在电净化设备中的电流效率低。
根据一个或多个实施方案，壳体可以包括电极。端板可以包括电极。电净化设备可以包括在线盘的内部处的第一电极和环绕线盘的第二电极。在一些实施方案中，第一电极可以是阳极，并且第二电极可以是阴极。在其他实施方案中，第一电极可以是阴极，并且第二电极可以是阳极。电极中的一个或两者可以如本文讨论的被分段。
在第一方向上的流体流可以是稀释流，并且在第二方向上的流体流可以是浓缩流。在某些实施方案中，借助于其中施加的电场被反转从而反转流函数的极性反转，在第一方向上的流体流可以转变成浓缩流，并且在第二方向上的流体流可以转变成稀释流。由间隔件分隔的多个间隔件组件可以被固定在一起以形成电池对的堆，或膜电池堆。
本公开内容的电净化设备还可以包括封闭电池堆的壳体。电池堆的周界的至少一部分可以固定至壳体。框架或支撑结构可以定位在壳体和电池堆之间，以对电池堆提供附加支撑。框架还可以包括入口歧管和出口歧管，所述入口歧管和出口歧管允许液体流进和流出电池堆。框架和电池堆可以共同提供电净化设备模块化单元。电净化设备还可以包括固定在壳体内的第二模块化单元。可以应用粘合剂来将电池堆的周界的至 少一部分密封至壳体的内壁。
在本公开内容的某些实施方案中，隔室内的流可以被调节、再分配或重新定向，以提供隔室内流体与膜表面的较大接触。隔室可以被构造和布置为再分配隔室内的流体流。隔室可以具有障碍物、凸出部、突出部、凸缘或挡板，其可以提供再分配穿过隔室的流的结构。障碍物、凸出部、突出部、凸缘或挡板可以形成为离子交换膜的部分，间隔件，或者可以是设置在隔室内的另外的分隔结构。
本发明不限于用于电渗析设备。比如电去离子(EDI)或连续电去离子(CEDI)的其他电化学去离子装置也可以使用跑道构型来构造。潜在应用包括对海水、淡盐水以及来自油和气生产的卤水的脱盐。
根据一个或多个实施方案，提供了电化学分离装置。在一些实施方案中，电化学分离装置可以是电渗析装置。在其他实施方案中，电化学分离装置可以是电去离子装置。根据某些实施方案，电化学分离装置可以包括电极和至少一个电池对。电池对可以包括阴离子交换膜和阳离子交换膜。在至少一些实施方案中，离子交换膜可以围绕电极盘绕以形成线盘。线盘可以具有跑道构型。在各种实施方案中，电化学分离装置还可以包括配置为环绕线盘的第二电极。电极的一个或两者可以被分段以适应线盘的跑道构型。在某些实施方案中，电化学分离装置还可以包括用于促进流体流动穿过线盘的至少一个电池对的歧管。
根据一个或多个实施方案，跑道构型可以结合板框式ED装置、横跨流动ED装置和螺旋盘绕ED装置的优点。在通过阳极部段和阴极部段的直线部分界定的膜区域中，膜是平坦的和平行的，如在板框式装置和横跨流动装置中。电流密度实质上是均匀的，并且从稀释隔室去除离子的速率不是距内电极的距离的函数。仅有的离子转移不活泼的膜区域是封装在灌封化合物中的小部分。如在横跨流动装置和螺旋装置中，预期超过85％的膜利用率。仅有的泄漏电流是沿着跑道路径流动而不是穿过膜流动的电流并且预期是最小的。装置的组装具有较少步骤并且较容易自动化。板框中的部件(比如间隔件)以及横跨流动中的模块化框架不是必需的。
根据一个或多个实施方案，具有跑道构型的装置的设计可以包括用于最佳化的许多变量，包括电池对的数目、内电极中直线部分的长度、围绕内电极的线圈的数目和流动路径的长度、在稀释隔室和浓缩隔室的入口处的流速、以及膜间间隔、以及稀释隔室和浓缩隔室中的筛的类型，这些可以是相同或不同的。跑道路径的圆形部分中的膜区域经受非均匀的电流密度(如在螺旋装置中)。在那些区域中，存在缩减与内电极具有距离的离子去除速率的挑战，并且随着线圈数目增加，可能存在成本竞争力的收益缩减。
图1是以阳极110和分段的阴极120为特征的具有跑道构型的电化学分离模块100的示意性横截面。包括阴离子交换膜和阳离子交换膜的两个电池对的堆围绕阳极110盘绕以形成线盘。阴极120被分段以形成配置为环绕线盘的两部分。给水(比如海水)被引入定位在靠近阳极110的跑道的中心附近的入口130中。给水通过入口130进给至模块的稀释隔室和浓缩隔室，并且然后前进以向外流动到阴极120。一旦给水已经通过稀释隔室和浓缩隔室处理，则相应的产物流和废弃物流在跑道构型的外端处被收集并且通过出口140离开模块。在一些实施方案中，模块可以被配置使得稀释流和浓缩流以实质上盘绕的流动路径从阳极彼此并流地流动到阴极。在替代方案中，模块可以被配置使得稀释流和浓缩流彼此逆流地流动。在另一实施方案中，模块可以被配置使得稀释流和浓缩流中的一个以实质上盘绕的流动路径从阳极流动到阴极，而稀释流或浓缩流中的另一个在垂直于另一流的实质上轴向的方向上流动。此特定构型在给水的传导率低的应用中可以是合适的。在另外的其他实施方案中，模块可以被配置使得稀释流和浓缩流从外部阴极向内流动到内部阳极。为了清楚起见，所有部件的厚度已经被夸大，并且每堆仅两个电池对在图中示出，其中电池对围绕阳极仅盘绕两次。实际上，电池对的数目和线圈的数目可以更多，特别是如果膜和任何筛(以下进一步讨论的)配置为薄的。
在一些非限制性实施方案中，阳极110可以通过采用平板并且然后弯曲或卷动端部来制造。在替代方案中，阳极可以通过将平板的部分焊接 至半圆柱形状的部分来构造。根据一些实施方案，膜在构造上可以是均匀的并且是0.025mm厚，并且筛可以是0.25mm厚，产生具有0.55mm的厚度的电池对。这些尺寸将允许50个电池对的堆随后能够贴合到具有13.8mm的半径的端部分中。
图2是稀释隔室和浓缩隔室的并且靠近跑道构型的中心定位的入口230中的一个入口的放大细节图。在此特定实施方案中，阳极210可以包括直线部分，其在每一端处具有半圆形部分以界定实质上长形的S形。半圆形部分的端部还可以包括短的直线部分，所述短的直线部分可以起紧固件(比如紧固片250)的作用。在各种实施方案中，阳极可以包括定位在每一端处的紧固片，所述紧固片使一个或多个电池对固定至阳极。如图所示，两个矩形膜和筛的堆可以被插入阳极的端部分中，并且通过紧固至片250来机械地夹紧到适当的位置中。在一些实施方案中，膜和筛可以通过弯曲片250机械地夹紧到适当的位置中。膜和筛然后可以围绕阳极盘绕以形成跑道形的构型。阳极的基片可以由各种材料(比如钛)来制造，并且可以进一步涂覆在具有抗氧化材料(比如铂、氧化铱、氧化钌及其混合物)的表面上。
图3a和图3B呈现以分段的阳极310和分段的阴极320为特征的具有跑道构型的电化学分离模块300的示意图。阳极被分段以形成两个部分，并且包括阴离子交换膜和阳离子交换膜的两个电池对的堆围绕阳极310盘绕以形成线盘。以与图1类似的方式，给水被引入定位在靠近阳极310的跑道的中心附近的入口330中，并且然后可以前进以向外流动到阴极320并且通过出口340离开模块。如先前讨论的，模块可以被配置使得稀释流和浓缩流可以彼此并流或逆流地流动。模块还可以被配置使得稀释流和浓缩流以实质上盘绕的路径从阳极流动到阴极，或者模块可以被配置使得稀释流和浓缩流中的一个以实质上盘绕的流动路径从阳极流动到阴极，而稀释流或浓缩流中的另一个在垂直于另一个流的实质上轴向的方向上流动。在替代方案中，模块可以被配置使得稀释流和浓缩流从外部阴极向内流动到内部阳极。
图4是图3a的中心区域的放大细节图，并且示出了靠近跑道构型的 中心定位的稀释隔室和浓缩隔室的入口430。在此实施方案中，阳极被分段，其中每个部分包括直线部分和弯曲部分。当阴离子交换膜和阳离子交换膜围绕阴离子盘绕时，相应的线盘也可以具有实质上直线的部分和弯曲部分。分段的阳极可以允许模块的构造更加灵活。例如，阳极的弯曲部分的半径和线盘的弯曲部分的半径可以独立于电池对的数目，因为分段的阳极的直线部分之间的距离可以变化。如在图中所图示的，一个或多个间隔件470可以定位在分段的阳极的直线部分之间中以将阳极的两个部段推开。间隔件可以配置为保持阳极的两个部段之间的预定距离。合适类型的间隔件的一个实例可以是螺旋式机构。如先前讨论的，阳极的半圆形弯曲部分的端部还可以包括起夹紧片450作用的短的直线部分，并且在一些实施方案中，阳极还可以包括定位在每一端处以使一个或多个电池对固定至阳极的紧固件。
图5图示了已经放置在容器中的跑道形盘绕的线盘。跑道构型线盘可以以各种方式安装在容器中。根据一个或多个非限制性实施方案，一旦一个或多个电池对围绕内电极盘绕，则线盘端部中的一个或两者被密封在灌封胶580中并且被修整。灌封的线盘然后可以插入圆柱形容器590中。容器还可以包括一个或多个端块(未示出)。一个或多个出口歧管585可以包括用于产物流和废弃物流的出口。入口歧管还可以与跑道线盘流体连通。线盘和容器的内部之间的任何间隙还可以被波状外形部件(未示出)填充，使得容器590起作用以支撑线盘的外周界。容器590还可以在两端处通过端块(未示出)来覆盖，该端块可以提供入口端口和出口端口以及与电极的电连接。如果使用波浪状外形部件，则其可以由低成本且无腐蚀性材料(比如塑料)来制造，并且通过模塑或机械加工技术来成形。波状外形部件还可以起作用以支撑线盘的外周界，或实现其他功能。例如，波状外形部件中的一个或多个可以包含一个或多个歧管，用于从废弃物流或产物流收集流出物并且将其运送至相应的端口。在某些实施方案中，填充部件不是必需的。例如，灌封的线盘可以仅仅插入圆容器中，并且可以附接端块。填充材料然后可以注入线盘和容器的内表面之间的空间中。合适的填充材料的实例包括刚性或半刚性的灌封化合物和密封剂泡沫，所述刚性或半刚性的灌封化合物和密封剂 泡沫可以在被注入空腔中之后膨胀且固化。容器590可以采用许多不同形状，包括矩形或跑道形。这些构型可以使多个装置能够更紧密地封装到容器中。容器可以是适合于实施为用于在本文公开的装置和系统中描述的线盘构型的壳体的任何形状。
根据一些实施方案中，由盘绕的阴离子交换膜和阳离子交换膜与阳极形成的线盘的横截面可以具有实质上直线的部分和在实质上直线的部分的第一端和第二端处的弯曲部分。在某些实施方案中，电流密度遍及线盘的实质上直线的部分可以是实质上均匀的。在各种实施方案中，实质上直线的部分的长度与每个弯曲部分的高度或半径的比率可以大于零。在至少一个实施方案中，弯曲部分的半径可以不取决于电池对的数目。例如，装置的构型可以如图3中所示。根据一些实施方案，每个弯曲部分的半径等于约一个堆的厚度。在各方面中，阴离子交换膜和阳离子交换膜沿着线盘的实质上直线的部分是平坦的且平行的。在一些实施方案中，线盘可以具有两个对称轴。在又一个实施方案中，弯曲部分可以不是实质上半圆形的，但可以是椭圆或其他弯曲形状。
图6a和图6b呈现根据一个或多个实施方案的不同的可能流模式的示意图。图6a呈现以跑道模式从内电极并流地流动到外电极的两个流。可替代地，流可以从外电极并流地流动到内电极。流还可以逆流地流动。图6b呈现横跨流动构型，其中第一流以跑道模式从内电极并流地流到外电极。流1隔室的边缘可以被密封。流2在垂直于流1的方向上流动。与流2相关联的隔室的边缘可以是敞开的。
根据至少一个实施方案，电化学分离装置可以以至少约85％的膜利用率为特征。在一些实施方案中，膜利用率可以是至少约90％。这些值可以比使用板框式设计所达到的那些值高。此外，横跨该装置的压降还可以比横跨板框式设计的压降低。
在各种实施方案中，电化学分离装置中的一个或多个可以用于水处理系统。水处理系统还可以包括其他部件和装置，比如传感器和控制装置、另外的歧管和分配组件、存储装置以及另外的处理装置。在一些方面中，电化学分离装置中的一个或多个可以被插入现存的水处理系统 中。
公开的电化学分离装置的跑道构型可以提供通过使用板框式构型、横跨流动构型和螺旋盘绕构型所经受的某些优点，并且可以提供通过使用这些其他类型所不会经受的另外的优点。例如，由阳极和阴极的实质上直线的部分界定的膜区域可以是平坦的和平行的，允许此区域中的实质上均匀的电流密度。此外，从稀释隔室去除离子的速率不是距内电极的距离的函数。这些是超过螺旋盘绕装置的独特优点，因为在此类型的构型中，电流密度可以随着与内电极的距离增加而降低。这意味着来自稀释流的离子转移速率随着稀释流向外螺旋而减小。为了实现期望水平的离子去除，内电极处的电流密度可以不可接受的高(近似几百amp/m²)。此外，膜面积可能必须通过增大螺旋的长度或通过降低穿过稀释隔室的流速而被增大。这两种方式都需要增加滞留时间，并且可以有助于横跨装置的压降的增大。此外，增大膜面积和螺旋长度可能增加制造膜和操作膜两者的成本。此外，与电渗透作用和渗透作用相关联的水份损失可以有助于产物流的降低的流速。螺旋盘绕装置还可能由于以下事实而受损，电池对的数目并且由此产物离开装置的流速可能受阳极部段之间的间隙大小以及将大量的电池对围绕中心电极盘绕的困难的限制。增大螺旋盘绕装置中分段的内电极的半径可能增大电极的成本，并且该额外的成本可能是显著的。跑道构型的使用可以最小化与螺旋盘绕装置相关联的这些缺点中的一个或多个。
跑道构型的其他优点可以是，膜利用率可以超过85％，因为膜的不可以活性地用于离子转移的仅有的区域是被灌封化合物封装的小部分。还可能存在最少的泄漏电流，因为这仅发生在沿着跑道路径(而不是穿过膜)流动的电流中。装置可以需要较少的步骤来制造和组装，并且可以较容易自动化或控制。此外，可以不需要分隔部件，比如间隔件和框架。
本文描述的电化学分离装置的最佳化可以通过改变一个或多个参数来实现，所述一个或多个参数比如是电池对的数目、内电极中实质上直线的部分的长度、围绕内电极的线圈数目和流动路径的长度、在入口处 的流速、膜之间的间隔以及用于稀释隔室和浓缩隔室的筛的类型。
根据一个或多个实施方案，提供了水处理系统。在各种实施方案中，水处理系统可以是如以上描述和表征的电化学分离系统。水处理系统可以包括流体地连接至待处理的水源的进给入口。待处理的合适的水源的非限制性实例包括饮用水源(例如，城市用水或井水)、非饮用水源(例如淡盐水或盐水)、预处理的半纯净水及其任何组合。
根据以下实例将更加充分地理解这些实施方案和其他实施方案的功能和优点。实例旨在在本质上进行说明，而不被认为是限制本文所讨论的实施方案的范围。
预知的实例
进行案例研究来评估用于根据一个或多个实施方案的跑道构型与常规螺旋盘绕构型相比的制造成本和能量消耗。集中于脱盐应用的案例研究假设进给具有36,500ppm的TDS值以及期望产物具有2000ppm的TDS值。此类型的海水淡化厂对其中供应水被注入储油器中以增加油回收的海上平台操作可以是有用的。
跑道构型包括具有四个转弯的ED模块，该ED模块包括具有200mm的长度的直线部分。用于研究的螺旋盘绕模块包括5个转弯。
研究的结果在图7中示出。两种构型的对比包括如在y轴上指示的每单位产物流速(m³/h)的制造成本相对于如在x轴上指示的每立方米产物的能量消耗。结果证明，对于给定的能量消耗，跑道构型成本较低。横跨能量消耗值的整个范围，跑道构型始终比常规螺旋盘绕构型成本低。
应理解的是，本文讨论的方法和装置的实施方案在应用上不限于说明书中阐述的或附图中图示的部件的构造和布置的细节。方法和装置能够在其他实施方案中实施并且能够以各种方式来实践或执行。本文提供具体实施的实例仅用于说明目的并且不意图进行限制。特别地，结合任何一个或多个实施方案讨论的行为、元件和特征不意图排除任何其他实 施方案中类似的作用。
而且，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应被认为是限制。本文以单数提及的对系统和方法的实施方案或元件或行为的任何引用还可以包含包括多个这些元件的实施方案，并且本文对任一实施方案或元件或行为的复数引用还可以包含包括仅单个元件的实施方案。“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包含(containing)”、“涉及(involving)”及其变型在本文的使用意指包括其后列举的项目及其等同物以及另外的项目。对“或”的引用可以被解释为一切项目包含在内的，从而使用“或”描述的任何术语可以指示单个、多于一个和所有的描述的术语中的任一个。对前和后，左和右、顶和底、上和下以及竖直和水平的任何引用意图便于描述，而不是将本系统和方法或其部件限制于任一位置或空间方位。
上文已经描述了至少一个实施方案的几个方面，应理解的是，各种改变、修改和改进将容易被本领域技术人员想到。这类改变、修改和改进意图为本公开内容的部分，并且意图在本发明的范围内。因此，前述描述和附图仅仅是举例说明。