使用电子法去除离子的设备及方法 【发明领域】
本发明涉及使用电子法去除离子的设备及方法，更具体而言，本发明涉及提供水净化处理所用的电子法除离子设备及方法，本发明中的方法尤其可用于去除各种弱电离物质。
相关技术的说明
电子法除离子过程是一种通过使用具有电子活性的介质以及可以影响离子传递的电位来去除水中各种电离物质的过程。从功能上讲，电子活性介质可以交替进行电离化物质的收集及排出过程，或者通过连续的离子或电子置换过程来加速离子的传递过程。电子法除离子设备可以含有永久性或暂时性的充电介质，电子法除离子设备可进行分批操作、间歇操作、连续操作或按反极性模式操作。在电子法除离子设备中可以发生某些电化学反应，这些电化学反应是专门用来使电子法除离子设备达到其性能或者加强电子法除离子设备性能的；电子法除离子设备可含有诸如离子交换半透膜或双极向膜这样的电子活性膜。
连续化电子法去离子化过程包括诸如连续去离子过程、加料单元电分离过程或反向渗透(eletrodiaresis，EDR)，在连续化电子法去离子化过程中，电子活性介质的离子传递性是基本功能参数。例如，美国2,815,320号专利、美国2,794,777号专利、美国2,923,674号专利、美国3,149,061及3,291,713号专利、美国4,032,452号专利、美国3,869,376号专利、美国4,465,573号专利、美国4,636,296号专利以及美国4,632,745号专利都对这些过程有所论述。典型的连续化电子法去离子化设备含有电子活性交替半透膜以及阴离子、阳离子离子交换膜。这些膜之间相距一定距离，这样可形成液体流动室或液体流动槽，这些室槽具有入口和出口。外部电源通过电极在膜或槽室的边缘施加一个横向直流电场。一般情况下，电子法除离子设备中设有电解池，这样电极所产生的反应产物可与其他的流动槽分离开。在施加电场之后，液体中的离子便被分别吸引到与其具有相反极性的电极上。由面对阳极的电子活性阴离子膜以及面对阴极地电子活性阳离子膜构成的单元中离子浓度很低，但由面对阳极的电子活性阳离子膜以及面对阴极的电子活性服离子膜构成的单元中离子浓度很高。在离子浓度低和离子浓度高的单元中通常含有电子活性介质。在连续化去离子装置中，这种介质可由混合在一起的阴离子交换树脂和阳离子交换树脂组成。离子交换介质促进了单元内的离子运动，并作为基质参与受控制的电化学反应。在EDR装置中，除了其中的介质由独立的离子交换介质层，或有时是由交替的离子交换介质层组成之外，其余的结构是相似的。在这些装置中，每层介质基本上都是由相同极性的树脂(或者是阴离子树脂，或者是阳离子树脂)构成的，要被除去离子的液体从介质层之间流过。
对于从流体中去除某些特定类型的溶解物而言，电子法除离子过程可能是一种更有效的方法。举例而言，在电场的作用下，主要以游离态或以离子形式存在的化合物更易比硼和硅这些不以游离态而以非离子形式存在的物质发生传递。使用其他的水净化技术，诸如使用反向渗透技术也很难将这些非离子态的物质除去。因此，电子法除离子装置可有效地除去完全电离的物质，但却不能除去不易发生游离的某些化合物。为了使水质适于特定的应用情况，对这些不能被除去的化合物还要使用额外的处理措施。在这一领域，人们已进行了某些尝试；如日本2,865,389号专利所述的，通过使水在电子法除离子装置中先流过一层阳离子交换树脂，然而再流过一层阴离子交换树脂可将水中70％的硅除去。这种脱硅程序对降低常规混合床净化器重新装填的次数是有帮助的，但水中仍残留的ppm级别的硅却意味着，在未经更进一步常规混合床净化处理的情况下，含硅量为ppm级别的水是无法应用于含硅量需要低于ppm级的情况。此外，欧洲专利申请1,038,837号指出，通过在净化室的入口处使用阳离子交换膜以及在净化室的出口处使用阴离子交换膜可使其后的脱盐室pH值呈碱性。
常规的混合床净化器作为一种附加处理措施费用高、操作不便且效率低下，所以目前需要一种改进的电子法除离子设备，这种设备可将弱电离物质脱至ppm和ppb级别以下。
发明概述
本发明与生产净化水所用的电子法除离子设备及方法有关。在某一方面，本发明提供某种电子法除离子设备，该电子法除离子设备至少由一个去离子室构成，在至少一个去离子室中含有由第一种离子交换物质构成的第一层交换介质，由第二种离子交换物质构成的第二层交换介质靠近第一层交换介质并处于第一层交换介质的下游；第三层交换介质由阴离子交换物质和阳离子交换物质共同组成，第三层交换介质靠近第二层交换介质，并处于第二层交换介质的下游。
在另一方面，本发明提供某种电子法除离子设备，设电子法除离子设备至少由一个去离子室构成，该去离子室中含有第一层离子交换物质，第一层离子交换物质由阳离子交换树脂或阴离子交换树脂组成。去离子室中还含有第二层离子交换物质，第二层离子交换物质由阳离子交换树脂或阴离子交换树脂组成，但组成第二层离子交换物质的离子交换树脂的极性与组成第一层离子交换物质的离子交换树脂极性不同。举例而言，如果组成第一层离子交换物质的离子交换树脂为阳离子交换树脂，则组成第二层离子交换物质的离子交换树脂就为阴离子交换树脂。这二层离子交换物质中至少有一层还含有掺杂剂。
在另一方面，本发明提供某种电子法除离子设备，设电子法除离子由第一隔室、第二隔室及第三隔室组成。第一隔室含有阴离子交换物质或阳离子交换物质；第二隔室与第一隔室间有流体流动，第二隔室含有阴离子交换物质或阳离子交换物质，但第二隔室所含的离子交换物质不同于第一隔室所含有离子交换物质。第三隔室与第二隔室间有流体流动，第三隔离含有混合的离子交换物质。
在另一方面，本发明提供某种方法，这种方法将电场施加于电子法除离子设备上，其中的电子法除离子设备含有阳离子交换层、阴离子交换层以及混合离子交换层。第一种流体流过阳离子交换层生成第二种流体，第二种流体在流过阴离子交换层后，其PH值发生变化，从而生成第三种流体；第三种流体流过混合离子交换层。
在另一方面，本发明提供某种净化水的方法，该方法中将电场施加于电子法除离子设备，其中的电子法除离子设备含有两层介质，这二层介质为阴离子交换层和阳离子交换层，其中至少一层介质含有掺杂刘。第一种流体流过两层介质中的一层，从而生成第二种流体，第二种流体流过两层介质中的另一层，并生成第三种流体，其中第三种流体的pH值与第二种流体的pH值至少相差一个pH值单位。
在另一方面，本发明提供某种水净化设备，该水净化设备包括第一个反向渗透装置以及电子法除离子设备。其中的电子法除离子设备含有阳离子交换层，阴离子交换层以及混合离子交换层。第一种流体流过阳离子交换层生成第二种流体，第二种流体在流过阴离子交换层后，其pH值发生变化，从而生成第三种流体；第三种流体通过混合离子交换层。
在另一方面，本发明提供某种水净化方法，该方法包括使水流过第一个反向渗透装置，并生成第一种流体；在不加入碱性物质的情况下提高第一种流体的pH值，从而生成第二种流体，然后使第二种流体流过第二个反向渗透装置。
在另一方面，本发明提供某种水净化设备，该水净化设备由第一电子法除离子隔室，第二电子法除离子隔室，第一个反向渗透装置和第二个反向渗透装置构成。其中第一电子法除离子隔室含有离子交换物质，第二电子法除离子隔室含有离子交换物质，第一个反向渗透装置与第一电子法除离子隔室及第二电子法除离子隔室间有流体流动，第二个反向渗透装置与第二电子法除离子隔室间有流体流动。
在另一方面，本发明提供某种流体净化方法，该方法包括使流体进料流过第一隔室，在第一隔室中流体的pH发生改变，从而生成第一种流体，第一种流体流过第一个反向渗透装置，从而生成第二种流体，第二种流体流过第二电子法除离子隔室改变PH值，从而生成第三种流体，第三种流体流过第二个反向渗透装置，生成净化后的流体。
在另一方面，本发明提供某种电子法除离子室，其中在整个电子法除离子室中脱除弱电离物质的速度是恒定的。
图示简介
本发明的优选实施方案将结合本文所附图形进行示范性说明，这些实施方案并不具有限制性。
图1是本发明某一实施方案的示意流程图。
图2是本发明另一实施方案的示意流程图。
图3是本发明中某一模块的截面示意图。
图4A-4F是离子交换层结构的放大截面示意图，这些结构可用于本发明的不同实施方案中。
图5是本发明某一实施方案的示意流程图。
图6是本发明另一实施方案的示意流程图。
图7是本发明另一实施方案的示意流程图。
图8是本发明另一实施方案的示意流程图。
图9是本发明另一实施方案的示意流程图。
图10是以前水处理技术的示意流程图。
图11是本发明某一实施方案的示意流程图。
图12是本发明某一实施方案中某一模块的截面示意图。
图13是本发明某一实施方案中另一模块的截面示意图。
图14是本发明某一实施方案的示意流程图。
发明详述
本发明与使用电子法去除离子的设备及方法相关，该设备和方法可提供具有很低弱电离物质浓度的高纯度水。本发明可调节水的pH值，并可有效地除去那些在一般pH值下完全不处于游离状态的物质，其中的水流过该设备，从而生成含弱电离物质浓度很低的水。例如，像硅和硼在液体中的离子浓度可降低90％，99％或99.9％，或者硅和硼的离子浓度降至100ppb、100ppb、1ppb或100ppt以下，这样可使净化后的水适用于许多要求弱电离物质浓度很低的场合。
弱电离物质是那些在中性pH值下可溶解，但大部分不电离或基本上不以离子形式存在的化学物质。这些物质即包括有机物也包括无机物。在某一pH值的溶液中，这些化合物即可以以离子形式存在也可以以非离子形式存在，其中离子化部分的浓度与非离子化部分的浓度之比是一个常数，包括温度以及溶液电离强度在内的其他因素也会影响电离的量。某些化合物可能以二种或更多的电离形式存在。举例而言，溶解的二氧化碳可能以H2CO3，HCO3-1，CO3-2这些离子形式存在，一般而言，当溶液的pH等于弱电离物质的pK时，弱电离物质的离子化浓度和非离子化浓度是相等的。
电离成阴离子的化合物及电离成阳离子的化合物均可使用本发明的方法加以脱除。阴离子型物质是那些在高pH值下生成带电阴离子的物质，这些物质包括硼，硅，碳以及锗。例如，当处于电离状态时，如果有适当浓度的氢氧根离子存在，硼酸盐(pK＝9.3)，硅酸盐(pK1＝9.47，pK2＝12.71)以及碳酸盐(pK1＝6.3，pK2＝10.25)可在含有阴离子交换树脂的隔室中被影响和被传递。这种传递是通过施加电场而实现的。许多弱电离物质在较高的pH值下，例如pH为9，10或更高的值时可发生更多的电离化。此外，一部分物质还可进一步电离，从而导致电量/质量比增加。
在弱电离物质中，硅很难用常规的技术加以脱除，当硅溶于水时，硅形成不稳定的化合物硅酸(H2SiO3)。
(1)
硅酸电离成硅酸氢根离子(HsiO3-)以及氢离子(H+)。
pK＝9.47 (2)
硅酸氢根离子在进一步电离后形成硅酸根离子(SiO3-2)和氢离子。
pK＝12.71 (3)
与阴离子型物质相反，阳离子型物质是通过与氢离子H+反应而生成带正电的物质而实现电离过程的，比如氨与氢离子H+反应生成带正电的氨离子NH4+。这些弱电离物质在pH降低时会出现更普遍的电离；举例而言，在pH低于6或5时，这些弱电离物质会出现大量的电离。一旦电离后，这些阳离子在电场的作用下可通过阳离子交换树脂层或混合离子交换树脂层而发生传递。
对某些去离子水的特殊用途而言，例如对制造半导体芯片而言，对水进行净化处理以便使这些化合物降至很低的水平可能是非常重要的。在这些情况下，使硅和/或硼在水中具有极低的浓度，比如低于1ppm、10ppb或低于1ppb可能具有重要的意义。
当这些组份的存在并非无关紧要时，很难对水质进行评定，因为这些只发生很少电离的物质对水的导电性几乎没有或根本没有影响，而水的导电性通常是表示水纯度的指标。这种电荷的缺乏还会使这些物质很难在电场作用下发生传递，比如很难在电子法除离子设备中发生传递。
为了促进弱电离物质的转变，例如可通过加入酸性物质或碱性物质来调节水的pH值。然而，在净化流体中加入酸或碱不是一种适当的方法，因为这些酸性或碱性化合物可能形成污染源，并可能影响水的导电性，这样水可能会出现由于丧失或几近丧失缓冲能力而造成的pH值波动。因此，适合方法是在不需加入酸性物质或碱性物质的情况下对pH值进行调整。
在某一方面，本发明可在不对水的导电性造成重大影响的情况下调节水的pH值。举例而言，可将溶液的pH调至7以上，以降低阴离子型物质的浓度，或将pH值调至7以下，以降低阳离子型物质的浓度。优选的情况是，至少以1个pH单位调节pH值，更优选的情况是以2个pH单位来调节pH值，再优选的情况是以3个以上的pH单位来调节pH值。因此，可将水的pH值从中性向上调到10或更高，或向下调至4或更低。此外，这些pH值的变化是在不加入酸性物质或碱性物质的情况而发生的。
在另一方面，本发明提供某种降低一种或多种弱电离物质浓度的方法，该方法是通过调节流体的pH值从而改变弱电离物质的构成形式，然后再将这些物质的电离质脱除到流体之外。在改变流体的pH值后，通过利用化学物质的电离常数可以提高化学物质电离部分浓度与非电离部分浓度之比。通过使水电离成氢离子和氢氧根离子，并且按不相等的比例将氢离子或氢氧根离子输送到脱除室之外可以改变水的pH值。在pH发生变化后，弱电离物质的某些分子会发生电离，因此可受电场的作用。这些分子的一部分可传递到水样之外，从而使流体含有某些物质的浓度更低。
举例而言，在电子法除离子设备中可对水进行处理，水流过由离子渗透膜构成的脱除室，电子法除离子设备处于电场的作用之下。当某些电离的物质通过离子选择性渗透膜而被传递到所处理流体之外时，未电离化合物继续发生的电离作用会使电离部分与非电离部分之比保持相对恒定。这些新电离出来的化合物然后可从流体中除去。因此，使用这种方式可基本上除去大多数在溶液中以非电离形态存在的弱电离物质。
由于某些原因，需要对流体的pH值进行调节，在pH值变化后，所关心的物质会比在中性pH值下发生更多的电离，流体的pH值被调整到位于中性pH值与这些物质的pK值之间某一个值。至少对某些净化过程而言，更适合的情况是将pH值调至所关心物质的pK值附近，最理想的情况是pH值达到或超过pK目标值。对于除去像氨这样的弱电离阳离子型物质，pH值应超过目标值，pH可在7以下，但对于脱除像硼、硅以及溶解碳这些弱电离阴离子型物质来说，pH值可超过目标值，pH值可高于7。
在某一方面，可通过使流体流过一层离子交换物质来改变流体的pH值，该离子交换物质至少部分地由选择性离子渗透膜构成。这层离子交换物质可以是任何能够将电离的物质脱除到流体之外的物质，从而使流体含有更低浓度的一种或多种电离的或可电离的物质。离子交换物质即可以是天然材料，也可以是人造材料。优选的离子交换物质包括电子活性介质，如离子交换树脂、离子交换纤维以及复合离子交换物质。最适合的离子交换物质是离子交换树脂，如阴离子交换树脂、阳离子交换树脂以及混合型离子交换树脂。这些离子交换树脂包括I型和II型阴离子交换树脂、强酸型阳离子交换树脂、弱酸型阳离子交换树脂、强碱型阴离子交换树脂、弱碱型阴离子交换树脂以及这些树脂的混合型树脂。树脂辅料可以是任何适用的材料，如丙烯酸类材料以及苯乙烯类材料。优选的情况是，流体流过的离子交换层是一层均匀的阴离子交换物质或阳离子交换物质。最理想的情况是，如果这层离子交换物质是阳离子交换树脂，这一离子交换层中应含有掺杂剂。
在某些条件下，如在阴、阳离子交换物质的结合部以及在适当的电压主条件下，水在电子法除离子设备中发生电离。电离形成的氢离子以及氢氧根离子可留在贫离子室中，也可部分或全部传递到贫离子室之外。举例而言，氢离子在电压和/或浓度梯度的作用下可穿过阳离子渗透膜。如果传递到贫离子室之外的氢离子数量与氢氧根离子数量不等，则流体的pH值将会变高或变低，pH值的变化将取决于氢离子与氢氧根离子间的差值。举例而言，如果出去的氢离子数量大于氢氧根离子数量，则氢氧根离子的浓度会更高，从而使流体具有更高的pH值。与之相反，如果传递出去更多的氢氧根离子，则pH将下降。
一层基本上均匀的离子交换物质会使某种类型的离子比其他类型的离子发生更好的传递。举例而言，如果使用适当的膜材料及电压，阴离子交换树脂可使阴离子发生好于阳离子的传递。如果阴离子通过阴离子渗透膜而被排出到隔室之外，而氢离子通过阳离子渗透膜而被排出到同一隔室之外，则电离平衡会使隔室中氢氧根离子的浓度高于氢离子的浓度，则pH值会升高。另外一种情况是，如果隔室中主要含有阳离子交换树脂，则像钠或钙离子这些阳离子会通过离子交换膜而传递到隔室之外，同时发生的是氢氧根离子通过相对的膜进行传递。因此，隔室中留下的氢离子浓度高于氢氧根离子浓度，则隔室中的pH将会下降。
由于通过这种方法改变pH值是水的电离以及将数量不相等的氢离子和氢氧根离子从水中去除所导致的结果，而非在水中加入了酸性物质或碱性物质的结果，因此pH改变后水的导电性会维持不变，甚至会有所降低。因此，这样调节水的pH值可以促进弱电离物质的电离，而同时又不向水中加入可能会危害水质以及可造成pH值波动的其他化合物。
在本发明的某一实施方案中，通过使水流过含有阴离子交换物质层的贫离子室可以脱除如硅、硼、氨及碳酸盐这样的弱电离阴离子型物质。使用电子法除离子设备可生产出含这些物质浓度很低的水，从而使这种水适用于要求含这些物质浓度低的系统中。这种方法不使用常规的净化床，而常规净化床需要经常重新装填或更换离子交换介质。
为便于去除弱电离物质，被处理的流体最好是流过位于隔室中的一层阴离子交换树脂，隔室由在一侧与阳极相对的阴离子渗透膜与在另一侧与阴极相对的阳离子渗透膜构成。另外一种情况是，隔室可由两个阴离子渗透膜或两个阳离子渗透膜构成。非渗透膜及全渗透膜也可以使用。在每个膜的对面有一个富离子室，富离子室可是一个电极室或一个与电极室不同的富离子室。该富离子室可含有惰性物质、离子交换物质或混合型离子交换物质，或者该富离子室除含有富离子流体之外不含有任何其他物质。
优选的情况是，在流体流过阴离子交换层之前，流体可首先流过阳离子交换层。虽然流过阳离子交换层后流体的pH会降低，但由于经过阳离子交换层后除去了像钙和镁这些硬质组份，并且还降低了水的总体导电性以及可溶性固体浓度，所以这样有利于促进其后进行的弱电离物质脱除过程。通过除去像钙这样导致流体硬度的某些化合物以及除去如镁、铁这样的不溶性氢氧化物，可降低以后在阴离子交换树脂上出现结垢的可能性。这一点对于提高流体pH以增进电离作用具有特别重要的意义，因为在pH值较高时，通常容易出现结垢现象以及金属氢氧化物的析出。此外，通过首先使水流过阳离子交换树脂层可在水接触阴离子交换树脂前降低水的pH值，这会使水在流过阴离子交换树脂后具有更低的pH值，从而使钙以及此后生成的垢体具有更大的溶解度，这样可更有效地除去弱电离阴离子型物质。
电子法除离子系统可能出现的另一个问题是，如果钙或其他结垢物质传递到隔室中，且隔室中的流体处于中性或碱性时，电子法除离子装置的富离子室中会出现结垢现象。然而，如果阳离子交换层和阴离子交换层共处同一富离子室，或者不同的富离子室形成串连操作时，则氢离子就可从含有阴离子交换树脂的贫离子室传递到富离子室中。这样可降低富离子室中的pH值(同时提高了邻近贫离子室的pH值)，因此有助于防止富离子室中溶液出现化合物的析出。优选的情况是，可使阳离子交换物质层尽量小，从而避免在降低pH值前造成钙过度流入富离子室。
为了除去弱电离阳离子型物质，流体可流过阳离子交换物质，这样有助于降低流体的pH值。优选的情况是，调节流体的pH值，使pH值接近被脱除物质的pK值，最理想的情况是使流体的pH值等于或超过这些被脱除物质的pK值。举例而言，氨离子的pK值约为9.25，当pH值低于7时，氨可更有效地被脱除。更优选的情况是将pH大约调至6或调至5以下。在更低的pH值下，溶液中会有更多的氨形成离子，因此更容易使用电子法除离子设备将氨脱除。水在流过阴离子交换物质层后再流过阳离子交换物质层可以提高脱除效率。这样可通过除去一部分阴离子而调节水质，从而在水流过阳离子交换层时使氢氧根离子更有效地脱离水体。
无论是阴离子型化合物还是阳离子型化合物，或者这两种化合物都可从水中脱除出去。通过使水流过一层混合离子交换物质可以改善脱除效果；流过混合离子交换层这一步骤即可以作为预处理步骤也可作为后处理步骤。混合型离子交换物质可被用来对水进行净化，从而除去某些微量离子；这些微量离子即包括弱电离物质的离子，也包括那些主要以电离形式存在的物质离子。优选的情况是，水在流过一系列均匀的或含有掺杂剂的阴离子/阳离子或阳离子/阴离子交换层后，再流过电子法除离子设备。连续操作的电子法除离子设备比常规的可重新装填净化器更具优势，因为前者操作费用更低，所需化学药剂更少，操作间断更少。此外，在本发明某些实施方案所达到的脱除效率下，可不必使用常规的净化器。
在接触阴离子交换层或阳离子交换层时，被处理流体的pH值可能不会立刻达到目标值。pH值是随着水流过离子交换层以及离子(氢氧根离子或氢离子)从水中脱除的过程而逐步变化的。因此，水的pH通常是在接触离子交换层的尾部时才接近目标值。当水流过基本上均匀的离子交换物质而进入此后的混合离子交换物质时，调节后的pH值会保持不变，至少是暂时保持不变。在混合离子交换物质中，弱电离物质的脱除过程继续进行，而调节的pH值会促进这一脱除过程的进行。
当流体经过混合床层时，pH值不是恢复到中性。优选的情况是，使处理后水的pH值在水流过系统这一段时继续保持在目标值，这样可使水在流过离子交换层过程中保持基本恒定的脱除速度。举例而言，通过使用一层离子交换物质可以做到这一点，其中这一层离子交换物质包括混合型离子交换材料，该混合型离子交换材料可使流体保持一个稳定的、非中性的pH值。因此，通过使液体流过这样一层离子交换物质可使pH值基本保持在8、9、10、6、5或4左右。举例而言，该层离子交换物质可充满隔室的1/4、1/2或充满整个隔室。例如，如果希望得到较高的pH值，则可使用偏阴离子交换物质(以摩尔汁)的阴、阳离子混合型交换物质。与之相反，使流体流过阳离子交换树脂占主要组份(以摩尔汁)的混合型离子交换物质可使流体保持较低的pH值。这些离子交换层可穿插在阴离子交换层、阳离子交换层或混合型离子交换层之间，可使pH值维持在较高水平的阴离子交换物质/阳离子交换物质的摩尔比为1.5∶1、2∶1、3∶1、4∶1以及10∶1。当要去除弱电离阳离子型物质时，pH值最好维持在中性之下，这时可使用与上述比例相反的比例来达到所需的pH值。在优选情况下，离子交换物质为离子交换树脂。按此方式，隔室的某一小部分会存在最佳的脱除效果，这一小部分可以扩展到整个隔室。
可以使用各种因素将pH值调至所要求的范围。在这些调节因素中包括电流强度、离子交换物质的类型、膜材料的类型、离子交换物质的总面积、离子交换物质的量、水与离子交换物质的接触时间以及对水进行的预处理情况。水与离子交换物质的接触时间可用多种方式加以控制，其中包括通过控制水流过离子交换层的速度、离子交换层的体积、所用离子交换物质上离子交换单元的表面密度来控制水与离子交换物质的接触时间。举例而言，放慢流体流过阴离子交换物质的速度或者加大离子交换物质的量可以使流体的pH值达到更高的水平。
使用阴离子交换层、阳离子交换层及混合型离子交换层这种交替结构可得到更佳的效果；层与层之间的体积及表面积之比是可以改变的。举例而言，如果要从水中除去弱电离阴离子型物质，在一层基本上均匀的阴离子交换物质前面可放置一层基本上均匀的阳离子交换物质。在这种情况下，阴离子交换物质的用量最好大于阳离子交换物质的用量。更适合的情况是阴离子交换物质的量大于阳离子交换物质量的两倍以上，最佳的情况是阴离子交换物质的量为阳离子交换物质量的三倍或三倍以上。如果要除去弱电离阳离子型物质时，优选的阴离子交换物质与阳离子交换物质比例恰好与上述比例相反。
本发明可使用不同类型离子交换物质的不同结构，在一个单元、模块、一系列单元或一系列模块中某种结构可重复出现。
在本文中，模块被定义为电子法除离子设备中的一部分，该部分含有至少一个富离子区和一个贫离子区，这两个区域位于一对电极之间。一个模块可含有一个或多个单元，这些单元可作为贫富子区、富离子区、电子区或这些区的组合。
在本文中，单元被定义为模块中的某一区域，这一区域至少由两块膜构成，流体沿一个方向流过该区域，流体的流动方向通常与膜垂直或平行。单元中可含有离子交换物质，也可不含有离子交换物质，在模块中，多个单元即可串连排列，也可并连排列。一个单元中可含有任何结构的离子交换物质，例如均匀的离子交换物质、分层的离子交换物质、混合型离子交换物质、掺杂型离子交换物质以及惰性物质。水可以按各种顺序流过这些离子交换物质。本发明实施方案中使用到的几种层状结构如下：
阴离子交换物质/阳离子交换物质
阳离子交换物质/阴离子交换物质
阴离子交换物质/阳离子交换物质/混合型离子交换物质
阳离子交换物质/阴离子交换物质/混合型离子交换物质
混合型离子交换物质/阳离子交换物质/阴离子交换物质
混合型离子交换物质/阴离子交换物质/阳离子交换物质
当然，这些结构可重复一次或多次，即可以全部重复也可以部分重复。此外，这些结构可存在于某一单独模块内，但优选的情况是这些结构分布在两个或多个模块中，或者由惰性物质或电子活性屏隔开，或者由诸如玻璃、碳素材料或聚合材料这些其他的惰性或电子活性物质隔开。优选的情况是，在同一批离子交换层中应进行有选择性的掺杂，这样可平衡同一批离子交换层中的电流。
一个模块可含有一个或多个贫离子单元，这些贫离子单元可串连操作也可并连操作。每个单元可含有一层离子交换物质，也可含有多层离子交换物质。离子交换物质例如可以是球状的、纤维材料、编织在一起的材料、非编织材料以及串在一起的树脂球。图12中的截面图表明了某一具体的模块，图中表明了两个等同的贫离子单元，每个单元都包括一层阳离子交换物质520和522，还包括一层阴离子交换物质530和532。每个贫离子单元由阴离子渗透膜560和阳离子渗透膜562构成。富离子区560位于两个贫离子单元(或区)之间，富离子区可含有离子交换物质，也可不含有离子交换物质。水可通过分布器510进入设备，通过分布器水流入到贫离子单元、电极单元540和550以及富离子单元560。由于电极单元540和550可以从贫离子单元中收集离子物质，所以电极单元也可被认为是富离子单元。
在操作过程中，在阴极和阳极间施加一个电压，电流穿过电解质，在电极单元540和550中，电解质即可以是静止的，也可以是流动的。电流还穿过贫离子室和富离子室560，以供水电离以及离子传递之用。电流可以按一个方向流动，或者在有极性变化的系统中流动。在极性有变化的系统中，电极的极性定期发生转变，这样有助于降低各单元中的结垢生成。净化后的流体汇聚到管道570中。
图13是本发明模块另一实施方案的示意图，其中的模块含有多个贫离子单元620和630，每个贫离了单元中都含有一同类型的离子交换物质。在图13中，单元620中装有均匀的阳离子交换树脂，贫离子单元630中装有I型、II型混合在一起的阴离子交换树脂。水经过导管610进入该模块，导管610将水流分配到富离子单元680、贫离子单元620和阳极单元650中。由于在阳极660和阴极670之间加有电压，当水流过贫离子单元620时，各种阳离子，包括像钙这样的二价阳离子通过阳离子渗透膜622传递到阴极单元640中(也是一个富离子单元)。当水流过阳离子交换树脂层时，由于离开这一单元的氢离子数量和氢氧根离子数量不相等，所以水的pH值变低了。处理后的水的硬度和pH值都降低了，处理后的水流经管道612进入贫离子单元630，贫离子单元630含有特殊的电子活性介质，该电子活性介质由I型和II型阴离子交换树脂组成，I型和II型阴离子交换树脂的体积是阳离子交换层的三倍左右。当水流过这一单元时，水的pH值被调高，弱电离物质发生电离，并经阴离子渗透膜632进入阳极(富离子)单元650。净化后的水经导管614离开，然后可进行进一步的处理；例如，可使水流过另一台含有混合型离子交换物质的电子法除离子设备。
水流穿过含有离子交换物质的富离子单元680后，由于进入水体的氢离子数量大于氢氧根离子数量，所以水体的pH值低于中性值。pH值较低的水经导管616进入阴极单元640。水流较低的pH值有助于避免结垢的形成，否则穿过阳离子渗透膜622的钙离子及其它可析出的离子会在阴极单元640中发生结垢。
使用这样的结构可以改变每个离子交换树脂床的体积，而无需在单元内进行分层。
在本发明的某些实施方案中，尤其是在单独一个单元内放置不同的离子交换层时，最好在一层或多层离子交换物质中加入掺杂剂。通过在均匀的离子交换树脂层中加入掺杂剂，在同一单元中各层间的导电性可得到平衡；掺杂剂通常添加在阳离子交换树脂中。这样可改善电流在模块中的分布。掺杂剂即可以是惰性物质，也可以是电子活性物质。举例而言，掺杂剂可以是加入到一层阳离子交换树脂中的阴离子交换树脂，这样可以降低这一层离子交换物质的导电性。
图4A-4F是本发明中各种贫离子单元100的截面示意图。在这些实施方案中，贫离子单元100中有交替的离子交换树脂层或树脂球，在阴离子渗透膜126和阳离子渗透膜124之间形成了中心间距。
在图4A-4C所示的本发明某一情况中，第一层或最顶层最好是阴离子交换树脂材料128，第二层最好是阳离子交换树脂材料130。在图4A所示的实施方案中，第一层阴离子交换树脂材料128中最好掺有掺杂材料138，而第二层阳离子交换树脂球130中最好不添加掺杂剂。
与此相反，在图4B所示的另一实施方案中，第一层阴离子交换树脂材料128中最好不添加掺杂剂，而第二层阳离子交换树脂材料130中加有掺杂剂材料138。在图4C所示的另一实施方案中，第一层阴离子交换树脂材料128和第二层阳离子交换树脂材料130中最好都添加掺杂材料138。
图4D-4F表明的是本发明的另一方面，其中贫离子单元的第一层或最顶层为阳离子交换树脂材料130，第二层为阴离子交换树脂材料128。在图4D所示的实施方案中，第一层阳离子交换树脂材料130最好添加掺杂材料138，而第二层阴离子交换树脂材料128中最好不使用掺杂剂。与此相反的是，在图4E所示的实施方案中，第一层阳离子交换树脂材料130中最好不使用掺杂剂，而在第二层阴离子交换树脂材料128中加入掺杂材料138。在图4F所示的另一实施方案中，第一层阳离子交换树脂材料130和第二层阴离子交换树脂材料128中最好都使用掺杂材料138。当交替层中的一层或两层都加入掺杂剂时，掺杂剂即可以是相同的掺杂剂，也可以是不同的掺杂剂。
当交替的离子交换树脂层128和130中的一层或两层都加入掺杂剂时，优选的情况是掺杂剂在离子交换层中所占的体积不到50％，更好的情况是不到40％，更好的情况是不到30％，更好的情况是不到20％，更好的情况是不到10％。正如前面所述的，掺杂材料即可以是惰性材料，也可以是电子活性材料，优选的掺杂材料是阴离子交换树脂、I型和II型阴离子交换树脂、诸如玻璃小球这样的惰性材料、或者诸如碳素材料或导电性聚合物小球这样的导电性非离子交换材料。
在本发明的某一实施方案中，电子法除离子设备可含有多个不同的模块，这些模块例如可含有图5-9所示的结构，模块间有流体流动。虽然每个所示的图形只表明了模块或贫离子单元，但应该理解的是，每个贫离子单元的附近可伴有一个或多个富离子单元。
图5所示的是本发明的某一实施方案，在该实施方案中，水流过含有阳离子交换材料51和阴离子交换材料53的第一单元。然后水去往第二单元，在第二单元中，水流过混合型离子交换材料55。净化后的水通过出口56被收集起来。
图6所示的是本发明的某一实施方案，在该实施方案中，不同类型的离子交换材料以层状结构重复出现在单独一个模块内。例如，第一模块所含的离子交换层由阴离子交换层61以及其后的阳离子交换层63组成。这一结构形成可重复多次，例如可重复三次，如图6所示。每层离子交换物质的厚度可以变化，在整个单元中每层的厚度不必一致。
图7所示的是本发明的某一实施方案，在该实施方案中，每个单元含有一层离子交换物质，这层离子交换物质可以是阴离子交换物质、阳离子交换物质、掺杂的阴离子交换物质、掺杂的阳离子交换物质或混合型离子交换物质。水首先流过阴离子交换层71，然后流过阳离子交换层73，最后流过混合离子交换层75。模块可含有一系列这样的单元，这些单元可含有相同的或相似的离子交换物质。通过在整个模块中使用单一类型的离子交换物质，可以通过电子方式和化学方式对整个过程进行控制，因为每个模块具有相同的电子及化学特性。举例而言，施加到模块上的电压和电流可分别加以控制，从而对流过某一单元的电流进行优化，而同时又不对流过其他模块中单元的电流造成影响。任何不同数量的模块可独立于其他模块而单独接受电控制。举例而言，通过在不同的模块中使用不同类型的单元，施加给第一单元的电流可与施加给第二单元的电流分开进行控制。
图8表明的是本发明的另一实施方案，在该实施方案中，在单独一个单元中含有三种不同类型的离子交换层。阳离子交换层81后面是阴离子交换层83，再后面是混合离子交换层85。优选的情况是，这些离子交换层中的一层或多层加入掺杂剂，这样可得到某些优势，比如可平衡各离子交换层之间的电阻。
图9表明的是本发明的某一实施方案，该实施方案具有很高的产量，并可对每层离子交换材料进行精确的控制。如果希望所处理的水先流过阳离子交换材料层91，然后再流过体积更大的阴离子交换材料，则阴离子交换材料可分配到多个模块92、93和94中，这样可对每个模块实施单独的控制。举例而言，如更希望使用两倍体积的阴离子交换物质，则可使用两个专用阴离子交换物质的模块等等。这样可以对模块化的系统进更方便的使用，只通过简单地添加或撤除预制好的模块就可以使模块化系统满足特定的需要。图9所示的是阴离子交换材料模块92、93和94，这三个模块分别向混合离子交换模块95、96和97提供进料。来自第二级的进料流体在被分配到第三级模块之前可流入到同一管道中。模块之间无须一一对应，阴离子交换模块92、93和94可向更少数量或更多数量的混合离子交换设备提供进料流体。
应该理解的是，本文所示的结构只是示范性的结构，比如说，其中的阴离子交换材料可以更换为阳离子交换材料或更换为混合离子交换材料。此外，离子交换材料可用于某一模块中任何不同数量的单元内，这些单元不必具有相同的尺寸，也不必含有相同的材料。图5-9所示的设备例如可以代表单元、模块或模块中的一组相同单元。此外，本文所示的系统可用于任何类型的电子法除离子设备中，例如可用于连续电子法除离子设备或极性变换结构中。
优选的情况的是，为了加大pH值的调节范围，可以增大在贫离子室中发生电离的水量。这一点可通过多种途径加以实现，例如通过使用特殊的电子活性介质、增大阳离子/阴离子树脂的接触面积以及增大电压等方式实现这一点。因此，在某一实施方案中，可用于加大pH值调节范围方法是加大阴阳离子交换材料间的接触面积。通过增大膜的表面积或者通过提高离子交换层的布置密度可以使交换层具有更大的接触面积，从而增加接触量；其中的膜与充有相反电荷树脂相接触。举例而言，可使用两个厚度为5厘米的阴、阳离子交替交换层来替代一层厚度为10厘米的阴、阳离子交换层，这样可有效地将两种类型树脂间的接触量增加一倍。如果在贫离子室中使用数量不等的不同类型离子交换物质，则交替排列的离子交换层可具有不同的厚度。例如，当使用体积比为1∶3时，如果阳离子交换层的厚度可为1厘米，则阴离子交换层的厚度可为3厘米。同样适用的方法是增大电极间的电压，这样在树脂的接触面上会存在适当的水电离潜势。举例而言，增大电压或提高贫离子室的电阻可实现这一点。
实例
例1
使用一套两级电子法除离子(电子法去离子)设备来改善水质，在该实例中，所处理的水首先流过含有阴离子交换的物质的模块，然后再流过含有混合离子交换物质的模块。该设备在图1中进行示意性说明。一股来自反向渗透装置(未在图中表明)的进料流体被分配到贫离子室10和富离子室20中，这两个单元都在第一模块60中。贫离子室装有特种电子活性介质，该电子活性介质由DOWEXTMMARATHONTM(陶氏化学公司的商标)A型阴离子交换树脂以及AMBERJETTM(罗姆哈斯公司的商标)4600II型阴离子树脂组成。邻近的富离子室装有单层陶氏化学公司生产的MARATHONTMC型阳离子交换树脂。贫离子室由位于阴极一侧的阳离子渗透膜和位于阳极一侧的阴离子渗透膜构成。进入贫离子室流体的流速为8.4升/分钟，进入富离子的流体流速为0.8升/分钟，使用的阳极为平板铂电极，使用的阴极为平板不锈钢电极。
第一级的产物经导管12进入第二级，第二级包括贫离子室30和富离子室40。这两个室都含有混合离子交换层。所使用的树脂为MARATHONTM阴离子树脂和MARATHONTMC型阳离子树脂，两种树脂的体积比为50/50，树脂层的厚度为35厘米。贫离子室的进料速度为7.6升/分钟，富离子室的进料速度为0.8升/分钟。
施加给第一个模块的直流电压为123-273伏特，在设备操作过程中施加的电流为3.51-5.77安培。施加给第二个模块的直流电压为8.6-9.8伏特，流过第二模块的电流为1.94-2.51安培。
表1列出的是各种参数和性质的数据，其中包括导电率、pH值以及各流体中的硅含量。虽然第一级产物的电阻率为0.15兆欧姆厘米，但反向渗透进料中的硅含量从231.5ppb降到了检测水平以下(少于1.0ppb)。在经过第二级后，电阻率上升到了18.2兆欧厘米，但硅含量仍在1.0ppb这一可检测水平之下。这一结果表明了本发明实施方案可有效地从水中脱除硅这种弱电离物质。
表1
第一级 第二级
进料导电率(μS/cm) 5.98 6.63
进料温度(℃) 25.8 25.9
进料的pH值 6.47 9.0
进料的二氧化碳含量(ppm) 2.5 ＜1.25
FCE(μS/cm) 13.08 6.63
电压(V) 136 8.6
电流(A) 3.51 1.94
电阻(Ω) 38.7 4.47
电流效率(％) 9.2 8.5
产物电阻率(MΩ-cm) 0.15 18.2
产物pH值 9.0 6.39
产物流率(gpm) 5.0 1.9
产物压力降(psi) 33.9 15.4
排出物导电率(μS/cm) 39.2 65.5
排出物pH值 5.21 10.2
排出物流率(gpm) 0.55 0.22
排出物压力降(psi) 5.7 2.4
进料中的二氧化硅 231.5 ＜1.0
产物中的二氧化硅(ppb) ＜1.0 ＜1.0
排出物中的二氧化硅(ppb) 2406 N/A
例2
第二个实例中使用与第一个实例相近的设备，不同之处在于使用阳离子交换材料250替代了第一个模块中贫离子室的部分阴离子交换树脂，如图2和图3所示。在第一模块中，贫离子室210所使用的阳离子交换材料250为陶氏工化学公司生产的MARATHONTMC型阳离子交换树脂；所使用的阴离子交换树脂与实例1中所使用的阴离子交换树脂相同。阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的体积比为3∶1，阳离子树脂层直接与阴离子树脂相接触。富离子室220装有阳离子交换树脂。第二模块的贫离子室230和富离子室240都装有一层体积比例为50/50的混合离子交换树脂。该设备的操作条件与例1中所用的操作条件相同，水首先流过阳离子交换物质层，然后流过阴离子交换物质层。离开贫离子室的水流经导管212被分配到第二级的贫离子室和富离子室中。第一级产生的富离子液体经导管222排出。最终产物通过第二级中的导管232进行收集，第二级产生的排出液经导管242排出。该实例的数据列于表2中。
表2
第一级 第二级
进料导电率(μS/cm) 6.41 0.99
进料温度(℃) 19.1 19.1
进料的pH值 6.3 7.8
进料的二氧化碳含量(ppm) 2.5 ＜1.25
FCE(μS/cm) 13.4 ＜4.18
电压(V) 63.6 8.1
电流(A) 3.52 1.42
电阻(Ω) 18.1 5.7
电流效率(％) 9.1 6.3
产物电阻率(MΩ-cm) 1.01 18.2
产物pH值 7.8 6.5
产物流率(gpm) 1.9 1.72
产物压力降(psi) 22.5 12.6
排出物导电率(μS/cm) 68.6 31.6
排出物pH值 6.45 9.9
排出物流率(gpm) 0.21 0.22
排出物压力降(psi) 3.7 3.7
进料中的二氧化硅 180 ＜1
产物中的二氧化硅(ppb) ＜1 ＜1
排出物中的二氧化硅(ppb) 1980 N/A
将例2的结果与例1的结果进行比较可以发现，一个明显不同的数据就是第一级产物的pH值，造成这一不同的原因是在第一级阴离子交换树脂的前面使用了一层阳离子交换树脂。另外重要的一点是，第一级产物的电阻率从例1中的0.15MΩ-cm变到了例2中的1.01MΩ-cm。例2中使用的阴离子交换树脂量并未增加，只是使用阳离子交换树脂替代了例1中的一部分阴离子交换物质。在基本脱除了某些阳离型物质的情况下，离子负荷变得较低，这反过来促进了水的电离，从而加强了对pH值的调节能力。这使弱电离物质在更小的离子交换层内产生了更大程度的电离。
例3
例3是使用例2中的设备所进行的一次附加实验，目的是与使用常规混合床净化器所得到的结果进行比较。使用的水源是低温(7℃)反向渗透进料，在进料中加入了16.25ppm的二氧化碳来模拟高浓度的溶解二氧化碳。在测试3a中，设备与上面例2中的设备相同，在测试3b中，使用相同的进料，只是让水流过常规的、可重新装填的混合床净化器，该净化器不是电子法除离子设备的组成部分。这两次测试的结果列于下面的表3中，测试3a结果列在第1例，测试3b的结果列在第2例。测试的结果，尤其是像硅这样的弱电离物质的测试结果表明，使用电子法除离子过程可使这些杂质的含量降低到接近或等于使用常规净化器所能达到的脱除程度。如果在不造成水质明显下降的情况下使用电子法除离子设备来替代常规的净化器，则可给用户带来显著的节约效益。
表3
进料温度：7℃
进料导电率： 7.05μS/cm
进料中二氧化碳含量： 16.25ppm
进料中硅含量： 237.5ppb
进料FCE： 50.7μS/cm
流体效率：第一级：贫离子区5.39gpm，富离子区0.416gpm
第二级：贫离子区4.92gpm，富离子区0.473gpm
3a 3b
最终产物： 产物电阻率(MΩ-cm) 18.04 NA
硅(检测极限：0.1ppb) 0.9ppb 0.1
硼(检测极限：0.05ppb) 0.057ppb 未检测到
钠(检测极限：0.05ppb) 0.5ppb 未检测到
例4
本实例是在不同的温度下重复例3的测试过程。所使用的水流入口温度为17℃，所获得的测试结果代表着诸如生产微电子装置这样的生产过程所要求的条件。与例3中的情况相同，例4同样在水中加入了16.25ppm的二氧化碳。下面的表4列出了在此温度下使用常规混合床净化器所得到的数据(4b)以及使用本发明实施方案所得到的数据(4a)。使用本发明实施方案所得到的结果与使用常规混合床净化器所得到的结果是可比的；像硅和硼这些弱电离物质都在ppt一级的水平上，这样的水平满足或超过了许多最终用户对这些弱电离物质含量的要求。此外，进料流体中的总二氧化碳含量从16.25ppm降到了19ppb，降低了约三个数量级。
表4
进料温度：17℃
进料导电率： 7.22μS/cm
进料中二氧化碳含量：16.25ppm
进料中硅含量： 257ppb
进料FCE： 50.9μS/cm
流体效率：第一级： 贫离子区5.19gpm， 富离子区0.468gpm
第二级： 贫离子4.76gpm， 富离子区0.432gpm
4a 4b
最终产物： 产物电阻率(MΩ-cm) 18.19 NA
硅(检测极限：0.1ppb) 0.3 未检测到
硼(检测极限：0.05ppb) 0.056ppb 未检测到
钠(检测极限：0.05ppb) 0.3ppb 0.07
二氧化碳总量(检测极限：19 14
5ppb)
本发明实施方案可与其他类型的水净化装置一同使用，例如与反向渗透装置和/或水软化系统一同使用。
图10所示的是某一已知的实施方案，该实施方案在复审的美国RE B1 4,574,049号专利中有所论述；在该实施方案中，水经过入口330进入反向渗透系统300，然后进入第二反向渗透系统310，从而在出口360处产生净化水，排出的富离子液体在出口340和350加以收集。在水流进入第二反向渗透系统360前，为了调节所处理水体的pH值，在入口320处向水中注入pH值调节剂，例如向水中加入诸如氢氧化钠这样的pH值调节剂。
图11表明的是本发明的某一实施方案，在该实施方案中，在不加入酸性物质或碱性物质以及在不提高流体导电率的情况下，调节从第一反向渗透单元流向第二反向渗透单元流体的pH值。水通过入口430入进入反向渗透单元400。第一反向渗透单元的富离子排出液在出口440处加以收集，净化水流经导管486及导管484进入电子法除离子设备470。电子法除离子设备470可含有任何结构形式的离子交换物质，这些离子交换物质可调节水的pH值。举例而言，设备470中的贫离子室可含有一层阳离子交换树脂，该层阳离子交换树脂后面可跟有更大的阴离子交换树脂层，这样可提高流体的pH值。富离子排出液经出口480排出，pH值调整后的净化水经导管420进入第二反向渗透单元。经过pH值调整后的水在经过第二反向渗透装备410后可更完全地脱除像二氧化碳这样的物质。净化水通过出口460加以收集，富离子排出液通过出口450加以收集。通过调整电子法除离子设备470的结构形式，或者在系统操作过程中或在系统操作之前调节设备的加电情况可以调节所处理水体的pH值。
可以选择的是，可以使用闭环旁路来调节进入第二反向渗透单元410流体的pH值，这一调节方式与电子法除离子设备470的操作无关。流过闭环旁路482的流体越多，对电子法除离子设备470所处理水的pH值阻尼效应就越大。因此，可对流过导管420流体的pH进行监测，并相应调节通过闭环回路482的流体比例。这已调节可手工进行，也可自动进行，可使用490来调节流量。由于净化水的缓冲能力很低，所以净化水的pH值有较大的波动范围。因此，该实施方案提供某种技术来避免当酸性物质或碱性物质直接加入到净化流体中时流体的pH值发生所不希望的波动。通过调节电子法除离子设备470和流过闭环旁路482的流体量可对pH值进行精确的控制。此外，由于可通过使水分子电离以及此后除去而不是加入某些离子来调节pH值，因此可在不提高所处理水的导电率的情况下调节水的pH值。此外，该系统可以完全密封起来，从而与外界的污染源完全隔离，比如与酸性物质储存物或碱性物质储存物完全隔离。
在另一方面，还可同时使用包括两个或多个反向渗透单元以及一个或多个电子法除离子设备的系统来使进入第一反向渗透单元的水流具有较低的pH值，使进入第二反向渗透单元的水流具有较高的pH值。按此方式，可使用一个或多个电子法除离子设备来为一个反向渗透单元降低pH值。按此方式，可使用一个或多个电子法除离子设备来为一个反向渗透单元降低pH值，而为另一个反向渗透单元提高pH值。此外，这样一种结构形式有助于减少结垢的生成。另外一种情况是，提高进入第一反向渗透单元水流的pH值，降低进入第二反向渗透单元水流的pH值。
这些系统即可以除去像硅和硼这样的阳离子型化合物，也可以除去像氨这样的阴离子型化合物。改变施加给电子法除离子设备的电压以及改变设备内离子交换物质的比例可以调节流体的pH值，此外，在不加入化学药剂的情况下，即可以提高pH值，也可以降低pH值。
图14表明的是实施方案700，在该实施方案中，即可除去弱电离阴离子型物质，也可除去弱电离阳离子型物质。进料水流经过导管710进入系统和电子法除离子模块720。通过使水流经过主要含有阳离子树脂的单元或者通过调节施加给这一单元的电压来降低流过电子法除离子设备水流的pH值，调节所施加的电压可增加水的电离量，从而提高了pH值的调节能力。pH值经过调节后的水通过导管712离开电子法除离子单元720，然后进入第一个反向渗透单元730，此时水流的pH值比流过导管710水流的pH值低1到2个单位。在较低的pH值下，像氨这样的化合物可更容易地被反向渗透单元所除去，离开反向渗透单元水流的阳离子浓度比进入反向渗透单元水流的阳离子浓度低，水流经导管714离开反向渗透单元。在离开反向渗透单元730后，水经过导管714直接返回到电子法除离子设备720中。另外的一种情况是，水可直接进入与前面过程相脱离的电子法除离子单元。在这一段中，水可流过下一单元，该单元中主要含有一种离子交换物质，例如主要含有阴离子交换物质。在该情况下，经导管716离开电子法除离子模块的水流具有较高的pH值，因此，流过导管716水流的pH值比进入导管710水流的pH值要高，比如高出1到2个单位。该水流的pH值例如可比从第一反向渗透单元经导管714而进入电子法除离子单元水流的pH值高出3到4个单位。然后水流在较高pH值的情况下流过反向渗透单元740，在这一单元中，像硅酸盐和硼酸盐这样的弱电离阴离子型物质被除去。因此，经导管718离开反向渗透单元740的水流含有更少量的弱电离阴离子型物质，如硅酸盐和硼酸盐这样的弱电离物质，同时像氨这样的弱电离阳离子型物质的含量也降低了。通过调节单元内阴、阳离子树脂的比例以及调节树脂的总量可以将系统内每一级的pH值调到所要求的值；通过调节电子法除离子模块中某些单元内的树脂装填量可以调节树脂的总量。当然，可以使用更多的反向渗透单元或任意数量的电子法除离子模块。水流过每个单元的次序是可以改变的，举例而言，水可以先流过含有阴离子交换树脂的单元。
本技术领域的技术人员只使用常规的实验方式就可对本发明进行进一步的修改或实现本发明的等同物，所有这些修改和等同物均被认为在本发明的原理和范围之内，本发明的范围由以下的权利要求所限定。