УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИИ ЖИДКОСТИ
DEVICE AND METHOD OF LIQUID ELECTRODEIONISATION

Настоящее изобретение относится к устройству и способу электродеионизации жидкости.
Электродеионизация представляет собой комбинацию ионного обмена и электродиализа и служит для удаления ионов и ионогенных веществ из жидкости, в частности, воды. Основной целью является образование бессолевой воды, известной также как деионизированная или полностью обессоленная вода (VE). Следующей областью применения является мониторинг контуров циркуляции технологической воды на электростанциях, например, на тепловых электростанциях. Чтобы проверить, не могла ли жидкость из контура циркуляции охлаждающей жидкости, питаемого морской или поверхностной водой, проникнуть через течь в контур циркуляции технологической воды, проводится измерение удельной проводимости технологической воды. Так как в технологическую воду добавляют, наряду с прочим, аммиак и/или амины, чтобы предотвратить коррозию трубопроводных линий, технологическая вода уже имеет собственную удельную проводимость, которая существенно не изменится из-за проникновения содержащей соль охлаждающей жидкости, в частности, из-за растворенного в охлаждающей жидкости хлорида натрия (NaCl). Однако если провести измерение проводимости после катионного обмена, то количество катионов из добавок, вносящих вклад в собственную проводимость, уменьшится, и вместо хлорида натрия (NaCl) будет присутствовать соляная кислота (HCl). Так как удельная проводимость при одинаковом числе молекул HCl заметно выше, чем удельная проводимость такого же числа молекул NaCl, проникновение охлаждающей жидкости в контур циркуляции технологической воды можно установить через повышение удельной проводимости технологической воды после катионообменной смолы. Устройство и способ обнаружения отрицательных ионов в воде с целью обнаружения проникновения охлаждающей жидкости в технологическую воду, описаны, например, в патенте EP1167954B1.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованное устройство и усовершенствованный способ электродеионизации жидкости.
Эта задача решена посредством устройства электродеионизации исследуемой жидкости. Устройство включает в себя анодную камеру, которая содержит два отверстия и анод, катодную камеру, которая содержит два отверстия и катод, и находящуюся между анодной камерой и катодной камерой камеру обработки, которая содержит два отверстия и ионообменную смолу. Анодная камера и катодная камера в указанном устройстве отделены от камеры обработки мембраной с селективной проницаемостью, и источник энергии функционально связан с анодом и катодом.
Это приводит к двум альтернативным возможностям соединения камер друг с другом. С одной стороны, можно соединить друг с другом одно из отверстий камеры обработки, отверстия анодной камеры и одно из отверстий катодной камеры таким образом, чтобы камера обработки была функционально связана с анодной камерой, а анодная камера была функционально связана с катодной камерой. С другой стороны, можно соединить друг с другом одно из отверстий камеры обработки, одно из отверстий анодной камеры и отверстия катодной камеры таким образом, чтобы камера обработки была функционально связана с катодной камерой, а катодная камера была функционально связана с анодной камерой.
Источник энергии может представлять собой, например, источник напряжения, в частности, источник постоянного напряжения, который позволяет легко приложить постоянное напряжение между электродами, а именно, между анодом и катодом. В таком случае анод соединен с положительным полюсом, а катод с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения. Электроды могут представлять собой, наряду с прочим, металлическую проволоку, металлическую ткань или металлическую пластину, которые могут быть выполнены также из тянутого металла.
Отверстия камеры могут находиться на расстоянии друг от друга, в частности, одно из отверстий может находиться в верхней трети камеры, а другое отверстие в нижней трети камеры. Можно также, чтобы одно отверстие находилось на верхней стороне камеры, а другое отверстие на нижней стороне камеры.
Под мембраной с селективной проницаемостью имеется в виду физическая поверхность раздела, которая является частично, или полупроницаемой, то есть которая задерживает некоторые субстанции/вещества, а другие субстанции/вещества пропускает. Например, это может быть мембрана, проницаемая для анионов, или мембрана, проницаемая для катионов. Такая мембрана по существу непроницаема, например, для воды, газа, а также для электронов, но позволяет проходить соответствующим анионам, соответственно катионам. В свою очередь, противоион задерживается и не может пройти сквозь мембрану. Такая мембрана с селективной проницаемостью может быть образована, например, из сульфированного тетрафторэтиленового полимера. Другие примеры подходящих мембран с селективной проницаемостью описаны, наряду с прочим, в патентах US 4324606 и US 4997567. Под камерами имеются в виду три пространственно разделенных элемента, которые могут быть соединены посредством, например, быстрозажимной системы, а не обычными винтовыми стяжками, в одну компактную конструкцию, которая содержит все три камеры. Камеры имеют, например, прямоугольную базовую структуру, причем длины двух ребер, например, высота и ширина, у всех камер одинаковы, а глубина может различаться. При этом камера обработки, которая позднее будет находиться в середине, имеет шесть граней, из которых две противоположные грани образованы, каждая, по существу мембраной с селективной проницаемостью. Однако анодная камера и катодная камера имеют всего по пяти по существу плоских граней и могут быть соединены с камерой обработки таким образом, чтобы мембрана с селективной проницаемостью служила им шестой гранью. Однако это может быть также конструкция, которая образована как частично накрытая ванна. С двух противоположных сторон такая ванна содержит на одной стороне анод, а на другой катод. Устанавливая камеру обработки между анодом и катодом в ненакрытой части ванны, можно также образовать устройство, содержащее три камеры. Эта вставленная камера обработки заполнена ионообменной смолой и имеет два противоположные боковые стороны, которые по существу образованы соответствующей мембраной с селективной проницаемостью. Площадь мембран с селективной проницаемостью является достаточно большой, чтобы разделить ванну в направлении камеры обработки непроницаемо для жидкостей и газов на три отдельные камеры. Гидравлического функционального соединения между камерами можно достичь, например, с помощью трубопроводных линий. Одно отверстие камеры обработки может быть соединено с отверстием анодной камеры через гибкую трубку. В свою очередь, другое отверстие анодной камеры соединено гибкой трубкой с одним из отверстий катодной камеры. Отверстие камеры обработки, которое не соединено с анодной камерой, может служить отверстием для впуска исследуемой жидкости. Отверстие катодной камеры, которое не соединено с анодной камерой, может служить отверстием для выпуска исследуемой жидкости.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с каждым вариантом осуществления, какие будут упоминаться в дальнейшем, если они ему не противоречат, одно отверстие камеры обработки, отверстия анодной камеры и одно отверстие катодной камеры соединены друг с другом таким образом, чтобы подаваемая исследуемая жидкость текла в камере обработки по существу в направлении силы тяжести, а в анодной камере и катодной камере текла по существу против направления силы тяжести.
Достичь такого течения исследуемой жидкости можно, например, тем, что исследуемую жидкость подают в камеру обработки через отверстие, находящееся на верхней стороне камеры обработки, затем жидкость течет через камеру обработки в продольном направлении и выходит из камеры обработки через отверстие, расположенное на нижней стороне камеры обработки. Затем исследуемая жидкость вводится по трубопроводу через отверстие в нижней стороне анодной камеры и течет через нее по существу в продольном направлении, при этом она протекает, по меньшей мере частично, между анодом и обращенной к аноду мембраной с селективной проницаемостью и выходит из анодной камеры на верхней стороне анодной камеры через находящееся на верхней стороне отверстие. Затем исследуемая жидкость вводится по трубопроводной линии в катодную камеру через отверстие в ее нижней стороне, течет через нее по существу в продольном направлении, и при этом течет, по меньшей мере частично, между катодом и обращенной к катоду мембраной с селективной проницаемостью и выходит из верхней стороны катодной камеры через расположенное там отверстие.
Выражение "в продольном направлении" означает по существу от верхней стороны к нижней стороне и наоборот. Таким образом, что касается мембран с селективной проницаемостью, течение в камерах исследуемой жидкости происходит не поперек, а только вдоль мембран.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, датчик проводимости находится перед не соединенным отверстием камеры обработки.
Датчик проводимости, установленный перед отверстием камеры обработки, которое не соединено с одним из отверстий анодной камеры, может служить для определения проводимости исследуемой жидкости перед входом в камеру обработки. Например, воду для получения пара обычно подщелачивают, так как защитные слои оксида железа на внутренней поверхности пароводяного контура при высоких значениях pH плохо растворимы и поэтому остаются на месте. В результате нижележащий металл защищается от дальнейших воздействий горячей воды и пара. Так как значения проводимости, pH и концентрации подщелачивающего агента взаимосвязаны, измерение проводимости сверхчистой воды с подщелачивающим агентом позволяет рассчитать концентрацию подщелачивающего агента и pH раствора сверхчистой воды и подщелачивающего агента. Типичные проводимости технологической воды для генерации пара лежат в диапазоне от 8 микросименс/см до 45 микросименс/см. Типичный датчик для определения электрической проводимости жидкостей описан в патенте US 2611007 "Temperature Compensating Conductivity Cell". Другим примером современного датчика проводимости является датчик "Swansensor UP-Con 1000" от фирмы SWAN Analytical Instruments.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, датчик проводимости находится между камерой обработки и анодной камерой.
Датчик проводимости, расположенный между камерой обработки и анодной камерой, например, в линии, соединяющей указанные камеры, может служить для определения проводимости исследуемой жидкости после протекания через камеру обработки.
Так как камера обработки по меньшей мере частично заполнена ионообменной смолой, при течении через камеру обработки происходит ионный обмен, который, в зависимости от типа и количества ионов, растворенных в исследуемой жидкости, влияет на ее проводимость.
Благодаря отделению ионообменной смолы от анода и катода мембранами с селективной проницаемостью, никакие газы, образованные в результате электролизе на аноде и катоде, не могут проникнуть в камеру обработки и переноситься вместе с исследуемой жидкостью к датчику проводимости. Таким образом, можно достичь невозмущенного измерения проводимости. Так как измерение проводимости имеет место до того, как исследуемая жидкость пройдет мимо электродов, окисление, соответственно восстановление находящихся в исследуемой жидкости ионов происходит только после измерения проводимости.
Определение проводимости исследуемой жидкости перед и после камеры обработки предлагает расширенные возможности для анализа. Так, например, можно определить pH исследуемой жидкости.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, после датчика проводимости, находящегося между камерой обработки и анодной камерой, установлено устройство дегазации. В свою очередь, между устройством дегазации и анодной камерой находится дополнительный датчик проводимости.
2
2
2
Газы, которые находятся в исследуемой жидкости и подаются в камеру обработки, могут присутствовать в виде пузырьков газа, то есть в нерастворенной, или в растворенной форме. Пузырьки газа сами по себе мешают измерению проводимости и являются причиной ошибочных сигналов. Растворенные газы, которые диссоциируют, то есть по меньшей мере частично распадаются на заряженные частицы (ионы), повышают удельную проводимость исследуемой жидкости. Например, растворенный в воде диоксид углерода (CO) может, в зависимости от pH, образовывать карбонатные или бикарбонатные ионы и протоны. CO можно удалить из исследуемой жидкости путем кипячения или другими физическими методами. Измерение проводимости исследуемой жидкости после этой дегазации позволяет, например, определить содержание CO.
Если через устройство дегазации проводится только часть исследуемой жидкости, а другая часть вводится напрямую в анодную камеру, то осуществить повторное введение исследуемой жидкости, прошедшей через устройство дегазации, можно параллельно или последовательно, то есть можно соединить обе части исследуемой жидкости и только после этого ввести в анодную камеру, или обе части можно подавать параллельно через отдельные отверстия анодной камеры. Можно также, чтобы весь исследуемый поток после камеры обработки на пути в анодную камеру проходил сначала через датчик проводимости, затем через устройство дегазации и затем через дополнительный датчик проводимости. Можно также отвести часть потока.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, по меньшей мере один из датчиков проводимости содержит датчик температуры.
Если датчик температуры встроен в датчик проводимости, то можно определить термокомпенсированную удельную проводимость исследуемой жидкости.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, устройство содержит по меньшей мере один датчик расхода. Указанный, по меньшей мере один, датчик расхода может находиться, например, на, в частности перед, одним из отверстий камеры обработки, одним из отверстий анодной камеры и/или одним из отверстий катодной камеры.
Датчики расхода позволяют непрерывно измерять расход и могут служить для верификации измерения проводимости. Если имеется поток, то измеренная удельная проводимость фактически измеряется в реальном времени и отражает текущее значение.
Типичные расходы составляют, например, от 2 литров в час до 15 литров в час.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, ионообменная смола является катионообменной смолой.
Подходящей сильнокислой гелеподобной ионообменной смолой является, например, смола Amberjet-1000-H-L фирмы Rohm und Haas.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, ионообменная смола является цветоиндикационной ионообменной смолой, в частности, цветоиндикационной катионообменной смолой.
4
+
+
Для применения подходит, например, сильнокислая катионообменная смола, которая окрашена цветовым индикатором кислота/основание. Если смола "отработана", то есть заполнена катионами, как, например, щелочные аммониевые ионы (NH), которые заменили кислые протоны (H), то значение pH повышается, и катионообменная смола, соответственно индикатор, указывает на это обратимым изменением окраски. Когда смолу регенерируют, снова появляется первоначальная окраска. Отклонения от типичного для системы распределения цвета могут свидетельствовать, например, о нарушении нормальной функции.
Одним примером подходящей катионообменной смолы с индикатором является смола типа Lewatit S100 G1 фирмы Lanxess.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, камера обработки выполнена по меньшей мере частично прозрачной, в частности, вдоль отверстий камеры обработки.
Если можно смотреть в камеру обработки, то можно, например, обнаружить проникшие в камеру обработки примеси. Можно также обнаружить отложения оксида железа на ионообменной смоле. Если в камере обработки находится цветоиндикационная смола, то можно контролировать ее состояние и при необходимости провести, например, замену отработанной ионообменной смолы, всей камеры обработки или осуществить иные подходящие меры.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, устройство содержит оптический датчик. Оптический датчик можно использовать для мониторинга ионообменной смолы.
Вместо контроля человеческим глазом можно установить также оптический датчик, который может осуществлять, например, спектрально-селективное измерение отражения, так чтобы он мог контролировать цвет и, тем самым, качество находящейся в камере обработки цветоиндикационной ионообменной смолы. Если, например, будет превышено определенное критическое значение, то связанное с оптическим датчиком электронное измерительное устройство может включить сигнализацию, или электронный блок управления может прервать процесс электродеионизации или/и течение исследуемой жидкости, так как безупречная работа устройства больше не может гарантироваться. Допустим также электронный блок управления, который запускает автоматическую замену отработавшей ионообменной смолы.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, устройство содержит электронное измерительное устройство. Электронное измерительное устройство получает и обрабатывает по меньшей мере один сигнал от по меньшей мере одного из датчиков проводимости, по меньшей мере один сигнал от по меньшей мере одного из датчиков температуры, по меньшей мере один сигнал от по меньшей мере одного из датчиков расхода, по меньшей мере один сигнал от по меньшей мере оптического датчика, напряжение источника энергии и/или ток источника энергии.
Такое электронное измерительное устройство позволяет записывать и/или оценивать данные от всех имеющихся в устройстве датчиков. Это же справедливо для параметров напряжения и тока источника энергии. Электронное измерительное устройство может быть встроено в панель, которая позволяет считывать измеренные значения и имеет сопряжение с внешним компьютером или носителем данных. Электронное измерительное устройство может, например, включить сигнализацию, как только датчик проводимости передаст критическую удельную проводимость исследуемой жидкости перед или после катионного обмена или после дегазации. Электронное измерительное устройство может быть соединено с электронным блоком управления, который в соответствии с сигналами, подаваемые через электронное измерительное устройство, управляющее воздействует на устройство. Например, при повышенном расходе или возрастающей входной проводимости можно повысить напряжение между анодом и катодом, чтобы создать больше протонов на аноде, которые, в свою очередь, мигрируют через мембрану с селективной проницаемостью в камеру обработки и там удовлетворяют повышенную потребность в протонах для регенерации сильно нагруженной ионообменной смолы.
Питание устройства электродеионизации возможно через общий источник энергии, который может быть встроен в электронное измерительное устройство.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, по меньшей мере одно из отверстий камеры обработки содержит фильтрующий элемент.
Фильтрующий элемент находится перед отверстием камеры обработки, которое служит для впуска исследуемой жидкости, предотвращает или снижает проникновение загрязнений в камеру обработки. Он предотвращает также вымывание ионообменной смолы в экстремальных режимах работы электростанции, например, при пуске и остановке парогенератора. А именно, без фильтрующего элемента вода и, тем самым, также ионообменная смола может всасываться обратно через впускное отверстие устройства. Фильтрующий элемент перед отверстием камеры обработки, которое функционально связано с отверстием анодной камеры, предотвращает вымывание исследуемой жидкостью ионообменной смолы из камеры обработки. Фильтрующий элемент может представлять собой, например, фильтрующие пластины из спеченного полиэтилена, в частности, ультравысокомолекулярного спеченного полиэтилена. Ширина пор фильтрующего элемента может составлять, например, от 5% до 50% от минимального диаметра ионообменной смолы, чтобы надежно удерживать ионообменную смолу.
Типичные монодисперсные ионообменные смолы имеют, например, диаметр зерен 0,65 мм с диапазоном разброса ±0,05 мм.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, устройство содержит по меньшей мере одну мембрану с ионной проводимостью. При этом речь может идти, например, о дополнительной мембране с селективной проницаемостью, если только мембрана с ионной проводимостью сравнима или идентична мембранам с селективной проницаемостью, которые отделяют анодную камеру и катодную камеру от камеры обработки. Она может быть расположена в анодной камере между анодом и обращенной к нему мембраной с селективной проницаемостью или в катодной камере между катодом и обращенной к нему мембраной с селективной проницаемостью. Можно также разместить по одной мембране с ионной проводимостью в анодной камере и катодной камере.
Такая мембрана с ионной проводимостью защищает мембрану с селективной проницаемостью от образующихся на электродах, иногда агрессивных веществ, как, например, кислород или озон в момент выделения. Равным образом, мембрана с ионной проводимостью защищает мембрану с селективной проницаемостью от повреждения острыми краями, какие могут встречаться в случае электродов из тянутого металла или металлического сита.
В одном варианте осуществления устройства по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, камера обработки в устройстве является сменной.
Для применения в предлагаемом изобретением устройстве электродеионизации исследуемой жидкости предусмотрена камера обработки, которая имеет по существу прямоугольную базовую конструкцию. Камера обработки содержит два отстоящих друг от друга отверстия и две противоположные грани, которые по существу образованы мембраной с селективной проницаемостью.
Отверстия могут быть разнесенными, например, одно отверстие может находиться в верхней части камеры обработки, и одно отверстие в нижней части камеры обработки. Под верхней частью, или верхом, и нижней частью, или низом, камеры, имеются в виду, если не определено иное, нижняя треть и верхняя треть камеры. Кроме того, одно из отверстий может быть расположено на верхней стороне и одно на нижней стороне камеры обработки. Поверхности прямоугольной базовой конструкции, которые образованы не мембранами с селективной проницаемостью, выполнены например, их пластмассовых пластин, в частности, механически прочных пластмассовых пластин.
В одном варианте осуществления камеры обработки согласно изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, противоположные грани содержат, каждая, по существу прямоугольную рамку, которая образуют часть базовой конструкции и на которые адгезионно нанесена мембрана с селективной проницаемостью.
Прямоугольная базовая конструкция может быть образована из двух параллельных друг другу рам, которые водо- и газонепроницаемо соединены с четырьмя пластинами, дополняющими прямоугольную базовую конструкцию.
Рамы и пластины могут быть, например, из пластмассы. Каждая мембрана с селективной проницаемостью, ганесенная газо- и водонепроницаемо на рамы, в частности, приклеиванием или ламинированием, полностью закрывает полость, окруженную рамой. Например, для вмещения лишнего клея рама может иметь канавку. Канавка может быть круговой и расположенной так, чтобы находиться вне места склеивания, но, тем не менее, еще перекрываться мембраной с селективной проницаемостью.
В одном варианте осуществления камеры обработки согласно изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, рядом с одним из отверстий предусмотрено дополнительное отверстие для загрузки ионообменной смолы и/или дополнительное отверстие для дегазации. В частности, по меньшей мере одно из этих дополнительных отверстий может закрываться водо- и газонепроницаемо.
Дополнительное отверстие или дополнительные отверстия могут располагаться в верхней трети камеры обработки, в частности, на верхней стороне камеры обработки, и могут (снова) газо- и водонепроницаемо закрываться и/или подсоединяться.
В одном варианте осуществления камеры обработки согласно изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, по меньшей мере одно из отверстий накрыто фильтрующим элементом. Фильтрующий элемент может даже находиться в отверстии, непосредственно на отверстии или по меньшей мере на одном опорном элементе.
Отверстие для впуска исследуемой жидкости и отверстие для дегазации могут быть накрыты, например, отдельными фильтрующими элементами или общим фильтрующим элементом. Фильтрующий элемент может находиться как в самом отверстии, так и опираться на отверстие и при этом находиться как внутри, так и снаружи камеры обработки. Отверстие для выпуска исследуемой жидкости, находящееся на нижней стороне камеры обработки, может быть накрыто, например, фильтрующим элементом, находящимся внутри камеры обработки, и иметь площадь, которая по существу равна, например, площади нижней стороны. Кроме того, камера обработки может быть выполнена с фильтрами, например, круглыми фильтрами, которые внутри камеры обработки расположены по существу плоскопараллельно мембранам с селективной проницаемостью.
Если хотят избежать, чтобы такой плоский фильтрующий элемент опирался напрямую на нижнюю сторону камеры обработки, фильтрующий элемент может опираться по меньшей мере на один опорный элемент и накрывать отверстие ненапрямую. Благодаря косвенному опиранию фильтрующего элемента можно предотвратить блокировку течения частью поверхности фильтра. В качестве опорных элементов можно использовать, например, одно или несколько разомкнутых опорных колец, спиралевидных тел или радиальных каналов. Вместо фильтровальных пластин из спеченного полиэтилена в качестве фильтрующего элемента можно использовать также мелкоячеистую пластиковую сетку из полипропилена, полиэтилена, полиэфира и/или из фторполимера, размер ячеек которых по меньшей мере на 50% меньше, чем наименьший диаметр зерен используемой ионообменной смолы, в частности, ширина ячеек соответствует 5-50% минимального диаметра зерен смолы. Подходящими фторполимерами являются, например, PTFE, FEP и/или ECTFE. Сетки могут быть, закреплены, например, адгезионно или с помощью зажимных элементов. Сетки могут также опираться на упомянутые опорные элементы.
В одном варианте осуществления камеры обработки согласно изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, наружные стороны граней, по существу образованные мембранами с селективной проницаемостью, можно снабдить разъемно закрепленными защитными элементами, в частности, жесткими пластинами.
Для защиты камеры обработки при транспортировке и хранении можно на наружных сторонах, образованных по существу мембраной с селективной проницаемостью, граней прямоугольной базовой конструкции камеры обработки закрепить съемные защитные элементы, как, например, механически стойкие пластины. Для размещения защитных элементов можно использовать, например, клейкую ленту или монтажные скобы. Альтернативно или дополнительно можно также для защиты камеры обработки заключить ее в кожух, например, из пластмассы, факультативно под вакуумом.
Кроме того, задача настоящего изобретения решена посредством способа электродеионизации исследуемой жидкости. Способ согласно изобретению включает приложение напряжения на анод и катод, пространственно разделенные двумя мембранами с селективной проницаемостью, по меньшей мере частичное течение исследуемой жидкости через по меньшей мере частично заполненную ионообменной смолой камеру обработки, ограниченную двумя мембранами с селективной проницаемостью, по меньшей мере частично течение исследуемой жидкости через анодную камеру, находящуюся между анодом и одной из мембран с селективной проницаемостью, и по меньшей мере частичное течение исследуемой жидкости через катодную камеру, находящуюся между катодом и другой мембраной с селективной проницаемостью.
Согласно изобретению, протекание через камеры может осуществляться в разном порядке. С одной стороны, после по меньшей мере частичного течения исследуемой жидкости через по меньшей мере частично заполненную ионообменной смолой камеру обработки, ограниченную двумя мембранами с селективной проницаемостью, исследуемая жидкость может затем по меньшей мере частично течь через анодную камеру, находящуюся между анодом и одной из мембран с селективной проницаемостью, а затем исследуемая жидкость может по меньшей мере частично течь через катодную камеру, находящуюся между катодом и другой мембраной с селективной проницаемостью.
С другой стороны, после по меньшей мере частичного течения исследуемой жидкости через по меньшей мере частично заполненную ионообменной смолой камеру обработки, ограниченную двумя мембранами с селективной проницаемостью, далее может происходить по меньшей мере частичное течение исследуемой жидкости через катодную камеру, находящуюся между катодом и одной из мембран с селективной проницаемостью и затем по меньшей мере частичное течение исследуемой жидкости через анодную камеру, находящуюся между анодом и другой мембраной с селективной проницаемостью.
В этом способе имеется в основном два механизма переноса растворенных веществ. С одной стороны, имеет место конвекция, то есть перенос этих растворенных веществ с потоком исследуемой жидкости, а с другой стороны, происходит электромиграция, то есть движение электрически заряженных частиц вдоль электрического поля. Электрическое поле создается напряжением между анодом и катодом. Конвекция отвечает за по меньшей мере частичное течение через камеры.
В одном варианте осуществления способа по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, по меньшей мере частичное течение через по меньшей мере частично заполненную ионообменной смолой камеру обработки происходит по существу в направлении силы тяжести, а по меньшей мере частичное течение через анодную камеру происходит против направления силы тяжести, и по меньшей мере частичное течение через катодную камеру происходит против направления силы тяжести.
Если говорить об электродах, то есть в анодной и катодной камере, для образования газов электролизом, то образующийся газ можно вывести из камеры вместе с потоком исследуемой жидкости.
В одном варианте осуществления способа по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, способ дополнительно включает измерение удельной проводимости исследуемой жидкости. Измерение удельной проводимости исследуемой жидкости проводится перед по меньшей мере частичным протеканием исследуемой жидкости через по меньшей мере частично заполненную ионообменной смолой камеру обработки, ограниченную двумя мембранами с селективной проницаемостью.
В одном варианте осуществления способа по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, способ дополнительно включает измерение удельной проводимости исследуемой жидкости. Измерение удельной проводимости исследуемой жидкости проводится после по меньшей мере частичного протекания исследуемой жидкости через по меньшей мере частично заполненную ионообменной смолой камеру обработки, ограниченную двумя мембранами с селективной проницаемостью, и перед по меньшей мере частичным протеканием исследуемой жидкости через анодную камеру, находящуюся между анодом и одной из мембран с селективной проницаемостью.
В одном варианте осуществления способа по изобретению, который может комбинироваться с любым уже названным вариантом осуществления и с любым вариантом осуществления, какие еще будут упоминаться, если они ему не противоречат, способ дополнительно включает дегазацию по меньшей мере части исследуемой жидкости. После этого проводится дополнительное измерение удельной проводимости исследуемой жидкости, перед по меньшей мере частичным протеканием исследуемой жидкости через анодную камеру, находящуюся между анодом и одной из мембран с селективной проницаемостью.
В одном варианте осуществления способа по изобретению, который может комбинироваться с уже названными вариантами осуществления, если они ему не противоречат, способ дополнительно включает интегрированное непрерывное измерение расхода исследуемой жидкости.
Ниже примеры осуществления настоящего изобретения подробнее поясняются на фигурах. Показано:
фиг. 1: схематическая иллюстрация одного варианта осуществления устройств согласно изобретению;
фиг. 2: схематическая иллюстрация одного варианта осуществления устройства согласно изобретению;
фиг. 3: схематическая иллюстрация варианта осуществления устройства согласно изобретению, показанного на фиг. 2, с двумя датчиками проводимости;
фиг. 4: схематическая иллюстрация варианта осуществления устройства согласно изобретению, показанного на фиг. 3, с тремя датчиками проводимости;
фиг. 5: схематическая иллюстрация одного варианта осуществления камеры обработки согласно изобретению в виде в перспективе;
фиг. 6: следующий схематический показанный вариант осуществления камеры обработки согласно изобретению в виде сбоку;
фиг. 7: вид сбоку камеры обработки согласно изобретению, показанной на фиг. 5;
фиг. 8: схематическая иллюстрация варианта осуществления устройства согласно изобретению со сменной камерой обработки в виде в перспективе.
На фигуре 1 схематически показан один вариант осуществления предлагаемого изобретением устройства электродеионизации исследуемой жидкости.
Устройство 1 содержит анодную камеру 10 с анодом 13 и двумя отверстиями 11,12, катодную камеру 20 с катодом 23 и двумя отверстиями 21,22 и камеру 30 обработки с двумя отверстиями 31,32. Камера 30 обработки находится между анодной камерой 10 и катодной камерой 20 и наполнена ионообменной смолой. Камеры пространственно отелены друг от друга мембранами 33 с селективной проницаемостью. Анод 13 и катод 23 функционально связаны с источником 40 энергии. Источник 40 энергии служит для приложения постоянного напряжения между анодом и катодом. Одно из отверстий 31,32 камеры обработки служит для подвода в соответствующую камеру 30 обработки устройства 1 исследуемой жидкости, тогда как одно из отверстий 21,22 катодной камеры 20 служит для вывода исследуемой жидкости из устройства 1, соответственно из катодной камеры 20. Остальные отверстия могут служить для создания функционального соединения между камерами. Если, например, отверстие 31 используется для впуска исследуемой жидкости, то отверстие 32 может использоваться для достижения функционального соединения между камерой 30 обработки и анодной камерой 10, посредством отверстия 11 или 12. Если указанное функциональное соединение создается, например, через отверстие 12, то отверстие 11 может быть соединено с отверстием 21 или 22, чтобы создать функциональное соединение между анодной камерой 10 и катодной камерой 20. Если, например, соединить друг с другом отверстия 12 и 22, то отверстие 21 может служить для выпуска исследуемой жидкости из устройства 1. Альтернативно отверстия можно соединить друг с другом таким образом, чтобы камера обработки была функционально связана с катодной камерой, а катодная камера, в свою очередь, была функционально связана с анодной камерой. В таком случае отверстие 31,32 камеры обработки служит также для подачи исследуемой жидкости, тогда как отверстие 11,12 анодной камеры служит для выпуска исследуемой жидкости. В показанном варианте осуществления все отверстия находятся на нижней стороне или на верхней стороне камер. Допустимо также, чтобы отверстия находились на одной из боковых стенок камер, например, каждая камера имеет одно отверстие в нижней трети камеры и одно отверстие в верхней трети камеры.
На фигуре 2 показано такое же устройство по изобретению, как на фигуре 1, с помощью которого поясняется один вариант варианте осуществления способа по изобретению. Для наглядности иллюстрации не все введенные элементы, снабженные позициями на фигуре 1, обозначены также на фигуре 2, даже когда речь идет об одинаковых элементах. Это относится, в частности, к показанным отверстиям 11, 12, 21, 22, 31 и 32.
В показанном в качестве примера устройстве 1 между анодом 13 и катодом 23 прикладывается постоянное напряжение с помощью источника 40 энергии. Исследуемая жидкость 50 подается в камеру 30 обработки через отверстие 31 и течет через камеру 30 обработки, по меньшей мере частично заполненную катионообменной смолой, вдоль отверстий 31 и 32 в направлении силы тяжести. Так как отверстия 32 и 11 функционально связаны, исследуемая жидкость 50 течет, после того как она пройдет через камеру 30 обработки, в анодную камеру 10 и протекает через нее вдоль отверстий 11 и 12 против направления силы тяжести. Затем исследуемая жидкость 50 входит через отверстие 21 в катодную камеру 20 и течет через нее вдоль отверстий 22 и 21 против направления силы тяжести. Исследуемая жидкость выходит из катодной камеры 20 через отверстие 22.
Альтернативно течение через камеры может происходить в направлении, противоположном вышеописанному, и отверстия камер могут функционально соединяться друг с другом произвольным образом, если только гарантируется, что исследуемая жидкость сначала будет течь через камеру 30 обработки, затем через анодную камеру 10 и затем через катодную камеру 20. Исследуемая жидкость 50 протекает через анодную камеру 10 таким образом, чтобы она текла между анодом 13 и мембраной 33a с селективной проницаемостью, которая проницаема для катионов и обращена к аноду 13. Через катодную камеру 20 исследуемая жидкость 50 протекает аналогично течению через анодную камеру 10, что касается катода 23 и мембраны 33b. Через камеру 30 обработки исследуемая жидкость 50 течет параллельно мембранам 33a и 33b. Исследуемая жидкость трижды пересекает, по меньшей мере частично, электрическое поле между анодом 13 и катодом 23. Если камера обработки по меньшей мере частично заполнена катионообменной смолой, и мембраны с селективной проницаемостью являются мембранами, проницаемыми для катионов, то описанный способ может применяться для катионного обмена.
В способе, показанном на фигуре 2, имеют место процессы. более подробно описываемые ниже.
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
4
4
2
2
4
4
В камере обработки происходит ионный обмен между ионами, растворенными в исследуемой жидкости. Если ионообменная смола является, как в данном примере, катионообменной смолой, то анионы (например, Cl) остаются в исследуемом растворе, а катионы (например, NH, Na) обмениваются с катионами, предоставляемыми катионообменной смолой (например, H). В таком случае в катионообменной смоле катионы (например, NH, Na) движутся вдоль электрического поля в направлении катода и мигрируют в катодную камеру через прозрачную для катионов, обращенную к катоду мембрану с селективной проницаемостью. Подвергшаяся катионному обмену исследуемая жидкость переходит из камеры обработки в анодную камеру. Там в результате электролиза воды в исследуемой жидкости образуются протоны (H). Эти протоны (H) могут затем двигаться в направлении катода, сначала через проницаемую для катионов мембрану с селективной проницаемостью, обращенную к аноду, а затем через проницаемую для катионов мембрану с селективной проницаемостью, обращенную к катоду. На своем пути протоны (H) пересекают камеру обработки и становятся там доступными для регенерации ионообменной смолы. Когда катионообменная смола регенерирована, и в камере обработки больше не имеется катионов в исследуемой жидкости, протоны мигрируют дальше в катодную камеру. Анионы, а также образованный при электролизе в анодной камере газ (например, O) переносятся с исследуемой жидкостью в катодную камеру. В катодной камере в результате электролиза воды образуются гидроксильные ионы (OH) и газ (например, H). Гидроксильные ионы нейтрализуют мигрирующие в катодную камеру протоны (H) и/или образуют в качестве противоиона соответствующие гидроксидам (например, NHOH, NaOH) катионы (например, NH, Na), мигрирующие в катодную камеру.
На фигуре 3 схематически показан один вариант осуществления камеры предлагаемого изобретением устройства электродеионизации исследуемой жидкости. Изображен также путь течения исследуемой жидкости.
Перед тем как исследуемая жидкость 50 войдет в камеру 30 обработки, она проходит через находящийся перед отверстием 31 камеры 30 обработки, служащим для впуска исследуемой жидкости 50, датчик 51 проводимости для измерения удельной проводимости исследуемой жидкости 50. Если датчик 51 проводимости содержит датчик температуры, то можно определить термокомпенсированную удельную проводимость. Следующий датчик 52 проводимости находится между камерой 30 обработки и анодной камерой 10. Этот датчик 52 проводимости также может при наличии датчика температуры измерять термокомпенсированную удельную проводимость, а не только удельную проводимость.
На фигуре 4 схематически показан один вариант осуществления камеры предлагаемого изобретением устройства электродеионизации исследуемой жидкости, похожего на устройство с фигуры 3.
Однако изображенное устройство 1 отличается от устройства, показанного на фигуре 3, дополнительным датчиком проводимости 53. Измерение проводимости датчиком проводимости 53 отличается от измерений, производимыми датчиками проводимости 51 и 52, тем, что можно определить "дегазованную" (термокомпенсированную) удельную проводимость. Это означает, что перед датчиком проводимости 53 установлено устройство 41 дегазации, которое удаляет газ из исследуемой жидкости. Вполне достаточно вводить в устройство дегазации и датчик 53 проводимости только часть исследуемой жидкости 50. Затем эту отделенную часть можно просто вернуть в остальную исследуемую жидкость перед введением в анодную камеру 10, или провести в анодную камеру 10 через отдельное дополнительное отверстие без предварительного соединения с остальной исследуемой жидкостью, или ее можно просто удалить, то есть выбросить. Однако можно также весь неразделенный поток образца последовательно провести через датчик 51 проводимости, устройство 41 дегазации и датчик 53 проводимости, а затем ввести в анодную камеру.
На фигуре 5 схематически показан один вариант осуществления камеры обработки согласно изобретению для применения в устройстве электродеионизации исследуемой жидкости.
Иллюстрация представляет собой вид спереди камеры 30 обработки с прозрачными передней и верхней сторонами. Верхняя сторона имеет отверстие 31, которое в данном примере служит для впуска исследуемой жидкости 50. Далее, верхняя сторона камеры 30 обработки имеет отверстие 34 для заправки ионообменной смолы и отверстие 35 для дегазации исследуемой жидкости 50, находящейся в камере 30 обработки. В нижней стороне также имеется отверстие 32. Оно используется для создания функционального соединения с анодной камерой 10 или катодной камерой 20. Отверстие 32 накрыто фильтрующим элементом 36. Под фильтрующим элементом 36 имеется в виду фильтровальная пластина из спеченного полиэтилена, размер пор которого составляет всего от 5% до 50% от размера зерен загружаемой в камеру обработки 30 ионообменной смолы. Площадь и длина кромок фильтровальной пластины 36 по существу соответствует площади и длине кромок нижней стороны камеры 30 обработки. Однако фильтровальная пластина 36 не лежит непосредственно на нижней стороне камеры обработки, но опирается на опорные элементы, в данном примере на разомкнутые опорные кольца. Все отверстия 31, 32, 34, 35 в камере обработки выполнены так, чтобы их можно было закрыть газо- и водонепроницаемо.
На фигуре 6 схематически показан следующий вариант осуществления камеры обработки согласно изобретению для применения в устройстве электродеионизации исследуемой жидкости.
На иллюстрации показаны две противоположные грани камеры 30 обработки. Можно видеть прямоугольные рамки, на которые газо- и водонепроницаемо адгезионно нанесено по мембране 33 с селективной проницаемостью. Кроме того, можно видеть два круглых фильтра 36, расположенных плоскопараллельно к граням и находящиеся между ними, которые накрывают, с одной стороны, вентиляционное отверстие 35 и отверстие 31 для впуска исследуемой жидкости, а с другой стороны, отверстие 32 для выпуска исследуемой жидкости для дальнейшего проведения соответственно в анодную или катодную камеру. Кроме того, на верхней стороне находится отверстие 34 для заправки ионообменной смолы 60. На одной грани за фильтром 36 находится сборник 39 для исследуемой жидкости. Подача и отвод исследуемой жидкости происходят через короткий канал в соответствующем сборнике 39. Ось этого канала проходит по существу внутри рамки параллельно поверхностям мембран с селективной проницаемостью и выходит на узкой стороне рамки.
На фигуре 7 схематически показан вид сбоку варианта осуществления камеры обработки по изобретению, показанного на фигуре 5.
Показанная грань камеры 30 обработки содержит рамку 37 из пластмассы с проходящей по периметру канавкой 28 и адгезионно нанесенной на эту рамку 37 мембраной 33с селективной проницаемостью. Если мембрана 33 закреплена на рамке 37 клеем, то лишний клей может попасть в канавку 38 и не будет выбиваться наружу вдоль боковой кромки мембраны 33. Мембрану 33 можно также прикрепить к рамке 37 с помощью ультразвуковой сварки.
Альтернативно, грань камеры обработки 30 может также состоять из двух совмещающихся при наложении рамок 37, между которыми закреплена мембрана с селективной проницаемостью 33, например, с помощью склеивания или зажима. Кроме того, рамки 37 и мембрана 33 могут быть соединены ламинированием.
На фигуре 8 схематически показан вариант осуществления предлагаемого изобретением устройства электродеионизации исследуемой жидкости, которое содержит камеру обработки, сопоставимую с показанной на фигуре 5.
Устройство содержит анодную камеру 10, катодную камеру 20 и сменную камеру 30 обработки, которая с точностью посадки введена в пространство между анодом и катодом и, таким образом, своими гранями, содержащими мембраны с селективной проницаемостью 33, осуществляет истинное пространственное разделение устройства 1 на три камеры.
Показано, в частности, изображение момента вставки камеры обработки 30. Прямые пунктирные линии указывают, где после правильного позиционирования между анодом 13 и катодом 23 будет находиться камера 30 обработки и будет закреплена посредством быстрозакрываемого запора.
Анодная камера 10 и катодная камера 20 в этом примере соединены друг с другом в одно целое через общую нижнюю сторону. На этой нижней стороне можно установить, например, две параллельных планки, которые могут служить направляющими элементами для снабженных мембранами с селективной проницаемостью 33 граней камеры 30 обработки.
Аналогично, варианты осуществления и примеры, которые предусмотрены для катионного обмена, в рамках изобретения можно модифицировать так, чтобы их можно было применять для анионного обмена. Если, например, в качестве типа электродеионизации желателен анионный обмен, то отверстие камеры обработки, не предназначенное для впуска исследуемой жидкости, было бы соединено с отверстием катодной камеры, а другое отверстие катодной камеры было бы соединено с одним из отверстий анодной камеры, а следующее, не соединенное с катодной камерой отверстие анодной камеры служило бы, в свою очередь, отверстием для выпуска исследуемой жидкости.
Датчик проводимости и, факультативно, дополнительный датчик проводимости с установленным перед ним устройством дегазации будут расположены, например, между камерой обработки и катодной камерой.
Кроме того, вместо катионообменной смолы в камере обработки можно использовать анионообменную смолу. Мембраны с селективной проницаемостью, ограничивающие камеру обработку, будут проницаемыми для анионов, а не для катионов.
Специалисту могут прийти в голову другие логичные модификации, не выходящие за рамки изобретения.