對水溶液進行連續離子監控的方法與設備技術

本發明專利技術公開了一種電解方法與設備，用于連續產生為連續監控高純度水溶液流的ｐＨ值所必需的陽離子電導率、陰離子電導率、以及溫度數據。在橫跨陽離子交換材料的陽極和陰極之間施加直流電壓，由此使得在陽極產生的氫離子運動經過陽離子交換材料置換其先前吸收的陽離子并且被置換下來的陽離子在電場作用下遷移到陰極，或者在橫跨陰離子交換材料的陽極和陰極之間施加直流電壓，由此使得在陰極產生的氫氧根離子再生陰離子交換材料，用于調節進行電導率測量的水樣的陽離子交換材料和陰離子交換材料得到連續再生。然后將經溫度校正的陽離子電導率和經溫度校正的陰離子電導率與樣品的比電導率測量值一起用于計算樣品的ｐＨ值。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及對水中各類離子電導率的測量以及對“陽離子電導率”和“陰離子電導率”的增強的電導率測量。術語“陽離子電導率”定義為當樣品中基本上所有陽離子都已經置換為氫離子時樣品的電導率。術語“陰離子電導率”定義為當樣品中基本上所有陰離子都已經置換為氫氧根離子時樣品的電導率。利用樣品經過溫度校正的比電導率、陽離子電導率和陰離子電導率的測量值，可以精確地計算出高純度水的pH值。因為陽離子電導率和陰離子電導率可以指示被測水的離子純度，所以它們是重要的測量值。在現代化發電廠中，必須對流入高壓蒸汽鍋爐的水進行離子純度的連續監控并且進行處理以防止腐蝕鍋爐管壁、蒸汽輪機、及冷凝器。必須監控來自該系統各個部分的樣品流的比電導率與陽離子電導率。對液流監控陽離子電導率的時間長度取決于用來處理樣品或樣品流的陽離子交換柱的大小、樣品流流速、與水中存在的陽離子數目。樣品流以相同流速流動，對較大容積的陽離子交換柱而言，更換以及利用酸進行再生的頻率將減小；但是，當陽離子交換柱的尺寸增大時，測量的時間延遲將增大。當然，如果通過增大樣品流流速來減低測量的時間延遲的話，則交換柱需要更換或再生的頻率會增大。水溶液離子監控的傳統儀器與方法的大多數，如果不是全部，上述局限與欠缺，通過利用本專利技術用于水溶液連續離子監控的改進方法與設備可以得到克服或者至少顯著地改進。本專利技術的其它目的與優點，部分是顯而易見的，部分將在下文中闡明。因此本專利技術包括，但不局限于，包括若干步驟和各種組件的儀器及其相關方法，和一個或多個這種步驟和組件彼此之間的關系和次序，如下面的說明和附圖所闡釋的那樣。這里描述的儀器和方法的各種改進和變化對本領域普通技術人員而言是顯而易見的，并且所有這樣的改進和變化都落入在本專利技術的范圍內。具體來說，本專利技術提供了理想的快速響應時間，減低了迄今用于這種目的的傳統離子交換柱的花費和復雜程度。以類似的方式，利用傳統的電導池和溫度校正技術對樣品流進行陰離子電導率測量，所述樣品流流經或接觸陰離子交換材料，該陰離子交換材料吸收液流中基本上全部的陰離子并且用氫氧根離子置換它們。依照本專利技術，這種陰離子交換材料利用氫氧根離子的通過而得到連續再生，該氫氧根離子由鄰近的這種氫氧根離子的源產生，如通過陰離子交換膜與陰離子交換材料分隔開的陰極室，或與一部分陰離子交換材料相接觸的雙極性膜。依照本專利技術，另一部分陰離子交換材料與隔離陽極室的陰離子交換膜保持接觸，最初由陰離子交換材料吸收的陰離子在直流電壓梯度作用下遷移到陽極室。對于不包含“弱的”或緩沖的離子的相對較純的水，依照本專利技術確定的經過溫度校正的比電導率、經過溫度校正的陽離子電導率和經過溫度校正的陰離子電導率可以用于計算以高精度確定被監控樣品流的pH值。這種確定高純水pH值的方法還具有穩定、不漂移、以及無污染的優點，而這些是傳統pH值測定設備用于高純水測定時面臨的問題。本專利技術還考慮到了獨立應用這里所述的陽離子交換器單元用以監控樣品的陽離子電導率，以及獨立應用這里所述的陰離子交換器單元用以監控樣品的陰離子電導率。圖2A和2B分別是本專利技術另一個實施方案的離子交換單元的示意性俯視圖和截面圖，其中離子交換膜還用作離子交換材料。圖3是說明本專利技術對水溶液進行的連續離子監控系統的示意性方法流程圖，其中使用平行配置的兩個離子交換單元，相當于附圖說明圖1或圖2A和2B中所示的那些。優選實施方案的詳細說明本專利技術基于這樣一個新穎思路，利用借助于施加直流電流連續再生的離子交換材料來實現對水溶液的連續離子監控。利用本專利技術的設備和方法，可以由經過溫度校正的比電導率、陽離子電導率和陰離子電導率的測量值計算出對高純度水的高精度pH測定值。依照本專利技術的一個優選實施方案，對陽離子電導率樣品流和陰離子電導率樣品流進行處理并進行電導率測量。通常，對于陽離子電導率液流，在排出電導計之后，部分或全部液流流經陽極(正極)，然后通過流體管道裝置流經陰極且繼而廢棄。在陽極上，通過電解先前測量過的樣品流中的水生成氫離子，并且這些氫離子在直流電壓的作用下經陽離子交換膜遷移進入陽離子交換材料，在那里它們通過置換從樣品流吸收的其它陽離子而使陽離子交換材料再生。而后這些被置換的陽離子在直流電壓的作用下經陽離子交換膜遷移到陰極(負極)，并進入由陽極室流出且流經陰極室的廢液流。類似地，對于陰離子電導率液流，在排出電導計之后，部分或全部的液流流經陰極(負極)，然后通過管道流經陽極且繼而廢棄。在陰極上，由水的電解而生成氫氧根離子，并且這些氫氧根離子在直流電壓的作用下進入陰離子交換材料，在那里它們通過置換從樣品流吸收的其它陰離子而使陰離子交換材料再生。而后這些被置換的陰離子在直流電壓的作用下遷移到陽極(正極)，并進入由陰極室流出且流經陽極室的廢液流。在配置本專利技術的離子交換單元的一個優選實施方案中，如圖1中所示意表示的那樣，利用與離子交換材料172主體(bulk)具有相同電荷的離子交換膜173將電極170和171與離子交換材料172主體進行物理分離。膜173和容器的壁構成了隔室174，隔室174里面含有電極170，并且先前測量過的樣品流經隔室174以提供用來電解的水并沖走電極產生的氣泡。優選電極與陽離子交換膜173相接觸，或者隔室174中裝滿與膜具有相同電荷的離子交換材料。在配置本專利技術的離子交換單元的另一個優選實施方案中，如在圖2A和圖2B中所示意表示的那樣，只有一個離子交換膜用作離子交換材料。在這種情形下，利用螺釘穿過位于電絕緣板周邊的孔188將平板離子交換膜180夾在兩個電絕緣板181之間。為樣品流提供了入口裝置182，然后樣品流在與離子交換膜180接觸的通道183中流動且通過出口裝置184流入電導計。對陽離子電導率的情形，膜180將是陽離子交換膜，而陽極185將通過水的電解生成氫離子以連續地對膜180進行再生。這些氫離子在直流電壓作用下經過膜向陰極186遷移。樣品流中基本上全部的陽離子都與來自膜的氫離子交換。這些陽離子經膜遷移進入陰極通道液流并且通過出口裝置187排出進入廢液。在這個優選實施方案中，樣品流流動的總的方向與氫離子遷移方向相反。仍在這個優選實施方案中，陽極和陰極通道位于與樣品流通道關于膜相對的一側。對如圖2A和2B所示離子交換單元工作的相應說明適用于陰離子電導率的情形。參看附圖3，示意性地描述了本專利技術的連續離子監控系統的一種形式，其使用了平行配置的兩個本專利技術的離子交換單元。該系統包括通過流體管道連接到電導計201的樣品流體入口200，電導計201包括用于連續測量樣品流的電導率和溫度的機械裝置。由所述電導計的出口，樣品通過流體管道202流入液流分流器210，典型地是一個T-形連接或閥，其依次分別通過流體管道220和221連接到本專利技術的連續再生陽離子交換器容器230的入口和本專利技術的連續再生陰離子交換器容器240的入口。在每個交換器容器中，電極231和232(容器230)與電極233和234(容器240)，如下所述，被設置在它們之間的相應的陽離子或陰離子離子交換材料隔開。離子交換材料的形式可以為小珠、微粒、纖維、篩網、或膜。當陽離子電導率樣品部分流經陽離子交換材料時，基本上全部的陽離子都被陽離子交換材料吸收并且置換為氫離子。當陰離子電導率樣品部分流經陰離子交換材本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于測定含水樣品的離子純度的儀器，所述儀器包括：用于測量樣品的電導率和溫度的電導計；陽離子交換元件，其用于當所述樣品陽離子部分以與所述陽離子交換元件接觸的方式通過時將所述樣品陽離子部分中存在的陽離子交換為氫離子；用于測量與所述陽 離子交換元件接觸之后的所述陽離子部分的電導率和溫度的電導計；陽離子交換元件再生系統，其用于通過以水電解生成的新的氫離子置換從所述陽離子部分中去除的陽離子，連續地再生所述陽離子交換元件；陰離子交換元件，其用于當所述樣品陰離子部分以與所 述陰離子交換元件接觸的方式通過時將所述樣品陰離子部分中存在的陰離子交換為氫氧根離子；用于測量與所述陰離子交換元件接觸之后的所述陰離子部分的電導率和溫度的電導計；和，陰離子交換元件再生系統，其用于通過以水電解生成的新的氫氧根離子置換從 所述陰離子部分中去除的陰離子，連續地再生所述陰離子交換元件。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：WW卡森，OV格列別紐克，TJ蘇薩，
申請(專利權)人：艾尼克斯公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]