CN101978545A - 用于(反)电渗析的膜、电池、装置和方法 - Google Patents

Abstract

适用于产生电力的反电渗析的膜、电池和装置及其方法，该膜包含排列在膜的至少第一面的多条通道，其中通道适合液体馈通，其中通道的尺寸是为了在通道内实现液体的层流。

Description

用于(反)电渗析的膜、电池、装置和方法

本发明涉及适用于(反)电渗析的膜。这种膜能用于在例如在淡水流入海洋的三角洲地区和工业盐水流混合或排放的场合中混合盐和淡水产生能量。

电渗析是一种用于从盐水或半咸水生产饮用水的过程。在此，在阳极和阴极之间施加电压，电极之间间隔放置一些阴离子和阳离子交换膜。由于施加的电压，阳离子倾向于向阴极移动，而阴离子倾向于向阳极移动。由于摆放的膜，这可得到浓缩或稀释的电解质溶液。这样的电渗析过程可以逆转，以产生电能。这即是反电渗析。进行这类反电渗析过程的装置例如NL1031148所述。已知的膜针对电渗析，在反电渗析过程中，会导致电阻太大，且由于所用的基础材料和用于加固膜的织物等费用高昂。因此，当进行反电渗析过程时，已知的装置效力太低。

本发明的目的是提供一种产生电力的装置，其中使用的反电渗析过程可以更有效地进行。

该目的是用本发明用于电渗析，特别是反电渗析过程的膜实现的，该膜包括排列在膜的至少第一面的多个通道，其中通道适合液体馈通(throughfeed)，其中通道的尺寸使得在通道中液体充分层流。

通过在膜的至少一侧提供通道可更好控制液流。这是由于液体不被送入开放空间，而是引入膜的通道中所产生的结果。通过将这些通道置于膜自身之中，得到了一类成形膜。由此可限定相邻膜之间的距离小于1mm，优选为0.2mm或更小。与已知膜所用的显著大得多的距离相比，这种小间距的重要性在于能减少液体中的内部电阻。已发现在反电渗析中，内部电阻相对较高，这是由于淡水中的低离子浓度引起的。虽然电渗析过程的应用在于建立湍流，从而提高限制性流体强度，但根据本发明，这在反电渗析的情况下恰恰是不理想的。由于使用能更好控制液流的通道，可选择通道和流体的尺寸和性质，从而能在通道内实现层流。因此减少内部水阻力或流阻。另外，这样的层流使得摩擦损失变小。在此进行由成形膜提供的反电渗析所需的泵功率更低。

在已知的进行电渗析过程和反电渗析过程的装置中，在膜之间使用掩蔽间隔(screen spacers)。这些独立的间隔增加了相邻膜之间的湍流。这些间隔还阻碍流动。这导致更大的流阻，从而导致需要更大的泵功率，导致电力产生效率较低。另外，这些间隔提高了内部电阻，因为它们可看做是一种绝缘体。由于使用了所述间隔，导致一部分带电表面在此变成不带电的或被掩蔽。该结果也被称为间隔的影子效应。这导致过程效率降低。间隔还易于被污染或聚积颗粒。因此对于这些间隔有特殊要求，而且在使用过程中需要频繁清洁。这样严格的要求导致在具有膜的装置的生产中投资不菲。使用过程中额外的清洁步骤增加了生产成本，且由于在过程中操作时间缩短而降低了效率。由于在已知装置中需要间隔以在相邻膜之间产生流动，本发明的膜表面提供的通道导致反电渗析效率显著提高。另外，在膜表面提供通道与目前使用间隔的实践相比还有个优点，即需要较少的分离组件。这简化了装置，因此也提高了反电渗析过程的效率。当在反电渗析中使用本发明的膜时，流过通道的液体将包括一种具有较高盐浓度的液体，或具有较低盐浓度的液体。在一个优选实施例中，膜具有约0.3mm的厚度，其中的通道深约0.2mm。通道的宽度优选达约1.0mm。膜表面各分离的通道之间的中间壁厚度为约0.2mm。这些中间壁还作为相邻膜之间的支持。

在本发明的一个有利实施例中，通道彼此平行提供。

通过在膜的至少第一面安置彼此平行的通道，尽可能限制了流阻。存在流入通道的流体入流和流出通道的流体的出流等导致的流阻。通道优选朝向是膜的纵向。优选不在通道中提供弯曲或角度，通道安置成与膜径向成角度的也不是优选的。通道中液体的流阻由于膜中通道建议的构型降低。也没有破坏通道中液体层流，不会发生使得内部流阻增加的湍流。膜中通道的建议构型的另一个优点是这样的构型能更简单地实现，从而使得这些膜的生产更简单。

在本发明的另一个有利优选例中，膜中提供了用于将液体馈入通道的入口部件和使液体从通道中排出的出口部件，其中，至少该入口部件提供有导向挡边。

为了以有效方式进行反电渗析，需要尽可能使液体在通道内最佳分布。出于限制该过程所需的泵功率等目的，还必须尽可能限制该液流的摩擦阻力。

为了使总压降限制在海水和河水之间的渗透压差的一部分之内，流过膜时发生的压降需维持在25-30kPa。为了在通道中获得良好的液体分布，液体流入和液体排出时的压降必须低于通道中的压降，优选低于5-10kPa。优选至少该入口部件提供有导向挡边。这些挡边还可能具有膜额外支持的功能，从而对具有多层膜的装置提供了额外的强度。另外，这些挡边引导液流从入口流到通道，从而实现了膜内液体在通道中的最佳分布。的馈流是通过膜中产生的通路所形成的歧管实现液体进料到入口部件。这样的歧管也可以是来自已知的电渗析装置。在这些已知的装置中，在垫片中沿着用于使液体从歧管到膜之间空间流过的间隔的方向制造通路。通过使用通道而不再需要间隔，因此也简化来自歧管的液体进料。本发明的膜的另一个优点是膜对环境密封中牵涉的部件更少。在已知的装置中，膜、密封和间隔应同时在歧管处实现密封。在包括不均匀加压的其它可能的情况下，可能形成外部和/或内部泄漏。本发明的膜的另一个优点是如此形成的膜与密封是整体的。这减少了泄漏的机会。此外，这还简化了部件装配。在有利装置中盐和较低盐度的区室之间压力表面中的长通道长度显著限制了内部泄漏的机会。

在本发明的另一个有利优选例中，膜包含氯磺化的聚烯烃材料，优选聚乙烯，最优选低密度聚乙烯。

使用氯磺化聚烯烃材料，本发明的膜可以用较低廉的基础材料制造。这减少了进行反电渗析过程的装置的安装成本。膜优选用聚乙烯，更优选低密度聚乙烯制造。因此，可以提供一种具有足够的机械强度的膜，它存在液压差的情况下不变形，从而使得膜中的通道形状不变形。这样的液压差可以达例如30kPa。通过提供足够的支持以必须吸收静压。可通过其它垫、中间壁和例如入口部件的挡边实现该支持。

本发明还涉及在反电渗析过程基础上产生电力的电池，包括至少两张如上所述的膜，其中至少一张膜是阴离子交换膜，至少另一张膜是阳离子交换膜，这些膜交替放置。这样的电池与文献中所述的膜有相同的效力和优点。

在一个有利的优选例中，两张相邻的膜彼此相对放置，具有外表面。该外表面是中间壁的表面，其与膜主平面平行，从而实现本发明所需的流动。

本发明还涉及进行反电渗析过程的装置，包括多个上述电池，其中至少一个阳极隔室中阳极置于含有氧化反应试剂的阳极液中，与该至少一个阳极隔室分开的至少一个阴极隔室中阴极置于含有还原反应试剂的阴极液中。这样的装置提供与电池和膜所述的相同的效应和优点。

在装置的一个有利优选例中，提供至少一条送料道和至少一条排出通道，以馈送和排出通道中的液体。

通过在膜中排列通路实现进料通道和歧管。膜中提供的通道的进料速度优选达约3-6cm/s。该量必需从送料道补充到膜中的这些通道内。为了限制短路电流，进料通道和排出通道的流过开口必需尽量小。装置中这样的短路电流会减弱反电渗析过程的效率。

在一个有利优选例中，装置中的电池数达到约3000-3500，优选总尺寸为1.75x1.75x2.0米。由于这样的尺寸，装置或所谓的“堆栈”使得尽可能大的膜面积能装在相对有限的空间内，这样的堆栈能够尽可能最佳地置于40英尺海运集装箱内，因为在一个集装箱内可以置放6个这样的堆栈。这使得装运本发明的装置显著变简单，也使得在所需的地点进行总安装成为可能。为了限制入口部件和出口部件相对于被积极使用的通道形式的膜部件的使用空间，推荐使用与电渗析过程中使用的已知装置相比直径较小的多个进料通道和小入口部件。

优选在膜内每125mm提供一根进料通道。这使得进料通道的尺寸仍然有限。这使得膜有用部分有效增大，因此进一步提高了过程的总效率。

优选为进料通道提供来自两个外部端的流体，以使进料通道中的流速尽可能低。因此，较低流速导致进料通道内的压降减小，还导致各电池内流动分布更好。

在装置的一个有利优选例中，相邻电池交叉放置，以提高装置稳定性。这样的交叉堆垛使得膜堆栈的总体稳定性提高。这样的堆垛自身产生这样的结果，即膜应具有四条相等的侧边，至少在各液流相同的情况下。这样的一种可能缺陷与短路电流的高风险有关。然而，这可通过正确配制进料通道的构型，以及其与膜通道的关系来克服。

本发明还涉及一种制造上述膜的方法。可通过例如注塑法或切割、滚轧、或压制通道来实现膜中的通道。本发明还涉及一种用上述进行反电渗析过程的装置产生电力的方法。这些方法提供了与针对所述膜、电池和装置所述的相同的效力和优点。

本发明的其它优点、特征和细节在优选例的基础上阐明。参考附图，其中：

图1显示了现有技术反电渗析过程操作的示意图；

图2显示了本发明膜的俯视图；

图3显示了图2膜的放大细节；

图4显示了本发明膜的部分横截面；

图5显示了本发明膜的入口部件的部分横截面；和

图6显示了本发明膜中始于入口部件的过渡部分的横截面。

在反电渗析过程2(如图1示意性所示)中，在阳极4和阴极6之间放置了多个阴离子交换膜8和阳离子交换膜10。在阴离子交换膜8和阳离子交换膜10之间形成电解质隔室，其中海水12和河水14交替流过相邻隔室。由于海水12和河水14水流之间离子浓度的差异，海水12中的离子要向河水14移动，以平衡浓度。出于方便，仅在图1中显示钠和氯离子作为阳性和阴性离子。

由于阴离子交换膜8仅能让阴离子通过，阳离子交换膜10仅能让阳离子通过，阴离子和阳离子的运输会以相反方向进行。阴离子(Cl^-)向阳极4移动，而阳离子(Na⁺)向阴极6的方向移动。为了维持电中性，在放置阳极4的隔室中发生氧化反应，在放置阴极6的隔室中发生还原反应。因此，在连接阳极4和阴极6的电路16中产生电流。在该电路16中，可通过电器18作电功，在本文中示意性表示成电灯泡。

图1中阴影线所示的是渗析电池20，其由阴离子交换膜8和阳离子交换膜10的一对膜以及具有高离子浓度的溶液物质(例如海水)和具有低离子浓度的溶液物质(例如河水)组成。渗析电池20的数目(N)可以增加，以提高阳极4和阴极6之间的电位差。

在膜32中通过例如切割、滚轧、压制或注塑法排列许多通道34(图2)。还在膜32中以与提供通道所用的相同的方式提供了入口部件36和出口部件38。每个入口部件36具有一个流通开口，它与其它相邻的膜形成液体(即水)的进料通道。膜32的外部尺寸达约1920x 1920mm。在膜32全部边缘周围有80mm宽的条带。入口部件36和出口部件38提供在此边缘上。在该边缘上还排列有孔42，以将膜放置和固定在整个堆栈中。还提供了用于补充或将液体排到其它膜的流通开口44，该开口位于没有排列入口或出口部件36、38的侧边上。膜32的俯视图细节(图3)显示了通道34，其中在所示实施例中流向是从底部到顶部。歧管的开口40位于膜32的入口部件36内。在所示实施例中，该开口40的直径为26mm。固定孔42的直径为约13mm，其离膜32侧边的中点约20mm。到进料开口40中点的距离约为距离膜32边缘48mm。在所示实施例中，多个通道34中补充有来自各入口开口40的液体。为清楚起见，在所示实施例中显示了104条通道34中的6条。在膜32的入口部件36中装有11条挡边46。在所示实施例中，这些挡边46置于通道34之间的中间壁48的线上以及这些通道34的中轴线上。这些挡边46的宽度达约1mm。从一个进料开口40提供的104条通道34的宽度达约125mm。

沿IV-IV的部分截面图(图4)显示了装在图2的膜32侧边中的流通开口40的侧视图。在所示实施例中，膜32的厚度为0.3mm。膜32中通道34的宽度达1mm，其中相邻通道34之间的中间壁44的宽度达约0.2mm。通道34的深度达约0.2mm，因此通道34的底部厚度为0.1mm。

挡边46之间的流出开口49(图5，显示沿图3V-V方向的横截面)宽度达约10mm，其中挡边46的厚度达约1mm。挡边46之间的通道49的深度达约0.2mm，而这些流动空间之间的底部也达0.1mm。

另一个截面(图6，显示沿图3VI-VI方向的截面)是所示实施例的流动方向侧视图，其中与通过通道34的流动方向平行的挡边46的宽度达约1mm。为了在通道34内获得良好液体分布，在挡边46的外端和通道34开始处之间提供了额外的开放空间，长约5mm。

实施例：计算本发明膜的可能构型

用于确定讨论的实施例中所示的尺寸。可根据膜和交叉堆垛的尺寸来计算包装密度。根据生产方法，包装密度可以在2,300m²/m³到4,400m²/m³之间变化。如果例如载体完全未官能化，则将其视为绝缘体或“阴影”，其效果与间隔相当。在另一种情况下，当所有材料被官能化，包装密度可增至4,400m²/m³。通道的壁也可以与膜一样起作用。计算公式如下：

包装密度(m²/m³)

′阴影′ $\frac{x_1^2}{{(x_1+x_2)}^2}=0.69$

$p=\frac{a}{(h+d)}=\mathrm{2,300}$

‘无阴影’1.0     p＝3,300

投射面积 $\frac{x_1^2+2x_{1}h}{{(x_1+x_2)}^2}=0.97$

p＝3,200

+‘阴影’

投射面积 $\frac{{(x_1+x_2)}^2+2(x_1+x_2)h}{{(x_1+x_2)}^2}=1.33$ p＝4,400

‘无阴影’

其中x₁是通道宽度，x₂是中间壁厚度，h是通道深度，d是(通道底部的)剩余膜厚度。

为了计算残留时间，使用a＝0.83(不计后续膜的阴影而只计各独立膜的阴影获得的值)，因此膜的包装密度为2,700m²/m³。

还可测定体积分布：

膜∶海水∶河水＝2(d((x₁+x₂)+h·x₂)∶h·x₁∶h·x₁)

在最佳条件下，在开放堆栈电压50-75％的电压下进行安装。在该百分数内该系统做了或多或少的有用功。在开放堆栈电压的50％操作下，最多50％的可得能量被转化成有用的功，虽然功率更高(although then at high power)。在开放堆栈电压75％的操作下，最多75％的可得能量被转化成有用功，虽然相当少的高功率被实现。对于具有6个堆栈的40英尺海运集装箱来说，膜堆栈的体积为36.75m³。可据此计算出残留时间为30-60秒。当通道长度为1.75米时，通过堆栈的流速为约3-6cm/s。对于下面的压降计算，使用3cm/s。

堆栈上的总压降的设定要求是最大可达到35kPa，还可在较大部分的通道上实现进一步压降。在所示实施例中所示的设计符合该要求：

通道

压降计算肯定了在线性流速3cm/s下，通道上的压降可限制到小于25kPa。

歧管

用膜中的通路(所谓的歧管)实现水分配。歧管与通道通过开口或头部(headers)连接。选择具有小直径和小头部或入口部件的许多歧管用于水分配，因为头部所用的空间与活性膜部件(通道)相比仍然是小的，且头部上的压降也保持有限。在1750mm长度上装有14根歧管(每根125mm)和头部，104个通道与各头部连接。每根歧管的直径为25.7mm(周长80mm，其中歧管边缘清晰，面积为518mm²)。选择该尺寸，一方面是为了限制歧管上的压降，另一方面是为了限制每张膜上的流出和流入速度。

-压降歧管：在测试的实施例中提供一歧管，用于为3333个电池对提供排出(通道)，其中每个电池对抽取或加入0.62ml/s(通过104根通道的流速)。使用这样的堆栈，在歧管中的最大流速是约2l/s，可实现4m/s的流速。这可导致局部巨大压降，并因此导致水流在电池对中分配不良。因此选择使歧管双侧流进和流出。因此，在堆栈最外侧的最大速度达到2m/s，而在堆栈中间为0m/s。对于这种设计，计算的结果是歧管上的压降随之变化，导致引发的水分配仍然相当均匀(+/-7％，因此为0.62+/-0.04ml/s)。歧管上的压降相对较小(平均12％的流通该堆栈所需的泵功率被歧管使用)。

流出和流入速度：流出或流入歧管的平均速度达3.8cm/s。计算显示70％的流出在膜侧上的歧管的半个循环弓中发生，而因此另一半贡献了剩下的30％。

头部

歧管与通道通过头部相连。这些头部本身的机械强度可能不充分。但是可在头部内掺入12枚翼片(挡边)作为支承点，它们与流径或通道平行。在具有这些翼片的头部上的压降根据计算达约0.5kPa，是通道上的25kPa的一部分。挡边的放置使得在各挡边之间实现相同流速。

长/宽比

在所设计的具有四条等边的膜中，每104个通道(或其倍数)可有一个中断。因此长/宽比为14∶1。

本发明不以任何方式限于上述优选实施例。下列权利要求限定了所要求的权利，在其范围内可进行许多修改。例如，也可能将本发明的膜用于电渗析过程。除了提供通道的一张成形膜表面，也可在例如膜的另一侧提供这些通道。根据所使用的材料和膜的所需尺寸等因素，通道数目、入口部件中挡边的形状和数目也可变化，以获得最好的可能流动条件。

Claims (21)

1.膜，其特征在于，包含排列在膜至少第一面上的多条通道，其中所述通道适合液体馈通。

2.如权利要求1所述的膜，其特征在于，所述通道的尺寸使得液体在通道中充分层流。

3.如权利要求1或2所述的膜，其特征在于，所述液体包括具有高盐浓度的第一液体和盐浓度比第一液体的低的第二液体。

4.如权利要求1、2或3所述的膜，其特征在于，所述膜的厚度为约0.3mm，其中通道的深度为约0.2mm。

5.如权利要求1-4任一所述的膜，其特征在于，所述通道的宽度为约1.0mm。

6.如权利要求5所述的膜，其特征在于，所述通道之间中间壁的厚度达约0.2mm，其中中间壁支持和将膜固定在离相邻膜的一定距离上。

7.如权利要求1-6中一或多项所述的膜，其特征在于，所述通道彼此平行。

8.如权利要求1-7任一或多项所述的膜，其特征在于，所述膜装有：

-将液体送入通道的入口部件；和

-将液体排出通道的出口部件；

其中至少该入口部件装有导向挡边。

9.如权利要求8所述的膜，其特征在于，所述入口部件和出口部件装有用于使液体在通道中分配的挡边。

10.如权利要求1-9中一或多项所述的膜，其特征在于，所述膜包含氯磺化的聚烯烃材料，优选聚乙烯，最优选低密度聚乙烯。

11.用于进行反电渗析过程的电池，其特征在于，包括：

-至少两张如先前权利要求之一或多项所述的膜，其中至少一张膜是阴离子交换膜，至少另一张膜是阳离子交换膜，其中阴离子交换膜和阳离子交换膜交替放置。

12.如权利要求11所述的电池，其特征在于，两张相邻的膜彼此相对放置，具有外表面。

13.进行反电渗析过程的装置，其特征在于，包括：

-如权利要求11或12所述的至少一个电池；

-至少一个阳极隔室，其中阳极置于含有氧化反应试剂的阳极液中；

-经由该至少一个电池与该至少一个阳极隔室分开的至少一个阴极隔室，其中阴极置于含有还原反应试剂的阴极液中。

14.权利要求13所述的装置，其特征在于，通道内的流速达约3-6cm/s。

15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于，提供至少一条送料道和至少一条排出通道，以馈送和排出通道中的液体。

16.如权利要求13-15任一或多项所述的装置，其特征在于，所述装置中的电池数达到约3000-3500，优选总尺寸为1.75x 1.75x 2.0米。

17.如权利要求13-16任一或多项所述的装置，其特征在于，至少一根进料通道向约104根通道提供液体，其中104根通道的总宽度为约125mm。

18.如权利要求13-17任一或多项所述的装置，其特征在于，至少一根液体的进料通道包含位于该歧管的两个外部端的入口，以限制流速。

19.如权利要求13-18任一或多项所述的装置，其特征在于，相邻电池交叉放置，以提高装置稳定性。

20.制造上述权利要求中之一或多项所述的膜的方法。

21.用上述权利要求之一或多项所述的装置进行反电渗析过程产生电力的方法。

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