CN103764262B - 包括离子交换隔离物的电去离子装置的组装方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于组装电去离子装置的方法，所述方法包括以顺序布置提供：阳极、膜电池组件、阴极；其中，所述膜电池组件包括至少一种如下的顺序布置：阳离子交换膜、浓缩室、阴离子交换膜、稀释室、阳离子交换膜、浓缩室和阴离子交换膜。所述方法包括：将离子交换隔离物放置在所述膜电池组件的至少一个室中，其中，离子交换隔离物包括离子交换树脂和可溶性粘合剂。

Description

包括离子交换隔离物的电去离子装置的组装方法
技术领域
本发明涉及电去离子装置、及其组成部件和用于组装电去离子装置的方法。
发明背景
电去离子(EDI)是一种众所周知的用于采用电位驱动离子穿过离子选择膜而去除液体中的可电离物质的过程。图1图示了在10处的典型板框构造的EDI装置的理想视图，该EDI装置包括交替设置的半渗透性带正电荷的阴离子交换膜“AEM”(12)和带负电荷的阳离子交换膜“CEM”(14)，这两种薄膜位于相对的阳极(16)和阴极(18)之间并由在两种膜之间限定出流体通道的室隔开。多孔隔离物(spacer)通常位于室中以保持间隔并促进液体从其间流过。在运行期间，当液体进料流过(由向上的箭头表示)室时在该装置上施加横向直流电场，使得进料液体中的离子被拉向其相应的对电极。具体地，流过以面对带正电荷的阳极(16)的AEM(12)和面对带负电荷的阴极(18)的CEM(14)为界限的“稀释”室(20、20′、20")的液体中的离子被贫化。流过以面对阴极的AEM(12)和面对阳极(16)的CEM(14)为界限的“浓缩”室(22、22′、22"、22′″)的液体有效捕获从相邻稀释室引出的离子。从浓缩室离开装置(10)的液体称为“浓缩液”或“透余物(reject)”并且具有相对较高浓度的离子物质，而离开稀释室的液体称为“稀释液”或“渗透液”并且具有相对较低浓度的离子物质。一个或多个室中可充填离子交换介质(24)以促进离子传输。适用的离子交换介质的示例包括呈颗粒形式(例如，粒状、纤维或珠状)的多孔或凝胶状离子交换树脂。室可包含单一类型的离子交换树脂或包含阳离子(26)和阴离子(28)交换树脂的混合物，阳离子和阴离子交换树脂以多种布置方式提供，例如，如US2007/0051684中描述的随机设置或带状布置。
已使用多种技术用离子交换树脂来填充EDI装置的室。例如，USP5066375、USP5120416、USP5203976、USP7094325和USP2004/073535中描述了将浆状离子交换树脂引入预形成室中。在可替代的方法中，离子交换树脂可粘附在隔片上或保持在隔离物状的隔离物套中，该隔离物套在形成室时置于薄膜之间。隔离物通常包括非编织网或编织网、网格或网屏材料，如USP7591933和USP6881336中所述。USP3271292描述了一种类似的使用隔片的方法，所述隔片包括结合在树脂基质中的离子交换纤维。还在另一实施方式中，隔离物状的隔离物支撑架支撑稀释室中的离子交换树脂，如USP7097753所述。还参见WO2004/024992，WO2008/131085和JP2011/056376。
这些已知的用于将离子交换树脂引入EDI装置中的技术具有几个缺点。涉及引入浆状混合物的技术是费时的且需要使用特定装备。而且，离子交换堆积密度在不同的室中不相同。此外，难以实现不同离子交换树脂的多层或带状布置。尽管使用包含离子交换树脂的预形成隔离物或隔离物套解决了这些缺陷中的许多缺陷，但是这些技术需要引入额外的隔离物材料，其通过作为局部绝缘体会增加体积并制约离子传输。
发明概述
本发明包括电去离子装置、离子交换隔离物和用于组装电去离子装置的方法，所述方法包括提供以顺序布置的阳极、膜电池组件和阴极，其中，所述膜电池组件包括至少一种如下的顺序布置：阳离子交换膜、浓缩室、阴离子交换膜、稀释室、阳离子交换膜、浓缩室和阴离子交换膜。本发明包括在所述膜电池组件的至少一个室中提供离子交换隔离物的步骤，所述离子交换隔离物包括离子交换树脂和可溶性粘合剂。所述方法的特征在于：作为离子交换隔离物来提供所述离子交换树脂，所述离子交换隔离物通过挤出阳离子交换树脂颗粒和可溶性粘合剂的混合物以形成第一带并挤出阴离子交换树脂颗粒和可溶性粘合剂的混合物以形成与所述第一带相邻的第二带，并且其中所述带被结合以形成所述离子交换隔离物来制备，并随后用溶剂溶解所述粘合剂使得隔离物结构破坏，留下无束缚的离子交换树脂颗粒，并且其中所述可溶性粘合剂是在20℃下粘度为至少0.1帕秒的液体。描述了许多不同实施方式。
附图说明
参照详细说明和附图可更好地理解本发明和多种实施方式。提供附图是为了便于说明，附图不一定是按比例绘制而成。在这些部分中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是板框构造的EDI装置的理想正视图。
图2(a)是包括离子交换树脂的理想离子交换隔离物的一个实施方式的透视图，该离子交换树脂以随机模式设置在可溶性粘合剂中。
图2(b)是包括离子交换树脂的离子交换隔离物的另一实施例方式的透视图，该离子交换树脂以带状模式设置在可溶性粘合剂中。
图2(c)是图2(a)所示离子交换隔离物的正视图。
图3是螺旋缠绕构造的EDI装置的部分剖面透视图。
图4是部分制得的离子交换隔离物的理想化实施方式的透视图。
发明详述
本发明包括离子交换隔离物及其制造方法。离子交换隔离物包括离子交换树脂和可溶性粘合剂。对于离子交换树脂的选择不做特殊限制。典型示例包括颗粒形状，例如粒状、纤维和珠状的大孔和凝胶离子交换树脂(例如，包括均匀粒度的离子交换树脂)。适用树脂包括衍生自随后被官能化(例如，通过胺化或磺化)的苯乙烯和二乙烯基苯或丙烯酸酯的树脂。具体示例包括道DowexTM1牌阴离子交换树脂和DowexTMMarathonTMC牌阳离子交换树脂，这两种离子交换树脂都可从陶氏化学公司得到。
尽管对于可溶性粘合剂的选择不做特殊限制，但粘合剂必须能够形成结构，例如，通过浇铸、挤出、涂层或熔融处理。在某些实施方式中，粘合剂可包括在粘合剂成型后便蒸发或以其它方式除去的溶剂或增塑剂。也可包括其它任选的添加剂，例如，增稠剂和湿润剂。在其它实施方式中，不包括添加剂或溶剂。粘合剂还必须是可溶解的。如本文中使用到的，术语“可溶解的”意味着粘合剂在暴露于溶剂时不再保持预形成结构，例如，当浸入溶剂(例如水溶液，例如水、酸、碱、有机溶剂等)时粘合剂基本溶解，使得隔离物结构破坏，留下无束缚的离子交换树脂颗粒。例如，在一种实施方式中，一立方厘米的粘合剂材料样品当浸没在搅拌或搅动的溶液中时，在少于12个小时，优选地少于6个小时，更优选地少于1个小时内，基本溶解。在某些实施方式中，使用加热的(例如，40-100℃)溶液可促进溶解。在其它实施方式中，使用碱性的(例如，pH＝7.5-12，优选地，pH＞9)或酸性的(例如pH＝3-6.5，优选地，pH＜5)的水溶液可促进溶解。优选溶剂包括水溶液。代表性的粘合剂包括可溶性固体泡沫和可溶性凝胶，其包括无机材料例如碳酸钙或氢氧化铝(例如，如USP4389238所述)和有机材料例如交联聚乙烯醇(例如，通过将聚乙烯醇与硼酸结合而形成)。尤其优选的是水凝胶。可溶性粘合剂的其它示例包括水溶性材料，水溶性材料包括天然聚合物、改性天然聚合物和合成聚合物，例如：纤维素(例如，甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素)、淀粉、明胶、胶原(例如，动物胶)、多糖(例如，树胶)、聚烯化氧(例如，聚乙二醇)、水溶性离聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇及其衍生物。
对用于制备离子交换隔离物的方法不做特殊限制。例如，离子交换树脂颗粒可与可溶性粘合剂结合(例如，混合、熔融处理或以其它方式掺混)，然后进行浇铸、挤出、挤压、喷射或以其它方式形成薄片或类似形状。在可替代的实施方式中，离子交换颗粒可应用于由可溶性粘合剂制成的预形成薄片。离子交换颗粒可通过以下方式粘附在粘合剂上：通过可溶性胶黏剂；通过粘合剂本身固有的粘性或通过加热粘合剂以软化粘合剂的方式。还在另一实施方式中，将离子交换颗粒和可溶性粘合剂的混合物共同挤出、铺展或浇铸在离型板(releasesheet)上，其随后在离子交换隔离物形成后从离子交换隔离物中去除。在另一实施方式中，离子交换颗粒和可溶性粘合剂被共同挤出、铺展或浇铸在膜电池组件的膜片上，如下文参照图4所述。
作为特定示例，将离子交换树脂颗粒和可溶性粘合剂的浇铸混合物进行混合以形成分布在模具中或在平整表面上的均匀糊剂。可在浇铸混合物的表面上施加压力以形成薄隔离物。接着，优选地对浇铸混合物进行干燥(例如，通过在约60℃的温度下加热30-60分钟)以形成耐用的离子交换隔片，其在组装EDI装置期间能够被处理。在一种优选实施方式中，浇铸混合物包括：至少30重量％和更优选地约40重量％至80重量％的离子交换树脂(基于离子交换的干重)；和低于50重量％和更优选地约5重量％至30重量％的可溶性粘合剂，浇铸混合物的剩余物包括水和甘油等湿润剂。优选地，使用相对高浓度的离子交换树脂颗粒以增强多个树脂颗粒之间的连续接触，从而接近或超过渗滤极限。带状或其它离子交换设置可通过如下方式形成：利用可去除的间隔元件将模具进行分割以限定出单独的隔间。接着，各个隔间可充填所期望的浇铸混合物。随后，去除间隔元件并干燥浇铸混合物以形成离子交换隔片。
在优选实施方式中，离子交换隔离物是柔性的，其在制造膜电池组件和EDI装置期间可以被操纵。离子交换隔离物还优选足够的强壮以在储存期间和组装进EDI装置期间保持其物理完整性。
图2(a-c)示出了所述离子交换隔离物的几种代表性实施方式。隔离物(30)包括离子交换树脂颗粒(32)，该离子交换树脂颗粒至少部分嵌入或固定在可溶性粘合剂(34)中。离子交换树脂颗粒(32)可以为多种形式，例如，纤维、粒状等，但优选地为珠状。隔离物(30)可以包括单一类型的离子交换树脂，例如，阴离子交换树脂或阳离子交换树脂，也可包括多种类型的阳离子树脂或阴离子树脂，或其组合。例如，图2(a)所示实施方式包括阳离子(36)和阴离子(38)交换树脂颗粒的随机混合物，而图2(b)所示实施方式包括带状或条状设置的阳离子(36)和阴离子(38)交换树脂颗粒。尽管未图示，但离子交换隔离物(30)可任选地包括其它结构例如衬布等。为了简化，所述隔离物(30)的厚度已经被图示为大约等于离子交换颗粒(32)的直径。应了解，对隔离物的厚度不做特殊限制，隔离物可以足够厚以容纳多个基本上堆放在隔离物整个厚度上的离子交换颗粒。同样，如果利用其它形式的离子交换树脂(例如，纤维或粒状)，那么隔离物的厚度可以变化。在几种实施方式中，隔离物(30)是柔性的(例如，可缠绕在直径为约5cm的中心管上而不会破裂)并可用于如参照图3所述的螺旋缠绕构造中。在这种实施方式中，离子交换隔离物可缠绕在中心管上而不会破裂。
在图2(b)所示实施方式中，离子交换隔离物(30)包括带状设置，其中，第一带(40)中的离子交换颗粒按重量计大多数为阳离子交换树脂颗粒(36)，而第二带(42)中的颗粒按重量计大多数为阴离子交换树脂颗粒(38)。在大部分隔离物(40′、42′)上重复这种交替带的模式。尽管未图示，但也可提供不同离子交换树脂的可替代设置方式。
本发明进一步包括通过提供以下顺序布置来组装EDI装置的方法：
阳极(+)/膜电池组件/阴极(-)
其中，膜电池组件包括至少一种如下的顺序布置：
CEM/浓缩室/AEM/稀释室/CEM/浓缩室/AEM
其中，离子交换树脂颗粒位于膜电池组件的至少一个室中。图1图示了这种设置。在优选实施方式中，离子交换树脂颗粒位于膜电池组件的多个室中，例如，各个稀释室(20、20′、20′″)。如前面参照图2(a)和2(b)所述，离子交换树脂颗粒优选地以离子交换隔离物(30)的形式提供。
在一种实施方式中，所述离子交换隔离物(30)位于AEM(12)与CEM(14)之间以在制造膜电池组件期间限定稀释室(20)。可替代地，或此外，离子交换隔离物(30)也可位于CEM(14)与AEM(12)之间以在组装膜组件期间限定浓缩室(22、22′、22″、22′″)。一旦组装完成，可通过使水性冲洗液(例如，水)流过EDI装置的室而去除离子交换隔离物(30)的可溶性粘合剂(34)。可加热冲洗液以促进可溶性粘合剂的去除。在该过程中或在该过程之后，无束缚的离子交换颗粒可扩张并相互接触，同时大体上保持其最初的设置。
图3图示了与US2004/0173535所述的相似螺旋缠绕构造的EDI装置。为便于说明，剪掉了图3的一部分以图示膜电池组件(44)，该膜电池组件(44)包括：CEM(14)、浓缩室(22)、AEM(12)、稀释室(20)、CEM(14)、浓缩室(22′)和AEM(12)。在说明性实施方式中，各个浓缩室(22、22’)均包括隔片，该隔片包括非编织网格，稀释室(20)包括如参照图2所述的离子交换隔离物(30)。通过布置上面提到的部件(即，膜、隔片和离子交换隔离物)以形成缠绕在中心管或管子(46)上的膜电池组件(44)来组装EDI装置。如螺旋缠绕构造中常见的，管(46)也可作为电极(例如，阴极)。该组件然后可按照现有技术的标准做法插入包括阳极(未图示)的圆筒形壳体(未图示)中。
图4图示了离子交换隔离物(30)的可替代实施方式。图示的隔离物(30)处于部分制得状态，包括：离子交换颗粒(36、38)的交替带(40、42)和可溶性粘合剂(34)，其从挤出机(46)涂覆在半渗透交换膜(12)的表面上。以与参照图2(b)所述的相似方式，该设置可包括阳离子(36)和阴离子(38)交换树脂颗粒的交替带。一旦完全挤出，单个带可允许结合(例如，加热、加压等)以在膜(12)的表面上形成离子交换隔离物(30)。产生的复合结构然后可用于膜电池组件中，其中，离子交换隔离物(30)安装在至少一个室中。尽管未图示，但交替带可选地包括固体泡沫或凝胶，包括离子交换树脂颗粒和可溶性粘合剂。可替代地，可溶性粘合剂可为高粘度液体，使得在元件滚动期间或在元件滚动之后抑制其流动。在一种优选实施方式中，优选液体的粘度在20℃下为至少0.1帕秒，更优选地为至少1帕秒，或者甚至为至少10帕秒。这些粘度可通过使用非聚合添加剂来实现，该液体可为纯物质(例如，甘油)或溶液(例如，浓缩糖)，只要其易于溶解在水中并易于从元件中去除。
已对本发明的多种实施方式进行了说明，并且在某些情况下，特定实施方式、选择、范围、成分或其它特征已被描述为“优选”。指定某特征为优选不应理解为认为该特征为本发明的必要或关键方面。EDI装置对于两种基本构造均适用：如图1所示并如RE35741和USP6149788所述的板框构造，以及如图3所示并如USP5376253、US2007/0163891、USP7591933、RE40733和US2008/0105552所述的螺旋缠绕。尽管本发明对于两种EDI构造均适用，但其尤其优选地与参照图3所述的螺旋缠绕构造相关联。
本文引用的各个专利的全部内容均以引用的方式并入本文。

Claims (5)

1.一种用于组装具有螺旋缠绕构造的电去离子装置的方法，所述方法包括以顺序布置提供：阳极、膜电池组件、阴极；其中，所述膜电池组件围绕中心管缠绕并包括至少一种如下的顺序布置：阳离子交换膜、浓缩室、阴离子交换膜、稀释室、阳离子交换膜、浓缩室和阴离子交换膜，其中，离子交换树脂位于所述膜电池组件的至少一个室中；以及
其中，所述方法的特征在于：作为离子交换隔离物来提供所述离子交换树脂，所述离子交换隔离物通过挤出阳离子交换树脂颗粒和可溶性粘合剂的混合物以形成第一带并挤出阴离子交换树脂颗粒和可溶性粘合剂的混合物以形成与所述第一带相邻的第二带，并且其中所述带被结合以形成所述离子交换隔离物来制备，并随后用溶剂溶解所述粘合剂使得隔离物结构破坏，留下无束缚的离子交换树脂颗粒，
并且其中所述可溶性粘合剂是在20℃下粘度为至少0.1帕秒的液体。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述离子交换隔离物位于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间，以在所述膜电池组件的组装期间限定稀释室。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述可溶性粘合剂包括凝胶或泡沫。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述离子交换隔离物为片状形式。
5.如权利要求1所述的方法，其中，通过使水溶液或水流过所述电去离子装置的室而从所述组装的电去离子装置中去除所述离子交换隔离物的可溶性粘合剂。
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