CN104084046B

CN104084046B - 电渗析隔板及用于生产有机酸的双极膜电渗析装置

Info

Publication number: CN104084046B
Application number: CN201410243594.9A
Authority: CN
Inventors: 吴春金; 周慧婷; 杜春慧; 吴礼光
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: CN104084046A

Abstract

本发明公开了一种电渗析隔板及用于生产有机酸的双极膜电渗析装置，所述的电渗析隔板，包括带内腔的板框以及设于所述内腔的板心隔网，所述板心隔网由纵横交错的离子交换纤维粘结形成，其中，纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维不处于同一平面。所述双极膜电渗析装置，包括由若干组膜对组成的膜堆，所述的膜对包括依次排布的阳离子交换膜、酸室隔板、双极膜和碱室隔板，所述的酸室隔板具有所述的电渗析隔板的结构，其中，所述的离子交换纤维为阳离子交换纤维。本发明的电渗析隔板结构简单，利用该电渗析隔板用于柠檬酸、氨基酸等生产的领域，能够降低酸室中的电阻，改善离子的传递效果，提高装置的电流效率，降低运行成本。

Description

电渗析隔板及用于生产有机酸的双极膜电渗析装置

技术领域

本发明涉及电渗析技术领域，尤其涉及一种电渗析隔板及用于生产有机酸的双极膜电渗析装置。

背景技术

双极膜电渗析是电渗析技术的一种，它是在直流电场的作用下通过水的解离产生H⁺和OH^-，并利用离子交换膜的选择透过性，从而得到酸和碱。

根据使用目的不同，双极膜可以制成两隔室、三隔室等多种形式。双极膜电渗析与普通电渗析一样，当脱盐室中的离子浓度比较低时，会出现极化现象，此时电渗析的电阻增大，电流效率会大幅度降低，同时脱盐效率也会降低。为了克服极化现象，提高电流效率与脱盐效率，出现了电渗析的改进装置—填充床电渗析，采用在脱盐室填充阴阳离子交换剂的方法，以降低电阻，提高脱盐率。

填充床电渗析技术及装置已经得到了广泛的应用。在填充床电渗析中，脱盐室中填充的交换剂一般为离子交换树脂，但是，当脱盐室中填充离子交换树脂时，脱盐室的隔板往往加工成比常规隔板厚得多，填充的树脂床需要压得比较密实，以防止树脂的流动及流失，这样会存在以下的问题，如：

(1)隔室中填充离子交换树脂密实时，会造成流体流动阻力的增大；

(2)隔板厚度增加时，离子迁移的距离也相应的增加，需要消耗更多的能量；

(3)相邻隔室会因压力不平衡而造成液体渗漏，影响处理效率。

对于双极膜电渗析装置来说，两隔室的装置可广泛用于有机酸盐脱除金属离子，如脱除葡萄糖酸钠脱除钠离子生产葡萄糖酸。当隔室中钠离子浓度比较低后，同样会导致双极膜电渗析酸室中的电阻增大，电流效率大幅度降低的情况发生。

发明内容

本发明提供了一种电渗析隔板，克服了离子浓度较低时的极化问题，同时也避免了填充离子交换树脂带来的流体阻力过大、板框厚度增加等问题。

一种电渗析隔板，包括带内腔的板框以及设于所述内腔的板心隔网，所述板心隔网由纵横交错的离子交换纤维粘结形成，其中，纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维不处于同一平面。

本发明中，板心隔网由离子交换纤维加工制成，不会增加流体流动阻力，保证料液的正常流动，同时也避免增加板框的厚度。另外，离子交换纤维还可克服隔室内的极化现象，提高电流效率。

所述板心隔网具有网格结构，网格呈边长为2～10mm的正方形。这也就限定了离子交换纤维的分布密度，在该范围内，可达到较好的处理效果。

所述的离子交换纤维可采用相转化法进行制备。采用相转化的方法，溶剂和成孔剂均会使得离子交换纤维表面产生大量细密的孔，从而可以更好地促进离子交换纤维对离子的吸附作用。

所述板心隔网的厚度为板框厚度的1～1.1倍。该处板心隔网的厚度为纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维叠加的厚度，即离子交换纤维的2倍直径等于或略大于电渗析隔板的板框厚度，可用表达式表示为：d_f×2＝(1～1.1)×d_p(d_f为离子交换纤维直径，d_p为板框厚度)。以相转化法制备的离子交换纤维表面有较多的细小孔，使得离子交换纤维有一定的压缩性，但板心隔网厚度一般不得大于板框厚度的1.1倍。一般，所述离子交换纤维的直径为0.3～0.6mm。

所述纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维的接触部位用粘结剂粘结，所述的粘结剂由制备离子交换纤维的溶液经稀释得到。该粘结剂能够良好的将纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维固定，同时还具备离子交换的功能。

为保证传质效果，所述横向的离子交换纤维与板框侧边呈45°或135°夹角。

离子交换纤维的离子交换容量影响着处理效果，优选的，所述离子交换纤维的离子交换容量为0.3～3.0mmol/g，优选的，所述离子交换纤维的离子交换容量为1.2～3.0mmol/g，此处的重量g为离子交换纤维的干重。

所述板框的材料可以为EVA、PP或PE材料，最好采用EVA材料，EVA材料具有一定的弹性，密封性比较好，膜堆安装时不易出现膜堆内部的串漏和膜堆边缘的外漏。

本发明还提供了一种用于生产有机酸的双极膜电渗析装置，包括由若干组膜对组成的膜堆，所述的膜对包括依次排布的阳离子交换膜、酸室隔板、双极膜和碱室隔板，所述的酸室隔板具有所述的电渗析隔板的结构，其中，所述的离子交换纤维为阳离子交换纤维。

所述的阳离子交换纤维为强酸型离子交换纤维。所述的强酸型离子交换纤维由带有固定电荷为磺酸根阴离子并可交换阳离子的材料制成，所述材料具体可以为磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚纤维等，制备方法可采用常规技术，如可通过将聚砜或聚醚砜磺化后用相转化方法制备纤维，也可在制得苯乙烯-二乙烯苯共聚纤维后再磺化的方法制备。

以脱除葡萄糖酸钠脱除钠离子生产葡萄糖酸为例，酸室中隔网由强酸型离子交换纤维加工制成，阳离子交换纤维上的磺酸根离子可以优先吸附钠离子(磺酸根离子对钠离子的吸附性大于对氢离子的吸附性)，钠离子在电场的作用下通过阳离子交换纤维传输到阳离子交换膜的表面，并透过阳离子交换膜进入碱室中，这样可以克服极化现象，提高电流效率与脱盐效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的电渗析隔板中，板心隔网采用离子交换纤维制成，可克服了填充离子交换树脂所带来的流体阻力过大、板框厚度增加等问题。另外，通过离子交换纤维对离子的吸附作用及离子沿纤维的迁移作用，使隔室中的离子传递阻力大大降低，克服了离子浓度较低时的极化问题，提高电流效率，降低能耗。

(2)本发明的离子交换纤维可采用相转化的方法进行制备，溶剂和成孔剂均会使得离子交换纤维表面产生大量细密的孔，从而可以更好地促进离子交换纤维对离子的吸附作用。

附图说明

图1为本发明电渗析隔板的结构示意图。

图2为图1所示的电渗析隔板沿A-A方向的剖面图。

图3为本发明处理有机酸盐的工艺流程图。

其中，1、板框；2、板心隔网；3、封闭导液孔4、布水流道；5、开放导液孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐释。

实施例1电渗析隔板及双极膜电渗析装置

如图1、图2所示，本发明电渗析隔板包括板框1和板心隔网2。板框1带有内腔，板心隔网2处于该内腔内。

板框1的上下两端设有矩形的导液孔，导液孔分为两组，其中一组为通过布水流道4与板框的空腔连通的开放导液孔5，另一组为不与板框的内腔连通的封闭导液孔3，开放导液孔5与封闭导液孔3间隔布置。

板心隔网2由纵横交错的离子交换纤维粘结形成，其中，纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维不处于同一平面。板心隔网2具有网格结构，网格为正方形，且所有的网格大小相同。

板心隔网加工时，可将纤维材料、溶剂及成孔剂等按照一定的比例配成均匀的溶液，然后以相转化工艺制得具有一定直径的纤维丝(离子交换限位)，离子交换纤维的交换容量等同于纤维材料的交换容量。离子交换纤维干燥后横纵交错布置，以微量注射器(10μl)在横向的离子交换纤维和纵向的离子交换纤维的接触部位注射粘结剂(以制备离子交换纤维所用溶液经溶剂稀释一倍浓度后的溶液作为粘结剂)进行粘结，待所有的接触点均粘结后放置使溶剂自然蒸发或一段时间后进入凝胶浴中(通常是水)使溶剂与成孔剂浸出即可。板心隔网2可直接放置在空腔内。

本发明还提供了一种生产有机酸的双极膜电渗析装置，包括膜堆，膜堆包括若干组膜对，每组膜对包括依次排布的阳离子交换膜、酸室隔板、双极膜和碱室隔板，其中，酸室隔板采用上述的电渗析隔板，而碱室隔板可采用常规电渗析隔板结构(如可采用中国专利申请201210470582.0实施例中涉及的结构)。在本发明的双极膜电渗析装置中，重点在于膜对的结构，尤其是膜对中酸室中板心隔网的结构，至于如何由膜对组装成膜堆，如何将膜堆组装成双极膜电渗析装置均为常规技术，在此不作详细阐述。

实施例2

本实施例采用上述实施例1所述的电渗析隔板，其中，板框材料为EVA弹性薄板，厚度为0.9mm，板框尺寸为200×400mm，板心隔网的厚度为0.9mm，板心隔网中网格的边长为2.0mm，纵向的离子交换纤维与板框长边呈45°夹角(角m)，横向的离子交换纤维与板框长边呈135°夹角(角n)，离子交换纤维为阳离子交换纤维，材料为磺化聚砜，每根阳离子交换纤维的直径为0.45mm，交换容量为1.65mmol/g。

将双极膜、阳离子交换膜(阳膜)、酸室隔板、碱室隔板按照电渗析膜堆的安装顺序要求组成膜堆(膜堆中膜对的组成为：依次排列的双极膜、酸室隔板、阳离子交换膜和碱室隔板)，其中酸室隔板中的板心隔网采用上述结构的板心隔网，碱室隔板中的板心隔网为常规电渗析隔板中的板心隔网。

双极膜与阳膜的数量为(北京廷润膜技术开发有限公司BPM-I型双极膜与JCM-II型均相阳离子交换膜)10对半(双极膜10张、阳膜11张)组装成200×400mm的电渗析膜堆，膜堆浓、淡隔室均为10个，处理30％的葡萄糖酸钠至葡萄糖酸，进料流量为250L/h，膜堆两端电压为20V直流电，测试其余条件相同的情况下，酸室隔板采用本发明的结构以及采用传统酸室隔板的膜堆将葡萄糖酸钠转化为葡萄糖酸的电流效率，结果表明：当葡萄糖酸钠的转化率达到90％时，采用传统酸室隔板和本发明酸室隔板的电流效率相差不大，分别为92.63％和92.76％，当葡萄糖酸钠转化率在90～98.5％之间，采用传统酸室隔板的电流效率平均为68.52％，采用本发明的酸室隔板的电流效率平均为82.87％，后者比前者提高了14.35％。

实施例3

本实施例采用上述实施例1所述的电渗析隔板，其中，板框材料为EVA弹性薄板，厚度为0.9mm，板框尺寸为400×800mm，板心隔网的厚度为0.9mm，板心隔网中网格的边长为3.0mm，纵向的离子交换纤维与板框长边呈45°夹角(角m)，横向的离子交换纤维与板框长边呈135°夹角(角n)，离子交换纤维为阳离子交换纤维，材料为磺化聚砜，每根阳离子交换纤维直径为0.45mm，交换容量为1.65mmol/g。

双极膜与阳膜的数量为(北京廷润膜技术开发有限公司BPM-I型双极膜与JCM-II型均相阳离子交换膜)10对半(双极膜10张、阳膜11张)组装成400×800mm的电渗析膜堆，膜堆浓、淡隔室均为10个，处理30％的葡萄糖酸钠至葡萄糖酸，进料流量为500L/h，膜堆两端电压为20V直流电，测试其余条件相同的情况下，无填充及有填充阳离子交换纤维的膜堆将葡萄糖酸钠转化为葡萄糖酸的电流效率，结果表明：

结果表明：当葡萄糖酸钠的转化率达到90％时，采用传统酸室隔板和本发明酸室隔板的电流效率相差不大，分别为92.07％和92.28％，当葡萄糖酸钠转化率在90～98.5％之间，采用传统酸室隔板的电流效率平均为68.36％，采用本发明的酸室隔板的电流效率平均为82.75％，后者比前者提高了14.39％。

实施例4

本实施例采用上述实施例1所述的电渗析隔板，其中，板框材料为EVA弹性薄板，厚度为1.1mm，板框尺寸为400×800mm，板心隔网的厚度为1.1mm，板心隔网中网格的边长为3.0mm，纵向的离子交换纤维与板框长边呈45°夹角(角m)，横向的离子交换纤维与板框长边呈135°夹角(角n)，离子交换纤维为阳离子交换纤维，材料为磺化聚砜，每根阳离子交换纤维直径为0.55mm，交换容量为1.47mmol/g。

当葡萄糖酸钠的转化率达到90％时，采用传统酸室隔板和本发明酸室隔板的电流效率相差不大，分别为91.39％和91.55％，当葡萄糖酸钠转化率在90～98.5％之间，采用传统酸室隔板的电流效率平均为68.06％，采用本发明的酸室隔板的电流效率平均为81.89％，后者比前者提高了13.83％。

实施例5

本实施例采用上述实施例1所述的电渗析隔板，其中，板框材料为EVA弹性薄板，厚度为1.1mm，板框尺寸为800×1600mm，板心隔网的厚度为1.1mm，板心隔网中网格的边长为3.0mm，纵向的离子交换纤维与板框长边呈45°夹角(角m)，横向的离子交换纤维与板框长边呈135°夹角(角n)，离子交换纤维为阳离子交换纤维，材料为磺化聚砜，每根阳离子交换纤维直径为0.55mm，交换容量为1.65mmol/g。

双极膜与阳膜的数量为(北京廷润膜技术开发有限公司BPM-I型双极膜与JCM-II型均相阳离子交换膜)10对半(双极膜10张、阳膜11张)组装成800×1600mm的电渗析膜堆，膜堆浓、淡隔室均为10个，处理30％的葡萄糖酸钠至葡萄糖酸，进料流量为1200L/h，膜堆两端电压为20V直流电，测试其余条件相同的情况下，无填充及有填充阳离子交换纤维的膜堆将葡萄糖酸钠转化为葡萄糖酸的电流效率，结果表明：

当葡萄糖酸钠的转化率达到90％时，采用传统酸室隔板和本发明酸室隔板的电流效率相差不大，分别为91.28％和91.51％，当葡萄糖酸钠转化率在90～98.5％之间，采用传统酸室隔板的电流效率平均为68.03％，采用本发明的酸室隔板的电流效率平均为81.19％，后者比前者提高了13.16％。

实施例6

本实施例采用上述实施例1所述的电渗析隔板，其中，板框材料为EVA弹性薄板，厚度为1.1mm，板框尺寸为800×1600mm，板心隔网的厚度为1.2mm，板心隔网中网格的边长为4.0mm，纵向的离子交换纤维与板框长边呈45°夹角(角m)，横向的离子交换纤维与板框长边呈135°夹角(角n)，离子交换纤维为阳离子交换纤维，材料为磺化聚砜，每根阳离子交换纤维直径为0.6mm，交换容量为1.96mmol/g。

当葡萄糖酸钠的转化率达到90％时，采用传统酸室隔板和本发明酸室隔板的电流效率相差不大，分别为91.08％和91.71％，当葡萄糖酸钠转化率在90～98.5％之间，采用传统酸室隔板的电流效率平均为68.01％，采用本发明的酸室隔板的电流效率平均为81.76％，后者比前者提高了13.75％。

实施例7

本实施例采用上述实施例1所述的电渗析隔板，其中，板框材料为EVA弹性薄板，厚度为1.1mm，板框尺寸为400×800mm，板心隔网的厚度为1.1mm，板心隔网中网格的边长为3.0mm，纵向的离子交换纤维与板框长边呈45°夹角(角m)，横向的离子交换纤维与板框长边呈135°夹角(角n)，离子交换纤维为阳离子交换纤维，材料为磺化聚砜，每根阳离子交换纤维直径为0.55mm，交换容量为1.96mmol/g。

当葡萄糖酸钠的转化率达到90％时，采用传统酸室隔板和本发明酸室隔板的电流效率相差不大，分别为91.23％和92.11％，当葡萄糖酸钠转化率在90～98.5％之间，采用传统酸室隔板的电流效率平均为68.43％，采用本发明的酸室隔板的电流效率平均为82.56％，后者比前者提高了14.13％。

实施例8

本实施例采用上述实施例1所述的电渗析隔板，其中，板框材料为EVA弹性薄板，厚度为0.9mm，板框尺寸为200×400mm，板心隔网的厚度为0.9mm，板心隔网中网格的边长为3.0mm，纵向的离子交换纤维与板框长边呈45°夹角(角m)，横向的离子交换纤维与板框长边呈135°夹角(角n)，离子交换纤维为阳离子交换纤维，材料为磺化聚砜，每根阳离子交换纤维直径为0.45mm，交换容量为1.65mmol/g。

双极膜与阳膜的数量为(德国进口双极膜及均相阳离子交换膜)10对半(双极膜10张、阳膜11张)组装成200×400mm的电渗析膜堆，膜堆浓、淡隔室均为10个，处理30％的葡萄糖酸钠至葡萄糖酸，进料流量为250L/h，膜堆两端电压为20V直流电，测试其余条件相同的情况下，无填充及有填充阳离子交换纤维的膜堆将葡萄糖酸钠转化为葡萄糖酸的电流效率，结果表明：

当葡萄糖酸钠的转化率达到90％时，采用传统酸室隔板和本发明酸室隔板的电流效率相差不大，分别为93.27％和93.98％，当葡萄糖酸钠转化率在90～98.5％之间，采用传统酸室隔板的电流效率平均为71.33％，采用本发明的酸室隔板的电流效率平均为87.05％，后者比前者提高了15.72％。

Claims

1.一种电渗析隔板，包括带内腔的板框以及设于所述内腔的板心隔网，其特征在于，所述板心隔网由纵横交错的离子交换纤维粘结形成，其中，纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维不处于同一平面，所述的板心隔网具有网格结构，网格呈边长为2～10mm的正方形，所述板心隔网的厚度为板框厚度的1～1.1倍，所述纵向的离子交换纤维与横向的离子交换纤维的接触部位用粘结剂粘结，所述的粘结剂由制备离子交换纤维的溶液经稀释得到，所述横向的离子交换纤维与板框侧边呈45°或135°夹角，所述离子交换纤维的直径为0.3～0.6mm，所述离子交换纤维的离子交换容量为0.3～3.0mmol/g，所述的离子交换纤维采用相转化法进行制备。

2.一种用于生产有机酸的双极膜电渗析装置，包括由若干组膜对组成的膜堆，其特征在于，所述的膜对包括依次排布的阳离子交换膜、酸室隔板、双极膜和碱室隔板，所述的酸室隔板具有如权利要求1所述的电渗析隔板的结构，其中，所述的离子交换纤维为阳离子交换纤维。

3.如权利要求2所述的双极膜电渗析装置，其特征在于，所述的阳离子交换纤维为强酸型离子交换纤维。