CN110270225B - 用于高浓度酸或碱生产的多级双极电渗析系统 - Google Patents
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Abstract
用于高浓度酸或碱生产的多级双极电渗析系统。双极电渗析（BPED）单元能够将盐溶液转换为酸和碱溶液。然而，质子迁移通过阴离子交换膜并且倾向于中和碱溶液。在本文中描述的双极电渗析系统中，多个BPED单元被布置成提供多级处理系统。多达一半或多达三分之一的级具有带有酸阻断阴离子膜的单元。具有酸阻断阴离子膜的一个或多个级位于系统的酸产品输出端，其中系统中的酸浓度是最高的。用酸阻断阴离子膜替代一些级中的传统的阴离子膜允许以能量消耗的适度增加来生产较高浓度产品。
Description
技术领域
本公开涉及用于从盐溶液生产酸或碱的双极电渗析（electrodialysis）系统和方法。
背景技术
以下段落不是对在其中讨论的任何事物是现有技术或本领域技术人员的知识的部分的承认。
双极电渗析单元（bipolar electrodialysis cell）指的是包括双极膜的电渗析单元。在施加电场时，双极膜将水分离（disassociate）为水合氢离子（hydronium ion）和氢氧离子（hydroxyl ion）。这些生成的离子与来自包括盐的处理流（process stream）的阳离子和阴离子组合，其中阳离子和阴离子由电渗析单元中的一个或多个离子交换膜分离。水合氢离子与阴离子的组合，以及氢氧离子与阳离子的组合，导致产生的具有酸和碱的流。
双极电渗析单元可以是二室（two-compartment）单元或三室单元。二室单元包括两个双极膜之间的阳离子交换膜或阴离子交换膜。使用阳离子交换膜或阴离子交换膜的选择取决于哪些盐正在被处理。阳离子交换膜被用来处理具有弱酸和强碱的盐的溶液，诸如有机和氨基酸的钠盐。此类有机和氨基酸的示例包括：抗坏血酸（ascorbic acid）、乙酸（acetic acid）、乳酸（lactic acid）、甲酸（formic acid）、葡萄糖酸（gluconic acid）和谷氨酸（glutamic acid）。阴离子交换膜被用来处理具有弱碱和强酸或弱酸的盐的溶液，诸如氯化物的铵盐（ammonium salts of chloride）、硫酸盐（sulfate）或乳酸盐（lactate）。
三室单元包括两个双极膜之间的阴离子交换膜和阳离子交换膜，由此形成三个室。所述三个室是：在第一双极膜和阴离子交换膜之间的酸性溶液生产室；在第二双极膜和阳离子交换膜之间的碱性溶液生产室；以及在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间的、生产盐减少溶液的室。三室BPED单元被用于从其相应的盐恢复（recover）无机酸和碱。
介绍
以下介绍旨在向读者介绍该说明书，但是不旨在限定任何发明。一个或多个发明可以存在于以下描述的或在本文档的其他部分中描述的装置元素或方法步骤的组合或子组合中。发明人不因为没有在权利要求书中描述此类其他一个或多个发明而放弃（waive）或否认（disclaim）他们对仅仅在本说明书中公开的任何一个或多个发明的权利。
双极电渗析（BPED）单元能够将盐溶液转换成酸和碱溶液。然而，质子迁移通过阴离子交换膜并且倾向于中和碱溶液。随着增加酸浓度，质子的流增加。这减少了单元的能量效率，并且实际上，限制了生产的酸的浓度。通常，在常规的BPED系统中以大约1 mol/L的浓度和70%电流效率（current efficiency）生产酸和碱。在一些情况中，该浓度足以提供可用的产品，但是形成大部分应用，该产品浓度太低以至于不能重新使用或销售酸和碱产品。
在本文中描述的双极电渗析系统中，多个BPED单元被布置成提供多级处理系统。在具有三室BPED单元的系统中，进料溶液（feed solution）以与碱溶液和酸溶液相反的方向流动。在二室BPED系统中，进料/酸溶液以与碱溶液相同的方向流动。多达一半或多达三分之一的级具有带有酸阻断阴离子膜（acid block anion membrane）的单元。例如具有两个或三个级的系统中的一个级具有酸阻断阴离子膜，或具有具有四个至八个级的系统中的一个或两个级可以具有酸阻断阴离子膜。具有酸阻断阴离子膜的一个或多个级位于系统的酸产品输出端处，其中系统中的酸浓度是最高的。其余的级具有常规的、即非酸阻断的阴离子膜。
用酸阻断阴离子膜替代一些级中的传统的阴离子膜减少了质子到碱溶液中的迁移。这允许生产较高浓度产品。然而，与传统阴离子膜相比，酸阻断阴离子膜具有较小导电性（较高电阻），如果所有的阴离子膜被替代，这将导致能量消耗的显著增加。通过仅在系统中的酸浓度是高的情况下使用酸阻断阴离子膜，与其中在所有级中阴离子膜被替代的系统相比，可以增加产品浓度而能量消耗较少增加。
附图说明
图1是三室双极电渗析单元的示意性图示。
图2是具有阴离子交换膜的二室双极电渗析单元的示意性图示。
图3是具有酸阻断阴离子膜的三室双极电渗析单元的示意性图示。
图4是具有酸阻断阴离子膜的二室双极电渗析单元的示意性图示。
图5是具有逆流（counter-current）流和具有酸阻断阴离子膜的一些级的多级三室双极电渗析单元的示意性图示。
图6是具有并流（co-current）流和酸阻断阴离子膜以及具有酸阻断阴离子膜的一些级的多级二室双极电渗析单元的示意性图示。
具体实施方式
双极膜电渗析（或，双极电渗析，BPED）是耦合电解（electrolysis）和电渗析的过程。BPED设备接收盐溶液并且提供酸性溶液和碱性溶液。取决于要生产的酸和碱，双极膜电渗析单元可以是二室或三室单元。
二室单元可以包括双极膜和阳离子交换膜或阴离子交换膜。在本文中描述的示例中，二室单元包括阴离子交换膜。包括双极膜和阴离子交换膜的二室单元对转换强酸和弱碱的盐而言是有用的，所述强酸和弱碱的盐诸如例如氯化铵（ammonium chloride）、硫酸铵（ammonium sulfate）和乳酸铵（ammonium lactate）。在三室单元中，将水盐溶液（aqueoussalt solution）转换为强碱和强酸、诸如例如将NaCl溶液转换为NaOH溶液和HCl溶液是可能的。例如KF、Na2SO4、NH4Cl、KCl的其他盐以及有机酸和碱的盐也可以使用三室单元来转换。
在图1中示出了三室双极电渗析单元（100）的图示。三室双极电渗析单元（100）图示了阴极（202）和阳极（204）之间的两个单元以简化图，尽管通常在双极电渗析堆（stack）中提供许多单元。使用电解，双极电渗析将在双极膜（206）的阳离子交换膜部分和阴离子交换膜部分之间发现的水分离为H+和-OH。施加的电位差的应用引起产生的H+离子通过阳离子交换膜（208）向阴极（202）移动，进入酸化溶液（210）中。类似地，产生的-OH离子通过阴离子交换膜（212）向阳极（204）移动，进入碱化溶液（214）中。以类似的方式，引起盐溶液（20）中的阳离子（416）和阴离子（418）分别移动通过阳离子交换膜和阴离子交换膜，作为H+和-OH离子的电荷平衡，导致脱盐的流出物（desalinated effluent）（216）从单元（200）排出。示出的三室双极电渗析单元（100）正在以逆流模式操作，因为盐浓缩溶液（20）（即进料水）在与酸化溶液（210）和碱化溶液（214）相反的方向上移动。
随着H+离子的接受，酸化溶液（210）变成酸性的并且作为酸溶液（28）从双极电渗析单元（200）排出。相反，随着-OH离子的接受，碱化溶液（214）变成碱性的并且作为碱性溶液（26）从双极电渗析单元（200）排出。
酸化溶液（210）和碱化溶液（214）包括用于携带施加的电流的离子。这些离子变成生产的酸和碱中的反离子（counter-ion）。酸化溶液（210）、碱化溶液（214）和盐浓缩溶液（20）所有都可以是相同的或不同的。
在一个示例中，酸化溶液、碱化溶液和盐浓缩溶液所有都是NaCl/水溶液，其中得到的酸溶液是HCl/水溶液并且得到的碱性溶液是NaOH/水溶液。在另一个示例中，酸化溶液、碱化溶液和盐浓缩溶液所有都是硫酸钠/水溶液，其中得到的酸溶液是H2SO4/水溶液并且得到的碱性溶液是NaOH/水溶液。在又一个示例中，酸化溶液、碱化溶液和盐浓缩溶液所有都是诸如硫酸钠和NaCl之类的不同的盐的混合物，并且得到的酸溶液是H2SO4/HCl/水溶液并且得到的碱性溶液是NaOH/水溶液。
在又一个示例中，酸化溶液和碱化溶液是水，而盐浓缩溶液是NaCl/水溶液，其中得到的酸溶液是HCl/水溶液并且得到的碱性溶液是NaOH/水溶液。
在图2中示出了具有阴离子交换膜的二室双极电渗析单元（200）的图示。双极电渗析单元（200）图示了在阴极（202）和阳极（204）之间的两个完全的单元以简化图，尽管通常在双极电渗析堆中提供许多单元。使用电解，双极电渗析将在双极膜（206）的阳离子交换膜部分和阴离子交换膜部分之间发现的水分离为H+和-OH。施加的电位差的应用引起产生的H+离子向阴极（202）移动进入到酸化溶液（210）中，并且引起产生的-OH离子向阳极（204）移动进入到盐浓缩溶液（20）中。双极电渗析单元（200）包括阴离子交换膜（212）。二室双极电渗析单元（200）正在以并流模式操作，因为酸化溶液（210）与盐浓缩溶液（20）以相同的方向流动。
随着H+离子的接受，酸化溶液（210）变成酸性的并且作为酸溶液（28）从双极电渗析单元（200）排出。相反，随着-OH离子的接受，盐浓缩溶液（20）变成碱性的并且作为碱性溶液（26）从双极电渗析单元（200）排出。
酸化溶液（210）和盐浓缩溶液（20）包括用于携带施加的电流的离子。这些离子变成生产的酸和碱中的反离子。酸化溶液（210）和盐浓缩溶液（20）可以是相同的或不同的。
在以下将描述的多级双极电渗析系统中，用酸阻断阴离子膜替代一些级但不是所有级中的阴离子交换膜。在一个示例中，通过用三个成分的反应产品浸渍（impregnate）编织布或非编织布（woven or non-woven cloth）来制备聚合酸阻断阴离子选择性膜。成分Ⅰ是烯属不饱和脂肪族（ethelynically unstaurated aliphatic）或芳族（aromatic）叔胺（tertiary amine）或季胺（quaternary amine）单体（monomer）。成分Ⅱ是交联（cross-linking）单体。成分Ⅲ是乙烯基苄基氯（vinylbenzyl chloride）。在美国专利号码8,740,896、Acid Block Anion Membrane中更详细地描述了该类型的膜，通过引用将其并入本文中。
图3示出了具有酸阻断阴离子交换膜（220）的三室电渗析单元（300）。图3的单元（300）与图1的三室电渗析单元（100）类似，并且图1的描述应用于图3，除了在图3中已经用酸阻断阴离子膜（220）替代了图1的阴离子交换膜（212）。
图4示出了具有酸阻断阴离子交换膜（220）的二室电渗析单元（400）。图4的单元（400）与图2的二室电渗析单元（200）类似，并且图2的描述应用于图4，除了在图4中已经用酸阻断阴离子膜（220）替代了图2的阴离子交换膜（212）。
图5示出了具有以逆流模式操作的三室电渗析单元（100、300）的多级双极电渗析系统（500）。在示出的示例中，存在两个具有酸阻断阴离子膜的三室电渗析单元（300）和五个三室电渗析单元（100）。盐浓缩溶液（20）通过具有酸阻断阴离子膜的三室电渗析单元（300）之一进入系统（500）。可能作为补充水（make up water）开始的酸化溶液（210）和碱化溶液（214）通过三室电渗析单元（100）之一进入系统（500）。浓缩酸化溶液（210）流经具有酸阻断阴离子膜的三室电渗析单元（300），但是质子的迁移被酸阻断阴离子膜抑制。
图6示出了具有以并流模式操作的二室电渗析单元（200、400）的多级双极电渗析系统（600）。在示出的示例中，存在一个具有酸阻断阴离子膜的二室电渗析单元（400）和三个二室电渗析单元（200）。盐浓缩溶液（20）通过二室电渗析单元（200）之一进入系统（600）。可能作为补充水开始的酸化溶液（210）也通过二室电渗析单元（200）之一进入系统（600）。浓缩酸化溶液（210）流经具有酸阻断阴离子膜的二室电渗析单元（400），但是质子的迁移被酸阻断阴离子膜抑制。
该书面的描述使用示例来帮助公开本发明，包括最好模式，并且还使得任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对特定示例实现变更、修改和变型。本发明的可专利范围由权利要求书来限定，并且可以包括本领域技术人员想到（occur to）的其他示例。
Claims (6)
1.一种双极电渗析（BPED）系统，包括，
多个双极电渗析级，多个双极电渗析级中的所有双极电渗析级包括二室双极电渗析单元或者多个双极电渗析级中的所有双极电渗析级包括三室双极电渗析单元，其中多个双极电渗析级的多达一半包括酸阻断阴离子膜。
2.如权利要求1所述的双极电渗析（BPED）系统，其中包括酸阻断阴离子膜的一个或多个级位于BPED系统的酸产品输出端处。
3.如权利要求1或2所述的双极电渗析（BPED）系统，其中多个双极电渗析级的多达三分之一包括酸阻断阴离子膜。
4.如权利要求1或2所述的双极电渗析（BPED）系统，其中多个双极电渗析级中的一个或两个包括酸阻断阴离子膜。
5.如权利要求1或2所述的双极电渗析（BPED）系统，其中：
多个双极电渗析级中的每个包括三室BPED单元；以及
BPED系统包括
去往包括酸阻断阴离子膜的一个或多个级的进料溶液入口，以及来自缺少酸阻断阴离子膜的一个或多个级的流出物出口，进料溶液入口和流出物出口流体连通；
去往缺少酸阻断阴离子膜的一个或多个级的碱化溶液入口，以及来自包括酸阻断阴离子膜的一个或多个级的碱性溶液出口，碱化溶液入口和碱性溶液出口流体连通；以及
去往缺少酸阻断阴离子膜的一个或多个级的酸化溶液入口，以及来自包括酸阻断阴离子膜的一个或多个级的酸溶液出口，酸化溶液入口和酸溶液出口流体连通。
6.如权利要求1或2所述的双极电渗析（BPED）系统，其中：
多个双极电渗析级中的每个包括二室BPED单元；以及
BPED系统包括
去往缺少酸阻断阴离子膜的一个或多个级的进料溶液入口，以及来自包括酸阻断阴离子膜的一个或多个级的流出物出口，进料溶液入口和流出物出口流体连通；以及
去往缺少酸阻断阴离子膜的一个或多个级的酸化溶液入口，以及来自包括酸阻断阴离子膜的一个或多个级的酸溶液出口，酸化溶液入口和酸溶液出口流体连通。
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