JP5600811B2 - 多孔質担体上にポリマーコーティングを形成するための真空チャンバ法 - Google Patents

Description

本発明は、バイポーラ電極に関し、より具体的には、電極基板の両面に２つの異種のイオン交換ポリマーを同時に施工する方法に関する。

不活性脱イオン化を使用して水を浄化することがますます望まれている。不活性脱イオン化は、バイポーラ電極を使用し、例えば、陽イオン交換機能を有する材料で形成された第１の側又は面並びに陰イオン交換機能を有する第２の側又は面を有する、２枚のシートを使用する。イオン交換材料の２つの異なる層の各々は、多孔質又はその化学的、物理的構造及び架橋度のせいで中性流体に対していくぶん浸透性であり、各層は、電界中の材料を横切ってある種類のイオンを輸送するように動作し、反対の極性の大部分のイオンを実質的に又は効果的に遮断するイオン交換機能を持つ。隣接する層で対面して配置された異なる交換型の２つの材料によって、イオンは、一方の又は他方の層によって効果的に「遮断」され、したがってシートを通過することができない。

イオン交換モノマーを電極の別々の側に塗工し、これらを重合することは、イオン交換メンブランが押し付けられる一連のモノプレーナ電極より効率的に動作するバイポーラ電極を形成する。この点について、バイポーラ電極製造のための新たなプロセスを提供することが望まれている。

一態様では、本発明は、多孔質基板の両面にイオン交換ポリマーを有するバイポーラ電極を形成する方法を対象とする。方法は、電極基板の両面に活性炭層を設ける工程を含み、面は、活性炭層が存在しない外周バンドを有する。ガスケットが、活性炭が存在しない電極基板の外周バンドに対して配置され、電極基板は、電極基板の一方の側上の第１の気密チャンバ及び電極基板の反対側上の第２の気密チャンバを形成するように、２枚の剛性板間にクランプされる。陰イオン交換基を有する重合性モノマーから構成された第１の重合性モノマー混合物が第１のチャンバ内に加えられ、陽イオン交換基を有する重合性モノマーから構成された第２の重合性モノマー混合物が第２のチャンバ内に加えられる。第１の及び第２の重合性モノマー混合物は、次にオーブン内で重合される。

本発明及び先行技術に優るその利点は、添付図面に関連して以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読めば明らかになるであろう。

添付図面と併せて本発明の実施形態の以下の説明を参照することにより、本発明の上述した特徴及び他の特徴はより明らかになり、本発明自体はより良く理解されるであろう。

本発明の実施形態によって形成されるバイポーラ電極の概略を示す。

対応する参照符号は、図面の表示を通して対応する部分を示す。

ここで本発明は、図面を参照して以下の詳細な説明で説明され、詳細な説明では、好適な実施形態が本発明の実施を可能にするように詳細に説明される。本発明は、これらの特定の好適な実施形態を参照して説明されるが、本発明はこれらの好適な実施形態に限定されないことが理解されるであろう。しかしそれとは反対に、本発明は、以下の詳細な説明の検討から明らかになるであろう多数の代替、修正及び等価物を含む。

図１を参照すると、バイポーラ電極１０は、実質的に平坦な電極基板１２を備え、電極基板１２の反対側には異なるイオン交換ポリマーコーティングが示される。電極基板１２は、中間導電膜を有する多孔質担体である。望ましくは、電極基板は、熱可塑性ポリエチレン膜から作られ、多孔質担体を形成するために、膜の各面１３Ａ、１３Ｂには活性炭層が付着される。電極基板の両面１３Ａ、１３Ｂは、異なるイオン交換ポリマーで被覆される。本発明によれば、電極基板の両面１３Ａ、１３Ｂは、２つの重合性モノマー混合物で被覆され、同時に重合化が行われる。したがって、以下に説明する方法は、電極基板１２の両面１３Ａ、１３Ｂ上に２つの異種のイオン交換ポリマーコーティングを同時に形成することに特に適している。

電極基板１２は、熱可塑性膜から作られ、膜の各面１３Ａ、１３Ｂに活性炭層が付着される。しかしながら、当業者は、電極基板が、本発明の範囲から逸脱することなく、活性炭を含有する、樹脂のような充填剤並びにＴＦＥ及びＰＶＤＦのような結着剤を含む、他の材料を使用して構成されてもよいことを理解するであろう。望ましい一実施形態では、基板は、１０インチ×２１．５インチの長さの辺を有する、全体的に矩形形状である。しかしながら、当業者は、これらの寸法は単に例示目的のためであり、本発明の範囲から逸脱することなく、他の寸法を使用することができることを理解するであろう。基板１２の外周は、活性炭層が存在しないままのバンド１４である。

電極基板１２の第１の側１５Ａは、第１の面１３Ａを有し、電極基板１２の第２の側１５Ｂは、第２の面１３Ｂを有する。電極基板１２の第１の面１３Ａ及び第２の面１３Ｂは、カーボンが存在しないバンド１４に対して電極基板１２の個々の面１３Ａ、１３Ｂの外周に第１及び第２のガスケット１６Ａ、１６Ｂを配置することによって、イオン交換ポリマーで被覆される。一実施形態では、ガスケット１６Ａ、１６Ｂは、ゴムで作られる。しかしながら、当業者はガスケット１６Ａ、１６Ｂに他の材料を使用することを選択できると考えられる。第１の剛性板１８Ａが、第１のガスケット１６Ａに対して電極基板１２の第１の面１３Ａに隣接して配置され、それによって、電極基板１２の第１の側１５Ａ上の活性炭の周囲に第１のチャンバ２０Ａを形成する。第２の剛性板１８Ｂが、第２のガスケット１６Ｂに対して電極基板１２の第２の面１３Ｂに隣接して配置され、それによって、電極基板１２の反対側上に第２のチャンバ２０Ｂを形成する。剛性板１８Ａ、１８Ｂを、ガラス、又は他の実質的に強固で不浸透性の材料で形成することができる。板１８Ａ、１８Ｂは、電極基板１２の２つの面１３Ａ、１３Ｂの周囲に実質的に気密のシールを形成するように一緒にクランプされる。ガラス板１８Ａ、１８Ｂによって多孔質電極基板１２の周囲にチャンバ２０Ａ、２０Ｂを形成することによって、酸素による重合の妨害は防止され、表面の平滑性が得られる。

活性炭から空気を除去するために、第１及び第２のチャンバ２０Ａ、２０Ｂ内は真空に引かれる。一実施形態では、第１の針が第１のガスケット１６Ａを介して第１のチャンバ２０Ａ内に挿入され、第２の針がガスケット１６Ｂを介して第２のチャンバ２０Ｂ内に挿入される。針は、適切なホースコネクタによって従来の真空ポンプに接続される。真空ポンプは、活性炭内に捉えられた空気を除去するために、第１及び第２のチャンバ２０Ａ、２０Ｂ内を真空に引く。

次に、第１の重合性モノマー混合物が、電極基板１２の第１の面１３Ａ上に形成されたチャンバ２０Ａに加えられ、第２の重合性モノマー混合物が、電極基板１２の面１３Ｂの周囲に形成された第２のチャンバ２０Ｂに加えられる。第１及び第２のモノマー溶液は同一ではない。液体モノマーは、活性炭内の空気を置換する。望ましくは、第１のチャンバ２０Ａには、陰イオン交換基又は陰イオン交換基へと変換させることのできる基を有する重合性モノマーを含む第１の重合性モノマー混合物が充填される。第１の重合性モノマー混合物を第１のチャンバ２０Ａに挿入するための手段が、第１のガスケット１６Ａを経て挿入される。一実施形態では、第１の重合性モノマー混合物を第１のチャンバ２０Ａ内に挿入するために、第１の移動シリンジが使用される。一実施形態では、第１の重合性モノマー混合物は、架橋剤及び重合開始剤を含む。第１の重合性モノマー混合物は、多孔質基板膜の空隙に浸透し又は埋め込まれ、浸透した重合性モノマー混合物が重合される。陰イオン交換基又は陰イオン交換基へと変換させることのできる基を有する任意の公知の重合性モノマーを、第１の重合性モノマー混合物に制限なく使用することができる。陰イオン交換基を有する重合性モノマーの例は、例えば、トリメチルアンモニウムエチルメタクリレートクロライド、メタクリルオキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、ジアリルジメチルアンモニウムクロライド等並びにそれらの塩及び誘導体である。

望ましくは、第２のチャンバ２０Ｂには、陽イオン交換基又は陽イオン交換基へと変換させることのできる基を有する重合性モノマーを含む第２の重合性モノマー混合物が充填される。第２の重合性モノマー混合物を第２のチャンバ２０Ｂに挿入するための手段が、第２のガスケット１６Ｂを経て挿入される。一実施形態では、第２の重合性モノマー混合物を第２のチャンバ２０Ｂ内に挿入するために、第１のチャンバ２０Ａで使用したものと同様の第２のシリンジを使用することができる。一実施形態では、第２の重合性モノマー混合物は、架橋剤及び重合開始剤を含む。第２の重合性モノマー混合物は、多孔質基板膜の空隙に浸透し又は埋め込まれ、浸透した第２の重合性モノマー混合物が重合される。第１及び第２の重合性モノマー混合物は、同時に重合される。陽イオン交換基又は陽イオン交換基へと変換させることのできる基を有する任意の公知の重合性モノマーを、第２の重合性モノマー混合物に制限なく使用することができる。陽イオン交換基を有する重合性モノマーの例は、例えば、スルホエチルメタクリレート、アクリルアミドメチルプロパンスルホン酸、ナトリウムスチレンスルホナート、スルホプロピルメタクリレート、カリウム塩等並びにそれらの塩及び誘導体である。

第１又は第２の重合性モノマー混合物に加える架橋剤としては、特に制限はない。例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、クロロプレン、ジビニルビフェニル、トリビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジアリルアミン、ジビニルピリジン、エチレングリコールジメタクリレート、ポリオールの他のジアクリレートもしくはマルチアクリレート又はジメタクリレートもしくはマルチメタクリレートのようなジビニル化合物を使用することができる。ヒドロキシメチルアクリルアミドとアクリルアミド又はヒドロキシメチルアクリルアミドとフェノールのような潜在的架橋系を用いることもできる。

重合開始剤としては、公知の化合物を特に制限なく使用することができる。例えば、オクタノイルペルオキシド、ラウロイルペルオキシド、ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシ−２−エチルヘキサノエート、ベンゾイルペルオキシド、ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシイソブチレート、ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシラウレート、ｔｅｒｔ−ヘキシルペルオキシベンゾエート、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシドのような有機ペルオキシド、アゾビスイソブチロニトリルのような有機アゾ化合物、等を使用することができる。

第１及び第２の重合性モノマー混合物では、陰イオンもしくは陽イオン交換基又は陰イオンもしくは陽イオン交換基に変換することができる基を有する重合性モノマー、架橋剤及び重合開始剤の割合は、各々の構成要素が重合に必要な量で存在する限り、広い範囲内であってもよい。架橋剤の割合は、陰イオン又は陰イオン交換基に変換することができる基を有する重合性モノマー及び架橋剤の総量の、好適には約０．４から６０モル％、より好適には１から５０モル％、最も好適には約１から４０モル％である。

架橋性モノマーであり、また、陰イオンもしくは陽イオン交換基又は陰イオンもしくは陽イオン交換基に変換することができる基を有する重合性モノマーの場合、架橋剤が混合物中に存在する必要はない。したがって、架橋性の割合は約１００モル％になる。しかしながら、イオン交換基密度の量を希釈するために、架橋剤又は非架橋性モノマーを使用することができる。

重合開始剤は、交換基又は交換器に変換することができる基を有する重合性モノマーの１００質量部に対して、一般的には約０．１から２０質量部、好適には約０．５から１０質量部の量で使用される。

一実施形態では、第１及び第２の重合性モノマー混合物が第１及び第２のチャンバ内に挿入された後、第１及び第２の重合性モノマー混合物を所定の期間放置される。適切な期間は、一般的には約１分〜２０分であり、より好適には約５分〜１５分であり、一実施形態では約１０分である。放置後、重合性混合物が重合する前に、重合性モノマー混合物の過剰な部分を除去してもよい。

バイポーラ電極１０を製造する際に、上述したように、第１及び第２の重合性モノマー混合物は、電極基板１２上に活性炭層によって形成される多孔質基板と接触する。第１及び第２の重合性モノマー混合物を重合する際に、公知の重合方法が制限なく用いられる。一実施形態では、電極基板を含むエンベロープがオーブン内に配置され、基板の面にビニルモノマーを重合させる。操作が容易であり、重合を比較的均一に行うことができるため、重合開始剤を使用する熱重合が一般的に好ましい。熱重合の温度は特に限定されず、公知の温度条件を適宜選択することができる。適切な温度は、一般的には約５０℃〜１５０℃であり、より好適には約６０℃〜１２０℃であり、一実施形態では約８５℃である。熱重合の持続時間も特に限定されず、公知の持続時間条件を適宜選択することができる。適切な持続時間は、一般的には約１０分〜１２０分であり、より好適には約４５分〜９０分であり、一実施形態では約６０分である。第１及び第２の重合性モノマー混合物の重合を、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の公知の化学触媒手順によって又は紫外線を使用することによって行うこともできる。

当業者が本開示をよりよく実施することができるように、以下の例を、例示として、限定としてではなく与える。

活性炭層を有する電極基板を１０インチ（２５．４ｃｍ）×２１．５インチ（５４．６ｃｍ）のサイズに切断することによって、電極を作成した。電極基板の２つの長い側縁部及び短い下縁部の周囲の１．５インチ（３．８ｃｍ）のトリムを残して、電極基板の外周を、活性炭が存在しないように維持した。上縁部を２インチに切断した。ゴムガスケットを、電極基板に対して、基板の周囲のカーボンが存在しない領域に配置した。次に電極基板をガラス板間にはさみ、電極／ガラス板のサンドイッチを一緒にクランプし、それによって、活性炭の周囲の電極基板の各側に気密チャンバを形成した。真空ポンプに接続された針を、適切なホースコネクタを有する第１及び第２のガスケットを介して、第１及び第２のチャンバ内に挿入することによって、第１及び第２のチャンバ内に真空を形成した。

次にモノマー添加シリンジを、第１及び第２のガスケットを介して第１及び第２のチャンバ内に挿入した。陰イオン交換基を有する重合性モノマーから構成された第１の重合性モノマー混合物の１４０グラムを、第１のシリンジを使用して第１のチャンバ内に挿入し、陽イオン交換基を有する重合性モノマーから構成された第２の重合性モノマー混合物の１４０グラムを、第２のシリンジを使用して第２のチャンバ内に挿入した。

次に電極基板／ガラス板組立品を、予熱された８５℃のオーブン内に水平に１時間配置した。電極基板／がラス板組立品をオーブンから取り出し、１／２時間冷却した。次にクリップを除去し、電極基板をガラス板から分離した。

当業者は、チャンバに圧力を加え、重合性ＡＩＸ及びＣＩＸ材料をそれらの個々のチャンバ内の平坦又は平面状の配置に押し付けることができることを理解することもできる。

本開示を典型的な実施形態で例示し説明してきたが、種々の修正及び置換を本開示の要旨からどのようにも逸脱することなく行うことができるため、示された詳細に限定されることを意図しない。したがって、本明細書に開示された開示の他の変更及び等価物が、通常の実験しか使用せずに当業者に想起される可能性があり、すべてのこのような修正及び等価物は、以下の特許請求の範囲によって定義される本開示の範囲内であると考えられる。

１０ バイポーラ電極
１２ 電極基板
１３Ａ 第１の面
１３Ｂ 第２の面
１４ バンド
１５Ａ 第１の側
１５Ｂ 第２の側
１６Ａ 第１のガスケット
１６Ｂ 第２のガスケット
１８Ａ 第１の剛性板
１８Ｂ 第２の剛性板
２０Ａ 第１のチャンバ
２０Ｂ 第２のチャンバ

Claims (20)

1. 多孔質基板の両面にイオン交換ポリマーを有するバイポーラ電極を形成する方法であって、
   電極基板に活性炭層を設ける工程であって、電極基板は第１の側及び第２の側を有し、第１の側は第１の面を有し、第２の側は第２の面を有し、第１の側及び第２の側は反対側であり、第１の面及び第２の面は活性炭層が存在しない外周バンドを各々有する、工程と、
   第１の面の外周バンドに第１のガスケットを設け、第２の面の外周バンドに第２のガスケットを設ける工程と、
   電極基板の第１の側上の第１の気密チャンバ及び電極基板の第２の側上の第２の気密チャンバを形成するように、電極基板を２枚の剛性板間にクランプする工程と、
   第１の気密チャンバ内に第１の重合性モノマー混合物を加える工程であって、第１の重合性モノマー混合物は、陰イオン交換基又は陰イオン交換基へと変換させることのできる基を有する重合性モノマーを含む、工程と、
   第２の気密チャンバ内に第２の重合性モノマー混合物を加える工程であって、第２の重合性モノマー混合物は、陽イオン交換基又は陽イオン交換基へと変換させることのできる基を有する重合性モノマーを含む、工程と、
   第１及び第２の重合性モノマー混合物を重合する工程と
   を有する、方法。
2. 第１及び第２の重合性モノマー混合物が熱重合によって重合される、請求項１記載の方法。
3. 第１及び第２の重合性モノマー混合物が、電極基板を５０℃〜１５０℃のオーブン内に配置することによって重合される、請求項２記載の方法。
4. 第１及び第２の重合性モノマー混合物が１０〜１２０分間オーブン内に配置される、請求項３記載の方法。
5. 陰イオン交換基又は陰イオン交換基へと変換させることのできる基を有する重合性モノマーが、トリメチルアンモニウムエチルメタクリレートクロライド、メタクリルオキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、ジアリルジメチルアンモニウムクロライド並びにそれらの塩及び誘導体からなる群から選択される、請求項２記載の方法。
6. 陽イオン交換基又は陽イオン交換基へと変換させることのできる基を有する重合性モノマーは、スルホエチルメタクリレート、アクリルアミドメチルプロパンスルホン酸、ナトリウムスチレンスルホナート、スルホプロピルメタクリレート、並びにそれらの塩及び誘導体からなる群から選択される、請求項２記載の方法。
7. 第１のガスケットを介して第１のチャンバ内に第１のシリンジを挿入し、第２のガスケットを介して第２のチャンバ内に第２のシリンジを挿入する工程と、それぞれ第１及び第２のシリンジを介して第１及び第２のチャンバ内に第１及び第２の重合性モノマー混合物を加える工程とをさらに備える、請求項１記載の方法。
8. 第１の重合性モノマー混合物がさらに架橋剤を含む、請求項１記載の方法。
9. 架橋剤がジビニル化合物又は潜在的架橋系である、請求項８記載の方法。
10. ジビニル化合物が、ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、クロロプレン、ジビニルビフェニル、ジビニルナフタレン、ジアリルアミン、ジビニルピリジン、エチレングリコールジメタクリレート、ポリオールのジアクリレート、及びポリオールのジメタクリレートからなる群から選択される、請求項９記載の方法。
11. 潜在的架橋系がヒドロキシメチルアクリルアミドとアクリルアミド又はヒドロキシメチルアクリルアミドとフェノールからなる群から選択される、請求項９記載の方法。
12. 第１の重合性モノマー混合物がさらに重合開始剤を含む、請求項８記載の方法。
13. 重合開始剤が有機ペルオキシド又は有機アゾ化合物である、請求項１２記載の方法。
14. 重合開始剤がオクタノイルペルオキシド、ラウロイルペルオキシド、ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシ−２−エチルヘキサノエート、ベンゾイルペルオキシド、ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシイソブチレート、ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシラウレート、ｔｅｒｔ−ヘキシルペルオキシベンゾエート、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルペルオキシド又はアゾビスイソブチロニトリルからなる群から選択される、請求項１３記載の方法。
15. 第２の重合性モノマー混合物がさらに架橋剤を含む、請求項１記載の方法。
16. 架橋剤がジビニル化合物又は潜在的架橋系である、請求項１５記載の方法。
17. ジビニル化合物が、ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、クロロプレン、ジビニルビフェニル、ジビニルナフタレン、ジアリルアミンジビニルピリジン、エチレングリコールジメタクリレート、ポリオールのジアクリレート、及びポリオールのジメタクリレートからなる群から選択される、請求項１６記載の方法。
18. 潜在的架橋系が、ヒドロキシメチルアクリルアミドとアクリルアミド又はヒドロキシメチルアクリルアミドとフェノールからなる群から選択される、請求項１６記載の方法。
19. 第２の重合性モノマー混合物がさらに重合開始剤を含む、請求項１５記載の方法。
20. 重合開始剤が有機ペルオキシド又は有機アゾ化合物である、請求項１９記載の方法。