TWI622428B - 電透析模組及電透析系統 - Google Patents
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Abstract
一種電透析模組，包括至少一基本單元。此基本單元包括工作槽、第一離子交換膜、第二離子交換膜、至少一第一電極以及至少兩個第二電極。第一離子交換膜位於工作槽中。第二離子交換膜位於工作槽中，且第一離子交換膜以及第二離子交換膜共同將工作槽區隔為兩個電極室以及位於兩個電極室之間的脫鹽室。至少一第一電極位於脫鹽室中。至少兩個第二電極分別位於每一個電極室中，其中至少兩個第二電極的極性與至少一第一電極的極性不同。
Description
本揭露是關於一種電透析模組，特別是用於分離純化的電透析模組。
有機酸及液鹼廣泛應運於化工原料、醫藥、食品及飼料等方面，而在各領域中普遍存有濃度提升之需求。然而，無論是有機酸後段產品的濃縮方法，例如蒸發結晶法、溶劑萃取法或鈣鹽法，或者是液鹼目前的濃縮的方法，例如是採用蒸發濃縮法，其皆存在耗能、產量低、程序複雜或雜質較高的缺點，致使成本無法再行削減。此外，目前研究中雖有結合雙極膜之二階段電透析方式回收有機酸之技術，惟使用雙極膜不僅成本高且透析量少，現階段並不適合應用於各個產業當中。因此，業界亟待開發一種兼具低成本及高回收率的有機酸及液鹼的濃縮方法。
本揭露提供一種電透析模組及電透析系統，其可有效地分離溶液中的鹽類，以純化溶液中的酸或是鹼。
本揭露提供一種電透析模組，包括至少一基本單元。此基本單元包括工作槽、第一離子交換膜、第二離子交換膜、至少一第一電極以及至少兩個第二電極。第一離子交換膜位於所述工作槽中。第二離子交換膜位於工作槽中，且第一離子交換膜以及第二離子交換膜共同將工作槽區隔為兩個電極室以及位於兩個電極室之間的脫鹽室。至少一第一電極位於脫鹽室中。至少兩個第二電極分別位於每一個電極室中，其中至少兩個第二電極的極性與至少一第一電極的極性不同。
本揭露另提供一種電透析系統，其包括電透析模組及應用單元。應用單元以連接件連接至電透析模組。
本揭露又提供一種電透析模組，包括至少一基本單元。此基本單元包括工作槽、第一離子交換膜、第二離子交換膜、兩個隔板、至少一第一電極以及至少兩個第二電極。第一離子交換膜位於所述工作槽中。第二離子交換膜位於所述工作槽中。兩個隔板位於工作槽中，且兩個隔板、第一離子交換膜以及第二離子交換膜共同將工作槽區隔為兩個電極室、兩個隔室以及位於兩個隔室之間的脫鹽室，其中每一隔室位於脫鹽室以及相對應的電極室之間。至少一第一電極位於脫鹽室中。至少兩個第二電極分別位於每一個電極室中，其中至少兩個第二電極的極性與至少一第一電極的極性不同。
本揭露又提供一種電透析系統，其包括電透析模組及應用單元。應用單元以連接件連接至電透析模組。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
參照本實施例之圖式以更全面地闡述本揭露。然而，本揭露亦可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述之實施例。圖式中的層與區域的厚度會為了清楚起見而放大。相同或相似之參考號碼表示相同或相似之元件，以下段落將不再一一贅述。
圖1為本揭露之其一實施例的電透析模組的示意圖。
請參照圖1，電透析模組100包括至少一基本單元102。在一些實施例中，基本單元102可為多個，其數量可依據分離純化所需時間、目標濃縮濃度或溶液所需pH值進行適當的調整。在具有多個基本單元102的實施例中，基本單元102是以並聯的方式彼此串接。
基本單元102包括工作槽104、第一離子交換膜106a、第二離子交換膜106b、至少一第一電極114以及至少兩個第二電極116。第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b位於工作槽104中並共同將工作槽104區隔為電極室108a、電極室108b以及位於電極室108a與電極室108b之間的脫鹽室110。在一實施例中，脫鹽室110與電極室108a、108b中的溶液分別由第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b隔開而使得脫鹽室110與電極室108a、108b中的溶液互不相通，以避免電透析模組100無法正常運作。在另一實施例中，電極室108a及電極室108b中的溶液可以是酸性溶液，例如是硫酸（H
2SO
4）、鹽酸（HCl）、硝酸（HNO
3）或其組合。在另一實施例中，電極室108a以及電極室108b中的溶液可以是鹼性溶液，例如是氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鉀（KOH）、硫酸鈉（Na
2SO
4）或其組合。
在一些實施例中，電極室108a、108b可選擇性地連接至儲存槽112，使得電極室108a、108b中的溶液與儲存槽112的溶液連通。儲存槽112可以提供溶液至電極室108a、108b，以增加電極室108a、108b中溶液體積的方式來穩定pH值。在一實施例中，電極室108a及電極室108b分別連接至不同的儲存槽112，使得電極室108a及電極室108b中的溶液彼此互不相通。在另一實施例中，電極室108a及電極室108b可連接至相同的儲存槽112，使得電極室108a、108b中的溶液可以彼此互通。
第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b例如是對陰離子或是陽離子具有選擇性的高分子膜。舉例來說，離子交換膜106a、106b可以是陽離子交換膜（cation exchange membrane，CEM）或是陰離子交換膜（anion exchange membrane，AEM）。舉例來說，陽離子交換膜是含酸性官能基的膜，例如是包含強酸性磺酸型陽離子交換樹脂（sulfonie acid ion exchange resin）的膜、具陽離子選擇性之均相或異相的透析膜或其組合。陰離子交換膜是含鹼性官能基的膜，例如是包含強鹼性季銨型陰離子交換樹脂（quarternary ammonium ion exchange）的膜、具陰離子選擇性之均相或異相的透析膜或其組合。在一實施例中，離子交換膜106a、106b可以具有相同的極性。舉例來說，離子交換膜106a以及離子交換膜106b可以均為陽離子交換膜，或是均為陰離子交換膜。上述所謂的「陽離子交換膜」表示陽離子能通過而陰離子無法通過的薄膜。上述所謂的「陰離子交換膜」表示陰離子能通過而陽離子無法通過的薄膜。
在本實施例中，基本單元102包括一個第一電極114以及兩個第二電極116，但不以此為限。第一電極114位於脫鹽室110中。兩個第二電極116分別位於電極室108a以及電極室108b中。在一實施例中，第一電極114的極性與兩個第二電極116的極性不同，藉此提升脫鹽室110中的電透析效率。
舉例來說，在第一電極114為陽極；而第二電極116為陰極的情況下，含鹽類MX的溶液（目標溶液）由入口118通入脫鹽室110後，經由電場的施加（陽極施加正電位；陰極施加負電位），鹽類MX會解離成陽離子M
+（例如金屬陽離子）及陰離子X
-（例如酸根離子）。其中，M
+可以是帶+1價、+2價、+3價，但不以此為限；而X
-可以是帶-1價、-2價、-3價，但不以此為限。在同類電荷相斥及異類電荷相吸的情況下，部分的陽離子M
+沿著第一方向D1經由第一離子交換膜106a遷移到位於脫鹽室110一側的電極室108a中；另一部分的陽離子M
+沿著第二方向D2經由第二離子交換膜106b而遷移到脫鹽室110另一側的電極室108b中。如此一來，脫鹽室110中的陰離子X
-會與陽極（第一電極114）所產生的氫離子H
+（請參照以下式1所示的陽極半反應式）形成酸HX，而電極室108a、108b中的陽離子M
+則與陰極（第二電極116）所產生的氫氧根離子OH
-（請參照以下式2所示的陰極半反應式）形成鹼MOH（或以M(OH)
n來表示，其中n為M所帶的價數）。
換句話說，由入口118通入脫鹽室110中的酸溶液可藉由脫除溶液中所含的鹽類而濃縮/純化，而於出口120獲得高濃度的酸液，並且可於電極室108a、108b獲得具有廣泛應用性的液鹼。在一些特定應用領域中，電極室108a、108b中的液鹼可以作為pH值的調節劑。
[式1] 2H
2O→4H
++O
2+4e
-
[式2] 2H
2O+2e
-→H
2+2OH
-
在另一實施例中，為了進一步提升脫鹽室110中產酸的效率以及電極室108a、108b中產鹼的效率，第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b可以是陽離子交換膜，使得陰離子X
-則無法通過第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b而留在脫鹽室110中。如此一來，脫鹽室110中有較多可與氫離子H
+形成酸HX的陰離子X
-；而電極室108a、108b中則有較多可與氫氧根離子OH
-形成鹼MOH的陽離子M
+，故可進一步提升脫鹽室110中產酸的效率以及電極室108a、108b中產鹼的效率。
此外，在又一實施例中，為了進一步提升脫鹽室110中酸的濃度以及電極室108a、108b中液鹼的濃度，由出口120所流出的溶液可再次通入脫鹽室110中，以分離溶液中未脫除的鹽類。換句話說，藉由循環操作可進一步提升脫鹽室110中酸的濃度以及電極室108a、108b中液鹼的濃度。
在一示例性實施例中，第一電極114為陽極，而第二電極116為陰極，當含甲酸鈉（HCOONa）的溶液由入口118通入脫鹽室110後，甲酸鈉於脫鹽室110中解離成鈉離子（Na
+）及甲酸根離子（HCOO
-）。甲酸根離子會留在脫鹽室110中且與陽極所產生的氫離子H
+形成甲酸（HCOOH）。另一方面，鈉離子則分別沿著第一方向D1及第二方向D2通過陽離子交換膜106a、106b，而各自於電極室108a、108b中與陰極所產生的氫氧根離子OH
-形成氫氧化鈉（NaOH）。
在另一實施例中，第一電極114是陽極；第二電極116是陰極。陽極的材料例如是選自由氧化銥（IrO
2）、氧化釕（RuO
4）、氧化鉛（PbO
2）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鋁（Al）、金（Au）、鈦（Ti）、銀（Ag）、鐵（Fe）、白金（Pt）、不鏽鋼（stainless）、其氧化物以及合金形式之組合所構成的群組。陰極的材料例如是選自由不鏽鋼、鐵（Fe）、鉑（Pt）、鈦（Ti）、氧化銥（IrO
2）、汞（Hg）、其氧化物以及合金形式之組合所構成的群組。在又一實施例中，為了提升脫鹽室110中分離鹽類的效率，作為陽極的第一電極114的材料可選自於濃度為0.2%的次氯酸鈉（NaClO）溶液中具有析氧電位為1.5 V至2V的材料（以恆電位儀從0 V掃描至5 V）。舉例來說，第一電極114的材料可選自由IrO
2、PbO
2、Pb、Ag、Fe、Pt、不鏽鋼、Ti、其氧化物以及合金形式之組合所構成的群組。於濃度為0.2%的NaClO溶液中，Ti的析氧電位例如是2.0 V；氧化銥於鈦基底上（IrO
2/Ti）的析氧電位例如是1.6V；鉛於鈦基底上（Pt/Ti）的析氧電位例如是1.6V；PbO
2的析氧電位例如是1.9V。上述所謂的「析氧電位」表示水產生電解並於陽極產生氧氣的電位。
圖2為本揭露之另一實施例的電透析模組的示意圖。圖2中的電透析模組200大致與圖1的電透析模組100相同，其不同之處在於基本單元202中的第一電極214為陰極；兩個第二電極216為陽極。因此，相同或相似元件使用相同或相似標號，其餘構件之連接關係、材料及其製程已於前文中進行詳盡地描述，故於下文中不再重複贅述。
請參照圖2，在第一電極214為陰極而第二電極216為陽極的情況下，含鹽類MX的溶液由入口118通入脫鹽室110後，經由電場的施加（陰極施加負電位；陽極施加正電位），鹽類MX會解離成陽離子M
+（例如金屬陽離子）及陰離子X
-（例如酸根離子）。在同類電荷相斥及異類電荷相吸的情況下，部分的陰離子X
-沿著第一方向D1經由第一離子交換膜106a遷移到脫鹽室110一側的電極室108a中；另一部分的陰離子X
-沿著第二方向D2經由第二離子交換膜106b而遷移到位於脫鹽室110另一側的電極室108b中。如此一來，脫鹽室110中的陽離子M
+會與陰極（第一電極214）所產生的氫氧根離子OH
-形成鹼MOH；而電極室108a、108b中的陰離子X
-則與陽極（第二電極216）所產生的氫離子H
+形成酸HX。除此之外，陰極（第一電極214）所產生的氫氧根離子OH
-可改變溶液的離子活性係數（activity coefficient of ion），從而降低鹽類MX於溶液中的溶解度，致使陰離子X
-更容易通過第一離子交換膜106a以及第二離子交換膜106b而遷移到電極室108a、108b中，以與第二電極216電解所產生的氫離子H
+結合產生酸HX，形成酸化反應（acidification）。換句話說，由入口118通入脫鹽室110中的溶液可藉由脫除溶液中所含的鹽類MX來提升此溶液的pH值，以於出口120獲得高pH值且鹽類MX含量較少的鹼液，並且可於電極室108a、108b中獲得高濃度的酸液。又，在另一實施例中，為了進一步提升脫鹽室110中產鹼的效率以及電極室108a、108b中產酸的效率，第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b可以是陰離子交換膜，使得陽離子M
+無法通過第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b而留在脫鹽室110中。如此一來，脫鹽室110中有較多可與氫氧根離子OH
-形成鹼MOH的陽離子M
+；而電極室108a、108b中則有較多可與氫離子H
+形成酸HX的陰離子X
-，因此，可進一步提升脫鹽室110中產鹼的效率以及電極室108a、108b中產酸的效率。
此外，在又一實施例中，為了進一步提升脫鹽室110中鹼液MOH的pH值以及電極室108a、108b中酸HX的濃度，由出口120所流出的溶液可再次通入脫鹽室110中，以分離溶液中未脫除的鹽類MX。換句話說，藉由循環操作可進一步提升脫鹽室110中溶液的pH值以及電極室108a、108b中酸HX的濃度。
在一些示例性實施例中，第一電極214是陰極，而第二電極216是陽極，當含衣康酸鹽（Itaconate）的溶液由入口118通入脫鹽室110後，電極室108a、108b中的衣康酸酸根離子與陽極（第二電極216）產生的氫離子形成衣康酸（Itaconic Acid，IA）。
在另一實施例中，第一電極214是陰極；第二電極216是陽極。陰極的材料例如是選自由不鏽鋼、Pt、Ti、IrO
2、Hg、Fe及其組合所構成的群組。陽極的材料例如是選自由IrO
2、RuO
4、PbO
2、Cu、Zn、Pb、Al、Au及其組合所構成的群組。另外，在一實施例中，為了提升脫鹽室110中分離鹽類的效率，第一電極214可選自於濃度為0.2%的NaClO溶液中具有析氫電位為-0.5 V至-1.5V的材料（以恆電位儀從0 V掃描至-5 V）。舉例來說，作為陰極的第一電極214的材料可選自由不鏽鋼、鐵、Pt以及Ti所構成的群組。在另一實施例中，於濃度為0.2%的NaClO溶液中，Ti的析氫電位例如是-1.0 V；IrO
2/Ti的析氫電位例如是-1.7V；Pt/Ti的析氫電位例如是-0.8V；不鏽鋼（例如304等級的不鏽鋼）的析氫電位例如是-1.4V。上述所謂的「析氫電位」表示水產生電解並於陰極產生氫氣的電位。
圖3為本揭露之另一實施例的電透析模組的示意圖。圖3中的電透析模組200a大致與圖2的電透析模組200相同，其不同之處在於工作槽104中更包括隔板306a、306b。隔板306a、306b與第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b共同將工作槽104區隔為電極室108a、108b、隔室308a、308b以及脫鹽室110。脫鹽室110位於隔室308a以及隔室308b之間。隔室308a位於電極室108a以及脫鹽室110之間。隔室308b位於電極室108b以及脫鹽室110之間。在一些實施例中，隔板306a、306b為具有液體通透性，不會妨礙液體流通，為離子交換膜以外具有支撐性的通透性隔板，例如電極壓板。隔板306a、306b的材料包括聚合物或是樹脂，例如是聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、ABS樹脂、聚氯乙烯（PVC）、壓克力樹脂、尼龍（PA)或其組合。在本實施例中，與前一實施例相同或相似元件使用相同或相似標號，其餘構件之連接關係、材料及其製程已於前文中進行詳盡地描述，故於下文中不再重複贅述。 請參照圖3，基本單元202a包括一個第一電極214以及兩個第二電極216，但不以此為限。第一電極214位於脫鹽室110中。兩個第二電極216分別位於電極室108a以及電極室108b中。在第一電極214為陰極而第二電極216為陽極的情況下，含鹽類MX的溶液由入口118通入脫鹽室110後，經由電場的施加，鹽類MX會解離成陽離子M
+及陰離子X
-。在同類電荷相斥及異類電荷相吸的情況下，部分的陰離子X
-沿著第一方向D1經由第一離子交換膜106a遷移到位於脫鹽室110一側的隔室308a中；另一部分的陰離子X
-沿著第二方向D2經由第二離子交換膜106b而遷移到脫鹽室110另一側的隔室308b中。除此之外，位於電極室108a中的陽極（第二電極216）所產生的氫離子H
+也會沿著第二方向D2經由隔板306a遷移至隔室308a中；而另一電極室108b中的陽極（第二電極216）所產生的氫離子H
+則沿著第一方向D1經由隔板306b遷移至隔室308b中。也就是說，陽離子M
+會與陰極（第一電極214）所產生的氫氧根離子OH
-形成鹼MOH，而隔室308a、308b中的陰離子X
-則與從電極室108a、108b遷移而來的氫離子H
+形成酸HX。
在又一實施例中，隔板306a、306b可以是離子交換膜。更詳細地說，隔板306a、306b可以是與第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b具有不同極性的離子交換膜，以進一步提升隔室308a、308b中產酸的效率。舉例來說，第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b是陰離子交換膜，而隔板306a、306b是陽離子交換膜。如此一來，氫離子H
+可以通過隔板（陽離子交換膜）306a、306b而遷移至隔室308a、308b中，但無法通過第一離子交換膜（陰離子交換膜）106a及第二離子交換膜（陰離子交換膜）106b；陰離子X
-可以通過第一離子交換膜（陰離子交換膜）106a及第二離子交換膜（陰離子交換膜）106b而遷移至隔室308a、308b中，但無法通過隔板（陽離子交換膜）306a、306b。因此，隔室308a、308b中有較多可與陰離子X
-形成酸HX的氫離子H
+，故可進一步提升脫鹽室110中產酸的效率。
圖4為本揭露之又一實施例的電透析系統的示意圖。圖5為依照本揭露之其一實施例的電透析系統進行衣康酸純化的濃度與時間的曲線圖。
請參照圖4，在一些實施例中，電透析模組200可藉由連接件204（204a與204b）連接至應用單元206，以構成電透析系統300。所述應用單元206可以包括發酵槽、膜濾單元、生物過濾單元、分離純化單元或其組合。膜濾單元例如是超過濾（Ultra Filtration，UF）、奈米過濾（Nano filtration，NF）、逆滲透（Reverse Osmosis，RO）或其組合，但不限於此。生物過濾單元例如是薄膜生物反應器（membrane bioreactor，MBR）、高效率生物濾床（BioNET）或其組合，但不限於此。
在一示範實施例中，應用單元206為發酵槽。應用單元206藉由連接件204a連接脫鹽室110的入口118，並藉由連接件204b連接出口120，使得應用單元206中的溶液可在脫鹽室110中循環。也就是說，在脫鹽室110中的第一電極214為陰極的情況下，應用單元206中的溶液可於脫鹽室110中脫除溶液中所含的鹽類，以於出口120獲得高pH值且鹽類含量較少的溶液。如此一來，不僅可將低鹽類濃度之溶液送返應用單元206以提供基質，並且回流至應用單元206的溶液可用以平衡微生物反應所產生的有機酸（例如乳酸），使得微生物的活性不會受到抑制（微生物的活性在酸性環境下會受到抑制），因此，在不添加pH調節劑的情況下，仍可維持應用單元206中的微生物反應。另一方面，在電極室108a、108b中的第二電極216為陽極的情況下，電極室108a、108b中經第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b（例如陰離子交換膜）透析所得的陰離子X
-則與陽極所產生的氫離子H
+結合產生酸HX，並藉由循環操作來提高酸的濃度，達到產物濃縮的目標。
基於上述，上述一些實施例中所提出的電透析模組，可以使得脫鹽室中溶液所含的鹽類解離，使其陽離子經離子交換膜遷移至電極室中，而與電極室中之陰極所產生的氫氧根離子結合，而產生鹼（第一電極為陽極；第二電極為陰極）。上述另一些實施例中所提出的電透析模組，可以使得脫鹽室中溶液所含的鹽類解離，使其陰離子經離子交換膜遷移至電極室，而與電極室中之陽極所產生的氫離子結合，而產生酸（第一電極為陰極；第二電極為陽極）。因此，上述實施例所提出的電透析模組可於電極室中獲得高純度的酸溶液或是鹼溶液，因此，可進一步廣泛地應用於食品飲料（例如酒品酒石之酸穩定化、製程用水之回收/回用）、酸鹼回收（樹脂再生、酸蝕刻、鋁陽極處理、金屬酸洗）、用水回收（滷水濃縮、逆滲透濃縮水回用）、有機純化（脫酸、發酵pH調控、酸/鹼自產）、製藥、發酵、貴金屬回收、酸鹼回收與分離純化等領域中。
實驗例
實驗
1
圖5為以本揭露一些實施例的電透析系統進行衣康酸純化的濃度與時間的曲線圖。
以上述電透析系統300進行衣康酸純化的實驗。電透析模組200中的第一電極214是陰極；第二電極216是陽極；第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b是陰離子交換膜。
第一電極214的材料為不鏽鋼304，其在濃度為0.2%的NaClO溶液中，不鏽鋼304的析氫電位為-1.5V。另外，衣康酸原液（衣康酸鹽，例如衣康酸鈉）為依序經甘油發酵製程、離心（去除土麴菌細胞）及過濾（經微過濾器過濾）後進入電透析模組200中。
如圖5所示，當起動（On）電透析模組200時，由出口120回流至應用單元206（例如是發酵槽）中的溶液因為含有鹼MOH（例如NaOH），因此可平衡應用單元206（例如是發酵槽）中微生物作用所產生的酸，以維持微生物的反應活性（酸度增加會抑制微生物發酵作用），故可持續產生衣康酸鹽。並且，透過循環操作，使得電極室108a、108b中經陰離子交換膜（第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b）透析所得的衣康酸根離子可以不斷地與陽極（第二電極216）所產生之氫離子結合而產生衣康酸，使得衣康酸濃度持續上升。當關閉（Off）電透析模組200時，衣康酸濃度則不再上升。基於此，電透析模組200不僅可有效地維持應用單元206（例如是發酵槽）中微生物的反應活性，並且藉由分離溶液中所含的衣康酸鹽可於電極室108a、108b中獲得高純化度的衣康酸溶液。也就是說，上述實施例的電透析模組200除了藉由電透析反應與溶解度差異所導致之酸化反應來提升衣康酸濃度外，更可以有效減少所需添加的緩衝藥劑（例如pH調節劑），迴流補助甘油基質，降低前端發酵與後端分離純化的成本。
實驗
2
圖6為依照本揭露一些實施例進行不同酸溶液純化的濃度與時間的曲線圖。
以上述電透析模組200進行不同酸溶液純化的實驗。電透析模組200中的第一電極214是陰極；第二電極216是陽極；第一離子交換膜106a及第二離子交換膜106b是陰離子交換膜。
第一電極214的材料為不鏽鋼304，其在濃度為0.2%的NaClO溶液中，不鏽鋼304的析氫電位為-1.5V。
酸溶液以草酸（oxalate）、檸檬酸（citrate）、蘋果酸（malate）、琥珀酸（succinate）、甘油（glycerol）、乙酸（acetate）、順-烏頭酸（cis-aconitate）、葡萄糖（glucose）、果糖（fructose）、衣康酸（IA）以及甲酸鹽（formate）為例進行說明。實驗結果顯示於圖6與表1中。
表1
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 酸溶液 </td><td> 產酸量（g/hr） </td></tr><tr><td> 草酸 </td><td> 0.065 </td></tr><tr><td> 檸檬酸 </td><td> 0.636 </td></tr><tr><td> 蘋果酸 </td><td> 0.579 </td></tr><tr><td> 琥珀酸 </td><td> 0.087 </td></tr><tr><td> 乙酸 </td><td> 0.296 </td></tr><tr><td> 順-烏頭酸 </td><td> 0.01 </td></tr><tr><td> 衣康酸 </td><td> 2.831 </td></tr></TBODY></TABLE>
由圖6及表1可知，上述實施例的電透析模組200可有效地分離脫鹽室110中溶液所含的鹽類，使得電極108a、108b中經陰離子交換膜透析所得的酸根離子與陽極所產生的氫離子結合產生酸，並藉由循環操作來提高酸的濃度，達到產物濃縮的目標。另外，依據酸解離常數（acid dissociation constant，K
a）與溶液的pH值，不同酸根離子與氫離子結合為酸的難易程度皆不同，故產酸量也不同。
綜上所述，上述一些實施例所提出的電透析模組中，溶液所含的鹽類可以在脫鹽室中解離，其陰離子可經離子交換膜遷移，而與電極室中之陽極所產生的氫離子結合而產生酸。上述另一些實施例所提出的電透析模組中，溶液所含的鹽類可以在脫鹽室中解離，其陽離子經離子交換膜遷移，而與電極室中之陰極所產生的氫氧根離子結合產生鹼。如此一來，上述實施例所提出的電透析模組可於電極室中獲得高純度的酸溶液或是鹼溶液。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、200a‧‧‧電透析模組
102、202、202a‧‧‧基本單元
104‧‧‧工作槽
106a‧‧‧第一離子交換膜
106b‧‧‧第二離子交換膜
108a、108b‧‧‧電極室
110‧‧‧脫鹽室
112‧‧‧儲存槽
114、214‧‧‧第一電極
116、216‧‧‧第二電極
118‧‧‧入口
120‧‧‧出口
204、204a、204b‧‧‧連接件
206‧‧‧應用單元
300‧‧‧電透析系統
306a、306b‧‧‧隔板
308a、308b‧‧‧隔室
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
MX‧‧‧鹽類
HX‧‧‧有機酸
M+‧‧‧陽離子
X-‧‧‧陰離子
H+‧‧‧氫離子
OH-‧‧‧氫氧根離子
On‧‧‧啟動
Off‧‧‧關閉
圖1為本揭露之其一實施例的電透析模組的示意圖。 圖2為本揭露之另一實施例的電透析模組的示意圖。 圖3為本揭露之又一實施例的電透析模組的示意圖。 圖4為本揭露之又一實施例的電透析系統的示意圖。 圖5為依照本揭露之其一實施例的電透析系統進行衣康酸純化的濃度與時間的曲線圖。 圖6為依照本揭露之另一實施例進行不同酸溶液純化的濃度與時間的曲線圖。
Claims (20)
- 一種電透析模組，包括：至少一基本單元，包括：工作槽；第一離子交換膜，位於所述工作槽中；第二離子交換膜，位於所述工作槽中，且所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜共同將所述工作槽區隔為兩個電極室以及位於所述兩個電極室之間的脫鹽室；至少一第一電極，位於所述脫鹽室中；以及至少兩個第二電極，分別位於每一個電極室中，其中所述至少兩個第二電極的極性與所述至少一第一電極的極性不同。
- 如申請專利範圍第1項所述的電透析模組，其中所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜具有相同的極性。
- 如申請專利範圍第1項所述的電透析模組，其中所述至少一第一電極與所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜具有相同的極性。
- 如申請專利範圍第2項所述的電透析模組，其中所述至少一第一電極為陽極，且所述至少一第一電極於次氯酸鈉溶液中的析氧電位為1.5V至2V。
- 如申請專利範圍第4項所述的電透析模組，其中所述至少一第一電極的材料選自由氧化銥、氧化鉛、鉛、銀、鐵、白金、不鏽鋼、鈦、其氧化物以及合金形式之組合所構成的群組。
- 如申請專利範圍第4項所述的電透析模組，其中所述至少兩個第二電極為陰極，且所述至少兩個第二電極的材料選自由不鏽鋼、鐵、鉑、鈦、氧化銥、汞、其氧化物以及合金形式之組合所構成的群組。
- 如申請專利範圍第4項所述的電透析模組，其中所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜為陽離子交換膜。
- 如申請專利範圍第2項所述的電透析模組，其中所述至少一第一電極為陰極，所述至少一第一電極於次氯酸鈉溶液中的析氫電位為-0.5V至-1.5V。
- 如申請專利範圍第8項所述的電透析模組，其中所述至少一第一電極的材料選自由不鏽鋼、鐵、鉑及鈦所構成的群組。
- 如申請專利範圍第8項所述的電透析模組，其中所述至少兩個第二電極為陽極，所述至少兩個第二電極的材料選自由氧化銥、氧化釕、氧化鉛、銅、鋅、鉛、鋁、金及其組合所構成的群組。
- 如申請專利範圍第8項所述的電透析模組，其中所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜為陰離子交換膜。
- 一種電透析系統，包括：如申請專利範圍第1~11項中任一項所述的電透析模組；以及應用單元，以連接件連接至所述電透析模組。
- 如申請專利範圍第12項所述的電透析系統，其中所述應用單元包括發酵槽、膜濾單元、生物過濾單元、分離純化單元或其組合。
- 一種電透析模組，包括：至少一基本單元，包括：工作槽；第一離子交換膜，位於所述工作槽中；第二離子交換膜，位於所述工作槽中；兩個隔板，位於所述工作槽中，且所述兩個隔板、所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜共同將所述工作槽區隔為兩個電極室、兩個隔室以及位於所述兩個隔室之間的脫鹽室，其中每一隔室位於所述脫鹽室以及相對應的電極室之間；至少一第一電極，位於所述脫鹽室中；以及至少兩個第二電極，分別位於每一個電極室中，其中所述至少兩個第二電極的極性與所述至少一第一電極的極性不同。
- 如申請專利範圍第14項所述的電透析模組，其中所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜具有相同的極性。
- 如申請專利範圍第15項所述的電透析模組，其中所述兩個隔板包括與所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜具有不同極性的離子交換膜。
- 如申請專利範圍第14項所述的電透析模組，其中所述兩個隔板具有液體通透性，且不是離子交換膜。
- 如申請專利範圍第14項所述的電透析模組，其中所述至少一第一電極與所述第一離子交換膜以及所述第二離子交換膜具有相同的極性。
- 一種電透析系統，包括：如申請專利範圍第14~18項中任一項所述的電透析模組；以及應用單元，以連接件連接至所述電透析模組。
- 如申請專利範圍第10項所述的電透析系統，其中所述應用單元包括發酵槽、膜濾單元、生物過濾單元、分離純化單元或其組合。
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