TWI850218B - 用於高濃度酸或鹼生產的多級雙極電滲析系統 - Google Patents
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Abstract
雙極電滲析(bipolar electrodialysis，BPED)單元能夠將鹽溶液轉化為酸性溶液及鹼溶液。然而，質子經由陰離子交換膜遷移且往往中和該鹼溶液。在本文所述之雙極電滲析系統中，設置多個BPED單元以提供多級處理系統。多達一半或多達三分之一之級具有含有酸阻斷陰離子膜之單元。該或該等具有酸阻斷陰離子膜之級位於該系統之酸產物輸出端處，其中該系統中之酸濃度係最高。在一些具有酸阻斷陰離子膜之級中置換傳統陰離子膜使得生產較高濃度之產物，同時能量消耗適度增加。
Description
本發明係關於用於自鹽溶液生產酸或鹼之雙極電滲析系統及方法。
以下段落並非承認其中所論述之任何東西係先前技術或熟習此項技術者之知識之部分。
雙極電滲析單元係指包括雙極膜之電滲析單元。在施加電場時，雙極膜將水分裂為水合氫離子及羥基離子。此等產生之離子與來自包括鹽之製程物流之陽離子及陰離子組合，其中陽離子與陰離子藉由電滲析單元中之一或多個離子交換膜分離。水合氫離子與陰離子組合且羥基離子與陽離子組合，使得生產具有酸及鹼之物流。
雙極電滲析單元可為雙室單元或三室單元。雙室單元包括在兩個雙極膜之間之陽離子交換膜或陰離子交換膜。選擇使用陽離子交換膜或陰離子交換膜視加工哪些鹽而定。陽離子交換膜用於加工諸如有機酸及胺基酸鈉鹽之具有弱酸及強鹼的鹽之溶液。該等有機酸及胺基酸之實例包括：抗壞血酸、乙酸、乳酸、甲酸、葡萄糖酸及麩胺酸。陰離子交換膜用於加工諸如氯化銨鹽、硫酸銨鹽或乳酸銨鹽之具有弱鹼及強或弱酸的鹽之溶液。
三室單元包括在兩個雙極膜之間之陰離子交換膜及陽離子交換膜，藉此形成三室。三室係：在第一雙極膜與陰離子交換膜之間的酸性溶液生產室；在第二雙極膜與陽離子交換膜之間的鹼性溶液生產室；以及在陽離子交換膜與陰離子交換膜之間的生產鹽還原溶液之室。三室BPED單元用於回收來自其對應鹽之無機酸及鹼。
以下介紹意欲向讀者引入本說明書但不界定任何本發明。一或多個發明可存在於下文所描述之裝置元件或方法步驟之組合或子組合中或此文件之其他部分中。本發明人僅藉由不描述申請專利範圍中之此類其他發明而不放棄或否認其在本說明書中所公開之任何發明之權利。
雙極電滲析(BPED)單元能夠將鹽溶液轉化為酸性溶液及鹼溶液。然而，質子經由陰離子交換膜遷移且往往中和鹼溶液。隨著酸濃度增加，質子之流動增加。此降低單元之能效，且實際上限制所生產之酸之濃度。通常，在習知BPED系統中生產濃度大約為1 mol/L及70%電流效率之酸及鹼。在一些情況下，此濃度足以提供可用產物，但要形成大多數應用，產物濃度過低而無法再使用或出售酸產物及鹼產物。
在本文所述之雙極電滲析系統中，設置多個BPED單元以提供多級處理系統。在具有三室BPED單元之系統中，進料溶液在與鹼溶液及酸性溶液相反之方向上流動。在雙室BPED系統中，進料/酸性溶液在與鹼溶液相同之方向上流動。多達一半或多達三分之一之級具有含有酸阻斷陰離子膜之單元。舉例而言，具有兩個或三個級之系統中之一個級可具有酸阻斷陰離子膜，或者具有四至八個級之系統中之一或兩個級可具有酸阻斷陰離子膜。一或多個具有酸阻斷陰離子膜之級位於系統之酸產物輸出端處，其中系統中之酸濃度係最高。各級之其餘部分具有習知(即非酸阻斷)陰離子膜。
在一些級中用酸阻斷陰離子膜置換傳統陰離子膜會減少質子遷移至鹼溶液。此使得待生產較高濃度之產物。然而，與傳統陰離子膜相比，酸阻斷陰離子膜具有較低導電性(較高電阻)，若置換所有陰離子膜，則將導致能量消耗顯著增加。相比於在所有級中置換陰離子膜之系統，藉由僅在系統中酸濃度較高時使用酸阻斷陰離子膜，產物濃度可隨著能量消耗之較少增加而增加。
雙極膜電滲析(或，雙極電滲析，BPED)係結合電解及電滲析之方法。BPED器件接收鹽溶液且提供酸性溶液及鹼性溶液。視待生產之酸及鹼而定，雙極膜電滲析單元可為雙室或三室單元。
雙室單元可包括雙極膜及陽離子交換膜或陰離子交換膜。在本文所描述之實例中，雙室單元包括陰離子交換膜。包括雙極膜及陰離子交換膜之雙室單元可用於轉化諸如氯化銨、硫酸銨及乳酸銨之強酸鹽及弱鹼鹽。在三室單元中，有可能將水性鹽溶液轉化為強鹼及強酸，諸如將NaCl溶液轉化為NaOH溶液及HCl溶液。亦可使用三室單元轉化其他鹽，諸如KF、Na2
SO4
、NH4
Cl、KCl及有機酸及鹼之鹽。
三室雙極電滲析單元(100)之圖示展示於圖1中。三室雙極電滲析單元(100)說明陰極(202)與陽極(204)之間之兩個單元以簡化該圖，但是許多單元通常設置於雙極電滲析堆疊中。使用電解，雙極電滲析將水分裂為H+
及-
OH，其可見於雙極膜(206)之陽離子交換膜部分與陰離子交換膜部分之間。施加之電位差之應用誘導所產生之H+
離子經由陽離子交換膜(208)朝向陰極(202)移動至酸化溶液(210)中。類似地，所產生之-
OH離子經由陰離子交換膜(212)朝向陽極(204)移動至鹼化溶液(214)中。以類似方式，誘導鹽溶液(20)中之陽離子(416)及陰離子(418)分別移動通過陽離子及陰離子交換膜作為H+
離子與-
OH離子之電荷平衡，使得脫鹽流出物(216)自單元(200)排出。所展示之三室雙極電滲析單元(100)在逆流模式中操作，因為鹽濃縮溶液(20)(即進料水)在與酸化溶液(210)及鹼化溶液(214)相反之方向上移動。
在接受H+
離子之情況下，酸化溶液(210)變為酸性且作為酸性溶液(28)自雙極電滲析單元(200)排出。相反，在接受-
OH離子之情況下，鹼化溶液(214)變為鹼性且作為鹼性溶液(26)自雙極電滲析單元(200)排出。
酸化溶液(210)及鹼化溶液(214)包括離子以運載所施加之電流。此等離子變為所產生之酸及鹼中之相反離子。酸化溶液(210)、鹼化溶液(214)及鹽濃縮溶液(20)可均相同或不同。
在一個實例中，酸化溶液、鹼化溶液及鹽濃縮溶液均為NaCl/水溶液，其中所得酸性溶液為HCl/水溶液且所得鹼性溶液為NaOH/水溶液。在另一實例中，酸化溶液、鹼化溶液及鹽濃縮溶液均為硫酸鈉/水溶液，其中所得酸性溶液為H2
SO4
/水溶液且所得鹼性溶液為NaOH/水溶液。在另一實例中，酸化溶液、鹼化溶液及鹽濃縮溶液均為不同鹽之混合物(諸如硫酸鈉及NaCl)，且所得酸性溶液為H2
SO4
/HCl/水溶液且所得鹼性溶液為NaOH/水溶液。
在另一實例中，酸化溶液及鹼化溶液為水，而鹽濃縮溶液為NaCl/水溶液，其中所得酸性溶液為HCl/水溶液且所得鹼性溶液為NaOH/水溶液。
具有陰離子交換膜之雙室雙極電滲析單元(200)之圖示展示於圖2中。雙極電滲析單元(200)說明在陰極(202)與陽極(204)之間之兩個完整單元以簡化圖，但是許多單元通常設置於雙極電滲析堆疊中。使用電解，雙極電滲析將水分裂為H+
及-
OH，其可見於雙極膜(206)之陽離子交換膜部分與陰離子交換膜部分之間。施加之電位差之應用誘導所產生之H+
離子朝向陰極(202)移動至酸化溶液(210)中，且所產生之-
OH離子朝向陽極(204)移動至鹽濃縮溶液(20)中。雙極電滲析單元(200)包括陰離子交換膜(212)。雙室雙極電滲析單元(200)在並流模式中操作，因為酸化溶液(210)及鹽濃縮溶液(20)在相同方向上流動。
在接受H+
離子之情況下，酸化溶液(210)變為酸性且作為酸性溶液(28)自雙極電滲析單元(200)排出。相反，在接受-
OH離子之情況下，鹽濃縮溶液(20)變為鹼性且作為鹼性溶液(26)自雙極電滲析單元(200)排出。
酸化溶液(210)及鹽濃縮溶液(20)包括離子以運載所施加之電流。此等離子變為所產生之酸及鹼中之相反離子。酸化溶液(210)及鹽濃縮溶液(20)可相同或不同。
在下文待描述之多級雙極電滲析系統中，在一些級(而非所有級)中用酸阻斷陰離子膜置換陰離子交換膜。在一個實例中，藉由用三種組分之反應產物浸漬編織或非編織織物來製備聚合酸阻斷陰離子選擇性膜。組分I係烯系不飽和脂族或芳族三級或四級胺單體。組分II係交聯單體。組分III係氯化乙烯基苄基。此類型之膜更詳細地描述於以引用之方式併入本文中之美國專利第8，740，896號，酸阻斷陰離子膜中。
圖3展示具有酸阻斷陰離子膜(220)之三室電滲析單元(300)。圖3之單元(300)類似於圖1之三室電滲析單元(100)，且圖1之描述適用於圖3，除了圖1之陰離子交換膜(212)已經用圖3中之酸阻斷陰離子膜(220)置換。
圖4顯示具有酸阻斷陰離子交換膜(220)之雙室電滲析單元(400)。圖4之單元(400)類似於圖2之雙室電滲析單元(200)，且圖2之描述適用於圖4，除了圖2之陰離子交換膜(212)已經用圖4中之酸阻斷陰離子膜(220)置換。
圖5展示在逆流模式中操作之具有三室電滲析單元(100，300)之多級雙極電滲析系統(500)。在所示之實例中，存在兩個具有酸阻斷陰離子膜之三室電滲析單元(300)及五個三室電滲析單元(100)。鹽濃縮溶液(20)經由具有酸阻斷陰離子膜之三室電滲析單元(300)中之一個進入系統(500)。可作為補充水起始之酸化溶液(210)及鹼化溶液(214)經由三室電滲析單元(100)中之一個進入系統(500)。濃縮酸化溶液(210)流過具有酸阻斷陰離子膜之三室電滲析單元(300)，但是質子之遷移受酸阻斷陰離子膜抑制。
圖6展示在並流模式中操作之具有雙室電滲析單元(200，400)之多級雙極電滲析系統(600)。在所示之實例中，存在一個具有酸阻斷陰離子膜之雙室電滲析單元(400)及三個雙室電滲析單元(200)。鹽濃縮溶液(20)經由雙室電滲析單元(200)中之一個進入系統(600)。可作為補充水起始之酸化溶液(210)亦經由雙室電滲析單元(200)中之一個進入系統(600)。濃縮酸化溶液(210)流過具有酸阻斷陰離子膜之雙室電滲析單元(400)，但是質子之遷移受酸阻斷陰離子膜抑制。
此書面說明書使用實例來幫助揭示本發明，包括最佳模式，且亦使得任何熟習此項技術者能夠實踐本發明，包括製造且使用任何器件或系統且執行任何所併入之方法。在不背離本發明之範疇的情況下，可由熟習此項技術者對特定實例進行改變、修改及變化。本發明之可獲專利的範疇係藉由申請專利範圍所界定，且可包括熟習此項技術者所想到之其他實例。
20‧‧‧鹽濃縮溶液/鹽溶液
26‧‧‧鹼性溶液
28‧‧‧酸性溶液
100‧‧‧三室雙極電滲析單元/三室電滲析單元
200‧‧‧雙室雙極電滲析單元/雙室電滲析單元/雙極電滲析單元
202‧‧‧陰極
204‧‧‧陽極
206‧‧‧雙極膜
208‧‧‧陽離子交換膜
210‧‧‧酸化溶液
212‧‧‧陰離子交換膜
214‧‧‧鹼化溶液
216‧‧‧脫鹽流出物
220‧‧‧酸阻斷陰離子膜/酸阻斷陰離子交換膜
300‧‧‧具有酸阻斷陰離子膜之三室電滲析單元
400‧‧‧具有酸阻斷陰離子膜之雙室電滲析單元
416‧‧‧陽離子
418‧‧‧陰離子
500‧‧‧多級雙極電滲析系統
600‧‧‧多級雙極電滲析系統
圖1為三室雙極電滲析單元之示意性說明。
圖2為具有陰離子交換膜之雙室雙極電滲析單元之示意性說明。
圖3為具有酸阻斷陰離子膜之三室雙極電滲析單元之示意性說明。
圖4為具有酸阻斷陰離子膜之雙室雙極電滲析單元之示意性說明。
圖5為具有逆流之多級三室雙極電滲析單元及一些具有酸阻斷陰離子膜之級之示意性說明。
圖6為具有並流及酸阻斷陰離子膜之多級雙室雙極電滲析單元及一些具有酸阻斷陰離子膜之級之示意性說明。
20‧‧‧鹽濃縮溶液
26‧‧‧鹼性溶液
28‧‧‧酸性溶液
100‧‧‧三室雙極電滲析單元
202‧‧‧陰極
204‧‧‧陽極
206‧‧‧雙極膜
208‧‧‧陽離子交換膜
210‧‧‧酸化溶液
212‧‧‧陰離子交換膜
214‧‧‧鹼化溶液
216‧‧‧脫鹽流出物
416‧‧‧陽離子
418‧‧‧陰離子
Claims (22)
- 一種雙極電滲析(bipolar electrodialysis，BPED)系統，其包含，複數個雙極電滲析級，所有該複數個雙極電滲析級包含雙室雙極電滲析單元或所有該複數個雙極電滲析級包含三室雙極電滲析單元，其中多達一半之該等雙極電滲析級包含酸阻斷陰離子膜。
- 如請求項1之雙極電滲析(BPED)系統，其中包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級係位於該BPED系統之酸產物輸出端處。
- 如請求項1之雙極電滲析(BPED)系統，其中該雙室雙極電滲析單元包含在兩個雙極膜之間的陽離子交換膜或陰離子交換膜，及該三室雙極電滲析單元包含在兩個雙極膜之間的陽離子交換膜及陰離子交換膜。
- 如請求項1至3中任一項之雙極電滲析(BPED)系統，其中多達三分之一之該等雙極電滲析級包含酸阻斷陰離子膜。
- 如請求項1至3中任一項之雙極電滲析(BPED)系統，其中該等雙極電滲析單元中之一或兩個包含酸阻斷陰離子膜。
- 如請求項1至3中任一項之雙極電滲析(BPED)系統，其中該等級包含三室BPED單元，其經組態以使得進料溶液在與鹼化溶液及酸化溶液相反之方向上流動。
- 如請求項6之雙極電滲析(BPED)系統，其中鹽濃縮溶液首先流過該等包含酸阻斷陰離子膜之雙極電滲析級。
- 如請求項1至3中任一項之雙極電滲析(BPED)系統，其中：該複數個雙極電滲析級之每一者包含三室BPED單元；及該BPED系統包含至包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之進料溶液入口，及自不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之流出物出口，該進料溶液入口和該流出物出口係流體連通；至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之鹼化溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之鹼性溶液出口，該鹼化溶液入口和該鹼性溶液出口係流體連通；及至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸化溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸性溶液出口，該酸化溶液入口和該酸性溶液出口係流體連通。
- 如請求項1至3中任一項之雙極電滲析(BPED)系統，其中該等級包含雙室BPED單元，其經組態以使得進料溶液在與酸化溶液相同之方向上流動。
- 如請求項9之雙極電滲析(BPED)系統，其中鹽濃縮溶液最後流過該等包含酸阻斷陰離子膜之雙極電滲析級。
- 如請求項1至3中任一項之雙極電滲析(BPED)系統，其中： 該複數個雙極電滲析級之每一者包含雙室BPED單元；及該BPED系統包含至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之進料溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之流出物出口，該進料溶液入口和該流出物出口係流體連通；及至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸化溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸性溶液出口，該酸化溶液入口和該酸性溶液出口係流體連通。
- 一種用於自鹽溶液生產酸之方法，其包含：在多級雙極電滲析(BPED)系統中處理鹽溶液至BPED以由酸產物輸出端產生酸產物，其中所有該複數個雙極電滲析級包含雙室雙極電滲析單元或所有該複數個雙極電滲析級包含三室雙極電滲析單元，其中多達一半之該等雙極電滲析級包含酸阻斷陰離子膜。
- 如請求項12之方法，其中包含該酸阻斷陰離子膜該極或該等級係位於該BPED系統之酸產物輸出端處。
- 如請求項12之方法，其中該雙室雙極電滲析單元包含在兩個雙極膜之間的陽離子交換膜或陰離子交換膜，及該三室雙極電滲析單元包含在兩個雙極膜之間的陽離子交換膜及陰離子交換膜。
- 如請求項12至14中任一項之方法，其中多達三分之一之該等雙極電 滲析級包含酸阻斷陰離子膜。
- 如請求項12至14中任一項之方法，其中該等雙極電滲析單元中之一或兩個包含酸阻斷陰離子膜。
- 如請求項12至14中任一項之方法，其中該等級包含三室BPED單元，其經組態以使得進料溶液在與鹼化溶液及酸化溶液相反之方向上流動。
- 如請求項17之方法，其中鹽濃縮溶液首先流過該等包含酸阻斷陰離子膜之雙極電滲析級。
- 如請求項12至14中任一項之方法，其中：該複數個雙極電滲析級之每一者包含三室BPED單元；及該BPED系統包含至包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之進料溶液入口，及自不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之流出物出口，該進料溶液入口和該流出物出口係流體連通；至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之鹼化溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之鹼性溶液出口，該鹼化溶液入口和該鹼性溶液出口係流體連通；及至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸化溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸性溶液出口，該酸化溶液入口和該酸性溶液出口係流體連通。
- 如請求項12至14中任一項之方法，其中該等級包含雙室BPED單元，其經組態以使得進料溶液在與酸化溶液相同之方向上流動。
- 如請求項20之方法，其中鹽濃縮溶液最後流過該等包含酸阻斷陰離子膜之雙極電滲析級。
- 如請求項12至14中任一項之方法，其中：該複數個雙極電滲析級之每一者包含雙室BPED單元；及該BPED系統包含至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之進料溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之流出物出口，該進料溶液入口和該流出物出口係流體連通；及至不含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸化溶液入口，及自包含該酸阻斷陰離子膜之該極或該等級之酸性溶液出口，該酸化溶液入口和該酸性溶液出口係流體連通。
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