包括離子交換隔離物的電去離子裝置的組裝方法
【專利摘要】一種用于組裝電去離子裝置的方法，所述方法包括以順序布置提供：陽極、膜電池組件、陰極；其中，所述膜電池組件包括至少一種如下的順序布置：陽離子交換膜、濃縮室、陰離子交換膜、稀釋室、陽離子交換膜、濃縮室和陰離子交換膜。所述方法包括：將離子交換隔離物放置在所述膜電池組件的至少一個室中，其中，離子交換隔離物包括離子交換樹脂和可溶性粘合劑。
【專利說明】包括離子交換隔離物的電去離子裝置的組裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電去離子裝置、及其組成部件和用于組裝電去離子裝置的方法。
[0002]發(fā)明背景
[0003]電去離子(EDI)是一種眾所周知的用于采用電位驅(qū)動離子穿過離子選擇膜而去除液體中的可電離物質(zhì)的過程。圖1圖示了在10處的典型板框構(gòu)造的EDI裝置的理想視圖，該EDI裝置包括交替設(shè)置的半滲透性帶正電荷的陰離子交換膜“AEM” (12)和帶負電荷的陽離子交換膜“CEM”(14)，這兩種薄膜位于相對的陽極(16)和陰極(18)之間并由在兩種膜之間限定出流體通道的室隔開。多孔隔離物(spacer)通常位于室中以保持間隔并促進液體從其間流過。在運行期間，當液體進料流過(由向上的箭頭表示)室時在該裝置上施加橫向直流電場，使得進料液體中的離子被拉向其相應(yīng)的對電極。具體地，流過以面對帶正電荷的陽極(16)的AEM(12)和面對帶負電荷的陰極(18)的CEM(14)為界限的“稀釋”室(20,20'、20〃)的液體中的離子被貧化。流過以面對陰極的AEM(12)和面對陽極(16)的CEM(14)為界限的“濃縮”室(22、22'、22〃、22'")的液體有效捕獲從相鄰稀釋室引出的離子。從濃縮室離開裝置(10)的液體稱為“濃縮液”或“透余物(reject)”并且具有相對較高濃度的離子物質(zhì)，而離開稀釋室的液體稱為“稀釋液”或“滲透液”并且具有相對較低濃度的離子物質(zhì)。一個或多個室中可充填離子交換介質(zhì)(24)以促進離子傳輸。適用的離子交換介質(zhì)的示例包括呈顆粒形式(例如，粒狀、纖維或珠狀)的多孔或凝膠狀離子交換樹脂。室可包含單一類型的離子交換樹脂或包含陽離子(26)和陰離子(28)交換樹脂的混合物，陽離子和陰離子交換樹脂以多種布置方式提供，例如，如US2007/0051684中描述的隨機設(shè)置或帶狀布置。
[0004]已使用多種技術(shù)用離子交換樹脂來填充EDI裝置的室。例如，USP5066375、USP5120416、USP5203976、USP7094325 和 USP2004/073535 中描述了將漿狀離子交換樹脂引入預(yù)形成室中。在可替代的方法中，離子交換樹脂可粘附在隔片上或保持在隔離物狀的隔離物套中，該隔離物套在形成室時置于薄膜之間。隔離物通常包括非編織網(wǎng)或編織網(wǎng)、網(wǎng)格或網(wǎng)屏材料，如USP7591933和USP6881336中所述。USP3271292描述了一種類似的使用隔片的方法，所述隔片包括結(jié)合在樹脂基質(zhì)中的離子交換纖維。還在另一實施方式中，隔離物狀的隔離物支撐架支撐稀釋室中的離子交換樹脂，如USP7097753所述。
[0005]這些已知的用于將離子交換樹脂引入EDI裝置中的技術(shù)具有幾個缺點。涉及引入漿狀混合物的技術(shù)是費時的且需要使用特定裝備。而且，離子交換堆積密度在不同的室中不相同。此外，難以實現(xiàn)不同離子交換樹脂的多層或帶狀布置。盡管使用包含離子交換樹脂的預(yù)形成隔離物或隔離物套解決了這些缺陷中的許多缺陷，但是這些技術(shù)需要引入額外的隔離物材料，其通過作為局部絕緣體會增加體積并制約離子傳輸。
[0006]發(fā)明概述
[0007]本發(fā)明包括電去離子裝置、離子交換隔離物和用于組裝電去離子裝置的方法，所述方法包括提供以順序布置的陽極、膜電池組件和陰極，其中，所述膜電池組件包括至少一種如下的順序布置:陽離子交換膜、濃縮室、陰離子交換膜、稀釋室、陽離子交換膜、濃縮室和陰離子交換膜。本發(fā)明包括在所述膜電池組件的至少一個室中提供離子交換隔離物的步驟，所述離子交換隔離物包括離子交換樹脂和可溶性粘合劑。描述了許多不同實施方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參照詳細說明和附圖可更好地理解本發(fā)明和多種實施方式。提供附圖是為了便于說明，附圖不一定是按比例繪制而成。在這些部分中，相同的附圖標記表示相同的元件。
[0009]圖1是板框構(gòu)造的EDI裝置的理想正視圖。
[0010]圖2(a)是包括離子交換樹脂的理想離子交換隔離物的一個實施方式的透視圖，該離子交換樹脂以隨機模式設(shè)置在可溶性粘合劑中。
[0011]圖2(b)是包括離子交換樹脂的離子交換隔離物的另一實施例方式的透視圖，該離子交換樹脂以帶狀模式設(shè)置在可溶性粘合劑中。
[0012]圖2(c)是圖2(a)所示離子交換隔離物的正視圖。
[0013]圖3是螺旋纏繞構(gòu)造的EDI裝置的部分剖面透視圖。
[0014]圖4是部分制得的離子交換隔離物的理想化實施方式的透視圖。
[0015]發(fā)明詳述
[0016]本發(fā)明包括離子交換隔離物及其制造方法。離子交換隔離物包括離子交換樹脂和可溶性粘合劑。對于離子交換樹脂的選擇不做特殊限制。典型示例包括顆粒形狀，例如粒狀、纖維和珠狀的大孔和凝膠離子交換樹脂(例如，包括均勻粒度的離子交換樹脂)。適用樹脂包括衍生自隨后被官能化(例如，通過胺化或磺化)的苯乙烯和二乙烯基苯或丙烯酸酯的樹脂。具體示例包括道DoWeXTMl牌陰離子交換樹脂和Dowex? Marathon? C牌陽離子交換樹脂，這兩種離子交換樹脂都可從陶氏化學(xué)公司得到。
[0017]盡管對于可溶性粘合劑的選擇不做特殊限制，但粘合劑必須能夠形成結(jié)構(gòu)，例如，通過澆鑄、擠出、涂層或熔融處理。在某些實施方式中，粘合劑可包括在粘合劑成型后便蒸發(fā)或以其它方式除去的溶劑或增塑劑。也可包括其它任選的添加劑，例如，增稠劑和濕潤齊U。在其它實施方式中，不包括添加劑或溶劑。粘合劑還必須是可溶解的。如本文中使用到的，術(shù)語“可溶解的”意味著粘合劑在暴露于溶劑時不再保持預(yù)形成結(jié)構(gòu)，例如，當浸入溶劑(例如水溶液，例如水、酸、堿、有機溶劑等)時粘合劑基本溶解，使得隔離物結(jié)構(gòu)破壞，留下無束縛的離子交換樹脂顆粒。例如，在一種實施方式中，一立方厘米的粘合劑材料樣品當浸沒在攪拌或攪動的溶液中時，在少于12個小時，優(yōu)選地少于6個小時，更優(yōu)選地少于I個小時內(nèi)，基本溶解。在某些實施方式中，使用加熱的(例如，40-100°C )溶液可促進溶解。在其它實施方式中，使用堿性的(例如，PH = 7.5-12，優(yōu)選地，pH > 9)或酸性的(例如pH = 3-6.5，優(yōu)選地，pH < 5)的水溶液可促進溶解。優(yōu)選溶劑包括水溶液。代表性的粘合劑包括可溶性固體泡沫和可溶性凝膠，其包括無機材料例如碳酸鈣或氫氧化鋁(例如，如USP4389238所述)和有機材料例如交聯(lián)聚乙烯醇(例如，通過將聚乙烯醇與硼酸結(jié)合而形成)。尤其優(yōu)選的是水凝膠?？扇苄哉澈蟿┑钠渌纠ㄋ苄圆牧?，水溶性材料包括天然聚合物、改性天然聚合物和合成聚合物，例如:纖維素(例如，甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素)、淀粉、明膠、膠原(例如，動物膠)、多糖(例如，樹膠)、聚烯化氧(例如，聚乙二醇)、水溶性離聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇及其衍生物。[0018]對用于制備離子交換隔離物的方法不做特殊限制。例如，離子交換樹脂顆?？膳c可溶性粘合劑結(jié)合(例如，混合、熔融處理或以其它方式摻混)，然后進行澆鑄、擠出、擠壓、噴射或以其它方式形成薄片或類似形狀。在可替代的實施方式中，離子交換顆?？蓱?yīng)用于由可溶性粘合劑制成的預(yù)形成薄片。離子交換顆粒可通過以下方式粘附在粘合劑上:通過可溶性膠黏劑；通過粘合劑本身固有的粘性或通過加熱粘合劑以軟化粘合劑的方式。還在另一實施方式中，將離子交換顆粒和可溶性粘合劑的混合物共同擠出、鋪展或澆鑄在離型板(release sheet)上，其隨后在離子交換隔離物形成后從離子交換隔離物中去除。在另一實施方式中，離子交換顆粒和可溶性粘合劑被共同擠出、鋪展或澆鑄在膜電池組件的膜片上，如下文參照圖4所述。
[0019]作為特定示例，將離子交換樹脂顆粒和可溶性粘合劑的澆鑄混合物進行混合以形成分布在模具中或在平整表面上的均勻糊劑?？稍跐茶T混合物的表面上施加壓力以形成薄隔離物。接著，優(yōu)選地對澆鑄混合物進行干燥(例如，通過在約60°C的溫度下加熱30-60分鐘)以形成耐用的離子交換隔片，其在組裝EDI裝置期間能夠被處理。在一種優(yōu)選實施方式中，澆鑄混合物包括:至少30重量％和更優(yōu)選地約40重量％至80重量％的離子交換樹月旨(基于離子交換的干重)；和低于50重量％和更優(yōu)選地約5重量％至30重量％的可溶性粘合劑，澆鑄混合物的剩余物包括水和甘油等濕潤劑。優(yōu)選地，使用相對高濃度的離子交換樹脂顆粒以增強多個樹脂顆粒之間的連續(xù)接觸，從而接近或超過滲濾極限。帶狀或其它離子交換設(shè)置可通過如下方式形成:利用可去除的間隔元件將模具進行分割以限定出單獨的隔間。接著，各個隔間可充填所期望的澆鑄混合物。隨后，去除間隔元件并干燥澆鑄混合物以形成離子交換隔片。
[0020]在優(yōu)選實施方式中，離子交換隔離物是柔性的，其在制造膜電池組件和EDI裝置期間可以被操縱。離子交換隔離物還優(yōu)選足夠的強壯以在儲存期間和組裝進EDI裝置期間保持其物理完整性。
[0021]圖2(a_c)示出了所述離子交換隔離物的幾種代表性實施方式。隔離物(30)包括離子交換樹脂顆粒(32)，該離子交換樹脂顆粒至少部分嵌入或固定在可溶性粘合劑(34)中。離子交換樹脂顆粒(32)可以為多種形式，例如，纖維、粒狀等，但優(yōu)選地為珠狀。隔離物
(30)可以包括單一類型的離子交換樹脂，例如，陰離子交換樹脂或陽離子交換樹脂，也可包括多種類型的陽離子樹脂或陰離子樹脂，或其組合。例如，圖2(a)所示實施方式包括陽離子(36)和陰離子(38)交換樹脂顆粒的隨機混合物，而圖2(b)所示實施方式包括帶狀或條狀設(shè)置的陽離子(36)和陰離子(38)交換樹脂顆粒。盡管未圖示，但離子交換隔離物(30)可任選地包括其它結(jié)構(gòu)例如襯布等。為了簡化，所述隔離物(30)的厚度已經(jīng)被圖示為大約等于離子交換顆粒(32)的直徑。應(yīng)了解，對隔離物的厚度不做特殊限制，隔離物可以足夠厚以容納多個基本上堆放在隔離物整個厚度上的離子交換顆粒。同樣，如果利用其它形式的離子交換樹脂(例如，纖維或粒狀)，那么隔離物的厚度可以變化。在幾種實施方式中，隔離物(30)是柔性的(例如，可纏繞在直徑為約5cm的中心管上而不會破裂)并可用于如參照圖3所述的螺旋纏繞構(gòu)造中。在這種實施方式中，離子交換隔離物可纏繞在中心管上而不會破裂。
[0022]在圖2(b)所示實施方式中，離子交換隔離物(30)包括帶狀設(shè)置，其中，第一帶
(40)中的離子交換顆粒按重量計大多數(shù)為陽離子交換樹脂顆粒(36)，而第二帶(42)中的顆粒按重量計大多數(shù)為陰離子交換樹脂顆粒(38)。在大部分隔離物(40'、42')上重復(fù)這種交替帶的模式。盡管未圖示，但也可提供不同離子交換樹脂的可替代設(shè)置方式。
[0023]本發(fā)明進一步包括通過提供以下順序布置來組裝EDI裝置的方法:
[0024]陽極⑴/膜電池組件/陰極(-)
[0025]其中，膜電池組件包括至少一種如下的順序布置:
[0026]CEM/濃縮室/AEM/稀釋室/CEM/濃縮室/AEM
[0027]其中，離子交換樹脂顆粒位于膜電池組件的至少一個室中。圖1圖示了這種設(shè)置。在優(yōu)選實施方式中，離子交換樹脂顆粒位于膜電池組件的多個室中，例如，各個稀釋室(20、20' ,20'")。如前面參照圖2(a)和2(b)所述，離子交換樹脂顆粒優(yōu)選地以離子交換隔離物(30)的形式提供。
[0028]在一種實施方式中，所述離子交換隔離物(30)位于AEM(12)與CEM(14)之間以在制造膜電池組件期間限定稀釋室(20)?？商娲?，或此外，離子交換隔離物(30)也可位于CEM(14)與AEM(12)之間以在組裝膜組件期間限定濃縮室(22、22'、22"、22'")。一旦組裝完成，可通過使水性沖洗液(例如，水)流過EDI裝置的室而去除離子交換隔離物(30)的可溶性粘合劑(34)?？杉訜釠_洗液以促進可溶性粘合劑的去除。在該過程中或在該過程之后，無束縛的離子交換顆?？蓴U張并相互接觸，同時大體上保持其最初的設(shè)置。
[0029]圖3圖示了與US2004/0173535所述的相似螺旋纏繞構(gòu)造的EDI裝置。為便于說明，剪掉了圖3的一部分以圖示膜電池組件(44)，該膜電池組件(44)包括:CEM(14)、濃縮室(22)、AEM(12)、稀釋室(20)、CEM(14)、濃縮室(22')和AEM(12)。在說明性實施方式中，各個濃縮室(22、22’)均包括隔片，該隔片包括非編織網(wǎng)格，稀釋室(20)包括如參照圖2所述的離子交換隔離物(30)。通過布置上面提到的部件(即，膜、隔片和離子交換隔離物)以形成纏繞在中心管或管子(46)上的膜電池組件(44)來組裝EDI裝置。如螺旋纏繞構(gòu)造中常見的，管(46)也可作為電極(例如，陰極)。該組件然后可按照現(xiàn)有技術(shù)的標準做法插入包括陽極(未圖示)的圓筒形殼體(未圖示)中。
[0030]圖4圖示了離子交換隔離物(30)的可替代實施方式。圖示的隔離物(30)處于部分制得狀態(tài)，包括:離子交換顆粒(36、38)的交替帶(40、42)和可溶性粘合劑(34)，其從擠出機(46)涂覆在半滲透交換膜(12)的表面上。以與參照圖2(b)所述的相似方式，該設(shè)置可包括陽離子(36)和陰離子(38)交換樹脂顆粒的交替帶。一旦完全擠出，單個帶可允許結(jié)合(例如，加熱、加壓等)以在膜(12)的表面上形成離子交換隔離物(30)。產(chǎn)生的復(fù)合結(jié)構(gòu)然后可用于膜電池組件中，其中，離子交換隔離物(30)安裝在至少一個室中。盡管未圖示，但交替帶可選地包括固體泡沫或凝膠，包括離子交換樹脂顆粒和可溶性粘合劑?？商娲?，可溶性粘合劑可為高粘度液體，使得在元件滾動期間或在元件滾動之后抑制其流動。在一種優(yōu)選實施方式中，優(yōu)選液體的粘度在20°C下為至少0.1帕秒，更優(yōu)選地為至少I帕秒，或者甚至為至少10帕秒。這些粘度可通過使用非聚合添加劑來實現(xiàn)，該液體可為純物質(zhì)(例如，甘油)或溶液(例如，濃縮糖)，只要其易于溶解在水中并易于從元件中去除。
[0031]已對本發(fā)明的多種實施方式進行了說明，并且在某些情況下，特定實施方式、選擇、范圍、成分或其它特征已被描述為“優(yōu)選”。指定某特征為優(yōu)選不應(yīng)理解為認為該特征為本發(fā)明的必要或關(guān)鍵方面。EDI裝置對于兩種基本構(gòu)造均適用:如圖1所示并如RE35741和USP6149788所述的板框構(gòu)造，以及如圖3所示并如USP5376253、US2007/0163891、USP7591933、RE40733和US2008/0105552所述的螺旋纏繞。盡管本發(fā)明對于兩種EDI構(gòu)造均適用，但其尤其優(yōu)選地與參照圖3所述的螺旋纏繞構(gòu)造相關(guān)聯(lián)。
[0032]本文引用的各個專利的全部內(nèi)容均以引用的方式并入本文。
【權(quán)利要求】
1.一種用于組裝電去離子裝置的方法，所述方法包括以順序布置提供:陽極、膜電池組件、陰極；其中，所述膜電池組件包括至少一種如下的順序布置:陽離子交換膜、濃縮室、陰離子交換膜、稀釋室、陽離子交換膜、濃縮室和陰離子交換膜，其中，離子交換樹脂位于所述膜電池組件的至少一個室中；以及 其中，所述方法的特征在于:作為離子交換隔離物來提供所述離子交換樹脂，所述離子交換隔離物包括可溶性粘合劑中的離子交換樹脂顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過擠出交換樹脂顆粒和可溶性粘合劑的混合物來制備所述離子交換隔離物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述離子交換隔離物位于陰離子交換膜和陽離子交換膜之間，以在所述膜電池組件的組裝期間限定稀釋室。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可溶性粘合劑是在20°C下粘度為至少0.1帕秒的液體。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可溶性粘合劑包括凝膠或泡沫。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述離子交換隔離物為片狀形式。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過使水溶液或水流過所述電去離子裝置的室而從所述組裝的電去離子裝置中去除所述離子交換隔離物的可溶性粘合劑。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述離子交換隔離物包括以帶狀設(shè)置提供的陽離子和陰離子交換樹脂顆粒，其中，第一帶中的離子交換樹脂顆粒按重量計大多數(shù)為陽離子交換樹脂，第二帶中的離子交換樹脂顆粒按重量計大多數(shù)為陰離子交換樹脂。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過擠出陽離子交換樹脂顆粒和可溶性粘合劑的混合物以形成第一帶并擠出陰離子交換樹脂顆粒和可溶性粘合劑的混合物以形成與所述第一帶相鄰的第二帶來制備所述離子交換隔離物，其中，所述帶被結(jié)合以形成所述離子交換隔離物。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電去離子裝置包括螺旋纏繞構(gòu)造，并且其中，所述離子交換隔離物位于陰離子交換膜與陽離子交換膜之間以限定膜電池組件，并且其中，所述膜電池組件圍繞中心管纏繞。
【文檔編號】B01D61/48GK103764262SQ201280028356
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月10日
【發(fā)明者】S·D·瓊斯, J·杜利, D·J·莫爾, G·L·波普, M·A·斯波爾丁 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)有限責(zé)任公司