采用电渗析分离离子物质的方法和设备的制作方法

专利名称：采用电渗析分离离子物质的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种从液体中分离离子物质的方法，和从液体中分离离子物质的设备。并且本发明涉及一种电增强渗析槽和这种槽在这种方法和设备中的应用。
背景技术：
从液体中分离离子物质是一种非常重要的工业生产过程，广泛应用于各种技术领域，例如由精炼金属从发酵液中净化乳酸。
已经研究并引入大量工艺和设备，目的是改进从液体中分离离子物质的过程。在这些工艺和设备中，包括使用超过滤器和纳米过滤器过滤，使用离子交换器和使用电渗析槽电渗析。
日本第63335032号专利申请书公开一种脱盐设备。此设备包含一种为溶液脱盐的donnan渗析设备，和一种用以再生和再利用酸或碱溶液的电渗析设备。这种设备不适于脱盐含液体的颗粒。
美国第5746920号专利公开一种净化生活污水的工艺。此工艺包括先使用碱处理污水。然后将处理过的污水引入发酵槽中，其中污水中的乳糖被发酵而形成液体培养基和乳酸。通过离子交换和纳米过滤净化液体培养基，双极电渗析净化后的液体培养基以从净化后的液体培养基中获得浓酸和基液(base solutions)。按照美国专利的工艺非常复杂，实施成本高，并在过滤过程中存在很大的产品损失。此外这种工艺设计来分离特定离子物质。
日本专利申请JP7232038公开一种从含碱液体中回收高浓度碱的方法，它利用使用阳离子交换膜的扩散渗析和双极电渗析的组合。未采取对策防止扩散槽中的离子交换膜从含发酵液之类的蛋白质(proteinuous)材料的液体中污染。由于沿扩散渗析槽中的阳离子交换膜的驱动力非常低，只能获得很有限的流量。
日本专利申请JP63291608公开一种再生酸性废液的系统，它利用使用阴离子交换膜的扩散渗析和双极电渗析的组合。扩散槽中的流量很低。并且钙和镁离子之类的杂质将阻碍双极电渗析的使用，因为即使存在非常少量的钙或镁离子，也会损害或破坏双极膜。
德国专利申请DE19700044C1公开一种通过单极电渗析，然后通过双极电渗析生产酸和碱产品的方法。单极电渗析不能从液体中选择去除阳离子或阴离子，因此在不去除例如钙的情况下不能去除乳酸，这将导致双极电渗析中的问题。传统单极电渗析容易被生物材料、蛋白质等污染。
由于现有技术的缺点，需要一种分离离子物质的方法和设备，它能从不同种类的液体中分离离子物质，并且成本有效和导致高产量。

发明内容
本发明的目标是提供一种从液体中分离离子物质的替换方法和替换设备。
本发明的另一目标是提供一种分离离子物质的方法和设备，这种方法和设备简单，成本有效并提供高产量。
本发明的另一目标是提供一种分离离子物质的方法和设备，这种方法和设备可以用于分离含固体和颗粒的液体中的离子物质。本发明在从含有机材料颗粒和多价无机金属离子的液体中分离离子物质方面尤其有用。
此外本发明的一个目标是提供一种分离离子物质的方法和设备，这种方法和设备在分离含有机材料的液体中的离子物质方面很有用。
通过如权利要求书所定义的本发明完成这些目标。
术语离子物质指处于离子态的物质。例如当氯化钠NaCl溶解于水中时，它离解为离子Na+(阳离子)和Cl-(阴离子)。当离子电荷较小时，有可能使离子在电场中运动。
本发明提供一种从液体中分离离子物质的方法和设备。通过使用本发明，有可能从用颗粒之类高度污染的液体中分离离子物质。分离可以在不需过滤步骤的条件下执行，并有可能获得高产量。
按照本发明从第一液体中分离离子物质的方法包括以下步骤-在电增强渗析槽中处理第一液体，以将离子物质从第一液体传送入第二液体，-可选地在双极电渗析槽中处理第二液体，以将离子物质从第二液体传送入第三液体，-从第二或第三液体中选择分离离子物质。
第一液体可以从储罐提供至电增强渗析槽中。在渗析槽中离子物质被传送入第二液体，第二液体的pH值不同于第一液体。由于pH值不同，导致第一和第二液体中的H+和OH-浓度存在差异。第一和第二液体间的浓度差将成为电增强渗析槽中的驱动力。此浓度差将导致H+或OH-离子从第二液体至第一液体的流动，从而建立电位差或扩散电位，这将导致离子物质的阳离子(M+)或阴离子(X-)分别通过阳离子交换膜或阴离子交换膜被从第一液体传送至第二液体。如果离子物质为阳离子，第二液体相比第一液体将为酸性，如果离子物质为阴离子则反之。此过程已经被按照本发明的电增强渗析槽增强，其中已经利用电场增强驱动力。下文将更详细地说明电增强渗析槽。
在电增强渗析槽中处理之后，第二液体可以在双极电渗析槽中处理。在双极电渗析槽中离子物质将被浓缩。如果离子物质为阳离子，第三液体相比第二液体将为碱性，如果离子物质为阴离子则反之。在双极电渗析槽中驱动力为由通过槽中的恒直流导致的电位差。
根据待分离的离子物质，可以选择膜、酸、碱和PH值。这种选择可以由技术人员完成。
当离子物质被分离并浓缩入第三液体时，它当然可以从第三液体分离，例如获得干或基本上干的产物。
按照本发明的方法包括在第一液体处理过程中沿电增强渗析槽施加直流电场的特征。通过这种方法电位差或扩散电位被增强，从而增加从第一液体传送至第二液体的离子物质的数目。
为了改进槽的结果，最好在第一液体处理过程中改变电场的方向。最好通过改变直流电的方向，改变电场方向。通过改变电场方向，有可能使用于电增强渗析槽中的膜产生“自清洗”效应，防止第一液体处理过程中膜的污染。当直流电场被应用于渗析槽时，电加载颗粒被从第一液体驱动至槽的膜表面上。这里此颗粒将构成一层，一段时间后导致污染，这将使此膜作废。如果在颗粒已经导致污染之前电场被反向，颗粒将从膜中驱动回第一液体中，此膜将被清洗。
在按照本发明的一种实施方式中，可以在预定的基本上定时的间隔内改变电场，上述间隔优选位于从5秒至6000秒的范围，在8至1000秒的范围内更好，最好位于10至360秒的范围内。更具体地说，根据第一液体的性质和其中的颗粒的数量及性质，确定此间隔。
在按照本发明用于分离贮存在第一罐中的离子物质的优选实施方式中，其方法包括以下步骤-在电增强渗析槽中处理第一液体，以将离子物质从第一液体传送入第二液体，并将上述第二液体选择贮存在第二罐中；-在双极电渗析槽中处理第二液体，以将离子物质从第二液体传送入第三液体，并将第三液体选择贮存在第三罐中。
通过利用第一、第二和第三罐分别贮存第一液体、第二液体和第三液体，有可能获得对过程更好的控制，优化电增强渗析槽和双极电渗析槽中的液体处理。在处理过程中，罐起到贮存和/或寄存处理后液体或待处理液体的作用。
在电增强渗析槽中处理之后，最好将至少一部分第一液体回收至第一罐。此液体可以通过管道回收，例如提供泵和可选的清洗剂，通过此泵一部分处理后的第一液体可以被去除和/或被未处理第一液体替换。
此外，在双极电渗析槽中处理之后，最好将至少一部分第二液体回收至电增强渗析槽。此液体可以通过管道回收，例如提供泵和可选的清洗剂，通过此泵一部分处理后的第二液体可以被去除和/或替换。
并且，最好将至少一部分第三液体从第三罐中回收至双极电渗析槽。第三液体可以直接从双极电渗析槽或从第三罐中回收。通过回收第三液体，离子物质将浓缩在液体中。有可能在第三液体中获得非常高的浓度。与已知的从液体中分离离子物质的方法相比，此浓度可能高5至10倍。与在前面提到的循环线路管道类似，可以使用泵和清洁剂。
在按照本发明的方法的一种优选实施方式中，还包括在电渗析槽中处理第三液体的步骤，以去除不希望有的离子，例如，当你从液体中分离有机物质离子时，无机离子的存在是不希望有的。
在按照本发明的方法的一种优选实施方式中，还包括蒸发和/或结晶和/或层析处理第三液体，以从第三液体中分离离子物质。通过使用本方法的这种实施方式，有可能获得纯度很高的产品。
在本方法优选实施方式中，离子物质包含来自无机酸、有机酸、酶、缩氨酸、激素、抗生素或氨基酸的阴离子。这种离子物质还包括来自无机碱、有机碱、酶、缩氨酸、抗生素或氨基酸的阳离子。因此，本方法可广泛应用于多种含离子物质的液体。例如，本方法可以用于从金属蚀刻及食品加工水流中分离离子物质，包括利用乳酸菌菌株发酵草汁的发酵液，乳酸金属蚀刻的废水和生产柑桔油的废水。
按照本发明分离后的离子物质的摩尔量最好为高达大约1000克/摩尔。
本发明也涉及使用按照本发明从液体中分离离子物质的方法。
本发明还涉及分离通过本发明获得的离子物质。
本发明也包含一种用于从第一液体中分离离子物质的设备，这种设备包括-电增强电渗析槽，用于将离子物质从第一液体传送入第二液体，-双极电渗析槽，用于将离子物质从第二液体传送入第三液体，-可选的从第三液体分离离子物质的装置。
按照本发明的设备在从液体中分离离子物质方面具有优良的特性。相比已知设备可以获得非常高的产量。电增强渗析槽和双极电渗析槽的功能如本说明书前文所述。
在本设备的一种优选实施方式中，电增强渗析槽包括施加直流电场的装置。电场提高渗析槽中的电位差，因此增加可以从第一液体传送至第二液体的离子物质的数目。
在按照本发明的设备的一种更优选实施方式中，电增强渗析槽包括改变电场方向的装置。优选改变直流电场方向的装置。此装置可以是电开关、整流器、继电器等形式。通过改变直流的方向，可以建立膜的“自清洗”效应。
为了获得可能最好的“自清洗”效应，可以在预定的基本上定时的间隔内改变电场，上述间隔优选位于从5秒至6000秒的范围，在8至1000秒的范围内更好，最好位于10至360秒的范围内。具体间隔根据需要从中分离离子物质的液体而定。本领域的技术人员按照惯例确定用于具体液体的具体间隔。
在优选的实施方式中，按照本发明的设备包括用于第一液体的第一罐。第一罐最好放置在电增强渗析槽之前。此外，此设备最好包括用于第二液体的第二罐。第二罐最好放置在电增强渗析槽之后。
并且，此设备最好包括用于第三液体的第三罐。第三罐最好放置在双极电渗析槽之后。
在本发明具体的优选实施方式中，第一、第二和第三罐分别起到贮存和/或缓存第一液体、第二液体和第三液体的作用。
在另一优选实施方式中，按照本发明的设备包括将至少一部分第一液体从电增强渗析槽回收至第一罐的装置。
此外，此设备最好包括将至少一部分在双极电渗析槽中处理后的第二液体回收至电增强渗析槽的装置。
并且，此设备最好包括将至少一部分第三液体从第三罐中回收至双极电渗析槽的装置。
用于回收液体的装置通常为管道，可以为此管道提供泵和可选的清洗剂，以去除/替换液体。
在按照本发明的设备的优选实施方式中，施加直流电场的装置为放置在电增强渗析槽两相对端的电极。此电极可以是已知的任何类型，具有满足目的的任何所需形状。
在按照本发明的设备的具体优选实施方式中，通过放置在电增强渗析槽两相对端的两个或更多电极，与放置在其间的阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)一起构成电增强渗析槽。
电增强渗析槽通常为箱形，其具有平行底和顶元件、两个平行侧元件和两个端元件。膜被放置在槽中，其中膜表面平行于槽中的端元件。
在本设备更优选的实施方式中，电增强渗析槽的构成如下放置在两相对端的两个电极，与放置在两个电极的附近的两个端膜，端膜相对，并具有放置在其间的阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)。端膜和阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)构成贯穿电增强渗析槽的相邻室。
最好端膜为中性膜和/或阳离子交换膜和/或阴离子交换膜。端膜的目的是基本上防止电极和例如第一液体等被污染液体的接触。
当设备用于从液体中分离阳离子物质时，最好在电增强渗析槽中使用阳离子交换膜。当设备用于从液体中分离阴离子物质时，最好在电增强渗析槽中使用阴离子交换膜。
膜沿槽在平行于槽的端元件表面的方向形成相邻室。膜表面与此方向垂直。相邻室最好交替地适合于接收第一和第二液体。以已知的方法通过使用试管(tube)、管道、阀门等将液体导入槽中。
在按照本发明的设备的一种最简单的实施方式中，电增强渗析槽的构成如下至少两个阴离子交换膜或至少两个阳离子交换膜，其与端膜形成用于第一液体的中央室和在中央室两侧的用于第二液体的室。
在按照本发明的设备的优选实施方式中，偶数数目的阴离子交换膜或偶数数目的阳离子交换膜与两个端膜之间形成奇数数目的室，上述室交替地适合于接收第一和第二液体，其中由端膜和阴离子交换膜或阳离子交换膜构成的两个室用来接收第二液体。通过以这种方式组织膜，有可能优化槽的产量。槽中的膜的数目可以为几百，都相互平行放置，可选地在中间有隔离垫圈，这构成相邻室。
当制备按照本发明的设备用以分离阳离子物质时，最好用来分离阳离子物质的电增强渗析槽具有放置在端膜间的阳离子交换膜。
当制备按照本发明的设备用以分离阴离子物质时，最好用来分离阴离子物质的电增强渗析槽具有放置在端膜间的阴离子交换膜。
在更优选的实施方式中，本设备还包括用来从第三液体中去除不需要离子的电渗析槽，最好将此电渗析槽放置在双极电渗析槽后面。
在另一按照本发明的设备优选实施方式中，此设备还包括用于蒸发和/或结晶和/或层析处理第三液体的装置。因此通过使用本设备有可能获得干和/或纯最终产物。
本发明也涉及在按照本发明的方法中使用按照本发明的设备。
此外，本发明涉及使用按照本发明的设备从液体中分离离子物质。
本发明也包括一种电增强渗析槽，其中，使用电场增强此渗析槽。
优选使用直流电场增强此电增强渗析槽。
在按照本发明的电增强渗析槽的优选实施方式中，电增强渗析槽包括用以改变电场方向的装置，且最好为改变直流电场方向的装置。用以改变电场方向的此装置可以是电开关、整流器、继电器等。通过改变电场的方向，可以获得如上所述的槽的“自清洗”效应。
最好可以在预定的基本上定时的间隔内改变电场，上述间隔优选位于从5秒至6000秒的范围，在8至1000秒的范围内更好，最好位于10至360秒的范围内。从而可能调整渗析槽，使其具有优化的“自清洗”效应。
在电增强渗析槽的优选实施方式中，通过放置在电增强渗析槽两相对端的电极施加电场。
最好电增强渗析槽通过放置在两相对端的两个电极构成，并具有放置在其间的阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)。当渗析槽用于分离阳离子物质时，最好使用阳离子交换膜。当渗析槽用于分离阴离子物质时，最好使用阴离子交换膜。
在电增强渗析槽的优选实施方式中，电增强渗析槽通过放置在两相对端的两个电极，与分别放置在两个电极的附近的两个端膜构成，上述端膜相对，并具有放置在其间的阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)。
最好端膜为中性膜和/或阳离子交换膜和/或阴离子交换膜。端膜的目的是防止电极和被污染液体的接触。
此外，在按照本发明的电增强渗析槽中，最好端膜和阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)形成相邻室，并且最好此相邻室交替地适合于接收第一和第二液体。
当制备电增强渗析槽用以分离阳离子物质时，最好电增强渗析槽具有第一和第二电极，其中第一电极放置在电增强渗析槽中的第一端元件处，而第二电极放置在电增强渗析槽中的第二端元件处。第一和第二端元件彼此相对。电增强渗析槽还具有第一和第二阴离子交换膜，其中第一阴离子交换膜放置在第一电极附近，第二阴离子交换膜放置在第二电极附近。第一和第二阴离子交换膜彼此相对，并且至少两个阳离子交换膜放置在第一和第二阴离子交换膜之间，分别与阴离子交换膜具有一段距离，以在相邻膜间提供相邻室。当渗析槽用于分离阴离子物质时，阳离子交换膜和阴离子交换膜的放置被反转。
本发明也涉及在按照本发明的方法中使用按照本发明的电增强渗析槽。
此外，本发明涉及在按照本发明的设备中使用按照本发明的电增强渗析槽。


现在将参照附图，以更详细的实施例描述本发明，其中图1表示按照本发明的用来分离阴离子物质的电增强渗析槽。
图2表示按照本发明的用来分离阴离子物质的双极电渗析槽。
图3表示按照本发明的设备及方法示意图。
图4表示按照本发明的电增强渗析槽的构造。
图5表示原料流和碱性溶液中的乳酸浓度。
图6表示沿电增强渗析槽对的电位降。
图7表示沿电增强渗析槽对的电位降。
图8表示按照本发明的双极电渗析槽的构造。
图9表示乳酸盐从原料流至组合酸性基流(combined acid and basestream)的传送。
图10表示原料流中的PH、电导率、电流效率和能耗。
图11表示柠檬酸和苹果酸的浓度分布图。
图12表示槽中的电导率、PH和槽电阻。
图13表示甘氨酸的浓度。
图14表示沿组的电流。
图15表示赖氨酸的浓度。
具体实施例方式
实施例1图1表示按照本发明的电增强渗析槽的示意图。槽具有两个电极E1和E2，放置在电极室EC1和EC2中，EC1和EC2被放置在槽中的相对端。通过两个端膜将电极室从槽的中心部分分离开来，在本实施例中端膜为两个阳离子交换膜CEM。在此两个端膜间放置有四个阴离子交换膜AEM。因此，两个端膜和四个阴离子交换膜形成五个相邻室C1、C2、C3、C4和C5。
采用具有这种构造的槽从液体L1中分离阴离子X-。液体L1被导入槽的C2和C4室中。分离阴离子时的基液L2被导入槽的C1、C3和C5室中。通过经电极E1和E2应用的直流，增强两种液体间的电位差。
当情况如图1所示时，其中E1为正电极，阴离子X-沿E1的方向，经由阴离子交换膜从室C2和C3中的液体L1运动至C1和C3中的液体L2，如箭头所示。L1中的阴离子X-被L2中的氢氧离子OH-替代。
当直流的方向被反转时，阴离子X-沿E2的方向，经由阴离子交换膜从室C2和C4中的液体L1运动至C3和C5中的液体L2。此外，如果阴离子交换膜已经被颗粒覆盖，当导致颗粒从膜分离以及当氢氧离子穿过膜并分解污染层时，阴离子交换膜被清洗。
如图1所示，当第二液体L2在室中的室两端运行时，其中第一液体L2处于运行中，无论电场的方向如何，第二液体L2将总是从第一液体L1中接收阴离子X-。
图2表示按照本发明的双极电渗析槽的示意图，其用于进一步处理来自电增强渗析槽的第二液体L2。双极电渗析槽分别在两端含有电极。正电极E+位于第一端，负电极E-位于槽的第二端。在E+至E-的电极之间，重复地放置双极膜BM、阴离子交换膜AEM和阳离子交换膜CEM。此组膜形成相邻室C11、C12、C13、C14、C15和C16，以电极E-之前的双极膜结束。
在双极电渗析槽用于分离阴离子的情况下，相比第三液体L3为碱性的第二液体L2，被首先沿阴离子交换膜AEM和阳离子交换膜CEM之间的室C12和C15传送。按照本发明，第二液体L2被进一步沿阳离子交换膜和双极膜之间的室C13和C16传送。此后，第二液体被循环至电增强渗析槽。
相比第二液体L2为酸性的第三液体L3，被沿双极膜和阴离子交换膜之间的室C11和C14传送。
由于沿槽的恒直流电流的作用，离子(X-、M+、OH-和H+)沿横切膜组的方向移动，如箭头所示。阴离子X-和氢离子H+一起浓缩于室C11和C14的第三液体L3中。
很明显在双极电渗析槽用于从第二液体L2中分离阳离子的情况下，第二液体将沿阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的室C12和C15的室传送，并进一步沿阴离子交换膜和双极膜之间的室C11和C14传送。
图3a表示按照本发明的方法的示意图。第一罐T1包含第一液体L1，第一液体被加入电增强渗析槽EEC并在其中处理。然后，第一液体被循环至罐T1。在电增强渗析槽EEC中，离子物质被从第一液体L1中传送入第二液体L2。在电增强渗析槽EEC中处理之后，在双极电渗析槽EDBM中处理第二液体L2之前，首先将其贮存在罐T2中。在双极电渗析槽EDBM中处理之后，第二液体L2被循环至电增强渗析槽EEC。第三液体L3在双极电渗析槽EDBM中处理，其中第三液体L3从第二液体L2中接收离子物质。在双极电渗析槽EDBM中处理之后，第三液体L3被贮存在罐T3中，并沿双极电渗析槽循环，直至在第三液体L3中获得理想的离子物质浓度。
在此过程中，最好使用例如三个平行的罐贮存来自双极电渗析槽EDBM的第三液体L3。在过程中，一个罐T3被打开，以接收第三液体L3，并将其循环至双极电渗析槽EDBM。其它两个罐中的第三液体被选择性提交至图3b和3c所示的过程。
图3b的流程图表示在电渗析槽ED中处理第三液体L3的过程，以去除传送至第五液体L5并贮存在第五罐T5中的不需要的离子。
图3c的流程图表示在蒸发器EV中蒸发第三液体L3的过程，以获得贮存在罐T6中的浓缩液。
实施例2通过按照本发明的电增强渗析槽实验提取的说明在电增强渗析槽中，使用四个阴离子交换膜1(日本Tokuyama公司的Neosepta AMX)和两个阳离子交换膜2(日本Tokuyama公司的Neosepta CMH)构成槽组，如图4所示。有效膜面积为40cm2。
在铂电极6和7(每个31.5cm2)和每个阳离子交换膜之间的两个端室3中，保持电极清洗液流。此溶液为0.1M K2SO4水溶液。
经由室4，从贮存容器抽取250ml的0.5M KOH碱溶液(PH12.5)，在每次传送后溶液返回贮存容器。流量为10g/s。膜之间的室4的厚度为6mm。引入网状隔离物以提升紊流。
经由室5，从贮存容器传送250ml原料液，原料液是来自草团产物(grass pellet)与大约16g/l的乳酸的发酵棕色汁液。每次传送后经处理的原料液返回容器。通过加入KOH颗粒，发酵液最初已经被调整至PH值为5.5。对此液体培养基未作其它任何处理。流量为10g/S。室5的厚度为12mm。在室中未引入隔离物。
每个室4和5的流程长10cm，宽4cm。
电极清洗液、碱和发酵液的温度在实验过程中保持40摄氏度不变。
实验过程中，连续测量发酵液中的PH值，并通过滴定更多的具有高乳酸浓度(70g/l)的发酵液(PH值为2)，使其PH值保持5.5不变。
在每个室5的中间，放置银/氯化银电极，因此可以通过数据收集(使用美国Fluke公司的Fluke123型工业测量仪)连续测量沿槽对的电压降。
当实验开始时，通过室抽入电极清洗液、发酵液和碱溶液。通过电源(德国EA-Elektro-Automatik公司的EA-PS3030-10(0..32V/0..10A)型)沿室加入直流电，调节电源以保持1.0A的恒定电流。采用IBM个人电脑控制继电器，每10秒钟改变电流的方向。
每30分钟从发酵液和碱溶液中取样。记录PH和电导率，使用AMINEX HPX-87H柱(美国Biorad)在35摄氏度下，利用4mM硫酸作为洗脱液，通过HPLC测量乳酸含量。
4小时后，用新鲜溶液替换碱溶液，实验继续。
图5表示在8小时实验过程中原料和碱溶液中的乳酸浓度曲线。在发酵棕色汁液中，16g/l的初始乳酸浓度在实验过程中上升，因为通过滴定含有更高乳酸含量的发酵液，PH值被调整。4小时后碱溶液被替换，以模拟EDBM过程中的再生过程。
发现乳酸盐通量在第一4小时中为1.2·10-4mol/m2s，在接下来的4小时中为1.7·10-4mol/m2s。这种增加可能源于原料中乳酸盐浓度的上升。
图6和7分别表示在第一4小时运行的开始和结束时沿槽对的电位降。当电流方向在正和负电位降之间改变时，10秒的间隔很明显。在每个间隔的开始，两个图形表示几乎固定的初始电位降，此电位降在10秒中在图3中稍有增加，而在图4中有较大的增加。这种增加与电阻增加有关，一方面离子极化引起电阻增加，另一方面原料室中膜表面上的有机物聚集也引起电阻增加。
图8表示通过改变电流方向可以去除有机污染物。改变电流方向并不能完全去除有机物，因为在实验过程中初始槽电阻很明显从大约1.50hm增长至20hm。
图8中正和负电位降的形式间的分歧肯定是由实验室设备中两个原料室中的不同流动条件引起的。
实施例3电增强渗析槽的构造如实施例1，但是AMX阴离子交换膜被单选阴离子交换膜(日本Tokuyama公司的Neosepta ACS)替换。
500ml的棕色汁液在原料室中循环，并通过乳酸滴定使PH值保持5.5固定不变。在基液室中通过500ml的0.5M KOH，且500ml的0.1M K2SO4被用作电极清洗液。
在0、60、和120分钟时从原料和基流中取样，并通过原子吸收光谱(AAS)确定钙和镁的含量。
时间(分钟) [Ca2+]原料[Ca2+]基液[Mg2+]原料[Mg2+]基液(mg/l)(mg/l)(mg/l) (mg/l)0667 0,15 394 0,0160 737 0,09 425 0,01120 705 0,13 403 0,02根据这些结果，很明显二价阳离子在随后的EDBM过程中完全可以保持不受损坏，EDBM过程通常需要这些浓度低于2ppm。
在本实验中使用单选阴离子交换膜不会显著影响阳离子的保持力(retention)，但会改善诸如硫酸盐及磷酸盐之类的二价阴离子的保持力。
实施例4在使用双极电渗析槽的实验中，此槽装备有三个图8所示的双极膜8(日本Tokuyama公司的Neosepta BP-1)、两个阴离子交换膜1(日本Tokuyama公司的Neosepta AMX)和两个阳离子交换膜2(日本Tokuyama公司的Neosepta CMH)，如图8所示。
在铂电极6和7(每个31.5cm2)和一组双极膜之间的两个端室3中，建立电极清洗液流。电极清洗液为0.1M K2SO4的水溶液。通过阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的原料室9,500ml的0.5M KOH和0.4M乳酸的混合物被循环至容器中。1000ml的0.1M KOH碱溶液在双极膜和阴离子交换膜之间的酸室10，以及双极膜和阳离子交换膜之间的基室(base chamber)11中循环。来自酸室10和基室11的液流在每次传送后在容器中混合。膜间的室9、10和11的厚度为6mm。引入网状隔离物以提升紊流。
电极清洗液、原料和基液的温度在实验过程中保持40摄氏度不变。
在原料室9中，放置银/氯化银电极，以使沿槽对的电压降可以被连续测量和收集数据(使用美国Fluke公司的Fluke123型工业测量仪)。每30分钟从原料液和碱溶液中取样。记录PH和电导率，使用AMINEXHPX-87H柱(美国Biorad)在35摄氏度下，利用4mM硫酸作为洗脱液，通过HPLC测量乳酸含量。
图9表示乳酸盐从原料流至复合酸及基流中的传送，180分钟后在原料流中乳酸盐浓度达到0.8g/l，这对应于大于97％的酸回收。
图10表示实验过程中原料液中的PH值及电导率，以及电流效率和相应的能耗效应。很明显在接近实验结束时电导率显著下降，导致槽阻上升，从而能耗上升。
除了开始和结束部分，在本实验的大多数时间电流效率大于80％。结束阶段的低效率可能是由极化引起的，极化导致单极膜处水分离效率低下。
实施例5使用双极电渗析槽执行与实施例4类似的另一实验，但是500ml的原料混合物由0.5M KOH、0.1M(0.3N)柠檬酸和0.05M(0.1N)苹果酸组成。
如前所述，通过HPLC测量样本的酸含量。
图11表示原料液中柠檬酸和苹果酸，以及混合酸/基溶液中柠檬酸和苹果酸的浓度曲线。
根据图11可知，大部分的柠檬酸和苹果酸被从原料液中提取。柠檬酸和苹果酸的回收比例高于97％。
但是，最后5-10％的有机酸的回收成本非常高，这可以从图12中得出。当原料中的PH值和电导率下降时，槽阻急剧增加，从而导致能耗大大增加。
实施例6电增强渗析槽组的构造如实施例1，但是使用4个阳离子交换膜(日本Tokuyam公司的Neosepta CMB)替换阴离子交换膜，阴离子交换膜(日本Tokuyam公司的Neosepta AMX)替换阳离子交换膜。
250ml的0.2M甘氨酸水溶液在原料室中循环，此甘氨酸为一种氨基酸，其pKCOOH＝2.34，pKNH3+＝9.60，pI＝5.97。在渗析液室中，1750ml的0.1M H2SO4被循环，且500ml的0.1M Na2SO4被用作电极清洗液。使用HPLC确定甘氨酸的浓度。在实验开始之前液体循环5分钟。反转电流的步骤被省略，因为原料流不包含可以导致膜污染的材料。
图13表示实验过程中原料和渗析液中的甘氨酸的浓度。在实验开始时，由于初始PH值与氨基酸的等电位点接近，甘氨酸被以较低的速率从原料流传送至渗析液流中。沿槽对的电压降不允许超过14V，这导致初始电流很低，随着原料中PH值下降及电导率上升而缓慢增加，见图14。在180分钟内，84％的甘氨酸被从原料中去除，电流效率为58％。
实施例7电增强渗析槽组的构造如实施例5。
250ml的由50g/l发面酵母和0.2M赖氨酸组成的水溶液在原料室中循环，此水溶液在实验条件下为正充电(positively charged)氨基酸。在渗析液室中，1750ml的0.1M H2SO4被循环，且500ml的0.1M Na2SO4被用作电极清洗液。在实验开始之前液体循环5分钟。
通过电源(德国 EA-Elektro-Automatik公司的EA-PS9072-040(0..72V/0..40A)型)沿槽加入直流电，调节电源以保持1.0A的恒定电流。使用HPLC确定赖氨酸的浓度。
在没有电流反转的情况下，当沿单个槽对的电压降在第一8分钟内从10V上升至30V时，本实验必须终止，以保持电流为1A(25mA/cm2)。
当在电流反转时间为300秒的情况下重复实验时，有可能将沿槽对的平均电压降保持为大约15V。图15表示在实验过程中原料和渗析液中的赖氨酸浓度。在本实验的第一60分钟内，原料中的赖氨酸浓度下降30％，电流效率为24％。
权利要求
1.从第一液体中分离离子物质的一种方法，包括以下步骤-处理电增强渗析槽中的第一液体，以将离子物质从第一液体传送入第二液体，-选择处理双极电渗析槽中的第二液体，以将离子物质从第二液体传送入第三液体，-从第二或第三液体中选择分离离子物质。
2.根据权利要求1的方法，其中在处理第一液体的过程中，通过沿所述电增强渗析槽施加直流电场，增强电增强渗析槽，最好在处理第一液体过程中改变所述电场的方向，最好通过改变直流的方向改变电场方向。
3.根据权利要求2的方法，其中可以在预定的定时间隔内改变电场，所述间隔优选位于从5秒至6000秒的范围，在8至1000秒的范围内更好，最好位于10至360秒的范围内。
4.根据权利要求1-3分离贮存在第一罐中的离子物质的方法，包括一下步骤-处理电增强渗析槽中的第一液体，以将离子物质从第一液体传送入第二液体，并将所述第二液体选择贮存在第二罐中；-处理双极电渗析槽中的第二液体，以将离子物质从第二液体传送入第三液体，并将所述第三液体选择贮存在第三罐中。
5.根据权利要求4的方法，其中在电增强渗析槽中处理之后，将至少一部分第一液体回收至第一罐。
6.根据权利要求4-5的方法，其中在双极电渗析槽中处理之后，将至少一部分第二液体回收至电增强渗析槽。
7.根据权利要求4-6任一项的方法，其中将至少一部分第三液体从第三罐中回收至双极电渗析槽。
8.根据前述任一项权利要求的方法，其中此方法还包括在电渗析槽中处理第三液体的步骤，以去除不需要的离子。
9.根据前述权利要求任一项的方法，还包括蒸发和/或结晶和/或层析处理第三液体的步骤，以从第三液体中分离离子物质。
10.根据权利要求1-9任一项的方法，其中离子物质包括阴离子或来自无机酸、有机酸、酶、缩氨酸、激素、抗生素或氨基酸中的阴性离子。
11.根据权利要求1-10任一项的方法，其中离子物质的摩尔量高达大约1000g/mol。
12.采用根据权利要求1-11的方法，用于从液体中分离离子物质。
13.通过根据权利要求1-11的方法获得的分离离子物质。
14.一种用于从第一液体中分离离子物质的设备，包括-电增强渗析槽，以从第一液体传送离子物质至第二液体中，-双极电渗析槽，以从第二液体传送离子物质至第三液体中，-可选的用于从第三液体中分离离子物质的装置。
15.根据权利要求14的设备，其中所述电增强渗析槽包括用于施加直流电场的装置。
16.根据权利要求15的设备，其中电增强渗析槽包括用于改变所述电场方向的装置，优选通过改变直流的方向。
17.根据权利要求16的设备，其中可以在预定的定时间隔内改变电场，所述间隔优选位于从5秒至6000秒的范围，在8至1000秒的范围内更好，最好位于10至360秒的范围内。
18.根据权利要求14-17的设备，还包括用于贮存和回收至少所述液体的装置，所述装置优选为罐和泵。
19.根据权利要求14-18任一项的设备，所述用于施加直流电场的装置是放置在电增强渗析槽中两相对端处的电极形式。
20.根据权利要求14-19任一项的设备，其中电增强渗析槽的构成如下放置在两相对端的两个或多个电极，与放置在两个电极之间的阳离子交换膜和/或阴离子交换膜。
21.根据权利要求14-19任一项的设备，其中电增强渗析槽的构成如下放置在两相对端的两个电极，与放置在两个电极的附近的两个端膜，所述端膜相对，并具有放置在其间的阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)，所述端膜和阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)形成贯穿电增强渗析槽的相邻室。
22.根据权利要求20的一种设备，其中所述端膜为中性膜和/或阳离子交换膜和/或阴离子交换膜。
23.根据权利要求14-22的设备，其中制备电增强渗析槽用以分离阳离子物质，所述用来分离阳离子物质的电增强渗析槽具有放置在端膜间的阳离子交换膜。
24.根据权利要求14-22的设备，其中制备电增强渗析槽用以分离阴离子物质，所述用来分离阴离子物质的电增强渗析槽具有放置在端膜间的阴离子交换膜。
25.根据前述权利要求14-24任一项的设备，其中此设备还包括用来从第三液体中去除不需要离子的电渗析槽，此电渗析槽最好放置在双极电渗析槽之后。
26.根据前述权利要求14-25任一项的设备，其中此设备还包括用于蒸发和/或结晶和/或层析处理第三液体的装置。
27.在根据权利要求1-11的方法中，使用根据权利要求14-26任一项的设备。
28.使用根据权利要求14-26任一项的设备，以从液体中分离离子物质。
29.一种电增强渗析槽，其中使用电场增强渗析槽，最好使用直流电场增强此电增强渗析槽。
30.根据权利要求29的电增强渗析槽，包括改变所述电场方向的装置，最好是改变直流方向的装置。
31.根据权利要求30的电增强渗析槽，其中可以在预定的定时间隔内改变电场，所述间隔优选位于从5秒至6000秒的范围，在8至1000秒的范围内更好，最好位于10至360秒的范围内。
32.根据权利要求29-31任一项的电增强渗析槽，其中通过放置在电增强渗析槽两相对端的电极应用所述电场。
33.根据权利要求29-32任一项的电增强渗析槽，其中电增强渗析槽通过放置在两相对端的电极，与放置在其间的阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)构成。
34.根据权利要求29-33任一项的电增强渗析槽，其中电增强渗析槽的构成如下放置在两相对端的电极，与放置在两个电极的附近的两个端膜，所述端膜相对，并具有放置在其间的阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜。
35.根据权利要求34的电增强渗析槽，其中所述端膜为中性膜和/或阳离子交换膜和/或阴离子交换膜。
36.根据权利要求33-35任一项的电增强渗析槽，其中所述端膜和阳离子交换膜(CEM)和/或阴离子交换膜(AEM)形成相邻室，最好采用所述相邻室分别接收第一和第二液体。
37.在根据权利要求1-11的方法中，使用根据权利要求29-36任一项的电增强渗析槽。
38.在根据权利要求14-26的设备中，使用根据权利要求29-36任一项的电增强渗析槽。
全文摘要
本发明涉及从液体中分离离子物质的一种方法。本发明的目标是提供一种方法及设备，使得可以从含有固体及颗粒的液体中分离离子物质。此方法包含电渗析和双极电渗析步骤。本发明还涉及一种用于此方法的电渗析槽，其中在液体处理过程中改变施加电流的方向，以防止膜的污染。
文档编号B01D61/42GK1489487SQ01822549
公开日2004年4月14日 申请日期2001年12月6日 优先权日2000年12月12日
发明者阿维德·加尔德, 詹斯－尤尔利克·莱普, 加纳·乔森, 乔森, 榷 恕だ称, 阿维德 加尔德 申请人:尤莱格分离公司