一种电渗析器及其溶液处理方法与流程

本发明涉及溶液处理设备，具体是一种电渗析器及其溶液处理方法，用于离子重组、化学品生产和水处理等。

背景技术：

电渗析是一种利用离子交换膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子（如离子）的方法。在电场的驱动下，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过离子交换膜而进行特定方向的迁移，从而实现离子的分离和浓缩。最初用于海水淡化，现在广泛用于化工、轻工、冶金、造纸和医药工业等。目前市面上的电渗析器，一般只具有浓室和淡室两个溶液流通流道，从而只能对同一种溶液进行浓缩或分离。为了实现不同离子间的分离和重组，当前可用的方法包括纳滤膜脱除二价离子、分步结晶、沉淀、萃取和色谱分离等方式。但这些方法都只能针对特定离子的分离和组合，而且操作过程复杂，难以控制。因此，本单位技术人员针对不同离子间的分离和重组难题，对电渗析器进行改进，通过特殊的结构设计，形成更多种隔室结构和流动通道，实现不同待处理溶液中的不同离子之间的重新组合，生成由多种新的离子组成形式的溶液。

技术实现要素：

本发明主要针对现有电渗析器存在溶液处理单一性的问题，发明了一种电渗析器，通过对隔板、离子交换膜的结构改进，使膜堆间形成多种（至少四种）独特的隔室结构和多条流动通道，从而形成多种（至少四种）不同的溶液进出流道；则两种或两种以上不同离子组成的溶液，分别进入特定的流道，通过电驱动作用，在流出相应的流道后，可实现不同离子之间的重新组合，产生两种新的离子构成形式的溶液。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种电渗析器，由外至内依次包括端板、垫片、电极板、膜堆，以及用于将端板、垫片、电极板、膜堆进行紧固连接的紧固件，其特征在于，所述膜堆包括至少2个膜对，每一膜对由1张阳离子交换膜、2张中间隔板、1张阴离子交换膜间隔排列构成，其排列形式为：

阴离子交换膜—隔板—阳离子交换膜—隔板，则相邻的阴离子交换膜和阳离子交换膜之间形成离子迁入/迁出隔室，并且所述离子迁入/迁出隔室的数量为至少4个。

所述膜对，位于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的隔板为中间隔板，中间隔板的板面设置成网格状通道，同时，中间隔板的上边缘和下边缘均设置有若干隔板孔道，隔板孔道包括A类孔道和B类孔道，A类孔道可具体设置成圆形孔道，B类孔道可具体设置成条形孔道；其中，B类孔道的一端与中间隔板板面的网格状通道连通，则位于上边缘的B类孔道和位于下边缘的B类孔道通过中间的网格状通道连通。

所述中间隔板设置成4种不同结构，分别为第一种中间隔板、第二种中间隔板、第三种中间隔板、第四种中间隔板；所述4种不同结构的中间隔板，区别结构在于B类孔道的位置不同；并且，膜堆中，不同结构的中间隔板依次间隔分布在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间。

每2个膜对中，形成4中不同结构的离子迁入/迁出隔室，分别为第一类离子迁出隔室、第一类离子迁入隔室、第二类离子迁出隔室、第二类离子迁入隔室。

当电渗析器中的电场方向切换时，4种不同结构的离子迁入/迁出隔室中，第一类离子迁出隔室和第一类离子迁入隔室进行切换，第二类离子迁出隔室和第二类离子迁入隔室进行切换。当膜堆中所包含的膜对数量增加或减少时，隔室的数量也相应增加或减少。

采用上述电渗析器进行溶液处理，则溶液处理的方法如下：

X设为待处理溶液1，Y设为待处理溶液2；

待处理液1包含有离子，或者设置为不含离子的纯液体；

待处理液2包含有离子，或者设置为不含离子的纯液体；

AB设为待处理溶液3中的离子，其中，A是单一的一种阳离子或者是多种阳离子的混合体，B是单一的一种阴离子离子或者是多种阴离子的混合体；

CD设为待处理溶液4中的离子，C是单一的一种阳离子离子或者是多种阳离子的混合体，D是单一的一种阴离子或者是多种阴离子的混合体。

溶液处理具体步骤为：

X流入第二类离子迁入隔室，Y流入第一类离子迁入隔室，AB流入第一类离子迁出隔室，CD流入第二离子迁出隔室；

在电场的驱动下，A、C往负极方向移动，B、D往正极方向移动，在上述不同的隔室中，正负离子重新组合，形成新的溶液，并从4根不同的出水管道流出，具体如下：

第一离子迁入隔室的出水口形成新的由C、B所组成的处理完成溶液CB；

第二离子迁入隔室的出水口形成新的由A、D所组成的处理完成溶液AD；

第一离子迁出隔室的出水口产生A、B，得到稀释后的处理完成溶液AB；

第二离子迁出隔室的出水口产生C、D，得到稀释后的处理完成溶液CD。

作为优选，所述第一种中间隔板、第二种中间隔板、第三种中间隔板、第四种中间隔板，其上边缘的若干个隔板孔道中，包括至少2个B类孔道，其余为A类孔道；其下边缘的若干个隔板孔道中，包括2个B类孔道，其余为A类孔道。

作为优选，所述膜堆，位于膜堆最外两端的隔板为端部隔板，端部隔板的板面设置成网格状通道，同时，端部隔板的上边缘和下边缘均设置有若干隔板孔道。

作为优选，所述阴离子交换膜的上边缘和下边缘均设置有若干交换膜孔道；所述阳离子交换膜的上边缘和下边缘均设置有若干交换膜孔道。

作为优选，所述每一端部隔板的隔板孔道、每一中间隔板的隔板孔道、每一阴离子交换膜的交换膜孔道、每一阳离子交换膜的交换膜孔道、每一电极板孔道，其数量相等，所设置的位置一一对应。

作为优选，所述电极板朝内侧的板面设置有内凹的安装凹面，安装凹面内设置电极，同时，有一极耳与电极连通。

作为优选，所述电极板的上边缘设置有若干电极板孔道，同时，在电极板孔道的上端设置有若干进水/出水管道，并且，每一电极板孔道分别与相应的进水/出水管道连通。

作为优选，所述电极板的左右两侧均设置有极水进出口管，其中一侧的极水进出口管靠近上端，另一侧的极水进出口管靠近下端。

作为优选，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜，为均相阳离子交换膜，或异相阳离子交换膜，或半均相阳离子交换膜，或上述多种膜的混合。

实践应用中，构成膜堆的隔板、阳离子交换膜、阴离子交换膜的数量可根据溶液处理量的要求进行设计。

作为优选，所述电极板，为钛涂钌电极，或石墨电极，或不锈钢电极，或碳纤维电极；电极板为板式，或网格形式；所述垫片为橡胶材质的橡胶垫片。

在实际生产中，本发明可设置成板框式的电渗析器，也可设置成圆桶状的卷式电渗析器，若为卷式电渗析器，则端板、垫片、电极板、隔板、阳离子交换膜、阴离子交换膜等均为圆板状。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明发明了一种电渗析器，通过对隔板、离子交换膜的结构改进，使膜堆间形成至少4种独特的隔室结构和多条流动通道，从而形成至少四种不同的溶液进出流道；则两种或两种以上不同离子组成的溶液，分别进入特定的流道，通过电驱动作用，在流出相应的流道后，可实现不同离子之间的重新组合，产生两种新的离子构成形式的溶液。

附图说明

图1是本发明的电渗析器结构示意图；

图2是本发明的电极板结构示意图；

图3是本发明电极板的剖视图；

图4是本发明阳离子交换膜的结构示意图；

图5是本发明阴离子交换膜的结构示意图；

图6是本发明端部隔板的结构示意图；

图7是本发明第一种中间隔板的结构示意图；

图8是本发明第二种中间隔板的结构示意图；

图9是本发明第三种中间隔板的结构示意图；

图10是本发明第四种中间隔板的结构示意图；

图11是本发明渗析器的另一种实施方式；

图12是本发明的电渗析器进行溶液处理的示意图。

图中标号为：11、第一种中间隔板；12、第二种中间隔板；13、第三种中间隔板；14、第四种中间隔板；15、网格状通道；16、A类孔道；17、B类孔道；

2、阳离子交换膜；3、阴离子交换膜；4、端部隔板；41、隔板孔道；5、电极板；51、电极；52、极耳；53、电极板孔道；54、进水/出水管道；55、极水进出口管；6、垫片；7、端板；9、交换膜孔道；

21、第一类离子迁入隔室；22、第一类离子迁出隔室；23、第二类离子迁入隔室；24、第二类离子迁出隔室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种板框式电渗析器，由外至内依次包括端板7、橡胶垫片6、电极板5、膜堆，以及用于将端板7、橡胶垫片6、电极板5、膜堆进行紧固连接的紧固件。

所述膜堆隔板、阳离子交换膜2、阴离子交换膜3间隔排列构成；其中，位于膜堆最外两端的隔板为端部隔板4，位于阴离子交换膜3和阳离子交换膜2之间的隔板为中间隔板。

则膜堆的具体排列结构为：

端部隔板4—阳离子交换膜2—第一种中间隔板11—阴离子交换膜3—第二种中间隔板12—阳离子交换膜2—第三种中间隔板13—阴离子交换膜3—第四种中间隔板14—阳离子交换膜2—端部隔板4；则相邻的阳离子交换膜2和阴离子交换膜3之间形成离子迁入/迁出隔室，该板框式电渗析器的离子迁入/迁出隔室的数量为4个；由于中间隔板的结构不同，则4个离子迁入/迁出隔室分别为第一离子迁入/迁出室、第二离子迁出/迁入式、第三离子迁入/迁出室、第四离子迁出/迁入室。

如图2、3所示，所述电极板5朝内侧的板面设置有内凹的安装凹面，安装凹面内固定有电极51，同时，有一极耳52与电极51连通；所述电极板5的上边缘设有8个电极板孔道53，同时，在电极板孔道53的上方设有4根进水/出水管道54，其中，有4个电极板孔道53分别与4根进水/出水管道54一对一连通。所述电极板4的左右两侧均设置有一根极水进出口管55，其中一侧的极水进出口管55靠近上端，另一侧的极水进出口管55靠近下端。该电渗析器的两端分别为正极电极板和负极电极板，可采用钛涂钌电极，或石墨电极，或不锈钢电极，或碳纤维电极；电极板5可采用板式，或网格形式。

如图4所示，阳离子交换膜2的上边缘和下边缘均设置有8个交换膜孔道9，8个交换膜孔道9均匀分布排成一行。所述阳离子交换膜2，可以采用均相阳离子交换膜，或异相阳离子交换膜，或半均相阳离子交换膜，或上述多种膜的混合装配。

如图5所示，阴离子交换膜3的上边缘和下边缘均设置有8个交换膜孔道9，8个交换膜孔道9均匀分布排成一行。所述阴离子交换膜3，可采用均相阳离子交换膜，或异相阳离子交换膜，或半均相阳离子交换膜，或上述多种膜的混合装配。

如图6所示，膜堆两端的端部隔板4，端部隔板4的板面设置成网格状通道15，同时，端部隔板4的上边缘和下边缘均设置有8个隔板孔道41，8个隔板孔道41均匀分布排成一行。

如图7所示，第一种中间隔板11的结构，第一种中间隔板11的板面设置成网格状通道15，同时，第一种中间隔板11的上边缘和下边缘均设置有8个隔板孔道，8个隔板孔道均匀分布排成一行，其中包括6个A类孔道16，具体设置成圆形孔道，以及2个B类孔道17，具体设置成条形孔道。

在第一种中间隔板11的上边缘，第3个和第7个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的上端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的下端与隔板板面的网格状通道15连通。

在第一种中间隔板11的下边缘，第1个和第5个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的下端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的上端与隔板板面的网格状通道15连通。

如图8所示，第二种中间隔板12的结构，第二种中间隔板12的板面设置成网格状通道15，同时，第二种中间隔板12的上边缘和下边缘均设置有8个隔板孔道，8个隔板孔道均匀分布排成一行，其中包括6个A类孔道16，具体设置成圆形孔道，以及2个B类孔道17，具体设置成条形孔道。

在第二种中间隔板12的上边缘，第4个和第8个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的上端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的下端与隔板板面的网格状通道15连通。

在第二种中间隔板12的下边缘，第2个和第6个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的下端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的上端与隔板板面的网格状通道15连通。

如图9所示，第三种中间隔板13的结构，第三种中间隔板13的板面设置成网格状通道15，同时，第三种中间隔板13的上边缘和下边缘均设置有8个隔板孔道，8个隔板孔道均匀分布排成一行，其中包括6个A类孔道16，具体设置成圆形孔道，以及2个B类孔道17，具体设置成条形孔道。

在第三种中间隔板13的上边缘，第1个和第5个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的上端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的下端与隔板板面的网格状通道15连通。

在第三种中间隔板13的下边缘，第3个和第7个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的下端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的上端与隔板板面的网格状通道15连通。

如图10所示，第四种中间隔板14的结构，第四种中间隔板14的板面设置成网格状通道15，同时，第四种中间隔板14的上边缘和下边缘均设置有8个隔板孔道，8个隔板孔道均匀分布排成一行，其中包括6个A类孔道16，具体设置成圆形孔道，以及2个B类孔道17，具体设置成条形孔道。

在第四种中间隔板14的上边缘，第2个和第6个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的上端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的下端与隔板板面的网格状通道15连通。

在第四种中间隔板14的下边缘，第4个和第8个隔板孔道为B类孔道17，B类孔道17的下端与其它A类孔道16齐平，B类孔道17的上端与隔板板面的网格状通道15连通。

上述不同类型的中间隔板，上边缘的B类孔道17和位于下边缘的B类孔道17通过中间的网格状通道15连通。

由于膜对间存在上述不同结构的中间隔板，则每一组相邻的不同结构的中间隔板形成了四种不同类型的隔室。

所述板框式电渗析器，每一端部隔板4的隔板孔道、每一中间隔板1的隔板孔道、每一阴离子交换膜3的交换膜孔道、每一阳离子交换膜2的交换膜孔道，其数量相等，孔道中心的位置一一对齐。

本发明中，每种隔室形成相应的溶液进出设备的流道；电极板与相邻的离子交换膜和隔板形成极室；电极板的凹面上紧贴着电极，电极板通过极耳与导线连接，设备两端的两个电极板分别连接直流电源的正负极；通过极水进出口管道，极水流过电极与离子交换膜之间的极室，进行循环流动；电极板的上边缘或下边缘至少有4个电极板孔道53，电极板孔道53依次分别与4根进水/出水管道54连通，待处理的溶液经由进水/出水管道54流过电极板孔道53后流入或流出电渗析器；同时，电极板上的电极板孔道53又分别与对应的隔板上的隔板孔道41以及离子交换膜上的交换膜孔道9连通。

所述发明电渗析器操作方式可概括为：两种（或2种以上）由不同离子组成的待处理溶液分别进入4种不同的隔室，进而流经相应的4种流道；待处理溶液可以是水溶液，也可以是有机溶液，或者是水和有机物的混合溶液，溶液中含有2种（及2种以上）的离子。

在实际应用中，构成膜堆的隔板、阳离子交换膜、阴离子交换膜的数量可根据生产要求进行设置，如图11所示，该渗析器的隔板、阳离子交换膜2、阴离子交换膜3的数量有所增加，包含6个膜对，并且紧贴正负极的两张膜均为阳离子交换膜；则阳离子交换膜2的数量为7张，阴离子交换美女的数量为6张，所形成的离子迁入/迁出隔室的数量为12个。

实际应用中，根据生产要求，板框式的渗析器可包含有100个膜对，其中包含阴离子交换膜100张，阳离子交换膜101张，并且紧贴正负极的两张膜均为阳离子交换膜，相应的该板框式电渗析器包含离子迁入/迁出隔室的数量为200个，其中，第一类离子迁出隔室50个，第一类离子迁入隔室50个，第二类离子迁出隔室50个、第二类离子迁入隔室50个；每张离子交换膜的膜尺寸为长2200毫米，宽600毫米。

实际应用中，根据生产要求，板框式的渗析器也可包含有120个膜对，其中包含阴离子交换膜120张，阳离子交换膜121张并且紧贴正负极的两张膜均为阳离子交换膜，相应的该板框式电渗析器包含离子迁入/迁出隔室的数量为240个，其中，第一类离子迁出隔室60个，第一类离子迁入隔室60个，第二类离子迁出隔室60个、第二类离子迁入隔室60个；每张离子交换膜的膜尺寸为长2200毫米，宽600毫米。

如图12所示，利用上述电渗析器进行溶液处理，则溶液处理的方法如下：

X设为待处理液体水，Y设为待处理液体水；

AB为待处理液体氯化钠水溶液中的离子，其中，A是钠离子，B是氯离子；

CD为待处理液体硫酸铵水溶液中的离子，其中，C是铵离子，D是硫酸根离子。

溶液处理具体步骤为：

通过4根不同的进水管道，X流入第二类离子迁入隔室23，Y流入第二类离子迁入隔室21，氯化钠水溶液（AB）流入第一类离子迁出隔室22，硫酸铵水溶液（CD）流入第二类离子迁出隔室24。

在正极侧的极室中用氯化钠作为极水，负极侧的极室中用硫酸铵作为极水，经过电驱动作用，流经电渗析器后，钠离子（A）、铵离子（C）往负极方向移动，氯离子（B）、硫酸根离子（D）往正极方向移动，在上述不同的隔室中，正负离子重新组合，形成新的溶液，具体如下：

第一类离子迁入隔室21的出水口形成新溶液CB，即氯化铵；

第二类离子迁入隔室23的出水口形成新溶液AD，即硫酸钠；

第一类离子迁出隔室22的出水口产生溶液AB，即稀释后的氯化钠；

第二类离子迁出隔室24的出水口产生溶液CD，即稀释后的硫酸铵。

实施例2：

X设为待处理液体水，Y设为待处理液体水；

AB为待处理液体氯化钾水溶液的离子，其中，A是钾离子，B是氯离子；

CD为待处理液体腐殖酸水溶液的离子，其中，C是氢离子，D是腐殖酸根离子。

溶液处理具体步骤为：

通过4根不同的进水管道，X流入第二类离子迁入隔室23，Y流入第二类离子迁入隔室21，氯化钾水溶液（AB）流入第一类离子迁出隔室22，腐殖酸水溶液（CD）流入第二类离子迁出隔室24。

在正极侧的极室中用氯化钾作为极水，负极侧的极室中用氯化钾作为极水，经过电驱动作用，流经电渗析器后，钾离子（A）、正离子（C）往负极方向移动，氯离子（B）、负离子（D）往正极方向移动，在上述不同的隔室中，正负离子重新组合，形成新的溶液，具体如下：

第一类离子迁入隔室21的出水口形成新溶液CB，即盐酸水溶液；

第二类离子迁入隔室23的出水口形成新溶液AD，即腐殖酸钾水溶液；

第一类离子迁出隔室22的出水口产生溶液AB，即稀释后的氯化钾水溶液；

第二类离子迁出隔室24的出水口产生溶液CD，即稀释后的腐殖酸水溶液。

实施例3：

X设为待处理液体氯化钠水，Y设为待处理液体氯化钠水；

AB为待处理液体硫酸钾水溶液的离子，其中，A是钾离子，B是硫酸根离子；

CD为待处理液体硝酸镁、氯化钙混合水溶液的离子，其中，C是镁离子、钙离子，D是硝酸根离子、氯离子。

溶液处理具体步骤为：

通过4根不同的进水管道，X流入第二类离子迁入隔室23，Y流入第二类离子迁入隔室21，硫酸钾水溶液（AB）流入第一类离子迁出隔室22，硝酸镁和氯化钙混合水溶液（CD）流入第二类离子迁出隔室24。

在正极侧的极室中用硫酸钾作为极水，负极侧的极室中用硝酸镁和氯化钙的混合溶液作为极水，经过电驱动作用，流经电渗析器后，钾离子（A）、镁离子和钙离子（C）往负极方向移动，硫酸根离子（B）、硝酸根离子和氯离子（D）往正极方向移动，在上述不同的隔室中，正负离子重新组合，形成新的溶液，具体如下：

第一类离子迁入隔室21的出水口形成新溶液，离子重组为CB，即硫酸镁和硫酸钙，混合溶液中含有氯离子、硫酸根离子、钠离子、镁离子、钙离子；

第二类离子迁入隔室23的出水口形成新溶液，离子重组为AD，即硝酸钾和氯化钾，混合溶液中含有氯离子、硝酸根离子、钠离子、钾离子；

第一类离子迁出隔室22的出水口产生溶液AB，即稀释后的硫酸钾水溶液；

第二类离子迁出隔室24的出水口产生溶液CD，即稀释后的硝酸镁和氯化钙混合水溶液。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。