电渗析设备的制作方法

专利名称：电渗析设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电渗析设备和在该设备内使用的隔板，具体说，本发明涉及的电渗析设备基本没有中间隔室和外漏，在一定的电流密度，高水平盐的转化／回收，和低压力降下操作，同时减少循环泵送的需要和多级数。
本发明适用于电渗析(“ED”)设备的用途，该设备含有单极或双极离子交换膜，该设备特别适用于用直流电流驱动力从稀盐液体中生产浓缩酸，碱和盐。
这种设备通常使用离子交换膜分离，浓缩和输送在水溶液中存在的离子。由直流电流力驱动电渗析操作。
许多出版物和专利描述了该膜技术和在该工艺中使用的设备结构中使用的零部件，鉴别提供信息的主要出版物是-U．S．Department of Energy Report on“膜分离系统-研究评估(MembranSeparation Systems-A research needs Assessment”；电渗析第8章，1990年4月，DOE／ER／30133-HT；-“工业膜技术手册“Ed．by M．c．Porter．第8章，Noyes出版，1990；-“电渗析水分解技术”by K．N．Mani；J．Membrane Sci．，(1991)，58，117-138；-U．S．5，240，579；4，871，431；4，863，596；4，786，393；4，737，260；4，707，240；4，569，747；4，319，978；4，303，493；4，226，688；4，172，779；4，067，794；3，993，517；3，985，636；3，878，086和3，679，059；一电渗析组件含有在它的二端为供给电流输入量的阳电极和阴电极。在上述阳极和阴极间安装的是以面对面接触的牢固安装在一起的串联的膜和隔离件(隔板)，上述的安装象一板框过滤压榨机。为了保证该装置长期可靠，通过使用的一组膜和单独的液体环路用水力原理使电极室与主要的工艺单元隔离。
在工业装置中，主要工艺单元包括许多单元室，例如50-250个。每个这些单元室包括离子交换膜和溶液隔室。在每个隔板内含有每个溶液隔室，隔板可由例如聚乙烯塑料制成，其厚度为0．5-5mm。这些隔板分开膜并根据需要提供在边角和其它区域的足够的密封。隔板还提供对邻接膜的支撑并能使液流进入和排出溶液隔室。
每个膜含有在隔板内切出的歧管孔和“液口(ports)”，该液口从歧管孔延伸至隔板中的溶液隔室。歧管孔和电渗析组件膜成一直线排列，形成能输送每个工艺液流经液口进入和排出每个溶液隔室的通路。
电渗析组件内的单元室可以改变形式和大小。例如开始在该室的端部为阳极，第一种形式的单元室包括一阳离子膜，一稀的或供料隔室，一阴离子膜和一浓缩的或产品隔室。这些隔室形成单元用于盐水溶液的脱盐和盐的回收和生产。这些单元称为”标准电渗析浓缩或淡化室“。
第二种形式的单元室包括一双极膜，一供料或盐／酸隔室，其中供料例如钠盐或有机酸被由双极膜产生的H+离子酸化，阳离子膜输送钠离子，碱和产品隔室内的钠离子和由双极膜产生的OH-离子结合形成氢氧化钠(碱)。这种单元室称为“二隔室阳离子室”。
第三种形式的单元室包括一双极膜，一产品或酸室，一阴离子膜和供料或盐／碱隔室。这种单元称为“二隔室阴离子室”，可用于碱化铵盐溶液以产生酸产品和富氨碱溶液。
还有一种形式的单元室，包括一供料或盐室，一阳离子膜，一碱室，一双极膜，一酸室和阴离子膜。这种单元称为“三隔室双极室，可以用于转变盐，例如将氯化钠转变成为氢氧化钠和氢氯酸。
单元室含有三个以上的膜和三个以上的隔室是公知的。除了电极漂洗回路，二隔室处理二工艺流，三隔室处理三工艺流等。当直流电通过电渗析组件的中心(“有效”)区域，在溶液中的离子沿着电流方向移动。阳离子穿过阳离子膜并向阴极或负电极移动，而阴离子穿过阴离子膜并向阳极或正极移动。如果双极膜配置在电渗析组件内，其阳离子侧面对阴极，直流电流输入在膜的交界面加速分解水。其结果，氢离子(H+)和氢氧根离子(OH-)分别在阴极侧和阳极侧浓缩。取决于室的构型和工艺配置，最后结果是稀液流的盐或贫化的盐液浓缩了或盐转化成为它的酸和碱成分。
特定离子交换膜的性能包括其配置和供料液流的充分的预处理(例如PH调节，过滤等)对于连续操作电渗析工艺是重要的，同等重要的方面是在隔板和分离件内的液流的流动和分布。
工业上通常使用的二个主要的电渗析设计称为“层流(sheet flow)”和“湍流(tortuous flow)”。
层流隔离件的实例是由Asahi Glass，Tokuyama Soda和由Aqualytics，adivision of Graver Water销售的产品。有效面积通常为整个隔板面积的50-85％以上，从而达到最大程度利用膜。这个有效面积是对流体和带电流开孔的。膜自身由非编织网状材料支撑，其整个厚度同隔板的厚度大致一样。在有效面积网还分布流体。为了进一步确保均匀的流体分布穿过有效面积的长度和宽度，使用各种供料歧管和液口。在这些传统的组件中，可考虑的压力降和膜强度规定液体表面线速度应保持很低，一般为5-10厘米／秒。
试验指明，在许多工业组件中使用层流设计，当工艺在高电流密度(＞50mA／cm2)或在较低的液流导电率(＜20ms／cm)时，在整个大的断面上的流体分布存在问题，其它问题还有膜膨胀或起皱，这特别是当在供料流体中有沉淀出的微量物质时。还有，在隔板组件中，传统使用的各种歧管和连接的液口增加了中间隔室的泄漏。
旁路和杂散电流问题使在工艺中效率较差，可能引起隔板的过热或熔化。这种问题通常限制单元室的数量大约为100，在此范围内，能够确保安全串联使用，而不要求某种电流中断结构，该中断结构位于用高导电溶液或高电流密度操作的工业组件的电极之间。
由于需要保持在整个大截面液流动区域必需的线速度，整个流量比要求的较高。这需要要求使用较大的泵和循环贮罐。如果机械强度差(20-45psi爆破强度)，现有膜在大有效面积内支撑较差。由于在供料液流中压力变化，经长期操作，它们容易损坏和破裂。
Ionics Inc．，使用具有湍流电渗析设计的电渗析组件，在该设计中使用的隔板具有较长的液体流径(flow path)。每个离子流通道十分窄(一般为1-1．5cm)。它们具有在进口和出口之间的几个180°转弯。离子通道它们本身是在该隔板中形成的简单的缝隙。膜是机械刚性结构以防止它们塌陷并造成液口阻塞。
为了克服与低导电性供料有关的极化问题，使用较高的线性液流速度，一般为30-50厘米／秒。在这个组件中有高压力降(高达3-6巴，与层流组件0．5-2巴比较)。因此，用于湍流组件的传统膜具有的厚度和机械耐用性，特别是它们具有高电阻，从而使能量消耗增大。
湍流组件适用于在低电流密度(0．1-10mA／cm2)操作的脱盐用途中，对于化学生产应用中，例如在三隔室中以高电流密度(30-200mA／cm2)操作，将氯化钠转变成为苛性苏打和氢氯酸，当使用湍流组件，除了组件的有效面积较小外，产生的热量和造成的温度升高是不容许的。这就限制了有效面积的大小，也要求在工业装置中使用高数量的组件和昂贵的维护费用，由于膜的膨胀和皱裂，容易使组件的中间隔室泄漏。
本发明的一个目的是为了克服现有设计中的这些和其它的缺陷而改进隔板。与层流设计比较时，本发明隔板的中间隔室几乎不泄漏，在可比较的压力降下提供较高的液流速度，在少量沉淀物质存在下具有改进性能的较高的转化率和产品回收率。
与现有的湍流膜设计性能比较，本发明能利用高性能，但离子交换膜的机械性能较差。
改进的隔板设计可用于电渗析操作用于生产和回收化学物。隔板设计特别适用于在大尺寸耐化学组件中使用。
本发明的另一个目的是通过双极膜和在它们之间的阳离子和阴离子交换膜确定装配的组件室。用于电渗析室装配的隔板具有含一串联流径的有效面积，上述流径包括由限制器部分连接的一组流径。有效面积由网状物覆盖着和支撑着。歧管孔位于串联流径的端部。一刚性液口位于每个歧管孔和串联流径的端部之间以提供在含有液口的隔板中歧管和串联流径之间的流体通路。在隔板和膜的组件中，每个具有的歧管孔与在所有的另外的隔板和膜的对应孔成一直线排列，以形成通过组件的通路。液口连接这些通路到在特定隔板中的有效面积，上述的隔板含有液口。
参照附图所示的本发明的实施例描述本发明；

图1是本发明的用于二隔室电渗析室的隔板和网状支撑件的平面图，所述的室带有含有连接液流部分、形成蛇形串联流径的含有限制器部分的有效面积。
图2示出用于三隔室的本发明的隔板。
图2(a)是类似发明的隔板，有液口连接到用于三隔室的中心歧管孔。
图2(b)是图2的二块隔板和图2(a)的一块隔板装配形成三隔室的透视图。
图3是本发明的隔板图，所述隔板含有位于流径部分之间以形成蛇行串联流径的液口。
图4是本发明的隔板图，所述隔板有含有二分开的串联流径和二个分开的歧管孔组的有效面积。
图5(a)-(e)是示出一些本发明的液口设计透视图，该液口设计可用于本发明的隔板以形成在歧管孔和串联流径之间的流体通路。
图6示出带有二隔室的隔板的有效面积。所述隔板有二个分开的串联流径连接到普通歧管上。
图7示出有四蛇行串联流径的二隔室的有效面积的隔板。
图8是使用本发明隔板的组件透视图，所述隔板面对面被夹持在一起。
图9是用于二隔室阴离子室的室布置图。
图10是方框图，示出用于试验本发明电渗析组件的控制电渗析系统图。
图11(a)-11(c)示出用于二隔室隔板的一些可能的流径。
隔板和其它相关的设备进行用于化学回收或转化的电渗析操作。隔板的中心区域被分成宽度基本相等的2-8个流径部分。在转弯处，流径部分通过液流限制器相互连接，通常形成90°或180°转弯形成蛇行的串联流径。每个流径部分通过隔板材料的其宽度为0．5-5厘米的“筋”彼此分开，该筋用于支撑面对的离子交换膜。该膜和该隔板的周边具有基本一样的结构和厚度。
每个蛇行串联流径有二个液口以用于液流的液口和出口。串联流径的宽度约为整个隔板宽度的10-49％。串联流径用适宜的的网状材料(优选非编织的)覆盖或充填，并有一定的开孔面积(＞50％)用于液体和带电流的流动。生成的路径与隔板整个厚度基本相同，隔板和网状材料对操作的流体是耐化学腐蚀的。在流径中的线性液流速度一般约为7-15厘米／秒。在每个流径部分之间的液流限制器可是网状材料自身；或它可是一个附加的液口，其限制器的宽度约为总流径宽度的20-90％。
隔板含有成直线排列的歧管孔，形成通道或导管，用来输送液体进入或排出每个隔板的外部并提供导管通过用于分布流体到在电渗析组件中的所有并联的室的组件。每串联流径每操作流体有二个歧管孔。
当安装电渗析室时，隔板自身可由单个软材料(例如低密度聚乙烯)构成或由包括硬芯(例如聚丙烯)层和在一侧或二侧的较软的橡胶材料例如苯乙烯-丁二烯橡胶的复合材料构成。用于任何一种流体的隔板基本上是均匀的厚度约为0．5-4mm。
用于不同的工艺流的隔板可有不同的厚度。在隔板中的液口与隔板自身名义上其整个厚度是一样的。这些液口具有平的顶表面和底表面，并且具有足够的刚度以防止它们在使用组件的封闭压力下塌陷。平的液口表面能够密封离子交换膜到在液口二侧的隔板上，同时保持在液口表面之间的适宜的液流通道。液口和网状材料可以任意适宜的容易控制的方式附着到隔板上。
在电渗析组件中使用隔板，从产品回收率和纯度，产品生产率，构件的完整性来，降低所要求的循环流量和降低了因电流分流造成的能量损耗来度量，是改善了工艺性能。这种组件一种改进形式是在酸性(例如5-10％硫酸)环境下使用涂氧化铱的阳极。
图1示出用于二隔室的一种实施例的隔板结构。在隔板周边上的八个孔(例如H)提供一个用来将在电渗析组件中的各种隔板和膜排成一行和夹持在一起的构件。该隔板具有二个歧管孔21和23，通过歧管孔第一种液体的工艺供料液流进入隔板和从隔板内排出。二个其它的歧管孔22和24提供连接第二工艺流的管系。隔板具有均匀的厚度以保证与邻接的离子交换膜很好的配合和密封。为了实现最小的电阻IR功率损耗，隔板一般由薄的材料制成，其厚度通常为0．5-3mm。在图1中，液体供料流溶液经歧管21和液口P1进入隔板的有效面积，这里，有效面积包括三个串联连接的形成蛇行流径的流径部分26，28，30，虽然在串联中可以连接2-8个流径部分。图1中每个流径部分的宽度(在这个特定的实施例的隔板13″×13″中，宽度为2．875″)约为整个隔板宽度的22％。路径应当足够宽，以调节歧管孔和供料给隔板的液口，并提供在孔之间足够的空间用于隔板和其它膜之间和在电渗析组件中的隔板的良好密封。由水力条件确定歧管孔的面积，所述的水力条件例如每隔板的液体容积和在给定的组件中面对面定位中的并联隔板的数量。
另一个重要的确定因素是流过电渗析组件中的各种歧管的分流电流的量。实际上，这些分流电流不能用于电渗析工艺，大体上说来是对工艺无效的。分流电流的量直接涉及到在隔板中总的歧管面积对有效面积的比。从减少这种无效的观点出发，歧管面积在可实现工艺的前提下，越小越好。
在隔板中的流径应当充分的窄，以提供良好的液流分布和使从单个液口进入的液流形成湍流。另外较窄的流径可改善膜的机械支撑，因为，大量的在边角和分开流径部分的筋处的这种留下的隔板材料提供这种支撑。在一定的期限内，流径宽度可为2．5″-12″，优选2．5″-10″，一般为隔板宽度的10-49％。太窄的流径不能使歧管充分的分开，并造成膜使用不良，而太宽的流径导致液流分布差和许多商购的膜支撑较差。
为了改善流体分布，聚合的网状材料配置在流径中。网状材料的整个厚度与隔板自身的厚度近似一样的，优选非编织形式的网状材料。网状材料必需容许液体自由流动和有弹性，网状材料和隔板由相对于在电渗析组件中加工的物料具有化学稳定性的聚合物制成。适宜的材料包括聚乙烯，聚丙烯，聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯。适宜的网状材料是从Nalle Plastics和Applied ExtrusionTechnology商购的。一般网的密度是8-16股／英寸。优选的密度是10-12股／英寸。在流径中溶液的表面线速度是7-20厘米／秒。优选7-15厘米／秒。
大容量的电流输入到电渗析组件上将转变成热，使工艺液流的温度升高，特别是在组件的出口。为了机械的完整性和膜的稳定性，整个的温度升高应限制在约为20℃。通过施加的电流密度和有效膜面积，组件元件(膜和溶液室)的电阻，工艺液流的数量和它们的液体流量比来确定温度升高。这些因素和流径部分的宽度和长度结合确定在电渗析组件中串联连接的流径部分的数量。例如四流径部分能够安全的串联连接用于二隔室组件，其中使用0．75mm厚的隔板，在单元室中的电压为3．5V时电流密度为100mA／cm2，液流的线速度为10cm／sec，路径长度为34″(86cm)，路径宽度为9．5″(24cm)。
每个流径部分通过在隔板原材料上切割形成的筋32，34相互分开，因此其厚度与整个隔板的厚度是一样的。筋应充分宽以提供对邻接的膜足够的支撑和密封以及分开每个流径部分。而筋又应保持窄一些以使膜面积利用最大。筋的宽度可为0．25-4cm，优选1-2．5cm。
在图1中的每个流径部分26，28，30彼此是一个跟着一个配置，并且彼此通过液流限制器部分36，38连接。实际上，这些限制器部分是附加的或是第二液口，优选用与在流径本身使用的一样的网状材料充填。另一方面，可使用较密的网状材料(例如12-30股／英)或提供与液口P1相同设计的液口。
限制器部分36，38的宽度可是流径部分宽度的20-90％，优选流径宽度的30-50％。液流限制器部分36，38的长度与筋32，34的宽度一样，但一般稍短一些或稍长一些。因为限制器部分的宽度小于流径部分的宽度，所以，提高液体的速度通过限制器。这意味着液流带着激烈的湍流流入下一个液流中并搅拌在这部分的液流。因此，作为第二液口，设计的限制器能保证在每个流径部分内良好的液流分布，并消除了在流径内的死角。限制器的形状可如图1-4中示出的是矩形的，不规则四边形的，渐收缩形的或最佳压力恢复型的双文丘里V形的。
在循环通过串联连接的流径部分26，28，30后，工艺溶液通过液口P2和歧管孔23排出。
优选液口P1和P2是一样的设计，适宜设计的一些实例示于图5(a)-5(e)。液口的顶和底是平面。液口是具有充分刚性的材料制成，以避免它们的内部的液流通道在组件封闭的压力下塌陷，作为环绕液口隔板材料，该液口应能够容易对着邻接的膜密封。取决于特定的设计，液口可以是由几层材料形成的复合材料；或液口可由单片材料制成。最后整个液口的厚度大致是一样的，但是其刚性比隔板较大些。
详细说来，图5示出的液口由单片材料40例如聚丙烯或聚四氟乙烯制成的，带有在整个通过处延伸的许多环形孔42，以提供液体流从歧管孔到串联流径流动的通道。图5(b)示出液口设计类似于图5(a)，但带有软的外表面44，46以改进与离子交换膜的表面密封。这些较软的层对化学操作是稳定的。它们可是例如低密度的聚乙烯或苯乙烯-丁二烯橡胶这样的材料。
图5(c)示出的液口设计具有在中心部分50为方形的或矩形通道48。这种液口通过在片状塑料52中切出串联通道的槽很容易形成，该槽大约是隔板厚度的一半，切出该槽成近似液口长度部分，并且表面偶合成矩形通道。如果需要，二半可粘合或焊接在一起。应当注意的是应保证成形构件的壁厚足够，以提供所要求的液口的刚性。
图5(d)示出的液口具有复合结构。这里，非编织网状材料片(优选网的密度高于在流径中使用的密度)被夹在二层聚合物之间，所述的聚合物例如是聚丙烯或聚四氟乙烯。较高的网密度能使液流通过限制器时流速较快，以在下一个液体流动部分形成湍流从而保证良好的液流分布。同时较高的网密度还为顶和底表面提供较好的刚性支撑。为提供足够的刚性。所使用的用于顶和底表面的聚合物呈膜状，其厚度为0．005″-0．01″。图5(e)是由多层聚合物膜和非编织网状膜材料制成的一复合结构的液口。这种液口适用于较厚的隔板。
在图5(c)，5(d)，和5(e)中示出的复合结构的液口可具有如图5(b)所示的较软的顶和底层。其它适宜的设计可通过本领域的专业人员鉴别。
图2示出用于三隔室电渗析组件的隔板55。除了添加了二个歧管孔56，58以用于整个三工艺流外，其结构类似于图1的隔板。
图2(a)示出相同的隔板59，但其带有的液口P3，P4与中间歧管孔56，58连接。如上述，这是“不同的”隔板。同样如上述，图2(a)中的歧管孔21，22，23，24不连接到串联流径上。代替的是，如图2所示，它们对下游的隔板提供导管。对于图2(b)中装配的三隔室，所提供的一种隔板如图2(a)，二种隔板62，64如图2所示，它们(62)中的一个旋转180°以形成第三工艺环路。
图3示出的隔板70类似于隔板55，59，但添加了制成的液口P5，P6，其位于流径部分之间并提供了在流径部分之间的液流限制器功能。这些液口不同于液口P1和P2那样可是任意液流的分布机构并且与隔板自身一样的整体厚度。它们可是如液口P1和P2一样的设计(图5(a)-5(e))或可是例如致密的非编织网一样的其它设计，在一热塑性塑料或热固性聚合物等构件上切出一组并联的通道。
图4，6和7示出带有多个串联流径的各种结构的隔板。这些结构特别适用于大容量的应用中，要求的隔板为1m×1m或更大。实际上，该结构已被做成隔板中的标准化组件。
图4示出二隔室隔板72，具有二个蛇行串联流径74，76，每个分别具有四个串联连接的液流部分通道74-78和82-86。分别的，总的有八个歧管孔88-94和96-102，与4个液口P7-P10一起被用于供给供料流并从电渗析组件中排出产品。这种布置容许隔板的二个部分74，76或并联操作，或以二个分开的和独立的段操作。
图11(a)-11(c)示出在二隔室例如在图4示出的一些可能的流径。图11(a)示出二步骤74，76的并联连接。在二串联液流径74-76中有酸(A)流和盐／碱(s／b)106液流。共流的液流提供最小的工艺液流之间的压差，所以在离子交换膜上的应力最小。
该A流和S／B液流108，110(图11(B))是逆流的。这些逆流布置提供一种在液流和一定的应用之间极好的压力匹配，可产生较高的生产效率。
图11(c)示出带有并流的二液流112，114的流动的串联连接的二个段74，76。这种工艺连接提高了在三隔室的盐环路中的有效的氯化钠的转化率。如图中所示，选择中间冷凝器匹配在二个段之间，以保持在设计目标内的温度升高。
另一种可使用普通歧管孔120-126(图6)用于隔板119的二部分，其中在操作中，并联配置二个串联流径74，76并且减少歧管孔的数目到四个120-126。这种隔板不能提供具有二个独立段的选择，但有利的是，仅有四个歧管用于二个串联路径。
图7示出带有四组串联流径的二隔室隔板127。在该设计中，分别有总的八个歧管孔128-134和136-142，还分别有八个液口P11-P14和P15-P18。每个串联流径有4个串联连接的液流部分。如果在较低的电流密度(即较低的热发生)进行电渗析工艺操作希望供料液流的转化率要高时，在串联中，可连接高达八个液流通道。
对于本领域的专业人员来说，该设计的其它变化是显而易见的。
图8是透视图，示出一本发明的二隔室电渗析组件结合的隔板。该图中所示的与图1中的隔板是一样的。通过使用一组在装配的孔上与之匹配的螺栓安装该组件。优选的完善的装配是通过一组夹紧的螺栓和螺母(没有示出)将其装在一起。工业室组件的大小是在一组电极之间装配50-200以上的单元室。隔板可大到1．2m×2．5m，通过过滤器压榨机形式的装置使用液压回路机械以提供所需的密封压力将其装在一起。
在图8的阳极端处开始，该组件有一钢制端板组件150，其厚度为0．25-0．5″。在组件中，下一个是厚度为1-2″的聚丙烯端板152和厚度为0．062″的阳极板154，在这些板之间配置有橡胶隔板(没有示出)以改进密封。电极可由铂，在钛，镍上涂铂制成，或由在钛上涂贵金属氧化物制成。镍阳极要求碱性介质，而其它电极在酸性介质中或中性介质(无氟化物)中起作用。
适宜的金属氧化物电极是在钛上涂氧化铱。已发现，氧化铱电极特别适用于含有少量有机酸的无机酸溶液中，例如在应用中包括有机酸的盐的加工中。因此优选阳极用于电渗析室组件加工有机盐。
一种类似钢板156，塑料端板158和阴极板160的装配用于阴极端。阴极材料可是316不锈钢或高合金钢，例如商购“Hastelloy”的在实际操作中在酸性介质或是在碱性介质中都稳定的材料。电极154和160有接头T1，T2，该接头用来连接外电源DC。这些电极可装入塑料端板152，158内的空腔内，或其整个尺寸与端板大致一样的。
在二个电极154，160之间装配隔板和膜。在隔板166和168内以及在离子交换膜(双极膜170，阴极膜172，阳极膜180)之间分别含有酸性室和碱性室162，164。
加工溶液优选从阴极(低电位)端进入电渗析组件并经由在隔板中的歧管孔和膜分布到隔板内的每个室中。由向每个隔板供料确定隔板的定位空间和液口的位置。通过串联连接流径部分(如图1中26-30)将酸A和盐碱S／B溶液进入每个隔板液流的174a，174b。在图8所示的布置中，在A和B室162，164中的酸A流和盐碱S／B溶液是并流的。从每个隔板的176a，176b处工艺液体排出经形成的沟槽通过排出的歧管孔并排出到在阴极端的装配地电渗析组件的外部。
电极漂洗溶液ER174c，176c和ER＇174d，176d通过独立的回路供入。阳离子膜180防止阳极漂洗溶液或从174c进入的通过阳极隔板178并从出口176c排出的循环阳极液ER与主工艺溶液A和S／B混合。端双极膜171防止阴极漂洗溶液或通过阴极隔板182的循环阴极液ER＇并与主工艺溶液A和S／B隔开漂洗。
为了确保电极漂洗溶液ER和ER＇适当地与主工艺溶液分隔开，可在邻近双极膜171的阳离子侧配置阳离子交换膜(在图中没有示出)。另一种选择，阴离子交换膜可邻近双极膜171的阴离子侧配置。阳离子交换膜和阴离子交换膜可比双极膜的机械耐用性好一些，以能做到防止电极漂洗液ER＇和主工艺液流A，S／B大容量混合，即使相对较弱的双极膜在主工艺溶液和电极漂洗液流之间的压差下应当破裂。
在图9中示出最好的装配顺序和工艺操作，在图9中示出了有八个单元室的控制元件的装配，每个含有酸室A和盐／碱室B。二个双极膜(-+)构成这些有二室A和B的每个，上述的双极膜含有室A和B以及分开碱室B和酸室A的阴离子(-)交换膜。经在隔板内形成的内歧管孔将工艺溶液供入碱室和酸室。在阳极端和阴极端的电极漂洗室ER和ER＇，用电极漂洗液流例如来自普通贮罐的稀硫酸单独供入。
在阳极端的阴离子膜(+)192输送氢离子到ER室的外部，而在双极膜196的阳离子表面处产生接近平衡量的氢离子，在装配的阴极端氢离子被输送入ER＇。这种布置平衡了在电极漂洗回路中的氢离子并保持在比较长的时间内电极漂洗浓度在一个稳定水平内。
在图9中二隔室阳极室的构型特别适用于转变铵盐成为氨和酸。将铵盐，NH4X加入B室中，在此与在双极膜(+-)处产生的氢离子反应，形成氨溶液。在此期间，阴离子X-由直流电流驱动力输送穿过阴离子膜(-)到A室，在此，它们与在双极膜产生的氢离子结合形成酸HX。反应如下盐／碱室酸室实例应用本发明的隔板改进电渗析组件的性能，研究其在铵乳酸盐转化中的应用。本工艺使用结合双极膜和阳离子交换膜的二隔室。在该工艺中，一开始，将经发酵产生的浓缩的30-45gm／l铵乳酸盐过滤，除去微生物细胞和不溶解物，再用超滤对其过滤。
将生成的清原料液输入电渗析组件装配的盐／碱室(B室)，在直流电流驱动力的作用下，在双极膜的表面产生的OH-离子与铵离子结合产生氢氧化铵。输送乳酸盐阴离子穿过阴离子膜与在双极膜的阳离子选择表面产生的H+离子结合生成乳酸。
使用结合本发明的隔板的图9的控制室进行二个试验，二隔室含有8个单元室。在室组件中使用的隔板的厚度为0．76mm。每个隔板有有效面积465cm2(0．5ft2)，通过直流电流。含一阳极190的组件由电极产品商供给的在钛基质上涂氧化铱构成。使用来自Sybron Chemicals的一MC3470阳离子膜192的电极漂洗室ER和七个包括A室和B室的中继室，所述室使用了来自AsahiGlass Company的AMV或AMT阴离子膜194。从Aqualytics a division ofGraver Water获得双极膜196。第七个双极膜后面是酸室A，阴离子膜194(AMV或AMT)，碱室B，另一个双极膜196，电极漂洗室ER＇，和不锈钢阴极198。在酸和碱室隔板A，B内使用图5(d)，5(e)的液口设计，很容易实现无泄漏装配。由图10的方框图示意示出在系统中配置本发明的组件进行电渗析工艺。用三台(P1-P3)泵进行溶液循环，从溶液的各自的循环贮罐198，200，202到酸，碱和电极漂洗室204，206，208，其流量为2．5-3．5 l／min。在酸和碱环路中，这种输送的表面速度为7-10cm／sec。在环路中使用了隔膜阀，筒式过滤器210，流量计212，压力计214以保证在三个环路内以公知的流量和压力降清洁的液流。与供料贮罐216匹配的是供料泵P4，用其经由导电率控制器CIC供给铵乳酸盐原料液到碱循环贮罐200。DC动力源分别连接到组件的阳极和阴极的终端224，226。对输入的电流和电压进行必要控制的控制器位于动力源自身内。
开始，将碱和酸的循环贮罐200，198内的过滤液(原料铵乳酸盐)注入系统，将8wt％硫酸注入电极漂洗贮罐。开动循环泵P1-P3，调节流速使压力降为4-7psi，在大部分情况下，在压力降5-6psi(0．35-0．4bar)保持流速为3．2升／毫米(表面速度为9cm／sec)。这是在考虑在隔板中的总的流径长度为30″时相当低的压力降，表明在串联流径的上部和下部之间的压力恢复非常好，并显示对工业上使用湍流设计的设备有显著的改进。因此，如果需要不冒膜破裂的危险，在串联流径的上和下支线的好的压力恢复，在室组件中可使用逆流液流。
实例1使用装配的控制单元(图9)，加工超滤(200，000道尔顿公称流量)原料流进行试验65天。八个单元室有双极膜和AMV阴离子膜。在直流电流输入量为14．5A(29A／ft2电流密度)进行试验操作。将导电率为25ms／cm的铵乳酸盐和含有35-50gm／l乳酸用作铵乳酸盐的原料计量进入碱循环贮罐200，其流量应足够以保持贮罐的导电率在10ms／cm。PH9．5-10的碱产品(氨基产品含有约为10gm／l氨和约为15gm／l的未转变的乳酸盐)过流至碱循环贮罐外部。浓度为250-300gm／l的产品乳酸在适宜的水平控制下过流至酸循环贮罐198的外部。在室组件内的酸流和碱溶液是并流的。
在试验结束时，室基本上保持没有内漏。膜和室的性能是稳定的，从而证明使用新隔板保持膜和室的完整性。金属氧化物阳极呈现良好的状态，而不用考虑有少量的乳酸与它接触。在后面的试验中再使用它仍具有良好的效果。
如果需要，通过使用在端部双极膜后面的阳离子交换膜和阴离子交换膜，在电极漂洗回路中的双极膜的破裂问题的发生和生成过量的有机物可以避免。如果需要，可有二个其它的选择，一个选择是分开二个电极漂洗回路，每个带有它自己的电极漂洗溶液供给源，第二个选择是在阳极液后面配置额外的碱室。通过使用带有面对阴极的阳离子选择侧部的附加的双极膜很容易实现这种布置。元件的装配顺序开始于阳极端，顺序为阳极，阳极液室，阳离子膜，碱室，双极膜，酸室，阴离子膜等等。
实例2使用控制单元(图9)(含有双极膜和AMT阴离子膜)，加工二个独立的铵乳酸盐供料流进行超滤(200道尔顿流量)以除去大容量的二价键金属，基钙(mainly calcium)和镁进行试验9天。将生成的过滤液，在铵乳酸盐型中的32和48gm／l乳酸分别在酸室中转变成浓度为260-290gm／l的乳酸产品和含有10-11gm／l乳酸盐的贫化盐流和在碱室中的溶解氨7-10gm／l。二个供料流的总钙含量分别是19．5和16．8ppm，镁含量为8-11ppm。二价金属离子浓度是充分高的，以引起在电渗析组件产生沉淀和电流流量问题。
特别是，发现在碱产品中镁的溶解度较低。从而，在碱环路206内(在高PH双极膜表面)物料沉淀，接着送到室250的外部，再在外部过滤器230中除去。在没有沉淀的情况下，发现在单元室电压为3．5伏时电流输入量＞70A／ft2。在该试验中有沉淀时，电流输入量减少，对于给定的电流输入量要求较高的电压。在9天试验内，在单元室电压4V时电流调整范围27-32A(54-64A／ft2)。
实例3在使用商购的电渗析室组件的装置中加工在前述实例中使用的一样的原料流。这些组件是层流设计的由Aqualytics a division of Graver供给的，并利用了类似双极膜-阴离子膜的结合，具有每单元室有效面积6平方英尺。室组件的隔板厚度为0．76mm。每个隔板有六组歧管孔(共十二个)、三组液口(共六个)用于调节溶液流。在隔板中的液口速度为5-6cm／sec。
在5天试验期间使用四个商购组件，每个含有210个单元室。这些室在700-750伏操作，输送给一个单元室的电压为3．2-3．4V。来自室组件的碱产品的导电率是15-20ms／cm，比实例2中使用的导电率高一些，含有15-25gm／l乳酸和5-8gm／l溶解氨。在电渗析(ED)组件内的电流输入量(安培)如下
从表中可以看到，在不同的组件间电流输入量以显著的变化，电流输入量也随时间变化。有利于沉淀形成和有利于从那里形成不稳定的液流分布。电流密度调节范围从37A／ft2下降到21A／ft2(平均电流除以6平方英尺有效面积)，比在实例2中使用的本发明的隔板获得的电流密度显著的降低了。
根据上述对本发明的改进对于本领域的专业人员来说都是显而易见的，包括所有相当的符合后附权利要求解释的结构都落在本发明的真实范围和精神之中。
权利要求
1．一种用于电渗析室组件的隔板，所述隔板包括一有效面积，歧管孔和位于供给工艺液体进入有效面积和从有效面积排出工艺液体的液口(ports)，所述的歧管孔还形成用于液流进入在室组件内的其它隔板的导管部分，所述的隔板具有一均匀的厚度，所述的隔板的有效面积包括一组连接在一起的液流路径(flow path，简称“流径”)部分以形成至少一在所述的隔板内的串联流径，至少一流径部分是整个隔板宽度的10-49％，所述的每个流径部分是通过在设在所述串联流径转弯处的液流限制器彼此连通的，一编织或非编织材料具有与在所述串联流径隔板的厚度基本一样的厚度以促使液流湍流，所述材料具有开孔面积用于实现液体流和带电流的流动；二个歧管孔每个工艺流流过一串联流径，二个液口每个在与每个连接的歧管孔和所述串联流径的对应端之间连通，所述液口的一个形成用于所述串联流径的一液体进口，所述液口的第二个形成用于所述串联流径液流的出口；每个所述液口具有的厚度与所述隔板的厚度基本一样。
2．权利要求1的隔板，其中所述的液口的刚度高于隔板的刚度，每个所述液口具有基本平的顶面和底面，所述的液体流径形成一在所述二液口之间完全延伸的通道。
3．权利要求1的隔板，其中，许多流径部分中的每个具有基本相同的宽度并通过所述隔板的筋与其它所述的流径部分分开，所述筋宽0．5-5mm。
4．权利要求1的隔板，其中所述隔板有2-6个串联流径。
5．权利要求1的隔板，其中流径部分形成通道宽度为2．5-12英寸。
6．权利要求1的隔板，所述液口材料为非编织网状材料，在该液口形成的液体通道由非编织网制成，其网密度至少等于作为在串联流径中所述材料使用的网密度。
7．权利要求1的隔板，其中液口是平膜和非编织网状材料构成的复合材料。
8．权利要求1的隔板有一组并联连接的串联流径并用所述的工艺液流经所述液口从普通的进口和普通出口歧管孔供给串联流径。
9．权利要求1的隔板，其中所述的室组件是二隔室的电渗析室，具有第一组和第二组隔板，每个隔板有二组导管歧管孔用于二隔室电渗析室，一组歧管孔供给组件中的第一组隔板，其它歧管孔供给组件中的第二组隔板。
10．权利要求1的隔板，其中所述组件有第一组，第二组，第三组隔板，每组隔板有三组导管歧管孔用于供给工艺液流到三隔室电渗析室，第一组歧管孔供给第一组隔板，第二组歧管孔供给第二组隔板，第三组歧管孔供给第三组隔板。
11．权利要求1的隔板，每个液流限制器部分包括一具有平的顶面和底面的液口，所述的液口匹配液体流部分形成所述串联流径，所述的平表面密封相对的邻接的膜，承受夹持所述的组件在一起的压力。
12．权利要求1的隔板，其中所述的材料是非编织网状材料，每个液流限制器包括一非编织网，其具有的网密度高于在串联流径内的材料使用的网密度。
13．权利要求1的隔板，每个流体限制器部分具有的宽度在流径部分宽度的20-90％范围内。
14．一种电渗析室组件包括一组权利要求1的隔板，所述的隔板组是以面对面组件装配，通过离子交换膜分开形成室的隔板的每一个隔板。
15．权利要求14的电渗析组件含有连续的酸和碱隔室用于由所述的分开的膜确定的多达四个隔室。
16．一种权利要求15的二隔室电渗析室，其中，每个室由一对双极离子交换膜和在双极膜间的阴离子交换膜确定，在所述膜之间夹持隔板形成组件。
17．一种权利要求15的三隔室电渗析室，在所述的一对双极膜之间含有阳离子交换膜和阴离子交换膜，并带有在膜之间的隔板，和在膜之间并对着所述的膜密封(…，and with said gaskets between and sealed between andagainst said membranes．)。
18．权利要求14的电渗析室还包括在所述的组件的一端处的阳极上涂有贵金属氧化物。
19．权利要求14的电渗析室还包括在组件的一端的一阳极，所述阳极是在钛基质上涂有氧化钌。
20．权利要求18的电渗析室还包括一在电解隔室中循环的无机酸稀溶液状的电解质。
21．权利要求20的电渗析室，其中酸是硫酸。
22．权利要求19的电渗析室还包括碱隔室邻接阳离子交换膜，该阳离子交换膜顺序邻接阳极液。
23．一种用于电渗析组件的隔板包括由至少一支持网覆盖的有效面积，隔板材料的筋分开有效面积成为与限制器部分连接的流径部分形成在二端间延伸的串联流径，在每个所述串联流径的二端处的至少一个歧管孔，液口结构件连接每个所述的歧管孔到每个串联流径的连接端，所述的液口结构件有与所述隔板的相对侧共平面的上部平面和下部平面，一对着所述隔板的相对侧密封的膜和所述液口结构件的上部表面和下部表面。
24．权利要求23的隔板，其中所述隔板有一预定厚度，所述液口结构件包括一厚度基本等于所述隔板预定厚度的板，所述液口结构件还有一组在通过处延伸的通孔，用于所述歧管孔和串联流径的中间连接。
25．权利要求24的隔板，其中，一弹性材料覆盖液口结构件的顶部和底板。
26．权利要求24的隔板，其中所述的液口结构件包括面对面安装的二块板，所述的通孔是在穿过至少面对面的至少一个板延伸的沟槽。
27．权利要求24的隔板，其中所述液口件是一在其中含有液体连接通路的非编织网和在非编织网之上和之下的膜层，以限制任意的液体在所述非编织网内的所述的歧管孔和所述串联流径之间的范围内流动。
28．权利要求27的隔板，其中有一组在所述液口结构件内的非编织网层。
29．一种电渗析室包括一串联的零部件，其开始为阳极，最后为阴极，一串联的室位于所述的阳极和阴极之间，每个室由一对双极膜和一在一对双极膜之间的交换膜确定，所述的交换膜取自阳离子和阴离子构成的组合，每个室有一酸室和一碱室，在隔板中形成的室含有位于每二个膜之间一串联流径，每个隔板包括邻接每个串联流径的端部至少一个歧管孔，以形成一导管通过所述隔板和与每个歧管孔连接的液口结构到对应的所述串联流径的端部。
全文摘要
一个用于电渗析室装配的隔板,有一串联流径,其包括一组由限制器部分连接的流径部分。每个流径部分有一相对宽的宽度,限制器有比该宽度小的宽度,以便由于液体流过限制器使在串联流径内的液体流动速度必需提高。其结果,液体排出限制器引起湍流并在(下一个)流径部分内搅拌。岐管孔位于串联流径的相对端。刚性液口位于每个歧管孔和串联流径端之间。连续装配的室由一对双极膜和在它们之间的阳离子交换膜和/或阴离子交换膜确定。隔板的一个位于每二个膜之间。
文档编号B01D61/46GK1204549SQ98105128
公开日1999年1月13日 申请日期1998年1月16日 优先权日1998年1月16日
发明者K·N·马尼 申请人:阿切尔丹尼尔斯密德兰公司