包括卡扣配合设计和取样口的电渗析隔板的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于膜叠层的隔板，所述隔板具有上表面和下表面。所述上表面具有围绕膜支撑部分的凸起周界。所述隔板具有一个或多个突起和凹处，所述一个或多个突起和凹处被配置成使得第一隔板的所述一个或多个突起装配到具有相同突起和凹处的抵靠所述第一隔板进行叠层的第二隔板的一个或多个凹处中。可任选地，叠层可以是干涉配合或者卡扣配合。在叠层中，膜置于位于隔板之间的所述膜支撑部分上。优选地，上隔板的底部安置在下隔板的凸起周界上。隔板可以具有孔，所述孔从所述隔板的边缘延伸到所述隔板内的流场的内部。所述孔提供通向所述流场的通道，以便进行诊断测试和/或取样。
【专利说明】包括卡扣配合设计和取样口的电渗析隔板
[0001]相关申请案的交叉引用
[0002]就美国而言，本申请主张2013年12月20日递交的第61/918,717号美国临时专利申请的权益，该临时专利申请以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]发明涉及一种膜叠层，例如，用于电渗析或者其他电气驱动膜分离装置中的膜叠层，以及一种制造所述膜叠层的方法。
【背景技术】
[0004]在典型的板式和框式电气驱动膜分离装置中，叠层由交替的离子交换膜和隔板构成。这些隔板将离子交换膜彼此电隔离，并且提供这些离子交换膜之间的流动通道。流动通道周围的隔板与膜之间设有垫圈。在电渗析(ED)叠层中，包括诸如电渗析倒转(EDR)和反转电渗析(RED)等ED变型，离子交换膜在阴离子交换膜与阳离子交换膜之间交替。在其他类型的叠层(唐南(Donnan)或者扩散渗析)中，只有阳离子交换膜或者只有阴离子交换膜。在电去离子(EDI)或者连续电渗析(CEDI)叠层中，存在交替的阴离子和阳离子交换膜以及位于部分或者全部隔板的流动通道中的离子交换树脂。在进一步延伸中，ED叠层中的离子交换膜可替换成高表面积(high surface area)的电极，得出电容性去离子叠层。
[0005]第6,235,166号美国专利中描述了一种电器驱动膜设备，该电子驱动膜设备包括:隔板，该隔板具有周界，所述周界的表面具有界定开口的内外周边缘，以及形成于所述内外围边缘的凹处；以及离子交换膜，所述离子交换膜具有装配在所述凹处内的外边缘。叠层包括两种类型的隔板。一种类型的隔板具有密封构件，并且由相对柔软的材料制成。另一种类型的隔板由相对坚硬的材料制成，并且具有凹槽，用于接纳另一种类型的隔板的密封构件。
【发明内容】
[0006]以下说明旨在向读者介绍详细描述并且不限制或界定权利要求书。
[0007]电分离系统中的膜之间的隔板代表了去矿化(又称为供给或者稀释)流与浓缩(又称为盐水)流的流动通路。这些隔板通常由低密度聚乙烯或者类似的材料制成，并且布置在膜叠层中，以便通过液压方式将所有去矿化流组合在一起，并且将所有浓缩流组合在一起。称为“单元对”的重复单元形成为包括阳离子交换膜、去矿化水流隔板、阴离子交换膜以及浓缩水流隔板。本说明书描述了一种隔板和单元对的新型设计，以及用于界定抵靠膜的流动区域并且划分单元对的方法。例如，这些设计和方法适用于渗析和电渗析，包括诸如电渗析倒转、反转电渗析、唐南渗析和电去离子等变型。
[0008]本说明书描述了一种具有上表面和下表面的隔板。所述上表面具有围绕膜支撑部分的凸起周界。所述隔板具有一个或多个突起以及位于所述膜支撑部分之外的一个或多个凹处。所述凸起周界可以是，或者可以包括，突起或者凹处。所述突起和凹处被配置成使得第一隔板的一个或多个突起装配在具有相同突起和凹处抵靠所述第一隔板叠层的第二隔板的一个或多个凹处内，以形成水封。可任选地，凹处与突起之间可能存在干涉配合或者卡扣配合。可以将彼此叠层地安置多个隔板，同时将膜置于位于隔板之间的膜支撑部分上来形成叠层。优选地，上隔板的底部安置在下隔板的凸起周界上。可任选地，可以向隔板配备额外的密封材料，该密封材料可位于单独的垫圈中，或者注入所述叠层中。
[0009]本说明书还描述了一种隔板，所述隔板的至少一个孔从所述隔板的边缘延伸到所述隔板内的流场的内部。例如，该孔可以用于从所述流场抽取水样本，或者向流场中插入探针、传感器或者成像装置。该孔可以在不使用时塞紧，或者可以通过阀门附接到取样口。
【附图说明】
[0010]图1示出了电渗析叠层的截面示意图。
[0011]图2不出了扁平隔板的俯视图。
[0012]图3是第一隔板的概念边视图，所述第一隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹处。
[0013]图4是图3中的隔板的概念立体图。
[0014]图5A是第二隔板的概念边视图，所述第二隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹处。
[0015]图5B是第三隔板的立体图，所述第三隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹处。
[0016]图6A-1和图6A-2是图5A中的隔板的各个部分的放大视图。
[0017]图6B-1和图6B-2是图6B中的隔板的各个部分的放大视图。
[0018]图7是图5中的三个隔板及其三个构件的组合件的分解立体图。
[0019]图8是图5A中的隔板中的可插孔的放大视图。
[0020]图9示出了可90度旋转的隔板的平面图。
[0021 ]图10示出了可180度旋转的隔板的平面图。
[0022]图11和图12示出了具有手指状密封表面的替代隔板的平面图和侧视图。
[0023]图13和图14示出了具有肋状密封表面的替代隔板的平面图和侧视图。
[0024]图15示出了具有横向和水平卡扣配合的替代隔板。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了一种电渗析叠层。阳极和阴极被一系列阴离子交换膜与阳离子交换膜分隔。在所示的叠层中，所述阴离子和阳离子交换膜交替地布置。在电渗析或其他叠层的其他实例，可能存在两个相同类型的膜可以接连使用，或者整个叠层可以具有一种类型的膜的情况。各种液体在膜之间的流动。这些流通常发生在隔板之间，隔板具有交叉搭接片，用于实现以下的一个或多个:确保隔板的物理整体性、支撑相邻的膜、在组装期间帮助叠层对准，以及增强湍流，从而帮助减少胶状沉淀。隔板在物理上分隔并且隔离连续的膜。这些隔板的厚度通常为约0.1mm到10_。这些隔板还可以在流场内提供结构，用以界定从两个膜的内部到外部的流动通路。
[0026]图2示出了一种扁平隔板。隔板具有两对进出口。在叠层中，进出口与膜中的对应歧管切口形成了叠层中的立管。一对进出口提供了流场的入口和出口。另一对进出口构成了内导管，该内导管将用于供应或者去除相邻隔板中的流体。相邻的隔板将相对于所示的隔板反转，或者其流场将连接到另两个进出口。流场和进出口外部的区域是大体扁平的。在叠层中，外部尺寸与隔板相同的膜被置于每对隔板之间。在添加其他任何元件之后，例如电极或者端板，对该叠层进行压缩。尽管这样可以产生可用的叠层，但是难以在叠层正在组装的同时保持该叠层的对准。此外，膜的边缘被暴露于叠层的侧面。可能存在从膜本身的泄漏，或者膜与连接叠层外部的隔板之间可能存在泄漏。外部叠层表面可能由于氧化皮而呈波状或者结硬皮。此外，膜边缘可能干透并且变质。
[0027]图3和图4示出了第一隔板，所述第一隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹处。在该隔板中，存在U形槽形式的凸起周界，该凸起周界沿隔板的两侧延伸，以及相同高度的脊部，该脊部延伸在隔板剩余两侧的所述U形槽之间。该U形槽和脊部共同围绕隔板的膜支撑部分。图3中去除了穿过隔板前部延伸的脊部，从而示出膜支撑部分的内部。所述槽可任选地提供了阴卡扣配合部分。阳卡扣配合部分从阴卡扣配合部分下方的隔板向下延伸。将另一个相同的隔板置于所示的隔板之上时，上隔板与下隔板的膜支撑部分与下隔板的突起周界之间，可任选地与上隔板的一个或多个突起相组合，形成了腔室。该腔室分隔了位于膜支撑部分上的膜。这样有助于避免向叠层的外部泄漏。卡扣配件还有助于在添加更多隔板的同时将叠层的各个部分维持在一起，从而使得叠层的组装更加简便。该凸起周界还有助于对隔板进行加强。优选地，如下所述，隔板还具有一个或多个进出口，使得能够在不拆除叠层时对叠层中的单元对进行诊断测试。或者，卡扣配合构件可以替换成具有提供横向干涉的垂直滑动配合件的膜，从而允许更广范围的膜厚度被用于叠层中。或者，相互配合的凸起和凹处中的一者或两者可以由有助于在压缩时形成密封的柔性或弹性材料制成，或者包括所述柔性或弹性材料。
[0028]图5Α、6Α-1、6Α-2、7和8示出了第二隔板，所述第二隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹处。该隔板还具有围绕膜支撑部分的U形槽形式的凸起周界。该第一隔板具有两对进出口。一对进出口提供了流场的入口和出口。另一对进出口构成内导管，所述内导管将被用于从相邻隔板供应或者去除流体，所述相邻的隔板相对于所示的隔板将具有倒转的膜支撑部分。一个隔板的流场中的流与相邻流场中的流平行，尽管交替隔板中的流动方向可能随意地倒转。流场和进出口与凸起周界之间的区域是大体扁平的。
[0029]流场优选地设有斜筋(如图所示)或者其他湍流增强结构。为便于图示，斜筋被图示为仅延伸穿过膜支撑部分的厚度。制成之后，沿一个方向延伸的斜筋将仅延伸穿过该厚度的上半部分，而沿另一个方向延伸的斜筋将仅延伸穿过该厚度的下半部分。或者，斜筋交叉处之间的斜筋的编织网或者内部可以拆除，以提供便于水流过斜筋的开口。但是，一个或多个隔板接合区可能延伸穿过膜支撑部分的整个厚度，以更大地增加穿过流场的流的几乎均匀的分布。斜筋优选地被配置成支撑不同机械强度的膜。
[0030]凸起周界的对准孔可任选地位于如图所示的调整翼片中，其可以被用于将隔板沿组件夹具中的杆向下滑动，以帮助在组装叠层的同时将隔板对准。
[0031]特别参见图6A-1和图6A_2，U形槽从隔板的顶部向上延伸。从隔板底部向下延伸的脊部具有与槽的内宽相对应的外部厚度。所述脊部还与槽的内部垂直对准。通过这种方式，所示的隔板可以置于具有类似槽和脊部的另一个隔板之上:所示隔板的脊部滑动到另一个隔板的槽内。类似地，另一个隔板可以置于所示的隔板之上:上隔板的脊部滑动到所示隔板的槽内。膜被置于每个下隔板的槽内，然后再添加上隔板。所得的结构如图7中的分解视图所示。可以添加其他隔板，以形成所需大小的叠层。可任选地，可以组装形成脊部向上延伸并且槽壁向下延伸的叠层。所述脊部优选地紧密地装配到至少槽的内壁，以使得两者之间存在横向干涉配合。可任选地，脊部与槽之间可能存在卡扣配合。可任选地，与垂直布置相反，对准孔与U形槽可以设计在与隔板平面横向平行的凸起周界的外部，例如，卡扣配合可以发生在水平平面中。
[0032]图5B、6B_1和6B-2示出了第三隔板。该隔板具有围绕膜支撑部分的凸起脊部或者壁形式的凸起周界。该壁的外部是多个圆孔。隔板的底部是多个圆柱体。当多个隔板叠层在一起时，这些圆柱体位于并且其大小适于滑动到，或者可任选地，卡扣配合到另一个隔板的圆孔内。可任选地，这些圆柱体位于具有凸起的壁的隔板侧上，并且圆孔可以位于另一个上。可任选地，圆孔和圆柱体可以替换成其他相容形状的凹处和突起。可任选地，与垂直布置相反，凹处和突起可以设计成与隔板平面横向平行。
[0033]图8示出了穿过第二隔板的一个边缘的孔。可任选地，可以提供穿过相同或不同边缘的额外的孔。可以将阀门、仪表配件或者可拆除的插塞(未图示)装配到所述孔中。类似的孔也可以设置在第一或者第三隔板中。这些孔可用于对流场中的水进行取样，或者插入与流场连通的分析探针。这些边缘孔可用于对叠层中的各个单元进行单独的诊断测试。例如，诊断测试可以包括基于探针的测量、泄露测试，或者氧化皮或者结垢物取样。测试可以分析流场中的条件。可以使用对膜的任一侧上的流场中的条件的分析来确定膜的性质。可以使用彼此相隔较远的流场中的条件的分析来确定跨叠层的条件是否相同。如果叠层的特定部分中检测到问题，则可以打开出现问题的叠层部分，而无需拆解剩余的叠层部分。可任选地，可以使用一个或多个边缘孔来对工艺或者叠层的条件进行实时或者远程监控。
[0034]例如，隔板可以由低密度聚乙烯或者类似材料制成。
[0035]上述设计至少提供了制造膜叠层的有效替代结构。此外，隔板或者单元设计还有助于避免叠层发生泄漏，并且允许划分隔板内的膜。在传统的叠层中，膜的边缘裸露。干燥并且结垢的膜边缘通常会发生泄漏。此外，膜边缘干燥可能导致聚合物掉落并且织物的纤维裸露，这样随时间的推移可能降低叠层的性能。上述隔板包封膜，这可保持这些膜潮湿并且有助于避免外部泄漏。此外，每个膜安置在隔板的底部，而液体在被隔板的凸起周界围绕的隔间或腔室的上方流动。隔板还为膜提供了良好的结构支撑，并且可适用于不同厚度，例如，0.1mm与2mm厚度之间，以及不同强度的膜。
[0036]传统的叠层还难以在叠层的元件以正确对准的同时进行组装。所述的隔板结构有助于对准，因为卡扣配合零件可任选地进行自对准，并且每个先前已卡扣配合的部分将在添加新零件的同时维持对准状态。两个对准孔还有助于在卡扣配合之前进行叠层调整。
[0037]传统叠层有时必须拆解才能诊断叠层的问题。上述隔板和单元设计可允许技术人员在无需拆解叠层的情况下对叠层的特定部分进行调查研究。各个进出口可允许在不拆解叠层的情况下，对特定腔室进行诊断测试。这些进出口还可以用于安装对叠层进行远程监控的仪表或传感器。卡扣配合设计还允许在其他隔间保持关闭的同时，打开存在问题的膜隔间。
[0038]如图5A中所示，隔板还可以具有隔板挡板部分的卡扣配合设计。这样使得隔板能够在膜位于其间的情况下堆叠在彼此的上方。该设计还需要膜具有适当的间隙-孔，从而有助于相邻隔板的卡扣配合。
[0039]在一些传统隔板的现有叠层中，只有一种类型的隔板，这些隔板可以沿其长度翻转，以形成稀释物和浓缩物腔室。上述隔板通常无法以这种方式翻转，但是保留了密封特征。因此，制成两种类型的隔板，一种类型的隔板用于形成稀释物腔室，一种类型的隔板用于形成浓缩物腔室。可任选地，这两种类型的隔板可以进行色标或者以其他方式标记，从而降低混淆的概率。
[0040]或者，可以制成能够旋转以形成稀释物和浓缩物腔室的隔板。例如，图9示出了一种方形隔板。如果使用对角相对的进出口来形成连接到一种类型的腔室的内管，则将该隔板旋转90度即可交替地形成稀释物和浓缩物腔室。如果使用一侧上的两个进出口来形成连接到一种类型的腔室的内管，则将该隔板旋转180度即可交替地形成稀释物和浓缩物腔室。凸起周界以及相互配合的凸起和凹处，例如，卡扣配合特征，在图9中未被图示，但是围绕隔板的周界添加，相互配合的突起和凹处中的一者位于底部，一者位于隔板的顶部。图10示出了一种矩形隔板。一个短侧上的两个进出口被用于形成连接到一种类型的腔室的内管。将该隔板旋转180度可交替地形成稀释物和浓缩物腔室。凸起周界以及相互配合的突起和凹处，可任选地卡扣配合特征，被围绕隔板的边缘设置。
[0041]在另一个替代方案中，密封件是通过多个柔性元件的交互，而不是卡扣配合来形成的。例如，如图11和图12中所示，密封件由从隔板平面沿一个方向或两个方向伸出的许多小指状元件构成。在图13和图14中，密封件由围绕隔板周界的一系列肋条构成。这些肋条还可以从隔板平面沿一个方向或两个方向伸出。在任一情况下，许多细小特征(即，肋条或指状元件)可以形成密封件，无论它们是否彼此干涉。在这些特征沿一个方向伸出的情况下，如图12和图14中所示，密封件通过一个隔板的特征与另一个隔板的底部接触而形成。这些特征不需要彼此配准或精确公差来实现密封。在特征从隔板沿两个方向伸出的情况下，可任选地伸出到小于图12和图14中所示的高度的位置，隔板还可以翻转，以交替地形成稀释物或者浓缩物腔室。
[0042]在另一个替代方案中，相互配合的突起和凹处提供在图5中所示的隔板的外边缘或者壁上。可任选地，凸起周界可以提供在相互配合的突起和凹处的内部。可任选地，提供水平或者横向卡扣配合。例如，一系列突起可以从隔板平面的一侧向外延伸，并且围绕周界或者隔板隔开。这些突起装配到围绕隔板的外周边缘隔开的相应的凹处中。可任选地，所述卡扣配合特征可以仅提供在隔板的一个边缘上，或者隔板的两个相对的边缘上，但是相对边缘上的突起沿相反的方向伸出，并且相对于垂直叠层移动，卡扣配合可以通过将隔板水平移动到叠层的顶部上来实现。
[0043]本发明的各个方面还适用于平板和框架装置，例如热交换器，以及诸如铀电解槽或燃料电池等电化学电池，隔膜渗滤装置或者其他基于平片膜的叠层。
[0044]上文所述以及附图中图示的实施例的意图在于进一步说明随附权利要求书中定义的本发明，权利要求书的范围内也可存在其他实施例。
【主权项】
1.一种隔板，所述隔板具有卡扣配合设计。2.根据权利要求1中所述的隔板，其中所述卡扣配合是垂直、横向或者水平的。3.—种隔板，所述隔板具有围绕膜支撑区域的凸起周界壁。4.一种隔板，所述隔板具有取样口。5.—种隔板，所述隔板在隔板挡板部分具有卡扣配合设计。
【文档编号】B01D61/50GK105848761SQ201480069949
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年8月20日
【发明人】V.S.萨万特, J.H.巴伯, H.拉马南, V.斯里哈兰
【申请人】通用电气公司