用于连续离子交换隔膜浇铸和处理的集成装置和方法与流程

用于连续离子交换隔膜浇铸和处理的集成装置和方法

背景技术：
题名为“利用非聚合高沸点溶剂制造连续支撑的离子选择性隔膜的工艺”美国专利号5,264,125描述了一种用于制造支撑的离子交换隔膜的工艺。该工艺包括形成衬底和位于衬底各个面上的柔性膜的夹层。膜延伸出衬底的侧边缘之外。膜的边缘被密封在一起，从而形成容纳衬底的口袋(pocket)。接下来，在一对挤压辊之间牵引夹层。在挤压辊上方将液体添加至口袋中，从而在挤压辊上方和膜之间形成了液体池。在夹层穿过挤压辊之前，液体润湿了衬底，并填充了衬底中的孔。从挤压辊开始，夹层穿过一组装置，例如加热器，用于使液体硬化。液体中的可聚合成分进行聚合，从而形成加强的聚合物片材。夹层继续穿过除去夹层边缘的密封的一组刀具，并穿过从聚合物片材上除去膜的一对滚子。这样聚合物片材就是离子交换隔膜。

技术实现要素：
本说明书中所述的装置用于制造隔膜。该装置包括隔膜浇铸段和定位在隔膜浇铸段之后处理段。还提供了传送器系统，其配置为用于运输隔膜，使之至少穿过处理段。在本说明书中还描述了一种用于制造隔膜的方法。该方法包括以下步骤：将可硬化的液体浇铸到衬底之上，使隔膜前体硬化以形成隔膜，处理隔膜并连续运输隔膜，使之至少穿过处理段。附图说明图1是用于制造隔膜的装置的示意图。图1A是根据图1的装置的一个示例的简图。图1B是根据图1的装置的另一示例的简图。图2是用于制造隔膜的工艺的示意性的流程图。图2A是根据图2的工艺的一个示例的流程图。具体实施方式图1是用于制造隔膜50的装置10的示意图。虽然装置10适合于制造各种类型的隔膜50，但其优选用于制造离子交换隔膜。该装置包括两个主要段：浇铸段12和处理段14。浇铸段12包括滚轧段15、膜密封段16、咬送段18和硬化段20。浇铸段12类似于麦克唐纳等人的美国专利No.5,264,125中所述的系统，其通过引用而结合在本文中。处理段14包括一个或多个调节段54、泄漏测试段64、切割段74和图1A中所示的传送器系统51。在图1A的示例中，滚轧段15包括衬底进料器22，其将一张衬底24进给到装置10的剩余部分中。衬底24或被称为基本材料或支撑层，并且各种合适的示例是商业上可售卖的。衬底24通常由一种或多种聚合物，例如丙烯、聚丙烯或聚脂制成，它们可被挤压成纱线，并编织成织物，或组合成非机织物。可选地，可在衬底进料器22中的滚子上提供衬底24。滚轧段15还包括两个膜进料器26，其各将一张膜28进给到装置10的剩余部分中。膜28可由任何类型的材料来制备，该材料对于挥发组分和可硬化的液体通常是不可渗透的，并且容许隔膜50与膜28分离。例如，膜28可由聚脂族的热塑性聚合物树脂，例如聚对苯二甲酸乙而醇酯制成。膜28可能在0.002英寸至0.010英寸厚之间，或是其它尺寸。可选地，可在膜进料器26中的滚子上提供膜28。衬底进料器22和膜进料器26可为被动式的，或者进料器22,26可应用阻力，以展开。或者，进料器22,26由一个或多个马达11驱动，以鼓励展开，并提供通过装置10所传送的隔膜50所需的线速度和张力。可选地，下面所述的其它特征有助于保持所需的线速度和张力。膜进料器26可提供一定量的相同膜28。可选地，各个膜进料器26可提供不同的膜28。衬底进料器22和膜进料器26设置为用于在两个膜28之间进给衬底24。如此布置的衬底24和膜28穿过装置10，使相应的衬底24和膜28的纵向中心线基本上在单个平面中移动。通过穿过一个或多个装置，例如滚子、带、导向器或其它合适的装置(未显示)，可使衬底24和膜28相对彼此处于所需的间距或对准位置。衬底24和膜28从滚轧段15传送至膜密封段16。膜密封段16包括边缘密封装置(未显示)，其将膜28的边缘密封在一起。膜28优选在衬底24的边缘之外进行密封，衬底定位在膜28之间。边缘密封装置提供能源，例如加热器或超声焊接机，以熔化膜28的边缘。边缘密封装置还可包括挤压机(未显示)，用于将熔化的边缘压制在一起。压制步骤可在熔化边缘的步骤之后或期间执行。膜28的边缘密封在一起，形成了口袋式膜28，其中衬底24定位在膜28之间。膜28的口袋还可被称为一种衬底和膜夹层。膜口袋促进了衬底的润湿工艺，这发生在下面所述的咬送段18中。然而，在一种改进的或其它润湿工艺中，可省略膜密封段16。咬送段18包括液体进料器34，其将可硬化的液体36提供到膜口袋中以及膜28之间，从而润湿衬底24。润湿的衬底24还被称为隔膜前体32。液体进料器34包括储槽(未显示)和一个或多个进料管道38，储槽容纳可硬化的液体36，进料管道从储槽输送可硬化的液体36以润湿衬底24。进料管道38从液体进料器34延伸，穿过边缘密封装置，并终止于一对咬送滚子40的上方。虽然图1A描绘了所示的液体进料器34位于滚轧段15的上方，但是各种其它定向都是可行的。可硬化的液体36可在这对咬送滚子40上方汇集成池。咬送滚子40之间的间距经过调整，以生产所需厚度的隔膜前体32。进料管道38可临时提供一定量的可硬化的液体36，其超过随衬底24穿过咬送滚子40的可硬化的液体36的。过量的可硬化的液体36在咬送滚子40的上方成池。可使用任何可硬化的液体，其用于在两个膜之间浇铸支撑隔膜。例如，可硬化的液体36可能如美国专利5,264,125中所述。可硬化的液体36、衬底24和膜28经过选择，从而彼此相适应。可选地，其它化学品，例如稀释剂和聚合引发剂可为可硬化的液体36的部分或添加到液体进料器34中的可硬化的液体36中，或者添加到咬送滚子40上面的可硬化的液体36的池中。例如，稀释剂和聚合引发剂可能如美国专利5,264,125中所述。在装置10的一个选择方案中，咬送滚子40上面的过量的可硬化的液体36的池的高度可经过控制，从而充分地润湿衬底24，以形成隔膜前体32。例如，咬送滚子40上面的可硬化的液体36的高度可通过传感器84来监测，传感器84将池的高度信息提供给控制器82。控制器82优选包括一个或多个可编程序装置，例如处理器或微处理器、计算机、现场可编程序门阵列或可编程序逻辑控制器(PLC)。或者或另外，控制器82可包括能够执行一系列操作的一个或多个非可编程控制器元件，例如定时器或气动回路或电路。控制器82将池的高度信息与预设的高度值或范围进行比较，并确定在高度信息和预设的高度值或范围之间的任何差异，从而产生池高度误差信号。基于池的高度误差信号，控制器82可命令液体进料器34提供更多或更少的可硬化的液体36。例如，预设的高度值或范围可在大约2至大约15cm之间。预设的高度值或范围可经过选择，以便在衬底24和可硬化的液体36之间提供充分的接触时间，从而产生隔膜前体32。可选地，液体进料器34还包括泵送系统，其基于从控制器82接收的命令而传送可硬化的液体36。隔膜前体32和膜28穿过咬送滚子40，然后移动至硬化段20。隔膜前体32和膜28可支撑在连续的或分段的平台42上，平台42传送隔膜前体32和膜28，使之穿过硬化段20。可选地，平台42由马达11a来移动。一个或多个硬化装置44在硬化段20产生支持聚合反应的条件，由此可硬化的液体36形成固体聚合物。聚合反应将隔膜前体32转换成隔膜50。例如，可硬化的液体36可通过热量或通过红外线、微波、紫外线或其它形式的辐射来硬化。在一个实施例中，隔膜前体32可被加热到大约40℃至大约200℃的温度，从而引发和保持聚合反应。硬化段20可在大约2至大约20米长的范围内。硬化段20中的停留时间可在大约4至大约40分钟的范围内。这些温度和时间可根据所使用的可硬化的液体36和聚合反应而变化。在离开硬化段20时，隔膜50和膜28被传送穿过处理段14。处理段14包括一个或多个段，例如调节段54、泄漏测试段64和切割段74以及传送器系统51。传送器系统51包括一系列滚子53，其传送隔膜，使之穿过处理段14的各段。处理段14包括第二对咬送滚子46，其在硬化段20之后接收隔膜50和膜28。可选地，刀具48定位在第二对咬送滚子46之前或在之后，用于修剪膜28的边缘。处理段14还包括膜滚子52，其使膜28与隔膜50分开。膜滚子52将膜28剥离隔膜50，并将它们卷起来。一个或多个膜滚子52可被一个或多个马达11b驱动，以利于移动隔膜前体32、隔膜50和膜28，使之穿过浇铸段12。处理段14包括调节段54，其处理隔膜50，以减少隔膜50中的残余物的。残余物是部分或完全不参与聚合反应的隔膜前体32的成分。残余物还可被称为聚合反应残余物。残余物可均匀地或不均匀地分布在整个隔膜50上。残余物可包括单体、低聚物、聚合物、溶剂、未反应的反应剂、聚合引发剂、催化剂或其组合。残余物还可包括各种离子、化学物或其组合。例如，残余物可包括各种离子种类，例如磺酸盐离子、氯化物离子、碘化物离子、溴化物离子、锂离子、氢氧化锂离子、钠离子、氢离子或其组合。残余物还可包括各种化学物，包括二丙二醇醚(DPG)、丙二醇、乙二醇衍生物、醇例如正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙醇衍生物、醚和醚衍生物、酯和酯衍生物、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、胺和胺衍生物、酰胺和酰胺衍生物，磺酸基衍生物、叔胺基衍生物或其组合。调节段54包括一个或多个调节槽。调节槽还可被称为提取槽或洗涤槽。各个调节槽可填充水或水溶液或溶剂或某些其它液体。当调节槽填充了水时，水优选是基本去电离的，例如具有50μS/cm或更小的电导率。然而，具有较高电导率的水仍然可被认为组成了水槽。非水槽还可能主要容纳水，但水与另一化合物相混合，从而限制其与隔膜的反应。调节段54可能由包括仅仅一个非水槽、不止一个非水槽、定位在一个水槽之前或之后的一个或多个非水槽、仅仅一个水槽、不止一个水槽、定位在非水槽之前或之后的一个或多个水槽，或者一个或多个调节槽的其它组合。在一个示例中，仅仅使用了容纳优选具有50μS/cm或更小电导率的水的调节槽，或者将其用作一系列调节槽中的第一槽。在图1A的示例中，调节段54包括两个调节槽、提取槽56和洗涤槽58。提取槽56可保持提取流体。当其被传送器系统51传送穿过提取槽56时，提取流体降低了隔膜50中的残余物的。提取流体可包括有机离子溶液、无机离子溶液、有机非离子溶液、无机非离子溶液、基本纯净的有机溶剂、基本纯净的无机溶剂、具有添加剂的有机溶液、具有添加剂的无机溶液或其组合。例如，提取槽56可容纳氯化钠溶液、重碳酸盐溶液、柠檬酸溶液、乳酸溶液、醋酸溶液、氢氧化物溶液、包含一种或多种表面活性剂的溶液或其组合。提取溶液的pH值可随着预期目的而变化。例如，如果需要减少任何碱性残余物，那么提取溶液的pH值可保持在大约2至4的范围内。这种酸性pH值范围可通过添加柠檬酸、醋酸或其它合适的酸性溶液来获得和保持。如果需要减少任何酸性残余物，提取溶液的pH值可通过例如添加重碳酸盐而保持在9至13的范围内。提取槽56可具有各种形状和尺寸。传送器系统51传送隔膜50穿过提取槽56，提取槽56部分或完全浸渍在提取流体中。传送器系统51可竖直地、水平地在向上倾斜的路径或在向下倾斜的路径或其组合方式传送隔膜50，使之穿过提取槽56。此外，传送器系统51可一次或多次穿过提取槽56。洗涤槽58优选位于提取槽56的下游。洗涤槽58容纳水，以便从隔膜50上冲洗掉提取流体和至少某些残余物。水可替换隔膜50中任何被提取的残余物并润湿隔膜50。各种类型的水都是合适的，包括过滤水、蒸馏水、重蒸馏水、具有小于大约50μS/cm电导率的去电离水、逆渗透渗水等等。可选地，水可通过一个或多个洗涤步骤进行再循环，并且可使用具有较高电导率的水。水可保持在大约5至8的pH值范围内，优选大约7的pH值。可选地，水的pH值可保持在较高或较低的pH值，这依赖于提取槽56中的提取流体的pH值。传送器系统51将隔膜50从调节段54传送至泄漏测试段64。泄漏测试段64包括染料施用器66和对比进料器68。染料施用器66可自动地将染料应用于隔膜50的上表面上。染料施用器66可包括染料储槽67、泵送系统69和分配管71。分配管71具有一个或多个喷嘴。泵送系统69从染料储槽67抽送染料并在其被传送穿过分配管71时通过一个或多个喷嘴将染料分配到隔膜50的上表面上。可选地，泄漏测试控制器83可控制泵送系统69，以便基于隔膜50被传送穿过分配管71时的速度而控制通过喷嘴分配的染料的量。可选地，在分配管71的下游可提供一个或多个涂布器(未显示)，以便使染料均匀地涂布在隔膜50的上表面上。例如，涂布器可为刷子、橡胶或金属刀片、海绵等等。如图1B的示例中所示，泄漏测试段包括用于容纳操作员的站66a，操作员可手动地将染料应用并均匀地涂布到隔膜50的表面上。染料可为基于高锰酸盐的染料，例如暗黑色染料；基于亚甲蓝的染料；基于格酸盐的染料，例如红/橙染料；藻红B染料或另一与隔膜50相适应的其它合适的染料。染料可被制成溶液，每体积水有大约1%至大约30%(wt/v)的范围的重量的染料。染料优选被制成大约5%wt/v的溶液。当染料应用于隔膜50时，染料可进入隔膜50的上表面，穿过隔膜50的本体中的任何物理漏洞，并通过隔膜50的下表面而离开。隔膜50中的物理漏洞可为隔膜50中的空隙、间隙、孔等等，其是由于不完全的聚合反应条件、可硬化的液体36中存在污染物或各种其它原因而造成的。隔膜50中的物理漏洞可为局部现象或遍及隔膜50的普遍现象。对比进料器68将对比材料70的片材进给到装置10的剩余部分中。对比进料器68可定位在染料施用器66之前、之中或之后。例如，在对比进料器68中的滚子上提供对比材料70。具体地说，对比进料器68将对比材料70从隔膜50的下面向上进给到传送器系统51的滚子53之间。对比材料70的片材与隔膜50的下表面相接触。穿过隔膜50的物理漏洞的任何染料将离开隔膜50，并在染料离开隔膜50的地方或其附近标记对比材料70。对比材料70可由提供与染料高的视觉对比的各种材料制成。染料可以不会被处理段14的剩...