电渗析堆叠的制作方法

本发明涉及一种具有至少一个凹陷（recess）电极的电渗析堆叠（electrodialysisstack）。

背景技术：

以下段落不是对在其中讨论的任何事物是现有技术或本领域技术人员的部分知识的承认。

在具有完整电极的电渗析堆叠中，离子电流由一对电极（阳极和阴极）来驱动通过该堆叠。大部分电流传过离子传输膜，从而产生脱盐和盐的浓缩。一部分电流通过短路机构流过分配歧管，并且降低了设备效率。可以通过使电极的边缘凹陷以使得其与歧管分离来减小该短路电流。电极的两个边缘都可以被凹陷。两个电极的两个边缘都可以被凹陷。

技术实现要素：

以下介绍意图向读者介绍该说明书，而非意图限定任何发明。一个或多个发明可以存在于以下描述的或在本文档的其他部分中描述的装置元素或方法步骤的组合或子组合中。发明人不因为没有在权利要求书中描述这样的其他一个或多个发明而放弃（waive）或否认（disclaim）他们对仅仅在本说明书中公开的任何一个或多个发明的权利。

凹陷电极可能会在电极上产生不均匀的电流分布，并且其中在电极的（或最靠近歧管的）前缘上或在其附近存在高电流密度。如此高的电流密度可能会引起对该区域中的电极和膜两者的加速损害。因此，仍然需要一种经修改的电渗析堆叠，其可以重新分配电流以减少或消除对电极和/或对电极前缘周围的膜的损害。经修改的电解堆叠重新分配电流，以使得前缘电流在电极的体电流密度的150％以内的情况是合期望的。

一个或多个所描述的示例试图解决或改善与具有凹陷电极的电渗析堆叠有关的一个或多个缺陷。

在一些实施例中，本公开提供了一种用于处理导电溶液的电渗析堆叠。该堆叠具有两个电极、离子传输膜和电渗析堆叠间隔物。膜和间隔物被布置在电极之间以限定电渗析电池，从而在电渗析期间在电极之间提供导电的流体连接。膜和间隔物限定了其中的孔，当膜和间隔物被布置成形成电渗析电池（electrodialysiscell）时，这些孔以组合形式限定了用于导电溶液的分配歧管。两个电极中的至少一个具有从分配歧管凹陷的边缘。该堆叠进一步包括与电极之间的导电流体连接重叠的电绝缘区，其中该电绝缘区基本上从分配歧管延伸超过凹陷电极的凹陷边缘，并且基本上从凹陷电极延伸到另一个电极达一段距离，该距离为两个电极之间的总距离的约8％至100％。电绝缘区延伸超过凹陷电极的凹陷边缘，以与电极重叠达大约一段距离，该距离由以下等式确定：

以cm为单位的距离=（0.062cm^-1）*（exp（-60/总cp）*（凹陷边缘处的浓缩流的歧管管道的以cm²为单位的面积），其中总cp指代该堆叠中的电池对的总数。

在本公开的上下文中，对延伸达“大约”一段距离的电绝缘区的引用应当被理解成意指重叠距离可以是由等式确定的距离的+/-10％。例如，对于具有600个电池对和40cm²的歧管管道区域的堆叠，由该等式确定的重叠距离为2.24cm，并且根据本公开的堆叠可以具有如下电绝缘区，该电绝缘区延伸超过凹陷电极的凹陷边缘2.24+/-0.22cm。

可以通过在堆叠中包括多个电绝缘掩模来形成电绝缘区。电绝缘掩模可以包括（a）电渗析电池中的塑料片；（b）两个相邻的电渗析电池之间的塑料片；（c）阳离子传输膜的抗离子传输部分；（d）阴离子传输膜的抗离子传输部分；（e）间隔物的一部分，其减小了相邻的膜上可用于导电流体连接的区域；或者（f）其任何组合。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本公开的实施例。

图1是可以被用于电渗析堆叠中的完整电极、凹陷电极和间隔物的图示。

图2是根据本公开的示例性电渗析堆叠的俯视图。

图3是图2中图示的示例性电渗析堆叠的侧视图。

图4是图2和3中图示的示例性电渗析堆叠的四分之三视图。

图5是根据本公开的第二示例性电渗析堆叠的四分之三视图。

图6是根据本公开的第三示例性电渗析堆叠的四分之三视图。

图7是根据本公开的与示例性间隔物并排的凹陷电极（左）的图示。

图8是图7中图示的两个堆叠但倒置的示例性间隔物的俯视图，其中阴影部分描绘了夹在其之间的膜的可用离子传输区域。

具体实施方式

通常，本公开提供了一种可以被用于处理导电溶液的电渗析堆叠。该堆叠包括两个电极、多个离子传输膜和堆叠间隔物。膜和间隔物被布置在电极之间以限定电渗析电池对，该电渗析电池对在电解期间在电极之间提供导电流体连接。在电渗析堆叠中，电极中的至少一个是凹陷电极。该堆叠包括电绝缘区，该电绝缘区：（i）基本上从分配歧管延伸超过电极的凹陷边缘，并且（ii）基本上从凹陷电极延伸到相对的电极达一段距离，该距离为两个电极之间的总距离的约8％至100％。电绝缘区延伸超过电极的凹陷边缘的距离也可以被称为重叠距离，并且基于与电渗析堆叠相关联的物理参数。该重叠距离被计算为：

以cm为单位的距离=（0.062cm^-1）*（exp（-60/总cp）*（凹陷边缘处的浓缩流的歧管管道的以cm²为单位的面积）+/-10%，其中总cp指代该堆叠中的电池对的总数。

电绝缘区是堆叠内的区，在该区中，电阻大于堆叠的体电阻。这种增加的电阻将试图移动通过绝缘区的电流中的至少一些电流重定向到堆叠中不是电绝缘的部分中。电绝缘区将电流重定向得远离凹陷电极的边缘，并且减少或消除对电极和/或对电极前缘周围的膜的损害。在一些示例中，经修改的电解堆叠可以将足够的电流重定向，以使得在前缘处的电流密度在电极的体电流密度的150％以内。

在本公开的上下文中，“完整电极”应当被理解成指代包括孔的电极，这些孔参与了至少一个分配歧管的形成。“凹陷电极”应当被理解成指代具有导电部分的电极，该电极的前缘与孔间隔开。凹陷电极具有导电部分，该导电部分缺少参与主要脱盐和浓缩分配歧管的形成的孔，但是凹陷电极可以包括特定于电极入口和/或出口流的一个或多个歧管。

电极可以包括涂有贵金属（诸如：铂、氧化铱、钽、钌或银）的钛板，或者可以包括涂在或结合到金属集电器（诸如：cu、al、ni、fe、co、ti或其混合物或合金）上的电容碳电极。

图1图示了在间隔物的上下文中的示例性“完整”电极和示例性“凹陷”电极，其中间隔物的阴影区域图示了流体流动区域。间隔物也可以被称为“流间隔物”，这是由于其将两个膜分离并且允许流体在膜的表面上的分布。

电渗析堆叠的两个电极都可以从堆叠的相同侧凹陷，在这种情况下，可以有两个不同的电绝缘区，每个区独立地朝着相对的电极延伸达一段距离，该距离为两个电极之间的总距离的至少约8％。电绝缘区可以相遇，从而形成从凹陷电极之一延伸到另一个凹陷电极的单个电绝缘区。

电绝缘区基本上从分配歧管延伸超过凹陷电极的前缘。表述“基本上从分配歧管”应当被理解成意指电绝缘区被定大小和定形状成使分配歧管与垂直于分配歧管的面流动的电流充分绝缘，以减少或避免通过该歧管的流动通道的电短路。在一些示例中，电绝缘区从电解堆叠的歧管侧面延伸超过电极的凹陷边缘。

电绝缘区基本上从凹陷电极延伸到相对的电极达一段距离，该距离为两个电极之间的总距离的约8％至100％。在其中电绝缘区由电绝缘掩模限定的示例中，应当理解的是，绝缘掩模不需要直接与电极相邻。绝缘区可以由作为电渗析电池对的一部分或与其相邻的掩模来限定，该电渗析电池对远离该电极一段距离。表述“基本上从凹陷电极延伸”应当被理解成意指绝缘掩模足够靠近电极以在电极的前缘处重新分配电流。在一些示例中，第一绝缘掩模位于与凹陷电极相邻的前三个电解电池对内，或者是该前三个电解电池对的一部分。在一些具体示例中，第一绝缘掩模是与凹陷电极相邻的第一电解电池对的一部分或与其相邻。

该堆叠可以包括一个或多个附加的电绝缘区。在包括两个凹陷电极的堆叠中，附加绝缘区可以位于从两个电极延伸的两个绝缘区之间。附加的电绝缘区不需要与电极的凹陷边缘重叠。例如，堆叠可以包括：（1）第一电绝缘区，其与第一电极的凹陷边缘重叠，并且延伸了两个电极之间的总距离的10％；（2）第二电绝缘区，其延伸到第一电极的凹陷边缘，并且从第一绝缘区延伸达一段距离，该距离为两个电极之间的总距离的20％；以及（3）第三电绝缘区，其没有延伸超过第一电极的凹陷边缘，并且从第二绝缘区延伸达一段距离，该距离为两个电极之间的总距离的20％。在这样的示例性堆叠中，两个电极之间的距离的一半将包括电绝缘区。

膜和间隔物限定了其中被对准的孔，使得当将膜和间隔物被放置在一起以形成堆叠时，以组合形式形成歧管通道。该歧管通道将浓缩的进料（替换地被叫做盐水（brine）流）和稀释的进料（替换地被叫做进料或脱盐流）分配到适当的电池，并且去除稀释的产物和浓缩的盐水产物。

图1中图示的间隔物具有两对端口。在堆叠中，一对端口为流动的流提供了入口和出口，而另一对端口完成了内部导管，这些导管将被用来支撑或从相邻的间隔物去除流体。与所图示的间隔物相邻的间隔物将相对于所示间隔物而被倒置。

多个歧管通道可以被用来分配浓缩的进料或稀释的进料。多个歧管通道可以被用来去除稀释的产物或浓缩的产物。表述“浓缩流的歧管管道的面积”应当被理解成指代用于浓缩流入口和出口的一个或多个分配歧管通道的总横截面积。

电池对可以包括阳离子交换膜、稀释流间隔物、阴离子交换膜和浓缩流间隔物。在一些示例性的电渗析堆叠中，将阳离子交换膜与阴离子交换膜交替，并且产生交替的稀释流动和浓缩流。在电渗析或其他堆叠的其他示例中，可能存在其中连续地使用两种相同膜类型，或者整个堆叠可能具有一种类型的膜的地方。

流间隔物可以具有约0.01cm至约0.1cm的厚度。堆叠的最大堆叠高度可以基于可以被应用到堆叠的最大安全dc电压。具有约0.08cm的厚度的间隔物可以允许约750个电池对的最大堆叠高度。根据本公开的堆叠可以具有从10个至2000个电池对，诸如从25个至1000个电池对。在特定的示例中，根据本发明的堆叠可以具有从100个至1000个电池对。

图2是示例性电渗析堆叠（10）的图示的俯视图，其描绘了具有前缘（14）的凹陷电极（12）以及孔（16、18、20、22），这些孔参与形成：（i）用于浓缩进料的分配歧管；（ii）用于稀释进料的分配歧管；以及（iii）用于稀释的产物流和浓缩盐水的生产歧管。该图示描绘了电绝缘区（26）与凹陷电极（12）的重叠（24）。在该示例性堆叠中，孔（16）对应于参与形成用于浓缩进料的分配歧管的孔。因此，该孔的面积（28）对应于用于浓缩进料流的歧管管道的面积。如上面讨论的那样来计算重叠距离（30）。在该示例性堆叠中，电绝缘区（26）从堆叠的歧管侧面（32）延伸。

图3是图2的示例性电渗析堆叠的侧视图，其描绘了作为水平线的多个电解电池，作为从凹陷电极（12）延伸到相对的电极（34）达一段距离的电绝缘区（26），该距离约为总距离的50％。相对的电极（34）是完整电极。电绝缘区（26）从堆叠的歧管侧面（32）延伸，并且在前缘（14）处与凹陷电极（12）重叠。为了清楚起见，重叠（24）指代当从凹陷电极向下看进行查看时与凹陷电极重叠的电绝缘区的部分。应当理解的是，电绝缘区指代构成电解堆叠的电池的电绝缘区。

图4是图1至图3的示例性电渗析堆叠的等距视图，但是没有描绘电解电池。对角线表示的区域对应于电绝缘区（26）。

在图5中图示了根据本公开的电解堆叠的一个具体实例。堆叠（40）包括：在该堆叠的一侧上凹陷的两个电极（42和44），并且两个凹陷电极的电绝缘区进行延伸以形成单个电绝缘区（46），该单个电绝缘区（46）在电极之间延伸了电极之间的完整距离。两个凹陷电极的电绝缘区不需要形成单个绝缘区。一个或多个电绝缘区可以与一个电极重叠，而不是与另一个电极重叠。

在图6中图示了根据本公开的电解堆叠的另一个具体实例。堆叠（50）包括如下电池对：该电池对限定了在堆叠的两侧上形成歧管的孔。一侧上的歧管（52、54、56、58）可以是入口歧管，并且另一侧上的歧管（60、62、64、66）可以是废料歧管。两个电极（68和70）都在堆叠的两侧上凹陷，并且两个凹陷电极的电绝缘区进行延伸以形成两个绝缘区（72、74），该两个绝缘区在电极之间延伸了电极之间的整个距离。图示了绝缘区之一与顶部凹陷电极（68）的一端的重叠距离（76）。未示出其他三个绝缘区与电极的另一端的平行重叠距离。每一个绝缘区的重叠距离是基于上面讨论的公式而独立计算的，其中在计算中使用特定于每侧的浓缩物管道面积来确定该侧处的重叠。

可以通过增加堆叠的一部分的电阻（诸如通过增加多个电池对的部分的电阻）来形成电绝缘区。增加的电阻与堆叠的其余部分中的电阻（诸如不是绝缘区的一部分的电池对的电阻）相比。在图2和图3中图示的示例性堆叠的上下文中，堆叠的顶部50％中的电池对在歧管周围具有增加的电阻，并且与顶部电极的凹陷边缘重叠。在堆叠的顶部50％中的电池对的其余部分中，电阻没有增加。

可以通过在堆叠中包括多个电绝缘掩模来形成电绝缘区。绝缘掩模可以被添加到电池对，或者由电池对的一个或多个组件形成。

电绝缘掩模可以是例如：（a）电渗析电池中的塑料片；（b）两个相邻的电渗析电池之间的塑料片；（c）阳离子交换膜的抗离子传输部分；（d）阴离子交换膜的抗离子传输部分；或（e）减小了相邻的膜上可用于导电流体连接的区域的间隔物的一部分。可以使用多个类似类型的绝缘掩模来形成绝缘区，诸如使用多个塑料片；或者使用不同类型的绝缘掩模的组合，诸如塑料片和离子交换膜的抗离子传输部分两者的组合。

电绝缘区可以至少部分地由均定位在离子交换膜与相邻间隔物之间的多个塑料片来限定。因为电池对包括阳离子交换膜、稀释流间隔物、阴离子交换膜和浓缩流间隔物，并且因为该堆叠包括多个电池对，所以每个塑料片都可以被定位在：

·阳离子交换膜与稀释流间隔物之间；

·稀释流间隔物与阴离子交换膜之间；

·阴离子交换膜与浓缩流间隔物之间；或者

·浓缩流间隔物与相邻的电池对的阳离子交换膜之间。

堆叠中的塑料片不需要被全部放在每个电池对的相同部分中。在示例性堆叠中，该多个塑料片可以定位在多个阳离子交换膜的顶部上，其中每个膜一个片。在另一个示例性堆叠中，一些塑料片可以被定位在阳离子交换膜与稀释流间隔物之间，而其他塑料片可以被定位在阴离子交换膜与浓缩流间隔物之间。在另一示例性堆叠中，每个电池对将在每个膜的两侧上包括塑料片。

适合于被用来形成电绝缘区的塑料片可以具有大于100ohm.cm²的面电阻、具有小于0.05mm的厚度、对酸稳定、对碱稳定，或其任何组合。可以使用的塑料片可以是以下各项的片：聚乙烯（pe）、聚丙烯（pp）、聚氯乙烯（pvc）、聚对苯二甲酸乙二酯（pet）、聚偏二氟乙烯（pvdf）或聚四氟乙烯（ptfe）。塑料片可以限定与膜和间隔物的孔对准的孔。塑料片可以是矩形的，并且被定尺寸成使得塑料片的边缘与孔的边缘对准。可以将塑料片结合（诸如热结合）到间隔物。

电绝缘区可以至少部分地由多个（a）阳离子交换膜的抗离子传输部分、（b）阴离子交换膜的抗离子传输部分或（c）两者来限定。

离子交换膜的抗离子传输部分可以是该膜的一部分，该部分对于固定离子而言平均具有基本上为零的净体电荷。例如，阳离子交换膜可以包括固定的阴离子电荷，该固定的阴离子电荷使溶解的阳离子跨膜传输。阳离子交换膜的抗离子传输部分可以包括基本上相等的摩尔量的固定阳离子电荷和固定阴离子电荷两者。膜的抗离子传输部分中的固定阳离子电荷与溶解的阳离子相互作用，并且静电排斥其跨膜传输。类似地，阴离子交换膜的抗离子传输部分可以包括基本上相等的摩尔量的固定阳离子电荷和固定阴离子电荷两者，而阴离子交换膜的其余部分包括固定阳离子电荷。

阴离子交换膜的示例是由以下各项的聚合作用在背衬上形成的膜：二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺（dmapma）、环己烷二甲醇二缩水甘油醚（chdmdge）、hcl和n-乙烯基己内酰胺（v-cap）。该膜的抗离子传输部分可以由该聚合作用与以一定摩尔量的2-丙烯酸酰胺基-2-甲基丙烷磺酸（amps）一起形成，该摩尔量将导致具有基本上相等量的固定阳离子和阴离子电荷的聚合物。所得的抗离子传输部分的电阻率可以是膜的阴离子交换部分的电阻率的约十倍至约五十倍。

阴离子交换膜的另一示例是由以下各项的聚合作用而形成的膜：三甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯氯化物（tmaemc）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（egdm）。该膜的抗离子传输部分可以由该聚合作用连同以一定摩尔量的2-丙烯酸酰胺基-2-甲基丙烷磺酸（amps）一起来形成，该聚合作用将导致具有基本上相等量的固定阳离子和阴离子电荷的聚合物。所得的抗离子传输部分的电阻率可以是膜的阴离子交换部分的电阻率的约100倍至约500倍。

阳离子交换膜的示例是由以下各项的聚合作用而形成的膜：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸（amps）和egdm。该膜的抗离子传输部分可以由该聚合作用连同以一定摩尔量的三甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯氯化物（tmaemc）一起来形成，该聚合作用将导致具有基本相等量的固定阳离子和阴离子电荷的聚合物。

替换地，抗离子传输部分可以是缺少固定电荷的膜的一部分。例如，阴离子交换膜可以包括固定阳离子电荷，该固定阳离子电荷将溶解的阴离子跨膜传输，而阴离子交换膜的抗离子传输部分可以仅包括不带电荷的单体和交联剂的聚合产物。类似地，阳离子交换膜可以包括固定阴离子电荷，该固定阴离子电荷将溶解的阳离子跨膜传输，而阳离子交换膜的抗离子传输部分可能仅包括不带电荷的单体和交联剂的聚合产物。

这样的阴离子交换膜的示例是由以下各项的聚合作用而形成的膜：三甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯氯化物（tmaemc）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（egdm），其中该膜的抗离子传输部分是由n-乙烯基己内酰胺与作为交联剂的edgm的聚合作用而形成的。

流间隔物在流动区域内提供了结构，以在两个膜之间限定从入口到出口的流动路径。流间隔物可以包括交叉带，该交叉带：（a）给予间隔物物理完整性；（b）支撑相邻的膜；（c）在组装期间帮助堆叠对准；（d）促进湍流，这有助于减少胶体沉积；或（e）其组合。电绝缘区可以至少部分地由多个间隔物来限定，该多个间隔物具有间隔物的如下部分：该部分减小了相邻的膜上可用于导电流体连接的区域。间隔物可以将可用于导电流体连接的区域减小约50％至约75％。

例如，根据本公开的流间隔物可以包括跨越间隔物以接触两个膜的结构，以便减少或防止离子在接触区域中跨膜传输。流间隔物包括区域中的结构，这些结构延伸超过凹陷电极的凹陷边缘以与电极重叠达一段距离，如上面讨论的那样。

图7图示了这样的流间隔物的特定示例。间隔物（80）包括在流体流动方向上从歧管区域延伸的细长结构（82）。相对于凹陷电极（86）图示了重叠距离（84），该凹陷电极（86）被示为与流间隔物（80）相邻。细长结构（82）跨越间隔物的深度，使得它们可以接触顶侧和底侧上的膜。图7中图示的流间隔物可以减小压力下降。

与所图示的间隔物相邻的类似但倒置的间隔物将导致细长结构在其之间部分地与膜重叠。图8图示了膜的减小的离子传输区域（88），该膜被夹在两个相同但倒置的间隔物之间。减小的离子传输区域（88）是与间隔物之一或两个间隔物的细长结构接触的膜的区域。

尽管图7和图8图示了细长结构，但是可以使用任何形状来减小可用于离子传输的相邻的膜的区域。表述“减小的区域”应当被理解为意指：根据本公开的间隔物中可用于离子传输的区域小于缺少该结构的在其他方面相同的间隔物中的对应区域。

示例

示例1.完整面和凹陷电极中的电流密度的比较

在不同区段中测量了电解堆叠中的完整面分段电极的电流密度。该堆叠包括600个阳离子交换膜和阴离子交换膜的电池对。该堆叠在300v、15-23a、22°c下操作，其中进料电导率约为3,000µs/cmnacl，并且浓缩物电导率约为17-25ms/cm。

使用暴露的表面积来计算电流密度，并且在与歧管不相邻的电极区段中，电流密度的范围为从6.4至9.7ma/cm²。在与凹陷边缘间隔开的区段中，在相同堆叠中的凹陷电极的电流密度的范围为从6.8至9.9ma/cm²。在电极的凹陷边缘附近的区段中，电流密度的范围从10.8至15.4ma/cm²。在该示例的凹陷电极中，限定了电极的凹陷边缘的区段是其他区段的长度的一半。

在前述描述中，出于解释的目的，阐述了众多细节以便提供对示例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，并不需要这些具体细节。因此，已经描述的内容仅仅是所描述的示例的应用的说明，并且根据以上教导，众多修改和变化是可能的。

由于以上描述提供了示例，因此将领会到的是，本领域技术人员可以对特定示例进行修改和变化。因此，权利要求的范围不应当由本文中阐述的特定示例来限制，而应当以与说明书整体上一致的方式来解释。