电化学分离装置的制造方法
【专利说明】电化学分离装置
[0001]公开领域
[0002]方面大体涉及电化学分离，并且更特别地，涉及包括以跑道构型(racetrackconfigurat1n)布置的离子交换膜的电化学分离系统和方法。
[0003]概述
[0004]根据一个或多个方面，电化学分离装置可以包括第一电极、至少一个电池对和第二电极，所述至少一个电池对包括围绕第一电极盘绕以形成具有跑道构型的线盘的阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述第二电极环绕线盘。
[0005]在一些方面，装置可以被配置使得稀释流和浓缩流从第一电极并流地流动到第二电极。第一电极可以包括阳极，并且第二电极可以包括阴极。阳极可以包括直线部分，所述直线部分在每一端处具有半圆形部分以界定实质上长形的S形阳极。阳极还可以包括比如紧固片的紧固件，所述紧固件在每一端处以固定所述至少一个电池对。阳极可以涂覆有抗氧化材料。
[0006]在一些方面，阳极可以是分段的。装置还可以包括间隔件，所述间隔件配置为保持阳极的第一部段和第二部段之间的预定距离。在其他方面，阴极可以是分段的。装置还可以包括歧管，其用于促进流体流动穿过所述至少一个电池对。
[0007]在一些方面，线盘的至少一端被粘合剂密封。容器可以配置为容纳线盘。容器可以包括端块(endblock)。装置可以以至少约85%的膜利用率为特征。
[0008]在一些方面，线盘的横截面具有实质上直线的部分和弯曲部分，所述弯曲部分在实质上直线的部分的第一端和第二端处。电流密度遍及线盘的实质上直线的部分可以是实质上均匀的。实质上直线的部分的长度与弯曲部分中的每一个的高度的比率可以大于零。在至少一些方面，弯曲部分的高度不取决于电池对的数目。在一些方面，阴离子交换膜和阳离子交换膜沿着线盘的实质上直线的部分是平坦的且平行的。线盘可以通常具有两个对称轴。
[0009]在一些方面，水处理系统可以包括具有第一电极、至少一个电池对和第二电极的电化学分离装置，所述至少一个电池对包括围绕第一电极盘绕以形成具有跑道构型的线盘的阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述第二电极环绕线盘。
[0010]以下详细讨论这些示例性方面和实施方案的另外其他方面、实施方案和优点。本文公开的实施方案可以以与本文公开的原理的至少一个一致的任何方式与其他实施方案结合，并且对“实施方案”、“一些实施方案”、“替代实施方案”、“各种实施方案”、“一个实施方案”或类似物的引用不一定互相排斥，并且意图指示所描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实施方案中。本文中的这类术语的出现不一定全都指的是相同的实施方案。
[0011]附图简述
[0012]以下参考不意图按比例绘制的附图来讨论至少一个实施方案的各个方面。各图被包括以提供对各个方面和实施方案的说明和进一步理解，并且被并入及构成本说明书的一部分，但不意图作为本发明的限制的定义。在图、详细描述或任何权利要求中的技术特征跟随有参考标记的情况下，参考标记已经被包括以用于增加图和描述的可理解性的唯一目的。在图中，在各个图中示出的每一个相同或几乎相同的部件由相同的数字表示。出于清楚的目的，不是每个部件都可以在每个图中被标记。在图中:
[0013]图1呈现根据一个或多个实施方案的电化学分离装置的横截面示意图；
[0014]图2呈现根据一个或多个实施方案的图1的一部分的详细视图；
[0015]图3a和图3b呈现根据一个或多个实施方案的电化学分离装置的示意图；
[0016]图4呈现根据一个或多个实施方案的图3a的一部分的详细视图；
[0017]图5呈现根据一个或多个实施方案的容纳在容器中的电化学分离装置的示意图；
[0018]图6a和图6b呈现根据一个或多个实施方案的各种流模式(flow pattern)的示意图；
[0019]图7呈现在根据一个或多个实施方案的随附实例中讨论的数据。
[0020]详细描述
[0021]用于使用电场净化流体的装置通常用来处理水和其他包含溶解的离子物质的液体。以这种方式处理水的两种类型的装置是电去离子装置和电渗析装置。由离子选择膜分离的浓缩隔室和稀释隔室在这些装置内。电渗析装置通常包括交替的电活性的半渗透的阴离子交换膜和阳离子交换膜。膜之间的空间配置为建立具有入口和出口的液体流动隔室。经由电极施加的应用电场导致溶解的离子被吸引至其各自的反电极(counter-electrode)，以迀移穿过阴离子交换膜和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室的液体被耗尽尚子，并且浓缩隔室中的液体富有转移的尚子。
[0022]电去离子(EDI)是使用电活性介质和电势以影响离子传输而从水中去除或至少减少一种或多种电离物质或可电离物质。电活性介质通常用来交替地收集和排出离子物质和/或可电离物质，并且在一些情况下，用来通过离子取代机理或电子取代机理促进离子的传输(其可以是连续的)。EDI装置可以包括永久充填或临时充填的电化学活性物质，并且可以分批地、间歇地、连续地和/或甚至以相反的极性模式来操作。EDI装置可以被操作来促进专门设计以实现或提高性能的一个或多个电化学反应。此外，这类电化学装置可以包括电活性膜，比如半渗透或选择性渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)装置是对于本领域技术人员已知的EDI装置，其以其中能够连续进行水净化而同时连续再充填离子交换材料的方式来操作。CEDI技术可以包括比如连续去离子、填充床电渗析(filled cell electrodialysis)或电渗析(electrodiaresis)的过程。在控制的电压和盐度条件下，在CEDI系统中，水分子可以分解以生成氢或水合氢的离子或物质以及氢氧化物或羟基的离子或物质，所述氢或水合氢的离子或物质以及氢氧化物或羟基的离子或物质，其可以在装置中再生成离子交换介质并且从而促进捕集的物质从中释放。以这种方式，待处理的水流可以被连续净化，而不需要离子交换树脂的化学再充填。
[0023]电渗析(ED)装置以与CEDI类似的原理操作，除了 ED装置通常不包含在膜之间的电活性介质。由于缺乏电活性介质，ED对低盐度的给水的操作可能由于升高的电阻而被妨碍。而且，由于ED对高盐度给水的操作可以导致升高的电流消耗，所以ED设备迄今为止最有效地用于中等盐度的水源水。在基于ED的系统中，由于没有电活性介质，所以分解水是无效率的并且通常避免以这种状况操作。
[0024]在CEDI和ED装置中，多个相邻的电池或隔室通常被选择性渗透膜分隔，该选择性渗透膜允许带正电的物质或带负电的物质通过，但通常不允许两者都通过。在这种装置中稀释隔室或耗尽隔室通常留有浓缩(concentrating)隔室或浓缩(concentrat1n)隔室的空间。在一些实施方案中，电池对可以指的是一对相邻的浓缩隔室和稀释隔室。当水流动穿过耗尽隔室时，离子和其他带电物质通常在电场(比如DC场)的影响下被吸入浓缩隔室中。带正电的物质朝向通常定位在多个耗尽和浓缩隔室的堆的一端处的阴极被吸引，并且带负电物质朝向通常定位在该隔室堆的相对端处的这种装置的阳极同样地被吸引。电极通常容纳在电解质隔室中，所述电解质隔室常常与耗尽和/或浓缩隔室流体连通部分地隔离。一旦在浓缩隔室中，带电物质通常被至少部分地界定浓缩隔室的选择性渗透膜的屏障捕集。例如，阴离子通常通过阳离子选择膜防止进一步朝阴极迀移离开浓缩隔室。一旦捕获在浓缩隔室中，则捕集的带电物质可以在浓缩流中被去除。
[0025]在CEDI和ED装置中，DC场通常从应用于电极(阳极或正极以及阴极或负极)的电压源和电流源施加到电池。电压源和电流源(统称为“电源”)可以通过多种手段比如AC电源或例如源自太阳能、风能或波浪能的电源来给自身提供动力。在电极/液体界面处，电化学半电池反应发生，其激发和/或促进离子转移穿过膜和隔室。在电极/界面处发生的特定电化学反应在一定程度上可以通过容纳电极组件的专用隔室中的盐的浓度来控制。例如，氯化钠高的阳极电解质隔室的进给将倾向于生成氯气和氢离子，而阴极电解质隔室的这种进给将倾向于生成氢气和氢氧离子。通常，在阳极隔室处生成的氢离子将与自由阴离子(比如氯离子)结合，以保持电荷中性(charge neutrality)并且产生盐酸溶液，并且相似地，在阴极隔室处生成的氢氧离子将与自由阳离子(比如钠)结合，以保持电荷中性并且产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物(比如生成的氯气和氢氧化钠)可按需用于该过程以用于消毒目的、以用于膜清洁和除污目的以及以用于PH调节目的。
[0026]在传统的板框式ED设计中，稀释流和浓缩流是平行的一同向流动或者逆向流动。另一可能设计包括横跨流动装置，其中稀释流和浓缩流彼此垂直。与板框式设计相比，横跨流动设计具有较高的膜利用和较低的压降的优点。板框式设计和横跨流动设计两者均具有平坦的并且被筛分隔的交替的阴离子膜和阳离子膜。每个平行部件的堆通过电极结合在两端处。除了通过流动穿过入口歧管和出口歧管绕过堆的部分(泄漏电流)，电流从阳极通过串联的每一个膜流动到阴极。如果泄漏电流是总电流的小部分，则平均电流密度将贯穿该堆为实质上均匀的。当给水流动穿过稀释隔室时，