電滲析隔室和單元、安裝電滲析器的方法和電滲析器的製作方法

2023-05-11 02:13:46 1

專利名稱：電滲析隔室和單元、安裝電滲析器的方法和電滲析器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電滲析單元和電滲析器。
背景技術：
電滲析器為本領域所公知，具體用於從含鹽水起始生產軟水或從鈉鹽例如氯化鈉、碳酸鈉或硫酸鈉的水溶液起始生產氫氧化鈉水溶液。其通過在兩個端電極之間組裝多個相同的電滲析單元而形成。電滲析單元由兩個或更多限定在兩個離子選擇性滲透膜之間的隔室組成。為了在膜之間保持足夠的空間以允許電解質循環接觸膜，所述單元還提供有隔離器框架。鑽有孔以允許電解質從一個單元流向另一單元的隔離器框架置於膜之間並位於膜外周上(Techniques de l』Ingéngieur，Chimie-Génie chimique，3-1988，J2840，1-21頁)。製作在隔離器框架和膜中的孔疊置因而形成分布器導管，該導管構成電滲析器中的電解質迴路。此外，隔離器框架必須提供有裝置，使得允許來自管狀導管的電解質以儘可能最均勻的方式分布在隔室內部的膜表面上。
工業電滲析器一般在兩個端電極之間包含大量的電滲析單元，其數量可以達到甚至超過100個。因此，目的是使用薄膜和薄隔離器框架以使分隔兩電極的距離縮短。一般而言，隔離器框架的厚度僅為幾毫米，通常小於5mm。很少大於3mm。膜厚度一般小於1mm且很少超過0.3mm，或甚至0.2mm。此外，膜面積可達到或甚至超過1m2。隔室的這種高面積/厚度比使得來自管狀導管的電解質在隔室內部的膜表面上的均勻分布變得複雜。
已知沿隔離器框架厚度方向提供來自管狀導管且終止於隔室內的極細通道。為了保證良好的分布均勻性，通道的尺寸必須受到非常精確的控制，使其難以產生具有約幾毫米的厚度。
本發明的目的是提供改進的電滲析器，其中電解質以簡單且精確的方式分布。
因此，本發明涉及用於電滲析單元的隔室，其由位於隔離器框架任一側的兩個離子選擇性滲透膜所限定，所述隔室的特徵在於隔離器框架由至少兩層的組合件形成，從而在所述層之間使得來自循環孔的電解質進料通道進入隔室的內部容積中，至少一部分進料通道壁由所述兩層的內表面形成。
在根據本發明的電滲析單元隔室中，隔離器框架是矩形的並限定矩形內部容積。其四個面的至少一面鑽有沿橫切框架開口方向的至少一個孔。當幾個類似的框架與膜連接在一起形成電滲析器時，該孔構成輸送電解質的導管的截面。鑽有孔的一面可以是框架的水平面或垂直面。一般是水平面，可以是框架的頂面或底面。作為變化方案，框架的兩水平面或兩垂直面均鑽有孔。
實際上，隔離器框架的頂面和底面鑽有幾個不同的孔，用來通過重疊形成用於循環電解質的分離管狀導管。有利的是對稱鑽出這些孔，並且有利的是使用其所構成的導管，使得通過旋轉框架或將其倒置而使單一隔離器框架模型可用於為各種類型隔室供應不同電解質。例如，在頂面和底面上鑽有四個對稱孔的隔離器框架可以通過將其第一頂孔和倒數第二底孔與由框架限定的隔室接觸，並通過將其倒置和旋轉180°，來提供可由四種不同電解質通過的四種類型的隔室。
根據本發明，隔離器框架由至少兩層的組合件形成，以便在所述層之間留出從循環開口至隔室內部容積的電解質進料通道，至少一部分進料通道壁由所述兩層的內表面形成。
有利的是，至少一層在其部分厚度上凹陷，以便在組裝之後提供進料通道。
在根據本發明的隔室的優選實施方案中，隔離器框架包含兩層之間的中間層，中間層在其整個厚度上凹陷以提供進料通道。
在該實施方案中，可以通過將中間層置於平坦表面上並利用任意合適的切割工具例如衝裁模在其中切出通道以產生凹陷。因為切割從頭到尾進行，因而由於厚度精確對應於中間層的厚度從而避免通道厚度的任意波動。通過切割而凹陷的中間層構成通道的兩側面。通過結合中間層任一面的外層，在保留的兩面上閉合通道。因為膜並不直接接觸進料通道中密集的電解質流，因此接近通道處膜的損傷風險下降。組裝操作可僅包括簡單接觸操作，當隔離器框架置於電滲析器中時，通過夾緊進行流體密封組裝。有利的是，組裝可包括將外層固定至中間層的步驟。優選其通過膠粘劑結合或通過焊接來固定。推薦利用雷射技術進行焊接。
隔離器框架的「外」和中間層可由能夠承受電滲析器單元中通常存在的化學或熱環境的任意剛性或柔性材料製成。例如可以由聚氯乙烯、聚乙烯或聚丙烯製成，優選剛性聚丙烯。
然而，優選中間層由比外層更軟的材料製成。在該實施方案中，有利的是中間層的ShoreA硬度為50-85，優選60-65。這可以例如由各種彈性物質得到。其隨後構成擴散器接頭。
在根據本發明的隔室的推薦實施方案中，中間層的厚度小於每一外層。例如非常合適的是隔離器框架由厚度為0.5-0.7mm的中間層和厚度為0.9-1.1mm的外層構成。
在根據本發明的電滲析器單元隔室中，離子選擇性滲透膜可以是陰離子的、陽離子的或雙極性的。已經使用厚度約150μm的MORGANEAW(陰離子)和CRA(陽離子)膜得到極好結果。至於雙極性膜，可以使用例如通過在文件WO 01/79335中描述的條件下交疊陽離子MORGANE CDS膜(150μm)和陰離子MORGANE ADP膜(50μm)得到的膜。
在根據本發明的隔室的推薦實施方案中，隔室包含基本填滿隔室整個內部容積的格柵，該格柵由膜表面和隔離器框架內表面所限定。
在該實施方案的優選變化方案中，格柵包含位於兩個薄的細孔層之間的厚的大孔層。有利的是，厚層的厚度至少是每一薄層的兩倍。優選該厚度比不超過5。例如，可以使用厚層厚度為1-2mm和兩薄層厚度為0.4-0.6mm的格柵。
在該變化方案的有利版本中，大孔直徑至少是細孔直徑的兩倍。優選該直徑比不超過5。此外，僅作為實例，具有2-3mm細孔和直徑為5-10mm大孔的格柵得到良好的結果。
格柵可以由能夠承受電滲析器單元中通常存在的化學或熱環境的任意剛性或柔性材料製成。優選由剛性材料製備，例如剛性聚氯乙烯、剛性聚乙烯或剛性聚丙烯。優選剛性聚丙烯。
格柵和隔離器框架可以集成並作為單一部件製造。然而，推薦不將格柵與框架集成。這使得這些處於良好工作狀態的部件在電滲析器工作期間可以單獨恢復。
電滲析器通過在兩個端電極之間組裝若干相同的電滲析單元而形成，一個電滲析單元由兩個或更多隔室組成。例如，用於共同生產氫氧化鈉和鹽酸的電滲析單元包括三個隔室，分別流過氯化鈉溶液、鹽酸和氫氧化鈉。
因此，本發明還涉及包含至少一個根據本發明的隔室的電滲析單元。還涉及包含至少一個這樣的單元的電滲析器。
由於根據本發明的隔室、單元和電滲析器是通過將幾個元件連接在一起而得到的，因此必須特別注意所使用的組裝方法。
因而，本發明還涉及安裝包含多個電滲析單元的電滲析器的方法，其中，第一步是分別形成各自由至少兩個單元的組合件組成的組件，第二步是將所述組件在端壁之間連接在一起以形成電滲析器。
在根據本發明的方法中，優選水平地工作，也就是說將第一構件-通常是隔離器框架-放置在平坦表面上，並且依次在其上堆疊構成單元的所有部件(膜、隔離器框架、格柵)。
隨後，繼續通過疊合第二單元的構件來組裝，接著任選繼續直至得到包含所需數量單元的組件。
有利的是，此數目可至少為3。推薦不超過50。優選數目範圍為5-20。
當隔離器框架本身通過交疊各種層而形成時，有利的是這些層在形成組件期間通過疊合而疊置。
隨後，再次重新開始操作，以形成用於生產完整的電滲析器的所需數目的組件。
為了正確操作電滲析器，重點是用於在隔室自身內分布電解質的通道是適當流體密封的。推薦對每一組件單獨測試流體密封性，例如使用水壓或氣壓裝置。
在根據本發明的方法的第二步驟中，還要做的是將構成電滲析器的多個組件疊置在兩端盒之間並利用合適的固定裝置將其定位。某些情況下，推薦在組件之間提供密封並採取措施以確保固定裝置使得組件相互壓緊，從而使其更加流體密封。
在根據本發明方法中，將組裝過程分為兩步具有幾個優點。這是因為這樣甚至可以在不同的環境或甚至不同的地理位置下，允許將兩步的執行委託給不同的人員。將組件結合到一起需要在合適環境中的密切關注和非常精確。然而，較少數量組件的疊置更容易在工業環境下完成。此外，提供有根據本發明隔離器的用於氫氧化鈉生產的電滲析器由超過1500個部件疊合而成，最細小的組裝錯誤例如倒置也危及整個電滲析器操作的安全。已經證明，對於操作者而言更難的是在整個安裝操作期間以及組裝組件期間保持警惕。最後，兩步組裝允許每一組件得以單獨測試並得到更可靠的電滲析器。
根據本發明的方法也適合用於組裝包括含有離子交換膜的大量相同單元的電解裝置。尤其適合組裝包含離子交換膜的燃料電池。
根據本發明的方法特別適合用於組裝包括至少一個根據本發明的部件的電滲析器。
在根據本發明方法的優選實施方式中，組件在形成後被包裝起來，接著，在連接在一起之前拆開包裝。其優點在於更好地保護組件並易於運輸。有利的是包裝由非常薄的金屬箔例如鋁箔製成，塗覆有允許方便焊接的熱塑性材料層。在某些情況下，推薦在包裝中放入能夠含有進一步改善組件保存尤其是改善所含離子交換膜保存的材料的裝置。例如，可以在包裝內放置一定量的吸附性物質，例如浸漬有用於保溼的溶液的吸水紙。
在該實施方法的變化方案中，在真空中進行包裝操作。
中等水平的真空例如對應於至少0.1巴負壓的真空即足夠。真空包裝改善膜的保存。此外，由於真空使得包裝明顯變得更剛硬，各種層更難以相互滑動。這種剛性差異允許在使用中快速檢查包裝質量。也能夠使其更容易處理。
為了使這種處理更容易，推薦在包裝中的每一組件下方放置運輸帶。因此，該帶與組件包裝在一起。當包裝被拆開使用時，已經存在的帶子提供一種方便的握持手段，例如在拆開包裝之後，通過任意合適的傳統固定裝置將組件系在運輸架上。隨後，可將組件與其他相似組件疊置以形成電滲析器，同時降低在該處理操作中各構成層相互移位的風險。
在組件與其他組件疊置之後，通常失去其個體性，無法將其與其周圍組件區分開。
但是，在根據本發明方法的優選變化方案中，在第一和第二步驟之間包括附加步驟，該步驟包括形成由一個或多個組件構成的中間模塊，這些中間模塊的構件利用固定裝置固定在一起。僅作為例子，這些固定裝置包括由金屬或塑料例如聚丙烯製成的兩個剛性框架和圍繞形成中間模塊的組件或多個組件的連接材料(ties)。隨後將中間模塊與其他中間模塊連接以形成電滲析器，同時保持其個體性。由此變化方案得到的電滲析器的優點是允許電滲析器中的中間模塊相互快速替換，例如在檢測到中間模塊之一局部故障後的維護操作期間。
因此，本發明還涉及可以通過根據本發明方法得到的電滲析器，其包含組成模塊的多個電滲析單元和用來將各模塊固定在一起的固定裝置，從而允許在已經組裝電滲析器之後方便替換模塊。
通過對附圖的以下說明，本發明的具體特徵和細節變得顯而易見。


圖1是由兩層組裝形成的根據本發明隔離器框架的部分剖面前視圖。
圖2是沿圖1的I-I平面的垂直截面圖。
圖3是由三層組裝形成的根據本發明隔離器框架的可選實施方案的部分剖面前視圖。
圖4是沿圖3的II-II平面的垂直截面圖。
在這些圖中，相同的附圖標記指示相同元件。
圖1所示的隔離器框架(1)由兩個組裝層(2)、(4)構成。該層鑽有用於循環電解質的進口孔(7)和出口孔(8)。兩層(2)、(4)在其部分厚度上凹陷以提供循環通道(5)，使孔(7)與隔離器框架內部容積(6)連通。使隔離器框架內部容積(6)與孔(8)連通的第二類似通道沒有示出。
在圖3所示的實施方案中，中間層(3)在其整個厚度上凹陷以提供通道(5)。
以下實施例用於說明本發明。
實施例以下實施例說明用於形成電滲析器的組件的組裝，所述電滲析器用於從氯化鈉水溶液(「鹽水」)起始生產氫氧化鈉和鹽酸。
將具有1540mm和1195mm的側面和10mm厚度的矩形PVC片材水平放置，並在所述平板的四周提供直徑33mm的4根垂直引導柱。全面檢查柱與平板的正交性。將各自具有用於安置引導柱的33mm直徑的4個孔的以下部件依次疊合在上述片材上1.由Monsanto的SANTOPRENE製造的0.35mm厚的密封墊；2.隔離器框架構件，即由1mm厚剛性聚丙烯製成的兩外層，位於由Monsanto的SANTOPRENE彈性體製成的中間層的各一側上，中間層的Shore A硬度為64，厚度為0.6mm。中間層根據本發明而凹陷，以形成寬15mm、長60mm的通道；3.由Monsanto的SANTOPRENE製造的0.35mm厚的第二密封墊，該密封墊和三層的框架具有1340×1020mm尺寸的矩形框架形狀並預塗覆有用於塑料的膠粘劑層；和4.厚度為150μm、尺寸976×1114mm的SOLVAYCRA陽離子膜，被外部尺寸為1340×1020mm、內部尺寸為982×1120mm的矩形「支架」所圍繞。
上述操作之後，對應於堆疊構件1-4，得到用於循環鹽水的電滲析器。隨後，在文件WO 01/79335中描述的條件下，通過用疊置陽離子MORGANE CDS膜(150μm)和陰離子MORGANE ADP膜(50μm)得到的雙極性膜替換SOLVAYCRA膜，重複這些操作以形成其中循環氫氧化鈉的隔室。最後，三次重複同樣的操作以形成其中將循環鹽酸的隔室，這次用SOLVAYAW陰離子膜替換陽離子膜。在這三個系列操作之後，得到電滲析單元。
然後重複這三個系列操作十次，以形成構成組件的十個相同電滲析單元的堆疊。
隨後將組件置於壓力下並使其經過密封檢測，包括在0.02巴壓力下將水引入所有三十個隔室中，並且在閉合迴路之後測量隔室中壓力下降至0.16巴所花費的時間。該時間必須大於15分鐘，從而確認組件密封。如果組件正確密封，則將其如下包裝。以下製品依次置於組件頂部之上，並再次置於PVC片材上第一矩形包裝箔，即由TOMOLPACK生產的MIL-PRF 1315(包括鋁層和聚乙烯層)；以及具有1540mm×1195mm的側面和10mm厚的第二矩形PVC片材。將置於組件任一側的兩個PVC片材夾在一起並將整個組合件翻轉。將現在位於第二PVC片材頂部的第一PVC片材移除並用分布在組件長側面上的長1450mm的PTFE帶替換它。最後，第二包裝片置於所述帶上並被焊接至第一包裝片，在包裝中保持0.1巴的真空度。
隨後將10個包裝好的組件以傳統方式運輸至設計來構建電滲析器的室內。拆開包裝，使所述帶位於下方。將所述帶的末端固定至金屬運輸框架並且將10個組件以非常精確且其構件沒有任何相對位移的方式疊合，隨後置於兩電極之間並壓合在一起。
權利要求
1.一種用於電滲析單元的隔室，其由位於隔離器框架(1)任一側的離子選擇性滲透膜所限定，特徵在於隔離器框架由至少兩層(2)、(4)的組合件形成，所述兩層(2)、(4)的外形使得電解質進料通道(5)在所述層之間從循環孔(7)進入隔室的內部容積(6)中，至少一部分進料通道的壁由所述兩層(2)、(4)的內表面(9)、(9』)形成。
2.根據前一權利要求的隔室，特徵在於至少一層在其部分厚度上凹陷以在組裝之後提供進料通道(5)。
3.根據權利要求1的隔室，特徵在於其包含在所述兩層(2)、(4)之間的中間層(3)，中間層(3)在其整個厚度上凹陷以提供進料通道(5)。
4.根據前一權利要求的隔室，其中中間層(3)由柔性大於層(2)、(4)的材料製成。
5.根據前述權利要求中任意一項的隔室，其包含基本填充隔室整個內部容積(6)的格柵。
6.根據前一權利要求的隔室，其中格柵包含位於兩個薄的細孔層之間的厚的大孔層。
7.電滲析單元，包括根據前述權利要求中任意一項的至少一個隔室。
8.電滲析器，包括根據前一權利要求的至少一個單元。
9.一種安裝電解裝置的方法，所述電解裝置包含含有至少一個離子交換膜的多個單元，其中第一步是分別形成各自由至少兩個單元的組合件構成的組件，第二步是將所述組件在兩端壁之間連接在一起以形成電滲析器。
10.根據前一權利要求的方法，其中電解裝置是電滲析器，其優選包括根據權利要求1-6中任意一項的至少一個隔室。
11.根據權利要求9或10的方法，其中組件在形成之後進行包裝，隨後在連接到一起之前拆開包裝。
12.根據前一權利要求的方法，其中在真空下進行包裝。
13.根據權利要求11或12的方法，其中將運輸帶置於包裝中的每一組件下。
14.根據權利要求9-13中任意一項的方法，其包括在第一和第二步驟之間的附加步驟，該附加步驟包括形成由一個或多個組件構成的中間模塊，這些中間模塊的構件利用固定裝置固定在一起。
15.一種可以通過根據權利要求14的方法得到的電滲析器，其包含組成模塊的多個電滲析單元和用於將每一個模塊固定在一起的固定裝置，從而允許在組裝電滲析器之後更容易地替換模塊。
全文摘要
一種用於電滲析器的隔室，其由位於隔離器框架(1)任一側的離子選擇性滲透膜所限定，特徵在於隔離器框架由至少兩層(2)、(4)的組合件形成，從而在其間提供電解質進料通道(5)。
文檔編號B01D61/50GK1929898SQ200580008286
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月7日 優先權日2004年3月16日
發明者盧克·博特 申請人:索爾維公司