用來進行反電滲析工藝的裝置和方法

2023-05-01 02:07:56

專利名稱：用來進行反電滲析工藝的裝置和方法
專利說明本發明涉及用來在電化學池(electrochemical cell)中進行電化學工藝，例如反 電滲析工藝的裝置。本發明特別涉及其中電極的清潔。
背景技術：
通過反電滲析工藝，可以通過將例如海水和河水或類似的水流匯集到一起產生的 電勢來發電。在NL 1031148中描述了一種用來實施這樣的反電滲析工藝的裝置。在含鈣 和/或鎂的含水電解質的電解過程中，通過以下化學反應，在所述裝置的陰極上形成水垢2H20+2e" — H2+20F(1)；Mg2++20F — Mg (OH) 2 (s) (2)；C02+0r — HCOf(3)；HCO3^Or — CO廣+H2O (4)；禾口Ca2++C0廣—CaCO3 (S) (5)。形成的水垢阻礙了電化學池的正常操作，因此必須除去。由於水垢的形成，池的效 率會降低。這意味著為了將池的效率保持在所需的水平，必須經常地對陰極進行清潔，從而 除去水垢。通過將陰極置於相對酸性的溶液中，陰極表面上的水垢會被溶解，表面會重新變 得清潔。已知的將陰極置於所述環境的方法是用鹽酸衝洗陰極，以及改變流向。儘管在電 滲析中採用衝洗陰極的第一種方法，但是該方法不易用於反電滲析。這意味著，在反電滲析 工藝中，必須經常將體系中的流向反轉。在數次反轉流向之後，存在水垢的表面上會發生以 下反應2H20 — 02+4H++4e" (6)。通過反轉流向，陰極的功能會發生變化，因此在流向反轉之後，陰極實際上發揮陽 極的功能。在反轉流向的過程中，通過在陽極表面上產生質子，來降低電極表面的PH值。 由此使得表面上的水垢溶解。此種清潔電極的方法的一個缺點在於，電極的壽命會顯著縮 短。在實際中已經發現，根據流向反轉(極性反轉)的速度，以及電極上提供的覆蓋層/塗 層等因素，壽命可以縮短到千分之一或更短。儘管確定的覆蓋層能夠一定程度減小該缺陷， 但是這些電極的壽命仍然會縮短例如約96%。當流向反轉的時候，電極壽命顯著縮短的原 因是，覆蓋層的氧化態反轉，以及在其中發生的反應。首先，發生變換的陰極開始起到陽極 的功能，因此更為嚴重地受到發生的反應的影響。在反電滲析工藝中發生的反應如下陽極反應2H20 — 02+4H++4e- (7)；2Cr —Cl2+2e-(8);以及陰極反應2H20+2e-— Η2+20!Γ (9)。也可以發生其它的反應，例如發生以下陰極反應Mn++ne_ — Μ。
發明內容
本發明的目的是提供一種裝置，用來對現有的裝置進行改進，特別是由於改進了 對電極的清潔，從而能夠延長其使用壽命。通過本發明的用來實施反電滲析工藝的裝置，完成了該目的，所述裝置包括-至少提供有第一和第二電極的第一隔室；-至少提供有第一和第二電極第二隔室，該第二隔室與第一隔室相分隔開；-切換元件，用來在第一模式和第二模式之間進行切換，在所述第一模式中，第一 隔室的第一電極與第二隔室的第一電極互相連接，所述兩個隔室中的第二電極被隔離；在 所述第二模式中，第一隔室的第二電極與第二隔室的第二電極互相連接，所述兩個隔室中 的第一電極被隔離；-至少一個陽離子交換薄膜和陰離子交換薄膜，這兩個薄膜交替地置於所述第一 和第二隔室之間，在所述陽離子和陰離子交換薄膜之間形成了電解質隔室，在此電解質隔 室中包含具有低離子濃度的低滲透電解質溶液，以及離子濃度高於所述低滲透電解質溶液 的高滲透電解質溶液，所述高滲透電解質溶液和低滲透電解質溶液交替地置於所述電解質 隔室中，在從第一發電模式切換到第二發電模式的過程中，所述高滲透和低滲透電解質溶 液改變位置。用於第一模式的時候，池的兩側，即第一(陽極)隔室和第二(陰極)隔室各自至 少提供有第一和第二電極。當所述裝置用於反電滲析工藝的時候，在所述第一和第二模式 中產生電能。通過在第一隔室中提供第一(陽極)電極和第二(陰極)電極，在第二隔室中 提供第一(陰極)電極和第二(陽極)電極，可以對使用的電極對之間進行切換，即極性反 轉。在池的第一模式中，第一電極對在起作用，也即是說，第一(陽極)隔室中的陽極和第 二(陰極)隔室中的陰極互相連接。第二電極對互相隔離。在第二模式中切換流向之後， 斷開第一電極對的連接，因此第一電極對不再起作用。然後第二電極對，即第一隔室中的第 二(陰極)電極和第二隔室中的第二(陽極)電極相連接。在此第二模式中，第一隔室作 為陰極隔室，第二隔室作為陽極隔室。因此，在此第二模式中，兩個隔室之間的流向相對於 第一模式發生反轉。使用切換元件進行電極的切換。除了使得電極對在此兩種模式之間切換以外，也可以對其中含鎂和/或鈣的電解 質溶液進行切換。這意味著，例如在第一模式中，當淡水流沿著第一隔室的第一(陽極)電 極流過的時候，主要通過例如反應(6)而形成氧氣，可以通過反應(8)而生成一定的氯氣。 所述氯氣由氯化物形成，所述氯化物是從相鄰的電解質隔室，穿過可滲透陰離子的薄膜而 來的。在第二模式中，通過反應(1)，在第一隔室中製得氫氣。在另一個優選的實施方式中，在第一模式中，用鹽水代替淡水流過所述第一隔室。 在第一隔室中形成氯氣和氧氣。在此情況下，必須在此隔室中提供可滲透陽離子的薄膜。在 第二模式中，在此時，氫氣在第一隔室中形成。本發明的兩個實施方式之間的區別在於，是 否需要在陽極形成氯氣。另一個區別在於Ca和Mg的濃度。通過使用可形成水垢的離子濃 度最低的電解質，沉積在電極上的水垢的量將得到限制。由此減小了極性反轉的頻率。所述交替放置的陽離子和陰離子交換薄膜將第一隔室與第二隔室隔開。實際上在 這些薄膜之間形成電解質隔室，其中交替地包含高滲透的電解質溶液或低滲透的電解質溶液。通過從第一模式切換到第二模式，以及相反的切換，高滲透電解質溶液和低滲透電解質 溶液的位置或流向也發生切換。因此，當使用海水和河水的時候，在切換過程中，這些液流 流向必須相互反轉，從而反轉電流方向。
在第二模式中，由於陽極處的反應，導致在第二隔室中較低的pH值。由於該隔室 中的較低的PH值，除去了該隔室中沉積在第一(陰極)電極上的水垢。這意味著從未載有 電流的陰極上溶去了水垢。在所述第一模式中，恰恰是第一隔室中的第二(陰極)電極獲 得了清潔。因此，通過在裝置中引入更多的電極材料，解決了裝置中電極的清潔問題，特別 是陰極的清潔問題。這與現實中通常進行的嘗試正好相反，在現有技術中，經常要減少裝置 中電極材料的量，從而達到縮減成本等目的。通過本發明，顯著減小了各個電極上單獨承受 的負荷。所述負荷的降低會顯著提高電極的壽命。在另一個優選的實施方式中，所述第一 和/或第二隔室的數量以及/或者每個隔室中第一和/或第二電極的數量增加。因此發電 效率可以進一步提高。可以通過各種方式，從第一模式切換到第二模式。因此例如可以在切換過程中通 過手工方式斷開一個電極對的連接，並將另一個電極對相連。但是，優選使用切換元件，該 切換元件任選由多個隔室組成，用來對使用的傳輸電流的電極對之間進行切換。所述切換 元件可以以自動化方式激活，例如根據在第一發電模式中度過的時間而被激活，或者可以 通過測量陰極上沉積的水垢的量而被激活，或者可以由使用者進行人工操作。根據試驗顯 示，進行兩次切換操作之間的間隔時間可以為1小時至1周，優選12小時至3天，最優選約 為1天。在本發明的一個優選的實施方式中，所述陽極和/或陰極包括鈦電極。根據池的模式通過使用多個傳輸電流的電極對，可以使得鈦電極的壽命顯著延 長，例如約為10年。由於電極的壽命延長，可以將電極用於更具現實意義的應用中，從而提 高了通過反電滲析法發電的可行性。所述陽極優選包含以下材料組成的覆蓋層鉭/銥或 釕/銥或鉬或鉬/銥。陰極優選包括釕/銥或鉬的覆蓋層。本發明還涉及通過反電滲析工藝發電的方法，該方法包括以下步驟-提供權利要求1-7中的一項或多項的裝置；-將所述裝置從第一發電模式切換到第二發電模式；-發電；然後-使用切換元件將裝置再從第二發電模式切換回第一發電模式。通過將裝置從第一發電模式切換到第二發電模式，第二電極對代替第一電極對被 激活。這在所述裝置中提供了相同的效果和優點。優選通過使得與未連接的陰極緊鄰位置 的PH值小於7，優選小於3，從而對該陰極進行清潔。這可以通過在存在所述陰極的隔室內 的陽極上發生的反應來實現。還可以任選地通過其它方式實現該PH值，例如通過加入一些 物質，獲得酸性環境。兩次切換操作前後間隔的時間優選為1-168小時，更優選為12-72小 時。最優選的時間約為24小時。在本發明一個優選的實施方式中，在切換操作之後的一段時間內採取了電解質的 較低流速，以便更快地降低其中連接的電極為陽極形式的電解質隔室內的PH值。根據其它的因素，例如設備的尺寸以及採用的工藝條件，可以在一段時間內採用 較低的陽極電解液的流速，所述時間約為幾分鐘至幾小時。從而實現PH值更快的下降。其結果是，在此隔 室內未使用的陰極上沉積的水垢被迅速除去。採用的低速的時間優選為幾 分鐘，以便保護電極，不使其使用壽命受到限制。在本發明另一個優選的實施方式中，在切換操作之後的一段時間內採取了電解質 的較高流速，以便防止其中連接的電極為陰極形式的電解質隔室內的PH值升高。通過在切換之後的一段時間使得與所用的陰極靠近的陰極電解質採用較高的速 度，該隔室內的PH值增大幅度會較小。由此限制了電極上的水垢沉積。所述較高速度的持 續時間可以與另一個隔室內較低速度的持續時間相等。但是也可以在此模式過程中恆定地 保持該速度。


參照附圖，基於本發明優選實施方式描述了其它的優點、特徵和細節，圖中-圖1顯示現有技術的反電滲析工藝的示意圖；-圖2顯示處於第一模式的本發明反電滲析工藝的示意圖；-圖3顯示圖2所示工藝處於第二模式的示意圖。
具體實施例方式在反電滲析工藝2中(如圖1的示意圖所示)，將大量陰離子交換薄膜8和陽離子 交換薄膜10置於陽極4和陰極6之間。在陰離子交換薄膜8和陽離子交換薄膜10之間形 成電解質隔室，其中海水12和河水14交替流過相鄰的隔室。由於海水12和河水14流中 離子濃度的差異，海水12中的離子需要向著河水14移動以使得濃度相等。為了方便起見， 圖1中僅將鈉離子和氯離子顯示為正離子和負離子。因為陰離子交換薄膜8僅允許陰離子通過，陽離子交換薄膜10僅允許陽離子通 過，因此陰離子和陽離子的傳輸會沿著相反的方向發生。此處，陰離子(Cl—)向著陽極4方 向移動，陽離子(Na+)向著陰極6方向移動。為了保持電中性，在設置陽極4的隔室內發生 氧化反應，在設置陰極6的隔室內發生還原反應。因此在將陽極4和陰極6相連的電路16 中產生電流。在此電路16中，可以由電力設備18實現電功率，圖中用一個燈泡來顯示。圖1中以陰影的形式顯示滲析池20，該滲析池由陰離子交換薄膜8和陽離子交換 薄膜10的薄膜對以及具有高離子濃度的溶液(例如海水)和具有低離子濃度的溶液(例 如河水)的物質組成。可以增加滲析池20的數量(N)以增大陽極4和陰極6之間的電勢 差。根據本發明，在一個裝置中進行反電滲析工藝(圖2，其中與圖1中相應的元件/ 部件用相同的附圖標記表示)，所述裝置除了包括第一發電電極對以外，還包括額外的第二 電極對。所述第二電極對由置於陽極4附近的另外陰極22和置於陰極6附近的另外陽極 24組成。所述第二電極對的兩個電極22、24通過電路26相連。在電路16、26中裝有切換 裝置28，可以使用該切換裝置28將電極對連接或斷開。在池2的發電模式中，切換裝置28 處於第一模式，將電極對4、6相連，用於發電，而電極對22、24斷開。在第二模式下，切換裝 置會將第一電極對4、6斷開，將第二電極對22、24連接。圖3中顯示了第二模式。此處，負荷18通過切換部件28與第二電極對24、26相 連。斷開另一個電極對4，6。在此模式中，切換海水和河水液流的位置。因此電流方向反轉，這是因為陰離子和陽離子會傾向於沿著另一方向移動。在陽極處發生的反應具體來說是反應(7)和(8)。在此處的相對比例是通過該隔室中存在的鹽或淡水來確定的。這是通過該隔室的薄膜8、10的種類確定的。對於陰離子 薄膜8，為連接的陽極4(圖2中右邊的陽極4)提供淡水14。如果陽離子薄膜10最為靠近， 則為相連的陽極(圖3中左側的陽極34)提供海水12。區別在於形成的氯氣的量等。鐘在一個試驗中，對圖2所示的結構採用操作條件。此處使用鍍鉬的鈦陽極以及未 塗覆的鈦陰極，其中流向每天進行反轉。這意味著發電電極的切換每天進行。在試驗的第一階段中，在600A/m2的電流密度條件下，在3個月的時間內可能觀察 到鉬層厚度的減小。發現該減小是可以忽略的。在該第一階段之後，電流密度增大到4000A/m2。本發明不僅限於以上所述的優選實施方式。本發明所要求保護的範圍由所附權利 要求書限定，可以在該保護範圍內進行許多的改良。因此有很多可能的選擇，例如在用於例 如拖延等用途的電滲析過程中使用雙電極對。還可以將本發明用於其它的電化學池，例如 用於水的消毒。因此可以更高效地進行所述工藝。
權利要求
用來進行電化學工藝、例如反電滲析工藝的裝置，所述裝置包括 至少提供有第一和第二電極的第一隔室； 至少提供有第一和第二電極的第二隔室，該第二隔室與第一隔室相分隔開； 轉換元件，用來在第一模式和第二模式之間進行轉換，在所述第一模式中，第一隔室的第一電極與第二隔室的第一電極互相連接，所述隔室中的第二電極被隔離；在所述第二模式中，第一隔室的第二電極與第二隔室的第二電極互相連接，所述隔室中的第一電極被隔離； 至少一個陽離子交換薄膜和陰離子交換薄膜，這兩個薄膜交替地置於所述第一和第二隔室之間，在所述陽離子和陰離子交換薄膜之間形成了電解質隔室，在此電解質隔室中包含具有低離子濃度的低滲透電解質溶液，以及離子濃度高於所述低滲透電解質溶液的高滲透電解質溶液，所述高滲透和低滲透電解質溶液交替地置於所述電解質隔室中，在從第一模式切換到第二發電模式的過程中，所述高滲透和低滲透電解質溶液改變位置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，提供有多個第一和/或第二隔室。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，在至少一些所述隔室中提供有多個第一 和/或第二電極。
4.如權利要求1、2或3所述的裝置，其特徵在於，所述電極包括鈦電極。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述多個電極中的至少一部分包括以下材 料的覆蓋層鈦/銥或釕/銥或鉬或鉬/銥。
6.如權利要求4或5所述的裝置，其特徵在於，所述多個電極中的至少一部分包括以下 材料的覆蓋層釕/銥或鉬。
7.—種通過反電滲析工藝發電的方法，所述方法包括以下步驟_提供權利要求1-7中任一項的裝置；_將所述裝置從第一發電模式切換到第二發電模式；-發電；以及_使用切換元件將裝置再從第二發電模式切換回第一發電模式。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，通過使緊鄰未連接的陰極的位置的pH值小 於7，優選小於3，對在相關模式下未連接的陰極形式的電極進行清潔。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，在切換操作之後的一段時間內採取電解 質的低流速，以便更快地降低其中連接的電極為陽極形式的電解質隔室內的PH值。
10.如權利要求7、8或9所述的方法，其特徵在於，在切換操作之後的一段時間內採取 電解質的高流速，以便防止其中連接的電極為陰極形式的電解質隔室內的PH值升高。
11.如權利要求7-10中任一項所述的方法，其特徵在於，連續的兩次切換操作之間的 間隔時間為1-168小時，優選12-72小時，最優選約為24小時。
全文摘要
用來實施電滲析、例如反電滲析工藝的裝置和方法，包括-至少提供有第一和第二電極的第一隔室；-至少提供有第一和第二電極的第二隔室，該第二隔間與第一隔間相分隔開；-切換元件(28)，用來在第一發電模式和第二發電模式之間進行切換，在所述第一發電模式中，第一電極互相連接，在所述第二發電模式中，第二電極互相連接；以及-至少一種陽離子交換薄膜(10)和陰離子交換薄膜(8)，這些薄膜交替地置於第一和第二隔室之間，高滲析電解質溶液和低滲析電解質溶液交替地提供在所述薄膜之間，在從第一發電模式切換到第二發電模式的操作過程中，改變位置。
文檔編號H01M8/22GK101960661SQ200980106987
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月27日 優先權日2008年2月27日
發明者P·魯登伯格 申請人:雷德斯塔克有限公司