电化学辅助的离子交换制造技术

一种用于从液流中移除离子的电化学槽（２０）包括一个具有第一电极（４０）和第二电极（４５）的容器（２５）。在电极之间设置至少一个水分解离子交换膜（１００），该水分解膜（１００）包括：（ｉ）面对第一电极（４０）的阳离子交换表面（１０５），和（ｉｉ）面对第二电极（４５）的阴离子交换表面（１１０）。一个液流路径（１２１）由水分解膜限定。该液流路径具有（ｉ）使液流流入的入口，（ｉｉ）至少一条通道，允许流入液流流过水分解膜的至少一个表面以形成一条或多条处理液流，以及（ｉｉｉ）单一出口（３５），使处理液流结合在一起以形成单一流出溶液。优选地，该液流路径包括单一且邻接的溶液通道，流过水分解膜的阳离子和阴离子交换表面，更优选地是以不间断的方式顺序贯穿并且基本上从入口连续延伸至出口。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及离子交换领域，更具体的说，涉及在电化学槽中使用离子交换膜。离子交换材料用于除去或者替代溶液中的离子，例如用去离子作用生产高纯水，废水处理(从工业废流中提取铜离子)，以及对溶液中的离子的选择替代(例如水的软化工艺，其中“硬”的二价离子如钙，被“软”的钠或钾离子所替代)。离子交换材料一般分为两类，即阳离子交换材料和阴离子交换材料，两种类型一般均为固体或胶体，其含有可交换离子或可与特定离子发生化学反应起离子交换材料的作用。它们可以是交联的或非交联的有机聚合物或无机结构如沸石。阳离子交换材料含有酸性基团如-COOM，-SO3M，-PO3M2，以及-C6H4OM，其中M为阳离子(例如氢离子、钠离子、钙离子或铜离子)，这些酸性基团可交换阳离子而不使材料结构发生永久性改变。阳离子交换材料一般分为“强酸”型和“弱酸”型，表征离子交换基团的术语为酸的强度或pKa。强酸型，例如那些含有-SO3M基团的，在整个溶液酸度范围内起作用(例如，pH＝0至15)。弱酸型例如那些含有-COOM的，仅当pH接近于或高于酸基团的pKa时才可作为离子交换材料。阳离子交换材料还包括那些含有中性基团或通过配位与阳离子结合而不是通过静电或离子键与阳离子结合的配位体。例如，添加到聚合物中的吡啶基团将与Cu+2离子形成配位键以便将其从溶液中除去。其它阳离子交换材料包括含有配合或螯合基团(例如，那些从氨基磷酸，氨基羧酸和异羟肟酸衍生得到的)的聚合物。阴离子交换材料交换阴离子而不使该材料的结构发生永久性的改变，并且包括下列碱性基团，如-NR3A，NR2HA，-PR3A，-SR2A或者C5H5NHA(吡啶鎓)，其中R一般为一种脂族或芳族的烃基团并且A为一种阴离子(例如氢氧根、碳酸氢根或磺酸根)。阴离子交换材料一般分为“强碱”型或“弱碱”型。弱碱型树脂如-NR2HA和C5H5NHA只有当溶液的pH值接近于或低于碱性基团的pKa时才能交换阴离子，而强碱型树脂例如-NR3A在更宽的溶液pH值范围内起作用。离子交换材料可以几种形式使用，例如小的或大的球或珠，将球珠磨碎而获得的粉末，以及膜。最简单的离子交换膜是单极膜，该膜基本上仅含有两种类型的离子交换材料中的一种或者是阳离子，或者是阴离子交换材料。另一种类型的膜是水分解膜，也称作双极、复极或层状膜。水分解膜具有包括强酸性阳离子交换表面或层(磺酸基团；-SO3M)以及强碱性阴离子交换表面或层(季铵基团；-NR3A)相结合的结构，从而使得在向两电极间施加电压所产生的足够高的电场作用下水不可逆地解离或“分解”为其组分离子H+和OH-。在水分解膜的阳离子交换层和阴离子交换层之间的边界处发生的水的解离最为有效，并且所得到的H+和OH-通过离子交换层向相反极性的电极方向迁移(例如，H+向阴极方向迁移)。常规的离子交换是一种批量生产，一般采用堆积在柱状物中的离子交换树脂球。使需要处理的单一溶液流(原料溶液)通过一柱状物或通道。溶液中的离子被离子交换材料移除或替代，并且产物溶液或水从柱状物的出口排出。当离子交换材料被从原料溶液得到的离子饱和(也就是其容量耗尽或“用尽”)时，用适当的溶液使小球再生。阳离子交换树脂一般用酸性溶液再生，而阴离子交换树脂用碱性溶液再生。一个值得注意的特例是，用氯化钠或氯化钾的溶液来再生水软化柱。在再生过程中，设备不能用于生产产物溶液或水。再生通过除去捕获的再生剂溶液的洗涤步骤而完成。此种批量生产与连续生产的区别在于连续生产采用的膜无需再生步骤。用于溶液处理的批量离子交换工艺与连续工艺相比具有许多重要的优点。第一，离子交换材料具有高选择性，并且仅仅移除或替代溶液中的离子，而在很大程度上忽略了中性基团。在从其他离子中移除或替代一种类型的离子时，它们也会有很高的选择性。例如，在水软化工艺中，包括磺酸根基团的阳离子交换材料从溶液中选择提取多价离子，如钙和镁，而一价离子(如钠)的浓度不受影响。发生水软化的原因是磺酸根基团对二价离子的亲和力(选择性)是对一价离子的10倍。可替代地，一种螯合阳离子交换基团如亚氨基乙酰乙酸特别适用于选择性地从含有其它离子的溶液中提取铜离子。该离子交换基团对铜离子的亲和力比对钠离子的高8个数量级。批量离子交换工艺的第二个优点是它们可以防止由于生物生长(例如藻类)或矿物结垢造成的污染。通常使用强酸和强碱分别再生阳离子和阴离子交换材料，将造成一个生物有机质无法存活的环境。在中性或碱性(pH＞7)环境下，在有多价阳离子存在时，会发生矿物结垢；结垢一般包括钙和镁的碳酸盐，氢氧化物和硫酸盐。在水处理的连续设备表面上或沟槽中结垢对于离子移除效率具有惊人的不利影响。在批量离子交换体系中水垢的形成不是那么严重的问题，因为阳离子交换材料不断地用强酸再生(其中多价阳离子被浓缩)，强酸快速溶解水垢。第三个优点是生产浓缩的再生水流(含有在预先的溶液处理步骤中移除的离子)的潜能。当用离子交换材料移除的离子是重要的化学品而且希望使其分离(例如将一种氨基酸或蛋白质从细胞培养物中移除)时，这是很重要的。生产更多的浓缩再生污水的能力有益于消耗较少的水和给废水处理厂带来较小的压力。尽管批量型离子交换工艺具有重要的优点，但是再生剂化学品的需要使该工艺昂贵并且不利于环境。环境成本(涉及购买、储存、加工以及处理用过的有毒的或有腐蚀性的再生剂化学品如硫酸、氢氯酸和苛性碱)限制了此种离子交换工艺在许多领域的应用。即使在水的软化中，氯化钠或氯化钾的再生剂的毒性很小的情况下，需要用户每隔几周从杂货店运50lb的盐袋到家以补充软化剂是一个主要的不方便处。另外，从水软化器排入排水管的富盐再生污水在城市的污水处理厂将难于处理。另一个由化学品再生带来的环境不利因素归因于需要大量的水洗涤再生的离子交换柱并且使之可用于其后的操作步骤中。不仅在世界许多地方缺少水，而且所得到的大量稀释废水也必须在排出前进行处理(例如中和)。例如在美国专利US 3,645,884(Gilliland)，US 4,032,452(Davis)和US 4,465,573(O′Hare)中公开了避免用于电化学方法再生离子交换材料的再生剂化学品的连续工艺，所有上述文献结合入本文以供参考。在这些电渗析体系中，离子交换材料(通常以小球状使用)被许多单极阳离子交换膜和阴离子交换膜与两个电极相互分开；而后离子交换小球材料连续地用电渗析工艺再生，其中离子在电场的作用下穿过溶液、小球以及相容的单极隔膜(即阳离子通过单极阳离子交换膜，而阴离子通过单极阴离子交换膜)，直到它们被不相容的单极隔膜阻挡而不能再移动。单极离子交换膜可以通过一种极性的离子而阻止相反极性离子通过的这种性能被称作选择渗透性(permselectivity)。由于它是一个连续过程，电渗析的特征在于两个不同组分的独立的、邻接的溶液流，即从中连续除去离子的产物液流，和离子在其中浓缩的废水流。该电渗析工艺与常规离子交换相比的主要优点在于，连续操作减少了停机时间或避免了对第一离子交换柱再生期间操作的第二(多余)设备的需求。第二个重要优点在于，作为使用电能而非化学能移除或交换离子的结果，电渗析废流中仅含有从生成的水中移除的离子。因为在常规的离子交换中，化学再生相当慢并且效率低，而且重要的是，为了减少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够从液流中移除离子的电化学槽，该槽包括： （ａ）具有第一和第二电极的容器； （ｂ）位于电极之间的至少一个水分解离子交换膜，该水分解膜包括（ｉ）面对第一电极的阳离子交换表面，以及（ｉｉ）面对第二电极的阴离子交换表面；以及 （ｃ）由水分解膜限定的液流路径，该液流路径具有（ｉ）使液流流入的入口，（ｉｉ）至少一条通道，允许流入液流流过水分解膜的至少一个表面以形成一条或多条处理液流，以及（ｉｉｉ）单一出口，使处理液流结合在一起以形成单一流出溶液。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克D尼贝里，
申请(专利权)人：派尼逖克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]