[發明專利]離子交換膜

有效

• 申請號: 201080047544.3
• 申請日: 2010-08-26
• 公開（公告）號: CN102753253A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 林銳垂;顧越鵬
• 申請（專利權）人: 西門子私人有限公司
• 主分類號: B01D61/00
• 分類號: B01D61/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;吳鵬章

相關申請的交叉引用

本申請根據35U.S.C.§119(e)要求2009年8月26日提交的題為CATION?EXCHANGE?MEMBRANE的美國臨時申請61/237076和2009年8月26日提交的名為ANION?EXCHANGE?MEMBRANE的美國臨時申請61/237084的優先權，二者的全部公開內容并入本文用于所有目的。

發明領域

本發明的實施方案提供離子交換膜及其制造方法。本文所述的電滲析膜將低電阻和高滲透選擇性相結合，使其在水脫鹽應用，特別是海水脫鹽中高度有效。本文所述的離子交換膜通過在多孔基體的孔隙中聚合一種或更多種單官能離化單體，任選中性單體與至少一種多官能單體而制成。

發明背景

離子交換膜在電勢或化學勢下輸送陽離子或陰離子。離子交換膜具有與構成膜本體的聚合物材料連接的帶負電荷或正電荷的基團。每種反離子都是可遷移離子。陽離子交換膜將具有固定的負電荷和移動的正電荷離子。同樣，陰離子交換膜將具有固定的帶正電荷的基團和移動的帶負電荷的陰離子。離子交換膜的性質受固定的離子基團的數量、類型和分布控制。這些膜可描述為強酸和強堿膜、或者弱酸和弱堿膜。強酸陽離子交換膜通常具有磺酸基團作為帶電基團，而對于弱酸膜而言，羧酸通常構成固定帶電荷基團。在強堿和弱堿陰離子交換膜中，季胺和叔胺分別產生固定的帶正電荷的基團。

離子交換膜最重要的應用是電滲析(ED)水脫鹽，在反向電滲析中作為動力來源和燃料電池中作為隔板。其它應用包括在電鍍和金屬表面處理工業中回收金屬離子以及在食品和飲料工業中的各種應用。

電滲析通過使離子和某些帶電有機物在直流電壓驅動力作用下遷移通過配對的陰離子和陽離子選擇性膜來使水脫鹽。電滲析設備由導電且基本不透水的陰離子選擇性和陽離子選擇性膜構成，所述陰離子選擇性和陽離子選擇性膜布置為相對的單元壁。相鄰的單元形成單元對。膜堆疊體由許多(有時數百個)單元對構成，并且電滲析系統可由許多堆疊體構成。每個膜堆疊體具有在堆疊體一端的DC(直流)陽極和在堆疊體另一端的DC陰極。在直流電壓下，離子移動至電荷相反的電極。

單元對由兩類單元構成，即稀釋單元和濃縮單元。作為示例性例子，考慮具有共用的陽離子遷移膜壁和兩個陰離子遷移膜壁從而形成兩個單元的單元對。亦即，第一陰離子遷移膜和陽離子遷移膜形成稀釋單元并且該陽離子遷移膜和第二陰離子膜形成濃縮單元。在稀釋單元中，陽離子朝向陽極穿過陽離子遷移膜，但是在朝向陰極的方向上被濃縮單元的配對陰離子遷移膜濃縮單元所阻止。同樣地，陰離子朝向陰極穿過稀釋單元的陰離子遷移膜，但是在朝向陽極的方向上被相鄰對的陽離子遷移膜所阻止。這樣，在稀釋單元中的鹽將被移除，并且在相鄰的濃縮單元中，陽離子將從一個方向進入并且陰離子從相反的方向進入。在堆疊體中的流動設置為使得稀釋流和濃縮流保持分離并且從稀釋流中產生脫鹽的水流。

在電滲析過程中，材料通常沿電場方向在膜表面處累積，這可能并且經常降低過程的效率。為了對抗這一效應，發展了反向電滲析(EDR)并且成為目前使用的主要方法。在EDR中，電極的極性定期反向，例如每15-60分鐘反向。稀釋和濃縮流同時切換，濃縮流成為稀釋流，反之亦然。這樣，污垢沉積物被移除并沖走。

在稀釋單元中的濃度下降到低于約2000毫克/升(mg/l)后，電阻處于功率需求變得越來越昂貴的水平。為了克服這一點以及為了能生產高質量的水，發展了電去離子(EDI)，有時稱為連續電去離子(CEDI)。在這種方法中，單元中充有離子交換介質，通常是離子交換樹脂珠。離子交換介質的電導率比溶液的導電性高幾個數量級。離子通過所述珠傳輸至膜表面以遷移至濃縮單元。與ED相比，在進料濃度充分降低時，EDI能夠以更低的功率生產更純的水。

水脫鹽的電滲析過程比反滲透(RO)有優勢。電滲析過程需要的預處理較少，這將降低操作成本。電滲析過程將具有更高的產品水回收率和更高的鹽水濃度，即廢棄的鹽水更少。

一價選擇性或單價選擇性膜主要遷移單價離子。單價選擇性陽離子膜主要遷移鈉、鉀等。同樣地，單價選擇性陰離子膜遷移諸如氯離子、溴離子、硝酸根等離子。