[发明专利]离子交换膜

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2009年8月26日提交的题为CATION EXCHANGE MEMBRANE的美国临时申请61/237076和2009年8月26日提交的名为ANION EXCHANGE MEMBRANE的美国临时申请61/237084的优先权，二者的全部公开内容并入本文用于所有目的。

发明领域

本发明的实施方案提供离子交换膜及其制造方法。本文所述的电渗析膜将低电阻和高渗透选择性相结合，使其在水脱盐应用，特别是海水脱盐中高度有效。本文所述的离子交换膜通过在多孔基体的孔隙中聚合一种或更多种单官能离化单体，任选中性单体与至少一种多官能单体而制成。

发明背景

离子交换膜在电势或化学势下输送阳离子或阴离子。离子交换膜具有与构成膜本体的聚合物材料连接的带负电荷或正电荷的基团。每种反离子都是可迁移离子。阳离子交换膜将具有固定的负电荷和移动的正电荷离子。同样，阴离子交换膜将具有固定的带正电荷的基团和移动的带负电荷的阴离子。离子交换膜的性质受固定的离子基团的数量、类型和分布控制。这些膜可描述为强酸和强碱膜、或者弱酸和弱碱膜。强酸阳离子交换膜通常具有磺酸基团作为带电基团，而对于弱酸膜而言，羧酸通常构成固定带电荷基团。在强碱和弱碱阴离子交换膜中，季胺和叔胺分别产生固定的带正电荷的基团。

离子交换膜最重要的应用是电渗析(ED)水脱盐，在反向电渗析中作为动力来源和燃料电池中作为隔板。其它应用包括在电镀和金属表面处理工业中回收金属离子以及在食品和饮料工业中的各种应用。

电渗析通过使离子和某些带电有机物在直流电压驱动力作用下迁移通过配对的阴离子和阳离子选择性膜来使水脱盐。电渗析设备由导电且基本不透水的阴离子选择性和阳离子选择性膜构成，所述阴离子选择性和阳离子选择性膜布置为相对的单元壁。相邻的单元形成单元对。膜堆叠体由许多(有时数百个)单元对构成，并且电渗析系统可由许多堆叠体构成。每个膜堆叠体具有在堆叠体一端的DC(直流)阳极和在堆叠体另一端的DC阴极。在直流电压下，离子移动至电荷相反的电极。

单元对由两类单元构成，即稀释单元和浓缩单元。作为示例性例子，考虑具有共用的阳离子迁移膜壁和两个阴离子迁移膜壁从而形成两个单元的单元对。亦即，第一阴离子迁移膜和阳离子迁移膜形成稀释单元并且该阳离子迁移膜和第二阴离子膜形成浓缩单元。在稀释单元中，阳离子朝向阳极穿过阳离子迁移膜，但是在朝向阴极的方向上被浓缩单元的配对阴离子迁移膜浓缩单元所阻止。同样地，阴离子朝向阴极穿过稀释单元的阴离子迁移膜，但是在朝向阳极的方向上被相邻对的阳离子迁移膜所阻止。这样，在稀释单元中的盐将被移除，并且在相邻的浓缩单元中，阳离子将从一个方向进入并且阴离子从相反的方向进入。在堆叠体中的流动设置为使得稀释流和浓缩流保持分离并且从稀释流中产生脱盐的水流。

在电渗析过程中，材料通常沿电场方向在膜表面处累积，这可能并且经常降低过程的效率。为了对抗这一效应，发展了反向电渗析(EDR)并且成为目前使用的主要方法。在EDR中，电极的极性定期反向，例如每15-60分钟反向。稀释和浓缩流同时切换，浓缩流成为稀释流，反之亦然。这样，污垢沉积物被移除并冲走。

在稀释单元中的浓度下降到低于约2000毫克/升(mg/l)后，电阻处于功率需求变得越来越昂贵的水平。为了克服这一点以及为了能生产高质量的水，发展了电去离子(EDI)，有时称为连续电去离子(CEDI)。在这种方法中，单元中充有离子交换介质，通常是离子交换树脂珠。离子交换介质的电导率比溶液的导电性高几个数量级。离子通过所述珠传输至膜表面以迁移至浓缩单元。与ED相比，在进料浓度充分降低时，EDI能够以更低的功率生产更纯的水。

水脱盐的电渗析过程比反渗透(RO)有优势。电渗析过程需要的预处理较少，这将降低操作成本。电渗析过程将具有更高的产品水回收率和更高的盐水浓度，即废弃的盐水更少。

一价选择性或单价选择性膜主要迁移单价离子。单价选择性阳离子膜主要迁移钠、钾等。同样地，单价选择性阴离子膜迁移诸如氯离子、溴离子、硝酸根等离子。