Пористый и проницаемый ионообменник и способ его изготовления - RU2170141C2

Чертежи

Описание

Изобретение имеет отношение к созданию устройства для электродеионизации и способа удаления ионов из водного раствора в устройстве для электродеионизации, а более конкретно, имеет отношение к созданию устройства для электродеионизации, которое содержит множество отсеков разбавления и отсеков концентрирования, а также непрерывную фазу первого ионообменного материала с дисперсной фазой второго ионообменного материала, и имеет отношение к способу удаления ионов из водного раствора в таком устройстве для электродеионизации.

Во многих областях промышленности большое значение имеет очистка жидкостей. В частности, чистую воду используют не только для питья, но и для различных промышленных целей. Например, чистая вода используется в процессах производства полупроводниковых кристаллов, на электростанциях, в нефтехимической промышленности, а также для решения многих других задач.

Для уменьшения концентрации ионов в жидкости используют ионообменные смолы, фильтрацию с применением обратного осмоса и электродиализ.

С некоторых пор для уменьшения концентрации ионов в жидкости стали более часто применять аппараты электродеионизации. Термин "электродеионизация" обычно применяется по отношению к таким аппаратам и процессам очистки жидкостей, в которых для очистки жидкостей комбинировано используют ионообменные смолы, ионообменные мембраны и электричество. Модуль электродеионизации включает в себя чередующиеся конструкции катионопроницаемых мембран и анионопроницаемых мембран, ограничивающих расположенные между ними отсеки. В чередующихся отсеках размещается ионообменная смола. Эти отсеки называются отсеками разбавления. Отсеки, в которых обычно не содержится ионообменная смола, называют отсеками концентрирования. При подаче электрического тока ионы мигрируют из отсеков разбавления через ионообменную смолу и ионопроницаемые мембраны в отсеки концентрирования. Жидкость, которая протекает через отсеки концентрирования, удаляется или частично используется повторно, а очищенная жидкость, которая протекает через отсеки разбавления, поступает на выход в виде готового жидкого деионизированного продукта.

В патенте США N 4636296 от 13 января 1987 г. на имя Кунца раскрыты устройство и способ деминерализации водных растворов. В соответствии с этим патентом водный раствор пропускают через чередующиеся отдельные слои катионообменной смолы и анионообменной смолы. Указанное устройство является громоздким, причем при его эксплуатации наблюдается большой расход электродов и существует вероятность некоторого нарушения слоев.

В патенте США N 5308467 от 3 мая 1994 г. на имя Сюго и др. раскрыто устройство деминерализации с возможностью электрической регенерации, которое содержит отсек деминерализации. В указанном устройстве ионообменные группы расположены на мононитях, на тканном материале из мононитей или на не тканном материале из мононитей, причем осаждение этих групп осуществлено при помощи радиационно-активизированной графт-полимеризации. Ионообменный материал установлен в отсеке деминерализации.

Использование указанных мононитей в устройстве для деминерализации приводит к повышению его стоимости, что неприемлемо для покупателей аппаратов для очистки жидкости.

Желательно иметь такое размещение ионообменного материала в отсеках разбавления аппарата для электродеионизации, в котором не используются мононити и которое позволяет использовать различные типы ионообменного материала в отсеке разбавления без создания отдельных его слоев, но что вместе с тем позволяет очищаемой жидкости вступать в контакт с дискретными зонами двух типов ионообменного материала.

Недостатки известных решений могут быть преодолены при использовании устройства для электродеионизации, в котором в отсеках разбавления имеется непрерывная фаза первого ионообменного материала, в которую введена дисперсная фаза кластеров второго ионообменного материала, и за счет применения способа удаления ионов из водного раствора в устройстве для электродеионизации, которое имеет указанное размещение ионообменных материалов в отсеках разбавления. Такое размещение позволяет увеличить толщину и размер, в результате чего большее количество смолы может быть помещено в отсеки разбавления, а также позволяет уменьшить число зон мембран, необходимых для соответствующего увеличения потока.

В более широком аспекте, ионообменный материал в соответствии с настоящим изобретением содержит пористый и проницаемый ионообменник, который содержит частицы катионообменной смолы и частицы анионообменной смолы, используемые для деионизации водного раствора, в том числе пористую и проницаемую непрерывную фазу одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы и пористую и проницаемую дисперсную фазу кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы, находящихся внутри непрерывной фазы. Ионообменник преимущественно имеет форму мелкого слоя с расположенными напротив друг друга плоскими поверхностями, в котором кластеры дисперсной фазы граничат по меньшей мере с одной из плоских поверхностей слоя. Кластеры дисперсной фазы могут простираться через весь (проходить насквозь через) мелкий или глубокий слой и могут граничить с противоположными плоскими поверхностями слоя. Кластеры могут иметь форму цилиндров или эллипсов небольшой длины, а также могут иметь форму тел с многогранным поперечным сечением. Частицы катионообменной смолы и частицы анионообменной смолы преимущественно соединены друг с другом при помощи связующего полимера с образованием сцепленного слоя.

Более конкретно, устройство для электродеионизации, приспособленное для удаления ионов из водного раствора, содержит катод в катодном отсеке и анод в анодном отсеке, а также множество чередующихся отсеков разбавления и отсеков концентрирования, расположенных между катодом и анодом, причем отсеки разбавления и концентрирования ограничены анионо- и катионопроницаемыми мембранами, при этом пористый и проницаемый ионообменный материал размещен внутри отсеков разбавления, причем пористый и проницаемый ионообменный материал содержит пористую и проницаемую непрерывную фазу одного типа частиц катионообменной смолы и частиц анионообменной смолы и внутри непрерывной фазы дисперсную фазу кластеров другого типа частиц катионообменной смолы и частиц анионообменной смолы. Ионообменник преимущественно имеет форму мелкого слоя или листа с расположенными напротив друг друга плоскими поверхностями, в котором кластеры дисперсной фазы граничат по меньшей мере с одной из плоских поверхностей слоя. Кластеры дисперсной фазы преимущественно проходят насквозь через мелкий слой и граничат с противоположной плоской поверхностью слоя. Кластеры могут представлять собой короткие или удлиненные цилиндры или эллипсы, а также могут иметь многогранное поперечное сечение, образуя, например, короткие или удлиненные шестигранники. Частицы катионообменной смолы и частицы анионообменной смолы преимущественно соединены друг с другом при помощи связующего полимера с образованием сцепленного слоя, который размещен в отсеке разбавления.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, кластеры дисперсной фазы частиц катионо- или анионообменной смолы по меньшей мере на одном из своих концов, который граничит с плоской поверхностью слоя, имеют контакт с анионопроницаемой мембраной или катионопроницаемой мембраной того же самого типа, то есть кластеры частиц катионообменной смолы контактируют с катионопроницаемой мембраной, а кластеры частиц анионообменной смолы контактируют с анионопроницаемой мембраной, причем преимущественно кластеры дисперсной фазы проходят насквозь через непрерывную фазу и граничат с противоположными плоскими поверхностями слоя непрерывной фазы, упираясь в обе (анионопроницаемую и катионопроницаемую) мембраны и вступая с ними в контакт, шунтируя в результате отсеки разбавления.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается способ удаления ионов из водного раствора, содержащегося в отсеке устройства для электродеионизации, которое имеет анодный отсек с анодом и катодный отсек с катодом, а также множество катионообменных мембран и анионообменных мембран, которые поочередно установлены между анодным отсеком и катодным отсеком с образованием отсеков деминерализации, каждый из которых ограничен при помощи анионообменной мембраны на стороне анода и катионообменной мембраны на стороне катода, и отсеки концентрирования, каждый из которых ограничен при помощи катионообменной мембраны на стороне анода и анионообменной мембраны на стороне катода, причем способ предусматривает пропускание водного раствора, который должен быть очищен, через отсеки разбавления, в которых содержится непрерывная фаза первого ионообменного материала с дисперсной фазой кластеров второго ионообменного материала, при этом указанные кластеры указанной дисперсной фазы граничат по меньшей мере с одной парой анионо- и катионопроницаемых мембран того же самого знака и упираются в них, причем указанные кластеры дисперсной фазы преимущественно проходят насквозь через непрерывную фазу и упираются в обе анионо- и катионопроницаемые мембраны, причем способ предусматривает пропускание электрического тока между катодом и анодом и вывод очищенного водного раствора из устройства.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается способ изготовления пористого и проницаемого ионообменника, который предусматривает установку шаблона, имеющего плоскую крышку с множеством фигурных тонкостенных полых элементов с открытыми верхними и нижними концами, выступающих из нее в нижнем направлении над заданной зоной приема, и подачу водной суспензии одного типа частиц катионообменной смолы или анионообменной смолы к этому шаблону для образования непрерывной фазы частиц ионообменной смолы, а также подачу водной суспензии другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы во множество фигурных тонкостенных полых элементов, с образованием множества кластеров дисперсной фазы другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы.

Данный способ может предусматривать образование ионообменника над ионообменной мембраной для обеспечения тесного контакта дисперсной фазы ионообменных частиц с этой мембраной или же в пространственной раме, или в оправке над пластиковой поддерживающей пленкой для переноса в пространственную раму.

В соответствии с иным аспектом настоящего изобретения, предлагается способ изготовления пористого и проницаемого ионообменника, который предусматривает установку решетки раздаточных форсунок для избирательного распределения водной суспензии частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы по заданной зоне приема, и подачу к указанной заданной зоне водной суспензии одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы для образования непрерывной фазы указанных частиц ионообменной смолы, а также подачу водной суспензии другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы в соответствии с заданной картиной распределения, чтобы образовать множество кластеров дисперсной разрывной фазы другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы.

Как и в предыдущем варианте данный вариант предусматривает образование ионообменника над ионообменной мембраной, или в пространственной раме, или в оправке над поддерживающей пленкой.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ изготовления пористого и проницаемого ионообменника, предусматривающий вырубание (высечку) множества фигурных кластеров частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы из первого листа указанных частиц смолы с образованием непрерывной фазы указанных частиц ионообменной смолы, содержащей множество отверстий, а также предусматривающий вырубание множества идентичных кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы из другого листа указанных частиц смолы, и введение указанных вырубленных кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы в отверстия в первом листе.

Ионообменник может быть образован над ионообменной мембраной для обеспечения тесного контакта дисперсной фазы ионообменных частиц с мембраной, в пространственной раме или в оправке, причем ионообменник может быть заморожен в пространственной раме или в оправке для переноса.

В соответствии с настоящим изобретением предусмотрена также операция введения (установки) фигурной заготовки сетки с размером ячеек, меньшим чем средний размер частиц, в полые элементы, для ее внедрения в кластеры дискретной разрывной фазы или в непрерывную фазу частиц ионообменной смолы.

Фигурная заготовка может иметь форму прямого цилиндра, прямоугольника, прямого шестигранника или прямой многогранной призмы.

В кластеры дискретной разрывной фазы или в непрерывную фазу может быть также встроена сетка с сотовой формой ячеек.

Указанные ранее, и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 показан вид в перспективе известного устройства для электродеионизации.

На фиг. 2 показан частично вид в сечении по линии 2 - 2 фиг. 1.

На фиг. 3 показан вид в перспективе размещения ионообменного материала в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 4 приведено поперечное сечение по линии 4 - 4 фиг. 3.

На фиг. 5 показан вид в перспективе другого размещения ионообменного материала в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 6 показан вид в перспективе устройства формирования ионообменника в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 7 показан вид сбоку устройства фиг. 6, установленного в отсеке пространственной рамы.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показан пример построения известного устройства для электродеионизации 10, при помощи которого из жидкости могут быть удалены ионы. В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения производится удаление ионов натрия и хлорида из воды.

Устройство для электродеионизации 10 содержит прямоугольную раму 12. Рама 12 имеет жесткую переднюю пластину 14 и жесткую заднюю пластину 16, изготовленные из металла. Передняя пластина 14 и задняя пластина 16 соединены между собой при помощи соединительных шпилек или болтов 18. Каждая из шпилек 18 пропущена через одно из отверстий 20, расположенных на одинаковом расстоянии от края передней пластины 14, а также через одно из соответствующих отверстий 18 в задней пластине 16. Катод 22 (фиг. 2) расположен вблизи от передней пластины 14 в катодном отсеке 23, а анод 24 расположен вблизи от задней пластины 16 в анодном отсеке 25. Имеющиеся в передней пластине 14 отверстия 26 предназначены для поступления жидкости в устройство для электродеионизации 10 для ее обработки. Изолирующий электродный блок 28, который образует электродный отсек, упирается по периметру в переднюю пластину 14, а изолирующий электродный блок 30, который образует электродный отсек, упирается по периметру в заднюю пластину 20. Устройство для электродеионизации 10 содержит множество чередующихся катионопроницаемых мембран и анионопроницаемых мембран, обозначенных позицией 32, которые находятся между изолирующими электродными блоками 28 и 30. Катионопроницаемые мембраны и анионопроницаемые мембраны 32 ограничивают чередующиеся отсеки концентрирования и разбавления, что будет описано далее.

На фиг. 2 схематично изображены отсеки концентрирования 44, 46 и, более детально, отсек разбавления 48, расположенный между ними. Катионопроницаемые мембраны 36, 38 и анионопроницаемые мембраны 40, 42 ограничивают отсеки концентрирования и отсек разбавления. Между мембранами в отсеках концентрирования и разбавления установлены распорки (не показаны). Распорки в отсеках разбавления 48 имеют отверстия для размещения ионообменного материала, такого как шарики 49 ионообменной смолы. Следует иметь в виду, что ионообменная смола может быть также размещена и в отсеках концентрирования.

На фиг. 3 и 4 показан преимущественный вариант размещения ионообменного материала в соответствии с настоящим изобретением внутри отсека разбавления 48, показанного на фиг. 2. Слой 40 пористой и проницаемой непрерывной фазы (то есть матрицы) ионообменного материала 50 содержит множество смещенных друг от друга цилиндров пористых и проницаемых кластеров второго ионообменного материала 52, один из которых показан на фиг. 3, диспергированных внутри матрицы 50 в направлении, поперечном относительно плоскости слоя. Ионообменные материалы 50 и 52 преимущественно содержат частицы ионообменной смолы в виде шариков. Ионообменный материал 50 и ионообменный материал 52 обменивают противоположно заряженные ионы. Например, если непрерывная фаза ионообменного материала 50 представляет собой катионообменный материал, который будет иметь фиксированные отрицательные заряды для улавливания (захвата) катионов, то дисперсная фаза ионообменного материала 52 представляет собой анионообменный материал, который будет иметь фиксированные положительные заряды для улавливания анионов. Поперечное размещение кластеров дисперсной фазы ионообменного материала, обеспечивающее перекрытие или шунтирование отсеков разбавления, гарантирует, что водный раствор, который протекает внутри отсеков разбавления 48, вступает в контакт с обеими формами ионообменной смолы для эффективного обмена катионов и анионов.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1 - 4, на которых показано, что обрабатываемый водный раствор протекает через отверстие 26, а затем - через отсеки концентрирования 44, 46 и через отсек разбавления 48. Струи (потоки) жидкости, показанные стрелками 54 и 56, протекают соответственно через отсеки концентрирования 44 и 46, а струя жидкости, показанная стрелкой 58, протекает через отсек разбавления 48. Водный раствор содержит ионы, такие как ионы натрия и хлорида.

Электрический ток течет между катодом 22, расположенным в катодном отсеке 23, и анодом 24, расположенным в анодном отсеке 25. Сила тока между катодом 22 и анодом 24 может регулироваться для управления эффективностью процесса электродеионизации.

Когда очищаемая жидкость втекает в отсек разбавления 48, как это показано стрелкой 58, она вступает в контакт с шариками ионообменной смолы, как это показано, например, на фиг. 3 и 4. Катионообменная смола 50 имеет фиксированные отрицательные заряды и улавливает (захватывает) катионы, такие как ионы натрия, имеющиеся в жидкости. Анионообменная смола 52 имеет фиксированные положительные заряды и улавливает анионы, такие как ионы хлорида, имеющиеся в жидкости. Когда имеет место ионообмен между очищаемой жидкостью и шариками катионообменной 50 и анионообменной 52 смолы, то приложенное напряжение побуждает нежелательные катионы и анионы, в данном случае соответственно ионы натрия и хлорида, проходить через мембраны 38 и 40 и поступать в смежные отсеки концентрирования 46 и 44. Ионообменная смола размещена в поперечном направлении относительно потока жидкости, так, как это показано на фиг. 3 и 4. Такое размещение позволяет большей части жидкости, протекающей через отсек разбавления 48, вступать в контакт с ионообменным материалом 50 и 52.

В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения, в устройстве для электродеионизации 10 производят очистку воды. Электрический ток вызывает некоторое расщепление воды на ионы водорода и гидроксильные ионы. Ионы водорода транспортируются через катионообменную смолу 50 к катионопроницаемой мембране 38, а затем через катионопроницаемую мембрану 38 поступают в отсек концентрирования 46, как это показано стрелками 66. Гидроксильные ионы транспортируются через анионообменную смолу 52 к анионопроницаемой мембране 40, а затем через анионопроницаемую мембрану 40 поступают в отсек концентрирования 44, как это показано стрелками 62. Таким образом, ионообменная смола 50 и ионообменная смола 52 непрерывно регенерируются.

Анионные загрязнения, например, ионы хлорида в воде, очищаемой в камере разбавления 48, отбираются анионообменной смолой 52 за счет использования известного механизма ионообмена, а затем транспортируются совместно с гидроксильными ионами через анионообменную смолу к анионопроницаемой мембране 40 и проходят через нее, поступая в отсек концентрирования 44, как это показано стрелками 60. Одновременно, эквивалентное количество ионов водорода и катионных загрязнений транспортируется из смежного отсека разбавления в камеру концентрирования 44, как это показано стрелками 70.

Катионные загрязнения, например, ионы натрия в воде, очищаемой в камере разбавления 48, отбираются катионообменной смолой 50 за счет использования известного механизма ионообмена, а затем транспортируются совместно с ионами водорода через катионообменную смолу к катионопроницаемой мембране 38 и проходят через нее, поступая в отсек концентрирования 46, как это показано стрелками 64. В то же самое время эквивалентное количество гидроксильных ионов и анионных загрязнений транспортируется из смежного отсека разбавления в камеру концентрирования 46, как это показано стрелками 68.

Вода протекает через отсеки концентрирования 44 и 46 и поступает в бак отходов (не показан) или рециркулируется. Очищенная вода протекает через отсек разбавления 48 и выдается как готовый продукт.

Следует иметь в виду, что дисперсный материал 52 ионообменного кластера внутри материала 50 ионообменной матрицы может иметь любую геометрическую форму, например, с поперечным сечением, имеющим цилиндрическую или коническую форму, форму в виде усеченного конуса или эллипса, а также с поперечным сечением, имеющим многогранную форму, такую как форму шестигранной прямой призмы, что позволяет увеличить площадь поверхности кластеров.

На фиг. 5 показан другой вариант размещения материала 50 и 52 из ионообменной смолы в соответствии с настоящим изобретением внутри отсеков разбавления устройства для электродеионизации, в соответствии с которым дисперсная фаза 60 кластеров цилиндрической формы выровнена в поперечном направлении внутри отсека разбавления, размещена рядом и контактирует с ионопроницаемой мембраной того же самого заряда, то есть такого же знака. Например, кластер 60 анионообменной смолы размещен смежно с анионопроницаемой мембраной 62 и контактирует с ней. Преимущественно, ионообменные кластеры или островки проходят насквозь через непрерывную фазу и оканчиваются на противоположных сторонах 64, 66 слоя 49, как это показано на фиг. 3, в результате чего дисперсные кластеры являются смежными как с анионопроницаемой мембраной, так и с катионопроницаемой мембраной, упираются в них и контактируют с этими мембранами.

Кластер 50 может быть образован из мелкого слоя или листа непрерывной фазы частиц ионообменной смолы первого или второго ионообменного материала, связанных при помощи полимерного связующего вещества, путем вырубания кластеров желательной формы и размера из листа. Лист непрерывной фазы частиц ионообменной смолы ионообменного материала, имеющих противоположный заряд и связанных полимерной смолой, имеет множество отверстий, форма и размер которых соответствует кластерам 50, вырубленным из него. В этот лист могут быть вставлены (введены) на плотной посадке высеченные кластеры 50, имеющие противоположный заряд, что позволяет образовывать ионообменники. Термопластичное полимерное связующее вещество, такое как полиэтилен малой плотности, линейный полиэтилен малой плотности или нечто подобное, в количестве, достаточном для образования связного (единого) листа или слоя с конструкцией, удобной для обращения, но при сохранении хорошей пористости, проницаемости для жидкости и ионообменной емкости, может быть использован для образования исходных (стартовых) листов первого и второго ионообменного материала.

Пористые и проницаемые ионообменники могут быть образованы на месте нахождения в отсеках разбавления при помощи решетки раздаточных форсунок, которые позволяют точно и эффективно распределять определенные количества первого ионообменного материала и второго ионообменного материала в виде суспензий по раме камеры разбавления или по шаблону, с образованием требуемой картины распределения (конфигурации) непрерывной фазы первого ионообменного материала с разрывной фазой второго ионообменного материала. Может быть образовано непосредственно желательное количество индивидуальных диспергированных доменов, например, цилиндрических кластеров второго ионообменного материала. Индивидуальные диспергированные домены второго ионообменного материала различной формы, например, в виде цилиндров или шестигранных прямых призм, конусов, усеченных конусов и т.п., могут быть образованы за счет изменения числа, формы и положения распределительных форсунок и за счет изменения скорости подачи второго ионообменного материала, при обеспечении согласования с подачей первого ионообменного материала. Непрерывная фаза первого ионообменного материала легко может быть образована за счет использования множества дозирующих распределительных форсунок, при изменении числа, размера и геометрического размещения этих раздаточных форсунок, а также при изменении относительных количеств ионообменных материалов, выдаваемых соответствующими форсунками, и относительной скорости этой подачи. Дозирование ионообменных материалов может быть обеспечено при помощи различных средств, в том числе при помощи шнековых питателей, питателей вытеснения, с помощью гравитации и т.п. Решетка форсунок создает желательную картину распределения ионообменных материалов; однако она может содержать и субблоки форсунок, причем в таком случае полную желательную картину (распределения ионообменных материалов) получают за счет изменения относительного положения блоков раздаточных форсунок и рамы камеры разбавления или шаблона.

Шаблон с определенным рисунком может быть использован для того, чтобы точно и эффективно распределять определенные количества первого ионообменного материала и второго ионообменного материала в виде суспензий, с образованием требуемой картины распределения (конфигурации) непрерывной фазы первого ионообменного материала с введенной в него разрывной фазой второго ионообменного материала. Пример такого шаблона для цилиндрических доменов показан на фиг. 6 и 7. Шаблон 101, который соответствует желательной картине, содержит множество фигурных, тонкостенных, полых, имеющих открытые концы элементов 102, таких как полые цилиндры, ограничивающие периметр желательных изолированных доменов второго ионообменного материала, выступающих в нижнем направлении из плоской крышки 103. Крышка 103 ограничивает желательную площадь непрерывной фазы первого ионообменного материала. Из крышки 103 выступают вверх питающие трубки 104, предназначенные для подачи первого ионообменного материала в виде суспензии первого ионообменного материала в воде, и выпускные трубки 105 для удаления избытка воды или другой жидкости, использованной для транспортирования первого ионообменного материала. Идущая по периметру стенка 106 может, по желанию, выступать вниз вокруг краев шаблона 101, а периферический фланец 107 может выступать наружу от кромки шаблона в одной плоскости с крышкой 103. В рабочем состоянии шаблон устанавливают внутри пространственной рамы 110 отсека разбавления (фиг. 7), таким образом, что стенка 106 установлена на ионообменную мембрану 111 и контактирует с ней. Через питающие трубки 104 первый ионообменный материал подают в шаблон, а отвод материала осуществляют через выпускные трубки 105, как это показано стрелками 112 и 113, в результате чего обеспечивают желательную непрерывную фазу первого ионообменного материала. Водная суспензия второго ионообменного материала может быть залита на крышку 103 шаблона, чтобы заполнить трубки 102 вторым ионообменным материалом; избыток ионообменного материала удаляют его съемом (протиркой) с крышки 103 или промывкой крышки 103 водой. Крышка 103 может иметь кожух (не показан), смещенный от нее для образования узкого прохода, ширина и длина которого соответствуют размерам крышки 103; этот проход служит для равномерного распределения водной суспензии вдоль поверхности крышки 103 и позволяет избежать канализации (неравномерности) в распределении второго ионообменного материала в трубках доменов 102. Скорость заполнения трубок для образования доменов разрывной фазы может контролироваться за счет изменения расхода суспензии и ее плотности.

После этого шаблон 101 снимают с пространственной рамы 110, в результате чего получают желательную картину распределения непрерывной фазы первого ионообменного материала с разрывной дисперсной фазой кластеров второго ионообменного материала внутри пространственной рамы.

Выступающий наружу периферический фланец 107 упирается в верхнюю поверхность пространственной рамы 110, что устраняет необходимость установки периметрической стенки 106 на ионообменную мембрану 111, если это предпочтительно.

Указанная процедура может быть также осуществлена при помощи рабочей оправки (не показана) вместо пространственной рамы разбавления 110. Оправка может быть установлена на пластиковую пленку, на оправку может быть надета крышка 103, а непрерывная и разрывная фазы ионообменного порошкового материала могут быть залиты в соответствующие полости, аналогично показанному на фиг. 6 и 7. Альтернативно, для образования желательных конфигураций непрерывной и разрывной фаз в оправке может быть использовано множество форсунок. Слой, содержащий непрерывную и разрывную фазы, может быть перенесен в определенное место для установки внутри отсека разбавления.

Для получения картин распределения с различной формой доменов могут быть использованы способы производства, предусматривающие соответствующую замену шаблона. Существующие способы производства могут быть также применены для получения иных картин и конфигураций, в которых ни одна из фаз материала не является непрерывной.

Требуемая конфигурация непрерывной фазы, содержащей первый ионообменный материал с разрывной фазой второго ионообменного материала, может быть стабилизирована за счет применения мелкой сетки, ограничивающей соответствующие непрерывные и разрывные области. Ячейки (отверстия) сетки позволяют пропускать поток обрабатываемой воды. Ячейки сетки несколько меньше по размеру, чем ионообменные шарики, которые должны быть отделены. Преимущественно, относительные размеры ячеек сетки и ионообменных шариков таковы, что в компактном состоянии, которое получают в камере разбавления, ионообменные шарики на любой стороне сетки вступают в контакт друг с другом. Деионизация может быть также получена при использовании более мелкой сетки, когда ионообменные шарики на любой стороне сетки находятся в непосредственной близости друг от друга, на расстоянии, равном нескольким диаметрам шариков, но не касаются друг друга.

Цилиндрические заготовки или втулки сетки могут быть установлены внутри описанного выше шаблона с рисунком, над зоной шаблона, соответствующей разрывной фазе. После заливки двух смол и снятия шаблона цилиндрические элементы сетки остаются встроенными в окончательную картину ионообменного материала. Единственная заготовка или множество заготовок могут быть также помещены в зоне шаблона с рисунком, соответствующей непрерывной фазе.

Ионообменные шарики могут быть избирательно добавлены в рисунок при помощи распределительных форсунок, как это было описано ранее, при этом единственная заготовка или множество заготовок могут занимать как непрерывную, так и разрывную фазы, или же любую из них.

Мелкая сетка может быть предусмотрена в виде ячеек индивидуальной заготовки или в виде ячеек множества взаимосвязанных заготовок, имеющих форму прямого круга, прямоугольника, шестигранника или другую прямую призматическую форму, с индивидуальными ячейками, имеющими диаметр или ширину, например, около 0, 5 см, для ввода в дискретные цилиндрические домены, имеющие диаметр около 3 см. Множество взаимосвязанных ячеек сетки, имеющих Сотовую конфигурацию 122 (фиг. 6), образующих главным образом цилиндрический домен диаметром 3 см, с индивидуальными ячейками шириной 0,5 см, эффективно заполняющими домен, уплотняет ионообменный материал внутри домена, который становится встроенным в домен, что облегчает ввод ионообменного материала при помощи распределительных форсунок.

Удлиненный сотовый параллелепипед 124 с мелкими ячейками, с размерами, соответствующими размеру отсека, куда его вставляют, может быть использован в любой из непрерывной или разрывной фаз, или в обеих фазах, для приема и стабилизации смолы, поступающей от форсунок.

Сотовые заготовки с малым размером ячеек могут быть образованы вырезанием желательной формы и подгонкой в цилиндрические отверстия в шаблоне с рисунком, и/или такие заготовки могут быть введены в непрерывную фазу шаблона и могут являться ее интегральной частью.

Требуемая конфигурация непрерывной фазы, которая содержит первый ионообменный материал с разрывной фазой второго ионообменного материала, может быть получена в оправке и заморожена при смачивании водой для повышения удобства обращения при сборке блока (пакета) в замороженном состоянии. Требуемая конфигурация может быть также получена в оправке с ионообменной мембраной и/или с пространственной" рамой концентрирования или разбавления, что позволяет получить субблок, который повышает удобство обращения при сборке блока в замороженном состоянии. После сборки блока пакет размораживают, получая желательную картину ионообменных материалов, уплотненных и стабилизированных в камерах разбавления.

Следует иметь в виду, что указанные способы могут быть использованы также для формирования ионообменных материалов с определенной картиной размещения, установленных в отсеках концентрирования и в пространственных рамах электродов, также как и для не электрохимических ионообменных устройств.

Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением будут более ясны из последующего описания, приведенного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера.

Пример 1. Примерное сравнительное поведение ионообменной среды с рисунком относительно перемешанного слоя ионообменной среды
Были проведены сравнительные испытания с использованием устройства для электродеионизации с тремя отсеками разбавления. Устройство содержит установленные последовательно: торцевую пластину толщиной 1,8 см из нержавеющей стали; изолирующий электродный блок из ПВХ толщиной 2,5 см; титановый анод с платиновым покрытием; распорку электродного отсека толщиной около 0,1 см, образованную полипропиленовой сеткой в эластомерной раме, причем эта рама служит для герметизации блока и для образования каналов распределения жидкости; катионопроницаемую мембрану толщиной около 0, 07 см; распорку отсека концентрирования толщиной около 0,1 см, образованную полипропиленовой сеткой в эластомерной раме, причем эта рама служит для герметизации блока и для образования каналов распределения жидкости; три пары разбавления/концентрирования, причем каждая пара содержит анионопроницаемую мембрану толщиной около 0,07 см, отсек разбавления толщиной около 0,8 см, который включает в себя открытую полипропиленовую раму, предназначенную для герметизации и распределения жидкости и для размещения ионообменного материала, исследование которого будут проводиться, распределитель жидкости и коллектор жидкости, имеющие сетчатую стяжку для удержания ионообменных шариков в отсеке разбавления, катионопроницаемую мембрану толщиной около 0,07 см, и распорку отсека концентрирования толщиной около 0,1 см; катионопроницаемую мембрану толщиной около 0,07 см, распорку электродного отсека толщиной около 0,1 см, катод из нержавеющей стали, изолирующий электродный блок из ПВХ толщиной 2,5 см, и торцевую пластину толщиной 1,8 см из нержавеющей стали.

Размеры рабочей зоны отсеков жидкости (электродного, концентрирования и разбавления) и электродов составили 13 см (ширина) х 39 см (длина в направлении потока жидкости). Компоненты пакета электродеионизации удерживались вместе за счет прижима резьбовыми шпильками 16 х 1,0 см, установленными в отверстиях по периметру торцевых пластин из нержавеющей стали. Известным образом устройство было снабжено каналами для протекания жидкости с отверстиями в распорках и мембранах, которые выполняют следующие функции: подача очищаемой воды в отсеки разбавления; вывод очищенной воды из отсеков разбавления; подача воды в отсеки концентрирования и электродные отсеки; вывод очищенной воды из отсеков концентрирования; и вывод очищенной воды из электродных отсеков. Очищаемая вода, использованная при проведении испытания, представляет собой городскую питьевую воду, которая вначале была отфильтрована при помощи активированного угля, умягчена в натриевом ионообменном блоке, частично деионизирована при помощи обратного осмоса и хранилась в полипропиленовых баках для хранения емкостью 800 галлонов. Исходная вода имела электропроводность около 3 мкС/см. Отфильтрованная и умягченная вода на входе отсеков концентрирования и электродных отсеков имела электропроводность около 350 мкС/см.

Был проведен первый эксперимент, при котором каждый из трех отсеков разбавления заполнялся 270 г хорошо связанной смеси, 50/50% по объему сухой диаионовой кислоты и сильно щелочной ионообменной смолы, в натриевой и хлоридной формах. После этого была проведена регенерация пакета электродеионизации за счет пропускания очищаемой воды с расходом около 0,8 г/мин через отсеки разбавления, за счет пропускания очищаемой воды с расходом около 0,2 г/мин через отсеки концентрирования и электродные отсеки, и приложения тока около 1 А. Затем расход через отсеки разбавления был увеличен до заданного, который составлял около 1,3 г/мин, ток был увеличен до 2,0 А, причем электропроводность подаваемой воды составляла 3,09 мкС/см. В таких условиях был получен готовый продукт, а именно, вода с удельным сопротивлением 11,2 МО•см.

Был также проведен второй эксперимент, при котором каждый из трех отсеков разбавления заполнялся имеющей определенную картину размещения смесью сухой диаионовой кислоты и сильно щелочной ионообменной смолы, в натриевой и хлоридной формах. Использованное определенное размещение (картина) было образовано первой непрерывной фазой, содержащей 147 г сухой связанной анионообменной смолы, включающей в себя 72 х 1,9 см цилиндрических доменов второй дисперсной фазы, содержащей около 123 г связанной катионообменной смолы. После этого была прежде всего проведена регенерация пакета электродеионизации за счет пропускания очищаемой воды с расходом около 0,3 г/мин через отсеки разбавления, за счет пропускания очищаемой воды с расходом около 0,1 г/мин через отсеки концентрирования и электродные отсеки, и приложения тока около 1 А. Затем расход через отсеки разбавления был увеличен до заданного, который составлял около 1,3 г/мин, ток был увеличен до 2,0 А, причем электропроводность подаваемой воды составляла 2,74 мкС/см. В таких условиях был получен готовый продукт, а именно, вода с удельным сопротивлением 17,88 МО•см.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к устройству для электродеионизации и способу удаления ионов из водного раствора в устройстве для электродеионизации, которое, в частности, содержит множество отсеков разбавления и отсеков концентрирования, а также непрерывную фазу первого ионообменного материала с дисперсной фазой второго ионообменного материала. Ионообменник содержит пористую и проницаемую непрерывную фазу одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы и пористую и проницаемую дисперсную фазу кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы, находящихся внутри непрерывной фазы. Ионообменник преимущественно имеет форму мелкого слоя с расположенными напротив друг друга плоскими поверхностями, в котором кластеры дисперсной фазы граничат по меньшей мере с одной из плоских поверхностей слоя. Упомянутый пористый и проницаемый слой используют в устройстве для деминерализации водного раствора, содержащем отсек деминерализации с катионообменной мембраной на одной стороне отсека и с анионообменной мембраной на другой стороне отсека и пористый слой одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы и пористую и проницаемую дисперсную фазу кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы, находящихся внутри непрерывной фазы, причем упомянутый слой заполняет указанный отсек. Другое устройство для деминерализации водного раствора, который содержит вышеупомянутый пористый слой, заполняющий отсеки деминерализации, состоит из анодного отсека с анодом и катодного отсека с катодом, а также из множества катионообменных мембран и анионообменных мембран, которые поочередно установлены между анодным отсеком и катодным отсеком с образованием отсеков деминерализации, каждый из которых ограничен при помощи анионообменной мембраны на стороне анода и катионообменной мембраны на стороне катода, и отсеков концентрирования, каждый из которых ограничен при помощи катионообменной мембраны на стороне анода и анионообменной мембраны на стороне катода. Способ деминерализации водного раствора в этом устройстве включает подачу воды, которая должна быть деминерализована, в отсеки деминерализации, пропускание электрического тока между катодом и анодом и вывод деминерализованной воды из устройства, в котором отсеки заполняют пористым и проницаемым упомянутым ионообменником. Способ изготовления пористого и проницаемого упомянутого ионообменника включает в себя установку шаблона, имеющего плоскую крышку с множеством фигурных тонкостенных полых элементов с открытыми верхними и нижними концами, выступающих из нее в нижнем направлении над заданной зоной приема, и подачу водной суспензии одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы к этому шаблону для образования непрерывной фазы частиц ионообменной смолы, а также подачу водной суспензии другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы во множество фигурных тонкостенных полых элементов, с образованием множества кластеров дисперсной фазы другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы. Другой вариант способа изготовления упомянутого ионообменника включает в себя установку решетки распределительных форсунок для избирательного распределения водной суспензии частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы по заданной зоне приема и подачу к указанной заданной зоне одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы для образования непрерывной фазы указанных частиц ионообменной смолы, а также подачу водной суспензии другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы в соответствии с заданной картиной распределения, чтобы образовать множество кластеров дисперсной разрывной фазы другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы. Еще один вариант способа изготовления ионообменника включает в себя вырубание множества фигурных кластеров частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы из первого листа указанных частиц смолы, с образованием непрерывной фазы указанных частиц ионообменной смолы, содержащей множество отверстий, а также вырубание множества идентичных кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы из другого листа указанных частиц смолы и введение указанных вырубленных кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы в отверстия в первом листе. Изобретение обеспечивает улучшение качества очистки воды. 7 с. и 28 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула