包括卡扣配合設(shè)計(jì)和取樣口的電滲析隔板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于膜疊層的隔板，所述隔板具有上表面和下表面。所述上表面具有圍繞膜支撐部分的凸起周界。所述隔板具有一個或多個突起和凹處，所述一個或多個突起和凹處被配置成使得第一隔板的所述一個或多個突起裝配到具有相同突起和凹處的抵靠所述第一隔板進(jìn)行疊層的第二隔板的一個或多個凹處中?？扇芜x地，疊層可以是干涉配合或者卡扣配合。在疊層中，膜置于位于隔板之間的所述膜支撐部分上。優(yōu)選地，上隔板的底部安置在下隔板的凸起周界上。隔板可以具有孔，所述孔從所述隔板的邊緣延伸到所述隔板內(nèi)的流場的內(nèi)部。所述孔提供通向所述流場的通道，以便進(jìn)行診斷測試和/或取樣。
【專利說明】包括卡扣配合設(shè)計(jì)和取樣口的電滲析隔板
[0001]相關(guān)申請案的交叉引用
[0002]就美國而言，本申請主張2013年12月20日遞交的第61/918,717號美國臨時專利申請的權(quán)益，該臨時專利申請以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]發(fā)明涉及一種膜疊層，例如，用于電滲析或者其他電氣驅(qū)動膜分離裝置中的膜疊層，以及一種制造所述膜疊層的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]在典型的板式和框式電氣驅(qū)動膜分離裝置中，疊層由交替的離子交換膜和隔板構(gòu)成。這些隔板將離子交換膜彼此電隔離，并且提供這些離子交換膜之間的流動通道。流動通道周圍的隔板與膜之間設(shè)有墊圈。在電滲析(ED)疊層中，包括諸如電滲析倒轉(zhuǎn)(EDR)和反轉(zhuǎn)電滲析(RED)等ED變型，離子交換膜在陰離子交換膜與陽離子交換膜之間交替。在其他類型的疊層(唐南(Donnan)或者擴(kuò)散滲析)中，只有陽離子交換膜或者只有陰離子交換膜。在電去離子(EDI)或者連續(xù)電滲析(CEDI)疊層中，存在交替的陰離子和陽離子交換膜以及位于部分或者全部隔板的流動通道中的離子交換樹脂。在進(jìn)一步延伸中，ED疊層中的離子交換膜可替換成高表面積(high surface area)的電極，得出電容性去離子疊層。
[0005]第6,235,166號美國專利中描述了一種電器驅(qū)動膜設(shè)備，該電子驅(qū)動膜設(shè)備包括:隔板，該隔板具有周界，所述周界的表面具有界定開口的內(nèi)外周邊緣，以及形成于所述內(nèi)外圍邊緣的凹處；以及離子交換膜，所述離子交換膜具有裝配在所述凹處內(nèi)的外邊緣。疊層包括兩種類型的隔板。一種類型的隔板具有密封構(gòu)件，并且由相對柔軟的材料制成。另一種類型的隔板由相對堅(jiān)硬的材料制成，并且具有凹槽，用于接納另一種類型的隔板的密封構(gòu)件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]以下說明旨在向讀者介紹詳細(xì)描述并且不限制或界定權(quán)利要求書。
[0007]電分離系統(tǒng)中的膜之間的隔板代表了去礦化(又稱為供給或者稀釋)流與濃縮(又稱為鹽水)流的流動通路。這些隔板通常由低密度聚乙烯或者類似的材料制成，并且布置在膜疊層中，以便通過液壓方式將所有去礦化流組合在一起，并且將所有濃縮流組合在一起。稱為“單元對”的重復(fù)單元形成為包括陽離子交換膜、去礦化水流隔板、陰離子交換膜以及濃縮水流隔板。本說明書描述了一種隔板和單元對的新型設(shè)計(jì)，以及用于界定抵靠膜的流動區(qū)域并且劃分單元對的方法。例如，這些設(shè)計(jì)和方法適用于滲析和電滲析，包括諸如電滲析倒轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)電滲析、唐南滲析和電去離子等變型。
[0008]本說明書描述了一種具有上表面和下表面的隔板。所述上表面具有圍繞膜支撐部分的凸起周界。所述隔板具有一個或多個突起以及位于所述膜支撐部分之外的一個或多個凹處。所述凸起周界可以是，或者可以包括，突起或者凹處。所述突起和凹處被配置成使得第一隔板的一個或多個突起裝配在具有相同突起和凹處抵靠所述第一隔板疊層的第二隔板的一個或多個凹處內(nèi)，以形成水封。可任選地，凹處與突起之間可能存在干涉配合或者卡扣配合?？梢詫⒈舜睡B層地安置多個隔板，同時將膜置于位于隔板之間的膜支撐部分上來形成疊層。優(yōu)選地，上隔板的底部安置在下隔板的凸起周界上?？扇芜x地，可以向隔板配備額外的密封材料，該密封材料可位于單獨(dú)的墊圈中，或者注入所述疊層中。
[0009]本說明書還描述了一種隔板，所述隔板的至少一個孔從所述隔板的邊緣延伸到所述隔板內(nèi)的流場的內(nèi)部。例如，該孔可以用于從所述流場抽取水樣本，或者向流場中插入探針、傳感器或者成像裝置。該孔可以在不使用時塞緊，或者可以通過閥門附接到取樣口。
【附圖說明】
[0010]圖1示出了電滲析疊層的截面示意圖。
[0011]圖2不出了扁平隔板的俯視圖。
[0012]圖3是第一隔板的概念邊視圖，所述第一隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹處。
[0013]圖4是圖3中的隔板的概念立體圖。
[0014]圖5A是第二隔板的概念邊視圖，所述第二隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹處。
[0015]圖5B是第三隔板的立體圖，所述第三隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹處。
[0016]圖6A-1和圖6A-2是圖5A中的隔板的各個部分的放大視圖。
[0017]圖6B-1和圖6B-2是圖6B中的隔板的各個部分的放大視圖。
[0018]圖7是圖5中的三個隔板及其三個構(gòu)件的組合件的分解立體圖。
[0019]圖8是圖5A中的隔板中的可插孔的放大視圖。
[0020]圖9示出了可90度旋轉(zhuǎn)的隔板的平面圖。
[0021 ]圖10示出了可180度旋轉(zhuǎn)的隔板的平面圖。
[0022]圖11和圖12示出了具有手指狀密封表面的替代隔板的平面圖和側(cè)視圖。
[0023]圖13和圖14示出了具有肋狀密封表面的替代隔板的平面圖和側(cè)視圖。
[0024]圖15示出了具有橫向和水平卡扣配合的替代隔板。
【具體實(shí)施方式】
[0025]圖1示出了一種電滲析疊層。陽極和陰極被一系列陰離子交換膜與陽離子交換膜分隔。在所示的疊層中，所述陰離子和陽離子交換膜交替地布置。在電滲析或其他疊層的其他實(shí)例，可能存在兩個相同類型的膜可以接連使用，或者整個疊層可以具有一種類型的膜的情況。各種液體在膜之間的流動。這些流通常發(fā)生在隔板之間，隔板具有交叉搭接片，用于實(shí)現(xiàn)以下的一個或多個:確保隔板的物理整體性、支撐相鄰的膜、在組裝期間幫助疊層對準(zhǔn)，以及增強(qiáng)湍流，從而幫助減少膠狀沉淀。隔板在物理上分隔并且隔離連續(xù)的膜。這些隔板的厚度通常為約0.1mm到10_。這些隔板還可以在流場內(nèi)提供結(jié)構(gòu)，用以界定從兩個膜的內(nèi)部到外部的流動通路。
[0026]圖2示出了一種扁平隔板。隔板具有兩對進(jìn)出口。在疊層中，進(jìn)出口與膜中的對應(yīng)歧管切口形成了疊層中的立管。一對進(jìn)出口提供了流場的入口和出口。另一對進(jìn)出口構(gòu)成了內(nèi)導(dǎo)管，該內(nèi)導(dǎo)管將用于供應(yīng)或者去除相鄰隔板中的流體。相鄰的隔板將相對于所示的隔板反轉(zhuǎn)，或者其流場將連接到另兩個進(jìn)出口。流場和進(jìn)出口外部的區(qū)域是大體扁平的。在疊層中，外部尺寸與隔板相同的膜被置于每對隔板之間。在添加其他任何元件之后，例如電極或者端板，對該疊層進(jìn)行壓縮。盡管這樣可以產(chǎn)生可用的疊層，但是難以在疊層正在組裝的同時保持該疊層的對準(zhǔn)。此外，膜的邊緣被暴露于疊層的側(cè)面?？赡艽嬖趶哪け旧淼男孤?，或者膜與連接疊層外部的隔板之間可能存在泄漏。外部疊層表面可能由于氧化皮而呈波狀或者結(jié)硬皮。此外，膜邊緣可能干透并且變質(zhì)。
[0027]圖3和圖4示出了第一隔板，所述第一隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹處。在該隔板中，存在U形槽形式的凸起周界，該凸起周界沿隔板的兩側(cè)延伸，以及相同高度的脊部，該脊部延伸在隔板剩余兩側(cè)的所述U形槽之間。該U形槽和脊部共同圍繞隔板的膜支撐部分。圖3中去除了穿過隔板前部延伸的脊部，從而示出膜支撐部分的內(nèi)部。所述槽可任選地提供了陰卡扣配合部分。陽卡扣配合部分從陰卡扣配合部分下方的隔板向下延伸。將另一個相同的隔板置于所示的隔板之上時，上隔板與下隔板的膜支撐部分與下隔板的突起周界之間，可任選地與上隔板的一個或多個突起相組合，形成了腔室。該腔室分隔了位于膜支撐部分上的膜。這樣有助于避免向疊層的外部泄漏。卡扣配件還有助于在添加更多隔板的同時將疊層的各個部分維持在一起，從而使得疊層的組裝更加簡便。該凸起周界還有助于對隔板進(jìn)行加強(qiáng)。優(yōu)選地，如下所述，隔板還具有一個或多個進(jìn)出口，使得能夠在不拆除疊層時對疊層中的單元對進(jìn)行診斷測試?；蛘?，卡扣配合構(gòu)件可以替換成具有提供橫向干涉的垂直滑動配合件的膜，從而允許更廣范圍的膜厚度被用于疊層中。或者，相互配合的凸起和凹處中的一者或兩者可以由有助于在壓縮時形成密封的柔性或彈性材料制成，或者包括所述柔性或彈性材料。
[0028]圖5Α、6Α-1、6Α-2、7和8示出了第二隔板，所述第二隔板具有凸起周界，以及相互配合的突起和凹處。該隔板還具有圍繞膜支撐部分的U形槽形式的凸起周界。該第一隔板具有兩對進(jìn)出口。一對進(jìn)出口提供了流場的入口和出口。另一對進(jìn)出口構(gòu)成內(nèi)導(dǎo)管，所述內(nèi)導(dǎo)管將被用于從相鄰隔板供應(yīng)或者去除流體，所述相鄰的隔板相對于所示的隔板將具有倒轉(zhuǎn)的膜支撐部分。一個隔板的流場中的流與相鄰流場中的流平行，盡管交替隔板中的流動方向可能隨意地倒轉(zhuǎn)。流場和進(jìn)出口與凸起周界之間的區(qū)域是大體扁平的。
[0029]流場優(yōu)選地設(shè)有斜筋(如圖所示)或者其他湍流增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。為便于圖示，斜筋被圖示為僅延伸穿過膜支撐部分的厚度。制成之后，沿一個方向延伸的斜筋將僅延伸穿過該厚度的上半部分，而沿另一個方向延伸的斜筋將僅延伸穿過該厚度的下半部分。或者，斜筋交叉處之間的斜筋的編織網(wǎng)或者內(nèi)部可以拆除，以提供便于水流過斜筋的開口。但是，一個或多個隔板接合區(qū)可能延伸穿過膜支撐部分的整個厚度，以更大地增加穿過流場的流的幾乎均勻的分布。斜筋優(yōu)選地被配置成支撐不同機(jī)械強(qiáng)度的膜。
[0030]凸起周界的對準(zhǔn)孔可任選地位于如圖所示的調(diào)整翼片中，其可以被用于將隔板沿組件夾具中的桿向下滑動，以幫助在組裝疊層的同時將隔板對準(zhǔn)。
[0031]特別參見圖6A-1和圖6A_2，U形槽從隔板的頂部向上延伸。從隔板底部向下延伸的脊部具有與槽的內(nèi)寬相對應(yīng)的外部厚度。所述脊部還與槽的內(nèi)部垂直對準(zhǔn)。通過這種方式，所示的隔板可以置于具有類似槽和脊部的另一個隔板之上:所示隔板的脊部滑動到另一個隔板的槽內(nèi)。類似地，另一個隔板可以置于所示的隔板之上:上隔板的脊部滑動到所示隔板的槽內(nèi)。膜被置于每個下隔板的槽內(nèi)，然后再添加上隔板。所得的結(jié)構(gòu)如圖7中的分解視圖所示?？梢蕴砑悠渌舭?，以形成所需大小的疊層?？扇芜x地，可以組裝形成脊部向上延伸并且槽壁向下延伸的疊層。所述脊部優(yōu)選地緊密地裝配到至少槽的內(nèi)壁，以使得兩者之間存在橫向干涉配合?？扇芜x地，脊部與槽之間可能存在卡扣配合?？扇芜x地，與垂直布置相反，對準(zhǔn)孔與U形槽可以設(shè)計(jì)在與隔板平面橫向平行的凸起周界的外部，例如，卡扣配合可以發(fā)生在水平平面中。
[0032]圖5B、6B_1和6B-2示出了第三隔板。該隔板具有圍繞膜支撐部分的凸起脊部或者壁形式的凸起周界。該壁的外部是多個圓孔。隔板的底部是多個圓柱體。當(dāng)多個隔板疊層在一起時，這些圓柱體位于并且其大小適于滑動到，或者可任選地，卡扣配合到另一個隔板的圓孔內(nèi)?？扇芜x地，這些圓柱體位于具有凸起的壁的隔板側(cè)上，并且圓孔可以位于另一個上?？扇芜x地，圓孔和圓柱體可以替換成其他相容形狀的凹處和突起?？扇芜x地，與垂直布置相反，凹處和突起可以設(shè)計(jì)成與隔板平面橫向平行。
[0033]圖8示出了穿過第二隔板的一個邊緣的孔?？扇芜x地，可以提供穿過相同或不同邊緣的額外的孔?？梢詫㈤y門、儀表配件或者可拆除的插塞(未圖示)裝配到所述孔中。類似的孔也可以設(shè)置在第一或者第三隔板中。這些孔可用于對流場中的水進(jìn)行取樣，或者插入與流場連通的分析探針。這些邊緣孔可用于對疊層中的各個單元進(jìn)行單獨(dú)的診斷測試。例如，診斷測試可以包括基于探針的測量、泄露測試，或者氧化皮或者結(jié)垢物取樣。測試可以分析流場中的條件?？梢允褂脤δさ娜我粋?cè)上的流場中的條件的分析來確定膜的性質(zhì)。可以使用彼此相隔較遠(yuǎn)的流場中的條件的分析來確定跨疊層的條件是否相同。如果疊層的特定部分中檢測到問題，則可以打開出現(xiàn)問題的疊層部分，而無需拆解剩余的疊層部分?？扇芜x地，可以使用一個或多個邊緣孔來對工藝或者疊層的條件進(jìn)行實(shí)時或者遠(yuǎn)程監(jiān)控。
[0034]例如，隔板可以由低密度聚乙烯或者類似材料制成。
[0035]上述設(shè)計(jì)至少提供了制造膜疊層的有效替代結(jié)構(gòu)。此外，隔板或者單元設(shè)計(jì)還有助于避免疊層發(fā)生泄漏，并且允許劃分隔板內(nèi)的膜。在傳統(tǒng)的疊層中，膜的邊緣裸露。干燥并且結(jié)垢的膜邊緣通常會發(fā)生泄漏。此外，膜邊緣干燥可能導(dǎo)致聚合物掉落并且織物的纖維裸露，這樣隨時間的推移可能降低疊層的性能。上述隔板包封膜，這可保持這些膜潮濕并且有助于避免外部泄漏。此外，每個膜安置在隔板的底部，而液體在被隔板的凸起周界圍繞的隔間或腔室的上方流動。隔板還為膜提供了良好的結(jié)構(gòu)支撐，并且可適用于不同厚度，例如，0.1mm與2mm厚度之間，以及不同強(qiáng)度的膜。
[0036]傳統(tǒng)的疊層還難以在疊層的元件以正確對準(zhǔn)的同時進(jìn)行組裝。所述的隔板結(jié)構(gòu)有助于對準(zhǔn)，因?yàn)榭叟浜狭慵扇芜x地進(jìn)行自對準(zhǔn)，并且每個先前已卡扣配合的部分將在添加新零件的同時維持對準(zhǔn)狀態(tài)。兩個對準(zhǔn)孔還有助于在卡扣配合之前進(jìn)行疊層調(diào)整。
[0037]傳統(tǒng)疊層有時必須拆解才能診斷疊層的問題。上述隔板和單元設(shè)計(jì)可允許技術(shù)人員在無需拆解疊層的情況下對疊層的特定部分進(jìn)行調(diào)查研究。各個進(jìn)出口可允許在不拆解疊層的情況下，對特定腔室進(jìn)行診斷測試。這些進(jìn)出口還可以用于安裝對疊層進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的儀表或傳感器?？叟浜显O(shè)計(jì)還允許在其他隔間保持關(guān)閉的同時，打開存在問題的膜隔間。
[0038]如圖5A中所示，隔板還可以具有隔板擋板部分的卡扣配合設(shè)計(jì)。這樣使得隔板能夠在膜位于其間的情況下堆疊在彼此的上方。該設(shè)計(jì)還需要膜具有適當(dāng)?shù)拈g隙-孔，從而有助于相鄰隔板的卡扣配合。
[0039]在一些傳統(tǒng)隔板的現(xiàn)有疊層中，只有一種類型的隔板，這些隔板可以沿其長度翻轉(zhuǎn)，以形成稀釋物和濃縮物腔室。上述隔板通常無法以這種方式翻轉(zhuǎn)，但是保留了密封特征。因此，制成兩種類型的隔板，一種類型的隔板用于形成稀釋物腔室，一種類型的隔板用于形成濃縮物腔室。可任選地，這兩種類型的隔板可以進(jìn)行色標(biāo)或者以其他方式標(biāo)記，從而降低混淆的概率。
[0040]或者，可以制成能夠旋轉(zhuǎn)以形成稀釋物和濃縮物腔室的隔板。例如，圖9示出了一種方形隔板。如果使用對角相對的進(jìn)出口來形成連接到一種類型的腔室的內(nèi)管，則將該隔板旋轉(zhuǎn)90度即可交替地形成稀釋物和濃縮物腔室。如果使用一側(cè)上的兩個進(jìn)出口來形成連接到一種類型的腔室的內(nèi)管，則將該隔板旋轉(zhuǎn)180度即可交替地形成稀釋物和濃縮物腔室。凸起周界以及相互配合的凸起和凹處，例如，卡扣配合特征，在圖9中未被圖示，但是圍繞隔板的周界添加，相互配合的突起和凹處中的一者位于底部，一者位于隔板的頂部。圖10示出了一種矩形隔板。一個短側(cè)上的兩個進(jìn)出口被用于形成連接到一種類型的腔室的內(nèi)管。將該隔板旋轉(zhuǎn)180度可交替地形成稀釋物和濃縮物腔室。凸起周界以及相互配合的突起和凹處，可任選地卡扣配合特征，被圍繞隔板的邊緣設(shè)置。
[0041]在另一個替代方案中，密封件是通過多個柔性元件的交互，而不是卡扣配合來形成的。例如，如圖11和圖12中所示，密封件由從隔板平面沿一個方向或兩個方向伸出的許多小指狀元件構(gòu)成。在圖13和圖14中，密封件由圍繞隔板周界的一系列肋條構(gòu)成。這些肋條還可以從隔板平面沿一個方向或兩個方向伸出。在任一情況下，許多細(xì)小特征(即，肋條或指狀元件)可以形成密封件，無論它們是否彼此干涉。在這些特征沿一個方向伸出的情況下，如圖12和圖14中所示，密封件通過一個隔板的特征與另一個隔板的底部接觸而形成。這些特征不需要彼此配準(zhǔn)或精確公差來實(shí)現(xiàn)密封。在特征從隔板沿兩個方向伸出的情況下，可任選地伸出到小于圖12和圖14中所示的高度的位置，隔板還可以翻轉(zhuǎn)，以交替地形成稀釋物或者濃縮物腔室。
[0042]在另一個替代方案中，相互配合的突起和凹處提供在圖5中所示的隔板的外邊緣或者壁上?？扇芜x地，凸起周界可以提供在相互配合的突起和凹處的內(nèi)部?？扇芜x地，提供水平或者橫向卡扣配合。例如，一系列突起可以從隔板平面的一側(cè)向外延伸，并且圍繞周界或者隔板隔開。這些突起裝配到圍繞隔板的外周邊緣隔開的相應(yīng)的凹處中。可任選地，所述卡扣配合特征可以僅提供在隔板的一個邊緣上，或者隔板的兩個相對的邊緣上，但是相對邊緣上的突起沿相反的方向伸出，并且相對于垂直疊層移動，卡扣配合可以通過將隔板水平移動到疊層的頂部上來實(shí)現(xiàn)。
[0043]本發(fā)明的各個方面還適用于平板和框架裝置，例如熱交換器，以及諸如鈾電解槽或燃料電池等電化學(xué)電池，隔膜滲濾裝置或者其他基于平片膜的疊層。
[0044]上文所述以及附圖中圖示的實(shí)施例的意圖在于進(jìn)一步說明隨附權(quán)利要求書中定義的本發(fā)明，權(quán)利要求書的范圍內(nèi)也可存在其他實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種隔板，所述隔板具有卡扣配合設(shè)計(jì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的隔板，其中所述卡扣配合是垂直、橫向或者水平的。3.—種隔板，所述隔板具有圍繞膜支撐區(qū)域的凸起周界壁。4.一種隔板，所述隔板具有取樣口。5.—種隔板，所述隔板在隔板擋板部分具有卡扣配合設(shè)計(jì)。
【文檔編號】B01D61/50GK105848761SQ201480069949
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年8月20日
【發(fā)明人】V.S.薩萬特, J.H.巴伯, H.拉馬南, V.斯里哈蘭
【申請人】通用電氣公司