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CN1795147A - 电化学液体处理设备 - Google Patents

电化学液体处理设备 Download PDF

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CN1795147A
CN1795147A CNA2004800147443A CN200480014744A CN1795147A CN 1795147 A CN1795147 A CN 1795147A CN A2004800147443 A CNA2004800147443 A CN A2004800147443A CN 200480014744 A CN200480014744 A CN 200480014744A CN 1795147 A CN1795147 A CN 1795147A
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liquid
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CNA2004800147443A
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赤堀晶二
中川创太
高桥洋平
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Original Assignee
Ebara Corp
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Abstract

本发明打算提供电化学液体处理设备中的电极室结构，其使得使用不需要浓度调节的纯水作为电极室液体能够稳定操作而没有逆电极反应。本发明涉及一种在阳极和阴极之间包括离子交换膜的电化学液体处理设备，其具有由阳极和阳离子交换膜限定的阳极室以及由阴极和阴离子交换膜(12)限定的阴极室，阳极室和阴极室中的每一个都填充了由纤维材料构成的离子交换剂(14)，阳极和阴极(11)中的每一个都是由可渗透液体和气体并且导电的材料形成的，并且该设备还具有形成于阳极和阴极每一个后面的电极室液体流动室(15)。

Description

电化学液体处理设备
技术领域
本发明涉及电化学液体处理设备例如电渗析、电解和电极电离设备中的电极室结构。
背景技术
在为各种通过将电流从电极传递到液体中以电解或电透析该液体中的物质的处理所设计的电化学液体处理设备例如电渗析、电解和电极电离设备中，经常通过离子交换膜将含有每一个电极板的区域隔断以形成用于润湿电极的电极室，在该电极室中使来自于处理液体以外的来源的液体循环。在该电极室中循环的液体被称为电极室液体并且通常由含有电解质物质的溶液构成以确保导电性。然而，使用含有这样的电解质物质的溶液具有由电极反应所产生的氧化或还原产物被包含在该电极室液体中随着操作周期的进行损坏离子交换膜的问题。由于当电极室液体中的电解液浓度降低的时候，设备的工作电压随着电极室液体的电阻而增加，因此必须补充电极室液体中的电解液。而且，电极反应产物进入流出物以使产物的质量下降，或者电极室液体的pH改变以沉淀电极室液体中的物质，从而需要例如除去电极反应产物或者补充电极室液体中的电解液物质的干涉手段。
从而，关于电极室的设计和操作变得复杂并且必须使用昂贵的具有高耐腐蚀性的材料作为电极材料和形成该电极室的离子交换膜。例如，当通过电渗析(电透析器)对微咸水去离子生产饮用水的时侯，由于在阳极产生了氯气并且与水反应产生了高氧化性的游离氯和次氯酸(HOCl)，因此必须使用昂贵的具有高抗氧化性的氟化离子交换膜作为形成该阳极室的离子交换膜。
已经提出了一种使用双极性膜代替离子交换膜用作在电渗析设备中限定阳极和阴极室的隔膜并且用于阳极和阴极室的电极室液体是分开循环的的方法。如果形成电极室的隔膜由双极性膜构成，则由于双极性膜可以渗透过很少的电解液物质以至于只有在双极性膜中产生的氢离子(阴极室)或氢氧离子(阳极室)流入电极室，并且氢离子在阴极表面上被转变成氢气并且氢氧离子在阳极表面上被转变成氧气，因而在电极室液体中的物质几乎没有受到影响。这样，使用双极性膜的方法使得能够连续的电透析，而在工作过程中不用向阳极和阴极室补充作为电解液的化学溶液例如酸或碱。然而，该方法具有下面的问题：需要两个电极室液体流动体系；使用了昂贵的双极性膜；由于在高电流密度下双极性膜难以操作所以设备变得很庞大；很难在由氟化的抗氧化材料形成双极性膜内阴离子交换剂区域。
在通过电透析从废TMAH溶液中浓缩和回收TMAH(氢氧化四甲铵)的处理中，已经提出了防止杂质内容物进入到浓缩液中的方法，包括向阳极和阴极室供应TMAH溶液，以减少杂质内容物进入到回收的TMAH溶液中，并且还将TMAH溶液供应到在阳极室中形成的另外的液体室，以便由阳极室中的TMAH氧化分解而产生的释放重胺味的杂质不能渗透过离子交换膜。然而，此方法具有下面的缺陷：用于制备供应到另外的液体室的TMAH溶液的程序复杂；不能避免逆电极反应产生的杂质，以至于在电极室和另外的液体室中循环的TMAH溶液包括杂质并且不能被回收和重复利用。
在电极电离装置中，提出了一种通过用活性炭吸附柱处理含有氧化性物质例如从阳极室放出的游离氯的阳极液(阳极室液体)来回收/再利用阳极液的方法。然而，该方法具有下面的问题：由于活性炭吸附柱和它的后置过滤器是必要的，从而该设备变得昂贵；由于在阳极室中产生了氧化性物质，形成阳极室的离子交换膜不足以防止损坏。
在通过电极电离作用(电脱离子剂electric deionizer)处理含有氢氟酸的水的方法中，提出了一种方法，使每一个电极室中的电极室液体通道充满斜纹网形式的离子导电隔板，以至于由几乎不含电解液物质的电极电离设备的流出物可以被用作电极室液体，并且通过使用该电极室作为去离子室防止逆电极反应来防止从邻近的室掺杂电解液物质。由这样方法所提出的电极室的构造显示于图1中。在图1所示的常规的电极室结构中，电极室是由电极2和离子交换膜3限定，具有离子导电性的离子导电隔板5被填充在电极室4中，并且电极室液体入口6和电极室液体出口7被连接到电极室4上。通过入口6供应相当于纯水的处理水作为电极室液体，并且通过出口7在由离子导电隔板5的作用离子导电时将其放出。因为相当于纯水的处理水被供应到电极室，这样的用离子导电隔板填充电极室的方法有利于避免逆电极反应，但是由于考虑到确保电极室中的液体流动的必要性，必须使用具有一定网眼的斜纹网作为填充于电极室的隔板所以其不足以降低工作电压，这意味着电极表面和离子导电隔板之间以及离子导电隔板和离子交换膜之间小的接触面积，从而在小的面积内发生离子导电。另外一个问题是由电极反应产生的气体成分被隔板的网所捕获并且发展为气泡，其粘附到电极的表面增加了电极室中的压降。这样，需要大的流出量来从电极室中除去气泡并且必须通过填充大量的昂贵的离子导电隔板来确保大的通道以降低电压损失，由此导致了成本的增加。由于这些问题，上面的用离子导电斜纹网隔板填充电极室的方法涉及了高的工作电压和有限范围的可用电流密度，例如，这种方法能够被应用到电极离子化用于在低的工作电流密度例如0.02-0.2A/dm2下生产纯水，但是几乎不能应用于在高的工作电流例如1-20A/dm2下的电渗析。
如上所描述的那样，在与电化学液体处理设备例如电解(电解器)、电渗析和电极电离设备的电极室内的电极室液体有关的问题仍然没有解决。在普通的电渗析电极室中，通过填充塑料隔板确保水的通道，但是由于纯水是绝缘体如果将纯水供应到电极室的话则没有电流。这样，在常规设备中必须向电极室供应电解液溶液。
然而，如果例如使用含氟离子的溶液作为电极室液体的话，该电极被氢氟酸所腐蚀结果是电极的稳定性和经济性受到危害并且从电极溶解的金属离子扩散到处理的流体，并且作为杂质包含在其中。如果使用含氯离子的溶液作为电极室液体的话，在阳极处产生游离的氯通过氧化损坏了离子交换膜，从而必须使用昂贵的耐氧化破坏的氟化膜作为形成阳极室的离子交换膜。如果使用含有有机碱的溶液作为电极室液体，则如上面所描述的那样由电极反应产生了有害的氧化降解产物。
由于这些原因，通常使用无机碱性水溶液例如氢氧化钠，酸性水溶液例如硫酸或盐的水溶液例如硫酸钠作为电极室液体的电解液物质，但是由于电极室在工作过程中作为去离子室或浓缩室，因而电极室液体的浓度改变。这样，需要一些干涉例如用电解液物质连续补充循环的电极室液体或者部分提取和稀释电极室液体，以及复杂的程序例如在操作的过程中调整和控制电极室中的电解液物质的浓度。另外一个问题是如果使用不同于由电化学液体处理设备所回收的成分的电解液作为电极室液体，则其作为杂质被包含在循环流体中。
本发明的目的是解决如上所描述的现有技术中的问题并且提供在电化学处理设备中的电极室结构，该结构使得能够实现使用不需要浓度调节的纯水作为电极室液体稳定操作而没有逆电极反应。
发明内容
为了解决上面所描述的问题，本发明提供了一种电化学液体处理设备，其包括在阳极和阴极之间的离子交换膜，其具有由阳极和阳离子交换膜限定的阳极室以及由阴极和阴离子交换膜限定的阴极室，阳极室和阴极室中的每一个都填充了由纤维材料构成的离子交换剂，阳极和阴极中的每一个都是由可渗透液体和气体并且导电的材料形成，并且该设备还具有在阳极和阴极每一个后面形成的电极室液体流动室。
附图说明
图1是显示了常规的电化学液体处理设备中的电极室结构的一个实例的示意图。
图2是显示了本发明的电化学液体处理设备中的一个实施方案的结构的示意图。
图3是本发明的实施例和对比例中所使用的水处理系统的示意图。
具体实施方式
下面参照所附的附图解释根据本发明的电化学液体处理设备的
具体实施方案。
图2是显示了根据本发明的一个实施方案的电化学液体处理设备中的电极室结构的示意图。在电化学液体处理设备A中的电极室结构10包括由电极11和阳离子交换膜12限定的电极室14；和电极11后面的电极室液体流动室15。电化学液体处理设备A包括与图2中所示的电极室结构10相对的另一个电极室结构(也就是说，图2中的电极室结构10的右侧上反向的对应物，其离子交换膜12在左侧)，并且离子交换膜被适当地放置在两个电极室结构之间。例如，在电化学液体处理设备是电极电离设备的情况下，阳离子交换膜和阴离子交换膜至少部分交替地设置在相对的电极室结构之间以形成一个去离子室和一个浓缩室。在另外一种电化学液体处理设备是用于回收酸和碱的电渗析设备的情况下，阳离子交换膜和阴离子交换膜至少部分交替地布置在该相对的电极室结构之间以形成酸室、电离室、碱室和水裂解室。
在本文中所使用的“在电极后面”的表述意味着从相对侧的电极的视觉所看到“后面”并且可以被理解成由两个相对电极构成的液体处理设备的“外侧”。
电极室液体入口16和电极室液体出口17与电极室液体流动室15相连。如果希望的话，可以形成连接到电极室液体出口17的通风口18。该电极室14填充了由纤维材料构成的离子交换剂13。该离子交换剂可以由纺织织物或无纺织物等的形式的纤维材料构成。
电极11是由可以渗透液体和气体并且导电的材料形成的，可以用于这个目的的可以渗透液体和气体并且导电的材料包括，例如，金属网、金属斜纹网材料、铅板合金材料、孔眼金属材料、泡沫金属材料和烧结金属纤维板。具体地，可以将从Fukuzawa Wire Net Mfg.购得商品名为Hi-Expand Metal的金属网材料或者从Mitsubishi MaterialsCorporation购得的泡沫金属材料用于电极11。
向具有这样配置的电化学液体处理设备的每一个室提供供给水，并且通过电极室液体入口16向电极室结构的电极室液体流动室15供应纯水。通过可渗透水的电极11将供应到电极室液体流动室15的纯水引入到电极室14中以浸透填充在电极室14中的由纤维材料构成的离子交换剂13。电极室中离子交换剂13的存在使得使用绝缘体的纯水作为电极室液体具有好的导电性。此外，在电极室14本身以内不需要电极室液体流，以至于与常规的斜纹网等形式的离子导电隔板相比，该电极室可以被更密集的结构例如纺织织物或非纺织织物形式的纤维材料构成的离子交换剂充满。这样，与常规的离子导电隔板相比，离子交换剂与电极表面的接触面积能够增加，从而，电阻下降并且工作电压可以被进一步降低。尤其是当电流密度高的时候，由于可以减少由电流引起的局部发热，因此可以解决由热引起的离子交换剂的损坏的问题。如果具有如图1所示的常规结构的电极室填充了由这样的纤维材料构成的离子交换剂的话，例如电极室液体的流动受到了太大的阻碍而不能避免流阻增加并且在下面所描述的电极表面上产生的气泡受到限制并且保留在纤维材料中，从而极大地增加了工作电压。
如上面所构造的电极室结构还可以消除由于电极反应所产生的气体所导致的缺陷。
在电极的表面，在通电过程中由电极反应发生电解。当纯水作为电极室液体流动的时候，发生了下面的电解反应。
在阳极发生下面的反应。
这些反应被如下的一个反应式所表示：
另一方面，在阴极发生下面的反应。
这些反应由如下的一个反应式所表示：
也就是说，在阳极的表面同时产生氧气和氢离子，而在阴极的表面同时产生氢气和氢氧离子。在如图1所示的常规的电极室结构中，例如，在电极室中产生了氧气和氢气以形成了气泡，从而电极室液体的表面电阻增加以诱使工作电压增加。
然而，在根据本发明的电极室结构中，在电极表面上产生的氧气和氢气不太可能进入含有水的离子交换纤维材料中，但是容易渗透该可以渗透气体的电极从而容易迁移到其后面的电极室液体流动室15中，并且它们作为气泡20经过在该室中流动的电极室液体(纯水)升起。这解决了在常规的电极室结构中由电极室中起泡所引起的工作电压增加的问题。如果其形成在电极室液体出口17的话，则从电极室液体升起的气泡通过排气孔18被排到该设备的外面。
在本发明中，需要电极具有下面的三个功能。
第一，其应该是由允许发生优良的电极反应的抗腐蚀材料制得。也就是说，容易由通电或电解引起氧化损坏的材料不是优选的。第二，作为用于将离子交换纤维材料压到离子交换膜的结构部件，其应该足够坚固。例如，如果单独使用纤维碳材料或金属材料作为电极的话，其具有很低的强度以致于需要增强材料，这可能导致复杂的结构。第三，最重要和最主要的要求是电解所消耗的纯水应该从电极后面的电极室液体流动室通过电极供应到电极室中(水可渗透性)，并且在电极室中所产生的气体应该通过该电极移动到电极后面的电极室液体流动室中(气体可渗透性)。满足这些功能的电极材料优选是上面所提及的金属网、金属斜纹网材料、铅板金属材料、网眼金属材料、泡沫金属材料和烧结金属纤维板形式，这是由于它们的大孔以及令人满意的水可渗透性和气体可渗透性。相反，不太优选具有大量孔的光滑板材料，例如穿孔金属，这是因为在离子交换纤维材料和电极材料之间的界面上所产生的气体不太可能渗透该电极并且可能增加该电解电压。优选使用材料例如不锈钢、镍、以及镀铂的钛。
满足上述要求的电极材料优选具有2mm或更大的孔径大小以至于初始产生的小的电解气泡容易渗透它们。气泡趋向于粘附到孔径大小为1mm或更小的孔上，并且不能容易地穿过孔径为0.5mm或更小的孔。因此，该电极材料优选具有1mm或更大，更优选2mm或更大的孔径。然而，由于与离子交换纤维材料的接触面积降低并且电流密度变得不均匀引起了局部离子迁移，所以太大的孔不是优选的。因此，为了实践的目的，该电极材料优选具有1mm-20mm，更优选2mm-10mm的孔径大小。由于希望电极材料具有足够支撑离子交换纤维材料而不弯曲的强度，因此电极材料优选具有一定的厚度以允许离子交换纤维材料与离子交换膜紧密接触，但是太大的厚度对于加工是不方便的并且导致了过厚的电极室。考虑到这些方面，电极材料优选具有约0.6mm-1.2mm的厚度。
在根据本发明的电极室结构中，填充在电极室中的离子交换纤维材料具有下面的功能。第一，其能够降低从电极表面向离子交换膜的离子迁移电阻以防止工作电压的增加。第二，由细纤维制得的纤维材料例如纺织或非纺织织物的整个表面与离子交换膜紧密接触以使离子渗透入离子交换膜的整个表面，从而降低了离子交换膜的电阻并且降低了由于发热所产生的能量损失。第三，其在电极和离子交换膜之间的界面作为缓冲。金属网材料和金属斜纹网材料具有很大的孔，以至于在电极被直接压到离子交换膜上的时候，在离子交换膜上施加了不均匀的压力从而增加了薄膜破裂的几率并且在电极表面上产生的离子流过与离子交换膜的界面，从而局部电流流过离子交换膜缩短了离子交换膜的寿命。根据本发明，这些问题可以通过用由纤维材料构成的离子交换剂填充由电极和离子交换膜限定的电极室得以解决。
特别优选的可以用作本发明电极室中的填充材料的纤维材料形式的离子交换剂是由辐射引发的接枝聚合将离子交换基引入到聚合物纤维基材、例如纺织或非纺织的织物上获得的那些。
辐射引发的接枝聚合是通过照射聚合物基底来形成自由基并且使该自由基与单体反应来将单体引到基底上的技术。
可以用于制备填充于本发明的电极室的离子交换剂的聚合物纤维基底可以是由聚合物例如聚烯烃聚合物、如聚乙烯或聚丙烯形成的单一纤维或者由不同的芯和壳聚合物形成的复合纤维。合适的复合纤维的例子包括具有壳是由聚烯烃聚合物例如聚乙烯形成的并且芯是由除了用于壳之外的聚合物例如聚丙烯形成的芯-壳结构的那些。
可以用于辐射引发接枝聚合的辐射包括β射线、γ射线、电子束等，其中在本发明中优选使用γ射线和电子束。辐射引发接枝聚合包括涉及预先辐射接枝基底并且然后使其与用于反应的接枝单体接触的预辐射接枝聚合，和涉及同时辐射基底和单体的同时辐射接枝聚合，并且其中任何一种方法可以用于本发明中。辐射引发的接枝聚合包括很多种单体和基底之间的接触方式，例如将基底浸入到单体溶液中进行的液相接枝聚合；使基底与单体蒸汽相接触而进行的气相接枝聚合；或者通过将基底浸入单体溶液中，然后将其从单体溶液中取出用来在气相中反应的浸入气相接枝聚合；并且任何一种方法都可以使用于本发明中。
对引入到用于制备用作本发明的电极室中的填充材料的离子交换剂的聚合物纤维基底的离子交换基团没有具体的限定，而是可以使用各种离子交换基团。例如，合适的阳离子交换基团包括强酸阳离子交换基团例如磺基；中度酸性阳离子交换基团例如磷酸基；和弱酸性阳离子交换基团例如羧基和酚羟基；并且合适的阴离子交换基团包括弱碱阴离子交换基团例如伯至叔氨基和强碱阴离子交换基团例如季铵基团。另外，还可以使用具有如上所描述的阳离子和阴离子交换基团的离子交换剂。
这些离子交换基团可以通过接枝聚合，优选辐射引发的接枝聚合，使用具有这些离子交换基团的单体或者使用具有能够转化为这些离子交换基团之一，然后将所述的基团转变成离子交换基团的可以聚合的单体引入到聚合物纤维基底上。可以用于该目的具有离子交换基团的单体包括丙烯酸(AAc)、甲基丙烯酸、苯乙烯磺酸钠(SSS)、甲代烯丙基磺酸钠、烯丙基磺酸钠、乙烯基磺酸钠、氯化氯化乙烯基苯甲基三甲基铵(VBTAC)、氨乙基甲基丙烯酸二乙酯、二甲基氨丙基丙烯酰胺等。例如，可以使用苯乙烯磺酸钠作为单体通过辐射引发的接枝聚合直接将强酸性阳离子交换基团例如磺基引入到聚合物基底，或者可以使用氯化乙烯基苯甲基三甲基铵作为单体通过辐射引发的接枝聚合直接将强碱性阴离子交换基团例如季铵基引入到聚合物基底。具有能够转变成离子交换基的基团的单体包括丙烯腈、丙烯醛、乙烯基吡啶、苯乙烯、氯甲基苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)等。例如，可以通过辐射引发的接枝聚合将甲基丙烯酸缩水甘油酯引入到基底上，然后其与磺化剂例如亚硫酸钠反应而将强酸性阳离子交换基团例如磺基引入到聚合物纤维基底，或者可以通过辐射引发的接枝聚合将氯甲基苯乙烯引入到基底上，然后将其浸入到水性三甲基胺溶液中用季铵基团官能化而将强碱性阴离子交换基团例如季铵基团引入到聚合物基底中。
优选，如果要将阳离子交换基团引入到纤维基底的话，至少引入磺基，或者如果要将阴子交换基团引入的话，至少引入季铵基团。这是因为如果存在的离子交换基团不是游离于用作电极室液体的中性pH范围内的纯水的磺基或季铵基团的话，工作电压将升高并且将很难获得希望的性能。应该理解弱酸性阳离子交换基团例如羧基，或弱碱性阴离子交换基团例如叔氨基或更弱的基团可以共存于离子交换纤维材料中，但是磺基或季铵基团优选以表示为分裂盐能力0.5-3.0meq/g的范围存在。通过改变接枝程度可以增加或降低离子交换能力，并且离子交换的能力随着接枝程度而增加。
在根据本发明的电化学液体处理设备中，优选分别用阳离子交换剂填充阳极室，并且用阴离子交换剂填充阴极室。当这些离子交换剂被填充在各自的电极室中的时候，由于在阳极室中产生的氢离子H+和在阴极室中产生的氢氧离子OH-分别沿着阳离子交换剂和阴离子交换剂迁移，所以仅仅需要很小的电势差用于离子迁移。在阳极室中迁移的氢离子和在阴极室中迁移的氢氧离子分别穿过限定阳极室的阳离子交换膜以及限定阴极室的阴离子交换膜，从而移动到相邻的室中。
如上面所解释的那样，由于电极室填充了纤维材料形式的离子交换剂，所以纯水可以被用作根据本发明的电极室结构中的电极室液体。在这种情况下，提供到电极室中的最少量的水是电极反应分解的水的添水。然而，如果仅仅补充所消耗量的纯水，由于少量的电解液通过浓度扩散从相邻于电极室的室渗透离子交换膜，所以在电极室液体中的电解液浓度逐渐增加。这样，希望通过向电极室连续供应纯水来防止电解液浓度的增加。由于通过浓度扩散包含到电极室液体中的电解液随着电解液的种类和其它因素而改变，供应到电极室的纯水的量可以由本领域的技术人员根据经验适当的控制。
为了节省所使用的纯水的量，可以在将一定量的水供应到电极室液体中，并且通过滤芯离子交换树脂在循环通路上除去电解液的同时，在电极室液体循环条件下进行操作。
在根据本发明的电化学液体处理设备中，电极室的厚度部分取决于其它室的尺寸，但是通常位于优选2.0-10mm，更优选2.5-3.5mm的范围内。很多使用各种位于该尺寸范围内的填充于电极室的离子交换纤维材料的试验显示，为了获得好的并且稳定的流出质量，填充于电极室的最优选的离子交换纤维材料是厚度为0.1-1.0mm，表面密度为10-100g/m2，孔隙率为50-98％并且纤维直径为10-70pm的无纺织物基底。
在根据本发明的电化学液体处理设备中，考虑到可用性，容易加工和优良的几何稳定性，能够用来形成电极室和其它室的壳体材料优选包括，例如，刚性的氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、EPDM等，但是其并不具体局限于上面所列的那些并且可以使用本领域中用于电渗析，电解和电极电离设备壳体的任何材料。
根据本发明的电化学液体处理设备可以具体是如上面所解释的电渗析，电解和电极电离设备等形式。例如，电极电离设备形式的根据本发明的电化学液体处理设备可以通过相对地设置两个根据本发明图2所示的电极室结构，并且离子交换膜在内侧，并且在它们之间至少部分地交替设置阳离子交换膜和阴离子交换膜形成去离子室和浓缩室来形成。在这种情况下，去离子室和浓缩室优选填充了已经在该技术中提出的各种合适形式的离子交换剂。
实施例
通过下面的实施例，更具体地解释了本发明。下面的实施例是用来解释本发明技术概念的实施方案，而不是将本发明限定于此。
离子交换无纺织物和离子导电隔板的制备
表1显示了用于在实施例中制备离子交换无纺织物基底的无纺织物的规格。该无纺织物是通过热粘结包括由聚丙烯形成的芯和由聚乙烯形成的壳的复合纤维获得的。
表1
  芯/壳组成   聚丙烯(芯)/聚乙烯(壳)
  表面密度   50g/m2
  厚度   0.55mm
  纤维直径   15-40μm
  无纺织物的制备方法   热粘结
  孔隙率   91％
表2显示了在这些实施例中用作制备离子导电隔板的基底的斜纹网的规格。
表2
  组成   聚乙烯
  构造   斜纹网
  厚度   0.8mm
  网眼大小   6mm×3mm
用γ射线在氮保护气氛下辐射表1中所示的无纺织物，然后将其浸入甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)溶液中，并且使其反应以生产出175％的接枝程度。然后，通过浸入亚硫酸钠/异丙醇/水的混合溶液中磺化该接枝的无纺织物。确定所形成的离子交换无纺织物的离子交换能力显示出获得了盐裂解能力为2.82meq/g的强酸阳离子交换无纺织物。
分别地，将上面的用γ射线辐射的无纺织物浸入氯甲基苯乙烯(CMS)溶液中，并且使其反应以给出148％的接枝程度。通过将其浸入10％水性三甲基胺溶液而用季铵基团使该接枝的无纺织物官能化。所形成的离子交换无纺织物是具有盐裂解能力为2.49meq/g的强碱性阴离子交换无纺织物。
用γ射线在N2气氛下辐射表2中所示的斜纹网基底，然后将其浸入甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)/二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液中，并且使其反应以给出53％的接枝程度。通过浸入亚硫酸钠/异丙醇/水的混合溶液来磺化该接枝的网，以生产出盐裂解能力为0.62meq/g的强酸阳离子导电隔板。
以与上面所描述的相同的方式辐射表2中所示的斜纹网，然后将其浸入氯化乙烯基苯甲基三甲基铵(VBTAC)/二甲基丙烯酰胺(DMAA)/水的混合溶液中，并且反应以给出36％的接枝程度。该隔板是具有盐裂解能力为0.44meq/g的强酸性阴离子导电隔板。
实施例1
使用上面所获得的离子交换无纺织物和离子导电隔板以及市场上可以购得的离子交换膜形成电极电离设备。使用来自TokuyamaCorp.(商品名：C66-10F)的阳离子交换膜和来自Tokuyama Corp.(商品名：AMH)的阴离子交换膜来形成具有11个平行的去离子室的电极电离设备。用如上面那样所获得的阳离子交换无纺织物和阴离子交换无纺织物填充每一个去离子室，以分别与阳离子交换膜和阴离子交换膜接界，以及分别用一片在阳离子交换无纺织物侧的如上面那样获得的阳离子导电隔板和一片在阴离子交换无纺织物侧上的阴离子导电隔板填充每一个去离子室。用一片没有处理的并且非离子导电性的聚乙烯斜纹网填充每一个浓缩室。与来自Fukuzawa Wire Net Mfg.(商品名：Hi-Expand Metal；网眼大小4.0×8.0mm，厚度0.8mm)的金属网材料结合使用具有图2中所示的结构的电极室，并且分别用一片如上所获得的阳离子交换无纺织物填充由阳极和阳离子交换膜所限定的阳极室，并且用一片如上所获得的阴离子交换无纺织物填充又阴极和阴离子交换膜所限定的阴极室。每一个室具有400mm×600mm的尺寸。
使用具有该结构的电极电离设备来构成图3中所示的水处理体系。将来自湿法清洗方法的废水(回收的未净化的水)储存在未净化的水贮罐52中，并且通过流入管路61供料，然后通过给水泵55的作用使其经过活性炭滤芯58和过滤器59传送到电极电离设备54的去离子室中。
电极电离设备54中的浓缩室的供给水是由给水泵56从未净化的水贮罐52传送到浓缩循环贮罐53中的回收的未净化的水。通过给水泵57的作用经过浓缩管路67将贮存在浓缩贮罐53中的回收的未净化的水供应到电极电离设备54中的浓缩室中。通过浓缩室排出管路68将来自浓缩室的流出物(浓缩液)循环到浓缩液循环贮罐53中。将导电计60放置在浓缩室排出管路68上以测量浓缩液的导电率，从而监测浓缩液的离子浓度。一旦浓缩液的离子浓度超过2-4mS/m的水平，就打开阀72以通过浓缩液排出管路69将水排到排水管70中。通过给水泵56的作用将未净化的水51供应到浓缩液循环贮罐53中来弥补由于该排出而导致的循环损失。
通过将去离子室出口管路63分支为电极给料管路64并且将其连接到两个电极室而向电极电离设备54中的两个电极室供应一部分来自于去离子室的流出物(去离子水)。使来自于每一个电极室的流出物通过阳极室出口管路65和阴极室出口管路66返回到未净化的水贮罐52中。
当使用上面所描述的设备并且在恒定的电流操作(0.05A/dm2)下以1m3/hr的流动速率供给浓度为0.7-0.8mg/L的氢氟酸溶液1000个小时的时候，在该处理水(来自于去离子室出口的流出物)63中稳定地确保了16MO·cm或更大的比电阻。通过用插在电极表面和离子交换无纺织物之间以及离子交换无纺织物与离子交换膜之间的铂线测量电压来确定每一个电极室中的压降。两个电极室中的压降稳定的在阳极室中为0.6V，并且在阴极室中为0.9V。
在供给水之后，评估电极的腐蚀以及离子交换膜和离子交换剂的损坏，显示出没有实际问题。
对比例1
除了电极电离设备中的电极室具有如图1中所示的常规结构并且用如上所获得的阳离子导电隔板填充阳极室，并且用如上所获得的阴离子导电隔板填充阴极室，以与实施例1相同的方式形成电极电离设备，并且使用该去离子器构成图3所示的水处理系统。
在使用该体系并且以1m3/hr的流速在恒定电流操作(0.05A/dm2)下供给浓度为0.7-0.8mg/L的氢氟酸溶液1000个小时的时候，在该处理水(来自于去离子室出口的流出物)63中稳定地确保了15MO·cm或更大的比电阻。电极室中的压降在阳极室中为约2.4V并且在阴极室中为约2.8V，并且在运行过程中具有约±0.2V的变动。
在供给水之后，以与实施例1相同的方式评估电极的腐蚀以及离子交换膜和离子交换剂的损坏以显示出没有异常。
实施例2
当使用与实施例1相同的设备并且以1m3/hr的流速在恒定电流操作(2.5A/dm2)下供给浓度为约100mg/L的氢氟酸溶液200个小时的时候，在该处理水(来自于去离子室出口的流出物)63中稳定地确保了2MO·cm或更大的比电阻。通过用插在电极表面和离子交换无纺织物之间以及离子交换无纺织物与离子交换膜之间的铂线测量电压来确定每一个电极室中的压降。两个电极室中的压降稳定的在阳极室中为2.8V并且在阴极室中为4.7V。
对比例2
当使用与对比例1相同的设备并且以1m3/hr的流速在恒定电流操作(2.5A/dm2)下以与实施例2相同的方式供给浓度为约100mg/L的氢氟酸溶液50个小时的时候，在该处理水(来自于去离子室出口的流出物)63中稳定地确保了1.5-2MO·cm或更大的比电阻。电极室中的压降从开始运行时的在阳极室的约7V和在阴极室的约12V随着运行周期逐渐增加到在50个小时之后的在阳极室中的13V和在阴极室中的约25V。在供给水之后，对离子导电隔板损坏的评估显示出，随着在离子导电隔板与电机表面的界面以及层状的离子导电隔板之间的界面变棕色而损坏。这可能是由局部的大电流导致的发热而引起的。电极和离子交换膜没有显示出异常。
本发明的优点
具有根据本发明的电极室结构的电化学液体处理设备使得水处理在稳定的工作电压下进行，而没有任何由常规的电极室结构所引起的缺陷。

Claims (8)

1、一种电化学液体处理设备，其包括在阳极和阴极之间的离子交换膜，具有由阳极和阳离子交换膜限定的阳极室以及由阴极和阴离子交换膜限定的阴极室，阳极室和阴极室中的每一个都填充了由纤维材料构成的离子交换剂，阳极和阴极中的每一个都是由可渗透液体和气体并且导电的材料形成，并且该设备还具有形成于阳极和阴极每一个后面的电极室液体流动室。
2、根据权利要求1所述的电化学液体处理设备，其中所述可渗透液体和气体并且导电的材料选自于金属网、金属斜纹网、铅板合金、网状的金属材料、泡沫金属材料和烧结的金属纤维片。
3、根据权利要求1或2所述的电化学液体处理设备，其中由纤维材料构成的离子交换剂是由辐射引发的接枝聚合制备的离子交换纺织物或无纺织物。
4、根据权利要求1-3任一项所述的电化学液体处理设备，其中阳极室用阳离子交换剂填充，并且阴极室用阴离子交换剂填充。
5、根据权利要求1-4任一项所述的电化学液体处理设备，其中向阳极室和阴极室中至少之一提供纯水或超纯水作为电极室液体。
6、根据权利要求1-5任一项所述的电化学液体处理设备，其中所述电极室液体流动室具有通风孔。
7、根据权利要求1-6任一项所述的电化学液体处理设备，其是包括在阳极和阴极之间至少部分交替排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜以形成去离子室和浓缩室的电极电离设备。
8、根据权利要求1-6任一项所述的电化学液体处理设备，其是包括在阳极和阴极之间至少部分交替排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜以形成酸室、电离室、碱室和水裂解室的电渗析设备。
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