TWI621475B - 電透析間隔件及堆疊 - Google Patents

Abstract

一種用於薄膜堆疊的間隔件具有一上表面及一下表面。該上表面具有一凸起的周邊，其圍繞一薄膜支撐區段。該間隔件具有一或多個突出部及凹部，其被建構成使得一第一間隔件的一或多個突出部嵌入到抵靠著該第一間隔件堆疊且具有同樣的突出部及凹部的一第二間隔件的一或多個凹部內。非必要地，有干涉配合或扣合。在一堆疊中，薄膜被置於位在間隔件之間的薄膜支撐區段上。較佳地，一上間隔件的底部平置在一下間隔件的該凸起的周邊上。一間隔件可具有一孔，其由該間隔件的一邊緣延伸至該間隔件內的一流場的內部。該孔允許進出該流場以進行診斷檢測及/或取樣。

Description

電透析間隔件及堆疊 〔相關申請案〕

本案和2013年12月20日提申之美國暫時申請案第61/918,717號及2014年8月20日提申的PCT申請案第PCT/US2014/051881號有關，該等申請案的內容藉此參照被併於本文中。

此說明書係關於例如使用在電透析或其它電驅動的薄膜分離裝置中的薄膜堆疊，及關於其製造方法。

在典型的板及框架式電驅動的薄膜分離裝置中，一堆疊係由交替地設置的離子交換薄膜及間隔件所建構起來的。該等間隔件將該等離子交換薄膜彼此電隔離開來並在它們之間提供流動通道。墊圈被設置在間隔件和薄膜之間環繞該等流動通道。在一包括ED變異體(譬如，倒極電透析(EDR)及可逆電透析(RED))的電透析(ED)堆疊中，該等離子交換薄膜交替於陰極子交換薄膜和陽離子交 換薄膜之間。在其它類型的堆疊中(Donnan透析或擴散透析)，只有陽離子交換薄膜或只有陰離子交換薄膜。在電子去電離(EDI)或連續電透析(CEDI)堆疊中有交替的陰離子及陽離子交換薄膜及離子交換樹脂於部分或全部間隔件的流動通道內。在一進一步的例子中，在該ED堆疊中的該等離子交換薄膜可用高表面積電極來取代以產生一電容式去離子堆疊。

美國專利第6,235,166號描述一種電驅動的薄膜設備，該薄膜設備具有一間隔件，其具有一周邊其具有一具備一界定一開口之內周圍邊緣的表面及一形成在該內周圍邊緣上的凹部、及一離子交換薄膜，其具有嵌入到該凹部內的外緣。一堆疊包括兩種間隔件。一種間隔件具有一密封件且是用相對軟的材料製成。另一種間隔件是用相對硬的材料製成且具有一用來接納該另一間隔件的該密封件的溝槽。

下面的介紹是要向讀者介紹詳細的描述以瞭 解申請專利範圍但不限制或界定申請專利範圍。

介於電子分離系統中的薄膜之間的間隔件代表一去礦物質(或被稱為給料或稀釋)流及一濃縮(或被稱為濃鹽水)流的流路。這些間隔件典型地是用低密度聚乙烯或類似材料製成且被安排在薄膜堆疊中，使得所有去除礦物質流被水壓地聚在一起且所有濃鹽水流被聚在一起。一 被稱為細胞對(cell pair)的重復區段是由一陽離子交換薄膜、去除礦物質的水流間隔件、陰離子交換薄膜及濃縮水流間隔件所構成。此說明書描述一種用於間隔件及細胞對的新設計及以薄膜界定流動區域及將細胞對艙室化(compartmentalized)的方法。該等設計及方法對於包括變異體的透析及電透析很有用，譬如倒極電透析、可逆電透析、donnan透析及電子去電離透析。

此說明書描述一具有上表面及下表面的間隔件。該上表面具有一凸起的周邊，其圍繞一薄膜支撐區段。該間隔件具有一或多個突出部及一或多個在該薄膜支撐區段外的凹部。該凸起的周邊可以是或可包括一突出部或一凹部。該等突出部及凹部被建構成使得一第一間隔件的一或多個突出部嵌入到抵靠著該第一間隔件堆疊且具有同樣的突出部及凹部的一第二間隔件的一或多個凹部內。 非必要地，在一凹部和一突出部之間有干涉配合或扣合。 一堆疊可藉由將多個間隔件以一個置於另一個之上且將薄膜放置在介於間隔件之間的薄膜支撐區段上的方式來建造。較佳地，上一間隔件的底部平置在一下間隔件的該凸起的周邊上。非必要地，額外的密封材料可以分開的墊片的形式或被設置在該等間隔件之間或被注入到該堆疊中。

此說明書亦描述一種具有至少一孔的間隔件，該至少一孔由該間隔件的一邊緣延伸至該間隔件內的一流場的內部。該孔可例如被用來從該流場中擷取出水樣本或被用來將一探針、感測器或成像裝置插入到該流場 內。該孔可在沒有使用的時候被塞起來或經由一閥被附裝至一取樣埠口。

1‧‧‧電透析堆疊

10‧‧‧陽極

12‧‧‧陰極

14‧‧‧陽離子交換膜

16‧‧‧陰離子交換膜

18‧‧‧間隔件

19‧‧‧紊流

20‧‧‧間隔件

21‧‧‧埠口

22‧‧‧埠口

100‧‧‧第一間隔件

102‧‧‧突出部

104‧‧‧凹部

106‧‧‧薄膜支撐區段

108‧‧‧室

200‧‧‧第二間隔件

202‧‧‧埠口

204‧‧‧埠口

206‧‧‧耳件

208‧‧‧對準孔

210‧‧‧U型槽

212‧‧‧凸脊

300‧‧‧第三間隔件

302‧‧‧圓孔

304‧‧‧圓柱

220‧‧‧孔

900‧‧‧方形間隔件

902‧‧‧埠口

1000‧‧‧矩形間隔件

1002‧‧‧埠口

110‧‧‧指件

1300‧‧‧間隔件

1302‧‧‧肋

A'‧‧‧突出部

A‧‧‧凹部

圖1顯示一電透析堆疊的示意剖面圖。

圖2A顯示一扁平的間隔件的頂視圖。

圖2B顯示該扁平的間隔件的側視圖。

圖3是一具備一凸起來的周邊且包含突出部和凹部的第一間隔件的概念性的邊視圖。

圖4是圖3的間隔件的概念性立體圖。

圖5A是一具備一凸起來的周邊且包含突出部和凹部的第二間隔件的立體圖。

圖5B是一具備一凸起來的周邊且包含突出部和凹部的第三間隔件的立體圖。

圖6A-1及6A-2是圖5A的間隔件的一部分的放大視圖。

圖6B-1及6B-2是圖5B的間隔件的一部分的放大視圖。

圖7是三個圖5A的間隔件和三個薄膜的組件的分解立體圖。

圖8是一在圖5A的間隔件中的一可被塞起來的孔的放大視圖。

圖9顯示一可轉動90度的間隔件的平面圖。

圖10顯示一可轉180度的間隔件的平面圖。

圖11及12顯示一具備一手指狀密封表面的另一間隔件的平面圖及側視圖。

圖13及14顯示一具有一肋狀密封表面的另一間隔件的平面及側視圖。

圖15顯示一具備側向或水平卡扣配合的另一間隔件。

圖1顯示一電透析堆疊1。一陽極10及一陰極12被一系列的陽離子交換膜14及陰離子交換膜16分隔開來。在該被顯示的堆疊中，該等陽離子及陰離子交換膜彼此交替。在電透析的其它例子或其它堆疊中，會有一些地方是兩個相同種類的薄膜被連續使用或整個堆疊具有一種薄膜。各種液體流動於該等薄膜之間。這些液體流典型地經過該等間隔件18發生，該等間隔件具有一或多個交叉的帶子，用以提供該間隔件實體的完整性、支撐相鄰的薄膜、在組裝期間協助堆疊對準及增加紊流19，其有助於減少膠體沉積(colloidal deposition)。這些間隔件將連續的薄膜實體地間隔開且隔絕開。該等間隔件典型地約0.1mm至10mm厚。該等間隔件亦可提供結構於一流場中，用以界定一介於兩個薄膜之間之從入口到出口的流路。

圖2顯示一扁平的間隔件20。該間隔件具有兩對埠口21，22。在一堆疊中，該等埠口及該等薄膜中 的相對應的歧管缺角部(cutout)形成該堆疊中的垂直管。 一對埠口21，22提供用於一流場的入口及出口。另一對埠口21，22完成內部導管，其將被用來供應流體至相鄰的間隔件或將流體從相鄰的間隔件移走。該等相鄰的間隔件將相對於該被示出的間隔件被顛倒或讓其流場被連接至另兩個埠口。在該流場及該等埠口外的區域係實質上平的。在一堆疊中，一外部尺寸和該間隔件相同的薄膜被置於每一對間隔件之間。在添加任何其它元件(例如，電極或端板)之後，該堆疊被壓縮。雖然這可產生一可用的堆疊，但在該堆疊被組裝時很難保持此堆疊對齊。此外，該等薄膜的邊緣在該堆疊的側邊處被外露。經由薄膜本身或經由薄膜和間隔件之間會滲漏到該堆疊外面。堆疊的外表面會變重或結痂。此外，薄膜邊緣會乾掉並劣化。

圖3及4顯示一具備凸起來的周邊及相配合的突出部102及凹部104的第一間隔件100。在此間隔件中有一呈U型槽的形式的凸起來的周邊，其沿著該間隔件的兩側邊延伸、及一相同高度的凸脊，其延伸在該間隔件的其餘的兩個側邊上的相鄰的U型槽之間。該等U型槽及凸脊一起圍繞該間隔件的一薄膜支撐區段106。延伸橫越該間隔件的正面的凸脊已從圖3被移除以顯示出該薄膜支撐區段的內部。該槽非必要地提供一卡扣配合的母區段。一卡扣配合公區段從該間隔件向下延伸至該卡扣配合母區段下方。當另一個一模一樣的間隔件被置於所示之間隔件之上時，一室108被形成在該上及下間隔件的薄膜支 撐區段和該下間隔件的該凸起來的周邊之間，非必要地和來自該上間隔件的一或多個突出部結合。該室將一置於該薄膜支撐區段上的薄膜艙室化。這有助於防止流體滲漏到堆疊的外面。該等卡扣配合亦有助於將該堆疊的各部分保持在一起，當有更多個間隔件被添加時可讓該堆疊的組裝更容易。該凸起來的周邊亦有助於將該間隔件變硬。較佳地，如將於下文中描述地，該間隔件亦具有一或多個埠口，用以能夠在無需拆卸該堆疊之下診斷測試該堆疊中的細胞對。或者，該等卡扣配合件可用具有一可提供側向干涉的垂直滑動配合構件來取代，其可允許一更大的厚度範圍的薄膜被使用於該堆疊中。或者，該等配合的突出部及凹部的一者或兩者可用可撓曲的材料或彈性體材料製成或包括可撓曲的材料或彈性體材料，其在被壓擠時有助於形成一密封。

圖5A，6A-1，6A-2，7及8顯示一具備凸起來的周邊及相配合的突出部及凹部的第二間隔件200。此間隔件亦具有一U型槽型式之凸起來的周邊，其圍繞一薄膜支撐區段。該第一間隔件具有兩對埠口。一對埠口提供一流至一流場的入口及出口。另一對埠口完成內部導管，其將被用來供應流體至相鄰的間隔件或將流體從相鄰的間隔件移走，其將相對於該被示出的間隔件被顛倒的薄膜支撐區段。在一間隔件的該流場內的流動係平行於在一相鄰的流場中的流動，雖然在交替的間隔件中流動方向會非必要地被顛倒。介於該流場和埠口和該凸起來的周邊之間的 區域係實質平的。

該流場較佳地具有對角線桿(如圖所示)或其它紊流促進結構。為了簡化圖式，該等對角線桿被顯示為只延伸穿過該薄膜支撐區段的厚度。當被製造時，延伸於一方向上的對角線桿將只延伸穿過此厚度的上半部及延伸於另一方向上的對角線桿將只延伸穿過此厚度的下半部。或者，會有在該等對角線桿之間的交叉點之間的一編織網孔或該等對角線桿的內部被移除，用以提供讓水流經該等桿的開孔。然而，一或多個間隔件區域延伸穿過該薄膜支撐區段的整個厚度，用以促進一更加均勻的流動分佈橫亙該流場。該等對角線桿較佳地被建構來支撐不同機械強度的薄膜。

如圖所示，在該凸起來的周邊外面非必要地位在耳件206上的對準孔208可被用來將該等間隔件沿著一組裝夾具的桿向下滑動，用以來組將一堆疊時幫助對準該等間隔件。

尤其是參考圖6A-1及6A-2，由一從該間隔件的上方向上延伸的U型槽210。一從該間隔件的底部向下延伸的凸脊212具有一和該槽的內部寬度相當的外部厚度。該凸脊亦和該槽的內部被垂直地對齊。以此方式，該被顯示的間隔件可被置於具有一類似的槽及凸脊的另一間隔件的上方，該被顯示的間隔件的凸脊滑入到該另一間隔件的槽內。相類似地，另一間隔件可被置於該被顯示的間隔件的上方，上面的間隔件的凸脊滑入到該被顯示的間隔 件的槽內。在上面的間隔件被添加之前，一薄膜被置於每一下面的間隔件的槽的內部。所得到的結構以分解圖被示於圖7中。其它的間隔件可被添加，用以製造出所想要的大小的堆疊。非必要地，一堆疊可用該凸脊向上延伸及該槽的壁向下延伸的方式被組將。該凸脊較佳地和該槽的至少一內壁被緊密地配合，使得它們之間有一干涉配合。非必要地，該凸脊和該槽之間可以有一卡扣配合。非必要地，對準孔和U型槽可被設計在該凸起來的周邊外面，和該間隔件平面側向地平行，和該垂直的配置相反，例如該卡扣配合可發生在水平的平面上。

圖5B，6B-1及6B-2顯示第三種間隔件300。此間隔件具有凸起來的周邊，其為一圍繞該薄膜支撐區段的凸脊或壁的形式。在此壁的外面有多個圓孔302。在該間隔件的底部上有多個圓柱304。當多個間隔件被堆疊在一起時，該等圓柱的位置及大小被設計來滑動配合或卡扣配合至另一間隔件的該等圓形孔內。非必要地，該等圓柱可被設置在該間隔件之具備該凸起來的壁的側邊上且該等圓形孔可被設置在另一側邊上。非必要地，該等圓形孔及圓柱可用其它形狀互補的凹部及突出部來取代。非必要地，該等凹部及突出部可被設計成側向地平行於該間隔件平面，這和垂直配置相反。

圖8顯示一穿過該第二間隔件的一邊緣的孔220。非必要地，穿過同一邊緣或不同邊緣的額外的孔可被提供。一閥、設備接頭、或可取下的塞子(未示出)可被 嵌設於該孔內。類似的孔可被設置在該第一或第三間隔件內。該等孔可藉由插入一透析探針和該流場連通來取樣該流場中的水。這些邊緣孔允許該堆疊中個別的細胞的隔離的診斷檢測。診斷檢測可例如包括以探針為主的測量、滲漏檢測、或水垢(scale)或污垢材料取樣。一檢測可分析在一流場中的情況。該流場在一薄膜的兩側的情況的分析可被用來決定該薄膜的特性。在彼此被進一步分隔開的流場中的情況的分析可被用來決定該堆疊內的情況是否改變。 如果一問題在該堆疊的一特別的部分中被偵測到的話，該堆疊可在有問題的部分處被打開，而無須將該堆疊的其餘部分拆解掉。非必要地，一或多個邊緣孔可被用來允許即時監測或遠端監測處理情況或堆疊情況。

一間隔件例如可用低密度聚乙烯或類似材料來製造。

描述於上文中的設計至少提供用於製造薄膜堆疊之有用的替代結構。此外，該間隔件設計或細胞設計有助於防止從該堆疊滲到外面的滲漏並允許將位在該間隔件內的薄膜艙室化。在一傳統的堆疊中，該薄膜邊緣被露出來。通常會有來自薄膜邊緣的滲漏，其會變乾且結痂成水垢。此外，薄膜邊緣乾燥會造成聚合物脫落及布料線被外露，這會隨著時間的推移而降低該堆疊的效能。描述於上文中的該間隔件包覆該等薄膜，這可保持該等薄膜的濕度並防止滲漏至外部。此外，每一薄膜被放置在一間隔件的底部，而液體流動在被該間隔件的凸起來的周邊所圍繞 的一腔室或室內的薄膜上。該等間隔件亦提供該等薄膜良好的結構性支撐且可和不同厚度(例如，厚度介於0.1mm至2mm之間)及不同強度的薄膜一起使用。

一傳統的堆疊亦很難將堆疊元件適當地對準組裝起來。該被描述的間隔件結構可協助對準，因為該等卡扣配合部件非必要地是可自行對準的且每一先前被卡扣配合區段在新的部件被添加時仍保持對準。該二對準孔亦促進卡扣配合之前的堆疊對準。

一傳統的堆疊有時候亦必須被拆解，用以診斷該堆疊的問題。描述於上文中的該間隔件和細胞設計允許一技術人員在無需將該堆疊拆解下檢查該堆疊的特定部分。埠口允許診斷檢測在無需拆解該堆疊下於特定的室被實施。該等埠口亦可被用來安裝用於該堆疊的遠端監測的儀器或感測器。該卡扣配合的設計然後允許一有缺陷的薄膜艙室被打開，而其它艙室則保持被關閉。

如圖5A所示，該間隔件亦可具有一卡扣配合設計於該間隔件的隔板區段處。這讓該等間隔件可在膜被置於間隔件之間的情形下一個間隔件疊在另一間隔件上地緊貼地設置。此設計需要該等薄膜具有適當的間隙孔來促進相鄰的間隔件的卡扣配合。

在一些具備傳統的間隔件的既有的堆疊中，只有一種間隔件，其可沿著其長度被翻轉(flip)以形成稀釋及濃縮室。描述於上文中的間隔件大致上無法在保有密封特徵下被如此地翻轉。因此，兩種間隔件被製造，一種 用來形成稀釋室及令一種形成濃縮室。非必要地，這兩種間隔件可用顏色來作記號或以其它方式作記號以降低將它們弄混淆的機會。

或者，一間隔件可被製造成它可被轉動，用以產生稀釋及濃縮室。例如，圖9顯示一方形間隔件900。如果該等對角線相對的埠口902被用來形成連接至該等兩種室的一種的內部管子的話，則將該間隔件轉動90度可交替地產生稀釋及濃縮室。如果在一側邊上的兩個埠口被用來形成連接至該等兩種室的一種的內部管子的話，則將該間隔件轉動180度可交替地產生稀釋及濃縮室。一凸起來的周邊及配合的突出部及凹部(例如，一卡扣配合特徵構造)未被示於圖9中，但可繞著該間隔件的周邊被添加，其中該等配合的突出部和凹部的一者被設置在該間隔件的底部而另一者則被設置在該間隔件的頂部。 圖10顯示一矩形間隔件1000。在一個短側邊上的兩個埠口1002被用來形成連接至該等兩種室的一種的內部管子。轉動此間隔件180度可交替地產生稀釋及濃縮室。一凸起來的周邊及配合的突出部及凹部(其非必要地為一卡扣配合特徵構造)被設置在該間隔件的邊界的周圍。

在另一替代例中，密封係藉由多個可撓曲的元件的互動來形成，而不是用卡扣配合來形成。例如，如圖11及12所示，密封是由許多從該間隔件的平面突伸於一個方向或兩個方向上的小的指件110來產生。在圖13及14，密封是由一系列沿著該間隔件1300的周邊圍繞延 伸的肋1302來形成。這些肋亦可從該間隔件的平面突伸於一個方向或兩個方向上。在任一種情形中都有許多不論它們是否彼此干擾都可形成密封的細小特徵構造(即，肋或指件)。藉由如圖12及14所示的這些突伸於一個方向上的特徵構造，一個間隔件的特徵構造和另一間隔件的底部之間的接觸可產生密封。該等特徵構造並不須要彼此註冊(registry)或微小的公差來形成密封。藉由從該間隔件突伸於兩個方向上的特徵構造(其非必要地突伸至比圖12及14中所示的高度小)，該間隔件亦可被翻轉以交替地形成稀釋或濃縮室。

在另一替代例中，配合的突出部及凹部被設置在如圖15中所示的間隔件的外邊緣或外壁上。非必要地，一凸起來的周邊可被設置在該等配合的突出部及凹部的內部。非必要地，一水平的或側向的卡扣配合被提供。 例如，可以有一系列的突出部A'從該間隔件的平面的一側邊延伸出且間隔開地環繞該間隔件的周緣。這些突出部嵌扣入間隔開地設置在該間隔件的周緣的相對應的凹部A內。非必要地，該等卡扣配合特徵構造可以只被設置在該間隔件的一個邊緣上，或該間隔件的兩個相反的邊緣上，其中在相反邊緣上的突出部係延突伸在相反方向上，且該卡扣配合可藉由一間隔件滑移於一堆疊的頂部的水平運動來達成，而不是用一垂直的堆疊運動來達成。

本發明的態樣亦可被應用於板子和框架裝置上，譬如熱交換器上，及電化學單元上，譬如電解池或燃 料電池上，薄膜過濾裝置或其它以平的薄膜片為主的堆疊上。

描述於上文中及示於圖式中的實施例是要進一步讓下面的申請專利範圍所界定的發明能夠被瞭解，而其它的實施例亦是在申請專利範圍範的圍內被完成。

Claims (15)

1. 一種用於薄膜堆疊的間隔件，該間隔件包含：一或多個突出部，其在該間隔件的一薄膜支撐區段的外面且可卡扣至另一間隔件的相對應的凹部中；及一或多個凹部，用來接納該另一間隔件的相對應的突出部。
2. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中每一突出部卡扣配合至每一凹部內。
3. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中該間隔件界定兩對延伸穿過該間隔件的埠口。
4. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中一孔從該間隔件的一邊緣延伸至該間隔件內的一內部流場。
5. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中該間隔件具有至少一耳件，其界定一對準孔。
6. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中該間隔件的該一或多個突出部及該一或多個凹部圍繞該薄膜支撐區段。
7. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中該一或多個突出部包含一凸起來的周邊凸脊。
8. 如申請專利範圍第7項之間隔件，其中該一或多個凹部包含一凸起來的周圍U型槽，其在該間隔件的一第一表面上具有一內側寬度，及該周邊凸脊是在該間隔件的一第二表面上和該槽對齊，且具有一外側厚度，其對應於該槽的該內側寬度。
9. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中該間隔件的該薄膜支撐區段包含用來支撐薄膜的對角線桿及一或多個間隔件區域，其延伸穿過該薄膜支撐區段的厚度。
10. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中該間隔件具有一平的上表面、一平的下表面、及至少一延伸在該上及下表面之間的邊緣表面，該一或多個凹部係在該上表面上，該一或多個突出部係在該下表面上，及該間隔件可和其它間隔件垂直地堆疊。
11. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其更包含：該一或多個凹部包含多個在該間隔件內之間隔開的孔，及該一或多個突出部包含多個在該間隔件上之間隔開的突出部，該等多個間隔開的突出部的每一者係對準該等多個間隔開的孔的一相對應的孔。
12. 如申請專利範圍第11項之間隔件，其中該等間隔開的孔是圓孔，及該等間隔開的突出部是圓柱。
13. 如申請專利範圍第1項之間隔件，其中該間隔件包含一取樣埠口。。
14. 一種薄膜堆疊，包含多個如申請專利範圍第1項的間隔件，該等間隔件以一個疊在另一個之上的方式被設置且被卡扣配合，其中有薄膜被設置在相鄰的間隔件之間的薄膜支撐區段上其中一上間隔件的底部係置於一下間隔 件的該突出部上。
15. 如申請專利範圍第14項之薄膜堆疊，其中一上間隔件的底部係置於一下間隔件的該突出部上。