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技術 電気透析装置用の端部ケーシング、このようなケーシングを備えた電気透析装置、およびこの電気透析装置の利用

出願人 ソルベイ(ソシエテアノニム)
発明者 リュック、ボット
出願日 1996年2月1日 (24年9ヶ月経過) 出願番号 1996-016782
公開日 1997年1月21日 (23年10ヶ月経過) 公開番号 1997-019628
状態 特許登録済
技術分野 半透膜を用いた分離 電気・磁気による水処理
主要キーワード 垂直仕切 上方区域 下方区域 多角形輪郭 端部ケーシング 垂直チャンネル 側面フランジ 外周リム
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1997年1月21日)のものです。
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図面 (3)

課題

電気透析装置中の電流密度を高くすることができるがその結果として過度の圧力を生じることのない電気透析装置用端部ケーシングの提供。

解決手段

垂直パネル8と垂直フレーム9とでキャビティ画成し、電極を格納するように構成された電気透析装置の端部ケーシングにおいて、電極が多孔垂直金属板12から成り、キャビティ中においてチャンバ21を成すようにパネルに対向して配置されており、チャンバは垂直仕切材29によって垂直チャンネル27、28に分割されており、また電解質用の導入導溝23、26および排出導溝22、24と連通するように構成されている。2つの端部ケーシング3、3’の間には交互に配置された選択的イオン透過性膜1、1’、25、25’と垂直フレーム2を具備する。

概要

背景

電気透析装置は、選択的イオン透過性膜フレーム重積体を電極を含む両端のケーシングの間に具備する電気化学的装置である。一般に端部ケーシングは電極を支承する垂直パネルを含み、この垂直パネルがその外周フレームと共に、電解質を収容するキャビティを形成する。電気透析装置の概略説明は、Techniquesde l'ingenieur (Engineering techniques) 3-1988, page J 2840-13, Fig.18に記載されている。電気透析装置の作動中に、電極がDC電源端子に接続され、電解質が膜とフレームとによって画成される区画の中にまた端部ケーシングの中に導入されて、電解質の中で電気化学反応を生じる。端部ケーシングの中で生じる電気化学反応により、一般に、電極上にガス、例えば水性電解質の場合は酸素水素、が発生する。これらのガスの規則的排出を保証することが重要であり、これは、通常、端部ケーシングと脱ガスチャンバとの間において電解質をループ状循環させることによって実施される(EP−A−0,081,092、8頁、11乃至16行)。

概要

電気透析装置中の電流密度を高くすることができるがその結果として過度の圧力を生じることのない電気透析装置用端部ケーシングの提供。

垂直パネル8と垂直フレーム9とでキャビティを画成し、電極を格納するように構成された電気透析装置の端部ケーシングにおいて、電極が多孔垂直金属板12から成り、キャビティ中においてチャンバ21を成すようにパネルに対向して配置されており、チャンバは垂直仕切材29によって垂直チャンネル27、28に分割されており、また電解質用の導入導溝23、26および排出導溝22、24と連通するように構成されている。2つの端部ケーシング3、3’の間には交互に配置された選択的イオン透過性膜1、1’、25、25’と垂直フレーム2を具備する。

目的

従って、本発明の目的は、電気透析装置中の電流密度を高くすることができるがその結果として過度の圧力を生じることのない端部ケーシングを提供するにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

垂直パネル(8)と垂直フレーム(9)とを具備し、これらのパネルフレームがその間にキャビティ画成し、このキャビティが電極を格納しまた電解質用の導入導溝(23、26)および排出導溝(22、24)と連通するように構成された電気透析装置端部ケーシングにおいて、電極が多孔垂直金属板(12)から成り、この金属板(12)が前記キャビティ中において、パネル(8)と極板(12)とフレーム(9)との間にチャンバ(21)を形成するようにパネル(8)に対向しかつこのパネル(8)から後退して配置されたものであること、前記チャンバ(21)が垂直仕切材(29)によって垂直チャンネル(27、28)に分割されていること、また前記導溝(22、23、24、26)が前記チャンバ(21)の中に開いていること、を特徴とする、電気透析装置用端部ケーシング。

請求項2

仕切材(29)が、金属から成ると共に、一方において極板(12)に固着され、他方において、ケーシングのパネル(8)を貫通する給電導体に固着されていることを特徴とする、請求項1に記載のケーシング。

請求項3

前記仕切材(29)が、一方において極板(12)に固着されると共に、他方において少なくとも1つの水平ビーム(15)に固着され、この水平ビーム(15)が仕切材(29)に対して横方向に固着されまたケーシングパネル(8)中の対応の格納凹部の中に嵌着されたものであることを特徴とする、請求項1に記載のケーシング。

請求項4

仕切材(29)とビーム(15)が金属から成ること、ビーム(15)がパネル(8)を貫通し給電導体として使用される少なくとも1つの金属バー(17)に固着されていることを特徴とする、請求項3に記載のケーシング。

請求項5

前記仕切材(29)の少なくともいくつかはU形またはV形部材(13)の側面フランジ(29)から成り、これらの部材(13)がその中央部分(14)にそって極板(12)に固着されたものであることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載のケーシング。

請求項6

交互に配置された選択的イオン透過性垂直膜(1、1’)と垂直フレーム(2)とを2つの端部ケーシング(3、3’)の間に具備する電気透析装置において、端部ケーシング(3、3’)が請求項1乃至5のいずれかに記載のケーシングであることを特徴とする、電気透析装置。

請求項7

各ケーシング(3、3’)の極板(12)上に配置された選択的イオン透過性膜(25、25’)を具備することを特徴とする、請求項6に記載の電気透析装置。

請求項8

各ケーシング(3、3’)の極板(12)上に配置された選択的イオン透過性膜(25、25’)が選択的カチオン透過性膜であることを特徴とする、請求項7に記載の電気透析装置。

請求項9

塩化ナトリウム水溶液電気透析のための、請求項7乃至9のいずれかに記載の電気透析装置の利用。

技術分野

0001

本発明は、電気透析装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、電気透析装置の端部に配置されるケーシングに関するものである。

背景技術

0002

電気透析装置は、選択的イオン透過性膜フレーム重積体を電極を含む両端のケーシングの間に具備する電気化学的装置である。一般に端部ケーシングは電極を支承する垂直パネルを含み、この垂直パネルがその外周フレームと共に、電解質を収容するキャビティを形成する。電気透析装置の概略説明は、Techniquesde l'ingenieur (Engineering techniques) 3-1988, page J 2840-13, Fig.18に記載されている。電気透析装置の作動中に、電極がDC電源端子に接続され、電解質が膜とフレームとによって画成される区画の中にまた端部ケーシングの中に導入されて、電解質の中で電気化学反応を生じる。端部ケーシングの中で生じる電気化学反応により、一般に、電極上にガス、例えば水性電解質の場合は酸素水素、が発生する。これらのガスの規則的排出を保証することが重要であり、これは、通常、端部ケーシングと脱ガスチャンバとの間において電解質をループ状循環させることによって実施される(EP−A−0,081,092、8頁、11乃至16行)。

発明が解決しようとする課題

0003

電気透析装置の端部ケーシング中にガスが形成されるとケーシングの内部に圧力が生じる結果となり、この圧力は、他の条件が同一として、電気透析装置中の電流密度が増大するに従って増大する。従って、これは工業用電気透析装置の生産性を制限する。

0004

従って、本発明の目的は、電気透析装置中の電流密度を高くすることができるがその結果として過度の圧力を生じることのない端部ケーシングを提供するにある。

課題を解決するための手段

0005

従って、本発明は、垂直パネルと垂直フレームとを具備し、これらのパネルとフレームがその間にキャビティを画成し、このキャビティが電極を格納しまた電解質用の導入導溝および排出導溝と連通するように構成された電気透析装置用端部ケーシングにおいて、本発明によれば、このケーシングは下記の特徴を有する。すなわち、電極は多孔垂直金属板から成り、この金属板はキャビティの中において、パネルと極板とフレームとの間にチャンバを成すようにパネルに対向しかつパネルから後退して配置されたものであること、前記チャンバは垂直仕切材によって垂直チャンネルに分割されていること、また前記導溝は前記チャンバの中に開いていること、である。

0006

本発明によるケーシングにおいて、パネルは垂直に配置されて電気透析装置の端部プレートとして役立つべく意図されている。

0007

パネルおよびフレームは、電気透析装置の作動中の化学的および電気化学的環境に耐える素材で構成されるべきである。フレームは、パネルの一体部分を成しまたは別個部品とすることができる。フレームがパネルとは別個の部品である場合、パネルとフレームとの継目は電解質およびガスに対して漏れ耐性でなければならない。また、好ましくは、フレームとパネルは導電性でない材料で構成される。

0008

多孔極板は、複数の開口を有する金属シートすかし細工板、金属格子またはエキスパンデッドメタルとすることができる。エキスパンデッド・メタルシートが有利に使用される。

0009

極板は、ケーシングの前記キャビティの内部に、パネルに対して平行にかつパネルから後退して配置される。このようにして、パネルと極板との間にチャンバが形成される。このチャンバは、ケーシングのパネルを極板に接合する垂直仕切材によって複数の垂直チャンネルないし流路に分割される。チャンバの中に少なくとも3つの垂直チャンネルを成すように、少なくとも2つの仕切材が使用される。実際上、チャンバはこれより多数の垂直チャンネルに分割される。垂直仕切材はチャンバの高さの一部のみに延在するので、チャンバの上部と下部は仕切られない。本発明によれば、チャンバの下方区域上方区域はチャンバの高さ全体の1/3未満、好ましくは5乃至20%、を占める。チャンバの前記の区域の中にそれぞれ電解質導入導溝と排出導溝とが開く。従ってこのチャンバは、ケーシングが電気透析装置として使用される場合には電解室として使用されるべく意図されている。チャンバの厚さと垂直チャンネルの幅は、電気透析装置の正常動作に際して最適の流体力学条件を生じるように選定されるべきである。従って、これらのサイズの値は、種々のパラメータ、特に前記チャンバ内を循環する電解質の粘度および極板のサイズ、に依存する。これらのサイズは、それぞれの場合に容易に決定することができる。実際上、チャンバの厚さは望ましくは1mmより大、好ましくは少なくとも5mmに等しい。使用される電解質の量はチャンバの厚さを条件としているので、そのためチャンバの厚さは100mmを超えないこと、好ましくは50mmを超えないこと、が推奨される。一般に10乃至30mmの厚さが適当である。

0010

極板がすかし細工板の場合、水平スラット配向は、極板にそってチャンバの外部を流れる上昇液体流がこれらのスラットによって片寄らされて極板の開放気孔を通過してチャンバの中に入るように設計されなければならない。

0011

本発明によるケーシングにおいては、そのフレームおよび極板は円形または多角形輪郭とすることができるが、長方形輪郭とすることが好ましい。

0012

また、本発明によるケーシングの場合、仕切材は金属製でも、導電性でない材料から成ることもできる。仕切材が導電性材料から成る場合、その材料を極板の材料より高い過電位を有する材料から選定することが好ましい。本発明の後者の実施態様においては、考慮されるべき過電位とは、電気透析装置のケーシングを正常に使用する際に極板上にガスを発生する電解反応に関連した過電位である。

0013

本発明によるケーシングにおいて、細分された電解チャンバを使用すると、電解質流均等化が改善され、また極板上に発生したガスの排出が容易になるという利点がある。

0014

本発明によるケーシングの有利な実施態様においては、パネルから最も離れた電極面は実質的にフレームと面一となる。この実施態様においては、極板は、ケーシングを電気透析装置の中に搭載した時に膜の支持体として働くよう意図されている。

0015

本発明によるケーシングの他の実施態様においては、前記仕切材は極板上の電解電流ディストリビュータとして働く。この目的のため、仕切材は金属から成り、一方においては極板に固着され、他方においてはケーシングのパネルを貫通する電流導体に固着される。その際、前記パネルは、電気を通さない材料で構成される。

0016

電極と仕切材はケーシングのチャンバの内部に任意適当な手段によって支承される。本発明の有利な実施態様によれば、この支承手段は仕切材に対して横方向に固着された水平ビームを含み、この水平ビームがケーシングのパネル中の対応の凹部の中に嵌合される。本発明のこの実施態様の好ましい変更例においては、ビームは金属から成り、パネルを貫通して電源に接続された導体に固着される。

0017

本発明のケーシングのさらに他の実施態様においては、前記の仕切材の少なくともいくつかは、中央部分にそって極板に固着されたU形またはV形部材の側面フランジから成る。従って、本発明のこのような実施態様は、前記の垂直チャンネルが交互に極板と接続しまた極板から離間するという特徴を有する。他の条件を同一としすると、この実施態様によれば、チャンバ内に電解質中のガスエマルジョン上昇流脱ガスされた電解質の下降流との交互配置を生じることにより、チャンバ中のガスと電解質の循環が最適化される。このようなチャンバの内部循環は電極上で発生したガスの排出に好都合であり、その結果としてケーシング内の化学的および電気化学的条件が均一化され、かつケーシング中の圧力が低下する。

0018

また、本発明は、本発明による2つの端部ケーシングの間に選択的イオン透過性膜と垂直セパレータとの交互配置を具備する電気透析装置に関するものである。

0019

本発明による電気透析装置において、イオン交換膜は選択的カチオン透過性膜、選択的アニオン透過性膜および/または双極性膜からなることができる。本発明による電気透析装置において、イオン交換膜とこれらの膜の間に介在させたフレームは電気透析区画を画成し、これらの区画がそれぞれ電解質の導入導溝および排出導溝に連通する。区画の数は制限がなく、一般に数100にも達することができる。

0020

本発明の具体的な実施態様においては、電気透析装置は各ケーシングの極板上に配置された選択的イオン透過性(好ましくはカチオン透過性)膜を具備する。

0021

本発明による電気透析装置は電気透析技術において周知の種々の用途を有する。特に本発明による電気透析装置は、塩化ナトリウム炭酸ナトリウムリン酸ナトリウムまたは硫酸ナトリウムなどのナトリウム塩水溶液から水酸化ナトリウムの水溶液を製造するために有利に使用される。

0022

従って、本発明は、塩化ナトリウムの水溶液の電気透析に対する前記の本発明による電気透析装置の利用に関するものである。本発明の実施例を図面に基いて説明すれば、下記の通りである。

0023

付図において同一参照数字同一部品を示す。

0024

図1に図示の電気透析装置は、それ自体公知のように、2つの端部ケーシング3、3’の間において垂直に垂直セパレータ2と交互に配置された選択的イオン透過性膜1、1’を具備している。選択的カチオン透過性膜25、25’が各端部ケーシング3、3’とセパレータ2とを隔てている。

0025

セパレータ2の機能は、膜1、1’、25、25’の間に透析区画4を画成するにある。これらは、例えば、米国特許第US−A−4,233,146号および米国特許第US−A−4,737,260号各明細書に記載された型のものである。

0026

膜1、1’、25および25’ならびにセパレータ2は、その上端下端に開口5、6を穿孔され、これらの開口は、各電気透析区画4に供給されるべき電解質を循環させる直接導溝を成す。セパレータ2の中に穿孔された導溝7は、これらの導溝と電気透析区画4とを連通させる。

0027

膜1、1’、25および25’ならびにセパレータ2は、両端部ケーシング3、3’の間にコネクティングロッド(図示されていない)によって重積されまた圧縮されている。

0028

本発明によれば、端部ケーシング3、3’は、突出外周リム9を有する垂直パネル8を具備する。従って、リム9はパネルの外周においてフレームを形成する。このフレーム9は、開口5、6の延長線上に開口10を穿孔されている。これらの開口10は、電気透析区画4に電解質を供給するための電解質コレクタに接続される。

0029

垂直パネル8と外周フレーム9は、電極を格納した垂直キャビティを画成する。この電極は穿孔された垂直金属板12を含んでなり、この金属板12はパネル8およびその外周リム9と共にチャンバ21を画成するようにこのパネル8に対向しかつ離間して配置されている。極板12は、有利には、フレーム9の自由面20と同一面に在るように配置される。このようにして、極板12は、電気透析装置中の選択的透過性膜25(25’)の支承体として働く。

0030

極板12はその面をパネル8に対向させて、その幅全体に均一に分布された垂直金属部材13を支承する。これらの区域13は、それぞれ溝の形状を有するようにU形に折り畳まれた垂直ストリップから成る。これらの部材はU形の軸方向中心部分14にそって極板12に溶接され、その側面フランジ29がパネル8に当接するので、チャンバ21は一連の垂直チャンネル27および28に分割されている。極板12とその部材13はケーシング3、(3’)の中に水平ビーム15によって支承され、これらのビーム15は仕切材29に溶接されまたパネル8の対応の凹部の中に嵌合されている。ビーム15は、パネル8の中に穿孔されたオリフィス18に挿通された金属バー17に対して直角に溶接される。これらの金属バー17は、電気透析装置を作動させるためにDC電源に接続されるものである。

0031

部材13は極板12の高さの一部のみに延在するので、チャンバ21の上方区域30と下方区域31は仕切られていない。

0032

パネル8の中に穿孔された導溝22、23はそれぞれチャンバ21の仕切られていない部分30、31とダクト24、26を通して連通する。これらの導溝22、23はチャンバ21の中において電解質の循環を生じさせるべく意図されたものである。

0033

図1図2について説明した電気透析装置の動作を塩化ナトリウム水溶液の電気透析に使用する場合について説明すれば、下記の通りである。この用途において、膜1は選択的カチオン透過性膜であり、膜1’は双極膜である。後者の膜1’は、その選択的アニオン透過性面が選択的カチオン透過性膜1に向けられるように電気透析装置の中に配置されている。極板12とU形部材13は、例えばニッケルから成る。

0034

電気透析装置の動作中に、ケーシング3のバー17がDC電源の正端子に接続され、ケーシング3’のバー17がDC電源の負端子に接続される。水が双極膜1’とカチオン膜1との間の区画4の中に導入され、また塩化ナトリウムの水溶液が双極膜1’とカチオン膜25’との間の区画4およびカチオン膜1と25との間の区画4の中に導入される。水または塩化ナトリウムの希釈水溶液が端部ケーシング3、3’の電解チャンバ21の中に、これらのケーシングの導溝23およびダクト26を通して導入される。電流の作用で、チャンネル28の中で水が極板12上で電解されて、ケーシング3の中で酸素を形成し、ケーシング3’の中で水素を形成する。チャンネル28中の水性エマルジョンの上昇流およびチャンネル27中の脱ガスされた電解質の下降流からなる内部電解質循環が、ケーシング3、3’のチャンバ21の中に生じる。チャンバ21の上部の電解質から分離されたガスは、チューブ24を通して導溝22から排出される。

図面の簡単な説明

0035

図1本発明による電気透析装置の一実施態様の垂直長手方向分解断面図。
図2図1の面II−IIにそってとられた断面図。

--

0036

1、1’ 選択的イオン透過性垂直部材(膜)
2 垂直セパレータ
3、3’端部ケーシング
4透析区画
5、6電解質導溝
8垂直パネル
9外周リム
10電解質供給開口
12極板
13金属部材
14 金属部材の中心部分
15ビーム
17金属バー
21チャンバ
22、23、24、26 電解質導溝
25、25’ 選択的イオン透過性膜
27、28垂直チャンネル
29仕切材(部材13の側面フランジ)
30 チャンバ21の上方区域
31 チャンバ21の下方区域

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