专利名称：高新固体电解质生产组件和技术
技术领域：
本发明的实施方案涉及固体电解质生产领域，且更详细地讲涉及由盐水生产固体电解质的组件(assembly)和方法。相关技术论述使用诸如海水、盐湖水、淡盐水或工业盐水产品的盐水生产固体电解质。一种生产固体电解质的常规方法包括从盐水中除去水以获得固体电解质的热力过程，诸如蒸发过程。因为盐水中的水量通常非常大，例如在海水中的水量为约96. 5重量％，且该过程需要使水由液相变为蒸气相，所以蒸发过程消耗的能量极大。可能需要与现用的装置或系统不同的由盐水生产固体电解质的装置或系统。可能需要与现用的那些方法不同的由盐水生产固体电解质的方法。发明简述根据一个实施方案，提供了固体电解质生产系统。所述系统包括超电容器脱盐装置，所述超电容器脱盐装置包括电源和超电容器脱盐单元。所述超电容器脱盐单元包括电连接到所述电源且可以装料操作模式和卸料操作模式操作的电极对。进料源经构造以在所述超电容器脱盐单元处于装料操作模式时将料液提供到所述超电容器脱盐单元中。所述料液包含至少一种确定的电解质。结晶装置用以从处于卸料操作模式的超电容器脱盐装置接受浓缩液，所述浓缩液为所述至少一种确定类型的电解质的饱和液或过饱和液。所述至少一种确定类型的电解质在所述结晶装置中作为固体电解质沉淀。所述系统还包括从所述结晶装置的液体中分离作为固体电解质产物的所述固体电解质的分离装置。根据一个实施方案，提供了生产固体电解质的方法。所述方法包括在装料步骤期间使用超电容器脱盐单元从料液中吸附溶解的电解质离子，在卸料步骤期间使来自所述超电容器脱盐单元的离子脱附到浓缩液中，使所述浓缩液进入结晶装置以使所述浓缩液的溶解的电解质离子在所述结晶装置中作为固体电解质沉淀，和从所述浓缩液中分离作为电解质产物的所述固体电解质。附图简述在参考附图阅读以下详述时将更加透彻地理解本发明的这些和其他特征、方面和优势，在所述附图中相同的符号表示相同的部件，其中图I为根据本发明的一个实施方案的固体电解质生产系统的示意图。图2和图3说明根据本发明的一个实施方案分别在装料操作模式和卸料操作模式期间的固体电解质生产系统的示例性超电容器脱盐(SCD)装置。图4为根据本发明的另一实施方案固体电解质生产系统的SCD装置的横截面图。图5为根据本发明的另一实施方案固体电解质生产系统的示例性框图。发明详述本发明的实施方案涉及固体电解质生产领域。根据本发明的一个实施方案的固体电解质生产系统可用以由诸如海水、盐湖水、淡盐水或如氯碱工业的盐水产品的工业盐水产品的盐水生产固体电解质。下文参考附图论述本发明的实施方案。为了描述的简明性， 在不同实施方案中的共同元件共用相同参考数字。在整个说明书和权利要求书中使用的近似语可用于修饰任何定量表述，这些表达可容许在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下进行改变。因此，由诸如“约”的术语修饰的值并不局限于所指定的精确值。在有些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精密度。除非另外定义，否则本文所用的所有科技术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常所理解的意义相同的意义。本文使用的术语“第一”、“第二”等不代表任何顺序、数量或重要性，而是用以区别一种要素与另一要素。并且，术语“一个/种”不表示数量的限制，而是表示存在所提及项目中的至少一个/种。本文使用的“电解质”是指能够在水中解离的所有物质，例如包括诸如NaClXaSO4 的盐或诸如NaOH的碱。“超电容器”为当与常见电容器相比较时具有相对较高的能量密度的电化学电容器。本文使用的“超电容器”包括其他高性能电容器，诸如超级电容器。电容器为能够将能量储存于一对小间距导体(称为“电极”)之间的电场中的电气装置。当将电压施加到电容器时，等量但极性相反的电荷积聚在各电极上。本文使用的“浓度”是指在给定温度下溶解于单位体积的水中的电解质的量。“溶解度”是指在给定温度下可溶解于单位体积的水中的电解质的量。“饱和水”是指在给定温度下被至少一种确定种类的电解质饱和的水。“过饱和水”是指含有大于在给定温度下至少一种电解质的溶解度极限的所述电解质的量的水。“饱和率”是指一种确定种类的电解质的浓度与在给定温度下所述确定种类的电解质在水中的溶解度的比率。参照
图1，固体电解质生产系统10包括超电容器脱盐(S⑶)装置12。控制S⑶装置12以进行多个连续操作循环，且各操作循环包括装料操作模式(图2)和卸料操作模式 (图3)。当S⑶装置12处于装料操作模式时，进料源14提供料液15到S⑶装置12，所述料液15为带有至少一种确定类型电解质(M+Jj的溶解的阳离子(M+)和阴离子(X_)的盐水。结晶装置16自处于卸料操作模式的S⑶装置12接受浓缩液18。浓缩液18为确定种类的电解质(M+mX_n)的饱和或过饱和液且在结晶装置16中作为固体电解质粒子沉淀。控制器19与适当阀门、传感器、开关等通信且控制它们以控制SCD装置12和结晶装置16的操作。在图I的所说明的实施方案中，来自处于卸料操作模式的SCD装置12的浓缩液 18由结晶装置16接受。在一个实施方案中，在结晶装置16中的浓缩液18经路径52进一步反馈到SCD装置12且连续循环并重新用于卸料操作。因此，在浓缩液18中的阳离子36 和阴离子38(图2和图3)的浓度随卸料连续进行而连续增加，且浓缩液18变成确定类型电解质(M+Jj的饱和或过饱和水。因此，饱和率将增加到此时电解质(M+Jj的沉淀开始在结晶装置16中发生的点。当在结晶装置16中的沉淀率等于在装料操作下的离子去除率时，浓缩液18中离子(M+mX_n)的饱和率将不会再增加且将确立平衡。在所说明的实施方案中，固体电解质生产系统10还包括用于除去在结晶装置18 中沉淀的作为电解质产物54的固体电解质OTniX^)的分离装置53。在一个实施方案中，电解质产物54包含各自具有O. 001毫米-I. O毫米的直径的固体电解质粒子。在另一实施方案中，电解质产物54包括含有电解质粒子的浆料。分离装置53的实施方案可包括沉降槽、 压滤器、微滤器、超滤器、旋流分离器或离心机。在一个实施方案中，电解质产物54在SCD 装置12的装料操作模式下从结晶装置中除去。在一个实施方案中，分离装置53为过滤器。在卸料操作模式期间将在分离装置53 中除去固体电解质之后的液体经路径55连续反馈到SCD装置12中。图2和图3说明分别处于装料操作模式和卸料操作模式的示例性SCD装置12。在所说明的实施方案中，示例性S⑶装置12包括限定容积的脱盐容器20、电源21和容纳在所述容积中并电连接到电源21的至少一个SCD单元22。电源21例如可为电压源、电流源或能量回收转换器。在图2和图3的说明的实施方案中，S⑶单元22包括电极对24、26和限定在该对电极24、26之间的隔室28。在一个实施方案中，S⑶单元22还包括在该对电极24、26之间的流动隔片30。此外，脱盐容器20包括来自进料源14的料液15自其进入隔室28的至少一个入口(未标出)和来自隔室28的输出液体经其离开的至少一个出口 34。所述液体可通过使用外力在脱盐容器20内导引。合适的外力可包括重力、吸力和泵力。在某些实施方案中，第一电极24和第二电极26中的每一个包括暴露在隔室28中的多孔导电部分和在所述多孔导电部分内以便电连接到电源21的集电器(未示出)。所述集电器可由诸如平板、筛网、箔片或薄片的任何合适的金属结构形成。在某些实施方案中， 所述集电器可包含金属，诸如钛、钼、铱或铑。在另一实施方案中，所述集电器包含金属合金，诸如不锈钢。在另一实施方案中，所述集电器包含石墨或塑料材料。合适的塑料材料可例如包括聚烯烃。合适的聚烯烃可包括聚乙烯，其可与导电碳黑或金属粒子混合。在某些实施方案中，所述多孔导电部分包含具有高表面积的导电材料或复合材料。这类导电材料的实例包括碳、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、诸如镍的金属粉末、诸如氧化钌的金属氧化物、导电聚合物和以上材料中任一种的任何混合物。在一个实施方案中，各电极的多孔导电部分具有多个孔。因此，第一电极24和第二电极26各自具有高表面积。在一个实施方案中，各电极具有在约2. O-约5. 5 X 106ft2lb^ 或约 400-1100 平方米 / 克(m2g_1)范围内的 Brunauer-Emmet-Teller (BET)表面积。在一个实施方案中，电极表面积可在至高约I. 3 X Kfft2IF1或约260011 4范围内。在一个实施方案中，第一电极24和第二电极26各自具有相对较低的电阻率,例如其小于400hm · cm2。 在一个实施方案中，额外材料可沉积在第一电极24和第二电极26的表面上,其中这种额外材料可包括催化剂、防污剂、表面能调节剂等。在一个实施方案中，集电器和/或第一电极 24和第二电极26的多孔导电部分可能相同或可能不同。由于第一电极24和第二电极26具有高表面积，S⑶单元22具有高吸附容量、高能密度和高电容。在某些实施方案中，导电材料的电容大于约10法拉/克。在某些实施方案中，所述材料的电容可为约10法拉/克-约50法拉/克、约50法拉/克-约75法拉 /克、约75法拉/克-约100法拉/克、约100法拉/克-约150法拉/克、约150法拉/ 克-约250法拉/克、约250法拉/克-约400法拉/克、约400法拉/克-约500法拉/ 克、约500法拉/克-约750法拉/克、约750法拉/克-约800法拉/克或大于约800法拉/克。
虽然在所说明的实施方案中，第一电极24和第二电极26成型为彼此平行布置以形成堆叠结构的平板，在其他实施方案中，第一电极24和第二电极26可具有不同形状。这类其他形状可包括皱褶和套杯式(nested bowl)构造。在一个实施方案中，第一电极24和第二电极26可以辊式配置相对于彼此同心布置。合适的流动隔片30可包含电绝缘聚合物。合适的电绝缘聚合物可包括基于烯烃的材料。合适的基于烯烃的材料可包括聚乙烯和聚丙烯，其可为卤代的。其他合适的电绝缘聚合物可例如包括聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚芳醚和尼龙。此外，流动隔片30可具有在约O. 0000010厘米-约I厘米范围内的厚度。在一个实施方案中，所述厚度为约
O.0000010厘米-约O. 00010厘米、约O. 00010厘米-约O. 010厘米、约O. 0010厘米-约
O.I厘米或约O. 10厘米-约I厘米。流动隔片30可以隔膜、筛网、垫子、薄板、薄膜或织物形式。为了允许流体连通，流动隔片30可为多孔、穿孔的或具有从一个主要表面延伸到另一主要表面的流体通道。所述流体通道、孔(pore)和穿孔(perforate)可具有小于5毫米的平均直径且可经构造以增加穿流液体的湍流。在一个实施方案中，所述平均直径为约5 毫米-约4毫米、约4毫米-约3毫米、约3毫米-约2毫米、约2毫米-约I毫米、约I毫米-约O. 5毫米或小于约O. 5毫米。这类增加的湍流可积极地影响紧邻电极的性能。参照图2，在装料操作模式期间，第一电极24连接到电源21的正端子且充当正极。 第二电极26连接到电源21的负端子且充当负极。使来自进料源14的料液15经过S⑶单元22且在第一电极24和第二电极26之间。阳离子(M+) 36向负极(第二电极)26的导电多孔部分移动并吸附在其上且阴离子(X_)38向正极(第一电极)24移动且吸附在其上。由于在SCD单元20内的该电荷积聚，与料液15相比较，输出液体具有较低浓度的阳离子(M+) 36 和阴离子(X0 38，所述输出液体为从SCD单元20出来的稀释液40。在一个实施方案中，稀释液40可通过反馈到S⑶装置12来再次产生电解质。在另一实施方案中，输出稀释液40 以用于例如工业用途。参照图3，在装料操作模式之后的卸料操作模式期间，吸附的阳离子和阴离子从第一电极24和第二电极26的表面脱附。在某些实施方案中，在SCD单元20的卸料操作模式期间，第一电极24和第二电极26的极性可保持相同，但在第一电极24与第二电极26之间的电位差变得较小，因此阴离子38和阳离子36从第一电极24和第二电极26脱附。虽然在其他实施方案中，在SCD单元20的卸料模式期间，第一电极24和第二电极26的极性反转，且因此吸附在第二电极22上的阳离子31向第一电极24移动，且阴离子32从第一电极 24移动到第二电极26。因此，称作浓缩液42的输出液体与料液15相比较具有较高浓度的阳离子和阴离子。同时，从SCD单元22释放的能量可重新使用或经例如双向直流-直流变换器的能量回收装置回收。参照图4，根据本发明的另一实施方案的S⑶装置44包括容纳在脱盐容器46中的多个S⑶单元22。各S⑶单元22包括电极对24、26和在该对电极24、26之间的隔室28。 S⑶单元22平行配置且通过离子不可渗透的薄膜45彼此绝缘。合适的离子不可渗透的薄膜30可包含导电材料。合适的导电材料可包括填充有导电添加剂的基于烯烃的聚合物。合适的基于烯烃的聚合物可包括聚乙烯和聚丙烯，其可为卤代的。合适的导电添加剂可包括石墨粉、碳黑粉和活性碳。在所说明的实施方案中，脱盐容器46包括将料液15同时分别引入并联的相应隔室28中的多个入口 48和使在装料操作模式下为稀释液40和在卸料操作模式下为浓缩液18的输出液体离开的多个出口 50。在一个供选的实施方案中，其未在附图中示出，仅一个入口 48将料液15引入隔室28中的一个中，且隔室28以一个隔室28的出口 52与另一隔室28的入口 50串联连通以使得液体通过各隔室28的方式互连。仅一个出口 52为输出液体的离开口。因此，浓缩液18可具有较高浓度的电解质。在另一实施方案中，SCD装置44可以上述并联模式和串联模式的组合方式构造。在一些实施方案中，可能不发生电解质的沉淀，直至其饱和或过饱和程度极高。例如，CaSO4在室温下在其沉淀在澄清溶液中发生之前达到500%的饱和率。因此，在某些实例中，可将晶种颗粒(未示出)加到图I的结晶装置16中以在电解质的较低饱和或过饱和度下诱发在晶种颗粒的表面上的沉淀。例如，在存在足够晶种颗粒的情况下CaSO4的沉淀可在低至105% -120%的饱和率下发生。在一个实施方案中，所述晶种颗粒为待生产的确定类型电解质的电解质粒子。在其他实施方案中，所述晶种颗粒可为其他粒子，诸如砂子。在某些实施方案中，粒子可具有约O. 001-约I毫米的平均直径。在一个实施方案中，来自进料源14的料液15主要包含一种确定类型的电解质。 在一个实例中，料液15为NaOH溶液，其为氯碱工业的产品，且包含溶解的Na+和0H_。溶解的NaOH的浓度为料液15中所有溶解的电解质的约10-30%。因此，在结晶装置16中沉淀的固体电解质包含极纯的NaOH粒子，且来自分离装置53的电解质产物包含极纯的NaOH产物。在另一实施方案中，来自进料源14的料液15包含至少两种类型的电解质。因此， 在结晶装置14中沉淀的固体电解质可包含所述至少两种类型电解质粒子的混合物，且来自分离装置53的电解质产物可包含所述两种类型电解质的混合物。图5说明根据本发明的另一实施方案的固体电解质生产系统56。固体电解质生产系统56包括第一 S⑶装置58和第二 S⑶装置60、第一结晶装置62和第二结晶装置64、第一分离装置66和第二分离装置68及控制器70。在某些实施方案中，由进料源14提供的料液15包含至少两种类型的电解质(“第一电解质”和“第二电解质”)。料液15通过第一 SCD装置58。料液15中第一电解质和第二电解质的溶解的阳离子和阴离子在装料操作模式期间吸附，且在第一 SCD装置58的卸料操作模式期间脱附。在某些实施方案中，在装料操作模式下的稀释液72可通过在第一 S⑶装置58的装料操作模式期间反馈到第一 S⑶ 装置58再次进行电解质生产，或例如输出用于工业用途。在所说明的实施方案中，第一结晶装置62接受来自第一 S⑶装置58的浓缩液74。 在某些实施方案中，控制器70经构造以控制在第一结晶装置62中的溶解的第一电解质和第二电解质的浓度，以使得在浓缩液74中的第一电解质和第二电解质中仅一种在第一结晶装置62中沉淀，而第一电解质和第二电解质中另一种将不会。在一个实施方案中，控制器70包括测量在给定温度下第一结晶装置62中第一电解质和第二电解质的浓度的传感装置76且将浓度信号78发送到控制器70。在一个实施方案中，电解质的浓度在15-25摄氏度(V )的室温下测量。传感装置76的实施方案可包括离子选择性电极、电导电极或定期离线测量装置。控制器70根据以下方程I使用浓度信号 78分别计算第一电解质和第二电解质的饱和率(R)R = C/Cs 方程 I
其中“C”为第一结晶装置62中电解质的浓度，且Cs为电解质的溶解度。较高的饱和率(R)通常意味着电解质较易沉淀。控制器70经构造以控制第一 S⑶装置58的操作，以使得一种电解质的饱和率足够高且该电解质在第一结晶装置62中沉淀，而另一电解质的饱和率不够高且该电解质的沉淀不会在第一结晶装置62中发生。在给定温度下第一电解质和第二电解质的溶解度基本恒定，饱和率因此仅与在第一结晶装置62中的溶解的电解质的浓度有关。此外，因为确定了料液中两种电解质的含量，在浓缩液74中该两种电解质的比率基本恒定。因此，控制器70经构造以控制在第一 SCD装置58的浓缩液74中的总电解质浓度，以使得第一电解质和第二电解质之一具有足够高以便沉淀的较高饱和率，且第一电解质和第二电解质中另一种具有较小且不会在第一 SCD装置58中沉淀的较低饱和率。因此，在第一结晶装置中沉淀的电解质为极纯的电解质且通过第一分离装置66作为第一电解质产物自液体进一步分离。在一个实例中，在料液15中的阳离子和阴离子包括Ca2+、S04_、Na+和Cl’因此，四种类型的电解质可在第一结晶装置62中自浓缩液74沉淀，包括硫酸钙(“CaS04”)、氯化钠(“NaCl”)、氯化钙(“CaCl2”)和硫酸钠(NaSO4)。在20°C的温度下这四种电解质的溶解度如下表I中所示表I
权利要求
1.固体电解质生产系统，其包括超电容器脱盐装置，其包括电源和超电容器脱盐单元，所述超电容器脱盐单元包括电连接到所述电源且可以装料操作模式和卸料操作模式操作的电极对；进料源，其经构造以在所述超电容器脱盐单元处于装料操作模式时将料液提供到所述超电容器脱盐单元中，所述料液包含至少一种确定的电解质；结晶装置，其从处于卸料操作模式的所述超电容器脱盐装置接受浓缩液，所述浓缩液为所述至少一种确定类型的电解质的饱和液或过饱和液，所述至少一种确定类型的电解质在所述结晶装置中作为固体电解质沉淀；和分离装置，其从所述结晶装置的液体中分离作为固体电解质产物的所述固体电解质。
2.权利要求I的系统，其中所述电极对中的每一个包括多孔导电部分和连接到所述多孔导电部分的集电器。
3.权利要求2的系统，其中所述多孔导电部分具有在约2.O-约5. 5X Kfft2IF1范围内的 Brunauer-Emmet-Teller(BET)表面积。
4.权利要求3的系统，其中所述多孔导电部分包含碳、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、 碳气凝胶、金属粉末、导电聚合物或其任何混合物。
5.权利要求I的系统，其中所述超电容器脱盐单元包括在所述电极对之间的流动隔片。
6.权利要求I的系统，其中所述超电容器脱盐装置包括多个超电容器脱盐单元。
7.权利要求I的系统，其还包括布置在所述结晶装置内以诱发沉淀的多个晶种颗粒。
8.权利要求I的系统，其中所述料液包含至少两种类型的溶解的电解质，其中所述系统还包括控制器，所述控制器经构造以控制在所述结晶装置中的浓缩液为所述至少两种类型电解质中的一种的饱和或过饱和水且未被所述至少两种类型电解质中的另一种饱和，且其中在水中饱和或过饱和的所述电解质在所述结晶装置中沉淀。
9.权利要求8的系统，其中所述控制器经构造以计算在所述浓缩液中所述至少两种类型溶解的电解质中每一种的饱和率，控制所述至少两种类型电解质中的一种的饱和率高于或等于I且控制所述至少两种类型电解质中的另一种的饱和率小于I。
10.权利要求9的系统，其中所述料液还被控制以在所述至少两种类型电解质中的另一种的饱和率接近I时流向所述结晶装置以便平衡。
11.权利要求8的系统，其还包括第二超电容器装置、第二结晶装置和第二分离装置， 其中，在除去固体电解质之后，在第二超电容器脱盐装置的卸料模式期间将来自第一结晶装置的液体用作第二超电容器脱盐装置的料液。
12.权利要求11的系统，其中来自第二超电容器装置的浓缩液包含所述至少两种类型电解质中两者的饱和或过饱和电解液，且由第二结晶装置接受，且其中所述至少两种类型电解质中的两者作为固体电解质沉淀，且通过第二分离装置从第二结晶装置中除去。
13.权利要求I的系统，其中所述分离装置包括沉降槽、压滤器、微滤器、超滤器、旋流分离器或离心机。
14.生产固体电解质的方法，其包括在装料步骤期间使用超电容器脱盐单元从料液中吸附溶解的电解质离子；在卸料步骤期间使来自所述超电容器脱盐单元的离子脱附到浓缩液中；使所述浓缩液进入结晶装置以使所述浓缩液的溶解的电解质离子在所述结晶装置中作为固体电解质沉淀；和从所述浓缩液中分离作为电解质产物的所述固体电解质。
15.权利要求14的方法，其中所述料液包含至少两种类型的溶解的电解质。
16.权利要求15的方法，其还包括控制所述浓缩液以被所述至少两种类型电解质中的一种饱和或过饱和且未被所述至少两种类型电解质中的另一种饱和。
17.权利要求16的方法，其中所述控制包括测量在所述浓缩液中所述至少两种类型电解质的浓度且计算所述至少两种类型电解质中每一种的浓缩率，控制所述两种类型电解质中一种的饱和率等于或大于1，和控制所述两种类型电解质中另一种的饱和率低于I。
全文摘要
固体电解质生产系统包括超电容器脱盐装置，其包括电源和超电容器脱盐单元。所述超电容器脱盐单元包括电连接到所述电源且可以装料操作模式和卸料操作模式操作的电极对。进料源经构造以在所述超电容器脱盐单元处于装料操作模式时将料液提供到所述超电容器脱盐单元中。所述料液包含至少一种确定的电解质。结晶装置用以从处于卸料操作模式的所述超电容器脱盐装置接受浓缩液，所述浓缩液为所述至少一种确定类型的电解质的饱和液或过饱和液。所述至少一种确定类型的电解质在所述结晶装置中作为固体电解质沉淀。所述系统还包括从所述结晶装置的液体中分离作为固体电解质产物的所述固体电解质的分离装置。
文档编号C02F103/08GK102596824SQ201080047958
公开日2012年7月18日 申请日期2010年7月21日 优先权日2009年8月20日
发明者C·魏, R·L·所罗门, R·拉梅什, 熊日华, 蔡巍 申请人:通用电气公司
