專利名稱：電子去離子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種電子去離子裝置，且特別是有關(guān)于一種即使在二氧化碳、硅等弱離子成分的高負(fù)荷下，仍具有優(yōu)良的去鹽性能與運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的電子去離子裝置。
背景技術(shù)：
一般來說，在半導(dǎo)體制造廠、液晶制造廠、制藥工業(yè)、食品工業(yè)、電力工業(yè)等各種產(chǎn)業(yè)或是研究設(shè)備中，所使用的去離子水其制造方式都使用一電子去離子裝置(日本專利第1782943號、日本專利第2751090號、日本專利第2699256號)，在此電子去離子裝置中，陽極與陰極之間是交互配置有多數(shù)個陰離子交換膜以及陽離子交換膜，以形成交互配置的濃縮室及去鹽室。此電子去離子裝置中填充有離子交換樹脂、離子交換纖維等離子交換物質(zhì)，且離子交換樹脂是由陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂混合而成。此外，在日本專利早期公開的特開2002-205069號所提出的電子去離子裝置，其在濃縮室中填充有離子交換物質(zhì)，以減低濃縮室的電阻值，并且確保其電流大小。
在此電子去離子裝置中，流入去鹽室的離子，基于其本身的親和力、濃度及移動率，會與離子交換物質(zhì)反應(yīng)，且在離子交換物質(zhì)中，沿著電位梯度移動。而且，此離子更會穿過薄膜，使全部腔室內(nèi)的電荷保持在電中性。所以，由于半透膜的穿透性與電位梯度的移動特性，位于去鹽室的離子會減少，且離子會在鄰近的濃縮室中濃縮。換言之，陽離子會穿過陽離子交換膜，且陰離子會穿過陰離子交換膜，且在每一個濃縮室中濃縮。所以，自去鹽室所生產(chǎn)的水會被回收，而此所回收的水是為去離子水。
此電子去離子裝置可以有效進(jìn)行去鹽處理，且離子交換樹脂不需再生。因此，可以完全且連續(xù)生產(chǎn)高純度的水。
參考文獻(xiàn)1日本專利第1782943號參考文獻(xiàn)2日本專利第2751090號參考文獻(xiàn)3日本專利第2699256號參考文獻(xiàn)4日本專利早期公開的特開2002-205069號然而，此電子去離子裝置在二氧化碳、硅等弱離子成分負(fù)荷過高的情況下，即欲處理的水中具有過多的二氧化碳、硅等弱離子成分時，所得到的去離子水其水質(zhì)較差(以電阻相比)。而且，經(jīng)過一段時間之后，此電子去離子裝置會因電阻值上升，而使運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性變差。
此外，在日本專利早期公開的特開2002-205069號是揭露濃縮室中填充有離子交換物質(zhì)的電子去離子裝置。在日本專利早期公開的特開2002-205069號中，為了確保其電流大小，所以在濃縮室內(nèi)填充離子交換物質(zhì)等導(dǎo)電體。然而，在這個陰離子交換物質(zhì)對陽離子交換物質(zhì)的填充比例上，并沒有作特別的討論。在日本專利早期公開的特開2002-205069號中，去鹽室中所填充的混合離子交換樹脂，其陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的比例同樣為7∶3。
本發(fā)明就是在提供一種電子去離子裝置，以解決上述的問題，以使此電子去離子裝置，即使在二氧化碳、硅等弱離子成分負(fù)荷過高的情況下，仍具有優(yōu)良的去鹽性能與運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種電子去離子裝置，此電子去離子裝置包括交錯配置于一陽極與一陰極之間的多數(shù)個陰離子交換膜與多數(shù)個陽離子交換膜，以形成交錯配置的一濃縮室與一去鹽室，且于濃縮室與去鹽室中填充有離子交換物質(zhì)。此電子去離子裝置的特征在于濃縮室中的離子交換物質(zhì)其陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例，大于去鹽室中的離子交換物質(zhì)其陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例。
在電子去離子裝置中，如先前所述，存在于欲處理水中的陽離子會穿過陽離子交換膜，并且在濃縮室中濃縮，藉以去除之。此外，存在于欲處理水中的陰離子會穿過陰離子交換膜，并且在濃縮室中濃縮，藉以去除之。此時，不易去除的二氧化碳、硅等弱離子成分，會因在去鹽室發(fā)生水解離的氫氧離子，轉(zhuǎn)變化成碳酸氫根離子(HCO3-)與硅酸氫根離子(HSiO3-)，而排放至濃縮室。
由于濃度極化(Polarization)效應(yīng)，在陰離子交換膜的濃縮室的鄰接介面處，陰離子的濃度會最濃。而不易移動的碳酸氫根離子與硅酸氫根離子的濃度極化越大，會容易產(chǎn)生電阻升高、離子不易移動的問題，進(jìn)而發(fā)生低移除率的問題。
此時，在陰離子交換膜的濃縮室的鄰接介面處，是存在有帶反向電性的陽離子交換物質(zhì)。而且，由于陰離子移動變慢，上述的濃度極化較易發(fā)生。另一方面，陰離子交換膜的存在，使得陰離子移動速度變快，所以濃度極化變得不易發(fā)生。特別是，在本發(fā)明的裝置中，濃縮室中的離子交換物質(zhì)的陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例(以下以“陰離子/陽離子的比例”表示)，大于去鹽室中的離子交換物質(zhì)的陰離子/陽離子比例。因此含有碳酸氫根離子與硅酸氫根離子的陰離子移動速度會變快。
本發(fā)明的電子去離子裝置，較佳的是，包括多數(shù)個去鹽室與多數(shù)個濃縮室。特別是，濃縮室中的離子交換物質(zhì)其陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例，較佳是介于75/25至95/5之間。此外，濃縮室中的離子交換物質(zhì)較佳為離子交換樹脂，其中陰離子交換樹脂的交聯(lián)度是介于3～8％之間，而陽離子交換樹脂的交聯(lián)度是介于5～10％之間。特別是，濃縮室中所填充的陰離子交換樹脂較佳是為熱安定性的陰離子交換樹脂。
本發(fā)明電子去離子裝置，即使在二氧化碳、硅等弱離子成分的高負(fù)荷的情況下，仍具有優(yōu)良的去鹽性能與運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。因此，即使去鹽室的注入量(L/h)對去鹽室中的離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為5以上，或此電子去離子裝置滿足下述(1)與(2)其中任一項或同時滿足下述(1)與(2)，或是此電子去離子裝置的電流密度為300mA/dm2以上，仍具有良好的電阻狀態(tài)與去鹽性能。
(1)流入去鹽室的二氧化碳負(fù)荷量(mg-CO2/h)對去鹽室中的陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為80以上。
(2)流入去鹽室的二氧化硅負(fù)荷量(mg-SiO2/h)對去鹽室中的陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為8以上。


圖1是依照本發(fā)明一較佳實施例的一種電子去離子裝置的剖面示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，其繪示依照本發(fā)明一較佳實施例的一種電子去離子裝置的剖面示意圖。而關(guān)于圖1的詳細(xì)說明如下。
此電子去離子裝置包括交錯配置于二電極(陽極11與陰極12)之間的多數(shù)個陰離子交換膜13與多數(shù)個陽離子交換膜14，以形成交錯配置的多數(shù)個濃縮室15與多數(shù)個去鹽室16。而且，于去鹽室16與濃縮室15中各別填充有混合的離子交換樹脂，此混合的離子交換樹脂是由陽離子交換樹脂10A與陰離子交換樹脂10B混合而成。此外，此電子去離子裝置還包括有陽極室17與陰極室18。
在本發(fā)明中，濃縮室15中所填充離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例，大于去鹽室16中所填充的離子交換樹脂其陰離子/陽離子比例。因此，如先前所述的碳酸氫根離子、硅酸氫根離子等陰離子移動速度會變快。于是，在鄰近陰離子交換膜13附近處，可以避免濃度極化。然而，濃縮室15中的混合交換樹脂其陰離子/陽離子的比例過大時，在濃縮室15中的陽離子交換膜的濃縮面處，會發(fā)生陽離子濃度極化的問題。因此，濃縮室15中所混合的離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例是介于75/25至95/5之間，特別是，其較佳的比例介于80/20至90/10之間。而且，此陰離子/陽離子的比例是為再生型的陰離子交換樹脂/陽離子交換樹脂的體積比例。
在圖1的電子去離子裝置中，于濃縮室15中的離子交換膜是使用離子交換樹脂。但是，濃縮室15中的離子交換膜并不限于離子交換樹脂的使用，其還可以使用離子交換纖維或是接枝(graft)交換物質(zhì)等合適的交換物質(zhì)。然而，以操作便利性來說，使用離子交換樹脂作為離子交換膜較好。此外，不具有離子交換基的不活性樹脂可以與離子交換樹脂部分混合。在此情況下，扣除不活性樹脂的離子交換物質(zhì)其陰離子/陽離子的比例仍介于上述的范圍內(nèi)。
在濃縮室15中所填充的離子交換物質(zhì)是使用離子交換樹脂，其中的陰離子交換樹脂的交聯(lián)度以3～8％為佳，而陽離子交換樹脂的交聯(lián)度以5～10％為佳。若離子交換樹脂的交聯(lián)度過小，則離子交換樹脂的強(qiáng)度會變?nèi)?。若離子交換樹脂的交聯(lián)度過大，則此裝置的電阻會變大。
若濃縮室15中的陰離子交換樹脂的比例過高，則在長時間的操作下，此裝置會逐漸劣化，電阻也會逐漸變大。換言之，一般說來，例如氧氣的存在下，陰離子交換樹脂會比陽離子交換樹脂先因氧化而發(fā)生劣化。所以，在濃縮室15中的陰離子交換樹脂其比例較高的情況下，為了避免樹脂因氧化而劣化，可以使用強(qiáng)度較強(qiáng)或是熱安定性的樹脂。
在電子去離子裝置的制水方面，一般已經(jīng)過活性碳、逆滲透分離進(jìn)行處理的城市水等水源，其導(dǎo)電度為3～10μS/cm、二氧化碳濃度為3～30ppm以及硅的濃度為0.2～1.0ppm。之后，在對此水進(jìn)行處理時，去鹽室16中的離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例需介于60/40至70/30之間。此外，去鹽室16中的離子交換膜并不限于離子交換樹脂，其還可以填充離子交換纖維等其他合適的交換物質(zhì)。
在本發(fā)明的電子去離子裝置中，如同習(xí)知的電子去離子裝置，欲處理的水會被注入濃縮室15與去鹽室16中。流入去鹽室16中的欲處理水中的離子，其中的陽離子會穿過陽離子交換膜14，而陰離子會穿過陰離子交換膜13，且在各個濃縮室內(nèi)進(jìn)行濃縮，以使自去鹽室所生產(chǎn)的水，成為去離子水。另一方面，濃縮離子所生成的濃縮水會自濃縮室15排出。
因此，在陽極室17以及陰極室18中會導(dǎo)入電極水。一般來說，為了確保電導(dǎo)度，所導(dǎo)入的電極水是為自濃縮室15流出，且離子濃度高的水(濃縮水)。
換言之，濃縮離子且自濃縮室15流出的濃縮水，一部分的濃縮水會注入濃縮室15的入口端而進(jìn)行回圈，以提供回收率。一部份的濃縮水會輸送至陽極室17。剩下部分的濃縮水會排放至排水系統(tǒng)外，以避免系統(tǒng)內(nèi)部的離子被濃縮。因此，自陽極室17流出來的水會輸送到陰極室18的入口端，而自陰極室18流出來的水會排放至排水系統(tǒng)外。
在此處理中，當(dāng)流入去鹽室16的二氧化碳、硅等弱離子成分越多時，會于濃縮室15的陰離子交換膜13的濃縮面處，發(fā)生先前所述的濃度極化。特別是二氧化碳、硅等弱離子成分存在時，濃度極化越易發(fā)生。另外，自去鹽室16，穿過陰離子交換膜13，而移動至濃縮室15的二氧化碳、硅等弱離子成分越多時，濃度極化越易發(fā)生。此外，電流密度越大時，濃度極化也越易發(fā)生。
所以，由于本發(fā)明的電子去離子裝置，其濃縮室15中的離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例，大于去鹽室16中的離子交換樹脂其陰離子/陽離子比例。因此，即使在弱離子成分的高負(fù)荷的情況下，仍具有去鹽性能佳及運轉(zhuǎn)穩(wěn)定度高的優(yōu)點。例如，即使流入去鹽室16的二氧化碳負(fù)荷量(mg-CO2/h)對去鹽室中的陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為80以上，甚至為250～300，或流入去鹽室16的二氧化硅負(fù)荷量(mg-SiO2/h)對去鹽室中的陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為8以上，甚至為15～25，或是電流密度為300mA/dm2以上，甚至為600～1200，此電子去離子裝置仍具有去鹽性能佳及運轉(zhuǎn)穩(wěn)定度高的優(yōu)點。此外，此電子去離子裝置可以更進(jìn)一步地小型化，因此就經(jīng)濟(jì)的觀點來考量，本發(fā)明是非常有效的裝置。
此外，本發(fā)明的電子去離子裝置，陽極室17與陰極室18中，也可以填充離子交換樹脂等離子交換物質(zhì)與導(dǎo)電物。
在以下的實施例與比較例中是具體說明本發(fā)明。
實施例1電子去離子裝置(水處理量1000L/h)是由8個去鹽室(每一個有效寬度250mm、高度400mm與厚度5mm)所構(gòu)成。在去鹽室與濃縮室(厚度2.5mm)中，是填充有下述的混合離子交換樹脂。已經(jīng)過活性碳處理與RO處理的都市水是注入此裝置中，且其導(dǎo)電度為10μS/cm、二氧化碳濃度為20ppm、二氧化硅的濃度為1.0ppm，以及水溫為攝氏10度。此外，此電子去離子裝置的去鹽室的陰離子交換膜的有效面積(dm2)為10dm2。
去鹽室陰離子交換樹脂/陽離子交換樹脂＝7/3(體積比例)的混合離子交換樹脂。
濃縮室陰離子交換樹脂/陽離子交換樹脂的混合比如表1所示。
去鹽室的入口端的水量為1000L/h，而濃縮室的入口端的水量為400L/h。自濃縮室流出的濃縮水以200L/h排放至系統(tǒng)外，依序流過陽極室與陰極室的濃縮水以50L/h排放至系統(tǒng)外。剩余的濃縮水進(jìn)入濃縮水入口端進(jìn)行回圈。
在電流大小為8安培的條件下，持續(xù)進(jìn)行一個月的注水。其中，此注水條件如下所示。一個月后所生產(chǎn)的水，其比阻抗與運轉(zhuǎn)電壓如表1所示，其中，自量測初期，所得的量測值穩(wěn)定，并無太大變化。
去鹽室的注入量(L/h)對去鹽室中的陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值＝12.5流入去鹽室的二氧化碳負(fù)荷量(mg-CO2/h)對去鹽室中的陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值＝250流入去鹽室的二氧化硅負(fù)荷量(mg-SiO2/h)對去鹽室中的陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值＝12.5電流密度(mA/dm2)＝800實施例2～4與比較例1在濃縮室中所填充的混合離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比如表1所示，而實施例1同樣進(jìn)行注水。制水一個月之后所得的比阻抗值與運轉(zhuǎn)電壓如表1所示。
表1

如表1所示，在濃縮室中，所填充的離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例，大于在去鹽室中，所填充的離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例。特別是，在濃縮室中的陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的體積比例是介于8∶2～9∶1之間。因此，由此可知本發(fā)明即使在二氧化碳、硅等弱離子成分的高負(fù)荷下，仍具有優(yōu)良的去鹽性能與運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
產(chǎn)業(yè)上的利用可能性由上可知，本發(fā)明的電子去離子裝置即使在二氧化碳、硅等弱離子成分的高負(fù)荷下，仍具有優(yōu)良的去鹽性能與運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種電子去離子裝置，包括有交錯配置于一陽極與一陰極之間的多數(shù)個陰離子交換膜與多數(shù)個陽離子交換膜，以形成交錯配置的一濃縮室與一去鹽室，且于該濃縮室與該去鹽室中填充有一離子交換物質(zhì)，其中該電子去離子裝置的特征在于該濃縮室中的該離子交換物質(zhì)的陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例，大于該去鹽室中的該離子交換物質(zhì)的陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子去離子裝置，其特征在于其更包括多數(shù)個去鹽室與多數(shù)個濃縮室，該濃縮室中的該離子交換物質(zhì)的陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例是介于75/25至95/5之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子去離子裝置，其特征在于其中所述的濃縮室中的離子交換物質(zhì)為一離子交換樹脂，且陰離子交換樹脂的交聯(lián)度是介于3～8％之間，而陽離子交換樹脂的交聯(lián)度是介于5～10％之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3其中任一項所述的電子去離子裝置，其特征在于其中所述的去鹽室的注水量(L/h)對該去鹽室中的該陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為5以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4其中任一項所述的電子去離子裝置，其特征在于其中所述的電子去離子裝置是滿足下述(1)與(2)其中任一項或是同時滿足下述(1)與(2)(1)流入該去鹽室的二氧化碳負(fù)荷量(mg-CO2/h)對該去鹽室中的該陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為80以上；(2)流入該去鹽室的二氧化硅負(fù)荷量(mg-SiO2/h)對該去鹽室中的該陰離子交換膜的有效面積(dm2)的比值是為8以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5其中任一項所述的電子去離子裝置，其特征在于其中所述的電子去離子裝置的電流密度是為300mA/dm2以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6其中任一項所述的電子去離子裝置，其特征在于其中所述的濃縮室中所填充的該陰離子交換樹脂是為熱安定性的陰離子交換樹脂。
全文摘要
一種電子去離子裝置，包括交錯配置于陽極(12)與陰極(11)之間的多數(shù)個陰離子交換膜(13)與多數(shù)個陽離子交換膜(14)，以形成交錯配置的濃縮室(15)與去鹽室(16)，且于濃縮室(15)與去鹽室(16)中填充有離子交換物質(zhì)。在濃縮室(15)中的離子交換物質(zhì)其陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例，大于去鹽室(16)中的離子交換物質(zhì)其陰離子交換物質(zhì)/陽離子交換物質(zhì)的填充比例。
文檔編號C02F1/46GK1711136SQ200380102941
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者三輪昌之, 佐藤伸, 森部隆行 申請人:栗田工業(yè)株式會社