專利名稱：電脫鹽裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有關所謂電脫鹽裝置的改進、提供過去完全料想不到的新型室配列結構的電脫鹽裝置。此外，一般把在電極間配置離子交換膜構成許多室的裝置稱「電透析裝置」，把在所形成的各室內填充離子交換的裝置稱「電脫鹽裝置」，但本發(fā)明中「電脫鹽裝置」這個詞也包括上述「電透析裝置」概念的意思使用。
背景技術：
所謂電脫鹽裝置是在正負電極間配列陽離子交換膜及陰離子交換膜形成濃縮室及脫鹽室，以電位差作為驅動源，采用在脫鹽室內使被處理液體中的離子通過離子交換膜向濃縮室進行移動和分離，從而除去液體中離子成分的裝置。


圖1表示過去典型電脫鹽裝置的概況。圖1所示的電脫鹽裝置在陰極(-)與陽極(+)之間交替地配列陰離子交換膜A、陽離子交換膜C，交替地形成脫鹽室及濃縮室。通過再反復進行該陰離子交換膜與陽離子交換膜的交替配列，并列形成多個脫鹽室及濃縮室。根據需要在脫鹽室或濃縮室內填充離子交換體，由此促進室內的離子移動。另外，與兩端陽極及陰極連接的區(qū)域一般稱陽極室及陰極室，起授受直流電流所外加的電流的電子的功能。這種電脫鹽裝置運轉時，對陽極及陰極外加電壓的同時，向脫鹽室供給應處理的水溶液(鹽水溶液)，另外一般向濃縮室、兩極室供給水。供給濃縮室的水稱濃縮水，供給脫鹽室的鹽水溶液稱被處理水。把被處理水及濃縮水分別導入脫鹽室及濃縮室時，水中的陽離子及陰離子分別被引向陰極側及陽極側，但由于離子交換膜選擇性地只透過同種的離子，因此被處理水中的陽離子(Ca2+、Na+、Mg2+、H+等)通過陽離子交換膜C向陰極側的濃縮室移動，而陰離子(Cl-、SO42-、HSiO3-、CO32-、HCO3-、OH-等)通過陰離子交換膜A向陽極側的濃縮室移動。另一方面，陰離子從濃縮室向脫鹽室的移動及陽離子從濃縮室向脫鹽室的移動，由于離子交換膜的異種離子阻隔性而被阻止。結果從脫鹽室得到離子濃度降低的脫鹽水，從濃縮室得到離子濃度升高的濃縮水。
根據這樣的電脫鹽裝置，作為被處理水例如通過使用相當于RO(反滲透)處理水的雜質少的水，作為脫鹽水還可以獲得純度高的純水。最近，例如半導體制造用超純水等，要求更高的超純水。因此，電脫鹽裝置采用將陽離子交換樹脂粒珠與陰離子交換樹脂粒珠混合作為離子交換體填充在脫鹽室和/或濃縮室和/或極室中，促進這些室內離子移動的方法。此外，提出了作為離子交換體，在脫鹽室內分別面對面地在陽離子交換膜側配置陽離子交換纖維材料(無紡布等)，在陰離子交換膜側配置陰離子交換纖維材料，或者在這些離子交換纖維材料之間填充間隔件或賦予離子導電性的離子傳導間隔件，或在濃縮室填充間隔件或賦予離子導電性的離子傳導間隔件的方法(參見PCT/JP99/01391國際公報WO99/48820)。
這種方式的電脫鹽裝置，在填充離子交換體的脫鹽室和/或濃縮室內，存在陽離子交換基與陰離子交換基接觸的部位。尤其是在脫鹽室內的陽離子交換基與陰離子交換基接觸的部位，在電位差下引起水的解離()，由于脫鹽室內的離子交換體被水解離(水解)生成的H+離子及OH-離子連續(xù)地有效地再生，因此可獲得高純度的超純水。這估計起因于由于在脫鹽室內的陽離子交換纖維材料與陰離子交換纖維材料之間配置間隔件或離子傳導間隔件，形成連續(xù)的陽離子交換體填充層及陰離子交換體填充層，離子容易在兩電極側通過，因此在陽離子交換體與陰離子交換體的接觸部位，官能基的平衡離子局部地不足，為了使襯償該不足的平衡離子的水解離后，向陽離子交換基及陰離子交換基供給H+離子及OH-離子，另外，估計陽離子交換基與陰離子交換基按數(shù)-數(shù)+的距離接近時，在該距離間產生強電場，水極化后容易解離，不進行再結合而將離子交換體進行再生。另外，不僅水而且在醇等的非電解質中，也因強電場極化及解離成陰離子與陽離子吸附在官能基上、可以除去。再者，有關水解的機理，在H.Strauhmann，J.American Chemical Society 1993，54，17，“BetterBipolar Membranes”中作了說明。
然而，這種方式的電脫鹽裝置，水解產生的H+離子與OH-離子，由于只用于產生這些離子的脫鹽室內的再生，而大半(估計約90％左右)的H+離子與OH-離子不用于離子交換體的再生，而通過離子交換膜向鄰接的濃縮室內移動(參見圖1)。因此，在濃縮室內由從兩側脫鹽室移動過來的H+離子與OH-離子引起再結合。為此，產生水解需要相當大的能量，目前這不僅是電脫鹽裝置運轉電壓上升的主要原因之一，而且水解用的能量一大半因變換成濃縮室內的H+離子與OH-離子的再結合產生的熱而浪費掉。
另外，以往的電脫鹽裝置，由于交替地配置脫鹽室和濃縮室，因此在濃縮室中例如鈣離子與碳酸離子反應生成碳酸鈣，這便成為水垢析出的原因。
此外，以往的電脫鹽裝置，為了提高處理水的水質、和/或為了提高處理水量，有時需要增加脫鹽室的厚度及數(shù)量，產生運轉電壓上升的問題。這估計起因于脫鹽室是混床(混合配置不同種類的離子交換體)的場合，在脫鹽室的各部分引起水解和再結合(H+離子與OH-離子的再結合)，由于產生熱，當增加脫鹽室的厚度及數(shù)量時，引起水解與結合的幾率增高，大多數(shù)的電能變成熱能。
另外，以往的電脫鹽裝置，隨著運轉時間的延長出現(xiàn)運轉電壓升高的現(xiàn)象。本發(fā)明者們對這種現(xiàn)象進行驗證的結果，得出隨運轉時間的延長水解產生電壓升高是運轉電壓升高的主要原因的這種結論，還發(fā)現(xiàn)水解產生電壓的升高是離子交換體官能基的鹽型化及官能基的結合，與有機污染等造成的。此外，所謂「官能基的結合」是指隨運轉時間的延長，在陽離子交換體與陰離子交換體的接點，陰離交換體官能基與陽離子交換體官能基由于彼此的電荷吸引，引起官能基之間的離子結合，阻礙水解的現(xiàn)象。而，所謂「水解產生電壓」可定義為脫鹽室內的陽離子交換體與陰離子交換體之間的電位差。即，以往多路結構(向各脫鹽室串聯(lián)供給被處理水的方式)的電脫鹽裝置，出現(xiàn)水解產生電壓升高的傾向時，說明被處理水最初所供給的脫鹽室(第1脫鹽室)中水解產生電壓升高的程度最大。這推測是由于引起水解產生的離子交換樹脂的官能基上吸附離子后變成鹽型阻礙水解、同時腐殖質等的有機性的污染物質吸附在離子交換樹脂的官能基上水解產生電壓升高。

發(fā)明內容
本發(fā)明者們對影響電脫鹽裝置運轉電壓的種種因素進行了研究，注意到產生水解所需要的電壓與離子傳導所需要的電壓之比(脫鹽室內的電壓之比)為20∶1左右，現(xiàn)在電脫鹽裝置中H+及OH-的有效利用率僅10％左右等。故想到通過使水解產生的H+離子與OH-離子不立即再結合而在電脫鹽裝置整體中有效地利用可以降低電脫鹽裝置的運轉電壓。
因此，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)采用構成以往電脫鹽裝置完全料想不到的新型室配列的電脫鹽裝置，可以大幅度地降低運轉電壓，從而完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明的一種方案涉及的電脫鹽裝置是通過在陽極與陰極之間配列陽離子交換膜及陰離子交換膜而形成多個室的電脫鹽裝置，其特征在于利用陽極側的陰離子交換膜與陰極側的陽離子交換膜劃定水解室，在該水解室的陽極側配置陰離子交換膜所夾的陰離子脫鹽室，在該水解室的陰極側配置陽離子交換膜所夾的陽離子脫鹽室。
附圖的簡單說明圖1是過去電脫鹽裝置的概略說明圖。
圖2是本發(fā)明一種實施方案的電脫鹽裝置的概略說明圖。
圖3是本發(fā)明另一種實施方案的電脫鹽裝置的概略說明圖。
圖4是本發(fā)明又一其他實施方案的電脫鹽裝置的概略說明圖。
圖5是本發(fā)明又一其他實施方案的電脫鹽裝置的概略說明圖。
圖6是本發(fā)明一種實施方案的電脫鹽裝置的電解槽(cell)構成圖。
圖7是比較例使用的過去多路型電脫鹽裝置的概略說明圖。
具體實施例方式
以下，對本發(fā)明電脫鹽裝置的種種構成具體地進行說明。
圖2是表示本發(fā)明一種實施方案的電脫鹽裝置構成例的概念圖。在裝置的中央部分配置由陽極側的陰離子交換膜與陰極側的陽離子交換膜劃定的水解室。此外，在水解室的陽極側配置被陰離子交換膜所夾的陰離子脫鹽室，在水解室的陰極側配置被陽離子交換膜所夾的陽離子脫鹽室。脫鹽室外側的室(鄰接電極的區(qū)域)起容納透過離子交換膜的離子的濃縮室的作用。
此外，本發(fā)明的電脫鹽裝置優(yōu)選分別在水解室、脫鹽室、濃縮室中填充離子交換體。水解室如圖2所示，優(yōu)選分別在陽離子交換膜側填充陽離子交換體、在陰離子交換膜側填充陰離子交換體。還優(yōu)選分別在陰離子脫鹽室填充陰離子交換體、在陽離子脫鹽室填充陽離子交換體。另外，優(yōu)選在陽極側的濃縮室鄰接陰離子交換膜填充陰離子交換體，鄰接陽極填充陽離子交換體，在陰極側的濃縮室，鄰接陽離子交換膜填充陽離子交換體、鄰接陰極填充陰離子交換體。但是，也可以例如在陰離子脫鹽室填充的陰離子交換體中混合微量的陽離子交換體，或者在陽離子脫鹽室填充的陽離子交換體中混合微量陰離子交換體。
圖2所示構成的電脫鹽裝置運轉時，向濃縮室導入水、而且向陰離子脫鹽室導入被處理水。優(yōu)選向濃縮室導入相當于RO處理水的雜質少的水。通過陰離子脫鹽室的水再導入陽離子脫鹽室，最后導入水解室。從濃縮室排出的水(濃縮水)然后導入相反側的濃縮室。被處理水首先在脫鹽室中、溶液中的陰離子(例如，SO42-、Cl-等)經離子交換吸附到固相上。被陽極吸引向固相中移動，通過陰離子交換膜向鄰接的濃縮室移動。然后，被處理水被導入陽離子脫鹽室，溶液中的陽離子(例如，Ca2+、Na+等)經離子交換吸附在固相上、被陰極吸引在固相中移動，通過陽離子交換膜向鄰接的濃縮室移動。這樣采用順序通過陰離子脫鹽室及陽離子脫鹽室的方法除去被處理水中所含的雜質離子。除去雜質離子的被處理水最后導入水解室，進一步除去被處理水中殘留的雜質離子(即，水解室起最終脫鹽室的作用)，同時在不同種類的離子交換體的接觸部分產生水的解離(水解)，生成H+和OH-。生成的H+與OH-將水解室內的離子交換體進行再生，同時不用于水解室內離子交換體再生而殘留的H+與OH-，再通過劃定水解室的陽離子交換膜或陰離子交換膜分別向鄰接的陽離子脫鹽室或陰離子脫鹽室移動，將各脫鹽室內的離子交換體進行再生。各脫鹽室內沒消耗的H+和OH-再通過離子交換膜向外側的室(圖2所示結構中為濃縮室)移動。
由于如上述的構成，根據本發(fā)明的電脫鹽裝置，因為向發(fā)生水解場合的水解室供給通過陰離子脫鹽室、陽離子脫鹽室的雜質離子極少的水。所以可以抑制官能基上吸附離子后變成鹽型及由于腐殖質的吸附等導致水解產生電壓升高。另外，在水解室產生的H+和OH-并不只停留在水解室，而向鄰接的脫鹽室移動，由于將該室內的離子交換體再生，故實現(xiàn)H+及OH-的有效利用。
此外，圖2表示首先把被處理水供給陰離子脫鹽室，然后再供給陽離子脫鹽室的方案，但也可按照被處理水的水質首先供給陽離子脫鹽室，然后供給陰離子脫鹽室，例如，被處理水中含較多的鈣，有可能成為在室或配管中析出鈣垢等問題的場合，優(yōu)選首先第一把被處理水供給陽離子脫鹽室，除去被處理水中的鈣離子。另外，例如對原子能發(fā)電站內的蒸汽發(fā)生器(SG)放空(blow-down)水之類含有大量氨的被處理水長期進行電脫鹽處理時，出現(xiàn)氨脫除率逐漸降低的現(xiàn)象。這樣的體系通過最初向陽離子脫鹽室供給被處理水，估計可以維持高的氨脫除率。另外，圖2中是把從陽極側的濃縮室的回收水接著供給陰極側的濃縮室，但水向兩濃縮室的供給及回收是另外的管路，也可以防止?jié)饪s室中水垢等的析出。
另外，本發(fā)明的電脫鹽裝置，也可以多個連續(xù)地配列陰離子脫鹽室及陽離子脫鹽室，圖3示出了這種狀態(tài)的電脫鹽裝置概況。圖3所示的電脫鹽裝置，利用陽極側的陰離子交換膜A和陰極側的陽離子交換膜C劃定水解室，水解室的陽極側通過連續(xù)配置多片陰離子交換膜，連續(xù)地配列多個陰離子脫鹽室，水解室的陰極側通過連續(xù)地配置多片陽離子交換膜，連續(xù)地配列多個陽離子脫鹽室。此外，最外側的室(鄰接電極的區(qū)域)起容納鄰接該區(qū)的脫鹽室移動過來的離子的濃縮室的作用。與圖2所示狀態(tài)的電脫鹽裝置同樣地，優(yōu)選在水解室，脫鹽室及濃縮室內填充離子交換體。此外，水解室中優(yōu)選在陰離子交換膜側填充陰離子交換體，在陽離子交換膜側填充陽離子交換體。另外，優(yōu)選分別在陰離子脫鹽室填充陰離子交換體、在陽離子脫鹽室填充陽離子交換體。此外，在陽極側的濃縮室，優(yōu)選鄰接陰離子交換膜填充陰離子交換體、鄰接陽極填充陽離子交換體，在陰極側的濃縮室、優(yōu)選鄰接陽離子交換膜填充陽離子交換體，鄰接陰極填充陰離子交換體。
如圖3所示有多個脫鹽室的電脫鹽裝置，優(yōu)選順序而串聯(lián)地從外側(即鄰接電極一側)的脫鹽室供給被處理水，最后供給水解室。例如，圖3所示的電脫鹽裝置，可首先把被處理水供給陰離子脫鹽室(1)。然后，供給陽離子脫鹽室(1)，以下，按順序供給陰離子脫鹽室(2)，陽離子脫鹽室(2)，陰離子脫鹽室(3)、陽離子脫鹽室(3)、陰離子脫鹽室(4)、陽離子脫鹽室(4)，最后供給水解室。各陰離子脫鹽室中，被處理水中的SO42-、Cl-等的陰離子經離子交換吸附在固相上，被陽極吸引向固相中移動，通過陰離子交換膜相繼向鄰接的陰離子脫鹽室移動，最后導入陽極側的濃縮室內，作為濃縮水被排出。另一方面，在各陽離子脫鹽室，被處理水中的Ca2+、Na+等的陽離子經離子交換吸附在固相上、被陰極吸引向固相中移動，通過陽離子交換膜相繼向鄰接的陽離子脫鹽室移動，最后導入陰極側的濃縮室內，作為濃縮水被排出。另外，向水解室供給通過各脫鹽室水中殘留離子濃度極低的水，僅除去殘留的離子(作為最終脫鹽室的作用)，同時在不同種類的離子交換體的接觸部分產生水的解離(水解)，生成H+與OH-。在水解室產生的H+與OH-分別通過陽離子交換膜及陰離子交換膜向鄰接的脫鹽室移動，再生各脫鹽室內的離子交換體同時，沒用于離子交換體再生的剩余的H+與OH相繼向鄰接的脫鹽室移動。
由于如上述的構成，根據圖3所示本發(fā)明一種方案的電脫鹽裝置，由于向作為水解產生場合的水解室供給通過多個陰離子脫鹽室及陽離子脫鹽室的雜質離子極少的水，所以可以抑制在官能基上吸附離子變成鹽型及腐殖質的吸附等導致水解產生電壓的升高。另外，在水解室產生的H+與OH-不只停留在水解室，相繼向鄰接的脫鹽室移動，由于再生該室內的離子交換體，所以不使水解室產生的H+及OH-再結合，可以極有效地用于離子交換體的再生。
另外，如圖3所示，多個連續(xù)地配列陰離子脫鹽室及陽離子脫鹽室時，也產生離子交換體可以高效再生的優(yōu)點。過去的電脫鹽裝置中離子交換體的再生主要是靠H+及OH-的再生。然而，圖3這種構成的電脫鹽裝置，如圖3所示使被處理水流通時，由于Ca2+吸附力比Na+強，因此早期階段的陽離子脫鹽室(圖3中陽離子脫鹽室(1))中，吸附在離子交換體上，而Na+在其后階段的陽離子脫鹽室(例如圖3的陽離子脫鹽室(2))吸附在離子交換體上。此外，陽離子脫鹽室(2)中吸附在離子交換體上的Na+離子被陰極吸引，通過陽離子交換膜向陽離子脫鹽室(1)中移動，由該Na+擠出Ca2+，取代Ca2+而吸附在離子交換體上的Na+，再被H+擠出后，離子交換體進行再生。由于該Na+擠出Ca2+比H+擠出Ca2+的力強，所以更有效地進行離子交換體的再生。
此外，即使是連續(xù)配置多個脫鹽室的方案，如圖3所示也可以根據被處理水的水質等，采用首先把被處理水供給陽離子脫鹽室，然后供給陰離子脫鹽室的這種流通方式代替首先把被處理水供給陰離子脫鹽室然后供給陽離子脫鹽室的液體流通方式。另外，圖3中雖然從各濃縮室回收的濃縮水直接排到體系外，但，例如也可以把陽極側的濃縮室排出的濃縮水再導入陰極側的濃縮室。再者，單獨地流出各濃縮室的排水，具有抑制碳酸鈣的生成、防止水垢產生的有利性。
另外，具有如圖3的多個連續(xù)的陰離子脫鹽室及陽離子脫鹽室的電脫鹽裝置，可以考慮其他幾種被處理水流通方法的變更。例如，以在水解室的兩側分別配置二個陰離子脫鹽室及二個陽離子脫鹽室的電脫鹽裝置為例進行說明，(有關各室的稱呼，從陽極側稱陰離子脫鹽室(1)、陰離子脫鹽室(2)、水解室、陽離子脫鹽室(2)、陽離子脫鹽室(1))，使被處理水按陽離子脫鹽室(1)→陽離子脫鹽室(2)→水解室→陰離子脫鹽室(2)→陰離子脫鹽室(1)的順序，或反之按陰離子脫鹽室(1)→陰離子脫鹽室(2)→水解室→陽離子脫鹽室(2)→陽離子脫鹽室(1)的順序流通。若采用這樣的被處理水流通方式，則電脫鹽裝置的結構簡單，可獲得成本上的優(yōu)勢，可獲得更高的水質。此外，也可以是陰離子脫鹽室(1)→陽離子脫鹽室(1)→水解室→陰離子脫鹽室(2)→陽離子脫鹽室(2)；陽離子脫鹽室(1)→陰離子脫鹽室(1)→水解室→陽離子脫鹽室(2)→陰離子脫鹽室(2)；等之類的被處理水的流通方式。
另外，本發(fā)明的電脫鹽裝置如圖4所示，也可以在最陽極側配置陽離子交換膜，在最陰極側配置陰離子交換膜，形成由陽極與陽離子交換膜劃定的陽極室；鄰接陽極室、由陽極側的陽離子交換膜與陰極側的陰離子交換膜劃定的陰離子濃縮室；由陰極與陰離子交換膜劃定的陰極室；鄰接陰極室、由陽極側的陽離子交換膜與陰極側的陰離子交換膜劃定的陽離子濃縮室。這樣的在濃縮室的外側(靠近電極側)形成極室，通過從各極室向濃縮室供給水，可以防止析出成分流入極室，可以抑制鄰接電極的區(qū)域內高濃度的離子積存后引起水垢向電極等上析出。再者，極室也可以只在一側的電極側形成，這樣的方案也包括在本發(fā)明的范圍內。
此外，如圖4所示的濃縮室和另外單獨形成極室方案的電脫鹽裝置也可以考慮如上所述的被處理水的流通方式的種種變化。另外，圖4中雖然示出了把通過極室的極水供給到鄰接的濃縮室，但也可以例如把通過陽極室的極水再供給陰極室，同時向陽極側的濃縮室供給RO處理水，把通過該濃縮室的濃縮水再供給陰極側的濃縮室。若進行這樣的極水流通，可以獲得極室中產生的氣體只停在極室內的效果。
另外，本發(fā)明的電脫鹽裝置，形成多個水解室，與各水解室鄰接可以在陽極側配置陰離子交換膜隔開的陰離子脫鹽室，在陰極側配置陽離子交換膜隔開的陽離子脫鹽室至少一個以上，這種方案也包括在本發(fā)明的范圍內。把這種方案的電脫鹽裝置的具體例示于圖5。圖5表示的電脫鹽裝置，形成由陽極側的陰離子交換膜與陰極側的陽離子交換膜劃定的二個水解室(最終脫鹽室)，在各個水解室的兩側配置由陰離子交換膜所夾的二個陰離子脫鹽室和由陽離子交換膜所夾的二個陽離子脫鹽室。脫鹽裝置中央部分的由陽極側的陽離子交換膜與陰極側的陰離子交換膜劃定的室起濃縮室的作用。圖5表示的電脫鹽裝置，對陰離子脫鹽室/水解室/陽離子脫鹽室的二組，分別按上述那樣的液體的流通供給被處理水，可以從分別的水解室(最終脫鹽室)獲得處理水(參見圖5的箭頭)。這樣，通過采用形成多個水解室，可以使電脫鹽裝置大型化，可以使本發(fā)明適用于大流量的水處理。
構成本發(fā)明電脫鹽裝置使用的離子交換膜，作為陽離子交換膜例如可以使用NEOSEPTA CMX(德山公司制)等，作為陰離子交換膜例如可以使用NEOSEPTA AMX(德山公司制)等。
另外，如上述本發(fā)明的電脫鹽裝置，優(yōu)選在水解室、脫鹽室、濃縮室及圖4所示方案的裝置中，各極室的至少任何一室配置離子交換體。通過在水解室內填充離子交換體，形成不同種類離子交換體之間的接觸點，這便成為水解的產生場。因此，在水解室內填充離子交換體時，優(yōu)選彼此相對地在陰離子交換膜側填充陰離子交換體，在陽離子交換膜側填充陽離子交換體。另外，水解室內也可混合填充陰離子交換體與陽離子交換體(混床填充)。
此外，通過在脫鹽室及濃縮室填充離子交換體，可以促進這些室內的離子移動。再者，本發(fā)明的電脫鹽裝置，由于在各脫鹽室只以陰離子或陽離子的一方作為對象進行脫鹽，故優(yōu)選分別在陰離子脫鹽室填充離子交換體時填充陰離子交換體、在陽離子脫鹽室填充離子交換體時填充陽離子交換體。另外，在濃縮室中，優(yōu)選分別在陰離子交換膜側填充陰離子交換體，在陽離子交換膜側填充陽離子交換體。
此外，如圖4構成的電脫鹽裝置，通過在極室中填充離子交換體，可以將離子濃度極低的純水作為極水導入極室，有利于防止極室內的水垢等。在極室中填充離子交換體時，優(yōu)選在陽極室填充陽離子交換體，在陰極室填充陰離子交換體。但，極室中也可以混合填充陰離子交換體和陽離子交換體(混床填充)。
本發(fā)明的電脫鹽裝置，如上述，作為可以在水解室、脫鹽室、濃縮室、極室的至少任何室填充的離子交換體，例如，可以使用離子交換樹脂粒珠。作為這種目的可以使用的離子交換樹脂粒珠，可以使用該技術中公知的，以用二乙烯基苯交聯(lián)的聚苯乙烯粒珠等作為基材樹脂使用而制造的離子交換樹脂粒珠。例如，制造有磺酸基的強酸性陽離子交換樹脂的場合，使用硫酸或氯磺酸之類的磺化劑將上述的基材樹脂進行磺化，通過在基材中導入磺酸基獲得強酸性陽離子交換樹脂。另外，例如制造有季銨基的強堿性陰離子交換樹脂時，通過將基材樹脂進行氯甲基化處理后，使三甲胺這類叔胺反應進行季銨化，獲得強堿性陰離子交換樹脂。這樣的制造方法是該技術中眾所周知的方法，另外，采用這種方法制造的離子交換樹脂粒珠，例如采用DowexMONOSPHERE 650C(道化學公司)，Amberlite IR-120B(羅姆·哈斯公司)，Dowex MONOSPHERE 550A(道化學公司)，Amberlite IRA-400(羅姆·哈斯公司)等的商品名市售。
另外，本發(fā)明的電脫鹽裝置，作為水解室、脫鹽室、極室的至少任何室中填充的離子交換體，可以使用陽離子交換纖維材料及陰離子交換纖維材料。作為這種目的使用的離子交換纖維材料，優(yōu)選使用通過接枝聚合法在高分子纖維基材中導入離子交換基的纖維材料。由高分子纖維制的接枝化基材可以是聚烯烴系高分子，例如聚乙烯或聚丙烯等一種的單纖維，還可以是由不同的高分子構成芯和殼的復合纖維。作為可以使用的復合纖維的例子，可列舉聚烯烴系高分子，例如聚乙烯為殼成分，用作殼成分以外的高分子，例如聚丙烯為芯成分的芯殼結構的復合纖維。在這樣的復合纖維材料中利用放射線接枝聚合法導入離子交換基的纖維材料由于可以制造離子交換能力好、厚度均勻的離子交換纖維材料，故優(yōu)選作為本發(fā)明使用的離子交換纖維材料。作為離子交換纖維材料的形態(tài)，可列舉織布、無紡布等。
本發(fā)明的電脫鹽裝置，在水解室、脫鹽室、極室的至少任何一室中填充離子交換纖維材料時，優(yōu)選離子交換纖維材料與間隔件組合填充、確保被處理水或極水的流路。
另外，也可以離子交換纖維材料與賦予離子交換功能的離子傳導間隔件組合后，填充在水解室、脫鹽室、極室的至少任何一室中。例如，在水解室，優(yōu)選分別在陽離子交換膜側填充陽離子交換纖維材料，在陰離子交換膜側填充陰離子交換纖維材料，在兩纖維材料之間優(yōu)選分別在陽離子交換纖維材料側填充陽離子傳導間隔件，在陰離子交換纖維材料側填充陰離子傳導間隔件。另外，優(yōu)選在陰離子脫鹽室中填充在2片陰離子交換纖維材料之間夾持了賦予陰離子交換功能的陰離子傳導間隔件的組合材料，在陽離子脫鹽室中填充2片的陽離子交換纖維材料之間夾持了賦予陽離子交換功能的陽離子傳導間隔件的組合材料。此外，在陽極室，優(yōu)選在陽離子交換膜側填充陽離子交換纖維材料，在陽極側填充陽離子傳導間隔件，陽極室優(yōu)選在陰離子交換膜側填充陰離子交換纖維材料，在陰極側填充陰離子傳導間隔件。再者，有關濃縮室，在陽極側的濃縮室，優(yōu)選在陰離子交換膜側和陽極側分別相對地填充陰離子傳導間隔件和陽離子傳導間隔件，在陰極側的濃縮室，優(yōu)選在陽離子交換膜側和陰極側分別對向地填充陽離子傳導間隔件和陰離子傳導間隔件。另外，如圖4所示有與濃縮室相分開的獨立極室的電脫鹽裝置的濃縮室中，優(yōu)選在陰離子交換膜側和陽離子交換膜側對向地填充陰離子傳導間隔件和陽離子傳導間隔件。
另外，作為水解室中離子交換體的填充形態(tài)，可以考慮(1)鄰接兩個離子交換膜填充陽離子交換纖維材料，在兩陽離子交換纖維材料之間填充2片陽離子傳導間隔件；(2)在陰離子交換側填充陰離子交換纖維材料，在陽離子交換膜側填充陽離子交換纖維材料。在該兩者之間填充2片陰離子傳導間隔件；(3)在陰離子交換膜側填充陰離子交換纖維材料，在陽離子交換膜側填充陽離子交換纖維材料，在該兩者之間填充2片陽離子傳導間隔件；(4)鄰接兩離子交換膜填充陰離子交換纖維材料，在兩陰離子交換纖維材料之間填充2片陰離子傳導間隔件等的形態(tài)。尤其是采用上述(1)或(4)這樣的構成時，由于在膜與纖維材料的接點形成水解場，所以接觸面積大，得到更容易引起水解的優(yōu)點。
這樣，在水解室、脫鹽室、極室的至少任何一室，將離子交換纖維材料與賦予離子交換功能的離子傳導間隔件組合作為離子交換體填充時，由于分散被處理水、容易流動，因此可以降低壓力損失，同時由于間隔件捕捉離子的功能故脫鹽率也明顯提高，還可以良好地除去碳酸成分，二氧化硅成分，有機碳成分(TOC)。
作為上述目的可以使用的離子傳導間隔件，以聚烯烴系高分子制樹脂，例如，過去電透析槽中使用的聚乙烯制斜交編織網(網)作為基材，采用放射線接枝聚合法對該基材賦予離子交換功能，由于離子導電性好，被處理水的分散性好而優(yōu)選。
這里，所謂放射線接枝聚合法是對高分子基材照射放射線形成自由基，使單體與自由基反應在基材中導入單體的方法。
作為放射線接枝聚合法可以使用的放射線，可以列舉α線、γ線、電子束、紫外線等。本發(fā)明優(yōu)選使用γ線或電子束。放射線接枝聚合法有對接枝基材預先照射放射線后，與接枝單體接觸反應的前照射接枝聚合法、和在基材與單體的共存下照射放射線的同時照射接枝聚合法，任何一種方法都可以在本發(fā)明中使用。另外，根據單體與基材的接觸方法，可以列舉使基材浸漬在單體溶液中直接進行聚合的液相接枝聚合法，使基材與單體的蒸汽接觸進行聚合的氣相接枝聚合法，把基材浸漬在單體溶液中后從單體溶液中取出在氣相中進行反應的浸漬氣相接枝聚合法等，任何一種方法均可在本發(fā)明中使用。
作為導入無紡布等的纖維基材或間隔件基材中的離子交換基沒有特殊限定，可以使用各種的陽離子交換基或陰離子交換基。例如，作為陽離子交換基可以使用磺酸基等的強酸性陽離子交換基、磷酸基等的中酸性陽離子交換基、羧基等的弱酸性陽離子交換基，作為陰離子交換基可以使用伯-叔胺基等的弱堿性陰離子交換基、季銨基等的強堿性陰離子交換基、或者，可以使用同時有上述陽離子交換基及陰離子交換基兩者的離子交換體。
這些各種離子交換基，可以通過采用有這些離子交換基的單體進行接枝聚合，優(yōu)選進行放射線接枝聚合，或者使用有可轉換成這些離子交換基的基團的聚合性單體進行接枝聚合后，再把該基轉換成離子交換基而導入纖維基材或間隔件基材中。作為這種目的可以使用的有離子交換基的單體，可以列舉丙烯酸(AAc)、甲基丙烯酸、苯乙烯磺酸鈉(SSS)、甲代烯丙基磺酸鈉、烯丙基磺酸鈉、乙烯基磺酸鈉、乙烯基芐基三甲基氯化銨(VBTAC)、甲基丙烯酸二乙胺基乙酯、二甲胺基丙基丙烯酰胺等。例如，使用苯乙烯磺酸鈉作為單體進行放射線接枝聚合，可以直接在基材上導入作為強酸性陽離子交換基的磺酸基，還可以使用乙烯基芐基三甲基氯化銨作為單體進行放射線接枝聚合，直接在基材上導入作為強堿性陰離子交換基的季銨基。另外，作為具有可轉換成離子交換基的基團的單體，可列舉丙烯腈、丙烯醛、乙烯基吡啶、苯乙烯、氯甲基苯乙烯、甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)等。例如，采用放射線接枝聚合把甲基丙烯酸縮水甘油酯導入基材，然后通過使亞硫酸鈉等的磺化劑反應在基材中導入作為強酸性陽離子交換基的磺酸基，或者將氯甲基苯乙烯接枝聚合后，把基材浸漬在三甲胺水溶液中通過進行季銨化，可以在基材中導入作為強堿性陰離子交換基的季銨基。
此外，本發(fā)明的電脫鹽裝置，由于水解室起到引起水解離的功能，所以填充在水解室中的陽離子交換體與陰離子交換體的至少一方優(yōu)選是強酸性陽離子交換體或強堿性陰離子交換體，特別優(yōu)選強酸性陽離子交換體與強堿性陰離子交換體組合使用。這是因為在陽離子交換體與陰離子交換體的接觸部分產生的水解離，是在強酸性陽離子交換基與強堿性陰離子交換基之間強電場的發(fā)生下才良好地產生的緣故。
本發(fā)明的電脫鹽裝置可以利用中央有形成室用的空間，在該空間上下用離子交換膜插入形成液體流通流路用孔的孔板(cell plate)，在各板的空間內填充適宜離子交換體而形成。例如，圖6表示出五室結構(水解室和在該室的陰極側配置二個陽離子脫鹽室、在陽極側配置二個陰離子脫鹽室的結構)的電脫鹽裝置的構成圖。圖6a所示的各孔板，在中央形成形成室用的空間，在上部及下部形成液體流通流路形成用的孔，上下分別有一個孔與中央的空間連通。按該順序用離子交換膜和孔間防漏水用的墊片插進如圖6a所示的各孔板，構成如圖6b所示在陽極與陰極之間五室結構的電脫鹽裝置。在各室中適當?shù)靥畛潆x子交換體。此外，圖6a中省略了構成濃縮室及極室的孔板方面的介紹。
在這樣構成的裝置中，把被處理水(RO處理水)從上部液體流通流路的中央線供給陰離子脫鹽室(Da1)時，被處理水通過脫鹽室(Da1)內，從下部液體流通流路的右線排出(圖6a)。以后，按陽離子脫鹽室(Dc1)、陰離子脫鹽室(Da2)、陽離子脫鹽室(Dc2)、水解室(Dw)的順序流通被處理水，通過水解室(Dw)的下部液體流通通路的左線回收作為處理水。圖6中實線的箭頭表示通過液體流通流路液體的流動、虛線箭頭表示通過各室內液體的流動。另外，K表示極室、C表示濃縮室。
根據本發(fā)明的電脫鹽裝置，由于水解產生場只限定于水解室，同時水解所產生的H+離子及OH-離子不像過去的電脫鹽裝置那樣在鄰接的濃縮室內進行再結合，可以有效地利用于各脫鹽室內的離子交換體的再生，因此不僅確保運轉電壓低，而且可以極有效地進行脫鹽處理。若采用本發(fā)明的電脫鹽裝置，例如，若把相當于RO處理水的水作為被處理水供給，則使用電極面積100cm2的裝置，在25V左右的低運轉電壓下進行1000小時的連續(xù)運轉(電流100mA、處理水量5L/h)、可以獲得電導率17.7MΩcm-1左右的超純水作為處理水。
以下，利用具體的實施例更詳細地說明本發(fā)明。
制造例1陰離子傳導間隔件(1)的制造使用厚1.2mm、間距3mm的聚乙烯制斜交編織網作為離子傳導間隔件的基材，作為接枝單體使用有季銨基的乙烯基芐基三甲基氯化銨(VBTAC)及有非離子性官能基的N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)。
使用干冰邊冷卻，邊在氮氣環(huán)境氣氛中對聚乙烯制斜交編織網照射γ射線(150kGy)，把該照射過的斜交編織網浸漬在VBTAC及DMAA的混合單體溶液中，在50℃反應3小時，獲得VBTAC及DMAA的混合單體溶液中接枝的斜交編織網材料。使所得的接枝斜交編織網干燥，測定干燥重量算出接枝率(重量增加率)，結果是156％。算出所得接枝斜交編織網的中性鹽分解容量，結果是198meq/m2。把該接枝斜交編織網材料作為陰離子傳導間隔件(1)。
制造例2陰離子傳導間隔件(2)的制造使用干冰邊冷卻，邊在氮氣環(huán)境氣氛中對與制造例1相同的聚乙烯制斜交編織網照射γ射線(150kGy)，把該照射過的斜交編織網浸漬在預先用活性氧化鋁除去阻聚劑的氯甲基苯乙烯(セィミケミカル化學公司制、商品名CMS-AM)中，在50℃反應5小時，獲得氯甲基苯乙烯接枝的斜交編織網材料(接枝率90％)。把所得的接枝斜交編織網浸漬在10重量％三甲胺水溶液中進行李銨化，在氫氧化鈉溶液中進行再生，制得強堿性陰離子導電間隔件(中性鹽分解容量267meq/m2)。把這作為陰離子傳導間隔件(2)。
制造例3陽離子傳導間隔件的制造使用干冰邊冷卻，邊在氮氣環(huán)境氣氛中對與制造例1相同的聚乙烯制斜交編織網照射γ射線(150kGy)。把該照射過的斜交編織網浸漬在苯乙烯磺酸鈉與丙烯酸的混合單體溶液中，在75℃反應3小時，獲得有磺酸基及羧基的接枝斜交編織網材料(陽離子導電間隔件(接枝率153％)，中性鹽分解容量是189meq/m2，總交換容量是834meq/m2。
制造例4陽離子交換無紡布的制造作為基材，使用纖維直徑17μm的由聚乙烯(殼)/聚丙烯(芯)的復合纖維構成的單位面積重量55g/m2、厚0.35mm的熱熔合無紡布。在氮氣環(huán)境氣氛下對無紡布基材照射電子束(150kGy)，把照射過的無紡布基材浸漬在甲基丙烯酸縮水甘油酯的10％甲醇溶液中，在45℃反應4小時。把反應后的無紡布基材在60℃的二甲基甲酰胺溶液中浸漬5小時除去均聚物，獲得甲基丙烯酸縮水甘油酯接枝的無紡布材料(接枝率131％)，把該接枝無紡布浸漬在亞硫酸鈉∶異丙醇∶水＝1∶1∶8(重量比)的溶液中，在80℃反應10小時，獲得強酸性陽離子交換無紡布(中性鹽分解容量471meq/m2)。
制造例5陰離子交換無紡布的制造對與制造例4相同的無紡布基材在氮氣環(huán)境氣氛下照射電子束(150kGy)。把氯甲基苯乙烯(セィミケミカル化學公司制、商品名CMS-AM)液通入活性氧化鋁填充層中除去阻聚劑，進行氮曝氣。在脫氧處理后的氯甲基苯乙烯溶液中浸漬照射過的無紡布基材，在50℃反應6小時。然后，從氯甲基苯乙烯溶液中取出無紡布，在甲苯中浸漬3小時除去均聚物，制得氯甲基苯乙烯接枝的無紡布材料(接枝率161％)。在三甲胺水溶液(10重量％)中使該接枝無紡布季銨化后用氫氧化鈉進行再生處理，制得有季銨基的強堿性陰離子交換無紡布(中性鹽分解容量350meq/m2)。
實施例1組裝圖4所構成的電脫鹽裝置。通過在正負電極之間如圖4所示配置陽離子交換膜C(德山公司制NEOSEPTA CMB)和陰離子交換膜A(德山公司制NEOSEPTA AHA)，構成從陽極側按陽極室、濃縮室、陰離子脫鹽室(1)、陰離子脫鹽室(2)、水解室、陽離子脫鹽室(2)、陽離子脫鹽室(1)、濃縮室、陰極室的順序配列的電脫鹽裝置。各室的厚度為5mm、電極的面積為100cm2。在陰離子脫鹽室內，分別在每一個陰離子交換膜面配置1片上述制造的陰離子交換無紡布，在兩陰離子交換無紡布之間填充2片上述制造的陰離子傳導間隔件(2)。在陽離子脫鹽室內，分別在每一個陽離子交換膜面配置一片上述制造的陽離子交換無紡布，在兩陽離子交換無紡布之間填充2片上述制造的陽離子傳導間隔件。在水解室，分別在陰離子交換膜面配置1片上述制造的陰離子交換無紡布，在陽離子交換膜面配置1片上述制造的陽離子交換無紡布，在兩無紡布間分別在陰離子交換無紡布面填充1片上述制造的陰離子傳導間隔件(2)，在陽離子交換無紡布面填充1片上述制造的陽離子傳導間隔件。兩濃縮室中，分別在陰離子交換膜面填充1片上述制造的陰離子傳導間隔件(1)，在陽離子交換膜面填充1片上述制造的陽離子傳導間隔件。另外，陽極室中，在陽離子交換膜面上配置1片上述制造的陽離子交換無紡布、在陽離子交換無紡布面上填充3片上述制造的陽離子傳導間隔件。陰極室中，在陰離子交換膜面上配置1片上述制造的陰離子交換無紡布、在陰離子交換無紡布面上填充3片上述制造的陰離子傳導間隔件(1)。
在兩電極間外加0.1A的直流電流、把0.2MΩ的RO處理水(反滲透膜處理水二氧化硅濃度0.1-0.3ppm、水溫14-20℃)按流量5L/h向陰離子脫鹽室(1)通水，把來自陰離子脫鹽室(1)的回收水按以下順序，即按陽離子脫鹽室(1)、陰離子脫鹽室(2)、陽離子脫鹽室(2)、水解室的順序進行通水。極室及濃縮室按陽極室一陽極側的濃縮室，及陰極室一陰極側的濃縮室的順序通同樣的RO處理水(流量5L/h)。運轉1000小時后，運轉電壓是25V。可以穩(wěn)定供給17.7MΩ的水質。另外，拆開裝置目視觀察，結果任何的室內也沒觀察出水垢。
比較例1采用過去的電脫鹽裝置進行通水試驗。如圖7所示，組裝有脫鹽室5個的過去公知型的電脫鹽裝置，使用與實施例1同樣的離子交換膜，在各脫鹽室，分別在陰離子交換面上配置1片上述制造的陰離子交換無紡布、在陽離子交換膜面上配置1片上述制造的陽離子交換無紡布，在兩無紡布間填充2片上述制造的陰離子傳導間隔件(2)。各濃縮室中，分別在陰離子交換膜面填充1片上述制造的陰離子傳導間隔件(1)、在陽離子交換膜面填充1片上述制造的陽離子傳導間隔件。陽極室中填充4片上述制造的陽離子傳導間隔件，陰極室中填充4片上述制造的陰離子傳導間隔件(1)。
在兩電極間外加0.1A的直流電流，把0.2MΩ的RO處理水(反滲透膜處理水∶二氧化硅濃度0.1-0.3ppm、水溫14-20℃)，按流量5L/h分別通入脫鹽室D1、濃縮室C1，來自脫鹽室D1的回收水，以下按脫鹽室D2-脫鹽室D3-脫鹽室D4的順序進行通水，從脫鹽室D4得到處理水。來自濃縮室C1的回收水，以下，按濃縮室C2-濃縮室C3-濃縮室C4-濃縮室C5的順序進行通水。兩極室中按流量5L/h通同樣的RO處理水。在1000小時之間可以穩(wěn)定供給17.5MΩ的水質，運轉1000小時后的運轉電壓升高到130V。而拆開裝置目視觀察的結果，在陽極室相鄰的濃縮室的陰離子交換膜面上觀察到水垢。
根據本發(fā)明通過提供迄今完全料想不到的構成的電脫鹽裝置，可以在與過去的電脫鹽裝置相比極低的運轉電壓下、且長期運轉后不引起運轉電壓的上升而進行穩(wěn)定的脫鹽。
權利要求
1.電脫鹽裝置，是通過在陽極與陰極之間配列陽離子交換膜及陰離子交換膜形成多個室的電脫鹽裝置，其特征在于由陽極側的陰離子交換膜與陰極側的陽離子交換膜劃定水解室，在該水解室的陽極側配置被陰離子交換膜所夾的陰離子脫鹽室，在該水解室的陰極側配置被陽離子交換膜所夾的陽離子脫鹽室。
2.權利要求1所述的電脫裝置，其特征在于在水解室的陽極側連續(xù)地配列多個由陰離子交換膜所夾的陰離子脫鹽室，在水解室的陰極側連續(xù)地配列多個由陽離子交換膜所夾的陽離子脫鹽室。
3.權利要求1或2所述的電脫鹽裝置，其特征在于在最接近陽極的陰離子脫鹽室的陽極側的陰離子交換膜與陽極之間配置陽離子交換膜，形成由陽極側的陽離子交換膜與陰極側的陰離交換膜劃定的濃縮室，及由陽極與陽離子交換膜劃定的陽極室，在最接近陰極的陽離子脫鹽室的陰極側的陽離子交換膜與陰極之間配置陰離子交換膜，形成由陽極側的陽離子交換膜與陰極側的陰離子交換膜劃定的濃縮室，及由陰極與陰離子交換膜劃定的陰極室。
4.權利要求1-3的任何一項所述的電脫鹽裝置，其特征在于在水解室、脫鹽室、濃縮室、極室的至少任一室中填充離子交換體。
5.權利要求4所述的電脫鹽裝置，其特征在于在陰離子脫鹽室填充陰離子交換體，在陽離子脫鹽室填充陽離子交換體，在水解室填充陰離子交換體和/或陽離子交換體。
6.權利要求4所述的電脫鹽裝置，其特征在于在陰離子脫鹽室填充陰離子交換體，在陽離子脫鹽室填充陽離子交換體，在水解室中，在陰離子交換膜側和陽離子交換膜側分別對向地配置陰離子交換體和陽離子交換體。
7.權利要求4-6的任何一項所述的電脫鹽裝置，其特征在于在水解室，分別在陽離子交換膜側和陰離子交換膜側分別對向地配置陽離子交換纖維材料和陰離子交換纖維材料，在兩纖維材料之間，分別在陽離子交換纖維材料側填充陽離子傳導間隔件，在陰離子交換纖維材料側填充陰離子傳導間隔件。
8.權利要求4-7的任一項所述的電脫鹽裝置，其特征在于在陰離子脫鹽室，面朝陰離子交換膜配置陰離子交換纖維材料，在陰離子交換纖維材料之間填充陰離子傳導間隔件，在陽離子脫鹽室，面朝陽離子交換膜配置陽離子交換纖維材料，在陽離子交換纖維材料之間填充陽離子傳導間隔件。
9.權利要求7或8所述的電脫鹽裝置，其特征在于陰離子交換纖維材料、陽離子交換纖維材料，陰離子傳導間隔件、陽離子傳導間隔件是分別利用放射線接枝聚合法在有機高分子基材中導入離子交換基的材料。
全文摘要
本發(fā)明目的是提供低電壓下可長期運轉的電脫鹽裝置。作為達到這種目的的方法，本發(fā)明涉及全新構成的電脫鹽裝置，是提供通過在陽極與陰極之間配列陽離子交換膜及陰離子交換膜形成多個室的電脫鹽裝置，其特征在于由陽極側的陰離子交換膜與陰極側的陽離子交換膜劃定水解室，在該水解室的陽極側配置由陰離子交換膜所夾的陰離子脫鹽室，在該水解室的陰極側配置由陽離子交換膜所夾的陽離子脫鹽室。
文檔編號B01D61/48GK1537078SQ0380072
公開日2004年10月13日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權日2002年5月17日
發(fā)明者高橋洋平, 夫, 藤原邦夫, 善, 川本孝善, 中西收, 二, 秋山徹, 赤堀晶二, 青山淳 申請人:株式會社荏原制作所