用於製備去離子水的電去離子裝置的製作方法

2023-06-16 17:46:31 1

專利名稱：用於製備去離子水的電去離子裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於製備去離子水的電去離子裝置並且，更具體地，涉及去離子室的結構。
背景技術：
已知用於製備去離子水的去離子裝置，其中通過使所要處理的水通過離子交換劑進行去離子。在這些製備裝置中，當去離子性能歸因於離子交換基的飽和而降低時，需要用化學品(鹼或酸)再生離子交換劑中的離子交換基。更具體地，需要的是分別用源自酸的H+和源自鹼的0H—置換吸附至離子交換基的陰離子和陽離子。近年來，開發了不需要用化學品再生的用於製備去離子水的電去離子裝置，並且使其進入了實際應用以克服上面描述的操作缺陷。用於製備去離子水的電去離子裝置是使用電泳和電滲析的組合的裝置。普通的用於製備去離子水的電去離子裝置的基本構造如下面所描述。換言之，用於製備去離子水的電去離子裝置具有去離子室、放置在去離子室的相反側上的一對濃縮室、放置在一個濃縮室外側的陽極室、以及放置在另一個濃縮室外層的陰極室。去離子室具有彼此相對的陰離子交換膜和陽離子交換膜和填充在這些交換膜之間的離子交換劑(陰離子交換劑和/或陽離子交換劑)。在以下描述中，用於製備去離子水的電去離子裝置有時被簡稱為「去離子水製備裝置」。為了用上述構造的去離子水製備裝置製備去離子水，使所要處理的水在分別設置在陽極和陰極室中的電極之間施加直流電壓的狀態下穿過去離子室。在去離子室中，陰離子組分(例如，Cl'CO廣、HCO3IPSiO2)由陰離子交換劑捕獲並且陽離子組分(例如，Na+，Ca2+和Mg2+)由陽離子交換劑捕獲。同時，去離子室中陰離子交換劑與陽離子交換劑之間的界面處出現水分解反應，從而生成氫離子和氫氧根離子(2H20 — Η++0Η—)。由離子交換劑捕獲的離子組分通過氫離子和氫氧根離子對所述離子組分的置換從離子交換劑釋放。所釋放的離子組分通過電泳穿過離子交換劑移動至離子交換膜(陰離子交換膜或陽離子交換膜)，在離子交換膜中經歷電滲析並且移動至濃縮室中。移動至濃縮室中的離子組分由在濃縮室中流動的水排出。在用於製備去離子水的電去離子裝置中，如上所述，氫離子和氫氧根離子連續地充當用於再生離子交換劑的再生劑(酸和鹼)。因此，基本上不需要用化學品再生離子交換劑，並且該裝置可以連續地運行。然而，當去離子水製備裝置連續地運行時，所要處理的水中的硬度組分沉澱以產生水垢，如碳酸鈣或氫氧化鎂。尤其是在插入在陰極室與濃縮室之間的陰離子交換膜的濃縮室側的表面上產生水垢(參見圖8)。在其中設置多個去離子室的情況下，在位於去離子室中的兩個之間的濃縮室中的陰離子交換膜的表面上產生水垢(參見圖9)。這是因為下面描述的原因。歸因於在陰極室中由電解生成的氫氧根離子或在去離子室中由水分解反應生成的氫氧根離子的通過，濃縮室中的陰離子交換膜表面變為鹼性。從去離子室穿過陽離子交換膜的硬度組分(鎂離子或鈣離子)在鹼性條件下在陰離子交換膜表面反應以產生氫氧化鈣或氫氧化鎂。如果濃縮水中含有含碳酸根離子(carbonic ion)，進一步生成碳酸鈣或碳酸鎂。當生成水垢時，其上生成水垢的區域處的電阻增加，並且電流不能容易地在那裡流過。換言之，出現增加電壓以獲得與沒有水垢的情況下的電流值相同的電流值的需要，導致能量消耗上的增加。也存在濃縮室中電流密度不均勻的可能性。如果水垢的量進一步增加，用於使水通過的壓差增加並且電阻進一步增加。在這種情況下，用於離子的移除所需的電流減弱，這導致處理過的水的品質上的下降。除此之外，也存在所生長的水垢穿透至離子交換膜的內部的可能性，導致離子交換膜損壞。作為防止上面描述的水垢生成的方法，提出了用陰離子交換劑填充濃縮室。例如，專利文獻I公開了一種去離子水製備裝置，所述去離子水製備裝置具有放置在濃縮室中的陰離子交換膜側上的特殊結構的陰離子交換劑。在該去離子水製備裝置中，or至濃縮水中的擴散在多孔陰離子交換劑表面處得到了促進並且迅速地降低了在該表面處的0H_濃度。另一方面，使硬度組分離子變得難以滲透過多孔陰離子交換劑。作為結果，OH—與硬度組分離子之間的接觸和反應的機會減少，並且防止了水垢的沉澱和積累。專利文獻2公開了一種去離子水製備裝置，其中在濃縮室中設置在水滲透性上不同的兩個以上離子交換劑層，並且將具有較低水滲透性的離子交換劑層放置在陰離子交換膜側上，所述陰離子交換膜的陰離子交換基至少設置在層的表面中。在這種去離子水製備裝置中，當移動離開較高水滲透性層的含有大量的硬度組分的濃縮水達到較低水滲透性層時，移動濃縮水的力減小。作為結果，阻擋了含有大量的硬度組分的濃縮水至陰離子交換膜的濃縮室側的表面的流動，從而防止水垢的沉澱和積累。引用列表專利文獻專利文獻I JP 2001-225078A專利文獻2 JP 2002-1345A發明概述技術問題然而，在去離子水製備裝置中，即使可以通過用陰離子交換劑填充濃縮室避免水垢的生成，出現不同於水垢生成的問題的如下所述的問題。以濃縮水中含有的碳酸和二氧化矽為代表的弱酸陰離子組分穿過插入在濃縮室與去離子室之間的離子交換膜並且在處理過的水中擴散，從而降低處理過的水的純度。處理過的水的純度上的這種降低在其中濃縮室填充有陰離子交換劑的情況下更顯著地出現。將通過實例的方式關於具有碳酸和二氧化矽的情況詳細描述該問題。陽離子交換膜通常是選擇性地僅允許陽離子從其中通過的離子交換膜。該功能的原理是膜自身具有負電荷，並且對於帶有負電荷的陰離子施加斥力並阻止陰離子穿過膜。另一方面，碳酸(二氧化碳)和二氧化矽在水溶液中採取在平衡中的多種離子物種的形式。
權利要求
1.一種用於製備去離子水的電去離子裝置，所述用於製備去離子水的電去離子裝置包括至少一個去離子處理單元，所述至少一個去離子處理單元設置在彼此相對的陰極和陽極之間，所述去離子處理單元包括去離子室和一對濃縮室，所述一對濃縮室與所述去離子室相鄰，在其相反側上放置並且填充有陰離子交換劑，其中所述去離子室由離子交換膜分隔成與所述一對濃縮室中的一個相鄰的第一小去離子室和與所述一對濃縮室中的另一個相鄰的第二小去離子室；其中所述第一小去離子室填充有陰離子交換劑，並且其中所述第二小去離子室順次填充有陰離子交換劑和陽離子交換劑，以使得所要處理的水最終從其通過的離子交換劑是所述陰離子交換劑。
2.根據權利要求I所述的用於製備去離子水的電去離子裝置，其中在所述第一小去離子室中形成一個陰離子交換層，並且其中至少一個陰離子交換層和至少一個陽離子交換層順次層疊在所述第二小去離子室中，以使得所要處理的水從其最終通過的離子交換劑是所述陰離子交換劑。
3.根據權利要求2所述的用於製備去離子水的電去離子裝置，其中兩個陰離子交換層和兩個陽離子交換層交替地層疊在所述第二小去離子室中。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的用於製備去離子水的電去離子裝置，其中形成流道以使得所要處理的水流入到所述第二小去離子室中的方向和濃縮水流入到所述濃縮室中的方向彼此相反。
全文摘要
所公開的用於製備去離子水的電去離子裝置配備有去離子處理單元，所述去離子處理單元包括去離子室(D)和去離子室(D)相鄰的在其相反側上放置並且填充有陰離子交換劑的一對濃縮室(C1和C2)。去離子室(D)由離子交換膜分隔成與濃縮室(C1)相鄰的第一小去離子室(D-1)和與濃縮室C2相鄰的第二小去離子室(D-2)。第一小去離子室(D-1)填充有陰離子交換劑。第二小去離子室(D-2)順次填充有陰離子交換劑和陽離子交換劑，以使得陰離子交換劑是所要處理的水最終從其通過的離子交換劑。
文檔編號C02F1/469GK102939266SQ20118002752
公開日2013年2月20日 申請日期2011年5月20日 優先權日2010年6月3日
發明者長谷川一哉, 淺川友二, 佐佐木慶介 申請人:奧加諾株式會社