CN101541686A - 电去离子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电去离子装置。该电去离子装置1是在阴极11和阳极12之间，交替排列多个阴离子交换膜13和阳离子交换膜14交替形成浓缩室15和脱盐室16而成；在浓缩室15种设置双极性膜20将浓缩室15内间隔成阴极侧和阳极侧，自被处理水的流动方向的上游侧将脱盐室16分割为第一层16A及第二层16B的至少二层，填充由阴离子交换体30A和阳离子交换体30B构成的离子交换体30，填充在第一层16A的离子交换体30含有50体积％以上的阳离子交换体30B，填充在第二层16B的离子交换体30含有超过50－80体积％的阴离子交换体30A，由此，可以在浓缩室及脱盐室防止水垢的发生，长时期稳定地运转。

Description

电去离子装置
技术领域
本发明涉及电去离子装置，特别涉及能防止脱盐室中水垢障碍的电去离子装置。
背景技术
目前，在半导体制造工厂、液晶制造工厂、制药工业、食品工业、电力工业等的各种产业或民生用乃至研究设施等中使用的去离子水的制造中，多使用如下的电去离子装置1，即，如图4所示，在电极(阳极11、阴极12、阳极室17、阴极室18)之间交替排列多个阴离子交换膜(A膜)13及阳离子交换膜(C膜)14而交替形成浓缩室15和脱盐室16，在脱盐室16中将由离子交换树脂、离子交换纤维或接枝交换体等构成的阴离子交换体及阳离子交换体混合或填充为多层状的电去离子装置1(参照专利文献1-3)。
该电去离子装置通过水分解而生成H+离子和OH-离子，通过连续地再生填充在脱盐室内的离子交换体，具有如下优异的效果：可以高效地进行脱盐处理，不需要进行一直以来被广泛使用的离子交换装置那样的使用药品的再生处理，可以进行完全的连续采水，可得到高纯度的水。
然而，将在净水厂等对河川水、地下水等进行了除污、脱氯、软化处理了的自来水作为电去离子装置的被处理水直接使用的情况下或被处理水的钙浓度高的情况下，由于引起(1)浓缩室内的水垢的产生，(2)CO2负荷增大导致的处理水电导率的恶化，因此目前，不能将这些水直接作为电去离子装置的被处理水而进行通水。
在这样的问题点中，对于(2)CO2负荷的增大，可以通过将比较廉价的脱碳酸装置作为电去离子装置的前处理装置进行使用而解决。另外，为防止(1)浓缩室内的水垢的产生，有在电去离子装置的前段设置软化装置等来完全地去除被处理水中的硬度成分的方法，但在使用软化装置的情况下，其再生变得必要，使用不需要再生的电去离子装置而产生的优点丧失。
为解决这样的问题点，目前已知有作为电去离子装置的前处理装置，为使硬度成分以及CO2浓度降低而设置反渗透膜装置(RO膜装置)的方法，特别是在被处理水中的硬度成分浓度高的情况下，通常使用将RO膜装置串联地两段设置的方法。
另外，已提出如下的方法：即如图4所示，通过用双极性膜20将电去离子装置10的浓缩室15进行间隔、防止在浓缩室15内作为水垢成分的钙离子(Ca2+)和碳酸根离子(CO3 2-)缔合，由此可以省略作为电去离子装置10的前处理装置所需要的RO膜装置，谋求设备成本、处理成本的降低的方法(参照专利文献4、5)。
专利文献1：专利第1782943号公报
专利文献2：专利第2751090号公报
专利文献3：专利第2699256号公报
专利文献4：特开2001-198577号公报
专利文献5：特开2002-186973号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献4、5中记载的方法中将1段RO膜处理水导入到电去离子装置的情况下，原水中所含的硬度成分浓度发生改变、或者硬度成分浓度非常高时，在电去离子装置的脱盐室内部的pH比较高的阴离子交换体比率大的地方，有时产生氢氧化物水垢。例如，存在氢氧化镁这样的不溶解成分析出、不能稳定地运转这样的问题。
另外，原水中的硬度成分浓度高时，需要在电去离子装置的前段设置两段RO膜装置，该情况下，存在不仅装置成本提高而且用于驱动RO膜装置的高压泵的耗电量也大等的问题。
因此希望即使是被处理水的硬度成分浓度非常高的条件，只用1段RO膜装置的前处理就可以稳定地运转的电去离子装置。
本发明是鉴于上述课题而做出的发明，其目的在于提供一种电去离子装置，在浓缩室及脱盐室可以防止水垢的产生，可以长期间稳定地运转。
用于解决课题的手段
为解决上述课题，本发明提供电去离子装置，在阴极和阳极之间交替排列多个阴离子交换膜和阳离子交换膜而交替形成浓缩室和脱盐室，在该浓缩室设置双极性膜将该浓缩室内间隔成阴极侧和阳极侧，其特征在于，自被处理水的流动方向的上游侧起将所述脱盐室分割成第一层及第二层的至少二层，填充由阴离子交换体和阳离子交换体构成的离子交换体，填充在上述第一层的离子交换体含有50体积％以上的上述阳离子交换体，填充在上述第二层的离子交换体含有超过50至80体积％的上述阴离子交换体(发明1)。
根据上述发明(发明1)，由于填充在脱盐室的第一层的离子交换体中含有50体积％以上的阳离子交换体，因此被处理水中的钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)等二价阳离子容易移动而被选择性地去除；由于填充在第二层的离子交换体中含有超过50至80体积％的阴离子交换体，因此被处理水中的碳酸氢离子(HCO3 -)及由于在脱盐室内的水离解而产生的氢氧化物离子(OH-)容易移动而被去除。特别是，由于在最初导入被处理水的第一层中填充富含阳离子的离子交换体，因此被处理水的pH不会上升，可以防止氢氧化物水垢的产生。
另外，本发明提供一种电去离子装置，在阴极和阳极之间交替排列多个阴离子交换膜和阳离子交换膜而交替形成浓缩室和脱盐室，在该浓缩室设置双极性膜将该浓缩室间隔成阴极侧和阳极侧，其特征在于，自被处理水的流动方向的上游侧起将上述脱盐室分割为第一层、第二层及第三层的至少三层，填充由阴离子交换体和阳离子交换体构成的离子交换体，填充在上述第一层及第三层的离子交换体含有50体积％以上的上述阳离子交换体，填充在上述第二层的离子交换体含有超过50至80体积％的上述阴离子交换体(发明2)。
根据上述发明(发明2)，在脱盐室的第一层中被处理水的钙离子、镁离子等二价阳离子移动而被选择性地去除，在脱盐室的第二层中碳酸氢根离子、氢氧化物离子等阴离子被去除，由此可以防止在脱盐室内的碳酸钙、氢氧化镁等水垢的产生，同时在脱盐室的第三层可以使钠离子等一价阳离子移动而被去除。由此，可以使电去离子装置长时期稳定地运转，同时可以进一步提高在脱盐室得到的去离子水的水质。
在上述发明(发明1、2)中，可以对全部硬度成分的浓度以碳酸钙换算浓度计为0.5mg/L以上的被处理水进行处理(发明3)。
通常，在电去离子装置的上游侧设置1段反渗透膜装置作为前处理装置，因此将供给到电去离子装置的被处理水的全部硬度成分含量调节为不足0.5mg/L，在电去离子装置中不产生水垢，因此供给到电去离子装置的被处理水的全部硬度成分含量为0.5mg/L以上时，需要再设置1段反渗透膜装置，但根据上述发明(发明3)，即使被处理水的水质恶化、被处理水中包含的全部硬度成分的浓度非常高时，不再设置1段反渗透膜装置也可以对被处理水进行处理。
在上述发明(发明1-3)的基础上，优选对将pH已被调节为6.5以下的被处理水进行处理(发明4)。pH高(处于碱性状态)时，在脱盐室内部的阴离子交换体的体积比率大的部分中氢氧化镁这样的不溶成分析出，恐怕不能使电去离子装置稳定地运转，但如本发明(发明4)这样通过对预先已将pH调节为6.5以下的被处理水进行处理，可以更有效地防止电去离子装置中氢氧化镁等氢氧化物水垢的产生。
在上述发明(发明1-4)中，优选将上述双极性膜以使得阴离子交换层面位于阳极侧、阳离子交换层面位于阴极侧的地设置在上述浓缩室内(发明5)。
根据上述发明(发明5)，通过将设置在浓缩室内的双极性膜的阴离子交换层面位于阳极侧、阳离子交换层面位于阴极侧，通过双极性膜对从浓缩室的阳离子交换膜侧的脱盐室透过的钙离子和从浓缩室的阴离子交换膜侧的脱盐室透过的碳酸氢离子进行隔断，使之不能会合，因此可以防止碳酸钙等水垢产生。
在上述发明(发明1-5)中，优选在上述浓缩室内填充有离子交换体(发明6)。根据该发明(发明6)，通过在浓缩室内填充有离子交换体，在浓缩室内离子可以快速移动、抑制运转时的电压上升。由此，可以得到水质稳定了的去离子水。另外，可以去除从脱盐室向浓缩室内透过的钙离子、碳酸氢离子等，可以有效地防止浓缩室内产生水垢。
在上述发明(发明1-6)中，优选设置将脱盐室的流出水的一部分供给到浓缩室的流入侧的流路，(发明7)。根据该发明(发明7)，即使对如自来水那样钙浓度高的水进行处理的情况下，也可以通过将去离子水的一部分导入到浓缩室，用去离子水稀释浓缩室的循环水来降低钙浓度，可进一步防止浓缩室内产生水垢。
发明效果
根据本发明，提供一种电去离子装置，其可以防止在浓缩室及脱盐室产生水垢、长时期稳定地运转。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的电去离子装置的概略结构图；
图2是表示同实施方式的电去离子装置的脱盐室的放大剖面图；
图3是表示同实施方式的电去离子装置的被处理水的流动的系统图；
图4是表示现有的电去离子装置的概略结构图。
符号说明
1…电去离子装置
11…阳极
12…阴极
13…阴离子交换膜
14…阳离子交换膜
15…浓缩室
16…脱盐室
17…阳极室
18…阴极室
20…双极性膜
20A…阴离子交换层面
20B…阳离子交换层面
30…离子交换体
30A…阴离子交换树脂
30B…阳离子交换树脂
具体实施方式
下面，基于附图对本发明一实施方式的电去离子装置进行说明。图1是表示本实施方式的电去离子装置的概略结构图，图2是表示同实施方式的电去离子装置的脱盐室的放大剖面图。
如图1所示，本实施方式的电去离子装置1具有阳极11、阴极12、阳极室17、阴极室18、在阳极11和阴极12之间交替地排列阳离子交换膜14及阴离子交换膜13而交替形成的脱盐室16及浓缩室15。
在浓缩室15中排列有双极性膜20，通过该双极性膜20将浓缩室15间隔成阳极侧间隔室15A和阴极侧间隔室15B。
双极性膜20如下配置：其阴离子交换层面20A位于阴极12侧、阳离子交换层面20B位于阳极11侧。由此，由于自阴离子交换膜13侧的脱盐室16透过的碳酸氢离子(HCO3 -)和自阳离子交换膜14侧的脱盐室16透过的钙离子(Ca2+)分别被双极性膜20的阳离子交换层面20B和阴离子交换层面20A隔断，所以，可以防止它们会合而导致的在浓缩室15内产生碳酸钙水垢。
在本实施方式中，作为设置在浓缩室15中的双极性膜20，只要是具有阴离子交换层20A和阳离子交换层20B、水电解效率高的双极性膜，就没有特别限定。
在脱盐室16内填充有作为离子交换体30的阴离子交换树脂30A及阳离子交换树脂30B。通过在脱盐室16中填充有阴离子交换树脂30A及阳离子交换树脂30B，可以提高在脱盐室16得到的去离子水的水质。
如图2所示，脱盐室16自被处理水的流动方向的上游侧起被分割，填充有阴离子交换树脂30A和阳离子交换树脂30B的混合比率不同的离子交换体30。本实施方式中，脱盐室16自被处理水的流动方向的上游侧起被分割为第一层16A、第二层16B及第三层16C的三层，但不限定于此，例如，也可以被分割为第一层及第二层的二层，也可以被分割为四层以上。
填充在脱盐室16的第一层16A及第三层16C的离子交换体30中的阴离子交换树脂30A和阳离子交换树脂30B的混合比率为：离子交换体30中的阳离子交换树脂30B的体积比率为50体积％以上，优选第一层16A中阳离子交换树脂30B的体积比率为50体积％以上、80体积％以下，优选第三层16C中阳离子交换树脂30B的体积比率为70体积％以上。通过增加构成第一层16A的混合树脂中阳离子交换树脂30B的体积比率，可以将供给到脱盐室16的被处理水中的硬度成分(Ca2+、Mg2+等二价阳离子)选择性地且有效地去除，由此可以防止碳酸钙、氢氧化镁等水垢的产生。另外，通过增加构成第三层16C的混合树脂的阳离子交换树脂30B的体积比率，可以去除供给到脱盐室16的被处理水中所含有的钠离子(Na+)等在第一层16A未去除的一价阳离子，可以进一步提高在脱盐室16得到的去离子水的水质。
填充在脱盐室16的第二层16B的离子交换体30，其离子交换体30中的阴离子交换树脂30A的体积比率为超过50至80体积％以下，优选阴离子交换树脂30A的体积比率为65-80体积％。通过增加填充在脱盐室16的第二层16B的离子交换体30中阴离子交换树脂30A的体积比率，可以选择性地且有效率地去除被处理水中的阴离子(OH-、HCO3 -、Cl-等)。予以说明的是，在·通过增大第二层中的阴离子交换树脂30A的体积比率，因离子交换OH-的离子浓度上升，因此存在二价阳离子(Ca2+、Mg2+等)时，可能产生氢氧化镁等氢氧化物水垢，但由于二价阳离子在第一层16A被选择性地去除，所以可以防止氢氧化物水垢的产生。
在浓缩室15中，也可以混合填充阴离子交换树脂30A和阳离子交换树脂30B，也可以单独填充阴离子交换树脂30A或阳离子交换树脂30B。通过在浓缩室15将阴离子交换树脂30A和阳离子交换树脂30B进行混合或任一种单独地填充，在浓缩室15内离子快速移动，电流变得容易流动，由此可以抑制运转时的电压的上升，可以得到水质稳定了的去离子水。
在浓缩室15中混合填充阴离子交换树脂30A和阳离子交换树脂30B的情况下，其混合比不受特别限定，但例如优选阴离子交换树脂30A∶阳离子交换树脂30B＝90∶10-10∶90，更优选阴离子交换树脂30A∶阳离子交换树脂30B＝70∶30-30∶70。
如图3所示，本实施方式的电去离子装置1具备连接脱盐室16的流出侧与浓缩室15及电极室(阳极室17、阴极室18)的流入侧的去离子水供给管。由此，自脱盐室16流出的去离子水的一部分被供给到浓缩室15及电极室(阳极室17、阴极室18)，即使在对如自来水这样的钙浓度高的水进行处理的情况下，也可以通过将去离子水的一部分导入到浓缩室15，用去离子水稀释浓缩室15的循环水来降低钙浓度，可以进一步防止浓缩室15中水垢的产生。
优选向如以上说明了的本实施方式的电去离子装置1的脱盐室16供给预先已调节了pH的被处理水。具体地说，优选供给预先已将pH调节为6.5以下的被处理水，特别优选供给已将pH调节为5.8以下的被处理水。被处理水的pH超过6.5时，在脱盐室16内可能产生氢氧化镁等不溶性的氢氧化物水垢，由此导致脱盐室16的差压的上升，进而可能导致脱盐室16的闭塞。
作为调节被处理水的pH的方法，只要是一般地pH调节方法就不受特别限定，但例如也可以通过向被处理水中添加pH调节剂来调节被处理水的pH值，在作为前处理工序具备去碳酸装置的情况下，也可以通过调节该去碳酸装置中的去碳酸量来调节被处理水的pH。
如上述说明的本实施方式的电去离子装置1，即使被处理水的全部硬度成分浓度以碳酸钙换算浓度计为0.5mg/L以上，也可以将该被处理水供给到脱盐室16进行处理，即使对这样的被处理水进行处理，在脱盐室16及浓缩室15中也不会产生水垢。因而，即使在对水质恶化的被处理水进行处理的情况下，也不需要设置二段RO膜装置作为电去离子装置1的前处理装置，可以降低装置成本。
以上说明的实施方式是为了使本发明的理解容易而记载的实施方式，而不是为限定本发明而记载的实施方式。因而，上述实施方式中公开的各要素是也含有属于本发明的技术范围的所有设计变更及均等物的主旨。
实施例
下面，列举比较例及实施例更具体地说明本发明，但本发明不限定在于下述的实施例。
予以说明的是，以下的比较例及实施例中所使用的试验装置是将下述装置按活性炭装置、电去离子装置的顺序串联配置成的装置。
活性炭装置：栗田工业社制“クリコ一ルKW10-30”
电去离子装置：栗田工业社制“クリテノンSH型”
处理水量：420L/hr
另外，准备下列被处理水作为试验用的被处理水(城市供水(市水))。
被处理水：给水Ca浓度28ppm(以CaCO3换算计)
          给水CO2浓度29ppm(以CaCO3换算计)
[比较例1]
作为电去离子装置的离子交换膜以及在脱盐室和浓缩室填充的离子交换树脂，使用以下的离子交换膜及离子交换树脂：将对上述被处理水进行了1段RO膜处理了的水作为电去离子装置的被处理水，在表1所示条件下进行通水，测定所得到的处理水的电导率及以浓缩室流量为10L/hr进行通水时的脱盐室和浓缩室的差压的随时间变化。
结果示于表1。
予以说明的是，作为浓缩室循环水的补给水及电极室水，使用被处理水。
阴离子交换膜：旭化成工业社制“アシプレツクスA501SB”
阳离子交换膜：旭化成工业社制“アシプレツクスK501SB”
离子交换树脂：将阴离子交换树脂(三菱化学社制，“SA10A”)和阳离子交换树脂(三菱化学社制，“SK1B”)按6∶4的体积混合比率混合的离子交换树脂。
[比较例2]
在比较例1使用的电去离子装置的浓缩室中设置双极性膜，组装成图1所示的电去离子装置，且除代替被处理水而将自脱盐室得到的去离子水的一部分(15％)作为浓缩室循环水的补给水及电极室水而进行送给以外，其余同样，在表1所示的通水条件下进行试验。
结果示于表1。
予以说明的是，在浓缩室设置的双极性膜如下制造。
预先通过砂纸对以磺酸基作为离子交换基的阳离子交换膜(德山曹达社制，商品名：ネオセプタCM-1)进行处理，在一侧的表面设置了凹凸后，在2质量％的氯化亚铁(FeCl2)水溶液中在25℃下浸渍1小时后，用离子交换水充分洗净，室温下风干。
另外，将聚砜进行氯甲基化，接着通过三甲基胺将季碱化了的氨基化聚砜(季碱化的交换容量：0.92meq/g)溶解在甲醇-氯仿(容量比＝1∶1)的混合溶剂中，调制成15质量％的氨基化聚砜溶液。
接着，在如上所述进行处理了的阳离子交换膜的粗面化了的表面上涂布氨基化聚砜溶液，进行干燥，制造氨基化聚砜的厚度为90μm的双极性膜。
[实施例1]
将比较例2中使用的电去离子装置的脱盐室分割为3层，自脱盐室中的被处理水的流动方向的上游侧观察，在第一层及第三层以使得以体积比率计阴离子交换树脂达到30体积％地填充阴离子交换树脂及阳离子交换树脂的混合树脂，在第二层以使得以体积比率计阴离子交换树脂为70体积％地填充阴离子交换树脂及阳离子交换树脂的混合树脂，除此之外同样，在表1表示的通水条件下进行试验。
结果示于表1。
[表1]
Figure A20078003292100141
*1周后浓缩室差压超过脱盐室差压，变得不能运转。
**判断为慢慢地脱盐室差压上升，即使没有达到闭塞也不能继续运转，装置停止。
如表1所示，在比较例1的电去离子装置中，1周浓缩室差压超过脱盐室差压，变得不能运转。另外，在比较例2的电去离子装置中，在三个月，脱盐室的差压上升，即使没有达到闭塞也不能继续运转。另一方面可以确认，在实施例1的电去离子装置中，浓缩室差压及脱盐室差压都没有上升，可以进行3个月稳定的运转。由此可确认，根据实施例1的电去离子装置，可以防止浓缩室内碳酸钙水垢的产生，同时也可以防止脱盐室内氢氧化镁水垢的产生。

Claims (7)

1、一种电去离子装置，在阴极和阳极之间交替排列多个阴离子交换膜和阳离子交换膜而交替形成浓缩室和脱盐室，在该浓缩室设置双极性膜将该浓缩室内间隔成阴极侧和阳极侧，
其特征在于，自被处理水的流动方向的上游侧起将上述脱盐室分割为第一层及第二层的至少二层，填充由阴离子交换体和阳离子交换体构成的离子交换体，
填充在上述第一层的离子交换体含有50体积％以上的上述阳离子交换体，
填充在上述第二层的离子交换体含有超过50至80体积％的上述阴离子交换体。
2、一种电去离子装置，在阴极和阳极之间交替排列多个阴离子交换膜和阳离子交换膜而交替形成浓缩室和脱盐室，在该浓缩室设置双极性膜将该浓缩室内间隔成阴极侧和阳极侧，
其特征在于，自被处理水的流动方向的上游侧起将上述脱盐室分割为第一层、第二层及第三层的至少三层，填充由阴离子交换体和阳离子交换体构成的离子交换体，
填充在上述第一层及第三层的离子交换体含有50体积％以上的上述阳离子交换体，
填充在上述第二层的离子交换体含有超过50至80体积％的上述阴离子交换体。
3、如权利要求1或2所述的电去离子装置，其特征在于，对全部硬度成分的浓度以碳酸钙换算浓度计为0.5mg/L以上的被处理水进行处理。
4、如权利要求1-3中任一项所述的电去离子装置，其特征在于，对已将pH调节为6.5以下的被处理水进行处理。
5、如权利要求1-4中任一项所述的电去离子装置，其特征在于，上述双极性膜是以使得阴离子交换层面位于阳极侧、阳离子交换层面位于阴极侧地设置在上述浓缩室内。
6、如权利要求1-5中任一项所述的电去离子装置，其特征在于，在上述浓缩室内填充有离子交换体。
7、如权利要求1-6中任一项所述的电去离子装置，其特征在于，设置有将来自上述脱盐室的流出水的一部分供给到上述浓缩室的流入侧的流路。
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