CN102939266B - 用于制备去离子水的电去离子装置 - Google Patents

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Abstract

所公开的用于制备去离子水的电去离子装置配备有去离子处理单元，所述去离子处理单元包括：去离子室(D)和去离子室(D)相邻的在其相反侧上放置并且填充有阴离子交换剂的一对浓缩室(C1和C2)。去离子室(D)由离子交换膜分隔成：与浓缩室(C1)相邻的第一小去离子室(D-1)和与浓缩室C2相邻的第二小去离子室(D-2)。第一小去离子室(D-1)填充有阴离子交换剂。第二小去离子室(D-2)顺次填充有阴离子交换剂和阳离子交换剂，以使得阴离子交换剂是所要处理的水最终从其通过的离子交换剂。

Description

用于制备去离子水的电去离子装置
技术领域
本发明涉及用于制备去离子水的电去离子装置并且，更具体地，涉及去离子室的结构。 
背景技术
已知用于制备去离子水的去离子装置，其中通过使所要处理的水通过离子交换剂进行去离子。在这些制备装置中，当去离子性能归因于离子交换基的饱和而降低时，需要用化学品（碱或酸)再生离子交换剂中的离子交换基。更具体地，需要的是分别用源自酸的H+和源自碱的OH-置换吸附至离子交换基的阴离子和阳离子。近年来，开发了不需要用化学品再生的用于制备去离子水的电去离子装置，并且使其进入了实际应用以克服上面描述的操作缺陷。 
用于制备去离子水的电去离子装置是使用电泳和电渗析的组合的装置。普通的用于制备去离子水的电去离子装置的基本构造如下面所描述。换言之，用于制备去离子水的电去离子装置具有去离子室、放置在去离子室的相反侧上的一对浓缩室、放置在一个浓缩室外侧的阳极室、以及放置在另一个浓缩室外层的阴极室。去离子室具有彼此相对的阴离子交换膜和阳离子交换膜和填充在这些交换膜之间的离子交换剂(阴离子交换剂和/或阳离子交换剂)。在以下描述中，用于制备去离子水的电去离子装置有时被简称为“去离子水制备装置”。 
为了用上述构造的去离子水制备装置制备去离子水，使所要处理的水在分别设置在阳极和阴极室中的电极之间施加直流电压的状态下穿过去离子室。在去离子室中，阴离子组分(例如，Cl-、CO3 2-、HCO3 -和SiO2)由阴离子交换剂捕获并且阳离子组分(例如，Na+，Ca2+和Mg2+)由阳离子交换剂捕获。同时，去离子室中阴离子交换剂与阳离子交换剂之间的界面处出现水分解反应，从而生成氢离子和氢氧根离子(H2O→H++OH-)。由 离子交换剂捕获的离子组分通过氢离子和氢氧根离子对所述离子组分的置换从离子交换剂释放。所释放的离子组分通过电泳穿过离子交换剂移动至离子交换膜(阴离子交换膜或阳离子交换膜)，在离子交换膜中经历电渗析并且移动至浓缩室中。移动至浓缩室中的离子组分由在浓缩室中流动的水排出。 
在用于制备去离子水的电去离子装置中，如上所述，氢离子和氢氧根离子连续地充当用于再生离子交换剂的再生剂(酸和碱)。因此，基本上不需要用化学品再生离子交换剂，并且该装置可以连续地运行。 
然而，当去离子水制备装置连续地运行时，所要处理的水中的硬度组分沉淀以产生水垢，如碳酸钙或氢氧化镁。尤其是在插入在阴极室与浓缩室之间的阴离子交换膜的浓缩室侧的表面上产生水垢(参见图8)。在其中设置多个去离子室的情况下，在位于去离子室中的两个之间的浓缩室中的阴离子交换膜的表面上产生水垢(参见图9)。这是因为下面描述的原因。归因于在阴极室中由电解生成的氢氧根离子或在去离子室中由水分解反应生成的氢氧根离子的通过，浓缩室中的阴离子交换膜表面变为碱性。从去离子室穿过阳离子交换膜的硬度组分(镁离子或钙离子)在碱性条件下在阴离子交换膜表面反应以产生氢氧化钙或氢氧化镁。如果浓缩水中含有含碳酸根离子(carbonicion)，进一步生成碳酸钙或碳酸镁。当生成水垢时，其上生成水垢的区域处的电阻增加，并且电流不能容易地在那里流过。换言之，出现增加电压以获得与没有水垢的情况下的电流值相同的电流值的需要，导致能量消耗上的增加。也存在浓缩室中电流密度不均匀的可能性。如果水垢的量进一步增加，用于使水通过的压差增加并且电阻进一步增加。在这种情况下，用于离子的移除所需的电流减弱，这导致处理过的水的品质上的下降。除此之外，也存在所生长的水垢穿透至离子交换膜的内部的可能性，导致离子交换膜损坏。 
作为防止上面描述的水垢生成的方法，提出了用阴离子交换剂填充浓缩室。例如，专利文献1公开了一种去离子水制备装置，所述去离子水制备装置具有放置在浓缩室中的阴离子交换膜侧上的特殊结构的阴离子交换剂。在该去离子水制备装置中，OH-至浓缩水中的扩散在多孔阴离子交换剂表面处得到了促进并且迅速地降低了在该表面处的OH-浓度。另一方 面，使硬度组分离子变得难以渗透过多孔阴离子交换剂。作为结果，OH- 与硬度组分离子之间的接触和反应的机会减少，并且防止了水垢的沉淀和积累。 
专利文献2公开了一种去离子水制备装置，其中在浓缩室中设置在水渗透性上不同的两个以上离子交换剂层，并且将具有较低水渗透性的离子交换剂层放置在阴离子交换膜侧上，所述阴离子交换膜的阴离子交换基至少设置在层的表面中。在这种去离子水制备装置中，当移动离开较高水渗透性层的含有大量的硬度组分的浓缩水达到较低水渗透性层时，移动浓缩水的力减小。作为结果，阻挡了含有大量的硬度组分的浓缩水至阴离子交换膜的浓缩室侧的表面的流动，从而防止水垢的沉淀和积累。 
引用列表 
专利文献 
专利文献1：JP2001-225078A 
专利文献2：JP2002-1345A 
发明概述 
技术问题 
然而，在去离子水制备装置中，即使可以通过用阴离子交换剂填充浓缩室避免水垢的生成，出现不同于水垢生成的问题的如下所述的问题。以浓缩水中含有的碳酸和二氧化硅为代表的弱酸阴离子组分穿过插入在浓缩室与去离子室之间的离子交换膜并且在处理过的水中扩散，从而降低处理过的水的纯度。处理过的水的纯度上的这种降低在其中浓缩室填充有阴离子交换剂的情况下更显著地出现。将通过实例的方式关于具有碳酸和二氧化硅的情况详细描述该问题。 
阳离子交换膜通常是选择性地仅允许阳离子从其中通过的离子交换膜。该功能的原理是膜自身具有负电荷，并且对于带有负电荷的阴离子施加斥力并阻止阴离子穿过膜。另一方面，碳酸(二氧化碳)和二氧化硅在水溶液中采取在平衡中的多种离子物种的形式。 
Figure GDA0000379894870000031
在如上所示的平衡状态下，整体中每种离子物种的比例极大地取决于pH而变化。在其中pH低的区域中，大部分碳酸和二氧化硅未电离，换言之，它们作为不带有电荷的CO2和SiO2存在。 
因此，即使当通过在低pH区域中使用阳离子交换膜进行阻止碳酸和二氧化硅的传递的尝试时，这些分子容易地穿过阳离子交换膜，因为基于负电荷的斥力不有效地发挥作用。 
这将参考图8具体地描述。将浓缩室C2放置在去离子室D的阴极侧上，在它们之间插入有阳离子交换膜。浓缩室C1放置在去离子室D的阳极侧上，插入在它们之间插入有阴离子交换膜。去离子室D填充有阳离子交换剂和阴离子交换剂，同时浓缩室C1和C2填充有阴离子交换剂。处理过的水通过去离子室D排出系统。 
通过与所要处理的水中的阳离子组分一起传递穿过阳离子交换剂，由水分解反应产生的大量的氢离子(H+)从去离子室D向浓缩室C2移动。因为浓缩室C2填充有阴离子交换剂，穿过阳离子交换膜的氢离子(H+)全部释放在阳离子交换膜的浓缩室侧的表面处。换言之，阳离子交换膜的浓缩室侧的表面的状态成为富氢离子(H+)状态(即低pH状态)。另一方面，浓缩水中含有的碳酸和二氧化硅(虽然在图中示出碳酸，同样适用于二氧化硅)作为离子由在浓缩室C1和C2中的阴离子交换剂捕获，并且通过传递穿过阴离子交换剂移动至阳离子交换膜表面。在浓缩室C2中的阳离子交换膜表面处，碳酸和二氧化硅的浓度增加并且pH降低。作为结果，因为碳酸和二氧化硅在低pH条件下不电离，它们在从阴离子交换剂释放之后失去它们的电荷并穿过阳离子交换膜以在所要处理的水中扩散。 
在图9中所示的去离子水制备装置中设置两个去离子室D1和D2。在从而设置多个去离子室的情况下，不仅在浓缩水中原来含有碳酸和二氧化硅，而且所要处理的水中含有的碳酸和二氧化硅从去离子室移动至浓缩室中。因此，浓缩室中碳酸和二氧化硅的浓度增加并且归因于去离子室中碳酸和二氧化硅的混合所导致的处理过的水的纯度上的降低显著地更大(虽然在图中显示了碳酸，同样适用于二氧化硅)。 
考虑到上述问题实现了本发明，并且本发明的一个目的是能够制备高 纯度去离子水，同时防止水垢的生成。 
问题的解决方案 
根据本发明，提供一种用于制备去离子水的电去离子装置，所述用于制备去离子水的电去离子装置包括至少一个去离子处理单元，所述去离子处理单元设置在彼此相对的阴极和阳极之间，所述去离子处理单元包括去离子室和一对浓缩室，所述一对浓缩室与去离子室相邻，在其相反侧上放置并且填充有阴离子交换剂。去离子室由离子交换膜分隔成：与一对浓缩室中的一个相邻的第一小去离子室和与一对浓缩室中的另一个相邻的第二小去离子室。第一小去离子室填充有阴离子交换剂。第二小去离子室顺次填充有阴离子交换剂和阳离子交换剂，以使得所要处理的水最终从其通过的离子交换剂是所述阴离子交换剂。 
去离子室被分隔成两个。然而，离子的行为基本上与在作为不具有分割的一个室存在的去离子室的情况下相同。 
在上述安排中，当阴极侧上的浓缩室中存在的一部分阴离子组分如碳酸和二氧化硅通过穿过离子交换膜移动至第二小去离子室中，那部分的阴离子组分由第二小去离子室中的阴离子交换剂捕获并且通过第一小去离子室移动至阳极侧上的浓缩室。因此，浓缩室中存在的碳酸、二氧化硅和其他组分在处理过的水中不扩散。 
发明的有益效果 
根据本发明，实现了一种能够制备高纯度去离子水，同时防止水垢生成的用于制备去离子水的电去离子装置。 
附图简述 
图1是显示根据本发明的用于制备去离子水的电去离子装置的实施方案的一个实例的示意图。 
图2是显示根据本发明的用于制备去离子水的电去离子装置的实施方案的另一个实例的示意图。 
图3a至3d是显示实施例1和2和比较例1和2中第二小去离子室中 离子交换剂的构造的示意图。 
图4是显示根据本发明的用于制备去离子水的电去离子装置的实施方案的再另一个实例的示意图。 
图5是显示比较测试2的结果的图。 
图6是显示根据本发明的用于制备去离子水的电去离子装置的实施方案的再一个实例的示意图。 
图7a至7d是显示实施例3和比较例3至5中的第二小去离子室中双极性膜的存在/不存在和双极性膜的安排的示意图。 
图8是显示碳酸组分从浓缩水至所要处理的水中的扩散的原理的图。 
图9是显示碳酸组分从处理过的水再扩散至所要处理的水中的原理的示意图。 
实施方案详述 
(实施方案1) 
将参考附图描述根据本发明的用于制备去离子水的电去离子装置的实施方案的一个实例。 
图1是示意性地显示根据本实施方案的去离子水制备装置的构造的图。在图1中所示的去离子水制备装置中，将去离子处理单元设置在设置有阴极的阴极室E1与设置为阳极的阳极室E2之间。该去离子处理单元由去离子室D和与去离子室D相邻、在其相反侧上放置的一对浓缩室C1和C2组成。在以下描述中，将一对浓缩室C1和C2中与阳极室E2相邻的浓缩室C1称为“第一浓缩室C1”，并且将与阴极室E1相邻的浓缩室C2称为“第二浓缩室C2”，从而将一对浓缩室C1和C2彼此区分。然而，这种区分仅为了简化描述而做出。 
在该实施方案中，去离子室D分隔成两个小去离子室。更具体地，去离子室D分隔成与第一浓缩室C1相邻的第一小去离子室D-1和与第二浓缩室C2相邻的第二小去离子室D-2。 
将上述室通过用多个离子交换膜分割其内部空间形成在框架部件1中，并且这些室彼此相邻，之间具有离子交换膜。安排中室的排列按照从阴极室E1的顺序如下所述。换言之，阴极室E1与第二浓缩室C2相邻， 在它们之间插入有第一阴离子交换膜a1。第二浓缩室C2与第二小去离子室D-2相邻，在它们之间插入有第一阳离子交换膜c1。第二小去离子室D-2与第一小去离子室D-1相邻，在它们之间插入有第二阴离子交换膜a2。第一小去离子室D-1与第一浓缩室C1相邻，在它们之间插入有第三阴离子交换膜a3。第一浓缩室C1与阳极室E2相邻，其中在它们之间插入有第二阳离子交换膜c2。 
在以下描述中，用其将去离子室D分隔成：第一小去离子室D-1和第二去离子室D-2的阴离子交换膜有时被称为“中间离子交换膜”，以与其他离子交换膜区分。然而，这种区分仅为了简化描述而做出。 
阴极容纳在阴极室E1中。阴极是金属网或板的形式，例如，由网或板形式的不锈钢制成的部件。 
阳极容纳在阳极室E2中。阳极是金属网或板的形式。如果所要处理的水含有Cl-，在阳极生成氯。因此，适宜的是使用对于氯耐腐蚀的材料用于阳极。这种用于阳极的材料的实例是金属如铂、钯或铱，或者涂布有这些金属中的任一个的钛。 
将电极水提供至阴极室E1和阳极室E2的每一个。将电极水在电极附近电解以产生氢离子或氢氧根离子。优选的是用离子交换剂填充阴极室E1和阳极室E2以便降低去离子水制备装置的电阻。此外，优选的是用阴离子交换剂如弱碱性阴离子交换剂或强碱性阴离子交换剂填充阴极室E1。同样，优选的是用阳离子交换剂如弱酸性阳离子交换剂或强酸性阳离子交换剂填充阳极室E2。 
设置第一浓缩室C1和第二浓缩室C2以接受从去离子室D排出的阴离子或阳离子组分，并将它们排出系统。浓缩室C1和C2各自填充有阴离子交换剂的单床以防止水垢的生成。 
第一小去离子室D-1填充有阴离子交换剂的单床。第二小去离子室D-2填充有阴离子交换剂和阳离子交换剂的多床。具体地，阳离子交换层和阴离子交换层沿所要处理的水通过的方向层叠。更具体地，将阳离子交换层放置在水通过方向的上游侧，同时将阴离子交换层放置在水通过方向的下游侧。换言之，已经流入到第二小去离子室D-2中的所要处理的水，顺次穿过阳离子交换层和阴离子交换层。换言之，将阴离子交换层和阳离 子交换层顺次层叠，以使得第二小去离子室D-2中所要处理的水最终从其通过的离子交换剂层是阴离子交换层。 
在图1中，示例了具有整体结构的框架部件1。然而，在现实中，将分开的多个框架部件提供给所述室并且彼此接近放置。不特别地限定框架部件1的材料，条件是它具有绝缘性能并且不允许所要处理的水漏出。框架部件1的材料的实例可以包括树脂如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯和m-PPE(改性的聚苯醚)。 
为了有利于本发明的理解，将预先列出图1中所示的去离子水制备装置中所要处理的水和浓缩水的主要流径。将所要处理的水提供至第一小去离子室D-1并且穿过小去离子室D-1。将已经穿过第一小去离子室D-1的所要处理的水提供至第二小去离子室D-2并且在穿过小去离子室D-2之后排出系统。另一方面，将浓缩水并行提供至第一浓缩室C1和第二浓缩室C2，并且在穿过这些浓缩室之后排出系统。 
设置数个流道U1至U3，以及L1和L2，通过所述流道使得所要处理的水和浓缩水如上所述流动。在图1中的去离子水制备装置之上描绘的流道U1的一端连接至用于提供所要处理的水的提供侧，并且流道U1的另一端连接至第一小去离子室D-1。在去离子水制备装置中之下描绘的流道L1的一端连接至第一小去离子室D-1，并且流道L1的另一端连接至第二小去离子室D-2。去离子水制备装置之上描绘的流道U2的一端连接至第二小去离子室D-2，并且流道U2的另一端连接至用于排出所要处理的水的排出侧。 
在图1中的去离子水制备装置之上描绘的流道U3的一端连接至用于提供浓缩水的提供侧。流道U3的另一端分为两个分支，所述两个分支分别连接至第一浓缩室C1和第二浓缩室C2。在去离子水制备装置之下描绘的流道L2在一端具有分别连接至第一浓缩室C1和第二浓缩室C2的分支。这些分支在中间点合并为一个流道，并且所述一个流道连接至用于排出浓缩水的排出侧。 
未示出的用于提供电极水的流道和用于排出所提供的电极水的流道分别连接至阴极室E1和阳极室E2。 
现在将描述具有上述构造的去离子水制备装置的操作和功能。将浓缩 水从流道U3提供至第一浓缩室C1和第二浓缩室C2，并且通过流道L2排出。将电极水从未示出的流道提供至阴极室E1和阳极室E2，并且将所提供的电极水通过未示出的流道排出。在阳极与阴极之间施加预定直流电压。 
在上述条件下，将所要处理的水从流道U1提供至第一小去离子室D-1。将所提供的要处理的水中的阴离子组分(例如，Cl-、CO3 2-、HCO3 - 和SiO2)在所要处理的水通过第一小去离子室D-1的过程中捕获。在第一小去离子室D-1中捕获的阴离子组分移动至与第一小去离子室D-1相邻，并在它们之间插入有第三阴离子交换膜a3的第一浓缩室C1中，并且与流过第一浓缩室C1的浓缩水一起排出系统。 
将穿过第一小去离子室D-1的所要处理的水通过流道L1提供至第二小去离子室D-2。在第二小去离子室D-2中，如上所述，将阳离子交换层和阴离子交换层按此顺序层叠。因此，当将所要处理的水提供至第二小去离子室D-2时，所要处理的水首先穿过阳离子交换层并且之后穿过阴离子交换层。在所要处理的水通过阳离子交换层的过程中，捕获所要处理的水中的阳离子组分(例如，Na+、Ca2+和Mg2+)。更具体地，由第二小去离子室D-2中的阳离子交换剂捕获的阳离子组分移动至第二浓缩室C2中，并且与流过第二浓缩室C2的浓缩水一起排出系统，所述第二浓缩室C2与第二小去离子室D-2相邻，在它们之间插入有第一阳离子交换膜c1。 
此外，穿过第二小去离子室D-2中的阳离子交换层的所要处理的水穿过下游阴离子交换层。此时，再次捕获所要处理的水中的阴离子组分(例如，Cl-、CO3 2-、HCO3 -和SiO2)。更具体地，由第二小去离子室D-2中的阴离子交换剂捕获的阴离子组分移动至第一小去离子室D-1中，所述第一小去离子室D-1与第二小去离子室D-2相邻，在它们之间插入有第二阴离子交换膜a2。移动至第一小去离子室D-1中的阴离子组分移动至第一浓缩室C1中，并且与流过第一浓缩室C1的浓缩水一起排出系统，所述第一浓缩室C1与第一小去离子室D-1相邻，在它们之间插入有第三阴离子交换膜a3。 
根据本实施方案的去离子水制备装置中去离子处理的流程如上所述。然而，在上述处理的过程中，提供至第二浓缩室C2的浓缩水中含有的阴 离子组分(碳酸和二氧化硅)的一部分穿过第一阳离子交换膜c1移动至第二小去离子室D-2中。碳酸和二氧化硅穿过阳离子交换膜的原理如上面已经描述的。从第二浓缩室C2移动至第二小去离子室D-2中的碳酸和二氧化硅均匀地扩散在第一阳离子交换膜c1的阳极侧的表面上。换言之，碳酸和二氧化硅不仅在第二小去离子室D-2中的与阴离子交换层接触的区域上扩散，而且在与阳离子交换层接触的区域上区域。因为碳酸和二氧化硅未由阳离子交换剂捕获，扩散在第一阳离子交换膜c1的阳极侧的表面中的与阳离子交换层接触的区域上的碳酸和二氧化硅与所要处理的水一起穿过阳离子交换层。然而，在第二小去离子室D-2中，阳离子交换层和阴离子交换层沿所要处理的水通过的方向层叠。因此，将已经穿过阳离子交换层的碳酸和二氧化硅在下游阴离子交换层中再次电离并捕获，并且移动至第一小去离子室D-1中。移动至第一小去离子室D-1中的碳酸和二氧化硅穿过第三阴离子交换膜a3并且移动至第一浓缩室C1中，并且与穿过第一浓缩室C1的浓缩水一起排出系统。作为结果，浓缩水中含有的碳酸和二氧化硅不在所要处理的水中扩散，并且因此不导致处理过的水的纯度上的降低。 
显然的是，如果阳离子交换层和阴离子交换层在第二小去离子室D-2中以相反的顺序层叠，不能捕获扩散在第一阳离子交换膜c1的阳极侧的表面中与阳离子交换层接触的区域上的碳酸和二氧化硅，并且处理过的水的纯度降低。 
从上面的描述，应当明白的是，如果设置在第二小去离子室D-2中的离子交换剂的层叠中的最下游层是阴离子交换层，可以获得上述效果。换言之，如果所要处理的水当穿过第二小去离子室D-2时最终从其通过的离子交换剂是阴离子交换剂，可以获得上述效果。因此，不限制性地指定最下游阴离子交换层上游的离子交换层的类型、层叠顺序和数目。例如，可以按以使得最下游层是阴离子交换层的顺序层叠阳离子交换剂和阴离子交换剂的四个以上的层。 
在根据本实施方案的去离子水制备装置中，将所要处理的水首先提供至的第一小去离子室D-1填充有阴离子交换剂，并且将阳离子交换剂和阴离子交换剂按此顺序层叠在将所要处理的水接下来提供至的第二小去 离子室D-2中。因此，所要处理的水第一穿过阴离子交换剂。从而将阴离子组分从所要处理的水移除，并且所要处理的水的pH增加。 
此外，将穿过第一小去离子室D-1的所要处理的水提供至其中将阳离子交换剂和阴离子交换剂按此顺序层叠的第二小去离子室D-2。换言之，已经穿过第一小去离子室D-1中的阴离子交换剂的所要处理的水之后穿过阳离子交换剂，并且再次穿过阴离子交换剂。简而言之，在根据本实施方案的安排中，所要处理的水穿过交替的阴离子和阳离子交换剂。 
当所要处理的水的pH低时，阴离子交换剂的阴离子组分捕获能力增加，而当所要处理的水的pH高时，阳离子交换剂的阳离子组分捕获能力增加。因此，在其中所要处理的水首先穿过阴离子交换剂并且之后穿过交替的阳离子和阴离子交换剂的根据本实施方案的安排中，在穿过阴离子交换剂之后穿过阳离子交换剂的所要处理的水的pH由于所要处理的水中阴离子组分的移除而增加。因此，将阳离子交换剂移除阳离子的反应促进至比通常情况更大的程度。此外，在穿过阳离子交换剂之后穿过阴离子交换剂的所要处理的水的pH由于所要处理的水中阳离子组分的移除而降低。因此，将阴离子交换剂移除阴离子的反应促进至比通常情况更大的程度。因此，不仅实现了移除包括碳酸和二氧化硅的阴离子组分的能力上的进一步提高，而且实现了移除阳离子组分的能力上的提高，从而进一步提高处理过的水的纯度。 
如上所述，通过防止浓缩水中含有的碳酸和二氧化硅的一部分穿过离子交换膜而扩散至所要处理的水中，根据本实施方案的去离子水制备装置具有提高处理过的水的纯度的效果。去离子水制备装置也具有提高的移除所要处理的水中含有的包括碳酸和二氧化硅在内的阴离子组分的能力，并且进一步具有提高的移除所要处理的水中含有的阳离子组分的能力。 
本发明还包括其中浓缩室也充当电极室的安排。例如，在其中将阴极设置在图1中所示的第二浓缩室C2中的情况下，可以省略阴极室E1。同样在这种情况下，去离子处理单元由去离子室组成，并且将一对浓缩室放置在阴极与阳极之间。 
(实施方案2) 
将参考附图描述根据本发明的用于制备去离子水的电去离子装置的实施方案的另一个实例。除了将多个去离子处理单元设置在阴极室与阳极室之间之外，根据本实施方案的去离子水制备装置具有与根据实施方案1的装置相同的构造。因此，下面将仅描述与根据实施方案1的去离子水制备装置不同的构造。将不进行对相同构造的描述。 
图2示意性地显示根据本实施方案的一个去离子水制备装置的构造的图。在图2中所示的去离子水制备装置中，将两个去离子处理单元设置在阴极室E1与阳极室E2之间。两个去离子部中的第一去离子处理单元，相对于另一部位于阴极侧，由去离子室D1和一对浓缩室C1和C2组成，所述一对浓缩室C1和C2与去离子室D1相邻，在其相反侧上放置。相对于另一个部位于阳极侧上的第二去离子处理单元由去离子室D2和一对浓缩室C1和C3组成，所述一对浓缩室C1和C3与去离子室D2相邻、在其相反侧上放置。 
在以下描述中，将构成第一去离子处理单元的去离子室D1称为“阴极侧去离子室D1”并且将构成第二去离子处理单元的去离子室D2称为“阳极侧去离子室D2”，从而将去离子室D1与去离子室D2彼此区分。同样，将浓缩室C1称为“第一浓缩室C1”，将浓缩室C2称为“第二浓缩室C2”，并且将浓缩室C3称为“第三浓缩室C3”，从而将浓缩室C1、C2和C3彼此区分。然而，这种区分仅为了简化描述而做出。 
此外，将阴极侧去离子室D1和阳极侧去离子室D2各自分隔成两个小去离子室。在以下描述中，将构成阴极侧去离子室D1的两个小去离子室中与第一浓缩室C1相邻的小去离子室称为“阴极侧第一小去离子室D1-1”，并且将与第二浓缩室C2相邻的小去离子室称为“阴极侧第二小去离子室D1-2”。同样，将构成阳极侧去离子室D2的两个小去离子室中与第三浓缩室C3相邻的小去离子室称为“阳极侧第一小去离子室D2-1”，并且将与第一浓缩室C1相邻的小去离子室称为“阳极侧第二小去离子室D2-2”。不必说，这种区分也仅为了简化描述而做出。 
在下面以从阴极室E1的顺序描述该安排中室的排列。换言之，阴极室E1与第二浓缩室C2相邻，在它们之间插入有第一阴离子交换膜a1。 第二浓缩室C2与阴极侧第二小去离子室D1-2相邻，在它们之间插入有第一阳离子交换膜c1。阴极侧第二小去离子室D1-2与阴极侧第一小去离子室D1-1相邻，在它们之间插入有第二阴离子交换膜a2。阴极侧第一小去离子室D1-1与第一浓缩室C1相邻，在它们之间插入有第三阴离子交换膜a3。第一浓缩室C1与阳极侧第二小去离子室D2-2相邻，在它们之间插入有第二阳离子交换膜c2。阳极侧第二小去离子室D2-2与阳极侧第一小去离子室D2-1相邻，在它们之间插入有第四阴离子交换膜a4。阳极侧第一小去离子室D2-1与第三浓缩室C3相邻，在它们之间插入有第五阴离子交换膜a5。第三浓缩室C3与阳极室E2相邻，在它们之间插入有第三阳离子交换膜c3。 
设置第一至第三浓缩室C1至C3以接受从阴极侧去离子室D1或阳极侧去离子室D2排出的阴离子或阳离子组分，并将它们排出系统。浓缩室C1至C3各自填充有阴离子交换剂的单床以便防止水垢的生成。 
阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1各自填充有阴离子交换剂的单床。阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2各自填充有阴离子交换剂和阳离子交换剂的多床。阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2中阴离子交换剂和阳离子交换剂的详细安排与实施方案1的说明中描述的相同。 
将列出图2中所示的去离子水制备装置中所要处理的水和浓缩水的主要流径。使所要处理的水并行提供至阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1，并且穿过这些小去离子室。穿过阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1的所要处理的水的流径在这些小去离子室外侧合并为一个流径，并且之后，一个流径再次分为两个分支。其后，将所要处理的水并行提供至阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2，并且在穿过这些小去离子室之后排出系统。另一方面，将浓缩水并行提供至第一至第三浓缩室C1至C3，并且在穿过这些浓缩室之后排出系统。 
设置数个流道U1至U3，以及L1和L2，如上所述使得所要处理的水和浓缩水流过所述流道。图2中的去离子水制备装置之上描绘的流道U1的一端连接至用于提供所要处理的水的提供侧。流道U1的另一端分 为两个分支，所述两个分支分别连接至阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1。在去离子水制备装置之下所示的流道L1具有分别连接至阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1的分支。这些分支在中间点合并为一个流道，并且之后所述一个流道再分为两个分支。这些分支分别连接至阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2。在去离子水制备装置之上所示的流道U2具有分别连接至阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2的分支。这些分支在中间点合并为一个，以连接至用于排出所要处理的水的排出侧。 
图2中的去离子水制备装置之上描绘的流道U3的一端连接至用于提供浓缩水的提供侧。流道U3的另一侧分为三个分支，所述三个分支分别连接至第一浓缩室C1、第二浓缩室C2和第三浓缩室C3。在去离子水制备装置之下所示的流道L2具有分别连接至第一浓缩室C1、第二浓缩室C2和第三浓缩室C3的分支。这些分支在中间点合并为一个，以连接至用于排出浓缩水的排出侧。 
现在将描述具有上述构造的去离子水制备装置的操作和功能。将浓缩水从流道U3提供至第一至第三浓缩室C1至C3，并且通过流道L2排出。将电极水从未示出的流道提供至阴极室E1和阳极室E2，并且将所提供的电极水通过未示出的流道排出。将预定的直流电压施加在阳极与阴极之间。 
在上述条件下，将所要处理的水的流从流道U1并行提供至阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1。将所提供的要处理的水中的阴离子组分(例如，Cl-、CO3 2-、HCO3 -和SiO2)在所要处理的水通过第一小去离子室D1-1和D2-1的过程中捕获。在阴极侧第一小去离子室D1-1中捕获的阴离子组分移动至第一浓缩室C1中，并且与流过第一浓缩室C1的浓缩水一起排出系统，所述第一浓缩室C1与阴极侧第一小去离子室D1-1相邻，在它们之间插入有第三阴离子交换膜a3。另一方面，在阳极侧第一小去离子室D2-1中捕获的阴离子组分移动至第三浓缩室C3中，并且与流过第三浓缩室C3的浓缩水一起排出系统，所述第三浓缩室C3与阳极侧第一小去离子室D2-1相邻，在它们之间插入有第五阴离子交 换膜a5。 
将穿过阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1的所要处理的水通过流道L1提供至阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2。在阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2中，如上所述，将阳离子交换层和阴离子交换层按此顺序层叠。因此，当将所要处理的水提供至阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2时，所要处理的水首先穿过阳离子交换层，并且之后穿过阴离子交换层。在所要处理的水穿过阳离子交换层的过程中，捕获所要处理的水中的阳离子组分(例如，Na+、Ca2+和Mg2+)。更具体地，在阴极侧第二小去离子室D1-2中由阳离子交换剂捕获的阳离子组分移动至第二浓缩室C2中，并且与流过第二浓缩室C2的浓缩水一起排出系统，所述第二浓缩室C2与阴极侧第二小去离子室D1-2相邻，在它们之间插入有第一阳离子交换膜c1。另一方面，在阳极侧第二小去离子室D2-2中由阳离子交换剂捕获的阳离子组分移动至第一浓缩室C1中，并且与流过第一浓缩室C1的浓缩水一起排出系统，所述第一浓缩室C1与阳极侧第二小去离子室D2-2相邻，在它们之间插入有第二阳离子交换膜c2。 
此外，将穿过阴极侧第二去离子室D1-2和阳极侧第二去离子室D2-2中的阳离子交换层的所要处理的水中的阴离子组分(例如，Cl-、CO3 2-、HCO3 -和SiO2)在所要处理的水通过下游阴离子交换层的过程中再次捕获。更具体地，由阴极侧第二小去离子室D1-2中的阴离子交换剂捕获的阴离子组分移动至阴极侧第一小去离子室D1-1中，所述阴极侧第一小去离子室D1-1与阴极侧第二小去离子室D1-2相邻，在它们之间插入有第二阴离子交换膜a2。移动至阴极侧第一小去离子室D1-1中的阴离子组分移动至第一浓缩室C1中，并且与流过第一浓缩室C1的浓缩水一起排出系统，所述第一浓缩室C1与阴极侧第一小去离子室D1-1相邻，在它们之间插入有第三阴离子交换膜a3。另一方面，由阳极侧第二小去离子室D2-2中的阴离子交换剂捕获的阴离子组分移动至阳极侧第一小去离子室D2-1中，所述阳极侧第一小去离子室D2-1与阳极侧第二小去离子室D2-2相邻，在它们之间插入有第四阴离子交换膜a4。移动至阳极侧第一小去离子室D2-1中的阴离子组分移动至第三浓缩室C3中，并且与流过第三浓 缩室C3的浓缩水一起排出系统，所述第三浓缩室C3与阳极侧第一小去离子室D2-1相邻，在它们之间插入有第五阴离子交换膜a5。 
根据本实施方案的去离子水制备装置中的去离子处理的流程如上所述。然而，在其中设置多个去离子室的情况下，如在根据本实施方案的去离子水制备装置中，特定浓缩室中的碳酸和二氧化硅的浓度与任意其他浓缩室中的浓度比较增加。在根据本实施方案的去离子水制备装置中，例如，除了提供至第一浓缩室C1的浓缩水中原来含有的碳酸和二氧化硅之外，来自阴极侧去离子室D1的碳酸和二氧化硅也移动至图2中所示的与去离子室D1相邻的第一浓缩室C1中。同样，除了提供至第三浓缩室C3的浓缩水中原来含有的碳酸和二氧化硅之外，来自阴极侧去离子室D2的碳酸和二氧化硅移动至图2中所示的与去离子室D2相邻的第三浓缩室C3中。碳酸和二氧化硅从相邻的去离子室传递至浓缩室中的原理与实施方案1的说明中描述的相同。作为结果，与浓缩室C2中的浓度比较，碳酸和二氧化硅的浓度在第一浓缩室C1和第三浓缩室C3中增加，并且穿过相邻的阳离子交换膜的碳酸和二氧化硅的量也增加。尤其是，浓缩室C1与阳极侧去离子室D2相邻，并且碳酸和二氧化硅至阳极侧去离子室D2的上述传递(碳酸和二氧化硅至所要处理的水中的扩散)是关注所在。 
然而，在根据本实施方案的安排中，由第一浓缩室C1移动至阳极侧第二小去离子室D2-2中的碳酸和二氧化硅由填充去离子室D2-2的阴离子交换剂捕获，并且通过阳极侧第一小去离子室D2-1移动至第三浓缩室C3中，以排出系统。因此，从第一浓缩室C1移动至阳极侧第二小去离子室D2-2中的碳酸和二氧化硅不在所要处理的水中扩散。 
同样在本实施方案中，将所要处理的水首先提供至的阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1的每一个填充有阴离子交换剂。此外，将阳离子交换剂和阴离子交换剂按此顺序层叠在将穿过阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1的所要处理的水提供至的阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2的每一个中。换言之，所要处理的水首先穿过阴离子交换剂，之后穿过阳离子交换剂并且，其后，再次穿过阴离子交换剂。因此，根据与上面在实施方案1的说明中描述的相同的原理，所要处理的水的纯度进一步提高。 
在其中将阳极设置在图2中所示的第三浓缩室C3中的情况下可以省略阳极室E2。在其中将阴极设置在第二浓缩室C2中的情况下可以省略阴极室E1。 
(比较测试1) 
进行下面描述的比较测试以证实本发明的效果。换言之，准备四个去离子水制备装置，所述四个去离子水制备装置彼此仅关于图1中所示的第二小去离子室D-2中的离子交换剂的安排不同。图3a至3d显示了去离子水制备装置中第二小去离子室D-2中离子交换剂的安排。 
如图3a中所示，在去离子水制备装置(实施例1)中的第二小去离子室D-2中，将上游阳离子交换层C和下游阴离子交换层A沿所要处理的水通过的方向层叠。换言之，在实施例1中，设置与上面描述的实施方案1中所示的相同的去离子室。 
如图3b中所示，在去离子水制备装置(实施例2)中的第二小去离子室D-2中，将阳离子交换层C和阴离子交换层A按阳离子/阴离子/阳离子/阴离子(总计四个层)的顺序沿所要处理的水通过的方向交替地层叠。换言之，在实施例2中，设置与上面描述的实施方案1中所示的那种基本上相同的去离子室。 
如图3c中所示，在去离子水制备装置(比较例1)中的第二小去离子室D-2中，将上游阴离子交换剂层A和下游阳离子交换剂层C沿所要处理的水通过的方向层叠。 
如图3d中所示，去离子水制备装置(比较例2)中的第二小去离子室D-2填充有阳离子交换剂和阴离子交换剂的混合物(混合比1：1)。换言之，第二小去离子室D-2填充有阳离子交换剂和阴离子交换剂的混合床。在本发明的实施例和比较例的每一个中，除非另作说明，每个室填充有单床形式的阴离子交换剂或阳离子交换剂。在图3a至3d中，虚线箭头表示所要处理的水通过的方向。 
本发明的实施例和比较例所共用的该比较测试的条件，包括技术条件，水通过的速率和所提供的水的类型如下所示。CER是阳离子交换剂(阳离子交换树脂)的缩写并且AER是阴离子交换剂(阴离子交换树脂)的缩 写。 
·阴极室：尺寸为100×300×4mm，填充有AER 
·阳极室：尺寸为100×300×4mm，填充有CER 
·第一小去离子室：尺寸为100×300×8mm，填充有AER 
·浓缩室：尺寸为100×300×4mm，填充有AER 
·去离子室流动速率：20L/h 
·浓缩室流动速率：2L/h 
·电极室流动速率：10L/h 
·提供至去离子室和浓缩室的水：具有10±1μS/cm的单级RO渗透水 
·提供至电极室的水：在去离子室中处理过的水 
·所施加的电流值：0.4A 
·二氧化硅浓度：1000ppb 
在上面给出的条件下将实施例1和2和比较例1和2中的去离子水制备装置的每一个连续地运行200小时，并且其后测量运行电压、处理过的水的电阻率和处理过的水中二氧化硅的浓度。不含有杂质的水在25℃的理论电阻率为18.2MΩ·cm。去离子水的品质可以通过以下方式评价：如果电阻率值越接近18.2MΩ·cm，那么水的品质越高。此外，可以通过以下方式评价水的品质：如果电阻率值高于18.2MΩ·cm越高，那么水的品质显著越高。表1显示了测量的结果。 
[表1] 
Figure GDA0000379894870000191
如表1中所示，在本发明的实施例与比较例之间基本上未观察到运行电压上的区别。然而，在实施例1和2中，获得具有接近于18MΩ·cm的电阻率的极其洁净的处理过的水。另一方面，比较例1和2中获得的处理过的水的电阻率为10至12MΩ·cm。当进行处理过的水的组分分析时，发现处理过的水中的主要杂质为碳酸。实施例1和2中获得的处理过的水中二氧化硅的浓度非常低，为0.6和0.3ppb。相反，比较例1和2中所获得的处理过的水中二氧化硅的浓度高，为1至2ppb。从这些结果，所证实的是通过提供单床形式的阴离子交换剂作为去离子室中的最终处理层以使得可以捕获从浓缩室扩散至去离子室中的阴离子组分，可以制备高纯度去离子水。 
此外，从实施例1与实施例2之间的比较可以明白：在实施例2中可以制备更高纯度的去离子水。虽然实施例1和2中的第一小去离子室D-1的构造彼此等同，但是实施例1和2中的第二小去离子室D-2的构造彼此不同。更具体地，当在实施例1中将一个阳离子交换层C和一个阴离子交换层A层叠第二小去离子室D-2中时，在实施例2中将两个阳离子交换层C和两个阴离子交换层A交替地层叠第二小去离子室D-2中。 
因此，实施例1中穿过第一小去离子室D-1(穿过阴离子交换剂)的所要处理的水之后穿过交替的阳离子和阴离子交换剂一次。在整个去离子室中，所要处理的水穿过阴离子交换剂两次并且穿过阳离子交换剂一次。 
另一方面，实施例2中穿过第一小去离子室D-1(穿过阴离子交换剂)的所要处理的水之后相继地穿过阳离子和阴离子交换剂的每一个两次。在 整个去离子室中，所要处理的水穿过阴离子交换剂三次并穿过阳离子交换剂两次。 
因此，在实施方案2中，比通常重复更多次数的离子交换反应提高了效率，从而导致处理过的水的纯度进一步提高。从上述结果可以明白，如果增加重复设置在第二小去离子室D-2中的阴离子交换剂层和阳离子交换剂层的数目，可以制备具有更高纯度的去离子水。 
(实施方案3) 
将参考图4描述根据本发明的去离子水制备装置的实施方案的再另一个实例。根据本实施方案的去离子水制备装置具有与根据实施方案2的那种相同的基本构造。因此，下面将仅描述与根据实施方案2的去离子水制备装置的区别。将不重复进行对于相同点的描述。 
如图4中所示，在根据本实施方案的去离子水制备装置中，将副去离子室S1设置在阴极室E1与第二浓缩室C2之间。副去离子室S1与阴极室E1相邻，在它们之间插入有第六阴离子交换膜a6。副去离子室S1与第二浓缩室C2相邻，在它们之间插入有第一阴离子交换膜c1。副去离子室S1填充有单床的阴离子交换剂。 
在根据本实施方案的去离子水制备装置中，将所要处理的水从流道U1并行地提供至阴极侧第一小去离子室D1-1、阳极侧第一小去离子室D2-1和副去离子室S1。将提供至副去离子室S1的所要处理的水中的阴离子组分(例如，Cl-、CO3 2-、HCO3 -和SiO2)在所要处理的水从副去离子室S1通过的过程中捕获。所捕获的阴离子组分移动至第二浓缩室C2中，并且与流过第二浓缩室C2的浓缩水一起排出系统，所述第二浓缩室C2与副去离子室S1相邻，在它们之间插入有第一阴离子交换膜a1。另一方面，将穿过副去离子室S1的所要处理的水与穿过阴极侧第一小去离子室D1-1和阳极侧第一小去离子室D2-1的所要处理的水合并。其后将所要处理的水提供至阴极侧第二小去离子室D1-2或阳极侧第二小去离子室D2-2。所要处理的水后面的流径和离子的传递与上面在实施方案1或实施方案2的说明中描述的那些相同，并且因此将不再重复对它们的描述。 
在去离子水制备装置中，所要处理的水中含有的硬度组分如镁离子和 钙离子从去离子室移动至浓缩室。这些硬度组分与离子如CO3 2-和OH-在离子交换膜的表面处反应以形成碳酸钙和氢氧化镁，例如，并且沉淀为水垢。在去离子水制备装置中，这种水垢的沉淀倾向于在高pH区域中出现，并且通常在其中pH局部较高的区域如阴极室中的阴极表面和阴离子交换膜表面上观察到。降低水垢生成点处的pH作为该问题的解决方案是有效的。如果可以提供阴离子组分如碳酸，可以降低pH。换言之，如果可以将阴离子组分从每个去离子室提供至相邻的浓缩室，可以防止水垢的生成。 
参考图2，在根据实施方案2的去离子水制备装置中，提供至第一浓缩室C1的阴离子组分主要来自阴极侧去离子室D1，并且提供至第三浓缩室C3的阴离子组分主要来自阳极侧去离子室D2。因此，防止了第三阴离子交换膜a3和第五阴离子交换膜a5的膜表面上水垢的生成。然而，提供至位置最接近阴极室的第二浓缩室C2的阴离子组分的量小于提供至第一浓缩室C1和第三浓缩室C3的阴离子组分的量。换言之，第一阴离子交换膜a1的膜表面处于与第三阴离子交换膜a3和第五阴离子交换膜a5的膜表面相比水垢可以容易地生成这样一种条件下。 
另一方面，在其中将填充有阴离子交换剂的副去离子室S1设置在阴极室E1与第二浓缩室C2之间的根据本实施方案的去离子水制备装置中，将阴离子组分从副去离子室S1提供至第二浓缩室C2。因此，可以防止第一阴离子交换膜a1的膜表面上pH的局部增加，并且也防止了水垢的生成。 
此外，填充副去离子室S1的阴离子交换剂由阴极室E1中生成的OH- 再生。因此，在根据本实施方案的去离子水制备装置中，将在传统的装置中在阴极室E1中生成并被丢弃而未被利用的OH-有效地用于再生离子交换剂。 
此外，阴极室E1中OH-的生成效率高。因此，即使电势低，足够量的OH-移动至副去离子室S1中。因此，在电极之间施加的电压可以降低并且去离子水制备装置的运行成本可以减少。此外，虽然增加副去离子室S1作为本实施方案中的新去离子室，不需要在副去离子室S1的基础上新增加浓缩室。换言之，浓缩室的数目可以相对地减少。这不仅意味着减小 装置的尺寸和成本，而且也可以降低所施加的电压和运行成本。 
虽然本实施方案通过实例的方式关于描述了其中在阴极室与阳极室之间设置两个去离子处理单元的情况，可以备选地设置一个去离子处理单元或三个以上去离子处理单元。例如，可以将上述构造的副去离子室设置在图1中所示的阴极室E1与第二浓缩室C2之间。 
在其中将阳极设置在图4中的浓缩室C3中的情况下，可以省略阳极室E2。 
(比较测试2) 
将根据本实施方案和实施方案2的去离子水制备装置的每一个连续地运行1000小时，并且以100小时的间隔测量处理过的水的品质。在运行结束之后，拆开装置的每一个，并且视觉地观察水垢的存在/不存在。 
该比较测试的条件，包括技术条件、水通过的速率和所提供的水的类型如下所示。CER是阳离子交换剂(阳离子交换树脂)的缩写并且AER是阴离子交换剂(阴离子交换树脂)的缩写。 
·阴极室：尺寸为100×300×4mm，填充有AER 
·阳极室：尺寸为100×300×4mm，填充有CER 
·阴极侧第一小去离子室和阳极侧第一小去离子室：尺寸为100×300×8mm，填充有AER 
·阴极侧第二小去离子室和阳极侧第二小去离子室：尺寸为100×300×8mm，填充有AER/CER(层叠) 
·副去离子室：尺寸为100×300×8mm，填充有AER 
·浓缩室：尺寸为100×300×4mm，填充有AER 
·去离子室流动速率：20L/h 
·浓缩室流动速率：2L/h 
·电极室流动速率：10L/h 
·提供至去离子室和浓缩室的水：具有10±1μS/cm的单级RO渗透水 
·提供至电极室的水：在去离子室中处理过的水 
·所施加的电流值：0.4A 
通过该比较测试，获得如图5的曲线图中所示的结果。通过视觉观察证实在运行1000小时之后，在实施方案2中的装置中位置最接近阴极室的浓缩室中生成水垢。在根据本实施方案的装置中，在所有的浓缩室中未观察到水垢。从这些结果清楚的是，作为提供与阴极室相邻的副去离子室的结果，防止了最接近阴极室的浓缩室中水垢的生成，并且稳定地获得高纯度去离子水。 
(实施方案4) 
将描述根据本发明的去离子水制备装置的实施方案的另一个实例。根据本实施方案的去离子水制备装置和根据实施方案1的去离子水制备装置彼此不同之处仅在于：将双极性膜放置在图1中所示的第二小去离子室D-2中，然而在别的方面具有相同的构造。因此，下面将仅描述上述不同，并且将不重复进行对于相同点的描述。双极性膜是通过将阴离子交换膜与阳离子交换膜彼此粘附而整体地形成的离子交换膜。双极性膜具有在阴离子交换膜与阳离子交换膜之间的连接表面强烈地促进了水分解反应的特征。 
图6是显示设置在根据本实施方案的去离子水制备装置中的去离子室D的示意性截面图。如图6中所示，第一双极性膜4a和第二双极性膜4b分别放置在第二小去离子室D-2中。更具体地，第一双极性膜4a放置在填充第二小去离子室D-2的阴离子交换剂(阴离子交换层)的阴极侧上，而第二双极性膜4b放置在阳离子交换剂(阳离子交换层)的阳极侧上。此外，放置第一双极性膜4a以使得其阴离子交换膜2面向阴离子交换剂(阴离子交换层)，并且放置第二双极性膜4b以使得其阳离子交换膜3面向阳离子交换剂(阳离子交换层)。换言之，在第二小去离子室D-2中，将第一双极性膜4a放置在阴离子交换剂与第一阳离子交换膜c1之间，以使得其阴离子交换膜2面向阴离子交换剂。同样，将第二双极性膜4b放置在阳离子交换剂与第二阴离子交换膜(中间离子交换膜)a2之间，以使得其阳离子交换膜3面向阳离子交换剂。 
在去离子水制备装置中，由电分解的水起到用于离子交换剂的再生剂 的功能，如已经描述过的。然而，在离子交换剂与离子交换膜之间的界面处促进了水分解反应。因此，水分解反应强烈地受到离子交换剂和离子交换膜的组合影响。因为该原因，在其中如在图1中所示的第二小去离子室D-2中层叠具有不同符号的离子交换剂(阴离子交换剂和阳离子交换剂)的情况下，用于水分解所需的过电压在层之间被改变。因此，可能的是可以出现电流的不均匀流动，导致获得所需的电流分布上的失败。 
因此，在根据本实施方案的去离子水制备装置中，将第一双极性膜4a放置在填充第二小去离子室D-2的一部分的阴离子交换剂(阴离子交换层)的阴极侧上，如上所述。阴离子交换剂之后不与第一阳离子交换膜c1接触而与第一双极性膜4a中的阴离子交换膜接触，从而消除了上述不均匀的电流流动。从之前描述的离子交换剂和离子交换膜的组合对水分解反应的影响的角度，可以将双极性膜仅放置在填充第二小去离子室D-2的阴离子交换剂(阴离子交换剂层)的阴极侧上。换言之，可以仅放置图6中所示的第一双极性膜4a，而可以省略第二双极性膜4b。然而，在这种情况下，存在阴离子交换层与阳离子交换层之间的平衡将丧失的可能性。因此，在本实施方案中，将双极性膜分别放置在阴离子交换剂(阴离子交换层)的阴极侧以及阳离子交换剂(阳离子交换层)的阳极侧这两者上，以进一步提高在高电流密度下稳定运行的可靠性。 
虽然通过实例的方式关于其中将一个去离子处理单元设置在阴极室与阳极室之间的情况描述了本实施方案，但是可以设置两个以上去离子处理单元。例如，可以将上述第一和第二双极性膜分别放置在图2中所示的阴极侧第二小去离子室D1-2和阳极侧第二小去离子室D2-2中。 
(比较测试3) 
进行下面描述的比较测试以确认本发明的效果。换言之，准备四个去离子水制备装置，所述四个去离子水制备装置关于图1中所示的第二小去离子室D-2中双极性膜的存在/不存在或位置彼此不同。 
如图7a中所示，在去离子水制备装置(实施例3)中的第二小去离子室中，分别放置第一双极性膜4a和第二双极性膜4b。此外，放置第一双极性膜4a以使得其阴离子交换膜2面向阴离子交换剂(阴离子交换层)，同 时放置第二双极性膜4b以使得其阳离子交换膜3面向阳离子交换剂(阳离子交换层)。换言之，该去离子水制备装置具有与根据本实施方案的去离子水制备装置的去离子室相同的去离子室。 
如图7b中所示，在去离子水制备装置(比较例3)中的第二小去离子室中，不放置双极性膜。 
如图7c中所示，在去离子水制备装置(比较例4)中的第二小去离子室中，仅放置第一双极性膜4a。放置第一双极性膜4a以使得其阴离子交换膜2面向阴离子交换剂(阴离子交换层)。 
如图7d中所示，在去离子水制备装置(比较例5)中的第二小去离子室中，仅放置第二双极性膜4b。放置第二双极性膜4b以使得其阳离子交换膜3面向阳离子交换剂(阳离子交换层)。 
本发明的实施例和比较例所共用的该比较测试中的条件，包括技术条件、水的通过速率和所提供的水的类型，如下所示。CER是阳离子交换剂(阳离子交换树脂)的缩写并且AER是阴离子交换剂(阴离子交换树脂)的缩写。 
·阴极室：尺寸为100×300×4mm，填充有AER 
·阳极室：尺寸为100×300×4mm，填充有CER 
·阴极侧第一小去离子室和阳极侧第一小去离子室：尺寸为100×300×8mm，填充有AER 
·阴极侧第二小去离子室和阳极侧第二小去离子室：尺寸为100×300×8mm，填充有AER/CER(层叠) 
·浓缩室：尺寸为100×300×4mm，填充有AER 
·去离子室流动速率：20L/h 
·浓缩室流动速率：2L/h 
·电极室流动速率：10L/h 
·提供至去离子室和浓缩室的水：具有10±1μS/cm的单级RO渗透水 
·提供至电极室的水：在去离子室中处理过的水 
·所施加的电流值：3A 
将实施例3和比较例3至5中的去离子水制备装置的每一个在上面给出的条件下连续地运行200小时，并且测量在运行开始和从运行开始200小时之后的运行电压和处理过的水的品质。表2给出了测量的结果。 
[表2] 
Figure GDA0000379894870000261
如表2中所示，在运行开始时，在本发明的实例与比较例之间不存在处理过的水的运行电压和电阻率上的大的区别。然而，在连续操作200小时之后，观察到处理过的水的运行电压和电阻率上的巨大差别。更具体地，当实施例3中运行200小时之后的运行电压为16.2V时，比较例3至5中的运行电压增加至50至120V。同样，当实施例3中运行200小时之后处理过的水的电阻率为18.1MΩ·cm时，比较例3至5中的电阻率为1至4MΩ·cm。从这些结果证实：通过在出现水分解反应的每个部分上提供双极性膜可以防止电流的不均匀流动，由此可以防止运行电压上的增加和处理过的水的纯度上的降低，并且可以制备高纯度去离子水。 
关于其中将双极性膜设置在离子交换膜上的安排描述了本实施方案。然而，可以将离子交换膜的一部分用双极性膜替换。通过该替换，也可以获得与上面描述的那些相同的效果和益处。例如，可以将图6中所示的第一阳离子交换膜c1的上面一半(与阴极侧第二小去离子室D-2中的阴离子交换剂接触的区域)用双极性膜替换。同样，可以将图6中所示的第二阴离子交换膜(中间离子交换膜)a2的下面一半(与阴极侧第二小去离子室D-2中的阳离子交换剂接触的区域)用双极性膜替换。 
在根据本发明的去离子水制备装置中使用的阴离子交换剂的实例包括离子交换树脂、离子交换纤维和单块多孔离子交换剂。可以优选使用最 广泛使用的离子交换树脂作为阴离子交换剂。阴离子交换剂的类型的实例包括弱碱性阴离子交换剂和强碱性阴离子交换剂。阳离子交换剂的实例包括离子交换树脂、离子交换纤维和单块多孔离子交换剂。可以优选使用最广泛使用的离子交换树脂作为阳离子交换剂。阳离子交换剂的类型的实例包括弱酸性阳离子交换剂和强酸性阳离子交换剂。 

Claims (4)

1.一种用于制备去离子水的电去离子装置，所述用于制备去离子水的电去离子装置包括至少一个去离子处理单元，所述至少一个去离子处理单元设置在彼此相对的阴极和阳极之间，
所述去离子处理单元包括去离子室和一对浓缩室，所述一对浓缩室与所述去离子室相邻，在其相反侧上放置并且填充有阴离子交换剂，
其中所述去离子室由离子交换膜分隔成：与所述一对浓缩室中的一个相邻的第一小去离子室和与所述一对浓缩室中的另一个相邻的第二小去离子室；
其中所述第一小去离子室填充有阴离子交换剂，并且
其中所述第二小去离子室顺次填充有阴离子交换剂和阳离子交换剂，以使得所要处理的水最终从其通过的离子交换剂是所述阴离子交换剂。
2.根据权利要求1所述的用于制备去离子水的电去离子装置，其中在所述第一小去离子室中形成一个阴离子交换层，并且其中至少一个阴离子交换层和至少一个阳离子交换层顺次层叠在所述第二小去离子室中，以使得所要处理的水从其最终通过的离子交换剂是所述阴离子交换剂。
3.根据权利要求2所述的用于制备去离子水的电去离子装置，其中两个阴离子交换层和两个阳离子交换层交替地层叠在所述第二小去离子室中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于制备去离子水的电去离子装置，其中形成流道以使得所要处理的水流入到所述第二小去离子室中的方向和浓缩水流入到所述浓缩室中的方向彼此相反。
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