CN109843812A

CN109843812A - 去离子水制造系统、电去离子装置、以及制造去离子水的方法

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Publication number: CN109843812A
Application number: CN201780062636.0A
Authority: CN
Inventors: 合庭健太; 佐佐木庆介; 日高真生
Original assignee: PRGANO CORP
Current assignee: PRGANO CORP; Organo Corp
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: WO2018117035A1; TWI749130B; KR20190057377A; TW201827352A; MY192803A; JP6998324B2; CN109843812B; KR102269869B1; KR20200102552A; KR102210335B1; JPWO2018117035A1

Abstract

一种供给有原水并制造去离子水的去离子水制造系统，设置有：反渗透膜装置(RO装置)，原水供应至该反渗透膜装置；和电去离子装置(EDI装置)，其配备有去离子室，该去离子室由离子交换膜分隔并且反渗透膜装置的渗透水供应到该去离子室。在EDI装置中，离子交换剂填充在去离子室内，并且含有多价金属的颗粒吸附到离子交换膜的至少一部分和离子交换剂的至少一部分中的至少一者的表面上。

Description

去离子水制造系统、电去离子装置、以及制造去离子水的方法

技术领域

本发明涉及去离子水的制造，更具体地涉及去离子水制造系统、电去离子装置和用于制造去离子水的方法。

背景技术

已知的去离子水制造系统通过离子交换反应进行去离子，其中，待处理水通过诸如离子交换树脂的离子交换剂。这种类型的系统通常设置有具有离子交换剂的装置，并通过使用由离子交换剂实现的离子交换反应产生去离子水。然而，在具有离子交换剂的装置中，当离子交换剂的离子交换基团变得饱和并且去离子性能下降时，必须进行通过诸如酸或碱的化学物质再生离子交换剂的过程，即再生过程。再生过程用源自酸或碱的氢离子(H⁺)和氢氧离子(OH^-)取代已经吸附在离子交换剂上的阳离子(正离子)和阴离子(负离子)，因此是一个恢复离子交换剂的去离子性能的过程。因此，使用离子交换剂的去离子水制造装置带来的问题是，必须花费时间和精力为再生过程进行化学补给，因此不能进行连续运行。作为解决该问题的手段，近年来已经发展和实际应用了不需要化学品进行再生的电去离子水制造装置(也称为EDI(ElectroDeIonization)装置)。

EDI装置是结合了电泳和电渗析的装置，其具有这样的结构，其中，离子交换剂填充在仅允许阴离子渗透的阴离子交换膜和仅允许阳离子渗透的阳离子交换膜之间以形成去离子室，从去离子室来看，在阴离子交换膜和阳离子交换膜的外侧分别布置浓缩室，进一步的，在这些浓缩室的外侧布置有设有阳极的阳极室和设有阴极的阴极室。填充在去离子室中的离子交换剂是阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一种。在去离子室中，阴离子交换膜布置在面向阳极的一侧，阳离子交换膜布置在面对阴极的一侧。离子交换剂也可以装在浓缩室中，阳离子交换剂可以填充在阳极室中，阴离子交换剂可以填充在阴极室中。

为了通过EDI装置从待处理水制造去离子水，在阳极和阴极之间施加直流电压状态下将待处理水输送到去离子室中。待处理水中的离子组分随后被吸附到去离子室中的离子交换剂，在此进行去离子过程，即脱盐过程。结果，去离子水从去离子室流出。在此时的去离子室中，由于施加如下式所示的电压，在不同类型的离子交换物质之间的界面处(即，阴离子交换剂和阳离子交换剂之间的界面、阴离子交换剂和阳离子交换膜之间的界面、阴离子交换膜与阳离子交换剂之间的界面以及阴离子交换膜与阳离子交换膜之间的界面处)发生水的解离反应，因此产生氢离子和氢氧离子。

H₂O→H⁺+OH^-

由于通过该解离反应产生的氢离子和氢氧离子，之前吸附到去离子室中的离子交换剂上的离子组分进行离子交换并从离子交换剂中释放。释放的离子组分中的阴离子经历电泳直到阴离子交换膜，然后在阴离子交换膜中进行电渗析，并且从去离子室看，被排放到流经更靠近阳极的浓度室的浓缩水中。类似地，释放的离子组分中的阳离子经历电泳直至阳离子交换膜，在阳离子交换膜处进行电渗析，并且从去离子室看，被排放到流经更靠近阴极的浓缩室的浓缩水中。最后，供给到去离子室的待处理水中的离子组分迁移到浓缩室并被排出，同时，去离子室的离子交换剂得到再生。

因此，在EDI装置中，通过施加直流电压产生的氢离子和氢氧离子连续地充当再生离子交换剂的酸和碱再生剂。结果，在EDI装置中，借助于从外部供应的化学品的再生过程基本上变得基本不必要，并且可以在不通过化学品进行离子交换剂的再生的情况下进行连续运行。

在前面的说明中，假设由[浓缩室(C)|阴离子交换膜(AEM)|去离子室(D)|阳离子交换膜(CEM)|浓缩室(C)]组成的基本构造被布置在阳极和阴极之间。该基本构造称为单元集合。实际上，通常在电极之间并置多个这种类型的单元集合，并将多个单元集合串联电连接，一端作为阳极，另一端作为阴极，以实现处理能力的大幅提高。因为在这种情况下相邻单元集合之间可以共用相邻的浓缩室，所以EDI设备的构造变为：[阳极室|C|AEM|D|CEM|C|AEM|D|CEM|C|AEM|D|CEM|...|C|阴极室]。另外，阳离子交换膜通常设置在阳极室和相邻的浓缩室之间，阴离子交换膜通常设置在阴极室和相邻的浓缩室之间。此外，在这种类型的串联构造中，关于最接近阳极室的去离子室，阳极室本身也可以用作浓缩室而无需在阳极室和去离子室之间插入独立的浓缩室。类似地，关于最接近阴极室的去离子室，阴极室本身也可以用作浓缩室，而无需在阴极室和去离子室之间插入浓缩室。离子交换剂还优选地填充在每个浓缩室、阳极室和阴极室中以降低电阻，以便抑制由施加直流电压消耗的电力。

在设置有EDI装置的去离子水制造系统中，优选使用预先在某种程度上减少杂质的水作为供应给EDI装置的待处理水，以获得具有极低浓度的去离子水。所以，去离子水制造系统通过在EDI装置之前的阶段中提供例如反渗透(RO)膜装置来配置，并且已经通过反渗透膜装置的水被供应到EDI设备作为待处理水。然而，待处理水的电导率降低，并且当电导率降至例如5μS/cm或更低时，为引起水的离解反应而必须向EDI装置施加的电压变高。当使用具有较低电导率的待处理水来获得杂质浓度甚至更低的去离子水时，假设阳极和阴极之间流动的电流是固定的，那么必须施加到EDI装置的电压(即工作电压)变得更高。如果工作电压变高，功耗则成比例地增加。

如上所述，去离子室内水的解离反应在通过EDI装置的去离子水连续制造中起着至关重要的作用。如果水的解离反应高效地进行，即使当待处理水的电导率低时也可以将施加到EDI装置的电压抑制到低水平，因此，可以以低功耗制造高纯度的去离子水。

已经提出了许多技术来促进EDI装置的去离子室内的水的解离反应。专利文献1公开了用填充在EDI装置中的去离子室内的阴离子交换膜或离子交换树脂的去离子室侧的膜表面支撑诸如氢氧化镁的金属氢氧化物。专利文献2公开了在EDI装置中以1至50％的体积比的比例在去离子室内的离子交换剂中混合金属氧化物或金属氢氧化物作为两性离子交换剂。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP 2000-350991 A1

专利文献2：JP 2001-340865 A2

发明内容

技术问题

然而，在专利文献1中公开的装置中，支撑在去离子室内的金属氢氧化物被由水解离产生的氢离子溶解，因此难以在长时间间隔内稳定和保持性能。在专利文献2中描述的装置中，已经混合在离子交换剂中的金属氧化物和金属氢氧化物不能可靠地存在于不同类型的离子交换剂的界面处，由此不能表现出促进水解离作用的最大效果。

考虑到如上所述的现有技术的去离子水制造系统的问题，本发明的目的是提供一种去离子水制造系统和去离子水制造方法，其促进水的更稳定和高效的解离反应，从而即使当向电去离子装置供应具有低电导率的待处理水时，也能够以较低功耗制造高纯度去离子水，以及提供一种适用于该去离子水制造系统的电去离子装置。

本发明的另一个目的是提供在电去离子装置中使用的离子交换膜和离子交换剂中的至少一种。

问题的解决方案

根据本发明的一个方面，提供有原水并制造去离子水的去离子水制造系统设置有：反渗透膜装置，向该反渗透膜装置供应原水；和包括去离子室的电去离子装置，该去离子室由离子交换膜隔开，且反渗透膜装置的渗透水供给到该去离子室，其中，离子交换剂填充在去离子室内，并且其中含有多价金属的颗粒被吸附到离子交换膜的至少一部分和离子交换剂的至少一部分中的至少一者的表面上。

根据本发明的另一方面，电去离子装置(EDI装置)在阳极室和阴极室之间配备有至少一个去离子室，所述阳极室设置有阳极，阴极室设置有阴极，所述去离子室是由位于面向阳极的一侧上的阴离子交换膜和位于面向阴极的一侧上的阳离子交换膜分隔，并且阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一者被填充在去离子室内，其特征在于，含有多价金属的颗粒被吸附到阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一者的表面上。

多价金属，即在成为阳离子时离子价为2以上的金属元素，起到水的解离反应的催化剂的作用。在本发明中，含有多价金属的颗粒被吸附到去离子室内的阴离子交换剂、阳离子交换剂、阴离子交换膜和阳离子交换膜中的至少一者的表面，从而可靠地确保充当去离子室内的不同类型的离子交换物质之间的界面处的水解离反应的催化剂的多价金属的存在。所以，在本发明中可以获得通过多价金属促进水解离反应的最大效果。另外，含有多价金属的颗粒具有颗粒的形状，因此当被吸附到去离子室内的离子交换剂和离子交换膜时，消除了这些表面被含有多价金属的颗粒覆盖的担忧，因此，可以将离子渗透性的损失和与去离子化有关的离子交换的反应性的损失抑制到最小。

根据本发明的又一方面，一种去离子水制造方法的特征在于，在使用本发明的上述EDI装置的去离子水制造方法中，通过使待处理水流经去离子室并同时在阳极和阴极之间施加直流电压使得去离子室中的电流密度为至少0.3A/dm²但不大于10A/dm²，来获得去离子水。

根据本发明的另一方面，在一种使用EDI装置的去离子水制造方法中，该EDI装置在设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室之间配备有至少一个去离子室，其中，所述去离子室由位于面向阳极的一侧上的阴离子交换膜和位于面向阴极的一侧上的阳离子交换膜分隔，阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一者被填充在去离子室内；去离子水制造方法包括以下步骤：使含有多价金属的颗粒吸附到阴离子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一者的表面上；在吸附步骤之后，通过使待处理水流过去离子室同时在阳极和阴极之间施加直流电压来获得去离子水。

根据本发明的又一方面在于，在EDI装置中使用的离子交换膜，该EDI装置在设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室之间配备有至少一个去离子室，该去离子室填充有阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一种，用于EDI装置的离子交换膜的特征在于，使含有多价金属的颗粒被吸附到离子交换膜的表面，离子交换膜是下列中的至少一种：阴离子交换膜，其分隔去离子室并且位于去离子室中面向阳极的一侧上；阳离子交换膜，其分隔去离子室并位于去离子室中面向阴极的一侧上；以及中间离子交换膜，其进一步将去离子室的内部分隔成小的去离子室。

根据本发明的又一方面在于，在EDI装置中使用的离子交换剂，该EDI装置在设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室之间配备有至少一个去离子室，该去离子室由位于面向阳极的一侧上的阴离子交换膜和位于面向阴极的一侧上的阳离子交换膜分隔，用于EDI装置的离子交换剂是阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一种并填充在去离子内，其特征在于，使含有多价金属的颗粒吸附到离子交换剂的表面中。

从下面将要描述的实施例等中可以清楚地看出，根据本发明，使含有多价金属的颗粒吸附到EDI装置的去离子室内的离子交换剂或离子交换膜上，与不使用含有多价金属的颗粒的EDI装置相比，能够促进水的更稳定和高效的解离反应，因此，可以以更低的电力消耗制造高纯度的去离子水。

附图说明

图1示出了基于本发明的去离子水制造系统的。

图2示出了去离子水制造系统构造的另一实施例。

图3示出了去离子水制造系统构造的另一实施例。

图4是示出了电去离子装置(EDI装置)的基本实施例的示意性剖视图。

图5A是用于描述由含有多价金属的颗粒实现的促进水解离的视图。

图5B是用于描述由含有多价金属的颗粒实现的促进水解离的视图。

图6是示出了基于本发明的EDI装置的另一实施例的示意剖视图。

图7是示出了基于本发明的EDI装置的又一实施例的示意剖视图。

图8是示出了基于本发明的EDI装置的又一实施例的示意剖视图。

图9是示出了基于本发明的EDI装置的又一实施例的示意剖视图。

图10是示出了基于本发明的EDI装置的又一实施例的示意剖视图。

图11是用于描述由含有多价金属的颗粒实现的促进水分解的视图。

图12是示出了基于本发明的EDI装置的又一实施例的示意剖视图。

图13是示出了基于本发明的EDI装置的又一实施例的示意剖视图。

具体实施方式

接下来参考附图描述本发明的优选示例性实施例。

图1示出了基于本发明的去离子水制造系统的构造。该去离子水制造系统是配备有EDI装置10的装置，并且为了获得杂质浓度充分降低的去离子水，反渗透(RO)膜装置51和52以两级串联方式(in a two-pass series)设置在EDI装置10之前的阶段中。反渗透膜装置51和52内分别配备有反渗透膜53和54。通过泵55向第一级反渗透膜装置51供应原水，并且已通过反渗透膜装置51内的反渗透膜53的水(即渗透水)被供应到第二级反渗透膜装置52。第二级反渗透膜装置52的渗透水作为待处理水供给到EDI装置10。两个反渗透膜装置51和52串联连接的构造是这样的构造，其中，总体上，配备有各个反渗透膜53和54的装置以两级串联的方式连接。在本示例性实施例的去离子水制造系统中使用的反渗透膜装置51和52是用于例如纯水制造的典型装置。另外，也可以采用这样的构造，其中可以适当添加罐和泵、用于软化或去离子的离子交换树脂装置、用于脱碳的脱碳器或膜脱气装置、以及化学注入设备等，并根据需要设置在泵55、反渗透膜装置51和52、以及图中所示的EDI装置10之间。

自来水、井水、河水或工业用水用作原水。除了待处理水之外，向EDI装置10供应的供给水描述如下。供给水可以是从例如反渗透膜装置获得的渗透水，或者可以是已经由EDI装置处理的水，即去离子水。在这种情况下，提供了两个反渗透膜装置51和52，但是如图2所示，可以在EDI装置10之前的阶段中仅提供单级反渗透膜装置52。

EDI装置可以以两级串联连接，以获得杂质的浓度甚至比图1所示的系统中的杂质浓度进一步降低的去离子水。图3示出了一种装置，其中，在图1所示的去离子水制造系统中的反渗透膜装置52和EDI装置10之间布置有附加EDI装置15。作为EDI装置15，可以使用具有与EDI装置10相同配置的装置，或者可以使用具有不同配置的装置。反渗透膜装置52的渗透水被供应到EDI装置15的去离子室23，并且从EDI装置15的去离子室23流出的水被供应到EDI装置10的去离子室作为待处理水。此外，还可以适当地添加罐和泵、用于软化或去离子的离子交换树脂装置、用于脱碳的脱碳器或膜脱气装置、以及化学注入设备，并且布置在图中所示的泵55、反向渗透膜装置51和52、以及EDI装置10和15之间。

在图3中所示的配置的情况下，提供给第二级EDI装置10的待处理水的电导率已经是极低值，例如1μS/cm或更低。当EDI装置用于制造去离子水时，在待处理水的电导率低的情况下，EDI装置的工作电压趋于变高，但是后面描述的基于本发明的EDI装置用作后一级EDI装置10允许该EDI装置10保持低的工作电压。提供给第一级附加EDI装置15的待处理水的电导率相对较大，因此，除了后面描述的EDI装置之外，典型的EDI装置可以用作附加的EDI装置15。

在图1、图2和图3中所示的每个去离子水制造系统中，用于EDI装置10的待处理水的电导率例如不大于10μS/cm，优选不大于5μS/cm，更优选不大于3μS/cm，更优选不大于1μS/cm。

接下来说明基于本发明的EDI装置10，其用于上述去离子水制造系统。在EDI装置10中，在设置有阳极11的阳极室21和设置有阴极12的阴极室25之间从阳极室21一侧依次地设置浓缩室22、去离子室23和浓缩室24。阳极室21和浓缩室22相邻，阳极交换膜31介于其间。浓缩室22和去离子室23相邻，阴离子交换膜32介于其间。去离子室23和浓缩室24相邻，阳离子交换膜33介于其间。浓缩室24和阴极室25相邻，阴离子交换膜34介于其间。因此，去离子室23被位于面向阳极11的一侧的阴离子交换膜32和位于面对阴极12的一侧的阳离子交换膜33分隔。阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一者被填充在去离子室23中。在此处所示的实施例中，阴离子交换剂和阳离子交换剂以相互混合的构造(即混合床构造)填充在去离子室23内。此外，在该EDI装置10中，阳离子交换剂填充在阳极室21内，阴离子交换剂填充在浓缩室22和24以及阴极室25内。在这种情况下，例如，阴离子交换树脂用作阴离子换热剂，并且例如阳离子交换树脂用作阳离子交换剂。另外，阴离子交换剂或阳离子交换剂不必填充在阳极室21、浓缩室22和24以及阴极室25中。图4给出了在图1所示的去离子水制造系统中使用的EDI装置10的剖面构造的示意图。在图4中，在电极室21和25、浓缩室22和24以及去离子室23内部绘制的小圆圈显示了填充在这些室内的阴离子交换剂和阳离子交换剂。另外，虽然在图4中在阴离子交换剂和阴离子交换膜上添加了彼此相同的阴影线，并在阳离子交换剂和阳离子交换膜中添加了彼此相同的阴影线，但阴离子交换剂和阳离子交换剂的绘制通过添加不同的阴影线来区分它们。通过阴影线实现的阴离子交换剂和阳离子交换剂之间的区别以及阴离子交换膜和阳离子交换膜之间的区别对于附于本说明书的每个附图是通用的。

在下面的说明中，阴离子交换剂和阳离子交换剂用通用术语“离子交换剂”表示，阴离子交换膜和阳离子交换膜用通用术语“离子交换膜”表示。因此，离子交换剂是阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一种，离子交换膜是阴离子交换膜和阳离子交换膜中的至少一种。

此外，在该EDI装置10中的去离子室23中，含有多价金属的颗粒被吸附到设置在去离子室23中的离子交换剂的至少一部分和离子交换膜(阴离子交换膜32和阳离子交换膜33)的至少一部分中的至少一者的表面。这里提到的“含有多价金属的颗粒”是含有多价金属的颗粒，即在成为阳离子时离子价至少为“2”的金属元素，被吸附到阴离子交换剂、阳离子交换剂、阴离子交换膜、或阳离子交换膜上，并且在吸附后不易机械分离。对于此处用作多价金属的材料没有特别限制，只要该材料发挥水解离的催化剂的作用，此外，该材料可以是单个类型的金属或可以包含多种类型的金属。用作多价金属的金属元素的实例包括镁、钙、铝、铬、锰、铁、镍等。因此，“含有多价金属的颗粒”可以被认为是用作水解离催化剂的材料，所以“含有多价金属的颗粒”在下文中简称为“催化剂颗粒”，除非另有说明。

对催化剂颗粒没有特别限制，只要它们易于吸附到阴离子交换剂、阳离子交换剂、阴离子交换膜或阳离子交换膜的表面即可。当催化剂颗粒是无机物质时，从易于吸附的观点来看，该催化剂颗粒优选是无机离子交换材料。无机离子交换材料是具有通过摄取接触的电解液中所含的离子而进行的离子类交换能力的无机物质，并且交换时释放属于其自身的离子，或者换言之，是具有离子交换能力的无机物质。认为作为无机离子交换材料的催化剂颗粒容易吸附到阴离子交换剂、阳离子交换剂、阴离子交换膜或阳离子交换膜的表面的原因是因为催化剂颗粒通过存在于这些表面上的离子交换基团吸附到阴离子交换剂、阳离子交换剂、阴离子交换膜或阳离子交换膜。

含有多价金属的硅酸盐可以优选用作为无机离子交换材料催化剂颗粒的实例，这种类型的硅酸盐的实例包括硅酸铝、硅酸镁、硅酸钙、硅酸钙镁、各种类型的硅铝酸盐、和各种类型的硅酸盐矿物；这些材料中的一种或多种也可以单独使用或混合使用。其中，硅酸盐矿物具有优异的化学稳定性，特别是强烈地吸附在阴离子交换剂或阴离子交换膜上，因此可以期待表现出更稳定的性能。此外，硅酸盐矿物包含在天然矿石中，因此具有更多选择并且从成本的观点来看是有利的。这种硅酸盐矿物的实例包括：沸石，滑石，高岭石和沸石，特别是海泡石(CAS号(Chemical Abstract Service registry number)：63800-37-3，组成式：Mg₈Si₁₂O₃₀(OH)₄(OH₂)₄·8H₂O)，硅灰石(CAS号：13983-17-0，组成式：CaSiO₃)和绿坡缕石(CAS号：12174-11-7，组成式：(Mg，Al)₅Si₈O₂₀·4H₂0)，具有高吸附性能因此更适合使用。由绿坡缕石、海泡石和硅灰石中的至少一种组成的材料更优选用作催化剂颗粒。还已知绿坡缕石、海泡石和硅灰石是针状颗粒的形式。硅酸盐矿物质容易吸附到例如阴离子交换剂被认为是由于阴离子交换剂中包含的阴离子交换基团(例如氨基或季铵基团)对存在于硅酸盐矿物表面的例如羟基或氧原子的静电吸引。

催化剂颗粒向离子交换剂或离子交换膜的吸附可以通过例如将离子交换剂或离子交换膜浸入已经分散有催化剂颗粒的水中而容易地进行。另外，通过将其中分散有催化剂颗粒的水供应到去离子室，可以使催化剂颗粒吸附到现有EDI装置的去离子室内的离子交换剂或离子交换膜上。因此，现有的EDI设备可以容易地转换为基于本发明的EDI装置，并且在根据将现有EDI设备转换为本发明的EDI装置之后的去离子水的制造包括在本发明的类别中。

催化剂颗粒的粒径没有特别限制。每个催化剂颗粒的粒径可以通过例如在通过扫描电子显微镜(SEM)以1000至20000倍的放大倍数观察催化剂颗粒的图像中测量来找到。当催化剂颗粒的形状不是球形时，将最大直径作为粒径。例如，当催化剂颗粒是针状颗粒时，沿纵轴的长度作为颗粒直径。催化剂颗粒的粒径范围是在具有不同观察视野的10个位点的SEM图像中测量催化剂颗粒的粒径时测量到的粒径的最小值至最大值的范围。在本发明中，优选使用粒径范围为例如至少0.01μm但不大于100μm的催化剂颗粒，并且更优选使用范围为至少0.02μm但不大于10μm的催化剂颗粒。

当催化剂颗粒的颗粒尺寸太大时，不仅防止了对离子交换剂或离子交换膜表面的适当吸附和固定，而且不同类型的离子交换物质的界面之间的距离变得过大，由此会出现不能充分促进水解离反应的可能性。另一方面，当催化剂颗粒的粒径太小时，催化剂颗粒密集地覆盖离子交换剂或离子交换膜的表面，因此可能带来诸如干扰离子交换剂或离子交换膜上的离子交换反应或离子迁移的问题。

接下来描述填充在去离子室23中的离子交换剂。对可以填充在去离子室23中的离子交换剂的类型没有特别限制，但是如上所例举的，离子交换树脂是优选的。这里描述的离子交换树脂是合成树脂，其中具有离子交换能力的官能团(即离子交换基团)已被引入到具有三维网状结构的聚合物基质中。通常使用的离子交换树脂具有球形颗粒，其粒径为0.4至0.8mm级别。离子交换树脂的聚合物基质可以是，例如，被称为“苯乙烯”的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物或被称为“丙烯酸”的丙烯酸酯-二乙烯基苯共聚物。

离子交换树脂可大致分为离子交换基团呈现酸性的阳离子交换树脂和离子交换基团呈现碱性的阴离子交换树脂，并且根据引入的离子交换基团的类型又可分为强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂等。强碱性阴离子交换树脂包括例如具有季铵基团作为离子交换基团的树脂，弱碱性阴离子交换树脂包括例如具有伯胺、仲胺或叔胺作为离子交换基团的树脂。强酸性阳离子交换树脂包括例如含有磺酸基作为离子交换基团的树脂，弱酸性阳离子交换树脂包括例如含有羧基作为离子交换基团的树脂。作为填充在去离子室中的离子交换树脂，可以使用这些类型中的任何物质，但是优选地选择离子交换树脂和催化剂颗粒的组合(其中催化剂颗粒被吸附到离子交换树脂所包含的离子交换基团上)。

如果以离子交换剂的体积为100％的体积比表示，那么在去离子室23内催化剂颗粒在离子交换剂上的吸附量至少为0.0001体积％，优选小于1体积％，更优选的是不大于0.0125体积％。如果催化剂颗粒的吸附量过大，则催化剂颗粒可能阻碍EDI装置10内的离子交换反应或离子迁移。

接下来借助于图4中所示的EDI装置10描述去离子水的制造。

与现有技术的EDI装置一样，供给水被供给到阳极室21、浓缩室22和24、以及阴极室25，并且在阳极11和阴极12之间施加直流电压的状态下待处理水被传递到去离子室23。当待处理水被供应到去离子室23时，待处理水中的离子组分被吸附到去离子室23中的离子交换剂，进行去离子处理，并且去离子水从去离子室23流出作为处理过的水。此时，在去离子室23中，由于施加电压，在不同类型的离子交换物质之间的界面处发生水解离反应，产生氢离子和氢氧离子，并且在离子室23中早先吸附到离子交换剂的离子组分经历离子交换，从而从离子交换剂中被释放。在释放的离子组分中，阴离子通过阴离子交换膜32移动到更靠近阳极的浓缩室22，并作为浓缩水从该浓缩室22排出，并且阳离子通过阳离子交换膜33移动到更靠近阴极的浓缩室24，并作为浓缩水从该浓缩室24排出。最后，供给到去离子室23的待处理水中的离子组分移动到浓缩室22和24并被排放，同时，去离子室23中的离子交换剂也得到再生。此外，电极水从阳极室21和阴极室25排出。

在图4所示的EDI设备10中，如上所述，含有多价金属的颗粒，即催化剂颗粒，被吸附到去离子室23中提供的离子交换剂、阴离子交换膜32和阳离子交换膜33中的至少一者的表面上。这些催化剂颗粒存在于去离子室23内的不同类型的离子交换物质的界面处，但是因为催化剂颗粒中包含的多价金属充当促进水的解离反应的催化剂，所以水的解离反应可以在该EDI装置10中高效地进行。因此，去离子室23内的离子交换剂的再生也可以高效地进行，并且可以以低功率制造高纯度的去离子水的同时抑制施加到EDI装置10的电压。此外，在所施加的电压所降低的程度上，可以在去离子室23中的高电流密度下实现装置运行，例如，电流密度为0.3A/dm²或更高，但不大于10A/dm²。

图5A和5B给出了借助催化剂颗粒的水的解离反应的示意图。这里假设催化剂颗粒43被吸附到阴离子交换剂42。当不同类型的离子交换物质的界面由阳离子交换剂41和阴离子交换剂42构成时，促进了这些界面处的水的解离，在阴离子交换剂42一侧高效地产生氢氧离子，并在阳离子交换剂41一侧高效地生成氢离子，如图5A所示。类似地，在阴离子交换剂42和阳离子交换膜33的界面处，在阴离子交换剂42一侧高效地产生氢氧离子，并且在阳离子交换膜33一侧高效地产生氢离子，如图5B所示。该EDI装置10能够促进离子交换膜和离子交换剂的界面处的水的解离。

尽管上面已经描述了基于本发明的EDI装置10的基本构造，但是本发明也可以广泛地应用于各种构造的EDI装置。下面描述可以应用本发明的EDI装置的构造的示例。在任何情况下，含有多价金属的颗粒，即催化剂颗粒，至少在去离子室23中被吸附到离子交换剂或离子交换膜上。下面描述的EDI装置是可用作图1、图2和图3中任一个所示的去离子水制造系统中的EDI装置10。

图6示出了基于本发明的EDI装置的另一个实施例。如上所述，在EDI装置中，多个由[浓缩室|阴离子交换膜(AEM)|去离子室|阳离子交换膜(CEM)|浓缩室]构成的基础构造(即单元集合)可以并排布置在阳极和阴极之间。此时，可以共享相邻单元集合之间彼此相邻的浓缩室。图6中所示的EDI装置的结构中：多个单元集合以这种方式布置在如图4所示的装置中，并且其中一个单元集合由阴离子交换膜32、去离子室23、阳离子交换膜33和浓缩室24构成，在最接近阳极室21的浓缩室22和阴极室25之间布置N个这样的单元集合。这里，N是等于或大于1的整数。阳离子交换树脂(CER)填充在阳极室21中，阴离子交换树脂(AER)填充在浓缩室22和24以及阴极室25中。阴离子交换树脂和阳离子交换树脂以混合床(MB)构造填充在去离子室23中。代替水从外部供应到阳极室21，阴极室25的输出水被供应到阳极室21。与图4所示构造相反，去离子室23内的水流方向相对于去离子室23两侧的浓缩室22和24中的水流方向为逆流。

图7示出了基于本发明的EDI装置的另一个实施例。该EDI装置类似于图4中所示装置的EDI装置。但是，在去离子室23内，阴离子交换树脂布置在靠近待处理水输入的区域中，阴离子交换树脂和阳离子交换树脂作为混合床设置在靠近输出的区域中。当然，在阴离子交换膜32、去离子室23、阳离子交换膜33和浓缩室24构成一个单元集合的情况下，可以在最接近阳极室21的浓缩室22和阴极室25之间配置N个这样的单元集合。在此，N是等于或大于1的整数。

图8中所示的EDI装置具有与图7所示的EDI装置相似的结构，但沿着去离子室中的水流方向去离子室23被分成四个区域，并且在每个区域中设置有离子交换树脂，使得从待处理水的输入位置开始按顺序排列阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。换句话说，图8中所示的EDI装置是这样一种构造：其中在去离子室23中设置多层床构造的离子交换剂，在该多层床构造中，阳离子交换树脂层和阴离子交换树脂层沿着水流方向交替布置。而且与图7所示的构造相反，在图8所示的EDI装置中，去离子室23内的水流方向相对于去离子室23两侧的浓缩室22和24中的水流方向是逆流的。

图9中所示的EDI装置类似于图7所示的装置，但是沿着去离子室内的水流方向去离子室23被分成三个区域，并且离子交换树脂布置在每个区域中，使得从待处理水的输入位置开始按顺序排列阴离子交换树脂、阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。在图9所示的EDI装置中，离子交换剂在去离子室23内也是多层床构造。

在基于本发明的EDI装置中，中间离子交换膜(IIEM)可以设置在每个去离子室中面向阳极的一侧上的阴离子交换膜和面向阴极的一侧上的阳离子交换膜之间，去离子室被中间离子交换膜分隔成第一小去离子室和第二小去离子室，并且第一小去离子室和第二小去离子室可以连通布置，使得待处理水被供应到第一小去离子室和第二小去离子室中的一个小去离子室并且从该小去离子室流出的水流入另一个小去离子室。阴离子交换膜和阳离子交换膜均可用作中间离子交换膜。如果这里假设第一小去离子室是靠近阳极的小去离子室，而假设第二小去离子室是靠近阴极的小去离子室，那么至少阴离子交换剂被填充第一小去离子室中且至少阳离子交换剂填充在第二小去离子室中。催化剂颗粒被吸附到每个小去离子室内的离子交换剂、中间离子交换膜、在第一小去离子室中设置在面向阳极的一侧上的阴离子交换膜、和在第二小去离子室中设置在面向阴极的一侧上的阳离子交换膜中的至少一者上。

图10显示了EDI装置的一个实例，其中去离子室以这种方式被中间离子交换膜分隔成两个小去离子室。该EDI装置具有这样的结构，其中图6所示的EDI装置中的每个去离子室23都被中间离子交换膜36分隔成第一小去离子室26和第二小去离子室27。在该实施例中，阴离子交换膜用作中间离子交换膜36。阴离子交换树脂填充在更接近阳极11的第一小去离子室26中，阳离子交换树脂被填充在更靠近阴极12的第二小去离子室27中。待处理水首先被供应到第二小去离子室27，来自第二小去离子室27的输出水被供应到第一小去离子室26，使得流动平行于第二小去离子室27中的水流，并且从第一小去离子室26获得去离子水作为处理过的水。阳极室21、浓缩室22和24以及阴极室25中水流相对于第一小去离子室26和第二小去离子室27中的水流是逆流的。

图11给出了由图10所示的EDI装置中的催化剂颗粒实现的水的解离反应的示意图。这里，假设催化剂颗粒43被吸附到本身是阴离子交换膜的中间离子交换膜36上。当不同类型的离子交换物质的界面由阳离子交换剂41和中间离子交换膜36构成时，如图所示促进这些界面处的水的解离，在中间离子交换膜36一侧高效地产生氢氧离子，在阳离子交换膜41一侧高效地产生氢离子。

图12显示了EDI装置的另一个实例，其中去离子室被中间离子交换膜分隔成两个小去离子室。该EDI装置具有这样的构造：其中图7所示的EDI装置中的每个去离子室23被中间离子交换膜36分隔成更靠近阳极11的第一小去离子室26和更靠近阴极12的第二小去离子室27。阴离子交换树脂被填充在第一小去离子室26，阴离子交换树脂和阳离子交换树脂作为混合床填充在第二小去离子室27中。将待处理水供应到第一小去离子室26，第一小去离子室26的输出水被输送到第二小去离子室27，并从第二小去离子室27获得去离子水。例如，阴离子交换膜用作中间离子交换膜36。

图13中所示的EDI装置具有这样的构造：图12所示的EDI装置中的第二小去离子室27中，代替以混床构造提供阴离子交换树脂和阳离子交换树脂，将阳离子交换树脂布置在靠近第二小去离子室27的输入的区域中，并且将阴离子交换树脂布置在靠近输出的区域中。

实施例

接下来，基于实施例和比较例更详细地描述本发明。在实施例和比较例中，组装并实际运行上述构造的去离子水制造系统或EDI装置。在这些实施例和比较例中，通过选择是否在组装时使用催化剂颗粒来验证通过使用或不使用催化剂颗粒实现的本发明的有益效果。

[实施例1和比较例1]

实施例1和比较例1中使用的EDI装置具有如下构造：在图6所示的EDI装置中，由阴离子交换膜(AEM)32、去离子室23、阳离子交换膜(CEM)33和在阳极室21与阴极室25之间的浓缩室24构成的基本结构(单元集合)的重复数量N假设为“3”。将阳离子交换树脂(CER)填充在阳极室21中，将阴离子交换树脂(AER)填充在每个浓缩室22和24以及阴极室25中。阳离子交换树脂和阴离子交换树脂以混合床(MB)形式填充在去离子室23中。使用具有磺酸基作为离子交换基团的苯乙烯强酸阳离子交换树脂IR120B(由Dow Chemical Company制造；表观密度参考值：约840g/L)作为阳离子交换树脂。使用具有季铵基作为离子交换基团的苯乙烯强碱阴离子交换树脂IRA402BL(由Dow Chemical Company制造；表观密度参考值：约715g/L)作为阴离子交换树脂。使用CME(由AGC Engineering，Co.，Ltd.制造)作为阳离子交换膜，并且使用AME(由AGC Engineering Co.，Ltd.制造)作为阴离子交换膜。这里使用的阳离子交换膜和阴离子交换膜都是非均相离子交换膜。非均相离子交换膜是通过将颗粒状离子交换树脂细粉碎然后通过热塑性或热固性粘合剂使该粉末硬化以产生膜形式而实现的组分。与均相离子交换膜相比，非均相离子交换膜的机械强度通常更优。相反，均相离子交换膜是其中离子交换树脂本身以膜形式形成的组分。

在比较例1中，在去离子室23中使用未吸附催化剂颗粒的阴离子交换剂，但在实施例1中，阴离子交换树脂经过通过以下处理方法用催化剂颗粒预先进行的处理，随后，阴离子交换树脂在该处理之后与阳离子交换树脂混合并装入去离子室23。作为在实施例1中的阴离子交换树脂处理中使用的颗粒，阴离子交换树脂的处理使用吸附在阴离子交换树脂上的颗粒进行，因此颗粒被吸附到阴离子交换树脂的表面上。在任何情况下，使用未吸附颗粒的树脂作为填充在阳极室21、浓缩室22和24以及阴极室25中的离子交换树脂。

接下来将更具体地描述实施例1中使用的颗粒。

在实施例1中，使用绿坡缕石作为催化剂颗粒，绿坡缕石是含有多价金属镁和铝的硅酸盐矿物。当在放大20000倍的SEM下观察时，实施例1中使用的绿坡缕石的粒径范围为0.02至10μm。因为绿坡缕石是针状颗粒，所以长轴被视为特定直径。当通过相同的SEM图像测量时，所使用的绿坡缕石的短轴的范围为0.01至1μm。短轴直径是在长轴直径的中心位置处与长轴直径正交的方向上的长度。实施例1中使用的绿坡缕石(CAS号：12174-11-7)是这样一种物质，其组成式为(Mg，Al)₅Si₈O₂₀·4H₂O，转化为二氧化硅(SiO₂)、氧化镁(MgO)和氧化铝(Al₂O₃)的质量比的硅、镁和铝的比例为SiO₂∶MgO∶Al₂O₃＝65∶13∶12。

(阴离子交换树脂的处理方法)

将颗粒分散在纯水中，并将阴离子交换树脂浸入该分散液中，然后在搅拌液体的同时进行使颗粒吸附到阴离子交换树脂表面的过程。此时使用的颗粒量为每升阴离子交换树脂300mg。将处理后的阴离子交换树脂用纯水彻底洗涤，并在排水后投入使用。

通过将处理后的阴离子交换树脂经历电感耦合等离子体(ICP)原子发射光谱进行绿坡缕石的定量，其显示1L的阴离子交换树脂中吸附到阴离子交换树脂上的绿坡缕石的质量为190mg。绿坡缕石的比重为2.4g/cm³，由此发现吸附的绿坡缕石体积与阴离子交换树脂的体积之比为0.0079％。阴离子交换树脂的密度可以根据水分含量而变化，但是如果使用上述表观密度715g/L，则绿坡缕石与阴离子交换树脂的质量比为0.027质量％。

实施例1和比较例1中的EDI装置的规格和工作条件(如供给水的水流量、施加电压和水质)如下所示。在下面的说明中，待处理水的流量是供给到EDI装置中的多个去离子室23的待处理水的流量的总量，电极室流量是供应到阳极室21和阴极室25的供给水的流量，并且浓缩水流量是供应到多个浓缩室22和24的供给水的流量的总和。

·去离子室：尺寸300×100×10mm；混合床(MB)填充(体积比：阳离子交换树脂/阴离子交换树脂＝1/1)

·浓缩室：尺寸300×100×5mm；阴离子交换树脂(AER)填充

·阳极室：尺寸：300×100×4mm；阳离子交换树脂(CER)填充

·阴极室：尺寸：300×100×4mm；阴离子交换树脂(AER)填充

·待处理水的流量：180L/h

·浓缩水流量：30L/h

·电极水流量：10L/h

·供给水和待处理水：反渗透膜(RO)渗透的水；电导率为5±1μS/cm

·施加电流值：0.9A

·施加电流密度：0.3A/dm²

关于实施例1和比较例1的装置，在上述条件下工作1000小时，并比较的工作电压和所得去离子水电阻率。结果如表1所示。

表1

	实施例1	比较例1
			吸附在阴离子交换树脂上的颗粒	绿坡缕石	无
工作电压[V]	11.9	23.2
			电阻率[MΩ·cm]	17.1	9.0

实施例1和不使用催化剂颗粒的比较例的比较清楚地表明，实施例1在工作电压和水质方面都是更优的，因此可以证实本发明的基本有利效果。

在实施例1中，催化剂颗粒被吸附到去离子室中使用的阴离子交换树脂，但是，催化剂颗粒也可以吸附到组成EDI装置的每个电极室和浓缩室中使用的全部或部分离子交换树脂。

[实施例2-1和2-2以及比较例2]

实施例2-1和2-2以及比较例2中使用的EDI装置是这样的装置：在图10所示的EDI装置中，由阴离子交换膜32、第一小去离子室26、中间离子交换膜(IIEM)36、第二小去离子室27、阳离子交换膜33、以及在阳极室21和阴极室25之间的浓缩室24构成的基本构造(单元集合)的重复数量N为“3”。阳离子交换树脂填充在阳极室21和第二小去离子室中，阴离子交换树脂填充在每个浓缩室22和24、第一小去离子室26和阴极室25中。阴离子交换膜用作中间离子交换膜36，其分隔第一小去离子室26和第二小去离子室27。用于阴离子交换树脂、阳离子交换树脂、阴离子交换膜和阳离子交换膜中每一种的组分与实施例1中使用的相同。但是，催化剂颗粒未吸附到阴离子交换树脂。特别地，在实施例2-1和2-2中，通过以下处理方法将本发明中提到的催化剂颗粒预先吸附到阴离子交换膜上，并且吸附催化剂颗粒的阴离子交换膜用作中间离子交换膜36。不进行催化剂颗粒在阴离子交换膜32和34以及阳离子交换膜31和33上的吸附。使用与实施例1中使用的标准相同的绿坡缕石作为催化剂颗粒。在比较例2中，未实施催化剂颗粒对阴离子交换膜的吸附。

(阴离子交换膜的处理方法)

将0.2g量的催化剂颗粒分散在1L纯水中，在将阴离子交换膜浸入该分散液中后，在搅拌的同时将催化剂颗粒吸附到阴离子交换膜的表面上。用纯水彻底清洗处理过的阴离子交换膜，排水后投入使用。

在实施例2-1和2-2以及比较例2中，EDI装置的规格和工作条件(如供给水的水流量、施加电压和水质等)如下所示。

·第一小去离子室：尺寸：300×100×10mm；阴离子交换树脂(AER)填充

·第二小去离子室：尺寸：300×100×10mm；阳离子交换树脂(CER)填充

·施加电流值：0.9A(实施例2-1和比较例2)；30A(实施例2-2)

·施加电流密度：0.3A/dm²(实施例2-1和比较例2)；10A/dm²(比较例2-2)

·浓缩室、阳极室、阴极室、待处理水的流量、浓缩水的流量；电极水的流量、供给水和待处理水分别与实施例1相同。

关于实施例2-1和2-2以及比较例2的装置，在上述条件下工作1000小时，并比较工作电压和所得去离子水的电阻率。结果如表2所示。

表2

当比较实施例2-1和比较例2时，实施例2-1在工作电压和水质方面都是更优的，结果证实，类似于去离子室未被分隔的情况，即使对于去离子室通过中间离子交换膜被分隔成两个小去离子室的EDI装置构造也一样可以获得本发明的有益效果。可以进一步证实，即使当催化剂颗粒不仅被吸附到填充在去离子室中的离子交换剂而且还被吸附到分隔去离子室的离子交换膜时，也获得了类似的有益效果。实施例2-2和比较例2的比较清楚地表明，实施例2-2在工作电压和水质方面都是更优的，尽管设定在10A/dm²的高电流密度也是这样，所以可以看出，当至少电流密度在0.3至10A/dm²的范围内时，本发明可以获得显着的有益效果。

在上述实施例1、2-2和2-2中，显示了一种情况的结果，作为一个例子，其中催化剂颗粒被吸附到阴离子交换树脂或阴离子交换膜上，即使选择吸附在阳离子交换树脂或阳离子交换膜上的催化剂颗粒，也可明显地获得相同的结果。另外，在上述实施例中使用的离子交换膜都是非均相离子交换膜，但即使使用均相离子交换膜，也可以明显获得相同的有益效果。此外，使用经过在上述实施例中经历催化剂颗粒吸附过程的离子交换膜，但是即使使用已经预先吸附了催化剂颗粒的离子交换树脂形成的离子交换膜，也可以获得与上述实施例中所示相同的有益效果。使用预先吸附了催化剂颗粒的离子交换树脂形成的离子交换膜的情况也属于本发明的范畴。

类似地，在上述实施例2-1和2-2中，催化剂颗粒吸附到EDI装置中使用的阴离子交换膜中的中间离子交换膜的整个表面，该中间离子交换膜进一步将去离子室分隔成小去离子室，但催化剂颗粒也可以吸附到EDI装置的另一个离子交换膜，或者催化剂颗粒也可以吸附到离子交换膜的一个表面或仅吸附到离子交换膜的特定位点。特别是在实施例2-1和2-2中，选择阴离子交换膜作为将去离子室分隔成小去离子室的中间离子交换膜，但是当阳离子交换膜用作中间离子交换膜时，明显地获得了本发明的有益效果。在这种情况下，可以适当地选择将催化剂颗粒吸附到阳离子交换膜或将催化剂颗粒吸附到填充在任何一小去离子室中的阴离子交换树脂。

[实施例3和比较例3]

在实施例3和对比例3中，EDI装置具有与实施例1和比较例1相同的构造，并且去离子室、浓缩室、阳极室和阴极室以及填充的离子交换树脂的尺寸与实施例1中相同，但使用EDI装置中单元集合的重复数量N为“1”。在实施例3的装置中，使用的催化剂颗粒与实施例中使用的标准相同，阴离子交换树脂的处理方法与实施例1相同。

使用电导率不大于1μS/cm的纯水作为待处理水和供给水，待处理水的流量设定为60L/h，浓缩水的流量设定为10L/h，电极水的流量设定为10L/h。然后将电压施加到EDI装置以实现在表3中施加电流密度一栏所示的施加电流密度，并且在经过一小时后发现工作电压。结果如表3所示。在表3中，箭头表示测量时电压的行为，向右箭头(→)表示稳定趋势，向上箭头(个)表示上升趋势。借助于箭头指示电压的行为在下面的每个表中是类似的。

表3

实施例3和比较例3的结果清楚地表明，当待处理水的电导率低时，工作电压呈现上升趋势，并且当不通过催化剂颗粒进行处理时，工作电压显着上升，从而防止在实际施加电流密度下运行。

[实施例4和比较例4]

EDI装置与实施例3和比较例3中的相同，但仅使用具有季铵基作为离子交换基团的苯乙烯高碱性阴离子交换树脂IRA402BL(由Dow Chemical Company制造；表观密度的参考值：约715g/L)作为填充在去离子室中的离子交换剂，并且将去离子室制成单床构造。关于实施例4中使用的阴离子交换树脂，预先进行与实施例1中相同的处理以将绿坡缕石吸附到表面上。待处理水和供给水与实施例3中使用的相同，每个室的水流量与实施例3中使用的相同，将电压施加到EDI装置以实现表4的施加电流密度一栏中所示的施加电流密度，并且在经过一小时后发现工作电压。

表4

实施例4和比较例4的结果表明，与如实施例1和3中那样在去离子室中填充混合床离子交换树脂的情况相比，当填充单床离子交换树脂时引起催化剂颗粒吸附的效果的特定增加。

[实施例5]

组装了图1所示的去离子水制造系统。实施例2-1中使用的EDI装置(其中单元集合的重复数量N为“5”)用作在去离子水制造系统中设置的EDI装置。离子交换树脂和离子交换膜以及每个室的尺寸与实施例2-1中使用的相同，但没有进行催化剂颗粒对离子交换膜的吸附。替代离子交换膜的吸附，而是通过与实施例1中相同的方法预先将绿坡缕石吸附到EDI装置中使用的阴离子交换树脂上，并且将中间离子交换膜(即实施例2-1中的阴离子交换膜)改为阳离子交换膜。采用这种构造能够促进在第一小去离子室中的中间离子交换膜和其中已吸附绿坡缕石的阴离子交换树脂之间的水解离反应。在实施例5中，将已通过两级反渗透膜装置的渗透水用作EDI装置的待处理水，该水的电导率为2±1μS/cm，钠浓度为100μg/L，二氧化硅浓度为50μg/L。使用反渗透膜渗透水作为供给水。

在待处理水的流量设定为800L/h、浓缩水的流量设定为80L/h、电极水的流量设定为20L/h、施加的电流密度设定为0.5A/dm²下，发现从EDI装置流出的去离子水的水质和工作电压。结果如表5所示。

表5

	实施例5
		去离子水的水质[MΩ·cm]	17.9
施加电流密度[A/dm<sup>2</sup>]	0.5
		工作电压[V]	19→

实施例5的结果表明，EDI装置中的电流密度可以设置得大，而且，即当使用具有低残留离子浓度和低电导率的待处理水(例如通过两级反渗透膜装置的渗透水)时，也可以使待处理水的流量设置得较高。当比较在EDI装置中每个单元集合的待处理水的流量时，实施例5中的流量是实施例2的2.67倍。

[实施例6]

组装了图3所示的去离子水制造系统。在该去离子水制造系统中，使用串联连接的两个EDI装置10和15，但所使用的EDI装置10和15均与实施例5中描述的EDI装置相同。不仅提供两级连接的反渗透膜装置51和52，还使用两级的EDI装置10和15，供应给第二级EDI装置10的待处理水具有16±2MΩ·cm的极低电导率(即，电导率为0.0635±0.008μS/cm)且另外具有1±0.2μg/L的硼浓度。使用反渗透膜渗透的水作为第一级EDI装置15的供给水，并第一级EDI装置15的处理水(即来自第一级EDI装置15的去离子水)用作第二级EDI装置10的供给水。

在第一级EDI装置15中，待处理水的流量设定为570L/h，浓缩水流量设定为50L/h，电极水流量设定为20L/h；在第二级EDI装置10中，待处理水的流量设定为500L/h，浓缩水的流量设定为50L/h，电极水流量设定为20L/h。对于每个EDI装置10和15，施加电流密度设定为0.8A/dm²，然后发现从第二级EDI装置10流出的去离子水的水质和硼浓度以及工作电压。结果如表6所示。

表6

	实施例6
		去离子水的水质[MΩ.cm]	18.2
去离子水的硼浓度[ng/L]	小于10
		施加电流密度[A/dm<sup>2</sup>]	0.8
工作电压[V]	14→

当EDI装置两级连接并且要获得具有极低杂质浓度的去离子水时，提供给第二级EDI装置的待处理水的电导率要低，进而第二级EDI装置的工作电压的增加问题变得令人担忧，但是实施例6的结果表明：使用基于本发明的EDI装置可以抑制工作电压的增加。基于本发明，可以容易地获得更高纯度的去离子水。此外，尽管已知硼是通过普通去离子方法难以除去的元素，但是发现通过实施例6可以将硼去除至ng/L的量级。

[实施例7]

组装了图1所示的去离子水制造系统。使用图8所示的EDI装置作为该去离子水制造系统中的EDI装置，并且单元集合的重复数量N为“5”。去离子室是多层床构造，使从上游侧沿着待处理水的水流按顺序排列阳离子交换树脂层、阴离子交换树脂层、阳离子交换树脂层和阴离子交换树脂层。使用的离子交换膜和离子交换树脂与实施例1的情况相同，并且通过与实施例1相同的处理方法预先将绿坡缕石吸附到阴离子交换树脂上。去离子室、浓缩室、阳极室和阴极室的尺寸与实施例1的情况相同。在实施例7中，使用已经通过两级反渗透膜装置的渗透水作为EDI装置的待处理水，并且该待处理水的电导率为1.5±0.2μS/cm。使用反渗透膜渗透的水作为供给水。

将处理水的流量设定为1000L/h，将浓缩水的流量设定为100L/h，将电极水流量设定为20L/h，将施加电流密度设定为0.6A/dm²，工作1000小时后测得的工作电压为18V。

实施例1和实施例7的比较表明，每个单元集合的工作电压在实施例1中是4.0V而在实施例7中为3.6V。实施例7中的电流密度是实施例1中的两倍，并且即使在实施例7中待处理水的电导率较低，但实施例7中每个单元集合的工作电压低于实施例1的事实表明：将去离子室中的离子交换剂的构造为多层床构造而非混合床构造获得了更显着的有益效果，该有益效果是由于绿坡缕石吸附到阴离子交换树脂上而产生的。另外，EDI装置的每个单元集合的待处理水的流量的比较表明：实施例7中的流量是实施例1中的流量的3.33倍。

附图标记列表

10，15 电去离子装置(EDI装置)；

11 阳极；

12 阴极；

51，52 反渗透膜装置；

21 阳极室；

22，24 浓缩室；

26 第一小去离子室；

27 第二小去离子室；

23 去离子室；

25 阴极室；

31，33 阳离子交换膜(CEM)；

32，34 阴离子交换膜(AEM)；

36 中间离子交换膜(IIEM)；

41 阳离子交换剂；

42 阴离子交换剂；

43 催化剂颗粒。

Claims

1.一种去离子水制造系统，向其供应原水并由其制造去离子水，包括：

反渗透膜装置，向其供应原水；和

电去离子装置，其包括去离子室，所述去离子室被离子交换膜分隔并且所述反渗透膜装置的渗透水被供应到所述去离子室，

其中，离子交换剂填充在所述去离子室内，并且

其中，含有多价金属的颗粒被吸附到所述离子交换膜的至少一部分和所述离子交换剂的至少一部分中的至少一者的表面上。

2.根据权利要求1所述的去离子水制造系统，其中，填充在所述去离子室中的离子交换剂是阴离子交换剂和阳离子交换剂中的任一种。

3.根据权利要求1所述的去离子水制造系统，其中，在所述去离子室中，阳离子交换剂和阴离子交换剂沿着所述去离子室中的水流方向交替布置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的去离子水制造系统，其中，所述反渗透膜装置包括以下的构造：每个配备有反渗透膜的装置以两级串联方式连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的去离子水制造系统，其中，在供应至所述电去离子装置的去离子室的渗透水中，钠浓度为100μg/L或更低，并且二氧化硅浓度为50μg/L或更低。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的去离子水制造系统，其中，供应到所述电去离子装置的去离子室的渗透水的电导率为3μS/cm或更低。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的去离子水制造系统，还包括在所述反渗透膜装置和所述电去离子装置之间的附加电去离子装置，

其中，所述反渗透膜装置的渗透水经由所述附加电去离子装置的去离子室供应到所述电去离子装置的去离子室。

8.根据权利要求7所述的去离子水制造系统，其中，运行所述电去离子装置使得从所述电去离子装置的去离子室排出的去离子水中的硼浓度为10ng/L或更低。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的去离子水制造系统，其中，所述颗粒由硅酸盐组成。

10.根据权利要求9所述的去离子水制造系统，其中，所述颗粒由硅酸铝、硅酸镁、硅酸钙、硅酸钙镁、硅铝酸盐和硅酸盐矿物中的至少一种组成。

11.根据权利要求10所述的去离子水制造系统，其中，所述颗粒由绿坡缕石、海泡石和硅灰石中的至少一种组成。

12.一种电去离子装置，其在设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室之间配备有至少一个去离子室，所述去离子室由位于面向阳极的一侧的阴离子交换膜和位于面向阴极一侧的阳离子交换膜分隔，并且阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一种被填充在所述去离子室内，其特征在于：

使含有多价金属的颗粒吸附到所述阴离子交换膜、所述阳离子交换膜、所述阴离子交换剂和所述阳离子交换剂中的至少一者的表面上。

13.根据权利要求12所述的电去离子装置，其中，所述颗粒由硅酸盐组成。

14.根据权利要求13所述的电去离子装置，其中，所述颗粒由硅酸铝、硅酸镁、硅酸钙、硅酸钙镁、硅铝酸盐和硅酸盐矿物中的至少一种组成。

15.根据权利要求14所述的电去离子装置，其中，所述颗粒由绿坡缕石、海泡石和硅灰石中的至少一种组成。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的电去离子装置，其中，所述颗粒被吸附在所述阴离子交换膜和所述阴离子交换剂中的至少一者的表面上。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的电去离子装置，其中，所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜中的至少一者是非均相离子交换膜。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的电去离子装置，其中，相对于所述阴离子交换剂和所述阳离子交换剂的体积，所述颗粒的体积为小于1体积％。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的电去离子装置，其中，所述阴离子交换剂和所述阳离子交换剂中的任一者填充在所述去离子室中。

20.根据权利要求12和18中任一项所述的电去离子装置，其中，所述阴离子交换剂和所述阳离子交换剂沿着所述去离子室中的水流方向交替地布置在所述去离子室中。

21.根据权利要求12至18中任一项所述的电去离子装置，其中：

所述去离子室设置有位于所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜之间的中间离子交换膜，并由所述中间离子交换膜分隔成第一小去离子室和第二小去离子室；

至少所述阴离子交换剂填充在由所述阴离子交换膜和所述中间离子交换膜分隔的所述第一小去离子室中；

至少所述阳离子交换剂填充在由所述阳离子交换膜和所述中间离子交换膜分隔的所述第二小去离子室中；并且

所述第一小去离子室和所述第二小去离子室连通，使得待处理水被供应到所述第一小去离子室和所述第二小去离子室中的一个小去离子室，并且从这一个小去离子室流出的水又流入另一个小去离子室。

22.根据权利要求21所述的电去离子装置，其中，所述颗粒吸附到所述中间离子交换膜的表面。

23.一种去离子水制造方法，其使用根据权利要求12至22中任一项所述的电去离子装置，其中，使待处理水流过所述去离子室的同时，在所述阳极和所述阴极之间施加直流电压，使得所述去离子室中的电流密度为至少0.3A/dm²但不大于10A/dm²，由此获得去离子水。

24.一种使用电去离子装置的去离子水制造方法，所述电去离子装置在设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室之间配备有至少一个去离子室，并且在所述电去离子装置中，所述去离子室被位于面向阳极的一侧的阴离子交换膜和位于面向阴极一侧的阳离子交换膜分隔，阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一者被填充在所述去离子室内，其特征在于，所述去离子水制造方法包括以下步骤：

使含有多价金属的颗粒吸附在所述阴离子交换膜、所述阳离子交换膜、所述阴离子交换剂和所述阳离子交换剂中的至少一者的表面；和

在引起所述吸附的步骤之后，使待处理水流过所述去离子室的同时，在所述阳极和所述阴极之间施加直流电压，由此获得去离子水。

25.一种用于电去离子装置的离子交换膜，所述离子交换膜在电去离子装置中使用，所述电去离子装置在设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室之间配备有至少一个去离子室，阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一种被填充在所述去离子室内，所述离子交换膜是阴离子交换膜、阳离子交换膜和中间离子交换膜中的至少一者，其中，所述阴离子交换膜分隔所述去离子室并且位于所述去离子室中面向所述阳极的一侧，所述阳离子交换膜分隔所述去离子室并位于所述去离子室中面向所述阴极的一侧，所述中间离子交换膜进一步将所述去离子室的内部分隔成小去离子室，所述离子交换膜的特征在于：

含有多价金属的颗粒吸附在所述离子交换膜的表面。

26.一种用于电去离子装置的离子交换剂，所述离子交换剂在电去离子装置中使用，所述电去离子装置在设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室之间配备有至少一个去离子室，所述去离子室被位于面向所述阳极的一侧的阴离子交换膜和位于面向所述阴极的一侧的阳离子交换膜分隔，所述离子交换剂包括阴离子交换剂和阳离子交换剂中的至少一者并被填充在所述去离子室内，所述离子交换剂的特征在于：

含有多价金属的颗粒吸附在所述离子交换剂的表面。