CN115103819B - 离子交换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离子交换容量增大的廉价离子交换装置。该离子交换装置包括：容纳被处理液体的原水槽1，该液体由包含杂质离子的液体构成；容纳处理物质的处理槽2，该处理物质包含由可与杂质交换的离子构成的交换离子；和离子交换体3，其允许杂质离子从原水槽1通向处理槽2和交换离子从处理槽2通向原水槽1，其中，处理槽2中的处理物质的摩尔浓度高于原水槽1中的被处理液体。

Description

离子交换装置
技术领域
本发明涉及一种能够从被处理液体中除去杂质离子的离子交换装置。
背景技术
近来报道了各种离子交换设备，其通过除去被处理液体中的杂质离子而用于软化工业用水、生产纯水以及净化例如饮用水和车辆冷却用水。例如，已经报道了充填有作为形成为粒状的离子交换体的离子交换树脂的离子交换装置。例如，迄今为止，有如专利文献1和2所公开的将粒状的离子交换树脂充填到容器中并使被处理液体通过该容器来吸附除去杂质离子的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第62-14948号公报
专利文献2：日本特开第2002-136968号公报
发明内容
技术问题
然而，在上述已知技术中，离子交换容量小到约1.5meq/cm3～2meq/cm3。因此，当需要更高的性能时，有如下问题：例如，需要昂贵的离子交换树脂而导致生产成本增加，并且需要大型的离子交换树脂的保持部件从而导致离子交换装置的尺寸增大。
鉴于上述情况做出了本发明。本发明的目的是提供一种离子交换装置，其能够增加离子交换容量而不需要昂贵的离子交换体。
解决问题的方案
根据权利要求1所述的发明，离子交换装置包括：容纳被处理液体的原水部，该液体由包含杂质离子的液体构成；容纳处理物质的处理部，该处理物质包含由能够与杂质离子交换的交换离子；和离子交换体，其允许杂质离子从原水部通向处理部和交换离子从处理部通向原水部，其中，处理部中的处理物质的摩尔浓度高于原水部中的被处理液体。
根据权利要求2所述的发明，在权利要求1所述的离子交换装置中，处理部中的处理物质的摩尔浓度为2mol/L以上。
根据权利要求3所述的发明，在权利要求1或2所述的离子交换装置中，原水部能够使被处理液体流动。
根据权利要求4所述的发明，在权利要求3所述的离子交换装置中，处理部能够使处理物质沿与被处理液体相反的方向流动。
根据权利要求5所述的发明，权利要求3或4所述的离子交换装置还包括充填有粒状离子交换体的副处理部，其中，副处理部连接在原水部的下游，经过原水部的被处理液体能够流入副处理部。
根据权利要求6所述的发明，在权利要求1～5中任一项所述的离子交换装置中，原水部容纳与离子交换体接触的充填离子交换体。
根据权利要求7所述的发明，在权利要求6所述的离子交换装置中，充填离子交换体由球状或纤维状的离子交换体构成。
根据权利要求8所述的发明，在权利要求1～7中任一项所述的离子交换装置中，处理部设置有能够搅拌处理物质的搅拌机构。
根据权利要求9所述的发明，在权利要求1～8中任一项所述的离子交换装置中，设置有密封机构，其将原水部与离子交换体之间的接合部和处理部与离子交换体之间的接合部中的至少一个密封。
根据权利要求10所述的发明，在权利要求1～9中任一项所述的离子交换装置中，交换离子由第1族元素离子或氢氧根离子构成。
根据权利要求11所述的发明，在权利要求1～10中任一项所述的离子交换装置中，处理物质包括弱酸或弱碱。
根据权利要求12所述的发明，在权利要求1～11中任一项所述的离子交换装置中，处理物质是含有第1族元素离子的溶液。
根据权利要求13所述的发明，在权利要求1～12中任一项所述的离子交换装置中，该离子交换装置包括：第一处理部，其中，交换离子由第1族元素离子构成；和第二处理部，其中，交换离子为氢氧根离子，其中，第一处理部和第二处理部各自与原水部隔着离子交换体连接。
根据权利要求14所述的发明，在权利要求1～13中任一项所述的离子交换装置中，处理部容纳的处理物质由分子量为80g/mol以上的物质构成。
根据权利要求15所述的发明，在权利要求1～14中任一项所述的离子交换装置中，离子交换体为筒状、平膜状或中空纤维状。
根据权利要求16所述的发明，在权利要求1～15中任一项所述的离子交换装置中，离子交换体由离子交换树脂膜构成。
根据权利要求17所述的发明，在权利要求1～16中任一项所述的离子交换装置中，离子交换体由双网络凝胶构成。
根据权利要求18所述的发明，在权利要求1～17中任一项所述的离子交换装置中，离子交换体设置在由片状纤维层构成的支持体上。
发明的有益效果
根据本发明，离子交换装置包括：容纳被处理液体的原水部，被处理液体由包含杂质离子的液体构成；容纳处理物质的处理部，该处理物质包含由能够与杂质离子交换的离子构成的交换离子；和离子交换体，其允许杂质离子从原水部通向处理部以及交换离子从处理部通向原水部，其中，处理部中的处理物质的摩尔浓度高于原水部的被处理液体。因此，可以提供廉价的离子交换装置而不使用大量昂贵的离子交换体。此外，处理物质中可交换离子的量(密度)大于现有的离子交换树脂，因此能够增加单位体积的离子交换容量。
附图说明
图1是表示根据本发明的第一实施方式的离子交换装置的示意图。
图2是表示根据本发明的该实施方式的另一离子交换装置的示意图。
图3是表示根据本发明的该实施方式的另一离子交换装置的示意图。
图4是表示根据本发明的该实施方式的另一离子交换装置的示意图。
图5是表示根据本发明的该实施方式的另一离子交换装置的示意图。
图6是表示根据本发明的该实施方式的另一离子交换装置的示意图。
图7是表示根据本发明的第二实施方式的离子交换装置的示意图。
图8是表示根据本发明的又一实施方式的离子交换装置的示意图。
图9是表示根据该实施方式的离子交换装置的透视图。
图10是表示根据本发明的又一实施方式的离子交换装置的示意图。
图11是表示根据本发明的又一实施方式的离子交换装置的示意图。
图12是表示根据本发明的又一实施方式的离子交换装置的示意图。
图13是表示根据本发明的第三实施方式的离子交换装置的示意图。
图14是表示根据该实施方式的离子交换装置的技术效果的图。
图15是表示根据本发明的第四实施方式的离子交换装置的示意图。
图16是表示根据该实施方式的离子交换装置的技术效果的图。
图17是表示根据本发明的第六实施方式的离子交换装置的示意图。
图18是表示根据本发明的另一实施方式的离子交换装置的示意图。
图19是表示根据本发明的第七实施方式的离子交换装置的示意图。
图20是表示根据本发明的另一实施方式的离子交换装置的示意图。
图21是表示本发明的实施例1～8和比较例1中的离子交换容量的表。
图22是表示本发明的实施例9～15中的离子交换容量的表。
图23是表示本发明的实施例16和17中的离子交换容量的表。
图24是表示本发明的实施例18～21中的离子交换容量的表。
图25是表示本发明的实施例22～28中的离子交换容量的表。
图26是表示本发明的实施例29和30中的离子交换容量的表。
图27是表示本发明的实施例31～33中的离子交换容量的表。
图28是表示本发明的实施例34和35中的离子交换容量的表。
图29是表示本发明的实施例36和37中的离子交换容量的表。
图30是表示本发明的实施例38和39中的离子交换容量的表。
图31是表示本发明的实施例40和41中的离子交换容量的表。
图32是表示本发明的实施例42～46中的实验条件的表。
图33是表示本发明的实施例42～46中的离子交换容量的表。
图34是表示本发明的处理物质的泄漏量与分子量之间的关系的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图具体描述本发明的实施方式。
根据本实施方式的离子交换装置通过除去被处理液体中的杂质离子而用于软化工业用水、制造纯水或者净化例如饮用水或车辆冷却用水等。根据第一实施方式的离子交换装置的一个例子是如图1所示的包括原水槽1(原水部)、处理槽2(处理部)和离子交换体3的离子交换装置。
原水槽1是容纳被处理液体的部分，该液体含有杂质离子。被处理液体的实例包括含有K+(钾离子)和Na+(钠离子)作为杂质阳离子的溶液以及含有CO3 2-(碳酸根离子)和Cl-(氯离子)作为杂质阴离子的溶液。根据本实施方式的原水槽1容纳预定量的被处理液体(被处理水)，该液体含有这些杂质阳离子和杂质阴离子。
处理槽2是容纳处理物质(在本实施方式中为液体)的部分，处理物质包含可与杂质离子交换的交换离子。其实例包括含酸溶液槽和含碱溶液槽。在含酸溶液槽的情况下，例如，其容纳含有H+(氢离子)作为交换离子的溶液(具体来说，除了作为交换离子的H+之外还含有Cl-的溶液)。在含碱溶液槽的情况下，例如，其容纳含有OH-(氢氧根离子)的溶液作为交换离子的溶液(具体来说，除了作为交换离子的OH-之外还含有Na+的溶液)。
离子交换体3允许杂质离子从原水槽1通向处理槽2或交换离子从处理槽2通向原水槽1。例如，可以使用离子交换树脂、螯合树脂、磷石膏、Nafion、沸石、水滑石或金属氧化物。根据本实施方式的离子交换体3设置在原水槽1与处理槽2之间，呈平膜状。当杂质离子为阳离子时，使用阳离子交换体，其通过仅允许杂质离子和处理物质中的可交换阳离子相互通过而发挥作用。在杂质离子为阴离子的情况下，使用阴离子交换体，其通过仅允许杂质离子和处理物质中的可交换阴离子相互通过而发挥作用。这样，可以从原水中除去杂质离子。
在本实施方式的离子交换装置中，处理槽2内的溶液(处理物质)的摩尔浓度高于原水槽1内的被处理液体。即，处理槽2内的交换离子的浓度(摩尔浓度)设定为高于原水槽1内的被处理液体的杂质离子的浓度(摩尔浓度)。因此，当杂质离子被离子交换体3吸附时，由于浓度差，杂质离子在离子交换体3中移动并被释放到处理槽2中，处理槽2中的交换离子在离子交换体3中移动并被释放到原水槽1中。
即，由于浓度差或离子选择性，当原水槽1内的杂质离子与离子交换体3接触时，杂质离子被离子交换体3的离子置换，杂质离子被依次置换到离子交换体3在处理槽2侧的部分。这样，与离子交换体3接触的杂质离子从原水槽1向处理槽2通过离子交换体3。由于处理槽2中的高摩尔浓度(交换离子浓度)，杂质离子随后被处理槽2中的交换离子置换并移动到处理槽2中。由此，能够除去原水槽1内的杂质离子。
例如，将描述如下离子交换装置，其中，使用由含有OH-的结构式表示的膜状离子交换体3(阴离子交换体)，在原水槽1中容纳含有Cl-作为杂质离子(阴离子)的溶液，在处理槽2中容纳含有如Na+和OH-等交换离子的处理物质。在这种情况下，由于离子选择性(具有较高价数或较大原子或分子尺寸的离子更容易交换的特性)，作为原水槽1中的杂质离子的Cl-被离子交换体3中的OH-置换并被带入离子交换体3，然后带入的杂质离子(Cl-)被离子交换体3中的OH-离子依次置换。
在本实施方式中，处理槽2内的处理物质的摩尔浓度高于原水槽1内的被处理液体，因此带入离子交换体3的杂质离子(Cl-)被处理槽2中的交换离子(OH-)置换。因此，原水槽1中的杂质离子(Cl-)移动至处理槽2并被除去。阳离子Na+排斥离子交换体3中的N+，因此难以移动到原水槽1中。
当处理槽2容纳含酸溶液时，原水槽1中的阴离子排斥离子交换体3(阳离子交换体)中的磺酸基等阴离子而不能通过离子交换体3。当处理槽2容纳含碱溶液时，原水槽1内的阳离子排斥离子交换体3(阴离子交换体)中的季铵基等阳离子而不能通过离子交换体3。
如上所述，根据本实施方式的离子交换体3由膜状部件形成，该膜状部件具有阻止不同电荷和不同符号的离子通过并且只允许具有相同电荷和相同符号的离子通过的性质，并且配置为用于过滤杂质离子。仅允许阳离子通过的离子交换体3被称为正离子交换膜(阳离子交换膜)。仅允许阴离子通过的离子交换体3被称为负离子交换膜(阴离子交换膜)。
因此，优选原水槽1内的压力高于处理槽2内的压力(即原水槽1内的被处理液体的液体压力高于处理槽2内的溶液压力)。在这种情况下，可以抑制处理槽2中包含的不希望通过离子交换体3移动到原水槽1中的离子的通过。例如，使被处理液体在原水槽1中流动，并且因流动阻力，原水槽1中的压力可以高于处理槽2中的压力。
根据本实施方式的原水槽1内的被处理液体和处理槽2内的溶液(处理物质)为非流动状态。如图2所示，原水槽1可以包括入口1a和出口1b，以使原水槽1中的被处理液体流动。如图3所示，处理槽2可以包括入口2a和出口2b以使处理槽2中的溶液(处理物质)流动。如图4所示，原水槽1可包括入口1a和出口1b以使被处理液体流动，处理槽2可包括入口2a和出口2b以使处理物质流动。当仅使被处理液体流动时，可以以简单的构造连续除去杂质离子，这是优选的。
如图5所示，可以在原水槽1(原水部)与离子交换体3之间的接合部以及处理槽2(处理部)与离子交换体3之间的接合部处设置密封机构4，例如垫圈。在这种情况下，密封机构4设置在原水槽1(原水部)与离子交换体3之间的接合部和处理槽2(处理部)与离子交换体3之间的接合部中的至少一个处就足够了。
如图6所示，处理槽2(处理部)可以具备能够搅拌溶液(处理物质)的搅拌机构5，例如叶轮。在这种情况下，从原水槽1的被处理液体通过离子交换体3到达处理槽2的杂质离子在溶液(处理物质)中混合，然后用搅拌装置5搅拌，从而能够进一步改善离子交换效率。
在根据本实施方式的离子交换装置中，优选处理槽2内的溶液(处理物质)的摩尔浓度为2mol/L以上。2mol/L以上的摩尔浓度导致离子交换装置具有比现有的离子交换树脂更高的离子交换容量。处理槽2中的交换离子优选由第1族元素离子或氢氧根离子构成，可以包含弱酸或弱碱。离子交换体3可以由离子交换树脂膜或双网络凝胶构成，或者可以设置在由片状纤维层构成的支持体上。
双网络凝胶(DN gel)由不溶于各种溶剂的具有三维网状结构的聚合物及其溶胀体构成，由具有高强度、低摩擦性能的凝胶构成。更具体地说，双网络凝胶由互穿的硬且脆的强电解质凝胶和软的中性凝胶构成，且具有相互独立的双聚合物网络结构。优选使用双网络凝胶，因为离子交换体强度高，不易破裂。
优选的是，作为支持体的片状纤维层由纤维素纤维构成，厚度尺寸例如为0.05mm以上且0.3mm以下，优选为0.15mm左右。更具体而言，优选的是，使用纤维素等纸浆或者具有高耐水性和耐化学性的PET纤维作为材料，通过抄造法(抄纸法)将材料形成片状(纸状)而得到纤维层。
下面将描述根据本发明的第二实施方式。
与第一实施方式一样，根据本实施方式的离子交换装置通过除去被处理液体中的杂质离子来软化工业用水、制备纯水或净化例如饮用水或车辆冷却用水，并且如图7所示，包括原水槽1、第一处理槽6(第一处理部)、阳离子交换体7、第二处理槽8(第二处理部)和阴离子交换体9。
根据本实施方式的原水槽1包括入口1a和出口1b使得被处理液体能够流动。与第一实施方式一样，在原水槽1中，容纳有含有K+(钾离子)和Na+(钠离子)作为杂质阳离子或含有CO3 2-(碳酸根离子)和Cl-(氯离子)作为杂质阴离子的溶液并流动。然而，杂质离子的种类不限于这些。
第一处理槽6是容纳含有由第1族元素离子构成的交换离子的溶液(处理物质)、例如含有H+(氢离子)作为交换离子的溶液(具体来说，除了作为交换离子的H+之外还含有Cl-的溶液)的部分。第二处理槽8是容纳含有由氢氧根离子构成的交换离子的溶液(处理物质)、例如含有OH-(氢氧根离子)作为交换离子的溶液(具体来说，除了作为交换离子的OH-之外还含有Na+的溶液)的部分。
第一处理槽6和第二处理槽8与原水槽1隔着其间设置的离子交换体(分别为阳离子交换体7和阴离子交换体9)连通。阳离子交换体7和阴离子交换体9与第一实施方式中的离子交换体3类似，允许杂质离子从原水槽1通向第一处理槽6或交换离子从第二处理槽8通向原水槽1。
在根据本实施方式的离子交换装置中，第一处理槽6内的溶液(处理物质)和第二处理槽8内的溶液(处理物质)各自的摩尔浓度高于原水槽1内的被处理液体。即，第一处理槽6和第二处理槽8各自所含有的交换离子的浓度(摩尔浓度)设定为高于原水槽1容纳的被处理液体中的杂质离子的浓度(摩尔浓度)。因此，当杂质离子被阳离子交换体7和阴离子交换体9吸附时，由于浓度差，杂质离子在阳离子交换体7和阴离子交换体9中移动并被释放到第一处理槽6和第二处理槽8中。第一处理槽6和第二处理槽8中的交换离子在阳离子交换体7和阴离子交换体9中移动并释放到原水槽1中。
即，在第一处理槽6侧，由于浓度差和离子选择性，当原水槽1内的杂质离子与阳离子交换体7接触时，该杂质离子被阳离子交换体7中的离子置换，该离子被依次置换到阳离子交换体7与第一处理槽6相邻的部分。因此，与阳离子交换体7接触的杂质离子从原水槽1向第一处理槽6通过阳离子交换体7，由于第一处理槽6中的摩尔浓度(交换离子浓度)高，杂质离子被第一处理槽6中的交换离子置换并移动到第一处理槽6内。这样，原水槽1内的杂质(阳离子杂质)能够移动到第一处理槽6内并被除去。
在第二处理槽8侧，由于离子选择性，当原水槽1内的杂质离子与阴离子交换体9接触时，杂质离子被阴离子交换体9中的离子置换，该离子被依次置换到阴离子交换体9与第二处理槽8相邻的部分。这样，与阴离子交换体9接触的杂质离子从原水槽1向第二处理槽8通过阴离子交换体9，由于第二处理槽8中的摩尔浓度(交换离子浓度)高，杂质离子被第二处理槽8内的交换离子置换，并且移动到第二处理槽8中。这样，原水槽1内的杂质(阴离子杂质)能够移动到第二处理槽8内并被除去。
在第一处理槽6侧，原水槽1内的阴离子排斥阳离子交换体7中的磺酸基等阴离子，不能通过阳离子交换体7。在第二处理槽8侧，原水槽1中的阳离子排斥阴离子交换体9中的季铵基等阳离子，不能通过阴离子交换体9。
因此，优选原水槽1中的压力高于第一处理槽6和第二处理槽8中的压力(即，原水槽1中的被处理液体的液体压力高于第一处理槽6和第二处理槽8各自的溶液的压力)。在这种情况下，可以抑制在第一处理槽6和第二处理槽8中容纳的不希望经阳离子交换体7和阴离子交换体9移动到原水槽1中的离子的通过。例如，当被处理液体在原水槽1中流动时，原水槽1中的压力可以因流动阻力而高于第一处理槽6和第二处理槽8中的压力。
如第一实施方式中的图5所示，可以在以下各处设置密封机构4(例如垫圈)：在原水槽1(原水部)与阳离子交换体7之间以及在原水槽1(原水部)与阴离子交换体9之间的接合部；在第一处理槽6与阳离子交换体7之间以及在第二处理槽8与阴离子交换体9之间的接合部。在这种情况下，与第一实施方式一样，密封机构4设置在原水槽1(原水部)与阳离子交换体7之间和原水槽1(原水部)与阴离子交换体9之间的接合部以及第一处理槽6与阳离子交换体7之间和第二处理槽8与阴离子交换体9之间的接合部中的至少一处即足够。
如第一实施方式中的图6所示，第一处理槽6和第二处理槽8可以具备能够搅拌溶液(处理物质)的叶轮等搅拌机构5。在这种情况下，来自原水槽1内的被处理液体的已通过阳离子交换体7和阴离子交换体9并已到达第一处理槽6和第二处理槽8的杂质离子在溶液(处理物质)中混合，然后用搅拌机构5搅拌，从而能够进一步提高离子交换效率。
在根据本实施方式的离子交换装置中，优选处理槽6和8内的溶液(处理物质)各自的摩尔浓度均为2mol/L以上。处理槽6和8中的交换离子优选由第1族元素离子或氢氧根离子构成，可以包含弱酸或弱碱。阳离子交换体7和阴离子交换体9各自可以由例如离子交换树脂膜、螯合树脂、磷石膏、Nafion、沸石、水滑石、金属氧化物或双网络凝胶构成，或者可以设置在由片状纤维层构成的支持体上。
在上述第一和第二实施方式中，离子交换体3、阳离子交换体7和阴离子交换体9为平膜状。然而，如图8和图9所示，可以使用筒状(管状)离子交换体12。在这种情况下，筒状离子交换体12的内部是类似于原水槽1的原水部10，其外部是类似于处理槽2、第一处理槽6或第二处理槽8的处理部11。
与上述实施方式一样，包括筒状离子交换体12的离子交换装置包括：容纳被处理液体的原水部10，该液体由含有杂质离子的液体构成并使其流动；容纳溶液(处理物质)的处理部11，该溶液含有由可与杂质离子交换的离子构成的交换离子；和离子交换体12，其允许杂质离子从原水部10通向处理部11，以及交换离子从处理部11通向原水部10。另外在这种情况下，处理部11中的溶液(处理物质)的摩尔浓度也被设定为高于原水部10中的被处理液体的摩尔浓度。因此，通过使被处理液体在筒状离子交换体12中流动，可以除去原水部10中的杂质离子。
如图10所示，在中空纤维离子交换体12的情况下，可以在处理部11中设置大量离子交换体12。在这种情况下，各个中空纤维离子交换体12的内部用作原水部10。处理部11中的溶液(处理物质)的摩尔浓度被设定为高于原水部10中的被处理液体的摩尔浓度。通过使被处理液体在各个中空纤维离子交换体12中流动，可以除去原水部10中的杂质离子。然而，原水部和处理部可以反转。
如图11所示，可以使用下述离子交换装置，其中，设置有分别在第一处理部15和第二处理部19中曲折延伸的阳离子交换体14(与第二实施方式的阳离子交换体7类似)和阴离子交换体18(与第二实施方式的阴离子交换体9类似)，且阳离子交换体14的内部和阴离子交换体18的内部分别用作原水部13和17。在这种情况下，与第二实施方式一样，原水部13中的杂质阳离子可以通过阳离子交换体14移动到第一处理部15，并且原水部17中的杂质阴离子可以通过阴离子交换体18移动到第二处理部19，从而使得能够除去各种杂质离子。图11中的附图标记16表示阳离子交换体14和阴离子交换体18之间的连接件。
如图12所示，可以使用下述离子交换装置，其中，在原水部20中设置有多个离子交换体22、24和26，且离子交换体22、24和26的内部分别用作第一处理部21、第二处理部23和第三处理部25。在这种情况下，通过使杂质离子经离子交换体22、24和26移动到第一处理部21、第二处理部23和第三处理部25中，由此可以除去原水部20中的杂质离子。原水部20包括入口20a和出口20b使得可以使被处理液体流动。
下面将描述根据本发明的第三实施方式。
与上述实施方式同样，根据本实施方式的离子交换装置通过除去被处理液体中的杂质离子而用于软化工业用水、制造纯水或者净化例如饮用水或车辆冷却用水，如图13所示，包括：以使被处理液体流动的方式设置有入口1a和出口1b的原水槽1，以及以使处理物质流动的方式设置有入口2a和出口2b的处理槽2。
在本实施方式中，处理槽2使处理物质沿与原水槽1内的被处理液体相反的方向流动。即，使原水槽1中的被处理液体在图13中从左向右流动，使处理槽2中的处理物质在图中从右向左流动，从而使被处理液体和处理物质隔着离子交换体3沿相反方向流动。如图14所示，通过使被处理液体和处理物质沿相反方向流动，可以减少处理物质随时间增加的变化量(从处理槽2透过并泄漏到原水槽1的处理物质量)。
下面将描述根据本发明的第四实施方式。
与上述实施方式同样，根据本实施方式的离子交换装置通过除去被处理液体中的杂质离子而用于软化工业用水、制造纯水或者净化例如饮用水或车辆冷却用水，如图15所示，包括充填有粒状离子交换体B的副处理部27，其中，副处理部27连接在原水槽1的下游，通过原水槽1的被处理液体可流入副处理部27。
具体而言，副处理部27充填有粒状离子交换体B，包括被处理液体由此可以流动的入口27a和经处理液体可以流出的出口27b。入口27a与原水槽1的出口1b经由例如设置在它们之间的连接件而连通。粒状离子交换体B由与离子交换体3相同的材料构成的颗粒形成，例如由粒状树脂构成。如上所述，由于副处理部27连接在原水槽1的下游，因此能够提供以下的效果。
如图16所示，在不具备副处理部27的离子交换装置中，在被处理液体的杂质浓度高的情况下，杂质除去速率高。然而，当被处理液体中的杂质浓度达到约零(极低浓度)时，杂质除去速率低。与此相对，副处理部27充填的粒状离子交换体B的比表面积高于膜状离子交换体3的比表面积，因此具有杂质除去速率更高的特性。因此，在如本实施方式那样在原水槽1的下游连接副处理部27的情况下，即使被处理液体中所含的杂质达到约零(极低浓度)，杂质也能够被粒状离子交换体B除去，可以抑制杂质除去速率的降低。即使离子交换体3破损而使处理物质流入被处理液体，副处理部27的离子交换体B也能够吸附处理物质中的离子，从而防止水质恶化。
下面将描述根据本发明的第五实施方式。
与上述实施方式相同，根据本实施方式的离子交换装置通过除去被处理液体中的杂质离子而用于软化工业用水、制造纯水或者净化例如饮用水或车辆冷却用水。处理槽2内容纳的处理物质由分子量为80g/mol以上的物质构成。如上所述，由于使用分子量为80g/mol以上的处理物质，可以提供以下效果。
离子交换体3具有离子和原子可以通过的微观孔(微孔)。因此，当在处理槽2中容纳分子量小的物质作为处理物质时，该物质可以穿过离子交换体3的微孔并移动到原水槽1。例如，实验结果表明，当使用分子量为58(g/mol)的氯化钠作为处理物质时，处理物质的透过量约为0.22(meq/cm3)。
如上所述，当使用小分子量的物质作为处理物质时，被离子交换体3净化的处理过的液体不利地被处理物质污染，从而降低了净化效率。与此相对，在本实施方式中，在处理槽2中容纳分子量为80g/mol以上的物质作为处理物质。因此，可以抑制处理物质通过离子交换体3透过到原水槽1中。例如，实验结果表明，当将分子量为134(g/mol)的草酸钠用作处理槽2中容纳的处理物质时，处理物质的透过量为0.15(meq/cm3)；当使用分子量为266(g/mol)的二磷酸四钠时，处理物质的透过量为0(meq/cm3)。
根据上述实施方式，离子交换装置包括：容纳被处理液体的原水槽，该液体由包含杂质离子的液体构成；容纳处理物质的处理槽(包括第一处理槽和第二处理槽)，该处理物质包含由可与杂质离子交换的离子构成的交换离子；和离子交换体(包括阳离子交换体和阴离子交换体)，其允许杂质离子从原水槽通向处理槽和交换离子从处理槽通向原水槽，其中，处理槽中的处理物质的摩尔浓度高于原水槽中的被处理液体。因此，可以提供廉价的离子交换装置而不使用大量昂贵的离子交换体。此外，处理物质中的可交换离子的量(密度)大于现有的离子交换树脂，因此能够增加单位体积的离子交换容量。
下面将描述根据本发明的第六实施方式。
与上述实施方式同样，根据本实施方式的离子交换装置通过除去被处理液体中的杂质离子而用于软化工业用水、制造纯水或者净化例如饮用水或车辆冷却用水，如图17所示，原水槽1容纳与离子交换体3接触的充填离子交换体F。充填离子交换体F具有与离子交换体3相同的组成和特性，呈球状，能够确保大表面积。
即，充填离子交换体F被充填到原水槽1内以吸附被处理液体中的杂质离子，且由于其内部和外部之间的浓度差，使杂质离子通过充填离子交换体F并移动到与其接触的离子交换体3。通过使杂质离子穿过离子交换体3的内部到达处理槽2，可以除去如此移动到离子交换体3的杂质离子。在这种情况下，如图18所示，原水槽1可以包括入口1a和出口1b，从而使被处理液体在充填有球状充填离子交换体F的空腔中流动。
下面将描述根据本发明的第七实施方式。
与上述实施方式同样，根据本实施方式的离子交换装置通过除去被处理液体中的杂质离子而用于软化工业用水、制造纯水或者净化例如饮用水或车辆冷却用水，如图19所示，原水槽1容纳与离子交换体3接触的充填离子交换体G。充填离子交换体G具有与离子交换体3相同的组成和特性，呈纤维状，能够确保更大的表面积。
即，充填离子交换体G被充填到原水槽1内以吸附被处理液体中的杂质离子，并且由于其内部和外部之间的浓度差，使杂质离子通过充填离子交换体G并移动到与其接触的离子交换体3。特别是，由于纤维的缠结，可以广泛地确保杂质离子的移动路径。通过使杂质离子穿过离子交换体3的内部到达处理槽2，可以除去如此移动到离子交换体3的杂质离子。在这种情况下，如图20所示，原水槽1可以包括入口1a和出口1b，从而使被处理液体在充填有纤维状离子交换体G的空腔中流动。
下面将使用实施例和比较例来描述显示本发明的技术优势的实验结果。
(关于实施例1～8和比较例1：参见图1和图21)
制备具有预定离子浓度的溶液。然后将90ml的每种溶液放入尺寸为34×64×54mm(壁厚：2mm，内容积：30×60×50mm)的PTFE树脂容器中。离子交换体设置在34×64面上。一个尺寸为34×64×54mm(壁厚：2mm，内容积：30×60×50mm)的容器设置在设置有离子交换体的一侧。在该容器中充填90ml处理物质并盖上盖子，同时用夹具施加压力以防止液体泄漏。
每隔一小时用离子色谱仪(940professional IC Vario，Metrohm)测定被处理液体和处理物质中杂质的摩尔浓度，直到观察不到变化。在处理物质中残留可交换离子时，再次更换被处理液体，进行同样的测定。重复测量直到观察到处理物质中的可与杂质离子交换的离子的浓度没有变化。由处理物质中的杂质离子量计算离子交换容量。
在实施例1～8和比较例1中，不使被处理液体和处理物质二者流动。作为离子交换体，在实施例2中使用获自AGC的阴离子交换膜Selemion AMVN。在实施例1和3～8和比较例中，使用获自AGC的阳离子交换膜Selemion CMVN。
(实施例1)：处理物质是0.11(mol/L)的盐酸。被处理液体是0.1(mol/L)的KBr水溶液。处理槽(处理部)连接到原水槽(原水部)的下侧。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为0.09(meq/cm3)。
(实施例2)：处理物质是0.11(mol/L)的NaOH水溶液。被处理液体是0.1(mol/L)的KBr水溶液。处理槽(处理部)连接到原水槽(原水部)的下侧。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为0.09(meq/cm3)。
(实施例3)：处理物质是0.11(mol/L)的盐酸。被处理液体是0.1(mol/L)的KBr水溶液。处理槽(处理部)连接到原水槽(原水部)的上侧。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为0.06(meq/cm3)。
(实施例4)：处理物质是0.11(mol/L)的盐酸。被处理液体是0.1(mol/L)的KBr水溶液。处理槽(处理部)与原水槽(原水部)在水平方向上连接。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为0.08(meq/cm3)。
(实施例5)：处理物质是4(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的KBr水溶液。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为3.8(meq/cm3)。
(比较例1)：处理物质是0.1(mol/L)的盐酸。被处理液体是0.2(mol/L)的KBr水溶液。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为0.09(meq/cm3)。
(实施例6)：处理物质是4(mol/L)的NaCl水溶液。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为2.8(meq/cm3)。
(实施例7)：处理物质是37(mol/L)的固体NaCl。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为4.2(meq/cm3)。
(实施例8)：处理物质是20(mol/L)的固体和液体NaCl。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为4.9(meq/cm3)。
根据比较例1可知，优于处理物质的摩尔浓度低，因此无法充分除去被处理液体中的杂质离子。根据实施例5～8，发现在每种处理物质的摩尔浓度较高时，得到的离子交换容量大于现有的离子交换树脂的离子交换容量的2(meq/cm3)。根据实施例7和8，发现即使使用固体处理物质也可以获得高离子交换容量，并且与仅使用固体的情况相比，使用液体和固体的情况下可以获得更高的离子交换容量。
(关于实施例9～15：参见图2和图22)
将处理物质放入尺寸为15×24×94mm(壁厚：2mm，内容积：11×20×90mm)的PTFE树脂容器中。离子交换体设置在24×94面上。将15×24×94mm的容器(厚度：2mm)隔着离子交换体堆叠，形成测量为宽20mm、深11mm、长90mm的通道。原水部和处理部之间的位置关系是水平的。制备具有预定离子浓度的溶液。使被处理液体以1000mL/分钟的流速流动。每隔1小时测定原水部的被处理液体和处理部的处理物质中的杂质的摩尔浓度。继续流动直到被处理液体中杂质的摩尔浓度没有变化。然后，基于从被处理液体中除去的杂质的摩尔浓度计算离子交换容量。
(实施例9)：处理物质是1.9(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为1.8(meq/cm3)。
(实施例10)：处理物质是2.1(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为2(meq/cm3)。
(实施例11)：处理物质是12(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为8.6(meq/cm3)。
(实施例12)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.7(meq/cm3)。
(实施例13)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是2(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.5(meq/cm3)。
(实施例14)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是4(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.8(meq/cm3)。
(实施例15)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以16(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.8(meq/cm3)。
根据实施例9～15可知，当处理物质的摩尔浓度为2(mol/L)以上时，可以获得比现有的离子交换树脂更高的离子交换容量。
(关于实施例16和17：参见图2和图23)
实验方法同实施例9～15。
(实施例16)：处理物质是6(mol/L)的CaCl2水溶液。被处理液体是1(mol/L)的KBr水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。本实施例是不包含第1族元素和OH-的例子。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.5(meq/cm3)。
(实施例17)：处理物质是0.04(mol/L)的Ca(OH)2水溶液。被处理液体是0.01(mol/L)的KBr水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。本实施例是不包含第1族元素的例子。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为0.03(meq/cm3)。
(关于实施例18～21：参见图24)
(实施例18)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使处理槽(处理部)中的处理物质以8(cm/s)的流速流动。如图3所示，本实施例是不使被处理液体流动而使处理物质流动的例子。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为4.7(meq/cm3)。
(实施例19)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使处理槽(处理部)中的处理物质和原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。如图4所示，本实施例是使被处理液体和处理物质都流动的例子。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.4(meq/cm3)。
(实施例20)：处理物质是12(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。不使处理槽(处理部)中的处理物质和原水槽(原水部)中的被处理液体流动。在该实施例中，如图5所示，将外部尺寸为24×94mm且内部尺寸为20×90mm的丁基橡胶(宽2mm，厚0.5mm)插入24×94面之间并用作密封机构。
(实施例21)：处理物质是12(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。在该实施例中，如图6所示，不使处理物质流动而使被处理液体流动，并且通过搅拌机构进行搅拌。作为搅拌机构，使用直径为5mm、长度为15mm的PTFE磁力搅拌器，其转速为100rpm。
(关于实施例22～28：参见图7和图25)
使被处理液体在尺寸为15×24×200mm(壁厚：2mm，内容积：11×20×200mm)的PTFE树脂容器中流动。将各自尺寸为24×94×15mm(壁厚：2mm)的容器用作第一处理槽和第二处理槽。离子交换体设置在每个处理槽的整个24×94mm面上。
(实施例22)：第一处理槽中的处理物质是6(mol/L)的盐酸。第二处理槽中的处理物质是6(mol/L)的NaOH溶液。被处理液体是2(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用各自的膜面积均为18cm2的离子交换体进行，显示第一处理槽的离子交换容量为5.5(meq/cm3)，第二处理槽的离子交换容量为5.7(meq/cm3)。
(实施例23)：第一处理槽中的处理物质是12(mol/L)的盐酸。第二处理槽中的处理物质是10(mol/L)的NaOH溶液。被处理液体是2(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用各自的膜面积均为18cm2的离子交换体进行，显示第一处理槽的离子交换容量为10.1(meq/cm3)，第二处理槽的离子交换容量为8.6(meq/cm3)。
(实施例24)：第一处理槽中的处理物质是6(mol/L)的NaCl溶液。第二处理槽中的处理物质是6(mol/L)的NaOH溶液。被处理液体是2(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用各自的膜面积均为18cm2的离子交换体进行，显示第一处理槽的离子交换容量为5.6(meq/cm3)，第二处理槽的离子交换容量为5.6(meq/cm3)。
(实施例25)：第一处理槽中的处理物质是10(mol/L)的HNO3溶液。第二处理槽中的处理物质是10(mol/L)的NaOH溶液。被处理液体是2(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用各自的膜面积均为18cm2的离子交换体进行，显示第一处理槽的离子交换容量为8.1(meq/cm3)，第二处理槽的离子交换容量为6.9(meq/cm3)。
(实施例26)：第一处理槽中的处理物质是18(mol/L)的H2SO4溶液。第二处理槽中的处理物质是10(mol/L)的NaOH溶液。被处理液体是2(mol/L)的MgCl2溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用各自的膜面积均为18cm2的离子交换体进行，显示第一处理槽的离子交换容量为6.2(meq/cm3)，第二处理槽的离子交换容量为6.8(meq/cm3)。
(实施例27)：第一处理槽中的处理物质是14(mol/L)的H3PO4溶液。第二处理槽中的处理物质是10(mol/L)的NaOH溶液。被处理液体是2(mol/L)的KCl溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用各自的膜面积均为18cm2的离子交换体进行，显示第一处理槽的离子交换容量为14.1(meq/cm3)，第二处理槽的离子交换容量为8.7(meq/cm3)。
(实施例28)：第一处理槽中的处理物质是8(mol/L)的CH3COOH溶液。第二处理槽中的处理物质是5(mol/L)的Na2CO3溶液。被处理液体是2(mol/L)的KCl溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用各自的膜面积均为18cm2的离子交换体进行，显示第一处理槽的离子交换容量为6.7(meq/cm3)，第二处理槽的离子交换容量为4.4(meq/cm3)。
(关于实施例29和30：参见图8至10和图26)
在实施例29中，如图8和图9所示，直径为15mm的离子交换体在直径为20mm、长度为300mm的圆柱形容器中延伸。使被处理液体流过离子交换体。在实施例30中，如图10所示，30个内径为2mm的中空纤维离子交换体在直径为20mm、长度为300mm的圆柱形容器中延伸。使被处理液体流过离子交换体。
(实施例29)：处理槽中的处理物质是12(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为141cm2的筒状离子交换体进行，显示离子交换容量为10.5(meq/cm3)。
(实施例30)：处理槽中的处理物质是12(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为565cm2的中空纤维离子交换体进行，显示离子交换容量为11.5(meq/cm3)。
(关于实施例31～33：参见图27)
在实施例31中，使用磷石膏(CaSO4·PO4)膜作为离子交换体。在实施例32中，使用双网络凝胶作为离子交换体。双网络凝胶是如下获得的：使用能够除去杂质离子的离子交换体、交联剂和光引发剂合成第一网络凝胶，然后用第二网络凝胶(与第一个网络凝胶的材料相同)浸渍第一网络凝胶。在实施例33中，离子交换体形成在由片状纤维层构成的支持体上。片状纤维层是如下获得的：制备浸渍溶液，该浸渍溶液含有能够除去杂质离子的离子交换体、交联剂和光引发剂，然后用该溶液浸渍由PET纤维构成的支持体。
(实施例31)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为4.4(meq/cm3)。
(实施例32)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.7(meq/cm3)。
(实施例33)：处理物质是6(mol/L)的盐酸。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.6(meq/cm3)。
(关于实施例34和35：参见图28)
(实施例34)：处理物质是5(mol/L)的固体和液体Na2CO3。被处理液体是1(mol/L)的CaCl2溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为4.4(meq/cm3)。
(实施例35)：处理物质是6(mol/L)的固体和液体Ca(OH)2。被处理液体是0.1(mol/L)的KBr水溶液。使原水槽(原水部)中的被处理液体以8(cm/s)的流速流动。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示离子交换容量为5.1(meq/cm3)。
(关于实施例36和37：参见图13和图29)
在实施例36和37中获得的以下实验结果表明，通过使原水槽1中的被处理液体和处理槽2中的处理物质沿相反的方向流动，能够抑制处理物质的泄漏，从而获得更高的离子交换容量。
(实施例36)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为NaCl，浓度为2(mol/L)，流速为4(cm/s)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体在被处理液体和处理物质沿相同方向流动的同时进行，显示离子交换容量为1.8(meq/cm3)，处理物质的泄漏量(从处理部透过到原水部的处理物质量)为0.2(meq/cm)3)。
(实施例37)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为NaCl，浓度为2(mol/L)，流速为4(cm/s)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体在被处理液体和处理物质沿相反方向(如图13所示的相反方向)流动的同时进行，离子交换容量为1.9(meq/cm3)，处理物质的泄漏量(从处理部透过到原水部的处理物质量)为0.1(meq/cm)3)。
(关于实施例38和39：参见图15和图30)
在实施例38和39中获得的以下实验结果表明，通过将充填有粒状离子交换体B的副处理部27连接到原水槽1的下游，可以减少处理时间，从而能够减小离子交换装置的尺寸。其他条件同实施例9。
(实施例38)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为NaCl，浓度为2(mol/L)，流量为0(cm/s)(即，静水状态)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体在不连接副处理部27的情况下进行，显示离子交换容量为1.8(meq/cm3)，处理物质的泄漏量为0.22(meq/cm3)，并且将被处理液体中的杂质离子(Ca离子)减少到1ppm以下的处理时间为6(分钟)。
(实施例39)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为NaCl，浓度为2(mol/L)，流速为0(cm/s)(即，静水状态)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，另外，如图15所示，连接副处理部27(充填有由树脂构成的粒状离子交换体，流速：8(cm/s)，交换体积：10(cm3)(用离子交换树脂充填内部尺寸为5×2×1cm的容器))，显示离子交换容量为1.7(meq/cm3)，处理物质的泄漏量为0.22(meq/cm3)，并且将被处理液体中的杂质离子(Ca离子)减少到1ppm以下的处理时间为3(分钟)。
(关于实施例40和41：参见图17、18、19、20和31)
在实施例40和41中获得的以下实验结果表明，通过用与离子交换体3接触的球状充填离子交换体F充填原水槽1，离子交换所需的时间减少，并且通过用纤维状离子交换体G代替球状离子交换体F充填原水槽1，进一步减少了除去杂质离子所需的时间。
(实施例40)：这是充填有球状离子交换树脂F的原水槽1的例子。将直径约0.5mm的球状离子交换体F(离子交换树脂)在与离子交换体3接触的同时充填至3mm的高度。除此之外，以与实施例38相同的方式进行该实验。结果表明，如图31所示，离子交换容量为1.8(meq/cm3)，并且将被处理液体中的杂质离子(Ca离子)减少到1ppm以下的处理时间为4(分钟)。
(实施例41)：这是充填有纤维状离子交换体G的原水槽1的例子。使用获自室町化学的Muromac NWF-SC将纤维状离子交换体G(无纺布)加工成20×90mm，并在其与离子交换体3接触的状态下进行充填。除此之外，以与实施例38相同的方式进行该实验。结果表明，如图31所示，离子交换容量为1.8(meq/cm3)，并且将被处理液体中的杂质离子(Ca离子)减少到1ppm以下的处理时间为2(分钟)。
(关于实施例42～46：参见图32和图33)
在实施例42～46中得到的以下的实验结果表明，使用具有大分子量的物质作为处理物质可以抑制处理物质的泄漏，从而实现更高的离子交换容量。尤其是，根据实施例46，通过使具有大分子量的处理物质如图3所示流动，可以缩短将被处理液体中的杂质离子(Ca离子)降低到1ppm以下的处理时间，从而能够减小离子交换装置的尺寸。
(实施例42)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为草酸钠(分子量：134(g/mol)，每分子中Na原子数：2)，浓度为2(mol/L)，流速为0(cm/s)(即，静水状态)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示：如图33所示，离子交换容量为3.5(meq/cm3)，处理物质的泄漏量为0.15(meq/cm3)，处理时间为7(分钟)。
(实施例43)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为谷氨酸钠(分子量：169(g/mol)，每分子中Na原子数：1)，浓度为2(mol/L)，流速为0(cm/s)(即，静水状态)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示：如图33所示，离子交换容量为1.2(meq/cm3)，处理物质的泄漏量为0.12(meq/cm3)，处理时间为6(分钟)。
(实施例44)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为Na4P2O7(分子量：266(g/mol)，每分子中Na原子数：4)，浓度为2(mol/L)，流速为0(cm/s)(即，静水状态)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示：如图33所示，离子交换容量为4.6(meq/cm3)，处理物质的泄漏量为0(meq/cm3)，处理时间为6(分钟)。
(实施例45)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为硬脂酸钠(分子量：306(g/mol)，每分子中Na原子数：1)，浓度为2(mol/L)，流速为0(cm/s)(即，静水状态)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示：如图33所示，离子交换容量为2.0(meq/cm3)，处理物质的泄漏量为0(meq/cm3)，处理时间为7(分钟)。
(实施例46)：在原水槽1中，被处理液体中的杂质离子为CaCl2，浓度为0.001(mol/L)，流速为4(cm/s)。在处理槽2中，处理物质的组成为Na4P2O7(分子量：266(g/mol)，每分子中Na原子数：4)，浓度为2(mol/L)，流速为4(cm/s)。离子交换实验采用膜面积为18cm2的离子交换体进行，显示：如图33所示，离子交换容量为4.6(meq/cm3)，处理物质的泄漏量为0(meq/cm3)，处理时间为5(分钟)。
图34表示处理物质的分子量与处理物质的泄漏量的关系。当分子量为80g/mol以上时，透过量可降低至低于0.2(meq/cm3)。当分子量为200g/mol以上时，可以将处理物质的透过量减少到零，这是优选的。
尽管上面已经描述了本实施方式，但是本发明不限于此。例如，原水槽(原水部)和处理槽(第一处理槽和第二处理槽)的尺寸和形状可以各种各样地设置。只要处理槽(处理部)中的处理物质的摩尔浓度高于原水槽(原水部)中的被处理液体，就可以使用任何被处理液体和任何处理物质。
工业实用性
本发明也可以应用于添加其他机构的离子交换装置，只要处理部的处理物质的摩尔浓度高于原水部的被处理液体即可。
附图标记列表
1 原水槽(原水部)
1a 入口
1b 出口
2 处理槽(处理部)
2a 入口
2b 出口
3 离子交换体
4 密封机构
5 搅拌机构
6 第一处理槽(第一处理部)
7 阳离子交换体
8 第二处理槽(第二处理部)
9 阴离子交换体
10 原水部
11 处理部
12 离子交换体
13 原水部
14 阳离子交换体
15 第一处理部
16 连接件
17 原水部
18 阴离子交换体
19 第二处理部
20 原水部
20a 入口
20b 出口
21 第一处理部
22 离子交换体
23 第二处理部
24 离子交换体
25 第三处理部
26 离子交换体
27 副处理部
27a 入口
27b 出口
B 离子交换体
F 球状充填离子交换体
G 纤维充填离子交换体

Claims (16)

1.一种离子交换装置，其包括：
容纳被处理液体的原水部，所述液体由含有杂质离子的液体构成；
容纳处理物质的处理部，所述处理物质含有由能够与所述杂质离子交换的离子构成的交换离子；和
离子交换体，其允许所述杂质离子从所述原水部通向所述处理部，以及所述交换离子从所述处理部通向所述原水部，
其中，所述处理部中的所述处理物质的摩尔浓度高于所述原水部中的所述被处理液体，
所述处理部容纳的所述处理物质由分子量为80 g/mol以上的物质构成，所述处理物质包含弱酸或弱碱。
2.根据权利要求1所述的离子交换装置，其中，所述处理部的所述处理物质的摩尔浓度为2 mol/L以上。
3.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述原水部能够使所述被处理液体流动。
4.根据权利要求3所述的离子交换装置，其中，所述处理部能够使所述处理物质沿与所述被处理液体相反的方向流动。
5.根据权利要求3所述的离子交换装置，其还包括充填有粒状离子交换体的副处理部，其中，所述副处理部连接在所述原水部的下游，经过所述原水部的被处理液体能够流入所述副处理部。
6.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述原水部容纳与所述离子交换体接触的充填离子交换体。
7.根据权利要求6所述的离子交换装置，其中，所述充填离子交换体由球状或纤维状的离子交换体构成。
8.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述处理部设置有能够搅拌所述处理物质的搅拌机构。
9.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，设置有密封机构，所述密封机构将所述原水部与所述离子交换体之间的接合部以及所述处理部与所述离子交换体之间的接合部中的至少一个密封。
10.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述交换离子由第1族元素离子或氢氧根离子构成。
11.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述处理物质是含有第1族元素离子的溶液。
12. 根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述离子交换装置包括：
第一处理部，其中，所述交换离子由第1族元素离子构成；以及
第二处理部，其中，所述交换离子是氢氧根离子，
其中，所述第一处理部和所述第二处理部各自与所述原水部隔着所述离子交换体连接。
13.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述离子交换体为筒状、平膜状或中空纤维状。
14.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述离子交换体由离子交换树脂膜构成。
15.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述离子交换体由双网络凝胶构成。
16.根据权利要求1或2所述的离子交换装置，其中，所述离子交换体设置在由片状纤维层构成的支持体上。
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