CN1711136A - 电子去离子装置 - Google Patents
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Abstract
一种电子去离子装置，包括交错配置于阳极(12)与阴极(11)之间的多数个阴离子交换膜(13)与多数个阳离子交换膜(14)，以形成交错配置的浓缩室(15)与去盐室(16)，且于浓缩室(15)与去盐室(16)中填充有离子交换物质。在浓缩室(15)中的离子交换物质其阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例，大于去盐室(16)中的离子交换物质其阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例。
Description
技术领域
本发明是有关于一种电子去离子装置，且特别是有关于一种即使在二氧化碳、硅等弱离子成分的高负荷下，仍具有优良的去盐性能与运转稳定性的电子去离子装置。
背景技术
一般来说，在半导体制造厂、液晶制造厂、制药工业、食品工业、电力工业等各种产业或是研究设备中，所使用的去离子水其制造方式都使用一电子去离子装置(日本专利第1782943号、日本专利第2751090号、日本专利第2699256号)，在此电子去离子装置中，阳极与阴极之间是交互配置有多数个阴离子交换膜以及阳离子交换膜，以形成交互配置的浓缩室及去盐室。此电子去离子装置中填充有离子交换树脂、离子交换纤维等离子交换物质，且离子交换树脂是由阴离子交换树脂与阳离子交换树脂混合而成。此外，在日本专利早期公开的特开2002-205069号所提出的电子去离子装置，其在浓缩室中填充有离子交换物质，以减低浓缩室的电阻值，并且确保其电流大小。
在此电子去离子装置中，流入去盐室的离子，基于其本身的亲和力、浓度及移动率，会与离子交换物质反应，且在离子交换物质中，沿着电位梯度移动。而且，此离子更会穿过薄膜，使全部腔室内的电荷保持在电中性。所以，由于半透膜的穿透性与电位梯度的移动特性，位于去盐室的离子会减少，且离子会在邻近的浓缩室中浓缩。换言之，阳离子会穿过阳离子交换膜，且阴离子会穿过阴离子交换膜，且在每一个浓缩室中浓缩。所以，自去盐室所生产的水会被回收，而此所回收的水是为去离子水。
此电子去离子装置可以有效进行去盐处理，且离子交换树脂不需再生。因此，可以完全且连续生产高纯度的水。
【参考文献1】
日本专利第1782943号
【参考文献2】
日本专利第2751090号
【参考文献3】
日本专利第2699256号
【参考文献4】
日本专利早期公开的特开2002-205069号
然而，此电子去离子装置在二氧化碳、硅等弱离子成分负荷过高的情况下，即欲处理的水中具有过多的二氧化碳、硅等弱离子成分时，所得到的去离子水其水质较差(以电阻相比)。而且，经过一段时间之后，此电子去离子装置会因电阻值上升，而使运转稳定性变差。
此外，在日本专利早期公开的特开2002-205069号是揭露浓缩室中填充有离子交换物质的电子去离子装置。在日本专利早期公开的特开2002-205069号中，为了确保其电流大小，所以在浓缩室内填充离子交换物质等导电体。然而，在这个阴离子交换物质对阳离子交换物质的填充比例上，并没有作特别的讨论。在日本专利早期公开的特开2002-205069号中，去盐室中所填充的混合离子交换树脂，其阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的比例同样为7∶3。
本发明就是在提供一种电子去离子装置，以解决上述的问题，以使此电子去离子装置，即使在二氧化碳、硅等弱离子成分负荷过高的情况下，仍具有优良的去盐性能与运转稳定性。
发明内容
本发明提出一种电子去离子装置，此电子去离子装置包括交错配置于一阳极与一阴极之间的多数个阴离子交换膜与多数个阳离子交换膜，以形成交错配置的一浓缩室与一去盐室，且于浓缩室与去盐室中填充有离子交换物质。此电子去离子装置的特征在于浓缩室中的离子交换物质其阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例，大于去盐室中的离子交换物质其阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例。
在电子去离子装置中，如先前所述，存在于欲处理水中的阳离子会穿过阳离子交换膜，并且在浓缩室中浓缩，藉以去除之。此外，存在于欲处理水中的阴离子会穿过阴离子交换膜，并且在浓缩室中浓缩，藉以去除之。此时，不易去除的二氧化碳、硅等弱离子成分，会因在去盐室发生水解离的氢氧离子，转变化成碳酸氢根离子(HCO3 -)与硅酸氢根离子(HSiO3 -)，而排放至浓缩室。
由于浓度极化(Polarization)效应，在阴离子交换膜的浓缩室的邻接介面处，阴离子的浓度会最浓。而不易移动的碳酸氢根离子与硅酸氢根离子的浓度极化越大，会容易产生电阻升高、离子不易移动的问题，进而发生低移除率的问题。
此时，在阴离子交换膜的浓缩室的邻接介面处，是存在有带反向电性的阳离子交换物质。而且，由于阴离子移动变慢，上述的浓度极化较易发生。另一方面，阴离子交换膜的存在，使得阴离子移动速度变快，所以浓度极化变得不易发生。特别是，在本发明的装置中，浓缩室中的离子交换物质的阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例(以下以“阴离子/阳离子的比例”表示)，大于去盐室中的离子交换物质的阴离子/阳离子比例。因此含有碳酸氢根离子与硅酸氢根离子的阴离子移动速度会变快。
本发明的电子去离子装置，较佳的是，包括多数个去盐室与多数个浓缩室。特别是，浓缩室中的离子交换物质其阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例，较佳是介于75/25至95/5之间。此外，浓缩室中的离子交换物质较佳为离子交换树脂，其中阴离子交换树脂的交联度是介于3～8％之间，而阳离子交换树脂的交联度是介于5～10％之间。特别是，浓缩室中所填充的阴离子交换树脂较佳是为热安定性的阴离子交换树脂。
本发明电子去离子装置，即使在二氧化碳、硅等弱离子成分的高负荷的情况下，仍具有优良的去盐性能与运转稳定性。因此，即使去盐室的注入量(L/h)对去盐室中的离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为5以上，或此电子去离子装置满足下述(1)与(2)其中任一项或同时满足下述(1)与(2)，或是此电子去离子装置的电流密度为300mA/dm2以上，仍具有良好的电阻状态与去盐性能。
(1)流入去盐室的二氧化碳负荷量(mg-CO2/h)对去盐室中的阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为80以上。
(2)流入去盐室的二氧化硅负荷量(mg-SiO2/h)对去盐室中的阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为8以上。
附图说明
图1是依照本发明一较佳实施例的一种电子去离子装置的剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示，其绘示依照本发明一较佳实施例的一种电子去离子装置的剖面示意图。而关于图1的详细说明如下。
此电子去离子装置包括交错配置于二电极(阳极11与阴极12)之间的多数个阴离子交换膜13与多数个阳离子交换膜14，以形成交错配置的多数个浓缩室15与多数个去盐室16。而且，于去盐室16与浓缩室15中各别填充有混合的离子交换树脂，此混合的离子交换树脂是由阳离子交换树脂10A与阴离子交换树脂10B混合而成。此外，此电子去离子装置还包括有阳极室17与阴极室18。
在本发明中，浓缩室15中所填充离子交换树脂其阴离子/阳离子的比例，大于去盐室16中所填充的离子交换树脂其阴离子/阳离子比例。因此，如先前所述的碳酸氢根离子、硅酸氢根离子等阴离子移动速度会变快。于是，在邻近阴离子交换膜13附近处，可以避免浓度极化。然而，浓缩室15中的混合交换树脂其阴离子/阳离子的比例过大时，在浓缩室15中的阳离子交换膜的浓缩面处，会发生阳离子浓度极化的问题。因此，浓缩室15中所混合的离子交换树脂其阴离子/阳离子的比例是介于75/25至95/5之间，特别是，其较佳的比例介于80/20至90/10之间。而且，此阴离子/阳离子的比例是为再生型的阴离子交换树脂/阳离子交换树脂的体积比例。
在图1的电子去离子装置中，于浓缩室15中的离子交换膜是使用离子交换树脂。但是，浓缩室15中的离子交换膜并不限于离子交换树脂的使用，其还可以使用离子交换纤维或是接枝(graft)交换物质等合适的交换物质。然而，以操作便利性来说，使用离子交换树脂作为离子交换膜较好。此外，不具有离子交换基的不活性树脂可以与离子交换树脂部分混合。在此情况下，扣除不活性树脂的离子交换物质其阴离子/阳离子的比例仍介于上述的范围内。
在浓缩室15中所填充的离子交换物质是使用离子交换树脂，其中的阴离子交换树脂的交联度以3～8％为佳，而阳离子交换树脂的交联度以5～10％为佳。若离子交换树脂的交联度过小，则离子交换树脂的强度会变弱。若离子交换树脂的交联度过大，则此装置的电阻会变大。
若浓缩室15中的阴离子交换树脂的比例过高，则在长时间的操作下，此装置会逐渐劣化，电阻也会逐渐变大。换言之，一般说来，例如氧气的存在下，阴离子交换树脂会比阳离子交换树脂先因氧化而发生劣化。所以，在浓缩室15中的阴离子交换树脂其比例较高的情况下，为了避免树脂因氧化而劣化，可以使用强度较强或是热安定性的树脂。
在电子去离子装置的制水方面，一般已经过活性碳、逆渗透分离进行处理的城市水等水源，其导电度为3～10μS/cm、二氧化碳浓度为3～30ppm以及硅的浓度为0.2～1.0ppm。之后，在对此水进行处理时，去盐室16中的离子交换树脂其阴离子/阳离子的比例需介于60/40至70/30之间。此外，去盐室16中的离子交换膜并不限于离子交换树脂，其还可以填充离子交换纤维等其他合适的交换物质。
在本发明的电子去离子装置中，如同习知的电子去离子装置，欲处理的水会被注入浓缩室15与去盐室16中。流入去盐室16中的欲处理水中的离子，其中的阳离子会穿过阳离子交换膜14，而阴离子会穿过阴离子交换膜13，且在各个浓缩室内进行浓缩，以使自去盐室所生产的水，成为去离子水。另一方面，浓缩离子所生成的浓缩水会自浓缩室15排出。
因此，在阳极室17以及阴极室18中会导入电极水。一般来说，为了确保电导度，所导入的电极水是为自浓缩室15流出，且离子浓度高的水(浓缩水)。
换言之，浓缩离子且自浓缩室15流出的浓缩水，一部分的浓缩水会注入浓缩室15的入口端而进行回圈，以提供回收率。一部份的浓缩水会输送至阳极室17。剩下部分的浓缩水会排放至排水系统外，以避免系统内部的离子被浓缩。因此，自阳极室17流出来的水会输送到阴极室18的入口端，而自阴极室18流出来的水会排放至排水系统外。
在此处理中，当流入去盐室16的二氧化碳、硅等弱离子成分越多时，会于浓缩室15的阴离子交换膜13的浓缩面处，发生先前所述的浓度极化。特别是二氧化碳、硅等弱离子成分存在时，浓度极化越易发生。另外，自去盐室16，穿过阴离子交换膜13，而移动至浓缩室15的二氧化碳、硅等弱离子成分越多时，浓度极化越易发生。此外，电流密度越大时，浓度极化也越易发生。
所以，由于本发明的电子去离子装置，其浓缩室15中的离子交换树脂其阴离子/阳离子的比例，大于去盐室16中的离子交换树脂其阴离子/阳离子比例。因此，即使在弱离子成分的高负荷的情况下，仍具有去盐性能佳及运转稳定度高的优点。例如，即使流入去盐室16的二氧化碳负荷量(mg-CO2/h)对去盐室中的阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为80以上，甚至为250～300，或流入去盐室16的二氧化硅负荷量(mg-SiO2/h)对去盐室中的阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为8以上，甚至为15～25，或是电流密度为300mA/dm2以上，甚至为600～1200，此电子去离子装置仍具有去盐性能佳及运转稳定度高的优点。此外，此电子去离子装置可以更进一步地小型化，因此就经济的观点来考量，本发明是非常有效的装置。
此外，本发明的电子去离子装置，阳极室17与阴极室18中，也可以填充离子交换树脂等离子交换物质与导电物。
在以下的实施例与比较例中是具体说明本发明。
实施例1
电子去离子装置(水处理量1000L/h)是由8个去盐室(每一个有效宽度250mm、高度400mm与厚度5mm)所构成。在去盐室与浓缩室(厚度2.5mm)中，是填充有下述的混合离子交换树脂。已经过活性碳处理与RO处理的都市水是注入此装置中，且其导电度为10μS/cm、二氧化碳浓度为20ppm、二氧化硅的浓度为1.0ppm，以及水温为摄氏10度。此外，此电子去离子装置的去盐室的阴离子交换膜的有效面积(dm2)为10dm2。
去盐室：阴离子交换树脂/阳离子交换树脂＝7/3(体积比例)的混合离子交换树脂。
浓缩室：阴离子交换树脂/阳离子交换树脂的混合比如表1所示。
去盐室的入口端的水量为1000L/h，而浓缩室的入口端的水量为400L/h。自浓缩室流出的浓缩水以200L/h排放至系统外，依序流过阳极室与阴极室的浓缩水以50L/h排放至系统外。剩余的浓缩水进入浓缩水入口端进行回圈。
在电流大小为8安培的条件下，持续进行一个月的注水。其中，此注水条件如下所示。一个月后所生产的水，其比阻抗与运转电压如表1所示，其中，自量测初期，所得的量测值稳定，并无太大变化。
去盐室的注入量(L/h)对去盐室中的阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值＝12.5
流入去盐室的二氧化碳负荷量(mg-CO2/h)对去盐室中的阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值＝250
流入去盐室的二氧化硅负荷量(mg-SiO2/h)对去盐室中的阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值＝12.5
电流密度(mA/dm2)＝800
实施例2～4与比较例1
在浓缩室中所填充的混合离子交换树脂其阴离子/阳离子的比如表1所示，而实施例1同样进行注水。制水一个月之后所得的比阻抗值与运转电压如表1所示。
表1
| 在浓缩室中，所填充的离子交换树脂其阴离子/阳离子的比例；阴离子交换树脂∶阳离子交换树脂(体积比例) | 制水1个月后 | |||
| 比阻抗值(MΩ·cm) | 运转电压(V) | |||
| 实施例 | 8∶2 | 15 | 86 | |
| 9∶1 | 14 | 86 | ||
| 7.5∶2.5 | 15 | 90 | ||
| 9.5∶0.5 | 14 | 88 | ||
| 比较例 | 7∶3 | 12 | 126 | |
| 6∶4 | 11 | 134 | ||
如表1所示，在浓缩室中，所填充的离子交换树脂其阴离子/阳离子的比例，大于在去盐室中，所填充的离子交换树脂其阴离子/阳离子的比例。特别是，在浓缩室中的阴离子交换树脂与阳离子交换树脂的体积比例是介于8∶2～9∶1之间。因此，由此可知本发明即使在二氧化碳、硅等弱离子成分的高负荷下，仍具有优良的去盐性能与运转稳定性。
产业上的利用可能性
由上可知，本发明的电子去离子装置即使在二氧化碳、硅等弱离子成分的高负荷下，仍具有优良的去盐性能与运转稳定性。
Claims (7)
1、一种电子去离子装置，包括有交错配置于一阳极与一阴极之间的多数个阴离子交换膜与多数个阳离子交换膜，以形成交错配置的一浓缩室与一去盐室，且于该浓缩室与该去盐室中填充有一离子交换物质，其中该电子去离子装置的特征在于：
该浓缩室中的该离子交换物质的阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例，大于该去盐室中的该离子交换物质的阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例。
2、根据权利要求1所述的电子去离子装置，其特征在于其更包括多数个去盐室与多数个浓缩室，该浓缩室中的该离子交换物质的阴离子交换物质/阳离子交换物质的填充比例是介于75/25至95/5之间。
3、根据权利要求1或2所述的电子去离子装置，其特征在于其中所述的浓缩室中的离子交换物质为一离子交换树脂，且阴离子交换树脂的交联度是介于3～8％之间，而阳离子交换树脂的交联度是介于5～10％之间。
4、根据权利要求1～3其中任一项所述的电子去离子装置，其特征在于其中所述的去盐室的注水量(L/h)对该去盐室中的该阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为5以上。
5、根据权利要求1～4其中任一项所述的电子去离子装置，其特征在于其中所述的电子去离子装置是满足下述(1)与(2)其中任一项或是同时满足下述(1)与(2)：
(1)流入该去盐室的二氧化碳负荷量(mg-CO2/h)对该去盐室中的该阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为80以上；
(2)流入该去盐室的二氧化硅负荷量(mg-SiO2/h)对该去盐室中的该阴离子交换膜的有效面积(dm2)的比值是为8以上。
6、根据权利要求1～5其中任一项所述的电子去离子装置，其特征在于其中所述的电子去离子装置的电流密度是为300mA/dm2以上。
7、根据权利要求1～6其中任一项所述的电子去离子装置，其特征在于其中所述的浓缩室中所填充的该阴离子交换树脂是为热安定性的阴离子交换树脂。
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