DE60011688T2

DE60011688T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Elektroentionisierung mit Entionisierungsteilkammern

Info

Publication number: DE60011688T2
Application number: DE60011688T
Authority: DE
Inventors: Masao Hidaka
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: CA2301370A1; TW494014B; EP1038837B1; MY121475A; DE60011688D1; KR20010014627A; AU2249500A; CN1268486A; US6274018B1; JP3385553B2; CN1140465C; JP2001239270A; EP1038837A2; ID24775A; KR100405642B1; SG83198A1; AU750981B2; CA2301370C; EP1038837A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodeionisierungsvorrichtung, die den elektrischen Widerstand reduzieren kann, wodurch der Leistungsverbrauch minimiert wird, und ein Verfahren zur Elektrodeionisierung, das eine solche Vorrichtung verwendet. Diese Elektrodeionisierungsvorrichtung kann zur Herstellung von deionisiertem Wasser bei solchen Anwendungen wie Elektronik, Pharmazie, Kern- oder Fossilbrennstoff-Leistungserzeugung, Lebensmitteln und Getränken und Laboratorien verwendet werden.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Ein herkömmliches Verfahren zur Erzeugung von deionisiertem Wasser führt das zu behandelnde Wasser durch Ionenaustauschharze. In diesem Verfahren müssen die Ionenaustauschharze chemisch aufbereitet werden, wenn sie verbraucht sind. Um diesen mühsamen Arbeitsschritt zu beseitigen, ist ein Elektrodeionisationsverfahren (nachfolgend mit EDI abgekürzt) entwickelt und kommerzialisiert worden, welches keine chemische Aufbereitung erfordert.
5 ist eine Querschnittansicht einer typischen herkömmlichen Elektrodeionisierungsvorrichtung. Wie in der Figur gezeigt, sind eine Serie von Entsalzungskammern 104 durch abwechselndes Vorsehen von Kationenaustauschmembranen 101 und Anionenaustauschmembranen 102 mit Zwischenräumen dazwischen und durch Füllen jedes zweiten Zwischenraums mit Ionenaustauschmaterialien 103 gebildet. Eine Seite (Vorderseite) jeder Entsalzungskammer, von welcher das zu behandelnde Wasser zugeführt wird, wird mit einem Anionenaustauschharz 103a gefüllt und die andere Seite (Rückseite) der Entsalzungskammer, wo das Wasser herausfließt, wird mit einer Mischschicht 103b aus Kationen- und Anionenaustauschharzen gefüllt. Die Abschnitte, die an die Entsalzungskammern 104 angrenzen, welche durch die Anionenaustauschmembran 102 und die Kationenaustauschmembran 101 gebildet und nicht mit Ionenaustauschmaterial 103 gefüllt sind, wirken wie Konzentratkammern 105, in denen Konzentratwasser fließt.
Wie in 6 gezeigt, ist ein Deionisierungsmodul 106 durch eine Kationenaustauschmembran 101, eine Anionenaustauschmembran 102 und Ionenaustauschmaterialien 103 gebildet, welche den Raum zwischen diesen Ionenaustauschmembranen bilden.
Speziell ist eine Seite eines Rahmens 107 mit einer Kationenaustauschmembran 101 abgedichtet. Die obere Seite (Vorderseite) des Inneren des Rahmens 107 ist mit einem Anionenaustauschharz 103a gefüllt und die untere Seite (Rückseite) des Rahmeninnern ist mit einer gemischten Ionenaustauschmembran 103b gefüllt. Die andere Seite des Rahmens 107 ist dann mit einer Anionenaustauschmembran 102 verschlossen. Da die Ionenaustauschmembranen 101 und 102 weich und flexibel sind, wenn der Rahmen 107 mit Ionenaustauschmaterialien 103 gefüllt und mit Ionenaustauschmembranen an beiden Seiten verschlossen ist, sind in einem typischen Rahmen 107 eine Mehrzahl vertikaler Rippen 108 vorgesehen, um eine ungleichmäßige Füllung der Ionenaustauschmaterialien 103 aufgrund der Krümmung der Ionenaustauschmembranen zu verhindern. Obwohl sie nicht in der Figur gezeigt sind, sind Einlässe für das zu behandelnde Wasser an der Oberseite des Rahmens 107 und Auslässe für das behandelte Wasser an der Unterseite des Rahmens 107 vorgesehen.
5 zeigt eine Mehrzahl dieser Deionisierungsmodule 106, die parallel zueinander mit Abstandshaltern (nicht gezeigt) zwischen ihnen vorgesehen sind. Eine Kathode 109 ist auf einer Seite der parallelen Deionisierungsmodule 106 vorgesehen und eine Anode 110 ist auf der gegenüber liegenden Seite der parallelen Deionisierungsmodule 106 vorgesehen. Die Abstandshalter sind zwischen den Deionisierungsmodulen 106 und den Konzentratkammern 105 vorgesehen. Eine Trennmembran wie eine Kationenaustauschmembran 101, eine Anionenaustauschmembran 102 oder eine Membran, die keine Ionenaustauschfunktion hat, ist außen an beiden der äußersten Konzentratkammern 105 vorgesehen, wenn nötig. Eine Kathodenkammer 112 und eine Anodenkammer 113 sind in den Abschnitten vorgesehen, die durch die oben erwähnten Trennmembranen getrennt sind, wobei die Abschnitte mit der Kathode 109 und der Anode 110 in Kontakt kommen. Wie man sieht, ist in einer solchen herkömmlichen EDI-Vorrichtung die Zahl der Konzentratkammern um eins größer als die Zahl der Entsalzungskammern.
Ein Prozess zum Erzeugen von deionisiertem Wasser, der eine EDI-Vorrichtung einsetzt, wird mit Bezug auf die 4 und 5 erklärt, wobei die 4 schematisch eine Beziehung zwischen den Entsalzungs- und Konzentratkammern zeigt. In 4 sind eine Kathodenkammer 112 und die Anodenkammer 113 von den Konzentratkammern 105 durch eine Kationenaustauschmembran 101 getrennt. Speziell wird ein Gleichstrom zwischen der Kathode 109 und der Anode 110 angelegt. Das zu behandelnde Wasser wird aus der Zuführleitung 111 für das zu behandelnde Wasser zugeführt und das Konzentratwasser wird von der Zuführleitung 115 für Konzentratwasser zugeführt. Das Elektrodenwasser wird von den Zuführleitungen für Elektrodenwasser 117 und 117 zugeführt. Das zu behandelnde Wasser, das aus der Zuführleitung für das zu behandelnde Wasser 111 zugeführt wird, fließt durch die Entsalzungskammern 104. Anionen wie Chlorid- und Sulfationen im Wasser werden entfernt, wenn das Wasser durch das Anionenaustauschharz 103a in der Vorderseite fließt, und anschließend werden Kationen wie Magnesium- oder Kalziumionen entfernt, wenn das Wasser durch die stromabwärts gelegenen gemischten Ionenaustauschharze 103b der Kationen- und Anionenaustauschharze fließt. Das Konzentratwasser, das von der Zuführleitung 115 für Konzentratwasser zugeführt wurde, fließt nach oben durch jede Konzentratkammer 105, nimmt Verunreinigungsionen über die Kationenaustauschmembran 101 und die Anionenaustauschmembran 102 auf und wird aus der Konzentratwasserabführleitung 116 abgeführt, wenn das Konzentratwasser Verunreinigungsionen enthält. Das Elektrodenwasser, welches aus den Elektrodenwasserzuführleitungen 117 und 117 zugeführt wurde, wird aus den Elektrodenwasserabführleitungen 118 und 118 abgeführt. Somit kann entionisiertes Wasser in der Abführleitung für entionisiertes Wasser erzeugt werden.
Es hat verschiedene Versuche gegeben, den elektrischen Widerstand dieser Art EID-Vorrichtung zu reduzieren, um die Menge an elektrischem Leistungsverbrauch zu verringern, wenn eine solche Vorrichtung verwendet wird, um Verunreinigungsionen aus dem zu behandelnden Wasser zu entfernen. Da das Füllverfahren und die Menge an Ionenaustauschmaterialien, die in den Entsalzungskammern verwendet werden, von der gewünschten Qualität des behandelten Wassers abhängen, gibt es Einschränkungen, wie stark der elektri sche Widerstand an der Entsalzungskammer reduziert werden kann, und es wurden oft Maßnahmen ergriffen, um den elektrischen Widerstand in den Konzentratkammern zu reduzieren. Die offen gelegte Japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei 9-24374 offenbart ein Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Widerstandes in den Konzentratkammern durch Hinzufügen von Elektrolyten. Ein Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Widerstandes in der Konzentratkammer durch Umwälzen von Konzentratwasser, um einen Anstieg seiner elektrischen Leitfähigkeit zu begünstigen, ist auch vorgeschlagen worden.
Im Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Widerstandes in den Konzentratkammern durch Hinzugeben von Elektrolyten müssen jedoch eine Pumpe zum Zuführen der Elektrolyte zu den Konzentratkammern, ein Chemikalienvorratstank und Versorgungsleitungen vorgesehen werden, und daher steigen sowohl der Installationsbereich als auch die Kosten. Weiter müssen Chemikalien periodisch zugeführt und gehandhabt werden, was das Problem bewirkt, dass eine nicht zu vernachlässigende Aufmerksamkeit des Personals erforderlich ist, obwohl die Vorrichtung als kontinuierliche Elektrodeionisierungseinheit bezeichnet ist. Das Verfahren zur Verringerung des elektrischen Widerstandes in den Konzentratkammern durch Umwälzen von Konzentratwasser, wodurch die elektrische Leitfähigkeit in den Konzentratkammern erhöht wird, weist auch einen Nachteil dahingehend auf, dass Härtekomponenten wie Kalzium und Magnesium im Konzentratwasser auch sehr hoch konzentriert werden und Krusten (scales) bilden, die den elektrischen Widerstand erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine EDI-Vorrichtung, die den elektrischen Widerstand reduzieren kann, ohne irgendeine Chemikalie zum Konzentratwasser hinzuzufügen, und ein Verfahren zum Erzeugen von deionisiertem Wasser bereitzustellen, das eine solche Vorrichtung verwendet.
Ein erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Serie von Entsalzungskammern, von denen jede eine Seite aufweist, die durch eine Kationenaustauschmembran verschlossen ist, und die andere Seite mit einer Anionenaustauschmembran verschlossen ist, wobei eine Ionenaustauschzwischenmembran zwischen den Kationen- und Anionenaustauschmembranen vorgesehen ist, um jede Entsalzungskammer in zwei angrenzende Unterentsalzungskam mern zu unterteilen. Die Konzentratkammern sind auf beiden Seiten jeder Entsalzungskammer über die Kationenaustauschmembran und die Anionenaustauschmembran vorgesehen. Diese Entsalzungskammern und Konzentratkammern sind zwischen einer Anode und einer Kathode vorgesehen. Das zu behandelnde Wasser wird einer der Unterentsalzungskammern zugeführt, während eine Spannung über die Unterentsalzungskammern angelegt wird. Das aus der einen der beiden Unterentsalzungskammern abgelassene Wasser wird dann zur anderen Unterentsalzungskammer geschickt. Konzentratwasser fließt in der Konzentratkammer, um Verunreinigungsionen aus dem zu behandelnden Wasser zu entfernen, und so wird deionisiertes Wasser erzeugt. Mit dieser Konfiguration kann die Anzahl der Konzentratkammern pro Unterentsalzungskammer, die mit Ionenaustauschmaterialien gefüllt ist, um einen Faktor von etwa 2 reduziert werden, und der elektrische Widerstand der EDI-Vorrichtung kann verglichen mit einer herkömmlichen EDI-Vorrichtung deutlich reduziert werden.
Zudem können sich Ionen durch Verwenden einer Anionenaustauschmembran, einer Kationenaustauschmembran oder einer diskreten Anionen- und Kationenaustauschmembran als Ionenaustauschzwischenmembran (keine bipolare Membran), von einer Unterentsalzungskammer zu einer anderen bewegen, was zu einer effizientern Ionnenentfernung führt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine EDI-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein perspektivisches Teildiagramm eines Deionisierungsmoduls, das eine Entsalzungskammer umfasst.
3 ist ein Diagramm, das das Prinzip einer erfindungsgemäßen EDI-Vorrichtung zeigt.
4 ist ein Diagramm, das das Prinzip einer herkömmlichen EDI-Vorrichtung zeigt.
5 ist ein Diagramm einer herkömmlichen EDI-Vorrichtung.
6 ist ein perspektivisches Teildiagramm eines Deionisierungsmoduls, das als herkömmliche Entsalzungskammer verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen EDI-Vorrichtung wird mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine EDI-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist ein perspektivisches Teildiagramm eines Deionisierungsmoduls, das zwei Unterentsalzungskammern umfasst. Wie in 1 gezeigt, sind eine Kationenaustauschmembran 3, eine Ionenaustauschzwischenmembran 5 und eine Anionenaustauschmembran 4 in dieser Reihenfolge mit Zwischenräumen dazwischen vorgesehen. Ein Ionenaustauschmaterial 8 füllt die Zwischenräume zwischen jeder Kationenaustauschmembran 3 und jeder Ionenaustauschzwischenmembran 5, um erste Unterentsalzungskammern d₁, d₃, d₅ und d₇ zu bilden. Ein Ionenaustauschmaterial 8 füllt die Zwischenräume zwischen der jeder Ionenaustauschzwischenmembran 5 und jeder Anionenaustauschmembran 4, um zweite Unterentsalzungskammern d₂, d₄, d₆ und d₈ zu bilden. Eine erste Unterentsalzungskammer d₁ und eine zweite Unterentsalzungskammer d₂ werden kombiniert, um eine Entsalzungskammer D1 zu bilden. Ähnlich werden die ersten Unterentsalzungskammern d₃, d₅ und d₇ entsprechend mit den zweiten Unterentsalzungskammern d₄, d₆ und d₈ kombiniert, um Entsalzungskammern D2, D3 und D4 zu bilden. Der Zwischenraum zwischen den Entsalzungskammern D2 und D3, usw., der durch eine Anionenaustauschmembran 4 und eine Kationenaustauschmembran 3 gebildet wird und nicht mit einem Ionenaustauschmaterial 8 gefüllt ist, wirkt als Konzentratkammer 1, in welcher Konzentratwasser fließt. Daher sind in der Vorrichtung eine Entsalzungskammer D1, eine Konzentratkammer 1, eine Entsalzungskammer D2, eine Konzentratkammer 1, eine Entsalzungskammer D3, eine Konzentratkammer 1 und eine Entsalzungskammer D4 in dieser Reihenfolge von links im Diagramm vorgesehen. Jede der Abführleitungen für behandeltes Wasser 12 der zweiten Unterentsalzungskammern d₂, d₄, d₆ und d₈ ist mit Zuführleitungen für zu behandelndes Wasser 13 der ersten Unterentsalzungskammern d₁, d₃, d₅ und d7 verbunden.
Eine einzelne Entsalzungskammer umfasst ein Deionisierungsmodul, das durch hohle Rahmen und drei Ionenaustauschmembranen ausgebildet ist. Speziell ist, wie in 2 gezeigt, eine Seite eines ersten Rahmens 21 durch eine Kationenaustauschmembran 3 verschlossen, und die Hohlräume des ersten Rahmens 21 sind mit Ionenaustauschmaterialien 8 gefüllt. Die andere Seite des ersten Rahmens 21 ist durch eine Ionenaustauschzwischenmembran 5 verschlossen, um eine erste Unterentsalzungskammer zu bilden. Ein zweiter Rahmen 22 wird dann an dieser ersten Unterentsalzungskammer angebracht, wobei dazwischen die Ionenaustauschzwischenmembran 5 angeordnet ist, und der zweite Rahmen 22 wird mit einem Ionenaustauschmaterial 8 gefüllt. Die Seite des zweiten Rahmens 22, die nicht die Ionenaustauschzwischenmembran 5 berührt, ist mit einer Anionenaustauschmembran 4 verschlossen, um eine zweite Unterentsalzungskammer zu bilden. Da die Ionenaustauschmembranen 3, 4 und 5 weich sind, und flexibel, wenn die ersten und zweiten Rahmen 21 und 22 mit Ionenaustauschmaterialien 8 gefüllt und mit Ionenaustauschmembranen an beiden Seiten verschlossen werden, sind eine Mehrzahl Rippen 23 in vertikaler Richtung in den ersten und zweiten Rahmen 21 und 22 vorgesehen, um eine ungleichmäßige Füllung der Ionenaustauschmaterialien 8 aufgrund gekrümmter Ionenaustauschmembranen zu verhindern. Obwohl in der Figur nicht gezeigt, sind der erste Rahmen 21 und der zweite Rahmen 22 mit Einlässen für zu behandelndes Wasser oder für behandeltes Wasser an ihren oberen Enden und mit Auslässen für behandeltes Wasser versehen, die an ihren unteren Enden vorgesehen sind, wenn die Strömung des Wassers durch die ersten und zweiten Unterentsalzungskammern gleichzeitig erfolgt. Alternativ sind die oberen Enden des ersten Rahmens 21 und des zweiten Rahmens 22 mit Einlässen für zu behandelndes Wasser und Auslässen versehen, und Auslässe für behandeltes Wasser und Einlässe für behandeltes Wasser sind an ihren unteren Enden vorgesehen, wenn die Strömung des Wassers durch die ersten und zweiten Unterentsalzungskammern gleichzeitig erfolgt. 1 zeigt eine Mehrzahl dieser Deionisierungsmodule 20, die parallel zueinander mit nicht gezeigten Abstandshaltern dazwischen vorgesehen sind. Eine Kathode 6 ist auf einer Seite der parallelen Deionisierungsmodule 20 vorgesehen und eine Anode 7 ist auf der anderen Seite der parallelen Deionisierungsmodule 20 vorgesehen. Die oben erwähnten Abstandshalter sind zwischen den Deionisierungsmodulen 20 und Konzentratkammern 1 vorgesehen. Eine Trennmembran wie eine Kationenaustauschmembran, eine Anionenaustauschmembran oder eine Membran, die keine Ionenaustauschfunktion aufweist, kann außen an beiden der äußersten Entsalzungskammern D vorgesehen sein. Elektrodenkammern 2 und 2 können in dem Abschnitt vorgesehen sein, der durch die Trennmembran getrennt ist, die jeweils mit den Elektroden 6 und 7 in Kontakt kommen. As hohler Rahmen kann jedes Material verwendet werden, welches einen Zwischenraum, der durch Ionenaustauschmaterial(ien) gefüllt werden kann, zwischen dem Rahmen und einer Ionenaustauschmembran bilden kann, wenn der Rahmen und die Ionenaustauschmembran geschichtet sind. Dieser Rahmen kann zum Beispiel aus Pfeilerelementen mit einem quadratischen Querschnitt gebildet werden.
Wenn diese Art EDI-Vorrichtung zur Herstellung von deionisiertem Wasser verwendet wird, arbeitet sie wie folgt. Ein Gleichstrom wird zwischen der Kathode 6 und der Anode 7 angelegt. Das zu behandelnde Wasser wird aus der Zuführleitung für zu behandelndes Wasser 11 zugeführt, und das Konzentratwasser wird aus der Konzentratwasserzuführleitung 15 zugeführt. Das Elektrodenwasser wird von den Elektrodenwasserzuführleitungen 17 und 17 zugeführt. Das zu behandelnde Wasser, das von der Zuführleitung für zu behandelndes Wasser 11 zugeführt wird, fließt in die zweiten Unterentsalzungskammern d₂, d₄, d6 und d₈ durch das Ionenaustauschmaterial 8, wo Verunreinigungsionen entfernt werden. Das behandelte Wasser tritt dann durch die Abführleitungen für behandeltes Wasser 12 der zweiten Unterentsalzungskammern in die Zuführleitungen für zu behandelndes Wasser 13 der ersten Unterentsalzungskammern ein, und fließt in die ersten Unterentsalzungskammern d₁, d₃, d₅ und d₇ durch die Ionenaustauschmaterialien 8, wo wiederum Verunreinigungsionen entfernt werden. Das deionisierte Wasser kann somit in der Abführleitung für deionisiertes Wasser 14 erzeugt werden. Das Konzentratwasser, das von der Konzentratwasserzuführleitung 15 zugeführt wurde, tritt durch jede der Konzentratkammern hindurch, nimmt Verunreinigungsionen über die Kationen- 3 und Anionenaustauschmembranen 4 auf und wird aus den Konzentratwasserabführleitungen 16 abgelassen. Das Elektrodenwasser wird aus den Elektrodenwasserzuführleitungen 17 und 17 zugeführt und aus den Elektrodenwasserabführleitungen 18 und 18 abgeführt. Auf diese Weise werden die Verunreinigungsionen im zu behandelnden Wasser elektrisch entfernt.
Die Ionenaustauschzwischenmembran kann irgendeine von einer einzelnen Membran aus einer Kationen- oder Anionenaustauschmembran oder einer diskreten Membran aus einer Anionen- oder Kationenaustauschmembran sein. Wenn eine diskrete Membran mit einer Anionenaustauschmembran auf entweder der oberen oder der unteren Seite der Vorrichtung und eine Kationenaustauschmembran auf der anderen Seite eingesetzt wird, wird die Höhe (Fläche) von jeder Anionen und Kationenaustauschmembran durch die Qualität des zu behandelnden Wassers, Behandlungsziele oder dergleichen bestimmt. Wenn eine einzelne Membran eingesetzt wird, wird die Natur der Ionenaustauschmembran durch den gewünschten Typ der zu entfernenden Ionen bestimmt.
Die erste und zweite Unterentsalzungskammer kann jede Dicke aufweisen, und daher kann die Dicke auf die optimale Dicke für den Typ des Ionenaustauschmaterials, welches in den erste und zweite Unterentsalzungskammer einzufüllen ist, und dessen Einfüllverfahren eingestellt werden. Daher kann die Dicke der ersten Unterentsalzungskammer auf 3 mm, die Dicke der zweiten Unterentsalzungskammer kann auf 6 mm und die Gesamtdicke, also die Dicke der Entsalzungskammer, kann auf 9 mm eingestellt werden. Wenn eine Mehrzahl Entsalzungs- und Konzentratkammern abwechselnd vorgesehen sind, kann die Dicke des Entsalzungskammerfachs, das durch die Kationen- und Anionenaustauschmembranen auf beiden Seiten der Entsalzungskammer definiert ist, vergleichen mit dem Fall einer herkömmlichen Vorrichtung vergrößert werden, und kann innerhalb eines Bereichs von 1,5 bis 18 mm, bevorzugter in einem Bereich von 6,5 bis 15 mm und noch bevorzugter in einem Bereich von 9 bis 13 mm eingestellt werden.
Jedes Ionenaustauschmaterial kann verwendet werden, um die Entsalzungskammer zu füllen, und beinhaltet (ist aber nicht beschränkt auf) eine einzelne Schicht aus Anionenaustauschmaterial, eine einzelne Schicht aus Kationenaustauschmaterial, ein gemischtes Ionenaustauschmaterial aus Anionen- und Kationenaustauschmaterialien und eine Kombination von diesen. Es kann jedes Material, welches eine Ionenaustauschfunktion aufweist, als Ionenaustauschmaterial verwendet werden, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) ein Ionenaustauschharz, eine Ionenaustauschfaser und eine Kombination hieraus.
Das zu behandelnde Wasser kann in jede Richtung in den ersten und zweiten Unterentsalzungskammern fließen. Das heißt, die Fließrichtungen in den ersten und zweiten Unterentsalzungskammern können einander entgegengesetzt sein, statt dieselbe Richtung aufzuweisen wie es in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben ist. Die Reihenfolge der Unterentsalzungskammern kann umgekehrt werden, das heißt, das zu behandelnde Wasser kann zuerst in die erste Unterentsalzungskammer fließen und anschließend in die zweite Unterentsalzungskammer fließen, statt so, wie bei der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform. Die Flussrichtung des Konzentratwassers wird geeignet festgelegt.
3 zeigt die vorliegende Ausführungsform, bei der eine Anionenaustauschmembran als die Ionenaustauschzwischenmembran verwendet wird, gemischte Anionen- und Kationenaustauschharze verwendet werden, um die erste Unterentsalzungskammer d₁ zu füllen und ein einzelnes Anionenaustauschharz verwendet wird, um die zweite Unterentsalzungskammer d₂ zu füllen. 3 zeigt eine Beziehung zwischen den Entsalzungs- und Konzentratkammern, die in 1 gezeigt sind, und soll mit 4 verglichen werden, die eine herkömmliche Vorrichtung zeigt. In 3 fließen das zu behandelnde Wasser, das durch die zweite Unterentsalzungskammer fließt, und das Wasser, das aus der zweiten Unterentsalzungskammer abgelassen und in die erste Unterentsalzungskammer gesendet wird, alle nach unten, während das Konzentratwasser nach oben fließt, was der Richtung des zu behandelnden Wassers entgegengesetzt ist. Das zu behandelnde Wasser wird von der Zuführleitung für zu behandelndes Wasser 11 zugeführt und fließt die zweiten Unterentsalzungskammern d₂, d₄ und d₆ (d₈ ist nicht gezeigt) herunter durch ein einzelnes Ionenaustauschharz A, wo Anionenbestandteile wie Chloridionen und Sulfationen zu den Konzentratkammern über eine Anionenaustauschmembran befördert und entfernt werden. Diese Entfernung der Ionen tritt speziell um das Eingangsende für das zu behandelnde Wasser auf. Während dieses Vorgangs verbleiben die Kationenbestandteile des zu behandelnden Wassers im Wasser. Das Wasser, welches durch die Abführleitungen für behandeltes Wasser 12 der zweiten Unterentsalzungskammern gelaufen ist, tritt dann durch die Zuführleitungen für behandeltes Wasser 13 der ersten Unterentsalzungskammern hindurch, fließt in die ersten Unterentsalzungskammern d₁, d₃, d₅ (d₇ ist nicht gezeigt) durch gemischte Kationen- und Anionenaustauschharze M, wo Kationenbestandteile wie Magnesium- und Kalziumionen zu den Konzentratkammern über die Kationenmembranen c befördert und entfernt werden. Das Entfernen der Ionen ist um das Eingangsende der ersten Unterentsalzungskammern (Eingangsende der zweiten Unterentsalzungskammern) besonders ausgeprägt. So kann deionisiertes Wasser in der Abführleitung für deionisiertes Wasser 14 erzeugt werden. Das Konzentratwasser mit konzentrierten Kationenbestandteilen wie Magnesium- und Kalziumionen, die um das Eingangsende der ersten Unterentsalzungskammern herum entfernt werden, wird sofort aus den Konzentratkammern abgelassen und die Krustenbildung innerhalb der Konzentratkammern kann verhindert werden.
Wie man aus 3 sehen kann, kann in der vorliegenden Erfindung die Anzahl der Konzentratkammern pro Unterentsalzungskammer, die mit den Ionenaustauschmaterialien gefüllt ist, um einen Faktor von etwa 2 reduziert werden, wenn man dies mit einer herkömmlichen Vorrichtung vergleicht, und somit kann der elektrische Widerstand der EDI-Vorrichtung deutlich reduziert werden. Weil die Zahl der Konzentratkammern zudem relativ klein vergleichen mit der einer herkömmlichen Vorrichtung ist, kann die Ionenkonzentration des Konzentratwassers, welches durch die Konzentratkammern fließt, erhöht werden, was zu einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit und einer weiteren Verringerung des elektrischen Widerstandes führt, und gleichzeitig kann die Strömungsrate des Konzentratwassers durch die Konzentratkammern erhöht werden, wodurch das Ausbilden von Krusten in den Konzentratkammern verhindert wird. Die Menge an verwendeten Ionenaustauschmembranen kann auch reduziert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform können durch Einstellen der Dicke der ersten Unterentsalzungskammern, die mit einem gemischten Anionen- und Kationenaustauschmaterial gefüllt sind, im Bereich zwischen 0,8 mm und 8 mm, bevorzugter 2 bis 5 mm, und Einstellen der Dicke der zweiten Unterentsalzungskammern, die mit einem Anionenaustauschmaterial gefüllt sind, in einem Bereich zwischen 5 mm und 15 mm, bevorzugter 6 bis 10 mm, ein niedriger elektrischer Widerstand und einer hohe Stromeffizienz erreicht werden. Wenn die Dicke von jeder der ersten Unterentsalzungskammern geringer als 0,8 mm ist, bleibt das Wasser nicht lang genug in den ersten Unterentsalzungskammern und die Qualität des behandelten Wassers verschlechtert sich. Wenn andererseits die Dicke jeder der ersten Unterentsalzungskammern größer als 8 mm ist, steigt der elektrische Widerstand an, was zu Schwierigkeiten beim sicheren Umgang mit der Vorrichtung führt. Wenn auf ähnliche Weise die Dicke von jeder der zweiten Unterentsalzungskammern geringer als 5 mm ist, bleibt das Wasser nicht lang genug darin, was zu einer Verschlechterung der Qualität des behandelten Wassers führt. Wenn die Dicke jeder der zweiten Unterentsalzungskammern größer als 15 mm ist, wird der Anstieg des elektrischen Widerstandes vergleichen mit dem Anstieg in der Stromeffizienz deutlicher, und daher ist diese Konfiguration nicht bevorzugt.
Wie oben beschrieben, ist in der vorliegenden Erfindung eine Entsalzungskammer in zwei Unterentsalzungskammern unterteilt. Mit dieser Konfiguration kann die Anzahl der Konzentratkammern pro Unterentsalzungskammer, die mit einem Ionenaustauschmaterial gefüllt ist, um einen Faktor von etwa 2 verglichen mit der herkömmlichen Vorrichtung reduziert werden, und der elektrische Widerstand der EDI-Vorrichtung kann deutlich verringert werden. Weil die Zahl der Konzentratkammern verglichen mit dem Fall der herkömmlichen Vorrichtung relativ klein ist, kann zudem die Ionenkonzentration des Konzentratwassers, das durch die Konzentratkammern fließt, erhöht werden, die elektrische Leitfähigkeit kann erhöht werden, was zu einer weiteren Reduktion des elektrischen Widerstandes führt, und die Strömungsrate des Konzentratwassers, das durch die Konzentratkammern fließt, kann erhöht werden, was das Ausbilden von Krusten in den Konzentratkammern verhindert. Wenigstens eine der zwei Unterentsalzungskammern kann mit einem einzigen Ionenaustauschmaterial wie einem Anionenaustauschmaterial oder einem Kationenaustauschmaterial gefüllt sein. Die Dicke der Entsalzungskammern kann auf eine optimale Dicke eingestellt werden, um den elektrischen Widerstand zu reduzieren, und die Menge an Ionenaustauschmembranen, die in der Vorrichtung verwendet werden, kann verglichen mit dem Fall der herkömmlichen Vorrichtung reduziert werden.
Das Deionisierungsmodul der vorliegenden Erfindung erfordert nur einen Rahmen und eine Ionenaustauschmembran mehr als das herkömmliche Deionisierungsmodul. Dies ist eine geringe Änderung, obwohl die Grundstruktur des Deionisierungsmoduls verbessert wird. Weiter kann die Zahl der Module vergleichen mit den herkömmlichen auf die Hälfte reduziert werden.
Wenn eine einzelne Ionenaustauschmembran als Ionenaustauschzwischenmembran verwendet wird, kann die Ionenaustauschmembran abhängig von den Ionen ausgewählt werden, die aus dem zu behandelnden Wasser zu entfernen sind. Wenn also gewünscht wird, mehr Kationen aus dem zu behandelnden Wasser zu entfernen, kann eine Kationenaustauschmembran verwendet werden, und wenn gewünscht wird, mehr Anionen aus dem zu behandelnden Wasser zu entfernen, kann eine Anionenaustauschmembran verwendet werden. Wenn eine zusammengesetzte oder diskrete Membran verwendet wird, sind eine Katione naustauschmembran auf der oberen Seite der Vorrichtung und eine Anionenaustauschmembran auf der unteren Seite vorgesehen, oder umgekehrt. Wenn zum Beispiel eine Kationenmembran an der Eingabeseite (Eingangsseite) der ersten Unterentsalzungskammer und eine Anionenaustauschmembran an der Auslassseite (Ausgangsseite) der ersten Unterentsalzungskammer vorgesehen sind, bewegen sich die Kationenbestandteile von der zweiten Unterentsalzungskammer zur ersten Unterentsalzungskammer, was bewirkt, dass der pH-Wert der ersten Unterentsalzungskammer sich zur alkalischen Seite verändert. Anschließend wird die Ionisierung von nicht-ionischem Siliziumdioxid (silica) gefördert und eine weitere Reduzierung von Siliziumdioxid erfolgt durch die Anionenaustauschmembran auf, der Auslassseite (Ausgangsseite) der ersten Unterentsalzungskammer vorgesehen ist.
Mit einer Struktur, in der die zweite Unterentsalzungskammer mit einem Anionenaustauschmaterial gefüllt ist und die ersten Unterentsalzungskammer mit einer Mischung aus Anionen- und Kationenaustauschmaterialien gefüllt ist, ist es möglich, das Wasser mit einer großen Menge an Anionenbestandteilen, besonders Wasser, welches schwache Säurebestandteile wie Siliziumdioxid und Kohlensäure enthält, hinreichend zu behandeln. Wenn das in den mit einem gemischten Austauschmaterial aus Anionen- und Kationenaustauschmaterialien gefüllten Unterentsalzungskammern zu behandelnde Wasser und das Konzentratwasser in entgegen gesetzte Richtungen fließen, kann das Konzentratwasser mit Konzentratkationenbestandteilen wie Magnesium- und Kalziumionen sofort aus der Konzentratkammer abgeführt werden, wodurch die Krustenbildung in den Konzentratkammern verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung wird weiter unter Anführung von Beispielen beschrieben. Diese Beispiele sind nur beispielhaft gemeint und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
Beispiel 1
Eine EDI-Vorrichtung, die drei parallele Deionisierungsmodule (sechs Unterentsalzungskammern) umfasst, wie in 3 gezeigt, wurde mit den folgenden Spezifikationen bereitgestellt. Wasser wurde durch die Entsalzungs- und Konzentratkammern 5000 Stunden lang unter den folgenden Betriebsbedingungen geführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Spezifikationen
Zu behandelndes Wasser und zugeführtes Konzentratwasser:
Sickerwasser (permeate water), das durch Behandeln von Industriewasser mit einer Umkehrosmosevorrichtung erhalten wurde
Spezifischer Widerstand des zu behandelnden Wassers: 0,31 MΩ · cm (=MΩcm)
Erste Unterentsalzungskammer: Breite 300 mm, Höhe 600 mm, Dicke 3 mm
Ionenaustauschharze, die die erste Unterentsalzungskammer füllen: Gemischte Schicht aus Ionenaustauschharzen aus einem Anionenaustauschharz (A) und einem Kationenaustauschharz (K) mit einem Volumenverhältnis von A:K = 1:1
Zweite Unterentsalzungskammer: Breite 300 mm, Höhe 600 mm, Dicke 8 mm Ionenaustauschharze, die die zweite Unterentsalzungskammer füllen: Einzelne Schicht aus
einem Anionenaustauschharz
Gesamtströmungsrate: 1 m³/h
Strom: konstanter Wert von 1,5 A
Vergleichbeispiel 1
Eine EDI-Vorrichtung, die sechs parallele Deionisierungsmodule umfasst, wie in 4 gezeigt, wurde mit den folgenden Spezifikationen bereitgestellt. Wasser wurde durch die Entsalzungs- und Konzentratkammern 5000 Stunden lang unter den folgenden Betriebsbedingungen geführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Qualität des zu behandelnden Wassers und des zugeführten Konzentratwassers und die Gesamtströmungsrate der Vorrichtung waren identisch zu denen von Beispiel 1.
Spezifkationen

Entsalzungskammer: Breite 300 mm, Höhe 600 mm, Dicke 8 mm
Ionenaustauschharz, das die Entsalzungskammer füllt:
Die obere Hälfte der Entsalzungskammer, gefüllt mit einer einzelnen Schicht einem Anionenaustauschharz, identisch zu dem aus Beispiel 1 und die untere Hälfte der Entsalzungskammer, gefüllt mit einer gemischten Schicht aus Ionenaustauschharzen, identisch zu denen aus Beispiel 1.
Strom: konstanter Wert von 1,5 A

(Tabelle 1)
Man sieht aus Tabelle 1, dass die EDI-Vorrichtung von Beispiel 1 die elektrische Leistung gegenüber dem Vergleichsbeispiel 1 um 33% reduziert hat, wenn ein elektrischer Strom von 1,5 A beibehalten wurde.
Vergleichsbeispiel 2
Eine Verrichtung ähnlich zu der von Beispiel 1, jedoch mit einer Dicke der ersten Unterentsalzungskammer, die mit einer gemischten Schicht von Kationen- und Anionenaustauschharzen gefüllt ist, die auf 0,5 mm geändert wurde, wurde hergestellt. Diese Vorrichtung wurde unter den Bedingungen identisch zu denen von Beispiel 1 betrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 3
Eine Verrichtung ähnlich zu der von Beispiel 1, jedoch mit einer Dicke der ersten Unterentsalzungskammer, die mit einer gemischten Schicht von Kationen- und Anionenaustauschharzen gefüllt ist, die auf 10 mm geändert wurde, wurde hergestellt. Diese Vorrichtung wurde unter den Bedingungen identisch zu denen von Beispiel 1 betrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 4
Eine Vorrichtung ähnlich zu der von Beispiel 1, jedoch mit einer Dicke der zweiten Unterentsalzungskammer, die mit der einzelnen Schicht Anionenaustauschharz gefüllt ist, die auf 3 mm geändert wurde, wurde hergestellt. Diese Vorrichtung wurde unter den Bedingungen identisch zu denen von Beispiel 1 betrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 5
Eine Vorrichtung ähnlich zu der von Beispiel 1, jedoch mit einer Dicke der zweiten Unterentsalzungskammer, die mit der einzelnen Schicht Anionenaustauschharz gefüllt ist, die auf 17 mm geändert wurde, wurde hergestellt. Diese Vorrichtung wurde unter den Bedingungen identisch zu denen von Beispiel 1 betrieben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Wie in Tabelle 2 gezeigt, wenn die Dicke von jeder der Unterentsalzungskammern zu stark erhöht oder gesenkt wurde, stieg der elektrische Widerstand der Vorrichtung an oder die Qualität des behandelten Wassers verschlechterte sich.

Claims

Elektroentionisierungsvorrichtung zum Entfernen von Ionen aus Wasser, umfassend: eine Reihe Entsalzungskammern (D), die jeweils mit einer Kationenaustauschmembran (3) auf einer Seite und einer Anionenaustauschmembran (4) auf der anderen Seite versehen und mit Ionenaustauschmaterialien (8) gefüllt sind, eine Konzentratkammer (1), die auf jeder Seite der Kationen- und Anionenaustauschmembranen (3, 4) vorgesehen ist, und ein Paar Elektroden (6, 7), die zwischen den Entsalzungs- und Konzentratkammern (D, 1) liegen, wobei jede Entsalzungskammer (D) in zwei Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) durch eine Ionenaustausch-Zwischenmembran (5) unterteilt ist, welche zwischen der Kationen- und der Anionenaustauschmembran (3, 4) vorgesehen ist, wobei die Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) und die Konzentratkammern (D, 1) jeweils mit Einlässen und Auslässen für das Wasser versehen sind, welches in die Kammern einzuleiten oder daraus abzuführen ist, wobei ein Auslass von einer der beiden Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) mit einem Einlass der anderen Entsalzungs-Unterkammer so verbunden ist, dass die Entsalzungs-Unterkammern in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenmembran (5) eine Anionenmembran, eine Kationenmembran oder eine zusammengesetzte Membran ist, wobei die zusammengesetzte Membran eine Struktur aufweist, in der die Kationenaustauschmembran (3) auf der oberen Seite der Vorrichtung und die Anionenaustauschmembran (4) auf der unteren Seite der Vorrichtung vorgesehen ist oder umgekehrt.
Elektroentionisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der jede Entsalzungskammer (D) folgendes umfasst: die Kationenaustauschmembran (3), einen ersten Rahmen (21), Ionenaustausch-Zwischenmembran (5), einen zweiten Rahmen (22), und die Anionenaustauschmembran (4), die in dieser Reihenfolge geschichtet sind.
Elektroentionisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Auslässe von einer der beiden Entsalzungs-Unterkammern (d2) mit den Einlässen der anderen Entsalzungs-Unterkammer (d1) durch eine Verbindungsleitung verbunden sind und das zu behandelnde Wasser in beiden der Entsalzungs-Unterkammern in derselben Richtung fließt.
Elektroentionisierungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der Konzentratwasser in den Konzentratkammern (1), die in jeder Entsalzungskammer (D) (zwischen den beiden Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2)) liegen, in eine der Flussrichtung des in der Entsalzungskammer (D) zu behandelnden Wassers entgegen gesetzten Richtung fließt.
Elektroentionisierungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jede der beiden Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) mit Ionenaustauschmaterial(ien) (8) gefüllt ist, das/die sich von dem (denen) in der anderen Entsalzungs-Unterkammer (d1, d2) unterscheidet/unterscheiden.
Elektroentionisierungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine der beiden Entsalzungs-Unterkammern (d2) durch die Ionenaustausch-Zwischenmembran (5) und die Anionenaustauschmembran (4) definiert und mit einem Anionenaustauschmaterial gefüllt ist, und die andere Entsalzungs-Unterkammer (d1) durch die Kationenaustauschmembran (3) und die Ionenaustausch-Zwischenmembran (5) definiert und mit einem Anionen- und Kationenaustauschmaterialien gefüllt ist.
Elektroentionisierungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zwei Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) unterschiedliche Dicken aufweisen.
Elektroentionisierungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der eine mit einem Anionaustauschmaterial gefüllte Entsalzungs-Unterkammer (d1) eine Dicke im Bereich zwischen 5 mm und 15 mm aufweist, und die andere mit Kationen- und Anionenaustauschmaterialien gefüllte Entsalzungs-Unterkammer (d1) eine Dicke im Bereich zwischen 0,8 mm und 8 mm aufweist.
Elektroentionisierungsverfahren zum Herstellen von entionisiertem Wasser unter Verwendung einer Elektroentionisierungsvorrichtung, wobei die Elektroentionisierungsvorrichtung folgendes umfasst: eine Reihe Entsalzungskammern (D), die jeweils mit einer Kationenaustauschmembran (3) auf einer Seite und einer Anionenaustauschmembran (4) auf der anderen Seite versehen und mit Ionenaustauschmaterialien (8) gefüllt sind, eine Konzentratkammer (1), die auf jeder Seite der Entsalzungskammer über die Kationen- und Anionenaustauschmembranen (3, 4) vorgesehen ist, und ein Paar Elektroden (6, 7), die zwischen der Anordnung der Entsalzungs- und Konzentratkammern (D, 1) liegen, und wobei jede Entsalzungskammer (D) in zwei Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) durch eine Ionenaustausch-Zwischenmembran (5) unterteilt ist, welche zwischen der Kationen- und der Anionenaustauschmembran (3, 4) vorgesehen ist, wobei die Zwischenmembran (5) eine Anionenmembran, eine Kationenmembran oder eine zusammengesetzte Membran ist, wobei die zusammengesetzte Membran eine Struktur aufweist, in der die Kationenaustauschmembran (3) auf der oberen Seite der Vorrichtung und die Anionenaustauschmembran (4) auf der unteren Seite der Vorrichtung vorgesehen ist oder umgekehrt; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zuführen des Wassers, das zu behandeln ist, in erste Entsalzungs-Unterkammern (d2, d4, d6, d8) und Zuführen des von den ersten Entsalzungs-Unterkammern (d2, d4, d6, d8) abgeführten Wassers in zweite Entsalzungs-Unterkammern (d1, d3, d5, d7), während eine Spannung zwischen dem Paar Elektroden (6, 7) angelegt wird, Zuführen von Konzentratwasser zu den Konzentratkammern (1), Konzentrieren der Verunreinigungsionen, die im zu behandelnden Wasser vorhanden sind, im Konzentratwasser, und Herstellen von entionisiertem Wasser als Wasser, welches aus den zweiten Entsalzungs-Unterkammern (d1, d3, d5, d7) abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Wasser in beiden der zwei Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) in derselben Richtung fließt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei der Konzentratwasser in den Konzentratkammern (1) in eine Richtung fließt, die dem Fluss des Wassers in den beiden Entsalzungs-Unterkammern (d1, d2) entgegengesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem eine der beiden Entsalzungs-Unterkammern (d2) durch die Ionenaustausch-Zwischenmembran (5) und die Anionenaustauschmembran (4) definiert und mit einem Anionenaustauschmaterial gefüllt ist, und die andere Entsalzungs-Unterkammer (d1) durch die Kationenaustauschmembran (3) und die Ionenaustausch-Zwischenmembran (5) definiert und mit einem Anionen- und Kationenaustauschmaterialien gefüllt ist.