DE60106854T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Elektroentionisierung von Wasser - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodeionisationsvorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung und ein System zur Erzeugung von ultrareinem Wasser.
  • Deonisiertes Wasser wird für verschiedene Zwecke verwendet, z.B. in Anlagen, wie zur Halbleiterherstellung und bei Herstellung von Flüssigkristalldisplays, in industriellen Einrichtungen, wie für die pharmazeutische Industrie, Nahrungsmittelindustrie und Stromindustrie, sogar in Haushalten und in Laboren. Elektrodeionisationsvorrichtungen werden häufig verwendet, um deionisiertes Wasser zu erzeugen, wie in dem japanischen Patent Nr. 1782943, in dem japanischen Patent Nr. 2751090 und in dem japanischen Patent Nr. 2699256 beschrieben. Eine herkömmliche Elektrodeionisationsvorrichtung, welche in 2 dargestellt ist, umfasst Elektroden, welche aus einer Anode 11' und einer Kathode 12', Anionenaustauschermembranen 13 und Kationenaustauschermembranen 14' bestehen. Die Membranen sind auf solch eine Weise abwechseln angeordnet, um abwechselnd Konzentrationskammern 15 und Entsalzungskammern 16' zwischen der Anode und der Kathode zu bilden. Die Entsalzungskammern 16' sind mit einem Anionen- und Kationenaustauscher angefüllt, bestehend aus Ionenaustauscherharz, Ionenaustauscherfasern oder Propfaustauscher. In den Entsalzungskammern 16', befinden sich die Anionenaustauscher und Kationenaustauscher in gemischtem Zustand oder mehrfach beschichtetem Zustand.
  • Die Ionen, welche in die Entsalzungskammern 16' fließen, reagieren mit dem Ionenaustauscher gemäß der Affinität, Konzentration und Mobilität der Ionen und bewegen sich durch den Ionenaustauscher in einer Richtung des Potentialgradienten. Die Ionen werden des weiteren durch die Membranen geleitet, um die Neutralisation der Ladungen in allen Kammern zu halten. Die Ionen verringern sich in den Entsalzungskammern 16' und erhöhen sich in den Konzentrationskammern 15' aufgrund der Semipermeabilität der Membranen und der Polaritäten des Potentialgradienten. Dies bedeutet, dass die Kationen die Kationenaustauschermembranen 14' durchdringen und die Anionen die Anionen-Austauschermembranen 13' durchdringen, so dass die Kationen und Anionen in den Konzentrationskammern 15' konzentriert werden. Daher wird deionisiertes Wasser (reines Wasser) als Wasserprodukt bzw. erzeugtes Wasser aus den Entsalzungskammern 16' zurückgewonnen.
  • Elektrodenwasser fließt durch eine Anolytkammer 17' und eine Katolytkammer 18'. Das Wasser, welches aus den Konzentrationskammern 15' fließt (konzentriertes Wasser), und eine hohe Ionenkonzentration aufweist, wird als das Elektrodenwasser verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen.
  • Rohwasser wird in die Entsalzungskammern 16' und die Konzentrationskammern 15' eingeführt. Deionisiertes Wasser (reines Wasser) wird aus den Entsalzungskammern 16' entnommen. Konzentriertes Wasser, bei welchem die Ionen konzentriert sind, wird aus den Konzentrationskammern 15' abgelassen. Ein Teil des konzentrierten Wasser wird in die Einlasse der Konzentrationskammern 15' über eine Pumpe (nicht dargestellt) eingeführt, um die Rückgewinnung des Wasserprodukts bzw. erzeugten Wassers zu verbessern. Ein anderer Teil des konzentrierten Wassers wird dem Einlass der Anolytkammer 1T zugeführt. Der Rest des konzentrierten Wassers wird als Abwasser aus einem Kreislaufsystem abgelassen, um die Ionenkonzentration in dem Kreislaufsystem zu verhindern. Wasser, welches aus der Anolytkammer 17' fließt, wird dem Einlass der Katolytkammer 18' zugeführt. Wasser, welches aus der Katolytkammer 18' fließt, wird als Abwasser aus dem Kreislaufsystem abgelassen.
  • Der pH-Wert in der Anolytkammer 17' wird aufgrund der H+-Erzeugung durch die Dissoziation von Wasser erniedrigt. Auf der anderen Seite wird der pH-Wert in der Katolytkammer 18' aufgrund der Erzeugung von OH- erhöht. Das Säurewasser, welches aus der Anolytkammer 17' fließt, fließt in die Katolytkammer 18', so dass die Alkalinität der Katolytkammer 18' neutralisiert werden kann, wodurch Zerstörungen aufgrund von Kesselsteinbildung eliminiert werden können.
  • Das Anfüllen von aktivierten Kohlenstoff oder Ionenaustauschharz in die Elektrodenkammern ist in der USP 5,868,915 offenbart.
  • US-A-5,593,563 offenbart eine Elektrodeionisationsvorrichtung mit einer Kathodenkammer und einer Anodenkammer zur Entfernung von Ionen aus einer Flüssigkeit unter dem Einfluss einer Spannung, wobei die Kathodenkammer elektronenleitfähige Teilchen enthält, wie Metallteilchen, und/oder Kohlenstoffteilchen.
  • US-A-3,149,061 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von aufgelösten Salzen und Kieselsäure aus Flüssigkeiten, insbesondere aus einem Boilerzufuhrwasser, welches bei Hochdruckboilern verwendet wird.
  • US-A-5,868,915 offenbart eine Elektrodeionisationsvorrichtung, umfassend Elektrolytkammern, Ionenkonzentrations- und Ionenverarmungskammern, in welchen sich ein elektroaktives Mittel befindet.
  • WO-A-97/46492 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von deionisiertem Wasser, wobei nicht-behandeltes Wasser, welches den Entsalzungskammern zugeführt wird, zunächst eine erste Anionenaustauscherschicht durchdringen und dann andere Ionenaustauscherschichten.
  • Die obige herkömmliche Elektrodeonisationsvorrichtung entfernt Siliziumdioxid und Bor nicht bei extrem hohem Verhältnis.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrodeionisationsvorrichtung bereitzustellen, welche Siliziumdioxid und Bor mit einem extrem hohen Verhältnis entfernt, ein Verfahren zum Betrieb derselben und ein System, welches die Elektrodeionisationsvorrichtung zur Erzeugung von ultrareinem Wasser einsetzt.
  • Gemäß eines ersten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Anolytkammer mit einer Anode, eine Katolytkammer mit einer Katode, wenigstens eine Konzentrationskammer und wenigstens eine Entsalzungskammer, wobei die Konzentrationskammer und die Entsalzungskammer zwischen der Anolytkammer und der Katolytkammer gebildet sind, indem wenigstens eine Anionenaustauschermembran und wenigstens eine Kationenaustauschermembran angeordnet ist, die Entsalzungskammer mit einem Ionenaustauscher angefüllt ist, die Konzentrationskammer mit wenigstens einem Ionenaustauscher, aktiviertem Kohlenstoff und ektrischem Leiter angefüllt ist; wobei die Elektrodeionisationsvorrichtung deionisiertes Wasser erzeugt, indem der Anolytkammer und der Katolytkammer Wasser zugeführt wird; der Konzentrationskammer Wasser zugeführt wird, um konzentriertes Wasser aus der Konzentrationskammer zu erzeugen; und Zuführen von Rohwasser in die Entsalzungskammern, um das deionisierte Wasser aus der Entsalzungskammer zu erzeugen; wobei das in die Konzentrationskammer zugeführte Wasser in die Konzentrationskammer an einer Seite in der Nähe des Auslasses für deionisiertes Wasser aus der Entsalzungskammer eingeführt wird und aus der Konzentrationskammer an einer Seite in der Nähe eines Einlasses für das Rohwasser der Entsalzungskammer fließt, und wobei wenigstens ein Teil des konzentrierten Wassers, welches aus der Konzentrationskammer fließt, aus einem Kreislaufsystem abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Konzentrationskammer eingeführte Wasser durch wenigstens eines gewählt aus Siliziumdioxid und Bor mit einer niedrigeren Konzentration als das Rohwasser enthält, und wobei das Wasser in die Konzentrationskammer auf eine Einzug bzw. Eindurchlauf-Gegenstrom-Weise relativ zu dem Wasserfluss in der Entsalzungskammer fließt.
  • Gemäß eines zweiten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrodeionisationsvorrichtung bereitgestellt, umfassend: Eine Anolytkammer mit einer Anode; eine Katolytkammer mit einer Katode; wenigstens eine Konzentrationskammer; wenigstens eine Entsalzungskammer, wobei die Konzentrationskammer und die Entsalzungskammer zwischen der Anolytkammer und der Katolytkammer gebildet werden, indem wenigstens eine Anionen-Austauschermembran und wenigstens Kationen-Austauschermembran angeordnet werden; Ionenaustauscher, mit welchen die Entsalzungskammer angefüllt ist; wenigstens einer aus Ionenaustauscher aktivierten Kohlenstoff und elektrischem Leiter, welcher die Konzentrationskammer anfüllt; eine Einrichtung zur Einfühhrung von Elektrodenwasser in die Anolytkammer und die Katolytkammer; eine Wassereinführende Einrichtung zum Einführen von Wasser in die Konzentrationskammer, um konzentriertes Wasser aus der Konzentrationskammer zu bilden; und eine Einrichtung zur Zuführung von Rohwasser in die Entsalzungskammer, um deonisiertes Wasser zu bilden, wobei die Wassereinführungseinrichtung geeignet ist, dass sie während der Verwendung Wasser in die Konzentrationskammer an einer Seite in der Nähe des Auslasses für deionisiertes Wasser aus der Entsalzungskammer einführt, die Wassereinführungseinrichtung den Wasserfluss aus der Konzentrationskammer an einer Seite in der Nähe eines Einlasses für Rohwasser der Entsalzungskammer macht und die Wassereinführungseinrichtung wenigstens einen Teil des Wassers ablässt, welches aus der Konzentrationskammer aus einem Kreislaufsystem fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinführeinrichtung geeignet ist, konzentriertes Wasser in die Konzentrationskammer einzuführen, welches wenigstens eines aus Siliziumdioxid und Bor mit einer niedrigeren Konzentration als das Rohwasser enthält, und wobei die Wassereinführeinrichtung geeignet ist, das Wasser in die Konzentrationskammer in einer Einzug bzw.
  • Eindurchlauf-Gegenstrom-Weise relativ zu dem Wasserfluss in der Entsalzungskammer einzuführen.
  • Ein System zur Erzeugung von ultrareinem Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung weist die obige Elektrodeonisationsvorrichtung gemäß des zweiten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung auf.
  • Ein Verringern der Siliziumdioxid- und Borkonzentrationen in dem konzentrierten Wasser, welches in die Konzentrationskammer in der Nähe des Auslasses für das Produktwasser fließt, führt zu einer Verringerung der Siliziumdioxid- oder Borkonzentration in dem erzeugten Wasser.
  • Durch die Einführung von konzentriertem Wasser, welches Siliziumdioxid oder Bor mit einer geringeren Konzentration als das Rohwasser enthält, in die Konzentrationskammern an einer Seite in der Nähe des Auslasses für deionisiertes Wasser (erzeugtes Wasser) in eine Richtung zu einer Seite in der Nähe des Einlasses für das Rohwasser, führt dazu, dass die Siliziumdioxid- oder Borkonzentration des erzeugten Wassers beträchtlich verringert ist.
  • Indem Wasser mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit und hohem Widerstand in die Konzentrationskammern eingeführt wird, wird der elektrische Widerstand des Wassers in den Konzentrationskammern erhöht.
  • Die Ionenaustauscher wie Ionenaustauscheharze, aktivierter Kohlenstoff oder elektrischer Leiter, welche in die Konzentrationskammern eingefüllt sind, reduzieren den elektrischen Widerstand der Konzentrationskammern und ermöglicht, dass viel elektrischer Strom fließt.
  • H+ Ionen und OH- Ionen, hergestellt durch die Dissoziation von Wasser zwischen den Ionenaustauscheharzen führen elektrische Ladungen, so dass sich die Spannung zwischen den Elektroden nicht erhöht, um so zu ermöglichen, dass ausreichend Strom zwischen den Elektroden fließt, auch wenn Wasser mit einem hohen Widerstand wie ultrareines Wasser in der Elektrodeionisationsvorrichtung fließt.
  • Ausführungsformen der voliegenden Erfindungen werden im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 einen schematischen Querschnitt darstellt, welcher eine Elektrodeionisationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 einen schematischen Querschnitt zeigt, welcher eine herkömmliche Elektrodeionisationsvorrichtung darstellt;
  • 3a eine perspektivische Ansicht zeigt, welche schematisch eine Elektrodeionisationsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3b ein schematisches Flussdiagramm der Vorrichtung aus 3 zeigt; und
  • 4 ein schematisches Flussdiagramm eines Systems zeigt, zur Erzeugung von ultrareinem Wasser, wobei die Elektrodeionisationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
  • Eine in 1 dargestellte Elektrodeionisationsvorrichtung weist eine Vielzahl von Anionenaustauschermembranen 13 und eine Vielzahl von Kationenaustauschermembranen 14 auf, die abwechselnd zwischen den Elektroden (Anode 11, Kathode 12), Konzentrationskammern 15 und Entsalzungskammern 16 angeordnet sind. Die Konzentrationskammern 15 und die Entsalzungskammern 16 sind jeweils zwischen den Membranen 13 und 14 definiert und sind daher abwechselnd zwischen den Elektroden angeordnet. Die Entsalzungskammern 16 sind mit Anionenaustauschern und Kationenaustauschern angefüllt, bestehend aus Ionenaustauscherharz, Ionenaustauscherfasern oder Propfaustauscher. In den Entsalzungskammern 16, sind die Anionenaustauscher und Kationenaustauscher in dem gemischten Zustand oder in dem Mehrfachschichtzustand angefüllt.
  • Die Konzentrationskammern 15, Anolytkammer 17 und Katolytkammer 18 sind mit elektrisch leitfähigem Medium wie Ionenaustauscher, aktivierten Kohlenstoff oder Metall angefüllt.
  • Rohwasser wird in die Entsalzungskammern 16 eingeführt. Ein Teil des erzeugten Wassers fließt in die Konzentrationskammern 15 in eine entgegengesetzte Richtung zur Fließrichtung der Entsalzungskammern 16, d.h. in einer Einzug bzw. Eindurchlauf- Gegenstrom-Weise. Wasser, welches aus den Konzentrationskammern 15 fließt, wird aus einem System der Vorrichtung abgelassen. Die Konzentrationskammern 15 sind mit Einlässen auf der gleichen Seite wie die Auslässe für das erzeugte Wasser der Entsalzungskammern 16 bereitgestellt und mit Auslässen auf der gleichen Seite wie die Einlässe für das Rohwasser der Entsalzungskammern 16 bereitgestellt. Ein anderer Teil des erzeugten Wassers wird dem Einlass der Anolytkammer 17 zugeführt. Aus der Anolytkammer 17 fließendes Wasser wird dem Einlass der Katolytkammer 18 zugeführt. Aus der Katolytkammer 18 fließendes Wasser wird als Abwasser aus dem System abgeführt.
  • Indem das erzeugte Wasser in die Konzentrationskammern 15 in einer Einzug bzw. Eindurchlauf-Gegenstromweise relativ zu den Entsalzungskammern 16 zugeführt wird, weist das konzentrierte Wasser in der Konzentrationskammer 15 in der Nähe des Auslasses für erzeugtes Wasser die geringste Ionenkonzentration auf, wodurch die Ionendiffusion zu den Entsalzungskammern 16 aufgrund der Konzentrationsdiffusion beschränkt wird, und die Ionen werden mit hoher Rate entfernt. Insbesondere Siliziumdioxid- und Borionen werden mit extrem hoher Geschwindigkeit entfernt.
  • In der herkömmlichen Elektrodeionisationsvorrichtung, wird ein Teil des konzentrierten Wassers (Wasser, welches aus den Konzentrationskammern fließt) abgelassen, wie in 2 dargestellt, um die Rückgewinnung des erzeugten Wassers zu verbessern. Der Rest des konzentrierten Wassers wird zu dem Einlass der Konzentrationskammern zirkuliert. Bei der herkömmlichen Vorrichtung beträgt die LV (line velocity) in den Konzentrationskammern 80 m/h oder mehr.
  • Da der Ionenaustauscher in die Konzentrationskammern in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung eingefüllt ist, kann die deionisierte Eigenschaft sichergestellt werden, auch wenn die LV in den Konzentrationskammern 20 m/h oder weniger beträgt. Der Grund hierfür wird wie folgt beschrieben. Wenn ein Abstandshalter in jede Konzentrationskammer eingeführt wird, ist es notwendig, konzentriertes Siliziumdioxid und konzentriertes Bor durch Wasserfluss in die Konzentrationskammern auf die Membranen zu dispergieren. Ist der Ionenaustauscher in die Konzentrationskammern eingeführt, werden die Ionen durch die Ionenaustauscher dispergiert, wodurch die Notwendigkeit einer hohen Geschwindigkeit entlang einer Linie (Ln eliminiert.
  • Da die hohe Geschwindigkeit nicht notwendig ist, kann die Rückgewinnung des erzeugten Wassers höher sein als bei herkömmlichen, auch wenn das konzentrierte Wasser in einer Einzug- bzw. Eindurchfaufweise durchfließt. Zusätzlich ist keine Zirkulationspumpe notwendig, wodurch die Vorrichtung wirtschaftlicher wird. Es ist wünschenswert, dass die Siliziumdioxidkonzentration nicht mehr als 100 mal so groß ist wie die des erzeugten Wassers.
  • Obwohl der Füllstoff für die Konzentrationskammern aktiviertes Kohlenstoff sein kann, um den notwendigen Strom sicherzustellen, werden vorzugsweise Ionenaustauscher verwendet, im Vergleich mit aktiviertem Kohlenstoff, aufgrund der Ionendiffusionswirkung, wie oben erwähnt.
  • In der in 1 dargestellten Elektrodionisationsvorrichtung, wird ein Teil des erzeugten Wassers auch den Elektrodenkammern 17, 18 zugeführt. Um den gewünschten Strom sicherzustellen, sind die Elektrodenkammern 17, 18 mit dem Ionenaustauscher, aktiviertem Kohlenstoff oder Metall als elektrisch leitfähiges Medium auf die gleiche Weise wie die Konzentrationskammer 15 angefüllt. Hierdurch wird die angelegte Spannung konstant, unabhängig von der Wasserqualität. Daher kann, auch wenn ein Wasser mit höherer Qualität, wie ultrareines Wasser, fließt, ein gewünschter Strom sichergestellt werden.
  • In den Elektrodenkammern, insbesondere in der Anolytkammer, werden Oxidationsmittel wie Chlor und Ozon hergestellt. Daher ist der Füllstoff bei einer Langzeitbenutzung vorzugsweise aktivierter Kohlenstoff, im Vergleich mit Ionen-ausgetauschtem Harz. Wie in 1 dargestellt, ist es im Hinblick auf eine Langzeitstabilität der Füllstoffe und der Elektroden bevorzugt erzeugtes Wasser mit wenig oder keinem Cl- in die Elektrodenkammer zuzuführen, da die Erzeugung von Chlor in den Elektrodenkammern verhindert wird.
  • Die Elektrodenkammern können mit dem zuvor genannten Füllstoff nicht angefüllt sein. Zum Beispiel wird jede Elektrodenplatte auf einer Wasserfließseite mit einer Struktur bereitgestellt, die porös ist, so dass das Elektrodenwasser den porösen Bereich durchdringt. In diesem Fall können die Elektrodenplatte und die Elektrodenkammern als ein integrales Teil gebildet werden, wodurch der Aufbau vereinfacht wird.
  • Wenn das konzentrierte Wasser in der Konzentrationskammer zirkuliert, dessen Inneres nicht unterteilt ist, sollte die Konzentration von Siliziumdioxid und Bor in der Nähe des Auslasses für erzeugtes Wasser niedriger sein. Wenn konzentriertes Wasser in einer Konzentrationskammer zirkuliert wird, dessen Inneres geteilt ist, wie in den 3a, 3b gezeigt, ist die Konzentration an der Seite in der Nähe des Auslasses für die Konzent rationskammer höher als an der Seite in der Nähe des Einlasses für die Konzentrationskammer, so dass die Qualität des erzeugten Wassers im Wesentlichen der Qualität des erzeugten Wassers entspricht, welches in einer Einzug bzw. Eindurchlauf-Gegenstromanordnung aus 1 erzielt wird.
  • Die in den 3a und 3b dargestellten Elektrodeionisationsvorrichtungen weisen eine Anode 11 und eine Kathode 12 auf. Kationenaustauschermembranen und Anionenaustauschermembranen sind abwechselnd zwischen der Anode 11 und der Kathode 12 angeordnet, um abwechselnd eine Konzentrationskammer 15 und eine Entsalzungskammer 16 zu bilden. Die Konzentrationskammer 15 ist in zwei oder mehr (zwei in 3a, 3b) konzentrierte Wasserfließbereiche 15A, 15B durch eine Abtrennung 15S unterteilt. Die Fließrichtung des konzentrierten Wassers in jedem der konzentrierten Wasserfließbereich 15A, 15B kreuzt die Fließrichtung in den Entsalzungskammern 16.
  • Jede Entsalzungskammer 16 weist einen Einlass an dem oberen Bereich und einen Auslass an dem unteren Bereich auf, wie in 3a dargestellt, so dass das Wasser nach unten in einer vertikalen Richtung fließt.
  • Die Konzentrationskammer 15 ist mit der Abtrennung 15S versehen, welche sich in einer Richtung erstreckt, die die Fließrichtung in den Entsalzungskammern 16 kreuzt. Obwohl die Richtung senkrecht zu der Fließrichtung der Entsalzungskammern 16 in 3a ist, umfasst der Ausdruck „senkrecht" einen Winkelbereich zwischen 80–100°. Das Innere der Konzentrationskammer 15 ist durch die Abtrennung 15f in zwei Stufen unterteilt, welche in 3a vertikal angeordnet sind. Das Wasser fließt von dem vorderen Teil zu dem hinteren Teil, wie in 3a dargestellt, in den jeweiligen Konzentrationswasserfließrichtungen 15A, 15B.
  • Wie in 3b dargestellt, wird ein Teil des erzeugten Wassers, welches aus den Entsalzungskammern fließt, in ein Kreislaufsystem des konzentrierten Wasseriließbereiches 15B eingeführt, dessen Zirkulation durch eine Pumpe erzeugt wird. Ein Teil des erzeugten Wassers wird so in den konzentrierten Wasserfließbereich 15b in der Nähe des Auslasses für das erzeugte Wasser zirkuliert. Ein Teil des zirkulierten konzentrierten Wassers aus dem Kreislaufsystem wird in ein Kreislaufsystem des konzentrierten Wasserfließbereichs 15A eingeführt, wobei die Zirkulation durch eine Pumpe durchgeführt wird. Der Teil des zirkulierten konzentrierten Wassers wird so in dem konzentrierten Wasserfließbereich 15A konzentriert, in der Nähe des Einlasses für Rohwasser. Ein Teil des zirkulierten konzentrierten Wassers aus dem Fließbereich für konzentriertes Wasser 15A in der Nähe des Auslasses für Rohwasser wird aus dem Kreislaufsystem abgelassen.
  • Bei der Elektrodeionisationsvorrichtung gemäß 3a, 3b, tritt ein Teil des zirkulierten Wassers aus dem Fließbereich 15B für konzentriertes Wasser in ein Kreislaufsystem des Fließbereiches 15A für zirkuliertes Wasser in der Nähe des Einlasses für Rohwasser ein, und wird anschließend teilweise aus dem Kreislaufsystem abgelassen, nachdem ein Teil des erzeugten Wassers in ein Kreislaufsystem des Fließbereiches 15B für konzentriertes Wasser in der Nähe des Auslasses für erzeugtes Wasser eintritt und dort zirkuliert wird. Demzufolge zeigt die Vorrichtung die gleiche Wirkung wie in dem Fall, welcher in 1 dargestellt ist, wobei das Wasser in der Konzentrationskammer auf eine Einzug bzw. Eindurchlauf-Gegenstrom-Weise relativ zu der Entsalzungskammer fließt.
  • Es können drei oder mehr Fließbereich für konzentriertes Wasser durch Trennwände in der Konzentrationskammer definiert werden. Im Hinblick auf eine Erhöhung der Abtrennungen oder Teile und Komplexität der Struktur der Vorrichtung wird die Konzentrationskammer vorzugsweise in zwei oder drei Fließbereiche für konzentriertes Wasser unterteilt.
  • Die geringst mögliche Dicke der Entsalzungskammer wird vorzugsweise zur Entfernung nicht nur von Siliziumdioxid jedoch auch von Bor in der Elektrodeionisationsvorrichtung eingesetzt. Die Dicke der Entsalzungskammer liegt vorzugsweise bei 5 mm oder weniger. Im Hinblick auf die Wasserpermeabilität und die Einfachheit der Herstellung beträgt die Dicke jedoch vorzugsweise 2 mm oder mehr in der Praxis.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, wird der erforderte Strom zwischen den Elektroden durchgeführt und Siliziumdioxid und Bor werden mit hoher Geschwindigkeit entfernt, während der Einfluss der Konzentrationsdiffusion eliminiert wird. Der erforderte Strom wird durch die Vorrichtung geleitet mit der zuvor beschriebenen Konzentrationskammer und den Elektrodenkammern. Der Strom, welcher notwendig ist, um das Entfernungsverhältnis von Siliziumdioxid und Bor zu erhöhen, ist ein Wert entsprechend einer Stromwirksamkeit von 10 % oder weniger. Um das Entfernungsverhältnis von Siliziumdioxid und Bor von 99,9 % oder mehr zu erhalten, ist der notwendige Strom ein Stromwert, welcher vorzugsweise der Stromwirksamkeit von 5 % oder weniger entspricht. Die Stromwirksamkeit wird durch die folgende Formel ausgedrrückt:
  • Stromwirksamkeit (%) = 1,31 [Durchflussgeschwindigkeit je Zelle (l/min.)] [äquivalente Leitfähigkeit des Rohwassers (µS/cm)] – [äquivalente Leitfähigkeit des behandelten Wassers (µS/cm]] / Strom (A)
  • Gemäß der Elektrodeionisationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der notwendige Strom sichergestellt werden, auch wenn Wasser mit einem hohen Widerstand als Rohwasser in die Elektrodeionisationsvorrichtung eingeführt wird, und es ist notwendig, nur Siliziumdioxid und Bor in dem Rohrwasser zu verringern.
  • Es sollte festgehalten werden, dass wenn kein Strom in einer der Konzentrationskammern und Elektrodenkammern einer herkömmlichen Elektrodeionisationsvorrichtung fließt, der Strom nicht durch die Vorrichtung fließt.
  • Auf der anderen Seite kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Siliziumdioxid und Bor aus Rohwasser mit hohem Widerstand entfernen. Daher kann die Elektrodeionisationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verschiedene Arten von Wassern behandeln.
  • Zum Beispiel kann die Elektrodeionisationsvorrichtung als eine Vorrichtung zur Erzeugung eines primären reinen Wassers in einer Halbleiteranlage eingesetzt werden. Auch wenn erzeugtes Wasser, hergestellt durch die Vorrichtung zur Erzeugung von primärem reinen Wasser in kleinen Mengen verbraucht wird und der Rest zurückgeführt wird, um als Rohwasser zirkuliert zu werden, um so ein Rohwasser mit hohem Widerstand bereitzustellen, kann der erforderte Strom sichergestellt werden. Daher kann die Vorrichtung stabil gestaltet werden.
  • Auch wenn eine Vielzahl von Elektrodeionisationsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung in Reihe angeordnet werden und Rohwasser in diese Vorrichtungen eingeführt wird, kann der notwendige Strom für die nachfolgende Vorrichtung sichergestellt werden.
  • Die Elektrodeionisationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch als System zur Erzeugung eines sekundären reinen Wassers eingesetzt werden, manchmal als „Subsystem" in einem Herstellungsverfahren für ultrareines Wasser bezeichnet. Auch wenn Wasser mit einem Widerstand von 10 MΩ x cm oder mehr in eine Entsalzungskammer 2A der Elektrodeionisationsvorrichtung 2 über eine UV-Oxidationsvorrichtung 1 eingeführt. Erzeugtes Wasser aus der Elektrodeionisationsvorrichtung 2 wird in einer Ultrafiltrationmembrantrennungsvorrichtung 3 behandelt, um so ultrareines Wasser zu erzeugen. Wird die gesamte Wasserbalance berücksichtigt, kann das konzentrierte Wasser aus der Ultrafiltrationmebrantrennungsvorrichtung 3 als Zufuhrwasser zu der Konzentrationskammer 2B der Elektrodeionisationsvorrichtung 2 eingesetzt werden. Da kann die Wirksamkeit für die Wassernutzung eines Systems als ein ganzes erhöht werden.
  • Im Folgenden werden Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Stadtwasser wurde zunächst mit aktiviertem Kohlenstoff gefiltert, von einem umgekehrten Osmosetrenner behandelt und weiter mit einer Membranentlüftungsanlage behandelt, um Rohwasser mit der in Tabelle 1 dargestellten Qualität zu erzeugen. Das Rohwasser wurde mit der Elektrodeionisationsvorrichtung aus 1 deionisiert, mit zwei Entsalzungskammern und drei Konzentrationskammern und mit der folgenden Spezifikation. Die Elektrodeionisationsvorrichtung wurde unter den folgenden Betriebsbedingungen betrieben.
  • [Spezifikation der Elektrodeionisationsvorrichtung]
    • Höhe der Entsalzungskammer: 66 cm
    • Dicke der Entsalzungskammer: 2,5 mm
    • Dicke der Konzentrationskammer: 2,5 mm
    • Füllstoff für die Entsalzungskammer: Gemischtes Ionenaustauscherharz aus Anionenaustauscherharz:Kationenaustauscherharz: 7:3 (bezüglich des Volumens) Füllstoff für die Konzentrationskammer: Gemischtes Ionenaustauscherharz mit Anionenaustauscherharz:Kationenaustauscherharz = 7:3 (bezüglich des Volumens) Füllstoff für die Anolyt- und Katolytkammern: Aktivierter Kohlenstoff
  • [Betriebsbedingungen]
    • Strom: 2A (Stromwirksamkeit 4 %)
    • Entsalzungskammer SV: 130 hr-1
    • Konzentrationskammer LV: 13 m/hr
    • Erzeugtes Wasser: 60 1/h
    • Wasser in der Konzentrationskammer: 9 1/h
    • Wasser in der Elektrodenkammer: 5 1/h
    • Wasserrückgewinnung: 81 % (= 70 ./. (60 + 9 + 5) x 100)
  • Das erzeugte Wasser floss mit 74 1/h und 9 1/h des erzeugten Wassers wurden in die Konzentrationskammern auf eine Einzug-Gegenstrom-Weise eingeführt und 5 1/h wurden der Anolytkammer zugeführt und anschließend in die Katolytkammer eingeführt.
  • Das resultierende erzeugte Wasser war ein hochreines Wasser, aus welchem sowohl Siliziumdioxid und Bor mit einem hohen Maße entfernt waren, so dass sowohl das restliche Siliziumdioxid und Bor unter der in Tabelle 1 dargestellten Ermittlungsgrenze lag.
  • Die angelegte Spannung für das obige Experiment war insgesamt 9,7 Volt, d.h. Entsalzungskammer: 1,28 V x 2, Konzentrationskammer: 1,28 V x 3, Anolytkammer: 1,4 V und Katolytkammer: 1,9 V.
  • Tabelle 1
    Figure 00130001
  • Beispiel 2
  • Die Deionisation wurde unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass das Rohwasser hergestellt wurde, indem Natriumsilikat in ultrareines Wasser zugegeben wurde, um eine Natriumsilikatkonzentration von 300 ppb (SiO2-Umwandlung) zu erzielen.
  • Das Rohwasser enthielt eine geringe Ionenkonzentration, so dass es schwierig ist, den notwendigen Strom sicherzustellen. Das erzeugte Wasser wies jedoch eine hohe Rein heit auf, so dass die Siliziumdioxidkonzentration bie 0,1 ppb oder weniger lag (unter der Nachweisgrenze). Die angelegte Spannung für das obige Experiment betrug auch insgesamt 9,7 V, d.h. Entsalzungskammer. 1,28 V x 2, Konzentrationskammer: 1,28 V x3, Anolytkammer: 1,4 V und Katolytkammer: 1,9 V.
  • Vergleichsbeispiel
  • Ein Experiment wurde unter Verwendung der Vorrichtung, wie in 2 dargestellt, unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 betrieben, mit der Ausnahme, dass die Geschwindigkeit des konzentrierten Wasser 60 l je Stunde betrug und das Ablassen des konzentrierten Wassers 9 l/h betrug.
  • Das erzeugte Wasser wies einen Widerstand von 17 MΩ je cm auf und eine Siliziumdioxidkonzentration von 6 ppb.
  • Wie oben beschrieben, erzeugt gemäß der vorliegenden Erfindung die Elektrodeionisationsvorrichtung hochreines erzeugtes Wasser, wobei sowohl Siliziumdioxid und Bor zu einem hohen Maße entfernt sind. Herkömmliche Elektrodeionisationsvorrichtungen konnten Siliziumdioxid und Bor nicht ausreichend entfernen.

Claims (18)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung, welche eine Anolytkammer (17) mit einer Anode (11), eine Katolytkammer (18) mit einer Katode (12), wenigstens eine Konzentrationskammer (15) und wenigstens eine Entsalzungskammer (16) einschließt, wobei die Konzentrationskammer (15) und die Entsalzungskammer (16) zwischen der Anolytkammer (17) und der Katolytkammer (18) gebildet werden, indem wenigstens eine Anionenaustauschermembran (13) und wenigstens eine Kationenaustauschermembran (14) angeordnet ist, die Entsalzungskammer (16) mit einem Ionenaustauscher angefüllt ist, die Konzentrationskammer (15) mit wenigstens einem Ionenaustauscher, aktiviertem Kohlenstoff und elektrischem Leiter angefüllt ist; wobei die Elektrodeionisationsvorrichtung deionsiertes Wasser erzeugt, indem der Anolytkammer (17) und der Katolytkammer (18) Wasser zugeführt wird; der Konzentrationskammer (15) Wasser zugeführt wird, um konzentriertes Wasser aus der Konzentrationskammer zu erzeugen; und Zuführen von Rohwasser in die Entsalzungskammer (16), um das deionsierte Wasser aus der Entsalzungskammer zu erzeugen; wobei das in die Konzentrationskammer zugeführte Wasser in die Konzentrationskammer (15) an einer Seite in der Nähe des Auslasses für deionisiertes Wasser aus der Entsalzungskammer (16) eingeführt wird und aus der Konzentrationskammer (15) an einer Seite in der Nähe eines Einlasses für das Rohwasser der Entsalzungskammer (16) fließt, und wobei wenigstens ein Teil des konzentrierten Wassers, welches aus der Konzentrationskammer (15) fließt, aus einem Kreislaufsystem abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Konzentrationskammer eingeführte Wasser wenigstens eines gewählt aus Siliziumdioxid und Bor mit einer niedrigeren Konzentration als das Rohwasser enthält, und wobei das Wasser in die Konzentrationskammer (15) auf eine Einzug-Gegenstrom-Weise (single-pass counter-flow manne) relativ zu dem Wasserfluss in der Entsalzungskammer (16) fließt.
  2. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines gewählt aus entsalztem Wasser aus der Elektrodeionisationsvorrichtung, behandeltem Wasser, welches durch weiteres Behandeln des entsalzten Wassers mittels einer weiteren Vorrichtung, wie einer Ionenaustauschervorrichtung, erzeugt wird und ultrareinem Wasser in die Konzentrationskammer (15) eingeführt wird.
  3. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anolytkammer (17) und die Katolytkammer (18) mit wenigstens einem gewählt aus aktiviertem Kohlenstoff, Ionenaustauscher und elektrischem Leiter angefüllt sind.
  4. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Anode (11) in Kontakt mit einer Kationenaustauschermembran (14) befindet, welche die Anolytkammer (17) definiert, sich die Katode (12) in Kontakt mit einer Anionenaustauschermembran (13) befindet, welche die Katolytkammer (18) definiert und die Anode (11) und die Katode (12) jeweils bereitgestellt werden, dass sich wenigstens eine Seite in Kontakt mit der entsprechenden Membran befindet, mit einer porösen Struktur, die eine Vielzahl kontinuierlicher Öffnungen aufweist, durch welche das Wasser fließt.
  5. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Liniengeschwindigkeit (LV) des Wassers in der Konzentrationskammer (15) 20 m/std. oder weniger beträgt.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Entsalzungskammers (16) 2 bis 5 mm beträgt.
  7. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Strom einen Stromwert oder eine Größe (current value) aufweist, dass die Stromausbeute der Elektrodeionisationsvorrichtung, welche durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird, 10 % oder weniger beträgt: Stromausbeute (%) = 1,31 [Durchflussgeschwindigkeit je Zelle (L/min)] [[äquivalente Leitfähigkeit des Rohwassers (µS/cm)] – [äquivalente Leitfähigkeit des behandelten Wassers (µS/cm)]] / Strom (A).
  8. Verfahren zum Betrieb einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Strom eine Größe aufweist, dass die Stromausbeute 5 % oder weniger beträgt.
  9. Elektrodeionisationsvorrichtung umfassend: eine Anolytkammer (17) mit einer Anode (11); eine Katolytkammer (18) mit einer Katode (11); wenigstens eine Konzentrationskammer (15); wenigstens eine Entsalzungskammer (16), wobei die Konzentrationskammer (15) und die Entsalzungskammer (16) zwischen der Anolytkammer (17) und der Katolytkammer (18) gebildet werden, indem wenigstens eine Anionenaustauschermembran (13) und wenigstens eine Kationenaustauschermembran (14) angeordnet sind; Ionenaustauscher, mit dem die Entsalzungskammer (16) angefüllt ist; wenigstens einen Ionenaustauscher, aktivierten Kohlenstoff und elektrischen Leiter, welcher die Konzentrationskammer (15) ausfüllt; eine Einrichtung, um Elektronenwasser in die Anolytkammer (17) und die Katolytkammer (18) einzufüllen; eine Wassereinführeinrichtung, um Wasser in die Konzentrationskammer (15) einzuführen, um konzentriertes Wasser aus der Konzentrationskammer zu bilden; und eine Einrichtung, um Rohwasser in die Entsalzungskammer (16) einzuführen, um dass deionisierte Wasser zu bilden, wobei die Wassereinführeinrichtung angepasst ist, dass sie im Betrieb Wasser in die Konzentrationskammer (15) einführt, an einer Seite in der Nähe des Auslasses für deionisiertes Wasser aus der Entsalzungskammer (16), die Wassereinführeinrichtung den Wasserfluss aus der Konzentrationskammer (15) an einer Seite in der Nähe des Einlasses für das Rohwasser aus der Entsalzungs kammer (16) bildet und die Wassereinführeinrichtung wenigstens einen Teil des Wassers, welches aus der Konzentrationskammer (15) fließt, aus einem Kreislaufsystem abführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassereinführeinrichtung angepasst ist, um konzentriertes Wasser in die Konzentrationskammer einzuführen, welcher wenigstens eines gewählt aus Siliziumdioxid und Bor enthält, mit einer niedrigeren Konzentration als das Rohwasser und wobei die Wassereinführeinrichtung angepasst ist, um Wasser in die Konzentrationskammer (15) auf eine Einzug-Gegenstrom-Weise relativ zu dem Wasserfluss in der Entsalzungskammer (16) einzuführen.
  10. Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei eines gewählt aus dem entsalzten Wasser, hergestellt von der Elektrodeionisierungsvorrichtung, behandeltem Wasser, welches durch weiteres Behandeln des entsalzten Wassers mittels einer weiteren Vorrichtung, wie einer Ionenaustauschervorrichtung, hergestellt wird und ultrareinem Wasser in die Konzentrationskammer (15) eingeführt wird.
  11. Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Anolytkammer (17) und die Katolytkammer (18) mit wenigstens einem gewählt aus aktiviertem Kohlenstoff, Ionenaustauscher und elektrischem Leiter angefüllt sind.
  12. Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei sich die Anode (11) in Kontakt mit einer Kationenaustauschermembran (14) befindet, welche die Anolytkammer (17) definiert, sich die Katode (12) in Kontakt mit einer Anionenaustauschermembran (13) befindet, welche die Katolytkammer (18) bildet und die Anode (11) und die Katode (12) bereitgestellt sind, dass sich wenigstens einer Seite in Kontakt mit der entsprechenden Membran befindet, mit einer porösen Struktur mit einer Vielzahl kontinuierlicher Öffnungen, durch welche das Wasser in die Anolytkammer (17) und die Katolytkammer (18) fließt.
  13. Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Liniengeschwindigkeit (LV) des Wassers in dem Konzentrationskammer (15) 20 m/std oder weniger beträgt.
  14. Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Dicke der Entsalzungskammer (16) 2 bis 5 mm beträgt.
  15. Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Strom eine Größe aufweist, dass die Stromausbeute der Elektrodeionisationsvorrichtung, welche durch die folgende Gleichung ausgedrückt ist, 10 % oder weniger beträgt: Stromausbeute (%) = 1,31 [Durchflussgeschwindigkeit je Zelle (L/min)] [{äquivalente Leitfähigkeit des Rohwassers (µS/cm)] – [äquivalente Leitfähigkeit des behandelten Wassers (µS/cm)]] / Strom (A).
  16. Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Strom eine Größe aufweist, dass die Stromausbeute 5 % oder weniger beträgt.
  17. Verfahren zur Herstellung von ultrareinem Wasser, umfassend die Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 9.
  18. System zur Erzeugung von ultrareinem Wasser nach Anspruch 17, des Weiteren umfassend eine Ultrafiltrationsmembrantrennungsvorrichtung (3), in welche deionisiertes Wasser aus der Elektrodeionisationsvorrichtung(2) eingeführt wird, wobei das Wasser aus der Ultrafiltrationsmembrantrennungsvorrichtung (3) in die Konzentrationskammer (2b) der Elektrodeionisationsvorrichtung(2) eingeführt wird.
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