DE60128423T2

DE60128423T2 - Elektrodeionisierungsvorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE60128423T2
Application number: DE60128423T
Authority: DE
Inventors: Shin Shinjuku-ku Sato
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: KR100465580B1; KR20020006596A; TWI237008B; EP1172145A2; DE60128423D1; SG144687A1; EP1172145B1; MY124928A; EP1172145A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodeionisationsvorrichtung zum Trennen von Ionen von Wasser und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
Elektrodeionisationsvorrichtungen werden im Bereich der Herstellung von Reinwasser und Ultrareinwasser verwendet. Eine Platten-/Rahmen-Elektrodeionisationsvorrichtung umfasst eine Anode, eine Kathode, Anionen-Austauschmembranen und Kationen-Austauschmembranen. Die Membranen sind abwechselnd so angeordnet, dass sie abwechselnd Konzentrationskammern und Entsalzungskammern (Verdünnungskammern) zwischen der Anode und der Kathode bilden. Die Entsalzungskammern sind mit einem Ionenaustauscher wie beispielsweise einem Ionenaustauschharz gefüllt. Rohwasser, das behandelt werden soll, wird in die Entsalzungskammern der Elektrodeionisationsvorrichtung eingeleitet. Die im Wasser enthaltenen Ionen dringen durch die Ionenaustauschmembranen in die Konzentrationskammern.
Die japanische Patentveröffentlichung S56-16688B offenbart eine Elektrodeionisationsvorrichtung, die ein zylindrisches Gehäuse, Elektroden (Anoden und Kathoden), die die Form eines Stabes haben und die parallel zueinander angeordnet sind und zylindrische Ionenaustauschmembranen, die die jeweiligen Elektroden umgeben, umfasst. Jede Ionenaustauschmembran bildet eine Konzentrationskammer, die die Elektrode umgibt, sodass das deionisierte Wasser außerhalb der jeweiligen Ionenaustauschmembranen strömt.
Die Patente ... 149061, US 5585 und USS814197 beschreiben darüber hinaus jeweils Elektrodeionisationsvorrichtungen.
Bei dieser herkömmlichen Elektrodeionisationsvorrichtung wird konzentriertes Wasser aus den Konzentrationskammern, die die Anoden umgeben, und konzentriertes Wasser aus den Konzentrationskammern, die die Kathoden umgeben, gemischt und in die jeweiligen Konzentrationskammern zirkuliert.
Entsprechend einer solchen herkömmlichen Elektrodeionisationsvorrichtung ist es aufgrund der Diffusion des Silikats aus den Konzentrationskammern schwer, Silikat mit einer hohen Entnahmegeschwindigkeit zu entfernen. Wenn die Elektrodeionisationsvorrichtung zum Beispiel unter Bedingungen betrieben wird, unter denen das Speisewasser eine Silikatkonzentration von 200 parts per billion (ppb) hat und die gesamte Reinwassergewinnung aus der Vorrichtung 90 % ist, hat das Wasser, das in den Konzentrationskammern strömt eine hohe Silikatkonzentration von ungefähr 2000 ppb. Folglich diffundiert das Silikat mit einer hohen Geschwindigkeit aus den Konzentrationskammern in die Entsalzungskammern, demzufolge wird die Silikatkonzentration in dem Reinwasser, das aus der Vorrichtung ausströmt, nicht niedrig genug.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrodeionisationsvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die die voranstehenden Probleme überwinden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Elektrodeionisationsvorrichtung bereitzustellen, die die Diffusion von Silikat aus den Konzentrationskammern, bei der Reinwasser mit einer extrem niedrigen Silikatkonzentration entsteht, einschränkt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren nach Anspruch 1 bereit. Ausführungsformen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 17 dargestellt.
Zum Erzeugen von Reinwasser mit einer Silikatkonzentration von 0,1 ppb oder weniger hat das konzentrierte Wasser, das aus den Konzentrationskammern ausströmt, vorzugsweise eine Konzentration von weniger als 100 ppb, stärker bevorzugt weniger als 70 ppb.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Elektrodeiodinisationsvorrichtung eine Vielzahl von Konzentrationskammern in der Stromrichtung von Wasser in der Entsalzungskammer, und das konzentrierte Wasser, das aus der Konzentrationskammer ausströmt, die sich an der am weitesten stromab liegenden Seite in Bezug auf die Entsalzungskammer befindet, hat eine Silikatkonzentration, die weniger als 1000 mal so groß ist wie die des Reinwassers. Entsprechend diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Gefälle der Silikatkonzentration von der Konzentrationskammer zur Entsalzungskammer sehr gering, sogar nahe des Abflusses der Konzentrationskammer, sodass das Silikat nur begrenzt von der Konzentrationskammer in die Entsalzungskammer diffundieren kann, und das Reinwasser hat eine extrem niedrige Silikatkonzentration.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der Konzentrationskammern n, wobei n eine ganze Zahl von wenigstens 2 ist, das heißt, dass eine erste bis n-te Konzentrationskammer in der Strömungsrichtung von Wasser in der Entsalzungskammer vorhanden sind, ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der ersten Konzentrationskammer ausströmt, wird abgeleitet, und der Rest des konzentrierten Wassers wird zu der ersten Konzentrationskammer zirkuliert, ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der k-ten Konzentrationskammer ausströmt (wobei 2 ≤ k ≤ n), wird der (k – 1)-ten Kammer unmittelbar vor der k-ten Kammer zugeführt und der Rest des konzentrierten Wassers wird zu der k-ten Konzentrationskammer zirkuliert, und ein Teil des Reinwassers wird der n-ten Konzentrationskammer zugeführt, die sich in Bezug auf die Entsalzungskammer am weitesten stromab liegend befindet. Entsprechend diesem Aspekt der Erfindung wird die Silikatkonzentration im konzentrierten Wasser in der Konzentrationskammer, die sich am nahesten am Abfluss befindet und im Reinwasser ausreichend reduziert.
Wasser, das der Konzentrationskammer zuzufügen ist, kann einer Zuleitung, die mit der Konzentrationskammer verbunden ist, zugeführt werden. An Stelle dessen kann das Wasser der Konzentrationskammer direkt zugeführt werden.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 18 bereit. Ausführungsformen der Vorrichtung werden in Ansprüchen 19 bis 21 beschrieben.
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung hat die Elektrodeionisationsvorrichtung eine Zufuhr, die der n-ten Konzentrationskammer einen Teil des Reinwassers zuführt. Das Reinwasser kann der Konzentrationskammer direkt zugeleitet werden oder einer Leitung zum Zuleiten des konzentrierten Wassers in die n-te Konzentrationskammer.
Die Elektrodeionisationsvorrichtung kann eine Strömungsleitung oder -leitungen haben, die einen Teil des konzentrierten Wassers, das aus der ersten Konzentrationskammer ausströmt, ableitet beziehungsweise ableiten, den Rest davon zu der ersten Konzentrationskammer zirkulieren, einen Teil des konzentrierten Wassers, das aus der k-ten Konzentrationskammer (2 ≤ k ≤ n) ausströmt, der (k – 1)-ten Konzentrationskammer zuführen und den Rest davon zu der k-ten Konzentrationskammer zirkulieren.
Jede Entsalzungskammer kann mit einem Ionenaustauscher wie beispielsweise Ionenaustauschharz oder Ionenaustauschfaser gefüllt sein. Die Konzentrationskammer kann mit einem Ionenaustauscher oder Aktivkohle gefüllt sein. Die Anzahl „n" ist vorzugsweise 2 bis 10, stärker bevorzugt 2 bis 5, am stärksten bevorzugt 2 bis 4. Weitere Aspekte der Erfindung werden später mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
Bei einer Elektrodeionisationsvorrichtung entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Konzentrationskammern so angeordnet, dass das konzentrierte Wasser in den Konzentrationskammern in der Richtung strömt, die die Strömungsrichtung der Entsalzungskammer schneidet.
Die oben beschriebenen und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in denen gleiche Referenznummern die gleichen Komponenten bezeichnen, besser verständlich.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden nur anhand von Beispielen beschrieben, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Querschnittdarstellung ist, die eine Elektrodeionisationsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ein schematisches Diagramm ist, das den Strom des Wassers in einem Elektrodeionisationssystem entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3a eine perspektivische Ansicht ist, die eine Elektrodeionisationsanlage entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
3b ein schematisches Diagramm der Vorrichtung aus 3a ist.
4 ein schematisches Diagramm eines vergleichbaren Beispiels ist.
Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele werden im Folgenden beschrieben, die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf.
1 ist eine schematische Querschnittsdraufsicht, die eine Elektrodeionisationsvorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In einem Gehäuse 1 der Vorrichtung werden Anoden 2a, 2b und Kathoden 3a, 3b, jeweils vorzugsweise in Form einer Scheibe, abwechselnd dem Wesen nach parallel zueinander angeordnet. Bei dieser Ausführungsform werden die Anoden 2a, 2b von einer Seitenwand 1a des Gehäuses 1 gestützt, sodass die Enden der Anoden 2a, 2b von der anderen Seitenwand 1b im Abstand angeordnet sind. Die Kathoden 3a, 3b werden von der anderen Seitenwand 1b des Gehäuses 1 so gestützt, dass Enden der Kathoden 3a, 3b von der einen Seitenwand 1a im Abstand angeordnet sind.
Jede Anode 2a, 2b wird von einer Anionen-Austauschmembran 4 umgeben, sodass eine erste Konzentrationskammer 10 durch eine Anionen-Austauschmembran 4 gebildet wird, die Anode 2a umgibt, und eine dritte Konzentrationskammer 30 wird durch eine Anionen-Austauschmembran 4 gebildet, die Anode 2b umgibt. Jede Kathode 3a, 3b wird von einer Kationen-Austauschmembran 5 umgeben, sodass eine zweite Konzentrationskammer 20 durch eine Kationen-Austauschmembran 5 gebildet wird, die Kathode 3a umgibt, und eine vierte Konzentrationskammer 40 wird durch eine Kationen-Austauschmembran 5 gebildet, die Kathode 3b umgibt.
Das Gehäuse 1 wird mit Zuflüssen 15, 35 und Abflüssen 11, 31 bereitgestellt, sodass das konzentrierte Wasser in einen Raum an einer Seite jeder Anode 2a, 2b in jede Konzentrationskammer 10, 30 eingeleitet und von der anderen Seite abgeleitet wird.
Das Gehäuse 1 wird mit Zuflüssen 25, 45 und Abflüssen 21, 41 bereitgestellt, sodass das konzentrierte Wasser in einen Raum an einer Seite jeder Kathode 3a, 3b in jeder Konzentrationskammer 20, 40 eingeleitet und von der anderen Seite abgeleitet wird.
Das Gehäuse 1 wird darüber hinaus mit einem Zufluss 6 zum Einleiten von Speisewasser auf einer linken Seite (wie in 1 dargestellt) und mit einem Abfluss 7 zum Ableiten des deionisierten Reinwassers auf einer rechten Seite (wie in 1 dargestellt), bereitgestellt. Das Reinwasser wird durch eine Leitung 7a, die mit dem Abfluss 7 verbunden ist, entfernt.
Eine Entsalzungskammer 8, in der das zu behandelnde Wasser strömt, wird zwischen den Anionen-Austauschmembranen 4 und den Kationen-Austauschmembranen 5 in Gehäuse 1 gebildet. Die Entsalzungskammer 8 ist mit einem Ionenaustauscher wie beispielsweise Ionenaustauschharz gefüllt. Die Konzentrationskammern können mit einem Ionenaustauscher gefüllt sein.
Zum Zirkulieren des konzentrierten Wassers durch die Konzentrationskammern 10, 20, 30 und 40, sind Abfluss 11 und Zufluss 15 durch eine Leitung 12, eine Pumpe 13 und eine Leitung 14 miteinander verbunden. Abfluss 21 und Zufluss 25 sind durch eine Leitung 22, eine Pumpe 23 und eine Leitung 24 miteinander verbunden. Abfluss 31 und Zufluss 35 sind durch eine Leitung 32, eine Pumpe 33 und eine Leitung 34 miteinander verbunden. Abfluss 41 und Zufluss 45 sind durch eine Leitung 42, eine Pumpe 43 und eine Leitung 45 miteinander verbunden.
Zum zusätzlichen Hinzufügen von Wasser in das zirkulierte konzentrierte Wasser in den Konzentrationskammern 30, 40, die sich nahe des Reinwasserabflusses 7 befinden, werden Leitungen 36, 46 als Zweige von Leitung 7a mit den entsprechenden Leitungen 32, 42 verbunden.
Zum Zuführen eines Teils des zirkulierten konzentrierten Wassers der Konzentrationskammer 30, das durch Leitung 32 in die Konzentrationskammer 10 strömt, wird Leitung 32 mit Leitung 12 durch eine Leitung 37 verbunden. Zum Zuführen eines Teils des zirkulierten konzentrierten Wassers der Konzentrationskammer 40, das durch Leitung 42 in die Konzentrationskammer 20 strömt, wird Leitung 42 mit Leitung 22 durch Leitung 47 verbunden.
Die Leitungen 12, 22 werden wie ihre Zweige mit den entsprechenden Leitungen 16, 26 zum Ableiten des konzentrierten Wassers bereitgestellt.
Das zu behandelnde Speisewasser wird durch den Zufluss 6 der Entsalzungskammer 8 zugeleitet, strömt um Ende 4a der Anionen-Austauschmembran 4, die Anode 2a umgibt, dringt in den Bereich ein, der zwischen der Anionen-Austauschmembran 4 und der Kationen-Austauschmembran 5 gebildet wird und strömt um Ende 5a der Kationen-Austauschmembran 5, die Kathode 3a umgibt. Dann strömt das zu behandelnde Wasser weiter um die Enden 4b, 5b der Ionen-Austauschmembranen 4, 5, die die Anode 2b und die Kathode 3b umgeben, in der Reihenfolge, und strömt dann durch den Reinwasserabfluss 7 aus.
Während der Behandlung, bei der das Wasser so in Entsalzungskammer 8 strömt, durchdringen Anionen und Kationen, die in dem zu behandelnden Wasser enthalten sind, die entsprechenden Anionen-Austauschmembranen 4 und Kationen-Austauschmembranen 5, sodass sie in die erste bis vierte Konzentrationskammer 10, 20, 30 und 40 eindringen. Das konzentrierte Wasser strömt in die Konzentrationskammern 10, 20, 30 und 40. Die Ionen, das heißt Anionen und Kationen, dringen in das konzentrierte Wasser in den entsprechenden Konzentrationskammern ein und werden schließlich von den Leitungen 16, 26 durch Leitungen 12, 22, die mit den entsprechenden Konzentrationskammern 10, 20 verbunden sind, abgeleitet.
Das konzentrierte Wasser, das aus dem Abfluss für konzentriertes Wasser 41 der kathodischen Konzentrationskammer 40 strömt, zirkuliert durch Leitung 42, Pumpe 43 und Leitung 44. Während des Strömens wird ein Teil des Reinwassers Leitung 42 von den Leitungen 7a und 46 zugeführt. Ein Teil des konzentrierten Wassers in Leitung 42 strömt in Leitung 22, die mit der Konzentrationskammer 20 über Schlauch 47 verbunden ist. Während das konzentrierte Wasser, das dem Abfluss für konzentriertes Wasser 21 der kathodischen Konzentrationskammer 20 entnommen wird, durch Leitung 22, Pumpe 23 und Leitung 24 zirkuliert, wird ein Teil des zirkulierenden konzentrierten Wassers aus Leitung 26 abgeleitet, und ein Teil des konzentrierten Wassers in Zirkulierleitung 42 dringt in Leitung 22 durch Leitung 47 ein.
Während das konzentrierte Wasser, das dem konzentrierten Wasserabfluss 31 der anodischen Konzentrationskammer 30 entnommen wird, durch Leitung 32, Pumpe 33 und Leitung 34 zirkuliert, wird ein Teil des Reinwassers Leitung 32 aus den Leitungen 7a und 36 zugeführt. Ein Teil des konzentrierten Wassers in Leitung 32 strömt in Leitung 12, die mit der Konzentrationskammer 10 über Leitung 37 verbunden ist. Während das konzentrierte Wasser, das aus dem Abfluss für konzentriertes Wasser 11 der anodischen Konzentrationskammer 10 entnommen wird, durch Leitung 12, Pumpe 13 und Leitung 14 zirkuliert, wird ein Teil des zirkulierenden konzentrierten Wassers von Leitung 16 abgeleitet, und ein Teil des konzentrierten Wassers, das in Leitung 32 zirkuliert, dringt durch Leitung 37 in Leitung 12 ein.
Wie voranstehend beschrieben und da das Reinwasser aus Leitung 7a in die Konzentrationskammern 30, 40 nahe des Reinwasserabflusses eingeleitet wird, werden die Silikatkonzentrationen in den Konzentrationskammern 30, 40 reduziert, sodass sie weniger als 1000 mal so groß sind wie die des Reinwassers. Daher werden die Konzentrationsgefälle der Konzentrationskammern 30, 40 zu Entsalzungskammer 8 ebenfalls reduziert, wodurch die Diffusion von Silikat aus den Konzentrationskammern 30, 40 in die Entsalzungskammer 8 eingeschränkt wird. Als ein Ergebnis wird das endgültige Reinwasser mit einer extrem niedrigen Silikatkonzentration aus Leitung 7a gewonnen.
Die Vorrichtung, die in 1 gezeigt wird, hat zwei anodische Konzentrationskammern und zwei kathodische Konzentrationskammern, kann aber mehr Kammern verwenden.
2 ist ein schematisches Diagramm, das den Strom des Wassers in dem Elektrodeionisationssystem entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses System umfasst zwei Elektrodeionisationsvorrichtungen 60, 70.
Die Elektrodeionisationsvorrichtungen 60, 70 haben Entsalzungskammern 61, 71 und Konzentrationskammern 62, 72, die durch die entsprechenden Ionen-Austauschmembranen 63, 73 gebildet werden. Speisewasser, das behandelt werden soll, wird in die Entsalzungskammer 61 der Elektrodeionisationsvorrichtung 60 durch eine Leitung 50 eingeleitet und wird entsalzen oder behandelt. Danach wird das behandelte Wasser in die Entsalzungskammer 71 der Elektrodeionisationsvorrichtung 70 durch Leitung 51 eingeleitet und wird erneut entsalzen oder behandelt. Das endgültige Reinwasser wird aus der Entsalzungskammer 71 durch Leitung 52 entnommen. Eine Leitung 53 zweigt von Schlauch 52 ab und stellt einen Teil des Reinwassers in einer Leitung 74 für zirkulierendes konzentriertes Wasser bereit.
Die Elektrodeionisationsvorrichtung 60 wird an ihrer Konzentrationskammer 62 mit einem konzentrierten Wasserabfluss und einem konzentrierten Wasserzufluss bereitgestellt, die durch eine Leitung 64 zum Zirkulieren verbunden sind. Eine Pumpe 65 wird am Verlauf von Leitung 64 eingerichtet. Die Elektrodeionisationsvorrichtung 70 wird an ihrer Konzentrationskammer 72 mit einem Abfluss für konzentriertes Wasser und einem Zufluss für konzentriertes Wasser, die durch eine Leitung 74 zum Zirkulieren verbunden sind, bereitgestellt. Eine Pumpe 75 wird am Verlauf von Leitung 74 eingerichtet. Ein Teil des endgültigen Reinwassers wird in Leitung 74 der Elektrodeionisationsvorrichtung 70 an der stromab liegenden Seite durch Leitung 53, einem Zweig von Leitung 52, eingeleitet. Ein Teil des konzentrierten Wassers in Leitung 74, der mit der Konzentrationskammer 72 verbunden ist, wird in Leitung 64 der Elektrodeionisationsvorrichtung 60 durch eine Leitung 77 eingeleitet. Ein Teil des konzentrierten Wassers in Leitung 64, die mit der Konzentrationskammer 62 verbunden ist, wird durch Leitung 67 abgeleitet.
In Bezug auf das Elektrodeionisationssystem, das in 1 dargestellt wird, wird, während das konzentrierte Wasser in der Konzentrationskammer 72 durch Leitung 74 zirkuliert wird, ein Teil des endgültigen Reinwassers den Leitungen 74 und 53 zugeführt. Dementsprechend wird die Silikatkonzentration der Konzentrationskammer 72 so reduziert, dass sie weniger als 1000 mal so groß ist wie die des Reinwassers. Das führt zu einer Reduzierung der Konzentrationsgefälle von der Konzentrationskammer 72 zur Entsalzungskammer 71, wodurch die Diffusion von Silikat aus der Konzentrationskammer 72 in die Entsalzungskammer 71 eingeschränkt wird. Als ein Ergebnis wird endgültiges Reinwasser mit einer extrem geringen Silikatkonzentration aus Leitung 52 gewonnen.
Jede Vorrichtung, die in den 1 und 2 gezeigt wird, wird unter den folgenden Bedingungen betrieben:
Speisewasser mit einer Silikatkonzentration von 200 ppb
Die Strömungsgeschwindigkeit des Speisewassers, das der Entsalzungskammer 8 oder 61 zugeführt werden soll, beträgt 1,1 t/h (Tonnen pro Stunde)
Die Menge konzentrierten Wassers, das in jeder Konzentrationskammer 10, 20, 30, 40, 62, 72 zirkuliert werden soll, beträgt 1 t/h;
Die Menge konzentrierten Wassers, das aus der Zirkulationsleitung für konzentriertes Wasser entnommen werden soll, beträgt 0,1 t/h und
Die Menge Reinwassers, das in die Zirkulationsleitungen für konzentriertes Wasser 32, 42, 74 eingeleitet werden soll, beträgt 0,1 t/h.
Unter den vorstehenden Bedingungen ist die Silikatkonzentration in der Konzentrationskammer 30, 40, 72 ungefähr 40 ppb und die Silikatkonzentration in der Konzentrationskammer 10, 20, 62 ist ungefähr 2000 ppb. Das heißt, dass das Konzentrationsgefälle von der Konzentrationskammer 30, 40, 72 zur Entsalzungskammer signifikant gesunken ist. Dementsprechend beträgt die Silikatkonzentration des endgültigen Reinwassers weniger als 0,1 ppb.
Die Vorrichtung, die in 2 gezeigt wird, verwendet zwei Elektrodeionisationen, kann aber mehrere in Reihe geschaltete Elektrodeionisationen verwenden.
3a ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Elektrodeionisationsvorrichtung entsprechend einer anderen Ausführungsform zeigt, 3b ist ein schematisches Diagramm, das den Strom des Wassers in dieser Vorrichtung zeigt.
In Bezug auf die 3a und 3b hat eine Elektrodeionisationsvorrichtung eine Anode 101 und eine Kathode 102. Kationen-Austauschmembranen und Anionen-Austauschmembranen sind abwechselnd angeordnet zwischen Anode 101 und Kathode 102, um eine Konzentrationskammer 103 und Entsalzungskammern 104 zu bilden.
In dieser Ausführungsform ist die Konzentrationskammer 103 in der Mitte zwischen Anode 101 und Kathode 102 angeordnet. Die Entsalzungskammern 104 sind entsprechend auf der Anoden- und der Kathodenseite der Konzentrationskammer 103 angeordnet. Speisewasser, das behandelt werden soll, wird den Entsalzungskammern 104 durch eine Leitung 106 zugeführt. Wenn das Speisewasser entsalzen wurde, wird das Reinwasser durch eine Leitung 110 entnommen.
Die Konzentrationskammer 103 wird durch eine Trennwand 105 in zwei Strömungsabschnitte für konzentriertes Wasser 103A, 103B unterteilt. Die Strömungsrichtung des konzentrierten Wassers in jedem Strömungsabschnitt für konzentriertes Wasser 103A, 103B schneidet, vorzugsweise dem Wesen nach senkrecht dazu, die Strömungsrichtung in den Entsalzungskammern 104. Die Bezeichnung „dem Wesen nach senkrecht" bedeutet „mit einem Winkeln zwischen ungefähr 80 und 100°". Jede Entsalzungskammer 104 hat einen Zufluss oben und einen Abfluss unten (wie in 3a dargestellt), sodass das zu behandelnde Wasser nach unten in vertikale Richtung strömt.
Die Konzentrationskammer 103 wird mit einer Trennwand 105 bereitgestellt. Die Trennwand 105 erstreckt sich in einer dem Wesen nach senkrechten Richtung zu der vertikalen Richtung wie der Strömungsrichtung in den Entsalzungskammern 104, bildet einen Strömungsabschnitt für konzentriertes Wasser 103A und einen Strömungsabschnitt für konzentriertes Wasser 103B entsprechend auf den oberen und unteren Seiten mit Bezug auf die Trennwand 105 in der Konzentrationskammer 103.
Nachfolgend wird der Strömungsabschnitt für konzentriertes Wasser 103A nahe des Zuflusses der Entsalzungskammern 104 als „Konzentrationskammer stromauf 103A" bezeichnet. Auf gleiche Weise wird der Strömungsabschnitt für konzentriertes Wasser 103B, nahe den Abflüssen der Entsalzungskammern 104 als „Konzentrationskammer stromab 103B" bezeichnet.
Der Abfluss für konzentriertes Wasser und der Zufluss für konzentriertes Wasser der Konzentrationskammer stromauf 103A werden mit einer Zirkulierleitung 107A, einer Pumpe 108A und einer Leitung 109A miteinander verbunden. Der Abfluss für konzentriertes Wasser und der Zufluss für konzentriertes Wasser der Konzentrationskammer stromab 103B werden mit einer Zirkulierleitung 107B, einer Pumpe 108B und einer Leitung 109B miteinander verbunden. Das konzentrierte Wasser in der Konzentrationskammer stromab 103B zirkuliert durch eine Zirkulierleitung 107B, eine Pumpe 108B und eine Leitung 109B, in dieser Reihenfolge. Ein Teil des endgültigen Reinwassers wird in die Strömungsleitung für konzentriertes Wasser 109B eingeleitet aus einer Reinwasserleitung 110 durch eine Wasserzuleitung 111, die von der Reinwasserleitung 110 abzweigt. Ein Teil des konzentrierten Wassers, das durch Leitung 107B aus der Konzentrationskammer stromab 103B strömt, wird in Leitung 107A zur Konzentrationskammer stromauf 103A durch eine Leitung 112 eingeleitet. Ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der Konzentrationskammer stromauf 103A ausströmt, wird durch Leitung 113 abgeleitet.
Da ein Teil des Reinwassers in das konzentrierte Wasser eingeleitet wird, das durch die Konzentrationskammer stromab 103B und die Leitungen 107B, 109B zirkuliert, wird die Silikatkonzentration des konzentrierten Wassers in der Konzentrationskammer stromab 103B so reduziert, dass sie weniger als 1000 mal so groß ist wie die des Reinwassers. Dementsprechend wird das Konzentrationsgefälle von der Konzentrationskammer 103B zur Entsalzungskammer 104 ebenfalls reduziert. Daher wird die Diffusion von Silikat aus der Konzentrationskammer 103B in die Entsalzungskammern 104 eingeschränkt. Als ein Ergebnis wird endgültiges Reinwasser mit einer extrem geringen Silikatkonzentration aus Leitung 110 gewonnen.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf die folgenden Beispiele und vergleichbaren Beispiele ausführlicher beschrieben.
Beispiel 1
Die Testbedingungen waren wie folgt: Das zuzuführende Speisewasser war Betriebswasser, das zunächst mit Aktivkohle gefiltert, mit Umkehrosmose deionisiert und erneut mit entlüftenden Membranen gefiltert wurde. Das Speisewasser hatte eine Silikatkonzentration von 400 ppb. Das Wasser wurde mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, das in 2 dargestellt wird, zugeführt. Entsalzungskammern einer Elektrodeionisationsvorrichtung wurden mit Ionenaustauschharzen gefüllt, die aus einer Mischung aus einem Ionenaustauschharz „650C", hergestellt von Dow Chemical Co. und Ionenaustauschharz „SSA10", hergestellt von Mitsubishi Chemical Corporation" in einem Verhältnis von 4:6 bestanden. Ionen-Austauschmembranen waren CMB und AHA, hergestellt von Tokuyama Corporation. In Bezug auf stromab Elektrodeionisationsvorrichtungen wurde eine Konzentrationskammer mit den gleichen Ionenaustauschharzen gefüllt wie oben dargelegt. Die Größe der Entsalzungskammer betrug 187 mm Breite × 795 mm Höhe × 2,5 mm Dicke. Eine Elektrodeionisationsvorrichtung hat drei Entsalzungskammern. Das Speisewasser wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 80 l/h (Liter pro Stunde) zugeführt. Das Reinwasser, das insgesamt aus jeder Vorrichtung gewonnen wurde, betrug 90 %. Die Spannung betrug 21 V.
In Bezug auf den Betrieb unter diesen Bedingungen wurde die Silikatkonzentration des konzentrierten Wassers, das aus der Konzentrationskammer der stromab Elektrodeionisationsvorrichtung ausströmt und die Silikatkonzentration des endgültigen Reinwassers gemessen und die Ergebnisse in Tabelle 1 dargestellt.
Vergleichendes Beispiel 1
Ein Experiment wurde unter denselben Bedingungen durchgeführt wie in Beispiel 1, außer, dass eine Silikatlösung durch einen Zufluss einer Konzentrationskammer einer stromab Elektrodeionisationsvorrichtung zugefügt wurde, um die Silikatkonzentration auf 220 ppb zu heben. Die Silikatkonzentration des endgültigen Reinwassers wurde gemessen und die Ergebnisse in Tabelle 1 dargestellt.
Vergleichendes Beispiel 2
Ein Experiment wurde unter denselben Bedingungen durchgeführt wie in Beispiel 1, außer, dass die in 4 gezeigte Vorrichtung verwendet wurde. Die Silikatkonzentration des endgültigen Reinwassers wurde gemessen und die Ergebnisse in Tabelle 1 dargestellt.

In der in 4 gezeigten Vorrichtung wird Speisewasser einer Entsalzungskammer 84 einer Elektrodeionisationsvorrichtung 81 durch eine Leitung 80 zugeführt und als Reinwasser durch eine Leitung 82 entnommen. Die Elektrodeionisationsvorrichtung 81 wird mit einer Ionen-Austauschmembran 83 bereitgestellt und geteilt, sodass eine Entsalzungskammer 84 und eine Konzentrationskammer 85 gebildet werden. Der Abfluss für konzentriertes Wasser und der Zufluss für konzentriertes Wasser der Konzentrationskammer 85 sind mit einer Zirkulierleitung 86, einer Pumpe 87 und einer Leitung 88 miteinander verbunden. Leitung 86 wird durch eine Leitung 89, die von der Speisewasserleitung 80 abzweigt, Speisewasser zugegeben. Ein Teil des konzentrierten Wassers, das durch Leitung 86 aus der Konzentrationskammer 85 strömt, wird durch Leitung 90 abgeleitet. TABELLE 1

	Silikatkonzentration des konzentrierten Wassers in der Elektrodeionisationsvorrichtung stromab [ppb]	Silikatkonzentration des Reinwassers [ppb]
Beispiel 1	80	< 0,1
Vergleichendes Beispiel 1	220	0,2
Vergleichendes Beispiel 2	4000	3,8

Beispiel 2
Das in 2 dargestellte System wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit in der Entsalzungskammer und einem Mischungsverhältnis des Kationen-Austauschharzes und des Anionen-Austauschharzes wie in Beispiel 1 betrieben. Die Entsalzungskammer hat eine Leitungslänge von 3200 mm. Ein Ergebnis des Betriebs war, dass das konzentrierte Wasser, das aus Abfluss 41 ausströmte, eine Silikatkonzentration von 40 ppb hatte und das Reinwasser eine Silikatkonzentration von weniger als 0,1 ppb.
Beispiel 3
Das in 3 gezeigte System wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit in der Entsalzungskammer und einem Mischungsverhältnis des Kationen-Austauschharzes und des Anionen-Austauschharzes wie in Beispiel 1 betrieben. Das konzentrierte Wasser, das aus der Konzentrationskammer 103B zu Leitung 107 ausströmt, hatte eine Silikat konzentration von 80 ppb. Das Reinwasser hatte eine Silikatkonzentration von weniger als 0,1 ppb.
Wie oben beschrieben produzieren die Elektrodeionisationsvorrichtung und ihr Betriebsverfahren deionisiertes Wasser mit einer extrem niedrigen Silikatkonzentration von 0,1 ppb oder weniger.
Nach Beschreiben der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen wird offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf diese bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen durch jede Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet der Technik vorgenommen werden können, ohne über den Umfang der Erfindung wie in den angehängten Ansprüchen beschrieben hinauszugehen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung, wobei die Elektrodeionisationsvorrichtung wenigstens eine Anode (2a, 2b, 101), wenigstens eine Kathode (3a, 3b, 102) und Ionenaustauschmembranen (4, 5, 63, 73) umfasst, die so angeordnet sind, dass sie wenigstens eine Konzentrationskammer (10, 20, 30, 40, 62, 72, 103A, 103B) und wenigstens eine Entsalzungskammer (8, 61, 71, 104) zwischen der Anode und der Kathode bilden, wobei das Verfahren umfasst: Einleiten von konzentriertem Wasser in die Konzentrationskammer; Zuführen von Speisewasser zu der Entsalzungskammer; und Entnehmen von Reinwasser aus der Entsalzungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass: ein Teil des Reinwassers der Konzentrationskammer so zugeführt wird, dass konzentriertes Wasser, das aus der Konzentrationskammer ausströmt, eine Konzentration von Silikat hat, die weniger als 1000 mal so groß ist wie die des Reinwassers.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das konzentrierte Wasser, das aus der Konzentrationskammer ausströmt, eine Silikatkonzentration von weniger als 100ppb hatte.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: eine Vielzahl von Konzentrationskammern in einer Strömungsrichtung von Wasser in der Entsalzungskammer vorhanden sind; und das konzentrierte Wasser, das aus der Konzentrationskammer ausströmt, die sich an der am weitesten stromab liegenden Seite befindet, eine Silikatkonzentration hat, die weniger als 1000 mal so groß ist wie die des Reinwassers.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: die Anzahl der Vielzahl von den Konzentrationskammern n beträgt, wobei n eine ganze Zahl von wenigstens 2 ist, so dass eine erste bis n-te Konzentrationskammer in der Strömungsrichtung von Wasser in der Entsalzungskammer vorhanden sind; ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der Konzentrationskammer ausströmt, abgeleitet wird und der Rest des konzentrierten Wassers zu der ersten Konzentrationskammer zirkuliert wird; ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der k-ten Konzentrationskammer ausströmt (wobei 2 ≤ k ≤ n), der (k – 1)-ten Kammer unmittelbar vor der k-ten Kammer zugeführt wird und der Rest des konzentrierten Wassers zu der k-ten Konzentrationskammer zirkuliert wird und ein Teil des Reinwassers der n-ten Konzentrationskammer zugeführt wird, die sich an der am weitesten stromab liegenden Entsalzungskammer befindet.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei n eine ganze Zahl von 2-10 ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei n eine ganze Zahl von 2-5 ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei n eine ganze Zahl von 2-4 ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Entsalzungskammer mit einem Ionenaustauscher gefüllt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Ionenaustauscher wenigstens einen Ionenaustauschharz hat oder eine Ionenaustauschfaser ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Konzentrationskammer mit einem Ionenaustauscher gefüllt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Konzentrationskammer mit Aktivkohle gefüllt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das konzentrierte Wasser, das aus der Konzentrationskammer ausströmt, eine Silikatkonzentration hat, die weniger als 700 mal so groß ist wie die des Reinwassers.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der Elektrodeionisationsvorrichtungen vorhanden sind, so dass das zu deionisierende Wasser in Reihe durch die Elektrodeionisationsvorrichtungen fließt und das konzentrierte Wasser, das aus der am weitesten stromab liegenden Elektrodeionisationsvorrichtung ausströmt, eine Silikatkonzentration hat, die weniger als 1000 mal so groß ist wie die des Reinwassers, das aus der am weitesten stromabliegenden Elektrodeionisationsvorrichtung entnommen wird.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Anzahl der Vielzahl von Konzentrationskammern n beträgt, wobei n eine ganze Zahl von wenigstens 2 ist, so dass eine erste bis n-te Konzentrationskammer vorhanden sind; ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der ersten Konzentrationskammer ausströmt, abgeleitet wird und der Rest des konzentrierten Wassers zu der ersten Konzentrationskammer zirkuliert wird; ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der k-ten Konzentrationskammer ausströmt (wobei 2 ≤ k ≤ n), der (k – 1)-ten Kammer unmittelbar vor der k-ten Kammer zugeführt wird und der Rest des konzentrierten Wassers zu der k-ten Konzentrationskammer zirkuliert wird und ein Teil des Reinwassers der n-ten Konzentrationskammer zugeführt wird, die sich an der am weitesten stromab liegenden Entsalzungskammer befindet.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei n 2 beträgt.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung, wobei die Kationen-Austauschmembranen und die Anionen-Austauschmembranen abwechselnd zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind, um die Konzentrationskammer und die Entsalzungskammer zu bilden und die Konzentrationskammer durch eine Trennwand, die sich in einer Richtung erstreckt, die die Strömungsrichtung in der Entsalzungskammer schneidet, in eine Vielzahl von Strömungsabschnitten für konzentriertes Wasser unterteilt ist, so dass das konzentrierte Wasser in den Strömungsabschnitten für konzentriertes Wasser in der Richtung strömt, die die Strömungsrichtung in der Entsalzungskammer schneidet.
Verfahren zum Betreiben einer Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Anzahl der Vielzahl von Konzentrationskammern n beträgt, wobei n eine ganze Zahl von wenigstens 2 ist, so dass eine erste bis n-te Konzentrationskammer in der Strömungsrichtung von Wasser in der Entsalzungskammer vorhanden sind; ein Teil des konzentrierten Wassers, das aus der ersten Konzentrationskammer ausströmt, abgeleitet wird und der Rest des konzentrierten Wassers zu der ersten Konzentrationskammer zirkuliert wird; ein Teil des konzentrierten Wasser, das aus der k-ten Konzentrationskammer ausströmt (wobei 2 ≤ k ≤ n), der (k – 1)-ten Kammer unmittelbar vor der k-ten Kammer zugeführt wird und der Rest des konzentrierten Wassers zu der k-ten Konzentrationskammer zirkuliert wird; ein Teil des Reinwassers der n-ten Konzentrationskammer zugeführt wird, die sich an der am weitesten stromab liegenden Entsalzungskammer befindet und wobei das konzentrierte Wasser, das aus der n-ten Kammer ausströmt, eine Silikatkonzentration hatte, die 1000 mal so groß ist wie die des Reinwassers.
Elektrodeionisationsvorrichtung, die umfasst: wenigstens eine Anode (2a, 2b, 101); wenigstens eine Kathode (3a, 3b, 102); Ionenaustauschmembranen (4, 5, 63, 73), die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind; und Konzentrationskammern (10, 20, 30, 40, 62, 72, 103A, 103B) und wenigstens eine Entsalzungskammer (8, 61, 71, 104), die durch die Ionenaustauschmembranen gebildet werden; wobei die Konzentrationskammern aus einer ersten bis n-ten Konzentrationskammer von der am weitesten stromauf liegenden Seite bis zu der am weitesten stromab liegenden Seite in Bezug auf die Entsalzungskammer bestehen; und dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Strömungsleitung (36, 46, 53, 111) zum Zuführen eines Teils des Ausstoßes der Entsalzungskammer zu der n-ten Konzentrationskammer umfasst.
Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 18, die des Weiteren umfasst: eine Strömungsleitung zum Ableiten eines Teils des Ausstoßes von der ersten Konzentrationskammer und zum Zirkulieren des Rests des Ausstoßes in die erste Konzentrationskammer und eine Strömungsleitung zum Zuführen eines Teils des Ausstoßes von der k-ten Konzentrationskammer (wobei 2 ≤ k ≤ n) zu der (k – 1)-ten Konzentrationskammer und zum Zirkulieren des Rests des Ausstoßes zu der k-ten Konzentrationskammer.
Elektrodeionisationsvorrichtung nach Anspruch 18, die eine Vielzahl von Elektrodeionisations-Teilvorrichtungen aufweist, die in Reihe verbunden sind, wobei die Anzahl der Vielzahl von Elektrodeionisations-Teilvorrichtungen n beträgt und n eine ganze Zahl von wenigstens 2 ist und jede der Elektrodeionisations-Teilvorrichtungen umfasst: wenigstens eine Anode, wenigstens eine Kathode, und Ionenaustauschmembranen, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind; Konzentrationskammern und wenigstens eine Entsalzungskammer, die durch die Ionenaustauschmembranen gebildet werden; eine Strömungsleitung zum Zuführen eines Teils des Ausstoßes der Entsalzungskammer zu der Konzentrationskammer der n-ten Elektrodeionisations-Teilvorrichtung; eine Strömungsleitung zum Ableiten eines Teils des Ausstoßes der Konzentrationskammer der ersten Elektrodeionisations-Teilvorrichtung und zum Zirkulieren des Rests des Ausstoßes zu der Konzentrationskammer der ersten Elektrodeionisations-Teilvorrichtung und eine Strömungsleitung zum Zuführen eines Teils des Ausstoßes von der Konzentrationskammer der k-ten Elektrodeionisations-Teilvorrichtung (wobei 2 ≤ k ≤ n) zu der Konzentrationskammer der (k – 1)-ten Elektrodeionisations-Teilvorrichtung und zum Zirkulieren des Rests des Ausstoßes zu der Konzentrationskammer der k-ten Elektrodeionisations-Teilvorrichtung.
Elektrodeionisations-Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Konzentrationskammern so angeordnet sind, dass das konzentrierte Wasser in den Konzentrationskammern in einer Richtung strömt, die die Strömungsrichtung in der Entsalzungskammer schneidet.