DE60314190T2

DE60314190T2 - Modul zur elektrischen entionisierung und dieses umfassende vorrichtung

Info

Publication number: DE60314190T2
Application number: DE60314190T
Authority: DE
Inventors: Jacques Moulin; Kunio Fujiwara
Original assignee: Ebara Corp; Millipore Corp
Current assignee: Swing Corp; EMD Millipore Corp
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP2007516056A; DE60314190D1; CA2529536A1; ES2287584T3; EP1651331B1; EP1651331A2; CA2529536C; CN1829563A; CN100386135C; AU2003263467A1; JP4303242B2; AU2003263467A8; WO2005011849A2; WO2005011849A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodeionisations-(EDI)-Modul und eine Vorrichtung, die dafür eingerichtet sind, in einer Flüssigkeit vorhandene Ionen unter dem Einfluss eines polaren Feldes zu verschieben. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine EDI-Vorrichtung, die dafür eingerichtet, wässrige Flüssigkeiten für die Erzeugung von hoch reinem Wasser oder ultrareinem Wasser zu reinigen.
Die Reinigung einer wässrigen Flüssigkeit durch Reduzieren der Konzentration von Ionen und Molekülen in der Flüssigkeit ist ein Bereich von erheblichem technologischem Interesse. Zahlreiche Techniken wurden bereits zum Reinigen von wässrigen Flüssigkeiten verwendet, und die am besten bekannten Prozesse umfassen Destillation, Elektrodialyse, Umkehrosmose, Flüssigchromatographie, Membranfiltration und Ionen-Austausch, sowie die als EDI bekannte Technik.
Die erste bekannte Vorrichtung und das Verfahren zum Behandeln von Flüssigkeiten mittels EDI wurde von Watler et al. (siehe, W. R. Walters, D. W. Weister and L. J. Marek Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 47. No.1, pp 61-67, 1995) in 1955 beschrieben. Die U.S. Patente Nr. 2 689 826 und 2 815 320 im Namen von Kollsman waren die ersten bekannten Patente, die eine Vorrichtung und einen Prozess für die Entfernung von Ionen aus einer Flüssigkeit in einer auch als eine Verdünnungs-, Entsalzungs- oder Demineralisationskammer bekannten Verarmungskammer über eine Reihe von anionischen und kationischen Membranen in ein benachbartes Volumen einer Flüssigkeit in einer Konzentrationskammer unter dem Einfluss eines elektrischen Potentials beschreiben, welches bewirkt, dass die gewünschten Ionen in einer vorbestimmten Richtung wandern. Das Volumen der behandelten Flüssigkeit wird an Ionen verarmt, während das Volumen der benachbarten Flüssigkeit mit den verschobenen Ionen angereichert wird. Das zweite von diesen Patenten beschreibt die Verwendung von aus Ionen-Austauschharzen ausgebildeten makroporösen Perlen als einem Füllermaterial, das zwischen den anionischen und kationischen Membranen positioniert ist.
Diese Ionen-Austauschharze bilden einen Pfad für die Ionenverschiebung und dienen auch als eine vergrößerte Leitfähigkeitsbrücke zwischen den Membranen für die Bewegung der Ionen.
Im Allgemeinen liegen in EDI-Modulen verwendete Ionen-Austauschharze in der Form von Polymerperlen (Polystyrol, usw.) vor, die im Handel beispielsweise von Dow Chemical Company, Sybron Chemicals, Purolite und Rohm-Haas beziehbar sind, typischerweise 0,4 bis 0,6 mm Durchmesser aufweisen und Funktionalgruppe enthalten, welche diesen Perlen ermöglichen, eine Anionen- oder Kationen-Austauschfunktion abhängig von den daran angefügten Funktionalgruppen aufzuweisen. Die im Allgemeinen für Kationen-Austauschharze verwendeten Funktionalgruppen sind Sulfonsäuregruppen, während für Anionen-Austauschharze diese Gruppen typischerweise quaternäre Ammoniumgruppen sind. Diese Perlen sind in den Entsalzungs- und Konzentratabteile einer EDI-Vorrichtung entweder in einer Trennbett- oder Mischbettkonfiguration gepackt. Eine Trennbettanordnung umfasst die physikalische Packung von Anionen- und Kationen-Ionen-Austauschperlen, die sich über die Entsalzungs- und Konzentratabteile abwechseln, wobei die Entsalzungs- und Konzentratabteile von den benachbarten Abteilen durch eine Anionen-Austauschmembran und eine Kationen-Austauschmembran getrennt sind. Eine Mischbettanordnung umfasst die physikalische Packung eines geeigneten und gleichmäßigen Gemisches von Anionen und Kationen-Austauschperlen über den gesamten Entsalzungs- und Konzentrationsabteilen, wobei die Entsalzungs- und Konzentrationsabteile von den benachbarten Abteilen über eine Anionenmembran und eine Kationenmembran getrennt sind.
Kommerziell erfolgreiche EDI-Vorrichtungen und Prozesse sind insbesondere in den U.S. Patenten Nr. 4 465 573 ; 4 632 745 ; 4 636 296 ; 4 687 561 ; 4 702 810 ; 5 026 465 ; 5 376 253 ; 5 954 935 und 5 503 729 und in der Internationalen Patentanmeldung Nr. WO-96/29133 beschrieben. Einige von diesen Vorrichtungen verwendeten insbesondere Entsalzungsabteile, die eine Ionen-Austauschzusammensetzung enthalten, und Konzentrationsabteile, welche frei von Ionen-Austausch-Festkörpermaterial sind. Die EDI-Vorrichtungen verwendeten zwei Anschlusselektrodenkammern, die eine Anode und eine Kathode enthalten, und welche verwendet wurden, um einen Gleichstrom quer durch den Körper der mehrere Entsalzungsabteile und Konzentrationsabteile enthaltenden Vorrichtungen zu führen. Im Falle des U.S. Patents Nr. 5 376 253 weist die Anordnung der Vorrichtung eine zylindrische Form auf, die Konzentrat- und Entsalzungsabteile darin enthält. In dem Falle des U.S. Patentes Nr. 5 954 935 werden die Elektrodenabteile durch Entsalzungsabteile gebildet, wobei das Kathodenabteil mit einem ein Anionenharzbett bildenden Anionen-Austauschmaterial gefüllt ist und das Anodenabteil mit einem ein Kationen-Harzbett ausbildenden Kationen-Austauschmaterial gefüllt ist. Die Konzentratabteile der in diesem Dokument offenbarten Vorrichtungen können optional mit derartigen Ionen-Austauschharzen oder mit einem netzartigen Abstandshalter gefüllt sein. Im Betrieb derartiger Vorrichtungen werden die gelösten ionisierten Salze der Flüssigkeit durch die geeignete Membran aus den Entsalzungsabteilen zu den Konzentrationsabteilen verschoben und diese Ionen wurden als Abfall entsorgt. Jedoch besteht die hauptsächliche Einschränkung bei diesen Vorrichtungen in der Ausbildung eines unlöslichen Belags, insbesondere innerhalb des Kathodenelektrodenabteils, und dass dieses mit der Zeit nicht mehr korrekt arbeiten.
In jedem Membrantrennungsprozess, in welchem Ionen konzentriert werden, besteht immer die Möglichkeit, die Lösbarkeitsgrenzen zu überschreiten und üblicherweise als Belag bekannte Ausfällungen auf Membranoberflächen zu erzeugen. Insbesondere wird ein Kalziumkarbonat-(CaCO₃)-Belag erzeugt, wenn die Anteile von Kalzium und Karbonationen die Löslichkeitsgrenze erreichen. Die Hauptquelle für die beobachteten Belagphänomene ist die Adsorption von Kohlendioxid (CO₂) in Wasser, das mit Hydroxidionen in der nachstehenden Weise unter Ausbildung der Kalziumkarbonationen reagiert: CO₂ + 2OH^- → CO₃ ^2– + H₂O (1) CO₃ ^2– + H⁺ → HCO₃ ^– + H₂O (2)
Das Vorhandensein von Kalziumionen in einem Konzentratabteil hat natürlich als Konsequenz, dass Kalziumkarbonat aus der Lösung ausfällt. Es sollte in diesem Zusammenhang angemerkt werden, dass Kalziumkarbonat nur etwas in Wasser löslich ist, da nur 14 mg die Maximalmenge ist, die sich in 1 Liter Wasser löst. Daher nimmt die Möglichkeit einer Ausbildung von Belag bei einer Zunahme in der Kalziumionenkonzentration, pH-Wert, Karbonat- und Bikarbonat-Ionenkonzentrationen in einem Konzentrationsabteil einer EDI-Vorrichtung zu.
Reaktionen an den EDI-Elektroden und die Wasserzerlegung in dem EDI-Prozess erzeugen Verschiebungen in dem pH-Wert eines Konzentratabteils, und sind die Quelle von Protonen (H⁺) und Hydroxylionen (OH^–), welche effektiv zu der Ausbildung von Belag insbesondere in der Form von Hydroxylionen beitragen. Die an den Elektroden auftretenden Reaktionen sind nachstehend dargestellt, wobei die Anodenreaktion (3) und die Kathodenreaktion (4) sind: 2H₂O → 4H⁺+ O₂ + 4e^– (3) 2H₂O + 2e^– → 2OH^– + H₂ (4)
Die in den Entsalzungsabteilen auftretende Wasserzerlegung ist eine zusätzliche Quelle von Hydroxylionen innerhalb des EDI-Moduls. In einem Entsalzungsabteil, in welches die Hydroxylionen durch die Anionen-Austauschmembran und insbesondere entlang der Oberfläche dieser Anionen-Austauschmembran hindurch eintreten, kann der pH-Wert ausreichend hoch werden, um die Ausbildung von Belag zu bewirken. Demzufolge resultiert die Ausbildung von Belag innerhalb des EDI-Moduls in einem sehr hohen elektrischen Widerstand und der Blockierung der Strömungskanäle, was zu einer raschen Abnahme der Produktion von Qualitätswasser führt.
Es stehen Verfahren für die Behandlung des Speisewassers vor dessen Eintritt in die EDI-Vorrichtung zur Verfügung, wie z.B. Wasserenthärtung und Unkehrosmose, welche die Ionenkonzentrationen von Ca²⁺, HC₃ ^– und CO₃ ^2– und damit das Auftreten einer Belagbildung reduzieren. Jedoch hat eine unzureichende Wartung dieser Vorrichtungen zu einem eingeschränkten Erfolg bei der Reduzierung der Belagbildung innerhalb der EDI-Vorrichtungen geführt.
Zusätzliche kommerziell erfolgreiche EDI-Vorrichtungen wurden in den U.S. Patenten Nr. 5 154 809 ; 5 308 466 ; 5 316 637 und 5 593 563 beschrieben. Diese Vorrichtungen verwenden alle mehrere Entsalzungsabteile, die eine Ionen-Austauschzusammensetzung in der Form von Harzperlen enthalten, und mehrere Konzentratabteile, welche ebenfalls eine Ionen-Austauschzusammensetzung in der Form von Harzperlen enthalten. Jedoch war in dem letzteren Abteil die Selektivität für Anionen und Kationen geringer. Das U.S. Patent Nr. 5 593 563 befasste sich mit dem Problem der Belagbildung in dem Kathodenelektrodenabteil, durch Einfügen elektrisch leitender Teilchen oder Perlen in dem Kathodenelektrodenabteil. Diese elektrisch leitenden Partikel oder Perlen sind metallisch oder bestehen aus Kohlenstoff. Einige von diesen Vorrichtungen erfuhren jedoch eine interne Bewegung der Ionen-Austauschzusammensetzungen sowohl in den Entsalzungs- als auch Konzentratabteilen, welche zu internen Blockierungen aufgrund der hohen Betriebszuführungsdrücke oder Strömungsraten führten, welche einige Geräte mit der Zeit ausfallen ließen.
Alternativ wurden Ionen-Austauschzusammensetzungen in der Form von aus Polymerfasern bestehenden Stoffen hergestellt, die Anionen-Austausch- und Kationen-Austausch-Funktionsgruppen ähnlich den vorstehend erwähnten enthalten, und die zur Verwendung als Ionen-Austauscher eingerichtet sind, nämlich quaternäre Ammoniumgruppen bzw. Sulfonsäuregruppen. Das Basismaterial dieser Polymerfasern kann von Zellulose-basierendem Material sowie robusteren Polymermaterialien wie z.B. Polyolefinen (siehe "S. Ezzahar, A. T. Cherif; J. Sandeaux, R. Sandeaux and C. Gavach, Desalination, Vol. 104, pp 227-233, 1996; E. Dejean, E. Laktionov, J. Sandeaux, R. Sandeaux, G. Pourcelly and C. Gavach, Desalination, Vol. 114, pp 165-173, 1997"; E. Dejean, J. Sandeaux, R. Sandeaux, G. Pourcelly and C. Gavach, Separation Science and Technology, Vol. 36, No. 6, pp 801-818, 1998; E. Laktionov, E. Dejean, J. Sandeaux, R. Sandeaux, C. Gavach and G. Pourcelly, Separation Science and Technology, Vol. 34. No. 1, pp 69-84, 1999") gebildet werden. Die gewünschten Funktionalgruppen werden auf diese Fasern gepfropft, um ein Ionen-Austauschverhalten zu erzeugen, das für die Reinigung wässriger Flüssigkeiten erforderlich ist. Die U.S. Patente Nr. 3 723 306 ; 5 152 896 und 5 885 453 und die Französischen Patentanmeldungen Nr. 1487391 ; 1492522 und 1522387 geben Beispiele für die Aufpfropfung von funktionalen Gruppen auf verschiedene Materialien, wodurch Ionen-Austauschfasern entwickelt worden sind.
Eine alternative Technologie zum Aufpfropfen der gewünschten Ionen-Austauschfunktionsgruppen auf die Oberfläche von Polyolefin-Fasern ist die Herstellung von heterogenen Ionen-Austauschmaterialien ähnlich den in den U.S. Patenten Nr. 5 346 924 und 5 531 899 beschriebenen. Die heterogenen Ionen-Austauschfasern können hergestellt werden, indem eine geeignete Menge von Polyolefinbinder mit einer geeigneten Menge von Anionen- und/oder Kationen-Austauschmaterial gemischt wird, die Komponenten mechanisch zerkleinert und gemischt und thermisch die heterogenen Ionen-Austausch-Textilpolymerfasern extrudiert oder geformt werden.
Kommerziell erfolgreiche EDI-Vorrichtungen, welche Ionen-Austausch-Polymerfasern verwenden, wurden von Ebara Corporation in den Handel gebracht und sind insbesondere in den U.S. Patenten Nr. 5 308 467 ; 5 425 866 ; 5 738 775 und der Europäischen Patentanmeldung Nr. 1069070 beschrieben. Die in diesen EDI-Vorrichtungen verwendeten Ionen-Austauschpolymerfasern liegen in der Form von Anionen-Austausch-Web- oder Vliesstoffen, Kationen-Austausch-Web- oder Vliesstoffen, Anionen leitenden Abstandshaltern und kationenleitenden Abstandshaltern vor, wobei diese Abstandshalter und Trennfasern jeweils mit Anionen- und Kationen-Austauschgruppen versehen sind, und insbesondere zwischen den vorstehend erwähnten Web- oder Vliesstoffen angeordnet sind. Diese EDI-Vorrichtungen verwenden eine Vielzahl von Entsalzungsabteilen, welche die Anionen- und Kationen-Austausch-Web- und Vliesstoffe und die leitenden Abstandshalter enthalten und mehrere Konzentratabteile, welche nur Anionen- und Kationen-leitende Abstandshalter enthalten. Die Entsalzungs- und Konzentratabteile sind abwechselnd angeordnet und von Anionen-Austausch- und Kationen-Austauschmembranen getrennt. Diese Vorrichtungen verwendeten auch zwei Anschlusselektrodenabteile, die eine Anode und eine Kathode enthielten. Jedoch besteht eine Haupteinschränkung dieser EDI-Vorrichtungen in deren Empfindlichkeit gegenüber der Belagausbildung mit Wasser, das hohe Anteile an gelöstem CO₂ enthält, und in ihrem geringen Leistungswirkungsgrad.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der überraschenden Entdeckung, dass es die Implementation entweder von Harzperlen mit Ionen-Austauschfunktionsgruppen oder aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Webstoffen in den Entsalzungs- und Konzentrationsabteilen, wobei die Harzperlen und die Web zusammen in dem Elektrodenionisationsmodul enthalten sind, möglich macht, eine erheblich effektivere Implementation als die im Fachgebiet bekannte insbesondere in Bezug auf die Reinheit des Wassers und die Aufrechterhaltung dieser Reinheit über der Zeit zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Elektrodeionisations-(EDI)-Modul mit wenigstens einer Ionen-Austauschmembran, die wenigstens eine Entsalzungszone und eine zwischen Elektroden angeordnete Konzentrationszone begrenzt, wobei jede Zone mit Ionen-Austauschmitteln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Zone vorhandenen Ionen-Austauschmittel entweder aus Ionen-Austausch-Harzperlen oder wenigstens einem aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Webstoff bestehen, wobei die Harzperlen und der bzw. die Stoffe beide in dem EDI-Modul vorhanden sind.
Jede Zone wird bevorzugt vom einem Abteil gebildet wird und in diesem Falle enthält das Modul entweder: wenigstens ein Entsalzungsabteil, das von zwei angrenzenden Konzentrationsabteilen durch eine anionenselektive Ionen-Austauschmembran bzw. eine kationenselektive Ionen-Austauschmembran getrennt wird, oder wenigstens ein Konzentrationsabteil, das von zwei angrenzenden Entsalzungsabteilen durch einen anionenselektive Ionen-Austauschmembran bzw. eine kationenselektive Ionen-Austauschmembran getrennt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das EDI-Modul abwechselnde Entsalzungsabteile und Konzentrationsabteile zwischen den Elektroden auf, wobei jedes Entsalzungsabteil an zwei Konzentrationsabteile angrenzt und davon durch eine anionenselektive Ionen-Austauschmembran bzw. eine kationenselektive Ionen-Austauschmembran getrennt ist, wobei jedes Abteil mit Ionen-Austauschmitteln versehen und dadurch gekennzeichnet ist, dass die in den Entsalzungsabteilen vorhandenen Ionen-Austauschmittel aus Ionen-Austausch-Harzperlen bestehen, während die in den Konzentrationsabteilen vorhandenen Ionen-Austauschmittel aus wenigstens einem aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Webstoff bestehen.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der weist das EDI-Modul abwechselnde Entsalzungsabteile und Konzentrationsabteile zwischen den Elektroden auf, wobei jedes Entsalzungsabteil an zwei Konzentrationsabteile angrenzt und davon durch eine anionenselektive Ionen-Austauschmembran bzw. eine kationenselektive Ionen-Austauschmembran getrennt ist, wobei jedes Abteil mit Ionen-Austauschmitteln versehen und dadurch gekennzeichnet ist, dass die in den Konzentrationsabteilen vorhandenen Ionen-Austauschmittel aus Ionen-Austausch-Harzperlen bestehen, während die in den Entsalzungsabteilungen vorhandenen Ionen-Austauschmittel aus wenigstens einem aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Webstoff bestehen.
Ferner führt die Anordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung selbst vorteilhaft zu einer Entwicklung, gemäß welcher die aus wenigstens einem aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Webstoff bestehende Ionen-Austauschmittel wenigstens eine Anordnung ausbilden, die einen aus Anionen-Austauschfasern hergestellten Web- oder Vlies-Stoff und einen aus Kationen-Austauschfasern hergestellten Web- oder Vliesstoff, welche in einander gegenüberliegender Beziehung platziert sind, und wenigstens einem ionenleitenden Abstandshalter aufweist, welcher in der Lage ist, Ionen-Austausche durchzuführen und zwischen den Anionen- und Kationen-Austauschfasern angeordnet ist.
Bevorzugt ist in diesem Falle die oder jede Anordnung derart eingerichtet ist, dass der Web- oder Vliesstoff, welcher sich an dem anionenselektiven Ionen-Austauschmembranende befindet, ein aus Anionen-Austauschfasern hergestellter Web- oder Vliesstoff ist, und der Web- oder Vliesstoff, welcher sich an dem kationenselektiven Ionen-Austauschmembranende befindet, ein aus Kationen-Austauschfasern hergestellter Web- oder ein Vliesstoff ist.
Ebenso sind bevorzugt ein Anionen leitender Abstandshalter und ein kationenleitender Abstandshalter, welche in der Lage sind, Ionen-Austausche durchzuführen, zwischen den Anionen- und Kationen-Austauschstoffen positioniert und befinden sich jeweils unmittelbar an dem Anionen-Austauschsstoff und an dem Kationen-Austauschstoff.
Eine besonders effektive Implementation kann somit erzielt werden, wie es nachstehend detaillierter zu sehen sein wird.
Aus Gründen der Ausbeute, Wirtschaftlichkeit und/oder leichten Herstellung wird es auch bevorzugt, dass:
jeder Abstandshalter in der Form eines netzartigen Abstandshalters oder eines diagonal netzartigen Abstandshalters vorliegt.
die Stoffe und der bzw. die Abstandshalter in engem Kontakt miteinander stehen und bevorzugt von einem Rahmen getragen werden, und oder
der oder jeder aus Ionen-Austauschfasern hergestellte Web- oder Vliesstoff, ein aus Fasern hergestelltes Substrat aufweist, in welche Ionen-Austauschfunktionalgruppen durch Pfropfen mit Monomeren, welche Ionen-Austauschgruppen besitzen, oder Pfropfen mit Monomeren mit einer Gruppe, welche in eine Ionen-Austauschgruppe umgewandelt werden kann, und dann die Gruppe in die Ionen-Austauschgruppe umgewandelt wird, eingefügt worden sind, und der oder jeder Abstandshalter, falls vorhanden, ein aus Fasern oder Harzen hergestelltes Substrat aufweist, in welche Ionen-Austauschfunktionalgruppen durch Pfropfen mit Monomeren, welche Ionen-Austauschgruppen besitzen, oder Pfropfen mit Monomeren mit einer Gruppe, welche in eine Ionen-Austauschgruppe umgewandelt werden kann, und dann die Gruppe in die Ionen-Austauschgruppe umgewandelt wird, eingefügt worden sind, und/oder

– das Substrat eine Zellulose- oder Polyolefin-Material ist, und/oder
– die Kationen-Austauschfasern und/oder der bzw. die Kationen-leitenden Abstandshalter Sulfonsäuregruppen und die die Anionen-Austauschfasern und/oder der bzw. die Anionen-leitenden Abstandshalter quaternäre Ammoniumgruppen haben; und/oder
– die funktionalen Gruppen durch eine durch Strahlung (UV-Strahlen, Röntgen-Strahlen, γ-Strahlen, beschleunigte Elektronen, β-Strahlen oder α-Strahlen oder ein chemisches Reagens, wie z.B Zerionen, initiierte Propfpolymerisation eingefügt werden, und/oder
– der oder jeder aus Ionen-Austauschfasern hergestellte Web- oder Vliesstoff, ein aus heterogenen Fasern hergestelltes Substrat aufweist, die aus einem Gemisch von Ionen-Austauschmaterial und Polyolefinbinder bestehen, und der oder jeder Abstandshalter, wenn vorhanden, ein aus Harzen oder heterogenen Fasern hergestelltes Substrat aufweist, die aus einem Gemisch von Ionen-Austauschmaterial und einem Polyolefinbinder bestehen.

Bezüglich der Ionen-Austausch-Harzperlen können diese von Anionen-Austauschern und Kationen-Austauschern gebildet werden, die ein Mischbett oder getrennte Betten, bevorzugt ein Mischbett bilden. In diesem Falle werden die Ionen-Austausch-Harzperlen aus Polymeren, wie zum Beispiel Polystyrol oder Styroldivinylbenzolkopolymeren mit funktionalen Gruppen, bevorzugt Sulfonsäuregruppen für die Kationen-Austauscher und quaternären Ammoniumgruppen für die Anionen-Austauscher, ausgebildet.
Die Anordnung gemäß der Erfindung führt ferner selbst zu einer weiteren Entwicklung, welche vorteilhaft mit der vorstehenden kombiniert werden kann, gemäß welcher ein Elektrodenabteil zwischen jeder Elektrode und der Ionen-Austauschmembran angrenzend an die Elektrode ausgebildet wird. In diesem Falle enthält das Kathodenabteil elektrisch leitende Partikel, welche bevorzugt Kohlenstoff- und/oder metallische Partikel sind.
Diese Entwicklung ermöglicht das Risiko eine Belagbildung zu minimieren.
Gemäß einer alternativen Entwicklung weist das Kathodenabteil wenigstens einen Abstandshalter in der Form eines netzartigen Abstandshalter enthält, welcher den Fluss zwischen der Kathode und den angrenzenden kationenselektiven Membranen aufrechterhält.
Bevorzugt weist in diesem Falle der oder jeder Abstandshalter in dem Kathodenabteil Ionen-Austauschgruppen auf.
Das Anodenabteil weist ebenfalls bevorzugt einen Abstandshalter in der Form eines netzartigen Abstandshalters auf, der den Fluss zwischen der Anode und der angrenzenden anionenselektiven Membran aufrecht erhält, und welcher vorteilhaft Ionen-Austauschgruppen besitzt.
Das Elektrodenabteil kann ferner durch das an jede Elektrode angrenzende Konzentrations- oder Entsalzungsabteil das Elektrodenabteil gebildet werden.
Das EDI-Modul weist ferner mehrere abwechselnde Entsalzungsabteile und Konzentrationsabteile auf, und eine Fluidverbindung zu jedem der Entsalzungsabteile und zu jedem der Konzentrationsabteile ist jeweils in einer seriellen oder parallelen Anordnung vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine EDI-Vorrichtung zur Erzeugung von Wasser mit hoher Reinheit und zur Erzeugung von ultrareinem Wasser, welche ein EDI-Modul gemäß vorstehender Definition aufweist.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden weiter aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich, die im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in welchen:
1 eine schematische Ansicht eines Elektrodeionisationsmoduls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist; und
2 eine grafische Darstellung des Verhaltens des Elektrodeionisationsmoduls von 1 und bekannter Elektrodeionisationsmodule an dem 36.-ten Betriebstag sind.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform enthält das Elektrodeionisationsmodul 10 gemäß der Erfindung in einer per se bekannten Weise abwechselnde Entsalzungsabteile 11 und Konzentrationsabteile 12, die zwischen zwei Anschlusselektroden, d.h., einer Kathode 13 und einer Anode 14 angeordnet sind.
Jedes Entsalzungsabteil 11 ist von zwei benachbarten Konzentrationsabteilen 12 jeweils durch eine Anionen-selektive Ionen-Austauschmembran 15 und eine Kationen-selektive Ionen-Austauschmembran 16 getrennt.
In der dargestellten Ausführungsform werden die an die Kathode 13 und die Anode 14 angrenzenden selektiven Membranen durch eine Kationen-selektive Membran 16 bzw. eine Anionen-selektive Membran 15 gebildet. Die zwischen diesen letzteren Membranen und den entsprechenden Elektroden 13, 14 angeordneten Abteile sind Konzentrationsabteile 12, welche jeweils ein Elektrodenabteil bilden, die die Kathode 13 bzw. die Anode 14 enthalten.
Gemäß der Erfindung sind diese Abteile 11 und 12 in der nachstehenden Weise gefüllt:

1) Jedes Entsalzungsabteil 11 ist mit Kationen-Austausch-Harzperlen und Anionen-Austausch-Harzperlen gefüllt, die ein Mischbett ausbilden. Diese Ionen-Austausch-Harzperlen 17 sind aus Polymeren mit Funktionalgruppen ausgebildet, welche Sulfonsäuregruppen für die Kationen-Austauscher und quaternäre Ammoniumgruppen für die Anionen-Austauscher sind.
2) Das ein Gehäuseabteil für die Kathode 13 bildende Konzentrationsabteil 12 ist mit elektrisch leitenden Perlen 18 gefüllt, während das ein Gehäuseabteil für die Anode 14 bildende Konzentrationsabteil 12 einen Abstandshalter in der Form eines Netzes 12 aufweist, das den Durchfluss zwischen der Anode und der benachbarten Anionen-selektiven Membran 15 aufrechterhält. In der Praxis ist dieser Abstandshalter 19 aus einem Polyolefinharznetz ausgebildet, auf welches Anionen-Austauschgruppen aufgepfropft wurden. Insbesondere wird ein Polyethylenharznetz verwendet, auf welches quaternäre Ammoniumgruppen aufgepfropft worden sind. Ein derartiger Abstandshalter ist ähnlich denen, die in der vorstehend erwähnten Europäischen Patentanmeldung EP 1 069 079 beschrieben sind.
3) Jedes von den restlichen Konzentrationsabteilen 12 ist mit einer Sandwichstruktur 20 gefüllt, wovon jede einen folienartigen Vliesstoff 21 bestehend aus Anionen-Austauschfasern, einen folienartigen Vliesstoff 22 bestehend aus Kationen-Austauschfasern, einen Anionen leitenden Abstandshalter 23 und einen kationenleitenden Abstandshalter 24 aufweist.

Die Vliesstoffe 21 und 22 sind in einander gegenüberliegender Beziehung angeordnet, und die Abstandshalter 23 und 24 sind zwischen diesen Stoffen angeordnet und auf der Seite des Anionen-Austausch-Vliesstoffes 21 in dem Falle des Anionen leitenden Abstandshalters 23 und auf der Seite des Kationen-Austausch-Vliesstoffes 22 in dem Falle des kationenleitenden Abstandshalters 24 angeordnet.
Die Abstandshalter 23 und 24 liegen insbesondere in der Form eines diagonalen Netzes vor, das aus Polyolefinen mit hohem Molekulargewicht besteht, auf welche die Ionen-Austauschfunktionsgruppen aufgepfropft wurden, d.h., Anionen-Austausch gruppen auf den Anionen leitenden Abstandshalter 23 und Kationen-Austauschgruppen auf den kationenleitenden Abstandshalter 24.
Die Vliesstoffe 21 und 22 wurden ebenfalls aus Polyolefinfasern mit hohem Molekulargewicht entwickelt, auf welche die Funktionalgruppen aufgepfropft worden sind. Diese Polyolefinfasern sind hier Fasern aus Polyethylen und Polypropylen, wobei die auf die Fasern gepfropften Funktionalgruppen Sulfonsäuregruppen in dem Falle der Kationen-Austauschfasern und quaternäre Ammoniumgruppen in dem Falle der Anionen-Austauschfasern sind.
Diese gepfropften Fasern wurden durch Pfropfpolymerisation erzielt, die mittels Strahlung, hier γ-Strahlen ausgelöst wurde.
Es sollte auch angemerkt werden, dass die Vliesstoffe 21 und 22 und die ionenleitenden Abstandshalter 23 und 24 in unmittelbarem Kontakt zueinander angeordnet sind.
Ferner ist der Anionen-Austauschstoff 21 auf der Seite der Anionen-selektiven Membran 15 angeordnet, während der Kationen-Austauschstoff 22 auf der der Kationen-selektiven Membran 16 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
Es sollte auch angemerkt werden, dass jede Sandwichstruktur 20 durch einen (in 1 nicht dargestellten) Rahmen getragen wird, welcher die entsprechenden Abteile 12 ausbildet, und für diesen Zweck mit Einlass- und Auslasskanälen versehen ist, die mit der Ionen-Austausch-Sandwichstruktur 20 und insbesondere mit den Abstandshaltern 23 und 24 in Verbindung stehen.
Für mehr diesbezügliche Details kann auch auf die vorstehende erwähnte Europäische Patentanmeldung EP-1-069-079 Bezug genommen werden.
In der dargestellten Ausführungsform ist eine Fluidverbindung jeweils zwischen den Entsalzungsabteilen 11 und Konzentrationsabteilen 12 gemäß einer Reihenanordnung (Pfeile 25 in Strichlinien zum Speisen der Konzentrationsabteile 12 und Pfeile 26 in durchgezogenen Linien zum Speisen der Entsalzungsabteile 11) vorgesehen.
Somit ist das aus dem letzten Entsalzungsabteil 11 (Pfeil 27 mit durchgezogener Linie) austretende Produkt demineralisiertes Wasser, während das aus dem letzten Konzentrationsabteil 12 (Pfeil 28 in gestrichelter Linie) austretende Produkt aus Wasser besteht, in welchem die aus dem Wasser, das durch die Entsalzungsabteile 12 hindurch getreten ist, extrahierten Ionen konzentriert sind.
Bei detaillierterer Betrachtung werden die zu beseitigenden Ionen an den gemischten Harzperlen gebunden, die in den Entsalzungsabteilen 11 untergebracht sind, aus denen das demineralisierte Wasser kommt; durch das Anlegen eines elektrischen Potentials wandern die Ionen dann rasch zu den Konzentrationsabteilen 12, wo sie zur Beseitigung durch das Elektrodeionisationsmodul 10 konzentriert werden.
Mehr Details bezüglich einerseits der Herstellung der Ionen-Austausch-Vliesstoffe und der ionenleitenden Abstandshalter und andererseits der Fertigung der EDI-Module werden nachstehend angegeben.
Herstellung der Ionen-Austausch-Vliesstoffe
Die Tabelle 1 stellt die Spezifikationen des in den nachstehenden Experimenten verwendeten Substrat-Vliesstoffes zum Vorbereiten eines Ionen-Austausch-Vliesstoffes dar. Der Substrat-Vliesstoff wurde mittels Wärmeschmelzung von aus einem Polypropylenkern und einer Polyethylenhülle bestehenden Verbundstofffasern hergestellt. TABELLE 1

Kern/Hülle Polypropylen/Polyethylen

Flächendichte 50 g/m²

Dicke 0,55 mm

Faserdurchmesser 15-40 μm

Prozess Wärmeschmelzung

Porosität 91%
Eine Probe des in Tabelle 1 angegebenen Vliesstoffes wurde mit γ-Strahlen in einer Stickstoffatmosphäre bestrahlt und dann in eine Lösung aus Glycidylmethacrylat (GMA) zur Reaktion eingetaucht. Es wurde ein Pfropfverhältnis von 163% erzielt. Danach wurde der gepfropfte Vliesstoff in ein Flüssigkeitsgemisch aus Natriumsulfat, Isopropylalkohol und Wasser zur Sulfonierung eingetaucht. Die Messung der Ionen-Austauschkapazität des so behandelten Vliesstoffes zeigte, dass es ein stark saurer Kationen-Austausch-Vliesstoff mit einer Salzzersetzungskapazität von 2,82 meg/g war.
Eine weitere Probe desselben Vliesstoffes wurde mit γ-Strahlen in einer Stickstoffatmosphäre bestrahlt und dann in eine Lösung aus Chlormethylstyrol (CMS) zur Reaktion eingetaucht und ein Pfropfverhältnis von 148% erzielt. Danach wurde der gepfropfte Vliesstoff in eine wässrige Lösung mit 10% Trimethylamin zur Einfügung quaternärer Ammoniumgruppen eingetaucht. Das Produkt war ein stark basischer Anionen-Austausch-Vliesstoff mit einer Salzzersetzungskapazität von 2,49 meg/g.
Herstellung der ionenleitenden Abstandshalter
Tabelle 2 stellt die Spezifikationen des diagonalen Netzes dar, das als das Substrat für die Herstellung eines in den nachstehenden Experimenten verwendeten ionenleitenden Abstandhalters verwendet wurde. TABELLE 2

Bestandteilmaterial Polyethylen

Form Diagonales Netz

Dicke 0,8 mm

Maschenöffnung 6 mm × 3 mm
Eine Probe des in Tabelle 2 angegebenen Diagonalnetzes wurde mit γ-Strahlen in einer N₂-Atmosphäre bestrahlt und dann in eine Lösung aus Glycidylmethacrylat (GMA) und Dimethylformamid (DMF) zur Reaktion eingetaucht und ein Pfropfverhältnis von 53% erzielt. Danach wurde der gepfropfte Vliesstoff in ein Flüssigkeitsgemisch aus Natriumsulfat, Isopropylalkohol und Wasser zur Sulfonierung eingetaucht. Das Produkt war ein stark saurer kationenleitender Abstandshalter mit einer Salzzersetzungskapazität von 0,62 meg/g.
Eine weitere Probe des in Tabelle 2 angegebenen Diagonalnetzes wurde unter denselben Bedingungen wie gerade vorstehend erwähnt bestrahlt und dann in ein Flüssigkeitsgemisch aus Vinylbenzyltrimethylammoniumchlorid (VBTAC), Dimethylacrylamid (DMMA) und Wasser zur Reaktion eingetaucht und ein Pfropfverhältnis von 36% erzielt. Das Produkt war ein stark basischer anionenleitender Abstandshalter mit einer Salzzersetzungskapazität von 0,44 meg/g.
Fertigung der EDI-Module
Die so hergestellten Ionen-Austausch-Vliesstoffe und ionenleitenden Abstandshalter wurden in den Konzentrationsabteilen der EDI-Module (welche vier Entsalzungsabteile, drei Konzentrationsabteile, ein Kathodenabteil und ein Anodenabteil aufwiesen) des Typs montiert, der in dem kommerziellen ELIX^®-System von Millipore eingesetzt wird.
Die hierin verwendeten Ionen-Austausch-Harzperlen sind Kationen- und Anionen-Austausch-Harzperlen, die entweder von Rohm & Haas oder Dow Chemical hergestellt werden, und unter den entsprechenden Handelsbezeichnungen AMBERLITE^® und DOVEX^® (Partikelgröße = 590 ± 50 μm) verkauft werden. Die darin als die elektrisch leitenden Perlen verwendeten Kohlenstoffperlen werden von Rom & Haas hergestellt und unter der Handelsbezeichnung AMBERSORB^® (Partikelgröße = 590 ± 50 μm) verkauft. Jedes Deionisationsabteil hatte die Abmessung von 220 × 35 mm bei einer Dicke von 3 mm und jedes Konzentrationsabteil war 0,8 mm dick. Jedes Anodenabteil und Kathodenabteil war 2,5 mm dick.
Das Verhalten der so erhaltenen Elektrodeionisationsmodule (die nachstehenden Konfigurationen A1 und A2) wurden mit herkömmlichen Elektrodeionisationsmodulen (den nachstehenden Konfigurationen B1, B2 und C) verglichen. In den Konfigurationen A1 und A2 (vorliegende Erfindung) wurde jedes von den Abteilen gemäß Darstellung in 1 und wie vorstehend erläutert beladen. Die (herkömmlichen) Konfigurationen B1 und B2 sind dieselben wie A1 und A2 mit der Ausnahme, dass jedes Konzentrationsabteil mit Kationen- und Anionen-Austausch-Harzperlen gefüllt war, die ein Mischbett ausbilden. Die (herkömmliche) Konfiguration C war dieselbe wie die von A1 und A2 mit der Ausnahme, dass jedes Entsalzungsabteil in derselben Weise wie jedes Konzentrationsabteil gefüllt war.
Unter Verwendung dieser Vorrichtungen wurde ein Wasserdurchlauftest unter Verwendung von Zuführungswasser unter den nachstehend dargestellten Bedingungen durchgeführt. Das Durchflussvolumen des Speisewassers war 3 l/h und der Betriebsstrom war ein 70 mA Konstantstrom. Die Fluidverbindung zu jedem von den Entsalzungsabteilen einerseits und zu jedem von dem Anodenabteil, Konzentrationsabteilen und Kathodenabteil andererseits liegt wie in 1 dargestellt in serieller Anordnung vor.
Die Betriebsbedingungen der Ultrareinwasser-Produktionsvorrichtungen mit diesen Elektrodeionisationsmodulen sind die nachstehenden:
Betriebsarten
Eigenschaften des Zuführungswassers:

1) Umkehrosmose-(RO)-Wasser Nr. 1 [CO₂] = 24 mg/l pH = 5,5–5,7 Temperatur = 20–22°C Leitfähigkeit = 21,0 μs·cm
2) Umkehrosmose-(RO)-Wasser Nr. 2 [CO₂] = 32 mg/l pH = 5,2 Temperatur = 18°C Leitmhigkeit = 16,5 μs·cm [Ca] = 2,0 bis 3,0 mg/l als CaCO₃

EDI-Betriebsarten:

• Betriebsart 1: Die EDI-Vorrichtungen wurden einem Dauerbetrieb mit 24 Stunden pro Tag vom ersten Tag bis zum siebten Tag betrieben.
• Betriebsart 2: Die EDI-Vorrichtungen wurden einer Betriebsart bestehend aus abwechselnd 2 Stunden Betrieb und 2 Stunden Anhaltezustand (im Reservezustand) von dem siebten bis zu dem sechzehnten Tag betrieben.
• Betriebsart 3: Die EDI-Vorrichtungen wurden einem Betrieb zu den nachstehenden Zeitpunkten unterzogen: 1:00 bis 3:00; 5:00 bis 7:00; 9:00 bis 11:00 und 13:00 bis 15:00. Während der restlichen Zeitdauer wurden die Vorrichtungen angehalten (im Reservebetrieb) vom 16.-ten Tag bis zum 31.-ten Tag.
• Betriebsart 4: Die EDI-Vorrichtungen wurden einem Betrieb zu den nachstehenden Zeitpunkten unterzogen: 8:00 bis 10:00; 14:00 bis 16:00; und 20:00 bis 22:00. Während der restlichen Zeitdauer wurden die Vorrichtungen angehalten (im Reservebetrieb) vom 31.-ten Tag bis zum 57.-ten Tag.

Die während dieser Tests ausgeführten physikalischen Messungen waren die Messungen der Spannungs- und des Stromwerte (Energieverbrauch und Belagbildung) und des spezifischen Widerstands als ein Maß der durch diese EDI-Vorrichtungen erzeugten Wasserqualität.

Die Messergebnisse sind in den Tabellen 1, 2 und 3, welche folgen und in der Grafik von 2 angegeben. Tabelle 1: Vergleich der mit den EDI-Vorrichtungen erzeugten Wasserqualitäten

Tag-Nr.	A1^a MΩ·cm	A2^a MΩ·cm	B1^a MΩ·cm	B^2a,b MΩ·cm	C^c MΩ·cm
2 3 4 7 10 11 16 17 18 21 22 25 26 27 28 30 31 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 50 52 53 54 55 55 57	14.7 14.3 16.38 15.7 15.0 15.7 16.2 15.9 16.0 16.0 15.6 16.3 17.7 17.9 17.8 17.6 17.0 17.0 17.0 17.2 17.38 17.23 17.2 17.7 16.6 16.9 18.82 15.2 18.6 16.3 16.42 16.6 16.6 16.46	13.3 14.3 15.08 15.8 14.82 15.96 15.82 15.7 15.9 15.7 14.5 15.5 16.2 16.0 15.6 15.4 18.0 16.7 15.7 16.9 14.97 15.2 15.9 15.8 15.97 15.5 14.4 14.3 14.8 14.92 14.71 15.21 15.21 15.28	12.73 12.1 11.7 12.8 9.6 10.1 10.6 9.6 10.2 10.9 10.8 10.8 9.3 9.4 7.3 6.7 7.34 5.8 5.8 5.63 5.11 4.94 5.38 4.33 4.67 4.87 4.67 4.54 4.73 4.77 4.54 4.53 4.53 6.46	10.82 10.28 10.74 11.9 12.5 11.4 11.7 11.7 11.7 11.7 11.7 11.49 12.0 11.5 9.9 10.3 6.8 10.5 10.4 11.9 10.92 10.8 11.9 11.44 10.91 11.2 10.5 9.84 9.52 10.56 10.19 10.05 10.05 11.89	9.8 9.9 10.8 6.43 5.48 6.0 6.0 6.0 6.0 6.3 7.6 9.37 8.77 8.77 11.82 11.82 9.7 9.7 9.7 9.7 9.7 9.32 9.32 9.32 9.32 9.32 9.32 11.2 11.2 112 11.2 11.2 10.93 10.65
MW. SA	16.42 (0.94)	15.32 (0.66)	7.58 (2.90)	11.00 (0.79)	9.20 (1.89)

a: EDI-Vorrichtungen unter Verwendung von RO-Wasser Nr. 2
b: Geräte B2 unter Verwendung von RO-Wasser Nr. 1 zwischen den Tagen 1 und 21
c: Gerät C unter Verwendung nur von RO-Wasser Nr. 1

Tag-Nr.	A1^a (WI^–1h^–1)	A2^a (WI^–1h^–1)	B1^a (WI^–1h^–1)	B2^a,b (WI^–1h^–1)	C^c (WI^–1h^–1)
2 3 4 7 10 14 16 17 16 21 22 25 28 31 42 50 52 58 57	0.247 0.257 0.276 0.264 0.278 0.274 0.283 0.285 0.288 0.284 0.292 0.290 0.294 0.296 0.308 0.306 0.305 0.305 0.305	0.272 0.272 0.272 0.275 0.282 0.293 0.297 0.316 0.303 0.327 0.330 0.331 0.309 0.307 0.318 0.323 0.333 0.333 0.333	0.209 0.217 0.215 0.240 0.238 0.248 0.252 0.248 0.255 0.255 0.253 0.261 0.267 0.268 0.279 0.280 0.284 0.284 0.284	0.237 0.241 0.234 0.241 0.227 0.224 0.219 0.219 0.219 0.224 0.219 0.246 0.234 0.234 0.247 0.253 0.258 0.256 0.256	0.832 0.823 0.820 0.457 0.487 0.485 0.465 0.485 0.465 0.488 0.467 0.406 0.760 0.816 0.821 0.901 0.901 0.887 0.872

Tag-Nr.	A1^a Ohm (Ω)	A2^a Ohm (Ω)
2 30 51 84 106 146 196 244	155 176 183 190 203 205 220 218	162 181 196 203 222 235 234 258

a: EDI-Vorrichtungen unter Verwendung von RO-Wasser Nr. 2

Die elektrische Impedanz (Ohm) eines gegebenen EDI-Moduls wird aus dem angelegten Betriebsstrom und der sich ergebenden Spannung berechnet. Es ist normal, mit der Zeit einen stetigen Anstieg der Impedanz eines gegebenen EDI-Moduls zu beobachten. Sobald eine signifikante Belagausbildung auf den Membranen (üblicherweise den anionischen) eines gegebenen EDI-Moduls vorliegt, wird dieses durch einen raschen Anstieg in der beobachteten Impedanz (d.h., 50% Anstieg in zwei oder drei Tagen) als eine Folge einer Belagabscheidung auf der Membran, die den Fluss der elektrischen Ladung oder des Stroms durch das EDI-Modul unterbricht, angezeigt. Die in der vorstehenden Tabelle dargestellten Daten zeigen deutlich an, dass keine oder nur eine vernachlässigbare Belagabscheidung auf der Oberfläche der Membranen dieser EDI-Module vorliegt.
Es dürfte sich verstehen, dass die Zuordnung von zwei unterschiedlichen Ionen-Austauschkonfigurationen jeweils in den Entsalzungs- und Konzentrationsabteilen der Elektrodeionisationsmodule gemäß der vorliegenden Erfindung die nachfolgenden Vorteile ergibt:

1) Die Produktion von ultrareinem Wasser mit höherem Reinheitsgrad als das von bekannten Vorrichtungen in einer zuverlässigen Weise über eine längere Zeitdauer als die von bekannten Vorrichtungen in einem kontinuierlichen Betrieb oder einem zyklischen Betrieb (bestimmten Betriebsperioden und bestimmten Anhalteperioden), welcher eine wesentlich realistischere Implementation in in der Welt existierenden Wasserreinigungsinstallationen repräsentiert. Der sich aus der vorstehend behandelten Zuordnung ergebende synergetische Effekt, der wird besonders deutlich (siehe Tabelle 1 und 2).
2) Die das Elektrodeionisationsmodul aufweisende EDI-Vorrichtung kann mit Zuführungswasser mit größeren Mengen an Kohlendioxid und Kalziumionen als bekannte Vorrichtungen ohne nachteiligen Einfluss auf die Qualität des erzeugten Reinwassers und ohne jede Auswirkung auf eine Belagsbildung arbeiten, wenn Kalziumionen in der Zuführungslast in moderaten Konzentrationen (in der Praxis weniger als 30 mg Ca²⁺ pro Liter) enthalten sind.
3) Die Kompression der Fasern in dem Konzentrationsabteil des Elektrodeionisationsmoduls 10 beschränkt die interne Bewegung der Ionen-Austausch-Harzperlen in der Mischbettkonfiguration in den Entsalzungsabteilen, was es der EDI-Vorrichtung damit ermöglicht, bei hohen Betriebsdrücken und Strömungsraten der Zuführungslast zu arbeiten.
4) Einen verbesserten Transport der Ionen in den Konzentrationsabteilen aufgrund des kombinierten Vorhandenseins der getrennten Schichten von Ionen-Austauschmaterialien in den Konzenterationsabteilen und der Ionen-Austausch-Harzperlen in der Mischbett-Konfiguration in den Entsalzungsabteilen.
5) Der Energieverbrauch ist niedrig und stabil.

Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Form der beschriebenen und dargestellten Ausführungsform beschränkt, sondern deckt jede Variante davon ab.

Claims

Elektrodeionisations-(EDI)-Modul umfassend wenigstens eine Ionen-Austauschmembran, die wenigstens eine Entsalzungszone (11) und eine zwischen Elektroden (13, 14) angeordnete Konzentrationszone (12) begrenzt, wobei jede Zone mit Ionen-Austauschmitteln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Zone vorhandenen Ionen-Austauschmittel entweder Ionen-Austausch-Harzperlen (17) oder wenigstens einen aus Ionen-Austauschfasern hergestellten nicht gewebten oder gewebtem Stoff –Vlies- oder Gewebestoff (21, 22) – umfassen, wobei die Harzperlen und der bzw. die Stoffe beide in dem EDI-Modul vorhanden sind.
EDI-Modul nach Anspruch 1, a) wobei jede Zone vom einem Abteil gebildet wird und das Modul entweder enthält: (i) wenigstens ein Entsalzungsabteil, getrennt von zwei angrenzenden Konzentrationsabteilen durch eine anionenselektive Ionen-Austauschmembran bzw. eine kationenselektive Ionen-Austauschmembrane, oder (ii) wenigstens ein Konzentrationsabteil, getrennt von zwei angrenzenden Entsalzungsabteilen durch einen anionenselektive Ionen-Austauschmembrane bzw. eine kationenselektive Ionen-Austauschmembrane, oder (b) abwechselnde Entsalzungsabteile und Konzentrationsabteile zwischen Elektroden enthält, wobei jedes Entsalzungsabteil (11) an zwei Konzentrationsabteile angrenzt und davon durch eine anionenselektive Ionen-Austauschmembrane (15) bzw. eine kationenselektive Ionen-Austauschmembrane getrennt ist, wobei jedes Abteil mit Ionen-Austauschmitteln versehen ist, wobei (i) die in den Entsalzungsabteilen vorhandenen Ionen-Austauschmittel Ionen-Austausch-Harzperlen (17) umfassen, während die in den Konzentrationsabteilen vorhandenen Ionen-Austauschmittel wenigstens ein aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Gewebestoff (21, 22) umfassen, oder (ii) die in den Konzentrationsabteilen vorhandenen Ionen-Austauschmittel Ionen-Austauschharze umfassen, während die in den Entsalzungsabteilungen vorhandenen Ionen-Austauschmittel wenigstens einen aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Gewebestoff (21, 22) umfassen.
EDI-Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens einen aus Ionen-Austauschfasern hergestellten Vlies- oder Gewebestoff umfassen Ionen-Austauschmittel wenigstens eine Anordnung ausbilden, die einen aus Anionen-Austauschfasern hergestellten Web- oder Vlies-Stoff (21) und einen aus Kationen-Austauschfasern hergestellten Web- oder Vliesstoff (22), welche in einander gegenüberliegender Beziehung platziert sind, und wenigstens einem ionenleitenden Abstandshalter (23, 24) aufweist, welcher in der Lage ist, Ionen-Austausche durchzuführen und zwischen den Anionen- und Kationen-Austauschfasern angeordnet ist, und optional a) die oder jede Anordnung derart angeordnet ist, dass der Web- oder Vliesstoff, welcher sich an dem anionenselektiven Ionen-Austauschmembranende befindet, ein aus Anionen-Austauschfasern hergestellter Web- oder Vliesstoff ist, und der Web- oder Vliesstoff, welcher sich an dem kationenselektiven Ionen-Austauschmembranende befindet, ein aus Kationen-Austauschfasern hergestellter Web- oder ein Vliesstoff ist; und/oder b) ein Anionen leitender Abstandshalter und ein Kationen leitender Abstandshalter, welche in der Lage sind, Ionen-Austausche durchzuführen, zwischen den Anionen- und Kationen-Austauschstoffen positioniert sind und sich jeweils unmittelbar an dem Anionen-Austauschsstoff und an dem Kationen-Austauschstoff befinden, und/oder c) der oder jeder Abstandshalter in der Form eines netzförmigen Abstandshalters, Vorzugsweise eines diagonal netzförmigen Abstandshalters vorliegt.
EDI-Modul nach Anspruch 3, wobei die Stoffe und der bzw. die Abstandshalter einer Anordnung in engem Kontakt miteinander stehen und bevorzugt von einem Rahmen getragen werden.
EDI-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der oder jeder aus Ionen-Austauschfasern hergestellte Web- oder Vliesstoff, ein aus Fasern hergestelltes Substrat umfaßt, in welche Ionen-Austauschfunktionalgruppen durch Pfropfen mit Monomeren, welche Ionen-Austauschgruppen besitzen, oder Pfropfen mit Monomeren mit einer Gruppe, welche in eine Ionen-Austauschgruppe umgewandelt werden kann, und dann die Gruppe in die Ionen-Austauschgruppe umgewandelt wird, eingefügt worden sind, und der oder jeder Abstandshalter, falls vorhanden, ein aus Fasern oder Harzen hergestelltes Substrat umfaßt, in welche Ionen-Austauschfunktionalgruppen durch Pfropfen mit Monomeren, welche Ionen-Austauschgruppen besitzen, oder Pfropfen mit Monomeren mit einer Gruppe, welche in eine Ionen-Austauschgruppe umgewandelt werden kann, und dann die Gruppe in die Ionen-Austauschgruppe umgewandelt wird, eingefügt worden sind, und optional a) das Substrat Zellulose- oder Polyolefin-Material ist, und/oder b) die funktionalen Gruppen durch eine durch Strahlung oder ein chemisches Reagens initiierte Propfpolymerisation eingefügt werden, wobei die Strahlungsquelle ionisierende Strahlung, wie z.B. UV-Strahlen, Röntgen-Strahlen, γ-Strahlen, beschleunigte Elektronen, β-Strahlen oder α-Strahlen ist, oder wobei das chemische Reagenz Zerionen umfaßt.
EDI-Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Kationen-Austauschfasern und/oder der bzw. die Kationen leitenden Abstandshalter Sulfonsäuregruppen haben, und die Anionen-Austauschfasern und/oder der bzw. die Anionen leitenden Abstandshalter quaternäre Ammoniumgruppen haben.
EDI-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der oder jeder aus Ionen-Austauschfasern hergestellte Web- oder Vliesstoff, ein aus heterogenen Fasern hergestelltes Substrat umfaßt, die einem Gemisch von Ionen-Austauschmaterial und Polyolefinbinder umfassen, und der oder jeder Abstandshalter, wenn vorhanden, ein aus Harzen oder heterogenen Fasern hergestelltes Substrat umfaßt, die ein Gemisch von Ionen-Austauschmaterial und einen Polyolefinbinder umfaßen.
EDI-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ionen-Austausch-Harzperlen von Anionen-Austauschern und Kationen-Austauschern gebildet werden, die ein Mischbett oder getrennte Betten, bevorzugt ein Mischbett bilden, und wobei optional die Ionen-Austausch-Harzperlen aus Polymeren wie zum Beispiel Polystyrol oder Styroldivinylbenzolkopolymeren mit funktionalen Gruppen, bevorzugt Sulfonsäuregruppen für die Kationen-Austauscher und quaternären Ammoniumgruppen für die Anionen-Austauscher, ausgebildet sind.
EDI-Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei ein Elektrodenabteil zwischen jeder Elektrode und der Ionen-Austauschmembrane angrenzend an die Elektrode ausgebildet ist, und optional a) das Kathodenabteil elektrisch leitende Partikel enthält, welche bevorzugt Kohlenstoff- und/oder metallische Partikel sind, oder b) das Kathodenabteil wenigstens einen Abstandshalter in der Form eines netzförmigen Abstandshalter umfaßt, welcher den Fluss zwischen der Kathode und den angrenzenden kationenselektiven Membranen aufrecht erhält, wobei insbesondere der oder jeder Abstandshalter in dem Kathodenabteil Ionen-Austauschgruppen besitzt, und/oder c) wobei das Anodenabteil wenigstens einen Abstandshalter in der Form eines netzförmigen Abstandshalters umfaßt, der den Fluss zwischen der Anode und der angrenzenden anionenselektiven Membrane aufrecht erhält, wobei insbesondere der oder jeder Abstandshalter in dem Anodenabteil Ionen-Austauschgruppen besitzt, und/oder d) wobei das an jede Elektrode angrenzende Konzentrations- oder Entsalzungsabteil das Elektrodenabteil ausbildet.
EDI-Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 9, welches eine Mehrzahl alternierender Entsalzungsabteile und Konzentrationsabteile umfaßt, und wobei eine Fluidverbindung zu jedem der Entsalzungsabteile und zu jedem der Konzentrationsabteile jeweils in einer seriellen oder parallelen Anordnung vorgesehen ist.
EDI-Vorrichtung zur Erzeugung von Wasser von hoher Reinheit und zur Erzeugung von ultrareinem Wasser, welche ein EDI-Modul gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfaßt.