DE69401832T2

DE69401832T2 - Entsalzungsvorrichtung mit einer Textilerzeugnis mit einem gefüllten Verdünnungskammer

Info

Publication number: DE69401832T2
Application number: DE69401832T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Horie; Motohiko Tajima; Hajime Uchino
Original assignee: Nitivy Co Ltd; Nippon Rensui Co
Current assignee: Nitivy Co Ltd; Nippon Rensui Co
Priority date: 1993-04-21
Filing date: 1994-04-20
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2014-04-21
Also published as: JP2751090B2; EP0621072A2; JPH07236889A; DE69401832D1; EP0621072A3; EP0621072B1; US5512173A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Demineralisierungsvorrichtung, die eine Verdünnungskammer umfaßt, die mit textilem Stoff gefüllt ist. Insbesondere betrifft sie eine Verbesserung einer Demineralisierungsvorrichtung auf der Basis einer Elektrodialysewirkung.
Als Verfahren zur Herstellung von demineralisiertem Wasser wurde im allgemeinen ein Ionenaustauschverfahren verwendet, bei dem zu behandelndes Wasser über ein Ionenaustauscherharz- Bett hindurchgeleitet wird, das umbrauchbar gewordene Ionenaustauscherharz mit einem sauren oder alkalischen Regenerierungsmittel regeneriert wird und das regenerierte Harz dann wiederholt verwendet wird. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß das Regenerierungsverfahren des Ionenaustauscherharzes unter Verwendung eines Regenerierungsmittels, wie z.B. Salzsäure oder Natronlauge, lästig ist und zusätzlich eine große Menge an alkalischem und saurem Abwasser ausgetragen wird. Es bestand deshalb ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur Herstellung von demineralisiertem Wasser ohne Verwendung des Regeneriermittels.
Neuerdings wurde hierfür ein Demineralisierungsverfahren vorgeschlagen, das ein Ionenaustauscherharz und eine Iönenaustauschermembran in Kombination umfaßte. In diesem Verfahren wird, auf der Basis der Tatsache, daß Wasserenthaltende Ionenaustauscherharze gute elektrische Leiter sind, eine Elektrodialysewirkung unter Verwendung von Anionen- und Kationenaustauschermembranen als Diaphragmen ausgenutzt. In diesem Verfahren werden Ionenaustauscherharze als Füllstoffe in eine Verdünnungskammer einer mit einer Anionenaustauschermembran und einer Kationenaustauschermembran versehenen Elektrodialysee inheit eingefüllt oder eingebettet, und zu behandelndes Wasser fließt durch die Verdünnungskammer unter Anwendung einer Spannung, und das behandelte Wasser wird als demineralisiertes Wasser erhalten.
Während der Durchführung dieses Verfahrens unterliegen verunreinigende Ionen in dem zu behandelnden Wasser einem Ionenaustausch durch das Ionenaustauscherharz, die durch das Ionenaustauscherharz fest gehaltenen verunreinigenden Ionen werden durch Zufuhr eines elektrischen Stromes eluiert, und die eluierten verunreinigenden Ionen werden durch die Ionenaustauschermembranen getrennt. Während der Ionenaustausch durch das Ionenaustauscherharz und seine Regenerierung gleichzeitig durchgeführt werden, wird demineralisiertes Wasser hergestellt.
Gemäß dem sogenannten Elektrodemineralisierungsverfahren zur Herstellung von demineralisiertem Wasser unter Verwendung der Ionenaustauschermembran und des granulatförmigen Ionenaustauscherharzes als Füllstoff ist auf diese Weise weder ein Regenerierungsschritt für das granulatförmige Ionenaustauscherharz noch die Verwendung eines sauren oder alkalischen Regenerierungsmittels für die Regenerierung erforderlich. Es kann deshalb als vorteilhaftes Verfahren angesehen werden.
In dem vorstehend beschriebenen bekannten Elektrodemineralisierungsverfahren weist die verwendete Vorrichtung jedoch den Nachteil auf, daß das Risiko besteht, daß das granulatförmige anionische Ionenaustauscherharz und das granulatförmige kationische Ionenaustauscherharz sich bei Änderung der Fließgeschwindigkeit des zu behandelnden Wassers, oder beim Austragen von in der Verdünnungskammer des Systems angereicherten suspendierten Materialien aus einem gemischten Zustand abtrennen (die homogen dispergierten und gemischten granulatförmigen Anionen- und Kationenaustauscherharz werden aufgrund der Differenz zwischen den Dichten beider Harze in einen inhomogenen dispergierten Zustand überführt). Wenn die Abtrennung der gemischten granulatförmigen Ionenaustauscherharze auftritt, kann kein demineralisiertes Wasser stabiler Qualität mehr erhalten werden.
Im Hinblick auf das Vorstehende werden in der Japanischen Veröffentlichung (KOKOKU) Nr. 4-72567 (1992), die der EP-A-0170895 entspricht, Maßnahmen vorgeschlagen, um die Verdünnungskammer (Deionisationskammer) in Anteile mit einer spezifischen Größe zu unterteilen, um durch Fluidisierung der gemischten granulatförmigen Ionenaustauscherharze verursachten Trennung der gemischten granulatförmigen Ionenaustauscherharze zu verhindern, wodurch sich der Nachteil ergibt, daß die Vorrichtung kompliziert wird und die Wartung und Applikation muhsam werden.
Die EP-A-0503651 betrifft eine regenerierbare Demineralisierungsvorrichtung unter Verwendung von Ionenaustauschern, die durch strahlungsinituerte Propfpolymerisation hergestellt werden und in die Demineralisierungskammer eines elektrischen Dialysators eingebettet sind. Dieses Dokument beschreibt einen Ionenaustauscher mit Mosaikstruktur, der aus alternierend angeordneten Kationen- und Anionenaustauschergruppen besteht, d.h. Geweben, in denen Bündel von Kationenaustauscherfasern alternierend mit Bündeln von Anionenaustauscherfasern verwoben sind.
Die JP-A-62079851 beschreibt eine Faserschicht mit Ionenaustauscherwirkung, die zur Reinigung flüssiger Gase oder Chemikalien verwendet wird, und die eine Mischung aus Flockfasern mit Ionenaustauscherwirkung und Glasfasern umfaßt.
Die GB-A-2086954 beschreibt ein Filtermittel zum selektiven Einfangen von Ionen in Wasser, das Ionenaustauscherfasern der Polyvinylalkoholreihe umfaßt. Dieses Filtermedium enthält entweder anionische oder kationische Polyvinylalkohol-Ionenaustauscherfasern und thermoplastische synthetische Fasern, wie z.B. Polyethylen.
Als Ergebnis von von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführten Untersuchungen wurde gefunden, daß die mühsame Wartung überflüssig wird und demineralisiertes Wasser mit hervorragender Qualität stabil erhalten werden kann, wenn man als Ionenaustauscher in der Verdünnungskammer eine Mischung aus stark sauren kationischen Ionenaustauscherfasern, stark basichen Anionenaustauscherfasern und ionisch inaktiven synthetischen Fasern in Form eines Stoffes verwendet. Auf dieser Grundlage wurde die vorliegende Erfindung vollbracht.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die Qualität des demineralisierten Wassers verbessert werden kann, und die Komplexität der Wartung im Vergleich zu bekannten Systemen, in denen granulatförmiges Ionenaustauscherharz in der Verdünnungskammer der vorstehend beschriebenen Elektrodemineralisierungsvorrichtung eingebettet ist, vermieden werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine Demineralisierungsvorrichtung bereitgestellt, umfassend:
eine an einem Ende eines Behälters angebrachte Anodenkammer (3) mit einer Anode (2) im Innern der Anodenkammer (3);
eine am anderen Ende des Behälters (1) angebrachte Kathodenkammer (5) mit einer Kathode (4) im Innern der Kathodenkammer (5); und
mindestens eine Verdünnungskammer (81,82) und mindestens eine Konzentrationskammer (91,92), die alternierend zwischen der Anodenkammer (3) und der Kathodenkammer (5) angeordnet sind, wobei
die Verdünnungskammer (81,82) eine Anionenaustauschermembran (61,62) an der Seite der Anodenkammer und eine Kationenaustauschermembran (71,72) an der Seite der Kathodenkammer aufweist,
die Verdünnungskammer (81,82) einen Einlaß (121) für das zu behandelnde Wasser und einen Auslaß (122) für demineralisiertes Wasser besitzt,
die Konzentrationskammer (91,92) einen Einlaß (131) für Wasser und einen Auslaß (132) für mit Ionen ausgereichertem Wasser besitzt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verdünnungskammer (81,82) einen Stoff (101) enthält, der eine Mischung aus Fasern aus einem stark sauren Kationenaustauscher, Fasern aus einem stark basischen Anionenaustauscher und ionisch inaktiven synthetischen Fasern umfaßt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Vorderansicht im Querschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Änderung der Menge an ionisch inaktiven synthetischen Fasern und der Änderung des spezifischen Widerstandes des resultierenden behandelten Wassers im Beispiel 1 zeigt.
Figur 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Änderung der Dicke der Verdünnungskammer und der Änderung des spezifischen Widerstandes des resultierenden behandelten Wassers im Beispiel 2 zeigt.
Figur 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des zu behandelnden Wassers und der Änderung des spezifischen Widerstandes des resultierenden behandelten Wassers im Beispiel 3 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In der Demineralisierungsvorrichtung wird, um mindestens eine Verdünnungskammer und mindestens eine Konzentrationskammer auszubilden, eine geeignete Anzahl der Kationenaustauschermembranen und der Anionenaustauschermembranen alternierend zwischen der Anode und der Kathode angebracht. Eine durch eine an der Seite der Anodenkammer angebrachte Anionenaustauschermembran und eine an der Seite der Kathodenkammer angebrachte Kationenaustauschermembran begrenzte Kammer ist eine Verdünnungskammer. Eine durch eine an der Seite der Anodenkammer angebrachte Kationenaustauschermembran und eine an der Seite der Kathodenkammer angebrachte Anionenaustauschermembran begrenzte und benachbart zur Verdünnungskammer angeordnete Kammer ist die Konzentrationskammer.
Die Verdünnungskammer besitzt einen Einlaß für das zu behandelnde Wasser und einen Auslaß für demineralisiertes Wasser. Die Konzentrationskammer besitzt einen Einlaß für Wasser und einen Auslaß für mit Ionen aufgereichertem Wasser.
Vorzugsweise umfaßt die Demineralisierungsvorrichtung mindestens zwei Verdünnungskammern, die zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angebracht sind, und die Konzentrationskammer wird zwischen jeder der Verdünnungskammern ausgebildet.
Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Figur 1 beschrieben. Die Figur 1 ist eine schematische Vorderansicht im Querschnitt der Vorrichtung, in der ein Behälter 1, eine Anodenplatte 2, eine Anodenkammer 3, eine Kathodenplatte 4, eine Kathodenkammer 5, eine Anionenaustauschermembran 61 und eine Kathodenaustauschermembran 71 dargestellt sind. Eine Verdünnungskammer 81 wird zwischen der Anionenaustauschermembran 61 und der Kationenaustauschermembran 71 ausgebildet. Auf die gleiche Weise wird eine zweite Verdünnungskammer 82 zwischen einer Anionenaustauschermembran 62 und einer Kationenaustauschermembran 72 ausgebildet. Die Anionenaustauschermembranen und die Kationenaustauschermembranen werden auf diese Weise alternierend angeordnet, um in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform fünf Verdünnungskammern auszubilden. Ein Stoff 101, der eine Mischung aus Fasern aus einem stark sauren Kationenaustauscher, Fasern aus einem stark basischen Anionenaustauscher, und ionisch inaktiven synthetischen Fasern enthält, wird in jede der fünf Verdünnungskammern eingefüllt oder eingebettet. Eine zwischen der Kationenaustauschermembran 71 und der Anionenaustauschermembran 62 ausgebildete Kammer 91 bildet außerdem die Konzentrationskammer. Auf ähnliche Weise bildet eine zwischen der Kationenaustauschermembran 72 und der Anionenaustauschermembran 63 ausgebildete Kammer 92 die Konzentrationskammer. In der in der Figur 1 dargestellten Vorrichtung werden auf diese Weise vier Konzentrationskammern ausgebildet.
Die Anodenkammer 3 bzw. die Kathodenkammer 5 werden mit geeigneten Elektrolytlösungen beschickt, um eine elektrische Leitfähigkeit zu ergeben. Da die Konzentration der Elektrolytlösung während der Zufuhr des elektrischen Stromes allmählich verringert wird, ist es bevorzugt, die Konzentration immer auf einem bestimmten Niveau aufrechtzuerhalten. Für diesen Zweck ist es bevorzugt, einen Teil des aus den Konzentrationskammern ausgetragenen mit Ionen angereicherten Wassers zu recyclisieren. Die Elektrolytlösung wird über ein Einlaßrohr 111 für die Elektrolytlösung in die Anodekammer 3 eingeführt, und über ein Auslaßrohr 112 für die Elektrolytlösung daraus ausgetragen. Auf die gleiche Weise wird die Elektrolytlösung durch ein Einlaßrohr 113 für den Elektrolyten in die Kathodenkammer 5 eingebracht und über ein Auslaßrohr 114 für die Elektrolytlösung ausgebracht.
Das zu behandelnde Wasser (das zu demineralisierende Wasser) wird parallel dazu fünf Verdünnungskammern über ein Einlaßrohr 121 zugeführt und behandeltes Wasser (demineralisiertes Wasser) wird über ein Auslaßrohr 122 ausgetragen. Wasser (normalerweise das gleiche wie das zu behandelnde Wasser) wird über ein Einlaßrohr 131 den vier Konzentrationskammern zugeführt, und Wasser mit einer erhöhten Ionenkonzentration wird über ein Auslaßrohr 132 ausgetragen.
Wenn ein Gleichstrom (normalerweise bei 20 bis 60 mA/dm²) zwischen der Anodenplatte 2 und der der Kathodenplatte 4 angelegt wird, werden durch die im Stoff 101 in den Verdünnungskammern vorhandenen Anionen- und Kationenaustauscherfasern verunreinigende Ionen aus dem zu behandelnden Wasser entfernt, um demineralisiertes Wasser zu ergeben. Die in den Ionenaustauscherfasern eingefangenen verunreinigenden Ionen werden durch die Anionen- und Kationenaustauschermembranen elektrisch dialysiert, in die Konzentrationskammern überführt und dann als mit Ionen angereichertes Wasser aus dem Auslaßrohr 132 ausgetragen.
Das Verhältnis der der Verdünnungskammer und der Konzentrationskammer zugeführten Menge des zu behandelnden Wassers hängt von der Zusammensetzung des zu behandelnden Wassers ab, und liegt normalerweise in einem Bereich von 1:1 bis 5:1.
Die Bedingungen der Zufuhr zur Vorrichtung werden abhängig von der gewünschten Wasserqualität, der Wirtschaftlichkeit und der Zusammensetzung des zu behandelnden Wassers gewählt.
Für die Grundstruktur der erfindungsgemäßen Demineralisierungsvorrichtung kann ohne besondere Einschränkungen irgendeine Elektrodialyseeinheit mit einer Struktur verwendet werden, in der Kationenaustauschermembranen und Anionenaustauschermembranen alternierend zwischen den Elektroden der Anode- und der Kathode angeordnet sind. Z.B. wird eine Elektrodialyseeinheit vom Filterpressen-Typ oder vom Elementarzellen-Typ verwendet, die eine Struktur besitzt, in der Kationenaustauschermembranen und Anionenaustauschermembranen alternierend mittels Kammerrahmen zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind, und durch die Ionenaustauschermembranen und die Kammerrahmen Verdünnungskammern und Konzentrationskammern ausgebildet werden.
Erfindungsgemäß wird in einer Verdünnungskammer eine Mischung aus Fasern eines stark sauren Kationenaustauschers und Fasern eines stark basischen Anionenaustauschers und aus ionisch inaktiven synthetischen Fasern, die die Form eines Stoffes besitzt, in einer Verdünnungskammer eingebettet.
Die hier verwendbaren Anionen- und Kationenaustauscherfasern können umfassen Fasern eines Polymers von Polystyrolen, Polyphenolen, Polyvinylalkoholen, Polyacrylaten, Polyethylenen und Polyamiden mit Kationenaustauschergruppen bzw. mit Anionenaustauschergruppen.
Ein typisches Beispiel für die Kationenaustauschergruppe ist die Sulfonsäuregruppe. Ein typisches Beispiel für die Anionenaustauschergruppe ist die Trimethylammoniumgruppe.
Die Kationenaustauschergruppen an den stark sauren Kationenaustauscherfasern haben einen pka-Wert von normalerweise weniger als 1,0. Die Anionenaustauschergruppen an den stark basischen Anionenaustauscherfasern haben einen pKb-Wert von normalerweise mehr als 13.
Die Ionenaustauscherfasern sind im Handel erhältlich.
Die Kationen- und Anionenionenaustauscherfasern können in regenerierten Formen (H-Form und OH-Form) oder Salzformen vorliegen.
Als ionisch inaktive synthetische Fasern, die mit den Anionen- und Kationenaustauscherfasern gemischt werden, können synthetische Fasern ohne Ionenaustauschergruppen (normalerweise nicht mehr als 0,1 meq/g) ohne sonstige besondere Einschränkungen verwendet werden. Als typische Beispiele können genannt werden synthetische Fasern aus Polyester, Polyolefin, Polyamid oder dergleichen.
Die Form des Stoffes, der die Mischung aus den Ionenaustauscherfasern und den ionisch inaktiven synthetischen Fasern umfaßt, kann Filze, Faservliese, Papier, gestrickte und geflochtene Produkte umfassen. Der Stoff wird auf der Basis des Gewichtes pro Flächeneinheit bewertet.
Die stark sauren Kationenaustauscherfasern und die stark basischen Anionenaustauscherfasern werden üblicherweise in einem solchen Verhältis verwendet, daß die Ionenaustauschkapazitäten beider Fasern im wesentlichen gleich sind (normalerweise 48/52 - 52/48, und vorzugsweise 49/51 - 51/49), und dazu werden die ionisch inaktiven synthetischen Fasern zugegeben, um den Stoff zur Füllung der Verdünnungskammer auszubilden. Wenn die ionisch inaktiven synthetischen Fasern allein verwendet werden, ist, weil die Ionenaustauscherfasern überhaupt nicht vorhanden sind, die erhältliche Qualität des demineralisierten Wassers genau so schlecht wie die einer üblichen Elektrodialyse.
Wenn die ionisch inaktiven synthetischen Fasern überhaupt nicht zugemischt werden, würde andererseits eine Behinderung des Ionentransportes auftreten, von der angenommen wird, daß sie zur Bildung eines gegenseitigen Kontaktes zwischen den Anionen- und Kationenaustauscherfasern, wie nachstehend erklärt, beiträgt, wodurch keine gute Qualität des demineralisierten Wassers erhalten wird. Ein geeigneter Gehalt ionisch inaktiver syntehtischer Fasern ist deshalb erforderlich.
Der Gehalt der ionisch inaktiven synthetischen Fasern in der Mischung der Anionen- und Kationenaustauscherfasern und ionisch inaktiven synthetischen Fasern beträgt vorzugsweise 20 bis 70 Gew.-% und insbesondere 30 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht. Innerhalb des oben angegeben Bereiches können verunreinigende Ionen in dem zu behandelnden Wasser rascher eingefangen und rascher an die Außenseite der Ionenaustauschermembranen transportiert werden.
Obwohl die Dicke des Stoffes von der Rohdichte abhängt, ist sie normalerweise um 10 bis 60 % größer als die Dicke der Verdünnungskammer und von einem solchen Ausmaß, daß ein dichtes Einbetten in die Verdünnungskammer möglich ist. Die Dicke der Verdünnungskammer beträgt normalerweise 1 bis 5 mm. Es können mehrere Stoffe aufeinander gestapelt verwendet werden.
Für den Durchmesser und die Länge der stark sauren Kationenaustauscherfasern, der stark basischen Anionenaustauscherfasern und der ionisch inaktiven synthetischen Fasern gibt es keine besondere Beschränkung, solange sie zu dem Stoff verarbeitet werden können, aber normalerweise beträgt der Durchmesser 5 bis 50 µm und das Höhe-Breite-Verhältnis (Länge/Durchmesser) ist 100 bis 250.
Wie vorstehend beschrieben ist die vorliegende Erfindung hauptsächlich durch das Einbetten des Stoffes, der eine Mischung aus den Anionen- und Kationenaustauscherfasern und ionisch inaktiven synthetischen Fasern umfaßt, in die Verdünnungskammern und Ausnutzung der Elektrodialysewirkung zur Herstellung von demineralisiertem Wasser charakterisiert. Dies ist im Hinblick auf die Durchführung vorteilhafter und zusätzlich kann demineralisiertes Wasser mit im Vergleich zur der Herstellung von demineralisiertem Wasser unter den gleichen Verfahrensbedingungen, aber Einbetten einer Mischung von granulatförmigem starkem saurem Ionenaustauscherharz und starkem basischem Austauscherharz in die Verdünnungskammern, höherer Reinheit geliefert werden.
Wenn die granulatförmigen Ionenaustauscherharze in die Verdünnungskammern eingebettet sind, ist ein extrem kompliziertes Verfahren erforderlich, um die granulatförmigen Ionenaustauscherharze mit gleichmäßiger Dicke in einem homogen dispergierten und gemischten Zustand des granulatförmigen Kationenaustauscherharzes und des granulatförmigen Anionenaustauscherharzes und in einer untrennbaren Weise einzufüllen. Im Falle des Einfüllens des Stoffes als Mischung der Ionenaustauscherfasern und der ionisch inaktiven synthetischen Fasern können diese im Gegensatz dazu in die Verdünnungskammer auf extrem einfache und zweckmäßige Verfahrensweise eingefüllt werden, während die Dicke im wesentlichen gleichförmig bleibt, und keine Möglichkeit der Trennung zwischen den Kationenaustauscherfasern und den Anionenaustauscherfasern besteht, um einen inhomogenen gemischten Zustand zu verursachen.
Im Falle des granulatformigen Ionenaustauscherharzes besteht ferner sogar während des Hindurchfließens von zu behandelndem Wasser in der Verdünnungskammer die Möglichkeit einer Trennung zwischen dem granulatförmigen Kationenaustauscherharz und dem granulatförmigen Anionenaustauscherharz, was zu einem inhomogen dispergierten und gemischten Zustand führt, der zu einer Verschlechterung der Qualität des demineralisierten Wasser führen kann. Dies macht deshalb einen nach oben gerichteten Strom für die Fließrichtung des Wassers zur Verdünnungskammer unmöglich. Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung des Stoffes, der die Mischung aus den Ionenaustauscherfasern und den ionisch inaktiven synthetischen Fasern umfaßt, kann jedoch eine nach oben gerichtete Strömung für die Fließrichtung des Wassers gewählt werden, was eine Instabilität der Qualität des demineralisierten Wassers aufgrund eines örtlich beschränkten Stromes von zu behandelndem Wasser, der im Falle eines nach unten gerichteten Stromes auftreten kann, verhindern kann.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann außerdem im Vergleich zum Fall einer Verwendung der granulatförmigen Anionen- und Kationenaustauscherharze ein demineralisiertes Wasser höherer Reinheit erhalten werden. Obwohl der Grund hierfür nicht offensichtlich ist, wird die nachfolgende Überlegung in Betracht gezogen. Im Falle der granulatförmigen Ionenaustauscherharze transportieren, wenn die eingefangenen verunreinigenden Ionen z.B. Kationen sind, die verunreinigenden Ionen entlang der Oberfläche des Kationenaustauscherharzes zueinander benachbarte Teilchen durch Applikation einer Spannung und transferieren gegen ein negatives Potential. Wenn die einfangenen Ionen Anionen sind, transportieren die verunreinigenden Ionen entlang der Oberfläche des Anionenaustauscherharzes zueinander benachbarte Teilchen und transferieren zur Regenerierung gegen das positive Potential. Wenn das Kationenaustauscherharzteilchen jedoch dem Anionenaustauscherharz benachbart ist, wird der Ionentransfer aufgrund der Differenz der Ionenaustauscherharze gestört und behindert, und die Effizienz der Regenerierung wird verschlechtert.
Auf der anderen Seite transportieren die verunreinigenden Ionen im Falle der Verwendung der Ionenaustauscherfasern, wie in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, sobald sie eingefangen sind, entlang der Oberfläche einer Kationenaustauscherfaser und transferieren gegen das negative Potential, wenn die Ionen Kationen sind. Die eingefangenen verunreinigenden Ionen transportieren, wenn sie Anionen sind, entlang der Oberfläche einer Anionenaustauscherfaser und transferieren zur Regenerierung gegen das positive Potential. Zum Unterschied zum Fall der Verwendung der granulatförmigen Ionenaustauscherharze ist, weil die Ionenaustauscherfaser als einzelne Faser kontinuierlich ist, die Effizienz der Regenerierung höher und es kann ein demineralisiertes Wasser mit höherer Reinheit erhalten werden.
Da die Ionenaustauscherfasern einzelne kontinuierliche Fasern umfassen, können Ionen leicht an der Oberfläche transportiert werden. Wenn jedoch eine Kationenaustauscherfaser und eine Anionenaustauscherfaser miteinander in Kontakt stehen und einen Kontaktpunkt besitzen, wird der Transfer der Kationen und Anionen am Kontaktpunkt behindert. Deshalb werden die ionisch inaktiven synthetischen Fasern zugemischt, um die gegenseitigen Kontaktpunkte zwischen den Anionen- und Kationenaustauscherfasern zu verringern, damit die Ionen rascher transferieren, um die Effizienz der Regenerierung weiter zu verbessern und ein demineralisiertes Wasser mit hoher Reinheit zu liefern. Zusätzlich kann der Einbau ionisch inaktiver synthetischer Fasern die Festigkeit des gesamten Stoffes verstärken.

Beispiele

Es werden nun Beispiele zur Herstellung von demineralisiertem Wasser unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Beispiel 1

Es wurde demineralisiertes Wasser hergestellt, während der Anteil der ionisch inaktiven synthetischen Fasern in einer die stark sauren Kationenaustauscherfasern, die stark basischen Anionenaustauscherfasern und die ionisch inaktiven synthetischen Fasern umfassenden Mischung in dem in die Verdünnungskammer einzubringenden Stoff verändert wurde.
Als stark saure Kationenaustauscherfasern wurden Fasern (IEF-SC (Handelsname), NITIVI Co., Ltd.) verwendet, die durch homogenes Dispergieren eines Sulfonsäurederivates von Styrol und Divinylbenzol in eine Matrix aus Polyvinylalkohol und Trockenverspinnen hergestellt wurden. Als stark basische Anionenaustauscherfasern wurden Fasern (IEF-SA (Handelsname), NITIVI Co., Ltd.) verwendet, die durch Zugabe von Polymethylammoniumgruppen zu einem Hauptskelett aus Polyvinylalkohol hergestellt wurden. Die beiden Ionenaustauscherfasern wurden jeweils mit identischer Ionenaustauschkapazität gemischt, und zur Mischung in wechselnden Anteilen Polyesterfasern als ionisch inaktive synthetische Fasern zugemischt, und zur Verwendung dann zu einem Faservlies verarbeitet.
Die verwendete Vorrichtung besaß die in Figur 1 dargestellte Struktur, mit der Ausnahme, daß die Vorrichtung drei Verdünnungskammern und zwei Konzentrationskammern umfaßte.
Jede der Verdünnungskammern, die das Faservlies (Stoff) enthielt (10 g/Kammer) war 390 mm lang, 130 mm breit und 1 mm dick. Jede der Konzentrationskammern, die nichts enthielten, war 390 mm lang, 130 mm breit und 2 mm dick.
Die verwendete Anionenaustauschermembran war SELEMION AMD (Asahi Glass Co., Ltd.) mit einer Länge von 390 mm und einer Breite von 130 mm. Die verwendete Kationenaustauschermembran war SELEMION CMD (Asahi Glass Co., Ltd.) mit einer Länge von 390 mm und einer Breite von 130 mm.
Das in diesem Fall zu behandelnde Wasser wurde hergestellt durch Lösen einer Mischung von 20 Gew.-% Natriumchlorid und 80 Gew.-% Natriumhydrogencarbonat in gereinigtem Wasser, und enthielt 10 ppm Salze als Calciumcarbonat. Das Salzenthaltende Wasser wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von 20 l/Stunde durch die Verdünnungskammern und beide Elektrodenkammern hindurchgeleitet. Salz-enthaltendes Wasser einer identischen Zusammensetzung wurde mit der gleichen Fließgeschwindigkeit auch durch die Konzentrationskammern hindurchgeleitet.
Gleichzeitig mit dem Wasserdurchtritt wurde ein Gleichstrom mit 200 mA an den Elektrodenplatten in beiden Elektrodenkammern appliziert und die elektrische Leitfähigkeit des behandelten Wassers aus den Verdünnungskammern gemessen. Die Ergebnisse sind in Figur 2 dargestellt. Das Diagramm zeigt den spezifischen Widerstand (Reziprokwert der elektrischen Leitfähigkeit) (auf der Ordinate) des behandelten Wassers bei Änderung der Menge der ionisch inaktiven synthetischen Fasern (auf der Abszisse) in dem in der Verdünnungskammer eingebetteten Stoff. Es ist aus den Ergebnissen ersichtlich, daß das Mischungsverhältnis der ionisch inaktiven synthetischen Fasern vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 20 bis 70 Gew.-%, und insbesondere innerhalb eines Bereiches von 30 bis 60 Gew.-%, liegt.

Beispiel 2

Unter Verwendung der gleichen Demineralisierungsvorrichtung wie im Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß die Dicke der Verdünnungskammer innerhalb eines Bereiches von 0,3 bis 5 mm geändert wurde, wurde ein Wasserdurchlauftest durchgeführt. Die Bedingungen waren identisch mit denen im Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß der Gehalt der ionisch inaktiven synthetischen Fasern in dem Stoff 50 Gew.-% betrug. Die Ergebnisse sind in Figur 3 dargestellt. Aus den Ergebnissen ist es ersichtlich, daß eine Erniedrigung des spezifischen Widerstandes des behandelten Wassers beobachtet wurde, wenn die Dicke der Verdünnungskammer 2 mm überstieg.

Beispiel 3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2

Unter Verwendung der gleichen Demineralisierungsvorrichtung wie im Beispiel 1 wurde ein Wasserdurchlauftest durchgeführt. In den Vergleichsbeispielen wurde die Wasserbehandlung unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, mit der Ausnahme, daß für das Füllen der Verdünnungskammer granulatförmige Ionenaustauscherharze anstelle des Stoffes verwendet wurden. Im Vergleichsbeispiel 1 wurde ein granulatförmiges stark saures Kationenaustauscherharz (DIAION PK112, Mitsubishi Kasei Corporation) und ein granulatförmiges starkes basisches Anionenaustauscherharz (DIAION SA10A, Mitsubishi Kasei Corporation) (I-Typ) in jeweils äquivalenter Menge eingefüllt (35 g/Kammer). Im Vergleichsbeispiel 2 wurde ein granulatförmiges stark saures Kationenaustauscherharz (DIAION PK 112, Mitsubishi Kasei Corporation) und ein granulatförmiges stark basisches Anionenaustauscherharz (DIAION SA20A, Mitsubishi Kasei Corporation) (II-Typ) in jeweils äquivalenter Menge gemischt eingefüllt (35 glkammer). Im erfindungsgemäßen Beispiel wurde hingegen der im Beispiel 1 beschriebene Stoff (Gehalt an ionisch inaktiver synthetischer Faser 50 Gew.-%) in die Verdünnungskammer eingebettet.
Als zu behandelndes Wasser wurde ein solches verschiedener elektrischer Leitfähigkeit (µS/cm), wie in Figur 4 dargestellt (auf der Abszisse) verwendet und unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 behandelt, und der spezifische Widerstand des behandelten Wassers gemessen. Die Ergebnisse sind in Figur 4 dargestellt. In der Figur stellt die durch Doppelkreise erhaltene Kurve das Beispiel 3 dar, die durch die dreieckigen Markierungen erhaltene Kurve das Vergleichsbeispiel 1, und die durch Einzelkreise erhaltene Kurve das Vergleichsbeispiel 2 dar. Aus der Figur 4 wird es klar, daß, im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen 1 und 2, in denen granulatförmige Ionenaustauscherharze in Verdünnungskammern eingefüllt wurden, mit dem erfindungsgemäßen Beispiel, in dem der eine Mischung der Ionenaustauscherfasern und der ionisch inaktiven synthetischen Fasern umfassende Stoff verwendet wurde, ein behandeltes Wasser mit einem höheren spezifischen Widerstand bereitgestellt werden kann, d.h. mit einer höheren Reinheit sogar in dem Fall, bei dem die elektrische Leitfähigkeit ziemlich hoch und die Ionenmenge in dem behandelten Wasser ziemlich groß ist.

Beispiel 4

Unter Verwendung der gleichen Demineralisierungsvorrichtung wie im Beispiel 1 wurde ein Durchlauftest mit zu behandelnden Wasser wie im Beispiel 1 durchgeführt. Der Gehalt an ionisch inaktiven Fasern im Stoff betrug 50 Gew.-%. Die angewendeten Bedingungen waren identisch mit denen des Beispiels 1, mit der Ausnahme, daß zwei Wasserdurchlaufrichtungen verwendet wurden, d.h. unter Verwendung eines nach oben gerichteten Stroms für die Wasserdurchlaufrichtungen sowohl in den Verdünnungskammern als auch in den Konzentrationskammern (in Figur 1 wurde Wasser vom Eintrittsrohr 121 für zu behandelndes Wasser zu den Verdünnungskammern in der Richtung der Pfeile geführt, und Wasser vom Eintrittsrohr 131 zu den Konzentrationskammern in Richtung der Pfeile geführt, wobei die Wasserdurchlaufrichtung identisch gemacht wurde. Dies wird als 1. Wasserdurchlauf bezeichnet) und unter Verwendung eines im Gegensatz zum 1. Wasserdurchlauf abwärts gerichteten Stromes zur Verdünnungskammer und Durchlaufenlassen des Wassers im aufwärtigen Strom in der gleichen Weise wie im 1. Wasserdurchlauf zu den Konzentrationskammern (als 2. Wasserdurchlauf bezeichnet).
Der spezifische Widerstand des resultierenden behandelten Wassers wurde gemessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
Daraus ist ersichtlich, daß der spezifische Widerstand des behandelten Wassers im Fall, in dem Wasser im aufwärtgerichteten Strom und im abwärtsgerichteten Strom zu den Verdünnungskammern geführt wurde, nicht verschieden war, und behandeltes Wasser mit hoher Reinheit erhalten werden konnte.

Claims

1. Demineralisierungsvorrichtung umfassend:

eine an einem Ende eines Behälters angebrachte Anodenkammer (3) mit einer Anode (2) im Innern der Anodenkammer (3);

eine am anderen Ende des Behälters (1) angebrachte Kathodenkammer (5) mit einer Kathode (4) im Innern der Kathodenkammer (5); und

mindestens eine Verdünnungskammer (81,82) und mindestens eine Konzentrationskammer (91,92), die alternierend zwischen der Anodenkammer (3) und der Kathodenkammer (5) angeordnet sind, wobei

die Verdünnungskammer (81,82) eine Anionenaustauschermembran (61,62) an der Seite der Anodenkammer und eine Kationenaustauschermembran (71,72) an der Seite der Kathodenkammer aufweist,

die Verdünnungskammer (81,82) einen Einlaß (121) für das zu behandelnde Wasser und einen Auslaß (122) für demineralisiertes Wasser besitzt,

die Konzentrationskammer (91,92) einen Einlaß (131) für Wasser und einen Auslaß (132) für mit Ionen angereichertem Wasser besitzt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verdünnungskammer (81,82) einen Stoff (101) enthält, der eine Mischung aus Fasern aus einem stark sauren Kationenaustauscher, Fasern aus einem stark basischen Anionenaustauscher und ionisch inaktiven synthetischen Fasern umfaßt.

2. Demineralisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Verdünnungskammern (81,82) zwischen der Anodenkammer (3) und der Kathodenkammer (5) angeordnet sind, eine Anionenaustauschermembran (61,62) an der Seite der Anodenkammer jeder der Verdünnungskammern (81,82) angeordnet ist, eine Kationenaustauschermembran (71,72) an der Seite der Kathodenkammer jeder der Verdünnungskammern (81,82) angeordnet ist, und die Konzentrationskammer (91,92) zwischen jeder der Verdünnungskammern (81,82) ausgebildet ist.

3. Demineralisierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der ionisch inaktiven synthetischen Fasern in der Mischung 20 bis 70 Gew.-% beträgt.

4. Demineralisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Fasern aus stark saurem Kationenaustauscher und der Fasern aus stark basischem Anionenaustauscher bezogen auf die Ionenaustauschkapazität im wesentlichen gleich sind.

5. Demineralisierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisch inaktiven synthetischen Fasern Polyester, Polyolefin oder Polyamid umfassen.

6. Demineralisierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus stark saurem Kationenaustauscher und die Fasern aus stark basischem Anionenaustauscher Polystyrole, Polyphenole, Polyvinylalkohole, Polyacrylat, Polyethylene oder Polyamide, die mit Kationenaustauschgruppen bzw. Anionenaustauschgruppen versehen sind, umfassen.

7. Demineralisierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenkammer (3) und die Kathodenkammer (5) einen Einlaß (111,113) und einen Auslaß (112,114) für eine Elektrolytlösung aufweisen.

8. Verfahren zur Demineralisierung von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß man Wasser durch die in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschriebene Vorrichtung hindurchleitet.