JP2001500783A

JP2001500783A - 電気脱イオン化装置と方法

Info

Publication number: JP2001500783A
Application number: JP10515023A
Authority: JP
Inventors: ガンジ，ゲイリー・シー; ディマスチオ，フェリス; ジュフリダ，アンソニー・ジェイ; ウィルキンス，フレデリック; スプリングソープ，ポール
Original assignee: ユナイテッド・ステイツ・フィルター・コーポレイション
Priority date: 1996-09-23
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2001-01-23
Also published as: US5858191A; DE69737481D1; US5868915A; DE69737481T2; EP0946301B1; EP0946301A1; WO1998011987A1

Abstract

(57)【要約】改良電気脱イオン装置および方法を提供する。電気脱イオン装置は電解質区画室、イオン濃縮区画室、およびイオン減少区画室を包含し、それらの中に電気的活性媒質を有する。外部電界の印加または帯電物質の存在によって電気的活性媒質を化学的または電気的性質が可逆的に変化するように誘導することができる。媒質の化学的または電気的性質の変化は媒質の搬送性または化学的性質に望ましい変化をもたらす。改良電気的活性媒質の含有は、処理する液体の温度および化学的条件下で局部的なｐＨの変化が脱イオン化される生成物にとって有害と思われる耐薬品性および耐熱性のある媒質を必要とする用途または伝統的な媒質が汚損しやすいと思われる環境におけるすぐれた、そしてより信頼性ある電気脱イオン化法をも提供する。

Description

【発明の詳細な説明】電気脱イオン化装置と方法発明の背景発明の分野本発明は、電気脱イオン化装置と方法に関し、より詳細には、化学的侵食、温度劣化、及び汚れに耐えるための特殊化電気活性媒質を取り入れ、同時に、電流分布とイオン化性能とを改良する電気脱イオン化装置と方法に関する。関連技術の説明電気脱イオン化（ＥＤＩ）は、電気的に活性な媒質と電位とを使用して、イオン輸送に影響を及ぼし、イオン化可能な化学種を液体から除去する方法である。電気的に活性な媒質は、イオン化可能な化学種を交互に集めて放出するか、または、イオンのまたは電子の置換機構により連続的にイオンの輸送を促進するように機能することができる。ＥＤＩ装置は、永久または一時的電荷を有する媒質を備えることができ、かつ、バッチ式で、断続的に、または連続的に動作できる。ＥＤＩ装置は性能を実現するかまたは高めるように、特に設計された電気化学的反応を引き起こすように動作でき、かつ、半透イオン交換またはバイポーラ膜のような電気的に活性な膜を備えることができる。連続脱イオン化、充填セル（filled cell）電気透析、またはエレクトロダイアレシス（electrodiaresis）（ＥＤＲ）のような方法を含む連続電気脱イオン化（ＣＥＤＩ）においては、電気的に活性な媒質のイオン輸送特性は、主要なサイジングパラメータである。こうした方法は、例えば、Kollsmanにより米国特許第2,815,320号に、Pearsonにより米国特許第2,794,777号に、Kressmanにより米国特許第2,923,674号に、Parsiにより米国特許第3,149,061号、同第3,291,713号に、Korngold et al.により米国特許第3,686,089号に、Davisにより米国特許第4 ,032,452号に、O'Hareにより米国特許第4,465,573号に、Kunzにより米国特許第4 ,636,296号、同第4,687,561号に、Giuffrida et al.により米国特許第4,632,745 号に説明される。典型的なＣＥＤＩ装置は、交互に、電気活性がある半透過性陰イオン及び陽イオンイオン交換膜を備える。膜と膜の間の間隔は、入口と出口とを有する液体フロー区画室を作り出すように構成される。横断するＤＣ電界を、膜と区画室との境界で電極を使用して、外部電源により課す。多くの場合電解質区画室は、電極からの反応生成物が他のフロー区画室から分離されるように設けられる。電界を課した時に、液体中のイオンは、その各々の対向電極に引き付けられる。陽極に対向する電気活性陰イオン膜と陰極に対向する電気活性陽イオン膜とが境界となる区画室はイオンが減少（ionically depleted）し、陰極に対向する電気活性陰イオン膜と陰極に対向する電気活性陽イオン膜とが境界となる区画室はイオンが濃縮する。イオン減少区画室の内部の体積、優先的にイオン濃縮区画室内部の体積もまた、電気的に活性な媒質で構成される。連続脱イオン化装置においては、媒質は十分に混合された陰イオン及び陽イオン交換樹脂を含むことができる。イオン交換媒質は、区画室内部のイオンの輸送を強化し、また、制御された電気化学的反応のための基体として関係することができる。形状はエレクトロダイアレシス装置と同様で、ただし媒質は、別個の、時として交互のイオン交換樹脂の層を備える。こうした装置においては、各層は実質的に同じ極性の樹脂（陰イオンまたは陽イオン樹脂）で構成され、脱イオン化対象となる液体は順次層を貫通して流れる。多数のＣＥＤＩ装置と方法とが首尾良く商品化されており、例えば、Giuffrid aにより米国特許第4,298,442号に、Giuffrida et al.により米国特許第4,632,74 5号に、Siu et al.により米国特許第4,747,929号に、Palmerにより米国特許第4, 804,451号に、Giuffrida et al.により米国特許第4,925,541号に、Giuffridaにより米国特許第4,931,160号及び同第4,956,071号に、Whiteにより米国特許第5,1 16,509号に、Oren et al.により米国特許第5,154,809号に、Giuffrida et al.により米国特許第5,211,823号に、Ganzi et al.により米国特許第5,308,466号及び同第5,316,637号に開示されている通りである。加えて、文献に説明される広範囲の装置があり、これには、Walters et al.，"Concentration of Radioactive Aqueous Wastes,"Ind．Eng．Chem.，Vol．47，1，pp．61-67(1995);Sammon et a l.,"An Experimental Study of Electrodeionization and Its Application to th e Treatment of Radioactive Wastes."AERE-R3137，Chemistry Division，U.K.A EA Research Group，Atomic Energy Rcsearch Establishmcnt，Harwell(June 19 60);Glueckauf，"Electrodeionization Through a Packed Bed,"British Chemic al Engineering，pp．646-651(December，1959);Matejka，"Continuous Product ion of High Purity Water by Electrodeionization,"J．Appl．Chem.Biotechno l.，Vol．21，pp．117-120(April，1971);Shaposhnik et al.，"Demineralizati on of Water by Electrodialysis with Ion-Exchanger Packing Between the Me mbranes,"Zhurnal Prikladnoi Khimii，Vol．46，12，pp．2659-2663(December ．1973);Korngold，"Electrodialysis Processes Using Ion Exchange Resins B etween Membranes,"Desalination，Vol.16，No.2，pp．225-233(1975);Kedem et al.，"Reduction of Polarization by Ion-Conduction Spacers,"Desalination ，Vol．27，pp．143-156(1978)が挙げられる。電力消費と膜面積とが低減し、より厳しい条件下で動作するための改良された信頼性と能力とを有する装置と方法とが必要とされている。多くの場合、ＣＥＤＩの適用可能性における制限要因は、装置内部の電気活性媒質が、処理対象となる液体の温度、化学的、及び汚れ条件に耐える能力である。そのような電気活性媒質を指定する際の一つの困難は、ほとんどの用途では、区画室と膜との内部に陰イオン及び陽イオン媒質の両方を取り入れる必要があることから生じる。しばしば諸条件は、所定の固定電荷の媒質に対し比較的に穏和であるが、逆に帯電した媒質により制約される。例えば、処理対象となる液体中の鉄の存在は、陽イオン交換樹脂と膜の汚れを生じることがあるが、陰イオン交換樹脂または膜の性能に影響しないと思われる。逆に、高温、塩素または中間分子量の弱い有機化合物の存在は、陰イオン交換樹脂と膜の劣化、酸化、または汚れを生じることがあるが、陽イオン交換樹脂または膜の性能に影響しないと思われる。他の場合には、ＣＥＤＩの性能は、装置が沈殿物により汚れるかまたは垢が付着した時の有効なクリーニング方法（cleaning regimen）を得る際の困難により制約される。クリーニング薬品を装置に導入するための方法を含むクリーニングの方針は、例えば、Giuffrida et al.により米国特許第4,753,681号に開示されている。この方針は、装置の電気活性成分の一つの化学的または温度耐性により、しばしば限定される。他の場合には、活性媒質から汚染物を完全に除去するのに有効なクリーニング薬品がないことである（根本原因は、媒質を永久イオン電荷と組合せる慣行である）。独立に、または、化学的クリーニングと組合せて、他の汚れ除去と垢除去の方針としては、外部電源の極性の逆転の実施が挙げられ、これは例えば、Giuffr ida et al.により米国特許第4,956,071号とKatz et al.により米国特許第5,026, 465号に説明される通りである。時には有効だが、この実施はまた、低い温度耐性で化学的耐性の媒質または永久固定電荷を有する媒質を取り入れることにより限定される。ＣＥＤＩの性能はさらに、装置に関して所望の電流分布を得る際の困難により限定される。永久電荷を有する電気活性媒質は、そのイオンの形態によっては、望ましくない方法でその電気抵抗特性を変えることがある。例えばＥＤＲにおけるナトリウムの水素イオンによる置換においては、ほとんどの陽イオン交換樹脂は、所望のナトリウムイオンの輸送よりも水素イオンを優先的に輸送する。これは、電気的非効率と、特定の状況では、液体内部の貴重な生成物に有害なpHシフトを引き起こすことがある。別の例においては、所定の電気活性媒質は、輸送特性に望ましいことがあり、これは例えば、連続脱イオン化とＥＤＲとのためのII 型陰イオン膜と樹脂であるが、水の水素と水酸化物イオンへのイオン化反応に触媒作用を及ぼす望ましくない特性を有することがある。その上、電解質区画室内部の気体の存在、不満足な流れ分布、低温度及び／または低コンダクタンス液体は、電流分布にとって有害なことがあり、それによって脱イオン化の効率が低減される。しかしながら、電解質区画室内部に一般的な酸化または還元条件の結果として、イオン交換樹脂類または活性炭類のような標準電気活性媒質（例えば、石炭を、約１０m²／gの界面面積と２０％までの灰不純物（ash impurity）とを有する小さい不完全な微粉（granular）に熱分解することで作製される炭素類）は、その化学的耐性が限定されているという理由から、電解質区画室の内部に取り入れることができない。電気化学的イオン交換（ＥＩＸ）と容量的脱イオン化（ＣａｐＤＩ）においては、電気活性媒質の輸送と容量とは、重要なサイジングパラメータである。ＥＩＸにおいては、電極反応は、電気活性媒質内部のイオンの置換反応に使用されるイオン類を生じる。典型的なＥＩＸ装置は、例えば、Hobro et al.により"Recyc ling of Chromium from Metal Finishing Waste Waters Using Electrochemical Ion Exchange,"Electrochemical Society，Symposium on Water Puriflcation ，PV94-19，pp．173-183(1994)に説明されるように、イオン交換膜を備えても備えなくてもよい。ＣＥＤＩ方法と同様に、ＥＩＸ装置の性能はしばしば、永久に帯電した媒質、限定された温度及び／または化学的耐性を有する媒質、及び／または望ましくないイオン輸送特性を持つ媒質を使用することにより限定される。ＣａｐＤＩにおいては、高表面積の、通常炭素型電極を使用して、極性を課した時にイオン類を吸着し、次に電界を除去または逆転した時にイオン類を脱着する。他の方法の場合のように、典型的なＣａｐＤＩ装置は、化学的耐性の低い電極の使用により制約されるか、または、陽イオン及び陰イオン吸着剤の両方としてまたはイオン吸着剤及び脱着剤の両方として、使用中に等しく良くまたは所望の方法で働くための媒質の制約により制約されることがある。従って、化学的侵食、温度劣化、及び汚れに耐性のある電気活性媒質を提供する、改良された電気脱イオン化装置が必要とされている。加えて、改良された電流分布と脱イオン化性能とを有する電気脱イオン化装置が必要とされている。永久に帯電した媒質、化学的にまたは電気化学的に誘導された環境の変動、及び／または外部から課せられた電界の存在、欠如、または逆転の存在下で、電気活性媒質は、電荷及び輸送特性を変化させる能力を有するべきである。その上、化学的環境によって電気化学的水分割（water splitting）を促進または限定する電気脱イオン化装置が必要である。最後に、電気脱イオン化装置の改良された運転方法を提供する必要がある。発明の要約従って本発明は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含む電気脱イオン化装置において、少なくとも一つの区画室内部に配置された電気活性媒質は、化学的、温度、及び汚れ耐性のある合成炭素質吸着剤類を含み、これは触媒特性、０．５％未満の灰不純物、及び約０．５と１．０mmの間の平均粒径を有する炭素質チャーであるような、電気脱イオン化装置を指向する。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含んで提供され、ここで、少なくとも一つの区画室内部に配置された電気活性媒質は、膨潤状態で超架橋したポリマー吸着剤樹脂ビーズであるような、化学的、温度、及び汚れ耐性のある超架橋した収着剤樹脂類を含む。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含んで提供され、ここで、少なくとも一つの区画室内部に配置された電気活性媒質は、化学的、温度、及び汚れ耐性のあるポリマー収着剤樹脂を含み、このポリマー収着剤樹脂は、約０．２と０．５cm³／gの範囲内の微細孔と、少なくとも約０．５cm³／gの中間細孔と、少なくとも約１．５cm³ ／gの全多孔率を有する、アルキレン橋かけハロアルキル化、ポロゲン改質、架橋コポリマービーズにより作製された、ポリマー吸着剤樹脂ビーズである。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含んで提供され、ここで、少なくとも一つの区画室内部に配置された電気活性媒質は、従来のイオン交換樹脂類と十分に混合されるか、または、従来のイオン交換樹脂類と共に層状床（layered bed）中に置かれる。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含んで提供され、ここで、区画室は半透膜及び透析膜により分割され、かつ、合成炭素質吸着剤類、超架橋収着剤樹脂類、ポリマー吸着剤樹脂類、及びその他同様なものは膜の電気活性成分である。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、化学的溶質、または温度サイクリング、及び／または電界極性サイクリングまたは逆転という条件下で動作できる。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含んで提供され、ここで、少なくとも一つの区画室内部に配置された電気活性媒質は、化学的、温度、及び汚れ耐性のある合成弱イオン化イオン交換樹脂類及びその他同様なものを含む。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含んで提供され、ここで、少なくとも一つの区画室内部に配置された電気活性媒質は、化学的、温度、及び汚れ耐性のある合成弱イオン化イオン交換樹脂類及びその他同様なものを含み、これは、従来のイオン交換樹脂類と十分に混合されるか、または、従来のイオン交換樹脂類と共に層状床中に置かれる。本発明の別の態様においては、弱イオン化樹脂類は、単独で、または、強イオン化イオン交換膜成分（同様なまたは逆の電荷を有する）と組合せて、電気脱イオン化装置中の電解質、イオン濃縮、及びイオン減少区画室を分割する、半透膜及び透析膜の電気活性成分である。電気脱イオン化装置は循環して動作して、その結果、以下のものの単独または組合せが生じる：（１）弱イオン化成分と接触している液体はpH循環して、その結果、弱イオン化樹脂は、イオン化形態から比較的に汚れていない、非イオン化形態にまで循環する；（２）電界強度及び／または極性は変更または逆転して、局在化水分割反応を生じ、その結果、弱イオン化樹脂類はイオン化形態から比較的に汚れていない、非イオン化形態にまで循環する；及び／または（３）液体は、典型的には多価または高分子量の帯電した溶質を含み、これは弱イオン化樹脂と反応して緊密結合（tightly bound）複合体を形成し、この複合体は樹脂の元の固定電荷を逆転し、動作可能な化学的に可逆の半固定電荷樹脂を作り出し、未処理の元の弱イオン化樹脂に基づいて通常伝達しないと思われる異極性のイオン類を伝達できる。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、電解質区画室、イオン濃縮及びイオン減少区画室を含んで提供され、ここで、少なくとも一つの区画室内部に配置された電気活性媒質は、例えばTomoi et al．により米国特許第5,518 ,627号に開示されるような、温度耐性のある強イオン化イオン交換樹脂、または、例えばFauteux et al.により米国特許第5,538,655号に開示される通り、イオン交換官能基を含む環状分子と会合して、ロタキサンを形成する線状ポリマー、またはその他同様なものを含む。本電気活性媒質と動作可能な方法の全ての組合せと変形は、必要が生じた時に、様々な液体脱イオン化用途における実施に利用できる。例えば、本発明の電気脱イオン化装置と方法は、垢付着及び汚れ耐性、温度耐性、化学的耐性、または電気的効率が無いために、現在実際には実行可能でない方法に適用できる。典型的な用途は、比較的に未処理の都市水と、比較的に未処理の井戸水及び汽水と、高分子電解質類、タンニン類、リグニン類、フルビック酸（fulvic acid）、及び他の極性または弱イオン化または大きなイオン化有機化合物類のような汚染物、鉄、硫化物、リン酸塩類、シリケート類、及び他の多価イオン類のような汚染物を含む水の精製及び軟化であると思われる。他の用途は、食品及び飲料、糖類及び様々な糖分別及び化学的改質、デンプン類、乳及び乳副産物、ホエーのようなチーズ製造の副産物の処理及び加工と、タンパク質類、アルコール飲料のような様々な発酵方法の生成物、医薬製品及びその他同様なものの精製及び分別と、汚染物及び化学的酸化剤類の存在下でのイオン置換を必要とする化学、医薬、食品及び飲料産業における処理と、低レベル放射性廃棄物流中の混合溶質と、重金属及び有機化合物類を含む廃水流と、高温での運転が必要なまたは加熱または化学的酸化剤類による殺菌または衛生化が必要な食品及び飲料、化学、医薬、電力及び化学産業等の産業における液体と、にあると思われる。図面の簡単な説明本発明の好ましく、かつ限定するものではない実施例を、例として添付図面に関して説明する。図１は、本発明による装置のイオン減少及びイオン濃縮区画室中に、特殊化電気活性媒質を取り入れる電気脱イオン化装置の概略断面図である。図２は、本発明による装置の電解質区画室中に、特殊化電気活性媒質を取り入れる電気脱イオン化装置の概略断面図である。図３は、本発明による装置のイオン減少、イオン濃縮、及び電解質区画室中に、特殊化電気活性媒質を取り入れる電気脱イオン化装置の概略断面図である。発明の詳細な説明本発明は、化学的侵食、温度劣化、及び汚れに耐性のある電気活性媒質を含む電気脱イオン化装置と方法とを指向する。電気脱イオン化装置は、改良された電流分布と脱イオン化性能とを有し、その化学的環境によって電気化学的水分割を促進または限定できる。永久に帯電した媒質、化学的にまたは電気化学的に誘導された環境の変動、及び／または外部から課せられた電界の存在、欠如、または逆転の存在下で、電気活性媒質は、電荷及び輸送特性を変化させることができる。本発明のために、電気脱イオン化装置は、連続電気脱イオン化、エレクトロダイアレシス、充填セル電気透析、電気化学的イオン交換、容量的脱イオン化、及びその他同様なもののような技術に基づくことができる。その上、電気脱イオン化装置は、様々な形状に基づくことができ、例えば、Rychen et al.により米国特許第5,376,253号により開示された通りの螺旋形設計、平板形設計、及び例えばL iang et al.により米国特許第5,292,422号に開示された通りの中央ハブと上側及び下側表面を有し電気的に不活性な円板形のスペーサを備える円形設計である。図１の断面図に示すように、本発明の電気脱イオン化装置の一つの実施例は、イオン減少区画室１０とイオン濃縮区画室１２とを含む。区画室は、イオン透過可能な膜１３と１４、典型的には剛直な材料から形成されているスペーサ（図示せず）を含む。イオン透過可能な膜１３と１４は、典型的には区画室の両側の外周に封止される。特殊化電気活性媒質１５は、中央の空間内部に収容され、典型的には、イオン透過可能な膜１３と１４との間に形成されるリブ（図示せず）を含む。動作中、精製対象となる液体は、電気脱イオン化装置中の少なくとも一つのユニットを通過し、このユニットは、イオン減少区画室１０とイオン濃縮区画室１２と膜１３と１４とを備える。典型的には、電気脱イオン化装置中には５と１００の間のユニットがあり、適切な液体流通容量を提供する。イオン減少区画室１０とイオン濃縮区画室１２との中に利用される特殊化電気活性媒質１５は、第三級アルキルアミノ基のような弱い塩基性基をその表面領域中に有する多くの陰イオン樹脂材料、または例えばジメチルエタノールアミンのようなII型官能基をその表面領域に含む陰イオン樹脂材料を含むことができる。こうした材料は、Ｉ型官能基（第四級アンモニウム基）をその表面領域中に含む樹脂材料を組合せて使用する。Simonsにより"The Origin and Elimination of W ater Splitting in Ion Exchange Membranes During Water Demineralization b y Electrodialysis,"Desalination，28(1979)，41-42において開示されるように、限界電流を超える電流値では、水は逆に帯電した材料同士の間の界面で解離するのみであり、そこでは、陰イオン材料は表面領域に弱い塩基性基、例えば第三級アルキルアミノ基を含む。こうした材料は、例えば、ＤＯＷＥＸ^TMＷＢＡ陰イオン樹脂類（Dow Chemical Company，Midland，MIの商標）として市販されている。加えて、表面領域でII型官能基、例えば、ジメチルエタノールアミンを含む陰イオン材料を、弱い塩基性基を有する材料と共にまたは代わりに使用できる。こうした材料は、例えば、ＡＭＢＥＲＪＥＴ^TM ４６００II型陰イオン樹脂類（ Rohm & Haas Corporation，Philadelphia，PAの商標）、及び、ＤＯＷＥＸ^TMＳＡＲII型陰イオン樹脂類（Dow Chemical Company，Midland，MIの商標）として市販されている。第四級アンモニウム基が第三級アルキルアミン基に酸化されなければ、水の解離は、Ｉ型官能基（第四級アンモニウム基）を表面領域で含む陰イオン樹脂材料を使って起きることはない。次の通りである。酸化Ｒ−ＣＨ₂Ｎ（ＣＨ₃）₃ ⁺−−−＞Ｒ−ＣＨ₂Ｎ（ＣＨ₃）₂＋ＣＨ₃ ⁺ 第三級アルキルアミン基は次にプロトン化反応を起こし、プロトン化Ｒ−ＣＨ₂Ｎ（ＣＨ₃）₂＋Ｈ₂Ｏ−−−＞Ｒ−ＣＨ₂Ｎ（ＣＨ₃）₂Ｈ⁺＋ＯＨ^-Ｒ− ＣＨ₂Ｎ（ＣＨ₃）₂Ｈ⁺を次に反応させて、第三級アルキルアミンと水素イオンとを形成する。Ｒ−ＣＨ₂Ｎ（ＣＨ₃）₂Ｈ⁺−−−＞Ｒ−ＣＨ₂Ｎ（ＣＨ₃）₂＋Ｈ⁺ 全反応は水の解離である。従って、電気脱イオン化装置においては、第四級アンモニウム基を含む陰イオン樹脂、例としてしかし限定せずに、ＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ａ、ＤＯＷＥＸ^TM １１、ＡＭＢＥＲＪＥＴ^TM ４２００樹脂、が必要であり、というのはこれらは全pH範囲に沿って溶液中で解離でき、中性塩類を分割して交換できるからである。本発明の特殊化電気活性媒質も、ジメチルエタノールアミンまたは第三級アルキルアミン基を有する陰イオン樹脂を含むことで、水解離のための触媒要件を満足させ、陰イオン樹脂を再生するために利用できる水酸基イオンを作る。過剰の水の解離は、必要な水酸基イオン濃度を提供でき、二酸化炭素及びシリカのような弱イオン化化学種の除去を強化する。従って本発明の一つの態様においては、Ｉ型官能基（第四級アンモニウム基）を含む陰イオン樹脂材料を改質して、その結果、これらは全pH範囲に沿って溶液中で中性塩を解離、分割及び交換し、及び水を解離する能力を有する。第四級アンモニウム基を含む陰イオン樹脂を改質する方法としては、例えば、（１）ジメチルエタノールアミンまたは第三級アルキルアミン基を含む少量の陰イオン樹脂を、第四級アンモニウム基を含む陰イオン樹脂に加える、（２）樹脂を強アルカリ性塩溶液と接触させることで、第四級アンモニウム基を含む陰イオン樹脂を化学的に酸化する、または（３）樹脂を熱水または塩溶液と接触させることで、第四級アンモニウム基を含む陰イオン樹脂を熱酸化する、が挙げられる。図２における断面図に示すように、本発明の電気脱イオン化装置の別の実施例は、イオン減少区画室とイオン濃縮区画室（図示せず）とを有し、典型的には、陽極液区画室２０と陰極液区画室２１とが境界になる。典型的には、端部ブロックは端板（図示せず）に隣接して配置され、陽極２２と陰極２３とを収容し、そして示すように、特殊化電気活性媒質２４を陽極と陰極に隣接して収容できる。イオン透過可能な膜１３と１４は、陽極液区画室２０と陰極液区画室２１の両方の外周に封止される。陽極液区画室と陰極液区画室に供給された液体は、希薄または濃縮溶液とすることができ、直列または並列で上流または下流に流れる。連続電気脱イオン化装置においては、電極は、金属電極に供給される電子電流を必要なイオン電流に変換する手段として使用される。水素イオンは、陰極液区画室中の陰極で還元されて水素気体になり、塩基性環境を作り出し、水酸基イオン並びに塩化物イオンは、陽極液区画室中の陽極で酸化され、酸性環境を作り出す。こうした生成物は、脱イオン化処理において使用させず、この処理では積極的な役目を果たさない。イオン電流を、イオン減少区画室中での脱イオン化に使用する。脱イオン化のためのモジュールに印加された電力を効果的に使用するために、電解質区画室により作り出される抵抗を最小限に保つことが重要である。一般に、従来の電解質区画室は、流通（flow-through）ポリエステルスクリーンを使用して、流体をセルを貫通して流れさせ、膜を支持し、乱流を促進する。しかしながら、不活性ポリエステルスクリーンが有する導電特性は不満足なものであり、約５０％開口面積（open area）を有し、これはＤＣ電流の流れを抑制する。これはまた、接触のために露出された最大可能支持表面と膜面積とを提供しない。こうした因子は高オーム損を生じ、区画室に供給された液体の電気伝導度が希薄な時は、逆浸透（ＲＯ）浸透液のように、オーム損はかなりのものになる。本発明の実施例においては、図２に示すように、陽極液区画室２０と陰極液区画室２１とに使用される特殊化電気活性媒質２４としては、イオン交換樹脂類に限定されるものではないが、例えばＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TMシリーズ樹脂と、ＤＯＷＥＸ^TM ＷＢＡ陰イオン樹脂と、ＤＯＷＥＸ^TM １１陰イオン樹脂と、ＤＯＷＥＸ^TM ＳＡＲ陰イオン樹脂と、ＡＭＢＥＲＪＥＴ^TMシリーズ樹脂と、合成活性炭類と、ＰＵＲＯＬＩＴＥ^TM ＨＹＰＥＲＳＯＬＭＡＣＲＯＮＥＴ^TM 収着剤樹脂類（Purolite Company，Bala Cynwyd，PAの商標）のような超架橋収着剤樹脂と、ＡＭＢＥＲＳＯＲＢ^TM炭素質吸着剤類（Rohm & Haas Corporatio nの商標）及びＧ−ＢＡＣ^TM吸着剤類（Kureha Chemical Industry Co.，Ltd.，J apanの商標）のような合成炭素質吸着剤類と、アルキレン橋かけハロアルキル化し、ポロゲン改質した、架橋コポリマービーズにより作製されたポリマー吸着剤樹脂ビーズで、約０．２と０．５cm³／gの範囲内の微細孔と、少なくとも約０．５cm³／gの中間細孔と、少なくとも約１．５cm³／gの全多孔率を有し、例えば、 stringfieldにより米国特許第5,460,725号に開示されているようなものと、Hayd enにより米国特許第5,444,031号に及びMatviya et al.により米国特許第5,356,8 49号に開示されている触媒炭素とを含むことができる。陽極液２０と陰極液区画室２１中に使用される好ましい特殊化電気活性媒質２４は、化学、温度、及び汚れ耐性のある合成炭素質吸着剤類である。この材料は、触媒特性、灰不純物０．５％未満、及び平均粒径約０．５と１．０mmとの間を有する炭素質チャーである。炭素及びイオン交換樹脂類が、良好な導電特性を有することは周知である。こうした材料を陽極液または陰極液区画室中の静的フィラーとして使用する時には、これらは、隣接する膜と電極表面との間の支持導電性ブリッジを形成する。こうした材料の各々は、電気を異なった方法で伝導する。炭素は電子の伝達により導電し、それに反してイオン交換樹脂類はイオン類の伝達による。炭素は電極と接触している時は、この炭素は電極と同じ極性に分極し、本質的に電極の延長部のように働く。陰極では炭素は電子を吸収し、過剰の陽イオン類を引き付ける。逆の過程が陽極で起きる。陽極は炭素から電子を引き、次に電子を炭素から追い払い、次に陽イオンを追い払い、陰イオンを引き付ける。正味の効果は、陰極が電子を供給する時に、ナトリウムイオンが陰極に引かれ、陽極は電子を受け、陰イオンは陽極に引かれる。この電極吸着過程は最小量の抵抗で電流を通すことができ、電解質区画室中のオーム損を低減する。電極吸着は、Kede m et al.による米国特許第4,226,688号、同第5,240,579号及びKedem et al."Sea led Cell Eletcrodialysis"，Desalination，46(1983)291-299で調査されている。Cooperによる米国特許第5,434,020号とNayakによる米国特許第4,473,450号は、金属電極に関連して炭素材料を使用することを開示している。イオン交換樹脂材料を電解質区画室中で使用する際は、これは不動電解質として働く。これらは、イオン移動用媒質並びに吸着用媒質となる。樹脂類は比較的に高濃度の帯電した部位を有し、典型的には約２当量／リットルを有する。これらは電極同士の間の導電網を増加させ、また、イオン類の移動を高めることにより電荷の伝達を増大する。電解質区画室中のイオン交換樹脂の使用は、Parsiによる米国特許第3,149,061号、同第3,291,713号、Kressmanによる米国特許第2,92 3,674号、Cawlfield et al.による米国特許第5,254,227号、Kazcur et al.による米国特許第5,223,103号、同第5,092,970号、同第5,106,465号、同第5,084,148 号、Bellによる米国特許第5,451,309号及びDiMascio et al．"Electrochemical Deionization,"Electrochemical Society，Proceedings of the Symposium on Water Purification by Photocatalytic，Photochemcial，and Electrochemical Processes，PV 94-19，pgs．164-172(1994)に開示されている。図３における断面図に示すように、本発明の電気脱イオン化装置の別の実施例は、イオン減少区画室１０、イオン濃縮区画室１２及びイオン透過可能な膜１３と１４を含む。第一の特殊化電気活性媒質１５は、イオン透過可能な膜同士の間に収容される。加えて、陽極液区画室２０と陰極液区画室２１とは、各々陽極２２と陰極２３とを収容し、陽極と陰極に隣接してさらに特殊化電気活性媒質２４を含む。電気活性媒質はまた、動的フィラーとして使用でき、ここで、こうした材料は動作最中は電解質区画室に連続的に懸濁される（slurry through）。これは、懸濁電極と呼ばれる。輸送と分極の研究の最中に、電解質区画室によるpH変化を避けるための炭素懸濁電極の使用は、Warshawsky et al.により"Thermally Regene rable Ploymerable Polymeric Crown Ethers,"J.Polymer Science，pgs．579-5 84に開示される。イオン濃度区画室におけるこうした材料の使用は、電解質区画室におけるものと同じ効果を有する。こうしたものは、隣接する膜同士の間の支持導電ブリッジを形成する静的または動的フィラーとして使用できる。こうした材料は、電流が貫通して進まなければならない媒質の抵抗を低減することにより、濃縮区画室中のオーム損を低減し、電流の流れを高める。これらは、膜のための最大可能支持表面を提供し、接触のために露出した最大可能膜面積を提供し、電流がモジュールを貫通してより均等に流れることを可能にする。本発明の別の態様においては、電気脱イオン化装置は、化学的溶質、または温度サイクリング、及び／または電界極性サイクリングまたは逆転という条件下で動作できる。電気脱イオン化の性能は、沈殿物により汚れるかまたは垢が付着した装置をクリーニングする際の困難により限定される。例えば、電気脱イオン化クリーニング手順としては、電界極性サイクリングまたは逆転、温度サイクリング、及びまたは化学的溶質（またはpH）サイクリングの有無に関わらず、化学的クリーニングが挙げられる。弱イオン化成分を含む電気活性媒質に関しては、媒質の化学的性質は官能基の酸または塩基強度により制御される。−ＣＯＯ^-のような弱い酸性基は高pHでのみイオン化される。低pHでは、これらはＨ⁺と結合し、非解離の−ＣＯＯＨを形成し、従って官能基としてはもはや働かない。同様に、−ＮＨ₃ ⁺のような弱い塩基性基はプロトンを失い、pHが高い時には、非帯電した−ＮＨ₂を形成する。従って、接触液体をpH循環させる場合、電気活性媒質の一つまたは全ての成分はイオン化から非イオン化形態に循環でき、汚れ除去の方法となる。電界強度及び／または極性を変更または逆転して、局在化水分割反応を生じさせた場合、電気活性媒質の一つまたは全ての成分はイオン化から非イオン化形態に循環でき、汚れ除去の方法となる。温度サイクリングもまた、衛生のための手段として、電界極性サイクリングまたは逆転、及び／または化学的溶質（またはpH）サイクリングと組合せて、または独立に使用できる。そのような温度サイクリングとしては、温度を約１５分で周囲から８５℃までランピングし、この温度を約６０分間維持し、温度を約１５分で８５℃から周囲にまで冷却する。本発明を次の実施例によりさらに示すが、この実施例は本質的に例示するものであり、本発明の範囲を限定するとみなされるものではない。実施例次の実施例では、小型連続脱イオン化モジュールを使用した。逆浸透浸透液流を、電気伝導度約１．０μＳ／cmと約３．０μＳ／cmとの間で、温度１５〜１８ ℃で各試料中に供給物として使用した（言及するものを除く）。モジュールは、公称流量約２００ml／セル−対、生成物回収率約６７パーセントで動作した。モジュールに印加したＤＣ電圧は、３と４ボルト／セル対の間だった。実施例を通して、インライン電気伝導度測定を８３２デジタル抵抗指示器（Th orton，Waltham，MAから入手可能）で行い、水温はＧＴ−３００インライン温度計（Tel-Tru Manufacturing Co.，Rochester，NYから入手可能）、水流量は０．４〜４．０lpm流量計（Blue White，Westminster，CAから入手可能）で測定した。定電圧／アンペア数電源でモジュールに電力を供給した（BK Preclsion，Chic ago，ILから入手可能）。ＣＯ₂濃度は、水酸化ナトリウムを使った容量滴定（vo lumetric titration）により決定し、フェノールフタレイン終点pH８．３だった。実施例Ｉ本発明の電気脱イオン化装置の有効性を、イオン減少及びイオン濃縮区画室中に標準強酸陽イオンと強塩基陰イオン交換樹脂類とを利用し、従来の電気脱イオン化装置と比較して評価した。本発明の電気脱イオン化装置は、特殊化電気活性媒質を利用し、ここで、あるパーセントの強塩基陰イオン交換樹脂を、イオン減少及びイオン濃縮区画室中で、弱塩基またはII型陰イオン樹脂で置き換え、これは図１に示す通りである。このユニットをＣＯ₂除去と電気抵抗とに関して評価した。二つの電気脱イオン化モジュールを組み立てるために、測定済み体積の従来のイオン交換樹脂混合物、または、特殊化電気活性媒質と従来のイオン交換樹脂との混合物を、各モジュールスペーサに注いでセル体積を完全に充填し、スペーサの上に膜を置き、封止した。対照モジュールを作製するために、イオン減少及びイオン濃縮区画室に従来のイオン交換樹脂混合物を充填し、これは７０／３０の比のＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ａ陰イオン樹脂類及びＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ｃ陽イオン樹脂類（Dow Chemical Company，Midland，MI の商標）を有した。第二のモジュールであるモジュールＡを作製するために、イオン減少及びイオン濃縮区画室に、特殊化電気活性媒質と従来のイオン交換樹脂との混合物を充填し、これは６３／７／３０の比のＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ａ陰イオン樹脂類、ＡＭＢＥＲＪＥＴ^TM ４６００II型陰イオン樹脂類、及びＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ｃ陽イオン樹脂類を有した。供給水中のＣＯ₂濃度を２０ppmに増加させ、モジュールの性能をＣＯ₂除去と電気抵抗とに関して評価し、これは下記の表１に報告する通りである。表１に報告したように、２０ppmＣＯ₂供給レベルでは、両方のモジュールに関して生成物抵抗は、１８MΩ−cmを超え、ＣＯ₂の大部分が除去されたことが示され、モジュールＡの電気抵抗は対照モジュールよりも約１４％低かった。供給水中のＣＯ₂濃度は次に増大して４０ppmになり、モジュールの性能をＣＯ₂ 除去と電気抵抗とに関して評価し、これは下記の表２に報告する通りである。表２に報告したように、４０ppmＣＯ₂供給レベルでは、モジュールＡの生成物抵抗は対照モジュールを超え、ＣＯ₂の９７％を超える量が除去された。モジュールＡの電気抵抗は、対照モジュールよりも約３０％低かった。従って、II型陰イオン樹脂をモジュールＡ中の強塩基陰イオン樹脂に加えることで、水解離を誘導し、必要な水酸基イオン濃度を得ることで、高ＣＯ₂レベルでのＣＯ₂除去を高め、一方電気抵抗を下げた。実施例II 本発明の電気脱イオン化装置の有効性を、電解質区画室中に標準ポリエステルスクリーンを利用し、従来の電気脱イオン化装置と比較して評価した。本発明の電気脱イオン化装置を、図２に示すように、電解質区画室中に特殊化電気活性媒質を用いて評価した。ユニットを電気抵抗に関して評価した。三つの電気脱イオン化モジュールを組み立てるために、端板の上にモジュール端部枠（凹み付き電極を含む）を置き、測定済み体積の合成炭素吸着剤またはイオン交換樹脂の混合物を凹形領域（電極の上に）注ぎ、材料の上に膜を置き、封止した。対照モジュールを作製するために、電解質区画室中に従来のポリエステルスクリーンを使用した。第二のモジュールであるモジュールＡを作製するために、電解質区画室中に１００％Ｇ−ＢＡＣ^TM合成炭素吸着剤を使用した。第三のモジュールであるモジュールＢを、イオン交換樹脂の混合物を使って作製し、これは７０／３０の比のＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ａ陰イオン樹脂類及びＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ｃ陽イオン樹脂類を電解質区画室中に有した。モジュールの性能を電気抵抗に関して評価し、これは下記の表３に報告する通りである。表３に報告したように、モジュールの電気抵抗は、電解質区画室中に合成炭素吸着剤を使用した際に、１２×だけ減少し、生成物抵抗には変化がなかった。モジュールの電気抵抗は、電解質区画室中にイオン交換樹脂を使用した際に、１１ ×だけ減少した。生成物抵抗は、１８MΩ−cmを超え、運転の３００時間後に次第に減少した。全評価にわたって平均生成物抵抗は、１６MΩ−cmを超えた。モジュールは、消耗から再生形態への自然な樹脂膨潤の結果として、３００時間後に漏れ始めた。漏れは電解質区画室中の流体分布に影響したかもしれず、モジュールを通して、生成物抵抗の減少を生じた。合成炭素吸着剤ビーズは、１４×ほども電気抵抗を低減した。電解質区画室の抵抗を取り除いた場合、モジュールの電気抵抗を約７×低減すると思われることが確定している。これは、電解質区画室の電気抵抗が減少したのみならず、モジュールを通して電流分布は改良され、モジュールの有効面積が増大したことを示している。実施例III 本発明の電気脱イオン化装置の有効性を、イオン減少及びイオン濃縮区画室中に、標準強酸陽イオンと強塩基陰イオン交換樹脂を、及び電解質区画室中に標準ポリエステルスクリーンを利用して、従来の電気脱イオン化装置と比較して評価した。本発明の電気脱イオン化装置は、特殊化電気活性媒質を利用し、ここで、あるパーセントの強塩基陰イオン交換樹脂を、イオン減少及びイオン濃縮区画室中で、弱塩基またはII型陰イオン樹脂で置き換え、及び特殊化電気活性媒質を電解質区画室中に使用し、これは図３に示す通りである。ユニットを低温で、ＣＯ₂ 除去に関して評価した。二つの電気脱イオン化モジュールを組み立てた。対照モジュールを作製するために、イオン減少及びイオン濃縮区画室に従来のイオン交換樹脂混合物を充填し、これは７０／３０の比のＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ａ陰イオン樹脂類、及びＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ｃ陽イオン樹脂類を有し、また、電解質区画室中に従来のポリエステルスクリーンを使用した。第二のモジュールであるモジュールＡを作製するために、イオン減少及びイオン濃縮区画室に、特殊化電気活性媒質と従来のイオン交換樹脂との混合物を充填し、これは６３／７／３０の比のＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ａ陰イオン樹脂類、ＡＭＢＥＲＪＥＴ^TM ４６００II型陰イオン樹脂類、及びＤＯＷＥＸ^TM ＭＡＲＡＴＨＯＮ^TM Ｃ陽イオン樹脂類を有し、また、電解質区画室中に１００％Ｇ−ＢＡＣ^TM 合成炭素吸着剤を使用した。供給水中のＣＯ₂濃度は増大して２０ppmになり、供給水の温度は約７℃に減少した。モジュールの性能をＣＯ₂除去と電気抵抗とに関して評価し、これは下記の表４に報告する通りである。データは、合成炭素吸着剤を充填した電解質区画室とイオン減少及びイオン濃縮区画室中に７％II型陰イオン樹脂混合物とを使用したモジュールは、低温水からＣＯ₂を除去することができたことを示している。モジュールの電気抵抗は約９×だけ減少し、生成物抵抗は大幅に増大した。合成炭素吸着剤は、電解質区画室のための最良の媒質材料であると思われる。イオン交換樹脂は、膨潤と、酸化薬品及び温度に対する耐性が低いという理由から、比較して望ましくない。ビード形態での炭素は、隣接する膜のために最大可能支持表面を提供し、接触のために露出した最大可能面積を提供し、電流をより均等に流れさせる。本発明の個々の実施例を、説明のために詳細に述べたが、様々な変更と修正を、本発明の範囲と精神とから逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、添付の請求の範囲による場合を除いては限定されるものではない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年１０月１５日（１９９８．１０．１５）【補正内容】１．イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極および陰極、陽極液区画室および陰極液区画室、ならびに該イオン濃縮区画室およびイオン減少区画室の少なくとも１つの中に配置された電気的活性媒質を含む電気脱イオン装置であって、該電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプＩＩの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む電気脱イオン装置。２．該電気的活性媒質をアニオン交換樹脂ビーズおよびカチオン交換樹脂ビーズと積層させる請求項１記載の電気脱イオン装置。３．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項１記載の電気脱イオン装置。４．イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極液区画室および陰極液区画室、ならびに該陽極液区画室および該陰極液区画室の少なくとも１つの中に配置された電気的活性媒質を含む電気脱イオン装置であって、該電気的活性媒質が、合成活性炭、架橋過多の収着剤樹脂、合成炭素質吸着剤、高分子吸着剤樹脂、および触媒炭素からなる群から選ばれる電気脱イオン装置。２８．イオン減少区画室、陽極および陰極、ならびに該イオン減少区画室中に配置された特殊電気的活性媒質を含み、該特殊電気的活性媒質が耐熱性のあるイオン交換樹脂物質を含む電気脱イオン装置。２９．該特殊電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプIIの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３０．該特殊電気的活性媒質が、さらに合成炭素質吸着剤を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３１．該特殊電気的活性媒質が膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項２８記載の電気脱イオン装置。３２．該特殊電気的活性媒質が、ハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３３．該特殊電気的活性媒質がロートキサン（ｒｏｔｏｘａｎｅ）類を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。６２．該特殊電気的活性媒質が、弱塩基の碁を有するアニオン樹脂物質、タイプIIの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６３．該特殊電気的活性媒質が、さらに合成炭素質吸着剤を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６４．該特殊電気的活性媒質が、膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項６１記載の電気脱イオン装置。６５．該特殊電気的活性媒質がハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６６．該特殊電気的活性媒質がロートキサン類を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６７．該特殊電気的活性媒質が触媒の電気的活性物質を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６８．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該特殊電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項６１ないし６７のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。６９．該特殊電気的活性媒質をアニオン交換樹脂物質およびカチオン交換樹脂物質と混合または積層させる請求項６１ないし６７のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。７８．該電気的活性媒質がさらにイオン交換樹脂を含む請求項４記載の電気脱イオン装置。７９．該電気的活性媒質が該イオン減少区画室の少なくとも１つの中に配置される請求項４記載の電気脱イオン装置。８０．該電気的活性媒質が該イオン濃縮区画室の少なくとも１つの中に配置される請求項４記載の電気脱イオン装置。８１．該特殊電気的活性媒質が、さらに耐薬品性および耐汚損性のあるイオン交換樹脂物質を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ディマスチオ，フェリスアメリカ合衆国ニューハンプシャー州 03062，ナシュア，ウエサーズフィールド・ロード 67 (72)発明者ジュフリダ，アンソニー・ジェイアメリカ合衆国マサチューセッツ州01845, ノース・アンドーバー，チェストナット・ストリート 254 (72)発明者ウィルキンス，フレデリックアメリカ合衆国マサチューセッツ州01463, ペッペレル，ピーオーボックス 453 (72)発明者スプリングソープ，ポールイギリス国ノーサンプトンエヌエヌ５・６ピーエイチ，ダストン，スティーブン・ベネット・クロース 15

Claims

【特許請求の範囲】１．イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極および陰極、陽極液区画室および陰極液区画室、ならびに該イオン濃縮区画室およびイオン減少区画室の少なくとも１つの中に配置された電気的活性媒質を含む電気脱イオン装置であって、該電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプIIの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む電気脱イオン装置。２．該電気的活性媒質をアニオン交換樹脂ビーズおよびカチオン交換樹脂ビーズと混合または積層させる請求項１記載の電気脱イオン装置。３．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項１記載の電気脱イオン装置。４．イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極液区画室および陰極液区画室、ならびに該陽極液区画室および該陰極液区画室の少なくとも１つの中ならびに該イオン濃縮区画室および該イオン減少区画室の少なくとも１つの中に配置された電気的活性媒質を含む電気脱イオン装置であって、該電気的活性媒質が、イオン交換樹脂物質、合成活性炭、架橋過多の収着剤樹脂、合成炭素質吸着剤、高分子吸着剤樹脂、および触媒炭素からなる群から選ばれる電気脱イオン装置。５．該電気的活性媒質を該陽極液区画室と該陰極液区画室との両者の中に配置された請求項４記載の電気脱イオン装置。６．該電気的活性媒質を該イオン濃縮区画室と該イオン減少区画室との両者の中に配置した請求項５記載の電気脱イオン装置。７．該電気的活性媒質をアニオン交換樹脂ビーズおよびカチオン交換樹脂ビーズと混合または積層させる請求項４記載の電気脱イオン装置。８．該電気的活性媒質をアニオン交換樹脂ビーズおよびカチオン交換樹脂ビーズと混合または積層させる請求項５記載の電気脱イオン装置。９．該電気的活性媒質をアニオン交換樹脂ビーズおよびカチオン交換樹脂ビーズと混合または積層させる請求項６記載の電気脱イオン装置。１０．該電気的活性媒質が合成炭素質吸着剤を含む請求項４記載の電気脱イオン装置。１１．該電気的活性媒質が合成炭素質吸着剤を含む請求項５記載の電気脱イオン装置。１２．該電気的活性媒質が合成炭素質吸着剤を含む請求項６記載の電気脱イオン装置。１３．該合成炭素質吸着剤が触媒特性を有する炭素質チャーである請求項１０記載の電気脱イオン装置。１４．該合成炭素質吸着剤が触媒特性を有する炭素質チャーである請求項１１記載の電気脱イオン装置。１５．該合成炭素質吸着剤が触媒特性を有する炭素質チャーである請求項１２記載の電気脱イオン装置。１６．該電気的活性媒質が、膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項４記載の電気脱イオン装置。１７．該電気的活性媒質が、膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項５記載の電気脱イオン装置。１８．該電気的活性媒質が、膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項６記載の電気脱イオン装置。１９．該電気的活性媒質が、ハロアルキル化されたポロゲン（ｐｏｒｏｇｅｎ）変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項４記載の電気脱イオン装置。２０．該電気的活性媒質が、ハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項５記載の電気脱イオン装置。２１．該電気的活性媒質が、ハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマーのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項６記載の電気脱イオン装置。２２．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項４記載の電気脱イオン装置。２３．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項５記載の電気脱イオン装置。２４．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項６記載の電気脱イオン装置。２５．イオン減少区画室およびイオン濃縮区画室；該イオン濃縮区画室および該イオン減少区画室の少なくとも１つの中に配置された第１の電気的活性媒質（該イオン交換樹脂物質は、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプIIの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む）；陽極液区画室および陰極液区画室；ならびに該陽極液区画室および陰極液区画室の少なくとも１つの中に配置された第２の電気的活性媒質（該第２の電気的活性媒質は耐薬品性、耐熱性、および耐汚損性のある合成炭素質吸着剤を含む）を含む電気脱イオン装置。２６．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該第１の電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項２５記載の電気脱イオン装置。２７．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、そこにおいて該膜の電気的活性成分が、イオン交換樹脂物質、合成活性炭、架橋過剰な収着剤樹脂、合成炭素質吸着剤、高分子吸着剤樹脂、および触媒炭素からなる群から選ばれる請求項２５記載の電気脱イオン装置。２８．イオン減少区画室、陽極および陰極、ならびに該イオン減少区画室中に配置された特殊電気的活性媒質を含み、該特殊電気的活性媒質が耐薬品性、耐熱性、および耐汚損性のあるイオン交換樹脂物質を含む電気脱イオン装置。２９．該特殊電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプＩＩの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３０．該特殊電気的活性媒質が合成炭素質吸着剤を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３１．該特殊電気的活性媒質が膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項２８記載の電気脱イオン装置。３２．該特殊電気的活性媒質が、ハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３３．該特殊電気的活性媒質がロートキサン（ｒｏｔｏｘａｎｅ）類を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３４．該特殊電気的活性媒質が触媒の電気的活性物質を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３５．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該特殊電気的活性媒質が該膜の電気的活性部分である請求項２８ないし３４のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。３６．該特殊電気的活性媒質をアニオン交換樹脂物質およびカチオン交換樹脂物質と混合または積層させる請求項２８ないし３４のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。３７．該装置が、プレートおよびフレーム構造、螺旋構造、並びに、中心ハブおよび上面および下面を有する電気的不活性のディスク状スベーサーを含む、円構造からなる群から選ばれる構造を含む請求項２８記載の電気脱イオン装置。３８．該合成炭素質吸着剤が触媒特性を有する炭素質チャーである請求項３０記載の電気脱イオン装置。３９．イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極液区画室および陰極液区画室、ならびに該イオン濃縮区画室およびイオン減少区画室の少なくとも１つの中ならびに該陽極液区画室および陰極液区画室の少なくとも１つの中に配置された特殊電気的活性媒質を含む電気脱イオン装置であって、該特殊電気的活性媒質が耐薬品性、耐熱性、および耐汚損性のあるイオン交換樹脂物質を含む電気脱イオン装置。４０．該特殊電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タプＩＩの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む請求項３９記載の電気脱イオン装置。４１．該特殊電気的活性媒質が合成炭素質吸着剤を含む請求項３９記載の電気脱イオン装置。４２．該特殊電気的活性媒質が、膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項３９記載の電気脱イオン装置。４３．該特殊電気的活性媒質が、ハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項３９記載の電気脱イオン装置。４４．該特殊電気的活性媒質がロートキサン類を含む請求項３９記載の電気脱イオン装置。４５．該特殊電気的活性媒質が触媒の電気的活性物質を含む請求項３９記載の電気脱イオン装置。４６．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該特殊電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項３９ないし４５のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。４７．該特殊電気的活性媒質をアニオン交換樹脂物質およびカチオン交換樹脂物質と混合または積層させる請求項３９ないし４５のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。４８．該装置が、プレートおよびフレーム構造、螺旋構造、ならびに、中心ハブおよび上面および下面を有する電気的に不活性のディスク状スベーサーを含む、円構造からなる群から選ばれる構造を含む請求項３９記載の電気脱イオン装置。４９．該合成炭素質吸着剤が触媒特性を有する炭素質チャーである請求項４１記載の電気脱イオン装置。５０．イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極液区画室および陰極液区画室、ならびに該イオン濃縮区画室およびイオン減少区画室の少なくとも１つの中ならびに該陽極液区画室および該陰極液区画室の中に配置された特殊電気的活性媒質を含む電気脱イオン装置であって、該特殊電気的活性媒質が耐薬品性、耐熱性、および耐汚損性のあるイオン交換樹脂物質を含む電気脱イオン装置。５１．該特殊電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプIIの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む請求項５０記載の電気脱イオン装置。５２．該特殊電気的活性媒質が合成炭素質吸着剤を含む請求項５０記載の電気脱イオン装置。５３．該特殊電気的活性媒質が膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項５０記載の電気脱イオン装置。５４．該特殊電気的活性媒質が、ハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項５０記載の電気脱イオン装置。５５．該特殊電気的活性媒質がロートキサン類を含む請求項５０記載の電気脱イオン装置。５６．該特殊電気的活性媒質が触媒の電気的活性物質を含む請求項５０記載の電気脱イオン装置。５７．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該特殊電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項５０ないし５６のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。５８．該特殊電気的活性媒質をアニオン交換樹脂物質およびカチオン交換樹脂物質と混合または積層させる請求項５０ないし５６のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。５９．該装置が、プレートおよびフレーム構造、螺旋構造、ならびに、中心ハブおよび上面および下面を有する電気的に不活性のディスク状スベーサを含む、円構造からなる群から選ばれる構造を含む請求項５０記載の電気脱イオン装置。６０．該合成炭素質吸着剤が触媒特性を有する炭素質チャーである請求項５２記載の電気脱イオン装置。６１．イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極液区画室および陰極液区画室、ならびにイオン濃縮区画室、イオン減少区画室、該陽極液区画室、および該陰極液区画室中に配置された特殊電気的活性媒質を含む電気脱イオン装置であって、該特殊電気的活性媒質が耐薬品性、耐熱性および耐汚損性のあるイオン交換樹脂物質を含む電気脱イオン装置。６２．該特殊電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプIIの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６３．該特殊電気的活性媒質が合成炭素質吸着剤を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６４．該特殊電気的活性媒質が、膨潤状態にある架橋過剰の高分子吸着剤樹脂ビーズから作った架橋過剰の収着剤樹脂である請求項６１記載の電気脱イオン装置。６５．該特殊電気的活性媒質がハロアルキル化されたポロゲン変性架橋コポリマービーズのアルキレン架橋によって調製された高分子吸着剤樹脂ビーズを含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６６．該特殊電気的活性媒質がロートキサン類を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６７．該特殊電気的活性媒質が触媒の電気的活性物質を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。６８．該区画室が半透膜または浸透膜によって分離され、かつ該特殊電気的活性媒質が該膜の電気的活性成分である請求項６１ないし６７のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。６９．該特殊電気的活性媒質をアニオン交換樹脂物質およびカチオン交換樹脂物質と混合または積層させる請求項６１ないし６７のいずれか１つの項記載の電気脱イオン装置。７０．該装置が、プレートおよびフレーム構造、螺旋構造、並びに、中心ハブおよび上面および下面を有する電気的に不活性のディスク状スベーサーを含む、円構造からなる群から選ばれる構造を含む請求項６１記載の電気脱イオン装置。７１．該合成炭素質吸着剤が触媒特性を有する炭素質チャーである請求項６３記載の電気脱イオン装置。７２．電気脱イオン装置中の液体を精製する方法であって、イオン濃縮区画室、イオン減少区画室、陽極および陰極を包含する電気脱イオン装置を備え；該イオン濃縮区画室およびイオン減少区画室の少なくとも１つの中に第１の電気的活性媒質を置いて、ｐＨの全範囲にわたり水分子の解離を促進させ、該第１の電気的活性媒質が、弱塩基の基を有するアニオン樹脂物質、タイプIIの官能基を有するアニオン樹脂物質、およびそれらの混合物からなる群から選ばれるアニオン樹脂物質とともにタイプＩの官能基を有するアニオン樹脂物質を含み；該電気脱イオン装置を横切って電流を流し；そして該液体を該区画室に通すことを含む方法。７３．請求項７２記載の方法であって、さらに陽極液区画室および陰極液区画室を備え；そしてイオン交換樹脂物質、合成活性炭、架橋過剰の収着剤樹脂、合成炭素質吸着剤、高分子吸着剤樹脂、ロートキサン類、および触媒炭素からなる群から選ばれる第２の電気的活性媒質を、該陽極液区画室および陰極液区画室の少なくとも１つの中に配置したことを含む方法。７４．請求項７２記載の方法であって、さらに化学的溶質の循環、電界の循環、温度の循環、およびそれらの組合せからなる群から選ばれる条件下で、該電気的活性媒質の弱イオン化成分がイオン化形態から非イオン化形態に循環するように、該電気脱イオン装置を循環的に操作し；そしてさらに一定の樹脂の電荷を逆転させるように、該液体が帯電溶質または高分子量の溶質を含む方法。７５．請求項７３記載の方法であって、さらに化学的溶質の循環、電界の循環、温度の循環、およびそれらの組合せからなる群から選ばれる条件下で、前記電気的活性媒質の弱イオン化成分がイオン化形態から非イオン化形態に循環するように、該電気脱イオン装置を循環的に操作し；そしてさらに一定の樹脂の電荷を逆転させるように、該液体が帯電溶質または高分子量の溶質を含む方法。７６．請求項７２記載の方法であって、さらに化学的溶質の循環、電界の循環、温度の循環、およびそれらの組合せからなる群から選ばれる条件下で、該電気的活性媒質の弱イオン化成分がイオン化形態から非イオン化形態に循環するように、該電気脱イオン装置を循環的に操作し；そしてさらに該特殊電気的活性媒質に電荷を生じさせるように、該液体が帯電溶質または高分子量の溶質を含む方法。７７．化学的溶質の循環、電界の循環、温度の循環、およびそれらの組合せからなる群から選ばれる条件下で、前記電気的活性媒質の弱イオン化成分がイオン化形態から非イオン化形態に循環するように、該電気脱イオン装置を循環的に操作し；そしてさらに該特殊電気的活性媒質に電荷を生じさせるように、該液体が帯電溶質または高分子量の溶質を含む方法。