JP4394957B2 - 水の精製装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、特に電流効率がよい、水の精製方法及び装置に関する。
精製した脱イオン(DI)水は、多数の分析用途、例えばクロマトグラフィー及びイオンクロマトグラフィーにおいてオンライン又はオフラインの溶離液を製造するために、自動試料調製装置を使用する試料の調製用途、及び日々の実験室における種々の使用において利用されている。精製DI水を生成するために多くの電気透析法が使用されてきた。
文献に記載された電気透析法は、水道水、海水又はかん水を精製するために電場がカチオン交換膜及びアニオン交換膜とともに使用される場合に使用される用語である。“電気脱イオン化”は、上記の方法でイオン交換物質を使用することを記述するために使用される用語である。多くの特許が、上記の方法を種々のイオン交換物質及び構造とともに述べている。
電気透析で液体を処理する初期の装置及び方法は、コルスマン(Kollsman)の米国特許第2,689,826号に示されている。この装置はカチオン及びアニオン交換隔膜を含み、該隔膜は装置の末端のそばにある電極と直列に配置されている。処理する一定容量の液体を消耗(精製)室に置き、この液体から時間の経過に伴ってイオンが濃縮室中の第2の容量の液体に移動する。このように、処理した液体のイオンが消耗し、濃縮室中の液体には移転したイオンが豊富になる。米国特許第2,794,777号は同様の構造の装置を開示しており、該構造はアニオン隔膜とカチオン隔膜にそれぞれ隣接する室を流れる酸性溶液及び塩基性溶液を有する。酸性溶液と塩基性溶液の機能は、導電性通路、すなわち低い抵抗を提供することであった。アニオン交換隔膜及びカチオン交換隔膜は布で作られそれぞれの樹脂材料で充填された壁であった。この装置を他の充填した床カラムと組み合わせて、部分的イオン化を達成した。
米国特許第2,815,320号は、抵抗を低下させかつ導電性通路を維持するために、選択透過性のアニオン及びカチオン交換膜の間の充填材として多孔質イオン交換ビーズを使用する装置を開示している。電極室中で電解質を循環させることができる旨の示唆がある。この特許に従うと、電極室中の電解質及び中間室中の導電性充填材が電流の移動のための導電性通路を提供している。米国特許第2,923,674号は同様の電気透析装置を開示しており、該装置はイオンの除去を容易にし、その結果として水流の精製を容易にする複数のアニオン及びカチオン交換処理室を有する。上記の装置もいくつかの室中で酸電解質を使用している。
米国特許第3,149,061号は、水性溶液から強くイオン化した種と弱くイオン化した種の両者を除去するのに有用な装置を開示している。上記装置の希釈(精製)室を、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合物又はアニオン交換樹脂のみのいずれかで充填する。米国特許第3,341,441号は、電極室にたまるスケールを最小化するために適用する極性を周期的に逆転させる電気透析方法を開示する。
米国特許第3,869,376号は、軟水を脱塩するのに有用な装置を開示する。この装置の処理室はイオン交換樹脂で充填されていた。
米国特許第4,148,708号は電気透析セルを開示し、該セルは供給区画において混合したアニオン及びカチオン交換樹脂で充填され、一方アノード及びカソード区画はアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂でそれぞれ充填されている。このセルは3つの室から酸、塩基及び精製水を生成するのに有用である。
米国特許第4,632,745号は電気脱イオン化装置を開示しており、該装置は混合したアニオン及びカチオン交換樹脂で充填した消耗室を有し、一方濃縮室はイオン交換樹脂を含まない。同様に、米国特許第4,925,541号は電気脱イオン化装置を開示しており、該装置はアニオン及びカチオン交換樹脂ビーズで充填した消耗室を有し、一方濃縮室はイオン交換ビーズを含まない。消耗区画のビーズは制御した広さと厚さの小区画に収納されており、そこのイオン透過性膜によって保持され、該膜は小区画の壁に固定されている。上記の装置のほかの変形は米国特許第4,931,160号に示されており、この装置では精製する液体を、アニオン及びカチオン交換樹脂ビーズで充填した少なくとも2つのイオン消耗区画を通過させる。米国特許第4,956,071号は、電気脱イオン化装置を開示しており、該装置はイオン交換樹脂ビーズで充填した消耗室と濃縮室の両者を有する。この特許は適用した極性を逆転させる手段及び精製した生成物を連続して回収する手段を開示している。米国特許第5,154,809号は電気脱イオン化装置を開示しており、該装置は消耗室を有し、大きさが均一の混合したイオン交換ビーズで充填した濃縮室を有してもよい。
米国特許第5,308,466号は、架橋度が低くかつ選択性が低いイオン交換膜/樹脂を有する装置の少なくとも一つの区分を有する装置を開示しており、これにより電気抵抗を低減させかつ、大きな、重度に水和した、強く又は弱く荷電した分子(例えばシリカ)を供給水から除去するのを容易にしている。米国特許第5,308,467号は、脱塩又は希釈区画において充填材として混合したイオン交換部分(アニオン及びカチオン交換)を有する放射線グラフトポリマーを有する電気脱イオン化装置を開示している。
米国特許第5,736,023号は、消耗室と濃縮室の両者にイオン交換樹脂を有する電気脱イオン化装置を開示している。この装置は極性を逆転させる手段及びイオン濃縮区画の流体をイオン濃度の低い流体で置換する手段を有し、一方イオン消耗区画の流れを維持する。米国特許第5,868,915号は、消耗区画及び濃縮区画において電子活性媒体を有する電気脱イオン化装置を開示している。電気脱イオン化装置及び方法の改良を開示する他の特許がいくつかあり、例えば米国特許第6,117,927号、第6,126,805号、第6,254,753号、第6,241,866号、第6,241,867号及び第6,312,577号である。
上記の開示された装置は全て電流効率が悪く、これらは脱イオン化方法の理論から予測できるよりも過剰の電流を必要としている。消耗室中に混合したイオン交換充填材を有する装置は水を分割し、そのため電流効率がよくない。
米国特許第6,077,434号及び第6,328,885号は、イオンクロマトグラフィーにおけるサプレッサー及びサプレッサー様の装置の電流効率を改良する手段を開示している。アニオンを分析するために開示された装置はカチオンを除去し、マトリックスイオンを非導電性の形態に転換し、一方全てのアニオン種を導電性の酸に変換する。
イオンクロマトグラフィーでは、水中のイオン性不純物の存在がピークの反応及び感度、反応の直線性、バックグラウンドの安定性及びベースラインのノイズに影響を与える可能性がある。消耗品、例えばカラム及びサプレッサーの寿命は、汚染物の存在によって悪影響を受ける可能性がある。
溶離液又は試薬中の汚染物に関するいくつかの問題に対して、汚染物が認証レベルである超高純度試薬を使用することによって対応が行われている。分析研究所は、DI水中のイオン性汚染物のレベルを低下させることを目的とする、超純水ユースポイントポリッシャーシステムを有する。しかしながらこのシステムでは、ポリッシャーの交換は義務付けられていない。多くのシステムに対する水の品質の検出も信頼できない。溶離液又は試薬を調製するために認証付きのビン詰め水を使用することは別の方法である。しかしながら、この方法には、環境からの汚染物を制限すること、取り扱いの問題、貯蔵期間及び付加的な費用という障害がある。さらに、試薬の調製過程において二酸化炭素やアンモニアなどの汚染物を除去することが困難である。
上記の因子の水の品質における究極的な作用は、研究所によって変化し得る。従って、例えばクロマトグラフィーのためのDI水をオンラインで精製する方法を具備することが望ましい。
電気透析及び電気脱イオン化に関する従来技術の文献においては、精製に必要な電流を経験的に誘導し、典型的には適用する電流は精製に必要なものより過剰となっている。装置又は工程によって生じた熱をこの過剰の電流が増加させるため、過剰の電流は有害であり、この過剰な熱によって装置の寿命は障害を受ける。従って、精製の作用に必要な電流を自動制御することができる、電流効率のよい脱イオン化装置が必要とされている。
市販の研究所向けの水精製装置、例えば上記の装置は、クロマトグラフシステムに比較して非常に早い流速で操作されるのが通常である。典型的には、市販の研究所向けの水精製装置はLPMの流速で操作され、これに対してクロマトグラフシステムはml/分の流速で操作される。さらに、流速の変動は、クロマトグラフシステムと比較して研究所向けの水精製装置では大きくなっている。この流れ特性
の不一致により、二つのシステムを接続することが困難となっている。
通常のクロマトグラフの操作では、プロポーショニングバルブを使用して水と溶離液及び/又は溶媒を混合している。典型的には、クロマトグラフの使用者は、市販の研究所向け水精製装置システムを使用して水をオフラインで充填しかつ補充する。この設定には水精製装置の頻繁な監視と補充が必要であり、きわめて煩雑となる可能性がある。市販の研究所向け精製装置からの水流が高速かつ高圧であるために、水精製システムの水流をクロマトグラフシステムの貯蔵器に直接接続することが困難である。この問題を解決する一つの方法は、ある性質、例えばクロマトグラフシステムの貯蔵器中の液体レベルに対応して、又は所定の時間に、精製装置に作用して流れを止めるセンサーを使用することである。しかし上記の方法はまったく実際的ではない。なぜなら市販の多くの水精製装置はそれを始動した際に高レベルの汚染物を有し、この汚染した水をクロマトグラフシステムの貯蔵器に移送し、このことは受け入れがたいからである。
溶離液製造モジュールを有するイオンクロマトグラフィーによる分析では、例えば、ジオネックス社(Dionex Corporation)が市販するモデルEG40では、ポンプには低圧側でDI水が供給される。次いでこのモジュールを使用して、溶離液がポンプの高圧側で製造される。この形態では、DI水の流れを直接ポンプに供給することが望ましいであろう。市販の水精製装置では、早い流速の問題と上記の汚染物の問題のために、直接接続は不可能である。さらに、精製装置を常時稼動させると非常に費用がかかる。従って、分析システム、例えばクロマトグラフィーシステム又は自動試料調製装置に市販の水精製装置を接続する簡単な手段が必要とされている。特に電気脱イオン化装置をクロマトグラフィーシステムに直接接続することが必要とされている。
本発明に従うと、特に電流効率がよい、水流から荷電した汚染物を除去する方法及び装置が提供される。
本発明に従うとさらに、水の精製装置を分析システムに好都合に接続する方法及び装置が提供される。
ある態様において、水流から荷電した汚染物を除去する本装置は以下を含む:
(a)交換可能なカチオンを有する第1のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第1のアニオン交換膜、両者は内壁と外壁を有し、第1のカチオン膜と第1のアニオン膜の内壁はそれらの間に第1の精製流路を規定し、第1のカチオン交換膜と第1のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
(b)第1のカチオン交換膜の外部側壁に第1のカチオン流路を規定する第1のカチオン室、
(c)第1のアニオン交換膜の外部側壁に第1のアニオン流路を規定する第1のアニオン室、
(d)第1のカチオン流路及び第1のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
(e)第1のカチオン流路に配置された貫流型の第1のイオン交換媒体、
(f)第1のアニオン流路に配置された貫流型の第2のイオン交換媒体、及び
(g)長さが第1の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第1及び第2のイオン交換媒体の25%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有する領域。
他の態様では、前記の装置を使用してもよい、以下の工程を含む水流から汚染物を除去することによって水流を精製する方法が提供される:
(a)精製流路の一方の側面に沿って配置された交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜と、精製流路の他方の側面に沿って配置された交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜とによって規定される精製流路を通って水流を流す工程、アニオン交換膜とカチオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、長さが精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域は貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第1及び第2のイオン交換媒体の25%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、
(b)精製流路から水流を、カチオン交換膜の反対側にあるカチオン流路中の第1のイオン交換媒体を通って流す工程、
(c)精製流路から水流を、アニオン交換膜の反対側にあるアニオン流路中の第2のイオン交換媒体を通って流す工程、及び
(d)工程(a)、(b)及び(c)において、カチオン流路と電気的に接続しているカソードとアニオン流路と電気的に接続しているアノードとの間に電位を供給する工程。
さらなる態様において、以下を含む、分析システムへ流すための水性液体流を精製する装置が提供される:
(a)入口と出口を有する貫流型の水精製装置、
(b)精製装置の入口に連結する未精製水の加圧した水源、
(c)分析用ポンプ、
(d)ポンプと精製装置の出口の間に配設された第1の導管、
(e)未精製水源と精製装置の出口との間、又は精製装置の出口と分析用ポンプとの間に配置された分流出口を有する液体流分流器、該分流器は分流器の入口に流入する液体流を第1の流れと第2の流れに分ける、及び
(f)分流出口と精製装置の間の流体的な結合を提供する第2の導管。
さらに他の態様において、前記の装置を使用してもよい、水流が精製されかつそれが分析システムに提供される方法が提供される。本方法は以下の工程を含む;
(a)加圧した水源から入口と出口を有する精製装置を通って未精製の水流を流すことによって未精製の水流を精製する工程、
(b)精製装置の出口からの水性流を分析用ポンプを通って流す工程、
(c)加圧した水源と精製装置との間の未精製水性流を分流して、未精製水性流の一部のみを精製装置で精製するか又は、精製装置の出口からの精製した水性流を分流して、精製した水性流の一部のみを分析用ポンプに流す工程。
本発明のシステムは特に、水流から荷電した汚染物を除去して精製したDI水流を製造するのに有用であり、該DI水流は分析用途、例えばオンライン又はオフライン溶離液を製造するためのクロマトグラフィー及びイオンクロマトグラフィーにおいて、自動試料調製装置を使用する試料の調製用途において、及び研究所の日々のさまざまな用途において使用するのに適している。従って、本明細書で使用する“水流”と言う用語は、典型的にはこれらの用途で使用することができる、除去すべき汚染物を有する水流を意味する。
本発明の装置によって、逆浸透ユニットを使用して部分的に精製したか又は他の手段によって部分的に精製した地方自治体の上水道又は水道の水の精製が可能となる。本発明の装置により精製された水を他の精製装置に移送してさらなる処置をすることも可能であり、例えば水をカラムに移送して有機物を除去することができる。
出発時の水流は低い濃度から高い濃度、例えば10ppb〜300ppmのイオン性汚染物を含んでもよい。典型的には、出発時の水流は水道水であり、汚染物の範囲は30ppm〜200ppmである。水流をオンライン装置中に貯蔵して、所望の用途に高純度のDI水を提供することができる。例えば、クロマトグラフィーでは、イオン性不純物の典型的な範囲は約0.01ppmより低い。
一般論としては、水流から荷電した汚染物を除去する精製装置は以下の構成を含む:
(a)交換可能なカチオンを有する第1のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第1のアニオン交換膜、両者は内壁と外壁を有し、第1のカチオン膜と第1のアニオン膜の内壁はそれらの間に第1の精製流路を規定し、第1のカチオン交換膜と第1のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
(b)第1のカチオン交換膜の外部側壁に第1のカチオン流路を規定する第1のカチオン室、
(c)第1のアニオン交換膜の外部側壁に第1のアニオン流路を規定する第1のアニオン室、
(d)第1のカチオン流路及び第1のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
(e)第1のカチオン流路に配置された貫流型の第1のイオン交換媒体、及び
(f)第1のアニオン流路に配置された貫流型の第2のイオン交換媒体。
長さが第1の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第1及び第2のイオン交換媒体の25%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有する領域を、第1の精製流路は含む。精製流路の能力が増加すると消耗電流も増加する。消耗電流が増加すると、装置の電流高率はもはや良好ではなく、所与の流れを脱イオン化するためにより高い電流が必要となる。
流型”という用語は、流路中の媒体であってその中を液体が通過するが流路を規定する膜は通過しないものを意味する。
ある態様では領域は、流路を規定するイオン交換膜の壁の間の精製流路を含む。
他の態様では、イオン交換媒体、例えばイオン交換スクリーンを両方の膜の壁に隣接して配置することができる。この場合、領域はスクリーンを分ける中央流路を含む。精製流路の長さと同じ広がりのいずれかの箇所に流路に沿って該領域を配置することができる。好ましくは、領域は少なくとも約0.025mmの幅であり、又は精製流路の幅の少なくとも5%である。
従って、領域が貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は精製流路の全長にわたりかつ膜に平行している第1及び第2のイオン交換媒体の25%、好ましくは10%、より好ましくは5%、最も好ましくは0〜1%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を領域が有している場合には、精製流路にいくらかの能力が含まれる可能性がある。この中性又は低イオン交換能を有する領域は電流の自由な通過を阻止する。従って、この領域では汚染物イオンが大量の電流を運び続けるので、電流効率が維持される。
特定の態様では、官能化しガスケットを付したスクリーン材料を、膜の内壁に隣接してスペーサーとして配置する。中性のガスケットを付したスクリーン材料を、中性又は交換能を有しない領域に配置することができる。官能化したスペーサーの官能性又は極性は、イオン交換膜のものと同じであることが好ましい。操作に際しては、適切な荷電を有する汚染物イオンが電極に引き寄せられ、該膜を通過する前にこれらの官能化したスペーサーに保持される。中性の又は低交換能の領域により、流入する流れからスペーサー及び膜まで汚染物イオンの効率的な輸送が容易となる。
官能化したスペーサーの交換能は2meq/g又はそれ以上であることができ、低くても0.1meq/gであることができる。上記の装置では、中性の又は低交換能の部分があるため、電流は自動制御されている。スペーサーの役割は、膜の界面における緊密な混合を提供しかつイオンの輸送を容易にすることである。本スペーサーはイオン交換能の貯蔵装置でもあり、このことは流入する流れの流速が速いか又は濃度が高いときには有用である。
図1には、精製装置の一態様が模式的に示されているが、全ての精製流路を含む交換能領域は示していない。一般的に数字10で示される精製装置は、ハウジング12(示されていない)、及び交換可能なカチオンを有しかつ内壁及び外壁14a及び14bをそれぞれ有するカチオン交換膜14を含み、かつカチオン交換膜と間隔をあけて配置した交換可能なアニオンを有しかつ内壁及び外壁16a及び16bをそれぞれ有するアニオン交換膜を含む。内壁14a及び16aは間隔をあけてあり、一般に相互に並行であり、両者の間に精製流路18を規定する。膜14及び16は大きな流体の流れを阻止するが、対応する交換可能なイオンと同じ荷電のイオンを通過させる。
精製装置10はさらに、膜14の外部側壁14b上にカチオン室20、及び膜16の外部側壁16b上にアニオン交換室22を含む。貫流型のカチオン交換媒体24が室20の内部に配置され、貫流型のアニオン交換媒体28が室22の内部に配置される。カソード30及びアノード32の間は離れており、流路20及び22と電気的にそれぞれ接続している。操作の際、カソードとアノードを電力供給装置(示していない)と接続し、両者の間及びアニオン交換媒体24、膜14、精製流路18、膜16及びアニオン交換媒体28を通って直流電流を流す。図示するように、カソード30とアノード32をそれぞれ、膜14と16と平行に、かつ媒体24と28の外部に配置する。カソード30と外壁14bが流路20を規定し、一方アノード32と外壁16bが流路22を規定する。図示するように、イオン性汚染物を含む精製すべき水は水源(示していない)から流れ、矢印32の方向へ精製流路18を通って流れ、精製装置10の出口から外に出る。一又は複数の水源(示していない)からの水は、精製すべき水が流れる矢印32の方向とは逆向きである矢印34及び36の方向へ好ましくは向かって、流路20及び22を通って流れて流路中で汚染物イオンから形成された塩基及び酸をそれぞれ洗い流す。
精製装置10の構造(例えば膜及び一般的な構成)は、米国特許第4,999,098号及び第5,352,360号に開示されたサプレッサーに関して記載された一般的な型であることができ、これらに言及することによってその全ての内容を本明細書に取り込む。図示するように、膜は平板又は他の形態、例えば同心状の管であってもよい。大きな相違は、特許ではサンドウィッチサプレッサーの態様における平行な膜が同一荷電であるのに対して、膜14と膜16の荷電が異なることである。このことは、図1のサプレッサーの機能が異なることを示す。特に本発明では、カソード30とアノード32との間に電位がかかっているとき、カチオン汚染物、例えばナトリウムはカチオン膜14を通過してカソード30に引き寄せられ、一方アニオン汚染物はアニオン交換膜16を通過してアノード32に引き寄せられる。このように、カチオン及びアニオン不純物は精製流路18中で水流から除去される。
本発明では、貫流型のアニオン交換媒体24及び28が流路20及び22に配置され、一方長さが精製流路18の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域を維持し、該領域は貫流型のイオン交換媒体を実質的に含まないか、又は媒体24及び28と比較して低いイオン交換能、すなわち媒体24及び28の25%より大きくない、好ましくは1%より小さいイオン交換能を有する。イオン交換媒体24及び28はイオン交換可能な以下のイオンを有することができる:(1)主として膜と同じイオン交換形態にあるイオン、(2)主として反対に荷電したイオン、又は(3)イオン交換可能なアニオン又はカチオンの混合物であるイオン、これについては以下に説明する。これらの構成のいずれにおいても、精製流路における貫流型の媒体のイオン交換能が低いか又はないことにより、本装置の電流効率が良好である。
図1に示すように、精製流路18には、イオン交換媒体又はそのほかの媒体であれ、貫流型の媒体は存在することがなく、該領域は精製流路の全体を含む。しかしながら、精製流路18中に中性の貫流型の媒体、例えば米国の'098号特許又は'360号特許に記載されているようなスクリーン(例えばポリエチレン又はポリプロピレン製のもの)を配置することには利点がある。このスクリーンの利点の一つは、柔軟な膜14と16が個別にほぼ平行した構成になっている状態を維持するためのスペーサーとしてスクリーンが役立つことである。他の利点は水流の混合を増加させることを含み、これによって膜への汚染物イオンの輸送が容易になり、その結果交換動力学が改善され、汚染物イオンの除去が改善される。又は中性の粒子を流路18の貫流床に充填し、又は貫流型の多孔性モノリスを使用することもできる。
貫流型のアニオン交換媒体24及び28の一形態はイオン交換スクリーンを含み、該スクリーンは膜の実質的に全長に沿って配置された、連続性の制御された貫流型の流路を提供し、かつ上記のスペーサーとしての役割を果たす。これによって乱流が生じ、その結果混合の効率及び膜14からカソード30及び膜16からアノード32へそれぞれ向かうアニオンの輸送効率が増加する。イオン交換スクリーンの利点は、スクリーンが膜と電極との間の橋渡しをし、かつ米国の'098号特許又は'360号特許に記載されているようにスクリーンが容易に一定の場所に維持することである。膜と電極との間の導電性架橋としてイオン交換スクリーンが存在することにより、装置の電気抵抗性及び消費電力量が低下する。イオン交換媒体24及び28が存在することにより、電解ガスの存在下において電流の均等な輸送が可能となる。イオン交換媒体が存在しないと、電解ガスの存在による電流の変動が生じ、その結果水流のわずかな脱イオン化が生じるであろう。
これらのスクリーン及びスクリーンをイオン交換型に機能化するのに適切な技術は周知であり、これらの特許に記載されている。必要があれば、他の形式の流型イオン交換媒体又は充填材を使用することができる。例えば、イオン交換粒子を装置内に保持するための構造を含む流路20及び22にイオン交換粒子を充填することができ、例えば米国の'098号特許又は'360号特許に記載されているように、使用するイオン交換樹脂粒子より小さい孔を両端に有する多孔性ポリマー支持体を使用することによって、充填することができる。又は、貫流用の孔を有するイオン交換材料のモノリスを使用することもできる。
ある態様では、貫流型のイオン交換媒体24及び28は、それぞれ隣接する膜14及び16と同じ極性を有する可能なイオンを有する。図に示すように、カチオン交換媒体24は主に(例えば少なくとも30%)カチオン形態にあり、一方アニオン交換媒体28は主に(例えば少なくとも30%)アニオン交換形態にある。イオン交換媒体の適切な能力は0.2〜2meq/gである。先に述べたように、好ましい態様では、精製流路には貫流型のイオン交換能はない。
典型的な操作条件は以下のとおりである。好ましくは装置に定電圧条件下で電力を供給する。典型的な最低操作電圧は装置の大きさに依存する。アニオン又はカチオン流路と組み合わせた精製流路に対して、好ましい操作電圧は2V〜24Vの範囲又はそれより高い。電流は、汚染物のレベルに応じて自動的に調整される。貫流型のイオン交換媒体が精製流路にない態様の場合、定常的に電流を供給することは実際的ではなく、なぜならそのためには汚染物レベルを事前に知ることが必要だからである。精製流路がある程度の能力を有する態様の場合、定常的な電流の供給が可能となろう。しかしながら、所与の流れを脱イオン化するためには、必要とする電流より過剰な電流を供給しなければならない。高電流により高温と気体の生成を生じ、このため定電圧が最も好ましい操作の手段である。
クロマトグラフィー用に使用する場合本発明の装置を、好ましくは0〜3ml/分又は0〜0.18LPH、より好ましくは0〜2ml/分又は0〜0.12LPHの流量で操作する。研究所で使用する場合本発明の装置を、好ましくは0.1LPH〜20LPHで操作する。装置を連続的に操作することもでき、必要に応じて操作することもできる。
上記のシステムの使用に際して、定電圧電源を使用して、ナトリウムのようなカチオンがカソードの方向へ引き寄せられ、一方クロリドのようなアニオンがアノードの方向へ引き寄せられるようにすることができる。結果として電場の中でイオンが移動してDI水の流れが精製され、精製流路18の底部から流出する。本装置は水性流を脱イオン化するのに必要な電流のみを引き込む。その理由は、精製流路中に貫流型のイオン交換媒体のような種を運ぶ他の電流が実質的に存在しないからである。従って、汚染物のイオンによって運ばれる実質的に全ての電流がそれぞれの膜を通過する。
アニオン交換媒体及びそれに隣接する膜に同じ極性のものを使用することによって、除去されたイオンが対応する電極へ到達する前に該イオンが補足され、それぞれの流路中で酸及び塩基が形成される。例えば、カチオン交換膜14とカチオン交換媒体24、汚染物としてナトリウムを考えると、ナトリウムイオンは電子移動によってカソード30に向かって膜14を通過して輸送される。同様に、アニオン交換膜16とアニオン交換媒体28、汚染物としてクロリドを考えると、クロリドイオンは電子移動によってアノード32に向かって輸送される。反応(副反応を除く)を以下のように記載することができ、カソードに輸送された1個のナトリウムに対して1個のクロリドイオンがアノードに輸送され、このようにして電気回路が完成する。カソードに輸送されたナトリウム(又は他のカチオン)はヒドロキシドイオン(カソードにおける水の電気分解によって生じたもの)と反応してカソードで水酸化ナトリウム(カチオンヒドロキシド)を形成し、同様に同時に、アノードに輸送されたクロリド(又は他のアニオン)はヒドロニウムイオン(アノードにおける水の電気分解によって生じたもの)を補足してアノードで塩酸(アニオン酸)を形成する。電極で反応する1個のナトリウム(又はカチオン)に対して1個のナトリウム又はカチオンがカチオン交換物質24に入る。同様に、アノードで反応する1個のクロリド(又はアニオン)に対して1個のクロリド又はアニオンがアニオン交換物質28に入る。
カソードにおいて
2H2O+2e- → 2OH-+H2
アノードにおいて
2O → 2H++1/2O2+2e-
他の態様では、イオン交換媒体24と28の極性は逆である。この場合、アニオン交換媒体24は、主としてアニオン交換の形態にある交換可能なイオンを有する。同様に、アニオン交換媒体28は、膜16と反対の極性の、すなわちカチオン交換の形態にある交換可能なイオンを有する。この構成では、膜(14b及び16b)とイオン交換媒体(24及び28)の間の界面で、汚染物イオンが塩基及び酸の形態に転換される。除去されたイオンが電極室(又はイオン交換媒体24又は28)に保持されないので、本装置は急速にこの構成に平衡となる。電流は汚染物のイオンのみによって運ばれる。
例えば、カチオン交換膜14とアニオン交換物質24、汚染物としてナトリウムを考えると、ナトリウムイオンは電子移動によってカソード30に向かって膜14を通過して輸送される。同様に、アニオン交換膜16とカチオン交換物質28、汚染物としてクロリドを考えると、クロリドイオンは電子移動によりアノード32に向かって膜16を通過して輸送される。反応(副反応を除く)は以下のように記載することができ、カソードに向かって輸送される1個のナトリウムに対して、1個のクロリドイオンがアノードに向かって輸送され、このようにして電気回路が完成する。水の電気分解反応によって、カソードにおいてヒドロキシドイオンが生成し、アノードにおいてヒドロニウムイオンが生成する。アニオン交換物質24によって、電気分解で生じたヒドロキシドの膜14bの表面への輸送が可能となる。14bと24の界面において除去されたナトリウム(カチオン)がヒドロキシドイオンと反応して水酸化ナトリウム(カチオンヒドロキシド)を形成する。同様に、カチオン交換物質28によって、加水分解で生じたヒドロニウムイオンの膜16bの表面への輸送が可能となる。16bと28の界面において除去されたクロリド(アニオン)がヒドロニウムイオンと反応して塩酸(アニオン酸)を形成する。界面で反応する1個のナトリウム(又はカチオン)に対して、1個のナトリウム又はカチオンがカチオン交換膜14へ入り、1個のヒドロキシドイオンがアニオン交換媒体24へ入る。同様に、界面で反応する1個のクロリド(又はアニオン)に対して、1個のクロリド又はアニオンがアニオン交換膜16へ入り、1個のヒドロニウムがカチオン交換媒体28に入る。
カソードにおいて
2H2O+2e- → 2OH-+H2
アノードにおいて
2O → 2H++1/2O2+2e-
さらに他の態様において、アニオン交換媒体24及び28は、交換可能なカチオン及びアニオンの混合物を有する媒体を含むことができる。スクリーンを使用する場合、該スクリーンはカチオン及びアニオン交換能又は機能の両者を有することができる。又は、それぞれの型の一方のスクリーンを使用することができる。充填床アニオン交換媒体として、充填材はアニオンとカチオン交換粒子の混合物であってもよい。この型のアニオン交換媒体の利点は以下のとおりである。電気分解で生成したイオン(ヒドロニウムとヒドロキシド)は輸送のための通路を有し、一方除去された汚染物イオンは流路20及び22中を電子移動により電極へ移動する。先に述べた態様において、流路20及び22中を、除去された汚染物イオンが移動するか又は加水分解で生じたイオンが移動するかであって、両者が移動することはない。従って、酸及び塩基の生成は界面だけではなく、電気分解で生じたヒドロニウムイオン又はヒドロキシドイオンとイオンが近接している全ての部位において生じる。従って、この態様の本装置は低い抵抗性を有しかつ脱イオン化の機能に対してより有効に作動することが予期できる。
100%誘導電流効率を有する所与の濃度の汚染物を脱イオン化するのに必要な電流を以下の式で計算することができる
I=FCV/60
式中、Iは電流mAであり、
Fはファラデー定数(クーロン/当量)であり、
Cは汚染物の濃度Mであり、
Vは流速ml/分である。
100%誘導電流効率を有する2mMのNaClを含む流れを脱イオン化するのに必要な電流は、約3.2mAであると計算することができる。
図1の構成において、希釈流路又は精製流路において中性スクリーンを使用した場合、大部分の電流は流れ中のイオン性汚染物によって運ばれ、装置はほぼ100%の誘導電流効率を示す。中性スクリーンを低能力で(例えば外部流路の25%より低い)アニオン交換能及びカチオン交換能を有するわずかに機能化したスクリーンに置き換えた場合、大部分の電流は依然として汚染物によって輸送され、わずかな電流がスクリーンを通過する過剰のH+又はOH-の輸送によって生じる水の形成のために失われる。
本発明に従う典型的な電流効率は80〜100%の範囲であり、好ましくは95%又はそれより高い。
操作に際して、以下の方法により図1の精製装置を使用して、水流から汚染物を除去することによって水流を精製することができる。イオン性汚染物を含む水流は、精製流路の一方の側面に配置した交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜14及び精製流路の他方の側面に配置した交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜16によって規定された精製流路18を通って流れる。典型的には、水流は強酸又は強塩基ではない。膜は大きな液体の流れは阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させる。水性の流れ、典型的には水道水であって、酸性でも塩基性でもないものは、精製流路からそれぞれの膜の反対側にあるアニオン交換媒体24及び28を通って流れる。それぞれの流路と電気的に連絡しているカソード30とアノード32との間に電位を供給する。精製流路は、貫流型のアニオン交換媒体を含まないか、又は外部の流路交換媒体の5%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のアニオン交換媒体を有する。カチオン不純物は流路18から膜14を通り、カソード30に向かってイオン交換媒体24を通過する。媒体の荷電に応じて、前記の反応がアニオン交換媒体24中で生じる。典型的には、カチオン、例えばナトリウムは塩基、例えば水酸化ナトリウムに変換され、流路20を流れる水流となってシステムの外へ流出して該水流中のイオンを濃縮し、好ましくは該水流は精製すべき水とは逆方向の流れである。同時に、アニオンは、アニオン交換膜16を通ってアノード32の方向へ引き寄せられ、前記の反応が生じる。典型的には、アニオン、例えばクロリドは酸の形態、例えばHClに変換され、流路22を流れる水流となってシステムの外へ流出し、好ましくは該水流は精製流路18を流れる水と反対の方向を向いている。
システム(示していない)を上記した型の複数の平行する流路で組み立てることができる。この例では、汚染物イオンを受け取るイオン交換媒体を含む最外層の流路と、アノード及びカソードが連結している限り、単一の動力源を使用することができる。例えば、米国特許第2,794,777号の構成における交互性の膜を、本明細書に記載する交互性のアニオン及びカチオン交換膜とともに使用することができる。精製すべき水流は、イオン交換媒体を実質的に有さない精製流路を通り、イオン受け取り流路によって挟まれた別の流路を平行流となって流れる。精製流路を挟む流路は先に述べたようにイオン交換媒体を含む。電圧をかけると、汚染物は、反対の極性の交換可能なイオンを有する膜を通り、本明細書に記載した挟んでいる流路へ流れる。このようにして、2又はそれより多い水の平行流を、単一の動力源を使用して精製流路中で精製することができる。別の態様(示していない)図1の装置を複数使用することができる。
精製し、脱イオン化した水を、高度に精製したDI水を必要とする全ての分析システム、例えばイオンクロマトグラフィーシステム又は自動試料調製装置にオンラインで供給することができる。例えば、クロマトグラフィーシステムについて、精製したDI水を展開試薬又は電解質と混合して、クロマトグラフィーカラムを通過する試料を運ぶ溶離液を形成することができる。
図2〜6は、本発明に従う、精製水供給システムの別の態様を示す。これらの態様における同様の部分には同様の番号を付している。
図2に示された本発明の態様では、精製装置10は、一般的に数字40で示されるイオンクロマトグラフィー(IC)装置へオンラインで精製したDI水を供給するように構成されている。この態様では、適切な背圧絞り管44及び46を具備した、3方向T字型ジャンクション又は液体流分流器42が精製装置10からの精製した水流を二つの流れに分割する。第1の流れは第1の導管、例えば管46を通ってクロマトグラフィーシステムの貯蔵器48に向けられ、図2に示すように該貯蔵器は順次ICポンプと流体的に連絡している。貯蔵器48の容量は1〜4リットル(例えばジオネックス社(Dionex Corporation)が市販するイオンクロマトグラフィーシステムの容量)が適切である。しかしながら、本発明の範囲においては、第1の流れは直接ICポンプ50に供給してもよいことを理解すべきである。第2の流れは、第2の導管、例えば管44を通って、水精製ユニット10に逆方向に向けられて、汚染物を除去し、かつ水の電気分解用の水を提供する。本発明の目的のために、“導管”という用語は、パイプ又は管だけでなく、流体が輸送される一般的な通路、例えば流路も意味する。二つの流れの好ましい流量比は約1:1〜1:10の範囲であり、流れの大部分はIC貯蔵器48の方に流れる。この態様では、電気脱イオン化装置10のアニオン又はカチオン流路(又は電極流路)へ供給する水流は精製流である。
加圧源貯蔵器52は精製装置10へ未精製水を供給する。好ましくは、精製が必要な水を加圧源貯蔵器52から精製装置10及びICシステム10へ分配するために、気圧又はポンプが提供される。クロマトグラフィーとして使用する場合の貯蔵器に対する好ましい圧力は、精製装置及び絞り管の背圧に依存する。クロマトグラフィー用貯蔵器48の圧力の値は、一般に34.47kPa〜206.8kPa(5psi〜30psi)の範囲である。
操作及び使用に際して、加圧源貯蔵器52は入ってくる未精製水流に圧力“P”を提供し、該未精製水は電気脱イオン装置10を通過し、次いでIC貯蔵器48の圧力が“P”となるまでIC貯蔵器に流れ込む。この条件が達成された後、及び/又は容器が満杯になった後、過剰の流れが精製装置10のアニオン室及びカチオン室20及び22へ流れる。この初期作動は、クロマトグラフィーシステム10への流れ又は汚染物がクロマトグラフィー貯蔵器48へ流れることに関して何らの問題点も生じることなく連続的に操作が進む。クロマトグラフィーポンプ50がIC貯蔵器48からの揚水を始めると、IC貯蔵器48内の圧力が低下し、それが“P”を下回ると加圧源貯蔵器52からの入ってくる水流が再開されてIC貯蔵器48を満たす。この構成では、IC貯蔵器は連続して満たされ、かつ/又はDI水がICポンプ50に提供される。連続的に満たすこの方法は、何らかの流れ又はレベルセンサーを使用することなく達成される。
図3に示された態様において、気圧源54は一定の圧力“Q”をクロマトグラフィー貯蔵器48へ供給する。この態様では、気体ライン56は気圧源54とIC貯蔵器48とを操作可能に連結しており、好ましくは水が気体ライン56へ逆流するのを阻止するために逆止め弁58を含む。気圧“Q”が“P”より低いと、IC貯蔵器48は貯蔵器中の圧力が“P”に達するまで満たされる。ICポンプ50が作動中であると、IC貯蔵器の圧力は“Q”から“P”の間に保持され、圧力が“P”を下回ると加圧源貯蔵器52からの新鮮な脱イオン化した流れが自動的に補充される。この構成によりDI水がICシステム40へ自動的に供給され、この構成は追加のセンサーを使用することなく維持される。
上記のように、IC貯蔵器を完全に迂回することができ、精製水の流れをICポンプへ直接接続することができる。この構成において、ICポンプが作動しているとICポンプの圧力は常に“P”を下回り、水流が水精製装置10を通ってICポンプ50へ連続して供給される。ICポンプが作動している間、流れの過剰分が存在する場合はそれが精製装置10のアニオン及びカチオン流路22及び20を流れる。ICポンプ50が停止すると、それを含む管圧は管46を通じて“P”に達し、流れの全てが精製装置10のアニオン及びカチオン流路22及び20を流れる。アニオン及びカチオン流路へのこの過剰の流れは脱イオン化装置の性能に負の影響を与えることはなく、精製装置は常に再生された状態を保つ。
図4に示した他の態様では、精製が必要な入ってくる水流が貯蔵器に代わって、処理流、例えば逆浸透(RO)システム60から揚水される。RO流の圧力範囲は典型的には約206.8〜413.7kPa(30〜60psi)である。当業者は他の圧力を利用できることを理解する。
図5に示した他の態様では、3方向T型ジャンクション42が脱イオン化装置10の前部に配置されている。T型ジャンクション42は、適切な背圧絞り管44、46及び62と共に、RO供給流60からの精製した水流を二つの流れに分割する。第1の流れは、管62のような導管を通って、クロマトグラフィーシステムの貯蔵器48及びICポンプ50に順次流体的に接続している水の精製装置10の精製流路18に流れる。第2の流れは、管44のような導管を通って、水の精製装置10のカチオン及びアニオン室20及び22へ流れ、汚染物が除去され、図1に記載した水の電気分解用の水を提供する。この態様では、電極流路、すなわち脱イオン化装置10のアニオン又はカチオン流路20及び22へ、汚染物を含む未精製水が供給される。
本発明に従って、従来の水精製装置と共に、精製水を供給するための上記の構成を使用することができる。上記の構成を、他の型の水精製装置を分析システムに直接結合するために使用することもできる。例えば、図6に示す態様は3方向T型ジャンクション42を含み、これは適切な絞り管46及び64と共に、過剰の精製水を再循環のために流す。特に、3方向T型ジャンクション42は、精製装置10からの過剰の精製水を、精製すべきRO流へ流す。分流ポンプ66は過剰の水をRO流へ還流するために設けられている。又は、分流した過剰の水を水源貯蔵器、例えば貯蔵器52、排出口、廃棄口、又はその他の適切な貯蔵器又は流路へ運ぶことができる。水源流より低い圧力の貯蔵器又は流路へ過剰水を運ぶ場合、分流ポンプ66を設ける必要がないことを、当業者は理解するであろう。
本発明の装置の利点は以下を含む。本装置で化学試薬を使用することなく電気分解を連続的に行うことができ、かつ中断時間を含まない。本装置は、定電圧条件下で操作する場合に脱イオン化のために必要とする電流を使用するのみである。本装置は流速の変化に影響を受けることはなく、単一電圧を設定して操作することができ、その場合、電流は入って来る汚染物の濃度に自動的に整合する。従って、使用者が介入する必要はない。本装置をクロマトグラフィー用のオンライン精製装置として操作することができる。
本発明を以下の例によってさらに詳細に説明するが、これに限定されない。
例1
スクリーン及び膜は照射グラフト化した材料であり、米国特許第4,999,098号及び第5,352,360号の記載に従って、ガスケットに沿って製造した。ジオネックス(Dionex)社から市場を通じて入手可能なASRSサプレッサーハードウエアをそのまま使用した。組み立ての構成は図1に模式的に示したものに従った。ヒューレット パッカード(Hewlett Packard)DC動力供給装置 E3611Aを12Vで使用して装置に直流電流を供給した。
例2
DX500イオンクロマトグラフィーシステムを本試験のために使用し、市場から入手可能なポイントオブユースシステムからの内蔵DI水を貯蔵器から1ml/分の流速で揚水して本発明の脱イオン化装置(例1/図1)を通って流し、電気伝導セルへの順路を採らせる。電気伝導セルからの流出を装置の電極室へ再度戻した。ヒューレット パッカード(Hewlett Packard)DC動力供給装置 E3611Aを12Vの定電圧設定条件下で使用して装置に動力を供給した。伝導度を監視しながら、装置への動力を手動で投入した。結果は、動力を供給すると即座に伝導度の値の減少を示し、このことは精製水の形成を示唆している。伝導度の値はほぼ0.7μS/cmから0.06μS/cmまで落ち、精製水の優れた性質を示した。上記のことは、本発明の装置が研究所用の脱イオン化水を必要に応じて精製可能であることを示している。
例3
この研究ではジオネックス(Dionex)社からのDX500装置を使用した。この研究で使用した分析カラムは4×250−mmAS9HCカラムであり、溶離液は流速1ml/分の9mMのNa2CO3であった。50mAに設定した定電流でASRSサプレッサーを使用した。この例では、水道水、本発明の電流効率のよい電気脱イオン化装置で精製した水道水、及び研究所用のミリポアシステムからの試料を比較した。種々の試料を25μlの注入ループへ注入した。例1の装置を図2の構成で使用して水の精製を行ったが、ICシステムの貯蔵器から精製した製品を加圧して試料注入ループへ送った。結果は、本発明の装置が非常に少量のイオン汚染物を有する水を生成したことを示しており、このことは図7に示す試験クロマトグラムにピークがないことから明らかである。水道水は予期した成分を示した。ミリポアからの水も1個のピークを除いて大きなピークを示さなかったが、このピークは弱酸であると考えられる。
例4
DX500システムを使用し、ジオネックス(Dionex)社からのAS9HC分析カラムを使用し、かつ以下のような種々の水を均衡させて、クロマトグラフィーのランを行った: 水道水でスパイクした逆浸透(RO)水、RO水、ミリポア水及びカーボネート溶離液の濃度比を4:1として製造した9mM Na2CO3溶離液を使用する本発明の電気脱イオン化装置で精製した水。電気脱イオン化装置は図1及び例1に記載したのと同様のものであった。この場合の実験の構成は図2と同様であった。5個のアニオンの混合物をシステムに注入して分析した。図8に示す結果は、水道水でスパイクしたROが汚染物からの高いイオン値に基づくほぼ45μSの最も高いバックグラウンドを示し、過剰のノイズ及びランの末端に見られるようなベースラインの異常なシフトを示した。RO水も26.2μS/cmの高いバックグラウンドを示した。ミリポア水は約24.3μS/cmのバックグラウンドを示し、一方DI水精製装置は23.9μS/cmの最も低いバックグラウンド値を示した。イオン性の汚染物の存在はバックグラウンドを変更し、バックグラウンドの変化は検体の応答に影響を与える。RO水及び水道水でスパイクしたROは保持時間の顕著な変化を示し、これは低いpH値を有することによるものであろう。これらの結果は、IC分析においてこれらの汚染物を除去することが重要であることを示唆している。
例5
DX500イオンクロマトグラフィーシステムをアニオン分析に使用した。分析カラムはAS11カラム、4×250mmであり、これを以下の傾斜(05−38.25mM)で操作した。
E1 DI水 流れ=2ml/分
E2 5.0 mM NaOH
E3 100 mM NaOH
時間 E1 E2 E3
0分 90 10 0
2分 90 10 0
5分 0 100 0
15分 0 65 35
サプレッサーはASRSウルトラサプレッサーであり、これをノーマルリサイクルモードで100mAの供給電流において操作した。この例は、水道水でスパイクしたROであって精製の前及び後のものを使用した場合のクロマトグラフィー特性の比較を示している。図2に記載した型の電気脱イオン化装置をこの分析で使用し、該装置に12Vで定電圧条件下で電力を供給した。実験の構成は図2と同様であり、貯蔵器E1は精製した生成物及び精製前の水の貯蔵器である。精製前の実験の後で貯蔵器をよく洗浄する。この例では、傾斜の始めにおいては低い溶離液強度を使用し、この条件は汚染物の存在を検査する。精製をしない水で得られたクロマトグラムは、図9aに示すように、350μS/cmという測定限界の導電度の応答においてクロリド及びスルフェートについて大きな応答値を示した。汚染物からの応答はクロマトグラフの大部分を占め、5個のアニオン試料の試験混合物に対する予期された検体の応答は見られなかった。この条件下で行われた分析は有効ではなかった。水の精製により、図9bに示すように35μS/cmという測定限界で検体の応答の回復が可能となった。本発明の電気脱イオン化装置は、水からの汚染物レベルの低減において良好に作動する。
例6
DX500イオンクロマトグラフィーシステムをカチオン分析に使用した。分析カラムはCS12Aカラムで、4×250mmであった。溶離液を、100−mM MSAストック濃縮物を水道水でスパイクしたROで精製の前後において均衡させることによって製造した。CSRSウルトラサプレッサーを100mAの設定電流で使用した。この実験では、精製前後の水の特性をクロマトグラフィーで比較する。電気脱イオン化装置は図1に示したものと同一のものであり、構成は図2と同様であった。結果は、図10に示すように、水道水でスパイクしたROを使用した場合に高いバックグラウンドを示した。さらに、アンモニアに対するピークの応答は、精製前の水の場合に低かった。上記のことは以下のように説明することができる:CSRSサプレッサーは全てのアニオンを除去しカチオンを伝導性塩基に変換する。残りのカチオンからのバックグラウンドは塩基性であり、塩基性条件下ではアンモニアは気体であり、かつ気体は除去される傾向にある。従って、この装置はアンモニアに対して低い応答を示した。一方精製水はこのような作用を示さなかった。
例7
この例では、水道水でスパイクしたROのアニオン分析を精製の前後で行った。ミリポアで精製した水(ROに引き続くPOUポリッシャーMiliQPlusシステムによる)を同一の条件を使用して分析した。本実験の構成は図2と同様であるが、本分析では500−μl−注入ループを使用した。結果を図11に示しており、本発明の装置を使用して優れた汚染物除去効果が示されている。水道水は高いレベルのイオン性汚染物を示した。ミリポアで精製した水は、本発明の装置に匹敵する特性を示した。
例8
この例では、水道水でスパイクしたROのカチオン分析を精製の前後で行った。ミリポアで精製した水(ROに引き続くPOUポリッシャーMiliQPlusシステムによる)を同一の条件を使用して分析した。DX500イオンクロマトグラフィーシステムをカチオン分析に使用した。分析カラムはCS12Aカラム、4×250mmであり、溶離液は1ml/分の20−mM MSAであった。CSRSウルトラサプレッサーを58mAの設定電流で使用した。500−μl−注入ループを試料の注入に使用した。結果は、図12に示すように、本発明の装置を使用して優れた汚染物除去効果が示された。水道水は高いレベルのイオン性汚染物を示した。
は、本発明の装置を模式的に示す。 は、本発明の装置を模式的に示す。 は、本発明の装置を模式的に示す。 は、本発明の装置を模式的に示す。 は、本発明の装置を模式的に示す。 は、本発明の装置を模式的に示す。 は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。 は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。 は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。 は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。 は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。 は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。 は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。

Claims (10)

  1. 以下を含む、水流から荷電した汚染物を除去する精製装置:
    (a)交換可能なカチオンを有する第1のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第1のアニオン交換膜、両者は内壁と外壁を有し、第1のカチオン膜と第1のアニオン膜の内壁はそれらの間に第1の精製流路を規定し、第1のカチオン交換膜と第1のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
    (b)第1のカチオン交換膜の外部側壁に第1のカチオン流路を規定する第1のカチオン室、
    (c)第1のアニオン交換膜の外部側壁に第1のアニオン流路を規定する第1のアニオン室、
    (d)第1のカチオン流路及び第1のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
    (e)第1のカチオン流路に配置された貫流型の第1のイオン交換媒体、
    (f)第1のアニオン流路に配置された貫流型の第2のイオン交換媒体、及び
    (g)長さが第1の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第1及び第2のイオン交換媒体の25%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有する領域。
  2. 領域が実質的に貫流型のイオン交換媒体を含まない、請求項1に記載の精製装置。
  3. 第1のイオン交換媒体及び第2のイオン交換媒体が交換可能なカチオン及びアニオンの混合物を有する媒体を含む、請求項1に記載の精製装置。
  4. 以下の工程を含む、水流から荷電した汚染物を除去することによって水流を精製する方法:
    (a)精製流路の一方の側面に沿って配置された交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜と、精製流路の他方の側面に沿って配置された交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜とによって規定される精製流路を通って水流を流す工程、アニオン交換膜とカチオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、長さが精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域は貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第1及び第2のイオン交換媒体の25%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、
    (b)精製流路から水流を、カチオン交換膜の反対側にあるカチオン流路中の第1のイオン交換媒体を通って流す工程、
    (c)精製流路から水流を、アニオン交換膜の反対側にあるアニオン流路中の第2のイオン交換媒体を通って流す工程、及び
    (d)工程(a)、(b)及び(c)において、カチオン流路と電気的に接続しているカソードとアニオン流路と電気的に接続しているアノードとの間に電位を供給する工程。
  5. 領域が実質的に貫流型のイオン交換媒体を含まない、請求項4に記載の方法。
  6. 以下を含む、分析システムへ流すための水性液体流を精製する装置:
    (a)入口と出口を有する貫流型の水精製装置、
    (b)精製装置の入口に連結する未精製水の加圧した水源、
    (c)分析用ポンプ、
    (d)ポンプと精製装置の出口の間に配設された第1の導管、
    (e)未精製水源と精製装置の出口との間、又は精製装置の出口と分析用ポンプとの間に配置された分流出口を有する液体流分流器、該分流器は分流器の入口に流入する液体流を第1の流れと第2の流れに分ける、及び
    (f)分流出口と精製装置の間の流体的な結合を提供する第2の導管
    ここで、未精製水の水源と精製装置との間に分流器が配置され、該精製装置は以下を含む:
    (g)交換可能なカチオンを有する第1のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第1のアニオン交換膜、両者の膜は内壁と外壁を有し、第1のカチオン膜と第1のアニオン膜の内壁はそれらの間に第1の精製流路を規定し、第1のカチオン交換膜と第1のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
    (h)第1のカチオン交換膜の外部側壁に第1のカチオン流路を規定する第1のカチオン室、
    (i)第1のアニオン交換膜の外部側壁に第1のアニオン流路を規定する第1のアニオン室、
    (j)第1のカチオン流路及び第1のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
    (k)第1のカチオン流路に配置された貫流型の第1のイオン交換媒体、
    (l)第1のアニオン流路に配置された貫流型の第2のイオン交換媒体、及び
    (m)長さが第1の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第1及び第2のイオン交換媒体の25%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、かつ第2の導管がカチオン及びアニオン室と分流出口との間の流体的な結合を提供する領域。
  7. 分析システムがクロマトグラフィーシステムであり、かつ分析用ポンプがクロマトグラフィー用ポンプである、請求項6に記載の装置。
  8. 以下を含む、未精製の水性液体流を精製しかつ該液体流を分析システムへ流す方法:
    (a)加圧した水源から入口と出口を有する精製装置を通って未精製の水流を流すことによって未精製の水流を精製する工程、
    (b)精製装置の出口からの精製した水性流を分析用ポンプを通って流す工程、
    (c)加圧した水源と精製装置との間の未精製水性流を分流して、未精製水性流の一部のみを精製装置で精製するか、又は精製装置の出口からの精製した水性流を分流して、精製した水性流の一部のみを分析用ポンプに流す工程
    ここで、精製工程(a)は以下の工程によって行われる:
    (d)精製流路の一方の側面に沿って配置された交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜と、精製流路の他方の側面に沿って配置された交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜とによって規定される精製装置の精製流路を通って未精製の水性流を流す工程、アニオン交換膜とカチオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、長さが精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域は貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第1及び第2のイオン交換媒体の25%より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、
    (e)精製流路から水性流を、カチオン交換膜の反対側にあるカチオン流路中の第1のイオン交換媒体を通って流す工程、
    (f)精製流路から水性流を、アニオン交換膜の反対側にあるアニオン流路中の第2のイオン交換媒体を通って流す工程、及び
    (g)工程(d)、(e)及び(f)において、カチオン流路と電気的に接続しているカソードとアニオン流路と電気的に接続しているアノードとの間に電位を供給する工程。
  9. 精製した水性流が分析用ポンプへ流れる前に分析システムの貯蔵器を通って流れる、請求項8に記載の方法。
  10. 未精製の液体流をそれが精製装置の入口へ流れる前に分流し、分流した部分をカチオン及びアニオン交換流路を通って流す、請求項8に記載の方法。
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