TW201819032A - 電去離子裝置及去離子水的製造方法 - Google Patents

電去離子裝置及去離子水的製造方法 Download PDF

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加藤晃久
中馬高明
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日商栗田工業股份有限公司
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Abstract

電去離子裝置1是將多個陽離子交換膜2及陰離子交換膜3隔開而交替配置，藉由於由陽離子交換膜2與陰離子交換膜3所形成的空間內分別填充離子交換樹脂4而交替形成多個除鹽室5、與用以供濃縮水流通的濃縮室6而成。該些除鹽室5與濃縮室6是配置於陽極7與陰極8之間，於陽極7與陰極8的內側分別形成有陽極室9及陰極室10。該電去離子裝置1中，作為填充至除鹽室5中的離子交換樹脂4（陰離子交換樹脂及陽離子交換樹脂），使用芯-殼型的離子交換樹脂。根據所述電去離子裝置1，可提高硼去除率，並且可防止裝置壽命的降低。

Description

電去離子裝置及去離子水的製造方法
本發明是有關於一種電去離子裝置及使用其的去離子水的製造方法，特別是有關於一種能夠高度地去除硼的電去離子裝置及使用其的去離子水的製造方法。
先前，從自來水、地下水、工業用水等原水製造半導體等電子產業領域中所使用的超純水的超純水製造裝置基本上包含前處理裝置、一次純水裝置及對一次純水進行處理的二次純水裝置。於此種超純水製造裝置中，前處理裝置包括凝聚、浮上、過濾及除濁膜裝置等。一次純水裝置一般包括選自活性炭吸附塔、紫外線（UltraViolet，UV）氧化裝置、化學氧化裝置、脫氣裝置等中的一種或兩種以上的裝置，與除鹽裝置，該除鹽裝置一般包含一段或兩段構成的逆滲透膜（RO（Reverse osmosis）膜）裝置與電去離子裝置或者再生型的混床式或多層式的離子交換裝置。另外，二次純水裝置包括低壓UV氧化裝置、非再生型的混床式離子交換裝置及超濾（Ultrafiltration，UF）膜裝置。
於此種超純水製造裝置中，原水中的離子性成分是藉由RO膜裝置、電去離子裝置或混床式等的離子交換裝置而去除，微粒子是藉由RO膜裝置及UF膜裝置而去除。
[發明所欲解決之課題] 近年來，特別是於電子產業領域用途中，要求利用所述般的裝置所製造的超純水將硼濃度抑制為3 ng/L以下為止。
關於其對策，先前提出於作為最通用的一次純水裝置的RO膜裝置與電去離子的組合中，使用硼去除率高的電去離子裝置（例如栗田工業公司製造的「KCDI-UPz」（商品名）），但即便於此種高性能的電去離子裝置中，所述硼去除率亦為99.9%左右。因此，例如於設為藉由RO膜裝置對硼濃度20 μg/L左右的被處理水進行處理而獲得硼濃度10 μg/L左右的RO透過水的情況下，即便藉由硼去除率99.9%的電去離子裝置對所述被處理水進行處理，所獲得的處理水（去離子水）的硼濃度亦只不過為10 ng/L，有難以僅藉由該些的組合而使硼濃度成為3 g/L以下的問題點。
一般而言，電去離子裝置可使用以下者：於陰極及陽極間交替配置多個陽離子交換膜與陰離子交換膜，利用該些陽離子交換膜及陰離子交換膜進行劃分形成，藉此交替形成除鹽室及濃縮室，且於該除鹽室及所述濃縮室中填充有離子交換樹脂。因此，為了獲得硼濃度3 ng/L以下的高純度的超純水，只要促進電去離子裝置中的離子的移動速度即可。為此只要對電去離子裝置施加盡可能多的電流即可，這樣的話同時電壓亦上昇，因此有裝置壽命變短的問題點。
即，為了提高硼去除率，需要增加電流並抑制電壓的上昇，或即便為相同的電流條件亦提高硼去除能力。
本發明是鑒於所述課題而成者，其目的在於提供一種可提高硼去除率並且能夠抑制電壓的上昇的電去離子裝置及使用其的去離子水的製造方法。 [解決課題之手段]
為了達成所述目的，第一，本發明提供一種電去離子裝置，其具有：陰極及陽極、以及藉由於該陰極與該陽極之間排列有多個陽離子交換膜與陰離子交換膜而交替形成的濃縮室及除鹽室，於所述除鹽室及所述濃縮室中填充有離子交換樹脂，並且具有向所述濃縮室中通入濃縮水的濃縮水通水機構、以及向所述除鹽室中通入被處理水而取出去離子水的機構，所述濃縮水通水機構是將已通入所述除鹽室中的去離子水作為濃縮水來通水，填充至所述除鹽室中的離子交換樹脂為芯-殼型的離子交換樹脂（發明1）。
根據所述發明（發明1），若於電去離子裝置的運轉時對陰極及陽極間施加電流，則於除鹽室內經由離子交換樹脂而陰離子成分移動至陽極側，陽離子成分移動至陰極側，並透過離子交換膜而排出至濃縮室側。此時，通常陰離子成分及陽離子成分通過離子交換樹脂時為微量但蓄積於離子交換樹脂的中心部。因此，發明1中，作為該離子交換樹脂而使用芯-殼型的離子交換樹脂。芯-殼型的離子交換樹脂中僅殼（表層）側具有離子交換功能，芯（中心部）為惰性，因此陰離子成分及陽離子成分不通過離子交換樹脂的芯而僅於表層側傳播移動，故離子成分的移動速度變快。藉此離子的去除率變高，結果硼去除率亦可提高。
所述發明（發明1）中，較佳為所述除鹽室的厚度為5 mm～30 mm（發明2）。
根據所述發明（發明2），若為該程度的除鹽室的厚度，則離子成分移動至陽離子交換膜或陰離子交換膜的時間變短，因此可提高硼等難以去除的弱離子成分的去除率。
所述發明（發明1或發明2）中，較佳為所述濃縮水通水機構是將已通入所述除鹽室中的去離子水的一部分以反向流的形式作為濃縮水來通水（發明3）。
根據所述發明（發明3），可緩和電去離子裝置的除鹽室與濃縮室中的離子的濃度梯度的差距，因此可進一步提高硼去除率。
所述發明（發明1～發明3）中，較佳為填充至所述除鹽室中的離子交換樹脂為陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂，陰離子交換樹脂的比例為60重量%～80重量%（乾燥狀態）（發明4）。
根據所述發明（發明4），為弱離子且難以去除的碳酸、二氧化矽、硼等容易進行離子化，可提高該些的去除率。
另外，第二，本發明提供一種去離子水的製造方法，其向發明1至發明4中任一發明的電去離子裝置的所述除鹽室中通入被處理水而進行去離子並加以排出（發明5）。
根據所述發明（發明5），若於電去離子裝置的運轉時對陰極及陽極間施加電流，則於除鹽室內經由離子交換樹脂而陰離子成分移動至陽極側，陽離子成分移動至陰極側，並透過離子交換膜而排出至濃縮室側。此時，通常陰離子成分及陽離子成分通過離子交換樹脂時為微量但蓄積於離子交換樹脂的中心部。因此，藉由使用僅殼（表層）側具有離子交換功能且芯（中心部）為惰性的芯-殼型的離子交換樹脂，陰離子成分及陽離子成分不通過離子交換樹脂的芯而僅於表層側傳播移動，因此離子成分的移動速度變快。藉此離子的去除率變高，結果可獲得硼被高度去除的高純度的去離子水。
所述發明（發明5）中，較佳為向所述除鹽室中通入被處理水，將所述除鹽室的流出水的一部分朝與該除鹽室的通水方向相反的方向通入至所述濃縮室，並將剩餘部以處理水的形式排出（發明6）。
根據所述發明（發明6），可緩和電去離子裝置的除鹽室與濃縮室中的離子的濃度梯度的差距，因此可進一步提高所獲得的去離子水的硼去除率。 [發明的效果]
根據本發明，藉由將芯-殼型的離子交換樹脂填充至電去離子裝置的除鹽室，離子交換樹脂中的離子成分的移動速度變快，因此可高度地去除硼，從而可獲得硼濃度3 ng/L以下的去離子水。
以下，參照隨附圖式對本發明的一實施形態的電去離子裝置進行說明。
圖1為表示本發明的一實施形態的電去離子裝置的構成的示意性表示剖面圖。圖1中，電去離子裝置1是將多個陽離子交換膜2及陰離子交換膜3隔開而交替配置，藉由於由陽離子交換膜2與陰離子交換膜3所形成的空間內分別填充離子交換樹脂4而交替形成多個除鹽室5、與用以供濃縮水流通的濃縮室6而成。再者，圖1中為便於說明而省略填充至濃縮室6中的離子交換樹脂。濃縮室6接收自除鹽室5經由各離子交換膜而移動來的離子並加以排出。另外，除鹽室5與濃縮室6是配置於陽極7與陰極8之間，於陽極7與陰極8的內側分別形成有陽極室9及陰極室10。陽極室9、陰極室10通常由陽離子交換膜2或陰離子交換膜3分隔。
電去離子裝置1中，於各除鹽室5的圖示上側設有被處理水W的流入管線11，另一方面，於各除鹽室5的圖示下側連接有處理水（去離子水）W1的流出管線12。另外，於各濃縮室6的圖示下側設有濃縮水W2的流入管線13，另一方面，於各濃縮室6的圖示上側連接有濃縮排水W3的排出管線14。再者，圖1中，符號15、16分別為電極水W4的流入管線及排出管線。
於該電去離子裝置1中設有：向除鹽室5中通入被處理水W而取出處理水（去離子水）W1的通水機構（未圖示）、以及向濃縮室6中通入濃縮水W2的濃縮水通水機構（未圖示），本實施形態中成為如下構成：將濃縮水W2自與除鹽室5的處理水W1的取出口接近的一側導入至濃縮室6內，並且自與除鹽室5的入口接近的一側流出，即，自與除鹽室5中的被處理水W的流通方向相反的方向，將濃縮水W2導入至濃縮室6中而將濃縮排水W3吐出。
具體而言，如圖2所示，將自除鹽室5所獲得的處理水W1的一部分導入至濃縮室6及陽極室9中。如此，作為濃縮水W2而流通使用處理水W1並減少了離子濃度的濃縮水W2。
於電去離子裝置1中，除鹽室5的厚度較佳為設為5 mm～30 mm。若除鹽的厚度超過30 mm，則硼去除效率降低，另一方面，若未滿5 mm，則不只陰離子交換膜或陽離子交換膜的片數變多，而且離子交換樹脂的填充變得困難，電去離子裝置1的生產性大幅度地降低，故欠佳。
所述般的電去離子裝置1中，作為填充至除鹽室5中的離子交換樹脂4（陰離子交換樹脂及陽離子交換樹脂），使用芯-殼型的離子交換樹脂。如圖3所示，本實施形態的芯-殼型的離子交換樹脂（陰離子交換樹脂）21具備包含惰性離子的中心部（芯）22、與形成於其外側的具有離子交換能的表層部（殼）23。作為此種芯-殼型的離子交換樹脂，例如可使用具有漂萊特（PUROLITE）（股）製造的「漂萊特（Purolite）（註冊商標）SST」系列等般的結構的樹脂。
填充至除鹽室5中的離子交換樹脂的陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂的比率為60：40～90：10，特別是60：40～80：20（乾燥重量比）。若陰離子交換樹脂的比例以體積比計超過90%，則處理水W1中的陽離子成分的去除率降低。另一方面，若陰離子交換樹脂的比例以體積比計未滿60%，則硼（硼酸根離子）或二氧化矽等弱陰離子的去除率降低。該離子交換樹脂無需於除鹽室5的整個區域為相同的比率，亦可使在相對於除鹽室5的通水方向的入口側與出口側不同。例如，於自除鹽室5的入口側（上游側）為通水流路的1/2～1/3的區域中，可使陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂的比率為70：30～80：20而較多地調配陰離子交換樹脂，於之後的出口側使陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂的比率為40：60～60：40，特別是50：50～60：40而調配為大致等量。藉由以此種比例填充離子交換樹脂，於入口側有效地去除陰離子而成為鹼性的水域，碳酸、二氧化矽、硼（硼酸）更容易進行離子化，因此容易藉由電去離子裝置1加以去除，故較佳。
另外，填充至除鹽室5中的離子交換樹脂中至少陽離子交換樹脂可使用以總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）溶出量成為1 ppb以下的方式預先施加調整（清洗）者。再者，此處所謂TOC溶出量，是指利用TOC計（阿納泰路（Anatel）A-1000）測定相對於2 L的離子交換樹脂量而以SV=50/hr將超純水通水120分鐘後的TOC濃度時的TOC的溶出量（增加量）。該調整例如只要以TOC溶出量成為1 ppb以下的方式分別在適當的條件（濃度、時間及流速）下依序進行酸清洗步驟、利用超純水的酸的擠出步驟、利用溫超純水的溫水清洗步驟、利用超純水的精加工步驟等。再者，陰離子交換樹脂亦施加調整（清洗），藉此亦可使用以TOC溶出量成為1 ppb以下的方式預先施加調整（清洗）者。
另外，填充至濃縮室6中的離子交換樹脂的陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的比率並無特別限制，較佳為將兩者設為當量或以某種程度增多陽離子交換樹脂，只要以體積比計將陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂的比率設為40：60～70：30，特別是50：50～70：30（乾燥重量比）即可。
其次，對藉由具有所述般的構成的電去離子裝置1的去離子水的製造方法進行說明。首先，藉由電去離子裝置1對RO處理水等被處理水W進行處理。此時，使電去離子裝置1以500 mA/dm2 以上的電流密度進行運轉。若電流密度未滿500 mA/dm2 ，則無法獲得充分的硼去除率的提高效果。較佳為以800 mA/dm2 以上的電流密度進行運轉。此時，電去離子裝置1的除鹽室5中的被處理水W的通水速度較佳為LV=50 m/hr～150 m/hr左右。
由此，被處理水W被導入至除鹽室5中，自除鹽室5獲得處理水（去離子水）W1。本實施形態中，將該處理水W1的一部分（例如10%～35%左右）作為濃縮水W2朝與除鹽室5的通水方向相反的方向以逆流單程式通水至濃縮室6中，自濃縮室6將濃縮排水W3排出至系統外。此時，電去離子裝置1的濃縮室6中的被處理水W的通水速度較佳為LV=10 m/hr～30 m/hr左右。即，於本實施形態中，濃縮室6與除鹽室5交替地並排設置，除鹽室5的處理水W1的取出側成為濃縮室6的流入口，並且除鹽室5的原水流入側成為濃縮室6的流出口。再者，處理水（去離子水）W1的一部分被供給至陽極室9的入口側，而且，陽極室9的流出水被供給至陰極室9的入口側，陰極室9的流出水作為排水而被排出至系統外。
如此，藉由將處理水W1作為濃縮水W2而相對於除鹽室5以逆流單程式通水至濃縮室6中，較除鹽室5的取出側而言濃縮室6內的濃縮水W2中的離子濃度變低，因此由濃度擴散所引起的對除鹽室5的影響變小，可飛躍性地提高離子去除率、特別是硼的去除率。
於所述般的去離子水的製造步驟中，於使用通常的離子交換樹脂的先前的電去離子裝置中，離子交換樹脂（陰離子交換樹脂）31至中心部為止整體具有離子交換能，因此如圖4所示進入離子交換樹脂31中的陰離子A因藉由水分離而生成的H+ 或OH- 而進行再生，並且在離子交換樹脂31的表層移動，藉由電壓的施加朝除鹽室5的厚度方向移動而到達陰離子交換膜3，並自濃縮室6以濃縮排水W3的形式而被排出。然而，陰離子A的一部分移動至離子交換樹脂31樹脂的內部。移動至離子交換樹脂31的內部的陰離子A移動時花費時間，因此慢慢地蓄積於離子交換樹脂31內部，從而成為由電壓上昇、或蓄積的離子的洩露而引起無法充分地降低硼等的去除率的原因。
相對於此，本實施形態中，作為填充至除鹽室5中的離子交換樹脂4，使用芯-殼型的離子交換樹脂（陰離子交換樹脂）21。於該芯-殼型的離子交換樹脂21的情況下，如圖3所示，樹脂中心部22為惰性，故陰離子A不在樹脂中心部22流動，而僅於表層部23移動，因此藉由電壓的施加而促進朝除鹽室5的厚度方向的移動，陰離子A到達陰離子交換膜3，並自濃縮室6以濃縮排水W3的形式而被排出。藉此，可抑制因陰離子A蓄積於離子交換樹脂21而引起的電壓上昇，可藉由陰離子A的電流的移動的促進而提高硼等的去除率。再者，以上以陰離子交換樹脂的情況為例進行了說明，但於陽離子交換樹脂的情況下，除陽離子移動至陰極側以外相同。
所述般的本實施形態的電去離子裝置1較佳為設於特別是構成純水製造裝置的RO膜分離裝置的後段來對該RO膜分離裝置的透過水進行處理。若以所述方式構成，則藉由對自RO膜分離裝置的硼濃度10 μg/L～20 μg/L左右的RO膜分離裝置的透過水進行處理，可獲得硼濃度3 ng/L以下、特別是硼濃度1 ng/L以下的去離子水。
以上，參照隨附圖式對本發明的一實施形態進行了說明，但本發明若將芯-殼型的離子交換樹脂填充至電去離子裝置1的除鹽室5中，則並不限定於所述實施形態，能夠實施各種變更。例如，可根據所要求的水質來適宜地設定運轉時的電流密度或芯-殼型的離子交換樹脂的陰離子/陽離子比率等。 [實施例]
以下，列舉實施例及比較例來對本發明進行更具體的說明，但本發明並不限定於下述的實施例。
[實施例1] 作為電去離子裝置1，使用以下者。 作為電去離子裝置：試驗用的電去離子裝置，如圖1及圖2所示，採用將已通入除鹽室5中的處理水（去離子水）W1的一部分以反向流的形式作為濃縮水W2而通水至濃縮室6中的方式。製造將除鹽室5及濃縮室6分別設為高度400 mm、寬度50 mm、厚度5 mm，利用濃縮室6夾持除鹽室5的兩側，並於其兩側安裝有陽極室9及陰極室10的5室結構（結構：E-C-D-C-E）者。以濃縮室5及除鹽室5成為垂直方向的方式設置該電去離子裝置1。
此種電去離子裝置1中，將作為芯-殼型的離子交換樹脂的以陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=60：40（乾燥重量比）混合陰離子交換樹脂（漂萊特（PUROLITE）公司製造的「SSTA64」）與陽離子交換樹脂（漂萊特（PUROLITE）公司製造的「SSTC60」）而成的混合樹脂填充至除鹽室5中。再者，將以陽離子交換樹脂：陰離子交換樹脂=60：40（乾燥重量比）混合通常的陽離子交換樹脂及陰離子交換樹脂而成的混合樹脂填充至濃縮室6中。
於所述電去離子裝置1中流通電流為2 A（KCDI-UPz（栗田工業公司製造）相當於18 A）的電流，並以LV=50 m/hr、下向流的方式將CO2 =1 mg/L、B=3 μg/L及Na=0.5 mg/L的被處理水W通入至除鹽室5中，將除鹽室5的流出水的33%作為濃縮水W2以LV=25 m/hr、上向流的方式通入至濃縮室6中，並將剩餘部以處理水（去離子水）W1的形式取出。
測定該處理水W1的硼濃度，結果為3 ng/L而對電去離子裝置的單獨處理而言非常低，初期運轉電壓亦低而為9.39 V。
[比較例1] 實施例1中，將以陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=60：40（乾燥重量比）混合通常的陰離子交換樹脂（EX-AG（栗田工業公司製造））與陽離子交換樹脂（EX-CG（栗田工業公司製造））而成的混合樹脂填充至除鹽室5中，除此以外同樣地進行而構成電去離子裝置1，於相同的條件下通入被處理水W，結果該處理水W1的硼濃度為4 ng/L，初期運轉電壓為10.37 V，均大於實施例1。
根據以上結果，可知藉由使用將芯-殼型的離子交換樹脂填充至除鹽室5中的電去離子裝置1，與使用通常的離子交換樹脂的情況相比較，硼去除性能高，以同電流運轉時的電壓亦低。
1‧‧‧電去離子裝置
2‧‧‧陽離子交換膜
3‧‧‧陰離子交換膜
4‧‧‧離子交換樹脂
5‧‧‧除鹽室
6‧‧‧濃縮室
7‧‧‧陽極
8‧‧‧陰極
9‧‧‧陽極室
10‧‧‧陰極室
11、13、15‧‧‧流入管線
12‧‧‧流出管線
14、16‧‧‧排出管線
21‧‧‧芯-殼型的離子交換樹脂（陰離子交換樹脂）
22‧‧‧中心部（芯）
23‧‧‧表層部（殼）
31‧‧‧離子交換樹脂（陰離子交換樹脂）
A‧‧‧陰離子
W‧‧‧被處理水
W1‧‧‧處理水（去離子水）
W2‧‧‧濃縮水
W3‧‧‧濃縮排水
W4‧‧‧電極水
圖1為表示本發明的一實施形態的電去離子裝置的構成的示意性剖面圖。 圖2為表示所述電去離子裝置的系統圖。 圖3為表示所述實施形態的芯-殼型的離子交換樹脂中的陰離子的移動狀態的概略圖。 圖4為表示先前的離子交換樹脂中的陰離子的移動狀態的概略圖。

Claims (6)

  1. 一種電去離子裝置，其具有：陰極及陽極、以及藉由於所述陰極與所述陽極之間排列有多個陽離子交換膜與陰離子交換膜而交替形成的濃縮室及除鹽室，於所述除鹽室及所述濃縮室中填充有離子交換樹脂，並且具有向所述濃縮室中通入濃縮水的濃縮水通水機構、以及向所述除鹽室中通入被處理水而取出去離子水的機構，所述濃縮水通水機構是將已通入所述除鹽室中的所述去離子水作為所述濃縮水來通水，於所述電去離子裝置中， 填充至所述除鹽室中的所述離子交換樹脂為芯-殼型的離子交換樹脂。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電去離子裝置，其中所述除鹽室的厚度為5 mm～30 mm。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的電去離子裝置，其中所述濃縮水通水機構是將已通入所述除鹽室中的所述去離子水的一部分以反向流的形式作為所述濃縮水來通水。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的電去離子裝置，其中填充至所述除鹽室中的所述離子交換樹脂為陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂，陰離子交換樹脂的比例為60重量%～80重量%（乾燥狀態）。
  5. 一種去離子水的製造方法，其向如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的電去離子裝置的所述除鹽室中通入所述被處理水而進行去離子並加以排出。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的去離子水的製造方法，其中向所述除鹽室中通入所述被處理水，將所述除鹽室的流出水的一部分朝與所述除鹽室的通水方向相反的方向通入至所述濃縮室，並將剩餘部以處理水的形式排出。
TW106131363A 2016-11-21 2017-09-13 電去離子裝置及去離子水的製造方法 TW201819032A (zh)

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