TWI257324B - Electrodeionization apparatus - Google Patents

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TWI257324B
TWI257324B TW092130754A TW92130754A TWI257324B TW I257324 B TWI257324 B TW I257324B TW 092130754 A TW092130754 A TW 092130754A TW 92130754 A TW92130754 A TW 92130754A TW I257324 B TWI257324 B TW I257324B
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Masayuki Miwa
Shin Sato
Takayuki Moribe
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Kurita Water Ind Ltd
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Description

1257324 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電子去離子裝置，且特別是有關 於一種即使在二氧化碳、矽等弱離子成分之高負荷下，仍 具有優良之去鹽性能與運轉穩定性之電子去離子裝置。 【先前技術】 一般來說，在半導體製造廠、液晶製造廠、製藥工業、 食品工業、電力工業等各種產業或是硏究設備中，所使用 之去離子水其製造方式都使用一電子去離子裝置（日本專 利第I782943號、日本專利第2751090號、日本專利第 2699M6號），在此電子去離子裝置中，陽極與陰極之間係 交互配置有多數個陰離子交換膜以及陽離子交換膜，以形 成交互配置之濃縮室及去鹽室。此電子去離子裝置中塡充 有離子交換樹脂、離子交換纖維等離子交換物質，且離子 交換樹脂係由陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂混合而 成。此外，在日本專利早期公開之特開2〇〇2_205069號所 提出之電子去離子裝置，其在濃縮室中塡充有離子交換物 質，以減低濃縮室之電阻値，並且確保其電流大小。 在此電子去離子裝置中，流入去鹽室之離子，基於其 本身的親和力、？辰度及移動率，會與離子交換物質反應， 且在離子交換物質中，沿著電位梯度移動。而且，此離子 更會穿過薄膜，使全部腔室內的電荷保持在電中性。所以， 由於半透膜之穿透性與電位梯度之移動特性，位於去鹽室 的離子會減少，且離子會在鄰近的濃縮室中濃縮。換言之， 陽離子會穿過陽離子交換膜，且陰離子會穿過陰離子交換 12543pif.doc/008 6 1257324 膜，且在每一個濃縮室中濃縮。所以，自去鹽室所生產的 水會被回收，而此所回收的水係爲去離子水。 此電子去離子裝置可以有效進行去鹽處理，且離子交 換樹脂不需再生。因此，可以完全且連續生產高純度的水。 然而，此電子去離子裝置在二氧化碳、矽等弱離子成 分負荷過高的情況下，即欲處理的水中具有過多的二氧化 碳、矽等弱離子成分時，所得到之去離子水其水質較差(以 電阻相比）。而且，經過一段時間之後，此電子去離子裝 置會因電阻値上昇，而使運轉穩定性變差。 此外，在日本專利早期公開之特開2002-205069號係 揭露濃縮室中塡充有離子交換物質之電子去離子裝置。在 日本專利早期公開之特開2002-205069號中，爲了確保其 電流大小，所以在濃縮室內塡充離子交換物質等導電體。 然而，在這個陰離子交換物質對陽離子交換物質的塡充比 例上，並沒有作特別的討論。在日本專利早期公開之特開 20〇2-2〇5〇69號中，去鹽室中所塡充之混合離子交換樹脂， 其陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的比例同樣爲7 : 3。 【發明內容】 有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種電子去離子 裝置’以解決上述的問題，以使此電子去離子裝置，即使 在二氧化碳、矽等弱離子成分負荷過高的情況下，仍具有 優良的去鹽性能與運轉穩定性。 本發明提出一種電子去離子裝置，此電子去離子裝置 包括交錯配置於一陽極與一陰極之間的多數個陰離子交換 膜與多數個陽離子交換膜，以形成交錯配置之一濃縮室與 12543pif.doc/008 7 1257324 一去鹽室，且於濃縮室與去鹽室中塡充有離子交換物質。 此電子去離子裝置的特徵在於濃縮室中的離子交換物質其 陰離子交換物質/陽離子交換物質的塡充比例，大於去鹽 室中的離子交換物質其陰離子交換物質/陽離子交換物質 的塡充比例。 在電子去離子裝置中，如先前所述，存在於欲處理水 中的陽離子會穿過陽離子交換膜，並且在濃縮室中濃縮， 藉以去除之。此外，存在於欲處理水中的陰離子會穿過陰 離子交換膜，並且在濃縮室中濃縮，藉以去除之。此時， 不易去除之二氧化碳、政等弱離子成分，會因在去鹽室發 生水解離之氫氧離子，轉變化成碳酸氫根離子（HC〇3_)與 矽酸氫根離子(HSi03·)，而排放至濃縮室。 由於濃度極化（Polarization)效應，在陰離子交換膜的 濃縮室之鄰接界面處，陰離子的濃度會最濃。而不易移動 之碳酸氫根離子與矽酸氫根離子的濃度極化越大，會容易 產生電阻升高、離子不易移動的問題，進而發生低移除率 的問題。 此時，在陰離子交換膜的濃縮室之鄰接界面處，係存 在有帶反向電性的陽離子交換物質。而且，由於陰離子移 動變慢，上述之濃度極化較易發生。另一方面，陰離子交 換膜的存在，使得陰離子移動速度變快，所以濃度極化變 得不易發生。特別是，在本發明的裝置中，濃縮室中的離 子交換物質之陰離子交換物質/陽離子交換物質的塡充比 例（以下以”陰離子/陽離子的比例”表示），大於去鹽室中的 離子交換物質之陰離子/陽離子比例。因此含有碳酸氫根 12543pif.doc/008 8 1257324 離子與矽酸氫根離子的陰離子移動速度會變快。 本發明之電子去離子裝置，較佳的是’包括多數個去 鹽室與多數個濃縮室。特別是’濃縮室中的離子交換物質 其陰離子交換物質/陽離子交換物質的塡充比例’較佳係 介於75/25至95/5之間。此外，濃縮室中的離子交換物質 較佳爲離子交換樹脂’其中陰離子交換樹脂的交聯度係介 於3〜8%之間，而陽離子交換樹脂的交聯度係介於5〜10% 之間。特別是，濃縮室中所塡充之陰離子交換樹脂較佳係 爲熱安定性的陰離子交換樹脂。 本發明電子去離子裝置，即使在二氧化碳、矽等弱離 子成分之高負荷的情況下，仍具有優良之去鹽性能與運轉 穩定性。因此，即使去鹽室的注入量(L/h)對去鹽室中的離 子交換膜之有效面積(dm2)的比値係爲5.以上，或此電子去 離子裝置滿足下述（1)與(2)其中任一項或同時滿足下述（1) 與（2)，或是此電子去離子裝置的電流密度爲300mA/dm2 以上，仍具有良好的電阻狀態與去鹽性能。 (1) 流入去鹽室的二氧化碳負荷量(mg-C02/h)對去鹽室 中的陰離子交換膜之有效面積(dm2)的比値係爲80以上。 (2) 流入去鹽室的二氧化矽負荷量(mg-Si02/h)對去鹽室 中的陰離子交換膜之有效面積(dm2)的比値係爲8以上。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下： 【實施方式】 第1圖所示，其繪示依照本發明一較佳實施例的一種 12543pif.doc/008 9 1257324 電子去離子裝置的剖面示意圖。而關於第1圖之詳細說明 如下。 此電子去離子裝置包括交錯配置於二電極（陽極11與 陰極12)之間的多數個陰離子交換膜13與多數個陽離子交 換膜14 ’以形成交錯配置之多數個濃縮室15與多數個去 鹽室16。而且，於去鹽室16與濃縮室15中各別塡充有混 合的離子交換樹脂，此混合的離子交換樹脂係由陽離子交 換樹脂10A與陰離子交換樹脂10B混合而成。此外，此 電子去離子裝置還包括有陽極室17與陰極室18。 在本發明中，濃縮室15中所塡充離子交換樹脂其陰 離子/陽離子的比例，大於去鹽室16中所塡充的離子交換 樹脂其陰離子/陽離子比例。因此，如先前所述之碳酸氫 根離子、矽酸氫根離子等陰離子移動速度會變快。於是， 在鄰近陰離子交換膜13附近處，可以避免濃度極化。然 而，濃縮室15中的混合交換樹脂其陰離子/陽離子的比例 過大時，在濃縮室15中的陽離子交換膜之濃縮面處，會 發生陽離子濃度極化的問題。因此，濃縮室15中所混合 之離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例係介於75/25至 95/5之間，特別是，其較佳之比例介於80/20至90/10之 間。而且，此陰離子/陽離子的比例係爲再生型之陰離子 交換樹脂/陽離子交換樹脂的體積比例。 在第1圖之電子去離子裝置中，於濃縮室15中的離 子交換膜係使用離子交換樹脂。但是，濃縮室15中的離 子交換膜並不限於離子交換樹脂的使用，其還可以使用離 子交換纖維或是接枝(graft)交換物質等合適之交換物質。 12543pif.doc/008 10 1257324 然而，以操作便利性來說，使用離子交換樹脂作爲離子交 換膜較好。此外，不具有離子交換基的不活性樹脂可以與 離子交換樹脂部分混合。在此情況下，扣除不活性樹脂的 離子交換物質其陰離子/陽離子的比例仍介於上述的範圍 內。 在濃縮室15中所塡充的離子交換物質係使用離子交 換樹脂，其中的陰離子交換樹脂的交聯度以3〜8%爲佳， 而陽離子交換樹脂的交聯度以5〜10%爲佳。若離子交換樹 脂的交聯度過小，則離子交換樹脂的強度會變弱。若離子 交換樹脂的交聯度過大，則此裝置的電阻會變大。 若濃縮室15中的陰離子交換樹脂的比例過高，則在 長時間的操作下，此裝置會逐漸劣化，電阻也會逐漸變大。 換言之，一般說來，例如氧氣的存在下，陰離子交換樹脂 會比陽離子交換樹脂先因氧化而發生劣化。所以，在濃縮 室15中的陰離子交換樹脂其比例較高的情況下，爲了避 免樹脂因氧化而劣化，可以使用強度較強或是熱安定性的 樹脂。 在電子去離子裝置的製水方面，一般已經過活性碳、 逆滲透分離進行處理之城市水等水源，其導電度爲 3〜l(^S/cm、二氧化碳濃度爲3〜30ppm以及矽的濃度爲 0·2〜l.Oppm。之後，在對此水進行處理時，去鹽室16中 之離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例需介於60/40至 70/30之間。此外，去鹽室16中的離子交換膜並不限於離 子交換樹脂，其還可以塡充離子交換纖維等其他合適的交 換物質。 12543pif.doc/008 11 1257324 在本發明之電子去離子裝置中’如同習知的電子去離 子裝置，欲處理的水會被注入濃縮室15與去鹽室16中。 流入去鹽室16中的欲處理水中的離子’其中的陽離子會 穿過陽離子交換膜14，而陰離子會穿過陰離子交換膜13 ’ 且在各個濃縮室內進行濃縮，以使自去鹽室所生產的水’ 成爲去離子水。另一方面，濃縮離子所生成之濃縮水會自 濃縮室15排出。 因此，在陽極室17以及陰極室18中會導入電極水。 一般來說，爲了確保電導度，所導入之電極水係爲自濃縮 室I5流出，且離子濃度高的水(濃縮水）。 換言之，濃縮離子且自濃縮室15流出的濃縮水，一 部分的濃縮水會注入濃縮室15的入口端而進行循環，以 提供回收率。一部份的濃縮水會輸送至陽極室17。剩下部 分的濃縮水會排放至排水系統外，以避免系統內部的離子 被濃縮。因此，自陽極室17流出來的水會輸送到陰極室18 的入口端，而自陰極室18流出來的水會排放至排水系統 外。 在此處理中，當流入去鹽室16之二氧化碳、矽等弱 離子成分越多時’會於濃縮室15之陰離子交換膜13的濃 縮面處’發生先前所述之濃度極化。特別是二氧化碳、矽 等弱離子成分存在時，濃度極化越易發生。另外，自去鹽 室16 ’穿過陰離子交換膜13，而移動至濃縮室15的二氧 化碳、矽等弱離子成分越多時，濃度極化越易發生。此外， 電流松度越大時，濃度極化也越易發生。 所以，由於本發明之電子去離子裝置，其濃縮室15 12543pif.d〇c/008 12 1257324 中的離子交換樹脂其陰離子/陽離子的比例，大於去鹽室16 中的離子交換樹脂其陰離子/陽離子比例。因此，即使在 弱離子成分之高負荷的情況下，仍具有去鹽性能佳及運轉 穩定度高的優點。例如，即使流入去鹽室16的二氧化碳 負荷量(mg-C02/h)對去鹽室中的陰離子交換膜之有效面積 (dm2)的比値係爲80以上，甚至爲250〜300，或流入去鹽 室16的二氧化矽負荷量(mg-Si02/h)對去鹽室中的陰離子 交換膜之有效面積(dm2)的比値係爲8以上，甚至爲15〜25， 或是電流密度爲300mA/ dm2以上，甚至爲600〜1200，此 電子去離子裝置仍具有去鹽性能佳及運轉穩定度高的優 點。此外，此電子去離子裝置可以更進一步地小型化，因 此就經濟的觀點來考量，本發明是非常有效的裝置。 此外，本發明之電子去離子裝置，陽極室Π與陰極 室18中，也可以塡充離子交換樹脂等離子交換物質與導 電物。 【實施例1】 在以下之實施例與比較例中係具體說明本發明。 電子去離子裝置（水處理量l〇〇〇L/h)係由8個去鹽室 (每一個有效寬度250mm、高度400mm與厚度5mm)所構 成。在去鹽室與濃縮室（厚度2.5mm)中，係塡充有下述之 混合離子交換樹脂。已經過活性碳處理與RO處理的都市 水係注入此裝置中，且其導電度爲lOpS/cm、二氧化碳濃 度爲20ppm、二氧化矽的濃度爲l.Oppm，以及水溫爲攝氏 10度。此外，此電子去離子裝置的去鹽室之陰離子交換膜 的有效面積(dm2)爲10dm2。 12543pif.doc/008 13 1257324 去鹽室：陰離子交換樹脂/陽離子交換樹脂=7/3(體積 比例）的混合離子交換樹脂。 濃縮室：陰離子交換樹脂/陽離子交換樹脂的混合比 如表1所示。 去鹽室之入口端的水量爲’而濃縮室之入口 端的水量爲400L/h。自濃縮室流出之濃縮水以2〇〇L/h排 放至系統外，依序流過陽極室與陰極室之濃縮水以50L/h 排放至系統外。剩餘的濃縮水進入濃縮水入口端進行循 環。 在電流大小爲8安培的條件下，持續進行一個月之注 水。其中，此注水條件如下所示。一個月後所生產之水， 其比阻抗與運轉電壓如表1所示，其中，自量測初期，所 得之量測値穩定，並無太大變化。 去鹽室的注入量(L/h)對去鹽室中的陰離子交換膜之有 效面積(dm2)的比値= 12.5 流入去鹽室的二氧化碳負荷量（mg-C02/h)對去鹽室中 的陰離子交換膜之有效面積(dm2)的比値=250 流入去鹽室的二氧化砂負荷量(mg-Si02/h)對去鹽室中 的陰離子交換膜之有效面積(dm2)的比値= 12.5 電流密度(mA/dm2)=800 【實施例2〜4與比較例1】 在濃縮室中所塡充之混合離子交換樹脂其陰離子/陽 離子的比如表1所示，而實施例1同樣進行注水。製水一 個月之後所得之比阻抗値與運轉電壓如表1所示。 12543pif.doc/008 14 1257324 表1 在濃縮室中，所塡充之離子交 換樹脂其陰離子/陽離子的比 例；陰離子交換樹脂：陽離子 交換樹脂(體積比例） 製水1個月後 比阻抗値（ΜΩ . cm) 運轉電壓(V) 實施例 1 8:2 15 86 2 9:1 14 86 3 7.5:2.5 15 90 4 9.5:0.5 14 88 比較例 1 7:3 12 126 2 6:4 11 134 如表1所示，在濃縮室中，所塡充之離子交換樹脂其 陰離子/陽離子的比例，大於在去鹽室中，所塡充之離子 交換樹脂其陰離子/陽離子的比例。特別是，在濃縮室中 的陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的體積比例係介於 8:2〜9:1之間。因此，由此可知本發明即使在二氧化碳、 矽等弱離子成分之高負荷下，仍具有優良之去鹽性能與運 轉穩定性。 【本發明的效果】 由上可知，本發明之電子去離子裝置即使在二氧化 碳、矽等弱離子成分之高負荷下，仍具有優良之去鹽性能 與運轉穩定性。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 12543pif.doc/008 15 1257324 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不去離本發明之精神 和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 【圖式簡單說明】 第1圖是依照本發明一較佳實施例的一種電子去離子 裝置的剖面示意圖。 【圖式標記說明】 10A :陽離子交換樹脂 10B :陰離子交換樹脂 11 ： 陽極 12 陰極 13 陰離子交換膜 14 陽離子交換膜 15 濃縮室 16 去鹽室 17 陽極室 18 陰極室 12543pif.doc/008 16

Claims (1)

1257324 拾、申請專利範圍： 1.一種電子去離子裝置，包括有交錯配置於一陽極與 〜陰極之間的多數個陰離子交換膜與多數個陽離子交換 膜，以形成交錯配置之一濃縮室與一去鹽室，且於該濃縮 室與該去鹽室中塡充有一離子交換物質，其中該電子去離 子裝置的特徵在於： 該濃縮室中的該離子交換物質之陰離子交換物質/陽 離子交換物質的塡充比例，大於該去鹽室中的該離子交換 物質之陰離子交換物質/陽離子交換物質的塡充比例。 2·如申請專利範圍第1項所述之電子去離子裝置，更 包括多數個去鹽室與多數個濃縮室，該濃縮室中的該離子 交換物質之陰離子交換物質/陽離子交換物質的塡充比例 係介於75/25至95/5之間。 3.如申請專利範圍第1項或第2項所述之電子去離子 裝置，其中該濃縮室中的該離子交換物質爲一離子交換樹 脂，且陰離子交換樹脂的交聯度係介於3〜8%之間，而陽 離子交換樹脂的交聯度係介於5〜10%之間。 4·如申請專利範圍第1項或第2項所述之電子去離子 裝置，其中該去鹽室的注水量（L/h)對該去鹽室中的該陰離 子交換膜之有效面積(dm2)的比値係爲5以上。 5.如申請專利範圍第1項或第2項所述之電子去離子 裝置，該電子去離子裝置係滿足下述（1)與（2)其中任一項 或是同時滿足下述（1)與(2): (1)流入該去鹽室的二氧化碳負荷量(mg_C〇2/h)對該去 鹽室中的該陰離子交換膜之有效面積（dm2)的比値係爲8〇 12543pif.doc/008 17 1257324 以上； (2)流入該去鹽室的二氧化矽負荷量(mg-Si02/h)對該去 鹽室中的該陰離子交換膜之有效面積（dm2)的比値係爲8以 上。 6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電子去離子 裝置，其中該電子去離子裝置的電流密度係爲300mA/dm2 以上。 7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電子去離子 裝置，其中該濃縮室中所塡充之該陰離子交換樹脂係爲熱 安定性的陰離子交換樹脂。 12543pif.doc/008 18
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