TWI749130B - 去離子水製造系統、電氣式去離子水製造裝置及去離子水製造方法 - Google Patents

去離子水製造系統、電氣式去離子水製造裝置及去離子水製造方法 Download PDF

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Abstract

一種去離子水製造系統，係供給原水以製造去離子水，具備：供給原水的逆滲透膜裝置(RO裝置)、及電氣式去離子水製造裝置(EDI裝置)，該EDI裝置具有藉由離子交換膜加以區隔並供給逆滲透膜裝置之通透水的脫鹽室。EDI裝置中，於脫鹽室之內部填充離子交換體，在離子交換膜之至少一部分及離子交換體之至少一部分中之至少一者的表面吸附有包含多價金屬之粒子。

Description

去離子水製造系統、電氣式去離子水製造裝置及去離子水製造方法
本發明關於去離子水之製造，特別是關於去離子水製造系統、電氣式去離子水製造裝置及去離子水製造方法。
已知有將被處理水通入到離子交換樹脂等離子交換體，並藉由離子交換反應實施去離子的去離子水製造系統。如此之系統一般具備具有離子交換體之裝置，並利用藉由離子交換體所為之離子交換反應以生成去離子水。但，具有離子交換體之裝置中，當離子交換體之離子交換基飽和而導致脫鹽性能降低時，需實施藉由酸、鹼等藥劑使離子交換體再生之處理，亦即再生處理。就再生處理而言，係將已吸附於離子交換體之陽離子(cation)、陰離子(anion)置換為來自酸或鹼之氫離子(H+ )、氫氧離子(OH- )，藉此，使離子交換體之脫鹽性能恢復的處理。故，使用離子交換體之去離子水製造裝置存在諸如無法進行連續運轉，需花費功夫補充用於再生處理之藥劑的課題。為了解決該課題，近年已有人開發不需要利用藥劑所為之再生的電氣式去離子水製造裝置(亦稱為EDI(ElectroDeIonization)裝置)，並已實用化。
EDI裝置係組合了電泳與電透析的裝置，並具有如下結構：於僅使陰離子通過之陰離子交換膜與僅使陽離子通過之陽離子交換膜之間填充離子交換體以構成脫鹽室，從脫鹽室觀之，在陰離子交換膜及陽離子交換膜的外側分別配置濃縮室，進一步，於該等之外側配置具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室。填充於脫鹽室之離子交換體，係陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者。在脫鹽室中，於面向陽極之側配置陰離子交換膜，於面向陰極之側配置陽離子交換膜。可在濃縮室中填充離子交換體，亦可在陽極室中填充陽離子交換體，也可在陰極室中填充陰離子交換體。
為了利用EDI裝置由被處理水製造去離子水，於在陽極與陰極之間施加直流電壓的狀態下，將被處理水通入脫鹽室中。如此，被處理水中之離子成分吸附於脫鹽室內之離子交換體，從而進行去離子化處理，亦即脫鹽處理。其結果，去離子水從脫鹽室流出。此時，在脫鹽室中，於不同種類之離子交換性物質間之界面，亦即，於陰離子交換體與陽離子交換體之界面、陰離子交換體與陽離子交換膜之界面、陰離子交換膜與陽離子交換體之界面、及陰離子交換膜與陽離子交換膜之界面，藉由施加之電壓，如下式所示般發生水的解離反應，生成氫離子及氫氧離子。 H2 O　→　H+ ＋ OH-
藉由該解離反應所生成之氫離子與氫氧離子，先前吸附於脫鹽室內之離子交換體之離子成分發生離子交換，而從離子交換體游離出來。游離出來的離子成分中之陰離子電泳至陰離子交換膜，藉由陰離子交換膜發生電透析，並排出至流經從脫鹽室觀之靠近陽極之濃縮室的濃縮水。同樣游離出來的離子成分中之陽離子電泳至陽離子交換膜，藉由陽離子交換膜發生電透析，並排出至流經從脫鹽室觀之靠近陰極之濃縮室的濃縮水。結果，供給至脫鹽室之被處理水中之離子成分轉移至濃縮室並被排出，同時脫鹽室之離子交換體也得到再生。
如此般在EDI裝置中，藉由施加直流電壓所產生之氫離子及氫氧離子，係作為使離子交換體再生之酸及鹼之再生劑連續地發揮作用。因此，在EDI裝置中，基本不需要實施藉由從外部供給之藥劑所為的再生處理，可連續運轉而不用進行利用藥劑之離子交換體之再生。
上述中，由[濃縮室(C)｜陰離子交換膜(AEM)｜脫鹽室(D)｜陽離子交換膜(CEM)｜濃縮室(C)]組成之基本構成，係配置在陽極與陰極之間。該基本構成稱為單元組(cell set)。實際上，一般在電極之間並列設置多數個如此之單元組，並將多數個單元組的一端作為陽極，另一端作為陰極，使其在電氣上串聯連接，以實現處理能力的增大。此時，由於鄰接的單元組間可共有相鄰的濃縮室，就EDI裝置之構成而言，成為[陽極室｜C｜AEM｜D｜CEM｜C｜AEM｜D｜CEM｜C｜AEM｜D｜CEM｜…｜C｜陰極室]之構成。又，大多在陽極室及與之鄰接的濃縮室之間設置陽離子交換膜，在陰極室及與之鄰接的濃縮室之間設置陰離子交換膜。又，如此之串聯結構中，關於最靠近陽極室之脫鹽室，可不在其與陽極室之間介在獨立的濃縮室，而使陽極室本身作為濃縮室發揮功能。同樣關於最靠近陰極室之脫鹽室，也可不在其與陰極室之間介在濃縮室，而使陰極室本身作為濃縮室發揮功能。為了壓低因施加直流電壓所消耗的電力，宜也在各濃縮室、陽極室及陰極室中填充離子交換體以降低電阻。
具備EDI裝置之去離子水製造系統中，為了獲得雜質濃度顯著較低之去離子水，作為供給至EDI裝置之被處理水，宜使用預先將雜質減少到某程度的水。因此，於EDI裝置之前段設置例如逆滲透(RO)膜裝置以構成去離子水製造系統，將通過逆滲透膜裝置的水以被處理水的形式供給至EDI裝置而進行。但，被處理水的導電率變小，例如變為5μS/cm以下的話，為了使水的解離反應發生，必須施加於EDI裝置之電壓變高。若欲獲得更低雜質濃度之去離子水而使用更小導電率之被處理水，流過陽極與陰極之間的電流設定為固定的話，必須施加於EDI裝置之電壓亦即運轉電壓變得更高。運轉電壓變高的話，相應地消耗電力也增加。
如上述般，脫鹽室內水的解離反應在利用EDI裝置之去離子水之連續製造中起到重要作用。若水的解離反應有效率地進行的話，即使是被處理水之導電率小的情況，亦可將施加於EDI裝置的電壓壓低，故能以低消耗電力製造高純度的去離子水。
為了促進EDI裝置之脫鹽室內水的解離反應，有人提出了幾種技術。專利文獻1揭示在EDI裝置中，於陽離子交換膜之脫鹽室側之膜表面、或填充於脫鹽室內之離子交換樹脂載持氫氧化鎂等金屬氫氧化物。專利文獻2揭示在EDI裝置中，將作為兩性離子交換體發揮作用之金屬氧化物或金屬氫氧化物以按容積比率計為1～50%之比例與脫鹽室內之離子交換體混在一起。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]　日本特開2000-350991號公報 [專利文獻2]　日本特開2001-340865號公報
[發明所欲解決之課題] 但，專利文獻1記載之裝置中，載持於脫鹽室內之金屬氫氧化物因水解離所產生之氫離子而發生溶解，故難以長期間穩定地維持性能。專利文獻2記載之裝置中，與離子交換體混在一起的金屬氧化物、金屬氫氧化物並不是確實地存在於不同種類之離子交換體的界面，故無法最大限度地發揮促進水解離的效果。
鑒於如上述之習知的去離子水製造系統之課題，本發明之目的在於提供去離子水製造系統及去離子水之製造方法，即使將導電率小之被處理水供給至電氣式去離子水製造裝置的情況下，仍可更穩定且有效率地促進水的解離反應，能以低消耗電力製造高純度的去離子水；並提供適合使用於去離子水製造系統之電氣式去離子水製造裝置。
本發明之另一目的在於提供電氣式去離子水製造裝置中所使用之離子交換膜及離子交換體中之至少一者。 [解決課題之手段]
根據本發明之一態樣，係一種供給原水以製造去離子水的去離子水製造系統，具備：供給原水的逆滲透膜裝置、及電氣式去離子水製造裝置，該電氣式去離子水製造裝置具有藉由離子交換膜加以區隔並供給逆滲透膜裝置之通透水的脫鹽室；於脫鹽室之內部填充離子交換體，在離子交換膜之至少一部分及離子交換體之至少一部分中之至少一者的表面吸附有包含多價金屬之粒子。
根據本發明之另一態樣，係一種電氣式去離子水製造裝置(EDI裝置)，在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，脫鹽室藉由位於面向陽極之側的陰離子交換膜與位於面向陰極之側的陽離子交換膜加以區隔，脫鹽室內填充有陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者；其特徵為：在陰離子交換膜、陽離子交換膜、陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者之表面吸附有包含多價金屬之粒子。
多價金屬，亦即成為陽離子時之離子價為2以上之金屬元素，係作為水解離反應的觸媒發揮作用。本發明中，藉由使包含多價金屬之粒子吸附於脫鹽室內之陰離子交換體、陽離子交換體、陰離子交換膜及陽離子交換膜中之至少一者之表面，可使作為水解離反應之觸媒發揮作用的多價金屬確實地存在於脫鹽室內不同種類離子交換性物質間的界面。因此在本發明中，可最大限度地獲得由多價金屬所致之水解離反應的促進效果。又，包含多價金屬之粒子藉由具有粒子的形狀，吸附於脫鹽室內之離子交換體、離子交換膜時，不會有覆蓋該等之表面之虞，可將涉及去離子之離子交換的反應性、離子之通透性的損失壓抑為最小限度。
根據本發明之又一態樣，係一種去離子水製造方法，係使用上述本發明之EDI裝置，其特徵為：以使脫鹽室中之電流密度成為0.3A/dm2 以上10A/dm2 以下的方式，在陽極與陰極之間施加直流電壓，並使被處理水流入到脫鹽室中，而獲得去離子水。
根據本發明之又一態樣，係一種去離子水製造方法，係使用EDI裝置，該EDI裝置在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，脫鹽室藉由位於面向陽極之側的陰離子交換膜與位於面向陰極之側的陽離子交換膜加以區隔，脫鹽室內填充有陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者；該去離子水製造方法具有下列步驟：於陰離子交換膜、陽離子交換膜、陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者之表面吸附包含多價金屬之粒子；及於吸附步驟之後，在陽極與陰極之間施加直流電壓，並使被處理水流入到脫鹽室中，而獲得去離子水。
根據本發明之又一態樣，係一種EDI裝置用離子交換膜，係使用於EDI裝置，該EDI裝置在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，該脫鹽室中填充有陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者；該離子交換膜係在脫鹽室中位於面向陽極之側並區隔出脫鹽室的陰離子交換膜、在脫鹽室中位於面向陰極之側並區隔出脫鹽室的陽離子交換膜、及將脫鹽室內進一步區隔成小脫鹽室的中間離子交換膜中之至少一者，其特徵為：於離子交換膜之表面吸附有包含多價金屬之粒子。
根據本發明之又一態樣，係一種EDI裝置用離子交換體，係使用於EDI裝置，該EDI裝置在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，脫鹽室藉由位於面向陽極之側的陰離子交換膜與位於面向陰極之側的陽離子交換膜加以區隔；該離子交換體包含陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者，並填充在脫鹽室內，其特徵為：於離子交換體之表面吸附有包含多價金屬之粒子。 [發明之效果]
根據本發明，藉由使包含多價金屬之粒子吸附於EDI裝置之脫鹽室內之離子交換體或離子交換膜，如後述實施例等亦可知，相較於未使用包含多價金屬之粒子的EDI裝置，可更穩定且有效率地促進水的解離反應，藉此，能以低耗能製造高純度的去離子水。
然後，參照圖式針對本發明之較佳實施形態進行說明。
圖1係顯示基於本發明之去離子水製造系統之構成。該去離子水製造系統係具備EDI裝置10者，為了獲得充分減低了雜質濃度的去離子水，在EDI裝置10之前段具備設為2段串聯之逆滲透(RO)膜裝置51、52。逆滲透膜裝置51、52分別在其內部具備逆滲透膜53、54。第1段之逆滲透膜裝置51藉由泵浦55供給原水，通過逆滲透膜裝置51內之逆滲透膜53的水亦即通透水供給至第2段之逆滲透膜裝置52。第2段之逆滲透膜裝置52之通透水以被處理水的形式供給至EDI裝置10。將2個逆滲透膜裝置51、52串聯連接而成之構成，就整體而言，係將各自具備逆滲透膜53、54之裝置2段串聯連接而成的構成。本實施形態之去離子水製造系統中所使用之逆滲透膜裝置51、52，係用於純水製造等之一般品。又，亦可視需要在圖示之泵浦55、逆滲透膜裝置51、52、EDI裝置10之間，適當追加並配置儲槽、泵浦、以軟化或脫鹽為目的之離子交換樹脂裝置、以脫羧為目的之脫羧塔或膜脱氣裝置、藥液注入設備等。
就原水而言，係使用自來水、井水、河水、工業用水等。對於EDI裝置10除供給被處理水外，還可如後述般供給予供給水。供給水可為例如由逆滲透膜裝置獲得之通透水，亦可為利用EDI裝置處理過的水，亦即去離子水。此處，設置有2段的逆滲透膜裝置51、52，但亦可如圖2所示般在EDI裝置10之前段僅設置1段的逆滲透膜裝置52。
為了獲得比起圖1所示之系統更減低了雜質濃度的去離子水，可將EDI裝置2段串聯連接。圖3係在圖1所示之去離子水製造系統中，於逆滲透膜裝置52與EDI裝置10之間配置追加的EDI裝置15。EDI裝置15可使用與EDI裝置10相同構成者，也可使用不同構成者。逆滲透膜裝置52之通透水供給至EDI裝置15之脫鹽室23，從EDI裝置15之脫鹽室23流出來的水，以被處理水的形式供給至EDI裝置10之脫鹽室。又，亦可視需要在圖示之泵浦55、逆滲透膜裝置51、52、EDI裝置10、15之間，適當追加並配置儲槽、泵浦、以軟化或脫鹽為目的的離子交換樹脂裝置、以脫羧為目的的脫羧塔或膜脱氣裝置、藥液注入設備等。
圖3所示之構成的情況下，供給至成為第2段之EDI裝置10之被處理水的導電率，已成為例如1μS/cm以下之極小的值。使用EDI裝置製造去離子水時，被處理水的導電率小的情況下，EDI裝置之運轉電壓傾向於變高，藉由使用基於本發明之後述EDI裝置作為後段之EDI裝置10，可將該EDI裝置10之運轉電壓保持為低值。供給至成為第1段之追加的EDI裝置15之被處理水的導電率相對較大，故就追加的EDI裝置15而言，也可使用一般的EDI裝置而非後述EDI裝置。
圖1、圖2及圖3所示之各去離子水製造系統中，供給至EDI裝置10之被處理水的導電率，例如為10μS/cm以下，為5μS/cm以下較佳，為3μS/cm以下更佳，為1μS/cm以下尤佳。
然後，針對上述去離子水製造系統中所使用之基於本發明之EDI裝置10進行說明。EDI裝置10中，在具備陽極11之陽極室21與具備陰極12之陰極室25之間，從陽極室21之側按順序設置濃縮室22、脫鹽室23及濃縮室24。陽極室21與濃縮室22隔著陽離子交換膜31而鄰接，濃縮室22與脫鹽室23隔著陰離子交換膜32而鄰接，脫鹽室23與濃縮室24隔著陽離子交換膜33而鄰接，濃縮室24與陰極室25隔著陰離子交換膜34而鄰接。故，脫鹽室23係藉由位於面向陽極11之側的陰離子交換膜32與位於面向陰極12之側的陽離子交換膜33加以區隔。脫鹽室23內填充陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者。此處所示之示例中，在脫鹽室23內，陰離子交換體與陽離子交換體相互混合，亦即以混合床構成進行填充。進一步，該EDI裝置10中，陽離子交換體填充在陽極室21內，陰離子交換體填充在濃縮室22、24及陰極室25內。此處的陰離子交換體例如使用陰離子交換樹脂，陽離子交換體例如使用陽離子交換樹脂。此外，陽極室21、濃縮室22、24及陰極室25中，不一定需要填充陰離子交換體或陽離子交換體。圖4係示意地顯示圖1所示之去離子水製造系統中使用之EDI裝置10的剖面構成。圖4中，電極室21、25、濃縮室22、24及脫鹽室23內描繪的小圓，表示填充於該等室內的陰離子交換體及陽離子交換體。又，圖4中，對陰離子交換體與陰離子交換膜賦以彼此相同的影線，對陽離子交換體與陽離子交換膜賦以彼此相同的影線，但對陰離子交換體與陽離子交換體賦以不同的影線加以區別描繪。藉由影線區別陰離子交換體與陽離子交換體，及區別陰離子交換膜與陽離子交換膜的情形，在本說明書所附的各圖式中是共通的。
下列說明中，將陰離子交換體與陽離子交換體總稱為離子交換體，陰離子交換膜與陽離子交換膜總稱為離子交換膜。故，離子交換體係陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者，離子交換膜係陰離子交換膜及陽離子交換膜中之至少一者。
進一步，關於該EDI裝置10，於脫鹽室23中，在設置於脫鹽室23中之離子交換體之至少一部分及離子交換膜(陰離子交換膜32及陽離子交換膜33)之至少一部分中之至少一者的表面吸附有包含多價金屬之粒子。此處所稱之包含多價金屬之粒子，係包含多價金屬，亦即成為陽離子時之離子價為2以上之金屬元素，並吸附於陰離子交換體、陽離子交換體、陰離子交換膜或陽離子交換膜，且吸附後不會輕易地發生機械脫離的粒子。此處所使用之多價金屬，只要是作為水解離之觸媒發揮作用者即可，並無特別限定，又，可包含1種金屬，亦可包含多種金屬。作為多價金屬使用之金屬元素，例如可列舉鎂、鈣、鋁、鉻、錳、鐵、鎳等。如此據認為「包含多價金屬之粒子」係作為水解離之觸媒發揮作用，故以下除非另有說明，否則將「包含多價金屬之粒子」簡稱為「觸媒粒子」。
觸媒粒子只要是容易吸附在陰離子交換體、陽離子交換體、陰離子交換膜或陽離子交換膜之表面者即可，並無特別限定。觸媒粒子為無機物質時，考量吸附的容易性的觀點，觸媒粒子宜為無機離子交換材料。無機離子交換材料，係藉由納入所接觸之電解質溶液中之離子，並取而代之釋放出自身所帶之離子，而具有實施離子物種之交換的能力，亦即具有離子交換能力的無機物質。係無機離子交換材料之觸媒粒子容易吸附在陰離子交換體、陽離子交換體、陰離子交換膜或陽離子交換膜之表面的原因據推測為：觸媒粒子藉由存在於陰離子交換體、陽離子交換體、陰離子交換膜或陽離子交換膜之表面的離子交換基而吸附在該等之表面。
作為係無機離子交換材料之觸媒粒子的示例，可理想地使用包含多價金屬之矽酸鹽，如此之矽酸鹽，例如可列舉矽酸鋁、矽酸鎂、矽酸鈣、矽酸鎂鈣、各種鋁矽酸鹽、各種矽酸鹽礦物，可單獨使用該等中之1種以上，亦可混合使用。其中，矽酸鹽礦物由於具有優異的化學穩定性，特別是可強吸附於陰離子交換體、陰離子交換膜，而可期待更加穩定的性能。又，由於天然的礦石中含有矽酸鹽礦物，故選擇多，在成本面也有利。如此之矽酸鹽礦物，例如可列舉沸石、滑石、高嶺石等，其中，海泡石(sepiolite)(CAS號(Chemical Abstract Service registry number)：63800-37-3、組成式：Mg8 Si12 O30 (OH)4 (OH2 )4 ･8H2 O)、矽灰石(wollastonite)(CAS號：13983-17-0、組成式：CaSiO3 )、厄帖浦石(attapulgite)(CAS號：12174-11-7、組成式：(Mg,Al)5 Si8 O20 ･4H2 O)等，由於吸附性高，可更為理想地使用。就觸媒粒子而言，宜使用由厄帖浦石、海泡石、及矽灰石中之至少1種構成者。此外，已知厄帖浦石、海泡石、及矽灰石為針狀粒子的形態。矽酸鹽礦物容易吸附於陰離子交換體等的原因據推測為：陰離子交換體所含之胺基、4級銨基等陰離子交換基與存在於矽酸鹽礦物之表面的例如羥基或氧原子彼此產生靜電吸引。
觸媒粒子對於離子交換體或離子交換膜的吸附，例如可藉由將離子交換體或離子交換膜浸漬於分散有觸媒粒子之水中而輕易地進行。又，藉由對現存的EDI裝置之脫鹽室供給分散有觸媒粒子之水，可使觸媒粒子吸附於該脫鹽室內之離子交換體或離子交換膜。故，將現存的EDI裝置改造成基於本發明之EDI裝置亦屬容易，將現存的EDI裝置改造成基於本發明之EDI裝置後製造去離子水的情形也包括在本發明之範疇內。
觸媒粒子的粒徑並無特別限定。各觸媒粒子的粒徑，例如可利用掃描式電子顯微鏡(SEM)以1000～20000倍左右之倍率觀察該觸媒粒子，並在獲得的圖像中進行測量而求得。觸媒粒子的形狀不是真球時，取最大徑作為粒徑。例如觸媒粒子為針狀粒子時，取其長軸之長度作為粒徑。觸媒粒子之粒徑的範圍，係在觀察視野不同之10處部位的SEM圖像中，測量觸媒粒子的粒徑，取從測得之粒徑之最小值到最大值的範圍。本發明中，宜使用粒徑之範圍為例如0.01μm以上100μm以下的觸媒粒子，使用為0.02μm以上10μm以下的觸媒粒子更佳。
觸媒粒子的粒徑過大的話，無法適當地吸附、固定在離子交換體、離子交換膜之表面，且不同種類之離子交換性物質之界面的距離會過寬，從而可能無法充分促進水解離反應。另一方面，觸媒粒子的粒徑過小的話，觸媒粒子緊密地覆蓋在離子交換體、離子交換膜之表面，可能會造成妨礙於離子交換體、離子交換膜之離子交換反應、離子移動等的問題。
此處，針對填充於脫鹽室23之離子交換體進行說明。可填充於脫鹽室23之離子交換體的種類並無特定限定，如上述所例示般宜為離子交換樹脂。此處所稱之離子交換樹脂，係在具有三維網狀結構之高分子母體中導入具有離子交換能力之官能基，亦即導入離子交換基而得的合成樹脂。通常使用之離子交換樹脂，係粒徑為0.4～0.8mm左右的球狀粒子。就離子交換樹脂的高分子母體而言，有稱為「苯乙烯系」之苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物、稱為「丙烯酸系」之丙烯酸-二乙烯基苯的共聚物等。
離子交換樹脂大致分為離子交換基顯示酸性之陽離子交換樹脂、及顯示鹼性之陰離子交換樹脂，進一步，取決於所導入之離子交換基的種類，有強酸性陽離子交換樹脂、弱酸性陽離子交換樹脂、強鹼性陰離子交換樹脂、弱鹼性陰離子交換樹脂等。強鹼性陰離子交換樹脂，例如有具有4級銨基作為離子交換基者，弱鹼性陰離子交換樹脂，例如有具有1級胺、2級胺或3級胺作為離子交換基者。強酸性陽離子交換樹脂，例如有具有磺酸基作為離子交換基者，弱酸性陽離子交換樹脂，例如有具有羧基作為離子交換基者。作為填充於脫鹽室之離子交換樹脂，可使用該等中之任意種類者，宜選擇觸媒粒子吸附於離子交換樹脂所具有之離子交換基的離子交換樹脂與觸媒粒子之組合。
觸媒粒子相對於脫鹽室23內之離子交換體的吸附量，若以令離子交換體之體積為100%的體積比表示，為0.0001體積%以上，宜為未達1體積%，為0.0125體積%以下更佳。觸媒粒子之吸附量過大的話，該觸媒粒子反而可能會妨礙EDI裝置10內之離子交換反應、離子移動。
然後，針對利用圖4所示之EDI裝置10之去離子水的製造進行說明。
與以往的EDI裝置的情況同樣，將供給水通入到陽極室21、濃縮室22、24及陰極室25，並於在陽極11與陰極12之間施加直流電壓的狀態下，將被處理水通入到脫鹽室23。將被處理水通入到脫鹽室23的話，被處理水中之離子成分吸附於脫鹽室23內之離子交換體，從而進行去離子化處理，去離子水從脫鹽室23以經處理過的水的形式流出來。此時，脫鹽室23中，藉由施加的電壓，在不同種類之離子交換性物質間之界面發生水的解離反應，生成氫離子及氫氧離子，藉由氫離子與氫氧離子，先前吸附於脫鹽室23內之離子交換體的離子成分進行離子交換，並從離子交換體游離出來。游離出來的離子成分中，陰離子藉由陰離子交換膜32移動到靠近陽極的濃縮室22，並從該濃縮室22以濃縮水的形式排出，陽離子則藉由陽離子交換膜33移動到靠近陰極的濃縮室24，並從該濃縮室24以濃縮水的形式排出。結果，供給至脫鹽室23的被處理水中之離子成分移動到濃縮室22、24並排出，同時脫鹽室23的離子交換體也得到再生。此外，從陽極室21及陰極室25排出電極水。
圖4所示之EDI裝置10中，如上述般，在設置於脫鹽室23內之離子交換體、陰離子交換膜32及陽離子交換膜33中之至少一者之表面吸附有包含多價金屬之粒子，亦即觸媒粒子。該觸媒粒子存在於脫鹽室23內之不同種類之離子交換性物質的界面，由於觸媒粒子所含之多價金屬作為促進水的解離反應之觸媒發揮作用，故該EDI裝置10中能以良好的效率進行水的解離反應。故，也能以良好的效率進行脫鹽室23內之離子交換體的再生，可壓低施加於EDI裝置10的電壓，並能以低功耗製造高純度的去離子水。又，由於可降低施加電壓，能以脫鹽室23中之高電流密度，例如0.3A/dm2 以上10A/dm2 以下之電流密度進行裝置運轉。
圖5A及圖5B係示意性地顯示利用觸媒粒子之水的解離反應。此處，觸媒粒子43係吸附於陰離子交換體42。藉由陽離子交換體41與陰離子交換體42構成不同種類離子交換性物質的界面的情況下，如圖5A所示，於該界面之水的解離得到促進，以良好的效率在陰離子交換體42側生成氫氧離子，在陽離子交換體41側生成氫離子。同樣，在陰離子交換體42與陽離子交換膜33之界面，如圖5B所示，以良好的效率在陰離子交換體42側生成氫氧離子，在陽離子交換膜33側生成氫離子。根據該EDI裝置10，也可促進在離子交換膜與離子交換體之界面的水的解離。
以上，對基於本發明之EDI裝置10的基本構成進行了說明，但本發明可廣泛適用於各種構成的EDI裝置。以下，對可適用本發明的EDI裝置之構成例進行說明。無論何種情況，至少於脫鹽室23之離子交換體或離子交換膜吸附包含多價金屬之粒子，亦即觸媒粒子。以下所說明之EDI裝置，可作為圖1、圖2及圖3中之任意圖所示之去離子水製造系統中之EDI裝置10使用。
圖6係顯示基於本發明之EDI裝置之另一形態。如上述般於EDI裝置中，在陽極與陰極之間並列設置多數個由[濃縮室｜陰離子交換膜(AEM)｜脫鹽室｜陽離子交換膜(CEM)｜濃縮室]組成的基本構成(亦即單元組)。此時，在鄰接的單元組間可共有相鄰的濃縮室。圖6所示之EDI裝置，係在圖4所示之裝置中以此種方式排列多數個單元組而成，係以陰離子交換膜32、脫鹽室23、陽離子交換膜33及濃縮室24構成1個單元組，並在最靠近陽極室21之濃縮室22與陰極室25之間配置N個該單元組。此處，N係1以上之整數。陽極室21中填充陽離子交換樹脂(CER)，濃縮室22、24與陰極室25中填充陰離子交換樹脂(AER)，脫鹽室23中則以混合床(MB)的形式填充陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂。係將陰極室25之出口水供給至陽極室21，而不是從外部將水供給至陽極室21。又，與圖4所示者不同，脫鹽室23內之水的流動方向相對於其兩側之濃縮室22、24中之水的流動方向為向流。
圖7係顯示基於本發明之EDI裝置之又一形態。該EDI裝置與圖4所示者同樣，但在脫鹽室23內，於靠近被處理水之入口的區域配置陰離子交換樹脂，並在靠近出口的區域以混合床的形式設置陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂。當然，能以陰離子交換膜32、脫鹽室23、陽離子交換膜33及濃縮室24構成1個單元組，並在最靠近陽極室21之濃縮室22與陰極室25之間配置N個該單元組。此處，N亦為1以上之整數。
圖8所示之EDI裝置，與圖7所示者同樣，但係將脫鹽室23按照脫鹽室23中之水的流動方向分為4個區域，以從被處理水之入口的位置按照順序排列陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂的方式在各個區域配置離子交換樹脂。亦即，圖8所示之EDI裝置，係在脫鹽室23中具備陽離子交換樹脂層與陰離子交換樹脂層沿著水的流動方向交替地配置而成的多層床構成之離子交換體。又，圖8所示之EDI裝置中，與圖7所示者不同，脫鹽室23內之水的流動方向相對於其兩側之濃縮室22、24中之水的流動方向為向流。
圖9所示之EDI裝置，與圖7所示者同樣，但係將脫鹽室23按照脫鹽室23中之水的流動方向分為3個區域，以從被處理水之入口的位置按照順序排列陰離子交換樹脂、陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂的方式在各個區域配置離子交換樹脂。圖9所示之EDI裝置中，脫鹽室23內之離子交換體也為多層床構成。
就基於本發明之EDI裝置而言，可於各脫鹽室中在面向陽極之側的陰離子交換膜與面向陰極之側的陽離子交換膜之間設置中間離子交換膜(IIEM)，藉由中間離子交換膜將該脫鹽室區隔成第1小脫鹽室及第2小脫鹽室，以對第1小脫鹽室及第2小脫鹽室中之其中一個小脫鹽室供給被處理水，並使其中一個小脫鹽室流出來的水流入到另一個小脫鹽室的方式，以將第1及第2小脫鹽室連通配置。中間離子交換膜可使用陰離子交換膜及陽離子交換膜中之任意者。此時，若將靠近陽極的小脫鹽室設為第1小脫鹽室，靠近陰極的小脫鹽室設為第2小脫鹽室，第1小脫鹽室中至少填充陰離子交換體，第2小脫鹽室中則至少填充陽離子交換體。觸媒粒子係吸附於各小脫鹽室內之離子交換體、中間離子交換膜、設置於第1小脫鹽室之面向陽極之側的陰離子交換膜、及設置於第2小脫鹽室之面向陰極之側的陽離子交換膜中之至少一者。
圖10係顯示如此般藉由中間離子交換膜將脫鹽室區隔成2個小脫鹽室之EDI裝置的示例。該EDI裝置具有藉由中間離子交換膜36將圖6所示之EDI裝置中之各脫鹽室23區隔成第1小脫鹽室26與第2小脫鹽室27的構成。該示例中，中間離子交換膜36係使用陰離子交換膜。靠近陽極11的第1小脫鹽室26中填充陰離子交換樹脂，靠近陰極12的第2小脫鹽室27中填充陽離子交換樹脂。被處理水首先供給至第2小脫鹽室27，將來自第2小脫鹽室27之出口水以與第2小脫鹽室27中之水的流動成為並流的方式供給至第1小脫鹽室26，從第1小脫鹽室26以處理後的水的形式獲得去離子水。陽極室21、濃縮室22、24及陰極室25中之水的流動相對於第1及第2小脫鹽室26、27中之水的流動為向流。
圖11係示意性地顯示圖10所示之EDI裝置中之利用觸媒粒子之水的解離反應。此處，觸媒粒子43吸附於係陰離子交換膜之中間離子交換膜36。藉由陽離子交換體41與中間離子交換膜36構成不同種類之離子交換性物質的界面的情況下，如圖所示，於該界面之水的解離得到促進，以良好的效率在中間離子交換膜36側生成氫氧離子，在陽離子交換體41側生成氫離子。
圖12係顯示如此般藉由中間離子交換膜將脫鹽室區隔成2個小脫鹽室的EDI裝置之另一例。該EDI裝置係藉由中間離子交換膜36將圖7所示之EDI裝置中之各脫鹽室23區隔成靠近陽極11的第1小脫鹽室26與靠近陰極12的第2小脫鹽室27，第1小脫鹽室26中填充陰離子交換樹脂，第2小脫鹽室27中則以混合床的形式填充陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂。被處理水供給至第1小脫鹽室26，第1小脫鹽室26之出口水送至第2小脫鹽室27，從第2小脫鹽室27獲得去離子水。中間離子交換膜36例如使用陰離子交換膜。
圖13所示之EDI裝置，係於圖12所示之EDI裝置中之第2小脫鹽室27中，在靠近第2小脫鹽室27之入口的區域配置陽離子交換樹脂，並在靠近出口的區域配置陰離子交換樹脂，而不是以混合床的形式設置陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂。 [實施例]
以下，根據實施例及比較例對本發明進行更加詳細地說明。在實施例及比較例中，組裝上述構成之去離子水製造系統或EDI裝置，並使該等去離子水製造系統或EDI裝置實際動作。該等實施例及比較例中，藉由在組裝時選擇是否使用觸媒粒子，以確認觸媒粒子的使用與否所獲致之本發明的效果。
[實施例1及比較例1] 實施例1及比較例1中使用之EDI裝置，係在圖6所示之EDI裝置中，將於陽極室21與陰極室25之間的由陰離子交換膜(AEM)32、脫鹽室23、陽離子交換膜(CEM)33及濃縮室24組成之基本構成(單元組)的重複次數N設為3。陽極室21中填充陽離子交換樹脂(CER)，各濃縮室22、24及陰極室25中填充陰離子交換樹脂(AER)，脫鹽室23中係以混合床(MB)的形式填充陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂。陽離子交換樹脂使用具有磺酸基作為離子交換基的苯乙烯系強酸性陽離子交換樹脂即AMBERLITE(註冊商標)IR120B(陶氏化學公司製，表觀密度的參考值：約840g/L)，陰離子交換樹脂使用具有4級銨基作為離子交換基的苯乙烯系強鹼性陰離子交換樹脂即AMBERLITE(註冊商標)IRA402BL(陶氏化學公司製，表觀密度的參考值：約715g/L)。陽離子交換膜使用SELEMION(註冊商標)CME(AGC ENGINEERING公司製)，陰離子交換膜使用SELEMION(註冊商標)AME(AGC ENGINEERING公司製)。此處使用之陽離子交換膜及陰離子交換膜均為不均質離子交換膜。不均質離子交換膜，係將粒狀離子交換樹脂製成微粉，並以熱塑性或熱硬化性之黏合劑將其固化而成形成膜狀而得者，相較於均質離子交換膜，機械強度一般較優異。反觀均質離子交換膜係將離子交換樹脂本身成形成膜狀而得者。
比較例1中，脫鹽室23使用未吸附觸媒粒子之陰離子交換樹脂，而實施例1中則利用下列處理方法預先對陰離子交換樹脂進行利用觸媒粒子之處理，將處理後的陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂予以混合並填充於脫鹽室23。作為對陰離子交換樹脂進行處理所使用之粒子，實施例1中使用吸附於陰離子交換樹脂之粒子進行陰離子交換樹脂的處理，其結果，該粒子吸附於陰離子交換樹脂之表面。此外，在任何情形下，填充於陽極室21、濃縮室22、24及陰極室25之離子交換樹脂均使用未吸附粒子者。
然後，針對實施例1中使用之粒子進行具體地說明。
實施例1中，使用包含係多價金屬之鎂與鋁的矽酸鹽礦物即厄帖浦石作為觸媒粒子。利用SEM於20000倍放大觀察，結果實施例1中使用之厄帖浦石的粒徑範圍為0.02～10μm。厄帖浦石係針狀粒子，故取其長徑作為粒徑。在相同的SEM圖像中進行測量，結果使用之厄帖浦石的短徑範圍為0.01～1μm。短徑係在長徑之中央位置垂直於長徑的方向上的長度。實施例1中使用之厄帖浦石(CAS號：12174-11-7)，係一般之組成式記載為(Mg,Al)5 Si8 O20 ･4H2 O，矽與鎂與鋁的比，換算成二氧化矽(SiO2 )與氧化鎂(MgO)與氧化鋁(Al2 O3 )之質量比，為SiO2 ：MgO：Al2 O3 ＝65：13：12者。
(陰離子交換樹脂之處理方法) 使粒子分散於純水中，並將陰離子交換樹脂浸漬於其中，然後邊攪拌邊進行使粒子吸附於陰離子交換樹脂之表面的處理。此時使用之粒子的量，相對於陰離子交換樹脂1L為300mg。用純水將經過處理的陰離子交換樹脂充分洗滌，水分去除後使用。
對於處理後的陰離子交換樹脂，利用感應耦合電漿(ICP)發光分光分析法進行厄帖浦石的定量，結果吸附於陰離子交換樹脂之厄帖浦石的質量相對於陰離子交換樹脂1L為190mg。由於厄帖浦石的比重為2.4g/cm3 ，所吸附的厄帖浦石之體積相對於陰離子交換樹脂之體積的比率為0.0079%。陰離子交換樹脂的密度可能隨含水率而發生變化，使用上述表觀密度之715g/L的話，厄帖浦石相對於陰離子交換樹脂的質量比為0.027質量%。
實施例1及比較例1中之EDI裝置的規格、通水流量、施加電壓、供給水之水質等運轉條件如下。此外，下列說明中，被處理水流量係供給至EDI裝置中之多個脫鹽室23之被處理水之流量的總量，電極室流量係供給至陽極室21與陰極室25之供給水的流量，濃縮水流量係供給至多個濃縮室22、24之供給水之流量的和。 ･脫鹽室：尺寸300×100×10mm 混合床(MB)填充(體積比：陽離子交換樹脂/陰離子交換樹脂＝1/1) ･濃縮室：尺寸300×100×5mm 陰離子交換樹脂(AER)填充 ･陽極室：尺寸300×100×4mm 陽離子交換樹脂(CER)填充 ･陰極室：尺寸300×100×4mm 陰離子交換樹脂(AER)填充 ･被處理水流量：180L/h ･濃縮水流量：30L/h ･電極水流量：10L/h ･供給水及被處理水：逆滲透膜(RO)通透水、導電率5±1μS/cm ･施加電流值：0.9A ･施加電流密度：0.3A/dm2
針對實施例1及比較例1之裝置，實施於上述條件之運轉1000小時，比較運轉電壓與獲得之去離子水的電阻率。結果顯示於表1。
【表1】
Figure 106144676-A0304-0001
將實施例1與未使用觸媒粒子之比較例1進行對比，顯然實施例1的運轉電壓、水質均為良好，故可確認到本發明之基本效果。
實施例1中，係使觸媒粒子吸附於脫鹽室中所使用之陰離子交換樹脂，進一步，亦可使觸媒粒子吸附於構成EDI裝置之各電極室、濃縮室中所使用之離子交換樹脂的全部或一部分。
[實施例2-1、2-2及比較例2] 實施例2-1、2-2及比較例2中使用之EDI裝置，係在圖10所示之EDI裝置中，將於陽極室21與陰極室25之間的由陰離子交換膜32、第1脫鹽室26、中間離子交換膜(IIEM)36、第2小脫鹽室27、陽離子交換膜33及濃縮室24組成之基本構成(單元組)的重複次數N設為3。陽極室21及第2小脫鹽室中填充陽離子交換樹脂，各濃縮室22、24、第1小脫鹽室26及陰極室25中填充陰離子交換樹脂。將第1小脫鹽室26與第2小脫鹽室27區隔出來的中間離子交換膜36使用陰離子交換膜。就陰離子交換樹脂、陽離子交換樹脂、陰離子交換膜及陽離子交換膜而言，分別使用與實施例1中使用之離子交換樹脂或離子交換膜相同者。惟，不使觸媒粒子吸附於陰離子交換樹脂。特別是在實施例2-1、2-2中，利用下列處理方法預先使本發明中所稱之觸媒粒子吸附於陰離子交換膜，將吸附有觸媒粒子之陰離子交換膜作為中間離子交換膜36使用。於陰離子交換膜32、34、陽離子交換膜31、33不進行觸媒粒子的吸附。就觸媒粒子而言，使用與實施例1中所使用之觸媒粒子相同規格的厄帖浦石。比較例2中，未進行觸媒粒子於陰離子交換膜的吸附。
(陰離子交換膜的處理方法) 使觸媒粒子0.2g分散於純水1L中，並將陰離子交換膜浸漬於其中，然後邊攪拌邊使觸媒粒子吸附於陰離子交換膜之表面。用純水將經過處理之陰離子交換膜充分洗滌，水分去除後使用。
實施例2-1、2-2及比較例2中之EDI裝置的規格、通水流量、施加電壓、供給水之水質等運轉條件如下。 ･第1小脫鹽室：尺寸300×100×10mm 陰離子交換樹脂(AER)填充 ･第2小脫鹽室：尺寸300×100×10mm 陽離子交換樹脂(CER)填充 ･施加電流值：0.9A(實施例2-1、比較例2)、30A(實施例2-2) ･施加電流密度：0.3A/dm2 (實施例2-1、比較例2)、10A/dm2 (實施例2-2) ･濃縮室、陽極室、陰極室、被處理水流量、濃縮水流量、電極水流量、供給水及被處理水與實施例1相同。
針對實施例2-1、2-2及比較例2之裝置，進行於上述條件之運轉1000小時，比較運轉電壓與獲得之去離子水的電阻率。結果顯示於表2。
【表2】
Figure 106144676-A0304-0002
將實施例2-1與比較例2進行對比，實施例2-1的運轉電壓、水質均為良好，故即使脫鹽室為藉由中間離子交換膜區隔成2個小脫鹽室之EDI裝置構成，也與未區隔脫鹽室的情形同樣，可確認到獲得本發明之效果。進一步，不只觸媒粒子吸附在填充於脫鹽室之離子交換體時可獲得本發明之效果，觸媒粒子吸附於將脫鹽室加以區隔之離子交換膜時，亦可確認到獲得同樣的效果。將實施例2-2與比較例2進行對比，儘管實施例2-2的電流密度設定為10A/dm2 之高值，其運轉電壓、水質仍均為良好，故可知至少在電流密度為0.3～10A/dm2 之範圍內，可獲得本發明之顯著效果。
上述實施例1、2-1、2-2中，顯示了使觸媒粒子吸附於陰離子交換樹脂或陰離子交換膜時的結果作為一例，當然選擇吸附於陽離子交換樹脂或陽離子交換膜之觸媒粒子時，也可獲得同樣的效果。又，上述實施例中使用之離子交換膜均為不均質離子交換膜，當然使用均質離子交換膜時亦可獲得同樣的效果。又，上述實施例中係使用已施以使觸媒粒子吸附之處理的離子交換膜，當然即使使用利用預先使觸媒粒子吸附之離子交換樹脂進行成形而得的離子交換膜，亦可獲得與上述實施例所示者同樣的效果。使用利用預先使觸媒粒子吸附之離子交換樹脂進行成形而得的離子交換膜的情況也包括在本發明之範疇內。
同樣在上述實施例2-1、2-2中， EDI裝置所使用之陰離子交換膜中，係使觸媒粒子吸附於將脫鹽室進一步區隔成小脫鹽室之中間離子交換膜的整面，也可使觸媒粒子吸附於EDI裝置中之其他離子交換膜，進一步，亦可使觸媒粒子僅吸附於離子交換膜的單面、離子交換膜的特定部位。特別是實施例2-1、2-2中，係選擇陰離子交換膜作為將脫鹽室區隔成小脫鹽室之中間離子交換膜，當然將陽離子交換膜作為中間離子交換膜使用時也可獲得本發明之效果。此時，可適當地選擇使觸媒粒子吸附於陽離子交換膜，或使觸媒粒子吸附在填充於任一小脫鹽室之陰離子交換樹脂。
[實施例3及比較例3] 實施例3及比較例3中，係使用與實施例1及比較例1之EDI裝置為相同構成，脫鹽室、濃縮室、陽極室及陰極室之尺寸、填充於該等之離子交換樹脂也與實施例1相同，單元組之重複次數N設為1的EDI裝置。實施例3之裝置中，使用之觸媒粒子為與實施例1中所使用之粒子相同規格者，陰離子交換樹脂之處理方法也與實施例1的情形相同。
就被處理水及供給水而言，使用導電率為1μS/cm以下的純水，並將被處理水流量設定為60L/h，濃縮水流量設定為10L/h，電極水流量設定為10L/h。另外，對EDI裝置施加電壓，以成為表3之施加電流密度之欄位所示之施加電流密度，求出於經過1小時之時點的運轉電壓。結果顯示於表3。表3中，箭頭表示測定時之電壓的行為，向右箭頭(→)表示為穩定傾向，向上箭頭(↑)表示有上升傾向。利用箭頭表示電壓的行為之情事，在之後的各表中也同樣。
【表3】
Figure 106144676-A0304-0003
由實施例3與比較例3的結果判明：被處理水的導電率小的情況下，比較例3中展現運轉電壓的上升傾向，在未進行利用觸媒粒子之處理的情況下，運轉電壓顯著上升，無法以實用的施加電流密度運轉。
[實施例4及比較例4] 為與實施例3及比較例3相同的EDI裝置，但就填充於脫鹽室之離子交換體而言，僅使用具有4級銨基作為離子交換基之苯乙烯系強鹼性陰離子交換樹脂即AMBERLITE(註冊商標)IRA402BL(陶氏化學公司製，表觀密度的參考值：約715g/L)，且脫鹽室設為單床構成。針對實施例4中使用之陰離子交換樹脂，預先進行與實施例1中說明之方法相同的處理，使厄帖浦石吸附於其表面。被處理水及供給水使用與實施例3相同者，通至各室之通水流量也與實施例3相同，對EDI裝置施加電壓，以成為表4之施加電流密度之欄位所示之施加電流密度，求出於經過1小時之時點的運轉電壓。
【表4】
Figure 106144676-A0304-0004
由實施例4及比較例4的結果可知：相較於如實施例1、3般將混合床之離子交換樹脂填充於脫鹽室的情形，填充單床的離子交換樹脂時，使觸媒粒子吸附的效果尤其提升。
[實施例5] 組裝圖1所示之去離子水製造系統。就設置於去離子水製造系統中之EDI裝置而言，使用在實施例2-1所使用之EDI裝置中將單元組之重複數N設為5者。使用之離子交換樹脂及離子交換膜、各室之尺寸等也與實施例2-1相同，但未進行觸媒粒子於離子交換膜的吸附。取而代之預先以與實施例1所示之方法相同的方法使厄帖浦石吸附於EDI裝置中所使用之陰離子交換樹脂，並將實施例2-1中係陰離子交換膜之中間離子交換膜變更為陽離子交換膜。藉由成為該構成，在第1小脫鹽室之吸附有厄帖浦石之陰離子交換樹脂與中間離子交換膜之間，可促進水解離反應。實施例5中，將通過2段逆滲透膜裝置的通透水作為EDI裝置之被處理水使用，其導電率為2±1μS/cm，鈉濃度為100μg/L，二氧化矽濃度為50μg/L。供給水係使用逆滲透膜通透水。
將被處理水流量設定為800L/h，濃縮水流量設定為80L/h，電極水流量設定為20L/h，施加電流密度設定為0.5A/dm2 ，求出從EDI裝置流出之去離子水的水質與運轉電壓。結果顯示於表5。
【表5】
Figure 106144676-A0304-0005
由實施例5之結果可知：即使是使用如通過2段逆滲透膜裝置之通透水般殘留離子濃度低且導電率低的被處理水的情況，亦可增大EDI裝置中之電流密度，又，也可增大被處理水的流量。以EDI裝置中之每單元組之被處理水流量進行比較的話，實施例5中之流量為實施例2中之流量的2.67倍。
[實施例6] 組裝圖3所示之去離子水製造系統。該去離子水製造系統中使用串聯連接的2個EDI裝置10、15，EDI裝置10、15均使用與實施例5中所說明者相同的EDI裝置。藉由具備連接成2段的膜滲透裝置51、52，並使用2段的EDI裝置10、15，供給至第2段之EDI裝置10之被處理水，其電阻率為16±2MΩ･cm(亦即，導電率為0.0635±0.008μS/cm)，導電率極小，又，其硼濃度為1±0.2μg/L。第1段之EDI裝置15之供給水使用逆滲透膜通透水，第2段之EDI裝置10之供給水使用第1段之EDI裝置15之處理水，亦即來自第1段之EDI裝置15的去離子水。
將第1段之EDI裝置15中之被處理水流量設定為570L/h，濃縮水流量設定為50L/h，電極水流量設定為20L/h，第2段之EDI裝置10中之被處理水流量設定為500L/h，濃縮水流量設定為50L/h，電極水流量設定為20L/h。將EDI裝置10、15中之施加電流密度均設定為0.8A/dm2 ，求出從第2段之EDI裝置10流出之去離子水的水質、硼濃度及運轉電壓。結果顯示於表6。
【表6】
Figure 106144676-A0304-0006
連接2段EDI裝置以獲得雜質濃度極低之去離子水的情況下，供給至第2段之EDI裝置之被處理水的導電率低，故會有第2段之EDI裝置之運轉電壓上升之疑慮，但由實施例6之結果可知：藉由使用基於本發明之EDI裝置，可壓抑運轉電壓的上升。根據本發明，可輕易地獲得更高純度的去離子水。又，已知硼係利用通常的脫鹽處理難以除去的元素，但根據實施例6，可除去至ng/L之量級。
[實施例7] 組裝圖1所示之去離子水製造系統。設置於去離子水製造系統中之EDI裝置，係使用圖8所示之EDI裝置，並將單元組之重複次數N設為5。沿著被處理水之流動，從上游側按照陽離子交換樹脂層、陰離子交換樹脂層、陽離子交換樹脂層及陰離子交換樹脂層的順序配置，使脫鹽室成為多層床構成。所使用之離子交換膜及離子交換樹脂與實施例1的情形相同，預先利用與實施例1同樣的處理方法使厄帖浦石吸附於陰離子交換樹脂。脫鹽室、濃縮室、陽極室及陰極室之尺寸也與實施例1的情形同樣。實施例7中，將通過2段逆滲透膜裝置之通透水作為EDI裝置之被處理水使用，其導電率為1.5±0.2μS/cm。供給水使用逆滲透膜通透水。
將被處理水流量設定為1000L/h，濃縮水流量設定為100L/h，電極水流量設定為20L/h，施加電流密度設定為0.6A/dm2 ，測定運轉1000小時後的運轉電壓，結果為18V。
將實施例1與實施例7進行比較，就每單元組之運轉電壓而言，實施例1中為4.0V，反觀實施例7中為3.6V。實施例7中之電流密度為實施例1中之電流密度的2倍，且儘管實施例7的被處理水之導電率較低，但就每單元組之運轉電壓而言，實施例7仍比實施例1低，該結果顯示：比起脫鹽室內之離子交換體之構成為混合床構成，藉由使其成為多層床構成，可獲得使厄帖浦石吸附於陰離子交換樹脂之情形的顯著效果。又，以EDI裝置之每單元組之被處理水流量進行比較的話，實施例7中之流量為實施例1中之流量的3.33倍。
10、15‧‧‧電氣式去離子水製造裝置(EDI裝置)11‧‧‧陽極12‧‧‧陰極21‧‧‧陽極室22、24‧‧‧濃縮室23‧‧‧脫鹽室25‧‧‧陰極室26‧‧‧第1小脫鹽室27‧‧‧第2小脫鹽室31、33‧‧‧陽離子交換膜(CEM)32、34‧‧‧陰離子交換膜(AEM)36‧‧‧中間離子交換膜(IIEM)41‧‧‧陽離子交換體42‧‧‧陰離子交換體43‧‧‧觸媒粒子51、52‧‧‧逆滲透膜裝置53、54‧‧‧逆滲透膜55‧‧‧泵浦
[圖1] 係顯示基於本發明之去離子水製造系統之構成的圖。 [圖2] 係顯示去離子水製造系統之構成之另一例的圖。 [圖3] 係顯示去離子水製造系統之構成之又一例的圖。 [圖4] 係顯示電氣式去離子水製造裝置(EDI裝置)之基本形態的示意剖面圖。 [圖5A] 係說明包含多價金屬之粒子所致之促進水解離的圖。 [圖5B] 係說明包含多價金屬之粒子所致之促進水解離的圖。 [圖6] 係顯示基於本發明之EDI裝置之另一形態的示意剖面圖。 [圖7] 係顯示基於本發明之EDI裝置之又一形態的示意剖面圖。 [圖8] 係顯示基於本發明之EDI裝置之又一形態的示意剖面圖。 [圖9] 係顯示基於本發明之EDI裝置之又一形態的示意剖面圖。 [圖10] 係顯示基於本發明之EDI裝置之又一形態的示意剖面圖。 [圖11] 係說明包含多價金屬之粒子所致之促進水解離的圖。 [圖12] 係顯示基於本發明之EDI裝置之又一形態的示意剖面圖。 [圖13] 係顯示基於本發明之EDI裝置之又一形態的示意剖面圖。

Claims (24)

  1. 一種去離子水製造系統，係供給原水以製造去離子水，具備：供給原水的逆滲透膜裝置；及電氣式去離子水製造裝置，具有藉由離子交換膜加以區隔並供給該逆滲透膜裝置之通透水的脫鹽室；於該脫鹽室之內部填充離子交換體；在該離子交換膜之至少一部分及該離子交換體之至少一部分中之至少一者的表面吸附有由包含多價金屬之矽酸鹽構成的粒子。
  2. 如申請專利範圍第1項之去離子水製造系統，其中，填充於該脫鹽室之該離子交換體，係陰離子交換體及陽離子交換體中之任一者。
  3. 如申請專利範圍第1項之去離子水製造系統，其中，該脫鹽室中，陽離子交換體與陰離子交換體沿著該脫鹽室中之水的流動方向交替地配置。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之去離子水製造系統，其中，該逆滲透膜裝置具有將各自具備逆滲透膜之裝置2段串聯連接而成之構成。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之去離子水製造系統，其中，供給至該電氣式去離子水製造裝置之該脫鹽室之該通透水中，鈉濃度為100μg/L以下，二氧化矽濃度為50μg/L以下。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之去離子水製造系統，其中，供給至該電氣式去離子水製造裝置之該脫鹽室之該通透水的導電率為3μS/cm以下。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之去離子水製造系統，其中，在該逆滲透膜裝置與該電氣式去離子水製造裝置之間具備追加的電氣式去離子水製造裝置，該逆滲透膜裝置之通透水經由該追加的電氣式去離子水製造裝置之脫鹽室，而供給至該電氣式去離子水製造裝置之該脫鹽室。
  8. 如申請專利範圍第7項之去離子水製造系統，其中，運轉該電氣式去離子水製造裝置，以使自該電氣式去離子水製造裝置之該脫鹽室排出來的去離子水中之硼濃度成為10ng/L以下。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之去離子水製造系統，其中，該粒子係由矽酸鋁、矽酸鎂、矽酸鈣、矽酸鎂鈣、鋁矽酸鹽、及矽酸鹽礦物中之至少1種構成。
  10. 如申請專利範圍第9項之去離子水製造系統，其中，該粒子係由厄帖浦石(attapulgite)、海泡石(sepiolite)、及矽灰石(wollastonite)中之至少1種構成。
  11. 一種電氣式去離子水製造裝置，在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，該脫鹽室藉由位於面向該陽極之側的陰離子交換膜與位於 面向該陰極之側的陽離子交換膜加以區隔，該脫鹽室內填充有陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者；其特徵為：在該陰離子交換膜、該陽離子交換膜、該陰離子交換體及該陽離子交換體中之至少一者之表面吸附有由包含多價金屬之矽酸鹽構成的粒子。
  12. 如申請專利範圍第11項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該粒子係由矽酸鋁、矽酸鎂、矽酸鈣、矽酸鎂鈣、鋁矽酸鹽、及矽酸鹽礦物中之至少1種構成。
  13. 如申請專利範圍第12項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該粒子係由厄帖浦石、海泡石、及矽灰石中之至少1種構成。
  14. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該粒子吸附於該陰離子交換膜及該陰離子交換體中之至少一者之表面。
  15. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該陰離子交換膜及該陽離子交換膜中之至少一者為不均質離子交換膜。
  16. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該粒子之體積相對於該陰離子交換體及該陽離子交換體之體積為未達1體積%。
  17. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該脫鹽室中填充有該陰離子交換體及該陽離子交換體中之任一者。
  18. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該脫鹽室中，該陰離子交換體與該陽離子交換體沿著該脫鹽室中之水的流動方向交替地配置。
  19. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該脫鹽室具備位於該陰離子交換膜與該陽離子交換膜之間的中間離子交換膜，並藉由該中間離子交換膜區隔成第1小脫鹽室及第2小脫鹽室，藉由該陰離子交換膜與該中間離子交換膜區隔出的該第1小脫鹽室中至少填充有該陰離子交換體，藉由該陽離子交換膜與該中間離子交換膜區隔出的該第2小脫鹽室中至少填充有該陽離子交換體，以對該第1小脫鹽室及該第2小脫鹽室中之其中一個小脫鹽室供給該被處理水，並使從該其中一個小脫鹽室流出來的水流入到另一小脫鹽室的方式，將該第1小脫鹽室及該第2小脫鹽室連通。
  20. 如申請專利範圍第19項之電氣式去離子水製造裝置，其中，該粒子吸附於該中間離子交換膜之表面。
  21. 一種去離子水之製造方法，係使用如申請專利範圍第11至20項中任一項之電氣式去離子水製造裝置，其特徵為： 以使該脫鹽室中之電流密度成為0.3A/dm2以上10A/dm2以下的方式，在該陽極與該陰極之間施加直流電壓，並使被處理水流入到該脫鹽室中，而獲得去離子水。
  22. 一種去離子水之製造方法，係使用電氣式去離子水製造裝置，該電氣式去離子水製造裝置在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，該脫鹽室藉由位於面向該陽極之側的陰離子交換膜與位於面向該陰極之側的陽離子交換膜加以區隔，該脫鹽室內填充有陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者；其特徵為具有下列步驟：於該陰離子交換膜、該陽離子交換膜、該陰離子交換體及該陽離子交換體中之至少一者之表面吸附由包含多價金屬之矽酸鹽構成的粒子；及於該吸附步驟之後，在該陽極與該陰極之間施加直流電壓，並使被處理水流入到該脫鹽室中，而獲得去離子水。
  23. 一種電氣式去離子水製造裝置用離子交換膜，係使用於電氣式去離子水製造裝置，該電氣式去離子水製造裝置在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，該脫鹽室中填充有陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者；該離子交換膜係在該脫鹽室中位於面向該陽極之側並區隔出該脫鹽室的陰離子交換膜、在該脫鹽室中位於面向該陰極之側並區隔出該脫鹽室的陽離子交換膜、及將該脫鹽室內進一步區隔成小脫鹽室的中間離子交換膜中之至少一者，其特徵為： 於該離子交換膜之表面吸附有由包含多價金屬之矽酸鹽構成的粒子。
  24. 一種電氣式去離子水製造裝置用離子交換體，係使用於電氣式去離子水製造裝置，該電氣式去離子水製造裝置在具備陽極之陽極室與具備陰極之陰極室之間具有至少1個脫鹽室，該脫鹽室藉由位於面向該陽極之側的陰離子交換膜與位於面向該陰極之側的陽離子交換膜加以區隔；該離子交換體包含陰離子交換體及陽離子交換體中之至少一者，並填充在該脫鹽室內，其特徵為：於該離子交換體之表面吸附有由包含多價金屬之矽酸鹽構成的粒子。
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