專利名稱：電去離子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電去離子裝置，詳細(xì)講涉及適合單位時(shí)間內(nèi)去離子水(產(chǎn)水)的產(chǎn)量少時(shí)的電去離子裝置。
背景技術(shù)：
以往的電去離子裝置具有下述結(jié)構(gòu)在電極(陽(yáng)極和陰極)之間交替地排列多個(gè)陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜，交替地形成脫鹽室和濃縮室，在脫鹽室中填充離子交換樹(shù)脂。在該電去離子裝置中，一邊在陽(yáng)極、陰極之間外加電壓，一邊使被處理水流入到脫鹽室中，與此同時(shí)使?jié)饪s水流經(jīng)濃縮室，去除被處理水中的雜質(zhì)離子，制備去離子水。
以往的電去離子裝置由于是在陰極和陽(yáng)極之間交替地形成多個(gè)脫鹽室和濃縮室的裝置，因此陰極和陽(yáng)極之間的電阻大，兩極間的外加電壓高。另外，在濃縮室的離子交換膜面經(jīng)常出現(xiàn)原水中的Ca2+及碳酸成分(CO2，HCO3-)導(dǎo)致的碳酸鈣水垢。
本發(fā)明的第1目的是，提供非常適合在生產(chǎn)水量少的場(chǎng)合采用的、電極間的外加電壓低、還不易發(fā)生水垢的電去離子裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)發(fā)明人分別在特開(kāi)2003-136063號(hào)中提出了下述的電去離子裝置作為實(shí)現(xiàn)上述第1目的的裝置一種電去離子裝置，其在陰極和陽(yáng)極之間配置陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜各1片，在該陰極與陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置濃縮室兼陰極室，在該陽(yáng)極與陰離子交換膜之間設(shè)置濃縮室兼陽(yáng)極室，在該陽(yáng)離子交換膜與陰離子交換膜之間設(shè)置脫鹽室，在該濃縮室兼陽(yáng)極室內(nèi)及濃縮室兼陰極室內(nèi)分別填充導(dǎo)電體，在該脫鹽室內(nèi)填充離子交換體；以及，一種電去離子裝置，其在陰極板和陽(yáng)極板之間配置陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜各1片，在該陰極板與陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置濃縮室兼陰極室，在該陽(yáng)極板與陰離子交換膜之間設(shè)置濃縮室兼陽(yáng)極室，在該陽(yáng)離子交換膜與陰離子交換膜之間設(shè)置脫鹽室，該陰極板及陽(yáng)極板具有電極水的水通道，該陰極板與陽(yáng)離子交換膜相鄰，該陽(yáng)極板與該陰離子交換膜相鄰。
上述特開(kāi)2003-136063號(hào)的電去離子裝置中，脫鹽室是1室，并且在該脫鹽室的兩側(cè)分別配置著兼做陽(yáng)極室的濃縮室和兼做陰極室的濃縮室，因此電極間距離小，電極間的外加電壓低。
關(guān)于該特開(kāi)2003-136063號(hào)的電去離子裝置，本申請(qǐng)發(fā)明人進(jìn)一步反復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在原水中存在Cl-離子時(shí)，在濃縮室兼陽(yáng)極室中Cl-發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cl2，填充在該濃縮室兼陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂等導(dǎo)電體、或者面對(duì)濃縮室兼陽(yáng)極室的離子交換膜有緩慢劣化的可能性。
本發(fā)明的第2目的是，防止這樣的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂等導(dǎo)電體或離子交換膜劣化。
第1形態(tài)的電去離子裝置是如下構(gòu)成的裝置在陰極和陽(yáng)極之間依次配置第1陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、和第2陽(yáng)離子交換膜，在該陰極和第1陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置濃縮室兼陰極室，在第1陽(yáng)離子交換膜和該陰離子交換膜之間設(shè)置脫鹽室，在該陰離子交換膜和第2陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置濃縮室，在該第2陽(yáng)離子交換膜和該陽(yáng)極之間設(shè)置陽(yáng)極室，在該濃縮室內(nèi)、該陽(yáng)極室內(nèi)及濃縮室兼陰極室內(nèi)分別填充導(dǎo)電體，在該脫鹽室內(nèi)填充離子交換體。
第2形態(tài)的電去離子裝置，是代替在上述第1形態(tài)的電去離子裝置的陽(yáng)極室及濃縮室兼陰極室內(nèi)填充導(dǎo)電體，其在陽(yáng)極板及陰極板上設(shè)置流動(dòng)電極水的水通道，并且使該陽(yáng)極板和陰極板與離子交換膜相鄰的裝置。
即，第2形態(tài)的電去離子裝置的特征是在陰極和陽(yáng)極之間依次配置第1陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、和第2陽(yáng)離子交換膜，在該陰極和第1陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置濃縮室兼陰極室，在第1陽(yáng)離子交換膜和該陰離子交換膜之間設(shè)置脫鹽室，在該陰離子交換膜和第2陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置濃縮室，在該第2陽(yáng)離子交換膜和該陽(yáng)極之間設(shè)置陽(yáng)極室，該陰極板及陽(yáng)極板具有電極水的水通道，該陰極板與第1陽(yáng)離子交換膜相鄰，該陽(yáng)極板與第2陽(yáng)離子交換膜相鄰。
上述第1及第2形態(tài)的電去離子裝置中，脫鹽室是1室，并且在該脫鹽室的兩側(cè)分別配置著濃縮室和陰極室兼濃縮室，在該濃縮室的鄰近配置著陽(yáng)極室，因此電極間距離小，電極間的外加電壓低。
在本發(fā)明中，濃縮室與陽(yáng)極室分開(kāi)設(shè)置，兩者通過(guò)第2陽(yáng)離子交換膜隔開(kāi)，因此阻止了從濃縮室向陽(yáng)極室的Cl-離子移動(dòng)。因此，在陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生的Cl2只來(lái)源于導(dǎo)入到陽(yáng)極室內(nèi)的電極水中的Cl-，因此陽(yáng)極室中的Cl2產(chǎn)生量明顯很少。因此，防止了填充到陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂等導(dǎo)電體、和面對(duì)陽(yáng)極室的第2陽(yáng)離子交換膜因Cl2而劣化。
在本發(fā)明中，脫鹽室是1室，單位時(shí)間的生產(chǎn)水量少，但能充分實(shí)用于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)用、小型燃料電池用等。
本發(fā)明的電去離子裝置中，也可以將脫鹽室內(nèi)用分隔構(gòu)件分隔成多個(gè)的小室，并在各小室填充離子交換體。該面對(duì)各小室的分隔構(gòu)件的至少一部分相對(duì)于脫鹽室內(nèi)的平均水流方向傾斜，該傾斜的部分為水通過(guò)、但離子交換樹(shù)脂不通過(guò)的結(jié)構(gòu)。流入到該脫鹽室內(nèi)的水的至少一部分沿相對(duì)于平均水流方向傾斜的方向流動(dòng)，在脫鹽室內(nèi)完全分散流動(dòng)。因此，水和離子交換樹(shù)脂的接觸效率提高，去離子特性提高。
通過(guò)在平均水流方向及與該方向垂直的方向都沿膜面配置多個(gè)該小室(例如通過(guò)縱橫地配置多個(gè))，水和離子交換樹(shù)脂的接觸效率變得極高。另外，各小室內(nèi)上下方向的高度變小，離子交換樹(shù)脂不易被局部地壓縮。因此小室中不會(huì)產(chǎn)生間隙，離子交換樹(shù)脂的填充密度高。
該小室投影在離子交換膜面上的形狀可以是六邊形或四邊形。當(dāng)為六邊形時(shí)，優(yōu)選配置各小室使得1對(duì)平行的邊成為平均水流方向。當(dāng)為四邊形，配置成各邊相對(duì)平均水流方向傾斜。通過(guò)形成這樣的結(jié)構(gòu)，脫鹽效率提高，因此可以使水高速地流向脫鹽室，從而能夠增大每1個(gè)脫鹽室的處理流量。
在1個(gè)小室內(nèi)可以只填充1種離子交換特性的離子交換體，還可以填充多種離子交換特性的離子交換體。例如可以在1個(gè)小室內(nèi)混合填充陰離子交換體和兩性離子交換體。
在本發(fā)明的電去離子裝置中，也可以將原水或來(lái)自脫鹽室的去離子水作為電極水供給到陽(yáng)極室中，將該陽(yáng)極室流出水供給到濃縮室中，將該濃縮室流出水供給到濃縮室兼陰極室。


圖1是實(shí)施方案涉及的電去離子裝置的縱截面示意圖。
圖2是在脫鹽室內(nèi)配置了分隔構(gòu)件的其他實(shí)施方案涉及的電去離子裝置的分解立體圖。
圖3是分隔構(gòu)件的立體圖。
圖4是分隔構(gòu)件的分解圖。
圖5是分隔構(gòu)件的供水狀況說(shuō)明圖。
圖6是其他實(shí)施方案涉及的電去離子裝置的電極部分的縱截面圖。
圖7是其他實(shí)施方案涉及的電去離子裝置的縱截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照

實(shí)施方案。
在圖1所示的電去離子裝置中，在陰極1和陽(yáng)極2之間配置第1陽(yáng)離子交換膜3、陰離子交換膜4、和第2陽(yáng)離子交換膜3’各1片。在陰極1和第1陽(yáng)離子交換膜3之間形成濃縮室兼陰極室5，在第1陽(yáng)離子交換膜3和陰離子交換膜4之間形成脫鹽室7。在陰離子交換膜4和第2陽(yáng)離子交換膜3’之間形成濃縮室10，在第2陽(yáng)離子交換膜3’和陽(yáng)極2之間形成陽(yáng)極室6。
在濃縮室兼陰極室5、濃縮室10及陽(yáng)極室6中分別填充著陽(yáng)離子交換樹(shù)脂8。填充到該濃縮室兼陰極室5、濃縮室10及陽(yáng)極室6中的離子交換樹(shù)脂，也可以是陰離子交換樹(shù)脂或陰離子交換樹(shù)脂和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的混合樹(shù)脂，但從樹(shù)脂的強(qiáng)度考慮，特別是在濃縮室兼陰極室5及陽(yáng)極室6中優(yōu)選使用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂8和陰離子交換樹(shù)脂9以混合狀態(tài)填充在脫鹽室7中。
在脫鹽室7的一端側(cè)設(shè)有原水的流入口，在另一端側(cè)設(shè)有去離子水的流出口。
在陽(yáng)極室6的一端側(cè)設(shè)有原水或去離子水的流入口。陽(yáng)極室6的流出水從其一端側(cè)流入到濃縮室10中，從另一端側(cè)流出。濃縮室10的流出水從其一端側(cè)流入到濃縮室兼陰極室5中，從另一端側(cè)作為濃縮水兼陰極水排出。
在圖1中，在陰極1和陽(yáng)極2之間外加電壓的狀態(tài)下將原水導(dǎo)入到脫鹽室7中，并作為去離子水取出。按照上述那樣，將原水或該去離子水導(dǎo)入到陽(yáng)極室6中，并依次流經(jīng)濃縮室10及濃縮室兼陰極室5。原水中的陽(yáng)離子透過(guò)第1陽(yáng)離子交換膜3，混入到陰極水中并排出。原水中的陰離子透過(guò)陰離子交換膜4移動(dòng)到濃縮室10中，混入到濃縮室流出水中經(jīng)由濃縮室兼陰極室5排出。
圖7的電去離子裝置，在濃縮室10中填充陰離子交換樹(shù)脂9、在陽(yáng)極室6中通入去離子水的一部分、以及在濃縮室10中以上升流進(jìn)行供水這些方面與圖1所示的電去離子裝置不同，其他結(jié)構(gòu)相同。在圖7中，與圖1所示的構(gòu)件功能相同的構(gòu)件用相同符號(hào)表示。
在濃縮室10中填充了陰離子交換樹(shù)脂9的圖7的電去離子裝置的效果如下。
在圖7的電去離子裝置中，也與圖1的電去離子裝置一樣，原水中的陽(yáng)離子透過(guò)第1陽(yáng)離子交換膜3，混入到陰極水中并排出。原水中的陰離子透過(guò)陰離子交換膜4移動(dòng)到濃縮室10中，混入到濃縮室流出水中經(jīng)由濃縮室兼陰極室5排出。此時(shí)不易排出的CO2、二氧化硅等弱離子成分通過(guò)由脫鹽室7內(nèi)的水解離而產(chǎn)生的OH-的作用變成HCO3-、HSiO3-的形式，排出到濃縮室10中。
在陰離子交換膜4的濃縮室10附近的界面，由于濃度極化陰離子成分最大程度地被濃縮，但當(dāng)不易移動(dòng)的HCO3-、HSiO3-的濃度極化過(guò)于變大時(shí)，存在電阻上升，或引起由離子難以移動(dòng)而導(dǎo)致的去除率降低的問(wèn)題。
此時(shí)，在陰離子交換膜4的濃縮室10附近的界面存在相反電荷(opposite electrification)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂時(shí)，陰離子的移動(dòng)變慢，因此上述濃度極化更容易發(fā)生。相反，當(dāng)存在陰離子交換樹(shù)脂時(shí)，陰離子的移動(dòng)變快，濃度極化不易發(fā)生。
特別是濃縮室10的離子交換體的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體填充比率大于脫鹽室7的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體填充比率時(shí)，該陰離子的移動(dòng)變快，為優(yōu)選。尤其在陰離子的移動(dòng)速度方面優(yōu)選在濃縮室10中只填充著陰離子交換體。
流入到脫鹽室7中的CO2、二氧化硅等弱離子成分越多，另外從脫鹽室7通過(guò)陰離子交換膜4面移動(dòng)到濃縮室10中的CO2、二氧化硅等成分越多，另外電流密度越大，濃縮室10的陰離子交換膜10的濃縮面的濃度極化、特別是CO2、二氧化硅等弱離子成分的濃度極化越易發(fā)生。
可是，通過(guò)使?jié)饪s室10的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體填充比率大于脫鹽室7的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體填充比率、優(yōu)選使?jié)饪s室10的填充物只為陰離子交換體、更優(yōu)選只為陰離子交換樹(shù)脂，即使這些弱離子成分的負(fù)荷高，也能夠制成脫鹽性能、運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)異的電去離子裝置。例如，即使相對(duì)于脫鹽室7的陰離子交換膜4的有效面積(dm2)，流入到脫鹽室7中的碳酸負(fù)荷量(mg-CO2/h)是80或80以上、進(jìn)一步為250-300，相對(duì)于脫鹽室7的陰離子交換膜4的有效面積(dm2)，流入到脫鹽室中的二氧化硅負(fù)荷量(mg-SiO2/h)是8或8以上、進(jìn)一步為15-25，電流密度為300mA/dm2或更高、進(jìn)一步為600-1200mA/dm2，從脫鹽性能、電阻等觀點(diǎn)考慮也得到穩(wěn)定的電去離子裝置，因此能使電去離子裝置更進(jìn)一步小型化，在經(jīng)濟(jì)方面極為有效。
電去離子裝置的供水一般使用將自來(lái)水(citywater)等原水進(jìn)行活性炭、反滲透膜分離(RO)處理得到的水，其電導(dǎo)度是3-10μS/cm，CO2濃度是3-30ppm，二氧化硅濃度是0.2-1.0ppm左右。對(duì)于這樣的水的處理，優(yōu)選脫鹽室7的離子交換體的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體填充比率為60/40-70/30(例如陰離子交換樹(shù)脂、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂為再生型時(shí)的體積比)左右。
在圖1、7的電去離子裝置中，在濃縮室10或脫鹽室7、濃縮室兼陰極室5、陽(yáng)極室6中填充的離子交換體，從處理性的觀點(diǎn)考慮優(yōu)選是離子交換樹(shù)脂。該情況下，離子交換樹(shù)脂的交聯(lián)度優(yōu)選陰離子交換樹(shù)脂為3-8％、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂為5-10％左右。這是因?yàn)?，?dāng)離子交換樹(shù)脂的交聯(lián)度小時(shí)，強(qiáng)度變?nèi)酰?dāng)交聯(lián)度大時(shí)，電阻變大。
在圖7的電去離子裝置中，在濃縮室10中也可以填充離子交換纖維等離子交換樹(shù)脂以外的離子交換體，但優(yōu)選使陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體填充比率大于脫鹽室7的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體填充比率，特別優(yōu)選只為陰離子交換體。這樣，陰離子交換樹(shù)脂的比率大時(shí)，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，有時(shí)劣化，電阻上升。即，一般認(rèn)為，例如在氧存在下陰離子交換樹(shù)脂的劣化先于陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的氧化劣化。特別是提高濃縮室10中的陰離子交換樹(shù)脂的比率時(shí)，尤其在只有陰離子交換樹(shù)脂的場(chǎng)合，優(yōu)選使用抗氧化劣化強(qiáng)、有熱穩(wěn)定性的陰離子交換樹(shù)脂。
在圖1、7的電去離子裝置中，在濃縮室兼陰極室5中，陽(yáng)離子交換體越多，陽(yáng)離子的移動(dòng)越快，因此優(yōu)選只填充陽(yáng)離子交換體。另外，在陽(yáng)極室6中，由于陽(yáng)極2的板面上的電極反應(yīng)而有氧化劑產(chǎn)生，因此優(yōu)選只填充抗氧化強(qiáng)的陽(yáng)離子交換體。另外，由于陽(yáng)極2有可能因氧化劑而劣化，陰極1有可能發(fā)生孔蝕，因此優(yōu)選使用在鈦上鍍鉑的物質(zhì)等材質(zhì)的耐蝕性優(yōu)異的電極板。
在圖1、7的電去離子裝置中，在陰極1和陽(yáng)極2之間分別只配置濃縮室兼陰極室5、脫鹽室7、濃縮室10及陽(yáng)極室6各1個(gè)，陰極1和陽(yáng)極2的距離小。因此，即使電極1、2間的外加電壓低，在電極1、2間也能夠通足夠的電流，進(jìn)行去離子處理。
另外，在本發(fā)明中，脫鹽室內(nèi)的Cl-只移動(dòng)到濃縮室10中，不移動(dòng)到陽(yáng)極室6中。因此，陽(yáng)極室6內(nèi)的Cl-濃度只是存在于原水或去離子水中的Cl-，在陽(yáng)極室6中通過(guò)陽(yáng)極氧化而產(chǎn)生的Cl2明顯很少。因此，防止了陽(yáng)極室6內(nèi)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂8、和面對(duì)陽(yáng)極室6的第2陽(yáng)離子交換膜3’的劣化。
由于陰極室兼做濃縮室，因此陰極室內(nèi)的電極水的電導(dǎo)度高。據(jù)此即使電極1、2間的外加電壓低，在電極1、2間也可以流動(dòng)足夠的電流。
濃縮室兼陰極室5及濃縮室10中的供水方向可以為與脫鹽室7同向供水，也可以對(duì)向供水。濃縮室兼陰極室5及陽(yáng)極室6優(yōu)選是上升流供水。這是因?yàn)?，各?、6通過(guò)直流電流作用產(chǎn)生H2或O2，根據(jù)情況產(chǎn)生少量的Cl2等氣體，因此以上升流供水，促進(jìn)氣體排出，防止偏流。
作為例子，下面計(jì)算從圖1、7的電去離子裝置省略濃縮室10，Cl-從脫鹽室7全部流入到陽(yáng)極室6中時(shí)陽(yáng)極室的Cl負(fù)荷量。向陽(yáng)極室以0.8L/h供給Cl濃度3ppm的原水，向脫鹽室以1.5L/h供給該原水。
該情況下，由于Cl實(shí)質(zhì)上全部從脫鹽室移動(dòng)到陽(yáng)極室中，因此陽(yáng)極室的Cl負(fù)荷量為來(lái)自脫鹽室的Cl量＝1.5L/h×3mg/L＝4.5mg/h來(lái)自陽(yáng)極室的Cl量＝0.8L/h×3mg/L＝2.4mg/h的和6.9mg/h。
另一方面，如果是圖1、7的情況，則由于陽(yáng)極室Cl負(fù)荷量只是流入到陽(yáng)極室的原水中的Cl，因此變?yōu)樯鲜?.4mg/h。如果向陽(yáng)極室通入去離子水，則陽(yáng)極室Cl負(fù)荷量實(shí)質(zhì)上為零。
由該一例還可知道，通過(guò)在脫鹽室和陽(yáng)極室之間配置濃縮室，能夠降低陽(yáng)極室的Cl濃度，減少在陽(yáng)極室中的Cl2發(fā)生量。
在這樣的電去離子裝置中，如圖1、7所示，優(yōu)選將原水或來(lái)自脫鹽室7的去離子水的一部分、優(yōu)選去離子水的一部分依次供給到陽(yáng)極室6、濃縮室10、陰極室兼濃縮室5中。
以下說(shuō)明其理由。
即，在陽(yáng)極室6中當(dāng)存在Cl-離子時(shí)，因電極反應(yīng)而產(chǎn)生氯，往往使樹(shù)脂等構(gòu)件劣化，因此如前述的那樣，優(yōu)選使用不含Cl-離子的去離子水。另外，在濃縮室10的陰離子交換膜4面易發(fā)生鈣水垢，但在向陽(yáng)極室6中通入去離子水的場(chǎng)合，由于在該水中不含Ca2+離子，因此也能夠防止該鈣水垢。另外，本發(fā)明的電去離子裝置中，由于來(lái)自脫鹽室7的Cl-離子因第2陽(yáng)離子交換膜3而未流入到陽(yáng)極室6中，因此抑制了氯的產(chǎn)生。
在本發(fā)明的電去離子裝置中，濃縮室兼陰極室及陽(yáng)極室可以為圖6所示的構(gòu)成，在此，陰極板80及陽(yáng)極板90具有電極水的水通道。配置成陰極板80與第1陽(yáng)離子交換膜3相鄰、陽(yáng)極板90與第2陽(yáng)離子交換膜3’相鄰。據(jù)此，濃縮室兼陰極室及陽(yáng)極室內(nèi)的電阻變小，即使低的外加電壓也能高效率地進(jìn)行去離子處理。通過(guò)層疊多層具有在大量貫穿厚度方向的開(kāi)口的開(kāi)孔板，并使鄰接的開(kāi)孔板的孔彼此部分地重合，能夠形成上述電極板80、90。
這樣的帶水通道的陰極板80構(gòu)成濃縮室兼陰極室。帶水通道的陽(yáng)極板90構(gòu)成陽(yáng)極室。圖6的陽(yáng)離子交換膜3、3’間的構(gòu)成100(用2點(diǎn)劃線假想地表示)與圖1或圖7中膜3、3’間的構(gòu)成相同。在圖6中，與圖1或圖7同樣地供水。
參照?qǐng)D2-5，說(shuō)明在脫鹽室內(nèi)配置分隔構(gòu)件在脫鹽室內(nèi)形成多個(gè)小室的電去離子裝置。
沿著陰極側(cè)的端板11配置陰極電極板12，在該陰極電極板12的周緣部重合著框狀的用于形成濃縮室兼陰極室的框(flame)13。對(duì)該框13重合第1陽(yáng)離子交換膜14，對(duì)該第1陽(yáng)離子交換膜14依次重合用于形成脫鹽室的框架20、陰離子交換膜15、用于形成濃縮室的框架16S、第2陽(yáng)離子交換膜14S、以及用于形成陽(yáng)極室的框架16。對(duì)第2陽(yáng)離子交換膜14S通過(guò)用于形成陽(yáng)極室的框架16重合陽(yáng)極電極板17，再重合陽(yáng)極側(cè)端板18，制成疊層體。該疊層體采用螺栓等緊固。
框架20的內(nèi)側(cè)變成脫鹽室。在該脫鹽室配置著分隔構(gòu)件21，在分隔構(gòu)件21內(nèi)填充著由陰離子交換樹(shù)脂和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的混合物組成的離子交換樹(shù)脂23。
濃縮室兼陰極室用框架13的內(nèi)側(cè)空間變成濃縮室兼陰極室30，濃縮室用框架16S的內(nèi)側(cè)變成濃縮框架50。陽(yáng)極室用框架16的內(nèi)側(cè)變成陽(yáng)極室40。在該兼用作濃縮室的陰極室30、濃縮室50以及陽(yáng)極室40中填充著作為導(dǎo)電體的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂8。
為使?jié)饪s室兼陰極室30中流通陰極水，在端板11和框架13上分別設(shè)置透孔31、32、35、36，同時(shí)在框架13上設(shè)置著槽(slit)33、34。
透孔31、32相互重合，透孔35、36也相互重合?？蚣?3的透孔32、35分別通過(guò)槽33、34與濃縮室兼陰極室30連通。
陰極水依次流經(jīng)透孔31和32、槽33、濃縮室兼陰極室30、槽34、透孔35和36，作為濃縮水兼陰極水流出。
為了使陽(yáng)極水流入陽(yáng)極室40中，在端板18和框架16上分別設(shè)置透孔41、42、45、46，并且在框架16上設(shè)置槽43、44。
透孔41、42相互重合，透孔45、46也相互重合?？蚣?6的透孔42、45分別通過(guò)槽43、44與濃縮室兼陽(yáng)極室40連通。
陽(yáng)極水依次流經(jīng)透孔41和42、槽43、陽(yáng)極室40、槽44、透孔45和46，并作為陽(yáng)極水流出。
為了使原水流入框架20內(nèi)側(cè)的脫鹽室中，在端板18、陰離子交換膜15和框架16、16S、20上分別設(shè)置透孔51、52、53S、53、62、54、57、60，并且在框架20上設(shè)置槽55、56。另外，設(shè)置在陰離子交換膜15、框架16S、陽(yáng)離子交換膜14S和框架16下部的用于給脫鹽室供水的透孔未圖示。透孔51、60設(shè)置在端板18上，透孔54、57設(shè)置在框架20上，透孔52設(shè)置在框架16上，透孔53設(shè)置在陰離子交換膜15上。
透孔51～54、62相互重合，透孔57～60相互重合。框架20的透孔54、57分別通過(guò)槽55、56與脫鹽室連通。
原水按透孔51、52、53、54、62、槽55、脫鹽室、槽56、透孔57-60的順序在其中流過(guò)，作為去離子水(產(chǎn)物水)流出。
為了使水流入濃縮室50中，在端板18和框架16、16S及陽(yáng)離子交換膜14S的上部設(shè)置透孔64、65、66及65S，透孔66通過(guò)設(shè)置在該框架16S上的槽67與濃縮室50內(nèi)連通。在濃縮室用框架16S的下部設(shè)置與透孔66、槽67同樣的透孔及框架(省略圖示)，在陽(yáng)離子交換膜14S及陽(yáng)極室用框架40的下部設(shè)置透孔(省略圖示)使之與上述透孔重合的同時(shí)，在端板18的下部設(shè)置著透孔68。水通過(guò)透孔68導(dǎo)入濃縮室50，來(lái)自濃縮室50的流出水通過(guò)透孔66、65S、65、64流出。
在該實(shí)施方案中，原水或去離子水從透孔41、42流入到陽(yáng)極室40中，經(jīng)由透孔45、46流出。該流出水經(jīng)由透孔68流入到濃縮室50中，經(jīng)由透孔66、65S、65、64流出，接著從透孔31、32流入到濃縮室兼陰極室30中，從透孔35、36作為濃縮水兼陰極水排出。
上述脫鹽室用框架20是在上下方向上長(zhǎng)的長(zhǎng)方形狀的框架。在該框架20內(nèi)配置的分隔構(gòu)件21是六邊形的蜂窩形狀，上下左右地配置多個(gè)小室22。配置成各小室22的1對(duì)側(cè)邊成為板20的縱向即上下方向。
該分隔構(gòu)件21可以是預(yù)先一體成形的，也可以是組合了多個(gè)構(gòu)件的。例如如圖4那樣，通過(guò)使犬牙狀的曲折板70的縱向面71彼此連結(jié)而構(gòu)成。該曲折板70具備相對(duì)縱向面71呈120°的角度連接的供水性的斜向面72、73。在連結(jié)縱向面71彼此時(shí)例如可使用粘接劑。該曲折板70采用水通過(guò)但離子交換樹(shù)脂不通過(guò)的材料、例如機(jī)織織物、無(wú)紡布、網(wǎng)、多孔材料等構(gòu)成。該曲折板70優(yōu)選采用具有耐酸性和耐堿性的合成樹(shù)脂或金屬形成并使其具有剛性。縱向面71可以具有供水性，也可以不具有供水性。
分隔構(gòu)件21也可以嵌入到框架20中。另外，也可以在框架20的一面?zhèn)蠕佋O(shè)透水性片或網(wǎng)，在此上粘接分隔構(gòu)件。
從透孔54通過(guò)槽55流入到脫鹽室中的原水，如圖5那樣通過(guò)包圍小室22的分隔構(gòu)件21流入到鄰接的小室22中，緩慢地流到下方，在此期間受到去離子處理。最終達(dá)到脫鹽室的下部，通過(guò)槽56及透孔57-60，作為脫鹽水取出到電去離子裝置外。
原水流入用的透孔54及槽55存在于框架20上部、脫鹽水取出用的槽56及透孔57存在于框架20下部，因此該脫鹽室中的平均水流方向從上向下變成鉛直方向。由于小室的上部及下部相對(duì)該平均水流方向傾斜，因此被處理水從1個(gè)小室22向左及右側(cè)的小室22傾斜地分流。因此，被處理水向各小室22大致均等地分散流動(dòng)，被處理水和離子交換樹(shù)脂23的接觸效率變得良好。
在該脫鹽室中，小室22比較小，由于離子交換體的自重及水壓的作用，在各小室22內(nèi)對(duì)離子交換體施加的向下的壓力小。因此，在任何小室22內(nèi)都不會(huì)壓縮離子交換體，離子交換體在小室內(nèi)的下部不會(huì)局部地壓密化。在該實(shí)施方案中，在各小室22中填充的離子交換樹(shù)脂是陰離子交換樹(shù)脂和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的混合物，但也可以是下面的(i)-(iii)的任何一種。
(i)在全部的小室中填充陰離子交換樹(shù)脂、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、兩性離子交換樹(shù)脂之中的1種樹(shù)脂。
(ii)在全部的小室中填充陰離子交換樹(shù)脂、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂及兩性離子交換樹(shù)脂中的2或3種的混合物?；旌媳?、混合種類可以全部相同，也可以在部分或全部的小室中不同。
(iii)在一部分的小室中填充陰離子交換樹(shù)脂，在其他的一部分小室中填充陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，在剩余的小室中填充陰離子交換樹(shù)脂和陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的混合物或者兩性離子交換樹(shù)脂。
(ii)、(iii)的場(chǎng)合，也可以根據(jù)原水的陰離子、陽(yáng)離子比率調(diào)整填充陰離子交換樹(shù)脂的小室、以及填充陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的小室的數(shù)目。
該電去離子裝置的脫鹽室的LV優(yōu)選15-45m/h，SV優(yōu)選80-280Hr-1左右。
該圖2-5的電去離子裝置由于陰極·陽(yáng)極間的層疊室數(shù)也少，因此電阻小，在低電壓下能夠流通必要量的電流。在該實(shí)施方案中，脫鹽室內(nèi)的Cl-只移動(dòng)到濃縮室50中，不流入到陽(yáng)極室40中，因此陽(yáng)極室40內(nèi)的Cl-濃度低，陽(yáng)極室40內(nèi)的Cl2發(fā)生量少。據(jù)此，防止了陽(yáng)極室40內(nèi)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂8和面對(duì)陽(yáng)極室40內(nèi)的陽(yáng)離子交換膜14S的劣化。
另外，由于在脫鹽室內(nèi)填充著蜂窩狀結(jié)構(gòu)體，因此能夠得到高純度的處理水。在圖2-5中，脫鹽室的寬度(與水的平均流向垂直的方向的寬度)小時(shí)，也可以省略蜂窩狀結(jié)構(gòu)體。
以下列舉實(shí)施例及比較例更具體地說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1向圖7所示的電去離子裝置通入將自來(lái)水進(jìn)行活性炭、RO處理得到的水。該供水的水質(zhì)是電導(dǎo)度10μS/cm、CO2濃度30ppm、SiO2濃度2ppm，水溫是10℃。
該電去離子裝置的脫鹽室7為有效寬17mm、有效高194mm、厚5mm，濃縮室10、陽(yáng)極室6、陰極室兼濃縮室5均為厚2.5mm。另外，在脫鹽室7中填充陰離子交換樹(shù)脂/陽(yáng)離子交換樹(shù)脂＝7/3(體積比)的混合離子交換樹(shù)脂，在濃縮室10中填充陰離子交換樹(shù)脂，在陽(yáng)極室6及陰極室兼濃縮室5中填充了陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。在陽(yáng)極2及陰極1中使用了對(duì)鈦鍍鉑的電極板。
脫鹽室7的入口水量為3L/h，按陽(yáng)極室6、濃縮室10、陰極室兼濃縮室5的順序通過(guò)生產(chǎn)水(去離子水)的一部分(1L/h)后排出。
在電流為0.2A的條件下供水1個(gè)月。此時(shí)的供水條件如下，但1個(gè)月后的生產(chǎn)水的電阻率為15MΩ·cm，運(yùn)行電壓為8V，從初始開(kāi)始穩(wěn)定，無(wú)變化。
脫鹽室供水量與脫鹽室7的陰離子交換膜4的有效面積(dm2)之比＝9.1
相對(duì)于脫鹽室7的陰離子交換膜4的有效面積(dm2)，流入到脫鹽室中的碳酸負(fù)荷量(mg-CO2/h)＝272相對(duì)于脫鹽室7的陰離子交換膜4的有效面積(dm2)，流入到脫鹽室中的二氧化硅負(fù)荷量(mg-SiO2/h)＝18電流密度(mA/dm2)＝606比較例1使?jié)饪s室10的離子交換樹(shù)脂為陰離子交換樹(shù)脂/陽(yáng)離子交換樹(shù)脂＝7/3(體積比)的混合離子交換樹(shù)脂，除此以外與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行供水，供水初期(第3天)生產(chǎn)水的電阻率是10MΩ·cm，運(yùn)行電壓為8V，但1個(gè)月后的生產(chǎn)水的電阻率變?yōu)?MΩ·cm，運(yùn)行電壓變?yōu)?2V，水質(zhì)降低，并且看到了電阻上升的傾向。
工業(yè)實(shí)用性如上述，本發(fā)明的電去離子裝置在陰極和陽(yáng)極之間配置了濃縮室兼陰極室、脫鹽室、濃縮室及陽(yáng)極室各1個(gè)，電極間距離小，另外，陰極室兼作濃縮室，電極水變成高電導(dǎo)度的濃縮水，因此即使降低電極間的外加電壓，也能夠流通必要量的電流，并充分地進(jìn)行去離子處理。另外，由于防止或抑制了陽(yáng)極室中產(chǎn)生的Cl2，因此長(zhǎng)期地防止了陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂等導(dǎo)電體、和面對(duì)陽(yáng)極室的第2陽(yáng)離子交換膜的劣化。
本發(fā)明的電去離子裝置在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室用、小型燃料電池用等生產(chǎn)水量為少量的用途上極為合適。
權(quán)利要求
1.一種電去離子裝置，其包括陰極；陽(yáng)極；在該陰極和陽(yáng)極之間配置的第1陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和第2陽(yáng)離子交換膜；在該陰極和第1陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置的濃縮室兼陰極室；在第1陽(yáng)離子交換膜和該陰離子交換膜之間設(shè)置的脫鹽室；在該陰離子交換膜和第2陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置的濃縮室；在該第2陽(yáng)離子交換膜和該陽(yáng)極之間設(shè)置的陽(yáng)極室；在該濃縮室內(nèi)、該陽(yáng)極室內(nèi)及濃縮室兼陰極室內(nèi)分別填充的導(dǎo)電體；以及，在該脫鹽室內(nèi)填充的離子交換體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電去離子裝置，其特征在于，在該脫鹽室內(nèi)配置分隔構(gòu)件，在該脫鹽室內(nèi)形成被該分隔構(gòu)件、和該陽(yáng)離子交換膜及陰離子交換膜包圍的多個(gè)小室，在該小室中分別填充著離子交換體，面對(duì)各小室的分隔構(gòu)件的至少一部分相對(duì)于該脫鹽室內(nèi)的平均水流方向傾斜，該分隔構(gòu)件的至少傾斜的部分成為使水通過(guò)、但阻止離子交換體通過(guò)的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電去離子裝置，其特征在于，在陽(yáng)極室內(nèi)及濃縮室兼陰極室內(nèi)填充的導(dǎo)電體是離子交換樹(shù)脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電去離子裝置，其特征在于，上述離子交換樹(shù)脂是陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電去離子裝置，其特征在于，在上述濃縮室中填充的導(dǎo)電體是離子交換體，該濃縮室內(nèi)離子交換體的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體的填充比率大于上述脫鹽室中離子交換體的陰離子交換體/陽(yáng)離子交換體的填充比率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電去離子裝置，其特征在于，該濃縮室的離子交換體是離子交換樹(shù)脂。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電去離子裝置，其特征在于，該離子交換樹(shù)脂是交聯(lián)度3-8％的陰離子交換樹(shù)脂和交聯(lián)度5-10％的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電去離子裝置，其特征在于，在上述脫鹽室中填充著陰離子交換體和陽(yáng)離子交換體，在上述濃縮室中只填充著陰離子交換體。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電去離子裝置，其特征在于，在上述陰極室兼濃縮室以及陽(yáng)極室中只填充著陽(yáng)離子交換體。
10.一種電去離子裝置，其包括具有水通道的陰極板；具有水通道的陽(yáng)極板；與該陰極板相鄰的第1陽(yáng)離子交換膜；與該陽(yáng)極板相鄰的第2陽(yáng)離子交換膜；在該第1陽(yáng)離子交換膜和第2陽(yáng)離子交換膜之間配置的陰離子交換膜；在該陰極和第1陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置的濃縮室兼陰極室；在第1陽(yáng)離子交換膜和該陰離子交換膜之間設(shè)置的脫鹽室；以及，在該陰離子交換膜和第2陽(yáng)離子交換膜之間設(shè)置的濃縮室。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電去離子裝置，其特征在于，在該脫鹽室內(nèi)填充著離子交換樹(shù)脂等離子交換體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電去離子裝置，其特征在于，在該脫鹽室內(nèi)配置分隔構(gòu)件，在該脫鹽室內(nèi)形成被該分隔構(gòu)件、和該陽(yáng)離子交換膜及陰離子交換膜包圍的多個(gè)小室，在該小室中分別填充著離子交換體，面對(duì)各小室的分隔構(gòu)件的至少一部分相對(duì)于該脫鹽室內(nèi)的平均水流方向傾斜，該分隔構(gòu)件的至少傾斜的部分成為使水通過(guò)、但阻止離子交換體通過(guò)的結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電去離子裝置，其特征在于，在濃縮室內(nèi)填充著離子交換樹(shù)脂等導(dǎo)電體。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的電去離子裝置，其特征在于，上述脫鹽室的供水量(L/h)與該脫鹽室的陰離子交換膜的有效面積(dm2)之比是5或5以上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的電去離子裝置，其特征在于，相對(duì)于上述脫鹽室的陰離子交換膜的有效面積(dm2)，流入到該脫鹽室中的碳酸負(fù)荷量(mg-CO2/h)是80或80以上。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的電去離子裝置，其特征在于，相對(duì)于上述脫鹽室的陰離子交換膜的有效面積(dm2)，流入到該脫鹽室中的二氧化硅負(fù)荷量(mg-SiO2/h)是8或8以上。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的電去離子裝置，其特征在于，電流密度為300mA/dm2或300mA/dm2以上。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的電去離子裝置，其特征在于，在該濃縮室中填充著熱穩(wěn)定性的陰離子交換樹(shù)脂。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的電去離子裝置，其特征在于，設(shè)置了如下流路將原水或來(lái)自脫鹽室的去離子水作為電極水供給到陽(yáng)極室中，將該陽(yáng)極室流出水供給到濃縮室中，將該濃縮室流出水供給到濃縮室兼陰極室中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種即使降低電極間的外加電壓也能夠流動(dòng)必要的電流、充分進(jìn)行去離子處理的電去離子裝置。在陰極1和陽(yáng)極2之間配置第1陽(yáng)離子交換膜3、陰離子交換膜4、和第2陽(yáng)離子交換膜3’各1片，在陰極1和陽(yáng)極2之間依次形成了濃縮室兼陰極室5、脫鹽室7、濃縮室10及陽(yáng)極6。在濃縮室兼陰極室5及陽(yáng)極6中分別填充著陽(yáng)離子交換樹(shù)脂8。在脫鹽室7中以混合狀態(tài)填充著陽(yáng)離子交換樹(shù)脂8和陰離子交換樹(shù)脂9。向陽(yáng)極室6導(dǎo)入原水或去離子水，其流出水依次在濃縮室10、濃縮室兼陰極室5中流過(guò)。
文檔編號(hào)B01D61/50GK1678533SQ03820749
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者三輪昌之, 佐藤伸, 森部隆行 申請(qǐng)人:栗田工業(yè)株式會(huì)社