(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード（７）と、該カソード（７）から間隔を空けられたアノード（８）とを含み、それらの間に、少なくとも１つのアニオン透過性膜（２）と少なくとも１つのカチオン透過性膜（１）とを含むとともに、１つまたは２つ以上の希釈区画（５）と１つまたは２つ以上の濃縮区画（６）との境界を定める、少なくとも２つのイオン透過性膜を有する、電気脱イオン（ＥＤＩ）モジュールであって、
少なくとも１つの希釈区画（５）は、少なくとも２つのブロック（３、４）を収納し、第１のブロック（４）はアニオン交換材料を収納し、第２のブロック（３）はカチオン交換材料を収納し、
前記第１のブロック（４）の表面は、アニオン透過性膜（２）に隣接しており、前記第２のブロック（３）の表面は、カチオン透過性膜（１）に隣接しており、
前記第１および第２のブロック（４、３）は、相補的凹凸を有し、横並びに、前記相補的凹凸で直接接触して配設され、前記第１および第２のブロック（４、３）の間に界面を形成して、
前記少なくとも１つの希釈区画（５）が、前記第１および第２のブロック（４、３）で、間隙またはチャネルを形成することなく、完全に充填され、
前記界面が、前記少なくとも１つの希釈区画（５）を通る液体通過方向に対して横断方向に延び、
前記界面が、前記アニオン透過性膜（２）および前記カチオン透過性膜（１）から間隔を空けられており、
液体通過方向における直線が前記界面を少なくとも１回、横断することのできるように前記界面が形成されており、
前記第１および第２のブロック（４、３）の形状は、アニオン交換材料の体積がカチオン交換材料の体積よりも大きくなるように選択されており、および
前記第１および第２のブロック（４、３）の間の界面の少なくとも一部が、液体通過方向に対して横断方向に、コルゲート加工されている、
前記ＥＤＩモジュール。
【請求項２】
カソード（７）と、該カソード（７）から間隔を空けられたアノード（８）とを含み、それらの間に、少なくとも１つのアニオン透過性膜（２）と少なくとも１つのカチオン透過性膜（１）とを含むとともに、１つまたは２つ以上の希釈区画（５）と１つまたは２つ以上の濃縮区画（６）との境界を定める、少なくとも２つのイオン透過性膜を有する、電気脱イオン（ＥＤＩ）モジュールであって、
少なくとも１つの希釈区画（５）は、少なくとも２つのブロック（３、４）を収納し、第１のブロック（４）はアニオン交換材料を収納し、第２のブロック（３）はカチオン交換材料を収納し、
前記第１のブロック（４）の表面は、アニオン透過性膜（２）に隣接しており、前記第２のブロック（３）の表面は、カチオン透過性膜（１）に隣接しており、
前記第１および第２のブロック（４、３）は、相補的凹凸を有し、横並びに、前記相補的凹凸で直接接触して配設され、前記第１および第２のブロック（４、３）の間に界面を形成して、
前記少なくとも１つの希釈区画（５）が、前記第１および第２のブロック（４、３）で、間隙またはチャネルを形成することなく、完全に充填され、
前記界面が、前記少なくとも１つの希釈区画（５）を通る液体通過方向に対して横断方向に延び、
前記界面が、前記アニオン透過性膜（２）および前記カチオン透過性膜（１）から間隔を空けられており、
液体通過方向における直線が前記界面を少なくとも１回、横断することのできるように前記界面が形成されており、
前記第１および第２のブロック（４、３）の形状は、アニオン交換材料の体積がカチオン交換材料の体積よりも大きくなるように選択されており、
前記アニオン透過性膜（２）に隣接する表面と反対側の、第１のブロック（４）の表面が、カチオン透過性膜（１）に隣接する表面と反対側の、第２のブロック（３）の表面と相補的であり、および
前記第１および第２のブロック（４、３）の相補的凹凸の少なくとも一部が、液体通過方向に対して横断方向にコルゲート加工されている、
前記ＥＤＩモジュール。
【請求項３】
前記第１および第２のブロック（４、３）の相補的凹凸の少なくとも一部が楔形、鋸歯形、または波形である、請求項１または２に記載のＥＤＩモジュール。
【請求項４】
第１および第２のブロック（４、３）が、多孔質材料または繊維質材料によって製作されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＥＤＩモジュール。
【請求項５】
第１のブロック（４）の気孔率が、第２のブロック（３）の気孔率と同等である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＥＤＩモジュール。
【請求項６】
第１のブロック（４）のアニオン交換能が、第２のブロック（３）のカチオン交換能と同等であるか、それよりも高い、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＥＤＩモジュール。
【請求項７】
少なくとも１つのアニオン透過性膜（２）がアニオン交換膜であり、少なくとも１つのカチオン透過性膜（１）がカチオン交換膜である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＥＤＩモジュール。
【請求項８】
イオン交換樹脂ビーズで充填された１つまたは２つ以上のさらなる希釈区画（５）をさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＥＤＩモジュール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に規定されたＥＤＩモジュールを含む、高純水の製造用、または超高純水の製造用の電気脱イオン（ＥＤＩ）装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に規定されたＥＤＩモジュール、または請求項９に規定されたＥＤＩ装置を含む、実験室用水浄化システム。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか一項に規定されたＥＤＩモジュール、請求項９に規定されたＥＤＩ装置、または請求項１０に規定された実験室用水浄化システムを使用する、液体を浄化する方法であって、
浄化しようとする液体を、少なくとも１つの希釈区画（５）中に供給するステップと、
前記浄化しようとする液体を、電場を印加した状態で、前記少なくとも１つの希釈区画（５）を液体通過方向に通過させるステップ、および
前記少なくとも１つの希釈区画（５）の出口において浄化液体を収集するステップと
を含む、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電場の影響下で液体中にあるイオンを移転させるように適合された改良型の電気脱イオン（ＥＤＩ：Electrodeionization）モジュールおよび装置に関する。具体的には、本発明は、高純度または超高純度の水を製造するための、水性液体を浄化するように適合されたＥＤＩ装置、および液体を浄化する方法に関する。本発明は、さらに、ＥＤＩモジュールまたはＥＤＩ装置を使用する実験室用水浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気脱イオン（ＥＤＩ）は、水などの液体からイオンを除去するプロセスであって、これらのイオンを水素イオン（カチオン）と、または水酸化物イオン（アニオン）と交換することのできる材料に吸着させて、アノードとカソードの間に電場をかけることによって吸着されたイオンを除去するプロセスである。
典型的なＥＤＩモジュールは、処理しようとする液体がそこを通過させられる、少なくとも１つの希釈区画（diluate compartment）と、希釈区画において液体から除去されたイオンを吸収する、少なくとも１つの濃縮区画（concentrate compartment）を有する。希釈区画は、したがって「生成物チャネル（product channel）」とも呼ばれることが多く、濃縮区画は、「廃棄物チャネル（waste channel）」とも呼ばれることが多い。
【０００３】
希釈区画の片側の外縁には、典型的には、アニオン透過性膜があり、この透過性膜が、その側の希釈区画の外側限界を画定している。希釈区画の反対側の外側限界は、典型的には、カチオン透過性膜によって画定される。１つまたは２つ以上の濃縮区画が、希釈区画の膜の反対側に形成されている。特に、濃縮区画は、典型的には、カソード側のアニオン透過性膜と、アノード側のカチオン透過性膜の間に形成される。アノード側区画（アノード区画とも呼ばれる）およびカソード側区画（カソード区画とも呼ばれる）は、アノードまたはカソードをそれぞれ収納する区画であって、膜によって境界が定められている。
【０００４】
電極区画の境界を定める膜の種類（および隣接区画の種類）に応じて、電極区画は、脱カチオン、または脱アニオン、または酸または塩基の濃縮の作用をする。すなわち、典型的には、アニオン透過性膜によって境界を定められたアノード区画は、酸を濃縮し、これに対して、カチオン透過性膜によって境界を定められたアノード区画では、塩カチオンが欠乏する。同様に、カチオン透過性膜によって境界を定められたカソード区画は、塩基を濃縮し、これに対して、アニオン透過性膜によって境界を定められたカソード区画では、塩アニオンが欠乏する。
【０００５】
希釈区画には、イオン交換材料が充填されており、それを通って、脱イオン化しようとする水が流れる。希釈区画内のイオン交換材料は、水素イオン（カチオンと）との交換、または水酸化物イオン（アニオン）との交換時に、液体からイオンを選択的に吸着する。印加される電場によって、吸着されたアニオンはアノードに向かって移転されるとともに、吸着されたカチオンはカソードに向かって移転される。一旦、それぞれのイオン透過性膜を通過すると、イオンは、濃縮区画中に送り込まれる。濃縮区画は、イオン交換材料または不活性液体透過性材料で充填してもよく、液体が各濃縮区画を通過して流れ、それによって区画を洗滌するとともに、イオンを移送して廃棄する。
【０００６】
ＥＤＩモジュールにおいて利用されるイオン交換材料は、例えば、欧州特許ＥＰ１２８２４６３Ｂ１に記載されているような、ポリマービーズの形態のポリマー樹脂で製作されることが多い。代替的なイオン交換材料は、例えば、米国特許第６４２３２０５号および同２００６／００９１０１３号に記載されているような、アニオン交換官能基およびカチオン交換官能基を含有する、繊維で製作された、不織布または織布の形態で製造されていた。イオン交換樹脂ビーズと布の組合せが、国際出願ＷＯ２００５／０１１８４９Ａに記載されている。
【０００７】
不織布または織布、または多孔質ブロックの形態のイオン交換材料は、浄化工程を強化することを可能にし、多孔質ブロックは、さらに、モジュールの組立てを簡略化することを可能にする。そのような材料は、典型的には、多孔質または繊維質の基質をグラフト化し、続いて化学処理することによって、イオン交換機能を材料に導入することによって製造される。以下においては、それらは、単に「グラフト材料（grafted materials）」とも呼ぶ。
グラフト材料は、イオン交換樹脂ビーズのベッドでは可能ではない、ＥＤＩモジュールの区画内部でのイオン交換材料の独特の配設をさらに可能にする。
【０００８】
ＥＤＩ内の希釈区画の構築に関して、特許出願公開０７−１００３９１Ａは、液体流と平行に、同極性の膜に隣接して配設され、中性のオープンメッシュスクリーンによって離隔された、イオン交換不織布の層を記載しており、これに対して、米国特許第６４２３２０５号においては、スクリーンは、イオン交換能力を有するものと想定されている。イオン交換スクリーンを使用する場合には、水解離は、電場に直角に配向されたグラフト材料間のバイポーラ界面において電気化学的に増強されて、生成されたＨ＋イオンおよびＯＨ−イオンは、グラフト材料を再生するとともに、イオン性またはイオン化可能な汚染物質と交換されて、それによって水から除去されることが可能である。
【０００９】
ＥＤＩ装置において、米国特許第６４２３２０５号の図３に開示されているように、全層が、膜および液体流に平行に配向されており、繊維質材料は、イオン除去のための活性表面を増大させるが、オープンメッシュスクリーンと比較して流れに対する抵抗を示すので、流れのほとんどは、スクリーンにより充填された繊維質材料間のチャネルを通過する。この場合に、高い抵抗率まで水を浄化するのに、長い流路が必要となる。膜に平行な層を備える区画は、相対的に薄く、例えば３〜５ｍｍであることとあいまって、組立てには、生成された水の体積当たりに、相対的に高い膜面積が必要となり、結果的に、材料コストが相対的に高くなる。
【００１０】
米国特許第２００６／００９１０１３号に改善が開示されており、この場合には、米国特許第２００６／００９１０１３号の図２に示されているように、グラフト材料の層が、膜および流れ方向と直角に設置されている。この場合に、圧力低下および材料コストを低減する、より厚い区画を使用することができる。すべての水が、高い比表面積を有する繊維質材料を通過することができるので、イオンは、比較的短い経路において効率的に除去されるはずであり、これによって、非常に良好な浄化性能が得られる。米国特許第２００６／００９１０１３号の著者は、優れた浄化性能を達成するためには、水が、カチオン交換材料とアニオン交換材料の接触部を交互に多数回、通過すること、典型的には、希釈チャンネル長１ｃｍ当たり、対極層（counter-polar layers）間で１０の接触部を通過することが重要であり、これには、層を切削してモジュールを組み立てるのに、複雑な機器または多大な労力が必要となる。
【００１１】
グラフト材料の再生に必要な、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンの発生をともなう電気化学的に増強された水解離は、図５に示されるように、グラフト材料と対極膜の界面において実質的に発生する。水解離は、グラフト材料の隣接する層間の界面上で増強させることも可能であるが、電場に平行な層の配向は、これには好ましくない。ここで、電気化学的に増強された水解離は、２種の繊維質材料間の界面の特定の「粗さ」により、および、例えば、モジュールの長さにわたっての材料の異なる導電性によって生じる、電極間の平行配向からの電場線のずれによって、発生させることができる。電場において、そのような配向を有する材料の再生には、比較的に高い、印加される電位降下が必要となり、脱イオンプロセスに対するエネルギー効率が比較的に低くなることがあると考えられる。
【００１２】
米国特許第２００６／００９１０１３号に記載された技法のさらなる欠点として、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンが反対方向に移動している、複数の薄い層への配向によって、それらの一部が、対極層間の界面へと濃度差によって駆動される可能性があり、この場合に、それらは水に再結合し、それゆえに、水からのイオン性およびイオン化可能な汚染物質との交換には利用可能ではなくなる。同様にして、すでに水から除去されて、対応するイオン交換材料内部で移動する、塩イオンは、対極グラフト材料間の界面上で再結合する可能性があり、それによってリジェクトされて水中に戻され、浄化プロセスの電流効率を低下させる。
【００１３】
Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンの水への再結合による電流効率の低下、および除去された塩アニオンおよび塩カチオンの希釈区画の水中へのリジェクションは、区画厚さの増大とともにさらに強く明白になる。さらに、膜／グラフト材料界面において発生した、かなりの量のイオンが、対応する膜を直ちに通過して（Ｈ＋イオンがカチオン透過性膜を通過し、ＯＨ−イオンがアニオン透過性膜を通過し）、グラフト材料の再生に参加することなく、それぞれの濃縮区画中に直接的に、前送りされる。これによって、電流効率がさらに低下するとともに、濃縮区画内の対応する膜の表面上で強い局所ｐＨ変動を誘発し、このことは、スケーリング形成または材料劣化のリスクのために、望ましくない場合がある。
【００１４】
発明の目的
本発明の目的は、増強された浄化プロセスの点において貫流イオン交換材料の利点から便益を得るとともに、イオン交換材料の独特の配設を可能にするが、モジュールの製造および組立の複雑さ、イオン交換材料との十分な相互作用を伴わないイオン交換材料間の貫通チャネル、および低下した電流効率に関して、既知のＥＤＩモジュールおよび装置についての上述の欠点がない、ＥＤＩモジュールを提供することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、製造および作動の両方で前例のない効率および低コストで高純度または超高純度の水を製造するための、水性液体の浄化を可能にするＥＤＩ装置、それに加えて、作動および維持において前例のない効率および低コストで、液体、特に水を浄化する方法を提供することである。
本発明のさらにひとつの目的は、実験室において簡便に使用するができて、要求に応じて浄化水を提供する、実験室用水浄化システムを提供することである。
【発明の概要】
【００１６】
本発明は、カソードと、該カソードから間隔を空けられたアノードとを含み、その間に、少なくとも１つのアニオン透過性膜と少なくとも１つのカチオン透過性膜とを含むとともに、１つまたは２つ以上の希釈区画と１つまたは２つ以上の濃縮区画との境界を定める、少なくとも２つのイオン透過性膜を有する、電気脱イオン（ＥＤＩ）モジュールであって、
少なくとも１つの希釈区画は、少なくとも２つのブロックを収納し、第１のブロックはアニオン交換材料を収納し、第２のブロックはカチオン交換材料を収納し、前記第１のブロックの表面は、アニオン透過性膜に隣接しており、前記第２のブロックの表面は、カチオン透過性膜に隣接しているとともに、前記２つのブロックは、液体通過方向に横並びに配設され、それによって、前記２つのブロックの間に界面を形成して、前記界面が、前記アニオン透過性膜および前記カチオン透過性膜から間隔を空けられて、液体通過方向における直線が、前記２つのブロック間の界面を少なくとも１回、通過することのできるようにされている、前記ＥＤＩモジュールに関する。
【００１７】
本発明は、さらに、カソードと、該カソードから間隔を空けられたアノードとを含み、その間に、少なくとも１つのアニオン透過性膜と少なくとも１つのカチオン透過性膜とを含むとともに、１つまたは２つ以上の希釈区画と１つまたは２つ以上の濃縮区画との境界を定める、少なくとも２つのイオン透過性膜を有する、ＥＤＩモジュールであって、
少なくとも１つの希釈区画は、少なくとも２つのブロックを収納し、第１のブロックはアニオン交換材料を収納し、第２のブロックはカチオン交換材料を収納し、前記第１のブロックの表面は、アニオン透過性膜に隣接しており、前記第２のブロックの表面は、カチオン透過性膜に隣接しているとともに、前記２つのブロックは、液体通過方向に横並びに配設され、それによって、前記２つのブロックの間に界面を形成して、前記界面が、前記アニオン透過性膜および前記カチオン透過性膜から間隔を空けられるようにされており、前記第１のブロックおよび前記第２のブロックは、前記液体通過方向に対して横断方向に延びる前記界面において、相補的凹凸を有する、前記ＥＤＩモジュールに関する。
【００１８】
本発明者らは、ＥＤＩモジュールの希釈区画内部の貫流イオン交換材料の独特の形状および配向は、上述の先行技術配設の欠点を克服し、すなわち、イオン透過性膜および液体流に平行または直角の積層グラフト材料と比較して、所与の量の貫流イオン交換材料に対する生成液体品質を向上させるとともに、電流効率を増大させ、それによって浄化性能および組立の容易性を向上させることを見出した。
【００１９】
本発明はさらに、本発明によるＥＤＩモジュールを含む、高純度水の製造用、または超高純度水の製造用の電気脱イオン（ＥＤＩ）装置に関する。本発明はさらに、本発明によるＥＤＩモジュールまたはＥＤＩ装置を含む、実験室用水浄化システムに関する。
【００２０】
本発明は、さらに、本発明によるＥＤＩモジュール、本発明によるＥＤＩ装置、または本発明による実験室用水浄化システムを使用する、液体を浄化する方法であって、
浄化しようとする液体を、少なくとも１つの希釈区画中に供給するステップと、
前記浄化しようとする液体を、電場を印加した状態で、前記少なくとも１つの希釈区画を通過させるステップ、および
前記少なくとも１つの希釈区画の出口において前記浄化液体を収集するステップとを含む、前記方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明によるＥＤＩモジュールの例示的実施態様の概略図である。
【図２】図２は、本発明のＥＤＩモジュールの別の例示的実施態様の概略図であって、特に、４つの反復ユニットを含み、それぞれは、隣接する濃縮区画（６）と希釈区画（５）とからなり、希釈区画（５）は、カチオン透過性膜（１）とアニオン透過性膜（２）の間に位置して、カチオン交換ブロック（３）とアニオン交換ブロック（４）とで充填されている。末端で、カソード（７）を収納するカソード区画（９）と、アノード（８）を収納するアノード区画（１０）とによって、スタックが達成されている。対応区画のための、周囲、シーリング、入口・出口用の分流器が、希釈区画フレーム（１５）、濃縮区画フレーム（１６）、カソードおよびアノードのエンドキャップ（１７）によって形成される。対応する区画の洗滌（rinsing）が、簡略化された方法で示されており、ここでは、浄化の目的で、供給水ストリーム（１１）、すなわち脱イオン化のための供給物が、希釈区画を通過して流れ、そこで脱イオン化されて、生成物として使用される希釈ストリーム（１３）として出て、一方で、希釈区画および電極区画が、ストリーム（１２）、すなわち濃縮するための供給物によって洗滌されて、廃棄または再使用のために濃縮ストリーム（１４）として出る。電極（７）と（８）の間に直流電流を流し、希釈区画（５）のイオン交換ブロック（３）および（４）を再生し、これによって連続浄化プロセスを確実にする。
【図３】図３は、印加電場の条件下で、本発明による貫流イオン交換材料の組立体におけるイオン交換材料界面における、電気化学的に増強された水解離によって生成されたイオンの移動の概略図である。
【図４】図４は、本発明による貫流イオン交換材料の形状の好ましい例の概略図であって（図４ａ）、同極性のイオン透過性膜に取り付けられた状態（図４ｂ）、およびそれぞれの同極性のイオン透過性膜（ＣＭおよびＡＭ）に取り付けられた、２つのブロック（ＣＢおよびＡＢ）の組立体（図４ｃ）を示す。
【００２２】
【図５】従来技術（ＵＳ２００６／００９１０１３）により配向された材料の要素に対するイオン交換材料内でのＨ＋イオンおよびＯＨ−イオンの電気化学的に増強された水解離および移動の概略図であって、ここでＣＭおよびＡＭは、それぞれ、カチオン透過性およびアニオン透過性の膜を表わす。
【図６】図６は、本発明によるＥＤＩモジュールの好ましい実施態様の概略図である。
【図７】図７は、本発明によるＥＤＩモジュールの好ましいカソード配設の概略図である。
【図８】図８は、本発明による実験室用水浄化システムの例示的な（第１の）実施態様の概略図である。
【図９】図９は、本発明による実験室用水浄化システムの別の例示的な（第２の）実施態様の概略図である。
【図１０ａｂ】図１０ａおよび図１０ｂは、本発明による実験室用水浄化システムの別の例示的な（第３の）実施態様の概略図である。
【００２３】
本発明の詳細な説明
以下では、本発明の詳細およびその他の特徴および利点について説明する。しかしながら、本発明は、以下の特定の説明および実施態様に限定されるものではなく、それらは説明目的だけのものである。
図１および２は、本発明による電気脱イオン（ＥＤＩ）モジュールの例示的な実施態様を示す。
【００２４】
本発明は、カソードと、カソードから間隔を空けられたアノードとを含み、その間に、少なくとも１つのアニオン透過性膜（ＡＭ）と少なくとも１つのカチオン透過性膜（ＣＭ）を含み、１つまたは２つ以上の希釈区画および１つまたは２つ以上の濃縮区画（ＣＣ）を画定する、少なくとも２つのイオン透過性膜を有する、ＥＤＩモジュールであって、希釈区画内部の貫流イオン交換材料の独特の形状および配向を特徴とする、ＥＤＩモジュールを提供する。
本明細書において使用する場合には、「含む（comprising）」という表現は、「含む」という意味だけでなく、「主として〜からなる」および「〜からなる」という意味をも包含する。同様に、本明細書において使用する場合には、「含有する（containing）」という表現は、「含有する」という意味だけではなく、「〜製の」または「〜を充填された」とう意味も包含する。
【００２５】
本明細書において使用する場合には、「少なくとも１つ」および「１つまたは２つ以上」という表現は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０以上の数を含む。本明細書において使用する場合には、「少なくとも２つ」および「２つ以上」という表現は、２、３、４、５、６、７、８、９、１０以上の数を含む。
本明細書において使用する場合には、（Ｂ）から「間隔を空けられた」（Ａ）という表現は、（Ａ）と（Ｂ）は、互いに直接、接触していないことを表わす。本明細書において使用する場合には、（Ａ）は（Ｂ）に「隣接する」という表現は、構成要素（Ａ）と（Ｂ）が、互いに近接しており、好ましくは、互いに直接、接触していることを表わす。
【００２６】
最初に、本発明による液体を浄化する方法について説明し、それによって、本発明によるＥＤＩモジュールおよび装置の構成要素についてもさらに詳細に説明する。
本発明によって浄化される液体は、好ましくは、水性液体であり、さらに好ましくは水である。本明細書において使用する場合に、「浄化される（purified）」という表現は、好ましくは、液体からのイオンの除去を表わし、すなわち液体が脱イオン化される。
【００２７】
浄化される液体は、本発明による希釈区画中に供給される。好ましくはイオン交換特性を有するオープンメッシュスクリーン（open-mesh screen）が、希釈区画内の、入り口、または出口の開口同士の間、区画フレームの分流器の間、およびグラフト材料のイオン交換ブロックの間に設置されるのが好ましく、それによって希釈区画の横断面全体にわたる均一な流れの分布を向上させる。
希釈区画は、以下で詳細に説明する、本発明による貫流イオン交換材料を収納するか、または好ましくはそれで充填されている。希釈区画における貫流イオン交換材料は、水素イオン（カチオン）との交換時、または水酸化イオン（アニオン）との交換時に、液体からイオンを選択的に吸着する。アノードとカソードの間の印加電場によって、吸着されたアニオンは、アノードに向かって移動し、吸着されたカチオンはカソードに向かって移動する。
【００２８】
本発明において使用するのに好適なカソードおよびアノードは、特に限定はされず、ＥＤＩモジュールの分野において慣行となっている任意の材質および寸法を使用することができる。
イオンが、それぞれの透過性膜を通過して移動すると、それらは濃縮区画に進入する。
【００２９】
本発明における使用に好適なイオン透過性膜は、特に限定はされず、ＥＤＩモジュールの分野において慣行となっている任意の材質および寸法を使用することができる。名称が示唆するように、アニオン透過性膜は、アニオンに対して透過性であるとともに、カチオンに対して実質的に不透過性であるのに対して、カチオン透過性膜は、カチオンに対して透過性であるとともに、アニオンに対して実質的に不透過性である。
イオン透過性膜は、濃縮区画に対して希釈区画の境界を定める役割を果たす。イオン透過性膜は、希釈区画から濃縮区画への、それぞれのイオンの選択的移転を可能にする。希釈区画から濃縮区画へのイオンの移転を加速するために、イオン透過性膜自体が、イオン交換特性を有すること、すなわち、アニオン透過性膜がアニオン交換材料を含有し、それによってアニオン交換膜を表わすこと、および／またはカチオン透過性膜がカチオン交換材料を含有し、それによってカチオン交換膜を表わすことが好ましい。
【００３０】
パージ液体（purging liquid）は、濃縮区画を通って流れ、それによって、希釈区画の液体から除去されたイオンを洗滌して濃縮ストリーム中に入れる。濃縮区画を通る液体流は、図１に示すように、希釈区画における液体流と同一方向を有するか、または図２に示されように、対向流モードで動作してもよい。浄化効率の観点から、濃縮区画を通る液体流の方向は、希釈区画を通る液体流の方向と反対であること、すなわち対向流モード作動であることが好ましい。生成された希釈物の一部、すなわち浄化水は、対向流モードにおいて隣接する濃縮区画を洗滌するのに使用することができる。アノード区画に対して、またはアノード区画に隣接する濃縮区画に対して当てはまることの多い、ｐＨ低下が区画内で生じる場合には、この区画からの水を使用して、その他の区画およびカソード区画を直列で洗滌し、それによって、これらの他の濃縮区画およびカソード区画における炭酸スケーリング（carbonate scaling）のリスクを低減するのが好ましい。
【００３１】
電極区画が垂直方向に配置されている場合には、電極上で発生する気泡を効果的に洗滌するために、それらの区画を上向きに、すなわち底部から頂部へと洗滌するのが好ましい。
濃縮区画は、イオン交換材料、または不活性な液体透過性材料を収納するか、または好ましくはそれで充填されている。濃縮区画が、本発明による貫流イオン交換材料を収納するか、またはそれで充填されることも可能である。寸法安定性の観点からは、濃縮区画は、好ましくは、イオン交換スクリーンを収納するか、またはそれで充填される。
【００３２】
希釈区画を通過して、それによって浄化された液体は、ＥＤＩモジュールまたは装置の希釈区画の出口で収集される。
次に、本発明による貫流イオン交換材料を収納する希釈区画についてより詳細に説明する。
【００３３】
本発明による希釈区画は、少なくとも２つのブロックを収納し、第１のブロックはアニオン交換材料（以下では、「アニオン交換材料ブロック」または簡潔に「ＡＢ」とも呼ぶ）を収納し、第２のブロックはカチオン交換材料（以下では、「カチオン交換材料ブロック」または簡潔に「ＣＢ」とも呼ぶ）を収納する。
本明細書において使用する場合には、「ブロック」という表現は、３次元構造を有する１個の相互接続された材料を表わす。
【００３４】
ＡＢの表面は、アニオン透過性膜（以下では、簡潔に「ＡＭ」とも呼ぶ）に隣接しており、ＣＢの表面は、カチオン透過性膜（以下では、簡潔に「ＣＭ」とも呼ぶ）に隣接している。好ましくは、ＡＭに隣接するＡＢの表面は、ＡＭと接触しており、より好ましくは、ＡＭに隣接するＡＢの表面は、ＡＭの希釈区画に面する側の全表面を実質的に覆う。同様に、ＣＭに隣接するＣＢの表面は、好ましくはＣＭと接触しており、より好ましくは、ＣＭに隣接するＣＢの表面は、ＣＭの希釈区画に面する側の全表面を実質的に覆う。
【００３５】
２つのブロック、ＡＢおよびＣＢは、液体通過方向において横並びに配設され、それによって２つのブロック間の界面を形成している。好ましくは、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢは、互いに接触するように、配設されている。本明細書において使用する場合には、「液体通過方向」という表現は、希釈区画を通る液体流の主方向を表わす。いかなる理論にも拘束されたくはないが、本発明者らは、ブロックの液体通過方向における横並びの配設によって、イオン交換材料界面において電気化学的に増強された水解離によって生成されたＨ＋イオンおよびＯＨ−イオンを、水に再結合することなく、電場を印加された状態で反対方向に移動させることを達成できると仮定する。このように、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンは、イオン交換材料の再生に使用可能であり、液体からのイオン性およびイオン化可能な汚染物質との交換に参加して、それによって浄化性能を向上させるとともに、浄化工程の電流効率を増大させることができる。この機構は、図３にさらに図解される。
【００３６】
ブロックは、ブロック間の界面がＡＭおよびＣＭから間隔が空けられるように、配設される。いかなる理論にも拘束されたくはないが、本発明者らは、電気化学的に増強された水解離は、２つのブロック間の界面において排他的に発生し、その結果として、両方の種類の発生イオン、すなわちＨ＋イオンおよびＯＨ−イオンが、イオン交換材料を再生して、浄化しようとする液体からのイオンとのイオン交換に参加することができると仮定する。それによって、イオン交換材料／膜界面における電気化学的に増強された水解離によって生成された、かなりの量のＨ＋イオンおよびＯＨ−イオンが、対応する膜を、すぐに通過して（Ｈ＋イオンがカチオン透過性膜を通過し、ＯＨ−イオンがアニオン透過性膜を通過して）、イオン交換材料の再生に参加することなく、（それらがそこで再結合する）それぞれの濃縮区画中に直接的に、前送りされることを防止することができる。結果として、電流効率を、さらに増大させることができる。
【００３７】
液体通過方向の概念的直線は、２つのブロック間の界面を少なくとも１回、好ましくは少なくとも５回、より好ましくは少なくとも１０回、さらに好ましくは少なくとも２０回、さらに好ましくは少なくとも５０回、さらに好ましくは少なくとも１００回、通過してもよい。２つのブロック間の界面を通る、液体通過方向の概念的直線の通過数の上限は、利用可能な間隔と、２つのブロックの微細構造によって限定されるだけである。実際的な理由から、２つのブロック間の界面を通る、液体通過方向の概念的直線の通過数の上限は、１０００回以下、好ましくは５００回以下である。本明細書において使用する場合、「概念的直線」または単に「直線」という表現は、ＥＤＩモジュール内に実際には存在しない架空または仮想の線を表わす。
【００３８】
いかなる理論にも拘束されたくはないが、本発明者らは、希釈区画を通って流れる液体が、少なくとも１回、好ましくは数回、アニオン交換材料とカチオン交換材料の界面を通過することを可能にすることによって、カチオン性物質およびアニオン性物質の両方が、効率的に除去されて、完全に脱イオン化された液体が希釈区画の出口において得られ、優れた浄化性能を達成することができると仮定している。
（２つのブロック間の界面を通過するときの）直線と界面の角度は、好ましくは９０°未満であり、すなわち、界面は好ましくは液体通過方向に対して直角ではなく、より好ましくは７５°以下、さらに好ましくは６０°以下である。
【００３９】
２つのブロック、ＡＢおよびＣＢは、液体通過方向に対して横断方向に延びる２つのブロック間の界面に、相補的凹凸を有してもよい。本明細書において使用する場合には、「相補的な凹凸（complementary protrusions and recesses）」という表現は、互いに補足する、すなわち互いの欠乏または余剰を互いに補う、凸部（または突起）および凹部（または空所）を有する隣接する表面を有することを意味する。本明細書において使用する場合には、「液体通過方向に対して横断方向に延びる」という表現は、凹凸は、液体通過方向に直角に延びるか、または９０°未満の角度、好ましくは７５°までの角度、さらに好ましくは６０°までの角度、最も好ましくは４５°までの角度の傾斜を有して液体通過方向に向かって傾いていてもよいことを意味する。言い換えると、「液体通過方向に対して横断方向に延びる」という表現は、液体通過方向に平行な配向を除くすべての配向を包含する。
【００４０】
いかなる理論にも拘束されたくはないが、本発明者らは、それによって希釈区画を通過して流れる液体は、カチオン性およびアニオン性の物質の両方が効率的に除去されて、希釈区画の出口において完全に脱イオン化された液体を得ることができて、優れた浄化性能が達成されるように、アニオン交換材料およびカチオン交換材料を通過することができると仮定する。さらに、希釈区画は、浄化しようとする液体が、液体からイオンを満足に除去するためのイオン交換材料との十分な相互作用なしにそこを通過することのある、間隙またはチャネルを形成することなく、完全に充填することができる。さらに、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の間の接触を向上させて、それによって組立体全体の安定性を向上させることができる。
【００４１】
好ましい実施態様において、アニオン透過性膜（ＡＭ）に隣接する表面と反対側の、第１のブロック（すなわち、アニオン交換材料ブロック）の表面は、カチオン透過性膜（ＣＭ）に隣接する表面と反対側の、第２のブロック（すなわち、カチオン交換材料ブロック）の表面と相補的である。それによって、浄化性能、および―浄化しようとする液体が、液体からイオンを満足に除去するためのイオン交換材料との十分な相互作用なしにそこを通り過ぎることのある―間隙またはチャネルの回避を、さらに改善することができる。
【００４２】
好ましくは、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の界面の少なくとも一部、ならびに／または２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の相補的表面の少なくとも一部が、液体通過方向に対して横断方向にコルゲート加工（corrugated）されている。特に好ましくは、液体通過方向に対して横断方向にコルゲート加工されている、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の界面の一部、ならびに／または２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の相補的表面の一部は、界面全体または相補的表面全体の少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも３０％、さらに好ましくは少なくとも４０％、最も好ましくは少なくとも５０％であるが、９８％以下、より好ましくは９５％以下、さらに好ましくは９０％以下、最も好ましくは８０％以下である。本明細書において使用する場合には、「コルゲート加工されている（corrugated）」という表現は、一連の実質的に平行なリッジ、フランジまたはフィン、およびすき跡（furrows）、溝（grooves）、ノッチまたはスロットの存在を包含している。それによって、浄化性能、および―浄化しようとする液体が液体からイオンを満足に除去するためのイオン交換材料との十分な相互作用なしにそこを通り過ぎることのある―間隙またはチャネルの回避を、さらに改善することもできる。さらに、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の接触を向上させて、組立体全体の安定性を増大させることができる。
【００４３】
好ましい実施態様において、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の界面の少なくとも一部、ならびに／または２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の相補的表面の少なくとも一部は、楔形、鋸歯形、または波形（wavy）である。特に好ましくは、楔形、鋸歯形、または波形である、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の界面の少なくとも一部、ならびに／または２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の相補的表面の少なくとも一部は、界面全体または相補的表面全体の少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも３０％、さらに好ましくは少なくとも４０％、最も好ましくは少なくとも５０％であるが、９８％以下、より好ましくは９５％以下、さらに好ましくは９０％以下、最も好ましくは８０％以下である。特に好ましくは、上記のように定義される、２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の界面の少なくとも一部、ならびに／または２つのブロック、ＡＢおよびＣＢ、の相補的表面の少なくとも一部は、スパイク状（spiky）プロフィールを有する。
【００４４】
様々なスパイク角度が可能であり、例えば、５°から１２０°、好ましくは１５°から１１０°、より好ましくは２０から１００°、最も好ましくは３０から９０°である。本発明による貫流イオン交換ブロック状材料の好ましい形状の例が、図４に示されている。上述の特定の形状またはプロフィールによって、ＡＢとＣＢの間の良好な接触は達成され、それによって、浄化性能、および―浄化しようとする液体が液体からイオンを満足に除去するためのイオン交換材料との十分な相互作用なしにそこを通り過ぎることのある―間隙またはチャネルの回避を、さらに改善することができる。
【００４５】
ブロックＡＢおよび／またはＣＢは、好ましくは多孔質材料または繊維質材料によって製作される。ブロックＡＢを多孔質材料製として、ブロックＣＢを繊維質材料製とすること、およびその逆とすることも勿論、可能である。多孔質材料は、泡状材料としてもよい。繊維質材料は、好ましくは不織布である。繊維質材料の繊維直径は、好ましくは、１０〜１００μｍ、さらに好ましくは２０〜８０μｍの範囲内である。
本発明による貫流イオン交換材料は、典型的には、その上にグラフトされたイオン交換官能基を有する、幹ポリマーを含む。
【００４６】
本発明において使用するのに好適な、イオン交換官能基は、特に限定はされず、イオン交換の分野において慣行となっている任意のイオン交換基を使用することができる。例えば、典型的な弱酸カチオン交換基はカルボキシル基−ＣＯ３−を表わし、典型的な強酸カチオン交換基はスルホン基−ＳＯ３−を表わし、例えば、以下のものがある。
【化１】
0006456827.tif 000002
【００４７】
典型的な弱塩基アニオン交換基は、−Ｎ（ＣＨ３）Ｈ２＋のような２級アミノ基、または−Ｎ（ＣＨ３）２Ｈ＋のような３級アミノ基を表わし、例えば、以下のものがある。
【化２】
0006456827.tif 000003
【００４８】
典型的な強塩基アニオン交換基は、−Ｎ（ＣＨ３）３＋のような４級アンモニウム基を表わし、例えば、以下のものがある。
【化３】
0006456827.tif 000004
【００４９】
様々な幹ポリマーを、本発明による貫流イオン交換材料に使用することができる。好適な例としては、ポリスチレン‐ジビニルベンゼン‐コポリマー、ポリ（メタ）アクリレート、ポリエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリウレタン、などが挙げられる。
【００５０】
強酸カチオン交換多孔質ブロック（以下では、「多孔質カチオン交換樹脂モノリス」とも呼ぶ）の合成が、例えば、Ｉｎｏｕｅら、Ｐｏｌｙｍｅｒ、Ｖｏｌ．４５（２００４）、ｐｐ．３〜７によって記述されている。要約すると、この手順は、無撹拌の油中水型エマルジョン内部でのモノマーの重合化と、それに続くカチオン交換基による官能基化による、多孔質ブロックの形成を包含する。乳化剤および重合化開始剤の添加による、スチレンおよびジビニルベンゼンの混合物中の水のエマルジョンが、制御された撹拌条件の下で調製される。次いで、滞留エマルジョン（stagnant emulcion）が、閉止容器内で高温において重合化のために硬化処理され、その結果として、以下に概略的に図示された化学構造の断片を有する、架橋されたポリスチレン‐ジビニルベンゼン‐コポリマーを生じる。
【００５１】
【化４】
0006456827.tif 000005
【００５２】
冷却、残留モノマーの洗い流し、乾燥の後に、ポリマーは、クロロスルホン酸によって、多孔質ブロックの形態の強酸カチオン交換樹脂へと官能基化された。残留クロロスルホン酸の不活性化、洗浄、および所要のイオン形態への最終的な移転の後に、多孔質ブロックは使用可能となる。その官能性固定イオンは、スルホン酸イオンであって、これは、架橋ポリスチレン‐ジビニルベンゼン‐コポリマー重合幹のベンゼン環への結合である。
【化５】
0006456827.tif 000006
【００５３】
多孔質ブロックの形状は、重合化に使用される容器の形状を複製する。すなわち、本発明における使用に必要とされる、多孔質ブロックの特有の形状は、重合化に使用される容器の形状によって調節することができる。
代替的なアプローチとして、より大きなブロックを生成して、次いで、所望の形状に切断することができる。例えば、発泡体は、対応する有機溶媒内のイオン交換ポリマーの溶液から調製することが可能であり、この場合に発泡体の形成は同時であるか、またはその後に、架橋および溶媒の蒸発が行われる。そのような発泡体は、成形ブロックの形態でさきに調製するか、または例えば、切断、カレンダ加工（calendaring）、その他によって、後で形状を与えることができる。
【００５４】
重合化に基づくイオン交換多孔質構造の合成（例えば、米国特許第５４５３１８５号に記載）、または、ポリウレタン発泡材の官能基化（例えば、Ｙｅｏｎｇら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙ．Ｓｃｉ．、Ｖｏｌ．８６（２００２）ｐｐ．１７７３〜１７８１）、イオン交換粒子の固定化（例えば、米国特許第６４９５０１４号）、ポリエチレン発泡材の照射始動グラフティングおよび官能基化（例えば、米国特許第６６１０５４６号の実施例５および６に記載）、などのようなその他の手順が、よく知られている最新技術である。
【００５５】
繊維形態のイオン交換材料は、多孔質基材と同様な、繊維質基質のグラフティングおよび官能基化によって得ることができる。弱塩基アニオン交換繊維質不織材料の合成が、その他の繊維質イオン交換材料の合成とともに、例えば、米国特許第５４２５８６６号の実施例１に記載されている。ポリプロピレン繊維束の基質が、窒素中で２００ｋＧｙ電子ビームで照射されるとともに、高温において反応させるために、クロロメチルスチレンの溶液内に浸漬される。洗浄と乾燥の後に、繊維は、高温においてジメチルアミン溶液で処理され、その結果として弱塩基アニオン交換材料となる。洗浄と、要求されたイオン形態への最終的な移転の後に、繊維質イオン交換材料が使用可能となる。
【００５６】
ＦＩＢＡＮと呼ばれる、繊維質で不織の市販イオン交換材料の典型的な構造が、Ｓｏｌｄａｔｏｖ  Ｖ．Ｓ．、「Ｓｏｌｖｅｎｔ  Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｉｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ」、Ｖｏｌ．２６（２００８）、ｐｐ．４５７〜５１３に示されている。
繊維質材料は、異なる官能基を有する、不織繊維または織成スペーサとして製造することができる。さらに好適な方法が、米国特許第５３０８４６７号、日本国公開特許公報ＪＰ８−１２７７４Ａ、またはＬｉｌｊａら、Ａｐｐｌｉｅｄ  ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ａ、Ｇｅｎｅｒａｌ．、Ｖｏｌ．２２８、Ｎｏ．１〜２（２００２）、ｐｐ．２５３〜２６７に記載されている。
【００５７】
本発明における使用に好適な、繊維質イオン交換材料は、本発明において使用するのに必要となる、形状をすでに有する、基質のベース上に製作するか、または官能基化後に、例えば、カレンダ加工によって、成形することができる。イオン交換官能基化時の材料による、および水含有量またはイオン形態の変化によって生じる寸法変化を考慮に入れて、ブロックは、材料から、特定の用途に対応する形態、例えば、純水と平衡する塩形態に成形するのが好ましい。繊維質の織成材料または不織材料のシートを、両方のイオン交換材料（すなわち、カチオン交換材料およびアニオン交換材料）の折畳み体（folds）が積み重なって、希釈区画に設置することのできるブロックを生成するように、折り畳み、積み重ね、および／またはプレスすることも可能である。
【００５８】
特に好ましい実施態様においては、繊維質イオン交換材料は、より大きな寸法の凍結ブロックから、本発明による貫流イオン交換材料を独特の形状にすることができる。詳細には、水の中で膨潤して濡れた、不織繊維質イオン交換材料のシートを、互いに積み重ねて、（例えば、上部プレート上に重みを載せることによって）ある力の下で固定して、１つのブロックに凍結させる。代替的には、シートの代わりに、不織短繊維（nonwoven staple fibers）を、同様にして、圧縮して冷凍してブロックにしてもよい。この操作は、アニオン交換材料およびカチオン交換材料のシート（または短繊維）で、別個に行われる。得られた大きな凍結ブロックを、所望の独特の形状の、より小さなブロックに切削する。
【００５９】
好適な切削手段としては、水ジェット、パンチ、ブレード、糸鋸、帯鋸、またはレーザが挙げられる。アニオン交換材料およびカチオン交換材料のブロックは切削して、互いを複製するとともに、希釈区画を完全に充填し、２つのブロックの相補的に構造化された表面を合わせて、２つのブロックを膜間の区画フレーム中に設置すると、膜およびフレームに対してある程度の圧縮をさらに加えることができる。それによって、繊維質材料のある程度の可撓性および圧縮性による問題を回避して、取扱いと組立を容易化するとともに、制御された圧縮、高い寸法精度、流れチャネリングの低いリスク、および組立体の高い整合性を可能にする。
【００６０】
本発明による貫流イオン交換材料全体に、イオン交換官能基が設けられることが好ましい。それによって、表面におけるイオン交換基は、浄化しようとする液体からのイオン種とのイオン交換の役割を果たしてもよく、これに対して内部におけるイオン交換基は、ある量のイオンを蓄積して、それらを電気移動法によって、材料内部で、希釈区画からイオン透過性膜へ、さらに濃縮区画中へと移送する役割を果たしてもよい。
【００６１】
ＡＢの気孔率（porosity）、すなわち流れに対する抵抗は、ＣＢの気孔率とほぼ同等であり、その結果として、浄化しようとする液体は、選好なしでそれらの両方を通過することが好ましい。それによって、バランスの良い浄化性能を得ることができる。本発明に好適な気孔率は、非常に広範囲、典型的には５〜９５％、好ましくは３０〜７０％としてもよい。最も好適な気孔率は、最終用途に依存し、浄化区画を介する最大の許容圧力低下に加えて、貫流イオン交換材料のその他の特徴（例えば、イオン交換能、体積、硬度）、および作動パラメータ（例えば、供給水の濃度、流量、電流）よって支配される。
【００６２】
ＡＢのアニオン交換能は、ＣＢのカチオン交換能とほぼ同等であることが好ましい。また、ＡＢのアニオン交換能は、ＣＢのカチオン交換能よりも高いことが好ましく、このことによって、ｐＨ７未満の液体の浄化効率を向上させるとともに、典型的には、二酸化炭素、珪酸またはホウ酸などの、弱塩基よりも弱酸である、弱く解離した化合物の除去を向上させる。しかしながら、アニオン交換材料の体積当たりのイオン交換能が、カチオン交換材料のそれ以下である場合には、希釈区画内に存在するイオン交換基のバランスは、図１および２に例示的に示されているように、アニオン交換材料の体積を、カチオン交換材料のそれよりも大きくした状態で、ブロックの形状を選択することによって達成することもできる。
【００６３】
イオン交換能は、所与の材料に対して、可能な限り高いのが好ましい。典型的には、グラフト化イオン交換材料のイオン交換能は、より強い照射を行うこと、および／またはグラフティング、架橋および官能基化用の化学物質に対してより長く露出することによって増大させることができる。しかしながら、ある程度のイオン交換能において、水中でのイオン交換材料の膨潤（すなわち、水揚げ（water uptake））が強くなりすぎて（部分的または完全な溶解が起こり）、結果として、機械的な安定性が低下する。したがって、官能基化および架橋の程度は、イオン交換能と機械的安定性とのトレードオフによって支配される。本発明によるＥＤＩモジュールの希釈区画内部の、貫流イオン交換材料の独特の形状および配向による優れた浄化性能の観点において、上記のトレードオフを解決することは可能であり、その理由は、貫流イオン交換材料のオン交換能がより低くても、従来型ＥＤＩモジュールで典型的に使用されるイオン交換材料と比較して、十分な浄化をすでに達成することができているからである。
【００６４】
希釈区画の厚さは、特に限定はされないが、モジュール用の材料コストを低減するために、より厚い区画が有利である。好ましい厚さは３ｍｍ〜５ｃｍであり、より好ましくは５ｍｍ〜３ｃｍ、最も好ましくは約１ｃｍである。本発明によれば、イオン交換材料の混合ベッドを備える、従来型ＥＤＩにおけるよりも、より厚い区画を使用することが可能であり、その結果として、１スタックにおいて必要とされる区画と膜の数が減少し、したがって材料および組立のコストを低減することができる。
【００６５】
好ましい実施態様において、本発明によるＥＤＩモジュールは、２つのイオン交換ブロック間の良好な接触と、またブロック／膜とブロック／フレームの間の接触も維持し、それによってイオン交換媒体を通過するイオンの連続的な導通をもたらすとともに、区画内の流れチャネリングを防止するために、少なくとも１つの締結手段をさらに含む。材料間の良好な接触をもたらし、チャネリングのリスクを解消する、好適な締結手段としては、（ｉ）イオン交換ブロックに対して十分な圧縮を保つバネ、（ｉｉ）ある程度の可撓性／弾性を有するイオン交換ブロックの使用、（ｉｉｉ）膜の位置を固定して、濃縮区画中へのそれらの変形を防止する、ネット状スクリーンのような、硬質スペーサの使用、（ｉｖ）ＥＤＩモジュールを包囲するとともに、独特の材料で覆われた、例えば、エラストマでオーバーモールドされた、１つまたは２つ以上のフレームを使用すること、および／または（ｖ）フレームとイオン交換ブロックの間に良好な連結部を設けること、などが挙げられる。上記の締結手段（ｉ）〜（ｖ）のいずれか１つを使用してもよく、それらを組み合わせてもよい。
【００６６】
特に好ましい実施態様において、本発明によるＥＤＩモジュールは、イオン交換樹脂ビーズを収納するか、または好ましくはそれで充填された、１つまたは２つ以上の希釈区画をさらに含む。本発明による使用に好ましい、高度に発達した表面を備える、多孔質または繊維質のイオン交換材料は、従来型のイオン交換樹脂ビーズと比較して、増強されたイオン交換の動力学（kinetic）と、優れた浄化性能という利点を有するのに対して、それらの実際の応用における使用は、多孔質または繊維質材料の高いコストと、ＥＤＩの高いエネルギー消費によって、妨害されることが多い。さらに、多孔質または繊維質の不織イオン交換材料のイオン交換能は、通常は、従来型イオン交換樹脂のそれよりも劣るために、そのような材料の使用は、予備浄化された水のような、イオン性の、およびイオン化可能な汚染物質の装入量が比較的低い水を供給されるときに、より経済的である。
【００６７】
１つの電気脱イオンモジュールにおける、本発明による使用に好ましいような、典型的にはビーズの形態のイオン交換樹脂で充填された希釈区画と、多孔質または繊維質のイオン交換材料を含む区画との組合せは、汚染物質のほとんどをイオン交換樹脂ビーズが充填された希釈区画において除去可能であるとともに、次いでこの予備浄化された水を多孔質または繊維質のイオン交換材料を収納する希釈区画を通過させて、超高純度水品質まで浄化することが可能であることにおいて、両方の材料特性を利用する。それによって、優れた浄化性能と優れたイオン交換能を有する、ＥＤＩモジュールを、合理的なコストで得ることができる。
【００６８】
イオン交換樹脂ビーズで充填された１つまたは２つ以上の希釈区画は、例えば、混合ベッド型（薄型セル）、積層ベッドまたは分離ベッドとすることができる。それらの組合せも可能である。ＥＤＩモジュールの製造コストをさらに低減し、製造とモジュール性能の信頼性を増大させる観点から、イオン交換樹脂ビーズで充填された１つまたは２つ以上の希釈区画は、好ましくは、厚型セル内に組織化される。
【００６９】
この特に好ましい実施態様の例は、イオン交換樹脂の分離ベッドで充填された厚型セル希釈区画と、多孔質または繊維質のイオン交換材料とを組み合わせる、ＥＤＩモジュールとして、図６に示されている。ＥＤＩモジュールは、３つの脱イオンユニットを含むが、２つはイオン交換樹脂で充填され、１つは、本発明によるカチオン交換およびアニオン交換の貫流ブロックによって充填されている。希釈区画の分離ベッドは、カチオン交換膜（１）とバイポーラ膜（１８）の間のカチオン交換樹脂（１９）と、バイポーラ膜（１８）とアニオン交換膜（２）の間のアニオン交換樹脂（２０）とからなる。
スタックは、その末端において、カソード（７）を収納するカソード区画（９）によるとともに、アノード（８）を収納するアノード区画（１０）によって、達成されている。対応区画のための、周囲、シーリング、および入口・出口用の分流器（flow distributors）が、希釈区画フレーム（１５）、濃縮区画フレーム（１６）、カソードおよびアノードのエンドキャップ（１７）によって形成される。
【００７０】
供給流（１１）は、カチオン交換樹脂ベッド（１９）を備える、希釈区画へと進入し、ここでは大部分のカチオン種は除去され、次いで、アニオン交換樹脂ベッド（２０）を備える、希釈区画を通過し、ここでは大部分のアニオン種が除去され、続いて、その後の残留種の除去、すなわち最終浄化のために、本発明による、カチオン交換貫流ブロック（３）とアニオン交換貫流ブロック（４）とで充填された、希釈区画（５）を通過して流れ、希釈ストリーム（１３）を生成する。ストリーム（１２）は、濃縮物区画（６）と電極区画（９および１０）を洗滌し、濃縮物（１４）として出る。
上述のような、本発明での使用に好適な電極、すなわちカソードおよびアノードは、特に限定はされず、ＥＤＩモジュールの分野において慣行となっている、任意の材料および寸法を使用することができるが、好ましい実施態様において、電極は貫流電極である。さらなる好ましい実施態様において、カソードは、炭素または金属で製作された不織繊維または織成繊維で構成される。
【００７１】
本発明によるＥＤＩモジュールの電極区画、すなわちアノード区画およびカソード区画は、希釈区画または濃縮区画として機能することができる。また、異なる材料を、電極として、および電極区画用の充填材として使用することもできる。材料の炭酸スケーリングおよび酸化のリスクを防止するとともに、エネルギー消費を低減するために、アノードに隣接するカチオン交換オープンメッシュ繊維スクリーン、および／またはカソードに隣接するアニオン交換オープンメッシュ繊維スクリーンを使用することが好ましい。拡張メッシュ、織成糸ネット（woven-wire net）、金属発泡体、焼結鋼、などの貫流電極を使用することが、電極において発生したガスの排出を簡略化し、モジュールにおける全電圧低下を低減する観点から、好ましい。当該技術において知られているように、そのような貫流電極は、最も近い膜から間隔を空けるか、または膜と直接接触したままとすることができる。説明例としては、穿孔プレート電極の背面とエンドキャップの間に織成スペーサネットを備える状態で、膜に対して並置された、穿孔プレート電極が考えられる。さらなる例としては、膜と、エンドキャップの垂直リップ（rips）の間に挟持された、織成金属線電極がある。
【００７２】
炭素製または金属製の不織繊維または織成繊維で構成されたカソードを使用することは、特に、カソード区画が濃縮区画として機能し、高硬度のイオンが水中に存在する場合に、局所的ｐＨ増加およびカソード上での炭酸スケーリングのリスクを低減する点において有利である。このように、カソードは、好ましくは、よく洗滌された貫流型の不織繊維または織成繊維のブロック、または金属製またはカーボン製の多孔質のモノリスを含む。そのような材料は、ＣａｒｂｏＰｕｒ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．（モントリオール、カナダ）、ＳＮＣ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｂｕｃｈｅｏｎ、韓国）、Ｒｅｃｅｍａｔ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｏｕｄ−Ｂｅｉｊｅｒｌａｎｄ、オランダ）、その他により市販されている。
【００７３】
高度に発達した特有の表面を有する、そのような不織繊維質電極を使用する別の利点は、２つの電極区画を直列に洗滌し、その間に、１つの電極で生成されたガスを、反対側の電極において吸収し、酸化／還元することができることにおいて見出される。それによって、下流電極区画において発生したガス量を低減することが可能であるとともに、モジュールから出てくる、酸水素のような爆発性のガス混合物の量を低減することができる。
イオン交換樹脂ビーズを備える従来型ＥＤＩと比較すると、本発明によるＥＤＩモジュールは、全般的に、本発明による使用に好ましいような、より大きな特有の表面を有する、多孔質または繊維質のイオン交換材料の良好な動力学による、比較的に短い浄化経路を特徴とする。しかしながら、本発明によるＥＤＩモジュールの、より短い浄化経路と相対的なコンパクト性によって、比例的高い電流密度に加えて、電極にかかるより高い電圧が生じる傾向にあり、このことは、激しいガス発生および電極の加熱という二次効果を招くことがある。
【００７４】
電極で発生するガス（主として、カソードではＨ２、アノードではＯ２）は、通電に対して悪影響を及ぼす可能性があるとともに、選好的な流れチャネリングと、電極区画内に不十分に洗滌されたゾーンを生じる可能性がある。これらの効果は、電流密度分布だけでなく、スケーリングリスク、その後に、モジュールの浄化性能、エネルギー消費および寿命に影響を与える可能性がある。さらに悪いことには、例えば、両方の電極洗滌ストリームのフィード・アンド・ブリード再循環（feed-and-bleed recirculation）によるか、またはＲＯ上流のタンク内でそれらを再利用することによって、同じ廃棄ストリーム内またはタンク内に、ガス状のＯ２とともにＨ２が存在すると、爆発のリスクを生じる。
【００７５】
すなわち、電極区画から、およびモジュールからのガスの除去が望まれる。
さらなる好ましい実施態様において、電極は、ガス抜きを可能にするように構成されている。特に、本発明によるＥＤＩモジュールは、好ましくは、１つまたは２つ以上のガス抜き区画を含み、最も好ましくは、各電極用のガス抜き区画を含む。
【００７６】
電極区画をガス抜きする１つの方策は、多孔質疎水性層の反対側面に真空またはストリッピングガス流（stripping gas flow）を適用する間に、ガスの通過を可能にするが、動作中に存在する圧力低下において、電極洗滌水に対して不透過性のままでいるのに十分に細密である、孔を備える疎水性の多孔質または繊維質の材料の層を使用することである。好適な多孔質疎水性層または膜は、ＦｌｕｏｒｏＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｉｎｃ．（Ｃａｓｔｌｅｔｏｎ  Ｏｎ  Ｈｕｄｓｏｎ、ニューヨーク、米国）、またはＭｅｍｂｒａｎａ（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ、ノースカロライナ、米国）などの、異なる製造業者から入手可能である。このガス抜き策に対して、穿孔またはメッシュの貫流電極の使用が好ましく、それによって電極区画は、片方側からイオン透過性膜によって、他方側からガス透過性膜（疎水性多孔質層）によって境界が定められる。電極は、疎水性多孔質層と、またイオン透過性膜とも直接的に接触させることができる。
【００７７】
ガス抜き区画は、好ましくは、モジュールエンドキャップ中に組み入れられて、中性のオープンメッシュ繊維で充填されるか、または疎水性層の位置の境界を定めるが、ガスの通過を可能にする、エンドキャップ内の突起物、例えばリップによって形成される。
ガス抜き区画における真空は、水浄化システムにおいて通常、利用可能であるＲＯリジェクト水（RO-reject water）の水ジェットに設置された、エダクタ（eductor）にそれを接続することによって、生成することができる。エダクタ要素は、外部的に設置して、チューブを介してガス抜き区画と接続するか、またはエンドキャップ内に組み込まれた部品とすることができる。
【００７８】
反対端が大気に接続されると同時に、ガス抜き区画の一端に接続された真空は、エアスイープ（air-sweeping）を生成し、このことは、ガス抜き区画内部で空気によりＨ２は強く希釈されるので、ガス抜きの向上に役立つとともに、冷却、および爆発のリスクの低減にも役立つ。
例えば、エダクタは、ＲＯリジェクト側に設置して、カソードの上のガス抜き区画と水平に配置されている、カソードのガス抜き区画に接続することが可能であり、それによってＨ２をシステムの廃棄ストリームに排出し、同時に、Ｏ２を含有するアノード洗滌水を、泡のないカソード洗滌水と一緒に、ＲＯ上流のタンク中に再循環させて、それによって爆発リスクを防止することができる。
【００７９】
上記の利点に加えて、モジュール内でのガス抜きすることによって、回収された電極洗滌水を他の区画において使用することがさらに可能になり、このことは、望ましくない過剰のガスにより妨げられていたことである。内部ガス抜き区画を使用するときには、電極区画からの泡のない水を、例えば、モジュールのハウジング内部のトランクを通り、別の区画中に直接的に、進路変更させることができる。
上述したように電極エンドキャップ内部でのガス抜きを可能にする、好ましいカソード配設の概略図が、図７に示されている。
【００８０】
１つの有利な構成の例は、カチオン交換材料で充填されるとともに、カチオン透過性膜と、疎水性層とその背面上のガス抜き区画とを備えるメッシュ型アノードとを境界とする、ＥＤＩアノード区画であり、この場合には、アノード区画を通過する水は、イオン交換を介して、脱カチオン化されて酸性化され、次いで、気泡を除去され、カソードおよび／または濃縮区画を、直列または並列に、洗滌するように進路変更させられる。
電極区画から除去されたＨ２ガスおよびＯ２ガスは、燃料電池に供給して、それによって部分的にエネルギーを回収するのに使用することができる。しかしながら、それを行うためには、燃料電池要素は、ＣＯ２およびＣｌ２のような、潜在的な汚染物質に非常に影響されやすいので、ガスは、十分に純度が高くないといけない。このために、したがって、電極区画は、部分脱イオン区画として機能するとともに、純水、例えば、生成された希釈物の一部が供給されるのが好ましい。代替的に、Ｈ２およびＯ２を含む、収集されたガス混合物を、例えば、Ｐｔ触媒を収納する「再結合」室へと導くことができ、そこでＨ２は、無炎で酸化されて水となり、それによって爆発リスクを低下させる。さらに好適な触媒が、欧州特許ＥＰ０３５８９１２Ｂ１に開示されており、好適な触媒配設が、欧州特許ＥＰ０４１６１４０Ｂ１に開示されている。
【００８１】
上述したように、本発明によるＥＤＩモジュールの電極は、加熱される傾向にある。電極の大幅な加熱は、導通された電気および電極洗滌水による不十分な冷却のために、モジュール材料、特に、イオン交換材料の劣化を引き起こす可能性があり、したがって望ましくない。
電極を冷却し、潜在的な損傷を避けるために、エンドキャップに、冷却ジャケット、すなわち対応する電極の温度よりも低い温度の水が流れる、空隙を設けることができる。電極の裏側のエンドキャップ内に位置する、そのような空隙は、電極区画との物質の交換からは隔離されて、熱交換だけが生じることができる。好ましくは、冷却に使用される水は、水浄化システム内ですでに利用可能であり、例えば、ＲＯ上流の任意の中間浄化ステップからの水、またはＥＤＩ希釈区画中に進入する前のＲＯ透過物である。
【００８２】
本発明によるＥＤＩモジュールは、２５℃において、少なくとも１８．２ＭΩ・ｃｍの抵抗を有するような、高純度水または超高純度水の製造用のＥＤＩ装置において使用することができる。
本発明によるＥＤＩモジュールまたはＥＤＩ装置は、実験室用水浄化システムにおいて使用することもできる。
本発明による実験室用水浄化システムの第１の実施態様において、予備処理および逆浸透（ＲＯ）浄化後の水がタンクに収集される。
【００８３】
本発明によるＥＤＩモジュールまたはＥＤＩ装置（以下では、単にＥＤＩモジュールとも呼ぶ）は、タンクの下流に位置し、２つのモードで動作される：
１）再生‐タンク内の水が設定されたレベルまで浄化され、モジュールのイオン交換材料が実質的に再生された形態に変換される間の、タンクとＥＤＩモジュールの間の水の再循環、
２）分注‐タンクからの水が、ＥＤＩモジュールを介して圧送されて、生成された純水または超高純度水が、分注の流量において使用される。
好ましくは、ＲＯ透過物は、頂部からタンクに進入し、同時に界面水／空気の増大が、例えば、スプレーボール（spray ball）またはエアレータ（aerator）を使用して、ＣＯ２で過飽和になった水からのＣＯ２の放出を強化することになる。そのような部分的ガス抜きは、下流ＥＤＩモジュールの作用を容易化することになる。
【００８４】
再生モード中には、ＥＤＩモジュールは、比較的低い流量で、かつその後の分注の間に、イオン交換材料を実質的に再生するのに十分に高い電流において、動作させることができる。タンク内の水は、約１μＳ／ｃｍの導電率まで浄化することができる。タンクに貯蔵された水は、ＣＯ２吸収によるなど、空気との接触を通して劣化する可能性があるので、より低い導電率まで浄化することは、合理的ではない。本発明によって好ましく使用されるような、多孔質または繊維質のイオン交換材料を使用する利点は、樹脂ビーズと比較して、増強されたイオン交換動力学、すなわち比較的高い流速で、比較的短い経路長において、水を浄化する能力にある。すなわち、高密度のＥＤＩモジュールは、高い流量で、高い圧力低下を生成することなく水を処理することができる。この利点は、タンクからの予備浄化された水が最終的に高い程度、例えば超高純度水に浄化されて、最終応用における使用のために直接、分注されるときに、分注時に用いられる。
【００８５】
好ましくは、しかし必然的ではないが、電流は、分注モードにおいて、ＥＤＩモジュールを通って流される。にもかかわらず、イオン交換材料は、部分的に塩イオン性形態に部分的に変換されて、次いで、一旦、分注が停止されると、再び再生されて、システムが、再生モードに切り替えられる。
この実施態様は、比較的小型のＥＤＩモジュールで、追加の下流浄化手段なしで、高純度水の製造を可能にする。
【００８６】
この実施態様の例は、図８に概略的に図解されている。ここでは、本発明によるＥＤＩモジュールを使用する、実験室用水浄化システムの一部が、２つのレジームにおいて作動するのが示されている。予備処理後の水が、ＲＯ浄化ステップを通過し；生成された透過物が、タンク中に供給される；再生レジームで作動するＥＤＩモジュールを通る、タンクからの水の再循環が、水を設定レベルまで浄化する；製造（分注）レジームにおいて、再循環が停止されて、生成されたＥＤＩ希釈物が、所望の流量で、使用地点まで配送される。
【００８７】
本発明による実験室用水浄化システムの第２の実施態様において、水浄化システムは、主として事前処理の、ＲＯまたはＮＦ（ナノフィルタリング）、およびＥＤＩ希釈物用の中間水貯蔵タンクなしの、本発明によるＥＤＩモジュールを含む。
このシステムによって生成される水は、ＥＤＩモジュールの下流の任意選択の浄化器だけで、使用地点に直接、供給することができる。この実験室用水浄化システムは、必要とする構成要素が少ないため、現在知られているシステムに対して有利である。
【００８８】
この実施態様の例は、図９に概略的に図解されている。ここでは、本発明によるＥＤＩモジュールを使用する、実験室用水浄化システムの一部が示されており、ＲＯ浄化ステップおよびＥＤＩ浄化ステップは、中間の貯蔵槽なしで、十分な流量で、使用地点に水を配送するように設計されている。
本発明による実験室用水浄化システムの第３の実施態様において、実験室用水浄化システムは、本発明によるＥＤＩモジュールを収納するとともに、ＥＤＩモジュールの上流のＲＯステップを含み、製造モードから待機モードへ切り替ることによって、ＥＤＩまたはＲＯによって生成された水の一部が、ＲＯの入口に進路変更されて、ＲＯフラッシュを実行する。
【００８９】
待機期間中に、透過物とＲＯ膜のリジェクト側の間でのイオンの交換が生じて、このことが、水道水または高いイオン負荷を有する水が供給物として使用されるときには、透過物側の汚染を招く。従来から、ある洗滌時間（典型的には、数秒から数分）が、このように透過物側からの汚染された水を洗滌し、次いで、下流ＥＤＩ浄化のための、十分に低い導電率の透過物を進路変更させるのに必要である。この洗滌を回避して、必要な製造を開始するために、本実施態様の実験室用水浄化システムは、待機に先立つ各生成サイクルの終わりにおいて、浄化水（ＲＯ透過物またはＥＤＩ希釈物）でＲＯカートリッジを洗滌する。従来技術と比較して、本実施態様の実験室用水浄化システムは、要求に応じて、製造をすぐさま開始することを可能にし、その結果として、分注に対して必要な流量を生成するように、ＲＯおよびＥＤＩの寸法決定を行う場合には、ＥＤＩモジュール用の中間貯蔵タンクを回避することが可能であり、このことによって、水浄化システムの大きさおよびコストが減される。
【００９０】
この実施態様の例が、図１０ａおよび１０ｂに概略的に図解されており、浄化された水は、待機期間に先立って、ＲＯカートリッジのリジェクト側を通りフラッシュされる：
図１０ａは、ＲＯ透過物を使用する例証的な例を示す：動作中に、ＲＯ透過物は、ＥＤＩステップへと通過する；待機に行く前に、ＥＤＩは停止して、その間にＲＯ透過物は、ブラッダタンク（bladder tank）を充填するように進路変更され、次いで、ＲＯが停止して（ポンプ停止）、ブラッダタンクの圧力下の水が、進路変更されて、ＲＯの供給リジェクト側をフラッシュする。
図１０ｂは、ＥＤＩ希釈物を使用する説明例を示す：システムは、ＥＤＩ希釈物を貯蔵するタンクを収納し、待機に進む前に、タンクからある量がＲＯカートリッジを通り圧送される。
【００９１】
上述の要素に加えて、その他の要素を、水浄化チェーンに追加することが可能であり、このことは、それぞれの応用に依存する。例えば、ＥＤＩ上流のＲＯ透過物上へＵＶランプを設置することによって、有機汚染物質の除去をさらに改善することができる。
待機前フラッシュに使用される水は、ＲＯ供給物よりも大幅に純度が高いことが必要である。すなわち、ＲＯ透過物、ＥＤＩ希釈物または、類似の品質のその他の水供給源を使用することも可能であり、このことは、特定の用途に対して追加の利点を有することもある。
【００９２】
フラッシュのために要求される水量は、製造ステップ中に、ＥＤＩ廃棄ストリームから、または一部の区画、例えばアノード区画またはカソード区画の洗滌液から、収集することができる。システムが待機に切り替わると、この収集された水を、ＲＯの供給リジェクト側を通り、フラッシュさせることができる。この実施態様は、特定の構成において有利であり得る。例えば、ＥＤＩのアノード区画からの水は、通常、酸性化されており、ＲＯフラッシュのための水の使用は、ＲＯ膜から可能性のある炭酸スケーリングを溶解するのを助けることができる。電極洗滌ストリームにおけるオキシダントが存在することによって、ＲＯカートリッジ、その他におけるバイオファウリング（bio-fouling）の発生を防止することができる。
本発明を、具体的な実施態様をおよび実施例を用いて、詳細に説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更または修正が可能である。
【００９３】
参照符号のリスト：
１：カチオン透過性膜
２：アニオン透過性膜
３：カチオン交換ブロック
４：アニオン交換ブロック
５：希釈区画
６：濃縮区画
７：カソード
８：アノード
９：カソード区画
１０：アノード区画
１１：脱イオン化のために供給物
１２：濃縮のための供給物
１３：希釈
１４：濃縮
１５：希釈区画のフレーム
１６：濃縮区画のフレーム
１７：エンドキャップ
１８：バイポーラ膜
１９：カチオン交換樹脂
２０：アニオンイオン交換樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａｂ】
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