(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む、水流から荷電した汚染物を除去する精製装置：
（ａ）交換可能なカチオンを有する第１のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第１のアニオン交換膜、両者は内壁と外壁を有し、第１のカチオン膜と第１のアニオン膜の内壁はそれらの間に第１の精製流路を規定し、第１のカチオン交換膜と第１のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
（ｂ）第１のカチオン交換膜の外部側壁に第１のカチオン流路を規定する第１のカチオン室、
（ｃ）第１のアニオン交換膜の外部側壁に第１のアニオン流路を規定する第１のアニオン室、
（ｄ）第１のカチオン流路及び第１のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
（ｅ）第１のカチオン流路に配置された貫流型の第１のイオン交換媒体、
（ｆ）第１のアニオン流路に配置された貫流型の第２のイオン交換媒体、及び
（ｇ）長さが第１の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第１及び第２のイオン交換媒体の２５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有する領域。
【請求項２】
領域が実質的に貫流型のイオン交換媒体を含まない、請求項１に記載の精製装置。
【請求項３】
第１のイオン交換媒体及び第２のイオン交換媒体が交換可能なカチオン及びアニオンの混合物を有する媒体を含む、請求項１に記載の精製装置。
【請求項４】
以下の工程を含む、水流から荷電した汚染物を除去することによって水流を精製する方法：
（ａ）精製流路の一方の側面に沿って配置された交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜と、精製流路の他方の側面に沿って配置された交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜とによって規定される精製流路を通って水流を流す工程、アニオン交換膜とカチオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、長さが精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域は貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第１及び第２のイオン交換媒体の２５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、
（ｂ）精製流路から水流を、カチオン交換膜の反対側にあるカチオン流路中の第１のイオン交換媒体を通って流す工程、
（ｃ）精製流路から水流を、アニオン交換膜の反対側にあるアニオン流路中の第２のイオン交換媒体を通って流す工程、及び
（ｄ）工程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）において、カチオン流路と電気的に接続しているカソードとアニオン流路と電気的に接続しているアノードとの間に電位を供給する工程。
【請求項５】
領域が実質的に貫流型のイオン交換媒体を含まない、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
以下を含む、分析システムへ流すための水性液体流を精製する装置：
（ａ）入口と出口を有する貫流型の水精製装置、
（ｂ）精製装置の入口に連結する未精製水の加圧した水源、
（ｃ）分析用ポンプ、
（ｄ）ポンプと精製装置の出口の間に配設された第１の導管、
（ｅ）未精製水源と精製装置の出口との間、又は精製装置の出口と分析用ポンプとの間に配置された分流出口を有する液体流分流器、該分流器は分流器の入口に流入する液体流を第１の流れと第２の流れに分ける、及び
（ｆ）分流出口と精製装置の間の流体的な結合を提供する第２の導管、
ここで、未精製水の水源と精製装置との間に分流器が配置され、該精製装置は以下を含む：
（ｇ）交換可能なカチオンを有する第１のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第１のアニオン交換膜、両者の膜は内壁と外壁を有し、第１のカチオン膜と第１のアニオン膜の内壁はそれらの間に第１の精製流路を規定し、第１のカチオン交換膜と第１のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
（ｈ）第１のカチオン交換膜の外部側壁に第１のカチオン流路を規定する第１のカチオン室、
（ｉ）第１のアニオン交換膜の外部側壁に第１のアニオン流路を規定する第１のアニオン室、
（ｊ）第１のカチオン流路及び第１のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
（ｋ）第１のカチオン流路に配置された貫流型の第１のイオン交換媒体、
（ｌ）第１のアニオン流路に配置された貫流型の第２のイオン交換媒体、及び
（ｍ）長さが第１の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第１及び第２のイオン交換媒体の２５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、かつ第２の導管がカチオン及びアニオン室と分流出口との間の流体的な結合を提供する領域。
【請求項７】
分析システムがクロマトグラフィーシステムであり、かつ分析用ポンプがクロマトグラフィー用ポンプである、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
以下を含む、未精製の水性液体流を精製しかつ該液体流を分析システムへ流す方法：
（ａ）加圧した水源から入口と出口を有する精製装置を通って未精製の水流を流すことによって未精製の水流を精製する工程、
（ｂ）精製装置の出口からの精製した水性流を分析用ポンプを通って流す工程、
（ｃ）加圧した水源と精製装置との間の未精製水性流を分流して、未精製水性流の一部のみを精製装置で精製するか、又は精製装置の出口からの精製した水性流を分流して、精製した水性流の一部のみを分析用ポンプに流す工程、
ここで、精製工程（ａ）は以下の工程によって行われる：
（ｄ）精製流路の一方の側面に沿って配置された交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜と、精製流路の他方の側面に沿って配置された交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜とによって規定される精製装置の精製流路を通って未精製の水性流を流す工程、アニオン交換膜とカチオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、長さが精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域は貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第１及び第２のイオン交換媒体の２５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、
（ｅ）精製流路から水性流を、カチオン交換膜の反対側にあるカチオン流路中の第１のイオン交換媒体を通って流す工程、
（ｆ）精製流路から水性流を、アニオン交換膜の反対側にあるアニオン流路中の第２のイオン交換媒体を通って流す工程、及び
（ｇ）工程（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）において、カチオン流路と電気的に接続しているカソードとアニオン流路と電気的に接続しているアノードとの間に電位を供給する工程。
【請求項９】
精製した水性流が分析用ポンプへ流れる前に分析システムの貯蔵器を通って流れる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
未精製の液体流をそれが精製装置の入口へ流れる前に分流し、分流した部分をカチオン及びアニオン交換流路を通って流す、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電流効率がよい、水の精製方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
精製した脱イオン（ＤＩ）水は、多数の分析用途、例えばクロマトグラフィー及びイオンクロマトグラフィーにおいてオンライン又はオフラインの溶離液を製造するために、自動試料調製装置を使用する試料の調製用途、及び日々の実験室における種々の使用において利用されている。精製ＤＩ水を生成するために多くの電気透析法が使用されてきた。
文献に記載された電気透析法は、水道水、海水又はかん水を精製するために電場がカチオン交換膜及びアニオン交換膜とともに使用される場合に使用される用語である。“電気脱イオン化”は、上記の方法でイオン交換物質を使用することを記述するために使用される用語である。多くの特許が、上記の方法を種々のイオン交換物質及び構造とともに述べている。
電気透析で液体を処理する初期の装置及び方法は、コルスマン（Kollsman）の米国特許第２，６８９，８２６号に示されている。この装置はカチオン及びアニオン交換隔膜を含み、該隔膜は装置の末端のそばにある電極と直列に配置されている。処理する一定容量の液体を消耗（精製）室に置き、この液体から時間の経過に伴ってイオンが濃縮室中の第２の容量の液体に移動する。このように、処理した液体のイオンが消耗し、濃縮室中の液体には移転したイオンが豊富になる。米国特許第２，７９４，７７７号は同様の構造の装置を開示しており、該構造はアニオン隔膜とカチオン隔膜にそれぞれ隣接する室を流れる酸性溶液及び塩基性溶液を有する。酸性溶液と塩基性溶液の機能は、導電性通路、すなわち低い抵抗を提供することであった。アニオン交換隔膜及びカチオン交換隔膜は布で作られそれぞれの樹脂材料で充填された壁であった。この装置を他の充填した床カラムと組み合わせて、部分的イオン化を達成した。
【０００３】
米国特許第２，８１５，３２０号は、抵抗を低下させかつ導電性通路を維持するために、選択透過性のアニオン及びカチオン交換膜の間の充填材として多孔質イオン交換ビーズを使用する装置を開示している。電極室中で電解質を循環させることができる旨の示唆がある。この特許に従うと、電極室中の電解質及び中間室中の導電性充填材が電流の移動のための導電性通路を提供している。米国特許第２，９２３，６７４号は同様の電気透析装置を開示しており、該装置はイオンの除去を容易にし、その結果として水流の精製を容易にする複数のアニオン及びカチオン交換処理室を有する。上記の装置もいくつかの室中で酸電解質を使用している。
米国特許第３，１４９，０６１号は、水性溶液から強くイオン化した種と弱くイオン化した種の両者を除去するのに有用な装置を開示している。上記装置の希釈（精製）室を、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合物又はアニオン交換樹脂のみのいずれかで充填する。米国特許第３，３４１，４４１号は、電極室にたまるスケールを最小化するために適用する極性を周期的に逆転させる電気透析方法を開示する。
米国特許第３，８６９，３７６号は、軟水を脱塩するのに有用な装置を開示する。この装置の処理室はイオン交換樹脂で充填されていた。
米国特許第４，１４８，７０８号は電気透析セルを開示し、該セルは供給区画において混合したアニオン及びカチオン交換樹脂で充填され、一方アノード及びカソード区画はアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂でそれぞれ充填されている。このセルは３つの室から酸、塩基及び精製水を生成するのに有用である。
【０００４】
米国特許第４，６３２，７４５号は電気脱イオン化装置を開示しており、該装置は混合したアニオン及びカチオン交換樹脂で充填した消耗室を有し、一方濃縮室はイオン交換樹脂を含まない。同様に、米国特許第４，９２５，５４１号は電気脱イオン化装置を開示しており、該装置はアニオン及びカチオン交換樹脂ビーズで充填した消耗室を有し、一方濃縮室はイオン交換ビーズを含まない。消耗区画のビーズは制御した広さと厚さの小区画に収納されており、そこのイオン透過性膜によって保持され、該膜は小区画の壁に固定されている。上記の装置のほかの変形は米国特許第４，９３１，１６０号に示されており、この装置では精製する液体を、アニオン及びカチオン交換樹脂ビーズで充填した少なくとも２つのイオン消耗区画を通過させる。米国特許第４，９５６，０７１号は、電気脱イオン化装置を開示しており、該装置はイオン交換樹脂ビーズで充填した消耗室と濃縮室の両者を有する。この特許は適用した極性を逆転させる手段及び精製した生成物を連続して回収する手段を開示している。米国特許第５，１５４，８０９号は電気脱イオン化装置を開示しており、該装置は消耗室を有し、大きさが均一の混合したイオン交換ビーズで充填した濃縮室を有してもよい。
【０００５】
米国特許第５，３０８，４６６号は、架橋度が低くかつ選択性が低いイオン交換膜／樹脂を有する装置の少なくとも一つの区分を有する装置を開示しており、これにより電気抵抗を低減させかつ、大きな、重度に水和した、強く又は弱く荷電した分子（例えばシリカ）を供給水から除去するのを容易にしている。米国特許第５，３０８，４６７号は、脱塩又は希釈区画において充填材として混合したイオン交換部分（アニオン及びカチオン交換）を有する放射線グラフトポリマーを有する電気脱イオン化装置を開示している。
米国特許第５，７３６，０２３号は、消耗室と濃縮室の両者にイオン交換樹脂を有する電気脱イオン化装置を開示している。この装置は極性を逆転させる手段及びイオン濃縮区画の流体をイオン濃度の低い流体で置換する手段を有し、一方イオン消耗区画の流れを維持する。米国特許第５，８６８，９１５号は、消耗区画及び濃縮区画において電子活性媒体を有する電気脱イオン化装置を開示している。電気脱イオン化装置及び方法の改良を開示する他の特許がいくつかあり、例えば米国特許第６，１１７，９２７号、第６，１２６，８０５号、第６，２５４，７５３号、第６，２４１，８６６号、第６，２４１，８６７号及び第６，３１２，５７７号である。
【０００６】
上記の開示された装置は全て電流効率が悪く、これらは脱イオン化方法の理論から予測できるよりも過剰の電流を必要としている。消耗室中に混合したイオン交換充填材を有する装置は水を分割し、そのため電流効率がよくない。
米国特許第６，０７７，４３４号及び第６，３２８，８８５号は、イオンクロマトグラフィーにおけるサプレッサー及びサプレッサー様の装置の電流効率を改良する手段を開示している。アニオンを分析するために開示された装置はカチオンを除去し、マトリックスイオンを非導電性の形態に転換し、一方全てのアニオン種を導電性の酸に変換する。
イオンクロマトグラフィーでは、水中のイオン性不純物の存在がピークの反応及び感度、反応の直線性、バックグラウンドの安定性及びベースラインのノイズに影響を与える可能性がある。消耗品、例えばカラム及びサプレッサーの寿命は、汚染物の存在によって悪影響を受ける可能性がある。
溶離液又は試薬中の汚染物に関するいくつかの問題に対して、汚染物が認証レベルである超高純度試薬を使用することによって対応が行われている。分析研究所は、ＤＩ水中のイオン性汚染物のレベルを低下させることを目的とする、超純水ユースポイントポリッシャーシステムを有する。しかしながらこのシステムでは、ポリッシャーの交換は義務付けられていない。多くのシステムに対する水の品質の検出も信頼できない。溶離液又は試薬を調製するために認証付きのビン詰め水を使用することは別の方法である。しかしながら、この方法には、環境からの汚染物を制限すること、取り扱いの問題、貯蔵期間及び付加的な費用という障害がある。さらに、試薬の調製過程において二酸化炭素やアンモニアなどの汚染物を除去することが困難である。
上記の因子の水の品質における究極的な作用は、研究所によって変化し得る。従って、例えばクロマトグラフィーのためのＤＩ水をオンラインで精製する方法を具備することが望ましい。
【０００７】
電気透析及び電気脱イオン化に関する従来技術の文献においては、精製に必要な電流を経験的に誘導し、典型的には適用する電流は精製に必要なものより過剰となっている。装置又は工程によって生じた熱をこの過剰の電流が増加させるため、過剰の電流は有害であり、この過剰な熱によって装置の寿命は障害を受ける。従って、精製の作用に必要な電流を自動制御することができる、電流効率のよい脱イオン化装置が必要とされている。
市販の研究所向けの水精製装置、例えば上記の装置は、クロマトグラフシステムに比較して非常に早い流速で操作されるのが通常である。典型的には、市販の研究所向けの水精製装置はＬＰＭの流速で操作され、これに対してクロマトグラフシステムはml／分の流速で操作される。さらに、流速の変動は、クロマトグラフシステムと比較して研究所向けの水精製装置では大きくなっている。この流れ特性
の不一致により、二つのシステムを接続することが困難となっている。
通常のクロマトグラフの操作では、プロポーショニングバルブを使用して水と溶離液及び／又は溶媒を混合している。典型的には、クロマトグラフの使用者は、市販の研究所向け水精製装置システムを使用して水をオフラインで充填しかつ補充する。この設定には水精製装置の頻繁な監視と補充が必要であり、きわめて煩雑となる可能性がある。市販の研究所向け精製装置からの水流が高速かつ高圧であるために、水精製システムの水流をクロマトグラフシステムの貯蔵器に直接接続することが困難である。この問題を解決する一つの方法は、ある性質、例えばクロマトグラフシステムの貯蔵器中の液体レベルに対応して、又は所定の時間に、精製装置に作用して流れを止めるセンサーを使用することである。しかし上記の方法はまったく実際的ではない。なぜなら市販の多くの水精製装置はそれを始動した際に高レベルの汚染物を有し、この汚染した水をクロマトグラフシステムの貯蔵器に移送し、このことは受け入れがたいからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
溶離液製造モジュールを有するイオンクロマトグラフィーによる分析では、例えば、ジオネックス社（Dionex Corporation）が市販するモデルＥＧ４０では、ポンプには低圧側でＤＩ水が供給される。次いでこのモジュールを使用して、溶離液がポンプの高圧側で製造される。この形態では、ＤＩ水の流れを直接ポンプに供給することが望ましいであろう。市販の水精製装置では、早い流速の問題と上記の汚染物の問題のために、直接接続は不可能である。さらに、精製装置を常時稼動させると非常に費用がかかる。従って、分析システム、例えばクロマトグラフィーシステム又は自動試料調製装置に市販の水精製装置を接続する簡単な手段が必要とされている。特に電気脱イオン化装置をクロマトグラフィーシステムに直接接続することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従うと、特に電流効率がよい、水流から荷電した汚染物を除去する方法及び装置が提供される。
本発明に従うとさらに、水の精製装置を分析システムに好都合に接続する方法及び装置が提供される。
ある態様において、水流から荷電した汚染物を除去する本装置は以下を含む：
（ａ）交換可能なカチオンを有する第１のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第１のアニオン交換膜、両者は内壁と外壁を有し、第１のカチオン膜と第１のアニオン膜の内壁はそれらの間に第１の精製流路を規定し、第１のカチオン交換膜と第１のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
（ｂ）第１のカチオン交換膜の外部側壁に第１のカチオン流路を規定する第１のカチオン室、
（ｃ）第１のアニオン交換膜の外部側壁に第１のアニオン流路を規定する第１のアニオン室、
（ｄ）第１のカチオン流路及び第１のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
（ｅ）第１のカチオン流路に配置された貫流型の第１のイオン交換媒体、
（ｆ）第１のアニオン流路に配置された貫流型の第２のイオン交換媒体、及び
（ｇ）長さが第１の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第１及び第２のイオン交換媒体の２５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有する領域。
【００１０】
他の態様では、前記の装置を使用してもよい、以下の工程を含む水流から汚染物を除去することによって水流を精製する方法が提供される：
（ａ）精製流路の一方の側面に沿って配置された交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜と、精製流路の他方の側面に沿って配置された交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜とによって規定される精製流路を通って水流を流す工程、アニオン交換膜とカチオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、長さが精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域は貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第１及び第２のイオン交換媒体の２５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有し、
（ｂ）精製流路から水流を、カチオン交換膜の反対側にあるカチオン流路中の第１のイオン交換媒体を通って流す工程、
（ｃ）精製流路から水流を、アニオン交換膜の反対側にあるアニオン流路中の第２のイオン交換媒体を通って流す工程、及び
（ｄ）工程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）において、カチオン流路と電気的に接続しているカソードとアニオン流路と電気的に接続しているアノードとの間に電位を供給する工程。
【００１１】
さらなる態様において、以下を含む、分析システムへ流すための水性液体流を精製する装置が提供される：
（ａ）入口と出口を有する貫流型の水精製装置、
（ｂ）精製装置の入口に連結する未精製水の加圧した水源、
（ｃ）分析用ポンプ、
（ｄ）ポンプと精製装置の出口の間に配設された第１の導管、
（ｅ）未精製水源と精製装置の出口との間、又は精製装置の出口と分析用ポンプとの間に配置された分流出口を有する液体流分流器、該分流器は分流器の入口に流入する液体流を第１の流れと第２の流れに分ける、及び
（ｆ）分流出口と精製装置の間の流体的な結合を提供する第２の導管。
【００１２】
さらに他の態様において、前記の装置を使用してもよい、水流が精製されかつそれが分析システムに提供される方法が提供される。本方法は以下の工程を含む；
（ａ）加圧した水源から入口と出口を有する精製装置を通って未精製の水流を流すことによって未精製の水流を精製する工程、
（ｂ）精製装置の出口からの水性流を分析用ポンプを通って流す工程、
（ｃ）加圧した水源と精製装置との間の未精製水性流を分流して、未精製水性流の一部のみを精製装置で精製するか又は、精製装置の出口からの精製した水性流を分流して、精製した水性流の一部のみを分析用ポンプに流す工程。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のシステムは特に、水流から荷電した汚染物を除去して精製したＤＩ水流を製造するのに有用であり、該ＤＩ水流は分析用途、例えばオンライン又はオフライン溶離液を製造するためのクロマトグラフィー及びイオンクロマトグラフィーにおいて、自動試料調製装置を使用する試料の調製用途において、及び研究所の日々のさまざまな用途において使用するのに適している。従って、本明細書で使用する“水流”と言う用語は、典型的にはこれらの用途で使用することができる、除去すべき汚染物を有する水流を意味する。
本発明の装置によって、逆浸透ユニットを使用して部分的に精製したか又は他の手段によって部分的に精製した地方自治体の上水道又は水道の水の精製が可能となる。本発明の装置により精製された水を他の精製装置に移送してさらなる処置をすることも可能であり、例えば水をカラムに移送して有機物を除去することができる。
出発時の水流は低い濃度から高い濃度、例えば１０ppb〜３００ppmのイオン性汚染物を含んでもよい。典型的には、出発時の水流は水道水であり、汚染物の範囲は３０ppm〜２００ppmである。水流をオンライン装置中に貯蔵して、所望の用途に高純度のＤＩ水を提供することができる。例えば、クロマトグラフィーでは、イオン性不純物の典型的な範囲は約０．０１ppmより低い。
【００１４】
一般論としては、水流から荷電した汚染物を除去する精製装置は以下の構成を含む：
（ａ）交換可能なカチオンを有する第１のカチオン交換膜及び交換可能なアニオンを有する第１のアニオン交換膜、両者は内壁と外壁を有し、第１のカチオン膜と第１のアニオン膜の内壁はそれらの間に第１の精製流路を規定し、第１のカチオン交換膜と第１のアニオン交換膜は大きな液体流を阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させ、
（ｂ）第１のカチオン交換膜の外部側壁に第１のカチオン流路を規定する第１のカチオン室、
（ｃ）第１のアニオン交換膜の外部側壁に第１のアニオン流路を規定する第１のアニオン室、
（ｄ）第１のカチオン流路及び第１のアニオン流路とそれぞれ電気的に接続したカソード及びアノード、
（ｅ）第１のカチオン流路に配置された貫流型の第１のイオン交換媒体、及び
（ｆ）第１のアニオン流路に配置された貫流型の第２のイオン交換媒体。
長さが第１の精製流路の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域であって、貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は第１及び第２のイオン交換媒体の２５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を有する領域を、第１の精製流路は含む。精製流路の能力が増加すると消耗電流も増加する。消耗電流が増加すると、装置の電流高率はもはや良好ではなく、所与の流れを脱イオン化するためにより高い電流が必要となる。
“貫流型”という用語は、流路中の媒体であってその中を液体が通過するが流路を規定する膜は通過しないものを意味する。
【００１５】
ある態様では領域は、流路を規定するイオン交換膜の壁の間の精製流路を含む。
他の態様では、イオン交換媒体、例えばイオン交換スクリーンを両方の膜の壁に隣接して配置することができる。この場合、領域はスクリーンを分ける中央流路を含む。精製流路の長さと同じ広がりのいずれかの箇所に流路に沿って該領域を配置することができる。好ましくは、領域は少なくとも約０．０２５mmの幅であり、又は精製流路の幅の少なくとも５％である。
従って、領域が貫流型のイオン交換媒体を含まないか、又は精製流路の全長にわたりかつ膜に平行している第１及び第２のイオン交換媒体の２５％、好ましくは１０％、より好ましくは５％、最も好ましくは０〜１％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のイオン交換媒体を領域が有している場合には、精製流路にいくらかの能力が含まれる可能性がある。この中性又は低イオン交換能を有する領域は電流の自由な通過を阻止する。従って、この領域では汚染物イオンが大量の電流を運び続けるので、電流効率が維持される。
【００１６】
特定の態様では、官能化しガスケットを付したスクリーン材料を、膜の内壁に隣接してスペーサーとして配置する。中性のガスケットを付したスクリーン材料を、中性又は交換能を有しない領域に配置することができる。官能化したスペーサーの官能性又は極性は、イオン交換膜のものと同じであることが好ましい。操作に際しては、適切な荷電を有する汚染物イオンが電極に引き寄せられ、該膜を通過する前にこれらの官能化したスペーサーに保持される。中性の又は低交換能の領域により、流入する流れからスペーサー及び膜まで汚染物イオンの効率的な輸送が容易となる。
官能化したスペーサーの交換能は２meq／g又はそれ以上であることができ、低くても０．１meq／gであることができる。上記の装置では、中性の又は低交換能の部分があるため、電流は自動制御されている。スペーサーの役割は、膜の界面における緊密な混合を提供しかつイオンの輸送を容易にすることである。本スペーサーはイオン交換能の貯蔵装置でもあり、このことは流入する流れの流速が速いか又は濃度が高いときには有用である。
【００１７】
図１には、精製装置の一態様が模式的に示されているが、全ての精製流路を含む交換能領域は示していない。一般的に数字１０で示される精製装置は、ハウジング１２（示されていない）、及び交換可能なカチオンを有しかつ内壁及び外壁１４ａ及び１４ｂをそれぞれ有するカチオン交換膜１４を含み、かつカチオン交換膜と間隔をあけて配置した交換可能なアニオンを有しかつ内壁及び外壁１６ａ及び１６ｂをそれぞれ有するアニオン交換膜を含む。内壁１４ａ及び１６ａは間隔をあけてあり、一般に相互に並行であり、両者の間に精製流路１８を規定する。膜１４及び１６は大きな流体の流れを阻止するが、対応する交換可能なイオンと同じ荷電のイオンを通過させる。
【００１８】
精製装置１０はさらに、膜１４の外部側壁１４ｂ上にカチオン室２０、及び膜１６の外部側壁１６ｂ上にアニオン交換室２２を含む。貫流型のカチオン交換媒体２４が室２０の内部に配置され、貫流型のアニオン交換媒体２８が室２２の内部に配置される。カソード３０及びアノード３２の間は離れており、流路２０及び２２と電気的にそれぞれ接続している。操作の際、カソードとアノードを電力供給装置（示していない）と接続し、両者の間及びアニオン交換媒体２４、膜１４、精製流路１８、膜１６及びアニオン交換媒体２８を通って直流電流を流す。図示するように、カソード３０とアノード３２をそれぞれ、膜１４と１６と平行に、かつ媒体２４と２８の外部に配置する。カソード３０と外壁１４ｂが流路２０を規定し、一方アノード３２と外壁１６ｂが流路２２を規定する。図示するように、イオン性汚染物を含む精製すべき水は水源（示していない）から流れ、矢印３２の方向へ精製流路１８を通って流れ、精製装置１０の出口から外に出る。一又は複数の水源（示していない）からの水は、精製すべき水が流れる矢印３２の方向とは逆向きである矢印３４及び３６の方向へ好ましくは向かって、流路２０及び２２を通って流れて流路中で汚染物イオンから形成された塩基及び酸をそれぞれ洗い流す。
【００１９】
精製装置１０の構造（例えば膜及び一般的な構成）は、米国特許第４，９９９，０９８号及び第５，３５２，３６０号に開示されたサプレッサーに関して記載された一般的な型であることができ、これらに言及することによってその全ての内容を本明細書に取り込む。図示するように、膜は平板又は他の形態、例えば同心状の管であってもよい。大きな相違は、特許ではサンドウィッチサプレッサーの態様における平行な膜が同一荷電であるのに対して、膜１４と膜１６の荷電が異なることである。このことは、図１のサプレッサーの機能が異なることを示す。特に本発明では、カソード３０とアノード３２との間に電位がかかっているとき、カチオン汚染物、例えばナトリウムはカチオン膜１４を通過してカソード３０に引き寄せられ、一方アニオン汚染物はアニオン交換膜１６を通過してアノード３２に引き寄せられる。このように、カチオン及びアニオン不純物は精製流路１８中で水流から除去される。
【００２０】
本発明では、貫流型のアニオン交換媒体２４及び２８が流路２０及び２２に配置され、一方長さが精製流路１８の長さ以内でかつ該流路と同じ広がりを有する領域を維持し、該領域は貫流型のイオン交換媒体を実質的に含まないか、又は媒体２４及び２８と比較して低いイオン交換能、すなわち媒体２４及び２８の２５％より大きくない、好ましくは１％より小さいイオン交換能を有する。イオン交換媒体２４及び２８はイオン交換可能な以下のイオンを有することができる：（１）主として膜と同じイオン交換形態にあるイオン、（２）主として反対に荷電したイオン、又は（３）イオン交換可能なアニオン又はカチオンの混合物であるイオン、これについては以下に説明する。これらの構成のいずれにおいても、精製流路における貫流型の媒体のイオン交換能が低いか又はないことにより、本装置の電流効率が良好である。
【００２１】
図１に示すように、精製流路１８には、イオン交換媒体又はそのほかの媒体であれ、貫流型の媒体は存在することがなく、該領域は精製流路の全体を含む。しかしながら、精製流路１８中に中性の貫流型の媒体、例えば米国の'０９８号特許又は'３６０号特許に記載されているようなスクリーン（例えばポリエチレン又はポリプロピレン製のもの）を配置することには利点がある。このスクリーンの利点の一つは、柔軟な膜１４と１６が個別にほぼ平行した構成になっている状態を維持するためのスペーサーとしてスクリーンが役立つことである。他の利点は水流の混合を増加させることを含み、これによって膜への汚染物イオンの輸送が容易になり、その結果交換動力学が改善され、汚染物イオンの除去が改善される。又は中性の粒子を流路１８の貫流床に充填し、又は貫流型の多孔性モノリスを使用することもできる。
【００２２】
貫流型のアニオン交換媒体２４及び２８の一形態はイオン交換スクリーンを含み、該スクリーンは膜の実質的に全長に沿って配置された、連続性の制御された貫流型の流路を提供し、かつ上記のスペーサーとしての役割を果たす。これによって乱流が生じ、その結果混合の効率及び膜１４からカソード３０及び膜１６からアノード３２へそれぞれ向かうアニオンの輸送効率が増加する。イオン交換スクリーンの利点は、スクリーンが膜と電極との間の橋渡しをし、かつ米国の'０９８号特許又は'３６０号特許に記載されているようにスクリーンが容易に一定の場所に維持することである。膜と電極との間の導電性架橋としてイオン交換スクリーンが存在することにより、装置の電気抵抗性及び消費電力量が低下する。イオン交換媒体２４及び２８が存在することにより、電解ガスの存在下において電流の均等な輸送が可能となる。イオン交換媒体が存在しないと、電解ガスの存在による電流の変動が生じ、その結果水流のわずかな脱イオン化が生じるであろう。
【００２３】
これらのスクリーン及びスクリーンをイオン交換型に機能化するのに適切な技術は周知であり、これらの特許に記載されている。必要があれば、他の形式の貫流型イオン交換媒体又は充填材を使用することができる。例えば、イオン交換粒子を装置内に保持するための構造を含む流路２０及び２２にイオン交換粒子を充填することができ、例えば米国の'０９８号特許又は'３６０号特許に記載されているように、使用するイオン交換樹脂粒子より小さい孔を両端に有する多孔性ポリマー支持体を使用することによって、充填することができる。又は、貫流用の孔を有するイオン交換材料のモノリスを使用することもできる。
【００２４】
ある態様では、貫流型のイオン交換媒体２４及び２８は、それぞれ隣接する膜１４及び１６と同じ極性を有する可能なイオンを有する。図に示すように、カチオン交換媒体２４は主に（例えば少なくとも３０％）カチオン形態にあり、一方アニオン交換媒体２８は主に（例えば少なくとも３０％）アニオン交換形態にある。イオン交換媒体の適切な能力は０．２〜２meq／gである。先に述べたように、好ましい態様では、精製流路には貫流型のイオン交換能はない。
【００２５】
典型的な操作条件は以下のとおりである。好ましくは装置に定電圧条件下で電力を供給する。典型的な最低操作電圧は装置の大きさに依存する。アニオン又はカチオン流路と組み合わせた精製流路に対して、好ましい操作電圧は２Ｖ〜２４Ｖの範囲又はそれより高い。電流は、汚染物のレベルに応じて自動的に調整される。貫流型のイオン交換媒体が精製流路にない態様の場合、定常的に電流を供給することは実際的ではなく、なぜならそのためには汚染物レベルを事前に知ることが必要だからである。精製流路がある程度の能力を有する態様の場合、定常的な電流の供給が可能となろう。しかしながら、所与の流れを脱イオン化するためには、必要とする電流より過剰な電流を供給しなければならない。高電流により高温と気体の生成を生じ、このため定電圧が最も好ましい操作の手段である。
【００２６】
クロマトグラフィー用に使用する場合本発明の装置を、好ましくは０〜３ml／分又は０〜０．１８LPH、より好ましくは０〜２ml／分又は０〜０．１２LPHの流量で操作する。研究所で使用する場合本発明の装置を、好ましくは０．１LPH〜２０LPHで操作する。装置を連続的に操作することもでき、必要に応じて操作することもできる。
【００２７】
上記のシステムの使用に際して、定電圧電源を使用して、ナトリウムのようなカチオンがカソードの方向へ引き寄せられ、一方クロリドのようなアニオンがアノードの方向へ引き寄せられるようにすることができる。結果として電場の中でイオンが移動してＤＩ水の流れが精製され、精製流路１８の底部から流出する。本装置は水性流を脱イオン化するのに必要な電流のみを引き込む。その理由は、精製流路中に貫流型のイオン交換媒体のような種を運ぶ他の電流が実質的に存在しないからである。従って、汚染物のイオンによって運ばれる実質的に全ての電流がそれぞれの膜を通過する。
【００２８】
アニオン交換媒体及びそれに隣接する膜に同じ極性のものを使用することによって、除去されたイオンが対応する電極へ到達する前に該イオンが補足され、それぞれの流路中で酸及び塩基が形成される。例えば、カチオン交換膜１４とカチオン交換媒体２４、汚染物としてナトリウムを考えると、ナトリウムイオンは電子移動によってカソード３０に向かって膜１４を通過して輸送される。同様に、アニオン交換膜１６とアニオン交換媒体２８、汚染物としてクロリドを考えると、クロリドイオンは電子移動によってアノード３２に向かって輸送される。反応（副反応を除く）を以下のように記載することができ、カソードに輸送された１個のナトリウムに対して１個のクロリドイオンがアノードに輸送され、このようにして電気回路が完成する。カソードに輸送されたナトリウム（又は他のカチオン）はヒドロキシドイオン（カソードにおける水の電気分解によって生じたもの）と反応してカソードで水酸化ナトリウム（カチオンヒドロキシド）を形成し、同様に同時に、アノードに輸送されたクロリド（又は他のアニオン）はヒドロニウムイオン（アノードにおける水の電気分解によって生じたもの）を補足してアノードで塩酸（アニオン酸）を形成する。電極で反応する１個のナトリウム（又はカチオン）に対して１個のナトリウム又はカチオンがカチオン交換物質２４に入る。同様に、アノードで反応する１個のクロリド（又はアニオン）に対して１個のクロリド又はアニオンがアニオン交換物質２８に入る。
カソードにおいて
２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  →  ２ＯＨ-＋Ｈ2
アノードにおいて
Ｈ2Ｏ  →  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-
【００２９】
他の態様では、イオン交換媒体２４と２８の極性は逆である。この場合、アニオン交換媒体２４は、主としてアニオン交換の形態にある交換可能なイオンを有する。同様に、アニオン交換媒体２８は、膜１６と反対の極性の、すなわちカチオン交換の形態にある交換可能なイオンを有する。この構成では、膜（１４ｂ及び１６ｂ）とイオン交換媒体（２４及び２８）の間の界面で、汚染物イオンが塩基及び酸の形態に転換される。除去されたイオンが電極室（又はイオン交換媒体２４又は２８）に保持されないので、本装置は急速にこの構成に平衡となる。電流は汚染物のイオンのみによって運ばれる。
【００３０】
例えば、カチオン交換膜１４とアニオン交換物質２４、汚染物としてナトリウムを考えると、ナトリウムイオンは電子移動によってカソード３０に向かって膜１４を通過して輸送される。同様に、アニオン交換膜１６とカチオン交換物質２８、汚染物としてクロリドを考えると、クロリドイオンは電子移動によりアノード３２に向かって膜１６を通過して輸送される。反応（副反応を除く)は以下のように記載することができ、カソードに向かって輸送される１個のナトリウムに対して、１個のクロリドイオンがアノードに向かって輸送され、このようにして電気回路が完成する。水の電気分解反応によって、カソードにおいてヒドロキシドイオンが生成し、アノードにおいてヒドロニウムイオンが生成する。アニオン交換物質２４によって、電気分解で生じたヒドロキシドの膜１４ｂの表面への輸送が可能となる。１４ｂと２４の界面において除去されたナトリウム（カチオン）がヒドロキシドイオンと反応して水酸化ナトリウム（カチオンヒドロキシド）を形成する。同様に、カチオン交換物質２８によって、加水分解で生じたヒドロニウムイオンの膜１６ｂの表面への輸送が可能となる。１６ｂと２８の界面において除去されたクロリド（アニオン）がヒドロニウムイオンと反応して塩酸（アニオン酸）を形成する。界面で反応する１個のナトリウム（又はカチオン）に対して、１個のナトリウム又はカチオンがカチオン交換膜１４へ入り、１個のヒドロキシドイオンがアニオン交換媒体２４へ入る。同様に、界面で反応する１個のクロリド（又はアニオン）に対して、１個のクロリド又はアニオンがアニオン交換膜１６へ入り、１個のヒドロニウムがカチオン交換媒体２８に入る。
カソードにおいて
２Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  →  ２ＯＨ-＋Ｈ2
アノードにおいて
Ｈ2Ｏ  →  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-
【００３１】
さらに他の態様において、アニオン交換媒体２４及び２８は、交換可能なカチオン及びアニオンの混合物を有する媒体を含むことができる。スクリーンを使用する場合、該スクリーンはカチオン及びアニオン交換能又は機能の両者を有することができる。又は、それぞれの型の一方のスクリーンを使用することができる。充填床アニオン交換媒体として、充填材はアニオンとカチオン交換粒子の混合物であってもよい。この型のアニオン交換媒体の利点は以下のとおりである。電気分解で生成したイオン（ヒドロニウムとヒドロキシド）は輸送のための通路を有し、一方除去された汚染物イオンは流路２０及び２２中を電子移動により電極へ移動する。先に述べた態様において、流路２０及び２２中を、除去された汚染物イオンが移動するか又は加水分解で生じたイオンが移動するかであって、両者が移動することはない。従って、酸及び塩基の生成は界面だけではなく、電気分解で生じたヒドロニウムイオン又はヒドロキシドイオンとイオンが近接している全ての部位において生じる。従って、この態様の本装置は低い抵抗性を有しかつ脱イオン化の機能に対してより有効に作動することが予期できる。
【００３２】
１００％誘導電流効率を有する所与の濃度の汚染物を脱イオン化するのに必要な電流を以下の式で計算することができる
Ｉ＝ＦＣＶ／６０
式中、Ｉは電流mAであり、
Ｆはファラデー定数（クーロン／当量）であり、
Ｃは汚染物の濃度Mであり、
Ｖは流速ml／分である。
１００％誘導電流効率を有する２mMのＮａＣｌを含む流れを脱イオン化するのに必要な電流は、約３．２mAであると計算することができる。
【００３３】
図１の構成において、希釈流路又は精製流路において中性スクリーンを使用した場合、大部分の電流は流れ中のイオン性汚染物によって運ばれ、装置はほぼ１００％の誘導電流効率を示す。中性スクリーンを低能力で（例えば外部流路の２５％より低い）アニオン交換能及びカチオン交換能を有するわずかに機能化したスクリーンに置き換えた場合、大部分の電流は依然として汚染物によって輸送され、わずかな電流がスクリーンを通過する過剰のＨ+又はＯＨ-の輸送によって生じる水の形成のために失われる。
本発明に従う典型的な電流効率は８０〜１００％の範囲であり、好ましくは９５％又はそれより高い。
【００３４】
操作に際して、以下の方法により図１の精製装置を使用して、水流から汚染物を除去することによって水流を精製することができる。イオン性汚染物を含む水流は、精製流路の一方の側面に配置した交換可能なカチオンを有するカチオン交換膜１４及び精製流路の他方の側面に配置した交換可能なアニオンを有するアニオン交換膜１６によって規定された精製流路１８を通って流れる。典型的には、水流は強酸又は強塩基ではない。膜は大きな液体の流れは阻止するが対応する交換可能なイオンと同じ電荷のイオンを通過させる。水性の流れ、典型的には水道水であって、酸性でも塩基性でもないものは、精製流路からそれぞれの膜の反対側にあるアニオン交換媒体２４及び２８を通って流れる。それぞれの流路と電気的に連絡しているカソード３０とアノード３２との間に電位を供給する。精製流路は、貫流型のアニオン交換媒体を含まないか、又は外部の流路交換媒体の５％より大きくないイオン交換能を有する貫流型のアニオン交換媒体を有する。カチオン不純物は流路１８から膜１４を通り、カソード３０に向かってイオン交換媒体２４を通過する。媒体の荷電に応じて、前記の反応がアニオン交換媒体２４中で生じる。典型的には、カチオン、例えばナトリウムは塩基、例えば水酸化ナトリウムに変換され、流路２０を流れる水流となってシステムの外へ流出して該水流中のイオンを濃縮し、好ましくは該水流は精製すべき水とは逆方向の流れである。同時に、アニオンは、アニオン交換膜１６を通ってアノード３２の方向へ引き寄せられ、前記の反応が生じる。典型的には、アニオン、例えばクロリドは酸の形態、例えばＨＣｌに変換され、流路２２を流れる水流となってシステムの外へ流出し、好ましくは該水流は精製流路１８を流れる水と反対の方向を向いている。
【００３５】
システム（示していない）を上記した型の複数の平行する流路で組み立てることができる。この例では、汚染物イオンを受け取るイオン交換媒体を含む最外層の流路と、アノード及びカソードが連結している限り、単一の動力源を使用することができる。例えば、米国特許第２，７９４，７７７号の構成における交互性の膜を、本明細書に記載する交互性のアニオン及びカチオン交換膜とともに使用することができる。精製すべき水流は、イオン交換媒体を実質的に有さない精製流路を通り、イオン受け取り流路によって挟まれた別の流路を平行流となって流れる。精製流路を挟む流路は先に述べたようにイオン交換媒体を含む。電圧をかけると、汚染物は、反対の極性の交換可能なイオンを有する膜を通り、本明細書に記載した挟んでいる流路へ流れる。このようにして、２又はそれより多い水の平行流を、単一の動力源を使用して精製流路中で精製することができる。別の態様（示していない）図１の装置を複数使用することができる。
【００３６】
精製し、脱イオン化した水を、高度に精製したＤＩ水を必要とする全ての分析システム、例えばイオンクロマトグラフィーシステム又は自動試料調製装置にオンラインで供給することができる。例えば、クロマトグラフィーシステムについて、精製したＤＩ水を展開試薬又は電解質と混合して、クロマトグラフィーカラムを通過する試料を運ぶ溶離液を形成することができる。
図２〜６は、本発明に従う、精製水供給システムの別の態様を示す。これらの態様における同様の部分には同様の番号を付している。
【００３７】
図２に示された本発明の態様では、精製装置１０は、一般的に数字４０で示されるイオンクロマトグラフィー（ＩＣ）装置へオンラインで精製したＤＩ水を供給するように構成されている。この態様では、適切な背圧絞り管４４及び４６を具備した、３方向Ｔ字型ジャンクション又は液体流分流器４２が精製装置１０からの精製した水流を二つの流れに分割する。第１の流れは第１の導管、例えば管４６を通ってクロマトグラフィーシステムの貯蔵器４８に向けられ、図２に示すように該貯蔵器は順次ＩＣポンプと流体的に連絡している。貯蔵器４８の容量は１〜４リットル（例えばジオネックス社（Dionex Corporation）が市販するイオンクロマトグラフィーシステムの容量）が適切である。しかしながら、本発明の範囲においては、第１の流れは直接ＩＣポンプ５０に供給してもよいことを理解すべきである。第２の流れは、第２の導管、例えば管４４を通って、水精製ユニット１０に逆方向に向けられて、汚染物を除去し、かつ水の電気分解用の水を提供する。本発明の目的のために、“導管”という用語は、パイプ又は管だけでなく、流体が輸送される一般的な通路、例えば流路も意味する。二つの流れの好ましい流量比は約１：１〜１：１０の範囲であり、流れの大部分はＩＣ貯蔵器４８の方に流れる。この態様では、電気脱イオン化装置１０のアニオン又はカチオン流路（又は電極流路）へ供給する水流は精製流である。
【００３８】
加圧源貯蔵器５２は精製装置１０へ未精製水を供給する。好ましくは、精製が必要な水を加圧源貯蔵器５２から精製装置１０及びＩＣシステム１０へ分配するために、気圧又はポンプが提供される。クロマトグラフィーとして使用する場合の貯蔵器に対する好ましい圧力は、精製装置及び絞り管の背圧に依存する。クロマトグラフィー用貯蔵器４８の圧力の値は、一般に３４．４７kPa〜２０６．８kPa（５psi〜３０psi）の範囲である。
操作及び使用に際して、加圧源貯蔵器５２は入ってくる未精製水流に圧力“Ｐ”を提供し、該未精製水は電気脱イオン装置１０を通過し、次いでＩＣ貯蔵器４８の圧力が“Ｐ”となるまでＩＣ貯蔵器に流れ込む。この条件が達成された後、及び／又は容器が満杯になった後、過剰の流れが精製装置１０のアニオン室及びカチオン室２０及び２２へ流れる。この初期作動は、クロマトグラフィーシステム１０への流れ又は汚染物がクロマトグラフィー貯蔵器４８へ流れることに関して何らの問題点も生じることなく連続的に操作が進む。クロマトグラフィーポンプ５０がＩＣ貯蔵器４８からの揚水を始めると、ＩＣ貯蔵器４８内の圧力が低下し、それが“Ｐ”を下回ると加圧源貯蔵器５２からの入ってくる水流が再開されてＩＣ貯蔵器４８を満たす。この構成では、ＩＣ貯蔵器は連続して満たされ、かつ／又はＤＩ水がＩＣポンプ５０に提供される。連続的に満たすこの方法は、何らかの流れ又はレベルセンサーを使用することなく達成される。
【００３９】
図３に示された態様において、気圧源５４は一定の圧力“Ｑ”をクロマトグラフィー貯蔵器４８へ供給する。この態様では、気体ライン５６は気圧源５４とＩＣ貯蔵器４８とを操作可能に連結しており、好ましくは水が気体ライン５６へ逆流するのを阻止するために逆止め弁５８を含む。気圧“Ｑ”が“Ｐ”より低いと、ＩＣ貯蔵器４８は貯蔵器中の圧力が“Ｐ”に達するまで満たされる。ＩＣポンプ５０が作動中であると、ＩＣ貯蔵器の圧力は“Ｑ”から“Ｐ”の間に保持され、圧力が“Ｐ”を下回ると加圧源貯蔵器５２からの新鮮な脱イオン化した流れが自動的に補充される。この構成によりＤＩ水がＩＣシステム４０へ自動的に供給され、この構成は追加のセンサーを使用することなく維持される。
【００４０】
上記のように、ＩＣ貯蔵器を完全に迂回することができ、精製水の流れをＩＣポンプへ直接接続することができる。この構成において、ＩＣポンプが作動しているとＩＣポンプの圧力は常に“Ｐ”を下回り、水流が水精製装置１０を通ってＩＣポンプ５０へ連続して供給される。ＩＣポンプが作動している間、流れの過剰分が存在する場合はそれが精製装置１０のアニオン及びカチオン流路２２及び２０を流れる。ＩＣポンプ５０が停止すると、それを含む管圧は管４６を通じて“Ｐ”に達し、流れの全てが精製装置１０のアニオン及びカチオン流路２２及び２０を流れる。アニオン及びカチオン流路へのこの過剰の流れは脱イオン化装置の性能に負の影響を与えることはなく、精製装置は常に再生された状態を保つ。
【００４１】
図４に示した他の態様では、精製が必要な入ってくる水流が貯蔵器に代わって、処理流、例えば逆浸透（ＲＯ）システム６０から揚水される。ＲＯ流の圧力範囲は典型的には約２０６．８〜４１３．７kPa（３０〜６０psi）である。当業者は他の圧力を利用できることを理解する。
図５に示した他の態様では、３方向Ｔ型ジャンクション４２が脱イオン化装置１０の前部に配置されている。Ｔ型ジャンクション４２は、適切な背圧絞り管４４、４６及び６２と共に、ＲＯ供給流６０からの精製した水流を二つの流れに分割する。第１の流れは、管６２のような導管を通って、クロマトグラフィーシステムの貯蔵器４８及びＩＣポンプ５０に順次流体的に接続している水の精製装置１０の精製流路１８に流れる。第２の流れは、管４４のような導管を通って、水の精製装置１０のカチオン及びアニオン室２０及び２２へ流れ、汚染物が除去され、図１に記載した水の電気分解用の水を提供する。この態様では、電極流路、すなわち脱イオン化装置１０のアニオン又はカチオン流路２０及び２２へ、汚染物を含む未精製水が供給される。
【００４２】
本発明に従って、従来の水精製装置と共に、精製水を供給するための上記の構成を使用することができる。上記の構成を、他の型の水精製装置を分析システムに直接結合するために使用することもできる。例えば、図６に示す態様は３方向Ｔ型ジャンクション４２を含み、これは適切な絞り管４６及び６４と共に、過剰の精製水を再循環のために流す。特に、３方向Ｔ型ジャンクション４２は、精製装置１０からの過剰の精製水を、精製すべきＲＯ流へ流す。分流ポンプ６６は過剰の水をＲＯ流へ還流するために設けられている。又は、分流した過剰の水を水源貯蔵器、例えば貯蔵器５２、排出口、廃棄口、又はその他の適切な貯蔵器又は流路へ運ぶことができる。水源流より低い圧力の貯蔵器又は流路へ過剰水を運ぶ場合、分流ポンプ６６を設ける必要がないことを、当業者は理解するであろう。
【００４３】
本発明の装置の利点は以下を含む。本装置で化学試薬を使用することなく電気分解を連続的に行うことができ、かつ中断時間を含まない。本装置は、定電圧条件下で操作する場合に脱イオン化のために必要とする電流を使用するのみである。本装置は流速の変化に影響を受けることはなく、単一電圧を設定して操作することができ、その場合、電流は入って来る汚染物の濃度に自動的に整合する。従って、使用者が介入する必要はない。本装置をクロマトグラフィー用のオンライン精製装置として操作することができる。
本発明を以下の例によってさらに詳細に説明するが、これに限定されない。
【００４４】
例１
スクリーン及び膜は照射グラフト化した材料であり、米国特許第４，９９９，０９８号及び第５，３５２，３６０号の記載に従って、ガスケットに沿って製造した。ジオネックス（Dionex）社から市場を通じて入手可能なＡＳＲＳサプレッサーハードウエアをそのまま使用した。組み立ての構成は図１に模式的に示したものに従った。ヒューレット パッカード（Hewlett Packard）ＤＣ動力供給装置 E3611Aを１２Ｖで使用して装置に直流電流を供給した。
【００４５】
例２
ＤＸ５００イオンクロマトグラフィーシステムを本試験のために使用し、市場から入手可能なポイントオブユースシステムからの内蔵ＤＩ水を貯蔵器から１ml／分の流速で揚水して本発明の脱イオン化装置（例１／図１）を通って流し、電気伝導セルへの順路を採らせる。電気伝導セルからの流出を装置の電極室へ再度戻した。ヒューレット パッカード（Hewlett Packard）ＤＣ動力供給装置 E3611Aを１２Ｖの定電圧設定条件下で使用して装置に動力を供給した。伝導度を監視しながら、装置への動力を手動で投入した。結果は、動力を供給すると即座に伝導度の値の減少を示し、このことは精製水の形成を示唆している。伝導度の値はほぼ０．７μＳ／cmから０．０６μＳ／cmまで落ち、精製水の優れた性質を示した。上記のことは、本発明の装置が研究所用の脱イオン化水を必要に応じて精製可能であることを示している。
【００４６】
例３
この研究ではジオネックス（Dionex）社からのＤＸ５００装置を使用した。この研究で使用した分析カラムは４×２５０−mmＡＳ９ＨＣカラムであり、溶離液は流速１ml／分の９mMのＮａ2ＣＯ3であった。５０mAに設定した定電流でＡＳＲＳサプレッサーを使用した。この例では、水道水、本発明の電流効率のよい電気脱イオン化装置で精製した水道水、及び研究所用のミリポアシステムからの試料を比較した。種々の試料を２５μlの注入ループへ注入した。例１の装置を図２の構成で使用して水の精製を行ったが、ＩＣシステムの貯蔵器から精製した製品を加圧して試料注入ループへ送った。結果は、本発明の装置が非常に少量のイオン汚染物を有する水を生成したことを示しており、このことは図７に示す試験クロマトグラムにピークがないことから明らかである。水道水は予期した成分を示した。ミリポアからの水も１個のピークを除いて大きなピークを示さなかったが、このピークは弱酸であると考えられる。
【００４７】
例４
ＤＸ５００システムを使用し、ジオネックス（Dionex）社からのＡＳ９ＨＣ分析カラムを使用し、かつ以下のような種々の水を均衡させて、クロマトグラフィーのランを行った： 水道水でスパイクした逆浸透（ＲＯ）水、ＲＯ水、ミリポア水及びカーボネート溶離液の濃度比を４：１として製造した９mM Ｎａ2ＣＯ3溶離液を使用する本発明の電気脱イオン化装置で精製した水。電気脱イオン化装置は図１及び例１に記載したのと同様のものであった。この場合の実験の構成は図２と同様であった。５個のアニオンの混合物をシステムに注入して分析した。図８に示す結果は、水道水でスパイクしたＲＯが汚染物からの高いイオン値に基づくほぼ４５μＳの最も高いバックグラウンドを示し、過剰のノイズ及びランの末端に見られるようなベースラインの異常なシフトを示した。ＲＯ水も２６．２μＳ／cmの高いバックグラウンドを示した。ミリポア水は約２４．３μＳ／cmのバックグラウンドを示し、一方ＤＩ水精製装置は２３．９μＳ／cmの最も低いバックグラウンド値を示した。イオン性の汚染物の存在はバックグラウンドを変更し、バックグラウンドの変化は検体の応答に影響を与える。ＲＯ水及び水道水でスパイクしたＲＯは保持時間の顕著な変化を示し、これは低いｐＨ値を有することによるものであろう。これらの結果は、ＩＣ分析においてこれらの汚染物を除去することが重要であることを示唆している。
【００４８】
例５
ＤＸ５００イオンクロマトグラフィーシステムをアニオン分析に使用した。分析カラムはＡＳ１１カラム、４×２５０mmであり、これを以下の傾斜（０５−３８．２５mM）で操作した。
Ｅ１      ＤＩ水              流れ＝２ml／分
Ｅ２      5.0 mM ＮａＯＨ
Ｅ３      100 mM ＮａＯＨ
時間      Ｅ１        Ｅ２        Ｅ３
０分      90          10          0
２分      90          10          0
５分      0           100         0
１５分    0           65          35
サプレッサーはＡＳＲＳウルトラサプレッサーであり、これをノーマルリサイクルモードで１００mAの供給電流において操作した。この例は、水道水でスパイクしたＲＯであって精製の前及び後のものを使用した場合のクロマトグラフィー特性の比較を示している。図２に記載した型の電気脱イオン化装置をこの分析で使用し、該装置に１２Ｖで定電圧条件下で電力を供給した。実験の構成は図２と同様であり、貯蔵器Ｅ１は精製した生成物及び精製前の水の貯蔵器である。精製前の実験の後で貯蔵器をよく洗浄する。この例では、傾斜の始めにおいては低い溶離液強度を使用し、この条件は汚染物の存在を検査する。精製をしない水で得られたクロマトグラムは、図９ａに示すように、３５０μＳ／cmという測定限界の導電度の応答においてクロリド及びスルフェートについて大きな応答値を示した。汚染物からの応答はクロマトグラフの大部分を占め、５個のアニオン試料の試験混合物に対する予期された検体の応答は見られなかった。この条件下で行われた分析は有効ではなかった。水の精製により、図９ｂに示すように３５μＳ／cmという測定限界で検体の応答の回復が可能となった。本発明の電気脱イオン化装置は、水からの汚染物レベルの低減において良好に作動する。
【００４９】
例６
ＤＸ５００イオンクロマトグラフィーシステムをカチオン分析に使用した。分析カラムはＣＳ１２Ａカラムで、４×２５０mmであった。溶離液を、１００−mM ＭＳＡストック濃縮物を水道水でスパイクしたＲＯで精製の前後において均衡させることによって製造した。ＣＳＲＳウルトラサプレッサーを１００mAの設定電流で使用した。この実験では、精製前後の水の特性をクロマトグラフィーで比較する。電気脱イオン化装置は図１に示したものと同一のものであり、構成は図２と同様であった。結果は、図１０に示すように、水道水でスパイクしたＲＯを使用した場合に高いバックグラウンドを示した。さらに、アンモニアに対するピークの応答は、精製前の水の場合に低かった。上記のことは以下のように説明することができる：ＣＳＲＳサプレッサーは全てのアニオンを除去しカチオンを伝導性塩基に変換する。残りのカチオンからのバックグラウンドは塩基性であり、塩基性条件下ではアンモニアは気体であり、かつ気体は除去される傾向にある。従って、この装置はアンモニアに対して低い応答を示した。一方精製水はこのような作用を示さなかった。
【００５０】
例７
この例では、水道水でスパイクしたＲＯのアニオン分析を精製の前後で行った。ミリポアで精製した水（ＲＯに引き続くＰＯＵポリッシャーMiliQPlusシステムによる）を同一の条件を使用して分析した。本実験の構成は図２と同様であるが、本分析では５００−μl−注入ループを使用した。結果を図１１に示しており、本発明の装置を使用して優れた汚染物除去効果が示されている。水道水は高いレベルのイオン性汚染物を示した。ミリポアで精製した水は、本発明の装置に匹敵する特性を示した。
【００５１】
例８
この例では、水道水でスパイクしたＲＯのカチオン分析を精製の前後で行った。ミリポアで精製した水（ＲＯに引き続くＰＯＵポリッシャーMiliQPlusシステムによる）を同一の条件を使用して分析した。ＤＸ５００イオンクロマトグラフィーシステムをカチオン分析に使用した。分析カラムはＣＳ１２Ａカラム、４×２５０mmであり、溶離液は１ml／分の２０−mM ＭＳＡであった。ＣＳＲＳウルトラサプレッサーを５８mAの設定電流で使用した。５００−μl−注入ループを試料の注入に使用した。結果は、図１２に示すように、本発明の装置を使用して優れた汚染物除去効果が示された。水道水は高いレベルのイオン性汚染物を示した。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】は、本発明の装置を模式的に示す。
【図２】は、本発明の装置を模式的に示す。
【図３】は、本発明の装置を模式的に示す。
【図４】は、本発明の装置を模式的に示す。
【図５】は、本発明の装置を模式的に示す。
【図６】は、本発明の装置を模式的に示す。
【図７】は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。
【図８】は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。
【図９ａ】は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。
【図９ｂ】は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。
【図１０】は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。
【図１１】は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。
【図１２】は、本発明に従って行った実験を示すグラフである。
【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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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