(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニットの一端にアノード室を有し、ユニットの他端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有してなり、
前記希釈室および濃縮室の各々は、アニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されており、
前記希釈室の各々は、イオン交換材を有し、
前記イオン交換材は、アニオン交換材およびカチオン交換材の混合吸着床相を少なくとも一つと、前記混合吸着床相に隣接した、アニオン交換材の単一相またはカチオン交換材の単一相またはアニオン交換材およびカチオン交換材の単一相を少なくとも一つ含んで構成されている
水を脱イオン化するための電気脱イオンユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記少なくとも一つの単一相は、前記アニオン交換膜およびカチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とするユニット。
【請求項３】
請求項１に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記少なくとも一つの単一相はアニオン交換材であり、前記アニオン交換材は前記アニオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とするユニット。
【請求項４】
請求項１に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記少なくとも一つの単一相はカチオン交換材であり、前記カチオン交換材は前記カチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とするユニット。
【請求項５】
請求項１に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記少なくとも一つの単一相は複数の層状になったアニオン交換材およびカチオン交換材であり、それらの間にある混合吸着床相の層に当接しており、
前記アニオン交換材の層および前記カチオン交換材の層はそれぞれ前記アニオン交換膜および前記カチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とするユニット。
【請求項６】
請求項１に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記少なくとも一つの単一相は多孔質で透過性の連続単一相であり、
前記混合吸着床相は連続単一相の中にクラスタを分散させた多孔質で透過性の分散相である
ことを特徴とするユニット。
【請求項７】
請求項６に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記イオン交換材は、対向する平らな両床表面を有する浅い床状の形態であり、
前記分散相のクラスタは、前記平らな床表面に垂直で前記少なくとも一つの平らな床表面と境界を共にしている
ことを特徴とするユニット。
【請求項８】
請求項７に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記分散相のクラスタは、前記平らな床表面に垂直で、前記浅い吸着床を通って延びており、前記吸着床の平らな両床表面と境界を共にしている
ことを特徴とするユニット。
【請求項９】
請求項１に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記混合吸着床相は、多孔質で透過性の連続相であり、
前記少なくとも一つの単一相は、連続相の中にアニオン交換材またはカチオン交換材のクラスタを分散させた多孔質で透過性の分散相である
ことを特徴とするユニット。
【請求項１０】
請求項９に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記イオン交換材は、対向する平らな両床表面を有する浅い床状の形態であり、
前記アニオン交換材またはカチオン交換材の分散相クラスタは、前記平らな床表面に垂直で前記少なくとも一つの平らな床表面と境界を共にしている
ことを特徴とするユニット。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記分散相のクラスタは、前記浅い吸着床を通って延びており、前記吸着床の平らな両床表面と境界を共にしている
ことを特徴とするユニット。
【請求項１２】
請求項１に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記少なくとも一つの単一相は多孔質で透過性の連続相であり、
前記混合吸着床相は混合吸着床イオン交換材のクラスタを分散させた多孔質で透過性の分散相である
ことを特徴とするユニット。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記イオン交換材は、対向する平らな両床表面を有する浅い床状の形態であり、
前記分散相のクラスタは、前記平らな床表面に垂直で前記少なくとも一つの平らな床表面と境界を共にする混合床イオン交換材である
ことを特徴とするユニット。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記分散相のクラスタは、前記浅い吸着床を通って延びており、前記吸着床の平らな両床表面と境界を共にしている
ことを特徴とするユニット。
【請求項１５】
請求項２に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記イオン交換材は０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力下にある
ことを特徴とするユニット。
【請求項１６】
請求項２に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記混合吸着床相および前記少なくとも一つの隣接する単一相が別々の隣り合って連なった層である
ことを特徴とするユニット。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記層は波形である
ことを特徴とするユニット。
【請求項１８】
請求項５に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記混合吸着床層、前記アニオン交換単一相および前記カチオン交換単一相が同じ広がりを持つ層で構成されている
ことを特徴とするユニット。
【請求項１９】
請求項１８に記載の電気脱イオンユニットにおいて、
前記イオン交換材は０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の圧力下にある
ことを特徴とするユニット。
【請求項２０】
ユニットの一端にアノード室を有し、ユニットの他端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有し、前記希釈室および濃縮室の各々はアニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されており、前記希釈室の各々はイオン交換材を有し、前記イオン交換材は、アニオン交換材およびカチオン交換材の混合吸着床相を少なくとも一つと、前記混合吸着床相に隣接した、アニオン交換材の単一相またはカチオン交換材の単一相またはアニオン交換材およびカチオン交換材の単一相を少なくとも一つ備えてなる電気脱イオンユニットにおいて、
脱イオン化すべき供給水を前記希釈室を通すステップを含んでなる、水を脱イオン化する方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、
さらに、前記イオン交換材に０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力を掛けるステップを含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載の方法において、
前記圧縮圧力は、前記イオン交換材の自由状態における体積を前記希釈室の容積に対して１０３〜１７０容量％に調節することによって掛けられる
ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記少なくとも一つの単一相は、前記アニオン交換膜およびカチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記少なくとも一つの単一相はアニオン交換材であり、前記アニオン交換材は前記アニオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記少なくとも一つの単一相はカチオン交換材であり、前記カチオン交換材は前記カチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記少なくとも一つの単一相は複数の層状になったアニオン交換材およびカチオン交換材であり、同じ広がりを持ち、それらの間にある混合吸着床相の層に当接しており、
前記アニオン交換材の層および前記カチオン交換材の層はそれぞれ前記アニオン交換膜および前記カチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記少なくとも一つの単一相は多孔質で透過性の連続単一相であり、
前記混合吸着床相は連続単一相の中にクラスタを分散させた多孔質で透過性の分散相である
ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記イオン交換材は、対向する平らな両床表面を有する浅い床状の形態であり、
前記分散相のクラスタは、前記平らな床表面に垂直で前記少なくとも一つの平らな床表面と境界を共にしている
ことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記分散相のクラスタは、前記平らな床表面に垂直で、前記浅い吸着床を通って延びており、前記吸着床の平らな両床表面と境界を共にしている
ことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記混合吸着床相は、多孔質で透過性の連続相であり、
前記少なくとも一つの単一相は、連続相の中にアニオン交換材またはカチオン交換材のクラスタを分散させた多孔質で透過性の分散相である
ことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記イオン交換材は、対向する平らな両床表面を有する浅い床状の形態であり、
前記アニオン交換材またはカチオン交換材の分散相クラスタは、前記平らな床表面に垂直で前記少なくとも一つの平らな床表面と境界を共にしている
ことを特徴とするユニット。
【請求項３２】
請求項３１に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記分散相のクラスタは、前記浅い吸着床を通って延びており、前記吸着床の平らな両床表面と境界を共にしている
ことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２０に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記混合吸着床相および前記隣接する相が別々の隣り合って連なった層であることを特徴とするユニット。
【請求項３４】
ユニットの一端にアノード室を有し、ユニットの他端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有し、前記希釈室および濃縮室の各々はアニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されており、前記希釈室の各々はイオン交換材を有し、前記イオン交換材は、少なくとも一つの混合吸着床相、少なくとも一つのアニオン交換単一相、および少なくとも一つのカチオン交換単一相で構成され、前記アニオン交換相およびカチオン交換相は前記混合吸着床相にその両側で隣接してなる電気脱イオンユニットにおいて、
脱イオン化すべき供給水を前記希釈室を通すステップを含んでなる、水を脱イオン化する方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の水を脱イオン化する方法であって、
さらに、前記イオン交換材に０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力を掛けるステップを含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の水を脱イオン化する方法において、
前記少なくとも一つの単一相は、前記アニオン交換膜およびカチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の水を脱イオン化する方法であって、
前記アニオン交換単一相は前記アニオン交換膜に隣接しかつ当接しており、
前記カチオン交換単一相は前記カチオン交換膜に隣接しかつ当接している
ことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の水を脱イオン化する方法であって、
前記混合吸着床相、前記アニオン交換単一相および前記カチオン交換単一相は、アニオン交換膜およびカチオン交換膜に隣接しかつ当接している別々の同じ広がりを持つ層で構成されている
ことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項２０に記載の方法であって、
さらに、前記イオン交換材に０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力を掛けるステップを含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項２０に記載の方法であって、
さらに、前記イオン交換材に０．８〜２ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力を掛けるステップを含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３９に記載の方法において、
前記圧縮圧力は、前記イオン交換材の自由状態における体積を前記希釈室の容積に対して１１１〜１５０容量％に調節することによって掛けられる
ことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３４に記載の方法であって、
さらに、前記イオン交換材に０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力を掛けるステップを含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項３４に記載の方法であって、
さらに、前記イオン交換材に０．１〜０．８〜２ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力を掛けるステップを含んでなる
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水を電気脱イオン化する方法および装置に関し、より詳しくは、電気脱イオン装置の希釈室内におけるイオン移動の効率を改善するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン交換樹脂を詰めた吸着床を通って処理すべき水を通過させることにより、不純物イオンをイオン交換樹脂に吸収させて除去して、水を脱イオン化することは、よく知られている。吸収力が低下したイオン交換樹脂を酸またはアルカリによって再生することは、よく知られている。しかしながら、そのような方法の欠点は、再生に使用した酸またはアルカリの廃液の排出である。したがって、再生のために酸やアルカリを必要としないで脱イオン水を作る方法を採用することが望ましい。この観点で、イオン交換樹脂をイオン交換膜と組み合わせて使用する自己再生型の電気透析式の脱イオン水製造方法（一般に、電気脱イオン法として知られている）に近年関心が集まってきている。この方法に関連した物理的な装置装置は、電気脱イオンユニットとして知られている。
【０００３】
典型的な電気脱イオンユニットは、交互に配置されたアニオン交換膜とカチオン交換膜を備えており、それらにより希釈室と濃縮室を画定している。希釈室の各々は、通常顆粒またはビードの形態をなすアニオン交換固体組成物およびカチオン交換固体組成物の両者を含有している。精製すべき水は、希釈室内のイオン交換顆粒の中を通過させられる。
【０００４】
水の中のアニオン不純物は、アニオン交換固体組成物に吸収され、電気脱イオンユニットの両端に印加される電圧の影響下で、アニオン交換膜に向かってそれを通り抜けて移動して、最初の隣接濃縮室に入り、そこを通って流れる水性液流内に排出される。同様に、水の中のカチオン不純物は、カチオン交換固体組成物に吸収され、カチオン交換膜に向かってそれを通り抜けて移動して、二番目の隣接濃縮室に入り、そこを通って流れる水性液流内に排出される。
【０００５】
典型的には、イオン交換固体組成物は、ランダムに分布したカチオン交換固体組成物ビードおよびアニオン交換固体組成物ビードの混合物で構成され、より一般的には、「混床（混合吸着床）」イオン交換材と称される。混床イオン交換材は、特徴的に、中に含まれているアニオン交換材とカチオン交換材の間の界面接触面積が大きい。そのような接触面積は、イオン不純物の効率的な除去を促進する。さらに、それは、水の分子のイオン化を容易ににする。水の分子をイオン化することにより、水素イオンと水酸化物イオンがイオン交換材の再生に利用可能となる。これは、希釈室の排出の近くのように、精製すべき水の中に溶解しているイオン不純物の濃度が低いときに特に微妙である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
望ましくないが、混床イオン交換材が使用される場合は、希釈室の厚みは必然的に薄くなければならない。希釈室の厚みが増すにつれて、イオン交換固体組成物を通って膜へと移動する不純物イオンの移動効率が低下し、それにより精製水の品質が低下する。これは、連結したアニオン交換材の鎖によってアニオン交換材がアニオン交換膜に結合（この属性を以下「結合性(connectivity)」という）しにくいからである。また、カチオン交換材は、連結したカチオン交換材の鎖によってカチオン交換膜に結合しにくい。
【０００７】
薄い希釈室は、高い製造コストをもたらす。さらに、薄い希釈室では実効膜面積が増加するが、材料コストが付随して増加する。
【０００８】
米国特許第４、６３６、２９６号が、電気脱イオンユニットの希釈室内の混床イオン交換材における前述の結合性問題を軽減する電気脱イオンユニット装置を開示している。とりわけ、そこに記載の電気脱イオンユニットは、交互になったアニオン交換材とカチオン交換材の層を含む希釈室を備えている。この点で、連結したアニオン交換材とカチオン交換材の鎖ができて、それぞれカチオン不純物およびアニオン不純物の移動を容易にしている。しかしながら、そのようにアニオンおよびカチオンの交換材を層状にすると、アニオンおよびカチオン交換材の間の界面接触を減少させ、もって、イオン不純物に関する移動効率を減少させ、所与の電圧における水分子のイオン化速度を低下させる。このため、米国特許第４、６３６、２９６号は、電極の表面に作られてその後イオン交換固体組成物の中へ移動する水素イオンおよび水酸化物イオン再生液に依存している。しかしながら、この手法は、多重構造のコスト高の電極を必要とし複雑さをもたらして、多極のイオン電気化学反応器が実現される利便性を妨げている。
【０００９】
ＰＣＴ出願第ＷＯ９７／３４６９６号は、多様な混合吸着床のイオン交換材を含む希釈室イオン交換材の結合性を増強する電気脱イオンユニット装置を開示している。それは、イオン交換材を使用し、希釈室内に収容されたイオン交換材と希釈室を画定しているカチオン交換膜およびアニオン交換膜との間に０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の圧力を掛けて、個々のイオン交換材の間の界面接触（面同士の接触）を増強することによって達成される。しかしながら、イオン交換材の間に大きな内部圧力を掛けるほど、希釈室内の空隙率が減少し、それによって水の流れに対する抵抗を増加させ、処理できる水の量を減少させる。
【００１０】
したがって、結合性を改善したイオン交換材の配置をし、イオン交換材が水の効率的なイオン化を促進して、水素イオンおよび水酸化物イオンがイオン交換材の再生に利用できるようにすることが望ましい。さらに、相互間に０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の内部圧力を掛けるイオン交換材の結合性を改善することが望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
広い局面として、この発明は、ユニットの一端にアノード室を有し、ユニットの他端にカソード室を有し、そしてアノード室とカソード室の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有する、水を脱イオンするための電気脱イオンユニットを提供する。各々の希釈室および濃縮室は、アニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されている。各々の希釈室内には、イオン交換材が設けられており、そのイオン交換材は、アニオン交換材およびカチオン交換材の混合吸着床の相を少なくとも一つと、その混合吸着床に隣接して、アニオン交換材の単一相またはカチオン交換材の単一相またはアニオン交換材およびカチオン交換材の単一相を少なくとも一つ含んで構成されている。
【００１２】
この発明のさらなる局面では、上記の少なくとも一つの単一相は、アニオン交換膜およびカチオン交換膜に隣接しかつ当接させることができる。さらに、上記の混合吸着床相および上記の少なくとも一つの隣接する単一相は、別々の隣り合って連なった層として配置することもできる。少なくとも一つの単一相がアニオン交換材である場合は、そのアニオン交換材はアニオン交換膜およびカチオン交換膜に隣接しかつ当接させることができる。他方、少なくとも一つの単一相がカチオン交換材である場合は、そのカチオン交換材はカチオン交換膜に隣接しかつ当接させることができる。
【００１３】
この発明のまた他の局面では、上記の少なくとも一つの単一相は、複数の層状になったアニオン交換材およびカチオン交換材として、それらの間にある混合吸着床相の層に当接させることができ、そのアニオン交換材の層およびカチオン交換材の層は、それぞれアニオン交換膜およびカチオン交換膜に隣接しかつ当接するようにする。アニオン交換材およびカチオン交換材の各層は、混合吸着床相の層と同じ広がりを持つように構成することもできる。
【００１４】
この発明のさらにまた他の局面では、上記の少なくとも一つの単一相は、多孔質で透過性の連続相(continuous phase)とすることができ、上記の混合吸着床の相(mixed bed phase)は、連続単一相の中に分散させた多孔質で透過性の分散相とすることができる。また、その代わりに、混合吸着床相は、多孔質で透過性の連続相とすることができ、単一相は、連続した混合吸着床の相の中にクラスタを分散させた多孔質で透過性の分散相とすることができる。
【００１５】
この発明の他の局面では、イオン交換材は、対向する平らな両床表面を有する浅い床状の形態とすることができ、その場合、分散させた相(phase)のクラスタは、平らな床表面に垂直で、平らな床表面の少なくとも一つと境界を共にするように構成する。分散相のクラスタは、浅い吸着床を通って延びていて、吸着床の平らな両床表面と境界を共にする構成とすることができる。
【００１６】
この発明のまたさらなる局面では、希釈室内のイオン交換材は、０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の圧力下に置くことができる。
【００１７】
さらなる局面では、この発明は、一端にアノード室を有し、他端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有する電気脱イオンユニットにおいて、水を脱イオン化する方法を提供する。希釈室および濃縮室の各々は、アニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されている。さらに、希釈室の各々は、中にイオン交換材を有している。そのイオン交換材は、アニオン交換材およびカチオン交換材の混合吸着床の相を少なくとも一つと、混合吸着床に隣接した、アニオン交換材の単一相またはカチオン交換材の単一相またはアニオン交換材およびカチオン交換材の単一相を少なくとも一つで構成されている。脱イオン化すべき水は、希釈室を通され、そこで希釈室内におけるイオン交換およびイオン伝導メカニズムの結果として、イオン不純物が取り除かれる。
【００１８】
この発明の他の局面では、イオン交換材に０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮圧力が掛けられる。好ましくは、圧縮圧力は０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ2である。より好ましくは、０．８〜２ｋｇ／ｃｍ2である。圧縮圧力は、イオン交換材の自由状態における体積を、希釈室の容積に対して１０３〜１７０容量％に、好ましくは、希釈室の容積に対して１１１〜１５０容量％に調節することによって掛けることができる。
【００１９】
またさらなる局面では、この発明は、ユニットの一端にアノード室を有し、ユニットの他端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有する電気脱イオンユニットにおいて、水を脱イオン化する方法を提供する。希釈室および濃縮室の各々は、アニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されている。さらに、希釈室の各々は、中にイオン交換材を有している。イオン交換材は、少なくとも一つの混合吸着床相、少なくとも一つのアニオン交換単一相、少なくとも一つのカチオン交換単一相で構成されている。アニオン交換相およびカチオン交換相は、混合吸着床相にその両側で隣接している。脱イオン化すべき供給水は、希釈室を通され、そこで希釈室内におけるイオン交換およびイオン伝導メカニズムの結果として、イオン不純物が取り除かれる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の方法および装置を、添付の図面を参照しながら説明する。概して、この発明は、電気脱イオンユニットを使用して行われる水の精製プロセスに適用できるものである。
【００２１】
まず、図１を参照すると、この発明による電気脱イオンユニット１０は、アノード２４が設けられたアノード室２０と、カソード２６が設けられたカソード室２２を備えている。複数のカチオン交換膜２８とアニオン交換膜３０が、アノード室２０とカソード室２２の間に交互に配置されて、アノード側のアニオン交換膜３０とカソード側のカチオン交換膜２８によってそれぞれが画定されている希釈室３２、およびアノード側のカチオン交換膜２８とカソード側のアニオン交換膜３０によってそれぞれが画定されている濃縮室１８が形成されている。電解質溶液が、それぞれ流路３６および３８を介してアノード室２０とカソード室２２に供給される。
【００２２】
番号４０で示すイオン交換材が、希釈室３２の中に設けられている。そのような媒体は、イオン交換により不要のイオンを取り除くことによって、水の精製度を高める。さらに、その媒体は、以下に説明するように、イオンが膜２８および３０の方へ移動して次いでこれらの膜を通過し易くする。イオン交換材４０は、イオン交換樹脂、交換繊維、またはそれらの成形製品の形態とすることができる。
【００２３】
処理すべき水は、供給流５０から希釈室３２内に導入される。同様に、水または水溶液が、供給流４４から濃縮室１８内並びにアノード室２０およびカソード室２２に導入される。予め定められた電圧が二つの電極に印加されると、希釈室３２内のアニオンがアニオン交換膜３０を透過して濃縮室１８内へ入り、他方、希釈室３２内の流れのカチオンがカチオン交換膜２８を透過して濃縮室１８内へ入る。アニオンとカチオンの上述の移動は、希釈室３２内に存在するイオン交換材４０によってさらに容易となる。この点で、希釈室３２内のカチオンは、印加された電圧により駆動されて、イオン交換のメカニズムを使って、カチオン交換樹脂の中を通って移動し、結果的に、カチオン交換樹脂と直接接触しているカチオン交換膜２８の中を通過する。同様に、希釈室３２内のアニオンは、イオン交換のメカニズムを使って、アニオン交換樹脂の中を通って移動し、結果的に、アニオン交換樹脂と直接接触しているアニオン交換膜３０の中を通過する。供給流４４から濃縮室１８の中へ導入された水溶液または水、およびこれらの室に続いて移行してくるアニオンとカチオンの種は、集められ、次いで排出流４８から濃縮溶液として取り除かれ、他方、精製水流は、希釈室３２から排出流４２として排出される。
【００２４】
希釈室内に収容されまたは詰められ、希釈室を画定するカチオン交換膜とアニオン交換膜の間にあるイオン交換材に掛けられる圧力は、後述するように、イオン交換材を詰め込むことによって、０．１〜２０ｋｇ／ｃｍ2の範囲内に調節される。もし、圧力が０．１ｋｇ／ｃｍ2より低いと、イオン交換材の相互間、およびイオン交換材とイオン交換膜の間の物理的接触が不適当になりがちであり、それにより電気抵抗が増加する傾向にあるとともに、処理されるべき水の短いパスが形成されて水流の短絡が生じる傾向にある。その結果、結果として得られる水の純度が低下する傾向にあり、それは望ましくない。他方、もし、イオン交換材が、それに掛かる圧力が２０ｋｇ／ｃｍ２を超えるほどに詰め込まれると、イオン交換材の相互間、およびイオン交換材とイオン交換膜の間の接触は適当であろうが、水流および処理される水の量は減少しがちであるし、高い圧力によりイオン交換膜が損傷する傾向にある。したがって、この圧力は、好ましくは０．５〜１０ｋｇ／ｃｍ2、より好ましくは０．８〜２ｋｇ／ｃｍ2の範囲がよい。
【００２５】
希釈室内に詰められたイオン交換材に、およびイオン交換膜に掛かる圧力は、好ましくは、所望の圧縮圧力を達成する分量だけ希釈室内にイオン交換材を詰め込むことによって、希釈室内に収容されるべきイオン交換材の自由状態における体積をその再生形態の体積より小さくし、次いで再生し調整する水を電流とともに供給してイオン交換材を膨張させて、それにより圧力を高める、という要領で加えられる。これに代わって、イオン交換材を希釈室内に収容してから、希釈室の容積を機械的に減じて圧力を所望のレベルに上げるやり方もある。用語、「自由状態」は、この明細書において、イオン交換材が希釈室の閉じた空間内に合うように物理的にそれ自体を適合させてはいない状態を意味する。
【００２６】
上記の第一の方法では、自由状態における再生形態のイオン交換材の体積が希釈室の利用可能容積に対して１０３〜１７０％であるような分量でイオン交換材を希釈室内に詰めることが、好ましい。もし、この自由状態の分量が１０３％より小さいと、イオン交換材間の接触は不十分となりがちである。他方、もし、自由状態の分量が１７０％を超えると、当該接触は十分となろうが、水をイオン交換材の中を通すときの圧力損失が望ましくない程度に高く成りがちである。イオン交換材の自由状態の体積は、希釈室の容積の１１１〜１５０％の範囲にあることが望ましい。
【００２７】
イオン交換材の体積をその再生形態の体積より小さいレベルまで減少させるためには、以下の方法を使用することができる。(i)乾燥させることによって含水率を減らすことができる、(ii)イオン交換材を装荷形態(loaded form)に変換するために対イオンを再生形態(regenerated form)以外のためのイオン種に変える方法、(iii)溶媒置換のために有機溶媒にイオン交換材を浸すことができる。しかしながら、方法(i)および(ii)を組み合わせて使用することが好ましい。というのは、それらは、イオン交換材の構造に拘わらず容易に適用できるし、体積の減少量が大きいからである。
【００２８】
乾燥により含水率を減らす場合は、含水率を１〜３０重量％のレベルまで減らすことが好ましい。もし、含水率が１重量％より小であれば、乾燥のために、望ましくない程長い時間が掛かる。もし、含水率が３０重量％より大であれば、水を加え電流を流すことによる体積の増加は、最小限になりがちであり、それは望ましくない。含水率は、約１〜１５％の範囲にあるのが好ましく、乾燥が容易であるし、水を供給し電流を流すことによる体積増加が大きくなる。乾燥中における対イオンのタイプに関しては、カチオン交換材にはＮａ型が好ましく、アニオン交換材にはＣｌ型が好ましい。というのは、それらの型は、それぞれＨ型やＯＨ型に比べて、熱的に安定だからである。乾燥温度は、好ましくは、３０〜８０℃である。もし、３０℃より低いと、乾燥するために望ましくないほど長い時間が掛かるし、もし、８０℃より高いと、イオン交換基が分解しがちで、それは望ましくないからである。
【００２９】
イオン交換材を装荷形態に変換するために対イオンを再生形態以外のためのイオン種に変える方法の場合は、上述したように、カチオン交換材にはＮａ型が好ましく、アニオン交換材にはＣｌ型が好ましい。たのイオン種としては、カチオン交換材にはＫ型またはＬｉ型が好ましく、アニオン交換材にはＢｒ型やＮＯ3型などの１価の対イオンが好ましい。この点で、Ｃａ型もしくはＡｌ型や、ＳＯ4型などの２価またはそれより多い価の対イオンは、好ましくない。というのは、再生形態への変換が困難でありがちだからである。
【００３０】
上述の、イオン交換材を希釈室内に詰めて、次いで希釈室の容積を機械的に減じて圧力を高める方法では、希釈室フレームとイオン交換膜の間に、圧力で圧縮可能なスペーサを介在させ、図１に矢印５３、５５で描かれているように外部からスペーサの平面に垂直に圧力を掛け、希釈室の容積が５〜６０容量％だけ減少するように、イオン交換材を詰めた後でスペーサを圧縮することが好ましい。もし、希釈室の容積減少が５％より小さいと、収容されているイオン交換材の接触が不十分となりがちである。他方、もし、希釈室の容積減少が６０容積％より大きいと、接触は十分となるが、水がイオン交換材を通って流されるときの抵抗による圧力損失が大きくなりがちで、望ましくない。そのような収縮可能なスペーサの材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリスチレンの発泡シートを採用するのが好ましい。
【００３１】
図２は、希釈室３２内に使用されるべきこの発明のイオン交換材４０の好ましい配置（仕組み）を示す。この第１の実施態様では、イオン交換材４０は、アニオン交換相(exchange phase)５２、「混床（混合吸着床）」イオン交換相５６、およびカチオン交換相５４を含んで構成されており、それら相の層は、希釈室内の液流の流れ方向に実質的に直交するように配置されている。用語「混床」イオン交換材は、この明細書で使用される場合、アニオン交換材およびカチオン交換材の両者を混床体積の全体にわたってランダムに分布させたイオン交換材を意味し、この場合、アニオン交換材の体積割合は２０〜８０容量％の範囲内にあり、カチオン交換材の体積割合は８０〜２０容量％の範囲内にある。
【００３２】
印加した電圧の影響で、および中のアニオン交換材料とカチオン交換材料との間の高い界面接触の効で、混床相５６は、イオン不純物の効率的な除去を促進する。さらに、混床相５６は、混床相５６内を初め、アニオン交換相５２およびカチオン交換相５４内のアニオン交換材およびカチオン交換材の再生のために、水の分子が水素イオンと水酸化物イオンとにイオン化するのを助長する。そのような再生は、希釈室を通って流れる液流内のイオンの濃度が比較的低くて、加えられた電流を、希釈室３２を通って流れる液流の効率的な脱イオン化のために十分に高いレベルに維持するには、それ自体では不十分である領域において、とりわけ有利である。
【００３３】
混床相５６のアニオン交換材およびカチオン交換材の、それぞれアニオン交換膜３０およびカチオン交換膜２８との結合性を改善するために、混床相５６の各々の層は、一つの表面５６ａ上のアニオン交換相５２の層と他の表面上５６ｂ上のカチオン交換相５４の層の間に設けられている。この点で、アニオン交換相５２は、混床層５６の表面５６ａでアニオン交換体に隣接し連なっており、したがって、表面５６ａでそのようなアニオン交換体とアニオン交換膜３０との結合を提供する。同様に、カチオン交換相５４は、混床層５６の表面５６ｂでカチオン交換体に隣接し連なっており、したがって、表面５６ａでそのようなカチオン交換体とカチオン交換膜２８との結合を提供する。それら結合は、両方の場合とも、組み合わさったイオン交換およびイオン伝導のメカニズムを通して、混床相５６の空隙内の流れ領域の中からそれぞれアニオン交換膜３０およびカチオン交換膜２８へと、アニオンおよびカチオンの移動を容易にする。
【００３４】
図３は、この発明のイオン交換材４０の配置（取合せ構成）の他の実施態様を示し、ここではイオン交換材４０は、アニオン交換相５２および混床相５６の交互に配置された複数の層からなっている。この配置は、混床イオン交換材の中のアニオン交換体の結合性を改善する。その結果、単純なアニオンの除去を促進するとともに、重要なことに、反応性シリカ、二酸化炭素、ホウ酸の形態の硼素などの弱くイオン化している塩基性無機汚染物質、およびカルボニル酸やフェノールなどの弱酸性の有機汚染物質の除去を促進する。好ましくは、この配置は、上流の装置でまたは同じ希釈室３２の上流領域でカチオン不純物の大きい塊が既に除去されていて、残った弱くイオン化しているアニオン不純物を除去したい場合に、電気脱イオンにおける希釈室３２の領域で使用される。
【００３５】
図４を参照すると、この発明のイオン交換材４０の他の取合せが図解されており、ここでは、イオン交換材４０は、カチオン交換相５４および混床相５６の交互に配置された複数の層からなっている。この取合せは、混床相５６のカチオン交換体の結合性を改善することによって、カチオンならびにアンモニア、アミン類、およびヒドラジンなどの弱くイオン化しているカチオン材料の除去を促進する。
【００３６】
ず２、３および４に図解された実施態様は、イオン交換材４０の混成層、すなわち、アニオン交換材５２および／またはカチオン交換材５４の層と混床イオン交換材５６の層の、実質的に平らな表面を有する複数層を描写している。それらの表面が実質的に平らであることは、本質的ではない。図５、６および７は、さらなる実施態様を示し、そこではイオン交換材４０のそれら層がジグザグに、つまり波形になっていて、平らな層の場合よりも、隣接層間のより大きい界面面積を提供する。
【００３７】
上記実施態様のアニオン交換相５２、カチオン交換相５４および混床相５６は、イオン交換樹脂、イオン交換ファイバまたはそれらの成形製品の形態とすることができるが、多孔質で、そしてそこを通過する液体の流れに対して透過性でなければならない。成形製品は、バインダポリマによって互いに結合されたイオン交換樹脂粒で構成することができる。
【００３８】
次に、図８を参照すると、この発明の他の実施態様に従って、イオン交換材は、吸着床面に直交する方向にマトリクス５８内に分散された混床相５６の多孔質で透過性のクラスタ６２の互いに離れている複数の円筒を有する第一のイオン交換材６０の多孔質で透過性の連続マトリクスの吸着床で構成されている。第一のイオン交換材６０は、交互に配置されたアニオン交換相５２とカチオン交換相５４で構成されている。このような構成にすると、希釈室３２の中からアニオンおよびカチオンの除去が改善される。
【００３９】
これに代えて、図９および１０に図解するように、連続マトリクスの第一イオン交換材６０は、アニオン交換相５２またはカチオン交換相５４のいずれか一方で構成することができる。この点で、前者で構成すると、希釈室３２からのアニオンの除去が改善され、後者で構成すると、希釈室３２からのカチオンの除去が改善される。
【００４０】
さらに代案の実施態様として、図１１に図解するように、イオン交換材４０は、吸着床面に直交する方向にマトリクス５８内に分散された単一相の第二のイオン交換材の多孔質で透過性のクラスタ６６の互いに離れている複数の円筒を有する混床相５６の多孔質で透過性の吸着床で構成されている。第二のイオン交換材は、アニオン交換相５２またはカチオン交換相５４のいずれかで構成されている。
【００４１】
クラスタ６２または６６は、アニオン交換材５２またはカチオン交換材５４または混床イオン交換材５６が高分子バインダで結合された浅い吸着床または連続相のシートから、所望の寸法および形状のクラスタをダイカットすることにより形成される。イオン交換材の連続相のシートは、マトリクス６０または６４で構成され、高分子樹脂で結合され、そこからダイカットされたクラスタ６２または６６の寸法および形状に対応する複数の孔を有しており、切り出されたクラスタ６２または６６をびったり合った摩擦対偶で受けることができ、図８、９、１０および１１のうちのいずれかに図解された実施態様に使用するためのイオン交換材４０を形成する。
【００４２】
図１２および１３は、この発明のまたさらなる実施態様を図解し、ここでは希釈室３２内にアニオン交換膜３０およびカチオン交換膜２８のうちのいずれかの近くに、混床イオン交換材５６のいくつかの領域が設けられている。希釈室３２内で混床イオン交換材の上記領域に隣接する位置に、アニオン交換相５２およびカチオン交換相５４が設けられている。
【００４３】
【実施例】
次に、この発明の方法および装置を、以下の非限定的な実施例について説明する。
【００４４】
実施例１
電気脱イオン装置（実効面積５０７ｃｍ2）は、希釈室および濃縮室の３０セル対で構成されており、各セル対の幅は１３ｃｍで各セル対の長さは３９ｃｍであり、フィルタプレス型の電気脱イオンスタックを形成し、カチオン交換膜（強酸タイプ不均一膜、厚さ０．０５ｃｍ、イオン交換容量４．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂）およびアニオン交換膜（強塩基タイプ不均一膜、厚さ０．０５ｃｍ、イオン交換容量３．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂）で仕切られた濃縮室および希釈室を有し、希釈室スペーサフレーム（ポリプロピレン製）および濃縮室フレーム（ポリオレフィン製）と溶融ポリプロピレン支持メッシュによって配置され固定された。
【００４５】
各々の希釈室は、各々カチオン交換材の最初の層とそれに続く４層の繰返しを１０組とが詰められており、当該４層のそれぞれは、ａ）流れ方向に厚さ約０．９８ｃｍの混床イオン交換材の層、ｂ）流れ方向に厚さ約１．０ｃｍのアニオン交換材の層、ｃ）流れ方向に厚さ約０．９８ｃｍの混床イオン交換材の層、ｄ）流れ方向に厚さ約１．０ｃｍのカチオン交換材の層からなっていた。各希釈室内の混床層は、強塩基アニオン交換樹脂と強酸カチオン交換樹脂の５０重量％混合物の約７０．３グラム（乾燥イオン交換重量基準）で構成された。各希釈室内のアニオン交換層は、イオン交換樹脂とオレフィン高分子バインダの乾燥状態の混合物からなるシート状製品の形態をした強塩基アニオン交換樹脂の約４９．９グラム（乾燥アニオン交換重量基準）で構成された。同様に、各希釈室内のカチオン交換層は、イオン交換樹脂とオレフィン高分子バインダの乾燥状態の混合物からなるシート状製品の形態をした強酸アニオン交換樹脂の約７１．３グラム（乾燥カチオン交換重量基準）で構成された。これら二つのイオン交換樹脂は、スルホン酸タイプのカチオン交換樹脂（商品名：Diaion SK-18 Mitsubishi Chemical Corporation 製）と、第四アンモニウム塩アニオン交換樹脂（商品名：Diaion SA-10A Mitsubishi Chemical Corporation 製）であった。
【００４６】
この電気脱イオン装置を使用して、次の要領で試験を行った。精製すべき供給水を、２２〜２４℃で１７．５ｐｐｍのＮａＣｌ（導電率約３５μＳ／ｃｍ）を含有させて用意した。精製すべき供給水を、電気脱イオン装置の希釈室を通って約１２．５ｇ／分の流量で通過させ、４．３アンペアの直流を流した。このような運転条件で、電気脱イオン装置の生成水の抵抗率は、２５℃に修正して、１７．３２ＭΩ・ｃｍと測定された。この高いレベルの生成物抵抗率は、脱イオンが効果的に行われたことを示している。
【００４７】
実施例２
上述の実施例１におけるのと同様の要領で、しかし下記の点で異なる、比較実験を行った。すなわち、各希釈室には、上記のタイプの強塩基アニオン交換樹脂と強酸強塩基樹脂の５０重量％混合物を１９１グラム（乾燥イオン交換重量基準）詰めた。
【００４８】
実施例２は、この電気脱イオン装置を使用して、下記の要領で実施した。精製すべき供給水を、２２〜２４℃で１７．１ｐｐｍのＮａＣｌ（導電率約３４μＳ／ｃｍ）を含有させて用意した。精製すべき供給水を、電気脱イオン装置の希釈室を通って約１２．５ｇ／分の流量で通過させ、４．３アンペアの直流を流した。このような運転条件で、電気脱イオン装置の生成水の抵抗率は、２５℃に修正して、１４．４７ＭΩ・ｃｍと測定された。このレベルの生成物抵抗率は、脱イオンの程度が、実施例１に比べて、より低かったことを示している。
【００４９】
上記の実施例１および実施例２で示されるように、電気脱イオン装置をこの発明で説明するように運転する（詰めた混床イオン交換層と別々のアニオン層およびカチオン層とを連結して）と、電気脱イオン装置がより効率的に供給水を脱イオン化させることができる。
【００５０】
この発明は、それぞれのイオン交換膜から遠い領域からそれらイオン交換膜へとアニオンおよびカチオンが移動するための改善された伝導パスを提供しつつ、アニオン交換材とカチオン交換材の間の改善された界面接触を創り出すように適応されたイオン交換材を中に有する希釈室を持った電気脱イオン装置を提供することにより、数多くの重要な利点を提供する。
【００５１】
この点で、イオン交換材は、アニオン交換材とカチオン交換の間の特性的に高い界面接触を有する混床イオン交換材の多孔質相を含んでいる。そのような界面接触を提供することにより、この混床相は、希釈室を通って流れる液流の中のイオン不純物の効果的な除去を促進する。さらに、混床相は、アニオン交換体およびカチオン交換体の再生のために、水を水素イオンと水酸化物イオンにイオン化するのを容易にする。そのような再生は、希釈室を通って流れる液流中のイオン濃度が比較的低く、それ自体では希釈室を通って流れる液流を効果的に脱イオン化するために、与えられた電流を十分に高いレベルに維持するには不十分であるところの領域において、とりわけ有利である。
【００５２】
混床イオン交換相は、多孔質相のアニオン交換材および／または多孔質相のカチオン交換材に接触している。アニオン交換相の場合には、その接触により、混床相に吸収されたアニオンがアニオン交換膜へ移動するのが容易となる。アニオン交換相内のアニオン交換材と混床相内のアニオン交換材との間の界面接触(interfacial contact)は、希釈室内の逆電荷に帯電したイオンによりもたらされる、混床相に吸収されたアニオンのアニオン交換膜への移動に対する電気的な抵抗を緩和する。これは、そのような界面接触が、吸収されたアニオンが混床相から、アニオン交換層を横切って、アニオン交換膜へと移動するための伝導パスを提供するからである。
【００５３】
同様に、カチオン交換相の場合には、そのような界面接触により、混床相に吸収されたカチオンがカチオン交換膜へ移動するのが容易となる。カチオン交換相内のカチオン交換材と混床相内のカチオン交換材との間の界面接触は、希釈室内の逆電荷に帯電したイオンによりもたらされる、混床相に吸収されたカチオンのカチオン交換膜への移動に対する電気的な抵抗を緩和する。これは、そのような界面接触が、吸収されたカチオンが混床相から、カチオン交換層を横切って、カチオン交換膜へと移動するための伝導パスを提供するからである。
【００５４】
添付の請求の範囲で定義される発明の範囲および限界から逸脱することなく、ここに説明した実施態様に変更がなされ得ることは、当然のことながら、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の電気脱イオンユニットの模式図である。
【図２】  この発明のイオン交換材の構成の一部破断斜視図である。
【図３】  この発明のイオン交換材の第２の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図４】  この発明のイオン交換材の第３の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図５】  この発明のイオン交換材の第４の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図６】  この発明のイオン交換材の第５の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図７】  この発明のイオン交換材の第６の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図８】  この発明のイオン交換材の第７の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図９】  この発明のイオン交換材の第８の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図１０】  この発明のイオン交換材の第９の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図１１】  この発明のイオン交換材の第１０の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図１２】  この発明のイオン交換材の第１１の構成の部分的に破断した斜視図である。
【図１３】  図１２におけるイオン交換材の構成の側面立面図である。
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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