CN1080594C - 制造去离子水的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种制造去离子水的设备，它实质上包括电渗析器和离子交换剂。电渗析器具有阳离子交换薄膜和阴离子交换薄膜被交替放置在阴极和阳极之间而构成的脱矿室和浓缩室，而离子交换剂则被放置在脱矿室中。在被放置于脱矿室中的离子交换剂和构成脱矿室的阳离子交换薄膜以及阴离子交换薄膜之间存在着0.1-20kg/cm2的压力。
Description
技术领域
本发明涉及制造去离子水的方法和设备，这种方法和设备适宜制造用于药品、半导体生产的纯净水或超纯净水以及发电过程中的锅炉用水。
背景技术
作为制造去离子水的方法，一般是将有待处理的水通过填充有离子交换树脂的床层，使一些杂质离子被吸附到离子交换树脂上而被除去，得到去离子水。通常还要采用一种酸或碱使吸附能力已下降的离子交换树脂再生。但是，这种方法存在一个问题，就是用于再生后的酸液或碱液要被排掉，所以希望有一种不需用这种再生的制造去离子水的方法。从这个观点出发，近几年人们把目光集中在通过自身再生型电渗析制造去离子水的方法，其中的离子交换树脂与离子交换薄膜被结合在一起使用。在这种方法中，阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的混合物被填充在由阴离子交换薄膜和阳离子交换薄膜交替放置构成的电渗析器的脱矿室中，当被处理的水通过脱矿室时，就加上电压进行电渗析，制造去离子水。在这种方法中，通常离子交换树脂是以湿态形式装在脱矿室中的，这样就有离子交换树脂之间或离子交换树脂和离子交换薄膜之间接触不充分的缺点，如果尝试增加脱矿室的厚度来减少有效的薄膜面积，那么电阻就会增大。
为了克服这些缺陷，JP-B-4-72567和JP-B-6-20513中提出了一种方法，即调整每个脱矿室的宽度和厚度来抑制电阻的增大，一般把宽度调整在0.762-10.16cm(0.3-4英寸)之间，把厚度调整在0.127-0.635cm(0.05-0.25英寸)之间。但是，这种方法也有缺陷，就是这种脱矿室的厚度较薄，所以离子交换剂装入脱矿室较困难，而且单位面积得到的去离子水的量也较少。
发明的揭示
本发明的一个目的是提供了一种新颖的制造去离子水的设备，它是一种自身再生型电渗析制造去离子水的设备，其中的离子交换剂和离子交换薄膜结合在一起使用，即使脱矿室较厚，电阻也很小。通过这种方法，可以在较长时间内连续地得到纯水，而且没有历来技术中的前述的缺陷。同时，本发明还提供了一种利用这种设备制造去离子水的方法。
本发明提供的制造去离子水的设备包括电渗析器和离子交换剂。电渗析器具有阳离子交换薄膜和阴离子交换薄膜交替放置在阴极和阳极之间而构成的脱矿室和浓缩室；而离子交换剂则被装在脱矿室中。在脱矿室中的离子交换剂和构成脱矿室的阳离子交换薄膜以及阴离子交换薄膜之间存在着0.1-20kg/cm2的压力。
以下，对附图进行简单地说明。
图1表示测量离子交换剂和容器壁之间压力的方法。
图2表示用于试验例的电渗析器的构造。
图3表示自身再生型电渗析设备的一种实施方案的简图。
图4表示测量实施例中将水通过干燥离子交换剂时产生的压力的设备。
图5表示一种离子交换树脂多孔体的实施方案，其中的多孔阳离子和阴离子交换片按海岛状图形放置(用于实施例3)。
图6表示一种离子交换树脂多孔体的实施方案，其中的多孔阳离子和阴离子交换片被逐层放置(用于实施例4)。
实施发明的最佳状态
本发明中离子交换剂的状态可被预先改变，然后再放置到电渗析器的脱矿室中，也可以先被放置在脱矿室中，再改变其状态。本说明书中，离子交换剂的状态将用以下的各种术语在下文中描述。“工作状态”表示离子交换树脂被放置于脱矿室中，并用于电渗析时的状态，此时它和工作环境保持平衡；“收缩状态”表示通过某种方法，使离子交换剂的表观体积收缩到一定程度的状态；“自由状态”表示离子交换剂和工作环境保持平衡，但不受脱矿室限制的状态。
本发明中每个脱矿室的厚度一般至少为0.2cm，较好的是至少为0.7cm。如果脱矿室的厚度小于0.2cm，减小有效薄膜面积的效果就不明显，而且在其中放置离子交换剂就比较困难。另一方面，厚度超过80.0cm，减小有效薄膜面积的效果虽然明显，但电阻的增加会很大，这并不是我们所希望的。所以，脱矿室的厚度最好的是在1.1-30.0cm的范围内，这样，电阻的增加不大，但减小有效薄膜面积的效果却很明显。
被容纳或填充在脱矿室中的离子交换剂和构成脱矿室的阳离子交换薄膜以及阴离子交换薄膜之间的压力被调整在0.1-20kg/cm2的范围内。如果压力小于0.1kg/cm2，则离子交换剂颗粒之间或离子交换剂和离子交换薄膜之间的接触就不充分，电阻可能会增大，或待处理的水会形成短路，得到的水的纯度就降低。这并不是我们所希望的。另一方面，如果压力超过20kg/cm2，则离子交换剂颗粒之间或离子交换剂和离子交换薄膜之间的接触虽然足够，但被处理的水的量将减少，而且所用的离子交换薄膜可能被压力破坏。上述的压力较好的是在0.5-10kg/cm2的范围内，更好的是在0.8-2kg/cm2的范围内。
本发明中，被填充在脱矿室中的离子交换剂和离子交换薄膜之间的压力的建立应按下列两种方法进行，(1)容纳在脱矿室中的离子交换剂先转变成其体积小于其再生后体积的状态，然后以一定的数量填充在脱矿室中，使自由状态的再生离子交换剂的体积大于脱矿室的体积。接着通入水，导入电流，让离子交换剂膨胀，增加其体积，从而使压力增大；(2)将离子交换剂放置在脱矿室中，然后通过机械方法使脱矿室的体积减小，达到增大压力的目的。
在以上的方法(1)中，较好的是放置在脱矿室中的离子交换剂的数量能使其自由状态的再生形式的离子交换剂的体积为脱矿室体积的103-170％。如果其自由状态的体积小于103％，离子交换剂的接触就较差。另一方面，如果自由状态的体积大于170％，虽然接触较好，但水通过离子交换剂时的压力损失就变大，这并不是我们所希望的。较好的是离子交换剂的数量能使自由状态的体积为脱矿室的体积的111-150％。
使离子交换剂的体积转变成小于其再生形式体积的状态的方法有3种，(i)通过干燥减少其中水的含量；(ii)把其相反离子转变为一种再生形成之外的离子种类，使离子交换剂变为负荷形式；(iii)把离子交换剂浸渍于有机溶剂中进行溶剂替代。但较好的是将方法(i)和方法(ii)结合使用，因为这种方法不论离子交换剂的种类和构造如何都能使用，而且体积减小得很多。
水含量经干燥减少的方法中，较好的是将水含量(重量)减少至1-30％。如果水含量小于1％，干燥的时间过长，这不是我们所希望的。如果水含量超过30％，通水和通电后增大体积的效果就不好，也不是我们所希望的。水含量较好的是在5-15％之间，这样干燥较容易，而且通水和通电后增大体积的效果也明显。就干燥时相反离子的类型而言，Na型离子适合于阳离子交换剂，Cl型离子适合于阴离子交换剂，因为这些离子的热稳定性较好。干燥温度较好是在30-80℃的范围内，如果低于30℃，则干燥时间过长，如果高于80℃，离子交换基团会分解，这并不是我们所希望的。
关于把相反离子转变为一种再生形成之外的离子种类，使离子交换剂变为负荷形式的方法，如上所述，Na型离子适合于阳离子交换剂，Cl型离子适合于阴离子交换剂。至于其他的离子种类，如K型离子或Li型离子适合阳离子交换剂，一价相反离子如NO3适合阴离子交换剂。在这方面Ca型离子或Al型离子或者二价或多价相反离子如SO4就不适合，因为它们转变为再生形式较困难。
至于上面提到的方法(2)，即离子交换剂先被填充在脱矿室中，然后利用机械方法减小脱矿室的体积来增大压力的方法，较好的是在脱矿室边框和离子交换薄膜之间***一个受压能收缩的垫片，一般在离子交换剂填充于脱矿室中之后从外界施加压力来压缩垫片，使脱矿室的体积减少5-60vol％。如果减少的脱矿室的体积少于5vol％，则被填入的离子交换剂的接触不够。另一方面，如果减少的脱矿室的体积大于60vol％，虽然接触较好，但水通入离子交换剂时的压力损失就增加，这不是我们所希望的。制造这种能收缩的垫片的材料，宜用聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯的泡沫片材。
本发明中被放置在脱矿室中的离子交换剂可以是离子交换树脂、离子交换纤维或它们的成型物。其中，从离子交换性能，耐久性方面考虑，较好的是利用一种粘合剂聚合物，将离子交换树脂颗粒粘合制成的片状或板状的多孔离子交换剂。更好的是用多孔离子交换剂的片状物，因为其中离子交换树脂颗粒的相互接触较好，且能很容易地被放置在脱矿室中。
放置在脱矿室中时离子交换剂的孔隙度，较好的是能将连续通过孔隙的液体流量控制在5vol％以上。如果孔隙度小于5vol％，则液体的流量减少，而压力损失增大，这不是我们所希望的。孔隙度较好的是在10-40vol％的范围内，因为此时水的渗透较好，脱矿物质的性能也较好，经处理的水的纯度很高。这就是离子交换剂被放置在脱矿室中应有的孔隙度，然后通入水并导入电流。
作为离子交换剂，可使用阳离子交换剂、阴离子交换剂或其混合物，或其多孔性成型物。离子交换剂的结构可以是阳离子交换剂区域和阴离子交换剂区域相结合的结构。在这种情况下，与离子交换薄膜接触的相应区域的配置的形式可以是多种多样的。例如，海岛状、多层状、镶嵌状和点阵状。较好的是海岛状和多层状，因为这种形状的离子交换剂能比较容易地被放置在脱矿室中，而且脱矿物质效果较好。所用的阳离子交换剂和阴离子交换剂的总比例，较好的是使阳离子交换剂/阴离子交换剂的总离子交换容量之比在20/80-80/20的范围内。
当多孔性离子交换剂被用作离子交换剂时，多孔性离子交换剂中的粘合剂聚合物的重量比不宜超过20％。如果重量比超过20％，则粘合剂聚合物可能会覆盖离子交换树脂颗粒的表面，使其吸附能力降低，而且孔隙度也减小，结果被处理的液体的流量也会减少，压力损失增加。以上的重量比更好的是在1-5％的范围内。从制备多孔性离子交换剂的角度考虑，所用的粘合剂聚合物较好的是热塑性聚合物或溶剂溶解型聚合物。
作为粘合剂聚合物，较好的是使用以下各种聚合物。首先，热塑性聚合物包括低密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、超高分子量高密度聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、1，2-聚丁二烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。其次，溶剂溶解型聚合物包括天然橡胶、丁基橡胶、聚异戊二烯、聚氯戊二烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、氯乙烯-脂肪酸乙烯酯共聚物。
利用粘合剂聚合物使离子交换树脂颗粒粘合在一起形成的多孔片状物的厚度，较好的是能使此多孔片状物被填充在脱矿室中时的厚度减小到占脱矿室厚度的50-100％。如果厚度小于脱矿室厚度的50％，则通入水并导入电流时，多孔片状物就不能与离子交换薄膜很好地接触，这不是我们所希望的。如果厚度超过脱矿室厚度的100％，多孔片状物就不能够被放置在脱矿室中。更好的是，能使多孔片状物的厚度减小到占脱矿室厚度的70-90％。
利用粘合剂聚合物把离子交换树脂颗粒粘合在一起形成多孔片状物的较好的方法如下，即(1)将离子交换树脂颗粒和粘合剂聚合物加热捏和，然后通过热成形的方法如平板压制的方法形成多孔片状物；(2)将粘合剂聚合物溶液覆盖在离子交换树脂颗粒的表面上，然后蒸发掉溶剂来固化粘合剂聚合物；(3)将粘合剂聚合物、成孔材料和离子交换树脂颗粒加热混合在一起形成片状，然后将成孔材料提取出来；(4)将分散有成孔材料的粘合剂聚合物覆盖在离子交换树脂颗粒的表面并使之固化，然后将成孔材料提取出来。这四种方法中，从成形加工性能或所得到的多孔离子交换剂的电阻方面考虑，较好的方法是方法(1)和方法(3)。
从离子交换性能和化学稳定性的角度考虑，离子交换剂的离子交换基团，即阳离子交换基团较好的是强酸性的磺酸类，阴离子交换基团较好的是强碱性的季铵盐类或吡啶鎓盐类。离子交换剂的离子交换容量较好的是0.5-7meq/g干燥树脂。如果离子交换容量低于0.5meq/g干燥树脂，离子吸附即脱矿室中的脱矿物质过程将进行得不完全，这样经处理的水的纯度也会降低，这不是我们所希望的。离子交换容量更好的是在1-5meq/g干燥树脂的范围内，这样可以得到纯度较高的纯净水，而且净化操作的稳定性也较好。
本发明所使用的制造去离子水的设备，较好的是利用具有以下构造的电渗析器，如JP-A-3-186400、JP-A-2-077526、JP-A-5-64726、US专利4,632,745和US专利5,425,866中提到的电渗析器。
电渗析器包括提供阳极的阳极室和提供阴极的阴极室和多个阳离子交换薄膜和阴离子交换薄膜。这些薄膜交替地被放置在阳极室和阴极室之间(较好的是通过室的边框形成脱矿室和浓缩室)。每个脱矿室在阳极一侧被阴离子交换薄膜限定，在阴极一侧被阳离子交换薄膜限定；浓缩室在阳极一侧被阳离子交换薄膜限定，在阴极一侧被阴离子交换薄膜限定，这些脱矿室和浓缩室交替排列，总数较好的是2-50个单位。中心有一个开口的画框状的室边框位于阳离子交换薄膜和阴离子交换薄膜之间，其厚度决定了脱矿室和浓缩室的厚度。脱矿室和浓缩室的边框的厚度不一定要相同。离子交换薄膜可以是均相的，也可以是非均相的，为了增加离子交换薄膜的机械强度，可使用编织织物或非织造织物。浓缩室中，较好的是***一个网络形式的垫片，为了能保持浓缩室的厚度小于脱矿室的厚度，并在0.05-10cm的范围内，较好的是采用塑料制成的垫片。通电进行脱矿的同时将水通入脱矿室中进行处理，并向浓缩室中通水以便排出浓缩出来的盐类。对每个单元施加4-20V的电压以产生电流密度为0.00001-0.05A/cm2的电流。
图3表示的就是这种类型的电渗析器的一种实施方案的简图。图3中，A表示阴离子交换薄膜，K表示阳离子交换薄膜。如图所示，阴离子交换薄膜A和阳离子交换薄膜K按照预先规定的距离，通过脱矿室边框D1、D2、D3…Dn和浓缩室边框C1、C2、C3…Cn被放置在电渗析器1中，形成一个阳极室2，浓缩室S1、S2…Sn，脱矿室R1、R2…Rn和一个阴极室3。阳离子和阴离子交换树脂被填充在脱矿室R1、R2…Rn中。垫片N1、N2、N3…Nn***在浓缩室中。
图3中，数字4表示阳极，数字5表示阴极。处于工作状态时，将预先规定的电压加在两个电极之间，此时经导管6进入脱矿室R1、R2…Rn的需处理水中的阴离子将通过阴离子交换薄膜A渗透进入到位于阳极一侧的浓缩室。与此同时，需处理水中的阳离子通过阳离子交换薄膜K渗透进入到位于阴极一侧的浓缩室。此时需处理的水则被去离子化，然后经导管7排出。此外，还将水或水溶液经导管8通入各个浓缩室S1、S2…Sn，阴离子和阳离子组分如上述方法一样被渗透、转移，然后被收集起来，作为浓缩液经导管9排出。被脱矿室中的阳离子交换剂捕获的被处理水中的阳离子获得了由电场产生的推动力，经过与捕获了这些阳离子的阳离子交换剂相接触的阳离子交换剂，到达阳离子交换薄膜，然后通过该薄膜进入浓缩室。同样的，被阴离子交换剂捕获的被处理水中的阴离子也经过阴离子交换剂，渗透过阴离子交换薄膜进入浓缩室。所以更好的情况是，阳离子交换剂和阴离子交换剂各自聚集形成一些区域，这样相同离子类型的交换剂颗粒的连接点会显著增加，离子的转移将变得更容易，去离子的性能也就会提高。
以下，通过实施例对本发明进行更详细的说明。但本发明并不仅限于这些实施例。
试验例
制备离子交换剂
将平均直径为500μm的球形阳离子交换树脂(商品名：Diaion SK1B，Mitsubishi化学公司制造)和平均直径为500μm的球形阴离子交换树脂(商品名：Diaion SA10A，Mitsubishi化学公司制造)按体积比为50/50的比例混合，然后于50℃干燥。干燥后混合物的重量减少到原来重量的55％。使用的粘合剂是以下实施例2中提到的直径为2-6mm，长为4-9mm的片状线型低密度聚乙烯，相对于粘合剂和离子交换树脂的总量，粘合剂的添加量如表1所示，利用捏和机，于140℃把以上的混合物捏和在一起，时间为40分钟。将经捏和的混合物放入一侧有250mm×150mm开口的长方体金属模具中，在120℃×25kg/cm2的条件下加压，得到长方体形状的多孔模制片状物。
改变装入模具中混合物的量，由按表1所示的各种混合比例捏和而成的混合物得到的模制片状物的厚度分别为6.7mm、7mm、7.5mm。根据厚度的不同，把每块模制片状物按长、宽、厚的比例为140∶100∶8切割，得到表1所示的离子交换剂1-9。当这些模制片状物被浸在室温的纯净水中8小时后，其长、宽、厚的膨胀比例基本上是相同的，且达到一个平衡状态。膨胀后增加的长度相对于其原来的长度就作为膨胀率(％)表示。
表1
| 离子交换剂 | 粘合剂的添加量(wt％) | 尺寸(mm) | 膨胀率(％) |
| 1 | 5 | 117×84×6.7 | 23 |
| 2 | 5 | 123×88×7 | 22 |
| 3 | 5 | 131×94×7.5 | 23 |
| 4 | 2 | 117×84×6.7 | 26 |
| 5 | 2 | 123×88×7 | 27 |
| 6 | 2 | 131×94×7.5 | 25 |
| 7 | 1 | 117×84×6.7 | 27 |
| 8 | 1 | 123×88×7 | 28 |
| 9 | 1 | 131×94×7.5 | 25 |
测定膨胀压
如图1所示，将处于干燥状态的离子交换剂13放置在长方体形状的金属容器11(底宽100mm，底长140mm)中，在其上放置金属板12，调整测压计14的位置，使测压计14前端的承载面在离子交换剂13的厚度膨胀至8mm时能和金属板12接触。即调整测压计的位置，使离子交换剂13处于干燥状态时，测压计14前端的承载面和金属板12之间的空隙a和离子交换剂13的厚度b之和为8mm。然后，从入水口15通入水，当水的吸收达到平衡时由对于测压计作用的力可以得知作用于离子交换剂13和金属板12之间的压力。最后得到了处于工作状态的离子交换剂和处于自由状态的离子交换剂的体积比，也就得到了工作状态体积/自由状态体积×100％的值，其结果如表2所示。
表2
| 离子交换剂 | 压力(kgw/cm2) | 体积比(％) |
| 1 | 0.22 | 91 |
| 2 | 1.10 | 79 |
| 3 | 4.51 | 65 |
| 4 | 0.43 | 85 |
| 5 | 1.95 | 74 |
| 6 | 6.52 | 61 |
| 7 | 0.47 | 83 |
| 8 | 2.06 | 72 |
| 9 | 6.68 | 59 |
利用电渗析器进行评估
将离子交换剂1-9中的任何一块放置在如图2所示结构的电渗析器的脱矿室27中，并用夹子夹紧至规定的尺寸。脱矿室27的形状为长方体形状，水流方向的长度为140mm，宽为100mm，阴离子交换薄膜28和阳离子交换薄膜25之间的空隙为8mm。在两个浓缩室26中分别***了由聚丙烯制成的垫隔网，这样即使脱矿室27中的离子交换剂发生了膨胀，阴离子和阳离子交换薄膜之间的空隙基本上也不会改变，因此，在脱矿室中离子交换剂显示出与表2所示同样的压力。此外，为了进行比较，利用与离子交换剂1-9相同的方法制备了离子交换剂10，它的模制尺寸为111mm×79.4mm×6.3mm，其中含有2wt％的粘合剂。令这块离子交换剂充分吸收水分，使其尺寸和脱矿室27的尺寸相同，然后将其放置在脱矿室27中。
分别在脱矿室中以0.18L/hr的速度，通入具有约10μS/cm导电率的水；在浓缩室26中以20L/hr的速度，通入具有约1mS/cm导电率的水；在阳极室24和阴极室21中以1L/hr的速度，通入具有约200μS/cm导电率的水。通入这些水的时间均为1小时，然后在相同的条件下通入电流1.0A。电渗析器连续工作40小时，当工作状态趋向稳定后，将脱矿室中水的流速调整到28.8L/hr，这样就能测出电渗析器的脱矿室上端和下端的压力损失；从脱矿室中流出的去离子水的导电率以及脱矿室的电阻率，其结果如表3所示。图2中，数字21表示阴极，数字22表示阳极。
表3
| 离子交换剂 | 压力损失(kgw/cm2) | 去离子水的导电率(μs/cm) | 脱矿室的电阻率(Ωcm) |
| 1 | 0.08 | 0.481 | 520 |
| 2 | 0.12 | 0.368 | 330 |
| 3 | 0.18 | 0.213 | 210 |
| 4 | 0.10 | 0.439 | 450 |
| 5 | 0.14 | 0.327 | 300 |
| 6 | 0.20 | 0.200 | 120 |
| 7 | 0.10 | 0.436 | 360 |
| 8 | 0.14 | 0.320 | 280 |
| 9 | 0.21 | 0.197 | 110 |
| 10 | 0.02 | 2.12 | 1350 |
利用离子交换剂1-9，可连续得到纯度很高的去离子水，而且电阻率较低。，此外，还观察到一种趋势，就是利用如表2所示的具有较高压力的离子交换剂得到的去离子水的性能较好，而利用离子交换剂10得到的去离子水的纯度不高。从压力损失的测定发现，在离子交换剂和室边框之间以及离子交换剂和离子交换薄膜之间形成了空隙，方向是从每个脱矿室的入口朝向出口。
实施例1
于50℃，将粒径为400-600μm、离子交换容量为4.5meq/g干燥树脂的磺酸型(H型)阳离子交换树脂(商品名：Diaion SK-1B，Mitsubishi化学公司制造)和粒径为400-600μm、离子交换容量为3.5meq/g干燥树脂的季铵盐型(OH型)阴离子交换树脂(商品名：Diaion SA-10A，Mitsubishi化学公司制造)进行热风干燥，使其中水的含量减少至8wt％，然后按阳离子交换树脂/阴离子交换树脂＝44/56的比例(干燥状态的重量比)，将这两种树脂混合，得到离子交换容量比为50/50的混合物。把此经干燥的离子交换树脂混合物填充在电渗析器的每一个脱矿室中，使填充体积比为60％，脱矿室厚度为1.2cm，其中装有由聚丙烯制成的垫隔网(厚度为0.2cm)的浓缩室的厚度为0.2cm。在通水60分钟，通电预处理24小时后，测出导电率为10μS/cm的水的电阻率，当电流密度为0.0025A/cm2时该电阻率为1051Ω·cm。利用图3所示的电渗析器，制造去离子水的方法如下，电渗析器是一台压滤器型电渗析器，它具有经脱矿室的边框(由厚度为1.2cm的聚丙烯制成，)和浓缩室的边框(由厚度为0.2cm的聚丙烯制成)夹紧并交替放置的阳离子交换树脂薄膜(强酸型异相膜，厚度为500μm，交换容量为2.7meq/g干燥树脂)和阴离子交换树脂薄膜(强碱型异相膜，厚度为500μm，交换容量为2.1meq/g干燥树脂)；还具有5对有效表面积为507cm2(宽：13cm，长：39cm)的脱矿室和浓缩室。
通入导电率为5μS/cm的水，在电流密度为0.004A/cm2(电压＝5V/单元池)的条件下脱矿物质，结果是以0.4m3/hr的生产流量，连续得到导电率为0.062μS/cm的纯净水。在这种情况下，生产出1m3/hr纯净水的薄膜有效表面积为1.27m2。测试完成之后，将离子交换树脂从脱矿室中取出，测定其处于自由状态的离子交换树脂混合物的容积，其结果是脱矿室容积的122％。进一步利用图4所示的测量设备，将与本实施例中所用的同样经干燥的离子交换剂装入金属容器10′中，离子交换剂的填充体积比也与本实施例相同，接着通入水，测出形成的压力为2.1kg/cm2。图4中，数字11′表示金属板，数字12′表示入水口，数字13′表示水的排出口，数字14′表示测压计，数字15′表示干燥的离子交换剂。
实施例2
于50℃，将粒径为400-600μm、离子交换容量为4.5meq/g干燥树脂的磺酸钠型(Na型)阳离子交换树脂(商品名：Diaion SK-1B，Mitsubishi化学公司制造)和粒径为400-600μm、离子交换容量为3.5meq/g干燥树脂的季铵盐型(Cl型)阴离子交换树脂(商品名：Diaion SA-10A，Mitsubishi化学公司制造)进行热风干燥，使其中水的含量减少至8wt％，然后按阳离子交换树脂/阴离子交换树脂＝44/56的比例(干燥状态的重量比)，将这两种树脂混合，得到离子交换容量比为50/50的混合物。
在此混合物中再混合入3wt％的线型低密度聚丙烯(商品名：Affinity SM-1300，Dow化学公司制造)，然后在120-130℃进行捏和。于130℃，对捏和物用平板压机热压，得到厚度为0.6cm的多孔离子交换剂片状物。在此多孔片状物中，孔隙率为23％。将这块多孔离子交换剂片状物装入具有与实施例1同样构造的电渗析器的脱矿室中，但每个脱矿室的厚度变为0.8cm，离子交换剂填充体积比为54％。在通水60分钟，通电预处理24小时后，测定导电率为10μS/cm的水的电阻率，当电流密度为0.0025A/cm2时该电阻率为1164Ω·cm。
测定电阻率后，开始制造去离子水。使用的电渗析器与实施例1中所用的相同，但脱矿室的厚度改变了。通入导电率为5μS/cm的水，在电流密度为0.004A/cm2(电压＝5V/单元池)的条件下脱矿物质，结果是以0.45m3/hr的生产流量，连续得到导电率为0.060μS/cm的纯净水。在这种情况下，生产出1m3/hr的纯净水的薄膜有效表面积为1.13m2。以上操作完成之后，将离子交换树脂从脱矿室中取出，测定其处于自由状态的容积，其结果是脱矿室容积的111％。进一步将与本实施例中所用的同样经干燥的离子交换剂装入图4所示的测试设备的金属容器10′中，离子交换剂所占的填充体积比也与本实施例相同，接着通入水，测出形成的压力为1.2kg/cm2。
实施例3
于50℃，将粒径为400-600μm、离子交换容量为4.5meq/g干燥树脂的磺酸钠型(Na型)阳离子交换树脂(商品名：Diaion SK-1B，Mitsubishi化学公司制造)和粒径为400-600μm、离子交换容量为3.5meq/g干燥树脂的季铵盐型(Cl型)阴离子交换树脂(商品名：Diaion SA-10A，Mitsubishi化学公司制造)进行热风干燥，使其中水的含量减少至8wt％。在这两种离子交换树脂中再分别混合入3wt％的线型低密度聚丙烯(商品名：Affinity SM-1300，Dow化学公司制造)，然后在120-130℃分别进行捏和。再于130℃，对分别捏和后得到的物料用平板压机成形，得到厚度都为0.6cm的多孔阳离子交换剂片状物和多孔阴离子交换剂片状物。所得到的多孔阳离子交换剂片状物的孔隙率为24vol％，多孔阴离子交换剂片状物的孔隙率为23vol％。
利用这两种多孔离子交换剂片状物，制成如图5(a)和(b)所示图形的阳离子交换剂区域和阴离子交换剂区域相结合的结构，然后将其装入与实施例2所用相同的电渗析器的厚度为0.8cm的脱矿室中，体积填充比为66％。图5(a)是一个平面图，图5(b)是沿图5(a)Y-Y线得到的截面图。图5中，数字16表示阴离子交换剂区域，数字17表示阳离子交换剂区域。在通水60分钟，通电预处理24小时后，测定导电率为10μS/cm的水的电阻率，当电流密度为0.0025A/cm2时该电阻率为911Ω·cm。
测定电阻率后，开始制造去离子水。使用的电渗析器与实施例2中所用的相同。通入导电率为5μS/cm的水，在电流密度为0.004A/cm2(电压＝5V/单元池)的条件下脱矿物质，结果是以0.47m3/hr的生产流量，连续得到导电率为0.057μS/cm的纯净水。在这种情况下，生产出1m3/hr的纯净水的薄膜有效表面积为1.08m2。测定完成之后，将离子交换树脂从脱矿室中取出，测定其容积，其结果是脱矿室容积的134％。进一步将与本实施例中所用的同样经干燥的离子交换剂装入图4所示的测试设备的金属容器10′中，接着通入水，测出形成的压力为4.2kg/cm2。
实施例4
于50℃，将粒径为400-600μm、离子交换容量为4.5meq/g干燥树脂的磺酸钠型(Na型)阳离子交换树脂(商品名：Diaion SK-1B，Mitsubishi化学公司制造)和粒径为400-600μm、离子交换容量为3.5meq/g干燥树脂的季铵盐型(Cl型)阴离子交换树脂(商品名：Diaion SA-10A，Mitsubishi化学公司制造)进行热风干燥，使其中水的含量减少至8wt％。在这两种离子交换树脂中再分别混合入3wt％的1，2-聚丁二烯(商品名：RB-820，由日本合成橡胶株式会社制造)，然后于120-130℃分别进行捏和。再于130℃，对分别捏和后得到的物料用平板压机成形，得到厚度都为0.6cm的多孔阳离子交换剂片状物和多孔阴离子交换剂片状物。所得到的多孔阳离子交换剂片状物的孔隙率为24vol％，多孔阴离子交换剂片状物的孔隙率为23vol％。
利用这两块多孔离子交换剂片状物，制成如图6(a)和(b)所示图形的阳离子交换剂区域和阴离子交换剂区域相结合的结构，然后将其装入厚度为0.8cm的脱矿室中，填充体积比为55％。图6(a)是一个平面图，图6(b)是沿图6(a)的Z-Z线得到的截面图。图6中，数字16表示阴离子交换剂区域，数字17表示阳离子交换剂区域。在通水60分钟，通电预处理24小时后，测定导电率为10μS/cm的水的电阻率，当电流密度为0.0025A/cm2时该电阻率为1206Ω·cm，此值低于没有干燥过的再生型离子交换树脂以相同的混合比例装入脱矿室中经同样过程后测得的1362Ω·cm的电阻率。
测定电阻率后，开始制造去离子水。使用的电渗析器与实施例2中所用的相同。通入导电率为5μS/cm的水，在电流密度为0.004A/cm2(电压＝5V/单元池)的条件下脱矿物质，结果以0.46m3/hr的生产流量，连续得到导电率为0.057μS/cm的纯净水。在这种情况下，生产出1m3/hr的纯净水的薄膜有效表面积为1.10m2。测定完成之后，将离子交换树脂从脱矿室中取出，测定其容积，结果是脱矿室容积的113％。进一步将与本实施例中所用的同样经干燥的离子交换剂装入图4所示的测试设备的金属容器10′中，接着通入水，测出形成的压力为1.3kg/cm2。
比较例
利用盐酸和氢氧化钠水溶液将粒径为400-600μm、离子交换容量为4.5meq/g干燥树脂的磺酸型(H型)阳离子交换树脂(商品名：Diaion SK-1B，Mitsubishi化学公司制造)和粒径为400-600μm、离子交换容量为3.5meq/g干燥树脂的季铵盐型(OH型)阴离子交换树脂(商品名：Diaion SA-10A，Mitsubishi化学公司制造)进行了再生，然后按阳离子交换树脂/阴离子交换树脂＝40/60(潮湿状态时的容积比)的比例将这两种树脂混合，得到离子交换容量比为50/50的混合物。
将处于潮湿状态的这种再生的离子交换树脂装入与实施例1相同构造的电渗析器的脱矿室中，但每个脱矿室的宽度变为0.8cm，填充体积比为100％。在通水60分钟，通电预处理24小时后，测定导电率为10μS/cm的水的电阻率，当电流密度为0.0025A/cm2时该电阻率为1362Ω·cm 。
测定电阻率后，开始制造去离子水。使用的电渗析器与实施例1中所用的相同，但脱矿室的厚度改变了。通入导电率为5μS/cm的水，在电流密度为0.005A/cm2(电压＝5V/单元池)的条件下脱矿物质，结果是以0.04m3/hr这样较慢的生产流量，连续得到导电率为0.07μS/cm的纯净水。被处理的水的量不能增加，因为如果增加了水的处理量，则导电率也会上升。在这种情况下，生产出1m3/hr的纯净水的薄膜有效表面积很大，为12.68m2。
由于使用了本发明所用的制造去离子水的设备，离子交换剂被装入电渗析器的脱矿室中后，离子交换剂颗粒之间的接触以及离子交换剂颗粒和离子交换薄膜之间的接触就增加了，这样就减少了电阻率，而且脱矿室的厚度可以做得较大些。所以，利用相对较小的薄膜有效表面积，可能获得具有较高去离子水生产效率的设备。
Claims (10)
1.一种制造去离子水的设备，其特征在于，包括电渗析器和离子交换剂；其中的电渗析器具有阳离子交换薄膜和阴离子交换薄膜被交替放置在阴极和阳极之间而构成的脱矿室和浓缩室，而离子交换剂被放置在脱矿室中；在被放置在脱矿室中的离子交换剂和构成脱矿室的阳离子交换薄膜以及阴离子交换薄膜之间存在0.1-20kg/cm2的压力。
2.如权利要求1所述的制造去离子水的设备，其中每个脱矿室的厚度在0.7-30cm的范围内。
3.如权利要求1所述的制造去离子水的设备，其中每个浓缩室中都有一个垫片以保持浓缩室的厚度。
4.如权利要求1或2或3所述的制造去离子水的设备，其中存在于脱矿室中的离子交换剂和阳离子交换薄膜以及阴离子交换薄膜之间的压力能使要装入脱矿室中的离子交换剂转变成其容积比其再生后容积小的状态，然后以一定的数量被填充在脱矿室中，使得处于自由状态的再生离子交换剂的容积对应于脱矿室的容积为103-170％，接着通入水并导入电流，使离子交换剂膨胀，增大其容积，从而增加了压力。
5.如权利要求4所述的制造去离子水的设备，其中被放置在脱矿室中的离子交换剂的容积要减小到使被放置在脱矿室中的离子交换剂中水分的含量最多为30wt％，然后将离子交换剂填充在脱矿室中，接着通入水并导入电流。
6.如权利要求1所述的制造去离子水的设备，其中被放置在脱矿室中的离子交换剂是阳离子交换树脂、阴离子交换树脂或利用粘合剂聚合物将两者粘合在一起的混合物的多孔体。
7.如权利要求1所述的制造去离子水的设备，其中被放置在脱矿室中的离子交换剂是由至少一种阳离子交换剂区域和至少一种阴离子交换剂区域相结合的结构组成的。
8.如权利要求1所述的制造去离子水的设备，其中被放置在脱矿室中的离子交换剂是粒状阳离子交换树脂、粒状阴离子交换树脂或两者的混合物。
9.如权利要求8所述的制造去离子水的设备，其中被放置在脱矿室中的离子交换剂是由粒状阳离子交换树脂区域和粒状阴离子交换树脂区域相结合的结构成的。
10.一种制造去离子水的方法，其特征在于，在如权利要求1-8中任何一项所述的制造去离子水的设备的脱矿室中通入待处理的水，然后在电流密度为0.0001-0.05A/cm2的条件下，通入电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: GR Ref document number: 1033975 Country of ref document: HK |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20020313 |