DE69716852T2

DE69716852T2 - Methode und vorrichtung zur produktion von deionisiertem wasser

Info

Publication number: DE69716852T2
Application number: DE69716852T
Authority: DE
Inventors: Tohru Hoshi; Mark Philip Huehnergard; Junjiro Iwamoto; Ken Komatsu; Ichiro Terada; David Florian Tessier; Hiroshi Toda; Ian Glenn Towe; Kazuo Umemura
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; General Electric Co
Current assignee: AGC Inc; General Electric Co
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2017-03-20
Also published as: US6228240B1; DE69716852D1; ATE227162T1; EP0837729B1; IN182200B; MY125056A; KR19990014872A; WO1997034696A1; EP0837729A1; CN1080594C; TW426644B; AU1943397A; KR100441461B1; CN1182378A; US5961805A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser, welche zur Produktion von reinem Wasser oder hochreinem Wasser, verwendbar für die Produktion von Pharmazeutika oder Halbleitern oder Wasser für Dampfkessel zur Energieerzeugung, nützlich sind.
Als ein Verfahren zur Produktion von deionisiertem Wasser ist es üblich, ein Verfahren zur Gewinnung von deionisiertem Wasser anzuwenden, bei dem zu behandelndes Wasser durch ein Füllkörperbett von Ionenaustauschharzen hindurchgeleitet wird, so daß Verunreinigungsionen, weil sie auf dem Ionenaustauschharz absorbiert werden, entfernt werden. Hier ist es üblich ein Regenerationsverfahren des Ionenaustauschharzes, dessen Absorptionsfähigkeit herabgesetzt ist, mittels einer Säure oder einer Lauge zu verwenden. Jedoch weist ein solches Verfahren das Problem auf, daß eine Abfallflüssigkeit der für die Regeneration verwendeten Säure oder Lauge abgelassen wird. Deshalb ist ein Verfahren zur Produktion von deionisiertem Wasser erwünscht, welches keine solche Regeneration erfordert. Von einem solchen Standpunkt aus ist die Aufmerksamkeit in den letzten Jahren auf ein elektrodialytisch deionisiertes Wasser produzierendes Verfahren vom selbstregenerierenden Typ gerichtet worden, wobei Ionenaustauschharze in Kombination mit Ionenaustauschmembranen verwendet werden. Dieses Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Gemisch von einem Anionenaustauschharz und einem Kationenaustauschharz in Demineralisierungskammern eines Elektrodialysators mit abwechselnd angeordneten Anionenaustauschmembranen und Kationenaustauschmembranen gefüllt wird und während zu behandelndes Wasser in die Demineralisierungskammern zugeführt wird, wird eine Spannung angelegt, um Elektrodialyse zur Produktion von deionisiertem Wasser auszuführen. In diesem Verfahren ist es üblich, daß die Ionenaustauschharze in einem nassen Zustand in den Demineralisierungskammern untergebracht sind, wodurch sich Nachteile ergeben haben, daß der Kontakt zwischen den Ionenaustauschharzen untereinander oder zwischen den Ionenaustauschharzen und den Ionenaustauschmembranen ungenügend ist und daß wenn versucht wird, die Dicke der Mineralisierungskammern zu erhöhen, um die wirksame Membranfläche zu reduzieren der elektrische Widerstand dazu neigt anzusteigen.
Als ein Verfahren zur Behebung dieser Nachteile ist es in JP-B-4-72 567 und JP-B-6- 20 513 vorgeschlagen worden, den Anstieg des Widerstandes durch Anpassung der Breite jeder Demineralisierungskammer auf ein Niveau von etwa 0,762 bis 10,16 cm (von etwa 0,3 bis 4 Zoll) und der Dicke auf ein Niveau von etwa 0,127 bis 0,635 cm (von etwa 0,05 bis 0,25 Zoll) zu verhindern. Jedoch hatte dieses Verfahren Nachteile, daß da die Dicke der Demineralisierungskammer dünn ist, es schwierig ist, den Ionenaustauscher in die Demineralisierungskammer zu füllen und die pro Flächeneinheit produzierte Wassermenge klein ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neue Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser bereitzustellen, wobei in einer elektrodialytisch deionisiertes Wasser produzierenden Vorrichtung vom selbstregenerierenden Typ, in der Ionenaustauscher und Ionenaustauschmembranen in Kombination verwendet werden, der Anstieg des elektrischen Widerstandes klein ist, sogar wenn die Dicke einer Demineralisierungskammer dick gemacht wird und reines Wasser über einen langen Zeitraum ohne die vorstehend erwähnten Nachteile des Standes der Technik konstant erhalten werden kann, und ein Verfahren zur Produktion von deionisiertem Wasser durch Verwendung einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser bereit, umfassend einen Elektrodialysator mit abwechselnd zwischen Kathode und Anode angeordneten Kationenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen, um Demineralisierungskammern und Anreicherungskammern zu bilden, und Ionenaustauschern, die in den Demineralisierungskammern untergebracht sind, wobei ein Druck von 0,1 bis 20 kg/cm² zwischen den in den Demineralisierungskammern untergebrachten Ionenaustauschern und den die Demineralisierungskammern definierenden Kationenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen ausgeübt wird
Fig. 1 ist eine Ansicht, welche ein Verfahren zur Messung des Drucks zwischen einem Ionenaustauscher und einer Gefäßwand veranschaulicht.
Fig. 2 ist eine Ansicht, welche die Konstruktion eines im Versuchsbeispiel verwendeten Elektrodialysators veranschaulicht.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, welche eine Ausführungsform einer elektrodialytischen Vorrichtung vom selbstregenerierenden Typ, veranschaulicht.
Fig. 4 ist eine Ansicht, welche eine Vorrichtung zur Verwendung für die Messung des Drucks, der durch Zuführung von Wasser zu einem getrockneten Ionenaustauscher in den Beispielen gebildet wird, veranschaulicht.
Fig. 5 ist eine Ansicht, welche eine Ausführungsform eines porösen Körpers von Ionenaustauschharzen, in dem poröse Kationen- und Anionenaustauschschichten in einem Meer-Insel-Muster angeordnet sind (wie in Beispiel 3 verwendet), veranschaulicht.
Fig. 6 ist eine Ansicht, welche eine Ausführungsform eines porösen Körpers von Ionenaustauschharzen, in dem poröse Kationen- und Anionenaustauschschichten in einem vielschichtigen Muster angeordnet sind (wie in Beispiel 4 verwendet), veranschaulicht.
In der vorliegenden Erfindung kann der Ionenaustauscher seinen Zustand einleitend geändert bekommen und dann in die Demineralisierungskammern des Elektrodialysators gegeben werden oder kann in die Demineralisierungskammern gegeben werden und dann seinen Zustand geändert bekommen. In dieser Beschreibung wird der Zustand des Ionenaustauschers nachstehend durch den Gebrauch der folgenden Ausdrücke beschrieben sein. Nämlich bedeutet der Ausdruck "Betriebszustand" einen Zustand, in dem der Ionenaustauscher in den Demineralisierungskammern untergebracht ist und für Elektrodialyse verwendet wird, und er sich im Gleichgewicht mit der Umgebung für den Arbeitsvorgang befindet. Der Ausdruck "geschrumpfter Zustand" bedeutet einen Zustand, in dem das scheinbare Volumen des Ionenaustauschers durch irgendein Verfahren geschrumpft ist. Der Ausdruck "freier Zustand" bedeutet einen Zustand, in dem der Ionenaustauscher im Gleichgewicht mit der Umgebung für den Arbeitsvorgang ist, aber frei ist von Beschränkung durch die Demineralisierungskammern.
In der vorliegenden Erfindung ist die Dicke jeder Demineralisierungskammer normalerweise mindestens 0,2 cm, vorzugsweise mindestens 0,7 cm. Wenn die Dicke der Demineralisierungskammer weniger als 0,2 cm ist, neigt die Wirkung der Reduktion der wirksamen Membranfläche dazu, undeutlich zu sein und sie neigt dazu, schwierig zu sein den Ionenaustauscher darin einzufüllen. Wenn seine Dicke 80,0 cm überschreitet, ist andererseits die Wirkung der Reduktion der wirksamen Membranfläche groß, aber der Anstieg des elektrischen Widerstandes neigt dazu, groß zu sein, was unerwünscht ist. Es wird besonders bevorzugt, daß die Dicke der Demineralisierungskammer innerhalb eines Bereiches von 1, 1 bis 30,0 cm ist, wodurch der Anstieg des Widerstandes klein ist und die Wirkung der Reduktion der wirksamen Membranfläche groß ist.
Der Druck, der zwischen den in den Demineralisierungskammern untergebrachten oder gefüllten Ionenaustauschern und der die Demineralisierungskammern definierenden Kationenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen gebildet wird, ist innerhalb eines Bereiches von 0,1 bis 20 kg/cm² eingestellt. Wenn der Druck kleiner als 0,1 kg/cm² ist, neigt der Kontakt der Ionenaustauschteilchen zueinander oder zwischen den Ionenaustauschern und den Ionenaustauschmembranen dazu, ungenügend zu sein, wodurch der elektrische Widerstand wahrscheinlich ansteigen wird oder sich wahrscheinlich ein Kurzweg des zu behandelnden Wassers bilden wird und die Reinheit des resultierenden Wassers dazu neigt, gering zu sein, was unerwünscht ist. Wenn andererseits der Druck 20 kg/cm² überschreitet, wird der Kontakt der Ionenaustauschharzteilchen zueinander oder zwischen den Ionenaustauschern und den Ionenaustauschmembranen adäquat sein, jedoch neigt die Menge des zu behandelnden Wassers dazu abzunehmen und die verwendeten Ionenaustauschmembranen werden durch den Druck wahrscheinlich beschädigt werden.
Der vorstehende Druck ist vorzugsweise von 0,5 bis 10 kg/cm², besonders bevorzugt von 0,8 bis 2 kg/cm².
In der vorliegenden Erfindung kann der Druck zwischen den in den Demineralisierungskammern untergebrachten Ionenaustauschern und den Ionenaustauschmembranen vorzugsweise in einer solchen Form gebildet werden, daß (1) die in den Demineralisierungskammern unterzubringenden Ionenaustauscher in eine Form umgewandelt werden, in der ihr Volumen gegenüber dem Volumen ihrer regenerierten Form verkleinert ist und dann in einer solchen Menge in die Demineralisierungskammern gepackt werden, daß das Volumen der regenerierten Form des Ionenaustauschers in einem freiem Zustand größer sein würde als das Volumen der Demineralisierungskammern, gefolgt von einer Zuführung von Wasser und der Leitung eines elektrischen Stroms, um den Ionenaustauscher zur Erhöhung des Volumens sich ausdehnen zu lassen, um dadurch den Druck zu erhöhen, oder (2) der Ionenaustauscher in den Demineralisierungskammern untergebracht wird und dann das Volumen der Demineralisierungskammern mechanisch reduziert wird, um den Druck zu erhöhen.
In der vorstehenden Weise (1) wird es bevorzugt, daß der Ionenaustauscher in einer solchen Menge in die Demineralisierungskammern gepackt wird, daß das Volumen der Ionenaustauscher in der regenerierten Form in einem freiem Zustand von 103 bis 170% im Verhältnis zum Volumen der Demineralisierungskammern sein würde. Wenn diese Menge weniger als eine Menge für ein Volumen im freien Zustand von 103% beträgt, neigt der Kontakt der Ionenaustauscher dazu schlecht zu sein. Wenn die Menge andererseits eine Menge für ein freies Volumen von 170% überschreitet, wird der Kontakt gut sein, aber der Druckabfall beim Hindurchlassen von Wasser durch die Ionenaustauscher neigt dazu, groß zu sein, was unerwünscht ist. Unter diesen ist es besonders bevorzugt, daß die Menge der Ionenaustauscher so ist, daß das Volumen im freien Zustand von 111 bis 150% des Volumens der Demineralisierungskammern sein würde.
Als ein Verfahren zur Verringerung des Volumens des Ionenaustauschers auf ein Niveau kleiner als das Volumen seiner regenerierten Form kann (i) ein Verfahren zur Reduktion des Wassergehalts durch Trocknung, (ii) ein Verfahren zur Änderung des Gegenions zu einer Ionenart anders als die regenerierte Form, um den Ionenaustauscher in eine geladene Form umzuwandeln, oder (iii) ein Verfahren zum Eintauchen des Ionenaustauschers in ein organisches Lösungsmittel zur Lösungsmittelsubstitution, erwähnt werden. Jedoch wird ein Verfahren zur Verwendung des Verfahrens (i) und des Verfahrens (ii) in Kombination bevorzugt, da es leicht angewendet werden kann, ungeachtet der Art oder Struktur des Ionenaustauschers und die Volumenabnahmemenge groß ist.
Wenn der Wassergehalt durch Trocknung reduziert werden soll, ist es bevorzugt den Wassergehalt (Gewicht) auf ein Niveau von 1 bis 30% zu verringern. Wenn der Wassergehalt weniger als 1% ist, braucht es eine lange Zeit zur Trocknung, was unerwünscht ist. Wenn der Wassergehalt größer als 30% ist, neigt die Wirkung zur Vergrößerung des Volumens durch Zuführung von Wasser und Leitung eines elektrischen Stroms dazu gering zu sein, was unerwünscht ist. Es ist besonders bevorzugt, daß der Wassergehalt von 5 bis 15% ist, wodurch die Trocknung leicht sein wird und die Wirkung zur Vergrößerung des Volumens durch Zuführung von Wasser und Leiten eines elektrischen Stroms groß sein wird. Für die Art des Gegenions während der Trocknung wird eine Na-Art für einen Kationenaustauscher bevorzugt, und eine CI-Art wird für einen Anionenaustauscher bevorzugt, da solch eine Art thermisch stabil ist. Die Trocknungstemperatur ist vorzugsweise von 30 bis 80ºC. Wenn sie niedriger als 30ºC ist, braucht es eine lange Zeit zur Trocknung und wenn sie höher als 80ºC ist, neigen die Ionenaustauschgruppen dazu zu dissoziieren, was unerwünscht ist.
Im Fall eines Änderungsverfahrens des Gegenions zu einer Ionenart anders als die der regenerierten Form, um den Ionenaustauscher in eine geladene Form umzuwandeln, wird eine Na-Art für einen Kationenaustauscher bevorzugt und eine CI-Art wird für einen Anionenaustauscher bevorzugt, wie vorstehend erwähnt. Als andere Ionenart ist eine K-Art oder eine Li-Art für einen Kationenaustauscher bevorzugt und ein einwertiges Gegenion wie eine NO&sub3;-Art ist für einen Anionenaustauscher bevorzugt. In dieser Hinsicht wird eine Ca-Art oder eine Al-Art oder ein zweiwertiges oder höherwertiges Gegenion, wie eine SO&sub4;-Art nicht bevorzugt, da die Umwandlung zu einer regenerierten Form dazu neigt nicht einfach zu sein.
Im vorstehend erwähnten Verfahren (2), worin die Ionenaustauscher in die Demineralisierungskammern gefüllt werden und dann das Volumen der Demineralisierungskammern mechanisch verringert wird, um den Druck zu erhöhen, wird es bevorzugt, einen Abstandshalter zwischenzuschalten, welcher durch Druck zwischen Demineralisierungskammerrahmen und Ionenaustauschmembranen verkleinerbar ist, und von Aussen Druck auszuüben, um den Abstandshalter nach dem Einfüllen der Ionenaustauscher zusammenzudrücken, so daß das Volumen der Demineralisierungskammern um von 5 bis 60 Vol.-% verringert wird. Wenn das verringerte Volumen der Demineralisierungskammern weniger als 5 Vol.-% ist, neigt der Kontakt der untergebrachten Ionenaustauscher dazu, schlecht zu sein. Wenn andererseits das verringerte Volumen der Demineralisierungskammern 60 Vol.-% überschreitet, wird der Kontakt gut sein, jedoch neigt der Druckabfall, wenn Wasser durch den Ionenaustauscher hindurchgeleitet wird, dazu groß zu sein, was unerwünscht ist. Als das Material für solche verkleinerbaren Abstandshalter wird vorzugsweise eine Schaumfolie aus z. B. Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol verwendet.
In der vorliegenden Erfindung können die in den Demineralisierungskammern unterzubringenden Ionenaustauscher z. B. ein Ionenaustauschharz, eine Ionenaustauschfaser oder ein daraus gebildetes Produkt sein. Unter diesen werden ein Ionenaustauschharz und ein durch Bindung von Ionenaustauschharzteilchen mit einem Binderpolymer zu einer Schicht oder einer Platte hergestellter, poröser Ionenaustauscher, vom Standpunkt der Ionenaustauschleistung, Haltbarkeit etc. bevorzugt. Besonders bevorzugt ist eine poröse Ionenaustauschschicht, da der Kontakt der Ionenaustauschharzteilchen in sich selber gut ist und sie einfach in den Demineralisierungskammern untergebracht werden kann.
Die Porosität des Ionenaustauschers, wie er in den Demineralisierungskammern untergebracht ist, ist vorzugsweise so, daß die kontinuierliche Porosität, welche den Durchfluß der Flüssigkeit bestimmt, mindestens 5 Vol.-% ist. Wenn die Porosität weniger als 5 Vol.-% ist, nimmt die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit ab und der Druckabfall steigt an, was unerwünscht ist. Es wird besonders bevorzugt, daß die Porosität von 10 bis 40 Vol.-% ist, da die Wasserdurchlässigkeit gut sein wird, die Demineralisierungsleistung ausgezeichnet sein wird und behandeltes Wasser mit einer hohen Reinheit erhalten werden kann. Diese Porosität ist der Wert, wenn die Ionenaustauscher in den Demineralisierungskammern untergebracht sind und Wasser zugeführt wird und ein elektrischer Strom durchgeleitet wird.
Als der Ionenaustauscher, kann ein Kationenaustauscher, ein Anionenaustauscher oder ein Gemisch davon oder ein daraus gebildetes, poröses Produkt verwendet werden. Der Ionenaustauscher kann eine Struktur haben, in der Bereiche (Regionen) eines Kationenaustauschers und Bereiche (Regionen) eines Anionenaustauschers kombiniert werden. In einem solchen Fall, können die Muster der jeweiligen Bereiche, die in Kontakt mit den Ionenaustauschmembranen sind, verschiedenartige Muster sein. Zum Beispiel kann ein Meer-Insel-Muster, ein geschichtetes Muster, ein Mosaikmuster oder ein Gittermuster verwendet werden. Besonders bevorzugt ist ein Meer-Insel-Muster oder ein geschichtetes Muster, da der Ionenaustauscher mit einem solchen Muster einfach in den Demineralisierungskammern untergebracht werden kann und die Demineralisierung wirksam durchgeführt werden kann. Jedoch sind die Gesamtanteile des verwendeten Kationenaustauschers und des Anionenaustauschers vorzugsweise so, daß das Gesamtionenaustauschkapazitätsverhältnis des Kationenaustauschers/des Anionenaustauschers innerhalb eines Bereiches von 20/80 bis 80/20 ist.
Wenn ein poröser Ionenaustauscher als der Ionenaustauscher verwendet wird, ist das Gewichtsverhältnis des Binderpolymers, basierend auf dem porösen Ionenaustauscher, vorzugsweise höchstens 20%. Wenn das Gewichtsverhältnis 20% übersteigt, ist es wahrscheinlich, daß das Binderpolymer die Oberfläche der Ionenaustauschharzteilchen überdeckt, wodurch die Absorptionsfähigkeit dazu neigt gering zu sein, und die Porosität dazu neigt gering zu sein, wodurch die Fließgeschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit dazu neigt abzufallen und der Druckabfall dazu neigt anzusteigen. Das vorstehende Gewichtsverhältnis ist besonders bevorzugt von 1 bis 5%. Das Binderpolymer ist vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer oder ein lösungsmittellösliches Polymer vom Standpunkt der Herstellung des porösen Ionenaustauschers.
Als solch ein Binderpolymer wird vorzugsweise das folgende verwendet, Erstens kann als das thermoplastische Polymer z. B. ein Polyethylen niedriger Dichte, ein lineares Polyethylen niedriger Dichte, ein ultrahochmolekulares Polyethylen mit hoher Dichte, ein Polypropylen, ein Polyisobutylen, 1,2-Polybutadien, ein Polyvinylacetat oder ein Ethylenvinylacetatcopolymer erwähnt werden. Als das lösungsmittellösliche Polymer kann z. B. Naturkautschuk, Butylkautschuk, Polyisopren, Polychloropren, ein Styrolbutadienkautschuk, Nitrilkautschuk oder ein Vinylchlorid- Fettsäurevinylestercopolymer erwähnt werden.
Die Dicke der porösen Schicht mit den durch das Binderpolymer gebundenen Ionenaustauschharzteilchen ist vorzugsweise so, daß die Dicke in einer Form, die ein reduzierten Volumen zum Einfüllen in die Demineralisierungskammer aufweist, von 50 bis 100% der Dicke der Demineralisierungskammer sein wird. Wenn diese Dicke weniger als 50% der Dicke der Demineralisierungskammer ist, wird die poröse Schicht keinen engen Kontakt mit den Ionenaustauschmembranen haben, wenn Wasser zugeführt wird und ein elektrischer Strom durchgeleitet wird, was unerwünscht ist. Wenn die Dicke 100% überschreitet, kann eine solche Schicht nicht in der Demineralisierungskammer untergebracht werden. Die Dicke der porösen Schicht in einer Form mit dem reduzierten Volumen ist besonders bevorzugt von 70 bis 90% der Dicke der Demineralisierungskammer.
Das folgende Verfahren wird als ein Verfahren zur Bindung der Ionenaustauschharzteilchen durch das Binderpolymer, um eine poröse Schicht zu bilden, bevorzugt. Bevorzugt wird nämlich (1) ein Verfahren, bei dem die Ionenaustauschharzteilchen und ein Binderpolymer hitzegeknetet werden und dann durch Wärmeformung, wie Flachplattenpressen, in eine Schicht geformt werden, (2) ein Verfahren, bei dem eine Binderpolymerlösung auf die Oberfläche der Ionenaustauschharzteilchen gestrichen wird und das Lösungsmittel zum Aushärten des Binderpolymers verdampft wird, (3) ein Verfahren, bei dem ein Binderpolymer, ein porenbildendes Material und Ionenaustauschharzteilchen hitzegemischt und in eine Schicht gebracht werden und dann das porenbildende Material extrahiert wird, oder (4) ein Verfahren, bei dem ein Binderpolymer mit einem darin verteilten porenbildenden Material auf die Oberfläche von Ionenaustauschharzteilchen beschichtet und ausgehärtet wird und dann das porenbildende Material extrahiert wird. Unter diesen sind Verfahren (1) und das Verfahren (3) vom Standpunkt der Formgebungsverarbeitbarkeit oder des spezifischen Widerstandes des erhaltenen porösen Ionenaustauschers bevorzugt.
Die Ionenaustauschgruppen des Ionenaustauschers sind vorzugsweise eine stark saure Sulfonsäureart für Kationenaustauschgruppen und eine stark basische quartäre Ammoniumsafzart oder Pyridiniumsalzart für Anionenaustauschgruppen vom Standpunkt der Ionenaustauschleistung und der chemischen Stabilität. Die Ionenaustauschkapazität des Ionenaustauschers ist vorzugsweise von 0,5 bis 7 meq/g Trockenharz. Wenn die Ionenaustauschkapazität niedriger als 0,5 meq/g Trockenharz ist, wird die Absorption der Ionen oder die Demineralisierung in den Demineralisierungskammern nicht ausreichend ausgeführt sein, wodurch die Reinheit des behandelten Wassers wahrscheinlich gering sein wird, was unerwünscht ist. Es ist besonders bevorzugt, daß die Ionenaustauschkapazität von 1 bis 5 meq/g Trockenharz ist, wodurch das behandelte Wasser mit einer hohen Reinheit erhalten werden kann und die Leistungsstabilität ausgezeichnet sein wird.
In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, als eine Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser einen Elektrodialysator mit der folgenden, in z. B. JP-A-3- 186400, JP-A-2-277526, JP-A-5-64726, US-Patent 4,632,745 und US-Patent 5,425,866 beschriebenen Konstruktion zu verwenden.
Der Elektrodialysator umfaßt eine Anodenkammer, ausgerüstet mit einer Anode und eine Kathodenkammer, ausgerüstet mit einer Kathode und eine Vielzahl von Kationenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen, welche abwechselnd zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordnet sind, vorzugsweise durch Kammerrahmen, um Demineralisierungskammern zu bilden, wobei jede durch eine Anionenaustauschmembran auf der Anodenseite und durch eine Kationenaustauschmembran auf der Kathodenseite definiert wird und Anreicherungskammern, wobei jede durch abwechselnd eine Kationenaustauschmembran auf der Anodenseite und durch eine Anionenaustauschmembran auf der Kathodenseite definiert wird, vorzugsweise in der Gesamtanzahl von 2 bis 50 Einheiten. Die Dicke eines bilderrahmenähnlichen Kammerrahmens mit einer Öffnung in seinem Zentrum, der zwischen einer Kationenaustauschmembran und einer Anionenaustauschmembran vorhanden ist, bestimmt die Dicke der Demineralisierungskammer oder der Anreicherungskammer. Die Dicken der Kammerrahmen der Demineralisierungskammer und der Anreicherungskammer müssen nicht notwendigerweise gleich sein. Die Ionenaustauschmembranen können von einer homogenen Art oder einer heterogenen Art sein und um die mechanische Festigkeit zu erhöhen, kann diejenige, verstärkt durch ein Gewebe oder ein Nicht-Gewebe, verwendet werden. In einer Anreicherungskammer ist es bevorzugt, einen Abstandhalter mit einer Netzform einzufügen, vorzugsweise aus einem Kunststoff hergestellt, um die Dicke der Anreicherungskammer vorzugsweise dünner als die Dicke der Demineralisierungskammer und innerhalb eines Bereichs von vorzugsweise 0,05 bis 10 cm beizubehalten. Die Demineralisierung kann durch Leitung eines elektrischen Stroms während der Zuführung von zu behandelndem Wasser zu den Demineralisierungskammern und der Zuführung von Wasser zu den Anreicherungskammern, um die konzentrierten Salze zu beseitigen, durchgeführt werden. An jede Einheitszelle wird eine Spannung von 4 bis 20 V angelegt, um einen elektrischen Strom durchzuleiten, vorzugsweise bei einer Stromdichte von 0,00001 bis 0,05 A/cm².
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, welche eine Ausführungsform eines Elektrodialysators von einer solchen Art veranschaulicht. In Fig. 3 ist A eine Anionenaustauschmembran und K ist eine Kationenaustauschmembran. Wie gezeigt, werden die Anionenaustauschmembranen A und die Kationenaustauschmembranen K in dem Elektrodialisator 1 durch Demineralisierungskammerrahmen D1, D2, D3... Dn und Anreicherungskammerrahmen C1, C2, C3 ... Cn in vorherbestimmten Abständen angeordnet, um eine Anodenkammer 2 zu bilden, Anreicherungskammern S1, S2 ... Sn, Demineralisierungskammern R1, R2 ... Rn und eine Kathodenkammer 3. In die Demineralisierungskammern R1, R2 ... Rn, sind Anionen- und Kationenaustauschharze untergebracht oder eingefüllt. In den Anreicherungskammern sind Abstandhalter N1, N2, N3 ... Nn eingebracht.
In Fig. 3 zeigt die Bezugsziffer 4 eine Anode und Ziffer 5 zeigt eine Kaihode und eine vorbestimmte Spannung wird zwischen den zwei Elektroden während des Arbeitsvorgangs angelegt, wodurch Anionen in dem zu behandelnden Wasser, welches in die Demineralisierungskammern R1, R2 ... Rn aus einer Leitung 6 zugeleitet wird, permeieren werden und sich in eine Anreicherungskammer auf der Anodenseite durch eine Anionenaustauschmembran A bewegen, während Kationen in dem zu behandelnden Wasser permeieren werden und sich zu einer Anreicherungskammer auf der Kathodenseite durch eine Kationenaustauschmembran K bewegen werden und zu behandelndes Wasser selbst deionisiert werden wird und durch eine Leitung 7 abfließt. Des weiteren wird Wasser oder ein wässrige Lösung in die entsprechenden Anreicherungskammern S1, S2 ... Sn von einer Leitung 8 zugeleitet und die Anionen- und Kationenkomponenten permeieren und bewegen sich wie vorstehend beschrieben, werden gesammelt und als eine konzentrierte Lösung durch eine Leitung 9 abfliessen. Kationen in dem zu behandelnden Wasser, welche durch die Kationenaustauscher in den Demineralisierungskammern abgefangen werden, werden eine durch das elektrische Feld verliehene treibende Kraft haben, werden Kationenaustauschmembranen durch Kationenaustauscher erreichen, welche in Kontakt mit den Kationenaustauschern, welche die Kationen abfingen, stehen, und des weiteren werden sie durch die Membranen passieren und sich zu den Anreicherungskammern bewegen. Ebenso werden Anionen in dem zu behandelnden Wasser, die durch die Anionenaustauscher abgefangen wurden, sich zu den Anreicherungskammern durch die Anionenaustauscher und Anionenaustauschmembranen bewegen. Folglich ist es mehr bevorzugt, daß der Kationenaustauscher bzw. der Anionenaustauscher vereinigt werden, um Bereiche oder Sammelregionen zu bilden, wodurch Kontaktpunkte der Austauschteilchen derselben Ionenart beträchtlich zunehmen, so daß die Ionenbewegung erleichtert wird und die Deionisierungsleistung verbessert werden wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hinweis auf die Beispiele in weiteren Details beschrieben werden. Jedoch sollte verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung in keiner Weise durch solche spezifischen Beispiele beschränkt ist.

Versuchsbeispiel

Herstellung von Ionenaustauschern

Ein kugelförmiges Kationenaustauschharz (Diaion SK1 B, Handelsname, Mitsubishi Chemical Corporation) mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 500 um und ein kugelförmiges Anionenaustauschharz (Diaion SA10A, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 500 um wurden in einem Volumenverhältnis von 50/50 gemischt und bei 50ºC getrocknet. Durch die Trocknung verringerte sich das Gewicht des Gemisches auf 55 Gew.-% des Originalgewichts. Als ein Binder wurde ein in nachstehend erwähntem Beispiel 2 verwendetes lineares Polyethylen niedriger Dichte in einer Granulatform mit einem Durchmesser von 2 bis 6 mm und einer Länge von 4 bis 9 mm, in einer in Tabelle 1 gezeigten Menge als die Menge des Binders im Verhältnis zu der Gesamtmenge des Binders und der Ionenaustauschharze zugegeben und das Gemisch wurde durch eine Knetmaschine bei 140ºC für 40 min geknetet. Das geknetete Produkt wurde in eine Metallform eines rechteckigen Parallelepipeds bzw. Parallelflächners mit einer Seitenoberflächenöffnung von 250 mm · 150 mm gegeben und unter einer Bedingung von 120ºC · 25 kgw/cm² gepreßt, um eine poröse Formschicht eines rechteckigen Parallelflächners zu erhalten.
Durch Änderung der Menge des in die Form zu füllenden Gemischs wurden die Formschichten mit Dicken von 6,7 mm, 7 mm bzw. 7,5 mm aus gekneteten Produkten mit den entsprechenden, wie in Tabelle 1 gekennzeichneten Mischverhältnissen erhalten. Abhängig von der Dicke, wurde jede Formschicht so geschnitten, daß die Breite und die Länge der Formschicht in einem Verhältnis von Länge : Breite : Dicke von 140 : 100 : 8 sein würde. So wurden die Ionenaustauscher 1 bis 9 erhalten. Beim Eintauchen in reines Wasser bei Raumtemperatur für 8 Stunden quollen diese Ionenaustauscher im wesentlichen im selben Verhältnis in der Länge, Breite und Dicke an und erreichten einen Gleichgewichtszustand. Der Anstieg in der Länge über die ursprüngliche Länge ist als die Quellrate (%) gezeigt. Tabelle 1

Messung des Quelldrucks

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein Ionenaustauscher 13 im trockenen Zustand in einen Metallbehälter 11 eines rechteckigen Parallelflächners gegeben (Grundbreite: 100 mm, Grundlänge: 140 mm) und eine Metallplatte 12 wird darauf gelegt, woraufhin die Stellung einer Druckmeßzelle 14 so angepaßt wird, daß das Vorderende der Druckmeßzelle 14 die Metallplatte 12 kontaktiert, wenn der Ionenaustauscher 1 : 3 auf eine Dicke von 8 mm anquillt. Die Druckmeßzelle wird nämlich so positioniert, daß wenn der Ionenaustauscher 13 im trockenen Zustand ist, die Summe des Raumes a zwischen dem Vorderende der Druckmeßzelle 14 und der Metallplatte 12 und der Dicke b des Ionenaustauschers 13, 8 mm sein wird. Dann wird Wasser aus dem Wasserzuführungseinlaß 15 zugeführt und von einer auf die Druckmeßzelle 14 ausgeübten Belastung, wenn die Wasserabsorption zum Gleichgewicht gelangte, wurde der Druck zwischen dem Ionenaustauscher 13 und der Metallplatte 12 erhalten. Dann wurde das Volumenverhältnis des Ionenaustauschers in einem Betriebszustand zu dem des freien Zustands, d. h. Volumen in betriebsmäßigem Zustand/Volumen in freiem Zustand · 100% erhalten. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Bewertung durch einen Elektrodialysator

Einer der Ionenaustauscher 1 bis 9 wurde in eine Demineralisierungskammer 27 eines Elektrodialysators mit einer in Fig. 2 gezeigten Konstruktion gegeben und auf eine vorhergeschriebene Größe eingespannt. Die Form der Demineralisierungskammer 27 war ein rechteckiger Parallelflächner, wodurch die Länge in der Wasserfließrichtung 140 mm war, die Breite 100 mm war und der Abstand zwischen einer Anionenaustauschmembran 28 und einer Kationenaustauschmembran 25, 8 mm war. In jeder der zwei Anreicherungskammern 26 würde ein aus Polypropylen hergestelltes Abstandshalternetz so eingeführt, daß sogar wenn der Ionenaustauscher in der Demineralisierungskammer 27 sich ausdehnte, der Abstand zwischen den Anionen- und Kationenaustauschmembranen sich im wesentlichen nicht ändern würde. Demgemäß weist der Ionenaustauscher auch in dieser Demineralisierungskammer den gleichen, in Tabelle 2 gezeigten Druck auf. Des weiteren wurde für den Vergleichszweck, als Ionenaustauscher 10, einem wie die Ionenaustauscher 1 bis 9 hergestellten, geformten Produkt von 111 mm · 79,4 mm · 6,3 mm und mit einer Bindermenge von 2 Gew.-% erlaubt, Wasser angemessen zu absorbieren und angepaßt, um dieselbe Größe wie die Demineralisierungskammer 27 aufzuweisen und eine solche Formschicht wurde in der Demineralisierungskammer 27 untergebracht.
Dann wurde ein elektrischer Strom von 1,0 A unter denselben Bedingungen durchgeleitet, nachdem 0,18 l/h Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von etwa 10 uS/cm zu der Demineralisierungskammer, 20 l/h Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von etwa 1 mS/cm zu den Anreicherungskammern 26 und 1 l/h Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von etwa 200 uS/cm zu der Anodenkammer 24 und der Kathodenkammer 21 für eine Stunde zugeführt wurde. Der Dialysator wurde kontinuierlich für 40 Stunden betrieben, und wenn der Arbeitsvorgang stabilisiert war, wurde die Fließgeschwindigkeit in der Demineralisierungskammer auf 28,8 l/h eingestellt, wodurch der Druckabfall an den unteren und oberen Endteilen der Demineralisierungskammer des Elektrodialysators, die spezifische elektrische Leitfähigkeit des deionisierten, aus der Demineralisierungskammer abgelassenen Wassers und der spezifische Widerstand der Demineralisierungskammer gemessen wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. In Fig. 2 zeigt die Bezugsziffer 21 eine Kathode und Ziffer 22 zeigt eine Anode. Tabelle 3
Mit den Ionenaustauschern 1 bis 9 wurde deionisiertes Wasser von einer hohen Reinheit konstant erhalten und der spezifische Widerstand war niedrig. Des weiteren wurde eine solche Tendenz beobachtet, daß mit einem in Tabelle 2 gezeigten Ionenaustauscher mit einem höheren Druck die Eigenschaften besser waren. Hingegen war die Reinheit des deionisierten Wassers mit dem Ionenaustauscher 10 nicht hoch. Durch die Messung des Druckabfalls wurde gefunden, daß Abstände zwischen den Ionenaustauschern und den Kammerrahmen oder zwischen den Ionenaustauschern und den Ionenaustauschmembranen vom Auslass zum Einlass in jeder Demineralisierungskammer gebildet wurden.

Beispiel 1

Ein Kationenaustauschharz vom Sulfonsäure-Typ (H-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 4,5 meq/g Trockenharz (Diaion SK-1B, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) und ein Anionenaustauschharz vom quartären Ammoniumsalz-Typ (OH-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 3,5 meq/g Trockenharz (Diaion SA-10A, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) wurden einer Trocknung mit Heißluft bei einer Temperatur von 50ºC unterworfen, um den Wassergehalt auf 8 Gew.-% zu bringen und dann in einem Verhältnis von Kationenaustauschharz/Anionenaustauschharz = 44/56 (Gewichtsverhältnis im trockenen Zustand) gemischt, um ein Gemisch mit einem Ionenaustauschkapazitätsverhältnis von 50/50 zu erhalten. Dieses getrocknete Ionenaustauschharzgemisch wurde in jede Demineralisierungskammer eines Elektrodialysators gefüllt, in dem die Dicke der Demineralisierungskammer 1,2 cm war und die Dicke einer Anreicherungskammer mit einem aus Polypropylen (Dicke: 0,2 cm) hergestellten Abstandshalternetz 0,2 cm war bei einer Volumenpackrate von 60%. Nach Zuführung von Wasser für 60 Minuten und einer elektrischen Strom durchleitenden Vorbehandlung für 24 Stunden wurde der spezifische Widerstand in Wasser mit 10 uS/cm gemessen und mit 1051 Ωcm bei einer Stromdichte von 0,0025 A/cm² befunden. Unter Verwendung solch eines in Fig. 3 gezeigten Elektrodialysators wurde die Produktion von deionisiertem Wasser wie folgt durchgeführt. Der Elektrodialysator war derjenige, welcher aus einem Dialysator vom Filterpresse-Typ mit abwechselnd angeordneten und durch Demineralisierungskammerrahmen (hergestellt aus Polypropylen mit einer Dicke von 1,2 cm) und Anreicherungskammerrahmen (hergestellt aus Polypropylen mit einer Dicke von 0,2 cm) eingeklemmten Kationenaustauschmembranen (stark saure heterogene Membranen, Dicke: 500 um, Ionenaustauschkapazität: 2,7 meq/g Trockenharz) und Anionenaustauschmembranen (stark basische heterogene Membranen, Dicke: 500 um, Austauschkapazität: 2,1 meq/g Trockenharz) besteht und welcher einen wirksamen Oberflächenbereich von 507 cm² (Breite: 13 cm, Länge: 39 cm) · 5 Paare der Demineralisierungskammer und der Anreicherungskammer aufweist.
Unter Verwendung von Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 5 uS/cm als Beschickungswasser wurde die Demineralisierung bei einer Stromdichte von 0,004 A/cm² (Spannung = 5 V pro Einheitszelle) durchgeführt, wodurch behandeltes Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 0,062 uS/cm bei einer Herstellungsrate von 0,4 m³/h konstant erhalten wurde. In diesem Fall, war der wirksame Oberflächenbereich der Membran pro 1 m³/h produziertes Wasser 1,27 m. Nach der Messung wurde das Ionenaustauschharz aus den Demineralisierungskammern herausgenommen und das Volumen des Ionenaustauschharzgemisches wurde in einem freien Zustand gemessen und mit 122% des Volumens der Demineralisierungskammern befunden. Des weiteren wurde unter Verwendung des in Fig. 4 gezeigten Meßapparates derselbe getrocknete Ionenaustauscher wie in diesem Beispiel in den Metallbehälter 10' mit derselben Volumenpackrate gegeben und Wasser wurde zugeführt, woraufhin der gebildete Druck gemessen wurde und mit 2,1 kg/cm² befunden wurde. In Fig. 4 ist Bezugsziffer 11' eine Metallplatte, Ziffer 12' ein Wasserzuführungseinlaß, Ziffer 13' eine Wasserablaßöffnung, Ziffer 14' eine Druckmeßzelle und Ziffer 15' ein getrockneter Ionenaustauscher.

Beispiel 2

Ein Kationenaustauschharz vom Natriumsulfonat-Typ (Na-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 4,5 meq/g Trockenharz (Diaion SK-1B, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) und ein Anionenaustauschharz vom quartären Ammoniumsalz-Typ (CI-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 3,5 meq/g Trockenharz (Diaion SA-10A, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) wurden einer Trocknung mit Heißluft bei einer Temperatur von 50ºC unterworfen, um den Wassergehalt auf 8 Gew.-% zu bringen und dann in einem Verhältnis von Kationenaustauschharz/Anionenaustauschharz = 44/56 (Gewichtsverhältnis im trockenen Zustand) gemischt, um ein Gemisch mit einem Ionenaustauschkapazitätsverhältnis von 50/50 zu erhalten.
Zu diesem Gemisch wurden, basierend auf dem erhaltenen Produkt, 3 Gew.-% lineares Polyethylen niedriger Dichte (Affinity SM-1300, Handelsname, hergestellt durch Dow Chemical) gemischt und bei einer Temperatur von 120 bis 130ºC geknetet. Das erhaltene, geknetete Produkt wurde thermisch durch eine Flachplattenpresse bei 130ºC geformt, um eine poröse Ionenaustauschschicht mit einer Dicke von 0,6 cm zu erhalten. Die Porosität der kontinuierlichen Poren in dieser porösen Schicht war 23 Vol.-%. Diese poröse Ionenaustauschschicht wurde in die Demineralisierungskammern eines Elektrodialysators mit derselben Konstruktion wie ihn Beispiel 1 untergebracht, außer daß die Dicke jeder Demineralisierungskammer in 0,8 cm geändert wurde bei einer Volumenpackrate von 54%. Nach Zuführung von Wasser für 60 Minuten und einer elektrischen Strom durchleitenden Vorbehandlung für 24 Stunden, wurde der spezifische Widerstand in Wasser mit 10 uS/cm gemessen und mit 1164 Ωcm bei einer Stromdichte von 0,0025 A/cm² befunden.
Nach der Messung des spezifischen Widerstandes wurde die Produktion von deionisiertem Wasser durchgeführt. Als der Elektrodialysator wurde der in Beispiel 1 verwendete Elektrodialysator mit Ausnahme der Dicke der Demineralisierungskammern verwendet. Unter Verwendung von Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 5 uS/cm als Beschickungswasser wurde die Demineralisierung bei einer Stromdichte von 0,004 A/cm² (Spannung = 5 V pro Einheitszelle) durchgeführt, wodurch behandeltes Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 0,060 uS/cm bei einer Herstellungsrate von 0,45 m³/h konstant erhalten wurde. In diesem Fall war der wirksame Oberflächenbereich der Membran pro 1 m³/h produziertes Wasser 1,13 m². Nach dem Betrieb wurde die Ionenaustauschschicht aus der Demineralisierungskammer herausgenommen und das Volumen in einem freien Zustand wurde gemessen und mit 111% des Volumens der Demineralisierungskammer befunden. Des weiteren wurde dieselbe getrocknete Ionenaustauschschicht wie in diesem Beispiel in den Metallcontainer 10' des in Fig. 4 gezeigten Meßapparates mit derselben Volumenpackrate gegeben und Wasser wurde zugeführt, woraufhin der gebildete Druck gemessen wurde und mit 1,2 kg/cm² befunden wurde.

Beispiel 3

Ein Kationenaustauschharz vom Natriumsulfonat-Typ (Na-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 4,5 meq/g Trockenharz (Diaion SK-1B, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) und ein Anionenaustauschharz vom quartären Ammoniumsalz-Typ (01-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 3,5 meq/g Trockenharz (Diaion SA-10A, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) wurden einer Trocknung mit Heißluft bei einer Temperatur von 50ºC unterworfen, um den Wasserinhalt auf 8 Gew.-% zu bringen. Zu den angegebenen Ionenaustauschharzen wurden, basierend auf dem erhaltenen Produkt, 3 Gew.-% lineares Polyethylen niedriger Dichte (Affinity SM-1300, Handelsname, hergestellt durch Dow Chemical) gemischt und bei einer Temperatur von 120 bis 130ºC geknetet. Die entsprechend erhaltenen, gekneteten Produkte wurden thermisch durch eine Flachplattenpresse bei einer Temperatur von 130ºC geformt, um eine poröse Kationenaustauschschicht und eine poröse Anionenaustauschschicht, jede mit einer Dicke von 0,6 cm zu erhalten. Die Porosität der kontinuierlichen Poren der erhaltenen porösen Kationenaustauschschicht war 24 Vol.-% und die Porosität der porösen Anionenaustauschschicht war 23 Vol.-%.
Unter Verwendung dieser beiden porösen Ionenaustauschschichten wurde eine Kombination von Bereichen (Regionen) des Kationenaustauschers und Bereichen (Regionen) des Anionenaustauschers in dem Muster, das in den Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt ist, hergestellt und dann in den Demineralisierungskammern mit einer Dicke von 0,8 cm desselben, wie in Beispiel 2 verwendeten Elektrodialysators bei einer Volumenpackrate von 66% untergebracht. Fig. 5(a) zeigt einen Grundriß und Fig. 5(b) ist ein entlang der Y-Y Linie in Fig. 5 (a) genommener Querschnitt. In Fig. 5 zeigt die Bezugsziffer 16 einen Anionenaustauschbereich und Ziffer 17 zeigt einen Kationenaustauschbereich. Nach Zuführung von Wasser für 60 Minuten und einer elektrischen Strom durchleitenden Vorbehandlung für 24 Stunden, wurde der spezifische Widerstand in Wasser mit 10 uS/cm gemessen und mit 911 Ωcm bei einer Stromdichte von 0,0025 A/cm² befunden.
Nach der Messung des spezifischen Widerstandes wurde die Produktion von deionisiertem Wasser durchgeführt. Als der Elektrodialysator wurde derselbe wie in Beispiel 2 verwendete Elektrodialysator verwendet. Unter Verwendung von Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 5 uS/cm als Beschickungswasser wurde die Demineralisierung bei einer Stromdichte von 0,004 A/cm² (Spannung = 5 V pro Einheitszelle) durchgeführt, wodurch deionisiertes Wasser mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von 0,057 uS/cm bei einer Herstellungsrate von 0,47 m³/h konstant erhalten wurde. In diesem Fall war der wirksame Oberflächenbereich der Membran pro 1 m³/h produziertes Wasser 1,08 m². Nach der Messung wurde das Ionenaustauschharz aus der Demineralisierungskammer herausgenommen und das Volumen wurde gemessen und mit 134% des Volumens der Demineralisierungskammer befunden. Des weiteren wurde derselbe getrocknete Ionenaustauscher wie in diesem Beispiel in den Metallcontainer 10' des in Fig. 4 gezeigten Meßapparates gegeben und Wasser wurde zugeführt, woraufhin der gebildete Druck gemessen wurde und mit 4,2 kg/cm² befunden wurde.

Beispiel 4

Ein Kationenaustauschharz vom Natriumsulfonat-Typ (Na-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 4, 5 meq/g Trockenharz (Diaion SK-1B, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) und ein Anionenaustauschharz vom quartären Ammoniumsalz-Typ (CI-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 3,5 meq/g Trockenharz (Diaion SA-10A, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) wurden einer Trocknung mit Heißluft bei einer Temperatur von 50ºC unterworfen, um den Wassergehalt auf 8 Gew.-% zu bringen. Zu den entsprechenden Ionenaustauschharzen wurden, basierend auf dem erhaltenen Produkt, 3 Gew.-% 1,2-Polybutadien (RB-820, hergestellt durch Japan Synthetic Rubber Co., Ltd.) gemischt und bei einer Temperatur von 120 bis 130ºC geknetet. Die entsprechend erhaltenen, gekneteten Produkte wurden thermisch durch eine Flachplattenpresse bei einer Temperatur von 130ºC geformt, um eine poröse Kationenaustauschschicht und eine poröse Anionenaustauschschicht, jede mit einer Dicke von 0,6 cm zu erhalten. Die Porosität der kontinuierlichen Poren der erhaltenen porösen Kationenaustauschschicht war 24 Vol.-% und die Porosität der porösen Anionenaustauschschicht war 23 Vol.-%.
Unter Verwendung dieser zwei porösen Ionenaustauschschichten wurde ein Kombination von Bereichen (Regionen) des Kationenaustauschers und Bereichen (Regionen) des Anionenaustauschers in dem Muster, das in den Fig. 6(a) und 6(b) gezeigt ist, hergestellt und in die Demineralisierungskammern mit einer Dicke von 0,8 cm bei einer Volumenpackrate von 55% gefüllt. Fig. 6(a) zeigt einen Grundriß und Fig. 6(b) ist ein entlang der Z-Z Linie in Fig. 6(a) genommener Querschnitt. In Fig. 6 zeigt die Bezugsziffer 16 einen Anionenaustauschbereich und Ziffer 17 zeigt einen Kationenaustauschbereich. Nach Zuführung von Wasser für 60 Minuten und einer elektrischer Strom durchleitenden Vorbehandlung für 24 Stunden wurde der spezifische Widerstand in Wasser mit 10 uS/cm gemessen und mit 1206 Ωcm bei einer Stromdichte von 0,0025 A/cm² befunden, was niedriger war als 1362 Ωcm in einem Fall, in dem nicht-getrocknete Ionenaustauschharze vom regenerierten Typ mit demselben Mischverhältnis in die Zelle gegeben und gemessen wurden.
Nach der Messung des spezifischen Widerstandes wurde die Produktion von deionisiertem Wasser durchgeführt. Als der Elektrodialysator wurde derselbe, der in Beispiel 2 verwendet wurde, verwendet. Unter Verwendung von Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 5 uS/cm als Beschickungswasser wurde die Demineralisierung bei einer Stromdichte von 0,004 A/cm² (Spannung = 5 V pro Einheitszelle) durchgeführt, wodurch behandeltes Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 0,057 uS/cm bei einer Herstellungsrate von 0,46 m³/h konstant erhalten wurde. In diesem Fall war der wirksame Oberflächenbereich der Membran pro 1 m³/h produziertes Wasser 1,10 m². Nach der Messung wurde das Ionenaustauschharz aus der Demineralisierungskammer herausgenommen und das Volumen wurde gemessen und mit 113% des Volumens der Demineralisierungskammer befunden. Des weiteren wurde derselbe getrocknete Ionenaustauscher wie in diesem Beispiel in den Metallcontainer 10' des in Fig. 4 gezeigten Meßapparates gegeben und Wasser zugeführt, woraufhin der gebildete Druck gemessen wurde und mit 1,3 kg/cm² befunden wurde.

Vergleichsbeispiel

Ein Kationenaustauschharz vom Sulfonsäure-Typ (H-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 4,5 meq/g Trockenharz (Diaion SK-1B, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) und ein Anionenaustauschharz vom quartären Ammoniumsalz-Typ (OH-Typ) mit einer Teilchengröße von 400 bis 600 um und einer Ionenaustauschkapazität von 3,5 meq/g Trockenharz (Diaion SA-10A, Handelsname, hergestellt durch Mitsubishi Chemical Corporation) wurden mit Salzsäure und einer wässrigen Natriumhydroxidlösung regeneriert und dann in einem Verhältnis von Kationenaustauschharz/Anionenaustauschharz = 40/60 (Volumenverhältnis im nassen Zustand) gemischt, um ein Gemisch mit einem Ionenaustauschkapazitätsverhältnis von 50/50 zu erhalten.
Dieses regenerierte Ionenaustauschharzgemisch im nassen Zustand wurde in die Demineralisierungskammern des Elektrodialysators mit derselben Konstruktion wie in Beispiel 1, außer daß die Weite von jeder Demineralisierungskammer 0,8 cm war bei einer Volumenpackrate von 100% gefüllt. Nach der Zuführung von Wasser für 60 Minuten und einer elektrischer Strom durchleitenden Vorbehandlung für 24 Stunden wurde der spezifische Widerstand in Wasser mit 10 uS/cm gemessen und mit 1362 Ωcm bei einer Stromdichte von 0,0025 A/cm² befunden.
Nach der Messung des spezifischen Widerstandes wurde die Produktion von deionisiertem Wasser durchgeführt. Als der Elektrodialysator wurde derselbe wie in Beispiel 1 verwendete Elektrodialysator verwendet, außer daß die Demineralisierungskammern unterschiedlich waren. Unter Verwendung von Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 5 uS/cm als Beschickungswasser wurde die Demineralisierung bei einer Stromdichte von 0,005 A/cm² (Spannung = 5 V pro Einheitszelle) durchgeführt, wodurch behandeltes Wasser mit einer spezifischen, elektrischen Leitfähigkeit von 0,07 uS/cm nur bei solch einer kleinen Herstellungsrate wie 0,04 m³/h erhalten wurde. Die Menge von zu behandelndem Wasser konnte nicht erhöht werden, da wenn die Menge von zu behandelndem Wasser erhöht wurde, sich die spezifische, elektrische Leitfähigkeit erhöhte. In diesem Fall war der wirksame Oberflächenbereich der Membran pro 1 m³/h produziertes Wasser so groß wie 12,68 m².
Gemäß der Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser der vorliegenden Erfindung wird der Kontakt der Ionenaustauschteilchen miteinander und mit den Ionenaustauschmembranen erhöht, weil sie in den Demineralisierungskammern eines Elektrodialysators untergebracht sind, wodurch der spezifische Widerstand verringert werden kann und die Dicke der Demineralisierungskammern groß gemacht werden kann. Demgemäß ist es möglich eine Vorrichtung zu erhalten, die eine hohe Herstellungsrate von deionsiertem Wasser mit einem relativ kleinen wirksamen Oberflächenbereich aufweist.

Claims

1. Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser, umfassend einen Elektrodialysator mit abwechselnd zwischen Kathode und Anode angeordneten Kationenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen, um Demineralisierungskammern und Anreicherungskammern zu bilden, und Ionenaustauschern, die in den Demineralisierungskammern untergebracht sind, wobei zwischen den Ionenaustauschern, die in den Demineralisierungskammern untergebracht sind und den Kationenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen, welche die Demineralisierungskammern definieren, ein Druck von 0,1 bis 20 kg/cm² vorhanden ist, und wobei in jeder Anreicherungskammer ein Abstandshalter angeordnet ist, um die Dicke der Kammer aufrecht zu erhalten.

2. Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser nach Anspruch 1, wobei die Dicke jeder Demineralisierungskammer von 0,7 bis 30 cm beträgt.

3. Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die in den Demineralisierungskammern untergebrachten Ionenaustauscher ein poröser Körper mit einem Kationenaustauschharz, einem Anionenaustauschharz oder einem Gemisch davon sind, welche durch ein Binderpolymer gebunden sind.

4. Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die in den Demineralisierungskammern untergebrachten Ionenaustauscher durch eine Kombination von Bereichen von mindestens einem Kationenaustauscher und Bereichen von mindestens einem Anionenaustauscher gebildet sind.

5. Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die in den Demineralisierungskammern untergebrachten Ionenaustauscher granuläres Kationenaustauschharz, granuläres Anionenaustauschharz oder ein Gemisch davon sind.

6. Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser nach Anspruch 5, wobei die in den Demineralisierungskammern untergebrachten Ionenaustauscher durch eine Kombination von Bereichen eines granulären Kationenaustauschharzes und Bereichen eines granulären Anionenaustauschharzes gebildet sind.

7. Verfahren zur Produktion von deionisiertem Wasser, welches die Zuführung von zu behandelndem Wasser zu den Demineralisierungskammern der wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definierten Vorrichtung zur Produktion von deionisiertem Wasser und die Leitung eines elektrischen Stroms bei einer Stromdichte von 0,00001 bis 0,05 A/cm² umfasst.

8. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Druck zwischen den in den Demineralisierungskammern untergebrachten Ionenaustauschern und den Kationenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen dergestalt ausgeübt wird, daß die in den Demineralisierungskammern unterzubringenden Ionenaustauscher in eine Form umgewandelt werden, in der ihr Volumen gegenüber dem Volumen ihrer regenerierten Form verkleinert ist und dann in einer solchen Menge in die Demineralisierungskammern gepackt werden, daß das Volumen der regenerierten Form des Ionenaustauschers in freiem Zustand im Verhältniss zum Volumen der Demineralisierungskammern zwischen 103 und 170% wird, gefolgt von einer Zuführung von Wasser und der Leitung eines Elektrischen Stroms, um die Ionenaustauscher zur Erhöhung des Volumens sich ausdehnen zu lassen, um dadurch den Druck zu erhöhen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Volumen der in den Demineralisierungskammern unterzubringenden Ionenaustauscher dergestalt reduziert wird, daß die in den Demineralisierungskammern unterzubringenden Ionenaustauscher bis zu einem Wassergehalt von höchstens 30 Gew.-% getrocknet werden, und dann die Ionenaustauscher in die Demineralisierungskammern gepackt werden, gefolgt von einer Zuführung von Wasser und der Leitung eines elektrischen Stroms.