[发明专利]用于制备去离子水的电去离子装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备去离子水的电去离子装置并且，更具体地，涉及去离子室的结构。

背景技术

已知用于制备去离子水的去离子装置，其中通过使所要处理的水通过离子交换剂进行去离子。在这些制备装置中，当去离子性能归因于离子交换基的饱和而降低时，需要用化学品如酸或碱再生离子交换剂中的离子交换基。更具体地，需要的是分别用源自酸的H⁺和源自碱的OH^-置换吸附至离子交换基的阴离子和阳离子。近年来，开发了不需要用化学品再生的用于制备去离子水的电去离子装置，并且使其进入了实际应用以克服上面描述的操作缺陷。

用于制备去离子水的电去离子装置是使用电泳和电渗析的组合的装置。普通的用于制备去离子水的电去离子装置的基本构造如下面所描述。换言之，用于制备去离子水的电去离子装置具有去离子室、放置在去离子室的相反侧上的一对浓缩室、放置在一个浓缩室外侧的阳极室、以及放置在另一个浓缩室外层的阴极室。去离子室具有彼此相对的阴离子交换膜和阳离子交换膜和填充在这些离子交换膜之间的离子交换剂(阴离子交换剂和/或阳离子交换剂)。在以下描述中，用于制备去离子水的电去离子装置有时被简称为“去离子水制备装置”。

为了用上述构造的去离子水制备装置制备去离子水，使所要处理的水在分别设置在阳极和阴极室中的电极之间施加直流电压的状态下穿过去离子室。在去离子室中，阴离子组分(例如，Cl^-、CO₃²-、HCO₃^-和SiO₂)由阴离子交换剂捕获并且阳离子组分(例如，Na⁺，Ca²⁺和Mg²⁺)由阳离子交换剂捕获。同时，去离子室中阴离子交换剂与阳离子交换剂之间的界面处出现水分解反应，从而生成氢离子和氢氧根离子(2H₂O→H⁺+OH^-)。由离子交换剂捕获的离子组分通过氢离子和氢氧根离子对所述离子组分的置换从离子交换剂释放。所释放的离子组分通过电泳穿过离子交换剂移动至离子交换膜(阴离子交换膜或阳离子交换膜)，在离子交换膜中经历电渗析并且移动至浓缩室中。移动至浓缩室中的离子组分由在浓缩室中流动的水排出。

在用于制备去离子水的电去离子装置中，如上所述，氢离子和氢氧根离子连续地充当用于再生离子交换剂的再生剂(酸和碱)。因此，基本上不需要用化学品再生离子交换剂，并且该装置可以连续地运行。

然而，当去离子水制备装置连续地运行时，所要处理的水中的硬度组分沉淀以产生水垢，如碳酸钙和氢氧化镁。尤其是在插入在阴极室与浓缩室之间的阴离子交换膜的浓缩室侧的表面上沉淀水垢。在其中设置多个去离子室的情况下，在位于去离子室中的两个之间的浓缩室中的阴离子交换膜的表面上沉淀水垢。下面描述其原因。归因于在阴极室中由电解生成的氢氧根离子或在去离子室中由水分解反应生成的氢氧根离子的通过，浓缩室中的阴离子交换膜表面变为碱性。从去离子室穿过阳离子交换膜的硬度组分(镁离子或钙离子)在碱性条件下在阴离子交换膜表面反应以产生氢氧化钙或氢氧化镁。如果浓缩水中含有含碳酸根离子，进一步生成碳酸钙或碳酸镁。当沉淀水垢时，其上沉淀水垢的区域处的电阻增加，并且电流不能容易地在那里流过。换言之，出现增加电压以施加与没有水垢的情况下的电流值相同的电流值的需要，导致能量消耗上的增加。也存在浓缩室中电流密度不均匀的可能性。此外，如果水垢的量进一步增加，用于使水通过的压差增加并且电阻进一步增加。在这种情况下，用于离子的移除所需的电流的流动减弱，导致处理过的水的品质上的下降。也存在所生长的水垢穿透至离子交换膜的内部的可能性，导致离子交换膜损坏。

作为限制上面描述的水垢生成的方法，提出了用阴离子交换剂填充浓缩室的内部。例如，专利文献1公开了一种去离子水制备装置，所述去离子水制备装置具有放置在浓缩室中的阴离子交换膜侧上的特殊结构的阴离子交换剂。在该去离子水制备装置中，OH^-至浓缩水中的扩散在多孔阴离子交换剂表面处得到了促进并且迅速地降低了在该表面处的OH^-浓度。另一方面，使硬度组分离子变得难以渗透过多孔阴离子交换剂。作为结果，OH^-与硬度组分离子之间的接触和反应的机会减少，并且限制了水垢的沉淀和积累。