電気脱イオン

電気脱イオン化（EDI）は、直流電源、イオン交換膜、イオン交換樹脂を利用して水を脱イオン化する水処理技術です。EDIは通常、逆浸透（RO）後の研磨処理として使用され、超純水の製造に使用されます。化学的に再生された混合床などの他のRO研磨方法とは異なり、化学的再生なしで連続的に動作します。^[1]

電気脱イオン化は、電気抵抗値が 18.2 MΩ/cm に 達する高純度の水を生成するために使用できます。

電気脱イオン化 (EDI) は、3 つの異なるプロセスを統合します。

1. 電気分解: 連続した直流電流が、正イオンと負イオンを反対の電荷を持つ電極に導きます。電位によって、陰イオンと陽イオンが希釈室から陽イオンまたは陰イオン交換膜を通って濃縮室に引き込まれます。
2. イオン交換: 希釈チャンバーにはイオン交換樹脂が充填されています。水が樹脂層を通過すると、陽イオンと陰イオンが樹脂部位に付着します。
3. 電気化学的再生: 化学的に再生する混合床とは異なり、EDI は連続電流によって誘発される水の分解によって再生を実現します。水は H ₂ O から H ⁺と OH ^-に分解され、外部の化学添加剤を必要とせずに樹脂を効果的に再生します。

EDI は、電流によってイオン交換樹脂の塊が継続的に再生されるため、「連続電気脱イオン化」(CEDI) と呼ばれることもあります。

製品水の純度を最大限に高めるには、EDI 供給水を前処理する必要があります。これは通常、逆浸透によって行われます。総溶解固形物が少ない供給水(RO で精製したものなど) を供給すると、製品は非常に高い純度レベルに達することができます。EDI 機器の損傷を防ぐために、供給水の内容物を特定のパラメータ内に維持する必要があります。

給水水質に関する一般的な懸念事項は次のとおりです。

• 硬度は、CaCO ₃または対応する分子の 1 ppm (百万分の 1) に制限されることが多いですが、例外として 2 ppm までに制限されることもあります。
• シリカ含有量（SiO ₂）。通常、ほとんどの EDI セルでは 1 ppm 以下、薄型セル モジュールでは 2 ppm 以下でなければなりません。
• CO2 は_、陰イオン交換樹脂の過剰な負荷を防ぐために監視する必要があります。
• 樹脂や膜を汚染する可能性のあるTOC を最小限に抑える必要があります。
• 塩素、オゾン、その他の酸化剤は樹脂や膜を酸化して永久的な損傷を引き起こす可能性があるため、最小限に抑える必要があります。

電気脱イオン化は、当時の電気分解システムに存在する濃度分極現象を排除または最小限に抑えるために、1950年代初頭に開発されました。この技術の特許は1953年に申請され、その後の出版物によってこの技術は普及しました。 ^[2]

この技術は、総溶解固形物、硬度、有機物に対する許容度が低いため、適用範囲が限られていました。1970 年代から 1980 年代にかけて、高TDS水に対しては、イオン交換樹脂よりも逆浸透が好まれる技術となりました。RO が普及するにつれて、EDI が適切な研磨技術として登場しました。パッケージ化された RO および EDI システムは、化学的に再生されたイオン交換システムに取って代わり始めました。

1986年と1989年に、いくつかの企業が新しいEDIデバイスを開発しました。初期のデバイスは大きくて高価で、信頼性が低いことが多かったのですが、1990年代には、より小型で安価なモジュール設計が導入されました。しかし、これらの設計とその現代の後継機種は、コストや運用範囲の制限などの制限にまだ直面しています。^{[3] [4]}

電子業界では、製造中に部品を洗浄するために脱イオン水が使用されます。これは、電子チップを破壊する可能性のある潜在的な短絡を回避するために必要です。電子チップは非常に小さいため、コンポーネント要素間の自由空間がほとんどなく、わずかなイオンを介して不要な電気がコンポーネント間で伝導し、短絡を引き起こす可能性があります。脱イオン水を使用してコンポーネントを洗浄すると、表面のイオンが最小限に抑えられ、短絡が最小限に抑えられます。

製薬業界では、医薬品開発に使用される水に不要なイオンが存在すると、望ましくない副反応を引き起こし、有害な不純物を導入する可能性があります。

発電においては、ボイラー給水中のイオンの存在により、固形物の蓄積やボイラー壁の劣化につながる可能性があり、どちらもボイラーの効率を低下させ、安全上の危険をもたらす可能性があります。

これら 3 つの業界には大きな財務的および安全上の懸念があるため、高純度水に対する経済的需要がEDI 装置および開発に対する需要の大部分を占めています。

電気脱イオンシステムは、鉱業、電気メッキ、原子力プロセスからのさまざまな種類の廃水から重金属を除去するためにも適用されています。これらのプロセスで除去される主なイオンはクロム、銅、コバルト、セシウムですが、EDIは他のイオンの除去にも使用されています。^[5]

電気化学セル内の電極はそれぞれ、陽極または陰極のいずれかに分類されます。陽極は、電子がセルから出て酸化が起こる電極であり、陰極は、電子がセルに入り還元が起こる電極です。各電極は、セルに印加される 電圧に応じて、陽極または陰極のいずれかになります。

各脱イオン化セルは、電極と、酸化または還元を受けるイオンを含む電解質で構成されています。電解質は一般に溶液中のイオンで構成されているため、「イオン溶液」と呼ばれることがよくありますが、溶融電解質や固体電解質も考えられます。

水は陽極と陰極の間を通過します。イオン選択膜により、陽イオンは水から陰極に向かって分離され、陰イオンは陽極に向かって分離されます。その結果、イオンはセルから逃げることができず、脱イオン水が生成されます。^[4]

イオンの移動に必要な電流よりも高い電流を使用すると、入射水の一部が分解され、水酸化物 (OH ^- )アニオンと水素 (H ⁺ )カチオンが形成されます。これらの種は、樹脂内の不純物のアニオンとカチオンを置き換えます。このプロセスは、樹脂の「インサイチュー再生」と呼ばれます。この置き換えは脱イオン化プロセスと並行して行われるため、化学的にイオン交換樹脂を再生するために操作を一時停止する必要がある脱イオン化技術とは対照的に、連続的な精製が可能になります。^[6]

イオン交換樹脂の目的は、供給水全体の安定した伝導性を維持することです。樹脂がない場合、イオンは最初は除去できますが、イオン濃度が低下すると伝導性は大幅に低下します。伝導性が低下すると、電極はセル全体の電子の流れを効率的に導くことができなくなりますが、樹脂を追加して伝導性を安定させると、電子の流れが安定し、イオン除去の速度が一定になります。したがって、樹脂を使用すると、処理された水中の最終的な残留イオン濃度は桁違いに低くなります。^[5]

一般的な EDI 設備には、電極、陰イオン交換膜、陽イオン交換膜、樹脂などのコンポーネントがあります。最もシンプルな構成は 3 つのコンパートメントで構成されます。生産の強度や効率を高めるために、コンパートメントまたはセルの数を必要に応じて増やすことができます。

システムが設置され、給水がシステムを通過し始めると、陽イオンは陰極に向かって流れ、陰イオンは陽極に向かって流れます。陰イオンのみが陰イオン交換膜を通過でき、陽イオンのみが陽イオン交換膜を通過できます。この構成では、膜の選択性と電気力により、陰イオンと陽イオンは一方向にのみ流れ、給水は比較的イオンを含まない状態になります。また、陽イオンと陰イオンの濃縮流を別々に収集できるため、より選択的な廃棄物処理、リサイクル、または再利用が可能になります。これは、重金属陽イオンの除去に特に役立ちます。

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• 電気脱イオンシステム。
• 製品脱塩のための先進的電気脱イオン化技術、アルゴンヌ国立研究所
• 電気脱イオン化の動作原理を理解する。