(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極の間にカチオン交換膜とアニオン交換膜を交互に配し、両膜の間に脱塩室と濃縮室を交互に形成した電気式脱イオン水製造装置において、前記脱塩室が、当該脱塩室の一方から他方に被処理水が流通する流路を保持して前記カチオン交換膜と前記アニオン交換膜とを接触させることにより形成される電気式脱イオン水製造装置。
【請求項２】
前記カチオン交換膜及び／又は前記アニオン交換膜の表面に多数の突起部を形成し、当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜を接触させ、両イオン交換膜が接触しない部分を被処理水が流通する流路とした請求項１記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
前記カチオン交換膜及び／又は前記アニオン交換膜の表面部分に多孔質構造を形成し、当該多孔質構造の表面部分において当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜を接触させ、且つ、当該多孔質構造の多孔部分を被処理水が流通する流路とした請求項１記載の電気式脱イオン水製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱イオン水を用いる半導体製造工業、製薬工業、食品工業等の各種の工業あるいは発電所、研究所等で利用される電気式脱イオン水製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気透析装置は、基本的にはカチオン交換膜とアニオン交換膜をスペーサーを挟んで交互に複数配置し、このスペーサーにより脱塩室と濃縮室を形成したユニットへ直流電流を通電することにより被処理液の脱塩及び濃縮を行っており、アニオン交換膜とカチオン交換膜とは接触していない。また、従来から実用化されている電気式脱イオン水製造装置は、基本的にはカチオン交換膜とアニオン交換膜で形成される隙間に、イオン交換体として、例えば、アニオン交換樹脂層とカチオン交換樹脂の積層あるいは混合イオン交換樹脂層を充填して脱塩室とし、当該イオン交換樹脂層に被処理水を通過させるとともに、前記両イオン交換膜を介して直流電流を作用させて、両イオン交換膜の外側に流れている濃縮水中に被処理水中のイオンを電気的に排除しながら脱イオン水を製造するものであり、アニオン交換膜とカチオン交換膜とは直接的には接触していない。
【０００３】
図７はその従来の典型的な電気式脱イオン水製造装置の模式断面図を示す。図７に示すように、カチオン交換膜１０１及びアニオン交換膜１０２を離間して交互に配置し、カチオン交換膜１０１とアニオン交換膜１０２で形成される空間内に一つおきにカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂１０３を充填して脱塩室１０４とする。また、脱塩室１０４のそれぞれの隣に位置するアニオン交換膜１０２とカチオン交換膜１０１で形成される混合イオン交換樹脂１０３を充填していない部分は濃縮水を流すための濃縮室１０５とする。
【０００４】
また、図８に示すように、カチオン交換膜１０１とアニオン交換膜１０２と、その内部に充填する混合イオン交換樹脂１０３（図８では省略）とで脱イオンモジュール１０６を形成する。
【０００５】
すなわち、内部がくり抜かれた枠体１０７の一方の側にカチオン交換膜１０１を封着し、枠体１０７のくり抜かれた部分に混合イオン交換樹脂１０３を充填し、次いで、枠体１０７の他方の部分にアニオン交換膜１０２を封着する。なお、イオン交換膜１０２は比較的軟らかいものであり、枠体１０７内部に混合イオン交換樹脂１０３を充填してその両面をイオン交換膜で封着した時、イオン交換膜が湾曲して混合イオン交換樹脂１０３の充填層が不均一となるのを防止するため、枠体１０７の空間部に複数のリブ１０８を縦設するのが一般的である。
【０００６】
また、図では省略するが、枠体１０７の上方部に被処理水の流入口が、また枠体の下方部に処理水の流出口が付設されている。
【０００７】
このような脱イオンモジュール１０６の複数個をその間に図では省略するスペーサーを挟んで、並設した状態が図７に示されたものであり、並設した脱イオンモジュール１０６の一端側に陰極１０９を配設するとともに、他端側に陽極１１０を配設する。なお、前述したスペーサーを挟んだ位置が濃縮室１０５であり、また両端の濃縮室１０５の両外側に必要に応じカチオン交換膜、アニオン交換膜、あるいはイオン交換性のない単なる隔膜等の仕切り膜１１１を配設し、仕切り膜１１１で仕切られた両電極１０９、１１０が接触する部分をそれぞれ陰極室１１２及び陽極１１３とする。
【０００８】
このような電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合、以下のように操作される。すなわち、陰極１０９と陽極１１０間に直流電流を通じ、また被処理水流入口Ａから被処理水が流入するとともに、濃縮水流入口Ｂから濃縮水が流入し、かつ電極水流入口ＣおよびＤからそれぞれ電極水が流入する。被処理水流入口Ａから流入した被処理水は実線で示した矢印のごとく各脱塩室１０４を流下し、混合イオン交換樹脂１０３の充填層を通過する際に不純物イオンが除かれ、脱イオン水が脱イオン水流出口ａから得られる。また、濃縮水流入口Ｂから流入した濃縮水は点線の矢印で示したごとく各濃縮室１０５を流下し、両イオン交換膜を介して移動してくる不純物イオンを受け取り、不純物イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出口ｂから流出され、さらに電極水流入口Ｃ及びＤから流入した電極水は電極水流出口ｃ及びｄから流出される。
【０００９】
上記のような操作によって被処理水中の不純物イオンは電気的に除去されるので、充填したイオン交換樹脂を薬液による再生を全く行うことなく脱イオン水を連続的に得ることができる。
【００１０】
このような従来の電気式脱イオン水製造装置は、通常前段に逆浸透膜装置や硬水軟化装置を設置して使用され、各種工業で使用する脱イオン水を極めて有効に供給している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電気式脱イオン水製造装置は、構造が複雑で、製作に相当の時間と労力を必要とする。特に、脱塩室を形成する脱イオンモジュールは、充填するイオン交換体の充填と均一充填を保証するため、空間内に複数のリブを縦設する枠体を使用するため、装置の形状が制限される等の問題もあった。
【００１２】
従って、本発明の目的は、従来通りの脱イオン効率を維持すると共に、構造が簡単で製作が容易であり、装置形状の自由度が高い電気式脱イオン水製造装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は、電気式脱イオン水製造装置における脱イオンの原理に立ち戻り種々検討を行った結果、(1)イオン交換体、すなわちイオン交換樹脂は処理水中のイオンを吸着する目的のために脱塩室に充填され、一方、イオン交換膜はイオン交換樹脂で吸着したイオンを濃縮室に移動させ、濃縮室の対立イオンは脱塩室に移動させない目的に利用されるため、イオン交換体とイオン交換膜の両者は互いにその目的を異にするものの、本質的に材質は同一であること。(2)イオン交換体を充填しない条件で運転すると脱イオン効率が極めて悪いこと。(3)イオン交換膜とイオン交換樹脂が接触している部分は水の電気分解が起こりやすく、ここで発生したＨ+ イオンやＯＨ- イオンがイオン交換樹脂を化学的に再生していると考えられること。従って、上記(1)〜(3)の知見から、脱塩室を被処理水が流通する流路を保持してカチオン交換膜とアニオン交換膜とを接触させた構造とすれば、従来の電気式脱イオン水製造装置と同様の脱イオン効率が得られると共に構造が簡単で製作が容易であり、装置形状の自由度が高い装置が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本請求項１記載の発明は、陽極と陰極の間にカチオン交換膜とアニオン交換膜を交互に配し、両膜の間に脱塩室と濃縮室を交互に形成した電気式脱イオン水製造装置において、前記脱塩室が、当該脱塩室の一方から他方に被処理水が流通する流路を保持して前記カチオン交換膜と前記アニオン交換膜とを接触させることにより形成される電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１５】
また、本請求項２記載の発明は、前記カチオン交換膜及び／又は前記アニオン交換膜の表面に多数の突起部を形成し、当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜を接触させ、両イオン交換膜が接触しない部分を被処理水が流通する流路とした請求項１記載の電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１６】
また、本請求項３記載の発明は、前記カチオン交換膜及び／又は前記アニオン交換膜の表面部分に多孔質構造を形成し、当該多孔質構造の表面部分において当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜を接触させ、且つ、当該多孔質構造の多孔部分を被処理水が流通する流路とした請求項１記載の電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の電気式脱イオン水製造装置の脱塩室は、当該脱塩室の一方から他方に被処理水が流通する流路を保持して前記カチオン交換膜と前記アニオン交換膜とを接触させ形成されたものであれば、特に制限されず、イオン交換体を充填することなく形成される。当該被処理水の流路を保持したカチオン交換膜又はアニオン交換膜（以下、両者を単に「イオン交換膜」ということもある。）としては、例えば、表面近傍を多孔構造に加工したイオン交換膜、表面に無数の繊維状の突起を形成するイオン交換膜、不織布状の表面を有するイオン交換膜、多数の突起部を形成するイオン交換膜等が挙げられる。これら特定の表面構造は、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の双方の脱塩室側の表面に形成するものであっても、また、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の一方の脱塩室側の表面に形成するものであってもよい。また、カチオン交換膜又はアニオン交換膜の濃縮側の表面は、前記特定構造又は突起部があっても無くてもよい。
【００１８】
また、前記多数の突起部を形成するイオン交換膜の場合、当該突起部の形状としては、特に制限されず、例えば、略半球状、半球状、円錐状等の突起物；断面が半球状、円錐状等の直線状、渦巻き状、不定形模様状の突状物等が挙げられる。突起部の高さとしては、約１〜３mmの範囲が好ましい。また、突起部は、前記突起物の場合、９〜２５個／cm2 形成することが好ましく、前記突状物の場合、溝幅を突起物断面幅の１．０〜１．５倍の範囲とすることが好ましい。
【００１９】
前記多孔構造の表面、不織布状の表面及び無数の繊維状の突起を有する表面を形成する方法としては、特に制限されず、従来から使用されているイオン交換膜の表面に前記多孔構造又は突起等を形成するイオン交換膜を接着剤等で固定する貼り合わせ法、熱可塑性高分子を用いた加熱成型の場合は成型時に多孔構造や突起を形成する一体形成法等が挙げられる。
【００２０】
また、表面に多数の突起部を形成するイオン交換膜の場合、その形成方法としては、特に制限されず、例えば、不均質膜の場合、膜内に粒状のイオン交換体を混入させ、該イオン交換体の形状を利用し、イオン交換膜表面を突起させて製膜する方法及びこの方法により一旦製膜した後、イオン交換体以外の部分を削り取る方法等が挙げられる。また、半均質膜又は均質膜の場合、膜の支持体に用いるオレフィン樹脂や塩化ビニル樹脂製のネットに予め凹凸を形成させたものを用いて突起物を形成する方法、塊状重合による製膜の場合、塊状物から切り出す際に凹凸を付ける方法、熱可塑性高分子を用いた加熱成形法やペースト法の場合、成形時に凹凸を付ける方法及びイオン交換膜を製膜後に一部を削り取る方法等が挙げられる。
【００２１】
また、前記カチオン交換膜とアニオン交換膜との接触形態としては、特に制限されず、前記の如く、多孔構造、突起又は突起部が形成されたカチオン交換膜とアニオン交換膜の表面同士を単に当接させるだけでよい。これにより、カチオン交換膜とアニオン交換膜の接触界面及び表面近傍に空隙が形成され、被処理水が流通する流路が保持される。
【００２２】
前記多数の突起部を形成するイオン交換膜の場合、その接触形態としては、前記カチオン交換膜とアニオン交換膜との接触により形成される脱塩室の被処理水の流路となる空隙の確保及び脱イオン効率等の点から適宜選択すればよいが、特に、突起部と他方の膜の溝部を接触させることが好ましい。例えば、突起部の形状が半球状であれば、図１に示すように、カチオン交換膜１１の突起部９がアニオン交換膜１２の溝部７に、アニオン交換膜１２の突起部８がカチオン交換膜１１の溝部６にそれぞれ相対するように当接させればよい。この場合、突起部８、９の頂部と溝部６、７の底面部との接触は、一部であってもよいが、実質的に全突起部の頂部が溝部底面部と接触させることが好ましい。また、図１において、アニオン交換膜１２が突起部を形成しない場合には、図２に示すように、カチオン交換膜１１の突起部９をアニオン交換膜１２に当接させればよい。
【００２３】
前記イオン交換膜の表面近傍を多孔質構造に加工したイオン交換膜の場合、その接触形態としては、図５に示すように、カチオン交換膜１１の表面部分にカチオン交換膜多孔質構造部５１を形成し、また、アニオン交換膜１２の表面にもアニオン交換膜多孔質構造部５２を形成し、カチオン交換膜多孔質構造部５１とアニオン交換膜多孔質構造部５２の表面部同士を密着させる接触形態が挙げられる。図５中、被処理水は、当該多孔質構造部５１及び５２の多孔部分を縦方向に流通する。また、他の接触形態としては、図６に示すように、カチオン交換膜１１の表面部分にカチオン交換膜多孔質構造部５１を形成し、この多孔質構造部５１の表面とアニオン交換膜１２の表面部同士を密着させる接触形態が挙げられる。図６中、被処理水は、当該多孔質構造部５１の多孔部分を縦方向に流通する。図５及び図６に示した構造とすることにより、カチオン交換膜とアニオン交換膜をより密着させて接触させ、且つ被処理水が流通する流路を確保することができるので、電流効率をより高くすることができる。
【００２４】
本発明において、カチオン交換膜とアニオン交換膜との接触により形成される脱塩室の空隙率としては、特に制限されないが、表面近傍を多孔構造に加工したイオン交換膜及び不織布の表面を有するイオン交換膜の場合、両イオン交換膜が占有する容積に対して、約３〜５０％程度とすることが好ましい。また、前記多数の突起部を有するイオン交換膜の場合、脱塩室の空隙率としては、脱塩室の全容積に対して、図１及び図２のカチオン交換膜１１とアニオン交換膜１２で形成される隙間（空白部分）の割合をいい、具体的には、３０〜８０％の範囲とするのが好ましい。
【００２５】
本発明において、脱塩室を形成する脱イオンモジュールは、例えば、図３に示すように、脱塩室側の表面に多数の突起部９を形成したカチオン交換膜１１とアニオン交換膜１２（アニオン交換膜１２の表面突起部は図では見えない）とで形成される。また、脱イオンモジュールの形態としては、種々の形態を採ることができ、例えば、スパイラル状の形態とすることもできる。
【００２６】
本発明の電気式脱イオン水製造装置の脱塩室は、前記表面が特定構造を有するカチオン交換膜とアニオン交換膜とを接触させることにより形成され、この脱塩室の空隙に被処理水を通過させるとともに、前記両イオン交換膜を介して直流電流を作用させて、両イオン交換膜の外側に流れている濃縮水中に被処理水中のイオンを電気的に排除しながら脱イオン水を製造するものである。
【００２７】
図４は本発明の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置の模式断面図を示す。図４に示すように、多数の略半球状の突起を有するカチオン交換膜１１及び多数の略半球状の突起を有するアニオン交換膜１２を嵌め合うように接触させて形成した脱イオンモジュール１６を離間して交互に配置し、カチオン交換膜１１とアニオン交換膜１２で形成される空隙内を脱塩室１４とする。なお、脱塩室１４のそれぞれの隣に位置するアニオン交換膜１２とカチオン交換膜１１で形成される突起部を形成しない部分は濃縮水を流すための濃縮室１５とする。
【００２８】
図４は脱イオンモジュール１６の複数個をその間に図では省略するスペーサーを挟んで、並設した状態のものであり、並設した脱イオンモジュール１６の一端側に陰極１９を配設するとともに、他端側に陽極２０を配設する。なお、前述したスペーサーを挟んだ位置が濃縮室１５であり、また両端の濃縮室１５の両外側に必要に応じカチオン交換膜、アニオン交換膜、あるいはイオン交換性のない単なる隔膜等の仕切り膜２１を配設し、仕切り膜２１で仕切られた両電極１９、２０が接触する部分をそれぞれ陰極室２２及び陽極室２３とする。
【００２９】
このような電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合、以下のように操作される。すなわち、陰極１９と陽極２０間に直流電流を通じ、また被処理水流入口Ａから被処理水が流入するとともに、濃縮水流入口Ｂから濃縮水が流入し、かつ電極水流入口ＣおよびＤからそれぞれ電極水が流入する。被処理水流入口Ａから流入した被処理水は実線で示した矢印のごとく各脱塩室１４を流下し、突起部の接触によって形成される流路を通過する際に不純物イオンが除かれ、脱イオン水が脱イオン水流出口ａから得られる。また、カチオン交換膜とアニオン交換膜が直接接触する部分は水の電気分解が発生して、不純物イオンをイオン交換作用により吸着したイオン交換膜の再生に寄与する。また、濃縮水流入口Ｂから流入した濃縮水は点線の矢印で示したごとく各濃縮室１５を流下し、両イオン交換膜を介して移動してくる不純物イオンを受け取り、不純物イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出口ｂから流出され、さらに電極水流入口Ｃ及びＤから流入した電極水は電極水流出口ｃ及びｄから流出される。
【００３０】
上記のような操作によって被処理水中の不純物イオンは電気的に除去されるので、従来の電気式脱イオン水製造装置と同様の脱イオン率で脱イオン水を連続的に得ることができる。また、本実施の形態の電気式脱イオン水製造装置１０は構造が簡単であり、極めて容易に製作することができる。また、脱イオンモジュール１６がコンパクトであるため装置が小型化できる。また、イオン交換体及びその充填作業を省略できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の電気式脱イオン水製造装置によれば、構造が簡単であり、極めて容易に製作することができる。また、脱イオンモジュールがコンパクトであるため装置が小型化できる。また、イオン交換体及びその充填作業を省略できる。また、脱イオンモジュールをスパイラル形態とし、これを円筒形の耐圧容器に装填し、耐圧容器側とスパイラルの中心部側を電極とすれば、耐圧性能を高めた電気式脱イオン水製造装置とすることができ、従来の電気式脱イオン水製造装置に比して、形態の自由度が著しく高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるアニオン交換膜とカチオン交換膜の接触状態の一部を示す模式断面図を示す。
【図２】本発明におけるアニオン交換膜とカチオン交換膜の他の接触状態の一部を示す模式断面図を示す。
【図３】本発明の電気式脱イオン水製造装置に用いられる脱イオンモジュールの組立て図を示す。
【図４】本発明の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置の模式断面図を示す。
【図５】本発明におけるアニオン交換膜とカチオン交換膜の接触状態の一部を示す多の模式断面図を示す。
【図６】本発明におけるアニオン交換膜とカチオン交換膜の他の接触状態の一部を示すさらに他の模式断面図を示す。
【図７】従来の電気式脱イオン水製造装置の模式断面図を示す。
【図８】従来の電気式脱イオン水製造装置に用いられる脱イオンモジュールの組立図を示す。
【符号の説明】
６、７      溝部
８、９      突起部
１０          電気式脱イオン水製造装置
１１、１０１  カチオン交換膜
１２、１０２  アニオン交換膜
１４、１０４  脱塩室
１５、１０５  濃縮室
１６、１０６  脱イオンモジュール
１９、１０９  陰極
２０、１２０  陽極
２１、１１１  仕切り膜
２２、１１２  陰極室
２３、１１３  陽極室
５１          カチオン交換膜多孔質構造体
５２          アニオン交換膜多孔質構造体
１０７          枠体
１０８          リブ
Ａ          被処理水流入口
Ｂ          濃縮水流入口
Ｃ、Ｄ      電極水流入口
ａ          脱イオン水流出口
ｂ          濃縮水流出口
ｃ、ｄ      電極水流出口
【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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