(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室とを有し、この両極室の間に、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を配置し、これらのイオン交換膜と室枠を用いて脱塩室と濃縮室を形成した電気再生式脱塩装置であって、前記脱塩室は、電気の流れ方向に複数枚のイオン交換膜で分割されており、前記存在する室のうちの少なくとも脱塩室内部にはイオン交換体が充填されていることを特徴とする電気再生式脱塩装置。
【請求項２】
陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室とを有し、この両極室の間に、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を配置し、これらのイオン交換膜と室枠を用いて脱塩室と濃縮室を形成した電気再生式脱塩装置であって、前記脱塩室は２枚のイオン交換膜で電気の流れ方向に３つの小脱塩室に分割されており、前記存在する室のうちの少なくとも該３つの小脱塩室内にはイオン交換体が充填されており、該第１の小脱塩室出口水が第２の小脱塩室入口に、さらに第２の小脱塩室出口水が第３の小脱塩室に供給されるように３つの小脱塩室が構成されていることを特徴とする電気再生式脱塩装置。
【請求項３】
前記脱塩室には、陽極側に陰イオン交換膜、陰極側に陽イオン交換膜を配置すると共に、該脱塩室を分割する複数枚のイオン交換膜は、陽イオン交換膜、もしくは陰イオン交換膜の単一膜、もしくはバイポーラ膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気再生式脱塩装置。
【請求項４】
前記イオン交換体は、放射線グラフト重合法によりイオン交換体が導入されたイオン交換繊維からなるイオン交換体であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電気再生式脱塩装置。
【請求項５】
前記イオン交換繊維からなるイオン交換体は、不織布又は織布、及び網目状のスペーサであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気再生式脱塩装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気再生式脱塩装置に係り、特に弱陰イオン成分の除去能力が高い電気再生式脱塩装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の純水製造方法としては、イオン交換樹脂を充填した容器に脱塩室入口水を通過させ、脱塩室入口水中のイオンをＨ+、ＯＨ-イオンに交換することにより純水を製造するイオン交換法が知られている。
しかし、このイオン交換法では、イオン交換樹脂の交換能力が飽和すると、イオン交換樹脂の種類に応じて酸、アルカリを用いてイオン交換能力の再生をする必要がある。イオン交換樹脂の再生操作は、煩雑で、多量の酸、アルカリの貯蔵、取り扱い、廃棄に細心の注意が必要であると共に設備が大きくなる、という問題を有している。
それに対し、近年、電気によってイオン交換体を再生し、連続的に純水を製造する電気再生式脱塩装置が開発された。これは図４に示すように、脱塩室入口水１０中のイオン分を装置の両端に印可した直流電源により、濃縮室出口水１３及び陰極液、陽極液に移動させることにより除去する装置であり、陰極１を有する陰極室２と陽極３を有する陽極室４、陰極室２と陽極室４の間に陰イオン交換膜５と陽イオン交換膜６を配置することにより形成された脱塩室７と濃縮室８を備え、少なくとも脱塩室７内にはイオン交換体９が充填されているものである。
【０００３】
ここで、イオン交換体９は、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、グラフト重合法によりイオン交換体を導入されたイオン交換不織布、スペーサ等イオン交換機能を持つ物であればどのようなイオン交換体でもよく、陰イオン交換体、陽イオン交換体を単一、もしくは混合、もしくは複層状に充填してある。
陰極室２に陰極室入口水１４を、陽極室４に陽極室入口水１６を、濃縮室８に濃縮室入口水１２を、脱塩室７に脱塩室入口水１０を導入し、陰極１と陽極３間に直流電流を印可することにより、脱塩室入口水１０中に含まれているイオン分は、イオン交換体９の表面を電位の方向に移動し、陰イオンは陰イオン交換膜５、陽イオンは陽イオン交換膜６を透過して濃縮室８中の濃縮水、陰極室２中の陰極液及び陽極室４中の陽極液に移動し、脱塩室入口水１０は脱イオン処理され純水１１が製造される。
【０００４】
脱塩室７内に充填されたイオン交換体９は、水解によって発生するＨ+、ＯＨ-により連続的に再生されるため、酸あるいはアルカリによる再生作業は必要なく、このようにして、純水１１を連続的に製造することが可能となる（特許第１７８２９４３号、特許第２７５１０９０号、特許第２６９９２５６号各明細書、特願平１０−１５３６９７号）。
また、最近では脱塩室７を中間イオン交換膜で２つの小脱塩室に分割し、片方の小脱塩室の流出水をもう片方の小脱塩室に導入することで、脱塩性能を改善した電気再生式脱塩装置も開発されている（特開２００１−２３９２７０、特開２００１−３２７９７１各公報）。
従来の電気再生式脱塩装置では、炭酸、シリカなどの弱陰イオン成分の除去能力が他のイオン分の除去能力に比べて劣っていることが一般に知られている。
これらの弱陰イオン成分は、電気再生式脱塩装置に直流電流を過大に印可すればその除去率が多少改善することも知られているが、その場合でも弱陰イオン成分は十分には除去できなく、単位流量当りの消費電力は大きくなってしまう。
【０００５】
そのため、後段にイオン交換樹脂によるカートリッジポリッシャを設置してイオン交換させる、電気再生式脱塩装置を多段に構成し、第１の電気再生式脱塩装置で脱塩を行った後、第２の電気再生式脱塩装置でさらに脱塩処理を行う、などの処置が必要に応じて行われている。
しかし、このような処置を行うと、設置面積の増大機器数の増加、価格の上昇を招くことになる。
また、脱塩室を中間イオン交換膜で２つの小脱塩室に分割し、片方の小脱塩室の流出水をもう片方の小脱塩室に導入して脱塩性能を向上させた電気再生式脱塩装置においては、内部に充填するイオン交換体がイオン交換樹脂の場合は前述の弱陰イオン成分の除去能力も十分改善されるとの報告があるが（前述の公開公報参照）、イオン交換繊維からなる不織布織布、網目状のスペーサ等を充填した場合には、その接触効率等の問題から、弱陰イオン成分の除去性能は十分とは言い難い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、脱塩室内部に充填するイオン交換体の種類によらず、上述の弱陰イオン成分の除去性能を改善し、弱陰イオン成分を十分に除去できる電気再生式脱塩装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室とを有し、この両極室の間に、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を配置し、これらのイオン交換膜と室枠を用いて脱塩室と濃縮室を形成した電気再生式脱塩装置であって、前記脱塩室は、電気の流れ方向に複数枚のイオン交換膜で分割されており、前記存在する室のうちの少なくとも脱塩室内部にはイオン交換体が充填されていることを特徴とする電気再生式脱塩装置としたものである。
また、本発明では、陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室とを有し、この両極室の間に、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を配置し、これらのイオン交換膜と室枠を用いて脱塩室と濃縮室を形成した電気再生式脱塩装置であって、前記脱塩室は２枚のイオン交換膜で電気の流れ方向に３つの小脱塩室に分割されており、前記存在する室のうちの少なくとも該３つの小脱塩室内にはイオン交換体が充填されており、該第１の小脱塩室出口水が第２の小脱塩室入口に、さらに第２の小脱塩室出口水が第３の小脱塩室に供給されるように３つの小脱塩室が構成されていることを特徴とする電気再生式脱塩装置としたものである。
【０００８】
前記電気再生式脱塩装置において、脱塩室には、陽極側に陰イオン交換膜、陰極側に陽イオン交換膜を配置すると共に、該脱塩室を分割する複数枚のイオン交換膜は、陽イオン交換膜、もしくは陰イオン交換膜の単一膜、もしくはバイポーラ膜とすることができ、前記イオン交換体は、放射線グラフト重合法によりイオン交換体が導入されたイオン交換繊維からなるイオン交換体であるのがよく、また、前記イオン交換繊維からなるイオン交換体は、不織布又は織布、及び網目状のスペーサであるのがよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、従来１対のイオン交換膜で仕切られていた脱塩室を、複数枚のイオン交換膜で分割し、かつ被脱塩水を分割した各小脱塩室内を直列に流れるように構成することによって、弱アニオン成分の除去能力を高めることができると共に、脱塩室を複数枚のイオン交換膜で分割するため、その分の濃縮室を省略することができ、運転電圧の低減もはかることが可能な電気再生式脱塩装置を提供することが可能となる。
次に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の電気再生式脱塩装置の一例を示す概略構成図であり、先に示した図４の構成と同一構成を同一符号で示して説明する。
【００１０】
陰極１を有する陰極室２と、陽極３を有する陽極室４を対向して配置し、この陰極室２と陽極室４の間に、陰イオン交換膜５と陽イオン交換膜６を交互に配置することにより、脱塩室７と濃縮室８を構成し、脱塩室７は複数枚のイオン交換膜で複数の小脱塩室に分割され、脱塩室７には、イオン交換体９を充填することにより、本発明による電気再生式脱塩装置が構成される。
ここで、図１では、脱塩室７の分割の一例として、陰イオン交換膜５を２枚用いて第１の小脱塩室７１、第２の小脱塩室７２、第３の小脱塩室７３の３つの小脱塩室に分割して示してある。
第１の小脱塩室７１の出口が第２の小脱塩室７２の入口に、第２の小脱塩室７２の出口が第３の小脱塩室７３の入口に接続されており、第１の小脱塩室７１、第２の小脱塩室７２の両側に存在するイオン交換膜は、陰イオン交換膜５であるため、内部に充填するイオン交換体９は陰イオン交換体とし、小脱塩室７３は、陰イオン交換膜５と陽イオン交換膜６で形成されているため、充填するイオン交換体９は、陰イオン交換体と陽イオン交換体の混合イオン交換体とした。
【００１１】
これは、小脱塩室の両側にあるイオン交換膜が、陰イオン交換膜５と陽イオン交換膜６である場合には、電極間に直流電流を印可すると、被処理水中の陰イオンは、陰イオン交換膜５を通過して濃縮室８へ、陽イオンは、陽イオン交換膜６を通過して濃縮室８へ移動するため、陰イオン交換体と陽イオン交換体の両方を小脱塩室に充填すると脱イオン効果があるのに対し、小脱塩室の両側にあるイオン交換膜が、両方とも陰イオン交換膜５の場合は、被処理水中の陽イオンは、陰イオン交換膜５を通過できないため、陽イオン交換体を内部に充填していても、連続脱塩効果が発揮できないためである。同様に、両側に陽イオン交換膜６を配置した小脱塩室を用いる場合には、陰イオンは陽イオン交換膜６を通過できないため、内部には陽イオン交換体のみを充填するのがよい。
また、濃縮室８、及び両極室２、４にも、イオン交換体９を充填することが望ましく、このイオン交換体９は、その形状、種類に特に制限はないが、濃縮室８には陽イオン交換体と陰イオン交換体の両者を使用し、陽イオン交換膜側に陽イオン交換体を、陰イオン父換膜側に陰イオン交換体を配置するのが析出の防止に効果的である。
【００１２】
陰極室２には、脱塩室７が隣接する場合には陽イオン交換体を、濃縮室８が隣接する場合には陰イオン交換体を充填するのがよく、陽極室４には、脱塩室７が隣接する場合には陰イオン交換体を、濃縮室８が隣接する場合には陽イオン交換体を充填するのがよい。
濃縮室８、両極室２、４には、一部にイオン交換体以外の、例えばスペーサを充填することもできる。
陰極室２に陰極室入口水１４を、陽極室４に陽極室入口水１６を、濃縮室８に濃縮室入口水１２を、脱塩室７に脱塩室入口水１０を導入し、陰極１と陽極３間に直流電流を印可することにより、脱塩室入口水１０中に含まれているイオン分は、イオン交換体９の表面を電位の方向に移動し、陰イオンは陰イオン交換膜５、陽イオンは陽イオン交換膜６を透過して、濃縮室８中の濃縮水、陰極室２中の陰極水、陽極室４中の陽極水に移動し系外に排出され、脱塩室入口水１０は、脱イオン処理され純水１１が製造される。
【００１３】
脱塩室７について詳しく説明すると、第１の小脱塩室７１に導入された脱塩室入口水１０中の陰イオン分は、両極に印可された直流電流により陽極３側に移動し、陰イオン交換膜５を透過して濃縮室８中に移動する。陽イオン分は、陰極側に配置されている陰イオン交換膜５を透過することができないため、第１の小脱塩室７１に留まる。これにより、第１の小脱塩室７１内は、陰イオン分のみが減少するためｐＨが高くなり、弱陰イオン成分もイオン化することで除去しやすくなる。陰極側に配置されているイオン交換膜５からは、第２の小脱塩室７２で除去される残存陰イオン分とＯＨ-が第１の小脱塩室７１に透過してくる。このＯＨ-の作用で、第１の小脱塩室７１内に充填されている陰イオン交換体は再生され、再び脱塩室入口水１０中の陰イオン分を除去できるようになる。
【００１４】
第１の小脱塩室７１で、上述の脱塩処理をされた処理水は、続いて第２の小脱塩室７２に導入される。ここでも、第１の小脱塩室７１での脱塩処理と同様に、陰イオン分は陰イオン交換膜５を透過して第１の小脱塩室へ移動し、陽イオン分は処理水中に留まるため、処理水は第２の小脱塩室７２に導入された時点からｐＨが高いまま保持され、さらに弱陰イオン成分の脱塩効果を高くしている。これにより、第１の小脱塩室７１で脱塩しきれなかった、主に弱陰イオン分からなる残存陰イオン分が除去される。
陰極１側に存在する陰イオン交換膜５からは、主にＯＨ-が第２の小脱塩室７２に透過してくるため、第２の小脱塩室中の陰イオン交換体は第１の小脱塩室７１中の陰イオン交換体よりも効率よく再生され、第１の小脱塩室で除去しきれなかった陰イオン成分の除去を効率よく行うことができる。
【００１５】
第２の小脱塩室７２で、さらに脱塩処理された処理水は、第３の小脱塩室７３に導入され、最終的な脱塩処理が行われる。第３の小脱塩室７３に導入された時点で、処理水中の陰イオン成分はほとんどなくなっており、極微量の弱陰イオン成分及び陽イオン成分が除去の対象となる。
第３の小脱塩室７３には、陽イオン交換体と陰イオン交換体が充填されており、陽イオン分は陽イオン交換体とイオン交換された後、陰極１側に存在する陽イオン交換膜６を透過して濃縮室８に移動する。残存する微量の弱陰イオン成分は、第３の小脱塩室７３中の陰イオン交換体とイオン交換した後、陽極３側にある陰イオン交換膜５を透過して、第２の小脱塩室７２に移動する。
【００１６】
第３の小脱塩室では、イオン分の移動の他、水解によって水がＨ+とＯＨ-に分解されており、これが第３の小脱塩室７３中の陽イオン交換体、陰イオン交換体を再生すると共に、ＯＨ-は、第１、第２の小脱塩室７１、７２内に充填された陰イオン交換体の再生にも用いられるため、酸、アルカリによるイオン交換体の再生作業は必要なく、このようにして、脱塩室入口水１０中のイオン分は、弱陰イオン成分も含めて十分に除去され、連続的に純水１１を得ることができる。
ここで、陽イオン分は、弱陰イオン分に比べ遙かに除去し易いため、第３の小脱塩室７３だけで十分除去されるが、脱塩室入口水１０中にアンモニアのような弱陽イオン成分が多量に含まれている場合には、第１の小脱塩室７１と第２の小脱塩室７２を隔てているイオン交換膜を陽イオン交換膜とし、第２と第３の小脱塩室７２、７３に充填しているイオン交換体を陽イオン交換体とし、脱塩室入口水１０を第３の小脱塩室７３、第２の小脱塩室７２、第１の小脱塩室７１という具合に通水、脱塩処理を行っても良い。
この場合、第１の小脱塩室７１には、陰イオン交換体、もしくは陰イオン交換体と陽イオン交換体を充填するとよい。
【００１７】
また、図２に示すように、図１であげている第２の小脱塩室の陽極側のイオン交換膜を陽イオン交換膜６に変更し、第２の小脱塩室７２に充填されているイオン交換体を陽イオン交換体と陰イオン交換体の混合イオン交換体とすると共に、第３の小脱塩室７３中のイオン交換体を陽イオン交換体とし、第１の小脱塩室７１から流出した処理水を第３の小脱塩室７３に導入し、さらに陰イオン交換体と陽イオン交換体の充填された第３の小脱塩室７３に導入する、という脱塩処理を行っても良い。
図１の第３の小脱塩室７３の陽極側に、さらに第４、第５・・・の小脱塩室を設けるように脱塩室７をイオン交換膜で分割し、第３の小脱塩室７３の出口水をさらに第４、第５・・・の小脱塩室に通水、脱塩処理を行うことも可能である。脱塩室７の分割用にバイポーラ膜を使用する場合には、例えば脱塩室７を２枚のイオン交換膜を用いて３つの小脱塩室に分割する場合には、陰極１側のイオン交換膜を陰イオン交換膜、陽極３側のイオン交換膜をバイポーラ膜として小脱塩室７１、７２、７３を形成する。
【００１８】
この場合、両側を陰イオン交換膜で形成された小脱塩室内部、陰イオン交換膜とバイポーラ膜で形成された小脱塩室内部には陰イオン交換体を、バイポーラ膜と陽イオン交換膜で形成された小脱塩室内部には陽イオン交換体を充填すると最も脱塩効率が高い。バイポーラ膜の特性から、バイポーラ膜にて低電圧で効率的に水解によるＨ+、ＯＨ-が発生し、Ｈ+は陽イオン交換体をＯＨ-は陰イオン交換体を再生させ、脱塩室入口水１０中のイオン分を除去することが可能となる。
水解を効率的に発生させられるため、バイポーラ膜を用いた場合は、さらに運転電圧を低減することが可能となる。
電気再生式脱塩装置においては、従来脱塩室の数に±１の濃縮室が必要であったのが、上述のように、複数枚のイオン交換膜で分割された小脱塩室を用いて電気再生式脱塩装置を形成することにより、濃縮室の室数を減らすことが可能になり、その分運転電圧を軽減することが可能となる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
次に、本発明の効果を比較例との対比において説明する。試験設備は図３に示すように、脱塩室入口水１０、濃縮室入口水１、陰極室入口水１４、陽極室入口水１６として、藤沢市水を活性炭濾過器保安フィルタ、逆浸透膜装置で前処理したものを使用し、その水質は、比抵抗０．２０ＭΩ・ｃｍであった。
実施例として、図３に示す試験装置中の電気再生式脱塩装置に、図１に示す構成の電気再生式脱塩装置を用い、脱塩室入口水１０の流量は１０００Ｌ／ｈ、濃縮室入口水１２の流量は８０Ｌ／ｈ、陰極室入口水１４の流量及び陽極室入口水１６の流量をそれぞれ４０Ｌ／ｈとして、１．２Ａの直流電流を陰極１と陽極３に印可して運転を行った。
【００２０】
電気再生式脱塩装置は、電極面積０．２５６ｍ2、脱塩室は３室、濃縮室は２室とし、両端に陰極室と陽極室を設け、脱塩室は陰イオン交換膜２枚で３つの小脱塩室に分割し、両側を陰イオン交換膜で形成された第１と第２の小脱塩室には陰イオン交換不織布と陰イオン交換スペーサを、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜で形成された第３の小脱塩室には陽イオン交換不織布、陰イオン交換不織布、陽イオン交換スペーサ、陰イオン交換スペーサを充填した。
また、濃縮室内部には陰イオン交換体と陽イオン交換体を、陰極室には陽イオン交換体と導電性をもたないスペーサを、陽極室には陰イオン交換体と導電性を持たないスペーサを充填した。
上記条件で運転した結果、比抵抗１７．７ＭΩ・ｃｍの純水１１が連続して製造され、純水の水質も大幅に向上したほか、運転電圧は１２０Ｖに低減され、さらに炭酸除去率、シリカ除去率とも９９％以上と、弱陰イオン分の除去率も大幅に向上された。
【００２１】
比較例では、図４に示す構成の電気再生式脱塩装置を用い、脱塩室入口水１０の流量は１０００Ｌ／ｈ、濃縮室入口水１２の流量は３６０Ｌ／ｈ、陰極室入口水１４の流量及び陽極室入口水１６の流量をそれぞれ４０Ｌ／ｈとして、１．２Ａの直流電流を陰極１と陽極３に印可して運転を行った。電気再生式脱塩装置は、電極面積０．２５６ｍ2、脱塩室は１０室、濃縮室は９室とし、両端に陰極室と陽極室を設け、脱塩室と濃縮室の内部には陰イオン交換体と陽イオン交換体を、陰極室には陽イオン交換体を陽極室には陰イオン交換体を充填してある。
上記条件で運転した結果、比抵抗１０．４ＭΩ・ｃｍ程度の純水１１が連続して製造された。
この運転において、運転電圧は１５０Ｖ、炭酸除去率９４％、シリカ除去率８８％であった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の電気再生式脱塩装置によれば、上述したように、被処理水中の弱陰イオン成分を除去する能力を高めると共に、運転電圧を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気再生式脱塩装置の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の電気再生式脱塩装置の他の例を示す概略構成図。
【図３】実施例で用いた装置の試験フロー図。
【図４】従来の電気再生式脱塩装置の一例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１：陰極、２：陰極室、３：陽極、４：陽極室、５：陰イオン交換膜、６：陽イオン交換膜、７：脱塩室、８：濃縮室、９：イオン交換体、１０：脱塩室入口水、１１：純水、１２：濃縮室入口水、１３：濃縮室出口水、１４：陰極室入口水、１５：陰極室出口水、１６：陽極室入口水、１７：陽極室出口水、７１：第１の小脱塩室、７２：第２の小脱塩室、７３：第３の小脱塩室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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