(57)【要約】【課題】メンテナンスの頻度がより少なくても効率が低下しにくい、電解質液の電気透析装置を実現する。【解決手段】電気透析装置であって、電解質液中に微細気泡を発生させる気泡発生手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気透析装置であって、電解質液中に微細気泡を発生させる気泡発生手段を備えることを特徴とする電気透析装置。
【請求項２】
前記微細気泡の直径が１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の電気透析装置。
【請求項３】
前記気泡発生手段は、交互に配置される陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜の間に前記微細気泡を導入する手段であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電気透析装置。
【請求項４】
電気透析を行う前又は電気透析を行っている間に、電解質液中に微細気泡を発生させることを特徴とする電気透析方法。
【請求項５】
電気透析を行った後に、電解質液中に微細気泡を発生させることを特徴とする電気透析方法。
【請求項６】
前記電解質液を循環させながら前記微細気泡を発生させることを特徴とする、請求項４又は５に記載の電気透析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気透析装置及び電気透析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば無電解ニッケルめっき液のような、陰イオン及び陽イオンを含む電解質液を使用した処理を行うと、この電解質液中には複数の不要な陰イオン種及び陽イオン種が蓄積する。このような不要な陰イオン及び陽イオンは、電解質液を使用した処理において進行する反応を阻害しうる。例えば無電解ニッケルめっき液を用いためっき処理を行う場合には、不要な陰イオンとして、還元剤である次亜リン酸イオンが分解して生じる亜リン酸イオン、及びホルマリンが分解して生じるギ酸イオンなどが蓄積しうる。また、ニッケルイオンを補充する際に、ニッケルイオンの対イオンとして追加される硫酸イオン又は塩素イオンなども蓄積しうる。一方、不要な陽イオンとしては、次亜リン酸イオンのような還元剤を補充する際に、対イオンとして追加されるナトリウムイオン又はカリウムイオンなどが挙げられる。また、鉄イオン又は鉛イオンなどの不純物も蓄積しうる。
【０００３】
特許文献１は、このような蓄積イオンが、電気透析法により除去可能であることを開示している。特許文献１は例えば、陽極と陰極との間に陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とをそれぞれ室枠を介して交互に配列し、これらの両イオン交換膜と室枠とによって脱塩室と濃縮室とを形成させた構造を有する電気透析槽が使用可能であることを記載している。この電気透析槽の脱塩室に使用後の電解質液を供給し、電気透析を行うことにより、蓄積したイオンが選択的に分離される。
【０００４】
また特許文献２も、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を有する電気透析装置を用いて電解質液中の除去対象イオンを除去する方法を開示している。特許文献２は、特定の固有イオン移動量を有するイオン交換膜を用いることにより、透析時の有効イオン成分の損失を抑えながら、除去対象イオンを除去できることを記載している。
【０００５】
一方で、電気透析を繰り返すことにより、電気透析に用いられる透析ユニット、例えばイオン交換膜及びめっき液の流路には、不純物が付着する。不純物としては、ニッケル金属のカス、錯化剤、硫酸ナトリウムなどが含まれる。このような不純物が付着すると、透析効率が低下すること、透析液の循環が正常に行われずに過電圧が発生し、透析膜などが損傷すること、といった問題が生じる可能性がある。このために、定期的に透析ユニットをメンテナンスする必要があった。具体的には、透析ユニットを分解し、めっき液の流路、及びイオン交換膜を洗浄する必要があった。別のメンテナンス方法としては、イオン交換膜再生用洗浄液を用いる方法が提案されていた（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−３０３０７８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２９７０号公報
【特許文献３】特開２００８−１３２４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来一般的には、１日数時間の透析を行う場合、３００日程度の透析後に透析ユニットの分解洗浄が行われていた。また、不純物が除去できないイオン交換膜及び室枠などについては、交換されていた。このような分解洗浄は重労働であり、透析ユニットの分解にも、その後の透析ユニットの組み直しにも労力を要する。特に、イオン交換膜を固定するためのボルトの締め付けトルクの制御は、膜の含水量に左右されるため容易ではない。一方で液漏れが生じると、無駄な電流が流れたり、液が損失されたり薄まったりするために、効率が低下する。このような困難性のために、透析ユニットの再立ち上げには約１週間の期間を要していた。さらに、イオン交換膜は高価であり、交換すると保守費用が増加する。それにもかかわらず透析ユニットを分解しなくては交換されるイオン交換膜の枚数が分からないため、多くのイオン交換膜をストックしておく必要があった。
【０００８】
一方で特許文献３に記載のように洗浄液を用いる場合には、電解質液と洗浄液とが混ざらないように、透析操作とは別に洗浄操作を行う必要があるために、洗浄操作には時間を要していた。また、電解質液と洗浄液とが混ざらないような配慮が必要とされていた。さらには、洗浄液を保持するための設備も別途要していた。
【０００９】
このように、電気透析装置のメンテナンスには手間及び時間を要することから、メンテナンスの頻度を減らすことが望まれていた。
【００１０】
本発明は、メンテナンスの頻度がより少なくても効率が低下しにくい、電解質液の電気透析装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的を達成するために、例えば、本発明の電気透析装置は以下の構成を備える。すなわち、
電気透析装置であって、電解質液中に微細気泡を発生させる気泡発生手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
メンテナンスの頻度がより少なくても効率が低下しにくい、電解質液の電気透析装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る電気透析装置の概略構成図である。
【図２】実施例１における透析時間を示すグラフである。
【図３】比較例１における透析時間を示すグラフである。
【図４】比較例２における透析時間を示すグラフである。
【図５】比較例３における透析時間を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
本実施形態に係る電気透析装置は、除去対象イオンを含む電解質液から電気透析法により除去対象イオンを除去する。図１は、本実施形態に係る電気透析装置の概略構成図である。本実施形態に係る電気透析装置は、電気透析槽３を備える。電気透析槽は、陽極及び陰極を有し、陽極と陰極との間に交互に配列された１以上の陽イオン交換膜と１以上のアニオン交換膜とをさらに有する。
【００１６】
脱塩室及び濃縮室は、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜により区切られて交互に配列している。より具体的には、脱塩室の陽極側には陰イオン交換膜が接しており、脱塩室の陰極側には陽イオン交換膜が接している。脱塩室の隣には陰イオン交換膜を挟んで濃縮室が位置しており、また脱塩室の隣には陽イオン交換膜を挟んで別の濃縮室が位置している。電解質液を脱塩室に入れ、電源８を用いて陽極と陰極との間に電圧を印加することにより、除去対象イオンが脱塩室から濃縮室へと移動する。
【００１７】
本実施形態に係る電気透析装置はさらに、電解質液槽２、濃縮液槽５、循環ポンプ６（Ｐ１）、及び循環ポンプ７（Ｐ２）を有する。循環ポンプ６は、脱塩室と電解質液槽２との間で電解質液を循環させる。また循環ポンプ７は、濃縮室と濃縮液槽５との間で、除去対象イオンを含む濃縮液を循環させる。
【００１８】
本実施形態に係る電気透析装置はまた、液中に気泡を発生させる気泡発生部を備える。より具体的には、気泡発生部は、電解質液と濃縮液との少なくとも一方の中に、気泡を発生させる。イオンは脱塩室から濃縮室へと移動するため、イオン交換膜の脱塩室側に不純物が析出しやすいことを考慮すると、少なくとも電解質液中に気泡が供給されることが好ましい。より効果的に不純物の付着を阻止しうる点からは、電解質液と濃縮液との双方に気泡が供給されることが好ましい。
【００１９】
図１に表す電気透析装置は、気泡発生部９（Ｂ１）と、気泡発生部１０（Ｂ２）とを備える。気泡発生部９，１０は、電解質液中に気泡を発生させる。図１において気泡発生部９，１０は電気透析槽３に設けられているが、気泡発生部９，１０の設置位置及び設置数は任意である。すなわち、気泡発生部９は、脱塩室内に気泡を発生させてもよいし、電解質液槽２内に気泡を発生させてもよいし、脱塩室と電解質液槽２とを接続する配管内に気泡を発生させてもよい。気泡発生部１０の設置位置も任意であり、気泡発生部１０は、濃縮室内に気泡を発生させてもよいし、濃縮液槽５内に気泡を発生させてもよいし、濃縮室と濃縮液槽５とを接続する配管内に気泡を発生させてもよい。より好ましくは気泡発生部９，１０は、交互に配置される陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜の間に気泡を導入する。
【００２０】
気泡発生部９，１０が気泡を発生させるタイミングは、適宜選択することができる。すなわち、電気透析を行う前に気泡を発生させてもよいし、電気透析を行っている間に気泡を発生させてもよいし、電気透析を行った後に気泡を発生させてもよい。これらのタイミングで気泡を発生させることにより、付着した不純物を除去するという効果か得られうる。不純物の付着を抑止しうるという観点からは、電気透析を行っている間に気泡を発生させることがより好ましい。
【００２１】
気泡発生部９，１０が発生させる気泡は、微細気泡であることが好ましい。微細気泡とは、直径が１００μｍ以下である気泡のことを指す。微細気泡の具体的な例としては、直径数十μｍ以下のマイクロバブル、又はマイクロバブルよりもさらに小径（１μｍ以下）のナノバブルが挙げられる。ここで、気泡発生部９，１０が発生させる全ての気泡の直径が１００μｍ以下である必要はなく、気泡発生部９，１０が発生させる一部の気泡の直径が１００μｍ以下であればよい。好ましくは、気泡発生部９，１０が発生させる気泡の直径の平均が１００μｍ以下である。
【００２２】
気泡の直径が１００μｍ以下であることは、気泡が液面へと上昇することが抑えられ、気泡が消泡しにくくなるために好ましい。気泡が消泡しにくくなることにより、液の流路中に多数の気泡発生部を設けない場合であっても、液の流路全体にわたって不純物の付着が抑えられうる。また、透析と同時に発生した不純物が微細気泡を吸着し、不純物が気液界面へと取り込まれ、微細気泡と共に不純物が剥離される効果が大きくなりうる点でも、気泡の直径が１００μｍ以下であることは好ましい。気泡の直径が５０μｍ以下であることは、このような効果がさらに促進されうる点でより好ましい。
【００２３】
排出量としては、上記の効果が得られるのであれば特に限定されないが、例えば０．１Ｌ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上であることがさらに好ましい。
【００２４】
気泡発生部９，１０としては、従来知られている気泡発生装置を用いることができる。例えば、電気透析槽３に投入型の気泡生成装置を設置してもよいし、配管の途中にインライン型の気泡生成装置を接続してもよい。気泡生成装置としては、ラインミキサー（（株）ＯＨＲ流体工学研究所社製）又はマイクロバブル発生装置（（株）ナノプラネット研究所社製）などが挙げられる。
【００２５】
本実施形態に係る電気透析装置を用いて電気透析が行われる電解質液としては特に限定されず、従来から知られているものと同様のものでありうる。液中に複数の除去対象イオンが存在する電解質液としては、例えばニッケルイオン、銅イオン、又は金イオンなどを有する無電解めっき液がある。本実施形態に係る電気透析装置によれば、使用後の無電解めっき液から除去対象イオンを除去することができる。
【００２６】
電解質液が含有する除去対象イオンも特に限定されず、複数種の陽イオン及び複数種の陰イオンが含まれうる。除去対象の陰イオンとしては、上述のように亜リン酸イオン、ギ酸イオン、硫酸イオン、及び塩化物イオンなどが挙げられる。除去対象の陽イオンとしては、上述のようにナトリウムイオン、カリウムイオン、鉄イオン、及び鉛イオンなどの金属イオンなどが挙げられる。
【００２７】
複数種のイオンを効率的に除去するために、本実施形態に係る電気透析装置は、複数種のイオン交換膜を有することが好ましい。すなわち、それぞれの除去対象イオンの除去に適したイオン交換膜を用意し、異なるイオン交換膜の組み合わせで構成された複数の脱塩室を電気透析槽３に設けることにより、より効率的な除去対象イオンの除去が可能となる。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例を示して本発明を具体的に説明する。しかしながら、本発明が以下の実施例に限定されるわけではない。
【００２９】
［実施例１］
５００Ｌの無電解ニッケルめっき液を用いて、鉄材の部品に連続的に無電解ニッケルめっき処理を行った。無電解ニッケルめっき処理は、ニッケルイオンを補充しながら行った。すなわち、建浴時にめっき液中に存在するニッケルイオンと等量のニッケルイオンを補充することを４回繰り返した。この無電解ニッケルめっき処理が終了した後のめっき液の組成は下記のとおりであった。このめっき液を標準溶液とする。
標準溶液の液組成：ニッケルイオン      ５．５ｇ／Ｌ
次亜リン酸イオン    ２０ｇ／Ｌ
亜リン酸イオン      １４０ｇ／Ｌ
錯化剤              ６０ｇ／Ｌ
【００３０】
上記の標準溶液の組成を有する電解質液を、図１に表す電気透析装置を用いて電気透析処理した。透析ユニットでは、陰イオン交換膜としてセレミオンＡＭＶ（ＡＧＣエンジニアリング社製）を、陽イオン交換膜としてセレミオンＣＭＶ（ＡＧＣエンジニアリング社製）をそれぞれ用いた。イオン交換膜の膜面積は５ｄｍ２であった。電気透析槽には陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とを各５枚ずつ交互に配置した。そして、電解質液を、脱塩槽と脱塩室との間で循環させることにより、電気透析処理を行った。電気透析の条件は以下の通りである。
電気透析条件：膜電流密度    ４Ａ／ｄｍ２
ポンプ圧      ０．０６５ＭＰａ
液温          ２５〜３５℃
液組成        上記の標準溶液
液量          １０Ｌ
【００３１】
また、マイクロバブル発生装置（（株）ナノプラネット研究所社製）を使用し、以下の条件で、気泡（マイクロバブル）を処理対象の電解質液と透析廃液とのそれぞれに発生させた。なお、マイクロバブルは、処理対象となる電解質液と透析廃液とのそれぞれに効率よく作用する領域に発生させればよく、発生場所は適宜最適化すればよい。
マイクロバブル発生条件  マイクロバブル排出量    それぞれ１Ｌ／ｍｉｎ.
生成気泡直径            １０〜４０μｍ
ポンプ圧力              ０．０５ＭＰａ
【００３２】
電気透析は、電解質液中の亜リン酸イオン濃度が２５ｇ／Ｌとなるまで行った。電気透析が終了するまでに要した時間を透析時間と呼ぶ。亜リン酸イオン濃度は、キャピラリー電気泳動装置（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製，Ｇ１６００Ａ）を用いて測定した。
【００３３】
上記の標準溶液の組成を有する電解質液を上述のように電気透析処理することを繰り返し、それぞれの電気透析処理に要した透析時間を測定した。測定結果を図２に示す。１４００回目前後の透析までは、透析時間は３時間程度であり、１回目の透析時間とほぼ同じであった。その後は透析時間が増加し始め、１８００回目前後の透析では透析時間は５時間程度であった。
【００３４】
［比較例１］
比較例１では、気泡を発生させなかったことを除いては、実施例１と同様に電気透析を繰り返した。透析時間の測定結果を図３に示す。
【００３５】
比較例１においては、５００回目前後の透析で透析時間が５時間に達した。このように、比較例１においては、実施例１と比較してより急速に透析時間が増加した。透析時間が増加したことは、膜が劣化した可能性、及び流路が劣化した可能性を示唆している。透析時間が５時間程度となった状態では、透析ユニットにおいて過電圧による膜焼けなどの損傷が見られた。よって、メンテナンスを行うことなく、さらに透析を繰り返すことは困難であるものと考えられた。
【００３６】
液中に気泡を発生させた実施例１においては、比較例１と比較して透析時間の増加が遅い。このように、液中に気泡を発生させることにより、透析ユニットのメンテナンス回数を減らすことができる。
【００３７】
［比較例２］
比較例２では、比較例１において透析時間が５時間に達した後に、新しい透析ユニットを用いて、すなわち新しいイオン交換膜を用いて、比較例１と同様に電気透析を繰り返した。透析時間の測定結果を図４に示す。
【００３８】
比較例１と同条件で電気透析を行ったにも関わらず、透析時間が５時間に達するまでの透析回数は比較例１よりも少なかった。このことは、イオン交換膜の劣化だけでなく、流路の閉塞も、透析時間の増加に影響していることを示唆している。
【００３９】
［比較例３］
比較例３では、比較例１と同様に電気透析を繰り返したが、透析時間が５時間に達するごとに透析ユニットへの直接的処理を行った。透析ユニットへの直接的処理として具体的には、流路に詰まった不純物の除去を行った。透析時間の測定結果を図５に示す。
【００４０】
図５に示すように、透析ユニットへの直接的処理を行うことにより透析時間は減少するが、１回目の透析時間と同程度にまでは透析時間は減少しなかった。また、透析ユニットへの直接的処理を行うごとに、透析時間が５時間に達するまでの透析回数は減少した。このことは、透析ユニットへの直接的処理によって流路の詰まりが解消されても、イオン交換膜の劣化を抑制することはできないことを示唆している。このように、透析ユニットへの直接的処理を行う場合であっても、イオン交換膜を交換する必要があることが分かった。
【００４１】
以上の結果より、透析時間の増加は、透析装置内に蓄積する不純物による流路の閉塞と、膜の劣化とに起因することが示唆される。そして、透析ユニットへの直接的処理を行っても、前者に対しては一定の効果があるものの、後者に対しての効果は見られなかった。
【００４２】
一方で、実施例１のように液中に気泡を発生させることにより、透析時間の増加を抑え、流路に詰まった不純物の除去及びイオン交換膜の交換のようなメンテナンスの頻度を減らすことが可能となる。具体的には、１日数時間の電気透析を行う場合であれば、比較例１に示すように約１．５年ごとに必要であったメンテナンスを、実施例１に示すように約６年ごとにまで減らすことができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  電解質液
２  電解質液槽
３  電気透析槽
４  濃縮液
５  濃縮液槽
６  循環ポンプ（Ｐ１）
７  循環ポンプ（Ｐ２）
８  電源
９  気泡発生部（Ｂ１）
１０  気泡発生部（Ｂ２）
【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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