(57)【要約】【課題】スケール析出によるイオン交換効率の低下を抑制する。【解決手段】水処理装置は、バイポーラ膜１０３と、スペーサ１０４とが積層された積層体１０２と、上記積層体１０２を挟む１対の電極１０６・１０７と、上記バイポーラ膜１０３、または上記スペーサ１０４を振動させる振動供給部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラ膜と、スペーサとが積層された積層体と、
上記積層体を挟む１対の電極と、
上記積層体、および上記電極が収容される処理槽と、
上記バイポーラ膜、またはスペーサを振動させる振動供給部と、
を備えたことを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
請求項１の水処理装置であって、
上記振動供給部が、機械振動を発生させる機械振動発生部であることを特徴とする水処理装置。
【請求項３】
請求項２の水処理装置であって、
上記機械振動発生部が、超音波振動発生部であることを特徴とする水処理装置。
【請求項４】
請求項３の水処理装置であって、
上記スペーサが金属を用いて形成されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のうち何れか１項の水処理装置であって、
上記機械振動発生部が、振動モータであることを特徴とする水処理装置。
【請求項６】
請求項５の水処理装置であって、
上記振動モータが、上記バイポーラ膜に平行な方向の振動を発生させることを特徴とする水処理装置。
【請求項７】
請求項５の水処理装置であって、
上記振動モータが、上記バイポーラ膜に垂直な方向の振動を発生させることを特徴とする水処理装置。
【請求項８】
請求項２から請求項７のうち何れか１項の水処理装置であって、
さらに、上記バイポーラ膜を支持する支持枠を備え、
上記機械振動発生部が、上記支持枠を介して、上記バイポーラ膜、または上記スペーサを振動させるように構成されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項９】
請求項２から請求項８のうち何れか１項の水処理装置であって、
上記機械振動発生部が、上記処理槽を介して、上記バイポーラ膜、または上記スペーサを振動させるように構成されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のうち何れか１項の水処理装置であって、
上記振動供給部が、水処理装置に流入する被処理水、および水処理装置から流出する被処理水の少なくとも一方に、脈動を生じさせる脈動発生部であることを特徴とする水処理装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のうち何れか１項の水処理装置であって、
上記振動供給部が、被処理水中に気泡を発生させる気泡発生部であることを特徴とする水処理装置。
【請求項１２】
請求項２から請求項１１のうち何れか１項の水処理装置であって、
上記機械振動の振動周波数が、１０Ｈｚ以上であることを特徴とする水処理装置。
【請求項１３】
請求項２から請求項１２のうち何れか１項の水処理装置であって、
上記機械振動の振動周波数が、５ＭＨｚ以下であることを特徴とする水処理装置。
【請求項１４】
バイポーラ膜と、スペーサとが積層された積層体と、
上記積層体を挟む１対の電極と、
上記積層体、および上記電極が収容される処理槽と、
を有する水処理装置を用いた水処理方法であって、
上記１対の電極に所定の電圧を印加するとともに、上記バイポーラ膜、または上記スペーサを振動させることを特徴とする水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬水から軟水を生成する軟水化装置などの水処理装置、および水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硬水から軟水を生成する軟水化装置としては、１対の電極間にイオン交換膜を設け、上記電極に直流電圧を印加しながら被処理水を流すことにより、被処理水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの硬度成分を除去する電気再生式軟水化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１３６９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のようなイオン交換膜を用いて硬水から軟水を生成する装置においては、イオン交換膜や電極の表面に析出するスケール（炭酸カルシウム）によって、硬度除去性能が低下し、また装置寿命が低下するという問題点を有していた。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極、膜表面でのスケール析出を抑制し、硬度除去性能の低下を抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、
水処理装置であって、
バイポーラ膜と、スペーサとが積層された積層体と、
上記積層体を挟む１対の電極と、
上記積層体、および上記電極が収容される処理槽と、
上記バイポーラ膜、またはスペーサを振動させる振動供給部と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
バイポーラ膜、またはスペーサを振動させることで、硬度成分等のバイポーラ膜への移動効率（イオン交換効率）が向上し、硬度除去性能が向上する。また、膜表面、電極表面でのスケールの結晶核生成が抑えられ、また核が生成されたとしても小さいうちに剥離しやすくなるため、スケール析出が抑制され、硬度除去性能が劣化しにくくなり、装置寿命の長寿命化が容易に図られる。
【０００８】
第２の発明は、
第１の発明の水処理装置であって、
上記振動供給部が、機械振動を発生させる機械振動発生部であることを特徴とする。
【０００９】
機械振動発生部が発生する機械振動によって、バイポーラ膜、またはスペーサが直接的に振動させられ、上記のような硬度除去性能の向上、および性能劣化の抑制効果が得られる。
【００１０】
第３の発明は、
第２の発明の水処理装置であって、
上記機械振動発生部が、超音波振動発生部であることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、
第３の発明の水処理装置であって、
上記スペーサが金属を用いて形成されていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、超音波振動発生部が発生した振動を、効率良く伝達できる。
【００１３】
第５の発明は、
第２の発明から第４の発明のうち何れか１つの水処理装置であって、
上記機械振動発生部が、振動モータであることを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、
第５の発明の水処理装置であって、
上記振動モータが、上記バイポーラ膜、またはスペーサに平行な方向の振動を発生させることを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、
第５の発明の水処理装置であって、
上記振動モータが、上記バイポーラ膜、またはスペーサに垂直な方向の振動を発生させることを特徴とする。
【００１６】
第８の発明は、
第２の発明から第７の発明のうち何れか１つの水処理装置であって、
さらに、上記バイポーラ膜を支持する支持枠を備え、
上記機械振動発生部が、上記支持枠を介して、上記バイポーラ膜、または上記スペーサを振動させることを特徴とする。
【００１７】
第９の発明は、
第２の発明から第８の発明のうち何れか１つの水処理装置であって、
上記機械振動発生部が、上記処理槽を介して、上記バイポーラ膜、または上記スペーサを振動させることを特徴とする。
【００１８】
これらにより、振動部によって発生する振動がバイポーラ膜に伝達されやすくなる。
【００１９】
第１０の発明は、
第１の発明から第９の発明のうち何れか１つの水処理装置であって、
上記振動供給部が、水処理装置に流入する被処理水、または水処理装置から流出する被処理水に、脈動を生じさせる脈動発生部であることを特徴とする。
【００２０】
これにより、バイポーラ膜、またはスペーサを振動させることができ、硬度除去性能の向上、および性能劣化の抑制効果が得られる。
【００２１】
第１１の発明は、
第１の発明から第１０の発明のうち何れか１つの水処理装置であって、
上記振動供給部が、上記被処理水中に気泡を供給する気泡発生部であることを特徴とする。
【００２２】
これにより、バイポーラ膜、またはスペーサ表面での気泡の圧壊作用による衝撃力などによって、硬度除去性能の向上、および性能劣化の抑制効果が得られる。
【００２３】
第１２の発明は、
第２の発明から第１１の発明のうち何れか１つの水処理装置であって、
上記機械振動の振動周波数が、１０Ｈｚ以上であることを特徴とする。
【００２４】
第１３の発明は、
第２の発明から第１２の発明のうち何れか１つの水処理装置であって、
上記機械振動の振動周波数が、５ＭＨｚ以下であることを特徴とする。
【００２５】
これらにより、硬度除去性能の向上。および性能劣化の抑制効果が得られやすくなる。
【００２６】
第１４の発明は、
水処理方法であって、
バイポーラ膜と、スペーサとが積層された積層体と、
上記積層体を挟む１対の電極と、
上記積層体、および上記電極が収容される処理槽と、
を有する水処理装置を用いた水処理方法であって、
上記１対の電極に所定の電圧を印加するとともに、上記バイポーラ膜、または上記スペーサを振動させることを特徴とする。
【００２７】
これにより、硬度成分等のバイポーラ膜への移動効率（イオン交換率）が向上し、硬度除去性能が向上する。また、バイポーラ膜表面、電極表面でのスケールの結晶核生成が抑えられ、また核生成されたとしても小さいうちに剥離しやすくなるので、スケール析出が抑制され、硬度除去性能が劣化しにくくなって、装置寿命の長寿命化が容易に図られる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、硬水から軟水を生成する軟水化装置などの水処理装置における、膜表面、電極表面でのスケール析出による硬度除去性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態１の水処理装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】実施形態１の水処理装置の硬度除去率を示すグラフである。
【図３】実施形態１の水処理装置の硬度除去率の変化を示すグラフである。
【図４】実施形態１の水処理装置の硬度除去率と超音波周波数との関係を示すグラフである。
【図５】実施形態２の水処理装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】実施形態２の水処理装置の硬度除去率を示すグラフである。
【図７】実施形態２の水処理装置の硬度除去率の変化を示すグラフである。
【図８】実施形態２の水処理装置の硬度除去率と振動周波数との関係を示すグラフである。
【図９】実施形態３の水処理装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】実施形態４の水処理装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】実施形態５の水処理装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】実施形態６の水処理装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１３】実施形態７の水処理装置の硬度成分除去率を示すグラフである。
【図１４】実施形態７の水処理装置の硬度成分除去率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、他の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
《実施形態１》
水処理装置は、図１に示すように、被処理水の流入口１０１ａ、および流出口１０１ｂを有する処理槽１０１内に、複数のバイポーラ膜１０３が積層された積層体１０２が収容されて構成されている。上記積層体１０２は、より詳しくは、例えば２０枚のバイポーラ膜１０３が、ステンレス製のメッシュ（線径が０．２ｍｍ，  目開きが１．０ｍｍ）から成るスペーサ１０４を介し約３５０μｍのギャップを空けて積層されている。上記バイポーラ膜１０３は、カチオン交換膜１０３ａとアニオン交換膜１０３ｂとが貼り合わされて成り、例えば図示しない支持枠によって周囲が支持されている。上記積層体１０２（バイポーラ膜１０３、および／またはスペーサ１０４）は、例えば膜保持部材１０５によって保持されている。積層体１０２の両側には、この積層体１０２を挟むように１対の電極１０６・１０７が設けられている。また、処理槽１０１の底部には、例えば５００ｋＨｚの超音波を発生させる超音波振動発生部１１１（振動部、機械振動発生部）が設けられている。
【００３２】
上記のように構成された水処理装置において、カチオン交換膜１０３ａ側の電極１０６に正極性の電圧、アニオン交換膜１０３ｂ側の電極１０７に負極性の電圧を印加しながら、硬度成分を含む被処理水を流入口１０１ａから導入すると、被処理水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの硬度成分は、電極１０６・１０７間の電界によって電極１０７の方向への移動が助長され、バイポーラ膜１０３でのイオン交換反応によって膜に吸着される。これにより水処理された被処理水が、流出口１０１ｂから排出される。
【００３３】
このとき、超音波振動発生部１１１によって超音波を発生させると、超音波振動が、例えば処理槽１０１、膜保持部材１０５、スペーサ１０４、および／またはバイポーラ膜１０３の支持枠等を介してバイポーラ膜１０３、またはスペーサ１０４に伝わる。これによって、硬度成分のバイポーラ膜１０３への移動効率（イオン交換率）が向上し、硬度除去性能が向上する。また、バイポーラ膜１０３の表面や、電極１０６・１０７の表面でのスケールの結晶核生成が抑えられ、また核生成されたとしても小さいうちに剥離しやすくなるので、スケール析出が抑制され、硬度除去性能が劣化しにくくなる。すなわち、装置寿命の長寿命化が容易に図られる。
【００３４】
具体的には、例えば硬度が２５０ｍｇ／Ｌ（リットル）の被処理水を４Ｌ／ｍｉｎの流量で５０Ｌ処理した場合の平均硬度除去率は、図２に示すように、超音波振動を加えない場合に比べて、約２０％向上した。
【００３５】
また、上記のような処理を５０Ｌ行うごとに、電極１０６・１０７に印加する電圧の極性を逆にして通水する電気再生処理を行い、積算で２００Ｌ処理した場合の硬度除去率の変化は、例えば図３に示すように、超音波振動を加えない場合に比べて、硬度除去性能のの低下率が約２０％から約８％に抑制された。
【００３６】
（その他の事項）
なお、上記のように印加する超音波の周波数は、５００ｋＨｚに限らず、例えば４ｋＨｚ以上、２０ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以上や、１ＭＨｚ以下、３ＭＨｚ以下、５ＭＨｚ以下など、装置の諸元、使用条件等に応じて種々に設定してもよい。本実施形態１の例では、例えば図４に示すように、４ｋＨｚ以上、５ＭＨｚ以下の範囲で約３％以上の硬度成分除去率の向上効果、２０ｋＨｚ以上３ＭＨｚ以下の範囲では約１０％程度の向上効果、１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲では約２０％程度の向上効果が得られた。
【００３７】
また、超音波振動発生部１１１を設ける位置は、処理槽１０１の底部に限らず、処理槽１０１の頂部や側部に設けたり、膜保持部材１０５や電極１０６・１０７に、またはこれらに近接させて設けたりしてもよい。
【００３８】
また、スペーサ１０４の材質や諸元は、上記に限らず、水処理装置の処理能力や要求仕様などに応じて設定すればよく、例えばステンレス製に限らず他の金属や、樹脂などを用いてもよい。ただし、一般には、超音波振動発生部１１１からの振動が広範囲に伝達されやすくなる点では、できるだけ剛性の高い材質、構造が好ましい。
【００３９】
また、バイポーラ膜１０３は、上記のように支持枠によって周囲が支持される場合には、超音波振動発生部１１１からの振動が膜保持部材１０５から支持枠を介して伝達されやすくなる点で好ましいが、必ずしも支持枠を設ける必要はない。
【００４０】
また、積層されるバイポーラ膜１０３の間のギャップも、約３５０μｍに限らず、種々設定すればよい。
【００４１】
また、水処理装置の用途は特に限定されず、例えば洗濯機や、食器洗浄器、浄水器などの水を使用する家庭電化製品等や、水浄化、海水淡水化などの水処理装置などに適用することができる。
【００４２】
《実施形態２》
上記のように超音波振動を印加するのに代えて、図５に示すように処理槽１０１の底部に、重心が偏心した回転軸を有する振動モータ１２１（振動部、機械振動発生部）を設けるとともに、処理槽１０１を例えばゴム製の載置台１２２に載置するなどして、周波数が約７５Ｈｚで、振幅が約２．０ｍｍの振動を加えるようにしてもよい。また、この実施形態２では、限定されないが、スペーサ１０４として、ポリエステル製の樹脂メッシュ（線径が０．２ｍｍ，  目開きが０．５ｍｍ）が用いられている。
【００４３】
このような機械振動を与える場合にも、図６に示すように、前記実施形態１と同様の処理を行うと、機械振動を与えない場合に比べて、約１５％の硬度除去率の向上効果が得られた。
【００４４】
また、実施形態１と同様の電気再生処理を行い、積算で２００Ｌ処理した場合の硬度除去率の変化については、例えば図７に示すように、機械振動を加えない場合に比べて、硬度除去性能の低下率が約２０％から約１０％に抑制された。
【００４５】
なお、印加する機械振動の周波数は、７５Ｈｚに限らず、例えば１０Ｈｚ以上や、１０ｋＨｚ以下、１ｋＨｚ以下など、装置の諸元、使用条件等に応じて種々に設定してもよい。本実施形態２の例では、例えば図８に示すように、１０Ｈｚ以上、１０ｋＨｚ以下の範囲で約５％以上の硬度除去率の向上効果が得られた。
【００４６】
また、振動モータ１２１は、上記のように処理槽１０１の底部に限らず、処理槽１０１の頂部や側部に設けたり、膜保持部材１０５や電極１０６・１０７に、またはこれらに近接させて設けたりしてもよい。また、振動モータ１２１による機械振動の発生方向は、概ね、バイポーラ膜１０３に平行な方向、すなわち被処理水が流動する方向であれば、硬度除去率の向上効果や長寿命化効果が得られやすい点で好ましいが、比処理水の流動方向に垂直な方向の振動を加える場合でも、硬度除去率の向上効果や長寿命化効果を得ることはできる。
【００４７】
《実施形態３》
実施形態３の水処理装置は、図９に示すように、処理槽１０１の流入口１０１ａの付近に脈動発生部１３１を設け、例えば周波数が０．５Ｈｚ〜２．０Ｈｚの正弦波状の脈動流や、デューティ比が０．３〜０．７のパルス状などの脈動流を処理槽１０１に導入すると、バイポーラ膜１０３や、スペーサ１０４に振動が生じることや、被処理水の流動に緩急が生じることなどによって、硬度成分のバイポーラ膜１０３への移動効率（イオン交換率）が向上し、硬度除去率が向上する。また、バイポーラ膜１０３の表面や、電極１０６・１０７の表面でのスケール結晶核生成が抑えられ、また核生成されたとしても小さいうちに剥離しやすくなるので、スケール析出が抑制され、硬度除去性能が劣化しにくくなる。
【００４８】
なお、脈動発生部１３１は、流入口１０１ａの付近に設けるのに限らず、流出口１０１ｂの付近や双方などに設けてもよい。
【００４９】
《実施形態４》
実施形態４の水処理装置は、図１０に示すように、処理槽１０１の流入口１０１ａの付近に気泡発生部１４１、具体的には例えばマイクロバブル発生器や超音波キャビテーション発生装置などを設け、積層するバイポーラ膜１０３間のギャップよりも小さい径の気泡を含む被処理水が処理槽１０１に導入される。このような気泡を含む被処理水を供給することにより、気泡流動作用や、バイポーラ膜１０３の表面、電極１０６・１０７の表面での気泡の圧壊作用による衝撃力などによって、硬度成分のバイポーラ膜１０３への移動効率（イオン交換率）が向上し、硬度除去率も向上するとともに、スケールが析出しにくくなって、硬度除去性能の劣化が抑制される。
【００５０】
《実施形態５》
被処理水に気泡を含ませるための気泡発生部としては、上記のような気泡発生部１４１に限らず、種々の手段を用いてもよい。実施形態５の水処理装置は、図１１に示すように、処理槽１０１の底部などに電気分解電極１５１・１５２を設けて電気分解電源１５３を接続し、電気分解によって気泡を発生させるようになっている。このようにして気泡を発生させる場合でも、硬度除去率の向上や硬度除去性能の劣化抑制の効果が得られる。また、上記のような電気分解を用いる場合には、電気分解電源１５３を制御することによって、気泡の発生量などを制御することが容易にできる。なお、電気分解電極１５１・１５２は流入口１０１ａ付近に設けるなどしてもよい。
【００５１】
《実施形態６》
上記各実施例や変形例で説明した構成要素は、論理的に可能な限り、種々組み合わせてもよい。具体的には、例えば、図１２に示すように、実施形態１で説明したような超音波振動発生部１１１を設けて例えば周波数が３０ｋＨｚの超音波振動を印加するとともに、実施形態４で説明したような気泡発生部１４１を設けて例えば平均気泡径が１００μｍの気泡を発生させるようにしてもよい。この場合には、これらによる相乗効果、すなわち超音波振動による気泡の共振により、さらに硬度除去率の向上と硬度除去性能の劣化抑制の効果が得られる。
【００５２】
なお、図１２の例では、超音波振動発生部１１１は、膜保持部材１０５の下側、および電極１０６・１０７の外方側に設けられる例を示したが、何れか一方だけを設けるようにしてもよいし、また、実施形態１（図１）と同様に処理槽１０１の下面側に設けるなどしてもよい。
【００５３】
《実施形態７》
また、例えば実施形態１、２で説明したような超音波振動発生部１１１と振動モータ１２１とを設けて、比較的高い周波数の機械振動と比較的低い周波数の機械振動とが重畳して加えられるようにしてもよい。
【００５４】
この例では、例えば図１３に示すように、前記実施形態１、２と同様の処理を行うと、超音波振動発生部１１１も振動モータ１２１も設けない場合に比べて、約２５％の硬度除去率の向上効果が得られた。
【００５５】
また、実施形態１、２と同様の電気再生処理を行い、積算で２００Ｌ処理した場合の硬度除去率の変化については、例えば図１４に示すように、超音波振動発生部１１１も振動モータ１２１も設けない場合に比べて、硬度除去性能の低下率が約２０％から約２％に抑制された。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上説明したように、本発明は、硬水から軟水を生成する軟水化装置などの水処理装置、および水処理方法として有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１      処理槽
１０１ａ    流入口
１０１ｂ    流出口
１０２      積層体
１０３      バイポーラ膜
１０３ａ    カチオン交換膜
１０３ｂ    アニオン交換膜
１０４      スペーサ
１０５      膜保持部材
１０６・１０７    電極
１１１      超音波振動発生部
１２１      振動モータ
１２２      載置台
１３１      脈動発生部
１４１      気泡発生部
１５１・１５２    電気分解電極
１５３      電気分解電源
【図１】
2014108421.tif 000003
【図２】
2014108421.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014108421.tif 000007
【図６】
2014108421.tif 000008
【図７】
2014108421.tif 000009
【図８】
2014108421.tif 000010
【図９】
2014108421.tif 000011
【図１０】
2014108421.tif 000012
【図１１】
2014108421.tif 000013
【図１２】
2014108421.tif 000014
【図１３】
2014108421.tif 000015
【図１４】
2014108421.tif 000016