(57)【要約】【課題】硬度成分の吸着能力および生産性を向上させたイオン交換膜およびそれを備えたイオン交換膜積層体、水処理装置を提供すること。【解決手段】陽イオン交換樹脂粒子４とバインダー樹脂５とから成る陽イオン交換組成体１と、陰イオン交換樹脂粒子６とバインダー樹脂７とから成る陰イオン交換組成体２と、を備え、陽イオン交換組成体１と陰イオン交換組成体２とのうち、少なくともどちらか一方には、熱不溶性の添加剤８が含有されていることを特徴とするイオン交換膜１３で、硬度成分の吸着能力および生産性を向上させたイオン交換膜１３を提供することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽イオン交換樹脂粒子とバインダー樹脂とから成る陽イオン交換組成体と、
陰イオン交換樹脂粒子とバインダー樹脂とから成る陰イオン交換組成体と、を備え、
前記陽イオン交換組成体と前記陰イオン交換組成体とのうち、
少なくともどちらか一方には、
熱不溶性の添加剤が含有されていることを特徴とするイオン交換膜。
【請求項２】
前記熱不溶性の添加剤は、フッ素系樹脂からなることを特徴とする前記請求項１に記載のイオン交換膜。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載のイオン交換膜が対向して配置されており、隣接する前記イオン交換膜の間にスペーサー部材が配置されていることを特徴とするイオン交換膜積層体。
【請求項４】
陽極及び陰極からなる電極と、
前記請求項１または２に記載のイオン交換膜を有する電気化学セルと、
前記電極に電力を供給する電源と、
前記電気化学セルに接続され、取水口に連通する第１水流路と、
前記第１水流路から分岐され、排水口に連通する第２水流路と、
前記電気化学セルからの水が、前記取水口に流れるか、あるいは、前記排水口に流れるかを切り替える流路切替装置と、を備えたことを特徴とする水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換膜およびそれを備えたイオン交換膜積層体、水処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の水処理装置として、イオン交換樹脂粒子により、陽イオン又は陰イオンを吸着除去することで水中の不純物を除去するものがある。水処理装置では、一方の面に陽イオン交換基が配置され、他方の面に陰イオン交換基が配置されているイオン交換膜が使用される場合がある（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２０１６−３９１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、特許文献１に開示されているイオン交換膜を有する電気化学セルであっても、膜のイオン吸着能力を高めるためにはイオン交換樹脂粒子のバインダーに対する比率を高くする必要があったが、生産に対して必要以上の膜強度を有する膜にするためにはバインダー比率を高くする必要があり、相対的にイオン交換樹脂粒子の比率が低くなり、硬度成分の吸着能力を高めるのに限界があるという課題があった。
【０００５】
また、特許文献１に開示されているイオン交換膜は、バインダーが熱可塑性樹脂だけの場合は、膜の生産時に装置のロールなどからの膜が離れにくいという課題もあった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、硬度成分の吸着能力および生産性を向上させたイオン交換膜およびそれを備えたイオン交換膜積層体、水処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のイオン交換膜は、陽イオン交換樹脂粒子とバインダー樹脂とから成る陽イオン交換組成体と、陰イオン交換樹脂粒子とバインダー樹脂とから成る陰イオン交換組成体と、を備え、前記陽イオン交換組成体と前記陰イオン交換組成体とのうち、少なくともどちらか一方には、熱不溶性の添加剤が含有されていることを特徴とするものである。
【０００８】
これにより、バインダー樹脂の比率を高くしなくても、イオン交換樹脂粒子の比率が高く、生産に対して必要以上の膜強度を維持でき、かつ、加工時のロールからの離れ性もよく、イオン交換樹脂粒子の脱落も少ない、硬度成分の吸着能力および生産性を向上させたイオン交換膜を提供することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、硬度成分の吸着能力および生産性を向上させたイオン交換膜およびそれを備えたイオン交換膜積層体、水処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態１に係る電気化学セルの概略構成を示す正面方向の断面図
【図２】図１に示す電気化学セルのＡ−Ａ断面図
【図３】同電気化学セルのイオン交換膜の一例を示す模式図
【図４】同水処理装置の概略構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、陽イオン交換樹脂粒子とバインダー樹脂とから成る陽イオン交換組成体と、陰イオン交換樹脂粒子とバインダー樹脂とから成る陰イオン交換組成体と、を備え、前記陽イオン交換組成体と前記陰イオン交換組成体とのうち、少なくともどちらか一方には、熱不溶性の添加剤が含有されていることを特徴とするイオン交換膜である。
【００１２】
これにより、バインダー樹脂の比率を高くしなくても、イオン交換樹脂粒子の比率が高く、生産に対して必要以上の膜強度を維持でき、かつ、加工時のロールからの離れ性もよく、イオン交換樹脂粒子の脱落も少ない、硬度成分の吸着能力および生産性を向上させたイオン交換膜を提供することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記熱不溶性の添加剤は、フッ素系樹脂からなることを特徴とするものである。
【００１４】
これにより、ＰＴＦＥやＰＶＤＦ等のフッ素系樹脂からなる熱不溶性の添加剤は、ロール等でせん段力を与えると、バインダー樹脂中に繊維状（くもの巣状）に広がり、膜を強固に固定するため、バインダー樹脂比率を少なくしても、イオン交換樹脂粒子の脱落の少ない強固な膜を形成することができる。
【００１５】
第３の発明は、第１または第２の発明のイオン交換膜が対向して配置されており、隣接する前記イオン交換膜の間にスペーサー部材が配置されていることを特徴とするイオン交換膜積層体である。
【００１６】
これにより、水が、イオン交換膜内部に浸透しやすくなり、効率的にイオン交換膜内のイオン交換樹脂粒子と接触することができるため、水処理を効率よく実行することができる。
【００１７】
第４の発明は、陽極及び陰極からなる電極と、第１または第２の発明のイオン交換膜を有する電気化学セルと、前記電極に電力を供給する電源と、前記電気化学セルに接続され、取水口に連通する第１水流路と、前記第１水流路から分岐され、排水口に連通する第２水流路と、前記電気化学セルからの水が、前記取水口に流れるか、あるいは、前記排水口に流れるかを切り替える流路切替装置と、を備えたことを特徴とする水処理装置である。
【００１８】
これにより、充分に硬度成分を吸着することができる水処理装置を提供できる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
以下、本実施の形態１に係るおよびそれを備えたイオン交換膜積層体、水処理装置の一例について、図１〜図４を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態１に係る電気化学セルの概略構成を示す正面方向の断面図である。図２は、図１に示す電気化学セルのＡ−Ａ断面図である。なお、図１及び図２においては、電気化学セルの上下方向、左右方向、及び前後方向を図における上下方向、左右方向、及び前後方向として表している。
【００２２】
図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係る電気化学セル１０は、陽極１１、陰極１２、イオン交換膜積層体１５、第１整流部材２４、第２整流部材２３、ケーシング２０、第１外板２６、及び第２外板２７を備えている。陽極１１及び陰極１２は、ケーシング２０を前後方向から挟むように配置されている。
【００２３】
陽極１１及び陰極１２は、チタンで構成されていて、白金及び酸化イリジウムで表面をコーティングされている。陽極１１及び陰極１２は、後述するケーシング２０の貫通孔２８を覆うように形成されている。
【００２４】
なお、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、陽極１１の端子１１Ａと陰極１２の端子１２Ａを左側に配置し、端子１１Ａを上部に配置し、端子１２Ａを下部に配置する形態を採用したが、これに限定されない。例えば、端子１１Ａ及び端子１２Ａが、それぞれ、上部に位置するように、左右に配置する形態を採用してもよい。
【００２５】
また、第１外板２６及び第２外板２７は、陽極１１、第２シール部材１９、ケーシング２０、及び陰極１２を挟むように配置されていて、これらの部材は、例えば、ネジ等により固定されている。
【００２６】
ケーシング２０は、板状に形成されていて、その主面には、貫通孔（内部空間）２８が設けられている。ケーシング２０の内周面（貫通孔２８の開口）は、本実施の形態１においては、四角形状に形成されている。また、ケーシング２０の内周面には、第１シール部材２９が配設されている。第１シール部材２９は、環状に形成されていて、例えば、オレフィン系のフォーム材等で構成されている。
【００２７】
図１において、第１シール部材２９はイオン交換膜積層体１５の上方と下方にも配置されているが、イオン交換膜積層体１５の側方のみの配置でもよい。さらに、ケーシング２０の周縁部には、貫通孔２８を囲むように、第２シール部材１９が配置されている。なお、第２シール部材１９は、例えば、シリコン系のゴム等で構成されている。
【００２８】
また、ケーシング２０の下端面には、上下方向に延び、ケーシング２０の主面の貫通孔２８と連通する貫通孔が形成されていて、該貫通孔が流入口２２を構成する。流入口２２には、適宜な配管が接続されていて、当該配管が、第３水流路１８を構成する。第３水流路１８には、処理用水又は再生用水が供給される。
【００２９】
同様に、ケーシング２０の上端面には、上下方向に延び、ケーシング２０の主面の貫通孔２８と連通する貫通孔が形成されていて、該貫通孔が流出口２１を構成する。流出口２１には、適宜な配管が接続されていて、当該配管が、第１水流路１７を構成する。第１水流路１７には、高度成分等が除去された水、又はイオン交換樹脂粒子を再生した後の水が排出される。
【００３０】
なお、電気化学セル１０により、硬度成分等が除去される水を処理用水といい、イオン交換膜積層体１５等のイオン交換樹脂粒子を再生するために使用する水を再生用水という。
【００３１】
ケーシング２０の貫通孔２８には、下から順に、第１整流部材２４、イオン交換膜積層体１５、及び第２整流部材２３が配設されていて、これらの部材は、第１シール部材２９により、貫通孔２８と嵌合するように形成されている。
【００３２】
第１整流部材２４及び第２整流部材２３は、本実施の形態１においては、板状に形成さ
れている。また、第１整流部材２４又は第２整流部材２３は、イオン交換膜積層体１５を通流する水に電流が流れ、他の部分には、電流が漏れないようにする観点から、絶縁性の材料で構成されている方がよい。
【００３３】
さらに、第１整流部材２４又は第２整流部材２３は、第３水流路１８から供給される水が、電気化学セル１０内を均一に通流させる観点から、イオン交換膜積層体１５よりも通水抵抗が大きくてもよい。第１整流部材２４又は第２整流部材２３としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂等で構成されていてもよく、多孔質のシートで形成されていてもよい。また、親水性処理がなされた材料を用いてもよい。
【００３４】
イオン交換膜積層体１５は、２以上のイオン交換膜１３と網状のスペーサー部材１４を備えていて、イオン交換膜１３の間にスペーサー部材１４が配置されている。ここで、図２及び図３を参照しながら、イオン交換膜１３について説明する。
【００３５】
図３は、本実施の形態１に係る電気化学セルのイオン交換膜の一例を示す模式図である。
【００３６】
図３に示すように、イオン交換膜１３は、陽イオン交換組成体１と、陰イオン交換組成体２と、を備えている。陽イオン交換組成体１、及び陰イオン交換組成体２は、シート状に形成されている。
【００３７】
陽イオン交換組成体１と第１陰イオン交換組成体２は、互いにその主面が対向（接触）するように積層されている。なお、陽イオン交換組成体１と陰イオン交換組成体２の接触している主面は、接合されていてもよく、接合されていなくてもよい。
【００３８】
陽イオン交換組成体１は、陽イオン交換樹脂粒子４とバインダー樹脂５を有していて、陰イオン交換組成体２は、陰イオン交換樹脂粒子６とバインダー樹脂７を有している。
【００３９】
陽イオン交換樹脂粒子４としては、例えば、交換基−ＳＯ３Ｈを有する強酸性陽イオン交換樹脂粒子を用いてもよく、交換基−ＲＣＯＯＨを有する弱酸性陽イオン交換樹脂粒子を用いてもよい。また、陰イオン交換樹脂粒子６は、交換基−ＮＲ３ＯＨ有する強塩基性陰イオン交換樹脂粒子を用いてもよく、−ＮＲ２を有する弱塩基性陰イオン交換樹脂粒子を用いてもよい。
【００４０】
陽イオン交換樹脂粒子４と陰イオン交換樹脂粒子６の組み合わせとしては、強酸性陽イオン交換樹脂粒子と強塩基性陰イオン交換樹脂粒子であってもよい。この場合には、硬度成分の吸着速度が向上し、より軟水化することができる。
【００４１】
また、陽イオン交換樹脂粒子４と陰イオン交換樹脂粒子６の組み合わせとしては、弱酸性陽イオン交換樹脂粒子と弱塩基性陰イオン交換樹脂粒子であってもよい。この場合には、イオン交換容量を増加することができ、軟水化処理量を増加することができる。
【００４２】
また、陽イオン交換樹脂粒子４と陰イオン交換樹脂粒子６の組み合わせとしては、強酸性陽イオン交換樹脂粒子と弱塩基性陰イオン交換樹脂粒子であってもよく、弱酸性陽イオン交換樹脂粒子と強塩基性陰イオン交換樹脂粒子であってもよい。
【００４３】
弱酸性陽イオン交換樹脂粒子と強塩基性陰イオン交換樹脂粒子の組み合わせの場合には、イオン交換容量を増加できて軟水化処理量を増加するうえ、弱酸性陽イオン交換樹脂粒子と強塩基性陰イオン交換樹脂粒子の組み合わせでは膜の抵抗が低くなり、強塩基では水解離の触媒作用を有すると考えられる。
【００４４】
そのため、イオン交換膜１３の界面１３Ｃでの電位差が大きくなり、水解離を促進することができる。このため、イオン交換膜１３の再生を充分に実行することができる。
【００４５】
また、陽イオン交換樹脂粒子４及び陰イオン交換樹脂粒子６の平均粒子径は、空孔率を小さくする観点から、１〜１５０μｍであってもよい。
【００４６】
バインダー樹脂およびバインダー樹脂７は熱可塑性樹脂で構成されていてもよい。熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン樹脂、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体等を使用することができる。
【００４７】
なお、バインダー樹脂５を構成する熱可塑性樹脂と、バインダー樹脂７を構成する熱可塑性樹脂は、同じ種類の熱可塑性樹脂を使用してもよく、異なる種類の熱可塑性樹脂を使用してもよい。
【００４８】
また、本発明の実施の形態１におけるイオン交換膜１３は、陽イオン交換樹脂粒子４と熱可塑性のバインダー樹脂５とを有する陽イオン交換組成体１、あるいは、陰イオン交換樹脂粒子６とバインダー樹脂７とを有する陰イオン交換組成体２のうち、少なくともどちらか一方は、熱不溶性の添加剤８を有する構成となっている。
【００４９】
通常、イオン交換樹脂粒子を熱可塑性バインダー樹脂等で製膜する場合には、溶融したバインダー樹脂とイオン交換樹脂粒子を混練して、イオン交換樹脂粒子をバインダー樹脂に埋設させて固定し膜にする。
【００５０】
しかし、イオン交換樹脂粒子をバインダー樹脂で確実に固定するには、バインダー樹脂比率を高める必要があり、相対的にイオン交換樹脂粒子の含有率が低くなり、イオン交換性能が低くなるという傾向が合った。また、バインダー樹脂の量が増えると、ロール装置等で混練して製膜する際に、ロールから膜が離れにくくなり、製膜しにくい傾向があった。
【００５１】
本発明の実施の形態１では、ＰＴＦＥやＰＶＤＦ等のフッ素系樹脂からなる熱不溶性の添加剤８を加えることにより、上記不具合を解消することができる。すなわち、ＰＴＦＥやＰＶＤＦはロール等でせん段力を与えると、熱不溶性の添加剤はバインダー樹脂中に繊維状（くもの巣状）に広がり、繊維強化プラスチックの如く膜を強固に固定する。したがって、バインダー樹脂比率を少なくしても、イオン交換樹脂粒子の脱落の少ない強固な膜を形成することができる。
【００５２】
通常、イオン交換樹脂とバインダー樹脂のみで膜を形成する場合には、イオン交換樹脂が略５０部に対し、バインダー樹脂が略５０部は必要であった。本実施の形態によれば、イオン交換樹脂が略７０部に対して、バインダー樹脂が略３０部、添加剤が略３部〜８部で、強固な膜を形成することが可能となり、イオン交換性能を向上させることができる（なお、部は単位質量を示す）。
【００５３】
さらに、ＰＴＦＥやＰＶＤＦから成る添加剤は、本来、離形剤として用いられる材料であり、ロール等でイオン交換樹脂粒子とバインダー樹脂とに添加剤を加えることにより、ロール離れが良好となり、製膜性も格段に向上する。ＰＴＦＥの中でも、例えば、アクリル変性されたものが最適である。
【００５４】
具体的には、陽イオン交換組成体１には、空孔率を小さくする観点から、バインダー樹
脂５が１０〜７０重量％含有されていてもよい。望ましくは２０〜５０％がよい。同様に、陰イオン交換組成体２には、空孔率を小さくする観点から、バインダー樹脂７が１０〜７０重量％で含有されていてもよい。望ましくは２０〜５０％がよい。
【００５５】
また、陽イオン交換組成体１、陰イオン交換組成体２は、それぞれ、導電性材料を有していてもよい。導電性材料としては、例えば、カーボンからなる粒子が挙げられる。カーボン材料としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等が挙げられ、
これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状、燐片状等のいずれの形状でもよい。導電性材料を含有することにより、イオン交換膜１３の界面１３Ｃでの電位差が大きくなり、水解離を促進することができる。
【００５６】
次に、スペーサー部材１４について説明する。スペーサー部材１４は、隣接するイオン交換膜１３の間で、電流が流れることを防止する観点から、絶縁性を有していてよい。また、スペーサー部材１４は、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ポリエステルといった材料を用いてもよい。
【００５７】
そして、図２に示すように、イオン交換膜積層体１５は、イオン交換膜１３の陽イオン交換面１３Ａが陰極１２と対向し、陰イオン交換面１３Ｂが陽極１１と対向するように配置されていて、複数のイオン交換膜１３が鉛直方向に対して垂直な方向に積層されている。また、隣接するイオン交換膜１３の層間には、スペーサー部材１４が配置されている。
【００５８】
また、陽極１１とイオン交換膜積層体１５との間には、セパレーター３１が配置されていて、陰極１２とイオン交換膜積層体１５の間には、セパレーター３２が配置されている。セパレーター３１及びセパレーター３２は、絶縁性を有する材料で構成されている。絶縁性を有する材料としては、例えば、ポリオレフィンが挙げられる。
【００５９】
また、セパレーター３１及びセパレーター３２は、表裏面間で連通構造を有している。具体的には、セパレーター３１及びセパレーター３２は、不織布で形成されていてもよい。
【００６０】
次に、図１〜図３を参照しながら、本実施の形態１に係る電気化学セル１０の動作及び作用効果について説明する。
【００６１】
軟水化処理（水処理）時は、流入口２２から流出口２１に向けて、処理用水を通流させる。通常、陽イオン交換組成体に対向する電極を陽極、陰イオン交換組成体に対向する電極を陰極として電圧を印加する。ただし、原水の硬度が比較的低い地域で使用する場合は電極には通電せずに処理水を通流しても相当程度硬度成分を除去できる。
【００６２】
一方、イオン交換樹脂粒子の再生時（再生処理時）には、流入口２２から流出口２１に向けて、再生用水を通流させると共に、軟水化処理時とは反対の極性の電圧を印加するため、陽イオン交換組成体に対向する電極を陰極、陰イオン交換組成体に対向する電極を陽極として電圧を印加する。
【００６３】
流入口２２から第１整流部材２４に供給された水は、第１整流部材２４内を通流する間に、左右方向に拡がって、均一にイオン交換膜積層体１５に供給される。
【００６４】
イオン交換膜積層体１５に供給された水は、軟水化処理時には、マグネシウム成分等の硬度成分（陽イオン）は、イオン交換膜１３内に存在する陽イオン交換樹脂粒子４と接触して、吸着除去される。また、処理用水中の塩化物イオン等の陰イオンは、陰イオン交換
樹脂粒子６により吸着除去される。
【００６５】
一方、再生処理時には、イオン交換膜１３に電位差が発生し、イオン交換膜１３の陽イオン交換組成体１の陽イオン交換樹脂粒子４と陰イオン交換組成体２の陰イオン交換樹脂粒子６とで形成される界面１３Ｃでは、水が解離して、陰極１２側の面、すなわち陽イオン交換組成体１側に水素イオンが生成され、陽極１１側の面、すなわち陰イオン交換組成体２側に水酸化物イオンが生成される。
【００６６】
そして、陽イオン交換組成体１内に吸着されたカルシウムイオン、マグネシウムイオン等の硬度成分（陽イオン）が、生成された水素イオンとイオン交換することで脱離し、陽イオン交換組成体１内の陽イオン交換樹脂粒子４が再生される。
【００６７】
また、陰イオン交換組成体２内に吸着された塩化物イオン等の陰イオンが、生成された水酸化物イオンとイオン交換することで脱離し、陰イオン交換組成体２内の陰イオン交換樹脂粒子６が再生される。
【００６８】
なお、陽極１１と陰極１２間に印加される電圧は、直流電圧であり、本実施の形態では軟水化処理時は０〜３００Ｖ、再生時は１０Ｖ〜５００Ｖの電圧を印加しているが、印加電圧については、ケーシング２０内に配置したイオン交換膜１３の枚数及び処理用水の硬度等に応じて適宜に設定される。
【００６９】
そして、イオン交換膜積層体１５を通流した水は、第２整流部材２３に供給される。第２整流部材２３に供給された水は、第２整流部材２３を通流する間に、流出口２１に向かって収束し、流出口２１から電気化学セル１０外に排出される。
【００７０】
また、水の再生処理時に、電極で発生するガス（例えば、塩素、酸素、水素）は、イオン交換膜積層体１５内へ幾分浸入し水に押し流されて、上方向に移動し、流出口２１から電気化学セル１０外に排出される。
【００７１】
ここで、第１整流部材２４及び第２整流部材２３は連通構造を成している為、ガスを排出し易い。また、電極と対向するイオン交換膜積層体以外の部位の絶縁を保てるので、イオン交換膜積層体以外の部位間で電流のショートパス発生を防止することができる。
【００７２】
また、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、ケーシング２０の内周面と第２整流部材２３、イオン交換膜積層体１５、及び第１整流部材２４との間に、第１シール部材２９を配設することにより、これらの間で隙間が形成されることを抑制できる。
【００７３】
このため、流入口２２からケーシング２０内に供給された水が、イオン交換膜積層体１５内を通過せずに、当該隙間を通過して、流出口２１から排出することを抑制することができ、水処理及び再生処理を充分に実行することができる。
【００７４】
また、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、陽極１１とイオン交換膜積層体１５との間にセパレーター３１が配置され、陰極１２とイオン交換膜積層体１５との間にセパレーター３２が配置されている。
【００７５】
これにより、陽極１１と陰極１２の間に電圧を印可したときに発生する熱がイオン交換膜積層体１５に伝達されることが抑制される。このため、イオン交換膜積層体１５の熱変性を抑制することができ、水処理及び再生処理を充分に実行することができる。
【００７６】
また、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、第１整流部材２４及び第２整流部
材２３を絶縁性材料で構成すると、これらの部材には、電流が流れないので、イオン交換膜積層体１５にのみ電荷をかけることができるため、電流効率を向上させることができる。
【００７７】
さらに、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、隣接するイオン交換膜１３の層間に網状のスペーサー部材１４を配置することにより、スペーサー部材１４の空間１４Ｄに位置する水が、上方向に移動するときに、第２部材１４Ｂと接触する。第２部材１４Ｂは、水を透過させないため、第２部材１４Ｂと接触した水は、前後方向に移動しやすくなる。
【００７８】
このため、空間１４Ｄ内の水が、イオン交換膜１３内部に浸透しやすくなり、効率的にイオン交換膜１３内のイオン交換樹脂粒子と接触することができる。したがって、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、水処理を効率よく実行することができる。
【００７９】
図４は、本実施の形態１に係る水処理装置の概略構成を示す模式図である。
【００８０】
図４に示すように、本実施の形態１に係る水処理装置５０は、電気化学セル１０、電源３９、第１水流路１７、第２水流路３３、第３水流路１８、第１切替弁３５、スケール抑制剤３８、入力装置４２、及び制御装置４０を備える。
【００８１】
上述したように、電気化学セル１０の流出口２１には、第１水流路１７の上流端が接続されていて、第１水流路１７の下流端は取水口を構成している。また、第１水流路１７の途中には、第２水流路３３の上流端が接続されていて、第２水流路３３の下流端は、排水口を構成している。
【００８２】
さらに、第１水流路１７と第２水流路３３の接続点には、流路切替装置として、第１切替弁３５が設けられている。第１切替弁３５は、第１水流路１７を通流する水を、取水口に供給するか、第２水流路３３を通流して、排水口に供給するかを切り替えるように構成されている。第１切替弁３５としては、例えば、三方弁等を使用することができる。
【００８３】
なお、本実施の形態１に係る水処理装置５０では、流路切替装置として、第１切替弁３５を用いる形態を採用したがこれに限定されない。例えば、第２水流路３３と、第２水流路３３の接続点よりも下流側の第１水流路１７と、のそれぞれに二方弁を設け、制御装置４０がそれぞれの二方弁の開閉を切り替えることにより、流路切替装置として機能させる形態を採用してもよい。
【００８４】
また、電気化学セル１０の流入口２２には、第３水流路１８が接続されている。第３水流路１８の途中には、第４水流路３４が接続されていて、第３水流路１８の第４水流路３４の上流端が接続されている部分には、第２切替弁３６が設けられている。また、第３水流路１８の第４水流路３４の下流端が接続されている部分には、第３切替弁３７が設けられている。
【００８５】
第２切替弁３６及び第３切替弁３７は、第３水流路１８を通流する水が、第４水流路３４を通流するか否かを切り替えるように構成されている。第２切替弁３６及び第３切替弁３７としては、例えば、三方弁等を使用することができる。
【００８６】
また、第３水流路１８の途中には、濾過フィルター４１が設けられていて、第４水流路３４の途中には、スケール抑制剤３８が設けられている。スケール抑制剤３８は、スケールの析出を抑制し、又は析出したスケールを除去することができれば、どのような形態であってもよい。
【００８７】
スケール抑制剤３８としては、例えば、ポリリン酢塩を用いれば、スケール抑制剤３８に通水される際に、ポリリン酢塩が除溶し、電気化学セル１０内の膜表面、第３切替弁３７、又は第１水流路１７にＣａＣＯ３が析出することを抑制することができる。
【００８８】
また、スケール抑制剤３８としては、クエン酸を用いれば、電気化学セル１０内、第３切替弁３７、又は第１水流路１７にスケールが析出しても、スケールを除去し、スケールの固着を抑制することができる。
【００８９】
濾過フィルター４１としては、例えば、孔径が０．３〜１０μｍ程度のマイクロフィルターを用いることで、電気化学セル１０内に異物が侵入することを防止することができる。
【００９０】
この濾過フィルター４１は、鉄塩等を含む赤水が濾過フィルター４１の下流へ侵入することも抑制できるので、電気化学セル１０内の膜表面の鉄塩等の析出を抑制でき、膜自体の耐久性を向上することができる。
【００９１】
なお、濾過フィルター４１は、本実施の形態１においては、第２切替弁３６よりも上流側に配置する形態を採用したが、これに限定されない。例えば、濾過フィルター４１は、第３水流路１８における第２切替弁３６と第３切替弁３７の間に配置してもよく、第３水流路１８の第３切替弁３７よりも下流側に配置してもよい。
【００９２】
電源３９は、電気化学セル１０に電力を供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、商用電源等の交流電源から供給される交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバータで直流電圧に変更することで構成してもよく、二次電池等の直流電源で構成されていてもよい。
【００９３】
入力装置４２は、電圧値、電流値、処理時間の少なくともいずれかを設定するように構成されている。入力装置４２は、軟水化処理／再生処理のそれぞれの処理時間を直接入力するように構成されていてもよく、また、処理する水のイオン濃度を入力するように構成されていてもよい。入力装置４２としては、タッチパネル、キーボード、リモコン等で構成されていてもよい。
【００９４】
制御装置４０は、第１切替弁３５等の切替弁と、電源３９と、を制御するように構成されている。制御装置４０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部４０Ａと、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部４０Ｂと、カレンダー機能を有する時計部４０Ｃと、を備えている。
【００９５】
そして、制御装置４０は、演算処理部４０Ａが、記憶部４０Ｂに格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、水処理装置５０に関する各種の制御を行う。
【００９６】
演算処理部４０Ａは、電源３９の電圧値及び／又は電流値を決定する電圧電流変更部４０１と、軟水化処理の処理時間と再生処理の処理時間との長さを決定する処理時間変更部４０２と、を有する。なお、電圧電流変更部４０１及び処理時間変更部４０２は、記憶部４０Ｂに格納された所定の制御プログラムを実行することにより実現される。
【００９７】
電圧電流変更部４０１は、水処理時及び／又は再生処理時に、電源３９から電極に印可する電圧を変更するように構成されている。これにより、硬度成分の除去量を調整することができ、処理用水中の硬度レベルを適宜調整することができる。また、再生処理時に、
イオン交換組成体のイオン交換基の再生量を適宜調整することができる。
【００９８】
ところで、単位時間当たりのイオン交換量の多少は、電極に印加する電圧値及び／又は電流値により変動することが知られている。一方、電気化学セル１０が軟水化処理可能な水の総量は、処理する水のイオン濃度によって変動する。
【００９９】
したがって、処理時間変更部４０２は、処理する水のイオン濃度に応じて、軟水化処理と再生処理との処理時間を変更できるように構成されている。これにより、使用環境に応じて柔軟な水処理が可能な、水処理装置５０を実現することができる。
【０１００】
具体的には、処理時間変更部４０２は、処理水のイオン濃度が大きいときの方が、イオン濃度が小さいときよりも、軟水化処理の処理時間が短くなるように処理時間を変更するように構成されている。また、処理時間変更部４０２は、処理水のイオン濃度が大きいときの方が、イオン濃度が小さいときよりも、再生処理の処理時間が長くなるように処理時間を変更するように構成されている。
【０１０１】
より好ましくは、処理時間変更部は、イオン濃度が相対的に大きいときの方が、軟水化処理の処理時間Ｔ１と再生処理の処理時間Ｔ２との比（Ｔ１／Ｔ２）が大きくなるように、処理時間を変更するように構成されている。
【０１０２】
なお、本実施の形態１に係る水処理装置５０は、電気化学セル１０よりも上流側の第３水流路１８にイオン濃度、ＰＨ値等の処理用水中のイオン含有量を測定するためのセンサを設け、このセンサの測定値により、処理時間変更部４０２が自動的に処理時間を変更するように構成されていてもよい。
【０１０３】
なお、制御装置４０は、単独の制御装置で構成される形態だけでなく、複数の制御装置が協働して、水処理装置５０の制御を実行する制御装置群で構成される形態であっても構わない。また、制御装置４０は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
【０１０４】
このように構成された、本実施の形態１に係る水処理装置では、電気化学セル１０と同様の作用効果を奏する。
【０１０５】
また、本実施の形態１に係る水処理装置では、スケール抑制剤３８が、電気化学セル１０の上流側に配置されているので、再生処理時に生成されるＣａＣＯ３が、電気化学セル１０内のイオン交換膜１３等、第１水流路１７内、又は第１切替弁３５等に析出することを抑制することができる。
【０１０６】
また、本実施の形態１に係る水処理装置では、制御装置４０が、再生処理の後に、軟水化処理を実行するときに、電極への電力供給を所定時間（例えば、１〜１０秒）停止した後、電極の極性を切り替えるように電源３９から電極に電力を供給して、軟水処理を実行するように構成されている。なお、電源３９から電極への電力供給を停止している間も電気化学セル１０へ水は供給されている。
【０１０７】
これにより、再生処理時に脱離されたカルシウムイオン等が電気化学セル１０内から第２水流路３３を通流して、排水口から排出することができる。したがって、水の再生処理後に再度水を軟水化処理する際には、再生処理時に脱離した硬水の影響を受けにくくなり、取水口から良好な軟水を採水することができる。
【０１０８】
さらに、本実施の形態１に係る水処理装置では、制御装置４０が、再生処理を実行するときに、電極へ供給する電力を徐々に（段階的に）上昇させるように電源を制御している。これにより、再生処理開始時に、Ｃａイオンが大量に脱離することが抑制され、過電流が発生することが抑制される。
【０１０９】
また、本実施の形態１に係る水処理装置５０は、第３水流路１８に流量調整弁をさらに備え、制御装置４０が再生処理時に、水処理時に比して、電気化学セル１０に供給される水の流量が減少するように流量調整弁を制御してもよい。これにより、再生処理時に排出する水量を減少させることができ、効率よく再生処理を実行することができる。
【０１１０】
さらに、本実施の形態１に係る水処理装置５０は、第２水流路３３に流量調整器を設ける形態を採用してもよい。流量調整器は、第１水流路１７を構成する配管よりも第２水流路３３を構成する配管の断面積を小さくすることで構成してもよい。また、流量調整器は、流量調整弁で構成されていてもよい。
【０１１１】
この場合、制御装置４０が再生処理時に、水処理時に比して、電気化学セル１０に供給される水の流量が減少するように流量調整弁を制御してもよい。これにより、再生処理時に排出する水量を減少させることができ、効率よく再生処理を実行することができる。
【０１１２】
以上より、本発明に係るイオン交換膜１３およびそれを備えたイオン交換膜積層体１５、水処理装置５０によれば、充分に硬度成分を吸着することができると共に、イオン交換組成体の再生を効率よく実行することができる。
【０１１３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良又は他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。
【０１１４】
本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明に係るイオン交換膜およびそれを備えたイオン交換膜積層体、水処理装置は、充分に硬度成分を吸着することができると共に、イオン交換組成体の再生を効率よく実行することができるので、水処理の分野で有用である。
【符号の説明】
【０１１６】
１  陽イオン交換組成体
２  陰イオン交換組成体
４  陽イオン交換樹脂粒子
５  バインダー樹脂（陽イオン交換組成体側）
６  陰イオン交換樹脂粒子
７  バインダー樹脂（陰イオン交換組成体側）
８  添加剤
１０  電気化学セル
１１  陽極
１２  陰極
１３  イオン交換膜
１４  スペーサー部材
１５  イオン交換膜積層体
１７  第１水流路
２１  流出口
２２  流入口
３５  第１切替弁
３９  電源
４０  制御装置
５０  水処理装置
【図１】
2018176051.tif 000003
【図２】
2018176051.tif 000004
【図３】
2018176051.tif 000005
【図４】
2018176051.tif 000006