(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽イオン交換基を有し、シート状に形成され、水を透過し難い第１陽イオン交換組成体と、
前記第１陽イオン交換組成体と接触するように配置され、陰イオン交換基を有し、シート状に形成され、水を透過し難い第１陰イオン交換組成体と、
陽イオン交換基を有し、シート状に形成され、前記第１陽イオン交換組成体と対向するように配置され、前記第１陽イオン交換組成体よりも水を透過しやすい第２陽イオン交換組成体と、
陰イオン交換基を有し、シート状に形成され、前記第１陰イオン交換組成体と対向するように配置され、前記第１陰イオン交換組成体よりも水を透過しやすい第２陰イオン交換組成体と、から構成されている、イオン交換膜。
【請求項２】
前記第１陽イオン交換組成体は、前記陽イオン交換基を有する陽イオン交換樹脂と、バインダー樹脂を備え、
前記第１陰イオン交換組成体は、前記陰イオン交換基を有する陰イオン交換樹脂と、バインダー樹脂を備える、請求項１に記載のイオン交換膜。
【請求項３】
前記第２陽イオン交換組成体は、前記陽イオン交換基を有する陽イオン交換樹脂と、バインダー樹脂を備え、
前記第２陰イオン交換組成体は、前記陰イオン交換基を有する陰イオン交換樹脂と、バインダー樹脂を備える、請求項１又は２に記載のイオン交換膜。
【請求項４】
前記第１陽イオン交換組成体に含有される前記バインダー樹脂量が、前記第２陽イオン交換組成体に含有される前記バインダー樹脂量よりも多くなるように構成されていて、
前記第１陰イオン交換組成体に含有される前記バインダー樹脂量が、前記第２陰イオン交換組成体に含有される前記バインダー樹脂量よりも多くなるように構成されている、請求項３に記載のイオン交換膜。
【請求項５】
前記バインダー樹脂は、フッ素系樹脂からなる、請求項２〜４のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項６】
前記第１陽イオン交換組成体、前記第２陽イオン交換組成体、前記第１陰イオン交換組成体、前記第２陰イオン交換組成体は、それぞれ、導電性材料をさらに備える、請求項２〜５のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項７】
前記第２陽イオン交換組成体と前記第２陰イオン交換組成体のそれぞれに含有されるイオン交換樹脂の平均粒子径が、前記第１陽イオン交換組成体と前記第１陰イオン交換組成体のそれぞれに含有されるイオン交換樹脂の平均粒子径よりも大きい、請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項８】
前記第１陽イオン交換組成体と前記第１陰イオン交換組成体のそれぞれに含有されるイオン交換樹脂の平均粒子径が１〜１５０μｍであり、
前記第２陽イオン交換組成体と前記第２陰イオン交換組成体のそれぞれに含有するイオン交換樹脂の平均粒子径が１００〜２５０μｍである、請求項７に記載のイオン交換膜。
【請求項９】
前記第１陽イオン交換組成体が備える前記陽イオン交換樹脂は弱酸性陽イオン交換樹脂で構成され、
前記第１陰イオン交換組成体が備える前記陰イオン交換樹脂は弱塩基性陰イオン交換樹脂で構成されている、請求項２〜８のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１０】
前記第１陽イオン交換組成体が備える前記陽イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂で構成され、
前記第１陰イオン交換組成体が備える前記陰イオン交換樹脂は強塩基性陰イオン交換樹脂で構成されている、請求項２〜８のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１１】
前記第１陽イオン交換組成体が備える前記陽イオン交換樹脂は弱酸性陽イオン交換樹脂で構成され、
前記第１陰イオン交換組成体が備える前記陰イオン交換樹脂は強塩基性陰イオン交換樹脂で構成されている、請求項２〜８のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１２】
前記第２陽イオン交換組成体が備える前記陽イオン交換樹脂は弱酸性陽イオン交換樹脂で構成され、
前記第２陰イオン交換組成体が備える前記陰イオン交換樹脂は弱塩基性陰イオン交換樹脂で構成されている、請求項３〜１１のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１３】
前記第１陽イオン交換組成体と前記第１陰イオン交換組成体は、それぞれ、補強剤をさらに備える、請求項２〜１２のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１４】
前記第２陽イオン交換組成体と前記第２陰イオン交換組成体は、それぞれ、補強剤をさらに備える、請求項３〜１３のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１５】
第１陽イオン交換組成体及び第１陰イオン交換組成体は均質膜で構成されている、請求項１に記載のイオン交換膜。
【請求項１６】
２以上の請求項１〜１５のいずれか１項に記載されたイオン交換膜を対向するように積層したイオン交換膜積層体であって、
２つの前記イオン交換膜の間に配置され、表裏面間で連通構造を有するスペーサー部材を備える、イオン交換膜積層体。
【請求項１７】
前記スペーサー部材は、合成樹脂の糸を編んで網状に形成されていて、
前記糸の線径が５０〜２００μｍである、請求項１６に記載のイオン交換膜積層体。
【請求項１８】
前記スペーサー部材は、合成樹脂の糸を編んで網状に形成されていて、
網目数が１０〜２００メッシュである、請求項１６又は１７に記載のイオン交換膜積層体。
【請求項１９】
前記スペーサー部材の前記糸が交差する部分が溶着され、前記表裏面が平滑に形成されている、請求項１７又は１８に記載のイオン交換膜積層体。
【請求項２０】
２以上のイオン交換膜を対向するように積層したイオン交換膜積層体と、陽極と陰極が対向するように配置された電極と、を備える、電気化学セルであって、
前記イオン交換膜積層体は、前記イオン交換膜の間に、表裏面間で連通構造を有するスペーサー部材を備え、
前記イオン交換膜は、弱酸性陽イオン交換樹脂で構成され通水性を有する陽イオン交換組成体と、強塩基性陰イオン交換樹脂で構成され通水性を有する陰イオン交換組成体と、を張り合わせて形成されていて、
前記電気化学セルは、円筒状の芯材と、下部に流入口が設けられた筒状のケーシングと、その上流端が前記流入口よりも上方に位置するように、前記芯材の内部に配置された流出管と、をさらに備え、
前記イオン交換膜積層体は、前記イオン交換膜の積層方向から見て、前記イオン交換膜の端部と前記スペーサー部材の端部とがずれて、２層の前記イオン交換膜の端部間に、前記スペーサー部材の端部が露出するように、前記芯材の外周面に巻きつけられている、電気化学セル。
【請求項２１】
前記スペーサー部材は、合成樹脂の糸を編んで網状に形成し、前記糸が交差する部分が溶着され、前記表裏面が平滑に形成されている、請求項２０記載の電気化学セル。
【請求項２２】
前記スペーサー部材は、網目数が１０〜２００メッシュとなるように形成されている、請求項２０又は２１に記載の電気化学セル。
【請求項２３】
前記ケーシングの内周面の接線に対して垂直な方向以外の方向に傾斜するように、前記流入口に配置された流入管をさらに備える、請求項２０に記載の電気化学セル。
【請求項２４】
請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のイオン交換膜積層体と、
陽極と陰極が対向するように配置された電極と、を備える、電気化学セル。
【請求項２５】
通水性を有する仕切板をさらに備え、
前記イオン交換膜積層体は、前記電極間に配置され、
前記イオン交換膜は、鉛直方向に対して垂直な方向に積層され、
２以上の前記イオン交換膜積層体は、前記イオン交換膜の積層方向から見て、並ぶように配置され、
前記仕切板は、隣接する前記イオン交換膜積層体の間に配設されている、請求項２４に記載の電気化学セル。
【請求項２６】
下部に水の流入口が設けられ、上部に水の流出口が設けられたケーシングと、
前記流入口と最も下方に位置する前記イオン交換膜積層体との間に配置され、前記イオン交換膜の積層方向から見て、下方から上方に向かって拡がるようにテーパー状に形成された第１整流部材と、をさらに備える、請求項２４又は２５に記載の電気化学セル。
【請求項２７】
前記第１整流部材は絶縁性を有する、請求項２６に記載の電気化学セル。
【請求項２８】
前記流出口と最も上方に位置する前記イオン交換膜積層体との間に配置され、前記イオン交換膜の積層方向から見て、上方から下方に向かって拡がるようにテーパー状に形成された第２整流部材と、をさらに備える、請求項２６又は２７に記載の電気化学セル。
【請求項２９】
前記第２整流部材は絶縁性を有する、請求項２８に記載の電気化学セル。
【請求項３０】
絶縁性を有する材料で構成され、表裏面間で連通構造を有し、前記イオン交換膜積層体と前記電極の間に配置される、セパレーターをさらに備える、請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の電気化学セル。
【請求項３１】
請求項２０〜３０のいずれか１項に記載の電気化学セルと、
前記電極に電力を供給する電源と、
前記流出口に接続され、取水口を有し、水が通流する第１水流路と、
前記第１水流路から分岐され、排水口を有する、第２水流路と、
前記取水口又は前記排水口への水の流れを切り替える流路切替器と、
前記電源及び前記流路切替器を制御する制御装置と、を備える、水処理装置。
【請求項３２】
前記流入口に接続された第３水流路と、
前記第３水流路に設けられた濾過フィルターと、をさらに備える、請求項３１に記載の水処理装置。
【請求項３３】
前記第３水流路に設けられたスケール抑制剤をさらに備える、請求項３２に記載の水処理装置。
【請求項３４】
前記制御装置は、前記陽イオン交換基及び前記陰イオン交換基の再生処理の後に、軟水化処理を実行するときに、前記電極への電力供給を所定時間停止した後、前記電極の極性を切り替えるように前記電源から前記電極に電力を供給して、軟水処理を実行する、請求項３１〜３３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項３５】
前記制御装置は、前記陽イオン交換基及び前記陰イオン交換基の再生処理を実行するときに、前記電極へ供給する電力を徐々に上昇させるように前記電源を制御する、請求項３１〜３４のいずれか１項に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換膜、前記イオン交換膜を備える電気化学セル、及び前記電気化学セルを備える水処理装置の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水処理装置は、イオン交換樹脂により、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である。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）。
【０００３】
このような水処理装置のイオン交換膜として、ピークと谷が間隔を置いて配置されたテキスチャード膜が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１３は、特許文献１に開示されているテキスチャード膜の概略構成を示す模式図である。
【０００４】
図１３に示すように、特許文献１に開示されているテキスチャード膜１０５は、陽イオン交換層１０１と、該陽イオン交換層１０１に隣接した陰イオン交換層１０２と、を有していて、ピーク１０３と谷１０４が間隔を置いて配置されている。このテキスチャード膜１０５に形成されたピーク１０３と谷１０４によって膜の表面積が増大するので、テキスチャード膜１０５に硬度成分を含んだ水を供給した場合、硬度成分の吸着速度を増大させることができる。また、テキスチャード膜１０５のピーク１０３と谷１０４は、テキスチャード膜１０５を複数積層して用いた場合、ピーク１０３と谷１０４の間で矢印１０６の様に処理水の通路が形成されるため、圧損を低く抑えることができる。
【０００５】
また、特許文献１では、テキスチャード膜１０５の両側に、電極１０７、電極１０８が配置された電気化学セルが開示されている。特許文献１に開示されている電気化学セルでは、水の存在下で両極に電圧を印加することにより、陽イオン交換層１０１と陰イオン交換層１０２の界面１０９で水を解離してＨ＋とＯＨ−が生成される。このＨ＋とＯＨ−と、陽イオン交換層１０１および陰イオン交換層１０２に吸着した陽イオン及び陰イオンと、が置換されることによって、陽イオン交換層１０１と陰イオン交換層１０２を再生するこができる。このため、特許文献１に開示されている電気化学セルでは、従来の様に薬剤を用いて再生する必要がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００８−５０７４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されているテキスチャード膜１０５を有する電気化学セルであっても、テキスチャード膜１０５の表面に水が流れるのみで、陽イオン交換層１０１と陰イオン交換層１０２の表面に露出した部分しか反応しないので、陽イオン交換層１０１と陰イオン交換層１０２による硬度成分の吸着能力が十分にえられないという第１の課題があった。
【０００８】
また、特許文献１に開示されているテキスチャード膜１０５を用いた水処理装置であっても、装置内の水の通流を均一にする観点から、未だ改善の余地があった。具体的には、矢印１０６の方向を鉛直方向にして、テキスチャード膜１０５を配置した場合、テキスチャード膜１０５の自重により、膜が変形してピーク１０３と谷１０４の間で形成される通路がつぶれてしまい、圧損が大きくなるおそれがあった。また、通路がつぶれると、当該通路に水が通流できないため、充分に硬度成分が吸着できないおそれがあるという第２の課題があった。
【０００９】
本発明は、上記第１及び第２の課題の少なくとも一方の課題を解決することができる、イオン交換膜、前記イオン交換膜を備えるイオン交換膜積層体、前記イオン交換膜積層体を備える電気化学セル、及び前記電気化学セルを備える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】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明に係るイオン交換膜は、陽イオン交換基を有し、シート状に形成され、水を透過し難い第１陽イオン交換組成体と、前記第１陽イオン交換組成体と接触するように配置され、陰イオン交換基を有し、シート状に形成され、水を透過し難い第１陰イオン交換組成体と、陽イオン交換基を有し、シート状に形成され、前記第１陽イオン交換組成体と対向するように配置され、前記第１陽イオン交換組成体よりも水を透過しやすい第２陽イオン交換組成体と、陰イオン交換基を有し、シート状に形成され、前記第１陰イオン交換組成体と対向するように配置され、前記第１陰イオン交換組成体よりも水を透過しやすい第２陰イオン交換組成体と、から構成されている。
【００１１】
これにより、第２陽イオン交換組成体及び第２陰イオン交換組成体で積極的にＣａ、Ｍｇ等の硬度成分や塩素イオン、硫酸イオンを吸着することにより、充分に硬度成分を吸着することができると共に、第１陽イオン交換組成体及び第１陰イオン交換組成体との界面で効率よく水を解離して、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。
【００１２】
また、本発明に係るイオン交換膜積層体は、２以上の前記イオン交換膜を対向するように積層したイオン交換膜積層体であって、前記イオン交換膜の間に、表裏面間で連通構造を有するスペーサー部材を備える。
【００１３】
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基と接触することができ、水処理を効率よく実行することができる。
【００１４】
また、本発明に係る電気化学セルは、前記イオン交換膜積層体と、陽極と陰極が対向するように配置された電極と、通水性を有する仕切板と、を備え、前記イオン交換膜積層体は、前記電極間に配置され、前記イオン交換膜は、鉛直方向に対して垂直な方向に積層され、２以上の前記イオン交換膜積層体は、前記イオン交換膜の積層方向から見て、並ぶように配置され、前記仕切板は、隣接する前記イオン交換膜積層体の間に配設されている。
【００１５】
これにより、電気化学セル内における水の通流の均一化を図ることができ、電気化学セルの効率化を図ることができる。
【００１６】
さらに、本発明に係る水処理装置は、前記電気化学セルと、前記電極に電力を供給する電源と、前記流出口に接続され、取水口を有し、水が通流する第１水流路と、前記第１水流路から分岐され、排水口を有する、第２水流路と、前記取水口又は前記排水口への水の流れを切り替える流路切替器と、前記電源及び前記流路切替器を制御する制御装置と、を備える。
【００１７】
これにより、効率よく水処理を実行することができる。
【００１８】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るイオン交換膜、前記イオン交換膜を備えるイオン交換膜積層体、前記イオン交換膜積層体を備える電気化学セル、及び前記電気化学セルを備える水処理装置によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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】図２は、図１に示す電気化学セルのＡ−Ａ断面図である。
【図３】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。
【図４】図４は、本実施の形態１に係る電気化学セルのスペーサー部材の一例を示す模式図である。
【図５】図５は、本実施の形態１に係る電気化学セルのスペーサー部材の他の例を示す模式図である。
【図６】図６は、本実施の形態２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７】図７は、図６に示す電気化学セルのＡ−Ａ断面図である。
【図８】図８は、本実施の形態２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。
【図９】図９は、本実施の形態３に係る電気化学セルの概略構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図９に示す電気化学セルの膜モジュールの概略構成を示す斜視図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図９に示すＢ−Ｂ断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図９に示すＢ−Ｂ断面図である。
【図１２】図１２は、本実施の形態４に係る水処理装置の概略構成を示す模式図である。
【図１３】図１３は、特許文献１に開示されているテキスチャード膜の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略する場合がある。さらに、以下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。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態１に係るイオン交換膜は、陽イオン交換基を有し、シート状に形成され、第１陽イオン交換組成体と、第１陽イオン交換組成体と接触するように配置され、陰イオン交換基を有し、シート状に形成され、水を透過し難い第１陰イオン交換組成体と、陽イオン交換基を有し、シート状に形成され、第１陽イオン交換組成体と対向するように配置され、第１陽イオン交換組成体よりも水を透過しやすい第２陽イオン交換組成体と、陰イオン交換基を有し、シート状に形成され、第１陰イオン交換組成体と対向するように配置され、第１陰イオン交換組成体よりも水を透過しやすい第２陰イオン交換組成体と、から構成されている。
【００２３】
また、本実施の形態１に係るイオン交換膜積層体は、２以上の前記イオン交換膜を対向するように積層したイオン交換膜積層体であって、２つのイオン交換膜の間に配置され、表裏面間で連通構造を有するスペーサー部材を備える。
【００２４】
さらに、本実施の形態１に係る電気化学セルは、前記イオン交換膜積層体と、陽極と陰極が対向するように配置された電極と、を備える。
【００２５】
以下、本実施の形態１に係るイオン交換膜、前記イオン交換膜を備えるイオン交換膜積層体、及び前記イオン交換膜積層体を備える電気化学セルの一例について、図１〜図５を参照しながら説明する。
【００２６】
［電気化学セルの構成］
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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を再生した後の水が排出される。
【００３４】
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１５Ａ等のイオン交換樹脂を再生するために使用する水を再生用水という。
【００３５】
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。
【００３６】
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。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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
図３に示すように、イオン交換膜１３は、第１陽イオン交換組成体１Ａ及び第２陽イオン交換組成体１Ｂからなる陽イオン交換組成体１と、第１陰イオン交換組成体２Ａ及び第２陰イオン交換組成体２Ｂからなる陰イオン交換組成体２と、を備えている。第１陽イオン交換組成体１Ａ、第２陽イオン交換組成体１Ｂ、第１陰イオン交換組成体２Ａ、及び第２陰イオン交換組成体２Ｂは、シート状に形成されていてもよく、特許文献１に開示されているテキスチャード膜１０５（図１３参照）のように、波状に形成されていてもよい。
【００４０】
第１陽イオン交換組成体１Ａと第１陰イオン交換組成体２Ａ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、第１陽イオン交換組成体１Ａと第１陰イオン交換組成体２Ａ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。
【００４１】
第１陽イオン交換組成体１Ａと第２陽イオン交換組成体１Ｂ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、第１陽イオン交換組成体１Ａと第２陽イオン交換組成体１Ｂは、接合されていてもよく、接合されていなくてもよい。
【００４２】
同様に、第１陰イオン交換組成体２Ａと第２陰イオン交換組成体２Ｂ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、第１陰イオン交換組成体２Ａと第２陰イオン交換組成体２Ｂは、接合されていてもよく、接合されていなくてもよい。
【００４３】
第１陽イオン交換組成体１Ａは、第２陽イオン交換組成体１Ｂよりも水を透過し難いように構成されている。また、第１陰イオン交換組成体２Ａは、第２陰イオン交換組成体２Ｂよりも水を透過し難いように構成されている。
【００４４】
具体的には、後述するように、第１陽イオン交換組成体１Ａ、第１陰イオン交換組成体２Ａ、第２陽イオン交換組成体１Ｂ、及び第２陰イオン交換組成体２Ｂが、多孔質で構成されている場合には、第１陽イオン交換組成体１Ａは、第２陽イオン交換組成体１Ｂよりも、空孔率が小さくなるように構成されている。同様に、第１陰イオン交換組成体２Ａは、第２陰イオン交換組成体２Ｂよりも、空孔率が小さくなるように構成されている。例えば、第１陽イオン交換組成体１Ａ又は第１陰イオン交換組成体２Ａは、空孔率が０．１〜４０％であってもよく、第２陽イオン交換組成体１Ｂ又は第２陰イオン交換組成体２Ｂは、空孔率が５〜６０％であってもよい。第１陽イオン交換組成体１Ａ又は第１陰イオン交換組成体２Ａは、第２陽イオン交換組成体１Ｂ又は第２陰イオン交換組成体２Ｂよりも空孔率が小さければよく、必ずしもこの数値に限定される必要はない。
【００４５】
また、第１陽イオン交換組成体１Ａ及び第１陰イオン交換組成体２Ａは、スチレン、ＤＶＢ（ジビニルベンゼン）を共重合させた後官能基を修飾させてシート成型したいわゆる均質膜で構成されていてもよい。この場合、第１陽イオン交換組成体１Ａ及び第１陰イオン交換組成体２Ａは、０．２〜０．３ｍｍ程度の薄い膜にすることができ、後述するイオン交換膜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。
【００４６】
第１陽イオン交換組成体１Ａは、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａと第１バインダー樹脂粒子５Ａを有していて、第２陽イオン交換組成体１Ｂは、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂと第１バインダー樹脂粒子５Ｂを有していてもよい。同様に、第１陰イオン交換組成体２Ａは、第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａと第２バインダー樹脂粒子７Ａを有していて、第２陰イオン交換組成体２Ｂは、第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂと第２バインダー樹脂粒子７Ｂを有していてもよい。
【００４７】
第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａ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を用いてもよい。また、第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａは、交換基−ＮＲ３ＯＨ有する強塩基性陰イオン交換樹脂を用いてもよく、−ＮＲ２を有する弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いてもよい。
【００４８】
第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａと第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａの組み合わせとしては、強酸性陽イオン交換樹脂と強塩基性陰イオン交換樹脂であってもよい。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。また、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａと第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａの組み合わせとしては、弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂であってもよい。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。
【００４９】
また、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａと第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａの組み合わせとしては、強酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂であってもよく、弱酸性陽イオン交換樹脂と強塩基性陰イオン交換樹脂であってもよい。弱酸性陽イオン交換樹脂と強塩基性陰イオン交換樹脂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と強塩基性陰イオン交換樹脂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。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。
【００５０】
第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂとしては、交換基−ＲＣＯＯＨを有する弱酸性陽イオン交換樹脂を用いるのがよい。また、第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂとしては、−ＮＲ２を有する弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いるのがよい。これにより、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。また、弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いているので、再生時に第１陽イオン交換組成体１Ａ、第１陰イオン交換組成体２Ａの界面で水解離したＨ＋、ＯＨ−による再生が行われやすい。すなわち、弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂は、酸及びアルカリになる解離定数が小さいため、少量のＨ＋、ＯＨ−でも再生され易いという特性があるからである。
【００５１】
一方、強酸性陽イオン交換樹脂、強塩基性陰イオン交換樹脂を用いて吸着速度を高めてもよいが、弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂の組み合わせよりも再生が不十分ということがある。
【００５２】
また、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂの平均粒子径は、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａの平均粒子径よりも大きくてもよい。同様に、第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂの平均粒子径は、第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａの平均粒子径よりも大きくてもよい。第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂ及び第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂの平均粒子径は、空孔率を大きくする観点から、１００〜２５０μｍであってもよい。また、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａ及び第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａ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。
【００５３】
第１バインダー樹脂粒子５Ａ、５Ｂ及び第２バインダー樹脂粒子７Ａ、７Ｂはフッ素系樹脂で構成されていてもよい。フッ素系樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等が挙げられ、耐熱性、耐アルカリ性、耐酸性の観点からＰＴＦＥが好ましい。
【００５４】
なかでも、ＰＴＦＥ及びＰＶＤＦは繊維状のバインダーである為、イオン交換樹脂粒子を絡めて固定し、他のバインダー使用時に比べてイオン交換樹脂表面にスキン層が発生することを抑制し、かつ、イオン交換樹脂含有量を増やすことができる。
【００５５】
第１陽イオン交換組成体１Ａは、第１バインダー樹脂粒子５Ａの含有量が第２陽イオン交換組成体１Ｂにおける第１バインダー樹脂粒子５Ｂの含有量よりも大きくなるように構成されている。また、第１陰イオン交換組成体２Ａは、第２バインダー樹脂粒子７Ａの含有量が第２陰イオン交換組成体２Ｂにおける第２バインダー樹脂粒子７Ｂの含有量よりも大きくなるように構成されている。
【００５６】
具体的には、第１陽イオン交換組成体１Ａには、空孔率を小さくする観点から、第１バインダー樹脂粒子５Ａ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、第１陰イオン交換組成体２Ａには、空孔率を小さくする観点から、第２バインダー樹脂粒子７Ａ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。また、第２陽イオン交換組成体１Ｂには、空孔率を大きくする観点から、第１バインダー樹脂粒子５Ｂが５〜５０重量％含有されていてもよい。同様に、第２陰イオン交換組成体２Ｂには、空孔率を大きくする観点から、第２バインダー樹脂粒子７Ｂが５〜５０重量％含有されていてもよい。望ましくは５〜３０％がよい。
【００５７】
また、第１陽イオン交換組成体１Ａ、第２陽イオン交換組成体１Ｂ、第１陰イオン交換組成体２Ａ、及び第２陰イオン交換組成体２Ｂは、それぞれ、補強剤を有していてもよい。補強剤としては、例えば、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）又はＰＶＡ（ポリビニルアルコール）が挙げられる。補強剤を含有することにより、バインダー樹脂とイオン交換樹脂を接着することができ、イオン交換樹脂がイオン交換組成体から脱離することを抑制できる。なお、第１陽イオン交換組成体１Ａが有する補強剤の含有量は、第２陽イオン交換組成体１Ｂが有する補強剤の含有量よりも多くてもよく、少なくてもよく、また、同じであってもよい。同様に、第１陰イオン交換組成体２Ａが有する補強材の含有量は、第２陰イオン交換組成体２Ｂが有する補強剤の含有量よりも多くてもよく、少なくてもよく、また、同じであってもよい。
【００５８】
また、第１陽イオン交換組成体１Ａ、第２陽イオン交換組成体１Ｂ、第１陰イオン交換組成体２Ａ、及び第２陰イオン交換組成体２Ｂ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。
【００５９】
さらに、第１陽イオン交換組成体１Ａ、第２陽イオン交換組成体１Ｂ、第１陰イオン交換組成体２Ａ、及び第２陰イオン交換組成体２Ｂのバインダー樹脂として、繊維性のバインダーを使用した場合に、第１陽イオン交換組成体１Ａ及び第１陰イオン交換組成体２Ａは、ＰＥ（ポリエチレン）を含有していてもよい。これにより、第１陽イオン交換組成体１Ａ、第２陽イオン交換組成体１Ｂ、第１陰イオン交換組成体２Ａ、及び第２陰イオン交換組成体２Ｂのバインダー樹脂の含有量が同じであっても、第１陽イオン交換組成体１Ａ及び第１陰イオン交換組成体２Ａ内を水が通流しにくくすることができる。
【００６０】
次に、図４及び図５を参照しながら、スペーサー部材１４について説明する。
【００６１】
図４は、本実施の形態１に係る電気化学セルのスペーサー部材の一例を示す模式図である。また、図５は、本実施の形態１に係る電気化学セルのスペーサー部材の他の例を示す模式図である。なお、図４及び図５においては、スペーサー部材の上下方向及び左右方向を図における上下方向及び左右方向として表している。
【００６２】
図４に示すように、スペーサー部材１４は、上下方向に延びる第１部材１４Ａ（縦糸）と左右方向に延びる第２部材１４Ｂ（横糸）を有していて、第１部材１４Ａと第２部材１４Ｂを編んだ網状に形成されていて、表裏面間で連通構造を有している。より詳しくは、第１部材１４Ａは、その主面に多数の連通孔が設けられており、該スペーサー部材１４内を水が通流するように構成されている。
【００６３】
また、スペーサー部材１４は、第１部材１４Ａと第２部材１４Ｂが交差する（重なる）部分１４Ｃと、第１部材１４Ａと第２部材１４Ｂに囲まれた空間１４Ｄと、を有している。
【００６４】
スペーサー部材１４の網目数（空間１４Ｄの数）は、任意に設定することができ、例えば、イオン交換膜１３への電界強度を確保する為に１０〜２００メッシュであってもよい。また、第１部材１４Ａ及び第２部材１４Ｂは、線径が５０〜２００μｍとすることで交差点での段差を小さくし、第２陽イオン交換組成体１Ｂ及び第２陰イオン交換組成体２Ｂの内部へ通水しやすくし硬度成分の除去性能が向上する。
【００６５】
また、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。
【００６６】
また、図５に示すように、スペーサー部材１４は、熱圧着機により、前後方向から押圧して、部分１４Ｃを溶着させてもよい。この場合、第１部材１４Ａ、第２部材１４Ｂ、及び部分１４Ｃの厚みが同じになるようにして、これらが同一平面上に位置するように、すなわち、表裏面が平滑になるように、スペーサー部材１４を形成してもよい。これにより、第２陽イオン交換組成体１Ｂ及び第２陰イオン交換組成体２Ｂの内部へ通水しやすくし、硬度成分の除去性能が向上する。
【００６７】
また、図示はしないが、スペーサー部材１４は不織布を使用しても、その表裏面を平滑形状とすることができ、同様の効果がある。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
［電気化学セルの動作及び作用効果］
次に、図１〜図５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。
【００７２】
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。
【００７３】
一方、イオン交換樹脂の再生時（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。
【００７４】
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。
【００７５】
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内に存在する第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａ及び第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂ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、第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａ及び第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂにより吸着除去される。
【００７６】
このとき、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａに比して、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂの方が水を通過しやすいので、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂで陽イオンが吸着除去されやすい。同様に、第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａに比して、第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂの方が水を通過しやすいので、第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂで陰イオンが吸着除去されやすい。
【００７７】
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の第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａと陰イオン交換組成体２の第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａ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。
【００７８】
特に、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａ及び第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａは、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂ及び第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂに比して、水が透過し難いため、水を媒体としてカルシウムイオン又は塩素イオンが、第１陽イオン交換組成体１Ａ及び第１陰イオン交換組成体２Ａを貫通して移動することが抑制される。このため、印加した電圧は界面１３Ｃでの水解離（Ｈ＋とＯＨ−）に使用されるので、水解離による電流効率を向上させることができる。また、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａで水素イオンが生成される水素イオン量が増加し、第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａで生成される水酸化物イオン量が増加する。
【００７９】
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内の第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａ及び第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂが再生される。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内の第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａ及び第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂが再生される。
【００８０】
特に、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂ及び第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂは、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａ及び第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａに比して、水が通過しやすいため、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａで生成された水素イオンが第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂ内を拡散しやすく、第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａで生成された水酸化物イオンが第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂ内を拡散しやすい。このため、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂ及び第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂの再生を効率よく実行することできる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。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１５Ｃ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。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。
【００８３】
このように構成された、本実施の形態１に係る電気化学セル１０では、第１陽イオン交換樹脂粒子４Ａ及び第１陰イオン交換樹脂粒子６Ａは、第２陽イオン交換樹脂粒子４Ｂ及び第２陰イオン交換樹脂粒子６Ｂに比して、水が透過し難いため、第２陽イオン交換組成体１Ｂ及び第２陰イオン交換組成体２Ｂで積極的に硬度成分を吸着することにより、充分に硬度成分を吸着することができると共に、第１陽イオン交換組成体１Ａ及び第１陰イオン交換組成体２Ａとの界面１３Ｃで効率よく水を解離して、陽イオン交換組成体１及び陰イオン交換組成体２の再生を効率よく実行することができる。
【００８４】
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。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。
【００８５】
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。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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。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。
【００８８】
（実施の形態２）
本実施の形態２に係るイオン交換膜積層体は、２以上のイオン交換膜を対向するように積層したイオン交換膜積層体であって、イオン交換膜の間に、表裏面間で連通構造を有するスペーサー部材を備え、スペーサー部材は、合成樹脂の糸を編んで網状に形成し、糸が交差する部分が溶着され、表裏面が平滑に形成されている。
【００８９】
また、本実施の形態２に係る電気化学セルは、前記イオン交換膜積層体と、陽極と陰極が対向するように配置された電極と、通水性を有する仕切板をさらに備え、イオン交換膜積層体は、電極間に配置され、イオン交換膜は、鉛直方向に対して垂直な方向に積層され、２以上のイオン交換膜積層体は、イオン交換膜の積層方向から見て、並ぶように配置され、仕切板は、隣接するイオン交換膜積層体の間に配設されている。
【００９０】
また、本実施の形態２に係る電気化学セルでは、下部に水の流入口が設けられ、上部に水の流出口が設けられたケーシングと、流入口と最も下方に位置するイオン交換膜積層体との間に配置され、イオン交換膜の積層方向から見て、下方から上方に向かって拡がるようにテーパー状に形成された第１整流部材と、をさらに備えていていもよい。
【００９１】
また、本実施の形態２に係る電気化学セルでは、第１整流部材は絶縁性を有していてもよい。
【００９２】
また、本実施の形態２に係る電気化学セルでは、流出口と最も上方に位置するイオン交換膜積層体との間に配置され、イオン交換膜の積層方向から見て、上方から下方に向かって拡がるようにテーパー状に形成された第２整流部材と、をさらに備えていてもよい。
【００９３】
また、本実施の形態２に係る電気化学セルでは、第２整流部材は絶縁性を有していてもよい。
【００９４】
さらに、本実施の形態２に係る電気化学セルでは、絶縁性を有する材料で構成され、表裏面間で連通構造を有し、イオン交換膜積層体と電極の間に配置される、セパレーターをさらに備えていてもよい。
【００９５】
以下、本実施の形態２に係る電気化学セルの一例について、図６及び図７を参照しながら詳細に説明する。
【００９６】
［電気化学セルの構成］
図６は、本実施の形態２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７は、図６に示す電気化学セルのＡ−Ａ断面図である。なお、図６及び図７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。
【００９７】
図６及び図７に示すように、本実施の形態２に係る電気化学セル１０は、実施の形態１に係る電気化学セル１０と基本的構成は同じであるが、３つのイオン交換膜積層体１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｃと、仕切板１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄと、をさらに備えている点が異なる。
【００９８】
具体的には、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、仕切板１６Ｄ、イオン交換膜積層体１５Ｃ、仕切板１６Ｃ、イオン交換膜積層体１５Ｂ、イオン交換膜積層体１５Ａ、仕切板１６Ａ、及び第２整流部材２３が配設されていて、これらの部材は、貫通孔２８と嵌合するように形成されている。
【００９９】
換言すると、ケーシング２０の主面の法線方向から見て、第１整流部材２４は、流入口２２と最も下方に位置するイオン交換膜積層体１５Ｃとの間に配置されていて、第２整流部材２３は、流出口２１と最も上方に位置するイオン交換膜積層体１５Ａとの間に配置されている。また、第１整流部材２４とイオン交換膜積層体１５Ｃとの間には、仕切板１６Ｄが配置されていて、第２整流部材２３とイオン交換膜積層体１５Ａとの間には、仕切板１６Ａが配置されている。
【０１００】
そして、イオン交換膜積層体１５Ａとイオン交換膜積層体１５Ｃとの間には、イオン交換膜積層体１５Ｂが配置されている。イオン交換膜積層体１５Ａとイオン交換膜積層体１５Ｂとの間には、仕切板１６Ｂが配置されていて、イオン交換膜積層体１５Ｂとイオン交換膜積層体１５Ｃとの間には、仕切板１６Ｃが配置されている。
【０１０１】
なお、本実施の形態２においては、仕切板１６Ａ及び仕切板１６Ｄを配置する形態を採用したが、これに限定されず、仕切板１６Ａ及び仕切板１６Ｄの少なくとも一方を配置しない形態を採用してもよい。また、本実施の形態２においては、３つのイオン交換膜積層体１５を配置する形態を採用したが、これに限定されない。ケーシング２０内に配置されるイオン交換膜積層体の数は、ケーシング２０の大きさ、イオン交換膜積層体に積層されるイオン交換膜の性能、又はイオン交換膜の積層数等により任意に設定することができる。
【０１０２】
第１整流部材２４は、ケーシング２０の主面の法線方向から見て、下方から上方に向かって拡がるようにテーパー状（すなわち、台形状）に形成されている。
【０１０３】
仕切板１６Ｄは、第１整流部材２４から該仕切板１６Ｄに供給された水を混合する観点から、多孔質材料で構成されていてもよい。また、仕切板１６Ｄは、イオン交換膜積層体１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｃ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てもよい。さらに、仕切板１６Ｄは、イオン交換膜積層体１５Ｃを支持する観点から、所定の剛性を有するように構成されていてもよい。
【０１０４】
仕切板１６Ｄを構成する材料としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、アクリル樹脂等を用いてもよい。本実施の形態２においては、仕切板１６Ｄは、上下方向に延びる貫通孔が多数設けられたアクリル板で形成されている。なお、仕切板１６Ａ、１６Ｂ、及び１６Ｃは、それぞれ、仕切板１６Ｄと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【０１０５】
第２整流部材２３は、ケーシング２０の主面の法線方向（イオン交換膜１３の積層方向）から見て、上方から下方に向かって拡がるようにテーパー状（すなわち、台形状）に形成されている。換言すると、第２整流部材２３は、水の通流方向から見て、流出口２１に収束するように形成されている。
【０１０６】
また、イオン交換膜積層体１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｃは、それぞれ、２以上のイオン交換膜１３と網状のスペーサー部材１４を備えている。なお、スペーサー部材１４は、図５に示すスペーサー部材１４と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。また、イオン交換膜積層体１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｃのそれぞれが備えるイオン交換膜１３は、同じ構成であってもよく、異なる構成であってもよい。
【０１０７】
ここで、本実施の形態２に係る電気化学セル１０におけるイオン交換膜積層体１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｃが備えるイオン交換膜１３の一例について、図８を参照しながら説明する。
【０１０８】
図８は、本実施の形態２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。
【０１０９】
ここで、上記実施の形態１においては、第１陽イオン交換組成体１Ａと第１陰イオン交換組成体２Ａは、互いにその主面が対向（接触）するように積層され、第１陽イオン交換組成体１Ａと第２陽イオン交換組成体１Ｂは、互いにその主面が対向（接触）するように積層されていた。同様に、第１陰イオン交換組成体２Ａと第２陰イオン交換組成体２Ｂは、互いにその主面が対向（接触）するように積層されていた。
【０１１０】
第１陽イオン交換組成体１Ａは、第２陽イオン交換組成体１Ｂよりも水を透過し難いように構成されていた。また、第１陰イオン交換組成体２Ａは、第２陰イオン交換組成体２Ｂよりも水を透過し難いように構成されていた。すなわち、実施の形態１においては、第１陽イオン交換組成体１Ａと第２陽イオン交換組成体１Ｂと第１陰イオン交換組成体２Ａと第２陰イオン交換組成体２Ｂの４層構造のイオン交換膜としていた。この４層構造のイオン交換膜を積層してイオン交換膜積層体を構成していた。
【０１１１】
しかしながら、本実施の形態２においては、図８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を備えている。陽イオン交換組成体１と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て、接触している主面が接合されている。陽イオン交換組成体１と陰イオン交換組成体２の接合面には、界面１３Ｃが形成されている。また、イオン交換膜１３の陽イオン交換組成体１側の主面には、陽イオン交換面１３Ａが形成され、陰イオン交換組成体２側の主面には、陰イオン交換面１３Ｂが形成される。すなわち、陽イオン交換組成体１と陰イオン交換組成体２の２層構造のイオン交換膜１３としている。この２層構造のイオン交換膜１３を積層してイオン交換膜積層体を構成しているのが本実施の形態２である。
【０１１２】
陽イオン交換組成体１は、陽イオン交換樹脂粒子４と第１バインダー樹脂粒子５を有している。また、陰イオン交換組成体２は、陰イオン交換樹脂粒子６と第２バインダー樹脂粒子７を有している。
【０１１３】
陽イオン交換樹脂粒子４としては、交換基−ＳＯ３Ｈを有する強酸性陽イオン交換樹脂を用いてもよく、陰イオン交換樹脂粒子６としては、交換基−ＮＲ３ＯＨ有する強塩基性陰イオン交換樹脂を用いてもよい。なお、後述するように、イオン交換膜１３に電圧を印加する場合には、陽イオン交換樹脂粒子４として、交換基−ＲＣＯＯＨを有する弱酸性陽イオン交換樹脂を用いてもよく、陰イオン交換組成体２として、−ＮＲ２を有する弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いてもよい。さらに、陽イオン交換樹脂粒子４として、交換基−ＲＣＯＯＨを有する弱酸性陽イオン交換樹脂を用いてもよく、陰イオン交換組成体２として、−ＮＲ3ＯＨを有する強塩基性陰イオン交換樹脂を用いてもよい。弱酸性陽イオン交換樹脂と強塩基性陰イオン交換樹脂の組み合わせでは、吸着容量が高まるので軟水化処理量を向上できると共に、再生時の水解離がさらに向上する。
【０１１４】
第１バインダー樹脂粒子５及び第２バインダー樹脂粒子７は、実施の形態１に係るイオン交換膜１３の第１バインダー樹脂粒子５Ａ等と同様に構成されていてもよく、熱可塑性樹脂粒子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。なお、第１バインダー樹脂粒子５を構成する熱可塑性樹脂粒子と、第２バインダー樹脂粒子７を構成する熱可塑性樹脂粒子は、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。
【０１１５】
なお、本実施の形態２に係る電気化学セル１０のイオン交換膜１３は、上記構成に限定されず、公知の種々のイオン交換膜を用いることができ、その製造方法も公知の方法を用いることができる。例えば、ＷＯ２０１２／０３９１２７に開示されているイオン交換膜（多孔質イオン交換体）を用いてもよい。
【０１１６】
また、本実施の形態２に係る電気化学セル１０のイオン交換膜１３は、実施の形態１に係る電気化学セル１０と同様に構成されていてもよい。さらに、本実施の形態２に係る電気化学セル１０のイオン交換膜１３における陽イオン交換組成体１と陰イオン交換組成体２は、実施の形態１に係る電気化学セル１０の第１陽イオン交換組成体１Ａと第１陰イオン交換組成体２Ａで構成されていてもよく、第１陽イオン交換組成体１Ａと第２陰イオン交換組成体２Ｂで構成されていてもよく、第２陽イオン交換組成体１Ｂと第１陰イオン交換組成体２Ａで構成されていてもよく、第２陽イオン交換組成体１Ｂと第２陰イオン交換組成体２Ｂで構成されていてもよい。
【０１１７】
なお、本実施の形態２に係る電気化学セル１０のイオン交換膜１３における陽イオン交換組成体１と陰イオン交換組成体２は、実施の形態１における通水性を有する第２陽イオン交換組成体１Ｂと通水性を有する第２陰イオン交換組成体２Ｂを張り合わせて構成し、なおかつ、第２陽イオン交換組成体１Ｂが弱酸性陽イオン交換樹脂で構成され、第２陰イオン交換組成体２Ｂが強塩基性陰イオン交換樹脂で構成された場合には、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と強塩基性陰イオン交換樹脂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。
【０１１８】
このため、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。
【０１１９】
［電気化学セルの作用効果］
このように構成された、本実施の形態２に係る電気化学セル１０であっても、実施の形態１に係る電気化学セル１０と同様の作用効果を奏する。
【０１２０】
また、本実施の形態２に係る電気化学セル１０では、イオン交換膜１３の積層方向から見て、複数のイオン交換膜積層体を並ぶように配置し、隣接するイオン交換膜積層体の間に仕切板を配置することにより、イオン交換膜１３が自重により、下方に垂れ下がることを抑制することができる。これにより、ケーシング２０内を通流する水の圧損が大きくなることを抑制することができ、ケーシング２０内全体を均一に水が通流することができる。また、ケーシング２０内全体を均一に水が通流するので、軟水化処理時には、硬度成分等の各イオンを効率よく吸着除去することができ、再生処理時には、再生効率を高めることができる。
【０１２１】
また、本実施の形態２に係る電気化学セル１０では、仮に、一部のイオン交換膜積層体で、水の通流が不均一になっても、仕切板を通流する間に、均一化することができ、水処理を効率よく実行することができる。
【０１２２】
（実施の形態３）
本実施の形態３に係る電気化学セルは、実施の形態１又は２に記載のイオン交換膜積層体と、円筒状の芯材と、を備え、イオン交換膜積層体が、イオン交換膜の積層方向から見て、イオン交換膜の端部とスペーサー部材の端部とがずれて、２層のイオン交換膜の端部間に、スペーサー部材の端部が露出するように、芯材の外周面に巻きつけられている。
【０１２３】
また、本実施の形態３に係る電気化学セルは、下部に流入口が設けられた筒状のケーシングと、その上流端が流入口よりも上方に位置するように、芯材の内部に配置された流出管と、をさらに備えていてもよい。
【０１２４】
さらに、本実施の形態３に係る電気化学セルは、ケーシングの内周面の接線に対して垂直な方向以外の方向に傾斜するように、流入口に配置された流入管をさらに備えていてもよい。
【０１２５】
以下、本実施の形態３に係る電気化学セルの一例について、図９〜図１１Ｂを参照しながら詳細に説明する。
【０１２６】
［電気化学セルの構造］
図９は、本実施の形態３に係る電気化学セルの概略構成を示す断面図である。図１０は、図９に示す電気化学セルの膜モジュールの概略構成を示す斜視図である。図１１Ａ及び図１１Ｂは、図９に示すＢ−Ｂ断面図であり、図１１Ａは、比較例を示し、図１１Ｂは、本実施の形態３の例を示す。
【０１２７】
なお、図９においては、電気化学セルの上下方向を図における上下方向として表している。図１０においては、膜モジュールの上面を構成する第４蓋部材６４及び下面を構成する第３蓋部材６３の記載と中央部分の記載を省略している。また、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいては、膜モジュール等の構成を省略している。
【０１２８】
図９に示すように、本実施の形態３に係る電気化学セル１０は、円筒状の流出管１７、円筒状の芯材６０とイオン交換膜積層体１５と第３蓋部材６３と第４蓋部材６４とを有する膜モジュール８０、及び円筒状のケーシング２０を備えていて、流出管１７及び円筒状の膜モジュール８０が、ケーシング２０の内部空間に配置されている。なお、本実施の形態３においては、流出管１７、芯材６０（膜モジュール８０）、及びケーシング２０が同心軸上に配置されている。また、イオン交換膜積層体１５は、実施の形態１に記載されているイオン交換膜積層体１５を用いてもよく、実施の形態２に記載されているイオン交換膜積層体１５を用いてもよい。
【０１２９】
まず、図９及び図１０を参照しながら、膜モジュール８０について、説明する。
【０１３０】
芯材６０の周面は網目状に形成されていて、その外周面には、イオン交換膜積層体１５が巻きつけられている。具体的には、イオン交換膜１３（イオン交換膜積層体１５）の積層方向（膜モジュール８０の径方向）から見て、イオン交換膜１３とスペーサー部材１４は、それぞれの外方端部がずれるように、芯材６０の外周面に巻きつけられている。
【０１３１】
より詳細には、イオン交換膜１３とスペーサー部材１４は、矩形状に形成されていて、互いに同じ大きさの主面を有するように構成されている。イオン交換膜１３とスペーサー部材１４は、上下方向に延びる一方の辺（内方端部）が互いにずれるように、芯材６０の外周面に固定されている。そして、複数のイオン交換膜１３とスペーサー部材１４を積層させて、芯材６０の外周面に沿って巻回することで、イオン交換膜１３とスペーサー部材１４は、それぞれの外方端部がずれて、２層のイオン交換膜１３の外方端部間に、スペーサー部材１４の外方端部が露出するように配設される。
【０１３２】
また、図９に示すように、膜モジュール８０の外周面には、イオン交換膜１３とスペーサー部材１４を固定するための円筒状の固定部材７０が配置されている。固定部材７０は、その周面が網目状に形成されている。
【０１３３】
膜モジュール８０の下面は、第３蓋部材６３により構成されている。また、膜モジュール８０の上面は、第４蓋部材６４により構成されている。第３蓋部材６３の上面には第５シール部材７５が載置されている。第５シール部材７５は、芯材６０と芯材６０に巻きつけられたイオン交換膜積層体１５とを下面から固定する。また、第４蓋部材６４の下面には第６シール部材７６が載置されている。第６シール部材７６は、芯材６０と芯材６０に巻きつけられたイオン交換膜積層体１５とを上面から固定する。
【０１３４】
芯材６０、芯材６０に巻きつけられたイオン交換膜積層体１５、第３蓋部材６３、第４蓋部材６４が一体化して膜モジュール８０を構成する。これにより、膜モジュール８０を、ケーシング２０から容易に着脱することができる。
【０１３５】
次に、図９を参照しながら、膜モジュール８０及び電気化学セル１０の他の構成について、説明する。
【０１３６】
図９に示すように、ケーシング２０の上端部には、円板状の第１蓋部材６１が配置されており、ケーシング２０の下端部には、円板状の第２蓋部材６２が配置されている。第１蓋部材６１は、該第１蓋部材６１の外周面とケーシング２０の内周面が螺合することで固定されており、第２蓋部材６２は、適宜な手段により、ケーシング２０に固定されている。なお、ケーシング２０と第２蓋部材６２は、一体で構成されていてもよい。
【０１３７】
第２蓋部材６２の主面には、下面の開口が上面の開口よりも小さくなるように、段状の貫通孔６５が設けられている。なお、貫通孔６５は、ケーシング２０の軸心Ｚと同軸となるように設けられている。
【０１３８】
第２蓋部材６２の上面には、円板状の第３蓋部材６３が載置されている。第３蓋部材６３の下面には、円環状の突起部６３ａが設けられている。突起部６３ａの外周面と、第２蓋部材６２の貫通孔６５を構成する上側内周面と、の間には、第３シール部材７３と第４シール部材７４が配置されている。第３シール部材７３及び第４シール部材７４としては、例えば、Ｏリング等を用いてもよい。
【０１３９】
また、第３蓋部材６３の上面には、凹部が設けられていて、該凹部には、板状の第５シール部材７５が載置されている。第５シール部材７５としては、例えば、ホットメルト材又はウレタン系のポッティング材を用いてもよい。なお、生産性の観点からは、硬化の早いホットメルト材を用いることが望ましい。ホットメルト材としては、耐加水分解性の観点からポリオレフィン系のものを用いることが望ましい。
【０１４０】
第３蓋部材６３の主面と第５シール部材７５の主面には、ケーシング２０の軸心Ｚと同軸となるように貫通孔がそれぞれ設けられている。そして、これらの貫通孔と、第２蓋部材６２の貫通孔６５と、を嵌挿し、かつ、芯材６０の内部空間を挿通するように、流出管１７が配設されている。
【０１４１】
流出管１７は、その上流端（図９の上方端部）が流出口２１を構成し、当該流出口２１が流入口２２よりも上方に位置するように構成されている。なお、流出管１７は、ケーシング２０の上端部近傍にまで延設されていてもよい。また、流出管１７は第１水流路１７を構成する配管の一部である。
【０１４２】
流出管１７の外周面には、板状の陰極１２が巻回するように設けられている。陰極１２には、適宜な配線により、端子１２Ａと電気的に接続されている。なお、本実施の形態３においては、陰極１２を板状に形成したが、これに限定されず、ワイヤー状に形成してもよい。
【０１４３】
一方、陽極１１は、ケーシング２０の内周面に巻回するように設けられていて、ここでは、板状に形成されている。陽極１１は、適宜な配線により、端子１１Ａと電気的に接続されている。なお、本実施の形態３においては、陽極１１を板状に形成したが、これに限定されず、ワイヤー状に形成してもよい。
【０１４４】
第１蓋部材６１には、適宜な手段により、板状の第４蓋部材６４（膜モジュール）が取付けられている。本実施の形態３においては、第１蓋部材６１の主面に貫通孔が設けられており、第４蓋部材６４の上面に設けられた凸部と螺合することにより、第４蓋部材６４が第１蓋部材６１に固定されている。
【０１４５】
第１蓋部材６１が、膜モジュール８０を押圧することにより、膜モジュール８０がケーシング２０内に固定される。
【０１４６】
第４蓋部材６４の下面には、凹部が形成されており、該凹部には、板状の第６シール部材７６が載置されている。第６シール部材７６としては、例えば、ホットメルト材又はウレタン系のポッティング材を用いてもよい。なお、生産性の観点からは、硬化の早いホットメルト材を用いることが望ましい。ホットメルト材としては、耐加水分解性の観点からポリオレフィン系のものを用いることが望ましい。
【０１４７】
また、第４蓋部材６４の外周面とケーシング２０の内周面との間には、第７シール部材７７と第８シール部材７８が配置されている。第７シール部材７７及び第８シール部材７８としては、例えば、Ｏリング等を用いてもよい。
【０１４８】
また、ケーシング２０の下部には、貫通孔２２が設けられていて、該貫通孔２２が流入口２２を構成する。なお、流入口２２は、ケーシング２０の下端部に設けられていてもよい。
【０１４９】
流入口２２には、流入管１８が、ケーシング２０の内周面の接線に対して垂直な方向以外の方向に傾斜するように、接続されている。なお、流入管１８が、第３水流路１８を構成する。
【０１５０】
ここで、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照しながら、流入管１８の構造について、詳細に説明する。
【０１５１】
図１１Ａを示すように、流入管１８の中心軸Ｘがケーシング２０の内周面の接線に対して垂直方向に位置するように、流入管１８を設けた場合、流入管１８を通流した水は、流入口２２からケーシング２０の軸心Ｚに向かって、径方向に流れやすくなる。
【０１５２】
一方、図１１Ｂに示すように、流入管１８の中心軸Ｘがケーシング２０の内周面の接線に対して垂直方向以外の方向に位置するように、流入管１８を設けた場合、流入管１８を通流した水は、流入口２２からケーシング２０の周方向に向かって流れやすくなる。これにより、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と接触することができる。
【０１５３】
このため、流入管１８は、流入管１８の中心軸Ｘとケーシング２０の内周面の接線とのなす角度αが、０°以上、かつ、９０°未満となるように配置されていてもよく、角度αが、６０°以下となるように配置されていてもよく、４５°以下となるように配置されていてもよく、３０°以下となるように配置されていてもよい。
【０１５４】
なお、流入管１８は、流入口２２が上方向に向くように、流入管１８の中心軸Ｘとケーシング２０の軸心Ｚとのなす角度βが、０°より大きく、かつ、９０°未満となるように配置されていてもよい。また、流入管１８は、複数設けられていてもよい。
【０１５５】
また、ケーシング２０の内周面に、らせん状のガイド部材を設けることにより、ケーシング２０内部で、水がらせん状に通流するように構成してもよい。
【０１５６】
［電気化学セルの作用効果］
このように構成された、本実施の形態３に係る電気化学セル１０では、実施の形態１に記載のイオン交換膜積層体１５又は実施の形態２に記載のイオン交換膜積層体１５を備えているので、実施の形態１又は２に係る電気化学セル１０と同様の作用効果を奏する。
【０１５７】
また、本実施の形態３に係る電気化学セル１０では、イオン交換膜積層体１５が、イオン交換膜１３の積層方向から見て、イオン交換膜１３の端部とスペーサー部材１４の端部とがずれるように、芯材６０の外周面に巻きつけられているため、巻きつけられた状態でイオン交換膜１３同士が接触することがないように構成されている。このため、イオン交換膜１３の間に、水が滞りなく、かつ、満遍なく通流することができる。
【０１５８】
これにより、軟水化処理時には、硬度成分等の各イオンを効率よく吸着除去することができ、再生処理時には、再生効率を高めることができる。
【０１５９】
また、本実施の形態３に係る電気化学セル１０では、流出管１７の上流端が流入口２２よりも上方に位置するように、配置されているため、ケーシング２０内に流入した水が流出管１７の流出口２１に流入するまでの間に、イオン交換膜１３と接触する時間を増大させることができる。これにより、軟水化処理時には、硬度成分等の各イオンを効率よく吸着除去することができ、再生処理時には、再生効率を高めることができる。
【０１６０】
さらに、本実施の形態３に係る電気化学セル１０では、流入管１８が、ケーシング２０の内周面の接線に対して垂直な方向以外の方向に傾斜するように、接続されているため、ケーシング２０内に流入した水が、ケーシング２０の周方向に向かって流れやすくなる。
【０１６１】
このため、ケーシング２０の内部で螺旋流が形成されやすくなる。これにより、ケーシング２０内に水が満遍なく行き渡りやすくなり、水とイオン交換膜１３とが良好に接触することができる。したがって、軟水化処理時には、硬度成分等の各イオンを効率よく吸着除去することができ、再生処理時には、再生効率を高めることができる。
【０１６２】
なお、水をイオン交換膜１３内部により流入させやすくする観点から、流入管１８は、その傾斜方向が、ケーシング２０内を水が周回する方向と、イオン交換膜積層体１５を芯材６０に巻きつける方向と、が互いに逆向きになるように、配置されていてもよい。
【０１６３】
すなわち、イオン交換膜積層体１５が、膜モジュール８０の上面から見て芯材６０に時計回りに巻きつけられている場合には、ケーシング２０内を水が周回する方向が、反時計回りとなることが好ましい。また、イオン交換膜積層体１５が、膜モジュール８０の上面から見て芯材６０に反時計回りに巻きつけられている場合には、ケーシング２０内を水が周回する方向が、時計回りとなることが好ましい。
【０１６４】
（実施の形態４）
本実施の形態４に係る水処理装置は、実施の形態１〜実施の形態３のいずれかに係る電気化学セルと、電極に電力を供給する電源と、流出口に接続され、取水口を有し、水が通流する第１水流路と、第１水流路から分岐され、排水口を有する、第２水流路と、取水口又は排水口への水の流れを切り替える流路切替器と、電源及び流路切替器を制御する制御装置と、を備える。
【０１６５】
また、本実施の形態４に係る水処理装置では、流入口に接続された第３水流路と、第３水流路に設けられた濾過フィルターと、をさらに備えていてもよい。
【０１６６】
また、本実施の形態４に係る水処理装置では、第３水流路に設けられたスケール抑制剤をさらに備えていてもよい。
【０１６７】
また、本実施の形態４に係る水処理装置では、制御装置は、陽イオン交換基及び陰イオン交換基の再生処理の後に、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停止した後、電極の極性を切り替えるように電源から電極に電力を供給して、軟水処理を実行してもよい。
【０１６８】
さらに、本実施の形態４に係る水処理装置では、制御装置は、陽イオン交換基及び前記陰イオン交換基の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上昇させるように電源を制御してもよい。
【０１６９】
以下、本実施の形態４に係る水処理装置の一例について、図１２を参照しながら説明する。
【０１７０】
［水処理装置の構成］
図１２は、本実施の形態４に係る水処理装置の概略構成を示す模式図である。
【０１７１】
図１２に示すように、本実施の形態４に係る水処理装置５０は、実施の形態１に係る電気化学セル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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
さらに、第１水流路１７と第２水流路３３の接続点には、流路切替器として、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。
【０１７４】
なお、本実施の形態４に係る水処理装置５０では、流路切替器として、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、流路切替器として機能させる形態を採用してもよい。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。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。
【０１７９】
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。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。
【０１８０】
なお、濾過フィルター４１は、本実施の形態４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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
なお、本実施の形態４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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
このように構成された、本実施の形態４に係る水処理装置では、実施の形態１に係る電気化学セル１０を備えているので、実施の形態１に係る電気化学セル１０と同様の作用効果を奏する。
【０１９３】
また、本実施の形態４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。
【０１９４】
また、本実施の形態４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。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。
【０１９５】
さらに、本実施の形態４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。
【０１９６】
なお、本実施の形態４に係る水処理装置５０では、実施の形態１に係る電気化学セル１０を備える形態を採用したが、これに限定されず、実施の形態２又は３に係る電気化学セル１０を備える形態を採用してもよい。
【０１９７】
また、本実施の形態４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。
【０１９８】
さらに、本実施の形態４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。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。
【０１９９】
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。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】
【０２００】
本発明に係るイオン交換膜、前記イオン交換膜を備えるイオン交換膜積層体、前記イオン交換膜積層体を備える電気化学セル、及び前記電気化学セルを備える水処理装置によれば、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ので、水処理の分野で有用である。
【符号の説明】
【０２０１】
１  陽イオン交換組成体
１Ａ  第１陽イオン交換組成体
１Ｂ  第２陽イオン交換組成体
２  陰イオン交換組成体
２Ａ  第１陰イオン交換組成体
２Ｂ  第２陰イオン交換組成体
４  陽イオン交換樹脂粒子
４Ａ  第１陽イオン交換樹脂粒子
４Ｂ  第２陽イオン交換樹脂粒子
５  第１バインダー樹脂粒子
５Ａ  第１バインダー樹脂粒子
５Ｂ  第１バインダー樹脂粒子
６  陰イオン交換樹脂粒子
６Ａ  第１陰イオン交換樹脂粒子
６Ｂ  第２陰イオン交換樹脂粒子
７  第２バインダー樹脂粒子
７Ａ  第２バインダー樹脂粒子
７Ｂ  第２バインダー樹脂粒子
１０  電気化学セル
１１  陽極
１１Ａ  端子
１２  陰極
１２Ａ  端子
１３  イオン交換膜
１３Ａ  陽イオン交換面
１３Ｂ  陰イオン交換面
１３Ｃ  界面
１４  スペーサー部材
１４Ａ  第１部材
１４Ｂ  第２部材
１４Ｃ  部分
１４Ｄ  空間
１５  イオン交換膜積層体
１５Ａ  イオン交換膜積層体
１５Ｂ  イオン交換膜積層体
１５Ｃ  イオン交換膜積層体
１６Ａ  仕切板
１６Ｂ  仕切板
１６Ｃ  仕切板
１６Ｄ  仕切板
１７  第１水流路
１８  第３水流路
１９  第２シール部材
２０  ケーシング
２１  流出口
２２  流入口
２３  第２整流部材
２４  第１整流部材
２６  第１外板
２７  第２外板
２８  貫通孔
２９  第１シール部材
３１  セパレーター
３２  セパレーター
３３  第２水流路
３４  第４水流路
３５  第１切替弁
３６  第２切替弁
３７  第３切替弁
３８  スケール抑制剤
３９  電源
４０  制御装置
４０Ａ  演算処理部
４０Ｂ  記憶部
４０Ｃ  時計部
４１  濾過フィルター
４２  入力装置
５０  水処理装置
６０  芯材
６１  第１蓋部材
６２  第２蓋部材
６３  第３蓋部材
６３ａ  突起部
６４  第４蓋部材
６５  貫通孔
７０  固定部材
７３  第３シール部材
７４  第４シール部材
７５  第５シール部材
７６  第６シール部材
７７  第７シール部材
７８  第８シール部材
８０  膜モジュール
１０１  陽イオン交換層
１０２  陰イオン交換層
１０３  ピーク
１０４  谷
１０５  テキスチャード膜
１０６  矢印
１０７  電極
１０８  電極
１０９  界面
４０１  電圧電流変更部
４０２  処理時間変更部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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