(57)【要約】【課題】被処理液槽を接続した電気透析装置であって、該被処理液槽における局所的な加熱を生じることなく、かつ、該被処理液槽における被処理液の重量変化が測定可能な電気透析装置を提供する。【解決手段】少なくとも陽極、陽極室、陰極、陰極室およびイオン交換膜を電解槽に具備し、該電解槽には被処理液槽が接続されており、該被処理液槽には、該被処理液槽内の被処理液の重量変化が測定可能な秤と被処理液を加熱する手段が具備されており、該手段の総括伝熱係数と伝熱面積との積が、該被処理液槽の容積１Ｌあたり、２〜１２Ｗ／Ｋである電気透析装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも陽極、陽極室、陰極、陰極室およびイオン交換膜を電解槽に具備し、該電解槽には被処理液槽が接続されており、該被処理液槽には、該被処理液槽内の被処理液の重量変化が測定可能な秤と被処理液を加熱する手段が具備されており、該手段の総括伝熱係数と伝熱面積との積が、該被処理液槽の容積１Ｌあたり、２〜１２Ｗ／Ｋである電気透析装置。
【請求項２】
被処理液を加熱する手段が蛇管型熱交換器である請求項１に記載の電気透析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気透析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気透析装置は、少なくとも陽極（２）、陽極室（３）、陰極（４）、陰極室（５）およびイオン交換膜を電解槽に具備し、該電解槽には、アニオンおよびカチオンを含む水溶液が充填されている。塩水を濃縮する場合には、イオン交換膜として、陽極室（３）から、アニオン交換膜（７−１）、カチオン交換膜（６−１）、アニオン交換膜（７−２）およびカチオン交換膜（６−２）が順番に具備され、アニオン交換膜（７−１）およびカチオン交換膜（６−１）の間に脱塩室（８−１）、カチオン交換膜（６−１）およびアニオン交換膜（７−２）の間に濃縮室（９）、並びに、アニオン交換膜（７−２）およびカチオン交換膜（６−２）の間に脱塩室（８−１）が具備されている図１の電解槽（１）などが用いられる。図１に基づいて電気透析装置の原理を詳しく説明すると、陽極（２）および陰極（４）に電圧を印加すれば、脱塩室（８−１）のカチオンはカチオン交換膜（６−１）を透過して濃縮室（９）に移動し、脱塩室（８−２）のアニオンはアニオン交換膜（７−２）を透過して濃縮室（９）に移動する。脱塩室に被処理液（１１）を流通させれば、濃縮室（９）には被処理液の濃縮液（１２）が流通することになる。具体的には、被処理液に希釈塩水を用い、アニオンとして塩素イオン、カチオンとしてナトリウムイオンを用いた場合、濃縮された塩水を濃縮室（９）から得ることができる。
最近、イオン交換樹脂の吸着容量の確保や劣化の防止及びイオン交換樹脂からの溶出物量の低減の観点から、連続した電気透析装置の間に冷却機能を有する温度調節器を設けることが特許文献１に記載されている。
また、工業的な規模の電気透析装置の事前検討用に好適な小型の電気透析装置が市販されている（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１２８６９１号公報（段落番号００１３）
【非特許文献１】http://www.astom-corp.jp/ja/ja-main2.html（小型卓上電気透析装置）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気透析装置によって電気透析を行うと、特許文献１の［０００８］〜［０００９］にも記載されているように、通常、室温程度の被処理液がより高い温度となる。
本発明者は、高い温度で電気透析を工業的に行うことの可否を検討するため、非特許文献１のような小型の電気透析装置を用いたところ、放熱量が多いためか、電気透析を行うだけでは温度が上昇せず、工業的な電気透析装置で実現される４０℃程度の温度に上昇させることは困難であることが明らかになった。
そこで、小型の電気透析装置に被処理液槽を設け、該被処理液槽の被処理液をヒーターで１１０℃程度に加熱して該装置に循環させる場合を検討したところ、局所的な加熱にとどまるためか、４０分経過して４０℃程度の温度に上昇させることができなかった。尚、局所的な加熱により被処理液に含まれる熱的に不安定な物質が破壊される可能性や、ヒーター近傍では沸騰して危険なため、ヒーターをこれ以上加熱することは困難であった。
さらに、被処理液槽の被処理液を攪拌させて局所的な加熱を回避することも検討したが、攪拌機を用いると被処理液槽が振動してしまい、被処理液の重量変化の測定が困難になった。小型電気透析装置に接続された被処理液の重量変化のデータは、工業的な電気透析装置への検討に必要不可欠なデータである。
本発明の目的は、被処理液槽を接続した電気透析装置であって、該被処理液槽における局所的な加熱を生じることなく、かつ、該被処理液槽における被処理液の重量変化が測定可能な電気透析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明は、少なくとも陽極、陽極室、陰極、陰極室およびイオン交換膜を電解槽に具備し、該電解槽には被処理液槽が接続されており、該被処理液槽には、該被処理液槽内の被処理液の重量変化が測定可能な秤と被処理液を加熱する手段が具備されており、該手段の総括伝熱係数と伝熱面積との積が、該被処理液槽の容積１Ｌあたり、２〜１２Ｗ／Ｋである電気透析装置である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、小型の電気透析装置であっても所望の温度に加熱することができ、被処理液槽における局所的な加熱を生じることなく、被処理液槽における被処理液の重量変化が測定可能であり、結果として、簡便な設備で工業的な電気透析装置に適用できるかどうかの検討が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の一態様として、図１の電解槽に被処理液槽（２１）、濃縮槽（２２）および電解液槽（２０）が具備された図２に基づいて説明する。
本発明の電気透析装置の電解槽（１）には、被処理液槽（２１）が接続されている。被処理液とは食塩の濃縮の場合には、通常、食塩の脱塩室（８−１及び８−２）に相当する室に接続される。図２のように２室（複数）の脱塩室を１つの被処理液槽（２１）に接続してもよいし、複数の室をそれぞれ異なる被処理液槽（２１）に接続してもよい。
食塩の濃縮の場合には、脱塩室（８−１及び８−２）に、被処理液槽（２１）から食塩水がポンプなどによって循環される（１１）。
【０００８】
被処理液槽（２１）には、該被処理液槽内の被処理液の重量変化が測定可能な秤（２３）と被処理液を加熱する手段（１３）が具備されている。
該手段の総括伝熱係数と伝熱面積との積が、該被処理液槽の容積１Ｌあたり、２〜１２Ｗ／Ｋ、好ましくは４〜７Ｗ／Ｋである。
上記の積が２Ｗ／Ｋ以上であると、加熱温度を高くすることが容易な傾向があることから好ましく、１２Ｗ／Ｋ以下であると局所的な加熱が抑制される傾向があることから好ましい。
上記範囲の総括伝熱係数と伝熱面積との積を与えるためには、容積あたりの伝熱面積が大きくなるよう設定するか、総括伝熱係数を大きくすればよい。具体的には、コイルヒーターなどの蛇管型熱交換器、プレート状熱交換器などなど容積あたりの伝熱面積が大きい熱交換器を用い、かつ、該熱交換器の伝熱部分がステンレス鋼、チタン鋼、鉄鋼、アルミニウムなどの金属製であることが好ましい。
【０００９】
加熱手段の総括伝熱係数としては、通常、４５〜３００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、好ましくは、９０〜１６０Ｗ／（ｍ２・Ｋ）である。
【００１０】
被処理液槽は、通常、２０〜８０℃、好ましくは、３０〜６０℃程度に調整される。熱交換器などの熱媒温度は、所望の被処理液温度よりも５〜２５℃高く設定すれば、所望の被処理液温度に調整される。本発明の電気透析装置によれば、この温度差の加熱でも被処理液槽を所望の温度を設定することができ、しかも、攪拌することがなくとも局所的な加熱を生じることない。
【００１１】
被処理液の重量変化が測定可能な秤（２３）とは、通常、上皿天秤などが挙げられる。秤（２３）がデジタル天秤であれば、測定された値が直ちにコンピュータなどに転送することができることから好ましい。
【００１２】
濃縮室（９）には、通常、ポンプなどによって、濃縮槽（２２）から塩水が循環されている（１２）。図２は、１つの濃縮室（９）に１つの濃縮槽（２２）が接続されているが、複数の濃縮室にそれぞれの濃縮槽が接続されていてもよいし、複数の濃縮室に１つの濃縮槽（２２）が接続されていてもよい。
また、電解槽内には、イオン交換膜を複数、用いて、脱塩室および濃縮室が複数、存在していてもよい。
【００１３】
陽極室（３）及び陰極室（４）には、通常、ポンプなどによって、電解液槽（２０）から塩水などの電解液が循環されている（１０）。図２には、１つの電解液槽（２０）で接続されているが、陽極室（３）及び陰極室（４）がそれぞれの電解液槽（２０）を有していてもよい。
【００１４】
被処理液槽以外の各槽にも、秤（２３）がそれぞれ具備されていてもよい。また、被処理液槽を含む各槽には、導電率計、ｐＨメーターなどの機器が具備されていてもよい。
【００１５】
本発明に用いられる電気透析装置の陽極としては、例えば、白金、白金を被覆したチタン、カーボン、ニッケル、ルテニウムを被覆したチタン、イリジウムを被覆したチタンなどが挙げられる。また、陰極としては、鉄、ニッケル、白金、白金を被覆したチタン、カーボン、ステンレス鋼などが挙げられる。
電気透析装置の陽極および陰極などの電極の構造としては、例えば、メッシュ状、格子状、板状等の構造が挙げられる。
【００１６】
本発明で用いられるアニオン交換膜としては、例えば、アニオン交換基含有モノマーの重合体、アニオン交換基含有モノマーと炭化水素系モノマーとの共重合体などが挙げられる。
ここで、アニオン交換基含有モノマーとしては、例えば、１〜３級アミノ基、第４級アンモニウム基などを含有するモノマーなどが挙げられる。
具体的には、Ｎ−ビニルイミダゾール、Ｎ−ビニル−２−メチルイミダゾール、Ｎ−ビニル−２，４−ジメチルイミダゾール、Ｎ−ビニル−２−エチルイミダゾール、Ｎ−ビニル−２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−ビニルイミダゾール、１−メチル−２−ビニルイミダゾール等のビニルイミダゾール類；４−ビニルピリジン等のビニルピリジン類などの複素環系モノマー等が挙げられる。
また、３級アミノ基含有重合体を、塩化メチル、沃化メチル、ジブロモヘキサン、硫酸ジメチルなどにより第４級アンモニウム塩に変換してもよい。
【００１７】
本発明で用いられるカチオン交換膜としては、例えば、カチオン交換基含有モノマーの重合体、カチオン交換基含有モノマーと炭化水素系モノマーとの共重合体、炭化水素系モノマーの重合体を濃硫酸、発煙硫酸などでスルホン化して得られる重合体などが挙げられる。
ここで、カチオン交換基含有モノマーとしては、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ３−）、カルボキシル基（−ＣＯ２−）、フェノール性水酸基などを含有するモノマーなどが挙げられ、具体的には、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、ビニルフェノールなどが挙げられる。
【００１８】
また、炭化水素系モノマーとしては、例えば、エチレン、プロピレン、ブテン、アクリロニトリル、アクロレイン、メチルビニルケトン、塩化ビニル、塩化ビニリデン、スチレン、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、マレイン酸エステル、無水マレイン酸、イタコン酸エステル、無水イタコン酸、ジビニルベンゼン、ジビニルトルエン、トリビニルシクロヘキサン、ジビニルナフタレン、クロロメチルスチレンなどが挙げられる。
【００１９】
アニオン交換膜およびカチオン交換膜としては、その製造方法から、例えば、重合型、縮合型、均一型、不均一型などが挙げられる。また、これらイオン交換膜には補強心材があってもよい。さらに、炭化水素系のものとフッ素系のものの複合膜であってもよい。
本発明で用いられるアニオン交換膜およびカチオン交換膜は、通常、厚さ0.1〜0.6mm程度、電気抵抗0.2〜10Ω・cm2程度である。
本発明に用いられるイオン交換膜としては、例えば、ネオセプタ（商品名、（株）アストム製）、セレミオン（商品名、旭硝子（株）製）、フレミオン（商品名、旭硝子（株）製）、ナフィオン（商品名、デュポン製）などの市販品のイオン交換膜を使用してもよい。
また、アストム（株）などから市販されている、バイポーラ膜のように、アニオン交換膜とカチオン交換膜が張り合わせたイオン交換膜を使用してもよい。
【００２０】
本発明に用いられる電解槽は、少なくとも陽極（２）、陽極室（３）、陰極（４）、陰極室（５）およびイオン交換膜を具備しており、最も少ない構成要件を図３に示し、水の電気分解による水素製造などに用いられる。
また、イオン交換膜の配列順序も目的によって適宜、設計すればよく、例えば、特開２００６−３０６７５３号公報の図１のように、陰極室、アニオン交換膜、脱塩室、カチオン交換膜、濃縮室、アニオン交換膜および陽極室が順次、配列されていてもよい。
【００２１】
本発明では被処理液槽に加熱手段を必須構成要件として具備するが、電解槽（２０）および脱塩槽（２１）に加熱手段を具備していてもよい。
被処理液槽が１Ｌ程度の小型電気透析装置であれば、被処理液槽のみに加熱手段が具備されていれば、速やかに、脱塩室を昇温させることができる。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００２３】
（実施例１）
図２の構成を有する小型卓上電気透析装置（アストム社製）に、ステンレス製コイル状の熱交換器（１３、総括伝熱係数８３ｍ２・Ｋ、伝熱面積４．５×１０−２ｍ２、これらの積は４．２Ｗ／Ｋ）を具備した被処理液槽（２１、１Ｌ）に被処理液を入れて、脱塩室（８−１および８−２）並びに被処理液槽（２１）に循環させ、食塩水を希釈した。
加熱手段を具備していない濃縮槽（２２）に食塩水を入れて、濃縮室（９）および濃縮槽（２２）に循環させ、食塩水を濃縮した。
加熱手段を具備していない電解液槽（２０）に電解液として希釈塩水を入れて、電解液槽（２０）、陽極室（３）および陰極室（４）に循環させた。
続いて、電圧１０Ｖを両極に印加し、被処理液槽（２１）内と濃縮槽（２２）内の温度変化を図４に示した。
透析開始から２０分経過するまでは、熱交換器の温度を４０℃に設定すると、非処理液槽内の温度は２０分程度で３０℃を超え、濃縮槽内の温度も同じように３０℃を超えた。続いて、２０分経過後、熱交換器の温度を４５℃に設定すると、被処理液槽内の温度は３０分で４０℃に達し、ほぼ一定となり、濃縮槽内の温度も同じように３０分で４０℃に一定になった（図４参照）。
図４からも明らかなように、熱交換器の温度設定直後から、被処理液槽内および濃縮槽内の温度は略一致していることから、速やかに昇温されること、および局所的な加熱が生じていないことがわかる。
【００２４】
（比較例１）
加熱手段として、セラミック製投げ込みヒーター（棒状、総括伝熱係数と伝熱面積の積が０．６Ｗ／Ｋ）を用い、熱交換器の温度を１１０℃に設定した以外は実施例と同様に行ったところ、４０分経過しても被処理液槽内の温度は上昇しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】電解槽の一例（電気透析の原理説明図）
【図２】本発明の電気透析装置の概略図
【図３】本発明に用いられる電解槽の最小形態
【図４】実施例１の被処理液槽内と濃縮槽内の温度変化
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の電気透析装置は、海水の濃縮による食塩の製造、アミノ酸溶液の脱塩精製、メッキ廃液からの金属塩の回収等に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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