(57)【要約】【課題】ＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の負荷が高い場合でも、優れた脱塩性能と運転安定性を得ることができる電気脱イオン装置を提供する。【解決手段】陰極１２と陽極１１との間に、複数のアニオン交換膜１３とカチオン交換膜１４とを交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、濃縮室１５及び脱塩室１６にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置。濃縮室１５内のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率が、脱塩室１６内のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率よりも大きい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、該濃縮室及び脱塩室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置において、
該濃縮室内のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率が、該脱塩室のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率よりも大きいことを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項２】
請求項１において、複数の脱塩室及び濃縮室を有し、該濃縮室内のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率が７５／２５〜９５／５であることを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、該濃縮室のイオン交換体がイオン交換樹脂であり、アニオン交換樹脂の架橋度が３〜８％で、カチオン交換樹脂の架橋度が５〜１０％であることを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、該脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する該脱塩室の通水水量（Ｌ／ｈ）の比が５以上であることを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、下記▲１▼，▲２▼の条件のうちの一方又は双方を満たすことを特徴とする電気脱イオン装置。
▲１▼  前記脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する該脱塩室に流入する炭酸負荷量（ｍｇ−ＣＯ２／ｈ）が８０以上である。
▲２▼  前記脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する該脱塩室に流入するシリカ負荷量（ｍｇ−ＳｉＯ２／ｈ）が８以上である。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、電流密度が３００ｍＡ／ｄｍ２以上であることを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、該濃縮室内にアニオン交換樹脂が充填されており、該アニオン交換樹脂が熱安定性のアニオン交換樹脂であることを特徴とする電気脱イオン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気脱イオン装置に係り、詳しくは、ＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の負荷が高くても、優れた脱塩性能、運転安定性を得ることができる電気脱イオン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造工場、液晶製造工場、製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業ないし研究施設等において使用される脱イオン水の製造には、陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、脱塩室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合イオン交換樹脂や、イオン交換繊維等のイオン交換体を充填した電気脱イオン装置が多用されている（特許第１７８２９４３号、特許第２７５１０９０号、特許第２６９９２５６号）。また、濃縮室の電気抵抗を低減し、必要電流を確保するために、濃縮室にイオン交換体を充填した電気脱イオン装置も提案されている（特開２００２−２０５０６９号）。
【０００３】
電気脱イオン装置では、脱塩室に流入したイオンはその親和力、濃度及び移動度に基いてイオン交換体と反応し、電位の傾きの方向にイオン交換体中を移動し、更に膜を横切って移動し、すべての室において電荷の中和が保たれる。そして、膜の半浸透特性のため、及び電位の傾きの方向性のために、イオンは脱塩室では減少し、隣りの濃縮室では濃縮される。即ち、カチオンはカチオン交換膜を透過して、また、アニオンはアニオン交換膜を透過して、それぞれ濃縮室内に濃縮される。このため、脱塩室から生産水として脱イオン水（純水）が回収される。
【０００４】
電気脱イオン装置は効率的な脱塩処理が可能であり、イオン交換樹脂のような再生を必要とせず、完全な連続採水が可能で、極めて高純度の水が得られるという優れた効果を奏する。
【０００５】
【特許文献１】
特許第１７８２９４３号
【特許文献２】
特許第２７５１０９０号
【特許文献３】
特許第２６９９２５６号
【特許文献４】
特開２００２−２０５０６９号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような電気脱イオン装置では、ＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の負荷が高い場合、即ち、被処理水中のＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の濃度が高い場合や、その処理量が多い場合には、得られる脱イオン水の水質（比抵抗）が悪くなり、また、経時により電気抵抗が上昇するなど、運転安定性も悪くなるという問題がある。
【０００７】
なお、特開２００２−２０５０６９号には、濃縮室にイオン交換体を充填することが提案されているが、特開２００２−２０５０６９号では、必要電流の確保のために濃縮室にイオン交換体等の導電体を充填しており、このため、そのアニオン交換体／カチオン交換体充填比率については特に検討されておらず、特開２００２−２０５０６９号の実施例では、脱塩室内と同様に、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝７：３（体積比）の混合イオン交換樹脂を充填している。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決し、ＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の負荷が高い場合でも、優れた脱塩性能と運転安定性を得ることができる電気脱イオン装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、該濃縮室及び脱塩室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置において、該濃縮室内のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率が、該脱塩室のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
電気脱イオン装置では、前述の如く、被処理水中のカチオンはカチオン交換膜を透過し、濃縮室内に濃縮されて除去され、また、被処理水中のアニオンはアニオン交換膜を透過して濃縮室内に濃縮されて除去されるが、このとき、除去されにくいＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分は、脱塩室内の水解離で発生したＯＨ−によりＨＣＯ３−、ＨＳｉＯ３−の形態に変化し、濃縮室に排出される。
【００１１】
アニオン交換膜の濃縮室近傍の界面では濃度分極によりアニオン成分が最も濃縮されるが、移動しにくいＨＣＯ３−、ＨＳｉＯ３−の濃度分極が大きくなりすぎると、電気抵抗が上昇したり、イオンが移動しにくくなることによる除去率の低下が起こってしまう問題がある。
【００１２】
このとき、アニオン交換膜の濃縮室近傍の界面に反対電化のカチオン交換体が存在すると、アニオンの移動が遅くなるため、上記濃度分極はさらに発生しやすくなる。逆に、アニオン交換体が存在すると、アニオンの移動が速やかになり、濃度分極は発生しにくい。特に、本発明のように、濃縮室内のイオン交換体のアニオン交換体／カチオン交換体充填比率（以下「アニオン／カチオン比」と称す。）が脱塩室内のアニオン交換体のアニオン／カチオン比よりも大きいと、ＨＣＯ３−やＨＳｉＯ３−を含めたアニオンの移動が速やかに起こるようになる。
【００１３】
本発明の電気脱イオン装置は、複数の脱塩室及び濃縮室を有する電気脱イオン装置に好適であり、濃縮室内のイオン交換体のアニオン／カチオン比は、特に７５／２５〜９５／５であることが好ましい。また、濃縮室のイオン交換体としてはイオン交換樹脂が好ましく、アニオン交換樹脂の架橋度が３〜８％で、カチオン交換樹脂の架橋度が５〜１０％であり、アニオン交換樹脂は特に熱安定性のアニオン交換樹脂であることが好ましい。
【００１４】
本発明の電気脱イオン装置は、ＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の負荷が高い場合でも、優れた脱塩性能と運転安定性を得ることができることから、脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する該脱塩室の通水水量（Ｌ／ｈ）の比が５以上である場合や、下記▲１▼及び／又は▲２▼の場合、
▲１▼  脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する脱塩室に流入する炭酸負荷量（ｍｇ−ＣＯ２／ｈ）が８０以上である。
▲２▼  脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する脱塩室に流入するシリカ負荷量（ｍｇ−ＳｉＯ２／ｈ）が８以上である。
であっても、電流密度３００ｍＡ／ｄｍ２以上で脱塩性能、電気抵抗等の点で良好な結果を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の電気脱イオン装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の電気脱イオン装置の実施の形態を示す模式的な断面図である。
【００１６】
この電気脱イオン装置は、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４を交互に配列して複数の濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、脱塩室１６及び濃縮室１５にそれぞれカチオン交換樹脂１０Ａとアニオン交換樹脂１０Ｂとの混合イオン交換樹脂を充填したものである。１７は陽極室、１８は陰極室である。
【００１７】
本発明では、濃縮室１５に充填した混合イオン交換樹脂のアニオン／カチオン比を脱塩室１６に充填した混合イオン交換樹脂のアニオン／カチオン比よりも大きくすることにより、前述の如く、ＨＣＯ３−やＨＳｉＯ３−等のアニオンの移動を速やかにしてアニオン交換膜１３近傍の濃度分極を防止する。しかし、濃縮室１５内の混合イオン交換樹脂のアニオン／カチオン比が過度に大きいと、濃縮室１５内のカチオン交換膜１４側の濃縮面においてカチオンの濃度分極が発生してしまうため、濃縮室１５内の混合イオン交換樹脂のアニオン／カチオン比は７５／２５〜９５／５、特に８０／２０〜９０／１０とすることが好ましい。なお、このアニオン／カチオン比とは、アニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂が再生型である場合の体積比に相当する。
【００１８】
図１の電気脱イオン装置では、濃縮室１５内のイオン交換体としてイオン交換樹脂を用いているが、濃縮室１５内に充填するイオン交換体としてはイオン交換樹脂に限らず、イオン交換繊維、グラフト交換体等を用いることも可能である。しかし、取り扱い性の点からイオン交換体としてはイオン交換樹脂を用いることが好ましい。また、イオン交換基を持たない不活性樹脂が一部混合していても良いが、この場合には、不活性樹脂を除いたイオン交換体のアニオン／カチオン比が上記範囲となるようにする。
【００１９】
濃縮室１５内に充填するイオン交換体としてイオン交換樹脂を用いる場合、イオン交換樹脂の架橋度はアニオン交換樹脂で３〜８％、カチオン交換樹脂で５〜１０％程度とすることが好ましい。これはイオン交換樹脂の架橋度が小さいと強度が弱くなり、架橋度が大きいと電気抵抗が大きくなってしまうためである。
【００２０】
濃縮室１５内のイオン交換樹脂中のアニオン交換樹脂の比率が大きくなると、長期的の運転では、劣化が進み、電気抵抗が上がってしまうことがある。即ち、一般的に、例えば酸素存在下ではカチオン交換樹脂の酸化劣化よりも、アニオン交換樹脂の劣化が先に起こると考えられる。従って、濃縮室１５内のアニオン交換樹脂の比率を高める場合、酸化劣化等にも強い樹脂である、熱安定性のあるアニオン交換樹脂を用いることが好適である。
【００２１】
電気脱イオン装置の給水は、一般的に市水等の原水を活性炭、逆浸透膜分離（ＲＯ）処理した水が用いられ、その電気伝導度は３〜１０μＳ／ｃｍ、ＣＯ２濃度は３〜３０ｐｐｍ、シリカ濃度は０．２〜１．０ｐｐｍ程度である。このような水の処理には、脱塩室１６のイオン交換樹脂のアニオン／カチオン比は６０／４０〜７０／３０程度とすることが望ましい。なお、脱塩室１６内も、イオン交換樹脂に限らず、イオン交換繊維等の他のイオン交換体を充填しても良い。
【００２２】
このような本発明の電気脱イオン装置では、従来の電気脱イオン装置と同様に、被処理水は濃縮室１５及び脱塩室１６に導入され、脱塩室１６に流入した被処理水中のイオンのうち、カチオンはカチオン交換膜１４を透過して、また、アニオンはアニオン交換膜１３を透過して、それぞれ濃縮室１５内に濃縮され、脱塩室１６から生産水として脱イオン水が得られる。一方、濃縮室１５からは、イオンが濃縮された濃縮水が流出する。
【００２３】
なお、陽極室１７及び陰極室１８にも電極水が通液されており、一般に、この電極水としては、電気伝導度の確保のためにイオン濃度の高い濃縮室１５の流出水（濃縮水）が通液されている。
【００２４】
即ち、濃縮室１５から流出するイオンが濃縮された濃縮水は、通常、一部が水回収率の向上のために、濃縮室１５の入口側に循環され、一部が陽極室１７の入口側に送給され、残部が系内のイオンの濃縮を防止するために排水として系外へ排出される。そして、陽極室１７の流出水は、陰極室１８の入口側へ送給され、陰極室１８の流出水は排水として系外へ排出される。
【００２５】
このような処理において、前述の濃縮室１５のアニオン交換膜１３の濃縮面の濃度分極、特にＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の濃度分極は、脱塩室１６に流入するＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分が多いほど、また脱塩室１６からアニオン交換膜１３面を通して濃縮室１５に移動するＣＯ２、シリカ等の成分が多いほど、また電流密度が大きいほど発生しやすい。
【００２６】
しかし、濃縮室１５のイオン交換体のアニオン／カチオン比を脱塩室１６のイオン交換体のアニオン／カチオン比よりも大きくした本発明の電気脱イオン装置では、これらの弱イオン成分の負荷が高くても、脱塩性能、運転安定性に優れる電気脱イオン装置とすることができる。例えば、脱塩室１６のアニオン交換膜１３の有効面積（ｄｍ２）に対する脱塩室１６に流入する炭酸負荷量（ｍｇ−ＣＯ２／ｈ）が８０以上、さらには２５０〜３００、脱塩室１６のアニオン交換膜１３の有効面積（ｄｍ２）に対する脱塩室に流入するシリカ負荷量（ｍｇ−ＳｉＯ２／ｈ）が８以上、さらには１５〜２５、電流密度が３００ｍＡ／ｄｍ２以上、さらには６００〜１２００ｍＡ／ｄｍ２としても、脱塩性能、電気抵抗等の観点で安定した電気脱イオン装置が得られるため、電気脱イオン装置をより一層小型化することができ、経済面においてもきわめて有効である。
【００２７】
なお、本発明の電気脱イオン装置にあっては、陽極室１７や陰極室１８にもイオン交換樹脂等のイオン交換体や導電体を充填しても良い。
【００２８】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００２９】
実施例１
８枚の脱塩室（有効幅２５０ｍｍ、高さ４００ｍｍ、厚さ各５ｍｍ）で構成される電気脱イオン装置（処理水量１０００Ｌ／ｈ）の脱塩室及び濃縮室（厚さ２．５ｍｍ）にそれぞれ下記の混合イオン交換樹脂を充填したものに、市水を活性炭、ＲＯ処理した水を通水した。この給水の水質は、電気伝導度：１０μＳ／ｃｍ、ＣＯ２濃度：２０ｐｐｍ、ＳｉＯ２濃度：１ｐｐｍで、水温は１０℃であった。また、この電気脱イオン装置の脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）は１０ｄｍ２であった。
【００３０】
脱塩室：アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂＝７／３（体積比）の混合イオン交換樹脂
濃縮室：アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂が表１に示す比率の混合イオン交換樹脂
【００３１】
脱塩室の入り口水量を１０００Ｌ／ｈ、濃縮室の入り口水量を４００Ｌ／ｈとし、濃縮室から流出した濃縮水のうち２００Ｌ／ｈを系外へ排出し、５０Ｌ／ｈを陽極室及び陰極室に順次通水して系外へ排出した。濃縮水の残部は濃縮水の入口側へ循環した。
【００３２】
電流は８Ａの条件で１ヶ月通水を行った。このときの通水条件は下記の通りであったが、１ヶ月後の生産水の比抵抗及び運転電圧は表１に示す通り、初期から変化なく安定していた。
【００３３】
脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する脱塩室通水水量（Ｌ／ｈ）の比＝１２．５
脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する脱塩室に流入する炭酸負荷量（ｍｇ−ＣＯ２／ｈ）＝２５０
脱塩室のアニオン交換膜の有効面積（ｄｍ２）に対する脱塩室に流入するシリカ負荷量（ｍｇ−ＳｉＯ２／ｈ）＝１２．５
電流密度（ｍＡ／ｄｍ２）＝８００
【００３４】
実施例２〜４、比較例１
濃縮室に充填する混合イオン交換樹脂のアニオン／カチオン比を表１に示す通りとしたこと以外は実施例１と同様にして通水を行い、通水１ヶ月後の生産水の比抵抗と運転電圧を表１に示した。
【００３５】
【表１】
2004167291.tif 000003
【００３６】
表１より、濃縮室に充填するイオン交換樹脂のアニオン／カチオン比を脱塩室に充填するイオン交換樹脂のアニオン／カチオン比よりも大きくすることにより、特に、濃縮室のアニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂の体積比を８：２〜９：１とすることにより、ＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の負荷が高い場合でも、優れた脱塩性能と運転安定性を得ることができることが分かる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、ＣＯ２、シリカ等の弱イオン成分の負荷が高い場合でも、優れた脱塩性能と運転安定性を得ることができる電気脱イオン装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気脱イオン装置の実施の形態を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ  カチオン交換樹脂
１０Ｂ  アニオン交換樹脂
１１  陽極
１２  陰極
１３  アニオン交換膜
１４  カチオン交換膜
１５  濃縮室
１６  脱塩室
１７  陽極室
１８  陰極室
【図１】
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