(57)【要約】【課題】通液性の電気絶縁シートを介して活性炭繊維シートを複数層積層し交互に逆極性の電圧を印加した積層体に通水するようにした電気脱塩装置を、再生を繰り返しつつ通水するときに、徐々に破過までの通液時間が短くなり、透過水の導電率も高くなっていく問題を解消すること。【解決手段】通液性の電気絶縁シートを介して活性炭繊維シートを複数層積層し交互に逆極性の電圧を印加した積層体に通水するようにした電気脱塩装置の通水、再生を繰り返し行う際に、通水のつど、活性炭繊維シートに加える電圧の極性を反転させる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通液性の電気絶縁シートと活性炭繊維シートを少なくとも活性炭繊維シートが２層以上となるように交互に積層して積層体を形成し、前記積層体の各活性炭繊維シート層を互いに隣接する層が異極となるよう正負の電極に接続するとともに、前記積層体の厚さ方向の一方の側から他方の側にイオン性物質を含む液体を通液し、再生した後再度通液する際に前記各電極の極性を先の通液時の極性と逆極性にすることを特徴とする電気脱塩方法。
【請求項２】
前記再生は、前記正負の電極を短絡させつつ洗浄水を通液することにより行われる請求項１記載の電気脱塩方法。
【請求項３】
通液性の電気絶縁シートと活性炭繊維シートを少なくとも活性炭繊維シートが２層以上となるように交互に積層して積層体を形成し、前記積層体の各活性炭繊維シート層を互いに隣接する層が異極となるよう正負の電極に接続するとともに、前記積層体の厚さ方向の一方の側から他方の側にイオン性物質を含む液体を通液しつつ所定のタイミングで前記各電極の短絡、極性の転換を繰り返し、短絡時の透過液はドレンとして排出することを特徴とする電気脱塩方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、通液性の電気絶縁シートと活性炭繊維シートを交互に積層して隣接する各活性炭繊維シート層が互いに異極となるよう正負の電極に接続させた積層体にイオン性物質を含む液体を通液させて液体中のイオン性物質を除去する電気脱塩方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、イオン性物質を含まない水を製造するために、静電気を利用してイオン性物質を除去する方法が知られている。
【０００３】
例えば、特開平６−３２５９８３号公報には、電気絶縁性の多孔質通水性シートからなるセパレータを挟んで、高比表面積活性炭を主材とする活性炭層を配置し、その活性炭層の外側に通水口を有する集電極を配置し、さらにその集電極の外側に給水口、排水口を有する押え板を配置した構成の通水液型電気二重層コンデンサが開示されている。この通水型電気二重層コンデンサでは、押さえ板の給水口からイオン性物質を含む水を流入させながら各集電極に直流定電圧を引加し次いで短絡させるサイクルを交互に繰り返すことにより、電圧印加時に正極側にアニオン性のイオン性物質が、負極側にカチオン性のイオン性物質がそれぞれ吸着されて、押え板の排水口からはイオン性物質の除去された水が排出される。
【０００４】
集電極に印加される電圧は、所定のタイミングで短絡され、あるいは逆転され、この操作によって活性炭に吸着されたイオン性物質は活性炭から離脱して高いイオン濃度の水が押え板の排水口から排出される。
【０００５】
しかしながら、このような従来の方法では、通水口を有する集電極が水の通路を遮るように配置されているため長期間実施していると集電極の表面にスケールが堆積してイオンの除去効率が低下するという問題があった。また、通過する水が集電極表面に沿って流れて給水口から活性炭層に流入するため、集電極の給水口から離れた部分では水の流れが活性炭層に平行になり、イオン性物質の除去効率が低下するという問題があった。
【０００６】
さらに、対向する集電極が活性炭層／セパレータ／活性炭層を介して配設されるため、電極間隔が広くなって電極間の電位傾度が小さくなりイオン保持量が小さくなるという問題もあった。
【０００７】
これらの問題を解決するため、本出願人は、先に、通液性の電気絶縁シートと活性炭繊維シートを複数層交互に積層して積層体を形成し、この積層体の各活性炭繊維シート層を互いに隣接する層が異極となるよう正負の電極に接続して直流低電圧を印加しながら、積層体の厚さ方向にイオン性物質を含む液体を通液する電気脱塩方法を特許出願した（特願２００２−２６２１４３号）。
【０００８】
この方法では、長く通液を続けていると、活性炭繊維シートが破過してイオンが通過するようになるため、所定のタイミングで異極となっている活性炭繊維シートを短絡させて活性炭繊維シートに静電気的に吸着されているイオン性物質を離脱させ、イオン性物質を高い濃度で含む液体を排出させている。
【０００９】
この直流低電圧の印加と短絡又は逆電圧を所定のタイミングで繰り返しながら電気脱塩が行われる。
【００１０】
しかしながら、この方法でも、通液と短絡を繰り返していると、徐々に破過までの通液時間が短くなり、また透過水の導電率も高くなっていくという問題があった。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−３２５９８３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、この問題について研究をすすめたところ、活性炭繊維シートを構成する活性炭繊維は、多数の微細で深い細孔を有し、この細孔深くに吸着されたイオンは短時間短絡させただけではその全部を細孔から離脱させることができず、この細孔内に吸着されたイオンが蓄積していくため活性炭繊維シートの見掛け上の吸着容量が小さくなり透過水の導電率も高くなるとの知見を得た。
【００１３】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、長期にわたって高いイオン性物質吸着容量を保持し、しかも低い導電率の透過水を得ることのできる電気脱塩方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の電気脱塩方法は、通液性の電気絶縁シートと活性炭繊維シートを少なくとも活性炭繊維シートが２層以上となるように交互に積層して積層体を形成し、前記積層体の各活性炭繊維シート層を互いに隣接する層が異極となるよう正負の電極に接続するとともに、前記積層体の厚さ方向の一方の側から他方の側にイオン性物質を含む液体を通液し、再生した後再度通液する際に前記各電極の極性を先の通液時の極性と逆極性にすることを特徴としている。
【００１５】
第１の電気脱塩方法における再生は、通常、通液を一旦停止し正負の電極を短絡させた状態でイオン性物質を実質的に含まない洗浄液（又は被処理液）を通液することにより行われるが、通液を継続したまま前記の正負の電極を短絡させて短絡時の透過液を洗浄液として排出するようにしてもよい。また、必要に応じて、正負の電極の短絡前又は後に短時間各電極に通液時の極性と逆極性の電圧を印加して吸着イオンの離脱を促進させ、離脱したイオンをドレンとして排出するようにしてもよい。
【００１６】
また、本発明の第２の電気脱塩方法は、通液性の電気絶縁シートと活性炭繊維シートを少なくとも活性炭繊維シートが２層以上となるように交互に積層して積層体を形成し、前記積層体の各活性炭繊維シート層を互いに隣接する層が異極となるよう正負の電極に接続するとともに、前記積層体の厚さ方向の一方の側から他方の側にイオン性物質を含む液体を通液しつつ所定のタイミングで前記各電極の短絡、極性の転換を繰り返し、短絡時の透過液はドレンとして排出することを特徴としている。
【００１７】
この方法では、下流の透過液の配管にドレンと透過液に切り換える切替えバルブを設置しておき、電極を切替えたときに切替えバルブを透過液からドレン側に切り換えるようにする。
【００１８】
いずれの方法においても各電極の極性を転換した際に、活性炭繊維シートの細孔に捕捉されていたイオンが排出されるが、このイオンは下流側の逆極性の活性炭繊維シートに吸着される。
【００１９】
このように、通液時に所定のタイミングで各電極の極性を転換することにより、細孔深くに捕捉されたイオンが蓄積されて活性炭繊維シートの吸着能力が低下するのを防止することができる。
【００２０】
本発明に使用される電気脱塩装置は、例えば、通液性の電気絶縁シートと活性炭繊維シートを少なくとも活性炭繊維シートが２層以上となるように交互に積層してなる積層体と、側板内面で前記積層体を液密的に保持し対向する端板には通液口を設けてなる容器本体と、前記各活性炭繊維シートに接続されて前記各活性炭繊維シートに交互に正負の極性を発生させる電極装置とから構成される。
【００２１】
本発明に使用される活性炭繊維シートとしては、例えば比表面積が７００〜２５００ｍ２  ／ｇで、シートに１３０±５０ｇ／ｍ２  程度の活性炭を含有する厚さが０．４〜１．０ｍｍ程度のものが適している。このような市販の活性炭繊維シートとしては、例えばクラレケミカル社製「クラクティブ」（商品名）や日本カイノール社製「カイノール活性炭繊維」等が例示される。
【００２２】
本発明に使用する前記活性炭繊維シートの形状は通常、正方形又は正方形に近い矩形とされ、一辺には給電部となる舌片が形成される。これらの舌片は、正負の極性ごとに後述する容器本体の異なる側面から液密的に導出されて、それぞれ電極装置の正負の電極に接続される。なお、活性炭繊維シートと電気絶縁性シートとを多数枚交互に積層する場合には、正負の極性ごとに容器本体の異なる側面から導出して、それぞれ複数まとめて導電接着剤により接着し、あるいは導電性の金属板により挟んでボルトで固定する等の方法で構造的及び電気的に一体化し、それぞれ導電性の金属テープ、例えば銅テープやアルミテープからなる電極に接続し、この電極を一括してそれぞれリード線を介して電極装置の異極に接続する。なお、各電極間の電位を均等にするため、複数まとめる際に、各活性炭繊維シートをそれぞれ良導電性の金属箔に導電性接着剤で接着し、あるいは導電性の金属板により挟んでボルトで固定する等の方法で固定して、並列的に各金属箔を直流電源に接続することが望ましい。また、必要に応じて、活性炭繊維シートの舌片を複数重ねて導電接着剤により接着し、舌片自体を電極として用いることも可能である。
【００２３】
本発明に用いる通液性の電気絶縁性シートとしては、例えば合成樹脂繊維を集積させた不織布や射出成型等により形成されたメッシュ状の成形体が使用される。本発明に使用される電気絶縁性シートの形状は、活性炭繊維シートと同形またはわずかに大きい寸法であることが望ましい。電気絶縁性シートの厚さは、０．０１〜０．５ｍｍ程度、殊に０．０２〜０．３ｍｍ程度が適当である。電気絶縁性シートとして使用し得る不織布としては、例えばクラレ社製「メルトブロー」（商品名）のような多数の透孔を穿設して通液性を改善した合成樹脂不織布が例示される。
【００２４】
活性炭繊維シートと電気絶縁性シートとは、通常、それぞれ１枚ずつを矩形の枠体の内側に固定して使用される。枠体としては、合成ゴムのような弾性があり、液密性が良好で、活性炭繊維シートと電気絶縁性シートとを重ねた厚さとほぼ等厚か、わずかに厚いものが適している。枠体には、活性炭繊維シートの舌片を導出するための凹部を形成することが望ましい。このような凹部を形成することにより、枠体を横切って舌片を導出する際に大きい隙間が生じることを防止することができる。合成樹脂製で成型したメッシュを電気絶縁性シートとして使用する場合には、枠体とメッシュを同時成型し、メッシュで構成された電気絶縁性シート上に活性炭繊維シートを配置するようにしてもよい。
【００２５】
本発明における容器本体の側面部は、これらの枠体を積層して構成することができる。容器本体の前後部は、別に用意した通液口を有する１組の端板を前後端の枠体に当接し、これらの端板をボルトにより締め付け固定して構成される。
【００２６】
端板を容器本体の対向面として構成する場合には、端板の内側に縦横に凹部を形成して通液口から入った液体の圧力が積層体の面に直接加わるようにし、さらに必要に応じて多孔性の中間板を端板と積層体の間に介在させるようにする。
【００２７】
後述するように、容器本体は、このような枠体を使用せずに、別に合成樹脂で成形し、活性炭繊維シートと電気絶縁性シートとの積層体を収容するように構成することも可能である。
【００２８】
電極装置の電極は、銅板、アルミニウム板、カーボン板、フォイル状グラファイトなどの電気良導体であって、活性炭繊維シートとの緊密な接触が可能なものが用いられる。厚さは特に限定はないが、０．１〜０．５ｍｍ程度のものを用いることが多い。電極には、リード線を介して電圧が印加される。
【００２９】
活性炭繊維層の電位を均一にする為、電極にリード線を取り付け定電圧装置により給電することが望ましい。活性炭繊維シート間の隙間を少なくするため、各活性炭繊維の電極にリード線を取り付ける場合には、複数の舌片を重ねて１本のリード線に接続することも可能である。
【００３０】
活性炭繊維シートとリード線の接続にも、導電性接着剤を使用することが望ましい。
【００３１】
通液量は、水を対象とする場合には、活性炭繊維に付着した活性炭１ｇに対して０．１〜１０ｍｌ／ｍｉｎ好ましくは０．５〜２ｍｌ／ｍｉｎとすることが望ましい。
【００３２】
【作用】
図１は、本発明の原理を水を対象とした例について示したものである。
【００３３】
電気脱塩装置に通水を続けているとイオン吸着能が低下してくる。図１（ａ）は、このような状態で通水を停止したときの活性炭繊維シート１の状態を模式的に示したもので、活性炭繊維シート１は正の直流電圧が印加され活性炭繊維シート１の細孔１ｖを含む表面には静電気的な吸引力により負のイオン（イオン性物質）Ｉが吸着されている。
【００３４】
このとき、活性炭繊維シートが接続されている正負の電極を短絡させると図１（ｂ）に示すように、活性炭繊維シート１表面の正電気的な吸引力が消滅して、イオンＩは活性炭繊維シート１の表面から遊離して拡散する。
【００３５】
この状態で洗浄水を流すと、図１（ｃ）に示すように、活性炭繊維シート１表面から遊離したイオンＩは洗浄水でほとんど流されてしまう。このときの洗浄水はドレンとして放出される。
【００３６】
しかし、図１（ｄ）に示すように、活性炭繊維シート１の細孔１ｖ内に吸着されたイオンＩは洗浄水の流れが細孔１ｖ内まで入らないため細孔１ｖ内に残留する。
【００３７】
ここで、図１（ｅ）に示すように、再度通水を開始する際に電極の極性を逆極性にすると細孔１ｖ内に残留したイオンＩは活性炭繊維シート１表面に同極の電圧が印加されるため、静電気的な斥力が作用して細孔１ｖ内から押し出されて通水により運び去られる。
【００３８】
このようにして活性炭繊維シート１の細孔１ｖから放出された負のイオンＩは、次の層の活性炭繊維シートが逆の極性の正の電圧が印加されているので、次の層の活性炭繊維シートに吸着されて透過水に混入することはない。
【００３９】
以上は、正の電圧を印加している活性炭繊維シートを短絡し、再生した後、電極を負に切り替えて通水を再開する場合の例であるが、逆の場合、すなわちの負の電圧を印加している活性炭繊維シートを短絡し、再生した後、電極を正に切りかえる場合にも同様に吸着されていた正のイオンが細孔から離脱する。また、上記の例は、電極の切替えの際に、通水を一旦停止して行うようにした場合であるが、連続的に通水しながら短絡、電極の極性の切り換えを行っても同様の効果を得ることができる。ただし、この場合には、短絡時の透過水はドレンとして排出される。また、いずれの方法においても電極の短絡の前又は後に短時間だけ先の通水時に印加されていた電圧と逆極性の電圧を活性炭繊維シートに印加してイオンの細孔からの離脱を促進させることもできる。
【００４０】
なお、活性炭繊維シートは、静電気的作用によりイオン性物質を捕捉するほか、濁質が低い液体に対しては活性炭繊維がフィルターとして機能して濁質を除去する作用をする。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
（実施例１）
図２ないし図６を参照しながら本発明の実施例について説明する。
図２ないし４に示すように、活性炭繊維シート（厚さ０．５ｍｍ、活性炭量１３０ｇ／ｍ２  、比表面積１８００〜２０００ｍ２  ／ｇ、商品名「クラクティブ」）を、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形の一辺の角部に３０ｍｍ×３０ｍｍの舌片を設けた形状に裁断して単位活性炭繊維シート１を多数枚形成した。また、多数の透孔を形成した合成樹脂不織布（厚さ０．４ｍｍ、商品名「メルトブロー」）を、８０ｍｍ×８０ｍｍの正方形部に裁断した単位電気絶縁性シート２を多数枚形成した。
【００４２】
さらに、厚さ１ｍｍの合成ゴムシートを、外形１００ｍｍ×１００ｍｍ、内径８０ｍｍ×８０ｍｍの枠状に裁断し、単位活性炭繊維シートの舌片に対応する位置に、枠体を横切って、幅１０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹溝を形成して単位枠体とした。
【００４３】
次に、単位活性炭繊維シート１と単位電気絶縁性シート２とを重ねて、凹溝に活性炭繊維シート１の舌片１ａを嵌合させて、単位活性炭繊維シート１と単位電気絶縁性シート２を単位枠体３内に嵌め込み、液状ゴムにより、単位活性炭繊維シート１と単位電気絶縁性シート２の周辺を単位枠体３の内面に、舌片１ａを枠体１の凹溝内に接着させて単位ユニット４とした。
【００４４】
しかる後、図５に示すように、単位ユニット４を単位活性炭繊維シート１が同じ側となり、かつ舌片１ａが交互に対向する辺側となるように４０枚積層し、この積層体の両端には、それぞれ通水口５ａ、６ａを突設し内側に多数の縦横の溝（図示せず）を形成し、さらに全辺にわたって複数のボルト孔５ｂ，６ｂを形成した端板５，６（１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×５ｍｍ）を配置し、ステンレスボルトで締め付け固定して本発明の電気脱塩装置を構成した。このようにして得られる各単位ユニット４の枠体３は、互いに完全に密接して水密構造となり、端板５，６とともに液密の容器本体を構成している。
【００４５】
この装置の両側に突出した舌片１ａを同じ側の５枚ずつを重ねて導電接着剤で固定し、それぞれ銅箔からなる電極に導電接着剤で接続し、さらに左右それぞれの側の電極をリード線Ｗａ，Ｗｂの一端に接続し、それらの他端は、オフ操作、銅箔からなる電極の短絡操作および正負の極性の切替えが可能な切替えスイッチＳＷを介して直流電源ＤＣの正負の電極にリード線で共通に接続した。
【００４６】
この装置に約１８０μＳ／ｃｍの供給水を２３  ｍｌ／ｍｉｎ（ＬＶ＝０．２）で流しながら、左右それぞれの電極に３Ｖの電圧を印加し（２２０〜４００ｍＡ）処理水の導電率を所定の経過時間ごとに測定した。測定結果は図６のグラフに（ａ）で示したとおりである（図では通水量に対する導電率で示してある。）。
【００４７】
次に、左右それぞれの電極に直流電源ＤＣから３Ｖの電圧を印加し、導電率が高くなったところで、左右の電極を短絡させ１回の通水量のほぼ１／３の量の水で洗浄することを繰り返しながら導電率の変化を測定した。６回繰り返したときの導電率の変化は図６のグラフに（ｂ）で示したとおりである。
【００４８】
さらに、７回目の通水を行うにあたって、洗浄後に左右それぞれの電極を短絡させ、この状態で１回の通水量のほぼ１／３の量の水で洗浄した後、左右の電極の極性を逆にして３Ｖの電圧を印加し、通水開始当初の透過水を廃棄した後、電極の極性を逆にした以外は同じ条件で通水を行った。この７回目の透過水の導電率の変化は図６のグラフに（ｃ）で示したとおりである。
【００４９】
【発明の効果】
以上の実施例からも明らかなように、本発明によれば、各電極の極性を同一にしたまま通水再生を繰り返す方式に比べて、破過までの通液時間が長くなり、かつ透過水の導電率も初期の低い値を保持させることができる。
【００５０】
さらに、先に出願した特願２００２−２６２１４３号発明と同様に、活性炭繊維自体に電圧を掛けているので、電極にスケーリングが生じることがなく構造を簡単にでき、活性炭繊維シートに電極を介さずに直接電圧を印加するので、正負に帯電した活性炭繊維シートの間隔が最小限の隙間となり、活性炭繊維シート間の電位傾度が大きくなりイオン保持量が大きくなることができ、さらに、活性炭繊維シートに対して垂直方向から通水するのでイオン除去性能が高い、活性炭繊維シートにイオン交換とフィルターとして機能させることができる等の効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明するための図。
【図２】本発明の一実施例に用いる活性炭繊維シートの正面図。
【図３】図２に示した活性炭繊維シートの背面図。
【図４】図２に示した活性炭繊維シートのＩＶ−ＩＶに沿った要部の拡大断面図。
【図５】本発明に用いる電気脱塩装置の一例の分解図。
【図６】本発明の実施例による効果を示すグラフ。
【符号の説明】
１……単位活性炭繊維シート、１ｖ……細孔、１ａ……舌片、２……単位電気絶縁性シート、３……枠体、４……単位ユニット、５，６……端板、５ａ、６ａ……通水口
【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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