(57)【要約】【課題】電気脱イオン装置による処理において、長期にわたって安定して運転することを可能とする。【解決手段】陽極１１を有する陽極室１７と、陰極１２を有する陰極室１８と、これらの陽極室１７と陰極室１８との間にアニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４を配列することにより形成された濃縮室１５及び脱塩室１６とを備え、脱塩室１６及び濃縮室１５にイオン交換体が充填されている。陽極室１７及び陰極室１８にそれぞれピッチ系活性炭が充填されている。【選択図】図１
2016123914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極を有する陽極室と、
陰極を有する陰極室と、
これらの陽極室と陰極室との間にアニオン交換膜及びカチオン交換膜を配列することにより形成された濃縮室及び脱塩室と、
該陽極室及び陰極室にそれぞれ電極水を通水する手段と、
該濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と、
該脱塩室に原水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有し、
該陽極室及び陰極室のうち少なくとも陽極室に活性炭が充填されている電気脱イオン装置において、
該活性炭が石油ピッチを原料としたピッチ系活性炭である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、前記ピッチ系活性炭は、平均粒径が０．３〜３．０ｍｍの球形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の電気脱イオン装置を用いた電気脱イオン処理方法であって、電流密度を５００〜２０００ｍＡ／ｄｍ２とすることを特徴とする電気脱イオン処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理水を脱イオン処理するための電気脱イオン装置及び電気脱イオン処理方法に係り、特に電気脱イオン装置におけるシリカやホウ素の除去率を高めるようにした電気脱イオン装置及び電気脱イオン処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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又は民生用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アニオン交換膜及びカチオン交換膜を配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、脱塩室にイオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合もしくは複層状に充填した電気脱イオン装置が用いられている（特許文献１）。
【０００３】
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、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。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】
なお、陽極室及び陰極室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の流出水（濃縮水）が通液されている。
【０００５】
このような電気脱イオン装置の電極室に活性炭を充填することが特許文献１に記載されている。
【０００６】
シリカやホウ素、特にホウ素を９９．９％以上、更には９９．９９％以上除去する電気脱イオン装置では、電流密度を５００ｍＡ／ｄｍ２以上、更には１０００ｍＡ／ｄｍ２以上で運転する等、高電流密度で運転する必要がある。この際に低電流運転で長期の運転を行った場合、イオン交換樹脂やイオン交換膜の劣化により必要電圧が上昇する。また、これにより、消費電力が増大する。
【０００７】
また、定電流方式で電気脱イオン装置を稼働させている場合、定電流を得るために必要な印加電圧が電気脱イオン装置の最大許容電圧値を超えると、印加電圧が最大許容電圧値に止まるところから、電気脱イオン装置に通電される電流値が上記定電流よりも低くなってしまい、除去率が低下する。そのため、装置の修理や交換等が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２０５０６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記従来の問題点を解決し、長期にわたって安定して運転することができる電気脱イオン装置及び電気脱イオン処理方法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】
本発明の電気脱イオン装置は、陽極を有する陽極室と、陰極を有する陰極室と、これらの陽極室と陰極室との間にアニオン交換膜及びカチオン交換膜を配列することにより形成された濃縮室及び脱塩室と、該陽極室及び陰極室にそれぞれ電極水を通水する手段と、該濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と、該脱塩室に原水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有し、該陽極室及び陰極室のうち少なくとも陽極室に活性炭が充填されている電気脱イオン装置において、該活性炭が石油ピッチを原料としたピッチ系活性炭であることを特徴とするものである。
【００１１】
ピッチ系活性炭は、平均粒径が０．３〜３．０ｍｍの球形であることが好ましい。
【００１２】
本発明の電気脱イオン処理方法は、この電気脱イオン装置を用いた電気脱イオン処理方法であって、電流密度を５００〜５０００ｍＡ／ｄｍ２とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
陽極室に活性炭を充填することにより、陽極室にカチオン交換樹脂を充填した場合に比べて電圧の経時的上昇が抑制される。すなわち、上記電圧上昇要因として、直流電流の影響によって水の解離だけでなく、何らかのラジカルが発生し、電気脱イオン装置内のイオン交換樹脂やイオン交換膜を劣化させていることが考えられる。脱塩室や濃縮室ではラジカル等の酸化物発生は少ないが、電極室では金属電極板があり、特に陽極室では高電流運転条件下でラジカル等の酸化成分が発生しやすいと考えられる。
【００１４】
陽極室に導電体として活性炭を充填した場合には、導電体としてイオン交換樹脂を充填した場合に比べて導電体の劣化が少なく、電圧上昇が抑制される。
【００１５】
しかしながら、活性炭として、やしがら系や石炭系の活性炭を用いると、微粉炭が発生したり不純物（特に金属系不純物）が溶出し、イオン交換膜等に付着し、処理効率が低下する。
【００１６】
石油ピッチを原料としたピッチ系活性炭は、やしがら系活性炭や石炭系活性炭に比べて、強度が高く、微粉炭を発生させにくい。また、このピッチ系活性炭は金属等の不純物含有量が極めて低く、金属系不純物溶出量が少ないので、イオン交換膜等の汚染が防止され、電流値の上昇が長期にわたって抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。この電気脱イオン装置は、陽極１１と陰極１２との間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６には、イオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体が混合もしくは複層状に充填されている。このアニオン交換体とカチオン交換体との混合比率（体積比）は好ましくはアニオン交換体／カチオン交換体＝８／２〜５／５である。
【００２０】
また、濃縮室１５にも、イオン交換体、活性炭又は金属等の電気導電体が充填されている。ただし、濃縮室１５にあっては、イオン交換体が充填され、且つこのアニオン交換体とカチオン交換体との混合比率（体積比）はアニオン交換体／カチオン交換体＝８／２〜５／５であることが好ましい。
【００２１】
陽極室１７及び陰極室１８のうち少なくとも陽極室１７には、ピッチ系活性炭を充填する。陰極室１８もピッチ系活性炭が充填されることが好ましいが、イオン交換体又は金属が充填されてもよい。
【００２２】
ピッチ系活性炭としては、篩分け法により測定される平均粒径が０．３〜３．０ｍｍ特に０．５〜１．０ｍｍの球形のものが、通水抵抗が小さく、また単位体積当りの活性炭粒子同士の接触点の数が多く、活性炭充填層の導電性が良好となるため好ましい。また、ピッチ系活性炭が球形であると、活性炭の充填密度が高くなると共に、活性炭の充填が均一となり、活性炭充填層の導電性が良好となる。
【００２３】
さらに、球形の活性炭は、角張った部分がないから、非球形の異形活性炭に比べて摩耗や部分的欠損が少なく、また電極液が流れても流動せず微粉炭を発生させにくい。
【００２４】
原水は脱塩室１６に導入され、脱塩室１６からは生産水が取り出される。この生産水の一部は、濃縮室１５に脱塩室１６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水され、濃縮室１５の流出水は系外へ排出される。即ち、この電気脱イオン装置では、濃縮室１５と脱塩室１６とが交互に並設され、脱塩室１６の生産水取り出し側に濃縮室１５の流入口が設けられており、脱塩室１６の原水流入側に濃縮室１５の流出口が設けられている。また、生産水の一部は陽極室１７の入口側に送給され、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】
このように、濃縮室１５に生産水を脱塩室１６と向流一過式で通水することにより、生産水取り出し側ほど濃縮室１５内の濃縮水の濃度が低いものとなり、濃度拡散による脱塩室１６への影響が小さくなり、イオン除去率、特にシリカ、ホウ素の除去率を飛躍的に高めることができる。
【００２６】
特に、脱塩室１６において原水の流入側ほどアニオン交換体の割合を多くすると、この流入側において水がアルカリ性となり、シリカ、ホウ素（ホウ酸）の解離が促進され、シリカ、ホウ素の除去が効率良く行われる。
【００２７】
また、濃縮室にイオン交換体を充填することで、濃縮室のＬＶを２０ｍ／ｈｒ以下としても、脱イオン性能を確保することができる。これは、濃縮室内がスペーサであると、濃縮室膜面におけるシリカ、ホウ素の膜面濃縮を水流により拡散させる必要があったのに対し、濃縮室にイオン交換体等を充填することで、イオン交換体を通じてイオンが拡散するため、高い通水速度（ＬＶ）を必要としないためと考えられる。
【００２８】
このように通水速度が低くても良いため、一過式で濃縮水を通水しても、水回収率は従来よりも向上させることができ、しかも、循環ポンプを用いる必要もないため、さらに経済的である。
【００２９】
濃縮室充填物は、必要電流確保のためには活性炭等でも良いが、上記イオン拡散作用の点から、前記の通りイオン交換体を充填することが望ましく、特にアニオン交換体／カチオン交換体＝８／２〜５／５として電気抵抗を小さくすることが好ましい。
【００３０】
この図１の電気脱イオン装置では、電極室１７，１８にも生産水を供給しているが、電極室１７，１８でも濃縮室１５と同様に、電流確保のために、活性炭を充填することで、水質によらず消費電圧が一定になり、超純水等の高水質の水を通水しても必要電流を確保することが可能となる。
【００３１】
このような電気脱イオン装置において、シリカのみならず特にホウ素をも除去しようとする際には、脱塩室の厚さが小さいほど良いことが、鋭意研究の結果判明している。脱塩室の厚さは５ｍｍ以下が良く、小さいほど良いが、水の通水性や製作時の取り扱い性等を考慮すると実用上２ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００３２】
本発明では、シリカやホウ素を高度に除去するために、電流密度は５００ｍＡ／ｄｍ２以上特に１０００ｍＡ／ｄｍ２以上が好適であり、経済性を考慮すると３０００ｍＡ／ｄｍ２以下特に２０００ｍＡ／ｄｍ２以下が好適である。
【実施例】
【００３３】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３４】
［実施例１］
水道水を逆浸透膜分離装置処理した下記水質の水を原水として、図１に示す下記仕様の電気脱イオン装置（脱塩室２室，濃縮室３室）で下記運転条件にて脱イオン処理を行った。
［原水水質］
シリカ：２００ｐｐｂ
ホウ素：２０ｐｐｂ
導電率：５．０μＳ／ｃｍ
［電気脱イオン装置仕様］
脱塩室高さ：６０ｃｍ
脱塩室厚さ：０．５ｃｍ
濃縮室厚さ：０．５ｃｍ
脱塩室充填物：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
濃縮室充填物：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
陽極室及び陰極室充填物：ピッチ系活性炭（平均粒径０．５ｍｍ、球形（クレハ製））
［運転条件］
初期電圧：８０Ｖ
電流：２０Ａ（電流密度１２００ｍＡ／ｄｍ２）
脱塩室ＳＶ：１００ｈｒ−１
濃縮室ＳＶ：２０ｈｒ−１
生産水量 ：２００Ｌ／ｈｒ
濃縮室水量：４０Ｌ／ｈｒ
電極室水量：１０Ｌ／ｈｒ
水回収率 ：８０％
【００３５】
定電流方式にて６ヶ月運転したときの電圧の変化を表１に示す。なお、６ヶ月経過時点での生産水の水質は次の通りであった。
シリカ：＜０．１ｐｐｂ
ホウ素：＜０．１ｐｐｂ
比抵抗値：１８．２ＭΩ・ｃｍ
【００３６】
［実施例２］
ピッチ系活性炭として平均粒径が１．０ｍｍと実施例１よりも大きなものを用いたこと以外は実施例１と同様にして運転を行った。６ヶ月運転したときの電圧の変化を表１に示す。
【００３７】
［実施例３］
ピッチ系活性炭として平均粒径が２．０ｍｍと実施例１よりも小さなものを用いたこと以外は実施例１と同様にして運転を行った。６ヶ月運転したときの電圧の変化を表１に示す。
【００３８】
［比較例１］
ピッチ系活性炭の代りに、やしがら系活性炭（平均粒径０．５ｍｍ）を用いたこと以外は実施例１と同様にして運転を行った。６ヶ月運転したときの電圧の変化を表１に示す。
【００３９】
［比較例２］
ピッチ系活性炭の代りに、石炭系活性炭（平均粒径０．５ｍｍ）を用いたこと以外は実施例１と同様にして運転を行った。６ヶ月運転したときの電圧の変化を表１に示す。
【００４０】
［比較例３］
ピッチ系活性炭の代りにカチオン交換樹脂を用いたこと以外は実施例１と同様にして運転を行った。６ヶ月運転したときの電圧の変化を表１に示す。
【００４１】
【表１】
2016123914.tif 000003
【００４２】
表１の通り、本発明によると、電圧上昇が低く、またピッチ系活性炭の平均粒径を約０．５〜１．０ｍｍ程度とすることが効果的であることが認められた。
【符号の説明】
【００４３】
１１  陽極
１２  陰極
１３  アニオン交換膜（Ａ膜）
１４  カチオン交換膜（Ｃ膜）
１５  濃縮室
１６  脱塩室
１７  陽極室
１８  陰極室
【図１】
2016123914.tif 000004