(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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てなる電気脱イオン装置において、
該濃縮室に、該濃縮室に隣接する脱塩室の通水方向と交叉する方向に延在する仕切壁を設けて該濃縮室を２以上の濃縮水流通部に区画し、
該濃縮水流通部の各々に該仕切壁の延在方向に濃縮水を流通させ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、特に、電気脱イオン装置の濃縮室におけるスケールの生成を防止して長期に亘り安定に処理を行う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、図３（ａ）に示す如く、電極（陽極３１，陰極３２）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３３と脱塩室３４とを交互に形成した電気脱イオン装置３０が多用されている。
【０００３】
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。なお、電気脱イオン装置には、脱塩室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混合して充填されているものと、脱塩室にイオン交換樹脂が充填されていないものとがあるが、処理水の水質向上の点では、脱塩室にイオン交換樹脂が充填されたものの方が効果的である。
【０００４】
電気脱イオン装置では、脱塩室に流入した原水中のイオンが親和力、濃度及び移動度に基いて電位をかけた電極の方向（被処理水の流れに対して直角方向）に移動し、更に、脱塩室と濃縮室とを仕切るカチオン交換膜又はアニオン交換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ようになる。そして、イオン交換膜の半浸透特性及び電位により、原水中の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とになる。このため、脱塩室から脱イオン水が回収される。
【０００５】
従来の電気脱イオン装置は、図３（ａ）に示す如く、濃縮室３３及び脱塩室３４内をそれぞれ流れる濃縮水と脱イオン水は同一方向に流れる構造となっている（図３（ａ）において、上側が濃縮室３３及び脱塩室３４の入口側であり、下側が出口側である。）。また、通常の場合、水回収率を高めるために、図３（ｂ）に示す如く、濃縮室から排出された濃縮水は、その一部のみが系外へ排出され、残部は濃縮室の入口側へポンプＰにより循環される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電気脱イオン装置では、アニオン交換膜の濃縮室側ではＯＨ-やＨＣＯ3-等のアニオン濃度が上昇し、また、カチオン交換膜の濃縮室側ではＣａ2+等のカチオン濃度が上昇するため、濃縮室のイオン交換膜面に炭酸カルシウム等のスケールが発生していた。このようなスケールの発生は、イオン交換膜の有効膜面積を低下させ、脱イオン率を低下させるという問題があった。
【０００７】
これらのスケールの発生を防止する方法として、濃縮室にイオン伝導スペーサを充填し、イオン交換膜面からの上記イオンの移動度を高めることにより、膜面境界層のイオン濃度上昇を抑制する方法が用いられることもある。しかし、この方法では、従来のものに比べると膜面境界層でのイオン濃縮が抑制されるものの、スケール発生源の各イオン種が濃縮室に移動することに変わりはなく、長期間運転を継続することにより、スケールの発生に到るという懸念があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、電気脱イオン装置の濃縮室におけるスケールの析出を抑制し、長期に亘り安定に運転を行う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、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てなる電気脱イオン装置において、該濃縮室に、該濃縮室に隣接する脱塩室の通水方向と交叉する方向に延在する仕切壁を設けて該濃縮室を２以上の濃縮水流通部に区画し、該濃縮水流通部の各々に該仕切壁の延在方向に濃縮水を流通させることを特徴とする。
【００１０】
電気脱イオン装置の濃縮室におけるスケールの主成分は、濃縮室で濃縮されたＣａ2+イオンとＨＣＯ3-イオンから生成する炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）である。このスケールの生成はアニオン交換膜の濃縮室側の境界層でＯＨ-イオン濃度が上昇し、高ｐＨ条件となる部位で特に生じやすい。
【００１１】
本発明者は、このようなことから、スケール析出の要因であるＣａ2+イオン、ＨＣＯ3-イオン、ＯＨ-イオンがたとえ濃縮室内で濃縮されても、これらが高濃度条件で同一領域に混在していなければ、スケールの析出を防止できるものと考えた。しかして、本発明者は、濃縮室における、主にＣａ2+，ＨＣＯ3-，ＯＨ-イオンに起因するスケール析出を防止すべく、更に研究調査を行った結果、濃縮室における硬度成分の析出に係る各イオン移動は、濃縮室の流れ方向によって違いがあることを知見した。
【００１２】
図２にその概要を示す。図２において、２１はカチオン交換膜、２２はアニオン交換膜、２３は濃縮室、２４は脱塩室、２５は陽極、２６は陰極であり、図において上側が濃縮室２３及び脱塩室２４の入口側であり、下側が出口側である。図２に示す通り、イオンがイオン交換膜を透過して濃縮室２３に移動する領域は、当該イオン種により異なり、Ｃａ2+イオンは脱塩室２４の入口近くで濃縮室２３に移動する。また、ＨＣＯ3-イオンは脱塩室２４の通水方向の中間部分近辺から濃縮室２３に移動する。また、ＯＨ-イオンは脱塩室２４の出口近くにおいて濃縮室２３に移動することが明らかになった。もちろん、これらのイオンの他にアニオンとしてのＣｌ-イオンやカチオンとしてのＮａ+イオンやＨ+イオンの移動も生じるが、図２には図示を省略した。
【００１３】
本発明では、濃縮室を仕切壁で２以上の濃縮水流通部に仕切ったため、スケール析出要因であるＣａ2+イオンの濃縮領域と、ＨＣＯ3-イオン及びＯＨ-イオンの濃縮領域とが分画され、これらが濃縮室内で高濃度条件で混在することがなくなり、スケール析出が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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。
【００１５】
図１（ａ）は本発明の電気脱イオン装置の実施の形態を示す概略的な斜視図、図１（ｂ）は同系統図である。
【００１６】
図示の如く、本発明の電気脱イオン装置１は、陽極２と陰極３との間に、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配列して濃縮室４と脱塩室５とを交互に形成した点においては従来の電気脱イオン装置と同様の構成とされているが、濃縮室４が仕切壁４Ｓにより２以上（図１においては２個）の濃縮水流通部４Ａ，４Ｂに区画され、各濃縮水流通部４Ａ，４Ｂの濃縮水の通水方向が脱塩室５内の通水方向と交叉する方向とされている点が従来の電気脱イオン装置と異なる。
【００１７】
即ち、図１の電気脱イオン装置１において、脱塩室５は、図１（ａ）における上側が入口側、下側が出口側であり、脱塩室５内を水は上から下へ向って流れる。
【００１８】
一方、濃縮室４内には、この脱塩室５内の通水方向と交叉する方向（図１（ａ）においては、直交方向。なお、この直交方向とは必ずしも厳密なものではなく、８０〜１００゜程度の範囲を含む）に延在する仕切壁４Ｓが設けられ、濃縮室４内は図において上下に２段に分画され、各濃縮水流通部４Ａ、４Ｂの各々に図の手前側から奥側へ通水が行われる。
【００１９】
このような電気脱イオン装置１であれば、脱塩室５の入口側で濃縮室４側へ移動するＣａ2+イオンはそのほぼ全量が上段の濃縮水流通部４Ａ内に移動してこの濃縮水流通部４Ａ内で濃縮される。一方、脱塩室５の通水方向の中央付近や出口付近で濃縮室４側へ移動するＨＣＯ3-イオンやＯＨ-イオンは下段の濃縮水流通部４Ｂ内に移動し、この濃縮水流通部４Ｂ内で濃縮される。
【００２０】
このため、Ｃａ2+イオンと、ＨＣＯ3-，ＯＨ-イオンとが同一領域で濃縮されることがなくなり、これらのイオンが高濃度条件で混在することによるスケールの生成は防止される。
【００２１】
なお、本発明において、濃縮室を仕切壁で仕切って形成する濃縮水流通部は３以上であっても良い。ただし、仕切壁の数を増やすことによる部材数の増加、装置構成の複雑化等を考慮した場合、濃縮室内を２又は３個の濃縮水流通部に区画するのが好ましい。
【００２２】
また、このように濃縮室内を区画する場合、形成される濃縮水流通部の容積割合は、スケール析出要因となるＣａ2+，ＨＣＯ3-，ＯＨ-イオン等のイオンの移動状況に応じて適宜決定されるが、通常の場合、濃縮室を２個の濃縮水流通部に区間する場合には、脱塩室の入口側の濃縮水流通部：出口側の濃縮水流通部＝３０〜７０：７０〜３０（容積比）となるように、また、濃縮室を３個の濃縮水流通部に区間する場合には、脱塩室の入口側の濃縮水流通部：中間部分の濃縮水流通部：出口側の濃縮水流通部＝２０〜４０：２０〜４０：２０〜４０（容積比）となるように分画するのが好ましい。
【００２３】
本発明の電気脱イオン装置では、濃縮室への流入水は一過式とし、濃縮室の流出水を系外へ排出するようにしても良いが、一般的には水回収率の向上のために、濃縮室の流出水の一部を濃縮室の入口側へ循環して再利用するのが好ましい。この場合、図１（ｂ）に示す如く、循環濃縮水は、各濃縮水流通部４Ａ，４Ｂ毎に混合されないように、別々の循環ライン及び循環ポンプにより循環することが好ましい。この場合、循環水量は、濃縮室の流出水の７０〜９０％程度とし、電気脱イオン装置１の水回収率は９０〜９５％程度の条件で運転を実施するのが好ましい。
【００２４】
なお、本発明の電気脱イオン装置は、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樹脂が充填されたものであっても、充填されていないものであっても良いが、処理水（生産水）の水質の向上の面からは、脱塩室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合樹脂が充填されているものが好ましい。また、これらイオン交換樹脂の代わりに他のイオン交換体（イオン交換繊維等）を使用することもできる。イオン交換体の充填方法は特に混合充填に限定されず、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を別々に複層充填した場合にも適用できる。
【００２５】
【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。
【００２６】
なお、実施例及び比較例で用いた電気脱イオン装置は、（栗田工業（株）製「ピュアエース」）（処理水量１０００Ｌ／ｈｒ）であり、この電気脱イオン装置は、脱塩室に強塩基性アニオン交換樹脂（三菱化学（株）製「ＳＡ１０Ａ」）と強酸性カチオン交換樹脂（三菱化学（株）製「ＳＫ１Ｂ」）とが３５：６５（容量比）で充填されたものである。ただし、実施例１においては、この電気脱イオン装置の濃縮室に、脱塩室の通水方向と直交方向に仕切壁を設け濃縮室内を２等分して２つの濃縮水流通部を形成し、図１（ａ），（ｂ）に示す如く、濃縮室内の通水方向が脱塩室内の通水方向と直交する方向となるようにして処理を行った。
【００２７】
実施例１
市水を活性炭処理した後、逆浸透膜分離処理した水を原水として、図１（ａ），（ｂ）に示す電気脱イオン装置により下記条件で運転を行った。濃縮室の各濃縮水流通部から排出される濃縮水はそれぞれ別々の循環ラインで同一の濃縮水流通部に循環させた。
【００２８】
〔処理条件〕
電流密度：３０ｍＡ／ｄｍ2
水回収率：９５％
この電気脱イオン装置を３ヶ月間連続運転した後、電気脱イオン装置を解体して濃縮室におけるスケールの有無を調べたところ、スケールは全く生成していなかった。
【００２９】
比較例１
図３に示す、濃縮室が区画されていない従来の電気脱イオン装置を用いて、濃縮室と脱塩室の通水方向を同方向として処理したこと以外は、実施例１と同様の処理条件で運転を行った。
【００３０】
３ヶ月間連続運転した後、電気脱イオン装置を解体して濃縮室におけるスケールの有無を調べたところ、濃縮水出口である下部分の４分の１程度のアニオン交換膜面上にうっすらと白色の付着物が認められた。これらを収集して成分分析を行ったところ、主成分が炭酸カルシウムであることがわかった。
【００３１】
なお、上記実施例１及び比較例１のいずれにおいても得られた処理水（生産水）の比抵抗は１５〜１８Ｍ・Ωｃｍであり、処理水の水質には差異はなかった。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の電気脱イオン装置によれば、電気脱イオン装置の濃縮室におけるスケールの析出、及びスケールの析出による処理水水質の低下や脱イオン性能の低下を効果的に防止することができ、長期に亘り安定な運転を継続することができる。しかも、本発明では、スケール析出の恐れが殆どないことから、高い電流密度での運転を行って処理効率を高めることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の電気脱イオン装置の実施の形態を示す概略的な斜視図、図１（ｂ）は同系統図である。
【図２】電気脱イオン装置におけるイオンの移動状況を説明する模式図である。
【図３】図３（ａ）は従来の電気脱イオン装置を示す概略的な斜視図、図３（ｂ）は同系統図である。
【符号の説明】
１  電気脱イオン装置
２  陽極
３  陰極
４  濃縮室
４Ａ，４Ｂ  濃縮水流通部
４Ｓ  仕切壁
５  脱塩室
２１  カチオン交換膜
２２  アニオン交換膜
２３  濃縮室
２４  脱塩室
【図１】
0004250796.tif 000002
【図２】
0004250796.tif 000003
【図３】
0004250796.tif 000004