(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、
該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、
該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、
該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、
該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気脱イオン装置であって、
前記脱塩室から流出する脱イオン水の一部を前記濃縮室兼陽極室に通水する手段を備え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、前記脱塩室から流出する脱イオン水の一部を前記濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室にそれぞれ通水する手段を備えることを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項３】
陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、
該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、
該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、
該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、
該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気脱イオン装置の前記脱塩室に被処理水を通水し、該脱塩室から脱イオン水を取り出す電気脱イオン方法であって、
該脱イオン水の一部を前記濃縮室兼陽極室に通水することを特徴とする電気脱イオン方法。
【請求項４】
請求項３において、該脱イオン水の一部を前記濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室にそれぞれ通水することを特徴とする電気脱イオン方法。
【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及び電気脱イオン方法に係り、詳しくは単位時間当りの脱イオン水（生産水）の生産水量が少ない場合に好適な電気式脱イオン装置であって、高濃度のカルシウムイオン、重炭酸イオンが供給水中に含まれる場合においても装置内での炭酸カルシウムの析出を防止することができる電気脱イオン装置と、この電気脱イオン装置を用いた電気脱イオン方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気脱イオン装置は、電極（陽極と陰極）同士の間に複数のカチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配列して脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換樹脂を充填した構成を有する。
【０００３】
このような電気脱イオン装置にあっては、陽極、陰極間に電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入させると共に、濃縮室に濃縮水を流通させて被処理水中の不純物イオンを除去することにより脱イオン水を製造するが、陰極と陽極との間に複数の脱塩室と濃縮室とを交互に形成したものであるため、陰極と陽極との間の電気抵抗が大きく、このため両極間の印加電圧が高いという欠点がある。
【０００４】
ところで、電気脱イオン装置の濃縮室には、脱塩室からカチオン交換膜を透過してカルシウムイオン（Ｃａ２＋）を含むカチオンが移動して、濃縮され、アニオン交換膜を透過して重炭酸イオン（ＨＣＯ３−）を含むアニオンが移動して、濃縮される。また、アニオン交換膜面では、直流電流の通電に伴って、ＯＨ−イオンが発生し、局所的に高いｐＨとなっている。このため、濃縮室内のｐＨ、重炭酸イオン濃度、カルシウムイオン濃度が炭酸カルシウムの析出条件を満たしていなくとも、濃縮室内のアニオン交換膜面では、その高ｐＨ条件と、脱塩室から移動し、膜面で高濃度に濃縮された重炭酸イオンと濃縮室内のカルシウムイオン濃度とが炭酸カルシウムの析出条件を満たすようになり、炭酸カルシウムが析出する場合がある。
【０００５】
炭酸カルシウムは難溶解性であり、その析出は、濃縮室を閉塞させたり、電気脱イオン装置内の電気抵抗を上昇させ、最終的には電気脱イオン装置の運転に大きな支障をきたすこととなる。
【０００６】
従来、この炭酸カルシウムの析出を防止するために、電気脱イオン装置の供給水中の、重炭酸イオン又はカルシウムイオンを予め除去する処理が行われていた。
【０００７】
カルシウムイオンを除去する手段としては、軟水器を利用することが簡易であるが、軟水器は定期的な再生作業が必要であり、電気脱イオン装置で連続的に脱イオン水を得ようとした場合には、２系列を設けて、再生と運転とを交互に行うことが必要となる。また、再生にＮａＣｌを使用するため、定期的な保守管理が必要である。
【０００８】
重炭酸イオンを除去する手段としては、ｐＨ酸性で脱炭酸塔によって除去する手段、真空ポンプによる減圧で除去する手段が用いられるが、ｐＨ酸性とするためには、塩酸、硫酸等の強酸が必要であり、運転管理が難しい。また、真空ポンプを利用する場合は、真空ポンプの動力費が高く、ランニングコスト上の問題となっていた。
【０００９】
また、特開平１０−４３５５４号公報には、陰極室内に導電体を充填し、陰極の有効表面積を増大させることによって、局所的なＯＨ−濃度の上昇を抑制して炭酸カルシウムの析出を防止する方法が記載されている。この方法は、陰極室内部での炭酸カルシウムの析出防止には有効であるが、濃縮室内での炭酸カルシウムの析出防止には効果がなく、供給水中に高濃度のカルシウムイオンと重炭酸イオンが存在する場合には、濃縮室内部で重炭酸イオンとカルシウムイオンの濃度が高くなり、炭酸カルシウムが析出してくる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、生産水量が少ない場合に採用するのに好適な、電極間の印加電圧が低くて足りる電気脱イオン装置であって、供給水中のカルシウム濃度及び重炭酸イオン濃度が高い場合であっても、炭酸カルシウムの析出を防止することができる電気脱イオン装置と、この電気脱イオン装置を用いた電気脱イオン方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【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カチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気脱イオン装置であって、前記脱塩室から流出する脱イオン水の一部を前記濃縮室兼陽極室に通水する手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電気脱イオン方法は、陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気脱イオン装置の前記脱塩室に被処理水を通水し、該脱塩室から脱イオン水を取り出す電気脱イオン方法であって、該脱イオン水の一部を前記濃縮室兼陽極室に通水することを特徴とする。
【００１３】
かかる本発明の電気脱イオン方法は、脱塩室が１室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞれ陽極室を兼ねた濃縮室と陰極室を兼ねた濃縮室とが配置されているため、電極間距離が小さく、電極間の印加電圧が低い。本発明では、脱塩室が１室であり、単位時間当たりの生産水量が少ないが、小規模実験用、小型燃料電池用などには十分に実用することができる。
【００１４】
この電気脱イオン装置では、濃縮室兼陽極室内では脱塩室からアニオン交換膜を透過して被処理中の重炭酸イオン、その他のアニオン成分が移動、濃縮されるが、濃縮室兼陽極室には脱イオン水が供給され、この給水中にはカルシウムイオンが殆ど含まれていないため、炭酸カルシウムの析出は起こらない。一方、濃縮室兼陰極室では、脱塩室からカチオン交換膜を透過して被処理水中のカルシウムイオン、その他のカチオン成分が移動、濃縮されるが、濃縮室兼陰極室には導電体が充填されており、陰極としての有効面積が増大しているため、局所的なＯＨ−濃度の上昇の問題はないため、炭酸カルシウムの析出傾向は低い。
【００１５】
なお、濃縮室兼陰極室にも脱イオン水を通水することにより、濃縮室兼陰極室における炭酸カルシウムの析出をより一層確実に防止することができる。
【００１６】
脱イオン水を濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室に通水した場合には、脱イオン水の回収率が低下するため、脱イオン水を濃縮室兼陽極室のみに通水するか、濃縮室兼陽極室と濃縮室兼陰極室とに通水するかは、原水の水質、即ち、炭酸カルシウムの析出傾向と、必要とされる水回収率を勘案して決定すれば良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る電気脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【００１８】
図１，２に示す通り、陰極１と陽極２との間にカチオン交換膜３とアニオン交換膜４とを１枚ずつ配置し、陰極１とカチオン交換膜３との間に濃縮室兼陰極室５を形成し、陽極２とアニオン交換膜４との間に濃縮室兼陽極室６を形成し、カチオン交換膜３とアニオン交換膜４との間に脱塩室７を形成している。濃縮室兼用の陰極室５及び陽極室６にはそれぞれカチオン交換樹脂８が充填されている。脱塩室７にはカチオン交換樹脂８とアニオン交換樹脂９とが混合状態にて充填されている。
【００１９】
陰極１と陽極２との間に電圧を印加した状態にて原水を脱塩室７に導入し、脱イオン水として取り出す。図１（ａ）の電気脱イオン装置では、脱イオン水の一部を濃縮室兼陽極室６に流通させ、濃縮室兼陰極室５には原水の一部を流通させる。図１（ｂ）の電気脱イオン装置では、脱イオン水の一部をそれぞれ濃縮室兼陰極室５及び濃縮室兼陽極室６に流通させる。
【００２０】
原水中のカチオンはカチオン交換膜３を透過し、濃縮室兼陰極室５の陰極電極水に混入して排出される。原水中のアニオンはアニオン交換膜４を透過して濃縮室兼陽極室６の陽極電極水に混入し、排出される。
【００２１】
この電気脱イオン装置にあっては、陰極１と陽極２との間にそれぞれ１個の脱塩室７、濃縮室兼陽極室６及び濃縮室兼陰極室５のみが配置されており、陰極１と陽極２との距離が小さい。そのため、電極１，２間の印加電圧が低くても十分に電極１，２間に電流を流して脱イオン処理することができる。
【００２２】
濃縮室兼陽極室６では、アニオン交換膜４を透過して原水中の重炭酸イオンを含むアニオンが移動、濃縮され、濃縮室兼陰極室５ではカチオン交換膜３を透過して原水中のカルシウムイオンを含むカチオンが移動、濃縮されるが、図１（ｂ）の電気脱イオン装置にあっては、この濃縮室兼陽極室６及び濃縮室兼陰極室５に重炭酸イオン及びカルシウムイオンを殆ど含まない脱イオン水を通水するため、濃縮室兼陰極室５においても濃縮室兼陽極室６においても炭酸カルシウムの析出は起こらない。また、図１（ａ）の電気脱イオン装置では、濃縮室兼陰極室５には原水を通水するが、濃縮室兼陰極室５には導電体としてのカチオン交換樹脂８が充填されており、炭酸カルシウムの析出傾向が低いため、炭酸カルシウムの析出は防止される。
【００２３】
なお、電極室が濃縮室を兼ねていることから、電極水として脱イオン水を通水しても電気抵抗が過度に高くなることはなく、しかも、電極室兼濃縮室５，６には導電体が充填されているため、この導電体により電気伝導度が高められ、これによっても、電極１，２間の印加電圧が低くても電極１，２間に十分に電流を流すことが可能となる。
【００２４】
電極室兼濃縮室５，６での通水方向は、脱塩室と並流通水でも向流通水でもよいが、脱塩室を下降流通水とし、電極室兼濃縮室５，６を上昇流通水とする向流通水が望ましい。これは、各電極室兼濃縮室５，６には、直流電流によってＨ２，Ｏ２等の気体が発生するので、上昇流で通水して気体の排出を促進させて偏流を防ぐためである。
【００２５】
図１の実施の形態では、脱塩室７に充填したイオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合物であるが、充填するイオン交換樹脂としては、アニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂、両性イオン交換樹脂のうちの１種又は２種以上の混合物のいずれでも良い。
【００２６】
また、電極室兼濃縮室５，６に充填する導電体としては、カチオン交換樹脂又は繊維、アニオン交換樹脂又は繊維、それらの混合物、活性炭、金属メッシュ等を用いることができ、濃縮室兼陰極室５と濃縮室兼陽極室６とで異なる導電体が充填されていても良い。
【００２７】
本発明によれば、カルシウムイオン濃度１〜５ｍｇ／Ｌ  ａｓＣａＣＯ３、無機炭素濃度２〜１０ｍｇ／Ｌ  ａｓＣ程度の原水であっても、炭酸カルシウムの析出の問題を引き起こすことなく、低い印加電圧で効率的に処理して良好な水質の脱イオン水を得ることができる。
【００２８】
なお、図１（ａ）において、脱イオン水を濃縮室兼陽極室６に通水し、原水を濃縮室兼陰極室５に通水しているが、水回収率の向上のために濃縮室兼陰極室５には、濃縮室兼陽極室６から排出される濃縮水を通水するようにしても良い。この場合、濃縮室兼陽極室６の濃縮水には重炭酸イオンが濃縮されているが、カルシウムイオンを殆ど含まず、この濃縮水を濃縮室兼陰極室５に通水しても、濃縮室兼陰極室５内は炭酸カルシウムの析出傾向が低いため、炭酸カルシウムの析出を防止することができる。
【００２９】
【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。
【００３０】
実施例１
重炭酸イオンと溶存ＣＯ２を合計（無機炭素）で６ｍｇ／Ｌ  ａｓＣ、カルシウムイオンを４ｍｇ／Ｌ  ａｓＣａＣＯ３含む表１に示す水質の水を原水として、図１（ａ）に示す電気脱イオン装置で脱イオン水の製造を行った。
【００３１】
用いた電気脱イオン装置の仕様は次の通りである。
0003788318.tif 000002
【００３２】
原水の一部は脱塩室７に３Ｌ／ｈで通水し、残部３Ｌ／ｈは濃縮室兼陰極室５に向流通水し、濃縮水は系外へ排出した。また、得られた脱イオン水のうちの一部１．５Ｌ／ｈは濃縮室兼陽極室６に向流通水して濃縮水は系外へ排出し、残部は処理水として取り出した。
【００３３】
この条件で２４時間定電流で運転し、運転電圧の変化を調べ、結果を表１に示した。また、得られた脱イオン水の水質を表１に併記した。
【００３４】
実施例２
実施例１で用いたものと同仕様の電気脱イオン装置を用い、図１（ｂ）に示す如く、原水３Ｌ／ｈを脱塩室７に通水し、得られた脱イオン水のうちの１Ｌ／ｈずつを各々濃縮室兼陽極室６及び濃縮室兼陰極室５に向流通水して濃縮水を系外へ排出した。その他の運転条件は実施例１と同様とした。
【００３５】
この条件で２４時間定電流で運転し、運転電圧の変化を調べ、結果を表１に示した。また、得られた脱イオン水の水質を表１に併記した。
【００３６】
比較例１
実施例１で用いたものと同仕様の電気脱イオン装置を用い、図２に示す如く、原水の一部３Ｌ／ｈを脱塩室７に通水し、残部３Ｌ／ｈを濃縮室兼陽極室６に並流通水し、濃縮室兼陽極室６から流出する濃縮水を濃縮室兼陰極室５に向流通水して濃縮水を系外へ排出した。その他の運転条件は実施例１と同様とした。
【００３７】
この条件で２４時間定電流で運転し、運転電圧の変化を調べ、結果を表１に示した。また、得られた脱イオン水の水質を表１に併記した。
【００３８】
【表１】
0003788318.tif 000003
【００３９】
表１より明らかなように、濃縮室兼陽極室に原水を通水した比較例１では、２４時間の運転で、印加電圧が約２倍にも上昇しているのに対し、濃縮室兼陽極室に脱イオン水を通水した実施例１、及び、濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室に脱イオン水を通水した実施例２では、電圧の上昇は殆どなかった。
【００４０】
実験後、電気脱イオン装置を解体して内部を点検したところ、比較例１の電気脱イオン装置ではアニオン交換膜の濃縮膜面に炭酸カルシウムの析出が認められたが、実施例１，２の電気脱イオン装置ではこのような炭酸カルシウムの析出が認められなかった。
【００４１】
なお、得られた脱イオン水の水質には、いずれも殆ど差異はなく、良好な水質の脱イオン水を得ることができた。
【００４２】
この結果から、本発明によれば、炭酸カルシウムの析出を防止して、低電圧にて連続的な脱イオン水の製造が可能であることがわかる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、電気脱イオン装置が、陰極と陽極との間にそれぞれ１個の脱塩室、濃縮室兼陰極室及び濃縮室兼陽極室を配置したものであるため、電極間距離が小さく、また電極室と濃縮室とが兼用され電極水が高電気伝導度の濃縮水となっているため、電極間の印加電圧を低くしても必要量の電流を流し、十分に脱イオン処理することができる。
【００４４】
しかも、脱イオン水を濃縮室兼陰極室、或いは濃縮室兼陽極室と濃縮室兼陰極室とに通水することにより、高濃度のカルシウムイオン及び重炭酸イオンを含む水を処理する場合であっても、炭酸カルシウムの析出、及びこれによる電極室兼濃縮室の閉塞や電気抵抗の上昇による印加電圧の上昇の問題を引き起こすことなく、長期に亘り、安定かつ効率的な運転を行うことができる。このため、本発明によれば、脱塩室の前段のカルシウムイオン除去手段や重炭酸イオン除去手段を省略することができ、脱イオン水製造系統の簡素化、低価格化を図ることができ、簡易かつ安価な装置により脱イオン水を連続的に製造することが可能となる。
【００４５】
このような本発明の電気脱イオン装置は、小規模実験室用、小型燃料電池用など生産水量が少量の用途にきわめて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る電気脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【図２】比較例の電気脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【符号の説明】
１  陰極
２  陽極
３  カチオン交換膜
４  アニオン交換膜
５  濃縮室兼陰極室
６  濃縮室兼陽極室
７  脱塩室
８  カチオン交換樹脂
９  アニオン交換樹脂
【図１】
0003788318.tif 000004
【図２】
0003788318.tif 000005