(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が1〜1000μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が1ｍｌ/ｇ〜50ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が0.5ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上の有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆方向に泳動するように行うことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項２】
一側のイオン交換膜と他側の陽イオン交換膜で区画される脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の他側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部とを有する電気式脱陽イオン水製造装置と、
一側の陰イオン交換膜と他側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、前記電気式脱陽イオン水製造装置の第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の一側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを有する電気式脱陰イオン水製造装置と、を備えることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
一側の陽イオン交換膜と、該一側の陽イオン交換膜と他側の陰イオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、
該他側の陰イオン交換膜と該中間陽イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、
該一側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、
該他側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、
該脱陽イオン室中の一側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の他側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部と、を備えることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
一側のイオン交換膜と、該一側のイオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、
該中間陽イオン交換膜と、該中間陽イオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陰イオン交換膜とで区画される濃縮室と、
該他側のイオン交換膜と該中間陰イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、
該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、
該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、
該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の中間陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを備えることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項５】
前記有機多孔質陽イオン交換体又は前記有機多孔質陰イオン交換体が、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が1〜1000μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が1ｍｌ/ｇ〜50ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が0.5ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の電気式脱イオン水製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱イオン水を用いる半導体製造工業、製薬工業、食品工業、発電所、研究所等の各種の工業あるいは糖液、ジュース、ワイン等の製造等で利用される電気式脱イオン液製造装置に好適に使用される電気式脱イオン水製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
脱イオン水を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られているが、この方法ではイオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに薬剤によって再生を行う必要があり、このような処理操作上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が全く不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。
【０００３】
前記従来の電気式脱イオン水製造装置は、基本的には陽イオン交換膜と陰イオン交換膜で形成される隙間に、イオン交換体としてアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂層を充填して脱イオン室とし、当該イオン交換樹脂層に被処理水を通過させるとともに、前記両イオン交換膜を介して被処理水の流れに対して垂直方向に直流電流を作用させて、両イオン交換膜の外側に流れている濃縮水中に被処理水中のイオンを電気的に排除しながら脱イオン水を製造するものである。
【０００４】
図５は上述した従来の電気式脱イオン水製造装置の１例を示す模式断面図であり、陽イオン交換膜１０１および陰イオン交換膜１０２を離間して交互に配置し、陽イオン交換膜１０１と陰イオン交換膜１０２で形成される空間内に一つおきにカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂１０３を充填し、脱イオン室１０４とする。なお当該脱イオン室１０４のそれぞれの隣に位置する陰イオン交換膜１０２と陽イオン交換膜１０１で形成される混合イオン交換樹脂１０３を充填していない部分は後述する如く濃縮水を流すべき濃縮室１０５とする。陽イオン交換膜１０１と陰イオン交換膜１０２とその内部に充填する混合イオン交換樹脂１０３とで脱イオンモジュール１０６を形成するが、その詳細は図６に示した通りである。
【０００５】
即ち枠体１０７の一方の側に陽イオン交換膜１０１を封着し、当該枠体１０７内部に混合イオン交換樹脂１０３を充填し、次いで枠体１０７の他方の部分に陰イオン交換膜１０２を封着したものである。なおイオン交換膜は比較的軟らかいものなので、枠体１０７内部に混合イオン交換樹脂１０３を充填してその両面をイオン交換膜で封着したとき、イオン交換膜が湾曲して混合イオン交換樹脂１０３の充填層が不均一となるのを防止するため、枠体１０７の空間部に複数のリブ１０８を縦設するのが一般的である。また図６では図示していないが、枠体１０７の上方部に被処理水の流入口が、また枠体の下方部に処理水の流出口が付設されている。
【０００６】
このような脱イオンモジュール１０６の複数個をその間にスペーサー（図示せず）を挟んで、並設した状態が図５に示されたものであり、並設した脱イオンモジュール１０６の一端側に陰極１０９を配設するとともに、他端側に陽極１１０を配設する。なお前述したスペーサーを挟んだ位置が濃縮室１０５であり、また両端の濃縮室１０５の両外側に必要に応じ陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、あるいはイオン交換性のない単なる隔膜等の仕切膜１１１を配設し、当該仕切膜１１１で仕切られた両電極１０９および１１０が接触する部分をそれぞれ陰極室１１２および陽極室１１３とする。
【０００７】
このような電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合、以下のように操作される。すなわち陰極１０９と陽極１１０間に直流電流を通じ、また被処理水流入口Ａから被処理水を流入するとともに、濃縮水流入口Ｂから濃縮水を流入し、かつ電極水流入口ＣおよびＤからそれぞれ電極水を流入する。被処理水流入口Ａから流入した被処理水は実線で示した矢印のごとく各脱イオン室１０４を流下し、混合イオン交換樹脂１０３の充填層を通過する際に不純物イオンが除かれ、脱イオン水が脱イオン水流出口ａから得られる。また濃縮水流入口Ｂから流入した濃縮水は点線の矢印で示したごとく各濃縮室１０５を流下し、両イオン交換膜を介して移動してくる不純物イオンを受け取り、不純物イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出口ｂから流出され、さらに電極水流入口ＣおよびＤから流入した電極水は電極水流出口ｃおよびｄから流出される。上述のような操作によって被処理水中の不純物イオンは電気的に除去されるので、充填したイオン交換樹脂を薬液による再生を全く行うことなく脱イオン水を連続的に得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の電気式脱イオン水製造装置は、多数の脱イオン室や濃縮室を配設するため、枠体やイオン交換膜を多用し、このため構造が複雑で材料費、加工費、組み立て費が嵩むという問題があった。即ち、従来の電気式脱イオン水製造装置では、脱イオン室に従前の粒状イオン交換樹脂を充填しているため、吸着したイオンを排除する際のイオンの移動が遅く、目的の処理水質を得るためには、排除するイオンの泳動距離を短くする必要があり、このため脱イオン室の厚みは１〜８mm程度の薄さに制限される。かかる制限を受けながら、実用に供しうる通水量と水質を得るように設計された従来の電気式脱イオン水製造装置では、上述のように、薄い板状の脱イオン室を多数並立させ、該脱イオン室の長軸方向に被処理水を通水しながら、これに垂直方向に電場を印加して吸着したイオンを排除する構造を採らざるを得ない。
【０００９】
従来の電気式脱イオン水製造装置で、脱イオン室に充填されるイオン交換樹脂としては、一般にスチレンとジビニルベンゼン（DVB）の共重合体に、陽イオン交換基としてはスルホン酸基（R-SO3-H+）を、陰イオン交換基としては第４級アンモニウム塩基（R-N+R1R2R3）を導入して得られた直径0.2〜0.5mm程度の球状のものが充填されている。この場合、イオン交換樹脂粒子内における電流伝達、即ちイオンの伝達は、高分子ゲル内に均一かつ密に存在するイオン交換基を介して低抵抗で行われるのに対し、イオン交換樹脂粒子界面においては、イオンの移動に際して水中の泳動距離が長く、かつ球状のため粒子同士の接触面積が小さいのでイオンの流れが該接点部に集中し、イオン移動の阻害要因となり、吸着イオンの系外排除を遅くさせる主要因となっている。
【００１０】
また、従来の電気式脱イオン水製造装置では、流入する被処理水の硬度が高い場合、電気式脱イオン水製造装置の濃縮室において炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケールが発生するという問題があった。即ち、陽イオン交換膜を通過して脱イオン室から濃縮室に排除されたカルシウムイオンやマグネシウムイオンは、濃縮室の反対側の陰イオン交換膜表面で局部的に濃縮され、ここで陰イオン交換膜を通過して濃縮室に排除されてくる炭酸イオンや水酸化物イオンと、溶解度積を超えた濃度で混合されてスケールが発生する。スケールが発生すると、その部分での電気抵抗が上昇し、電流が流れにくくなる。すなわち、スケール発生が無い場合と同一の電流値を流すためには電圧を上昇させる必要があり、消費電力が増加する。また、スケールの付着場所次第では、濃縮室内で電流密度が異なり、脱イオン室内において電流の不均一化が生じる。また、スケール付着量がさらに増加すると、通水差圧が増大すると共に、電圧がさらに上昇し、装置の最大電圧値を超えた場合は電流値が低下することとなる。この場合、イオン除去に必要な電流値が流せなくなり、処理水質の低下を招く。さらには、成長したスケールがイオン交換膜内にまで侵食し、最終的にはイオン交換膜を破ってしまう。
【００１１】
前記のスケール発生を防止するために、従来の電気式脱イオン水製造装置では、電気式脱イオン水製造装置への被処理水の通水に先だって、被処理水中からカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分を除去する前処理、即ち、Na形陽イオン交換樹脂層に通水することによって前記硬度成分をナトリウムイオンに交換する軟化や、または逆浸透膜やイオン交換による一次脱塩を必要としていた。
【００１２】
従って、本発明の目的は、吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、装置の構造を簡略化して、材料費、加工費、組み立て費を軽減させると共に、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケール発生の可能性が全くなく、従って、一次脱塩や軟化などの前処理を必要としない電気式脱イオン水製造装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは、上記の従来の電気式脱イオン水製造装置の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、脱イオン室充填材として３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体を用い、且つ排除されるイオンが脱イオン交換体内の通水方向に対して逆向きに泳動するように電場を印加すれば、装置の構造を簡略化して、材料費、加工費、組み立て費を軽減させるとともに、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケール発生の可能性が全くなく、従って、一次脱塩や軟化などの前処理を必要としないこと等を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明（１）は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が1〜1000μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が1ｍｌ/ｇ〜50ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が0.5ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上の有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室を有し、該脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆向きに泳動するように行う電気式脱イオン水製造装置、本発明（２）は、一側のイオン交換膜と他側の陽イオン交換膜で区画される脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の他側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部とを有する電気式脱陽イオン水製造装置と、一側の陰イオン交換膜と他側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、前記電気式脱陽イオン水製造装置の第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の一側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを有する電気式脱陰イオン水製造装置と、を備える電気式脱イオン水製造装置、本発明（３）は、一側の陽イオン交換膜と、該一側の陽イオン交換膜と他側の陰イオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該他側の陰イオン交換膜と該中間陽イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該他側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該脱陽イオン室中の一側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の他側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部と、を備える電気式脱イオン水製造装置、本発明（４）は、一側のイオン交換膜と、該一側のイオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該中間陽イオン交換膜と、該中間陽イオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陰イオン交換膜とで区画される濃縮室と、該他側のイオン交換膜と該中間陰イオン交換膜で区��される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の中間陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを備える電気式脱イオン水製造装置、本発明（５）は、前記有機多孔質陽イオン交換体又は前記有機多孔質陰イオン交換体が、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が1〜1000μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が1ｍｌ/ｇ〜50ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が0.5ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上である前記電気式脱イオン水製造装置をそれぞれ提供するものである。
【００１５】
本発明の電気式脱イオン水製造装置によれば、多孔質イオン交換体内におけるイオンの移動を速めて吸着イオンの排除を容易にすることができる。また、脱イオン室を多数に分割して並列配設する必要がなく、装置の構造を簡略化して、材料費、加工費、組み立て費を軽減させることができる。また、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケール発生が全くなく、一次脱塩や軟化などの前処理を必要としない。更に、低電圧で安定した水質の処理水を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の電気式脱イオン水製造装置は、特定構造の有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆向きに泳動するように行うものである。すなわち、本発明の電気式脱イオン水製造装置の基本構造は、両側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に有機多孔質イオン交換体を充填して脱イオン室を構成し、当該イオン交換膜の外側に直流電場を印加する電極を配置してなり、該直流電場の印加を前述のような特定の態様で行うものである。また、本発明において、有機多孔質イオン交換体内における通水方向とは、特定の連続気泡構造を有する有機多孔質イオン交換体内における通水方向、すなわち、特定の連続気泡構造を有する有機多孔質イオン交換体内の通水方向に由来するイオンの平均拡散方向を言うものであり、後述するような、有機多孔質イオン交換体内に別途に配設又は加工される第１、第２被処理水導入分配部内や第１、第２処理水集水部内における通水方向を言うものではない。
【００１７】
脱イオン室に充填される有機多孔質イオン交換体とは、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が1〜1000μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が1ｍｌ/ｇ〜50ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が0.5ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上である３次元網目構造を持つイオン交換体である。
【００１８】
すなわち、該有機多孔質イオン交換体の基本構造は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が1〜1000μｍ、好ましくは10〜100μｍのメソポアを有する連続気泡構造である。即ち、連続気泡構造は、通常、平均径2〜5000μｍのマクロポアとマクロポアが重なり合い、この重なる部分が共通の開口となるメソポアを有するもので、その大部分がオープンポア構造のものである。オープンポア構造は、水を流せば該マクロポアと該メソポアで形成される気泡構造内が流路となる。メソポアの平均径が1μｍ未満であると、通水時の圧力損失が大きくなってしまい、一方、メソポアの平均径が1000μｍより大きいと、水の流路が均一に形成されにくくなるため好ましくない。多孔質イオン交換体の構造が上記のような連続気泡構造となることにより、細孔容積や比表面積を格段に大きくすることができる。
【００１９】
また、該有機多孔質イオン交換体は、全細孔容積が1ｍｌ/ｇ〜50ｍｌ/ｇである。全細孔容積が1ｍｌ/ｇ未満であると、単位断面積当りの通水量が小さくなってしまい、通水量を大きく取れなくなるため好ましくない。一方、全細孔容積が50ｍｌ/ｇを超えると、ポリマー等の骨格部分の占める割合が低下し、多孔質体の強度が著しく低下してしまうため好ましくない。連続気泡構造を形成する骨格部分の材料は、架橋構造等の化学的拘束点や結晶部等の物理的拘束点を有する有機ポリマー材料を用いる。該ポリマー材料が架橋構造を有するポリマーである場合、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、10〜90モル％の架橋構造単位を含むことが好ましい。架橋構造単位が10モル％未満であると、機械的強度が不足するため好ましくなく、一方、90モル％を超えると、イオン交換基の導入が困難となり、イオン交換容量が低下してしまうため好ましくない。該ポリマー材料の種類には特に制限はなく、例えば、ポリスチレン、ポリ（α-メチルスチレン）、ポリビニルベンジルクロライド等のスチレン系ポリマーやそれらの架橋体；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンやそれらの架橋体；ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン等のポリ（ハロゲン化オレフィン）やそれらの架橋体；ポリアクリロニトリル等のニトリル系ポリマーやそれらの架橋体；ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル等の（メタ）アクリル系ポリマーやそれらの架橋体；スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ビニルベンジルクロライド-ジビニルベンゼン共重合体等が挙げられる。上記ポリマーは、単独のモノマーを重合させて得られるホモポリマーでも、複数のモノマーを重合させて得られるコポリマーであってもよく、また、二種類以上のポリマーがブレンドされたものであってもよい。これら有機ポリマー材料中で、イオン交換基の導入の容易性と機械的強度の高さから、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体やビニルベンジルクロライド-ジビニルベンゼン共重合体が好ましい材料として挙げられる。本発明の多孔質イオン交換体の連続気泡構造は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いることで、比較的容易に観察できる。
【００２０】
本発明で用いられる有機多孔質イオン交換体は、イオン交換基が均一に分布し、イオン交換容量が0.5ｍｇ等量/ｇ乾燥多孔質体以上、好ましくは2.0ｍｇ等量/ｇ乾燥多孔質体以上の多孔質イオン交換体である。イオン交換容量が0.5ｍｇ等量/ｇ乾燥多孔質体未満であると、イオン吸着容量が不足して好ましくない。また、イオン交換基の分布が不均一だと、多孔質イオン交換体内におけるイオンの移動が不均一となり、吸着されたイオンの迅速な排除が阻害されるので好ましくない。なお、ここで言う「イオン交換基が均一に分布している」とは、イオン交換基の分布が少なくともμｍオーダーで均一であることを言う。イオン交換基の分布状況は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）や二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等を用いることで、比較的簡単に確認することができる。多孔質イオン交換体に導入されるイオン交換基としては、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、スルホン酸基、リン酸基、リン酸エステル基、アミノリン酸基、芳香族水酸基等のカチオン交換基；四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン、第三スルホニウム基、ホスホニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
【００２１】
なお、連続孔を有する有機多孔質体としては、粒子凝集型構造を有する多孔質体がF．Svec,Science,273,205〜211（1996）等に開示されている。また、特開平10-216717号公報、特開平10-192717号公報、特開平10-192716号公報、特開平8-252579号公報には、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂の混合物を結合材ポリマーを用いて結合した粒子凝集型の多孔質構造体が記載されている。これらの粒子凝集型多孔質体は、有機系微粒子や予めイオン交換基を導入した粒状イオン交換樹脂を結合材ポリマーを用いて結合したり、あるいは一定の型に該微粒子を充填して加熱溶融して結合させて多孔質構造体となし、更に場合によっては、結合材ポリマー部にもイオン交換基を導入して製造されている。しかし、上記の粒子凝集型多孔質体は、粒子凝集構造のため、細孔容積が小さく、メソポアも大きくできないため、低圧で大流量の処理を行う際に制約を受ける。更に、前記の粒子凝集型多孔質体では、イオン交換基等が多孔質体中に均一に分布していない。即ち、これらの多孔質構造体では、結合ポリマー部分にイオン交換基が存在しないか、又は存在する場合でも、イオン交換樹脂部分とはポリマー母体およびイオン交換基の構造が異なる上に、イオン交換基の存在密度がイオン交換樹脂部分に比べて低く、全体が均質なイオン交換体とはなっていない。このため、充填層内のイオンや電子移動の不均一性の問題は解決されないままであり、イオン交換体充填層の電気抵抗の低減及び捕捉イオンの効率的な排出が十分とは言えない。
【００２２】
本発明で用いられる多孔質イオン交換体は、外部と連続したオープンセル構造を有するスポンジ構造体であることが必要である。ここで言うスポンジ構造体とは、竹内雍：多孔質体の性質とその応用技術，ｐ.2-5，フジ・テクノシステム（2000）に定義されているように、固体中に気泡が分散した気泡分散型多孔質体のことを指すものであり、特開平10-216717号公報、特開平10-192717号公報、特開平10-192716号公報、特開平8-252579号公報に開示されているような粒子凝集型多孔質体とは全く構造が異なるものである。多孔質体の構造がスポンジ構造となることにより、セル構造を均一に形成できると共に、粒子凝集型多孔質体に比べて、全細孔容積や比表面積を格段に大きくすることができるため、非常に有利である。また、本発明の多孔質イオン交換体には、前述のようにイオン交換基等が均一に分布しているので、吸着されたイオンの充填層内の移動が速く、電気抵抗が低く抑えられるので、装置を低電圧で安定して運転することができる。
【００２３】
上記有機多孔質イオン交換体の製造方法としては、イオン交換基を含む成分を一段階で多孔質体にする方法、イオン交換基を含まない成分により多孔質体を形成し、その後、イオン交換基を導入する方法等が挙げられる。有機多孔質イオン交換体の製造方法の一例を次に示す。即ち、当該多孔質イオン交換体は、イオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤、水及び必要に応じて重合開始剤とを混合し、油中水滴型エマルジョンを得た後、これを重合して多孔質体とし、更にイオン交換基を導入することで製造される。
【００２４】
イオン交換基を含まない油溶性モノマーとしては、カルボン酸基、スルホン酸基等のイオン交換基を含まず、水に対する溶解性が低く、親油性のモノマーを指すものである。これらモノマーの若干の具体例としては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ジビニルベンゼン、エチレン、プロピレン、イソブテン、ブタジエン、イソプレン、クロロプレン、塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、酢酸ビニル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸2-エチルヘキシル、トリメチロールプロパントリアクリレート、ブタンジオールジアクリレート、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸2-エチルヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸グリシジル、エチレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。これらモノマーは、単独又は２種類以上を混合して用いることができる。ただし、本発明においては、ジビニルベンゼン、エチレングリコールジメタクリレート等の架橋性モノマーを少なくともモノマーの一成分として選択し、その含有量を全油溶性モノマー中、5〜90モル％、好ましくは10〜80モル％とすることが、後の工程でイオン交換基量を多く導入するに際して必要な機械的強度が得られる点で好ましい。
【００２５】
界面活性剤は、イオン交換基を含まない油溶性モノマーと水とを混合した際に、油中水滴型（Ｗ/Ｏ）エマルジョンを形成できるものであれば特に制限はなく、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノパルミテート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタントリオレエート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート等の非イオン界面活性剤；オレイン酸カリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、スルホコハク酸ジオクチルナトリウム等の陰イオン界面活性剤；ジステアリルジメチルアンモニウムクロライド等の陽イオン界面活性剤；ラウリルジメチルベタイン等の両性界面活性剤を用いることができる。これら界面活性剤は、一種単独または２種類以上を組み合わせて使用することができる。なお、油中水滴型エマルジョンとは、油相が連続相となり、その中に水滴が分散しているエマルジョンを言う。上記界面活性剤の添加量は、油溶性モノマーの種類および目的とするエマルジョン粒子（マクロポア）の大きさによって大幅に変動するため一概には言えないが、油溶性モノマーと界面活性剤の合計量に対して約2〜70％の範囲で選択することができる。また、必ずしも必須ではないが、多孔質イオン交換体の気泡形状やサイズを制御するために、メタノール、ステアリルアルコール等のアルコール；ステアリン酸等のカルボン酸；オクタン、ドデカン等の炭化水素を系内に共存させることもできる。
【００２６】
重合開始剤としては、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は水溶性であっても油溶性であっても良く、例えば、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスシクロヘキサンニトリル、アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、過酸化ベンゾイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素-塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム-酸性亜硫酸ナトリウム、テトラメチルチウラムジスルフィド等が挙げられる。ただし、場合によっては、重合開始剤を添加しなくても加熱のみや光照射のみで重合が進行する系もあるため、そのような系では重合開始剤の添加は不要である。
【００２７】
イオン交換基を含まない油溶性モノマー、沈殿剤、界面活性剤、水および重合開始剤とを混合し、油中水滴型エマルジョンを形成させる際の混合順序としては特に制限はなく、各成分を一括して一度に混合する方法；油溶性モノマー、沈殿剤、界面活性剤および油溶性重合開始剤である油溶性成分と、水や水溶性重合開始剤である水溶性成分とを別々に均一溶解させた後、それぞれの成分を混合する方法等が使用できる。エマルジョンを形成させるための混合装置についても特に制限はなく、通常のミキサーやホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、遊星式攪拌装置等を用いることができ、目的のエマルジョン粒径を得ることができる乳化条件を任意に設定することができる。
【００２８】
このようにして得られた油中水滴型エマルジョンを重合させる重合条件は、モノマーの種類、重合開始剤系により様々な条件が選択できる。例えば、重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル、過硫酸カリウム等を用いたときには、不活性雰囲気下の密封容器内において、30〜100℃で1〜48時間加熱重合させればよく、重合開始剤として過酸化水素-塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム-酸性亜硫酸ナトリウム等を用いたときには、不活性雰囲気下の密封容器内において、0〜30℃で1〜48時間重合させれば良い。重合終了後、内容物を取り出し、必要であれば、未反応モノマーと界面活性剤除去を目的に、イソプロパノール等の溶剤で抽出して多孔質体を得る。
【００２９】
上記の有機多孔質体にイオン交換基を導入する方法としては、特に制限はなく、高分子反応やグラフト重合等の公知の方法を用いることができる。例えばスルホン酸基を導入する方法としては、有機多孔質体がスチレン-ジビニルベンゼン共重合体等であればクロロ硫酸や濃硫酸、発煙硫酸を用いてスルホン化する方法；有機多孔質体にラジカル開始基や連鎖移動基を導入し、スチレンスルホン酸ナトリウムやアクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸をグラフト重合する方法；同様にグリシジルメタクリレートをグラフト重合した後、官能基変換によりスルホン酸基を導入する方法等が挙げられる。また、四級アンモニウム基を導入する方法としては、有機多孔質体がスチレン-ジビニルベンゼン共重合体等であればクロロメチルメチルエーテル等によりクロロメチル基を導入した後、三級アミンと反応させる方法；有機多孔質体をクロロメチルスチレンとジビニルベンゼンの共重合により製造し、三級アミンと反応させる方法；有機多孔質体にラジカル開始基や連鎖移動基を導入し、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルアンモニウムエチルアクリレートやＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルアンモニウムプロピルアクリルアミドをグラフト重合する方法；同様にグリシジルメタクリレートをグラフト重合した後、官能基変換により四級アンモニウム基を導入する方法等が挙げられる。なお、導入するイオン交換基としては、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、スルホン酸基、アミノリン酸基、リン酸基、リン酸エステル基等のカチオン交換基；四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン、第三スルホニウム基、ホスホニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
【００３０】
また、脱イオン室に充填する多孔質イオン交換体として、上記の有機多孔質イオン交換体に替えて、有機多孔質イオン交換体と一体となるように少なくとも一方に緻密層を形成させた複合多孔質イオン交換体を用いれば、電気式脱イオン水製造装置を作製する際、該緻密層側のイオン交換膜を省略することもできる。ここでいう緻密層とは、多孔質ポリマーの骨格の高分子材料と同じ高分子材料よりなり、水の透過を阻止する機能を有する層をいう。緻密層を有する複合多孔質イオン交換体は、例えば、前記油中水滴型エマルジョンを一部が疎水性材料で構成された容器に充填した後静置して、該疎水性材料の表面に油溶性モノマーの連続膜を形成せしめた後重合させるか、または前記油中水滴型エマルジョンを重合させて多孔質ポリマーを得た後、緻密層を形成させる表面部分に、必要に応じて重合開始剤を添加した油溶性モノマーを塗布して、再度重合させて得られる複合多孔質重合体に、前記と同様の方法によってイオン交換基を導入して製造することができる。更に、本発明の電気式脱イオン水製造装置の脱イオン室に充填する有機多孔質イオン交換体として、上記の有機多孔質イオン交換体とメソポアの平均径が1μｍ未満、好ましくは0.5μｍ未満である多孔質イオン交換体とを組み合わせて用いることで、イオン交換膜を省略することもできる。上記メソポアの平均径が1μｍ未満、好ましくは0.5μｍ未満である多孔質イオン交換体は、メソポア径が著しく小さいため、通常の運転条件では、イオンは透過するが水の透過は極めて僅かとなり、イオン交換膜を代替しうるものとなる。
【００３１】
脱イオン室に充填するイオン交換体として従来のイオン交換体を用いた場合、イオン交換体内部における電流伝達、すなわち、電子及びイオンの伝達は、高分子ゲル内に均一且つ密に存在するイオン交換基を介して低抵抗で行われるのに対し、イオン交換体界面においては、イオン及び電子の移動に際し、イオンの場合には該イオンの水中の泳動距離が、また、電子の場合には水分子間の水素結合を介した電子伝達経路が長く、かつイオン交換体同士の接触面積が小さいのでイオンの流れが該接触部に集中し、電流伝達の阻害要因、すなわち、電気抵抗の原因となり、イオン交換体由来の電気抵抗の主要因となっている。これに対して、前述の有機多孔質イオン交換体を充填材とすれば、充填作業が簡素化され、かつその優れた電気伝導性によって電圧が低下して運転時の消費電力を低減することが可能であり、更に好適である。
【００３２】
本発明において、被処理水としては、脱イオン処理を目的とするものであり、濁質を含まないものであれば特に限定されないが、例えば、濁度１度程度以下の工業用水や市水などを挙げることができる。
【００３３】
次に、本発明の第１の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１を参照して説明する。図１は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図１の電気式脱イオン水製造装置２０Ａは、被処理水から陽イオン性不純物を除去する電気式脱陽イオン水製造装置２０ａと、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの処理水から陰イオン性不純物を除去する電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂとからなるものである。電気式脱陽イオン水製造装置２０ａは、一側のイオン交換膜１７と他側の陽イオン交換膜１で区画される脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、一側のイオン交換膜１７の外側に配設される陽極１０と、他側の陽イオン交換膜１の外側に配設される陰極９と、脱陽イオン室６中の他側の陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、該脱陽イオン室６中の一側のイオン交換膜１７近傍に配設される第１処理水集水部４ａとを有するものである。すなわち、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの多孔質陽イオン交換体１５内における通水方向は図１中の実線の矢印方向である下から上である。
【００３４】
一方、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂは、一側の陰イオン交換膜２と他側のイオン交換膜１７で区画される脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側の陰イオン交換膜２の外側に配設される陽極１０と、他側のイオン交換膜１７の外側に配設される陰極９と、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの第１処理水集水部４ａと連通管５ａで接続される脱陰イオン室７中の一側の陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の他側のイオン交換膜１７近傍に配設される第２処理水集水部４ｂとを有するものである。すなわち、電気式脱陽イオン水製造装置２０ｂの多孔質陰イオン交換体１６内における通水方向は図１中の実線の矢印方向である上から下である。
【００３５】
本例の電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの脱陽イオン室６に充填される有機多孔質陽イオン交換体１５としては、前述の有機多孔質陽イオン交換体が好適であり、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの脱陰イオン室７に充填される有機多孔質陰イオン交換体１６としては、前述の有機多孔質陰イオン交換体が好適である。また、脱陽イオン室６及び脱陰イオン室７の形状としては、排除されるイオンが、多孔質イオン交換体内の通水方向に対して逆方向に泳動するように電場を印加することができれば、特に制限されないが、例えば円柱状又は直方体状とすることが構成部材の製造のし易さ等の点から好適である。また、被処理水が移動する距離、即ち脱陽イオン室６及び脱陰イオン室７を構成する多孔質イオン交換体充填層の有効厚みは、２０〜６００mm、好ましくは３０〜３００mmとすることが、電気抵抗値や通水差圧を低い値に抑えつつ脱イオン処理を確実に行うことができる点で好適である。両側のイオン交換膜で区画される脱イオン室への有機多孔質イオン交換体の充填方法としては、特に制限されず、例えば脱イオン室に合わせた形状の多孔質イオン交換体を製造してそのまま充填してもよいし、また、複数に分割した層状の有機多孔質イオン交換体を積層して充填してもよい。
【００３６】
陽イオン交換膜としては、陽イオンのみを透過させ、その両側の水を隔離できるものであれば、特に限定されないが、例えばフッ素樹脂母体に-ＳＯ3-基を導入した強酸性陽イオン交換膜（例えばNafion 117やNafion 350（デュポン社製））及びスチレン−ジビニルベンゼン共重合体母体に-ＳＯ3-基を導入した強酸性陽イオン交換膜（例えばネオセプタ CMX（徳山曹達社製））等が挙げられる。陰イオン交換膜としては、陰イオンのみを透過させ、その両側の水を隔離できるものであれば、特に限定されないが、例えばフッ素樹脂母体に陰イオン交換基を導入した陰イオン交換膜（例えばTOSFLEX IE-SA, TOSFLEX IE-DF, TOSFLEX IE-SF（東ソー社製））及びスチレン−ジビニルベンゼン共重合体母体に陰イオン交換基を導入した陰イオン交換膜（例えばネオセプタ AMH（徳山曹達社製））等が挙げられる。また、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａで用いるイオン交換膜１７は、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜のいずれかを用いることができる。
【００３７】
また、陰極９及び陽極１０としては、金属、合金、金属酸化物、これらのいずれかを基板としてメッキまたはコーティングしたもの及び焼結炭素等の導電性材料を用いることができ、その形状としては、板状、パンチングメタル及びメッシュ状等のものを用いることができる。特に、陽極１０の材質としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、β−ＰｂＯ2、ＮｉＦｅ2Ｏ4等が耐酸性に優れ、酸化され難い点で好適である。また、陰極９の材質としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、炭素鋼、ステンレス、Ａｇ、Ｃｕ、グラファイト、ガラス質カーボン等が耐アルカリ性に優れる点で好適である。
【００３８】
電極とイオン交換膜の配置は、電極とイオン交換膜を直接接触させる配置とすることが、運転時の電圧を下げて消費電力を低減させることができる点で好適である。電極とイオン交換膜を直接接触させる場合、特に陽極側においては、フッ素樹脂母体のイオン交換膜を用いて、強い酸化作用によるイオン交換膜の劣化を防ぐ必要がある。フッ素樹脂母体以外のイオン交換膜を用いる場合は、ポリオレフィン製メッシュなどの不導体スペーサーを電極とイオン交換膜の間に挿入することが、電極とイオン交換膜の直接の接触を避け、イオン交換膜を劣化から保護することができる点で好適である。ただし、フッ素樹脂母体のイオン交換膜であっても、脱陰イオン室７の陽極側のように第４級アンモニウム基などの陰イオン交換基が導入された陰イオン交換膜２と陽極１０が配設される場合は、ポリオレフィン製メッシュなどの不導体スペーサーを陽電極１０と陰イオン交換膜２の間に挿入することが、陰イオン交換基の酸化を防止して、イオン交換膜を劣化から保護することができる点で好適である。
【００３９】
電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、第１及び第２被処理水導入分配部３ａ、３ｂ及び第１及び第２処理水集水部４ａ、４ｂとしては、例えば脱イオン室内に均等な被処理水の流れを形成せしめるように、脱イオン室形状に合わせて、配管に細孔を開けた分配管および集水管を同心円状や等間隔平行線状に多孔質イオン交換体内に埋設させる方法、及び多孔質イオン交換体の被処理水導入分配部と処理水集水部に溝を切り、多孔質イオン交換体そのものに被処理水分配及び処理水集水機能を持たせる方法が挙げられ、この中、多孔質イオン交換体そのものに被処理水分配及び処理水集水機能を持たせる方法が、別途の配管部材を用意することもなく簡単に作製することができる点で好適である。
【００４０】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、直流電流の配置形態としては、脱陽イオン室６と脱陰イオン室７の各室に個別の電源をおいて独立して通電する方法、又は単一の直流電源を用いて脱陽イオン室６と脱陰イオン室７を直列に接続して通電する方法が挙げられる。脱陽イオン室６と脱陰イオン室７を並列に接続して通電する方法は、一般に各脱イオン室の電気抵抗値が異なるため、脱イオン室間で通電電流値に差が生じ、吸着イオンの充分な排出を阻害する恐れがあるので好ましくない。
【００４１】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、直流電流の通電方法としては、イオン組成の変化などによって生じる多孔質イオン交換体の電気抵抗値の変動に合わせて自動的に電圧値を変動させる定電流運転が、流入するイオン負荷を電気的に効率的に排除することができる点で好ましい。必要電流値は、排除すべきイオン量、即ち被処理水の水質及び処理流量によって決定される。更に、断続運転の場合には、被処理水の水質や処理流量に加えて、通水時間と停止時間によっても必要電流値は異なる。このように、必要電流値は種々の条件によって変化するため、一概に決定することが困難であるが、電気式脱イオン水製造装置における電流効率に水質変動などを見越した安全率を加えた値と、次式で得られる必要最低電流値を乗じた値とすればよい。
【００４２】
脱陽イオン室における必要最低電流値Imin（Ａ）＝ＭｃＱＦ／（602×103）；
脱陰イオン室における必要最低電流値Imin（Ａ）＝ＭａＱＦ／（602×103）；
式中、Ｍｃは被処理水の全陽イオン（meq/l）、Ｍａは全陰イオン（meq/l）、Ｑは処理流量（l/h）、Ｆはファラデー定数（C/mol）である。なお、電流効率とは電流がイオンの排除に使われる率であって、本発明の電気式脱イオン水製造装置では９５〜１００％である。
【００４３】
また、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａの運転方法としては、連続運転及び断続運転のいずれでもよく、例えば被処理水の装置への連続通水及び連続通電による連続運転方法及び被処理水の通水を一定時間停止し、その通水停止時間のみ又は通水停止時間と通水時間の双方で直流電流を通電する断続運転方法とすることもできる。
【００４４】
電気式脱陽イオン水製造装置２０ａにおいて、被処理水は脱陽イオン室６の陰極９側から導入され、第１被処理水導入分配部３ａによって多孔質陽イオン交換体１５に均等に分配される。次いで、被処理水は多孔質陽イオン交換体１５内において陽イオンＸ+を吸着除去されながら陽極１０側へ移動し、酸性軟水となって第１処理水集水部４ａによって集水され第１処理水として脱陽イオン室６から排出される。次いで、該酸性軟水は連通管５ａによって脱陰イオン７室内の陽極１０側に導入され、同様に第２被処理水導入分配部３ｂによって多孔質陰イオン交換体１６に均等に分配される。次いで、被処理水である第１処理水は多孔質陰イオン交換体１６内において陰イオンＹ-を吸着除去されながら陰極９側へ移動し、第２処理水集水部４ｂによって集水され第２処理水として脱陰イオン室７から排出される。
【００４５】
一方、脱陽イオン室６で有機多孔質陽イオン交換体１５に吸着された陽イオンＸ+は、脱陽イオン室６の両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陰極９側の陽イオン交換膜１を通過して陰極室１２へ排出される。同様に、脱陰イオン室７で有機多孔質陰イオン交換体１６に吸着された陰イオンＹ-は、脱陰イオン室７の両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陽極１０側の陰イオン交換膜２を通過して陽極室１３へ排出される。
【００４６】
陰極室１２に排出された不純物陽イオンは、電極室入口Ｃから流入し、電極室出口ｃから流出する電極水に取り込まれ系外に排出される。同様に陽極室１３に排出された不純物陰イオンは、電極室入口Ｄから流入し、電極室出口ｄから流出する電極水に取り込まれ系外に排出される。電極水は被処理水の一部を分岐させて４つの電極室に独立に流してもよく、また、陽極水系及び陰極水系の２系統にそれぞれ流すようにしてもよい。また、電極水は常時流してもよく、断続的に適宜流してもよい。
【００４７】
かかる操作により、多孔質イオン交換体内における吸着不純物イオンの濃度分布は、常に被処理水流入側において高く、流出側において低い。このため、処理水集水部４付近における多孔質イオン交換体はほぼ完全再生形が維持されるため、被処理水中の不純物イオンを低濃度まで吸着することが可能であり、高純度の脱イオン水を安定してユースポイント等に供給することができる。また、不純物陽イオンと不純物陰イオンは、それぞれ別個に装置外へ排出されるため、従来の電気式脱イオン水製造装置のように装置内において混合されることがなく、被処理水にカルシウムやマグネシウムなどの硬度成分が含まれた場合でも、装置内にスケールが発生することがない。
【００４８】
なお、電気式脱イオン水製造装置２０Ａの通水方法として、上記以外に、例えば被処理水を電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂで処理し、次いで電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの処理水を電気式脱陽イオン水製造装置２０ａで処理する方法を採ることができる。この方法は、軟水のようにカルシウム、マグネシウムなどの硬度成分を含まない被処理水に適用することができる。しかし、このような軟水以外の水を処理する場合は、被処理水の通水順序を脱陽イオン室６から脱陰イオン室７とすることが、通水順序を逆にした場合に起こりうる脱陰イオン室７内における硬度成分の析出を防止することができる点で好適である。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図２を参照して説明する。図２は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図２において、図１と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。図２の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂにおいて図１と異なる点は、電極１組を省略して、１組の電極間に脱陽イオン室と脱陰イオン室を併設した点にある。すなわち、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂは、一側の陽イオン交換膜１と、一側の陽イオン交換膜１と他側の陰イオン交換膜２の間に形成される中間陽イオン交換膜１とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、他側の陰イオン交換膜２と中間陽イオン交換膜１で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側の陽イオン交換膜１の外側に配設される陰極９と、他側の陰イオン交換膜２の外側に配設される陽極１０と、脱陽イオン室６中の一側の陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、脱陽イオン室６中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第１処理水集水部４ａと、第１処理水集水部４ａと連通管５ｂで接続される脱陰イオン室７中の他側の陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第２処理水集水部４ｂと、を備えるものである。
【００５０】
電気式脱イオン水製造装置２０Ｂにおいては、電気式脱イオン水製造装置２０Ａと同様、被処理水は脱陽イオン室６の陰極９側から導入され、第１被処理水導入分配部３ａによって多孔質陽イオン交換体１５に均等に分配される。次いで、被処理水は多孔質陽イオン交換体１５内において陽イオンＸ+を吸着除去されながら中間陽イオン交換膜１側へ移動し、酸性軟水となって第１処理水集水部４ａによって集水され第１処理水として脱陽イオン室６から排出される。次いで、第１処理水は連通管５ｂによって脱陰イオン室７内の陽極１０側に導入され、同様に第２被処理水導入分配部３ｂによって多孔質陰イオン交換体１６に均等に分配される。次いで、被処理水である第１処理水は多孔質陰イオン交換体１６内において陰イオンＹ-を吸着除去されながら中間陽イオン交換膜１側へ移動し、第２処理水集水部４ｂによって集水され第２処理水として脱陰イオン室７から排出される。
【００５１】
一方、脱陽イオン室６で有機多孔質陽イオン交換体１５に吸着された陽イオンＸ+は、該装置２０Ｂの両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陰極９側の陽イオン交換膜１を通過して陰極室１２へ排出される。同様に、脱陰イオン室７で有機多孔質陰イオン交換体１６に吸着された陰イオンＹ-は、同様に陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陽極１０側の陰イオン交換膜２を通過して陽極室１３へ排出される。第２の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂによれば、第１の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａと同様の効果を奏する他、電極１組を省略して装置の小型化、簡素化を図ることができる。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図３を参照して説明する。図３は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図３において、図１と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。図３の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃにおいて図１と異なる点は、電極１組を省略して、１組の電極間に脱陽イオン室と脱陰イオン室を併設すると共に、排除するイオンを中央に設けた濃縮室に集める構造とした点にある。すなわち、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃは、一側のイオン交換膜１７と、一側のイオン交換膜１７と他側のイオン交換膜１７の間に形成される中間陽イオン交換膜１とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、中間陽イオン交換膜１と、中間陽イオン交換膜１と他側のイオン交換膜１７の間に形成される中間陰イオン交換膜２とで区画される濃縮室１１と、他側のイオン交換膜１７と中間陰イオン交換膜２で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側のイオン交換膜１７の外側に配設される陽極１０と、他側のイオン交換膜１７の外側に配設される陰極９と、脱陽イオン室６中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、脱陽イオン室６中の一側のイオン交換膜１７近傍に配設される第１処理水集水部４ａと、第１処理水集水部４ａと連通管５ｂで接続される脱陰イオン室７中の中間陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の他側のイオン交換膜１７近傍に配設される第２処理水集水部４ｂとを備えるものである。
【００５３】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃにおいて、脱陽イオン室６における被処理水の通水方向は中央の濃縮室１１側から陽極１０側に向かう方向であり、排除される陽イオンＸ+はその逆方向である。また、脱陰イオン室７における被処理水の通水方向は中央の濃縮室１１側から陰極９側に向かう方向であり、排除される陰イオンＹ-はその逆方向である。濃縮室１１に流入した不純物イオンは、濃縮室入口Ｂから流入し、濃縮室出口ｂから流出する濃縮水に取り込まれて系外に排出される。濃縮室１１を流れる濃縮水は、例えば被処理水の一部が使用できる。電気式脱イオン水製造装置２０Ｃによれば、電気式脱イオン水製造装置２０Ｂと同様の効果を奏することができる。しかし、カルシウムイオンやマグネシウムイオン等の陽イオンと炭酸イオン等の陰イオンが濃縮室１１内で混合されるため、濃縮室１１内の陰イオン交換膜２面にスケールが発生する恐れがある。従って、電気式脱イオン水製造装置２０Ｃの前段部分に、軟化や一次脱塩などを行う前処理手段を設置することが望ましい。
【００５４】
本発明の電気式脱イオン水製造装置においては、電極反応によって、陽極において酸素及び塩素などのガスが少量生成し、陰極において水素などのガスが少量生成する。このため、各電極室又は電極水配管の途中には、気液分離手段と排ガス配管を設け、常時または断続的に生成ガスを排出し、更に、ガスの種類に応じた適正な処理を経て系外に放出する。また、同様に電極反応によって、特に陰極でカルシウム等の金属が析出することがある。この場合、一定運転時間毎に電極の極性を反転させる方法、電極水配管に１mol/ｌ程度の硝酸などの酸を通液して酸洗浄を行う方法又はこれらを複合させた方法により、電極機能を維持することが好適である。
【００５５】
本発明の電気式脱イオン水製造装置は、従来のイオン交換装置と同様の応用や組み合わせが可能であり、例えば、脱陽イオン室のみを用いて軟化装置としたり、後段に混床式イオン交換器を付けて、更に処理水質の高純度化を図ることなどができる。
【００５６】
【実施例】
次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。
【００５７】
（多孔質陽イオン交換体の製造）
スチレン８３．１ｇ、ジビニルベンゼン２０．７ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．４２ｇ及びソルビタンモノオレエート１１．４ｇを混合し、均一に溶解させた。次に、当該スチレン／ジビニルベンゼン／アゾビスイソブチロニトリル／ソルビタンモノオレエート混合物を１３５０mlの純水に添加し、ホモジナイザーを用いて２万回転／分で２分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、油中水滴型エマルジョンをステンレス製のオートクレーブに移し、窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで２４時間ソックスレー抽出し、未反応モノマーとソルビタンモノオレエートを除去した後、４０℃で一昼夜減圧乾燥した。このようにして得られたスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を１４モル％含有した多孔質体に、テトラクロロエタン１５００ｇを加え、６０℃で３０分加熱した後、室温まで冷却し、クロロ硫酸７５ｇを徐々に加え、室温で２４時間反応させた。その後、酢酸を加え、多量の水中に反応物を投入し、水洗、乾燥して多孔質陽イオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で４．０mg当量/ ｇであり、ＥＰＭＡを用いた硫黄原子のマッピングにより、スルホン酸基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０μm のマクロポアの大部分が重なり合い、マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値は５μm 、全細孔容積は、１０．１ml/gであった。
【００５８】
（多孔質陰イオン交換体の製造）
スチレン８３．１g の代わりに、ｐ- クロロメチルスチレン５４．０g を用い、ジビニルベンゼン５１．９ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．７８ｇとした以外、上記多孔質陽イオン交換体の製造と同様の油中水滴型エマルジョンの重合を行い、ｐ−クロロメチルスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を５０モル％含有した多孔質体を製造した。この多孔質体に、ジオキサン１５００ｇを加え８０℃で３０分加熱した後、室温まで冷却し、トリメチルアミン（３０％）水溶液１９５ｇを徐々に加え、５０℃で３時間反応させた後、室温で一昼夜放置した。反応終了後、多孔質体を取り出し、アセトンで洗浄後水洗し、乾燥して多孔質陰イオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で２．５mg当量／ｇであり、ＳＩＭＳにより、トリメチルアンモニウム基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０μm のマクロポアの大部分が重なり合い、マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値は４μm 、全細孔容積は９．９ml/gであった。
【００５９】
（電気式脱陽イオン水製造装置の作製）
図１に示すような電気式脱イオン水製造装置２０Ａを作製するため、先ず電気式脱陽イオン水製造装置２０ａを作製した。得られた多孔質陽イオン交換体から、純水湿潤状態で縦１００mm、横１００mm、厚さ１０mmの直方体５個と、縦１００mm、横１００mm、厚さ５mmの直方体２個を切り出して脱イオン室に積層充填する充填材を得た。次いで、厚さ５mmの充填材２個と、厚さ１０mmの充填材２個の片面に、図４に示したような間隔（ｗ）１０mm、幅（ｓ）２mmの複数条の縦溝２１、縦溝２１の一端を繋げる横溝２２、横溝２２と不図示の外部配管に繋げる導入溝２３を切削加工により形成した。次いで厚さ５mmの充填材を溝部２４が装置内部を向くように配置して最上部及び最下部とし、その間に厚さ１０mmの充填材５個を積層した。このとき、厚さ１０mmの充填材の中、上部と下部の充填材はその溝部２４が厚さ５mmの充填材の溝部２４と向き合うように配置し、被処理水導入分配部３及び処理水集水部４を形成した。このように作製されたブロック状多孔質陽イオン交換体１５は、縦１００mm、横１００mm、全充填層高６０mmであり、被処理水導入分配部３の中心から処理水集水部４の中心までの高さ、即ち有効イオン交換体層高が５０mmであった。次いで、ブロック状多孔質陽イオン交換体１５の他側に陽イオン交換膜（Nafion 350；デュポン社製）を、一側に陽イオン交換膜（Nafion 350；デュポン社製）をそれぞれ密着させて配設した。更に、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陽極１０を、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陰極９を配置した。得られた構造体を、適宜ノズルやリード線取り出し口を有するポリ塩化ビニル製のケース内に構築し、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａを作製した。
【００６０】
（電気式脱陰イオン水製造装置の作製）
得られた多孔質陰イオン交換体について、前記と同様の方法により充填材を得ると共に、被処理水導入分配部３及び処理水集水部４を形成してブロック状多孔質陰イオン交換体１６を得た。次いで、ブロック状多孔質陰イオン交換体１６の一側に陰イオン交換膜２（ネオセプタ AMH；徳山曹達社製）を、他側に陽イオン交換膜（Nafion 350；デュポン社製）をそれぞれ密着させて配設した。更に、陰イオン交換膜２の外側面に白金メッシュ状の陽極１０を、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陰極９を配置した。なお、陽極１０と陰イオン交換膜２の間にはポリテトラフロロエチレン製メッシュを介在させた。得られた構造体を、適宜ノズルやリード線取り出し口を有するポリ塩化ビニル製のケース内に構築し、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂを作製した。
【００６１】
（電気式脱イオン水製造装置の作製）
得られた電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの処理水集水部４の開口と電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの被処理水導入分配部３の開口を連通管５ａで接続し、４つの電極室には被処理水の一部を独立して供給するようにした。また、電源として直流電源１個を用い、脱陽イオン室と脱陰イオン室が直列に接続されるように配線して、電気式脱イオン水製造装置２０Ａを得た。
【００６２】
（電気式脱イオン水製造装置の運転）
得られた電気式脱イオン水製造装置２０Ａに、導電率１２０μS/cmの市水を被処理水として流速１００l/hで連続通水し、４．５Ａの直流電流を通電したところ、操作電圧は３６Ｖで、導電率０．１μS/cmの処理水が得られ、本発明の電気式脱イオン水製造装置によって純度の高い純水が生成されることが示された。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の電気式脱イオン水製造装置は、脱イオン室充填材として３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体を用い、且つ排除されるイオンが脱イオン室内の通水方向に対して逆方向に泳動するように電場を印加するため、電気式脱イオン水製造装置の構造を簡略化して、材料費、加工費、組み立て費を軽減できる。また、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケール発生の可能性が全くなく、従って、一次脱塩や軟化などの前処理を必要としないため、処理水の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図４】被処理水導入分配部又は処理水集水部となる多孔質イオン交換体表面の溝部を例示した図である。
【図５】従来の電気式脱イオン水製造装置の模式断面図である。
【図６】従来の電気式脱イオン水製造装置に用いられている脱イオンモジュールの組立図である。
【符号の説明】
１、１０１           陽イオン交換膜
２、１０２           陰イオン交換膜
３ａ、３ｂ           第１、第２被処理水導入分配部
４ａ、４ｂ           第１、第２処理水集水部
５ａ、５ｂ           連通管
６                   脱陽イオン室
７                   脱陰イオン室
９、１０９           陰極
１０、１１０         陽極
１１、１０５         濃縮室
１２、１１２         陰極室
１３、１１３         陽極室
１５                 多孔質陽イオン交換体
１６                 多孔質陰イオン交換体
１７、１１７         陽イオン交換膜、または陰イオン交換膜
２０Ａ〜２０Ｃ       電気式脱イオン水製造装置
２４                 溝部
１０４               脱イオン室
１０６               脱イオンモジュール
１０７               枠体
１０８               リブ
１１１               仕切膜
Ｂ                   濃縮水流入口
ｂ                   濃縮水流出口
Ｃ、Ｄ               電極水流入口
ｃ、ｄ               電極水流出口
【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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