(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側のカチオン交換膜、及び他側のアニオン交換膜で区画される室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置してなる電気式脱イオン水製造装置において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成されることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項２】
一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置してなる電気式脱イオン水製造装置において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成され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】
前記中間イオン交換膜と前記他側のアニオン交換膜で区画される一方の小脱塩室に充填されるイオン交換体は、アニオン交換体であり、前記一側のカチオン交換膜と前記中間イオン交換膜で区画される他方の小脱塩室に充填されるイオン交換体は、カチオン交換体とアニオン交換体の混合体であることを特徴とする請求項２記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
前記濃縮室の厚さが、０．２〜８．０mmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項５】
一側のカチオン交換膜、及び他側のアニオン交換膜で区画される室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置し、電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入すると共に、濃縮室に濃縮水を流入して被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を得る方法において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成されるものであることを特徴とする脱イオン水の製造方法。
【請求項６】
一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置し、電圧を印加しながら一方の小脱塩室に被処理水を流入し、次いで、該小脱塩室の流出水を他方の小脱塩室に流入すると共に、濃縮室に濃縮水を流入して被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を得る方法において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成されるものであることを特徴とする脱イオン水の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造分野、医薬製造分野、原子力や火力などの発電分野、食品工業などの各種の産業又は研究所施設において使用されるスケール発生防止型電気式脱イオン水製造装置及び脱イオン水の製造方法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】
この電気式脱イオン水製造装置は、一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜で区画される１つの室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置してなるものであり、電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入すると共に、濃縮室に濃縮水を流入して被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を得るものである。
【０００４】
近年、カチオン交換膜及びアニオン交換膜を離間して交互に配置し、カチオン交換膜とアニオン交換膜で形成される空間内に一つおきにイオン交換体を充填して脱塩室とする従前型の電気式脱イオン水製造装置に代えて、その脱塩室の構造を抜本的に改造した省電力型の電気式脱イオン水製造装置が開発されている。この省電力型の電気式脱イオン水製造装置は、一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置してなるものであり、電圧を印加しながら一方の小脱塩室に被処理水を流入し、次いで、該小脱塩室の流出水を他方の小脱塩室に流入すると共に、濃縮室に濃縮水を流入して被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を得るものである。このような構造の電気式脱イオン水製造装置によれば、２つの小脱塩室のうち、少なくとも１つの脱塩室に充填されるイオン交換体を例えばアニオン交換体のみ、又はカチオン交換体のみ等の単一イオン交換体もしくはアニオン交換体とカチオン交換体の混合交換体とすることができ、イオン交換体の種類毎に電気抵抗を低減し、且つ高い性能を得るための最適な厚さに設定することができる。
【０００５】
一方、このような電気式脱イオン水製造装置に流入する被処理水中の硬度が高い場合、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。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、脱塩室内において電流の不均一化が生じる。また、スケール付着量が更に増加すると通水差圧の上昇が生じると共に、電圧が更に上昇し、装置の最大電圧値を越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。更には、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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題を解決する一つの対策として、硬度が低い被処理水を電気式脱イオン水製造装置に流入させる方法がある。このような硬度が低い被処理水では、濃縮室内は溶解度積に達しないため、スケールの発生は起こり得ない。しかし、実際には、このような硬度が低い被処理水を通水処理した場合においても、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ことがあった。この場合、前述と同様、深刻な問題が発生する。このようなスケールの発生は、従前型の電気式脱イオン水製造装置においても、省電力型電気式脱イオン水製造装置においても、同様に観察される深刻な問題である。一方、従前型電気式脱イオン水製造装置のカチオン交換膜とアニオン交換膜で区画される濃縮室において、カチオン交換膜側に網目状のカチオン伝導スペーサを、アニオン交換膜側に網目状のアニオン伝導スペーサを充填する方法が知られている。この方法によれば、濃縮室内の流路を確保すると共に、低電圧化が可能である。しかし、スケールの発生防止という点では十分とは言えず、依然として、カチオン伝導スペーサ上、及びアニオン伝導スペーサ上にスケールが発生するという深刻な問題は解決されていない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、スケール発生の問題を、被処理水からの対策ではなく、電気式脱イオン水製造装置の濃縮室の構造面から解決し、長期間の連続運転においても、濃縮室内にスケールが発生しない電気式脱イオン水製造装置及び脱イオン水の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、電気式脱イオン水製造装置の濃縮室に、濃縮水の流出入方向に対して、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサを交互に積層充填すれば、該スペーサの網目形状による乱流発生効果と、陽イオン伝導スペーサと陰イオン伝導スペーサの濃縮水の流出入方向に対して交互に積層された効果により、濃縮水中の炭酸イオンやカルシウムイオンなどの濃度勾配を大きく低減でき、長期間の連続運転においても、濃縮室内にスケールが発生しないことを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明（１）は、一側のカチオン交換膜、及び他側のアニオン交換膜で区画される室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置してなる電気式脱イオン水製造装置において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成される電気式脱イオンを提供するものである。かかる構成を採ることにより、濃縮室の網目状のアニオン伝導スペーサ領域ではアニオン交換膜を透過したアニオンは濃縮水中に移動せず、導電性の高い該アニオン伝導スペーサを通り、カチオン交換膜まで移動し、ここで初めて濃縮水中に移動する。同様に、網目状のカチオン伝導スペーサ領域ではカチオン交換膜を透過したカチオンは濃縮水中に移動せず、導電性の高い該カチオン伝導スペーサを通り、アニオン交換膜まで移動し、ここで初めて濃縮水中に移動する。このため、濃縮室において、例えば、液中の炭酸イオンやカルシウムイオンなどの濃度勾配が大きく低減すると共に、高濃度部分での衝突が避けられる。また、上記の如く、カチオン交換膜あるいはアニオン交換膜に移動したイオンは、スペーサの網目形状による乱流発生効果により十分に攪拌されるため、濃縮室内でのスケールの蓄積が妨げられ、一層、炭酸カルシウムなどのスケールが発生し難くなる。
【００１０】
また、本発明（２）は、一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置してなる電気式脱イオン水製造装置において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成される電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、省電力型の電気式脱イオン水製造装置においても、前記発明と同様の効果を奏する。また、２つの小脱塩室のうち、少なくとも１つの脱塩室に充填されるイオン交換体を例えばアニオン交換体のみ、又はカチオン交換体のみ等の単一イオン交換体もしくはアニオン交換体とカチオン交換体の混合交換体とすることができ、イオン交換体の種類毎に電気抵抗を低減し、且つ高性能を得るための最適な厚さに設定することができる。また、濃縮室はより導電性が高まり、脱塩室の入口側から出口側の全体に渡り電流密度を均一化でき、消費電力を更に低減できる。
【００１１】
また、本発明（３）は、前記中間イオン交換膜と前記他側のアニオン交換膜で区画される一方の小脱塩室に充填されるイオン交換体は、アニオン交換体であり、前記一側のカチオン交換膜と前記中間イオン交換膜で区画される他方の小脱塩室に充填されるイオン交換体は、カチオン交換体とアニオン交換体の混合体である前記（２）の電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明と同様の効果を奏する他、アニオン成分を多く含む被処理水、特に、シリカ、炭酸等の弱酸性成分を多く含む被処理水を十分に処理することができる。
【００１２】
また、本発明（４）は、前記濃縮室の厚さが、０．２〜８．０mmである前記（１）〜（３）記載の電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、電気抵抗を低減すると共に、スケールの発生を防止し、通水差圧を上昇させることの無い最適な濃縮室厚さを決定することができる。
【００１３】
また、本発明（５）は、一側のカチオン交換膜、及び他側のアニオン交換膜で区画される室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置し、電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入すると共に、濃縮室に濃縮水を流入して被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を得る方法において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成されるものである脱イオン水の製造方法を提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明（１）と同様の効果を奏する。
【００１４】
また、本発明（６）は、一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室にイオン交換体を充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に配置し、電圧を印加しながら一方の小脱塩室に被処理水を流入し、次いで、該小脱塩室の流出水を他方の小脱塩室に流入すると共に、濃縮室に濃縮水を流入して被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を得る方法において、前記濃縮室は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填して形成されるものである脱イオン水の製造方法を提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明（２）と同様の効果を奏する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本実施の形態における電気式脱イオン水製造装置について図１を参照して説明する。図１は電気式脱イオン水製造装置の１例を示す模式図である。図１に示すように、カチオン交換膜３、中間イオン交換膜５及びアニオン交換膜４を離間して交互に配置し、カチオン交換膜３と中間イオン交換膜５で形成される空間内にイオン交換体８を充填して第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 を形成し、中間イオン交換膜５とアニオン交換膜４で形成される空間内にイオン交換体８を充填して第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 を形成し、第１小脱塩室ｄ1 と第２小脱塩室ｄ2 で脱塩室Ｄ1 、第１小脱塩室ｄ3 と第２小脱塩室ｄ4 で脱塩室Ｄ2 、第１小脱塩室ｄ5 と第２小脱塩室ｄ6 で脱塩室Ｄ3 、第１小脱塩室ｄ7 と第２小脱塩室ｄ8 で脱塩室Ｄ4 とする。また、脱塩室Ｄ2 、Ｄ3 のそれぞれ隣に位置するアニオン交換膜４とカチオン交換膜３で形成されるイオン交換体８ａを充填した部分は濃縮水を流すための濃縮室１とする。これを順次併設して図中、左より脱塩室Ｄ1 、濃縮室１、脱塩室Ｄ2 、濃縮室１、脱塩室Ｄ3 、濃縮室１、脱塩室Ｄ4 を形成する。また、脱塩室Ｄ1 の左にカチオン交換膜３を経て陰極室２ａを、脱塩室Ｄ4 の右にアニオン交換膜４を経て陽極室２ｂをそれぞれ設ける。また、中間イオン交換膜５を介して隣合う２つの小脱塩室において、第２小脱塩室の処理水流出ライン１２は第１小脱塩室の被処理水流入ライン１３に連接されている。
【００１６】
このような脱塩室は、図３に示すように、２つの枠体２１、２２と３つのイオン交換膜３、５、４によって形成される脱イオンモジュール２０からなる。すなわち、第１枠体２１の一側の面にカチオン交換膜３を封着し、第１枠体２１の内部空間にイオン交換体を充填し、次いで、第１枠体２１の他方の面に中間イオン交換膜５を封着して第１小脱塩室を形成する。次に中間イオン交換膜５を挟み込むように第２枠体２２を封着し、第２枠体２２の内部空間にイオン交換体を充填し、次いで、第２枠体２２の他方の面にアニオン交換膜４を封着して第２小脱塩室を形成する。第１脱塩室及び第２小脱塩室に充填されるイオン交換体としては、特に制限されないが、被処理水が最初に流入する第２小脱塩室にはアニオン交換体を充填し、次いで、第２小脱塩室の流出水が流入する第１小脱塩室にはアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体を充填することが、アニオン成分を多く含む被処理水、特に、シリカ、炭酸等の弱酸性成分を多く含む被処理水を十分に処理することができる点で好ましい。符号２３は枠体補強用のリブである。
【００１７】
また、濃縮室１は、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサが濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填される。これら網目状のイオン伝導スペーサの積層方法としては、特に制限されず、陰イオン伝導スペーサと陽イオン伝導スペーサの２床、陰イオン伝導スペーサと陽イオン伝導スペーサが交互に複数積層される複床のいずれであってもよい。また、濃縮室に充填される網目状のイオン伝導スペーサとしては、特に制限されず、２次元又は３次元の網目構造を有し、濃縮室に充填された場合、通水差圧を許容範囲内に保ちつつ、濃縮水に乱流を与えるもので、且つイオン交換基を有するものであればよく、例えば、ポリオレフィン系高分子を金型により斜交網状（メッシュ状）に成型し、この斜交網の表面に、イオン交換基を有するか、又はイオン交換基に転換可能な重合性単量体を、グラフト重合することにより得られるものが挙げられる。
【００１８】
ポリオレフィン系高分子の斜交網を使用するイオン伝導スペーサにおいて、ポリオレフィン系高分子としては、特に制限されず、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポエチレンテレフタレートなどが挙げられる。斜交網の形状としては、図２に示されるように、無数の線材が間隔ｍで配向する表側線材３１と無数の線材が間隔ｎで配向する裏側線材３２が各交点で図の如く交差し一体成型される平織りの斜交網３０が例示される。表側線材同士の間隔ｍと、裏側線材同士の間隔ｎとは、同一であっても異なっていてもよいが、通常、同一である。また、斜交網３０の厚みｗは、これを１枚濃縮室に充填する場合、濃縮室の厚みとほぼ一致する。斜交網３０の表面にグラフト重合させる重合性単量体は、イオン交換基を有するか、又はイオン交換基に転換可能な重合性単量体の中から選択できるが、例えば、カチオン交換基としては、スルホン基、カルボキシル基などが挙げられ、アニオン交換基としては、四級アンモニウム基、三級アミン基などが挙げられる。イオン交換基が導入された斜交網の目開きとしては、特に制限されないが、１０〜９０％、好ましくは３０〜７０％である。目開きが大きすぎると、当該濃縮室を区画する両側のイオン交換膜同士の電気的導通が得られず、イオンの移動がなく、濃縮水中のイオン濃度勾配を低減することはできない。一方、目開きが小さ過ぎると、濃縮水の通水差圧が許容以上に上昇してしまう点で好ましくない。イオン交換基が導入された斜交網は、濃縮室内に網目を両側のイオン交換膜に向けて充填されるが、その充填量は１枚であっても、複数枚を重ね合わせる充填のいずれであってもよい。また、斜交網は、図２のものの他、綾織状であってもよく、また、網目の形状は、菱形、四角形、円形、楕円形などが使用できる。網目形状が四角形の平織りの斜交網の場合、該四角形の一辺が約０．５〜５．０mm、好ましくは１．０〜３．０mm程度のものである。
【００１９】
濃縮室１は、例えば、図３に示すように、１側のアニオン交換膜４と、他側のカチオン交換膜３で、定型寸法に切断された網目状のイオン伝導スペーサ８１、８２を挟み込んで作製される。図３では、網目状のイオン伝導スペーサは、上側の陰イオン伝導スペーサ８１と下側の陽イオン伝導スペーサ８２の２床の積層床８ａからなる。すなわち、平板積層型の電気式脱イオン水製造装置の濃縮室内に、１枚の陽イオン伝導スペーサ８１と陽イオン伝導スペーサ８１と同じ大きさの１枚の陰イオン伝導スペーサ８２の２床を積層充填する場合、２床で形成されるイオン伝導スペーサの縦横寸法は略両側のイオン交換膜３、４と同じであり、厚み寸法ｗが濃縮室内の厚みとなる。濃縮室１において、濃縮水の流出入方向に対して積層充填されるイオン伝導スペーサの順序としては、特に制限されず、濃縮水入口側から網目状の陽イオン伝導スペーサ、網目状の陰イオン伝導スペーサの順序でも、網目状の陰イオン伝導スペーサ、網目状の陽イオン伝導スペーサの順序でも、いずれでもよい。また、異なるイオン伝導スペーサ同士の端面部分は、大きな隙間が生じない限りは、特に制限されず、端面同士が当接あるいは近接させて、積層充填される。このように、網目状の陽イオン伝導スペーサ及び陰イオン伝導スペーサを両イオン交換膜で区画される濃縮室内に、均質に積層充填すれば、当該濃縮室を区画する両側のイオン交換膜同士の電気的導通が得られ、イオンの移動が行われ、濃縮水中のイオン濃度勾配を低減することができる。また、このイオン濃度の低減効果は、スペーサの網目形状に起因する乱流発生効果により、更に高められる。一方、濃縮室の厚さは、０．２〜８．０mm、好ましくは、０．５〜５．０mm、更に好ましくは０．８〜２．５mmである。濃縮室の厚さが０．２mm未満であると、例え、網目状の陽イオン伝導スペーサと網目状の陰イオン伝導スペーサを濃縮水の流出入方向に対して、交互に積層充填しても、スケール発生防止効果が得られ難くなり、通水差圧も発生し易い。また、８．０mmを越えると、電気抵抗が高くなり消費電力が増大する。
【００２０】
前記電気式脱イオン水製造装置は、通常、以下のように運転される。すなわち、陰極６と陽極７間に直流電流を通じ、また被処理水流入ライン１１から被処理水が流入すると共に、濃縮水流入ライン１５から濃縮水が流入し、かつ陰極水流入ライン１７ａ、陽極水流入ライン１７ｂからそれぞれ陰極水、陽極水が流入する。被処理水流入ライン１１から流入した被処理水は第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 を流下し、イオン交換体８の充填層を通過する際に不純物イオンが除去される。更に、第２小脱塩室の処理水流出ライン１２を通った流出水は、第１小脱塩室の被処理水流入ライン１３を通って第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 を流下し、ここでもイオン交換体８の充填層を通過する際に不純物イオンが除去され脱イオン水が脱イオン水流出ライン１４から得られる。また、濃縮水流入ライン１５から流入した濃縮水は各濃縮室１を上昇し、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４を介して移動してくる不純物イオン、更には後述するように、濃縮室内のイオン伝導スペーサ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室流出ライン１６から流出され、さらに陰極水流入ライン１７ａから流入した陰極水は陰極水流出ライン１８ａから流出され、陽極水流入ライン１７ｂから流入した陽極水は、陽極水流出ライン１８ｂから流出される。上述の操作によって、被処理水中の不純物イオンは電気的に除去される。
【００２１】
次に、本発明の電気式脱イオン水製造装置の濃縮室におけるスケール発生防止作用を図４〜図６を参照して説明する。図４は図１の電気式脱イオン水製造装置を更に簡略的に示した図、図５及び図６は図４の電気式脱イオン水製造装置の濃縮室における不純物イオンの移動を説明する図をそれぞれ示す。図４において、被処理水が最初に流入する第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 にはアニオン交換体（Ａ）を充填し、第２小脱塩室の流出水が流入する第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体（Ｍ）を充填し、４つの濃縮室１には脱塩室の通水方向に沿って順に、網目状のアニオン伝導スペーサ単床（Ａ）と網目状のカチオン伝導スペーサ単床（Ｃ）を交互に４床充填してある。
【００２２】
図５において、濃縮室１の網目状アニオン伝導スペーサ単床領域１ａではアニオン交換膜ａを透過した炭酸イオンなどのアニオンは濃縮水中に移動せず、導電性の高いアニオン伝導スペーサＡを通り、カチオン交換膜ｃまで移動し、アニオン伝導スペーサＡとカチオン膜ｃの当接部分１０１において初めて濃縮水中に移動する（図５中、右向き矢印）。このため、炭酸イオンなどのアニオンはカチオン交換膜ｃに電気的に引き寄せられた状態で、濃縮室１から排出される。すなわち、アニオン伝導スペーサ単床領域１ａにおける炭酸イオンなどのアニオンについて、濃縮水中の濃度勾配は図６の記号Ｘのように分布する。一方、アニオン伝導スペーサ単床領域１ａにおいて、カチオン交換膜ｃを透過したカルシウムイオンなどのカチオンは濃縮水中を移動する。このため、カルシウムイオンの濃度が最も高くなる部分において、スケールを形成する対イオンである炭酸イオンはアニオン伝導スペーサ単床部分を移動するためスケールを発生し難い。
【００２３】
同様に、濃縮室１のカチオン伝導スペーサ単床領域１ｂではカチオン交換膜ｃを透過したカルシウムイオンなどのカチオンは濃縮水中に移動せず、導電性の高いカチオン伝導スペーサＣを通り、アニオン交換膜ａまで移動し、カチオン伝導スペーサＣとアニオン膜ａの当接部分１０２において初めて濃縮水中に移動する（図５中、左向き矢印）。このため、カルシウムイオンなどのカチオンはアニオン交換膜ａに電気的に引き寄せられた状態で、濃縮室１から排出される。すなわち、カチオン伝導スペーサ単床領域１ｂにおけるカルシウムイオンなどのカチオンについて、濃縮水中の濃度勾配は図６の記号Ｙのように分布する。一方、アニオン交換膜ａを透過した炭酸イオンなどのアニオンは濃縮水中を移動する。このため、炭酸イオンの濃度が最も高くなる部分において、スケールを形成する対イオンであるカルシウムイオンはカチオン伝導スペーサ単床部分を移動するためスケールを発生し難い。更に、濃縮室内に充填しているイオン伝導スペーサは、網目状形状であるため、濃縮水の流れが乱流となり易く、炭酸イオンやカルシウムイオンなどの濃度勾配をより大きく低減できると共に、イオン交換膜面に付着しようとするスケール成分をかきとる効果を有するため、スケールの発生をより抑制する。このようなイオン移動は、マグネシウムイオン、水素イオン、水酸化物イオンにおいても同様である。また、濃縮室内部にアニオン伝導スペーサ単床領域１ａとカチオン伝導スペーサ単床領域１ｂを積層することによって、カチオン伝導スペーサが充填された部分に移動してきたアニオンは導電性の低い濃縮水を移動するよりも、導電性の高いアニオン交換膜を伝わり、アニオン伝導スペーサ単床領域１ａまで達し、ここで導電性の高いアニオン交換体を移動する。このイオンの移動形態はカチオンについても同様である。すなわち、濃縮水中を通って対面のイオン交換膜付近に移動するイオンはほとんどなく、ほとんどのイオンはカチオン伝導スペーサ、アニオン伝導スペーサを通って対面のイオン交換膜付近まで移動する。なお、図５及び図６中、濃縮室１において、カチオン交換膜ａ及びアニオン交換膜ｃと、網目状の陽イオン伝導スペーサ単床領域１ａ又は網目状の陰イオン伝導スペーサ単床領域１ｂとの間に隙間が形成されているが、これはイオン伝導スペーサの積層充填状態を判りやすくするため設けたものであり、実際は、密着状態であり、このような隙間は存在しない。
【００２４】
従来の電気式脱イオン水製造装置では、イオン交換体を再生する目的で印加している電流が水の電気分解を促進し、イオン伝導性を示さない網目状スペーサを充填した濃縮室のイオン交換膜表面でｐＨシフトを引き起こし、アニオン交換膜近傍ではｐＨが高く、カチオン交換膜近傍ではｐＨが低くなり、且つ図７に示すように炭酸イオンとカルシウムイオンが共に、高い濃度勾配で接することから、濃縮室側のアニオン交換膜表面でスケールが発生し易くなっていた。しかしながら、本例では、前述の如く、濃縮水中のカチオン濃度が最も高いと思われるアニオン交換膜ａ表面近傍の濃縮水中には、高い濃度の炭酸イオンなどのアニオンが存在しないから、濃縮室内において、炭酸イオンとカルシウムイオンが結合して炭酸カルシウムを生成することがない（図６参照）。従って、本例の電気式脱イオン水製造装置を長時間連続運転しても、濃縮室にスケールが発生することはない。
【００２５】
また、濃縮室１はイオン伝導スペーサ８ａの均質で密着した充填により両側に位置するカチオン交換膜３とアニオン交換膜４を電気的に導通するため、導電性が高まり、脱塩室の入口側から出口側の全体に渡り電流密度を均一化でき、消費電力を低減できる。
【００２６】
本発明において、被処理水の第１小脱塩室及び第２小脱塩室での流れ方向は、特に制限されず、上記実施の形態の他、第１小脱塩室と第２小脱塩室での流れ方向が異なっていてもよい。また、被処理水が流入する小脱塩室は、上記実施の形態例の他、先ず、被処理水を第１小脱塩室に流入させ、流下した後、第１小脱塩室の流出水を第２小脱塩室に流入させてもよい。また、濃縮水の流れ方向も適宜決定される。
【００２７】
本発明の実施の形態における他の電気式脱イオン水製造装置を図８を参照して説明する。図８の電気式脱イオン水製造装置１００は、図１に示される省電力型電気式脱イオン水製造装置１０における中間イオン交換膜を省略した形態であり、脱塩室内における被処理水の流れが１パスである。すなわち、電気式脱イオン水製造装置１００において、一側のカチオン交換膜１０１、及び他側のアニオン交換膜１０２で区画される室にイオン交換体１０３を充填して脱塩室１０４を構成し、カチオン交換膜１０１、アニオン交換膜１０２を介して脱塩室１０４の両側に濃縮室１０５を設け、これらの脱塩室１０４及び濃縮室１０５を陽極１１０を備えた陽極室と陰極１０９を備えた陰極室の間に配置し、電圧を印加しながら脱塩室１０４に被処理水を流入すると共に、濃縮室１０５に濃縮水を流入して被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を得る方法において、濃縮室１０５は、上記実施の形態例と同様の構成を採ることにより、同様の作用効果を奏する。なお、符号１１１は被処理水流入ライン、１１４は脱イオン水流出ライン、１１５は濃縮水流入ライン、１１６は濃縮水流出ライン、１１７は電極水流入ライン、１１８は電極水流出ラインをそれぞれ示す。また、本発明の電気式脱イオン水製造装置の形態としては、特に制限されず、スパイラル型、同心円型及び平板積層型などのものが挙げられる。
【００２８】
本発明の脱イオン水製造方法に用いる被処理水としては、特に制限されず、例えば、井水、水道水、下水、工業用水、河川水、半導体製造工場の半導体デバイスなどの洗浄排水又は濃縮室からの回収水などを逆浸透膜処理した透過水、また、半導体製造工場等のユースポイントで使用された回収水であって、逆浸透膜処理がされていない水が挙げられる。このようにして供給される被処理水の一部を濃縮水としても使用する場合、脱塩室に供給される被処理水及び濃縮室に供給される濃縮水を軟化後、使用することがスケール発生を更に抑制できる点で好ましい。軟化の方法は、特に限定されないが、ナトリウム形のイオン交換樹脂等を用いた軟化器が好適である。
【００２９】
【実施例】
実施例１
下記装置仕様及び運転条件において、図８と同様の構成で６個の脱イオンモジュールを並設して構成される電気式脱イオン水製造装置を使用した。被処理水は、工業用水の逆浸透膜透過水を用い、その硬度は、２００μgCaCO3／l であった。また、被処理水の一部を濃縮水及び電極水として使用した。運転時間は４０００時間であり、４０００時間後の濃縮室内のスケール発生の有無を観察した。また、同時間における抵抗率１７．９ＭΩ-cm の処理水を得るための運転条件を表１に示す。
【００３０】
（運転の条件）
・電気式脱イオン水製造装置；試作ＥＤＩ
・脱塩室；幅３００mm、高さ６００mm、厚さ３mm
・脱塩室に充填したイオン交換樹脂；アニオン交換樹脂（Ａ）とカチオン
交換樹脂（Ｋ）の混合イオン交換樹脂（混合比は体積比でＡ：Ｋ＝１：１）
・濃縮室；幅３００mm、高さ６００mm、厚さ１mm
・濃縮室充填イオン伝導スペーサ；網目状のカチオン伝導スペーサ単床と網目のアニオン伝導スペーサ単床を濃縮水の流出入方向に沿って交互に積層した４床
・装置全体の流量；１ｍ3 ／ｈ
【００３１】
実施例２
下記装置仕様及び運転条件において、図１と同様の構成で３個の脱イオンモジュール（６個の小脱塩室）を並設して構成される電気式脱イオン水製造装置を使用した。被処理水は、工業用水の逆浸透膜透過水を用い、その硬度は、２００μgCaCO3／l であった。また、被処理水の一部を濃縮水及び電極水として使用した。運転時間は４０００時間であり、４０００時間後の濃縮室内のスケール発生の有無を観察した。また、同時間における抵抗率１７．９ＭΩ-cm の処理水を得るための運転条件を表１に示す。
【００３２】
（運転の条件）
・電気式脱イオン水製造装置；試作ＥＤＩ
・中間イオン交換膜；アニオン交換膜
・第１小脱塩室；幅３００mm、高さ６００mm、厚さ３mm
・第１小脱塩室に充填したイオン交換樹脂；アニオン交換樹脂（Ａ）とカチオン
交換樹脂（Ｋ）の混合イオン交換樹脂（混合比は体積比でＡ：Ｋ＝１：１）
・第２小脱塩室；幅３００mm、高さ６００mm、厚さ８mm
・第２小脱塩室充填イオン交換樹脂；アニオン交換樹脂
・濃縮室；幅３００mm、高さ６００mm、厚さ１mm
・濃縮室充填イオン伝導スペーサ；網目状のカチオン伝導スペーサ単床と網目状のアニオン伝導スペーサ単床を濃縮水の流出入方向に沿って交互に積層した４床
・装置全体の流量；１ｍ3 ／ｈ
【００３３】
比較例１
網目状のイオン伝導スペーサの代わりに、イオン伝導性のない網目状スペーサを濃縮室に充填した以外は、実施例１と同様の方法で行った。運転時間は４０００時間であり、４０００時間後の濃縮室内のスケール発生の有無を観察した。また、同時間における抵抗率１７．９ＭΩ-cm の処理水を得るための運転条件を表１に示す。イオン伝導性のない網目状スペーサは、実施例１で使用した網目状のイオン伝導スペーサの製作過程で得られるイオン交換基導入前のものである。
【００３４】
比較例２
網目状のイオン伝導スペーサの代わりに、イオン伝導性のない網目状スペーサを濃縮室に充填した以外は、実施例２と同様の方法で行った。運転時間は４０００時間であり、４０００時間後の濃縮室内のスケール発生の有無を観察した。また、同時間における抵抗率１７．９ＭΩ-cm の処理水を得るための運転条件を表１に示す。イオン伝導性のない網目状スペーサは、実施例１で使用した網目状のイオン伝導スペーサの製作過程で得られるイオン交換基導入前のものである。
【００３５】
【表１】
0003781352.tif 000002
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、スケール発生の問題を、被処理水からの対策ではなく、電気式脱イオン水製造装置の濃縮室の構造面から解決でき、長期間の連続運転においても、濃縮室内にスケール発生を認めることなく、安定した運転ができる。また、濃縮室内の導電性が高まり、脱塩室の入口側から出口側の全体に渡り電流密度を均一化でき、消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置の模式図である。
【図２】斜交網の形状を説明する図である。
【図３】脱塩室モジュール及び濃縮室の構造を説明する図である。
【図４】図１の電気式脱イオン水製造装置を簡略的に示した図である。
【図５】濃縮室における不純物イオンの移動を説明する図である。
【図６】濃縮室における不純物イオンの濃度勾配を示す図である。
【図７】イオン伝導性のない網目状スペーサを充填した濃縮室（従来型）における不純物イオンの濃度勾配を示す図である。
【図８】本発明の他の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置の模式図である。
【符号の説明】
Ｄ、Ｄ1 〜Ｄ4 、１０４    脱塩室
ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7   第１小脱塩室
ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8   第２小脱塩室
１、１０５          濃縮室
２                  電極室
３、１０１          カチオン膜
４、１０２          アニオン膜
５                  中間イオン交換膜
６、１０９          陰極
７、１１０          陽極
８、１０３          イオン交換体
８ａ                カチオン伝導スペーサ単床とアニオン伝導スペーサ単床の積層床
１０、１００          電気式脱イオン水製造装置
１１、１１１          被処理水流入ライン
１２                  第２小脱塩室の処理水流出ライン
１３                  第１小脱塩室の被処理水流入ライン
１４、１１４          脱イオン水流出ライン
１５、１１５          濃縮水流入ライン
１６、１１６          濃縮水流出ライン
１７ａ、１７ｂ、１１７        電極水流入ライン
１８ａ、１８ｂ、１１８        電極水流出ライン
２０                  脱イオンモジュール
３０                  斜交網
１０１                炭酸イオンが濃縮水中に初めて移動する点
１０２                カルシウムイオンが濃縮水中に初めて移動する点
【図１】
0003781352.tif 000003
【図２】
0003781352.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003781352.tif 000007
【図６】
0003781352.tif 000008
【図７】
0003781352.tif 000009
【図８】
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