説明

電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法

【課題】脱塩室への炭酸の逆拡散を低減することで、処理水質の低下を抑制することができる電気式脱イオン水製造装置を提供する。
【解決手段】陽極4および陰極5と、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室D1,D1’と、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室D2,D2’と、陽極4と陰極5との間に位置し、第1のカチオン交換膜c,c’を介してカチオン脱塩室D1,D1’と隣接する濃縮室C2,C3と、を有し、アニオン脱塩室D2,D2’とカチオン脱塩室D1,D1’とは、アニオン脱塩室D2,D2’を流出して少なくともアニオン成分が除去された中間処理水の一部がカチオン脱塩室D1,D1’に流入するように連通されており、アニオン脱塩室D2,D2’と濃縮室C2,C3とは、アニオン脱塩室D2,D2’を流出した中間処理水の他の一部が濃縮室C2,C3に流入するように連通されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
脱イオン水の製造装置として、イオン交換体に被処理水を通水して脱イオンを行う製造装置が知られている。この装置ではイオン交換体のイオン交換基が飽和して脱塩性能が低下したときに、酸やアルカリといった薬剤によって再生を行う必要がある。すなわち、イオン交換基に吸着した陰イオンや陽イオンを、酸あるいはアルカリ由来のH+、OH-と置き換える処理が必要となる。近年、このような運転上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が不要な電気式脱イオン水製造装置が実用化されている。
【0003】
電気式脱イオン水製造装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせた装置である。電気式脱イオン水製造装置は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との間にイオン交換体を充填し主脱塩室とし、アニオン交換膜およびカチオン交換膜の外側に各々濃縮室を設け、さらにその外側に陽極を備える陽極室と、陰極を備える陰極室と、を配置した装置である。
【0004】
電気式脱イオン水製造装置により脱イオン水(処理水)を製造するには、電極に直流電圧を印加した状態で主脱塩室に被処理水を通水する。被処理水中のイオン成分は脱塩室内のイオン交換体で吸着され、脱イオン化(脱塩)処理が行われる。脱塩室ではまた、印加電圧によって異種イオン交換体の界面、すなわち、脱塩室のアニオン交換体とカチオン交換体の界面で水の解離反応が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが発生する(H2O→H++OH-)。イオン交換体に吸着されたイオン成分はこの水素イオンおよび水酸化物イオンと交換されて、イオン交換体から遊離する。遊離したイオン成分はイオン交換膜まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて、濃縮室を流れる濃縮水に排出される。このように、電気式脱イオン水製造装置では、水素イオンおよび水酸化物イオンが、イオン交換体を再生する酸、アルカリの再生剤として連続的に作用する。このため、薬剤による再生は基本的に不要であり、薬剤によるイオン交換体の再生を行わずに連続運転ができる。
【0005】
上述の電気式脱イオン水製造装置では、被処理水中のカチオン成分だけでなく、水の解離反応によって発生した水素イオンも、脱塩室からカチオン交換膜を透過して濃縮室に排出される。そのため、カチオン交換膜近傍での濃縮水の液性は酸性に傾く。一方、上述の電気式脱イオン水製造装置で炭酸成分(遊離炭酸、炭酸水素イオン、炭酸イオンの総称)の高い被処理水を処理した場合、濃縮室内では、炭酸水素イオンや炭酸イオンなどが排出され濃縮される。その結果、これらのイオン成分は、濃縮水が酸性に傾いたカチオン交換膜近傍では、濃縮水中の水素イオンの作用によって、遊離炭酸(水に溶けている炭酸ガス)となる。この遊離炭酸は、イオン化された状態では透過できないカチオン交換膜を透過して脱塩室へと入り込み、処理水中に溶け込んで、処理水の水質を低下させることがある。
【0006】
このような、いわゆる「炭酸の逆拡散」と呼ばれる現象を抑制する対策の一つとして、特許文献1には、濃縮室供給水のpH値を調整するためのpH調整手段を備えた電気式脱イオン水製造装置が開示されている。pH調整手段が濃縮室内の水素イオン濃度を低下させる(pH値を上昇させる)ことで、濃縮室内の炭酸水素イオンや炭酸イオンをイオン化された状態のまま保つことができ、脱塩室への炭酸の逆拡散を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2007−245120号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、上述のpH調整手段は、濃縮室供給水に水酸化ナトリウム等のアルカリ剤を添加することで、濃縮室供給水の水素イオン濃度を低下させている。この薬剤の添加は、コストアップにつながる上、薬剤を使用しない電気式脱イオン水製造装置の本来の利点と相反するものである。
【0009】
そこで、本発明は、濃縮室から脱塩室への炭酸の逆拡散を低減することで、処理水質の低下を抑制することができる電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造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】
上述した目的を達成するために、本発明の電気式脱イオン水製造装置は、被処理水を処理して脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置であって、陽極および陰極と、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、陽極と陰極との間に位置し、第1のカチオン交換膜を介しカチオン脱塩室と隣接する濃縮室と、を有し、カチオン脱塩室とアニオン脱塩室とは、被処理水がアニオン脱塩室に流入し、アニオン脱塩室を流出して少なくともアニオン成分が除去された中間処理水の一部がカチオン脱塩室に流入するように連通されており、アニオン脱塩室と濃縮室とは、アニオン脱塩室を流出した中間処理水の他の一部が濃縮室に流入するように連通されている。
【0011】
また、本発明の脱イオン水製造方法は、陽極および陰極と、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、陽極と陰極との間に位置し、第1のカチオン交換膜を介してカチオン脱塩室と隣接する濃縮室と、を有する電気式脱イオン水製造装置を用いて、被処理水を処理して脱イオン水を製造する脱イオン水製造方法であって、被処理水をアニオン脱塩室に流し、少なくともアニオン成分が除去された中間処理水を生成するステップと、アニオン脱塩室を流出した中間処理水の一部を、カチオン脱塩室に流すステップと、アニオン脱塩室を流出した中間処理水の他の一部を、濃縮室に流すステップと、を含んでいる。
【0012】
このような電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法では、アニオン脱塩室に流入した被処理水のアニオン成分はアニオン交換体に吸着し、アニオン脱塩室からは、アニオン成分が除去された中間処理水が流出する。中間処理水は、アニオン脱塩室で水の解離反応などによって発生した水酸化物イオンを取り込んでいるため、その液性はアルカリ性となる。この中間処理水の一部を濃縮室に流入させることで、濃縮水の、特にカチオン交換膜近傍における水素イオン濃度を低下させることができ、炭酸成分をイオン化された状態に保つことができる。それによって、濃縮室からカチオン交換膜を介したカチオン脱塩室への炭酸の逆拡散を抑え、処理水質の低下を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【0013】
以上説明したように、本発明によれば、濃縮室から脱塩室への炭酸の逆拡散を低減することで、処理水質の低下を抑制することができる電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。
【図2】本発明の第2の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の別の構成例を示す概略構成図である。
【図4】比較例に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0016】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。電気式脱イオン水製造装置1は、陽極4を備える陽極室E1と陰極5を備える陰極室E2との間に、3つの濃縮室C1〜C3と、第1および第2の濃縮室C1,C2の間に位置する第1の主脱塩室Dと、第2および第3の濃縮室C2,C3の間に位置する第2の主脱塩室D’とが設けられ、これらの各室がイオン交換膜a,a’c,c’,mで仕切られている。
【0017】
第1の主脱塩室Dは、陰極側のカチオン交換膜cと隣接する第1のカチオン脱塩室D1と、陽極側のアニオン交換膜aと隣接する第1のアニオン脱塩室D2と、を有している。第2の主脱塩室D’は、陰極側のカチオン交換膜c’と隣接する第2のカチオン脱塩室D1’と、陽極側のアニオン交換膜a’と隣接する第2のアニオン脱塩室D2’と、を有している。各主脱塩室D,D’内の、カチオン脱塩室D1,D1’とアニオン脱塩室D2,D2’とは、それぞれ中間イオン交換膜3を介して互いに隣接している。
【0018】
第1および第2の主脱塩室D,D’は、それぞれの陽極側で、アニオン交換膜(第1のアニオン交換膜)a,a’を介して濃縮室(陽極側濃縮室)C1,C2と隣接し、それぞれの陰極側で、カチオン交換膜(第1のカチオン交換膜)c,c’を介して濃縮室(陰極側濃縮室)C2,C3と隣接している。したがって、第2の濃縮室C2は、第1の主脱塩室D1にとっては陰極側濃縮室であり、第2の主脱塩室D’にとっては陽極側濃縮室となる。電気式脱イオン水製造装置1において最も陽極側に位置する第1の濃縮室C1は、カチオン交換膜またはアニオン交換膜のいずれであるイオン交換膜mを介して陽極室E1と隣接している。電気式脱イオン水製造装置1において最も陰極側に位置する第3の濃縮室C3は、イオン交換膜mを介して陰極室E2と隣接している。
【0019】
第1のカチオン脱塩室D1には少なくともカチオン交換体が充填され、主に被処理水中のカチオン成分(Na+、Ca2+、Mg2+等)が除去される。カチオン交換体としては、カチオン交換樹脂、カチオン交換繊維、モノリス状多孔質カチオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なカチオン交換樹脂が好適に用いられる。カチオン交換体の種類としては、弱酸性カチオン交換体、強酸性カチオン交換体等が挙げられる。第1のカチオン脱塩室D1にはアニオン交換体がさらに充填されていてもよい。第1のカチオン脱塩室D1に充填するイオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体の単床形態、カチオン交換体とアニオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。第2のカチオン脱塩室D1’は、第1のカチオン脱塩室D1と同様の構成を有している。
【0020】
第1のアニオン脱塩室D2には少なくともアニオン交換体が充填され、主に被処理水中のアニオン成分(Cl-、CO32-、HCO3-、SiO2(シリカは、特別な形態をとることが多いため、一般のイオンとは異なった表示とする)等)が除去される。アニオン交換体としては、アニオン交換樹脂、アニオン交換繊維、モノリス状多孔質アニオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なアニオン交換樹脂が好適に用いられる。アニオン交換体の種類としては、弱塩基性アニオン交換体、強塩基性アニオン交換体等が挙げられる。第1のアニオン脱塩室D2に充填するアニオン交換体の充填形態としては、アニオン交換体の単床形態が挙げられる。第2のアニオン脱塩室D2’は、第1のアニオン脱塩室D2と同様の構成を有している。
【0021】
中間イオン交換膜3は、被処理水の水質、脱イオン水に求められる水質、カチオン脱塩室D1,D1’またはアニオン脱塩室D2,D2’に充填するイオン交換体の種類等を勘案して選択することができる。中間イオン交換膜3は、アニオン交換膜もしくはカチオン交換膜の単一膜、または、アニオン交換膜とカチオン交換膜の両方を備えた複合膜のいずれであってもよい。
【0022】
このように、各主脱塩室D,D’がそれぞれ、カチオン脱塩室D1,D1’とアニオン脱塩室D2,D2’の2つの小脱塩室に区画され、各主脱塩室D,D’の外側に濃縮室が隣接する構成(主脱塩室2室構成)は、被処理水の多段処理が可能であり、脱イオン性能の向上に効果的である。しかも、各主脱塩室D,D’のカチオン脱塩室D1,D1’とアニオン脱塩室D2,D2’との間に濃縮室を設ける必要がないため、陽極・陰極間の印加電圧が抑えられ、消費電力が下がり運転費の低減を図ることが可能である。
【0023】
第1の濃縮室C1は、第1のアニオン脱塩室D2から排出されるアニオン成分および陽極室E1から排出されるカチオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。第2の濃縮室C2は、第1のカチオン脱塩室D1から排出されるカチオン成分および第2のアニオン脱塩室D2’から排出されるアニオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。第3の濃縮室C3は、第2のカチオン脱塩室D1’から排出されるカチオン成分および陰極室E2から排出されるアニオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。各濃縮室C1〜C3には、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’でアニオン成分が除去された脱アニオン水(中間処理水)の一部が濃縮室供給水として流入する。濃縮室供給水はカチオン成分およびアニオン成分を含んだ濃縮水となって、各濃縮室C1〜C3から排出される。電気式脱イオン水製造装置1の電気抵抗を抑えるために、各濃縮室C1〜C3にイオン交換体が充填されていてもよい。
【0024】
陽極室E1は陽極4を収容している。陽極4は金属の網状体あるいは板状体からなっている。被処理水にCl-を含む場合、陽極4に塩素が発生する。このため、陽極4には耐塩素性能を有する材料を用いることが望ましく、一例として、白金、パラジウム、イリジウム等の金属、あるいはチタンをこれらの金属で被覆した材料が挙げられる。
【0025】
陰極室E2は陰極5を収容している。陰極5は、金属の網状体あるいは板状体からなっており、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体を用いることができる。
【0026】
電極室(陽極室および陰極室)E1,E2には電極水が流入する。電気式脱イオン水製造装置1の電気抵抗を抑えるために、陽極室E1および陰極室E2にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。陽極室E1および陰極室E2に充填するイオン交換体としては、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、モノリス状多孔質イオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なイオン交換樹脂が好適に用いられる。
【0027】
各電極室E1,E2、第1および第2カチオン脱塩室D1,D1’、第1および第2アニオン脱塩室D2,D2’、および各濃縮室C1〜C3は各々、開口部を備えた板状部材である枠体2の内部に設けられている。図1では、枠体2は一体的に示されているが、実際には部屋毎に別々の枠体を備え、枠体同士が互いに密着して設けられている。枠体2は絶縁性を有し、流入する被処理水が漏洩しない素材であれば特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ABS、ポリカーボネート、m−PPE(変性ポリフェニレンエーテル)等の樹脂を挙げることができる。
【0028】
各部屋同士の連絡、あるいは被処理水や電極水等の供給、排出用にいくつかの流路U1〜U5,L1〜L5が設けられている。
【0029】
電気式脱イオン水製造装置1の上部に位置する流路U1は、一端が被処理水の供給側に接続され、他端側では途中で分岐して、第1のアニオン脱塩室D2と第2のアニオン脱塩室D2’とに接続されている。電気式脱イオン水製造装置1の下部に位置する流路L1は、第1のアニオン脱塩室D2と第2のアニオン脱塩室D2’とに接続され、途中で合流し、渡り配管Yの一端に接続している。渡り配管Yの他端は電気式脱イオン水製造装置1の上部に位置する流路U2に接続されており、流路U2は、途中で分岐して、第1のカチオン脱塩室D1と第2のカチオン脱塩室D1’とに接続されている。電気式脱イオン水製造装置1の下部に位置する流路L2は、第1のカチオン脱塩室D1と第2のカチオン脱塩室D1’とに接続され、途中で合流し、処理水の流出側に接続されている。
【0030】
電気式脱イオン水製造装置1の下部に位置する流路L3は、一端側では渡り配管Yに接続され、他端側では途中で分岐して、各濃縮室C1〜C3に接続されている。すなわち、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’を流出した脱アニオン水は、一部が第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’に流入するようにされ、他の一部が各濃縮室C1〜C3に流入するようにされている。電気式脱イオン水製造装置1の上部に位置する流路U3は、各濃縮室C1〜C3に接続され、途中で合流し、濃縮水の流出側に接続されている。
【0031】
図1では、流路U1〜U3,L1〜L3は、図示の都合上枠体2の外側に位置しているが、これらの流路U1〜U3,L1〜L3は、枠体2に内蔵されているのが有利である。
【0032】
陽極室E1には流路L4,U4が接続しており、電極水は陽極室E1の下部に接続された流路L4から陽極室E1に流入し、陽極室E1の上部に接続された流路U4を通って陽極室E1から排出される。陰極室E2には流路L5,U5が接続しており、電極水は陰極室E2の下部に接続された流路L5から陰極室E2に流入し、陰極室E2の上部に接続された流路U5を通って陰極室E2から排出される。
【0033】
次に、引き続き図1を参照して、被処理水の流れと脱イオンの原理について説明する。
【0034】
あらかじめ、陽極室E1には、流路L4から電極水を供給し、流路U4から排出させておく。同様に、陰極室E2には、流路L5から電極水を供給し、流路U5から排出させておく。陽極4、陰極5間には所定の電圧を印加しておく。この状態で、被処理水を流路U1から、第1のアニオン脱塩室D2および第2のアニオン脱塩室D2’に並列に流入させる。被処理水は、第1のアニオン脱塩室D2および第2のアニオン脱塩室D2’で、アニオン成分が除去される。
【0035】
具体的には、HCO3-等のアニオン成分は、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’で、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’に充填されたアニオン交換体に吸着される。主脱塩室D,D’では、水が水素イオン(以下、「H+」という)と水酸化物イオン(以下、「OH-」という)とに解離する反応(水解離反応)が、連続的に進行している。OH-はアニオン交換体に吸着したHCO3-等のアニオン成分と交換され、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’に充填されたアニオン交換体が再生される。除去されたHCO3-等のアニオン成分は陽極4、陰極5間の電位差によって陽極4側に引き寄せられ、アニオン交換膜a,a’を通過して第1および第2の濃縮室C1,C2に流入する。第3の濃縮室C3には、陰極室E2を流れる電極水に含まれるアニオン成分が、陽極4、陰極5間の電位差によって陽極4側に引き寄せられ、イオン交換膜mを通って流入する。
【0036】
このようにしてHCO3-等のアニオン成分が除去された水(脱アニオン水)は流路L1で合流し、その一部が、渡り配管Yを通って流路U2に流入し、他の一部が、渡り配管Yから流路L3に流入する。
【0037】
流路U2に流入した脱アニオン水は、第1のカチオン脱塩室D1および第2のカチオン脱塩室D1’に並列に流入し、第1のカチオン脱塩室D1および第2のカチオン脱塩室D1’で、カチオン成分が除去される。
【0038】
具体的には、Na+等のカチオン成分は、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’で、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’に充填されたカチオン交換体に吸着される。主脱塩室D,D’では、上述のように、水解離反応によってH+が連続的に発生している。H+はカチオン交換体に吸着したNa+等のカチオン成分と交換され、カチオン交換体が再生される。除去されたNa+等のカチオン成分は陽極4、陰極5間の電位差によって陰極5側に引き寄せられ、カチオン交換膜c,c’を通過して第2および第3の濃縮室C2,C3に流入する。第1の濃縮室C1には、陽極室E1を流れる電極水に含まれるカチオン成分が、陽極4、陰極5間の電位差によって陰極5側に引き寄せられ、イオン交換膜mを通って流入する。第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’でカチオン成分が除去された処理水は流路L2で合流し、電気式脱イオン水製造装置1の外へ排出される。
【0039】
一方、流路L3に流入した脱アニオン水は、濃縮室供給水として、各濃縮室C1〜C3に供給される。各濃縮室C1〜C3では、脱アニオン水は、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’、および各電極室から排出されるカチオン成分およびアニオン成分を取り込み、濃縮水となって電気式脱イオン水製造装置1の上部に位置する流路U3を通って電気式脱イオン水製造装置1の外へ排出される。
【0040】
このようにして、被処理水は、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’でアニオン成分が除去されて脱アニオン水となり、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’のアニオン交換体は水解離反応によって生成されたOH-により再生される。同様にして、脱アニオン水は、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’でカチオン成分が除去されて脱イオン水となり、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’のカチオン交換体は水解離反応によって生成されたH+により再生される。
【0041】
本実施形態では、上述のように、各濃縮室C1〜C3には、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’を流出した脱アニオン水の一部が流入するようにされている。この構成による効果について、以下に、第2の濃縮室C2を例に挙げて説明する。
【0042】
第2の濃縮室C2には、カチオン交換膜cを介して陽極側に位置する第1のカチオン脱塩室D1から、被処理水中の除去されたカチオン成分と共に、水の解離反応によって発生したH+も排出される。その結果、第2の濃縮室C2の、特にカチオン交換膜c近傍では、H+が多く存在し、濃縮水のpH値が低下する。一方、例えばHCO3-等の炭酸成分の高い被処理水を処理した場合、第2の濃縮室C2には、被処理水中の炭酸成分が排出され濃縮される。そのため、上述のように濃縮水が酸性に傾いたカチオン交換膜c近傍では、濃縮水中の水素イオンの作用によって、炭酸成分は、イオン化された状態ではなく、遊離炭酸(水に溶けている炭酸ガス)となって存在する。その場合、遊離炭酸は、カチオン交換膜cを透過して第1のカチオン脱塩室D1へ流れ込み、いわゆる炭酸の逆拡散を引き起してしまう。しかしながら、第2の濃縮室C2に供給される中間処理水(脱アニオン水)は、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’でアニオン成分が除去される代わりに、OH-を多く取り込んでいるため、そのpH値は高くなっている。したがって、アニオン脱塩室を通過してアルカリ性となった中間処理水を第2の濃縮室C2に供給することによって、第2の濃縮室C2内のpH値を上昇させること、すなわち水素イオン濃度を低下させることができ、第2の濃縮室C2内の炭酸成分をイオン化された状態のまま保つことができる。このようにして、第1のカチオン脱塩室D1への炭酸の逆拡散を低減することで、脱イオン水の水質低下を抑制することができる。
【0043】
このように、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置では、濃縮室供給水の水素イオン濃度を低下させるために、アニオン脱塩室を流出した中間処理水(脱アニオン水)の一部を濃縮室に流入させるだけでよい。そのため、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤を添加する必要がなく、それにより、ランニングコストの上昇につながることもなく、電気式脱イオン水製造装置の本来の利点を損なうこともない。
【0044】
炭酸の逆拡散は、各濃縮室C1〜C3に流入する脱アニオン水のpH値をより高くすることで、より一層抑制される。そのために、第1および第2のアニオン脱塩室D2,D2’には、アニオン交換体が単床形態で充填されていることが最も好ましい。
【0045】
また、図1からもわかるように、本実施形態では、各濃縮室C1〜C3に流入する脱アニオン水の流入方向と、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’に流入する脱アニオン水の流入方向とが反対向きである。このことは、各濃縮室C1〜C3における脱アニオン水の流入位置が、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’における脱アニオン水の排出位置と隣接する位置関係にあることを意味する。各カチオン脱塩室D1,D1’においては、脱アニオン水に含まれるカチオン成分は、各カチオン脱塩室D1,D1’内のカチオン交換体によって除去されるため、排出位置近傍での含有量が、流入位置近傍での含有量に比べて少なくなる。そのため、逆に、水の解離反応によって発生し、カチオン交換体の再生のために使われるH+は、各カチオン脱塩室D1,D1’の排出位置近傍では、流入位置近傍と比べて過剰となる。したがって、H+が過剰となる各カチオン脱塩室D1,D1’の排出位置に隣接して、アルカリ性の脱アニオン水が流入する、各濃縮室C1〜C3の流入位置が設けられていることで、より効果的に各濃縮室C1〜C3内の水素イオン濃度を低下させることができる。このように、各濃縮室C1〜C3に流入する脱アニオン水の流入方向と、第1および第2のカチオン脱塩室D1,D1’に流入する脱アニオン水の流入方向とが反対向きであることで、上述の炭酸の逆拡散の抑制効果はより顕著になる。
【0046】
なお、各濃縮室C1〜C3に流入する脱アニオン水は、炭酸の逆拡散が抑制できる程度に各濃縮室C1〜C3のpH値を上昇させる(水素イオン濃度を低下させる)ことができれば十分である。そのため、各濃縮室C1〜C3に流入する脱アニオン水の流量は、各カチオン脱塩室D1,D1’に流入する脱アニオン水の流量に対して、0.05〜1倍の範囲であれば十分である。また、濃縮室供給水として脱イオン水等を追加供給することで、pH値を調整することも可能である。
【0047】
本実施形態では、本発明の電気式脱イオン製造装置について、中間イオン交換膜を介して互いに隣接する、カチオン脱塩室とアニオン脱塩室とからなる主脱塩室が2つ設けられている場合を例に挙げて説明したが、主脱塩室は1つだけであってもよく、または3つ以上設けられていてもよい。主脱塩室がいくつの場合であっても、主脱塩室と濃縮室とは交互に設けられ、最も陽極側に位置する濃縮室が陽極室と隣接し、最も陰極側に位置する濃縮室が陰極室と隣接することになる。
【0048】
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置を示す概略構成図である。
【0049】
図2に示す電気式脱イオン水製造装置1では、カチオン脱塩室D11が、陽極室E1と濃縮室Cとの間に位置し、第1のカチオン交換膜c1を介して濃縮室Cに隣接し、第2のカチオン交換膜c2を介して前記陽極室に隣接して位置している。また、アニオン脱塩室D12が、陰極室E2と濃縮室Cとの間に位置し、第1のアニオン交換膜a1を介して濃縮室に隣接し、第2のアニオン交換膜a2を介して陰極室E2に隣接して位置している。
【0050】
言い換えれば、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置1は、図1に示す第1の実施形態から、第1の濃縮室C1と第1のアニオン脱塩室D2とを取り除き、第1のカチオン脱塩室D1と陽極室E1とをカチオン交換膜を介して隣接させ、第3の濃縮室C3と第2のカチオン脱塩室D1’とを取り除き、第2のアニオン脱塩室D2’と陰極室E2とを第2のアニオン交換膜a2を介して隣接させた構成を有している。そのため、本実施形態における各室の構成は、第1の実施形態の対応する各室の構成と同様であり、被処理水の流れ(流路構成)や脱イオンの原理についても、第1の実施形態と同様である。また、スケール生成の抑制効果についても、第1の実施形態と同様である。
【0051】
一方で、本実施形態では、電極室E1,E2において水の電気分解反応によって生じた水素イオンおよび水酸化物イオンを、電極室E1,E2にそれぞれ隣接するカチオン脱塩室D11およびアニオン脱塩室D12のイオン交換体の再生に利用している点で、第1の実施形態と異なっている。このことについて、以下に簡単に説明する。
【0052】
陽極室E1で電気分解反応(2H2O→O2+4H++4e-)によって発生した水素イオンは、第2のカチオン交換膜c2を通ってカチオン脱塩室D11に流入する。カチオン脱塩室D11では流入した被処理水のカチオン成分がカチオン交換体に吸着され、カチオン成分が吸着したカチオン交換体は、陽極室E1から移動してきた水素イオンによって再生される。一方、陽極室E1と同様の電気分解反応によって陰極室E2で発生した水酸化物イオンは、第2のアニオン交換膜a2を通ってアニオン脱塩室D12に移動する。アニオン脱塩室D12では流入した被処理水のアニオン成分がアニオン交換体に吸着され、アニオン成分が吸着したアニオン交換体は、陰極室E2から移動してきた水酸化物イオンによって再生される。
【0053】
このようにして、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置1では、陽極室E1で発生した水素イオンおよび陰極室E2で発生した水酸化物イオンが各脱塩室D11,D12のイオン交換体の再生に有効利用されている。これにより、陽極・陰極間の印加電圧を低減し、使用電力量を低減することが可能となる。
【0054】
図3は、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置の別の構成例を示す概略構成図である。図3では、各室の符号は、図2における各室の符号に対応している。図中の符号Xは、符号Xで示した流路の端部同士が接続されていることを意味している。
【0055】
図2に示す構成例では、アニオン脱塩室D12と濃縮室Cとカチオン脱塩室D11の3室からなる単位構成は1組設けられていたが、この単位構成は、例えば大量の被処理水を処理する場合などには、図3に示すように、複数設けることも可能である。その場合、各単位構成は、第1の実施形態と同様の構成を有する中間イオン交換膜3を介して互いに隣接している。そして、最も陽極側に位置するカチオン脱塩室D11が第2のカチオン交換膜c2を介して陽極室E1と隣接し、最も陰極側に位置するアニオン脱塩室D12が第2のアニオン交換膜a2を介して陰極室E2と隣接する。また、すべてのアニオン脱塩室D12は、並列に被処理水が流入するように並列流路を形成し、すべてのカチオン脱塩室D11は、並列に脱アニオン水が流入するように並列回路を形成する。このような構成によって、被処理水量の増大にも対応可能となる。
【0056】
(実施例)
図1に示す構成の電気式脱イオン水製造装置(実施例)と、図3に示す電気式脱イオン水製造装置(比較例)を用いて、本発明の効果を確認した。比較例は、図1に示す実施例と、各室の構成は同様であり、濃縮室供給水がアニオン脱塩室に流入させる前の被処理水、すなわち原水である点で異なっている。濃縮室供給水の流量と、得られる処理水の流量とは、実施例および比較例で共に同量であるが、アニオン脱塩室を流出した脱アニオン水を濃縮室に流す実施例では、アニオン脱塩室入口での被処理水の流量が、比較例と比べて、濃縮室に流す分だけ大きくなっている。また、中間イオン交換膜としてはアニオン交換膜を用い、陽極室と濃縮室との間のイオン交換膜としてはカチオン交換膜、陰極室と濃縮室との間のイオン交換膜としてはアニオン交換膜をそれぞれ用いている。
【0057】
なお、実際には、実施例および比較例ともに、主脱塩室が3室設けられた電気式脱イオン水製造装置を用いて検証を行った。
【0058】
実施例および比較例における電気式脱イオン水製造装置の仕様、通水流量、供給水の仕様等は以下の通りである。なお、CERはカチオン交換樹脂、AERはアニオン交換樹脂の略である。
・陽極室E1:寸法300×80×4mm CER充填
・陰極室E2:寸法300×80×4mm AER充填
・カチオン脱塩室:寸法300×80×5mm(3室とも) CERとAERの混合充填(充填比1:1)
・アニオン脱塩室:寸法300×80×5mm(3室とも) AER充填
・濃縮室:300×80×5mm(4室とも) AER充填
・処理水流量:30L/h
・濃縮水流量:3L/h
・電極水流量:10L/h
・アニオン脱塩室供給水(被処理水):一段RO透過水12±1μS/cm
・アニオン脱塩供給水炭酸濃度(CO2含有量):20±2mg/L
・濃縮室供給水(実施例):アニオン脱塩室処理水(脱アニオン水)
(比較例):アニオン脱塩室供給水(被処理水)
・電極室供給水:一段RO透過水12±1μS/cm
・印加電流値:1.0A
・印加電流密度:0.42A/dm2
【0059】
実施例および比較例の装置について、1000時間の運転を行い、処理水質(処理水比抵抗)の経時変化を比較した。結果を表1に示す。
【0060】
【表1】

【0061】
実施例では、比較例と比べて、良好な処理水質が得られ、運転時間によらず安定した特性を示すことが確認された。これは、表1に示すように、アニオン脱塩室を流出してpH値が高くなった被処理水を濃縮室に供給したことで、炭酸の逆拡散が抑制された効果であると考えられる。
【符号の説明】
【0062】
1 電気式脱イオン水製造装置
2 枠体
3 中間イオン交換膜
4 陽極
5 陰極
D,D’ 主脱塩室
D1 第1のカチオン脱塩室
D1’ 第2のカチオン脱塩室
D11 カチオン脱塩室
D2 第1のアニオン脱塩室
D2’ 第2のアニオン脱塩室
D12 アニオン脱塩室
C 濃縮室
C1〜C3 第1〜第3の濃縮室
E1 陽極室
E2 陰極室
a,a’ アニオン交換膜
a1 第1のアニオン交換膜
a2 第2のアニオン交換膜
c,c’ カチオン交換膜
c1 第1のカチオン交換膜
c2 第2のカチオン交換膜

【特許請求の範囲】
【請求項1】
被処理水を処理して脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置であって、
陽極および陰極と、
少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、
少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、
前記陽極と前記陰極との間に位置し、第1のカチオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接する濃縮室と、を有し、
前記アニオン脱塩室と前記カチオン脱塩室とは、被処理水が前記アニオン脱塩室に流入し、該アニオン脱塩室を流出して少なくともアニオン成分が除去された中間処理水の一部が前記カチオン脱塩室に流入するように連通されており、
前記アニオン脱塩室と前記濃縮室とは、前記アニオン脱塩室を流出した前記中間処理水の他の一部が前記濃縮室に流入するように連通されている、
電気式脱イオン水製造装置。
【請求項2】
前記濃縮室が、前記カチオン脱塩室の前記陰極側で、前記第1のカチオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室に隣接して位置する陰極側濃縮室と、前記アニオン脱塩室の前記陽極側で、第1のアニオン交換膜を介して前記アニオン脱塩室に隣接して位置する陽極側濃縮室と、を有し、
前記アニオン脱塩室が、前記カチオン脱塩室の前記陽極側で、中間イオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接する、請求項1に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項3】
前記濃縮室が、前記アニオン脱塩室の前記陽極側で、第1のアニオン交換膜を介して前記アニオン脱塩室と隣接する、請求項1に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項4】
前記陽極を備えた陽極室と、前記陰極を備えた陰極室と、を有し、
前記カチオン脱塩室が、第2のカチオン交換膜を介して前記陽極室と隣接し、前記アニオン脱塩室が、第2のアニオン交換膜を介して前記陰極室と隣接する、請求項3に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項5】
前記陽極を備えた陽極室と、前記陰極を備えた陰極室と、を有し、
前記アニオン脱塩室と前記濃縮室と前記カチオン脱塩室とは、中間イオン交換膜を介して互いに隣接するように2つ以上設けられ、
2つ以上の前記アニオン脱塩室が並列流路を形成し、2つ以上の前記カチオン脱塩室が並列流路を形成し、
最も前記陽極側に位置する前記カチオン脱塩室が、第2のカチオン交換膜を介して前記陽極室と隣接し、最も前記陰極側に位置する前記アニオン脱塩室が、第2のアニオン交換膜を介して前記陰極室と隣接する、請求項3に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項6】
前記アニオン脱塩室には、前記アニオン交換体が単床形態で充填されている、請求項1から5のいずれか1項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項7】
前記濃縮室に流入する前記中間処理水の前記他の一部の流入方向と、前記カチオン脱塩室に流入する前記中間処理水の前記一部の流入方向とが互いに反対向きである、請求項1から6のいずれか1項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項8】
前記濃縮室に流入する前記中間処理水の前記他の一部の、前記カチオン脱塩室に流入する前記中間処理水の前記一部に対する流量比が0.05〜1倍の範囲にある、請求項1から7のいずれか1項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項9】
陽極および陰極と、
少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、
少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、
前記陽極と前記陰極との間に位置し、第1のカチオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接する濃縮室と、
を有する電気式脱イオン水製造装置を用いて、被処理水を処理して脱イオン水を製造する脱イオン水製造方法であって、
被処理水を前記アニオン脱塩室に流し、少なくともアニオン成分が除去された中間処理水を生成するステップと、
前記アニオン脱塩室を流出した前記中間処理水の一部を、前記カチオン脱塩室に流すステップと、
前記アニオン脱塩室を流出した前記中間処理水の他の一部を、前記濃縮室に流すステップと、
を含む、脱イオン水製造方法。
【請求項10】
前記濃縮室に流すステップは、前記中間処理水の前記一部を前記カチオン脱塩室に流す方向と反対向きに、前記中間処理水の前記他の一部を前記濃縮室に流すことを含む、請求項9に記載の脱イオン水製造方法。
【請求項11】
前記濃縮室に流すステップは、前記カチオン脱塩室に流す前記中間処理水の前記一部の流量に対して0.05〜1倍の範囲の流量で、前記中間処理水の前記他の一部を前記濃縮室に流すことを含む、請求項9または10に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2011−139979(P2011−139979A)
【公開日】平成23年7月21日(2011.7.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−1157(P2010−1157)
【出願日】平成22年1月6日(2010.1.6)
【出願人】(000004400)オルガノ株式会社 (606)
【Fターム(参考)】