電気式脱イオン水製造装置
【課題】脱塩室内における電気の偏流を解消ないし低減する。
【解決手段】一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２と、これら濃縮室Ｃ１、Ｃ２の間に配置された脱塩室Ｄとから構成される脱塩処理部を備えた電気式脱イオン水製造装置であって、脱塩室Ｄは、イオン交換膜ｃ２によって、濃縮室Ｃ１に隣接する第１小脱塩室Ｄ１と、濃縮室Ｃ２に隣接する第２小脱塩室Ｄ２とに区画され、第１小脱塩室Ｄ１内にはカチオン交換体Ｋが充填され、第２小脱塩室Ｄ２内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体の層がアニオン交換体の層となる順序で、アニオン交換体Ａの層とカチオン交換体Ｋの層が設けられ、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン交換体Ａの層の陰極側には、バイポーラ膜ＢＰがそのアニオン交換膜２がアニオン交換体Ａの層と対向するようにして配置されている。
【解決手段】一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２と、これら濃縮室Ｃ１、Ｃ２の間に配置された脱塩室Ｄとから構成される脱塩処理部を備えた電気式脱イオン水製造装置であって、脱塩室Ｄは、イオン交換膜ｃ２によって、濃縮室Ｃ１に隣接する第１小脱塩室Ｄ１と、濃縮室Ｃ２に隣接する第２小脱塩室Ｄ２とに区画され、第１小脱塩室Ｄ１内にはカチオン交換体Ｋが充填され、第２小脱塩室Ｄ２内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体の層がアニオン交換体の層となる順序で、アニオン交換体Ａの層とカチオン交換体Ｋの層が設けられ、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン交換体Ａの層の陰極側には、バイポーラ膜ＢＰがそのアニオン交換膜２がアニオン交換体Ａの層と対向するようにして配置されている。
【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に関するものであり、特に脱塩室の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、イオン交換体に被処理水を通水させて脱イオンを行う脱イオン水製造装置が知られている。このような脱イオン水製造装置では、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、薬剤（酸やアルカリ）によってイオン交換基の再生を行う必要がある。具体的には、イオン交換基に吸着した陰イオンや陽イオンを酸またはアルカリ由来のＨ+やＯＨ-で置換する必要がある。近年、上記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開発され、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を組み合わせた装置である。一般的な電気式脱イオン水製造装置の基本構成は次のとおりである。すなわち、電気式脱イオン水製造装置は、一対の濃縮室と、該一対の濃縮室の間に配置された脱塩室と、一方の濃縮室の外側に配置された陰極室と、他方の濃縮室の外側に配置された陽極室とを有する。脱塩室は、対向配置されたアニオン交換膜およびカチオン交換膜と、それら交換膜の間に充填されたイオン交換体（アニオン交換体および／またはカチオン交換体）とを有する。以下、電気式脱イオン水製造装置を「脱イオン水製造装置」と略称する場合がある。
【０００４】
上記のような構成を有する脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造するには、陰極室および陽極室にそれぞれ設けられている電極間に直流電圧を印加した状態で脱塩室に被処理水を通水させる。脱塩室では、アニオン交換体によってアニオン成分（Ｃｌ-、ＣＯ32-、ＨＣＯ3-、ＳｉＯ2等）が、カチオン交換体によってカチオン成分（Ｎａ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+等）がそれぞれ捕捉される。同時に、脱塩室内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（２Ｈ2Ｏ→Ｈ+＋ＯＨ-）。イオン交換体に捕捉されたイオン成分は、これら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体を伝ってイオン交換膜（アニオン交換膜またはカチオン交換膜）まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて濃縮室へ移動する。濃縮室に移動したイオン成分は、濃縮室を流れる濃縮水と共に系外へ排出される。
【０００５】
上記のように、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やアルカリの再生剤として連続的に作用する。このため、薬剤による再生が基本的には不要であり、連続運転が可能である。
【０００６】
ところで、比抵抗値の高い良好な水質の脱イオン水（処理水）を製造するためには、カチオン交換体によるカチオン成分の除去（以下「カチオン除去」と呼ぶ場合がある。）と、アニオン交換体によるアニオン成分の除去（以下、「アニオン除去」と呼ぶ場合がある。）の少なくとも一方を２回以上行うこと、すなわち多段処理を行うことが有効である。例えば、カチオン除去とアニオン除去をこの順で１回ずつ行った場合、初めにカチオン成分が除去されるので、被処理水中にはアニオン成分が残存する。しかし、水中では電気的中性が保たれるため、除去されたカチオン成分に代わって、除去されたカチオン成分と等量の水素イオンが被処理水中に放出される。このため、カチオン成分がある程度除去された被処理水中では、水素イオンが過剰となり、カチオン交換体にカチオン成分が吸着し難くなる。この結果、カチオン成分の除去能力が低下してしまう。このような場合、アニオン除去の後に再度カチオン除去を行うことによって、カチオン成分を十分に除去することができる。
【０００７】
特許文献１には、上記のような多段処理を行う脱イオン水製造装置の一例が記載されている。図３に、特許文献１に記載されている脱イオン水製造装置の概略構成を示す。この脱イオン水製造装置では、脱塩室Ｄがイオン交換膜（カチオン交換膜ｃ）によって、第１小脱塩室Ｄ１と第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている。さらに、第１小脱塩室Ｄ１内には、カチオン交換体Ｋが単床形態で充填されており、第２小脱塩室Ｄ２には、カチオン交換体Ｋおよびアニオン交換体Ａが複床形態で充填されている。具体的には、第１小脱塩室Ｄ１内には、カチオン交換体Ｋの層が一層設けられている。一方、第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン交換体Ａの層と、カチオン交換体Ｋの層とが被処理水の通水方向に沿ってこの順で積層されている。以下、本明細書中では、アニオン交換体Ａの層を「アニオン層Ａ」と呼び、カチオン交換体Ｋの層を「カチオン層Ｋ」と呼ぶ場合がある。
【０００８】
被処理水は、第１小脱塩室Ｄ１内のカチオン層Ｋ、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａ、第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋをこの順で通過し、処理水として系外へ排出される。すなわち、被処理水は、カチオン層Ｋ、アニオン層Ａ、カチオン層Ｋをこの順で通過する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１２５７３８号公報（図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような多段処理を行うことによって水質の良好な脱イオン水（処理水）を得ることができる。しかし、脱塩室内に異符号のイオン交換体層が積層されていると、各層の電気抵抗に差が生じることがある。そして、各層間の電気抵抗差がある程度以上に大きくなると、各層を流れる電流の量に無視し得ない偏りが生じる。すなわち、電流の偏流が発生し、イオン成分の除去能力が低下する。一般的に、被処理水には、カチオン成分よりもアニオン成分の方が多く含まれている。よって、アニオン層の電気抵抗がカチオン層のそれよりも大きくなり、炭酸やシリカに代表されるアニオン成分の除去が不十分になることが多い。
【００１１】
本発明の目的は、脱イオン水製造装置における電気の偏流を抑制し、処理水の水質をさらに向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
対向する陰極と陽極の間に少なくとも１つの脱塩処理部が設けられた電気式脱イオン水製造装置であって、前記脱塩処理部は、一対の濃縮室と、該一対の濃縮室の間に配置された脱塩室とから構成され、前記脱塩室は、イオン交換膜によって、陰極側の濃縮室に隣接する第１小脱塩室と、陽極側の濃縮室に隣接する第２小脱塩室とに区画され、前記第１小脱塩室内にはカチオン交換体が充填され、前記第２小脱塩室内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体の層がアニオン交換体の層となる順序で、アニオン交換体の層とカチオン交換体の層が少なくとも一層ずつ設けられ、前記第２小脱塩室内に設けられている前記アニオン交換体の層の陰極側には、バイポーラ膜がそのアニオン交換膜が前記アニオン交換体の層と対向するようにして配置されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、脱イオン水製造装置における電気の偏流が抑制され、処理水の水質をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の他例を示す概略構成図である。
【図３】特許文献１に記載されている脱イオン水製造装置の概略構成図である。
【図４】比較例に係る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】
（実施形態１）
以下、図面を参照して、本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１と陽極室Ｅ２の間に、一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２と、これら濃縮室Ｃ１、Ｃ２の間に配置された脱塩室Ｄとからなる脱塩処理部が設けられている。もっとも、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２は同一の部屋である。具体的には、図１中で最も右側に示されている部屋には陽極が設けられており、該部屋は電極室および濃縮室の双方としての機能を兼ね備えている。
【００１６】
また、脱塩室Ｄ内は、イオン交換膜によって二つの小脱塩室に区画されている。具体的には、脱塩室Ｄ内は、濃縮室Ｃ１に隣接している第１小脱塩室Ｄ１と、濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）に隣接している第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている。
【００１７】
上記の各部屋は、枠体１の内部を複数のイオン交換膜によって多数の空間に仕切ることによって形成されており、イオン交換膜を介して隣接している。各部屋の配列状況を陰極室Ｅ１の側から順に説明すると、次の通りである。すなわち、陰極室Ｅ１は、第１のアニオン交換膜ａ１を介して濃縮室Ｃ１に隣接し、濃縮室Ｃ１は、第１のカチオン交換膜ｃ１を介して第１小脱塩室Ｄ１と隣接している。第１小脱塩室Ｄ１は、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して第２小脱塩室Ｄ２と隣接している。第２小脱塩室Ｄ２は、第２のアニオン交換膜ａ２を介して濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）と隣接している。なお、本明細書では、脱塩室を２つの小脱塩室に区画するイオン交換膜を「中間イオン交換膜」と呼んで、他のイオン交換膜と区別する場合がある。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。本実施形態では、図１に示されている第２のカチオン交換膜ｃ２が中間イオン交換膜に相当する。
【００１８】
陰極室Ｅ１には陰極が収容されている。陰極は金属の網状体あるいは板状体であり、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体である。
【００１９】
既述のとおり、陽極室Ｅ２には陽極が収容されている。陽極は金属の網状体あるいは板状体である。被処理水にＣｌ-を含む場合、陽極に塩素が発生する。このため、陽極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。
【００２０】
陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２には電極水がそれぞれ供給される。電極水は電極近傍での電気分解により、水素イオンおよび水酸化物イオンを発生させる。脱イオン水製造装置の電気抵抗を抑えるために、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。そこで、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１内にアニオン交換体Ａが単床形態で充填されている。一方、濃縮室を兼ねる陽極室Ｅ２内にはカチオン交換体Ｋが単床形態で充填されている。すなわち、陰極室Ｅ１内にはアニオン層Ａが設けられ、陽極室Ｅ２内にはカチオン層Ｋが設けられている。
【００２１】
また、第１小脱塩室Ｄ１内には、カチオン交換体Ｋが単床形態で充填されている。すなわち、第１小脱塩室Ｄ１内にはカチオン層Ｋが設けられている。
【００２２】
第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン交換体Ａおよびカチオン交換体Ｋが複床形態で充填されている。すなわち、第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋが設けられている。具体的には、アニオン層Ａとカチオン層Ｋが、被処理水の通水方向に沿って交互に積層されている。より具体的には、通水方向前段にアニオン層Ａが設けられ、通水方向後段にカチオン層Ｋが設けられている。よって、第２小脱塩室Ｄ２に流入した被処理水は、最初にアニオン層Ａを通過し、その後にカチオン層Ｋを通過する。要するに、第２小脱塩室Ｄ２内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で複数のイオン交換体層が積層されている。また、脱塩室Ｄ全体で見た場合、被処理水は、第１小脱塩室Ｄ１内のカチオン層Ｋ、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａおよび第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋをこの順で通過する。
【００２３】
さらに、第２小脱塩室Ｄ２内にはバイポーラ膜ＢＰが部分的に配置されている。具体的には、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜との間に、バイポーラ膜ＢＰが配置されている。ここで、バイポーラ膜ＢＰとは、アニオン交換膜２とカチオン交換膜３とが貼り合わされて一体化されたイオン交換膜であって、アニオン交換膜２とカチオン交換膜３の接合面において水の解離反応が非常に促進されるという特徴を有する。図１に示すように、バイポーラ膜ＢＰは、そのアニオン交換膜２がアニオン層Ａに接するようにして配置されている。
【００２４】
図１では、枠体１が一体的に示されている。しかし、実際には各部屋ごとに別々の枠体（セル）を備え、それら枠体同士が互いに密着している。枠体１の素材は、絶縁性を有し、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。
【００２５】
次に、図１に示す脱イオン水製造装置における被処理水、処理水、濃縮水および電極水の主な流れについて概説する。なお、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、ＲＯ（Ｒｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ）膜を透過した水が被処理水および濃縮水として利用される。また、純水が電極水および濃縮水として利用される。以下の説明では、ＲＯ膜を透過した水を「原水」と呼ぶ場合がある。
【００２６】
原水の一部は、被処理水として第１小脱塩室Ｄ１へ供給され、該小脱塩室Ｄ１を通過する。第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、第２小脱塩室Ｄ２へ供給される。第２小脱塩室Ｄ２へ供給された被処理水は、該小脱塩室Ｄ２を通過した後、処理水として系外へ排出される。
【００２７】
なお、第１小脱塩室Ｄ１における被処理水の通水方向と、第２小脱塩室Ｄ２における被処理水の通水方向とは逆向きである。したがって、第２小脱塩室Ｄ２内における被処理水の通水方向下流側に配置されている第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋは、第１小脱塩室Ｄ１における被処理水の通水方向との関係では、通水方向上流側に配置されていることになる。
【００２８】
原水の他の一部は、濃縮水として濃縮室Ｃ１へ供給され、該濃縮室Ｃ１を通過した後に系外へ排出される。
【００２９】
純水は、濃縮水および電極水として濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ供給され、濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）を通過する。濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）を通過した純水は、電極水として陰極室Ｅ１へ供給され、該陰極室Ｅ１を通過した後に系外へ排出される。
【００３０】
上記のように被処理水、処理水、濃縮水および電極水を流すためにいくつかの流路が設けられている。図１に示されている流路１０は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が第１小脱塩室Ｄ１の入口に接続されている。流路１１は、その一端が第１小脱塩室Ｄ１の出口に接続され、他端が第２小脱塩室Ｄ２の入口に接続されている。流路１２は、その一端が第２小脱塩室Ｄ２の出口に接続され、他端が処理水の排出口に接続されている。
【００３１】
流路１３は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ１の入口に接続されている。流路１４は、その一端が濃縮室Ｃ１の出口に接続され、他端が濃縮水の排出口に接続されている。
【００３２】
流路１５は、その一端が純水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）の入口に接続されている。流路１６は、その一端が濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）の出口に接続され、他端が陰極室Ｅ１の入口に接続されている。流路１７は、その一端が陰極室Ｅ１の出口に接続され、他端が電極水の排出口に接続されている。
【００３３】
なお、図示されている流路の構成は一例であり、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、流路１２から流路１５を分岐させてもよい。この場合、処理水の一部が濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ供給される純水として利用される。また、流路１４と流路１７は合流させてもよい。この場合、濃縮水の排出口と電極水の排出口は共通となる。
【００３４】
次に、上記構成を有する脱イオン水製造装置の動作および作用について説明する。濃縮室Ｃ１および濃縮室Ｃ２に濃縮水が供給され、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２に電極水が供給される。さらに、陽極、陰極の間に所定の直流電圧が印加される。
【００３５】
以上の状態の下で、第１小脱塩室Ｄ１に被処理水が供給される。被処理水が第１小脱塩室Ｄ１を通過する過程で、被処理水中のカチオン成分（Ｎａ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+等）が捕捉される。捕捉されたカチオン成分は、第１小脱塩室Ｄ１と第１のカチオン交換膜ｃ１を介して隣接する濃縮室Ｃ１へ移動し、該濃縮室Ｃ１を流れる濃縮水と共に系外へ排出される。
【００３６】
次に、第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、第２小脱塩室Ｄ２に供給される。ここで、第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａとカチオン層Ｋとがこの順で積層されている。よって、第２小脱塩室Ｄ２に供給された被処理水は、まずアニオン層Ａを通過し、その後にカチオン層Ｋを通過する。その際、アニオン層Ａを通過する過程で、被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ-、ＣＯ32-、ＨＣＯ3-、ＳｉＯ2等）が捕捉される。捕捉されたアニオン成分は、第２小脱塩室Ｄ２と第２のアニオン交換膜ａ２を介して隣接する濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ移動する。濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ移動したアニオン成分は、濃縮水（電極水）と共に陰極室Ｅ１へ移動する。濃縮水（電極水）と共に陰極室Ｅ１へ移動したアニオン成分は、濃縮水（電極水）が陰極室Ｅ１内のアニオン層Ａを通過する過程で捕捉され、陰極室Ｅ１と第１のアニオン交換膜ａ１を介して隣接する濃縮室Ｃ１へ移動し、濃縮水と共に系外へ排出される。
【００３７】
第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａを通過した被処理水は、次いでカチオン層Ｋを通過する。その際、被処理水中のカチオン成分（Ｎａ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+等）が再度捕捉される。捕捉されたカチオン成分は、中間イオン交換膜を通過して第１小脱塩室Ｄ１へ移動する。第１小脱塩室Ｄ１へ移動したカチオン成分は、第１小脱塩室Ｄ１内のカチオン交換体Ｋによって捕捉され、濃縮室Ｃ１へ移動し、濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外へ排出される。
【００３８】
ここで、脱塩室内に異符号のイオン交換体層が積層されている場合に偏流が発生することは既述のとおりである。この点、図１に示す第２小脱塩室Ｄ２内には、異符号のイオン交換体層（アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋ）が積層されている。また、本実施形態に係る脱イオン水製造装置において脱塩室Ｄに供給される被処理水（原水）は、ＲＯ膜を通過した水（ＲＯ透過水）である。この場合、被処理水中には、カチオン成分よりもアニオン成分の方が多く含まれている。
【００３９】
そこで、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、第２小脱塩室Ｄ２内にバイポーラ膜ＢＰが配置されている。さらに、バイポーラ膜ＢＰは、アニオン層Ａと第２のカチオン交換膜ｃ２との間に、そのアニオン交換膜２がアニオン層Ａに接するようにして配置されている。すなわち、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａは、中間イオン交換膜（第２のカチオン交換膜ｃ２）ではなく、バイポーラ膜ＢＰのアニオン交換膜２と接しており、その界面においては水の解離反応は生じない。これらの結果、アニオン層Ａに流れる電流量が増加し、偏流が解消ないし低減される。換言すれば、第２小脱塩室Ｄ２内における電流密度の分布が均一化される。
【００４０】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、中間イオン交換膜の上にバイポーラ膜が重ねて設置されている。しかし、中間イオン交換膜の一部をバイポーラ膜で置換することも可能であり、かかる置換によっても上記と同様の作用効果が得られる。例えば、図１に示す第２のカチオン交換膜ｃ２の一部分（第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと接している部分）をバイポーラ膜に置換してもよい。
【００４１】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、濃縮室Ｃ２が陽極室Ｅ２を兼ねている。しかし、濃縮室Ｃ１が陰極室Ｅ１を兼ねてもよい。また、陰極室および陽極室を濃縮室とは別に設けてもよい。
【００４２】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、第２小脱塩室Ｄ２内には、カチオン交換体Ｋよりもアニオン交換体Ａの方が多く充填されている。換言すれば、アニオン層Ａの方がカチオン層Ｋよりも厚い。しかし、第２小脱塩室Ｄ２におけるカチオン交換体Ｋおよびアニオン交換体Ａの充填量は同一であっても同一でなくてもよい。もっとも、被処理水中のカチオン成分の大部分は、被処理水が第１小脱塩室Ｄ１を通過する過程で除去されている。よって、第２小脱塩室Ｄ２内には、カチオン交換体Ｋよりもアニオン交換体Ａを多く充填することが好ましい。
（実施形態２）
以下、図面を参照して、本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の他例について説明する。もっとも、本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、陰極と陽極の間に複数の脱塩処理部が設けられている点を除いて、実施形態１に係る脱イオン水製造装置と共通の構成を有する。そこで、実施形態１に係る脱イオン水製造装置と異なる構成についてのみ以下に説明し、共通する構成についての説明は適宜省略する。
【００４３】
図２は、本実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。図２に示す脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１と陽極室Ｅ２との間に２つの脱塩処理部が設けられている。２つの脱塩処理部のうち、相対的に陰極側に位置する第１脱塩処理部は、一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２と、これら濃縮室Ｃ１、Ｃ２の間に配置されている脱塩室Ｄとから構成されている。一方、相対的に陽極側に位置する第２脱塩処理部は、一対の濃縮室Ｃ２、Ｃ３と、これら濃縮室Ｃ２、Ｃ３の間に配置されている脱塩室Ｄとから構成されている。
【００４４】
それぞれの脱塩処理部を構成している２つの脱塩室Ｄは、図１に示す脱塩室Ｄと共通の構成を有する。すなわち、各脱塩室Ｄは、中間イオン交換膜によって第１小脱塩室Ｄ１と第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている。また、それぞれの第１小脱塩室Ｄ１内にはカチオン層Ｋが設けられている。さらに、それぞれの第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋが被処理水の通水方向に沿ってこの順で積層されている。よって、本実施形態に係る脱イオン水製造装置においても、各脱塩室Ｄに流入した被処理水は、カチオン層Ｋ、アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋをこの順で通過する。
【００４５】
加えて、各脱塩室Ｄの第２小脱塩室Ｄ２内には、バイポーラＢＰがそれぞれ配置されている。第１脱塩処理部においては、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜（カチオン交換膜ｃ２）との間にバイポーラ膜ＢＰが配置されている。また、第２脱塩処理部においては、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜（カチオン交換膜ｃ３）との間にバイポーラ膜ＢＰが配置されている。
【００４６】
次に、図２に示す脱イオン水製造装置における被処理水、処理水、濃縮水および電極水の主な流れについて概説する。
【００４７】
原水の一部は、被処理水として各脱塩室Ｄの第１小脱塩室Ｄ１へそれぞれ供給され、それら小脱塩室Ｄ１を通過する。第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、各脱塩室Ｄの第２小脱塩室Ｄ２へそれぞれ供給される。第２小脱塩室Ｄ２へ供給された被処理水は、該小脱塩室Ｄ２を通過した後、処理水として系外へ排出される。
【００４８】
原水の他の一部は、濃縮水として濃縮室Ｃ１、Ｃ２にそれぞれ供給され、それら濃縮室Ｃ１、Ｃ２を通過した後に系外へ排出される。
【００４９】
純水は、濃縮水および電極水として濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）へ供給され、濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）を通過する。濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）を通過した純水は、電極水として陰極室Ｅ１へ供給され、該陰極室Ｅ１を通過した後に系外へ排出される。
【００５０】
上記のように被処理水、処理水、濃縮水および電極水を流すためにいくつかの流路が設けられている。図２に示されている流路１０は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が第１脱塩処理部および第２脱塩処理部の各第１小脱塩室Ｄ１の入口にそれぞれ接続されている。流路１１ａは、その一端が第１脱塩処理部の第１小脱塩室Ｄ１の出口に接続され、他端が同脱塩処理部の第２小脱塩室Ｄ２の入口に接続されている。流路１１ｂは、その一端が第２脱塩処理部の第１小脱塩室Ｄ１の出口に接続され、他端が同脱塩処理部の第２小脱塩室Ｄ２の入口に接続されている。
【００５１】
流路１２は、その一端が第１脱塩処理部および第２脱塩処理部の各第２小脱塩室Ｄ２の出口にそれぞれ接続され、他端が処理水の排出口に接続されている。
【００５２】
流路１３は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ１、Ｃ２の入口にそれぞれ接続されている。流路１４は、その一端が濃縮室Ｃ１、Ｃ２の出口にそれぞれ接続され、他端が濃縮水の排出口に接続されている。
【００５３】
流路１５は、その一端が純水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）の入口に接続されている。流路１６は、その一端が濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）の出口に接続され、他端が陰極室Ｅ１の入口に接続されている。流路１７は、その一端が陰極室Ｅ１の出口に接続され、他端が電極水の排出口に接続されている。
【００５４】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置においても、各脱塩室Ｄの第２小脱塩室Ｄ２内にバイポーラ膜ＢＰがそれぞれ配置されている。各バイポーラ膜ＢＰは、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜（カチオン交換膜ｃ２、ｃ３）との間に、そのアニオン交換膜２がアニオン層Ａに接するようにして配置されている。したがって、各アニオン層Ａに流れる電流量が増加し、偏流が解消ないし低減される。
【００５５】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置においても、中間イオン交換膜の一部をバイポーラ膜で置換することが可能である。例えば、図２に示すカチオン交換膜ｃ２、ｃ３の一部分（アニオン層Ａと接している部分）をバイポーラ膜に置換してもよい。
【００５６】
なお、図１、図２に示す第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａとカチオン層Ｋが一層ずつ設けられているが、アニオン層Ａとカチオン層Ｋの積層数に特に制限はない。すなわち、第２小脱塩室Ｄ２に流入した被処理水が最初に通過するイオン交換体層がアニオン層である限り、その後に何層のイオン交換体層が積層されていてもよい。例えば、図示されている第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋの後に、第２のアニオン層を設けてもよい。また、第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋの後に、アニオン交換体とカチオン交換体を混床形態で充填してもよい。
（比較試験）
図１に示す本発明の脱イオン水製造装置（本発明）と、図４に示す脱イオン水製造装置（比較例）とについて比較試験を行った。図１と図４を比較すると分かるように、本発明と比較例は、第２小脱塩室Ｄ２内におけるバイポーラ膜の有無においてのみ相違する。換言すれば、本発明と比較例は、脱塩室Ｄが第１小脱塩室Ｄ１と第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている点において共通し、脱塩室Ｄにおけるイオン交換体の充填形態においても共通している。また、第１小脱塩室Ｄ１における被処理水の通水方向と、第２小脱塩室Ｄ２における被処理水の通水方向とが逆向きである点においても共通している。さらに、濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２が兼用である点において共通し、濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）内におけるイオン交換体の充填形態においても共通している。
【００５７】
今回の比較試験における条件（仕様、通水流量、供給水等）をまとめると以下とおりである。なお、ＣＥＲはカチオン交換体（カチオン交換樹脂）、ＡＥＲはアニオン交換体（アニオン交換樹脂）の略である。
・陽極室Ｅ２（濃縮室Ｃ２）：寸法３００×８０×４ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極室Ｅ１：寸法３００×８０×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・第１小脱塩室Ｄ１：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＣＥＲ充填
・第２小脱塩室Ｄ２：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＡＥＲ／ＣＥＲ充填
・濃縮室Ｃ１：寸法３００×８０×５ｍｍ ＡＥＲ充填
・被処理水流量：１８０Ｌ/ｈ（ＲＯ透過水：１１±１μＳ/ｃｍ）
・濃縮水流量：４５Ｌ/ｈ（ＲＯ透過水：１１±１μＳ/ｃｍ）
・電極水流量：１０Ｌ/ｈ（純水：＜０．１μＳ/ｃｍ）
・印加電流値：１．１Ａ
以上の条件の下で本発明および比較例をそれぞれ１０００時間連続運転し、運転電圧および処理水水質（比抵抗）を測定した。測定結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
【符号の説明】
【００５９】
１ 枠体
２ （バイポーラ膜の）アニオン交換膜
３ （バイポーラ膜の）カチオン交換膜
Ａ アニオン交換体（アニオン層）
Ｋ カチオン交換体（カチオン層）
ＢＰ バイポーラ膜
Ｅ１ 陰極室
Ｅ２ 陽極室
Ｃ１〜Ｃ３ 濃縮室
Ｄ 脱塩室
Ｄ１ 第１小脱塩室
Ｄ２ 第２小脱塩室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気式脱イオン水製造装置に関するものであり、特に脱塩室の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、イオン交換体に被処理水を通水させて脱イオンを行う脱イオン水製造装置が知られている。このような脱イオン水製造装置では、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、薬剤（酸やアルカリ）によってイオン交換基の再生を行う必要がある。具体的には、イオン交換基に吸着した陰イオンや陽イオンを酸またはアルカリ由来のＨ+やＯＨ-で置換する必要がある。近年、上記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開発され、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を組み合わせた装置である。一般的な電気式脱イオン水製造装置の基本構成は次のとおりである。すなわち、電気式脱イオン水製造装置は、一対の濃縮室と、該一対の濃縮室の間に配置された脱塩室と、一方の濃縮室の外側に配置された陰極室と、他方の濃縮室の外側に配置された陽極室とを有する。脱塩室は、対向配置されたアニオン交換膜およびカチオン交換膜と、それら交換膜の間に充填されたイオン交換体（アニオン交換体および／またはカチオン交換体）とを有する。以下、電気式脱イオン水製造装置を「脱イオン水製造装置」と略称する場合がある。
【０００４】
上記のような構成を有する脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造するには、陰極室および陽極室にそれぞれ設けられている電極間に直流電圧を印加した状態で脱塩室に被処理水を通水させる。脱塩室では、アニオン交換体によってアニオン成分（Ｃｌ-、ＣＯ32-、ＨＣＯ3-、ＳｉＯ2等）が、カチオン交換体によってカチオン成分（Ｎａ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+等）がそれぞれ捕捉される。同時に、脱塩室内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（２Ｈ2Ｏ→Ｈ+＋ＯＨ-）。イオン交換体に捕捉されたイオン成分は、これら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体を伝ってイオン交換膜（アニオン交換膜またはカチオン交換膜）まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて濃縮室へ移動する。濃縮室に移動したイオン成分は、濃縮室を流れる濃縮水と共に系外へ排出される。
【０００５】
上記のように、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やアルカリの再生剤として連続的に作用する。このため、薬剤による再生が基本的には不要であり、連続運転が可能である。
【０００６】
ところで、比抵抗値の高い良好な水質の脱イオン水（処理水）を製造するためには、カチオン交換体によるカチオン成分の除去（以下「カチオン除去」と呼ぶ場合がある。）と、アニオン交換体によるアニオン成分の除去（以下、「アニオン除去」と呼ぶ場合がある。）の少なくとも一方を２回以上行うこと、すなわち多段処理を行うことが有効である。例えば、カチオン除去とアニオン除去をこの順で１回ずつ行った場合、初めにカチオン成分が除去されるので、被処理水中にはアニオン成分が残存する。しかし、水中では電気的中性が保たれるため、除去されたカチオン成分に代わって、除去されたカチオン成分と等量の水素イオンが被処理水中に放出される。このため、カチオン成分がある程度除去された被処理水中では、水素イオンが過剰となり、カチオン交換体にカチオン成分が吸着し難くなる。この結果、カチオン成分の除去能力が低下してしまう。このような場合、アニオン除去の後に再度カチオン除去を行うことによって、カチオン成分を十分に除去することができる。
【０００７】
特許文献１には、上記のような多段処理を行う脱イオン水製造装置の一例が記載されている。図３に、特許文献１に記載されている脱イオン水製造装置の概略構成を示す。この脱イオン水製造装置では、脱塩室Ｄがイオン交換膜（カチオン交換膜ｃ）によって、第１小脱塩室Ｄ１と第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている。さらに、第１小脱塩室Ｄ１内には、カチオン交換体Ｋが単床形態で充填されており、第２小脱塩室Ｄ２には、カチオン交換体Ｋおよびアニオン交換体Ａが複床形態で充填されている。具体的には、第１小脱塩室Ｄ１内には、カチオン交換体Ｋの層が一層設けられている。一方、第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン交換体Ａの層と、カチオン交換体Ｋの層とが被処理水の通水方向に沿ってこの順で積層されている。以下、本明細書中では、アニオン交換体Ａの層を「アニオン層Ａ」と呼び、カチオン交換体Ｋの層を「カチオン層Ｋ」と呼ぶ場合がある。
【０００８】
被処理水は、第１小脱塩室Ｄ１内のカチオン層Ｋ、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａ、第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋをこの順で通過し、処理水として系外へ排出される。すなわち、被処理水は、カチオン層Ｋ、アニオン層Ａ、カチオン層Ｋをこの順で通過する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１２５７３８号公報（図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような多段処理を行うことによって水質の良好な脱イオン水（処理水）を得ることができる。しかし、脱塩室内に異符号のイオン交換体層が積層されていると、各層の電気抵抗に差が生じることがある。そして、各層間の電気抵抗差がある程度以上に大きくなると、各層を流れる電流の量に無視し得ない偏りが生じる。すなわち、電流の偏流が発生し、イオン成分の除去能力が低下する。一般的に、被処理水には、カチオン成分よりもアニオン成分の方が多く含まれている。よって、アニオン層の電気抵抗がカチオン層のそれよりも大きくなり、炭酸やシリカに代表されるアニオン成分の除去が不十分になることが多い。
【００１１】
本発明の目的は、脱イオン水製造装置における電気の偏流を抑制し、処理水の水質をさらに向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
対向する陰極と陽極の間に少なくとも１つの脱塩処理部が設けられた電気式脱イオン水製造装置であって、前記脱塩処理部は、一対の濃縮室と、該一対の濃縮室の間に配置された脱塩室とから構成され、前記脱塩室は、イオン交換膜によって、陰極側の濃縮室に隣接する第１小脱塩室と、陽極側の濃縮室に隣接する第２小脱塩室とに区画され、前記第１小脱塩室内にはカチオン交換体が充填され、前記第２小脱塩室内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体の層がアニオン交換体の層となる順序で、アニオン交換体の層とカチオン交換体の層が少なくとも一層ずつ設けられ、前記第２小脱塩室内に設けられている前記アニオン交換体の層の陰極側には、バイポーラ膜がそのアニオン交換膜が前記アニオン交換体の層と対向するようにして配置されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、脱イオン水製造装置における電気の偏流が抑制され、処理水の水質をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の他例を示す概略構成図である。
【図３】特許文献１に記載されている脱イオン水製造装置の概略構成図である。
【図４】比較例に係る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】
（実施形態１）
以下、図面を参照して、本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１と陽極室Ｅ２の間に、一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２と、これら濃縮室Ｃ１、Ｃ２の間に配置された脱塩室Ｄとからなる脱塩処理部が設けられている。もっとも、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２は同一の部屋である。具体的には、図１中で最も右側に示されている部屋には陽極が設けられており、該部屋は電極室および濃縮室の双方としての機能を兼ね備えている。
【００１６】
また、脱塩室Ｄ内は、イオン交換膜によって二つの小脱塩室に区画されている。具体的には、脱塩室Ｄ内は、濃縮室Ｃ１に隣接している第１小脱塩室Ｄ１と、濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）に隣接している第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている。
【００１７】
上記の各部屋は、枠体１の内部を複数のイオン交換膜によって多数の空間に仕切ることによって形成されており、イオン交換膜を介して隣接している。各部屋の配列状況を陰極室Ｅ１の側から順に説明すると、次の通りである。すなわち、陰極室Ｅ１は、第１のアニオン交換膜ａ１を介して濃縮室Ｃ１に隣接し、濃縮室Ｃ１は、第１のカチオン交換膜ｃ１を介して第１小脱塩室Ｄ１と隣接している。第１小脱塩室Ｄ１は、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して第２小脱塩室Ｄ２と隣接している。第２小脱塩室Ｄ２は、第２のアニオン交換膜ａ２を介して濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）と隣接している。なお、本明細書では、脱塩室を２つの小脱塩室に区画するイオン交換膜を「中間イオン交換膜」と呼んで、他のイオン交換膜と区別する場合がある。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。本実施形態では、図１に示されている第２のカチオン交換膜ｃ２が中間イオン交換膜に相当する。
【００１８】
陰極室Ｅ１には陰極が収容されている。陰極は金属の網状体あるいは板状体であり、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体である。
【００１９】
既述のとおり、陽極室Ｅ２には陽極が収容されている。陽極は金属の網状体あるいは板状体である。被処理水にＣｌ-を含む場合、陽極に塩素が発生する。このため、陽極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。
【００２０】
陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２には電極水がそれぞれ供給される。電極水は電極近傍での電気分解により、水素イオンおよび水酸化物イオンを発生させる。脱イオン水製造装置の電気抵抗を抑えるために、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。そこで、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１内にアニオン交換体Ａが単床形態で充填されている。一方、濃縮室を兼ねる陽極室Ｅ２内にはカチオン交換体Ｋが単床形態で充填されている。すなわち、陰極室Ｅ１内にはアニオン層Ａが設けられ、陽極室Ｅ２内にはカチオン層Ｋが設けられている。
【００２１】
また、第１小脱塩室Ｄ１内には、カチオン交換体Ｋが単床形態で充填されている。すなわち、第１小脱塩室Ｄ１内にはカチオン層Ｋが設けられている。
【００２２】
第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン交換体Ａおよびカチオン交換体Ｋが複床形態で充填されている。すなわち、第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋが設けられている。具体的には、アニオン層Ａとカチオン層Ｋが、被処理水の通水方向に沿って交互に積層されている。より具体的には、通水方向前段にアニオン層Ａが設けられ、通水方向後段にカチオン層Ｋが設けられている。よって、第２小脱塩室Ｄ２に流入した被処理水は、最初にアニオン層Ａを通過し、その後にカチオン層Ｋを通過する。要するに、第２小脱塩室Ｄ２内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で複数のイオン交換体層が積層されている。また、脱塩室Ｄ全体で見た場合、被処理水は、第１小脱塩室Ｄ１内のカチオン層Ｋ、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａおよび第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋをこの順で通過する。
【００２３】
さらに、第２小脱塩室Ｄ２内にはバイポーラ膜ＢＰが部分的に配置されている。具体的には、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜との間に、バイポーラ膜ＢＰが配置されている。ここで、バイポーラ膜ＢＰとは、アニオン交換膜２とカチオン交換膜３とが貼り合わされて一体化されたイオン交換膜であって、アニオン交換膜２とカチオン交換膜３の接合面において水の解離反応が非常に促進されるという特徴を有する。図１に示すように、バイポーラ膜ＢＰは、そのアニオン交換膜２がアニオン層Ａに接するようにして配置されている。
【００２４】
図１では、枠体１が一体的に示されている。しかし、実際には各部屋ごとに別々の枠体（セル）を備え、それら枠体同士が互いに密着している。枠体１の素材は、絶縁性を有し、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。
【００２５】
次に、図１に示す脱イオン水製造装置における被処理水、処理水、濃縮水および電極水の主な流れについて概説する。なお、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、ＲＯ（Ｒｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ）膜を透過した水が被処理水および濃縮水として利用される。また、純水が電極水および濃縮水として利用される。以下の説明では、ＲＯ膜を透過した水を「原水」と呼ぶ場合がある。
【００２６】
原水の一部は、被処理水として第１小脱塩室Ｄ１へ供給され、該小脱塩室Ｄ１を通過する。第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、第２小脱塩室Ｄ２へ供給される。第２小脱塩室Ｄ２へ供給された被処理水は、該小脱塩室Ｄ２を通過した後、処理水として系外へ排出される。
【００２７】
なお、第１小脱塩室Ｄ１における被処理水の通水方向と、第２小脱塩室Ｄ２における被処理水の通水方向とは逆向きである。したがって、第２小脱塩室Ｄ２内における被処理水の通水方向下流側に配置されている第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋは、第１小脱塩室Ｄ１における被処理水の通水方向との関係では、通水方向上流側に配置されていることになる。
【００２８】
原水の他の一部は、濃縮水として濃縮室Ｃ１へ供給され、該濃縮室Ｃ１を通過した後に系外へ排出される。
【００２９】
純水は、濃縮水および電極水として濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ供給され、濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）を通過する。濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）を通過した純水は、電極水として陰極室Ｅ１へ供給され、該陰極室Ｅ１を通過した後に系外へ排出される。
【００３０】
上記のように被処理水、処理水、濃縮水および電極水を流すためにいくつかの流路が設けられている。図１に示されている流路１０は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が第１小脱塩室Ｄ１の入口に接続されている。流路１１は、その一端が第１小脱塩室Ｄ１の出口に接続され、他端が第２小脱塩室Ｄ２の入口に接続されている。流路１２は、その一端が第２小脱塩室Ｄ２の出口に接続され、他端が処理水の排出口に接続されている。
【００３１】
流路１３は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ１の入口に接続されている。流路１４は、その一端が濃縮室Ｃ１の出口に接続され、他端が濃縮水の排出口に接続されている。
【００３２】
流路１５は、その一端が純水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）の入口に接続されている。流路１６は、その一端が濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）の出口に接続され、他端が陰極室Ｅ１の入口に接続されている。流路１７は、その一端が陰極室Ｅ１の出口に接続され、他端が電極水の排出口に接続されている。
【００３３】
なお、図示されている流路の構成は一例であり、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、流路１２から流路１５を分岐させてもよい。この場合、処理水の一部が濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ供給される純水として利用される。また、流路１４と流路１７は合流させてもよい。この場合、濃縮水の排出口と電極水の排出口は共通となる。
【００３４】
次に、上記構成を有する脱イオン水製造装置の動作および作用について説明する。濃縮室Ｃ１および濃縮室Ｃ２に濃縮水が供給され、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２に電極水が供給される。さらに、陽極、陰極の間に所定の直流電圧が印加される。
【００３５】
以上の状態の下で、第１小脱塩室Ｄ１に被処理水が供給される。被処理水が第１小脱塩室Ｄ１を通過する過程で、被処理水中のカチオン成分（Ｎａ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+等）が捕捉される。捕捉されたカチオン成分は、第１小脱塩室Ｄ１と第１のカチオン交換膜ｃ１を介して隣接する濃縮室Ｃ１へ移動し、該濃縮室Ｃ１を流れる濃縮水と共に系外へ排出される。
【００３６】
次に、第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、第２小脱塩室Ｄ２に供給される。ここで、第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａとカチオン層Ｋとがこの順で積層されている。よって、第２小脱塩室Ｄ２に供給された被処理水は、まずアニオン層Ａを通過し、その後にカチオン層Ｋを通過する。その際、アニオン層Ａを通過する過程で、被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ-、ＣＯ32-、ＨＣＯ3-、ＳｉＯ2等）が捕捉される。捕捉されたアニオン成分は、第２小脱塩室Ｄ２と第２のアニオン交換膜ａ２を介して隣接する濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ移動する。濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）へ移動したアニオン成分は、濃縮水（電極水）と共に陰極室Ｅ１へ移動する。濃縮水（電極水）と共に陰極室Ｅ１へ移動したアニオン成分は、濃縮水（電極水）が陰極室Ｅ１内のアニオン層Ａを通過する過程で捕捉され、陰極室Ｅ１と第１のアニオン交換膜ａ１を介して隣接する濃縮室Ｃ１へ移動し、濃縮水と共に系外へ排出される。
【００３７】
第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａを通過した被処理水は、次いでカチオン層Ｋを通過する。その際、被処理水中のカチオン成分（Ｎａ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+等）が再度捕捉される。捕捉されたカチオン成分は、中間イオン交換膜を通過して第１小脱塩室Ｄ１へ移動する。第１小脱塩室Ｄ１へ移動したカチオン成分は、第１小脱塩室Ｄ１内のカチオン交換体Ｋによって捕捉され、濃縮室Ｃ１へ移動し、濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外へ排出される。
【００３８】
ここで、脱塩室内に異符号のイオン交換体層が積層されている場合に偏流が発生することは既述のとおりである。この点、図１に示す第２小脱塩室Ｄ２内には、異符号のイオン交換体層（アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋ）が積層されている。また、本実施形態に係る脱イオン水製造装置において脱塩室Ｄに供給される被処理水（原水）は、ＲＯ膜を通過した水（ＲＯ透過水）である。この場合、被処理水中には、カチオン成分よりもアニオン成分の方が多く含まれている。
【００３９】
そこで、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、第２小脱塩室Ｄ２内にバイポーラ膜ＢＰが配置されている。さらに、バイポーラ膜ＢＰは、アニオン層Ａと第２のカチオン交換膜ｃ２との間に、そのアニオン交換膜２がアニオン層Ａに接するようにして配置されている。すなわち、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａは、中間イオン交換膜（第２のカチオン交換膜ｃ２）ではなく、バイポーラ膜ＢＰのアニオン交換膜２と接しており、その界面においては水の解離反応は生じない。これらの結果、アニオン層Ａに流れる電流量が増加し、偏流が解消ないし低減される。換言すれば、第２小脱塩室Ｄ２内における電流密度の分布が均一化される。
【００４０】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、中間イオン交換膜の上にバイポーラ膜が重ねて設置されている。しかし、中間イオン交換膜の一部をバイポーラ膜で置換することも可能であり、かかる置換によっても上記と同様の作用効果が得られる。例えば、図１に示す第２のカチオン交換膜ｃ２の一部分（第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと接している部分）をバイポーラ膜に置換してもよい。
【００４１】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、濃縮室Ｃ２が陽極室Ｅ２を兼ねている。しかし、濃縮室Ｃ１が陰極室Ｅ１を兼ねてもよい。また、陰極室および陽極室を濃縮室とは別に設けてもよい。
【００４２】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、第２小脱塩室Ｄ２内には、カチオン交換体Ｋよりもアニオン交換体Ａの方が多く充填されている。換言すれば、アニオン層Ａの方がカチオン層Ｋよりも厚い。しかし、第２小脱塩室Ｄ２におけるカチオン交換体Ｋおよびアニオン交換体Ａの充填量は同一であっても同一でなくてもよい。もっとも、被処理水中のカチオン成分の大部分は、被処理水が第１小脱塩室Ｄ１を通過する過程で除去されている。よって、第２小脱塩室Ｄ２内には、カチオン交換体Ｋよりもアニオン交換体Ａを多く充填することが好ましい。
（実施形態２）
以下、図面を参照して、本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の他例について説明する。もっとも、本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、陰極と陽極の間に複数の脱塩処理部が設けられている点を除いて、実施形態１に係る脱イオン水製造装置と共通の構成を有する。そこで、実施形態１に係る脱イオン水製造装置と異なる構成についてのみ以下に説明し、共通する構成についての説明は適宜省略する。
【００４３】
図２は、本実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。図２に示す脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１と陽極室Ｅ２との間に２つの脱塩処理部が設けられている。２つの脱塩処理部のうち、相対的に陰極側に位置する第１脱塩処理部は、一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２と、これら濃縮室Ｃ１、Ｃ２の間に配置されている脱塩室Ｄとから構成されている。一方、相対的に陽極側に位置する第２脱塩処理部は、一対の濃縮室Ｃ２、Ｃ３と、これら濃縮室Ｃ２、Ｃ３の間に配置されている脱塩室Ｄとから構成されている。
【００４４】
それぞれの脱塩処理部を構成している２つの脱塩室Ｄは、図１に示す脱塩室Ｄと共通の構成を有する。すなわち、各脱塩室Ｄは、中間イオン交換膜によって第１小脱塩室Ｄ１と第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている。また、それぞれの第１小脱塩室Ｄ１内にはカチオン層Ｋが設けられている。さらに、それぞれの第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋが被処理水の通水方向に沿ってこの順で積層されている。よって、本実施形態に係る脱イオン水製造装置においても、各脱塩室Ｄに流入した被処理水は、カチオン層Ｋ、アニオン層Ａおよびカチオン層Ｋをこの順で通過する。
【００４５】
加えて、各脱塩室Ｄの第２小脱塩室Ｄ２内には、バイポーラＢＰがそれぞれ配置されている。第１脱塩処理部においては、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜（カチオン交換膜ｃ２）との間にバイポーラ膜ＢＰが配置されている。また、第２脱塩処理部においては、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜（カチオン交換膜ｃ３）との間にバイポーラ膜ＢＰが配置されている。
【００４６】
次に、図２に示す脱イオン水製造装置における被処理水、処理水、濃縮水および電極水の主な流れについて概説する。
【００４７】
原水の一部は、被処理水として各脱塩室Ｄの第１小脱塩室Ｄ１へそれぞれ供給され、それら小脱塩室Ｄ１を通過する。第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、各脱塩室Ｄの第２小脱塩室Ｄ２へそれぞれ供給される。第２小脱塩室Ｄ２へ供給された被処理水は、該小脱塩室Ｄ２を通過した後、処理水として系外へ排出される。
【００４８】
原水の他の一部は、濃縮水として濃縮室Ｃ１、Ｃ２にそれぞれ供給され、それら濃縮室Ｃ１、Ｃ２を通過した後に系外へ排出される。
【００４９】
純水は、濃縮水および電極水として濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）へ供給され、濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）を通過する。濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）を通過した純水は、電極水として陰極室Ｅ１へ供給され、該陰極室Ｅ１を通過した後に系外へ排出される。
【００５０】
上記のように被処理水、処理水、濃縮水および電極水を流すためにいくつかの流路が設けられている。図２に示されている流路１０は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が第１脱塩処理部および第２脱塩処理部の各第１小脱塩室Ｄ１の入口にそれぞれ接続されている。流路１１ａは、その一端が第１脱塩処理部の第１小脱塩室Ｄ１の出口に接続され、他端が同脱塩処理部の第２小脱塩室Ｄ２の入口に接続されている。流路１１ｂは、その一端が第２脱塩処理部の第１小脱塩室Ｄ１の出口に接続され、他端が同脱塩処理部の第２小脱塩室Ｄ２の入口に接続されている。
【００５１】
流路１２は、その一端が第１脱塩処理部および第２脱塩処理部の各第２小脱塩室Ｄ２の出口にそれぞれ接続され、他端が処理水の排出口に接続されている。
【００５２】
流路１３は、その一端が原水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ１、Ｃ２の入口にそれぞれ接続されている。流路１４は、その一端が濃縮室Ｃ１、Ｃ２の出口にそれぞれ接続され、他端が濃縮水の排出口に接続されている。
【００５３】
流路１５は、その一端が純水の供給口に接続され、他端が濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）の入口に接続されている。流路１６は、その一端が濃縮室Ｃ３（陽極室Ｅ２）の出口に接続され、他端が陰極室Ｅ１の入口に接続されている。流路１７は、その一端が陰極室Ｅ１の出口に接続され、他端が電極水の排出口に接続されている。
【００５４】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置においても、各脱塩室Ｄの第２小脱塩室Ｄ２内にバイポーラ膜ＢＰがそれぞれ配置されている。各バイポーラ膜ＢＰは、第２小脱塩室Ｄ２内のアニオン層Ａと中間イオン交換膜（カチオン交換膜ｃ２、ｃ３）との間に、そのアニオン交換膜２がアニオン層Ａに接するようにして配置されている。したがって、各アニオン層Ａに流れる電流量が増加し、偏流が解消ないし低減される。
【００５５】
本実施形態に係る脱イオン水製造装置においても、中間イオン交換膜の一部をバイポーラ膜で置換することが可能である。例えば、図２に示すカチオン交換膜ｃ２、ｃ３の一部分（アニオン層Ａと接している部分）をバイポーラ膜に置換してもよい。
【００５６】
なお、図１、図２に示す第２小脱塩室Ｄ２内には、アニオン層Ａとカチオン層Ｋが一層ずつ設けられているが、アニオン層Ａとカチオン層Ｋの積層数に特に制限はない。すなわち、第２小脱塩室Ｄ２に流入した被処理水が最初に通過するイオン交換体層がアニオン層である限り、その後に何層のイオン交換体層が積層されていてもよい。例えば、図示されている第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋの後に、第２のアニオン層を設けてもよい。また、第２小脱塩室Ｄ２内のカチオン層Ｋの後に、アニオン交換体とカチオン交換体を混床形態で充填してもよい。
（比較試験）
図１に示す本発明の脱イオン水製造装置（本発明）と、図４に示す脱イオン水製造装置（比較例）とについて比較試験を行った。図１と図４を比較すると分かるように、本発明と比較例は、第２小脱塩室Ｄ２内におけるバイポーラ膜の有無においてのみ相違する。換言すれば、本発明と比較例は、脱塩室Ｄが第１小脱塩室Ｄ１と第２小脱塩室Ｄ２とに区画されている点において共通し、脱塩室Ｄにおけるイオン交換体の充填形態においても共通している。また、第１小脱塩室Ｄ１における被処理水の通水方向と、第２小脱塩室Ｄ２における被処理水の通水方向とが逆向きである点においても共通している。さらに、濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２が兼用である点において共通し、濃縮室Ｃ２（陽極室Ｅ２）内におけるイオン交換体の充填形態においても共通している。
【００５７】
今回の比較試験における条件（仕様、通水流量、供給水等）をまとめると以下とおりである。なお、ＣＥＲはカチオン交換体（カチオン交換樹脂）、ＡＥＲはアニオン交換体（アニオン交換樹脂）の略である。
・陽極室Ｅ２（濃縮室Ｃ２）：寸法３００×８０×４ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極室Ｅ１：寸法３００×８０×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・第１小脱塩室Ｄ１：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＣＥＲ充填
・第２小脱塩室Ｄ２：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＡＥＲ／ＣＥＲ充填
・濃縮室Ｃ１：寸法３００×８０×５ｍｍ ＡＥＲ充填
・被処理水流量：１８０Ｌ/ｈ（ＲＯ透過水：１１±１μＳ/ｃｍ）
・濃縮水流量：４５Ｌ/ｈ（ＲＯ透過水：１１±１μＳ/ｃｍ）
・電極水流量：１０Ｌ/ｈ（純水：＜０．１μＳ/ｃｍ）
・印加電流値：１．１Ａ
以上の条件の下で本発明および比較例をそれぞれ１０００時間連続運転し、運転電圧および処理水水質（比抵抗）を測定した。測定結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
【符号の説明】
【００５９】
１ 枠体
２ （バイポーラ膜の）アニオン交換膜
３ （バイポーラ膜の）カチオン交換膜
Ａ アニオン交換体（アニオン層）
Ｋ カチオン交換体（カチオン層）
ＢＰ バイポーラ膜
Ｅ１ 陰極室
Ｅ２ 陽極室
Ｃ１〜Ｃ３ 濃縮室
Ｄ 脱塩室
Ｄ１ 第１小脱塩室
Ｄ２ 第２小脱塩室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する陰極と陽極の間に少なくとも１つの脱塩処理部が設けられた電気式脱イオン水製造装置であって、
前記脱塩処理部は、一対の濃縮室と、該一対の濃縮室の間に配置された脱塩室とから構成され、
前記脱塩室は、イオン交換膜によって、陰極側の濃縮室に隣接する第１小脱塩室と、陽極側の濃縮室に隣接する第２小脱塩室とに区画され、
前記第１小脱塩室内にはカチオン交換体が充填され、
前記第２小脱塩室内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体の層がアニオン交換体の層となる順序で、アニオン交換体の層とカチオン交換体の層が少なくとも一層ずつ設けられ、
前記第２小脱塩室内に設けられている前記アニオン交換体の層の陰極側には、バイポーラ膜がそのアニオン交換膜が前記アニオン交換体の層と対向するようにして配置されてい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】
前記第１小脱塩室内には、カチオン交換体の層が一層設けられ、
前記第２小脱塩室内には、前記アニオン交換体の層と前記カチオン交換体の層が一層ずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
前記イオン交換膜の上に前記バイポーラ膜が重ねて配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
前記イオン交換膜の一部が前記バイポーラ膜とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項１】
対向する陰極と陽極の間に少なくとも１つの脱塩処理部が設けられた電気式脱イオン水製造装置であって、
前記脱塩処理部は、一対の濃縮室と、該一対の濃縮室の間に配置された脱塩室とから構成され、
前記脱塩室は、イオン交換膜によって、陰極側の濃縮室に隣接する第１小脱塩室と、陽極側の濃縮室に隣接する第２小脱塩室とに区画され、
前記第１小脱塩室内にはカチオン交換体が充填され、
前記第２小脱塩室内には、被処理水が最初に通過するイオン交換体の層がアニオン交換体の層となる順序で、アニオン交換体の層とカチオン交換体の層が少なくとも一層ずつ設けられ、
前記第２小脱塩室内に設けられている前記アニオン交換体の層の陰極側には、バイポーラ膜がそのアニオン交換膜が前記アニオン交換体の層と対向するようにして配置されてい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】
前記第１小脱塩室内には、カチオン交換体の層が一層設けられ、
前記第２小脱塩室内には、前記アニオン交換体の層と前記カチオン交換体の層が一層ずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
前記イオン交換膜の上に前記バイポーラ膜が重ねて配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
前記イオン交換膜の一部が前記バイポーラ膜とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１７９３１（Ｐ２０１３−１７９３１Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５１７６１（Ｐ２０１１−１５１７６１）
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
【Ｆターム（参考）】
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