電気脱イオン装置
【課題】被処理水中に硬度成分が含まれていても、スケールを発生させることなく、長期間安定的にかつ安価で効率よく運転可能な電気脱イオン装置を提供する。
【解決手段】電気脱イオン装置は、陰極１２と陽極１１との間に、複数のアニオン交換膜１３とカチオン交換膜１４とを交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、この濃縮室１５にバイポーラ膜２０を設けて濃縮室１５内を陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとに区画してなる。そして、陰極側区画室１５Ａの濃縮水の少なくとも一部は、被処理水として脱塩室１６に供給されるとともに、陽極側区画室１５Ｂに供給される。
【解決手段】電気脱イオン装置は、陰極１２と陽極１１との間に、複数のアニオン交換膜１３とカチオン交換膜１４とを交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、この濃縮室１５にバイポーラ膜２０を設けて濃縮室１５内を陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとに区画してなる。そして、陰極側区画室１５Ａの濃縮水の少なくとも一部は、被処理水として脱塩室１６に供給されるとともに、陽極側区画室１５Ｂに供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成してなる電気脱イオン装置に関し、特に、濃縮室の構成を改良することにより、脱塩室や濃縮室でのスケールの発生を防止した電気脱イオン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造工場、液晶製造工場、製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業又は民生用ないし研究施設等において使用される脱イオン水の製造には、図４に示すような、電極（陽極１１，陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維又はグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合又は複層状に充填した電気脱イオン装置が多用されている（特許文献１〜３参照）。なお、図４において、１７は陽極室、１８は陰極室であり、１０はアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂である。
【０００３】
電気脱イオン装置は、水解離によってＨ＋イオンとＯＨ−イオンを生成させ、脱塩室内に充填されているイオン交換体を連続して再生することによって、効率的に脱塩処理を行うものである。この電気脱イオン装置は、従来から広く用いられてきたイオン交換樹脂装置のように薬品を用いた再生処理を必要とせず、完全な連続採水が可能で、高純度の水が得られる、という優れた効果を発揮する。
【０００４】
しかしながら、浄水場等で河川水、地下水等を除濁、脱塩素、軟化処理した水道水を電気脱イオン装置の被処理水として直接用いた場合や被処理水のカルシウム濃度が高いと、（１）濃縮室内でのスケール発生や（２）ＣＯ２負荷増大による処理水導電率の悪化等が起こることから、水道水を直接電気脱イオン装置の被処理水として通水することは行われていない。
【０００５】
上記（１），（２）の問題点のうち、（２）のＣＯ２負荷の増大については、比較的安価な脱気膜や脱炭酸塔などの脱炭酸装置を電気脱イオン装置の前処理装置として用いることにより解決できる。
【０００６】
しかしながら、（１）の濃縮室内でのスケールを防止するためには更に軟化装置等を設置して水中の硬度成分を完全に除去することが必要となるが、軟化装置を用いた場合にはその再生が必要となり、再生不要の電気脱イオン装置を用いることによる利点が失われてしまう。
【０００７】
このような問題点を解決するために、従来から電気脱イオン装置の前処理装置として、硬度成分及びＣＯ２濃度を低減するために、一般的に逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）、脱炭酸塔などを設置する方法が用いられている。
【０００８】
しかしながら、ＲＯ膜装置は０．５〜２ＭＰａという高圧で運転することから、高価な設備が必要となり、運転費用も上昇する。しかも、電気脱イオン装置の前処理装置としてＲＯ膜装置を用いた場合でも、ＲＯ膜からわずかにリークしてくるカルシウムによって、電気脱イオン装置の濃縮室内で炭酸カルシウムスケールが発生するため、長期間安定運転を行うことはできないという問題もあった。
【０００９】
そこで、ＲＯ膜装置を直列に２段配置してカルシウム等をさらに除去することも行われているが、経費等の点で実用的でない。このため、通常の給水条件において１段のＲＯ膜装置で処理できる場合には、１段のＲＯ膜装置で純水製造システムを設計せざるをえず、かかる場合には、突発的にＣａ濃度や炭酸濃度が増加する等の給水条件の悪化や、ＲＯ膜装置の破過等に対応できず、濃縮室内でスケールが発生する懸念がある。
【００１０】
このような電気脱イオン装置において、スケールが発生するメカニズムを、図５を参照して説明する。
電気脱イオン装置のスケール発生因子として最も問題となるのが炭酸カルシウムである。電気脱イオン装置では、濃縮室の供給水として一般的に被処理水が分岐して用いられる。この濃縮室１５内においては、カチオン交換膜１４側の脱塩室１６からカルシウムイオン（Ｃａ２＋）がイオン交換されて透過し、電気的作用によってアニオン交換膜１３の表面に近づいてくる。一方、アニオン交換膜１３側の脱塩室１６からは炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）が透過する。そして、濃縮室１５内では、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）又は炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）の濃度がどちらか一方でも高くなると、以下（１），（２）の反応により炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が形成される。
ＨＣＯ３− ＋ ＯＨ− → ＣＯ３２− ＋ Ｈ２Ｏ …（１）
Ｃａ２＋ ＋ ＣＯ３２− → ＣａＣＯ３ …（２）
【００１１】
このようにして濃縮室１５内でスケールが発生すると、電気抵抗が上昇し、電圧値を一定に保てなくなるため、安定した処理性能を維持できなくなる。しかも、上記反応は不可逆反応であるため、上記反応が進行した場合には、モジュールの洗浄や、さらに放置し続けると最終的には装置の交換という事態もあり得る。
【００１２】
また、一般に、炭酸カルシウムの飽和条件は下記式で表される。
ｌｏｇ[Ｃａ２＋]＋ｌｏｇ[ＨＣＯ３−]＋ｐＨｓ＝ｌｏｇ(Ｋｓ／Ｋ２)
Ｋｓ：炭酸カルシウムの溶解度積
Ｋ２：炭酸の第２解離定数
ｐＨｓ：炭酸カルシウムの飽和ｐＨ
【００１３】
実際の水溶液中のｐＨと炭酸カルシウムの飽和ｐＨ（ｐＨｓ）との差は、ランジェリア指数（ＬＳＩ）と呼ばれ、
ＬＳＩ＝ｐＨ−ｐＨｓ＞０
となると炭酸カルシウムが析出することになる。
【００１４】
電気脱イオン装置の濃縮室１５内にも、脱塩室１６内の水解離で発生したＯＨ−イオンがアニオン交換膜１３側から透過してくるため、局所的にアルカリ性となっている。そのため、アニオン交換膜１３の表面でのＬＳＩは正（＞０）となることから、この濃縮室１５内のアニオン交換膜１３の近傍に、炭酸カルシウムスケールが析出することになる。また、水酸化カルシウムが形成されることもあり得る。
【００１５】
そこで、本出願人はこのような濃縮室内でのスケール発生の問題を解消するものとして、濃縮室内にバイポーラ膜を具備する電気脱イオン装置について先に提案した（特許文献４参照）。
【特許文献１】特許第１７８２９４３号公報
【特許文献２】特許第２７５１０９０号公報
【特許文献３】特許第２６９９２５６号公報
【特許文献４】特開２００１−１９８５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記特許文献４に記載された電気脱イオン装置により、濃縮室のスケールは抑制されるが、被処理水中に硬度成分が多く含まれる場合には、前処理装置としてＲＯ膜装置を用いた場合であっても、ＲＯ膜からリークする硬度成分であるカルシウムやマグネシウム、そしてＣＯ２によって、脱塩室内においては水酸化カルシウムや水酸化マグネシウム等が発生し、濃縮室内で炭酸カルシウムスケール等が発生するおそれがあり、原水である被処理水の水質、すなわち硬度成分の含有量によっては、長期間安定運転を行うことはできないという問題があった。
【００１７】
また、バイポーラ膜によって区画された陽極側の濃縮室で水酸化物イオンが過剰に生成するので、水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールが発生し易くなるという問題があった。
【００１８】
そこで、ＲＯ膜装置を多段にして、処理水をさらにＲＯ膜処理することで、硬度成分やＣＯ２をさらに低減することが考えられるが、前述したように付帯設備の増加と運転費用の上昇が問題となる。そして、このことが、電気脱イオン装置が広く一般産業ないし民生用の脱イオン水の製造装置として普及していくために解決すべき課題となっていた。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、被処理水中に硬度成分が多く含まれていても、スケールを発生させることなく、長期間安定的にかつ安価で効率よく運転可能な電気脱イオン装置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】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、前記濃縮室にバイポーラ膜を設けて、当該濃縮室内に陰極側区画室と陽極側区画室とを形成した電気脱イオン装置において、前記陰極側区画室の流出水の少なくとも一部を前記脱塩室及び／又は陽極側区画室に供給する流路を有する電気脱イオン装置を提供する（請求項１）。
【００２１】
上記発明（請求項１）によれば、濃縮室内にバイポーラ膜を配置することで、アニオン交換膜側の脱塩室から濃縮室内に透過してきた炭酸水素イオンと、カチオン交換膜側から透過してきたカルシウムイオンとは、それぞれバイポーラ膜により遮断されるため、濃縮室内で炭酸カルシウムを形成することがない。これにより、濃縮室内での炭酸カルシウムスケールの発生を防止することができる。さらに、アニオン交換膜側から透過してくる脱塩室内の水解離で発生した水酸化物イオン（ＯＨ−）もバイポーラ膜により遮断されるため、濃縮室内で水酸化カルシウムを形成することもない。このとき、陰極側区画室内は、バイポーラ膜の界面での水解離で発生した水素イオンが供給されることにより酸性となっているため、この陰極側区画室の濃縮水を脱塩室に供給することで、被処理水のｐＨを低下させることができ、これにより過剰な水酸化物イオン（ＯＨ−）に起因する水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールの発生を防止することができる。また、陰極側区画室の濃縮水を濃縮室の陽極側区画室に供給することで、陽極側区画室の給水のｐＨを低下させることができ、これにより過剰な水酸化物イオン（ＯＨ−）に起因する水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールの発生を防止することができる。さらに、陰極側区画室の濃縮水を陽極側区画室に供給することで、陽極側区画室内のイオンの絶対量が増えるので、バイポーラ膜の設置による電圧の上昇抑制効果も奏する。
【００２２】
上記発明（請求項１）においては、前記バイポーラ膜は、アニオン交換層面が陽極側に位置し、カチオン交換層面が陰極側に位置するように設けられていることが好ましい（請求項２）。
【００２３】
上記発明（請求項２）によれば、アニオン交換膜側の脱塩室から濃縮室内に透過してきた炭酸水素イオンと、カチオン交換膜側から透過してきたカルシウムイオンとを遮断するとともに、アニオン交換膜側から透過してくる脱塩室内の水解離で発生した水酸化物イオン（ＯＨ−）もバイポーラ膜により遮断することができる。
【００２４】
上記発明（請求項１，２）においては、前記脱塩室及び／又は陽極側区画室への流路の途中に、脱炭酸装置が設けられていることが好ましい（請求項３）。陰極側区画室の濃縮水には、水素イオンだけでなく、ＣＯ２に起因する炭酸イオン等が存在しており、これが脱塩室や陽極側区画室に供給されると、脱塩室や陽極側区画室内でカルシウムイオンと反応して炭酸カルシウムが発生するおそれがあるが、かかる発明（請求項３）によれば、あらかじめ脱炭酸装置を経由させることでＣＯ２の除去を行うことができ、炭酸カルシウムスケールの発生を防止することができる。しかも、陰極側区画室の濃縮水は酸性であるため、脱気膜等の脱炭酸装置による脱炭酸を効果的に行うことができるという効果も奏する。
【００２５】
上記発明（請求項１〜３）においては、前記濃縮室内にイオン交換体を充填することが好ましい（請求項４）。かかる発明（請求項４）によれば、濃縮室内にイオン交換体を充填することによって、イオンが流れやすくなるので、バイポーラ膜の設置による電圧の上昇を抑制することができる。
【００２６】
上記発明（請求項１〜４）においては、前記脱塩室内にイオン交換体を充填することが好ましい（請求項５）。かかる発明（請求項５）によれば、脱塩室内で得られる脱イオン水の水質をより向上させることができる。
【００２７】
さらに、上記発明（請求項１〜５）においては、前記脱塩室の流出水の一部を前記濃縮室の流入側へ供給する流路を設けることが好ましい（請求項６）。かかる発明（請求項６）によれば、水道水のようにカルシウム濃度の高い水を処理する場合であっても脱イオン水の一部を濃縮室に導入することで、濃縮室の循環水を脱イオン水で希釈してカルシウム濃度を低減することができ、これにより、スケールの発生を一層防止することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の電気脱イオン装置によれば、濃縮室内にバイポーラ膜を配置することにより、濃縮室内で炭酸水素イオンや水酸化物イオンとカルシウムイオンとが会合することがないので、濃縮室内で炭酸カルシウムや水酸化カルシウムの形成を抑制することができ、被処理水中に硬度成分が含まれていても濃縮室内にスケールを発生させることなく、電気脱イオン装置を長期間安定に運転することができる。また、陰極側区画室の濃縮水を脱塩室及び／又は陽極側区画室に供給することで、過剰な水酸化物イオン（ＯＨ−）に起因する水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールの発生を防止することができる。さらに、前処理装置として必要とされていたＲＯ膜装置を最小限に抑えることができ、設備コスト、処理コストの低減を図ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電気脱イオン装置を示す概略構成図であり、図２は、同実施形態に係る電気脱イオン装置の濃縮室の拡大断面図であり、図３は、同実施形態に係る電気脱イオン装置を備えた純水製造システムを示す系統図である。なお、図１〜図３においては、図４及び図５に示す従来の電気脱イオン装置と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００３０】
本実施形態に係る電気脱イオン装置は、濃縮室１５内にバイポーラ膜２０を設けて濃縮室１５を区画し、濃縮室１５内に陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとを形成し、この濃縮室１５内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１を充填した以外は、図４に示す従来の電気脱イオン装置と同様の構成を有している。
【００３１】
このバイポーラ膜２０は、陽極１１側にバイポーラ膜２０のアニオン交換層面２０Ｂが位置し、陰極１２側にバイポーラ膜２０のカチオン交換層面２０Ａが位置するように濃縮室１５内に設置されている。
【００３２】
なお、本実施形態で用いるバイポーラ膜２０としては、アニオン交換層とカチオン交換層とを有し、水電解効率が高いものであればよく、特に制限はない。また、場合によっては、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを重ね合わせて用いてもよい。
【００３３】
このような電気脱イオン装置において、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂには、イオン交換体、特にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１が充填されているのが好ましい。
【００３４】
この混合樹脂２１におけるアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との体積比率は、特に制限はないが、アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂が１０／９０〜９０／１０、特に３０／７０〜７０／３０であるのが好ましい。これにより陰極側区画室１５Ａでは、バイポーラ膜２０の界面において水解離によって発生した水素イオンの移動が促進される一方、陽極側区画室１５Ｂでは、バイポーラ膜２０の界面における水解離によって発生した水酸化物イオンの移動が促進される。この結果、電流が流れやすく、電圧の上昇を抑制することができる。
【００３５】
なお、混合樹脂２１は、陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとで、アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂の体積比率を変更してもよいし、陰極側区画室１５Ａ、陽極側区画室１５Ｂ内の上下でもアニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂の体積比率を変更してもよい。
【００３６】
上述したような電気脱イオン装置の陰極側区画室１５Ａの濃縮水の少なくとも一部は、被処理水として脱塩室１６に供給されるとともに、陽極側区画室１５Ｂに供給される。具体的には、図３に示すような純水製造システムにおいて適用することができる。
【００３７】
すなわち、図３に示すように、純水製造システムは、被処理水Ｗが供給される逆浸透膜（ＲＯ膜）装置３１と、このＲＯ膜装置３１を透過したＲＯ処理水Ｗ１を処理する脱炭酸装置たる脱気装置３２と、この脱気装置３２で得られる脱気水Ｗ２を脱塩室１６において処理して処理水（脱イオン水）Ｗ３を製造する電気脱イオン装置３３とを備える。
【００３８】
そして、この電気脱イオン装置３３の脱塩室１６は、主流路Ｒ１を経由してサブシステム等に連通している。また、脱塩室１６は、主流路Ｒ１から分岐した流路Ｒ２，Ｒ３を経由して、陽極室１７及び陰極室１８に連通しているとともに、流路Ｒ４，Ｒ５を経由して、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに連通している。
【００３９】
そして、陰極側区画室１５Ａから排出される濃縮水の流路Ｒ６は、排出側に開放しているとともに一部が脱気装置３２の上流で主流路Ｒ１に合流している。さらに、流路Ｒ６の途中で分岐した流路Ｒ７が陽極側区画室１５Ｂに連通した流路Ｒ５に合流している。なお、図３中において、Ｂ１〜Ｂ８は流量調節機構であり、必要に応じて各流路における流量を所望の値に制御可能となっている。
【００４０】
次に、このような構成を有する電気脱イオン装置の作用について説明する。
図３に示すように、まず主流路Ｒ１の起端部から被処理水ＷをＲＯ膜装置３１に供給して、ＲＯ膜装置３１で処理を行い、被処理水Ｗに含まれるカルシウム、シリカ等を除去する。
【００４１】
そして、このＲＯ膜装置３１で処理したＲＯ処理水Ｗ１を脱気装置３２に供給し、ＲＯ処理水Ｗ１に含まれている炭酸イオン等を二酸化炭素として除去した後、得られた脱気水Ｗ２を電気脱イオン装置３３の脱塩室１６に供給する。
【００４２】
この電気脱イオン装置３３では、脱気水Ｗ２は、脱塩室１６でカルシウムイオン、マグネシウムイオン、炭酸水素イオン等のイオン性の不純物が除去された処理水（脱イオン水）Ｗ３として主流路Ｒ１からサブシステム等に供給される。
【００４３】
また、この処理水Ｗ３の一部は、主流路Ｒ１から分岐した流路Ｒ２，Ｒ３を経由して、電気脱イオン装置３３の陽極室１７及び陰極室１８に供給されるとともに、流路Ｒ４，Ｒ５を経由して、濃縮室１５、すなわち陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに供給される。
【００４４】
このとき、図２に示すように、電気脱イオン装置３３の濃縮室１５内には、バイポーラ膜２０が設けられているので、アニオン交換膜１３側の脱塩室１６から濃縮室１５内に透過してきた炭酸水素イオン及び水酸化物イオンは、バイポーラ膜２０を透過することができず、カチオン交換膜１４側から透過してきたカルシウムイオン及び水素イオンもバイポーラ膜２０を透過することができない。このため、濃縮室１５内での炭酸カルシウムスケールの発生が防止される。なお、説明の便宜上、図２及び図３においては、混合樹脂２１は省略してある。
【００４５】
このとき、バイポーラ膜２０内では、理論水電解電圧（０．８３Ｖ）以上の電圧を印加することによって水解離が発生するので、電流が流れる。このため、バイポーラ膜２０を濃縮室１５内に設置することで、電気脱イオン装置３３の脱イオン性能が損なわれることはない。
【００４６】
このような作用により、陰極側区画室１５Ａ内は、バイポーラ膜２０の界面での水解離で発生した水素イオンが供給されることにより酸性になっている。そこで、この陰極側区画室１５Ａの濃縮水Ｗ４の一部を、流路Ｒ６を経由して脱気装置３２の上流で主流路Ｒ１に合流させるとともに、この流路Ｒ６の途中で分岐した流路Ｒ７から流路Ｒ５に合流させる。
【００４７】
この脱気装置３２の上流でＲＯ処理水Ｗ１に合流した濃縮水Ｗ４中には、炭酸イオン等が含まれているので、まず脱気装置３２によって、脱炭酸が行われる。このとき、濃縮水Ｗ４は酸性であるため、脱気装置３２による脱炭酸がより効率的に行われる。
【００４８】
その後、得られた脱気水Ｗ２は、脱塩室１６に再供給されるが、この脱気水Ｗ２は、酸性の濃縮水Ｗ４が混合されることによりｐＨが低下している。このため、脱塩室１６内で水酸化カルシウムや水酸化マグネシウム等の水酸化物イオンに起因するスケールの発生を抑制することができる。
【００４９】
この濃縮水Ｗ４のＲＯ処理水Ｗ１への供給量は、脱塩室１６内である程度のｐＨの低減効果が得られる量であればよく、ＲＯ処理水Ｗ１に対して１〜１５％程度であればよい。
【００５０】
なお、濃縮水Ｗ４は、脱気装置３２を経由することなく、脱塩室１６に供給してもよく、濃縮水Ｗ４を、脱気装置３２を経由させて脱塩室１６に供給するかしないかは、脱塩室１６に再供給される炭酸イオンの量と被処理水中の硬度成分等を考慮して決定すればよい。
【００５１】
濃縮水Ｗ４は、流路Ｒ７から流路Ｒ５を流れる処理水（脱イオン水）Ｗ３に合流して、陽極側区画室１５Ｂにも供給されることで、この陽極側区画室１５Ｂを流通する処理水（脱イオン水）Ｗ３も同様にｐＨが低下する。これにより、陽極側区画室１５Ｂ内での水酸化カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケールの発生を抑制することができる。さらに、酸性の濃縮水Ｗ４の流入により、陽極側区画室１５Ｂ内のイオンの絶対量が増えるので、バイポーラ膜２０の設置による電圧上昇の抑制効果も得ることができる。
【００５２】
この濃縮水Ｗ４の処理水（脱イオン水）Ｗ３への供給量は、陽極側区画室１５Ｂ内である程度のｐＨの低減効果が得られる量であればよく、処理水Ｗ３に対して１〜１０％程度であればよい。
【００５３】
なお、本実施形態においては、陽極側区画室１５Ｂへの流路Ｒ５及び流路Ｒ７には、脱気装置を設置していないが、濃縮水Ｗ４中の炭酸イオンにより炭酸カルシウムが発生する可能性がある場合には、流路Ｒ５又は流路Ｒ７に脱気装置を設置してもよい。このようにすることで、電流が流れ易くなり安定した処理水水質が得られることになる。
【００５４】
なお、濃縮室１５内にバイポーラ膜２０を配置しただけでは、水道水のようにカルシウム濃度の高い水を処理する場合には、スケールが発生するおそれがあるため、図３に示すように、脱塩室１６の脱イオン水（処理水）Ｗ３の一部を濃縮室１５（陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂ）に導入することが好ましい。これにより、濃縮室循環水を脱イオン水Ｗ３で希釈することができ、濃縮室循環水のカルシウム濃度を低減することができる。同様に電極室（陽極室１７及び陰極室１８）内の水も、脱イオン水を用いることが好ましい。
【００５５】
本実施形態に係る電気脱イオン装置においては、濃縮室１５内に陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂを形成し、この濃縮室１５内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１を充填しているが、脱塩室１６内に、イオン交換樹脂、イオン交換繊維又はグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合又は複層状に充填することが、得られる脱イオン水の向上の面で好ましい。さらに、陽極室１７及び陰極室１８にイオン交換体を充填してもよい。
【実施例】
【００５６】
以下、比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
なお、以下の比較例及び実施例で用いた試験装置は、下記の装置を活性炭装置、電気脱イオン装置の順で直列に配置したものである。
活性炭装置：栗田工業社製「クリコールＫＷ１０−３０」
電気脱イオン装置：栗田工業社製「クリテノンＳＨ型」
処理水量：１００Ｌ／ｈｒ
【００５７】
また、試験用の被処理水（市水）として以下のものを用意した。
被処理水：給水Ｃａ濃度２８ｐｐｍ（ＣａＣＯ３換算）
給水ＣＯ２濃度２９ｐｐｍ（ＣａＣＯ３換算）
【００５８】
〔比較例１〕
電気脱イオン装置のイオン交換膜及び脱塩室に充填するイオン交換樹脂として以下のものを用い、上記被処理水を電流値６．５Ａ、水回収率８０％、入口導電率１７０μＳ／ｃｍ、濃縮室初期流量２５Ｌ／ｈｒの条件で通水を行い、得られる処理水の１週間後、１月後、２月後及び３月後の濃縮室の差圧、及び印加電圧の経時変化を測定した。
結果を表１に示すとともに、初期状態における印加電圧及び出口導電率を示す。
なお、濃縮室循環水の補給水及び電極室水としては、被処理水を用いた。
【００５９】
アニオン交換膜：旭化成工業社製「アシプレックスＡ５０１ＳＢ」
カチオン交換膜：旭化成工業社製「アシプレックスＫ５０１ＳＢ」
イオン交換樹脂：アニオン交換樹脂（三菱化学社製，「ＳＡ１０Ａ」）とカチオン交換樹脂（三菱化学社製，「ＳＫ１Ｂ」）とを６：４の体積混合比率で混合したもの。
【００６０】
〔比較例２〕
比較例１で用いた電気脱イオン装置の濃縮室にバイポーラ膜を設けるとともに、濃縮室にイオン交換樹脂を充填して図１に示す電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いたこと以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
なお、バイポーラ膜としては（株）アストム製ＣＭＳ（商品名）を用いた。また、イオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂は、比較例１で脱塩室に充填したものと同じである。
【００６１】
〔実施例１〕
比較例２の電気脱イオン装置において、陰極側区画室の濃縮水流路から陽極側区画室の導入流路に合流する流路を設けて電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いて、陰極側区画室の濃縮水の５％を脱塩室からの脱イオン水とともに陽極側区画室に供給するようにした以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
【００６２】
〔実施例２〕
比較例２の電気脱イオン装置において、陰極側区画室の濃縮水流路から脱塩室への導入流路に合流する流路を設けて電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いて、陰極側区画室の濃縮水の１０％を被処理水とともに脱塩室に供給するようにした以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
【００６３】
〔実施例３〕
比較例２の電気脱イオン装置において、陰極側区画室の濃縮水流路から陽極側区画室の導入流路に合流する流路を設けるとともに、陰極側区画室の濃縮水流路から脱塩室への導入流路に合流する流路を設けて電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いて、陰極側区画室の濃縮水の５％を脱塩室からの脱イオン水とともに陽極側区画室に供給するとともに、陰極側区画室の濃縮水の１０％を被処理水とともに脱塩室に供給するようにした以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】
【００６５】
表１より明らかなように、比較例１の電気脱イオン装置では１週間で濃縮室側の差圧が上昇してしまい、運転不能となった。また、比較例２においては、通水開始１週間後には電解電圧が増加していた。これに対し実施例１〜３の電気脱イオン装置では、電圧の増加も少なく、３月間安定して運転することができ、また、得られる処理水の水質も良好であった。特に、濃縮室と脱塩室との両方に陰極側区画室の濃縮水を供給した実施例３の電気脱イオン装置では、スケールの発生及び導電性の問題が大きく改善され、差圧及び電圧の上昇は殆ど起こらなかった。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気脱イオン装置を示す概略構成図である。
【図２】同実施形態に係る電気脱イオン装置の濃縮室におけるイオンの流れを示す断面図である。
【図３】同実施形態に係る電気脱イオン装置を用いた純水製造システムを示すフロー図である。
【図４】従来の電気脱イオン装置を示す概略構成図である。
【図５】従来の電気脱イオン装置の濃縮室におけるイオンの流れを示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１１…陽極
１２…陰極
１３…アニオン交換膜
１４…カチオン交換膜
１５…濃縮室
１５Ａ…陰極側区画室
１５Ｂ…陽極側区画室
１６…脱塩室
１７…陽極室
１８…陰極室
２０…バイポーラ膜
２１…混合樹脂（カチオン交換樹脂／カチオン交換樹脂）
３２…脱気装置（脱炭酸装置）
３３…電気脱イオン装置
Ｗ４…濃縮水（陰極側区画室の濃縮水）
Ｒ６…流路
Ｒ７…流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成してなる電気脱イオン装置に関し、特に、濃縮室の構成を改良することにより、脱塩室や濃縮室でのスケールの発生を防止した電気脱イオン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造工場、液晶製造工場、製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業又は民生用ないし研究施設等において使用される脱イオン水の製造には、図４に示すような、電極（陽極１１，陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維又はグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合又は複層状に充填した電気脱イオン装置が多用されている（特許文献１〜３参照）。なお、図４において、１７は陽極室、１８は陰極室であり、１０はアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂である。
【０００３】
電気脱イオン装置は、水解離によってＨ＋イオンとＯＨ−イオンを生成させ、脱塩室内に充填されているイオン交換体を連続して再生することによって、効率的に脱塩処理を行うものである。この電気脱イオン装置は、従来から広く用いられてきたイオン交換樹脂装置のように薬品を用いた再生処理を必要とせず、完全な連続採水が可能で、高純度の水が得られる、という優れた効果を発揮する。
【０００４】
しかしながら、浄水場等で河川水、地下水等を除濁、脱塩素、軟化処理した水道水を電気脱イオン装置の被処理水として直接用いた場合や被処理水のカルシウム濃度が高いと、（１）濃縮室内でのスケール発生や（２）ＣＯ２負荷増大による処理水導電率の悪化等が起こることから、水道水を直接電気脱イオン装置の被処理水として通水することは行われていない。
【０００５】
上記（１），（２）の問題点のうち、（２）のＣＯ２負荷の増大については、比較的安価な脱気膜や脱炭酸塔などの脱炭酸装置を電気脱イオン装置の前処理装置として用いることにより解決できる。
【０００６】
しかしながら、（１）の濃縮室内でのスケールを防止するためには更に軟化装置等を設置して水中の硬度成分を完全に除去することが必要となるが、軟化装置を用いた場合にはその再生が必要となり、再生不要の電気脱イオン装置を用いることによる利点が失われてしまう。
【０００７】
このような問題点を解決するために、従来から電気脱イオン装置の前処理装置として、硬度成分及びＣＯ２濃度を低減するために、一般的に逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）、脱炭酸塔などを設置する方法が用いられている。
【０００８】
しかしながら、ＲＯ膜装置は０．５〜２ＭＰａという高圧で運転することから、高価な設備が必要となり、運転費用も上昇する。しかも、電気脱イオン装置の前処理装置としてＲＯ膜装置を用いた場合でも、ＲＯ膜からわずかにリークしてくるカルシウムによって、電気脱イオン装置の濃縮室内で炭酸カルシウムスケールが発生するため、長期間安定運転を行うことはできないという問題もあった。
【０００９】
そこで、ＲＯ膜装置を直列に２段配置してカルシウム等をさらに除去することも行われているが、経費等の点で実用的でない。このため、通常の給水条件において１段のＲＯ膜装置で処理できる場合には、１段のＲＯ膜装置で純水製造システムを設計せざるをえず、かかる場合には、突発的にＣａ濃度や炭酸濃度が増加する等の給水条件の悪化や、ＲＯ膜装置の破過等に対応できず、濃縮室内でスケールが発生する懸念がある。
【００１０】
このような電気脱イオン装置において、スケールが発生するメカニズムを、図５を参照して説明する。
電気脱イオン装置のスケール発生因子として最も問題となるのが炭酸カルシウムである。電気脱イオン装置では、濃縮室の供給水として一般的に被処理水が分岐して用いられる。この濃縮室１５内においては、カチオン交換膜１４側の脱塩室１６からカルシウムイオン（Ｃａ２＋）がイオン交換されて透過し、電気的作用によってアニオン交換膜１３の表面に近づいてくる。一方、アニオン交換膜１３側の脱塩室１６からは炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）が透過する。そして、濃縮室１５内では、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）又は炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）の濃度がどちらか一方でも高くなると、以下（１），（２）の反応により炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が形成される。
ＨＣＯ３− ＋ ＯＨ− → ＣＯ３２− ＋ Ｈ２Ｏ …（１）
Ｃａ２＋ ＋ ＣＯ３２− → ＣａＣＯ３ …（２）
【００１１】
このようにして濃縮室１５内でスケールが発生すると、電気抵抗が上昇し、電圧値を一定に保てなくなるため、安定した処理性能を維持できなくなる。しかも、上記反応は不可逆反応であるため、上記反応が進行した場合には、モジュールの洗浄や、さらに放置し続けると最終的には装置の交換という事態もあり得る。
【００１２】
また、一般に、炭酸カルシウムの飽和条件は下記式で表される。
ｌｏｇ[Ｃａ２＋]＋ｌｏｇ[ＨＣＯ３−]＋ｐＨｓ＝ｌｏｇ(Ｋｓ／Ｋ２)
Ｋｓ：炭酸カルシウムの溶解度積
Ｋ２：炭酸の第２解離定数
ｐＨｓ：炭酸カルシウムの飽和ｐＨ
【００１３】
実際の水溶液中のｐＨと炭酸カルシウムの飽和ｐＨ（ｐＨｓ）との差は、ランジェリア指数（ＬＳＩ）と呼ばれ、
ＬＳＩ＝ｐＨ−ｐＨｓ＞０
となると炭酸カルシウムが析出することになる。
【００１４】
電気脱イオン装置の濃縮室１５内にも、脱塩室１６内の水解離で発生したＯＨ−イオンがアニオン交換膜１３側から透過してくるため、局所的にアルカリ性となっている。そのため、アニオン交換膜１３の表面でのＬＳＩは正（＞０）となることから、この濃縮室１５内のアニオン交換膜１３の近傍に、炭酸カルシウムスケールが析出することになる。また、水酸化カルシウムが形成されることもあり得る。
【００１５】
そこで、本出願人はこのような濃縮室内でのスケール発生の問題を解消するものとして、濃縮室内にバイポーラ膜を具備する電気脱イオン装置について先に提案した（特許文献４参照）。
【特許文献１】特許第１７８２９４３号公報
【特許文献２】特許第２７５１０９０号公報
【特許文献３】特許第２６９９２５６号公報
【特許文献４】特開２００１−１９８５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記特許文献４に記載された電気脱イオン装置により、濃縮室のスケールは抑制されるが、被処理水中に硬度成分が多く含まれる場合には、前処理装置としてＲＯ膜装置を用いた場合であっても、ＲＯ膜からリークする硬度成分であるカルシウムやマグネシウム、そしてＣＯ２によって、脱塩室内においては水酸化カルシウムや水酸化マグネシウム等が発生し、濃縮室内で炭酸カルシウムスケール等が発生するおそれがあり、原水である被処理水の水質、すなわち硬度成分の含有量によっては、長期間安定運転を行うことはできないという問題があった。
【００１７】
また、バイポーラ膜によって区画された陽極側の濃縮室で水酸化物イオンが過剰に生成するので、水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールが発生し易くなるという問題があった。
【００１８】
そこで、ＲＯ膜装置を多段にして、処理水をさらにＲＯ膜処理することで、硬度成分やＣＯ２をさらに低減することが考えられるが、前述したように付帯設備の増加と運転費用の上昇が問題となる。そして、このことが、電気脱イオン装置が広く一般産業ないし民生用の脱イオン水の製造装置として普及していくために解決すべき課題となっていた。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、被処理水中に硬度成分が多く含まれていても、スケールを発生させることなく、長期間安定的にかつ安価で効率よく運転可能な電気脱イオン装置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】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、前記濃縮室にバイポーラ膜を設けて、当該濃縮室内に陰極側区画室と陽極側区画室とを形成した電気脱イオン装置において、前記陰極側区画室の流出水の少なくとも一部を前記脱塩室及び／又は陽極側区画室に供給する流路を有する電気脱イオン装置を提供する（請求項１）。
【００２１】
上記発明（請求項１）によれば、濃縮室内にバイポーラ膜を配置することで、アニオン交換膜側の脱塩室から濃縮室内に透過してきた炭酸水素イオンと、カチオン交換膜側から透過してきたカルシウムイオンとは、それぞれバイポーラ膜により遮断されるため、濃縮室内で炭酸カルシウムを形成することがない。これにより、濃縮室内での炭酸カルシウムスケールの発生を防止することができる。さらに、アニオン交換膜側から透過してくる脱塩室内の水解離で発生した水酸化物イオン（ＯＨ−）もバイポーラ膜により遮断されるため、濃縮室内で水酸化カルシウムを形成することもない。このとき、陰極側区画室内は、バイポーラ膜の界面での水解離で発生した水素イオンが供給されることにより酸性となっているため、この陰極側区画室の濃縮水を脱塩室に供給することで、被処理水のｐＨを低下させることができ、これにより過剰な水酸化物イオン（ＯＨ−）に起因する水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールの発生を防止することができる。また、陰極側区画室の濃縮水を濃縮室の陽極側区画室に供給することで、陽極側区画室の給水のｐＨを低下させることができ、これにより過剰な水酸化物イオン（ＯＨ−）に起因する水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールの発生を防止することができる。さらに、陰極側区画室の濃縮水を陽極側区画室に供給することで、陽極側区画室内のイオンの絶対量が増えるので、バイポーラ膜の設置による電圧の上昇抑制効果も奏する。
【００２２】
上記発明（請求項１）においては、前記バイポーラ膜は、アニオン交換層面が陽極側に位置し、カチオン交換層面が陰極側に位置するように設けられていることが好ましい（請求項２）。
【００２３】
上記発明（請求項２）によれば、アニオン交換膜側の脱塩室から濃縮室内に透過してきた炭酸水素イオンと、カチオン交換膜側から透過してきたカルシウムイオンとを遮断するとともに、アニオン交換膜側から透過してくる脱塩室内の水解離で発生した水酸化物イオン（ＯＨ−）もバイポーラ膜により遮断することができる。
【００２４】
上記発明（請求項１，２）においては、前記脱塩室及び／又は陽極側区画室への流路の途中に、脱炭酸装置が設けられていることが好ましい（請求項３）。陰極側区画室の濃縮水には、水素イオンだけでなく、ＣＯ２に起因する炭酸イオン等が存在しており、これが脱塩室や陽極側区画室に供給されると、脱塩室や陽極側区画室内でカルシウムイオンと反応して炭酸カルシウムが発生するおそれがあるが、かかる発明（請求項３）によれば、あらかじめ脱炭酸装置を経由させることでＣＯ２の除去を行うことができ、炭酸カルシウムスケールの発生を防止することができる。しかも、陰極側区画室の濃縮水は酸性であるため、脱気膜等の脱炭酸装置による脱炭酸を効果的に行うことができるという効果も奏する。
【００２５】
上記発明（請求項１〜３）においては、前記濃縮室内にイオン交換体を充填することが好ましい（請求項４）。かかる発明（請求項４）によれば、濃縮室内にイオン交換体を充填することによって、イオンが流れやすくなるので、バイポーラ膜の設置による電圧の上昇を抑制することができる。
【００２６】
上記発明（請求項１〜４）においては、前記脱塩室内にイオン交換体を充填することが好ましい（請求項５）。かかる発明（請求項５）によれば、脱塩室内で得られる脱イオン水の水質をより向上させることができる。
【００２７】
さらに、上記発明（請求項１〜５）においては、前記脱塩室の流出水の一部を前記濃縮室の流入側へ供給する流路を設けることが好ましい（請求項６）。かかる発明（請求項６）によれば、水道水のようにカルシウム濃度の高い水を処理する場合であっても脱イオン水の一部を濃縮室に導入することで、濃縮室の循環水を脱イオン水で希釈してカルシウム濃度を低減することができ、これにより、スケールの発生を一層防止することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の電気脱イオン装置によれば、濃縮室内にバイポーラ膜を配置することにより、濃縮室内で炭酸水素イオンや水酸化物イオンとカルシウムイオンとが会合することがないので、濃縮室内で炭酸カルシウムや水酸化カルシウムの形成を抑制することができ、被処理水中に硬度成分が含まれていても濃縮室内にスケールを発生させることなく、電気脱イオン装置を長期間安定に運転することができる。また、陰極側区画室の濃縮水を脱塩室及び／又は陽極側区画室に供給することで、過剰な水酸化物イオン（ＯＨ−）に起因する水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムなどのスケールの発生を防止することができる。さらに、前処理装置として必要とされていたＲＯ膜装置を最小限に抑えることができ、設備コスト、処理コストの低減を図ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電気脱イオン装置を示す概略構成図であり、図２は、同実施形態に係る電気脱イオン装置の濃縮室の拡大断面図であり、図３は、同実施形態に係る電気脱イオン装置を備えた純水製造システムを示す系統図である。なお、図１〜図３においては、図４及び図５に示す従来の電気脱イオン装置と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００３０】
本実施形態に係る電気脱イオン装置は、濃縮室１５内にバイポーラ膜２０を設けて濃縮室１５を区画し、濃縮室１５内に陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとを形成し、この濃縮室１５内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１を充填した以外は、図４に示す従来の電気脱イオン装置と同様の構成を有している。
【００３１】
このバイポーラ膜２０は、陽極１１側にバイポーラ膜２０のアニオン交換層面２０Ｂが位置し、陰極１２側にバイポーラ膜２０のカチオン交換層面２０Ａが位置するように濃縮室１５内に設置されている。
【００３２】
なお、本実施形態で用いるバイポーラ膜２０としては、アニオン交換層とカチオン交換層とを有し、水電解効率が高いものであればよく、特に制限はない。また、場合によっては、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを重ね合わせて用いてもよい。
【００３３】
このような電気脱イオン装置において、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂには、イオン交換体、特にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１が充填されているのが好ましい。
【００３４】
この混合樹脂２１におけるアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との体積比率は、特に制限はないが、アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂が１０／９０〜９０／１０、特に３０／７０〜７０／３０であるのが好ましい。これにより陰極側区画室１５Ａでは、バイポーラ膜２０の界面において水解離によって発生した水素イオンの移動が促進される一方、陽極側区画室１５Ｂでは、バイポーラ膜２０の界面における水解離によって発生した水酸化物イオンの移動が促進される。この結果、電流が流れやすく、電圧の上昇を抑制することができる。
【００３５】
なお、混合樹脂２１は、陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとで、アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂の体積比率を変更してもよいし、陰極側区画室１５Ａ、陽極側区画室１５Ｂ内の上下でもアニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂の体積比率を変更してもよい。
【００３６】
上述したような電気脱イオン装置の陰極側区画室１５Ａの濃縮水の少なくとも一部は、被処理水として脱塩室１６に供給されるとともに、陽極側区画室１５Ｂに供給される。具体的には、図３に示すような純水製造システムにおいて適用することができる。
【００３７】
すなわち、図３に示すように、純水製造システムは、被処理水Ｗが供給される逆浸透膜（ＲＯ膜）装置３１と、このＲＯ膜装置３１を透過したＲＯ処理水Ｗ１を処理する脱炭酸装置たる脱気装置３２と、この脱気装置３２で得られる脱気水Ｗ２を脱塩室１６において処理して処理水（脱イオン水）Ｗ３を製造する電気脱イオン装置３３とを備える。
【００３８】
そして、この電気脱イオン装置３３の脱塩室１６は、主流路Ｒ１を経由してサブシステム等に連通している。また、脱塩室１６は、主流路Ｒ１から分岐した流路Ｒ２，Ｒ３を経由して、陽極室１７及び陰極室１８に連通しているとともに、流路Ｒ４，Ｒ５を経由して、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに連通している。
【００３９】
そして、陰極側区画室１５Ａから排出される濃縮水の流路Ｒ６は、排出側に開放しているとともに一部が脱気装置３２の上流で主流路Ｒ１に合流している。さらに、流路Ｒ６の途中で分岐した流路Ｒ７が陽極側区画室１５Ｂに連通した流路Ｒ５に合流している。なお、図３中において、Ｂ１〜Ｂ８は流量調節機構であり、必要に応じて各流路における流量を所望の値に制御可能となっている。
【００４０】
次に、このような構成を有する電気脱イオン装置の作用について説明する。
図３に示すように、まず主流路Ｒ１の起端部から被処理水ＷをＲＯ膜装置３１に供給して、ＲＯ膜装置３１で処理を行い、被処理水Ｗに含まれるカルシウム、シリカ等を除去する。
【００４１】
そして、このＲＯ膜装置３１で処理したＲＯ処理水Ｗ１を脱気装置３２に供給し、ＲＯ処理水Ｗ１に含まれている炭酸イオン等を二酸化炭素として除去した後、得られた脱気水Ｗ２を電気脱イオン装置３３の脱塩室１６に供給する。
【００４２】
この電気脱イオン装置３３では、脱気水Ｗ２は、脱塩室１６でカルシウムイオン、マグネシウムイオン、炭酸水素イオン等のイオン性の不純物が除去された処理水（脱イオン水）Ｗ３として主流路Ｒ１からサブシステム等に供給される。
【００４３】
また、この処理水Ｗ３の一部は、主流路Ｒ１から分岐した流路Ｒ２，Ｒ３を経由して、電気脱イオン装置３３の陽極室１７及び陰極室１８に供給されるとともに、流路Ｒ４，Ｒ５を経由して、濃縮室１５、すなわち陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに供給される。
【００４４】
このとき、図２に示すように、電気脱イオン装置３３の濃縮室１５内には、バイポーラ膜２０が設けられているので、アニオン交換膜１３側の脱塩室１６から濃縮室１５内に透過してきた炭酸水素イオン及び水酸化物イオンは、バイポーラ膜２０を透過することができず、カチオン交換膜１４側から透過してきたカルシウムイオン及び水素イオンもバイポーラ膜２０を透過することができない。このため、濃縮室１５内での炭酸カルシウムスケールの発生が防止される。なお、説明の便宜上、図２及び図３においては、混合樹脂２１は省略してある。
【００４５】
このとき、バイポーラ膜２０内では、理論水電解電圧（０．８３Ｖ）以上の電圧を印加することによって水解離が発生するので、電流が流れる。このため、バイポーラ膜２０を濃縮室１５内に設置することで、電気脱イオン装置３３の脱イオン性能が損なわれることはない。
【００４６】
このような作用により、陰極側区画室１５Ａ内は、バイポーラ膜２０の界面での水解離で発生した水素イオンが供給されることにより酸性になっている。そこで、この陰極側区画室１５Ａの濃縮水Ｗ４の一部を、流路Ｒ６を経由して脱気装置３２の上流で主流路Ｒ１に合流させるとともに、この流路Ｒ６の途中で分岐した流路Ｒ７から流路Ｒ５に合流させる。
【００４７】
この脱気装置３２の上流でＲＯ処理水Ｗ１に合流した濃縮水Ｗ４中には、炭酸イオン等が含まれているので、まず脱気装置３２によって、脱炭酸が行われる。このとき、濃縮水Ｗ４は酸性であるため、脱気装置３２による脱炭酸がより効率的に行われる。
【００４８】
その後、得られた脱気水Ｗ２は、脱塩室１６に再供給されるが、この脱気水Ｗ２は、酸性の濃縮水Ｗ４が混合されることによりｐＨが低下している。このため、脱塩室１６内で水酸化カルシウムや水酸化マグネシウム等の水酸化物イオンに起因するスケールの発生を抑制することができる。
【００４９】
この濃縮水Ｗ４のＲＯ処理水Ｗ１への供給量は、脱塩室１６内である程度のｐＨの低減効果が得られる量であればよく、ＲＯ処理水Ｗ１に対して１〜１５％程度であればよい。
【００５０】
なお、濃縮水Ｗ４は、脱気装置３２を経由することなく、脱塩室１６に供給してもよく、濃縮水Ｗ４を、脱気装置３２を経由させて脱塩室１６に供給するかしないかは、脱塩室１６に再供給される炭酸イオンの量と被処理水中の硬度成分等を考慮して決定すればよい。
【００５１】
濃縮水Ｗ４は、流路Ｒ７から流路Ｒ５を流れる処理水（脱イオン水）Ｗ３に合流して、陽極側区画室１５Ｂにも供給されることで、この陽極側区画室１５Ｂを流通する処理水（脱イオン水）Ｗ３も同様にｐＨが低下する。これにより、陽極側区画室１５Ｂ内での水酸化カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケールの発生を抑制することができる。さらに、酸性の濃縮水Ｗ４の流入により、陽極側区画室１５Ｂ内のイオンの絶対量が増えるので、バイポーラ膜２０の設置による電圧上昇の抑制効果も得ることができる。
【００５２】
この濃縮水Ｗ４の処理水（脱イオン水）Ｗ３への供給量は、陽極側区画室１５Ｂ内である程度のｐＨの低減効果が得られる量であればよく、処理水Ｗ３に対して１〜１０％程度であればよい。
【００５３】
なお、本実施形態においては、陽極側区画室１５Ｂへの流路Ｒ５及び流路Ｒ７には、脱気装置を設置していないが、濃縮水Ｗ４中の炭酸イオンにより炭酸カルシウムが発生する可能性がある場合には、流路Ｒ５又は流路Ｒ７に脱気装置を設置してもよい。このようにすることで、電流が流れ易くなり安定した処理水水質が得られることになる。
【００５４】
なお、濃縮室１５内にバイポーラ膜２０を配置しただけでは、水道水のようにカルシウム濃度の高い水を処理する場合には、スケールが発生するおそれがあるため、図３に示すように、脱塩室１６の脱イオン水（処理水）Ｗ３の一部を濃縮室１５（陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂ）に導入することが好ましい。これにより、濃縮室循環水を脱イオン水Ｗ３で希釈することができ、濃縮室循環水のカルシウム濃度を低減することができる。同様に電極室（陽極室１７及び陰極室１８）内の水も、脱イオン水を用いることが好ましい。
【００５５】
本実施形態に係る電気脱イオン装置においては、濃縮室１５内に陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂを形成し、この濃縮室１５内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１を充填しているが、脱塩室１６内に、イオン交換樹脂、イオン交換繊維又はグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合又は複層状に充填することが、得られる脱イオン水の向上の面で好ましい。さらに、陽極室１７及び陰極室１８にイオン交換体を充填してもよい。
【実施例】
【００５６】
以下、比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
なお、以下の比較例及び実施例で用いた試験装置は、下記の装置を活性炭装置、電気脱イオン装置の順で直列に配置したものである。
活性炭装置：栗田工業社製「クリコールＫＷ１０−３０」
電気脱イオン装置：栗田工業社製「クリテノンＳＨ型」
処理水量：１００Ｌ／ｈｒ
【００５７】
また、試験用の被処理水（市水）として以下のものを用意した。
被処理水：給水Ｃａ濃度２８ｐｐｍ（ＣａＣＯ３換算）
給水ＣＯ２濃度２９ｐｐｍ（ＣａＣＯ３換算）
【００５８】
〔比較例１〕
電気脱イオン装置のイオン交換膜及び脱塩室に充填するイオン交換樹脂として以下のものを用い、上記被処理水を電流値６．５Ａ、水回収率８０％、入口導電率１７０μＳ／ｃｍ、濃縮室初期流量２５Ｌ／ｈｒの条件で通水を行い、得られる処理水の１週間後、１月後、２月後及び３月後の濃縮室の差圧、及び印加電圧の経時変化を測定した。
結果を表１に示すとともに、初期状態における印加電圧及び出口導電率を示す。
なお、濃縮室循環水の補給水及び電極室水としては、被処理水を用いた。
【００５９】
アニオン交換膜：旭化成工業社製「アシプレックスＡ５０１ＳＢ」
カチオン交換膜：旭化成工業社製「アシプレックスＫ５０１ＳＢ」
イオン交換樹脂：アニオン交換樹脂（三菱化学社製，「ＳＡ１０Ａ」）とカチオン交換樹脂（三菱化学社製，「ＳＫ１Ｂ」）とを６：４の体積混合比率で混合したもの。
【００６０】
〔比較例２〕
比較例１で用いた電気脱イオン装置の濃縮室にバイポーラ膜を設けるとともに、濃縮室にイオン交換樹脂を充填して図１に示す電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いたこと以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
なお、バイポーラ膜としては（株）アストム製ＣＭＳ（商品名）を用いた。また、イオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂は、比較例１で脱塩室に充填したものと同じである。
【００６１】
〔実施例１〕
比較例２の電気脱イオン装置において、陰極側区画室の濃縮水流路から陽極側区画室の導入流路に合流する流路を設けて電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いて、陰極側区画室の濃縮水の５％を脱塩室からの脱イオン水とともに陽極側区画室に供給するようにした以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
【００６２】
〔実施例２〕
比較例２の電気脱イオン装置において、陰極側区画室の濃縮水流路から脱塩室への導入流路に合流する流路を設けて電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いて、陰極側区画室の濃縮水の１０％を被処理水とともに脱塩室に供給するようにした以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
【００６３】
〔実施例３〕
比較例２の電気脱イオン装置において、陰極側区画室の濃縮水流路から陽極側区画室の導入流路に合流する流路を設けるとともに、陰極側区画室の濃縮水流路から脱塩室への導入流路に合流する流路を設けて電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いて、陰極側区画室の濃縮水の５％を脱塩室からの脱イオン水とともに陽極側区画室に供給するとともに、陰極側区画室の濃縮水の１０％を被処理水とともに脱塩室に供給するようにした以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】
【００６５】
表１より明らかなように、比較例１の電気脱イオン装置では１週間で濃縮室側の差圧が上昇してしまい、運転不能となった。また、比較例２においては、通水開始１週間後には電解電圧が増加していた。これに対し実施例１〜３の電気脱イオン装置では、電圧の増加も少なく、３月間安定して運転することができ、また、得られる処理水の水質も良好であった。特に、濃縮室と脱塩室との両方に陰極側区画室の濃縮水を供給した実施例３の電気脱イオン装置では、スケールの発生及び導電性の問題が大きく改善され、差圧及び電圧の上昇は殆ど起こらなかった。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気脱イオン装置を示す概略構成図である。
【図２】同実施形態に係る電気脱イオン装置の濃縮室におけるイオンの流れを示す断面図である。
【図３】同実施形態に係る電気脱イオン装置を用いた純水製造システムを示すフロー図である。
【図４】従来の電気脱イオン装置を示す概略構成図である。
【図５】従来の電気脱イオン装置の濃縮室におけるイオンの流れを示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１１…陽極
１２…陰極
１３…アニオン交換膜
１４…カチオン交換膜
１５…濃縮室
１５Ａ…陰極側区画室
１５Ｂ…陽極側区画室
１６…脱塩室
１７…陽極室
１８…陰極室
２０…バイポーラ膜
２１…混合樹脂（カチオン交換樹脂／カチオン交換樹脂）
３２…脱気装置（脱炭酸装置）
３３…電気脱イオン装置
Ｗ４…濃縮水（陰極側区画室の濃縮水）
Ｒ６…流路
Ｒ７…流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、前記濃縮室にバイポーラ膜を設けて、当該濃縮室内に陰極側区画室と陽極側区画室とを形成した電気脱イオン装置において、
前記陰極側区画室の流出水の少なくとも一部を前記脱塩室及び／又は陽極側区画室に供給する流路を有することを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項２】
前記バイポーラ膜は、アニオン交換層面が陽極側に位置し、カチオン交換層面が陰極側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気脱イオン装置。
【請求項３】
前記脱塩室及び／又は陽極側区画室への流路の途中に、脱炭酸装置が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気脱イオン装置。
【請求項４】
前記濃縮室内にイオン交換体を充填したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
【請求項５】
前記脱塩室内にイオン交換体を充填したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
【請求項６】
前記脱塩室の流出水の一部を前記濃縮室の流入側へ供給する流路を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
【請求項１】
陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、前記濃縮室にバイポーラ膜を設けて、当該濃縮室内に陰極側区画室と陽極側区画室とを形成した電気脱イオン装置において、
前記陰極側区画室の流出水の少なくとも一部を前記脱塩室及び／又は陽極側区画室に供給する流路を有することを特徴とする電気脱イオン装置。
【請求項２】
前記バイポーラ膜は、アニオン交換層面が陽極側に位置し、カチオン交換層面が陰極側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電気脱イオン装置。
【請求項３】
前記脱塩室及び／又は陽極側区画室への流路の途中に、脱炭酸装置が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気脱イオン装置。
【請求項４】
前記濃縮室内にイオン交換体を充填したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
【請求項５】
前記脱塩室内にイオン交換体を充填したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
【請求項６】
前記脱塩室の流出水の一部を前記濃縮室の流入側へ供給する流路を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−３６４９６（Ｐ２００８−３６４９６Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１２０５１（Ｐ２００６−２１２０５１）
【出願日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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