JP3985497B2

JP3985497B2 - 電気式脱イオン装置

Info

Publication number: JP3985497B2
Application number: JP2001334950A
Authority: JP
Inventors: 昌之三輪; 伸佐藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: JP2003136063A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気式脱イオン装置に係り、詳しくは単位時間当りの脱イオン水（生産水）の生産水量が少ない場合に好適な電気式脱イオン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気式脱イオン装置は、電極（陽極と陰極）同士の間に複数のカチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配列して脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換樹脂を充填した構成を有する。この電気式脱イオン装置にあっては陽極、陰極間に電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入させると共に、濃縮室に濃縮水を流通させて被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を製造する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電気式脱イオン装置は、陰極と陽極との間に複数の脱塩室と濃縮室とを交互に形成したものであるため、陰極と陽極との間の電気抵抗が大きく、両極間の印加電圧が高い。また、原水中のＣａ^２＋及び炭酸成分（ＣＯ_２，ＨＣＯ_３ ⁻）に起因する炭酸カルシウムスケールが濃縮室のイオン交換膜面にしばしば生じていた。
【０００４】
本発明は、生産水量が少ない場合に採用するのに好適な、電極間の印加電圧が低く、また、スケールが発生しにくい電気式脱イオン装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１）の電気式脱イオン装置は、陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれカチオン交換樹脂が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなるものである。
【０００６】
本発明（請求項２）の電気式脱イオン装置は、上記請求項１の電気式脱イオン装置の濃縮室兼電極室内に導電体を充填する代わりに、陽極板及び陰極板に電極水を流す通水路を設けると共に、該陽極板と陰極板がイオン交換膜と接するようにしたものである。
【０００７】
即ち、本発明（請求項２）の電気式脱イオン装置は、陰極板と陽極板との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、該陰極板とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極板とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該陰極板及び陽極板が電極水の通水路を有し、該陰極板がカチオン交換膜に接し、該陽極板が該アニオン交換膜と接していることを特徴とするものである。
【０００８】
かかる本発明（請求項１，２）の電気式脱イオン装置は、脱塩室が１室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞれ陽極室を兼ねた濃縮室と陰極室を兼ねた濃縮室とが配置されているため、電極間距離が小さく、電極間の印加電圧が低い。本発明では、脱塩室が１室であり、単位時間当たりの生産水量が少ないが、小規模実験用、小型燃料電池用などには十分に実用することができる。
【０００９】
本発明の電気式脱イオン装置は、好ましくは、脱塩室内を区画部材によって多数の小室に区画し、各小室にイオン交換体を充填する。この各小室に臨む区画部材の少なくとも一部は、脱塩室内の平均的な水の流れ方向に対して傾斜しており、この傾斜した部分は、水は通過させるが、イオン交換樹脂は通過させない構造となっている。この脱塩室内に流入した水の少なくとも一部は、平均的な水の流れ方向に対し斜め方向に流れるようになり、脱塩室内の全体に分散して流れる。従って、水とイオン交換樹脂との接触効率が向上し、脱イオン特性が向上する。
【００１０】
この小室を平均的な水の流れ方向及びこれと直交方向のいずれにおいても膜面に沿って複数個配置することにより、（例えば縦横に多数配置することにより、）水とイオン交換樹脂との接触効率がきわめて高いものとなる。また、各小室内の上下方向の高さが小さくなり、イオン交換樹脂が局部的に圧縮されにくくなる。従って、小室に隙間が生じることがなく、イオン交換樹脂の充填密度が高い。
【００１１】
この小室は、イオン交換膜面に投影した形状が六角形又は四角形であってもよい。六角形の場合には、１対の平行な辺が平均的な水の流れ方向となるように各小室を配置するのが好ましい。四角形の場合には、各辺が平均的な水の流れ方向に対し傾斜するように配置する。この様な構造にすることによって、脱塩効率が高まるため、脱塩室への高流速通水が可能となり、脱塩室１室当たりの処理流量を多くすることができる。
【００１２】
１つの小室内に１種類のイオン交換特性のイオン交換体のみを充填してもよく、複数種類のイオン交換特性のイオン交換体を充填してもよい。例えば１つの小室内にアニオン交換体と両性イオン交換体とを混合して充填してもよい。
【００１３】
本発明の電気式脱イオン装置においては、脱塩室へ流入する原水流路から原水の分岐流路が分岐され、原水の一部が該分岐流路を介して濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室へそれぞれ独立して流されるようにしてもよい。これにより、脱塩室から各濃縮室兼電極室へ移動したイオン種が会合しないようになるため、電極室でのスケール生成が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。図２は区画部材を脱塩室内に配置した電気式脱イオン装置の分解斜視図、図３は区画部材の斜視図、図４は区画部材の分解図、図５は区画部材の通水状況説明図である。
【００１５】
図１に示す通り、陰極１と陽極２との間にカチオン交換膜３とアニオン交換膜４とを１枚ずつ配置し、陰極１とカチオン交換膜３との間に濃縮室兼陰極室５を形成し、陽極２とアニオン交換膜４との間に濃縮室兼陽極室６を形成し、カチオン交換膜３とアニオン交換膜４との間に脱塩室７を形成している。濃縮室兼用の陰極室５及び陽極室６にはそれぞれカチオン交換樹脂８が充填されている。この陰極室５及び陽極室６に充填されるイオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂やアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を混合したものであってもよいが、樹脂の強度の点からはカチオン交換樹脂を用いるのが好ましい。脱塩室７にはカチオン交換樹脂８とアニオン交換樹脂９とが混合状態にて充填されている。
【００１６】
なお、本発明の電気式脱イオン装置においては、濃縮室兼陰極室及び濃縮室兼陽極室内の別の形態として、濃縮室兼用の両電極室にイオン交換樹脂を充填する代わりに図６に示すように陰極板８０及び陽極板９０を電極水が通水可能な構造とし、陰極板８０がカチオン交換膜３に接し、陽極板９０がアニオン交換膜４と接するように配置してもよい。これによって、両濃縮室兼電極室内の電気抵抗が小さくなり、低い印加電圧でも効率的に脱イオン処理を行うことが可能となる。このような電極板８０，９０は、厚み方向に貫通する多数の開口を有した孔明き板を複数枚積層して隣接する孔明き板の孔同士を部分的に重なり合わせることにより、形成することができる。
【００１７】
図１〜５において、陰極１と陽極２との間に電圧を印加した状態にて原水を脱塩室７に導入し、脱イオン水として取り出す。陰極電極水を濃縮室兼陰極室５に流通させ、陽極電極水を濃縮室兼陽極室６に流通させる。原水中のカチオンはカチオン交換膜３を透過し、陰極電極水に混入して排出される。原水中のアニオンはアニオン交換膜４を透過して陽極電極水に混入し、排出される。
【００１８】
この電気式脱イオン装置にあっては、陰極１と陽極２との間にそれぞれ１個の脱塩室７、濃縮室兼陽極室６及び濃縮室兼陰極室５のみが配置されており、陰極１と陽極２との距離が小さい。そのため、電極１，２間の印加電圧が低くても十分に電極１，２間に電流を流して脱イオン処理することができる。
【００１９】
また、本発明では脱塩室内のＣａ^２＋は濃縮室兼陰極室へ、ＨＣＯ_３ ⁻は濃縮室兼陽極室へそれぞれ移動し、Ｃａ^２＋とＨＣＯ_３ ⁻とが同一の濃縮室兼電極室で会合しないため、スケールが発生しにくい。
【００２０】
なお、電極室が濃縮室を兼ねていることから、電極水の電気伝導度が高い。これによっても、電極１，２間の印加電圧が低くても電極１，２間に十分に電流を流すことが可能となる。
【００２１】
電極室兼濃縮室５，６での通水方向は、脱塩室と並流通水でも向流通水でもよいが、上昇流通水であることが望ましい。これは、各電極室兼濃縮室５，６には、直流電流によってＨ_２，Ｏ_２等の気体が発生するので、上昇流で通水し気体の排出を促進させ偏流を防ぐためである。
【００２２】
本発明において、濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室へ通水される電極水としては、原水を分岐してそれぞれの濃縮室兼電極室へ独立して通水するのが望ましい。この通水方式によれば、従来、一方の電極室流出水を他方の電極水として使用するのと異なり、脱塩室から各濃縮室兼電極室へ移動したイオン種が会合することがないため、スケールが発生しにくくなる。
【００２３】
次に、図２〜５を参照して、脱塩室内に区画部材を配置して脱塩室内に多数の小室を形成した電気式脱イオン装置について説明する。
【００２４】
陰極側のエンドプレート１１に沿って陰極電極板１２が配置され、この陰極電極板１２の周縁部に枠状の濃縮室兼陰極室形成用枠状フレーム１３が重ね合わされている。この枠状フレーム１３の上にカチオン交換膜１４が重ね合わされ、このカチオン交換膜１４の上に脱塩室形成用の枠状フレーム２０、アニオン交換膜１５及び濃縮室形成用の枠状フレーム１７がこの順に重ね合わされている。アニオン交換膜１５に対し濃縮室兼陽極室形成用の枠状フレーム１６を介して陽極電極板１７が重ね合わされ、その上に陽極側エンドプレート１８が重ね合わされて積層体とされる。この積層体はボルト等によって締め付けられる。
【００２５】
枠状フレーム２０の内側が脱塩室となっている。この脱塩室に区画部材２１が設けられており、区画部材２１内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合物よりなるイオン交換樹脂２３が充填されている。
【００２６】
濃縮室兼陰極室用フレーム１３の内側スペースが濃縮室兼陰極室３０となっており、濃縮室兼陽極室用フレーム１６の内側が濃縮室兼陽極室４０となっている。この濃縮室兼用の陰極室３０及び陽極室４０には導電体としてカチオン交換樹脂８が充填されている。
【００２７】
濃縮室兼陰極室３０に陰極電極水を流通させるために、エンドプレート１１とフレーム１３にそれぞれ透孔３１，３２，３５，３６が設けられると共に、フレーム１３にスリット３３，３４が設けられている。
【００２８】
透孔３１，３２は互いに重なり合い、透孔３５，３６も互い重なり合う。フレーム１３の透孔３２，３５はそれぞれスリット３３，３４を介して濃縮室兼陰極室３０に連通している。
【００２９】
陰極電極水は、透孔３１，３２、スリット３３、濃縮室兼陰極室３０、スリット３４、透孔３５，３６の順に流れ、濃縮水兼陰極電極水として流出する。
【００３０】
濃縮室兼陽極室４０に陽極電極水を流通させるために、エンドプレート１８とフレーム１６にそれぞれ透孔４１，４２，４５，４６が設けられると共に、フレーム１６にスリット４３，４４が設けられている。
【００３１】
透孔４１，４２は互いに重なり合い、透孔４５，４６も互い重なり合う。フレーム１６の透孔４２，４５はそれぞれスリット４３，４４を介して濃縮室兼陽極室４０に連通している。
【００３２】
陽極電極水は、透孔４１，４２、スリット４３、濃縮室兼陽極室４０、スリット４４、透孔４５，４６の順に流れ、濃縮水兼陽極電極水として流出する。
【００３３】
フレーム２０の内側の脱塩室に原水を流通させるために、エンドプレート１８、アニオン交換膜１５とフレーム１６，２０にそれぞれ透孔５１，５２，５３，５４，５７，５８，５９，６０が設けられる（符号５８，５９は図示なし。）と共に、フレーム２０にスリット５５，５６が設けられている。透孔５１，６０はエンドプレート１８に設けられ、透孔５４，５７はフレーム２０に設けられ、透孔５２，５９はフレーム１６に設けられ、透孔５３，５８はアニオン交換膜１５に設けられている。
【００３４】
透孔５１〜５４は互いに重なり合い、透孔５７〜６０も互いに重なり合う。フレーム２０の透孔５４，５７はそれぞれスリット５５，５６を介して脱塩室に連通している。
【００３５】
原水は、透孔５１，５２，５３，５４、スリット５５、脱塩室、スリット５６、透孔５７〜６０の順に流れ、脱イオン水（生産水）として流出する。
【００３６】
上記の脱塩室用フレーム２０は上下方向に長い長方形状のものである。このフレーム２０内に配置された区画部材２１は六角形のハニカム形状のものであり、小室２２は上下左右に多数配置されている。各小室２２の１対の側辺がフレーム２０の長手方向即ち上下方向となるように配置されている。
【００３７】
この区画部材２１は、予め一体成形されたものであってもよく、複数の部材を組み合わせたものであってもよい。例えば図４のようにジグザグ状の屈曲板７０の長手方向面７１同士を連結することにより構成される。この屈曲板７０は、長手方向面７１に対し１２０゜の角度で連なる通水性の斜向面７２，７３を備えている。長手方向面７１同士を連結するには例えば接着剤を用いることができる。この屈曲板７０は、水は通過させるがイオン交換樹脂は通過させない材料、例えば織布、不織布、メッシュ、多孔質材などにより構成されている。この屈曲板７０は耐酸性及び耐アルカリ性を有した合成樹脂又は金属により剛性を有するように形成されるのが好ましい。長手方向面７１は通水性を有していてもよく、有していなくてもよい。
【００３８】
区画部材２１はフレーム２０に嵌め込まれてもよい。また、フレーム２０の片面側に透水性シート又はメッシュを張設し、これに区画部材を接着してもよい。
【００３９】
透孔５４から透孔５５を介して脱塩室に流入した原水は、図５の通り小室２２を囲む区画部材２１を通過して隣接する小室２２に流れ込み、徐々に下方に流れ、この間に脱イオン処理を受ける。そして、遂には脱塩室の下部に達し、スリット５６及び透孔５７〜６０を通り、脱塩水として電気的脱イオン装置外に取り出される。
【００４０】
この脱塩室における平均的な水の流れ方向は、原水流入用の透孔５４及びスリット５５がフレーム２０の上部に存在し、脱塩水取出用のスリット５６及び透孔５７がフレーム２０の下部に存在するところから、上から下に向う鉛直方向となっている。この平均的な水の流れ方向に対し小室の上部及び下部が傾斜しているので、被処理水は１つの小室２２から左及び右側の小室２２へ斜めに分かれて流下するようになる。このため、被処理水が各小室２２にほぼ均等に分散して流れるようになり、被処理水とイオン交換樹脂２３との接触効率が良好なものとなる。
【００４１】
この脱塩室にあっては、小室２２が比較的小さく、イオン交換体の自重及び水圧によって各小室２２内においてイオン交換体に対し加えられる下向きの圧力が小さい。従って、いずれの小室２２内においてもイオン交換体が圧縮されることがなく、イオン交換体が小室内の下部において局部的に圧密化されることがない。この実施の形態では、各小室２２に充填したイオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合物であるが、次の(i)〜(iii)のいずれかでもよい。
(i) すべての小室にアニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂、両性イオン交換樹脂のうち１種類のものを充填する。
(ii) すべての小室にアニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂及び両性イオン交換樹脂の２又は３の混合物を充填する。混合比、混合種はすべて共通であってもよく、一部又はすべての小室において異なっていてもよい。
(iii) 一部の小室にアニオン交換樹脂を充填し、他の一部の小室にカチオン交換樹脂を充填し、残りの小室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合物又は両性イオン交換樹脂を充填する。
【００４２】
なお、(ii)，(iii)の場合、原水のアニオン、カチオン比率に応じ、アニオン交換樹脂を充填する小室、及びカチオン交換樹脂を充填する小室の数を調整してもよい。
【００４３】
この電気式脱イオン装置の脱塩室のＬＶは１５〜４５ｍ／ｈ、ＳＶは８０〜２８０Ｈｒ^−１程度が好ましい。
【００４４】
この図２〜５の電気式脱イオン装置も、陰極・陽極間の積層室数が少ないので、電気抵抗が小さく、少ない電圧で、必要量の電流を流すことができる。
【００４５】
また、脱塩室内にハニカム状構造体を充填しているので、高純度の処理水を得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の電気式脱イオン装置は、陰極と陽極との間にそれぞれ１個の脱塩室、濃縮室兼陰極室及び濃縮室兼陽極室を配置したものであり、電極間距離が小さく、また電極室と濃縮室とが兼用され電極水が高電気伝導度の濃縮水となっているため、電極間の印加電圧を低くしても必要量の電流を流し、十分に脱イオン処理することができる。また、スケール成分である極性の異なるイオン種がそれぞれの濃縮室兼電極室へ移動し、それらが会合しないため、スケールが発生しにくい。
【００４７】
本発明の電気式脱イオン装置は、小規模実験室用、小型燃料電池用など生産水量が少量の用途にきわめて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【図２】区画部材を脱塩室内に配置した電気式脱イオン装置の分解斜視図である。
【図３】区画部材の斜視図である。
【図４】区画部材の分解図である。
【図５】区画部材の通水状況説明図である。
【図６】別の実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【符号の説明】
１陰極
２陽極
３カチオン交換膜
４アニオン交換膜
５濃縮室兼陰極室
６濃縮室兼陽極室
７脱塩室
８カチオン交換樹脂
９アニオン交換樹脂
２０フレーム
２１区画部材
２２小室
２３アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合イオン交換樹脂
８０陰極板
９０陽極板

Claims

陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、
該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、
該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、
該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、
該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれカチオン交換樹脂が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気式脱イオン装置。
陰極板と陽極板との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、
該陰極板とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、
該陽極板とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、
該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、
該陰極板及び陽極板が電極水の通水路を有し、
該陰極板がカチオン交換膜に接し、該陽極板が該アニオン交換膜と接していることを特徴とする電気式脱イオン装置。
請求項１又は２において、
該脱塩室内に区画部材が配置され、該区画部材と該カチオン交換膜及びアニオン交換膜とによって囲まれた多数の小室が該脱塩室内に形成されており、
該小室にそれぞれイオン交換体が充填されており、
各小室に臨む区画部材の少なくとも一部は該脱塩室内の平均的な水の流れ方向に対し傾斜しており、
該区画部材の少なくとも傾斜した部分は、水を通過させるがイオン交換体の通過を阻止する構造となっていることを特徴とする電気式脱イオン装置。
請求項１ないし３のいずれか１項の電気式脱イオン装置において、脱塩室へ流入する原水流路から原水の分岐流路が分岐され、原水の一部が該分岐流路を介して濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室へそれぞれ独立して通水されるように構成したことを特徴とする電気式脱イオン装置。