JP2001523566A - 水を部分的に脱塩する方法と装置 - Google Patents

水を部分的に脱塩する方法と装置

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JP2001523566A JP2000521910A JP2000521910A JP2001523566A JP 2001523566 A JP2001523566 A JP 2001523566A JP 2000521910 A JP2000521910 A JP 2000521910A JP 2000521910 A JP2000521910 A JP 2000521910A JP 2001523566 A JP2001523566 A JP 2001523566A
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フュルスト・レアンダー
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フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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Abstract

(57)【要約】 この発明は水を一部脱塩する方法と装置に関する。水を浄化する電解セルで再生する場合、再生水が塩水室を通過し、この塩水室にはイオンがイオン交換体から電界により導入される。脱塩すべき水が多くの炭酸塩を含むなら、塩水室に頻繁に付着物が生じる。この発明による電解セル（１）では塩水室１４から出る再生溶液が脱ガス室（１９）に導入される。そこでは一貫して脱炭素化が行われる。脱炭素化された水は塩水室（１４）に通され、その場合、その陰イオン成分が一部陰イオン交換室（７）を経由して再び塩水室（１４）に導入される。この場合、比ＯＨ- / Ｘ- は小さな値に変わり、これにより結果として塩水室（１４）の酸性化が生じる。こうして、塩水室の石灰の沈着が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は、水を部分的に脱塩する方法および水を部分的に脱塩するのに適し
た装置に関する。
【０００２】 従来の技術によれは、樹脂床を有する通常のイオン交換方法の外に、水を脱塩
する電極イオン化方法が知られている。
【０００３】 ドイツ特許第 47 44 060号明細書により、脱塩すべき水を装置に導入する方法
が知られている。この方法は陰イオン交換と逆浸透の組み合わせに基づく。その
場合、水は先ず陰イオン交換体を装備した陽極室を通過し、次に逆浸透装置に導
入され、水は一部透過物としてこの装置を通過する。逆浸透装置を故障から保護
するため、脱ガス室内で炭酸塩が水からＣＯ2 として脱着される。同様に逆浸透
部を通過する濃縮物、陰イオンを多い酸性の水は陰極室内に導入され、この陰極
室は隔膜により陽極室から分離している。こうして隔膜を経由し塩水室に入って
くる陽イオンが供給される。
【０００４】 ドイツ特許第 44 18 812号明細書により陰イオン交換体を装備した陰極室、陽
イオン交換体を装備した陰極室および塩水室を有する電解セルが知られている。
この場合、脱塩すべき水は先ず両方の電極室を通過する。一部の流れは塩水室か
らイオンを運ぶために利用される。
【０００５】 ドイツ特許第 47 44 060号明細書の方法では、水を脱塩するため電気分解と逆
浸透を組み合わせる必要がある。そのためこの方法は装置経費が嵩み、大きな設
備でのみ実施される。
【０００６】 ドイツ特許第 44 18 812号明細書の電解セルはコンパクトな設備であるが、供
給水に硬質形成物が存在する場合、塩水室と陰イオン交換樹脂床に付着物、特に
炭酸塩が付着するという問題がある。
【０００７】 それ故、この発明の課題は、簡単な設備で一回の処理工程で塩水室や陰イオン
交換室内に付着物が形成することなく水を脱塩もしすは一部脱塩する方法と装置
を提供することにある。
【０００８】 上記の課題は、請求項１の前段の構成を前提として、請求項１の特徴部分の構
成により解決されている。
【０００９】 この発明による方法および装置により、一回の処理工程によりコンパクトな設
備内で塩水室または陰イオン交換室に付着物を形成することなく水を脱塩もしく
は一部脱塩することができる。
【００１０】 この発明の有利な他の構成は従属請求項に提示されている。
【００１１】 図面はこの発明による装置を模式的な形にして示す。
【００１２】 図１はこの発明による電解セル１を示し、この電解セルでは導管２が陽イオン
交換体４を備えた陽極室３に通じ、導管６の形になって更に進む。この導管６は
陰イオン交換体８を備えた陰イオン交換室７に合流し、導管１０の形になって陰
イオン交換室７を再び離れる。導管１０から弁１２を有する導管１１が分岐して
いる。この導管１１は塩水室１４に流入する導管１３に続く。この塩水室１４は
陽極室３と陰イオン交換室７の間にあり、陽イオン交換隔膜１５により陽極室３
から分離され、陰イオン交換隔膜１６により陰イオン交換室７から分離されてい
る。塩水室１４には機械的な安定性を与える間隔保持体１７がある。導管１８は
この塩水室１４から出て、脱ガス室１９に流入する。この脱ガス室１９は陰極９
のある陰極室２０に導管２１を介して接続している。この陰極室２０は陰イオン
交換隔膜２２により陰イオン交換室７と分離している。導管２３は導管１３と脱
ガス室１９と共にポンプ２４を組み込んだ帰還部を形成する。更に、導管１０に
は弁２５がある。一部脱塩された水は導管１０から出る。陰極室２０には硬質形
成物を伴う濃縮された溶液を排出させる導管２６が続く。塩水室１４には代わり
の実施態様で独立した導入導管２７がある。
【００１３】 図２では同じ装置構成には同じ参照符号が付けてある。この構成では陽極室３
が中心に配置され、二つの塩水室１４で取り囲まれている。これ等の塩水室は陰
極室２０と共にそれぞれ一つの陰イオン交換室７を含む。
【００１４】 運転にあっては、脱塩すべき水が第一期間に導管２を経由して陽イオン交換体
４を装備した陽極室３に導入される。この場合、陽イオン交換体の樹脂の負荷状
態に応じてＨ+ イオンを解放して完全なもしくは部分的な陽イオン化が行われる
。水は導管６を経由して出てゆき、陰イオン交換室７に達する。この陰イオン交
換室７には陰イオンをＯＨ- イオンに対して交換する陰イオン交換体８が装備さ
れている。導管１０から出てゆき脱イオン水は pＨで中性である。この第一期間
が直流を印加して運転されると、Ｏ2 またはＣlＯ- を形成して水を消毒する。 しかし、この第一期間を電流なしに運転してもよい。この期間では弁２５が開き
、弁１２は閉じている。
【００１５】 第二期間では、陽極５と陰極９の間に電圧が印加される。この場合、弁２５は
閉じ弁１２は開いている。一部を脱塩することにより生じる水の流れは陽極室３
と陰イオン交換室７を経由し、次に導管１１と１３を経由して塩水室１４に流入
する。この期間では、水の流れは期間１よりも少ない容積流である。この代わり
に、期間２では導管２７によっても直接飲料水が塩水室に流入する。陽極処理と
陰極処理により陽極室３ではＨ+ イオンと酸素が、また陰極室２０ではＯＨ- イ
オンと水素が放出される。Ｈ+ とＯＨ- イオンは電界内でイオン交換樹脂を通過
し、これを再生させる。その場合、先にイオン交換処理で結合した陽イオンと陰
イオンが解放され、塩水室１４の中に入る。塩水室１４では、再生処理により解
放されたイオンが導管１３により導入された再生水により洗浄される。その後、
イオンは導管１８を経由して脱ガス室１９に達し、この室の中で再生溶液中に含
まれる炭酸塩のイオンがＣＯ2 の形になって駆逐される。炭酸塩のイオンを無く
した再生水は導管２１を経由して陰極室２０に流入する。電界内では、再生溶液
に含まれる、例えばＣl - のような陰イオンｘが再び塩水室１４の方向に陰イオ
ン交換室７を通過する。同時に、電解により陰極９上に形成されるＯＨ- イオン
は陰イオン室７に供給される。この発明によれば、電界内ではＯＨ- イオンが陰
イオン交換室７に入るだけでなく、再生溶液内にある強酸の陰イオンンの一部も
入る。これは比ＯＨ- / Ｘn-（≧１）が低下し、これにより塩水室１４に入るＯ
Ｈ- イオンの量も低下することになる。これは、塩水室１４内を低い pＨ値とす
ることになる。塩水室１４内にある酸性媒質は塩水室内に付着物がもはや析出し
ないようにする。更に、低い pＨ値により塩水室１４に流入し、沈殿物となるＣ
Ｏ3 2- イオンがＣＯ2 に変換され、これは脱ガス室１９で除去される。それ故、
陰極室２０内では炭酸塩の沈殿物がもはや生じない。低い pＨ値により水酸化物
も沈殿しない。隔膜１５，１６と２２も付着物なしに維持されている。
【００１６】 代わりの処理では再生水は導管２７からも取り出せる。この導管はイオン交換
体を装備している陽極室３と陰極室７に予め接続することなく直接塩水室１４に
流入する。この場合、この処理の期間２の再生水は用水または飲料水である。
【００１７】 しかし、既に一部脱塩させた再生水が好ましい。何故なら、これはイオンが少
ないため塩を塩水室１４から徹底的に除去できるからである。陰イオン交換室３
と陽イオン交換室７を流れる既に一部脱塩された水で再生することにより、陽極
５上の塩化物の形成を防止し、樹脂を満たした室３，７を冷却し、陽極処理によ
り形成される酸素が排出される。期間１と２，つまりイオン交換と再生を交互に
行うのが好ましいが、導管１０と１１内に連続的な部分流を維持してイオン交換
と再生を同時に行うこともできる。
【００１８】 pＨ値が pＨ４より少ない弱酸性媒質により脱ガスが可能である。この場合、
再生水は脱ガス室１９内で充填体を通過する。この充填体はガス気泡の芽を形成
し脱ガスさせる。この脱ガスは、陽極処理で形成されプロセス流により脱ガス室
１９に達する酸素によっても更に支援される。しかし、脱ガスは例えば真空また
は熱処理によりＣＯ2 を追い出す他の手段でも行える。
【００１９】 期間２中でＸ- イオンを塩水室１４に入れることは、陰イオン交換体８として
Ｃl - あるいはＣＯ3 2- イオン以外の他の陰イオンを全部または一部含む樹脂を
使用することにより支援される。これは、特に再生水が装置を最初に通過する場
合に顕著になる。何故なら、そうでなければ、比ＯＨ- / Ｘ- を低減する陰イオ
ンが存在しないからである。
【００２０】 この発明による方法と装置の有利な実施態様では、再生水が塩水室１４を通過
する再生水の一部の流れを戻すバイパスによりより高い速度で塩水室１４を通し
て供給される。このバイパスは好ましくは脱ガス室１９からポンプ２４を介して
導管１３に進む。そこでは、水が再び塩水室１４に入る。この利点は、再生水に
もう炭酸塩がないことにある。他の望ましい構成では、バイパスを形成する導管
２３が直接導管１８から分岐していてもよい。ポンプ２４は水を戻す時に脈動動
作でも使用されるので、バイパスを流れる水は圧力変動を受ける。これ等の構成
の全ては、塩水室１４，特に隔膜を洗浄することになる。拡散過程は陰イオン交
換膜１６，と陽イオン交換膜１５により改善され、死空間がなくなるので、一様
な pＨ値が塩水室１４内に生じる。
【００２１】 他の有利な運転方式では、電極５，９の極が短時間逆に切り換わるので、陰極
９上の付着物の形成が防止されるか、形成された付着物が弾かれる。付着物が固
着しないように陰極室２０の壁を滑らかに形成し、形成した付着物がはげ落ち、
下方に導管２６を介して排出されるように室２０の底を漏斗状に形成すると特に
実用的である。
【００２２】 この発明による装置はどの実施例でも図２のように鏡面対称に形成されている
。その場合、陽極室３または陰極室２０は対称中心を形成する。この処置により
装置の容量は二倍になり、貴金属を重ねた陽極５の両側を利用できる。この発明
による装置を円形の構造にし、陽極５または陰極９を中心に配置することも考え
られる。
【００２３】 イオン交換樹脂は強酸性であり強塩基性であると有利である。陽イオン交換体
４で充填されている陽極空間３と陰イオン交換体８で充填された陰イオン交換室
７の厚さは好ましくは≦ 20 mmの大きさである。これは、陰極室２０と塩水室１
４にも当てはまる。
【００２４】 他の有利な少ない構成では、塩水室１４に流入するイオンの比ＯＨ- /Ｘ- は
、塩水室１４から出る容積流を陰極室２０に導入する代わりに、陰極室２０へＸ - イオンを外部添加することが行われることにより減少する。
【００２５】 例： 陽極室３，塩水室１４，陰イオン交換室７と陰極室２０の厚さが 1.5 cm で、
隔膜または電極面が 175 cm -2であるこの発明による電解セル１は陽極室３内で
強酸のゲル状の陽イオン交換樹脂４で満たされている。陰イオン交換室７内には
強塩基性の陰イオン交換樹脂８がある。陰イオン交換隔膜と陽イオン交換隔膜は
市販の製品、例えばイオナック（Ionac)社のＭＣ 3470 およびＭＡ 3475 である
。この陽極は貴金属を被せたチタン板で形成され、陰極９は特殊鋼で形成されて
いる。第一期間では５〜 30 リットルの飲料水が約 120 l/hの体積流で部分的に
脱塩される。この場合、使用する水の硬度は 12.8 °dＨから 1°dＨに低下する
。
【００２６】 負担を受けた樹脂床を電気化学的に再生する第二期間は体積流を少なめてある
いは 1〜2 l/h の飲料水を流す。２時間の最大の再生期間でこれは２〜４リット
ルの全流体量に相当する。全セル電圧が 35 Ｖと 90 Ｖの間にある場合、３〜５
Ａのセル電流で再生される。直流の平滑度に関しては特別な要請は設定されない
。セル電圧は２分毎に 15 秒間極性を切り換える。塩水室を介して再生溶液の戻
し流は 50 〜 100 l/hの循環ポンプで調整される。
【００２７】 この発明による方法と装置では、沈殿しない陰イオンを外部から添加する必要
がなく、付着物の形成は陰極室２０に制限される。処理に使用する水は滅菌され
ている。この発明による方法と装置を用いてＭg2+ ，Ｃa2+ およびＣＯ3 2- イオ
ンと他の陰イオンが分離されていると有利である。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による電解セル、
【図２】 電解セルの他の実施態様を示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年１月２７日（２０００．１．２７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００１】 この発明は、水を部分的に脱塩する方法および水を部分的に脱塩するのに適し
た装置に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】 従来の技術によれは、樹脂床を有する通常のイオン交換方法の外に、水を脱塩
する電極イオン化方法が知られている。 ドイツ特許第 42 02 480号明細書により水溶液を電解処理する電気化学セルが
知られている。その場合、このセルはイオン交換体とイオン交換膜を有する脱塩
部を含んでいない。 ドイツ特許第 33 29 813号明細書は、液体を処理する、特に水溶液を脱塩する
方法と装置に係わり、処理すべき液体は連続する処理室に導入され、第一工程で
電気イオン排除により、また第二工程で電気イオン吸着により処理もしくは脱塩
が行われる。陰極室はイオン交換隔膜により陽イオン交換材料から分離され、イ
オン交換体を含んでいない。 国際特許出願ＷＯ 95 32052 号明細書による装置は電気脱イオンに使用され、
イオン交換隔膜だけで中間にある塩水室なしに互いに分離しているイオン交換室
を有する。これ等のイオン交換室は陰イオン交換体と陽イオン交換体の混合物で
満たされていて、電極室自体にはイオン交換体が存在しない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００３】 ドイツ特許第 47 44 060号明細書により、脱塩すべき水を装置に導入する方法
が知られている。この方法は陰イオン交換と逆浸透の組み合わせに基づく。その
場合、水は先ず陰イオン交換体を装備した陽極室を通過し、次に逆浸透装置に導
入され、水は一部透過物としてこの装置を通過する。逆浸透装置を故障から保護
するため、脱ガス室内で炭酸塩が水からＣＯ2 として脱着される。同様に逆浸透
部を通過する濃縮物、陰イオンを多い酸性の水は陰極室内に導入され、この陰極
室は隔膜により陽極室から分離している。こうして隔膜を経由し塩水室に入って
くる陽イオンが供給される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００４】 ドイツ特許第 44 18 812号明細書により陰イオン交換体を装備した陰極室、陽
イオン交換体を装備した陰極室および塩水室を有する電解セルが知られている。
この場合、脱塩すべき水は先ず両方の電極室を通過する。一部の流れは塩水室か
らイオンを運ぶために利用される。この装置にはただ一つのイオン交換体と陽極
の室があるだけで、この室は隔膜により陰極室から仕切られている。陰極室はこ
こでは同時に塩水室である。 英国特許第 2 311 999号明細書には、塩分を含む水を電気透析する装置が開示
されている。この装置には陽イオン交換体を被覆した陽極室と、陰イオン交換を
被覆した陰極室と、陽極と陽極室の間にある塩水室があり、陽極室は陽イオン交
換隔膜により、また陰極室は陰イオン交換隔膜によりそれぞれ塩水室から分離し
ている。その場合、塩水室には導入導管と排出導管が装備されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】 ドイツ特許第 47 44 060号明細書の方法では、水を脱塩するため電気分解と逆
浸透を組み合わせる必要がある。そのためこの方法は装置経費が嵩み、大きな設
備でのみ実施される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００６】 ドイツ特許第 44 18 812号明細書の電解セルはコンパクトな設備であるが、供
給水に硬質形成物が存在する場合、塩水室と陰イオン交換樹脂床に付着物、特に
炭酸塩が付着するという問題がある。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】 それ故、この発明の課題は、簡単な設備で一回の処理工程で塩水室や陰イオン
交換室内に付着物が形成することなく水を脱塩もしすは一部脱塩する方法と装置
を提供することにある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２５Ｂ 15/08 ３０２ Ｃ０２Ｆ 1/46 １０３ (72)発明者 フルフト・ラインホルト ドイツ連邦共和国、Ｄ−52428 ユーリヒ、 ロフスストラーセ、17 (72)発明者 キースリング・トーマス ドイツ連邦共和国、Ｄ−52428 ユーリヒ、 レーマーストラーセ、51 Ｆターム(参考） 4D006 GA17 JA15Z JA18Z JA41A JA41Z JA45A JA53Z JA55A JA56Z JA59A KA01 KA02 KB11 KB17 KE11Q KE28Q KE30R MA03 MA13 MA14 PB08 4D025 AA02 AA09 BA08 BA13 BB02 BB09 DA01 DA05 DA06 4D061 DA04 DA08 DB13 EA02 EA09 EB01 EB05 EB13 EB17 EB19 EB20 FA03 FA08 FA09 4K021 AA01 AB07 BA02 BA03 BC01 BC06 CA08 CA09 CA10 CA11 DB06 DB31 DB36 DC15

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 陽イオン交換体（４）を被覆した陽極室（３），陰イオン交
    換体（８）を被覆した陰イオン交換室（７）および陽極室（３）と陰イオン交換
    室（７）の間にある塩水室（１４）を備え、陽極室（３）と陰イオン交換室（７
    ）が導管（６）を介して互いに接続し、陽極室（３）が陽イオン交換隔膜（１５
    ）により塩水室（１４）から、また陰イオン交換室（７）が陰イオン交換隔膜（
    １６）により塩水室（１４）からそれぞれ分離され、塩水室に導入導管（１３）
    と排出導管（１８）が装備されている水を部分的に脱塩する装置において、 陰イオン交換室（７）に第二の陰イオン交換隔膜（２２）があり、この第二の
    陰イオン交換隔膜が陽イオン交換室（７）を陰極室（２０）から分離し、塩水室
    （１４）の排出導管（１８）が陰極室（２０）に通じる導管（２１）に接続して
    いることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 排出導管（１８）と陰極室（２０）に通じる導管（２１）と
    の間にＣＯ3 2- を除去する手段（１９）が装着されていることを特徴とする請求
    項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 陰イオン交換体（９）を被覆した陰イオン交換室（７）には
    塩水室（１４）に流入する導管（１０，１１，１３）があることを特徴とする請
    求項１または２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 塩水室（１４）の導入導管（１３）と塩水室（１４）の排出
    導管（１８）の間にバイパス（２３）があり、このバイパスにはポンプ（２４）
    があることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 第二の陰イオン交換隔膜（２２）により仕切られている陰極
    室（２０）は両側が漏斗状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何
    れか１項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 陰極室（７）の壁には滑らかな表面があることを特徴とする
    請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 装置は鏡面対称に形成され、陽極室（３）あるいは陰極室（
    ２０）は対称中心を形成することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載
    の装置。
  8. 【請求項８】 陽極側に陽イオン交換隔膜（１５）を備え、陰極側に陰イオ
    ン交換隔膜（１６）を備えた塩水室（１４）によりそれぞれ分離されている陽イ
    オン交換体（４）を装備した陽極室（３）と、陰イオン交換体（８）を装備した
    陰イオン交換室（７）との間に電圧を印加し、塩水室（１４）の中に電界の通過
    する再生溶液が導入されている水を部分的に脱塩する方法において、 塩水室（１４）の中に入るイオンＯＨ- / Ｘn-（ｎ≧１）の電解時に生じる比
    が小さくなることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 比ＯＨ- / Ｘn-（ｎ≧１）は陰イオンを有する塩水室（１４
    ）からの再生溶液は少なくとも部分的に陰極室（２０）に導入されることを特徴
    とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 塩水室（１４）から出る再生溶液はＣＯ3 2- を除去する手
    段（１９）を通過し、陰極室（２０）に導入されることを特徴とする請求項８ま
    たは９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 塩水室（１４）に入る再生溶液は硬度が減らされているこ
    とを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 塩水室（１４）に入る再生溶液は先ず陽イオン交換体（４
    ）を被せた陽極室（３）と陰イオン交換体（８）を被せた陰イオン交換室（７）
    を通過することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 塩水室（１４）から出る再生溶液は少なくとも部分的に循
    環で塩水室（１４）に戻されることを特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に
    記載の方法。
  14. 【請求項１４】 電界は短時間極性を逆にされることを特徴とする請求項８
    〜１３の何れか１項に記載の方法。
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