JP2001524029A

JP2001524029A - イオン交換材料の電気化学的処理

Info

Publication number: JP2001524029A
Application number: JP54860998A
Authority: JP
Inventors: ホッジズ，アラステアー; オスヴェイス，ピーター
Original assignee: シーアールシーフォーウェイストマネージメントアンドポリューションコントロールリミテッド
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2001-11-27
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: DK0988253T3; US6280599B1; ES2229493T3; JP3512425B2; EP0988253B1; ATE272578T1; EP0988253A4; KR100519196B1; AUPO671597A0; DE69825445D1; PT988253E; EP0988253A1; KR20010012396A; DE69825445T2; WO1998051621A1

Abstract

(57)【要約】イオン交換材料を処理するための方法であって、この方法においては、（ａ）少なくとも２つの領域をなすイオン交換材料を、領域のうちの少なくとも１つが残りの領域からはイオン不透過性境界部を介して隔離されている状態で、かつ、各領域の少なくとも一部が電極に対して電気接続された状態で、陽極と陰極との間に配置し；（ｂ）少なくとも２つの領域に対して水を供給し；（ｃ）両電極間に電圧を印加することにより、陽極においては水素イオンを発生させるとともに陰極においては水酸化物イオンを発生させ、発生したこれら両イオンは、逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動することとなり、これにより、各領域内のイオン交換材料に関連したアニオンまたはカチオンの少なくとも一部が遊離され、この遊離したアニオンまたはカチオンが逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動することとなり；（ｄ）（ｃ）ステップで形成されたアニオンおよび／またはカチオンのうちで境界部に到達したものの少なくとも一部を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】イオン交換材料の電気化学的処理発明が属する技術分野本発明は、概して、イオン交換材料を使用した水の処理に関するものである。より詳細には、アニオン交換樹脂およびカチオン交換樹脂の電気化学的処理のための方法および装置に関するものである。発明の背景イオン交換は、固体（しばしば、樹脂と称される）と液体との間における可逆的なイオンの相互交換である。この場合、イオン交換材料をなす固体の構造には、永久的な変化は起こらない。イオン交換の有用性は、イオン交換材料の使用可能性、および、適切な再生ステップを経由しての再使用可能性にある。高純度な水に対しては、巨大なマーケットが存在している。高純度の水は、製薬産業、エレクトロニクス産業、および、発電産業、といったような著名な主要ユーザーに対して、工業用途に主に使用される。大部分の応用に対しての最終処理（仕上げステップ）においては、通常、溶解している塩が、イオン交換材料またはイオン交換樹脂を通過させることによって、水から除去される。（Ｈ⁺の形態での）カチオン交換樹脂と、（ＯＨ^-の形態での）アニオン交換樹脂と、の組合せが、カチオンとアニオンとのそれぞれを除去するために使用される。多くの塩の除去を行うには、各樹脂タイプをそれぞれ備えた２つのベッドを、直列で使用することができる。水性溶液が、まず最初に、（Ｈ⁺の形態での）カチオン交換樹脂からなるベッドを通過したときには、溶液内のカチオンが、カチオン交換器に採取され、等量のＨ⁺イオンが、溶液内に放出される（よって、電気的中性は保存される）。この溶液（この場合には、酸性溶液）は、その後、（ＯＨ^-の形態での）アニオン交換樹脂からなる第２ベッドを通過し、溶液内のアニオンが、アニオン交換器に採取される。このとき放出されるＯＨ^-イオンが、溶液内のＨ⁺を中和し、これにより、水が生成される。２つのベッドを通過した後には、溶解塩は、溶液から効果的に除去されている。（脱塩プロセスが可逆である場合には、中間アルカリ溶液を使用した対応反応が適用されることとなる。）多数の水精製応用においては、最終仕上げステップとしては、直列型のベッド配置に代えて、あるいは、それに加えて、最終イオン交換樹脂からなる混合ベッドが、好ましい。混合ベッドの場合、カチオン樹脂およびアニオン樹脂は、近接して混合され、カチオンとアニオンとが同時に溶液から除去されると共に、両樹脂からＨ⁺とＯＨ^-とが瞬時に放出されて瞬時に中性化が行われ、水が生成される。この構成であると、相互中和によるＨ⁺とＯＨ^-との損失によって化学平衡プロセスが「引き起こされる」ことのために、水性溶液からの塩除去を非常に良好なレベルで行うことができる。いずれの構成においても、樹脂が消費されると（すなわち、Ｈ⁺およびＯＨ^-の形態での樹脂が存在しなくなったときには）、カチオンベッドおよびアニオンベッドは、再生されなければならない。従来の化学的再生プロセスにおいては、混合樹脂ベッド内におけるカチオン樹脂とアニオン樹脂とを、化学的再生プロセスを行うに先立って、物理的に分離しなければならなかった。この再生は、通常、それぞれ、酸（典型的には、Ｈ₂ＳＯ₄）およびアルカリ（典型的には、ＮａＯＨ）による処理によって行われる。化学的プロセスにおいては、濃縮された酸や腐食性溶液を貯蔵して取り扱う必要があるとともに、使用後には、廃棄再生溶液および洗浄溶液を廃棄する必要がある。これは、コスト、安全性、および、環境的観点からは、望ましくないことである。イオン交換樹脂の再生のために苛酷な化学的処理だけを必要としないような他の方法が、開発されている。このような方法のいくつかは、特定のイオンが透過できるようなメンブランと化学処理溶液とを利用する電気的イオン除去システム（電気的消イオンシステム）を使用する。たいていのメンブランは、高価であって、使用時に漏れを起こしたり壊れたりする。さらに、メンブランと共に樹脂を収容するのに必要な装置は、製造および維持がコスト高である。利用可能な他の方法は、カチオンまたはアニオンの形態の樹脂を再生するためだけに適用され、そのため、双方の形態のイオン交換材料を再生するには、２つのシステムを必要とする。本発明者らは、マイルドでありかつ安価でありかつ環境的に受容可能な電気化学的技術を使用した、イオン交換樹脂の処理方法を開発した。この方法は、再生用化学物質を必要とすることがなく、水精製プロセスおよびイオン交換再生を、樹脂ベッドに干渉する必要なく同一容器内で行えるという、さらなる利点を有している。混合ベッドシステムの場合には、このプロセスは、また、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを分離する必要なく混合樹脂ベッドの再生を行うことができるという利点を有している。発明の概要第１の見地においては、本発明は、イオン交換材料を処理するための方法であって、（ａ）少なくとも２つの領域をなすイオン交換材料を、これら領域のうちの少なくとも１つが残りの領域からはイオン不透過性境界部を介して隔離されている状態で、陽極と陰極との間に配置し；（ｂ）少なくとも２つの領域に対して水を供給し；（ｃ）両電極間に電圧を印加することにより、陽極においては水素イオンを発生させるとともに陰極においては水酸化物イオンを発生させ、発生したこれら両イオンは、逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動することとなり、これにより、各領域内のイオン交換材料に関連したアニオンまたはカチオンの少なくとも一部が遊離され、この遊離したアニオンまたはカチオンが逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動することとなり；（ｄ）（ｃ）ステップで形成されたアニオンおよび／またばカチオンのうちで境界部に到達したものの少なくとも一部を除去する；方法である。両電極間に電位差を印加できるよう、２つの領域のうちの少なくとも一部が電気接続されることは、明らかである。２つの領域は、単一型の形態としてイオン交換材料を備えることもできるし、また、混合型の形態としてイオン交換材料を備えることもできる。単一型の形態としてイオン交換材料を各領域内に配置する場合には、本方法の有効な動作のためには、カチオン交換材料を陰極に関連した領域内に配置し、アニオン交換材料を陽極に関連した領域内に配置するの近傍に配置し、カチオン交換材料を備えた前記領域を、前記陰極の近傍に配置する。双方の領域内に混合型の形態のアニオンおよびカチオン交換材料を配置する構成の場合には、イオン交換材料が十分に処理されることを確保するために、好ましくは、両電極の極性を反転させた上で、各領域内の材料のうちの初期的には処理されなかった部分に対して、イオン遊離を起こさせるような電圧を印加する。本発明の第１の見地における好ましい実施形態においては、両領域内におけるイオン交換材料の電気化学的再生が、同時的に引き起こされる。イオン交換材料に関連したアニオンおよびカチオンであって、本方法によって除去されるアニオンおよびカチオンは、好ましくは、塩である。ある形態においては、これら塩は、イオン交換材料の再生を行うために本方法を行う前に、水のイオン除去処理時にイオン交換材料上に集積されていた塩である。境界部は、電界の影響によるイオン移動時に、境界部に到達したイオンおよび水を除去し得るものであればあるいは洗い流し得るものであれば、任意の形態のものとすることができる。適切な形態としては、イオン非選択性メンブラン、フリット、多孔質スペーサ、イオン交換材料からなる２つの領域を物理的に隔離することによって形成されたキャビティ、不活性材料、バルブ構成、および、２つの領域を隔離する物理的境界部、とすることができる。ただし、これらに限定されるわけではない。２つの領域を隔離する物理的境界部は、また、適切な境界を形成することができる。好ましくは、境界部は、境界部からのイオンおよび水の除去を可能とするバルブを備えたポリプロピレンフリットである。好ましくは、（ｃ）ステップで形成されたカチオンおよび／またはアニオンを、境界部を通る前に取り出し、イオン交換材料からなる他の領域へと流入させる。ある好ましい形態においては、（ｂ）ステップは、処理されるべき水内に溶解した塩を除去するための手段として、使用される。被処理水中に溶解しているすべての塩をイオン交換材料に結合させるよう、１つまたは複数の領域は、被処理水によって洗浄される。水処理プロセスが完了し、イオン交換材料を再生する際には、ステップ（ｃ）およびステップ（ｄ）が行われる。水処理プロセスのこの形態の格別の利点は、イオン交換材料を、インサイチュで（そのままの状態で、取り出す必要なく）再生できることである。陽極は、好ましくは、白金コーティングされたチタンから形成され、一方、陰極は、白金コーティングされたチタンまたはステンレス鋼から形成することができる。しかしながら、いずれの電極も、任意の適切な材料から形成し得ることは、明らかである。ステップ（ｄ）は、境界部およびその周囲領域からイオンおよび水を除去し得るような、任意の適切な手段によって行うことができる。例えば、１つの適切な手段は、境界部の水洗手段である。しかしながら、任意の適切な手段が適用可能であることは、明らかである。第２の見地においては、本発明は、電気化学セルに関するものであって、（ａ）陽極および陰極と；（ｂ）イオン交換材料を収容し得るよう構成されているとともに、両電極間に配置された、少なくとも２つの領域と；（ｃ）少なくとも２つの領域を隔離するためのイオン不透過性境界部と；（ｄ）少なくとも２つの領域に対して水を供給するための水供給手段と；（ｅ）付加的に、両電極間に電圧を印加するための電圧印加手段と；（ｆ）境界部において、イオン、塩、および、水を除去するための除去手段と；を具備してなり、使用時には、両電極間に電圧を印加することにより、陽極においては水素イオンを発生させるとともに陰極においては水酸化物イオンを発生させ、発生したこれら両イオンは、逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動することとなり、これにより、各領域内の前記イオン交換材料に関連したアニオンまたはカチオンの少なくとも一部が遊離され、この遊離したアニオンまたはカチオンが逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動することとなり、これらアニオンおよび／またはカチオンのうちで境界部に到達したものの少なくとも一部を、除去手段によって除去する、セルである。このような電気化学セルは、本発明の第１の見地による方法を実行するのに特に好適である。このセルは、溶解している塩を除去することによって水を精製するために使用することができ、かつ、各領域内に配置されたイオン交換材料を再生するために使用することができる。陽極は、好ましくは、白金コーティングされたチタンから形成され、一方、陰極は、白金コーティングされたチタンまたはステンレス鋼から形成することができる。しかしながら、いずれの電極も、任意の適切な材料から形成し得ることは、明らかである。両電極間に電位差を印加できるよう、２つの領域のうちの少なくとも一部が電気接続されることは、明らかである。セルの好ましい形態においては、境界部は、２つの電極からほぼ等距離のところに配置され、各領域は、実質的に同じ容積とされている、あるいは、収容しているイオン交換材料の量がほぼ同じとされている。電圧を印加するための手段は、任意の適切な電源とすることができる。印加される電圧値は、イオン交換材料のタイプおよび量に依存する。典型的には、適切な強力イオン交換剤に対して、適切な電流が、適切な時間にわたって通電される。これにより、完全に消費された（涸渇した）イオン交換材料を、実質的に完全に再生することができる。これら特定の電流値および通電時間は、材料の種類、涸渇度合い、体積、に依存して適切に決定されることは、明らかである。第３の見地においては、本発明は、本発明の第２の見地によるセルを使用して、イオン交換材料の再生を行う。第４の見地においては、本発明は、本発明の第２の見地によるセルを使用して、水処理を行って、溶解している塩をその水から除去する。従来技術とは違って、本発明は、操作のために、アニオン選択性メンブランおよびカチオン選択性メンブランを必要とはしない。そうではなく、イオン交換材料からなる領域すなわちベッドが、望ましくないイオンの移動に対する障壁として使用される。イオン選択性メンブランを使用しなくても良くなったことは、従来技術に対しての格別の利点であり、これにより、より単純でかつより頑丈でかつより安価なシステムがもたらされる。明細書全般にわたって、特に断らない限り、「備える」という用語は、言及した部材を一体としてまたは別体として、あるいは、言及した部材グループを一体としてまたは別体として、含むことを意味しており、かつ、他の部材をまたは他の部材グループを除外することを意図しているわけではない、ものとして解釈されるべきである。本発明のより明確な理解のために、以下、添付図面を参照して好ましい実施形態について説明する。図面の簡単な説明図１は、本発明による電気化学セルのある実施形態を概略的に示す図である。図２は、本発明による電気化学セルの他の実施形態を概略的に示す図である。図３ａおよび図３ｂは、図１の電気化学セルの動作を概略的に示す図である。図４ａ〜図４ｃは、図２の電気化学セルの動作を概略的に示す図である。図５は、イオン交換樹脂の再生の時間依存性を、濃度の観点から示すグラフである。図６は、イオン交換樹脂の再生の時間依存性を、４０ｍＡという特定の電流密度について示すグラフである。図７は、イオン交換樹脂の再生のクーロン効率を、電流密度をパラメータとして示すグラフである。図８は、本発明による電気化学セルのさらに他の実施形態を概略的に示す図である。実施形態の説明図１には、カチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂からなる一対の隔離領域すなわちベッドに対して、本発明によるイオン交換材料再生方法の一般原理が、概略的に示されている。アニオン交換樹脂からなるベッド５、および、カチオン交換樹脂からなるベッド６は、陽極７と陰極８との間に配置されている。水は、入力ポート１，２を通してベッド５，６に対して供給され、そして、出力ポート３を通して抽出される。陽極７と陰極８との間に適切な電圧が印加されたときには、２つの電極７，８の近傍に位置した水に関して、次のような電気化学的プロセスが起こる。酸化（陽極にて）２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ還元（陰極にて）２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ → Ｈ₂＋２ＯＨ^- 全体としての電気化学反応６Ｈ₂Ｏ → ２Ｈ₂＋Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ＯＨ^- 正味の結果としては、水が水素と酸素とに分離され、さらに、陽極７においてＨ⁺イオンが生成され、陰極８においてＯＨ^-イオンが生成される。通過する各電子に対しては、１つの等価なＨ⁺と１つの等価なＯＨ^-とが生成される。生成されたイオンは、その後、セル内のイオン交換樹脂に関連したカチオンおよびアニオン（塩）に対して、イオン交換を受ける。交換されたカチオンおよびアニオン（塩）は、電位差の影響を受けて移動し、境界９のところにおいて出くわす。異なる構成においては、境界９は、多孔質のスペーサ、２つの樹脂ベッドの物理的隔離によって形成されたキャビティ、あるいは、ある種のスペーサ材料（例えば、イオン交換樹脂、または、不活性材料）から形成された中間境界とすることができる。あるいは、境界９は、単に、２つの樹脂ベッドの間の境界をなすことができる。カチオンとアニオンとは、この境界領域において出くわし、何らかの手段によって、液体流（水性溶液または他の溶液）に運ばれてセルから排出される。このシステムは、樹脂ベッドに干渉することなくすなわち樹脂をセルから取り出す必要なく、水性溶液の脱塩（動作モード）とイオン交換樹脂の再生との双方を行い得るように構成することができる。混合ベッドタイプ（カチオンタイプとアニオンタイプの組合せ）のイオン交換樹脂も含めた広範なデバイスの再生を行い得るような、同様のシステムが要望される。そのような全体構成が、図２に示されている。この場合には、再生は、２段階で進行する。再生の第１段階においては、システムは、図２に示すようにして動作し、第２段階においては、両電極の極性が互いに逆転（反転）される。プロセスについて、以下、図３（デュアルベッドシステム）および図４（混合ベッドシステム）を参照して説明する。双方の図において、２つのイオン交換樹脂は、それぞれ以下のような形態で示されている。すなわち、Ａは、「消費された」形態でのアニオン交換樹脂を示し、ＯＨは、「再生された」形態でのアニオン交換樹脂を示し、Ｃは、「消費された」形態でのカチオン交換樹脂を示し、Ｈは、「再生された」形態でのカチオン交換樹脂を示している。図３ａは、互いに隔離された一対の樹脂ベッドを示しており、左側の隔室内には、アニオン交換樹脂６が収容されており、右側の隔室内には、カチオン交換樹脂５が収容されている。双方のベッド５，６は、完全に消費され尽くした（枯渇した）状態で示されている。すなわち、カチオン交換樹脂には、実質的にＨ⁺が存在していない状態、および、アニオン交換樹脂には、実質的にＯＨ^-が存在していない状態、が示されている。完全に消費された状態が例示されているだけではあるけれども、樹脂は、部分的に消費された状態であっても良くまた完全に消費された状態であっても良いこと、また、再生を部分的に行っても良くまた完全に行っても良いことは、明らかである。図３ｂに示すように、２つの電極１１，１２間に適切な電位差が印加されたときには、図示左側の電極１１（陰極、「−」で示されている）においてはＯＨ^- が生成され、かつ、図示右側の電極１２（陽極、「＋」で示されている）においてはＨ⁺が生成される。電界の影響によって、これら両イオンは、それぞれの電極から離れる向きに、樹脂ベッドを挿通して、移動する。ＯＨ^-イオンが左側の隔室内を移動するときには、このＯＨ^-イオンは、アニオン交換樹脂に関連したアニオンと交換する。そのため、アニオン交換樹脂ば、ＯＨ^-の形態へと変換される。解放されたアニオンは、陽極１２に向けて、余剰の（過剰の）ＯＨ^-と一緒に移動する。Ｈ⁺イオンが右側の隔室内を移動するときには、このＨ⁺イオンは、カチオン交換樹脂に関連したカチオンと交換する。そのため、カチオン交換樹脂は、Ｈ⁺の形態へと変換される。解放されたカチオンは、陰極１１に向けて、余剰の（過剰の）Ｈ⁺と一緒に移動する。カチオンとアニオンとは、境界９において出くわし、存在している等量のＨ⁺とＯＨ^-とが互いに中性化して、水を形成する。残りのイオン種（塩）は、出力ポート３を通して排出することができる。この排出を補助するために、入力ポート１，２を通して、生成されるＨ⁺、ＯＨ^- 各１モルに対して水１．５モルといったように、少なくとも最小限の水流が確保されていることが好ましい。図４ａは、混合ベッドに関連した構成を示している。この場合には、左側と右側との双方の隔室内に、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合体が充填されている。双方のベッドは、完全に消費され尽くした（枯渇した）状態で示されている。すなわち、カチオン交換樹脂にＨ⁺が存在していない状態、および、アニオン交換樹脂にＯＨ^-が存在していない状態、が示されている。完全に消費された状態が例示されているけれども、樹脂は、部分的に消費された状態であっても良くまた完全に消費された状態であっても良いこと、また、再生を部分的に行っても良くまた完全に行っても良いことは、明らかである。図４ｂに示すように、２つの電極１１，１２間に適切な電位差が印加されたときには、図示左側の電極１１（陰極、「−」で示されている）においてはＯＨ^- が生成され、かつ、図示右側の電極１２（陽極、「＋」で示されている）においてはＨ⁺が生成される。電界の影響によって、これら両イオンは、それぞれの電極から離れる向きに、樹脂ベッドを挿通して、移動する。ＯＨ^-イオンが左側の隔室内を移動するときには、このＯＨ^-イオンは、アニオン交換樹脂に関連したアニオンと交換する。そのため、アニオン交換樹脂は、ＯＨ^-の形態へと変換される。解放されたアニオンは、陽極１２に向けて、余剰の（過剰の）ＯＨ^-と一緒に移動する。このアニオンは、この隔室内のカチオン交換樹脂の状態に関しては、何の影響をも、もたらさない。Ｈ⁺イオンが右側の隔室内を移動するときには、このＨ⁺イオンは、カチオン交換樹脂に関連したカチオンと交換する。そのため、カチオン交換樹脂は、Ｈ⁺の形態へと変換される。解放されたカチオンは、陰極１１に向けて、余剰の（過剰の）Ｈ⁺と一緒に移動する。このカチオンは、この隔室内のアニオン交換樹脂の状態に関しては、何の影響をも、もたらさない。それぞれ左側の隔室内および右側の隔室内を移動するアニオンおよびカチオンは、境界９において出くわし、存在している等量のＨ⁺とＯＨ^-とが互いに中性化して、水を形成する。残りのイオン種は、出力ポート３を通して排出することができる。この排出を補助するために、入力ポート１，２を通して、生成されるＨ⁺、ＯＨ^-各１モルに対して水１．５モルといったように、少なくとも最小限の水流が確保されていることが好ましい。図４ｂにおける左側の隔室内のアニオン交換樹脂、および、図４ｂにおける右側の隔室内のカチオン交換樹脂は、それぞれ、ＯＨ^-の形態およびＨ⁺の形態へと既に変換されている。この状況から電流を流すと、等量のＨ⁺とＯＨ^-とが生成され、これら両イオンが樹脂ベッドを挿通してそれぞれ移動し、これら両イオンが出会った場所で互いに中性化して水を生成する。この時点で、２つの電極の極性が反転される、図４ｃに示すように、左側の電極１１および右側の電極１２において、それぞれ、Ｈ⁺およびＯＨ^-が生成される。上述したのと同様にして、両イオンは、セルの中央部に向けて移動し、左側の隔室および右側の隔室内におけるそれぞれカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂に関連したそれぞれカチオンおよびアニオンと交換することがてきる。右側の隔室および左側の隔室を移動するそれぞれアニオンおよびカチオンは、境界９において出くわし、存在している等量のＨ⁺とＯＨ^-とが互いに中性化して、水を形成する。残りのイオン種は、出力ポート３を通して排出される。この排出を補助するために、入力ポート１，２を通して、生成されるＨ⁺、ＯＨ^-各１モルに対して水１．５モルといったように、少なくとも最小限の水流が確保されていることが好ましい。実験例以下の実験例は、図１に示す特徴点を備えた円筒形電気化学セルを参照している。このセル内の境界は、多孔質ポリプロピレンのフリット（frit）とされた。右側の隔室および左側の隔室には、それぞれ、アンバーライト（Amberlite）ＩＲＡ−４２０（登録商標）強力アニオン交換樹脂、および、アンバーライト１Ｒ −１２０（登録商標）強力カチオン交換樹脂が充填された。これら樹脂は、例示のために使用されているだけであって、本発明は、特定のイオン交換樹脂またはイオン交換材料だけに制限されるものではない。各隔室内の樹脂のイオン交換能力は、−１７ミリモルである。両樹脂は、標準的な化学手法によって、それぞれＣｌ^-およびＮａ⁺の形態へと変換された。そして、残留塩を除去するために脱イオン水でもって全体的に洗浄された。電極７，８は、チタンメッシュ（直径６ｃｍ）に対して白金がコーティングされたものとされた。両電極を樹脂に対して緊密に接触させ、シールユニットを形成するよう、一対の端部プレートをセルに対して固定した。高純度脱イオン水がポンピングされ、入力ポート１，２から出力ポート３に至る水流が確保された。定電流源を使用することにより、白金被覆チタンメッシュ電極どうしの間に、定電流が通電された。ポート１，２を通してセル内へと水がポンピングされ、ポート３からの排出物が収集された。排出溶掖の、ｐＨ、電導度、および、Ｎａ⁺のイオン濃度が観測され、電流および電圧が記録された。異なる３つの電流密度に対しての結果が、図５に示されている。このグラフは、時間の関数として、ポート３を通して収集されたＮａ⁺イオンの累積モル数を示している。図６は、通電量が４０ｍＡの場合の、ポート３を通して収集されたＮａ⁺イオンおよびＣｌ^-イオンの累積モル数を、時間の関数として示している。図７は、セルの動作の電気化学的効率を示している。各１モルの電子に対して、１モルのＨ⁺と１モルのＯＨ^-とが生成される。各１モルの電子が、１モルのカチオン交換樹脂の再生と１モルのアニオン交換樹脂の再生とをもたらしたならば、セルの電気化学的効率は、１００％となる。図７においては、カチオン交換樹脂変換の全体的クーロン効率（単位：パーセント）を、セル内の既に再生されたカチオン交換樹脂の割合（単位：パーセント）の関数として、示している。図８は、２つの樹脂ベッドの間の境界が、Ｔ型バルブ１３によって形成されているような、本発明の好ましい実施形態を示している。この場合、Ｔ型バルブ１３のところにおいては、バルブ内の液体流通路１８は、実質的に、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とによって充填されている。この場合のアニオン交換樹脂およびカチオン交換樹脂は、混合状態とすることもできるし、隔離状態（非混合状態）とすることもできる。樹脂再生モード（図８ａ）においては、バルブ１３は、バルブ１３の通路１８を通しての各流通端が、樹脂ベッドのそれぞれに対して連通されており、かつ、バルブに対して直交する流通路が、カチオンおよび／またはアニオンと水とが流通することのできるポートに対して連通しているように、切り換えられる。システムが、水の精製を行うために使用される場合（図８ｂ）には、バルブ１３は、樹脂ベッドに対しては連通されない。これにより、水精製サイクル時に２つの樹脂ベッド間において望ましくない態様で液体が流通してしまうことが、防止される。図８に示す構成においては、樹脂は、対向式に再生される（すなわち、水精製サイクル時における２つの樹脂ベッドにおける水およびイオンの流れとは、逆向きの流れで再生される）。精製モード（図８ｂ）においては、水は、ベッド５の底部に設けられたさらなる入力ポート１６を通して供給され、一旦、ポート１５を通して取り出された後、ポート１７を通して他方のベッド６を通過する。精製された水は、ポート１４から取り出される。セルが再生モードで使用されるとき（図８ａ）には、ポート１６，１７は、閉塞される。図８の構成においては、樹脂は、対向式に再生される（すなわち、精製サイクルにおいては、水およびイオンの流れは、樹脂ベッドを通ってある一方向とされ、再生モードにおいては、水およびイオンの流れは、樹脂ベッドを通って逆方向とされる）。上記説明においては、セルは、円筒形とされている。本発明による好結果は、この円筒形という特定の形状に依存するものでも制限されるものでもない。同様に、セルのサイズも、制限要因ではない。例えば、同様の効率は、約５倍の容量の円筒形セルにおいても得られている。さらに、同様の効率は、直線状円筒形に代えてＵ字形チューブ構成としたセルであって約１０倍の容量としたセルにおいても得られている。また、同様の効率は、ポリプロピレンのフリットを、２つの樹脂ベッドを隔離状態に保持する一対のナイロンメッシュで代替したセル（すなわち、キャビティが、単に液体で充填されている）においても得られている。セルを流通させる際の水の流速、および、電流値は、電気化学的効率を悪くすることなく、変化させることができた。上述のシステムは、手動で動作する。しかしながら、適切なセンサおよび制御システムを使用することにより、システムの動作を自動化し得ることは、自明である。そのような構成の例は、バルブアクチュエータおよびマイクロプロセッサ制御回路を備えた、出力水の純度を測定するための、電導度セルである。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、特定の実施形態として例示された本発明に対して、様々な変形および／または修正を加え得ることは、当業者には自明であろう。したがって、いくつかの実施形態は、本発明を制限するものではなく、単なる例示として捉えられるべきものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者オスヴェイス，ピーターオーストラリア国ヴィクトリア 3141 サウスヤラマーフィーストリート 21／30

Claims

【特許請求の範囲】１．イオン交換材料を処理するための方法であって、（ａ）少なくとも２つの領域をなすイオン交換材料を、前記領域のうちの少なくとも１つが残りの領域からはイオン不透過性境界部を介して隔離されている状態で、陽極と陰極との間に配置し；（ｂ）前記少なくとも２つの領域に対して水を供給し；（ｃ）前記両電極間に電圧を印加することにより、前記陽極においては水素イオンを発生させるとともに前記陰極においては水酸化物イオンを発生させ、発生したこれら両イオンは、逆極性の電極へと向けて前記各領域を通って移動することとなり、これにより、前記各領域内の前記イオン交換材料に関連したアニオンまたはカチオンの少なくとも一部が遊離され、この遊離したアニオンまたはカチオンが逆極性の電極へと向けて前記各領域を通って移動することとなり；（ｄ）前記（ｃ）ステップで形成されたアニオンおよび／またはカチオンのうちで前記境界部に到達したものの少なくとも一部を除去する；ことを特徴とする方法。２．請求項１記載の方法において、一方の前記領域を、アニオン交換材料を備えたものとし、他方の前記領域を、カチオン交換材料を備えたものとすることを特徴とする方法。３．請求項２記載の方法において、アニオン交換材料を備えた前記領域を、前記陽極の近傍に配置し、カチオン交換材料を備えた前記領域を、前記陰極の近傍に配置することを特徴とする方法。４．請求項１記載の方法において、前記少なくとも２つの領域を、アニオン交換材料とカチオン交換材料との混合体を備えたものとすることを特徴とする方法。５．請求項４記載の方法において、所定時間にわたって、前記電圧を印加し、その後、前記両電極の極性を反転させた上で第２電圧を印加することを特徴とする方法。６．請求項１〜５のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも２つの領域内における前記イオン交換材料の電気化学的再生を同時的に引き起こすことを特徴とする方法。７．請求項１〜６のいずれかに記載の方法において、前記イオン交換材料に関連した前記アニオンおよび前記カチオンが、水のイオン除去処理時に前記イオン交換材料上に集積された塩であることを特徴とする方法。８．請求項１〜７のいずれかに記載の方法において、前記イオン不透過性境界部を、イオン非選択性メンブラン、フリット、多孔質スペーサ、前記イオン交換材料がなす前記２つの領域を物理的に隔離することによって形成されたキャビティ、不活性材料、バルブデバイス、および、２つの領域を隔離する物理的境界部、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。９．請求項８記載の方法において、前記境界部を、該境界部からの前記イオンおよび水の除去を可能とするバルブを備えたポリプロピレンフリットとすることを特徴とする方法。１０．請求項１〜９のいずれかに記載の方法において、前記（ｃ）ステップで形成された前記カチオンおよび／またはアニオン、および、水を、前記境界部を通す前に取り出し、イオン交換材料からなる他の領域へと流入させることを特徴とする方法。１１．請求項１〜１０のいずれかに記載の方法において、前記（ｃ）ステップおよび前記（ｄ）ステップを行うよりも前に水内に溶解した塩を除去するための手段として、前記（ｂ）ステップを使用することを特徴とする方法。１２．請求項１〜１１のいずれかに記載の方法において、前記ステップ（ｄ）が、前記境界部の水洗操作であることを特徴とする方法。１３．電気化学セルであって、（ａ）陽極および陰極と；（ｂ）イオン交換材料を収容し得るよう構成されているとともに、前記両電極間に配置された、少なくとも２つの領域と；（ｃ）前記少なくとも２つの領域を隔離するためのイオン不透過性境界部と；（ｄ）前記少なくとも２つの領域に対して水を供給するための水供給手段と；（ｅ）前記両電極間に電圧を印加するための電圧印加手段と；（ｆ）前記境界部において、イオン、塩、および、水を除去するための除去手段と；を具備してなり、使用時には、前記両電極間に電圧を印加することにより、前記陽極においては水素イオンを発生させるとともに前記陰極においては水酸化物イオンを発生させ、発生したこれら両イオンは、逆極性の電極へと向けて前記各領域を通って移動することとなり、これにより、前記各領域内の前記イオン交換材料に関連したアニオンまたはカチオンの少なくとも一部が遊離され、この遊離したアニオンまたはカチオンが逆極性の電極へと向けて前記各領域を通って移動することとなり、これらアニオンおよび／またはカチオンのうちで前記境界部に到達したものの少なくとも一部を、前記除去手段によって除去する、ことを特徴とするセル。１４．請求項１３記載のセルにおいて、前記陽極が、白金コーティングされたチタンから形成されており、前記陰極が、白金コーティングされたチタンまたはステンレス鋼から形成されていることを特徴とするセル。１５．請求項１３または１４記載のセルにおいて、一方の前記領域が、アニオン交換材料を備え、他方の前記領域が、カチオン交換材料を備えていることを特徴とするセル。１６．請求項１５記載のセルにおいて、アニオン交換材料を備えた前記領域が、前記陽極の近傍に配置され、カチオン交換材料を備えた前記領域が、前記陰極の近傍に配置されていることを特徴とするセル。１７．請求項１３または１４記載のセルにおいて、前記少なくとも２つの領域が、アニオン交換材料とカチオン交換材料との混合体を備えていることを特徴とするセル。１８．請求項１３〜１７のいずれかに記載のセルにおいて、前記イオン不透過性境界部が、イオン非選択性メンブラン、フリット、多孔質スペーサ、前記イオン交換材料がなす前記２つの領域を物理的に隔離することによって形成されたキャビティ、不活性材料、バルブデバイス、および、２つの領域を隔離する物理的境界部、からなるグループの中から選択されていることを特徴とするセル。１９．請求項１８記載のセルにおいて、前記境界部が、該境界部からの前記イオンおよび水の除去を可能とするバルブを備えたポリプロピレンフリットであることを特徴とするセル。２０．請求項１３〜１９のいずれかに記載のセルにおいて、前記除去手段が、前記境界部を水洗するための手段であることを特徴とするセル。