JP2002210468A

JP2002210468A - 脱塩装置及び脱塩方法

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Publication number: JP2002210468A
Application number: JP2001011711A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nomura; 誠埜村; Nobuhiro Oda; 信博織田; Nobuhiro Matsushita; 聿宏松下
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】水利用率が高く、煩雑な操作を必要とせず
に、脱塩することができる装置及びかかる装置を用いた
脱塩方法の提供。【解決手段】通液型電気二重層コンデンサと、イオン
交換装置と、原水を該通液型電気二重層コンデンサに供
給するラインと、通液型電気二重層コンデンサ処理水を
該イオン交換装置に供給するラインと、該イオン交換装
置から流出する純水を取り出すラインと、を有すること
を特徴とする脱塩装置；及びかかる脱塩装置を用いた脱
塩方法であって、原水を通液型電気二重層コンデンサに
通水し、得られた通液型電気二重層コンデンサ処理水を
イオン交換装置に通水し、イオン交換装置から流出する
純水を取り出すことを特徴とする脱塩方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電所等のボイラ
の給水、半導体製造工程、燃料電池発電等に用いられる
純水の製造や、冷却塔用水の製造、循環使用、各種排水
の回収に用いられる脱塩方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】純水やいわゆる超純水は、半導体製造工
場、原子力発電所、燃料電池発電装置等で広く使用され
ている。かかる純水や超純水の製造方法として、イオン
交換樹脂により脱イオンする方法が広く知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、イオン
交換樹脂を用いて純水を製造する場合、頻繁に塩酸、硫
酸等の酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のア
ルカリ等の薬剤でイオン交換樹脂を再生するか、イオン
交換樹脂を取り替える必要があった。

【０００４】したがって、本発明は、水利用率が高く、
煩雑な操作を必要とせずに、脱塩することができる装置
及びかかる装置を用いた脱塩方法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】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究した結果、イオン交換樹脂による
処理に先立って、通液型電気二重層コンデンサによる前
処理を行えば、大部分の陽イオン、陰イオンが通液型電
気二重層コンデンサで除去されるため、イオン交換樹脂
へのイオン負荷が非常に小さくなり、イオン交換樹脂の
再生頻度を大幅に低減できることを見出し、本発明を完
成した。

【０００６】すなわち、請求項１記載の発明は、通液型
電気二重層コンデンサと、イオン交換装置と、原水を該
通液型電気二重層コンデンサに供給するラインと、通液
型電気二重層コンデンサ処理水を該イオン交換装置に供
給するラインと、該イオン交換装置から流出する純水を
取り出すラインと、を有することを特徴とする脱塩装置
である。請求項２記載の発明は、請求項１記載の脱塩装
置を用いた脱塩方法であって、原水を通液型電気二重層
コンデンサに通水し、得られた通液型電気二重層コンデ
ンサ処理水をイオン交換装置に通水し、イオン交換装置
から流出する純水を取り出すことを特徴とする脱塩方法
である。

【０００７】

【発明の実施の形態】通液型電気二重層コンデンサは、
間に通液路を挟んで２つの高比表面積の導電体層を有
し、これら導電体層の外側に集電極を配置した構成を有
するものであり、集電極に電圧を加えることによって、
原水中のイオンを導電体層に電気的に吸着させ、塩濃度
が減少した処理水を得ることができるようになってい
る。このような高比表面積の導電体としては、活性炭が
好適である。通液型電気二重層コンデンサにおいては、
以下に示す処理過程を経て流入水中のイオン性物質が除
去される。この処理過程を、流入水に含まれるイオン性
物質が塩化ナトリウムであり、前記高比表面積の導電体
が活性炭である場合を例にして、図２（イ）、（ロ）を
用いて説明する。

【０００８】図２（イ）に示すように、電圧印加時にお
いて、流入水中のナトリウムイオンは陰極側の集電極２
０３に接する活性炭層２０２に電気的に吸着され、塩素
イオンは陽極側の集電極２０３に接する活性炭層２０２
に電気的に吸着される。このため、出口から得られる浄
水（処理水）は、その塩化ナトリウム濃度が著しく低下
したものとなる。また、通水を長時間続けると、活性炭
２０２に対するイオンの吸着が飽和に近づくため、出口
から得られる処理水の塩化ナトリウム濃度が高くなる。
そこで、吸着飽和に達する前に陽極側と陰極側とを短絡
（ショート）させるか、あるいは逆接続すれば、図２
（ロ）に示すように活性炭２０２に吸着されていたナト
リウムイオンおよび塩素イオンが脱離し、流入水中の塩
化ナトリウム濃度よりはるかに高濃度の塩化ナトリウム
を含む流出水が出口より排出される。このときの流速を
遅くすれば、少ない流水量で活性炭層に吸着された塩化
ナトリウムを排出できるので好ましい。

【０００９】図１は、本発明の脱塩装置の一実施形態を
示すものである。本発明の脱塩装置においては、原水が
まず通液型電気二重層コンデンサ、次いでイオン交換装
置で処理されるように通液型電気二重層コンデンサ及び
イオン交換装置が配置されている。まず通液型電気二重
層コンデンサで原水を処理することにより、ナトリウム
イオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン等の陽
イオン及び塩素イオン、硫酸イオン、硝酸イオン等の陰
イオンを除去する。通液型電気二重層コンデンサ処理に
より、イオンを少なくとも数十％以上除去することがで
き、これに続くイオン交換装置へのイオン負荷を数分の
一から十数分の一に低減することができる。通液型電気
二重層コンデンサ２には、原水を通液型電気二重層コン
デンサ２に供給するライン４及び通液型電気二重層コン
デンサ２で処理された処理水をイオン交換装置３に供給
するライン５が接続されている。イオン交換装置３に
は、通液型電気二重層コンデンサ２で処理された処理水
が供給されるライン５、イオン交換装置３から流出する
純水を取り出すためのライン６が接続されている。通液
型電気二重層コンデンサ、イオン交換装置は、処理しよ
うとする原水の量を考慮して、適宜の処理能力を有する
ものを選択することができる。

【００１０】本発明の脱塩装置に用いる通液型電気二重
層コンデンサに特に制限はないが、例えば次の二種類の
ものを代表例として挙げることができる。第一の通液型
電気二重層コンデンサとして、電気絶縁性多孔質通液性
シートからなるセパレータを挟んで、高比表面積導電体
として高比表面積活性炭を主材とする活性炭層を配置
し、その活性炭層の外側に集電極を配置し、さらにその
集電極の外側に押え板を配置した構成を有する平板形状
のものが挙げられる。フラットな活性炭層を用い、各部
材を配置して圧締した平板形状の構造とすることによ
り、活性炭層を均等に圧縮でき、通液時の液の偏流を効
果的に防止することができる。そのため、イオン性物質
の除去率の安定化が図られ、しかもその除去率を極限に
まで高めることができる。

【００１１】図３は、かかる平板形状の通液型電気二重
層コンデンサの分解図の一例を示したものであり、図４
は、その組み立て図を示したものである。セパレータ２
１１としては、ろ紙、多孔質高分子膜、織布、不織布な
ど、液体の通過が容易でかつ電気絶縁性を有する有機質
または無機質のシートからなるものが用いられる。セパ
レータ２１１の厚さは、０．０１〜０．５ｍｍ程度、殊
に０．０２〜０．３ｍｍ程度が好ましい。活性炭層２１
２としては、高比表面積活性炭を主材とする層が用いら
れる。高比表面積活性炭とは、ＢＥＴ比表面積が好まし
くは１０００ｍ²／ｇ以上、より好ましくは１５００ｍ²
／ｇ以上、さらに好ましくは２０００〜２５００ｍ²／
ｇの活性炭を言う。ＢＥＴ比表面積が余りに小さいとき
は、イオン性物質を含む液体を通したときのイオン性物
質の除去率が低下し易くなる。なおＢＥＴ比表面積が余
りに大きくなるとイオン性物質の除去率がかえって低下
する傾向があるので、ＢＥＴ比表面積を必要以上に大き
くするには及ばない。使用する活性炭の形状は、粉粒
状、繊維状など任意である。粉粒状の場合には平板状ま
たはシート状に成形して用い、繊維状の場合には布状に
加工して用いることが好ましい。粉粒状活性炭を平板状
またはシート状に成形して用いることは、繊維状の活性
炭を布状に加工して用いる場合に比べて、コストの点か
らは格段に有利である。平板状またはシート状への成形
は、たとえば、粉粒状活性炭をバインダー成分（ポリテ
トラフルオロエチレン、フェノール樹脂、カーボンブラ
ック等）および／または分散媒（溶媒等）と混合して板
状に成形してから、適宜熱処理することにより得られ
る。活性炭層２１２として平板状またはシート状のもの
を用いる場合は、必要に応じこれに穿孔加工を施してお
くこともできる。なお、平板状またはシート状の活性炭
を用いる技術については、特開昭６３−１０７０１１号
公報、特開平３−１２２００８号公報、特開平３−２２
８８１４号、特開昭６３−１１０６２２号、特開昭６３
−２２６０１９号公報、特開昭６４−１２１９号公報な
どにも開示があるので、それらの公報に開示のものを参
考にすることもできる。活性炭層２１２の厚さは、０．
１〜３ｍｍ程度、殊に０．５〜２ｍｍ程度とすることが
好ましいが、必ずしもこの範囲内に限られるものではな
い。

【００１２】集電極２１３としては、銅板、アルミニウ
ム板、カーボン板、フォイル状グラファイトなどの電気
良導体であって、活性炭層２１２との緊密な接触が可能
なものが好ましい。集電極２１３の厚さに特に限定はな
いが、０．１〜０．５ｍｍ程度のものが好ましい。印加
を容易にするため、集電極２１３には端子（リード）を
設けるのが通常である。押え板２１４としては、プラス
チックス板などの電気絶縁性材料からできた変形しにく
い平板が用いられる。この押え板２１４には、液入口、
液出口、固定用ボルト孔などを適宜設けることができ
る。集電極２１３と押え板２１４との間には、枠状のガ
スケット２１５を介在させることが望ましい。そのよう
なガスケット２１５を独立に設ける代りに、押え板２１
４側にシール機能を有する部材を設けておくこともでき
る。上記の部材を用いて、図４に示すように、押え板２
１４／（ガスケット２１５／）集電極２１３／活性
炭層２１２／セパレータ２１１／活性炭層２１２／集
電極２１３／（ガスケット２１５／）押え板２１４の
構成を有する平板形状の通液型電気二重層コンデンサが
組み立てられる。

【００１３】第二の通液型電気二重層コンデンサの一例
を、図５の模式的拡大断面図を用いて説明する。通液型
電気二重層コンデンサ２は、反対側に離間して設けられ
た二つの末端プレート２３１，２３２と、絶縁層２３
５，２３６を挟んで夫夫隣接した、二つの片面末端電極
２３３、２３４とを有している。夫々の末端電極２３
３、２３４は、チタンシートからなる集電極の片面に導
電性エポキシ等のバインダで高比表面積の導電体（ここ
では活性炭）からなるシートが接合されている。二つの
末端電極２３３、２３４の間に両面中間電極２３７〜２
４３は、相互に等距離だけ離間して配設されている。夫
々の両面電極（例えば２３７）は、チタンシートからな
る集電極の両側に活性炭シートを接合したものである。
この中間電極の数は限定されず、必要な容量が得られる
表面積となるよう適宜調節する（図５は７つの両面中間
電極２３７〜２４３だけが図示されている）。

【００１４】このような構成の通液型電気二重層コンデ
ンサの各電極を交互にアノード、カソードとする。すな
わち、例えば末端電極２３３、中間電極２３８，２４
０、２４３をアノードとし、中間電極２３７、２３９、
２４１、２４２および末端電極２３４をカソードとす
る。すると、それぞれ隣接した電極対（アノードおよび
カソード）は、独立した処理室を形成する。

【００１５】したがって、この通液型電気二重層コンデ
ンサ２に原水を導入すると、まず、矢印Ａで示すよう
に、第１の処理室２５０を通る原水が、電極表面に対し
てほぼ平行に流れる。すると、両側の電極が分極されて
いることにより、イオンは原水中から静電的に除去さ
れ、電極２３３および２３７の活性炭層表面に形成され
た電気二重層に保持される。

【００１６】原水は、続いて、矢印Ｂで示すように孔２
６３を通って次の処理室の中に流れる。ここでは、中間
電極２３７および２３８によって形成される処理室の分
極により、原水中のイオンがさらに除去される。そし
て、原水は、矢印Ｃ〜Ｇに示すように残りの各処理室を
連続的に通過させられ、イオンが除去される。その後、
矢印Ｈで示すように、処理水は、末端電極２３４、絶縁
層２３６等を通過し、通液型電気二重層コンデンサ２か
ら導出される。

【００１７】原水は、ライン４から通液型電気二重層コ
ンデンサ２に供給される。通液型電気二重層コンデンサ
２に供給された水は、前述の図２にて説明した原理によ
り、Ｎａ⁺等のカチオンはアノード側の活性炭層に電気
的に吸着され、Ｃｌ^-等のアニオンはカソード側の活性
炭層に電気的に吸着される。適当な時期にライン５を閉
じるとともにカソード側とアノード側とをショート等さ
せることにより、吸着されていた塩は脱塩し、原水中の
濃度よりはるかに高濃度で再生排水ラインより排出され
る。このようにして、アニオン、カチオンが除去された
通液型電気二重層コンデンサ処理水は、ライン５を経て
排出され、イオン交換装置３に送水される。

【００１８】イオン交換装置は、イオン交換樹脂を充填
し、該イオン交換樹脂を用いて脱イオンを行い、脱塩す
ることができるものであれば、イオン交換樹脂の種類、
銘柄に制限はない。充填する樹脂の形状は、粒状、粉末
状、繊維状、膜状のいずれでもよい。イオン交換樹脂と
しては、例えばジビニルベンゼンで架橋したスチレン重
合体に、陽イオン交換樹脂の場合はスルホン酸基を、陰
イオン交換樹脂の場合は４級アンモニウム基を導入した
ものが挙げられる。また、カチオン樹脂、アニオン樹脂
が別塔となっている２床２塔式、２床３塔式、４床５塔
式等いずれでもよい。さらに、混床式、カチオン樹脂単
床やアニオン樹脂単床でもよい。混床式の場合は、非再
生式のカートリッジポリッシャーでもよい。イオン交換
装置３に通水された通液型電気二重層コンデンサ処理水
は、前記した原理にしたがって希釈され、純水として取
り出される。

【００１９】本発明の脱塩装置は、通液型電気二重層コ
ンデンサの代わりにＲＯ（逆浸透膜）を用いた場合と比
較して、次のような利点を有する。ＲＯを用いると、濃
縮水中のカルシウムイオンと炭酸イオンとが結合して炭
酸カルシウムとなってスケールが生じ、これを解決する
ために、濃縮倍率を抑えて低い回収率で運転したり、ス
ケール防止剤等を頻繁に添加する等の煩雑な操作を行っ
たりしなければならない。しかしながら、通液型電気二
重層コンデンサによる濃縮は、膜を介した濃縮ではない
ので、スケールの発生という問題が生じず、高い回収率
で、イオン交換装置のイオン負荷を低減できる。ＲＯ
は、高圧ポンプを使用するため、電力消費量が大きく、
経済性の点からも問題があるが、通液型電気二重層コン
デンサではこのような問題を生じない。

【００２０】本発明の製造装置に適用し得る原水に特に
制限はなく、工業用水、市水、井水だけでなく、海水、
工業排水等が挙げられる。工業排水等を原水とする場合
には、本発明の脱塩装置に通水する前に、精密濾過膜、
限外濾過膜、粒状濾材等による濾過及び／又は凝集、沈
殿により懸濁物質を除去しておくことが好ましい。

【００２１】本発明の脱塩方法を、図１により説明す
る。まず、原水をライン４を介して通液型電気二重層コ
ンデンサ２に通水する。ここで大部分のイオン性物質等
が除去される。次いで、得られた通液型電気二重層コン
デンサ処理水は、ライン５を介してイオン交換樹脂３へ
供給される。イオン交換樹脂膜により、さらにイオンが
除去された水（純水）は、必要に応じて後処理された
後、ユースポイントへ供給される。このように、通液型
電気二重層コンデンサ処理で得られた通液型電気二重層
コンデンサ処理水をイオン交換装置に通水させることが
できるため、スケール析出等の問題が生じることなく、
イオン交換装置のイオン負荷を低減できる。このため、
イオン交換樹脂の再生頻度を低減させることができ、高
効率で脱塩させることができる。

【００２２】

【実施例】次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものでは
ない。

【００２３】実施例１及び比較例１図１に示す脱塩装置を用いて脱塩を行った。通液型電気
二重層コンデンサは、電極面積が１３０００ｃｍ²×２
５０枚（陽極、陰極１２５対）のものを用い、基数２基
で、運転条件は印加電圧２．０Ｖ（電流値２．５〜５
Ａ）、短絡頻度１回／３０分とし、短絡の都度陽極、陰
極を転換させた。原水は、厚木市の市水を、孔径１０μ
ｍのカートリッジフィルターを通し、懸濁物を除去した
ものを用いた。まず、給水量２４Ｌ／ｈｒで通液型電気
二重層コンデンサ２に通水し、得られた通液型電気二重
層コンデンサ処理水を、順次、カチオン交換塔１（Ｂａ
ｙｅｒ社製、ＬｅｗａｔｉｔＳＰ１１２（６Ｌ））、
アニオン交換塔１（Ｂａｙｅｒ社製、Ｌｅｗａｔｉｔ
ＭＰ６４（３．５Ｌ）ＬｅｗａｔｉｔＭ５００（７
Ｌ））、カチオン交換塔２（三菱化学社製、ダイヤイオ
ンＰＫ２２８（２．５Ｌ））、アニオン交換塔２（三菱
化学社製、ダイヤイオンＰＡ３１２（２．５Ｌ））に送
水し、純水を取り出した。再生は、アニオン交換塔２の
出口水が０．０１ｍＳ／ｍとなるごとに行った。かかる
条件で脱塩装置の運転を６０日間行った。比較例１は、
実施例１において、通液型電気二重層コンデンサ処理を
行わなかった以外は実施例１と同様にして脱塩した。こ
のときの、カチオン交換塔１への流入水の平均水質、イ
オン交換装置３中の各イオン交換樹脂の再生頻度、再生
と再生の間に送水できる水量（可能送水量）を表１に示
す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１より、実施例１の装置を用いれば、比
較例１の装置を用いた場合に比べて、イオン交換装置３
への流入水の水質が良好であり、イオン交換装置３内の
イオン交換樹脂の再生頻度が１／１０でよいことがわか
る。

【００２６】実施例２及び比較例２実施例２は、実施例１と同一の装置、同一の運転条件で
脱塩し、イオン交換装置３への流入量１ｍ³当たりの原
水の使用量、及び純水１ｍ³製造当たりの電力消費量を
測定した。結果を表２に示す。比較例２は、実施例１に
おいて、通液型電気二重層コンデンサ２の代わりにＲＯ
（日東電工社製ＥＳ−２０（直径４インチ））を用い、
運転圧力８０ｋＰａ、給水量：透過水量：ブライン＝３
２０Ｌ：２４０Ｌ：８０Ｌの条件で運転した以外は、実
施例１と同様にして脱塩を行った。イオン交換装置３へ
の流入量１ｍ³当たりの原水の使用量、及び純水１ｍ³製
造当たりの電力消費量を測定した。結果を表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】表２より、実施例２の装置を用いた場合
は、比較例２の装置を用いた場合と比較して、水利用率
が高く、また電力消費量も少なく、優れたものであっ
た。

【００２９】

【発明の効果】本発明の脱塩装置を用いれば、イオン交
換装置による処理に先立って通液型電気二重層コンデン
サ処理を行い、大部分の陽イオン、陰イオンが通液型電
気二重層コンデンサで除去されるため、イオン交換装置
へのイオン負荷が非常に小さくなり、イオン交換樹脂の
再生頻度を大幅に低減できる。また、本発明の脱塩装置
を用いれば、通液型電気二重層コンデンサの代わりにＲ
Ｏを用いた場合と比べて、スケールの問題がなく、電力
消費量が小さく、経済性の点からも優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の脱塩装置の一実施形態を示すもので
ある。

【図２】第一の通液型電気二重層コンデンサの原理を
示す構成図である。

【図３】第一の通液型電気二重層コンデンサの分解図
の一例を示すものである。

【図４】第一の通液型電気二重層コンデンサの組み立
て図の一例を示すものである。

【図５】第二の通液型電気二重層コンデンサ模式的拡
大断面図である。

【符号の説明】

１：脱塩装置２：通液型電気二重層コンデンサ２１１：セパレータ２１２：活性炭層２１３：集電極２１４：押え板２３１、２３２：末端プレート２３３、２３４：片面末端電極２３５、２３６：絶縁層２３７〜２４３：中間電極３：イオン交換装置４：原水供給ライン５：通液型電気二重層コンデンサ処理水供給ライン６：希釈水（純水）取り出しラインＡ：アニオン交換樹脂Ｃ：カチオン交換樹脂

フロントページの続き (72)発明者松下聿宏東京都新宿区西新宿３丁目４番７号栗田工業株式会社内Ｆターム(参考） 4D024 AA01 AA02 AA03 AA04 DB09 DB19 4D025 AA04 AA07 AA09 AB18 AB19 BA08 BA13 BA22 BA25 BA27 BB02 BB04 DA06 4D061 DA02 DA03 DA04 DA08 DB13 EA02 EB01 EB04 EB16 EB23 EB27 EB29 EB31 FA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】通液型電気二重層コンデンサと、イオン
交換装置と、原水を該通液型電気二重層コンデンサに供
給するラインと、通液型電気二重層コンデンサ処理水を
該イオン交換装置に供給するラインと、該イオン交換装
置から流出する純水を取り出すラインと、を有すること
を特徴とする脱塩装置。
【請求項２】原水を通液型電気二重層コンデンサに通
水し、得られた通液型電気二重層コンデンサ処理水をイ
オン交換装置に通水し、イオン交換装置から流出する純
水を取り出すことを特徴とする脱塩方法。