JP2002273432A - 脱塩水製造装置および脱塩水製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 通液型電気二重層コンデンサを用いて脱塩水
を製造するにあたり、処理水質を良好に保つことができ
る脱塩水製造装置および方法を提供する。 【解決手段】 通液型電気二重層コンデンサ２と、通液
型電気二重層コンデンサ２からの処理水を系外に導出す
る導出経路１６と、処理水を通液型電気二重層コンデン
サ２への上流側に返送する返送経路３とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電所のボイラの
給水、半導体製造工程、燃料電池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
に用いられる脱塩水製造装置および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の脱塩水製造装置として
は、イオン交換膜やイオン交換樹脂を備えた脱イオン装
置を用いたものがある。イオン交換膜やイオン交換樹脂
を用いた脱塩水装置は、通常、膜や樹脂の再生、交換が
必要となることから、処理コストが嵩むとともに、作業
に多大な労力を要する問題があり、経済的にも作業効率
の点でもその改善が望まれていた。近年では、このよう
な交換や再生に関する不都合を改善することができる脱
塩水製造装置として、通液型電気二重層コンデンサと称
される脱イオン装置が提案されている。この通液型電気
二重層コンデンサとしては、特開平６−３２５９８３号
公報に記載されたものを例示することができる。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
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、通液路を流れる供給水中のイオン
性物質を導電体層に電気的に吸着させ、イオン性物質濃
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。上記導電体層を構成する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では、導電体層
に対するイオンの吸着が飽和に達する前に、陽極側と陰
極側とを短絡または逆接続することによって、吸着され
ていたイオン性物質を脱離させる再生工程を定期的に行
う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記通
液型電気二重層コンデンサでは、運転開始時、特に再生
工程後の通電、通水再開直後において、処理水質が悪化
する問題があった。本発明は前記事情に鑑みてなされた
もので、通液型電気二重層コンデンサを用いて脱塩水を
製造するにあたり、処理水質を良好に保つことができる
脱塩水製造装置および方法を提供することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の脱塩水製造装置
は、通液型電気二重層コンデンサと、通液型電気二重層
コンデンサからの処理水を系外に導出する導出手段と、
処理水を通液型電気二重層コンデンサへの上流側に返送
する返送手段とを備えていることを特徴とする。本発明
の脱塩水製造装置は、通液型電気二重層コンデンサと、
通液型電気二重層コンデンサからの処理水を系外に導出
する導出手段と、処理水を通液型電気二重層コンデンサ
への上流側に返送する返送手段と、処理水中のイオン性
物質濃度を検出する手段と、導出手段に設けられた導出
手段開閉弁と、返送手段に設けられた返送手段開閉弁
と、これら開閉弁を前記イオン性物質濃度に基づいて開
閉することによって処理水の流れ方向を定める制御部と
を備えた構成とすることもできる。本発明の脱塩水製造
方法は、通液型電気二重層コンデンサの処理水を系外に
導出する通常運転に先だって、処理水を通液型電気二重
層コンデンサの上流側に返送する予備運転を行うことを
特徴とする。本発明の脱塩水製造方法では、通液型電気
二重層コンデンサの処理水のイオン性物質濃度が予め定
められた設定値未満であるときに処理水を導出し、イオ
ン性物質濃度が前記設定値以上となったときに処理水を
通液型電気二重層コンデンサの上流側に返送することが
好ましい。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の脱塩水製造装置の第１の実施形態を示
す図であり、ここに示す脱塩水製造装置１は、供給水を
導く導入経路１５と、供給水を脱塩処理する通液型電気
二重層コンデンサ２と、通液型電気二重層コンデンサ２
からの処理水を系外に導出する導出手段である導出経路
１６とを備え、導出経路１６に、処理水を通液型電気二
重層コンデンサ２への上流側に返送する返送手段である
返送経路３が接続されて構成されている。符号１６ａは
導出経路１６に設けられた導出手段開閉弁である導出経
路開閉弁を示し、符号３ａは返送経路３に設けられた返
送手段開閉弁である返送経路開閉弁を示す。

【０００６】通液型電気二重層コンデンサ２は、図２
（ａ）、（ｂ）に示すように、電気絶縁性多孔質通液性
シートからなるセパレータ５を挟んで高比表面積活性炭
を主材とする導電体層である活性炭層６、６を配置し、
これら活性炭層６、６の外側に集電極７、７を配置し、
さらにこれら集電極７、７の外側にガスケット８、８を
介して押え板９、９を配置してなる平板形状のものであ
る。

【０００７】セパレータ５は、供給水が流通する通液路
となるものであり、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で、その厚さと
しては、０．０１〜０．５ｍｍ程度、特に０．０２〜
０．３ｍｍ程度が好適とされる。

【０００８】活性炭層６は、高比表面積活性炭を主材と
する層によって形成されたものである。高比表面積活性
炭とは、ＢＥＴ比表面積が１０００ｍ² ／ｇ以上、好ま
しくは１５００ｍ² ／ｇ以上、さらに好ましくは２００
０〜２５００ｍ² ／ｇの活性炭を言う。ＢＥＴ比表面積
が上記範囲より小さい場合には、イオン性物質を含む液
体（原水）を通したときのイオン性物質の除去率が低下
する。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必要はな
い。

【０００９】活性炭層６を構成する活性炭の形状として
は、粉粒状、繊維状など任意のものが使用可能である。
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、繊維状の場合には織布あるいは不織布に加工して用
いる。粉粒状活性炭を平板状またはシート状に成形して
用いた場合、繊維状の活性炭を織布あるいは不織布に加
工して用いる場合に比べ、コストの点で格段に有利にな
る。

【００１０】粉粒状活性炭の平板状またはシート状への
成形については、例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、さらに必要に応じてこれを熱処理
することで行うことができる。なお、活性炭層６、６と
して平板状またはシート状のものを用いる場合には、必
要に応じこれに穿孔加工を施しておくこともできる。活
性炭層６の厚さとしては、０．１〜３ｍｍ程度、特に
０．５〜２ｍｍ程度とすることが好ましいものの、必ず
しもこの範囲内に限定されることはない。

【００１１】集電極７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から
なるもので、活性炭層６と緊密に接触した状態に形成配
置されたものである。集電極７の厚さについては、特に
限定されないものの、０．１〜０．５ｍｍ程度のものが
好適とされる。なお、電圧の印加を容易にするため、集
電極７にはそれぞれ端子（リード）７ａが設けられてい
る。

【００１２】押え板９としては、樹脂などの電気絶縁性
で変形しにくい材料からなる平板が用いられている。こ
れら押え板９、９のうちの一方には供給水が導入される
液入口１０が形成され、また他方には処理水が導出され
る液出口１１が形成されている。また、両方の押え板
９、９には多数の固定用ボルト孔１２…が形成されてお
り、これらボルト孔１２、１２にはボルト１３が挿通さ
れナット１４によって締結されている。このような構成
により通液型電気二重層コンデンサ２は、各部材が押え
板９、９によって圧締された平板形状の構造のものとな
っている。なお、前記集電極７、７と押え板９、９との
間に設けられたガスケット８、８は、集電極７、７と押
え板９、９との間を液密に保持するための枠状のもので
ある。また、このようなガスケット８、８を設けるのに
代えて、押え板９、９側にシール機能を有する部材を設
けるようにしてもよい。

【００１３】次に、上記脱塩水製造装置１を用いた場合
を例として本発明の脱塩水製造方法の第１の実施形態を
説明する。送水ポンプＰ１を用いて、供給水を導入経路
１５を通して通液型電気二重層コンデンサ２に導入する
とともに、集電極７への通電を開始し、以下に示す処理
過程を経て供給水中のイオン性物質を除去する。

【００１４】この処理過程を、供給水に含まれるイオン
性物質が塩化ナトリウムである場合を例にして図３
（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）に示すよ
うに、電圧印加時において、供給水中のナトリウムイオ
ンは陰極側の集電極７に接する活性炭層６に電気的に吸
着され、塩素イオンは陽極側の集電極７に接する活性炭
層６に電気的に吸着され、塩濃度が低い脱塩処理水が得
られる（脱塩工程）。脱塩処理水は、導出経路１６を通
して系外に導出される。

【００１５】通水を長時間続けると、活性炭層６、６に
対するイオンの吸着が飽和に近づき、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ため、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）また
は逆接続することによって、図３（ｂ）に示すように活
性炭層６、６に吸着されていたナトリムイオンおよび塩
素イオンを脱離させ、供給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を出口
より排出する。以下、この陽極側と陰極側との短絡また
は逆接続によりイオン性物質を脱離させる工程を再生工
程という。再生工程終了後、再び集電極７への通電およ
び通水を再開し、上記処理過程（脱塩工程）によって脱
塩処理を行う。

【００１６】通液型電気二重層コンデンサは、活性炭
層、集電極の静電容量が大きい。このため、通電開始
後、十分なイオン性物質の吸着が可能となるまで集電極
７、７が充電され電位が高まるまでに、ある程度の時間
を要することから、通電、通水開始直後には一時的に水
質が悪化する。このことを、具体例に基づいて図４を参
照して説明する。図４は、再生工程後、通電、通水開始
時の処理水中イオン性物質濃度の経時変化の一例を示す
ものである。横軸は時間を示し、縦軸は処理水中のイオ
ン性物質濃度を示す。この図に示すように、通電、通水
開始直後には、処理水中のイオン性物質濃度は非常に高
くなるが、通電により集電極の充電が進行するに従って
徐々に低下する。

【００１７】このため、本実施形態の脱塩水製造方法で
は、運転開始時（例えば再生工程終了後、脱塩工程を行
うにあたって通電、通水を再開した直後）には、以下に
示すように、予備運転を行った後に、通常運転を行う。 （１）予備運転 導出経路１６の導出経路開閉弁１６ａを閉じ、返送経路
３の返送経路開閉弁３ａを開いた後、集電極７への通電
を開始するとともに、送水ポンプＰ２を用いて、通液型
電気二重層コンデンサ２からの処理水を、返送経路３を
通して通液型電気二重層コンデンサ２の上流側の導入経
路１５に返送して、再び通液型電気二重層コンデンサ２
に導入する循環運転を行う。上述の通り、通電、通水開
始直後における処理水中のイオン性物質濃度は高くなる
が、この高イオン性物質濃度の処理水は、返送経路３に
より上流側に返送され、通液型電気二重層コンデンサ２
における集電極７の充電が十分に進行するまで循環す
る。集電極７の充電が進行すると、循環処理水中のイオ
ン性物質は活性炭層６に吸着され、イオン性物質濃度は
十分なレベルまで低下する。このように、通液型電気二
重層コンデンサ２内のイオン性物質を十分に吸着除去し
た後に、次に示す通常運転を行う。

【００１８】（２）通常運転 送水ポンプＰ２を停止し開閉弁３ａを閉じて返送経路３
での循環運転を停止するとともに、導出経路開閉弁１６
ａを開き、送水ポンプＰ１を用いて供給水を導入経路１
５を通して通液型電気二重層コンデンサ２に導入し、上
記処理過程を経てイオン性物質を除去し、脱塩された処
理水を導出経路１６を通して系外に導出する。この通常
運転においては、集電極７は十分に充電された状態とな
っているため、イオン性物質濃度が十分に低くなった脱
塩処理水が得られる。

【００１９】この脱塩水製造装置１では、通液型電気二
重層コンデンサ２と、通液型電気二重層コンデンサ２か
らの処理水を系外に導出する導出経路１６と、処理水を
通液型電気二重層コンデンサ２への上流側に返送する返
送経路３とを有するので、運転開始時、例えば再生工程
終了後、通電、通水を再開するにあたり、運転開始直後
の高イオン性物質濃度の処理水を返送経路３を通して通
液型電気二重層コンデンサ２に循環させる予備運転を行
うことができる。このため、イオン性物質の十分な吸着
が可能となるまで集電極７の充電を進行させ電位を高
め、通液型電気二重層コンデンサ２内のイオン性物質を
十分に吸着除去した後に、通常運転を行うことができ
る。従って、高イオン性物質濃度の処理水が導出経路１
６から導出されるのを防ぎ、運転開始時における処理水
質の悪化を防ぐことができる。

【００２０】図５は、本発明の脱塩水製造装置の第２の
実施形態を示す図であり、ここに示す脱塩水製造装置２
１は、通液型電気二重層コンデンサ２の下流側に設けら
れたイオン性物質濃度検出手段である導電率センサ２２
と、導電率センサ２２によって検出された導電率（イオ
ン性物質濃度）に基づいて開閉弁３ａおよび開閉弁１６
ａの開閉を制御する制御部２３とを備えている点で図１
に示す脱塩水製造装置１と異なる。導電率センサ２２
は、通液型電気二重層コンデンサ２からの処理水中のイ
オン性物質濃度の指標となる導電率を検出し、検出値に
基づいた検出信号を制御部２３に送ることができるよう
になっている。制御部２３は、導電率センサ２２からの
検出信号に基づいて、処理水の導電率が予め設定された
設定値未満である場合に、開閉弁３ａ、１６ａに制御信
号を送り、開閉弁３ａを閉じ、かつ開閉弁１６ａを開く
ことができるようになっている。また制御部２３は、処
理水の導電率が上記設定値以上となったときに開閉弁３
ａを開き、かつ開閉弁１６ａを閉じることができるよう
になっている。

【００２１】以下、この脱塩水製造装置２１を用いた場
合を例として本発明の脱塩水製造方法の第２の実施形態
を説明する。制御部２３は、処理水の導電率が予め設定
された設定値未満である場合に、返送経路３の開閉弁３
ａを閉じ、かつ導出経路１６の開閉弁１６ａを開き、導
電率が上記設定値以上となったときに開閉弁３ａを開
き、かつ開閉弁１６ａを閉じるように設定しておく。運
転開始時（例えば再生工程終了後、通電、通水を再開し
た直後）には、上述の理由により処理水のイオン性物質
濃度が高くなり、導電率センサ２２により検出された導
電率が上記設定値以上の高い値となる。このため、制御
部２３によって返送経路３の開閉弁３ａが開き、導出経
路１６の開閉弁１６ａが閉じる。これによって、処理水
は返送経路３に流れて循環し、この循環運転は、集電極
７の充電が十分に進行することにより処理水中のイオン
性物質濃度が低下して導電率が上記設定値未満となるま
で続けられる。処理水の導電率が上記設定値未満となる
まで低下すると、制御部２３により開閉弁３ａが閉じ、
開閉弁１６ａが開くため、返送経路３への流れが停止
し、処理水は導出経路１６を通して系外に導出されるよ
うになる。

【００２２】この脱塩水製造装置２１では、通液型電気
二重層コンデンサ２からの処理水の導電率を測定する導
電率センサ２２と、導電率センサ２２によって検出され
た導電率（イオン性物質濃度）に基づいて開閉弁３ａお
よび開閉弁１６ａの開閉を制御する制御部２３とを備え
ているので、運転開始にあたり、開始直後の高イオン性
物質濃度の処理水を返送経路３を通して上流側に返送す
ることができる。従って、高イオン性物質濃度の処理水
が導出経路１６から導出されるのを確実に防ぎ、処理水
質を良好に維持することができる。さらに、処理水中の
イオン性物質濃度が十分に低くなったときに、これを直
ちに処理水として導出経路１６を通して導出することが
でき、処理効率を高く維持することができる。

【００２３】なお上記実施形態では、返送経路３を、導
出経路１６に接続されたものとしたが、本発明におい
て、返送経路は、通液型電気二重層コンデンサの処理水
を、この通液型電気二重層コンデンサの上流側に返送す
ることができるものであればよく、例えば、直接、通液
型電気二重層コンデンサの入口側、出口側に接続されて
いてもよい。

【００２４】本発明では、通液型電気二重層コンデンサ
として、図６に示すものを用いることもできる。ここに
示す通液型電気二重層コンデンサは、末端プレート２３
１、２３２と、絶縁層２３５、２３６と、片面末端電極
２３３、２３４と、両面中間電極２３７〜２４３とを有
する。片面末端電極２３３、２３４、両面中間電極２３
７〜２４３は、チタンシートからなる集電極の片面また
は両面に導電性エポキシなどのバインダで導電体（活性
炭等）シートが接合されて形成されている。この通液型
電気二重層コンデンサを使用する際には、これら電極
を、配列方向に交互に陰極および陽極とし、被処理水
を、孔２６１、２６２を通して第１の処理室２５０に流
入させ（矢印Ａ）、イオン性物質を電極２３３、２３７
に吸着させ、次いで処理室２５０からの導出水を電極２
３７の孔２６３を通して下方に隣接する処理室に導入し
（矢印Ｂ）、以下、矢印Ｃ〜Ｇに示すように各処理室を
連続的に通過させ、処理水を孔２６４、２６５、２６６
を通して導出する（矢印Ｈ）。

【００２５】

【実施例】（実施例）図１に示す脱塩水製造装置１を用
いて、次に示すように脱塩水を製造した。装置仕様およ
び処理条件は以下の通りとした。 通液型電気二重層コンデンサ２：電極面積；１３０００
ｃｍ²×２５０枚（陽極側および陰極側がそれぞれ１２
５枚ずつ） 印加電圧；１．３Ｖ（電流値：５〜１２Ａ） 通水流量；１５０Ｌ／ｈ 短絡頻度（陽極側の集電極７と陰極側の集電極７とを短
絡させる頻度）：１回／９０分（１回ごとに陽極側と陰
極側とを転極させた） 再生工程終了後には、脱塩工程を再開するに先だって、
処理水を返送経路３を通して通液型電気二重層コンデン
サ２に循環させる予備運転を５分間行った。

【００２６】（比較例）返送経路３を備えていないこと
以外は図１に示すものと同様の脱塩水製造装置を用いて
脱塩水を製造した。

【００２７】比較例では、再生工程終了後、脱塩工程再
開直後の処理水の導電率が１９．１ｍＳ／ｍ（最大値）
に達したのに対し、実施例では、予備運転後、通常運転
（脱塩工程）を再開した直後の処理水の導電率は、わず
か４．６ｍＳ／ｍ（最大値）であった。

【００２８】

【発明の効果】本発明の脱塩水製造装置は、通液型電気
二重層コンデンサと、通液型電気二重層コンデンサから
の処理水を系外に導出する導出手段と、処理水を通液型
電気二重層コンデンサへの上流側に返送する返送手段と
を備えているので、運転開始時（例えば再生工程終了
後、通電、通水を再開直後）において、返送手段を用い
た循環運転を行うことによって、イオン性物質の十分な
吸着が可能となるまで通液型電気二重層コンデンサにお
ける充電を進行させ、通液型電気二重層コンデンサ内の
イオン性物質を十分に吸着除去した後に、通常運転を行
うことができる。従って、運転開始時における処理水質
の悪化を防ぐことができる。

【００２９】また処理水中のイオン性物質濃度を検出す
る手段と、導出手段に設けられた導出手段開閉弁と、返
送手段に設けられた返送手段開閉弁と、これら開閉弁を
前記イオン性物質濃度に基づいて開閉することによって
処理水の流れ方向を定める制御部とを備えた構成とする
ことによって、高イオン性物質濃度の処理水が導出手段
から導出されるのを確実に防ぎ、処理水質をいっそう良
好に維持することができる。さらに、処理水中のイオン
性物質濃度が十分に低くなったときに、これを直ちに処
理水として導出手段を通して導出することができ、処理
効率を高く維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の脱塩水製造装置の第１の実施形態
の概略構成を示す図である。

【図２】 通液型電気二重層コンデンサの概略構成を
示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は側断面図
である。

【図３】 （ａ）、（ｂ）は図２に示した通液型電気
二重層コンデンサの処理原理を説明するための図であ
る。

【図４】 運転開始時の処理水中イオン性物質濃度の
経時変化の一例を示すグラフである。横軸は時間を示
し、縦軸はイオン性物質濃度を示す。

【図５】 本発明の脱塩水製造装置の第２の実施形態
の概略構成を示す図である。

【図６】 通液型電気二重層コンデンサの変形例を示
す概略構成図である。

【符号の説明】

１、２１・・・脱塩水製造装置、２・・・通液型電気二重層コ
ンデンサ、３・・・返送経路（返送手段）、３ａ・・・返送経
路開閉弁（返送手段開閉弁）、１６・・・導出経路（導出
手段）、１６ａ・・・導出経路開閉弁（導出手段開閉
弁）、２２・・・導電率センサ（イオン性物質濃度検出手
段）、２３・・・制御部

───────────────────────────────────────────────────── 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） 4D061 DA01 DA05 DB13 EA10 EB18 EB19 EB23 EB27 EB29 EB37 EB39 FA06 GA21 GC16

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通液型電気二重層コンデンサ（２）
   と、通液型電気二重層コンデンサからの処理水を系外に
   導出する導出手段（１６）と、処理水を通液型電気二重
   層コンデンサへの上流側に返送する返送手段（３）とを
   備えていることを特徴とする脱塩水製造装置（１）。
2. 【請求項２】 通液型電気二重層コンデンサと、通液
   型電気二重層コンデンサからの処理水を系外に導出する
   導出手段と、処理水を通液型電気二重層コンデンサへの
   上流側に返送する返送手段と、処理水中のイオン性物質
   濃度を検出する手段（２２）と、導出手段に設けられた
   導出手段開閉弁（１６ａ）と、返送手段に設けられた返
   送手段開閉弁（３ａ）と、これら開閉弁を前記イオン性
   物質濃度に基づいて開閉することによって処理水の流れ
   方向を定める制御部（２３）とを備えていることを特徴
   とする脱塩水製造装置（２１）。
3. 【請求項３】 通液型電気二重層コンデンサを用いて
   脱塩水を製造する方法であって、 通液型電気二重層コンデンサの処理水を系外に導出する
   通常運転に先だって、処理水を通液型電気二重層コンデ
   ンサの上流側に返送する予備運転を行うことを特徴とす
   る脱塩水製造方法。
4. 【請求項４】 通液型電気二重層コンデンサを用いて
   脱塩水を製造する方法であって、 通液型電気二重層コンデンサの処理水のイオン性物質濃
   度が予め定められた設定値未満であるときに処理水を導
   出し、イオン性物質濃度が前記設定値以上となったとき
   に処理水を通液型電気二重層コンデンサの上流側に返送
   することを特徴とする脱塩水製造方法。