JP2002316167A

JP2002316167A - 電気透析装置および脱イオン水製造装置

Info

Publication number: JP2002316167A
Application number: JP2001119896A
Authority: JP
Inventors: Yukio Matsumura; 幸夫松村; Hiroshi Toda; 洋戸田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2002-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】高温度下であっても圧力損失の増大を抑制で
き、長期間、安定して運転できる、脱イオン水の製造に
適した電気透析装置の提供。【解決手段】陽極４を備える陽極室２と、陰極５を備え
る陰極室３との間に、カチオン交換膜Ｋとアニオン交換
膜Ａとを室枠を介して交互に配列し、陽極側がアニオン
交換膜で区画され陰極側がカチオン交換膜で区画された
脱塩室Ｒ_nと、陽極側がカチオン交換膜で区画され陰極
側がアニオン交換膜で区画された濃縮室Ｄ _nとを交互に
形成して構成される電気透析装置１において、濃縮室Ｄ
_nまたは脱塩室Ｒ_nのいずれか一方に網状体が３枚以上積
層されてなるスペーサを配置した電気透析装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気透析装置およ
び脱イオン水製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より陰イオン交換膜と陽イオン交換
膜とが交互に配置され、脱塩室と濃縮室が形成された電
気透析装置の脱塩室にイオン交換体を充填し、脱塩室に
被処理水を流しながら電圧を印加して電気透析を行うこ
とにより、高純度の脱イオン水を製造する方法が知られ
ている。この脱イオン水の製造方法においては、内部リ
ークによる脱イオン水の品質低下を防止する目的から、
脱塩室側の圧力を濃縮室側の圧力より高くして運転して
いる。

【０００３】上記電気透析装置においては、好ましく
は、濃縮室の室枠に流路を確保するためのスペーサとし
てネットが一枚装着されている。厚さ、網目の寸法等の
ネットの仕様は、濃縮室内の液分散の均一化と、エネル
ギーコストを考慮して決定されている。

【０００４】濃縮室にスペーサネットが装着された電気
透析装置においては、運転日数が経過するとともに、脱
塩室側からの圧力により濃縮室内のスペーサネットが変
形するおそれがある。その変形が大きくなると流路が閉
塞され、圧力損失が増大し、濃縮室内の液分散が不均一
となり、脱塩性能が低下する問題がある。この傾向は、
運転温度が上昇するとともに顕著となる。

【０００５】スペーサネットの変形に起因して圧力損失
が増大した場合は、脱塩室側の加圧運転を維持するため
に、濃縮室の液流量を低下させて対処しているが、濃縮
室の液流量が基準流量以下となった場合は、スペーサネ
ットを取り替える作業を行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高温度下で
あっても上記圧力損失の増大を抑制でき、長期間、安定
して運転できる、脱イオン水の製造に適した電気透析装
置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、陽極を備える
陽極室と、陰極を備える陰極室との間に、カチオン交換
膜とアニオン交換膜とを室枠を介して交互に配列し、陽
極側がアニオン交換膜で区画され陰極側がカチオン交換
膜で区画された脱塩室と、陽極側がカチオン交換膜で区
画され陰極側がアニオン交換膜で区画された濃縮室とを
交互に形成して構成される電気透析装置において、濃縮
室または脱塩室のいずれか一方に網状体が３枚以上積層
されてなるスペーサを配置したことを特徴とする電気透
析装置を提供する。

【０００８】本発明においては、上記スペーサが濃縮室
または脱塩室に配置されることにより、濃縮室または脱
塩室の厚さが所定の厚さに保たれ、濃縮水または脱塩水
の流路が確保される。

【０００９】本発明のように構成すると、スペーサを配
置した室とは別の室（すなわち濃縮室にスペーサを配置
したときには脱塩室）が加圧となるように運転した場
合、スペーサの最も外側に積層される網状体がカチオン
交換膜およびアニオン交換膜を支持するため、各イオン
交換膜は、最も外側に積層される網状体に対してはある
程度落ち込むものの、内側に配置される網状体にまで落
ち込むことはなく、大きな圧力損失は起こらない。

【００１０】また、網状体を積層することにより、内側
に配置された網状体にかかる応力が分散されるため、網
目が変形して流路が閉塞するのを防止でき、圧力損失が
起こるのを防止できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の電気透析装
置の一態様を示した模式図である。カチオン交換膜Ｋお
よびアニオン交換膜Ａは電気透析槽１中に脱塩室枠
Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃、・・・Ｄ_nおよび濃縮室枠Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ
₃、・・・Ｃ_nを介して所定間隔をおいて配置され、これ
により陽極室２、濃縮室Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、・・・Ｓ_n、脱
塩室Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、・・・Ｒ_n、陰極室３が構成され
る。濃縮室には網状体が積層されてなるスペーサが装着
されている。

【００１２】図１中符号４は陽極、５は陰極である。被
処理液は導入管６から脱塩室Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、・・・Ｒ_n
に導入され、被処理液中の陰イオン成分はアニオン交換
膜を通って陽極側の濃縮室に移行し、陽イオン成分はカ
チオン交換膜を通って陰極側の濃縮室に移行する。この
ようにして脱イオン化された被処理液は導管７から排出
される。また、濃縮液は導入管８を通して濃縮室Ｓ₁、
Ｓ₂、Ｓ₃、・・・Ｓ_nに導入され、陰イオン成分および
陽イオン成分が集められた濃縮液は導管９から排出され
る。

【００１３】本発明においては、濃縮室または脱塩室の
いずれか一方に、網状体が３枚以上積層されてなるスペ
ーサが配置される。スペーサとしては、好ましくは網状
体が３枚積層してなるものが用いられる。スペーサは、
濃縮室または脱塩室の一方を加圧して運転する場合に、
加圧する室とは別の室に配置されるのが好ましい。ここ
で網状体としては、糸を規則的に組み合わせて形成した
網状体だけでなく、開口部を有する不織布等も用いられ
る。糸としてはモノフィラメントが好ましい。糸を規則
的に組み合わせて成形する方法としては、織布とする方
法、射出成形等により得られた繊維を熱融着等によって
網状体とする方法が例示される。

【００１４】本発明におけるスペーサとしては、最も外
側に配置される網状体が糸を規則的に組み合わせて成形
したものであって、網目の大きさを示すメッシュ数が５
以上であり、かつ該網状体の厚さが０．２ｍｍ以上であ
るものを用いるのが好ましい。このようなスペーサを用
いることにより膜の変形を抑制できる。なお、本明細書
中において、メッシュ数とは網目を糸の方向に数えたと
きの長さ１インチあたりの孔の数である。スペーサの最
も外側の網状体としては厚さが０．４〜１．２ｍｍであ
るものを用いることがさらに好ましく、網目の大きさを
示すメッシュ数は１０〜５０であるものを用いることが
さらに好ましい。

【００１５】最も外側に配置される網状体として糸を組
み合わせて成形したものを用いる場合は、糸と糸との間
隔が０．５〜５．０ｍｍであるもの、特には２．０〜
４．０ｍｍであるものを用いるのが好ましい。また、糸
の太さが０．１〜２．０ｍｍであるもの、特には０．１
５〜０．６０ｍｍであるものを用いるのが好ましい。

【００１６】最も外側に配置される網状体の投影面にお
ける開口部の割合は１０〜９０％、特には４０〜８０％
であるのが好ましい。

【００１７】最も外側に配置される網状体の厚さは、カ
チオン交換膜またはアニオン交換膜の厚さの０．５倍以
上とするのが好ましく、特には０．８〜１．５倍とする
のが好ましい。これにより、内側に配置される網状体の
網目の変形や、該網状体への各イオン交換膜の落ち込み
を防止できる。

【００１８】最も外側に配置される網状体としては、内
側に配置される網状体と同じものを使用してもよいが、
以下のように異なるものを使用するのが好ましい。最も
外側に配置される網状体の網目の大きさは、内側に配置
される網状体の網目の大きさよりも小さくすることが好
ましい。具体的には、網状体が３枚積層されてなる場合
は、外側に配置される網状体のメッシュ数を、内側に配
置される網状体のメッシュ数の１．０２倍以上とするの
が好ましく、特には１．０３〜１．５０倍とするのが好
ましい。

【００１９】なお、内側に配置される網状体として糸を
組み合わせてなるものを用いる場合は、糸と糸との間隔
が０．５〜５．０ｍｍであるもの、特には２．０〜４．
０ｍｍであるものを用いるのが好ましい。また、糸の太
さが０．１〜２．０ｍｍであるもの、特には０．１５〜
０．６０ｍｍであるものを用いるのが好ましい。

【００２０】また、最も外側に配置される網状体の厚さ
は、内側に配置される網状体の厚さより薄くすることが
好ましい。網状体が３枚積層して配置される場合は、内
側に配置される網状体の厚さが、外側に配置される網状
体の厚さの０．８０倍以上であることが好ましく、特に
は０．５０〜０．７０倍であることが好ましい。

【００２１】本発明におけるスペーサの厚さ、すなわち
積層された網状体の合計の厚さは、電圧を低減する観点
から小さい方が好ましい。具体的には、０．９〜５．０
ｍｍ、特には１．０〜３．０ｍｍであるのが好ましい。

【００２２】本発明において使用される網状体の好まし
い材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ
エステル、フッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン
（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）
等が挙げられる。なかでも、耐熱性が重要である場合
は、ポリエステル、フッ素樹脂、ＰＥＥＫ、ＰＰＳが好
ましい。

【００２３】本発明における網状体を構成する糸として
は、その断面の形状が角形、丸形、台形、三角形である
ものが使用できる。また、網状体の網目、すなわち開口
部の形状は、角目、菱目、六角目、丸目等いずれも使用
できる。

【００２４】網状体が積層されてなるスペーサは濃縮室
の室枠、または脱塩室の室枠に超音波溶着等により取り
付けるのが好ましい。例えば、額縁状（内側に長方形の
開口部を有する長方形の板状体）の室枠の片側に積層し
た網状体を配置し、超音波溶着機にて取り付ける。これ
により室枠とスペーサが一体化されるとともに、室枠の
強度が向上する。

【００２５】また、本発明の電気透析装置において、脱
塩室にイオン交換体を充填し、濃縮室に網状体が３枚以
上積層されてなるスペーサを配置したものは、脱イオン
水の製造に好ましく用いられる。

【００２６】この場合は、網状体として開口部を有する
不織布を用いるのが好ましく、特には射出成形によって
成形された樹脂からなる網状体を用いるのが好ましい。
射出成形によって成形された樹脂からなる網状体を用い
た場合は、電気透析装置を加圧で運転した場合であって
も、網状体を構成する糸がよれることがない。

【００２７】イオン交換体としては、陽イオン交換体、
陰イオン交換体、またはそれらの混合物等が用いられ
る。イオン交換体の形状は、粒子状、繊維状、シート状
等適宜利用できる。

【００２８】陽イオン交換体としては、スルホン酸ナト
リウム型であるものが好ましく、具体的には、ダイヤイ
オンＳＫ−１Ｂ（三菱化学社製品名）、レバチットモノ
プラスＳ−１００（バイエル社製品名）等が用いられ
る。陰イオン交換体としては、４級アンモニウム塩型ま
たはピリジニウム塩型であるものが好ましく、具体的に
は、ダイヤイオンＳＡ−１０Ａ（三菱化学社製品名）、
レバチットモノプラスＭ−５００（バイエル社製品名）
等が用いられる。

【００２９】なお、本発明の電気透析装置を脱イオン水
の製造に用いる場合、電気透析槽として、特開平３−１
８６４００号、特開平２−２７７５２６号、特開平５−
６４７２６号、米国特許４６３２７４５号および米国特
許５４２５８６６号等に記載された電気透析槽を使用す
るのが好ましい。

【００３０】本発明の電気透析装置を用いて脱イオン水
を製造する場合は、好ましくは３〜１５Ｖ／セルの電圧
を印加し、好ましくは１０〜５０Ａ／ｍ²の電流密度で
通電して運転する。このとき、脱塩室側の圧力を濃縮室
側の圧力より高くして運転することが好ましい。具体的
には、脱塩室側の圧力を濃縮室側の圧力より０．０１〜
０．１５ＭＰａ、特には、０．０２〜０．１０ＭＰａ高
くして運転するのが好ましい。

【００３１】なお、本発明の電気透析装置は、脱イオン
水製造、特には超純水製造に用いるのに好適であるが、
その他の各種溶液の脱塩、濃縮を目的とした電気透析装
置としても有効である。

【００３２】

【実施例】［例１（実施例）］陽極を備える陽極室と、
陰極を備える陰極室との間に、厚さ０．６ｍｍのカチオ
ン交換膜（旭硝子社製品名：ＣＭＥ）と厚さ０．６ｍｍ
のアニオン交換膜（旭硝子社製品名：ＡＭＥ）を、脱塩
室を形成する室枠（室枠内寸：縦３９０ｍｍ×横（幅）
１３０ｍｍ×厚さ８ｍｍ、ポリプロピレン製）および濃
縮室を形成する室枠（室枠内寸：縦３９０ｍｍ×横
（幅）１３０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ、ポリプロピレン
製）を介して圧力２．０ＭＰａ（実体部）で締付け、フ
ィルタープレス型の電気透析装置を構成した。

【００３３】この電気透析装置において、脱塩室は３０
室、濃縮室は３１室配列した。各脱塩室にはあらかじめ
陽イオン交換体（三菱化学社製品名：ダイヤイオンＳＫ
−１Ｂ）５４部と、陰イオン交換体（三菱化学社製品
名：ダイヤイオンＳＡ−１０Ａ）４６部の混合物を充填
した。

【００３４】各濃縮室内には、あらかじめ図２のように
網状体を３枚積層して配置した。カチオン交換膜または
アニオン交換膜と接する外側の網状体Ｎ₁としては、射
出成形によって成形されたポリプロピレン製のもので、
厚さが０．６ｍｍ、メッシュ数が２０であるものを用い
た。網状体Ｎ₁を構成する糸の太さは０．３ｍｍ、糸と
糸との間隔は２．２ｍｍ、糸の断面の形状は丸形であっ
た。また、この網状体Ｎ₁の網目の形は菱目であり、投
影面における開口部の割合は７６％であった。

【００３５】内側に配置される網状体Ｎ₂としては、射
出成形によって成形されたポリプロピレン製のもので、
厚さが１．０ｍｍ、メッシュ数が１６であるものを用い
た。網状体Ｎ₂を構成する糸の太さは０．６５ｍｍ、糸
と糸との間隔は２．６ｍｍ、糸の断面の形状は丸形であ
った。また、この網状体Ｎ₂の網目の形は菱目であっ
た。各網状体は、濃縮室の室枠Ｃ_nの開口部の上下に超
音波溶着機により溶着して一体化させた。

【００３６】脱塩室に電気伝導度が１０μΩ／ｃｍであ
り、温度が５０℃である被処理水を、流量２００ｍ³／
ｍ²・時間にて供給した。このときの入口圧力は０．２
０ＭＰａであった。また、濃縮室には、被処理水を流量
＝６ｃｍ／秒にて供給した。このときの入口圧力は０．
１５ＭＰａであった。通水を開始すると同時に両電極室
の電極板に直流電圧２００Ｖを印加し、電流密度４０Ａ
／ｍ³で通電して運転させた。このとき、脱塩室側の圧
力を濃縮室側の圧力より０．０５ＭＰａ高くして運転さ
せた。

【００３７】連続運転１００時間後、脱塩室より流出す
る処理水の比抵抗値は１６ＭΩであり、濃縮室の入口圧
力は０．１５ＭＰａであった。圧力上昇は見られなかっ
た。さらに、連続運転２０００時間後、脱塩室より流出
する処理水の比抵抗値は１６ＭΩであり、濃縮室の入口
圧力は０．１６ＭＰａであった。

【００３８】［例２（比較例）］各濃縮室の濃縮室枠
に、１枚の網状体（射出成形によって成形されたポリプ
ロピレン製のもので、厚さが１．０ｍｍ、メッシュ数が
１６であるものを用いた。網状体Ｎ₁を構成する糸の太
さは０．６５ｍｍ、糸と糸との間隔は２．６ｍｍ、糸の
断面の形状は丸形であった。また、この網状体Ｎ₁の網
目の形は菱目であり、投影面における開口部の割合は５
６％）を配置して、超音波溶着機により溶着させた以外
は、例１と同様にして電気透析槽を作製し、例１と同じ
条件で運転させた。

【００３９】連続運転１００時間後、脱塩室より流出す
る処理水の比抵抗値は１６ＭΩであり、濃縮室の入口圧
力は０．１６ＭＰａであった。さらに、連続運転２００
０時間後、脱塩室より流出する処理水の比抵抗値は１４
ＭΩと低下し、濃縮室の入口圧力は０．２０ＭＰａに上
昇した。

【００４０】

【発明の効果】本発明の電気透析装置においては、濃縮
室側、または脱塩室側を加圧にして運転する場合であっ
ても、加圧にしない側の室に、網状体が３枚以上積層さ
れてなるスペーサを配置することにより圧力損失の発生
を防ぎ、長期間、安定に脱塩および濃縮を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気透析装置の一例を模式的に示す断
面図。

【図２】本発明の電気透析装置における濃縮室の室枠の
断面図。

【符号の説明】

Ａ：陰イオン交換膜Ｋ：陽イオン交換膜１：電気透析槽２：陽極室３：陰極室４：陽極５：陰極Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ_n：濃縮室Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ_n：脱塩室Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ_n：濃縮室室枠Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃、Ｄ_n：脱塩室室枠６：被処理水導入管７：脱イオン水導管８：濃縮水導入管９：濃縮水導管Ｎ₁：外側に配置された網状体Ｎ₂：内側に配置された網状体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA17 HA47 JA04A JA04B JA04C JA08Z JA30Z JB07 KE06Q 4D061 DA10 DB13 DB18 EA02 EA09 EB01 EB04 EB13 EB19 FA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陽極を備える陽極室と、陰極を備える陰極
室との間に、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを室枠
を介して交互に配列し、陽極側がアニオン交換膜で区画
され陰極側がカチオン交換膜で区画された脱塩室と、陽
極側がカチオン交換膜で区画され陰極側がアニオン交換
膜で区画された濃縮室とを交互に形成して構成される電
気透析装置において、濃縮室または脱塩室のいずれか一
方に、網状体が３枚以上積層されてなるスペーサを配置
したことを特徴とする電気透析装置。
【請求項２】最も外側に配置される網状体が糸を規則的
に組み合わせて成形したものであって、網目の大きさを
示すメッシュ数が５以上であり、かつ該網状体の厚さが
０．２ｍｍ以上である請求項１に記載の電気透析装置。
【請求項３】最も外側に配置される網状体が糸で構成さ
れてなり、糸と糸との間の距離が０．５〜５．０ｍｍで
ある請求項１または２に記載の電気透析装置。
【請求項４】網状体が３枚積層されてなり、外側に配置
される網状体の厚さが、いずれも内側に配置される網状
体の厚さの０．８０倍以下である請求項１、２または３
に記載の電気透析装置。
【請求項５】網状体が３枚積層されてなり、外側に配置
される網状体のメッシュ数が、いずれも内側に配置され
る網状体の網目のメッシュ数の１．０２倍以上である請
求項１〜４いずれか１に記載の電気透析装置。
【請求項６】脱塩室にイオン交換体を充填し、かつ、濃
縮室に網状体が３枚以上積層されてなるスペーサを配置
した請求項１〜５いずれか１に記載の電気透析装置。