JP2002527238A - 電気脱イオンユニットにおけるスケール発生を防ぐ方法および装置 - Google Patents

電気脱イオンユニットにおけるスケール発生を防ぐ方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気脱イオンシステムにおけるスケール発生を阻止する方法と装置を提供する。より詳しくは、供給水中に含有されているスケール発生金属カチオンの析出を阻止することにより、脱イオン装置への供給水の硬度に対する耐性を高め、もって電気脱イオンシステムの効率を高める方法および装置を提供する。 【解決手段】 精製すべき水が電気脱イオンユニットを通って流され、そこで希釈室内の流れは濃縮室内の流れに対して向流をなす。これは、希釈室からカチオン交換膜を通って濃縮室に入りアニオン交換膜の濃縮室側へ向かうスケール発生金属カチオンの移動を妨げるためであり、それによりアニオン交換膜上のスケール発生を防ぐ。電気脱イオンユニットは、さらに変更して、多孔質の隔壁またはイオン透過性の膜により、濃縮室を第一および第二の隔室に分割してもよい。多孔質の隔壁またはイオン透過膜は、濃縮室のカチオン交換膜側から濃縮室のアニオン交換膜側へとスケール発生金属カチオンが対流により移動するのを効果的になくし、もってアニオン交換膜上のスケール発生を阻止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水処理に利用する電気脱イオンシステムまたは逆浸透／電気脱イ
オン連結システムにおいて、スケールの発生を阻止する方法と装置に関し、より
詳しくは、スケール発生金属カチオンが析出することおよびその結果対応のアニ
オン交換膜の濃縮室側にスケールが発生することを阻止するために、電気脱イオ
ンシステムの内部における液流条件を操作する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体の精製は、多くの産業界で大きな関心を集めている。特に、純水は、半導
体チップの製造工程、発電所、石油化学産業などの多数の工業用途、およびその
他多くの用途に使用されている。
【０００３】 イオン交換樹脂、逆浸透濾過および電気透析の技法は、液体中のイオン濃度を
減らすのに利用されてきている。
【０００４】 最近、電気脱イオン装置が、液体中のイオン濃度を減らすのにより頻繁に使用
されてきている。用語「電気脱イオン」は、液体を精製するためにイオン交換樹
脂、イオン交換膜および電気を組み合わせた、液体精製の装置および方法を全般
的に意味する。電気脱イオンのモジュールは、カチオン透過性膜とアニオン透過
性膜が交互に配置され、それらの間に室を画定している。一つおきの室内にイオ
ン交換樹脂のビーズが入っている。それらの室は、希釈室として知られている。
一般にはイオン交換樹脂が入っていない方の室は、濃縮室として知られている。
電流を通すことによって、イオンは、希釈室から、イオン交換ビーズとイオン透
過膜を通って濃縮室へ移行する。濃縮室を通って流れる液体は、廃棄されまたは
一部再循環され、希釈室を通って流れる精製液体は、脱塩液体生成物として回収
される。
【０００５】 電気脱イオン装置のスケール発生は、膜の効率を低下させかつ電極の表面を汚
すので、特に問題である。スケール発生は、電気脱イオン装置の局部的領域、特
に典型的にｐＨが高い領域に起こることが分かっている。そのような領域として
は、アニオン交換膜の濃縮室側の表面上の領域があり、ヒドロキシルイオンの流
束が希釈室内での再生水分離プロセス（regenerative water splitting process
）から生成するためである。高いｐＨの局部的領域は、典型的にカソードの表面
にも存在するが、それは下記のカソード電極反応によって水素ガスが放出されか
つヒドロキシルイオンが付随して生成するからである。
【０００６】
【化１】 ２ｅ-＋２Ｈ2Ｏ＝Ｈ2（ガス）＋２ＯＨ-
【０００７】 これらのｐＨが高い局部的領域は、その電気脱イオン装置の性能に対して有害
なスケールが生成する条件を提供する。一般に、これらのスケールは、Ｃａ2+、
Ｍｇ2+、Ｓｒ2+、Ｂａ2+、Ｆｅ3+、Ａｌ3+などの多価金属カチオンが存在すると
ころで生成し、それは、これらカチオンが、局部的にｐＨが高い条件下で、水酸
イオン、酸素イオン、硫酸イオン、燐酸イオンが存在すると水酸化物、酸化物、
硫酸塩、燐酸塩として沈殿し、炭酸イオン、炭酸水素イオンまたは二酸化炭素が
存在すると炭酸塩として沈殿し、フッ化物イオンが存在するとスピネル類などの
混合酸化物、混合した炭酸塩およびフッ化物として沈殿するからである。これら
化合物の生成物の溶解度が低いため、および局部的にｐＨが高いため、濃縮流（
concentrate streams）中にこれら金属カチオンと対立アニオンの痕跡量でさえ
も望ましくない沈殿を起こすのに十分である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
スケール生成を防ぐ従来技術の方法は、典型的には、水軟化剤を加えることに
より濃縮室への供給流から多価金属カチオンを除去することに集中している。こ
の方法は、必然的に、システムに化学物質を加えることが必要になり、関連排出
流の質を汚す可能性を含み、環境問題を起こす。
【０００９】 他の従来技術の方法で、欧州特許出願番号第９７１１８８４７．９号に開示さ
れている方法は、関連のアニオン交換部材の濃縮室側で特に生じる塩基性条件を
中和するために濃縮室供給流に酸を注入することを教えている。この方法は、効
果的に実施するには、相当な分量の酸を加えることが必要で、時として現場で補
助装置を用いて加える事態が生じる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、その広い局面として、ユニットの一方の末端にアノード室を有し
、ユニットの反対側の末端にカソード室を有し、そしてアノード室とカソード室
の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有する、水を脱イオンするため
の電気脱イオンユニットにおいて、スケールが生じるのを阻止する方法を提供し
、その方法は、脱イオンすべき供給水を希釈室の中を通すステップと、供給水か
らイオンを受け取るための水または水溶液を供給水の向きと反対の向きに濃縮室
の少なくとも一つの中を通すステップと、水または水溶液をアノード室およびカ
ソード室の中を通すステップと、アノードとカソードの間に電圧を印加して、供
給水の中のイオンを濃縮室の中の水または水溶液に移行させるステップとを含ん
でなるものである。濃縮室に導かれる前に、水または水溶液は、逆浸透法または
水軟化法のような適宜の単位操作によりスケール発生金属カチオンを除去するた
めに処理されてもよい。あるいは、電気脱イオンユニットの希釈室の排出からの
精製水の流出分でもって、濃縮室へ水を供給することができる。濃縮室へ供給さ
れつつある水または水溶液の中へ塩を注入して、濃縮室内の導電率を高めること
ができる。
【００１１】 他の局面として、この発明は、ユニットの一方の末端にアノード室を有し、ユ
ニットの反対側の末端にカソード室を有し、そしてアノード室とカソード室の間
に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有し、希釈室のそれぞれおよび濃縮
室のそれぞれがアニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されており、
濃縮室のそれぞれが、さらに、濃縮室を第一および第二の隔室に分割するための
多孔質の隔壁つまりイオン透過膜を備えてなり、第一の隔室は、アニオン交換膜
および多孔質隔壁またはイオン透過膜により画定され、第二の隔室は、カチオン
交換膜および多孔質隔壁またはイオン透過膜により画定され、第一の隔室内の液
は、第二の隔室内の液と混じらないようになっており、そしてイオンは、多孔質
隔壁またはイオン透過膜を通して、第一および第二の隔室の間を移行することが
できるように構成された、水を脱イオンするための電気脱イオンユニットを提供
する。
【００１２】 さらに他の局面として、この発明は、ユニットの一方の末端にアノード室を有
し、ユニットの反対側の末端にカソード室を有し、そしてアノード室とカソード
室の間に濃縮室と交互に配置された複数の希釈室を有し、希釈室のそれぞれおよ
び濃縮室のそれぞれがアニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されて
おり、濃縮室のそれぞれが、さらに、濃縮室を第一および第二の隔室に分割する
ための多孔質の隔壁つまりイオン透過膜を備えてなり、第一の隔室は、アニオン
交換膜および多孔質隔壁またはイオン透過膜により画定され、第二の隔室は、カ
チオン交換膜および多孔質隔壁またはイオン透過膜により画定され、第一の隔室
内の液は、第二の隔室内の液と混じらないようになっており、そしてイオンは、
多孔質隔壁またはイオン透過膜を通して、第一および第二の隔室の間を移行する
ことができるように構成された、水を脱イオンするための電気脱イオンユニット
において、スケールが生じるのを阻止する方法を提供し、その方法は、脱イオン
すべき供給水を希釈室の中を通すステップと、供給水からイオンを受け取るため
の水または水溶液をそれら濃縮室隔室の中を供給水の向きとは反対の向きに通す
ステップと、水または水溶液をアノード室およびカソード室の中を通すステップ
と、アノードとカソードの間に電圧を印加して、供給水の中のイオンを濃縮室隔
室の中の水または水溶液に移行させるステップとを含んでなっている。濃縮室に
導かれる前に、水または水溶液は、逆浸透法または水軟化法のような適宜の単位
操作によりスケール発生金属カチオンを除去するために処理することができる。
あるいは、濃縮室を通って流される水は、電気脱イオンユニットの希釈室の排出
からの精製水の流出分でもって、供給することができる。濃縮室へ供給されつつ
ある水または水溶液の中へ塩を注入して、濃縮室内の導電率を高めることができ
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の方法および装置を、添付の図面を参照しながら説明する。
概して、この発明は、電気脱イオンユニットを使用して、または直列に連結した
電気脱イオンユニットと逆浸透ユニットでもって実施される水の生成プロセスに
適用することができる。
【００１４】 まず、図１および５を参照すると、この発明による電気脱イオンユニット１０
は、アノード２４が設けられたアノード室２０と、カソード２６が設けられたカ
ソード室２を備えている。複数のカチオン交換膜２８とアニオン交換膜３０が、
アノード室２０とカソード室２６の間に交互に配置されて、アノード側のアニオ
ン交換膜３０とカソード側のカチオン交換膜２８によってそれぞれが画定されて
いる希釈室３２、およびアノード側のカチオン交換膜２８とカソード側のアニオ
ン交換膜３０によってそれぞれが画定されている濃縮室１８が形成されている。
電解質溶液が、それぞれの排出路６０および６２を有する流路３６および３８を
介してアノード室２０とカソード室２２に供給される。
【００１５】 番号４０で示すイオン交換樹脂ビーズなどのイオン交換材が、好ましくは、希
釈室３２の中に入れられている。これらイオン交換材は、アニオン交換樹脂もし
くはカチオン交換樹脂またはそれらの混合物、混床、層、連続／非連続相などで
構成され、例えば、国際特許出願第ＰＣＴ／ＣＡ９７／０００１８号に開示され
ている。なお、この国際特許出願をここに援用する。それら媒体は、イオン交換
により不要のイオンを取り除くことによって、水の精製度を高める。さらに、そ
れら媒体は、以下に説明するように、イオンが膜２８および３０の方へ移動して
次いでこれらの膜を通過し易くする。
【００１６】 処理すべき水は、供給流４２から希釈室３２内に導入される。同様に、水また
は水溶液が、供給流４４から濃縮室１８内に導入される。供給流４４は、それぞ
れアノード室２０およびカソード室２２へ水または水溶液を供給するために、液
流３６および３８も供給する。予め定められた電圧を二つの電極に印加すると、
希釈室３２内のアニオンはアニオン交換膜３０を透過して濃縮室１８内に入り、
他方、希釈室３２内の流れのカチオンはカチオン交換膜２８を透過して濃縮室１
８内に入る。アニオンとカチオンの上記移行は、希釈室３２内に存在するイオン
交換材４０によってさらに容易になる。この点については、、希釈室３２内のカ
チオンは、印加された電圧によって駆動されて、イオン交換のメカニズムを使っ
て、カチオン交換樹脂の中を通って移動し、結果的に、カチオン交換樹脂と直接
接触しているカチオン交換膜２８の中を通過する。同様に、希釈室３２内のアニ
オンは、イオン交換のメカニズムを使って、アニオン交換樹脂の中を通って移動
し、結果的に、アニオン交換樹脂と直接接触しているアニオン交換膜３０の中を
通過する。供給流４４から濃縮室１８の中に導入され水溶液または水、およびこ
れらの室に続いて移行してくるアニオンとカチオンの種は、集められ、次いで排
出流４８から濃縮溶液として取り除かれ、他方、精製水流は、希釈室３２から排
出流５０として排出される。
【００１７】 カソード室２２内のカソード２６とアノード室２０内のアノード２４の間を流
れる電流によって、水はイオン化して水素イオンとヒドロキシルイオンになる。
ヒドロキシルイオンは、アニオン交換膜３０を通過して移動し、アニオン交換膜
３０の濃縮室側の表面５２上で局部的に濃縮される。このため、アニオン交換膜
３０のこの表面５２の近くにｐＨが高い局部領域が形成されて、スケールの発生
が促進される。
【００１８】 アニオン交換膜３０の表面５２上にスケールが形成されるのを防ぐために、濃
縮室１８内の水または水溶液は、希釈室３２内で精製されつつある水に対して反
対の向き、つまり向流をなす具合に流れる。希釈室３２内処理されつつある水か
ら除去されイオン交換材４０上に吸着されるべきＭｇ2+などのスケール形成金属
イオンの熱力学的傾向（thermodynamic tendency）は、Ｎａ+など他の受動カチ
オンのよりも大きい。結果として、Ｍｇ2+などのスケール形成金属イオンは、希
釈室３２の供給側の近くに位置するイオン交換材によって取り除かれる傾向にあ
り、したがって、関連するカチオン交換樹脂２８の方へ向かい、そこを通過して
、濃縮室１８の排出側に近い濃縮室１８の水または水溶液の中へと移行する。ア
ニオン交換膜３０の濃縮室１８側にスケール形成を生じさせるために、そのよう
なスケール形成金属カチオンは、それらアニオン交換膜３０の濃縮室側の表面５
２へうまく移送されなければならない。そのような移送がうまくいくかは、流動
距離の大きさに係っており、したがって、濃縮室１８内にスケール形成金属カチ
オンが存在する滞留時間に、そしてアニオン交換膜３０の濃縮室側表面５２への
金属カチオンの移送をそこに生じさせる稼働中の移送現象（operative transpor
t phenomena）に係っている。スケール形成金属カチオンは、濃縮室１８内で濃
縮室１８の排出側の近くに存在する傾向があるので、濃縮室１８内におけるその
ようなスケール形成金属カチオンの流動距離および滞留時間は、比較的短く、そ
れによりスケール形成のリスクを軽減している。最も注目すべきことは、それら
流動距離および滞留時間は、濃縮室１８内の水溶液または水が希釈室３２内の水
と同じ向きに、または同時に流れる場合よりも遙かに短い。
【００１９】 図２に示すこの発明の実施態様においては、供給流４４は、排出流５０からの
流出分（分流）を含んでいる。そのような供給流４４は、スケール形成金属カチ
オンが比較的少なく、したがって、アニオン交換膜３０の濃縮室側表面５２上に
スケールが形成されるのに都合のよい条件に寄与しない。排出流５０は、電気脱
イオンユニット１０による精製水を含んでいるので、排出流５０の溶解塩の濃度
は、実質上ゼロである。そのような水は、処理されないままだと、電気脱イオン
ユニット１０の中を通る電流に対して、高い抵抗を呈する。したがって、この問
題を緩和するために、供給流４４の中へ食塩水を注入して、濃縮室１８内の水の
導電率を高めるのが望ましい。これには、定量ポンプ４７を用いて供給流４４の
中へ貯蔵容器４５から塩化ナトリウムまたは塩化カリウムなどの不活性塩の溶液
を注入することも含まれる。例としては、１００ｇ／Ｌ塩化ナトリウムの定量注
入により、濃縮室供給流４４に５０〜５００ｍｇ／Ｌの塩化ナトリウムを添加す
ることができる。
【００２０】 図３に示すこの発明の実施態様では、電気脱イオンユニット１０が逆浸透ユニ
ット６２と直列に作動して水を精製する。処理されるべき水は、供給流６４によ
って、逆浸透ユニット６２に供給され、そこで、供給された水は、当該技術分野
でよく知られているように、膜７０により透析流６６と濃縮流（retentate stre
am）６８に分離される。透析流６６は、供給流４２に接続されて、電気脱イオン
ユニット１０でさらに処理され、他方、濃縮流６８の方は、ドレインに排出され
るか、または冷却塔など他の用途に使用される。透析流６６から流出分流が取り
出され、供給流４４に接続されて、液体の水を濃縮室１８、アノード室２０およ
びカソード室２２に供給する。
【００２１】 逆浸透ユニット６２における予備処理により、透析流６６および、したがって
、供給流４４は、十分に低いスケール形成金属カチオン濃度を含んでおり、濃縮
室１８内におけるスケール形成に対する寄与が実質上なくなる。好ましくは、供
給流４４内のスケール形成金属カチオンの濃度は、炭酸カルシウムとして５ｐｐ
ｍ未満であり、より好ましくは、炭酸カルシウムとして１ｐｐｍ未満である。し
かしながら、これらの同じ理由によって、供給流４４は低い塩濃度を含有するで
あろうから、その結果として、電気脱イオンユニット１０の濃縮室１８内で使う
ためには十分に導電性でないであろう。したがって、この問題を緩和するために
、図２に示した実施態様についてと同じ具合に、濃縮室１８、アノード室２０お
よびカソード室２２内の水の導電率を高めるために、供給流４４の中に食塩水を
注入することが望ましいであろう。
【００２２】 図４に示された実施態様では、図３の実施態様におけるような逆浸透ユニット
６２で処理される代わりに、供給流４４は、逆浸透ユニット供給流６４から分流
されて次いで好ましくないスケール形成金属カチオンを除くために軟化ユニット
８０で軟化された水を含んでいてもよい。供給流６４からの分流は、セパレータ
６５による上流での予備処理を行ってもよい。その場合、予備処理手段は、機械
的な濾過、分級、または活性炭吸着を含む。供給流６４から分流された水は、供
給流８２により軟化ユニット８０の中へ供給される。軟化は、通常、イオン交換
によって達成される。この点で、軟化ユニット８０は、ナトリウムの形で強酸カ
チオン交換樹脂を含有する圧力容器を有するナトリウムサイクル軟化器で構成す
ることができる。軟化ユニット８０への供給流８２内のスケール形成金属カチオ
ンは、カチオン交換樹脂によって取り除かれ、それに付随してナトリウムイオン
が解放される。その結果、軟化ユニット８０からの排出流８４は、スケール形成
金属カチオンが全くなくなる。使い切った場合は、強酸カチオン交換樹脂は、塩
化ナトリウムブラインを使って再生される。類似のイオン交換軟化器で、塩化カ
リウムまたは無機酸のような他の再生化学物質や、弱酸カチオン交換樹脂のよう
な他のタイプのイオン交換樹脂を採用してもよい。
【００２３】 軟化ユニット８０からの排出流８４は、供給流４４に接続して、水性液体を濃
縮室１８、アノード室２０およびカソード室２２に供給してもよい。排出流８４
内の溶解塩濃度は、十分に高く、濃縮室１８、アノード室２０およびカソード室
２２内の水性液体の導電率を高める目的で、追加の塩を注入することは、典型的
に不必要である。
【００２４】 図６および７は、この発明のさらなる実施態様を示し、電気脱イオンユニット
１００は濃縮室１１８を有しており、濃縮室１１８は、多孔質の隔壁つまりイオ
ン透過膜（以後「セパレータ」）１２０によって第一および第二の隔室１１９ａ
および１１９ｂに分割されている。多孔質隔壁は、ポリオレフィン材料でできた
メッシュまたは孔空けシートで構成することができるし、またはフェルトまたは
不織布で構成することができる。望ましい市販の多孔質膜隔壁は、ＭＦ（商標）
膜１１４７０２７番、ＭＦ（商標）膜１１４７０２８番、もしくはＭＦ（商標）
膜１１４７０２９番であり、いずれもアメリカ合衆国ミネソタ州ミネトンカの O
smonics で製造されており、または Celgard（商標）3401 Microporous Flat Sh
eet Membrane、もしくは Celgard（商標）3501 Microporous Flat Sheet Membra
ne であり、いずれもアメリカ合衆国ノースカロライナ州シャーロット、サウス
レークドライブ１３８００所在の Hoechst Celanese Corporation で製造されて
いる。イオン透過膜は、選択透過性であってもよいし、非選択透過性であっても
よい。非選択透過性膜は、透析膜、正および負の両方の固定イオングループ（fi
xed ionic groups）を有する膜を含み、それらの例としては、スルホン酸塩類イ
オン、第４アミン類イオンおよびカルボン酸塩類イオンを含む。望ましい市販の
選択透過性膜としては、SELEMION AME（商標）および SELEMION CME（商標）が
あり、何れも日本の旭ガラス社で製造されている。
【００２５】 供給ライン４４により第一の隔室１１９ａおよび第二の隔室１１９ｂのそれぞ
れに導入された水溶液または水、並びに次いでこれら隔室に移行するアニオンお
よびカチオンは、集められて、濃縮溶液として排出流４８から取り除かれる。他
のあらゆる点で、電気脱イオンユニット１００は、図５に示した電気脱イオンユ
ニット１０と同じである。
【００２６】 第一の隔室１１９ａは、アニオン交換膜３０とセパレータ１２０で画定され、
第二の隔室１１９ｂはカチオン交換膜２８とセパレータ１２０で画定されている
。セパレータ１２０は、第一の隔室１１９ａ内の液体が第二の隔室内の液体と混
ざるのを防いでいるが、溶解しているイオンが印加されている電解の影響下で第
一の隔室１１９ａと第二の隔室１１９ｂの間を移動するのを許容している。
【００２７】
【実施例】
以下の非限定的な実施例を参照しながら、この発明をさらに詳細に説明する。
【００２８】実施例１ 電気脱イオンデバイス（有効面積５０７ｃｍ2［幅（＝希釈および濃縮室スペ
ーサの幅）１３ｃｍ、長さ（＝希釈および濃縮室スペーサの長さ）３９ｃｍ×３
０セル対］）を、複数の希釈室と複数の濃縮室を交互に有するフィルタプレス型
電気脱イオンスタックで構成した。これらの室のそれぞれは、カチオン交換膜（
強酸タイプの不均一膜、厚さ０．０５ｃｍ、イオン交換能力４．５ｍｅｑ／ｇ乾
燥樹脂）およびアニオン交換膜（強塩基タイプの不均一膜、厚さ０．０５ｃｍ、
イオン交換能力３．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂）で巻いて、希釈室スペーサフレーム
（ポリプロピレン製）および濃縮室フレーム（ポリオレフィン製）によって配置
し固定した。脱塩室の厚さは、０．８ｃｍであった。濃縮室の開口領域は、２層
の０．５６ｍｍ厚のポリプロピレン溶融メッシュ、１層（中心層）の０．１８ｍ
ｍ厚の多孔質膜（アメリカ合衆国ミネソタ州ミネトンカの Osmonics 社のＭＦ膜
１１４０２７番）および２層の０．５６ｍｍ厚のポリプロピレン溶融メッシュか
らなる順次層配置構造でできていた。中心層は、セパレータ膜として機能し、濃
縮室内での対流混合を制限する役目をした。
【００２９】 希釈室には、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を詰めた。それぞれの樹脂
は、イオン交換樹脂と乾燥状態のバインダの混合物からなるシート様製品の形態
をしていた。上記の二つのイオン交換樹脂は、スルホン酸タイプのカチオン交換
樹脂（Mitsubishi Chemical Corporation 製の Diaion SK-1B（商標））および
第４アンモニウム塩アニオン交換樹脂（Mitsubishi Chemical Corporation 製の
Diaion SA-10A（商標））で、アニオン対カチオンの体積比（乾燥）が５４：４
６のものであった。
【００３０】 この電気脱イオンデバイスを使用して、以下の要領で試験した。精製すべき供
給水を、ＣａＣＯ3（０．６７ｐｐｍのＣａ、０．３３ｐｐｍのＭｇ）として１
ｐｐｍの硬度、ＳｉＯ2として０．５ｐｐｍの反応性シリカ、および１３．５ｐ
ｐｍの塩化ナトリウムでもって用意した。精製すべき水を、電気脱イオンデバイ
スの希釈室の中を下流方向に１２．５ＵＳｇｐｍの流量で通した。低硬度の水を
、塩化ナトリウムの低硬度溶液の注入により８００〜１８００マイクロジーメン
ス／ｃｍに導電率を高めて、濃縮室および電極室の中を上流方向（向流）に１．
０〜１．１ＵＳｇｐｍの流量で通して、ドレインへ排出した。濃縮室供給流およ
び電極室供給流は、希釈室からの出力流の圧より５〜１０ｐｓｉｇ下の圧で導入
した。電気脱イオンデバイスの中を通る直流電流は、最大出力電圧６００ボルト
の容量の整流器を使用して４．３アンペアに設定した。運転中、スタックの電圧
および精製水の抵抗率をモニタして、有害なスケールの発生（電圧の上昇、精製
水の抵抗率の減少）を監視した。実験の開始では、最大印加電圧６００ボルトで
３．２アンペアの電流が流れたが、電圧の方は４７０ボルトに下がったのに、こ
の電流は４．３アンペアの設定値へと増加し、実験の間（３８６時間の運転）中
、そのレベルに留まった。精製水は、実験の間中、１７．３メグオームｃｍを超
える抵抗率値を維持した。一定の電圧と終始一貫した精製水の高い抵抗率は、有
意な程度のスケールが存在しないことを示している。
【００３１】実施例２ 下記の点を除き、上記の実施例１と同じ要領で比較実験を行った。 ａ）濃縮室の開口領域は、１層の０．５６ｍｍ厚のポリプロピレン溶融メッシュ
、１層（中心層）の１．０ｍｍ厚のポリプロピレン溶融メッシュおよび１層の０
．５６ｍｍ厚のポリプロピレン溶融メッシュからなる順次層配置構造でできてい
た。中心のメッシュ層が開いていることにより、濃縮室内での対流混合を許容し
た。 ｂ）希釈室への供給は、上流に向け、濃縮流および電極流に対して同じ流れ向き
であった。 ｃ）濃縮流は、電気脱イオンデバイスへ部分的に再循環し、濃縮ループへの補給
水は処理されるべき水（硬質成分を含む）からなっていた。
【００３２】 初めの数時間は、稼働電圧６００ボルトの直流で目標の運転電流４．３アンペ
アを流し（濃縮供給導電率は８００マイクロジーメンス／ｃｍ）、次いで実験の
間（３００時間）に渡って電流を安定に２アンペア（最大直流電圧は６００ボル
ト）に減らした。精製水の抵抗率は、初期値が１７．５メグオームｃｍであった
が、２２０時間の運転の後は１６メグオームｃｍに減少し、３００時間の運転の
後は２メグオームｃｍ未満に減少した。これらの電流（電圧は、直流６００ボル
トで一定）および精製水の抵抗率の減少は、アニオン膜の濃縮室側にスケールが
形成されたことに典型的である。
【００３３】 上記の実施例１および実施例２に示されるように、この発明のプロセスおよび
装置に従って説明した電気脱イオンデバイス（反対向きの流れ、濃縮室内のセパ
レータ膜、濃縮室への低硬度水の供給、濃縮出力の不再循環）を運転することに
より、精製すべき水の中に硬質成分が存在してもスケールが蓄積することなく、
電気脱イオンデバイスを稼働させることができる。
【００３４】 この発明は、数多くの重要な利点を提供する。希釈室および濃縮室内に反対向
きの流れを作ることにより、濃縮室内へ移行するスケール形成金属カチオンは、
流れ距離が短くなり、そのため濃縮室内の滞留時間がより短くなる。このことは
、特に希釈室への供給水中のスケール形成金属カチオンの大部分が希釈室の入り
口端近くで取り除かれ、その次にカチオン交換膜を通過して移動し、そして濃縮
室の排出端近くで濃縮室に入るという事実によることである。そうすることによ
って、流れ距離の大きさ、したがってアニオン交換膜の表面へのスケール形成金
属カチオンの移動に利用される時間が減じられ、そのような表面でのスケール形
成が緩和される。アニオン交換膜の濃縮室側表面へ金属カチオンが運ばれるのを
妨げるための他の手段として、多孔質隔壁またはイオン透過膜で濃縮室を第一お
よび第二の隔室に分離して、アニオン交換膜の近くの液体がカチオン交換膜の近
くの液体と混じるのを防ぎつつ、上記の隔壁または膜を通ってイオンの移動を許
容するようにすることができる。この点で、隔壁または膜が、カチオン交換膜近
傍の室からアニオン交換膜近傍の室へスケール形成金属カチオンが運ばれる速度
を、それら移動の対流的要素を実質上なくすことにより、効果的に減少させる。
【００３５】 もちろん、付属の請求の範囲で定義される発明の範囲および限界から逸脱する
ことなく、ここに説明した実施態様に変更がなされ得ることを理解しておくべき
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第一の実施態様の模式的流れ図である。
【図２】 この発明の第二の実施態様の模式的流れ図である。
【図３】 この発明の第三の実施態様の模式的流れ図である。
【図４】 この発明の第四の実施態様の模式的流れ図である。
【図５】 図１、２、３、４何れにも使用される電気脱イオンユニットの詳
細な模式図である。
【図６】 この発明の第五の実施態様の模式的流れ図である。
【図７】 図６の電気脱イオンユニットの断面の詳細な模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，Ｌ Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 バーバー， ジョン， エイチ カナダ Ｎ１Ｍ ３Ｎ８ オンタリオ州 フォーガス ハイランドロード 380 Ｆターム(参考） 4D006 GA17 JA30A KA03 KA16 KD30 KE11R MC23 PA01 PB06 PC03 PC31 4D061 DA03 DB07 EA11 EB01 EB04 EB13 FA07 FA08

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ユニットの一方の末端にアノード室を有し、ユニットの反対
    側の末端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮室
    と交互に配置された複数の希釈室を有する、水を脱イオンするための電気脱イオ
    ンユニットにおいて、スケールが生じるのを阻止する方法であって、 脱イオンすべき供給水を前記希釈室の中を通して精製水流を作るステップと、 前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液を前記供給水の向きと
    反対の向きに前記濃縮室の少なくとも一つの中を通すステップと、 水または水溶液を前記アノード室およびカソード室の中を通すステップと、 前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加して、前記供給水の中のイオン
    を前記濃縮室の中の前記水または水溶液に移行させるステップと を含んでなる方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、前記供給水の
    向きと反対の向きに前記濃縮室のそれぞれの中を通される ことを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、再循環されな
    い ことを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の方法であって、 さらに、前記水または水溶液を前記濃縮室の中を通す前に、スケールを生じる
    金属カチオンを、前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液から取
    り除くステップを含んでなる ことを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 請求項２に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、前記精製水流
    からの流出により供給される ことを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】 請求項２に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、前記濃縮室に
    導かれる前に、炭酸カルシウムとして５ｐｐｍ未満のスケール発生金属イオン濃
    度を有する ことを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の方法において、 前記スケール発生金属カチオン濃度が、炭酸カルシウムとして１ｐｐｍ未満で
    ある ことを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の方法において、 前記スケール発生金属カチオンが、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｓｒ2+、Ｂａ2+、Ｆｅ3+ およびＡｌ3+からなる群から選択される ことを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項４に記載の方法において、 前記スケール発生金属カチオンが、水軟化プロセスにより取り除かれる ことを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 請求項４に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、逆浸透ユニッ
    トの透析流からの流出分により供給される ことを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 請求項５に記載の方法であって、 さらに、前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液に、前記濃縮
    室の中を通す前に、食塩水を注入するステップを含んでなる ことを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の方法であって、 さらに、前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液に、前記濃縮
    室の中を通す前に、食塩水を注入するステップを含んでなる ことを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】 ユニットの一方の末端にアノード室を有し、ユニットの反
    対側の末端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮
    室と交互に配置された複数の希釈室を有し、前記希釈室のそれぞれおよび前記濃
    縮室のそれぞれがアニオン交換膜およびカチオン交換膜によって画定されている
    、水を脱イオンするための電気脱イオンユニットであって、 前記濃縮室の少なくとも一つが、さらに、前記濃縮室を第一および第二の隔室
    に分割するための多孔質の隔壁つまりイオン透過膜を備えてなり、 前記第一の隔室は、アニオン交換膜および前記多孔質隔壁またはイオン透過膜
    により画定され、 前記第二の隔室は、前記カチオン交換膜および前記多孔質隔壁またはイオン透
    過膜により画定され、 前記第一の隔室内の液は、前記第二の隔室内の液と混じらないようになってお
    り、そして イオンは、前記多孔質隔壁またはイオン透過膜を通して、前記第一および第二
    の隔室の間を移行することができる ことを特徴とするユニット。
  14. 【請求項１４】 ユニットの一方の末端にアノード室を有し、ユニットの反
    対側の末端にカソード室を有し、および前記アノード室とカソード室の間に濃縮
    室と交互に配置された複数の希釈室を有し、 前記希釈室のそれぞれおよび前記濃縮室のそれぞれがアニオン交換膜およびカ
    チオン交換膜によって画定されており、 前記濃縮室の少なくとも一つが、さらに、前記濃縮室を第一および第二の隔室
    に分割するための多孔質の隔壁つまりイオン透過膜を備えてなり、 前記第一の隔室は、アニオン交換膜および前記多孔質隔壁またはイオン透過膜
    により画定され、 前記第二の隔室は、前記カチオン交換膜および前記多孔質隔壁またはイオン透
    過膜により画定され、 前記第一の隔室内の液は、前記第二の隔室内の液と混じらないようになってお
    り、そして イオンは、前記多孔質隔壁またはイオン透過膜を通して、前記第一および第二
    の隔室の間を移行することができるように構成された、水を脱イオンするための
    電気脱イオンユニットにおいて、スケールが生じるのを阻止する方法であって、 脱イオンすべき供給水を前記希釈室の中を通して精製水流を作るステップと、 前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液を前記第一および第二
    の濃縮室隔室の中を通すステップと、 水または水溶液を前記アノード室およびカソード室の中を通すステップと、 前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加して、前記供給水の中のイオン
    を前記第一および第二の濃縮室隔室の中の前記水または水溶液に移行させるステ
    ップと を含んでなる方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、前記供給水の
    向きと反対の向きに前記濃縮室の前記第二の隔室の少なくとも一つの中を通され
    る ことを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、前記供給水の
    向きと反対の向きに前記濃縮室の前記第二の隔室の各々の中を通される ことを特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、再循環されな
    い ことを特徴とする方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１６に記載の方法であって、 さらに、前記水または水溶液を前記濃縮室の中を通す前に、スケールを生じる
    金属カチオンを、前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液から取
    り除くステップを含んでなる ことを特徴とする方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１６に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、前記精製水流
    からの流出により供給される ことを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１６に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、前記濃縮室に
    導かれる前に、炭酸カルシウムとして５ｐｐｍ未満のスケール発生金属イオン濃
    度を有する ことを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の方法において、 前記スケール発生金属カチオン濃度が、炭酸カルシウムとして１ｐｐｍ未満で
    ある ことを特徴とする方法。
  22. 【請求項２２】 請求項２１に記載の方法において、 前記スケール発生金属カチオンが、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｓｒ2+、Ｂａ2+、Ｆｅ3+ およびＡｌ3+からなる群から選択される ことを特徴とする方法。
  23. 【請求項２３】 請求項１８に記載の方法において、 前記スケール発生金属カチオンが、水軟化プロセスにより取り除かれる ことを特徴とする方法。
  24. 【請求項２４】 請求項１８に記載の方法において、 前記供給水からイオンを受け取るための前記水または水溶液が、逆浸透ユニッ
    トの透析流からの流出分により供給される ことを特徴とする方法。
  25. 【請求項２５】 請求項１９に記載の方法であって、 さらに、前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液に、前記濃縮
    室の中を通す前に、食塩水を注入するステップを含んでなる ことを特徴とする方法。
  26. 【請求項２６】 請求項２４に記載の方法であって、 さらに、前記供給水からイオンを受け取るための水または水溶液に、前記濃縮
    室の中を通す前に、食塩水を注入するステップを含んでなる ことを特徴とする方法。
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