JP2003010854A

JP2003010854A - 電気透析装置及び電気再生式脱塩装置

Info

Publication number: JP2003010854A
Application number: JP2001201234A
Authority: JP
Inventors: Yukio Matsumura; 幸夫松村; Hiroshi Toda; 洋戸田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Asahi Glass Engineering Co Ltd
Current assignee: AGC Engineering Co Ltd; AGC Inc
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2003-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理水中の硬度成分により生ずる陰極室内
でのスケール生成を抑制し、かつ安定運転のできる電気
透析装置及び電気再生式脱塩装置の提供。【解決手段】陽極を備える陽極室Ｅaと、陰極を備え
る陰極室Ｅkとの間にカチオン交換膜Ｋとアニオン交換
膜Ａとを交互に配列し、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Ｓ_nとを交互に形成して
構成される電気透析装置及びそれを備える電気再生式脱
塩装置において、濃縮室Ｓ_nへの供給水の一部又は全部
として陰極室Ｅkからの排出水を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気再生式脱塩装
置等に使用される電気透析装置、並びにその電気透析装
置、付帯設備及び付帯材料、例えば被処理水前処理装
置、濃縮水循環槽及びイオン交換樹脂等を備える電気再
生式脱塩装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、陰イオン交換膜と陽イオン交
換膜とを交互に配置した電気透析装置において、脱塩室
にイオン交換体を充填し、この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及び装置（以下、脱イオ
ン水製造方法及び装置という）が知られている。

【０００３】この脱イオン水製造方法においては、電気
透析装置の脱塩室に被処理水を流入させるとともに、濃
縮室に被処理水又は処理水の一部を濃縮水として流入さ
せ運転している。これに関し液フローを見てみると、脱
塩室に供給された被処理水はワンパスフローにて処理水
となり排出される。一方、濃縮室は陰極室と共に同一循
環系にて構成される。

【０００４】この液フローは、詳細には濃縮水循環槽
（図１では濃縮水槽と称する）からポンプにより、電気
透析装置の濃縮室、陰極室、陽極室に配液され、濃縮室
に供給された水は濃縮水循環槽へ戻り、陰極室、陽極室
に供給された水はそのまま廃水として排出される。その
際における濃縮水循環槽への被処理水、又は処理水の補
給量は、濃縮室の濃度調整を目的とし一般的には処理水
量の１０％程度とするが、その量は原水コスト（原水利
用率）に影響する為、場合によっては、１％程度とする
場合もある。

【０００５】この方法によれば、被処理水中のカルシウ
ムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分は、脱塩さ
れ濃縮室に移行し、濃縮水循環槽内の硬度成分濃度は、
循環に伴って次第に濃縮され被処理水中のそれより１０
倍以上の濃度となり、陰極室内においてスケールが生成
するばかりでなく電気抵抗が増大し印加電圧の上昇また
は電流の低下を招き、更には脱塩性能の低下により生産
される処理水の比抵抗が低下する問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、被処理水に
含有される硬度成分により生ずる前記した陰極室内での
スケール生成を抑制でき、かつ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、及びそれを備える
電気再生式脱塩装置を提供することを発明の解決すべき
課題、すなわち目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の電気透析装置
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ものにおいて、濃縮室
への供給水の一部もしくは全部として陰極室からの排出
水で供給される。また、その電気再生式脱塩装置は、前
記電気透析装置及び付帯設備等を備えるものである。

【０００８】そして、かかる電気透析装置においては、
陰極室で電極反応により水素ガスが発生、水酸イオンが
副生する。そのため従来法にしたがって陰極室に濃縮水
を供給すると濃縮水中の硬度成分と副生した水酸イオン
が結合し水酸化マグネシウム等のスケールが発生し、陰
極室の電極表面がスケールで被覆されることにより電気
抵抗の増大、電流分布の不均一等の異常を生ずる。

【０００９】それに対して、本発明では、濃縮室への供
給水を陰極室を介して供給し、それにより陰極室内には
常に硬度成分の濃度が低い被処理水、もしくは処理水が
流入されることとなり、その結果硬度成分によるスケー
ル（炭酸カルシウム、水酸化マグネシウム等の析出物）
の発生が防止できる。

【００１０】また、その際に陰極室の隔膜をアニオン交
換膜とすることにより隣接する濃縮室からマグネシウム
イオン、カルシウムイオン等の硬度成分が電気的に流入
することを阻止でき、更にスケール発生防止効果を向上
させることができる。さらには、陰極室への供給水に塩
酸、硫酸、又はアルカリ金属塩を添加し電導度を０．１
〜２０ｍＳ/ｃｍとすることにより、陰極室の電気抵抗
を低下せしめると共に、濃縮室内での硬度成分によるス
ケールの生成を防ぐことができ、脱イオン水を長期間安
定して製造できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の電気透析装置は、脱イオ
ン水、特に超純水製造の際に使用する電気再生式脱塩装
置用の電気透析装置として好適であるが、脱イオン水製
造用に限らず、各種水溶液の脱塩、濃縮を目的とした電
気透析装置としても有効である。以下に、本発明の実施
の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
なお、本発明は特許請求の範囲の記載に基づいて把握さ
れるものであり、図示された形状や構成に限定されるも
のではないことは、いうまでもないことである。

【００１２】図１は、本発明の電気透析装置及びその付
帯設備の一態様を図示した図面である。その電気透析装
置は、両端に陽極室Ｅaと陰極室Ｅkとを配置し、この間
にカチオン交換膜Ｋ、濃縮室枠Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃・・・
Ｃ_n、アニオン交換膜Ａ、脱塩室枠Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃・・・
Ｄ_nを交互に配置することにより、濃縮室Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃
・・・Ｓ_n、脱塩室Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃・・・Ｒ_nが形成され
る。ここで、Ｍaは陽極室隔膜、Ｍkは陰極室隔膜を示
す。

【００１３】その電気透析装置の濃縮室には、流入水の
均一分散を目的に網状のスペーサネットが装着されてい
る。この電気透析装置を脱イオン水の製造に用いる場
合、すなわち電気再生式脱塩装置として用いる場合に
は、脱塩室には、イオン交換体を充填する。図１中符号
＋は陽極、−は陰極であり、運転中は所定の電圧電流が
印加される。

【００１４】その際、被処理水は被処理水導管１を通し
各脱塩室Ｒ_nに導入され、被処理水中の陰イオン成分は
アニオン交換膜Ａを通して陽極側の濃縮室へ透過移行す
る一方、被処理水中の陽イオン成分はカチオン交換膜Ｋ
を通して陰極側の濃縮室へ透過移行し、被処理水自体は
脱イオン化され、脱イオン水導管２を通して脱イオン水
として採水される。他方、濃縮室への供給水は、循環ポ
ンプ８により昇圧され濃縮水導入管３を通し各濃縮室Ｓ
_n及び陽極室Ｅaへ導入される。濃縮室と陽極室への供給
水流量配分は、各室入出ノズル(ディストリビュータ)の
形状を調整し、各供給水の流動抵抗を制御することによ
り行った。

【００１５】濃縮室においては、上記のようにして透過
移行した陰イオン及び陽イオンが集められ濃縮水として
濃縮水導管（濃縮室出口収水管ということもある）４か
ら排出され濃縮水槽（従来技術では濃縮水循環槽とい
う）９に戻る。また、陽極室Ｅaにおいては、電極反応
により酸素ガスが発生し、副生した水素イオン及び供給
された濃縮水中の陽イオン成分がカチオン交換膜である
陽極室隔膜Ｍaを通して陰極側の濃縮室Ｓ₁に透過移行す
る。

【００１６】その際発生した酸素ガスは供給された濃縮
水と共に陽極水導管６を通して系外に排出される。な
お、水溶液組成、電極の種類、電流密度等によっては、
陽極において塩素ガス発生を伴う場合がある。この場合
においては、陽極室隔膜Ｍaは塩素ガス耐性のあるフッ
素系カチオン交換膜、例えば、旭硝子社製のフレミオン
１３３等を使用するのが望ましい。

【００１７】濃縮水の濃度調整用の補給水（被処理水）
は、供給水導管５を通して陰極室Ｅkに導入されるので
あり、この点が本発明の最大の特徴点である。その陰極
室においては、前述した電極反応により水素ガスが発
生、副生した水酸イオン及び供給された被処理水中の陰
イオン成分がアニオン交換膜である陰極室隔膜Ｍkを通
して陽極側の濃縮室Ｓ_nに透過移行する。

【００１８】発生した水素ガスは、供給された被処理水
に同伴して、陰極室出口収水管１０を経て濃縮室出口収
水管４から排出され濃縮水槽９に戻る。さらには、電圧
を低減するために陰極室への供給水に塩酸、硫酸、又は
アルカリ金属塩を添加し電導度を１〜２０ｍＳ/ｃｍと
せしめるのがよく、その場合には、塩酸、硫酸、又はア
ルカリ金属塩水溶液を塩類添加導管７より供給水導入管
５に添加供給する。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の実施例に基づき更に詳しく
説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるもの
ではなく、特許請求の範囲によって特定されるものであ
ることは勿論である。

【００２０】[例１(実施例)]濃縮室への補給水の全部
を、陰極室を介して供給でき、陰極室出口収水管（ダク
ト）１０が濃縮水導管４に連結した電気透析装置を下記
仕様で作成した。すなわち、両端に陽極室Ｅaと陰極室
Ｅkとを配置し、スルホン酸基を有するカチオン交換膜
Ｋ（旭硝子社製、商品名ＣＭＤ）と、第四級アンモニウ
ム塩基を有するアニオン交換膜Ａ（旭硝子社製、商品名
ＡＰＴ）とを交互に配列し、脱塩室を形成する室枠Ｄ_n
（室枠外寸：長さ５５０mm、幅１８０mm、厚さ８mm）と
濃縮室を形成する室枠Ｃ_n（室枠外寸：長さ５５０mm、
幅１８０mm、厚さ１．５mm）を交互に配置し、締め付け
圧力２．０ＭＰａ（実体部）で締め付け、フィルタープ
レス型の電気透析装置を構成した。

【００２１】この電気透析装置では、脱塩室Ｒ_n３０
室、濃縮室Ｓ_n３１室とし、有効通電面積は０．０５ｍ²
とした。脱塩室Ｒ_nには、イオン交換体(三菱化学社製、
商品名ダイヤイオンＳＫ−１Ｂ、及び三菱化学社製、商
品名ダイヤイオンＳＡ−１０Ａ)を交互に３０mm幅で配
列充填した。濃縮室枠Ｃｎには、通電面となる開口部に
スペーサネット（厚さ０．５mm、１６メッシュのポリプ
ロピレン製）を三枚積層配置した。陽極室隔膜Ｍaとし
て旭硝子社製のフレミオン１３３、陰極室隔膜Ｍkとし
てはアニオン交換膜（旭硝子社製、商品名ＡＰＴ）を使
用した。

【００２２】被処理水としては、温度２５℃、電気伝導
度５μＳ/ｃｍ、全硬度１ｐｐｍのものを用い、脱塩室
には、被処理水を流量２.８ｍ³/ｈにて供給し、その時
の入口圧力は０．２０ＭＰａ、出口圧力は０.０５ＭＰ
ａであった。濃縮室には、流量０.５ｍ³/ｈにて循環供
給し、その時の入口圧力は０．１１ＭＰａ、出口圧力は
０.０１ＭＰａであった。濃縮水濃度調整用の補給水
（すなわち供給水）は、供給水導入管５より全量陰極室
経由にて供給しその流量を０.１４ｍ³/ｈとした。陽極
室出口流量は０.１４ｍ³/ｈに調整し排出した。又、電
圧を低減するため上記補給水に塩酸を添加し濃縮室の濃
縮水の電導度は６００μＳ/ｃｍに調整した。

【００２３】通水と同時に両電極室の電極板に直流電流
２Ａを印加し、運転を開始した。その結果、連続運転１
００時間における脱塩室より流出する処理水の比抵抗値
は、１６ＭΩ、直流電流２Ａにおける電槽電圧は１５２
Ｖ、そのときの濃縮室における濃縮水の電導度は６００
μＳ/ｃｍであった。さらに、連続運転１０００時間後
においても脱塩室より流出する処理水の比抵抗値は、１
６ＭΩ、直流電流２Ａにおける電槽電圧は１５２Ｖ、そ
のときの濃縮室における濃縮水の電導度は６００μＳ/
ｃｍであり安定した性能が得られた。装置を運転停止
後、解体点検を実施したところ、特に異常は見られなか
った。

【００２４】[例２(比較例)]従来の濃縮室、電極室循環
型の電気透析装置を下記仕様で作成した。両端に陽極室
と陰極室を配置し、スルホン酸基を有するカチオン交換
膜（旭硝子社製、商品名ＣＭＤ）と、第四級アンモニウ
ム塩基を有するアニオン交換膜（旭硝子社製、商品名Ａ
ＰＴ）を交互に配列し、脱塩室を形成する室枠（室枠外
寸：長さ５５０mm、幅１８０mm、厚さ８mm）と濃縮室を
形成する室枠（室枠外寸：長さ５５０mm、幅１８０mm、
厚さ１．５mm）を交互に配置し、締め付け圧力２．０Ｍ
Ｐａ（実体部）で締め付け、フィルタープレス型の電気
透析装置を構成した。

【００２５】この電気透析装置においても、脱塩室３０
室、濃縮室３１室とし、有効通電面積は０．０５ｍ²と
した。脱塩室には、イオン交換体(三菱化学社製、商品
名ダイヤイオンＳＫ−１Ｂ、及び三菱化学社製、商品名
ダイヤイオンＳＡ−１０Ａ)を交互に３０mm幅で配列充
填した。濃縮室枠には、通電面となる開口部にスペーサ
ネット（厚さ０．５mm、１６メッシュのポリプロピレン
製）を三枚積層配置した。陽極室隔膜、陰極室隔膜とも
カチオン交換膜（旭硝子社製、商品名ＣＭＤ）を使用し
た。

【００２６】被処理水としては、温度２５℃、電気伝導
度５μＳ/ｃｍ、全硬度１ｐｐｍのものを用い、脱塩室
には、被処理水を流量２.８ｍ³/ｈにて供給し、その時
の入口圧力は０．２０ＭＰａ、出口圧力は０.０５ＭＰ
ａであった。濃縮室には、流量０.５ｍ³/ｈにて濃縮水
槽の濃縮水を循環供給した。その時の入口圧力は０．１
１ＭＰａ、出口圧力は０.０１ＭＰａであった。

【００２７】その際陰極室にも濃縮室と同様に濃縮水槽
の濃縮水を循環供給した。なお、濃縮水濃度調整用の補
給水は、濃縮水槽に供給し、その流量を０.１４ｍ³/ｈ
とした。なお、陽極室出口流量は０.１４ｍ³/ｈに調整
し排出した。また、電圧を低減するために補給水に塩酸
を添加し濃縮室濃縮水の電導度を６００μＳ/ｃｍに調
整した。通水と同時に両電極室の電極板に直流電流２Ａ
を印加し、運転を開始した。

【００２８】その結果、連続運転１００時間後における
脱塩室より流出する処理水の比抵抗値は、１６ＭΩ、直
流電流２Ａにおける電槽電圧は１５２Ｖ、そのときの濃
縮室濃縮水の電導度は６００μＳ/ｃｍであった。さら
に、連続運転したところ１０００時間後における脱塩室
より流出する処理水の比抵抗値は１４ＭΩ、直流電流２
Ａにおける電槽電圧は２５２Ｖ、そのときの濃縮室の濃
縮水電導度は６００μＳ/ｃｍであり、性能低下、電圧
上昇がみられた。装置を運転停止後、解体点検を実施し
たところ、陰極表面に水酸化マグネシウムのスケールが
析出していた。

【００２９】[評価]以上の結果から明らかなように、本
発明の電気透析装置である例１の装置の使用により得ら
れた処理水は比抵抗値の低下もなく、例２[比較例]に比
べて優れた水質のものとなっている。また、運転１００
０時間後の電圧も比較例に比べて安定して維持されてお
り、これらの結果は、濃縮室への補給水の全部として陰
極室からの排出水を供給することによる効果が充分に発
揮されていることを示すものである。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、濃縮室への供給水の一
部もしくは全部を、陰極室を介して供給することによ
り、陰極室において水酸化マグネシウム等のスケールが
生成するのを抑制し、電気抵抗の増大を防止できる。そ
の結果、長期間安定した脱塩性能を維持して良好な脱イ
オン水を製造できる。また、それ以外の各種水溶液の脱
塩、濃縮を目的とした電気透析装置においても同様の効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気透析装置及びその付帯設備の一態
様を図示した図面である。

【符号の説明】

１被処理水導入管２脱イオン水導管３濃縮水導入管４濃縮水導管（濃縮室出口収水管）５供給水導入管６陽極水導管７塩類添加導入管８濃縮水循環ポンプ９濃縮水槽１０陰極室出口収水管＋陽極 − 陰極Ｅa 陽極室Ｅk 陰極室Ｍa 陽極室隔膜Ｍk 陰極室隔膜Ｋカチオン交換膜Ａアニオン交換膜Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ_n濃縮室枠Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃、Ｄ_n脱塩室枠Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ_n脱塩室Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ_n濃縮室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者戸田洋千葉県市原市五井海岸10番地旭硝子株式会社内Ｆターム(参考） 4D006 GA17 JA43Z KA03 KA16 KD11 KD12 KD17 KE19R MB07 MC74 MC78 PB06 PB27 PC02 4D061 DA01 DB13 EA09 EB01 EB04 EB13 EB16 EB39 ED12 FA08 GC06

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、濃縮室への供給水の一部又は全部として陰極
室からの排出水を供給することを特徴とする電気透析装
置。
【請求項２】陰極室と濃縮室とが隣接し、アニオン交
換膜で区画されてなる請求項１に記載の電気透析装置。
【請求項３】陰極室出口収水管が濃縮室に連通する濃
縮水導管と連結されてなる請求項１又は２に記載の電気
透析装置。
【請求項４】陰極室への供給水は、塩酸、硫酸、又は
アルカリ金属塩を添加し電導度を０．１〜２０ｍＳ/ｃ
ｍとせしめたものである請求項１、２又は３に記載の電
気透析装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項に記載
の電気透析装置を有する電気再生式脱塩装置。