JP2003275769A

JP2003275769A - 電気脱イオン装置の組立方法

Info

Publication number: JP2003275769A
Application number: JP2002085822A
Authority: JP
Inventors: Kiminobu Osawa; 公伸大澤; Osamu Kato; 修加藤; Takayuki Moribe; 隆行森部
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-09-30

Abstract

(57)【要約】【課題】電気脱イオン装置内に規定量のイオン交換樹
脂を確実に充填することができ、しかも、イオン交換膜
やイオン交換樹脂の劣化、損傷もなく特殊な高強度のイ
オン交換膜を用いることも不要とされる電気脱イオン装
置の組立方法を提供する。【解決手段】陰極板２と陽極板９の間にカチオン交換
膜６とアニオン交換膜４とが配列され、濃縮室と脱塩室
が形成され、少なくとも該脱塩室にイオン交換樹脂５Ｒ
が充填されてなる電気脱イオン装置を組み立てる方法に
おいて、該イオン交換樹脂を充填するに際し、該イオン
交換樹脂の製品出荷時に含まれている水分のうちの５〜
４０％の水分を該イオン交換樹脂から除去した後、該イ
オン交換樹脂の充填を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体、液晶、製
薬、食品、電力等の分野の各種産業、民生用、又は研究
設備で利用される脱イオン水の製造に用いられる電気脱
イオン装置の組立方法に係り、特に、イオン交換樹脂の
充填方法を改良した電気脱イオン装置の組立方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工場、液晶製造工場、
製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業又は民生
用ないし研究施設等において使用される脱イオン水の製
造には、図３に示す如く、電極（陽極３１，陰極３２）
の間に複数のアニオン交換膜３３及びカチオン交換膜３
４を交互に配列して濃縮室３５と脱塩室３６とを交互に
形成し、脱塩室３６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維
もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及び
カチオン交換体を混合もしくは複層状に充填した電気脱
イオン装置が多用されている（特許第１７８２９４３
号、特許第２７５１０９０号、特許第２６９９２５６
号）。なお、図３において、３７は陽極室、３８は陰極
室である。

【０００３】電気脱イオン装置は、水解離によってＨ^＋
イオンとＯＨ⁻イオンを生成させ、脱塩室内に充填され
ているイオン交換体を連続して再生することによって、
効率的な脱塩処理が可能であり、従来から広く用いられ
てきたイオン交換樹脂装置のような薬品を用いた再生処
理を必要とせず、完全な連続採水が可能で、高純度の水
が得られるという優れた効果を発揮する。

【０００４】この電気脱イオン装置にイオン交換樹脂を
充填する場合、従来は市販のイオン交換樹脂をそのまま
充填することが多い。ところが、この市販のイオン交換
樹脂は、水分を４０〜６５％含む湿潤軟質状物であるた
め、ハンドリングしにくく、電気脱イオン装置の室内に
充填しようとしたときにイオン交換樹脂同士の間あるい
はイオン交換樹脂とイオン交換膜との間に空隙が多く生
じがちである。この空隙が多く残っている室内に通水す
ると、イオン交換樹脂の充填層高が小さくなる。

【０００５】このような欠点を克服するイオン交換樹脂
の充填方法として、イオン交換樹脂を含水率３０％以下
にまで乾燥させた後、電気脱イオン装置の脱塩室内に充
填する方法が提案されている。この乾燥されたイオン交
換樹脂を充填してなる脱塩室に通水すると、イオン交換
樹脂が水分を吸収して膨潤し、脱塩室内にイオン交換樹
脂が密に充填された状態となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、イオン
交換樹脂を含水率３０％以下にまで乾燥してしまうと、
この乾燥したイオン交換樹脂と接触したイオン交換膜か
ら水分が該イオン交換樹脂に吸収され、イオン交換膜が
劣化ないし損傷するおそれがある。即ち、イオン交換膜
は乾燥すると急激に収縮を起こし、クラック（裂け目）
が発生して性能が著しく劣化する。なお、これを防ぐた
めには、強度の高いイオン交換膜を用いる必要がある
が、コスト高である。また、含水率３０％以下にまで乾
燥されたイオン交換樹脂は、吸湿性が強く、水と接触す
ると急激に膨潤して損傷あるいは劣化するおそれがあ
る。

【０００７】本発明は、上記の問題点を解決し、電気脱
イオン装置内に規定量のイオン交換樹脂を確実に充填す
ることができ、しかも、イオン交換膜やイオン交換樹脂
の劣化、損傷もなく特殊な高強度のイオン交換膜を用い
ることも不要とされる電気脱イオン装置の組立方法を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の電気脱イオン装
置の組立方法は、陰極と陽極の間にカチオン交換膜とア
ニオン交換膜とが配列されることにより濃縮室と脱塩室
とが形成され、少なくとも該脱塩室にイオン交換樹脂が
充填されてなる電気脱イオン装置を組み立てる方法にお
いて、該イオン交換樹脂を充填するに際し、該イオン交
換樹脂の製品出荷時に含まれている水分のうちの５〜４
０％の水分を該イオン交換樹脂から除去した後、該イオ
ン交換樹脂の充填を行うことを特徴とする。

【０００９】かかる本発明方法では、イオン交換樹脂の
充填前の乾燥等の水分除去が軽度であるため、このイオ
ン交換樹脂がイオン交換膜と接触してもイオン交換膜か
らの吸水が殆ど無く、イオン交換膜を損傷、劣化させる
おそれがない。また、イオン交換樹脂が水と接触しても
急激に膨潤することがないので、イオン交換樹脂自体の
損傷、劣化も防止される。

【００１０】なお、５〜４０％の水分を除去したイオン
交換樹脂は、ハンドリングが容易であり、電気脱イオン
装置に充填し易い。イオン交換樹脂が充填された後に電
気脱イオン装置に通水すると、イオン交換樹脂が約５〜
１０体積％程度膨潤し、該電気脱イオン装置内に規定量
のイオン交換樹脂が緻密に充填された状態となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して実施の形態
について説明する。

【００１２】図１は電気的脱イオン装置の基本的な構成
を示す分解図である。

【００１３】陰極側のエンドプレート１に沿って陰極電
極板２が配置され、この陰極電極板２の周縁部に枠状の
陰極用スペーサ３が重ね合わされる。この陰極用スペー
サ３の上にカチオン交換膜６、脱塩室形成用の枠状フレ
ーム５、アニオン交換膜４及び濃縮室形成用の枠状フレ
ーム７がこの順に重ね合わされる。このカチオン交換膜
６、脱塩室形成用の枠状フレーム５、アニオン交換膜４
及び濃縮室形成用の枠状フレーム７を１単位として多数
重ね合わされる。即ち、膜６、フレーム５、膜４、フレ
ーム７が連続して繰り返し積層される。最後のアニオン
交換膜４に対し枠状の陽極用スペーサ８を介して陽極電
極板９が重ね合わされ、その上に陽極側エンドプレート
１０が重ね合わされて積層体とされる。この積層体はボ
ルト等によって締め付けられる。

【００１４】上記の脱塩室用フレーム５の内側スペース
が脱塩室となっており、この脱塩室にはイオン交換樹脂
５Ｒが充填される。濃縮室用フレーム７の内側が濃縮室
となっている。この濃縮室にはメッシュスペーサなどが
配置される。なお、濃縮室にも脱塩室と同様にイオン交
換樹脂が充填されていても良い。

【００１５】脱塩室は、図２（ａ）に示す如く、長方形
状のフレーム５と、このフレーム５を挟むように配置さ
れたアニオン交換膜４及びカチオン交換膜６とによって
構成され、このフレーム５の枠内にイオン交換樹脂が充
填されている。

【００１６】フレーム５の上部には被処理水（原水）の
導入用の通水孔（入口）５Ａ及び濃縮水（流入側）の通
水孔５Ｂが穿孔され、下部には脱塩水の排出用の通水孔
５Ｃ及び濃縮水（排出側）の通水孔５Ｄが穿孔されてい
る。この原水導入用通水孔５Ａ及び脱塩水の通水孔５Ｃ
はそれぞれフレーム５の内側に連通する切欠状に設けら
れている。

【００１７】また、濃縮室は、例えば、図２（ｂ）に示
す如く、メッシュ７Ｍの両面にフレーム（ガスケットと
称す場合もある。）７，７が設けられ、このフレーム
７、メッシュ７Ｍ及びフレーム７の積層体を挟むように
アニオン交換膜及びカチオン交換膜が配置される。７Ａ
は原水の通水孔（流入側）、７Ｂは濃縮水の導入用の通
水孔（入口）、７Ｃは脱塩水の通水孔（排出側）、７Ｄ
は濃縮室水の排出用の通水孔（以下「出口」と称す場合
がある。）である。この濃縮室においても、濃縮水導入
用通水孔７Ｂ及び濃縮水の排出用の通水孔７Ｄはそれぞ
れフレーム７の内側に連通する切欠状に設けられてい
る。

【００１８】このような装置にあっては、陽極９と陰極
２の間に直流電流を通じ、且つ被処理水（原水）を被処
理水流入ライン１１を通して脱塩室内に通水せしめ、ま
た、濃縮水を濃縮水流入ライン１２を通して濃縮室８内
に通水せしめる。脱塩室内に流入してきた被処理水はイ
オン交換樹脂の充填層を流下し、その際、該被処理水中
の不純物イオンが除かれて脱イオン水となり、これが脱
イオン水流出ライン１３を経て流出する。

【００１９】一方、濃縮室内に通水された濃縮水は濃縮
室内を流下するときに、イオン交換膜４，６を介して移
動してくる不純物イオンを受け取り、不純物イオンを濃
縮した濃縮水として濃縮水流出ライン１４より流出す
る。電極室にはそれぞれ導流ライン１５，１６及び取出
ライン１７，１８を介して電極水が流通される。

【００２０】本発明では、この脱塩室あるいはさらに濃
縮室に充填されるイオン交換樹脂の水分を予め軽度に除
去する。即ち、イオン交換樹脂が製品として出荷される
時の水分のうち５〜４０％の水分を除去する。

【００２１】一般に、イオン交換樹脂中に含まれる水に
は結合水と自由水が存在する。イオン交換樹脂のイオン
交換基やその対イオンは湿潤時は水和した形で存在す
る。イオンに水和した形で存在する形で樹脂中に含まれ
る水を結合水と呼ばれている。これとは別にイオン交換
樹脂を高濃度の電解質と考えて、自ら希釈されようとす
るいわゆる、浸透圧によって吸収した水を自由水と呼ば
れている。

【００２２】本発明者らは、自由水のみを取り除き、水
和した結合水をイオン交換樹脂内に残すことによって、
充填後の通水通液を行うまでは、イオン交換樹脂の含水
率は安定していることを見出した。

【００２３】結合水のみを残した樹脂の含水率を厳密に
測定することや調整は極めて困難であるが、出荷時にイ
オン交換樹脂に含まれる水分を５〜４０％除いたもの、
好ましくは２０〜３５％脱水したものは、ほぼすべての
自由水を取り除いたものに該当する。従って、本発明で
は、市販のイオン交換樹脂に対し次の式で算出される減
水率が５〜４０％好ましくは２０〜３５％となるように
水分除去処理した後電気脱イオン装置に充填する。減水率（％）＝｛１−（除去処理後含水率／出荷時含水
率）｝×１００

【００２４】例えば、三菱化学（株）製強塩基性イオン
交換樹脂「ＳＡ１０Ａ」の場合、出荷時の水分含水率
は、市販のカタログに記載されており、その数値は平均
で５０重量％である。この含水率分のうち、５〜４０％
除去するので、本発明での充填時のイオン交換樹脂の含
水率は３０〜４７．５重量％となる。

【００２５】すなわち、出荷時に含水率５０重量％のも
のを使用する場合は、３０〜４７．５重量％に調整すれ
ばよい。

【００２６】イオン交換樹脂の含水率の調整方法は熱風
乾燥、真空乾燥、塩水脱水、溶媒置換、遠心分離等によ
って調整することができる。本発明を何ら制限するもの
ではないが、具体的な脱水方法の一例を以下に示す。

【００２７】熱風乾燥はアニオン交換樹脂の劣化防止を
考慮して３０〜６０℃の乾燥機の中で行う方法である。
真空乾燥は０．０３〜２０Ｔｏｒｒの真空乾燥機の中で
行う方法である。溶媒脱水及び塩水脱水は、高濃度のメ
タノール、２−プロパノール等の溶媒や食塩水の中にイ
オン交換樹脂を浸した後、遠心分離器、吸引濾過器等を
用いて水切りする方法である。遠心分離は１５００〜２
３００ｒｐｍの遠心力の場に入れて、脱水する方法であ
る。

【００２８】脱水時間は上記脱水率となるように選定さ
れる。また、過度の脱水を行なった場合は、純水をミス
ト状にして吹きかけて、所定の脱水率になるように調整
しても良い。

【００２９】

【実施例】以下に実施例および比較例を挙げて本発明の
効果をより具体的に説明する。

【００３０】図−２に示すセルフレームを製作し、下記
に示すイオン交換樹脂およびイオン交換膜を採用して実
験を行った。１）セルフレームの樹脂充填部の有効寸法高さ（Ｈ）：４００ｍｍ、幅（Ｗ）：２００ｍｍ、厚み
（Ｄ）：５．３ｍｍ有効容積量＝４２４ｃｃ２）イオン交換樹脂（混合して基準形（塩型）で使用）アニオン交換樹脂：三菱化学（株）製ダイヤイオンＳ
Ａ１０Ａカチオン交換樹脂：三菱化学（株）製ダイヤイオンＳ
Ｋ１Ｂ混合体積比（基準形）：アニオン：カチオン＝６：４出荷時（即ち、購入時）の含水率を測定したところ、混
合状態で５０％であった。３）イオン交換膜アニオン交換膜：（株）トクヤマ製ネオセプタＡＨＡカチオン交換膜：（株）トクヤマ製ネオセプタＣＭＢ

【００３１】［比較例１］上記イオン交換樹脂をメスシ
リンダーを用いて水溶液中で５００ｃｃ採取し、１５０
０ｒｐｍで３０分間、遠心脱水機で水切りを行った後、
１Ｌビーカーの中に入れ、３日間６０℃乾燥機の中に放
置した。

【００３２】この樹脂の含水率を測定したところ、１５
％であり、脱水率は７０％であった。この乾燥により、
イオン交換樹脂体積は約３０％減少した（５００ｃｃ→
３５２ｃｃ）。湿潤時の体積膨潤を考慮して、乾燥状態
で２４０ｃｃのイオン交換樹脂を、片面のみイオン交換
膜を接着したセルフレームの樹脂収容部分に充填しよう
と試みた。

【００３３】イオン交換膜の上にイオン交換樹脂をのせ
た時、イオン交換膜が急激に収縮をはじめ、セルフレー
ムが歪んだ。そのまま継続してイオン交換樹脂を所定量
充填した後にイオン交換膜を貼り付け、純水を通水し
た。

【００３４】イオン交換膜を片面剥がして観察したとこ
ろ、収容部にはイオン交換樹脂が満たされ、空隙部は見
当たらなかった。しかし、イオン交換膜を顕微鏡観察し
た結果、クラックが発生しているのが確認された。これ
はセルフレームに固定されたイオン交換膜内の水分がイ
オン交換樹脂によって吸水され、収縮が起こったためと
考えられる。また、イオン交換樹脂についても顕微鏡観
察したところ、亀裂が生じていた。これは乾燥した樹脂
に水分を急激に与えたため、イオン交換樹脂の膨潤が一
瞬にして生じ、架橋部分が切れてしまったためと考え
る。

【００３５】［比較例２］比較例１と同じイオン交換樹
脂を乾燥することなく、出荷時の状態での充填を試み
た。

【００３６】前述のように出荷時のイオン交換樹脂の含
水率は混合状態で５０％であった。湿潤時（満水時）で
の体積を測定したところ、体積の減少は見られなかっ
た。容積量に相当する４２４ｃｃの樹脂を片面のみイオ
ン交換膜を接着したセルフレームの樹脂収容部分に充填
を試みたが、約３００ｃｃしか充填できなかった。これ
は樹脂表面に水分を含み、樹脂同士が絡みつき合って、
空隙率が高くなるためである。

【００３７】組立後に純水を通水したところ、樹脂層高
は所定値に対して２／３程度まで落ちてしまい、１／３
は空隙部になってしまった。

【００３８】解体後、イオン交換膜およびイオン交換樹
脂のクラック等の破損は見当たらなかった。

【００３９】［実施例１］イオン交換樹脂をメスシリン
ダーを用いて水溶液中で５００ｃｃ採取し、１５００ｒ
ｐｍで３０分間、遠心脱水機で水切りを行った後、１Ｌ
ビーカーの中に入れ、１日間６０℃乾燥機の中に放置し
た。この樹脂の含水率を測定したところ、３５％であっ
た。すなわち、出荷時の水分のうち３０％の水分が脱水
された。この乾燥により、イオン交換樹脂の体積は約１
０％減少した（５００ｃｃ→４５０ｃｃ）。湿潤時の体
積膨潤を考慮して、乾燥状態で３８２ｃｃのイオン交換
樹脂を、片面のみイオン交換膜を接着したセルフレーム
の樹脂収容部分に充填を試みた。イオン交換膜を片面剥
がして観察したところ、収容部にはイオン交換樹脂が満
たされ、空隙部は見当たらず、問題なく充填できた。

【００４０】解体して観察したところ、イオン交換膜お
よびイオン交換樹脂にクラック等の破損は見当たらなか
った。

【００４１】これらの試験結果を表１にまとめて示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】表１の通り、実施例１によれば、イオン交
換樹脂及びイオン交換膜に影響を与えることなく、イオ
ン交換樹脂をスムーズに充填できる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によると、イ
オン交換樹脂を軽度に水分除去してから電気脱イオン装
置に充填するため、イオン交換樹脂及びイオン交換樹脂
に悪影響を与えることなくイオン交換樹脂を電気脱イオ
ン装置に充填することができる。このイオン交換樹脂
は、表面の自由水が除去された状態となっているため、
イオン交換樹脂同士が絡みにくい。そのため、所定量の
樹脂を容易に充填できる。また、この軽度に水分除去し
たイオン交換樹脂を室の容積に対して８５〜９５％の量
だけ充填すれば、通水時に膨潤して室内部に密に充填す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気的脱イオン装置の一般的な構成を示す分解
斜視図である。

【図２】脱塩室及び濃縮室の構成を示す斜視図である。

【図３】従来の電気脱イオン装置を示す模式的な断面図
である。

【符号の説明】

４アニオン交換膜５，７フレーム７Ｍメッシュ５Ｒイオン交換樹脂６カチオン交換膜３１陽極３２陰極３３アニオン交換膜３４カチオン交換膜３５濃縮室３６脱塩室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森部隆行東京都新宿区西新宿三丁目４番７号栗田工業株式会社内Ｆターム(参考） 4D006 GA17 HA47 JA30C JA44A KA31 KE30R MA03 MA13 MA14 MB07 PA01 PB02 PC02 PC11 PC31 PC42 4D056 EA01 EA03 EA08 4D061 DA01 DB13 DB18 EA09 EB13 EB19 EB22 FA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陰極と陽極の間にカチオン交換膜とアニ
オン交換膜とが配列されることにより濃縮室と脱塩室と
が形成され、少なくとも該脱塩室にイオン交換樹脂が充
填されてなる電気脱イオン装置を組み立てる方法におい
て、該イオン交換樹脂を充填するに際し、該イオン交換樹脂
の製品出荷時に含まれている水分のうちの５〜４０％の
水分を該イオン交換樹脂から除去した後、該イオン交換
樹脂の充填を行うことを特徴とする電気脱イオン装置の
組立方法。
【請求項２】請求項１において、前記水分を除去した
イオン交換樹脂の充填量は、該イオン交換樹脂を充填す
べき室の体積の８０〜９５％であることを特徴とする電
気脱イオン装置の組立方法。
【請求項３】請求項１又は２において、該イオン交換
樹脂からの水分の除去を、熱風乾燥、真空乾燥、塩水脱
水、溶媒置換、及び遠心分離の少なくとも１つにより行
うことを特徴とする電気脱イオン装置の組立方法。