JP2006159064A - 電気式脱イオン液製造装置及び脱イオン液の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオン交換膜を使用することなく、装置構造を従来のものより更に一層簡略化すると共に、スケールの発生を防止できる電気式脱イオン液製造装置及び脱イオン液の製造方法を提供すること。
【解決手段】 イオン交換体が充填された脱塩領域１ｃと、脱塩領域１ｃのイオン排除側に隣接して配設される被処理液の一部が透過する液透過領域２ａ、３ｂと、脱塩領域１ｃと液透過領域の両側に配設される電極４ａ、４ｂと、被処理液を通液する被処理液流入管１１と、液透過領域２ａ、３ｂから透過した液を排出する電極室６、７と、脱塩領域１ｃから脱塩液を排出する脱塩液流出管１４と、を少なくとも備えるものであって、液透過領域２ａ、３ｂには多孔質イオン交換体が装填される電気式脱イオン液製造装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は、脱イオン液を用いる半導体製造工業、製薬工業、食品工業、発電所、研究所等の各種の工業あるいは糖液、ジュース、ワイン等の製造等で使用されるイオン交換膜を使用することなく、装置構造を簡略化した電気式脱イオン液製造装置及び脱イオン液の製造方法に関するものである。

従来の電気式脱イオン液製造装置は、基本的には陽イオン交換膜と陰イオン交換膜で形成される隙間に、イオン交換体としてアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂層を充填して脱イオン室とし、当該イオン交換樹脂層に被処理液を通過させるとともに、前記両イオン交換膜を介して被処理液の流れに対して垂直方向に直流電流を作用させて、両イオン交換膜の外側に流れている濃縮液中に被処理液中のイオンを電気的に排除しながら脱イオン液を製造するものである。このような電気式脱イオン液製造装置は、脱イオン室を多数並列配設し、各濃縮室及び電極室に脱塩室とは別の独立した流路を形成する必要があるため、装置構造が複雑であり、製造コストを上昇させる。

一方、特開２００３−３３４５６０号公報には、モノリス状有機多孔質イオン交換体（本明細書中、以下、単に「モノリス」とも言う。）を充填した脱イオン室を有し、該脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該モノリスに吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該モノリス内における通水方向に対して逆向きに泳動するように行えば、脱イオン室を多数並列配設する必要がなく、装置の構造を簡略化でき、材料費、加工費、組み立て費を軽減させることが開示されている。
特開２００３−３３４５６０号公報（請求項１、段落番号００３０）

しかしながら、近年、合理化及び製造コストの更なる低減の要求は止まることを知らず、電気式脱イオン液製造装置においても更なる改善が望まれていた。なお、特開２００３−３３４５６０号公報の段落番号００３０には脱イオン室に充填するモノリスとして、モノリスとメソポアの平均径が１μｍ未満のモノリスを組み合わせて用いることで、イオン交換膜を省略することができることが記載されているが、メソポアの平均径が１μｍ未満のモノリスはイオンは透過するものの、水はほとんど透過しないため、イオン交換膜と同様の作用を奏し、電極室又は濃縮室には、別途、電極水又は濃縮水を供給する必要があった。すなわち、従来、脱塩領域におけるイオン交換体のイオン排除側に、イオン交換膜を使用することなく、イオンの透過機能と水の透過機能を有する多孔質イオン交換体を設ければ、装置構造が簡略化できると共に、スケールの発生を防止できるという発想は全く無かった。

従って、本発明の目的は、イオン交換膜を使用することなく、装置構造を従来のものより更に一層簡略化すると共に、スケールの発生を防止できる電気式脱イオン液製造装置及び脱イオン液の製造方法を提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、イオン交換体が充填された脱塩領域と、脱塩領域のイオン排除側に隣接して配設される被処理液の一部が透過する液透過領域とを備えた電気式脱イオン液製造装置において、脱塩領域に導入する被処理液の一部を、液透過領域に通過せしめて、電気泳動的に排除されるイオン性不純物とともに電極室又は濃縮室に排出する構造とすれば、イオン交換膜を使用することなく、装置構造を従来のものより更に一層簡略化したものとすることができ、また液透過領域においては、透過する被処理液の希釈効果によりスケールの発生を防止することができること等を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、イオン交換体が充填された脱塩領域と、該脱塩領域のイオン排除側に隣接して配設される被処理液の一部が透過する液透過領域と、該脱塩領域と該液透過領域の両側に配設される電極と、被処理液を通液する被処理液流入管と、該液透過領域から透過した液を排出する電極室又は濃縮室と、該脱塩領域から脱塩液を排出する脱塩液流出管と、を少なくとも備えるものであって、該液透過領域には多孔質イオン交換体が装填されることを特徴とする電気式脱イオン液製造装置を提供するものである。

また、本発明は、イオン交換体が充填された脱塩領域に被処理液を通液して、該被処理液中のイオン性不純物を吸着除去して脱塩液を得、かつ、該脱塩領域に電場を印加して、吸着されたイオン性不純物を、電気的泳動により排除する電気式脱イオン液製造装置において、少なくとも該脱塩領域のイオン排除側に隣接して配設される多孔質イオン交換体に、該脱塩領域に導入する被処理液の一部を通過せしめて、前記電気泳動的に排除されるイオン性不純物とともに電極室又は濃縮室に排出することを特徴とする脱イオン液の製造方法を提供するものである。

本発明の電気式脱イオン液製造装置及び脱イオン液の製造方法によれば、イオン交換膜を使用することなく、装置構造を従来のものより更に一層簡略化したものとすることができ、また液透過領域においては、透過する被処理液の希釈効果によりスケールの発生を防止することができる。

本発明の電気式脱イオン液製造装置（以下、単に「ＥＤＩ」とも言う。）において、脱塩領域に充填されるイオン交換体としては、特に制限されず、従来のＥＤＩの脱塩室に充填されるイオン交換体を用いることができ、例えばモノリス、粒状イオン交換樹脂及びモノリスと粒状イオン交換樹脂の混合体等が挙げられる。このうち、モノリスとしては、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１０００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１〜５０ｍｌ/ｇ 、好ましくは４〜２０ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上のものが挙げられる。また、該モノリスの通液抵抗は、液透過領域に装填される多孔質イオン交換体の通液抵抗より小さくする。該多孔質イオン交換体がモノリスの場合、そのメソポアの平均径を脱塩領域に装填されるモノリスのメソポア平均径より小とする。これにより、液透過領域に装填される多孔質イオン交換体に対して通液抵抗を低減させることが容易であり、別途の特段の流路分配手段を設けるまでもなく、被処理液のほとんどを脱塩領域に流すことができる。モノリスのその他の物性及びその製造方法は、例えば特開２００３−３３４５６０号公報に開示されている。

液透過領域は、多孔質イオン交換体が装填されたものであって、脱塩領域のイオン排除側に隣接して配設され、被処理液の一部が透過すると共に電気泳動的に排除されるイオン性不純物が透過する領域である。液透過領域に装填される多孔質イオン交換体としては、形状を保持し、電気泳動的にイオンを排除すると共に、被処理液の一部を透過せしめるものであれば、特に制限されるものではないが、例えばモノリス、繊維状多孔質イオン交換体及び粒子凝集型多孔質イオン交換体等が挙げられ、このうち、モノリスが、イオン交換基が均一に分布し、イオン排除がすみやかに行われることから好ましい。

繊維状多孔質イオン交換体としては、例えば特開平５−６４７２６号公報に記載の単繊維や単繊維の集合体である織布及び不織布、さらにこれらの加工品に放射線グラフト重合を利用してイオン交換基を導入し、加工成形したものが挙げられる。また、粒子凝集型多孔質イオン交換体としては、例えば特開平１０−１９２７１６号公報、特開平１０−１９２７１７号公報に記載の熱可塑性ポリマーと熱硬化性ポリマーの混合ポリマー、あるいは架橋性ポリマーを用いてイオン交換樹脂粒子を結合し、加工成形したものが挙げられる。

液透過領域に装填されるモノリスは、脱塩領域のイオン交換体として例示されるモノリスと同様のものであるが、後述するように、透過液の流路に流量調節手段を配設しない場合、当該モノリスは、脱塩領域で使用されるモノリスに比べて、メソポアの平均径が小さいものである。具体的には互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１００μｍ、好ましくは１〜２０μｍであって、脱塩領域で使用されるモノリスのメソポアより小さいメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１〜５０ｍｌ/ｇ、好ましくは１〜１０ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上のものが挙げられる。このようなメソポアの平均径が小さいモノリスは、製造する際、界面活性剤の添加量を多くする、攪拌を激しくする等の方法により得ることができる。流量調節手段としては、流量調節弁、オリフィス等が挙げられる。

従来、脱塩領域のイオン排除側にはイオン交換膜が付設されていたが、被処理水中の硬度成分濃度及び印加する電流密度によっては、濃縮室側のイオン交換膜面でのスケール発生が問題となっていた。これに対して、本発明の液透過領域は、一部の被処理液が透過するため、その希釈効果によりスケールの発生を防止することができる。また、液透過領域を透過した液は、イオン性不純物を含んでそのまま電極室又は濃縮室に流れるため、別途の電極液又は濃縮液を供給する必要もなくなる。イオン排除側は、カチオン性不純物を排除する場合、脱塩領域の陰極側であり、アニオン性不純物を除去する場合、脱塩領域の陽極側であり、カチオン性不純物及びアニオン性不純物を同時に除去する場合、陰極側と陽極側の双方である。

液透過領域に装填される多孔質イオン交換体の通液抵抗は、脱塩領域に充填されるイオン交換体の通液抵抗より大きいものが、別途の特段の流路分配手段を設けることなく、脱塩領域に流入した被処理液の大部分が脱塩領域から脱イオン液として脱塩領域から流出し、被処理液の一部が液透過領域に透過する点で好ましい。なお、液透過領域から透過した流出液の流路に流量調節手段を配設すれば、該流量調節手段によって、透過液と脱イオン液の流量をより所望の割合に調整することができる。液透過領域から透過した流出液の流路に流量調節手段を配設する場合、液透過領域に装填される多孔質イオン交換体の通液抵抗は、脱塩領域に充填されるイオン交換体の通液抵抗と同じであってもよい。例えば、脱塩領域及び液透過領域共に、モノリスを使用する場合、脱塩領域及び液透過領域に亘る形状に加工された単一モノリスを使用することができる。これによれば、脱塩領域用モノリスと液透過領域用モノリスをそれぞれ個別に製造する必要がない点で都合が良い。被処理液の流量に対する液透過領域を透過する透過液の流量比率は、例えば２〜３０％、好ましくは４〜３０％である。この比率が２％未満であると、希釈効果が低下しスケール発生を防止することが難しくなり、３０％を超えると、脱塩液の収量が低下する点で好ましくない。

脱塩領域のイオン排除側に液透過領域を隣接して配設する形態としては、特に制限されないが、モノリス同士が隣接して配設される形態が、イオン排除が速やかに行われる点で好ましい。モノリス同士が隣接して配設される場合、配設脱塩領域用のモノリスと液透過領域用のモノリスを、電場の印加方向において、その端面同士を密着して配設する。また、モノリスとイオン交換樹脂を隣接して配設する形態、あるいは脱塩領域におけるモノリスとイオン交換樹脂の混合体は、モノリスはスポンジ状であるため、両者は混ざることなく、それぞれの相を形成することができる。

本発明の電気式脱イオン液製造装置において、アニオンセル又はカチオンセルの場合、脱塩領域のイオン排除側とは反対側に隣接して配設されるものとしては、被処理液の他の一部が透過する他の液透過領域であってもよく、また従来通りのイオン交換膜であってもよい。この液透過領域を配設する場合、この液透過領域から透過した液は電極室又は濃縮室に流れ込む。これにより、イオン交換膜が全く不要となるため、装置構造が簡略化でき、製造コストを低減することができる。また、イオン交換膜を配設する場合、従来のＥＤＩと同様に、該イオン交換膜に隣接する電極室又は濃縮室には、別途、電極液又は濃縮液を流すことになる。他の液透過領域に装填される多孔質イオン交換体としては、前記液透過領域に装填される多孔質イオン交換体と同様のものが挙げられる。

次に、本発明の第１の実施の形態における電気式脱イオン液製造装置の一例を図１を参照して説明する。図１は被処理液中のカチオン性不純物を除去するカチオンセル（図中、（Ａ））とアニオン性不純物を除去するアニオンセル（図中、（Ｂ））を用いる２セルタイプのＥＤＩの模式図である。

図１中、電気式脱イオン液製造装置１０は、カチオンセル１０ａとアニオンセル１０ｂからなる。カチオンセル１０ａは、カチオン交換体が充填された脱カチオン領域１ａと、脱カチオン領域１ａのイオン排除側（陰極側）に隣接して配設される被処理液の一部が透過する液透過領域２ａと、脱カチオン領域１ａの陽極側に隣接して配設される被処理液の他の一部が透過する液透過領域３ａと、脱カチオン領域１ａ、液透過領域２ａ及び液透過領域３ａの両側に配設される陽極４ａ、陰極４ｂと、脱カチオン領域１ａに被処理液を通液する被処理液流入管１１と、液透過領域２ａから透過した液が流入する陰極室６と、液透過領域３ａから透過した液が流入する陽極室７と、脱カチオン領域１ａから脱カチオン液を排出する脱カチオン液流出管１２とを備える。

カチオンセル１０ａは、従来のカチオンセルにおいて、脱塩室両側に付設されるイオン交換膜を省略し、該イオン交換膜部分にカチオンモノリスが装填された液透過領域を付設したものである。従って、カチオンセル１０ａは、脱カチオン領域１ａ、液透過領域２ａ及び液透過領域３ａ、電極を所定の位置に配設できる極めて簡易な構造の部材から形成することができ、イオン交換膜による隔離によって脱塩室、濃縮室及び電極室を形成するため、複雑な構造の枠体を多数積層する従来の電気式脱イオン液製造装置に比して、部材費、組立費を格段に削減することができる。更に本例の電気式脱イオン液製造装置では、液透過領域２ａ及び液透過領域３ａより透過した液が濃縮液又は電極液となるため、従来の電気式脱イオン液製造装置のように該液の流入経路を被処理液流入経路とは別個に設ける必要がない。従って、本例の電気式脱イオン液製造装置では、この点からも部材費、組立費を低減できると共に、継ぎ手、配管、部材接合部の削除から、被処理液漏洩の可能性を低減し、装置の安全性や、運転の安定性を向上させることができる。

カチオンセル１０ａにおいて、液透過領域２ａ及び液透過領域３ａを形成するカチオンモノリスの通液抵抗は、脱カチオン領域１ａに充填されるカチオン交換体の通液抵抗より大きくしてある。被処理液は、脱カチオン領域１ａの陰極側近傍から流入させ、処理液は、被処理液の流入口のほぼ対角線上の脱カチオン領域１ａの陽極側近傍から流出させることが、排除されるイオンの流れ方向と脱カチオン領域１ａにおける被処理液の流れ方向が逆方向となり、カチオン交換体を有効に利用し、且つカチオン性不純物Ｘ^＋のリークが無い処理液が得られる点で好ましい。

図１（Ｂ）のアニオンセル１０ｂにおいて、図１（Ａ）のカチオンセル１０ａと同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について説明する。すなわち、アニオンセル１０ｂにおいて、カチオンセル１０ａと異なる点は、脱塩領域にアニオン交換体を充填し、液透過領域２ｂ及び液透過領域３ｂにはアニオンモノリスを装填した点、被処理液は脱アニオン領域１ｂの陽極側近傍から流入させ、処理液は、被処理液の流入口のほぼ対角線上の脱アニオン領域１ｂの陰極側近傍から流出させた点である。そして、カチオンセル１０ａの脱カチオン液流出管１２とアニオンセル１０ｂの被処理液流入管１３を連結している。アニオンセル１０ｂもカチオンセル１０ａ同様、極めて簡易な構造である。

次に、電気式脱イオン液製造装置１０を用いた脱塩液の製造方法について説明する。被処理液を被処理液流入管１１から脱カチオン領域１ａに流入させる。脱カチオン領域１ａに流入した被処理液は、液透過領域２ａ及び液透過領域３ａを形成するカチオンモノリスの通液抵抗が、脱カチオン領域１ａに充填されるカチオン交換体の通液抵抗より大きいため、被処理液の大部分が脱カチオン領域１ａを流通し、その一部が液透過領域２ａ及び液透過領域３ａを透過する。液透過領域２ａを透過した透過液は、電気泳動的に排除されるカチオン性不純物Ｘ^＋とともに陰極室６に陰極液として排出される。液透過領域２ａにおいては、常に被処理液の一部が透過しており、希釈効果によりスケール発生を防止する。また、液透過領域３ａを透過した透過液は、陽極室７に陽極液として排出される。図中、脱カチオン領域１ａにおける流路１７は模式的に示したものであるが、実際の流れも、概ねこのような流れとなる。

次いで、カチオン性不純物が除去された被処理液を被処理液流入管１３から脱アニオン領域１ｂに流入させる。脱アニオン領域１ｂに流入した被処理液は、液透過領域２ｂ及び液透過領域３ｂを形成するアニオンモノリスの通液抵抗が、脱アニオン領域１ｂに充填されるアニオン交換体の通液抵抗より大きいため、被処理液の大部分が脱アニオン領域１ｂを流通し、その一部が液透過領域２ｂ及び液透過領域３ｂを透過する。液透過領域２ｂを透過した透過液は、電気泳動的に排除されるアニオン性不純物Ｙ⁻とともに陽極室７に陽極液として排出される。液透過領域２ｂにおいては、カチオンセル１０ａと同様、常に被処理液の一部が透過しており、希釈効果によりスケール発生を防止する。また、液透過領域３ｂを透過した透過液は、陰極室６に陰極液として排出される。図中、脱アニオン領域１ｂにおける流路１８は模式的に示したものであるが、実際の流れも、概ねこのような流れとなる。

カチオンセル１０ａとアニオンセル１０ｂからなる２セルタイプの電気式脱イオン液製造装置１０によれば、カチオンセル１０ａ及びアニオンセル１０ｂ共に、イオン交換膜を全く使用していないため、装置構造が極めて簡略化でき、製作コストも低減できる。また、カチオンセル１０ａの陰極側の液透過領域２ａ及びアニオンセル１０ｂの陽極側の液透過領域２ｂにおいては、従来のＥＤＩでは避けることができなかったスケール発生を、透過する被処理液の希釈効果により防止することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態における電気式脱イオン液製造装置の一例を図２を参照して説明する。図２は被処理液中のカチオン性不純物を除去するカチオンセル２０ａ（図中、（Ａ））とアニオン性不純物を除去するアニオンセル２０ｂ（図中、（Ｂ））を用いる２セルタイプの他のＥＤＩの模式図である。図２において、図１と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、図２において、図１と異なる点は、カチオンセル２０ａにおいて、脱カチオン領域１ａの陽極側には、カチオン交換膜５を付設し、脱カチオン領域１ａと陽極室７間に液の透過がないようにした点、アニオンセル２０ｂにおいて、脱アニオン領域１ｂの陰極側には、カチオン交換膜５を付設し、脱アニオン領域１ｂと陰極室６間に液の透過がないようにした点にある。

カチオンセル２０ａとアニオンセル２０ｂからなる２セルタイプの電気式脱イオン液製造装置２０によれば、従来のＥＤＩに比べて、カチオンセル２０ａ及びアニオンセル２０ｂ共に、イオン交換膜を半減できるため、装置構造が簡略化でき、製作コストも低減できる。また、カチオンセル２０ａの陰極側の液透過領域２ａ及びアニオンセル２０ｂの陽極側の液透過領域２ｂにおいては、従来のＥＤＩでは避けることができなかったスケール発生を、透過する被処理液の希釈効果により防止することができる。また、カチオンセル２０ａの陽極液及びアニオンセル２０ｂの陰極液は、透過領域２ａ、２ｂから透過した透過液を用いれば、別途の送液ポンプ等が省略できる。

次に、本発明の第３の実施の形態における電気式脱イオン液製造装置の一例を図３を参照して説明する。図３はカチオン性不純物とアニオン性不純物を同時に除去する１セルタイプのＥＤＩの模式図である。図３において、図１と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、図３において、図１と異なる点は、セル構造を、単一セル構造のカチオン/アニオンセル３０とした点、脱塩領域１ｃにはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体を充填した点、脱塩領域１ｃの陰極側の液透過領域２ａには、カチオンモノリスを装填し、脱塩領域１ｃの陽極側の液透過領域３ｂには、アニオンモノリスを装填した点にある。

次に、カチオン/アニオンセル３０を用いた脱塩液の製造方法について説明する。被処理液流入管１１を通って脱塩領域１ｃに流入した被処理液は、液透過領域２ａ及び液透過領域３ｂを形成するカチオンモノリス及びアニオンモノリスの通液抵抗が、脱塩領域１ｃに充填される混合イオン交換体の通液抵抗より大きいため、被処理液の大部分が脱塩領域１ｃを流通し、その一部が液透過領域２ａ及び液透過領域３ｂを透過する。液透過領域２ａを透過した透過液は、電気泳動的に排除されるカチオン性不純物Ｘ^＋とともに陰極室６に陰極液として排出される。また、液透過領域３ｂを透過した透過液は、陽極室７に陽極液として排出される。液透過領域２ａ及び液透過領域３ｂにおいては、常に被処理液の一部が透過しており、希釈効果によりスケール発生を防止する。図中、脱塩領域１ｃにおける流路１７は模式的に示したものであるが、実際の流れも、概ねこのような流れとなる。

１セルタイプの電気式脱イオン液製造装置３０によれば、従来のＥＤＩに比べて、イオン交換膜を省略することができるため、装置構造が簡略化でき、製作コストも低減できる。また、カチオン/アニオンセル３０の陰極側の液透過領域２ａ及び陽極側の液透過領域３ｂにおいては、従来のＥＤＩでは避けることができなかったスケール発生を、透過する被処理液の希釈効果により防止することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態における電気式脱イオン液製造装置の一例を図４を参照して説明する。図４はカチオン性不純物とアニオン性不純物を同時に除去する脱塩室を複数個に並列配置したＥＤＩの模式図である。図４において、図１と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、図４において、図１と異なる点は、電極間に配設される脱塩セルの基本構造が相違する点にある。すなわち、陽極室７と陰極室６との間に、陽極側が液透過領域であるアニオンモノリス２ｂで区画され陰極側が液透過領域であるカチオンモノリス２ａで区画された脱塩室１ｄ、１ｄと、陽極側が液透過領域であるカチオンモノリスで区画され陰極側が液透過領域であるアニオンモノリスで区画された濃縮室を有するＥＤＩである。電気式脱イオン液製造装置４０において、脱塩室１ｄ、１ｄの設置個数はこれに限定されず、１個でも、３個以上であってもよい。

次に、電気式脱イオン液製造装置４０を用いた脱塩液の製造方法について説明する。被処理液を被処理液流入管１１から脱塩領域１ｄ、１ｄに流入させる。脱塩領域１ｄ、１ｄに流入した被処理液は、液透過領域２ａ及び液透過領域２ｂを形成するモノリスの通液抵抗が、脱塩領域１ｄ、１ｄに充填される混合イオン交換体の通液抵抗より大きいため、被処理液の大部分が脱塩領域１ｄ、１ｄを流通し、その一部が液透過領域２ａ及び液透過領域２ｂを透過する。液透過領域２ａを透過した透過液は、電気泳動的に排除されるカチオン性不純物Ｘ^＋とともに陰極室６及び濃縮室９に陰極液及び濃縮液として排出される。また、液透過領域２ｂを透過した透過液は、電気泳動的に排除されるアニオン性不純物Ｙ⁻とともに陽極室７及び濃縮室９に陽極液及び濃縮液として排出される。液透過領域２ａ及び液透過領域２ｂにおいては、常に被処理液の一部が透過しており、希釈効果によりスケール発生を防止する。図中、脱塩領域１ｄにおける流路１７は模式的に示したものであるが、実際の流れも、概ねこのような流れとなる。

脱塩室並列配置の電気式脱イオン液製造装置４０によれば、従来のＥＤＩにおいて４枚使用していたイオン交換膜を全て省略することができるため、装置構造が簡略化でき、製作コストも低減できる。また、脱塩領域１ｄ、１ｄの陰極側の液透過領域２ａ及び陽極側の液透過領域２ｂにおいては、従来のＥＤＩでは避けることができなかったスケール発生を、透過する被処理液の希釈効果により防止することができる。

次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。

（液透過領域用カチオンモノリスの製造）
スチレン４６．３ｇ、ジビニルベンゼン２．４ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．３ｇ及びソルビタンモノオレエート３．１ｇを混合し、均一に溶解させた。次に、当該スチレン／ジビニルベンゼン／アゾビスイソブチロニトリル／ソルビタンモノオレエート混合物を１８０ｍｌの純水に添加し、遊星式攪拌装置を用いて（公転／自転）=（１８００ｒｐｍ／６００ｒｐｍ）で５分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで１２時間ソックスレー抽出し、未反応モノマーとソルビタンモノオレエートを除去した。その後、８５℃で一昼夜減圧乾燥した。このようにして得られたスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を３．３モル％含有した多孔質体を切断して１６．６ｇ採取し、これにジクロロメタン９００ｍｌを加え、３５℃で１時間加熱した後、０℃まで氷冷し、クロロスルホン酸８８．０ｇを徐々に加え、クロロスルホン酸添加終了後、昇温して３５℃で２４時間反応させた。その後、メタノールで反応物を洗浄し、水洗して多孔質陽イオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で４．５ｍｇ当量/ ｇであり、ＥＰＭＡを用いた硫黄原子のマッピングにより、スルホン酸基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体（液透過領域用カチオンモノリス）の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０．０μm のマクロポアの大部分が重なり合い、マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値を水銀圧入法で求めたところ、直径の平均値は８．５μm 、全細孔容積は、２．７ｍｌ/ｇであった。

（脱カチオン領域用カチオンモノリスの製造）
スチレン１９．２ｇ、ジビニルベンゼン１．０ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．３ｇ及びソルビタンモノオレエート１．１ｇを混合し、均一に溶解させた。次に、当該スチレン／ジビニルベンゼン／アゾビスイソブチロニトリル／ソルビタンモノオレエート混合物を１８０mlの純水に添加し、遊星式攪拌装置を用いて（公転／自転）=（１０００ｒｐｍ／３３０ｒｐｍ）で２分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで１２時間ソックスレー抽出して未反応モノマーとソルビタンモノオレエートを除去した。その後、８５℃で一昼夜減圧乾燥した。このようにして得られたスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を３．３モル％含有した多孔質体を切断して７．９ｇ採取し、ジクロロメタン９００ｍｌを加え、３５℃で1時間加熱した後、０℃まで氷冷し、クロロスルホン酸４２．０ｇを徐々に加え、クロロスルホン酸添加終了後昇温して３５℃で２４時間反応させた。その後、メタノールで反応物を洗浄し、水洗して多孔質陽イオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で４．６ｍｇ当量/ ｇであった。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径１００μｍ のマクロポアの大部分が重なり合った構造を有していた。マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値を水銀圧入法で求めたところ、直径の平均値は２９．０μｍ、全細孔容積は、８．６ｍｌ／ｇであった。

（液透過領域用アニオンモノリスの製造）
スチレン４６．３ｇの代わりに、ｐ−クロロメチルスチレン２７．４ｇを用い、ジビニルベンゼン１．６ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．３ｇ、ソルビタンモノオレエート２．０ｇを混合し、均一に溶解させた。次に、当該ｐ−クロロメチルスチレン／ジビニルベンゼン／アゾビスイソブチロニトリル／ソルビタンモノオレエート混合物を１８０ｍｌの純水に添加し、遊星式攪拌装置を用いて（公転／自転）=（１８００ｒｐｍ／６００ｒｐｍ）で５分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで１２時間ソックスレー抽出して未反応モノマーとソルビタンモノオレエートを除去した。その後、８５℃で一昼夜減圧乾燥した。このようにして得られたｐ−クロロメチルスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を５．０モル％含有した多孔質体を切断して１０．７ｇ採取し、テトラヒドロフラン９００ｇを加え６０℃で１時間加熱した後、室温まで冷却し、トリメチルアミン（３０％）水溶液５８．８ｇを徐々に加え、トリメチルアミン水溶液添加終了後昇温して６０℃で６時間反応させた。反応終了後、多孔質体を取り出し、メタノールで洗浄後水洗し、乾燥して多孔質陰イオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で３．６ｍｇ当量／ｇであり、ＳＩＭＳにより、トリメチルアンモニウム基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０μｍのマクロポアの大部分が重なり合った構造を有していた。マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値を水銀圧入法で求めたところ、直径の平均値は７．８μｍ、全細孔容積は４．０ｍｌ／ｇであった。

（脱アニオン領域用アニオンモノリスの製造）
スチレン１９．２ｇの代わりに、ｐ−クロロメチルスチレン１９．２ｇを用い、ジビニルベンゼン１．０ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．３ｇ、ソルビタンモノオレエート２．０ｇを混合し、均一に溶解させた。次に、当該ｐ−クロロメチルスチレン／ジビニルベンゼン／アゾビスイソブチロニトリル／ソルビタンモノオレエート混合物を１８０ｍｌの純水に添加し、遊星式攪拌装置を用いて（公転／自転）=（１０００ｒｐｍ／３３０ｒｐｍ）で２分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで１２時間ソックスレー抽出して未反応モノマーとソルビタンモノオレエートを除去した。その後、８５℃で一昼夜減圧乾燥した。このようにして得られたｐ−クロロメチルスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を５．０モル％含有した多孔質体を切断して６．８ｇ採取し、これにテトラヒドロフラン９００ｇを加え６０℃で１時間加熱した後、室温まで冷却し、トリメチルアミン（３０％）水溶液４３．１ｇを徐々に加え、トリメチルアミン水溶液添加終了後昇温して６０℃で６時間反応させた。反応終了後、多孔質体を取り出し、メタノールで洗浄後水洗し、乾燥して多孔質陰イオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で３．７ｍｇ当量／ｇであった。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径７０μｍ のマクロポアの大部分が重なり合った構造を有していた。マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値を水銀圧入法で求めたところ、直径の平均値は２１．０μｍ、全細孔容積は８．４ｍｌ／ｇであった。

（カチオンセルの作製）
図２に示すような電気式脱イオン液製造装置２０を作製するため、図５に示すようなカチオンセル２０ａを先ず作製した。得られた液透過領域用カチオンモノリス及び脱カチオン領域用カチオンモノリスから、純水湿潤状態でそれぞれ縦（Ｈ）５０ｍｍ、横（Ｗ）４０ｍｍ、厚さ（Ｌ_１）２０ｍｍの２個の直方体２ａ、１１ａを切り出して脱カチオン室に積層充填する充填材を得た。次いで、セル容器２０１内に、陰極室（図中、左側）から順に、液透過領域用カチオンモノリス２ａ及び脱カチオン領域用カチオンモノリス１１ａを密着して装填し、脱カチオン領域用カチオンモノリス１１ａの陽極側の隣接空間にカチオン交換樹脂１２ａ（アンバーライトＩＲ１２０Ｂ、ロームアンドハース社製）８０ｍｌ容量を充填した。セル容器２０１には、図中、脱カチオン領域用カチオンモノリス１１ａが位置する底面に被処理液流入管１１が付設され、カチオン交換樹脂１２ａが位置する陽極側の上面に処理液流出管１２が付設されている。次いで、セル容器２０１の陰極側には陰極室を形成し、更に陰極室の外側面にＳＵＳ３０４製の陰極を配置した。また、カチオン交換樹脂１２ａの陽極側に陽イオン交換膜（Nafion 350；デュポン社製）を密着して配設し、更に、陽イオン交換膜の外側面に白金被膜チタン基板からなる陽極を配置し、適宜ノズルやリード線取り出し口を設けて、カチオンセル２０ａを作製した。なお、簡略化のため、図５中、陽イオン交換膜、電極室及び電極の記載を省略した。

（アニオンセルの作製）
得られた液透過領域用アニオンモノリス及び脱アニオン領域用アニオンモノリスから、純水湿潤状態でそれぞれ縦（Ｈ）５０ｍｍ、横（Ｗ）４０ｍｍ、厚さ（Ｌ_１）２０ｍｍの２個の直方体２ｂ、１１ｂを切り出して脱アニオン室に積層充填する充填材を得た。次いで、セル容器２０２内に、陽極室（図５中、左側）から順に、液透過領域用アニオンモノリス２ｂ及び脱アニオン領域用アニオンモノリス１１ｂを密着して装填し、脱アニオン領域用アニオンモノリス１１ｂの陰極側の隣接空間にアニオン交換樹脂１２ｂ（アンバーライトＩＲＡ４０２ＢＬ、ロームアンドハース社製）８０ｍｌ容量を充填した。セル容器２０２には、図中、脱アニオン領域用アニオンモノリス１１ｂが位置する底面に被処理液（脱カチオン液）流入管１３が付設され、アニオン交換樹脂１２ｂが位置する陰極側の上面に脱塩液流出管１４が付設されている。次いで、セル容器２０２の陽極側には陽極室を形成し、更に陽極室の外側面に白金被膜チタン基板からなる陽極を配置した。また、アニオン交換樹脂１２ｂの陰極側に陽イオン交換膜（Nafion 350；デュポン社製）を密着して配設し、更に、陽イオン交換膜の外側面にＳＵＳ３０４製の陰極を配置し、適宜ノズルやリード線取り出し口を設けて、アニオンセル２０ｂを作製した。

（電気式脱イオン液製造装置２０の作製）
得られたカチオンセル２０ａの処理液流出管１２とアニオンセル２０ｂの被処理液流入管１３を接続し、２つの電極室には他の２つの電極室に透過した透過液の一部をそれぞれ供給するようにした。

（脱イオン液の製造）
得られた電気式脱イオン液製造装置２０に、導電率１３０μS/cmの水を被処理液として流速１５ｌ/ｈで連続通液し、２．５Ａの直流電流をカチオンセルからアニオンセルへ直列で通電したところ、操作電圧は１１０Ｖで、導電率１μS/cmの処理液が流速１０ｌ/ｈで得られた。なお、カチオンセル２０ａで透過した透過液（陰極液）の流速及びアニオンセル２０ｂで透過した透過液（陽極液）の流速はそれぞれ、２．５ｌ/ｈであった。

（アニオン及びカチオン同時処理型セルの作製）
実施例１と同様に作製されたモノリスを用いてカチオン及びアニオン同時処理型セルを作製した。図６に示すような電気式脱イオン液製造装置３０ａを作製するため、実施例１で得られた液透過領域用カチオンモノリス及び液透過領域用アニオンモノリスと脱カチオン領域用カチオンモノリス及び脱カチオン領域用アニオンモノリスから、純水湿潤状態でそれぞれ縦（Ｈ）５０ｍｍ、横（Ｗ）４０ｍｍ、厚さ（Ｌ_１）２０ｍｍの直方体を切り出して、脱カチオン室に積層充填する液透過領域用カチオンモノリス２ａ、脱カチオン領域用カチオンモノリス１１ａ、脱アニオン領域用アニオンモノリス１１ｂ、液透過領域用アニオンモノリス３ｂとした。次いで、図７に示すようなセル容器２０３内に、陰極室（図中、左側）から２ａ、１１ａ、１１ｂ、３ｂの順に密着して装填した。図中、脱カチオン領域用カチオンモノリス１１ａが位置する底面に被処理液流出管１１が付設され、脱アニオン領域用アニオンモノリス１１ｂが位置する陽極側の上面に処理液流出管１４を付設した。また、図７に示すように液透過領域２ａ、３ｂから流出した流出液の流路に流量調整弁１５を付設した。次いで、セル容器２０３の陰極側には陰極室を形成し、更に陰極室の外側面にＳＵＳ製の陰極を配置した。また、陽極側には陽極室を形成し、更に陽極室の外側面には白金被覆チタン基板の陽極を配置し、適宜ノズルやリード線取り出し口を設けて、電気式脱イオン液製造装置３０ａを作製した。なお、簡略化のため、図７中、電極室及び電極の記載を省略した。

（脱イオン液の製造）
得られた電気式脱イオン液製造装置３０ａに、導電率１３０μＳ／ｃｍの水を被処理液として１５Ｌ／ｈで連続通液し、流量調節弁１５で液透過領域用カチオンモノリス２ａと液透過領域用アニオンモノリス３ｂを透過した陰極液及び陽極液の流速をそれぞれ２Ｌ／ｈとし、２．５Ａの直流電源を通電したところ、操作電圧は１００Ｖで、導電率１μＳ／ｃｍの処理液が流速１１Ｌ／ｈで得られた。

本発明の第１の実施の形態例の電気式脱イオン液製造装置の構造を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態例の電気式脱イオン液製造装置の構造を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態例の電気式脱イオン液製造装置の構造を示す模式図である。 本発明の第４の実施の形態例の電気式脱イオン液製造装置の構造を示す模式図である。 図２の電気式脱イオン液製造装置で用いる脱イオン領域及び液透過領域の充填状態を説明する図である。 実施例２の電気式脱イオン液製造装置の構造を示す模式図である。 図６の電気式脱イオン液製造装置で用いる脱イオン領域及び液透過領域の充填状態を説明する図である。

符号の説明

１ａ 脱カチオン領域
１ｂ 脱アニオン領域
１ｃ 脱塩領域
１ｄ 脱塩室
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ 液透過領域
４ａ 陽極
４ｂ 陰極
６ 陰極室
７ 陽極室
９ 脱塩室
１０、２０、３０、３０ａ、４０ 電気式脱イオン液製造装置
１０ａ カチオンセル
１０ｂ アニオンセル
１１、１３ 被処理液流入管
１２ 脱カチオン液流出管
１４ 脱塩液流出管
１５ 流量調節弁
１７、１８ 流路

Claims (8)

1. イオン交換体が充填された脱塩領域と、
   該脱塩領域のイオン排除側に隣接して配設される被処理液の一部が透過する液透過領域と、
   該脱塩領域と該液透過領域の両側に配設される電極と、
   被処理液を通液する被処理液流入管と、
   該液透過領域から透過した液を排出する電極室又は濃縮室と、
   該脱塩領域から脱塩液を排出する脱塩液流出管と、を少なくとも備えるものであって、該液透過領域には多孔質イオン交換体が装填されることを特徴とする電気式脱イオン液製造装置。
2. 前記多孔質イオン交換体の通液抵抗が、該脱塩領域に充填されるイオン交換体の通液抵抗より大きいことを特徴とする請求項１記載の電気式脱イオン液製造装置。
3. 前記多孔質イオン交換体は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１〜５０ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気式脱イオン液製造装置。
4. 前記脱塩領域に充填されるイオン交換体は、一部又は全部が、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１０００μｍであって、且つ該液透過領域に装填されるモノリス状有機多孔質イオン交換体のメソポアの平均径より大きいメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１〜５０ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする請求項３記載の電気式脱イオン液製造装置。
5. 前記液透過領域から透過した流出液の流路の一部又は全部に、流量調節手段を配設することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電気式脱イオン液製造装置。
6. イオン交換体が充填された脱塩領域に被処理液を通液して、該被処理液中のイオン性不純物を吸着除去して脱塩液を得、かつ、該脱塩領域に電場を印加して、吸着されたイオン性不純物を、電気的泳動により排除する電気式脱イオン液製造装置において、少なくとも該脱塩領域のイオン排除側に隣接して配設される多孔質イオン交換体に、該脱塩領域に導入する被処理液の一部を通過せしめて、前記電気泳動的に排除されるイオン性不純物とともに電極室又は濃縮室に排出することを特徴とする脱イオン液の製造方法。
7. 前記多孔質イオン交換体の通液抵抗が、該脱塩領域に充填されるイオン交換体の通液抵抗より大きいことを特徴とする請求項６記載の脱イオン液の製造方法。
8. 前記多孔質イオン交換体は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１〜５０ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする請求項６又は７に記載の脱イオン液の製造方法。

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