JP2007319753A - 脱イオン水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気式脱イオン水製造装置における硬度スケール析出の問題を解消し、かつ、アニオン交換樹脂がＳｉＯ₂ 形になり電気抵抗が上昇することを防止できるようにした、長期間安定して連続使用可能な脱イオン水製造装置を提供する。
【解決手段】直流電圧が印加される電極間に、カチオン交換体が充填され導入されてくる被処理水を脱カチオン水と濃縮水とに分離する脱塩室を形成した電気式脱カチオン水製造手段と、該電気式脱カチオン水製造手段からの流出水が通水されアニオン交換体が充填された少なくとも一つのアニオン交換手段と、を有することを特徴とする脱イオン水製造装置。
【選択図】図８

Description

本発明は、脱イオン水製造装置に関し、とくに、性能低下を防止し得る、電気式脱カチオン水製造手段を用いた脱イオン水製造装置に関する。

脱イオン水を製造する方法として、薬剤による再生が不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造法が実用化されている。例えば、陰極と陽極の間に複数のイオン交換膜で仕切られた脱塩室と濃縮室が交互に設けられ、脱塩室には例えばイオン交換樹脂の混合床が収容され、脱塩室に被処理水を通水して被処理水中のイオンを濃縮室側へと移動させる、電気透析脱イオン装置を用いた連続的脱イオン法である。

上記のような従来の電気式脱イオン水製造装置では、被処理水中に存在するマグネシウムやカルシウムの硬度成分がイオン交換膜上に析出することを防止するため、前段に硬水軟化装置や逆浸透膜分離装置が設置されるのが普通である。原水を硬水軟化装置や逆浸透膜分離装置で処理し、その処理水を電気式脱イオン水製造装置で処理して高度な脱イオン水を製造している。ただし日本国内では、河川水等の硬度成分が欧米諸国に比べて少ないため、硬水軟化装置を設置せずに原水を逆浸透膜分離装置で処理し、その処理水を電気式脱イオン水製造装置へ供給する例が多い。

ところが、従来の電気式脱イオン水製造装置には、次のような問題がある。まず第一の問題として、前述したように硬水軟化装置を設置せずに原水を処理する場合、逆浸透膜分離装置で処理し、その処理水を電気式脱イオン水製造装置へ供給する場合であっても、逆浸透膜分離装置によりその供給水の硬度（Ｃａ、Ｍｇの濃度）は大部分が除去されるが、除去されずに残留する硬度成分が微量ではあるが存在する。

電気式脱イオン水製造装置では、当該装置の脱塩室に被処理水を通水すると、被処理水中の不純物イオンは脱塩室内のイオン交換樹脂に吸着されて高度に脱塩された純水が製造される。一方、脱塩室内のイオン交換樹脂には不純物イオンが吸着されるが、この不純物イオンは直流電流を通電することにより、当該装置の濃縮室へ移動し、濃縮室を流れる濃縮水中に不純物イオンが濃縮される。濃縮された不純物イオンの大部分はＮａ、Ｃｌイオン等であるが、微量の硬度成分（Ｃａ、Ｍｇ）も含まれている。

このような硬度成分はプラスイオンを持つカチオンであり、このカチオンは電気式脱イオン水製造装置に直流電流を通電することによりカソード側へ移動する。ここで濃縮室内のカソード側はアニオン交換膜で仕切られているためカチオンはアニオン交換膜を透過することができず、結果的に濃縮室内のアニオン交換膜表面に硬度成分が濃縮されることとなる。

また、電気式脱イオン水製造装置では直流電流を通電することにより、脱塩室内部で電気分解反応により水が解離してＨ⁺イオンとＯＨ^-イオンが生成する。このアニオン（ＯＨ^-）は電気式脱イオン水製造装置に直流電流を通電することによりアノード側へ移動する。ここで脱塩室内のアノード側はアニオン交換膜で仕切られているので、アニオンはこのアニオン交換膜を透過して濃縮室へ移動する。

このように、アニオン交換膜の濃縮室側表面では、アニオン交換膜を透過できずに濃縮された硬度成分と、脱塩室側からアニオン交換膜を透過してきたＯＨ^-イオンとが存在することとなり、硬度成分がスケールとして析出しやすい条件となる。

ここで発生するＯＨ^-イオンの量は通電した直流電流の電流密度に比例し、電流密度が高いほどＯＨ^-イオンが多くなるため、ｐＨが高くなり硬度成分がスケールとして析出しやすくなる。そして、カルシウムイオンはアルカリ性のとき炭酸カルシウムＣａＣＯ₃・２Ｈ₂Ｏのスケールを生成しやすく、またマグネシウムイオンはアルカリ性のとき、特にｐＨ１０以上のときに水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ)₂のスケールを発生しやすい。電気式脱イオン水製造装置では、アニオン交換膜表面のｐＨが１０から１２にまで上昇すると言われており、アニオン交換膜の濃縮室側表面は、上述の如く極めてスケールが析出しやすい条件になると言える。

本発明者等は、このような条件下で電気式脱イオン水製造装置のアニオン交換膜の濃縮室表面にスケールが析出すると、次のような現象が発生して性能が低下することを見出している。すなわち、アニオン交換膜の濃縮室側表面に硬度成分のスケールが析出すると、アニオン交換膜が破損して濃縮水が処理水中に流入し、処理水が汚染されるおそれが生じる。また、硬度スケール（CaSO₄、CaCO₃等）は導電性が悪いので、硬度スケールが析出すると電気抵抗が高くなる。また、硬度スケールが蓄積すると、通水差圧が増大するおそれも生じる。

第二の問題として、電気式脱イオン水製造装置の脱塩室はイオン交換樹脂の混合床が充填されることが多いが、このような場合、アニオン交換樹脂がシリカ形になることにより電気抵抗が増大することが知られている。この現象は、脱塩室に入ったシリカは樹脂に吸着されるが、樹脂に吸着されたシリカは完全にイオン化していない為に導電性が著しく低下すると考えることができる。そのため、一般的に、電気式脱イオン水製造装置の被処理水としては、シリカ濃度を 0.5〜 1 mg/l 以下にすることが求められている。
特開２００１−１４９７６２号公報

そこで本発明の課題は、このような問題点に着目し、とくにアニオン交換膜表面での硬度スケール析出の問題を解消し、かつ、アニオン交換樹脂がＳｉＯ₂ 形になり電気抵抗が上昇することを防止できるようにした、長期間安定して連続使用可能な脱イオン水製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る脱イオン水製造装置は、直流電圧が印加される電極間に、カチオン交換体が充填され導入されてくる被処理水を脱カチオン水と濃縮水とに分離する脱塩室を形成した電気式脱カチオン水製造手段と、該電気式脱カチオン水製造手段からの流出水が通水されアニオン交換体が充填された少なくとも一つのアニオン交換手段と、を有することを特徴とするものからなる。

すなわち、従来の電気式脱イオン水製造装置（以下、「ＥＤＩ」と略称することもある。）に比べ、ＥＤＩ内部にアニオン交換樹脂を充填せず、これを電気式脱カチオン水製造手段として構成し、その後段に、アニオン交換手段を設けた構成である。ＥＤＩ内部にアニオンセルが無いため、基本的にアニオン交換膜表面での硬度スケール析出の問題は発生せず、また、アニオン交換樹脂がＳｉＯ₂ 形になり電気抵抗が上昇することも防止される。また、この電気式脱カチオン水製造手段はカチオンセルのみを有する構成なので、電気抵抗が少ない。

この本発明に係る脱イオン水製造装置において、上記アニオン交換手段としては、まず、上記電気式脱カチオン水製造手段からの脱カチオン水が通水される脱カチオン水通水アニオン交換手段とすることができる。すなわち、被処理水は、電気式脱カチオン水製造手段により脱カチオン水とされ、次いで、アニオン交換手段によりアニオンが除去されて、目標とする脱イオン水とされる。

この脱カチオン水通水アニオン交換手段に充填されるアニオン交換体は弱アニオン交換体（例えば、弱アニオン交換樹脂）からなることが好ましい。これにより、弱アニオン交換体のｐＨ調整薬品やそのための設備を不要化することが可能である。弱アニオン交換体では、ｐＨ０〜９で酸吸着反応が生じてイオン交換反応が成される。電気式脱カチオン水製造手段による処理水のｐＨは３前後であるため、弱アニオン交換体を充填したアニオン交換手段に通水することで効率よくイオンを除去できる。

また、上記アニオン交換手段として、上記電気式脱カチオン水製造手段からの濃縮水が通水され弱アニオン交換体が充填された濃縮水通水アニオン交換手段を有する構成とすることもできる。これにより、弱アニオン交換体の再生薬品、そのための設備を不要化することが可能である。すなわち、陰極室では、被処理水中のカチオン成分が濃縮されてｐＨが上昇し、ｐＨ１１程度になる。このｐＨ１１程度の濃縮水を、弱アニオン交換体（たとえば、弱塩基性アニオン交換樹脂）に通水することで再生することができる。これは、弱アニオン交換体は塩基度が低いのでイオンの捕捉力が弱いためである。よって、アニオン交換手段に弱アニオン交換体が充填されている場合には、電気式脱カチオン水製造手段からの濃縮水により再生することが可能になる。

もちろん本発明に係る脱イオン水製造装置では、上記アニオン交換手段が、上記電気式脱カチオン水製造手段からの脱カチオン水が通水される弱アニオン交換体が充填された脱カチオン水通水アニオン交換手段と、上記電気式脱カチオン水製造手段からの濃縮水が通水される弱アニオン交換体が充填された濃縮水通水アニオン交換手段とからなる構成、すなわち、脱カチオン水が通水される脱カチオン水通水アニオン交換手段と、濃縮水が通水される濃縮水通水アニオン交換手段の両方が設けられた構成を採ることができる。

この場合、上記電気式脱カチオン水製造手段における前記電極が、その陽極と陰極の極性を反転可能に構成されていることが好ましい。このように構成すれば、電極の極性反転に伴い、上記脱カチオン水通水アニオン交換手段を上記濃縮水通水アニオン交換手段に、上記濃縮水通水アニオン交換手段を上記脱カチオン水通水アニオン交換手段に、切替可能に構成することができる。切替可能に構成することにより、脱カチオン水通水アニオン交換手段によって脱イオン水を採水している間に、濃縮水通水アニオン交換手段側では弱アニオン交換体の再生を行うことができ、これを交互に行うことで、再生薬品を使用することなく、連続的に脱イオン水を製造することが可能になる。

このような本発明に係る脱イオン水製造装置は、複数セット並設されている構成を採用することができる。このような併設構成とすれば、例えば、仮に一方の脱イオン水製造装置が何らかの理由で運転不能になった場合、それを停止して、あるいは、他の脱イオン水製造装置へ運転を切り替えて、交換や洗浄等に供することができ、システム全体としては連続運転を続行することが可能となる。

本発明に係る脱イオン水製造装置においては、上記カチオン交換体としては、カチオン交換樹脂または連続気泡構造を有するモノリス状有機多孔質カチオン交換体、あるいはそれらを組み合わせた構成のいずれも使用できる。

また、上記アニオン交換体としても、アニオン交換樹脂または連続気泡構造を有するモノリス状有機多孔質アニオン交換体、あるいはそれらを組み合わせた構成のいずれも使用できる。

また、上記電気式脱カチオン水製造手段の構造としては、各種の形態を採り得る。最も簡単には、カチオン交換体が充填された単セル（１セル）型の脱塩室を形成した形態とすることができる。また、上記電極間に実質的に２つの脱塩室が並設されて形成された対称セル型の電気式脱カチオン水製造手段とすることもできる。

対称セル型の電気式脱カチオン水製造手段とする場合、並設された２つの脱塩室間に被処理水の導入路が形成されている構造とすることができる。また、電極間に直流電圧を印加する方向と、脱塩室室内における水流の方向とが、実質的に直交している構成とすることもできるし、電極間に直流電圧を印加する方向と、脱塩室室内における水流の方向とが、実質的に並行である構成とすることもできる。

さらに、本発明に係る脱イオン水製造装置においては、上記電気式脱カチオン水製造手段の電極間に、上記カチオン交換体に加えカチオン交換膜およびアニオン交換膜が介在されている構成とすることもできる。

このように、本発明に係る脱イオン水製造装置によれば、使用するＥＤＩを内部にアニオン交換樹脂を充填しない電気式脱カチオン水製造手段とすることにより、アニオン交換膜表面での硬度スケール析出の問題を解消でき、かつ、従来装置におけるアニオン交換体がＳｉＯ₂ 形になり電気抵抗が上昇することを防止することができ、長期間安定して連続的に脱イオン水製造を行うことができる。また、後段のアニオン交換手段に充填されるアニオン交換体を弱アニオン交換体とし、そこに電気式脱カチオン水製造手段からの濃縮水を通水できるようにすることにより、再生薬品を使用せずに弱アニオン交換体を再生することも可能になる。さらに、電気式脱カチオン水製造手段からの脱カチオン水が通水される脱カチオン水通水アニオン交換手段と、濃縮水が通水される濃縮水通水アニオン交換手段の両方が設けられた構成とし、電極の極性を切り替えてこれらアニオン交換手段の機能を交互に切り替えることができるようにすることにより、より長期間安定して連続的に脱イオン水製造を行うことができる。これらの効果により、本発明は、頻繁にメンテナンスを行うことが難しい水処理装置、例えば、家庭用、或いは、車載用の水処理装置や燃料電池用の水処理装置に特に好適に用いることができる。

また、本発明によれば、アニオン交換手段に弱アニオン交換体が充填されている場合には、被処理水のシリカ濃度が高い場合でも安定して連続的に処理できる。そのため、逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置の濃縮水の脱炭酸処理や、シリカ濃度の高い被処理水からシリカ以外のイオン性の物質を連続的に除去する用途（例えばシリカ計の前処理）にも、好適に使用することができる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、図１〜図５に、本発明に係る脱イオン水製造装置の代表的なフローの例を示す。図１に示す脱イオン水製造装置１は、導入されてくる被処理水（原水）２を脱カチオン水３と濃縮水４とに分離する１セルの脱塩室を形成した１セル型カチオン水製造手段（１セル型カチオンＥＤＩ）５と、１セル型カチオンＥＤＩ（５）からの脱カチオン水３が通水される、アニオン交換体としてのアニオン交換樹脂が充填されたアニオン樹脂塔６を有し、アニオン樹脂塔６から脱イオン水７が取り出される。図２に示す脱イオン水製造装置１１は、図１に示したものに比べ、弱アニオン交換樹脂が充填された弱アニオン樹脂塔１２としたものである。この場合、濃縮水４は、弱アニオン樹脂塔１２再生用に貯留しておくことができる。図３に示す脱イオン水製造装置１３は、図２に示したものに比べ、濃縮水４を弱アニオン樹脂塔１４再生用に通水する形態を示している。図４に示す脱イオン水製造装置１５は、脱カチオン水３を弱アニオン樹脂塔１２に通水し（採水中）、濃縮水４を別の弱アニオン樹脂塔１４再生用に通水（再生中）している形態を示しており、弱アニオン樹脂塔１４からは使用済濃縮水１６が排出される。図４に示すように、１セル型カチオンＥＤＩ（５）を併設し、一方の１セル型カチオンＥＤＩ（５）は脱イオン水製造のために採水し、他方の１セル型カチオンＥＤＩ（５）は、スケール除去等のために交換や洗浄に供することができるようにしてもよい（併設する１セル型カチオンＥＤＩ（５）については配管等を省略してある）。スケール洗浄方法としては、ＥＤＩの電極の極性を反転して、循環運転することもできるし、酸洗浄や薬品洗浄に供することもできる。スケール洗浄終了は、電流値や電圧値で判定可能である。図５に示す脱イオン水製造装置１７では、脱塩室が併設された（対称配置された形態を含む）、図４に示したものに比べ、２セル型カチオンＥＤＩ（１８）とされている。なお、上記各フローにおけるアニオン樹脂塔には、アニオン樹脂に代えて、あるいはアニオン樹脂とともに、連続気泡構造を有するモノリス状有機多孔質アニオン交換体を充填してもよい。

本発明に係る脱イオン水製造装置の主としてカチオンＥＤＩの内部構造の各種形態について、図６〜図１６を参照して説明する。なお、図６〜図１６においては、アニオン樹脂塔を弱アニオンカラムと表記してある。図６に示す１セル型カチオンＥＤＩ（２１）においては、脱塩室２２内にカチオン交換体２３としてカチオン交換樹脂または／および連続気泡構造を有するモノリス状有機多孔質カチオン交換体（以下、単に「カチオンモノリス」と言うこともある。）が充填され、脱塩室２２と、−極２４側の陰極室２５と＋極２７側の陽極室２８との間にカチオン交換膜２９が設けられた構造である。陰極水２５ａは別ポンプで通水してもよいし、脱イオン水７を分岐して通水してもよい。図７に示す１セル型カチオンＥＤＩ（３０）においては、図６に示した形態に比べ、カチオン交換膜２９に代わって液透過領域２６が配置された構造である。上記液透過領域２６とは、上記カチオン交換体２３が電極に直接触れると劣化が進行するため、電極とカチオンモノリスとの間に設置されるスペーサー機能を有するもので、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製のメッシュで形成される。また、液透過領域２６としては、カチオンモノリスを用いることもできる。この場合、被処理水の均等分配が好適になされるとともに、イオン交換膜が不要になるため、構造の自由度が増大する。さらに、当該カチオンモノリスとして、通水差圧の高いカチオンモノリスを使用することで、被処理水の均等分配がより好適になされる。液透過領域２６としてカチオンモノリスを使用する場合であっても、電極と液透過領域２６としてのカチオンモノリスとの間には、ＰＴＦＥ製メッシュ等のスペーサーを設置して、カチオンモノリスの劣化を防止することが望ましい（以下に説明する他の形態についても同様である）。また、液透過領域２６は、前記カチオン交換体としてカチオン交換樹脂を用いる場合、当該カチオン交換樹脂の充填形態を保持する機能も有する。

図８に示す１セル型カチオンＥＤＩ（３１）においては、脱塩室２２にカチオン交換樹脂３２が充填され、その両側に液透過領域３３、３４が設けられている。図９に示す１セル型カチオンＥＤＩ（３５）においては、脱塩室２２にカチオンモノリス３６が充填され、その両側に液透過領域３３、３４が設けられている。これらの１セル型カチオンＥＤＩ（３１）、（３５）は、例えば、図１０に示すように、矩形断面構造に構成することもできるし（図８の１セル型カチオンＥＤＩ（３１）を矩形断面構造に構成した場合を例示）、図１１に示すように円形の構造に構成することもできる（図９の１セル型カチオンＥＤＩ（３５）を円形構造に構成した場合を例示）。これらの構造では、イオン交換膜がないことで、構造の自由度が増大する。

図１２は、２セル型（対称セル型）カチオンＥＤＩ（４１）を例示しており、イオン交換膜有りで、かつ、脱塩室室内における水流の方向と、電極間に直流電圧を印加する方向（電流方向）とが直交する場合の形態を示している。本形態では、両電極２４、２７間に２つの脱塩室４２、４２が対称に併設されており、中心部に原水２の導入路としての液透過領域４３が設けられている。この液透過領域４３と、両側のカチオン交換体２３が充填された脱塩室４２、４２との間には、カチオン交換膜４４が配置されており、液透過領域４３を通過した原水２は両側に分岐した後各脱塩室４２に導入される。陽極２７側の脱塩室４２からは脱カチオン水が流出された弱アニオンカラム１２に通水されて脱イオン水７が得られ、陰極２４側の脱塩室４２からの流出水が弱アニオンカラム１４に通水される。この弱アニオンカラム１４からの流出水は濃縮水４６となる。各脱塩室４２の電極室（陰極室２５、陽極室２８）側にはそれぞれアニオン交換膜４５、液透過領域３３あるいはアニオン交換膜４５、液透過領域３４が設けられている。図１３に示す２セル型（対称セル型）カチオンＥＤＩ（４７）では、図１２に示した形態に比べ、中心部の原水導入路としての液透過領域４３は設けられず、原水２は入口側で両側に分岐した後各脱塩室４２に導入される。

図１４に示す２セル型（対称セル型）カチオンＥＤＩ（４８）では、図１２に示した形態に比べ、脱塩室室内における水流の方向と、電極間に直流電圧を印加する方向（電流方向）とが並行である場合の形態を示している。中心部の原水導入路としての液透過領域４３の両側に、カチオンモノリス４９が配置され、導入された原水２が電極間に直流電圧を印加する方向（電流方向）と並行する流れに変換された後、各カチオンモノリス４９を通して各脱塩室４２に導入される。図１５に示す２セル型（対称セル型）カチオンＥＤＩ（５０）では、カチオン交換樹脂５１を充填した、中心部の原水の導入路が形成され、導入された原水２が電極間に直流電圧を印加する方向（電流方向）と並行する流れに変換された後、両側に配置されたカチオンモノリス５２を充填した脱塩室４２に直接導入される。各脱塩室４２からは、液透過領域３３、３４を介して各電極室に透過され、陽極室２８側からは脱カチオン水３が弱アニオンカラム１２に通水されて脱イオン水製造に供され、陰極室２５側からは濃縮水４が弱アニオンカラム１４の再生に供される。図１６に示す２セル型（対称セル型）カチオンＥＤＩ（５３）では、図１５に示した形態に比べ、カチオン交換樹脂５１の中心部に原水の導入路としての液透過領域５４が形成され、そこに導入された原水２が電極間に直流電圧を印加する方向（電流方向）と並行する流れに変換された後、両側に配置されたカチオン交換樹脂５１、カチオンモノリス５２を充填した脱塩室４２に導入される。各脱塩室４２からは、図１５に示した形態と同様に、液透過領域３３、３４を介して各電極室に透過され、陽極室２８側からは脱カチオン水３が弱アニオンカラム１２に通水されて脱イオン水製造に供され、陰極室２５側からは濃縮水４が弱アニオンカラム１４の再生に供される。

なお、上記各形態において、カチオンモノリスは例えば次のように製造することができる。
例えば、通水差圧の高いカチオンモノリスの製法としての、イオン交換膜用多孔質陽イオン交換体の製法として、次のような実施例を例示できる。
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。

また、通常のカチオンモノリスの製法としての、脱カチオン領域用カチオンモノリスの製法として、次のような実施例を例示できる。
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。

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。

（カチオンセルの作製）
図１５に示したような電気式脱電気式脱カチオン水製造装置５０（カチオンＥＤＩ）を作製するため、上記記載の方法で得られた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（Ｌ₁）４０ｍｍの２個の直方体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、図１７に示すセル容器１０１内に、陰極室側（図中、左側）から順にカチオンモノリス１ａ、カチオン交換樹脂１ｂ（”アンバーライト”ＩＲ１２０Ｂ、ロームアンドハース社製）４０ｍｌ及びカチオンモノリス１ｃを密着して装填した。セル容器１０１には、図中、カチオン交換樹脂１ｂが位置する底面に被処理液流入管１ｄが付設されている。次いで、セル容器１０１のカチオンモノリス１ａに液透過領域用ＰＴＦＥ製メッシュ１ｅと白金被膜チタン基板のエキスパンド電極１ｆを密着して配置した後に処理水流出管１ｈが付設された電極室１ｇを取り付けた。更にカチオンモノリス１ｃに液透過領域用PTFE製メッシュ１ｅと白金被膜チタン基板のエキスパンド電極１ｆを密着して配置したのちに処理水流出管１ｈが付設された電極室１ｇを取り付けた後に、適宜ノズルやリード線取り出し口を設けて、電気式脱電気式脱カチオン水製造５０を作製した。

（実施例１：脱イオン水の製造）
得られた電気式脱電気式脱カチオン水製造装置50に、導電率43μS/cm、硬度20 mgCaCO₃/l、SiO₂濃度５mg/lの水を被処理水として流速８（ｌ/h）で250時間連続通液し、0.15Ａの直流電流を正方向４時間、逆方向４時間のサイクルで通電した。操作電圧は31 Vで、導電率１〜５μS/cmの処理水が流速４（ｌ／ｈ）で安定して得られた。

（実施例２：脱イオン水の製造）
得られた電気式脱電気式脱カチオン水製造装置50に、導電率170 μS/cm、硬度80 mgCaCO₃/l、SiO₂濃度27 mg/lの水を被処理水として流速８（ｌ/h）で250時間連続通液し、0.75Ａの直流電流を正方向４時間、逆方向４時間のサイクルで通電した。操作電圧は100 Vで、導電率１〜５μS/cmの処理水が流速４（ｌ／ｈ）で安定して得られた。

（比較例）
比較の為に、導電率43μS/cm 、硬度20 mgCaCO₃/l、SiO₂濃度5 mg/lの水を被処理水として、脱塩室にカチオン交換樹脂（”アンバーライト”ＩＲ１２０Ｂ、ロームアンドハース社製）とアニオン交換樹脂（”アンバーライト”ＩＲＡ４０２ＢＬ、ロームアンドハース社製）を充填した装置で実験した。当該装置の濃縮室内のアノード側はアニオン交換膜（トクヤマ社製、ネオセプタAHA)で、カソード側はカチオン交換膜（トクヤマ社製、ネオセプタＣ６６−１０Ｆ）で仕切られている。当該装置に、被処理水を流速８（ｌ/h）で通液し、0.15Ａの直流電流を通電したところ、導電率１〜５μS/cmの処理水を流速４（ｌ／ｈ）で得るために必要な電圧は、通水初期は４０Ｖであったが、２４時間後には３００Ｖまで上昇した。

本発明に係る脱イオン水製造装置は、装置構成が簡単で、安価にかつ小型に構成することが可能であり、家庭用、食品関係の用途を含め、あらゆる用途の脱イオン水製造に適用できる。

本発明に係る脱イオン水製造装置の一例を示すフロー図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の別の例を示すフロー図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置のさらに別の例を示すフロー図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置のさらに別の例を示すフロー図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置のさらに別の例を示すフロー図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段の一例を示す概略構成図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段の別の例を示す概略構成図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段のさらに別の例を示す概略構成図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段のさらに別の例を示す概略構成図である。 図８に示した脱カチオン水製造手段の具体的構成の一例を示す概略斜視図である。 図９に示した脱カチオン水製造手段の具体的構成の一例を示す一部破断表示概略斜視図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段のさらに別の例を示す概略構成図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段のさらに別の例を示す概略構成図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段のさらに別の例を示す概略構成図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段のさらに別の例を示す概略構成図である。 本発明に係る脱イオン水製造装置の主として脱カチオン水製造手段のさらに別の例を示す概略構成図である。 実施例で用いた脱イオン水製造装置作製のためのセル容器およびその内部への装填物の概略斜視図である。

符号の説明

１、１１、１３、１５、１７ 脱イオン水製造装置
２ 原水
３ 脱カチオン水
４ 濃縮水
５、１８、２１、３０、３１、３５、４１、４７、４８、５０、５３ 脱カチオン水製造手段（カチオンＥＤＩ）
６ アニオン交換手段（アニオン樹脂塔、アニオンカラム）
７ 脱イオン水
１２、１４ 弱アニオン樹脂塔（弱アニオンカラム）
１６ 使用済濃縮水
２２、４２ 脱塩室
２３ カチオン交換体
２４ −極（陰極）
２５ 陰極室
２５ａ 陰極水
２６、３３、３４ 液透過領域
２７ ＋極（陽極）
２８ 陽極室
２９ カチオン交換膜
３２ カチオン交換樹脂
３６、４９、５２ カチオンモノリス
４３、５４ 原水導入路としての液透過領域
４４ カチオン交換膜
４５ アニオン交換膜
４６ 濃縮水
５１ カチオン交換樹脂
１０１ セル容器

Claims (15)

1. 直流電圧が印加される電極間に、カチオン交換体が充填され導入されてくる被処理水を脱カチオン水と濃縮水とに分離する脱塩室を形成した電気式脱カチオン水製造手段と、該電気式脱カチオン水製造手段からの流出水が通水されアニオン交換体が充填された少なくとも一つのアニオン交換手段と、を有することを特徴とする脱イオン水製造装置。
2. 前記アニオン交換手段が、前記電気式脱カチオン水製造手段からの脱カチオン水が通水される脱カチオン水通水アニオン交換手段を含む、請求項１に記載の脱イオン水製造装置。
3. 前記脱カチオン水通水アニオン交換手段に充填されたアニオン交換体が弱アニオン交換体からなる、請求項２に記載の脱イオン水製造装置。
4. 前記アニオン交換手段が、前記電気式脱カチオン水製造手段からの濃縮水が通水され弱アニオン交換体が充填された濃縮水通水アニオン交換手段を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の脱イオン水製造装置。
5. 前記アニオン交換手段が、前記電気式脱カチオン水製造手段からの脱カチオン水が通水され弱アニオン交換体が充填された脱カチオン水通水アニオン交換手段と、前記電気式脱カチオン水製造手段からの濃縮水が通水され弱アニオン交換体が充填された濃縮水通水アニオン交換手段とからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の脱イオン水製造装置。
6. 前記電極が、その陽極と陰極の極性を反転可能に構成されている、請求項５に記載の脱イオン水製造装置。
7. 前記電極の極性反転に伴い、前記脱カチオン水通水アニオン交換手段を前記濃縮水通水アニオン交換手段に、前記濃縮水通水アニオン交換手段を前記脱カチオン水通水アニオン交換手段に、切替可能に構成されている、請求項６に記載の脱イオン水製造装置。
8. 複数セット並設されている、請求項１〜７のいずれかに記載の脱イオン水製造装置。
9. 前記カチオン交換体がカチオン交換樹脂または／および連続気泡構造を有するモノリス状有機多孔質カチオン交換体からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の脱イオン水製造装置。
10. 前記アニオン交換体がアニオン交換樹脂または／および連続気泡構造を有するモノリス状有機多孔質アニオン交換体からなる、請求項１〜９のいずれかに記載の脱イオン水製造装置。
11. 前記電気式脱カチオン水製造手段が、前記電極間に実質的に２つの脱塩室が並設されて形成された対称セル型の電気式脱カチオン水製造手段からなる、請求項１〜１０のいずれかに記載の脱イオン水製造装置。
12. 前記並設された２つの脱塩室間に被処理水の導入路が形成されている、請求項１１に記載の脱イオン水製造装置。
13. 前記電極間に直流電圧を印加する方向と、脱塩室室内における水流の方向とが、実質的に直交している、請求項１１または１２に記載の脱イオン水製造装置。
14. 前記電極間に直流電圧を印加する方向と、脱塩室室内における水流の方向とが、実質的に並行である、請求項１１または１２に記載の脱イオン水製造装置。
15. 前記電極間に、前記カチオン交換体に加えイオン交換膜が介在されている、請求項１〜１４のいずれかに記載の脱イオン水製造装置。

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