JP2008036473A - 電気脱イオン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理水中に硬度成分が含まれていても、スケールを発生させることなく、長期間安定的にかつ安価で効率的に運転することのできる電気脱イオン装置を提供する。
【解決手段】電気脱イオン装置は、陰極１２と陽極１１との間に、複数のアニオン交換膜１３とカチオン交換膜１４とを交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成してなる。この濃縮室１５内に一対のアニオン交換膜２０Ｂ及びカチオン交換膜２０Ａを設けて区画し、濃縮室１５内に陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂを形成し、この濃縮室１５内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１を充填する。
【選択図】図１

Description

本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成してなる電気脱イオン装置に関し、特に、濃縮室の構成を改良することにより、濃縮室内でのスケールの発生を防止して長期間安定的にかつ安価で効率的に運転可能な電気脱イオン装置に関する。

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４に示すように、電極（陽極１１，陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維又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又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（特許文献１〜３参照）。なお、図４において、１７は陽極室、１８は陰極室である。

電気脱イオン装置は、水解離によってＨ^＋イオンとＯＨ⁻イオンとを生成させ、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。

しかしながら、浄水場等で河川水、地下水等を除濁、脱塩素、軟化処理した水道水を電気脱イオン装置の被処理水として直接用いた場合や被処理水のカルシウム濃度が高いと、（１）濃縮室内でのスケール発生や（２）ＣＯ_２負荷増大による処理水導電率の悪化等が起こることから、水道水を直接電気脱イオン装置の被処理水として通水することは行われていない。

上記（１），（２）の問題点のうち、（２）のＣＯ_２負荷の増大については、比較的安価な脱炭酸装置を電気脱イオン装置の前処理装置として用いることにより解決できる。

しかしながら、（１）の濃縮室内でのスケールを防止するためには更に軟化装置等を設置して水中の硬度成分を完全に除去することが必要となるが、軟化装置を用いた場合にはその再生が必要となり、再生不要の電気脱イオン装置を用いることによる利点が失われてしまう。

このような問題点を解決するために、従来、電気脱イオン装置の前処理装置として、硬度成分及びＣＯ_２濃度を低減するために、一般的に逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）、脱炭酸塔等を設置する方法が用いられている。

しかしながら、ＲＯ膜装置は１〜２ＭＰａという高圧で運転することから、高価な設備が必要となり、運転費用も上昇する。しかも、電気脱イオン装置の前処理装置としてＲＯ膜装置を用いた場合でも、ＲＯ膜からわずかにリークしてくるカルシウムによって、電気脱イオン装置の濃縮室内で炭酸カルシウムスケールが発生するため、長期間安定的に運転を行うことができないという問題もあった。そこで、ＲＯ膜装置を直列に２段配置してカルシウム等をさらに除去することも行われているが、経費等の点で実用的でない。このため、通常の給水条件において１段のＲＯ膜装置で処理できる場合には、１段のＲＯ膜装置で純水製造システムを設計せざるを得ず、かかる場合には、突発的にＣａ濃度や炭酸濃度が増加する等の給水条件の悪化や、ＲＯ膜装置の破過等に対応できず、濃縮室内でスケールが発生する懸念がある。

このように電気脱イオン装置において、スケールが発生するメカニズムを、図５を参照して説明する。
電気脱イオン装置のスケール発生因子として最も問題となるのが炭酸カルシウムである。電気脱イオン装置では、濃縮室１５の供給水として一般的に被処理水が分岐して用いられる。この濃縮室１５内においては、カチオン交換膜１４側の脱塩室１６からカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）がイオン交換されて透過し、電気的作用によってアニオン交換膜１３の表面に近づいてくる。一方、アニオン交換膜１３側の脱塩室１６からは炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）が透過する。そして、濃縮室１５内では、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）濃度又は炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）濃度のどちらか一方でも高くなると、以下（１），（２）の反応により炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）が形成される。
ＨＣＯ_３ ⁻ ＋ ＯＨ⁻ → ＣＯ_３ ^２− ＋ Ｈ_２Ｏ …（１）
Ｃａ^２＋ ＋ ＣＯ_３ ^２− → ＣａＣＯ_３ …（２）

このようにして濃縮室１５内でスケールが発生すると、電気抵抗が上昇し、電圧値を一定に保てなくなるため、安定した処理性能を維持できなくなる。しかも、上記反応は不可逆反応であるため、上記反応が進行した場合には、モジュールの洗浄や、さらに放置し続けると最終的には装置の交換という事態もあり得る。

また、一般に、炭酸カルシウムの飽和条件は下記式で表される。
ｌｏｇ[Ｃａ^２＋]＋ｌｏｇ[ＨＣＯ_３ ⁻]＋ｐＨｓ＝ｌｏｇ(Ｋｓ／Ｋ_２)
Ｋｓ：炭酸カルシウムの溶解度積
Ｋ_２：炭酸の第２解離定数
ｐＨｓ：炭酸カルシウムの飽和ｐＨ

実際の水溶液中のｐＨと炭酸カルシウムの飽和ｐＨ（ｐＨｓ）との差は、ランジェリア指数（ＬＳＩ）と呼ばれ、
ＬＳＩ＝ｐＨ−ｐＨｓ＞０
となると炭酸カルシウムが析出することになる。

電気脱イオン装置の濃縮室１５内にも、脱塩室１６内の水解離で発生した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）がアニオン交換膜１３側から透過してくるため、局所的にアルカリ性となっている。そのため、アニオン交換膜１３の表面でのＬＳＩは正（＞０）となることから、この濃縮室１５内のアニオン交換膜１３の近傍で、炭酸カルシウムスケールが析出することになる。また、水酸化カルシウムが形成されることもあり得る。

そこで、本出願人はこのような濃縮室内のスケール問題を解消するものとして、濃縮室内にバイポーラ膜を具備する電気脱イオン装置について先に提案した（特許文献４参照）。
特許第１７８２９４３号公報 特許第２７５１０９０号公報 特許第２６９９２５６号公報 特開２００１−１９８５７７号公報

しかしながら、上記特許文献４に記載された電気脱イオン装置では、電気脱イオン装置に流入してくる原水の水質や運転条件によっては、電解電圧の上昇が発生し、運転に支障をきたすおそれがあった。そこで、その電圧の上昇の原因について種々検討した結果、バイポーラ膜界面での水解離によって発生する水酸化物イオン及び水素イオンの移動が律速となって、電気抵抗が増加するためであることがわかった。そこで、原水の水質や運転状況に応じて、種々の性能のバイポーラ膜を使い分けることができるのが望ましいが、市販のバイポーラ膜は、特定のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを張り合わせたものであり、水質等に応じて多種多様なバイポーラ膜を用意することは困難であるという問題点があった。さらに、バイポーラ膜は非常に高価であり電気脱イオン装置のコストアップの要因となるという問題点もある。

本発明は、上記従来の問題点を解決し、被処理水中に硬度成分が含まれていても、スケールを発生させることなく、長期間安定的にかつ安価で効率的に運転可能な電気脱イオン装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成してなる電気脱イオン装置であって、前記濃縮室に一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを重ねて配置することにより、当該濃縮室内に陰極側区画室と陽極側区画室とを形成したことを特徴とする電気脱イオン装置を提供する（請求項１）。

上記発明（請求項１）によれば、濃縮室内に一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを重ねて配置することで、アニオン交換膜側の脱塩室から濃縮室内に透過してきた炭酸水素イオンは、一対の膜のうちカチオン交換膜により遮断され、カチオン交換膜側から透過してきたカルシウムイオンは、一対の膜のうちのアニオン交換膜により遮断されるため、濃縮室内で炭酸カルシウムを形成することがない。これにより、濃縮室内での炭酸カルシウムスケールの発生を防止することができる。

上記発明（請求項１）においては、前記濃縮室にイオン交換樹脂が充填されるのが好ましく（請求項２）、上記発明（請求項１，２）においては、前記脱塩室にイオン交換樹脂が充填されるのが好ましい（請求項３）。

上記発明（請求項２，３）によれば、濃縮室内及び／又は脱塩室内のイオンがすばやく移動することで、電流が流れやすくなり、電気脱イオン装置の運転時の電圧上昇が抑制され、安定した処理水質を得ることができる。

また、上記発明（請求項１〜３）においては、前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とが、アニオン交換膜が陽極側に位置し、カチオン交換膜が陰極側に位置するように、前記濃縮室に配置されていることが好ましい（請求項４）。

上記発明（請求項４）によれば、アニオン交換膜側の脱塩室から濃縮室内に透過してきた炭酸水素イオンと、カチオン交換膜側から透過してきたカルシウムイオンとを一対の膜におけるアニオン交換膜及びカチオン交換膜により遮断することができるとともに、アニオン交換膜側から透過してくる脱塩室内の水解離で発生したＯＨ⁻イオンもカチオン交換膜により遮断することができる。

上記発明（請求項１〜４）においては、前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜との少なくとも一方のアニオン交換膜又はカチオン交換膜が、イオン交換樹脂を用いた不均質膜であることが好ましい（請求項５）。

上記発明（請求項５）によれば、不均質膜は、樹脂を練り込んで製造するものであるので、種々の性状の樹脂を用いることで、所望とする性能のイオン交換膜とすることができるため、電気脱イオン装置の性能の多様化を図ることができる。また、不均質膜は、含水率が低く水を透過しにくいので、一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜との間に水などが溜まることによる間隙を生じにくいという効果も奏する。

さらに、上記発明（請求項１〜５）においては、前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とが、前記濃縮室にイオン交換体を充填することによって固定されていることが好ましい（請求項６）。

上記発明（請求項６）によれば、一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜との界面に、水や空気が滞留して間隙が生じることがないので、電圧上昇を生じることがなく、安定した処理水質を得ることができる。

上記発明（請求項１〜６）においては、前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜のうちのアニオン交換膜が、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂を用いて製造されたものであることが好ましい（請求項７）。

上記発明（請求項７）によれば、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂は、再生されやすく、水解離しやすいので、スケールが一層生じにくくなり、差圧の上昇がほとんど起こらず、安定した処理水質を得ることができる。

また、上記発明（請求項１〜７）においては、前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜のうちのカチオン交換膜が、弱酸性カチオン交換樹脂を用いて製造されたものであることが好ましい（請求項８）。

上記発明（請求項８）によれば、弱酸性カチオン交換樹脂は、再生されやすく、水解離しやすいので、スケールが一層生じにくくなり、差圧の上昇がほとんど起こらず、安定した処理水質を得ることができる。

上記発明（請求項２〜８）においては、前記脱塩室及び／又は濃縮室に充填するイオン交換樹脂が、アニオン交換樹脂を含んでおり、前記アニオン交換樹脂が、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂であることが好ましい（請求項９）。

上記発明（請求項９）によれば、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂は、再生されやすく、水解離しやすいので、スケールが一層生じにくくなり、差圧の上昇がほとんど起こらず、安定した処理水質を得ることができる。

上記発明（請求項２〜９）においては、前記脱塩室及び／又は濃縮室に充填するイオン交換樹脂が、カチオン交換樹脂を含んでおり、前記カチオン交換樹脂が、弱酸性カチオン交換樹脂であることが好ましい（請求項１０）。

上記発明（請求項１０）によれば、弱酸性カチオン交換樹脂は、再生されやすく、水解離しやすいので、スケールが一層生じにくくなり、差圧の上昇がほとんど起こらず、安定した処理水質を得ることができる。

上記発明（請求項１〜１０）においては、前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜として、種々の組み合わせを選択することで、水解離の割合を操作可能としたことが好ましい（請求項１１）。

上記発明（請求項１１）によれば、アニオン交換膜とカチオン交換膜との組み合わせを変えることで、濃縮室への到達水質や運転状況に対応してスケールを防止しつつ安定して水処理を行うことができる。

また、上記発明（請求項２〜１１）においては、前記脱塩室及び／又は濃縮室に充填する樹脂の種類を選択することで、水解離の割合を操作可能としたことが好ましい（請求項１２）。

上記発明（請求項１２）によれば、脱塩室及び／又は濃縮室に充填する樹脂の組み合わせを変えることで、原水の水質や運転状況に対応してスケールを防止しつつ安定して水処理を行うことができる。

上記発明（請求項２〜１１）においては、前記濃縮室に充填する樹脂量が、前記陰極側区画室及び前記陽極側区画室の体積のそれぞれ９０〜１３０％であることが好ましい（請求項１３）。

上記発明（請求項１３）によれば、陰極側区画室及び陽極側区画室に充填されたイオン交換樹脂が水により膨潤することで、隣接する各イオン交換樹脂が圧接するので、濃縮室及び／又は脱塩室のイオンがすばやく移動することになるため、陰極側区画室及び陽極側区画室内で電流が流れやすくなり、電気脱イオン装置の運転時の電圧上昇が抑制され、安定した処理水質を得ることができる。

さらに、上記発明（請求項１〜１３）においては、前記脱塩室の流出水の一部を前記濃縮室の流入側へ供給する流路を設けたことが好ましい（請求項１４）。かかる発明（請求項１４）によれば、水道水のようにカルシウム濃度の高い水を処理する場合であっても脱イオン水の一部を濃縮室に導入することで、濃縮室の循環水を脱イオン水で希釈してカルシウム濃度を低減することができ、スケールを一層防止することができる。

本発明の電気脱イオン装置によれば、濃縮室内に一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配置することにより、濃縮室内で炭酸水素イオンや水酸化物イオンとカルシウムイオンとが会合することがないので、濃縮室内で炭酸カルシウムや水酸化カルシウム等の形成を抑制することができるため、被処理水中に硬度成分が含まれていても濃縮室内にスケールを発生させることなく、電気脱イオン装置を長期間安定的に運転することができる。そして、アニオン交換膜とカチオン交換膜との組み合わせを変えることで、原水の水質や運転状況に対応して安定して水処理を行うことができる。さらに、非常に高価なバイポーラ膜を用いないので、コストアップの問題の緩和された電気脱イオン装置とすることができる。

以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電気脱イオン装置を示す概略構成図であり、図２は同実施形態に係る電気脱イオン装置の濃縮室の拡大断面図である。なお、図１及び図２において、図４及び図５に示す従来の電気脱イオン装置と同一の構成には同一の符号を付してある。

本実施形態に係る電気脱イオン装置は、濃縮室１５内に一対膜２０、すなわちアニオン交換膜２０Ｂ及びカチオン交換膜２０Ａを設けて区画し、濃縮室１５内に陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとを形成し、この濃縮室１５内にイオン交換樹脂、具体的には、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１を充填した以外は、図４に示す従来の電気脱イオン装置と同様の構成となっている。

この一対のアニオン交換膜２０Ｂ及びカチオン交換膜２０Ａは、陽極１１側にアニオン交換膜２０Ｂが位置し、陰極１２側にカチオン交換膜２０Ａ側が位置するように濃縮室１５内に重ね合わせて設置されている。そして、この濃縮室１５内に混合樹脂２１を充填することにより、アニオン交換膜２０Ｂとカチオン交換膜２０Ａとが離間することなく、固定されている。

本実施形態において、濃縮室１５内に設置するアニオン交換膜２０Ｂとしては、特に制限はないが、不均質膜であるのが好ましい。ここで、不均質膜とは、イオン交換樹脂の小粒子の懸濁物をバインダーと組み合わせ、キャスティング法により製膜されるイオン交換樹脂のことであり、使用するイオン交換樹脂の性状をイオン交換膜に反映できる点で好ましい。この不均質膜は当該膜を構成するイオン交換樹脂とほぼ同じ架橋度及び水含量を有する。

そして、このアニオン交換膜２０Ｂは、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂を用いて製造されたものであるのが好ましい。ここで、II型のアニオン交換樹脂は、ジメチルエタノールアミンを官能基とする強塩基性アニオン交換樹脂である。このII型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂は、アニオン交換膜２０Ｂを構成するアニオン交換樹脂の全部である必要はなく、少なくとも一部、例えば１０％以上であればよい。II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂は、再生されやすく、水解離を生じやすいという性状を有する。

また、濃縮室１５内に設置するカチオン交換膜２０Ａとしては、特に制限はないが、不均質膜であるのが好ましい。また、このカチオン交換膜２０Ａは、弱酸性カチオン交換樹脂を用いて製造されたものであることが好ましい。この弱酸性カチオン交換樹脂は、カチオン交換膜２０Ａを構成するカチオン交換樹脂の全部である必要はなく、少なくとも一部、例えば１０％以上であればよい。弱酸性アニオン交換樹脂は、再生されやすく、水解離を生じやすいという性状を有する。

さらに、本実施形態において、濃縮室１５の陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとに充填するイオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂であることが好ましい。この混合樹脂２１におけるアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の体積比率は、特に制限はないが、アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂が１０／９０〜９０／１０、特に３０／７０〜７０／３０であるのが好ましい。この混合樹脂２１におけるアニオン交換樹脂は、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂を含有するのが好ましい。また、混合樹脂２１におけるカチオン交換樹脂は、弱酸性カチオン交換樹脂を含有するのが好ましい。

上述したような濃縮室１５に充填する混合樹脂２１の樹脂量は、濃縮室１５全体、すなわち陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂの体積のそれぞれの９０〜１３０％、特に１００〜１２０％であるのが好ましい。このような樹脂量で混合樹脂２１を充填することにより、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに充填された混合樹脂２１が水により膨潤することで、隣接する各イオン交換樹脂が圧接する。これにより、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂ内のイオンがすばやく移動可能となるため、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂ内で電流が流れやすくなり、電気脱イオン装置の運転時の電圧上昇が抑制され、安定した処理水質を得ることができる。

このように、一対のアニオン交換膜２０Ｂ及びカチオン交換膜２０Ａとして、種々の材料又は架橋度の異なるものを選択して組み合わせたり、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに充填する混合樹脂２１の材料又は架橋度を選択したりすることで、水解離の割合を操作することができるので、濃縮室への到達水質、運転状況、出口水質、所望とする水質等に応じてスケールを防止しつつ、安定した水処理を行うことができる。

なお、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに充填する混合樹脂２１は、陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとでアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との比率が異なっていてもよく、例えば、陰極側区画室１５Ａにはカチオン交換樹脂の比率が高い混合樹脂を充填し、陽極側区画室１５Ｂにはアニオン交換樹脂の比率が高い混合樹脂を充填することができる。

また、陰極側区画室１５Ａ又は陽極側区画室１５Ｂの上下で異なっていてもよく、例えば、陰極側区画室１５Ａでは、上部でアニオン交換樹脂の比率が高く、下部でカチオン交換樹脂の比率が高くなるようにするとともに、陽極側区画室１５Ｂでは、上部でカチオン交換樹脂の比率が高く、下部でアニオン交換樹脂の比率が高くなるように充填することができる。

本実施形態に係る電気脱イオン装置においては、濃縮室１５に陰極側区画室１５Ａと陽極側区画室１５Ｂとを形成し、この濃縮室１５内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１を充填しているが、脱塩室１６内には、イオン交換樹脂、イオン交換繊維又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又は複層状に充填されていることが、得られる脱イオン水の向上の面で好ましい。この脱塩室１６内に充填するイオン交換樹脂としては、前述した濃縮室１５に充填する混合樹脂２１と同じものを用いることができる。

次に、このような構成を有する電気脱イオン装置の作用について説明する。
図２に示すように、濃縮室１５内に一対のアニオン交換膜２０Ｂ及びカチオン交換膜２０Ａを設けているので、アニオン交換膜１３側の脱塩室１６から濃縮室１５内に透過してきたアニオンである炭酸水素イオン及び水酸化物イオンは、一対の膜２０におけるカチオン交換膜２０Ａを透過できず、また、カチオン交換膜１４側から透過してきたカチオンであるカルシウムイオン及び水素イオンは、一対の膜２０におけるアニオン交換膜２０Ｂを透過できない。このため、濃縮室１５内での炭酸カルシウムスケールの発生を防止することができる。なお、説明の便宜上、図２においては、混合樹脂２１は省略してある。

このとき、一対のアニオン交換膜２０Ｂ及びカチオン交換膜２０Ａ（一対の膜２０）の界面では、理論水電解電圧（０．８３Ｖ）以上の電圧を印加することによって、水解離が発生し、電流が流れる。このため、一対の膜２０を濃縮室１５内に設置することで電気脱イオン装置の脱イオン性能が損なわれることはない。

しかしながら、このままでは電解電圧が上昇し、消費電力的にも安定運転上も好ましくない。これは、前述した一対の膜２０の界面での水解離によって発生する水酸化物イオンと水素イオンとの移動が律速となって、電気抵抗が増加するためである。

そこで、本実施形態においては、一対のアニオン交換膜２０Ｂとカチオン交換膜２０Ａとを選定するとともに、陰極側区画室１５Ａ及び陽極側区画室１５Ｂに充填する混合樹脂２１を選定することで、アニオン交換膜（Ａ膜）１３から陰極側区画室１５Ａの上部に透過してきた炭酸水素イオンはすばやく移動し、陰極側区画室１５Ａの下部では一対の膜２０の界面から発生した水素イオンが移動しやすくなるので、当該水素イオンとアニオン交換膜（Ａ膜）１３から中部に透過してきた水酸化物イオンとの結合が起こりやすくなる。

また、陽極側区画室１５Ｂでは、カチオン交換膜（Ｃ膜）１４から陽極側区画室１５Ｂの上部に透過してきたカルシウムイオンはすばやく移動し、陰極側区画室１５Ｂの下部では一対の膜２０の界面から発生した水酸化物イオンが移動しやすくなるので、当該水酸化物イオンとカチオン交換膜（Ｃ膜）１４から中部に透過してきた水素イオンとの結合が起こりやすくなる。これらにより、電流が流れ易くなり安定した処理水の水質が得られることになる。

しかしながら、濃縮室１５内に一対の膜２０を配置した場合であっても、水道水のようにカルシウム濃度の高い水を処理する場合には、スケールが発生するおそれがあるため、この場合には、脱塩室１６から得られる脱イオン水の一部を濃縮室１５に導入して、濃縮室１５の循環水を脱イオン水で希釈してカルシウム濃度を低減することが好ましい。

本実施形態に係る電気脱イオン装置では、上述したように濃縮室１５に一対の膜２０を設けることで、濃縮室１５内での炭酸カルシウムスケールを有効に防止することができるが、この場合においても、水道水のようにカルシウム濃度の高い水を処理する場合には、スケールが発生するおそれがある。したがって、この場合には、図３に示すように、脱塩室１６から得られる脱イオン水の一部を濃縮室１５に導入して、濃縮室１５の循環水を脱イオン水で希釈してカルシウム濃度を低減することが好ましい。同様に電極室内の水についても、脱イオン水を用いることが好ましい。

また、濃縮室１５に導入する被処理水のみ軟化処理するようにしてもよく、この場合には、軟化装置が必要となるが、全ての被処理水を軟化処理する場合に比べてその処理コストは大幅に低減される。

以下、比較例及び実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
なお、以下の比較例及び実施例で用いた試験装置は、下記の装置を活性炭装置、電気脱イオン装置の順で直列に配置したものである。
活性炭装置：栗田工業社製，「クリコールＫＷ１０−３０」
電気脱イオン装置：栗田工業社製，「クリテノンＳＨ型」
処理水量：１００Ｌ／ｈｒ

また、試験用の被処理水（市水）として以下のものを用意した。
被処理水：給水Ｃａ濃度２８．０ｐｐｍ（ＣａＣＯ_３換算）
給水ＣＯ_２濃度２９．０ｐｐｍ（ＣａＣＯ_３換算）

〔比較例１〕
電気脱イオン装置のイオン交換膜及び脱塩室に充填するイオン交換樹脂として以下のものを用い、上記被処理水を電流値６．５Ａ、水回収率８０％、入口導電率１７０μＳ／ｃｍ、濃縮室初期流量２５Ｌ／ｈｒの条件で通水し、得られる処理水の１週間後、１月後、２月後及び３月後の濃縮室の差圧、及び印加電圧の経時変化を測定した。
結果を表２に示すとともに、初期状態における印加電圧及び出口導電率をあわせて示す。
なお、濃縮室循環水の補給水及び電極室水としては、被処理水を用いた。

アニオン交換膜：旭化成工業社製，「アシプレックスＡ５０１ＳＢ」
カチオン交換膜：旭化成工業社製，「アシプレックスＫ５０１ＳＢ」
イオン交換樹脂：アニオン交換樹脂（三菱化学社製，「ＳＡ１０Ａ」）とカチオン交換樹脂（三菱化学社製，「ＳＫ１Ｂ」）とを６：４の体積混合比率で混合したもの。

〔比較例２〕
比較例１で用いた電気脱イオン装置の濃縮室をバイポーラ膜により区画して図１に示す電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いたこと以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表２に示す。
なお、バイポーラ膜としては、アストム社製ＣＭＳ（商品名）を用いた。

〔実施例１〜４〕
比較例２において、バイポーラ膜の代わりに、陽極側にアニオン交換膜が位置し、陰極側にカチオン交換膜が位置するように、表１に示す組み合わせで一対の膜を重ね合わせて設置するとともに、濃縮室に表１に示す組み合わせのアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを６：４の体積混合比率で混合した混合樹脂を充填した以外は、同様にして電気脱イオン装置を組み立て、この電気脱イオン装置を用いたこと以外は同様にして、通水試験を行った。
結果を表２に示す。

なお、濃縮室に充填するイオン交換樹脂としては、以下のものを使用した。また、これらのイオン交換樹脂を、粉末にしてベースレジンとしてポリオレフィンを用いてキャスティング法により押し出し製膜することにより、各種不均質膜を製造し、これを組み合わせて濃縮室を区画する一対の膜に使用した。

＜カチオン交換樹脂＞
・ＣＳ−１，強酸性カチオン交換樹脂：Diaion SK-1B（三菱化学社製，架橋度：８％）
・ＣＳ−２，強酸性カチオン交換樹脂：Diaion SK-102（三菱化学社製，架橋度：２％）
・ＣＷ−１，弱酸性カチオン交換樹脂：Diaion WA-40（三菱化学社製）

＜アニオン交換樹脂＞
・ＡＳ−１，強塩基性アニオン交換樹脂（Ｉ型）：Diaion SA-10A（三菱化学社製）
・ＡＳ−２，強塩基性アニオン交換樹脂（II型）：Diaion SA-20A（三菱化学社製，水分含有率：３９〜４４％）
・ＡＳ−３，強塩基性アニオン交換樹脂（II型）：Diaion SA-21A（三菱化学社製，水分含有率：５５〜６５％）
※強塩基性アニオン交換樹脂（II型）においては、架橋度の数値は明確でなく、水分含有率が架橋度の指標となり、架橋度が低いほど水分含有率は高くなる。
・ＡＷ−１，弱塩基性アニオン交換樹脂：Lewatit MP64（バイエル社製）

表２より明らかなように、比較例１の電気脱イオン装置では１週間で濃縮室側の差圧が上昇してしまい、運転不能となった。また、比較例２、及び実施例１〜４の電気脱イオン装置では、濃縮室の差圧、及び印加電圧の経時による電圧の増加が少なく、３月間安定して運転することができた。また、得られる処理水の水質も良好であった。

〔実施例５，６〕
イオン交換樹脂の架橋度による性能の差異を確認するために、表３に示すように同種のイオンで架橋度の異なるアニオン交換膜及びカチオン交換膜を重ね合わせて配置するとともに、濃縮室に表３に示す組み合わせで架橋度の異なるアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを６：４の体積混合比率で混合した混合樹脂を充填した以外は、実施例１と同様にして電気脱イオン装置を組み立て、通水試験を行った。
結果を表４に示すとともに、３月経過後の処理水のカルシウムイオン、ナトリウムイオン、硫酸イオン及びシリカの濃度を測定した結果をあわせて示す。
なお、参考値として比較例２の電気脱イオン装置における同様の測定結果も表４に示す。

表４より明らかなように、実施例５と実施例６との対比から、高架橋度の樹脂を使用した実施例５の方が、得られる水質が良好であるが、２価のアニオンであるカルシウムイオン及び硫酸イオンのリークは実施例６よりも大きかった。また、実施例６では、１価のカチオンであるナトリウムやシリカのリークは実施例５よりも大きかった。これは、低架橋樹脂を用いた電気脱イオン装置の方が、イオン移動により選択的にイオンを除去する性質が大きいためであると考えられる。

このように濃縮室に配置する一対のアニオン交換膜及びカチオン交換膜、又は濃縮室に充填するイオン交換樹脂の架橋度の組み合わせを選択することにより、得られる水質を調節できることが確認された。

本発明の一実施形態に係る電気脱イオン装置を示す模式的な断面図である。 同実施形態における濃縮室のイオンの流れを示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る電気脱イオン装置を示す系統図である。 従来の電気脱イオン装置を示す模式的な断面図である。 従来の電気脱イオン装置の濃縮室のイオンの流れを示す断面図である。

符号の説明

１０…イオン交換体
１１…陽極
１２…陰極
１３…アニオン交換膜
１４…カチオン交換膜
１５…濃縮室
１５Ａ…陰極側区画室
１５Ｂ…陽極側区画室
１６…脱塩室
１７…陽極室
１８…陰極室
２０…一対の膜
２０Ａ…カチオン交換膜
２０Ｂ…アニオン交換膜
２１…混合樹脂（カチオン交換樹脂／カチオン交換樹脂）

Claims (14)

1. 陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成してなる電気脱イオン装置であって、
   前記濃縮室に一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを重ねて配置することにより、当該濃縮室内に陰極側区画室と陽極側区画室とを形成したことを特徴とする電気脱イオン装置。
2. 前記濃縮室に、イオン交換樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電気脱イオン装置。
3. 前記脱塩室に、イオン交換樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気脱イオン装置。
4. 前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とが、アニオン交換膜が陽極側に位置し、カチオン交換膜が陰極側に位置するように、前記濃縮室に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
5. 前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜との少なくとも一方のアニオン交換膜又はカチオン交換膜が、イオン交換樹脂を用いた不均質膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
6. 前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜とが、前記濃縮室にイオン交換体を充填することによって固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
7. 前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜のうちのアニオン交換膜が、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
8. 前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜のうちのカチオン交換膜が、弱酸性カチオン交換樹脂を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
9. 前記脱塩室及び／又は濃縮室に充填するイオン交換樹脂が、アニオン交換樹脂を含んでおり、
   前記アニオン交換樹脂が、II型のアニオン交換樹脂又は弱塩基性アニオン交換樹脂であることを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
10. 前記脱塩室及び／又は濃縮室に充填するイオン交換樹脂が、カチオン交換樹脂を含んでおり、
    前記カチオン交換樹脂が、弱酸性カチオン交換樹脂であることを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
11. 前記一対のアニオン交換膜とカチオン交換膜として、種々の組み合わせを選択することで、水解離の割合を操作可能としたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
12. 前記脱塩室及び／又は濃縮室に充填する樹脂の種類を選択することで、水解離の割合を操作可能としたことを特徴とする請求項２〜１１のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
13. 前記濃縮室に充填する樹脂量が、前記陰極側区画室及び前記陽極側区画室の体積のそれぞれ９０〜１３０％であることを特徴とする請求項２〜１２のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
14. 前記脱塩室の流出水の一部を前記濃縮室の流入側へ供給する流路を設けたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
    

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