JP2011121027A - 電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理水の良好な水質を維持しながら、消費電力の低減と処理性能の向上とを実現することができる電気式脱イオン水製造装置を提供する。
【解決手段】陽極室Ｅ１と陰極室Ｅ２とからなる１対の電極室と、陽極室Ｅ１と陰極室Ｅ２との間に位置する濃縮室Ｃと、陽極室Ｅ１と濃縮室Ｃとの間に位置し、第１のカチオン交換膜ｃ１を介して陽極室Ｅ１と隣接し、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して濃縮室Ｃと隣接し、カチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室Ｄ１と、陰極室Ｅ２と濃縮室Ｃとの間に位置し、第１のアニオン交換膜ａ１を介して陰極室Ｅ２と隣接し、第２のアニオン交換膜ａ２を介して濃縮室Ｃと隣接し、アニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室Ｄ２と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置に関し、特に脱塩室の構成に関する。

脱イオン水の製造装置として、イオン交換体に被処理水を通水して脱イオンを行う製造装置が知られている。この装置ではイオン交換体のイオン交換基が飽和して脱塩性能が低下したときに、酸やアルカリといった薬剤によって再生を行う必要がある。すなわち、イオン交換基に吸着した陰イオンや陽イオンを、酸あるいはアルカリ由来のＨ⁺、ＯＨ^-と置き換える処理が必要となる。近年、このような運転上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が不要な電気式脱イオン水製造装置が実用化されている。

電気式脱イオン水製造装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせた装置である。電気式脱イオン水製造装置は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との間にイオン交換体を充填し主脱塩室とし、アニオン交換膜およびカチオン交換膜の外側に各々濃縮室を設け、さらにその外側に陽極を備える陽極室と、陰極を備える陰極室と、を配置した装置である。

電気式脱イオン水製造装置により脱イオン水（処理水）を製造するには、電極に直流電圧を印加した状態で主脱塩室に被処理水を通水する。被処理水中のイオン成分は脱塩室内のイオン交換体で吸着され、脱イオン化（脱塩）処理が行われる。脱塩室ではまた、印加電圧によって異種イオン交換体の界面、すなわち、脱塩室のアニオン交換体とカチオン交換体の界面で水の解離反応が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが発生する（Ｈ₂Ｏ→Ｈ⁺＋ＯＨ^-）。イオン交換体に吸着されたイオン成分はこの水素イオンおよび水酸化物イオンと交換されて、イオン交換体から遊離する。遊離したイオン成分はイオン交換膜まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて、濃縮室を流れる濃縮水に排出される。このように、電気式脱イオン水製造装置では、水素イオンおよび水酸化物イオンが、イオン交換体を再生する酸、アルカリの再生剤として連続的に作用する。このため、薬剤による再生は基本的に不要であり、薬剤によるイオン交換体の再生を行わずに連続運転ができる。

特許文献１には、中間イオン交換膜を介した２つの小脱塩室からなる主脱塩室を備えた電気式脱イオン水製造装置が開示されている。このような装置では、各小脱塩室と中間イオン交換膜との界面においても水の解離反応が起こり、そこで発生した水素イオンおよび水酸化物イオンをイオン交換体の再生に利用することができる。

一方、電気式脱イオン水製造装置の陽極室と陰極室では、水の電気分解（電極反応）が生じ、この反応によっても水素イオンと水酸化物イオンとが生成される（２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-／２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-）。そこで、陽極室で生成される水素イオンと陰極室で生成される水酸化物イオンもイオン交換体の再生に利用しようとする試みがなされている。陽極室および陰極室で生成される水素イオンと水酸化物イオンとを有効利用することができれば、電気式脱イオン水製造装置の陽極・陰極間の印加電圧を低減し、使用電力量の低減を図ることが可能となる。

特許文献２には、陽極室および陰極室を主脱塩室として利用する電気式脱イオン水製造装置が開示されている。陽極室には陽イオン交換体が、陰極室には陰イオン交換体が充填されている。このため、陽極室で発生した水素イオンが陽イオン交換体を再生し、陰極室で発生した水酸化物イオンが陰イオン交換体を再生することができる。

また、特許文献３には、脱イオンを行う置換室・脱着室（脱塩室）がイオン交換膜を介して陽極室または陰極室に隣接して設けられている電気式脱イオン水製造装置が開示されている。陽極室で発生した水素イオンが陽極室に隣接する脱塩室に流入し、陰極室で発生した水酸化物イオンが陰極室に隣接する脱塩室に流入するようにされており、それにより、脱塩室内のイオン交換体を再生することができる。

特許第３３８５５５３号公報 特許第３７９３２２９号公報 特公平５−７９３９７号公報

電気式脱イオン水製造装置の連続運転において処理水の良好な水質を維持するには、被処理水中のイオン成分が吸着した脱塩室内のイオン交換体の再生を安定して行う必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の電気式脱イオン水製造装置では、水の解離反応を進行させて、十分な量の水素イオンおよび水酸化物イオンを発生させるには、電極間の印加電圧を増加させなければならない。電極間の印加電圧が増加すると、電流密度が上昇することによって、異種イオン交換体の界面でイオン交換体が劣化することがある。その結果として、運転電圧が上昇することは、省エネルギーの観点から好ましくない。

一方、特許文献２に記載のように陽極室および陰極室を主脱塩室として用いる場合、陽極室および陰極室では電極反応によりガス成分や酸化性物質が発生し、これらの物質が脱イオンした処理水に含まれる可能性がある。このような現象が生じると、機能材の酸化劣化などが進行し、所望の水質が得られない可能性がある。

また、特許文献３に記載の電気式脱イオン水製造装置では、水素イオンおよび水酸化物イオンを発生させる電極反応を促進させる一方で運転電圧を低く維持するために、酸やアルカリといった薬剤の添加が行われている。しかしながら、純水製造などの目的で電気式脱イオン水製造装置を用いる場合に、薬剤の使用は好ましくなく、さらには、脱塩室当たりの電極の数が多いことで、処理水量を増やす場合に装置が大型化するという問題も生じる。

本発明は、処理水の良好な水質を確保しながら、消費電力の低減と処理性能の向上とを実現することができる電気式脱イオン水製造装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の電気式脱イオン水製造装置は、陽極室および陰極室と、陽極室と陰極室との間に位置する濃縮室と、陽極室と濃縮室との間に位置し、第１のカチオン交換膜を介して陽極室と隣接し、第２のカチオン交換膜を介して濃縮室と隣接し、カチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、陰極室と濃縮室との間に位置し、第１のアニオン交換膜を介して陰極室と隣接し、第２のアニオン交換膜を介して濃縮室と隣接し、アニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、を有している。

このような電気式脱イオン水製造装置では、陽極室と濃縮室との間にカチオン脱塩室が設けられ、陰極室と濃縮室との間にアニオン脱塩室が設けられている。陽極室で発生した水素イオンは第１のカチオン交換膜を通ってカチオン脱塩室に移動する。カチオン脱塩室では流入した被処理水のカチオン成分がカチオン交換体に吸着され、カチオン成分が吸着したカチオン交換体は、陽極室から移動してきた水素イオンによって再生される。一方、陰極室で発生した水酸化物イオンは第１のアニオン交換膜を通ってアニオン脱塩室に移動する。アニオン脱塩室では流入した被処理水のアニオン成分がアニオン交換体に吸着され、アニオン成分が吸着したアニオン交換体は、陰極室から移動してきた水酸化物イオンによって再生される。

このようにして、陽極室で発生した水素イオンおよび陰極室で発生した水酸化物イオンをイオン交換体の再生に有効利用することが可能となり、電極間の印加電圧を低減することで、消費電力の低減を図ることが可能となる。しかも、陽極室および陰極室は、被処理水が流入するカチオン脱塩室およびアニオン脱塩室と、第１のカチオン交換膜および第１のアニオン交換膜によって仕切られているので、陽極室および陰極室に含まれるガス成分や酸化性物質によって処理水の水質が悪化することが防止される。

また、異種イオン交換体界面における水の解離反応を大幅に低減できることで、イオン交換体の劣化を抑制することが可能となる。そのため、比較的高負荷、すなわち高流量および高電流密度の運転でも、電圧上昇を抑えることが可能となり、長時間での安定した運転によって処理量の向上が可能となる。

さらに、濃縮室は、カチオン脱塩室とアニオン脱塩室との間に１部屋設けるだけで済むことから、相対的に濃縮室を減らすことができる。これにより、装置サイズおよび装置コストを抑えることができる。しかも、装置サイズが小さくなった場合でも、比較的高い電流密度での運転が可能となることで、相対的に処理能力が低下することはない。

以上説明したように、本発明によれば、処理水の良好な水質を確保しながら、消費電力の低減と処理性能の向上とを実現することができる電気式脱イオン水製造装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。 本発明の第１および第２の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の部分図である。 比較例に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。 実施例１および比較例の電気式脱イオン水製造装置の性能を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。電気式脱イオン水製造装置１は、陽極４を備える陽極室Ｅ１と陰極５を備える陰極室Ｅ２との間に、濃縮室Ｃと、濃縮室Ｃと陽極室Ｅ１の間に位置するカチオン脱塩室Ｄ１と、濃縮室Ｃと陰極室Ｅ２の間に位置するアニオン脱塩室Ｄ２とが設けられ、これらの各室がイオン交換膜ａ１，ａ２，ｃ１，ｃ２で仕切られている。

カチオン脱塩室Ｄ１は、第１のカチオン交換膜ｃ１を介して陽極室Ｅ１と隣接し、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して濃縮室Ｃと隣接している。アニオン脱塩室Ｄ２は、第１のアニオン交換膜ａ１を介して陰極室Ｅ２と隣接し、第２のアニオン交換膜ａ２を介して濃縮室Ｃと隣接している。

カチオン脱塩室Ｄ１にはカチオン交換体が充填され、主に被処理水中のカチオン成分（Ｎａ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺等）が除去される。カチオン交換体としては、カチオン交換樹脂、カチオン交換繊維、モノリス状多孔質カチオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なカチオン交換樹脂が好適に用いられる。カチオン交換体の種類としては、弱酸性カチオン交換体、強酸性カチオン交換体等が挙げられる。カチオン脱塩室Ｄ１に充填するイオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体の単床形態が挙げられる。

アニオン脱塩室Ｄ２にはアニオン交換体が充填され、主に被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ^-、ＣＯ₃ ^2-、ＨＣＯ₃ ^-、ＳｉＯ₂（シリカは、特別な形態をとることが多いため、一般のイオンとは異なった表示とする）等）が除去される。アニオン交換体としては、アニオン交換樹脂、アニオン交換繊維、モノリス状多孔質アニオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なアニオン交換樹脂が好適に用いられる。アニオン交換体の種類としては、弱塩基性アニオン交換体、強塩基性アニオン交換体等が挙げられる。アニオン脱塩室Ｄ２に充填するアニオン交換体の充填形態としては、アニオン交換体の単床形態が挙げられる。

濃縮室Ｃは、カチオン脱塩室Ｄ１から排出されるカチオン成分およびアニオン脱塩室Ｄ２から排出されるアニオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。濃縮室Ｃには、（本実施形態では被処理水の一部である）濃縮室供給水が流入し、濃縮室供給水はカチオン成分およびアニオン成分を含んだ濃縮水となって、濃縮室Ｃから排出される。電気式脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、濃縮室Ｃにイオン交換体が充填されていてもよい。

陽極室Ｅ１は陽極４を収容している。陽極４は金属の網状体あるいは板状体からなっている。被処理水にＣｌ^-を含む場合、陽極４に塩素が発生する。このため、陽極４には耐塩素性能を有する材料を用いることが望ましく、一例として、白金、パラジウム、イリジウム等の金属、あるいはチタンをこれらの金属で被覆した材料が挙げられる。

陰極室Ｅ２は陰極５を収容している。陰極５は、金属の網状体あるいは板状体からなっており、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体を用いることができる。

電極室（陽極室および陰極室）Ｅ１，Ｅ２には電極水が流入する。後述するように、これらの電極水は電極近傍での電気分解により、水素イオンおよび水酸化物イオンを発生させる。電気式脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。イオン交換体が充填されることで、後述する水素イオンのカチオン脱塩室Ｄ１への移動および水酸化物イオンのアニオン脱塩室Ｄ２への移動が円滑に行われる。

陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２に充填するイオン交換体としては、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、モノリス状多孔質イオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なイオン交換樹脂が好適に用いられる。陽極室Ｅ１には弱酸性カチオン交換体、強酸性カチオン交換体等のカチオン交換体が単床充填される。陰極室Ｅ２には、弱塩基性アニオン交換体、強塩基性アニオン交換体等のアニオン交換体が単床充填される。これによって、上述の通り、水素イオンのカチオン脱塩室Ｄ１への移動および水酸化物イオンのアニオン脱塩室Ｄ２への移動が円滑に行われる。

なお、各電極室（陰極室および陽極室）Ｅ１，Ｅ２を流れる電極水は、含まれるイオン成分をあらかじめ調整しておくことが好ましい。具体的には、電極室Ｅ１，Ｅ２に供給される電極水の比抵抗値（電極室Ｅ１，Ｅ２の入口における比抵抗値）を０．２ＭΩ・ｃｍ以上かつ１８．２ＭΩ・ｃｍ以下となるように調整しておくことが好ましい。これにより、電極水に含まれるイオン成分が、電極室Ｅ１，Ｅ２に隣接する脱塩室Ｄ１，Ｄ２に移動して、脱塩室Ｄ１，Ｄ２で処理される水に悪影響を及ぼす可能性を低減できるためである。

各電極室Ｅ１，Ｅ２、カチオン脱塩室Ｄ１、アニオン脱塩室Ｄ２および濃縮室Ｃは各々、開口部を備えた板状部材である枠体２の内部に設けられている。図１では、枠体２は一体的に示されているが、実際には部屋毎に別々の枠体を備え、枠体同士が互いに密着して設けられている。枠体２は絶縁性を有し、流入する被処理水が漏洩しない素材であれば特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）等の樹脂を挙げることができる。

各部屋同士の連絡、あるいは被処理水や電極水等の供給、排出用にいくつかの流路Ｕ１〜Ｕ４，Ｌ１〜Ｌ５が設けられている。

電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ１は、一端が被処理水の供給側に接続され、他端側では途中で分岐して、カチオン脱塩室Ｄ１と濃縮室Ｃとに接続されている。濃縮室Ｃの下部には、濃縮室供給水の流出側に接続された流路Ｌ５が接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ１は、一端側ではカチオン脱塩室Ｄ１に接続され、他端側では渡り配管Ｙ１の一端に接続している。渡り配管Ｙ１の他端は電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ２に接続されており、流路Ｕ２は、アニオン脱塩室Ｄ２に接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ２は、一端側がアニオン脱塩室Ｄ２に接続され、他端側が処理水の流出側に接続されている。

陰極室Ｅ２の下部には、電極水の供給側に接続された流路Ｌ４が接続されている。陰極室Ｅ２の上部には、流路Ｕ３の一端側が接続され、流路Ｕ３の他端側は渡り配管Ｙ２の一端に接続している。渡り配管Ｙ２の他端は電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ３に接続されており、流路Ｌ３は、陽極室Ｅ１に接続されている。陽極室Ｅ１の上部は、電極水の流出側に接続された流路Ｕ４に接続されている。図１では、流路Ｕ１〜Ｕ３，Ｌ１〜Ｌ３は、図示の都合上枠体２の外側に位置しているが、これらの流路Ｕ１〜Ｕ３，Ｌ１〜Ｌ３は、枠体２に内蔵されているのが有利である。

次に、引き続き図１を参照して、被処理水の流れと脱イオンの原理について説明する。

あらかじめ、濃縮室Ｃには、濃縮室供給水として、流路Ｕ１から被処理水の一部を供給し、流路Ｌ５から排出するようにしておく。電極室Ｅ１，Ｅ２には、流路Ｌ４から電極水を供給し、流路Ｕ４から排出させておく。陽極４、陰極５間には所定の電圧を印加しておく。この状態で、被処理水を流路Ｕ１から、カチオン脱塩室Ｄ１に流入させる。被処理水は、カチオン脱塩室Ｄ１で、カチオン成分が除去される。

具体的には、Ｎａ⁺等のカチオン成分は、カチオン脱塩室Ｄ１で、カチオン脱塩室Ｄ１に充填されたカチオン交換体に吸着される。陽極室Ｅ１では、電気分解反応（２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-）によって水から酸素ガスと水素イオン（以下、「Ｈ⁺」という）とが生成される反応が、連続的に進行している。酸素ガスは陽極室Ｅ１内を上昇し、電極水とともに電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。Ｈ⁺は第１のカチオン交換膜ｃ１を通ってカチオン脱塩室Ｄ１に流入する。カチオン脱塩室Ｄ１に流入したＨ⁺は、カチオン交換体に吸着したＮａ⁺等のカチオン成分と交換され、カチオン脱塩室Ｄ１に充填されたカチオン交換体が再生される。除去されたＮａ⁺等のカチオンは陽極４、陰極５間の電位差によって陰極５側に引き寄せられ、第２のカチオン交換膜ｃ２を通過して濃縮室Ｃに流入する。

このようにしてＮａ⁺等のカチオン成分が除去された水（脱カチオン水）は、流路Ｌ１から渡り配管Ｙ１を通って流路Ｕ２に流入する。流路Ｕ２に流入した脱カチオン水は、アニオン脱塩室Ｄ２に流入し、アニオン脱塩室Ｄ２で、アニオン成分が除去される。

具体的には、Ｃｌ^-等のアニオン成分は、アニオン脱塩室Ｄ２で、主アニオン脱塩室Ｄ２に充填されたアニオン交換体に吸着される。陰極室Ｅ２では、電気分解反応（２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-）によって水から水素ガスと水酸化物イオン（以下、「ＯＨ^-」という）とが生成される反応が、連続的に進行している。水素ガスは陰極室Ｅ２内を上昇し、電極水とともに電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。ＯＨ^-は第１のアニオン交換膜ａ１を通ってアニオン脱塩室Ｄ２に流入し、アニオン交換体に吸着したアニオン成分と交換され、アニオン交換体が再生される。除去されたＣｌ^-等のアニオン成分は陽極４、陰極５間の電位差によって陽極４側に引き寄せられ、第２のアニオン交換膜ａ２を通過して濃縮室Ｃに流入する。アニオン脱塩室Ｄ２でアニオン成分が除去された処理水は、流路Ｌ２を通って電気式脱イオン水製造装置１の外へ流出される。

流路Ｕ１を通って濃縮室Ｃに供給される濃縮室供給水（被処理水）は、カチオン脱塩室Ｄ１およびアニオン脱塩室Ｄ２からそれぞれ排出されるカチオン成分およびアニオン成分を取り込み、電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ５を通って電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

このようにして、被処理水は、カチオン脱塩室Ｄ１でカチオン成分を除去され、カチオン脱塩室Ｄ１のカチオン交換体は、陽極室Ｅ１で生成されたＨ⁺により再生される。同様にして、被処理水は、アニオン脱塩室Ｄ２でアニオン成分を除去され、アニオン脱塩室Ｄ２のアニオン交換体は、陰極室Ｅ２で生成されたＯＨ^-により再生される。したがって、電極室（陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２）で発生し、従来は利用されることなく排出されていたＨ⁺およびＯＨ^-をイオン交換体の再生に有効利用することができる。

本実施形態における電気式脱イオン水製造装置１では、イオン交換膜やイオン交換樹脂の劣化による運転電圧の上昇を引き起こす可能性のある、異種イオン交換体の界面での水の解離反応を大幅に低減することができる。そのため、比較的高負荷、すなわち高流量および高電流密度の運転でも、電圧上昇を抑えることで長時間にわたり低電力での運転が可能となり、結果的に処理量の向上にもつながる。

また、本実施形態では、濃縮室Ｃは、陽極室Ｅ１に隣接したカチオン脱塩室Ｄ１と、陰極室Ｅ２に隣接したアニオン脱塩室Ｄ２との間に１部屋設けるだけでよい。そのため、例えば特許文献１に記載のように主脱塩室の両側にそれぞれ濃縮室を設ける必要がなく、相対的に濃縮室を減らすことができる。これは装置サイズおよび装置コストを抑えるだけでなく、印加電圧および運転費用の低減にもつながる。しかも、装置サイズが小さくなった場合でも、上述のように、比較的高い電流密度での運転が可能となることで、相対的に処理能力が低下することはない。

なお、本実施形態では、カチオン脱塩室Ｄ１に流入した被処理水が、カチオン成分が除去された脱カチオン水（中間処理水）となってカチオン脱塩室Ｄ１を流出してアニオン脱塩室Ｄ２に流入するように構成されているが、その逆であってもよい。すなわち、被処理水は、アニオン脱塩室Ｄ２に先に流入して、その後、カチオン脱塩室Ｄ１に流入するようにされていてもよい。その場合、被処理水はまずアニオン脱塩室Ｄ２でアニオン成分が除去され脱アニオン水（中間処理水）となり、その後、カチオン脱塩室Ｄ１で脱アニオン水のカチオン成分が除去される。

上述したように、電極水に含まれるイオン成分の濃度が低くなるように調整されているのが好ましい。そのため、アニオン脱塩室Ｄ２から流出し、カチオン成分とアニオン成分とが効率的に除去された水質となっている処理水の一部が陰極室Ｅ２に流入するように、流路Ｌ２から分岐した流路を、流路Ｌ４に接続することもできる。このような場合、図１に示すように、電極水が陰極室Ｅ２と陽極室Ｅ１とを直列に流通するようにされていると、電極水の回収効率を上げることができるため、より有利となる。本実施形態では、陰極室Ｅ２から流出した電極水が陽極室Ｅ１に流入するようになっているが、電極水は、陽極室Ｅ１に先に流入し、その後に陽極室Ｅ１に流入するようになっていてもよく、陰極室Ｅ２および陽極室Ｅ１にそれぞれ独立（例えば並列）に流入するようになっていてもよい。もちろん、必要に応じて、流路Ｌ４に別の電極水供給ラインを接続して電極水を外部から供給することも可能である。

また、本実施形態では、カチオン脱塩室Ｄ１に流入させる被処理水の一部を濃縮室供給水として利用するように、流路Ｕ１が途中で分岐して、濃縮室に接続されているが、別個の濃縮室供給水の供給ラインを濃縮室に接続することも可能である。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。本実施形態は、流路構成が第１の実施形態と異なっている。各室の構成や各室に充填されるイオン交換体は第１の実施形態と同様であり、各室の符号は第１の実施形態における符号に対応している。また、脱イオン水が製造される過程についても第１の実施形態と同様である。以下では、第１の実施形態と異なる流路構成のみ説明し、第１の実施形態と同様のその他の点は、説明を省略する。

電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ１１は、一端が被処理水の供給側に接続され、他端側では途中で分岐して、カチオン脱塩室Ｄ１と濃縮室Ｃとに接続されている。濃縮室Ｃの上部には、濃縮室供給水の流出側に接続された流路Ｕ５が接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ１１は、一端側ではカチオン脱塩室Ｄ１に接続され、他端側では渡り配管Ｙ１１の一端に接続している。渡り配管Ｙ１１の他端は電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ１２に接続されており、流路Ｌ１２は、アニオン脱塩室Ｄ２に接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ１２は、一端側がアニオン脱塩室Ｄ２に接続され、他端側が処理水の流出側に接続されている。

このような流路構成により、本実施形態では、各脱塩室Ｄ１，Ｄ２に流入する流入水（被処理水または中間処理水）の流入方向と、各脱塩室Ｄ１，Ｄ２に隣接する電極室Ｅ１，Ｅ２に流入する電極水の流入方向は同じである。具体的には、カチオン脱塩室Ｄ１に流入する被処理水の流入方向と、カチオン脱塩室Ｄ１に隣接する陽極室Ｅ１に流入する電極水の流入方向とは同じであり、アニオン脱塩室Ｄ２に流入する被処理水（中間処理水）の流入方向と、アニオン脱塩室Ｄ２に隣接する陰極室Ｅ２に流入する電極水の流入方向とは同じである。

このような構成の効果について図３を参照して説明する。図３（ａ）は、第１の実施形態における電気式脱イオン水製造装置の、陽極室Ｅ１から濃縮室Ｃまでの部分を取り出して示す部分構成図であり、図３（ｂ）は、同様の範囲を取り出して示す、本実施形態の部分構成図である。これらの図で、太い白抜き矢印は各室を通る電極水、被処理水等の流れる方向を示している。

図３（ａ）に示すように、陽極室Ｅ１の電極水とカチオン脱塩室Ｄ１の被処理水とが互いに反対方向に流れている（向流）場合、陽極室Ｅ１における電極水の流入位置は、カチオン脱塩室Ｄ１における被処理水の排出位置と隣接する位置関係にある。一方、図３（ｂ）に示す本実施形態では、陽極室Ｅ１の電極水とカチオン脱塩室Ｄ１の被処理水は同じ方向に流れているため、陽極室Ｅ１における電極水の流入位置は、カチオン脱塩室Ｄ１における被処理水の流入位置と隣接している。これにより、電極水に含まれる陽イオン（Ｎａ⁺を例として示す）は、陽極４、陰極５間の電位差によって陰極５側に引き寄せられ、第１のカチオン交換膜ｃ１を通ってカチオン脱塩室Ｄ１に移動しても、カチオン脱塩室Ｄ１で被処理水に含まれている陽イオン成分とともに除去され、濃縮室Ｃに排出されることになる。このことは、Ｃｌ^-等の陰イオン成分についても全く同様である。

このように、本実施形態では、電極水に含まれるイオン成分が、脱塩室に移動した後に、脱塩室から濃縮室に排出されずに直接処理水中へ流入してしまうことを低減することができる。したがって、脱塩室と電極室とが隣接することによって生じる可能性のある処理水の水質低下を、効果的に抑制することが可能となる。

本実施形態は、上述した電極水中のイオン成分の濃度が低くなるように調節することと組み合わせるとより効果的である。このために、本実施形態における電極水として、上述したように、アニオン脱塩室Ｄ２から流出した処理水を利用することもできる。これにより、陽極室Ｅ１からカチオン脱塩室Ｄ１へのカチオン成分の移行、および陰極室Ｅ２からアニオン脱塩室Ｄ２へのアニオン成分の移行を一層抑制することが可能となる。

なお、第１の実施形態で行ったいくつかの変形形態が、本実施形態に対しても可能であることは言うまでもない。

（実施例）
図１に示す第１の実施形態における電気式脱イオン水製造装置（実施例１および実施例２）、図２に示す第２の実施形態における電気式脱イオン水製造装置（実施例３）、および図４に示す構成の電気式脱イオン水製造装置（比較例）を用いて、本発明による効果を確認した。実施例１は、電極水として純水を用いた場合、実施例２は、電極水としてアニオン脱塩室から流出した処理水を用いた場合である。実施例３では、電極水としてアニオン脱塩室から流出した処理水を用いており、したがって、実施例２と実施例３とでは、電極室を流れる電極水の流入方向と、電極室に隣接する脱塩室を流れる被処理水（中間処理水）の流入方向との関係のみが異なっている。また、図４に示す構成は、特許文献１に記載の電気式脱イオン水製造装置において、第１および第２小脱塩室がそれぞれ１室のみの場合の構成である。

実施例１〜３における電気式脱イオン水製造装置の仕様、通水流量、供給水の仕様等は以下の通りである。なお、ＣＥＲはカチオン交換樹脂、ＡＥＲはアニオン交換樹脂の略である。
・陽極室Ｅ１：寸法３００×８０×５ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極室Ｅ２：寸法３００×８０×５ｍｍ ＡＥＲ充填
・カチオン脱塩室Ｄ１：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＣＥＲ充填
・アニオン脱塩室Ｄ２：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＡＥＲ充填
・濃縮室Ｃ：３００×８０×５ｍｍ ＡＥＲ充填
・被処理水流量：７０Ｌ／ｈ
・濃縮水流量：７Ｌ／ｈ
・電極水流量：１７Ｌ／ｈ
・脱塩室供給水（被処理水）：一段ＲＯ透過水１０±１μＳ／ｃｍ
・濃縮室供給水：一段ＲＯ透過水１０±１μＳ／ｃｍ
・電極室供給水（実施例１）：純水（＜０．１μＳ／ｃｍ）
（実施例２、実施例３）：脱塩室処理水
・印加電流値：５Ａ
・印加電流密度：２．０８Ａ／ｄｍ²

比較例における電気式脱イオン水製造装置の仕様、通水流量、供給水の仕様等は以下のとおりである。
・陽極室Ｅ１０１：寸法３００×８０×５ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極室Ｅ１０２：寸法３００×８０×５ｍｍ ＡＥＲ充填
・カチオン脱塩室Ｄ１０１：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＣＥＲ充填
・アニオン脱塩室Ｄ１０２：寸法３００×８０×１０ｍｍ ＡＥＲ充填
・濃縮室Ｃ１０１，Ｃ１０２：寸法１００×３００×４ｍｍ（２室とも） ＡＥＲ単床（２室とも）
・被処理水流量：７０Ｌ／ｈ
・濃縮水流量：７Ｌ／ｈ
・電極水流量：１７Ｌ／ｈ
・脱塩室供給水（被処理水）：一段ＲＯ透過水１０±１μＳ／ｃｍ
・濃縮室供給水：一段ＲＯ透過水１０±１μＳ／ｃｍ
・電極室供給水）：純水（＜０．１μＳ／ｃｍ）
・印加電流値：５Ａ
・印加電流密度：２．０８Ａ／ｄｍ²

実施例１〜３および比較例の装置について、１０００時間の運転を行い、運転電圧の経時変化および処理水質（処理水比抵抗）を比較した。運転電圧の経時変化に関しては、実施例１と比較例を比較し、その結果を表１および図５に示し、処理水質に関しては、実施例２と実施例３を比較し、その結果を表２に示す。

表１には、実施例１および比較例における、１０００時間の運転後の運転電圧と処理水比抵抗、および製作コストを示し、図５には、実施例１および比較例の運転時間に対する運転電圧の変化を示す。なお、製作コストは、実施例１の場合を１としたときの相対値で表している。

処理水質（処理水比抵抗）に関しては、実施例１と比較例で同程度の水質が得られたのに対して、実施例１の運転電圧は、比較例の場合と比べて約４１％低下した。これは、脱塩室における異種イオン交換体の界面でのイオン交換膜やイオン交換樹脂の劣化が大きく低減された効果であると考えられる。また、この運転電圧は、図５に示すように、実施例１ではほとんど一定であったのに対して、比較例では運転時間と共に上昇を示した。このことから、比較例では、イオン交換体の劣化が時間と共に進み、いずれ電源装置の電圧の上限値に達していまい、脱イオン処理運転を維持できなくなることが示唆される。それに対して、実施例１では、比較的高負荷である上記運転条件においても継続的に安定して運転が可能であり、その結果として、処理量の向上につながることが確認された。

また、濃縮室が１室だけの実施例１では、濃縮室が２室設けられている比較例と比べて、製作コストの面でも良好な結果が得られた。

一方、表２には、実施例２および実施例３における、１０００時間の運転後の処理水比抵抗を示す。

実施例３では、実施例２と比べて、良好な処理水質が得られた。これは、電極室を流れる電極水の流入方向と、電極室に隣接する脱塩室を流れる被処理水（中間処理水）の流入方向とが同じになることで、電極室から脱塩室へのイオン成分の移動が抑制された効果であると考えられる。

１ 脱イオン水製造装置
２ 枠体
４ 陽極
５ 陰極
Ｄ１ カチオン脱塩室
Ｄ２ アニオン脱塩室
Ｃ 濃縮室
Ｅ１ 陽極室
Ｅ２ 陰極室
ａ１ 第１のアニオン交換膜
ａ２ 第２のアニオン交換膜
ｃ１ 第１のカチオン交換膜
ｃ２ 第２のカチオン交換膜

Claims (9)

1. 被処理水を処理して脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置であって、
   陽極室と陰極室とからなる電極室と、
   前記陽極室と前記陰極室との間に位置する濃縮室と、
   前記陽極室と前記濃縮室との間に位置し、第１のカチオン交換膜を介して前記陽極室と隣接し、第２のカチオン交換膜を介して前記濃縮室と隣接し、カチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、
   前記陰極室と前記濃縮室との間に位置し、第１のアニオン交換膜を介して前記陰極室と隣接し、第２のアニオン交換膜を介して前記濃縮室と隣接し、アニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、
   を有する、電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記陽極室にカチオン交換体が充填され、前記陰極室にアニオン交換体が充填されている、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 前記陽極室に流入する電極水の流入方向と、前記カチオン脱塩室に流入する流入水の流入方向とが同じであり、前記陰極室に流入する電極水の流入方向と、前記アニオン脱塩室に流入する流入水の流入方向とが同じである、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 前記カチオン脱塩室と前記アニオン脱塩室とは、被処理水が前記カチオン脱塩室に流入し、該カチオン脱塩室を流出してカチオン成分が除去された中間処理水が前記アニオン脱塩室に流入するように連通されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
5. 前記アニオン脱塩室と前記電極室とは、前記アニオン脱塩室を流出した脱イオン水の一部が前記電極室に流入するように連通されている、請求項４に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記アニオン脱塩室と前記カチオン脱塩室とは、被処理水が前記アニオン脱塩室に流入し、該アニオン脱塩室を流出してアニオン成分が除去された中間処理水が前記カチオン脱塩室に流入するように連通されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
7. 前記カチオン脱塩室と前記電極室とは、前記カチオン脱塩室を流出した脱イオン水の一部が前記電極室に流入するように連通されている、請求項６に記載の電気式脱イオン水製造装置。
8. 前記陰極室と前記陽極室とは、前記電極室に流入する電極水が前記陰極室と前記陽極室とを直列で流通するように連通されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
9. 前記電極室に流入する電極水の前記電極室の入口における比抵抗値が０．２ＭΩ・ｃｍ以上かつ１８．２ＭΩ・ｃｍ以下である、請求項１から８のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。

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