JP2011152489A

JP2011152489A - イオン交換膜、イオン交換体、イオン交換ユニット、イオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置

Info

Publication number: JP2011152489A
Application number: JP2010013944A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hirai; 利明平井
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-08-11
Also published as: WO2011093296A1

Abstract

【課題】より容易に組み付けることのできるイオン交換膜、イオン交換体、イオン交換ユニット、イオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置を得る。
【解決手段】少なくとも表面にイオン交換基を有するイオン交換繊維２３ａ，２４ａを不織布状に積層することで、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜２３，２４を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、イオン交換膜、イオン交換体、イオン交換ユニット、イオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置に関する。

従来、陽極室と陰極室との間に、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を交互に配列した電気透析装置の脱塩室に、強酸性陽イオン交換繊維、強塩基性陰イオン交換繊維及び不活性の合成繊維の混合体からなる充填物を収容した純水製造装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２３６８８９号公報

上記従来の技術では、陰イオン交換膜および陽イオン交換膜が用いられているが、これらのイオン交換膜は水に対する膨潤性が高いものである。このように、水に対する膨潤性が高いイオン交換膜を、乾燥した状態で装置に組み付けると、イオン交換膜が水に満たされた際に変形してしまうという問題がある。

そのため、水に対する膨潤性が高いイオン交換膜を用いる場合、水を含浸させた状態のイオン交換膜を装置に組み付ける必要があり、手間がかかってしまう。

そこで、本発明は、より容易に組み付けることのできるイオン交換膜、イオン交換体、イオン交換ユニット、イオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置を得ることを目的とする。

本発明にあっては、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜を用いることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、イオン交換膜が水に対して難膨潤性であるため、乾燥した状態でイオン交換膜を装置に組みつけた後に当該イオン交換膜に水を含浸させたとしても、イオン交換膜が変形してしまうのを抑制することができる。そのため、イオン交換膜に水を含浸させる必要がなくなり、より容易にイオン交換膜を装置に組み付けることができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる水処理装置を模式的に示す説明図である。図２は、本発明の一実施形態にかかるイオン交換装置を示す断面図である。図３は、本発明の一実施形態にかかるイオン交換膜、陰極および陽極を模式的に示す図である。図４は、本発明の一実施形態にかかるイオン交換装置の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

本実施形態にかかる水処理装置１０は、通水路１１を備えており、当該通水路１１は、図１に示すように、図示せぬ水道配管などに給水弁１２を介して接続されている。本実施形態では、通水路１１に、上流側（給水弁１２の配置側）から下流側に向かって順に、プレフィルター１３、２次フィルター１５、吸着フィルター１６、イオン交換装置１８およびポストフィルター１９が直列に配置されている。そして、プレフィルター１３と２次フィルター１５との間に昇圧ポンプ１４が配置されるとともに、吸着フィルター１６とイオン交換装置１８の間に逆止弁１７が配置されている。

給水弁１２を介して水処理装置１０内に導入された水は、まず、プレフィルター１３内に導入される。

プレフィルター１３は、例えば、スポンジ状のフィルター（図示せず）等によって水に混入した比較的大きめの異物を捕捉して除去するものである。

なお、このプレフィルター１３は、昇圧ポンプ１４内部への微粒子の混入によるポンプ能力の低下を防止するためのものであるが、特に設けなくてもよい。

プレフィルター１３を通過して昇圧ポンプ１４に到達した水は、昇圧ポンプ１４で昇圧されて２次フィルター１５、吸着フィルター１６に導入される。

２次フィルター１５は、例えば、中空糸膜（図示せず）などが用いられており、水が中空糸膜を通過する際に、水中に混入された異物である微粒子成分（濁度成分）を捕捉して濾過するものである。なお、２次フィルター１５は、ＮＦ膜、ＲＯ膜などの逆浸透膜やＵＦ膜、ＭＦ膜などの濾過膜を用いて構成することもでき、このような膜フィルターユニットを用いた場合には、濃縮水を排出する排出管が設けられる。

なお、プレフィルター１３や２次フィルター１５は、それぞれ複数個所に配置することも可能である。その場合、上流から下流に向かって孔径が小さくなるようにフィルターを配置するのが好適である。

吸着フィルター１６は、例えば、活性炭が収納されており、水に溶解した成分、特に異味や異臭、あるいは、トリハロメタンをはじめとしたハロゲン化炭素を除去するものである。また、吸着フィルター１６の内部に重金属を除去するための重金属除去剤を混入することで、鉛などの有害重金属を吸着して除去できるようにしてもよい。また、吸着フィルター１６で水中の残留塩素を分解除去するため、下流側に細菌が繁殖し易くなる。そこで、吸着フィルター１６に銀などの抗菌性を有する金属を含む抗菌剤を混合しておくのが好適である。

そして、吸着フィルター１６通過した水は、逆止弁１７を介してイオン交換装置１８に導入される。

そして、このイオン交換装置１８で、水中の陽イオン、陰イオンが除去されて塩分の少ない水がポストフィルター１９に導入される。また、陽イオン、陰イオンが濃縮された濃縮水は排水路３２ａ，３２ｂを介して装置外に排出される。

なお、イオン交換装置１８の詳細については、後述する。

そして、ポストフィルター１９に導入された水は、当該ポストフィルター１９によって、水中の味、臭い成分が最終的に除去され、味を調えられた状態で、通水路１１の下流側末端から外部に吐出される。この通水路１１の下流側末端は、蛇口等に接続されており、この蛇口等を介して処理水が供給されるようになっている。

このポストフィルター１９は、万一濾過材等が漏出した場合でも、供給される処理水に濾過材等が混入してしまうのを抑制する機能も有している。

逆止弁１７は、昇圧ポンプ１４が停止した場合、または給水弁１２が閉じたとき、さらには水道配管の水圧が所定圧以下に低下した場合に、イオン交換装置１８を含む下流側からの残圧によって水が逆流し、プレフィルター１３等のフィルター内に滞留、堆積した異物が水道配管に逆流してしまうのを防止するものである。

このような構成とすることで、高硬度の原水からも脱塩した飲用水を供給することができる水処理装置の小型化を図ることができる。

なお、水処理装置は上記構成に限定されるものではない。

例えば、圧力センサを設け、通水路１１内が所定圧以上に昇圧した場合に、圧力センサから昇圧ポンプ１４や給水弁１２を制御する図示せぬ制御ユニットに信号を送り、昇圧ポンプ１４を停止するとともに、給水弁１２を閉じるように構成してもよい。こうすれば、通水路１１の内部の異常な昇圧による水漏れや破損を防止できるようになる。

さらに、通水路１１等に水質センサを設け、水質異常時に給水を停止するように構成することも可能である。

また、水処理装置１０を筺体に収納固定して、当該筺体を処理水使用箇所近傍に設置可能とすることで、使用者の利便性向上を図るようにしてもよい。

また、上記水処理装置１０では、昇圧ポンプ１４の上流側にプレフィルター１３を配置しているが、プレフィルター１３が昇圧ポンプ１４の上流側に配置されている必要はなく、昇圧ポンプ１４の下流側に配置されていてもよい。さらに、給水弁１２の動作に支障をきたすような粒子が混入する可能性があれば、プレフィルター１３を給水弁１２の上流側に配置させてもよい。

また、逆止弁１７の取付位置も限定されるものでなく、止水時に生じる背圧によって昇圧ポンプ１４や給水弁１２の動作に支障をきたす場合があれば、その回避のために必要な場所に配置すればよい。

次に、イオン交換装置１８について説明する。

本実施形態にかかるイオン交換装置１８は、図２に示すように、イオン交換機能を有するイオン交換ユニット２０をケーシング３０内に配置することで形成されており、水処理装置１０内に着脱自在に装着できるようになっている。

ケーシング３０は、略円筒状をしており、底壁部３１の略中心部に、水をケーシング３０内部に導入する吸入口３１ａが形成されている。そして、天壁部３２には、略中心部に濃縮水吐出口３２ｂ、外周部に濃縮水吐出口３２ａが設けられており、天壁部３２の径方向略中間部には、脱イオン水吐出口３２ｃが設けられている。

なお、ケーシング３０は、天壁部３２等を着脱可能に取り付けるようにすることで、イオン交換ユニット２０を内部に配置できるようにしているが、図２ではそのような構造は省略している。

イオン交換ユニット２０は、本実施形態では、略円筒状のイオン交換体２１を備えており、当該イオン交換体２１の径方向（一方向）内周側に陽極２７が、径方向（一方向）外周側に陰極２８が配置されている。このように、本実施形態では、イオン交換体２１の径方向（一方向）両端に、当該イオン交換体２１を挟むように陽極２７および陰極２８を配置することで、イオン交換ユニット２０が形成されている。

イオン交換体２１は、少なくとも陽イオン交換繊維と陰イオン繊維とを混合したものを略円筒状に形成することで得られるイオン交換層（イオン交換機能を有するイオン交換部）２２を備えている。そして、イオン交換層２２の径方向内周側に陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３が積層されているとともに、径方向外周側に陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４が積層されている。

すなわち、イオン交換体２１は、イオン交換層（イオン交換機能を有するイオン交換部）２２を、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３と陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４とで、径方向内外周側から挟み込むことで形成されている。

さらに、本実施形態では、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３の径方向内周側に、当該陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３の形状を維持する透水性の補強材２５が積層されている。そして、陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４の径方向外周側に、当該陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４の形状を維持する透水性の補強材２６が積層されている。

本実施形態では、上述した陽極２７および陰極２８が、補強材２５の径方向内周側および補強材２６の径方向外周側にそれぞれ積層されている。

そして、イオン交換ユニット２０の軸方向（図２中上下方向）両端は、エンドキャップ４０，４１で覆われている。

エンドキャップ４０の底壁４０ａには、イオン交換ユニット２０内に水を導入させる吸入口４０ｂが、周方向に複数形成されている。

そして、エンドキャップ４１の天壁４１ａの下面側には、周方向に沿って溝４１ｂが形成されており、溝４１ｂの一部を貫通させることで、脱イオン水吐出口３２ｃに連通する連通口４１ｃが形成されている。

本実施形態では、ケーシング３０の径および軸方向長さを、イオン交換ユニット２０の径および軸方向長さよりも長くしている。そして、イオン交換ユニット２０の中心空洞部がケーシング３０の天壁部３２の濃縮水吐出口３２ｂと連通するとともに、連通口４１ｃが脱イオン水吐出口３２ｃに連通するように、エンドキャップ４１の天壁４１ａをケーシング３０の天壁部３２に取り付けている。このとき、ケーシング３０のイオン交換ユニット２０よりも外周側に濃縮水通路３０ａが形成されるとともに、ケーシング３０のイオン交換ユニット２０よりも内周側に濃縮水通路３０ｂが形成される。この濃縮水通路３０ａ，３０ｂは、それぞれ、濃縮水吐出口３２ａ，３２ｂに連通している。

このとき、連通口４１ｃと脱イオン水吐出口３２ｃとが液密に連通するように構成するのが好適である。

ここで、本実施形態では、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜を、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３と陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４として用いている。

具体的には、主鎖から分岐したイオン交換機能を持つ官能基を有するポリマーを水に対して難膨潤性のポリマーの外表面にコーティングした極細の繊維（少なくとも表面にイオン交換機能を有する繊維）２３ａ，２４ａを不織布状に積層することで、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３および陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４を形成している（図３参照）。

なお、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３を形成する際には、ジメチルアミノエチル基等の塩基性の官能基を有するポリマーが用いられる。また、陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４を形成する際には、カルボキシル基等の酸性の官能基を有するポリマーが用いられる。

本実施形態では、繊維２３ａ，２４ａとして、平均繊維径が１μｍ未満、より好ましくは、１００ｎｍ以下の繊維を用いている。そして、当該繊維を、繊維密度が１０ｍｇ／ｃｍ^２以上となるように積層することで、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３および陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４を不織布状に形成している。

このように、本実施形態にかかる陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３および陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４は、繊維径が極細の繊維で形成されているため、繊維間隙も繊維径もしくはそれ以下の極細径の細孔を多数備えた多孔質膜である。

なお、この繊維状の膜は、極細径であるため柔軟性を有しており、基材となる別の素材の表面に当該繊維層を容易に形成することができる。このため、多孔質の濾過材表面に当該繊維膜を積層すれば、逆の電荷を有する微粒子を捕捉し、当該微粒子による濾過材表面の汚染を防止することができる。また、抗菌性を有する金属イオン（例えば、Ａｇなど）を繊維膜に担持させれば、濾過材表面の微生物による汚染を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、水に対して難膨潤性のポリマーを繊維状にしたものを不織布状に積層して陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３および陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４を形成している。そのため、乾燥状態と水を含浸させた状態とで繊維自体の変形が極めて小さく、イオン交換膜そのものが水に対して難膨潤性となる。

また、不織布状に積層しているため、仮に、繊維が膨潤したとしても繊維の自由端位置が変化するだけで、膜そのものが膨潤してしまうのを抑制することができる。

しかも、イオン交換機能を持つ官能基を有するポリマーで表面をコーティングしているため、水に対する難膨潤性をより一層高めることができる。

なお、水に対して難膨潤性のポリマーの材料は、ポリエステル系、アミド系、ビニル系、アクリル系等繊維状に加工可能なものの中から任意に選択することができる。

また、イオン交換機能を持つ官能基を有するポリマーの材料は、セルロース系、スチレン系等イオン交換機能を持つものの中から任意に選択することができる。

この繊維２３ａ，２４ａは、例えば、水に対して難膨潤性のポリマーを心材として当該心材に静電気を与え、この心材に対して、イオン交換機能を有するポリマーを微細径ノズルから逆電位を与えた状態で噴出させることで形成される。

このとき、２重管構造のノズルを用い、中心側から水に対して難膨潤性のポリマーを噴出するとともに、外周側からイオン交換機能を有するポリマーを噴出させることで形成するのが好ましい。

また、本実施形態では、陽極２７および陰極２８（陽極および陰極のうち少なくともいずれか一方）が、導電性繊維２７ａ，２８ａにより形成されている。

この陽極２７および陰極２８は、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３および陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４と同様に、導電性繊維２７ａ，２８ａを不織布状に積層することで形成されている（図３参照）。なお、図３では、便宜上、補強材２５，２６を省略したものを図示している。

この導電性繊維２７ａ，２８ａの材料は、プラチナ、金等耐腐食性を有する金属繊維、カーボン繊維やカーボンをフィラーとして含有する多種のポリマー、例えばナイロン等のポリアミド系、ポリメチルメタクリル酸等のアクリル系、ポリエステル系、ビニル系，ポリエチレン等のオレフィン系等、導電性を有する材料の中から幅広く選択することができる。

このように、陽極２７および陰極２８を、導電性繊維２７ａ，２８ａで形成することで、棒状等の金属塊や板状の電極を用いた場合に比べて、加工自由度および形状自由度を向上させることができ、イオン交換ユニット２０の形状自由度も向上させることができる。

また、導電性繊維２７ａ，２８ａで形成することで、基材表面にコーティングすることが可能となり、電極そのものを固定する必要がなくなるため、イオン交換ユニット２０の構成の簡素化を図ることができる。

なお、通常のように、ステンレス、チタン、プラチナ、イリジウム等の金属板に孔を設けたものを電極（陽極および陰極）として用いるようにしてもよい。

次に、イオン交換装置１８の作用を説明する。

まず、吸入口３１からケーシング３０（イオン交換装置１８）内部に導入された水は、ケーシング３０の外周部（濃縮水通路３０ａ）を流れる水と、ケーシング３０の内周部（濃縮水通路３０ｂ）を流れる水と、エンドキャップ４０の底壁４０ａに設けられた吸入口４０ｂからイオン交換層２２内部に導入される水と、に分流される。

このとき、吸入口３１から導入された水を分散させる板等を配置して、より均等に水を分流させるようにしてもよい。

そして、陽極２７および陰極２８に電圧（ＤＣ）が印加されると、逆の電荷を有するイオンがそれぞれの電極（陽極２７および陰極２８）に電気的にひき付けられる。

このとき、イオン交換層２２内部に混合された陽イオン交換繊維にはカルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウムなどの陽イオンがイオン交換により吸着される。ここで、イオン交換により陽イオン交換繊維に吸着された陽イオンは、陰極２８に電気的にひきつけられるため、陽イオン交換繊維と着脱を繰り返しながら、イオン交換層２２の外周側へ移動していく。

このイオン交換層２２の外周には、繊維２４ａからなる陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４が存在する。この陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４は、上述したように、少なくとも表面が陰イオン交換能を有するミクロン未満の直径である極細繊維２４ａからなり、その繊維間の間隙はさらに細い空隙を有する水透過性の構造を有している。

この陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４は、ナノサイズの繊維２４ａを用いて形成しているため、同重量、同材質のものに比べ、著しく比表面積が広くなっており、反応性が非常に高くなっている。

したがって、この陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４も陽イオンを素早く吸着する。そして、陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４に吸着された陽イオンは、さらに外周に存在する陰極２８にひき付けられ、補強材２６の比較的大きな貫通孔を介して陰極２８側へ移動し、濃縮水吐出口３２ｂからイオン交換装置１８の外に濃縮水として排出される。

また、イオン交換層２２内部に流入した硫酸イオン、塩化物イオン、硝酸イオン、燐酸イオン等の陰イオンも、イオン交換層２２内部の陰イオン交換繊維や陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３と着脱を繰り返しながら移動する。すなわち、陰イオンは、上述の陽イオンとは逆方向（径方向内周側）である陽極２７側に移動し、濃縮水吐出口３２ｂからイオン交換装置１８の外に濃縮水として排出される。

こうして、水中のイオン成分が取り除かれた脱イオン水が、溝４１ｂに形成した連通口４１ｃを介して脱イオン水吐出口３２ｃから吐出される。

なお、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３および陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４は、ナノサイズの繊維２３ａ，２４ａで層を形成しているため、両面に連通する孔の孔径もナノサイズの極めて小さい孔とすることができる。したがって、ケーシング３０の外周部を流れる水と、ケーシング３０の内周部を流れる水が、イオン交換層２２内に移動してしまうのを抑制することができる。

なお、イオン交換装置１８として、図４に示すように、イオン交換ユニット２０を複数備えたものを用いることも可能である。

図４では、３つのイオン交換ユニット２０を同心状に配置させたものを示している。

そして、各々のイオン交換層２２の径方向外周側に、陽イオン交換薄層２４と陰極２８を設け、各々のイオン交換層２２の径方向内周側に、陰イオン交換薄層２３と陽極２７を設けている。また、各々のイオン交換ユニット２０を一体的に固定するエンドキャップ４１に設けた各々の脱イオン水吐出口３２ｃをさらに連結する脱イオン水集水路５０を設けた。

そして、それぞれのイオン交換ユニット２０を経て生成された脱イオン水が脱イオン水集水路５０を介して吐出されるようになっている。また、このとき生成される濃縮水も濃縮水集水路５１を介してイオン交換装置１８の外に排出される。

このような構成とすることで、高効率のイオン交換装置１８をさらにコンパクトにすることができる。

以上説明したように、本実施形態では、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜を、陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３と陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４として用いた。したがって、乾燥した状態で組み付けた陰イオン交換薄層（イオン交換膜）２３と陽イオン交換薄層（イオン交換膜）２４が、水を含浸した際に変形してしまうのを抑制することができる。このように、本実施形態によれば、より容易にイオン交換膜を装置に組み付けることができる。

また、このようなイオン交換膜を用いることで、より容易に組み立てることのできるイオン交換体２１、イオン交換ユニット２０、イオン交換装置１８ならびに水処理装置１０を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、水処理装置は、少なくともイオン交換装置を備えていればよい。

１０水処理装置
１８イオン交換装置
２０イオン交換ユニット
２１イオン交換体
２２イオン交換繊維層（イオン交換部）
２３陰イオン交換薄層（イオン交換膜）
２３ａ繊維
２４陽イオン交換薄層（イオン交換膜）
２４ａ繊維
２７陽極
２７ａ導電性繊維
２８陰極
２８ａ導電性繊維

Claims

イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であることを特徴とするイオン交換膜。
少なくとも表面にイオン交換基を有する繊維を不織布状に積層することで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換膜。
請求項１または請求項２に記載のイオン交換膜が、イオン交換機能を有するイオン交換部を挟み込むように、当該イオン交換部の一方向両端に配置されていることを特徴とするイオン交換体。
請求項３に記載のイオン交換体の前記一方向両端に、当該イオン交換体を挟むように陽極および陰極が配置されていることを特徴とするイオン交換ユニット。
前記陽極および陰極のうち少なくともいずれか一方が、導電性繊維により形成されていることを特徴とする請求項４に記載のイオン交換ユニット。
請求項４または請求項５に記載のイオン交換ユニットを少なくとも１つ備えることを特徴とするイオン交換装置。
請求項６に記載のイオン交換装置を備える水処理装置。