JP2014069120A - Desalination method, and desalination apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水中に含まれる塩類を除去する水処理に関し、特に、バイポーラ膜のイオン交換能を利用してイオンを除去する脱塩方法及び脱塩装置に関する。 The present invention relates to a water treatment for removing salts contained in water, and more particularly, to a desalting method and a desalting apparatus for removing ions using the ion exchange ability of a bipolar membrane.
従来より、水道水などの被処理水中のイオン成分を除去し、被処理水の脱塩を行う方法として、イオン交換樹脂を用いる方法や、逆浸透膜(RO膜)を用いる方法が知られている。これらの方法による脱塩は、産業分野では幅広く利用されているが、水を利用する家庭電化製品、例えば洗濯機や食器洗浄機などで使用する水の塩類除去(例えば、硬度成分除去)には普及していない。その理由としては、イオン交換樹脂を用いる方法では、定期的に樹脂を再生するために塩を供給する必要があるが、これが利用者にとって手間であること、逆浸透膜を用いる方法では、脱塩処理された水とともにイオン類が濃縮された濃縮水が排出されるため、節水が難しいこと、などが挙げられる。 Conventionally, a method using an ion exchange resin or a method using a reverse osmosis membrane (RO membrane) is known as a method for removing ion components in water to be treated such as tap water and desalting the water to be treated. Yes. Although desalting by these methods is widely used in the industrial field, salt removal of water used in home appliances that use water, such as washing machines and dishwashers (for example, removal of hardness components) Not popular. The reason is that in the method using an ion exchange resin, it is necessary to supply salt in order to regenerate the resin periodically. However, this is troublesome for the user, and in the method using a reverse osmosis membrane, desalting is performed. For example, it is difficult to save water because concentrated water in which ions are concentrated together with the treated water is discharged.
そこで、イオン交換樹脂を用いる方法に含まれるが、樹脂の再生を自動的に行うことができ、かつ再生に必要な水も少量で済むことが可能な水処理方法として、バイポーラ膜に電圧を印加してイオンを除去する方法が提案されている。 Therefore, although included in the method using ion exchange resin, voltage is applied to the bipolar membrane as a water treatment method that can automatically regenerate the resin and requires only a small amount of water for regeneration. Thus, a method for removing ions has been proposed.
バイポーラ膜とは、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを張り合わせた構造を有するイオン交換膜である。一対の電極を設けてこの電極間の空間を仕切るようにバイポーラ膜を配置し、電極間の空間を水で満たした状態で、アニオン交換膜側の電極が陽極、カチオン交換膜側の電極が陰極となるように、水の理論分解電圧である0.83V以上の電圧を電極間に印加すると、水を水素イオン(H+)と水酸化物イオン(OH-)とに解離させることができる。この解離は、バイポーラ膜でのカチオン交換膜とアニオン交換膜との接合面で起こり、生成した水素イオンはカチオン交換膜を介して陰極側に移動し、水酸化物イオンはアニオン交換膜を介して陽極側に移動する。バイポーラ膜による水の解離を利用した酸やアルカリの製造方法に関する特許が多数出願されている。例えば、特許文献1には、電気再生式脱塩装置のイオン交換樹脂の再生に、バイポーラ膜で生成される水素イオン及び水酸化物イオンを使用する例が示されている。このようにバイポーラ膜は、一般的には、水を解離し酸とアルカリを生成するために使用されている。 A bipolar membrane is an ion exchange membrane having a structure in which a cation exchange membrane and an anion exchange membrane are bonded together. A bipolar membrane is arranged so as to partition the space between the electrodes by providing a pair of electrodes, and the space between the electrodes is filled with water, the anion exchange membrane side electrode is the anode, and the cation exchange membrane side electrode is the cathode Thus, when a voltage of 0.83 V or higher, which is the theoretical decomposition voltage of water, is applied between the electrodes, water can be dissociated into hydrogen ions (H + ) and hydroxide ions (OH − ). This dissociation occurs at the interface between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane in the bipolar membrane, the generated hydrogen ions move to the cathode side through the cation exchange membrane, and the hydroxide ions pass through the anion exchange membrane. Move to the anode side. Many patents relating to acid and alkali production methods utilizing water dissociation by bipolar membranes have been filed. For example, Patent Document 1 shows an example in which hydrogen ions and hydroxide ions generated in a bipolar membrane are used for regeneration of an ion exchange resin of an electric regeneration type desalination apparatus. Thus, the bipolar membrane is generally used to dissociate water and generate acid and alkali.
水を解離させるときとは電圧の印加方向を逆にした場合、すなわち、アニオン交換膜側の電極が陰極、カチオン交換膜側の電極が陽極となるように電極間に電圧を印加すると、水中の陽イオン(カチオン)はカチオン交換膜方向に移動して水素イオンとのイオン交換を行ってカチオン交換膜に取り込まれ、水中の陰イオン(アニオン)はアニオン交換膜方向に移動して水酸化物イオンとイオン交換を行ってアニオン交換膜に取り込まれる(図2参照)。イオン交換反応によって生成した水素イオンと水酸化物イオンとは再結合して水となる。これにより、水中の塩類が除去されたので、脱塩処理が行われたことになる。 When the voltage application direction is reversed from when water is dissociated, that is, when the voltage is applied between the electrodes so that the anion exchange membrane side electrode is the cathode and the cation exchange membrane side electrode is the anode, Cations move in the direction of the cation exchange membrane, exchange ions with hydrogen ions, and are taken into the cation exchange membrane. Anions (anions) in the water move in the direction of the anion exchange membrane and become hydroxide ions Are ion-exchanged and taken into the anion exchange membrane (see FIG. 2). Hydrogen ions and hydroxide ions generated by the ion exchange reaction are recombined to form water. Thereby, since the salt in water was removed, the desalination process was performed.
バイポーラ膜で水が解離して水素イオンと水酸化物イオンが生成した場合、カチオン交換膜に何らかの陽イオンが含まれていればその陽イオンは水素イオンとイオン交換して膜外に排出され、アニオン交換膜に何らかの陰イオンが含まれていればその陰イオンは水酸化物イオンとイオン交換して膜外に排出される(図3参照)。結局、電圧印加によってバイポーラ膜において水を解離させるプロセスは、バイポーラ膜の再生のプロセスであるとも言える。したがって、バイポーラ膜に印加する電圧の方向を変化させることで、バイポーラ膜による脱塩処理とバイポーラ膜の再生処理とを切り替えることができる。特許文献2,3には、バイポーラ膜に電圧を印加する電極の極性を切り替えることで脱塩と再生とを繰り返し行う水処理装置が提案されている。特に特許文献3では、洗濯機や食器洗浄機に組み込むことに適した水処理装置が開示されている。 When water is dissociated in the bipolar membrane to generate hydrogen ions and hydroxide ions, if any cation is contained in the cation exchange membrane, the cation is ion exchanged with the hydrogen ion and discharged out of the membrane. If any anion is contained in the anion exchange membrane, the anion exchanges with hydroxide ions and is discharged out of the membrane (see FIG. 3). After all, it can be said that the process of dissociating water in the bipolar film by applying a voltage is a process of regenerating the bipolar film. Therefore, by changing the direction of the voltage applied to the bipolar film, it is possible to switch between the desalting process using the bipolar film and the regeneration process of the bipolar film. Patent Documents 2 and 3 propose water treatment apparatuses that repeatedly perform desalting and regeneration by switching the polarity of an electrode that applies a voltage to a bipolar membrane. In particular, Patent Document 3 discloses a water treatment apparatus suitable for incorporation in a washing machine or a dishwasher.
なお、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜とアニオン交換膜の組み合わせとしては、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせ、及び強酸性カチオン交換膜と弱塩基性アニオン交換膜との組み合わせが一般的である。強酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜とを組み合わせたバイポーラ膜では、特性が安定せず、例えば、水を水素イオンと水酸化物イオンに解離させるための電圧が高くなって効率が低下することなどが知られており、強酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜からなるバイポーラ膜を使用することは、実用上は難しい。 The combination of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane constituting the bipolar membrane includes a combination of a weakly acidic cation exchange membrane and a strongly basic anion exchange membrane, and a combination of a strongly acidic cation exchange membrane and a weakly basic anion exchange membrane. Combinations are common. Bipolar membranes combining strong acidic cation exchange membranes and strongly basic anion exchange membranes do not have stable characteristics. For example, the voltage for dissociating water into hydrogen ions and hydroxide ions increases and efficiency decreases. Therefore, it is practically difficult to use a bipolar membrane composed of a strongly acidic cation exchange membrane and a strongly basic anion exchange membrane.
バイポーラ膜は再生を容易に行えるという利点を有するものの、バイポーラ膜を用いた従来の脱塩装置では、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜あるいはアニオン交換膜の交換容量に対して十分な脱塩能力が発揮されない、という問題点があることが分かった。特に、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせによるバイポーラ膜でその傾向が顕著であることが分かった。 Although the bipolar membrane has the advantage that it can be easily regenerated, the conventional desalination apparatus using the bipolar membrane has a sufficient desalting capacity for the exchange capacity of the cation exchange membrane or anion exchange membrane constituting the bipolar membrane. It turned out that there was a problem that it was not demonstrated. In particular, it has been found that the tendency is remarkable in a bipolar membrane using a combination of a weakly acidic cation exchange membrane and a strongly basic anion exchange membrane.
例えば、硬度成分の除去を目的としてカルシウムイオン(Ca2+)やマグネシウムイオン(Mg2+)を除去しようとする場合、通常のイオン交換樹脂を用いて脱塩を行おうとしたときと比べ、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜の交換容量に対して十分な脱塩能力が発揮されない、という問題点がある。一例として、同じ交換容量を有するイオン交換樹脂とバイポーラ膜とをそれぞれ利用して同一の原水を同一の硬度まで処理する場合、バイポーラ膜を使用したときには、イオン交換樹脂を使用したときに処理可能な原水の量の5分の1程度の原水しか処理できないことが明らかになった。つまり、バイポーラ膜を用いて再生を行うことなくイオン交換樹脂の場合と同等の脱塩処理を行うためには、イオン交換樹脂の使用量と比べて大量のバイポーラ膜を使用しなければならない。したがって、バイポーラ膜を用いて多量の水に対して連続して脱塩処理を行う場合には、装置が大型になるという課題が生じる。 For example, when removing calcium ions (Ca 2+ ) and magnesium ions (Mg 2+ ) for the purpose of removing hardness components, compared to when desalting using a normal ion exchange resin, bipolar There is a problem that sufficient desalting ability is not exhibited with respect to the exchange capacity of the cation exchange membrane constituting the membrane. As an example, when the same raw water is treated to the same hardness using an ion exchange resin and a bipolar membrane having the same exchange capacity, when the bipolar membrane is used, the treatment is possible when the ion exchange resin is used. It became clear that only about one fifth of the amount of raw water can be treated. That is, in order to perform a desalting treatment equivalent to that of the ion exchange resin without performing regeneration using the bipolar membrane, a large amount of the bipolar membrane must be used as compared with the amount of the ion exchange resin used. Therefore, when desalting is continuously performed on a large amount of water using a bipolar membrane, there arises a problem that the apparatus becomes large.
本発明の目的は、バイポーラ膜を用いる脱塩方法及び脱塩装置であって、バイポーラ膜の交換容量を十分に活用でき、装置サイズを小型にすることができる脱塩方法及び脱塩装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a desalination method and desalination apparatus using a bipolar membrane, which can fully utilize the exchange capacity of the bipolar membrane and can reduce the apparatus size. There is to do.
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を行った結果、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせによるバイポーラ膜において、弱酸性カチオン交換膜のイオン交換容量が強塩基性アニオン交換膜のイオン交換容量よりも大きい場合に、脱塩可能なイオン交換能はイオン交換容量の低い方の強塩基性アニオン交換膜に依存することが分かった。同様に、本発明者らは、強酸性カチオン交換膜と弱塩基性アニオン交換膜の組み合わせによるバイポーラ膜において、弱塩基性アニオン交換膜のイオン交換容量が強酸性カチオン交換膜のイオン交換容量よりも大きい場合、脱塩可能なイオン交換能はイオン交換容量の低い方の強酸性カチオン交換膜に依存することを見出した。これは、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜とアニオン交換膜のイオン交換容量が異なると、脱塩を続けていくうちにイオン交換容量の小さい方の膜の処理能力が低下して、イオン交換容量の大きい方の膜のみが処理を行うことになり、被処理液のpHが変動するためであると考えられる。具体的には、バイポーラ膜においてイオン交換容量の大きい方の膜が弱酸性カチオン交換膜である場合には、被処理液のpHが酸性側にシフトし、その結果、まだ十分なイオン交換容量があるにもかからわず弱酸性カチオン交換膜の交換基であるカルボキシル基が解離せずイオン交換能が低下し、処理効率が低下する。同様に、バイポーラ膜においてイオン交換容量の大きい方の膜が弱塩基性アニオン交換膜である場合には、被処理液のpHがアルカリ性側にシフトし、その結果、弱塩基性アニオン交換膜の交換基である第一アミン、第二アミン及び第三アミンが解離せずイオン交換能が低下し、処理効率が低下する。 In order to solve the above problems, the present inventors have conducted intensive studies. As a result, in a bipolar membrane that is a combination of a weakly acidic cation exchange membrane and a strongly basic anion exchange membrane, the ion exchange capacity of the weakly acidic cation exchange membrane is strong. When the ion exchange capacity is larger than that of the basic anion exchange membrane, it was found that the ion exchange capacity capable of desalting depends on the strongly basic anion exchange membrane having a lower ion exchange capacity. Similarly, in the bipolar membrane formed by combining a strong acid cation exchange membrane and a weakly basic anion exchange membrane, the present inventors show that the ion exchange capacity of the weakly basic anion exchange membrane is higher than the ion exchange capacity of the strongly acidic cation exchange membrane. When it is large, it was found that the ion exchange capacity capable of desalting depends on the strongly acidic cation exchange membrane having the lower ion exchange capacity. This is because if the ion exchange capacity of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane constituting the bipolar membrane are different, the treatment capacity of the membrane with the smaller ion exchange capacity decreases as the desalting continues, and the ion exchange capacity It is thought that this is because only the membrane having the larger diameter is treated, and the pH of the liquid to be treated fluctuates. Specifically, when the membrane having a larger ion exchange capacity in the bipolar membrane is a weakly acidic cation exchange membrane, the pH of the liquid to be treated is shifted to the acidic side, and as a result, a sufficient ion exchange capacity is still not obtained. Nevertheless, the carboxyl group, which is an exchange group of the weakly acidic cation exchange membrane, is not dissociated and the ion exchange capacity is lowered, and the treatment efficiency is lowered. Similarly, when the membrane having a larger ion exchange capacity in the bipolar membrane is a weakly basic anion exchange membrane, the pH of the liquid to be treated is shifted to the alkaline side, and as a result, the exchange of the weakly basic anion exchange membrane is performed. The primary amine, secondary amine, and tertiary amine, which are groups, do not dissociate and the ion exchange capacity is reduced, resulting in a reduction in processing efficiency.
そこで本発明の脱塩方法は、被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩方法において、イオン交換体を備えるイオン交換体モジュールに被処理水を通水する処理と、一対の電極と一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備えてバイポーラ膜はカチオン交換膜とアニオン交換膜とによって構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールに、バイポーラ膜におけるカチオン交換膜に面する電極が陽極、アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように一対の電極間に電圧を印加しながら、イオン交換体モジュールからの被処理水を通水する処理と、を有し、バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜であり、イオン交換体モジュールは、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関してカチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、アニオン交換体を備え、アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、カチオン交換体を備えていることを特徴とする。 Therefore, a desalting method of the present invention is a desalting method for performing desalting treatment on water to be treated, a treatment for passing water to be treated through an ion exchanger module including an ion exchanger, a pair of electrodes, and a pair of electrodes. A bipolar membrane having a bipolar membrane disposed between the bipolar membrane desalination module composed of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane, and the electrode facing the cation exchange membrane in the bipolar membrane is an anode, an anion exchange membrane The bipolar membrane is a weakly acidic cation exchange membrane, with the treatment of passing water to be treated from the ion exchanger module while applying a voltage between the pair of electrodes so that the electrode facing the cathode becomes a cathode And a bipolar membrane composed of a strongly basic anion exchange membrane, or a bipolar membrane composed of a strong acidic cation exchange membrane and a weakly basic anion exchange membrane. When the ion exchange capacity of the cation exchange membrane is larger than the ion exchange capacity of the cation exchange membrane and anion exchange membrane constituting the bipolar membrane, the ion exchanger module includes an anion exchanger, A cation exchanger is provided when the exchange capacity is larger.
本発明の脱塩装置は、被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩装置において、一対の電極と一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備え、バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールと、バイポーラ膜脱塩モジュールの前段に設けられたイオン交換体モジュールと、を有し、イオン交換体モジュールは、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関してカチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、アニオン交換体を備え、アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、カチオン交換体を備え、バイポーラ膜におけるカチオン交換膜に面する電極が陽極、アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように一対の電極間に電圧を印加しながら、被処理水をイオン交換体モジュールからバイポーラ膜脱塩モジュールに向かう方向で通水させて脱塩処理を行うようにしたことを特徴とする。 The desalination apparatus of the present invention is a desalination apparatus that performs desalination treatment on water to be treated, and includes a pair of electrodes and a bipolar membrane disposed between the pair of electrodes. The bipolar membrane includes a weakly acidic cation exchange membrane and A bipolar membrane desalting module composed of a strongly basic anion exchange membrane, or a strongly acidic cation exchange membrane and a weakly basic anion exchange membrane, and an ion exchanger module provided in the preceding stage of the bipolar membrane desalting module; The ion exchanger module includes an anion exchanger when the ion exchange capacity of the cation exchange membrane is larger than the ion exchange capacity of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane constituting the bipolar membrane, and the anion exchange membrane When the ion exchange capacity of the membrane is larger, a cation exchanger is provided, and the electric current facing the cation exchange membrane in the bipolar membrane is While the voltage is applied between the pair of electrodes so that the electrode facing the anode and the anion exchange membrane becomes the cathode, the water to be treated is passed in the direction from the ion exchanger module to the bipolar membrane desalting module to remove it. It is characterized by performing salt treatment.
本発明において、バイポーラ膜においてカチオン交換膜の方がアニオン交換膜よりもイオン交換容量の方が大きい場合にイオン交換体モジュールに設けられるアニオン交換体のイオン交換容量は、一例として、バイポーラ膜での両方のイオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きく、また、バイポーラ膜においてアニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合にイオン交換体モジュールに設けられるカチオン交換体のイオン交換容量は、一例として、バイポーラ膜での両方のイオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きい。 In the present invention, when the ion exchange capacity of the cation exchange membrane in the bipolar membrane is larger than that of the anion exchange membrane, the ion exchange capacity of the anion exchanger provided in the ion exchanger module is, for example, The ion exchange capacity of the cation exchanger provided in the ion exchanger module when the ion exchange capacity of both ion exchange membranes is larger than the difference between the ion exchange capacities of both ion exchange membranes and the ion exchange capacity of the anion exchange membrane in the bipolar membrane is an example. As the difference between the ion exchange capacities of both ion exchange membranes in the bipolar membrane is larger.
本発明では、バイポーラ膜におけるカチオン交換膜とアニオン交換膜との間のイオン交換容量の不均衡を補う形で、バイポーラ膜による脱塩処理の前段においてイオン交換体による処理を行うことにより、バイポーラ膜のイオン交換容量を十分に発揮した脱塩処理を行うことが可能になる。その結果、全体としてみても、バイポーラ膜のみを用いて脱塩処理を行う場合に比べ、装置サイズを小型化することができる。また、水の解離を行わせてバイポーラ膜の再生を行った場合、バイポーラ膜でのカチオン交換膜とアニオン交換膜との間のイオン交換容量の不均衡に応じて過剰の水素イオンまたは水酸化物イオンが発生するが、この過剰の水素イオンまたは水酸化物イオンをバイポーラ膜の前段に設けられるイオン交換体の再生に利用できるため、イオン交換体の再生のために塩を供給したりする必要はない。したがって本発明によれば、バイポーラ膜を用いた脱塩処理において、バイポーラ膜の再生を行うことなく脱塩処理を行うことができる被処理水の量を多くすることができ、その分、例えば、家庭電化製品等への搭載が可能な程度にまで小型化された脱塩装置とすることができる、という効果が得られる。 In the present invention, the bipolar membrane is treated by an ion exchanger before the desalting treatment by the bipolar membrane in a form that compensates for the imbalance of the ion exchange capacity between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane in the bipolar membrane. It is possible to carry out a desalting treatment that sufficiently exhibits the ion exchange capacity of. As a result, as a whole, the apparatus size can be reduced as compared with the case where the desalting process is performed using only the bipolar membrane. In addition, when the bipolar membrane is regenerated by dissociating water, excess hydrogen ions or hydroxides depending on the ion exchange capacity imbalance between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane in the bipolar membrane Ions are generated, but this excess hydrogen ion or hydroxide ion can be used for regeneration of the ion exchanger provided in the front stage of the bipolar membrane, so it is necessary to supply salt for regeneration of the ion exchanger. Absent. Therefore, according to the present invention, in the desalting treatment using the bipolar membrane, the amount of water to be treated that can be desalted without regenerating the bipolar membrane can be increased. The effect that it can be set as the desalination apparatus miniaturized to the extent which can be mounted in a household appliance etc. is acquired.
図1は、本発明の実施の一形態の脱塩装置を示している。この脱塩装置は、バイポーラ膜11と一対の電極12,13とを備えるバイポーラ膜脱塩モジュール10と、バイポーラ膜脱塩モジュール10の前段に設けられたイオン交換体モジュール20と、電極12,13に印加する直流電圧を発生する直流電源21と、直流電源21と電極12,13との間に設けられて電極12,13の極性を切り替える切替スイッチ22と、を備えている。イオン交換体モジュール20とバイポーラ膜脱塩モジュール10とは、配管30を介して接続している。原水が供給される流路切替弁31が設けられており、流路切替弁31の一方の出口は、配管32を介して、脱塩処理時にイオン交換体モジュール20に対して被処理水として原水を供給するように、イオン交換体モジュール20に接続している。配管32には、再生処理時に再生水(塩類が濃縮した濃縮水)を排出するための配管33が接続し、配管33には弁34が設けられている。流路切替弁31の他方の出口は、再生処理時にバイポーラ膜脱塩モジュール10に対して原水を供給するように、配管35を介してバイポーラ膜脱塩モジュール10に接続している。バイポーラ膜脱塩モジュール10には、脱塩処理された被処理水(脱塩水)を外部に供給するための配管36が接続し、この配管36には弁37が設けられている。
FIG. 1 shows a desalination apparatus according to an embodiment of the present invention. This desalination apparatus includes a bipolar
〈バイポーラ膜脱塩モジュール〉
バイポーラ膜脱塩モジュール10についてさらに詳しく説明する。
<Bipolar membrane desalination module>
The bipolar
バイポーラ膜脱塩モジュール10では、容器内に1対の電極12,13が離隔して配置してその間の空間が被処理水で満たされるようになっている。そして、電極12,13間の空間を仕切るように、電極12,13から離れてバイポーラ膜11が配置している。電極12,13としては、陰極及び陽極として機能を発揮するものであればよく、例えば、白金、パラジウム、イリジウム等の貴金属、あるいはこれらの貴金属をチタン等に被覆した網状あるいは板状の電極を挙げることができる。図1に示したものでは、平板状の電極12,13を使用している。
In the bipolar
バイポーラ膜11は、カチオン交換膜14とアニオン交換膜15とを張り合わせた構造を有するものである。図1に示したものでは電極12,13間に、複数枚のバイポーラ膜11が、相互に平行かつ電極12,13にも平行となるように配置されている。このとき、いずれのバイポーラ膜11も、カチオン交換膜14側の面が電極12に向き、アニオン交換膜15側の面がもう1つの電極13に向くように、電極11,12の間に配置されている。本実施形態においてバイポーラ膜11におけるカチオン交換膜14とアニオン交換膜15との組み合わせは、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせ、あるいは、強酸性カチオン交換膜と弱塩基性アニオン交換膜との組み合わせである。
The
イオン交換膜としては、大別すると、原料モノマー液を補強体に含浸させた後に重合させ、全体を均質に形成した均質膜と、イオン交換樹脂を溶解成型可能なポリオレフィン系樹脂とともに粉砕成型した不均質膜との2種類がある。バイポーラ膜11において、いずれもイオン交換膜の範疇に含まれるカチオン交換膜14及びアニオン交換膜15として、均質膜または不均質膜のいずれをも用いることができる。
The ion exchange membrane can be roughly classified into a homogeneous membrane formed by impregnating a raw material monomer solution into a reinforcing body and then polymerized, and a homogenous membrane formed by pulverization and molding together with a polyolefin resin capable of dissolving and molding the ion exchange resin. There are two types: homogeneous membranes. In the
ここで、バイポーラ膜11による脱塩処理の原理について、図2を用いて説明する。ここでは、カチオン交換膜14及びアニオン交換膜15がいずれも再生形であるものとする。バイポーラ膜11のカチオン交換膜14が面する方の電極12を陽極とし、もう一方の電極13を陰極として電圧を印加すると、原水中に含まれるナトリウムイオン(Na+)などの陽イオンは、バイポーラ膜11のカチオン交換膜14側に移動し、そこでカチオン交換膜14に含まれる水素イオン(H+)とイオン交換してカチオン交換膜14に捕捉される。イオン交換によって遊離した水素イオンは、電極12,13間の電界によりカチオン交換膜14からアニオン交換膜15を通過して水中に放出される。同様に、原水中に含まれる塩化物イオン(Cl-)などの陰イオンは、バイポーラ膜11のアニオン交換膜15側に移動し、そこでアニオン交換膜15に含まれる水酸化物イオン(OH-)とイオン交換してアニオン交換膜15に捕捉される。イオン交換によって遊離した水酸化物イオンは、電界によりアニオン交換膜15からカチオン交換膜14を水中に放出され、アニオン交換膜15から放出された水素イオンと結合して水となる。
Here, the principle of the desalting process using the
次に、脱塩処理に用いられたバイポーラ膜11を再生する処理の原理について、図3を用いて説明する。電極12,13の極性を脱塩処理のときのものから逆転させ、カチオン交換膜14側の電極12が陰極、アニオン交換膜15側の電極13が陽極となるように、電極12,13間に電圧を印加する。するとバイポーラ膜11でのカチオン交換膜14とアニオン交換膜15との接合面において、膜中の水が水素イオンと水酸化物イオンとに解離する。このうち、水素イオンはカチオン交換膜14に移行してカチオン交換膜14に捕捉されている陽イオン(例えばナトリウムイオン)とイオン交換し、これによってカチオン交換膜14が再生される。同様に、水酸化物イオンはアニオン交換膜15に移行してアニオン交換膜15に捕捉されている陰イオン(例えば塩化物イオン)とイオン交換し、アニオン交換膜15が再生される。イオン交換によって遊離した陽イオン及び陰イオンは液中に放出され、これにより、液では塩類が濃縮されることになる。
Next, the principle of the process for regenerating the
このようにバイポーラ膜脱塩モジュール10では、電極12,13の極性を変えることで、バイポーラ膜11による脱塩と再生を繰り返し行うことができる。バイポーラ膜脱塩モジュール10において、バイポーラ膜11は、複数枚平膜状に重ねたものであっても、ロール状に巻いたものでもよいが、原水がバイポーラ膜11の表面のどの部分にも均一に流れる構造であることが必要であり、バイポーラ膜11を複数枚設ける場合には、どのバイポーラ膜11の表面にも原水が均一に流れる必要がある。電極12,13の形状としては、平板、エクスパンド、パンチング、丸棒、ワイヤーなどが考えられるが、バイポーラ膜11の形状に合わせてバイポーラ膜11に均一に電位をかけられるような形状である必要がある。
Thus, in the bipolar
〈イオン交換体モジュール〉
次に、イオン交換体モジュール20について説明する。イオン交換体モジュール20には、バイポーラ膜脱塩モジュール10内のバイポーラ膜11を構成するカチオン交換膜14及びアニオン交換膜15に関してアニオン交換膜15よりもカチオン交換膜14のイオン交換容量が大きい場合に、カチオン交換膜14とアニオン交換膜15とのイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有するアニオン交換体が充填される。アニオン交換体としては、アニオン交換樹脂やモノリス状アニオン交換体などが挙げられる。逆に、バイポーラ膜11においてカチオン交換膜14よりもアニオン交換膜15の方がイオン交換容量が大きい場合には、イオン交換体モジュール20には、アニオン交換膜15とカチオン交換膜14のイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有するカチオン交換体が充填される。カチオン交換体としては、カチオン交換樹脂やモノリス状カチオン交換体などが挙げられる。結局、イオン交換体モジュール20には、バイポーラ膜脱塩モジュール10内のバイポーラ膜11におけるカチオン交換膜14とアニオン交換膜15との間のイオン交換容量の不均衡を補う形で、不足する方のイオン交換容量に対応するイオンに対するイオン交換能を有するイオン交換樹脂(カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂)が備えられることになる。
<Ion exchanger module>
Next, the
イオン交換体モジュール20に充填されるイオン交換体のイオン交換容量は、バイポーラ膜11でのカチオン交換膜14とアニオン交換膜15とのイオン交換容量の差よりも大きければよいが、イオン交換体モジュール20のイオン交換容量を大きくしすぎると、イオン交換体モジュール20が大きくなりすぎて脱塩装置全体としての小型化を実現できなくなる。そのため、脱塩装置全体としての小型化を達成するためには、イオン交換体モジュール20でのイオン交換容量は、バイポーラ膜11でのカチオン交換膜14とアニオン交換膜15とのイオン交換容量の差の2倍以下とすることが好ましい。
The ion exchange capacity of the ion exchanger filled in the
また、イオン交換体モジュールで使用されるイオン交換体は、希薄な酸またはアルカリで再生が可能な弱酸性カチオン交換体あるいは弱塩基性アニオン交換体であることが望ましい。 The ion exchanger used in the ion exchanger module is desirably a weakly acidic cation exchanger or a weakly basic anion exchanger that can be regenerated with a dilute acid or alkali.
〈運転方法〉
次に、本実施形態の脱塩装置による処理を説明する。
<how to drive>
Next, the process by the desalination apparatus of this embodiment is demonstrated.
まず、原水からの脱塩処理について、図1(a)を用いて説明する。脱塩処理を行う時は、流路切替弁31をイオン交換体モジュール20側に切り替え、弁34を閉じ、弁37を開ける。また、切替スイッチ22を操作し、電極12が陽極、電極13が陰極となるように、直流電源21からの電圧を電極12,13に印加する。塩類(ここでは塩化ナトリウム(NaCl)とする)を含んだ原水は、流路切替弁31から配管32を介してイオン交換体モジュール20を通過し、イオン交換体モジュール20に充填されているイオン交換樹脂(カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂)に応じて、イオン交換体モジュール20において片方のイオン(ナトリウムイオンまたは塩化物イオン)が除去される。イオン交換体モジュール20を通過した液は、配管30を介してバイポーラ膜脱塩モジュール10に送られ、図2を用いて説明した原理に基づいて脱塩処理を受け、残りのイオンが除去される。その結果、塩類を含まない水(脱塩水)が生成し、脱塩水は配管36を介して外部に供給される。
First, desalting treatment from raw water will be described with reference to FIG. When performing the desalting process, the flow
イオン交換体モジュール20のイオン交換容量は、バイポーラ膜11でのカチオン交換膜14とアニオン交換膜15とのイオン交換容量の差を超える程度のものであってそれほど大きいとは言えず、イオン交換体モジュール20内のイオン交換樹脂が上記一方のイオンに関してブレークすることもあるが、イオン交換体モジュール20がブレークしたとしても、上記一方のイオンもバイポーラ膜脱塩モジュール10で除去できるため、問題は生じない。また、本実施形態の構成では、バイポーラ膜脱塩モジュール10内のバイポーラ膜11におけるカチオン交換膜14とアニオン交換膜15との間のイオン交換容量の不均衡を補うようにバイポーラ膜脱塩モジュール10の前段にイオン交換モジュール20が設けられており、全体として、陽イオンと陰イオンに対するイオン交換容量が均等なものとなっている。したがって、片方のイオン交換膜のイオン交換容量の低下に伴うバイポーラ膜脱塩モジュール10内の被処理水でのpHのシフトが発生せず、バイポーラ膜11の全イオン交換容量をほぼ使い切るまで脱塩処理を行うことができる。本実施形態によれば、バイポーラ膜の交換容量を十分に活用でき、バイポーラ膜の再生を行うことなく脱塩処理を行うことができる被処理水の量を多くすることができ、装置サイズを小型にすることが可能になる。
The ion exchange capacity of the
次に、上述したように脱塩処理を行った後の再生処理について、図1(b)を用いて説明する。再生処理を行う時は、流路切替弁31をバイポーラ膜脱塩モジュール10側に切り替え、弁34を開け、弁37を閉じる。また、切替スイッチ22を操作し、電極12が陰極、電極13が陽極となるように、直流電源21からの電圧を電極12,13に印加する。原水は、流路切替弁1により、配管35を介してまずバイポーラ膜脱塩モジュール10に導入される。このときバイポーラ膜脱塩モジュール10に導入される水に塩類が含まれていると、それがバイポーラ膜11でイオン交換されることにより再生処理に時間がかかるようになるため、純水をバイポーラ膜脱塩モジュール10に導入することが好ましく、そのために、別経路からバイポーラ膜脱塩モジュール10に純水を導入するようにしてもよい。バイポーラ膜脱塩モジュール10では、図3を用いて説明した原理に基づいて再生処理が行われ、バイポーラ膜11のカチオン交換膜14とアニオン交換膜15は再生される。さらに電極12,13に電圧をかけ続けると、イオン交換容量の小さい交換膜側では再生が終了し、カチオン交換膜14の方のイオン交換容量が小さければ水素イオン、アニオン交換膜15の方がイオン交換容量が小さければ水酸化物イオンが配管30を介してそのままイオン交換体モジュール20に導入される。イオン交換体モジュール20には、バイポーラ膜11においてイオン交換容量の小さい方のイオンに対するイオン交換能を有するイオン交換樹脂が設けられているので、イオン交換体モジュール20に導入されたイオン(水素イオンまたは水酸化物イオン)によって、イオン交換体モジュール20内のイオン交換樹脂も再生されることになる。
Next, the regeneration process after the desalting process as described above will be described with reference to FIG. When performing the regeneration process, the flow
このように、本実施形態の脱塩装置では、イオン交換体モジュール20内のイオン交換樹脂の再生のために塩類や酸、アルカリ類を必要としない。
Thus, in the desalination apparatus of this embodiment, salts, acids, and alkalis are not required for the regeneration of the ion exchange resin in the
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。ただし本発明は、下記の実施例により限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
図1に示した構成のうち、イオン交換体モジュール20、配管30、バイポーラ膜脱塩モジュール10及び直流電源21からなる部分を組み立て、脱塩処理を行わせた。バイポーラ膜11として、それぞれ厚みが0.25cmの弱酸性カチオン交換膜(イオン交換容量(カチオン交換容量)2.2meq/g−バイポーラ膜)と強塩基性アニオン交換膜(イオン交換容量(アニオン交換容量)0.8meq/g−バイポーラ膜)とを張り合わせたものを使用した。バイポーラ膜11は、15×40cmの大きさにカットしたもの(質量20g/枚)を10枚重ねてロール状に巻いた。電極12,13には、ワイヤー状の白金被覆チタン電極を使用し、ロール状に巻いたバイポーラ膜11の中心と外側に、電極12,13をそれぞれ配置した。バイポーラ膜11全体としての弱酸性カチオン交換膜全体のイオン交換容量(カチオン交換容量)は440meq(2.2meq/g×20g/枚×10枚)であり、強塩基性アニオン交換膜全体のイオン交換容量(アニオン交換容量)は150meq(0.75meq/g×20g/枚×10枚)であった。ここで、バイポーラ膜11全体としては、カチオン交換膜のイオン交換容量(カチオン交換容量)の方が大きく、弱酸性カチオン交換膜のイオン交換容量(カチオン交換容量)と強塩基性アニオン交換膜のイオン交換容量(アニオン交換容量)の差は、440meq−150meq=290meq、となる。
[Example 1]
In the configuration shown in FIG. 1, a part composed of the
イオン交換体モジュール20のイオン交換樹脂には、弱塩基性アニオン交換樹脂(交換容量1meq/ml)を300ml充填した(すなわち、弱塩基性アニオン交換樹脂を1meq/ml×300ml=300meq分充填した)。
The ion exchange resin of the
原水には、硬度を250mg−CaCO3/L含んだ水を使用し、この原水をイオン交換体モジュール20側から1L/minで通水した。脱塩処理に電極12,13に印加する電圧は300Vとした。バイポーラ膜脱塩モジュール10の出口から得られる脱塩水での目標の水質を硬度50mg−CaCO3/L以下とした。脱塩水の硬度を測定した結果を図4に示す。図4に示すように、20分間にわたって目標の水質を達成できた。
As raw water, water containing a hardness of 250 mg-CaCO 3 / L was used, and the raw water was passed through the
[比較例1]
バイポーラ膜脱塩モジュール10の前段にイオン交換体モジュールを設置せずに実施例と同条件で脱塩処理を行った。このときのバイポーラ膜脱塩モジュール10の出口からの脱塩水の硬度を測定した。結果を図5に示す。図5に示すように、図のように約10分で目標の水質を超える硬度がリークしており、十分な硬度除去ができなかった。
[Comparative Example 1]
A desalting treatment was performed under the same conditions as in the example without installing an ion exchanger module in the previous stage of the bipolar
10 バイポーラ膜脱塩モジュール
11 バイポーラ膜
12,13 電極
14 カチオン交換膜
15 アニオン交換膜
20 イオン交換体モジュール
21 直流電源
22 切替スイッチ
30,32,33,35,36 配管
31 流路切替弁
34,37 弁
DESCRIPTION OF
Claims (8)
一対の電極と前記一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備え、前記バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールと、
前記バイポーラ膜脱塩モジュールの前段に設けられたイオン交換体モジュールと、
を有し、
前記イオン交換体モジュールは、前記バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関して前記カチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合にはアニオン交換体を備え、前記アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合にはカチオン交換体を備え、
前記バイポーラ膜における前記カチオン交換膜に面する電極が陽極、前記アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら、前記被処理水を前記イオン交換体モジュールから前記バイポーラ膜脱塩モジュールに向かう方向で通水させて脱塩処理を行うようにしたことを特徴とする脱塩装置。 In a desalination apparatus that performs desalination treatment on water to be treated,
A bipolar membrane disposed between the pair of electrodes and the pair of electrodes, the bipolar membrane comprising a weakly acidic cation exchange membrane and a strongly basic anion exchange membrane, or a strongly acidic cation exchange membrane and a weakly basic anion exchange membrane A bipolar membrane desalination module composed of a membrane;
An ion exchanger module provided in a preceding stage of the bipolar membrane desalting module;
Have
The ion exchanger module includes an anion exchanger when the ion exchange capacity of the cation exchange membrane is larger than the ion exchange capacity of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane constituting the bipolar membrane, and the anion exchange membrane If the ion exchange capacity of is larger, a cation exchanger is provided,
While applying voltage between the pair of electrodes so that the electrode facing the cation exchange membrane in the bipolar membrane is an anode and the electrode facing the anion exchange membrane is a cathode, the water to be treated is treated with the ion exchanger. A desalination apparatus characterized in that water is passed in a direction from the module toward the bipolar membrane desalting module to perform desalting.
前記切替スイッチを操作して、前記バイポーラ膜における前記カチオン交換膜に面する前記電極が陰極、前記アニオン交換膜に面する前記電極が陽極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら、水を前記バイポーラ膜脱塩モジュールから前記イオン交換体モジュールに向かう方向で通水させて、前記バイポーラ膜と前記イオン交換体モジュール内のイオン交換体との再生処理を行えるようにした、請求項1または2に記載の脱塩装置。 It further comprises a changeover switch that reverses the polarity of the pair of electrodes,
By operating the changeover switch and applying a voltage between the pair of electrodes so that the electrode facing the cation exchange membrane in the bipolar membrane is a cathode and the electrode facing the anion exchange membrane is an anode. The water is passed in a direction from the bipolar membrane desalting module toward the ion exchanger module so that the bipolar membrane and the ion exchanger in the ion exchanger module can be regenerated. The desalination apparatus according to 1 or 2.
イオン交換体を備えるイオン交換体モジュールに被処理水を通水する処理と、
一対の電極と前記一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備えて前記バイポーラ膜はカチオン交換膜とアニオン交換膜とによって構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールに、前記バイポーラ膜における前記カチオン交換膜に面する電極が陽極、前記アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら、前記イオン交換体モジュールからの前記被処理水を通水する処理と、
を有し、
前記バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜であり、
前記イオン交換体モジュールは、前記バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関して前記カチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、アニオン交換体を備え、前記アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、カチオン交換体を備えていることを特徴とする脱塩方法。 In a desalting method for performing desalting treatment on water to be treated,
A treatment for passing water to be treated through an ion exchanger module including the ion exchanger;
A bipolar membrane having a pair of electrodes and a bipolar membrane disposed between the pair of electrodes, wherein the bipolar membrane is constituted by a cation exchange membrane and an anion exchange membrane; Treatment for passing water to be treated from the ion exchanger module while applying a voltage between the pair of electrodes so that the electrode facing the membrane is an anode and the electrode facing the anion exchange membrane is a cathode When,
Have
The bipolar membrane is a bipolar membrane composed of a weakly acidic cation exchange membrane and a strongly basic anion exchange membrane, or a bipolar membrane composed of a strongly acidic cation exchange membrane and a weakly basic anion exchange membrane,
The ion exchanger module includes an anion exchanger when the ion exchange capacity of the cation exchange membrane is larger than the ion exchange capacity of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane constituting the bipolar membrane, and the anion exchange membrane A demineralization method comprising a cation exchanger when the ion exchange capacity is larger.
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