JP2015226910A - 電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を抑えるとともに、高負荷の水を処理する。【解決手段】直列に接続された第１及び第２の脱イオン水製造ユニット１１，１２の各々は、陽極室及び陰極室と、陽極室と陰極室との間に位置しイオン交換体が充填された第１及び第２の脱塩室と、陰極室側でカチオン交換膜を介して第１の脱塩室に隣接する第１の濃縮室と、陽極室側でアニオン交換膜を介して第２の脱塩室に隣接する第２の濃縮室と、第１の脱塩室と第２の脱塩室とを直列に接続する脱塩室接続流路と、を有している。第１の脱塩室は、カチオン交換膜と中間イオン交換膜と、によって画定され、第２の脱塩室は、中間イオン交換膜とアニオン交換膜と、によって画定されている。第１及び第２の脱イオン水製造ユニットのうち、後段の脱イオン水製造ユニットの消費電力が前段の脱イオン水製造ユニットの消費電力より小さくなるように、第１及び第２の脱イオン水製造ユニットに電流が流される。【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劣化したときに、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（以下、脱イオン水製造装置という）が実用化されている。

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。脱イオン水製造装置は例えば、アニオン交換膜とカチオン交換膜との間に位置しイオン交換体が充填された脱塩室と、アニオン交換膜及びカチオン交換膜の外側に各々位置する濃縮室と、さらにその外側に位置する電極室（陽極室及び陰極室）と、を有している。

脱イオン水製造装置により脱イオン水を製造するには、陽極陰極間に直流電圧を印加した状態で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）が行われる。脱塩室ではまた、印加電圧によって脱塩室のアニオン交換体とカチオン交換体の界面で水分解が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが発生する（２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋２ＯＨ⁻）。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及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、水素イオン及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。

脱塩室をカチオン除去室とアニオン除去室とに分割した脱塩室２室構造の脱イオン水製造装置が知られている（特許文献１）。脱塩室２室構造の脱イオン水製造装置では、脱塩室は少なくともカチオン交換体が充填されるカチオン除去室と、少なくともアニオン交換体が充填されるアニオン除去室と、からなり、カチオン除去室とアニオン除去室は、中間イオン交換膜を介して互いに隣接し、直列に接続されている。脱塩室２室構造の脱イオン水製造装置では、直列構成により高純度の処理水を得ることができる。また、カチオン除去室とアニオン除去室との間に濃縮室が不要であるため、脱塩室当たりの濃縮室の数を減らすことができる。これによって、脱イオン水製造装置の電気抵抗を低減し、運転コストを低減することが可能となる。

脱イオン水製造装置を様々な目的で、直列で接続して運転することも公知である（特許文献２〜４）。直列処理を行うことによって、高純度の処理水を得ることができる。

特許第３３８５５５３号公報 特開平１１−１０４４６３号公報 特開２００６−５１４２３号公報 特開２０１０−４２３２４号公報

除去すべきイオンが大量に含まれた高負荷の水を処理する場合、陽極陰極間に大きな電流を流す必要がある。このことから以下の２つの問題が生じる。

特許文献１に記載の脱塩室２室構造の脱イオン水製造装置は、濃縮室の数が少なくて済むため、陽極陰極間の電気抵抗を抑えることが可能である。しかし、脱塩室２室構造の脱イオン水製造装置であっても、電流が増えるために、消費電力の増加が避けられない。

次に、カチオン除去室、アニオン除去室、陰極室、陽極室等を仕切るイオン交換膜（カチオン交換膜、アニオン交換膜）は、印加できる電流値に限界がある。これらのイオン交換膜に限界値以上の電流が流れると、焼けなどの損傷を生じ、電気抵抗が増加する可能性がある。電気抵抗の増加は消費電力の増加を招く。電流を制限すればイオン交換膜の抵抗の増加は防止できるが、十分な純度の処理水が得られない。あらかじめ前処理装置によって負荷の低減を図ることも可能であるが、その場合、設備コストの増加を招く。

このように、従来技術では、高負荷の水を処理する場合、消費電流を抑えつつ十分な純度の処理水が得ることが困難であった。

本発明は、消費電力を抑えるとともに、高負荷の水を処理可能な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。

本発明の電気式脱イオン水製造装置は、直列に接続された第１及び第２の脱イオン水製造ユニットを有している。第１及び第２の脱イオン水製造ユニットの各々は、イオン交換膜で画定された陽極室及び陰極室と、陽極室と陰極室との間に位置しイオン交換体が充填された第１及び第２の脱塩室と、陰極室側でカチオン交換膜を介して第１の脱塩室に隣接する第１の濃縮室と、陽極室側でアニオン交換膜を介して第２の脱塩室に隣接する第２の濃縮室と、第１の脱塩室と第２の脱塩室とを直列に接続する脱塩室接続流路と、を有している。第１の脱塩室は、カチオン交換膜と、第１の脱塩室の陽極室側に位置する中間イオン交換膜と、によって画定され、第２の脱塩室は、中間イオン交換膜と、アニオン交換膜と、によって画定されている。第１及び第２の脱イオン水製造ユニットのうち、後段の脱イオン水製造ユニットの消費電力が前段の脱イオン水製造ユニットの消費電力より小さくなるように、第１及び第２の脱イオン水製造ユニットに電流が流される。

本発明の電気式脱イオン水製造装置では、第１及び第２の脱イオン水製造ユニットが直列に接続されているため、負荷を２つの脱イオン水製造ユニットで分担することが可能である。このため、個々の脱イオン水製造ユニットの印加電流を抑えることができる。印加電流が小さいため、各イオン交換膜（カチオン交換膜、アニオン交換膜、中間イオン交換膜）に損傷が発生しにくい。このため、イオン交換膜での電気抵抗の増加が抑えられ、印加電圧が抑制される。印加電流と印加電圧が抑制される結果、消費電力も抑制される。また、第１及び第２の脱イオン水製造ユニットが直列に接続されていることに加え、各脱イオン水製造ユニットにおける第１及び第２の脱塩室も直列に接続されているため、多段処理が容易に実現され、高負荷の水を容易に処理することができる。

本発明によれば、消費電力を抑えるとともに、高負荷の水を処理可能な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の実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。 第１の脱イオン水製造ユニットの概略構成図である。 第１の実施形態に係る脱イオン水製造装置の変形例の概略構成図である。 中間イオン交換膜近傍のイオン交換樹脂の分布を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。 実施例と比較例に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の脱イオン水製造装置のいくつかの実施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の実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。脱イオン水製造装置１は、第１の脱イオン水製造ユニット１１と、第２の脱イオン水製造ユニット１２と、を有している。第１の脱イオン水製造ユニット１１と第２の脱イオン水製造ユニット１２は直列に接続されており、被処理水はまず第１の脱イオン水製造ユニット１１に流入し、次いで第２の脱イオン水製造ユニット１２に流入する。

第１の脱イオン水製造ユニット１１の入口側には、被処理水を第１の脱イオン水製造ユニット１１に流入させる給水ポンプ９が設けられている。第１の脱イオン水製造ユニット１１と第２の脱イオン水製造ユニット１２との間には、第１の脱イオン水製造ユニット１１に流出した水を昇圧して第２の脱イオン水製造ユニット１２に流入させる昇圧ポンプ９’が設けられている。昇圧ポンプ９’は第１の脱イオン水製造ユニット１１で生じた圧力損失を補償するために設けられており、第２の脱イオン水製造ユニット１２の入口で十分な圧力が得られる場合は省略することができる。

本実施形態では、第１の脱イオン水製造ユニット１１と第２の脱イオン水製造ユニット１２は同一の構成を有しているが、別々の構成を有していてもよい。

以下、第１の脱イオン水製造ユニット１１を代表として、その構成を説明する。図２は、第１の脱イオン水製造ユニット１１の概略構成図である。

第１の脱イオン水製造ユニット１１は、中間イオン交換膜ｍによって仕切られた第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２と、第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２の外側に各々位置する第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２と、さらにその外側に位置する第１及び第２の副脱塩室Ｓ１，Ｓ２と、さらにその外側に位置する陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２と、を有している。

第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２は陽極室Ｅ２と陰極室Ｅ１との間に位置し、イオン交換体が充填されている。より具体的には、第１の脱塩室Ｄ１は、第１の脱塩室Ｄ１の陰極室Ｅ１側に位置するカチオン交換膜ｃ１と、第１の脱塩室Ｄ１の陽極室Ｅ２側に位置する中間イオン交換膜ｍと、によって画定されている。第２の脱塩室Ｄ２は、中間イオン交換膜ｍと、第２の脱塩室Ｄ２より陽極室Ｅ２側に位置するアニオン交換膜ａ１と、によって画定されている。第１の脱塩室Ｄ１は第２の脱塩室Ｄ２よりも陰極室Ｅ１側に位置している。第１の脱塩室Ｄ１の出口と第２の脱塩室Ｄ２の入口とは脱塩室接続流路５によって接続されており、この結果、第１の脱塩室Ｄ１と第２の脱塩室Ｄ２とは、直列に接続されている。

第１の脱塩室Ｄ１が第２の脱塩室Ｄ２の前段にあるのは、被処理水に含まれるＣａ^２＋，Ｍｇ^２＋等の硬度成分を優先して除去するためである。第２の脱塩室Ｄ２は水分解によってＯＨ⁻が発生し、アルカリ性に傾いている。ＯＨ⁻は被処理水の硬度成分と反応し、Ｃａ（ＯＨ）_２、Ｍｇ（ＯＨ）_２等の水酸化物のスケールとなって中間イオン交換膜ｍに付着する。このため中間イオン交換膜ｍの電気抵抗が上昇し、水分解も阻害される。被処理水を第１の脱塩室Ｄ１に先に通し、硬度成分を除去することによって、スケールの発生を防止することができる。被処理水の水質によっては、被処理水を先に第２の脱塩室Ｄ２に通すことも可能である。

一実施形態では、第１の脱塩室Ｄ１にはカチオン交換体だけが充填されており（カチオン交換体の単床充填）、被処理水中のカチオン成分（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）が除去される。カチ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。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。

一実施形態では、第２の脱塩室Ｄ２にはアニオン交換体だけが充填されており（アニオン交換体の単床充填）、被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２（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、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。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。

第１の脱塩室Ｄ１にはアニオン交換体がさらに充填されていてもよい。一実施形態では、第１の脱塩室Ｄ１は８０％以上の体積比でカチオン交換体が充填され、残りのイオン交換体はアニオン交換体であってよい。他の実施形態では、第１の脱塩室Ｄ１は５０％を上回る体積比でカチオン交換体が充填され、残りのイオン交換体はアニオン交換体であってよい。第１の脱塩室Ｄ１にアニオン交換体がさらに充填されている場合、第１の脱塩室Ｄ１に充填されるイオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体とアニオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。

同様に、第２の脱塩室Ｄ２にはカチオン交換体がさらに充填されていてもよい。一実施形態では、第２の脱塩室Ｄ２は８０％以上の体積比でアニオン交換体が充填され、残りのイオン交換体はカチオン交換体であってよい。他の実施形態では、第２の脱塩室Ｄ２は５０％を上回る体積比でアニオン交換体が充填され、残りのイオン交換体はカチオン交換体であってよい。第２の脱塩室Ｄ２にカチオン交換体がさらに充填されている場合、第２の脱塩室Ｄ２に充填されるイ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、アニオン交換体とカチオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。

第１の脱塩室Ｄ１に、体積比で、カチオン交換体がアニオン交換体よりも多く充填され、第２の脱塩室Ｄ２に、体積比で、アニオン交換体がカチオン交換体よりも多く充填されている限り、カチオン交換体とアニオン交換体の充填比率は自由に決定することができる。例えば、第１の脱塩室Ｄ１に８０％の体積比でカチオン交換体が充填され、第２の脱塩室Ｄ２に８０％の体積比でアニオン交換体が充填されていてもよく、第１の脱塩室Ｄ１に９０％の体積比でカチオン交換体が充填され、第２の脱塩室Ｄ２に７０％の体積比でアニオン交換体が充填されていてもよい。第１の脱塩室Ｄ１におけるカチオン交換体の充填比率と、第２の脱塩室Ｄ２におけるアニオン交換体の充填比率は、上述の条件を満たす限り、互いに独立して定めることができる。

中間イオン交換膜ｍの種類は、被処理水の水質、脱イオン水（処理水）に求められる水質、第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２に充填されるイオン交換体の種類等を勘案して選択することができる。中間イオン交換膜ｍは、アニオン交換膜もしくはカチオン交換膜の単一膜、または、アニオン交換膜とカチオン交換膜の両方を備えた、バイポーラ膜などの複合膜のいずれであってもよい。

第１の脱塩室Ｄ１の陰極室Ｅ１側には、カチオン交換膜ｃ１を介して第１の脱塩室Ｄ１に隣接する第１の濃縮室Ｃ１が設けられている。第２の脱塩室Ｄ２の陽極室Ｅ２側には、アニオン交換膜ａ１を介して第２の脱塩室Ｄ２に隣接する第２の濃縮室Ｃ２が設けられている。第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２には、被処理水の一部、または他の水源から供給された水が流入する。第１の濃縮室Ｃ１に供給された水は、第１の脱塩室Ｄ１から排出されるカチオン成分を取り込み、第１の脱イオン水製造ユニット１１の外部に放出する。第２の濃縮室Ｃ２に供給された水は、第２の脱塩室Ｄ２から排出されるアニオン成分を取り込み、第１の脱イオン水製造ユニット１１の外部に放出する。第１の脱イオン水製造ユニット１１の電気抵抗を抑えるために、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２にイオン交換体が充填されていてもよい。

第２の濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２の間には第１の副脱塩室Ｓ１が設けられている。同様に、第１の濃縮室Ｃ１と陰極室Ｅ１との間には第２の副脱塩室Ｓ２が設けられている。第２の濃縮室Ｃ２と第１の副脱塩室Ｓ１とはカチオン交換膜ｃ２で、第１の副脱塩室Ｓ１と陽極室Ｅ２とはカチオン交換膜ｃ３で、それぞれ仕切られている。第１の濃縮室Ｃ１と第２の副脱塩室Ｓ２とはアニオン交換膜ａ２で、第２の副脱塩室Ｓ２と陰極室Ｅ１とはアニオン交換膜ａ３で、それぞれ仕切られている。第１の副脱塩室Ｓ１は第１の脱塩室Ｄ１と同様の構成を有しているが、カチオン交換体だけが単床充填されている。第２の副脱塩室Ｓ２は第２の脱塩室Ｄ２と同様の構成を有しているが、アニオン交換体だけが単床充填されている。

第１の副脱塩室Ｓ１は第１の脱塩室Ｄ１と並列に接続されており、第２の副脱塩室Ｓ２は第２の脱塩室Ｄ２と並列に接続されている。一方、第１の脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１と、第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２とは、脱塩室接続流路５によって、直列に接続されている。

図示は省略するが、第１の副脱塩室Ｓ１と第２の副脱塩室Ｓ２のいずれか一方または両方を省略することもできる。本実施形態において第２の副脱塩室Ｓ２を省略する場合、第１の濃縮室Ｃ１と陰極室Ｅ１がアニオン交換膜ａ２を介して隣接するが、カチオン交換膜を介して両者が隣接してもよく、さらに第１の濃縮室Ｃ１と陰極室Ｅ１を一体化（共用化）してもよい。同様に、第１の副脱塩室Ｓ１を省略する場合、第２の濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２がカチオン交換膜ｃ２を介して隣接するが、アニオン交換膜を介して両者が隣接してもよく、さらに第２の濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２を一体化（共用化）してもよい。

陰極室Ｅ１は陰極３を収容している。陰極３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。

陽極室Ｅ２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。被処理水が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Ｅ１及び陽極室Ｅ２には、被処理水の一部、または他の水源から供給された水が、電極水として流入する。第１の脱イオン水製造ユニット１１の電気抵抗を抑えるために、陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２にイオン交換体が充填されていることが好ましい。イオン交換体は陽極室Ｅ２と陰極室Ｅ１のいずれか一方だけに充填されてもよい。陰極室Ｅ１及び陽極室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Ｅ２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Ｅ１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、後述するように、水素イオンの第１の副脱塩室Ｓ１への移動及び水酸化物イオンの第２の副脱塩室Ｓ２への移動が円滑に行われる。陽極室Ｅ２にはアニオン交換体がさらに充填されていてもよく、陰極室Ｅ１にはカチオン交換体がさらに充填されていてもよい。これらの場合、陽極室Ｅ２及び陰極室Ｅ１のイオン交換体は、アニオン交換体とカチオン交換体との混床形態または複床形態で充填することができる。

図３に示すように、第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２は複数組設けることもできる。この場合、第１の副脱塩室Ｓ１と第２の副脱塩室Ｓ２の間に３以上の濃縮室Ｃ１〜ＣＮ（Ｎは３以上の自然数）が設けられ、隣接する濃縮室の間に第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２の組が配置される。複数の第１の脱塩室Ｄ１は互いに並列に接続することが望ましく，複数の第２の脱塩室Ｄ２も互いに並列に接続することが望ましい。

陰極室Ｅ１、陽極室Ｅ２、第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２、第１及び第２の副脱塩室Ｓ１，Ｓ２は各々、積層され互いに密着して設けられた多数の枠体２（図では、全体を符号２で示している）によって形成された内部空間に形成されている。枠体２の材料は、絶縁性を有し被処理水が漏洩しないもの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。

第１の脱イオン水製造ユニット１１に流入した被処理水の一部は第１の脱塩室Ｄ１に流入する。被処理水の残りは、一部が第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２、陽極室Ｅ２及び陰極室Ｅ１の少なくともいずれかに流入する場合を除き、第１の副脱塩室Ｓ１に流入する。第１の脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１から流出した被処理水は第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２に供給される。

次に、被処理水の流れと脱イオンの原理について説明する。給水ポンプ９を起動し、被処理水を第１の脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１、さらに第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２に、順次流入させる。被処理水の一部、または他の水源から供給された水を陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２に電極水として流入させる。同様に、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２にも被処理水の一部、または他の水源から供給された水を流入させる。

本実施形態では、図１に示すように、処理水の一部を陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２に電極水として流入させ、被処理水の一部を第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２に流入させている。この状態で、陽極陰極間に所定の電圧を印加する。なお、図１他に表記されている「脱塩室」は、第１の脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１と、第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２とが直列に接続された構成を示し、「濃縮室」は第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２を示し、「電極室」は陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２を示している。陰極室Ｅ１と陽極室Ｅ２は並列に接続されてもよく、直列に接続されてもよく、後者の場合、どちらが前段にあっても構わない。

被処理水は、第１の脱塩室Ｄ１でカチオン成分が除去される。具体的には、Ｎａ^＋等のカチオン成分が、第１の脱塩室Ｄ１で、第１の脱塩室Ｄ１に充填されたカチオン交換体に吸着される。第１の脱塩室Ｄ１と第２の脱塩室Ｄ２の界面では、水分解反応によって水が水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とに解離する反応が連続的に進行している。Ｈ^＋は陰極側に移動する途中でカチオン交換樹脂に吸着したＮａ^＋等のカチオン成分と交換され、第１の脱塩室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陰極間の電位によって陰極側に引き寄せられ、除去されたカチオンはカチオン交換膜ｃ１を通過して第１の濃縮室Ｃ１に流入し、第１の脱イオン水製造ユニット１１の外部に放出される。

第１の副脱塩室Ｓ１では、Ｎａ^＋等のカチオン成分は、第１の副脱塩室Ｓ１に充填されたカチオン交換体に吸着される。陽極室Ｅ２では、電気分解反応（２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻)によって水から酸素ガスとＨ^＋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Ｅ２内を上昇し、電極水とともに第１の脱イオン水製造ユニット１１の外へ排出される。Ｈ^＋は第３のカチオン交換膜ｃ３を通って第１の副脱塩室Ｓ１に流入する。第１の副脱塩室Ｓ１に流入したＨ^＋は、カチオン交換体に吸着したカチオン成分と交換され、カチオン交換体が再生される。除去されたＮａ^＋等のカチオン成分は陽極陰極間の電位によって陰極側に引き寄せられ、第２のカチオン交換膜ｃ２を通過して陽極側濃縮室Ｃ２に流入し、系外に放出される。

このようにしてＮａ^＋等のカチオン成分が除去された被処理水は、第２の脱塩室Ｄ２に流入する。被処理水は、第２の脱塩室Ｄ２でアニオン成分が除去される。具体的には、Ｃｌ⁻等のアニオン成分が、第２の脱塩室Ｄ２で、第２の脱塩室Ｄ２に充填されたアニオン交換体に吸着される。第２の脱塩室Ｄ２では、第１の脱塩室Ｄ１と第２の脱塩室Ｄ２の界面での水分解反応によってＯＨ⁻が連続的に発生している。ＯＨ⁻はアニオン交換樹脂に吸着したＣｌ⁻等の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陰極間の電位によって陽極側に引き寄せられ、除去されたアニオン成分はアニオン交換膜ａ１を通過して第２の濃縮室Ｃ２に流入し、第１の脱イオン水製造ユニット１１の外へ放出される。

第２の副脱塩室Ｓ２では、Ｃｌ⁻等のアニオン成分は、第２の副脱塩室Ｓ２に充填されたアニオン交換体に吸着される。陰極室Ｅ１では、電気分解反応（２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２＋２ＯＨ⁻)によって水から水素ガスとＯＨ⁻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Ｅ１内を上昇し、電極水とともに第１の脱イオン水製造ユニット１１の外へ排出される。ＯＨ⁻は第３のアニオン交換膜ａ３を通って第２の副脱塩室Ｓ２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陰極間の電位によって陽極側に引き寄せられ、第２のアニオン交換膜ａ２を通過して第１の濃縮室Ｃ１に流入する。第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２でアニオン成分が除去された被処理水は合流し、脱イオン水となって第１の脱イオン水製造ユニット１１の外へ排出される。

脱塩室が第１の脱塩室Ｄ１と第２の脱塩室Ｄ２の２つの脱塩室に区画され、各々の外側に第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２が隣接する構成（脱塩室２室構成）は、被処理水の多段処理が可能であり、脱イオン性能の向上に効果的である。しかも第１の脱塩室Ｄ１と第２の脱塩室Ｄ２との間に濃縮室を設ける必要がないため、陽極陰極間の印加電圧が抑えられ、消費電力が下がり運転費の低減を図ることが可能である。

また、被処理水は、第１の脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１でカチオン成分を除去され、第１の脱塩室Ｄ１のカチオン交換体は第１の脱塩室Ｄ１で生成されたＨ^＋により再生され、第１の副脱塩室Ｓ１のカチオン交換体は陽極室Ｅ２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、第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２でアニオン成分を除去され、第２の脱塩室Ｄ２のアニオン交換体は第２の脱塩室Ｄ２で生成されたＯＨ⁻により再生され、第２の副脱塩室Ｓ２のアニオン交換体は陰極室Ｅ１で生成されたＯＨ⁻により再生される。従って、陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２で発生し、従来は利用されることなく捨てられていたＨ^＋及びＯＨ⁻をイオン交換体の再生に有効利用することができる。陽極室Ｅ２及び陰極室Ｅ１におけるＨ^＋及びＯＨ⁻の生成効率は高いため、電圧が低くても十分な量のＨ^＋及びＯＨ⁻が第１の副脱塩室Ｓ１及び第２の副脱塩室Ｓ２に移動する。このため、電極間の印加電圧を抑え、第１の脱イオン水製造ユニット１１の運転費用を低減することができる。

さらに、脱イオン水製造装置１を２つの脱イオン水製造ユニット１１，１２の直列構成としたことで、個々の脱イオン水製造ユニット１１，１２の負荷が低減するため、脱イオン水製造ユニット１１，１２を流れる電流を抑えることができる。印加電流が減少するため、焼けなどによるイオン交換膜（アニオン交換膜ａ１〜ａ３、カチオン交換膜ｃ１〜ｃ３、中間イオン交換膜ｍ）の抵抗増加が発生しにくく、陽極陰極間の印加電圧の増加が抑制される。これに対し、１つの脱イオン水製造装置だけで被処理水を処理する場合、印加電流は２つの脱イオン水製造ユニットを流れる電流の和に概ね等しいが、陽極陰極間の印加電圧が増加しやすく、消費電力が増加する傾向にある。

本実施形態では、第１の脱塩室Ｄ１に、体積比で、カチオン交換体がアニオン交換体よりも多く充填され、第２の脱塩室Ｄ２に、体積比で、アニオン交換体がカチオン交換体よりも多く充填されているため、さらに電気抵抗が減少し、一層の消費電力の抑制が可能となる。図４は、脱塩室２室構成における中間イオン交換膜ｍ近傍のイオン交換樹脂の分布を示す模式図である。同図（ａ）は、第１の脱塩室Ｄ１がカチオン交換体の単床充填、第２の脱塩室Ｄ２がアニオン交換体の単床充填の場合を、同図（ｂ）は、２つの脱塩室にカチオン交換体とアニオン交換体が同じ体積だけ混床充填されている場合を示している。いずれの場合でも、中間イオン交換膜ｍを挟んで互いに隣接するカチオン交換体Ｃとアニオン交換体Ａの界面で水分解反応が生じ、Ｈ^＋とＯＨ⁻が発生する。

図４（ａ）の場合、発生したＨ^＋は陰極側へ、ＯＨ⁻は陽極側へと、互いに離れる方向に移動し、互いに遭遇する可能性が低いため、Ｈ^＋とＯＨ⁻はそのままの状態を保ちながら、第１の脱塩室Ｄ１及び第２の脱塩室Ｄ２の中を電気泳動する。これに対し図４（ｂ）の場合、発生したＨ^＋とＯＨ⁻の一部は、中間イオン交換膜ｍを通って反対面に移動する。ここで、図ではＨ^＋とＯＨ⁻が共に中間イオン交換膜ｍを通過するように示しているが、実際には、中間イオン交換膜ｍの特性により、Ｈ^＋とＯＨ⁻のいずれかだけが中間イオン交換膜ｍを通過する。例えば、Ｈ^＋が中間イオン交換膜ｍを通過する場合、中間イオン交換膜ｍの反対面にはＯＨ⁻が存在しており、中間イオン交換膜ｍを通過したＨ^＋と、中間イオン交換膜ｍの反対面に存在するＯＨ⁻との間で逆反応が生じ、Ｈ^＋とＯＨ⁻が消滅する。

すなわち、図４（ａ）の場合、イオンの流れが整流化され、水分解反応に寄与する反応面が広く取れるのに対し、図４（ｂ）の場合、水分解反応に寄与する反応面が小さくなってしまう。しかも、図４（ｂ）の場合は、中間イオン交換膜ｍを介してカチオン交換体とアニオン交換体が隣接する可能性自体も小さく、水分解反応に寄与する反応面がさらに小さくなる。これを補うためには陽極陰極間の電圧を上げ、より多くの水分解反応を発生させる必要が生じる。つまり、電気抵抗が増えたのと同じ現象が生じる。換言すれば、図４（ａ）の場合には、電気抵抗が減少したのと同じ効果が生じる。

図４（ｂ）は、カチオン交換体及びアニオン交換体が混床充填された例を示しているが、第１の脱塩室Ｄ１に相対的にカチオン交換体が多く充填され、第２の脱塩室Ｄ２に相対的にアニオン交換体が多く充填されていれば、程度の差はあれ、図４（ａ）に示すのと同様の効果が得られる。

本願発明者は、１つの脱塩室内でのカチオン交換体及びアニオン交換体の充填比率（カチオン交換体及びアニオン交換体の合計体積に対するカチオン交換体の体積比）を変えて電気抵抗を測定した。この測定例では図４に示すような中間イオン交換膜ｍは存在しないが、Ｈ^＋とＯＨ⁻の生成と消滅について、図４と同様の状況が模擬されている。

測定の結果、カチオン交換体とアニオン交換体が等体積ずつ充填されている場合（すなわち、充填比率が５０％の場合）に電気抵抗が最も高くなった。一方、充填比率が５０％よりも高く、あるいは、低くなるにつれ、電気抵抗が低下し、アニオン交換体だけが充填されている場合（すなわち、充填比率が０％の場合）またはカチオン交換体だけが充填されている場合（すなわち、充填比率が１００％の場合）に、電気抵抗が最も低くなった。具体的には、充填比率０％の場合の電気抵抗は、充填比率５０％の場合の電気抵抗の約１／５となった。また、充填比率１００％の場合の電気抵抗は、充填比率５０％の場合の電気抵抗の約１／１０となった。

また、充填比率が２０％と８０％の付近に変曲点が認められた。具体的には、充填比率２０％の場合の電気抵抗は、充填比率５０％の場合の電気抵抗の約２／５となった。また、充填比率８０％の場合の電気抵抗は、充填比率５０％の場合の電気抵抗の約１／３となった。

このことより、第１の脱塩室Ｄ１は８０％以上の体積比でカチオン交換体が充填され、第２の脱塩室Ｄ２は８０％以上の体積比でアニオン交換体が充填されることが望ましい。

（第２の実施形態）
本実施形態は、各脱イオン水製造ユニットの構成は第１の実施形態と同様であるが、脱イオン水製造ユニット間の接続の態様が第１の実施形態と異なっている。本実施形態では、第１の脱イオン水製造ユニット１１と第２の脱イオン水製造ユニット１２の通水順序を切り替えることができる。図５，６は、共に本実施形態の脱イオン水製造装置１’の構成を示しているが、それぞれが異なる運転モードを示している。通水されるラインは太線で示している（電極室、濃縮室を除く）。

脱イオン水製造装置１’は、第１の脱イオン水製造ユニット１１に水を流入させる第１の入口ライン２１と、第２の脱イオン水製造ユニット１２に水を流入させる第２の入口ライン２２と、を有している。第１及び第２の入口ライン２１，２２は、給水ポンプ９の設けられている共通ライン２３から分岐している。同様に、脱イオン水製造装置１’は、第１の脱イオン水製造ユニット１１から水を流出させる第１の出口ライン２４と、第２の脱イオン水製造ユニット１２から水を流出させる第２の出口ライン２５と、を有している。第１及び第２の出口ライン２４，２５は、共通の出口ライン２６に合流している。第１の入口ライン２１と第２の出口ライン２５は第１の接続ライン２７によって接続され、第２の入口ライン２２と第１の出口ライン２４は第２の接続ライン２８によって接続されている。各ライン２１〜２８には図示しない弁が設けられている。

図５に示す運転モードでは、太線に示すように、第１の脱イオン水製造ユニット１１に先に通水され、その後第２の脱イオン水製造ユニット１２に通水される。図６に示す運転モードでは、太線に示すように、第２の脱イオン水製造ユニット１２に先に通水され、その後第１の脱イオン水製造ユニット１１に通水される。直列に連結された２つの脱イオン水製造ユニットで脱イオン水製造装置を構成する場合、一般的には前段の脱イオン水製造ユニットの方が負荷が高いため、装置全体の稼働可能時間は、前段の脱イオン水製造ユニットの稼働可能時間で支配される。本実施形態では、第１の脱イオン水製造ユニット１１と第２の脱イオン水製造ユニット１２の通水順序を切り替えることができるため、脱イオン水製造ユニット１１，１２の負荷を均等化し、装置全体の稼働可能時間を長くすることができる。後段の脱イオン水製造ユニットの方が負荷が高い場合も、同様に通水順序を切り替えることによって、同様の効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態も、各脱イオン水製造ユニットの構成は第１の実施形態と同様であるが、脱イオン水製造ユニット間の接続の態様が第１の実施形態と異なっている。本実施形態では、３以上のイオン水製造ユニットが直列に接続されており、かつ脱イオン水製造ユニットの通水順序を切り替えることができる。図７〜９は、共に本実施形態の脱イオン水製造装置１”の構成を示しているが、それぞれが異なる運転モードを示している。通水されるラインは太線で示している。図７〜９では電極室及び濃縮室の図示は省略している。

脱イオン水製造装置１”は、第１及び第２の脱イオン水製造ユニット１１，１２に加え、第３〜第Ｎの脱イオン水製造ユニット１３〜１Ｎ（ここで、Ｎは３以上の自然数）をさらに有している。第１〜第Ｎの脱イオン水製造ユニット１１〜１Ｎは直列に接続されている。各脱イオン水製造ユニット１１〜１Ｎは、第１の実施形態の脱イオン水製造ユニットと同じ構成とすることができ、各々が、陽極室Ｅ２及び陰極室Ｅ１と、陽極室Ｅ２と陰極室Ｅ１との間に位置し、直列に接続され、イオン交換膜で仕切られた第１及び第２の脱塩室Ｄ１，Ｄ２と、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２と、第１及び第２の副脱塩室Ｓ１，Ｓ２と、を有している。

第１〜第Ｎの脱イオン水製造ユニット１１〜１Ｎは、それぞれに水を流入させる第１〜第Ｎの入口ライン３１〜３Ｎに接続されており、それぞれから水を流出させる第１〜第Ｎの出口ライン４１〜４Ｎに接続されている。第Ｊの出口ラインと第Ｊ＋１の入口ライン（ここで、Ｊは１からＮ−１の全ての自然数）は、それぞれ接続ライン５１〜５Ｎ−１（合計Ｎ−１個）で接続されており、第Ｎの出口ラインと第１の入口ラインは接続ライン５Ｎで接続されている。

従って、図７に示すように第１の脱イオン水製造ユニット１１から、第２、第３、・・、第Ｎの脱イオン水製造ユニット１Ｎまで直列で接続し、この順で通水することができる。また、図８に示すように、第２の脱イオン水製造ユニット１２から、第３、第４、・・、第Ｎ、第１の脱イオン水製造ユニット１１の順で通水することができる。一般化すれば、任意の第Ｋ（ここで、Ｋは１からＮの全ての自然数）の脱イオン水製造ユニットから、第Ｋ−１（Ｋ＝１の場合は、第Ｎ）の脱イオン水製造ユニットまで、順次通水することができる。さらに、図９に示すように、一部の脱イオン水製造ユニット（ここでは第１の脱イオン水製造ユニット１１）を脱イオン水製造装置１”から隔離することもできる。この場合、運転を継続しながら、所望の脱イオン水製造ユニットのメンテナンスを行うことができる。

（実施例）
図１０に示す構成の脱イオン水製造装置を用いて本発明の効果を確認した。図１０（ａ）は本発明の実施例に係る脱イオン水製造装置の構成図、図１０（ｂ）は比較例に係る脱イオン水製造装置の構成図を示す。実施例は図２に示すのと同じ構成の脱イオン水製造ユニットを２基直列に接続しており、比較例は実施例と同じ脱イオン水製造ユニットを１つだけ備えている。ＲＯ（逆浸透膜）装置を通過した被処理水を実施例及び比較例の脱イオン水製造装置脱イオン水製造装置に供給した。実施例では、前段の脱イオン水製造ユニットの消費電力が１５６Ｗであったのに対し、後段の脱イオン水製造ユニットではその約三分の一であり、トータルの消費電力は２１１Ｗであった。これに対し、比較例では、トータルの消費電力は４６４Ｗであった。実施例で得られた水質は比較例で得られた水質よりも良好であったことから、仮に比較例と同等の水質で足りる場合、実施例の消費電力はさらに低減される。

実施例では、前段、後段の脱イオン水製造ユニットとも、陽極陰極間の印加電圧が１００Ｖを多少上回る程度であったのに対し、比較例では２３２Ｖであった。比較例は電流値も２．０Ａと実施例より大きかったため、イオン交換膜の抵抗が増加し、それによって印加電圧も増加し、消費電力が増加したものと考えられる。

Ｄ１ 第１の脱塩室
Ｄ２ 第２の脱塩室
Ｃ１ 第１の濃縮室
Ｃ２ 第２の濃縮室
Ｓ１ 第１の副脱塩室
Ｓ２ 第２の副脱塩室
Ｅ１ 陰極室
Ｅ２ 陽極室
ａ１〜ａ３ アニオン交換膜
ｃ１〜ｃ３ カチオン交換膜
ｍ 中間イオン交換膜
１，１’，１” 脱イオン水製造装置
１１，１２、・・１Ｎ 脱イオン水製造ユニット

Claims (11)

1. 直列に接続された第１及び第２の脱イオン水製造ユニットを有し、
   前記第１及び第２の脱イオン水製造ユニットの各々は、イオン交換膜で画定された陽極室及び陰極室と、前記陽極室と前記陰極室との間に位置しイオン交換体が充填された第１及び第２の脱塩室と、前記陰極室側でカチオン交換膜を介して前記第１の脱塩室に隣接する第１の濃縮室と、前記陽極室側でアニオン交換膜を介して前記第２の脱塩室に隣接する第２の濃縮室と、前記第１の脱塩室と前記第２の脱塩室とを直列に接続する脱塩室接続流路と、を有し、
   前記第１の脱塩室は、前記カチオン交換膜と、該第１の脱塩室の前記陽極室側に位置する中間イオン交換膜と、によって画定され、
   前記第２の脱塩室は、前記中間イオン交換膜と、前記アニオン交換膜と、によって画定され、
   前記第１及び第２の脱イオン水製造ユニットのうち、後段の脱イオン水製造ユニットの消費電力が前段の脱イオン水製造ユニットの消費電力より小さくなるように、前記第１及び第２の脱イオン水製造ユニットに電流が流される、電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記第１及び第２の濃縮室は供給水が前記第１の脱塩室を流れる被処理水と反対方向に流れるようにされている、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 被処理水を前記第１の脱イオン水製造ユニットの前記第１の脱塩室に供給する第１の被処理水供給流路と、前記第１の被処理水供給流路から分岐して、前記第１の脱イオン水製造ユニットの前記第１及び第２の濃縮室、及び前記第２の脱イオン水製造ユニットの前記第１及び第２の濃縮室に前記被処理水の一部を供給する第２の被処理水供給流路と、を有する、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 前記第１の脱塩室と並列に設けられた第１の副脱塩室と、前記第２の脱塩室と並列に設けられた第２の副脱塩室の、少なくともいずれかを有する、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. 前記第１の脱塩室は５０％を上回る体積比でカチオン交換体が充填され、または前記第２の脱塩室は５０％を上回る体積比でアニオン交換体が充填され、または前記第１の脱塩室は５０％を上回る体積比でカチオン交換体が充填され前記第２の脱塩室は５０％を上回る体積比でアニオン交換体が充填されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記第１の脱塩室は８０％以上の体積比で前記カチオン交換体が充填され、または前記第２の脱塩室は８０％以上の体積比で前記アニオン交換体が充填され、または前記第１の脱塩室は８０％以上の体積比で前記カチオン交換体が充填され前記第２の脱塩室は８０％以上の体積比で前記アニオン交換体が充填されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
7. 前記第１の脱塩室は前記カチオン交換体だけが充填され、または前記第２の脱塩室は前記アニオン交換体だけが充填され、または前記第１の脱塩室は前記カチオン交換体だけが充填され前記第２の脱塩室は前記アニオン交換体だけが充填されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
8. 前記第１の電気式脱イオン水製造ユニットと前記第２の電気式脱イオン水製造ユニットは同一の構成を有している、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. 前記前段の電気式脱イオン水製造ユニットと前記後段の電気式脱イオン水製造ユニットとの間に、前記前段の電気式脱イオン水製造ユニットを流出した水を昇圧して前記後段の電気式脱イオン水製造ユニットに流入させるポンプを有している、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。
10. 前記第１の脱イオン水製造ユニットに水を流入させる第１の入口ラインと、
    前記第２の脱イオン水製造ユニットに水を流入させる第２の入口ラインと、
    前記第１の脱イオン水製造ユニットから水を流出させる第１の出口ラインと、
    前記第２の脱イオン水製造ユニットから水を流出させる第２の出口ラインと、
    前記第１の入口ラインと前記第２の出口ラインとを接続する第１の接続ラインと、
    前記第２の入口ラインと前記第１の出口ラインとを接続する第２の接続ラインと、
    を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
11. 前記第１及び第２の脱イオン水製造ユニットと直列に接続され、各々が、陽極室及び陰極室と、前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、直列に接続され、イオン交換膜で仕切られた第１及び第２の脱塩室と、を有する第３〜第Ｎの脱イオン水製造ユニット（ここで、Ｎは３以上の自然数）をさらに有し、
    前記第１〜第Ｎの脱イオン水製造ユニットにそれぞれ水を流入させる第１〜第Ｎの入口ラインと、
    前記第１〜第Ｎの脱イオン水製造ユニットからそれぞれ水を流出させる第１〜第Ｎの出口ラインと、
    前記第Ｊの出口ラインと前記第Ｊ＋１の入口ライン（ここで、Ｊは１からＮ−１の全ての自然数）とをそれぞれ接続するＮ−１個の接続ライン、及び前記第Ｎの出口ラインと前記第１の入口ラインとを接続する接続ラインと、
    を有する、請求項１から９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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