JP2016163890A - 軟水化装置及びイオン交換樹脂の再生方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】イオン交換樹脂を再生しやすく、水を軟水化する性能は維持しながらも、薬剤等を用いることなく、軟水化−再生の繰り返しによって連続的に使用可能な軟水化装置を提供する。【解決手段】樹脂室１３は、電極２１、２２のうち陽極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第１隔膜３１と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜よりなる第２隔膜３２とにより仕切られるか、または電極２１、２２のうち陽極側に設けられ陰イオン交換樹脂膜よりなる第１隔膜３１と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第２隔膜３２とにより仕切られることで形成され、イオン交換樹脂４０が、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２からなるようにした軟水化装置１００。【選択図】図１
Description
本発明は、軟水化装置、イオン交換樹脂の再生方法に関するものである。
この種の軟水化装置としては、特許文献１に示すように、硬水を陽イオン交換樹脂に通過させることによりカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分を吸着させて軟水化し、軟水化した後の陽イオン交換樹脂に塩化ナトリウム等の薬剤を投入して当該陽イオン交換樹脂を再生するように構成されたものがある。
しかし、この軟水化装置は、再生のために薬剤を購入し、定期的に軟水化装置に投入する必要があり、費用や手間がかかるという問題がある。
そこで、特許文献２に示すように、一対の電極を、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂を有する樹脂室を挟んで配置し、これらの電極により樹脂室に電圧を印加することで、薬剤等を用いることなく陽イオン交換樹脂を再生するように構成されたものが知られている。
ここで、上述した軟水化装置において、陽イオン交換樹脂が再生される原理について説明する。
上述した軟水化装置の樹脂室は、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂を有しているので、一対の電極によりこの樹脂室に電圧が印加されると、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との間で水が分解して、水素イオン及び水酸化物イオンが生じる。
そして、この水素イオンが陽イオン交換樹脂に吸着されたカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分と交換されることより、陽イオン交換樹脂が再生されることになる。
そして、この水素イオンが陽イオン交換樹脂に吸着されたカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分と交換されることより、陽イオン交換樹脂が再生されることになる。
ところが、従来、軟水化装置に使用されるイオン交換樹脂には、強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂が用いられており、この構成により、水に含まれる硬度成分を効率よく吸着させることはできるが、軟水化した後のイオン交換樹脂を再生しにくいという問題がある。
何故ならば、強酸性陽イオン交換樹脂は、硬度成分を吸着しやすい一方、一度水中の硬度成分を吸着すると、水の分解により生じた水素イオンとこれらの硬度成分とを交換しにくい性質を有しているからである。
また、強塩基性陰イオン交換樹脂は、水中の塩化物イオン等の陰イオンを吸着しやすい一方、一度これらの陰イオンを吸着すると、水の分解により生じた水酸化物イオンとこれらの陰イオンとを交換しにくい性質を有しているからである。
また、強塩基性陰イオン交換樹脂は、水中の塩化物イオン等の陰イオンを吸着しやすい一方、一度これらの陰イオンを吸着すると、水の分解により生じた水酸化物イオンとこれらの陰イオンとを交換しにくい性質を有しているからである。
そこで、本発明は、水を軟水化する性能は維持しながらも、薬剤等を用いることなく、イオン交換樹脂を再生しやすくし、連続的に使用可能とすることを主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係る軟水化装置は、イオン交換樹脂を有し、当該イオン交換樹脂を通過する水を軟水化する樹脂室と、前記樹脂室を挟んで配置され、前記樹脂室に電圧を印加して前記水を軟水化した後の前記イオン交換樹脂を再生する電極とを具備する軟水化装置であって、前記樹脂室は、前記電極のうち陽極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜よりなる第２隔膜とにより仕切られるか、または当該電極のうち陽極側に設けられ陰イオン交換樹脂膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第２隔膜とにより仕切られることで形成され、前記イオン交換樹脂が、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂からなることを特徴とするものである。
なお、ここでいう軟水化とは、水に含まれている硬度成分を減少させることをいう。
なお、ここでいう軟水化とは、水に含まれている硬度成分を減少させることをいう。
このような軟水化装置であれば、イオン交換樹脂が、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂からなるので、水を軟水化することができるうえ、水を軟水化した後のイオン交換樹脂を再生しやすくすることができる。
何故ならば、弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂が以下の性質を有しているからである。
弱酸性陽イオン交換樹脂は、強酸性陽イオン交換樹脂と比べて吸着した硬度成分と水の分解により生じた水素イオンとを交換しやすい性質を有している。また、弱塩基性陰イオン交換樹脂は、強塩基性陰イオン交換樹脂と比べて吸着した水中の陰イオンと水の分解により生じた水酸化物イオンを吸着しやすい性質を有している。
したがって、本発明に係る軟水化装置は、従来の強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂を使用した軟水化装置に比べて、イオン交換樹脂の再生に使用する水素イオン及び水酸化物イオンの量を減らすことができ、これにより、イオン交換樹脂の再生時間の短縮や省電力化が可能になる。
何故ならば、弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂が以下の性質を有しているからである。
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したがって、本発明に係る軟水化装置は、従来の強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂を使用した軟水化装置に比べて、イオン交換樹脂の再生に使用する水素イオン及び水酸化物イオンの量を減らすことができ、これにより、イオン交換樹脂の再生時間の短縮や省電力化が可能になる。
前記バイポーラ膜は、透水性を有するようにすることができる。なおバイポーラ膜が透水性ではなく、非透水性であることを妨げるものではない。
前記弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とは、混合しない状態で前記樹脂室に充填されるようにすることができる。
また前記樹脂室は複数設けられるとともに、前記電極は複数の当該樹脂室を挟んで配置され、複数の前記樹脂室間に導電部材をさらに設け、前記電極および当該導電部材による仕切られた単位毎に前記イオン交換樹脂の再生を行なうことが好ましい。
さらに前記導電部材は、非イオン透過性かつ非透水性であることが好ましい。
そして前記樹脂室から陽極または前記導電部材と前記第１隔膜との間の空間である陽極室に流れる流路と、当該陽極室から当該導電部材または陰極と前記第２隔膜との間の空間である陰極室に流れる流路とが設けられることが好ましい。
さらに前記導電部材は、非イオン透過性かつ非透水性であることが好ましい。
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また本発明に係るイオン交換樹脂の再生方法は、イオン交換樹脂を収容する複数の樹脂室および複数の当該樹脂室間に設けられた導電部材を挟んで配置される電極に電圧を印加しつつ当該樹脂室および当該樹脂室間に通水を行なうことで、当該イオン交換樹脂を再生し、前記電極および前記導電部材による仕切られた単位毎に前記イオン交換樹脂の再生を行ない、前記樹脂室は、前記電極のうち陽極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜よりなる第２隔膜とにより仕切られるか、または当該電極のうち陽極側に設けられ陰イオン交換樹脂膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第２隔膜とにより仕切られることで形成されることを特徴とするものである。
そして前記樹脂室に通水して前記イオン交換樹脂を再生した後に、当該樹脂室から陽極または前記導電部材と前記第１隔膜との間の空間である陽極室に通水し、当該陽極室から当該導電部材または陰極と前記第２隔膜との間の空間である陰極室に通水することが好ましい。
このように構成した本発明によれば、イオン交換樹脂を再生しやすく、水を軟水化する性能は維持しながらも、薬剤等を用いることなく、軟水化‐再生の繰り返しによって連続的に使用可能な軟水化装置を提供することができる。
以下に本発明に係る軟水化装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る軟水化装置１００は、図１に示すように、硬度成分を含む水を導入する導入ポート１０１及び硬水が軟水化された生成水を排出する排出ポート１０２が形成された樹脂室１３と、樹脂室１３を挟んで配置された一対の電極である陽極２１と陰極２２とを具備するものである。
一対の電極である陽極２１と陰極２２とは、本実施形態では、それぞれ対向して設けられており、所定の電圧が印加されることにより、一方の電極が陽極２１になるとともに他方の電極が陰極２２になり、陽極２１から陰極２２に向かって樹脂室１３内に所定の電流が流れるように構成されたものである。陽極２１および陰極２２は、チタン等からなる所定の基材の表面を白金、白金を含有する合金もしくは白金族金属を主成分とする合金で被覆されたものであることが好ましい。また形状は、メッシュ状や板状のものであることが好ましい。
なお、本実施形態では、これらの電極に印加される電圧を変更することにより、樹脂室１３内に流れる電流の大きさを自由に変更できるように構成されている。
なお、本実施形態では、これらの電極に印加される電圧を変更することにより、樹脂室１３内に流れる電流の大きさを自由に変更できるように構成されている。
本実施形態の軟水化装置１００は、樹脂室１３内に流れる電流の向きに沿って隔てられた、陽極室１１、樹脂室１３及び陰極室１２を有しており、樹脂室１３及び陽極室１１は第１隔膜３１によって隔てられ、樹脂室１３及び陰極室１２は第２隔膜３２によって隔てられている。
第１隔膜３１は、陰イオン交換樹脂膜であることが好ましい。また第２隔膜３２は、陽イオン交換樹脂膜であることが好ましい。この場合、陰イオン交換樹脂膜および陽イオン交換樹脂膜の材質は、それぞれ陰イオン交換機能および陽イオン交換機能を有すれば特に限られるものではない。この場合、陽極２１と陰極２２に電圧を印加したとき、陰イオン交換樹脂膜である第１隔膜３１は、陰イオンを選択的に透過させる。また陽イオン交換樹脂膜である第２隔膜３２は、陽イオンを選択的に透過させる。陰イオン交換樹脂膜および陽イオン交換樹脂膜は、機械的強度とイオン透過率とのバランスから１０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることがさらに好ましい。
樹脂室１３は、その内部にイオン交換樹脂４０を有しており、当該樹脂室１３に導入された水が、このイオン交換樹脂４０を通過して軟水化され、生成水となって導出されるように構成されている。
より具体的には、この樹脂室１３は、内部を通過する水が、樹脂室１３内を流れる電流の向きと略垂直な方向に流れるように構成されており、本実施形態では、樹脂室１３の下部に設けられた導入ポート１０１から樹脂室１３の上部に設けられた排出ポート１０２に向かって水が流れるように構成されている。
本実施形態では、イオン交換樹脂４０は、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２からなるものである。言い換えれば、本実施形態の樹脂室１３は、例えばカルボキシル基を交換基として有する弱酸性陽イオン交換樹脂４１と、一級アミノ基から三級アミノ基を交換基として有する弱塩基性陰イオン交換樹脂４２とを内部に収容していることになる。
より詳細には、弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２は、それぞれ粒子状をなすものであり、それぞれが混在して樹脂室１３内に収容されている。本実施形態では、これらの弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２は、樹脂室１３内で無秩序に混ざり合っている。
より具体的に、弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２は、それぞれ粒径が１００μｍ以上５００μｍ以下のものであり、好ましくは、１００μｍ以上４００μｍ以下のものである。さらに最適なのは２５０μｍ以上４００μｍ以下である。本実施形態で用いられている弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２は、それぞれ略球体状をなすものであり、その径が１００μｍ以上５００μｍ以下のもので、これらの粒径はサイズ毎に揃っている。
また、樹脂室１３内における弱酸性陽イオン交換樹脂４１と弱塩基性陰イオン交換樹脂４２との割合は、弱酸性陽イオン交換樹脂４１のイオン交換容量が、弱塩基性陰イオン交換樹脂４２のイオン交換容量の１倍以上になるようにしており、本実施形態では、１倍以上９倍以下にしている。
続いて、上述した軟水化装置１００の動作について説明する。
まず、軟水化処理時は、ＣａＣＯ３換算で硬度２５０ｍｇ／Ｌに調製した水を導入ポート１０１から導入し、樹脂室１３のイオン交換樹脂４０を通過させる。この際、一対の電極である陽極２１及び陰極２２には電圧を印加させない。
これにより、水は、当該水に含まれるカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分が弱酸性陽イオン交換樹脂４１に吸着されて減少し、軟水化される。
これにより、水は、当該水に含まれるカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分が弱酸性陽イオン交換樹脂４１に吸着されて減少し、軟水化される。
上述の軟水化処理を１回又は複数回行ったあと、イオン交換樹脂４０の再生時には、一対の電極である陽極２１及び陰極２２に所定の電圧を印加するとともに、導入ポート１０１からＣａＣＯ３換算で硬度２５０ｍｇ／Ｌに調製した水を導入する。
これにより、弱酸性陽イオン交換樹脂４１と弱塩基性陰イオン交換樹脂４２との界面で水の分解により水素イオンと水酸化物イオンが生じる。そして水素イオンによって弱酸性陽イオン交換樹脂４１に吸着しているカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分が交換され、水酸化物イオンによって弱塩基性陰イオン交換樹脂４２に吸着されている硫酸イオンや炭酸イオン等の陰イオン成分が交換されることによりイオン交換樹脂４０が再生される。
なお脱離した硬度成分や陰イオン成分がイオン交換樹脂４０に再吸着するのを抑制するため、樹脂室１３内の流路長はより短い方が好ましい。
これにより、弱酸性陽イオン交換樹脂４１と弱塩基性陰イオン交換樹脂４２との界面で水の分解により水素イオンと水酸化物イオンが生じる。そして水素イオンによって弱酸性陽イオン交換樹脂４１に吸着しているカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分が交換され、水酸化物イオンによって弱塩基性陰イオン交換樹脂４２に吸着されている硫酸イオンや炭酸イオン等の陰イオン成分が交換されることによりイオン交換樹脂４０が再生される。
なお脱離した硬度成分や陰イオン成分がイオン交換樹脂４０に再吸着するのを抑制するため、樹脂室１３内の流路長はより短い方が好ましい。
次に、弱酸性陽イオン交換樹脂４１と弱塩基性陰イオン交換樹脂４２との割合を９倍として、軟水化−再生を３回繰り返した後に軟水化を行った際のイオン交換樹脂４０の粒径と硬度成分除去率との関係を表す実験データを図２に示し、イオン交換樹脂４０の粒径を５００μｍとして軟水化−再生を３回繰り返した後に軟水化を行った際の弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２のイオン交換容量比における硬度成分除去率を表す実験データを図３に示す。
図２に示すように、弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２の粒径が、それぞれ１００μｍ以上５００μｍの場合に、一般的なイオン交換樹脂４０のサイズである５００μｍ以上７５０μｍ以下と比較して、イオン交換樹脂４０の硬度成分除去率が高いことが分かる。この理由は、上述した範囲の粒径であれば、弱酸性陽イオン交換樹脂４１と弱塩基性陰イオン交換樹脂４２の接する箇所が増加して、水の分解が生じやすいからであると考えられる。なお、粒径が１００μｍよりも小さくなると、各ポート１０１、１０２やこれらに付随するメッシュ等が詰まり圧力損失が生じる。
また、弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２の割合については、軟水化性能を考慮してなるべく弱酸性陽イオン交換樹脂４１の割合を多くした配合がよい。単位体積当たりの弱酸性陽イオン交換樹脂４１の絶対量が増えるため軟水化に有利となるためである。図３に示すように、本実施形態では、弱酸性陽イオン交換樹脂４１のイオン交換容量が、弱塩基性陰イオン交換樹脂４２のイオン交換容量の１倍以上９倍以下の場合に良好な硬度除去性能を示し、より好ましくは３倍以上６倍以下の場合であることが分かる。
このように構成された本実施形態に係る軟水化装置１００によれば、イオン交換樹脂４０が、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２からなり、樹脂室１３に流した水を軟水化することができるうえ、イオン交換樹脂４０に吸着した硬度成分を高い除去率で除去することができ、薬剤等を用いることなく、水を軟水化した後のイオン交換樹脂４０を再生しやすくすることができ、連続的な使用が可能になる。
なお軟水化装置１００は、図１に示した形態に限られるものではない。
図４は、軟水化装置１００の他の形態について示した図である。
本実施形態の軟水化装置１００は、図１に示した軟水化装置１００と比較して、樹脂室１３を挟んで配置された一対の電極である陽極２１と陰極２２とを具備する点で同様である。また本実施形態の軟水化装置１００は、陽極２１と隣接する樹脂室１３との間に陽極室１１を有し、陰極２２と隣接する樹脂室１３との間に陰極室１２を有する点でも図１に示した軟水化装置１００と同様である。ただし説明の便宜上、ここではこれらをそれぞれ陽極室１１ａ、陰極室１２ｂとして図示している。
図４は、軟水化装置１００の他の形態について示した図である。
本実施形態の軟水化装置１００は、図１に示した軟水化装置１００と比較して、樹脂室１３を挟んで配置された一対の電極である陽極２１と陰極２２とを具備する点で同様である。また本実施形態の軟水化装置１００は、陽極２１と隣接する樹脂室１３との間に陽極室１１を有し、陰極２２と隣接する樹脂室１３との間に陰極室１２を有する点でも図１に示した軟水化装置１００と同様である。ただし説明の便宜上、ここではこれらをそれぞれ陽極室１１ａ、陰極室１２ｂとして図示している。
一方、本実施形態の軟水化装置１００は、樹脂室１３が複数設けられる点で異なる。図４では、樹脂室１３が２つ設けられる場合を例に採り図示している。図４では、この２つの樹脂室１３をそれぞれ樹脂室１３ａおよび樹脂室１３ｂとして図示している。
また本実施形態の軟水化装置１００は、図１に示した軟水化装置１００と比較して、複数の樹脂室１３間に、詳しくは後述する導電部材５０が設けられる。導電部材５０は、隣り合う樹脂室１３の間の空間を陽極室１１と陰極室１２とに区分する。図４に図示した例では、導電部材５０は、樹脂室１３ａと樹脂室１３ｂとの間の空間を区分する。そして導電部材５０は、樹脂室１３ａと導電部材５０との間の空間である陰極室１２ａと、導電部材５０と樹脂室１３ｂとの間の空間である陽極室１１ｂとに区分する。
樹脂室１３ａは、樹脂室１３ａを挟んで設けられる第１隔膜３１ａと第２隔膜３２ａにより隣接する空間と隔てられている。また樹脂室１３ｂは、樹脂室１３ｂを挟んで設けられる第１隔膜３１ｂと第２隔膜３２ｂにより隣接する空間と隔てられている。ここでは、第１隔膜３１ａにより陽極室１１ａと樹脂室１３ａとが隔てられ、第２隔膜３２ａにより樹脂室１３ａと陰極室１２ａとが隔てられている。さらに第１隔膜３１ｂにより陽極室１１ｂと樹脂室１３ｂとが隔てられ、第２隔膜３２ｂにより樹脂室１３ｂと陰極室１２ｂとが隔てられている。なお第１隔膜３１ａ、３１ｂは、陰イオン交換樹脂膜であることが好ましく、また第２隔膜３２ａ、３２ｂは、陽イオン交換樹脂膜であることが好ましいのは上述した場合と同様である。
樹脂室１３ａおよび樹脂室１３ｂは、その内部にイオン交換樹脂４０を有している。そしてイオン交換樹脂４０は、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２からなるものである点では、図１の場合と同様である。さらに弱酸性陽イオン交換樹脂４１及び弱塩基性陰イオン交換樹脂４２の粒径や、樹脂室１３内における弱酸性陽イオン交換樹脂４１と弱塩基性陰イオン交換樹脂４２との割合については、上述した場合と同様でよい。
導電部材５０は、導電性を有する部材である。導電部材５０は導電性を有し、少なくとも非透水性および非イオン透過性を有し、かつ水中での陽分極および陰分極に対して耐性を有するものであることが好ましい。具体的には、導電部材５０は、例えば金属材料からなる板であり、チタン等からなる所定の基材の表面を白金、白金を含有する合金もしくは白金族金属を主成分とする合金で被覆されたものであることが好ましい。
次に本実施形態の軟水化装置１００の動作について説明する。
本実施形態の軟水化装置１００についても、軟水化処理の際は、図１で説明した軟水化装置１００と同様に陽極２１及び陰極２２には電圧を印加させない。
本実施形態では、軟水化の対象となる硬水である被処理水は２分割され、一方は、樹脂室１３ａの下部に設けられた導入ポート１０１ａから樹脂室１３ａ内に導入される。また他方は、樹脂室１３ｂの下部に設けられた導入ポート１０１ｂから樹脂室１３ｂ内に導入される。そしてそれぞれ樹脂室１３ａおよび樹脂室１３ｂ内を下部から上部に向けて通水し、イオン交換樹脂４０により硬度成分が除去されて軟水化される。さらに軟水化された水は、それぞれ樹脂室１３ａの上部に設けられた排出ポート１０２ａ、および樹脂室１３ｂの上部に設けられた排出ポート１０２ｂから生成水として導出される。
本実施形態の軟水化装置１００についても、軟水化処理の際は、図１で説明した軟水化装置１００と同様に陽極２１及び陰極２２には電圧を印加させない。
本実施形態では、軟水化の対象となる硬水である被処理水は２分割され、一方は、樹脂室１３ａの下部に設けられた導入ポート１０１ａから樹脂室１３ａ内に導入される。また他方は、樹脂室１３ｂの下部に設けられた導入ポート１０１ｂから樹脂室１３ｂ内に導入される。そしてそれぞれ樹脂室１３ａおよび樹脂室１３ｂ内を下部から上部に向けて通水し、イオン交換樹脂４０により硬度成分が除去されて軟水化される。さらに軟水化された水は、それぞれ樹脂室１３ａの上部に設けられた排出ポート１０２ａ、および樹脂室１３ｂの上部に設けられた排出ポート１０２ｂから生成水として導出される。
またイオン交換樹脂４０の再生の際は、陽極２１及び陰極２２に所定の電圧を印加する。そして軟水化処理の場合と同様に、被処理水と同じ水を導入ポート１０１ａから樹脂室１３ａ内に導入するとともに導入ポート１０１ｂから樹脂室１３ｂに内に導入する。
これにより上述した場合と同様に、水の分解により水素イオンと水酸化物イオンが生じ、水素イオンによって弱酸性陽イオン交換樹脂４１に吸着している硬度成分が交換される。さらに水酸化物イオンによって弱塩基性陰イオン交換樹脂４２に吸着されている陰イオン成分が交換される。そしてイオン交換樹脂４０が再生される。
これにより上述した場合と同様に、水の分解により水素イオンと水酸化物イオンが生じ、水素イオンによって弱酸性陽イオン交換樹脂４１に吸着している硬度成分が交換される。さらに水酸化物イオンによって弱塩基性陰イオン交換樹脂４２に吸着されている陰イオン成分が交換される。そしてイオン交換樹脂４０が再生される。
このとき陽極２１及び陰極２２に所定の電圧を印加することで導電部材５０は、分極しバイポーラ電極となる。つまり導電部材５０の陽極２１側の面は、負極を形成し、導電部材５０の陰極２２側の面は、正極を形成する。そして導電部材５０がバイポーラ電極となることで、導電部材５０の表面でも水の分解が生じる。さらに第２隔膜３２ａが、陽イオン交換樹脂膜であった場合、樹脂室１３ａ内のカルシウムイオン等の硬度成分は、第２隔膜３２ａを透過して陰極室１２ａ側に排出しやすいが、陰イオン成分は第２隔膜３２ａを透過しにくい。即ち電気透析効果が生じる。そして導電部材５０がバイポーラ電極となっていた場合は、第２隔膜３２ａ側が負極であるため、陽イオンである硬度成分が引き寄せられる。そのためさらに効率的に硬度成分を樹脂室１３ａから陰極室１２ａ側に排出しやすくなる。つまり硬度成分がイオン交換樹脂４０に再吸着する機会がより減少し、イオン交換樹脂４０の再生効率が向上する。
また本実施形態では、イオン交換樹脂４０の再生の際に水の流通経路を次のようにすることが好ましい。
図５は、図４に示した軟水化装置１００における水の流通経路について説明した図である。
まず導入ポート１０１ａから樹脂室１３ａ内に導入し、排出ポート１０２ａから導出した水は、次に陽極室１１ａの下部に導入する。そして陽極室１１ａの上部から導出し、さらに陰極室１２ａの下部に導入する。そして陰極室１２ａの上部から導出する。
また導入ポート１０１ｂから樹脂室１３ｂ内に導入し、排出ポート１０２ｂから導出した水は、次に陽極室１１ｂの上部に導入する。そして陽極室１１ｂの下部から導出し、さらに陰極室１２ｂの下部に導入する。そして陰極室１２ｂの上部から導出する。
図５は、図４に示した軟水化装置１００における水の流通経路について説明した図である。
まず導入ポート１０１ａから樹脂室１３ａ内に導入し、排出ポート１０２ａから導出した水は、次に陽極室１１ａの下部に導入する。そして陽極室１１ａの上部から導出し、さらに陰極室１２ａの下部に導入する。そして陰極室１２ａの上部から導出する。
また導入ポート１０１ｂから樹脂室１３ｂ内に導入し、排出ポート１０２ｂから導出した水は、次に陽極室１１ｂの上部に導入する。そして陽極室１１ｂの下部から導出し、さらに陰極室１２ｂの下部に導入する。そして陰極室１２ｂの上部から導出する。
つまり本実施形態では、樹脂室１３ａから陽極２１と第１隔膜３１ａとの間の空間である陽極室１１ａに流れる流路と、陽極室１１ａから導電部材５０と第２隔膜３２ａとの間の空間である陰極室１２ａに流れる流路とが設けられる。そして樹脂室１３ａに通水してイオン交換樹脂を再生した後は、この流路により通水を行なう。
さらに本実施形態では、樹脂室１３ｂから導電部材５０と第１隔膜３１ｂとの間の空間である陽極室１１ｂに流れる流路と、陽極室１１ｂから陰極２２と第２隔膜３２ｂとの間の空間である陰極室１２ｂに流れる流路とが設けられる。そして樹脂室１３ｂに通水してイオン交換樹脂を再生した後は、この流路により通水を行なう。
そしてこれにより電極である陽極２１、陰極２２および導電部材５０による仕切られた単位（ブロック）毎にイオン交換樹脂の再生を行なう。
さらに本実施形態では、樹脂室１３ｂから導電部材５０と第１隔膜３１ｂとの間の空間である陽極室１１ｂに流れる流路と、陽極室１１ｂから陰極２２と第２隔膜３２ｂとの間の空間である陰極室１２ｂに流れる流路とが設けられる。そして樹脂室１３ｂに通水してイオン交換樹脂を再生した後は、この流路により通水を行なう。
そしてこれにより電極である陽極２１、陰極２２および導電部材５０による仕切られた単位（ブロック）毎にイオン交換樹脂の再生を行なう。
なお図５で説明した水の流通経路は、図１で説明した軟水化装置１００に対しても適用が可能である。この場合、例えば、まず水を導入ポート１０１から樹脂室１３内に導入し、排出ポート１０２から導出する。次に陽極室１１の下部に導入する。そして陽極室１１の上部から導出し、さらに陰極室１２の下部に導入する。そして陰極室１２の上部から導出する。
なおここでは水の導入および導出を行なうのに各室の上部や下部を指定したが、上部と下部とを逆にしてもかまわない。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態の樹脂室は、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とを有するものであったが、弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂を主成分として、強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂を更に有していても良い。
また、弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂の形状は、前記実施形態では略球体状をなすものであったが、平板状やゲル状、不定形のものであってもよい。
さらに、前記実施形態では、弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂は、樹脂室内で無秩序に収容されていたが、樹脂室内で規則正しく収容されていても良い。
加えて、弱酸性陽イオン交換樹脂はカルボキシル基以外の交換基を有するものであっても良いし、弱塩基性陰イオン交換樹脂は一級から三級アミノ基以外の交換基を有するものであっても良い。
さらに加えて、イオン交換樹脂の粒径は、全て揃っている必要はなく、樹脂室に収容されたイオン交換樹脂の平均粒径が１００μｍ以上５００μｍ以下になるようにしても良い。
前記実施形態では、硬度成分が含まれる水を樹脂室の下方から上方に向かって流すように構成されていたが、上方から下方に向かって流すように構成しても良いし、或いは、装置を回転させて水平方向に流しても良い。
また、前記実施形態では、上述した水の流れ方向が、樹脂室内を流れる電流の向きと略垂直な方向であったが、必ずしも垂直である必要はなく、平行であっても良いし、所定の角度で傾いた方向であっても良い。
また、前記実施形態では、上述した水の流れ方向が、樹脂室内を流れる電流の向きと略垂直な方向であったが、必ずしも垂直である必要はなく、平行であっても良いし、所定の角度で傾いた方向であっても良い。
前記実施形態では電極を一対となるように構成されていたが、複数の対となるように構成されるものであってもよく、溶性電極でも不溶性電極でも良い。
さらに、陽極と陰極は同じものであっても、別のものであっても良い。
さらに、陽極と陰極は同じものであっても、別のものであっても良い。
また、イオン交換樹脂の再生時に、前記実施形態では、導入ポートからＣａＣＯ３換算で硬度２５０ｍｇ／Ｌに調製した水を導入していたが、必ずしもこの硬度の水を導入する必要はなく、例えば、硬度成分が含まれている水を導入しても、硬度成分が含まれていない水を導入しても良い。
第１隔膜及び第２隔膜は、イオン交換樹脂膜などの通過選択性を有する膜および多孔膜などの通過選択性のない膜であっても良い。第１隔膜および第２隔膜は同じものであっても、別のものであっても良い。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明する。本発明は、その要旨を越えない限りこれらの実施例により限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示した軟水化装置１００を使用した。
含水状態での粒径が３００μｍ〜４２５μｍに調整された弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂をそれぞれのイオン交換容量(ｍｅｑ/ｍｌ)で３：１となるように均一に混合してイオン交換樹脂４０とした。陽極２１および陰極２２として、基材であるチタンに白金を被覆したメッシュ状電極であり、電極サイズとして５ｃｍ×１０ｃｍであるものを準備した。第１隔膜３１として厚み１００μｍの強塩基性陰イオン交換樹脂膜を準備した。また第２隔膜３２として、厚み１００μｍの強酸性陽イオン交換樹脂膜を準備した。
図１に示した軟水化装置１００を使用した。
含水状態での粒径が３００μｍ〜４２５μｍに調整された弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂をそれぞれのイオン交換容量(ｍｅｑ/ｍｌ)で３：１となるように均一に混合してイオン交換樹脂４０とした。陽極２１および陰極２２として、基材であるチタンに白金を被覆したメッシュ状電極であり、電極サイズとして５ｃｍ×１０ｃｍであるものを準備した。第１隔膜３１として厚み１００μｍの強塩基性陰イオン交換樹脂膜を準備した。また第２隔膜３２として、厚み１００μｍの強酸性陽イオン交換樹脂膜を準備した。
透明ポリ塩化ビニル製カートリッジを準備し、これにイオン交換樹脂４０を８０ｍＬ、陽極２１、陰極２２、第１隔膜３１、第２隔膜３２をセットして軟水化装置１００とした。
ＣａＣＯ３換算で硬度２５０ｍｇ／Ｌの硬水を準備し、これを被処理水とした。この被処理水を導入ポート１０１から樹脂室１３へ１２０ｍＬ/分の速度で導入し、排出ポート１０２から排出させ、軟水を得た(軟水化)。
次いで、同じ被処理水を、今度は再生水として導入ポート１０１入口から樹脂室１３へ１０ｍＬ/分の速度で導入し、同時に陽極２１と陰極２２間に２Ａ/ｄｍ２の電流密度で３０分通電した(電気再生)。このとき、樹脂室１３出口から排出された再生水は、陽極室１１に通水し、そこから排出された再生液は更に陰極室１２に通水して装置外へ排出した。この軟水化−電気再生の工程を８回繰り返した。
（実施例２）
図４に示した軟水化装置１００を使用した。
含水状態での粒径が３００μｍ〜４２５μｍに調整された弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂をそれぞれのイオン交換容量(ｍｅｑ/ｍｌ)で３：１となるように均一に混合してイオン交換樹脂４０とした。陽極２１、陰極２２、および導電部材５０として、基材であるチタンに白金を被覆したメッシュ状電極であり、電極サイズとして５ｃｍ×１０ｃｍであるものを準備した。第１隔膜３１ａ、３１ｂとして厚み１００μｍの強塩基性陰イオン交換樹脂膜を準備した。また第２隔膜３２ａ、３２ｂとして、厚み１００μｍの強酸性陽イオン交換樹脂膜を準備した。
図４に示した軟水化装置１００を使用した。
含水状態での粒径が３００μｍ〜４２５μｍに調整された弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂をそれぞれのイオン交換容量(ｍｅｑ/ｍｌ)で３：１となるように均一に混合してイオン交換樹脂４０とした。陽極２１、陰極２２、および導電部材５０として、基材であるチタンに白金を被覆したメッシュ状電極であり、電極サイズとして５ｃｍ×１０ｃｍであるものを準備した。第１隔膜３１ａ、３１ｂとして厚み１００μｍの強塩基性陰イオン交換樹脂膜を準備した。また第２隔膜３２ａ、３２ｂとして、厚み１００μｍの強酸性陽イオン交換樹脂膜を準備した。
透明ポリ塩化ビニル製カートリッジを準備し、これにイオン交換樹脂４０を１６０ｍＬ（８０ｍＬ×２）、陽極２１、陰極２２、第１隔膜３１ａ、３１ｂ、第２隔膜３２ａ、３２ｂをセットして軟水化装置１００とした。
ＣａＣＯ３換算で硬度２５０ｍｇ／Ｌの硬水を準備し、これを被処理水とした。この被処理水を導入ポート１０１ａ、１０１ｂから樹脂室１３ａ、１３ｂへ１２０ｍＬ/分の速度で導入し、排出ポート１０２ａ、１０２ｂから排出させ、軟水を得た(軟水化)。
次いで、同じ被処理水を、今度は再生水として導入ポート１０１ａ、１０１ｂ入口から樹脂室１３ａ、１３ｂへ１０ｍＬ/分の速度で導入し、同時に陽極２１と陰極２２間に２Ａ/ｄｍ２の電流密度で３０分通電した(電気再生)。電圧印加時、導電部材５０はバイポーラ電極となり、導電部材５０の陽極２１側は負極を形成し、陰極２２側は正極を形成する。このとき、通水経路は、図５に示すようにした。この軟水化−電気再生の工程を８回繰り返した。
図６（ａ）〜（ｂ）に実施例１および実施例２の結果を示す。
図６（ａ）は、実施例１および実施例２について、処理流量と硬度成分除去率との関係を示している。ここで横軸は、処理流量の積算値を表し、縦軸は、硬度成分除去率を表す。図６（ａ）では、実施例１および実施例２について軟水化−電気再生を１回行なう毎に、処理流量と硬度成分除去率との関係をプロットしている。また図６（ｂ）は、実施例１および実施例２の硬度成分除去率を、図１の結果より算出した平均値で示している。さらに図６（ｂ）では、イオン交換樹脂４０に流れた電流を単位体積当たりで示している。
図６（ａ）は、実施例１および実施例２について、処理流量と硬度成分除去率との関係を示している。ここで横軸は、処理流量の積算値を表し、縦軸は、硬度成分除去率を表す。図６（ａ）では、実施例１および実施例２について軟水化−電気再生を１回行なう毎に、処理流量と硬度成分除去率との関係をプロットしている。また図６（ｂ）は、実施例１および実施例２の硬度成分除去率を、図１の結果より算出した平均値で示している。さらに図６（ｂ）では、イオン交換樹脂４０に流れた電流を単位体積当たりで示している。
図示するように実施例１および実施例２とも高い硬度成分除去率を実現していることがわかる。また実施例１より実施例２の方がイオン交換樹脂４０に単位体積当たり流れた電流が小さいのにもかかわらず、より高い硬度成分除去率となっている。これは導電部材５０を設けた効果によるものと考えられる。
（実施例３）
図１に示した軟水化装置１００を使用した。
軟水化装置１００の装置構成は、実施例１と同様のものとした。
図１に示した軟水化装置１００を使用した。
軟水化装置１００の装置構成は、実施例１と同様のものとした。
ＣａＣＯ３換算で硬度２５０ｍｇ／Ｌの硬水を準備し、これを被処理水とした。この被処理水を導入ポート１０１から樹脂室１３へ３２０ｍＬ/分（ＳＶ＝４ｍｉｎ−１）の速度で導入し、排出ポート１０２から排出させ、軟水を得た(軟水化)。
次いで、同じ被処理水を、今度は再生水として導入ポート１０１入口から樹脂室１３へ１０ｍＬ/分の速度で導入し、同時に陽極２１と陰極２２間に１Ａ/ｄｍ２の電流密度で３０分通電した(電気再生)。このとき、樹脂室１３出口から排出された再生水は、陽極室１１に通水し、そこから排出された再生液は更に陰極室１２に通水して装置外へ排出した。この軟水化−電気再生の工程を１０回繰り返した。
（比較例１）
図１に示した軟水化装置１００を使用した。
軟水化装置１００の装置構成は、イオン交換樹脂４０を、弱酸性陽イオン交換樹脂および弱塩基性陰イオン交換樹脂から強酸性陽イオン交換樹脂および強塩基性陰イオン交換樹脂に変更したこと以外は、実施例３と同様のものとした。
そして実施例３と同様にして被処理水の処理を行なった。
図１に示した軟水化装置１００を使用した。
軟水化装置１００の装置構成は、イオン交換樹脂４０を、弱酸性陽イオン交換樹脂および弱塩基性陰イオン交換樹脂から強酸性陽イオン交換樹脂および強塩基性陰イオン交換樹脂に変更したこと以外は、実施例３と同様のものとした。
そして実施例３と同様にして被処理水の処理を行なった。
図７に実施例３および比較例１の結果を示す。
図７は、実施例３および比較例１について、処理流量と硬度成分除去率との関係を示している。ここで横軸は、処理流量の積算値を表し、縦軸は、硬度成分除去率を表す。図７では、実施例３および比較例１について軟水化−電気再生を１回行なう毎に、処理流量と硬度成分除去率との関係をプロットしている。
図示するように実施例３では、軟水化−電気再生の工程を１０回繰り返したときの硬度成分除去率は、約６６％程度で安定した。対して比較例１では、硬度成分除去率は約５０％となり、さらに低下する傾向を示した。これにより弱酸性陽イオン交換樹脂および弱塩基性陰イオン交換樹脂を使用した方が、強酸性陽イオン交換樹脂および強塩基性陰イオン交換樹脂を使用した場合よりイオン交換樹脂４０を再生しやすく、イオン交換樹脂４０の交換頻度が少なくなることがわかる。
図７は、実施例３および比較例１について、処理流量と硬度成分除去率との関係を示している。ここで横軸は、処理流量の積算値を表し、縦軸は、硬度成分除去率を表す。図７では、実施例３および比較例１について軟水化−電気再生を１回行なう毎に、処理流量と硬度成分除去率との関係をプロットしている。
図示するように実施例３では、軟水化−電気再生の工程を１０回繰り返したときの硬度成分除去率は、約６６％程度で安定した。対して比較例１では、硬度成分除去率は約５０％となり、さらに低下する傾向を示した。これにより弱酸性陽イオン交換樹脂および弱塩基性陰イオン交換樹脂を使用した方が、強酸性陽イオン交換樹脂および強塩基性陰イオン交換樹脂を使用した場合よりイオン交換樹脂４０を再生しやすく、イオン交換樹脂４０の交換頻度が少なくなることがわかる。
１００・・・軟水化装置
１３、１３ａ、１３ｂ ・・・樹脂室
２１ ・・・陽極
２２ ・・・陰極
３１、３１ａ、３１ｂ ・・・第１隔膜
３２、３２ａ、３２ｂ ・・・第２隔膜
４０ ・・・イオン交換樹脂
４１ ・・・弱酸性陽イオン交換樹脂
４２ ・・・弱塩基性陰イオン交換樹脂
５０ ・・・導電部材
１３、１３ａ、１３ｂ ・・・樹脂室
２１ ・・・陽極
２２ ・・・陰極
３１、３１ａ、３１ｂ ・・・第１隔膜
３２、３２ａ、３２ｂ ・・・第２隔膜
４０ ・・・イオン交換樹脂
４１ ・・・弱酸性陽イオン交換樹脂
４２ ・・・弱塩基性陰イオン交換樹脂
５０ ・・・導電部材
Claims (8)
- イオン交換樹脂を有し、当該イオン交換樹脂を通過する水を軟水化する樹脂室と、前記樹脂室を挟んで配置され、前記樹脂室に電圧を印加して前記水を軟水化した後の前記イオン交換樹脂を再生する電極とを具備する軟水化装置であって、
前記樹脂室は、前記電極のうち陽極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜よりなる第２隔膜とにより仕切られるか、または当該電極のうち陽極側に設けられ陰イオン交換樹脂膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第２隔膜とにより仕切られることで形成され、
前記イオン交換樹脂が、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂からなることを特徴とする軟水化装置。 - 前記バイポーラ膜は、透水性を有することを特徴とする請求項１に記載の軟水化装置。
- 前記弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とは、混合しない状態で前記樹脂室に充填されることを特徴とする請求項１又は２に記載の軟水化装置。
- 前記樹脂室は複数設けられるとともに、前記電極は複数の当該樹脂室を挟んで配置され、
複数の前記樹脂室間に導電部材をさらに設け、前記電極および当該導電部材による仕切られた単位毎に前記イオン交換樹脂の再生を行なうことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の軟水化装置。 - 前記導電部材は、非イオン透過性かつ非透水性であることを特徴とする請求項４に記載の軟水化装置。
- 前記樹脂室から陽極または前記導電部材と前記第１隔膜との間の空間である陽極室に流れる流路と、当該陽極室から当該導電部材または陰極と前記第２隔膜との間の空間である陰極室に流れる流路とが設けられることを特徴とする請求項４または５に記載の軟水化装置。
- イオン交換樹脂を収容する複数の樹脂室および複数の当該樹脂室間に設けられた導電部材を挟んで配置される電極に電圧を印加しつつ当該樹脂室および当該樹脂室間に通水を行なうことで、当該イオン交換樹脂を再生し、
前記電極および前記導電部材による仕切られた単位毎に前記イオン交換樹脂の再生を行ない、
前記樹脂室は、前記電極のうち陽極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜よりなる第２隔膜とにより仕切られるか、または当該電極のうち陽極側に設けられ陰イオン交換樹脂膜よりなる第１隔膜と、陰極側に設けられ陽イオン交換樹脂膜および陰イオン交換樹脂膜を接合したバイポーラ膜よりなる第２隔膜とにより仕切られることで形成されることを特徴とするイオン交換樹脂の再生方法。 - 前記樹脂室に通水して前記イオン交換樹脂を再生した後に、当該樹脂室から陽極または前記導電部材と前記第１隔膜との間の空間である陽極室に通水し、当該陽極室から当該導電部材または陰極と前記第２隔膜との間の空間である陰極室に通水することを特徴とする請求項７に記載のイオン交換樹脂の再生方法。
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