JP2019177328A

JP2019177328A - 電気脱イオン装置の運転方法

Info

Publication number: JP2019177328A
Application number: JP2018067383A
Authority: JP
Inventors: 吉昭井出; Yoshiaki Ide
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-17

Abstract

【課題】炭酸カルシウムの析出が効果的に抑制される電気脱イオン装置の運転方法を提供する。【解決手段】陽極１，陰極２の間に複数のアニオン交換膜３及びカチオン交換膜４が交互に配列して濃縮室５と脱塩室６とを交互に形成され、脱塩室６にイオン交換樹脂１０が充填されている電気脱イオン装置の運転であって、該電気脱イオン装置への給水の導電率を１．０〜３．０ｍＳ／ｍとする。好ましくは、電流効率を１０〜２０％とする。【選択図】図１

Description

本発明は電気脱イオン装置の運転方法に係り、詳しくは、炭酸カルシウム等の析出を抑制することができる電気脱イオン装置の運転方法に関する。

電気脱イオン装置は、電極（陽極と陰極）同士の間に複数のカチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配列して脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換樹脂を充填した構成を有する。

この電気脱イオン装置の脱塩室に被処理水を通水すると、被処理水中の不純物イオンは脱塩室内のイオン交換樹脂に吸着されて高度に脱塩された純水が製造される。脱塩室内のイオン交換樹脂には不純物イオンが吸着されるが、このイオン交換樹脂に直流電流を通電することにより、イオンは濃縮室に移動するので、イオン交換樹脂は連続的に再生される。

このような電気脱イオン装置に通水を継続すると、種々の原因により、通水差圧が次第に上昇してくる。

例えば、電気脱イオン装置の濃縮室には、脱塩室からカチオン交換膜を透過してカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）等のカチオンが移動してくると共に、アニオン交換膜を透過して重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）等のアニオンが移動してくる。また、アニオン交換膜面では、直流電流の通電に伴って、ＯＨ⁻イオンが発生し、局所的に高いｐＨとなっている。このため、濃縮室内のｐＨ、重炭酸イオン濃度、カルシウムイオン濃度が炭酸カルシウムの析出条件を満たしていなくとも、濃縮室内のアニオン交換膜面では、その高ｐＨ条件と、脱塩室からのイオン移動によって上昇した重炭酸イオン濃度及びカルシウムイオン濃度とが炭酸カルシウムの析出条件を満たすようになり、炭酸カルシウムが析出する場合がある。

炭酸カルシウムは難溶解性であり、その析出は、濃縮室を閉塞させたり、電気脱イオン装置内の電気抵抗を上昇させ、最終的には電気脱イオン装置の運転に大きな支障をきたすこととなる。

特開平１０−４３５５４号公報には、陰極室内に導電体を充填し、陰極の有効表面積を増大させることによって、局所的なＯＨ⁻濃度の上昇を抑制して炭酸カルシウムの析出を防止する方法が記載されている。この方法は、陰極室内部での炭酸カルシウムの析出防止には有効であるが、濃縮室内での炭酸カルシウムの析出防止には効果がない。また、供給水中に高濃度のカルシウムイオンと重炭酸イオンが存在する場合には、濃縮室内部で重炭酸イオンとカルシウムイオンの濃度が高くなり、炭酸カルシウムが析出してくる。

特開平１０−４３５５４号公報

従来技術では、給水中のカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）、重炭酸イオン（ＨＣＯ^３−）やその他の共存するイオンの濃度の規定がなく、また、アニオン交換膜面での直流電流の通電に伴って生じるＯＨ⁻イオンを考慮した運転条件となっておらず、高ｐＨとなり炭酸カルシウムが析出し、印加電圧の上昇が生じる。また、脱塩水の水質を保つことが難しい。

本発明は、炭酸カルシウムの析出が効果的に抑制される電気脱イオン装置の運転方法を提供することを目的とする。

本発明の電気脱イオン装置の運転方法は、陰極と陽極との間にアニオン交換膜とカチオン交換膜とによって脱塩室と濃縮室とが区画形成され、該脱塩室にイオン交換樹脂が充填されている電気脱イオン装置を運転する方法において、該電気脱イオン装置への給水の導電率を１．０〜３．０ｍＳ／ｍとすることを特徴とする。

本発明の一態様では、電流効率を１０〜２０％とする。

本発明の一態様では、ＲＯ装置によるＲＯ処理水を電気脱イオン装置給水とし、ＲＯ処理水の導電率が１．０〜３．０ｍＳ／ｍとなるようにＲＯ装置を制御する。

本発明によると、給水中のイオン濃度が適切となり、脱塩室におけるｐＨの変化が小さくなる。これにより、炭酸カルシウム等のスケールが析出しにくくなり、印加電圧の上昇が抑制される。また、脱塩水の水質を長期に亘り高水質に維持することが可能となる。

電気脱イオン装置の模式的な断面図である。実験結果を示すグラフである。実験結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の電気脱イオン装置の運転方法をより詳細に説明する。

図１は、一般的な電気脱イオン装置の一例を示す模式的な断面図であり、陽極１，陰極２の間に複数のアニオン交換膜３及びカチオン交換膜４を交互に配列して濃縮室５と脱塩室（イオン交換樹脂収容室）６とを交互に形成し、脱塩室６にイオン交換樹脂１０が充填されている。濃縮室５にはイオン交換樹脂又は導電性スペーサが充填または配置される。陽極１が配置された陽極室７は、それに直近の濃縮室５とカチオン交換膜４を介して隔てられている。陰極３２が配置された陰極室８は、それに直近の濃縮室５とアニオン交換膜３を介して隔てられている。被処理水（給水）は、この脱塩室６に対し図の上端側の流入口から流入し、処理水が図の下端側の流出口から取り出される。

イオン交換樹脂１０としては、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂が好ましい。この電気脱イオン装置の濃縮室５には、前述の通り、脱塩室６からカチオン交換膜４を透過してカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）等のカチオンが移動してくると共に、アニオン交換膜を透過して重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）等のアニオンが移動してくる。また、アニオン交換膜３の膜面では、直流電流の通電に伴って、ＯＨ⁻イオンが発生し、局所的に高いｐＨとなっている。このため、濃縮室５内のｐＨ、重炭酸イオン濃度、カルシウムイオン濃度が炭酸カルシウムの析出条件を満たしていなくとも、濃縮室５内のアニオン交換膜面では、その高ｐＨ条件と、脱塩室からのイオン移動によって上昇した重炭酸イオン濃度及びカルシウムイオン濃度とが炭酸カルシウムの析出条件を満たすようになり、炭酸カルシウムが析出する場合がある。

本発明では、電気脱イオン装置への給水の導電率を１．０〜３．０ｍＳ／ｍにし、また好ましくは電流効率を１０〜２０％にする。なお、電流効率は次式で表わされる。
電流効率（％）＝［１３．１×給水導電率（ｍＳ／ｍ）×処理水量（ｍ^３／ｈ）×１０００］／［電流値（Ａ）×セル数×６０］

電気脱イオン装置への給水の導電率が過度に低い（電流効率が低い）場合、水の解離によるＯＨ⁻の量が多くなるため、アニオン膜境界面がアルカリ性となり、炭酸カルシウムスケール析出が生じ、電圧の上昇に繋がる。一方、給水の導電率が過度に高い（電流効率が高い）場合、水の解離によるＯＨ⁻の量は少なくなり析出は生じにくく、電圧の上昇は抑制できるが、脱塩水の水質を保てなくなる。本発明では、給水の導電率を１．０〜３．０ｍＳ／ｍとし、好ましくは電流効率を１０〜２０％とすることにより、炭酸カルシウム等のスケール析出が抑制される。

給水の水質（導電率）を上記範囲とするためには、給水をＲＯ（逆浸透）処理すると共に、ＲＯ装置と電気脱イオン装置との間に、導電率計を設置し、給水導電率が上記範囲となるようにＲＯ装置の運転条件（例えば給水圧や給水量の制御、あるいはＲＯ膜の選定）を行うのが好ましい。例えば、電気脱イオン装置の前段にＲＯを備えたシステムの場合、電気脱イオン装置の給水導電率が１ｍＳ／ｍ以下のときには、ＲＯ濃縮水を給水に添加することで調整すればよい。

以下、実施例及び比較例について説明する。

以下の実施例及び比較例では、電気脱イオン装置として、図１のように、脱塩室が２室（１室の厚み：５ｍｍ）、濃縮室が３室（１室の厚み：５ｍｍ）設けられたものを用いた。脱塩室と濃縮室にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂が混合され充填されている。この電気脱イオン装置に対し定電流装置を用いて定電流（０．５Ａ）の通電を行った。

［比較例１］
市水をＲＯ処理した、Ｃａ濃度０．２７ｍｇ／Ｌ、無機炭酸濃度３ｍｇ／Ｌ、導電率０．７７ｍＳ／ｍの水を、上記電気脱イオン装置の脱塩室及び濃縮室に並行流にて通水した。電気脱イオン装置への通水量は４４０ｍＬ／ｍｍ（ＳＶ＝１３２ｈ^−１）とした。

［実施例１］
給水にＮａＣｌ水溶液をプランジャーポンプによって定量注入し、給水導電率を２．００ｍＳ／ｍとしたこと以外は比較例１と同一条件にて電気脱イオン装置に通水した。

［比較例２］
給水導電率が５．００ｍＳ／ｍとなるようにＮａＣｌ水溶液をプランジャーポンプによって定量注入したこと以外は比較例１と同一条件にて電気脱イオン装置に通水した。

［結果］
実施例１，２及び比較例１の電流効率を表１に示す。また、印加電圧の経時変化を図２に示し、電気脱イオン装置処理水の比抵抗の経時変化を図３に示す。

＜考察＞
図２において、印加電圧の経時変化の回帰直線は、比較例１（給水導電率０．７７ｍＳ／ｍ）ではｙ＝０．０１９３ｘ＋７．９１５４、実施例１（給水導電率２．０ｍＳ／ｍ）ではｙ＝０．０１３７ｘ＋８．６７１１、比較例２（給水導電率５．０ｍＳ／ｍ）ではｙ＝０．０１２４ｘ＋９．４４７８である。

このように、各式の回帰係数は、比較例１、実施例１、比較例２の順（給水導電率が高くなる順）に１９．３、１３．７、１２．４ｍＶ／日と小さくなっている。これは、給水導電率が低い場合、ＯＨ⁻の発生量が多くなるためにアニオン膜界面がアルカリ性となり、炭酸カルシウムが析出しやすい環境となり、アニオン膜界面に炭酸カルシウムが析出し、それが抵抗体となり電圧の上昇へ繋がるためであると考えられる。

なお、比較例２は、８５日目までは印加電圧が実施例１よりも低いが、上記の通り回帰係数（勾配）が大きいので、２００日目前後になると実施例１よりも印加電圧が高くなるものと考えられ、長期安定運転することはできないと判断される。

図３の通り、電気脱イオン装置処理水の比抵抗は、実施例１が安定して高い。給水導電率が０．７７ｍＳ／ｍの比較例１は、実施例１よりも若干低い。５．００ｍＳ／ｍの比較例２は実施例１よりもかなり低く、しかも、経時的に顕著に低下する。これは、給水導電率が０．７７ｍＳ／ｍの場合は炭酸カルシウムの析出による脱塩水への逆拡散により水質が悪化し、給水導電率が５．０ｍＳ／ｍの場合は過負荷となりイオンを除去しきれなくなっているためであると考えられる。

以上の結果より、電圧の経時的な上昇を小さくし、また処理水の比抵抗を高く保つためには、給水導電率が２．０ｍＳ／ｍ前後である必要があることが認められた。

１陽極
２陰極
３アニオン交換膜
４カチオン交換膜
５濃縮室
６脱塩室
７陽極室
８陰極室

Claims

陰極と陽極との間にアニオン交換膜とカチオン交換膜とによって脱塩室と濃縮室とが区画形成され、該脱塩室にイオン交換樹脂が充填されている電気脱イオン装置を運転する方法において、
該電気脱イオン装置への給水の導電率を１．０〜３．０ｍＳ／ｍとすることを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
電流効率を１０〜２０％とすることを特徴とする請求項１の電気脱イオン装置の運転方法。
ＲＯ装置によるＲＯ処理水を電気脱イオン装置給水とする方法であって、ＲＯ処理水の導電率が１．０〜３．０ｍＳ／ｍとなるようにＲＯ装置を制御することを特徴とする請求項１又は２の電気脱イオン装置の運転方法。