JP2704629B2

JP2704629B2 - 電気透析装置

Info

Publication number: JP2704629B2
Application number: JP14751688A
Authority: JP
Inventors: 哲義石田; 節夫井上; 栄治稲田; 紘二郎山田
Original assignee: バブコツク日立株式会社
Priority date: 1988-06-15
Filing date: 1988-06-15
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JPH022830A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はユーティリティとして元来必要な陰極室への
酸を装置外から供給することを不要にするのに好適な電
気透析装置に関する。

〔従来の技術〕従来の電気透析装置は、第５図に示されるように、電
気透析槽１、酸タンク７、直流電源６等から構成されて
いる。電気透析装置１は、陽イオンを選択的に透過する
陽イオン交換膜と陰イオンを選択的に透過する陰イオン
交換膜を交互に多数積層した透析室ブロツク２、両端に
陽極室３、陰極室４を有した構造となっている。

この電気透析槽１には、電解質溶液（例えば、海水、
地下かん水、産業用排水、生活排水）である原水14が供
給される。そして、陽極室３と陰極室４の間に直流電流
を流すと、原水中の陽イオンは陰極室４の方向に向かっ
て移動し、逆に、陰イオンは陽極室３の方向に向かって
移動する。このイオンの移動と、交互に組み重ねられた
陽イオン交換膜と陰イオン交換膜によって、脱塩室と濃
縮室が交互に多数形成され、脱塩室を通過した原水が脱
塩水12となり、濃縮室を通過した原水が濃縮水13とな
る。脱塩水12は生活用水、濃縮水13は製塩用の原料水等
に使用される。

この電気透析槽１の陽極室３、陰極室４では次の反応
が生じており、それぞれ、塩素ガス、水素ガスを発生し
ている。

（陽極室）2Cl^-→Cl₂＋2e^- ……（１）（陰極室）2H⁺＋2e^-→H₂ ……（２）陰極室４では、第（２）式の反応によってpHの上昇が
生じ、このpHの上昇を防ぐためには酸（例えば、硫酸、
塩酸）の供給が必要である。酸の供給を行わないと、pH
の上昇によって、陰極室４近傍の陽イオン交換膜、陰イ
オン交換膜が変質するばかりでなく、アルカリ土類金属
塩、およびアルカリ土類水酸化物〔例えば、CaCO₃、Mg
（OH）_２〕の析出を発生させる。この析出は、陰極室４
の原水流路を塞ぐばかりでなく、陽イオン交換膜、陰イ
オン交換膜の破損を生じる。

このため、従来装置では、定期的に市販の工業用硫酸
を購入して酸タンク７内に蓄え、酸供給ポンプ８によっ
て所定量の硫酸を陰極室４へ注入している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、酸の入手が困難な地域に設置される
電気透析装置についての配慮がなされておらず、このた
め、これら地域では、電気透析装置を設置できないか、
設置されても輸送コストの高い酸を使用することとな
り、経済的な電気透析装置となっていない問題があっ
た。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、
低コストの酸を入手できない地域に適した電気透析装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、電気透析槽で生成される濃縮水を電
気透析槽に近接して設置された電解装置に供給し、ここ
で発生する塩素ガスと水素ガスを原料ガスとして塩塩酸
成反応器により塩酸を生成し、この塩酸を前記電気透析
槽の陰極室に導入する構成とすることによって達成され
る。

〔作用〕

電気透析槽から排出される濃縮水は、陽イオンおよび
陰イオンの濃度が高い液である。原水に海水、地下かん
水等を用いた場合、その濃縮水の陽イオンおよび陰イオ
ンは、それぞれNa⁺イオン、Cl^-イオンである。

これらのイオンを高濃度に含む濃縮水を電解装置で電
気分解すると、電気抵抗が減少でき、ランニングコスト
が低下できる。電気透析槽に付設した塩酸生成反応器で
生成した塩酸が電気透析槽の陰極室に導入され、陰極室
付近のpHの上昇が防止される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の電気透析装置の第１実施例を示す概
略的構成図である。

この電気透析装置は電気透析槽１、電解装置21、塩酸
生成反応器27、電気透析槽１用の直流電源６および電解
装置21用の直流電源30から主に構成されている。

電気透析槽１は、陽イオン交換膜と、陰イオン交換膜
が交互に多数積層され、脱塩室と濃縮室が多数形成され
た透析室ブロツク２と、陽極室３および陰極室４とから
なっている。そして、透析ブロツク２からの脱塩水13を
電解装置21の陽極室22に供給するラインが設けられてい
る。また、電解装置21の陽極室22で発生する塩素ガス24
を塩酸生成反応器27に供給するラインと、電解装置21の
陰極室23で発生した水素ガス25を塩酸生成反応器27に供
給するラインが設置されている。さらに、塩酸生成反応
器27で生成された塩酸を電気透析槽１の陰極室４に供給
するラインが設けられている。なお、原水28を塩酸生成
反応器27に導入するラインが設けられている。

次に上記のように構成される電気透析装置の作用につ
いて説明する。

原水14は、電気透析槽１入口において、陽極用、陰極
用、脱塩用、濃縮用に分けられ、それぞれ、陽極室３、
塩酸生成反応器27、透析室ブロツク２内の脱塩室および
濃縮室に供給される。陽極室３に供給された原水は、第
（１）式に示す陽極反応に関与した後、装置外へ排出さ
れる。塩酸生成反応器27に供給された原水は、塩酸（塩
化水素）を吸収した後、陰極室４に供給され、第（２）
式に示す陰極反応に関与した後、装置外へ排出される。
透析室ブロツク２内の脱塩室内に供給された原水は、透
析によって脱塩処理された後、脱塩水12となって装置外
へ供給される。

透析室ブロツク２内の濃縮室内に供給された原水は、
透析によって濃縮された後、濃縮水13となって電解装置
21へ供給される。電解装置21へ供給された濃縮水13は陽
極室22、陰極室23のそれぞれの電解液として用いられた
後、装置外へ排出される。このとき、濃縮水13は陽極室
22、陰極室23の順に流す必要がある。逆の順に流すと、
陰極室23で生成したNaOHが陽極室22に供給されて、塩素
ガスCl₂と反応し、NaOCl₂を生成する。そして、塩素ガ
スが発生しなくなる。

陽極室22内の電解反応は、前記第（１）式の反応と等
しく、塩素ガス24を発生する。陰極室23内の電解反応
は、前記第（２）式の反応に等しく、水素ガス25を発生
する。電解装置21で発生した塩素ガス24および水素ガス
25は、塩酸生成反応器27に供給され、紫外線40を照射さ
せて反応させ、塩酸を生成する。生成した塩酸は、塩酸
生成反応器27に供給された原水28に吸収される。

塩酸生成反応器27における塩酸の生成は、合成塩酸製
造法によって行うものであり、そのときの反応は次式
（３）で表される。

H₂＋Cl₂＝2HCl＋44kcal ……（３）上記の第１実施例によれば、電解装置21において、塩
酸生成の原料となる塩素ガスおよび水素ガスを生成し、
塩酸生成反応器27において合成反応によって塩酸を生成
する。そして、この塩酸を電気透析槽１の陰極室４内の
反応に使用するため、陰極室４のpHの上昇を防止できる
ため、従来装置のような外部から酸を購入し、注入する
必要がなくなる。したがって、低コストで酸を入手する
ことが困難な地域に対して、経済的な電気透析装置を提
供できる効果が得られる。

なお、電解装置21の陰極室23においても第（２）式に
示す反応からpHの上昇が見られる。しかし、この陰極室
23へ供給される濃縮水13の流量は多量であるためpHの上
昇は小さく、したがって、アルカリ土類金属の塩および
水酸化物の析出は極めて少ない。一方、透析室ブロツク
２は数百組の脱塩室と濃縮室から構成されることが多
く、このため、濃縮水13の流量は、陰極易11の数百倍で
ある。

第２図は本発明の第２実施例を示す概略的構成図であ
る。本実施例の電気透析装置においては、電気透析槽１
の陽極室３および陰極室４から発生した塩素ガス、水素
ガスを陽極液10および陰極液11から分離し、電解装置21
の陽極室22および陰極室23から発生した塩素ガス、水素
ガスと共に塩酸生成反応器27に供給するようになってい
る。

本実施例では、塩酸生成反応器27に供給される塩素ガ
ス、水素ガスは電解装置21の他に電気透析槽１からも供
給されるので電解装置21で生成すべき塩素ガス、水素ガ
スの発生量を低減でき、電解装置21の容量および消費電
力を低減できる効果がある。

第３図は本発明の第３実施例を示す概略的構成図であ
り、図において第１図および第２図における電解装置21
およびそれに付設される配管等は省略されている。

第３図において、原水14を電気透析槽１に供給する配
管はその途中で塩酸生成反応器27内に設置されるととも
に塩酸生成反応器27内の配管を経た原水28の一部が塩酸
生成反応器27に導入されるようになっている。

本実施例において、塩酸生成反応器27で塩酸生成反応
時に発生した反応熱は原水14に吸熱される。この結果、
第（３）式の反応による塩酸生成反応器27内の温度は、
冷却しない場合は1000℃を越えるが、原水14で冷却する
と室温近傍の温度に保つことが可能となる。また、原水
14は加熱されて昇温し、電気伝導度が増加する。この原
水14を電気透析槽１に供給すると電気透析槽１の陽極と
陰極間の電気抵抗は減少し、したがって、透析に消費さ
れるエネルギーを低減できる効果が得られる。おな、液
体の電気伝導度は、一般に温度が１℃上昇すると２％増
加する。

次にに第１図および第３図に示す本発明を適用したと
きの仕様および電気透析装置の運転状況を示す。

（原水、製造水）（１）原水の塩濃度（ppm.as NaCl）1200 （２）生成脱塩水の塩濃度（ppm.as NaCl） 400 （３）生成濃縮水の塩濃度（ppm.as NaCl）4400 （４）生成脱塩水流量（m³/h） 4 （５）生成濃縮水流量（m³/h） 1 （６）原水流量（m³/h） 5.1 （７）原水温度（℃） 20.0 （８）塩酸消費量（mal/h） 0.4 （電気透析装置）（１）透析室寸法（mm） 200×1800 （２）イオン交換膜の間隔（mm） 0.75 （３）脱塩室・濃縮室対数（対） 500 （４）透析槽用直流電源消費電力（kW） 0.84 （５）電解装置用電流電源消費電力（kW） 0.03 （６）電気透析槽入口原水温度（℃） 20.2 なお、電解装置21に原水を直接供給する場合の電解装
置用直流電源の消費電力は、塩濃度にほぼ比例し、本発
明の実施例の約3.5倍となる。

第４図は本発明の第４実施例を示す概略的構成図であ
る。

第４図において、電解装置21の各電極間の極性を切り
替えるための極性交換器16が設置されている。第４図に
おける他の構成部は第１図と同じであり、同一符号で示
している。

電気透析槽１の陽極室３および陰極室４からは、電極
反応によって、それぞれ塩素ガス35、水素ガス37を主成
分とするガスを生成し、大気放出される。（塩素ガス、
水素ガスは塩酸生成反応器27へ導入してもよい）この電
気透析槽１へ印加する直流電流は直流電源６を用いて行
われる。

電解装置21への直流電流の印加は、直流電源30からの
電流を極性変換器16を経て用いて行われる。陽極室22か
らは塩素ガス24、陰極室23からは水素ガス25が発生す
る。発生した塩素ガス24と水素ガス25は、塩酸生成反応
器27に導かれ、紫外光を照射されて反応し、塩酸ガスと
なる。生成した塩酸ガスは、電気透析槽１の陰極室４へ
供給される原水に吸収される。

極性変換器16は、電解装置21の陽極室22と陰極室23内
電極間の電気抵抗が、しきい値を越えるときに極性を切
り替えるようになっている。例えば、この電極間に一定
電圧を印加し、このとき電流値がしきい値以下となった
とき極性を切り替える方法、この電極間に一定電流を印
加し、このときの電極間電圧がしきい値以上となったと
き極性を切り替える方法、又は、印加電圧と電流を測定
して、この電圧と電流から電気抵抗を計算し、この電気
抵抗がしきい値以上となったとき極性を切り替える方法
がある。また、予め析出物を溶解除去するのに必要な時
間が設定され、この設定時間毎に定期的に極性を切り替
える方法もある。

電解装置21の陰極室23の近傍では、上記した第（１）
式の陰極反応によって。pHが上昇し、このとき液中のMg
²⁺、Ca²⁺は次の反応により析出し、一部が電極表面に蓄
積される。

Mg²⁺＋2OH^-→Mg（OH）_２ ……（４） Ca²⁺＋CO₂ ^2-→CaCO₃ ……（５）電極表面に蓄積されたMg（OH）_２、CaCO₃は、電極の
極性が切り替えられると、それぞれ次の反応によって再
び溶解し、したがって電極表面における蓄積が除去され
る。

Mg（OH）_２＋Cl₂→ Mg（OCl）_２＋H₂O ……（６） CaCO₃＋2Cl₂＋2H₂O→ Ca（OCl）_２＋2HCl＋H₂CO₃ ……（７）このように第４実施例によれば、電解装置21の陰極室
23内の電極表面に析出した炭酸カルシウム、水酸化マグ
ネシウム等のアルカリ土類金属の塩又は水酸化物を定期
的に除去できるため、塩酸製造量の経時的な減少を抑制
できる効果が得られる。

第４実施例に示す電気透析装置において、電気透析槽
は、通電面積を0.22m²,陽イオン交換膜と陰イオン交換
膜の対数を200、膜間隔を0.75mmとした。原水、脱塩
水、濃縮水中の電解質の濃度は、それぞれ、NaCl重量換
算で1,200ppm 300ppm、2,000ppmである。

電解装置は、電極面積が0.01m²である。平均通電電流
は、電気透析槽が3A、電解装置が6Aであり、毎時4m³の
脱塩水を製造した。

このとき、電解装置の極性変換を２時間毎に行い、電
解装置の通電電流の変動は平均値の５％以下であった。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、装置外からの酸の供給
を要することなく、装置内で生成されるガスを用いて電
気透析槽の陰極室に供給される酸を生成できるため、酸
の入手が困難な地域に適した電気透析装置を供給するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す概略的構成図、第２
図は本発明の第２実施例を示す概略的構成図、第３図は
本発明の第３実施例を示す要部概略的構成図、第４図は
本発明の第４実施例を示す概略的構成図、第５図は従来
の電気透析装置の概略的構成図である。１……電気透析槽、２……透析室ブロック、３……陽極
室、４……陰極室、10……陽極液、11……陰極液、12…
…脱塩水、13……濃縮水、21……電解装置、22……陽極
室、23……陰極室、24、35……塩素ガス、25、37……水
素ガス、27……塩酸生成反応器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田紘二郎広島県呉市宝町３番36号バブコック日立株式会社呉研究所内 (56)参考文献特開平２−2830（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を交互に
多数設置し、その両端部に陽極室と陰極室とを有する電
気透析槽を備え、この電気透析槽に直流電気を印加して
脱塩水と濃縮水とをつくる電気透析装置において、前記
電気透析槽に隣接して電解装置および塩酸生成反応器を
設置し、前記電気透析槽からの濃縮水を電解装置で電気
分解し、発生した塩素ガスおよび水素ガスを原料ガスと
して前記塩酸生成反応器で塩酸を生成し、この塩酸を前
記電気透析槽の陰極室に導入する手段を設けたことを特
徴とする電気透析装置。
【請求項２】前記電気透析槽の陽極室から発生する陽極
液から塩素ガスを分離し、前記電気透析槽の陰極室から
発生する陰極液から水素ガスを分離し、これらの塩素ガ
スおよび水素ガスを前記塩酸生成反応器に導入する手段
を設けたことを特徴とする請求項（１）記載の電気透析
装置。
【請求項３】前記電気透析槽に原水を供給する配管を、
その途中で前記塩酸生成反応器内に設置し、塩酸生成時
における発生熱により原水を加熱するようにしたことを
特徴とする請求項（１）記載の電気透析装置。
【請求項４】前記電気透析槽の濃縮水を前記電解装置内
の陽極室に供給するための配管を備えていることを特徴
とする請求項（１）記載の電気透析装置。