JP3512425B2 - イオン交換材料の電気化学的処理 - Google Patents

イオン交換材料の電気化学的処理

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Description

【発明の詳細な説明】 発明が属する技術分野 本発明は、概して、イオン交換材料を使用した水の処
理に関するものである。より詳細には、アニオン交換樹
脂およびカチオン交換樹脂の電気化学的処理のための方
法および装置に関するものである。
発明の背景 イオン交換は、固体（しばしば、樹脂と称される）と
液体との間における可逆的なイオンの相互交換である。
この場合、イオン交換材料をなす固体の構造には、永久
的な変化は起こらない。イオン交換の有用性は、イオン
交換材料の使用可能性、および、適切な再生ステップを
経由しての再使用可能性にある。
高純度な水に対しては、巨大なマーケットが存在して
いる。高純度の水は、製薬産業、エレクトロニクス産
業、および、発電産業、といったような著名な主要ユー
ザーに対して、工業用途に主に使用される。
大部分の応用に対しての最終処理（仕上げステップ）
においては、通常、溶解している塩が、イオン交換材料
またはイオン交換樹脂を通過させることによって、水か
ら除去される。（H+の形態での）カチオン交換樹脂と、
（OH-の形態での）アニオン交換樹脂と、の組合せが、
カチオンとアニオンとのそれぞれを除去するために使用
される。多くの塩の除去を行うには、各樹脂タイプをそ
れぞれ備えた２つのベッドを、直列で使用することがで
きる。水性溶液が、まず最初に、（H+の形態での）カチ
オン交換樹脂からなるベッドを通過したときには、溶液
内のカチオンが、カチオン交換器に採取され、等量のH+
イオンが、溶液内に放出される（よって、電気的中性は
保存される）。この溶液（この場合には、酸性溶液）
は、その後、（OH-の形態での）アニオン交換樹脂から
なる第２ベッドを通過し、溶液内のアニオンが、アニオ
ン交換器に採取される。このとき放出されるOH-イオン
が、溶液内のH+を中和し、これにより、水が生成され
る。２つのベッドを通過した後には、溶解塩は、溶液か
ら効果的に除去されている。（脱塩プロセスが可逆であ
る場合には、中間アルカリ溶液を使用した対応反応が適
用されることとなる。） 多数の水精製応用においては、最終仕上げステップと
しては、直列型のベッド配置に代えて、あるいは、それ
に加えて、最終イオン交換樹脂からなる混合ベッドが、
好ましい。混合ベッドの場合、カチオン樹脂およびアニ
オン樹脂は、近接して混合され、カチオンとアニオンと
が同時に溶液から除去されると共に、両樹脂からH+とOH
-とが瞬時に放出されて瞬時に中性化が行われ、水が生
成される。この構成であると、相互中和によるH+とOH-
との損失によって化学平衡プロセスが「引き起こされ
る」ことのために、水性溶液からの塩除去を非常に良好
なレベルで行うことができる。
いずれの構成においても、樹脂が消費されると（すな
わち、H+およびOH-の形態での樹脂が存在しなくなった
ときには）、カチオンベッドおよびアニオンベッドは、
再生されなければならない。従来の化学的再生プロセス
においては、混合樹脂ベッド内におけるカチオン樹脂と
アニオン樹脂とを、化学的再生プロセスを行うに先立っ
て、物理的に分離しなければならなかった。この再生
は、通常、それぞれ、酸（典型的には、H2SO4）および
アルカリ（典型的には、NaOH）による処理によって行わ
れる。化学的プロセスにおいては、濃縮された酸や腐食
性溶液を貯蔵して取り扱う必要があるとともに、使用後
には、廃棄再生溶液および洗浄溶液を廃棄する必要があ
る。これは、コスト、安全性、および、環境的観点から
は、望ましくないことである。
イオン交換樹脂の再生のために苛酷な化学的処理だけ
を必要としないような他の方法が、開発されている。こ
のような方法のいくつかは、特定のイオンが透過できる
ようなメンブランと化学処理溶液とを利用する電気的イ
オン除去システム（電気的消イオンシステム）を使用す
る。たいていのメンブランは、高価であって、使用時に
漏れを起こしたり壊れたりする。さらに、メンブランと
共に樹脂を収容するのに必要な装置は、製造および維持
がコスト高である。利用可能な他の方法は、カチオンま
たはアニオンの形態の樹脂を再生するためだけに適用さ
れ、そのため、双方の形態のイオン交換材料を再生する
には、２つのシステムを必要とする。
本発明者らは、マイルドでありかつ安価でありかつ環
境的に受容可能な電気化学的技術を使用した、イオン交
換樹脂の処理方法を開発した。この方法は、再生用化学
物質を必要とすることがなく、水精製プロセスおよびイ
オン交換再生を、樹脂ベッドに干渉する必要なく同一容
器内で行えるという、さらなる利点を有している。混合
ベッドシステムの場合には、このプロセスは、また、カ
チオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを分離する必要な
く混合樹脂ベッドの再生を行うことができるという利点
を有している。
発明の概要 第１の見地においては、本発明は、イオン交換材料を
処理するための方法であって、 （ａ）少なくとも２つの領域をなすイオン交換材料を、
これら領域のうちの少なくとも１つが残りの領域からは
非選択的イオン透過性境界部を介して隔離されている状
態で、陽極と陰極との間に配置し； （ｂ）少なくとも２つの領域に対して電極を通して水を
供給； （ｃ）両電極間に電圧を印加することにより、陽極にお
いては水素イオンを発生させるとともに陰極においては
水酸化物イオンを発生させ、発生したこれら両イオン
は、逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動するこ
ととなり、これにより、各領域内のイオン交換材料に関
連したアニオンまたはカチオンの少なくとも一部が遊離
され、この遊離したアニオンまたはカチオンが逆極性の
電極へと向けて各領域を通って移動することとなり； （ｄ）（ｃ）ステップで形成されたアニオンおよび／ま
たはカチオンのうちで境界部に到達したものの少なくと
も一部を除去する； 方法である。
両電極間に電位差を印加できるよう、２つの領域のう
ちの少なくとも一部が電気接続されることは、明らかで
ある。
２つの領域は、単一型の形態としてイオン交換材料を
備えることもできるし、また、混合型の形態としてイオ
ン交換材料を備えることもできる。単一型の形態として
イオン交換材料を各領域内に配置する場合には、本方法
の有効な動作のためには、カチオン交換材料を陰極に関
連した領域内に配置し、アニオン交換材料を陽極に関連
した領域内に配置するの近傍に配置し、カチオン交換材
料を備えた前記領域を、前記陰極の近傍に配置する。双
方の領域内に混合型の形態のアニオンおよびカチオン交
換材料を配置する構成の場合には、イオン交換材料が十
分に処理されることを確保するために、好ましくは、両
電極の極性を反転させた上で、各領域内の材料のうちの
初期的には処理されなかった部分に対して、イオン遊離
を起こさせるような電圧を印加する。
本発明の第１の見地における好ましい実施形態におい
ては、両領域内におけるイオン交換材料の電気化学的再
生が、同時的に引き起こされる。
イオン交換材料に関連したアニオンおよびカチオンで
あって、本方法によって除去されるアニオンおよびカチ
オンは、好ましくは、塩である。ある形態においては、
これら塩は、イオン交換材料の再生を行うために本方法
を行う前に、水のイオン除去処理時にイオン交換材料上
に集積されていた塩である。
境界部は、電界の影響によるイオン移動時に、境界部
に到達したイオンおよび水を除去し得るものであればあ
るいは洗い流し得るものであれば、任意の形態のものと
することができる。適切な形態としては、イオン非選択
性メンブラン、フリット、多孔質スペーサ、イオン交換
材料からなる２つの領域を物理的に隔離することによっ
て形成されたキャビティ、不活性材料、バルブ構成、お
よび、２つの領域を隔離する物理的境界部、とすること
ができる。ただし、これらに限定されるわけではない。
２つの領域を隔離する物理的境界部は、また、適切な境
界を形成することができる。好ましくは、境界部は、境
界部からのイオンおよび水の除去を可能とするバルブを
備えたポリプロピレンフリットである。
好ましくは、（ｃ）ステップで形成されたカチオンお
よび／またはアニオンを、境界部を通る前に取り出し、
イオン交換材料からなる他の領域へと流入させる。
ある好ましい形態においては、（ｂ）ステップは、処
理されるべき水内に溶解した塩を除去するための手段と
して、使用される。被処理水中に溶解しているすべての
塩をイオン交換材料に結合させるよう、１つまたは複数
の領域は、被処理水によって洗浄される。水処理プロセ
スが完了し、イオン交換材料を再生する際には、ステッ
プ（ｃ）およびステップ（ｄ）が行われる。水処理プロ
セスのこの形態の格別の利点は、イオン交換材料を、イ
ンサイチュで（そのままの状態で、取り出す必要なく）
再生できることである。
陽極は、好ましくは、白金コーティングされたチタン
から形成され、一方、陰極は、白金コーティングされた
チタンまたはステンレス鋼から形成することができる。
しかしながら、いずれの電極も、任意の適切な材料から
形成し得ることは、明らかである。
ステップ（ｄ）は、境界部およびその周囲領域からイ
オンおよび水を除去し得るような、任意の適切な手段に
よって行うことができる。例えば、１つの適切な手段
は、境界部の水洗手段である。しかしながら、任意の適
切な手段が適用可能であることは、明らかである。
第２の見地においては、本発明は、電気化学セルに関
するものであって、 （ａ）陽極および陰極と； （ｂ）イオン交換材料を収容し得るよう構成されている
とともに、両電極間に配置された、少なくとも２つの領
域と； （ｃ）少なくとも２つの領域を隔離するための非選択的
イオン透過性境界部と； （ｄ）少なくとも２つの領域に対して電極を通して水を
供給ための水供給手段と； （ｅ）付加的に、両電極間に電圧を印加するための電圧
印加手段と； （ｆ）境界部において、イオン、塩、および、水を除去
するための除去手段と； を具備してなり、 使用時には、両電極間に電圧を印加することにより、
陽極においては水素イオンを発生させるとともに陰極に
おいては水酸化物イオンを発生させ、発生したこれら両
イオンは、逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動
することとなり、これにより、各領域内の前記イオン交
換材料に関連したアニオンまたはカチオンの少なくとも
一部が遊離され、この遊離したアニオンまたはカチオン
が逆極性の電極へと向けて各領域を通って移動すること
となり、 これらアニオンおよび／またはカチオンのうちで境界部
に到達したものの少なくとも一部を、除去手段によって
除去する、セルである。
このような電気化学セルは、本発明の第１の見地によ
る方法を実行するのに特に好適である。このセルは、溶
解している塩を除去することによって水を精製するため
に使用することができ、かつ、各領域内に配置されたイ
オン交換材料を再生するために使用することができる。
陽極は、好ましくは、白金コーティングされたチタン
から形成され、一方、陰極は、白金コーティングされた
チタンまたはステンレス鋼から形成することができる。
しかしながら、いずれの電極も、任意の適切な材料から
形成し得ることは、明らかである。
両電極間に電位差を印加できるよう、２つの領域のう
ちの少なくとも一部が電気接続されることは、明らかで
ある。
セルの好ましい形態においては、境界部は、２つの電
極からほぼ等距離のところに配置され、各領域は、実質
的に同じ容積とされている、あるいは、収容しているイ
オン交換材料の量がほぼ同じとされている。
電圧を印加するための手段は、任意の適切な電源とす
ることができる。印加される電圧値は、イオン交換材料
のタイプおよび量に依存する。典型的には、適切な強力
イオン交換剤に対して、適切な電流が、適切な時間にわ
たって通電される。これにより、完全に消費された（涸
渇した）イオン交換材料を、実質的に完全に再生するこ
とができる。これら特定の電流値および通電時間は、材
料の種類、涸渇度合い、体積、に依存して適切に決定さ
れることは、明らかである。
第３の見地においては、本発明は、本発明の第２の見
地によるセルを使用して、イオン交換材料の再生を行
う。
第４の見地においては、本発明は、本発明の第２の見
地によるセルを使用して、水処理を行って、溶解してい
る塩をその水から除去する。
従来技術とは違って、本発明は、操作のために、アニ
オン選択性メンブランおよびカチオン選択性メンブラン
を必要とはしない。そうではなく、イオン交換材料から
なる領域すなわちベッドが、望ましくないイオンの移動
に対する障壁として使用される。イオン選択性メンブラ
ンを使用しなくても良くなったことは、従来技術に対し
ての格別の利点であり、これにより、より単純でかつよ
り頑丈でかつより安価なシステムがもたらされる。
明細書全般にわたって、特に断らない限り、「備え
る」という用語は、言及した部材を一体としてまたは別
体として、あるいは、言及した部材グループを一体とし
てまたは別体として、含むことを意味しており、かつ、
他の部材をまたは他の部材グループを除外することを意
図しているわけではない、ものとして解釈されるべきで
ある。
本発明のより明確な理解のために、以下、添付図面を
参照して好ましい実施形態について説明する。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による電気化学セルのある実施形態を
概略的に示す図である。
図２は、本発明による電気化学セルの他の実施形態を
概略的に示す図である。
図3aおよび図3bは、図１の電気化学セルの動作を概略
的に示す図である。
図4a〜図4cは、図２の電気化学セルの動作を概略的に
示す図である。
図５は、イオン交換樹脂の再生の時間依存性を、濃度
の観点から示すグラフである。
図６は、イオン交換樹脂の再生の時間依存性を、40mA
という特定の電流密度について示すグラフである。
図７は、イオン交換樹脂の再生のクローン効率を、電
流密度をパラメータとして示すグラフである。
図８は、本発明による電気化学セルのさらに他の実施
形態を概略的に示す図である。
実施形態の説明 図１には、カチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂
からなる一対の隔離領域すなわちベッドに対して、本発
明によるイオン交換材料再生方法の一般原理が、概略的
に示されている。アニオン交換樹脂からなるベッド５、
および、カチオン交換樹脂からなるベッド６は、陽極７
と陰極８との間に配置されている。水は、入力ポート1,
2を通してベッド5,6に対して供給され、そして、出力ポ
ート３を通して抽出される。陽極７と陰極８との間に適
切な電圧が印加されたときには、２つの電極7,8の近傍
に位置した水に関して、次のような電気化学的プロセス
が起こる。
酸化（陽極にて） 2H2O → O2＋4H+＋4e 還元（陰極にて） 2H2O＋2e→ H2＋2OH- 全体としての電気化学反応 6H2O → 2H2＋O2＋4H+＋4OH- 正味の結果としては、水が水素と酸素とに分離され、
さらに、陽極７においてH+イオンが生成され、陰極８に
おいてOH-イオンが生成される。通過する各電子に対し
ては、１つの等価なH+と１つの等価なOH-とが生成され
る。生成されたイオンは、その後、セル内のイオン交換
樹脂に関連したカチオンおよびアニオン（塩）に対し
て、イオン交換を受ける。交換されたカチオンおよびア
ニオン（塩）は、電位差の影響を受けて移動し、境界９
のところにおいて出くわす。異なる構成においては、境
界９は、多孔質のスペーサ、２つの樹脂ベッドの物理的
隔離によって形成されたキャビティ、あるいは、ある種
のスペーサ材料（例えば、イオン交換樹脂、または、不
活性材料）から形成された中間境界とすることができ
る。あるいは、境界９は、単に、２つの樹脂ベッドの間
の境界をなすことができる。カチオンとアニオンとは、
この境界領域において出くわし、何らかの手段によっ
て、液体流（水性溶液または他の溶液）に運ばれてセル
から排出される。
このシステムは、樹脂ベッドに干渉することなくすな
わち樹脂をセルから取り出す必要なく、水性溶液の脱塩
（動作モード）とイオン交換樹脂の再生との双方を行い
得るように構成することができる。
混合ベッドタイプ（カチオンタイプとアニオンタイプ
の組合せ）のイオン交換樹脂も含めた広範なデバイスの
再生を行い得るような、同様のシステムが要望される。
そのような全体構成が、図２に示されている。この場合
には、再生は、２段階で進行する。再生の第１段階にお
いては、システムは、図２に示すようにして動作し、第
２段階においては、両電極の極性が互いに逆転（反転）
される。プロセスについて、以下、図３（デュアルベッ
ドシステム）および図４（混合ベッドシステム）を参照
して説明する。双方の図において、２つのイオン交換樹
脂は、それぞれ以下のような形態で示されている。すな
わち、 Ａは、「消費された」形態でのアニオン交換樹脂を示
し、 OHは、「再生された」形態でのアニオン交換樹脂を示
し、 Ｃは、「消費された」形態でのカチオン交換樹脂を示
し、 Ｈは、「再生された」形態でのカチオン交換樹脂を示
している。
図3aは、互いに隔離された一対の樹脂ベッドを示して
おり、左側の隔室内には、アニオン交換樹脂６が収容さ
れており、右側の隔室内には、カチオン交換樹脂５が収
容されている。双方のベッド5,6は、完全に消費され尽
くした（枯渇した）状態で示されている。すなわち、カ
チオン交換樹脂には、実質的にH+が存在していない状
態、および、アニオン交換樹脂には、実質的にOH-が存
在していない状態、が示されている。完全に消費された
状態が例示されているだけではあるけれども、樹脂は、
部分的に消費された状態であっても良くまた完全に消費
された状態であっても良いこと、また、再生を部分的に
行っても良くまた完全に行っても良いことは、明らかで
ある。
図3bに示すように、２つの電極11,12間に適切な電位
差が印加されたときには、図示左側の電極11（陰極、
「−」で示されている）においてはOH-が生成され、か
つ、図示右側の電極12（陽極、「＋」で示されている）
においてはH+が生成される。電界の影響によって、これ
ら両イオンは、それぞれの電極から離れる向きに、樹脂
ベッドを挿通して、移動する。OH-イオンが左側の隔室
内を移動するときには、このOH-イオンは、アニオン交
換樹脂に関連したアニオンと交換する。そのため、アニ
オン交換樹脂は、OH-の形態へと変換される。解放され
たアニオンは、陽極12に向けて、余剰の（過剰の）OH-
と一緒に移動する。H+イオンが右側の隔室内を移動する
ときには、このH+イオンは、カチオン交換樹脂に関連し
たカチオンと交換する。そのため、カチオン交換樹脂
は、H+の形態へと変換される。解放されたカチオンは、
陰極11に向けて、余剰の（過剰の）H+と一緒に移動す
る。カチオンとアニオンとは、境界９において出くわ
し、存在している等量のH+とOH-とが互いに中性化し
て、水を形成する。残りのイオン種（塩）は、出力ポー
ト３を通して排出することができる。この排出を補助す
るために、入力ポート1,2を通して、生成されるH+、OH-
各１モルに対して水1.5モルといったように、少なくと
も最小限の水流が確保されていることが好ましい。
図4aは、混合ベッドに関連した構成を示している。こ
の場合には、左側と右側との双方の隔室内に、アニオン
交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合体が充填されてい
る。双方のベッドは、完全に消費され尽くした（枯渇し
た）状態で示されている。すなわち、カチオン交換樹脂
にH+が存在していない状態、および、アニオン交換樹脂
にOH-が存在していない状態、が示されている。完全に
消費された状態が例示されているけれども、樹脂は、部
分的に消費された状態であっても良くまた完全に消費さ
れた状態であっても良いこと、また、再生を部分的に行
っても良くまた完全に行っても良いことは、明らかであ
る。
図4bに示すように、２つの電極11,12間に適切な電位
差が印加されたときには、図示左側の電極11（陰極、
「−」で示されている）においてはOH-が生成され、か
つ、図示右側の電極12（陽極、「＋」で示されている）
においてはH+が生成される。電界の影響によって、これ
ら両イオンは、それぞれの電極から離れる向きに、樹脂
ベッドを挿通して、移動する。OH-イオンが左側の隔室
内を移動するときには、このOH-イオンは、アニオン交
換樹脂に関連したアニオンと交換する。そのため、アニ
オン交換樹脂は、OH-の形態へと変換される。解放され
たアニオンは、陽極12に向けて、余剰の（過剰の）OH-
と一緒に移動する。このアニオンは、この隔室内のカチ
オン交換樹脂の状態に関しては、何の影響をも、もたら
さない。H+イオンが右側の隔室内を移動するときには、
このH+イオンは、カチオン交換樹脂に関連したカチオン
と交換する。そのため、カチオン交換樹脂は、H+の形態
へと変換される。解放されたカチオンは、陰極11に向け
て、余剰の（過剰の）H+と一緒に移動する。このカチオ
ンは、この隔室内のアニオン交換樹脂の状態に関して
は、何の影響をも、もたらさない。それぞれ左側の隔室
内および右側の隔室内を移動するアニオンおよびカチオ
ンは、境界９において出くわし、存在している等量のH+
とOH-とが互いに中性化して、水を形成する。残りのイ
オン種は、出力ポート３を通して排出することができ
る。この排出を補助するために、入力ポート1,2を通し
て、生成されるH+、OH-各１モルに対して水1.5モルとい
ったように、少なくとも最小限の水流が確保されている
ことが好ましい。
図4bにおける左側の隔室内のアニオン交換樹脂、およ
び、図4bにおける右側の隔室内のカチオン交換樹脂は、
それぞれ、OH-の形態およびH+の形態へと既に変換され
ている。この状況から電流を流すと、等量のH+とOH-と
が生成され、これら両イオンが樹脂ベッドを挿通してそ
れぞれ移動し、これら両イオンが出会った場所で互いに
中性化して水を生成する。この時点で、２つの電極の極
性が反転される、図4cに示すように、左側の電極11およ
び右側の電極12において、それぞれ、H+およびOH-が生
成される。
上述したのと同様にして、両イオンは、セルの中央部
に向けて移動し、左側の隔室および右側の隔室内におけ
るそれぞれカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂に
関連したそれぞれカチオンおよびアニオンと交換するこ
とができる。右側の隔室および左側の隔室を移動するそ
れぞれアニオンおよびカチオンは、境界９において出く
わし、存在している等量のH+とOH-とが互いに中性化し
て、水を形成する。残りのイオン種は、出力ポート３を
通して排出される。この排出を補助するために、入力ポ
ート1,2を通して、生成されるH+、OH-各１モルに対して
水1.5モルといったように、少なくとも最小限の水流が
確保されていることが好ましい。
実験例 以下の実験例は、図１に示す特徴点を備えた円筒形電
気化学セルを参照している。このセル内の境界は、多孔
質ポリプロピレンのフリット（frit）とされた。右側の
隔室および左側の隔室には、それぞれ、アンバーライト
（Amberlite）IRA−420（登録商標）強力アニオン交換
樹脂、および、アンバーライト 1R−120（登録商標）
強力カチオン交換樹脂が充填された。これら樹脂は、例
示のために使用されているだけであって、本発明は、特
定のイオン交換樹脂またはイオン交換材料だけに制限さ
れるものではない。各隔室内の樹脂のイオン交換能力
は、−17ミリモルである。両樹脂は、標準的な化学手法
によって、それぞれCl-およびNa+の形態へと変換され
た。そして、残留塩を除去するために脱イオン水でもっ
て全体的に洗浄された。電極7,8は、チタンメッシュ
（直径6cm）に対して白金がコーティングされたものと
された。両電極を樹脂に対して緊密に接触させ、シール
ユニットを形成するよう、一対の端部プレートをセルに
対して固定した。高純度脱イオン水がポンピングされ、
入力ポート1,2から出力ポート３に至る水流が確保され
た。定電流源を使用することにより、白金被覆チタンメ
ッシュ電極どうしの間に、定電流が通電された。ポート
1,2を通してセル内へと水がポンピングされ、ポート３
からの排出物が収集された。排出溶液の、pH、電導度、
および、Na+のイオン濃度が観測され、電流および電圧
が記録された。異なる３つの電流密度に対しての結果
が、図５に示されている。このグラフは、時間の関数と
して、ポート３を通して収集されたNa+イオンの累積モ
ル数を示している。
図６は、通電量が40mAの場合の、ポート３を通して収
集されたNa+イオンおよびCl-イオンの累積モル数を、時
間の関数として示している。図７は、セルの動作の電気
化学的効率を示している。各１モルの電子に対して、１
モルのH+と１モルのOH-とが生成される。各１モルの電
子が、１モルのカチオン交換樹脂の再生と１モルのアニ
オン交換樹脂の再生とをもたらしたならば、セルの電気
化学的効率は、100％となる。図７においては、カチオ
ン交換樹脂変換の全体的クーロン効率（単位：パーセン
ト）を、セル内の既に再生されたカチオン交換樹脂の割
合（単位：パーセント）の関数として、示している。
図８は、２つの樹脂ベッドの間の境界が、Ｔ型バルブ
13によって形成されているような、本発明の好ましい実
施形態を示している。この場合、Ｔ型バルブ13のところ
においては、バルブ内の液体流通路18は、実質的に、ア
ニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とによって充填され
ている。この場合のアニオン交換樹脂およびカチオン交
換樹脂は、混合状態とすることもできるし、隔離状態
（非混合状態）とすることもできる。樹脂再生モード
（図8a）においては、バルブ13は、バルブ13の通路18を
通しての各流通端が、樹脂ベッドのそれぞれに対して連
通されており、かつ、バルブに対して直交する流通路
が、カチオンおよび／またはアニオンと水とが流通する
ことのできるポートに対して連通しているように、切り
換えられる。システムが、水の精製を行うために使用さ
れる場合（図8b）には、バルブ13は、樹脂ベッドに対し
ては連通されない。これにより、水精製サイクル時に２
つの樹脂ベッド間において望ましくない態様で液体が流
通してしまうことが、防止される。図８に示す構成にお
いては、樹脂は、対向式に再生される（すなわち、水精
製サイクル時における２つの樹脂ベッドにおける水およ
びイオンの流れとは、逆向きの流れで再生される）。精
製モード（図8b）においては、水は、ベッド５の底部に
設けられたさらなる入力ポート16を通して供給され、一
旦、ポート15を通して取り出された後、ポート17を通し
て他方のベッド６を通過する。精製された水は、ポート
14から取り出される。セルが再生モードで使用されると
き（図8a）には、ポート16,17は、閉塞される。図８の
構成においては、樹脂は、対向式に再生される（すなわ
ち、精製サイクルにおいては、水およびイオンの流れ
は、樹脂ベッドを通ってある一方向とされ、再生モード
においては、水およびイオンの流れは、樹脂ベッドを通
って逆方向とされる）。
上記説明においては、セルは、円筒形とされている。
本発明による好結果は、この円筒形という特定の形状に
依存するものでも制限されるものでもない。同様に、セ
ルのサイズも、制限要因ではない。例えば、同様の効率
は、約５倍の容量の円筒形セルにおいても得られてい
る。さらに、同様の効率は、直線状円筒形に代えてＵ字
形チューブ構成としたセルであって約10倍の容量とした
セルにおいても得られている。また、同様の効率は、ポ
リプロピレンのフリットを、２つの樹脂ベッドを隔離状
態に保持する一対のナイロンメッシュで代替したセル
（すなわち、キャビティが、単に液体で充填されてい
る）においても得られている。セルを流通させる際の水
の流速、および、電流値は、電気化学的効率を悪くする
ことなく、変化させることができた。
上述のシステムは、手動で動作する。しかしながら、
適切なセンサおよび制御システムを使用することによ
り、システムの動作を自動化し得ることは、自明であ
る。そのような構成の例は、バルブアクチュエータおよ
びマイクロプロセッサ制御回路を備えた、出力水の純度
を測定するための、電導度セルである。
本発明の精神および範囲を逸脱することなく、特定の
実施形態として例示された本発明に対して、様々な変形
および／または修正を加え得ることは、当業者には自明
であろう。したがって、いくつかの実施形態は、本発明
を制限するものではなく、単なる例示として捉えられる
べきものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オスヴェイス，ピーター オーストラリア国 ヴィクトリア 3141 サウス ヤラ マーフィー ストリー ト 21／30 (56)参考文献 特開 平４−71624（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−224688（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−19628（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−328395（ＪＰ，Ａ) 特表 平11−505463（ＪＰ，Ａ) 米国特許6280599（ＵＳ，Ａ) 米国特許2763607（ＵＳ，Ａ) 米国特許2812300（ＵＳ，Ａ) 米国特許3006828（ＵＳ，Ａ) 米国特許5954935（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C02F 1/469 B01J 47/06 C02F 1/42

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】イオン交換材料を処理するための方法であ
    って、 （ａ）少なくとも２つの領域をなすイオン交換材料を、
    前記領域のうちの少なくとも１つが残りの領域からは非
    選択的イオン透過性境界部を介して隔離されている状態
    で、陽極と陰極との間に配置し； （ｂ）前記少なくとも２つの領域に対して前記電極を通
    して水を供給し； （ｃ）前記両電極間に電圧を印加することにより、前記
    陽極においては水素イオンを発生させるとともに前記陰
    極においては水酸化物イオンを発生させ、発生したこれ
    ら両イオンは、逆極性の電極へと向けて前記各領域を通
    って移動することとなり、これにより、前記各領域内の
    前記イオン交換材料に関連したアニオンまたはカチオン
    の少なくとも一部が遊離され、この遊離したアニオンま
    たはカチオンが逆極性の電極へと向けて前記各領域を通
    って移動することとなり； （ｄ）前記（ｃ）ステップで形成されたアニオンおよび
    ／またはカチオンのうちで前記境界部に到達したものの
    少なくとも一部を除去する； ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、 一方の前記領域を、アニオン交換材料を備えたものと
    し、他方の前記領域を、カチオン交換材料を備えたもの
    とすることを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】請求項２記載の方法において、 アニオン交換材料を備えた前記領域を、前記陰極の近傍
    に配置し、カチオン交換材料を備えた前記領域を、前記
    陽極の近傍に配置することを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】請求項２記載の方法において、 前記イオン交換材料に関連した前記アニオンおよび前記
    カチオンが、水のイオン除去処理時に前記イオン交換材
    料上に集積された塩であることを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求項１記載の方法において、 前記少なくとも２つの領域を、アニオン交換材料とカチ
    オン交換材料との混合体を備えたものとすることを特徴
    とする方法。
  6. 【請求項６】請求項５記載の方法において、 所定時間にわたって、前記電圧を印加し、 その後、前記両電極の極性を反転させた上で第２電圧を
    印加することを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】請求項１記載の方法において、 前記少なくとも２つの領域内における前記イオン交換材
    料の電気化学的再生を同時的に引き起こすことを特徴と
    する方法。
  8. 【請求項８】請求項１記載の方法において、 前記非選択的イオン透過性境界部を、イオン非選択性メ
    ンブラン、フリット、多孔質スペーサ、前記イオン交換
    材料がなす前記２つの領域を物理的に隔離することによ
    って形成されたキャビティ、不活性材料、バルブデバイ
    ス、および、２つの領域を隔離する物理的境界部、から
    なるグループの中から選択することを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】請求項８記載の方法において、 前記境界部を、該境界部からの前記イオンおよび水の除
    去を可能とするバルブを備えたポリプロピレンフリット
    とすることを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】請求項１記載の方法において、 前記（ｃ）ステップで形成された前記カチオンおよび／
    またはアニオン、および、水を、前記境界部を通す前に
    取り出し、イオン交換材料からなる他の領域へと流入さ
    せることを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】請求項１記載の方法において、 前記（ｃ）ステップおよび前記（ｄ）ステップを行うよ
    りも前に水内に溶解した塩を除去するための手段とし
    て、前記（ｂ）ステップを使用することを特徴とする方
    法。
  12. 【請求項１２】請求項１記載の方法において、 前記ステップ（ｄ）が、前記境界部の水洗操作であるこ
    とを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】電気化学セルであって、 （ａ）陽極および陰極と； （ｂ）イオン交換材料を収容し得るよう構成されている
    とともに、前記両電極間に配置された、少なくとも２つ
    の領域と； （ｃ）前記少なくとも２つの領域を隔離するための非選
    択的イオン透過性境界部と； （ｄ）前記少なくとも２つの領域に対して前記電極を通
    して水を供給するための水供給手段と； （ｅ）前記両電極間に電圧を印加するための電圧印加手
    段と； （ｆ）前記境界部において、イオン、塩、および、水を
    除去するための除去手段と； を具備してなり、 使用時には、前記両電極間に電圧を印加することによ
    り、前記陽極においては水素イオンを発生させるととも
    に前記陰極においては水酸化物イオンを発生させ、発生
    したこれら両イオンは、逆極性の電極へと向けて前記各
    領域を通って移動することとなり、これにより、前記各
    領域内の前記イオン交換材料に関連したアニオンまたは
    カチオンの少なくとも一部が遊離され、この遊離したア
    ニオンまたはカチオンが逆極性の電極へと向けて前記各
    領域を通って移動することとなり、これらアニオンおよ
    び／またはカチオンのうちで前記境界部に到達したもの
    の少なくとも一部を、前記除去手段によって除去する、
    ことを特徴とするセル。
  14. 【請求項１４】請求項13記載のセルにおいて、 前記陽極が、白金コーティングされたチタンから形成さ
    れており、前記陰極が、白金コーティングされたチタン
    またはステンレス鋼から形成されていることを特徴とす
    るセル。
  15. 【請求項１５】請求項13記載のセルにおいて、 一方の前記領域が、アニオン交換材料を備え、他方の前
    記領域が、カチオン交換材料を備えていることを特徴と
    するセル。
  16. 【請求項１６】請求項15記載のセルにおいて、 アニオン交換材料を備えた前記領域が、前記陰極の近傍
    に配置され、カチオン交換材料を備えた前記領域が、前
    記陽極の近傍に配置されていることを特徴とするセル。
  17. 【請求項１７】請求項13記載のセルにおいて、 前記少なくとも２つの領域が、アニオン交換材料とカチ
    オン交換材料との混合体を備えていることを特徴とする
    セル。
  18. 【請求項１８】請求項13記載のセルにおいて、 前記非選択的イオン透過性境界部が、イオン非選択性メ
    ンブラン、フリット、多孔質スペーサ、前記イオン交換
    材料がなす前記２つの領域を物理的に隔離することによ
    って形成されたキャビティ、不活性材料、バルブデバイ
    ス、および、２つの領域を隔離する物理的境界部、から
    なるグループの中から選択されていることを特徴とする
    セル。
  19. 【請求項１９】請求項18記載のセルにおいて、 前記境界部が、該境界部からの前記イオンおよび水の除
    去を可能とするバルブを備えたポリプロピレンフリット
    であることを特徴とするセル。
  20. 【請求項２０】請求項13記載のセルにおいて、 前記除去手段が、前記境界部を水洗するための手段であ
    ることを特徴とするセル。
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