JP3793229B2 - 水溶液脱イオン化用単式および複式電解セル並びにその配置構造 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念記載の特徴を有する電気化学セル、複式電解セル並びに単式および複式電解セルの配置構造に関する。
特に純水を製造する際の水溶液の脱イオン化のために、今日では、混合床技術の電解セルが使用されている。その際、ヨーロッパ特許出願第０１７０８９５号明細書記載の電気透析ユニットは、陰極と陽極の間に通路が形成され、この通路が陽イオンと陰イオンを透過する膜によって分離されるように形成されている。セルの側方の両端にそれぞれ配置された電極室は塩水流を案内する塩水室として形成されている。両塩水通路には、セルの内部の側で、イオン交換体を充填した室がそれぞれ続いている。この室は陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂からなる混合床を含んでいる。両樹脂通路は更に、電気透析ユニットの中央に配置された塩水通路によって互いに分離されている（ＧＩＴ専門誌、Ｌａｂ．３／９４、第１９０〜１９８頁も参照されたし）。このような電気透析セルは、塩水室として形成された電極室の間に他の樹脂通路と塩水通路を交互に配置することによって拡張可能である。
混合樹脂を充填したこのような電気透析セルはしかし、水がプロトンと水酸基イオンに解離されるときにしか、イオン交換体床の電気化学的な再生が保証されないという欠点がある。
本発明の課題は、加えられる電界および加えられる電流によって直接制御および調節可能である電気化学セルを提供することである。本発明の課題は更に、複式電解セルと、単式および複式電解セルの配置構造を提供することである。
本発明の根底をなす課題は、電極室にイオン交換材料が充填され、しかも陰極室に陰イオン交換体が、陽極室に陽イオン交換体が充填され、電極が陰イオン交換樹脂床および陽イオン交換樹脂床に直接接触し、更に塩水室が電極室に直接隣接していることによって解決される。その結果、樹脂床を再生するために必要なＨ⁺イオンまたはＯＨ^-イオンが樹脂床で直接発生し、それによってイオン交換体を再生する。これはセルの連続運転を可能にし、樹脂室の入口から出口まで樹脂床の電気化学的な再生を生じる。本発明によるセルの場合、樹脂の再生と定常的な負荷状態は加えられる電流密度を変化させることによって制御および調節可能である。更に、本発明によるセルは、少ないセル室と少ない膜を備えた簡単なセル構造体によって取扱および保守が非常に容易である。
本発明によるセルの他の利点は、陽極での酸化ガスの発生によって、処理される水の本流内で直接、樹脂床および純水内の菌形成が防止または低減されることにある。
本発明によるセルの他の利点は、陽極の溶けた酸素の置換によって、陰イオン交換樹脂、特に第四トリメチルアンモニウムグループを有する陰イオン交換樹脂が酸化分解されないように保護されることにある。陰極で発生する水素はこの作用を更に強化する。
本発明による電気化学セルは、同じ電極に付設された電極室が並べて配置され、かつ共通の１個の電極を有するように、少なくとも２個のセルを並べて配置すること、あるいは異なる電極に付設された電極室が並べて配置され、この電極室が双極性の膜または双極性の電極によって互いに分離されるように少なくとも２セルを並べて配置することによって、複式電解セルを形成することができる。このように形成された複式電解セルは特に、電極が効果的に利用されるという利点がある。１個の電極と２個のイオン交換膜を追加するだけでセルの容量を２倍にすることができる。複式電解セルの構造により、同様に、室全長にわたって場所的な電流密度が一定に保たれる。他の有利な実施形の複式電解セルは任意に組み合わせられたセルからなり、このセルは共通の電極を有しかつ双極性の電極によって互いに分離された電極室を備えている。
更に、本発明による単式または複式電解セルは、任意に組み合わせて直列に接続されている。このような接続は、異なるセルに異なる電流密度を加えることができるので、両セルをそれぞれ異なる限界電流密度で運転することができるという有利な作用を有する。それによって、システムの電流効率が改善される。
直列に接続された複式電解セルの他の利点は、中央ステーションで部分脱イオン化を行い、末端消費部の近くで純水まで完全脱イオン化を行うように、セルの間に空間的な隔たりを形成することができることにある。
更に、塩水供給が、互いに組み合わせられた電解セルを考慮して、イオン交換によって処理される溶液に対して向流で行われると、第２の電解セル内での戻し拡散が低減されることによって純水の質が改善される。
更に、塩水供給口は好ましくはイオン交換によって処理される溶液の入口から分岐している。これは、塩水流が塩水室を流通した後で前処理段で再び処理溶液に供給可能であり、それによって塩水廃水の発生が避けられるという利点がある。
更に、塩水流を案内する塩水室に、網状のスペーサおよびまたはイオン交換樹脂が充填される。この場合、イオン交換樹脂は陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂あるいは陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂の混合物である。樹脂充填によって、塩水室内でイオン伝導性が高まり、それによって全体のセル電圧が大幅に低下する。脱イオン化プロセスを終了した後で、塩水流は予備処理段、例えば手前に接続された逆浸透装置の入口に戻すことができるので、最終的には脱イオン化された媒体だけが発生し、原水に対する純水の比が改善される。
本発明によるセルの他の有利な実施形では、塩水室を電極室から分離する膜が、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜である。
本発明の実施の形態が図に略示してある。次に、この実施に形態について詳しく説明する。
図１は単式電気化学セルを示している。この場合、陰極室１に陰イオン交換体が充填され、陽極室３に陽イオン交換体が充填されている。陰極室１と陽極室３に塩水室２が隣接している。この塩水室は陰イオン交換膜４と陽イオン交換膜５によって両電極室から分離されている。処理すべき溶液は入口６から先ず最初に陰極室１に含まれる陰イオン交換体を通って案内され、そして陽極室３に含まれる陽イオン交換体を通って案内される。最後に、脱イオン化された媒体が出口７から排出される。本流の入口６から塩水供給管路２が分岐している。この塩水供給管路から塩水流が塩水室２を通って案内される。そこで、塩水流は膜４，５を通過する陰イオンまたは陽イオンを受け取る。この陰イオンと陽イオンは続いて塩水流と共に排出管路９を経て排出される。
図２には、２つの陽極室が並んでいて一つの共通の陽極を有するように、図１に示したセルが２個並べて配置されている。それによって生じた陽極室３は両塩水室２，２′によって両陰極室１，１′から分離されている。この場合、室は陰イオン交換膜４，４′と陽イオン交換膜５，５′によって互いに仕切られている。更に、本流と塩水流はこのような複式電解セルを通って案内される。図示の場合、処理すべき溶液は入口６から並行流で先ず最初に両陰極室１，１′を通って案内される。続いて両部分流は再び一緒になって本流となり、この本流は陽極室室３内で脱イオン化され、最後に出口７を通って排出される。本流の入口６から供給管８を経て分岐された塩水流は先ず最初に、塩水室２と続いて塩水室２′を通って案内されるので、この流れの流通は本流に対して並行流および向流で行われる。
図２に示した複式電解セルは必要に応じて次のように変形可能である。すなわち、図１に示したセルを１個または複数個追加し、同じ電極に付設された電極室を並べて配置し、共通の１個の電極を有し、それによって陰極室と陽極室が交互に並び、それぞれ塩水室によって互いに分離されるように変形可能である。
図３に示した複式電解セルは図２に示したセルと次の点で異なっている。すなわち、図１の２個のセルが並べて配置され、追加されたセルの陰極室１′が陽極室３に直接接続し、この両室が双極性の膜１０または双極性の電極１０によって互いに仕切られている点で異なっている。この図にも、セルの個々の室を通る本流と塩水流が矢印で示してある。図示の場合、セルの室を通る流れの案内は交互に行われる。
図３に示した複式電解セルも同様に、図１に示したセルを１個または複数個適当に追加することによって変形可能である。
更に、図１のセルは図２および図３に示した原理に従って繋ぎ合わせることができる。従って、同じ電極に付設され共通の電極を有する電極室と、異なる電極に付設され互いに双極性の要素によって分離された電極室が並んでいる複式電解セルが形成される。
図４には、図２に示したセルが２個接続されている。その際、処理すべき溶液の本流は先ず最初に、図２に示し説明したように、セルＩを通って案内される。陽極室３内で溶液を脱イオン化した後で、流れはセルＩＩに導かれ、セルＩと同様にこのセルを流通する。これに対して、塩水の供給は互いに組み合わせられた両セルを考慮して本流に対して向流で行われる。すなわち、本流から分岐した塩水流は先ず最初にセルＩＩに案内される。そこで、塩水流は両塩水室２，２′を並行流で流れ、その後セル１に導かれ、そこで同様に両塩水室を並行流で流れる。図４の具体的な実施の場合には、本流６はセルＩ，ＩＩを１３０リットル／時間であった。セルＩの入口での伝導率は約３０μｓ／ｃｍ、出口では0.8〜0.5μｓ／ｃｍ、セルＩＩの出口７では0.055μｓ／ｃｍ（２５℃）であった。塩水流８は約１０リットル／時間で伝導率は約１５０μｓ／ｃｍであった。この部分流は手前に接続されたＵＯ設備を経て再びプロセスに供給可能である。セルＩ，ＩＩの設定電流は、セル当たりの陰イオン樹脂と陽イオン樹脂について樹脂容積が0.8リットルのときに５アンペアと１アンペアであった。
図５，６には、接続されたセルを通る本流の案内の他の例が示してある。この場合、図５の本流は陰極室から供給され、図６の本流は陽極室から供給される。勿論、接続されたセルを通る図示の本流の案内は任意に組み合わせ可能である。

Claims (10)

1. イオン交換によって処理される溶液のための入口（６）および出口（７）と、塩水供給管路（８）および塩水排出管路（９）と、イオン交換体と、電極とを備え、この電極の内側に電極室、すなわち陰極室および陽極室（１，３）が接続され、この両電極室の間に膜（４，５）によって分離されて塩水室（２）が設けられている、水溶液をイオン交換によって脱イオン化するための電解セルにおいて、塩水室（２）が電極室（１，３）に直接隣接し、電極室にイオン交換材料が充填され、陰極室が陰イオン交換体を、陽極室（３）が陽イオン交換体を含み、電極が陰イオン交換樹脂床および陽イオン交換樹脂床に直接接触していることを特徴とする電解セル。
2. 同じ電極に付設された電極室が並べて配置され、かつ共通の１個の電極を有することを特徴とする、少なくとも２個の請求項１記載のセルからなる複式電解セル。
3. 異なる電極に付設された電極室が並べて配置され、この電極室が双極性の膜（１０）または双極性の電極（１０）によって互いに分離されていることを特徴とする、少なくとも２個の請求項１記載のセルからなる複式電解セル。
4. 任意に組み合わせられた請求項２と３記載のセルからなっている複式電解セル。
5. 任意に組み合わせて直列に接続された少なくとも２個の、請求項１〜４のいずれか一つに記載の単式または複式電解セル。
6. 塩水供給（８）が、互いに組み合わせられた電解セルを考慮して、イオン交換によって処理される溶液に対して向流で行われるよう接続された、請求項５記載の電解セル。
7. 塩水供給口（８）がイオン交換によって処理される溶液（６）の入口から分岐していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の単式およびまたは複式電解セル。
8. 塩水流を案内する塩水室（２）に、網状のスペーサおよびまたはイオン交換樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の単式およびまたは複式電解セル。
9. イオン交換樹脂が陰イオン交換樹脂または陽イオン交換樹脂またはこの陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂の混合物であることを特徴とする請求項８記載の単式およびまたは複式電解セル。
10. 塩水室（２）を電極室（１，３）から分離する膜（４，５）が、陰イオン交換膜（４）と陽イオン交換膜（５）であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の単式およびまたは複式電解セル。

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