JP3864891B2 - 電気式脱イオン装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電気式脱イオン装置に係り、詳しくは単位時間当りの脱イオン水(生産水)の生産水量が少ない場合に好適な電気式脱イオン装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の電気式脱イオン装置は、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。この電気式脱イオン装置にあっては陽極、陰極間に電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入させると共に、濃縮室に濃縮水を流通させて被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を製造する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電気式脱イオン装置は、陰極と陽極との間に複数の脱塩室と濃縮室とを交互に形成したものであるため、陰極と陽極との間の電気抵抗が大きく、両極間の印加電圧が高い。また、原水中のCa2+及び炭酸成分(CO2,HCO3 −)に起因する炭酸カルシウムスケールが濃縮室のイオン交換膜面にしばしば生じていた。
【0004】
本発明は、生産水量が少ない場合に採用するのに好適な、電極間の印加電圧が低く、また、スケールが発生しにくい電気式脱イオン装置を提供することを第1の目的とする。
【0005】
本出願人は、上記第1の目的を達成するものとして、陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが1枚ずつ配置され、該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気式脱イオン装置;及び、
陰極板と陽極板との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが1枚ずつ配置され、該陰極板とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極板とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該陰極板及び陽極板が電極水の通水路を有し、該陰極板がカチオン交換膜に接し、該陽極板が該アニオン交換膜と接している電気式脱イオン装置;
をそれぞれ特願2001−334950号にて提案している。
【0006】
かかる特願2001−334950号の電気式脱イオン装置は、脱塩室が1室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞれ陽極室を兼ねた濃縮室と陰極室を兼ねた濃縮室とが配置されているため、電極間距離が小さく、電極間の印加電圧が低い。
【0007】
この特願2001−334950号の電気式脱イオン装置について、本出願人がさらに研究を重ねたところ、原水中にCl−イオンが存在すると、濃縮室兼陽極室においてCl−が酸化反応を受けてCl2が発生し、該濃縮室兼陽極室内に充填されたカチオン交換樹脂等の導電体や、あるいは濃縮室兼陽極室に臨むイオン交換膜が徐々に劣化する可能性があることが見出された。
【0008】
本発明は、かかるカチオン交換樹脂等の導電体やイオン交換膜の劣化を防止することを第2の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明(請求項1)の電気式脱イオン装置は、陰極と陽極との間に、第1のカチオン交換膜と、アニオン交換膜と、第2のカチオン交換膜とがこの順に配置され、該陰極と第1のカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、第1のカチオン交換膜と該アニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該アニオン交換膜と第2のカチオン交換膜との間に濃縮室が設けられ、該第2のカチオン交換膜と該陽極との間に陽極室が設けられ、該濃縮室内、該陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなるものである。
【0010】
本発明(請求項2)の電気式脱イオン装置は、上記請求項1の電気式脱イオン装置の陽極室及び濃縮室兼陰極室内に導電体を充填する代わりに、陽極板及び陰極板に電極水を流す通水路を設けると共に、該陽極板と陰極板がイオン交換膜と接するようにしたものである。
【0011】
即ち、本発明(請求項2)の電気式脱イオン装置は、陰極と陽極との間に、第1のカチオン交換膜と、アニオン交換膜と、第2のカチオン交換膜とがこの順に配置され、該陰極と第1のカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、第1のカチオン交換膜と該アニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該アニオン交換膜と第2のカチオン交換膜との間に濃縮室が設けられ、該第2のカチオン交換膜と該陽極との間に陽極室が設けられ、該陰極板及び陽極板が電極水の通水路を有し、該陰極板が第1のカチオン交換膜に接し、該陽極板が第2のカチオン交換膜と接していることを特徴とするものである。
【0012】
かかる本発明(請求項1,2)の電気式脱イオン装置は、脱塩室が1室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞれ濃縮室と陰極室兼濃縮室とが配置され、この濃縮室の隣りに陽極室が配置されているため、電極間距離が小さく、電極間の印加電圧が低い。
【0013】
本発明では、濃縮室とは別個に陽極室が設けられ、両者が第2のカチオン交換膜で隔てられているので、濃縮室から陽極室へのCl−イオンの移動が阻止される。そのため、陽極室内で発生するCl2は、陽極室内に導入された電極水中のCl−にのみ由来するものとなるので、陽極室でのCl2発生量が著しく少ない。このため、陽極室内に充填されたカチオン交換樹脂等の導電体や、陽極室に臨む第2のカチオン交換膜がCl2によって劣化することが防止される。
【0014】
本発明では、脱塩室が1室であり、単位時間当たりの生産水量が少ないが、小規模実験用、小型燃料電池用などには十分に実用することができる。
【0015】
本発明の電気式脱イオン装置は、脱塩室内を区画部材によって多数の小室に区画し、各小室にイオン交換体を充填してもよい。この各小室に臨む区画部材の少なくとも一部は、脱塩室内の平均的な水の流れ方向に対して傾斜しており、この傾斜した部分は、水は通過させるが、イオン交換樹脂は通過させない構造となっている。この脱塩室内に流入した水の少なくとも一部は、平均的な水の流れ方向に対し斜め方向に流れるようになり、脱塩室内の全体に分散して流れる。従って、水とイオン交換樹脂との接触効率が向上し、脱イオン特性が向上する。
【0016】
この小室を平均的な水の流れ方向及びこれと直交方向のいずれにおいても膜面に沿って複数個配置することにより、(例えば縦横に多数配置することにより、)水とイオン交換樹脂との接触効率がきわめて高いものとなる。また、各小室内の上下方向の高さが小さくなり、イオン交換樹脂が局部的に圧縮されにくくなる。従って、小室に隙間が生じることがなく、イオン交換樹脂の充填密度が高い。
【0017】
この小室は、イオン交換膜面に投影した形状が六角形又は四角形であってもよい。六角形の場合には、1対の平行な辺が平均的な水の流れ方向となるように各小室を配置するのが好ましい。四角形の場合には、各辺が平均的な水の流れ方向に対し傾斜するように配置する。この様な構造にすることによって、脱塩効率が高まるため、脱塩室への高流速通水が可能となり、脱塩室1室当たりの処理流量を多くすることができる。
【0018】
1つの小室内に1種類のイオン交換特性のイオン交換体のみを充填してもよく、複数種類のイオン交換特性のイオン交換体を充填してもよい。例えば1つの小室内にアニオン交換体と両性イオン交換体とを混合して充填してもよい。
【0019】
本発明の電気式脱イオン装置においては、原水又は脱塩室からの脱イオン水を電極水として陽極室に通水し、この陽極室流出水を濃縮室に通水し、この濃縮室流出水を濃縮室兼陰極室へ通水するよう構成してもよい。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図1は実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。図2は区画部材を脱塩室内に配置した別の実施の形態に係る電気式脱イオン装置の分解斜視図、図3は区画部材の斜視図、図4は区画部材の分解図、図5は区画部材の通水状況説明図である。図6はさらに別の実施の形態を示す電極板の断面図である。図7はさらに別の実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【0021】
図1に示す通り、陰極1と陽極2との間に、第1のカチオン交換膜3と、アニオン交換膜4と、第2のカチオン交換膜3’とを1枚ずつ配置し、陰極1と第1のカチオン交換膜3との間に濃縮室兼陰極室5を形成し、第1のカチオン交換膜3とアニオン交換膜4との間に脱塩室7を形成し、アニオン交換膜4と第2のカチオン交換膜3’との間に濃縮室10を形成し、第2のカチオン交換膜3’と陽極2との間に陽極室6を形成している。
【0022】
濃縮室兼陰極室5、濃縮室10及び陽極室6にはそれぞれカチオン交換樹脂8が充填されている。この濃縮室兼陰極室5、濃縮室10及び陽極室6に充填されるイオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂やアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を混合したものであってもよいが、特に濃縮室兼陰極室5及び陽極室6には樹脂の強度の点からはカチオン交換樹脂を用いるのが好ましい。脱塩室7にはカチオン交換樹脂8とアニオン交換樹脂9とが混合状態にて充填されている。
【0023】
脱塩室7の一端側には原水の流入口が設けられ、他端側には脱イオン水の流出口が設けられている。
【0024】
陽極室6の一端側には原水又は脱イオン水の流入口が設けられている。陽極室6の流出水は濃縮室10へその一端側から流入し、他端側から流出する。濃縮室10の流出水は、濃縮室兼陰極室5へその一端側から流入し、他端側から濃縮水兼陰極電極水として排出される。
【0025】
図1において、陰極1と陽極2との間に電圧を印加した状態にて原水を脱塩室7に導入し、脱イオン水として取り出す。上記の通り、原水又は該脱イオン水を陽極室6に導入し、順次に濃縮室10及び濃縮室兼陰極室5に流通させる。原水中のカチオンは第1のカチオン交換膜3を透過し、陰極電極水に混入して排出される。原水中のアニオンはアニオン交換膜4を透過して濃縮室10に移動し、濃縮室流出水に混入して濃縮室兼陰極室5を経て排出される。
【0026】
次に、図7を参照して本発明の別の実施の形態に係る電気式脱イオン装置を説明する。図7の電気式脱イオン装置は、濃縮室10にアニオン交換樹脂9が充填されている点、及び陽極室6に脱イオン水の一部が通水され、濃縮室10にも上昇流で通水が行われる点が図1に示す電気式脱イオン装置と異なり、その他は同様の構成とされている。図7において、図1に示す部材と同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。
【0027】
濃縮室10にアニオン交換樹脂9を充填した図7の電気式脱イオン装置の効果は次の通りである。
【0028】
図7の電気式脱イオン装置においても、図1の電気式脱イオン装置と同様に、原水中のカチオンは第1のカチオン交換膜3を透過し、陰極電極水に混入して排出される。原水中のアニオンはアニオン交換膜4を透過して濃縮室10に移動し、濃縮室流出水に混入して濃縮室兼陰極室5を経て排出される。このとき排出されにくいCO2、シリカ等の弱イオン成分は、脱塩室7内の水解離で発生したOH−によりHCO3 −、HSiO3 −の形態に変化し、濃縮室10に排出される。
【0029】
アニオン交換膜4の濃縮室10近傍の界面では濃度分極によりアニオン成分が最も濃縮されるが、移動しにくいHCO3 −、HSiO3 −の濃度分極が大きくなりすぎると、電気抵抗が上昇したり、イオンが移動しにくくなることによる除去率の低下が起こってしまう問題がある。
【0030】
このとき、アニオン交換膜4の濃縮室10近傍の界面に反対電化のカチオン交換樹脂が存在すると、アニオンの移動が遅くなるため、上記濃度分極はさらに発生しやすくなる。逆に、アニオン交換樹脂が存在すると、アニオンの移動が速やかになり、濃度分極は発生しにくい。
【0031】
特に、濃縮室10のイオン交換体のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率が、脱塩室7のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率よりも大きくなると、このアニオンの移動が速やかになり、好ましい。とりわけ、濃縮室10にアニオン交換体のみが充填されていることがアニオンの移動速度の面で好ましい。
【0032】
濃縮室10のアニオン交換膜10の濃縮面の濃度分極、特にCO2、シリカ等の弱イオン成分の濃度分極は、脱塩室7に流入するCO2、シリカ等の弱イオン成分が多いほど、また脱塩室7からアニオン交換膜4面を通して濃縮室10に移動するCO2、シリカ等の成分が多いほど、また電流密度が大きいほど発生しやすい。
【0033】
しかし、濃縮室10のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率を脱塩室7のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率よりも大きく、好ましくは濃縮室10の充填物をアニオン交換体のみ、より好ましくはアニオン交換樹脂のみとすることにより、これらの弱イオン成分の負荷が高くても、脱塩性能、運転安定性に優れる電気脱イオン装置とすることができる。例えば、脱塩室7のアニオン交換膜4の有効面積(dm2)に対する脱塩室7に流入する炭酸負荷量(mg−CO2/h)が80以上、さらには250〜300、脱塩室7のアニオン交換膜4の有効面積(dm2)に対する脱塩室に流入するシリカ負荷量(mg−SiO2/h)が8以上、さらには15〜25、電流密度が300mA/dm2以上、さらには600〜1200mA/dm2としても、脱塩性能、電気抵抗等の観点で安定した電気脱イオン装置が得られるため、電気脱イオン装置をより一層小型化することができ、経済面においてもきわめて有効である。
【0034】
なお、電気脱イオン装置の給水は、一般的に市水等の原水を活性炭、逆浸透膜分離(RO)処理した水が用いられ、その電気伝導度は3〜10μS/cm、CO2濃度は3〜30ppm、シリカ濃度は0.2〜1.0ppm程度である。このような水の処理には、脱塩室7のイオン交換体のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率は60/40〜70/30(例えばアニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂が再生型である場合の体積比)程度とすることが望ましい。
【0035】
図1,7の電気脱イオン装置において、濃縮室10や脱塩室7、濃縮室兼陰極室5、陽極室6に充填されるイオン交換体は、取り扱い性の観点から、イオン交換樹脂であることが好適である。この場合、イオン交換樹脂の架橋度はアニオン交換樹脂で3〜8%、カチオン交換樹脂で5〜10%程度とすることが好ましい。これはイオン交換樹脂の架橋度が小さいと強度が弱くなり、架橋度が大きいと電気抵抗が大きくなってしまうためである。
【0036】
図7の電気脱イオン装置において、濃縮室10にイオン交換繊維等のイオン交換樹脂以外のイオン交換体を充填しても良いが、アニオン交換体/カチオン交換体充填比率を脱塩室7のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率よりも大きくし、特にアニオン交換体のみとすることが好ましい。このように、アニオン交換樹脂の比率が大きくなると、長期的の運転では、劣化が進み、電気抵抗が上がってしまうことがある。即ち、一般的に、例えば酸素存在下ではカチオン交換樹脂の酸化劣化よりも、アニオン交換樹脂の劣化が先に起こると考えられる。特に、濃縮室10中のアニオン交換樹脂の比率を高める場合、とりわけアニオン交換樹脂単独とする場合には、酸化劣化等にも強い樹脂である、熱安定性のあるアニオン交換樹脂を用いることが好適である。
【0037】
図1,7の電気式脱イオン装置において、濃縮室兼陰極室5では、カチオン交換体が多いほどカチオンの移動が速やかになるため、カチオン交換体のみが充填されていることが望ましい。また、陽極室6では、陽極2の板面での電極反応により酸化剤発生があるため、酸化に強いカチオン交換体のみが充填されていることが好ましい。また、陽極2は酸化剤による劣化、陰極1では孔食発生のおそれがあるため、チタンに白金メッキしたもの等の材質の耐食性に優れた電極板を用いることが望ましい。
【0038】
図1,7の電気式脱イオン装置にあっては、陰極1と陽極2との間にそれぞれ1個の濃縮室兼陰極室5、脱塩室7、濃縮室10及び陽極室6のみが配置されており、陰極1と陽極2との距離が小さい。そのため、電極1,2間の印加電圧が低くても十分に電極1,2間に電流を流して脱イオン処理することができる。
【0039】
また、本発明では脱塩室内のCl−は濃縮室10にのみ移動し、陽極室6へは移動しない。このため、陽極室6内のCl−濃度は原水又は脱イオン水中に存在するCl−のみとなり、陽極室6で陽極酸化により生じるCl2が著しく少ない。そのため、陽極室6内のカチオン交換樹脂8や、陽極室6に臨む第2のカチオン交換膜3’の劣化が防止される。
【0040】
なお、陰極室が濃縮室を兼ねていることから、陰極室内の電極水の電気伝導度が高い。これによっても、電極1,2間の印加電圧が低くても電極1,2間に十分に電流を流すことが可能となる。
【0041】
濃縮室兼陰極室5及び濃縮室10での通水方向は、脱塩室7と並流通水でも向流通水でもよい。濃縮室兼陰極室5及び陽極室6は、上昇流通水であることが望ましい。これは、各室5,6には、直流電流によってH2やO2、場合によっては少量のCl2等の気体が発生するので、上昇流で通水し気体の排出を促進させ偏流を防ぐためである。
【0042】
なお、図1,7の電気式脱イオン装置から濃縮室10を省略し、脱塩室7からCl−が陽極室6にすべて流入するとした場合の、陽極室のCl負荷量の一例を次に計算する。なお、陽極室にはCl濃度3ppmの原水を0.8L/hで供給し、脱塩室にはこの原水を1.5L/hで供給するものとする。
【0043】
この場合、脱塩室からClの実質的に全量が陽極室へ移動することから、陽極室のCl負荷量は
脱塩室からのCl量=1.5L/h・3mg/L=4.5mg/h
陽極室流入Cl量=0.8L/h・3mg/L=2.4mg/h
の和6.9mg/hとなる。
【0044】
これに対し、図1,7の場合であれば、陽極室Cl負荷量は、陽極室への流入原水中のClのみであるから上記2.4mg/hとなる。なお、陽極室に脱イオン水を通水するならば、陽極室Cl負荷量は実質的にゼロになる。
【0045】
この一例からも明らかな通り、脱塩室と陽極室との間に濃縮室を配置することにより、陽極室のCl濃度を低くし、陽極室でのCl2発生量を減少させることができる。
【0046】
このような電気式脱イオン装置では、図1,7に示す如く、原水又は脱塩室7からの脱イオン水の一部、好ましくは脱イオン水の一部を陽極室6、濃縮室10、陰極室兼濃縮室5の順に通水することが望ましい。
【0047】
この理由を以下に示す。
【0048】
即ち、陽極室6ではCl−イオンが存在すると、電極反応で塩素が発生し、樹脂等の部材を劣化させることがあるため、前述の如く、Cl−イオンを含まない脱イオン水を用いることが好ましい。また、濃縮室10のアニオン交換膜4面ではカルシウムスケールが発生しやすいが、脱イオン水を陽極室6に通水した場合には、この水にはCa2+イオンが含まれていないため、このカルシウムスケールも防止することができる。なお、本発明の電気式脱イオン装置では、脱塩室7からのCl−イオンは第2のカチオン交換膜3により陽極室6には流入しないため、塩素発生を押さえられる。
【0049】
なお、本発明の電気式脱イオン装置においては、濃縮室兼陰極室及び兼陽極室内の別の形態として、図6に示すように陰極板80及び陽極板90を電極水が通水可能な構造とし、陰極板80が第1のカチオン交換膜3に接し、陽極板90が第2のカチオン交換膜3’と接するように配置してもよい。これによって、濃縮室兼陰極室及び陽極室内の電気抵抗が小さくなり、低い印加電圧でも効率的に脱イオン処理を行うことが可能となる。このような電極板80,90は、厚み方向に貫通する多数の開口を有した孔明き板を複数枚積層して、隣接する孔明き板の孔同士が部分的に重なり合うようにすることにより、形成することができる。
【0050】
次に、図2〜5を参照して、脱塩室内に区画部材を配置して脱塩室内に多数の小室を形成した電気式脱イオン装置について説明する。
【0051】
陰極側のエンドプレート11に沿って陰極電極板12が配置され、この陰極電極板12の周縁部に枠状の濃縮室兼陰極室形成用枠状フレーム13が重ね合わされている。この枠状フレーム13に対して第1のカチオン交換膜14が重ね合わされ、このカチオン交換膜14に対して脱塩室形成用の枠状フレーム20、アニオン交換膜15、濃縮室形成用の枠状フレーム16S、第2のカチオン交換膜14S、及び陽極室形成用枠状フレーム16がこの順に重ね合わされている。第2のカチオン交換膜14Sに対し陽極室形成用の枠状フレーム16を介して陽極電極板17が重ね合わされ、さらに陽極側エンドプレート18が重ね合わされて積層体とされる。この積層体はボルト等によって締め付けられる。
【0052】
枠状フレーム20の内側が脱塩室となっている。この脱塩室に区画部材21が配置されており、区画部材21内にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合物よりなるイオン交換樹脂23が充填されている。
【0053】
濃縮室兼陰極室用フレーム13の内側スペースが濃縮室兼陰極室30となっており、濃縮室用フレーム16Sの内側が濃縮室50となっている。陽極室用フレーム16の内側が陽極室40となっている。この濃縮室兼用の陰極室30、濃縮室50及び陽極室40には導電体としてカチオン交換樹脂8が充填されている。
【0054】
濃縮室兼陰極室30に陰極電極水を流通させるために、エンドプレート11とフレーム13にそれぞれ透孔31,32,35,36が設けられると共に、フレーム13にスリット33,34が設けられている。
【0055】
透孔31,32は互いに重なり合い、透孔35,36も互い重なり合う。フレーム13の透孔32,35はそれぞれスリット33,34を介して濃縮室兼陰極室30に連通している。
【0056】
陰極電極水は、透孔31,32、スリット33、濃縮室兼陰極室30、スリット34、透孔35,36の順に流れ、濃縮水兼陰極電極水として流出する。
【0057】
陽極室40に陽極電極水を流通させるために、エンドプレート18とフレーム16にそれぞれ透孔41,42,45,46が設けられると共に、フレーム16にスリット43,44が設けられている。
【0058】
透孔41,42は互いに重なり合い、透孔45,46も互い重なり合う。フレーム16の透孔42,45はそれぞれスリット43,44を介して濃縮室兼陽極室40に連通している。
【0059】
陽極電極水は、透孔41,42、スリット43、陽極室40、スリット44、透孔45,46の順に流れ、陽極電極水として流出する。
【0060】
フレーム20の内側の脱塩室に原水を流通させるために、エンドプレート18、アニオン交換膜15及びフレーム16,16S,20にそれぞれ透孔51,52,53S,53,62,54,57,60が設けられると共に、フレーム20にスリット55,56が設けられている。なお、アニオン交換膜15、フレーム16S、カチオン交換膜14S及びフレーム16の下部に設けられた脱塩室への通水用の透孔は図示されていない。透孔51,60はエンドプレート18に設けられ、透孔54,57はフレーム20に設けられ、透孔52はフレーム16に設けられ、透孔53はアニオン交換膜15に設けられている。
【0061】
透孔51〜54,62は互いに重なり合い、透孔57〜60も互いに重なり合う。フレーム20の透孔54,57はそれぞれスリット55,56を介して脱塩室に連通している。
【0062】
原水は、透孔51,52,53,54,62、スリット55、脱塩室、スリット56、透孔57〜60の順に流れ、脱イオン水(生産水)として流出する。
【0063】
濃縮室50に水を流すために、エンドプレート18とフレーム16,16S及びカチオン交換膜14Sの上部に透孔64,65,66及び65Sが設けられ、透孔66は該フレーム16Sに設けられたスリット67を介して濃縮室50内に連通している。濃縮室用フレーム16Sの下部には、透孔66、スリット67と同様の透孔及びフレーム(図示略)が設けられ、この透孔と重なるようにカチオン交換膜14S及び陽極室用フレーム40の下部に透孔(図示略)が設けられると共にエンドプレート18の下部に透孔68が設けられている。濃縮室50へは、水は透孔68を介して導入され、流出水は濃縮室50からの流出水は、透孔66,65S,65,64を通って流出する。
【0064】
この実施の形態でも、陽極室40に原水又は脱イオン水が透孔41,42から流入し、透孔45,46を経て流出する。この流出水は透孔68を経て濃縮室50に流入し、透孔66,65S,65,64を経て流出し、次いで透孔31,32から濃縮室兼陰極室30に流入し、透孔35,36より濃縮水兼陰極電極水として排出される。
【0065】
なお、上記の脱塩室用フレーム20は上下方向に長い長方形状のものである。このフレーム20内に配置された区画部材21は六角形のハニカム形状のものであり、小室22は上下左右に多数配置されている。各小室22の1対の側辺がフレーム20の長手方向即ち上下方向となるように配置されている。
【0066】
この区画部材21は、予め一体成形されたものであってもよく、複数の部材を組み合わせたものであってもよい。例えば図4のようにジグザグ状の屈曲板70の長手方向面71同士を連結することにより構成される。この屈曲板70は、長手方向面71に対し120゜の角度で連なる通水性の斜向面72,73を備えている。長手方向面71同士を連結するには例えば接着剤を用いることができる。この屈曲板70は、水は通過させるがイオン交換樹脂は通過させない材料、例えば織布、不織布、メッシュ、多孔質材などにより構成されている。この屈曲板70は耐酸性及び耐アルカリ性を有した合成樹脂又は金属により剛性を有するように形成されるのが好ましい。長手方向面71は通水性を有していてもよく、有していなくてもよい。
【0067】
区画部材21はフレーム20に嵌め込まれてもよい。また、フレーム20の片面側に透水性シート又はメッシュを張設し、これに区画部材を接着してもよい。
【0068】
透孔54からスリット55を介して脱塩室に流入した原水は、図5の通り小室22を囲む区画部材21を通過して隣接する小室22に流れ込み、徐々に下方に流れ、この間に脱イオン処理を受ける。そして、遂には脱塩室の下部に達し、スリット56及び透孔57〜60を通り、脱塩水として電気的脱イオン装置外に取り出される。
【0069】
この脱塩室における平均的な水の流れ方向は、原水流入用の透孔54及びスリット55がフレーム20の上部に存在し、脱塩水取出用のスリット56及び透孔57がフレーム20の下部に存在するところから、上から下に向う鉛直方向となっている。この平均的な水の流れ方向に対し小室の上部及び下部が傾斜しているので、被処理水は1つの小室22から左及び右側の小室22へ斜めに分かれて流下するようになる。このため、被処理水が各小室22にほぼ均等に分散して流れるようになり、被処理水とイオン交換樹脂23との接触効率が良好なものとなる。
【0070】
この脱塩室にあっては、小室22が比較的小さく、イオン交換体の自重及び水圧によって各小室22内においてイオン交換体に対し加えられる下向きの圧力が小さい。従って、いずれの小室22内においてもイオン交換体が圧縮されることがなく、イオン交換体が小室内の下部において局部的に圧密化されることがない。この実施の形態では、各小室22に充填したイオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合物であるが、次の(i)〜(iii)のいずれかでもよい。
(i) すべての小室にアニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂、両性イオン交換樹脂のうち1種類のものを充填する。
(ii) すべての小室にアニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂及び両性イオン交換樹脂の2又は3の混合物を充填する。混合比、混合種はすべて共通であってもよく、一部又はすべての小室において異なっていてもよい。
(iii) 一部の小室にアニオン交換樹脂を充填し、他の一部の小室にカチオン交換樹脂を充填し、残りの小室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合物又は両性イオン交換樹脂を充填する。
【0071】
なお、(ii),(iii)の場合、原水のアニオン、カチオン比率に応じ、アニオン交換樹脂を充填する小室、及びカチオン交換樹脂を充填する小室の数を調整してもよい。
【0072】
この電気式脱イオン装置の脱塩室のLVは15〜45m/h、SVは80〜280Hr−1程度が好ましい。
【0073】
この図2〜5の電気式脱イオン装置も、陰極・陽極間の積層室数が少ないので、電気抵抗が小さく、少ない電圧で、必要量の電流を流すことができる。この実施の形態においても、脱塩室内のCl−は濃縮室50にのみ移動し、陽極室40には流入しないので、陽極室40内のCl−濃度は低く、陽極室40内のCl2発生量が少ない。これにより、陽極室40内のカチオン交換樹脂8や陽極室40内に臨むカチオン交換膜14Sの劣化が防止される。
【0074】
また、脱塩室内にハニカム状構造体を充填しているので、高純度の処理水を得ることができる。なお、図2〜5において、脱塩室の幅(水の平均的な流れ方向と直交方向の幅)が小さいときには、ハニカム状構造体を省略してもよい。
【0075】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【0076】
実施例1
図7に示す電気式脱イオン装置に、市水を活性炭、RO処理した水を通水した。この給水の水質は、電気伝導度:10μS/cm、CO2濃度:30ppm、SiO2濃度:2ppmで、水温は10℃であった。
【0077】
この電気式脱イオン装置の脱塩室7は有効幅17mm、有効高さ194mm、厚さ5mmであり、濃縮室10、陽極室6、陰極室兼濃縮室5はいずれも厚さ2.5mmとした。また、脱塩室7にはアニオン交換樹脂/カチオン交換樹脂=7/3(体積比)の混合イオン交換樹脂を充填し、濃縮室10にはアニオン交換樹脂を充填し、陽極室6及び陰極室兼濃縮室5にはカチオン交換樹脂を充填した。陽極2及び陰極1にはチタンに白金メッキした電極板を用いた。
【0078】
脱塩室7の入り口水量を3L/hとし、生産水(脱イオン水)の一部(1L/h)を陽極室6、濃縮室10、陰極室兼濃縮室5の順で通水した後、排出した。
【0079】
電流は0.2Aの条件で1ヶ月通水を行った。このときの通水条件は下記の通りであったが、1ヶ月後の生産水の比抵抗は15MΩ・cm、運転電圧は8Vと初期から変化なく安定していた。
脱塩室7のアニオン交換膜4の有効面積(dm2)に対する脱塩室通水水量(L/h)の比=9.1
脱塩室7のアニオン交換膜4の有効面積(dm2)に対する脱塩室に流入する炭酸負荷量(mg−CO2/h)=272
脱塩室7のアニオン交換膜4の有効面積(dm2)に対する脱塩室に流入するシリカ負荷量(mg−SiO2/h)=18
電流密度(mA/dm2)=606
【0080】
比較例1
濃縮室10のイオン交換樹脂をアニオン交換樹脂/カチオン交換樹脂=7/3(体積比)の混合イオン交換樹脂としたこと以外は実施例1と同様に通水を行ったところ、通水初期(3日目)は、生産水の比抵抗は10MΩ・cm、運転電圧は8Vであったが、1ヶ月後の生産水の比抵抗は8MΩ・cm、運転電圧は12Vとなり、水質が低下すると共に、電気抵抗が上昇する傾向がみられた。
【0081】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の電気式脱イオン装置は、陰極と陽極との間にそれぞれ1個の濃縮室兼陰極室、脱塩室、濃縮室及び陽極室を配置したものであり、電極間距離が小さく、また陰極室と濃縮室とが兼用され電極水が高電気伝導度の濃縮水となっているため、電極間の印加電圧を低くしても必要量の電流を流し、十分に脱イオン処理することができる。また、陽極室でのCl2発生が防止ないし抑制されるため、陽極室内のカチオン交換樹脂等の導電体や、陽極室に臨む第2のカチオン交換膜の劣化が長期にわたり防止される。
【0082】
本発明の電気式脱イオン装置は、小規模実験室用、小型燃料電池用など生産水量が少量の用途にきわめて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【図2】区画部材を脱塩室内に配置した別の実施の形態に係る電気式脱イオン装置の分解斜視図である。
【図3】区画部材の斜視図である。
【図4】区画部材の分解図である。
【図5】区画部材の通水状況説明図である。
【図6】別の実施の形態に係る電気式脱イオン装置の電極部分の縦断面図である。
【図7】別の実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
【符号の説明】
1 陰極
2 陽極
3,14 第1のカチオン交換膜
3’,14S 第2のカチオン交換膜
4,15 アニオン交換膜
5,30 濃縮室兼陰極室
6,40 陽極室
7 脱塩室
8 カチオン交換樹脂
9 アニオン交換樹脂
10,50 濃縮室
13,16,16S,20 フレーム
21 区画部材
22 小室
23 アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合イオン交換樹脂
80 陰極板
90 陽極板
Claims (14)
- 陰極と陽極との間に、第1のカチオン交換膜と、アニオン交換膜と、第2のカチオン交換膜とがこの順に配置され、
該陰極と第1のカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、
第1のカチオン交換膜と該アニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、
該アニオン交換膜と第2のカチオン交換膜との間に濃縮室が設けられ、
該第2のカチオン交換膜と該陽極との間に陽極室が設けられ、
該濃縮室内、該陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気式脱イオン装置。 - 陰極と陽極との間に、第1のカチオン交換膜と、アニオン交換膜と、第2のカチオン交換膜とがこの順に配置され、
該陰極と第1のカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、
第1のカチオン交換膜と該アニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、
該アニオン交換膜と第2のカチオン交換膜との間に濃縮室が設けられ、
該第2のカチオン交換膜と該陽極との間に陽極室が設けられ、
該陰極板及び陽極板が電極水の通水路を有し、
該陰極板が第1のカチオン交換膜に接し、該陽極板が第2のカチオン交換膜と接していることを特徴とする電気式脱イオン装置。 - 請求項1又は2において、
該脱塩室内に区画部材が配置され、該区画部材と該カチオン交換膜及びアニオン交換膜とによって囲まれた多数の小室が該脱塩室内に形成されており、
該小室にそれぞれイオン交換体が充填されており、
各小室に臨む区画部材の少なくとも一部は該脱塩室内の平均的な水の流れ方向に対し傾斜しており、
該区画部材の少なくとも傾斜した部分は、水を通過させるがイオン交換体の通過を阻止する構造となっていることを特徴とする電気式脱イオン装置。 - 請求項1又は3において、陽極室内及び濃縮室兼陰極室内に充填された導電体がイオン交換樹脂であることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項4において、前記イオン交換樹脂がカチオン交換樹脂であることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項1又は3において、前記濃縮室に充填された導電体がイオン交換体であり、該濃縮室内のイオン交換体のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率が、前記脱塩室のイオン交換体のアニオン交換体/カチオン交換体充填比率よりも大きいことを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項6において、該濃縮室のイオン交換体がイオン交換樹脂であり、該アニオン交換樹脂の架橋度が3〜8%であり、カチオン交換樹脂の架橋度が5〜10%であることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項6又は7において、前記脱塩室にアニオン交換体とカチオン交換体とが充填されており、前記濃縮室にアニオン交換体のみが充填されていることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項6ないし8のいずれか1項において、前記陰極室兼濃縮室及び陽極室にカチオン交換体のみが充填されていることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項6ないし9のいずれか1項において、前記脱塩室のアニオン交換膜の有効面積(dm2)に対する該脱塩室の通水水量(L/h)の比が5以上であることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項6ないし10のいずれか1項において、下記▲1▼,▲2▼の条件のうちの一方又は双方を満たすことを特徴とする電気式脱イオン装置。
▲1▼ 前記脱塩室のアニオン交換膜の有効面積(dm2)に対する該脱塩室に流入する炭酸負荷量(mg−CO2/h)が80以上である。
▲2▼ 前記脱塩室のアニオン交換膜の有効面積(dm2)に対する該脱塩室に流入するシリカ負荷量(mg−SiO2/h)が8以上である。 - 請求項6ないし11のいずれか1項において、電流密度が300mA/dm2以上であることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項6ないし12のいずれか1項において、該濃縮室に熱安定性のアニオン交換樹脂が充填されていることを特徴とする電気式脱イオン装置。
- 請求項1ないし13のいずれか1項において、原水又は脱塩室からの脱イオン水を電極水として陽極室に通水し、この陽極室流出水を濃縮室に通水し、この濃縮室流出水を濃縮室兼陰極室へ通水する流路が設けられていることを特徴とする電気式脱イオン装置。
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