JP3893740B2 - 電解コンデンサ型脱塩装置および脱塩方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン捕捉材に電気二重層を形成させて脱塩する電解コンデンサ型脱塩装置およびこの装置を用いた脱塩方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−３２５９８３号には、電気絶縁性多孔質通液性シートからなるセパレータを挟んで、活性炭層を配置し、この外側に集電極を配置した平板状の通液型電気二重層コンデンサが記載されている。この従来の電気二重層コンデンサでは、集電極に電圧を印加することにより両活性炭層がプラスまたはマイナスに帯電し、この状態で両活性炭層間に被処理液を通液することにより、被処理液中の陽イオンおよび陰イオンが帯電した活性炭層に電気的に吸着して電気二重層を形成し、これにより被処理液中のイオンが除去（脱塩）される。
【０００３】
しかし上記従来の通液型電気二重層コンデンサには、以下のような問題点がある。
１）水中のイオンの大きさに比べて活性炭の細孔径が大きいこと、ならびに電気的引力のみによることが原因と推定されるが、有機電解質を用いた電解コンデンサーに比較して、活性炭当たりの蓄電量すなわちイオン除去量が少ない（約０．０５〜０．４ｍＭ／ｇ−活性炭）。
２）１００ｍＭ以上の高濃度塩類の被処理液を脱塩処理すると、脱塩率が低下する（１０ｍＭ程度では除去率＝９０％であるが、１００ｍＭでは５０％以下に低下する）。このことも活性炭の細孔径が大きく、イオンを保持する力が弱いためと推定される。
３）脱塩率が最も良い条件である塩類濃度が１０ｍＭの被処理液の場合でも、脱塩率は９０％程度と低い。
【０００４】
また特開平１−２２２４２５号および特開平５−２５８９９２号にも電気二重層型コンデンサが記載されているが、イオン交換材を用いることは記載されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、塩類濃度が高い高濃度被処理液を脱塩処理した場合にもイオン除去量が多く、高水質の処理水を効率よく低コストで得ることができる電解コンデンサ型脱塩装置および脱塩方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の電解コンデンサ型脱塩装置および脱塩方法である。
（１） 少なくとも１対の対向して設けられた電極と、
１対の電極の内側に対向して設けられた１対のイオン捕捉材と、
１対のイオン捕捉材の間に設けられた液浸透性で電気絶縁性のセパレータと、
電極間に電圧を印加する電源装置と、
電極間に被処理液を供給する給液部と、
電極間から処理水を取り出す取出部とを有し、
前記１対のイオン捕捉材が陰イオン交換材および陽イオン交換材である電解コンデンサ型脱塩装置。
（２） １対のイオン捕捉材が陰イオン交換材と活性炭との混合物および陽イオン交換材と活性炭との混合物である上記（１）記載の電解コンデンサ型脱塩装置。
（３） 上記（１）または（２）記載の電解コンデンサ型脱塩装置に、電極間に電圧を印加した状態で、被処理液を給液部から供給し、被処理液中のイオンをイオン捕捉材に捕捉させて処理水を取出部から取り出し、電極間で放電、短絡または逆電圧を印加して、捕捉されたイオンを脱着することを特徴とする脱塩方法。
（４） 少なくとも１対の対向して設けられた電極と、
１対の電極の内側に対向して設けられた１対のイオン捕捉材と、
１対のイオン捕捉材の間に設けられた液浸透性で電気絶縁性のセパレータと、
電極間に電圧を印加する電源装置と、
電極間に被処理液を供給する給液部と、
電極間から処理水を取り出す取出部とを有する脱塩装置を少なくとも２基備え、
一方の脱塩装置の電極間に充電された電荷を他方の脱塩装置に給電する切換回路を有する電解コンデンサ型脱塩装置。
（５） 切換回路は、一方の脱塩装置の電極と、他方の脱塩装置の電極との間に電圧昇圧器を有する上記（４）記載の電解コンデンサ型脱塩装置。
（６） 上記（４）または（５）記載の電解コンデンサ型脱塩装置の一方の脱塩装置の電極間に電圧を印加した状態で、被処理液を給液部から供給し、被処理液中のイオンをイオン捕捉材に捕捉させて処理水を取出部から取り出して脱塩し、
脱塩を行った脱塩装置の電極と他方の脱塩装置の電極とを切換回路により接続した状態で、一方の電極間に充電された電荷を放電するとともに他方の脱塩装置に給電して電極間に電圧を印加し、これにより一方の脱塩装置で捕捉されたイオンを脱離するとともに、他方の脱塩装置で脱塩を行うことを特徴とする脱塩方法。
【０００７】
本発明の脱塩装置を構成する電極としては、導体からなるものが制限なく使用できる。具体的には、銅、アルミニウム等の単体金属；Ｐｔ−Ｔｉ合金等の合金；グラファイト、カーボン板等の炭素などからなる電極が使用できる。電極の形状は特に限定されないが、板状またはシート状のものが好ましい。
電極には電圧を印加するための端子が設けられ、電極間に電圧が印加できるように、少なくとも１対が対向して配置される。
【０００８】
電極としては、陽極および陰極の少なくとも１対の電極が設けられるが、陽極／陰極／陽極・・・・のように多数対の電極が設けられていてもよい。これらの電極には、電極とイオン捕捉材との接触面積を大きくするため、電極とイオン捕捉材間に導体からなる板状またはシート状の補助電極（集電極）を用いることもできる。
１対の電極間の間隔は０．０５〜５ｍｍ、好ましくは０．１〜３ｍｍとするのが望ましい。
【０００９】
１対の電極間の内側には１対のイオン捕捉材が対向して設けられる。イオン捕捉材としてはイオン交換樹脂、イオン交換繊維、イオン交換膜、ゼオライト等の無機イオン交換体など、イオン交換能を有するイオン交換材が制限なく用いられる。またイオン捕捉材には上記イオン交換材と活性炭とを混合して用いることもできる。活性炭としては比表面積の大きいものが好ましい。上記のイオン交換材としては、陽極となる電極側には陰イオン交換材、陰極となる電極側には陽イオン交換材が用いられる。
【００１０】
イオン捕捉材としては、粒状のイオン交換樹脂、または粒状のイオン交換樹脂と活性炭との混合物が好ましい。
陽極側のイオン交換材として用いる陰イオン交換樹脂としては公知の陰イオン交換樹脂が使用でき、弱塩基性陰イオン交換樹脂でも強塩基性陰イオン交換樹脂でも使用できるが、弱塩基性陰イオン交換樹脂が好ましい。
【００１１】
陰極側のイオン交換材として用いる陽イオン交換樹脂としては公知の陽イオン交換樹脂が使用でき、弱酸性陽イオン交換樹脂でも強酸性陽イオン交換樹脂でも使用できるが、弱酸性陽イオン交換樹脂が好ましい。
【００１２】
陰イオンおよび陽イオン交換樹脂やゼオライトなどの粒状のイオン交換材は、通常フレーム状のパッキンなどを用いてセパレータと電極との間にシート状に充填して用いられる。またイオン交換繊維、イオン交換膜などのシート状に成形可能なイオン交換材は、通常シート状の成形物をセパレータと電極との間に挟んで用いられる。
イオン捕捉材の厚さは特に制限されないが、０．０５〜５ｍｍ、好ましくは０．１〜３ｍｍとするのが望ましい。
【００１３】
対向する１対のイオン捕捉材の間にはセパレータが設けられ、絶縁される。セパレータとしては液浸透性で電気絶縁性のシートが制限なく使用でき、例えば樹脂シート、不織布、織布、ろ紙などがあげられる。
セパレータの厚さは０．０１〜０．２ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．１ｍｍとするのが望ましい。
【００１４】
陽極および陰極間には、陽極側イオン捕捉材／セパレータ／陰極側イオン捕捉材の順で各部材が配置され、これらは端板で挟み、ボルト等の締付具で締め付けてスタック状の電解コンデンサ型脱塩装置が構成される。電極間には正電圧または逆電圧を印加する電源装置が接続される。また電極間には放電回路が接続され、電極間に充電された電荷を、例えば短絡させることにより放電させるように構成される。二基以上の脱塩装置を組合せる場合は、一方の脱塩装置の電極間の電荷を放電して他方の脱塩装置の電極間に給電するように切換回路が構成される。切換回路には電圧昇圧器を接続するのが好ましい。
【００１５】
陽極および陰極が液体を通さない液非透過性の電極である場合、電極間のイオン交換材中に被処理液が供給できるように、脱塩装置の一方のパッキンの端部付近に給液部が設けられ、他方のパッキンの端部付近には処理水を取り出すことができるように取出部が設けられる。この場合、給液部から供給された被処理液は、イオン捕捉材に沿って流れた後、取出部から取り出されるように構成される。
【００１６】
また陽極および陰極が液体を通す液透過性の電極である場合、陽極側の端板に給液部、陰極側の端板に取出部を設けることもできる。給液部と取出部は脱塩装置のパッキンの両端部付近に設けるのが好ましく、この場合給液部から供給された被処理液は電極と交差する方向、およびイオン捕捉材に沿った方向に流れ、取出部から取り出されるように構成される。また陰極側の端板に給液部、陽極側の端板に取出部を設けることもできるし、場合によっては同じ電極の外側に給液部と取出部を設けることもできる。
【００１７】
【作用】
本発明の電解コンデンサ型脱塩装置においては、電源装置から電極間に０．５〜５Ｖ、好ましくは０．５〜１．２Ｖの電圧を印加した状態で、給液部から被処理液を導入して脱塩する。イオンを含む被処理液がイオン捕捉材の間を流れると、被処理液中の陰イオンは陽極側に集まるため陰イオン交換材に吸着され、陽イオンは陰極側に集まるため陽イオン交換材に吸着され、これにより被処理液中からイオンが除去（脱塩）される。
【００１８】
本発明の脱塩装置では上記のようにイオン交換材からなるイオン捕捉材にイオンを吸着させて脱塩するので、例えば活性炭にのみイオンを吸着させて脱塩する場合に比べて、イオン吸着量が多く、このため塩類濃度の高い被処理液を脱塩処理しても効率よく脱塩して高水質の処理水を得ることができる。活性炭単独の場合は電気的な引力のみによりイオンが引っぱられるのでイオンの捕捉量は少ないが、イオン交換材の場合は電気的な引力のほかに化学的な引力が加わり、イオンの捕捉量は多くなる。イオン交換材と活性炭とを混合して使用すると、これらの組合せ効果によりイオンの吸着力はさらに高くなる。
【００１９】
イオン交換材のイオン交換能の限界または限界付近に達した時点で、イオン交換能を回復させる必要がある。イオン交換能の回復は、電極間に充電された電荷を、陽極と陰極とを短絡させることにより放電させたり、あるいは逆電圧を印加することにより行うことができる。短絡による放電や逆電圧を印加すると、電場による捕捉力がなくなるため、吸着（捕捉）されたイオンはイオン交換材から脱離し、これによりイオン交換材のイオン交換能が回復する。回復後は前記と同様にして脱塩処理を行うことができる。
【００２０】
短絡等による放電や逆電圧の印加はそれぞれ単独で行うことができるが、これらを組合せるのが好ましい。短絡等による放電により電極に貯られた電荷が減少すると、電気的な引力の低下により、捕捉されたイオンが脱離する。このとき逆電圧を印加するとイオンは反対極の方向へ引っぱられるため、イオン捕捉材からの脱着が促進される。そして弱塩基性陰イオン交換材はアルカリ雰囲気、弱酸性陽イオン交換材は酸性雰囲気となるので、イオンの脱離がさらに促進される。
【００２１】
イオン捕捉材へのイオンの吸着は、イオン捕捉材に電気二重層が形成されることにより行われるので、この状態は、電解コンデンサに電荷が充電された状態と同じである。従って、電解コンデンサ型脱塩装置を２基以上備えた脱塩処理系においては、一方の脱塩装置で充電された電荷を、切換回路を通して放電させることにより他方の脱塩装置に給電して電極間に電圧を印加し、脱塩に必要な電気エネルギーとして利用することができる。
【００２２】
例えば、イオン交換能の回復を行う一方の脱塩装置の電極と、脱塩処理を行う他方の脱塩装置の電極とを切換回路により接続することにより、一方の脱塩装置に充電された電荷が、他方の脱塩装置に供給される。これにより一方の脱塩装置ではイオン交換能の回復が行われ、他方の脱塩装置では一方の脱塩装置から供給される電荷により必要な電圧を電極間に印加して脱塩が行われる。２基の脱塩装置を用いる場合は、両方の電位が同じになった時点で電荷の移動はなくなり、充電された電気エネルギーの約半分が回収できる。また３基の脱塩装置を用いる場合は、さらにその１／２まで回収することができるので、全体として３／４の電気エネルギーが回収できる。放電回路に電圧昇圧器を設けると、電位が等しくなった後も電荷が移動するため、さらに多くの電気エネルギーが回収される。このような電気エネルギーの回収はイオン捕捉材として活性炭のみを用いた場合にも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の請求項１の電解コンデンサ型脱塩装置は、イオン捕捉材として陰イオン交換材および陽イオン交換材を用いるので、塩類濃度が低い被処理液はもちろん塩類濃度が高い被処理液を脱塩処理する場合にも、イオン除去量が多く、高水質の処理水を効率よく低コストで得ることができる。
本発明の請求項２の電解コンデンサ型脱塩装置はイオン捕捉材として陰イオン交換材と活性炭との混合物、および陽イオン交換材と活性炭との混合物を用いるので、電気的な吸着と化学的な吸着の組合せにより、吸着力をさらに高めることができる。
本発明の請求項３の脱塩方法は、上記脱塩装置を用いているので、塩類濃度が低い被処理液はもちろん塩類濃度が高い被処理液を脱塩処理する場合にも、イオン除去量が多く、高水質の処理水を効率よく低コストで得ることができる。
【００２４】
本発明の請求項４の脱塩装置は２基の脱塩装置を放電回路で接続しているので、電気的エネルギーを回収して効率よく脱塩を行うことができる。
本発明の請求項５の脱塩装置は放電回路に電圧昇圧器を有するので、電気エネルギーをさらに効率的に回収することができる。
本発明の請求項６の脱塩方法は、一方の脱塩装置で充電された電気エネルギーを他方の脱塩処理の電気エネルギーとして利用しているので、低コストで脱塩処理することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置の垂直断面図、図２は図１の脱塩装置の各部材の組み合せ状態を示す分解斜視図である。
【００２６】
図１において、１は電解コンデンサ型脱塩装置であり、１対の電極として陽極２および陰極３がそれぞれ端板４、５に積層一体化された状態で対向して配置され、陽極２および陰極３には電圧を印加するための端子６、７が接続している。陽極２および陰極３は液を透過しない液非透過性である。
【００２７】
１対の陽極２および陰極３の内側には、陽極２側に陰イオン交換材としての弱塩基性陰イオン交換樹脂がフレーム状のパッキン８内に充填されて陰イオン捕捉材１１を構成し、陰極３側に陽イオン捕捉材としての弱酸性陽イオン交換樹脂がフレーム状のパッキン９内に充填されて陽イオン捕捉材１２を構成し、陰イオン捕捉材１１と陽イオン捕捉材１２とが１対のイオン捕捉材として対向して配置されている。
【００２８】
陰イオン捕捉材１１と陽イオン捕捉材１２との間には、液透過性で電気絶縁性のセパレータ１３が設けられ、両者が区分されている。セパレータ１３はメッシュ材１４の周囲に枠材１５が一体化した構造になっている。
電解コンデンサ型脱塩装置１の一端部には、電極間の陰イオン捕捉材１１および陽イオン捕捉材１２に被処理液２１が供給できるように給液部１６がパッキン８に接続し、他端部には処理水２２が取り出せるように取出部１７がパッキン９に接続している。
【００２９】
端板４、５、パッキン８、９、枠材１５に設けられた貫通孔１８ａ、１８ｂ・・・・にボルト等の締付具１９を通して締付けることにより電解コンデンサ型脱塩装置１が形成されている。端子６、７には電源装置１０が切換回路２０を介して接続している。電源装置１０は整流器、バッテリ等を含む。また切換回路２０は正逆電圧の印加、放電、短絡等を切換えるように構成されているが、詳細の図示は省略されている。
図１の装置においては、陰イオン捕捉材１１としては陰イオン交換樹脂と活性炭との混合物を用いることもできる。また陽イオン捕捉材１２としては陽イオン交換樹脂と活性炭との混合物を用いることもできる。
【００３０】
図１の電解コンデンサ型脱塩装置１を用いて被処理液２１を脱塩処理するには、電源装置１０から切換回路２０を介して端子６、７を通して陽極２および陰極３間に電圧を印加した状態で、被処理液２１を給液部１６から両電極２、３間に導入し、陰イオン捕捉材１１、セパレータ１３および陽イオン捕捉材１２を通して流す。陽極２および陰極３間に正電圧を印加すると、被処理液２１中の陰イオンは陽極２側に集まり、陰イオン捕捉材１１に吸着され、陽イオンは陰極３側に集まり、陽イオン捕捉材１２に吸着される。このような状態で被処理液２１が給液部１６から取出部１７に向って、陰イオン捕捉材１１および陽イオン捕捉材１２の層に沿って流れるに伴って、被処理液２１中の陰イオンおよび陽イオンが陰イオン捕捉材１１および陽イオン捕捉材１２に吸着され脱塩される。脱塩された処理水２２は取出部１７から取り出される。
【００３１】
陰イオン捕捉材１１および／または陽イオン捕捉材１２のイオン捕捉能が限界または限界付近に達した時点で、イオン捕捉能を回復させる。イオン捕捉能の回復は、切換回路２０により、陽極２および陰極３に充電された電荷を短絡などにより放電させ、場合によってはさらに電源装置１０から陽極２および陰極３間に逆電圧を印加することにより行うことができる。このような回復処理を行うことにより、陰イオン捕捉材１１に吸着された陰イオンおよび陽イオン捕捉材１２に吸着された陽イオンが脱離し、イオン捕捉能が回復する。陰イオンおよび陽イオンを高濃度に含む回復処理排液は取出部１７から取り出す。イオン捕捉能回復後は前記方法を繰り返すことにより再び脱塩を行うことができる。
【００３２】
陰イオン交換材および陽イオン交換材を充填した電解コンデンサ型脱塩装置１により被処理液２１を脱塩処理すると、陰イオン交換材および陽イオン交換材のイオン吸着量は活性炭のみの場合よりも多いため、効率よく脱塩処理を行うことができ、しかも塩類濃度が高い被処理液２１の場合にも高水質の処理水２２が得られる。
【００３３】
図３は陽極２および陰極３が液透過性である場合の電解コンデンサ型脱塩装置１の例であり、給液部１６が陽極２の外側に設けられ、取出部１７が陰極３の外側に設けられた以外は図１の構成と同じである。図３の脱塩装置においては、陰極３側に給液部１６を設け、陽極２側に取出部１７を設けることもできる。また同じ極側にそれぞれ給液部１６と取出部１７とを設けることもできる。
【００３４】
図３の脱塩装置１を用いた場合も、図１の場合と同様にして脱塩処理することができる。ただし図３の場合、被処理液２１は陽極２および陰極３内にも流れ、電極２、３およびイオン捕捉材１１、１２と交差する方向の流れと、セパレータ１３に沿った方向の流れとが混在する。
【００３５】
図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ２基の脱塩装置１ａ，１ｂを接続した電解コンデンサ型脱塩装置を示すブロック図である。脱塩装置１ａ，１ｂはそれぞれ陽極２ａ，２ｂおよび陰極３ａ，３ｂを有し、図１および図３と同様に構成されており、切換回路２０を介して電源装置１０に接続されている。切換回路２０は電源装置１０から正逆電圧を陽極２ａまたは２ｂ、陰極３ａまたは３ｂに印加し、また陽極２ａ，２ｂ、陰極３ａ，３ｂを接続して短絡等による放電を行うように構成されている。図４（ｂ）ではさらに電圧昇圧器３０が切換回路２０に接続している。電圧昇圧器３０としては直流を昇圧して供給できるものであればよく、例えば（社）電子情報通信学会発行、電子情報通信学技報ＰＥ９４−６１、ＣＰＭ９４−１０４（１９９５−０１）の第３１〜３８頁に記載されているように、スイッチング電源で矩形波を発生させ、これをコイルで昇圧し、整流するような装置が好ましい。
【００３６】
図５は図４（ａ）の電解コンデンサ型脱塩装置を用いて脱塩処理する場合の脱塩工程を示す動作説明図であり、（ａ）は第１の脱塩装置１ａが脱塩処理中であり、第２の脱塩装置１ｂが待機中の状態を示し、（ｂ）は第１の脱塩装置１ａがイオン交換能回復処理中であり、第２の脱塩装置１ｂが脱塩処理中であり、（ｃ）は第１の脱塩装置１ａがイオン交換能回復処理終了時点にあり、第２の脱塩装置１ｂが電源装置１０から電圧を印加して脱塩処理を行っている状態を示し、切換回路２０は（ａ）〜（ｃ）の接続を行うように切換えられる。なお電源装置１０は便宜上１０ａ，１０ｂに分けて図示されている。脱塩過程は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順で進行する。
【００３７】
図５の（ａ）において、第１の脱塩装置１ａは切換回路２０により実線ａ，ｂで示すように接続して、電源装置１０ａから陽極２ａ、陰極３ａ間に正電圧を印加し、被処理液２１ａを導入して脱塩を行い、処理水２２ａを取り出す。イオン捕捉材のイオン交換能が限界付近に達すると、陽極２ａおよび陰極３ａは電気エネルギーを十分に充電した状態になる。
【００３８】
この時点で図５の（ｂ）に示すように、切換回路２０により実線ｃ，ｄで示すように第１の脱塩装置１ａの陽極２ａと第２の脱塩装置１ｂの陽極２ｂとを接続するとともに、第１の脱塩装置１ａの陰極３ａと第２の脱塩装置１ｂの陰極３ｂとを接続して放電することにより、第１の脱塩装置１ａに充電された電荷が第２の脱塩装置１ｂに移動するので、第２の脱塩装置１ｂでは電極２ｂ，３ｂ間に電圧が印加された状態となり、被処理液２１ｂを導入することにより第２の脱塩装置１ｂで脱塩処理が進行し、処理水２２ｂを取り出す。
第１の脱塩装置１ａでは保持することができなくなった陰イオンおよび陽イオンが陰イオン捕捉材および陽イオン捕捉材から脱離し、イオン交換能の回復が進行する。この場合洗浄用水２３ａを給液部から導入することにより、取出部から回復処理排液２４ａが排出される。第１の脱塩装置１ａの電荷量と第２の脱塩装置１ｂの電荷量とが等しくなった時点で電気の移動は停止する。
【００３９】
停止後は図５の（ｃ）において、切換回路２０により破線ｅで示すように、第１の脱塩装置１ａで電極間を短絡させ、場合によってはさらに実線ｆ，ｇで示すように電源装置１０ａから逆電圧を印加することにより、吸着イオンを完全に脱離させてイオン交換能を完全に回復させる。第２の脱塩装置１ｂでは切換回路２０により実線ｈ，ｉで示すように電源装置１０ｂから正電圧を印加して脱塩処理を続行する。第２の脱塩装置１ｂが十分に充電された時点で、上記と同様の操作で第２の脱塩装置１ｂから第１の脱塩装置１ａに電荷を移動させ、第１の脱塩装置１ａの脱塩に利用する。このようにして一方の脱塩装置で充電された電荷を他方の脱塩装置に供給することにより、電気エネルギー消費量を低減させることができ、これにより低コストで脱塩処理することができる。
【００４０】
図６は図４（ｂ）の電解コンデンサ型脱塩装置を用いて脱塩処理する場合の脱塩工程を示す動作説明図であり、電圧昇圧器３０が接続されるほかは図５（ａ）〜（ｃ）とほぼ対応している。相違点について説明すると、図６（ｂ）において陽極２ａ，２ｂおよび陰極３ａ，３ｂ間を接続するとき電圧昇圧器３０を介して接続する。これにより第１の脱塩装置１ａから第２の脱塩装置１ｂに電荷を移動させる場合、電圧昇圧器３０において、例えばスイッチング電源により矩形波を発生させ、コイルで昇圧、整流し、やや電圧の高い直流電流を第２の脱塩装置１ｂの陽極２ｂおよび陰極３ｂに印加する。このように電圧昇圧器３０を用いることにより、陽極２ａ，２ｂ間および陰極３ａ，３ｂ間の電荷が等しくなった後も、昇圧して電荷を移動させることができ、これにより電極間に充電した電気量を有効に利用できる。
【００４１】
図４（ａ），（ｂ）の装置では２基の脱塩装置を使用しているが、３基以上の脱塩装置を用いた場合にも、少なくとも１基の脱塩装置から別の脱塩装置に電荷を移動させて脱塩処理することもできる。２基の脱塩装置から１基の脱塩装置に電荷を移動させた場合、１／２の１／２まで給電できるため、３／４の電気量が回収でき、より低コストで脱塩処理することができる。
また図４（ａ），（ｂ）の装置では、陰イオン交換材および陽イオン交換材の代わりに活性炭のみをイオン捕捉材として使用することもできる。
【００４２】
【実施例】
実施例１
下記部材を下記順序で配置した図１の脱塩装置を用いて、下記条件で脱塩処理を行った。結果を表１に示す。
【００４３】
陽極２： Ｐｔ−Ｔｉ（断面積＝４００ｃｍ2）
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
弱塩基性陰イオン交換樹脂： Ｄｉａｉｏｎ ＷＡ−１１、三菱化学（株）、商標、充填厚み＝１ｍｍ、充填量＝４０ｍｌ
非電導性、水透過性セパレーター１３： ゴアテックスシート（厚み＝０．３ｍｍ）
弱酸性陽イオン交換樹脂： Ｄｉａｉｏｎ ＷＫ−１１、三菱化学（株）、商標、充填厚み＝１ｍｍ、充填量＝４０ｍｌ
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
陰極３： Ｐｔ−Ｔｉ（断面積＝４００ｃｍ2）
電圧： １．５Ｖ
通水流量： １０ｍｌ／ｍｉｎ
原水水質ａの電気伝導率： １０ｍＳ／ｍ
原水水質ｂの電気伝導率： １ｍＳ／ｍ
原水水質ｃの電気伝導率： １００ｍＳ／ｍ
【００４４】
なお１０ｍＭ ＮａＣｌ水溶液の電気伝導率は１３０ｍＳ／ｍ程度である。また一般の市水などでは電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の５倍が塩分濃度（ｐｐｍ）に相当する。
【００４５】
比較例１
実施例１において、弱塩基性陰イオン交換樹脂および弱酸性陽イオン交換樹脂の代わりに活性炭（比表面積１６００ｍ2／ｇ）のみを充填した脱塩装置を用いて、実施例１と同様に脱塩処理した。結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
注）原水の１０分の１の電気伝導率までを処理水とした。
【００４７】
表１の結果から、実施例１は比較例１に比べて脱塩率および脱塩水量に優れ、通液量の増加（１サイクル当たり）、処理水質の向上および高塩類濃度への対応効果が確認できた。
【００４８】
実施例２
下記部材を下記順序で配置した電解コンデンサ型脱塩装置を２基用いて、図５および図６の方法により下記条件で脱塩処理を行った。下記脱塩装置はイオン交換材の代わりに高比表面積活性炭を充填した装置である。結果を図７に示す。
【００４９】
陽極２： Ｐｔ−Ｔｉ（断面積＝４００ｃｍ2）
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
活性炭繊維： 比表面積１５００ｍ2／ｇ（厚み＝１ｍｍ、４０ｍｌ）
非電導性、水透過性セパレーター１３： ゴアテックスシート（厚み＝０．３ｍｍ）
活性炭繊維： 比表面積１５００ｍ2／ｇ（厚み＝１ｍｍ、４０ｍｌ）
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
陰極３： Ｐｔ−Ｔｉ
通水流量： １０ｍｌ／ｍｉｎ
原水水質の電気伝導率： １０ｍＳ／ｍ（１４０ｍｇ−ＮａＣｌ／ｌ）
【００５０】
第１の脱塩装置に１．５Ｖの電圧を掛け、上記の条件で脱塩し、充電した（図５の（ａ）および図６の（ａ）参照、処理水質は図７の○印参照）。第２の脱塩装置に上記の原水を通水し、第１の脱塩装置と第２の脱塩装置の電極を接続した。接続後、第１の脱塩装置の約半分の通水量まで、脱塩処理ができた（図５の（ｂ）および図６の（ｂ）参照、処理水質は図７の●印参照）。
【００５１】
第２の脱塩装置の処理水の脱塩率が低下した後、電圧昇圧器を稼働し、第１の脱塩装置から第２の脱塩装置への電荷を移動させたところ、第２の脱塩装置の処理水の電気伝導率が下がり、脱塩が再開できた（図６の（ｂ）参照、処理水質は図７の△印参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置の垂直断面図である。
【図２】図１の脱塩装置の各部材の組み合せ状態を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置の垂直断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ２基の脱塩装置を用いて脱塩する一実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置のブロック図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は図４（ａ）の脱塩装置による脱塩工程を示す動作説明図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は図４（ｂ）の脱塩装置による脱塩工程を示す動作説明図である。
【図７】実施例２の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 電解コンデンサ型脱塩装置
１ａ 第１の脱塩装置
１ｂ 第２の脱塩装置
２、２ａ、２ｂ 陽極
３、３ａ、３ｂ 陰極
４、５ 端板
６、７ 端子
８、９ パッキン
１０、１０ａ、１０ｂ 電源装置
１１ 陰イオン捕捉材
１２ 陽イオン捕捉材
１３ セパレータ
１４ メッシュ材
１５ 枠材
１６ 給液部
１７ 取出部
１８ａ、１８ｂ・・・・ 貫通孔
１９ 締付具
２０ 切換回路
２１、２１ａ、２１ｂ 被処理液
２２、２２ａ、２２ｂ 処理水
２３ａ 洗浄用水
２４ａ 回復処理排液
３０ 電圧昇圧器
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン捕捉材に電気二重層を形成させて脱塩する電解コンデンサ型脱塩装置およびこの装置を用いた脱塩方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−３２５９８３号には、電気絶縁性多孔質通液性シートからなるセパレータを挟んで、活性炭層を配置し、この外側に集電極を配置した平板状の通液型電気二重層コンデンサが記載されている。この従来の電気二重層コンデンサでは、集電極に電圧を印加することにより両活性炭層がプラスまたはマイナスに帯電し、この状態で両活性炭層間に被処理液を通液することにより、被処理液中の陽イオンおよび陰イオンが帯電した活性炭層に電気的に吸着して電気二重層を形成し、これにより被処理液中のイオンが除去（脱塩）される。
【０００３】
しかし上記従来の通液型電気二重層コンデンサには、以下のような問題点がある。
１）水中のイオンの大きさに比べて活性炭の細孔径が大きいこと、ならびに電気的引力のみによることが原因と推定されるが、有機電解質を用いた電解コンデンサーに比較して、活性炭当たりの蓄電量すなわちイオン除去量が少ない（約０．０５〜０．４ｍＭ／ｇ−活性炭）。
２）１００ｍＭ以上の高濃度塩類の被処理液を脱塩処理すると、脱塩率が低下する（１０ｍＭ程度では除去率＝９０％であるが、１００ｍＭでは５０％以下に低下する）。このことも活性炭の細孔径が大きく、イオンを保持する力が弱いためと推定される。
３）脱塩率が最も良い条件である塩類濃度が１０ｍＭの被処理液の場合でも、脱塩率は９０％程度と低い。
【０００４】
また特開平１−２２２４２５号および特開平５−２５８９９２号にも電気二重層型コンデンサが記載されているが、イオン交換材を用いることは記載されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、塩類濃度が高い高濃度被処理液を脱塩処理した場合にもイオン除去量が多く、高水質の処理水を効率よく低コストで得ることができる電解コンデンサ型脱塩装置および脱塩方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の電解コンデンサ型脱塩装置および脱塩方法である。
（１） 少なくとも１対の対向して設けられた電極と、
１対の電極の内側に対向して設けられた１対のイオン捕捉材と、
１対のイオン捕捉材の間に設けられた液浸透性で電気絶縁性のセパレータと、
電極間に電圧を印加する電源装置と、
電極間に被処理液を供給する給液部と、
電極間から処理水を取り出す取出部とを有し、
前記１対のイオン捕捉材が陰イオン交換材および陽イオン交換材である電解コンデンサ型脱塩装置。
（２） １対のイオン捕捉材が陰イオン交換材と活性炭との混合物および陽イオン交換材と活性炭との混合物である上記（１）記載の電解コンデンサ型脱塩装置。
（３） 上記（１）または（２）記載の電解コンデンサ型脱塩装置に、電極間に電圧を印加した状態で、被処理液を給液部から供給し、被処理液中のイオンをイオン捕捉材に捕捉させて処理水を取出部から取り出し、電極間で放電、短絡または逆電圧を印加して、捕捉されたイオンを脱着することを特徴とする脱塩方法。
（４） 少なくとも１対の対向して設けられた電極と、
１対の電極の内側に対向して設けられた１対のイオン捕捉材と、
１対のイオン捕捉材の間に設けられた液浸透性で電気絶縁性のセパレータと、
電極間に電圧を印加する電源装置と、
電極間に被処理液を供給する給液部と、
電極間から処理水を取り出す取出部とを有する脱塩装置を少なくとも２基備え、
一方の脱塩装置の電極間に充電された電荷を他方の脱塩装置に給電する切換回路を有する電解コンデンサ型脱塩装置。
（５） 切換回路は、一方の脱塩装置の電極と、他方の脱塩装置の電極との間に電圧昇圧器を有する上記（４）記載の電解コンデンサ型脱塩装置。
（６） 上記（４）または（５）記載の電解コンデンサ型脱塩装置の一方の脱塩装置の電極間に電圧を印加した状態で、被処理液を給液部から供給し、被処理液中のイオンをイオン捕捉材に捕捉させて処理水を取出部から取り出して脱塩し、
脱塩を行った脱塩装置の電極と他方の脱塩装置の電極とを切換回路により接続した状態で、一方の電極間に充電された電荷を放電するとともに他方の脱塩装置に給電して電極間に電圧を印加し、これにより一方の脱塩装置で捕捉されたイオンを脱離するとともに、他方の脱塩装置で脱塩を行うことを特徴とする脱塩方法。
【０００７】
本発明の脱塩装置を構成する電極としては、導体からなるものが制限なく使用できる。具体的には、銅、アルミニウム等の単体金属；Ｐｔ−Ｔｉ合金等の合金；グラファイト、カーボン板等の炭素などからなる電極が使用できる。電極の形状は特に限定されないが、板状またはシート状のものが好ましい。
電極には電圧を印加するための端子が設けられ、電極間に電圧が印加できるように、少なくとも１対が対向して配置される。
【０００８】
電極としては、陽極および陰極の少なくとも１対の電極が設けられるが、陽極／陰極／陽極・・・・のように多数対の電極が設けられていてもよい。これらの電極には、電極とイオン捕捉材との接触面積を大きくするため、電極とイオン捕捉材間に導体からなる板状またはシート状の補助電極（集電極）を用いることもできる。
１対の電極間の間隔は０．０５〜５ｍｍ、好ましくは０．１〜３ｍｍとするのが望ましい。
【０００９】
１対の電極間の内側には１対のイオン捕捉材が対向して設けられる。イオン捕捉材としてはイオン交換樹脂、イオン交換繊維、イオン交換膜、ゼオライト等の無機イオン交換体など、イオン交換能を有するイオン交換材が制限なく用いられる。またイオン捕捉材には上記イオン交換材と活性炭とを混合して用いることもできる。活性炭としては比表面積の大きいものが好ましい。上記のイオン交換材としては、陽極となる電極側には陰イオン交換材、陰極となる電極側には陽イオン交換材が用いられる。
【００１０】
イオン捕捉材としては、粒状のイオン交換樹脂、または粒状のイオン交換樹脂と活性炭との混合物が好ましい。
陽極側のイオン交換材として用いる陰イオン交換樹脂としては公知の陰イオン交換樹脂が使用でき、弱塩基性陰イオン交換樹脂でも強塩基性陰イオン交換樹脂でも使用できるが、弱塩基性陰イオン交換樹脂が好ましい。
【００１１】
陰極側のイオン交換材として用いる陽イオン交換樹脂としては公知の陽イオン交換樹脂が使用でき、弱酸性陽イオン交換樹脂でも強酸性陽イオン交換樹脂でも使用できるが、弱酸性陽イオン交換樹脂が好ましい。
【００１２】
陰イオンおよび陽イオン交換樹脂やゼオライトなどの粒状のイオン交換材は、通常フレーム状のパッキンなどを用いてセパレータと電極との間にシート状に充填して用いられる。またイオン交換繊維、イオン交換膜などのシート状に成形可能なイオン交換材は、通常シート状の成形物をセパレータと電極との間に挟んで用いられる。
イオン捕捉材の厚さは特に制限されないが、０．０５〜５ｍｍ、好ましくは０．１〜３ｍｍとするのが望ましい。
【００１３】
対向する１対のイオン捕捉材の間にはセパレータが設けられ、絶縁される。セパレータとしては液浸透性で電気絶縁性のシートが制限なく使用でき、例えば樹脂シート、不織布、織布、ろ紙などがあげられる。
セパレータの厚さは０．０１〜０．２ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．１ｍｍとするのが望ましい。
【００１４】
陽極および陰極間には、陽極側イオン捕捉材／セパレータ／陰極側イオン捕捉材の順で各部材が配置され、これらは端板で挟み、ボルト等の締付具で締め付けてスタック状の電解コンデンサ型脱塩装置が構成される。電極間には正電圧または逆電圧を印加する電源装置が接続される。また電極間には放電回路が接続され、電極間に充電された電荷を、例えば短絡させることにより放電させるように構成される。二基以上の脱塩装置を組合せる場合は、一方の脱塩装置の電極間の電荷を放電して他方の脱塩装置の電極間に給電するように切換回路が構成される。切換回路には電圧昇圧器を接続するのが好ましい。
【００１５】
陽極および陰極が液体を通さない液非透過性の電極である場合、電極間のイオン交換材中に被処理液が供給できるように、脱塩装置の一方のパッキンの端部付近に給液部が設けられ、他方のパッキンの端部付近には処理水を取り出すことができるように取出部が設けられる。この場合、給液部から供給された被処理液は、イオン捕捉材に沿って流れた後、取出部から取り出されるように構成される。
【００１６】
また陽極および陰極が液体を通す液透過性の電極である場合、陽極側の端板に給液部、陰極側の端板に取出部を設けることもできる。給液部と取出部は脱塩装置のパッキンの両端部付近に設けるのが好ましく、この場合給液部から供給された被処理液は電極と交差する方向、およびイオン捕捉材に沿った方向に流れ、取出部から取り出されるように構成される。また陰極側の端板に給液部、陽極側の端板に取出部を設けることもできるし、場合によっては同じ電極の外側に給液部と取出部を設けることもできる。
【００１７】
【作用】
本発明の電解コンデンサ型脱塩装置においては、電源装置から電極間に０．５〜５Ｖ、好ましくは０．５〜１．２Ｖの電圧を印加した状態で、給液部から被処理液を導入して脱塩する。イオンを含む被処理液がイオン捕捉材の間を流れると、被処理液中の陰イオンは陽極側に集まるため陰イオン交換材に吸着され、陽イオンは陰極側に集まるため陽イオン交換材に吸着され、これにより被処理液中からイオンが除去（脱塩）される。
【００１８】
本発明の脱塩装置では上記のようにイオン交換材からなるイオン捕捉材にイオンを吸着させて脱塩するので、例えば活性炭にのみイオンを吸着させて脱塩する場合に比べて、イオン吸着量が多く、このため塩類濃度の高い被処理液を脱塩処理しても効率よく脱塩して高水質の処理水を得ることができる。活性炭単独の場合は電気的な引力のみによりイオンが引っぱられるのでイオンの捕捉量は少ないが、イオン交換材の場合は電気的な引力のほかに化学的な引力が加わり、イオンの捕捉量は多くなる。イオン交換材と活性炭とを混合して使用すると、これらの組合せ効果によりイオンの吸着力はさらに高くなる。
【００１９】
イオン交換材のイオン交換能の限界または限界付近に達した時点で、イオン交換能を回復させる必要がある。イオン交換能の回復は、電極間に充電された電荷を、陽極と陰極とを短絡させることにより放電させたり、あるいは逆電圧を印加することにより行うことができる。短絡による放電や逆電圧を印加すると、電場による捕捉力がなくなるため、吸着（捕捉）されたイオンはイオン交換材から脱離し、これによりイオン交換材のイオン交換能が回復する。回復後は前記と同様にして脱塩処理を行うことができる。
【００２０】
短絡等による放電や逆電圧の印加はそれぞれ単独で行うことができるが、これらを組合せるのが好ましい。短絡等による放電により電極に貯られた電荷が減少すると、電気的な引力の低下により、捕捉されたイオンが脱離する。このとき逆電圧を印加するとイオンは反対極の方向へ引っぱられるため、イオン捕捉材からの脱着が促進される。そして弱塩基性陰イオン交換材はアルカリ雰囲気、弱酸性陽イオン交換材は酸性雰囲気となるので、イオンの脱離がさらに促進される。
【００２１】
イオン捕捉材へのイオンの吸着は、イオン捕捉材に電気二重層が形成されることにより行われるので、この状態は、電解コンデンサに電荷が充電された状態と同じである。従って、電解コンデンサ型脱塩装置を２基以上備えた脱塩処理系においては、一方の脱塩装置で充電された電荷を、切換回路を通して放電させることにより他方の脱塩装置に給電して電極間に電圧を印加し、脱塩に必要な電気エネルギーとして利用することができる。
【００２２】
例えば、イオン交換能の回復を行う一方の脱塩装置の電極と、脱塩処理を行う他方の脱塩装置の電極とを切換回路により接続することにより、一方の脱塩装置に充電された電荷が、他方の脱塩装置に供給される。これにより一方の脱塩装置ではイオン交換能の回復が行われ、他方の脱塩装置では一方の脱塩装置から供給される電荷により必要な電圧を電極間に印加して脱塩が行われる。２基の脱塩装置を用いる場合は、両方の電位が同じになった時点で電荷の移動はなくなり、充電された電気エネルギーの約半分が回収できる。また３基の脱塩装置を用いる場合は、さらにその１／２まで回収することができるので、全体として３／４の電気エネルギーが回収できる。放電回路に電圧昇圧器を設けると、電位が等しくなった後も電荷が移動するため、さらに多くの電気エネルギーが回収される。このような電気エネルギーの回収はイオン捕捉材として活性炭のみを用いた場合にも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の請求項１の電解コンデンサ型脱塩装置は、イオン捕捉材として陰イオン交換材および陽イオン交換材を用いるので、塩類濃度が低い被処理液はもちろん塩類濃度が高い被処理液を脱塩処理する場合にも、イオン除去量が多く、高水質の処理水を効率よく低コストで得ることができる。
本発明の請求項２の電解コンデンサ型脱塩装置はイオン捕捉材として陰イオン交換材と活性炭との混合物、および陽イオン交換材と活性炭との混合物を用いるので、電気的な吸着と化学的な吸着の組合せにより、吸着力をさらに高めることができる。
本発明の請求項３の脱塩方法は、上記脱塩装置を用いているので、塩類濃度が低い被処理液はもちろん塩類濃度が高い被処理液を脱塩処理する場合にも、イオン除去量が多く、高水質の処理水を効率よく低コストで得ることができる。
【００２４】
本発明の請求項４の脱塩装置は２基の脱塩装置を放電回路で接続しているので、電気的エネルギーを回収して効率よく脱塩を行うことができる。
本発明の請求項５の脱塩装置は放電回路に電圧昇圧器を有するので、電気エネルギーをさらに効率的に回収することができる。
本発明の請求項６の脱塩方法は、一方の脱塩装置で充電された電気エネルギーを他方の脱塩処理の電気エネルギーとして利用しているので、低コストで脱塩処理することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置の垂直断面図、図２は図１の脱塩装置の各部材の組み合せ状態を示す分解斜視図である。
【００２６】
図１において、１は電解コンデンサ型脱塩装置であり、１対の電極として陽極２および陰極３がそれぞれ端板４、５に積層一体化された状態で対向して配置され、陽極２および陰極３には電圧を印加するための端子６、７が接続している。陽極２および陰極３は液を透過しない液非透過性である。
【００２７】
１対の陽極２および陰極３の内側には、陽極２側に陰イオン交換材としての弱塩基性陰イオン交換樹脂がフレーム状のパッキン８内に充填されて陰イオン捕捉材１１を構成し、陰極３側に陽イオン捕捉材としての弱酸性陽イオン交換樹脂がフレーム状のパッキン９内に充填されて陽イオン捕捉材１２を構成し、陰イオン捕捉材１１と陽イオン捕捉材１２とが１対のイオン捕捉材として対向して配置されている。
【００２８】
陰イオン捕捉材１１と陽イオン捕捉材１２との間には、液透過性で電気絶縁性のセパレータ１３が設けられ、両者が区分されている。セパレータ１３はメッシュ材１４の周囲に枠材１５が一体化した構造になっている。
電解コンデンサ型脱塩装置１の一端部には、電極間の陰イオン捕捉材１１および陽イオン捕捉材１２に被処理液２１が供給できるように給液部１６がパッキン８に接続し、他端部には処理水２２が取り出せるように取出部１７がパッキン９に接続している。
【００２９】
端板４、５、パッキン８、９、枠材１５に設けられた貫通孔１８ａ、１８ｂ・・・・にボルト等の締付具１９を通して締付けることにより電解コンデンサ型脱塩装置１が形成されている。端子６、７には電源装置１０が切換回路２０を介して接続している。電源装置１０は整流器、バッテリ等を含む。また切換回路２０は正逆電圧の印加、放電、短絡等を切換えるように構成されているが、詳細の図示は省略されている。
図１の装置においては、陰イオン捕捉材１１としては陰イオン交換樹脂と活性炭との混合物を用いることもできる。また陽イオン捕捉材１２としては陽イオン交換樹脂と活性炭との混合物を用いることもできる。
【００３０】
図１の電解コンデンサ型脱塩装置１を用いて被処理液２１を脱塩処理するには、電源装置１０から切換回路２０を介して端子６、７を通して陽極２および陰極３間に電圧を印加した状態で、被処理液２１を給液部１６から両電極２、３間に導入し、陰イオン捕捉材１１、セパレータ１３および陽イオン捕捉材１２を通して流す。陽極２および陰極３間に正電圧を印加すると、被処理液２１中の陰イオンは陽極２側に集まり、陰イオン捕捉材１１に吸着され、陽イオンは陰極３側に集まり、陽イオン捕捉材１２に吸着される。このような状態で被処理液２１が給液部１６から取出部１７に向って、陰イオン捕捉材１１および陽イオン捕捉材１２の層に沿って流れるに伴って、被処理液２１中の陰イオンおよび陽イオンが陰イオン捕捉材１１および陽イオン捕捉材１２に吸着され脱塩される。脱塩された処理水２２は取出部１７から取り出される。
【００３１】
陰イオン捕捉材１１および／または陽イオン捕捉材１２のイオン捕捉能が限界または限界付近に達した時点で、イオン捕捉能を回復させる。イオン捕捉能の回復は、切換回路２０により、陽極２および陰極３に充電された電荷を短絡などにより放電させ、場合によってはさらに電源装置１０から陽極２および陰極３間に逆電圧を印加することにより行うことができる。このような回復処理を行うことにより、陰イオン捕捉材１１に吸着された陰イオンおよび陽イオン捕捉材１２に吸着された陽イオンが脱離し、イオン捕捉能が回復する。陰イオンおよび陽イオンを高濃度に含む回復処理排液は取出部１７から取り出す。イオン捕捉能回復後は前記方法を繰り返すことにより再び脱塩を行うことができる。
【００３２】
陰イオン交換材および陽イオン交換材を充填した電解コンデンサ型脱塩装置１により被処理液２１を脱塩処理すると、陰イオン交換材および陽イオン交換材のイオン吸着量は活性炭のみの場合よりも多いため、効率よく脱塩処理を行うことができ、しかも塩類濃度が高い被処理液２１の場合にも高水質の処理水２２が得られる。
【００３３】
図３は陽極２および陰極３が液透過性である場合の電解コンデンサ型脱塩装置１の例であり、給液部１６が陽極２の外側に設けられ、取出部１７が陰極３の外側に設けられた以外は図１の構成と同じである。図３の脱塩装置においては、陰極３側に給液部１６を設け、陽極２側に取出部１７を設けることもできる。また同じ極側にそれぞれ給液部１６と取出部１７とを設けることもできる。
【００３４】
図３の脱塩装置１を用いた場合も、図１の場合と同様にして脱塩処理することができる。ただし図３の場合、被処理液２１は陽極２および陰極３内にも流れ、電極２、３およびイオン捕捉材１１、１２と交差する方向の流れと、セパレータ１３に沿った方向の流れとが混在する。
【００３５】
図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ２基の脱塩装置１ａ，１ｂを接続した電解コンデンサ型脱塩装置を示すブロック図である。脱塩装置１ａ，１ｂはそれぞれ陽極２ａ，２ｂおよび陰極３ａ，３ｂを有し、図１および図３と同様に構成されており、切換回路２０を介して電源装置１０に接続されている。切換回路２０は電源装置１０から正逆電圧を陽極２ａまたは２ｂ、陰極３ａまたは３ｂに印加し、また陽極２ａ，２ｂ、陰極３ａ，３ｂを接続して短絡等による放電を行うように構成されている。図４（ｂ）ではさらに電圧昇圧器３０が切換回路２０に接続している。電圧昇圧器３０としては直流を昇圧して供給できるものであればよく、例えば（社）電子情報通信学会発行、電子情報通信学技報ＰＥ９４−６１、ＣＰＭ９４−１０４（１９９５−０１）の第３１〜３８頁に記載されているように、スイッチング電源で矩形波を発生させ、これをコイルで昇圧し、整流するような装置が好ましい。
【００３６】
図５は図４（ａ）の電解コンデンサ型脱塩装置を用いて脱塩処理する場合の脱塩工程を示す動作説明図であり、（ａ）は第１の脱塩装置１ａが脱塩処理中であり、第２の脱塩装置１ｂが待機中の状態を示し、（ｂ）は第１の脱塩装置１ａがイオン交換能回復処理中であり、第２の脱塩装置１ｂが脱塩処理中であり、（ｃ）は第１の脱塩装置１ａがイオン交換能回復処理終了時点にあり、第２の脱塩装置１ｂが電源装置１０から電圧を印加して脱塩処理を行っている状態を示し、切換回路２０は（ａ）〜（ｃ）の接続を行うように切換えられる。なお電源装置１０は便宜上１０ａ，１０ｂに分けて図示されている。脱塩過程は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順で進行する。
【００３７】
図５の（ａ）において、第１の脱塩装置１ａは切換回路２０により実線ａ，ｂで示すように接続して、電源装置１０ａから陽極２ａ、陰極３ａ間に正電圧を印加し、被処理液２１ａを導入して脱塩を行い、処理水２２ａを取り出す。イオン捕捉材のイオン交換能が限界付近に達すると、陽極２ａおよび陰極３ａは電気エネルギーを十分に充電した状態になる。
【００３８】
この時点で図５の（ｂ）に示すように、切換回路２０により実線ｃ，ｄで示すように第１の脱塩装置１ａの陽極２ａと第２の脱塩装置１ｂの陽極２ｂとを接続するとともに、第１の脱塩装置１ａの陰極３ａと第２の脱塩装置１ｂの陰極３ｂとを接続して放電することにより、第１の脱塩装置１ａに充電された電荷が第２の脱塩装置１ｂに移動するので、第２の脱塩装置１ｂでは電極２ｂ，３ｂ間に電圧が印加された状態となり、被処理液２１ｂを導入することにより第２の脱塩装置１ｂで脱塩処理が進行し、処理水２２ｂを取り出す。
第１の脱塩装置１ａでは保持することができなくなった陰イオンおよび陽イオンが陰イオン捕捉材および陽イオン捕捉材から脱離し、イオン交換能の回復が進行する。この場合洗浄用水２３ａを給液部から導入することにより、取出部から回復処理排液２４ａが排出される。第１の脱塩装置１ａの電荷量と第２の脱塩装置１ｂの電荷量とが等しくなった時点で電気の移動は停止する。
【００３９】
停止後は図５の（ｃ）において、切換回路２０により破線ｅで示すように、第１の脱塩装置１ａで電極間を短絡させ、場合によってはさらに実線ｆ，ｇで示すように電源装置１０ａから逆電圧を印加することにより、吸着イオンを完全に脱離させてイオン交換能を完全に回復させる。第２の脱塩装置１ｂでは切換回路２０により実線ｈ，ｉで示すように電源装置１０ｂから正電圧を印加して脱塩処理を続行する。第２の脱塩装置１ｂが十分に充電された時点で、上記と同様の操作で第２の脱塩装置１ｂから第１の脱塩装置１ａに電荷を移動させ、第１の脱塩装置１ａの脱塩に利用する。このようにして一方の脱塩装置で充電された電荷を他方の脱塩装置に供給することにより、電気エネルギー消費量を低減させることができ、これにより低コストで脱塩処理することができる。
【００４０】
図６は図４（ｂ）の電解コンデンサ型脱塩装置を用いて脱塩処理する場合の脱塩工程を示す動作説明図であり、電圧昇圧器３０が接続されるほかは図５（ａ）〜（ｃ）とほぼ対応している。相違点について説明すると、図６（ｂ）において陽極２ａ，２ｂおよび陰極３ａ，３ｂ間を接続するとき電圧昇圧器３０を介して接続する。これにより第１の脱塩装置１ａから第２の脱塩装置１ｂに電荷を移動させる場合、電圧昇圧器３０において、例えばスイッチング電源により矩形波を発生させ、コイルで昇圧、整流し、やや電圧の高い直流電流を第２の脱塩装置１ｂの陽極２ｂおよび陰極３ｂに印加する。このように電圧昇圧器３０を用いることにより、陽極２ａ，２ｂ間および陰極３ａ，３ｂ間の電荷が等しくなった後も、昇圧して電荷を移動させることができ、これにより電極間に充電した電気量を有効に利用できる。
【００４１】
図４（ａ），（ｂ）の装置では２基の脱塩装置を使用しているが、３基以上の脱塩装置を用いた場合にも、少なくとも１基の脱塩装置から別の脱塩装置に電荷を移動させて脱塩処理することもできる。２基の脱塩装置から１基の脱塩装置に電荷を移動させた場合、１／２の１／２まで給電できるため、３／４の電気量が回収でき、より低コストで脱塩処理することができる。
また図４（ａ），（ｂ）の装置では、陰イオン交換材および陽イオン交換材の代わりに活性炭のみをイオン捕捉材として使用することもできる。
【００４２】
【実施例】
実施例１
下記部材を下記順序で配置した図１の脱塩装置を用いて、下記条件で脱塩処理を行った。結果を表１に示す。
【００４３】
陽極２： Ｐｔ−Ｔｉ（断面積＝４００ｃｍ2）
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
弱塩基性陰イオン交換樹脂： Ｄｉａｉｏｎ ＷＡ−１１、三菱化学（株）、商標、充填厚み＝１ｍｍ、充填量＝４０ｍｌ
非電導性、水透過性セパレーター１３： ゴアテックスシート（厚み＝０．３ｍｍ）
弱酸性陽イオン交換樹脂： Ｄｉａｉｏｎ ＷＫ−１１、三菱化学（株）、商標、充填厚み＝１ｍｍ、充填量＝４０ｍｌ
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
陰極３： Ｐｔ−Ｔｉ（断面積＝４００ｃｍ2）
電圧： １．５Ｖ
通水流量： １０ｍｌ／ｍｉｎ
原水水質ａの電気伝導率： １０ｍＳ／ｍ
原水水質ｂの電気伝導率： １ｍＳ／ｍ
原水水質ｃの電気伝導率： １００ｍＳ／ｍ
【００４４】
なお１０ｍＭ ＮａＣｌ水溶液の電気伝導率は１３０ｍＳ／ｍ程度である。また一般の市水などでは電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の５倍が塩分濃度（ｐｐｍ）に相当する。
【００４５】
比較例１
実施例１において、弱塩基性陰イオン交換樹脂および弱酸性陽イオン交換樹脂の代わりに活性炭（比表面積１６００ｍ2／ｇ）のみを充填した脱塩装置を用いて、実施例１と同様に脱塩処理した。結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１の結果から、実施例１は比較例１に比べて脱塩率および脱塩水量に優れ、通液量の増加（１サイクル当たり）、処理水質の向上および高塩類濃度への対応効果が確認できた。
【００４８】
実施例２
下記部材を下記順序で配置した電解コンデンサ型脱塩装置を２基用いて、図５および図６の方法により下記条件で脱塩処理を行った。下記脱塩装置はイオン交換材の代わりに高比表面積活性炭を充填した装置である。結果を図７に示す。
【００４９】
陽極２： Ｐｔ−Ｔｉ（断面積＝４００ｃｍ2）
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
活性炭繊維： 比表面積１５００ｍ2／ｇ（厚み＝１ｍｍ、４０ｍｌ）
非電導性、水透過性セパレーター１３： ゴアテックスシート（厚み＝０．３ｍｍ）
活性炭繊維： 比表面積１５００ｍ2／ｇ（厚み＝１ｍｍ、４０ｍｌ）
補助電極： グラファイトシート（厚み＝０．２ｍｍ）
陰極３： Ｐｔ−Ｔｉ
通水流量： １０ｍｌ／ｍｉｎ
原水水質の電気伝導率： １０ｍＳ／ｍ（１４０ｍｇ−ＮａＣｌ／ｌ）
【００５０】
第１の脱塩装置に１．５Ｖの電圧を掛け、上記の条件で脱塩し、充電した（図５の（ａ）および図６の（ａ）参照、処理水質は図７の○印参照）。第２の脱塩装置に上記の原水を通水し、第１の脱塩装置と第２の脱塩装置の電極を接続した。接続後、第１の脱塩装置の約半分の通水量まで、脱塩処理ができた（図５の（ｂ）および図６の（ｂ）参照、処理水質は図７の●印参照）。
【００５１】
第２の脱塩装置の処理水の脱塩率が低下した後、電圧昇圧器を稼働し、第１の脱塩装置から第２の脱塩装置への電荷を移動させたところ、第２の脱塩装置の処理水の電気伝導率が下がり、脱塩が再開できた（図６の（ｂ）参照、処理水質は図７の△印参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置の垂直断面図である。
【図２】図１の脱塩装置の各部材の組み合せ状態を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置の垂直断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ２基の脱塩装置を用いて脱塩する一実施形態の電解コンデンサ型脱塩装置のブロック図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は図４（ａ）の脱塩装置による脱塩工程を示す動作説明図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は図４（ｂ）の脱塩装置による脱塩工程を示す動作説明図である。
【図７】実施例２の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 電解コンデンサ型脱塩装置
１ａ 第１の脱塩装置
１ｂ 第２の脱塩装置
２、２ａ、２ｂ 陽極
３、３ａ、３ｂ 陰極
４、５ 端板
６、７ 端子
８、９ パッキン
１０、１０ａ、１０ｂ 電源装置
１１ 陰イオン捕捉材
１２ 陽イオン捕捉材
１３ セパレータ
１４ メッシュ材
１５ 枠材
１６ 給液部
１７ 取出部
１８ａ、１８ｂ・・・・ 貫通孔
１９ 締付具
２０ 切換回路
２１、２１ａ、２１ｂ 被処理液
２２、２２ａ、２２ｂ 処理水
２３ａ 洗浄用水
２４ａ 回復処理排液
３０ 電圧昇圧器
Claims (6)
- 少なくとも１対の対向して設けられた電極と、
１対の電極の内側に対向して設けられた１対のイオン捕捉材と、
１対のイオン捕捉材の間に設けられた液浸透性で電気絶縁性のセパレータと、
電極間に電圧を印加する電源装置と、
電極間に被処理液を供給する給液部と、
電極間から処理水を取り出す取出部とを有し、
前記１対のイオン捕捉材が陰イオン交換材および陽イオン交換材である電解コンデンサ型脱塩装置。 - １対のイオン捕捉材が陰イオン交換材と活性炭との混合物および陽イオン交換材と活性炭との混合物である請求項１記載の電解コンデンサ型脱塩装置。
- 請求項１または２記載の電解コンデンサ型脱塩装置に、電極間に電圧を印加した状態で、被処理液を給液部から供給し、被処理液中のイオンをイオン捕捉材に捕捉させて処理水を取出部から取り出し、電極間で放電、短絡または逆電圧を印加して、捕捉されたイオンを脱着することを特徴とする脱塩方法。
- 少なくとも１対の対向して設けられた電極と、
１対の電極の内側に対向して設けられた１対のイオン捕捉材と、
１対のイオン捕捉材の間に設けられた液浸透性で電気絶縁性のセパレータと、
電極間に電圧を印加する電源装置と、
電極間に被処理液を供給する給液部と、
電極間から処理水を取り出す取出部とを有する脱塩装置を少なくとも２基備え、
一方の脱塩装置の電極間に充電された電荷を他方の脱塩装置に給電する切換回路を有する電解コンデンサ型脱塩装置。 - 切換回路は、一方の脱塩装置の電極と、他方の脱塩装置の電極との間に電圧昇圧器を有する請求項４記載の電解コンデンサ型脱塩装置。
- 請求項４または５記載の電解コンデンサ型脱塩装置の一方の脱塩装置の電極間に電圧を印加した状態で、被処理液を給液部から供給し、被処理液中のイオンをイオン捕捉材に捕捉させて処理水を取出部から取り出して脱塩し、
脱塩を行った脱塩装置の電極と他方の脱塩装置の電極とを切換回路により接続した状態で、一方の電極間に充電された電荷を放電するとともに他方の脱塩装置に給電して電極間に電圧を印加し、これにより一方の脱塩装置で捕捉されたイオンを脱離するとともに、他方の脱塩装置で脱塩を行うことを特徴とする脱塩方法。
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