JP4172117B2 - 電気脱イオン装置 - Google Patents
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体、液晶、製薬、食品、電力等の各種の産業分野や、民生用又は研究設備で利用される脱イオン水を製造する電気脱イオン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気脱イオン装置として、陽極を備えた陽極室と、陰極を備え、上記陽極室と平行に通水方向に配置された陰極室との間に、上記両室と平行に複数の陽イオン交換膜と、複数の陰イオン交換膜とを交互に配列し、隣接した陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間に交互に脱塩室と濃縮室とを形成し、脱塩室にイオン交換体を充填し、最外側の濃縮室を形成するイオン交換膜と最外側の脱塩室を形成するイオン交換膜とに直流電源を印加し、原水を濃縮室及び脱塩室に上向流、又は下向流で通水し、水解離によってＨ+ イオンとＯＨ- イオンを生成させて脱塩室に充填されているイオン交換体を連続的に再生しながら原水中の塩分を濃縮室に移行させ、脱塩室の下流端から塩分が除去された脱イオン水を連続的に採水し、濃縮室の下流端から塩分を多く含んだ濃縮水を連続的に排出させることは従来から公知である。脱塩室に充填するイオン交換体として、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、グラフト交換体からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合、若しくは複層状に充填しているのが通常である。
【０００３】
電気脱イオン装置で処理した脱イオン水の水質を向上させるには、脱塩室内でのアニオン交換体とカチオン交換体との接点で生起していると考えられる水解離を積極的に行わせることが必要であり、それには脱塩室内に充填するイオン交換体のアニオン交換体（陰イオン交換体）とカチオン交換体（陽イオン交換体）とを均一に混合し、水解離が生じる両交換体の接点、脱塩室を形成するアニオン交換膜とカチオン交換体の接点、脱塩室を形成するカチオン交換膜とアニオン交換体との接点を増大させる必要がある。更に、処理した脱イオン水の水質を１８ＭΩ・ｃｍ以上の高純度にするには、脱塩室への通水方向に対して下流側のイオン交換層（処理水側のイオン交換体）はアニオン交換体を完全にＯＨ型、カチオン交換体を完全にＨ型にし、微量に残存するイオン脱塩水中のイオンを除去するポリッシング機能を持たせることも必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、印加する直流電圧を上昇させても比抵抗上昇には限界があり、ＲＯ膜装置で処理した処理水を被処理水として従来の電気脱イオン装置で処理しても、得られる脱イオン水の比抵抗値は１０〜１５ＭΩ・ｃｍが限度であり、半導体分野などで要求される１８ＭΩ・ｃｍ以上の超純水を得ることはできない。その原因を研究した所、比重がアニオン交換体に対してカチオン交換体が大で、
▲１▼脱塩室への両イオン交換体の充填時、
▲２▼電気脱イオン装置に原水を上向流で通水したとき、
▲３▼装置の休止、運転を頻繁に繰返したとき、
比重差によりアニオン交換体とカチオン交換体とが脱塩室内で分離し、水解離に重要な両交換体の接点が充分に得られないのが主な原因であることを解明した。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上述した問題点を解消するために開発されたもので、陽極を備えた陽極室と、陰極を備え、上記陽極室と平行に通水方向に配置された陰極室との間に、上記両室と平行に複数の陽イオン交換膜と、複数の陰イオン交換膜とを交互に配列し、隣接した陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間に原水を通水するための脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換体を充填した電気脱イオン装置において、脱塩室に充填したイオン交換体は、沈降速度の差が１ｃｍ／秒以内の陰イオン交換体と、陽イオン交換体との混合物であることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態の要部の縦断面図で、１１は陽極１２を備えた左側の陽極室、１３は陰極１４を備え、上記陽極室１１と平行に通水方向に配列された右側の陰極室で、左右の両室１１と１３との間に各室と平行に複数の陽イオン交換膜（カチオン交換膜）１５…と、複数の陰イオン交換膜（アニオン交換膜）１６…とを交互に配列し、原水を通水するために、隣接した陽イオン交換膜１５と陰イオン交換膜１６との間に濃縮室１７、隣接した陰イオン交換膜１６と陰イオン交換膜１６の間に脱塩室１８を交互に形成してある。この実施形態の場合は左から右に第１濃縮室、第１脱塩室、第２濃縮室、第２脱塩室の四つの室を構成し、各脱塩室の内部にはアニオン交換体２１とカチオン交換体２２とを均一に混合したイオン交換体２０が充填してある。そして、第１濃縮室を形成する左側の陽イオン交換膜１５−１には直流電源の陽極、第２脱塩室を形成する右側の陽イオン交換膜１５−３には直流電源の陰極を印加する。
【０００７】
脱塩室１８に充填するイオン交換体２０のアニオン交換体２１とカチオン交換体２２は沈降速度の差が１ｃｍ／秒以内のものを使用する。沈降速度は、容量５００ｍ立、高さ２６０ｍｍのメスシリンダーに２５℃の超純水を５００ｍ立入れ、湿潤状態のアニオン交換樹脂、及びカチオン交換樹脂を夫々１０粒を１粒宛投入し、底に到達するまでの時間を測定し、その夫々１０粒の測定値を平均して求める。
【０００８】
市水を活性炭装置（栗田工業（株）製 クリコールＫＷ１０−３０）、次いでＲＯ膜装置（栗田工業（株）製 マクエースＫＮ２００）で処理した後、図１の脱塩室１８に充填するイオン交換体を後述するように変え、栗田工業（株）製 ピュアエースＰＡ−２００（処理量１００立／時）の電気脱イオン試験装置を使用し、脱塩テストした実験例と比較例の結果を表１に示す。
【０００９】
使用した電気脱イオン試験装置のアニオン交換膜は旭化成工業（株）製、アンプレックスＡ５０１ ＳＢ、カチオン交換膜は旭化成工業（株）製、アンプレックスＫ５０１ ＳＢであった。
【００１０】
実験例１、実験例２で脱塩室に充填した陰イオン交換樹脂には沈降速度が１．０ｃｍ／秒のダウケミカル製、５５０Ａ、陽イオン交換樹脂には沈降速度が１．５ｃｍ／秒のダウケミカル製、３５０Ｃを使用し、脱塩室にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を６：４の比率で、スラリー法によって充填した。
【００１１】
実験例１では原水を表１の条件で１週間、図１に示すように上向流で通水し、１週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、１週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、アニオン樹脂とカチオン樹脂の比率は充填時のまゝ６：４になって居り、又、均一に混合されていた。
【００１２】
実験例２では原水を表１の条件で２週間、下向流で通水し、その間、１０回／日の頻度で装置をＯＮ、ＯＦＦした。２週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、２週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の比率は充填時のまゝ６：４になって居り、又、均一に混合されていた。
【００１３】
比較例１、比較例２では陰イオン交換樹脂に沈降速度１．０ｃｍ／秒のダウケミカル製５５０Ａ、陽イオン交換樹脂に沈降速度５．０ｃｍ／秒のダウケミカル製、６５０Ｃを使用し、脱塩室には陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂を６：４の比率で、スラリー法により充填した。
【００１４】
比較例１では原水を表１の条件で１週間、上向流で通水し、１週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、１週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とは完全に分離していた。
【００１５】
比較例２では原水を表１の条件で２週間、下向流で通水し、その間、１０回／日の頻度で装置をＯＮ、ＯＦＦした。２週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、２週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、脱塩室の上層部での陰、陽イオン交換樹脂の比率は当所の６：４から８：２に変化して居り、部分的に分離が起きていた。又、アニオン樹脂とカチオン樹脂は会合している個所があり、均一に混合されていなかった。
【００１６】
【表１】
【００１７】
表１で明らかなように、沈降速度が１．０ｃｍ／秒の陰イオン交換樹脂と、沈降速度が１．５ｃｍ／秒の陽イオン交換樹脂を混合した実験例１，２の場合は、比抵抗値が１８ＭΩ・ｃｍ以上の超純水を採水することができた。そして、陰陽両イオン交換樹脂の分離が生じ易い上向流通水、運転のＯＮ・ＯＦＦによっても分離は生ぜず、安定して超純水を採水することができた。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、脱塩室内に充填、混合する陰、陽両イオン交換樹脂の沈降速度の差を１ｃｍ／秒以内にすることにより、１８ＭΩ・ｃｍ以上の良好な水質の処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気脱イオン装置の要部の概略を示す断面図。
【符号の説明】
１１ 陽極室
１２ 陽極室の陽極
１３ 陰極室
１４ 陰極室の陰極
１５ 陰イオン（アニオン）交換膜
１６ 陽イオン（カチオン）交換膜
１７ 濃縮室
１８ 脱塩室
２０ イオン交換体
２１ アニオン交換体
２２ カチオン交換体
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体、液晶、製薬、食品、電力等の各種の産業分野や、民生用又は研究設備で利用される脱イオン水を製造する電気脱イオン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気脱イオン装置として、陽極を備えた陽極室と、陰極を備え、上記陽極室と平行に通水方向に配置された陰極室との間に、上記両室と平行に複数の陽イオン交換膜と、複数の陰イオン交換膜とを交互に配列し、隣接した陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間に交互に脱塩室と濃縮室とを形成し、脱塩室にイオン交換体を充填し、最外側の濃縮室を形成するイオン交換膜と最外側の脱塩室を形成するイオン交換膜とに直流電源を印加し、原水を濃縮室及び脱塩室に上向流、又は下向流で通水し、水解離によってＨ+ イオンとＯＨ- イオンを生成させて脱塩室に充填されているイオン交換体を連続的に再生しながら原水中の塩分を濃縮室に移行させ、脱塩室の下流端から塩分が除去された脱イオン水を連続的に採水し、濃縮室の下流端から塩分を多く含んだ濃縮水を連続的に排出させることは従来から公知である。脱塩室に充填するイオン交換体として、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、グラフト交換体からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合、若しくは複層状に充填しているのが通常である。
【０００３】
電気脱イオン装置で処理した脱イオン水の水質を向上させるには、脱塩室内でのアニオン交換体とカチオン交換体との接点で生起していると考えられる水解離を積極的に行わせることが必要であり、それには脱塩室内に充填するイオン交換体のアニオン交換体（陰イオン交換体）とカチオン交換体（陽イオン交換体）とを均一に混合し、水解離が生じる両交換体の接点、脱塩室を形成するアニオン交換膜とカチオン交換体の接点、脱塩室を形成するカチオン交換膜とアニオン交換体との接点を増大させる必要がある。更に、処理した脱イオン水の水質を１８ＭΩ・ｃｍ以上の高純度にするには、脱塩室への通水方向に対して下流側のイオン交換層（処理水側のイオン交換体）はアニオン交換体を完全にＯＨ型、カチオン交換体を完全にＨ型にし、微量に残存するイオン脱塩水中のイオンを除去するポリッシング機能を持たせることも必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、印加する直流電圧を上昇させても比抵抗上昇には限界があり、ＲＯ膜装置で処理した処理水を被処理水として従来の電気脱イオン装置で処理しても、得られる脱イオン水の比抵抗値は１０〜１５ＭΩ・ｃｍが限度であり、半導体分野などで要求される１８ＭΩ・ｃｍ以上の超純水を得ることはできない。その原因を研究した所、比重がアニオン交換体に対してカチオン交換体が大で、
▲１▼脱塩室への両イオン交換体の充填時、
▲２▼電気脱イオン装置に原水を上向流で通水したとき、
▲３▼装置の休止、運転を頻繁に繰返したとき、
比重差によりアニオン交換体とカチオン交換体とが脱塩室内で分離し、水解離に重要な両交換体の接点が充分に得られないのが主な原因であることを解明した。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上述した問題点を解消するために開発されたもので、陽極を備えた陽極室と、陰極を備え、上記陽極室と平行に通水方向に配置された陰極室との間に、上記両室と平行に複数の陽イオン交換膜と、複数の陰イオン交換膜とを交互に配列し、隣接した陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間に原水を通水するための脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換体を充填した電気脱イオン装置において、脱塩室に充填したイオン交換体は、沈降速度の差が１ｃｍ／秒以内の陰イオン交換体と、陽イオン交換体との混合物であることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態の要部の縦断面図で、１１は陽極１２を備えた左側の陽極室、１３は陰極１４を備え、上記陽極室１１と平行に通水方向に配列された右側の陰極室で、左右の両室１１と１３との間に各室と平行に複数の陽イオン交換膜（カチオン交換膜）１５…と、複数の陰イオン交換膜（アニオン交換膜）１６…とを交互に配列し、原水を通水するために、隣接した陽イオン交換膜１５と陰イオン交換膜１６との間に濃縮室１７、隣接した陰イオン交換膜１６と陰イオン交換膜１６の間に脱塩室１８を交互に形成してある。この実施形態の場合は左から右に第１濃縮室、第１脱塩室、第２濃縮室、第２脱塩室の四つの室を構成し、各脱塩室の内部にはアニオン交換体２１とカチオン交換体２２とを均一に混合したイオン交換体２０が充填してある。そして、第１濃縮室を形成する左側の陽イオン交換膜１５−１には直流電源の陽極、第２脱塩室を形成する右側の陽イオン交換膜１５−３には直流電源の陰極を印加する。
【０００７】
脱塩室１８に充填するイオン交換体２０のアニオン交換体２１とカチオン交換体２２は沈降速度の差が１ｃｍ／秒以内のものを使用する。沈降速度は、容量５００ｍ立、高さ２６０ｍｍのメスシリンダーに２５℃の超純水を５００ｍ立入れ、湿潤状態のアニオン交換樹脂、及びカチオン交換樹脂を夫々１０粒を１粒宛投入し、底に到達するまでの時間を測定し、その夫々１０粒の測定値を平均して求める。
【０００８】
市水を活性炭装置（栗田工業（株）製 クリコールＫＷ１０−３０）、次いでＲＯ膜装置（栗田工業（株）製 マクエースＫＮ２００）で処理した後、図１の脱塩室１８に充填するイオン交換体を後述するように変え、栗田工業（株）製 ピュアエースＰＡ−２００（処理量１００立／時）の電気脱イオン試験装置を使用し、脱塩テストした実験例と比較例の結果を表１に示す。
【０００９】
使用した電気脱イオン試験装置のアニオン交換膜は旭化成工業（株）製、アンプレックスＡ５０１ ＳＢ、カチオン交換膜は旭化成工業（株）製、アンプレックスＫ５０１ ＳＢであった。
【００１０】
実験例１、実験例２で脱塩室に充填した陰イオン交換樹脂には沈降速度が１．０ｃｍ／秒のダウケミカル製、５５０Ａ、陽イオン交換樹脂には沈降速度が１．５ｃｍ／秒のダウケミカル製、３５０Ｃを使用し、脱塩室にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を６：４の比率で、スラリー法によって充填した。
【００１１】
実験例１では原水を表１の条件で１週間、図１に示すように上向流で通水し、１週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、１週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、アニオン樹脂とカチオン樹脂の比率は充填時のまゝ６：４になって居り、又、均一に混合されていた。
【００１２】
実験例２では原水を表１の条件で２週間、下向流で通水し、その間、１０回／日の頻度で装置をＯＮ、ＯＦＦした。２週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、２週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の比率は充填時のまゝ６：４になって居り、又、均一に混合されていた。
【００１３】
比較例１、比較例２では陰イオン交換樹脂に沈降速度１．０ｃｍ／秒のダウケミカル製５５０Ａ、陽イオン交換樹脂に沈降速度５．０ｃｍ／秒のダウケミカル製、６５０Ｃを使用し、脱塩室には陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂を６：４の比率で、スラリー法により充填した。
【００１４】
比較例１では原水を表１の条件で１週間、上向流で通水し、１週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、１週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とは完全に分離していた。
【００１５】
比較例２では原水を表１の条件で２週間、下向流で通水し、その間、１０回／日の頻度で装置をＯＮ、ＯＦＦした。２週間後の脱イオン水の比抵抗値を表１に示した。又、２週間後に全部の脱塩室を解体して観察した所、脱塩室の上層部での陰、陽イオン交換樹脂の比率は当所の６：４から８：２に変化して居り、部分的に分離が起きていた。又、アニオン樹脂とカチオン樹脂は会合している個所があり、均一に混合されていなかった。
【００１６】
【表１】
表１で明らかなように、沈降速度が１．０ｃｍ／秒の陰イオン交換樹脂と、沈降速度が１．５ｃｍ／秒の陽イオン交換樹脂を混合した実験例１，２の場合は、比抵抗値が１８ＭΩ・ｃｍ以上の超純水を採水することができた。そして、陰陽両イオン交換樹脂の分離が生じ易い上向流通水、運転のＯＮ・ＯＦＦによっても分離は生ぜず、安定して超純水を採水することができた。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、脱塩室内に充填、混合する陰、陽両イオン交換樹脂の沈降速度の差を１ｃｍ／秒以内にすることにより、１８ＭΩ・ｃｍ以上の良好な水質の処理水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気脱イオン装置の要部の概略を示す断面図。
【符号の説明】
１１ 陽極室
１２ 陽極室の陽極
１３ 陰極室
１４ 陰極室の陰極
１５ 陰イオン（アニオン）交換膜
１６ 陽イオン（カチオン）交換膜
１７ 濃縮室
１８ 脱塩室
２０ イオン交換体
２１ アニオン交換体
２２ カチオン交換体
Claims (1)
- 陽極を備えた陽極室と、陰極を備え、上記陽極室と平行に通水方向に配置された陰極室との間に、上記両室と平行に複数の陽イオン交換膜と、複数の陰イオン交換膜とを交互に配列し、隣接した陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間に原水を通水するための脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換体を充填した電気脱イオン装置において、脱塩室に充填したイオン交換体は、沈降速度の差が１ｃｍ／秒以内の陰イオン交換体と、陽イオン交換体との混合物であることを特徴とする電気脱イオン装置。
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| JP29228899A JP4172117B2 (ja) | 1999-10-14 | 1999-10-14 | 電気脱イオン装置 |
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|---|---|---|---|
| JP29228899A JP4172117B2 (ja) | 1999-10-14 | 1999-10-14 | 電気脱イオン装置 |
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| JP2001113280A JP2001113280A (ja) | 2001-04-24 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP29228899A Expired - Fee Related JP4172117B2 (ja) | 1999-10-14 | 1999-10-14 | 電気脱イオン装置 |
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- 1999-10-14 JP JP29228899A patent/JP4172117B2/ja not_active Expired - Fee Related
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