JP4426066B2 - 電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造分野、発電所分野、ボイラー分野、製薬分野や研究施設等で用いられる純水を効率的に製造する電気式脱イオン水製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、脱イオン水の製造方法として従来のイオン交換樹脂法の欠点を改善した電気式脱イオン法が開発され実用化されている。この方法は陽極を備える陽極室と陰極を備える陰極室との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜を交互に配し、この両膜の間に脱塩室と濃縮室を交互に形成した電気透析装置の脱塩室に、イオン交換体を充填し、電圧を印加しながら、被処理水を脱塩室に流入させ、濃縮室には、被処理水又は濃縮水の一部を濃縮水として流入させる事で脱塩室液を脱イオンするものである。
【０００３】
この方法では、イオン交換体が連続的に再生されるので、酸やアルカリ等の薬剤での再生が不要となる。この方法で重要なのは、カチオン交換体又は膜とアニオン交換体又は膜の界面でいかにして水を解離し易くするかである。この効率が低いとイオン交換体の再生が機能せず、水質の悪化を招く事になるからである。これに関して、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の表面に固定電荷と反対電荷の表面層を有するイオン交換膜を用いた装置（特開平８−１９７０６１号、特開平８−１９７０６２号）、カチオン交換膜の陽極側に弱酸基の表面層を有した装置（特開平８−１９２１６４号）、反対にアニオン交換膜の陰極側に弱塩基の表面層を有した装置（特開平８−１８２９９１号）等が提案されている。
【０００４】
しかしながら、従来提案されている方法は、膜表面にカチオン交換体とアニオン交換体の界面又は、異なる交換基種の界面を作りそこで水解離をさせている。この場合は、水解離の場を膜表面にも増やし、効率を上げているが、このような膜は、膜電圧が高くなり、、電力コストはむしろ上昇してしまう事となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の装置に比べて、水の解離電圧を下げ電力コストを抑えた電気式脱イオン水製造装置を提案するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、少なくとも脱塩室に充填されているカチオン交換体とアニオン交換体からなるイオン交換体の水解離電圧そのものを下げ、電力コストを抑える事について、種々検討を重ねた結果、カチオン交換体とアニオン交換体からなるイオン交換体に、両性イオン交換体である金属酸化物を混在させる事で、水の解離電圧を下げ電力コストを抑えた電気式脱イオン水製造装置を実現しうることを見出し本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明は、下記の通りである。
陽極と陰極の間にカチオン交換膜とアニオン交換膜を交互に配し、この両膜の間に脱塩室と濃縮室を交互に形成させた電気透析装置の少なくとも脱塩室に、カチオン交換体とアニオン交換体からなるイオン交換体を充填してなる電気式脱イオン水製造装置において、脱塩室に充填したイオン交換体に少なくとも１種以上の、両性イオン交換体である金属酸化物又は金属水酸化物を混在させることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明について以下具体的に説明する。
本発明は、陽極を備える陽極室と、陰極を備える陰極室との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜を交互に配置させ、陽極側がアニオン交換膜で区画され陰極側がカチオン交換膜で区画された脱塩室と陽極側がカチオン交換膜で区画され陰極側がアニオン交換膜で区画された濃縮室が交互に形成された電気透析装置の少なくとも脱塩室にカチオン交換体とアニオン交換体からなるイオン交換体を充填した電気脱イオン水製造装置を使用する。脱塩室には、被処理水を流入させ、濃縮室には被処理水又は被処理水の一部を循環しても構わない。又、必要に応じて脱塩室以外にも濃縮室や電極室に、イオン交換体を充填しても構わない。この様な電気脱イオン水製造装置で、直流電流を両電極間に印加すると、脱塩室では、被処理水中の不純物イオンは、一旦脱塩室に充填されたイオン交換体により吸着除去され、次に電気的推進力によりイオン交換体から脱離しイオン交換膜を透過して、濃縮室に移動し、排出される。一方、不純物イオンが除去された被処理水つまり脱イオン水は、脱塩室より流出する。
【０００９】
本発明の少なくとも脱塩室に充填されたカチオン交換体とアニオン交換体からなるイオン交換体に混在させる金属酸化物又は金属水酸化物は、１種類又は必要に応じて数種類の混合でもかまはない。水に不溶性のものなら任意のものが使用出来る。例えば以下の金属の酸化物又は水酸化物が挙げられる。アルミニウム、ケイ素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ニッケル、銀、ストロンチウム、ジルコニウム、スズ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、タングステン等である。使用条件での安定性、コスト等から酸化チタンや酸化ジルコニウムが好ましい。金属酸化物又は金属水酸化物の粒子の大きさは、特に限定されず、漏洩やイオン交換体との混合状態等から適宜選択できる。イオン交換体に対する金属酸化物又は金属水酸化物の比率は、容積比率で１〜５０％の範囲が好ましい。１％未満では、カチオン交換体とアニオン交換体との界面に存在する量が少なくなりその効果は、小さくなる。又、５０％を越えると、吸着に関与しない金属酸化物の量が増え、同一容積ではイオン交換体の量が減少し吸着量も減る。イオン交換樹脂の容積を所定量確保するためには、装置容積を大きくしなければならず、コスト増となる。
【００１０】
脱塩室に充填されるイオン交換体としては、繊維状、粒状、シート状があるが、これらを単独又は組み合わせて使用する事ができ、又その大きさについても特に限定されるものではない。又、交換体の構造では、強酸性や弱酸性のカチオン交換体及び強塩基性や弱塩基性のアニオン交換体の中から適宜選択出来る。又、カチオン交換体とアニオン交換体の比率も被処理水の水質に合わせて適宜選択出来る。
【００１１】
カチオン交換膜は、特に限定されず、補強材で補強された均一膜や交換樹脂と他のポリマーがブレンドされた不均一膜が使用出来る。構造としては、スチレンとジビニルベンゼン共重合体のスルホン化物やポリスチレンスルホン酸及びその塩、ポリビニルスルホン酸及びその塩、ポリアクリル酸及びその塩、ポリメタクリル酸及びその塩等を含有する膜が挙げられる。
アニオン交換膜は、特に限定されず、補強材で補強された均一膜や交換樹脂と他のポリマーがブレンドされた不均一膜が使用出来る。構造としては、スチレンとジビニルベンゼン共重合体のクロロメチル化反応後の４級アミノ化物、クロロメチルスチレンとジビニルベンゼン共重合体の４級アミノ化物、４−ビニルピリジンとジビニルベンゼン共重合体の４級アミノ化物及びその４級ピリジニウム化物、２−ビニルピリジンとジビニルベンゼン共重合体及びその４級ピリジニウム化物、１−ビニルイミダゾールとジビニルベンゼン共重合体及びその４級化物、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドとジビニルベンゼン重合体及びその４級化物、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピルアクリルアミドとジビニルベンゼン重合体及びその４級化物等を含有する膜が挙げられる。
【００１２】
本発明の作用機構は、未だ十分に明らかでないが、金属酸化物又は金属水酸化物は、両性イオン交換体で酸、塩基としての作用もあることから水解離触媒として働き低電圧で水を解離させることができるものと考えられる。
又、濃縮水では、特にスケール成分である、Ｃａ塩には十分配慮する必要がある。従来から電気透析で行われているＰＨ調整やスケール防止剤での調整は、好ましい方法である。ＰＨ調整は、外部添加でも電極液による内部添加でも構わない。
【００１３】
【実施例１】
脱塩室２室、濃縮室２室、室厚み各々３ｍｍからなる電気透析装置の脱塩室に再生形の強酸性カチオン交換樹脂と再生形の強塩基性アニオン交換樹脂からなるイオン交換体に対し、酸化ジルコニウム粒子を容積比率で１０％加えたものを均一混合状態で充填した電気脱イオン水製造装置を用いた。この時の、脱塩室でのイオン交換樹脂の容積充填率は８０％であった。又、カチオン交換膜とアニオン交換膜は、各々アシプレックス（商品名、旭化成工業（株）製）Ｋ−５０１とＡ−２０１を使用した。
【００１４】
電導度１４０μｓ／ｃｍの被処理水を、脱塩室には、イオン交換樹脂の容積に対し、１時間当たり２５倍の流量を流し、濃縮室には、被処理水を脱塩室流量に対し、１／５の流量を流した。電流密度は、２２Ａ／ｍ²で約１０時間通電を行った。
得られた、脱イオン水の電導度は、２．５ＭΩ・ｃｍ²で、安定した水質が得られ、又スケールの発生も見られなかった。この時の脱塩室と濃縮室及び両イオン交換膜を含めた対間の電圧は、１６．６Ｖであった。
【００１５】
【比較例１】
実施例１と同じ電気脱イオン水製造装置の脱塩室に充填するイオン交換体に酸化ジルコニウムを加えない以外は、全く同じ条件で行った。得られた、脱イオン水の電導度は、２．５ＭΩ・ｃｍ²で、安定した水質が得られ、又スケールの発生も見られなかった。この時の脱塩室と濃縮室及び両イオン交換膜を含めた対間の電圧は、１８．２Ｖであった。同じ水質を得る為の電圧は、金属ジルコニウムを加えた実施例１の方が低い事が確認された。
【００１６】
【発明の効果】
本発明により、従来の装置に比べて、水の解離電圧を下げ電力コストを抑えた電気式脱イオン水製造装置の提供を可能とした。

Claims (3)

1. 陽極と陰極の間にカチオン交換膜とアニオン交換膜を交互に配し、この両膜の間に脱塩室と濃縮室を交互に形成させた電気透析装置の少なくとも脱塩室に、カチオン交換体とアニオン交換体からなるイオン交換体を充填してなる電気式脱イオン水製造装置において、脱塩室に充填したイオン交換体に少なくとも１種以上の、両性イオン交換体である金属酸化物又は金属水酸化物を混在させることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
2. 該金属酸化物又は金属水酸化物が、ジルコニウム、アルミニウム、チタンの中から選ばれる少なくとも１つの金属酸化物又は金属水酸化物である請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 該金属酸化物又は金属水酸化物が、ジルコニウムの金属酸化物又は金属水酸化物である請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。