JP4453972B2

JP4453972B2 - 電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法

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Publication number: JP4453972B2
Application number: JP2004371029A
Authority: JP
Inventors: 秀昭高橋; 真生日高; 真紀夫田村
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: JP2006175350A

Description

本発明は半導体製造分野、電力分野、医製薬製造、食品工業などの各種の産業または研究施設において使用される電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法に関するものである。

従来、電気脱イオン装置は、例えば、基本的にはカチオン交換膜とアニオン交換膜で形成される隙間にイオン交換体としてアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体を充填して脱イオン室とし、当該イオン交換体に被処理液を通過させると共に、前記両イオン交換膜を介して被処理液の流れに対して直角方向に直流電流を作用させて、両イオン交換膜の外側に流れている濃縮室中に被処理液中イオンを電気的に排除しながら脱イオン液を製造するものである。

従来の電気脱イオン装置は、濃縮室が一室の構造であり、装置単体での濃縮倍率を上げると拡散によって濃縮成分が濃縮室から脱イオン室へイオン交換膜を介して移動して処理水質を悪化させるため、濃縮倍率に上限があった。すなわち、従来の電気脱イオン装置では濃縮倍率は１０倍程度のものが一般的であり、装置単体で見たときの液利用率は決して高くはなかった。そのため、処理液と同時に大量の濃縮液が生成した。例えば、処理量１０００Ｌ/ｈ以上のような大型の電気脱イオン装置からは１０倍の濃縮倍率で運転すると１１０Ｌ/ｈ以上もの大量の濃縮液が生成するという問題があった。従来、電気脱イオン装置の液利用率を高める方法としては、電気脱イオン装置の濃縮液を前段に戻す方法、再度別の濃縮装置によって濃縮する方法あるいは電気脱イオン装置を純液製造装置のシステムの一部に組み込み、液利用率を向上させる方法等が知られていた。

しかしながら、電気脱イオン装置の濃縮水をさらに別の装置で濃縮する場合、そのための装置の設置スペースが必要になるだけでなく、コストを上昇させる。また、システム全体で液の利用率を高める方法は、前段の装置との運転工程の調整などを行う必要があり、装置の設計や運転操作も複雑になる。特に電気脱イオン装置の前段の装置が複雑であればそれだけ、運転操作も面倒になる。従って、電気脱イオン装置単体で濃縮倍率を高めることができれば、極めて都合がよい。

一方、特開２００１−９７６号公報には、電気透析装置の濃縮室を隔膜により２室に分割し、そのうちの陰極側濃縮室に陽極側濃縮室とは異なる供給水を流入、排出させることで濃縮室内での硬度成分の析出、蓄積を防止して脱イオン水を製造する濃縮室を２室に分割した脱イオン水製造装置が開示されている。
特開２００１−９７６号公報（請求項１、図１）

しかしながら、特開２００１−９７６号公報記載の濃縮室を２室に分割した脱イオン水製造装置は、濃縮室を経由する濃縮水循環系を備えることの記載はない。このため、濃縮室内での硬度成分の析出、蓄積を防止し長期間安定して脱イオン性能を維持するものの、濃縮倍率を高め水の利用率を高めるものではない。

従って、本発明の目的は、濃縮排液の量を劇的に低減し、電気脱イオン装置単体でも液利用率が極めて高い電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法を提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、濃縮室を２室以上に分割した特定構造の電気脱イオン装置において、該一次濃縮室を経由する一次濃縮液循環系と、該二次濃縮室を経由する二次濃縮液循環系の２つの循環系を備えたものとすれば、二次濃縮液循環系からブローされる濃縮排液の量を劇的に低減し、電気脱イオン装置単体でも液利用率が極めて高い運転ができること等を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、脱イオン室、濃縮室及び電極室を有すると共に、一対の電極に電圧を印加することで脱イオン室から脱イオン液を得る電気脱イオン装置において、該濃縮室は、隔膜により２室以上に分割され、希薄な濃縮液が供給される一次濃縮室とそれよりも濃厚な濃縮液が供給される二次濃縮室により構成され、該一次濃縮室は脱イオン室の陰極側又は陽極側の一方又は両方に配置され、該脱イオン室と該一次濃縮室の接合体と、該二次濃縮室は交互に積層され、該一次濃縮室を経由する一次濃縮液循環系と、該二次濃縮室を経由する二次濃縮液循環系の２つの濃縮液循環系を備えることを特徴とする電気脱イオン装置を提供するものである。

また、本発明は、脱イオン室、濃縮室及び電極室を有し、該濃縮室は、隔膜により２室以上に分割され、希薄な濃縮液が供給される一次濃縮室とそれよりも濃厚な濃縮液が供給される二次濃縮室により構成され、該一次濃縮室は脱イオン室の陰極側又は陽極側の一方又は両方に配置され、該脱イオン室と該一次濃縮室の接合体と、該二次濃縮室は交互に積層された電気脱イオン装置において、被処理液を脱イオン室に流入させ、一対の電極に電圧を印加することで脱イオン室から脱イオン液を得、二次濃縮室から被処理液の０．０００１〜１体積％の濃縮液を循環運転して系外へ排出することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法を提供するものである。

本発明の電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法によれば、二次濃縮液循環系からブローされる濃縮排液の量を劇的に低減し、電気脱イオン装置単体でも液利用率が極めて高い運転ができる。このため、濃縮液を前段に戻したり、更に濃縮する等の再利用する必要がないため、装置が単純化でき設計し易いものとなる。また、濃縮排液から有価物を効率的に回収することができる。
また、脱イオン室の両側に一次濃縮室が設置される電気脱イオン装置の場合、直接高濃度の濃縮液が脱塩室に拡散することはなく、処理液の水質を低下させることはない。
また、脱イオン室を２つの小脱イオン室に区画させた電気脱イオン装置においては、濃縮室の数を減少させることができ、濃縮室を流れる濃縮液の濃度をより濃厚とすることができる。
また、一次濃縮室にイオン交換体を充填すれば、一次濃縮室の電気抵抗を下げ、印加電圧を低減することができるため、直流電源の運転コストを削減することができる。また、一次濃縮室に脱イオン機能を持たせることができるため、高濃度濃縮を促進する。
また、二次濃縮室にイオン交換体を充填すれば、一次濃縮室と同様に運転コストを削減することができる。また、イオン交換体が二次濃縮室を循環するイオンを吸着する担体としての役割を果たし、高濃度濃縮を促進する。

本発明の電気脱イオン装置において、脱塩室としては、公知の電気脱イオン装置における脱塩室と同様のものであり、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被処理液が通液されるイオン交換体が充填された１又は複数の室であり、例えば、特開２００１−２３９２７０号公報の従来技術欄に記載された従前の電気式脱イオン水製造装置の脱塩室構造、あるいは特開２００１−２３９２７０号公報記載の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且つ当該アニオン交換膜と当該カチオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される第１小脱塩室と第２小脱塩室を内包し、被処理水が該第１小脱塩室と該第２小脱塩室にこの順序で直列に通水される１つ又は複数の脱塩室が挙げられる。

脱塩室に充填されるイオン交換体としては、カチオン交換体、アニオン交換体及びカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体が挙げられる。これらは脱塩の目的によって適宜決定される。また、イオン交換体の形態としては、特に制限されず、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、特開２００２−３０６９７６号記載の多孔質イオン交換体が挙げられる。脱塩室のＳＶは、通常５０〜５００/ｈ、好ましくは１００〜４００/ｈである。

本発明の電気脱イオン装置において、濃縮室は、上記の特定構造のものであり、一次濃縮室及び二次濃縮室ともに、合成樹脂で成型された内部がくり抜かれた枠体、ゴムパッキン又はガスケット様の枠体等の使用により形成される。濃縮室の内部空間には、膜同士の密着を防止し、流路の確保をするために、導電性又は非導電性水透過性体を配置してもよい。非導電性水透過性体としては、例えば、メッシュ状物、不織布、織布及びこれ以外の多孔質体などが挙げられ、このうちメッシュ状物が網目の選定が容易であると共に水透過性に優れ、濃縮室の差圧上昇を招き難い点で好ましい。

該濃縮室の隔膜としては、一次濃縮室と二次濃縮室で異なる濃縮液が流れ、両者が互いに混合しないでイオン交換が行われるような機能を有するものであればよく、例えばイオン交換膜が挙げられる。イオン交換膜はカチオン交換膜又はアニオン交換膜を用いることができ、被処理液から除去したい成分がカチオンかアニオンかによって、イオン交換膜が選択される。

一次濃縮室を経由する一次濃縮液循環系に供給される供給液としては、特に制限されず、脱イオン室に供給される被処理液から分岐して供給される液であっても、被処理液からの分岐ラインとは別途のラインから供給される液であってもよい。一次濃縮液は、常時循環運転される。従って、一次濃縮液を循環運転するために一次濃縮液貯蔵タンク及び循環ポンプを設置する。なお、一次濃縮液の濃度を適正に制御できるように、一次濃縮液循環配管には一次濃縮液の一部を系外に排出するブロー配管を設置することが好ましい。一次濃縮液の濃度は被処理液の１０〜１０００倍濃厚にするように濃縮室の厚さ、印加電流、濃縮液のＬＶなどが調節される。

二次濃縮室を経由する二次濃縮液循環系は、一次濃縮液循環系とは独立する循環系であり、該二次濃縮液循環系に供給される供給液としては、特に制限されず、脱イオン室に供給される被処理液から分岐して供給される液であっても、被処理液からの分岐ラインとは別途のラインから供給される液であってもよい。二次濃縮液は常時循環運転される。従って、二次濃縮液を循環運転するために二次濃縮液貯蔵タンク及び循環ポンプを設置する。また、二次濃縮液の濃度を適正に制御できるように、二次濃縮液循環配管には二次濃縮液の一部を系外に排出するブロー配管を設置する。二次濃縮液の濃度は一次濃縮液の１０〜１０００倍濃厚にするように濃縮室のＬＶ、厚さ、印加電流などが調節される。二次濃縮液の排出量は被処理液の０．０００１〜１％であり、劇的に低減している。この場合、電気脱イオン装置の濃縮倍率は１０^２〜１０^６となる。

一次濃縮室及び二次濃縮室は、イオン交換体が充填されていても、充填されていなくてもいずれでもよいが、一次濃縮室と二次濃縮室の少なくとも一方には、アニオン交換体又はカチオン交換体単床、又はアニオン交換体とカチオン交換体が１：９〜９：１の体積比で混合された混床が充填されていることが好ましい。これらのイオン交換体は、濃縮したい成分に応じて決定される。イオン交換体の形態としては、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、特開２００２−３０６９７６号公報記載の多孔質イオン交換体が挙げられる。いずれも電気抵抗を低減し、濃縮倍率を高くすることができるという点で好ましい。

一次濃縮室及び二次濃縮室の厚さとしては、共に、それぞれ０．５〜６ｍｍが好ましく、特に１．０〜５．０ｍｍが好ましい。０．５ｍｍ未満であると、濃縮室の構造を維持することが難しく、一次濃縮室と二次濃縮室のイオン交換膜が接触しやすくなり、濃縮室の性能を発揮できない。また通水差圧も上昇しやすい。一方、６ｍｍを超えると電気抵抗が高くなり、消費電力が増大する。濃縮室のＬＶは、通常５〜２００ｍ/ｈ程度である。

被処理液としては、特に制限されないが、例えば半導体製造分野におけるウエハー洗浄排水、酸やアルカリ成分を含有する水、単成分からなる廃液、実験室などで使用される試薬などが挙げられる。ウエハー洗浄排水としては、ＮＨ_３、ＨＦ、Ｈ_２ＳＯ_４、ＴＭＡＨ、Ｈ_３ＰＯ_４、ＩＰＡなどが単成分又は複数混合して含有される水が挙げられる。電気脱イオン装置に掛ける直流電流の電流密度としては、定電流で０．１〜５Ａ/ｄｍ^２が好ましい。

次に、本発明の第１の実施の形態における電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法を図１を参照して説明する。図１は脱カチオン液を得ることを目的とした電気脱カチオン装置のフロー図である。図１中、符号Ｄは脱カチオン室、Ｃ１は一次濃縮室、Ｃ２は二次濃縮室、Ｅは電極室、Ａはアニオン交換膜、Ｃはカチオン交換膜をそれぞれ示す。なお、図１中、一次濃縮液及び二次濃縮液は被処理液から分岐して供給されるが、図面ではその記載を省略した（図２以降も同様である）。

電気脱カチオン装置１ａは、電気脱カチオン装置本体１１ａ、２つの脱カチオン室Ｄに被処理液をそれぞれ流入させる被処理液流入配管１２、２つの脱カチオン室Ｄの処理液を流出させる脱カチオン液流出配管１３、４つの一次濃縮室Ｃ１を経由する一次濃縮液循環配管１４、３つの二次濃縮室Ｃ２を経由する二次濃縮液循環配管１５及び二次濃縮液循環配管１５から分岐する二次濃縮液ブロー配管１６を備える。

電気脱カチオン装置本体１１ａは、陽極室Ｅ及び陰極室Ｅが両端に配置され、陽極側がアニオン交換膜Ａで区画され陰極側がカチオン交換膜Ｃで区画されるカチオン交換体が充填された脱カチオン室Ｄ、Ｄと、脱カチオン室Ｄと脱カチオン室Ｄの間に濃縮室Ｃ１、Ｃ２を配置すると共に、陽極室側から陰極室側に向けて順に、濃縮室Ｃ１、Ｃ２、脱カチオン室Ｄ、濃縮室Ｃ１、Ｃ２、脱カチオン室Ｄ、濃縮室Ｃ１、Ｃ２及び一次濃縮室Ｃ１を配置したものである。

濃縮室は、カチオン交換膜Ｃにより、希薄な濃縮液が供給される一次濃縮室Ｃ１とそれよりも濃厚な濃縮液が供給される二次濃縮室Ｃ２に分割され、一次濃縮室Ｃ１は脱カチオン室Ｄの陰極側に配置され、脱カチオン室Ｄと一次濃縮室Ｃ１の接合体と、二次濃縮室Ｃ２が交互に積層されたものである。なお、一次濃縮室Ｃ１にはカチオン交換体が充填されている。また、電極室Ｅに隣接する室を一次濃縮室Ｃ１とすることにより、不純物成分が電極室Ｅに拡散することがなく、該不純物成分による電極Ｅの腐食の問題を回避することができる。

次に、電気脱カチオン装置１ａの運転方法を説明する。カチオン性不純物を含む被処理液は、被処理液流入配管１２を通って脱カチオン室Ｄに流入し、一対の電極Ｅに電圧を印加することで脱カチオン室Ｄから脱カチオン液を得ることができる。脱カチオン室Ｄで除去されたカチオン性不純物は、カチオン交換膜Ｃを透過し、一次濃縮室Ｃ１に流入する。一次濃縮室Ｃ１は、カチオン交換体が充填されているため、電気抵抗を下げ、印加電圧を低減することができるため、直流電源の運転コストを削減することができる。また、一次濃縮室Ｃ１は脱イオン機能を有するため、カチオン性不純物は、カチオン交換膜Ｃを透過し、二次濃縮室Ｃ２に流入する。このため、二次濃縮室Ｃ２からカチオン性不純物が濃縮倍率１０^２〜１０^６にまで高濃度に濃縮された濃縮液を得ることができる。すなわち、二次濃縮液ブロー配管１６から系外へ排出される濃縮液は、被処理液の０．０００１〜１体積％の量であり、劇的に低減することができる。また、濃縮倍率が高いため、アルカリを効率的に回収することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態における電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法を図２を参照して説明する。図２は脱アニオン液を得ることを目的とした電気脱アニオン装置のフロー図である。図２において、図１と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。但し、図２中、符号Ｄは脱アニオン室をそれぞれ示す。

電気脱アニオン装置１ｂは、電気脱アニオン装置本体１１ｂ、２つの脱アニオン室Ｄに被処理液をそれぞれ流入させる被処理液流入配管１２、２つの脱アニオン室Ｄの処理液を流出させる脱アニオン液流出配管１３、４つの一次濃縮室Ｃ１を経由する一次濃縮液循環配管１４、３つの二次濃縮室Ｃ２を経由する二次濃縮液循環配管１５及び二次濃縮液循環配管１５から分岐する二次濃縮液ブロー配管１６を備える。

電気脱アニオン装置本体１１ｂは、陽極室Ｅ及び陰極室Ｅが両端に配置され、陽極側がアニオン交換膜Ａで区画され陰極側がカチオン交換膜Ｃで区画されるアニオン交換体が充填された脱アニオン室Ｄ、Ｄと、脱アニオン室Ｄと脱アニオン室Ｄの間に濃縮室Ｃ１、Ｃ２を配置すると共に、陰極室側から陽極室側に向けて順に、濃縮室Ｃ１、Ｃ２、脱カチオン室Ｄ、濃縮室Ｃ１、Ｃ２、脱カチオン室Ｄ、濃縮室Ｃ１、Ｃ２及び一次濃縮室Ｃ１を配置したものである。

濃縮室は、アニオン交換膜Ａにより、希薄な濃縮液が供給される一次濃縮室Ｃ１とそれよりも濃厚な濃縮液が供給される二次濃縮室Ｃ２に分割され、一次濃縮室Ｃ１は脱アニオン室Ｄの陽極側に配置され、脱アニオン室Ｄと一次濃縮室Ｃ１の接合体と、二次濃縮室Ｃ２が交互に積層されたものである。なお、一次濃縮室Ｃ１にはアニオン交換体が充填されている。

次に、電気脱アニオン装置１ｂの運転方法を説明する。アニオン性不純物を含む被処理液は、被処理液流入配管１２を通って脱アニオン室Ｄに流入し、一対の電極Ｅに電圧を印加することで脱アニオン室Ｄから脱アニオン液を得ることができる。脱アニオン室Ｄで除去されたアニオン性不純物は、アニオン交換膜Ａを透過し、一次濃縮室Ｃ１に流入する。一次濃縮室Ｃ１は、アニオン交換体が充填されているため、電気抵抗を下げ、印加電圧を低減することができるため、直流電源の運転コストを削減することができる。また、一次濃縮室Ｃ１は脱イオン機能を有するため、アニオン性不純物は、アニオン交換膜Ａを透過し、二次濃縮室Ｃ２に流入する。このため、二次濃縮室Ｃ２からアニオン性不純物が濃縮倍率１０^２〜１０^６にまで高濃度に濃縮された濃縮液を得ることができる。電気脱アニオン装置１ｂによれば、電気脱アニオン装置１ａと同様の効果を奏する他、濃縮液から、酸を効率的に回収することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態における電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法を図３を参照して説明する。図３は電気脱イオン装置のフロー図である。図３において、図１と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。

電気脱イオン装置１ｃは、電気脱イオン装置本体１１ｃ、２つの脱イオン室Ｄに被処理液をそれぞれ流入させる被処理液流入配管１２、２つの脱イオン室Ｄの処理液を流出させる脱イオン液流出配管１３、６つの一次濃縮室Ｃ１を経由する一次濃縮液循環配管１４、３つの二次濃縮室Ｃ２を経由する二次濃縮液循環配管１５及び二次濃縮液循環配管１５から分岐する二次濃縮液ブロー配管１６を備える。

電気脱イオン装置本体１１ｃは、陽極室Ｅ及び陰極室Ｅが両端に配置され、陽極側がアニオン交換膜Ａで区画され陰極側がカチオン交換膜Ｃで区画されるカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体が充填された脱イオン室Ｄ、Ｄと、脱イオン室Ｄと脱イオン室Ｄの間に濃縮室Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１を配置すると共に、陰極室側から陽極室側に向けて順に、濃縮室Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１、脱イオン室Ｄ、濃縮室Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１、脱イオン室Ｄ、濃縮室Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１を配置したものである。

濃縮室は、アニオン交換膜Ａ及びカチオン交換膜Ｃにより、希薄な濃縮液が供給される一次濃縮室Ｃ１、Ｃ１とそれよりも濃厚な濃縮液が供給される二次濃縮室Ｃ２に３分割され、一次濃縮室Ｃ１は脱イオン室Ｄの陽極側と陰極側の双方に配置され、脱イオン室Ｄと２つの一次濃縮室Ｃ１、Ｃ１の接合体と、二次濃縮室Ｃ２が交互に積層されたものである。なお、一次濃縮室Ｃ１にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体が充填されているが、これに限定されず、脱塩室の陽極側に配置される一次濃縮室Ｃ１にはアニオン交換体単床を、脱塩室の陰極側に配置される一次濃縮室Ｃ１にはカチオン交換体床を充填してもよい。

次に、電気脱アニオン装置１ｃの運転方法を説明する。イオン性不純物を含む被処理液は、被処理液流入配管１２を通って脱イオン室Ｄに流入し、一対の電極Ｅに電圧を印加することで脱イオン室Ｄから脱イオン液を得ることができる。脱イオン室Ｄで除去されたイオン性不純物のうち、アニオン性不純物は、アニオン交換膜Ａを透過し、陽極側に位置する一次濃縮室Ｃ１に流入する。一次濃縮室Ｃ１は、混合イオン交換体が充填されているため、電気抵抗を下げ、印加電圧を低減することができるため、直流電源の運転コストを削減することができる。また、一次濃縮室Ｃ１は脱イオン機能を有するため、アニオン性不純物は、アニオン交換膜Ａを透過し、陽極側に位置する二次濃縮室Ｃ２に流入する。一方、脱イオン室Ｄで除去されたイオン性不純物のうち、カチオン性不純物は、カチオン交換膜Ｃを透過し、陰極側に位置する一次濃縮室Ｃ１に流入する。一次濃縮室Ｃ１は同様に、脱イオン機能を有するため、カチオン性不純物は、カチオン交換膜Ｃを透過し、陰極側に位置する二次濃縮室Ｃ２に流入する。このため、二次濃縮室Ｃ２からアニオン性不純物とカチオン性不純物が濃縮倍率１０^２〜１０^６にまで高濃度に濃縮された濃縮液を得ることができる。電気脱アニオン装置１ｃによれば、脱イオン室Ｄの両側に一次濃縮室Ｃ１が設置されるため、直接高濃度の濃縮液が脱イオン室Ｄに拡散することはなく、処理液の水質を低下させることはない。

次に、本発明の第４の実施の形態における電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法を図４及び図５を参照して説明する。図４は脱カチオン液を得ることを目的とした電気脱カチオン装置の他のフロー図であり、図５は図４におけるＤ２の構造を示す簡略図である。図４及び図５において、図１と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、電気脱カチオン装置１ｄにおいて、電気脱カチオン装置１ａと異なる点は脱イオン室構造にある。なお、図４中、符号Ｄ２は他の脱カチオン室を示す。

電気脱カチオン装置１ｄの脱塩室Ｄ２は、図５に示すように、一側のカチオン交換膜Ｃと他側のアニオン交換膜Ａとその中間に位置する中間イオン交換膜１８で２つの小脱イオン室ｄ１、ｄ２に区画され、一方の小脱イオン室ｄ１の流出配管１２ａと他方の小脱イオン室ｄ２の流入管１２ｂが連接されたものである。小脱イオン室ｄ１、ｄ２に充填されるイオン交換体としては、特に制限されず、カチオン交換体、アニオン交換体、カチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体のいずれであってもよい。また、中間イオン交換膜もアニオン膜、カチオン膜のいずれであってもよく、また、例えば流入方向において二分し、一方をアニオン膜、他方をカチオン膜とする複式膜であってもよい。

電気脱カチオン装置１ｄによれば、電気脱カチオン装置１ａと同様の効果を奏する他、イオン交換体が充填された脱イオン室一つ当たりの濃縮室の数を半分にすることができ、電気抵抗を著しく低減することができる。また、濃縮室の数が少なくなったことによって、濃縮室を流れる濃縮液の濃度をより濃厚とすることができる。また、カチオンとアニオンの混合成分の処理性能が向上する。特に、酸又はアルカリなどのアニオン又はカチオン成分のどちらか一方が多く含まれている混合成分を処理する場合、小脱塩室ｄ１に除去したい成分を取れるイオン交換体を充填し、小脱塩室ｄ２を混床にすることで処理性能が向上する。そして、アニオンやカチオンのうち除去しにくい成分を選択的に除去できる。

次に、本発明の第５の実施の形態における電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法を図６及び図５を参照して説明する。図６は脱アニオン液を得ることを目的とした電気脱カアニオン装置の他のフロー図である。図６及び図５において、図２と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、電気脱カチオン装置１ｅにおいて、電気脱カチオン装置１ｂと異なる点は脱イオン室構造にある。なお、図６中、符号Ｄ２は他の脱アニオン室を示し、図５に示す脱塩構造を有するものである。

電気脱アニオン装置１ｅの脱塩室Ｄ２は、図５に示すように、電気脱カチオン装置１ｄの脱塩室構造と同じである。電気脱アニオン装置１ｅによれば、電気脱カチオン装置１ｂと同様の効果を奏する他、脱塩室を分割した効果については、電気脱カチオン装置１ｄと同様の効果を奏する。

次に、本発明の第６の実施の形態における電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法を図７及び図５を参照して説明する。図７は脱イオン液を得ることを目的とした電気脱イオン装置の他のフロー図である。図７及び図５において、図３と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、電気脱カチオン装置１ｆにおいて、電気脱カチオン装置１ｃと異なる点は脱イオン室構造にある。なお、図７中、符号Ｄ２は他の脱イオン室を示し、図５に示す脱塩構造を有するものである。

電気脱イオン装置１ｆの脱塩室Ｄ２は、図５に示すように、電気脱カチオン装置１ｄの脱塩室構造と同じである。電気脱イオン装置１ｆによれば、電気脱カチオン装置１ｃと同様の効果を奏する他、脱塩室を分割した効果については、電気脱カチオン装置１ｄと同様の効果を奏する。

次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

カチオン成分の除去性能を調べるために、図１の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記装置仕様及び運転条件において、６０００時間運転した。被処理液の一部はそのまま濃縮液及び電極液として使用した。一次濃縮液及び二次濃縮液はそれぞれ５Ｌのタンクを用いて循環運転した。また、１６．８ｍｌ/週で二次濃縮液を排液し、同量の被処理液を二次濃縮室に常に供給した。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液のＮａ^＋濃度並びに処理液中の水質をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。

（電気脱イオン装置）
・脱イオン室：幅１００ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚さ８ｍｍ、４セル
・一次濃縮室：幅１００ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚さ３ｍｍ、６セル
・二次濃縮室：幅１００ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚さ３ｍｍ、５セル
・脱イオン室及び一次濃縮室充填イオン交換樹脂：カチオン交換樹脂ＩＲ１２０Ｂ（ロームアンドハース社製）
・イオン交換膜：カチオン交換膜（ネオセプタＣ６６−１０Ｆ）、アニオン交換膜（ネオセプタＡＨＡ）（ともにアストム社製）
・被処理液：超純水にＮａＯＨを添加してＮａ^＋を０．１ｍｇＮａ^＋/Ｌの濃度で含有させた水
・処理液量：１００Ｌ/ｈ（ＳＶ＝１０４ｈ^−１）
・一次濃縮液及び二次濃縮液の循環液流量：３０Ｌ/ｈ（ＬＶ＝１６〜２０ｍ/ｈ）
・電流密度：０．２Ａ／ｄｍ^２

図１の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用した以外は実施例１と同様の方法で行った。但し、図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置は、カチオン成分を除去する目的で使用したものであり、脱塩室及び一次濃縮室には、カチオン交換樹脂を充填して使用した。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液のＮａ^＋濃度並びに処理液中の水質をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。

図１の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図４の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記運転条件とした以外は実施例１と同様の方法で行った。但し、図４の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置は、カチオン成分を除去する目的で使用したものであり、２つの小脱塩室及び一次濃縮室には、カチオン交換樹脂を充填して使用した。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液のＮａ^＋濃度並びに処理液中の水質をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。
（電気脱イオン装置）
・小脱イオン室ｄ１の厚さ：８ｍｍ
・小脱イオン室ｄ２の厚さ：４ｍｍ

図１の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図７の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用した以外は実施例１と同様の方法で行った。但し、図７の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置は、カチオン成分を除去する目的で使用したものであり、２つの小脱塩室及び一次濃縮室には、カチオン交換樹脂を充填して使用した。また、２つの小脱塩室の厚さは実施例３に示したものである。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液のＮａ^＋濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。

比較例１
図１の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図８の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記装置仕様及び運転条件とした以外は実施例１と同様の方法で行った。６０００時間後の濃縮液及び処理液のＮａ^＋濃度並びに処理液中の水質をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。なお、表１中、濃縮液は一次濃縮液で示した。

（図８の電気脱イオン装置）
図８の電気脱イオン装置１ｇは、特開２００１−２３９２７０号公報の従来技術欄に記載された装置であって、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、両膜の間に脱塩室と濃縮室を交互に形成したものである。但し、比較例１では、カチオン成分を除去する目的で使用したものであり、脱塩室及び濃縮室には、カチオン交換樹脂を充填して使用した。
・濃縮室：幅１００ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚さ３ｍｍ

比較例２
図４の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図９の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記装置仕様及び運転条件とした以外は実施例３と同様の方法で行った。６０００時間後の濃縮液及び処理液のＮａ^＋濃度並びに処理液中の水質をそれぞれ測定した。その結果を表１に示す。なお、表１中、濃縮液は一次濃縮液で示した。

（図９の電気脱イオン装置）
図９の電気脱イオン装置１ｈは、特開２００１−２３９２７０号公報に記載された装置であって、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、両膜の間に脱塩室と濃縮室を交互に形成したものであり、脱塩室は図５に示す構造をとるものである。但し、比較例２では、カチオン成分を除去する目的で使用したものであり、脱塩室及び濃縮室には、カチオン交換樹脂を充填して使用した。

表１の結果より、濃縮室が２又は３室に分割された実施例１〜４は濃縮倍率が約１０^６倍でも、１６ＭΩ・ｃｍ以上の処理水質が出るのに対し、濃縮室が１室の比較例１及び２では濃縮倍率が１０^３倍で処理水質は悪化した。これは、濃縮成分であるカチオン性不純物が濃縮室から脱イオン室へイオン交換膜を介して移動して処理水質を悪化させたものと思われる。

アニオン成分の除去性能を調べるために、図２の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記装置仕様及び運転条件とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液中のＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。

（電気脱イオン装置）
・脱イオン室及び一次濃縮室充填イオン交換樹脂：アニオン交換樹脂ＩＲＡ４０２ＢＬ（ロームアンドハース社製）
・被処理液：超純水にＨＣｌを添加してＣｌ⁻を０．１ｍｇＣｌ⁻/Ｌの濃度で含有させた水

図２の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用した以外は実施例５と同様の方法で行った。但し、図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置は、アニオン成分を除去する目的で使用したものであり、脱塩室及び一次濃縮室には、アニオン交換樹脂を充填して使用した。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液中のＣｌ⁻濃度並びに処理液中の水質をそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。

図２の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図６の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記運転条件とした以外は実施例５と同様の方法で行った。但し、図６の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置は、アニオン成分を除去する目的で使用したものであり、２つの小脱塩室及び一次濃縮室には、アニオン交換樹脂を充填して使用した。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液中のＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表２示す。
（電気脱イオン装置）
・小脱イオン室ｄ１の厚さ：８ｍｍ
・小脱イオン室ｄ２の厚さ：４ｍｍ

図２の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図７の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用した以外は実施例５と同様の方法で行った。但し、図７の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置は、アニオン成分を除去する目的で使用したものであり、２つの小脱塩室及び一次濃縮室には、アニオン交換樹脂を充填して使用した。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液中のＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。

比較例３
図２の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図８の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記装置仕様及び運転条件とした以外は実施例５と同様の方法で行った。６０００時間後の濃縮液及び処理液中のＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。なお、表２中、濃縮液は一次濃縮液で示した。

比較例４
図６の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図９の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記装置仕様及び運転条件とした以外は実施例７と同様の方法で行った。６０００時間後の濃縮液及び処理液中のＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。なお、表２中、濃縮液は一次濃縮液で示した。

表２の結果より、濃縮室が２又は３室に分割された実施例５〜８は濃縮倍率が約１０^６倍でも、１６ＭΩ・ｃｍ以上の処理水質が出るのに対し、濃縮室が１室の比較例３及び４では濃縮倍率が１０^３倍で処理水質は悪化した。これは、濃縮成分であるアニオン性不純物が濃縮室から脱イオン室へイオン交換膜を介して移動して処理水質を悪化させたものと思われる。

カチオン成分とアニオン成分の混合成分の除去性能を調べるために、図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置を使用し、下記装置仕様及び運転条件とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液中のＮａ^＋及びＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表３に示す。

（電気脱イオン装置）
・脱イオン室及び一次濃縮室充填イオン交換樹脂：カチオン交換樹脂ＩＲ１２０Ｂとアニオン交換樹脂ＩＲＡ４０２ＢＬ（共にロームアンドハース社製）の体積比１：１の混合イオン交換樹脂
・被処理液：超純水にＮａＯＨ及びＨＣｌを添加してＮａ^＋とＣｌ⁻をそれぞれ０．１ｍｇＮａ^＋/Ｌと０．１ｍｇＣｌ⁻/Ｌの濃度となるように含有させた水

図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図７の装置と同様の構成の電気脱イオン装置を使用したこと以外は、実施例９と同様の方法で行った。但し、図７の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置は、アニオン成分及びカチオン成分を共に除去する目的で使用したものであり、２つの小脱塩室及び一次濃縮室には、上記の混合イオン交換樹脂を充填して使用した。６０００時間後の一次濃縮液、二次濃縮液及び処理液中のＮａ^＋とＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表３に示す。ただし、脱イオン室の厚さはそれぞれ下記の通りである。
・小脱イオン室ｄ１の厚さ：８ｍｍ
・小脱イオン室ｄ２の厚さ：４ｍｍ

比較例５
図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図８の装置と同様の構成の電気脱イオン装置を使用したこと以外は実施例９と同様の方法で行った。６０００時間後の濃縮液及び処理液中のＮａ^＋とＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表３に示す。なお、表３中、濃縮液は一次濃縮液で示した。

比較例６
図３の装置と同様の構成からなる電気脱イオン装置に代えて、図９の装置と同様の構成の電気脱イオン装置を使用したこと以外は実施例９と同様の方法で行った。６０００時間後の濃縮液及び処理液中のＮａ^＋とＣｌ⁻濃度並びに処理液の水質をそれぞれ測定した。その結果を表３に示す。なお、表３中、濃縮液は一次濃縮液で示した。

表３の結果より、濃縮室が３室に分割された実施例９〜１０は濃縮倍率が約１０^６倍でも、１６ＭΩ・ｃｍ以上の処理水質が出るのに対し、濃縮室が１室の比較例５及び６では濃縮倍率が１０^３倍で処理水質は悪化した。これは、濃縮成分であるアニオン性不純物及びカチオン性不純物が濃縮室から脱イオン室へイオン交換膜を介して移動して処理水質を悪化させたものと思われる。

脱カチオン液を得るための電気脱カチオン装置のフロー図である。脱アニオン液を得るための電気脱カチオン装置のフロー図である。脱イオン液を得るための電気脱カチオン装置のフロー図である。図１の電気脱カチオン装置の脱塩室構造が異なる他のフロー図である。図４の電気脱カチオン装置の脱塩室の構造を示す簡略図である。図２の電気脱カチオン装置の脱塩室構造が異なる他のフロー図である。図３の電気脱イオン装置の脱塩室構造が異なる他のフロー図である。従来の電気脱イオン装置のフロー図である。従来の電気脱イオン装置の脱塩室構造が異なる他のフロー図である。

符号の説明

１ａ〜１ｈ電気脱イオン装置
１１ａ〜１１ｈ電気脱イオン装置本体
１２被処理液流入管
１３処理液流出管
１４一次濃縮液循環系
１５二次濃縮液循環系
１６二次濃縮液ブロー配管
Ｃ１一次濃縮室
Ｃ２二次濃縮室
Ｄ脱塩室
Ｃカチオン交換膜
Ａアニオン交換膜

Claims

脱イオン室、濃縮室及び電極室を有すると共に、一対の電極に電圧を印加することで脱イオン室から脱イオン液を得る電気脱イオン装置において、
該濃縮室は、隔膜により２室以上に分割され、希薄な濃縮液が供給される一次濃縮室とそれよりも濃厚な濃縮液が供給される二次濃縮室により構成され、該一次濃縮室は脱イオン室の陰極側又は陽極側の一方又は両方に配置され、
該脱イオン室と該一次濃縮室の接合体と、該二次濃縮室は交互に積層され、
該一次濃縮室を経由する一次濃縮液循環系と、該二次濃縮室を経由する二次濃縮液循環系の２つの濃縮液循環系を備えることを特徴とする電気脱イオン装置。
前記脱イオン室は、一側のカチオン交換膜と他側のアニオン交換膜とその中間に位置する中間イオン交換膜の隔膜で２つの小脱イオン室に区画され、一方の小脱イオン室の流出配管と他方の小脱イオン室の流入管が連接されたものであることを特徴とする請求項１記載の電気脱イオン装置。
前記濃縮室の隔膜は、カチオン交換膜又はアニオン交換膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の電気脱イオン装置。
前記一次濃縮室と前記二次濃縮室の少なくとも一方には、アニオン交換体又はカチオン交換体単床、又はアニオン交換体とカチオン交換体が１：９〜９：１の体積比で混合された混床が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電気脱イオン装置。
前記中間イオン交換膜は、カチオン交換膜あるいはアニオン交換膜の単一膜、又はアニオン交換膜及びカチオン交換膜の両方を配置した複式膜であることを特徴とする請求項２記載の電気脱イオン装置。
脱イオン室、濃縮室及び電極室を有し、
該濃縮室は、隔膜により２室以上に分割され、希薄な濃縮液が供給される一次濃縮室とそれよりも濃厚な濃縮液が供給される二次濃縮室により構成され、該一次濃縮室は脱イオン室の陰極側又は陽極側の一方又は両方に配置され、
該脱イオン室と該一次濃縮室の接合体と、該二次濃縮室は交互に積層された電気脱イオン装置において、
被処理液を脱イオン室に流入させ、一対の電極に電圧を印加することで脱イオン室から脱イオン液を得、二次濃縮室から被処理液の０．０００１〜１体積％の濃縮液を循環運転して系外へ排出することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
前記脱イオン室は、一側のカチオン交換膜と他側のアニオン交換膜とその中間に位置する中間イオン交換膜の隔膜で２つの小脱イオン室に区画され、一方の小脱イオン室の流出配管と他方の小脱イオン室の流入管が連接されたものであることを特徴とする請求項６記載の電気脱イオン装置の運転方法。