JP4492898B2

JP4492898B2 - 脱イオンモジュール及び電気式脱イオン水製造装置

Info

Publication number: JP4492898B2
Application number: JP2000182702A
Authority: JP
Inventors: 真生日高; 真紀夫田村; 康孝新明; 修川口; 孝治中沢
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP2002001072A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造分野、医製薬製造分野、原子力や火力等の発電分野、食品工業などの各種産業又は研究所施設において使用される電気式脱イオン水製造装置及び脱イオンモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、脱イオン水を製造するには、イオン交換樹脂が利用されている。このイオン交換樹脂は、通常薬剤による再生を必要とする。このため、該イオン交換樹脂を利用した脱イオンと電気透析作用を組合せ、薬剤による再生が不要で、高度な脱イオン水を得る電気式脱イオン水製造装置が知られている。
【０００３】
該電気式脱イオン水製造装置は、例えば、基本的にはカチオン交換膜、内部がくり抜かれたセル枠及びアニオン交換膜で積層され、内部にイオン交換体を充填して脱イオンモジュールを形成し、当該イオン交換体に被処理水を通過させると共に、前記両イオン交換膜を介して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水中に被処理水中のイオンを電気的に排除しながら脱イオン水を製造するものである。
【０００４】
該脱イオンモジュールを構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜などのイオン交換膜は、通常、イオン交換樹脂などのイオン交換体を潰してバインダーと共に成形して得られる不均質膜と、スチレン、ＤＶＢ、可塑剤及び重合触媒からなる液を支持布などに含浸又は塗布して作製される均質膜の２種類があるが、最近では電気抵抗が高く輸率の低い不均質膜よりも、電気抵抗が低く輸率の高い均質膜の方が好まれて使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような電気式脱イオン水製造装置において、特に、脱塩室と濃縮室に圧力差が生じるような運転が行われると、脱塩室から流出する処理水の水質が顕著に低下してしまうことがある。この場合、電圧上昇といった問題も生じて、運転停止という最悪の事態に至る。このような問題は脱塩室と濃縮室の比較的低い圧力差でも起こるものであった。すなわち、電気式脱イオン水製造装置の、例えば、処理水の増減に伴う脱塩室の圧力変動、濃縮室内への供給流量の変動に伴う濃縮室の圧力変動など、通常の運転条件下において生じる圧力差程度のもので起こり得るものであり、このような通常運転下で発生する突然の処理水の顕著な水質低下は、言わば、原因不明の難問題であった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、脱塩室と濃縮室に圧力差が生じるような運転下でも、優れた水質の処理水を安定して製造できる電気式脱イオン水製造装置及びこれに使用される脱イオンモジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、(1) このような事態に陥った電気式脱イオン水製造装置を分解したところ、脱イオンモジュールを構成するイオン交換膜に破れがあり、この破れの箇所はセル枠の内側の縁近傍で、縁で切断されたように発生していたこと、(2) イオン交換膜のセル枠への取付は、イオン交換膜の基材である支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とが合致する向きで行われていたこと、すなわち、イオン交換膜は製品出荷の際、繊維方向が正確な縦横方向にあるロール巻きであり、これを使用して脱イオンモジュールを組付けるには、当然の如く、イオン交換膜の歩留り（利用率）を高めるため、支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とを合わせて行っていたこと、(3) そして、このような組付け方法は、意外にも脱塩室と濃縮室の比較的低い圧力差でもセル枠の内側の縁部でイオン交換膜が繊維方向に容易に破れるものの、セル枠への支持布の取付をセル枠の内側の縁部に対して、繊維方向が少し傾く（違える）ように設置するだけで、容易には破れることがない強固なイオン交換膜面が得られること、などを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明（１）は、一側のイオン交換膜、セル枠及び他側のイオン交換膜で積層され、内部にイオン交換体が充填される電気式脱イオン水製造装置用脱イオンモジュールにおいて、前記イオン交換膜は基材又は支持材として支持布が使用され、且つ組立状態において、前記支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とは互いに違える方向にあることを特徴とする脱イオンモジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、脱塩室と濃縮室に圧力差が生じ、特に、濃縮室の圧力が脱塩室の圧力より高い場合、セル枠の内側の縁がイオン交換膜に食い込み切断力が加わっても、容易には破れることがない。
【０００９】
また、本発明（２）は、一側のイオン交換膜、一方のセル枠、中間イオン交換膜、他方のセル枠及び他側のイオン交換膜で積層され、二つの内部にイオン交換体が充填される電気式脱イオン水製造装置用脱イオンモジュールにおいて、前記イオン交換膜は基材又は支持材として支持布が使用され、且つ組立状態において、前記支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とは互いに違える方向にあることを特徴とする脱イオンモジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、従来の脱塩室のカチオン交換膜とアニオン交換膜との間に、更に中間イオン交換膜を新たに設け、脱塩室を２つの小脱塩室が中間イオン交換膜を隔てて隣接する構造とし、一方の小脱塩室流出水を他方の小脱塩室流入水とする新規な構造の電気式脱イオン水製造装置においても、前記発明と同様の効果を奏する。
【００１０】
また、本発明（３）は、前記支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とで形成される角度は、５〜４５度であることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の脱イオンモジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明と同様の効果を奏する他、広い角度範囲に渡り、設定が可能であるため、角度合わせのための器具などは不要で、簡単に組付けできる。
【００１１】
また、本発明（４）は、前記セル枠の内側の縁は、角が面取りされたものであることを特徴とする前記（１）〜（３）の脱イオンモジュールを提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明と同様の効果を奏する他、セル枠の内側の縁がイオン交換膜に食い込んでも、切断力は働かず、イオン交換膜は更に、破れ難くなる。
【００１２】
また、本発明（５）は、前記（１）〜（４）記載の脱イオンモジュールの複数個をその間にスペーサーを挟んで、並設して脱塩室と濃縮室を構成し、該脱塩室及び濃縮室を陽極と陰極の間に配置して形成されることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、例え、脱塩室と濃縮室に圧力差が生じるような運転下であっても、優れた水質の処理水を長期間に渡り、安定して製造できる装置が得られる。
【００１３】
また、本発明（６）は、前記電気式脱イオン水製造装置の脱塩室及び濃縮室の配列形態が、スパイラル型、同心円型又は平板積層型であることを特徴とする前記（５）記載の電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、このような脱イオンモジュール構造はあらゆる形態の電気式脱イオン水製造装置に適用可能であり、適用範囲が広まると共に、選択の余地が高まる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における脱イオンモジュールを図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における脱イオンモジュールの分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿って見た組付け状態の部分図、図３は二つの脱イオンモジュールを積層した部分模式図をそれぞれ示すものである。本第１の実施の形態における脱イオンモジュール１０は、一側のカチオン交換膜１、内部がくり抜かれた四辺の枠体を有するセル枠３及び他側のアニオン交換膜２が積層され、内部７にはイオン交換体８（図１では示さず）が充填されるものである。また、脱イオンモジュール１０、１０はゴム製のスペーサー６を挟んで積層され、一方の脱イオンモジュール１０のアニオン交換膜２と他方の脱イオンモジュール１０のカチオン交換膜１とで形成される空間部５は濃縮室である。なお、図１〜３中、いずれも流路は省略してある。
【００１５】
この脱イオンモジュール１０において、カチオン交換膜１及びアニオン交換膜２は、共に基材又は支持材として支持布が使用される均質膜である。均質膜の製造方法は、公知の方法が挙げられ、例えば、カチオン交換膜１及びアニオン交換膜２の共通の膜として、予め、スチレン、ＤＶＢ、可塑剤及び重合触媒からなる液を支持布などに含浸又は塗布して均質膜を作製する方法、あるいは、ポリ塩化ビニルフィルムをスチレン、ＤＶＢ、可塑剤及び重合触媒からなる液中に含浸し、一定時間後、取り出してホットプレスをし、その際、寸法安定性を改善するために支持材として支持布を使用して均質膜を作製する方法などが挙げられる。
【００１６】
また、この脱イオンモジュール１０の組付け状態において、カチオン交換膜１及びアニオン交換膜２は、支持布９の繊維方向とセル枠３の内側の縁３１の方向とは互いに違える方向にある。すなわち、図２に示すように、例えば、カチオン交換膜１は、カチオン交換膜１の構成部材である支持布９の縦糸１１の繊維方向Ｘ−Ｘと、セル枠３の縦方向部材３１ａの内側の縁３１１ａの方向Ｙ−Ｙとは角度ａを保持して設置されている。支持布９は通常の布と同様であり、直交する横糸１２と、縦糸１１の織り合わせからなっている。横糸１２及び縦糸１１は単位面積当たりの打ち込み本数は同じもの、又は異なるもののいずれも使用できる。このような、横糸１２及び縦糸１１の繊維方向は目視あるいは拡大鏡で観察できる。
【００１７】
支持布９の繊維方向とセル枠３の内側の縁３１の方向とが互いに違えるとは、具体的には、前記支持布９の縦糸１１の繊維方向Ｘ−Ｘと、前記セル枠３の縦方向部材３１ａの内側の縁３１１ａの方向Ｙ−Ｙとのなす角度ａが、５〜４５度、好ましくは１０〜４５度、更に好ましくは３０〜４５度のものである。角度ａがこの範囲であれば、例え、脱塩室と濃縮室に圧力差が生じるような運転下において、セル枠の内側の縁がイオン交換膜に食い込み切断力が加わっても、容易には破れることがない。また、角度ａが５度以上であれば、組付け後、脱塩室に被処理水が供給され、支持布９が膨潤したり、濃縮室の圧力による押圧を受けて、多少の位置がずれることがあっても、支持布９の繊維方向とセル枠３の内側の縁３１の方向とが合うようなことはない。また、セル枠の横方向部材３１ｂの内側の縁方向に対しては、支持布９の横糸１２の繊維方向で上記と同様に定義される。なお、図２中、符号１３部分は繊維方向を示す説明のためのもので、支持布９の一部に示すに止めた。
【００１８】
また、図３に示すように、前記セル枠３の内側の縁３１１ａは、角が面取りされていてもよい。この面取りにより、セル枠の内側の縁３１１ａがカチオン交換膜１に食い込んだとしても、切断力は働かず、当接状態となるため、イオン交換膜は更に容易には破れることがない。面取りは、縁３１１ａの角の角度９０度が消されたものであればよく、丸状の面取りや角状の面取りであってもよい。
【００１９】
図４は、本発明の第２の実施の形態における脱イオンモジュールの分解斜視図、図５は二つの脱イオンモジュールを積層した部分図をそれぞれ示すものである。図４及び図５において、図１〜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、異なる点についてのみ説明する。すなわち、本第２の実施の形態における脱イオンモジュール１０ａは、一側のカチオン交換膜１、内部がくり抜かれた一方のセル枠３ａ、中間イオン交換膜２１、内部がくり抜かれた他方のセル枠３ｂ及び他側のアニオン交換膜２で積層され、二つの内部７ａ、７ｂにイオン交換体８（図４では示さず）がそれぞれ充填される。また、脱イオンモジュール１０ａ、１０ａはゴム製のスペーサー６を挟んで積層され、一方の脱イオンモジュール１０ａのアニオン交換膜２と他方の脱イオンモジュール１０ａのカチオン交換膜１とで形成される空間部５は濃縮室である。
【００２０】
本発明の電気式脱イオン水製造装置としては、特に制限されず、例えば、平板積層型電気式脱イオン水製造装置は、最も汎用される型であり、図３に示すように、脱イオンモジュール１０の複数個をその間にスペーサー６を挟んで、並設して脱塩室４と濃縮室５を構成し、該脱塩室４及び濃縮室５を図では省略する陽極と陰極の間に配置して形成されるもの、あるいは、図５に示すように、脱イオンモジュール１０ａの複数個をその間にスペーサー６を挟んで、並設して小脱塩室４ａ、４ｂを備える脱塩室４と濃縮室５を構成し、該脱塩室４及び濃縮室５を図では省略する陽極と陰極の間に配置して形成されるものなどが挙げられる。
【００２１】
更に、該装置の脱塩室及び濃縮室の配列形態が、スパイラル型又は同心円型のものが挙げられる。スパイラル型電気式脱イオン水製造装置は、例えば、中心電極周りにカチオン交換膜とアニオン交換膜を螺旋断面が形成されるように巻回し、脱塩室と濃縮室をその螺旋巻に沿って包囲し、この巻回された膜の外側に電極を配置した構成のものが例示される（例えば、特開平６−７６４５号公報）。同心円型電気式脱イオン水製造装置は、例えば、カチオン交換膜又はアニオン交換膜を支持させた径の異なる複数の筒状の枠体を同心円状に配置し、外側の枠体の外周囲と内側の枠体の内周囲にそれぞれ電極を配置し、前記枠体間に形成される空間を交互に脱塩室と濃縮室とに区画するとともに、最も外側に位置する区画及び最も内側に位置する区画を濃縮室とし、脱塩室にはイオン交換体を充填した構成のものが例示される（例えば、特開平９−２８５７９０号公報）。
【００２２】
スパイラル型電気式脱イオン水製造装置の場合、セル枠は巻回された膜の端部に同様に巻回された形態で取付られる。また、同心円型電気式脱イオン水製造装置の場合、カチオン交換膜又はアニオン交換膜を支持させた径の異なる複数の筒状の枠体の端部に同様に筒状形態で取付られる。これら場合においても、支持布のセル枠への設置方向は、前述のものと同様である。
【００２３】
【実施例】
次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。
実施例１
図６（Ａ）、（Ｂ）に示す実験用模擬脱イオンモジュールを用いて、イオン交換膜通水破壊試験を行った。図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って見た図である。実験用模擬脱イオンモジュール２０は、幅１００mm×高さ１００mm×厚さ８mmの脱塩室セル枠５２、カチオン交換膜５１（「C66-10F 」トクヤマ社製) 及び幅１００mm×高さ１００mm×厚さ８mmの濃縮室セル枠５５を積層し、カチオン交換膜５１で区画される脱塩室５７及び濃縮室５３を形成した。この際、カチオン交換膜５１は脱塩室セル枠５２の縁部５８ａの方向と支持布の繊維方向でなす角度ｂが１５度となるように組付けた（図６（Ｂ））。脱塩室５７には、イオン交換樹脂の代わりに支持体（不織布）（幅１００mm×高さ８５mm×厚さ８mm）５４を下方に充填し、上方に空洞部（幅１００mm×高さ１５mm×厚さ８mm）５６を設けた。通水は濃縮室にのみ行い、通水圧力を変化させながら、カチオン交換膜５１の破れ箇所５８（図中、太線部分）を観察し、破れが認められた際の破壊圧力（濃縮室圧力−脱塩室圧力）を求めた。なお、実験用模擬脱イオンモジュール２０は透明セル枠を使用するため、破れ現象は目視で認められるが、濃縮室圧力の降下を同時観察した。結果を表１に示す。
【００２４】
実施例２
カチオン交換膜５１の組付け角度ｂの１５度を４５度とした以外は、実施例１と同様の方法及び評価で行った。結果を表１に示す。
【００２５】
比較例１
カチオン交換膜５１の組付け角度ｂの１５度を０度とした以外は、実施例１と同様の方法及び評価で行った。結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１から、脱塩室セル枠５２の縁部５８ａの方向と支持布の繊維方向を違えてカチオン交換膜を設置した場合、繊維方向を合わせて設置した場合に比して、約１．６〜１．８倍の破壊強度を示すことが判る。
【００２８】
【発明の効果】
本発明（１）によれば、脱塩室と濃縮室に圧力差が生じ、特に濃縮室側から脱塩室側への押圧により、セル枠の内側の縁がイオン交換膜に食い込み切断力が加わっても、容易には破れることがない。本発明（２）によれば、従来の脱塩室のカチオン交換膜とアニオン交換膜との間に、更に中間イオン交換膜を新たに設け、脱塩室を２つの小脱塩室が中間イオン交換膜を隔てて隣接する構造とし、一方の小脱塩室流出水を他方の小脱塩室流入水とする新規な構造の電気式脱イオン水製造装置においても、前記発明と同様の効果を奏する。
【００２９】
本発明（３）によれば、広い角度範囲に渡り、設定が可能であるため、角度合わせのための器具などは不要で、簡単に組付けができる。本発明（４）によれば、セル枠の内側の縁がイオン交換膜に食い込んでも、切断力は働かず、イオン交換膜は更に、破れ難くなる。本発明（５）によれば、脱塩室と濃縮室に圧力差が生じるような運転下であっても、優れた水質の処理水を長期間に渡り、安定して製造できる装置が得られる。本発明（６）によれば、このような脱イオンモジュール構造はあらゆる形態の電気式脱イオン水製造装置に適用可能であり、適用範囲が広まると共に、選択の余地が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における脱イオンモジュールの分解斜視図を示す。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って見た組付け状態での部分図である。
【図３】第１の実施の形態の脱イオンモジュールを二つ積層した部分模式図を示す。
【図４】本発明の第２の実施の形態における脱イオンモジュールの分解斜視図を示す。
【図５】第２の実施の形態の脱イオンモジュールを二つ積層した部分模式図を示す。
【図６】 (A) 、(B) 共に、実施例で使用した実験用模擬脱イオンモジュールを示す。
【符号の説明】
１、５１一側のイオン交換膜（カチオン交換膜）
２他側のイオン交換膜（アニオン交換膜）
３、３ａ、３ｂ、セル枠
４、５４脱塩室
４ａ、４ｂ小脱塩室
５、５３濃縮室
６スペーサー
７くり抜き部
８イオン交換体
９支持布
１０、１０ａ脱イオンモジュール
１１縦糸
１２横糸
２０実験用模擬脱イオンモジュール
２１中間イオン交換膜
３１ａ縦方向部材
３１ｂ横方向部材
５２脱塩室セル枠
５５濃縮室セル枠
５６空洞部
５７支持体（不織布）
５８破れ箇所
３１１ａ縁

Claims

一側のイオン交換膜、セル枠及び他側のイオン交換膜で積層され、内部にイオン交換体が充填される電気式脱イオン水製造装置用脱イオンモジュールであって、前記イオン交換膜は基材又は支持材として支持布が使用され、且つ組立状態において、前記支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とは互いに違える方向にあることを特徴とする脱イオンモジュール。
一側のイオン交換膜、一方のセル枠、中間イオン交換膜、他方のセル枠及び他側のイオン交換膜で積層され、二つの内部にイオン交換体が充填される電気式脱イオン水製造装置用脱イオンモジュールであって、前記イオン交換膜は基材又は支持材として支持布が使用され、且つ組立状態において、前記支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とは互いに違える方向にあることを特徴とする脱イオンモジュール。
前記支持布の繊維方向と前記セル枠の内側の縁の方向とで形成される角度は、５〜４５度であることを特徴とする請求項１又は２記載の脱イオンモジュール。
前記セル枠の内側の縁は、角が面取りされたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の脱イオンモジュール。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の脱イオンモジュールの複数個をその間にスペーサーを挟んで、並設して脱塩室と濃縮室を構成し、該脱塩室及び濃縮室を陽極と陰極の間に配置して形成されることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
前記電気式脱イオン水製造装置の脱塩室及び濃縮室の配列形態が、スパイラル型、同心円型又は平板積層型であることを特徴とする請求項５記載の電気式脱イオン水製造装置。