JP4557686B2

JP4557686B2 - 電気式脱塩装置および脱塩方法

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Publication number: JP4557686B2
Application number: JP2004330382A
Authority: JP
Inventors: 健二藤畑; 和矢山田; 正福島; 秀司関
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2024-11-15
Also published as: JP2006136846A

Description

本発明は、水に含まれる溶解性の不純物（塩）を電気泳動作用によって除去する電気式脱塩装置および脱塩方法に関する。

電気式脱塩装置の最も代表的なものとしては、製塩業界あるいは飲料水業界に用いられる電気透析装置が挙げられる。これは有機材料にイオン交換基を付加した正および負のイオン交換膜を原水と接する配置とし、その正および負のイオン交換膜の外側面から電場を与え、原水に含まれる正あるいは負のイオンをその極性に従ってイオン交換膜を介して移動させるものである。これによって、原水はイオンが除かれた浄水となり、その一方、原水から除かれたイオンはイオン交換膜を介して移動し、濃縮されることになる（下記特許文献１参照）。

このような電気式脱塩装置の大型化は、ａ）有効反応面積を大きくする、ｂ）積層化してイオン交換膜の数を増やす、ｃ）電圧あるいは電流を大きくする、ｄ）攪拌して反応を促す、ｅ）電気泳動距離を小さくする等の方向で検討がなされている。電気式脱塩装置の大型化において、ａ）有効反応径は〜１m程度、ｂ）積層化は〜数100程度、ｃ）電流密度〜50A/dm²、ｄ）邪魔板スペーサあるいは蛇行流路による攪拌、ｅ）電気泳動距離〜10mm程度といった範囲が常識的である。

このような大型の電気式脱塩装置は、通常、平板状の積層タイプである。これは絶縁性のある樹脂板を用い、その中央をくり貫いて反応面とした平板状の反応室枠と平板状の電極および隔膜によって構成されるもので、この反応室枠に反応面への通水溝があって電極、隔膜、反応室枠にそれぞれ通水孔から水が供給される構造となっている。これらを積層してプレスすることによって、これらの反応室枠あるいは電極、隔膜にある通水孔が連続的に重なることで通水路が形成され、一方の端の通水孔から流入する水が他方の端の通水孔から流出し、また、通水溝がある反応室枠の反応面に水が供給されるようになっている。ここで反応室枠はパッキンとしても作用する材質が選択され、これにより反応室とパッキンを個別に設けるよりも厚さを小さくすることができる。電極についてはそれぞれの電極に並列して電気供給する並列型よりも両端の電極のみに電気供給する直列型が一般的であり、この場合、両端以外の電極は電場による分極反応を利用し、一方の反応面を陰極、他方の反応面を陽極として用いる両極性電極が用いられる。
特開２００３−１９０９６１号公報

一般的ではないが、円筒状の積層タイプの電気式脱塩装置もある。これは平板状と同様な反応室枠、電極、隔膜を円筒状としたものを中心部から外周部に向けて積層してプレスした構成である。円筒状の積層タイプの電気式脱塩装置にはいくつかの解決し難い課題がある。例えば、通水孔が中心部と外周部とでズレる、円に対するプレス方法が難しいなどである。しかし、処理すべき水が100℃超の加圧水である場合には、平板積層タイプによる前記のような大型化の方向は抜本的に見直されなければならない。すなわち、加圧水による内面からの圧力、反応室枠の材質の耐熱性などの問題が生じるためである。このような場合、常温で用いられるような積層した反応室枠、電極、隔膜の全体をプレスするのでは耐圧強度が得られず、また、反応室枠の材質を耐熱性に優れる材質とすれば価格は格段に高いものとなってしまう。
このような課題に鑑み本発明は、すぐれた耐圧強度と耐熱性を有しコストの抑制された電気式脱塩装置および方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電気式脱塩装置は、有底円筒状の容器本体および前記容器本体を蓋するフランジからなり電極リード線の導入管および被処理水の送水管を備えた処理容器と、前記処理容器と前記電極リード線の導入管と前記被処理水の送水管の内側に設けられた絶縁部材と、前記処理容器の中に同心円筒状に所定の間隔をもって設けられた電極および隔膜と中心の電極とを備え、前記隔膜は、ステンレス鋼またはハステロイまたはチタン、あるいはアルミナまたはマグネシアの多孔質材料からなる構成とする。
また、本発明に係る電気式脱塩装置は、有底円筒状の容器本体および前記容器本体を蓋するフランジからなり電極リード線の導入管および被処理水の送水管を備えた処理容器と、前記処理容器と前記電極リード線の導入管と前記被処理水の送水管の内側に設けられた絶縁部材と、前記処理容器の中に同心円筒状に所定の間隔をもって設けられた電極および隔膜と中心の電極とを備え、前記隔膜は、ステンレス鋼またはハステロイまたはチタンのワイヤーの積層体であることを特徴とする。
さらに本発明に係る電気式脱塩方法は、上記電気式脱塩装置を用い、原子力発電所の系統水を前記被処理水として脱塩処理することを特徴とする。

本発明によれば、すぐれた耐圧強度と耐熱性を有しコストの抑制された電気式脱塩装置および方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施の形態の電気式脱塩装置は、図１に示すように、底付き円筒状の容器本体１１と、容器本体１１の上部を蓋する円板状のフランジ１２から成る処理容器１０を備えている。容器本体１１の底には被処理水の送水管１３と電極水の送水管１７が取り付けられている。フランジ１２には被処理水の送水管１４と電極水の送水管１８と電極リード線の導入管１５，１６が取り付けられている。容器本体１１の内側とフランジ１２の裏側と送水管１３，１４，１７，１８の内側および電極リード線の導入管１５，１６の内側には絶縁部材２３，２１，２２，２０ｃ、２０ｄ、２０ａ，２０ｂが設けられている。容器本体１１の内側には円筒状の正あるいは負の電極２４が設けられ、容器本体１１の中心に棒状の負あるいは正の電極２５が設けられている。そして電極２４と電極２５との間に所定の間隔をおいて円筒状の隔膜２６ａ，２６ｂが設けられている。電極２４，２５と隔膜２６ａ，２６ｂはさらに多重に設けられてもよい。

容器本体１１は内面が中空となるよう円筒状にくりぬきがなされた円筒状の容器であって、その底面には被処理水と電極水の通水用の孔が設けられ、それに対応する送水管１３，１７が容器の外面に備えられている。フランジ１２は裏側に容器本体１１の開口部分にはまるような円環状の嵌合部を有し、その嵌合部においてパッキングを含むフランジ機能を持たせる構造となった円板状の板であって、電極リード線用の孔と被処理水および電極水の通水用の孔が設けられ、それに対応する管１４，１５，１６，１８が外面に備えられている。

容器本体１１およびフランジ１２の材質はSUS（ステンレス鋼）、ハステロイ、チタン等を用いることができ、価格や加工性の観点からはSUSを用いることが望ましい。耐食性等に関する要求がある場合にはハステロイやチタン等から選定する必要がある。また、これらのフランジ１２の内面および容器本体１１の内面にテフロン（登録商標）等のフッ化物系材料、あるいはアルミナ、ジルコニア等の無機系材料の絶縁物を被覆すれば、フランジ１２および容器本体１１の電気リーク防止に効果がある。なお、電極リード線導入管１５，１６は容器本体１１の底部に設けられていてもよい。

絶縁部材は、フランジ１２の内面側および容器本体１１の内側の端面に配置する円板状の絶縁部材２２，２１と、フランジ１２および容器本体１１の電極リード線の導入管１５，１６および送水管１３，１４の内側に配置する円筒状の絶縁部材２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄと、容器本体１１の内側の側面に配置する円筒状の絶縁部材２３とがある。フランジ１２の内面側および容器本体１１の内側の端面に配置する絶縁部材２２，２１には、電極リード線用の孔あるいは水の通水用の孔が設けられ、また、その内面側には同心円状に電極２４，２５あるいは隔膜２６ａ，２６ｂが固定できる溝が設けられている。

絶縁部材２０ａ〜２０ｄ、２１，２２，２３の材質は、100℃の耐熱性が要求される場合は、安価で加工性のよい塩化ビニルやポリカーボネートなどの一般的な樹脂材料を適用可能であるが、概ね150℃以上では耐熱温度の高いフッ素樹脂系材料、あるいはアルミナ、ジルコニア等の無機系材料から耐食性等に関する要求を満たすものを選定する。また、SUS、ハステロイ、チタン等の金属材料に前記の絶縁材料を被覆したものであってもよく、この場合には材料強度あるいは加工性、コスト性が向上することが考えられ、そのときの金属材料には伸び率の関係からフランジ１２または容器本体１１と同じ材質を用いることが望ましい。

隔膜２６ａ，２６ｂは円筒状である。一般的にはイオン交換膜を用いるのが適当であるが100℃以上では耐熱温度によってフッ素樹脂系のイオン交換膜に限定される。しかし、フッ素樹脂系イオン交換膜であっても耐熱温度は150℃程度と高くはなく、これ以上の耐熱温度が必要な場合は金属材料あるいは無機材料を用いなければならない。金属材料の場合、SUS、ハステロイ、チタン等から耐食性等に関する要求を満たすものを選定する必要があり、また、多孔質材料とワイヤーの積層体を目詰まり等の観点から選定する必要がある。あるいはアルミナ、マグネシア等の無機系の多孔質材料から選定することも可能である。

電極２４，２５は中心部のみが棒状でそれ以外は円筒状である。中心部および最外側部にある電極には電極リード線が備えられ、これはフランジ１２に設けた導入管１５，１６を通じて外部電源へと接続される。電極２４，２５の材料は白金族元素であることが望ましいがコスト的に現実的でなく、チタン等の金属材料に白金等の白金族元素を被覆したものが選ばれる。これら電極２４，２５および隔膜２６ａの容器本体１１の内部の配置は、容器本体１１の内周面にある絶縁部材２３から順に正電極２４、隔膜２６ａ、隔膜２６ｂ、負電極２５の順となって一定間隔毎になっており、その両端はフランジ１２の内面と容器本体１１の底部内面に配置された絶縁部材２２，２１の溝に填め込まれて固定されている。

このような構成の円筒状の電気式脱塩装置おいて、溶解性の不純物（塩）を含む100℃以上の被処理水１は、フランジ１２あるいは容器本体１１の一方の送水管１３あるいは１４から流入して隔膜２６ａ，２６ｂ間を通水される。電極２４，２５からの電場印加によって、被処理水１に含まれる溶解性の不純物のみがその極性に従って隔膜２６ａ，２６ｂを介して電気泳動により電極２４，２５の方向に移動し、フランジ１２あるいは容器本体１１の他方の送水管１４あるいは１３から溶解性の不純物が除かれた100℃以上の被処理水２が流出する。そしてまた、ここでの被処理水１の温度は100℃を大きく超えるものであっても問題なく、例えば、原子力発電所の285℃程度の系統水であっても処理が可能である。

本実施の形態の電気式脱塩装置は、容器本体１１およびフランジ１２がSUS、ハステロイ、チタン等によって形成され、隔膜２６ａ，２６ｂがフッ素樹脂、SUS、ハステロイ、チタンあるいはアルミナ、マグネシア等の多孔質材料で形成され、絶縁部材２０ａ〜２０ｄ，２１，２２，２３が塩化ビニル、ポリカーボネート、フッ素樹脂あるいはアルミナ、ジルコニア等で形成され、電極２４，２５は少なくとも表面が白金族の元素からなっているので、高温高圧の被処理水１の脱塩処理を行うことができる。

このように本実施の形態によれば、金属の容器本体とフランジによって高温高圧条件での通水が可能となり、さらに、電場の印加部分(処理容器の内側)に耐熱性の絶縁部材を配置することで高温における被処理水への電場印加が可能である。また、電極あるいは隔膜を同心円状に配置しているので、平板型の形態に比べ単位体積あたりの電場印加の面積を大きくでき、これは装置規模の縮小に繋がる。したがって、本実施の形態によれば、耐熱性と耐圧強度を有した低コストの電気式脱塩装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の電気式脱塩装置を示す縦断面図。

符号の説明

１…溶解性の不純物を含む被処理水、２…溶解性の不純物が除かれた被処理水、３…不純物を含まない電極水、４…正あるいは負の溶解性の不純物を含む電極水、１０…処理容器、１１…容器本体、１２…フランジ、１３，１４…被処理水の送水管、１５，１６…電極リード線の導入管、１７，１８…電極水の送水管、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２１，２２，２３…絶縁部材、２４，２５…電極、２６ａ，２６ｂ…隔膜。

Claims

有底円筒状の容器本体および前記容器本体を蓋するフランジからなり電極リード線の導入管および被処理水の送水管を備えた処理容器と、前記処理容器と前記電極リード線の導入管と前記被処理水の送水管の内側に設けられた絶縁部材と、前記処理容器の中に同心円筒状に所定の間隔をもって設けられた電極および隔膜と中心の電極とを備え、
前記隔膜は、ステンレス鋼またはハステロイまたはチタン、あるいはアルミナまたはマグネシアの多孔質材料からなることを特徴とする電気式脱塩装置。
有底円筒状の容器本体および前記容器本体を蓋するフランジからなり電極リード線の導入管および被処理水の送水管を備えた処理容器と、前記処理容器と前記電極リード線の導入管と前記被処理水の送水管の内側に設けられた絶縁部材と、前記処理容器の中に同心円筒状に所定の間隔をもって設けられた電極および隔膜と中心の電極とを備え、
前記隔膜は、ステンレス鋼またはハステロイまたはチタンのワイヤーの積層体であることを特徴とする電気式脱塩装置。
前記処理容器は、ステンレス鋼またはハステロイまたはチタンからなることを特徴とする請求項１又は２記載の電気式脱塩装置。
前記絶縁部材は、塩化ビニルまたはポリカーボネートまたはフッ素樹脂またはアルミナまたはマグネシアからなることを特徴とする請求項１又は２記載の電気式脱塩装置。
前記絶縁部材は、前記処理容器と同じ材質の部材に塩化ビニルまたはポリカーボネートまたはフッ素樹脂またはアルミナまたはマグネシアを被覆してなることを特徴とする請求項1又は２記載の電気式脱塩装置。
前記処理容器の内面に塩化ビニルまたはポリカーボネートまたはフッ素樹脂あるいはアルミナまたはマグネシアが被覆されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気式脱塩装置。
前記電極は、白金族元素または白金族元素を被覆した金属材料からなっていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気式脱塩装置。
請求項１又は２記載の電気式脱塩装置を用い、原子力発電所の系統水を前記被処理水として脱塩処理することを特徴とする電気式脱塩方法。