JP4828242B2

JP4828242B2 - 電気式脱イオン水製造装置及び脱イオン水製造方法

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Publication number: JP4828242B2
Application number: JP2006021955A
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Inventors: 雅司藤田
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Priority date: 2006-01-31
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Publication date: 2011-11-30
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Description

本発明は、半導体製造分野、医薬製造分野、原子力や火力などの発電分野、食品工業などの各種の産業又は研究所施設において使用される、イオン交換膜の膜焼けが起こらない、水質変動に柔軟に対応できる電気式脱イオン水製造装置に関するものである。

従前の電気式脱イオン水製造装置は、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室の間に複数の脱塩室と濃縮室を交互に配したものであり、陰極と陽極の間の電気抵抗が大きく、両極間の印加電圧が高くなるという問題がある。また、被処理水中のカルシウムイオンと炭酸成分に起因する炭酸カルシウムスケールが濃縮室のイオン交換膜に発生するという問題があった。

これを解決するものとして、特開２００３−１３６０６３号公報には、陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが１枚ずつ配置され、該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極とアニオン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該濃縮室兼陽極室及び濃縮室兼陰極室にそれぞれカチオン交換体などの導電体が充填され、該脱塩室内にイオン交換体が充填されてなる電気式脱イオン装置が開示されている。この電気式脱イオン水装置によれば、生産水量が少ない場合に好適であり、電極間の印加電圧が低く、また、スケールが発生し難いものである。

しかしながら、このような電気式脱イオン水装置のうち、例えば、陽極室及び陰極室にそれぞれカチオン交換体を充填したものは、印加電流を上げ、イオン排除効率を高めると、アニオンが透過するアニオン交換膜が黒く焦げる、いわゆる膜焼けを起こし、アニオンを透過する機能が損なわれるため、電流密度を高めることができないという問題がある。

また、特開２００３−１３６０６３号公報記載の電気式脱イオン水装置は、被処理水中のカチオン及びアニオンを共に除去することができるものの、被処理水の水質が変動するような場合、すなわち例えばカチオンが多く含まれる被処理水を脱イオン処理することになった場合、カチオンの除去効率が低下するという問題がある。

従って、本発明の目的は、印加電流を上げても、イオン交換膜の膜焼けが発生せず、イオン交換膜の膜焼けが起こらないか、あるいは更に水質変動に柔軟に対応できる電気式脱イオン水製造装置及び脱イオン水製造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、（１）陰極側のカチオン交換膜の陰極に対向する膜面又は陽極側のアニオン交換膜の陽極に対向する膜面においては、電位勾配が急であるため、発熱し易いこと、（２）当該電極室内に、該イオン交換膜と同じ極性のイオン種のイオン交換体、すなわち、カチオン交換膜の場合はカチオン交換体、アニオン交換膜の場合はアニオン交換体を充填すれば、当該膜面に電位の勾配が起こらず、発熱し難いこと、（３）脱カチオン水製造装置と脱アニオン水製造装置を直列に配置し、両装置の前段、後段の位置関係を切り替える切替弁とバイパス配管を適宜配設すれば、水質変動に柔軟に対応できると共に、イオン除去効率が向上することなどを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、陽極室と陰極室の間に、２枚のカチオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するカチオン交換体が充填された脱カチオン室を配設し、陰極と該カチオン交換膜で区画される陰極室には、カチオン交換体が充填される脱カチオン水製造装置と、陽極室と陰極室の間に、２枚のアニオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するアニオン交換体が充填された脱アニオン室を配設し、陽極と該アニオン交換膜で区画される陽極室には、アニオン交換体が充填される脱アニオン水製造装置を、一方の装置の処理水が他方の装置の被処理水となるように接続した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。

また、本発明は、陽極室と陰極室の間に、２枚のカチオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するカチオン交換体が充填された脱カチオン室を配設し、陰極と該カチオン交換膜で区画される陰極室には、カチオン交換体が充填される脱カチオン水製造装置を前段に、陽極室と陰極室の間に、２枚のアニオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するアニオン交換体が充填された脱アニオン室を配設し、陽極と該アニオン交換膜で区画される陽極室には、アニオン交換体が充填される脱アニオン水製造装置を後段にそれぞれ配置し、陽極及び陰極間に電圧を印加させ、陽極室及び陰極室に電極水を流入させながら、脱カチオン室に被処理水を流入させて、被処理水中の不純物カチオンを除去して脱カチオン水を得、次いで、脱アニオン室に該脱カチオン水を流入させて、脱カチオン水中の不純物アニオンを除去して脱イオン水を得ることを特徴とする脱イオン水製造方法を提供するものである。

また、本発明は、陽極室と陰極室の間に、２枚のアニオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するアニオン交換体が充填された脱アニオン室を配設し、陽極と該アニオン交換膜で区画される陽極室には、アニオン交換体が充填される脱アニオン水製造装置を前段に、陽極室と陰極室の間に、２枚のカチオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するカチオン交換体が充填された脱カチオン室を配設し、陰極と該カチオン交換膜で区画される陰極室には、カチオン交換体が充填される脱カチオン水製造装置を後段にそれぞれ配置し、陽極及び陰極間に電圧を印加させ、陽極室及び陰極室に電極水を流入させながら、脱アニオン室に被処理水を流入させて、被処理水中の不純物アニオンを除去して脱アニオン水を得、次いで、脱カチオン室に該脱アニオン水を流入させて、脱アニオン水中の不純物カチオンを除去して脱イオン水を得ることを特徴とする脱イオン水製造方法を提供するものである。

本発明によれば、脱カチオン水製造装置における陰極側のカチオン交換膜の陰極に対向する膜面、又は脱アニオン水製造装置における陽極側のアニオン交換膜の陽極に対向する膜面において、該膜面と接する部材が、同じイオン種のイオン交換体であるため、電位勾配が緩和され、膜焼けは起こらない。このため、電流密度を上げることができ、イオン除去効率が向上する。従来の電気式脱イオン水製造装置の電流密度はせいぜい０．１Ａ/ｄｍ^２であったものが、本発明の場合、１．０Ａ/ｄｍ^２まで上げることができる。また、脱カチオン水製造装置と脱アニオン水製造装置を直列に配置し、両装置の前段、後段の位置関係を切り替える切替弁とバイパス配管を適宜配設すれば、水質変動に柔軟に対応できると共に、イオン除去効率が向上する。また、本発明の脱カチオン水製造装置又は脱アニオン水製造装置は、縦横高さがそれぞれ１０ｍｍ以下のような超小型化が可能であり、数ｍｌから数十ｍｌ/ｈのような処理流量が少ない用途に好適である。

本発明の電気式脱イオン水製造装置は、電気式脱カチオン水製造装置（以下、単に脱カチオン水製造装置とも言う。）と電気式脱アニオン水製造装置（以下、単に脱アニオン水製造装置とも言う。）を、一方の装置の処理水が他方の装置の被処理水となるように直列に接続したものである。すなわち、本発明の電気式脱イオン水製造装置は、脱カチオン水製造装置を前段に、脱アニオン水製造装置を後段とした装置（第１の装置）、脱アニオン水製造装置を前段に、脱カチオン水製造装置を後段とした装置（第２の装置）及び脱カチオン水製造装置と脱アニオン水製造装置を直列に配置し、両装置の前段、後段の位置関係を切り替える切替弁とバイパス配管を配設した装置（第３の装置）が挙げられる。

脱カチオン水製造装置において、脱カチオン室に充填されるカチオン交換体としては、特に制限されず、モノリス状有機多孔質カチオン交換体（以下、単に「カチオンモノリス」とも言う。）、カチオン交換樹脂、カチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体等が挙げられる。カチオンモノリスとしては、特に制限されず、特開２００３−３３４５６０号公報記載のものが挙げられ、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１０００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１ｍｌ/ｇ〜５０ｍｌ/ｇであり、カチオン交換基が均一に分布され、カチオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上である３次元網目構造のものが使用できる。カチオン交換樹脂としては、特に制限されず、水処理に使用される公知の粒状カチオン交換樹脂が挙げられる。

カチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体としては、特に制限されないが、排出イオンが泳動する方向にカチオンモノリス相とカチオン交換樹脂相が積層された層状体が挙げられる。カチオンモノリスとカチオン交換樹脂の層状体は、カチオンモノリスがスポンジ状の一体構造物であるため、カチオン交換樹脂と混ざることがなく、脱カチオン室内においてイオン交換膜等の区画手段を用いなくとも相状に充填できる。層状体におけるカチオンモノリス相とカチオン交換樹脂相の体積割合としては、特に制限されず、被処理水の処理目的などにより適宜決定される。また、層状体の積層構造としては、特に制限されず、一側のカチオン交換膜から他側のカチオン交換膜に向けて順に、カチオンモノリス相とカチオン交換樹脂相、カチオン交換樹脂相とカチオンモノリス相の２層構造；カチオンモノリス相とカチオン交換樹脂相とカチオンモノリス相、カチオン交換樹脂相とカチオンモノリス相とカチオン交換樹脂相の３層構造が挙げられる。

カチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体のイオン形としては、特に制限されないが、塩形と再生形の混合体が、カチオン交換反応に伴う膨潤、収縮を緩和できる点で好ましい。なお、脱カチオン室においては、カチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体による当該膨潤、収縮緩和効果にモノリスの物理的な伸縮効果が加わって、脱カチオン室内の密着性が確保できる。

本発明の脱カチオン水製造装置において、陰極とカチオン交換膜で区画される陰極室に充填されるカチオン交換体としては、特に制限されず、カチオンモノリス、カチオン交換樹脂、カチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体等が挙げられる。このうち、カチオンモノリスは、カチオンモノリスとカチオン交換膜との接触面積を増大させ、電位勾配をより緩和することができる点で好ましく、カチオン交換樹脂は耐熱性が高い点で好ましい。カチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体は、カチオン交換膜と当接する側にカチオンモノリスを配設し、電極側にカチオン交換樹脂を配設することが、カチオンモノリスとカチオン交換膜との接触面積を増大させ、且つ発熱箇所に耐熱性のカチオン交換樹脂が配設できる点で好ましい。電極に充填されるカチオン交換樹脂としては、特に制限されず、水処理に使用される公知の粒状カチオン交換樹脂が挙げられる。

脱アニオン水製造装置において、脱アニオン室に充填されるアニオン交換体としては、特に制限されず、モノリス状有機多孔質アニオン交換体（以下、単に「アニオンモノリス」とも言う。）、アニオン交換樹脂、アニオンモノリスとアニオン交換樹脂の混合体等が挙げられる。アニオンモノリス、アニオン交換樹脂及びアニオンモノリスとアニオン交換樹脂の混合体は、前記カチオンモノリス、カチオン交換樹脂及びカチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体と同様のものが挙げられる。すなわち、アニオンモノリス、アニオン交換樹脂及びアニオンモノリスとアニオン交換樹脂の混合体は、カチオンモノリス、カチオン交換樹脂及びカチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体の前述の記載における「カチオン」を「アニオン」に置き換えたものである。

本発明の脱アニオン水製造装置において、陰極とアニオン交換膜で区画される陰極室に充填されるアニオン交換体としては、特に制限されず、アニオンモノリス、アニオン交換樹脂、アニオンモノリスとアニオン交換樹脂の混合体等が挙げられる。アニオンモノリス、アニオン交換樹脂及びアニオンモノリスとアニオン交換樹脂の混合体は、前記カチオンモノリス、カチオン交換樹脂及びカチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体と同様のものが挙げられる。すなわち、アニオンモノリス、アニオン交換樹脂、アニオンモノリスとアニオン交換樹脂の混合体は、カチオンモノリス、カチオン交換樹脂及びカチオンモノリスとカチオン交換樹脂の混合体の前述の記載における「カチオン」を「アニオン」に置き換えたものである。

本発明において、被処理水としては、濁質を含まないものであれば特に限定されず、例えば、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、硫酸イオン等の強電解質、炭酸イオン、シリカ等の弱電解質等の不純物イオンの１種又は２種以上を含む全ての水が含まれる。なお、被処理水の「水」は広く解し、通常「液」と呼ばれるものも含む。

次ぎに、本発明の第１の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１を参照して説明する。図１は本例の電気式脱イオン水製造装置（第１の装置）の模式図である。なお、図１中、例えばカチオン交換体とカチオン交換膜間のように部材間に隙間があるが、これは構成部材を見易くするためであって、実際には接している（他の図も同様である）。電気式脱イオン水製造装置１０ａは、前段に電気式脱カチオン水製造装置１０１を、後段に電気式脱アニオン水製造装置１０２を配置したものである。前段の電気式脱カチオン水製造装置１０１は、陽極を備えた陽極室１１１と陰極を備えた陰極室１１２の間に、２枚のカチオン交換膜３、３で区画され、陽極室１１１と陰極室１１２に隣接するカチオン交換体５が充填された脱カチオン室５１を配設し、陽極室１１１には陽極水流入配管１６２と陽極水流出配管１７１が、陰極室１１２には、陰極水流入配管１７２と陰極水流出配管１８が、脱カチオン室５１には、被処理水流入配管１１と処理水流出配管１２１がそれぞれ配設されたものであり、陽極とカチオン交換膜３で区画される陽極室１１１内にはカチオン交換体６ａが充填され、陰極とカチオン交換膜３で区画される陰極室１１２内にはカチオン交換体６ｂが充填されたものである。なお、電気式脱カチオン水製造装置１０１において、陽極室１１１はカチオン交換体無充填であってもよく、カチオン交換体以外のイオン交換体が充填されていてもよいが、特にカチオン交換体を充填したものが、強度を有しつつ、装置の電気抵抗を低減することができる点で好ましい。

電気式脱アニオン水製造装置１０２は、陽極室１１３と陰極室１１４の間に、２枚のアニオン交換膜４、４で区画され、陽極室１１３と陰極室１１４に隣接するアニオン交換体７が充填された脱アニオン室７１を配設し、陽極室１１３には陽極水流入配管１５１と陽極水流出配管１６１が、陰極室１１４には、陰極水流入配管１４１と陰極水流出配管１５２が、脱アニオン室７１には、被処理水流入配管１２２と処理水流出配管１３がそれぞれ配設されたものであり、陽極とアニオン交換膜４で区画される陽極室１１２内にはアニオン交換体８ａが充填され、陰極とアニオン交換膜４で区画される陰極室１１４内にはアニオン交換体８ｂが充填されたものである。なお、電気式脱アニオン水製造装置１０２において、陰極室１１４はアニオン交換体無充填であってもよく、アニオン交換体以外のイオン交換体であってもよいが、特にアニオン交換体を充填したものが、強度を有しつつ、装置の電気抵抗を低減することができる点で好ましい。

電気式脱イオン水製造装置１０ａにおいて、脱カチオン水製造装置１０１の処理水流出配管１２１と脱アニオン水製造装置１０２の被処理水流入配管１２２が接続されている。また、脱アニオン水製造装置１０２の処理水流出配管１３と陰極水流入配管１４１が配管１４で接続され、陰極室１１４の陰極水流出配管１５２と陽極室１１３の陽極水流入配管１５１が配管１５で接続され、陽極室１１３の陽極水流出配管１６１と脱カチオン水製造装置１０１の陽極室１１１の陽極水流入配管１６２が配管１６で接続され、陽極室１１１の陽極水流出配管１７１と陰極室１１２の陰極水流入配管１７２が配管１７で接続されている。すなわち、脱カチオン水製造装置１０１及び脱アニオン水製造装置１０２のそれぞれの陽極室１１１、１１３、陰極室１１２、１１４及び陽極室と陰極室を接続する電極水の流路は、処理水の一部が連続して一方向に流れるひとつの流路を形成するようになっている。これにより、別途の電極水を用意する必要がなく、また配管構成を単純化できる。

電気式脱イオン水製造装置１０ａにおいて、陽極室１１１及び陰極室１１２間及び陽極室１１３及び陰極室１１４間に電圧を印加させ、被処理水を被処理水流入配管１１から脱カチオン室５１に流入させ、処理水を処理水流出配管１２１から流出させる。この処理水を、処理水流出配管１２１と連続する被処理水流入配管１２２から脱アニオン室７１に流入させ、処理水を処理水流出配管１３から得る。一方、処理水の一部を電極水として使用する。この電極水を、脱アニオン水製造装置１０２の陰極水流入配管１４１から流入させ、陰極室１１４、陰極水流出配管１５２、陽極水流入配管１５１、陽極室１１３を通って、陽極水流出配管１６１から流出させる。次いで、この電極水を、脱カチオン水製造装置１０１の陽極水流入配管１６２から流入させ、陽極室１１１、陽極水流出配管１７１、陰極水流入配管１７２、陰極室１１２を通って、陰極水流出配管１８から流出させる。

脱カチオン室５１において、被処理水中の不純物カチオンはカチオン交換膜３を透過して陰極室（兼濃縮室）１１２に移動し、陰極水と共に排出され、被処理水中の不純物アニオンは、脱アニオン室７１において、アニオン交換膜４を透過して陽極室（兼濃縮室）１１３に移動し、陽極水と共に排出される。電気式脱イオン水製造装置１０ａにおいては、カチオン交換膜３の陰極側の膜面３１はカチオン交換体６ｂと接しているため、膜面３１で電位の勾配はほとんど起こらず、カチオン交換膜３が焦げることはない。また、アニオン交換膜４の陽極側の膜面４１はアニオン交換体８ａと接しているため、膜面４１で電位の勾配はほとんど起こらず、アニオン交換膜４が焦げることはない。また、脱カチオン室５１から陰極室１１２に移動してきた金属イオンや硬度成分は、そのまま電極水として排除されるため、陰極室内でスケールは生成しない。

電気式脱イオン水製造装置１０ａにおいて、電極水の流路としては、図１の形態に限定されず、図２〜図６の形態を採ることができる。図２〜図６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、異なる点について説明する。すなわち、図２において、処理水の一部である電極水を、脱アニオン水製造装置１０２の陰極水流入配管１４１から流入させ、陰極室１１４、陰極水流出配管１５２、脱カチオン水製造装置１０１の陽極水流入配管１５３、陽極室１１１を通って、陽極水流出配管１６３から流出させる。次いで、この電極水を、脱アニオン水製造装置１０２の陽極水流入配管１６４から流入させ、陽極室１１３、陽極水流出配管１７３、脱カチオン水製造装置１０１の陰極水流入配管１７２、陰極室１１２を通って、陰極水流出配管１８から流出させる。電気式脱イオン水製造装置１０ｂの電極水の経路であっても、電気式脱イオン水製造装置１０ａと同様の効果を奏する。

図３において、処理水の一部である電極水を、脱アニオン水製造装置１０２の陰極水流入配管１４１から流入させ、陰極室１１４、陰極水流出配管１５２、脱カチオン水製造装置１０１の陽極水流入配管１５３、陽極室１１１、陽極水流出配管１６３、陰極水流入配管１６５及び陰極室１１２を通って、陰極水流出配管１７４から流出させる。次いで、この電極水を、脱アニオン水製造装置１０２の陽極水流入配管１５１から流入させ、陽極室１１３を通って、陽極水流出配管１６１から流出させる。電気式脱イオン水製造装置１０ｃの電極水の経路であっても、電気式脱イオン水製造装置１０ａと同様の効果を奏する。また、被処理水の塩化物濃度が高い場合、脱アニオン水製造装置１０２の陽極室１１３においては、より酸化雰囲気となり、アニオン交換体８ａの酸化劣化が促進されるが、電気式脱イオン水製造装置１０ｃの電極水の経路であれば、陽極室１１３にカチオン成分を含んだ電極水が流入するため、陽極室内の水は中和され、アニオン交換体８ａが酸化劣化を受けることがない。

図４において、処理水の一部である電極水を、脱カチオン水製造装置１０１の陽極水流入配管１６２から流入させ、陽極室１１１、陽極水流出配管１７１、陰極水流入配管１７２、陰極室１１２を通って、陰極水流出配管１８から流出させる。次いで、この電極水を、脱アニオン水製造装置１０２の陰極水流入配管１４１から流入させ、陰極室１１４、陰極水流出配管１５２、陽極水流入配管１５１、陽極室１１３を通って、陽極水流出配管１６１から流出させる。電気式脱イオン水製造装置１０ｄの電極水の経路であっても、電気式脱イオン水製造装置１０ｃと同様の効果を奏する。すなわち、電気式脱イオン水製造装置１０ｄの電極水の経路であれば、陽極室１１３にカチオン成分を含んだ電極水が流入するため、陽極室内の水は中和され、アニオン交換体８ａが酸化劣化を受けることがない。

図５において、処理水の一部である電極水を、脱カチオン水製造装置１０１の陽極水流入配管１６２から流入させ、陽極室１１１、陽極水流出配管１７１、脱アニオン水製造装置１０２の陰極水流入配管１５４、陰極室１１４を通って、陰極水流出配管１４２から流出させる。次いで、この電極水を、脱カチオン水製造装置１０１の陰極水流入配管１６５から流入させ、陰極室１１２、陰極水流出配管１７４、脱アニオン水製造装置１０２の陽極水流入配管１５１、陽極室１１３を通って、陽極水流出配管１６１から流出させる。電気式脱イオン水製造装置１０ｅの電極水の経路であっても、電気式脱イオン水製造装置１０ｃと同様の効果を奏する。すなわち、電気式脱イオン水製造装置１０ｅの電極水の経路であれば、陽極室１１３にカチオン成分を含んだ電極水が流入するため、陽極室内の水は中和され、アニオン交換体８ａが酸化劣化を受けることがない。

図６において、処理水の一部である電極水を、脱カチオン水製造装置１０１の陽極水流入配管１６２から流入させ、陽極室１１１、陽極水流出配管１７１、脱アニオン水製造装置１０２の陰極水流入配管１５４、陰極室１１４、陰極水流出配管１４２、陽極水流入配管１６４、陽極室１１３を通って、陽極水流出配管１７３から流出させる。次いで、この電極水を、脱カチオン水製造装置１０１の陰極水流入配管１７２から流入させ、陰極室１１２を通って、陰極水流出配管１８から流出させる。電気式脱イオン水製造装置１０ｆの電極水の経路であっても、電気式脱イオン水製造装置１０ｂと同様の効果を奏する。

次ぎに、本発明の第２の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図７を参照して説明する。図７は本例の電気式脱イオン水製造装置（第２の装置）の模式図である。図７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、異なる点について説明する。すなわち、電気式脱イオン水製造装置１０ｇにおいて、電気式脱イオン水製造装置１０ａと異なる点は、電気式脱イオン水製造装置１０ｇの前段の装置を後段とし、後段の装置を前段としたものである。すなわち、電気式脱イオン水製造装置１０ｇは、前段に電気式脱アニオン水製造装置１０２を、後段に電気式脱カチオン水製造装置１０１を配置し、脱アニオン水製造装置１０２の処理水流出配管１３１と後段の電気式脱カチオン水製造装置１０１の被処理水流入配管１３２を接続したものである。なお、電気式脱イオン水製造装置１０ｇにおける電極水の流路の形態は、図１の電気式脱イオン水製造装置１０ａの電極水の流路の形態と同じである。

電気式脱イオン水製造装置１０ｇにおいて、陽極室１１３及び陰極室１１４間及び陽極室１１１及び陰極室１１２間に電圧を印加させ、被処理水を被処理水流入配管１１から脱アニオン室７１に流入させ、処理水を処理水流出配管１３１から流出させる。この処理水を、処理水流出配管１３１と連続する被処理水流入配管１３２ら脱カチオン室５１に流入させ、処理水を処理水流出配管１２から得る。一方、処理水の一部を電極水として使用する。処理水流出配管１２の分岐配管１４を通る電極水を、脱アニオン水製造装置１０２の陰極水流入配管１４１から流入させ、陰極室１１４、陰極水流出配管１５２、陽極水流入配管１５１、陽極室１１３を通って、陽極水流出配管１６１から流出させる。次いで、この電極水を、脱カチオン水製造装置１０１の陽極水流入配管１６２から流入させ、陽極室１１１、陽極水流出配管１７１、陰極水流入配管１７２、陰極室１１２を通って、陰極水流出配管１８から流出させる。

脱アニオン室７１において、被処理水中の不純物アニオンはアニオン交換膜４を透過して陽極室（兼濃縮室）１１３に移動し、陽極水と共に排出され、被処理水中の不純物カチオンは、脱カチオン室５１において、カチオン交換膜３を透過して陰極室（兼濃縮室）１１２に移動し、陰極水と共に排出される。電気式脱イオン水製造装置１０ｇにおいては、アニオン交換膜４の陽極側の膜面４１はアニオン交換体８ａと接しているため、膜面４１で電位の勾配はほとんど起こらず、アニオン交換膜４が焦げることはない。また、カチオン交換膜３の陰極側の膜面３１はカチオン交換体６ｂと接しているため、膜面３１で電位の勾配はほとんど起こらず、カチオン交換膜３が焦げることはない。また、脱カチオン室５１から陰極室１１２に移動してきた金属イオンや硬度成分は、そのまま電極水として排除されるため、陰極室内にスケールは生成しない。

電気式脱イオン水製造装置１０ｇにおいて、電極水の流路としては、図７の流路形態に限定されず、図２〜図６の流路形態と同様のものを採ることができる。従って、前段が電気式脱アニオン水製造装置、後段が電気式脱カチオン水製造装置の装置形態であっても、図３〜図５の流路形態であれば、電気式脱アニオン水製造装置１０２の陽極室１１３にカチオン成分を含んだ電極水が流入するため、陽極室内の水は中和され、アニオン交換体８ａが酸化劣化を受けることがない。

一般的に、カチオン交換体の脱塩性能は、酸性下で低下し、アニオン交換体の脱塩性能は、アルカリ性下で低下する。また、イオン交換膜の電流効率は、アニオン膜よりカチオン膜の方が高く、イオン交換膜の交換容量は、アニオン膜とカチオン膜は同等か、あるいはアニオン交換膜よりカチオン交換膜の方が高い。このため、ｐＨが７近傍、若しくはｐＨが７を超える被処理水、あるいはアニオンとカチオンを当量若しくはアニオンよりカチオンを多く含む被処理水を、電気式脱イオン水製造装置１０ａ〜１０ｆで処理すれば、イオン除去効率が向上し、ｐＨが７未満の被処理水、あるいはカチオンよりアニオンを多く含む被処理水を、電気式脱イオン水製造装置１０ｇで処理すれば、イオン除去効率が向上する。

次ぎに、本発明の第３の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図８を参照して説明する。図８は本例の電気式脱イオン水製造装置（第３の装置）のフロー図である。なお、図８中、電極水の流路は、簡略化のため省略してある。図８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、異なる点について説明する。すなわち、電気式脱イオン水製造装置１０ｈにおいて、電気式脱イオン水製造装置１０ａと異なる点は、前段を脱カチオン水製造装置、後段を脱アニオン水製造装置とするか、あるいは前段を脱アニオン水製造装置、後段を脱カチオン水製造装置とする切替弁及びバイパス配管を、更に配設した点、及び被処理水のｐＨを検出するｐＨ計を被処理水流入配管に設置した点にある。

電気式脱イオン水製造装置１０ｈは、脱カチオン水製造装置１０１及び脱アニオン水製造装置１０２を直列に配置し、脱カチオン水製造装置１０１の処理水流出配管１２１と脱アニオン水製造装置１０２の被処理水流入配管１２２を配管１２で接続し、被処理水流入配管１１にｐＨ計９を設置し、ｐＨ計９の下流側の被処理水流入配管１１、配管１２及び脱アニオン水製造装置１０２の処理水流出配管１３に、それぞれ弁ａ、ｂ、ｃを設置し、ｐＨ計９の下流側で且つ弁ａの上流側の被処理水配管１１６と弁ｂの下流側の配管１２２を接続するバイパス配管８２を設置し、弁ａの下流側の被処理水配管１１７と弁ｃの上流側の配管１３１を接続するバイパス配管８１を設置し、バイパス配管８２及びバイパス配管８１に、それぞれ弁ｆ、ｄを設置したものである。

電気式脱イオン水製造装置１０ｈにおいて、前段を脱カチオン水製造装置１０１、後段を脱アニオン水製造装置１０２とする場合、弁ａ、ｂ、ｃを開、弁ｆ、ｄ、ｅを閉とする。この場合、被処理水のｐＨをｐＨ計９で検出して、ｐＨ計９が被処理水のｐＨを７若しくは７以上と検出した場合、不図示の弁の開閉制御手段により、自動的に弁操作を行うようにしてもよい。また、被処理水中のカチオン及びアニオン比率を事前に測定し、アニオンとカチオン比率が同じか又はアニオンよりカチオンが多く含まれる場合、手動操作又は自動操作により、上記弁の開閉となるように、弁操作を行ってもよい。

電気式脱イオン水製造装置１０ｈにおいて、前段が脱カチオン水製造装置１０１、後段が脱アニオン水製造装置１０２の場合、被処理水は、被処理水流入配管１１を通り、脱カチオン水製造装置１０１の脱カチオン室に流入し、脱カチオン水を得る。次いで、脱カチオン水は配管１２を通り、脱アニオン水製造装置１０２の脱アニオン室に流入し、アニオンが除去され、処理水流出配管１３から脱イオン水を得る。

電気式脱イオン水製造装置１０ｈにおいて、前段を脱アニオン水製造装置１０２、後段を脱カチオン水製造装置１０１とする場合、弁ａ、ｂ、ｃを閉、弁ｆ、ｄ、ｅを開とする。この場合、前記同様に、被処理水のｐＨをｐＨ計９で検出して、ｐＨ計９が被処理水のｐＨを７未満と検出した場合、不図示の弁の開閉制御手段により、自動的に弁操作を行うようにしてもよい。また、被処理水中のカチオン及びアニオン比率を事前に測定し、カチオンよりアニオンが多く含まれる場合、手動操作又は自動操作により、上記弁の開閉となるように、弁操作を行ってもよい。

電気式脱イオン水製造装置１０ｈにおいて、前段が脱アニオン水製造装置１０２、後段が脱カチオン水製造装置１０１の場合、被処理水は、被処理水流入配管１１を通り、バイパス配管８２を通り、脱アニオン水製造装置１０２の脱アニオン室に流入し、脱アニオン水を得る。次いで、脱カチオン水は、脱アニオン水製造装置１０２の処理水流出配管１３及びバイパス配管８１、配管１１７を通り、脱カチオン水製造装置１０１の脱カチオン室に流入し、カチオンが除去され、処理水流出配管１２８から脱イオン水を得る。

電気式脱イオン水製造装置１０ｈによれば、脱カチオン水製造装置１０１及び脱アニオン水製造装置１０２の前段、後段の位置関係を切り替える切替弁の操作のみで、水質変動に柔軟に対応した、イオン除去効率を高めた運転をすることができる。

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。

下記被処理水を、図４の電気式脱イオン水製造装置（第１の装置）であって、下記仕様の装置に通水して１週間の連続運転を行った。１週間後、処理水の導電率を測定すると共に、脱カチオン水製造装置を分解して、陰極室内のスケール発生状況及び陰極室内のカチオン交換膜面の焦げ状況、並びに脱アニオン水製造装置を分解して、陽極室内のアニオン交換膜の焦げ状況を目視観察をした。１週間後、処理水の導電率は０．０５５μＳ/ｃｍと良好な脱イオン性能を示した。また、脱カチオン水製造装置での陰極室内にはスケールは発生せず、脱カチオン水製造装置での陰極室のカチオン交換膜面の焦げ、脱アニオン水製造装置での陽極室内のアニオン交換膜の焦げはいずれも観察されなかった。

（脱カチオン水製造装置の装置仕様）
・陰極；白金被覆のチタン製平板
・陽極；白金被覆のチタン製平板
・陰極室充填剤；カチオン交換樹脂ＩＲ−１２０Ｂ（Ｎａ）基準型
・陽極室充填剤；カチオン交換樹脂ＩＲ−１２０Ｂ（Ｈ）再生型
・脱カチオン室充填剤；カチオンモノリス（４０×５０×８０ｍｍの直方体）
・カチオンモノリスのイオン交換容量；乾燥換算で４．０ｍｇ当量/ｇ
・イオン交換膜；カチオン交換膜（ＮａｆｉｏｎＮ３２４（デュポン社製））

（脱アニオン水製造装置の装置仕様）
・陰極；白金被覆のチタン製平板
・陽極；白金被覆のチタン製平板
・陰極室充填剤；アニオン交換樹脂ＩＲＡ−４０２ＢＬ（ＯＨ）再生型
・陽極室充填剤；アニオン交換樹脂ＩＲＡ−４０２ＢＬ（Ｃｌ）基準型
・脱アニオン室充填剤；アニオンモノリス（４０×５０×４０ｍｍの直方体）
・アニオンモノリスのイオン交換容量；乾燥換算で４．０ｍｇ当量/ｇ
・イオン交換膜；アニオン交換膜（ＡＨＡ（トクヤマ社製））

（被処理水）
導電率は２０μＳ/ｃｍであり、塩化物イオン１μｇ/Ｌ、硫酸イオン１μｇ/Ｌ、酢酸イオン１０μｇ/Ｌ、ＮＨ_４イオン１０,０００μｇ/Ｌ、Ｎ_２Ｈ_５イオン１,０００μｇ/Ｌを含む水である。

（運転条件）
・被処理水流量：１５Ｌ/ｈｒ
・被処理水の通水温度：２５℃
・電極水の流量：５Ｌ/ｈｒ
・脱カチオン水製造装置の印加電流；０．５Ａ（一定電流）、電流密度；２．５Ａ/ｄｍ^２
・脱アニオン水製造装置の印加電流；０．５Ａ（一定電流）、電流密度；２．５Ａ/ｄｍ^２

比較例１
脱カチオン水製造装置の陰極室の充填剤のカチオン交換樹脂ＩＲ−１２０Ｂ（Ｎａ）に代えて、アニオン交換樹脂ＩＲＡ−４０２ＢＬ（ＯＨ）再生型としたこと、脱アニオン水製造装置の陽極室の充填剤のアニオン交換樹脂ＩＲＡ−４０２ＢＬ（Ｃｌ）基準型に代えて、カチオン交換樹脂ＩＲ−１２０Ｂ（Ｈ）再生型としたこと以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果、脱カチオン水製造装置の陰極室内のカチオン交換膜面及び脱アニオン水製造装置の陽極室内のアニオン交換膜面にそれぞれ焦げが観察された。焦げの状況から更に連続運転した場合、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の機能が低下することが推察された。

第１の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。図１の他の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。図１の他の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。図１の他の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。図１の他の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。図１の他の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。第２の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。第３の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置のフロー図である。

符号の説明

３カチオン交換膜
４アニオン交換膜
５、６ａ、６ｂカチオン交換体
７、８ａ、８ｂアニオン交換体
９ｐＨ計
１０ａ〜１０ｈ電気式脱イオン水製造装置
５１脱カチオン室
７１脱アニオン室
３１カチオン交換体の膜面
４１アニオン交換体の膜面
１０１脱カチオン水製造装置
１０２脱アニオン水製造装置
１１１、１１３陽極室
１１２、１１４陰極室

Claims

陽極室と陰極室の間に、２枚のカチオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するカチオン交換体が充填された脱カチオン室を配設し、陰極と該カチオン交換膜で区画される陰極室には、カチオン交換体が充填される脱カチオン水製造装置と、陽極室と陰極室の間に、２枚のアニオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するアニオン交換体が充填された脱アニオン室を配設し、陽極と該アニオン交換膜で区画される陽極室には、アニオン交換体が充填される脱アニオン水製造装置を、一方の装置の処理水が他方の装置の被処理水となるように接続したことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
前記脱カチオン水製造装置及び前記脱アニオン水製造装置は、陽極室及び陰極室に、それぞれ電極水流入配管と電極水流出配管が配設され、脱カチオン室及び脱アニオン室に、それぞれ被処理水流入配管と処理水流出配管が配設されたものであり、該脱カチオン水製造装置の処理水流出配管と該脱アニオン水製造装置の被処理水流入管を接続したものであるか、あるいは該脱アニオン水製造装置の処理水流出配管と該脱カチオン水製造装置の被処理水流入管を接続したものであることを特徴とする請求項１記載の電気式脱イオン水製造装置。
前記脱カチオン水製造装置及び前記脱アニオン水製造装置のそれぞれの陽極室、陰極室及び陽極室と陰極室を接続する電極水の流路は、処理水の一部が連続して一方向に流れるひとつの流路であることを特徴とする請求項２記載の電気式脱イオン水製造装置。
前段を脱カチオン水製造装置、後段を脱アニオン水製造装置とするか、あるいは前段を脱アニオン水製造装置、後段を脱カチオン水製造装置とする切替弁及びバイパス配管を、更に配設したことを特徴とする請求項２又は３記載の電気式脱イオン水製造装置。
陽極室と陰極室の間に、２枚のカチオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するカチオン交換体が充填された脱カチオン室を配設し、陰極と該カチオン交換膜で区画される陰極室には、カチオン交換体が充填される脱カチオン水製造装置を前段に、陽極室と陰極室の間に、２枚のアニオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するアニオン交換体が充填された脱アニオン室を配設し、陽極と該アニオン交換膜で区画される陽極室には、アニオン交換体が充填される脱アニオン水製造装置を後段にそれぞれ配置し、陽極及び陰極間に電圧を印加させ、陽極室及び陰極室に電極水を流入させながら、脱カチオン室に被処理水を流入させて、被処理水中の不純物カチオンを除去して脱カチオン水を得、次いで、脱アニオン室に該脱カチオン水を流入させて、脱カチオン水中の不純物アニオンを除去して脱イオン水を得ることを特徴とする脱イオン水製造方法。
陽極室と陰極室の間に、２枚のアニオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するアニオン交換体が充填された脱アニオン室を配設し、陽極と該アニオン交換膜で区画される陽極室には、アニオン交換体が充填される脱アニオン水製造装置を前段に、陽極室と陰極室の間に、２枚のカチオン交換膜で区画され且つ該陽極室と陰極室に隣接するカチオン交換体が充填された脱カチオン室を配設し、陰極と該カチオン交換膜で区画される陰極室には、カチオン交換体が充填される脱カチオン水製造装置を後段にそれぞれ配置し、陽極及び陰極間に電圧を印加させ、陽極室及び陰極室に電極水を流入させながら、脱アニオン室に被処理水を流入させて、被処理水中の不純物アニオンを除去して脱アニオン水を得、次いで、脱カチオン室に該脱アニオン水を流入させて、脱アニオン水中の不純物カチオンを除去して脱イオン水を得ることを特徴とする脱イオン水製造方法。