JP4997678B2

JP4997678B2 - 電気脱イオン装置

Info

Publication number: JP4997678B2
Application number: JP2001297288A
Authority: JP
Inventors: 伸佐藤; 修加藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2003094064A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気脱イオン装置に係り、特に電気脱イオン装置の電極室（陽極室及び陰極室）にイオン導電性物質を充填することにより電気効率を高めた電気脱イオン装置において、電極室に充填したイオン導電性物質の性能低下を防止して長期運転を可能とした電気脱イオン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造工場、液晶製造工場、製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業又は民生用ないし研究施設等において使用される脱イオン水の製造には、図２に示す如く、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合もしくは複層状に充填した電気脱イオン装置が多用されている（特許第１７８２９４３号、特許第２７５１０９０号、特許第２６９９２５６号）。なお、図２において、１７は陽極室、１８は陰極室であり、一般にスペーサが設けられている。
【０００３】
脱塩室１６に流入したイオンはその親和力、濃度及び移動度に基いてイオン交換体と反応し、電位の傾きの方向にイオン交換体中を移動し、更に膜を横切って移動し、すべての室において電荷の中和が保たれる。そして、膜のイオン選択的透過特性のため、及び電位の傾きの方向性のために、イオンは脱塩室１６では減少し、隣りの濃縮室１５では濃縮される。即ち、カチオンはカチオン交換膜１４を透過して、また、アニオンはアニオン交換膜１３を透過して、それぞれ濃縮室１５内に濃縮される。このため、脱塩室１６から生産水として脱イオン水（純水）が回収される。
【０００４】
原水は脱塩室１６と濃縮室１５とに導入され、脱塩室１６からは脱イオン水（純水）が取り出される。一方、濃縮室１５から流出するイオンが濃縮された濃縮水は、ポンプ（図示せず）により一部が水回収率の向上のために濃縮室１５の入口側に循環され、残部が系内のイオンの濃縮を防止するために排水として系外へ排出される。
【０００５】
なお、陽極室１７及び陰極室１８にも電極水が通液されており、この電極水には、導電性の確保のために数十μＳ／ｃｍ以上の電気伝導率を有する導電性のある水を補給するか、或いはＮａＣｌ等の電解質が添加される。
【０００６】
特開平１０−４３５５４号公報には陰極室に電気伝導粒子を充填することが提案されており、また、ＵＳＰ５，８６８，９１５には、電極室にイオン導電性物質を充填することが提案されており、このように電極室にイオン導電性物質を充填した場合には、このイオン導電性物質により、電極室の導電性を確保することができるため、電極水への電解質の添加や導電性の水の補給を不要とすることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電極室にイオン導電性物質を充填した電気脱イオン装置は、電極室の電気抵抗が小さく、電気効率が高いという利点を有するが、陽極室では発生する塩素等の酸化剤によるイオン導電性物質の劣化の問題があり、また、陰極室ではスケール析出によるイオン導電性物質の性能低下の問題があり、長期運転を継続することができないという問題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決し、電極室に充填したイオン導電性物質の性能低下を防止して長期運転を可能とした電気脱イオン装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気脱イオン装置は、陽極を有する陽極室と、陰極を有する陰極室と、これらの陽極室と陰極室との間に複数のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を交互に配列することにより交互に形成された濃縮室及び脱塩室とを備え、陽極室にはカチオン交換膜を介して濃縮室が隣接し、陰極室にはアニオン交換膜を介して濃縮室が隣接している電気脱イオン装置において、陽極室及び陰極室にイオン導電性物質が充填されており、陽極室にはアニオンを除去した水又は純水が通水され、陰極室にはカチオンを除去した水又は純水が通水される電気脱イオン装置であって、陰極室流出水を陽極室流入水とし、陽極室の流出水を系外へ排出することを特徴とする。
【００１０】
本発明の電気脱イオン装置は、電極室にイオン導電性物質を充填したため、電極室の電気抵抗が小さく、電気効率が高い。
【００１１】
電気脱イオン装置の陰極室においては、以下の（１）の反応でＯＨ⁻が発生する。そして、カチオンを含有する電極水をイオン導電性物質が充填された陰極室に通水すると、陰極室においては、下記（２）の反応でカルシウムスケールが生成し、このカルシウムスケールの生成反応がＯＨ⁻により促進される。
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→２ＯＨ⁻＋Ｈ_２ …（１）
Ｃａ^２＋＋ＣＯ_３ ^２−→ＣａＣＯ_３ …（２）
【００１２】
このため、Ｃａ^２＋イオンを含む水をイオン導電性物質が充填された陰極室に通水すると、陰極室で発生するスケールのためにイオン導電性物質の性能低下が生じる。
【００１３】
本発明では、Ｃａ^２＋イオン等のカチオンを除去した水又は純水を陰極室に通水するため、このようなスケールの生成が防止され、イオン導電性物質の性能低下を生じることがない。
【００１４】
また、陽極室においては、以下の（３），（４）の反応が起こり、塩素が生成し、生成した塩素によりイオン交換樹脂等のイオン導電性物質が酸化劣化する。
２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２ …（３）
２Ｃｌ⁻→２ｅ⁻＋Ｃｌ_２ …（４）
【００１５】
本発明では、Ｃｌ⁻イオン等のアニオンを除去した水又は純水を陽極室に通水するため、塩素の生成が防止され、イオン導電性物質の酸化劣化が防止される。
【００１６】
陰極室及び陽極室に充填するイオン導電性物質としてはイオン交換樹脂が挙げられるが、陽極室においては、塩素以外にも酸化力の強いオゾン（Ｏ_３）が発生するため、還元作用のある活性炭を用いることが効果的であり、活性炭を単独で用いるか或いは活性炭とイオン交換樹脂とを混合して用いても良い。
【００１７】
また、イオン導電性物質として、重金属を担持したものを用いることにより、重金属が導電性を増加させるという作用により、更に電気抵抗を低減させるという効果を得ることができ、好ましい。
【００１８】
また、陰極室の流出水には、前記（１）の反応で発生した水素が含まれている。この還元性の水素を含む陰極室流出水を陽極室の流入水とすることにより、陽極室で発生する酸化性物質を還元して除去することができ、陽極室におけるイオン導電性物質の酸化劣化をより確実に防止することができる。この陰極室流出水は、陰極室からアニオン交換膜を透過してＣｌ⁻等のアニオン成分が除去されているため、陽極室に通水するアニオン成分除去水として有効に利用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。
【００２１】
この電気脱イオン装置は、図２に示す従来の電気脱イオン装置と同様、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６には、イオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体が混合もしくは複層状に充填されている。
【００２２】
陽極室１７及び陰極室１８は各々カチオン交換膜１４及びアニオン交換膜１３を介して濃縮室１５と隣接しており、この陽極室１７及び陰極室１８にはイオン導電性物質が充填されている。
【００２３】
原水は脱塩室１６と濃縮室１５に導入され、脱塩室１６からは生産水（純水）が取り出される。この生産水の一部は、陰極室１８流入水として陰極室１８の入口側へ送給される。陰極室１８の流出水は陽極室１７の入口側へ送給され、陽極室１７の流出水は排水として系外へ排出される。濃縮室１５から流出するイオンが濃縮された濃縮水は、一部が濃縮室１５の入口側に循環され、残部は排水として系外へ排出される。
【００２４】
この電気脱イオン装置では、陽極室１７及び陰極室１８にイオン導電性物質が充填されているため、電極室の電気抵抗が小さく、電気効率が高い。
【００２５】
このイオン導電性物質としては、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、グラフト交換体等のイオン交換体が挙げられるが、陰極室１８のイオン導電性物質としては、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混床イオン交換樹脂等の混合イオン交換体、或いはアニオン交換樹脂等のアニオン交換体単独を用いるのが好ましい。
【００２６】
一方、陽極室１７のイオン導電性物質としては、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混床イオン交換樹脂等の混合イオン交換体、或いはカチオン交換樹脂等のカチオン交換体単独、或いは活性炭、或いは活性炭とこれらのイオン交換体との混合物を用いることができる。
【００２７】
陽極室１７に活性炭を充填することは、前述の如く、活性炭の還元作用で陽極室１７における酸化劣化を防止することができ、好ましい。
【００２８】
また、陰極室１８及び陽極室１７に充填するイオン交換樹脂等のイオン交換体の一部又は全部にパラジウム、鉄、マンガン等の重金属の１種又は２種以上を担持させても良く、このような重金属を担持させることにより、更に電気抵抗を低減させるという効果が奏される。この場合、重金属の担持量には特に制限はないが、イオン交換体に対して０．５〜１０重量％程度とするのが好ましい。
【００２９】
また、イオン交換体と共に活性炭を併用したり、イオン交換体に重金属を担持させる場合、活性炭や重金属担持イオン交換体を電極室内の電極板面に沿って充填し、優先的に反応させることも効果的である。
【００３０】
図１の電気脱イオン装置では、このようにイオン導電性物質を充填した陰極室１８に生産水（純水）を通水するため、陰極室１８におけるスケール発生が防止され、スケールによるイオン導電性物質の性能低下が防止される。
【００３１】
また、陽極室１７に通水される陰極室１８の流出水は、純水が陽極室１７に通水されたものであり、アニオン成分を含まず、しかも、陰極室１８内での電極反応で生成した還元性物質の水素を含むため、陽極室１７におけるイオン導電性物質の酸化劣化が防止される。
【００３２】
なお、図１に示す電気脱イオン装置は本発明の電気脱イオン装置の実施の形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り、何ら図示のものに限定されるものではない。
【００３３】
例えば、図１の電気脱イオン装置では濃縮室１５はイオン導電性物質が充填されていないが、この濃縮室にもイオン交換体、活性炭又は金属等のイオン導電性物質が充填されていても良い。また、図１の電気脱イオン装置では生産水を陰極室１８の流入水としているが、陰極室１８の流入水としては、別系統の純水或いは原水をカチオン交換樹脂塔で処理したカチオン成分除去水（軟水）を用いても良い。更に、濃縮水についても必ずしも一部を循環する必要はなく、水回収率よりも生産水の水質が重視される場合には、原水を一過性で通水しても良く、その通水方向等も任意である。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、電極室にイオン導電性物質を充填して電気効率を高めた電気脱イオン装置において、電極室に充填したイオン導電性物質の性能低下を防止することができ、これにより長期連続運転が可能な電気脱イオン装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。
【図２】従来の電気脱イオン装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１１陽極
１２陰極
１３アニオン交換膜（Ａ膜）
１４カチオン交換膜（Ｃ膜）
１５濃縮室
１６脱塩室
１７陽極室
１８陰極室

Claims

陽極を有する陽極室と、陰極を有する陰極室と、これらの陽極室と陰極室との間に複数のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を交互に配列することにより交互に形成された濃縮室及び脱塩室とを備え、
陽極室にはカチオン交換膜を介して濃縮室が隣接し、陰極室にはアニオン交換膜を介して濃縮室が隣接している電気脱イオン装置において、
陽極室及び陰極室にイオン導電性物質が充填されており、
陽極室にはアニオンを除去した水又は純水が通水され、陰極室にはカチオンを除去した水又は純水が通水される電気脱イオン装置であって、
陰極室流出水を陽極室流入水とし、陽極室の流出水を系外へ排出することを特徴とする電気脱イオン装置。
請求項１において、陽極室のイオン導電性物質が活性炭であるか、又はイオン交換樹脂と活性炭であり、陰極室のイオン導電性物質がイオン交換樹脂であることを特徴とする電気脱イオン装置。
請求項２において、イオン導電性物質に重金属が担持されていることを特徴とする電気脱イオン装置。