JP5110020B2

JP5110020B2 - イオン交換樹脂の充填方法および電気再生式純水製造装置

Info

Publication number: JP5110020B2
Application number: JP2009085806A
Authority: JP
Inventors: 修笠間; 直也金澤; 道子吉田
Original assignee: 日本錬水株式会社
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010234287A

Description

本発明は、イオン交換樹脂の充填方法および電気再生式純水製造装置に関するものである。

従来より、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に陰イオン交換膜および陽イオン交換膜を交互に配列して順次形成される複数組の脱塩室および濃縮室から構成され、脱塩室には陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が収容される電気再生式純水製造装置が提案されている。

ところで、上記の陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂は各脱塩室にそれぞれ充填されて収容されるが、イオン交換樹脂の充填は、各部屋に均一に充填されることが大切であり、脱塩室内では液の流れがショートパスするような空間を生じること無く、且つ電気的な偏りが生じることの無いことが求められる。

しかしながら、上記の要求を満足するようにして、直径０．３〜０．８ｍｍのイオン交換樹脂を脱塩室内に充填することは、高度の熟練した技術を要し、相当な時間をも必要として経済的ではない。なお、上記のイオン交換樹脂は、官能基の保護や割れ防止の観点から、水分を含んだ膨潤状態で取り扱われ、上記の直径は膨潤状態における値である。因に、膨潤状態のイオン交換樹脂の含水率は、その種類によって異なるが、樹脂に対する値として通常３０〜６０重量％である。

そこで、上記の問題を解決したイオン交換樹脂の充填方法として、予め、イオン交換樹脂を含む氷状物を作製し、これを脱塩室に装着した後に解凍する方法が提案されている（特許文献１）。イオン交換樹脂を含む氷状物の作成は、具体的には、イオン交換樹脂に適量の水を加え、急激に凍らせることが可能な−２０℃以下の冷凍庫に必要時間、すなわち、取扱上問題の無い程度の物理的強度を有する氷状物が得られるまで保存することによって行われる。

しかしながら、上記の方法では次のような問題がある。すなわち、水は固化する際に体積が増加し、液化する際に体積が減少する性質を有している。そのため、イオン交換樹脂の内部に吸蔵された水の体積増加によりイオン交換基が破損する恐れがあり、また、脱塩室内においては水の体積の増加・減少により空間を生じる恐れがある。加えて、−２０℃以下に凍結された氷状物は強度が高いために脱塩室への装着時に脱塩室の壁面を構成するイオン交換膜を破損する恐れがある。

特開平１１−３１９４９８号公報

本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、その目的は、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に陰イオン交換膜および陽イオン交換膜を交互に配列して順次形成される複数組の脱塩室および濃縮室から構成され、脱塩室には陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が収容される電気再生式純水製造装置の脱塩室にイオン交換樹脂を充填する方法であって、前記の従来技術が有する欠点を克服したイオン交換樹脂の充填方法を提供することにある。

すなわち、本発明の第１の要旨は、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に陰イオン交換膜および陽イオン交換膜を交互に配列して順次形成される複数組の脱塩室および濃縮室から構成され、脱塩室には陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が収容される電気再生式純水製造装置の脱塩室にイオン交換樹脂を充填する方法であって、バインダーとして水溶性高分子を使用して成形した陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の成形物を脱塩室に充填し、次いで、脱塩室に水を通水しバインダーとして使用した水溶性高分子を溶出除去することを特徴とするイオン交換樹脂の充填方法に存する。

そして、本発明の第２の要旨は、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に陰イオン交換膜および陽イオン交換膜を交互に配列して順次形成される複数組の脱塩室および濃縮室から構成され、脱塩室には陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が収容される電気再生式純水製造装置であって、脱塩室へのイオン交換樹脂の充填が上記の充填方法により行われていることを特徴とする電気再生式純水製造装置に存する。

本発明によれば、電気再生式純水製造装置の脱塩室にイオン交換樹脂を充填する方法であって、高度の熟練した技術を必要とせず、イオン交換樹脂の性能を損なうことなく、脱塩室の壁面を構成するイオン交換膜を破損する恐れがなく、しかも、各部屋に均一に充填することが出来るイオン交換樹脂の充填方法が提供される。

図１は電気再生式純水製造装置の一例の垂直縦断正面の全体略図である。

先ず、一般的な電気再生式純水製造装置について説明する。

電気再生式純水製造装置（１）の基本的構成は、陽極室（３）と陰極室（５）との間に陰イオン交換膜（６１）および陽イオン交換膜（７１）を交互に配列して順次形成される複数組の脱塩室（８１）、（８２）…および濃縮室（９１）、（９２）…から構成される。

すなわち、陰イオン交換膜（６１）と陽イオン交換膜（７１）とに挟まれて脱塩室（８１）が構成され、同様にして陰イオン交換膜（６２）と陽イオン交換膜（７２）とに挟まれて第２の脱塩室（８２）が形成される。この様にして図示の装置の場合は５個の脱塩室が形成されている。一方、陽イオン交換膜（７１）と陰イオン交換膜（６２）とに挟まれて第１濃縮室（９１）が形成され、同様にして陽イオン交換膜（７２）と陰イオン交換膜（６３）とに挟まれて第２濃縮室（９２）が形成される。この様にして図示の装置の場合は４個の濃縮室が形成されている。そして、上記５個の脱塩室には陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の混合物（Ａ）がそれぞれ収容される。

５個の各脱塩室には、並行して被処理水（脱イオンされる水）を脱塩室側流入管（１３１）から供給する。処理水（脱イオンされた水）は脱塩室側流出管（１３２）から流出される。４個の濃縮室には、並行して被処理水を濃縮室側流入管（１４１）から供給する。各濃縮室に供給された被処理水は、濃縮されて濃縮水として濃縮室側流出管（１４２）から排出される。また、濃縮室への供給と同時に被処理水を陽極室側流入管（１２１）から陽極室（３）に、陰極室側流入管（１２３）から陰極室（５）にそれぞれ導入し、各々、陽極室側流出管（１２２）、陰極室側流出管（１２４）から排出される。

脱塩室および濃縮室を形成するためのイオン交換膜としては、通常の電気透析装置で採用されているものが使用され、例えば、商品名「セレミオン」（旭硝子社製）、「ネオセプタ」（トクヤマ社製）、「アシプレックス」（旭化成社製）等の市販品が挙げられる。

上記の脱塩室に充填されるイオン交換樹脂としては、通常の純水製造時の脱塩処理に使用されている陰イオン交換樹脂および陽イオン交換樹脂を使用することもできる。例えば、強酸性陽イオン交換樹脂としては、「ダイヤイオン（三菱化学（株）登録商標）ＳＫ１Ｂ」、「ＰＫ２０８」等、強塩基性陰イオン交換樹脂としては、「ダイヤイオンＳＡ１０Ａ」、「ＰＡ３１６」等が挙げられる。

上記のイオン交換樹脂は、再生型および塩型の何れの型で使用してもよいが、水質の立ち上がりを早くするのには再生型を使用するのがよい。陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂とは、両者の交換容量が同じとなる量で使用される。なお、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の再生型混合樹脂としては、例えば、三菱化学（株）製の商品「ＳＭＴ１００Ｌ」等がある。

次に、本発明に係るイオン交換樹脂の充填方法について説明する。

本発明に係るイオン交換樹脂の充填方法は、前記のように構成される電気再生式純水製造装置の脱塩室に陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂を充填する方法であって、バインダーとして水溶性高分子を使用して成形した陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の成形物（以下「イオン交換樹脂成形物」と略記する）を脱塩室に充填し、次いで、脱塩室に水を通水しバインダーとして使用した水溶性高分子を溶出除去することを特徴とする。

上記の水溶性高分子としては、具体的には、例えば、ポリビニルアルコール（以下ＰＶＡという）、ポリピニルピロリドン、ポリエチレンオキサイド、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等が挙げられる。ＰＶＡは、その部分アセタール化物、４級アンモニウム塩等によるそのカチオン変性物、スルホン酸ナトリウム等によるそのアニオン変性物等の誘導体であってもよい。これらの中では特にＰＶＡが好ましい。ＰＶＡは、ケン化度が９８モル％以上で重合度が１０００〜３５００のものが好適である。

前記のイオン交換樹脂成形物の形状は、脱塩室に円滑に充填し得る限り特に制限されないが、一般的に、脱塩室の形状が縦長の長方形であり、縦３００〜９００ｍｍ、横１３０〜５００ｍｍ、幅３〜１０ｍｍであることを考慮し、シート形状とされる。具体的には、脱塩室の形状と略同一のシート形状、また、当該シート形状を複数枚に裁断したのと同等の短冊形状とされる。実際的には、脱塩室の寸法より大型のシート形状のイオン交換樹脂成形物を得、これを上記のような適宜の寸法に裁断して使用する。また、シート形状のイオン交換樹脂成形物は、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂とで別々に作成してもよいし、両者を一緒にして混合樹脂として作成してもよい。

前記のイオン交換樹脂成形物は次のように行うことが出来る。水溶性高分子は通常５〜１５重量％の水溶液として使用される。濃度が５重量％未満の場合は、固化の際の乾燥に長時間を要し、濃度１５重量％を超える場合は粘度が高すぎて所定形状への成形が困難となる。また、水溶性高分子の使用量は、膨潤イオン交換樹脂に対する割合として通常０．５〜５重量％である。使用量が０．５重量％未満の場合は樹脂成形物の形状維持が困難となり、使用量が５重量％を超える場合は経済的ではない。

先ず、所定量の水溶性高分子の水溶液と膨潤イオン交換樹脂とを秤量した後に両者を混合し、シート成形型枠に流延する。次いで、所定時間乾燥して水分を除去して固化する。乾燥温度は、膨潤イオン交換樹脂がその膨潤状態を適切に維持して安定に保持されるようにするため、通常３０〜６０℃である。また、乾燥の程度は、膨潤イオン交換樹脂がその膨潤状態を適切に維持されることを考慮し、使用した膨潤イオン交換樹脂および水溶性高分子水溶液の全体（換言すれば、シート状のイオン交換樹脂成形物）を基準とした残存水分量として、通常１０〜６０重量％、好ましくは３０〜５０重量％である。残存水分量が多過ぎる場合はシート状のイオン交換樹脂成形物の形状維持が困難となり、少な過ぎる場合はイオン交換脂成形物が硬くなり過ぎる恐れがある。

本発明においては、電気再生式純水製造装置の脱塩室にイオン交換樹脂成形物を充填し、次いで、脱塩室に水を通水しイオン交換樹脂成形物のバインダーとして使用した水溶性高分子を溶出除去する。水溶性高分子を溶出除去するための水としては、図１に示す脱塩室側流入管（１３１）から供給する被処理水をそのまま使用することが出来るが、この場合、被処理水を加温して温水に変換することが好ましい。温水の温度は、通常５０〜９５℃、好ましくは７５〜８５℃である。温水の温度が５０℃未満の場合は水溶性高分子を溶出除去するための時間が長くなり、温水の温度が９５℃を超える場合は、熱エネルギー的観点から経済的でなく、また、イオン交換樹脂の性能劣化が生じる恐れがある。

イオン交換樹脂成形物のバインダーとして使用した水溶性高分子を溶出除去した後は、従来公知の方法と全く同様にして電気再生式純水製造装置を使用することが出来る。本発明に係るイオン交換樹脂の充填方法を採用した電気再生式純水製造装置は次のような特徴を有する。

すなわち、各脱塩室に陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が均一に充填されているため、液の流れがショートパスするような空間が無く、且つ電気的な偏りが生じ難い。加えて、イオン交換樹脂の性能が損なわれることが無く、脱塩室の壁面を構成するイオン交換膜が破損されることも無い。

次に、実施例および比較例により、本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
比較例１：

図１に示す様な構造を有する電気再生式純水製造装置であって、脱塩室が５室および濃縮室が４室から成る装置を使用し、実験を行った。脱塩室は、縦６００ｍｍ、横１３０ｍｍ、幅８ｍｍであり、濃縮室は、縦６００ｍｍ、横１３０ｍｍ、幅２ｍｍである。

陰イオン交換膜としては、セレミオンＡＭＤ［旭硝子（株）製、セレミオンは同社登録商標］を使用し、その寸法は、縦６００ｍｍ、横１３０ｍｍである。陽イオン交換膜としては、セレミオンＣＭＤ［旭硝子（株）製］を使用し、その寸法は、縦６００ｍｍ、横１３０ｍｍである。

陽極（２１）及び（２２）としては、チタンを板状にしたものに白金メッキを施したものを、陰極（４１）及び（４２）としては、ＳＵＳ３１６を板状にしたものを使用した。陽極（２１）及び（２２）の寸法は、それぞれ、縦６００ｍｍ、横１３０ｍｍとした。陰極（４１）及び（４２）の寸法も同様に、それぞれ、縦６００ｍｍ、横１３０ｍｍとした。

脱塩室に充填するイオン交換樹脂としては、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の再生型混合樹脂（三菱化学（株）製の商品「ダイヤイオンＳＭＴ１００Ｌ」：含水率５０重量％）を使用した。

そして、湿潤状態の上記のイオン交換樹脂を脱塩室に充填した。イオン交換樹脂の充填は、脱塩室の室枠と他の部材との間にイオン交換樹脂が入り込むと種々の問題を惹起するため、細心の注意を払い次のように行った。すなわち、薬さじを使用し、少量ずつ充填し、脱塩室の室枠の高さと同じ高さまで充填した。

次いで、脱塩室流入管（１３１）から脱塩室に導電率４μＳ／ｃｍの被処理水を２．８ｃｍ／秒の流速で供給し、２０Ａ／ｍ^２の電流を流し、脱イオン通水試験を行った。処理水の導電率の変化が大きかったが、最終的に電気抵抗１０ＭΩの脱イオン水が得られた。運転停止後、電気再生式純水製造装置を解体して観察した結果、脱塩室の入口側（下部側）に隙間があることが確認された。

実施例１：
＜シート成形型枠の作成＞
５５０ｍｍ×９７０ｍｍの大きさで厚さが１ｍｍのＳＵＳ製パンチングメタル（孔径４ｍｍ、開口率３０％）と同大きさで厚さが０．２ｍｍステンレス製金網（孔径０．１５ｍｍ、開口率３７％）のステンレス金網とを用意し、パンチングメタルの上にＳＵＳ製金網を重ねた台座を作成した。そして、台座の金網に上記と同大きさのポリエステル製の濾布（ＮＢＣ（株）社製の商品「Ｔ−ＮＯ９０Ｔ」）を載せ、その上に、アルミ製の型材を使用し、５００ｍｍ×９５０ｍｍの大きさで厚さが８ｍｍの成形型枠を設けた。型材の固定はポルト締めで行った。

＜シート状のイオン交換樹脂成形物の作成＞
比較例１で使用したのと同じ湿潤状態のイオン交換樹脂をその全体の重量が５重量％減少するまで堅型送風乾燥機内で乾燥した。一方、重合度２４００、ケン化度が９８モル％以上のポリビニルアルコールを水に溶解させて１０重量％濃度の水溶液を調製した。

次いで、大型スパチュラを使用し、容器内にて、上記のイオン交換樹脂５１３０ｇとポリビニルアルコール水溶液８２３ｇとを５分間かけて目視にて均一になるように混合し、その後、直ちに、シート成形型枠の中に流し込んだ。流し込み量は前記の成形型枠の体積と同一量し、予め計算によって求めておいた。

次いで、成形型枠に流し込んだ混合物の上に前記と同じポリプロピレン製の濾布を載せ、その上から、直径５０ｍｍのＳＵＳ製ローラで加圧処理して平滑化した。その後、蓋として前記と同じＳＵＳ製金網とＳＵＳ製パンチングメタルとを順次に載せてポルト締めによって固定した。

次いで、堅型送風乾燥機内に上記の蓋付きシート成形型枠を水平に収納し、温度４５℃、湿度３０％以下（乾燥機内に導入する圧縮空気によって湿度調節）の条件下、時々、台座と蓋とが上下逆になるように操作し、シート状のイオン交換樹脂成形物の残存水分が４０重量％となるまで乾燥した。

次いで、堅型送風乾燥機から上記の蓋付きシート成形型枠を取り出し、シート状のイオン交換樹脂成形物を脱型し、ビニール製袋で２重に梱包し、平板状の重り（２．５ｋｇ）を載せ、室温まで放冷した。次いで、シート状のイオン交換樹脂成形物を取り出し、電気再生式純水製造装置の脱塩室にピッタリと充填し得る大きさに裁断して使用に供した。

＜電気再生式純水製造装置の組立＞
比較例１において、薬さじを使用して脱塩室にイオン交換樹脂を充填するのに代えて、
脱塩室に前記のシート状のイオン交換樹脂成形物を充填すること以外は、比較例１と同様にして電気再生式純水製造装置の組立を行った。シート状のイオン交換樹脂成形物の脱塩室への充填は極めて容易に行うことが出来た。

次いで、脱塩室側流入管（１３１）から供給する被処理水を８０℃に加温し、イオン交換樹脂成形物のバインダーとして使用したポリビニルアルコールを溶出除去した。ポリビニルアルコールが完全に除去されたことの確認は、シーバス社製の全有機体炭素計「ＴＯＣ−８１０型」を使用し、脱塩室流出管（１３２）から流出する処理水を分析することによって行った。

次いで、比較例１と同様に、脱塩室流入管（１３１）から脱塩室に導電率４μＳ／ｃｍの被処理水を２．８ｃｍ／秒の流速で供給し、２０Ａ／ｍ^２の電流を流し、脱イオン通水試験を行ったところ、電気抵抗１８ＭΩの脱イオン水が得られた。運転停止後、電気再生式純水製造装置を解体して観察した結果、脱塩室のイオン交換樹脂の充填状態は良好であり隙間などは確認されなかった。

１：電気透析槽本体
２１：陽極
２２：陽極
３：陽極室
４１：陰極
４２：陰極
４３：共通陰極
５：陰極室
６１：陰イオン交換膜
７１：陽イオン交換膜
８１：脱塩室
９１：濃縮室
１２１：陽極室流入管
１２２：陽極室流出管
１２３：陰極室流入管
１２４：陰極室流出管
１３１：脱塩室流入管
１３２：脱塩室流出管
１４１：濃縮室流入管
１４２：濃縮室流出管
Ａ：陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の混合物

Claims

陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に陰イオン交換膜および陽イオン交換膜を交互に配列して順次形成される複数組の脱塩室および濃縮室から構成され、脱塩室には陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が収容される電気再生式純水製造装置の脱塩室に陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂を充填する方法であって、バインダーとして水溶性高分子を使用して成形した陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の成形物を脱塩室に充填し、次いで、脱塩室に水を通水しバインダーとして使用した水溶性高分子を溶出除去することを特徴とするイオン交換樹脂の充填方法。
イオン交換樹脂成形物が脱塩室の形状とほぼ同一形状である請求項１に記載のイオン交換樹脂の充填方法。
水溶性高分子がポリビニルアルコールである請求項１又は２に記載のイオン交換樹脂の充填方法。
イオン交換樹脂成形物が含水成形物である請求項１〜３の何れかに記載のイオン交換樹脂の充填方法。
バインダーとして使用した水溶性高分子を溶出除去するために脱塩室に通水する水の温度が５０〜９５℃である請求項１〜４の何れかに記載のイオン交換樹脂の充填方法。
陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に陰イオン交換膜および陽イオン交換膜を交互に配列して順次形成される複数組の脱塩室および濃縮室から構成され、脱塩室には陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が収容される電気再生式純水製造装置であって、脱塩室への陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の充填が請求項１〜５の何れかに記載のイオン交換樹脂の充填方法により行われていることを特徴とする電気再生式純水製造装置。