JP5186605B2

JP5186605B2 - 電気式脱イオン水製造装置及び脱イオン水の製造方法

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Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置及び該電気式脱イオン水製造装置を利用した脱イオン水の製造方法の技術に関する。

脱イオン水を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られている。しかし、この方法では、イオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに、通常薬剤によって再生を行う。このような再生処理は、処理操作上の不利であり、このような点を解消するため、薬剤による再生が不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。

このような脱塩処理を行う電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ）としては、例えば、陽極と陰極との間に、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配置し、両膜の間にアニオン交換体が充填された脱塩室と濃縮室とを交互に形成したものが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。そして、電気式脱イオン水製造装置では、陽極と陰極間に直流電流を流した状態で、イオン交換体が充填された脱塩室内に被処理水を、濃縮室に濃縮水を通水させることによって、被処理水中のイオンが濃縮水中に移動し、脱イオン水が得られる。

例えば、特許文献２には、アニオン交換膜とカチオン交換膜とで区画された脱塩室と、カチオン交換膜とアニオン交換膜とで区画され、アニオン交換膜側にアニオン交換体を充填した濃縮室とを有する電気式脱イオン水製造装置が開示されている。ここで、脱塩室に流入させる被処理水中の硬度が高い場合、例えば、水道水または水道水をＲＯ膜処理した水を被処理水として用いると、濃縮室のアニオン交換膜面に硬度スケールが発生しやすくなる。しかし、特許文献２の装置のように、濃縮室にアニオン交換体が充填されていると、アニオン交換体が濃縮室のアニオン交換膜近傍で生じるｐＨシフトを緩和する役割を果たし、濃縮室のアニオン交換膜面で硬度スケールが発生することを防止できる。

特開２００１−１７０６４６号公報特開２００４−３５８４４０号公報特開２００７−２８３２２８号公報

一方で、電気式脱イオン水製造装置の電気抵抗を低減させ、被処理水中の不純物イオンを省電力で除去することができる電気式脱イオン水製造装置の開発が、種々行われている。

そこで、本発明の目的は、被処理水中の不純物を省電力で除去することができる電気式脱イオン水製造装置及び当該電気式脱イオン水製造装置を用いる脱イオン水の製造方法を提供することにある。

参考例の電気式脱イオン水製造装置は、陽極を備える陽極室と陰極を備える陰極室との間に、一対のカチオン交換膜で区画され、カチオン交換体が充填されたカチオン交換脱塩室と、一対のアニオン交換膜で区画され、アニオン交換体が充填されたアニオン交換脱塩室と、前記カチオン交換脱塩室と前記アニオン交換脱塩室との間に、前記カチオン交換脱塩室のカチオン交換膜と前記アニオン交換脱塩室のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された濃縮室と、を有する。

本発明の電気式脱イオン水製造装置は、陽極／陽極室／カチオン交換膜／カチオン交換体が充填されたカチオン交換脱塩室／カチオン交換膜／イオン交換体が充填された濃縮室／アニオン交換膜／アニオン交換体が充填されたアニオン交換脱塩室／アニオン交換膜／陰極室／陰極の順に配列された構成を有する。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、前記イオン交換体は、アニオン交換体、カチオン交換体、又はカチオン交換体及びアニオン交換体の混合体であることが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、被処理水を前記カチオン交換脱塩室から前記アニオン交換脱塩室の順序又は前記アニオン交換脱塩室から前記カチオン交換脱塩室の順序で通水させる脱塩処理ラインを備えることが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、ｐＨが酸性である被処理水を前記アニオン交換脱塩室から前記カチオン交換脱塩室の順序で通水させる脱塩処理ラインを備えることが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、ｐＨがアルカリ性である被処理水を前記カチオン交換脱塩室から前記アニオン交換脱塩室の順序で通水させる脱塩処理ラインを備えることが好ましい。

また、参考例として、前記電気式脱イオン水製造装置において、前記脱塩処理ラインとは別に、被処理水を前記濃縮室に通水させる濃縮水ラインを有することが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、被処理水が前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室で脱塩処理されることによって得られた処理水の一部を電極水として前記陰極室から前記陽極室の順序で通水させる電極水ラインを有することが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、被処理水が前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室で脱塩処理されることによって得られた処理水の一部を電極水として前記陰極室から前記陽極室の順序で通水させる電極水ラインと、前記処理水の一部を前記濃縮室に通水させる濃縮水ラインと、を有することが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室に通水させる被処理水を貯留するタンクと、前記電極水ラインを通過した電極水を前記タンクに供給する循環ラインと、を有することが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置において、被処理水が前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室で脱塩処理されることによって得られた処理水の一部を電極水として前記陰極室から前記陽極室の順序で通水させる電極水ラインと、前記電極水ラインを通過した電極水を前記濃縮室に通水させる濃縮水ラインと、を有することが好ましい。

また、前記電気式脱イオン水製造装置は、燃料電池から排出される凝縮水を脱塩処理する燃料電池用の水処理装置であることが好ましい。

また、本発明の脱イオン水の製造方法は、前記電気式脱イオン水製造装置を利用して、被処理水を脱塩処理し脱イオン水を製造する。

また、前記脱イオン水の製造方法であって、前記被処理水は、燃料電池から排出される凝縮水であることが好ましい。

本発明によれば、被処理水中の不純物を省電力で除去することができる。

本実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。図１に示す電気式脱イオン水製造装置１は、陽極１０／陽極室１２／カチオン交換膜１８／カチオン交換体２０が充填されたカチオン交換脱塩室２２／カチオン交換膜１８／イオン交換体３０が充填された濃縮室３２／アニオン交換膜２４／アニオン交換体２６が充填されたアニオン交換脱塩室２８／アニオン交換膜２４／陰極室１６／陰極１４の順に配列したものである。

但し、本実施形態に電気式脱イオン水製造装置は、陽極１０を備える陽極室１２と陰極１４を備える陰極室１６との間に、一対のカチオン交換膜１８で区画され、カチオン交換体２０が充填されたカチオン交換脱塩室２２と、一対のアニオン交換膜２４で区画され、アニオン交換体２６が充填されたアニオン交換脱塩室２８と、カチオン交換脱塩室２２とアニオン交換脱塩室２８との間に、カチオン交換膜１８とアニオン交換膜２４とで区画され、イオン交換体３０が充填された濃縮室３２と、を有するものであれば、上記脱塩室及び濃縮室の構成を単セルとして、これを複数積層したものであってもよい。なお、積層する場合は、隣接するカチオン交換脱塩室２２とアニオン交換脱塩室２８とを区画するイオン交換膜をカチオン交換膜１８又はアニオン交換膜２４のどちらか１枚にすることが好ましい。

本実施形態における電気式脱イオン水製造装置１は、上記単セルを複数積層して大流量向けの水処理装置として用いるより、上記単セル１つでも十分に被処理水の脱塩処理が可能な小流量向けの水処理装置として用いることが好ましい。小流量向けの水処理装置としては、例えば、家庭用電源、車両用電源等に用いられる燃料電池用の水処理装置等が挙げられる。燃料電池用の水処理装置は、燃料電池から排出される凝縮水に含まれる炭酸成分、アルカリ金属等の不純物を除去するために用いられる。不純物を除去した処理水は、燃料電池を構成する電解質膜の加湿用水等に利用される。以下本実施形態では、図１に示すような１つの単セルを有する電気式脱イオン水製造装置を例に説明する。

電気式脱イオン水製造装置１において、一対のカチオン交換膜１８で区画されたカチオン交換脱塩室２２には、カチオン交換体２０が充填され、一対のアニオン交換膜２４で区画されたアニオン交換脱塩室２８には、アニオン交換体２６が充填されている。

カチオン交換脱塩室２２とアニオン交換脱塩室２８との間に設けられ、カチオン交換膜１８とアニオン交換膜２４とで区画された濃縮室３２には、イオン交換体３０が充填されている。濃縮室３２に充填されるイオン交換体３０は、アニオン交換体、カチオン交換体、又はアニオン交換体とカチオン交換体との混合体等であるが、処理対象となる被処理水の水質等に応じて適宜選択されることが好ましい。例えば、硬度成分をほとんど含まない被処理水の場合には、硬度スケールの発生を考慮する必要はないので、濃縮室３２に充填されるイオン交換体３０にカチオン交換体を用いることができる。硬度成分をほとんど含まない被処理水としては、例えば、燃料電池から排出される凝縮水等が挙げられる。一般的にカチオン交換体は、アニオン交換体よりも導電性が高い。従って、濃縮室３２にアニオン交換体を充填するよりカチオン交換体を充填した方が、濃縮室３２の電気抵抗を減少させ、電気式脱イオン水製造装置１の省電力化を図ることが可能となる。また、一般的に、カチオン交換体は、アニオン交換体より熱的安定性が高いため、濃縮室３２の耐熱性を向上させることができる。一方、処理対象となる被処理水が、例えば水道水または水道水をＲＯ膜等で処理した水等である場合には、通常、硬度成分が含まれるため、硬度スケールの発生を抑制することができる点で、濃縮室３２に充填されるイオン交換体３０として、アニオン交換体を用いることが好ましい。濃縮室３２にアニオン交換体が充填されていると、アニオン交換体が、濃縮室３２のアニオン交換膜２４近傍で生じるｐＨシフトを緩和する役割を果たし、濃縮室３２のアニオン交換膜２４面で硬度スケールが発生することを防止できる。

また、濃縮室３２からカチオン交換脱塩室２２へ遊離炭酸が移動することを抑制し、処理水の水質を向上させることができる点で、濃縮室３２に充填されるイオン交換体３０として、アニオン交換体とカチオン交換体との混合体を用いることが好ましい。濃縮室３２に混合体を充填することにより、アニオン交換脱塩室２８から濃縮室３２へ移動してきた炭酸イオンが、混合体中のアニオン交換体を移動してカチオン交換膜１８に行き着く前に、混合体中のカチオン交換体から供給される水素イオンの作用により遊離炭酸として濃縮水（被処理水）中に放出される。このため、カチオン交換膜１８近傍の遊離炭酸濃度が高くなることを防止し、処理水質への影響が緩和される。

また、電気式脱イオン水製造装置１において、陽極１０とカチオン交換脱塩室２２との間に形成される陽極室１２には、必要に応じて、カチオン交換体２０が充填され、陰極１４とアニオン交換脱塩室２８との間に形成される陰極室１６には、必要に応じてアニオン交換体２６が充填される。

また、カチオン交換体とアニオン交換体との接点では電気抵抗が高いことが判っている。本実施形態の電気式脱イオン水製造装置１の場合、濃縮室３２にカチオン交換体、アニオン交換体のどちらを充填しても、カチオン交換体とアニオン交換体との接点数が少ない構成であるため、電気抵抗の上昇を抑え、装置の省電力化を図ることができる。

電気式脱イオン水製造装置１は、被処理水をアニオン交換脱塩室２８からカチオン交換脱塩室２２の順序で通水させる脱塩処理ラインを有する。脱塩処理ラインは、第一ライン３４、第二ライン３６、第三ライン３８を備える。第一ライン３４は、アニオン交換脱塩室２８の入口に接続されている。第二ライン３６は、アニオン交換脱塩室２８の出口及びカチオン交換脱塩室２２の入口に接続されている。第三ライン３８は、カチオン交換脱塩室２２の出口に接続されている。

また、電気式脱イオン水製造装置１は、濃縮室３２に被処理水を通水させる濃縮水ラインを有する。濃縮水ラインは、濃縮水流入ライン４０及び濃縮水流出ライン４２を備える。濃縮水流入ライン４０は、濃縮室３２の入口に接続され、濃縮水流出ライン４２は濃縮室３２の出口に接続されている。また、電気式脱イオン水製造装置１は、アニオン交換脱塩室２８及びカチオン交換脱塩室２２で脱塩処理された処理水の一部を電極水として陰極室１６から陽極室１２の順序で通水させる電極水ラインを有する。電極水ラインは、電極水第一ライン４４、電極水第二ライン４６及び電極水第三ライン４８を備える。電極水第一ライン４４は、脱塩処理ラインの第３ライン３８から分岐して陰極室１６の入口に接続され、電極水第二ライン４６は、陰極室１６の出口及び陽極室１２の入口に接続され、電極水第三ライン４８は、陽極室１２の出口に接続されている。

電極水ラインは、濃縮水ラインと同様に、被処理水を陽極室１２及び陰極室１６に通水させる構成であってもよいが、被処理水中に含まれるアニオン、カチオン等の不純物が、陽極室１２のカチオン交換膜１８又は陰極室１６のアニオン交換膜２４を透過して、カチオン交換脱塩室２２又はアニオン交換脱塩室２８に移動し、処理水の水質を悪化させる場合がある。そのため、不純物が除去されている処理水の一部を電極水として電極水ラインに流して、陽極室１２及び陰極室１６に通水させることにより、各脱塩室（２２，２８）に移動する不純物の量を減少させ、処理水の水質を向上させることができる。また、電極水ラインは、処理水の一部を電極水として陽極室１２から陰極室１６の順序で通水させる構成であってもよいが、陽極室１２では、Ｈ_２Ｏ_２が発生するため、陽極室１２で発生したＨ_２Ｏ_２が陰極室１６に流れ、陰極室１６に充填されたアニオン交換体２６、アニオン交換膜２４を劣化させるおそれがある。そのため、電極水ラインは、陽極室１２で発生するＨ_２Ｏ_２が陰極室１６に流れないように、処理水の一部を電極水として陰極室１６から陽極室１２の順序で通水させる構成とすることが好ましい。

本実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置１によって、脱イオン水を製造する場合の運転方法の一例を以下に説明する。まず、陽極１０と陰極１４間に直流電流を流した状態で、脱塩処理ラインの第一ライン３４及び濃縮水流入ライン４０から被処理水を流入させる。第一ライン３４から流入した被処理水は、アニオン交換脱塩室２８に供給され、アニオン交換体２６の充填層を通過する際に、被処理水中のアニオンが除去される。更に、被処理水はアニオン交換脱塩室２８から排出され、脱塩処理ラインの第二ライン３６を流れ、カチオン交換脱塩室２２に供給される。そして、カチオン交換体２０の充填層を通過する際に被処理水中のカチオンが除去され、脱塩処理ラインの第三ライン３８から処理水（脱イオン水）が得られる。また、得られた処理水の一部は電極水として、電極水第一ライン４４を流れ、陰極室１６に供給される。また、陰極室１６を通過した電極水は、電極水第二ライン４６を流れ、陽極室１２に供給される。そして、陽極室１２を通過した電極水は、電極水第三ライン４８から排出される。また、濃縮水流入ライン４０から濃縮室３２に供給された被処理水は、カチオン交換脱塩室２２からカチオン交換膜１８を介して移動してくるカチオン、アニオン交換脱塩室２８からアニオン交換膜２４を介して移動してくるアニオンを受け取り、カチオン及びアニオン等の不純物を濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン４２から流出される。上述の運転によって、被処理水中の不純物が除去された処理水（脱イオン水）が得られる。

本実施形態の電気式脱イオン水製造装置１は、特にｐＨが酸性を示す被処理水において、効率的に脱塩処理を行うことが可能な装置である。すなわち、まず、酸性を示す被処理水をアニオン交換体２６が充填されたアニオン交換脱塩室２８に通水し、被処理水中の除去対象であるアニオンを除去する。これにより、被処理水中にはカチオンが残り、これらの対イオンとして水解離により生じた水酸化物イオンが増え、アニオン除去後の被処理水のｐＨがアルカリ性寄りになる。従って、カチオン交換体２０を充填したカチオン交換脱塩室２２に供給される被処理水がアルカリ性寄りとなるため、被処理水中において除去される水素イオンが少なくなり、結果として被処理水中の除去対象であるカチオンが除去され易くなって、被処理水中の不純物の除去効率が向上する。

しかし、アルカリ性を示す被処理水をアニオン交換体２６が充填されたアニオン交換脱塩室２８に供給すると、被処理水中に多量に存在する水酸化物イオンがアニオン交換体２６に捕捉され、濃縮室３２へ移動するため、除去対象であるアニオンを効率的に除去することが出来ない。そうすると、除去対象であるアニオンが残留した被処理水が、カチオン交換体２０を充填したカチオン交換脱塩室２２に流入しても、被処理水中に残留したアニオンは除去されず、処理水中の不純物の除去効率が低下する。

例えば、燃料電池から排出される凝縮水は炭酸成分を多く含むため、ｐＨは酸性である。そのため、燃料電池の凝縮水を脱塩処理し、脱イオン水を製造する燃料電池用水処理装置としては、上記説明したように、被処理水（凝縮水）をアニオン交換脱塩室２８からカチオン交換脱塩室２２の順で通水させる脱塩処理ラインを有する電気式脱イオン水製造装置であることが好ましい。

本実施形態では、アニオン交換脱塩室２８に流入する被処理水の流れは、上昇方向であり、カチオン交換脱塩室２２に流入する被処理水の流れは、下降方向であるが、これに制限されるものではない。また、電極室（陽極室１２、陰極室１６）及び濃縮室３２に流れる被処理水、電極水の流れは、特に制限されるものではないが、上昇方向であることが好ましい。

次に、本発明の他の実施形態として、カチオン交換体を充填したカチオン交換脱塩室からアニオン交換体を充填したアニオン交換脱塩室の順で被処理水を通水させる電気式脱イオン水製造装置について説明する。

図２は、本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。図２に示す電気式脱イオン水製造装置２において、図１に示す電気式脱イオン水製造装置１と同様の構成には、同一の符合を付し、その説明を省略する。

電気式脱イオン水製造装置２は、被処理水をカチオン交換脱塩室２２からアニオン交換脱塩室２８の順序で通水させる脱塩処理ラインを有する。脱塩処理ラインは、第一ライン５０、第二ライン５２、第三ライン５４を備える。第一ライン５０は、カチオン交換脱塩室２２の入口に接続されている。第二ライン５２は、カチオン交換脱塩室２２の出口及びアニオン交換脱塩室２８の入口に接続されている。第三ライン５４は、アニオン交換脱塩室２８の出口に接続されている。また、濃縮室３２に被処理水を通水させる濃縮水ライン（濃縮水流入ライン４０、濃縮水流出ライン４２）、カチオン交換脱塩室２２及びアニオン交換脱塩室２８で脱塩処理された処理水の一部を電極水として陰極室１６から陽極室１２の順序で通水させる電極水ライン（電極水第一ライン４４、電極水第二ライン４６、電極水第三ライン４８）の構成は、図１に示す電気式脱イオン水製造装置１と同様の構成であるため、その説明を省略する。

本実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置２によって、脱イオン水を製造する場合の運転方法の一例を以下に説明する。まず、陽極１０と陰極１４間に直流電流を流した状態で、脱塩処理ラインの第一ライン５０及び濃縮水流入ライン４０から被処理水を流入させる。第一ライン５０から流入した被処理水は、カチオン交換脱塩室２２に供給され、カチオン交換体２０の充填層を通過する際に、被処理水中のカチオンが除去される。更に、被処理水は、カチオン交換脱塩室２２から排出され、脱塩処理ラインの第二ライン５２を流れ、アニオン交換脱塩室２８に供給される。そして、アニオン交換体２６の充填層を通過する際に、被処理水中のアニオンが除去され、脱塩処理ラインの第三ライン５４から処理水（脱イオン水）が得られる。また、得られた処理水の一部は電極水として、電極水第一ライン４４を流れ、陰極室１６に供給される。また、陰極室１６を通過した電極水は、電極水第二ライン４６を流れ、陽極室１２に供給される。そして、陽極室１２を通過した電極水は、電極水第三ライン４８から排出される。また、濃縮水流入ライン４０から濃縮室３２に供給された被処理水は、カチオン交換脱塩室２２からカチオン交換膜１８を介して移動してくるカチオン、アニオン交換脱塩室２８からアニオン交換膜２４を介して移動しくるアニオンを受け取り、カチオン及びアニオン等の不純物を濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン４２から流出される。上述の運転によって、被処理水中の不純物が除去された処理水（脱イオン水）が得られる。

本実施形態の電気式脱イオン水製造装置２は、特にｐＨがアルカリ性を示す被処理水において、効率的に脱塩処理を行うことが可能な装置である。すなわち、まず、アルカリ性を示す被処理水をカチオン交換体２０が充填されたカチオン交換脱塩室２２に通水し、被処理水中の除去対象であるカチオンを除去する。これにより、被処理水中にはアニオンが残り、これらの対イオンとして水解離により生じた水素イオンが増え、カチオン除去後の被処理水のｐＨが酸性寄りになる。従って、アニオン交換体２６を充填したアニオン交換脱塩室２８に流入する被処理水が酸性寄りとなるため、被処理水中において除去される水酸化物イオンが少なくなり、結果として処理水中の除去対象であるアニオンが除去され易くなって、被処理水中の不純物の除去効率が向上する。

しかし、酸性を示す被処理水をカチオン交換体２０が充填されたカチオン交換脱塩室２２に供給すると、被処理水中に多量に存在する水素イオンがカチオン交換体２０に捕捉され、濃縮室３２へ移動するため、除去対象であるカチオンを効率的に除去することが出来ない。そうすると、除去対象であるカチオンが残留した被処理水が、アニオン交換体２６を充填したアニオン交換脱塩室２８に流入しても、被処理水中に残留したカチオンは除去されず、処理水中の不純物の除去効率が低下する。

また、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置は、図１に示す脱塩処理ラインと、図２に示す脱塩処理ラインと、ｐＨセンサとを備え、被処理水のｐＨに応じて、被処理水を通水させる脱塩処理ラインを選択するものであってもよい。

図３は、本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。図３に示す電気式脱イオン水製造装置３において、図１に示す電気式脱イオン水製造装置１の構成と同様の構成については、同一の符合を付し、その説明を省略する。

電気式脱イオン水製造装置３は、カチオン交換脱塩室２２及びアニオン交換脱塩室２８で脱塩処理された処理水の一部を濃縮室３２に通水させる濃縮水ラインと、処理水の一部を電極水として陰極室１６から陽極室１２の順で通水させる電極水ラインとを有する。濃縮水ラインは、濃縮水流入ライン５６及び濃縮水流出ライン５８を備える。濃縮水流入ライン５６は、脱塩処理ラインの第三ライン３８から分岐して濃縮室３２の入口に接続され、濃縮水流出ライン５８は、濃縮室３２の出口に接続されている。また、電極水ライン（電極水第一ライン４４、電極水第二ライン４６及び電極水第三ライン４８）は、図１に示す電気式脱イオン水製造装置１と同様の構成である。また、上記濃縮水ライン及び電極水ラインの構成は、図２に示す電気式脱イオン水製造装置２にも適用可能である。すなわち、濃縮水流入ライン５６は、図２に示す脱塩処理ラインの第三ライン５４から分岐して濃縮室３２の入口に接続され、濃縮水流出ライン５８は濃縮室３２の出口に接続される。

上記構成によって、脱塩処理された処理水の一部は、濃縮水流入ライン５６を流れ、濃縮室３２に供給され、濃縮水流出ライン５８から排出される。また、脱塩処理された処理水の一部は電極水として、上記説明した通り、陰極室１６から陽極室１２の順序で通水する。被処理水が濃縮室３２に供給されると、被処理水中のカチオン及びアニオンは、濃縮室３２のカチオン交換膜１８及びアニオン交換膜２４により遮断され、各脱塩室（２２，２４）に移動することはない。しかし、被処理水中の遊離炭酸がカチオン交換膜１８を透過して、カチオン交換脱塩室２２に移動し、処理水の水質を悪化させる場合がある。そのため、本実施形態では、遊離炭酸等の不純物が除去されている処理水の一部を濃縮室に通水させることにより、カチオン交換脱塩室２２に移動する遊離炭酸の量を減少させ、処理水の水質を向上させることができる。また、電極室（陽極室１２、陰極室１６）に処理水を通水させることにより、各脱塩室（２２，２８）に移動するカチオン及びアニオン等の不純物の量を減少させ、処理水の水質を向上させることができる。

図４は、本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。図４に示す電気式脱イオン水製造装置４において、図３に示す電気式脱イオン水製造装置３の構成と同様の構成については、同一の符合を付し、その説明を省略する。

電気式脱イオン水製造装置４は、カチオン交換脱塩室２２及びアニオン交換脱塩室２８に通水する被処理水を貯留するタンク６０を備える。タンク６０の出口には、脱塩処理ラインの第１ライン３４が接続されている。また、電気式脱イオン水製造装置４は、電極水ラインを通過した電極水をタンク６０に供給する循環ライン６２を備える。循環ライン６２は、電極水第三ライン４８及びタンク６０の電極水入口に接続されている。なお、タンク６０は、電気式脱イオン水製造装置４外から被処理水を補充することができる供給口も備えている。また、タンク６０及び循環ライン６２は、図１及び図２に示す電気式脱イオン水製造装置にも適用可能である。

上記構成によって、タンク６０に貯留した被処理水は、脱塩処理ライン（３４，３６，３８）を通り、各脱塩室（２２，２８）により脱塩処理されて処理水となる。処理水の一部は電極水として、電極水ライン（４４，４６，４８）及び電極室（１２，１６）を通過し、循環ライン６２に流入し、タンク６０に供給される。電極室（１２，１６）には、濃縮室３２のように各脱塩室（２２，２８）から不純物が移動してこないため、電極水には、ほとんど不純物が含まれていない。従って、電極水をタンク６０に戻し、再度被処理水として脱塩処理を行っても、得られる処理水の水質を悪化させることはない。さらに、電極水を循環ライン６２により循環させているため、最終的に得られる処理水の回収率を向上させることもできる。

図５は、本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。図５に示す電気式脱イオン水製造装置５において、図１に示す電気式脱イオン水製造装置１の構成と同様の構成については、同一の符合を付し、その説明を省略する。

電気式脱イオン水製造装置５は、カチオン交換脱塩室２２及びアニオン交換脱塩室２８で脱塩処理された処理水の一部を電極水として陰極室１６から陽極室１２の順序で通水させる電極水ラインと、電極水ラインを通過した電極水を濃縮室３２に通水させる濃縮水ラインとを有する。電極水ラインは、図１に示す電気式脱イオン水製造装置１と同様に、電極水第一ライン４４、電極水第二ライン４６及び電極水第三ライン４８を備える。濃縮水ラインは、濃縮水流入ライン６４及び濃縮水流出ライン６６を備える。濃縮水流入ライン６４は、電極水第三ライン４８及び濃縮室３２の入口に接続され、濃縮水流出ライン６６は、濃縮室３２の出口に接続されている。また、上記濃縮水ラインの構成は、図２に示す電気式脱イオン水製造装置２にも適用可能である。

上記構成によって、各脱塩室（２２，２８）により脱塩処理された処理水の一部は、まず電極水として、電極水ライン（４４，４６，４８）及び電極室（１２，１６）を通過した後、濃縮水として濃縮水流入ライン６４に流入する。そして、濃縮水は濃縮水流入ライン６４を通って濃縮室３２に供給され、濃縮室３２を通過し、濃縮水流出ライン６６から排水される。濃縮室３２を通過する際には、各脱塩室（２２，２８）から移動してきた不純物を受け取ることとなる。電極室（１２，１６）には、濃縮室３２のように各脱塩室（２２，２８）から不純物が移動してこないため、電極水にはほとんど不純物が含まれていない。すなわち、電極水には被処理水のように遊離炭酸もほとんど含まれていないため、電極水を濃縮室３２に供給しても、カチオン交換脱塩室２２に移動する遊離炭酸の量は少なく、処理水の水質の悪化を抑制することができる。また、各脱塩室（２２，２８）により脱塩処理された処理水の一部をそれぞれ濃縮室３２及び電極室（１２，１６）に供給するより、電極室（１２，１６）に供給した電極水を濃縮室３２に供給する方が、処理水の有効利用の点で好ましく、処理水の回収率を向上させ製作コストを下げることができる。

陽極１０と陰極１４間に直流電流を流して脱塩処理を行う電気式脱塩処理装置では、陽極１０及び陰極１４から気泡（酸素ガス、水素ガス）が発生する。上記のように、電極室（１２，１６）から濃縮室３２に電極水を通水させる構成では、電極室（１２，１６）内の気泡が電極水と共に濃縮室３２に供給される。濃縮室３２に気泡が存在することで、被処理水の脱塩処理に悪影響を及ぼす場合には、電極水ライン、濃縮水ライン等にエアベント等を設置し、気泡を除去することが好ましい。

本実施形態において、カチオン交換脱塩室２２及びアニオン交換脱塩室２８の体積は、特に制限されないが、被処理水の流量に対し、通水倍量が５０〜３００になる範囲で設計することが好ましい。通水倍量が３００以上になると、被処理水中の不純物の除去効率が低下し、処理水質が悪化する場合がある。

また、本実施形態において、濃縮室３２の厚みは、特に制限されないが、濃縮室３２の線流速が高いと通水差圧が増大するため、線流速が１０ｍ／ｈｒ以下になるように設計されることが好ましい。

カチオン交換体２０、アニオン交換体２６として用いられるイオン交換体としては、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、モノリス型有機多孔質アニオン交換体（例えば、特開２００２−３０６９７６号報等に記載のもの）及びその混合体など、イオン交換機能を有する物質であればいずれでもよく、また、それらを組み合わせたものであってもよい。

電気式脱イオン水製造装置において、流量、通電量、その他運転条件は、被処理水の性状などに応じて適宜設定することができる。但し、濃縮室３２に通水する濃縮水（被処理水又は処理水）流量は、被処理水に対する濃縮倍率が２０倍以下になるように設定されることが好ましい。

本実施形態の電気式脱イオン水製造装置は、例えば、家庭用燃料電池向けの水処理装置（流量：５Ｌ／ｈ〜１０Ｌ／ｈ）等の小流量向けの水処理装置として使用することが好ましいが、必ずしもこれに制限されるものではない。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
陽極／カチオン交換樹脂が充填された陽極室／カチオン交換膜／カチオン交換樹脂が充填されたカチオン交換脱塩室／カチオン交換膜／カチオン交換樹脂が充填された濃縮室／アニオン交換膜／アニオン交換樹脂が充填されたアニオン交換脱塩室／アニオン交換膜／アニオン交換樹脂が充填された陰極室／陰極とした電気式脱イオン水製造装置を用い、以下の条件で被処理水を通水したときの処理水比抵抗率（ＭΩ・ｃｍ）及び操作電圧（Ｖ）を測定した。
＜使用したイオン交換樹脂＞
カチオン交換樹脂：ＩＲ１２０Ｂ−ＨＧ
アニオン交換樹脂：ＩＲＡ４０２ＢＬ−ＨＧ
＜脱塩室、濃縮室サイズ＞
サイズ：縦４０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍ（アニオン交換脱塩室、カチオン交換脱塩室及び濃縮室をそれぞれ上記サイズとした）
＜陽極板及び陰極板＞
陽極板：チタン基盤上に白金皮膜を形成したものを陽極板とした。
陰極板：ＳＵＳ３１６を陰極板とした。
＜通水順序＞
被処理水の通水を図１に示す順序で行った。すなわち、被処理水の一部をアニオン交換脱塩室→カチオン交換脱塩室の順序で通水させた。また、被処理水の一部を濃縮室にも通水させた。そして、脱塩室から得られた処理水の一部を陰極室→陽極室の順序で通水させた。
＜通水条件＞
被処理水流量：６０ｍＬ／ｍｉｎ
濃縮水流量：１０ｍＬ／ｍｉｎ
被処理水導電率：６μＳ／ｃｍ
被処理水全炭酸濃度：２０ｍｇ／Ｌ
被処理水Ｎａ濃度：６００μｇ／Ｌ
被処理水ｐＨ：４．９
運転時間：１０００ｈｒ
＜電流条件＞
直流定電圧定電流電源を用い、０．２５Ａの定電流を流して運転を行った。

（実施例２）
被処理水の通水を図３に示す順序で行ったこと以外は、実施例１と同様の条件で行った。すなわち、脱塩室から得られた処理水の一部を濃縮室及び電極室（陰極室→陽極室の順序）にそれぞれ通水させたこと以外は、実施例１と同様の条件で行った。

（実施例３）
被処理水の通水を図２に示す順序で行ったこと以外は、実施例１と同様の条件で行った。すなわち、被処理水の通水順序をカチオン交換脱塩室→アニオン交換脱塩室の順序で通水させたこと以外は、実施例１と同様の条件で行った。

（比較例）
カチオン交換脱塩室及びアニオン交換脱塩室に充填されるイオン交換樹脂をＩＲ１２０Ｂ−ＨＧとＩＲＡ４０２ＢＬ−ＨＧとの混合体としたこと以外は、実施例１と同様の条件で行った。

１０００時間運転後の実施例１〜３及び比較例から得られる処理水比抵抗率（ＭΩ・ｃｍ）と操作電圧（Ｖ）を測定した。その結果を表１にまとめた。実施例１〜３は、比較例に対して、１／３の操作電圧で運転することができた。これは、実施例１〜３はカチオン交換体とアニオン交換体との接点が少ない構成であるため、電気抵抗の上昇を抑えることができたためである。また、実施例１，２は、比較例と同等の処理水比抵抗値が得られた。このことから、実施例１，２は、被処理水の処理効率を維持しながら、低い消費電力で運転することが可能であると云える。

特に、実施例２の処理水比抵抗率は、実施例１より高い値を示した。これは、実施例２の場合、脱塩室により処理された処理水を濃縮室に通水させることによって、濃縮室からカチオン交換膜を通して脱塩室に移動する遊離炭酸の量を抑えることができたためである。なお、実施例１，２の処理水比抵抗率が、実施例３より高い値を示したのは、酸性の被処理水をアニオン交換脱塩室→カチオン交換脱塩室の順序で通水させているため、不純物除去効率が向上したためである。

１〜５電気式脱イオン水製造装置、１０陽極、１２陽極室、１４陰極、１６陰極室、１８カチオン交換膜、２０カチオン交換体、２２カチオン交換脱塩室、２４アニオン交換膜、２６アニオン交換体、２８アニオン交換脱塩室、３０イオン交換体、３２濃縮室、３４，５０第一ライン、３６，５２第二ライン、３８，５４第三ライン、４０，５６，６４濃縮水流入ライン、４２，５８，６６濃縮水流出ライン、４４電極水第一ライン、４６電極水第二ライン、４８電極水第三ライン、６０タンク、６２循環ライン。

Claims

陽極、陽極室、カチオン交換膜、カチオン交換体が充填されたカチオン交換脱塩室、カチオン交換膜、イオン交換体が充填された濃縮室、アニオン交換膜、アニオン交換体が充填されたアニオン交換脱塩室、アニオン交換膜、陰極室、陰極の順に配列された構成を有することを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１記載の電気式脱イオン水製造装置であって、前記イオン交換体は、アニオン交換体、カチオン交換体、又はカチオン交換体及びアニオン交換体の混合体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１又は２に記載の電気式脱イオン水製造装置であって、被処理水を前記カチオン交換脱塩室から前記アニオン交換脱塩室の順序又は前記アニオン交換脱塩室から前記カチオン交換脱塩室の順序で通水させる脱塩処理ラインを備えることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１又は２に記載の電気式脱イオン水製造装置であって、ｐＨが酸性である被処理水を前記アニオン交換脱塩室から前記カチオン交換脱塩室の順序で通水させる脱塩処理ラインを備えることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１又は２に記載の電気式脱イオン水製造装置であって、ｐＨがアルカリ性である被処理水を前記カチオン交換脱塩室から前記アニオン交換脱塩室の順序で通水させる脱塩処理ラインを備えることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置であって、被処理水が前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室で脱塩処理されることによって得られた処理水の一部を電極水として前記陰極室から前記陽極室の順序で通水させる電極水ラインを有することを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置であって、被処理水が前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室で脱塩処理されることによって得られた処理水の一部を電極水として前記陰極室から前記陽極室の順序で通水させる電極水ラインと、前記処理水の一部を前記濃縮室に通水させる濃縮水ラインと、を有することを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項６又は７に記載の電気式脱イオン水製造装置であって、前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室に通水させる被処理水を貯留するタンクと、前記電極水ラインを通過した電極水を前記タンクに供給する循環ラインと、を有することを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置であって、被処理水が前記カチオン交換脱塩室及び前記アニオン交換脱塩室で脱塩処理されることによって得られた処理水の一部を電極水として前記陰極室から前記陽極室の順序で通水させる電極水ラインと、前記電極水ラインを通過した電極水を前記濃縮室に通水させる濃縮水ラインと、を有することを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置は、燃料電池から排出される凝縮水を脱塩処理する燃料電池用の水処理装置であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置を利用して、被処理水を脱塩処理し脱イオン水を製造することを特徴とする脱イオン水の製造方法。
請求項１１記載の脱イオン水の製造方法であって、前記被処理水は、燃料電池から排出される凝縮水であることを特徴とする脱イオン水の製造方法。