JP5196110B2

JP5196110B2 - 電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法

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Publication number: JP5196110B2
Application number: JP2007148562A
Authority: JP
Inventors: 啓憲加来; 公伸大澤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: JP2008296204A

Description

本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法に関し、特に、スケール成分濃度が高い被処理水を処理する場合であっても、濃縮室内部での炭酸カルシウムスケールの生成を防止することができる電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法に関する。

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、電極（陽極及び陰極）の間に複数のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、脱塩室にイオン交換樹脂、イオン交換繊維又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又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（特許文献１〜３参照）。

電気脱イオン装置は、水解離によってＨ^＋イオンとＯＨ⁻イオンとを生成させ、脱塩室内に充填されているイオン交換体を連続して再生することによって、効率的な脱塩処理を可能とするものであり、従来から広く用いられてきたイオン交換樹脂装置のように、薬品を用いた再生処理を必要とせず、完全な連続採水が可能で、高純度の水が得られるという優れた効果を発揮するものである。

しかしながら、河川水、地下水、水道水等を電気脱イオン装置の被処理水とした場合、濃縮室内でのスケール発生やＣＯ_２負荷増大による処理水導電率の低下が起こることから、これらの水を直接電気脱イオン装置の被処理水として通水することは行われていない。

上記の問題点のうちのＣＯ_２負荷の増大については、比較的安価な脱炭酸装置を電気脱イオン装置の前処理装置として用いることにより解決できる。一方、スケールを防止するためには、電気脱イオン装置の前段に軟化装置等を設置して水中の硬度成分を完全に除去する方法があるが、軟化装置を用いた場合にはその再生が必要となり、再生不要の電気脱イオン装置を用いることによる利点が失われてしまう。

このような問題点を解決するために、従来から電気脱イオン装置の前処理装置として、硬度成分及びＣＯ_２濃度を低減させるために、逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）を設置する方法が用いられている。そして、被処理水中の硬度成分濃度が高い場合には、ＲＯ膜装置を直列に二段設置する方法が用いられている。

しかしながら、ＲＯ膜装置は、０．５〜２ＭＰａという高圧で運転されることから、高価な設備が必要となり、運転費用も上昇する。しかも、電気脱イオン装置の前処理装置としてＲＯ膜装置を用いた場合でも、ＲＯ膜からわずかにリークしてくるカルシウムによって、電気脱イオン装置の濃縮室内で炭酸カルシウムスケールが発生するため、長期間安定運転を行うことはできないという問題もあった。そこで、ＲＯ膜装置を直列に２段配置してカルシウム等をさらに除去することも行われているが、経費等の点で実用的でない。このため、通常の給水条件において１段のＲＯ膜装置で処理できる場合には、１段のＲＯ膜装置で純水製造システムを設計せざるをえず、かかる場合には、突発的にＣａ濃度や炭酸濃度が増加する等の給水条件の低下や、ＲＯ膜装置の破過等に対応できず、濃縮室内でスケールが発生する懸念がある。

また、特許文献４及び特許文献５には、電気脱イオン装置の濃縮室をバイポーラ膜で区画して、スケール成分となるカルシウムイオンと炭酸イオンとの会合を防止することで、電気脱イオン装置の前処理装置として必要とされていたＲＯ膜装置を省くことができ、設備コスト、処理コストの低減を図る方法が提案されている。
特許第１７８２９４３号公報特許第２７５１０９０号公報特許第２６９９２５６号公報特開２００１−１９８５７７号公報特開２００２−１８６９７３号公報

上記特許文献４に記載された電気脱イオン装置により、濃縮室のスケールは抑制されるが、この電気脱イオン装置では、濃縮室は区画されているものの装置の構造の簡略化を目的として、濃縮水排出配管が１本にまとめられることになるので、電気脱イオン装置を運転後、数時間〜数日の間、運転停止した場合には、濃縮水排出配管に濃縮状態で残存する夾雑イオンが濃縮室に拡散逆流し、濃縮室内部でスケールを発生させるという問題点があった。

特に上記特許文献４に記載されているように濃縮室をバイポーラ膜で区画した電気脱イオン装置は、高い耐スケール性能を有しているので、夾雑イオン、特に無機炭酸、カルシウム、マグネシウム濃度の高い原水（被処理水）の処理に用いられる場合が多い。そのため濃縮室及び濃縮水排出配管に残留する夾雑イオン濃度は非常に高くなっている。さらに、濃縮室がバイポーラ膜で区画されたことにより、陽極側濃縮室（カチオン濃縮室）はカチオンが濃縮されｐＨが高くなり、無機炭酸塩スケールが非常に生成しやすい環境になっている。そこに長期間運転を停止している間に陰極側濃縮室（アニオン濃縮室）又は濃縮水排出配管に残留している無機炭酸が拡散逆流してくると、炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケール等が発生する要因となっていた。

本発明は、上記従来の問題点を解決し、電気脱イオン装置を長時間停止して、濃縮室に無機炭酸や硬度成分が残留した水が拡散逆流してきたとしてもスケールの発生を防止することが可能で、長期間安定的にかつ安価で効率良く運転可能な電気脱イオン装置、及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第一に本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置の運転方法であって、被処理水を前記脱塩室入口から導入して脱イオン水を前記脱塩室出口より流出させるとともに、前記被処理水より無機炭酸、カルシウム及びマグネシウム濃度の低い水を、前記濃縮室の前記脱塩室出口側から導入するとともに前記脱塩室入口側から流出させて運転し、前記電気脱イオン装置を停止する際に、前記電気脱イオン装置への通電を停止してから、前記濃縮室内部の水が入れ替わるだけの時間、前記濃縮室への通水を続けた後、通水を停止することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法を提供する（発明１）。

上記発明（発明１）によれば、運転停止時には、濃縮室内部の水が入れ替わることにより、濃縮室内のカルシウムイオン等のカチオンが排出され純水で満たされることになるので、濃縮水排出配管に残留している無機炭酸が拡散逆流したとしても炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがない。

上記発明（発明１）においては、前記濃縮室にバイポーラ膜を設けて、該濃縮室が区画されているのが好ましい（発明２）。特に上記発明（発明２）においては、バイポーラ膜のアニオン交換層面が陽極側に位置し、カチオン交換層面が陰極側に位置するようにして、バイポーラ膜を設けるのが好ましい（発明３）。

上記発明（発明２，３）によれば、電気脱イオン装置の濃縮室内でスケール成分となるカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）と無機炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−等）との会合を防止することで、スケールを抑制することができる。しかもこの際、濃縮室がバイポーラ膜で区画されたことにより、陽極側濃縮室（カチオン濃縮室）はカチオンが濃縮されｐＨが高くなっており、無機炭酸が存在しているとスケールを生じやすいが、陽極側濃縮室からカルシウムイオン等のカチオンが排出され純水で満たされることになるので、濃縮水排出配管に残留している無機炭酸が拡散逆流したとしても陽極側濃縮室に炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがない。

上記発明（発明１〜３）においては、前記バイポーラ膜で区画された濃縮室のそれぞれに、濃縮水排出路が接続されているのが好ましい（発明４）。これにより、陽極側濃縮室（カチオン濃縮室）はカチオンが濃縮されてｐＨが高くなっているが、電気脱イオン装置を長時間停止したとしても、陽極側濃縮室の濃縮水排出配管と陰極側濃縮室の濃縮水排出配管とが連通していないので、陽極側濃縮室（カチオン濃縮室）に無機炭酸が拡散逆流してくることがなく、炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがない。

第二に本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置において、前記脱塩室の入口に連通した被処理水流路及び出口に連通した処理水流路と、前記処理水流路から分岐した濃縮室流入路とを備え、前記濃縮室流入路が前記脱塩室出口側に形成された濃縮室入口に連通しているとともに、前記脱塩室の入口側に形成された濃縮室出口に濃縮水排出路が連通しており、前記脱塩室出口から前記濃縮室入口までの流路の内部体積が濃縮室の空隙体積の０．５倍以上であることを特徴とする電気脱イオン装置を提供する（発明５）。

上記発明（発明５）によれば、運転停止時には、脱塩室出口から濃縮室入口までの流路内の水で濃縮室内の水を置換することにより、濃縮室内のカルシウムイオン等のカチオンが排出され純水で満たされることになるので、濃縮水排出配管に残留している無機炭酸が拡散逆流したとしても炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがない。

第三に本発明は、陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置において、前記脱塩室の入口に連通した被処理水流路及び出口に連通した処理水流路と、前記濃縮室の脱塩室出口側に形成された濃縮室入口に連通する濃縮室流入路及び前記濃縮室の脱塩室入口側に形成された濃縮室出口に連通した濃縮水排出路とを備え、前記濃縮室出口又は濃縮水排出路に逆流防止機構を有することを特徴とする電気脱イオン装置を提供する（発明６）。

上記発明（発明６）によれば、運転停止時には、濃縮水排出路内の水中の無機炭酸イオン等が濃縮室側に拡散逆流することがないので、濃縮室内のカチオンが無機炭酸にさらされることがなく、炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがない。

上記発明（発明５，６）においては、前記濃縮室にバイポーラ膜を設けて、該濃縮室が区画されているのが好ましい（発明７）。特に上記発明（発明７）においては、バイポーラ膜のアニオン交換層面が陽極側に位置し、カチオン交換層面が陰極側に位置するようにしてバイポーラ膜を設けるのが好ましい（発明８）。

上記発明（発明７，８）によれば、電気脱イオン装置の濃縮室内でスケール成分となるカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）と無機炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−等）との会合を防止することで、スケールを抑制することができる。しかもこの際、濃縮室がバイポーラ膜で区画されたことにより、陽極側濃縮室（カチオン濃縮室）はカチオンが濃縮されｐＨが高くなっており、無機炭酸が存在しているとスケールを生じやすいが、陽極側濃縮室からカルシウムイオン等のカチオンが排出され純水で満たされることで、濃縮水排出配管に残留している無機炭酸が拡散逆流したとしても陽極側濃縮室に炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがないか、又は濃縮水排出配管に逆流防止機構を設けることで濃縮水排出配管に残留している無機炭酸が拡散逆流しないため、陽極側濃縮室に炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがない。

上記発明（発明７，８）においては、前記バイポーラ膜で区画された濃縮室のそれぞれに、濃縮水排出路が接続されているのが好ましい（発明９）。これにより、陽極側濃縮室（カチオン濃縮室）はカチオンが濃縮されｐＨが高くなっているが、電気脱イオン装置を長時間停止したとしても、陽極側濃縮室の濃縮水排出配管と陰極側濃縮室の濃縮水排出配管とが連通していないので、陽極側濃縮室（カチオン濃縮室）に無機炭酸が拡散逆流してくることがなく、炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールが発生することがない。

本発明の電気脱イオン装置によれば、運転停止時には、脱塩室出口から濃縮室入口までの流路内の水で濃縮室内の水を置換することにより、濃縮室内のカルシウムイオン等のカチオンが排出され純水で満たされるか、又は濃縮水排出路内の水中の無機炭酸イオン等が濃縮室側に拡散逆流することがないので、濃縮水排出配管に残留している無機炭酸と、濃縮室のカチオンとが会合することがなく、炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケールの発生を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気脱イオン装置のシステム図であり、図２は、同実施形態に係る電気脱イオン装置の脱塩室及び濃縮室を示す断面図であり、図３は、当該脱塩室及び濃縮室におけるイオンの流れを示す拡大図である。

図１〜図３に示すように、第１の実施形態に係る電気脱イオン装置１は、複数のカチオン交換膜４及びアニオン交換膜５間にそれぞれ形成された複数の脱塩室２と濃縮室３とを有する。なお、６は陰極であり、７は陽極であり、８は陰極室兼濃縮室であり、９は陽極室兼濃縮室である。

本実施形態において、濃縮室３は、バイポーラ膜１０により陰極側濃縮室３Ａと陽極側濃縮室３Ｂとに区画されている。バイポーラ膜１０は、陽極７側にバイポーラ膜１０のアニオン交換層１０Ａ側が位置し、陰極６側にバイポーラ膜１０のカチオン交換層１０Ｂ側が位置するように濃縮室３内に設置されている。

脱塩室２の入口には、被処理水Ｗ１の流路Ｒ１が接続される一方、脱塩室２の出口は脱イオン水（処理水）Ｗ２の流路Ｒ２となっている。この流路Ｒ２は分岐していて、これら分岐流路Ｒ３及び各流路Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，Ｒ３ｃ，Ｒ３ｄがそれぞれ陰極側濃縮室３Ａ、陽極側濃縮室３Ｂ、陰極室兼濃縮室８及び陽極室兼濃縮室９の脱塩室２出口側に連通しており、脱塩室２の脱イオン水（処理水）Ｗ２の一部が濃縮室３（陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９）に導入可能となっている。

陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９の脱塩室２入口側には、各排出流路Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃ，Ｒ４ｄが接続され、各排出流路Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃ，Ｒ４ｄは、合流排出路Ｒ４に接続されており、濃縮室３（陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９）の循環水を脱イオン水で希釈した状態で各排出流路Ｒ４ａ〜Ｒ４ｄ及び合流排出路Ｒ４から濃縮水Ｗ３を排出する。本実施形態において、これらの各排出流路Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃ，Ｒ４ｄには、それぞれ逆止弁２０が設けられている。

なお、本実施形態におけるバイポーラ膜１０としては、アニオン交換層１０Ａとカチオン交換層１０Ｂとを有し、水電解効率が高いものであればよく、特に制限はない。また、場合によっては、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とを重ね合わせて用いることも含む。

このような電気脱イオン装置において、陰極側濃縮室３Ａ及び陽極側濃縮室３Ｂには、イオン交換体、特にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂２１が充填されているのが好ましい。

この混合樹脂２１におけるアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との比率は、特に制限はないが、アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂が１０／９０〜９０／１０、特に３０／７０〜７０／３０であるのが好ましい。これにより陰極側濃縮室３Ａでは、バイポーラ膜１０の界面において水解離によって発生した水素イオンの移動が促進され、陽極側濃縮室３Ｂでは、バイポーラ膜１０の界面における水解離によって発生した水酸化物イオンの移動が促進される。この結果、電流が流れやすく、電圧の上昇を抑制することが可能となっている。なお、本実施形態においては、脱塩室２にもイオン交換樹脂が充填されている。

脱塩室２出口から濃縮室３入口までの流路（Ｒ２〜Ｒ３，Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，Ｒ３ｃ，Ｒ３ｄの合計）の流路体積（Ｓ）は、濃縮室３（陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９）の空隙体積の合計の０．５倍以上となるように設定されている。

ここで、濃縮室３の空隙体積とは、濃縮室３に乾燥状態のイオン交換樹脂（混合樹脂２１）を充填した際の隙間の空間の体積（濃縮室内空隙体積）である。これは、イオン交換樹脂（混合樹脂２１）は、電気脱イオン装置１の運転状態によってその再生割合が変化しそれに伴い粒径も変化するので、運転中の濃縮室内部体積を厳密に把握することは不可能だからである。

イオン交換樹脂（混合樹脂２１）が電気脱イオン装置１内に最密に充填されていると仮定すると、濃縮室３内の空隙体積は、濃縮室３の容積×２６％となる。濃縮室３では、全域で夾雑イオン濃度が高いわけではなく、出口付近で最も夾雑イオン濃度が高い。したがって、この程度の濃縮室３の容積であることからして、脱塩室２出口から濃縮室３入口までの流路（Ｒ２〜Ｒ３，Ｒ３ａ〜Ｒ３ｄの合計）の流路体積（Ｓ）が、濃縮室３内の空隙体積の０．５倍以上であれば十分に夾雑イオンの排出が可能である。

このような電気脱イオン装置１において、流路Ｒ１の被処理水Ｗ１供給側には給水電磁弁１１が設けられているとともに、陰極６及び陽極７に接続して直流電源装置１２が設けられている。これら給水電磁弁１１及び直流電源装置１２はそれぞれマイクロコンピュータ等の制御装置１３により制御可能となっている。

次に上述したような電気脱イオン装置の動作について説明する。
まず、制御装置１３により給水電磁弁１１を開成するとともに直流電源装置１２から陰極６及び陽極７に直流電流を通電して、流路Ｒ１から被処理水Ｗ１を電気脱イオン装置１の脱塩室２に供給する。この電気脱イオン装置１では、被処理水Ｗ１は脱塩室２でカルシウム、マグネシウム、炭酸水素イオン等のイオン性の不純物が除去された処理水（脱イオン水）Ｗ２として、流路Ｒ２からサブシステム等に供給される。この処理水Ｗ２は、当然に被処理水Ｗ１より無機炭酸、カルシウム及びマグネシウム濃度の低い水であり、その一部を流路Ｒ２から分岐流路Ｒ３を経由して、電気脱イオン装置１の濃縮室３（陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９）に供給する。

電気脱イオン装置１の濃縮室３では、図３に示すようなイオンの流れが生じている。すなわち、電気脱イオン装置１の陰極側濃縮室３Ａでは、脱塩室２のアニオン交換膜５側から炭酸水素イオン等が透過してくるとともに、陽極側濃縮室３Ｂではカチオン交換膜４側からナトリウムイオン、カルシウムイオン等が透過してくる。

このとき本実施形態においては、濃縮室３をバイポーラ膜１０で区画しているので、アニオン交換膜５を透過してきた炭酸水素イオンはバイポーラ膜１０を透過できず、一方、カチオン交換膜４を透過してきたカルシウムイオンもこれを透過できない。このため、濃縮室３内での炭酸カルシウムスケールの発生が防止される。なお、説明の便宜上、図３においては、混合樹脂２１については省略してある。

このとき、バイポーラ膜１０内では理論水電解電圧（０．８３Ｖ）以上の電圧を印加することによって水解離が発生するので、電流が流れる。このため、バイポーラ膜１０を濃縮室３内に設置することで電気脱イオン装置１の脱イオン性能が損なわれることはない。

このような作用により、陽極側濃縮室３Ｂ内は、バイポーラ膜１０の界面での水解離で発生した水酸化物イオンが供給されることによりアルカル性（高ｐＨ）となっている。また、カチオン交換膜４を透過してきたカルシウムイオンやナトリウムイオンも存在している。

そして、各排出流路Ｒ４ａ〜Ｒ４ｄは、合流排出路Ｒ４において合流しているので、電気脱イオン装置１の運転停止時等において濃縮水Ｗ３の流れが停止すると、陰極側濃縮室３Ａから排出された濃縮水内に存在する無機炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３、ＨＣＯ_３ ⁻、ＣＯ_３ ^２−）が陽極側濃縮室３Ｂ内に合流排出路Ｒ４から拡散逆流することでスケールが発生しやすい。

そこで、電気脱イオン装置１を停止する際には、本実施形態においては、制御装置１３により以下のような操作で行う。すなわち、直流電源装置１２から陰極６及び陽極７への直流電流の通電を停止する。これにより脱塩室２におけるイオン性の不純物の除去が停止して、前述した脱塩室２から陰極側濃縮室３Ａへの炭酸水素イオンの流入が停止するとともに、陽極側濃縮室３Ｂへのカルシウムイオン等の流入が停止する。

このとき、給水電磁弁１１は依然開成したままとすることで、流路Ｒ１から被処理Ｗ１の脱塩室２への供給は継続される。この結果、濃縮室３（陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９）内の濃縮水Ｗ３は、脱塩室２出口から濃縮室３（陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９）の入口までの流路Ｒ３，Ｒ３ａ〜Ｒ３ｄ内の脱イオン水Ｗ２と入れ替わることになる。

特に本実施形態においては、脱塩室２出口から濃縮室３入口までの流路（Ｒ２〜Ｒ３，Ｒ３ａ〜Ｒ３ｄの合計）の流路体積（Ｓ）を濃縮室３（陰極側濃縮室３Ａ，陽極側濃縮室３Ｂ，陰極室兼濃縮室８，陽極室兼濃縮室９）の空隙体積の合計の０．５倍以上に設定しているので、濃縮室３内に残留する濃縮水Ｗ３の夾雑イオンを確実に除去することができる。これにより、陰極側濃縮室３Ａから排出された濃縮水内に存在する無機炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３、ＨＣＯ_３ ⁻、ＣＯ_３ ^２−）が合流排出路Ｒ４から陽極側濃縮室３Ｂ内に拡散逆流したとしても、陽極側濃縮室３Ｂ内ではカルシウムイオン等が除去されているので、スケールの発生を防止することができるようになっている。

しかも、本実施形態においては、各排出流路Ｒ４ａ〜Ｒ４ｄに、それぞれ逆止弁２０を設けているので、合流排出路Ｒ４から陽極側濃縮室３Ｂ内への拡散逆流が生じないため、この点でもスケールが発生しないようになっている。

特に、排出流路Ｒ４ａ〜Ｒ４ｄの基端側に逆止弁２０を設けることで、濃縮室３と逆止弁２０との間の排出流路Ｒ４ａ〜Ｒ４ｄの水量、すなわち拡散逆流の可能性のある夾雑イオン量を極力少なくし、拡散逆流する夾雑イオン量を減らすことでスケールの発生を極力忌避している。

上述したような第１の実施形態に係る電気脱イオン装置は、例えば図４に示すような一次純水製造システムとして適用可能である。

図４に示すように、一次純水製造システムは、市水たる被処理水Ｗ１が供給される活性炭装置３１と、活性炭装置３１の透過水を処理する逆浸透膜（ＲＯ膜）装置３２と、ＲＯ膜装置３２の濃縮水を処理する回収逆浸透膜（回収ＲＯ膜）装置３２Ａと、ＲＯ膜装置３２及び回収ＲＯ膜装置３２Ａを透過したＲＯ処理水を処理する脱気膜３３と、脱気膜３３で得られる脱気水を脱塩室３５において処理して脱イオン水Ｗ２を製造する電気脱イオン装置３４とを備える。この電気脱イオン装置３４は、基本的には前述した第１の実施形態で説明したような構成を有する。

この電気脱イオン装置３４の脱塩室３５から排出される脱イオン水Ｗ２は、流路ｒ２を経由してサブシステム等に連通している。また、流路ｒ２から分岐した分岐流路ｒ３が図示しない陽極室及び陰極室に連通しているとともに、濃縮室３６に連通している。なお、３７は脱気膜３３の真空ポンプである。

このような構成を有する一次純水製造システムの作用について説明する。
まず、流路ｒ１の起端部から市水（被処理水Ｗ１）を活性炭装置３１に供給して微粒子等を吸着除去し、この活性炭装置３１の処理水をＲＯ膜装置３２に供給して、処理水に含まれるカルシウム、シリカ等を除去する。さらにＲＯ膜装置３２の濃縮水を回収ＲＯ膜装置３２Ａに供給して回収水を得る。そして、これらＲＯ膜装置３２及び回収ＲＯ膜装置３２Ａで処理したＲＯ処理水を脱気膜３３に供給し、ＲＯ処理水に含まれている炭酸イオン等を二酸化炭素として除去した後、得られた脱気水を電気脱イオン装置３４の脱塩室３５に供給する。

この電気脱イオン装置３４では、脱気水は、脱塩室３５でカルシウムイオン、マグネシウムイオン、炭酸水素イオン等のイオン性の不純物が除去された脱イオン水Ｗ２としてｒ２からサブシステム等に供給される。

また、この脱イオン水Ｗ２の一部は、分岐流路ｒ３から電気脱イオン装置３４の濃縮室３６に供給され、この濃縮水Ｗ３が活性炭装置３１の前段にまで環流される。

そして、この電気脱イオン装置３４を停止する際には、まず電気脱イオン装置３４の陰極及び陽極への直流電流の通電を停止し、流路ｒ１から被処理Ｗ１の脱塩室３５への供給を継続する。この結果、濃縮室３６内の濃縮水Ｗ３は、脱塩室３５の出口から濃縮室３６の入口までのｒ２〜ｒ３の流路内の脱イオン水Ｗ２と入れ替わることになる。これにより、濃縮室３５から排出された濃縮水Ｗ３内に存在する無機炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３、ＨＣＯ_３ ⁻、ＣＯ_３ ^２−）が排出流路ｒ４から濃縮室３６内に拡散・逆流したとしても、スケールの発生を防止することができるようになっている。

次に、本発明の第２の実施形態について図５に基づいて説明する。なお、本実施形態に係る電気脱イオン装置は、基本的には前記第１の実施形態と同じ構成を有するので、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態では、陰極側濃縮室３Ａに連通した排出流路Ｒ４ａと陽極室兼濃縮室９に連通した排出流路Ｒ４ｄとにより、アニオン濃縮水Ｗ４の合流排出路Ｒ５が形成されているとともに、陽極側濃縮室３Ｂに連通した排出流路Ｒ４ｂと陰極室兼濃縮室８に連通した排出流路Ｒ４ｃとにより、カチオン濃縮水Ｗ５の合流排出路Ｒ６が形成されており、排出流路Ｒ４ａ〜Ｒ４ｄに逆止弁２０が設けられていない以外、前述した第１の実施形態と同じ構成を有する。

次に上述したような電気脱イオン装置の動作について説明する。
まず、制御装置１３により給水電磁弁１１を開成するとともに直流電源装置１２から陰極６及び陽極７に直流電流を通電して、流路Ｒ１から被処理Ｗ１を電気脱イオン装置１の脱塩室２に供給する。この電気脱イオン装置１では、被処理Ｗ１は脱塩室２でカルシウム、マグネシウム、炭酸水素イオン等のイオン性の不純物が除去された脱イオン水Ｗ２として流路Ｒ２からサブシステム等に供給される。また、この脱イオン水Ｗ２の一部は、流路Ｒ２から分岐流路Ｒ３を経由して、電気脱イオン装置１の濃縮室３に供給される。

電気脱イオン装置１では、前述したように陽極側濃縮室３Ｂに脱塩室２のアニオン交換膜５側から炭酸水素イオン等が透過してくるとともに、陰極側濃縮室３Ａにカチオン交換膜４側からカルシウムイオン等が透過してくる。

このとき本実施形態においては、濃縮室３をバイポーラ膜１０で区画しているので、アニオン交換膜５を透過してきた炭酸水素イオンはバイポーラ膜１０を透過できず、一方、カチオン交換膜４を透過してきたカルシウムイオンもこれを透過できない。このため、濃縮室３内での炭酸カルシウムスケールの発生が防止される。

このとき、バイポーラ膜１０内では理論水電解電圧（０．８３Ｖ）以上の電圧を印加することによって、水解離が発生するので電流は流れる。このため、バイポーラ膜１０を濃縮室３内に設置することで電気脱イオン装置１の脱イオン性能が損なわれることはない。

このような作用により、陽極側濃縮室３Ｂ内は、バイポーラ膜１０の界面での水解離で発生した水酸化物イオンが供給されることによりアルカル性（高ｐＨ）となっている。また、カチオン交換膜４を透過してきたカルシウムイオンやナトリウムイオンも存在している。したがって、無機炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３、ＨＣＯ_３ ⁻、ＣＯ_３ ^２−）の存在により、陽極側濃縮室３Ｂにスケールが発生しやすい状態となっている。

そこで本実施形態においては、アニオンが濃縮される陰極側濃縮室３Ａに連通した排出流路Ｒ４ａと陽極室兼濃縮室９に連通した排出流路Ｒ４ｄとから排出されるアニオン濃縮水Ｗ４の合流排出路Ｒ５と、カチオンが濃縮されている陽極側濃縮室３Ｂに連通した排出流路Ｒ４ｂと陰極室兼濃縮室８に連通した排出流路Ｒ４ｃとから排出されるカチオン濃縮水Ｗ５の合流排出路Ｒ６とをそれぞれ独立して設けることにより、電気脱イオン装置１を停止しても、陽極側濃縮室３Ｂにアニオン濃縮水Ｗ４中のアニオンが拡散・逆流することがなく、スケールの発生を防止することができるようになっている。

以上、本発明の電気脱イオン装置について添付図面を参照して説明してきたが、本発明は前記第１及び第２の実施形態に限らず種々の変形実施が可能である。

例えば、前記第１の実施形態においては、排出流路Ｒ４ａ〜Ｒ４ｄのそれぞれに逆止弁２０を設けたが、陽極側濃縮室３Ｂ及び陰極室兼濃縮室８に連通する排出流路Ｒ４ｂ及びＲ４ｃにのみ逆止弁２０を設けてもよい。また、逆流防止機構として、逆止弁２０の代わりに電気脱イオン装置１の停止に合わせて閉じる電磁弁を設けてもよい。

さらに、電気脱イオン装置１としては、濃縮室にバイポーラ膜を配置したものに限定せずに適用可能である。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
なお、以下の実施例及び比較例では、試験装置として電気脱イオン装置（栗田工業社製，製品名：クリテノンＳＨ型，処理水量４２０Ｌ／ｈｒ）を使用した。

また、試験用の被処理水として、市水を逆浸透膜装置（日東電工社製，製品名：ＥＳ−２０）で処理した以下の水質のものを用意した。
被処理水：給水Ｃａ濃度１．０３ｐｐｍ（ＣａＣＯ_３換算）
給水Ｍｇ濃度０．２１ｐｐｍ（ＣａＣＯ_３換算）
給水ＣＯ_２濃度４．０７ｐｐｍ（ＣａＣＯ_３換算）

〔実施例１〕
電気脱イオン装置のイオン交換膜、及び脱塩室と濃縮室とに充填するイオン交換体として下記のものを用い、図１〜図３に示すように濃縮室３にバイポーラ膜１０を配置した電気脱イオン装置を用いて、図４に示すような構成の一次純水製造システムで上記被処理水を下記表１に示す条件で通水を行った。
アニオン交換膜：旭化成工業社製，「アシプレックスＡ５０１ＳＢ」
カチオン交換膜：旭化成工業社製，「アシプレックスＫ５０１ＳＢ」
バイポーラ膜：アストム社製，「ネオセプタＢＰ−１」
イオン交換体：アニオン交換樹脂（三菱化学社製製，製品名：ＳＡ１０Ａ）とカチオン交換樹脂（三菱化学社製，製品名：ＳＫ１Ｂ）とを体積混合比率６：４で混合したもの。

上記通水運転においては、２日間の運転の後に、１日間の装置停止を行いながら断続運転を行った。電気脱イオン装置は定電流設定で運転を行った。電気脱イオン装置停止の際には、まず通電を停止した後、２０秒間通水を継続した。

この一次純水製造システムを２週間、１ケ月及び３ケ月運転した後の印加電圧、濃縮室入口電導率、入口全硬度成分濃度及び処理水比抵抗値を測定した。結果を脱塩室流量及び濃縮室流量とともに表１に示す。

〔比較例１〕
従来例として、実施例１の電気脱イオン装置において逆止弁２０を設けず、電気脱イオン装置停止の際には、通電と通水を同時に停止した以外は前記実施例１と同様にして、一次純水製造システムの運転を行った。
結果を表２に示す。

表１及び表２より明らかなように、比較例１の電気脱イオン装置では、運転開始１週間後から電圧の上昇が起こり、最終的に運転不能となったが、実施例１の電気脱イオン装置では、３ヶ月間安定して運転することができた。

これは、比較例１ではカチオン濃縮室（陽極側濃縮室）内部に炭酸カルシウムスケールが析出したため装置電気抵抗が増大し、電圧上昇が起きてしまったのに対し、実施例１では印加電圧の上昇は観察されず、定期的に装置の運転停止を繰り返しても安定した運転を行うことができたためであった。
これにより，本発明の有効性が確認された。

本発明の第１の実施形態に係る電気脱イオン装置を示すシステム図である。同実施形態に係る電気脱イオン装置の脱塩室及び濃縮室を示す断面図である。同実施形態の電気脱イオン装置の脱塩室及び濃縮室イオンの流れを示す断面図である。前記実施形態の電気脱イオン装置を用いた一次純水製造システムを示すフロー図である。本発明の第２の実施形態に係る電気脱イオン装置を示すシステム図である。

符号の説明

１…電気脱イオン装置
２…脱塩室
３…濃縮室
３Ａ…陰極側濃縮室
３Ｂ…陽極側濃縮室
４…カチオン交換膜
５…アニオン交換膜
６…陰極
７…陽極
８…陰極室兼濃縮室
９…陽極室兼濃縮室
１０…バイポーラ膜
１０Ａ…アニオン交換層
１０Ｂ…カチオン交換層
２０…逆止弁（逆流防止機構）
３４…電気脱イオン装置
３５…脱塩室
３６…濃縮室
Ｒ１…流路（被処理水流路）
Ｒ２…流路（処理水流路）
Ｒ３…分岐流路（濃縮室流入路）
Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，Ｒ３ｃ，Ｒ３ｄ…流路（濃縮室流入路）
Ｒ４…合流排出路（濃縮水排出路）
Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃ，Ｒ４ｄ…排出流路（濃縮水排出路）
Ｒ５…合流排出路（濃縮水排出路）
Ｒ６…合流排出路（濃縮水排出路）
ｒ１…流路（被処理水流路）
ｒ２…流路（処理水流路）
ｒ３…分岐流路（濃縮室流入路）
ｒ４…排出流路（濃縮水排出路）
Ｗ１…被処理水
Ｗ２…脱イオン水（処理水）
Ｗ３…濃縮水
Ｗ４…アニオン濃縮水（濃縮水）
Ｗ５…カチオン濃縮水（濃縮水）

Claims

陰極と陽極との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、前記濃縮室に、アニオン交換層面が陽極側に位置し、カチオン交換層面が陰極側に位置するようにしてバイポーラ膜を設けることにより前記濃縮室が区画されており、前記バイポーラ膜で区画された濃縮室のそれぞれに、濃縮水排出路が接続されており、前記濃縮水排出路が前記濃縮室外において合流している電気脱イオン装置の運転方法であって、
被処理水を前記脱塩室入口から導入して脱イオン水を前記脱塩室出口より流出させるとともに、前記被処理水より無機炭酸、カルシウム及びマグネシウム濃度の低い水を、前記濃縮室の前記脱塩室出口側から導入するとともに前記脱塩室入口側から流出させて運転し、
前記電気脱イオン装置を停止する際に、前記電気脱イオン装置への通電を停止してから、前記濃縮室内部の水が入れ替わるだけの時間、前記濃縮室への通水を続けた後、通水を停止するとともに
前記濃縮室出口又は前記濃縮水排出路に設けられた逆流防止機構が、前記濃縮水排出路から前記濃縮室への逆流を生じさせないことを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。