JP5415966B2 - 電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法に関する。

脱イオン水の製造装置として、イオン交換体に被処理水を通水して脱イオンを行う製造装置が知られている。この装置ではイオン交換体のイオン交換基が飽和して脱塩性能が低下したときに、酸やアルカリといった薬剤によって再生を行う必要がある。すなわち、イオン交換基に吸着した陰イオンや陽イオンを、酸あるいはアルカリ由来のＨ⁺、ＯＨ^-と置き換える処理が必要となる。近年、このような運転上の不利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水製造装置が実用化されている。

電気式脱イオン水製造装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせた装置である。電気式脱イオン水製造装置は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との間にイオン交換体を充填し主脱塩室とし、アニオン交換膜およびカチオン交換膜の外側に各々濃縮室を設け、さらにその外側に陽極を備える陽極室と、陰極を備える陰極室と、を配置した装置である。

電気式脱イオン水製造装置により脱イオン水（処理水）を製造するには、電極に直流電圧を印加した状態で主脱塩室に被処理水を通水する。被処理水中のイオン成分は脱塩室内のイオン交換体で吸着され、脱イオン化（脱塩）処理が行われる。脱塩室ではまた、印加電圧によって異種イオン交換体の界面、すなわち、脱塩室のアニオン交換体とカチオン交換体の界面で水の解離反応が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが発生する（Ｈ₂Ｏ→Ｈ⁺＋ＯＨ^-）。イオン交換体に吸着されたイオン成分はこの水素イオンおよび水酸化物イオンと交換されて、イオン交換体から遊離する。遊離したイオン成分はイオン交換膜まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて、濃縮室を流れる濃縮水に排出される。このように、電気式脱イオン水製造装置では、水素イオンおよび水酸化物イオンが、イオン交換体を再生する酸、アルカリの再生剤として連続的に作用する。このため、薬剤による再生は基本的に不要であり、薬剤によるイオン交換体の再生を行わずに連続運転ができる。

上述の電気式脱イオン水製造装置では、被処理水中のアニオン成分だけでなく、水の解離反応によって発生した水酸化物イオンも、脱塩室からアニオン交換膜を透過して濃縮室に排出される。そのため、アニオン交換膜近傍での濃縮水の液性はアルカリ性に傾く。一方、上述の電気式脱イオン水製造装置で硬度成分の高い被処理水を処理した場合、濃縮室内では、被処理水中の硬度成分と炭酸成分（遊離炭酸、炭酸水素イオン、炭酸イオンの総称）とが排出され濃縮される。その結果、濃縮水がアルカリ性に傾いた（ｐＨ値が上昇した）アニオン交換膜近傍では、炭酸カルシウムを主成分とするスケールが生成されることがある。スケールが生成されると、その部分での電気抵抗が上昇し、運転電圧が上昇することで、消費電力が増加することになる。また、生成されたスケールがイオン交換膜の膜面に付着すると、濃縮室に排出されるべきイオン成分が排出されなくなり、処理水の水質低下を招いてしまう。

このスケール生成を抑制する対策の一つとして、特許文献１には、電気式脱イオン水製造装置の濃縮室にイオン交換体を充填し、遊離炭酸を含む水を濃縮室へ供給する方法が開示されている。この方法では、水酸化物イオンの濃縮室への拡散希釈が促進されるため、アニオン交換膜近傍におけるｐＨ値の上昇が緩和され、それにより、スケールの生成を抑制することができる。

特開２００４−３５８４４０号公報

しかしながら、処理される被処理水にさらに高濃度の硬度成分が含まれる場合や、より高い空間速度での処理を行う場合には、濃縮室にイオン交換体を充填し、遊離炭酸を含む水を濃縮室へ供給するだけでは十分とは言えず、依然としてスケールが生成されてしまうことがある。このような場合には、濃縮室に供給する濃縮室供給水の流量を増加させ、濃縮水の濃縮倍率を下げることによって、濃縮水中の炭酸カルシウムの濃度をスケールが析出しない濃度に保つことも考えられる。しかしながら、この対策も、濃縮室供給水として被処理水を用いる場合、より多くの水が濃縮水として排出され、水の回収率が減少することになるため好ましくない。さらには、濃縮室供給水に塩酸等の酸性の溶液を添加して、アニオン交換膜近傍における濃縮水のｐＨ値の上昇を抑制する対策も考えられるが、このことは、コストアップにつながる上、薬剤を使用しない電気式脱イオン水製造装置の本来の利点と相反するものである。

以上のことから、濃縮室でのスケール生成に対して、これまでとは異なる着想に基づいた対策が望まれている。

そこで、本発明は、濃縮室内のスケールの生成を抑制することで、運転電圧の上昇と処理水質の低下を抑制することができる電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の電気式脱イオン水製造装置は、被処理水を処理して脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置であって、陽極および陰極と、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、陽極と陰極との間に位置し、第１のアニオン交換膜を介しアニオン脱塩室と隣接する濃縮室と、を有し、カチオン脱塩室とアニオン脱塩室とは、被処理水がカチオン脱塩室に流入し、カチオン脱塩室を流出して少なくともカチオン成分が除去された中間処理水の一部がアニオン脱塩室に流入するように連通されており、カチオン脱塩室と濃縮室とは、カチオン脱塩室を流出した中間処理水の他の一部が濃縮室に流入するように連通されている。

また、本発明の脱イオン水製造方法は、陽極および陰極と、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、陽極と陰極との間に位置し、第１のアニオン交換膜を介してアニオン脱塩室と隣接する濃縮室と、を有する電気式脱イオン水製造装置を用いて、被処理水を処理して脱イオン水を製造する脱イオン水製造方法であって、被処理水をカチオン脱塩室に流し、少なくともカチオン成分が除去された中間処理水を生成するステップと、カチオン脱塩室を流出した中間処理水の一部を、アニオン脱塩室に流すステップと、カチオン脱塩室を流出した中間処理水の他の一部を、濃縮室に流すステップと、を含んでいる。

このような電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法では、カチオン脱塩室に流入した被処理水のカチオン成分はカチオン交換体に吸着し、カチオン脱塩室からは、カチオン成分が除去された中間処理水が流出する。中間処理水は、カチオン脱塩室で水の解離反応などによって発生した水素イオンを取り込んでいるため、その液性は酸性となる。この中間処理水の一部を濃縮室に流入させることで、濃縮水の、特にアニオン交換膜近傍におけるｐＨ値の上昇を抑えることができる。それによって、濃縮室内のスケールの生成を抑え、運転電圧の上昇と処理水質の低下を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、濃縮室内のスケールの生成を抑制することで、運転電圧の上昇と処理水質の低下を抑制することができる電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法を提供することができる。

本発明の第１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。 本発明の第２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。 本発明の第２の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の別の構成例を示す概略構成図である。 比較例に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１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。電気式脱イオン水製造装置１は、陽極４を備える陽極室Ｅ１と陰極５を備える陰極室Ｅ２との間に、３つの濃縮室Ｃ１〜Ｃ３と、第１および第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２の間に位置する第１の主脱塩室Ｄと、第２および第３の濃縮室Ｃ２，Ｃ３の間に位置する第２の主脱塩室Ｄ’とが設けられ、これらの各室がイオン交換膜ａ，ａ’ｃ，ｃ’，ｍで仕切られている。

第１の主脱塩室Ｄは、陰極側のカチオン交換膜ｃと隣接する第１のカチオン脱塩室Ｄ１と、陽極側のアニオン交換膜ａと隣接する第１のアニオン脱塩室Ｄ２と、を有している。第２の主脱塩室Ｄ’は、陰極側のカチオン交換膜ｃ’と隣接する第２のカチオン脱塩室Ｄ１’と、陽極側のアニオン交換膜ａ’と隣接する第２のアニオン脱塩室Ｄ２’と、を有している。各主脱塩室Ｄ，Ｄ’内の、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’とアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’とは、それぞれ中間イオン交換膜３を介して互いに隣接している。

第１および第２の主脱塩室Ｄ，Ｄ’は、それぞれの陽極側で、アニオン交換膜（第１のアニオン交換膜）ａ，ａ’を介して濃縮室（陽極側濃縮室）Ｃ１，Ｃ２と隣接し、それぞれの陰極側で、カチオン交換膜（第１のカチオン交換膜）ｃ，ｃ’を介して濃縮室（陰極側濃縮室）Ｃ２，Ｃ３と隣接している。したがって、第２の濃縮室Ｃ２は、第１の主脱塩室Ｄ１にとっては陰極側濃縮室であり、第２の主脱塩室Ｄ’にとっては陽極側濃縮室となる。電気式脱イオン水製造装置１において最も陽極側に位置する第１の濃縮室Ｃ１は、カチオン交換膜またはアニオン交換膜のいずれであるイオン交換膜ｍを介して陽極室Ｅ１と隣接している。電気式脱イオン水製造装置１において最も陰極側に位置する第３の濃縮室Ｃ３は、イオン交換膜ｍを介して陰極室Ｅ２と隣接している。

第１のカチオン脱塩室Ｄ１には少なくともカチオン交換体が充填され、主に被処理水中のカチオン成分（Ｎａ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺等）が除去される。カチオン交換体としては、カチオン交換樹脂、カチオン交換繊維、モノリス状多孔質カチオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なカチオン交換樹脂が好適に用いられる。カチオン交換体の種類としては、弱酸性カチオン交換体、強酸性カチオン交換体等が挙げられる。第１のカチオン脱塩室Ｄ１に充填するイオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体の単床形態が挙げられる。第２のカチオン脱塩室Ｄ１’は、第１のカチオン脱塩室Ｄ１と同様の構成を有している。

第１のアニオン脱塩室Ｄ２には少なくともアニオン交換体が充填され、主に被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ^-、ＣＯ₃ ^2-、ＨＣＯ₃ ^-、ＳｉＯ₂（シリカは、特別な形態をとることが多いため、一般のイオンとは異なった表示とする）等）が除去される。アニオン交換体としては、アニオン交換樹脂、アニオン交換繊維、モノリス状多孔質アニオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なアニオン交換樹脂が好適に用いられる。アニオン交換体の種類としては、弱塩基性アニオン交換体、強塩基性アニオン交換体等が挙げられる。第１のアニオン脱塩室Ｄ２にはカチオン交換体がさらに充填されていてもよい。第１のアニオン脱塩室Ｄ２に充填するアニオン交換体の充填形態としては、アニオン交換体の単床形態、アニオン交換体とカチオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。第２のアニオン脱塩室Ｄ２’は、第１のアニオン脱塩室Ｄ２と同様の構成を有している。

中間イオン交換膜３は、被処理水の水質、脱イオン水に求められる水質、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’またはアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に充填するイオン交換体の種類等を勘案して選択することができる。中間イオン交換膜３は、アニオン交換膜もしくはカチオン交換膜の単一膜、または、アニオン交換膜とカチオン交換膜の両方を備えた複合膜のいずれであってもよい。

このように、各主脱塩室Ｄ，Ｄ’がそれぞれ、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’とアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’の２つの小脱塩室に区画され、各主脱塩室Ｄ，Ｄ’の外側に濃縮室が隣接する構成（主脱塩室２室構成）は、被処理水の多段処理が可能であり、脱イオン性能の向上に効果的である。しかも、各主脱塩室Ｄ，Ｄ’のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’とアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’との間に濃縮室を設ける必要がないため、陽極・陰極間の印加電圧が抑えられ、消費電力が下がり運転費の低減を図ることが可能である。

第１の濃縮室Ｃ１は、第１のアニオン脱塩室Ｄ２から排出されるアニオン成分および陽極室Ｅ１から排出されるカチオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。第２の濃縮室Ｃ２は、第１のカチオン脱塩室Ｄ１から排出されるカチオン成分および第２のアニオン脱塩室Ｄ２’から排出されるアニオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。第３の濃縮室Ｃ３は、第２のカチオン脱塩室Ｄ１’から排出されるカチオン成分および陰極室Ｅ２から排出されるアニオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３には、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’でカチオン成分が除去された脱カチオン水（中間処理水）の一部が濃縮室供給水として流入する。濃縮室供給水はカチオン成分およびアニオン成分を含んだ濃縮水となって、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３から排出される。電気式脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３にイオン交換体が充填されていてもよい。

陽極室Ｅ１は陽極４を収容している。陽極４は金属の網状体あるいは板状体からなっている。被処理水にＣｌ^-を含む場合、陽極４に塩素が発生する。このため、陽極４には耐塩素性能を有する材料を用いることが望ましく、一例として、白金、パラジウム、イリジウム等の金属、あるいはチタンをこれらの金属で被覆した材料が挙げられる。

陰極室Ｅ２は陰極５を収容している。陰極５は、金属の網状体あるいは板状体からなっており、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体を用いることができる。

電極室（陽極室および陰極室）Ｅ１，Ｅ２には電極水が流入する。電気式脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２に充填す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、モノリス状多孔質イオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なイオン交換樹脂が好適に用いられる。

各電極室Ｅ１，Ｅ２、第１および第２カチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’、第１および第２アニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’、および各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３は各々、開口部を備えた板状部材である枠体２の内部に設けられている。図１では、枠体２は一体的に示されているが、実際には部屋毎に別々の枠体を備え、枠体同士が互いに密着して設けられている。枠体２は絶縁性を有し、流入する被処理水が漏洩しない素材であれば特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）等の樹脂を挙げることができる。

各部屋同士の連絡、あるいは被処理水や電極水等の供給、排出用にいくつかの流路Ｕ１〜Ｕ５，Ｌ１〜Ｌ５が設けられている。

電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ１は、一端が被処理水の供給側に接続され、他端側では途中で分岐して、第１のカチオン脱塩室Ｄ１と第２のカチオン脱塩室Ｄ１’とに接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ１は、第１のカチオン脱塩室Ｄ１と第２のカチオン脱塩室Ｄ１’とに接続され、途中で合流し、渡り配管Ｙの一端に接続している。渡り配管Ｙの他端は電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ２に接続されており、流路Ｕ２は、途中で分岐して、第１のアニオン脱塩室Ｄ２と第２のアニオン脱塩室Ｄ２’とに接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ２は、第１のアニオン脱塩室Ｄ２と第２のアニオン脱塩室Ｄ２’とに接続され、途中で合流し、処理水の流出側に接続されている。

電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ３は、一端側では渡り配管Ｙに接続され、他端側では途中で分岐して、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に接続されている。すなわち、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’を流出した脱カチオン水は、一部が第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に流入するようにされ、他の一部が各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に流入するようにされている。電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ３は、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に接続され、途中で合流し、濃縮水の流出側に接続されている。

図１では、流路Ｕ１〜Ｕ３，Ｌ１〜Ｌ３は、図示の都合上枠体２の外側に位置しているが、これらの流路Ｕ１〜Ｕ３，Ｌ１〜Ｌ３は、枠体２に内蔵されているのが有利である。

陽極室Ｅ１には流路Ｌ４，Ｕ４が接続しており、電極水は陽極室Ｅ１の下部に接続された流路Ｌ４から陽極室Ｅ１に流入し、陽極室Ｅ１の上部に接続された流路Ｕ４を通って陽極室Ｅ１から排出される。陰極室Ｅ２には流路Ｌ５，Ｕ５が接続しており、電極水は陰極室Ｅ２の下部に接続された流路Ｌ５から陰極室Ｅ２に流入し、陰極室Ｅ２の上部に接続された流路Ｕ５を通って陰極室Ｅ２から排出される。

次に、引き続き図１を参照して、被処理水の流れと脱イオンの原理について説明する。

あらかじめ、陽極室Ｅ１には、流路Ｌ４から電極水を供給し、流路Ｕ４から排出させておく。同様に、陰極室Ｅ２には、流路Ｌ５から電極水を供給し、流路Ｕ５から排出させておく。陽極４、陰極５間には所定の電圧を印加しておく。この状態で、被処理水を流路Ｕ１から、第１のカチオン脱塩室Ｄ１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１’に並列に流入させる。被処理水は、第１のカチオン脱塩室Ｄ１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１’で、カチオン成分が除去される。

具体的には、Ｃａ²⁺等のカチオン成分は、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’で、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’に充填されたカチオン交換体に吸着される。主脱塩室Ｄ，Ｄ’では、水が水素イオン（以下、「Ｈ⁺」という）と水酸化物イオン（以下、「ＯＨ^-」という）とに解離する反応（水解離反応）が、連続的に進行している。Ｈ⁺はカチオン交換体に吸着したＣａ²⁺等のカチオン成分と交換され、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’に充填されたカチオン交換体が再生される。除去されたＣａ²⁺等のカチオン成分は陽極４、陰極５間の電位差によって陰極５側に引き寄せられ、カチオン交換膜ｃ，ｃ’を通過して第２および第３の濃縮室Ｃ２，Ｃ３に流入する。第１の濃縮室Ｃ１には、陽極室Ｅ１を流れる電極水に含まれるカチオン成分が、陽極４、陰極５間の電位差によって陰極５側に引き寄せられ、イオン交換膜ｍを通って流入する。

このようにしてＣａ²⁺等のカチオン成分が除去された水（脱カチオン水）は流路Ｌ１で合流し、その一部が、渡り配管Ｙを通って流路Ｕ２に流入し、他の一部が、渡り配管Ｙから流路Ｌ３に流入する。

流路Ｕ２に流入した脱カチオン水は、第１のアニオン脱塩室Ｄ２および第２のアニオン脱塩室Ｄ２’に並列に流入し、第１のアニオン脱塩室Ｄ２および第２のアニオン脱塩室Ｄ２’で、アニオン成分が除去される。

具体的には、ＨＣＯ₃ ^-等のアニオン成分は、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’で、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に充填されたアニオン交換体に吸着される。主脱塩室Ｄ，Ｄ’では、上述のように、水解離反応によってＯＨ^-が連続的に発生している。ＯＨ^-はアニオン交換体に吸着したＨＣＯ₃ ^-等のアニオン成分と交換され、アニオン交換体が再生される。除去されたＨＣＯ₃ ^-等のアニオン成分は陽極４、陰極５間の電位差によって陽極４側に引き寄せられ、アニオン交換膜ａ，ａ’を通過して第１および第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２に流入する。第３の濃縮室Ｃ３には、陰極室Ｅ２を流れる電極水に含まれるアニオン成分が、陽極４、陰極５間の電位差によって陽極４側に引き寄せられ、イオン交換膜ｍを通って流入する。第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’でアニオン成分が除去された処理水は流路Ｌ２で合流し、電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

一方、流路Ｌ３に流入した脱カチオン水は、濃縮室供給水として、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に供給される。各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３では、脱カチオン水は、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’、および各電極室から排出されるカチオン成分およびアニオン成分を取り込み、濃縮水となって電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ３を通って電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

このようにして、被処理水は、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’でカチオン成分が除去されて脱カチオン水となり、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’のカチオン交換体は水解離反応によって生成されたＨ⁺により再生される。同様にして、脱カチオン水は、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’でアニオン成分が除去されて脱イオン水となり、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’のアニオン交換体は水解離反応によって生成されたＯＨ^-により再生される。

本実施形態では、上述のように、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３には、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’を流出した脱カチオン水の一部が流入するようにされている。この構成による効果について、以下に、第２の濃縮室Ｃ２を例に挙げて説明する。

第２の濃縮室Ｃ２には、アニオン交換膜ａ’を介して陰極側に位置する第２のアニオン脱塩室Ｄ２’から、被処理水中の除去されたアニオン成分と共に、水の解離反応によって発生したＯＨ^-も排出される。その結果、第２の濃縮室Ｃ２の、特にアニオン交換膜ａ’近傍では、ＯＨ^-が多く存在し、濃縮水のｐＨ値が上昇する。一方、例えばＣａ²⁺等の硬度成分の高い被処理水を処理した場合、第２の濃縮室Ｃ２には、被処理水中の硬度成分と炭酸成分とが排出され濃縮される。そのため、上述のように濃縮水がアルカリ性に傾いたアニオン交換膜ａ’近傍では、排出された炭酸成分は主に炭酸イオン（ＣＯ₃ ^2-）として存在するため、炭酸カルシウムを主成分とするスケールが生成されやすくなる。しかしながら、第２の濃縮室Ｃ２に供給される中間処理水（脱カチオン水）は、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’でカチオン成分が除去される代わりに、Ｈ⁺を多く取り込んでいるため、そのｐＨ値は低くなっている。したがって、カチオン脱塩室を通過して酸性となった中間処理水を第２の濃縮室Ｃ２に供給することによって、第２のアニオン脱塩室Ｄ２’から排出されるＯＨ^-によるｐＨ値の上昇を抑制することができ、スケールの生成を抑制することができる。このようにして、スケールの生成による電気式脱イオン水製造装置の運転電圧の増加や、脱イオン水の水質低下を低減することができる。

したがって、例えば、被処理水中により高濃度の硬度成分が含まれている場合でも、特許文献１のように逆浸透膜の透過水を直接濃縮室へ供給する方法よりも確実にｐＨを低下させた水を濃縮室へ供給することができる。これにより、濃縮室供給水に塩酸等の酸性溶液を添加することで濃縮室内のｐＨ上昇を抑えたり、濃縮室供給水の流量を増加させることで炭酸カルシウム濃度を一定濃度以下に保持したりする必要がなく、スケールの生成を確実に抑制することが可能となる。

スケール生成は、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に流入する脱カチオン水のｐＨ値をより低くすることで、より一層抑制される。そのために、第１および第２のカチオン脱塩室Ｄ１，Ｄ１’には、カチオン交換体が単床形態で充填されていることが最も好ましい。

また、図１からもわかるように、本実施形態では、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に流入する脱カチオン水の流入方向と、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に流入する脱カチオン水の流入方向とが反対向きである。このことは、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３における脱カチオン水の流入位置が、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’における脱カチオン水の排出位置と隣接する位置関係にあることを意味する。各アニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’においては、脱カチオン水に含まれるアニオン成分は、各アニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’内のアニオン交換体によって除去されるため、排出位置近傍での含有量が、流入位置近傍での含有量に比べて少なくなる。そのため、逆に、水の解離反応によって発生し、アニオン交換体の再生のために使われるＯＨ^-は、各アニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’の排出位置近傍では、流入位置近傍と比べて過剰となる。したがって、ＯＨ^-が過剰となる各アニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’の排出位置に隣接して、酸性の脱カチオン水が流入する、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３の流入位置が設けられていることで、より効果的に各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３内のｐＨ値の上昇を抑制することができる。このように、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に流入する脱カチオン水の流入方向と、第１および第２のアニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に流入する脱カチオン水の流入方向とが反対向きであることで、上述のスケール生成の抑制効果はより顕著になる。

なお、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に流入する脱カチオン水は、スケールの生成が抑制できる程度に各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３のｐＨ値の上昇を抑えることができれば十分である。そのため、各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に流入する脱カチオン水の流量は、各アニオン脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に流入する脱カチオン水の流量に対して、０．０５〜１倍の範囲であれば十分である。また、濃縮室供給水として脱イオン水等を追加供給することで、ｐＨ値を調整することも可能である。

本実施形態では、本発明の電気式脱イオン製造装置について、中間イオン交換膜を介して互いに隣接する、カチオン脱塩室とアニオン脱塩室とからなる主脱塩室が２つ設けられている場合を例に挙げて説明したが、主脱塩室は１つだけであってもよく、または３つ以上設けられていてもよい。主脱塩室がいくつの場合であっても、主脱塩室と濃縮室とは交互に設けられ、最も陽極側に位置する濃縮室が陽極室と隣接し、最も陰極側に位置する濃縮室が陰極室と隣接することになる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置を示す概略構成図である。

図２に示す電気式脱イオン水製造装置１では、カチオン脱塩室Ｄ１１が、陽極室Ｅ１と濃縮室Ｃとの間に位置し、第１のカチオン交換膜ｃ１を介して濃縮室Ｃに隣接し、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して前記陽極室に隣接して位置している。また、アニオン脱塩室Ｄ１２が、陰極室Ｅ２と濃縮室Ｃとの間に位置し、第１のアニオン交換膜ａ１を介して濃縮室に隣接し、第２のアニオン交換膜ａ２を介して陰極室Ｅ２に隣接して位置している。

言い換えれば、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置１は、図１に示す第１の実施形態から、第１の濃縮室Ｃ１と第１のアニオン脱塩室Ｄ２とを取り除き、第１のカチオン脱塩室Ｄ１と陽極室Ｅ１とをカチオン交換膜を介して隣接させ、第３の濃縮室Ｃ３と第２のカチオン脱塩室Ｄ１’とを取り除き、第２のアニオン脱塩室Ｄ２’と陰極室Ｅ２とを第２のアニオン交換膜ａ２を介して隣接させた構成を有している。そのため、本実施形態における各室の構成は、第１の実施形態の対応する各室の構成と同様であり、被処理水の流れ（流路構成）や脱イオンの原理についても、第１の実施形態と同様である。また、スケール生成の抑制効果についても、第１の実施形態と同様である。

一方で、本実施形態では、電極室Ｅ１，Ｅ２において水の電気分解反応によって生じた水素イオンおよび水酸化物イオンを、電極室Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ隣接するカチオン脱塩室Ｄ１１およびアニオン脱塩室Ｄ１２のイオン交換体の再生に利用している点で、第１の実施形態と異なっている。このことについて、以下に簡単に説明する。

陽極室Ｅ１で電気分解反応（２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-）によって発生した水素イオンは、第２のカチオン交換膜ｃ２を通ってカチオン脱塩室Ｄ１１に流入する。カチオン脱塩室Ｄ１１では流入した被処理水のカチオン成分がカチオン交換体に吸着され、カチオン成分が吸着したカチオン交換体は、陽極室Ｅ１から移動してきた水素イオンによって再生される。一方、陽極室Ｅ１と同様の電気分解反応によって陰極室Ｅ２で発生した水酸化物イオンは、第２のアニオン交換膜ａ２を通ってアニオン脱塩室Ｄ１２に移動する。アニオン脱塩室Ｄ１２では流入した被処理水のアニオン成分がアニオン交換体に吸着され、アニオン成分が吸着したアニオン交換体は、陰極室Ｅ２から移動してきた水酸化物イオンによって再生される。

このようにして、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置１では、陽極室Ｅ１で発生した水素イオンおよび陰極室Ｅ２で発生した水酸化物イオンが各脱塩室Ｄ１１，Ｄ１２のイオン交換体の再生に有効利用されている。これにより、陽極・陰極間の印加電圧を低減し、使用電力量を低減することが可能となる。

図３は、本実施形態の電気式脱イオン水製造装置の別の構成例を示す概略構成図である。図３では、各室の符号は、図２における各室の符号に対応している。図中の符号Ｘは、符号Ｘで示した流路の端部同士が接続されていることを意味している。

図２に示す構成例では、アニオン脱塩室Ｄ１２と濃縮室Ｃとカチオン脱塩室Ｄ１１の３室からなる単位構成は１組設けられていたが、この単位構成は、例えば大量の被処理水を処理する場合などには、図３に示すように、複数設けることも可能である。その場合、各単位構成は、第１の実施形態と同様の構成を有する中間イオン交換膜３を介して互いに隣接している。そして、最も陽極側に位置するカチオン脱塩室Ｄ１１が第２のカチオン交換膜ｃ２を介して陽極室Ｅ１と隣接し、最も陰極側に位置するアニオン脱塩室Ｄ１２が第２のアニオン交換膜ａ２を介して陰極室Ｅ２と隣接する。また、すべてのカチオン脱塩室Ｄ１１は、並列に被処理水が流入するように並列流路を形成し、すべてのアニオン脱塩室Ｄ１２に、並列に脱カチオン水が流入するように並列流路を形成する。このような構成によって、被処理水量の増大にも対応可能となる。

（実施例）
図１に示す構成の電気式脱イオン水製造装置（実施例）と、図４に示す電気式脱イオン水製造装置（比較例）を用いて、本発明の効果を確認した。比較例は、図１に示す実施例と、各室の構成は同様であり、濃縮室供給水がカチオン脱塩室に流入させる前の被処理水、すなわち原水である点で異なっている。濃縮室供給水の流量と、得られる処理水の流量とは、実施例および比較例で共に同量であるが、カチオン脱塩室を流出した脱カチオン水を濃縮室に流す実施例では、カチオン脱塩室入口での被処理水の流量が、比較例と比べて、濃縮室に流す分だけ大きくなっている。また、中間イオン交換膜としてはアニオン交換膜を用い、陽極室と濃縮室との間のイオン交換膜としてはカチオン交換膜、陰極室と濃縮室との間のイオン交換膜としてはアニオン交換膜をそれぞれ用いている。

なお、実際には、実施例および比較例ともに、主脱塩室が３室設けられた電気式脱イオン水製造装置を用いて検証を行った。

実施例および比較例における電気式脱イオン水製造装置の仕様、通水流量、供給水の仕様等は以下の通りである。なお、ＣＥＲはカチオン交換樹脂、ＡＥＲはアニオン交換樹脂の略である。
・陽極室Ｅ１：寸法３００×８０×４ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極室Ｅ２：寸法３００×８０×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・カチオン脱塩室：寸法３００×８０×５ｍｍ（３室とも） ＣＥＲ充填
・アニオン脱塩室：寸法３００×８０×５ｍｍ（３室とも） ＡＥＲ充填
・濃縮室：３００×８０×５ｍｍ（４室とも） ＡＥＲ充填
・処理水流量：１００Ｌ／ｈ
・濃縮水流量：１０Ｌ／ｈ
・電極水流量：１５Ｌ／ｈ
・カチオン脱塩室供給水（被処理水）：一段ＲＯ透過水１１±１μＳ／ｃｍ
・カチオン脱塩室供給水硬度（ＣａＣＯ₃含有量）：１±０．１ｍｇ／Ｌ
・濃縮室供給水（実施例）：カチオン脱塩室処理水（脱カチオン水）
（比較例）：カチオン脱塩室供給水（被処理水）
・電極室供給水：一段ＲＯ透過水１１±１μＳ／ｃｍ
・印加電流値：２．０Ａ
・印加電流密度：０．８３Ａ／ｄｍ²

実施例および比較例の装置について、１０００時間の運転を行い、処理水質（処理水比抵抗）および運転電圧の経時変化を比較した。結果を表１に示す。

実施例では、比較例と比べて、良好な処理水質が得られるとともに、運転電圧が低く抑えられていることが確認された。これは、表１に示すように、カチオン脱塩室を流出してｐＨ値が低くなった脱カチオン水を濃縮室に供給したことで、スケールの生成が抑制された効果であると考えられる。実際、約１０００時間の運転後、それぞれの装置を解体したところ、比較例１の装置では、濃縮室にスケールが生成されていることが確認されたが、実施例１の装置では、スケールの生成は確認できなかった。

１ 電気式脱イオン水製造装置
２ 枠体
３ 中間イオン交換膜
４ 陽極
５ 陰極
Ｄ，Ｄ’ 主脱塩室
Ｄ１ 第１のカチオン脱塩室
Ｄ１’ 第２のカチオン脱塩室
Ｄ１１ カチオン脱塩室
Ｄ２ 第１のアニオン脱塩室
Ｄ２’ 第２のアニオン脱塩室
Ｄ１２ アニオン脱塩室
Ｃ 濃縮室
Ｃ１〜Ｃ３ 第１〜第３の濃縮室
Ｅ１ 陽極室
Ｅ２ 陰極室
ａ，ａ’ アニオン交換膜
ａ１ 第１のアニオン交換膜
ａ２ 第２のアニオン交換膜
ｃ，ｃ’ カチオン交換膜
ｃ１ 第１のカチオン交換膜
ｃ２ 第２のカチオン交換膜

Claims (11)

1. 被処理水を処理して脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置であって、
   陽極および陰極と、
   少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、
   少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、
   前記陽極と前記陰極との間に位置し、第１のアニオン交換膜を介して前記アニオン脱塩室と隣接する濃縮室と、を有し、
   前記カチオン脱塩室と前記アニオン脱塩室とは、被処理水が前記カチオン脱塩室に流入し、該カチオン脱塩室を流出して少なくともカチオン成分が除去された中間処理水の一部が前記アニオン脱塩室に流入するように連通されており、
   前記カチオン脱塩室と前記濃縮室とは、前記カチオン脱塩室を流出した前記中間処理水の他の一部が前記濃縮室に流入するように連通されている、
   電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記濃縮室が、前記アニオン脱塩室の前記陽極側で、前記第１のアニオン交換膜を介して前記アニオン脱塩室に隣接して位置する陽極側濃縮室と、前記カチオン脱塩室の前記陰極側で、第１のカチオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室に隣接して位置する陰極側濃縮室と、を有し、
   前記アニオン脱塩室が、前記カチオン脱塩室の前記陽極側で、中間イオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接する、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 前記濃縮室が、前記カチオン脱塩室の前記陰極側で、第１のカチオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接する、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 前記陽極を備えた陽極室と、前記陰極を備えた陰極室と、を有し、
   前記カチオン脱塩室が、第２のカチオン交換膜を介して前記陽極室と隣接し、前記アニオン脱塩室が、第２のアニオン交換膜を介して前記陰極室と隣接する、請求項３に記載の電気式脱イオン水製造装置。
5. 前記陽極を備えた陽極室と、前記陰極を備えた陰極室と、を有し、
   前記アニオン脱塩室と前記濃縮室と前記カチオン脱塩室とは、中間イオン交換膜を介して互いに隣接するように２つ以上設けられ、
   ２つ以上の前記アニオン脱塩室が並列流路を形成し、２つ以上の前記カチオン脱塩室が並列流路を形成し、
   最も前記陽極側に位置する前記カチオン脱塩室が、第２のカチオン交換膜を介して前記陽極室と隣接し、最も前記陰極側に位置する前記アニオン脱塩室が、第２のアニオン交換膜を介して前記陰極室と隣接する、請求項３に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記カチオン脱塩室には、前記カチオン交換体が単床形態で充填されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
7. 前記濃縮室に流入する前記中間処理水の前記他の一部の流入方向と、前記アニオン脱塩室に流入する前記中間処理水の前記一部の流入方向とが互いに反対向きである、請求項１から６のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
8. 前記濃縮室に流入する前記中間処理水の前記他の一部の、前記アニオン脱塩室に流入する前記中間処理水の前記一部に対する流量比が０．０５〜１倍の範囲にある、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
9. 陽極および陰極と、
   少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、
   少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、
   前記陽極と前記陰極との間に位置し、第１のアニオン交換膜を介して前記アニオン脱塩室と隣接する濃縮室と、
   を有する電気式脱イオン水製造装置を用いて、被処理水を処理して脱イオン水を製造する脱イオン水製造方法であって、
   被処理水を前記カチオン脱塩室に流し、少なくともカチオン成分が除去された中間処理水を生成するステップと、
   前記カチオン脱塩室を流出した前記中間処理水の一部を、前記アニオン脱塩室に流すステップと、
   前記カチオン脱塩室を流出した前記中間処理水の他の一部を、前記濃縮室に流すステップと、
   を含む、脱イオン水製造方法。
10. 前記濃縮室に流すステップは、前記中間処理水の前記一部を前記アニオン脱塩室に流す方向と反対向きに、前記中間処理水の前記他の一部を前記濃縮室に流すことを含む、請求項９に記載の脱イオン水製造方法。
11. 前記濃縮室に流すステップは、前記アニオン脱塩室に流す前記中間処理水の前記一部の流量に対して０．０５〜１倍の範囲の流量で、前記中間処理水の前記他の一部を前記濃縮室に流すことを含む、請求項９または１０に記載の脱イオン水製造方法。

Images