JP5429789B2 - 電気透析装置 - Google Patents

Description

本発明は電気透析装置に関する。

電気透析装置の使用例として、海水処理装置が知られている。例えば、特許文献１には、海水を脱塩して淡水を得る逆浸透分離装置とこの逆浸透分離装置から排出される濃縮水を更に濃縮する電気透析装置を備えた海水処理装置について記載されている。しかし、特許文献１では、主に逆浸透分離装置側に注目して改善がなされており、電気透析装置側については、詳しい説明は省略されている。

良く知られているように、電気透析装置は電気透析法を利用した装置であり、電気透析法はイオン交換膜と電気を利用する膜分離法である。イオン交換膜は電荷をもつ多孔質膜であり、陽イオンまたは陰イオンのみを通す性質をもつ。電気透析法ではこれらを組み合わせて水に溶けているイオン成分の除去や濃縮を行う。この分離法の駆動力は電気量であり、加えた電気量に比例して水中のイオンを分離できる。そのため、逆浸透などの圧力駆動の膜分離法に比較して低圧運転が可能で、高圧ポンプを必要としないという特徴がある。

一般的に、電気透析装置は、アニオン交換膜とカチオン交換膜を一対としたものを複数対並列に配置し、これらを両側から電極で挟みこんだ構造を有する。

特開平９−２７６８６４号公報

ところで、最近の傾向として、資源の枯渇化、環境汚染への対策の一環として省力化、省電力化のための改良があらゆる分野にて試みられつつある。

このような観点から、本発明は省電力化に有効な電気透析装置を提供しようとするものである。

本発明の態様によれば、アニオン交換膜とカチオン交換膜を一対としたイオン交換膜対を複数対並列に配置し、これらの両側をアノード電極とカソード電極で挟みこむ構造を有する電気透析装置において、前記アノード電極表面の少なくとも一部にＰｔあるいはＳｅを用い、前記カソード電極表面の少なくとも一部にＬａＢ_６を用いたことを特徴とする電気透析装置が提供される。

前記カソード電極は、前記ＬａＢ_６による単体で良く、あるいはＬａＢ_６とは異なる材料（例えば、Ｗ、Ｍｇ、Ｔｉなど）の表面をＬａＢ_６膜で被覆したものでも良い。

本発明の態様による電気透析装置においては、前記イオン交換膜対の数を低減させて当該イオン交換膜対の膜間電圧を低減させることにより、前記膜電圧と電極部の電圧の和である総電圧を低減させ、もって低消費電力化を実現することができる。

本発明によれば、電気透析装置の電極材料としてＬａＢ_６を用いることで電極反応における消費電力量を低減させることができる。

本発明が適用される電気透析装置の概略構成を示した図である。 図１の電気透析装置におけるアノード電極にＰｔ、カソード電極にＬａＢ_６あるいはＰｔを用いた場合のカソード反応の電位−電流曲線を示す。 図１の電気透析装置における電極材料としてＬａＢ_６を使用することによって総電圧低減により実現される低消費電力化について説明するための図である。

図１を参照して、本発明が適用される電気透析装置の一例について説明する。

図１において、アニオン交換膜（図１中、Ａで示す膜）とカチオン交換膜（図１中、Ｃで示す膜）を一対としたものを複数対並列に配置し、これらの両側をアノード電極１０Ａとカソード電極１０Ｋで挟みこむ構造を有している。これまで、電極の材料としては、ＰｔメッキＴｉ電極等が用いられている。

海水を対象とした電気透析装置の作用は以下の通りである。塩を含む水溶液には必ず陽イオンと陰イオンが存在している。

（１）アノード電極１０Ａとカソード電極１０Ｋを備えた容器に海水を供給して２つの電極間に電圧を加えると、電気泳動によりイオンは反対極性の電極に引き寄せられる。ここで、２つの電極の間にカチオン交換膜が存在すると、電気泳動していた陰イオンはこのカチオン交換膜を通過できない。一方、陽イオンはカチオン交換膜を通過して電極側に移動できる。２つの電極の間にアニオン交換膜が存在する場合はこれと逆になる。

（２）上記のように、電気透析装置ではアノード電極１０Ａとカソード電極１０Ｋの間にカチオン交換膜とアニオン交換膜が交互に挿入されていることにより、ふたつの水の流路すなわち隔室が構成される。そして、処理液である塩水を供給し、２つの電極間に電流を流すと、上記のようなイオンの移動が交互におこり、陰イオン、陽イオンともに濃縮される流路と、陰イオン、陽イオンともに除去、すなわち希釈される流路ができる。これにより２つの流路の出口では塩が濃縮された液体（Ｃｏｎｄｅｎｓｅ）と脱塩された液体（Ｄｉｌｕｔｅ）が得られる。

図１ではイオン交換膜を数枚のみ示しているが、実際の電気透析装置では、電流を効率よく利用するために、例えば、アニオン交換膜とカチオン交換膜を一対としたものが３００対並列に配置される。そして、これまでは、これらの両側をＰｔメッキＴｉ電極で挟みこんだ構造を有する電気透析セルにて海水塩濃度を３．５％から２．７％まで脱塩する場合、２５０Ｖ程度の電圧が必要となる。おおよその電圧の内訳は３００対の膜間電圧が２４０Ｖ、電極部が１０Ｖである。

本発明はこのような電気透析装置における電極材料としてＬａＢ_６に着目し、低消費電力化を実現したものである。

ＬａＢ_６は高融点、低仕事関数、高電子放出率といった特微から電子顕微鏡等の熱電子放出材料として広く利用されている。低仕事関数は高電子放出能に相当する。以下に、いくつかの材料の仕事関数を例示するが、ＬａＢ_６の優位性は明らかである。

材 料 仕事関数（ｅＶ）
Ｓｅ ５．９
Ｐｔ ５．７
Ｐｄ ５．１
Ｔｉ ４．３
ＬａＢ_６ ２．４

電気透析装置における電極反応というのは水溶液と電極間の電子交換反応であり、電子供与能力が高いほど溶液中の分子あるいはイオンに電子を供与するカソード反応が促進されることが予想される。アノード電極１０ＡにＰｔを用い、カソード電極１０ＫにはＬａＢ_６を用いた場合のカソード反応の電位−電流曲線を図２に示す。

図２から明らかなように、ＬａＢ_６をカソード電極として一定電流を流す場合、Ｐｔをカソード電極とした場合に比べ、その高い電子放出特性に起因してより低電圧で電極反応が進行する。このため、ＬａＢ_６を電気透析装置の電極として用いることで電極反応における消費電力量が低減できる。

なお、ＬａＢ_６電極の効果を最大化するためには電気透析装置のイオン交換膜枚数はできるだけ少ないことが望ましい。図３に示すように、前述したアニオン交換膜とカチオン交換膜を一対としたものを３００対並列に配置した電気透析セルでは、海水塩濃度を３．５％から２．７％まで脱塩するために３００対の膜間で２４０Ｖ、電極部で１０Ｖの電圧を必要とする。この場合、カソード電極１０ＫにＬａＢ_６を用いることで電極部の電圧が１０Ｖから５Ｖに低減できたとしても、３００対のイオン交換膜対の膜間電圧が２４０Ｖあるため、電極部電圧と膜間電圧の和である総電圧では２％（＝５／２５０）の電圧低減にすぎず、電気透析装置全体の低消費電力化に及ぼす影響は大きくない。

そこでＬａＢ_６をカソード電極とした効果を最大化するためには電気透析装置のイオン交換膜枚数を低減することが望ましい。例えば、イオン交換膜対数を３００対から５０対とすると、膜間電圧は４０Ｖとなり、電極部の電圧を１０Ｖから５Ｖに低減できることにより、ＬａＢ_６による電極を用いることによる総電圧５０Ｖに対する低減効果は上記の２％から１０％（＝５／５０）に向上するため大幅な低消費電力化が可能となる。

なお、カソード電極としては、前記のようにＬａＢ_６による単体でも良いが、ＬａＢ_６とは異なる材料（例えば、Ｗ、Ｍｇ、Ｔｉなど）の表面の少なくとも一部をＬａＢ_６膜で被覆したものでも良い。一方、アノード電極としては、Ｐｔに代えてＳｅを用いても良く、それらの単体のほか、異なる材料による電極表面の少なくとも一部をＰｔあるいはＳｅ膜で被覆したものでも良い。

１０Ａ アノード電極
１０Ｋ カソード電極

Claims (3)

1. アニオン交換膜とカチオン交換膜を一対としたイオン交換膜対を複数対並列に配置し、これらの両側をアノード電極とカソード電極で挟みこむ構造を有する電気透析装置において、
   前記アノード電極表面の少なくとも一部にＰｔあるいはＳｅを用い、前記カソード電極表面の少なくとも一部にＬａＢ_６を用いたことを特徴とする電気透析装置。
2. 前記カソード電極は、前記ＬａＢ_６による単体あるいはＬａＢ_６とは異なる材料の表面をＬａＢ_６で被覆したものであることを特徴とする請求項１に記載の電気透析装置。
3. 前記イオン交換膜対の数を低減させて当該イオン交換膜対の膜間電圧を低減させることにより、前記膜電圧と電極部の電圧の和である総電圧を低減させ、もって低消費電力化を実現したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気透析装置。

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