JP5492612B2 - 電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置に関し、特にイオン交換膜の構造に関する。

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（脱塩）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劣化したときに、酸やアルカリといった薬剤によってイオン交換体の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（以下、脱イオン水製造装置という場合がある。）が実用化されている。

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。脱イオン水製造装置は、陽極室及び陰極室と、陽極室と陰極室との間に位置しイオン交換体の充填された脱塩室と、同じく陽極室と陰極室との間に位置し濃縮水の流通する濃縮室と、を有しており、これらの部屋はイオン交換膜を介して互いに隣接している。

脱イオン水製造装置により脱イオン水を製造するには、陽極、陰極間に直流電圧を印加した状態で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、脱イオン化処理が行われる。脱塩室ではまた、印加電圧によって脱塩室のアニオン交換体とカチオン交換体の界面で水分解が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが発生する（２Ｈ₂Ｏ→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及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。イオン交換膜は、脱塩室の陽極側がアニオン交換膜、脱塩室の陰極側がカチオン交換膜となっている。このように、脱イオン水製造装置では、水素イオン及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。

脱塩室と濃縮室とを仕切るイオン交換膜は、例えば、原料モノマー液をメッシュ状の補強体に含浸させてあらかじめ膜状のポリマーを作り、これにイオン交換基を導入することにより作製することができる。このようなイオン交換膜は均質イオン交換膜と呼ばれる（特許文献１）。

特許文献１には、イオン交換膜の脱塩室に面する表面に凹凸構造を設ける技術も開示されている。このような凹凸構造を設けることによって、脱塩室に充填されたイオン交換体とイオン交換膜との接触面積が増加するとともに、脱塩室におけるイオン交換樹脂の充填効率を上げることができる。

これに対し、イオン交換膜の濃縮室に面する表面は、脱塩室内における脱イオン化処理と直接の関係がないため、特許文献１に記載されたような特段の改良は行われてこなかった。イオン交換膜の表面粗さを示す指標として、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１またはＩＳＯ４２８７：１９９７に規定される輪郭曲線の最大高さＲｚ（以下、単にＲｚと表記する場合がある。）が用いられる。従来技術では、イオン交換膜の濃縮室に面する表面のＲｚは１０〜１００μｍの範囲にある。

特開平８−１９７０６０号公報

脱イオン水製造装置の運転中に、イオン交換膜の濃縮室に面する表面に固体状の析出物(スケール)が発生することがある。このスケールは硬度成分やシリカ等を主成分として発生し、徐々に成長しながらイオン交換膜に付着する。硬度成分やシリカ等は、濃縮室に供給される原水に含まれている他、被処理水にも含まれている。被処理水に含まれている硬度成分やシリカ等は、イオン交換膜を通って濃縮室に流入する。

イオン交換膜に付着したスケールは脱塩室からのイオンの移動経路を塞ぐため、脱イオン性能を低下させることがある。脱イオン性能が低下すると、陽極と陰極間の印加電位を高めるために消費エネルギーが増加する可能性がある。この現象を防止ないし緩和するには、定期的に薬品洗浄を実施し、イオン交換膜に付着したスケールを溶解除去する必要がある。スケールの主成分である硬度成分やシリカ等の濃度を抑えるために、濃縮水の流量を増加して、濃縮水の濃縮倍率を抑えることも必要となる。

本発明はこのような課題に鑑み、イオン交換膜の濃縮室に面する表面にスケールが発生しにくい電気式脱イオン水製造装置を提供することを目的とする。

本発明の電気式脱イオン水製造装置は、陽極室及び陰極室と、陽極室と陰極室との間に位置し、イオン交換体が充填され、イオン交換体によって脱塩される被処理水が流通するようにされた少なくとも１つの脱塩室と、陽極室と陰極室との間に位置し、濃縮水が流通するようにされ、一方の面で一の脱塩室と隣接し、他方の面で他の脱塩室または陽極室または陰極室と隣接する濃縮室と、濃縮室と一の脱塩室とを仕切る第１のイオン交換膜と、濃縮室と、他の脱塩室または陽極室または陰極室と、を仕切る第２のイオン交換膜と、を有している。第１及び第２のイオン交換膜の少なくとも一方は、濃縮室に面する表面の、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１またはＩＳＯ４２８７：１９９７に準拠して得られた輪郭曲線の最大高さＲｚが、０．０５μｍ以上、１０．０μｍ以下の範囲にある。イオン交換膜は、イオン交換基が導入された膜本体と、膜本体に埋め込まれたメッシュ状の補強体と、を有し、補強体を構成する繊維の直径のイオン交換膜の厚さに対する比が０．１以上、０．５以下の範囲にある。

一般にスケールは、種結晶が生成され、その種結晶が成長することによって形成される。ある程度成長したスケールは、一旦イオン交換膜の表面の凹部に捕捉されると、凹部から離脱しにくくなる。凹部に捕捉されたスケールは、その状態でさらに成長して、一層凹部から離脱しにくくなる。この結果、スケールはイオン交換膜の表面の凹部に深くもぐりこみ、イオン交換膜の表面に付着したままとなる。本発明においても、濃縮水に含まれる硬度成分や脱塩室から移動してきたイオン成分などを原因物質として、濃縮室を流通する濃縮水にスケールの種結晶が生成される。しかし、スケールの種結晶が生成しても、種結晶の段階でイオン交換膜の表面から排除できれば、イオン交換膜の表面へのスケールの付着を抑止することは可能である。

本発明によれば、第１及び第２のイオン交換膜の濃縮室に面する表面は、Ｒｚが０.０５μｍ以上、１０.０μｍ以下であり、従来の値（１０〜１００μｍ）と比べて小さくされている。換言すれば、本発明における第１及び第２のイオン交換膜の濃縮室に面する表面は、従来技術におけるイオン交換膜の濃縮室に面する表面と比べて平滑になっている。濃縮室側の表面が平滑なイオン交換膜を用いることで、スケールの種結晶がイオン交換膜の表面の凹部に捕捉されにくくなる。凹部に一時的に滞留した種結晶も、濃縮水の流れによって容易にイオン交換膜の表面から排除され、スケールの生成及び付着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、イオン交換膜の濃縮室に面する表面にスケールが発生しにくい電気式脱イオン水製造装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る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脱イオン水製造装置の概略構成図である。 イオン交換膜の構造の一例を示す模式図である。 従来及び本実施形態のイオン交換膜の表面形状を示す模式図である。 基材の繊維径のイオン交換膜厚さに対する比と、Ｒｚとの関係を示すグラフである。 被処理水の水質の運転時間による変化を示すグラフである。 運転電圧の運転時間による変化を示すグラフである。 Ｒｚと、３０００時間運転後の被処理水の水質及び運転電圧との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。脱イオン水製造装置１は、陽極４を備える陽極室Ｅ２及び陰極５を備える陰極室Ｅ１と、これらの間に設けられた３つの脱塩室Ｄ１〜Ｄ３及び４つの濃縮室Ｃ１〜Ｃ４と、を有している。脱塩室Ｄ１〜Ｄ３と濃縮室Ｃ１〜Ｃ４は交互に設けられ、濃縮室Ｃ１が陰極室Ｅ１と、濃縮室Ｃ４が陽極室Ｅ２と各々隣接している。

陽極室Ｅ２、陰極室Ｅ１、脱塩室Ｄ１〜Ｄ３、及び濃縮室Ｃ１〜Ｃ４は、隣接する部屋同士がイオン交換膜によって仕切られている。具体的には、陰極室Ｅ１と濃縮室Ｃ１はアニオン交換膜ａ１で仕切られている。濃縮室Ｃ１と脱塩室Ｄ１はカチオン交換膜ｃ１で仕切られている。脱塩室Ｄ１と濃縮室Ｃ２はアニオン交換膜ａ２で仕切られている。濃縮室Ｃ２と脱塩室Ｄ２はカチオン交換膜ｃ２で仕切られている。脱塩室Ｄ２と濃縮室Ｃ３はアニオン交換膜ａ３で仕切られている。濃縮室Ｃ３と脱塩室Ｄ３はカチオン交換膜ｃ３で仕切られている。脱塩室Ｄ３と濃縮室Ｃ４はアニオン交換膜ａ４で仕切られている。そして、濃縮室Ｃ４と陽極室Ｅ２はカチオン交換膜ｃ４で仕切られている。

脱塩室Ｄ１〜Ｄ３には、カチオン交換体とアニオン交換体が充填されている。カチオン交換体は、主に被処理水中のカチオン成分（Ｎａ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺等）を除去する。アニオン交換体は、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）を除去する。カチオン交換体及びアニ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。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。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。脱塩室Ｄ１〜Ｄ３に充填するカチオン交換体及びアニオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体とアニオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。

濃縮室Ｃ１〜Ｃ４には原水が供給される。原水は隣接する脱塩室から排出されるイオン成分を取り込み、濃縮水として各濃縮室Ｃ１〜Ｃ４を流通し、系外に排出される。具体的には、濃縮室Ｃ１を流通する濃縮水は、脱塩室Ｄ１から排出されるカチオン成分を取り込み、系外に排出される。濃縮室Ｃ２を流通する濃縮水は、脱塩室Ｄ１から排出されるアニオン成分及び脱塩室Ｄ２から排出されるカチオン成分を取り込み、系外に排出される。濃縮室Ｃ３を流通する濃縮水は、脱塩室Ｄ２から排出されるアニオン成分及び脱塩室Ｄ３から排出されるカチオン成分を取り込み、系外に排出される。濃縮室Ｃ４を流通する濃縮水は、脱塩室Ｄ３から排出されるアニオン成分を取り込み、系外に排出される。濃縮室Ｃ１〜Ｃ４には必要に応じてイオン交換樹脂を充填してもよく、充填形態は特に制限されない。

陽極室Ｅ２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Ｅ１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。陽極室Ｅ２及び陰極室Ｅ１には電極水が流入する。

各電極室Ｅ１，Ｅ２、脱塩室Ｄ１〜Ｄ３及び濃縮室Ｃ１〜Ｃ４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、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。

被処理水及び原水の供給並びに被処理水及び濃縮水の排出のために、いくつかの流路Ｐ１〜Ｐ４が設けられている。流路Ｐ１は、一端が被処理水の供給側に接続され、途中で分岐して、脱塩室Ｄ１〜Ｄ３に接続されている。流路Ｐ２は、脱塩室Ｄ１〜Ｄ３の出口に接続されて、脱イオン化処理を受けた被処理水を回収する。脱塩室Ｄ１〜Ｄ３の出口に接続された流路Ｐ２の分岐管は途中で合流し、被処理水の排出側に接続されている。流路Ｐ３は原水の供給側に接続され、途中で分岐して、濃縮室Ｃ１〜Ｃ４に接続されている。流路Ｐ４は、濃縮室Ｃ１〜Ｃ４の出口に接続されて、濃縮水を回収する。濃縮室Ｃ１〜Ｃ４の出口に接続された流路Ｐ４の分岐管は途中で合流し、濃縮水の排出側に接続されている。

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、濃縮室Ｃ１〜Ｃ４に、流路Ｐ３から原水を供給し、流路Ｐ４から排出するようにしておく。電極室Ｅ１，Ｅ２は、図示しない電極水供給ラインから電極水が供給され、図示しない排出ラインから電極水が排出されるようにしておく。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Ｐ１から、各脱塩室Ｄ１〜Ｄ３に並列に流入させる。各脱塩室Ｄ１〜Ｄ３では、被処理水に含まれるＮａ⁺等のカチオン成分と、Ｃｌ^-等のアニオン成分が除去される。カチオン成分とアニオン成分とが除去された被処理水は流路Ｐ２で合流し、系外へ放出される。

流路Ｐ３を通って濃縮室Ｃ１〜Ｃ４に供給される原水は、各脱塩室Ｄ１〜Ｄ３から排出されたカチオン成分またはアニオン成分またはその両者を取り込んで濃縮水となって濃縮室Ｃ１〜Ｃ４を流れ、流路Ｐ４を通って脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

本実施形態では、個々の脱塩室Ｄ１〜Ｄ３でカチオン成分とアニオン成分を同時に除去するように構成されているが、個々の脱塩室Ｄ１〜Ｄ３をカチオン脱塩室とアニオン脱塩室とに分ける構成も可能である。図２はこのような構成を模式的に示している。脱イオン水製造装置１’は、前述の実施形態の各脱塩室を小脱塩室に区切った構成となっている。具体的には脱塩室Ｄ１は、カチオン交換体が充填されカチオン成分を除去するカチオン脱塩室ｄ１と、アニオン交換体が充填されアニオン成分を除去するアニオン脱塩室ｄ１’とに分割されている。脱塩室Ｄ２，Ｄ３も同様に、各々カチオン脱塩室ｄ２及びアニオン脱塩室ｄ２’と、カチオン脱塩室ｄ３及びアニオン脱塩室ｄ３’と、に分割されている。カチオン脱塩室ｄ１とアニオン脱塩室ｄ１’との間は、中間イオン交換膜ｍ１で仕切られている。中間イオン交換膜ｍ１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及びアニオン脱塩室ｄ１’に充填され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ｍ１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。カチオン脱塩室ｄ２とアニオン脱塩室ｄ２’との間、及びカチオン脱塩室ｄ３とアニオン脱塩室ｄ３’との間も各々、中間イオン交換膜ｍ１と同様の構成を備えた中間イオン交換膜ｍ２，ｍ３によって仕切られている。

被処理水はまず、カチオン脱塩室ｄ１〜ｄ３に流入し、カチオン成分を除去される。カチオン成分を除去された被処理水は、次にアニオン脱塩室ｄ１’〜ｄ３’に流入し、アニオン成分を除去される。図中の２か所のＸは、これらが流路で互いに接続されていることを示している。

図２の実施形態において、濃縮室と各電極室との間にさらに副脱塩室を設ける構成も可能である。図３に示す脱イオン水製造装置１”では、陰極室Ｅ１と濃縮室Ｃ１との間に副アニオン脱塩室ｄ４’が設けられている。陰極室Ｅ１と副アニオン脱塩室ｄ４’との間、及び副アニオン脱塩室ｄ４’と濃縮室Ｃ１との間は各々、アニオン交換膜ａ５，ａ１で仕切られている。同様に、陽極室Ｅ２と濃縮室Ｃ４との間に副カチオン脱塩室ｄ４が設けられている。陽極室Ｅ２と副カチオン脱塩室ｄ４との間、及び副カチオン脱塩室ｄ４と濃縮室Ｃ４との間は各々、カチオン交換膜ｃ５，ｃ４で仕切られている。副カチオン脱塩室ｄ４にはカチオン交換体が充填され、副アニオン脱塩室ｄ４’にはアニオン交換体が充填される。副カチオン脱塩室ｄ４はカチオン脱塩室ｄ１〜ｄ３と並列接続され、副アニオン脱塩室ｄ４’はアニオン脱塩室ｄ１’〜ｄ３’と並列接続されている。被処理水はまず、カチオン脱塩室ｄ１〜ｄ３と副カチオン脱塩室ｄ４とに流入し、カチオン成分を除去される。カチオン成分を除去された被処理水は、次にアニオン脱塩室ｄ１’〜ｄ３’と副アニオン脱塩室ｄ４’とに流入し、アニオン成分を除去される。

陽極室Ｅ２では水素イオンが発生する。この水素イオンはカチオン交換膜ｃ５を通ってカチオン副脱塩室ｄ４に移動する。副カチオン脱塩室ｄ４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Ｅ２から移動してきた水素イオンによって再生される。一方、陰極室Ｅ１では水酸化物イオンが発生する。この水酸化物イオンはアニオン交換膜ａ５を通って副アニオン脱塩室ｄ４’に移動する。副アニオン脱塩室ｄ４’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Ｅ１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、副カチオン脱塩室ｄ４を設けることで、陽極室Ｅ２で発生した水素イオンをイオン交換体の再生に有効利用することが可能となり、副アニオン脱塩室ｄ４’を設けることで、陰極室Ｅ１で発生した水酸化物イオンをイオン交換体の再生に有効利用することが可能となる。この結果、電極間の印加電圧が低減し、消費電力の低減を図ることが可能となる。

このように脱塩室がカチオン脱塩室とアニオン脱塩室の２つの小脱塩室に区画され、各々の外側に濃縮室が隣接する構成（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。しかもカチオン脱塩室とアニオン脱塩室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る。このため、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。

脱イオン水製造装置の構成として３つの例を示したが、本発明の脱イオン水製造装置は、陽極室と陰極室との間に位置し、イオン交換体が充填され、イオン交換体によって脱塩される被処理水が流通するようにされた少なくとも１つの脱塩室と、陽極室と陰極室との間に位置し、濃縮水が流通するようにされた濃縮室を有していればよい。このように構成された脱イオン水製造装置では、任意の濃縮室は、一方の面にあるイオン交換膜（第１のイオン交換膜）が必ずいずれかの脱塩室と隣接しており、他方の面にあるイオン交換膜（第２のイオン交換膜）が、他の脱塩室または陽極室または陰極室と隣接している。

濃縮室を流れる濃縮水は様々な不純物を含んでいる。この不純物によって、上述のイオン交換膜には、濃縮室側の面にスケールが発生する。スケールの原因物質としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウムなどが挙げられる。これらの原因物質は、原水に含まれるカルシウム、マグネシウムなどの硬度成分、及びシリカ、炭酸などから形成される。被処理水に含まれるカルシウム、マグネシウム、シリカなども、イオン交換膜を通って濃縮室に流入し、スケールの原因物質を生成する。本発明の脱イオン水製造装置では濃縮室側のイオン交換膜表面を平滑化することで濃縮室のスケール耐性を大幅に向上することが可能となった。そこで、以下、イオン交換膜の構成について説明する。

図４には、イオン交換膜の構造の一例を示す。同図（ａ）に示すように、イオン交換膜１１は、メッシュ状の補強体１２の周囲が原料モノマーにイオン交換基が導入された膜本体１３で包囲された構成を有している。メッシュ状の補強体１２は膜本体１１に埋め込まれており、イオン交換膜１１に所望の膜強度を与える。図４（ａ）のｂ−ｂ線及びｃ−ｃ線に沿った断面図である図４（ｂ），（ｃ）を参照すると、膜表面には微小な凹凸が存在している。この凹凸は、イオン交換膜の補強体１２が存在する部分で凸状となる場合が多いが、他の原因で、補強体１２の位置とは無関係に凹凸形状が生じる場合もある。

一つの濃縮室の両側にある一対のイオン交換膜１１のいずれか一方、好ましくは両方は、濃縮室に面する表面の輪郭曲線の最大高さＲｚが０.０５μｍ以上、１０.０μｍ以下、より好ましくは０.０５μｍ以上、５.００μｍ以下、さらに好ましくは０.０５μｍ以上、２.００μｍ以下の範囲にある。輪郭曲線の最大高さＲｚは、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｂ０６０１：２００１またはＩＳＯ（国際標準化機構）４２８７：１９９７に準拠して得られる。Ｒｚの詳細はこれらの規格に従うものとするが、簡潔に述べれば、Ｒｚは図４（ｂ）に示すように、ある基準長さＬ内における凹凸の最も高い部分と最も低い部分の高低差である。基準長さＬはＪＩＳ Ｂ０６３３：２００１またはＩＳＯ ４２８８：１９９６に準拠して決定するものとする。

図５は、従来のイオン交換膜１１’の濃縮室側表面の表面形状（同図（ａ））と、本実施形態によるイオン交換膜１１の濃縮室側表面の表面形状（同図（ｂ））と、を模式的に示している。濃縮水中には、原水に元々含有されている硬度成分、シリカ、炭酸や、脱塩室から移行してきた硬度成分等によって、スケールの種結晶１３が形成される。この種結晶は通常は矢印で示す濃縮水の流れによって系外に排出されるが、一部の種結晶はイオン交換膜の凹部１４’に捕捉される。イオン交換膜の表面が粗い場合、つまり輪郭曲線の最大高さＲｚが大きい場合には、捕捉された種結晶１３が凹部１４’から離脱しにくくなる。この結果、種結晶１３は凹部１４’に滞留したまま成長を続け、スケールとなって、イオン交換膜１１’の表面に付着したままとなる。これに対して、本実施形態では輪郭曲線の最大高さＲｚが小さくされているため、種結晶１３は凹部１４に滞留しにくく、仮に一時的に滞留しても矢印で示す濃縮水の流れによって凹部１４から離脱する。この結果、イオン交換膜１１の表面へのスケールの付着が生じにくくなる。なお、本発明では、濃縮室側のイオン交換膜の表面の輪郭曲線の最大高さＲｚが上記の通りとなっていればよく、脱塩室側のイオン交換膜のＲｚは任意である。

イオン交換膜１１は、均質イオン交換膜であることが好ましい。イオン交換膜は大きく、不均質イオン交換膜と均質イオン交換膜とに大別される。不均質イオン交換膜は既製のイオン交換樹脂を粉砕して得られる微粉末を、バインダーポリマーと混合した後、膜状に成形することにより作製される。一方、均質イオン交換膜は原料モノマー液をメッシュ状の補強体に含浸させあらかじめ膜状のポリマーを作り、これにイオン交換基を導入することにより作製される。一般的にイオン交換膜面のＲｚは、微粉末から成形する不均質膜の方が均質膜よりも大きい。本願発明者は、両者の膜のＲｚを測定し、不均質膜のＲｚは均質膜のＲｚより２倍以上大きいことを明らかにした。従って、本実施形態では、より平滑な表面が得られる均質イオン交換膜をイオン交換膜１１として用いている。

イオン交換膜１１の膜本体１３を構成する材料について説明する。イオン交換膜１１がアニオン交換膜である場合は、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体のクロロメチル化反応後４級アミノ化物、クロロメチルスチレン-ジビニルベンゼン共重合体の４級アミノ化物、ビニルピリジン-ジビニルベンゼン共重合体およびその４級ピリジニウム化物、などを含有する膜を使用することができる。スチレンまたはその誘導体の重合体を母体とし、４級アンモニウム塩基またはピリジニウム塩基を有する膜は、耐薬品性、電気抵抗、膜強度などの観点から好ましい。

イオン交換膜１１がカチオン交換膜である場合は、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体のスルホン化物やポリスチレンスルホン酸およびその塩、ポリアクリル酸およびその塩、ポリメタクリル酸およびその塩などを含有する膜を使用することができる。スルホン酸またはスルホン酸塩基を有する膜は、耐薬品性、電気抵抗、膜強度の観点から好ましい。

表面が平滑な膜を作成する方法は様々であり、以下にいくつかの例を示す。ただし、本発明におけるイオン交換膜は下記の方法によって作成されたイオン交換膜に限定されない。一例では、まず上述のようにして、イオン交換基が導入され、補強体が埋め込まれた膜状のポリマー膜を作成する。次に、このポリマー膜の平坦化したい面に表面が平滑なフィルムや金属型を押し当て、加熱プレスする。これによって、補強体のメッシュの間にあるポリマー膜がフィルムや金属型の平滑な表面に押し付けられ、ポリマー膜の凹凸の高さが減少する。従来用いられている一般的なイオン交換膜の片面のみを平滑化処理することも可能である。その場合、平滑化処理した膜面の裏側の膜面のＲｚは従来のイオン交換膜と同様に１０〜１００μｍ程度となる。

あるいは、ポリマー膜を平滑なフィルムや金属型の上で作成してもよい。この方法によれば、ポリマー膜が最初から補強体のメッシュの間に入り込むため、凹凸の小さい膜を作成することができる。

Ｒｚは、メッシュの目開き（開口部の縦横の内空寸法）、空間率（膜の一定範囲における、膜の表面積に対する開口部の面積比）を調整することによっても、ある程度調整可能である。ただし、開口率が５０〜７０％の範囲ではＲｚはほとんど影響を受けなかったため、開口率がこの範囲にあるときは、開口率は膜の強度等を勘案して適宜決めることができる。

一方、メッシュを構成する基材の繊維径はＲｚに大きな影響を有している。図６は、イオン交換膜の膜厚に対する補強体を構成する基材の繊維径の比と、Ｒｚとの関係を示すグラフである。Ｒｚを１０μｍ以下に抑えようとする場合、基材の繊維径のイオン交換膜厚さに対する比は小さいほど好ましく、具体的には０．５以下とすることが好ましい。下限値はイオン交換膜の必要強度などによって定まるため特に限定されないが、一般的には０．１以上とすることが好ましい。

スケールの生成は原因物質を生成する物質の原水濃度にも左右される。一般的な脱イオン水製造装置をスケールの生成を防止して安定的に運転するには、硬度成分は全硬度で０.１ｍｇＣａＣＯ₃／Ｌ以下、シリカは０.１ｍｇＳｉＯ₂／Ｌ以下、炭酸は全炭酸で０.５ｍｇＣＯ₂／Ｌ以下とすることが好ましいとされている。本発明の脱イオン水製造装置では濃縮室側のイオン交換膜表面を平滑化することで濃縮室のスケール耐性を大幅に向上することが可能となったので、原水硬度成分濃度０.１〜３.０ｍｇＣａＣＯ₃／Ｌ、原水シリカ濃度０.１〜３.０ｍｇＳｉＯ₂／Ｌ、原水炭酸濃度０.５〜３０ｍｇＣＯ₂／Ｌとしても安定的に脱イオン水製造装置を運転することができる。なお、硬度はカルシウムとマグネシウムの量を以下の式で炭酸カルシウム量（CaCO₃）に換算した値として定義する。
硬度[mgCaCO₃/L]＝(カルシウム量[mg/L]×2.5)＋(マグネシウム量[mg/L]×4.1)

次に実施例、比較例を挙げて、本発明の脱イオン水製造装置をさらに具体的に説明する。脱イオン水製造装置としては、図１に示す構成のものを用いた。各実施例、比較例に共通する仕様は以下の通りとした。
〈脱イオン水製造装置仕様〉
脱塩室：縦３００ｍｍ、横８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
脱塩室の充填イオン交換体：アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混床形態
脱塩室の数：３室
濃縮室：縦３００ｍｍ、横８０ｍｍ、厚さ４ｍｍ
陽極室：縦３００ｍｍ、横８０ｍｍ、厚さ４ｍｍ
陽極室の充填イオン交換体：カチオン交換体
陰極室：縦３００ｍｍ、横８０ｍｍ、厚さ４ｍｍ
陰極室の充填イオン交換体：アニオン交換体
〈運転条件〉
被処理水の導電率：１０±１μＳ／ｃｍ（ＲＯ膜（逆浸透膜）の透過水）
脱塩室の被処理水流量：６０Ｌ／ｈ
濃縮水の原水の導電率：１０±１μＳ／ｃｍ（ＲＯ膜の透過水）
電極水の原水の導電率：１０±１μＳ／ｃｍ（ＲＯ膜の透過水）
電極水流量：１０Ｌ／ｈ
運転電流値：１.０Ａ
原水硬度成分：全硬度２.０ｍｇＣａＣＯ₃／Ｌ
原水全炭酸：１０ｍｇ／Ｌ
原水シリカ：１.５ｍｇ／Ｌ
原水水温：２２±２℃
各実施例、比較例におけるイオン交換膜の仕様（濃縮室側のＲｚ）及び運転条件（濃縮水流量）を表１に示す。

これらの仕様にて、３０００時間の連続運転を行った。実施例１は、イオン交換膜の濃縮室側のＲｚが２μｍ以下であり、イオン交換膜が最も平滑な表面を備えたケースである。実施例２はイオン交換膜の濃縮室側のＲｚが加重平均（全８枚の平均値）で６．４μｍ程度であり、実施例３はイオン交換膜の濃縮室側のＲｚが平均で９．４μｍ程度である。実施例４はイオン交換膜の濃縮室側のＲｚは実施例１と同じであるが、濃縮水流量は実施例１の半分とした。比較例１〜３は、イオン交換膜の濃縮室側のＲｚが徐々に増加しており、いずれも平均１０μｍを超えている。比較例４は実施例４に対応するケースであるが、イオン交換膜の濃縮室側のＲｚを比較例２と同じとし、濃縮水流量を比較例２の半分とした。表中、実施例１と異なる部分を太枠で囲んでいる。

３０００時間の連続運転終了後、解体調査を行いスケールの生成状況を調査した。表１には各実施例及び各比較例のスケールの生成状況を併せて示す。実施例１〜４では、全てのイオン交換膜でスケールの生成は確認されなかった。実施例４は濃縮水流量が実施例１の半分であり、スケールが発生しやすい条件であるにもかかわらず、スケールの発生は認められなかった。イオン交換膜の濃縮室側表面のＲｚを抑えることで、濃縮水流量を下げてもイオン交換膜のスケール耐性が確保されることが確認された。

比較例１，２では、脱塩室と濃縮室との間のアニオン交換膜ａ２，ａ３，ａ４の濃縮室側表面と、陰極室と濃縮室との間のアニオン交換膜ａ１の濃縮室側表面の全面にスケールが生成していた。脱塩室と濃縮室との間のカチオン交換膜ｃ１，ｃ２，ｃ３と、陽極室と濃縮室とのカチオン交換膜ａ４の濃縮室側表面には膜面積の１／４程度の範囲で少量のスケールが生成していた。比較例３，４ではすべてのアニオン交換膜及びカチオン交換膜の濃縮室側表面の全面にスケールが生成していた。

図７は、各実施例及び各比較例について、被処理水の水質の運転時間による変化を示している。図８は、各実施例及び各比較例について、陽極、陰極間の運転電圧の運転時間による変化を示している。図９は、Ｒｚと３０００時間運転後の被処理水の水質及び運転電圧との関係を示している。図８に示す運転電圧は、実施例１の１００時間経過後の運転電圧を１として規準化して示している。図９のＲｚは膜数を考慮した加重としている。各実施例では、被処理水の水質は運転時間中ほぼ同じ水準を示し、劣化する兆候も見られなかった。これに対して比較例では、比較的良好なケースでも１０００時間を過ぎる頃から水質の低下がみられ、３０００時間経過後には水質は大幅に悪化した。運転電圧も同様な傾向であり、各実施例では運転電圧は運転期間中ほぼ同じ水準を示し、増加する兆候も見られなかった。これに対して比較例では、比較的良好なケースでも１０００時間を過ぎる頃から運転電圧の増加がみられ、３０００時間経過後には実施例に比べて２〜５倍の運転電圧になった。図示はしていないが、各実施例では、９３±２％程度のシリカの排除率を安定して得られたのに対して、比較例１〜４では、３０００時間経過後には５±２％程度の除去率しか得られなかった。

実施例３と比較例１の比較より、Ｒｚが１０程度を下まわると、長時間運転後のスケール生成状況、被処理水の水質、運転電圧等が劇的に改善されることが分かる（図９参照）。従って、Ｒｚは１０μｍ以下とすることが好ましい。実施例２と３を比較すると、運転電圧はほぼ同等であるのに対し、被処理水は実施例２の方が若干良好であった。実施例２では、イオン交換膜の濃縮室側のＲｚが平均で６．４μｍ程度であることから、余裕をみてＲｚを５μｍ以下とすれば、より一層良好な水質が得られると考えられる。実施例１は処理水の水質、運転電圧とも、実施例２，３よりさらに良好であり、図７に示すように濃縮水の流量を下げても影響は限定的であった（実施例４）。よって、Ｒｚを２μｍ以下とすることが一層好ましい。Ｒｚの下限値は、性能上の観点からは特に限定されないが、製作精度とコストのバランスの観点から０．０５μｍ程度以上とすることが望ましい。

最後に、本発明によって得られる効果をまとめる。
（１）イオン交換膜の濃縮室側表面でのスケールの生成を防止ないし抑制できることから、従来の脱イオン水製造装置では処理できなかった高い負荷の被処理水を処理することができる。
（２）脱塩室からのイオンの移動を阻害するスケール成分がイオン交換膜表面に生成されないため、電極間の印加電圧を上げる必要がなく、消費エネルギーを抑えた運転が可能となる。
（３）従来の脱イオン水製造装置では濃縮室にスケールが生成するため、定期的に薬品洗浄を実施してスケールを溶解除去する必要があった。本発明の脱イオン水製造装置ではこのような洗浄操作の必要性がなくなり、または洗浄操作の頻度を下げることができる。このため、メンテナンスコストの低減が可能となり、また薬品の使用を抑制することが可能となる。
（４）イオン交換膜のスケール耐性が向上したことで濃縮室の濃縮倍率をより高くして運転することができるため、濃縮水の流量を従来の装置よりも低くすることができる。このため、脱イオン水製造装置の水回収率を上げることができるとともに、濃縮室のイオン濃度を上げ高導電率での運転が可能となる。これによって、電極間の電気抵抗が低くなり消費電力の低減が可能となる。
（５）従来の脱イオン水製造装置では濃縮室の導電率を上げるために、濃縮水に電解質を添加して濃縮水を循環運転したり、濃縮室にイオン交換体を充填したりするなどの運転方法がとられていた。本発明の脱イオン水製造装置ではこのような運転方法をとる必要がなくなるため、脱イオン水製造装置の簡略化ならびコストダウンが可能となる。
（６）従来の脱イオン水製造装置では、原水中の硬度成分、シリカ、炭酸の濃度を下げるために、ＲＯ（逆浸透膜）装置、軟化装置、脱炭酸装置等を設置していた。本発明の脱イオン水製造装置では、これらの装置を簡略化または省略することが可能となり、従来システムの５０〜７０％程度のコストダウンが達成できる。

１，１’ 脱イオン水製造装置
４ 陽極
５ 陰極
１１ イオン交換膜
Ｃ１〜Ｃ４ 濃縮室
Ｄ１〜Ｄ３ 脱塩室
Ｅ１ 陰極室
Ｅ２ 陽極室
ａ１〜ａ４ アニオン交換膜
ｃ１〜ｃ４ カチオン交換膜

Claims (7)

1. 陽極室及び陰極室と、
   前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、イオン交換体が充填され、該イオン交換体によって脱塩される被処理水が流通するようにされた少なくとも１つの脱塩室と、
   前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、濃縮水が流通するようにされ、一方の面で一の前記脱塩室と隣接し、他方の面で他の前記脱塩室または前記陽極室または前記陰極室と隣接する濃縮室と、
   前記濃縮室と前記一の脱塩室とを仕切る第１のイオン交換膜と、
   前記濃縮室と、前記他の脱塩室または前記陽極室または前記陰極室と、を仕切る第２のイオン交換膜と、
   を有し、
   前記第１及び第２のイオン交換膜の少なくとも一方は、前記濃縮室に面する表面の、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１またはＩＳＯ４２８７：１９９７に準拠して得られた輪郭曲線の最大高さＲｚが、０．０５μｍ以上、１０．０μｍ以下の範囲にあり、
   前記イオン交換膜は、イオン交換基が導入された膜本体と、該膜本体に埋め込まれたメッシュ状の補強体と、を有し、前記補強体を構成する繊維の直径の前記イオン交換膜の厚さに対する比が０．１以上、０．５以下の範囲にある、電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記輪郭曲線の最大高さＲｚは０．０５μｍ以上、５．００μｍ以下の範囲にある、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 前記輪郭曲線の最大高さＲｚは０．０５μｍ以上、２．００μｍ以下の範囲にある、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 前記濃縮室に前記濃縮水の原水として供給される水の硬度成分濃度が、全硬度で０．１ｍｇＣａＣＯ₃／Ｌ以上、３．０ｍｇＣａＣＯ₃／Ｌ以下の範囲にある、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
5. 前記濃縮室に前記濃縮水の原水として供給される水のシリカ濃度が０．１ＳｉＯ₂／Ｌ以上、３．０ｍｇＳｉＯ₂／Ｌ以下の範囲にある、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記濃縮室に前記濃縮水の原水として供給される水の全炭酸濃度が０．５ｍｇＣＯ₂／Ｌ以上、３０ｍｇＣＯ₂／Ｌ以下の範囲にある、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. 前記イオン交換膜は、アニオン交換膜またはカチオン交換膜である、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。

Images