JP5574287B2 - 電気透析装置 - Google Patents

Description

本発明は電気透析装置に関し、特に、低消費電力型の電気透析装置に関する。

電気透析装置の使用例として、海水淡水化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。

また、特許文献２には、選択的イオン透過性を有するイオン交換膜群を備えた電気透析室を複数組備え、複数組の電気透析室に対して電解質濃度の異なる導電水を直列状に通して通電することにより、低電解質濃度水に多量の電流を流すことにより、電解質除去率を向上させた電気透析法が開示されている。

更に、特許文献３は、高濃度ニガリを得るために、多段式電気透析装置を使用することを記載している。

しかしながら、特許文献１〜３では、いずれも電気透析装置自体について詳細な説明は省略されている。したがって、引用文献１〜３から、電気透析装置における問題点を類推することはできない。

ここで、図１を参照して、電気透析装置における問題点を明らかにする。図１に示されているように、一般的な電気透析装置は正極１０１、負極１０２、陰イオン（アニオン）交換膜１０３、陽イオン（カチオン）交換膜１０４からなり、交互に配列した陽イオン交換膜と陰イオン交換膜の複数対を２枚の（１対の）電極が挟み込み、イオン交換膜の間を処理水が流れる構造をしている。

一対の電極に電圧を印加すると、水中の陽イオンは陰極側に、陰イオンは陽極側に移動する。このとき、陽イオンは陽イオン交換膜を通過できるが、陰イオン交換膜を通過できない。一方、陰イオンは陽イオン交換膜を通過できないが、陰イオン交換膜は通過できる。結果として脱塩室１０５と濃縮室１０６が形成される。例えば、処理原水として海水を導入した場合、この脱塩室の水が淡水として得られることになる。通常の海水淡水化向け電気透析装置は装置をコンパクトかつ安価にするために１対の電極間に複数対のイオン交換膜を配置し、電極間電圧を数１００Ｖ、電極電流密度を数１０ｍＡ／ｃｍ^２で動作させている。例えば、電極面積１ｍ^２（１００００ｃｍ^２）、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ^２とすると総電流は１００Ａとなり、電極間電圧を１００Ｖとすると必要電力は１０ｋＷとなり非常に大きな電力を消費することとなる。

更に、電気透析装置を多段構成にした特許文献２及び３における電力増加はより重大な問題となる。

特開平９−２７６８６４号公報 特開２００３−９４０６３号公報 特開２００５−２８７３１１号公報

以上のように、従来の電気透析装置は非常に大きな電力を必要とするという問題がある。

よって本発明は、消費電力の少ない電気透析装置を提供することにある。

まず、本発明の基本概念を説明する。

電極に電圧を印加した際、水中のイオンや水分子と電極の間には次の現象が起こる。即ち、電極に電圧を印加すると、電圧印加後すぐには、電極間に電流は流れず、水中の正イオンは負極に、負イオンは正極に移動し始める（第１段階）。更に、電圧を印加し続けて、ある閾値電圧を超えると、第二段階として電極と水中のイオンあるいは水分子との間で電子の授受、電極反応が起こり、電極間に電流が流れ始める（第２段階）。この閾値電圧は水中のイオン種や濃度、温度、さらに、電極材質等にも依存する。

従来の電気透析装置において消費電力が大きくなる原因は、イオンを動かすために、前記第２段階において電極反応が進行する電圧で動作していることにある。従来装置は１対の電極間に複数対のイオン交換膜を挟み込む構造であるため１対の電極で移動させるべきイオンが多い。そのために、電極間に大きな電位差を設ける必要があり、結果として電極間電圧は電極反応の閾値電圧を超え電極反応が進行することになる。

一方、電極反応の閾値電圧を超えない電極間電圧にて電気透析が実施すれば、電流はほとんど流れずイオンを移動させることができるため低消費電力型電気透析装置が実現する。そのためには大きな電圧を印加することはできないので、１対の電極でできるだけ少量のイオンを移動させるシステムを構築することが必要である。そこで、本発明においては、基本ユニットとしては１対の電極間に１対の陽イオン交換膜、陰イオン交換膜を配置した構造を用いる。

本発明の一態様によれば、対向する電極間の正極側に正イオン交換膜、負極側に負イオン交換膜が設けられた構造で、前記電極と前記イオン交換膜の間に海水を、正イオン交換膜と負イオン交換膜の間に海水あるいは真水を供給し、電極間に電流が流れない程度の電圧を印加することでイオンを移動させる低消費電力型電気透析装置が得られる。

本発明によれば、電気透析装置の消費電力量を低減させることができる。

電気透析の原理を説明するための従来装置の概略構成を示した図である。 水溶液の電位−電流曲線を示す図である。 本発明の実施例による２段の電気透析装置の図である。 本発明の実施例に係る電気透析装置の１段目の動作を示す図である。 本発明の実施例に係る電気透析装置の１段目の動作結果を示す図である。 本発明の実施例に係る電気透析装置の２段目の動作を示す図である。 本発明の実施例に係る電気透析装置の２段目の動作結果を示す図である。

まず、図２を参照して、閾値電圧を測定した結果を説明する。

３ｗｔ％塩化ナトリウム水溶液が入ったアクリル製容器に正極、負極を３ｃｍ間隔で対向して設置し、外部電源を用いて電極間に電圧を印加した。正極、負極材料には０．１ｍｍ厚の白金板を用いた。電極間電圧に対して電流量をプロットしたものを図２に示す。図２に示されるように、電極電圧差が正電圧を印加した場合、２Ｖまで、負電圧を印加した場合、−２Ｖまで電流がほとんど流れないことがわかる。このことは、電極間電圧４Ｖまでであれば電流をほとんど流すことなく、電極間に存在する水に電位勾配を与えることが可能であることを示している。

次に、図３を参照して、本発明の実施例による電気透析装置の基本構成を説明する。なお、装置は複数段で構成されるが、ここでは２段構成を例として説明する。即ち、図示された電気透析装置は、第１段目の電気透析部と第２段目の電気透析部とによって構成されている。

図３に示された第１段目の電気透析部は、正極３０１、負極３０２の間に陰イオン（アニオン）交換膜３０４、陽イオン（カチオン）交換膜３０５、及び、中間極３０３を有している。中間極３０３は液が図の左右両方向に通過できる細孔を多数有した構造の電極であり、グランドに接続されている。よって、中間極３０３を介した両隣りの室は同一室とみなせる。

第２段目の電気透析部も同様に、正極１３０１、負極１３０２の間に陰イオン（アニオン）交換膜１３０４、陽イオン（カチオン）交換膜１３０５、中間極１３０３を有している。ただし、正極や負極、イオン交換膜の構成は第１段目の電気透析部と逆相に設置する。即ち、矢印で示された水溶液の流通方向の中心位置を挟んで、第１段目の電気透析部では、図の左側（即ち、一方側）に正極３０１、右側（即ち、他方側）に負極３０２が配置され、正極３０１側に陽イオン交換膜３０５、負極３０２側に陰イオン交換膜３０４が配置されている。他方、第２段目の電気透析部では、水溶液の流通方向の中心位置に対して、左側（即ち、一方側）に、負極１３０２及び陰イオン交換膜１３０４が配置され、流通方向の中心位置に対して右側（他方側）に、正極１３０１及び陽イオン交換膜１３０５が配置されている。

より多くの段数を備えた電気透析装置の場合には、正極及び陽イオン交換膜と、負極及び陰イオン交換膜とが、流通方向の中心位置に対して左右両側に交互に配置される。

図示された電気透析装置における水溶液の流れは次の通りである。すなわち、第１段目の正極３０１と陽イオン交換膜３０５の間の室３０６、及び負極３０２と陰イオン交換膜３０４の間の室３０８には、処理原水として海水淡水化の場合は海水が、陽及び陰イオン交換膜３０５と３０４に挟まれた室３０７には海水あるいは真水が供給される。

第１段目の電気透析部で室３０６、３０７、３０８を通過した処理水は、第２段目の電気透析部においてもそれぞれ第１段目と同様の室１３０６、１３０７、１３０８に流入、通過する。ただし、第２段目の電気透析部では、前述したように、電極、イオン交換膜の構成は逆相に設置されている。

次に、図４乃至７を参照して、本発明の実施例に係る電気透析装置の動作原理を説明する。

第１段目の電気透析部：
第１段目の電気透析部では、図４に示すように、正極３０１と陽イオン交換膜３０５に挟まれた室３０６からは陽イオンが減少し、負極３０２と陰イオン交換膜３０４に挟まれた室３０８からは陰イオンが減少する。その結果が図５に示される。

このように、第１段目の電気透析部で陽イオンが低減された室３０６からの水および陰イオンが低減された室３０８からの水（逆に言うと、陰イオンと陽イオンとがそれぞれ濃縮された水）が第２段目の電気透析部に送られる。

第１段目の電気透析部の正極３０１と負極３０２に印加する電圧としては、海水の場合、電極３０３に対して正極３０１には＋２Ｖ以下、負極３０２には−２Ｖ以下の電圧をそれぞれ印加する。即ち、図２に示された閾値電圧以下の電圧が正極３０１と負極３０２に印加されるため，両電極間には殆ど電流を流すことなく、水に対して電位勾配を与えることができる。

第２段目の電気透析部：
図６を参照すると、第２段目の電気透析部は前述したように、第１段目の電気透析部とは逆相に構成されている。第１段目の電気透析部において、図５に示すように、陽イオンが減少した室３０６の水は、第２段目の電気透析部では図６に示すように、負極１３０２と陰イオン交換膜１３０４に挟まれた室１３０８に供給され、第１段目の電気透析部で、図５に示すように陰イオンが減少した室３０８の水は第２段目の電気透析部では、図６に示すように正極１３０１と正イオン交換膜１３０５に挟まれた室１３０６に供給される。

第２段目の電気透析部では、中間電極１３０３に対して正電極１３０１には＋３〜４Ｖ、負電極３０２には−３〜４Ｖの電圧を印加する。即ち、第２段目の電気透析部には、第１段目の電気透析部よりも絶対値の大きな電圧が印加される。

第１段目の電気透析部で室３０６を通過して陰イオンがそのままの濃度で残った水は、第２段目の電気透析部では負極１３０２と陰イオン交換膜１３０４に挟まれた室１３０８を通過するため、陰イオンは陰イオン交換膜１３０４を介して中央に設けられた室（濃縮室）１３０７に流れこみ、室１３０８の陰イオン濃度が激減する。

第１段目の電気等石室で、室３０８を通過して陽イオンがそのままの濃度で残った水は第２段目の電気透析部では正極１３０１と陽イオン交換膜１３０５に挟まれた室１３０６を通過するため、陽イオンは陽イオン交換膜１３０５を介して中央の室１３０７に流れこみ、室１３０６の陽イオン濃度が激減する。その結果を図７に示す。

このように、処理水を第１段目、第２段目と通液する。段数を増やす場合は１段目、２段目と同様に３段目以降もそれぞれ交互に正極側→負極側→正極側→負極側、もう一方は負極側→正極側→負極側→正極側と通過させることにより、水中の陽イオン、陰イオンは中央部に設けられた室３０７、１３０７に集中して集められる。尚、段数が多くなって、室３０６（１３０６）、３０８（１３０８）のイオン濃度が減少するにつれ、印加する電圧は大きくする必要がある。

ただし、ほとんど電流を流さない条件、すなわち、電極間電圧を電流密度が１ｍＡ／ｃｍ^２以下、好ましくは０．１ｍＡ／ｃｍ^２以下となるように運転し、陽イオン、陰イオンを除去していることから、従来の電気透析法（電流密度 数１０ｍＡ／ｃｍ２）に比べて圧倒的に少ない電力消費量でＮａＣｌ濃度を低減できる。

本発明は、海水淡水化装置だけでなく、製塩或いはニガリの製造装置にも適用できる。

３０１、１３０１ 正極
３０２、１３０２ 負極
３０３、１３０３ 中間電極

Claims (4)

1. １対の電極の間に少なくとも１枚以上のイオン交換膜を設置し、前記電極間に電流が実質的に流れないように電極間電圧を電極における電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２以下となるように設定した電気透析装置を多段に配置した海水淡水化装置。
2. 正極と負極からなる１対の電極の間に１対の陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を設置し、前記電気透析装置の各段を、前記正極及び陽イオン交換膜と、前記負極及び陰イオン交換膜とが、海水の流通方向の中心位置に対して左右両側に交互に配置されるように多段に配置し、前記電極間に電流が実質的に流れないような電圧を印加することを特徴とする、請求項１に記載の海水淡水化装置。
3. 前記１対のイオン交換膜の間に水が通過可能な孔を有する電極を挿入したことを特徴とする請求項２に記載された海水淡水化装置。
4. 前記電極間電圧は、１対の電極のうちの正極に＋２Ｖ以下の電圧を印加し、負極に−２Ｖ以下の電圧を印加する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の海水淡水化装置。

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