JP5687620B2 - 通液型キャパシタ、脱イオン水の製造方法、及び脱イオン水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、通液型キャパシタ、脱イオン水の製造方法、及び脱イオン水製造装置に関する。

近年、飲料水を供給する水道水に含まれる有害物質の除去に対する関心が高まっている。例えば、水道水には、活性炭の吸着作用により除去しうる遊離残留塩素、トリハロメタン類、黴臭などの他、活性炭の吸着作用により除去が困難な、硝酸性窒素、フッ素、ホウ素、シアン、各種重金属等のイオン性物質が溶解している。硝酸性窒素の過剰摂取は血液中の酸素運搬を阻害して人体に中毒症状を引き起こさせることが報告されている。また、硝酸塩は体内で発ガン性物質を生成するなどの健康障害の原因になりうることも報告されている。

水道水に含まれる硝酸性窒素を含むイオン性物質は、取水される河川、地下水、湖沼等が施肥、家畜排泄物、生活排水等に汚染されることが原因とされている。また、水道水に含まれるフッ素、ホウ素、シアン、各種重金属を含むイオン性物質は、取水される河川等が工場廃水により汚染されることが原因とされている。従って、各種廃水は、脱イオン化処理された後、河川等に放出されることが好ましい。しかしながら、イオン性物質を低コストの活性炭の吸着作用のみで捕捉することは難しかった。

イオン性物質は、例えば、逆浸透膜を用いることにより除去できる。しかしながら、逆浸透膜は通水したときの圧損が高いために、一定時間に処理できる処理量が少ないという問題があった。また、逆浸透膜式浄水器は、昇圧ポンプで水圧を上げる必要があるために、運転コストが高くなるという問題があった。従って、逆浸透膜を用いずに、低コストで水を脱イオン化する方法が求められていた。

例えば、下記特許文献１は、陰イオン交換樹脂と炭酸カルシウムを含有する濾材を流路上に配置したことを特徴とする硝酸態窒素除去装置を開示する。このような硝酸態窒素除去装置は、陰イオン交換樹脂と炭酸カルシウムとを組み合わせてｐＨを調整することにより、水中の硝酸性窒素等を有効に除去しようとするものである。しかしながら、このような硝酸態窒素除去装置は、陰イオン交換樹脂が高価であるために、製造コストが高くつくという問題があった。このような問題を解決する手段として、静電力を利用して水中のイオン性物質を除去する方法も提案されている。

例えば、下記特許文献２は、セパレータを挟んで、高比表面積活性炭を主材とする２枚の活性炭層を配置し、２枚の活性炭層の外側にそれぞれ集電極を積層配置した通液型電気二重層コンデンサを開示する。また、下記特許文献３は、セパレータを挟んで、活性炭層を配置し、その外側に集電極を配置して層状に積層したスタック式キャパシタ活性炭を含む導電層を備えた通液型コンデンサを開示する。また、下記特許文献４は、セパレータを介して、活性炭を練りこんだ活性炭繊維シートを複数層積層し、交互に逆極性の電圧を印加した積層体に通水することによりイオン性物質を除去する通液型キャパシタが開示されている。特許文献２〜４に開示された通液型コンデンサによれば、金属塩、アミン塩、無機酸、有機酸などのような、水中で解離するイオン性物質を含む水の浄化が可能であることが記載されている。

特開平１０−８０６８２号公報 特開平６−３２５９８３号公報 特開平５−２５８９９２号公報 特開２００４−３３００３２公報

通液型キャパシタによれば、従来の活性炭の吸着作用を用いた浄水装置では除去できなかった硝酸性イオンやフッ素イオンを、運転コストが高い逆浸透膜を用いた浄水装置を用いずに除去することができる。しかしながら、従来の通液型キャパシタのイオン除去の処理能力は充分なものではなかった。

本発明は、従来の通液型キャパシタに比べて、イオン性物質の除去能力が高い通液型キャパシタ、及びこのような通液型キャパシタを用いた脱イオン水の製造方法、及び脱イオン水製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面は、複数の通液可能な電極と複数の通液可能なセパレータとを交互に積層した積層体を備え、電極は、活性炭粉末とフィブリル化アクリル繊維とを含む通液可能な活性炭シートを備え、活性炭粉末は１０〜５００μｍの中心粒子径を有する通液型キャパシタである。
また、本発明の他の一局面は、上記通液型キャパシタを用いた脱イオン水の製造方法であって、積層体の厚み方向に積層された複数の電極に、直流電源の正極側と負極側とを厚み方向に交互に接続し、積層体の第一主面からイオン性物質を含有する水を供給する工程と、積層体の第一主面に対向する第二主面からイオン性物質が除去された水を排出する工程と、を備える脱イオン水の製造方法である。
また、本発明の他の一局面は、上記通液型キャパシタと、直流電源と、通液型キャパシタを収容する容器と、を備え、積層体に積層された複数の電極は、直流電源の正極側と負極側とに厚み方向に交互に接続されており、容器は、積層体の第一主面にイオン性物質を含有する水を供給するための給水口、及び積層体の第一主面に対向する第二主面から脱イオン化された水を排水するための排水口を備える脱イオン水製造装置である。
本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明及び添付する図面により、より明白となる。

本発明によれば、従来の通液型キャパシタに比べて、イオン性物質の除去能力が高い通液型キャパシタ、このような通液型キャパシタを用いた脱イオン水の製造方法、及び脱イオン水製造装置を提供することができる。

第一実施形態の通液型キャパシタ１０を備えた脱イオン水製造装置１１０の模式説明図である。 第二実施形態の通液型キャパシタ２０を備えた脱イオン水製造装置１２０の模式説明図である。 実施例１の電気伝導度と通水量の関係を示すグラフである。 実施例１のイオン除去率と通水量との関係を示すグラフである。

［第１実施形態］
本実施形態の通液型キャパシタについて、図１を参照しながら説明する。図１は本実施形態の通液型キャパシタ１０を備えた脱イオン水製造装置１１０の模式説明図である。なお、通液型キャパシタ１０は縦断面図で示されている。
通液型キャパシタ１０は、複数枚の活性炭シート２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ）と絶縁性及び通液性を有するセパレータ１（１ａ，１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）とが交互に積層されて形成された積層体１１を備えている。積層体１１は、キャパシタ容器４に収容されている。キャパシタ容器４は、イオン性物質を含有する水を供給するための給水口７と脱イオン化された水を排水するための排水口８を備える。キャパシタ容器４は、合成樹脂の成形体から形成されていることが漏水や、漏電を抑制できる点から好ましい。また、排水口８は、さらに脱イオン水回収配管１５とイオン濃縮水回収配管１６の二つの経路に接続されている。これらの経路はバルブｖ１及びｖ２の開閉により流路が切り替えられる。

活性炭シート２ａ〜２ｆは、キャパシタ容器４の外部に導出されるタブｔを有する。そして活性炭シート２ａ〜２ｆに設けられた各タブは、それぞれ電極端子３ａ〜３ｆと電気的に接続されている。そして、電極端子３ａ、３ｃ、３ｅはそれぞれ直流電源５の負極側に並列に接続されており、電極端子３ｂ、３ｄ、３ｆはそれぞれ直流電源５の正極側に並列に接続されている。そして、積層体１１は、キャパシタ容器４内のパンチング状の樹脂板１３により密着固定されている。

次に、通液型キャパシタ１０の各要素について、詳しく説明する。
本実施形態で用いられる活性炭シート２は、中心粒子径が１０〜５００μｍの活性炭粉末と、フィブリル化アクリル繊維とを含む成形シートからなる通液可能なシートである。

活性炭粉末の具体例としては、例えば、木材，鋸屑，木炭，ヤシ殻やクルミ殻などの果実殻，果実種子，パルプ製造副生物，リグニン，廃糖蜜などの植物系活性炭粉末；泥炭，草炭，亜炭，褐炭，レキ青炭，無煙炭，コークス，コールタール，石炭ピッチ，石油蒸留残査，石油ピッチなどを炭化及び賦活化して得られる鉱物系活性炭粉末；フェノール，サラン，アクリル樹脂などを炭化及び賦活化して得られる合成樹脂系活性炭粉末；再生繊維（レーヨン）などを炭化及び賦活化して得られる天然繊維系活性炭粉末；等が挙げられる。これらの中では、吸着性能に優れている点からヤシ殻活性炭粉末が特に好ましい。

なお、活性炭粉末は不純物ができるだけ除去されていることが好ましい。不純物としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ニッケル、鉄等の金属が挙げられる。このような金属は、水や、塩酸，硫酸，燐酸等の無機酸等で洗浄することにより除去される。洗浄は１種の洗浄液で行っても、２種以上の洗浄液を組み合わせて繰り返し行ってもよい。

また、洗浄後の活性炭を不活性ガスまたは酸化性ガス中で熱処理することにより、無機酸で洗浄した際に吸着された金属塩や塩酸イオン、硫酸イオン、リン酸イオン等の無機酸イオンが除去される点から好ましい。特に、不純物除去と高結晶化を促進することができる点から不活性ガス中で熱処理することが好ましい。酸化性ガスの具体例としては、酸素、水蒸気、炭酸ガス、灯油やプロパンを燃焼して得られる燃焼ガスが挙げられる。熱処理の処理温度は、５００〜１０００℃、さらには、６５０〜９００℃が好ましい。熱処理温度が低すぎる場合には充分な熱処理の効果が得られない。また熱処理温度が高すぎる場合には、急激な賦活反応が起こることにより、調整された細孔構造が変化してしまう傾向がある。また、不活性ガス中での熱処理温度が高すぎる場合には、熱収縮により調整された細孔構造が変化してしまう傾向がある。熱処理時間は熱処理温度にもよるが、通常３０分〜３時間程度であることが好ましい。

本実施形態で用いられる活性炭粉末は、例えば、粒状の活性炭を粉砕、細粒化、または分級することにより得られる、中心粒子径が１０〜５００μｍの活性炭粉末である。
本実施形態で用いられる活性炭粉末の中心粒子径は１０〜５００μｍであり、好ましくは５０〜４００μｍ、さらに好ましくは１００〜３００μｍである。ここで中心粒子径とは、粒度分布において、全粒子の質量の積算値が５０％になるときの粒子径である。このような中心粒子径は、例えば、日機装（株）製マイクロトラック粒度分布測定装置（ＭＴ３３００）を用いて測定することができる。

活性炭粉末の中心粒子径が１０μｍ未満の場合には、得られる活性炭シートが緻密になりすぎて通水抵抗が上昇するとともに、意外にもイオンの捕捉能力が低下する。中心粒子径が１０μｍ未満の場合に、活性炭シートのイオンの捕捉能力が低下する理由はよくわかっていない。しかしながら、本発明者らは次のように考えている。すなわち、中心粒子径が１０μｍ未満の活性炭粉末を用いた場合には、バインダに覆われる表面積が大きくなることにより、粒子間の接触抵抗が上昇することにより導電性が低下するためであると考えている。また、中心粒子径が小さすぎる場合には、活性炭シートから活性炭粉末が脱落しやすくなり、脱イオン水に活性炭粒子が混入しやすくなるという問題もある。

また、活性炭粉末の中心粒子径が５００μｍを超える場合には、得られる活性炭シートを通過する水との接触効率が低下する。

活性炭粉末の比表面積は、７００〜２５００ｍ^２／ｇ、さらには１０００〜１８００ｍ^２／ｇ、とくには１１００〜１５００ｍ^２／ｇであることが好ましい。比表面積が小さすぎる場合には、脱イオン能力が低くなるとともに、電極の極性を逆極性にして活性炭シートの表面に吸着した濃縮されたイオンを脱離させるときに、イオンが脱離しにくくなる傾向がある。また、比表面積が大きすぎる場合には体積あたりの性能が低下するだけでなく、微粉が発生しやすくなり、脱イオン水に微粉が混入しやすくなる傾向がある。

活性炭シートは活性炭粉末とフィブリル化アクリル繊維と必要に応じて熱可塑性バインダ粒子とを含む混合物をシート状に成形することにより得られる。なお、バインダとしては、浄水用に使用される観点から、生体為害性のないバインダを用いることが好ましい。
活性炭シート中に含まれる活性炭粉末の割合は、５０〜９９重量％、さらには８０〜９５重量％の範囲であることが好ましい。活性炭シート中に含まれる活性炭粉末の割合が低すぎる場合には処理量が低下する傾向がある。

フィブリル化アクリル繊維を含む混合物は、湿式成形により成形することが好ましい。なお、フィブリル化繊維とは、高圧ホモジナイザーや高速離解機などを用いてフィブリル化可能な繊維を解繊することにより得られる、例えば、平均繊維径０．１〜５０μｍ程度、さらには、１〜２０μｍ程度のパルプ状の繊維である。このようなフィブリル化繊維は、抄紙することにより絡合してシートを形成する。フィブリル化繊維の平均繊維長としては、例えば、０．５〜４ｍｍ程度、さらには、１〜２ｍｍ程度であることが好ましい。

フィブリル化アクリル繊維以外のフィブリル化繊維を形成する繊維の具体例としては、例えば、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリアクリロニトリル繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維等が挙げられる。フィブリル化アクリル繊維の市販品としては、例えば、日本エクスラン（株）製のホモアクリルパルプであるＢｉ−ＰＵＬが入手できる。

フィブリル化繊維を用いて活性炭シートを湿式成形する方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。はじめに、活性炭粉末及びフィブリル化繊維を混合した後、水中に分散させることにより固形物濃度が１〜５重量％のスラリーを調製する。次に、例えば、ステンレス製の金網等から形成された通水性の箱型容器にスラリーを流し込み、水分を切り、乾燥する。このような方法により活性炭シートが得られる。

また、次のような方法も挙げられる。はじめに、所定の形状のシート状のキャビティを有し、且つキャビティ内部を減圧する多数の貫通孔を有する金型のキャビティに上述したようなスラリーを充填する。そして、貫通孔からスラリー中の水分を吸引除去する。このような方法によっても活性炭シートが得られる。

活性炭粉末１００重量部に対するフィブリル化繊維の混合割合は、３〜８重量部であることが導電性、脱イオン性、成形性等のバランスに優れる点から好ましい。

バインダとして熱可塑性バインダ粒子を用いる場合には、乾式成形することが好ましい。熱可塑性バインダ粒子を形成するポリマーの具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。これらの中ではポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、とくには、ポリエチレンが結着性等の観点から好ましい。

熱可塑性バインダ粒子の平均粒子径としては、０．１〜２００μｍ、さらには１．０〜５０μｍ程度であることがシート強度と導電性に優れる点から好ましい。

熱可塑性バインダ粒子を用いて活性炭シートを乾式成形する方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。はじめに、活性炭粉末と熱可塑性バインダ粒子とを所望の割合で計量し、ヘンシェルミキサーなどのミキサーを用いて攪拌することにより混合物を得る。そして、得られた混合物をシート状のキャビティを有する金型に充填する。そして、金型を熱可塑性バインダ粒子の融点以上に加熱することにより溶融または軟化させた後、冷却することにより熱可塑性バインダ粒子を固化させる。そして、金型から離型することにより活性炭シートが得られる。

活性炭粉末１００重量部に対する熱可塑性バインダ粒子の混合割合は、５〜５０重量部、さらには７〜２０重量部であることがシート強度と導電性に優れる点から好ましい。

活性炭シートはさらに導電材を含有してもよい。導電材を配合することにより、活性炭シートに優れた導電性を付与することができる。このような導電材の具体例としては、例えば、黒鉛，炭素，グラファイト等の炭素系材料；金，白金，銀などの貴金属；窒化チタン，チタンシリコンカーバイド，炭化チタン，硼化チタン，硼化ジルコニウム等の高導電性セラミックス；などが挙げられる。これらの中では、炭素系材料がコストや加工性に優れている点から好ましい。

導電材の形状は特に限定されないが、具体例として、粉末、短繊維、ウィスカーなどが挙げられる。これらの中でも、短繊維が導電性、水の透過性、機械的特性、得られる活性炭シートの柔軟性等のバランスに優れている点から好ましい。
このような短繊維の平均繊維径としては１〜５０μｍ、さらには３〜２０μｍ、とくには５〜１０μｍであることが好ましい。平均繊維径が小さすぎる場合には添加量にもよるが活性炭シートの柔軟性が低下する傾向がある。なお、活性炭シートの柔軟性が低下した場合には通水中に活性炭シートが崩壊するおそれがある。また、平均繊維径が大きすぎる場合には分散性が低下したり、機械的強度が低下したりする傾向がある。

また短繊維の平均繊維長は５〜１２０００μｍ、さらには１００〜６０００μｍ、とくには１０００〜３０００μｍであることが好ましい。平均繊維長が短すぎる場合には活性炭粉末と絡み合いにくくなることにより、導電性向上効果が得られにくくなり、また、水の透過性が低下する傾向もある。また、平均繊維長が長すぎる場合には分散性が低下することにより、活性炭シートの面内における脱イオン効果が不均一になる傾向がある。

なお、短繊維の密度は１〜２．３ｇ／ｃｍ^３、さらには１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３、とくには１．６〜１．９ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。

導電材を添加する場合、その添加割合は活性炭シートの全重量に対して、１〜４０重量％、さらには２〜２５重量％、とくには５〜１５重量％であることが好ましい。導電材の添加割合が低すぎる場合には導電性向上効果が充分に得られなくなる傾向がある。また、導電材の添加割合が高すぎる場合には相対的に活性炭シート中に含有される活性炭粉末の含有割合が低下することにより、活性炭シートの単位体積あたりの脱イオン能力が低下する傾向がある。

活性炭シートは、本発明の効果を阻害しない限り、必要に応じてその他の添加剤を含有してもよい。このような添加剤の具体例としては、例えば、残留塩素やトリハロメタンを吸着除去しうる粒状または繊維状の活性炭、溶解性鉛を吸着除去しうるゼオライト、抗菌性を有する銀イオンや銀化合物を含む吸着材等が挙げられる。

活性炭シートの厚みは特に限定されないが、０．１〜３ｍｍ程度、さらには、０．２〜２ｍｍ程度であることが活性炭シート間の電気抵抗が高くなり過ぎない点から好ましい。

活性炭シートは、所望の形状に切断して用いられる。具体的には、例えば、短冊形の主体の一辺に、図１に示すような、端子（受電部）となるタブｔが形成されたような形状が挙げられる。活性炭シートとセパレータとを交互に積層してなる積層体をキャパシタ容器に収容する場合、各活性炭シートに形成されたタブはキャパシタ容器から外部に導出されて、直流電源の正極側または負極側に交互に接続される。なお、極性が同じ複数のタブを導電性の接着剤、金属テープあるいは金属製のボルトなどでまとめて接続してもよい。

次に本実施形態で用いられるセパレータ１について説明する。
セパレータの具体例としては、例えば合成繊維または再生繊維を集積させた不織布や合成樹脂製の樹脂ネット、織物、編物、紙状の集合体等が挙げられる。これらの中では、不織布や樹脂ネット、特には不織布が、通液性及び経済性に優れている点から好ましい。

不織布を構成する繊維は、特に限定されない。具体的には、例えば、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリアクリロニトリル繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維等が挙げられる。これらは単独で用いても、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、これらの繊維を２種以上含む芯鞘型等の複合繊維を用いてもよい。

芯鞘型の複合繊維としては、芯成分の繊維に対して鞘成分の繊維の融点あるいは軟化温度が低い複合繊維が好ましく用いられる。このような芯成分と鞘成分との組み合わせからなる複合繊維の具体例としては、芯成分ポリエチレン／鞘成分ポリエチレンテレフタレート、芯成分ポリエチレン／鞘成分ポリプロピレン、芯成分ポリプロピレン／鞘成分ポリエチレンテレフタレート、芯成分ポリエチレン／鞘成分ポリアミド、芯成分ポリエチレンテレフタレート／鞘成分変性ポリエチレンテレフタレート、等の組み合わせが挙げられる。

不織布の目付は５〜１００ｇ／ｍ^２、さらには１０〜５０ｇ／ｍ^２であることが好ましい。不織布の目付が大きすぎる場合には水の通過性が低下することにより処理能力が低下する傾向がある。

不織布の厚みは０．０１〜１ｍｍ、さらには０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。不織布の厚みが厚すぎる場合には通電時にセル間の電気抵抗が高くなることによりイオンの捕捉性能が低下する傾向がある。また、薄すぎる場合には、活性炭シートから活性炭粒子の露出や脱落により通電時に短絡してキャパシタとしての性能を発現できなくなることがある。

不織布を構成する繊維の平均繊維径は３〜４０μｍ、さらには６〜３０μｍであることが好ましい。平均繊維径が小さすぎる場合には不織布が緻密になりすぎて通水抵抗が高くなったり、繊維の脱落が起こりやすくなったりする傾向がある。また、平均繊維径が大きすぎる場合には、嵩高性が増すことにより、キャパシタ容器に充填しにくくなる。

通液型キャパシタ内にセパレータとして不織布を連続して積層させる場合、単層でもよいし、２層以上の複層の積層であってもよい。積層数は制約を受けるものではないが、作業性や嵩高性を考慮すると、１層、２層または３層であることが望ましい。

不織布の製造方法は特に限定されず、従来から知られた不織布の製造方法が特に限定なく用いられる。具体的には、例えば、スパンボンド法、メルトブロー法、水流絡合法、サーマルボンド法、ケミカルボンド法等が挙げられる。これらの中では、スパンボンド法、水流絡合法、サーマルボンド法が、目付、厚み、繊維径の調整が容易である点から好ましい。

次に、脱イオン水製造装置１１０の動作について図１を参照しながら説明する。通液型キャパシタ１０によりイオン性物質を含有する水の脱イオン処理するために、はじめに、給水口７からイオン性物質を含有する水 Ｗ１を給水する。そして、水 Ｗ１を給水しながら直流電源５から各電極端子３ａ〜３ｆを介して活性炭シート２ａ〜２ｆに電圧を印加する。そして、電圧を印加しながら、キャパシタ容器４の排水口８から脱イオン水 Ｗ２を排出する。脱イオン水 Ｗ２は脱イオン水回収配管１５から回収される。このとき、バルブｖ１は閉じられており、バルブｖ２は開かれている。

水 Ｗ１に含まれているイオン性物質は活性炭シート２ａ〜２ｆに静電的にイオンとして捕捉される。そして、活性炭シート２ａ〜２ｆの表面がイオンで飽和したときには、水の電気伝導度が高くなる。このとき、バルブｖ１を開け、バルブｖ２を閉じることによりイオン濃縮水回収配管１６の経路に切り替えた後、電極の極性を逆極性にすることにより、活性炭シート２ａ〜２ｆに吸着した濃縮されたイオンを離脱させることができる。そして、活性炭シート２ａ〜２ｆの浄化能力を再生させることができる。イオン濃縮液はイオン濃縮水回収配管１６を通じて回収することができる。

通液型キャパシタ１０を用いて水中のイオン除去を行うための通水方式としては、原水を全量濾過する全濾過方式を採用しても、循環濾過方式を採用してもよい。通水条件は特に限定されないが、１０〜１００ｈｒ^−１の空間速度（ＳＶ）で行うことが圧力損失が高くなり過ぎない点から好ましい。

なお、排出された水の電気伝導度と、通水開始から流した通水量との関係を２次元にプロットすることにより、イオン除去能力の状態をモニターすることができる。また、水中のイオン濃度は水の電気伝導度と相関があるために、脱イオン処理前と脱イオン処理後の水の電気伝導度を測定することにより、イオン除去率を計算することができる。また、水中のイオン濃度は、例えばイオンクロマトグラフィ等の方法により測定することもできる。

通液型キャパシタ１０に電力を供給する直流電源５の種類は、特に制限されない。１００Ｖの家庭用電源から電圧を調整し、直流化して使用してもよいし、電池、蓄電池を使用して電力を供給してもよい。また、通液型キャパシタ１０を屋外で用いる場合には、太陽電池、風力発電機、燃料電池、コジェネレータなどの独立電源を用いてもよい。省エネルギー、低炭素エネルギー、発電効率の観点から、太陽電池を用いることが好ましい。

［第２実施形態］
次に、上述した活性炭シート２を用いた通液型キャパシタの他の形態について図２を参照しながら説明する。図２は本実施形態の通液型キャパシタ２０を備えた脱イオン水製造装置１２０の模式説明図である。なお、通液型キャパシタ２０の構成は縦断面図で示されている。また、第１実施形態で説明したものと同様の要素については、同じ符号で示している。

通液型キャパシタ２０は、通液可能な導電性シート６（６ａ〜６ｆ）の両表面を活性炭シート２で挟持して形成された複数の電極９（９ａ〜９ｆ）と各電極９（９ａ〜９ｆ）間にそれぞれ配設された複数のセパレータ１とからなる積層体１２を備えている。積層体１２はキャパシタ容器４に収容されている。導電性シート６（６ａ〜６ｆ）はそれぞれ電極端子３（３ａ〜３ｆ）と電気的に接続されている。電極端子３ａ〜３ｆはキャパシタ容器４の外部に導出されている。なお、導電性シート６の一部が電極端子３として用いられてもよい。そして、電極端子３ａ、３ｃ、３ｅはそれぞれ直流電源５の負極側に並列に接続されており、電極端子３ｂ、３ｄ、３ｆはそれぞれ直流電源５の正極側に並列に接続されている。そして、積層体１２は、キャパシタ容器４内のパンチング状の樹脂板１３により密着固定されている。

通液型キャパシタ２０によれば、活性炭シート２に直流電源５を直接接続するときよりも、導電性シート６の高い導通性により、低抵抗で活性炭シート２に電圧を印加することができる。

導電性シート６を形成する材料は、通液可能な導電性を有するシートであれば、特に限定されない。その具体例としては、例えば、ニッケルコートを施した鉄製のパンチングメタル、表面に白金コートを施したチタン製ラス網、表面を陽極酸化によりアルマイト加工を施したアルミ製のパンチングメタル、黒鉛粒子をバインダで結着した空隙を有する黒鉛シート、織物状炭素繊維等の炭素繊維基材等が挙げられる。なお、ニッケルコートや白金コートは金属電極の電気腐蝕を防止するためのものであり、鍍金または焼結積層等によって表面処理される。これらの中では、炭素繊維基材が電気腐蝕が抑制される点から特に好ましい。

導電性シート６の厚みは０．１〜２ｍｍ、さらには０．２〜１．０ｍｍ程度であることが導電性に優れる点から好ましい。

導電性シート６と活性炭シート２とは、電気的に接触していればよいが、導電性接着剤で接着したり、導電性シート６と活性炭シート２とを一体成形したりすることにより密着固定させてもよい。導電性接着剤の具体例としては、例えば、銀ペースト系導電性接着剤、黒鉛ペースト系導電性接着剤、銀黒鉛混合ペースト系導電性接着剤、チタンペースト系導電性接着剤、アルミペースト系導電性接着剤等が挙げられる。導電性接着剤は導電性シート６または活性炭シート２に直接塗布しても、スクリーン印刷機、オフセット印刷機、スプレー等の方法により、格子状、ストライプ状、ドット状等のように部分的に塗布してもよい。このように部分的に塗布することにより通水路を塞ぐことなく、接着することができる。また、導電性接着剤の導電性が高い場合には、導電性シート６を用いずに活性炭シート２の表面に導電性接着剤を塗布するだけで電極の導通性を向上させることもできる。

導電性シート６と活性炭シート２とを一体成形する場合には、導電性シート６を支持体として活性炭シート２と一体成形することができる。導電性シート６と活性炭シート２とを一体成形することにより、導電性シート６と活性炭シート２との界面の抵抗を低減することができる。それにより活性炭シート２への導電性が高くなることにより、高いイオン捕捉性が得られる。

以上、第一実施形態及び第二実施形態を例として説明した本発明の通液型キャパシタ及び脱イオン水製造装置は、単独で、イオン性物質を含有する水の脱イオン処理に用いても、その他の公知の浄水手段等の水処理手段と組み合わせて用いてもよい。公知の水処理手段の具体例としては、例えば、不織布フィルター、セラミックフィルター、活性炭等の各種吸着材、ミネラル添加材、セラミック濾過材、中空糸膜濾過材、イオン吸着剤などを含む水処理手段が挙げられる。また、とくに、本発明の通液型キャパシタ及び脱イオン水製造装置を他の公知のイオン吸着剤フィルターと組み合わせて用いてもよい。また、濁り、微細物などを物理的に除去するための中空糸膜分離装置と組み合わせて用いてもよい。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明の範囲は以下の実施例の内容により何ら限定されるものではない。

［実施例１］
中心粒子径１２０μｍ、比表面積１２００ｍ^２／ｇの活性炭粉末（ヤシ殻を原料とする活性炭粉末、クラレケミカル（株）製ＰＧＷ−１２０ＭＰ）１００重量部と、フィブリル化アクリル繊維（日本エクスラン工業（株）製Ｂｉ−ＰＵＬ／Ｆ）６重量部とを水中で混合することによりスラリーを調製した。
そして、縦２２０ｍｍ、横２２０ｍｍ、厚み１ｍｍのキャビティと吸引孔とを有する金型にスラリーを充填した後、型締し、型内を２０ｍｍＨｇに減圧することによりシートを成形した。得られたシートは、縦２１５ｍｍ、横２１５ｍｍ、厚み１ｍｍの正方形であった。このシートから、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍであり、一つの辺の中央に縦５０ｍｍ、横１０ｍｍのタブを有する活性炭シートＡ１を切り出した。

また、厚み０．１ｍｍ、目付４０ｇ／ｍ^２の不織布（ポリエチレン繊維及びポリプロピレン繊維を含むシンワ（株）製の９５４０Ｆ）を縦１００ｍｍ、横１００ｍｍに裁断することによりセパレータＢ１を作成した。

そして、活性炭シートＡ１とセパレータＢ１とを交互に各１０枚ずつ積層することにより、積層体を得た。そして、得られた積層体を図１に示すような樹脂製のキャパシタ容器４に収容した。なお、積層体は、その上部と下部のそれぞれにシリコンゴムからなる枠体を載置してキャパシタ容器４の内壁に密着固定された。また、各活性炭シートＡ１に設けられたタブは、キャパシタ容器４の外壁に設けられた貫通孔から外部にそれぞれ引き出された。このようにして、通液型キャパシタを製造した。そして、得られた、通液型キャパシタの外部に露出した各タブに電極端子を接続し、各電極端子を電源の負極側と正極側に交互に接続した。

そして、得られた通液型キャパシタに約１２０μＳ／ｃｍの原水を１００ｍｌ／分で通水した。そして、各電極に１０Ｖの電圧を印加した。そして、所定の通水量ごとに、排出された処理水の電気伝導度を測定し、原水の電気伝導度と処理水の電気伝導度からイオンの除去率を算出した。なお、除去率が８０％を下回った時点で、活性炭シートを再生させるために、電極端子に接続した直流電源の極性を逆にした。通水量に対してプロットした電気伝導度の変化を図３のグラフに、通水量に対してプロットしたイオンの除去率を図４のグラフに示す。

図４のグラフから、通水量の増加に伴い除去率は９０％程度まで徐々に上昇し、通水量４Ｌ付近から徐々に低下していくことがわかる。また、図３のグラフから、除去率が通水量が５．２Ｌのときに直流電源の極性を逆にすることにより、活性炭シートの表面に吸着された濃縮されたイオンが急激に脱離したことがわかる。除去率８０％以上に低下するまでの通水量をイオン除去容量とした。結果を表１に示す。

［実施例２］
タブを設けない以外、実施例１の活性炭シートＡ１の製造と同様にして活性炭シートＡ２を製造した。そして、導電性シートとして、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍの正方形の一つの辺の中央に縦５０ｍｍ、横１０ｍｍのタブを有する、厚み０．１ｍｍのニッケルコート鉄製のパンチングメタル（開口率５７．９％）を用意した。そして、パンチングメタル電極の正方形の領域を２枚の活性炭シートＡ１で挟み、さらに、その両表面に２枚のセパレータＢ１を配置してキャパシタセルを作製した。このようにして得られたキャパシタセルを１０セル積層して積層体を形成し、キャパシタ容器４に収容した。なお、積層体は、その上部と下部のそれぞれにシリコンゴムからなる枠体を載置してキャパシタ容器４の内壁と密着固定された。また、パンチングメタル電極に設けられたタブのそれぞれは、キャパシタ容器４の外壁に設けられた貫通孔から外部に引き出された。このようにして、通液型キャパシタを製造した。そして、得られた、通液型キャパシタの外部に露出した各タブに電極端子を接続し、各電極端子を電源の負極側と正極側に交互に接続した。そして、実施例１と同様にして、評価した。結果を表１に示す。

［実施例３］
パンチングメタルに代えて、厚み０．１１ｍｍの炭素繊維クロス（東レ（株）製の商品名：トレカクロスCO6151B）を用いた以外は実施例２と同様にして、通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。

［実施例４〜７］
活性炭シートＡ２の代わりに、表１に記載のような粒度及び比表面積を有する活性炭粉末を用いた活性炭シートＡ３〜Ａ６を用いた以外は実施例２と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。

［参考例］
フィブリル化アクリル繊維をバインダとして用いた活性炭シートＡ２の代わりに、以下のような方法により製造された微粉末ポリエチレン粒子をバインダとして用いた活性炭シートＡ７を用いた以外は実施例２と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。
（活性炭シートＡ７の製造）
中心粒子径１２０μｍ、比表面積１２００ｍ²／ｇの活性炭粉末８０重量部と、平均粒子径（Ｄ₅₀）２０μｍの微粉末ポリエチレン１０重量部とを混合した混合物を得た。なお、微粉末ポリエチレンは住友精化（株）製の商品名：フローセンＵＦ−２０（ＭＩ２０ｇ／１０分）を用いた。
そして、得られた混合物を縦２２０ｍｍ、横２２０ｍｍ、厚み１ｍｍのキャビティを有する金型を用いて加熱成形することにより、縦２１５ｍｍ、横２１５ｍｍ、厚み１ｍｍのシートを得た。そして、得られたシートを縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚み１ｍｍのサイズに切断することにより、活性炭シートＡ７を得た。

［実施例９］
活性炭粉末１００重量部に対して、平均繊維長３ｍｍの導電性短繊維（東レ（株）製トレカカットファイバーＴ０１０−００３(平均繊維径７μｍ、密度１．７６ｇ／ｃｍ^３の炭素繊維)１０重量部を混合した以外、実施例２の活性炭シートＡ２の製造と同様にして活性炭シートＡ８を得た。活性炭シートＡ２の代わりに、活性炭シートＡ８を用いた以外は実施例２と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。

［実施例１０〜１２］
表１に示すように活性炭シート中の導電性短繊維の配合割合又は不織布（セパレータ）の目付及び厚みを変えた以外は実施例９と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。

［実施例１３］
セパレータとして、厚み０．１ｍｍ、目付１８ｇ／ｍ^２の不織布（ポリエチレン繊維及びポリプロピレン繊維を含むシンワ（株）製の９７１８−５−０−Ｆ）を用いた以外、実施例９と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。

［実施例１４、１５］
セパレータの目付及び厚みを変えた以外は実施例９と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。

［比較例１］
活性炭シートに代えて、クラレケミカル（株）製の活性炭繊維シートＣＨ７００−２５（厚さ０．５ｍｍ、比表面積２０００ｍ^２／ｇ）を用いた以外は実施例２と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。

［比較例２〜３］
表１にしめすような中心粒子径及び比表面積を有する活性炭粉末を用いた以外は実施例２と同様にして通液型キャパシタを作成し、評価した。結果を表１に示す。なお、活性炭の中心粒子径が小さい比較例３の通液型キャパシタは通水抵抗が高すぎて水をスムーズに流すことができず、イオン除去処理ができなかった。

表１の結果から、比較例１〜３の通液型キャパシタを用いたときのイオン除去容量は２Ｌ以下であったのに対し、実施例１〜７、９〜１５の通液型キャパシタを用いたイオン除去容量は３Ｌ以上であった。
また、導電性シートを通じて直流電源に接続された実施例２の通液型キャパシタは、活性炭シートに直接直流電源を接続した実施例１の通液型キャパシタに比べて、イオン除去容量が大きかった。さらに、活性炭シートに導電材を配合した実施例９〜１１、１３、１４はイオン除去容量が極めて大きかった。なお、活性炭シートに導電材を配合した実施例１２及び１５は、セパレータの目付け及び厚みが大きかったために、導通性がやや低下し、また、通水性もやや低下したためにイオン除去容量がやや低かった。

本発明の通液型キャパシタは、水中のイオン除去に優れており、健康障害が懸念される硝酸性イオンやフッ素イオンを効率よく除去することができるので浄水器、海水淡水化装置、軟水器、地下水の飲料適用水装置、純水装置、排水処理装置、などに使用できる。また、一般的な浄水器を想定した場合、１０分間あたり２．０Ｌ以上程度の処理量が好ましいが、本発明の通液型キャパシタによればこのような処理量を実現できる。

Claims (18)

1. 複数の通液可能な電極と複数の通液可能なセパレータとを交互に積層した積層体を備え、
   前記電極は、活性炭粉末とフィブリル化アクリル繊維とを含む通液可能な活性炭シートを備え、
   前記活性炭粉末は１０〜５００μｍの中心粒子径を有することを特徴とする通液型キャパシタ。
2. 前記活性炭シート中に含まれる前記活性炭粉末の割合が５０重量％以上である請求項１に記載の通液型キャパシタ。
3. 前記電極は通液可能な導電性シートの両表面に前記活性炭シートを配設したものである請求項１または２に記載の通液型キャパシタ。
4. 前記導電性シートは、導電性繊維織物又は導電性繊維不織布である請求項３に記載の通液型キャパシタ。
5. 前記導電性シートは、多数の貫通孔を有する開口率３０〜７０％の導電性多孔性シートである請求項３に記載の通液型キャパシタ。
6. 前記活性炭シートは前記導電性シートの表面に導電性接着剤で接着されている請求項３〜５の何れか１項に記載の通液型キャパシタ。
7. 前記活性炭シートは前記導電性シートと一体成形されている請求項３〜５の何れか１項に記載の通液型キャパシタ。
8. 前記電極は前記活性炭シートのみから形成されている請求項１または２に記載の通液型キャパシタ。
9. 前記活性炭シートは導電材をさらに含有する請求項１〜８の何れか１項に記載の通液型キャパシタ。
10. 前記導電材が導電性短繊維である請求項９に記載の通液型キャパシタ。
11. 前記導電性短繊維が平均繊維径１〜５０μｍ、密度１〜２．３ｇ／ｃｍ³、平均繊維長５〜１２０００μｍの導電性繊維である請求項１０に記載の通液型キャパシタ。
12. 前記活性炭シートは活性炭粉末１００重量部に対し、前記フィブリル化アクリル繊維３〜８重量部含有する請求項１〜１１の何れか１項に記載の通液型キャパシタ。
13. 前記セパレータが、目付５〜１００ｇ／ｍ²、厚み０．０１〜１．０ｍｍの不織布である請求項１〜１２の何れか１項に記載の通液型キャパシタ。
14. 前記活性炭粉末の比表面積が７００〜２５００ｍ²／ｇの範囲である請求項１〜１３の何れか１項に記載の通液型キャパシタ。
15. 請求項１〜１４の何れか１項に記載の通液型キャパシタを用いる脱イオン水の製造方法であって、
    前記積層体の厚み方向に積層された複数の前記電極に、直流電源の正極側と負極側とを厚み方向に交互に接続し、
    前記積層体の第一主面からイオン性物質を含有する水を供給する工程と、
    前記積層体の前記第一主面に対向する第二主面から前記イオン性物質が除去された水を排出する工程と、を備えることを特徴とする脱イオン水の製造方法。
16. 前記第二主面から排出された水の電気伝導度を測定し、前記電気伝導度が所定値以上の値に達した場合に前記交互に接続された前記各電極の正極と負極との極性を置き換えることにより、前記各電極表面に付着した濃縮されたイオンを回収する工程をさらに備える請求項１５に記載の脱イオン水の製造方法。
17. 請求項１〜１４の何れか１項に記載の通液型キャパシタと、直流電源と、前記通液型キャパシタを収容する容器と、を備え、
    前記積層体に積層された複数の前記電極は、前記直流電源の正極側と負極側とに厚み方向に交互に接続されており、
    前記容器は、前記積層体の第一主面にイオン性物質を含有する水を供給するための給水口、及び前記積層体の前記第一主面に対向する第二主面から脱イオン化された水を排水するための排水口を備えることを特徴とする脱イオン水製造装置。
18. 前記直流電源が太陽電池を含む請求項１７に記載の脱イオン水製造装置。

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