JP5719842B2 - 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するものであり、特に脱塩室の構造に関するものである。

従来、イオン交換体に被処理水を通水させて脱イオンを行う脱イオン水製造装置が知られている。このような製造装置では、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、薬剤（酸やアルカリ）によってイオン交換基の再生を行う必要がある。具体的には、イオン交換基に吸着した陰イオンや陽イオンを酸またはアルカリ由来のＨ^＋やＯＨ⁻で置換する必要がある。近年、上記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開発され、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を組み合わせた装置である。一般的な電気式脱イオン水製造装置の基本構成は次のとおりである。すなわち、電気式脱イオン水製造装置は、脱塩室と、該脱塩室の両側に配置された一対の濃縮室と、一方の濃縮室の外側に配置された陽極室と、他方の濃縮室の外側に配置された陰極室とを有する。脱塩室は、対向配置されたアニオン交換膜およびカチオン交換膜と、それら交換膜の間に充填されたイオン交換体（アニオン交換体又は／及びカチオン交換体）とを有する。以下、電気式脱イオン水製造装置を「脱イオン水製造装置」と略称する場合もある。

上記のような構成を有する脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造するには、陽極室および陰極室にそれぞれ設けられている電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させる。脱塩室では、アニオン交換体によってアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）が、カチオン交換体によってカチオン成分（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）が捕捉される。同時に、脱塩室内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（２Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ⁻）。イオン交換体に捕捉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体を伝ってイオン交換膜（アニオン交換膜またはカチオン交換膜）まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて濃縮室へ移動する。濃縮室に移動したイオン成分は、濃縮室を流れる水によって排出される。

以上のように、電気式脱イオン水製造装置では、水素イオンと水酸化物イオンがイオン交換体を再生する再生剤（酸やアルカリ）として連続的に作用する。このため、上述のような薬剤によるイオン交換体の再生が基本的には不要であり、連続運転が可能である。

しかし、脱イオン水製造装置を連続運転すると、被処理水中の硬度成分が析出し、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケールが発生する。スケールは特に、陰極室と濃縮室を隔てるアニオン交換膜の濃縮室側表面で発生する（図８参照）。また、脱塩室が複数設けられている場合には、２つの脱塩室に挟まれた濃縮室のアニオン交換膜表面でスケールが発生する（９参照）。その理由は次のとおりである。陰極室内における電気分解によって生成された水酸化イオン、脱塩室内における水解離反応によって生成された水酸化イオンが通過することによって、濃縮室のアニオン交換膜表面はアルカリ性になっている。すると、脱塩室からカチオン交換膜を通過してきた硬度成分（マグネシウムイオンやカルシウムイオン）がアルカリ性になっているアニオン交換膜表面において反応し、水酸化マグネシウムや水酸化カルシウムが生成される。濃縮水に炭酸イオンが含まれている場合には、さらに炭酸カルシウムや炭酸マグネシウムが生成される。スケールが発生すると、スケール発生部分における電気抵抗が上昇し、電流が流れにくくなる。すなわち、スケールの発生が無い場合と同一の電流値を得るためには電圧を上昇させる必要があり、消費電力の増加を招く。また、濃縮室内における電流密度が不均一になる場合もある。スケールの量がさらに増加すると、通水差圧の上昇が生じるとともに、電気抵抗がさらに上昇する。この場合、イオン除去に必要な量の電流が流せなくなり、処理水質の低下を招く。加えて、成長したスケールがイオン交換膜の内部にまで侵入し、イオン交換膜を損傷させることもある。

そこで、上記のようなスケールの生成を抑制する方法の一つとして、濃縮室内にアニオン交換体を充填することが提案されている。例えば、特許文献１には、濃縮室のアニオン交換膜側に特定構造のアニオン交換体が配置された脱イオン水製造装置が開示されている。この脱イオン水製造装置によれば、ＯＨ⁻の濃縮水への拡散希釈が、多孔性アニオン交換体表面において促進され、該表面におけるＯＨ⁻濃度の速やかな低減が図られる。他方、硬度成分イオンは、多孔性アニオン交換体の内部に侵入し難くなる。この結果、ＯＨ⁻と硬度成分イオンとが接触し反応する機会が低減し、スケールの析出や蓄積が抑制される。

また、特許文献２には、水透過性の異なるイオン交換体の層が濃縮室内に二層以上設けられ、かつ、水透過性の小さいイオン交換体の層がアニオン交換膜側に配置され、その層の少なくとも表面にアニオン交換基が与えられた脱イオン水製造装置が開示されている。この脱イオン水製造装置によれば、水透過性の大きな層を移動してきた、硬度成分を多く含む濃縮水が水透過性の小さい層に到達すると、該濃縮水の移動力が低減する。この結果、硬度成分を多く含む濃縮水が陰イオン交換膜の濃縮室側表面に流れ込むことが防止され、スケールの析出や蓄積が抑制される。

特開２００１−２２５０７８号公報 特開２００２―１３４５号公報

しかし、脱イオン水製造装置では、濃縮室にアニオン交換体を充填することでスケールの生成を回避できたとしても、スケールの生成とは別の次のような問題が発生する。濃縮水に含まれる炭酸やシリカに代表される弱酸アニオン成分が濃縮室と脱塩室とを仕切るイオン交換膜を通過して処理水中に拡散し、処理水の純度を低下させる。かかる処理水の純度低下は、濃縮室にアニオン交換体が充填されている場合により顕著に現れてしまう。以下、炭酸とシリカを例として、具体的に説明する。

一般的に、カチオン交換膜はカチオンのみ選択的に透過させるイオン交換膜である。その原理は、膜自体に−(マイナス)電荷を持たせ、−電荷を有するアニオンに対して反発力を働かせて透過を阻止するものである。一方、炭酸(二酸化炭素)やシリカは水溶液中で各イオン種の形態を取り、それらは平衡状態にある。
ＣＯ_２⇔ＨＣＯ_３ ⁻⇔ＣＯ_３ ^２-
ＳｉＯ_２⇔Ｓｉ（ＯＨ）_４⇔Ｓｉ（ＯＨ）_３Ｏ⁻
上記のような平衡状態において各イオン種が全体に占める割合は、ｐＨによって大きく変化する。ｐＨが低い領域では炭酸やシリカの大部分はイオン化していない、つまり電荷を持たない状態でＣＯ_２、ＳｉＯ_２として存在している。

このため、ｐＨが低い領域でカチオン交換膜を用いて炭酸やシリカの移動を阻止しようとしても、−電荷による反発力が有効に働かないために、これらの分子は容易にカチオン交換膜を通過してしまう。

図８を参照して具体的に説明する。脱塩室Ｄの陰極側にはカチオン交換膜を介して濃縮室Ｃ２が配置され、陽極側にはアニオン交換膜を介して濃縮室Ｃ１が配置されている。ここで、脱塩室Ｄにはカチオン交換体およびアニオン交換体が充填され、濃縮室Ｃ１、Ｃ２にはアニオン交換体が充填されている。処理水は脱塩室Ｄを通過して系外に排出される。

脱塩室Ｄから濃縮室Ｃ２に向かって、被処理水中のカチオン成分と共に水解離反応により生じる多量の水素イオン（Ｈ^＋）がカチオン交換体を伝って移動してくる。濃縮室Ｃ２にはアニオン交換体が充填されているので、カチオン交換膜を通過した水素イオン（Ｈ^＋）は、カチオン交換膜の濃縮室側表面で一斉に放出される。すなわち、カチオン交換膜の濃縮室側表面は、水素イオン（Ｈ^＋）が多い状態（＝ｐＨが低い状態）になる。一方、濃縮水に含まれる炭酸やシリカ（図中には炭酸が示されているが、シリカについても同じ）は、濃縮室Ｃ１及びＣ２内のアニオン交換体によりイオンとして捕捉され、アニオン交換体を伝ってカチオン交換膜表面まで移動する。濃縮室Ｃ２のカチオン交換膜表面では炭酸やシリカの濃度が高くなる上に、ｐＨが低くなっている。結果としてｐＨが低い条件下でイオン化しない炭酸やシリカは、アニオン交換体から遊離した後に電荷を失い、カチオン交換膜を透過して被処理水中に拡散してしまう。

図９に示す脱イオン水製造装置には２つの脱塩室（Ｄ１、Ｄ２）が設けられている。このように複数の脱塩室が設けられている場合には、濃縮水にもともと含まれている炭酸やシリカに加え、被処理水に含まれている炭酸やシリカが脱塩室から濃縮室へ移動してくる。従って、濃縮室内における炭酸やシリカの濃度が上昇し、炭酸やシリカの脱塩室への混入による処理水の純度低下はより顕著となる（図中には炭酸が示されているが、シリカについても同じ）。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スケールの発生を抑制しつつ、高純度の脱イオン水を製造可能とすることである。

本発明の電気式脱イオン水製造装置は、対向する陰極と陽極との間に少なくとも１つの脱塩処理部が設けられた電気式脱イオン水製造装置であって、前記脱塩処理部は、脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられるとともに、アニオン交換体が充填された一対の濃縮室とから構成されている。前記脱塩室は、第１のアニオン交換膜によって、前記一対の濃縮室のうち前記陽極側に設けられた濃縮室に第２のアニオン交換膜を介して隣接する第１小脱塩室と、前記一対の濃縮室のうち前記陰極側に設けられた濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接する第２小脱塩室とに仕切られている。さらに、前記第１小脱塩室には、アニオン交換体が充填され、前記第２小脱塩室には、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、アニオン交換体とカチオン交換体とが充填されている。

ここで脱塩室は２室に仕切られてはいるが、イオンの挙動は、脱塩室が仕切りのない１室の場合と基本的に同じである。

上記構成をとることで、陰極側の濃縮室に存在する炭酸やシリカなどのアニオン成分の一部がイオン交換膜を通過して第２小脱塩室へ移動した場合、そのアニオン成分は第２小脱塩室内のアニオン交換体によって捕捉され、第１小脱塩室を介して陽極側の濃縮室へ移動する。よって、濃縮室に存在する炭酸やシリカなどが処理水中に拡散することがない。

本発明によれば、スケールの発生を抑制しつつ、高純度の脱イオン水を製造可能な電気式脱イオン水製造装置が実現される。

本発明の電気式脱イオン水製造装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。 本発明の電気式脱イオン水製造装置の実施形態の他例を示す概略構成図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施例１、２および比較例１、２の第２小脱塩室におけるイオン交換体の構成を示す模式図である。 本発明の電気式脱イオン水製造装置の実施形態の他例を示す概略構成図である。 比較試験２の結果を示す図である。 本発明の電気式脱イオン水製造装置の実施形態の他例を示す概略構成図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施例３および比較例３〜５の第２小脱塩室におけるバイポーラ膜の有無および配置状態を示す模式図である。 濃縮水中の炭酸成分が被処理水中に拡散する原理を示す図である。 処理水中の炭酸成分が被処理水中に再拡散する原理を示す模式図である。

（実施形態１）
以下、図面を参照して、本発明の電気式脱イオン水製造装置の実施形態の一例について説明する。

図１は、本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。図１に示す脱イオン水製造装置では、陰極を備えた陰極室Ｅ１と陽極を備えた陽極室Ｅ２との間に脱塩処理部が設けられている。この脱塩処理部は、脱塩室Ｄと、脱塩室Ｄの両隣に配置された一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２から構成されている。以下の説明では、一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２のうち、陽極室Ｅ２に隣接している濃縮室Ｃ１を「第１の濃縮室Ｃ１」、陰極室Ｅ１に隣接している濃縮室Ｃ２を「第２の濃縮室Ｃ２」と呼んで区別する。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。

ここで、脱塩室Ｄは二つの小脱塩室に仕切られている。具体的には、脱塩室Ｄは、第１の濃縮室Ｃ１に隣接している第１小脱塩室Ｄ-１と、第２の濃縮室Ｃ２に隣接している第２小脱塩室Ｄ-２とに仕切られている。

これまで説明した各室は、枠体１の内部を複数のイオン交換膜によって多数の空間に仕切ることによって形成されており、イオン交換膜を介して隣接している。各室の配列状況を陰極室Ｅ１の側から順に説明すると、次の通りである。すなわち、陰極室Ｅ１は、第１のアニオン交換膜ａ１を介して第２の濃縮室Ｃ２に隣接し、第２の濃縮室Ｃ２は、第１のカチオン交換膜ｃ１を介して第２小脱塩室Ｄ-２と隣接している。第２小脱塩室Ｄ-２は、第２のアニオン交換膜ａ２を介して第１小脱塩室Ｄ-１と隣接し、第１小脱塩室Ｄ-１は、第３のアニオン交換膜ａ３を介して第１の濃縮室Ｃ１と隣接している。第１の濃縮室Ｃ１は、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して陽極室Ｅ２と隣接している。

以下の説明では、上記複数のイオン交換膜のうち、脱塩室Ｄを第１小脱塩室Ｄ-１と第２脱塩室Ｄ-２とに仕切っているアニオン交換膜を「中間イオン交換膜」と呼んで他のイオン交換膜と区別する場合がある。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。

陰極室Ｅ１には陰極が収容されている。陰極は金属の網状体あるいは板状体であり、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体である。

陽極室Ｅ２には陽極が収容されている。陽極は金属の網状体あるいは板状体である。被処理水にＣｌ⁻を含む場合、陽極に塩素が発生する。このため、陽極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および陽極室Ｅ２には電極水がそれぞれ供給される。これらの電極水は電極近傍での電気分解により、水素イオン及び水酸化物イオンを発生させる。脱イオン水製造装置の電気抵抗を抑えるために、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。さらに、陰極室Ｅ１には、弱塩基性アニオン交換体、強塩基性アニオン交換体等のアニオン交換体が充填されていることがより好ましい。また、陽極室Ｅ２には、弱酸性カチオン交換体、強酸性カチオン交換体等のカチオン交換体が充填されていることがより好ましい。

第１の濃縮室Ｃ１および第２の濃縮室Ｃ２は、脱塩室Ｄから排出されるアニオン成分または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。各濃縮室Ｃ１、Ｃ２には、スケールの発生を抑制すべくアニオン交換体が単床形態で充填されている。

第１小脱塩室Ｄ-１には、アニオン交換体が単床形態で充填されている。また、第２小脱塩室Ｄ-２には、アニオン交換体およびカチオン交換体が複床形態で充填されている。具体的には、カチオン交換体の層とアニオン交換体の層とが被処理水の通水方向に沿って積層されている。より具体的には、通水方向前段にカチオン交換体層が配置され、通水方向後段にアニオン交換体層が配置されている。すなわち、第２小脱塩室Ｄ-２に流入した被処理水は、カチオン交換体層とアニオン交換体層をこの順で通過する。換言すれば、第２小脱塩室Ｄ-２において被処理水が最後に通過するイオン交換体の層がアニオン交換体層となる順序でアニオン交換体層とカチオン交換体層とが積層されている。

図１では、枠体１が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１の素材は絶縁性を有し、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。

ここで、本発明の理解を容易するために、図１に示す脱イオン水製造装置における被処理水および濃縮水の主な流れについて予め概説する。被処理水は、第１小脱塩室Ｄ-１に供給され、該小脱塩室Ｄ-１を通過する。第１小脱塩室Ｄ-１を通過した被処理水は、第２小脱塩室Ｄ-２に供給され、該小脱塩室Ｄ-２を通過した後に系外に排出される。一方、濃縮水は、第１の濃縮室Ｃ１および第２の濃縮室Ｃ２にそれぞれ並列的に供給され、これら濃縮室を通過して系外に排出される。

上記のように被処理水および濃縮水を流すためにいくつかの流路Ｕ１〜Ｕ３、Ｌ１〜Ｌ２が設けられている。図１において脱イオン水製造装置の上方に示されている流路Ｕ１は、その一端が被処理水の供給側に接続され、他端が第１小脱塩室Ｄ-１に接続されている。脱イオン水製造装置の下方に示されている流路Ｌ１は、その一端が第１小脱塩室Ｄ-１に接続され、他端が第２小脱塩室Ｄ-２に接続されている。脱イオン水製造装置の上方に示されている流路Ｕ２は、その一端が第２小脱塩室Ｄ-２に接続され、他端が被処理水の排出側に接続されている。

図１において脱イオン水製造装置の上方に示されている流路Ｕ３は、その一端が濃縮水の供給側に接続され、他端側は途中で分岐されて、第１の濃縮室Ｃ１、第２の濃縮室Ｃ２にそれぞれ接続されている。脱イオン水製造装置の下方に示されている流路Ｌ２は、その一端が第１の濃縮室Ｃ１、第２の濃縮室Ｃ２にそれぞれ接続され、途中で合流した後に濃縮水の排出側に接続されている。

なお、図示は省略されているが、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２には、電極水を供給するための流路と供給された電極水を排出するための流路がそれぞれ接続されている。

次に、上記構成を有する脱イオン水製造装置の動作および作用について説明する。第１の濃縮室Ｃ１、第２の濃縮室Ｃ２には、流路Ｕ３から濃縮水が供給され、流路Ｌ２から排出される。また、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２には、図示しない流路から電極水が供給され、供給された電極水は図示しない流路から排出される。さらに、陽極、陰極の間には所定の直流電圧が印加される。

以上の状態の下で、流路Ｕ１から第１小脱塩室Ｄ-１に被処理水が供給される。供給された被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）は、被処理水が第１小脱塩室Ｄ-１を通過する過程で捕捉される。第１小脱塩室Ｄ-１において捕捉されたアニオン成分は、第１小脱塩室Ｄ-１と第３のアニオン交換膜ａ３を介して隣接する第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、該第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外に排出される。

次に、第１小脱塩室Ｄ-１を通過した被処理水は、流路Ｌ１を介して第２小脱塩室Ｄ-２に供給される。ここで、第２小脱塩室Ｄ-２には、カチオン交換体層とアニオン交換体層とがこの順で積層されていることは既述の通りである。よって、第２小脱塩室Ｄ-２に供給された被処理水は、まずカチオン交換体層を通過し、その後にアニオン交換体層を通過する。その際、被処理水がカチオン交換体層を通過する過程で、被処理水中のカチオン成分（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）が捕捉される。具体的には、第２小脱塩室Ｄ-２内のカチオン交換体によって捕捉されたカチオン成分は、第２小脱塩室Ｄ-２と第１のカチオン交換膜ｃ１を介して隣接する第２の濃縮室Ｃ２へ移動し、該第２の濃縮室Ｃ２を通水する濃縮水と共に系外に排出される。

さらに、第２小脱塩室Ｄ-２においてカチオン交換体層を通過した被処理水は、次段のアニオン交換体層を通過する。この際、被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）が再度捕捉される。具体的には、第２小脱塩室Ｄ-２のアニオン交換体によって捕捉されたアニオン成分は、第２小脱塩室Ｄ-２と中間イオン交換膜ａ２を介して隣接する第１小脱塩室Ｄ-１へ移動する。第１小脱塩室Ｄ-１へ移動したアニオン成分は、第１小脱塩室Ｄ-１と第３のアニオン交換膜ａ３を介して隣接する第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、該第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外に排出される。

以上が本実施形態に係る脱イオン水製造装置における脱イオン処理の流れである。しかし、上記処理の過程で、第２の濃縮室Ｃ２に供給される濃縮水に含まれているアニオン成分（炭酸やシリカ）の一部が第１のカチオン交換膜ｃ１を通過し、第２小脱塩室Ｄ-２へ移動する。炭酸やシリカがカチオン交換膜を通過する原理については既に説明した通りである。ここで、第２の濃縮室Ｃ２から第２小脱塩室Ｄ-２へ移動した炭酸やシリカは、第１のカチオン交換膜ｃ１の陽極側表面上に一様に拡散する。すなわち、炭酸やシリカは、第２小脱塩室Ｄ-２内のアニオン交換体層と接している領域のみでなく、カチオン交換体層と接している領域にも拡散する。そして、炭酸やシリカはカチオン交換体によっては捕捉されないので、第１のカチオン交換膜ｃ１の陽極側表面のうち、カチオン交換体層と接している領域に拡散した炭酸やシリカは被処理水とともにカチオン交換体層を通過してしまう。しかし、第２小脱塩室Ｄ-２には、被処理水の通水方向に沿ってカチオン交換体層とアニオン交換体層とが積層されている。よって、カチオン交換体層を通過した炭酸やシリカは、次段のアニオン交換体層において再度イオン化されて捕捉され、第１小脱塩室Ｄ-１へ移動する。第１小脱塩室Ｄ-１に移動した炭酸やシリカは、第３のアニオン交換膜ａ３を通過して、第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、該第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外に排出される。従って、濃縮水に含まれている炭酸およびシリカが被処理水中に拡散し、処理水の純度を低下させることはない。

なお、第２小脱塩室Ｄ-２内のカチオン交換体層とアニオン交換体層の積層順序が逆の場合には、第１のカチオン交換膜ｃ１の陽極側表面のうち、カチオン交換体層と接している領域に拡散した炭酸やシリカを捕捉することはできず、処理水の純度が低下することは自明である。

これまでの説明より、第２小脱塩室Ｄ-２内に設けられたイオン交換体の積層体の最終段がアニオン交換体層であれば上記効果が得られることが理解できるはずである。換言すれば、第２小脱塩室Ｄ-２を通過する被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体であれば上記効果が得られる。よって、最終段のアニオン交換体層よりも前段のイオン交換体層の種類、積層順序、積層数は特に限定されない。例えば、カチオン交換体層とアニオン交換体層を最終段がアニオン交換体層となる順序で４層以上積層してもよい。

さらに、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、被処理水が最初に供給される第１小脱塩室Ｄ-１にアニオン交換体が充填され、被処理水が次に供給される第２小脱塩室Ｄ-２には、カチオン交換体とアニオン交換体がこの順で積層されている。よって、被処理水は、最初にアニオン交換体を通過する。これにより、被処理水からアニオン成分が除去され、被処理水のｐＨが上昇する。

さらに、第１小脱塩室Ｄ-１を通過した被処理水は、カチオン交換体とアニオン交換体がこの順で積層されている第２小脱塩室Ｄ-２に供給される。すなわち、第１小脱塩室Ｄ-１内のアニオン交換体を通過した被処理水は、次いでカチオン交換体を通過し、続いてアニオン交換体を再度通過する。要するに、本実施形態の構成よれば、被処理水は、アニオン交換体とカチオン交換体を交互に通過する。

ここで、アニオン交換体のアニオン成分の捕捉能力は、被処理水のｐＨが低い場合に高まり、カチオン交換体のカチオン成分の捕捉能力は、被処理水のｐＨが高い場合に高まる。よって、被処理水が最初にアニオン交換体を通過し、その後にカチオン交換体とアニオン交換体を交互に通過することになる本実施形態の構成によれば、アニオン交換体を通過することによってアニオン成分が除去され、ｐＨが上昇した被処理水が続けてカチオン交換体を通過する。よって、カチオン交換体によるカチオン除去反応が通常よりも促進される。さらに、カチオン交換体を通過することによってカチオン成分が除去され、ｐＨが低下した被処理水が続けてアニオン交換体を通過する。よって、アニオン交換体によるアニオン除去反応が通常よりも促進される。よって、炭酸やシリカを含むアニオン成分の除去能力がさらに向上するのみでなく、カチオン成分の除去能力も向上し、よって処理水の純度がより一層向上する。

以上のように、本実施形態に係る脱イオン水製造装置によれば、濃縮水に含まれている炭酸やシリカの一部がイオン交換膜を通過して被処理水中に拡散することが防止されることによって処理水の純度が向上する効果に加えて、被処理水に含まれている炭酸やシリカ等のアニオン成分の除去能力が向上し、さらには被処理水に含まれているカチオン成分の除去能力も向上する。

なお、濃縮室が電極室を兼ねている構成も本発明に含まれる。例えば、図１に示す第２の濃縮室Ｃ２に陰極を設けて陰極室Ｅ１を省略してもよい。この場合であっても、脱塩室および一対の濃縮室から構成される脱塩処理部は、陰極と陽極の間に配置される。
（実施形態２）
以下、図面を参照して、本発明の電気式脱イオン水製造装置の実施形態の他例について説明する。もっとも、本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、陰極室と陽極室との間に複数の脱塩処理部が設けられている点を除いて、実施形態１に係る脱イオン水製造装置と共通の構成を有する。そこで、実施形態１に係る脱イオン水製造装置と異なる構成についてのみ以下に説明し、共通する構成についての説明は適宜省略する。

図２は、本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。図２に示す脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１と陽極室Ｅ２との間に２つの脱塩処理部が設けられている。２つの脱塩処理部のうち、相対的に陰極側に位置する第１の脱塩処理部は、脱塩室Ｄ１と、脱塩室Ｄ１の両隣に配置された一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ２から構成されている。一方、相対的に陽極側に位置する第２の脱塩処理部は、脱塩室Ｄ２と、脱塩室Ｄ２の両隣に配置された一対の濃縮室Ｃ１、Ｃ３から構成されている。

以下の説明では、第１の脱塩処理部を構成している脱塩室Ｄ１を「陰極側脱塩室Ｄ１」、第２の脱塩処理部を構成している脱塩室Ｄ２を「陽極側脱塩室Ｄ２」と呼んで区別する。また、濃縮室Ｃ１を「第１の濃縮室Ｃ１」、濃縮室Ｃ２を「第２の濃縮室Ｃ２」、濃縮室Ｃ３を「第３の濃縮室Ｃ３」と呼んで区別する。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。

さらに、陰極側脱塩室Ｄ１および陽極側脱塩室Ｄ２は、それぞれ二つの小脱塩室に仕切られている。以下の説明では、陰極側脱塩室Ｄ１を構成している二つの小脱塩室のうち、第１の濃縮室Ｃ１と隣接している小脱塩室を「陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１」、第２の濃縮室Ｃ２と隣接している小脱塩室を「陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２」と呼ぶ。また、陽極側脱塩室Ｄ２を構成している二つの小脱塩室のうち、第３の濃縮室Ｃ３と隣接している小脱塩室を「陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１」、第１の濃縮室Ｃ１と隣接している小脱塩室を「陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２」と呼ぶ。かかる区別も説明の便宜上の区別であることは勿論である。

各室の配列状況を陰極室Ｅ１の側から順に説明すると、次の通りである。すなわち、陰極室Ｅ１は、第１のアニオン交換膜ａ１を介して第２の濃縮室Ｃ２に隣接し、第２の濃縮室Ｃ２は、第１のカチオン交換膜ｃ１を介して陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２と隣接している。陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２は、第２のアニオン交換膜ａ２を介して陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１と隣接し、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１は、第３のアニオン交換膜ａ３を介して第１の濃縮室Ｃ１と隣接している。第１の濃縮室Ｃ１は、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２と隣接し、陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２は、第４のアニオン交換膜ａ４を介して陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１と隣接している。陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１は、第５のアニオン交換膜ａ５を介して第３の濃縮室Ｃ３と隣接し、第３の濃縮室Ｃ３は、第３のカチオン交換膜ｃ３を介して陽極室Ｅ２と隣接している。

第１〜第３の濃縮室Ｃ１〜Ｃ３は、陰極側脱塩室Ｄ１または陽極側脱塩室Ｄ２から排出されるアニオン成分または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。各濃縮室Ｃ１〜Ｃ３には、スケールの発生を抑制すべくアニオン交換体が単床形態で充填されている。

陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１および陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１には、それぞれアニオン交換体が単床形態で充填されている。また、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２には、それぞれアニオン交換体およびカチオン交換体が複床形態で充填されている。なお、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２におけるアニオン交換体およびカチオン交換体の具体的な充填形態は実施形態１において説明した通りである。

次に、図２に示す脱イオン水製造装置における被処理水および濃縮水の主な流れについて概説する。被処理水は、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１および陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１にそれぞれ並列的に供給され、これら小脱塩室を通過する。陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１および陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１を通過した被処理水は、これら小脱塩室外で一度合流した後に分流されて、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２にそれぞれ並列的に供給され、これら小脱塩室を通過した後に系外に排出される。一方、濃縮水は、第１〜第３の濃縮室Ｃ１〜Ｃ３にそれぞれ並列的に供給され、これら濃縮室を通過して系外に排出される。

上記のように被処理水および濃縮水を流すためにいくつかの流路Ｕ１〜Ｕ３、Ｌ１〜Ｌ２が設けられている。図２において脱イオン水製造装置の上方に示されている流路Ｕ１は、その一端が被処理水の供給側に接続され、他端側は途中で分岐されて、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１と陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１とにそれぞれ接続されている。脱イオン水製造装置の下方に示されている流路Ｌ１は、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１と陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１とにそれぞれ接続され、途中で合流した後に分岐されて、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２と陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２とにそれぞれ接続されている。脱イオン水製造装置の上方に示されている流路Ｕ２は、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２と陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２とにそれぞれ接続され、途中で合流して被処理水の排出側に接続されている。

図２において脱イオン水製造装置の上方に示されている流路Ｕ３は、その一端が濃縮水の供給側に接続され、他端側は途中で分岐されて、第１の濃縮室Ｃ１、第２の濃縮室Ｃ２および第３の濃縮室Ｃ３にそれぞれ接続されている。脱イオン水製造装置の下方に示されている流路Ｌ２は、第１の濃縮室Ｃ１、第２の濃縮室Ｃ２および第３の濃縮室Ｃ３にそれぞれ接続され、途中で合流した後に濃縮水の排出側に接続されている。

次に、上記構成を有する脱イオン水製造装置の動作および作用について説明する。第１〜第３の濃縮室Ｃ１〜Ｃ３には、流路Ｕ３から濃縮水が供給され、流路Ｌ２から排出される。また、陰極室Ｅ１および陽極室Ｅ２には、図示しない流路から電極水が供給され、供給された電極水は図示しない流路から排出される。さらに、陽極、陰極の間には所定の直流電圧が印加される。

以上の状態の下で、流路Ｕ１から陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１および陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１に被処理水が並列的に供給される。供給された被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）は、被処理水が第１小脱塩室Ｄ１-１、Ｄ２-１を通過する過程で捕捉される。そして、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１において捕捉されたアニオン成分は、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１と第３のアニオン交換膜ａ３を介して隣接する第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、該第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外に排出される。一方、陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１において捕捉されたアニオン成分は、陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１と第５のアニオン交換膜ａ５を介して隣接する第３の濃縮室Ｃ３へ移動し、該第３の濃縮室Ｃ３を通水する濃縮水と共に系外に排出される。

次に、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１および陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１を通過した被処理水は、流路Ｌ１を介して陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２に供給される。ここで、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２には、カチオン交換体層とアニオン交換体層とがこの順で積層されていることは既述の通りである。よって、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２にそれぞれ供給された被処理水は、まずカチオン交換体層を通過し、その後にアニオン交換体層を通過する。その際、被処理水がカチオン交換体層を通過する過程で、被処理水中のカチオン成分（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）が捕捉される。具体的には、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２内のカチオン交換体によって捕捉されたカチオン成分は、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２と第１のカチオン交換膜ｃ１を介して隣接する第２の濃縮室Ｃ２へ移動し、該第２の濃縮室Ｃ２を通水する濃縮水と共に系外に排出される。一方、陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２内のカチオン交換体によって捕捉されたカチオン成分は、陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２と第２のカチオン交換膜ｃ２を介して隣接する第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、該第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外に排出される。

さらに、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２においてカチオン交換体層を通過した被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）は、被処理水が次段のアニオン交換体層を通過する過程で再度捕捉される。具体的には、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２のアニオン交換体によって捕捉されたアニオン成分は、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２と中間イオン交換膜ａ２を介して隣接する陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１へ移動する。陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１へ移動したアニオン成分は、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１と第３のアニオン交換膜ａ３を介して隣接する第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、該第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に系外に排出される。一方、陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２のアニオン交換体によって捕捉されたアニオン成分は、陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２と中間イオン交換膜ａ４を介して隣接する陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１へ移動する。陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１へ移動したアニオン成分は、陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１と第５のアニオン交換膜ａ５を介して隣接する第３の濃縮室Ｃ３へ移動し、該第３の濃縮室Ｃ３を通水する濃縮水と共に系外に排出される。

以上が本実施形態に係る脱イオン水製造装置における脱イオン処理の流れである。しかし、本実施形態に係る脱イオン水製造装置のように、脱塩室が複数設けられている場合には、特定の濃縮室における炭酸やシリカの濃度が他の濃縮室におけるそれに比べて高くなる。例えば、本実施形態に係る脱イオン水製造装置においては、図２に示す脱塩室Ｄ１に隣接している第１の濃縮室Ｃ１には、該濃縮室Ｃ１に供給される濃縮水に含まれている炭酸やシリカに加え、陰極側脱塩室Ｄ１から炭酸やシリカが移動してくる。また、図２に示す脱塩室Ｄ２に隣接している第３の濃縮室Ｃ３には、該濃縮室Ｃ３に供給される濃縮水に含まれている炭酸やシリカに加え、陽極側脱塩室Ｄ２から炭酸やシリカが移動してくる。隣接する脱塩室から濃縮室へ炭酸やシリカが移動してくる原理は実施形態１において説明した通りである。よって、第１の濃縮室Ｃ１、第３の濃縮室Ｃ３では、他の濃縮室Ｃ２に比べて炭酸やシリカの濃度が高くなり、隣接するカチオン交換膜を通過する炭酸やシリカの量も増大する。特に、濃縮室Ｃ１は陽極側脱塩室Ｄ２と隣接しており、かかる炭酸やシリカの陽極側脱塩室Ｄ２への移動（被処理水への拡散）が問題となる。

しかし、本実施形態に係る構成によれば、第１の濃縮室Ｃ１から陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２へ移動した炭酸やシリカは、該脱塩室Ｄ２-２に充填されているアニオン交換体によって捕捉され、陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１を介して第３の濃縮室Ｃ３に移動し、系外に排出される。従って、第１の濃縮室Ｃ１から陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２へ移動した炭酸やシリカが被処理水に拡散することはない。

なお、本実施形態においても、被処理水が最初に供給される陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１及び陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１にはアニオン交換体が充填されている。また、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１及び陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１を通過した被処理水が供給される陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２及び陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２には、カチオン交換体とアニオン交換体とがこの順で積層されている。すなわち、被処理水は、最初にアニオン交換体を通過し、次いでカチオン交換体を通過し、その後にアニオン交換体を再度通過する。よって、実施形態１で説明したのと同様の原理により、被処理水の純度がより一層向上する。

なお、図２に示す第３の濃縮室Ｃ３に陽極を設けて陽極室Ｅ２を省略してもよく、第２の濃縮室Ｃ２に陰極を設けて陰極室Ｅ１を省略してもよい。
（比較試験１）
本発明の効果を確認すべく、次のような比較試験を行った。すなわち、図１に示す第２小脱塩室Ｄ-２におけるイオン交換体の構成のみが異なる４つの脱イオン水製造装置を用意した。図３（ａ）〜（ｄ）に、各脱イオン水製造装置における第２小脱塩室Ｄ-２のイオン交換体の構成を模式的に示す。

図３（ａ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（実施例１）の第２小脱塩室Ｄ-２には、被処理水の通水方向に沿って、前段にカチオン交換体層（Ｃ）、後段にアニオン交換体層（Ａ）が積層されている。すなわち、実施例１は、上記実施形態１に示す脱塩室と同一の脱塩室を備えている。

図３（ｂ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（実施例２）の第２小脱塩室Ｄ-２には、被処理水の通水方向に沿って、カチオン交換体層（Ｃ）とアニオン交換体層（Ａ）がカチオン／アニオン／カチオン／アニオンの順で交互に積層されている（合計４層）。すなわち、実施例２は、上記実施形態１に示す脱塩室と本質的に同一の脱塩室を備えている。

図３（ｃ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（比較例１）の第２小脱塩室Ｄ-２には、被処理水の通水方向に沿って、前段にアニオン交換体層（Ａ）、後段にカチオン交換体層（Ｃ）が積層されている。

図３（ｄ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（比較例２）の第２小脱塩室Ｄ-２には、カチオン交換体とアニオン交換体の混合物（混合比率１：１）が充填されている。すなわち、カチオン交換体とアニオン交換体がいわゆる混床形態で充填されている。なお、特に断らない限り、各実施例および各比較例におけるアニオン交換体およびカチオン交換体はそれぞれ単床形態で所定の室に充填されている。また、図３（ａ）〜（ｄ）中の一点鎖線の矢印は、被処理水の通水方向を示している。

今回の比較試験において、各実施例および各比較例に共通する仕様、通水流量、供給水等の条件は以下のとおりである。なお、ＣＥＲはカチオン交換体（カチオン交換樹脂）、ＡＥＲはアニオン交換体（アニオン交換樹脂）の略である。
・陰極室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・陽極室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＣＥＲ充填
・第１小脱塩室：寸法１００×３００×８ｍｍ ＡＥＲ充填
・濃縮室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・脱塩室流量：２０Ｌ/ｈ
・濃縮室流量：２Ｌ/ｈ
・電極室流量：１０Ｌ/ｈ
・脱塩室、濃縮室供給水：一段ＲＯ透過水１０±１μＳ/ｃｍ
・電極室供給水：脱塩室処理水
・印加電流値：０．４Ａ
・シリカ濃度１０００ppb
以上の条件の下で実施例１、２および比較例１、２に係る脱イオン水製造装置をそれぞれ２００時間連続運転し、その後の運転電圧と処理水の比抵抗、処理水中のシリカ濃度を測定した。不純物を全く含まない水の理論的な比抵抗値は２５℃において１８．２ＭΩ・ｃｍとなる。脱イオン水の水質は比抵抗値が１８．２ＭΩ・ｃｍに近づけば近づくほど、水質は清浄であると評価できる。さらに、比抵抗値が１８．２ＭΩ・ｃｍよりも高ければ高いほど、水質はより清浄であると評価できる。測定結果を表１に示す。

表１に示すとおり、実施例と比較例では運転電圧の差異は殆ど見られなかった。しかし、実施例１、実施例２では、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ程度の極めて清浄な処理水が得られた。一方、比較例１、比較例２において得られた処理水の比抵抗は１０ＭΩ・ｃｍ〜１２ＭΩ・ｃｍであった。処理水を成分分析した結果、処理水中の主な不純物は炭酸であった。また、実施例１、２において得られた処理水中のシリカ濃度はそれぞれ０．６、０．３ｐｐｂと非常に低い値であったのに対し、比較例１、２において得られた処理水中のシリカ濃度は１〜２ｐｐｂと高い値であった。これらのことから、脱塩室の最終処理層を単床形態のアニオン交換体とすることで、濃縮室から脱塩室に拡散してくるアニオン成分を捕捉し、高純度の脱イオン水を製造可能であることが確認された。

さらに、実施例１と実施例２を比較すると、実施例２の方がより高純度の脱イオン水を製造可能であることがわかる。ここで、実施例１および実施例２における第１小脱塩室Ｄ-１の構成は共通しているが、第２小脱塩室Ｄ-２の構成は相違している。具体的には、実施例１の第２小脱塩室Ｄ-２では、カチオン交換体層（Ｃ）とアニオン交換体層（Ａ）が一層ずつ積層されているのに対し、実施例２の第２小脱塩室Ｄ-２では、カチオン交換体層（Ｃ）とアニオン交換体層（Ａ）が交互に二層ずつ積層されている。

よって、実施例１の第１小脱塩室Ｄ-１を通過した（アニオン交換体を通過した）被処理水は、その後にカチオン交換体とアニオン交換体を交互に１回ずつ通過する。脱塩室全体で見た場合には、被処理水は、アニオン交換体を２回、カチオン交換体を１回通過する。

一方、実施例２の第１小脱塩室Ｄ-１を通過した（アニオン交換体を通過した）被処理水は、その後にカチオン交換体とアニオン交換体を交互に２回ずつ通過する。脱塩室全体で見た場合には、被処理水は、アニオン交換体を３回、カチオン交換体を２回通過する。

以上より、実施例２では、通常よりもイオン交換反応が効率良くかつ数多く繰り返される結果、処理水の純度がより一層向上する。かかる結果より、第２小脱塩室Ｄ-２におけるアニオン交換体層とカチオン交換体層の繰り返し回数が多いほどより高純度の脱イオン水を製造可能であることがわかる。
（実施形態３）
次に、図４を参照して本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の他例について説明する。もっとも、本実施形態に係る脱イオン水製造装置の基本構成は、実施形態２に係る脱イオン水製造装置と共通である。そこで、実施形態２に係る脱イオン水製造装置との相違点についてのみ以下に説明し、共通点についての説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１と第２の濃縮室Ｃ２との間に、副脱塩室Ｓ１が設けられている。副脱塩室Ｓ１は、第６のアニオン交換膜ａ６を介して陰極室Ｅ１と隣接し、第１のアニオン交換膜ｃ１を介して第２の濃縮室Ｃ２と隣接し、室内にはアニオン交換体が単床形態で充填されている。

本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、流路Ｕ１から陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１、陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１および副脱塩室Ｓ１に被処理水が並列的に供給される。副脱塩室Ｓ１に供給された被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）は、被処理水が副脱塩室Ｓ１を通過する過程でが捕捉される。捕捉されたアニオン成分は、副脱塩室Ｓ１と第１のアニオン交換膜ａ１を介して隣接する第２の濃縮室Ｃ２へ移動し、該第２の濃縮室Ｃ２を通水する濃縮水と共に系外に排出される。一方、副脱塩室Ｓ１を通過した被処理水は、陰極側第１小脱塩室Ｄ１-１および陽極側第１小脱塩室Ｄ２-１を通過した被処理水と合流した後に、陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２または陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２に供給される。これ以後の被処理水の流れやイオンの動きは実施形態１や実施形態２において説明した通りなので説明は省略する。

ここで、脱イオン水製造装置においては、被処理水に含まれているマグネシウムイオンやカルシウムイオンなどの硬度成分が脱塩室から濃縮室へ移動する。これら硬度成分は、イオン交換膜の表面においてＣＯ_３ ^２−やＯＨ⁻などのイオンと反応し、炭酸カルシウム、水酸化マグネシウムなどがスケールとして析出する。このようなスケールの析出は、ｐＨが高い部分で発生し易く、脱イオン水製造装置では、陰極室内の陰極表面やアニオン交換膜表面などの局所的にｐＨが高い部分でスケールの発生がしばしば見られる。こうした問題を解決するためには、スケール発生箇所のｐＨを下げることが有効であり、炭酸などのアニオン成分を供給できればｐＨを下げることができる。換言すれば、脱塩室から隣接する濃縮室へアニオン成分を供給すれば、スケールの発生を抑制することが可能である。

ここで図２を参照する。実施形態２に係る脱イオン水製造装置では、第１の濃縮室Ｃ１へは主に陰極側脱塩室Ｄ１から、第３の濃縮室Ｃ３へは主に陽極側脱塩室Ｄ２から、それぞれアニオン成分が供給される。よって、第３のアニオン交換膜ａ３や第５のアニオン交換膜ａ５の膜面上におけるスケールの発生は抑制される。しかし、最も陰極室側に位置している第２の濃縮室Ｃ２へのアニオン成分の供給量は、第１の濃縮室Ｃ１および第３の濃縮室Ｃ３への供給量に比べて少ない。すなわち、第３のアニオン交換膜ａ３や第５のアニオン交換膜ａ５の膜面上に比べて、第１のアニオン交換膜ａ１の膜面上はスケールが発生し易い状況にある。

一方、陰極室Ｅ１と第２の濃縮室Ｃ２との間に、アニオン交換体が充填された副脱塩室Ｓ１が設けられている本実施形態の脱イオン水製造装置では、副脱塩室Ｓ１から第２の濃縮室Ｃ２へアニオン成分が供給される。よって、第１のアニオン交換膜ａ１の膜面上における局所的なｐＨの上昇が抑制され、スケールの発生も抑制される。

さらに、副脱塩室Ｓ１に充填されているアニオン交換体は陰極室Ｅ１で生成されたＯＨ⁻により再生される。従って、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、陰極室Ｅ１で発生し、従来は利用されることなく捨てられていたＯＨ⁻がイオン交換体の再生に有効利用される。

加えて、陰極室Ｅ１におけるＯＨ⁻の生成効率は高いため、電位が低くても十分な量のＯＨ⁻が副脱塩室Ｓ１に移動する。このため、電極間の印加電圧を抑え、脱イオン水製造装置の運転費用を低減することができる。また、本実施形態では、副脱塩室Ｓ１が新たな脱塩室として追加されているが、それに伴い新たな濃縮室を追加する必要がない。つまり、相対的に濃縮室の数を減らすことができる。これは装置サイズ及び装置コストを抑えるだけでなく、印加電圧及び運転費用の低減にもつながる。

なお、本実施形態では、陰極室と陽極室との間に２つの脱塩処理部が設けられた例について説明したが、脱塩処理部は１つでも３つ以上であってもよい。例えば、図１に示す陰極室Ｅ１と第２の濃縮室Ｃ２との間に上記構成の副脱塩室を設けることもできる。

なお、図４に示す濃縮室Ｃ３に陽極を設けて陽極室Ｅ２を省略してもよい。
（比較試験２）
本実施形態に係る脱イオン水製造装置と実施形態２に係る脱イオン水製造装置をそれぞれ連続して１０００時間運転し、１００時間毎に処理水の水質を測定した。また運転終了後に装置を解体し、スケール発生の有無を目視で観察した。

今回の比較試験における仕様、通水流量、供給水等の条件は以下のとおりである。なお、ＣＥＲはカチオン交換体（カチオン交換樹脂）、ＡＥＲはアニオン交換体（アニオン交換樹脂）の略である。
・陰極室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・陽極室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極側第１小脱塩室および陽極側第１小脱塩室：寸法１００×３００×８ｍｍ ＡＥＲ充填
・陰極側第２小脱塩室および陽極側第２小脱塩室：寸法１００×３００×８ｍｍ ＡＥＲ／ＣＥＲ充填（積層）
・副脱塩室：寸法１００×３００×８ｍｍ ＡＥＲ充填
・濃縮室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・脱塩室流量：２０Ｌ/ｈ
・濃縮室流量：２Ｌ/ｈ
・電極室流量：１０Ｌ/ｈ
・脱塩室、濃縮室供給水：一段ＲＯ透過水１０±１μＳ/ｃｍ
・電極室供給水：脱塩室処理水
・印加電流値：０．４Ａ
かかる比較試験により、図５のグラフに示すような結果が得られた。また、１０００時間運転後、実施形態２の装置では最も陰極室側に位置している濃縮室にスケールが発生していることが目視で確認された。一方、本実施形態の装置では、全ての濃縮室においてスケールは全く確認されなかった。このことから、陰極室に隣接する副脱塩室を設置することで、最も陰極室側の濃縮室におけるスケール発生が抑制され、安定して高純度の脱イオン水が得られていることが明らかとなった。
（実施形態４）
次に、本発明の脱イオン水製造装置の実施形態の他例について説明する。本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、図１に示す第２小脱塩室Ｄ-２にバイポーラ膜が配置されている点においてのみ実施形態１に係る脱イオン水製造装置と相違し、その他においては共通の構成を備えている。そこで、上記相違点に関してのみ以下に説明し、共通点についての説明は省略する。なお、バイポーラ膜とは、アニオン交換膜とカチオン交換膜とが貼り合わされて一体化されたイオン交換膜であって、アニオン交換膜とカチオン交換膜の接合面において水の解離反応が非常に促進されるという特徴を有する。

図６は、本実施形態に係る脱イオン水製造装置が有する脱塩室Ｄを示す模式的断面図である。図６に示すように、第２小脱塩室Ｄ-２には、第１のバイポーラ膜４ａおよび第２のバイポーラ膜４ｂがそれぞれ配置されている。具体的には、第２小脱塩室Ｄ-２に充填されているアニオン交換体（アニオン交換体層）の陰極側には第１のバイポーラ膜４ａが配置され、カチオン交換体（カチオン交換体層）の陽極側には第２のバイポーラ膜４ｂが配置されている。さらに、第１のバイポーラ膜４ａは、そのアニオン交換膜２がアニオン交換体（アニオン交換体層）と対向するように配置され、第２のバイポーラ膜４ｂは、そのカチオン交換膜３がカチオン交換体（カチオン交換体層）と対向するように配置されている。換言すれば、第２小脱塩室Ｄ-２においては、アニオン交換体と第１のカチオン交換膜ｃ１との間に、第１のバイポーラ膜４ａが、そのアニオン交換膜２がアニオン交換体と対向するように配置されている。また、カチオン交換体と第２のアニオン交換膜（中間イオン交換膜）ａ２との間に、第２のバイポーラ膜４ｂが、そのカチオン交換膜３がカチオン交換体と対向するように配置されている。

ここで、脱イオン水製造装置では、電気により解離した水がイオン交換体の再生剤として機能することは既述の通りであるが、水の解離反応はイオン交換体とイオン交換膜との界面において促進される。よって、水の解離反応は、イオン交換体とイオン交換膜との組み合わせにより大きな影響を受ける。このため、図１に示す第２小脱塩室Ｄ-２のように、異符号のイオン交換体（アニオン交換体とカチオン交換体）が積層されている場合、水解離に必要な過電圧が各層で異なる。この結果、電流の偏流が発生し、所望の電流分布が得られない事態が生ずることも考えられる。

そこで、本実施形態に係る脱イオン水製造装置では、第２小脱塩室Ｄ-２に充填されているアニオン交換体（アニオン交換体層）の陰極側に、第１のバイポーラ膜４ａが上記のように配置されている。これにより、アニオン交換体は第１のカチオン交換膜ｃ１ではなく、第１のバイポーラ膜４ａのアニオン交換膜と接することになり、上記偏流が解消される。なお、既述したイオン交換体とイオン交換膜の組み合わせによる水の解離反応への影響の観点からは、第２小脱塩室Ｄ-２に充填されているアニオン交換体（アニオン交換体層）の陰極側にのみバイポーラ膜を配置すればよい。すなわち、図６に示す第１のバイポーラ膜４ａのみを配置し、第２のバイポーラ膜４ｂを省略することも可能である。しかし、この場合には、却ってアニオン交換体層とカチオン交換体層との間のバランスが崩れる場合もある。そこで、本実施形態では、アニオン交換体（アニオン交換体層）の陰極側と、カチオン交換体（カチオン交換体層）の陽極側の双方にバイポーラ膜をそれぞれ配置し、高電流密度での安定した運転の確実性をより一層向上させている。

なお、本実施形態では、陰極室と陽極室との間に１つの脱塩処理部が設けられた例について説明したが、脱塩処理部は２つ以上であってもよい。例えば、図２に示す陰極側第２小脱塩室Ｄ１-２および陽極側第２小脱塩室Ｄ２-２のそれぞれに上記第１及び第２のバイポーラ膜を配置してもよい。
（比較試験３）
本発明の効果を確認すべく、次のような比較試験を行った。すなわち、図１に示す第２小脱塩室Ｄ-２におけるバイポーラ膜の有無または配置個所が異なる４つの脱イオン水製造装置を用意した。

図７（ａ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（実施例３）の第２小脱塩室には、第１のバイポーラ膜４ａおよび第２のバイポーラ膜４ｂがそれぞれ配置されている。さらに、第１のバイポーラ膜４ａは、そのアニオン交換膜２がアニオン交換体（アニオン交換体層）と対向するように配置され、第２のバイポーラ膜４ｂは、そのカチオン交換膜３がカチオン交換体（カチオン交換体層）と対向するように配置されている。すなわち、当該脱イオン水製造装置は、本実施形態に係る脱イオン水製造装置と同一の脱塩室を備えている。

図７（ｂ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（比較例３）の第２小脱塩室には、バイポーラ膜は配置されていない。

図７（ｃ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（比較例４）の第２小脱塩室には、第１のバイポーラ膜４ａのみが配置されている。第１のバイポーラ膜４ａは、そのアニオン交換膜２がアニオン交換体（アニオン交換体層）と対向するように配置されている。

図７（ｄ）に示すように、当該脱イオン水製造装置（比較例５）の第２小脱塩室には、第２のバイポーラ膜４ｂのみが配置されている。第２のバイポーラ膜４ｂは、そのカチオン交換膜３がカチオン交換体（カチオン交換体層）と対向するように配置されている。

今回の比較試験において、各実施例および各比較例に共通する仕様、通水流量、供給水等の条件は以下のとおりである。なお、ＣＥＲはカチオン交換体（カチオン交換樹脂）、ＡＥＲはアニオン交換体（アニオン交換樹脂）の略である。
・陰極室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・陽極室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極側第１小脱塩室および陽極側第１小脱塩室：寸法１００×３００×８ｍｍ ＡＥＲ充填
・陰極側第２小脱塩室および陽極側第２小脱塩室：寸法１００×３００×８ｍｍ ＡＥＲ／ＣＥＲ充填（積層）
・濃縮室：寸法１００×３００×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・脱塩室流量：２０Ｌ/ｈ
・濃縮室流量：２Ｌ/ｈ
・電極室流量：１０Ｌ/ｈ
・脱塩室、濃縮室供給水：一段ＲＯ透過水１０±１μＳ/ｃｍ
・電極室供給水：脱塩室処理水
・印加電流値：３Ａ
以上の条件の下で実施例３および比較例３〜５に係る脱イオン水製造装置をそれぞれ２００時間連続運転し、運転開始時と運転開始から２００時間後の運転電圧と処理水の水質を測定した。測定結果を表２に示す。

表２に示すとおり、運転開始時には実施例と比較例の間において、運転電圧、処理水比抵抗はともに大きな差異は無かった。しかし、運転を２００時間連続で行った後では運転電圧、処理水比抵抗はそれぞれ大きく変化した。具体的には、実施例３では２００時間運転後の運転電圧が１６．２Ｖであったのに対し、比較例３〜５の運転電圧は５０〜１２０Ｖ程度に増大した。また、２００時間運転後の処理水の比抵抗は、実施例３では１８．１ＭΩ・ｃｍであったのに対し、比較例３〜５では１〜４ＭΩ・ｃｍであった。これらのことから、バイポーラ膜を水の解離反応が起こる部位の全てに設置することで電流の偏流が防止され、それにより運転電圧の増大や処理水純度の悪化を防止され、高純度の脱イオン水の製造が可能となることが確認された。

本実施形態では、イオン交換膜の上にバイポーラ膜を設置する構成について説明した。しかし、イオン交換膜の一部をバイポーラ膜で置換することも可能であり、かかる置換によっても上記と同様の作用効果が得られる。例えば、図６に示す第１のカチオン交換膜ｃ１の上半分（陰極側第２小脱塩室Ｄ-２内のアニオン交換体と接している部分）をバイポーラ膜に置換してもよい。また、図６に示す第２のアニオン交換膜（中間イオン交換膜）ａ２の下半分（陰極側第２小脱塩室Ｄ-２内のカチオン交換体と接している部分）をバイポーラ膜に置換してもよい。

本発明の脱イオン水製造装置に用いられる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。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。また、カチ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。

Claims (4)

1. 対向する陰極と陽極との間に少なくとも１つの脱塩処理部が設けられた電気式脱イオン水製造装置であって、
   前記脱塩処理部は、脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられるとともに、アニオン交換体が充填された一対の濃縮室とから構成され、
   前記脱塩室は、第１のアニオン交換膜によって、前記一対の濃縮室のうち前記陽極側に設けられた濃縮室に第２のアニオン交換膜を介して隣接する第１小脱塩室と、前記一対の濃縮室のうち前記陰極側に設けられた濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接する第２小脱塩室とに仕切られ、
   前記第１小脱塩室には、アニオン交換体が充填され、
   前記第２小脱塩室には、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、アニオン交換体とカチオン交換体とが充填されている、電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記第１小脱塩室には、アニオン交換体の層が一層形成され、
   前記第２小脱塩室には、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、アニオン交換体の層とカチオン交換体の層とが少なくとも一層ずつ積層されている、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 前記第２小脱塩室には、アニオン交換体の層とカチオン交換体の層とが交互に二層ずつ積層されている、請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 前記第２小脱塩室への被処理水の流入方向と、前記濃縮室への濃縮水の流入方向とが逆向きとなるように流路が形成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の電気式脱イオン水製造装置。

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