JP5770013B2 - 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、特に電極室に電極水を通水させる構成に関する。

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）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例えば、アニオン交換膜とカチオン交換膜との間に位置しイオン交換体が充填された脱塩室と、アニオン交換膜及びカチオン交換膜の外側に各々位置する濃縮室と、さらにその外側に位置する電極室（陽極室及び陰極室）と、を有している。

脱イオン水製造装置により脱イオン水を製造するには、電極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（脱塩）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→２Ｈ⁺＋２ＯＨ^-）。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、濃縮室に排出される。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。

従来の脱イオン水製造装置では、脱イオン水製造装置で処理される水（原水）の一部が、陽極室及び陰極室に電極水として供給されている。原水はＣａ²⁺，Ｍｇ²⁺等の硬度成分を含んでいる。一方、陰極室では水の電気分解によってＯＨ^-が発生し、陰極室を流れる電極水はアルカリ性に傾く。ＯＨ^-は硬度成分と反応し、Ｃａ（ＯＨ）₂、Ｍｇ（ＯＨ）₂等の水酸化物のスケールとなって電極に付着する。電極にスケールが付着すると、スケールの付着した部分で電極の電気抵抗が上昇し、脱イオン水製造装置の運転電圧の増加を招く。

このため、電極水中の硬度成分を抑えるために、脱イオン水製造装置の入口側に２段の逆浸透膜を備える技術、あるいは脱イオン水製造装置の入口側に軟化装置を備える技術が知られている。また、陰極室でのスケール生成を防止するため、硬度成分をほとんど含んでいない脱塩室出口水を電極水として用いる技術が知られている（特許文献１，２）。

特許第３８０１８２１号明細書 特許第３７８８３１８号明細書 特許第４４３９６７４号明細書

電極水として脱塩室出口水を用いる場合、陰極室に導入される水は脱塩水を流通した水である。このため、脱塩室の出口で既に大きな圧力低下が生じており、陰極室を流通するだけの圧力が確保できない場合がある。被処理水は通常、脱イオン水製造装置に導入される前にポンプによって昇圧され、十分な入口圧力で脱塩室に導入される。しかし、被処理水の流路が脱塩室と陰極室の直列構成となるため、陰極室の入口圧力を確保するために脱塩室の入口圧力をさらに高める必要が生じる。そのためには、ポンプの高揚程化が必要となるが、ポンプは一般に揚程を高めると流量が低下するため、ポンプの高揚程化は処理流量の低下につながる。揚程を高めかつ処理流量を維持するためには、ポンプの大型化と運転コストの増加が避けられない。

本発明は、コストの増加を抑えつつ硬度成分による陰極室でのスケール発生を抑制することができる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、各々が電極水が流通するようにされた陽極室及び陰極室と、陽極室と陰極室との間に位置し、アニオン交換体とカチオン交換体とが充填され、硬度成分を含む水が流通するようにされた脱塩室と、脱塩室に充填されたカチオン交換体の少なくとも一部を通過した水の一部を取り出し、昇圧して、陰極室に電極水として供給する電極水供給手段と、脱塩室の陰極室側で、カチオン交換膜を介して脱塩室に隣接する第１の濃縮室と、脱塩室の陽極室側で、アニオン交換膜を介して脱塩室に隣接する第２の濃縮室と、を有している。電極水供給手段は、脱塩室の出口配管と、出口配管から分岐する分岐配管と、分岐配管上にあって水の一部を昇圧するポンプと、ポンプの下流側で分岐配管から分岐し、第１の濃縮室と第２の濃縮室の少なくともいずれかに分岐配管の水の一部を供給する濃縮室接続流路と、を有している。

カチオン交換体の少なくとも一部を通過し硬度成分が減少した水の一部が電極水供給手段によって取り出され、陰極室に電極水として供給されるため、陰極室でのスケール発生を抑制することができる。取り出された水は昇圧されるため、脱塩室入口圧力を上げることなく、陰極室に供給される電極水（取り出された水）の圧力を確保することができる。昇圧されるのは脱塩室を流通する水の一部であり、脱塩室を流通する水全体を昇圧する必要がないため、昇圧に要する設備コスト及び運転コストを抑えることができる。

本発明によれば、コストの増加を抑えつつ硬度成分による陰極室でのスケール発生を抑制することができる電気式脱イオン水製造装置を提供することができる。

本発明の第１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。 本発明の第２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。 本発明の第３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。 本発明の第４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。 本発明の第５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。 本発明の第６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。 本発明の第７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。 本発明の第８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。 本発明の第９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。 実施例と比較例に係る脱イオン水製造装置の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の脱イオン水製造装置のいくつかの実施形態について説明する。本明細書では、「被処理水」は脱イオン水製造装置に流入する水と、脱イオン水製造装置の脱塩室でイオン交換処理を受けている途中の水を意味し、「処理水」は、脱イオン水製造装置で所定のイオン交換処理が全て終わり、所望の水質となって脱イオン水製造装置から流出する水を意味する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１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。脱イオン水製造装置１は、アニオン交換膜ａ１とカチオン交換膜ｃ１との間に位置しイオン交換体が充填された脱塩室Ｄと、カチオン交換膜ｃ１及びアニオン交換膜ａ１の外側に各々位置する第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２と、さらにその外側に位置する電極室（陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２）と、を有している。脱塩室Ｄの上流側に位置する脱イオン水製造装置１の入口配管１３には、被処理水が適切な入口圧力と流量で脱イオン水製造装置１に流入するように、給水ポンプ９が設けられている。図示は省略するが、給水ポンプ９と脱イオン水製造装置１との間にＲＯ（逆浸透膜）装置を設けることもできる。脱イオン水製造装置１の処理水の出口には出口配管１４が接続されている。

陰極室Ｅ１は陰極３を収容している。陰極３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。被処理水が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及び陽極室Ｅ２には電極水が流入する。後述するように、電極水は脱塩室Ｄで硬度成分が除去された処理水である。硬度成分の存在による陰極室Ｅ１でのスケール発生を防止するためには、陰極室Ｅ１を流れる電極水の一部、好ましくは全てが、脱塩室Ｄで硬度成分が除去された処理水であることが望ましい。

脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２にイオン交換体が充填されていることが好ましい。イオン交換体は陽極室Ｅ２と陰極室Ｅ１のいずれか一方だけに充填されてもよい。陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２に充填するイ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。陽極室Ｅ２に充填されるイオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体の単床形態、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。陰極室Ｅ１に充填されるイオン交換体の充填形態としては、アニオン交換体の単床形態、アニオン交換体とカチオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。

脱塩室Ｄは陽極室Ｅ２と陰極室Ｅ１との間に位置し、アニオン交換体とカチオン交換体とが充填され、硬度成分を含んだ被処理水が流通するようにされている。本実施形態の脱塩室Ｄは２つの小脱塩室からなる２室構成を採用している。すなわち、脱塩室Ｄは、第１の小脱塩室Ｄ１と第２の小脱塩室Ｄ２とを有し、第１の小脱塩室Ｄ１と第２の小脱塩室Ｄ２は、これらの間に位置する中間イオン交換膜ｍによって区画されている。第１の小脱塩室Ｄ１の出口と第２の小脱塩室Ｄ２の入口とは脱塩室接続流路１１で接続されている。図１では、脱塩室接続流路１１は一部のみが表示されているが、符号Ａ同士を結ぶ不図示のラインも脱塩室接続流路１１の一部を構成している。脱塩室接続流路１１は、第１の小脱塩室Ｄ１と第２の小脱塩室Ｄ２とを直列に連結し、第１の小脱塩室Ｄ１から流出した被処理水をさらに第２の小脱塩室Ｄ２に供給する。図１では、第１の小脱塩室Ｄ１と第２の小脱塩室Ｄ２における被処理水の流れは同一方向であるが、対向流であってもよい。

第１の小脱塩室Ｄ１には少なくともカチオン交換体が充填され、主に被処理水中のカチオン成分（Ｎａ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺等）が除去される。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。第１の小脱塩室Ｄ１にはアニオン交換体がさらに充填されていてもよい。第１の小脱塩室Ｄ１に充填されるイオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体の単床形態、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。

第２の小脱塩室Ｄ２には少なくともアニオン交換体が充填され、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）が除去される。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。第２の小脱塩室Ｄ２にはカチオン交換体がさらに充填されていてもよい。第２の小脱塩室Ｄ２に充填されるイオン交換体の充填形態としては、アニオン交換体の単床形態、アニオン交換体とカチオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。

中間イオン交換膜ｍの種類は、被処理水の水質、脱イオン水（処理水）に求められる水質、第１及び第２の小脱塩室Ｄ１，Ｄ２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ｍ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バイポーラ膜などの複合膜のいずれであってもよい。

第１の小脱塩室Ｄ１の陰極室Ｅ１側には、カチオン交換膜ｃ１を介して第１の小脱塩室Ｄ１に隣接する第１の濃縮室Ｃ１が設けられている。第２の小脱塩室Ｄ２の陽極室Ｅ２側には、アニオン交換膜ａ１を介して第２の小脱塩室Ｄ２に隣接する第２の濃縮室Ｃ２が設けられている。第１の濃縮室Ｃ１と陰極室Ｅ１とはアニオン交換膜ａ２で、第２の濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２とはカチオン交換膜ｃ２で、それぞれ仕切られている。アニオン交換膜ａ２の代わりにカチオン交換膜を、カチオン交換膜ｃ２の代わりにアニオン交換膜を設けることもできる。

第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２には、被処理水の一部、または他の水源から供給された水が流入する。第１の濃縮室Ｃ１に供給された水は、第１の小脱塩室Ｄ１から排出されるカチオン成分を取り込み、脱イオン水製造装置１の外部に放出する。第２の濃縮室Ｃ２に供給された水は、第２の小脱塩室Ｄ２から排出されるアニオン成分を取り込み、脱イオン水製造装置１の外部に放出する。脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２にイオン交換体が充填されていてもよい。

このように脱塩室Ｄが第１の小脱塩室Ｄ１と第２の小脱塩室Ｄ２の２つの小脱塩室に区画され、各々の外側に第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２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。しかも第１の小脱塩室Ｄ１と第２の小脱塩室Ｄ２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、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。

陰極室Ｅ１、陽極室Ｅ２、第１及び第２の小脱塩室Ｄ１，Ｄ２、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２は各々、積層され互いに密着して設けられた多数の枠体２（図では、全体を符号２で示している）によって形成された内部空間に形成されている。枠体２の材料は、絶縁性を有し被処理水が漏洩しないもの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。

脱イオン水製造装置１はさらに、脱塩室Ｄに充填されたカチオン交換体の少なくとも一部を通過した被処理水または処理水の一部を取り出し、昇圧して、陰極室Ｅ１に電極水として供給する電極水供給手段５を有している。本実施形態では、電極水供給手段５は、第２の小脱塩室Ｄ２の出口から処理水の一部を分取し、陰極室Ｅ１の入口に処理水を電極水として供給する陰極室接続流路６と、陰極室接続流路６上に設けられた昇圧ポンプ８と、を有している。陰極室接続流路６は、出口配管１４から分岐し枠体２の外を延びる配管である。図示は省略するが、陰極室接続流路６の、例えば昇圧ポンプ８の前後に弁を設けることができる。

陰極室Ｅ１の出口と陽極室Ｅ２の入口は電極室接続流路１２によって接続されている。図１では、電極室接続流路１２は一部のみが表示されているが、符号Ｂ同士を結ぶ不図示のラインも電極室接続流路１２の一部を構成している。電極室接続流路１２は例えば、枠体２の外を延びる配管である。図１では、陰極室Ｅ１と陽極室Ｅ２における電極水の流れは同一方向であるが、対向流であってもよい。さらに、陰極室Ｅ１、陽極室Ｅ２における電極水の流れの向き、第１の小脱塩室Ｄ１、第２の小脱塩室Ｄ２における被処理水の流れの向きは任意の方向とすることができ（図１において、右向きでも左向きでもよい）、個々の部屋毎に決定することができる。また、陰極室Ｅ１と第１の濃縮室Ｃ１を一体化してもよく、陽極室Ｅ２と第２の濃縮室Ｃ２を一体化してもよい。

次に、被処理水の流れと脱イオンの原理について説明する。給水ポンプ９を起動し、入口配管１３を通して、硬度成分を含んだ被処理水を第１の小脱塩室Ｄ１及び第２の小脱塩室Ｄ２に順次流入させる。脱塩室Ｄ（第１の小脱塩室Ｄ１）の入口における被処理水の圧力は０．１ＭＰａ以上、０．４ＭＰａ以下であることが望ましい。第２の小脱塩室Ｄ２を流出した処理水は出口配管１４を通って脱イオン水製造装置１の外部に送出されるとともに、その一部が陰極室接続流路６を通って、陰極室Ｅ１に電極水として流入する。この電極水は陰極室Ｅ１を流出した後、電極室接続流路１２を通って、陽極室Ｅ２に流入する。被処理水の一部を第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２に流入させてもよい。この状態で、陽極陰極間に所定の電圧を印加する。

被処理水は、第１の小脱塩室Ｄ１でカチオン成分が除去される。具体的には、Ｎａ⁺等のカチオン成分が、第１の小脱塩室Ｄ１で、第１の小脱塩室Ｄ１に充填されたカチオン交換体に吸着される。脱塩室Ｄでは、水分解反応によって水が水素イオン（Ｈ⁺）と水酸化物イオン（ＯＨ^-）とに解離する反応が連続的に進行している。Ｈ⁺はカチオン交換樹脂に吸着したＮａ⁺等のカチオン成分と交換され、第１の小脱塩室Ｄ１に充填されたカチオン交換体が再生される。除去されたＮａ⁺等のカチオンは陽極陰極間の電位によって陰極側に引き寄せられ、カチオン交換膜ｃ１を通過して第１の濃縮室Ｃ１に流入し、脱イオン水製造装置１の外部に放出される。

このようにしてＮａ⁺等のカチオン成分が除去された被処理水は、第２の小脱塩室Ｄ２に流入する。被処理水は、第２の小脱塩室Ｄ２でアニオン成分が除去される。具体的には、Ｃｌ^-等のアニオン成分が、第２の小脱塩室Ｄ２で、第２の小脱塩室Ｄ２に充填されたアニオン交換体に吸着される。第２の小脱塩室Ｄ２では、水分解反応によって生成したＯＨ^-がアニオン交換樹脂に吸着したＣｌ^-等のアニオン成分と交換され、アニオン交換体が再生される。除去されたＣｌ^-等のアニオン成分は陽極陰極間の電位によって陽極側に引き寄せられ、アニオン交換膜ａ１を通過して第２の濃縮室Ｃ２に流入し、脱イオン水製造装置１の外へ放出される。

陰極室Ｅ１には第１の小脱塩室Ｄ１（及び場合により第２の小脱塩室Ｄ２）で、カチオン成分、具体的には硬度成分が除去された処理水が流入する。このため、陰極室Ｅ１におけるＯＨ^-と硬度成分との反応が抑えられ、陰極室Ｅ１でのスケール発生と電極３へのスケール付着が抑制される。電極３の表面での電気抵抗の局所的な増加が抑えられ、陽極陰極間に印加する電圧が小さくて済む。このため、脱イオン水製造装置１の運転コストを抑えることができる。

電極水は陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２を流通するため、陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２（さらに電極室接続流路１２）での圧力損失の総和以上の入口圧力で陰極室Ｅ１に流入する必要がある。昇圧ポンプ８は、この必要入口圧力以上の圧力が陰極室Ｅ１の入口で得られるように、陰極室Ｅ１に流入する処理水を昇圧する。もし昇圧ポンプ８が設けられていないと、陰極室Ｅ１の必要入口圧力は給水ポンプ９によって与えられる必要がある。しかし、そのために給水ポンプ９の揚程を高めると、ポンプ流量が減少する。ポンプの揚程を高めつつ同じポンプ流量を確保しようとすると、ポンプの大型化を招く。また、電極水として利用される処理水は全体の一部であるにも拘わらず、脱塩室に流入する被処理水全体を昇圧する必要があるため、給水ポンプ９のポンプ動力の無駄が生じる。

これに対し、本実施形態では、電極水として利用される処理水だけに陰極室Ｅ１の必要入口圧力を与えるため、小型のポンプで十分であり、給水ポンプ９の大型化と比べて費用及び運転コストの面で有利である。特に、本実施形態では脱イオン水製造装置１に供給された水が、第１の小脱塩室Ｄ１、第２の小脱塩室Ｄ２、陰極室Ｅ１、及び陽極室Ｅ２を直列で順次流通するため、圧力損失が高くなりやすく、本発明が好適に適用できる。

本実施形態では、２つの小脱塩室Ｄ１，Ｄ２を通過した処理水を電極水として用いるため（すなわち硬度成分が除去されているため）、被処理水がまず第２の小脱塩室Ｄ２に流入し、次に第１の小脱塩室Ｄ１に流入するようにしてもよい。

次に、本発明の脱イオン水製造装置１の他の実施形態について説明する。以降の説明では、主に第１の実施形態または先行して説明される実施形態との差異について述べる。

（第２の実施形態）図２は、本発明の第２の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。電極水供給手段５の陰極室接続流路６は、第１の小脱塩室Ｄ１の出口と第２の小脱塩室Ｄ２の入口との間から被処理水の一部を分取する。すなわち、第１の実施形態と併せて考えれば、被処理水の一部は、被処理水の流れ方向における少なくとも第１の小脱塩室Ｄ１の下流側で分取されればよい。昇圧ポンプ８は陰極室接続流路６上に設けられ、陰極室Ｅ１の入口に被処理水を電極水として供給する。本実施形態では、第１の小脱塩室Ｄ１を流出した被処理水の一部が電極水として使用される。第１の小脱塩室Ｄ１はカチオン交換樹脂が（または主にカチオン交換樹脂が）充填されているため、硬度成分は第１の小脱塩室Ｄ１で十分に、または相当程度除去することができる。陰極室Ｅ１に供給される電極水は第２の小脱塩室Ｄ２を通っていないため、脱塩室出口（第１の小脱塩室Ｄ１の出口）での圧力損失が小さく、昇圧ポンプ８を小型化することができる。

（第３の実施形態）図３は、本発明の第３の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。昇圧ポンプ８の下流側で、陰極室接続流路６から濃縮室接続流路１６が分岐している。濃縮室接続流路１６は、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２またはそれらのいずれか一方に被処理水を供給する。図では、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２を流れる水は脱塩室Ｄを流れる被処理水と対向流となっているが、同一方向に流れるようにしてもよい。本実施形態では、被処理水がまず第２の小脱塩室Ｄ２に流入し、次に第１の小脱塩室Ｄ１に流入するようにしてもよい。

第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２に被処理水、または他の水源からの水が供給される場合、これらの水はアニオン成分及びカチオン成分を相当量含有している。第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２には脱塩室Ｄで被処理水から除去されたアニオン成分及びカチオン成分が流入するため、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２を流れる水のアニオン成分及びカチオン成分の量は、第１及び第２の小脱塩室Ｄ１，Ｄ２中の被処理水のそれと比べて大きくなる。例えば、第１の小脱塩室Ｄ１でイオン交換によって除去された硬度成分はカチオン交換膜ｃ１を通って第１の濃縮室Ｃ１に流入する。第１の濃縮室Ｃ１に被処理水を供給した場合、第１の濃縮室Ｃ１を流れる水には被処理水に元々含まれる硬度成分が存在している。このため、第１の濃縮室Ｃ１に含まれる硬度成分と、第１の小脱塩室Ｄ１（特に出口付近）の被処理水に含まれる硬度成分と、の比率は非常に大きなものとなる。この結果、第１の濃縮室Ｃ１に含まれる硬度成分が電位に逆らって第１の小脱塩室Ｄ１に逆流する可能性がある。第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２にアニオン成分及びカチオン成分の少ない被処理水を供給することで、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２におけるアニオン成分及びカチオン成分の濃度を下げることができ、逆流のおそれが低減する。

（第４の実施形態）図４は、本発明の第４の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。電極水供給手段５は、第２の小脱塩室Ｄ２の出口から処理水の一部を分取し、陽極室Ｅ２の入口に処理水を供給する陽極室接続流路７を有している。昇圧ポンプ８は陽極室接続流路７上に設けられている。陽極室Ｅ２の出口と陰極室Ｅ１の入口とは電極室接続流路１２で接続されている。本実施形態では、処理水はまず陽極室Ｅ２に流入し、次に陰極室Ｅ１に流入する。この場合でも、陰極室Ｅ１に流入する処理水には硬度成分がほとんど含まれないため、陰極室Ｅ１でのスケール発生を抑制することができる。本実施形態では、被処理水がまず第２の小脱塩室Ｄ２に流入し、次に第１の小脱塩室Ｄ１に流入するようにしてもよい。

（第５の実施形態）図５は、本発明の第５の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。本実施形態は第４の実施形態と同様の構成であるが、陽極室接続流路７は、第１の小脱塩室Ｄ１の出口と第２の小脱塩室Ｄ２の入口との間から被処理水の一部を分取し、陽極室Ｅ２に供給する。すなわち、第４の実施形態と併せて考えれば、被処理水の一部は、被処理水の流れ方向における少なくとも第１の小脱塩室Ｄ１の下流側で分取されればよい。昇圧ポンプ８は陽極室接続流路７上に設けられ、陽極室Ｅ２の出口と陰極室Ｅ１の入口とは電極室接続流路１２で接続されている。本実施形態では、第２の実施形態と同様、脱塩室出口圧力が高いため、昇圧ポンプ８の小型化が可能である。

（第６の実施形態）図６は、本発明の第６の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。本実施形態は第３の実施形態と同様の構成であるが、昇圧ポンプ８の下流側で、陽極室接続流路７から濃縮室接続流路１６が分岐している。濃縮室接続流路１６は、第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２またはそれらのいずれか一方に被処理水を供給する本実施形態の効果は第３の実施形態と同様である。本実施形態では、被処理水がまず第２の小脱塩室Ｄ２に流入し、次に第１の小脱塩室Ｄ１に流入するようにしてもよい。

（第７の実施形態）図７は、本発明の第７の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。本実施形態では、第１の実施形態に対し、第１及び第２の副脱塩室Ｓ１，Ｓ２が追加されている。第１の副脱塩室Ｓ１は第２の濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ２との間に設けられ、それぞれカチオン交換膜ｃ２とカチオン交換膜ｃ３とによって仕切られている。第２の副脱塩室Ｓ２は第１の濃縮室Ｃ１と陰極室Ｅ１との間に設けられ、それぞれアニオン交換膜ａ２とアニオン交換膜ａ３で仕切られている。第１の副脱塩室Ｓ１は第１の脱塩室Ｄ１と同様の構成を有しているが、カチオン交換体だけが単床充填されている。第２の副脱塩室Ｓ２は第２の脱塩室Ｄ２と同様の構成を有しているが、アニオン交換体だけが単床充填されている。

第１の副脱塩室Ｓ１は第１の脱塩室Ｄ１と並列に接続されており、第２の副脱塩室Ｓ２は第２の脱塩室Ｄ２と並列に接続されている。一方、第１の脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１と、第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２とは、脱塩室接続流路１１によって、直列に接続されている。第１の副脱塩室Ｓ１と第２の副脱塩室Ｓ２のいずれか一方または両方を省略することもできる。本実施形態では、被処理水がまず第１の小脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１に流入し、次に第２の小脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２に流入するが、まず第２の小脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２に流入し、次に第１の小脱塩室Ｄ１及び第１の副脱塩室Ｓ１に流入するようにしてもよい。

第１の副脱塩室Ｓ１では、Ｎａ⁺等のカチオン成分は、第１の副脱塩室Ｓ１に充填されたカチオン交換体に吸着される。陽極室Ｅ２では、電気分解反応（２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-)によって水から酸素ガスとＨ⁺とが生成される反応が、連続的に進行している。酸素ガスは陽極室Ｅ２内を上昇し、電極水とともに脱イオン水製造装置１の外へ排出される。Ｈ⁺は第３のカチオン交換膜ｃ３を通って第１の副脱塩室Ｓ１に流入する。第１の副脱塩室Ｓ１に流入したＨ⁺は、カチオン交換体に吸着したカチオン成分と交換され、カチオン交換体が再生される。除去されたＮａ⁺等のカチオン成分は陽極陰極間の電位によって陰極側に引き寄せられ、第２のカチオン交換膜ｃ２を通過して第２の濃縮室Ｃ２に流入し、脱イオン水製造装置１の外に放出される。

第２の副脱塩室Ｓ２では、Ｃｌ^-等のアニオン成分は、第２の副脱塩室Ｓ２に充填されたアニオン交換体に吸着される。陰極室Ｅ１では、電気分解反応（２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-)によって水から水素ガスとＯＨ^-とが生成される反応が、連続的に進行している。水素ガスは陰極室Ｅ１内を上昇し、電極水とともに脱イオン水製造装置１の外へ排出される。ＯＨ^-は第３のアニオン交換膜ａ３を通って第２の副脱塩室Ｓ２に流入し、アニオン交換体に吸着したアニオン成分と交換され、アニオン交換体が再生される。除去されたＣｌ^-等のアニオン成分は陽極陰極間の電位によって陽極側に引き寄せられ、第２のアニオン交換膜ａ２を通過して第１の濃縮室Ｃ１に流入する。第２の脱塩室Ｄ２及び第２の副脱塩室Ｓ２でアニオン成分が除去された被処理水は合流し、脱イオン水となって脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

このように、本実施形態によれば、陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２で発生し、従来は利用されることなく捨てられていたＨ⁺及びＯＨ^-をイオン交換体の再生に有効利用することができる。陽極室Ｅ２及び陰極室Ｅ１におけるＨ⁺及びＯＨ^-の生成効率は高いため、電圧が低くても十分な量のＨ⁺及びＯＨ^-が第１の副脱塩室Ｓ１及び第２の副脱塩室Ｓ２に移動する。このため、陽極陰極間の印加電圧を抑え、脱イオン水製造装置１の運転費用を低減することができる。

（第８の実施形態）図８は、本発明の第８の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。本実施形態では、各々が第１及び第２の小脱塩室を備えた２つの脱塩室が設けられている。図８に示す実施形態は、図１に示す実施形態と比較すると、脱塩室Ｄ’と第２の濃縮室Ｃ２’が追加されている。脱塩室Ｄ’は脱塩室Ｄと同じ構成であり、第１の小脱塩室Ｄ１’と第２の小脱塩室Ｄ２’を備え、これらの小脱塩室Ｄ１’，Ｄ２’が中間イオン交換膜ｍ’で仕切られている。脱塩室Ｄ’に充填されるイオン交換体等は脱塩室Ｄと同じとすることができる。

第１の小脱塩室Ｄ１’の陰極室Ｅ１側には、カチオン交換膜ｃ１’を介して第１の小脱塩室Ｄ１’に隣接する第１の濃縮室Ｃ１’が設けられている。第１の濃縮室Ｃ１’は第２の濃縮室Ｃ２と共用されている。第２の小脱塩室Ｄ２’の陽極室Ｅ２側には、アニオン交換膜ａ１’を介して第２の小脱塩室Ｄ２’に隣接する第２の濃縮室Ｃ２’が設けられている。第２の濃縮室Ｃ２’と陽極室Ｅ２はカチオン交換膜ｃ２で仕切られている。

被処理水は脱イオン水製造装置１の手前で分岐して、第１の小脱塩室Ｄ１，Ｄ１’に流入する。被処理水の一部は第１及び第２の濃縮室Ｃ１，Ｃ２（Ｃ１’），Ｃ２’に流入する。第１の小脱塩室Ｄ１，Ｄ１’を流出した被処理水は一旦合流し、脱塩室接続流路１１を通って分岐し、第２の小脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に流入する。図７では、脱塩室接続流路１１は一部のみが表示されているが、符号Ａ同士を結ぶ不図示のラインも脱塩室接続流路１１の一部を構成している。第２の小脱塩室Ｄ２，Ｄ２’を流出した処理水は合流し、その後一部の処理水が陰極室接続流路６を通り、昇圧ポンプ８で昇圧されて、陰極室Ｅ１に流入する。本実施形態では、被処理水がまず第２の小脱塩室Ｄ２，Ｄ２’に流入し、次に第１の小脱塩室Ｄ１，Ｄ１’に流入するようにしてもよい。

このように、脱塩室を複数個設け、各脱塩室に並行に被処理水を通水することによって、大量の被処理水を効率的に処理することが可能である。この場合も、陰極室Ｅ１には少なくとも一部のカチオン成分が除去された処理水が流入するため、陰極室Ｅ１でのスケール発生を抑制することができる。本実施形態は第１の実施形態に対応しているが、第２〜第６と同様に、脱塩室からの被処理水（処理水）の取り出し位置、陽極室Ｅ２と陰極室Ｅ１の通水順序、脱塩室で処理された処理水の濃縮室への供給の有無を変更することができる。脱塩室の数は２つに限定されず、必要に応じて３つ以上を並列配置することができる。

（第９の実施形態）図９は、本発明の第９の実施形態に係る脱イオン水製造装置１の概略構成図である。本実施形態では、脱塩室は従来公知の脱塩室１室構成である。脱イオン水製造装置１は、濃縮室Ｃ１〜Ｃ３と、濃縮室Ｃ１〜Ｃ３の間に各々アニオン交換膜ａ１とカチオン交換膜ｃ１を介して位置する第１及び第２の脱塩室Ｄ３，Ｄ４と、濃縮室Ｃ１，Ｃ３の外側に各々アニオン交換膜ａ２及びカチオン交換膜ｃ２を介して位置する電極室（陰極室Ｅ１及び陽極室Ｅ２）と、を有している。各脱塩室Ｄ３，Ｄ４にはカチオン交換体とアニオン交換体とが充填され、一つの脱塩室でカチオン除去とアニオン除去が行われる。カチオン交換体とアニオン交換体は混床形態または複床形態で充填されることが望ましい。被処理水は脱イオン水製造装置１の手前で分岐し、第１及び第２の脱塩室Ｄ３，Ｄ４に流入する。第１及び第２の脱塩室Ｄ３，Ｄ４のそれぞれで、カチオン成分とアニオン成分が分離され、隣接する濃縮室Ｃ１〜Ｃ３に放出される。処理水は第１及び第２の脱塩室Ｄ３，Ｄ４の出口配管１４を通って、脱イオン水製造装置１の外で合流し、その一部が陰極室接続流路６を通って陰極室Ｅ１に供給される。その際、陰極室Ｅ１に供給される処理水は、陰極室接続流路６に位置する昇圧ポンプ８によって昇圧される。脱塩室１室構成は構造が単純であり、要求水質によってはこのような構成を採用することもできる。本実施形態でも、陽極室Ｅ２と陰極室Ｅ１の通水順序、脱塩室で処理された処理水の濃縮室への供給の有無を変更することができる。脱塩室の数は２つに限定されず、必要に応じて３つ以上を並列配置することができる。

（実施例）
図１０に示す構成の脱イオン水製造装置を用いて、脱塩室入口圧力と脱塩室入口流量の関係を検討した。図１０（ａ）は本発明の一実施例を示しており、脱イオン水製造装置の構成は図１に示す第１の実施形態と同様とした。脱塩室Ｄはカチオン交換樹脂が主に充填された第１の小脱塩室と、アニオン交換樹脂が主に充填された第２の小脱塩室とからなり、まずカチオン交換が主に行われ、次にアニオン交換が主に行われる。脱塩室入口の被処理水の圧力は０．２０ＭＰａ、流量は１７００Ｌ／ｈであった。このときの脱塩室出口の処理水の圧力は０．００ＭＰａであり、その一部が昇圧ポンプ８によって圧力０．０６ＭＰａまで昇圧された。陰極室Ｅ１に電極水として供給される被処理水の流量は２０Ｌ／ｈであった。つまり、昇圧ポンプが設けられた本実施例では、１７００Ｌ／ｈの被処理水の処理が可能であった。

図１０（ｂ）は第１の比較例を示しており、図１０（ａ）に示す実施例から昇圧ポンプを除去したことを除き、実施例と同じ構成である。陰極室Ｅ１の入口圧力及び陰極室Ｅ１の流量は実施例と同じとし、脱塩室入口圧力も実施例と同じとした。第１の比較例では昇圧ポンプ８がないため、脱塩室出口で圧力０．０６ＭＰａの出口圧力を確保する必要がある。そのためには、給水ポンプ９の流量を下げる必要があり、この比較例では１１００Ｌ／ｈであった。

図１０（ｃ）は第２の比較例を示しており、図１０（ａ）に示す実施例から昇圧ポンプを除去したことを除き、実施例と同じ構成である。陰極室の入口圧力及び陰極室の流量は実施例と同じとし、脱塩室への流量を実施例と同じ１７００Ｌ／ｈとした。第２の比較例でも昇圧ポンプ８がないため、脱塩室出口で０．０６ＭＰａの出口圧力を確保する必要がある。そのためには、給水ポンプ９の吐出圧（脱塩室入口圧力）を上げる必要があり、この比較例では０．２６ＭＰａであった。これは給水ポンプ９の大型化が必要なことを意味する。

このように昇圧ポンプを設けずに同じ給水ポンプを用いた場合、処理可能な流量が大幅に低下し（第１の比較例）、処理可能な流量を同程度に維持しようするとポンプが大型化する（第２の比較例）。実施例に示すように、一般に昇圧ポンプで負担する流量及び揚程は給水ポンプと比べてはるかに小さく、小型のポンプで十分である。

Ｄ 脱塩室
Ｄ１ 第１の小脱塩室
Ｄ２ 第２の小脱塩室
Ｃ１ 第１の濃縮室
Ｃ２ 第２の濃縮室
Ｅ１ 陰極室
Ｅ２ 陽極室
ａ１ アニオン交換膜
ｃ１ カチオン交換膜
ｍ 中間イオン交換膜
１ 脱イオン水製造装置
５ 電極水供給手段
６ 陰極室接続流路
７ 陽極室接続流路
８ 昇圧ポンプ
９ 給水ポンプ
１１ 脱塩室接続流路
１２ 電極室接続流路
１３ 入口配管
１４ 出口配管
１６ 濃縮室接続流路

Claims (8)

1. 各々が電極水が流通するようにされた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、アニオン交換体とカチオン交換体とが充填され、硬度成分を含む水が流通するようにされた脱塩室と、
   前記脱塩室に充填された前記カチオン交換体の少なくとも一部を通過した前記水の一部を取り出し、昇圧して、前記陰極室に電極水として供給する電極水供給手段と、
   前記脱塩室の前記陰極室側で、カチオン交換膜を介して前記脱塩室に隣接する第１の濃縮室と、
   前記脱塩室の前記陽極室側で、アニオン交換膜を介して前記脱塩室に隣接する第２の濃縮室と、を有し、
   前記電極水供給手段は、前記脱塩室の出口配管と、前記出口配管から分岐する分岐配管と、前記分岐配管上にあって前記水の一部を昇圧するポンプと、前記ポンプの下流側で前記分岐配管から分岐し、前記第１の濃縮室と前記第２の濃縮室の少なくともいずれかに前記分岐配管の水の一部を供給する濃縮室接続流路と、を有している、電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記脱塩室は、少なくとも前記カチオン交換体が充填された第１の小脱塩室と、少なくとも前記アニオン交換体が充填された第２の小脱塩室と、前記第１の小脱塩室と前記第２の小脱塩室との間に位置するイオン交換膜と、前記第１の小脱塩室と前記第２の小脱塩室とを直列に接続する脱塩室接続流路と、を有し、
   前記第１の濃縮室は前記第１の小脱塩室の前記陰極室側で、カチオン交換膜を介して前記第１の小脱塩室に隣接し、
   前記第２の濃縮室は前記第２の小脱塩室の前記陽極室側で、アニオン交換膜を介して前記第２の小脱塩室に隣接する、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. ２以上の前記脱塩室が設けられ、各脱塩室の前記陰極室側に前記第１の濃縮室が、各脱塩室の前記陽極室側に前記第２の濃縮室が設けられ、隣接する前記脱塩室に挟まれる前記第１及び第２の濃縮室は共用されている、請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 前記分岐配管は、前記水の流れ方向における少なくとも前記第１の小脱塩室の下流側で前記水の一部を分取し、前記陰極室の入口に分取した前記水を供給する陰極室接続流路である、請求項２または３に記載の電気式脱イオン水製造装置。
5. 前記陰極室の出口と前記陽極室の入口とを接続する電極室接続流路を有する、請求項４に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記陽極室の出口と前記陰極室の入口とを接続する電極室接続流路を有し、
   前記分岐配管は、前記水の流れ方向における少なくとも前記第１の小脱塩室の下流側で前記水の一部を分取し、前記陽極室の入口に分取した前記水を供給する陽極室接続流路である、請求項２または３に記載の電気式脱イオン水製造装置。
7. 前記陽極室と前記陰極室の少なくともいずれかにイオン交換樹脂が充填されている、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。
8. 前記脱塩室の入口における前記水の圧力は０．１ＭＰａ以上、０．４ＭＰａ以下である、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。

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