JP5935079B2 - 再生式軟水化装置 - Google Patents

Description

本発明は、再生式軟水化装置に関し、特に、カルシウムやマグネシウムなどの硬度成分の陽イオンを除去することにより水を軟水化する再生式軟水化装置に関する。

従来、薬剤を使用しない再生式の軟水化技術として、電気分解および水分解イオン交換膜を用いて硬度成分の陽イオンを除去し、かつ水分解イオン交換膜を再生することができる技術がある（たとえば、特許文献１参照）。

この水分解イオン交換膜は、たとえば、陽イオン交換面および陰イオン交換面を含む。陽イオン交換面が第１の電極に対向するように、水分解イオン交換膜が第１の電極と第２の電極との間に配置される。

溶液中から陽イオンの除去する脱イオン工程では、第１の電極が陽極となり、第２の電極が陰極となるように、電圧が印加される。溶液中の陽イオンが水分解イオン交換膜の陽イオン交換面に吸着することにより、溶液中から陽イオンが除去されて、溶液が軟水化される。

陽イオン交換面に陽イオンが吸着した水分解イオン交換膜を再生する再生工程では、第１の電極が陰極となり、第２の電極が陽極となるように、電圧が印加される。水分解イオン交換膜の陽イオン交換面と陰イオン交換面との界面で水が水素イオンおよび水酸化物イオンに分解する。水素イオンは陽イオン交換面に吸着し、この陽イオン交換面に吸着していた陽イオンが放出される。このようにイオン交換が行われ、水分解イオン交換膜が再生される。

特許第４０４４１４８号公報

しかし、上記従来技術の脱イオン工程では、電圧が印加されることにより陽イオンが陽イオン交換面に積極的に拡散されている。このため、再生行程に加えて脱イオン工程においても電力が消費される。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて電力の消費を抑えた再生式軟水化装置を提供することを目的としている。

本発明のある態様に係る、再生式軟水化装置は、陰極および陽極を含む電極と、一方の面に陽イオン交換面を有し、他方の面に陰イオン交換面を有し、かつ前記陰イオン交換面が前記陽極を向くとともに前記陽イオン交換面が前記陰極を向くように前記陰極と前記陽極との間に積層された１以上の水分解イオン交換膜と、前記陰極、前記陽極および１以上の前記水分解イオン交換膜を収容するケーシングと、を備え、前記ケーシングは、それぞれ処理用水の入り口及び出口である第１入口および第１出口と、それぞれ再生用水の入り口及び出口である第２入口および第２出口とを有し、前記第１入口と前記第１出口との間の前記処理用水の差圧が、前記処理用水と同流量における前記第２入口と前記第２出口との間の前記再生用水の差圧より大きい。

本発明は、再生式軟水化装置において電力の消費を抑えることが可能であるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る再生式軟水化装置を模式的に示した横断面図である。 （ａ）は、陰極を模式的に示した側面図であり、（ｂ）は、陽極を模式的に示した側面図である。 図１の再生式軟水化装置に用いられる水分解多孔質イオン交換膜を模式的に示した側面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態２に係る再生式軟水化装置を模式的に示した横断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の再生式軟水化装置を模式的に示した縦断面図である。 本発明の実施の形態３に係る再生式軟水化評価装置を模式的に示した斜視図である。 図５の再生式軟水化装置を模式的に示した縦断面図である。 図５の再生式軟水化装置を模式的に示した横断面図である。 図５の再生式軟水化装置に用いられるスペーサを示す平面図である。 図５の再生式軟水化工程における処理用水の流れを表す概念図である。 図５の再生式再生行程における再生用水の流れを表す概念図である。 本発明の実施の形態４に係る再生式軟水化評価装置を模式的に示した斜視図である。 図１１の再生式軟水化装置を模式的に示した縦断面図である。 実施例１に用いられた第１軟水化評価装置を模式的に示した断面図である。 実施例１および２に用いられた第２軟水化評価装置を模式的に示した断面図である。 カルシウム除去能力（軟水化能力）と、流水時間との関係を示すグラフである。 カルシウム脱離能力（イオン交換膜の再生能力）と、流水時間との関係を示すグラフである。

本発明の第１の発明に係る再生式軟水化装置は、陰極および陽極と、一方の面に陽イオン交換面を有し、他方の面に陰イオン交換面を有し、かつ前記陰イオン交換面が前記陽極を向くとともに前記陽イオン交換面が前記陰極を向くように前記陰極と前記陽極との間に積層された１以上の水分解イオン交換膜と、前記陰極、前記陽極および１以上の前記水分解イオン交換膜を収容するケーシングと、を備え、前記ケーシングは、それぞれ処理用水の入り口及び出口である第１入口および第１出口と、それぞれ再生用水の入り口及び出口である第２入口および第２出口とを有し、前記第１入口と前記第１出口との間の前記処理用水の差圧が、前記処理用水と同流量における前記第２入口と前記第２出口との間の前記再生用水の差圧より大きい。

この構成によれば、処理用水の軟水化時には、処理用水の差圧が大きいことから、処理用水に含まれる硬度成分イオンとイオン交換膜とが接触する時間および面積が大きくなる。このため、硬度成分イオンがイオン交換膜により効率的に除去されるため、電圧の印加が必要なく、電力の消費が抑えられる。

また、再生用水によるイオン交換膜の再生時には、電極に電圧が印加されて、水分解イオン交換膜で水が分解されて、水素イオンが発生する。この水素イオンにより水分解イオン交換膜に吸着した硬度成分イオンが脱離し、水分解イオン交換膜が再生される。この時、再生用水の差圧が小さいことにより、再生用水はスムーズに流れて脱離した硬度成分イオンを排出する。よって、脱離した硬度成分が水分解イオン交換膜に再度吸着しづらく、イオン交換膜を再生する効率が向上する。

本発明の第２の発明に係る再生式軟水化装置では、第１の発明に係る再生式軟水化装置において、前記処理用水の第１入口および第１出口を結ぶ直線と前記再生用水の第２入口および第２出口を結ぶ直線とが垂直になるように、前記第１入口、前記第１出口、前記第２入口および前記第２出口が設けられてもよい。

この構成によれば、第１入口と第１出口との間で生じる処理用水の差圧が、第２入口と第２出口との間で生じる再生用水の差圧より大きく設定することができる。これにより、電力消費が抑制されるとともに、イオン交換膜の生成効率が向上することができる。

本発明の第３の発明に係る再生式軟水化装置では、第１または第２の再生式軟水化装置において、前記水分解イオン交換膜が、前記処理用水の第１入口および第１出口を結ぶ直線に対して垂直であって、前記再生用水の第２入口および第２出口を結ぶ直線に対して平行に設けられてもよい。

この構成によれば、処理用水の軟水化時には、処理用水は水分解イオン交換膜に対して垂直に流れる。このため、処理用水中の硬度成分イオンと水分解イオン交換膜との接触確率が高まり、硬度成分イオンが効率よく吸着され、軟水化効率が向上する。

また、水分解イオン交換膜の再生時には、再生用水は水分解イオン交換膜に対して平行に流れる。このため、脱離した硬度成分イオンは、膜の内部を通らず、再生用水により水分解イオン交換の表面に沿って速やかに流れる。よって、硬度成分イオンが再度イオン交換膜に吸着することが防がれ、再生効率が高まる。

本発明の第４の発明に係る再生式軟水化装置では、第１または第２の再生式軟水化装置において、前記水分解イオン交換膜は、長方形形状を有し、その長辺が前記処理用水の第１入口および第１出口を結ぶ直線に対して平行であって、その短辺が前記再生用水の第２入口および第２出口を結ぶ直線に対して平行に設けられてもよい。

この構成によれば、処理用水の軟水化時には、処理用水は水分解イオン交換膜の長辺に沿って流れる。このため、処理用水中の硬度成分イオンと水分解イオン交換膜との接触時間が長くかつ接触面積が大きくなり、硬度成分イオンは水分解イオン交換膜により効率よく吸着されて除去される。

また、水分解イオン交換膜の再生時には、再生用水は水分解イオン交換膜の短辺に沿って流れる。このため、脱離した硬度成分イオンは、再生用水により水分解イオン交換膜の表面を短時間で流れすぎ、イオン交換膜に再度吸着することが抑制される。水分解イオン交換膜の再生効率が向上する。

本発明の第５の発明に係る再生式軟水化装置では、第３の再生式軟水化装置において、前記水分解イオン交換膜が多孔質材料で形成されていてもよい。

この構成によれば、処理用水の軟水化時に、水分解イオン交換膜に対して垂直に流れる処理用水は水分解イオン交換膜を通過する。これにより、処理用水は水分解イオン交換膜の内部に侵入するため、処理用水中の硬度成分イオンと水分解イオン交換膜との接触面積がさらに広がり、硬度成分イオンが効率よく吸着され、軟水化効率が向上する。

本発明の第６の発明に係る再生式軟水化装置は、第５の再生式軟水化装置において、複数の前記水分解イオン交換膜が積層した積層体の周囲を覆う非通水性のシーリング材をさらに備えてもよい。

この構成によれば、処理用水の軟水化時に、処理用水は、非通水性のシーリング材により水分解イオン交換膜の積層体とケーシングとの間に逃げずに、水分解イオン交換膜に垂直に流れる。このため、処理用水中の硬度成分イオンが水分解イオン交換膜に効率的に吸着され、処理用水の軟水化の効率が高められる。

本発明の第７の発明に係る再生式軟水化装置は、第５または第６の再生式軟水化装置において、複数の前記水分解イオン交換膜が積層した積層体と前記第１入口側の前記電極との間に設けられた、前記水分解イオン交換膜よりも通水抵抗が大きい拡散層をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、処理用水の軟水化時に、処理用水は、拡散層により水分解イオン交換膜に対して垂直な方向に拡散される。このため、処理用水は水分解イオン交換膜の広い範囲を通過することにより、硬度成分イオンと水分解イオン交換膜の接触面積が更に広がり、処理用水の軟水化効率が向上する。

本発明の第８の発明に係る再生式軟水化装置は、第６または第７の再生式軟水化装置において、前記積層体において隣り合う前記水分解イオン交換膜が挟むように設けられたスペーサ部材をさらに備えていてもよい。

この構成によれば、水分解イオン交換膜の再生時に、再生用水はスペーサ部材により形成された空間を通る。これにより、再生用水は、水分解イオン交換膜に対して平行にスムーズに流れ、脱離した硬度成分イオンを速やかに排出する。このため、硬度成分イオンが水分解イオン交換膜に再吸着することが抑制され、水分解イオン交換膜が効率よく再生される。

本発明の第９の発明に係る再生式軟水化装置では、第８の再生式軟水化装置において、前記シーリング材は、その厚み方向に貫通し、かつ前記再生用水の第２入口および第２出口のそれぞれと対向する開口部を有し、前記開口部は前記スペーサ部材に対向していてもよい。

この構成によれば、再生用水の第２入口および第２出口は、開口部を介してスペーサ部材に対向する。このため、水分解イオン交換膜の再生時には、再生用水は、第２入口から開口部を介してスペーサ部材の空間に流入し、開口部を介して第２出口に流出する。このように、再生用水はスムーズに流れて、イオン交換膜を効率よく再生することができる。

また、シーリング材は、再生用水の流れを妨げることがなく、処理用水の水分解イオン交換膜の積層体とケーシングとの隙間に流入することを防止することができる。

本発明の第１０の発明に係る再生式軟水化装置では、第９の再生式軟水化装置において、前記開口部は、前記スペーサ部材に一対一で配されていてもよい。

この構成によれば、水分解イオン交換膜の再生時には、第２入口から流入した再生用水は、分岐することなく、開口部に一対一で対向するスペーサ部材の空間に流れ込む。また、スペーサ部材の空間を通過した再生用水は、分岐することなく、一対一で対向する開口部を介して第２出口から流出する。このため、再生用水は、乱れずにスムーズに流れ、脱離した硬度成分イオンを速やかに排除することができ、水分解イオン交換膜の再生効率が向上する。

本発明の第１１の発明に係る再生式軟水化装置は、第１〜１０のいずれか１つの再生式軟水化装置において、処理用水通水時は、前記処理用水の第１入口および第１出口が開き、かつ前記再生用水の第２入口および第２出口が閉じ、再生用水通水時は、前記再生用水の第２入口および第２出口が開き、かつ前記処理用水の第１入口および第１出口が閉じてもよい。

この構成によれば、処理用水の軟水化時には、処理用水は、第２入口および第２出口から流れ出ることなく、第１入口から第１出口に流れる。また、水分解イオン交換膜の再生時には、再生用水は、第１入口および第１出口から流れ出ることなく、第２入口から第２出口に流れる。より効率的に軟水化処理および再生処理が行われる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

また、説明の便宜上、水分解多孔質イオン交換膜の陽イオン交換面および陰イオン交換面に平行な方向を縦方向と称し、縦方向に直交する方向を横方向と称する。

さらに、説明の便宜上、軟水化処理する対象の水を「処理用水」と称し、イオン交換膜を再生するために用いられる水を「再生用水」と称する。

（実施の形態１）
［再生式軟水化装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る再生式軟水化装置を模式的に示す横断面図である。図２（ａ）は、陰極の主面を模式的に示した平面図である。図２（ｂ）は、陽極の主面を模式的に示した平面図である。図３は、水分解多孔質イオン交換膜を模式的に示す側面図である。

再生式軟水化装置（以下、「軟水化装置」と言う。）２０１は、図１に示すように、水分解多孔質イオン交換膜（以下、「イオン交換膜」と言う。）１によって、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの硬度成分の陽イオン（以下、「硬度成分イオン」と言う。）を処理用水中から除去し、処理用水を軟水化する装置である。軟水化装置２０１は、電極８、９と、イオン交換膜と、電極およびイオン交換膜１を収容するケーシング７と、を備える。

電極は、陰極８および陽極９を含む。各電極８、９は、図２に示すように、略矩形状の平板であって、接続部８ａ、９ａおよび多数の開口２２４を有す。開口２２４は、各電極８、９の主面を貫通する。開口２２４のサイズおよび数は、開口２２４を通過する処理用水の流れを阻害しないように設定される。各電極８、９は、金属などの板材と、この表面を覆う保護層とで構成される。金属には、耐食性および機械的耐久性を有するチタンなどが用いられる。保護層としては白金コーティングなどが上げられ、保護層の厚みは、たとえば、０．２μｍ〜０．５μｍである。このような金属および保護層で各電極８、９が構成されることにより、軟水化装置２０１の長期的な耐久性が確保される。

イオン交換膜１は、一方の面に陽イオン交換面１ａを有し、他方の面に陰イオン交換面１ｂを有する。イオン交換膜１は、陰イオン交換面１ｂが陽極９を向くとともに陽イオン交換面１ａが陰極８を向くように陰極８と陽極９との間に積層されている。

イオン交換膜１は、図３に示すように、陽イオン交換膜２および陰イオン交換膜３がその厚み方向に重ねられて接合されることにより形成される。このため、陽イオン交換面１ａは陽イオン交換膜２の面に形成され、陰イオン交換面１ｂは陰イオン交換膜３の面に形成される。

陽イオン交換膜２は、陽イオン交換樹脂粒子４と熱可塑性樹脂粒子５との混合体を熱可塑性樹脂粒子５の融点近傍で加熱して固まった焼結体により形成される。このため、陽イオン交換樹脂粒子４と熱可塑性樹脂粒子５との間に空隙が形成されるように、陽イオン交換樹脂粒子４は熱可塑性樹脂粒子５のマトリックス中に固定される。また、陰イオン交換膜３は、陰イオン交換樹脂粒子６と熱可塑性樹脂粒子５との混合体を熱可塑性樹脂粒子５の融点近傍で加熱して固まった焼結体により形成される。このため、陰イオン交換樹脂粒子６と熱可塑性樹脂粒子５との間に空隙が形成されるように、陰イオン交換樹脂粒子６は熱可塑性樹脂粒子５のマトリックス中に固定される。

熱可塑性樹脂粒子５は、たとえば、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、およびエチレン−アクリル酸共重合体などの熱可塑性樹脂により形成される。

熱可塑性樹脂粒子５の粒子径は、たとえば、数１０〜数１００μｍに設定される。ただし、熱可塑性樹脂粒子５の粒子径が小さいほど、イオン交換膜１に硬度成分イオンが吸着する速度が大きくなり、硬度成分イオンを除去する効率が向上する。しかし、熱可塑性樹脂粒子５の粒子径が小さいほど、処理用水がイオン交換膜１を通過する際の圧力損失が大きくなる。このため、硬度成分イオンの除去効率と圧力損失とを考慮して、熱可塑性樹脂粒子５の粒子径が設定される。

陽イオン交換樹脂粒子４は、たとえば、交換基−ＳＯ_３Ｈを有する強酸性陽イオン交換
樹脂により形成される。陰イオン交換樹脂粒子６は、たとえば、交換基−ＮＲ_３ＯＨを有する強塩基性イオン交換樹脂により形成される。ただし、交換基−ＲＣＯＯＨを有する弱酸性陽イオン交換樹脂により陽イオン交換樹脂粒子４を形成することもできる。また、−ＮＲ_２を有する弱塩基性イオン交換樹脂により陰イオン交換樹脂粒子６を形成することもできる。

陽イオン交換膜２における陽イオン交換樹脂粒子４の含有量、および陰イオン交換膜３における陰イオン交換樹脂粒子６の含有量は、各イオン交換膜２、３の重量に対し１０〜６０ｗｔ％であって、好ましくは３０〜５０ｗｔ％である。各イオン交換樹脂粒子４、６の含有量が６０％以上であると、各イオン交換樹脂粒子４、６に対して熱可塑性樹脂粒子５の量が少なくなるため、各イオン交換樹脂粒子４、６を熱可塑性樹脂粒子５により固定することが難しくなる。一方、各イオン交換樹脂粒子４、６の含有量が１０％以下であると、各イオン交換膜２、３の単位体積におけるイオンを交換する容量が小さくなる。このため、目的とするイオン交換性能を得るために、各イオン交換膜２、３のサイズを大きくする必要があり、軟水化装置２０１の大型化およびコストアップにつながる。特に、各イオン交換樹脂粒子４、６の含有量が３０〜５０ｗｔ％であれば、イオン交換膜１のイオン交換容量を維持することができ、イオン交換膜１を長期間安定して使用することができる。

ケーシング７は、図１に示すように、直方体形状を有し、第１〜第４側面７ａ〜７ｄ、第１端面、第２端面およびこれらに囲まれる中空部を含む。第２側面７ｂは第１側面７ａに対向し、第４側面７ｄは第３側面７ｃに対向する。第１および第２側面７ａ、７ｂは第３および第４側面７ｃ、７ｄより短い。このため、第１側面７ａと第２側面７ｂとの間隔が、第３側面７ｃと第４側面７ｄとの間隔より長い。

ケーシング７は、処理用水の第１入口１０および第１出口１１と、再生用水の第２入口１２および第２出口１３とを有する。第１入口１０および第２入口１２は、水道管などの水源から供給される配管（図示せず）にそれぞれ接続される。第１出口１１は、軟水化処理された処理用水を排出する蛇口（図示せず）や、軟水化処理された処理用水を利用する給湯機、温水暖房システム、洗濯機、浄水システムなどの機器（図示せず）などに接続される。第２出口１３は、イオン交換膜１の再生処理に利用された再生用水を排出ための経路（図示せず）などに接続される。

処理用水が流入する第１入口１０が第１側面７ａに設けられ、処理用水が流出する第１出口１１が第２側面７ｂに設けられる。また、再生用水が流入する第２入口１２が第３側面７ｃに設けられ、再生用水が流出する第２出口１３が第４側面７ｄに設けられる。このため、処理用水の第１入口１０および第１出口１１を結ぶ直線と再生用水の第２入口１２および第２出口１３を結ぶ直線とが垂直になるように、第１入口１０、第１出口１１、第２入口１２および第２出口１３が設けられている。各入口１０、１２および各出口１１、１３は各側面７ａ〜７ｄを貫通する。電磁弁１６ａ〜１６ｄが、第１入口１０、第１出口１１、第２入口１２および第２出口１３のそれぞれに設けられる。なお、処理用水の第１入口１０および第１出口１１を結ぶ直線は、第１入口１０の中心および第１出口１１の中心を結ぶことにより形成される。再生用水の第２入口１２および第２出口１３を結ぶ直線は、第２入口１２の中心および第２出口１３の中心を結ぶことにより形成される。また、処理用水の第１入口１０および第１出口１１を結ぶ直線と再生用水の第２入口１２および第２出口１３を結ぶ直線とが垂直になるように、第１入口１０、第１出口１１、第２入口１２および第２出口１３が設けられ、第１入口１０から第１出口１１への処理用水の全体的な流れは第２入口１２から第２出口１３への再生用水の全体的な流れに対して垂直になる。

ケーシング７内の中空部に、陽極９、陰極８、および１つ以上、この実施の形態では、７つのイオン交換膜１の積層体が収容される。陽イオン交換膜２が陰極８に対向し、陰イオン交換膜３が陽極９に対向するように、陽極９、陰極８、およびイオン交換膜１が平行に配置される。イオン交換膜１は、第１入口１０および第１出口１１を結ぶ直線に対して垂直に設けられる。このため、第１入口１０から流入して第１出口１１から流出する処理用水の流路１４は、イオン交換膜１に対して直交する方向に延びる。イオン交換膜１はケーシング７の中空部の縦断面とほぼ同じサイズに形成されるため、イオン交換膜１は処理用水の流路１４を遮るように配置される。また、イオン交換膜１は、第２入口１２および第２出口１３を結ぶ直線に平行に設けられる。このため、第２入口１２から流入して第２出口１３から流出する再生用水の流路１５は、イオン交換膜１に沿って延びる。また、陽極９、陰極８、およびイオン交換膜１の間に間隙が設けられる。この間隙は、再生用水の流路１５となる。さらに、第１入口１０および第１出口１１の間に形成される処理用水の流路１４は、第２入口１２および第２出口１３の間に形成される再生用水の流路１５より長い。このため、第１入口１０と第１出口１１との間で生じる処理用水の差圧が、処理用水と同流量における第２入口１２と第２出口１３との間で生じる再生用水の差圧より大きくなる。

ケーシング７にはさらに開口（図示せず）が設けられる。この開口から陰極８の接続部８ａおよび陽極９の接続部９ａがそれぞれ突き出る。開口と各接続部８ａ、９ａとの間にはシーリング材（図示せず）が充填され、ケーシング７の水密性能が保持される。各接続部８ａ、９ａは電線（図示せず）により電源（図示せず）に接続され、電線にスイッチ（図示せず）が介在する。

［軟水化装置における軟水化工程］
処理用水中から硬度成分イオンを除去する軟水化工程では、スイッチが開かれ、各電極８、９は電源に接続されないため、各電極８、９に電圧は印加されない。そして、第１入口１０および第１出口１１における電磁弁１６ａ、１６ｂが開かれるとともに、第２入口１２および第２出口１３における電磁弁１６ｃ、１６ｄが閉じられる。これにより、処理用水が、第１入口１０からケーシング７内に流入し、中空部を均一に流れ、第１出口１１から流出する。なお、電磁弁１６ａおよび１６ｂを同時に開き、電磁弁１６ｃおよび１６ｄを同時に閉じることにより、ケーシング７内および処理用水の圧力変化などが抑えられる。

処理用水は、第１入口１０から流入し、陰極８の開口２２４を通過し、さらにイオン交換膜１を透過する。この際、処理用水に含まれる硬度成分イオンは、陽イオン交換膜２の陽イオン交換樹脂粒子４に吸着される。この結果、処理用水中から硬度成分イオンが除去されて、処理用水は軟水となって第１出口１１から排出される。

この処理用水流路１４は再生用水流路１５より長いため、抗力によって処理用水の流速は低下する。その上、処理用水がイオン交換膜１を通過する際に処理用水はイオン交換膜１により抵抗を受けるため、処理用水の流速はさらに低下する。これにより、処理用水がケーシング７内に滞在する時間が長くなり、処理用水は陽イオン交換樹脂粒子４と長時間接触する。さらに、処理用水は陽イオン交換膜２を通過することにより、陽イオン交換膜２の内部の陽イオン交換樹脂粒子４とも処理用水が接触する。したがって、処理用水中の硬度成分イオンは長時間かつ多くの陽イオン交換樹脂粒子４と接触して吸着されることにより、硬度成分イオンの吸着効率が向上する。

また、このように硬度成分イオンの吸着効率が高い。この結果、各電極８、９に電圧を印加し、硬度成分イオンを電気泳動により移動させることにより、硬度成分イオンをイオン交換膜１に通過させる必要がない。よって、軟水化工程において電力が消費されず、全体的に電力の消費が抑制される。

さらに、各電極８、９に電圧を印加しないことにより、軟水化工程では水の電気分解により各電極８、９に水素および酸素のガスが発生しない。よって、軟水化処理された処理用水が供給された機器において処理用水からガスが放出されて、下流側に設置される機器内にガスが蓄積することにより、機器の安全性に問題が生じることが防止される。

［軟水化装置における再生工程］
イオン交換膜１から硬度成分イオンを除去する再生工程では、スイッチが閉じられ、各電極８、９が電源に接続されることにより、各電極８、９に、たとえば、１００Ｖ〜３００Ｖの直流電圧が印加される。そして、第１入口１０および第１出口１１における電磁弁１６ａ、１６ｂが閉じられるとともに、第２入口１２および第２出口１３における電磁弁１６ｃ、１６ｄが開かれる。これにより、再生用水が、第２入口１２からケーシング７内に流入する。再生用水は、互いに隣り合うイオン交換膜１の間に形成される再生用水流路１５のそれぞれに流入する。そして再生用水は、各再生用水流路１５においてイオン交換膜１の表面に沿って広がりながら移動して、第２出口１３から排出される。

このように、電圧の印加により、陽イオン交換膜２と陰イオン交換膜３との界面においてケーシング７内の再生用水が電気分解し、水素イオンが陽イオン交換膜２で発生し、水酸化イオンが陰イオン交換膜３で発生する。このため、再生用水が再生用水流路１５を通過する際に、電気分解された水素イオンが、陽イオン交換膜２の陽イオン交換樹脂粒子４に吸着していた硬度成分イオンと置き換えられる。これにより、硬度成分イオンが陽イオン交換膜２から取り除かれて、イオン交換膜１は再生される。

イオン交換膜１から脱離した硬度成分イオンは、再生用水流路１５を通る流れに伴って第２出口１３から排出される。この際、再生用水流路１５はイオン交換膜１に平行であるため、再生用水流路１５を通る硬度成分イオンはイオン交換膜１の表面に沿って移動する。これにより、硬度成分が、イオン交換膜１の内部にほとんど侵入せずにイオン交換膜１に再付着することが防止され、イオン交換膜１は効率的に再生される。

また、イオン交換膜１に付着した硬度成分イオンを置換する水素イオンは陽イオン交換膜２と陰イオン交換膜３との界面において発生する。これにより、水素イオンによってイオン交換膜１の内部から硬度成分イオンが除去され、イオン交換膜１の全体が再生される。

さらに、再生用水流路１５は処理生水用流路１４より短いため、抗力による再生用水の流速低下が小さい。その上、再生用水がイオン交換膜１の表面に沿って通過するため、イオン交換膜１から受ける抵抗は小さく、再生用水の流速低下は抑えられる。これにより、再生用水がケーシング７内に滞在する時間が短く、再生用水が陽イオン交換樹脂粒子４と接触する時間が短くなる。さらに、再生用水は陽イオン交換膜２の表面に沿うことにより、陽イオン交換膜２の内部の陽イオン交換樹脂粒子４と処理用水はほとんど接触しない。したがって、再生用水中の硬度成分イオンが陽イオン交換樹脂粒子４と接触する時間および範囲が少なく、硬度成分イオンがイオン交換膜１に再吸着することが防止される。

また、処理用水の通水時には、第１入口１０と第１出口１１が開口するとともに、第２入口１２および第２出口１３が閉鎖される。これにより、第１入口１０から流入した処理用水は、第２入口１２および第２出口１３から流れ出さず、第１出口１１から流出する。このため、第１入口１０から第１出口１１へ延びる処理用水流路１４が形成され、軟水化処理が効率的に行われる。

さらに、再生用水の通水時には、第２入口１２および第２出口１３が開口するとともに、第１入口１０と第１出口１１が閉鎖さている。これにより、第２入口１２から流入した再生用水は、第１入口１０および第１出口１１から流れ出さず、第２出口１３から流出する。このため、第２入口１２から第２出口１３へ延びる再生用水流路１５が形成され、再生処理が効率的に行われる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、イオン交換膜１が、第１入口１０および第１出口１１を結ぶ直線、つまり処理用水流路１４に対して垂直に設けられた。これに対し、実施の形態２では、イオン交換膜１が第１入口１０および第１出口１１を結ぶ直線、つまり、処理用水流路１４に対して平行に設けられる。

図４（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る軟水化装置を模式的に示す横断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の軟水化装置を模式的に示す縦断面図である。

陰極８および陽極９は、ケーシング７の第１端面７ｅおよび第２端面７ｆに対して平行に設けられる。

イオン交換膜１は、陰イオン交換膜３が陽極９に対向し、陽イオン交換膜２が陰極８に対向するように、陰極８と陽極９との間に設けられる。イオン交換膜１は、長辺１ａおよび短辺１ｂを含む長方形形状を有する。長辺１ａおよび短辺１ｂの各長さは、イオン交換膜１への硬度成分イオンの接触確率に基づいて設定される。

イオン交換膜１は、その長辺１ａが第１入口１０および第１出口１１を結ぶ直線に対して平行であって、その短辺１ａが第２入口１２および第２出口１３を結ぶ直線に対して平行に設けられる。このため、陽極９、陰極８、および１つ以上、この実施の形態では、たとえば、２つのイオン交換膜１が間隙を隔てて平行に積層される。各電極８、９とイオン交換膜１との間隙、および隣り合うイオン交換膜１の間隙に、処理用水流路１４および再生用水流路１５が形成される。これらの流路１４、１５はイオン交換膜１などの間隙と同じであって、これらの流路１４、１５を通る水は共にイオン交換膜１の表面に沿っている。しかし、これらの流路１４、１５を通る水の流れは異なる。処理用水流路１４における処理用水の流れはイオン交換膜１の長辺１ａと平行であって、再生用水流路１５における再生用水の流れはイオン交換膜１の短辺１ｂと平行である。よって、処理用水流路１４における第１入口１０と第１出口１１との処理用水の差圧は、再生用水流路１５における第２入口１２と第２出口１３との再生用水の差圧より大きくなる。

［軟水化装置における軟水化工程］
軟水化工程では、電磁弁１６ａ、１６ｂが開かれ、電磁弁１６ｃ、１６ｄが閉じられる。これにより、処理用水が、第１入口１０から、イオン交換膜１などの間隙に形成される処理水用流路１４に流入し、イオン交換膜１に沿って流れる。このため、処理用水に含まれる硬度成分イオンは、イオン交換膜１の陽イオン交換膜２に接し、陽イオン交換膜２の陽イオン交換樹脂粒子４に吸着される。このため、処理用水中から硬度成分イオンが除去されて、処理用水は軟水になって、第１出口１１から排出される。

この処理用水はイオン交換膜１に沿って流れるため、処理用水がイオン交換膜１を通過する場合に比べて、処理用水はイオン交換膜１の内部まで侵入しない。ただし、処理用水流路１４が長いため、処理用水はイオン交換膜１内の陽イオン交換樹脂粒子４と接触する時間が長くなる。よって、処理用水中の硬度成分イオンは陽イオン交換樹脂粒子４と長時間接触して吸着されることにより、硬度成分イオンの吸着効率が向上する。

また、硬度成分イオンの吸着効率が高いため、各電極８、９に電圧を印加する必要がない。よって、電力の消費が抑制されるとともに、電気分解によるガスの放出がなく、下流側に設置される機器内にガスが蓄積することにより、機器の安全性に問題が生じることが防止される。

［軟水化装置２０１における再生工程］
再生工程では、電磁弁１６ａ、１６ｂが閉じられ、電磁弁１６ｃ、１６ｄが開かれる。これにより、再生用水が第２入口１２から、イオン交換膜１などの間隙に形成される再生用水流路１５に流入する。また、各電極８、９に直流電圧が印加されて、再生用水は電気分解する。これにより、再生用水が再生用水流路１５を通過する際に、陽イオン交換膜２の陽イオン交換樹脂粒子４に吸着していた硬度成分イオンが脱離し、電気分解された水素イオンが陽イオン交換樹脂粒子４に吸着する。よって、硬度成分イオンが陽イオン交換膜２から取り除かれて、イオン交換膜１は再生される。

この再生用水はイオン交換膜１に沿って流れるため、脱離した硬度成分イオンがイオン交換膜１の内部に侵入して再付着することが防止される。また、再生用水流路１５は処理生水用流路１４より短いことにより、再生用水が陽イオン交換樹脂粒子４と接触する時間が短いため、硬度成分イオンがイオン交換膜１の下流側で再吸着することが防止される。さらに、陽イオン交換膜２と陰イオン交換膜３との界面において水素イオンが発生するため、イオン交換膜１の内部から全体的に硬度成分イオンが除去され、イオン交換膜１の全体が再生される。

（実施の形態３）
実施の形態１および２の軟水化装置２０１では、第１入口１０、第１出口１１、第２入口１２および第２出口１３が１つずつ設けられていた。これに対し、実施の形態３の軟水化装置２０１では、第１入口１０、第１出口１１、第２入口１２および第２出口１３がそれぞれ複数設けられている。また、実施の形態３の軟水化装置２０１は、拡散層２１８、スペーサ部材２１７およびシーリング材２１９をさらに備える。

図５は、本発明の実施の形態３に係る軟水化装置を模式的に示す斜視図である。図６は、図５に示すＢ―Ｂ線に沿って切断した軟水化装置を示す縦断面図である。図７は、図５に示すＣ―Ｃ線に沿って切断した軟水化装置２０１を示す横断面図である。図８は、図５の軟水化装置に用いられるスペーサ部材を模式的に示す平面図である。図９は、軟水化工程における処理用水の流れを表す概念図である。図１０は、再生行程における再生用水の流れを表す概念図である。

［軟水化装置の構成］
軟水化装置２０１では、図５に示すように、第１入口１０、第１出口１１、第２入口１２および第２出口１３がケーシング７に設けられている。第１入口１０として、たとえば、３つの配管２１３が第１側面７ａに接続されている。これらの配管２１３は、電磁弁２２５（図９および図１０）が設けられた１本の主管（図示せず）にまとめられる。第１出口１１として、たとえば、３つの配管２１５（図６）が第２側面７ｂに接続されている。これらの配管２１５は、電磁弁２２６（図９および図１０）が設けられた１本の主管（図示せず）にまとめられる。第２入口１２として、たとえば、９つの配管２２０が第３側面７ｃに接続されている。これらの配管２２０は、電磁弁２２７（図９および図１０）が設けられた１本の主管（図示せず）にまとめられる。第２出口１３として、たとえば、９つの配管２２１が第４側面７ｄに接続されている。これらの配管２２１は、電磁弁２２８（図９および図１０）が設けられた１本の主管（図示せず）にまとめられる。ただし、電磁弁２２５〜２２８は各主管ではなく配管のそれぞれに接続されていてもよい。

ケーシング７は、図６に示すように、その内部に一対の電極８、９と、複数、この実施の形態では、１０枚のイオン交換膜１が積層した積層体とを収容する。イオン交換膜１は、陽イオン交換膜２１０が陰極８と平行に向き合い、陰イオン交換膜２１１が陽極９と平行に向き合うように、陽極９と陰極８との間に配置される。

イオン交換膜１は、陽イオン交換膜２１０および陰イオン交換膜２１１がその厚み方向に重ねられて接合されることにより形成される。この陽イオン交換膜２１０は図３に示す陽イオン交換膜２と同様のものであって、陰イオン交換膜２１１は図３に示す陰イオン交換膜３と同様のものである。

スペーサ部材２１７は、積層体において隣り合うイオン交換膜１の間に再生用水を流す流路を確保するために、イオン交換膜１を挟むように設けられている。また、スペーサ部材２１７は、陽極９とイオン交換膜１との間、および陰極８とイオン交換膜１との間に配されてもよい。スペーサ部材２１７には、多数の貫通孔を有する板状体、たとえば、図８に示す網目状のメッシュシートが用いられ、そのサイズは、たとえば、イオン交換膜１の面と同じサイズに設定される。スペーサ部材２１７は、耐水性および機械的耐久性などを有する、たとえば、フッ素樹脂ＥＴＦＥで形成される。

拡散層２１８は、第１入口１０から流入する処理用水を処理用水流路１４に対して垂直な方向に拡散する層である。拡散層２１８は、耐水性および機械的耐久性を有する樹脂、たとえばポチエチレン、高密度ポリエチレンから形成される。拡散層２１８は、イオン交換膜１よりも通水抵抗が大きい、たとえば、多孔質シートで形成される。拡散層２１８は、イオン交換膜１の積層体と第１入口１０側の電極、この実施の形態では、陽極９との間に設けられる。拡散層２１８は、処理用水流路１４に垂直であってイオン交換膜１に平行に配される。

シーリング材２１９は、図６および図７に示すように、イオン交換膜１の積層体の周囲を覆う非通水性の部材である。シーリング材２１９は、イオン交換膜１の端面とケーシング７の内面７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆとの間に充填され、この間に処理用水が通ることを防止する。このイオン交換膜１の端面は、イオン交換膜１の接合面に垂直であって、処理用水流路１４に平行に配される面である。シーリング材２１９は、たとえば、非通水性および耐水性を有する、たとえば、シリコン樹脂で形成される。

シーリング材２１９は、ケーシング７の側面７ｃ、７ｄのそれぞれに、複数の開口部２２２、２２３を有する。複数の開口部２２２、２２３は、シーリング材２１９の厚み方向に貫通する。開口部２２２は、その数が、第２入口１２の配管２２０の数に一致し、かつ、その位置が配管２２０およびスペーサ部材２１７のそれぞれに対向するように配される。このため、配管２２０から流入した再生用水は、スペーサ部材２１７に形成される再生用水流路１５に流入する。また、開口部２２３は、その数が、第２出口１３の配管２２１の数に一致し、かつ、その位置が配管２２１およびスペーサ部材２１７のそれぞれに対向するように配される。このため、スペーサ部材２１７内の再生用水流路１５を通過した再生用水は、配管２２１から排出される。

［軟水化装置の軟水化工程］
軟水化工程では、図９に示すように、電磁弁２２５および２２６が開かれ、第１入口１０および第１出口１１を繋ぐ処理用水流路１４が開放される。また、電磁弁２２８および２２７が閉じられ、第２入口１２および第２出口１３を繋ぐ再生用水流路１５は閉鎖される。これにより、処理用水は、図６に示すように、第１入口１０の配管２１３からケーシング７内に流入し、陽極９の開口部２２４を通過し、拡散層２１８に達する。処理用水は、拡散層２１８において処理用水流路１４に対して垂直な方向に拡散し、拡散層２１８の面全体に広がっていく。処理用水は、拡散層２１８の全体からイオン交換膜１の全面へ均一に流れていく。処理用水は、スペーサ部材２１７の貫通孔およびイオン交換膜１を通過していく。ここで、処理用水は、イオン交換膜１の内部を通過する抵抗が大きいが、シーリング材２１９によりイオン交換膜１の積層体の周囲が覆われていることにより、処理用水はイオン交換膜１を通過する。これにより、処理用水に含まれる硬度成分イオンがイオン交換膜１の陽イオン交換膜２１０に吸着し、処理用水は軟水化される。そして、処理用水は、イオン交換膜１の積層体を通過した後、陰極８の開口部２２４を通り、第１出口１１の配管２１５へ流出する。

［軟水化装置２０１の再生工程］
再生工程では、図１０に示すように、電磁弁２２５および２２６が閉じられ、第１入口１０および第１出口１１を繋ぐ処理用水流路１４が閉鎖される。また、電磁弁２２８および２２７が開かれ、第２入口１２および第２出口１３を繋ぐ再生用水流路１５は開放される。これにより、再生用水は、図６および図７に示すように、第２入口１２の配管２２０からケーシング７内に流入する。この際、シーリング材２１９の開口部２２２が配管２２０およびスペーサ部材２１７に対向することから、配管２２０から流入する再生用水は開口部２２２を介してスペーサ部材２１７に流れ込む。また、そして、再生用水は、イオン交換膜１に沿ってスペーサ部材２１７内の再生用水流路１５を流れる。この際、各電極８、９に、たとえば、１００Ｖ〜３００Ｖの電圧が印加されるため、再生用水はイオン交換膜１において陽イオン交換膜２１０と陰イオン交換膜２１１との界面で水素イオンおよび水酸化イオンに電気分解される。この水素イオンが陽イオン交換膜２１０に吸着している硬度成分イオンと置換され、イオン交換膜１は再生する。そして、硬度成分イオンは、陽イオン交換膜２１０から脱離して、再生用水と伴って開口部２２３を介して第２出口１３の配管２２１から排出される。

［作用、効果］
本実施の形態の軟水化装置２０１において、非通水性のシーリング材２１９は、ケーシング７とイオン交換膜１との間に処理用水が流れることを防止する。これにより、イオン交換膜１を通過する処理用水の量が減少することが抑制される。よって、イオン交換膜１の陽イオン交換膜２１０の陽イオン交換樹脂粒子４と硬度成分イオンとの接触確率が上がり、硬度成分イオンが陽イオン交換樹脂粒子４に効率的に吸着されて、処理用水の軟水化の効率を高めることできる。

また、シーリング材２１９の開口部２２２、２２３は、配管２２０、２２１とスペーサ部材２１７とのそれぞれに対向する。このため、配管２２０から流入した再生用水は、開口部２２２を介してスペーサ部材２１７内の再生用水流路１５にスムーズに通過する。よって、イオン交換膜１から脱離した硬度成分イオンは、再生用水によりイオン交換膜１の内部にほとんど侵入せずにイオン交換膜１の表面に沿って広がりながらイオン交換膜１に対して平行に流れる。よって、硬度成分イオンが、陽イオン交換樹脂粒子４に吸着することが防止でき、再生効率は高くなる。

さらに、スペーサ部材２１７は、積層体において互いに隣り合うイオン交換膜１の間に配置され、イオン交換膜１に平行に延びる再生用水流路１５を形成する。このため、再生用水はイオン交換膜１に平行にスムーズに流され、再生用水に脱離した硬度成分イオンがイオン交換膜１に接触する面積および時間は小さくなる。よって、硬度成分イオンがイオン交換膜１に再吸着することが抑えられ、イオン交換膜１の再生効率が向上する。

また、拡散層２１８が第１入口１０側の電極９とイオン交換膜１の積層体との間に配置されている。これにより、第１入口１０から流入した処理用水は処理用水流路１４と垂直な方向に広がりながら、イオン交換膜１に向かう。よって、処理用水はイオン交換膜１を全体的に通過し、処理用水に含まれる硬度成分イオンがイオン交換膜１の広い範囲に吸着される。したがって、処理用水の軟水化性能はさらに向上する。

（実施の形態４）
実施の形態３の軟水化装置２０１では、第２入口１２の配管２２０の数および第２出口１３の配管２２１の数は、スペーサ部材２１７の数より少なかった。これに対し、実施の形態４の軟水化装置２０１では、第２入口１２の配管２２０の数および第２出口１３の配管２２１の数は、スペーサ部材２１７の数と等しい。

図１１は、本発明の実施の形態４に係る軟水化装置を模式的に示す斜視図である。図１２は、図１１に示すＤ―Ｄ線に沿って切断した軟水化装置を示す縦断面図である。

第２入口１２の配管２２０、第２出口１３の配管２２１、スペーサ部材２１７、シーリング材２１９の開口部２２２、２２３のそれぞれの数は等しい。シーリング材２１９の開口部２２２は配管２２０およびスペーサ部材２１７のそれぞれに一対一で対向し、開口部２２３は、配管２２１およびスペーサ部材２１７のそれぞれに一対一で対向する。そして、第２入口１２の配管２２０および第２出口１３の配管２２１は、開口部２２２、２２３を介してシーリング材２１９を貫通する。第２入口１２の配管２２０および第２出口１３の配管２２１は、スペーサ部材２１７を配置した空間に接している。

再生工程では、再生用水は、第２入口１２の配管２２０から開口部２２２を介してこれに対向するスペース部材に流れ込む。そして、再生用水は、複数のスペース部材内の再生用水流路１５に分岐することなく、開口部２２２に対向するスペース部材内の再生用水流路１５に流入する。さらに、再生用水流路１５を通過した再生用水は、スペース部材に対向する開口部２２３を介して配管２２１から流出する。このため、再生用水は、イオン交換膜１に沿ってスムーズに再生用水流路１５を通過する。これにより、再生用水に含まれる硬度成分イオンは、イオン交換膜１に接する時間および範囲が小さくなり、イオン交換膜１に再吸着することが防止される。この結果、軟水化装置２０１の全体における、再生用水によるイオン交換膜１の再生効率はさらに向上する。

（その他の実施の形態）
上記全ての実施の形態の軟水化装置２０１では、再生行程において、たとえば１００Ｖ〜３００Ｖの直流電圧を電極９、８間に印加している。ただし、ケーシング７内に配置したイオン交換膜１の枚数や処理用水の硬度などに応じて、直流電圧の値は適宜に設定される。

さらに、上記全ての実施の形態の軟水化装置２０１では、開口２２４が形成された電極８、９は用いられたが、開口がない電極が用いられてもよい。この場合、実施の形態１、３、４では処理用水が、電極８、９の周囲を通り、実施の形態２では電極８、９の間を通る。

また、上記全ての実施の形態の軟水化装置２０１では、陽イオン交換膜２および陰イオン交換膜３を接合することによりイオン交換膜１が形成された。ただし、陽イオン交換膜２および陰イオン交換膜３を接合せずに重ねて配置することによりイオン交換膜を形成することもできる。

さらに、上記全ての実施の形態の軟水化装置２０１では、陽イオン交換膜２および陰イオン交換膜３を重ね合わせたイオン交換膜１において、陽イオン交換面１ａを陽イオン交換膜２の面に形成し、陰イオン交換面１ｂを陰イオン交換膜３の面に形成した。ただし、陽イオン交換面１ａおよび陰イオン交換面１ｂの形成方法はこれに限定されない。たとえば、１枚のイオン交換膜の一方の面に陽イオン交換面１ａが形成され、他方の面に陰イオン交換面１ｂが形成されてもよい。

また、上記実施の形態１、３および４の軟水化装置２０１では、軟水化工程ではイオン交換膜１に対して垂直方向に処理用水を通過させたため、通水性を有する水分解多孔質イオン交換膜１をイオン交換膜１に用いた。ただし、実施の形態２のように、イオン交換膜１の表面に平行に処理用水が流れる場合、通水性を有するイオン交換膜１を用いなくてもよい。

さらに、上記実施の形態３および４の軟水化装置２０１では、拡散層２１８およびシーリング材２１９の両方が設けられた。ただし、シーリング材２１９だけが設けられてもよい。

また、上記実施の形態１の軟水化装置２０１において、スペーサ部材２１７、拡散層２１８およびシーリング材２１９の少なくともいずれか１つがさらに設けられてもよい。

さらに、上記実施の形態２の軟水化装置２０１において、スペーサ部材２１７がさらに設けられてもよい。

また、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。

図１３は、第１軟水化評価装置を模式的に示した断面図である。図１４は、第２軟水化評価装置を模式的に示した断面図である。

（実施例１）
図１３の第１軟水化評価装置Ａ２０および図１４の第２軟水化評価装置Ｂ２１を用いて、イオン交換膜１に対して水が流れる方向に応じた、軟水化能力（硬度成分イオン除去能力）が評価された。

１００〜１５０μｍの陽イオン交換樹脂粒子と数１０〜数１００μｍの熱可塑性樹脂粒子としてポリエチレン樹脂粒子とを用いて、陽イオン交換膜１７が作成された。また、１００〜１５０μｍの陰イオン交換樹脂粒子と数１０〜数１００μｍの熱可塑性樹脂粒子としてポリエチレン樹脂粒子とを用いて、陰イオン交換膜１８が作成された。各イオン交換膜１７、１８の厚みは１ｍｍである。これらの陽イオン交換膜１７と陰イオン交換膜１８とが貼り合せられ、イオン交換膜１９が形成された。このイオン交換膜１９は、その厚みが２ｍｍであり、短辺が４ｃｍであり、長辺が１０ｃｍであった。

第１軟水化評価装置Ａ２０は、水をイオン交換膜１に対して垂直に流した際に、水に含まれる硬度成分イオンの減少率によって軟水化を評価する装置である。第１軟水化評価装置Ａ２０は、第１および第２長辺２０ａ、２０ｂ、第１および第２短辺２０ｃ、２０ｄ、流入口２０ｅおよび流出口２０ｆを含む。流入口２０ｅは第１長辺２０ａ側の第１短辺２０ｃに配置され、流出口２０ｆは第２長辺２０ｂ側の第２短辺２０ｄに配置される。このため、第１軟水化評価装置Ａ２０における水の流路２２は、第１長辺２０ａ側から第２長辺２０ｂ側に向かって、各長辺２０ａ、２０ｂに垂直であって、各短辺２０ｃ、２０ｄに平行な流れとなる。

第１軟水化評価装置Ａ２０に、複数、この実施例では、たとえば、７枚のイオン交換膜１９が積層された積層体が収容される。このため、流路２２の通水距離、つまり、第１長辺２０ａと第２長辺２０ｂとの間の長さは、たとえば、約１４ｍｍとなった。各イオン交換膜１９は、陽イオン交換膜１７が第１長辺２０ａに平行に向かい合い、陰イオン交換膜１８が第２長辺２０ｂに平行に向かい合うように配される。また、イオン交換膜１９は、その長辺が各長辺２０ａ、２０ｂと平行であって、互いに均等な間隔を隔てて設けられる。このため、イオン交換膜１９は水の流れに対して垂直に配される。また、この第１短辺２０ｃと第２短辺２０ｄとの間の長さは、たとえば、１０ｃｍであるため、イオン交換膜１の長辺は第１短辺２０ｃと第２短辺２０ｄとの間に嵌る。このイオン交換膜１９と各短辺２０ｃ、２０ｄとの間に隙間が生じないように、隙間に接着剤や漏れ防止パッキンなどが充填されてもよい。この場合、流入口２０ｅから流出口２０ｆへの水の流れが妨げられないように、接着剤などが配される。

第２軟水化評価装置Ｂ２１は、水をイオン交換膜１に対して平行に流した際に、水に含まれる硬度成分イオンの減少率によって軟水化を評価する装置である。第２軟水化評価装置Ｂ２１は、第１および第２長辺２１ａ、２１ｂ、第１および第２短辺２１ｃ、２１ｄ、流入口２１ｅおよび流出口２１ｆを含む。流入口２１ｅは第１短辺２１ｃに配置され、流出口２１ｆは第２短辺２１ｄに配置される。流入口２１ｅおよび流出口２１ｆは、第１長辺２１ａと第２長辺２１ｂとの間に、互いに対向するように配置される。このため、第２軟水化評価装置Ｂ２１内の水流路２３は、第１短辺２１ｃ側から第２短辺２１ｄ側に向かって、各長辺２０ａ、２０ｂに平行であって、各短辺２０ｃ、２０ｄに垂直な流れとなる。この流路２３の通水距離、つまり、第１短辺２１ｃと第２短辺２１ｄとの間の長さは、たとえば、１０ｃｍとなった。

第２軟水化評価装置Ｂ２１に、複数、この実施例では、たとえば、７枚のイオン交換膜１９が積層された積層体が収容される。各イオン交換膜１９は、陽イオン交換膜１７が第１長辺２１ａに平行に向かい合い、陰イオン交換膜１８が第２長辺２１ｂに平行に向かい合うように配される。また、各イオン交換膜１９は、その長辺が各長辺２１ａ、２１ｂと平行であって、互いに均等な間隔を開けて設けられる。このため、イオン交換膜１９は水の流れに対して平行に配される。また、この第１短辺２１ｃと第２短辺２１ｄとの間の長さは、たとえば、１０ｃｍであるため、イオン交換膜１９の長辺は第１短辺２１ｃと第２短辺２１ｄとの間に嵌る。このイオン交換膜１９と各短辺２１ｃ、２１ｄとの間に隙間が生じないように、隙間に接着剤や漏れ防止パッキンなどが充填されてもよい。この場合、流入口２１ｅから流出口２１ｆへの水の流れが妨げられないように、接着剤などが配される。また、積層体において各イオン交換膜１９の間に処理用水を均等に流すために、整流板２４が、第１短辺２１ｃとイオン交換膜１９の積層体との間および、第２短辺２１ｄとイオン交換膜１９の積層体との間に配置されている。

軟水化評価では、まず、流入口２０ｅ、２１ｅから流入する水の硬度成分イオンの濃度は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）換算で、約１９０ｐｐｍに調整された。この水は、たとえば、０．４２Ｌ／ｍｉｎ．の流量で流入口２０ｅ、２１ｅから流入した。そして、水は、流路２２、２３を通過し、流出口２０ｆ、２１ｆから流出する。この流出口２０ｆ、２１ｆにおける水に含まれるカルシウムイオンが測定された。そして、流入口２０ｅ、２１ｅにおける硬度成分イオン濃度、約１９０ｐｐｍと、流出口２０ｆ、２１ｆにおける硬度成分イオン濃度との差により、各通水時間におけるカルシウム除去能力（軟水化能力）が図１５に示すように求められた。

図１５は、カルシウム除去能力（軟水化能力）と、流水時間との関係を示すグラフである。なお、縦軸は、流入口２０ｅ、２１ｅにおける硬度成分イオン濃度と流出口２０ｆ、２１ｆにおける硬度成分イオン濃度との差の値を所定値で規格化したカルシウム除去能力を示している。

第１軟水化評価装置Ａ２０のカルシウム除去能力（軟水化能力）は、第２軟水化評価装置Ｂ２１のカルシウム除去能力（軟水化能力）より約３〜４倍と非常に大きい。この結果から、第１軟水化評価装置Ａ２０のようにイオン交換膜１９に対して垂直に水が通過することにより、水に含まれるカルシウムイオンを水交換膜１９は効率よく吸着し、水を軟水化することができることがわかる。

（実施例２）
図１４の第２軟水化評価装置Ｂ２１を用いて、流路の長さに応じた、軟水化装置２０１のイオン交換膜１の再生能力（イオン交換膜１から硬度成分イオンを脱離する能力）が評価された。

第２軟水化評価装置Ｂ２１に、イオン交換膜１９の積層体に加えて、陽極２５および陰極２６が収容される。陽極２５が陰イオン交換膜１８と平行に向かい合い、陰極２６が陽イオン交換膜１７と平行に向かい合うように、イオン交換膜１９の積層体が陽極２５と陰極２６との間に挟まれる。

まず、流入口２１ｅにおける硬度成分イオン濃度と流出口２１ｆにおける硬度成分イオン濃度との差が０（ゼロ）になるまで、流入口２１ｅから第２軟水化評価装置Ｂ２１に水が流入される。これにより、イオン交換膜１９のカルシウムイオン交換容量が飽和し、イオン交換膜１９がカルシウムイオンをさらに吸着できない状態になる。

この第２軟水化評価装置Ｂ２１において、陽極２５および陰極２６に、１００Ｖの電圧が印加される。また、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）換算で約５０ｐｐｍの水が、０．４２Ｌ／ｍｉｎ．の流量で流入口２１ｅから流入された。水は、流路２３においてイオン交換膜１９に平行に流れて、流出口２１ｆから流出する。この流出口２１ｆにおける水に含まれるカルシウムイオン濃度が測定された。そして、流入口２１ｅにおける硬度成分イオン濃度、約５０ｐｐｍと、流出口２１ｆにおける硬度成分イオン濃度との差により、長さが１０ｃｍの流路２３におけるカルシウム脱離能力（イオン交換膜１の再生能力）が図１６に示すように求められた。

次に、長さが６ｃｍの流路２３におけるカルシウム脱離能力（イオン交換膜１の再生能力）を求めるために、再度、１９０ｐｐｍのカルシウムイオン濃度の水を流入口２１ｅから流入し、イオン交換膜１９のカルシウムイオン交換容量を飽和状態とした。この長辺が１０ｃｍから６ｃｍになるように各イオン交換膜１９が切断された。切断されたイオン交換膜１９は第２軟水化評価装置Ｂ２１に収容された。これにより、流路２３の長さが１０ｃｍから６ｃｍに短縮された。

この第２軟水化評価装置Ｂ２１に炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）換算で約５０ｐｐｍの水が、０．２５Ｌ／ｍｉｎ．の流量で流入した。この流量Ｌ／ｍｉｎ．の空間速度１／ｃｍは、１０ｃｍの流路２３における流量０．４２Ｌ／ｍｉｎ．の空間速度１／ｃｍと等しくなる。そして、流出口２１ｆから流出した水が採取され、この水に含まれるカルシウムイオン濃度が測定された。長さが６ｃｍの流路２３におけるカルシウム脱離能力（イオン交換膜１の再生能力）が図１６に示すように求められた。

図１６は、カルシウム脱離能力（イオン交換膜１の再生能力）と、流水時間との関係を示すグラフである。なお、縦軸は、流入口２１ｅにおける硬度成分イオン濃度と流出口２１ｆにおける硬度成分イオン濃度との差の値を所定値で規格化したカルシウム脱離能力を示している。

この結果、流路２３の長さが１０ｃｍである場合のカルシウム脱離能力（イオン交換膜１の再生能力）は、流路２３の長さが６ｃｍである場合に比べて小さい。このように、流路２３が短い方がカルシウムイオンの再吸着が防止されて、イオン交換膜１が効率的に再生することがわかる。

なお、上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の軟水化装置は、従来に比べて電力の消費を抑えた軟水化装置等として有用である。

８ 陰極
９ 陽極
１ 水分解イオン交換膜
１ａ 陽イオン交換面
１ｂ 陰イオン交換面
７ ケーシング
１０ 第１入口
１１ 第１出口
１２ 第２入口
１３ 第２出口
２０１ 軟水化装置
２１７ スペーサ部材
２１８ 拡散層
２１９ シーリング材
２２２ 開口部
２２３ 開口部

Claims (10)

1. 陰極および陽極を含む電極と、
   一方の面に陽イオン交換面を有し、他方の面に陰イオン交換面を有し、かつ前記陰イオン交換面が前記陽極を向くとともに前記陽イオン交換面が前記陰極を向くように前記陰極と前記陽極との間に積層された１以上の水分解イオン交換膜と、
   前記陰極、前記陽極および１以上の前記水分解イオン交換膜を収容するケーシングと、を備え、
   前記ケーシングは、それぞれ処理用水の入り口及び出口である第１入口および第１出口と、それぞれ再生用水の入り口及び出口である第２入口および第２出口とを有し、
   前記第１入口と前記第１出口との間の前記処理用水の差圧が、前記処理用水と同流量における前記第２入口と前記第２出口との間の前記再生用水の差圧より大きく、
   前記水分解イオン交換膜が、前記処理用水の第１入口および第１出口を結ぶ直線に対して垂直であって、前記再生用水の第２入口および第２出口を結ぶ直線に対して平行に設けられた、再生式軟水化装置。
2. 陰極および陽極を含む電極と、
   一方の面に陽イオン交換面を有し、他方の面に陰イオン交換面を有し、かつ前記陰イオン交換面が前記陽極を向くとともに前記陽イオン交換面が前記陰極を向くように前記陰極と前記陽極との間に積層された１以上の水分解イオン交換膜と、
   前記陰極、前記陽極および１以上の前記水分解イオン交換膜を収容するケーシングと、を備え、
   前記ケーシングは、それぞれ処理用水の入り口及び出口である第１入口および第１出口と、それぞれ再生用水の入り口及び出口である第２入口および第２出口とを有し、
   前記第１入口と前記第１出口との間の前記処理用水の差圧が、前記処理用水と同流量における前記第２入口と前記第２出口との間の前記再生用水の差圧より大きく、
   前記水分解イオン交換膜は、長方形形状を有し、その長辺が前記処理用水の第１入口および第１出口を結ぶ直線に対して平行であって、その短辺が前記再生用水の第２入口および第２出口を結ぶ直線に対して平行に設けられた、再生式軟水化装置。
3. 前記処理用水の第１入口および第１出口を結ぶ直線と前記再生用水の第２入口および第２出口を結ぶ直線とが垂直になるように、前記第１入口、前記第１出口、前記第２入口および前記第２出口が設けられた、請求項１または２に記載の再生式軟水化装置。
4. 前記水分解イオン交換膜が多孔質材料で形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の再生式軟水化装置。
5. 複数の前記水分解イオン交換膜が積層した積層体の周囲を覆う非通水性のシーリング材をさらに備える、請求項１に記載の再生式軟水化装置。
6. 複数の前記水分解イオン交換膜が積層した積層体と前記第１入口側の前記電極との間に設けられた、前記水分解イオン交換膜よりも通水抵抗が大きい拡散層をさらに備える、請求項１または５に記載の再生式軟水化装置。
7. 複数の前記水分解イオン交換膜が積層した積層体において隣り合う前記水分解イオン交換膜が挟むように設けられたスペーサ部材をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の再生式軟水化装置。
8. 前記積層体において隣り合う前記水分解イオン交換膜が挟むように設けられたスペーサ部材をさらに備え、
   前記シーリング材は、その厚み方向に貫通し、かつ前記再生用水の第２入口および第２出口のそれぞれと対向する開口部を有し、
   前記開口部は前記スペーサ部材に対向する、請求項５に記載の再生式軟水化装置。
9. 前記開口部は、前記スペーサ部材と一対一で配される、請求項８に記載の再生式軟水化装置。
10. 処理用水通水時は、前記処理用水の第１入口および第１出口が開き、かつ前記再生用水の第２入口および第２出口が閉じ、
    再生用水通水時は、前記再生用水の第２入口および第２出口が開き、かつ前記処理用水の第１入口および第１出口が閉じる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の再生式軟水化装置。

Images