JP6042234B2 - 脱塩方法及び脱塩装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中に含まれる塩類を除去する水処理に関し、特に、バイポーラ膜を利用する脱塩方法及び脱塩装置に関する。

従来より、水道水などの被処理水中のイオン成分を除去し、被処理水の脱塩を行う方法として、イオン交換樹脂を用いる方法や、逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いる方法が知られている。これらの方法による脱塩は、産業分野では幅広く利用されているが、水を利用する家庭電化製品、例えば洗濯機や食器洗浄機などで使用する水の塩類除去（例えば、硬度成分除去）には普及していない。その理由としては、イオン交換樹脂を用いる方法では、定期的に樹脂を再生するために塩を供給する必要があるが、これが利用者にとって手間であること、逆浸透膜を用いる方法では、脱塩処理された水とともにイオン類が濃縮された濃縮水が排出されるため、節水が難しいこと、などが挙げられる。

また、一対の電極間に陽イオン（カチオン）交換膜と陰イオン（アニオン）交換膜とを交互に配置しこれらの膜の間の空間にイオン交換樹脂を充填した上で、電極間に一方向に直流電圧を印加することによって被処理液中のイオンを移動させ、被処理水から塩類を除去する電気再生式脱塩装置（ＥＤＩ、ＣＤＩとも呼ばれる）がある。電気再生式脱塩装置では、例えば、陰極が配置される陰極室と陽極が配置される陽極室との間に、被処理水が通水される脱塩室と、電界によって脱塩室からイオンが移動して濃縮される濃縮室とをイオン交換膜を挟んで交互に繰り返し配置した構造を有する。電気再生式脱塩装置では、薬剤を用いてイオン交換膜やイオン交換樹脂の再生処理を行う必要はないものの、例えば、水道水レベルの硬度を有する被処理水を脱塩しようとすると、陰極室及び濃縮室の主に陰イオン交換膜側にスケールが発生し、動作電圧が上昇して安定的な運転ができなくなる。そのため電気再生式脱塩装置は、水道水のような硬度成分を含む被処理水に対して脱塩処理を直接行う場合には、使用することが難しい。

そこで、イオン交換樹脂やイオン交換膜などのイオン交換体の再生を自動的に行うことができ、かつ、再生処理に必要な水の量も少なく、水道水程度の硬度成分を含む被処理水に対しても脱塩処理を行うことが可能な水処理方法として、バイポーラ膜に電圧を印加してイオンを除去する方法が提案されている。

バイポーラ膜とは、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを張り合わせた構造を有するイオン交換膜である。一対の電極を設けてこの電極間の空間を仕切るようにバイポーラ膜を配置し、電極間の空間を水で満たした状態で、陰イオン交換膜側の電極が陽極、陽イオン交換膜側の電極が陰極となるように、水の理論分解電圧である０．８３Ｖ以上の電圧を電極間に印加すると、水を水素イオン（Ｈ⁺）と水酸化物イオン（ＯＨ^-）とに解離させることができる。この解離は、バイポーラ膜での陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との接合面で起こり、生成した水素イオンは陽イオン交換膜を介して陰極側に移動し、水酸化物イオンは陰イオン交換膜を介して陽極側に移動する。バイポーラ膜による水の解離を利用した酸やアルカリの製造方法に関する特許が多数出願されている。例えば、特許文献１には、電気再生式脱塩装置のイオン交換樹脂の再生に、バイポーラ膜で生成される水素イオン及び水酸化物イオンを使用する例が示されている。このようにバイポーラ膜は、一般的には、水を解離し酸とアルカリを生成するために使用されている。

水を解離させるときとは電圧の印加方向を逆にした場合、すなわち、陰イオン交換膜側の電極が陰極、陽イオン交換膜側の電極が陽極となるように電極間に電圧を印加すると、水中の陽イオンは陽イオン交換膜方向に移動して水素イオンとのイオン交換を行って陽イオン交換膜に取り込まれ、水中の陰イオンは陰イオン交換膜方向に移動して水酸化物イオンとイオン交換を行って陰イオン交換膜に取り込まれる。イオン交換反応によって生成した水素イオンと水酸化物イオンとは再結合して水となる。これにより、水中の塩類が除去されたので、脱塩処理が行われたことになる。

バイポーラ膜で水が解離して水素イオンと水酸化物イオンが生成した場合、陽イオン交換膜に何らかの陽イオンが含まれていればその陽イオンは水素イオンとイオン交換して膜外に排出され、陰イオン交換膜に何らかの陰イオンが含まれていればその陰イオンは水酸化物イオンとイオン交換して膜外に排出される。結局、電圧印加によってバイポーラ膜において水を解離させるプロセスは、バイポーラ膜の再生のプロセスであるとも言える。したがって、バイポーラ膜に印加する電圧の方向を変化させることで、バイポーラ膜による脱塩処理とバイポーラ膜の再生処理とを切り替えることができる。特許文献２、３には、バイポーラ膜に電圧を印加する電極の極性を切り替えることで脱塩と再生とを繰り返し行う水処理装置が提案されている。バイポーラ膜による脱塩方法では、電気再生式脱塩装置の場合とは異なり、一対の電極間に印加される直流電圧の極性の反転を行うことが必要となるが、直流電圧の極性を切り替えることによって、膜の再生を行いながら脱塩を行うことが可能となる。したがってバイポーラ膜による脱塩方法では、電気再生式脱塩装置における濃縮室に相当する機構を必要とせず、また、陰極等で発生するスケールも極性切替によって除去可能であり、硬度成分を含んだ被処理水の脱塩が可能となる。

特開２００６−４３５４９号公報 特表２００１−５０９０７４号公報 特開２０１１−９４９３８号公報 特開２０１１−７８９３６号公報

バイポーラ膜は再生を容易に行えるという利点を有するものの、バイポーラ膜を用いた従来の脱塩装置では、バイポーラ膜を構成する陽イオン交換膜あるいは陰イオン交換膜の交換容量に対して十分な脱塩能力が発揮されない、という課題がある。

例えば、硬度成分の除去を目的としてカルシウムイオン（Ｃａ²⁺）やマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）を除去しようとする場合、通常のイオン交換樹脂を用いて脱塩を行おうとしたときと比べ、バイポーラ膜を構成する陽イオン交換膜の交換容量に対して十分な脱塩能力が発揮されない。一例として、同じ交換容量を有するイオン交換樹脂とバイポーラ膜とをそれぞれ利用して同一の原水を同一の硬度まで処理する場合、バイポーラ膜を使用したときには、イオン交換樹脂を使用したときに処理可能な原水の量の５分の１程度の原水しか処理できないことが明らかになった。つまり、バイポーラ膜を用いて再生を行うことなくイオン交換樹脂の場合と同等の脱塩処理を行うためには、イオン交換樹脂の使用量と比べて大量のバイポーラ膜を使用しなければならない。したがって、バイポーラ膜を用いて多量の水に対して連続して脱塩処理を行う場合には、装置が大型になるという課題が生じる。バイポーラ膜による脱塩処理での脱塩性能が低い理由の一つとして、バイポーラ膜の膜面が被処理水の通水方向に対して平行になるようにバイポーラ膜を配置した上で、バイポーラ膜に接触した被処理水から電界によって通水方向とは垂直な方向にイオンを移動させるため、膜に到達しないイオンは吸着されずに被処理水に残存することになることが挙げられる。すなわち、イオン交換体として機能するバイポーラ膜と被処理水との接触効率が悪いからである。

特許文献４には、陽イオン交換体と陰イオン交換体とを張り合わせた２層構造を有するイオン交換膜すなわちバイポーラ膜を用いる水処理装置であって、イオン交換体を例えば粒状のものや繊維状のものとすることができ、バイポーラ膜での水の解離作用によって生じる水素イオン及び水酸化物イオンによってイオン交換体の再生を行えるようにした水処理装置が示されている。粒状または繊維状のイオン交換体とすることにより、被処理水との接触効率の向上が期待できる。しかしながら特許文献４に示されたものでは、脱塩処理時には電圧を印加しないか水の分解電圧未満の電圧を印加するのみなので、イオン交換体として強塩基性陰イオン交換樹脂及び強酸性陽イオン交換樹脂を使用しないと、被処理水のｐＨによっては十分な脱塩性能を得ることができない。強塩基性陰イオン交換樹脂及び強酸性陽イオン交換樹脂の使用は、再生時に多くのエネルギーを必要とする、という課題ももたらす。

本発明の目的は、バイポーラ膜を用いる脱塩方法及び脱塩装置であって、脱塩性能が高く、装置サイズを小型化することができ、さらに再生効率も高い脱塩方法及び脱塩装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を行った結果、バイポーラ膜を備える脱塩装置において、バイポーラ膜間の空間、あるいはバイポーラ膜と電極との間の空間に、陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混合して配置し、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陽極、陰イオン交換膜に面する電極が陰極となるようにしてこれらの電極間に直流電圧を印加することによって、効率よく脱塩を行えることを見出した。また、電極に印加される直流電圧の極性を反転することにより、バイポーラ膜とイオン交換領域の両方を再生できることも見出した。

したがって本発明の脱塩装置は、印加する直流電圧の極性反転が可能な一対の電極と、一対の電極によって電圧が印加される空間内に配置されたバイポーラ膜と、を備え、被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩装置において、陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混合して配置されたイオン交換領域を空間内に有し、イオン交換領域を構成する陽イオン交換体及び陰イオン交換体は、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかの組み合わせであり、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陽極、陰イオン交換膜に面する電極が陰極となるように一対の電極間に電圧を印加しながら被処理水を空間に通水して脱塩処理を行い、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陰極、陰イオン交換膜に面する電極が陽極となるように一対の電極間に電圧を印加することによってバイポーラ膜及びイオン交換領域の再生処理を行うようにしたことを特徴とする。

本発明の脱塩方法は、被処理水の脱塩方法において、バイポーラ膜とイオン交換領域とが配置された空間に対して被処理水を通水しながら、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陽極、陰イオン交換膜に面する電極が陰極となるように一対の電極間に電圧を印加することにより空間に電圧を印加する脱塩処理と、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陰極、陰イオン交換膜に面する電極が陽極となるように一対の電極間に電圧を印加することによって空間に印加される電圧の極性を反転させ、バイポーラ膜及びイオン交換領域を再生する再生処理と、を交互に実施し、イオン交換領域は、陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混合して配置された領域であって、イオン交換領域を構成する陽イオン交換体及び陰イオン交換体は、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかの組み合わせであることを特徴とする。

本発明においては、脱塩処理時に一対の電極に印加される電圧Ｅは、水の理論分解電圧以上とすることが好ましい。特に、電極間の距離をＬとして、Ｅ／Ｌが１Ｖ／ｍｍ以上１５Ｖ／ｍｍ以下となるようにすることが好ましい。

本発明において、陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混合して配置されたイオン交換領域は、通水性を有する領域であって、例えば、バイポーラ膜を構成する陽イオン交換膜に接するか近接するように陽イオン交換体を配置し、バイポーラ膜の陰イオン交換膜に接するか近接するように陰イオン交換体を配置することによって構成される。あるいは、これとは逆にバイポーラ膜の陽イオン交換膜側に陰イオン交換体を配置し、陰イオン交換膜側に陽イオン交換体を配置してもイオン交換領域を構成してもよい。バイポーラ膜間の空間における通水方向に沿って、陽イオン交換体、陰イオン交換体の順で、またはその逆の陰イオン交換体、陽イオン交換体の順で配置してイオン交換領域を形成してもよい。さらには、例えば、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とを均一に分散させた混床のものとしてイオン交換領域を構成してもよい。一対の電極間の空間がバイポーラ膜によって多数の小空間に分割される場合には、小空間ごとに陽イオン交換体または陰イオン交換体の一方を設けることにより、１つの電極を結ぶ方向に沿って、バイポーラ膜を挟んで陽イオン交換体と陰イオン交換体とが交互に配置されるようにしてイオン交換領域を構成してもよい。

本発明によれば、電圧を印加することによって、一般にイオン交換容量が大きいが中性ｐＨ領域では脱イオン能力が発揮されないとされる弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂を広いｐＨ領域で使用することが可能になり、脱塩性能が向上する。脱塩と再生との１回のサイクルにおいて脱塩処理できる被処理水の量も多くなり、家電製品への搭載が可能な程度まで脱塩装置の小型化を図ることができる。また、弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂は、それぞれ、強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂に比べて再生効率が高いため、本発明では、再生処理での省電力化が可能となる。

本発明の実施の一形態の脱塩装置の構成を示す図である。 実施例１及び比較例１での硬度の時間変化を示すグラフである。 実施例２及び比較例２での硬度の時間変化を示すグラフである。 実施例３で用いた脱塩装置の構成を示す図である。 実施例３での硬度の時間変化を示すグラフである。 実施例４，５での脱塩回数と硬度との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の実施の一形態の脱塩装置を示している。この脱塩装置は、バイポーラ膜１１と一対の電極１２，１３とイオン交換樹脂層１６とを備える脱塩モジュール１０と、電極１２，１３に印加する直流電圧を発生する直流電源２１と、直流電源２１と電極１２，１３との間に設けられて電極１２，１３の極性を切り替える切替スイッチ２２と、を備えている。

脱塩モジュール１０では、配管２３，２４が接続する容器内に一対の電極１２，１３が離隔して配置しており、その間の空間に対して電極１２，１３によって電圧を印加できるようになっている。断面構成として見たときに電極１２，１３間の空間を複数の部分に仕切るように電極１２，１３から離れてバイポーラ膜１１が配置している。図示したものでは、電極１２，１３間の空間が、バイポーラ膜１１によって５つの部分に仕切られている。そして、このように仕切られた各部分、すなわち電極１２とバイポーラ膜１１の間の空間、隣接するバイポーラ膜１１間の空間、及びバイポーラ膜１１と電極１３の間の空間には、イオン交換樹脂層１６が配置されている。

電極１２，１３としては、陰極及び陽極として機能を発揮するものであればよく、例えば、白金、パラジウム、イリジウム等の貴金属、あるいはこれらの貴金属をチタン等に被覆した網状あるいは板状の電極を挙げることができる。電極１２，１３の形状としては、平板、エクスパンド、パンチング、丸棒、ワイヤーなどが考えられるが、バイポーラ膜１１の形状にあわせ、バイポーラ膜１１やバイポーラ膜１１間の空間に対して均一に電圧をかけられるようなものである必要がある。

バイポーラ膜１１は、陽イオン交換膜１４と陰イオン交換膜１５とを張り合わせた構造を有するものである。図１では、断面構成として、電極１２，１３間に複数枚のバイポーラ膜１１が配置されているように描かれているが、平行平板状の電極１２，１３の間に相互に平行かつ電極１２，１３にも平行となるように実際に複数枚のバイポーラ膜１１を配置してもよいし、あるいは、一方の電極を中心電極とし他方の電極を円筒電極として電極１２，１３を同心円状に配置し、これらの電極間で１枚のバイポーラ膜を渦巻き状に巻回するように配置してもよい。バイポーラ膜１１の配置としてどのような構成を採用したとしても、配管２３から脱塩モジュール１０に供給された被処理水が、電極１２，１３とバイポーラ膜１１の間の空間やバイポーラ膜１１の相互間の空間に設けられているイオン交換樹脂層１６を均等に通水できるようにすることが必要である。このとき、いずれのバイポーラ膜１１も、陽イオン交換膜１４側の面が電極１２に向き、陰イオン交換膜１５側の面がもう１つの電極１３に向くように、電極１１，１２の間に配置されている。

次に、イオン交換樹脂層１６について説明する。イオン交換樹脂層１６は、通水性を有し、陽イオン交換体（例えば陽イオン交換樹脂）と陰イオン交換体（例えば陰イオン交換樹脂）とが混合して配置した領域である。イオン交換樹脂層１６を構成する陽イオン交換体と陰イオン交換体との組み合わせは、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかである。図示したものでは、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とを混合して両者が均一に混じり合った状態のものをイオン交換樹脂層１６とし、このようなイオン交換樹脂層１６が、電極１２，１３とバイポーラ膜１１の間の空間、及び、バイポーラ膜１１の相互間の空間に充填されている。もっとも、本実施形態で利用可能なイオン交換樹脂層１６は、これに限られるものではなく、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に陽イオン交換樹脂が接し陰イオン交換膜１５に陰イオン交換樹脂が接するように両方のイオン交換樹脂を配したものや、これとは逆に陽イオン交換膜１４に陰イオン交換樹脂が接し陰イオン交換膜１５に陽イオン交換樹脂が接するように両方のイオン交換樹脂を配したものであってもよい。また、バイポーラ膜１１で仕切られた空間ごとに陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂のいずれかを充填して、全体として陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが交互に配置されるようにしてイオン交換樹脂層を設けてもよい。

次に、この脱塩装置による脱塩処理について説明する。

電極１２が陽極、電極１３が陰極となるように切替スイッチ２２を操作し（すなわち、図１に示す切替スイッチ２２の状態とし）、直流電源２１によって電極１２，１３間に直流電圧を印加する。このとき、バイポーラ膜１１において、陽イオン交換膜１４が陽極側となり、陰イオン交換膜１５が陰極側となる。配管２３を介して脱塩モジュール１０内に被処理水を通水すると、被処理水中に含まれる陽イオンは、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４側に移動し、そこで水素イオンとイオン交換して陽イオン交換膜１４内に吸着される。同様に被処理水中に含まれる陰イオンは、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５側に移動し、そこで水酸化物イオンとイオン交換して陰イオン交換膜１５内に吸着される。イオン交換によって被処理水中に移動した水素イオン及び水酸化物イオンは、再結合して水となる。被処理水中の陽イオンや陰イオンのうち、バイポーラ膜１１においてイオン交換されなかったものも、イオン交換樹脂層１６でイオン交換されて吸着される。その結果、配管２４から脱塩水（処理水）が得られる。

本実施形態の脱塩装置では、イオン交換樹脂層１６には、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂の一方が含まれる。通常であれば、弱酸性陽イオン交換樹脂は被処理水の液性がアルカリ性でなければ、弱塩基性陰イオン交換樹脂は液性が酸性でなければ、十分な脱塩性能を発揮しない。しかしながら本実施形態の脱塩装置では、電極１２，１３によって直流電圧を印加することにより被処理水内に微視的なｐＨの偏りが発生するので、被処理水の液性に関わらず弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いて脱塩処理を行うことが可能となり、それらのイオン交換樹脂の大きなイオン交換容量を活用することができるようになる。

次に、再生処理について説明する。

脱塩モジュール１０内に水が存在する状態で、脱塩処理時とは電圧極性を反転させ、電極１２が陰極、電極１３が陽極となるように電極１２，１３間に直流電圧を印加する。すると、バイポーラ膜１１での陽イオン交換膜１４と陰イオン交換膜１５との界面で水の解離が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが生成される。水素イオンは陽イオン交換膜１４内を移動し、それによって陽イオン交換膜１４が再生され、水酸化物イオンは陰イオン交換膜１５内を移動し、それによって陰イオン交換膜１５が再生されて、バイポーラ膜１１が再生されたことになる。さらに電圧印加を続けると、バイポーラ膜１１で生成した水素イオン及び水酸化物イオンが、イオン交換樹脂層１６内の陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂にそれぞれ移動し、これらのイオン交換樹脂の再生が行われることになる。イオン交換樹脂層１６は、少なくとも弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂の一方を含んでいるが、弱酸性陽イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂や強塩基性陰イオン交換樹脂に比べて再生効率が高いので、本実施形態の脱塩装置では、省電力での再生処理が可能になる。

このように本実施形態の脱塩装置では、電極１２，１３に印加される直流電圧の極性を切り替えることで、バイポーラ膜１１及びイオン交換樹脂層１６による脱塩処理と、これらの再生処理とを繰り返し行うことができる。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。ただし本発明は、下記の実施例により限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示す脱塩装置を組み立てた。バイポーラ膜１１として、弱酸性陽イオン交換膜（イオン交換容量（陽イオン交換容量）２．２ｍｅｑ／ｇ−バイポーラ膜）と強塩基性陰イオン交換膜（イオン交換容量（陰イオン交換容量）０．８ｍｅｑ／ｇ−バイポーラ膜）とを張り合わせたものを使用した。イオン交換樹脂層１６を構成する陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂として、弱酸性陽イオン交換樹脂（アンバーライト（登録商標）ＩＲＣ７６、ダウ・ケミカル社製）及び弱塩基性陰イオン交換樹脂（アンバーライト（登録商標）ＩＲＡ９６、ダウ・ケミカル社製）をそれぞれ使用した。

内容積が４０×５０×２０ｍｍの容器内に、４０×５０×１ｍｍの白金イリジウム被覆チタン電極を２枚配置し、この電極間に４０×５０ｍｍの大きさにカットしたバイポーラ膜を４枚、電極とバイポーラ膜との間隔、バイポーラ膜相互の間隔が均等になるように配置した。そして、弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とを体積比で一対３の割合で混合し、相互に均等に分散するようにして、このようなイオン交換樹脂を電極とバイポーラ膜との間、及びバイポーラ膜相互間に充填した。被処理水として硬度を２５０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌに調整した水を使用し、通水速度４０ｍｌ／ｍｉｎで被処理水を通水して脱塩処理を行った。脱塩処理時に電極に印加される電圧及び電流の最大値をそれそぞれ、２００Ｖ、０．５Ａとし、脱塩処理後の処理水の硬度を時間変化を調べた。結果を図２に示す。

図２に示すように、脱塩処理を１５０分間継続した後も処理水硬度は３０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌであり、約９０％の脱塩が可能であった。

［比較例１］
脱塩処理時に電極に直流電圧を印加しないほかは実施例１と同じ条件で脱塩処理を行い、処理水硬度の時間変化を調べた。結果を図２に示す。電圧を印加しなかった場合には、３０分後には処理水硬度が１００ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌを超えており、十分な脱塩を行えなかった。

［実施例２］
図１に示す脱塩装置を組み立てた。容器の寸法、電極の構成及び寸法、バイポーラ膜の構成及び配置は実施例１と同じにした。イオン交換樹脂層１６を構成する陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂として、弱酸性陽イオン交換樹脂（アンバーライト（登録商標）ＩＲＣ７６、ダウ・ケミカル社製）及び強塩基性陰イオン交換樹脂（アンバージェット（登録商標）４００２（ＯＨ）、ダウ・ケミカル社製）を使用し、弱酸性陽イオン交換樹脂と強塩基性陰イオン交換樹脂とを体積比で１対３の割合で混合し、相互に均等に分散するようにして、このようなイオン交換樹脂を電極とバイポーラ膜との間、及びバイポーラ膜相互間に充填した。実施例１と同じ処理条件で脱塩処理を行い、処理水の硬度の時間変化を調べた。結果を図３に示す。

図３に示すように、脱塩処理を１５０分間継続した後も処理水硬度は３０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌであり、約９０％の脱塩が可能であった。

［比較例２］
脱塩処理時に電極に直流電圧を印加しないほかは実施例２と同じ条件で脱塩処理を行い、処理水硬度の時間変化を調べた。結果を図３に示す。電圧を印加しなかった場合には、１００分後には処理水硬度が９０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌを超えており、十分な脱塩を行えなかった。

［実施例３］
図４に示す脱塩装置を組み立てた。この脱塩装置は、実施例１での脱塩装置と同様のものであるが、弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とを均一に混合したイオン交換樹脂層を設ける代わりに、弱酸性陽イオン交換樹脂からなる陽イオン交換樹脂層１７と弱塩基性陰イオン交換樹脂からなる陰イオン交換樹脂層１８とを別個に設けている点で、実施例１のものと相違する。具体的に説明すれば、容器の寸法、電極の構成及び寸法、バイポーラ膜の構成及び配置は実施例１と同じであり、電極とバイポーラ膜との間の空間には陽イオン交換樹脂層１６が設けられ、バイポーラ膜相互間の空間には、空間ごとに、陰イオン交換樹脂層１７と陽イオン交換樹脂層１６のいずれかが設けられている。全体としてみると、陽イオン交換樹脂層１６と陰イオン交換樹脂層１７とがバイポーラ膜１１を挟んで交互に配置されている。弱酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂として、弱酸性陽イオン交換樹脂（アンバーライト（登録商標）ＩＲＣ７６、ダウ・ケミカル社製）及び弱塩基性陰イオン交換樹脂（アンバーライト（登録商標）ＩＲＡ９６、ダウ・ケミカル社製）をそれぞれ使用した。

実施例１と同じ処理条件で脱塩処理を行い、処理水の硬度の時間変化を調べた。結果を図５に示す。図５から、２０分後には処理水硬度が５０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌを超えており、弱酸性陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とを均一に混合した方が脱塩性能が高いことが確認された。

［実施例４］
実施例１の脱塩装置を使用し、２０分間の脱塩処理と２０分間の再生処理とを組み合わせて１サイクルとし、このようなサイクルを繰り返し行ったときの処理水の硬度の変化を調べた。被処理水として、硬度を２５０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌに調整した水を使用し、これを通水速度４０ｍｌ／ｍｉｎで通水して脱塩処理を行った。脱塩処理時及び再生処理時に電極に印加される電圧及び電流の最大値をそれそぞれ、２００Ｖ、０．５Ａとした。

１０サイクルごとに脱塩開始から１５分後の処理水を採取して硬度を測定した。結果を図６に示す。

［実施例５］
イオン交換樹脂層１６に含まれる陽イオン交換樹脂として、強酸性陽イオン交換樹脂（アンバーライト（登録商標）２５２、ダウ・ケミカル社製）を用いる以外は実施例４と同条件とし、脱塩処理と再生処理とのサイクルを繰り返し行ったときに処理水の硬度の変化を調べた。結果を図６に示す。

図６から、イオン交換樹脂層１６に含まれる陽イオン交換樹脂として、強酸性陽イオン交換樹脂よりも弱酸性陽イオン交換樹脂を用いた方が、脱塩処理及び再生処理の繰り返しにおいて処理水硬度が低くなり、安定して脱塩が行われていることが確認できた。

１０ 脱塩モジュール
１１ バイポーラ膜
１２，１３ 電極
１４ 陽イオン交換膜
１５ 陰イオン交換膜
１６ イオン交換樹脂層
１７ 陽イオン交換樹脂層
１８ 陰イオン交換樹脂層
２１ 直流電源
２２ 切替スイッチ
２３，２４ 配管

Claims (7)

1. 印加する直流電圧の極性反転が可能な一対の電極と、前記一対の電極によって電圧が印加される空間内に配置されたバイポーラ膜と、を備え、被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩装置において、
   陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混合して配置されたイオン交換領域を前記空間内に有し、
   前記イオン交換領域を構成する前記陽イオン交換体及び前記陰イオン交換体は、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかの組み合わせであり、
   前記バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陽極、陰イオン交換膜に面する電極が陰極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら前記被処理水を前記空間に通水して脱塩処理を行い、
   前記バイポーラ膜における前記陽イオン交換膜に面する電極が陰極、前記陰イオン交換膜に面する電極が陽極となるように前記一対の電極間に電圧を印加することによって前記バイポーラ膜及び前記イオン交換領域の再生処理を行うようにしたことを特徴とする、脱塩装置。
2. 前記イオン交換領域は、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とを混床のものとした領域である、請求項１に記載の脱塩装置。
3. 前記脱塩処理時に前記一対の電極間に印加される電圧は、水の理論分解電圧以上の電圧である、請求項１または２に記載の脱塩装置。
4. 前記一対の電極間に印加される直流電圧を発生する電源と、前記一対の電極の極性を反転させる切替スイッチと、をさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の脱塩装置。
5. 被処理水の脱塩方法において、
   バイポーラ膜とイオン交換領域とが配置された空間に対して被処理水を通水しながら、前記バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極が陽極、陰イオン交換膜に面する電極が陰極となるように一対の電極間に電圧を印加することにより前記空間に電圧を印加する脱塩処理と、
   前記バイポーラ膜における前記陽イオン交換膜に面する電極が陰極、前記陰イオン交換膜に面する電極が陽極となるように前記一対の電極間に電圧を印加することによって前記空間に印加される電圧の極性を反転させ、前記バイポーラ膜及び前記イオン交換領域を再生する再生処理と、
   を交互に実施し、
   前記イオン交換領域は、陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混合して配置された領域であって、前記イオン交換領域を構成する前記陽イオン交換体及び前記陰イオン交換体は、弱酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、弱酸性陽イオン交換体と強塩基性陰イオン交換体との組み合わせ、及び強酸性陽イオン交換体と弱塩基性陰イオン交換体との組み合わせのいずれかの組み合わせであることを特徴とする、脱塩方法。
6. 前記イオン交換領域は、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とを混床のものとした領域である、請求項５に記載の脱塩方法。
7. 前記脱塩処理時に前記一対の電極間に印加される電圧は、水の理論分解電圧以上の電圧である、請求項５または６に記載の脱塩方法。

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