JP6163078B2

JP6163078B2 - 脱塩方法及び脱塩装置

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Publication number: JP6163078B2
Application number: JP2013211810A
Authority: JP
Inventors: 澄田　康光; 康光澄田; 山中　弘次; 弘次山中
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Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: JP2015073944A

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接合し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。

このように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って脱塩処理と再生処理とを繰り返すので、バッチ方式での脱塩処理が実行されることなる。その代わり、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。さらに本発明者らは、既に特願２０１３−０４０６８８において、隣接するバイポーラ膜の間などに陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混合したものを配置することによって、脱塩性能を向上させることができることを明らかにしている。

特開２００６−４３５４９号公報特表２００１−５０９０７４号公報

バイポーラ膜を用いた脱塩装置では、隣接するバイポーラ膜の間に陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混合したものを配置することによって脱塩性能の向上を図ることができるが、このような向上した脱塩性能に見合うだけの十分な再生性能の向上が達成されていないことが判明した。

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くて十分な再生性能を有する脱塩方法及び脱塩装置を提供することにある。

バイポーラ膜間に陽イオン交換体及び陰イオン交換体を配置した脱塩装置に関し、本発明者らは鋭意検討を行った結果、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おいて、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に接して陽イオン交換体を有する通水性の陽イオン交換領域を設けるとともに、バイポーラ膜における陰イオン交換膜に接して陰イオン交換体を有する通水性の陰イオン交換領域を設け、これらの陽イオン交換領域と陰イオン交換領域とが相互に接するか対面するように配置することによって、脱塩性能のみならず再生効率も向上することを見出した。

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、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に接して設けられて陽イオン交換体を有する通水性の陽イオン交換領域と、バイポーラ膜における陰イオン交換膜に接して設けられて陰イオン交換体を有する通水性の陰イオン交換領域と、を備え、空間内で陽イオン交換領域と陰イオン交換領域とが相互に接するか対面するように配置され、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、陽イオン交換体及び陰イオン交換体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、バイポーラ膜とバイポーラ膜の陽イオン交換膜に接して設けられた通水性の陽イオン交換領域とバイポーラ膜の陰イオン交換膜に接して設けられた通水性の陰イオン交換領域とを備えて陽イオン交換領域と陰イオン交換領域とが相互に接するか対面するように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、陽イオン交換領域及び陰イオン交換領域を再生する再生処理と、を交互に実施し、陽イオン交換領域を陽イオン交換体を有する領域であり、陰イオン交換領域は陰イオン交換体を有する領域であって、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、一対の電極の一方に接しても陽イオン交換領域を設け、他方の電極に接しても陰イオン交換領域を設けることが好ましい。この場合、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に面する電極に接して陰イオン交換領域が配置され、バイポーラ膜における陰イオン交換膜に面する電極に接して陽イオン交換領域が配置される。

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０．１Ｖ／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、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、一対の電極を結ぶ方向に沿って、一方の電極、陰イオン交換領域、陽イオン交換領域、バイポーラ膜、陰イオン交換領域、陽イオン交換領域、バイポーラ膜、…、陽イオン交換領域、他方の電極、というように、陽イオン交換領域、バイポーラ膜、陰イオン交換領域が繰り返して現れることになる。

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。特に本発明では、バイポーラ膜における陽イオン交換膜に接して陽イオン交換領域を設けるとともに、バイポーラ膜における陰イオン交換膜に接して陰イオン交換領域を設けているので、再生処理時にバイポーラ膜からの水素イオン及び水酸化物イオンが陽イオン交換領域及び陰イオン交換領域にそれぞれ効率よく移動することとなり、陽イオン交換領域及び陰イオン交換領域を高い効率で再生することができるようになる。

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。

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と陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８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。ここでは、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１２，１３の間に配置されている。このように仕切られた各部分に関し、電極１２とバイポーラ膜１１の間の空間では、電極１２の表面に接して陰イオン交換樹脂層１８が設けられ、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に接して陽イオン交換樹脂層１７が設けられている。隣接するバイポーラ膜１１間の空間では、図面において電極１２側に位置するバイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５に接して陰イオン交換樹脂層１８が設けられ、電極１３側に位置するバイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に接して陽イオン交換樹脂層１７が設けられている。電極１３とバイポーラ膜１１の間の空間では、電極１３の表面に接して陽イオン交換樹脂層１７が設けられ、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５に接して陰イオン交換樹脂層１８が設けられている。バイポーラ膜１１によって仕切られている各部分では、その部分内の陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とがその部分のほぼ中央付近で相互に接している。後述するように、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８との間に通水性のスペーサなどを配置して、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とが対面して配置するようにしてもよい。

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。この場合は、例えば、バイポーラ膜１１の両面にそれぞれ陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８をあらかじめ設けたシート状の積層体を用意して、この積層体を中心電極に巻き付ければよい。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陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８を均等に通水できるようにすることが必要である。

次に、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８について説明する。

陽イオン交換樹脂層１７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）が配置された領域である。同様に陰イオン交換樹脂層１８は、通水性を有し、陰イオン交換体（例えば陰イオン交換樹脂）が配置された領域である。陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽イオン交換体と陰イオン交換樹脂層１８を構成する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、陽イオン交換樹脂層１７は粒状の陽イオン交換樹脂の層からなり、陰イオン交換樹脂層１８は粒状の陰イオン交換樹脂の層からなり、脱塩モジュール１０においてバイポーラ膜１１によって仕切られた各部分ごとに、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とが接して配置している。後述するように、再生処理での再生効率を高めるためには、粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とが混ざり合わないようにすることが好ましいから、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８との間に、例えば通水性のスペーサを設け、両方のイオン交換樹脂の混合を防ぐようにしてもよい。また、スペーサを設けることによって、陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂層１８を構成する陰イオン交換樹脂の充填作業の効率化を図ることもできる。

さらには、陽イオン交換樹脂層１７として、多孔性の陽イオン交換体や繊維状の陽イオン交換体、陽イオン交換繊維などを用いることができる。同様に、陰イオン交換樹脂層１８として、多孔性の陰イオン交換体や繊維状の陰イオン交換体、陰イオン交換繊維などを用いることができる。

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、陽イオン交換樹脂層１７あるいは陰イオン交換樹脂層１８を通過する際にイオン交換されてこれらのイオン交換樹脂層に吸着される。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、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８とを合わせた領域内に、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局所的に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。その結果、本実施形態の脱塩装置は、高い脱塩性能を示すようになる。

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が、陽イオン交換膜１４に接して設けられている陽イオン交換樹脂層１７内に移動し、陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽イオン交換樹脂が再生される。同様に、バイポーラ膜１１で生成した水酸化物イオンが、陰イオン交換膜１５に接して設けられている陰イオン交換樹脂層１８内に移動し、陰イオン交換樹脂層１８を構成する陰イオン交換樹脂が再生される。さらに再生処理時には、電極１２とその電極１２に接する陰イオン交換樹脂層１８との界面でも水酸化物イオンが発生し、この水酸化物イオンによって、電極１２に接する陰イオン交換樹脂層１８が再生される。電極１３とその電極１３に接する陽イオン交換樹脂層１７との界面では、水素イオンが発生し、この水素イオンによって、電極１３に接する陽イオン交換樹脂層１７が再生される。結局、再生処理時には、バイポーラ膜１１だけでなく、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８の再生も行われることになる。

ここで、隣接するバイポーラ膜１１間の空間に粒状の陽イオン交換樹脂と粒状の陰イオン交換樹脂とが混ざり合って存在する場合を考える。この場合、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４の近くに存在する陰イオン交換樹脂は、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５から放出された水酸化物イオンによって再生されるべきものであるが、この陰イオン交換樹脂の周辺には陽イオン交換膜１４から放出された水素イオンが存在するので、陰イオン交換樹脂を再生すべき水酸化物イオンは、陰イオン交換樹脂に到達する前に水素イオンと反応して水となっていまう。その結果、この陰イオン交換樹脂の十分な再生が行われないこととなる。同様の理由により、バイポーラ膜１１の陰イオン交換膜１５の近くに存在する陽イオン交換樹脂についても十分な再生が行われないこととなる。その結果、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが混ざり合って存在する場合には、脱塩処理と再生処理とのサイクルを繰り返した場合に、脱塩性能が低下することなる。

これに対し、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが相互に混ざり合わないように、バイポーラ膜１１の陽イオン交換膜１４に接して陽イオン交換樹脂層１７を設け、陰イオン交換膜１５に接して陰イオン交換樹脂層１８を設けた場合には、陽イオン交換膜１４側から移動する水素イオンによる陽イオン交換樹脂層１７の再生と、陰イオン交換膜１５側から移動する水酸化物イオンによる陰イオン交換樹脂層１８の再生とを効率よく行うことが可能になる。なお、本実施形態の脱塩装置では、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８とを合わせた領域内に、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、この脱塩装置は、その点でも省電力での再生処理を可能とする。

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、陽イオン交換樹脂層１７及び陰イオン交換樹脂層１８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。陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽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）を使用し、陰イオン交換樹脂層１８を構成する陰イオン交換樹脂として、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、これらの間隔内に陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とが設けられるようにした。実際には、一方の電極を配置した上で、陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とをこの順で配置し、その上に、陰イオン交換膜側が下になるようにして１枚のバイポーラ膜を載置し、このバイポーラ膜上すなわちバイポーラ膜の陽イオン交換膜上に再び陽イオン交換樹脂層１７と陰イオン交換樹脂層１８とをこの順で配置し、さらにバイポーラ膜を載置することを繰り返し、最後に他方の電極を配置して脱塩モジュールを完成させた。陽イオン交換樹脂層１７を構成する陽イオン交換樹脂の量と陰イオン交換樹脂層１８を構成する陰イオン交換樹脂の量は、体積比で１対１とした。

脱塩処理時の被処理水及び再生処理に使う水として硬度を２５０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌに調整した水を使用し、通水速度４０ｍｌ／ｍｉｎで通水した。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ぞれ、２００Ｖ、０．５Ａとした。この条件で５分間脱塩処理を行い、引き続いて５分間再生処理を行うことを１サイクルとし、このサイクルを１００サイクル繰り返した。１サイクル目、２０サイクル目及び１００サイクル目での脱塩処理後の処理水の硬度を測定し、測定された処理水の硬度を被処理水の硬度で除算したものを１００％から減ずることによって、脱塩率を計算した。結果を表１に示す。

［比較例１］
実施例１で用いたものと同様の脱塩モジュールであるが、陽イオン交換樹脂層及び陰イオン交換樹脂層を設けず、その代わり、電極とバイポーラ膜との間、及びバイポーラ膜相互間に、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一様に混合したものを充填した。陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂としては、実施例１で用いたものと同じものを使用し、それらの混合比は体積比で１対１とした。

実施例１と同じ条件で脱塩処理と再生処理とのサイクルを１００サイクル繰り返し、１サイクル目、２０サイクル目及び１００サイクル目での脱塩処理後の処理水の硬度を測定し、実施例１と同様の計算によって脱塩率を計算した。結果を表１に示す。

実施例１と比較例１とを比較すると、脱塩処理と再生処理とのサイクルを繰り返した場合に実施例１の方が脱塩率が高かった。サイクルが進行しても脱塩率が高いことは、当該サイクルの脱塩処理を開始する直前の状態でバイポーラ膜と、バイポーラ膜間に配置されている陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂との再生が十分に行われていることを示ししている。このことから、バイポーラ膜の陽イオン交換膜に接するように通水性の陽イオン交換樹脂層を設け、バイポーラ膜の陰イオン交換膜に接するように通水性の陰イオン交換樹脂層を設け、陽イオン交換樹脂層と陰イオン交換樹脂層とが相互に接するようにした実施例１の方が、バイポーラ膜の相互間の空間を陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混床で充填した比較例１に比べ、再生処理における再生効率が高かったことが分かる。

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
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

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、
前記バイポーラ膜における陽イオン交換膜に接して設けられて陽イオン交換体を有する通水性の陽イオン交換領域と、前記バイポーラ膜における陰イオン交換膜に接して設けられて陰イオン交換体を有する通水性の陰イオン交換領域と、を備え、
前記空間内で前記陽イオン交換領域と前記陰イオン交換領域とが相互に接するか対面するように配置され、
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、前記陽イオン交換体及び前記陰イオン交換体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。
前記空間内において、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に接して前記陰イオン交換領域が配置され、前記バイポーラ膜における陰イオン交換膜に面する電極に接して前記陽イオン交換領域が配置されている、請求項１に記載の脱塩装置。
前記陽イオン交換領域は、粒状の陽イオン交換樹脂の層からなり、前記陰イオン交換領域は、粒状の陰イオン交換樹脂の層からなる、請求項１または２に記載の脱塩装置。
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乃至３いずれか１項に記載の脱塩装置。
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４のいずれか１項に記載の脱塩装置。
被処理水の脱塩方法において、
バイポーラ膜と該バイポーラ膜の陽イオン交換膜に接して設けられた通水性の陽イオン交換領域と前記バイポーラ膜の陰イオン交換膜に接して設けられた通水性の陰イオン交換領域とを備えて前記陽イオン交換領域と前記陰イオン交換領域とが相互に接するか対面するように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、前記陽イオン交換領域及び前記陰イオン交換領域を再生する再生処理と、
を交互に実施し、
前記陽イオン交換領域は陽イオン交換体を有する領域であり、前記陰イオン交換領域は陰イオン交換体を有する領域であって、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。
前記空間内において、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に接して前記陰イオン交換領域が配置され、前記バイポーラ膜における陰イオン交換膜に面する電極に接して前記陽イオン交換領域が配置されている、請求項６に記載の脱塩方法。
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６または７に記載の脱塩方法。