JP6956953B2 - 逆電気透析方法及びその利用 - Google Patents
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Description
前記陽イオン交換膜及び/又は陰イオン交換膜において、一方の面にのみ一価イオン選択透過性層を設けることを特徴とする逆電気透析方法。
本発明の一実施形態に係る逆電気透析方法およびその利用技術は、逆電気透析方法および逆電気透析装置において、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜のいずれか一方の面に一価イオン選択透過性層を形成すること、特にイオン交換膜における塩濃度の低い水溶液と接する面に一価イオン選択透過性層を形成することを特徴点とする。
以下の説明においては、図1及び図2を用いて、本発明の一実施形態に係る逆電気透析方法および逆電気透析装置について説明する。尚、本実施の形態では、逆電気透析により発生する起電力を発電に利用する逆電気透析方法等について説明するが、本発明の一態様における逆電気透析方法等は、これに限定されない。例えば、水素を製造するために用いることもできる。
2Cl−→Cl2+2e−
尚、図1の例では、NaClの水溶液を極液Eとして使用しているため、塩素が発生しているが、硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩等の水溶液を使用した場合には、OH−が酸化されて、酸素が生成することとなる。
2H++2e−→H2
尚、カソードとしての電極板11が塩化銀、アノードとしての電極板21が銀からなる場合等には、その電極反応は下記式に示すものになる。
AgCl+e−→Ag+Cl−
アノードでの電極反応(酸化反応)
Ag+Cl−→AgCl+e−
逆電気透析装置1における電極板11と電極板21との間に生じる開回路電圧としての膜電位VOCは、以下の理論式(1)により表される。
式中、
Nmは、電極板11と電極板21との間に存在する陰イオン交換膜Aおよび陽イオン交換膜Cの数であり、
αは、イオン交換膜A,Cの輸率の合計であり、
acは、濃厚室3に流される海水Sのイオンの平均活量(mol/dm3)であり、
adは、希薄室5に流される淡水Rのイオンの平均活量(mol/dm3)であり、
Rは、気体定数(J/(K・mol))であり、
Tは、絶対温度(K)であり、
zは、イオンの価数であり、
Fは、ファラデー定数(C/mol)である。
本発明の逆電気透析方法では、陰イオン交換膜Aおよび陽イオン交換膜Cは、一方の面にのみ一価イオン選択透過性層を設ける。イオン交換膜A,Cの構成について、図2を用いて以下に説明する。図2は、本実施の形態における逆電気透析方法において用いられるイオン交換膜A,Cの構成を示す断面図であり、(a)は処理面を濃厚室3側に向けた状態、(b)は処理面を希薄室5側に向けた状態を示している。
また、本発明の一態様における逆電気透析方法により、塩濃度の差を利用して発電を行う発電方法および発電装置も本発明の範疇に入る。これにより、逆電気透析に利用して効率的に発電を行うことができる。
本発明の一態様における逆電気透析方法を実施する逆電気透析装置1としては、(i)少なくとも1つの陽イオン交換膜Cが片面処理陽イオン交換膜CH若しくは片面処理陽イオン交換膜CLとなっている、または、(ii)少なくとも1つの陰イオン交換膜Aが片面処理陰イオン交換膜AH若しくは片面処理陰イオン交換膜ALとなっていればよい。
陽イオン交換膜(以下、CEMと称することがある)として、(株)アストム製のネオセプタ(登録商標)CMX、CIMS、CMSを使用した。
陰イオン交換膜(以下、AEMと称することがある)として、(株)アストム製のネオセプタAMX、ACS−8T、ACSを使用した。
イオン交換膜を1mol/l−HCl水溶液に10時間以上浸漬する。
含水率=100×(W−D)/D[%]
(膜厚)
イオン交換膜を0.5mol/L−NaCl溶液に4時間以上浸漬した後、ティッシュペーパーで膜の表面の水分を拭き取り、マイクロメ−タ MED−25PJ(株式会社ミツトヨ社製)を用いて測定した。
白金黒電極を有する2室セル中にイオン交換膜を挟み、イオン交換膜の両側に0.5mol/L−NaCl水溶液を満たし、交流ブリッジ(周波数1000サイクル/秒)により25℃における電極間の抵抗を測定し、該電極間抵抗とイオン交換膜を設置しない場合の電極間抵抗との差により膜抵抗(Ω・cm2)を求めた。なお、上記測定に使用するイオン交換膜は、予め0.5mol/L−NaCl水溶液中で平衡にしたものを用いた。
イオン交換膜を0.5mol/L−NaCl水溶液に4時間以上浸漬し、イオン交換水で十分水洗した。次いで、膜を乾燥させることなく、ミューレン破裂試験機(東洋精機製)により、JIS−P8112に準拠して破裂強度を測定した。
有効通電面積4.0cm2の陰イオン交換膜で隔てられた二室型のガラス製セルの両室に銀塩化銀電極を設け、陽極室側に0.5mol/L−NaCl水溶液100mlを、また、陰極室側に0.25mol/L−NaCl及び0.125mol/L―Na2SO4の混合水溶液100mlをそれぞれ供して、25℃で40mAの直流電流を1時間通電後、陰極室の塩素イオン及び硫酸イオンの量を定量した。得られた塩素イオン量及び硫酸イオン量から、次式より選択透過係数PCl SO4を求めた。
tSO4は膜を透過した硫酸イオン当量数、tClは膜を透過した塩素イオン当量数、CSO4は測定後の陰極室の硫酸イオン当量濃度、CClは測定後の陰極室の塩素イオン当量濃度である。
有効通電面積4.0cm2の陽イオン交換膜で隔てられた二室型のガラス製セルの両室に銀塩化銀電極を設け、陽極室側に0.25mol/L−NaCl及び0.125mol/L―CaCl2の混合水溶液100mlを、また、陰極室側に0.5mol/L−NaCl水溶液100mlをそれぞれ供して、25℃で40mAの直流電流を1時間通電後、陽極室のナトリウムイオン及びカルシウムイオンの量を定量した。得られたナトリウムイオン量及びカルシウムイオン量から、選択透過係数PNa Caを次式より求めた。
tCaは膜を透過したカルシウムイオン当量数、tNaは膜を透過したナトリウムイオン当量数、CCaは測定後の陽極室のカルシウムイオン当量濃度、CNaは測定後の陽極室のナトリウムイオン当量濃度である。
塩濃度の高い水溶液として0.508mol/dm3の濃度のNaCl−MgSO4水溶液を用い、塩濃度の低い水溶液として0.017mol/dm3の濃度のNaCl−MgSO4水溶液を用いた。これらの水溶液を用いて、上記各種の陽イオン交換膜、及び上記各種の陰イオン交換膜のそれぞれについて、水溶液中のMgSO4分率を0〜100の間で変化させて、膜電位を測定した。結果を表2に示し、さらに、水溶液中のMgSO4分率と膜電位との関係をグラフ化し図3に示した。
前述の膜抵抗の測定方法において、0.5mol/L−NaCl水溶液に変えて0.508mol/dm3の濃度のNaCl−MgSO4水溶液を用いて膜抵抗を測定した。結果を表3に示し、さらに、水溶液中のMgSO4分率と膜抵抗との関係をグラフ化し図4に示した。
通電部面積が88cm2である20枚の上記の各種の陽イオン交換膜及び20枚の各種の陰イオン交換膜を用意した。また、濃厚室3を構成する厚さ0.18mmのガスケット、希薄室5を構成する厚さ0.18mmのガスケット、電極板11としてAgCl、電極板21としてAgを用意した。極液として濃度3mol/dm3のNaCl水溶液を用意した。
3 濃厚室
5 希薄室
31、41 一価イオン選択透過性層
A 陰イオン交換膜
C 陽イオン交換膜
E 極液
S 海水(塩濃度の高い水溶液)
R 淡水(塩濃度の低い水溶液)
Claims (6)
- カソード及びアノードの間に、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを交互に配置し、各イオン交換膜の間に塩濃度の高い水溶液と塩濃度の低い水溶液とを交互に供給する逆電気透析方法であって、
前記水溶液は、少なくとも一価イオン及び二価以上の多価イオンを含み、
前記陽イオン交換膜において、塩濃度の低い水溶液と接する前記カソード側の面にのみ一価イオン選択透過性層を設けることを特徴とする逆電気透析方法。 - 前記一価イオン選択透過性層は、表面緻密層、電気的中性層、及び反対荷電層からなる群より選択される少なくとも一種の層であることを特徴とする請求項1に記載の逆電気透析方法。
- 請求項1又は2に記載の逆電気透析方法により、塩濃度の差を利用して発電を行うことを特徴とする発電方法。
- カソード及びアノードの間に、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを交互に配置し、各イオン交換膜の間に塩濃度の高い水溶液と塩濃度の低い水溶液とを交互に供給する逆電気透析装置であって、
前記水溶液は、少なくとも一価イオン及び二価以上の多価イオンを含み、
前記陽イオン交換膜は、塩濃度の低い水溶液と接する前記カソード側の面にのみ一価イオン選択透過性層を備えるものであることを特徴とする逆電気透析装置。 - 前記一価イオン選択透過性層は、表面緻密層、電気的中性層、及び反対荷電層からなる群より選択される少なくとも一種の層であることを特徴とする請求項4に記載の逆電気透析装置。
- 請求項4又は5に記載の逆電気透析装置により、塩濃度の差を利用して発電を行うことを特徴とする発電装置。
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