JP7077172B2 - 電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置に関する。
電気式脱イオン水製造装置(以下、「EDI装置」ということがある)は、電気泳動と電気透析を組み合わせた装置である。一般的なEDI装置の基本構成は次のとおりである。すなわち、EDI装置は、脱塩室と、脱塩室の両側に配置された一対の濃縮室と、一方の濃縮室の外側に配置された陽極(プラス極)室と、他方の濃縮室の外側に配置された陰極(マイナス極)室とを有する。脱塩室は、対向配置されたアニオン交換膜およびカチオン交換膜と、それら交換膜の間に充填されたイオン交換体(アニオン交換体又は/及びカチオン交換体)とを有する。被処理水中に存在するアニオン成分及びカチオン成分が、それぞれアニオン交換膜およびカチオン交換膜を通って脱塩室から濃縮室に移動し、脱塩室から処理水すなわち脱イオン水が得られ、濃縮室から濃縮水が得られる。
EDI装置では、濃縮水に含まれる弱酸成分が、濃縮室と脱塩室とを仕切るカチオン交換膜を通過して処理水中に拡散し、処理水の純度を低下させる現象が発生する。これは、炭酸やシリカ(ケイ酸)、ホウ素(ホウ酸)に代表される弱酸成分が、pHなどの変化に応じて一部イオン化していない分子(中性分子)の形態をとるため、カチオン交換膜による選択透過性の影響を受けにくいことに起因している。例えば炭酸については、下式で示される平衡関係がある。炭酸の場合、上記イオン化していない分子(中性分子)の形態はCOならびにHCOであり、これらはカチオン交換膜を容易に通過し得る。
CO+HO ⇔ HCO ⇔ HCO +H ⇔ CO 2-+2H
ホウ素については、下式で示される平衡関係がある。
B(OH)+HO ⇔ B(OH) +H
ホウ素の場合、イオン化していない分子(中性分子)の形態はB(OH)である。
特許文献1には、処理水におけるホウ素の低濃度化が可能な水処理装置が開示される。この水処理装置では、複数のEDI装置を、脱塩室が直列に連通するように配し、それら脱塩室に特定のイオン交換体を配置している。
国際公開第2017/056792号パンフレット
EDI装置では、弱酸成分を被処理水から除去することが非常に重要である。
本発明は、弱酸成分を効率良く被処理水から除去することのできる、新たなEDI装置および脱イオン水の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、
対向する陰極と陽極との間に少なくとも一つの脱塩処理部が設けられ
記脱塩処理部は、イオン交換体が充填された脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられる一対の濃縮室とを有し、前記一対の濃縮室のそれぞれにイオン交換体が充填され
記脱塩室は、前記一対の濃縮室のうちの前記陰極側の濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接するとともに、前記一対の濃縮室のうちの前記陽極側の濃縮室にアニオン交換膜を介して隣接している電気式脱イオン水製造装置であって、
前記脱塩室に充填されるイオン交換体が、一つのアニオン交換体、一つのカチオン交換体、ならびに、一つのアニオン交換体および一つのカチオン交換体、から選ばれるいずれかであり、
前記アニオン交換膜が不均質膜であり、前記カチオン交換膜が均質膜であることを特徴とする、電気式脱イオン水製造装置が提供される。
本発明の別の態様によれば、
電気式脱イオン水製造装置に被処理水を通水して脱イオン水を製造する、脱イオン水の製造方法であって、
前記被処理水が、ホウ素、炭酸およびシリカからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
前記電気式脱イオン水製造装置が、上記の電気式脱イオン水製造装置であることを特徴とする、脱イオン水の製造方法が提供される。
本発明によれば、弱酸成分を効率良く被処理水から除去することのできる、新たなEDI装置および脱イオン水の製造方法が提供される。
本発明のEDI装置の一形態の概略構成を示す模式断面図である。 本発明のEDI装置の別の形態の概略構成を示す模式断面図である。 本発明のEDI装置のさらに別の形態の概略構成を示す模式断面図である。 本発明のEDI装置のさらに別の形態の概略構成を示す模式断面図である。 試験1で用いた装置の概略構成を示す模式断面図である。 試験2で用いた装置の概略構成を示す模式断面図である。 試験2および比較試験2の結果を示すグラフである。
イオン交換膜は、不均質膜と均質膜に大別することができる。不均質膜は、イオン交換樹脂の微粉末を、適当な結合剤(高分子化合物)、たとえばポリエチレン、ポリスチレン、フェノール樹脂、合成ゴムなどに分散させ、加熱して膜状に成形したものである。不均質膜の膜面には、イオン交換基が存在しない不活性な高分子化合物からなる部分が存在する。不均質膜は製造が容易であり、安定した膜性能を有する。上記微粉末状のイオン交換樹脂の高分子母体は、例えば、スチレン-ジビニルベンゼンの共重合体である。
一方、均質膜は、膜状に合成したイオン交換体である。均質膜は、膜全体が高度の架橋によって化学的に結合し、多数のイオン交換基が均一に分布した構造を有し、不均質膜に比べて機械的強度は劣るが電気抵抗が低い点で優れたイオン交換膜である。不均質膜はイオン交換樹脂で形成することができ、その高分子母体は、例えば、スチレン-ジビニルベンゼンの共重合体である。
不均質膜、均質膜ともに機械的強度を向上する目的にて補強体としてメッシュや不織布などが一体化されているのが一般的である。なお、イオン交換膜はイオン交換樹脂と同様に導入される官能基の種類によって、アニオン交換膜とカチオン交換膜に分類される。
本発明者らは、脱塩室とその陽極側の濃縮室との間を仕切るアニオン交換膜として不均質膜を用いること、および、脱塩室とその陰極側の濃縮室との間を仕切るカチオン交換膜として均質膜を用いることが、弱酸成分を効率良く被処理水から除去するために有効であることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
以下、図面を参照しつつ本発明の形態について詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
図1に、本発明に基づくEDI装置の基本的な態様を示す。EDI装置には、対向する陰極12と陽極11との間に、少なくとも1つの脱塩処理部が設けられる。この脱塩処理部は、脱塩室23と、脱塩室23の両隣に設けられる一対の濃縮室22及び24とを有し、またアニオン交換膜(AEM)32とカチオン交換膜(CEM)33も有する。
脱塩室23は、一対の濃縮室22、24のうちの陰極側の濃縮室24にカチオン交換膜33を介して隣接するとともに、一対の濃縮室22、24のうちの陽極側の濃縮室22にアニオン交換膜32を介して隣接する。したがって脱塩室23は、陽極11に向いた側に位置するアニオン交換膜32と陰極12に向いた側に位置するカチオン交換膜33とによって区画されている。
図1に示すEDI装置では、陽極11を備えた陽極室21と、陰極12を備えた陰極室25との間に、陽極室21側から順に、濃縮室22、脱塩室23及び濃縮室24が設けられている。陽極室21と濃縮室22はカチオン交換膜31を介して隣接し、濃縮室24と陰極室25はアニオン交換膜34を介して隣接している。
脱塩室23内には、被処理水に含まれるイオンを捕捉するために、イオン交換体(アニオン交換体および/またはカチオン交換体)が充填される。特に、被処理水に含まれる弱酸成分のアニオンを捕捉し、被処理水から除去するために、脱塩室23に、少なくともアニオン交換体が充填されていることが好ましい。図1に示した例では、脱塩室23内には、アニオン交換体とカチオン交換体とが混床(MB)となって充填されている。しかし、アニオン交換体のみが脱塩室23に充填されていてもよい。あるいは、一つ以上のアニオン交換体床(アニオン交換体からなる床)と、一つ以上のカチオン交換体床(カチオン交換体からなる床)とが、脱塩室23に設けられていてもよい。この場合は、脱塩室から最終的に排出される処理水中の弱酸成分濃度を低くするために、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、アニオン交換体床とカチオン交換体床が脱塩室に充填されていることが好ましい。
一対の濃縮室22および24にはそれぞれ、イオン交換体(アニオン交換体および/またはカチオン交換体)が充填されている。特に、濃縮室22および24にそれぞれ少なくともアニオン交換体が充填されている場合に、本発明の効果が顕著である。なぜなら、濃縮室22、24にアニオン交換体が充填されている場合、濃縮室から脱塩室への弱酸成分の拡散現象が顕著である傾向があるからである。図1に示した例では、濃縮室22および24にそれぞれアニオン交換樹脂(AER)が充填される。
さらにこのEDI装置では、カチオン交換体が陽極室21内に充填され、アニオン交換体が陰極室25内に充填されている。しかし、陽極室21及び陰極室25には、必ずしもイオン交換体を充填する必要はない。
アニオン交換体としては例えばアニオン交換樹脂(AER)が使用され、カチオン交換体としては例えばカチオン交換樹脂(CER)が使用される。イオン交換樹脂とは、三次元的な網目構造を持った高分子母体に官能基(イオン交換基)を導入した合成樹脂のことであり、通常使用されるものは、粒子径が0.4~0.8mm程度の球状の粒子である。イオン交換樹脂の高分子母体としては、スチレン-ジビニルベンゼンの共重合体(スチレン系)や、アクリル酸-ジビニルベンゼンの共重合体(アクリル系)などがある。
イオン交換樹脂は、官能基が酸性を示すカチオン交換樹脂と、塩基性を示すアニオン交換樹脂とに大別され、さらに、導入されるイオン交換基の種類によって、強酸性カチオン交換樹脂、弱酸性カチオン交換樹脂、強塩基性アニオン交換樹脂、弱塩基性アニオン交換樹脂などがある。強塩基性アニオン交換樹脂としては、例えば、第4級アンモニウム基を官能基(イオン交換基)として有するものがあり、弱塩基性アニオン交換樹脂としては、例えば、第1~第3級アミンを官能基として有するものがある。強酸性カチオン交換樹脂としては、例えば、スルホン酸基を官能基として有するものがあり、弱酸性カチオン交換樹脂としては、例えば、カルボキシル基を官能基として有するものがある。
本発明のEDI装置に、ホウ素、炭酸およびシリカからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む被処理水を通水して、脱イオン水を製造することができる。これら成分の被処理水中の濃度は問わないが、本発明は、例えばホウ素が50ng/L以上含まれる場合に好適である。特に、被処理水がホウ素を含む場合、0.5A/dm以上の電流密度でEDI装置を運転し、被処理水から極めて効率良くホウ素を除去することが可能となる。この場合の電流密度の上限値は、特に限定されないが、例えば2.0A/dmとすることができる。
以下に、図1に示したEDI装置による脱イオン水(処理水)の製造について説明する。陽極室21、濃縮室22、24及び陰極室25に供給水を通水し、陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、脱塩室23に被処理水を通水する。すると、被処理水中のイオン成分は脱塩室23内のイオン交換体に吸着され、脱イオン化(脱塩)処理が行われ、脱塩室23から処理水として脱イオン水が流出する。このとき脱塩室23では、印加電圧によって主に異種のイオン交換体(イオン交換膜であってもよい)同士の界面で水の解離反応が起こり、水素イオン及び水酸化物イオンが生成する。そしてその水素イオンと水酸化物イオンとによって、先に脱塩室23内のイオン交換体に吸着されていたイオン成分がイオン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のうちアニオンはアニオン交換膜32を介して陽極側の濃縮室22に移動し、この濃縮室22から濃縮水として排出され、カチオンは、カチオン交換膜33を介して陰極側の濃縮室24に移動し、この濃縮室24から濃縮水として排出される。結局、脱塩室23に供給された被処理水中のイオン成分は濃縮室22、24に移行して排出され、同時に、脱塩室23のイオン交換体が再生される。なお、陽極室21及び陰極室25からは電極水が排出される。
本発明では、アニオン交換膜32に不均質膜を用いることにより、脱塩室23から濃縮室22への弱酸成分の除去性能を高くすることができる。また、カチオン交換膜33に均質膜を用いることにより、濃縮室24から脱塩室23に拡散する弱酸成分を減少させることができる。したがって、弱酸成分を効率良く被処理水から除去することができる。
その理由は次のように推定される。均質膜よりも、不均質膜のほうが、柔軟な傾向がある。これは、均質膜は、膜全体が高度の架橋によって化学的に結合しているためと考えられる。そのため、イオン交換膜として均質膜を用いた場合に比べて不均質膜を用いた場合のほうが、イオン交換膜とイオン交換体(当該イオン交換膜に隣接する室に充填されるイオン交換体)との間の接触面積が大きい。例えば、粒状のイオン交換樹脂が、柔軟な不均質膜にめり込み、その結果接触面積が大きくなる。したがって、不均質アニオン交換膜32と、イオン交換体(脱塩室23内および濃縮室22内のイオン交換体)との間の接触面積は大きく、その結果、弱酸成分の除去性能が高い。一方、均質カチオン交換膜33と、イオン交換体(脱塩室23内および濃縮室24内のイオン交換体)との間の接触面積は小さく、その結果、濃縮室24から脱塩室23への弱酸成分の拡散が抑制される。
不均質なアニオン交換膜32として、また、均質なカチオン交換膜33として、それぞれEDI装置や電気透析装置(ED)の分野で公知のものを使用することができる。
アニオン交換膜およびカチオン交換膜のいずれについても、一般的な不均質膜の厚さは200μm~700μm程度、特には400~600μmである。一方、アニオン交換膜およびカチオン交換膜のいずれについても、均質膜は、電気抵抗を低くするために、膜厚が薄い傾向がある。一般的な均質膜の厚さは、100μm~300μm程度、特には150~250μmである。
濃縮室22と陽極室21とを隔てるカチオン交換膜31、および濃縮室24と陰極室25とを隔てるアニオン交換膜34は、それぞれ均質膜であっても不均質膜であってもよく、EDI装置や電気透析装置(ED)の分野で公知のものを使用することができる。
陽極11及び陰極12として、EDI装置の分野で公知のものを用いることができる。例えば、陰極にはステンレス、陽極には白金などの貴金属、もしくは貴金属めっき電極が用いられる。
また、例えば、陽極11及び陰極12、陽極室21、濃縮室22及び24、脱塩室23、陰極室25、カチオン交換膜31及び33、ならびにアニオン交換膜32および34を、適宜の枠体(不図示)に収容することができる。
供給水や被処理水としても、EDI装置の分野で公知のものを用いることができる。一般的には逆浸透(RO)膜の透過水が用いられ、RO膜で2段以上処理したものがより好ましい。加えて、脱炭酸塔や脱炭酸膜を用いて炭酸を除去することもある。さらに、近年においては、EDIにて処理した水を供給水や被処理水に用いる場合もある。
図1に示した装置では、陽極室21、濃縮室22及び24、ならびに陰極室25に、上方から供給水を導入し、下方から水(電極水もしくは濃縮水)を排出し、また、脱塩室23には、上方から被処理水を供給し、処理水を下方へ排出している。しかし、その限りではなく、水の流れ方向は適宜決めることができる。さらに、陽極室21に外部から水を供給するのではなく、陰極室25の出口水(電極水)を陽極室21に供給してもよいし、その逆としてもよい。
なお、濃縮室が電極室を兼ねている構成も本発明に含まれる。例えば、図1に示す濃縮室24に陰極を設けて陰極室25を省略してもよい。この場合であっても、脱塩室および一対の濃縮室から構成される脱塩処理部は、陰極と陽極の間に配置される。
以上、本発明に基づくEDI装置の基本的な構成を説明したが、本発明は種々の構成のEDI装置に広く適用できるものである。以下、本発明を適用できるEDI装置の構成例を説明する。
図2は、本発明に基づくEDI装置の別の形態を示している。EDI装置は、脱塩処理部を複数個有することができる。そのために、[濃縮室|アニオン交換膜(AEM)|脱塩室|カチオン交換膜(CEM)|濃縮室]からなる基本構成(すなわちセルセット)を陽極と陰極との間に複数個並置することができる。このとき、隣接するセルセット間で隣り合う濃縮室を共有することができる。図2に示したEDI装置は、図1に示した装置において、アニオン交換膜32、脱塩室23、カチオン交換膜33及び濃縮室24で1つのセルセットが構成されるものとして、このセルセットを陽極室21に最も近い濃縮室22と陰極室25との間にN(Nは1以上の整数)個配置したものである。
陽極室21にはカチオン交換樹脂(CER)が充填され、濃縮室22、24と陰極室25にはアニオン交換樹脂(AER)が充填される。脱塩室23にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床(MB)で充填されている。陽極室21に外部から水を供給するのではなく、陰極室25の出口水が陽極室21に供給されるようになっている。また、図1に示したものと異なって、陽極室21、濃縮室22および24、ならびに陰極室25では、水の流れが下方から上方に向かう。したがって、脱塩室23内の水の流れ方向は、その両側の濃縮室22,24内の水の流れ方向と向流になっている。
なお、濃縮室24から脱塩室23への弱酸成分の拡散は、濃縮室24における弱酸成分の濃度にも影響され、その濃度が高いほど拡散する量も増加する。濃縮室24ではその入口から出口に向かうにつれ、濃縮倍率が上がり弱酸成分の濃度も高くなる。図2に示すように、濃縮室24の入口側を脱塩室23の出口側に隣接するように配置することで、脱塩室23の処理水出口に近い位置に濃縮室24からの拡散がより多く発生することを抑えることができる。よって、濃縮室24における水の流れ方向は、隣接する脱塩室23(図2に示す形態では脱塩室23、図3および4に示す形態では第2小脱塩室27)における水の流れ方向と向流になるようにすることが好ましい。
本発明に基づくEDI装置では、各脱塩室において陽極側のアニオン交換膜と陰極側のカチオン交換膜との間に中間イオン交換膜(IIEM)を設け、中間イオン交換膜によってその脱塩室を第1小脱塩室及び第2小脱塩室に区画することができる。そして、第1小脱塩室及び第2小脱塩室のうちの一方の小脱塩室に被処理水が供給されて、その小脱塩室から流出する水が他方の小脱塩室に流入するように、第1及び第2の小脱塩室を連通配置することができる。中間イオン交換膜としては、アニオン交換膜及びカチオン交換膜のいずれも使用できる。このとき、陽極側の小脱塩室を第1小脱塩室、陰極側の小脱塩室を第2小脱塩室とする。例えば、第1小脱塩室には少なくともアニオン交換体が充填され、第2小脱塩室には少なくともカチオン交換体が充填される。
図3は、このように脱塩室を中間イオン交換膜によって2つの小脱塩室に区画したEDI装置の例を示している。このEDI装置は、図2に示すEDI装置における各脱塩室23を中間イオン交換膜36によって、陽極11側の第1小脱塩室26と陰極12側の第2小脱塩室27とに区画した構成を有する。第1小脱塩室26は、アニオン交換膜32と中間イオン交換膜36との間に位置し、第2小脱塩室27は、カチオン交換膜33と中間イオン交換膜36との間に位置する。この例では、中間イオン交換膜36として、アニオン交換膜が使用されている。
陽極11側の第1小脱塩室26にはアニオン交換樹脂が充填され、陰極12側の第2小脱塩室27にはカチオン交換樹脂が充填されている。
被処理水はまず第2小脱塩室27に供給され、第2小脱塩室27からの出口水が、第2小脱塩室27での水の流れと並流になるように、第1小脱塩室26に供給され、第1小脱塩室26から脱イオン水が処理水として得られる。第1及び第2小脱塩室26,27での水の流れ(上方から下方に向かう)に対し、陽極室21、濃縮室22,24及び陰極室25での水の流れ(下方から上方に向かう)は向流となっている。
図4は、脱塩室を中間イオン交換膜によって2つの小脱塩室に区画したEDI装置の別の例を示している。このEDI装置は、図2に示したEDI装置における各脱塩室23を、アニオン交換膜32とカチオン交換膜33との間に位置する中間イオン交換膜36によって、陽極11側の第1小脱塩室26と陰極12側の第2小脱塩室27とに区画した構成を有する。第1小脱塩室26は、アニオン交換膜32と中間イオン交換膜36との間に位置し、第2小脱塩室27は、カチオン交換膜33と中間イオン交換膜36との間に位置する。この例でも、中間イオン交換膜36として、アニオン交換膜が使用されている。
第1小脱塩室26にはアニオン交換樹脂を充填する。第2小脱塩室27の入口側領域にカチオン交換樹脂を配置し、出口側領域にアニオン交換樹脂を配置する。つまり、第2小脱塩室27に、被処理水の通水方向に沿って、カチオン交換体床及びアニオン交換体床が、この順に設けられる。
第1小脱塩室26に被処理水が供給され、第1小脱塩室26から流出する水が第2小脱塩室27に流入するように、第1小脱塩室26及び第2小脱塩室27が連通している。第2小脱塩室27から脱イオン水が処理水として得られる。したがって、脱塩室23には、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、アニオン交換体床とカチオン交換体床とが充填されている。
この装置では、第1小脱塩室26における水の流れと、第2小脱塩室27における水の流れとが、向流となっている。
脱塩室から最終的に排出される処理水の純度を高める観点から、脱塩室において、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、カチオン交換体床とアニオン交換体床とを交互に用いることが好ましい。これは、図4に示した形態だけでなく、図3に示す形態についても言えることである。例えば、図4に示すような形態では、第2小脱塩室27内に設けられたイオン交換体床の積層体の最終段がアニオン交換体床であることが好ましい。
弱酸成分としてホウ素を用い、アニオン交換膜32が不均質膜である場合と均質膜である場合についてホウ素除去率を評価した試験を行い、また、カチオン交換膜33が均質膜である場合と不均質膜である場合についてホウ素透過量(拡散量)を評価した試験を行った。以下、これら試験について説明する。
〔試験1〕
図5に示す構成を有するEDI装置を用意した。この装置は、次の点を除いて図1に示す装置と同様の構成を有していた。
・濃縮室22に、カチオン交換樹脂を充填した。濃縮室22にホウ素を捕捉しないカチオン交換樹脂を充填することにより、濃縮室22からホウ素を排出し、ホウ素透過量を測定した。
・脱塩室23に、アニオン交換樹脂を充填した。
・脱塩室23の陰極側に位置する濃縮室が、陰極12を有し、陰極室を兼ねる濃縮室51であった。この濃縮室51にはアニオン交換樹脂を充填した。
・陰極室を兼ねる濃縮室51の出口水を、陽極室21に供給した。
・脱塩室23にホウ素含有水を供給し、濃縮室22および51にホウ素を含まない水を供給した。
脱塩室23から濃縮室22へ移動したホウ素の量を評価するために、脱塩室22の出口水または濃縮室22の出口水中のホウ素濃度を測定し、ホウ素除去率を求めた。ホウ素除去率は、脱塩室23に供給したホウ素含有水に含まれるホウ素の質量流量に対する、濃縮室22から排出された濃縮室出口水に含まれるホウ素の質量流量の割合である。求めたホウ素除去率を表1に示す。
用いたEDI装置の仕様および試験条件を以下に示す。陽極室21および濃縮室22に充填したカチオン交換樹脂(CER)は共通であり、脱塩室23および濃縮室51に充填したアニオン交換樹脂(AER)は共通である。また、以下において、「縦」は図における紙面上下方向(水の流れ方向に沿う方向)を意味し、「横」は紙面奥行き方向を意味する。
・陽極室21:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、CER充填
・濃縮室22:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、CER充填
・脱塩室23:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、AER充填
・濃縮室51:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、AER充填
・CER:強酸性カチオン交換樹脂(母体:スチレン・ジビニルベンゼン共重合体)
・AER:強塩基性アニオン交換樹脂(母体:スチレン・ジビニルベンゼン共重合体)
・アニオン交換膜32:不均質膜(商品名:RALEX AM-PP、MEGA社製、通電部有効膜寸法 縦50×横40mm、厚さ0.7mm)
・ホウ素非含有水:超純水(比抵抗18.2MΩ・cm、ホウ素濃度20ng/L未満)
・ホウ素含有水:上記ホウ素非含有水にホウ素を25μg/Lで添加したもの
・各室から排出される水の流量:8L/h
・印加電流密度:0.5A/dm
〔比較試験1〕
アニオン交換膜32を下記の均質膜に替えたこと以外は試験1と同様の試験を行った。得られたホウ素除去率を表1に示す。
・アニオン交換膜32:均質膜(商品名:ネオセプタ AHA、アストム社製、通電部有効膜寸法 縦50×横40mm、厚さ0.2mm)。
Figure 0007077172000001
表1から、脱塩室の陽極側のアニオン交換膜32として不均質膜を使用することにより、均質膜を使用した場合に比べて、ホウ素の除去率が高くなることがわかる。
〔試験2〕
図6に示す構成を有するEDI装置を用意した。この装置は、次の点を除いて、図1に示す装置と同様の構成を有していた。
・脱塩室23の陽極側に位置する濃縮室が、陽極11を有し、陽極室を兼ねる濃縮室61であった。この濃縮室61にはカチオン交換樹脂を充填した。
・濃縮室61と脱塩室23とを隔てる膜として、カチオン交換膜62を用いた。
・脱塩室23に、カチオン交換樹脂を充填した。ホウ素を捕捉しないカチオン交換樹脂を脱塩室23に充填することにより、脱塩室23からホウ素を排出しやすくなる。
・陰極室25の出口水を、濃縮室61に供給した。
・濃縮室24にホウ素含有水を供給し、脱塩室23および陰極室25にホウ素を含まない水を供給した。
濃縮室24から脱塩室23に、カチオン交換膜33を通って透過したホウ素量を評価するために、脱塩室23の出口水中のホウ素濃度を測定した。ホウ素の透過量は、脱塩室23の出口水に含まれるホウ素の質量流量(ホウ素濃度×脱塩室出口水流量)を、カチオン交換膜33の有効膜面積で除した値である。印加電流密度は0.1~2.0A/dmの範囲で変化させ、それぞれの電流密度において上記測定を行った。結果を図7に示す。
用いたEDI装置の仕様および試験条件を以下に示す。濃縮室61、脱塩室23に充填したカチオン交換樹脂(CER)は共通であり、濃縮室24および陰極室25に充填したアニオン交換樹脂(AER)は共通である。
・濃縮室61:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、CER充填
・脱塩室23:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、CER充填
・濃縮室24:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、AER充填
・陰極室25:寸法 縦50×横40×厚さ10mm、AER充填
・CER:強酸性カチオン交換樹脂(試験1で用いたものと同じ)
・AER:強塩基性アニオン交換樹脂(試験1で用いたものと同じ)
・カチオン交換膜33:均質膜(商品名:ネオセプタ CTT、アストム社製、通電部有効膜寸法 縦50×横40mm、厚さ0.3mm)
・ホウ素非含有水:超純水(比抵抗18.2MΩ・cm、ホウ素濃度20ng/L未満)
・ホウ素含有水:上記ホウ素非含有水にホウ素を250μg/Lで添加したもの
・各室から排出される水の流量:6L/h
・印加電流密度:0.1、0.2、0.5、1.0または2.0A/dm
〔比較試験2〕
カチオン交換膜33を下記の不均質膜に替えたこと以外は試験2と同様の試験を行った。結果を図7に示す。
・カチオン交換膜33:不均質膜(商品名:RALEX CM-PP、MEGA社製、通電部有効膜寸法 縦50×横40mm、厚さ0.7mm)
試験2は、比較試験2と比べて、全ての電流密度値において、ホウ素透過量が小さい。特筆すべきは、電流密度が0.5A/dm以上の領域における傾向である。電流密度の増大に伴って、比較試験2ではホウ素透過量が増大するのに対し、試験2ではホウ素透過量が減少している。本発明者らは、試験2でこのような現象が生じる理由を、次のように推定している。
濃縮室24において、カチオン交換膜33の表面近傍では、ホウ素が濃縮され、高濃度化する。電流密度が高いほど、表面近傍のホウ素濃度が高くなる。一方、ホウ素は約270mg/L以上でポリマー化する。したがって、高電流密度下では、カチオン交換膜33表面近傍におけるホウ素がポリマー化すると考えられる。ポリマー化したホウ素は、その大きさのゆえに、物理的にカチオン交換膜33を通過しにくい。このようなホウ素のポリマー化に起因して、電流密度が0.5A/dm以上の場合に、試験2では電流密度の増大に伴ってホウ素透過量が減少したものと考えられる。
本発明によれば、0.5A/dm以上の電流密度でEDI装置を運転し、ホウ素を含む被処理水から極めて効率良くホウ素を除去することが可能となる。
11 陽極
12 陰極
21 陽極室
22、24 濃縮室
23 脱塩室
25 陰極室
26 第1小脱塩室
27 第2小脱塩室
31、33、62 カチオン交換膜(CEM)
32、34 アニオン交換膜(AEM)
36 中間イオン交換膜(IIEM)
51 陰極室を兼ねる濃縮室
61 陽極室を兼ねる濃縮室

Claims (5)

  1. 対向する陰極と陽極との間に少なくとも一つの脱塩処理部が設けられ
    記脱塩処理部は、イオン交換体が充填された脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられる一対の濃縮室とを有し、前記一対の濃縮室のそれぞれにイオン交換体が充填され
    記脱塩室は、前記一対の濃縮室のうちの前記陰極側の濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接するとともに、前記一対の濃縮室のうちの前記陽極側の濃縮室にアニオン交換膜を介して隣接している電気式脱イオン水製造装置であって、
    前記脱塩室に充填されるイオン交換体が、一つのアニオン交換体、一つのカチオン交換体、ならびに、一つのアニオン交換体および一つのカチオン交換体、から選ばれるいずれかであり、
    前記アニオン交換膜が不均質膜であり、前記カチオン交換膜が均質膜であることを特徴とする、電気式脱イオン水製造装置。
  2. 前記一対の濃縮室のそれぞれに、少なくともアニオン交換体が充填されている、請求項1に記載の電気式脱イオン水製造装置。
  3. 前記脱塩室に充填されるイオン交換体が、一つのアニオン交換体であるか、または、一つのアニオン交換体および一つのカチオン交換体である、請求項1または2に記載の電気式脱イオン水製造装置。
  4. 電気式脱イオン水製造装置に被処理水を通水して脱イオン水を製造する、脱イオン水の製造方法であって、
    前記被処理水が、ホウ素、炭酸およびシリカからなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、
    前記電気式脱イオン水製造装置が、請求項1~3のいずれか一項に記載の電気式脱イオン水製造装置であることを特徴とする、脱イオン水の製造方法。
  5. 前記被処理水がホウ素を含み、前記電気式脱イオン水製造装置を、0.5A/dm以上の電流密度で運転する、請求項4に記載の脱イオン水の製造方法。
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