JP7374400B1 - 電気式脱イオン水製造装置及び純水製造方法 - Google Patents

Abstract

弱酸成分を含めたアニオン除去効率を維持しつつカチオンのリークによる処理水の比抵抗の低下を防ぐことができる電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）において、その脱塩室（２３）は、被処理水の流れ方向に沿って複数の領域に区分されている。最上流側に位置する領域（領域Ａ）にはカチオン交換体の体積比が５０％を超えて９０％以下であるようにアニオン交換体及びカチオン交換体の混合物が充填され、最下流側に位置する領域（領域Ｂ）にはアニオン交換体の体積比が５０％を超えて９０％以下であるようにアニオン交換体及びカチオン交換体の混合物が充填される。

Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置と、電気式脱イオン水製造装置を利用した純水の製造方法とに関する。

被処理水から脱イオン水を生成する装置の１つとして、電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ(Electrodeionization)装置がある。以下、電気式脱イオン水製造装置のことをＥＤＩ装置とも称する。ＥＤＩ装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせた装置であって、陽極と陰極との間に、一対のイオン交換膜で区画された脱塩室を配置した構成を有する。ＥＤＩ装置では、少なくともその脱塩室にはイオン交換樹脂が充填される。ＥＤＩ装置において陽極と陰極との間に直流電圧を印加した状態で脱塩室に被処理水を通水することにより、脱塩室において被処理水に対する脱塩処理が行われ、イオン成分が除去された処理水が脱塩室から流出する。被処理水に含まれる炭酸成分やシリカ成分などを除去する効率を高めたり、電圧上昇を抑えつつ電流密度を高くするために、特許文献１に記載されたＥＤＩ装置では、脱塩室内に区画部材を配置することによって脱塩室内が多数の小室に区画されており、脱塩室内の全領域にわたって体積比でアニオン交換樹脂がカチオン交換樹脂と同量かそれよりも多くなるようにアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混合して脱塩室に充填されている。さらに特許文献１に記載されたＥＤＩ装置では、脱塩室における水の流れに沿った上流側及び下流側の一方では、アニオン交換樹脂の混合比が６６～８０体積％とされ、他方ではアニオン交換樹脂の混合比が５０～６５体積％とされている。

ＥＤＩ装置の構造に関し、特許文献２は、開口を有する枠体とイオン交換膜とを交互に積層するとともに枠体の開口内にイオン交換体を充填させることを開示している。

特開２００５－１９３２０５号公報 特開２０１５－１９９０３８号公報

特許文献１に記載されたＥＤＩ装置では、脱塩室内においてカチオン交換樹脂よりもアニオン交換樹脂を高い割合で充填するので、高いアニオン除去率が得られる。その一方で、特許文献１の［００１８］に「アニオン交換樹脂の割合を高めると、ＯＨ^－イオン発生量は増加するが、Ｈ^＋イオンが減少するためＮａ^＋イオンの除去性が低下し、処理水の比抵抗を悪くする。」と記載されるように、カチオン交換樹脂の割合が小さいのでナトリウムイオン（Ｎａ^＋）などのカチオンの除去性能が低下し、ＥＤＩ装置を長時間にわたって運転したときの処理水の比抵抗が低下する。すなわち特許文献１に記載されたＥＤＩ装置では、処理水の水質が低下する、という課題がある。特許文献１に記載されたＥＤＩ装置では、ナトリウムイオンのリークを防ぐために脱塩室内を多数の小室に区分しているが、これは製作性の観点からは改善の余地がある。

本発明の目的は、アニオン除去効率を維持しつつ、カチオンのリークによる処理水の比抵抗の低下を防ぐことができるＥＤＩ装置と、そのようなＥＤＩ装置を用いた純水の製造方法とを提供することにある。

本発明のＥＤＩ装置（電気式脱イオン水製造装置）は、陽極と、陰極と、陽極と陰極との間に配置されて陽極の側に位置するアニオン交換膜と陰極の側に位置するカチオン交換膜とによって区画されてアニオン交換体及びカチオン交換体が充填された脱塩室と、カチオン交換膜の陰極の側に設けられてアニオン交換体及びカチオン交換体が充填された濃縮室と、を有する電気式脱イオン水製造装置であって、脱塩室における被処理水の流れ方向に向かって複数の領域が並ぶように脱塩室が複数の領域に区分され、複数の領域のうち、被処理水の流れにおける最上流側に位置する領域を第１の領域とし最下流側に位置する領域を第２の領域として、第１の領域には、その第１の領域におけるアニオン交換体及びカチオン交換体の全体の体積に対するカチオン交換体の体積比が５０％を超えて９０％以下であるようにアニオン交換体及びカチオン交換体の混合物が充填され、第２の領域には、その第２の領域におけるアニオン交換体及びカチオン交換体の全体の体積に対するアニオン交換体の体積比が５０％を超えて９０％以下であるようにアニオン交換体及びカチオン交換体の混合物が充填されていることを特徴とする。

本発明の純水製造方法は、本発明の電気式脱イオン水製造装置を使用し、陽極と陰極との間に直流電圧を印加しつつナトリウムイオン濃度が０．１ｍｇ／Ｌ以上０．６ｍｇ／Ｌ以下である被処理水を脱塩室に供給して脱イオン水である純水を得ることを特徴とする。あるいは本発明の純水製造方法は、本発明の電気式脱イオン水製造装置を使用し、陽極と陰極との間に直流電圧を印加しつつ全炭酸濃度が０．５ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ以上５．０ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ以下である被処理水を脱塩室に供給して脱イオン水である純水を得ることを特徴とする。

本発明においてアニオン交換体とカチオン交換体とを総称してイオン交換体と呼ぶ。アニオン交換体及びカチオン交換体の全体に対する体積比は、自由状態におけるそれらのイオン交換体間に存在する空隙も含めた見かけ体積すなわち嵩体積に基づいて定められる。自由状態とは、脱塩室や濃縮室といった空間にイオン交換体が拘束されていない状態を指す。

本発明に基づくＥＤＩ装置では、脱塩室にアニオン交換体とカチオン交換体とを混合して充填するときに、被処理水の流れ方向に向かって複数の領域が並ぶように脱塩室を複数の領域に区分し、すなわち被処理水の流れに沿って脱塩室を複数の領域に区分する。そして最上流側の領域ではカチオン交換体の割合を大きくし、最下流側の領域ではアニオン交換体の割合を大きくする。その結果、脱塩室において最上流側の位置ではナトリウムイオンなどのカチオンの除去が優先的に行われ、最下流側の位置では弱酸成分を含むアニオンの除去が優先的に行われる。これにより、被処理水の水質に関して広い範囲でＥＤＩ装置を安定して運転することが可能になり、弱酸成分を含めた高いアニオン除去効率を得つつ、カチオンのリークによる処理水の比抵抗の低下を防ぐことが可能になる。ここでいう弱酸成分には、例えば、炭酸やシリカ、ケイ酸化合物、ホウ酸、その他のホウ素などが含まれる

本発明においては被処理水の流れに沿って脱塩室を複数の領域に区分するが、区分することによって生ずる領域の数は２以上であればよい。区分された領域を物理的に隔てるスペーサーなどの部材を設ける必要はなく、脱塩室にイオン交換体を充填するときに領域ごとに混合比率が変わるようにイオン交換体を充填すればよい。２つの領域に区分するときは、最上流側の領域とは、２つの領域のうち上流側にあるものを指し、最下流側の領域とは、２つの領域のうち下流側にあるものを指す。脱塩室を３以上の領域に区分するときは、最上流側の領域と最下流側の領域を除いた領域には、アニオン交換樹脂あるいはカチオン交換樹脂を単床で充填しても、任意の混合割合でアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して充填してもよい。

脱塩室での最上流側の領域である第１の領域でのアニオン交換体及びカチオン交換体の全体の体積に対するカチオン交換体の体積比を第１の体積比とすると、第１の体積比は、５０％を超えて９０％以下であり、６０％以上８５％以下であることが好ましく、７０％以上８０％以下であることがより好ましい。また最下流側の領域である第２の領域でのアニオン交換体及びカチオン交換体の全体の体積に対するアニオン交換体の体積比を第２の体積比とすると、第２の体積比は、５０％を超えて９０％以下であり、６０％以上８５％以下であることが好ましく、７０％以上８０％以下であることがより好ましい。

脱塩室における被処理水の流れの方向に直交する方向に沿った、脱塩室を区分する複数の領域の各々におけるイオン交換体の層の厚さは、１０ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以上２０ｍｍ以下程度であることがより好ましい。脱塩室に充填されるアニオン交換体としてアニオン交換樹脂を使用するときは、平均粒径が０．４ｍｍを超えて１ｍｍ程度以下である一般的なアニオン交換樹脂を使用することができるが、アニオン交換樹脂の平均粒径は、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下程度であることがより好ましい。

本発明によれば、アニオン除去効率を維持しつつカチオンのリークによる処理水の比抵抗の低下を防ぐことができるＥＤＩ装置と、そのようなＥＤＩ装置を用いた純水の製造方法とが得られる。

本発明の実施の一形態のＥＤＩ装置を示す図である。 ＥＤＩ装置の機械的な構造を示す概略断面図である。 図２に示すＥＤＩ装置の組立斜視図である。 別の実施形態のＥＤＩ装置を示す図である。 別の実施形態のＥＤＩ装置を示す図である。 濃縮室から脱塩室への炭酸の移動を説明する図である。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態の一形態のＥＤＩ装置１０を示している。このＥＤＩ装置１０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の側から順に、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（ＣＥＭ）３１を隔てて隣接し、濃縮室２２と脱塩室２３はアニオン交換膜（ＡＥＭ）３２を隔てて隣接し、脱塩室２３と濃縮室２４はカチオン交換膜３３を隔てて隣接し、濃縮室２４と陰極室２５はアニオン交換膜３４を隔てて隣接している。したがって脱塩室２３は、陽極１１と陰極１２との間に配置されて、陽極１１側に配置したアニオン交換膜３２と陰極１２側に配置されたカチオン交換膜３３とによって区画されている。陽極室２１及び陰極室２５を総称して電極室と呼ぶ。

脱塩室２３には被処理水が供給され、被処理水を脱塩処理した結果得られる脱イオン水（処理水）が脱塩室２３から流出する。濃縮室２２，２４は、濃縮室供給水が供給され、濃縮水を排出する。陽極室２１及び陰極室２５は、いずれも電極室供給水が供給され、電極水を排出する。なお、電極室がその電極室に隣接する濃縮室２２，２４を兼ねる構成とすることもできる。また、図１に示した陽極室２１、濃縮室２２、脱塩室２３、濃縮室２４及び陰極室２５の各室における水の流れは一例であってこれらの各室における水の流れ方向は任意である。例えば、各室における水の流れは、室ごとに独立して図１に示すものと逆方向になっていてもよい。

脱塩室２３の内部にはアニオン交換体とカチオン交換体とが混合してイオン交換樹脂層として配置されている。本実施形態では、アニオン交換体及びカチオン交換体としてそれぞれアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）とカチオン交換樹脂（ＣＥＲ）とが使用されており、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混合されて、すなわち混床（ＭＢ）形態で、脱塩室２３に充填されている。図において「ＣＥＲ＋ＡＥＲ」は、混床状態でカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とが充填されていることを示している。脱塩室２３における被処理水の流れに沿って脱塩室２３の内部は領域Ａと領域Ｂの２つの領域に区分されている。領域Ａは、被処理水の流れに沿った最上流側の領域すなわち被処理水の入口側の領域であり、領域Ｂは、被処理水の流れに沿った最下流側の領域すなわち脱イオン水の出口側の領域である。

領域Ａ，Ｂのいずれにもアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床で充填されているが、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合比率が領域間で異なっている。被処理水の入口側である領域Ａでは、そこに混床形態で充填されているアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の全体の体積に対するカチオン交換樹脂の体積比が５０％を超えて９０％以下となっている。したがって、領域Ａでは、体積比で考えると、アニオン交換樹脂よりもカチオン交換樹脂の方が多く含まれている。これに対し、脱イオン水の出口側である領域Ｂでは、そこに混床形態で充填されているアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の全体の体積に対するアニオン交換体の体積比が５０％を超えて９０％以下となっている。領域Ｂでは、体積比で考えるとカチオン交換樹脂よりもアニオン交換樹脂の方が多く含まれている。領域Ａと領域Ｂとの間には隔壁や仕切りなどは設けられておらず、領域Ａ内のイオン交換樹脂の粒子間を流れてきた被処理水が、そのまま領域Ｂ内のイオン交換樹脂の粒子間に流れ込む。領域Ａと領域Ｂの間に仕切りを設けるときも、両方の領域間でイオン交換樹脂が混じり合わないようなメッシュあるいはネット状の簡単な仕切りを用いることができる。図において［ＣＥＲ］は、そこに混床形態で充填されているアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の全体の体積に対するカチオン交換樹脂の体積比を示している。同様に［ＡＥＲ］は、そこに混床形態で充填されているアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の全体の体積に対するアニオン交換樹脂の体積比を示している。

本実施形態でいうイオン交換樹脂の体積とは、イオン交換樹脂の自由状態での体積、すなわち、脱塩室２３や濃縮室２４といった空間で拘束されていない状態での、イオン交換樹脂の粒子間の空隙も含めた見かけの体積のことである。したがって、混床で充填されているアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の全体の体積とは、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合物の自由状態での見かけの体積のことである。アニオン交換樹脂あるいはカチオン交換樹脂の単独での体積は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合する前の各イオン交換樹脂の単独での自由状態の見かけの体積であるが、これは、アニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の混合物から各イオン交換樹脂を分離して分離後の各イオン交換樹脂の見かけの体積を測定することによって求めることができる。

脱塩室２３や濃縮室２４について、陽極１１と陰極１２の間の電界方向に沿った長さを厚さと呼ぶ。脱塩室２３や濃縮室２４に充填されるイオン交換樹脂層についても、同様に厚さを定義する。この厚さ方向は、脱塩室２３や濃縮室２４における水の流れる方向と直交する方向である。脱塩室２３内のイオン交換樹脂層の厚さが９ｍｍ未満であると脱塩室２３から排出される脱イオン水の水質の低下が確認された。そのため脱塩室２３内のイオン交換樹脂層の厚さは、１０ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましく、１５ｍｍ以上２０ｍｍ以下程度であることがより好ましい。

通常のイオン交換樹脂はビーズ状あるいは粒状であって、その標準的な粒径は０．４ｍｍを超えて１ｍｍ程度以下であるが、ＥＤＩ装置における処理水の水質を向上させるために、より小さな粒径のイオン交換樹脂を脱塩室に充填することが提案されている。本実施形態のＥＤＩ装置１０においても、粒径が０．４ｍｍを超えるような一般的なイオン交換樹脂を脱塩室２３に充填することができる。しかしながら本実施形態のＥＤＩ装置１０では、脱塩室２３に充填されるイオン交換樹脂、特にアニオン交換樹脂の平均粒径は、調和平均径で表して、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であることが好ましく、０．２５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下程度であることがより好ましい。なお、ふるい（篩）を用いてイオン交換樹脂の粒径分布を求めて平均粒径を算出することもできるが、イオン交換樹脂メーカーによるカタログ値を本実施形態における平均粒径として使用してもよい。

さらにＥＤＩ装置１０では、カチオン交換樹脂が陽極室２１内に充填され、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床で濃縮室２２内に充填され、アニオン交換樹脂が陰極室２５内に充填されている。濃縮室２２にはアニオン交換樹脂を単床で充填してもよい。脱塩室２３の陰極１２側においてカチオン交換膜３３を介してその脱塩室２３に隣接する濃縮室２４には、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが充填されている。なお、陽極室２１、濃縮室２２及び陰極室２５には必ずしもイオン交換樹脂を充填する必要はないが、ＥＤＩ装置１０の運転時に陽極１１と陰極１２との間に印加すべき直流電圧を低くするために、陽極室２１、濃縮室２２及び陰極室２５にもイオン交換樹脂を充填することが好ましい。脱塩室２３と濃縮室２４との少なくとも一方におけるイオン交換樹脂などのイオン交換体の充填率は、１００％以上１１０％以下であり、より好ましくは１０５％以上１１０％以下である。ここで充填率とは、陽極１１と陰極１２との間に直流電圧を印加しつつイオン交換体が充填されている空間に対して通水してイオン交換体を再生状態とし、その後、その空間から取り出されたイオン交換体の自由状態での見かけの体積をその空間の容積で除算して得られる値のことである。ここでのイオン交換体が充填されている空間は、脱塩室２３または濃縮室２４である。

次に、本実施形態のＥＤＩ装置１０において、脱塩室２３やその陰極側に位置する濃縮室２４において、さらには陽極室２１、濃縮室２２及び陰極室２５において充填して使用できるイオン交換樹脂について説明する。一般にイオン交換樹脂の高分子母体としては、「スチレン系」と呼ばれるイオン交換樹脂で使用されるスチレン－ジビニルベンゼンの共重合体や、「アクリル系」と呼ばれるイオン交換樹脂で使用されるアクリル酸－ジビニルベンゼンの共重合体などがある。イオン交換樹脂は、これらの高分子母体をイオン交換基によって修飾したものであり、酸性を示すイオン交換基が用いられるカチオン交換樹脂と、塩基性を示すイオン交換基が用いられるアニオン交換樹脂とに大別される。さらにイオン交換樹脂は、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に区別される。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級アミン、第２級アミンあるいは第３級アミンをイオン交換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、スルホン酸基をイオン交換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、カルボキシル基をイオン交換基として有するものがある。本発明の装置に充填されるイオン交換樹脂としては、これらいずれの種類のものも用いることができる。

次に、本実施形態のＥＤＩ装置１０の運転方法について説明する。本実施形態のＥＤＩ装置１０では、通常のＥＤＩ装置と同様に、陽極１１と陰極１２との間に直流電圧を印加しつつ、脱塩室２３に被処理水を供給し、陽極室２１、濃縮室２２，２４及び陰極室２５に供給水を供給する。脱塩室２３では、被処理水中のイオン成分がイオン交換樹脂によって脱塩されるとともに、印加されている直流電圧により水が解離して生ずるＨ^＋イオンとＯＨ^－イオンとによってイオン交換樹脂の再生が行われる。被処理水のナトリウムイオン（Ｎａ^＋）濃度は例えば０．１ｍｇ／Ｌ以上０．６ｍｇ／Ｌ以下であり、そのような被処理水を脱塩室２３に供給することにより、脱塩室２３からは比抵抗が１０ＭΩ・ｃｍを超えるような純水を脱イオン水として長期間にわたって得ることができる。被処理水における全炭酸濃度は、例えば０．５ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ以上５．０ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ以下である。

図１に示したＥＤＩ装置１０では、脱塩室２３において、被処理水の流れの最上流側にある領域Ａではカチオン交換樹脂が相対的に多く充填されている。したがってこの領域Ａでは、被処理水中のカチオンが優先的に除去されることになる。また被処理水の流れの最下流側にある領域Ｂではアニオン交換樹脂が相対的に多く充填されており、この領域Ｂでは、被処理水中のアニオンが優先的に除去されることになる。被処理水に含まれるカチオンが除去されてからアニオンが除去されるので、ＥＤＩ装置１０では、炭酸やシリカ、ケイ酸化合物、ホウ酸、その他のホウ素化合物に代表される弱酸成分を含めたアニオンの除去効率を高めつつカチオンのリークを防ぐことができる。このＥＤＩ装置１０は、被処理水における水質の広い範囲にわたって、安定して運転することができる。

ところで一般的にＥＤＩ装置は、その陽極と陰極との間に、［濃縮室｜イオン交換膜｜脱塩室｜イオン交換膜｜濃縮室］からなる基本構成をイオン交換膜を介して複数個並置することができる。このとき、イオン交換膜を挟んで隣接する２つの濃縮室は、その挟まれているイオン交換膜を除去して単一の濃縮室とすることができる。図１に示したＥＤＩ装置１０では、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が１つの基本構成を形成するものとして、陽極室２１に最も近い濃縮室２２と陰極室２５に接するアニオン交換膜３４との間にこの基本構成をＮ個配置することができる。Ｎは１以上の整数である。基本構成を複数個並置できることは、図において「×Ｎ」の記載によって示されている。基本構成を複数個並置した場合、隣接する２つの脱塩室２３によって挟まれる濃縮室は全て、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが充填される濃縮室２４である。

基本構成を複数個並置したＥＤＩ装置１０では、脱塩室２３や濃縮室２４が繰り返して配置されるので、特許文献２に示されるように、各々が開口を有する複数の枠体を、イオン交換膜（すなわちアニオン交換膜及びカチオン交換膜）を挟むようにして一方向に積層し、枠体と枠体の１対の開口にそれぞれ配置されたイオン交換膜によって脱塩室２３や濃縮室２４などの各室を構成することができる。枠体は例えばプラスチックの射出成型によって製造される。脱塩室２３の厚さを大きくするためには、枠体の積層体において２以上の連続する枠体の相互間にはイオン交換膜が配置しないようにしてその２以上の連続する枠体が一体として脱塩室２３を構成するようにすればよい。図１に示したＥＤＩ装置１０でも脱塩室２３の厚さは例えば２０ｍｍ程度であり、これに対して濃縮室２２，２４の厚さは１０ｍｍ程度とされるので、１つの脱塩室を２枚の枠体で構成し各濃縮室２２，２４を１枚の枠体で構成することができる。

図２は、図１に示すＥＤＩ装置１０において基本構成を複数個並置したときの機械的な構造の一例を示している。図３は図２に示すＥＤＩ装置１０の分解斜視図である。図２では、陽極室２１、濃縮室２２，２４、脱塩室２３及び陰極室２５にそれぞれ充填されているイオン交換樹脂は示されていない。図２に示されるＥＤＩ装置１０は、各々が開口を有する複数の枠体４１～４５を積層した構成を有する。陽極１１及び陰極１２は、枠体４１～４５の積層方向の両端に位置して枠体４１～４５の開口を介して相互に向かい合っている。陽極室２１、濃縮室２２、脱塩室２３、濃縮室２４及び陰極室２５は、それぞれ、枠体４１，４２，４３，４４，４５によって構成されている。陽極１１は押さえ板４６を介して枠体４１に固定され、陰極１２は押さえ板４７を介して枠体４５に固定されている。脱塩室２３については、２つの枠体４３を重ねて１つの脱塩室としている。すなわちこの２つの枠体４３が、それらの開口が共同で脱塩室２３を形成するように互いに隣接している。脱塩室２３の厚さをさらに大きくする必要があるときは、３以上の枠体４３によって脱塩室２３が形成されるようにしてもよい。

陽極室２１を構成する枠体４１と濃縮室２２を構成する枠体４２とが隣接しているが、これらの枠体４１，４２の開口がカチオン交換膜３１によって分離されて、陽極室２１と濃縮室２２とが相互に区画されている。同様に、隣接する枠体４２と枠体４３の間にはアニオン交換膜３２が配置し、隣接する枠体４３と枠体４４の間にはカチオン交換膜３３が配置し、隣接する枠体４４と枠体４５の間にはアニオン交換膜３４が配置している。

このようにイオン交換膜を介在させつつ枠体を順次積層して濃縮室２２，２４や脱塩室２３を形成することにより、上述した基本構成を多数並置したＥＤＩ装置１０を容易に製造することができる。枠体を積層するときは、開口を上向きにして枠体を積層する。各室（すなわち陽極室２１、濃縮室２２、脱塩室２３、濃縮室２４及び陰極室２５）にイオン交換樹脂を充填するときは、その室を構成する枠体を積層した上で、その枠体の開口にイオン交換樹脂を充填し、その後、イオン交換膜を介在させて次の枠体をその上に載せればよい。

図４は、別の実施形態のＥＤＩ装置１０を示している。本発明に基づくＥＤＩ装置では、被処理水の流れ方向に沿って脱塩室２３を領域に区分するときに、３以上の領域に区分することもできる。図４に示した例は、図１に示すＥＤＩ装置１０の脱塩室２３において、領域Ａと領域Ｂとの間に領域Ｃが設けられている。領域Ｃにもアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床で充填されているが、この領域では、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合比率は任意であり、アニオン交換樹脂あるいはカチオン交換樹脂を単床で充填してもよい。なお図４に示すＥＤＩ装置１０では、陽極室２１に隣接する濃縮室２２にはアニオン交換樹脂が単床で充填されている。

図５は、さらに別の実施形態のＥＤＩ装置１０を示している。図５に示すＥＤＩ装置１０は、図１に示すＥＤＩ装置１０において、脱塩室２３の陰極１２側に配置される濃縮室での水の流れ方向に沿ってその濃縮室２４が２つの領域すなわち領域Ｐと領域Ｑに区分されるようにしたものである。領域Ｐは、カチオン交換膜３３を介して脱塩室２３の領域Ａと対向し、同様に領域Ｑは、カチオン交換膜３３を介して脱塩室２３の領域Ｂと対向している。ここで「対向する」とは、イオン交換膜（ここではカチオン交換膜３３）の膜面に垂直な方向から見て、イオン交換膜の一方の面の側に存在する領域とイオン交換膜の他方の面の側に存在する領域とが少なくとも部分的に重なり合っていることをいう。濃縮室２４の領域Ｐにはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床で充填されている。領域Ｑでは、カチオン交換樹脂が単床で充填されていてもよいし、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床で充填されていてもよいが、混床で充填されているときは、領域Ｑに充填されているイオン交換樹脂の全体の体積に対するカチオン交換樹脂の体積の比率が５０％以上である必要がある。このように領域Ｑにおいてカチオン交換樹脂の比率を高めることによって、脱塩室２３から排出される脱イオン水への、炭酸やシリカ、ケイ酸化合物、ホウ酸、その他のホウ素化合物に代表される弱酸成分のリークを抑制することができる。なお図５に示すＥＤＩ装置１０でも、陽極室２１に隣接する濃縮室２２にはアニオン交換樹脂が単床で充填されている。

図６は、脱塩室から炭酸成分のリークを説明する図である。図６に示すように、陽極１１と陰極１２との間に脱塩室２３と濃縮室２４が交互に配置し、脱塩室２３にはアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）とカチオン交換樹脂（ＣＥＲ）が混床で充填され、濃縮室２４にはアニオン交換樹脂が単床で充填されているものとする。被処理水中の炭酸成分（すなわち遊離炭酸（ＣＯ_２）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）及び炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）は、図示右側の脱塩室２３において炭酸水素イオンあるいは炭酸イオンとしてアニオン交換樹脂に捕捉され、アニオン交換膜（ＡＥＭ）３２を介して陽極１１側の濃縮室２４に移動する。その結果、濃縮室２４内のアニオン交換樹脂のイオン形はＨＣＯ_３ ^－形となる。そして印加されている直流電圧による電場によって、濃縮室２４では炭酸水素イオン（及び炭酸イオン）がカチオン交換膜３３の近傍にまで移動するが、それらはアニオンであるのでカチオン交換膜３３を透過することはできない。したがって、濃縮室２４において、その陽極１１側に位置しているカチオン交換膜３３の近傍に、炭酸水素イオン（及び炭酸イオン）が濃縮される。

印加されている直流電圧により、濃縮室２４にはその陽極１１側の脱塩室２３からカチオン交換膜３３を介して水素イオン（Ｈ^＋）が透過してくる。その結果、濃縮室２４においてカチオン交換膜３３の近傍の領域のｐＨが低下する。上述したようにこの領域は炭酸水素イオン（及び炭酸イオン）が濃縮されている領域であるが、水素イオンのために炭酸水素イオン（及び炭酸イオン）から水と二酸化炭素（ＣＯ_２）が生じ、濃縮室２４においてカチオン交換膜３３の近傍に二酸化炭素を高濃度で含む水の層が形成される。そして中性分子である二酸化炭素は、カチオン交換膜３３を透過できるので、濃縮室２４からカチオン交換膜３３を介して脱塩室２３へと移動する。結局、脱塩室２３において被処理水から除去された炭酸成分が、その脱塩室２３より陽極１１側にある脱塩室２３において被処理水中に再度溶け込むこととなり、脱塩室２３から排出される処理水に炭酸成分が含まれることになる。

脱塩室からの炭酸成分のリークに関し、本発明者らは以下の知見を得た。すなわち、
（１）脱塩室に供給される被処理水の全炭酸濃度が０．５ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌを超えると、上述した機構によるリークの影響が出始める傾向にある：
（２）一般的にＥＤＩ装置に供給される水における全炭酸濃度は、ＥＤＩ装置の前段において行われる前処理によって低減されるため、５ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ以下であることが多い。

ここでいう全炭酸とは、遊離炭酸（ＣＯ_２）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）及び炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）を総称するものであり、全炭酸濃度は、全炭酸の濃度をＣＯ_２換算濃度（ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ、すなわちｍｇ／Ｌ ａｓ ＣＯ_２）により示したものである。

このような炭酸成分のリークを防ぐためには、濃縮室２４において、カチオン交換膜３３の近傍にｐＨが低下した領域が形成されないようにすることが考えられる。そのためには、カチオン交換膜３３を介して濃縮室２４に移動してきた水素イオンを濃縮室２４内で速やかに陰極１２の側に移動させることが有効である。図５に示したＥＤＩ装置１０では、脱塩室２３において被処理水から炭酸成分が除去されると考えられる領域Ｂに対応させて、濃縮室２４の領域Ｑにおいてカチオン交換樹脂の体積比率を５０％以上としている。このように構成することによって、二酸化炭素を高濃度に含む水の層が濃縮室２４におけるカチオン交換膜３３の近傍の領域に形成されることを防ぐことができ、これによってカチオン交換膜３３を介し濃縮室２４から脱塩室２３に二酸化炭素が移動することを抑制することができる。

濃縮室２４から脱塩室２３への二酸化炭素の移動を抑制する方法としては、領域Ｑにおいてカチオン交換樹脂の体積比率を５０％以上とする方法のほか、脱塩室２３における最上流側の領域である領域Ａにおけるカチオン交換樹脂の体積比率よりも、濃縮室２４においてこの領域Ａに対向する領域Ｐでのカチオン交換樹脂の体積比率を小さくし、同時に、脱塩室２３における最下流側の領域である領域Ｂにおけるアニオン交換樹脂の体積比率よりも、濃縮室２４においてこの領域Ｂに対向する領域Ｑでのアニオン交換樹脂の体積比率を小さくする方法がある。領域Ａではカチオン樹脂量が多いので、アニオンが脱塩室から移動しにくいが、この方法では、そこで領域Ａに対向する領域Ｐのアニオン交換樹脂を増やすことで、脱塩室から濃縮室への炭酸成分の移動を促進することができる。

以下、実施例及び比較例により、本発明をさらに詳しく説明する。

［実施例１］
枠体を積層することにより図１に示す構成のＥＤＩ装置１０を組み立てた。濃縮室２２，２４には、体積比率が１：１であるようにアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して充填した。脱塩室２３の厚さを８．７ｍｍとし、脱塩室２３のために枠体に形成される開口の寸法を３００ｍｍ×１５０ｍｍとした。脱塩室２３において、被処理水の流れの上流側である領域Ａには、アニオン交換樹脂（Ａ）とカチオン交換樹脂（Ｋ）の体積比率（Ａ：Ｋ）が３：７であるようにアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して充填し、被処理水の流れの下流側である領域Ｂには、体積比率（Ａ：Ｋ）が８：２であるようにアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して充填した。脱塩室２３及び濃縮室２２，２４において使用したアニオン交換樹脂の平均粒径は０．５０～０．６５ｍｍであり、カチオン交換樹脂の平均粒径は０．５５～０．６５ｍｍであった。陽極１１と陰極１２の間に直流電圧を印加しつつ脱塩室２３あたり２．５Ｌ／分の流量で被処理水を通水してＥＤＩ装置を運転し、運転開始から３００時間後に脱イオン水として脱塩室２３から得られる処理水の比抵抗を求め、これを処理水の水質値とした。被処理水として、ナトリウムイオン濃度が０．１ｍｇ／Ｌであり、全炭酸濃度が０．５～１．０ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌである水を使用した。結果を表１に示す。

［実施例２］
脱塩室２３の厚さを１７．７ｍｍとした以外は実施例１と同じＥＤＩ装置１０を組み立て、脱塩室２３あたりの被処理水の流量を４Ｌ／分の流量とした以外は実施例１と同様にＥＤＩ装置１０を運転して、運転開始から３００時間後の水質値を求めた。結果を表１に示す。

［実施例３］
脱塩室２３に使用するアニオン交換樹脂として平均粒径が０．２８～０．３４ｍｍのものを使用して上流側の領域Ａでの体積比率（Ａ：Ｋ）を２：８とし、下流側の領域Ｂでの体積比率（Ａ：Ｋ）を７：３とした以外は実施例２と同じＥＤＩ装置１０を組み立て、実施例２と同様にＥＤＩ装置１０を運転して、運転開始から３００時間後の水質値を求めた。結果を表１に示す。

［比較例１］
脱塩室２３において上流側の領域Ａでの体積比率（Ａ：Ｋ）を７．５：２．５とし、下流側の領域Ｂでの体積比率（Ａ：Ｋ）を６：４とした以外は実施例１と同じＥＤＩ装置１０を組み立て、実施例１と同様にＥＤＩ装置１０を運転して、運転開始から３００時間後の水質値を求めた。結果を表１に示す。

［比較例２］
脱塩室２３を領域に区分することなく脱塩室２３の全体にわたって体積比率（Ａ：Ｋ）を１：１であるようにアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して充填したこと以外は実施例１と同じＥＤＩ装置１０を組み立て、実施例１と同様にＥＤＩ装置１０を運転して、運転開始から３００時間後の水質値を求めた。結果を表１に示す。

実施例１～３では、比抵抗で表された水質が１２ＭΩ・ｃｍ以上であって、高品質な脱イオン水を得ることができた。特に、アニオン交換樹脂として平均粒径が０．２８～０．３４ｍｍであるものを使用した実施例３では、１７ＭΩ・ｃｍという高い値を得ることができた。これに対し、比較例１～２では、水質が１２ＭΩ・ｃｍ未満であった。比較例１について水質の時間変化を調べたところ、運転時間が約２００時間までは水質は１５ＭΩ・ｃｍ以上であったが、その後、急激に水質が劣化した。これは、比較例１～２では脱塩室２３からのナトリウムイオンのリークが大きく、運転時間が長くなったときにそのリークが特に大きくなることを示している。以上の結果から、脱塩室２３において最上流側ではカチオン交換樹脂の割合を大きくし最下流側ではアニオン交換樹脂の割合を大きくすることによって、弱酸成分を含むアニオン成分の除去効率を高く維持したまま、カチオンのリークを低く抑えることができることが分かった。

１０ 電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）
１１ 陽極
１２ 陰極
２１ 陽極室
２２，２４ 濃縮室
２３ 脱塩室
２５ 陰極室
３１，３３ カチオン交換膜（ＣＥＭ）
３２，３４ アニオン交換膜（ＡＥＭ）
４１～４５ 枠体
４６，４７ 押さえ板

Claims (9)

1. 陽極と、陰極と、前記陽極と前記陰極との間に配置されて前記陽極の側に位置するアニオン交換膜と前記陰極の側に位置するカチオン交換膜とによって区画されてアニオン交換体及びカチオン交換体が充填された脱塩室と、前記カチオン交換膜の前記陰極の側に設けられてアニオン交換体及びカチオン交換体が充填された濃縮室と、を有する電気式脱イオン水製造装置であって、
   前記脱塩室における被処理水の流れ方向に向かって複数の領域が並ぶように前記脱塩室が前記複数の領域に区分され、前記複数の領域のうち、前記被処理水の流れにおける最上流側に位置する領域を第１の領域とし最下流側に位置する領域を第２の領域として、前記第１の領域には、当該第１の領域におけるアニオン交換体及びカチオン交換体の全体の体積に対するカチオン交換体の体積比が５０％を超えて９０％以下であるようにアニオン交換体及びカチオン交換体の混合物が充填され、
   前記第２の領域には、当該第２の領域におけるアニオン交換体及びカチオン交換体の全体の体積に対するアニオン交換体の体積比が５０％を超えて９０％以下であるようにアニオン交換体及びカチオン交換体の混合物が充填されている、電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記脱塩室における前記被処理水の流れの方向に直交する方向に沿った、前記複数の領域の各々におけるイオン交換体の層の厚さが１０ｍｍ以上２５ｍｍ以下である、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アニオン交換体が、平均粒径が０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のアニオン交換樹脂である、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. 前記脱塩室及び前記濃縮室の少なくとも一方である室に通水したのちに前記室から取り出された再生状態のイオン交換体の自由状態での体積を前記室の容積で除算した値を充填率として、
   前記脱塩室及び前記濃縮室の少なくとも一方における前記イオン交換体の充填率が１００％以上１１０％以下である、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
5. 前記カチオン交換膜を挟んで前記第２の領域に対向する位置において前記濃縮室に充填されているイオン交換体でのカチオン交換体の体積比が５０％以上である、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記カチオン交換膜を挟んで前記第１の領域に対向する位置において前記濃縮室に、前記第１の領域におけるカチオン交換体の体積比よりもカチオン交換体の体積比が小さいアニオン交換体及びカチオン交換体の混合物が充填され、
   前記カチオン交換膜を挟んで前記第２の領域に対向する位置において前記濃縮室に、前記第２の領域におけるアニオン交換体の体積比よりもアニオン交換体の体積比が小さいアニオン交換体及びカチオン交換体に混合物が充填されている、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
7. 各々が開口を有する複数の枠体がイオン交換膜を介して積層されて少なくとも前記脱塩室と前記濃縮室とが形成されており、
   前記複数の枠体のうちの少なくとも２つの枠体が、当該少なくとも２つの枠体の開口が共同で脱塩室を形成するように互いに隣接している、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
8. 請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置を使用し、前記陽極と前記陰極との間に直流電圧を印加しつつナトリウムイオン濃度が０．１ｍｇ／Ｌ以上０．６ｍｇ／Ｌ以下である前記被処理水を前記脱塩室に供給して脱イオン水である純水を得る、純水製造方法。
9. 請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置を使用し、前記陽極と前記陰極との間に直流電圧を印加しつつ全炭酸濃度が０．５ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ以上５．０ｍｇ－ＣＯ_２／Ｌ以下である前記被処理水を前記脱塩室に供給して脱イオン水である純水を得る、純水製造方法。
   

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