JPH03118821A - 電気透析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気透析装置に係り、特に離島、船舶等に設置
するのに好適な電気透析装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の電気透析装置は、第３図に示されるように、電気
透析槽、酸タンク７、直流電源９とから主として構成さ
れている。電気透析槽は、陽イオンを選択的に透過する
陰イオン交換膜にと陰イオンを選択的に透過する陰イオ
ン交換膜Ａとを交互に多数積層した透析室ブロック２、
両端に陽極室３、陰極室４を有した構造となっている。

この電気透析槽には、電解質溶液（例えば、海水、地下
かん水、産業用排水、生活排水）である原水１０が供給
される。そして、陽極室３と陰極室４の間に直流電流を
流すと、原水中の陽イオンは陰極室４の方向に向かって
移動し、逆に、陰イオンは陽極室３の方向に向かって移
動する。このイオンの移動と、交互に組み重ねられた陽
イオン交換膜にと陰イオン交換膜Ａによって、脱塩室と
濃縮室が交互に多数形成され、脱塩室を通過した原水が
脱塩水１１となり、濃縮室を通過した原水が濃縮水１２
となる。脱塩水１１は生活用水、濃縮水１２は製塩用の
原料水等に使用される。

この電気透析槽の陽極室３、陰極室４では次の反応が生
じており、それぞれ、塩素ガス、水素ガスを発生してい
る。

（陽極室）　２　Ｃｌ−→Ｃｌ　ｇ　＋　２　ｅ−・”
（１）（陰極室）２Ｈ”　＋２　ｅ−→　Ｈｚ　　・”
・＝（２）陰極室４では、（２）式の反応によってｐＨ
の上昇が生じ、このｐＨの上昇を防ぐためには酸（例え
ば、硫酸、塩酸）の供給が必要である。酸の供給を行わ
ないと、ｐＨの上昇によって、陰極室４近傍の陽イオン
交換膜、陰イオン交換膜が変質するばかりでなく、アル
カリ土類金属塩、およびアルカリ土類水酸化物〔例えば
、ＣａＣ０□、Ｍｇ（ＯＨ）ｚ）の析出を発生させる。

この析出は、陰極室４内の原水流路を塞ぐばかりでなく
、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜の破損を生じる。

このため、従来装置では、定期的に市販の工業用硫酸を
購入して酸タンク７内に蓄え、酸供給ポンプ８によって
所定量の硫酸を陰極室４へ注入している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来の電気透析装置においては、酸の入手が困難
な地域、場所に設置される電気透析装置についての配慮
がなされておらず、このため、これら地域、場所では電
気透析装置を設置できないか、設置されても輸送コスト
の高い酸を使用することとなり、経済的な電気透析装置
となっていない問題があった。

そこで本発明者らは、この酸入手の問題を解決する装置
として、未公知であるが、電気透析槽に隣接して電解装
置及び塩酸合成装置を設置し、陰極室に必要な酸を自給
可能な装置を先に提案した。

（特願昭６３−１４７５１６号） この酸を自給する装置では、電解装置において塩素ガス
と水素ガスを発生し、このガスを原料に用いて塩酸を生
成するものである。しかしながら、この方法は、有毒な
塩素ガス及び塩酸蒸気、可燃性の水素ガスを取り扱うた
め、各種安全対策が必要である。したがって、高価な装
置となると共に、運転操作が難しい欠点を有していた。

塩素ガス及び塩酸蒸気は外部に漏れると、人体に害を与
えると共に、強い酸化性を有することから、装置を腐食
させる問題がある。また、水素ガスは、酸素又は塩素と
混合したとき、場合によって、爆発の危険がある。

また、この電気透析槽には、電気透析特有の陽極室３か
ら塩素ガス、陰極室４から水素ガスが発生することから
、塩素ガス及び水素ガスを安全に処理する必要がある。

−ａに、塩素ガスは多量の塩水で溶解希釈した後、外部
へ排出されていた。また、水素ガスは直接大気中に放出
していた。

以上のように上記した電気透析装置においてよ電気透析
槽の陰極室には酸の供給が必要である問題、又は発生す
る塩素ガス及び水素ガスの安全な処理が必要である等の
問題があった。

本発明の目的は、上記した課題を解決し、陰極室への酸
供給を不要にすると共に、塩素ガス及び水素ガスを発生
しない電気透析槽を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、電気透析槽の陽極室と陰極室を閉流路
で結び、陽極室と陰極室との間を酸化還元反応が可逆的
に行われ溶液を循環することにより達成される。

〔作用〕

循環液液は、陽極室内では陽極の反応によって、液中の
酸化物の濃度が上昇する。一方、陰極室内では陰極の反
応によって、液中の還元物の濃度が上界する。

このとき、酸化物と還元物の生成量は電気化学的に等し
く、酸化還元が可逆的に行われることから、陽極室と陰
極室を循環する溶液の性状には、変化（劣化）が生じな
い。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に、本発明の一実施例になる電気透析装置を示す
。この電気透析装置は、電気透析槽、極液タンク２０及
び直流電源９から主に構成される。

陰極タンク２０は、極液ライン２２に介して陽極室３と
接続され、陽極室３は極液ライン２２に介して陰極室４
と接続され、陰極室４は極液ライン２３によって極液タ
ンク２０に接続されている。

すなわち、陽極室３と陰極室４は閉流路を介して極液タ
ンク２０からの極液が循環可能な構造となっている。

電気透析槽は、従来装置と同様に、陽極室３゜陰極室４
及び透析室ブロック２から構成される。

透析室ブロック２内は、陽イオン交換膜にと陰イオン交
換ＢＩＡＡが交互に多数設置されている。

上記した電気透析装置の作用について説明する。

原水１０は透析室ブロック２内の陽イオン交換膜にと陰
イオン交換膜Ａの間に供給される。このとき、陽極５と
陰極６の間に直流電流を印加すると、脱塩水と濃縮水が
交互に生成する。透析室ブロック２内で生成した脱塩水
及び濃縮水はまとめら抵生成脱塩水１１及び生成濃縮水
１２として、電気透析装置外へ移送される。

陽極室３．陰極室４及び極液タンク２ｏは閉ループとさ
れ、極液タンク２０内には、酸化還元反応が可逆的に行
われる溶液が注入される。

酸化還元反応が可逆的に行う溶液には、鉄系（Ｆ　ｅ　
”　／　Ｆ　ｅ　３°）、チタン系（Ｔ　ｉ　”／　Ｔ
　ｉ　”）＋スズ系（５ｎｔ−／　ｓｎ４＊　）、臭素
系（Ｂｒ−／Ｂｒ　、　Ｏ）、クロム系（Ｃｒ”／Ｃｒ
”、Ｃｒ”／Ｃ，４＊）、マンガン系（Ｍｎ”／Ｍｎ”
）、モリブデン系（Ｍ　ｏ　”　／　Ｍ　ｏ　”　）　
＋バナジウム系（ｙｔ！−／Ｖ”）。

塩素系（ＣＱ−／Ｃｊ２ｚ）の溶液が含まれる。

例えば、鉄系溶液の塩化第一鉄（Ｆ　ｅ　Ｃ１！　）と
塩化第二鉄（ＦｅＣｊ２：＋）の混合溶液を極液タンク
２０内に注入すると、陽極５及び陰極６では次の反応が
生じる。

陽極：　Ｆ　ｅ　Ｃｌ　ｔ　＋　Ｃ１−一→Ｆ　ｅ　Ｃ
ｊｌ！　ｓ　　＋　ｅ　−−”ｉ３）陰極：　Ｆ　ｅ　
Ｃ１ｘ　＋ｅ−−→ Ｆ　ｅ　Ｃｌ　ｚ　　＋　Ｃｆ　−”・−（３）陽極室
３内では酸化物のＦｅｃｌ、が増加し、Ｆ　ｅ　Ｃｊ２
　ｚが減少する。一方、陰極室４内では還元物のＦｅＣ
１，が増加し、Ｆ　ｅ　Ｃｌ　ｚが減少する。したがっ
て、Ｆ　ｅ　Ｃｌ　ｔとＦ　ｅ　Ｃｌ　ｓの量に変化が
生じない。このとき、陽極５及び陰極６がらは、ガスの
発生がない。

なお、陽極反応では、（１）式に示されるように、塩素
イオンＣｌ−が必要であるが、このＣ２−は陽極室３の
隣室よりイオン交換膜（陽極膜）を透過されて来るもの
である。また、陰極反応では、（２）式に示されるよう
に、生成したＣＺ−を除去する必要があるが、このｃｌ
−は陰極室４の隣室へイオン交換膜（陰極膜）を透過し
て移動する必要がある。したがって、陽極膜と陰極膜は
、ｃｌ２−が透過できる陰イオン交換膜を使用する。極
液タンク２０は極液を大気酸化から防ぐため、密閉構造
とすることが好ましい。

上記した実施例によれば、陽極５と陰極６の反応は、そ
れぞれ（３）式、（４）式に代表されるような酸化還元
が可逆的に行われることから、陰極室への酸供給を不要
にでき、また、塩素ガス及び水素ガスを発生しない電気
透析装置を構成できる。

これにより、酸入手の困難な離島、船舶等に設置された
電気透析装置においては、酸入手の問題が解消される。

また、屋内に設置された電気透析装置においては、塩素
ガスによる人体への害、装置、建物への腐食等の問題、
水素ガスによる爆発の問題が解消される。

〔発明の他の実施例〕

本発明の他の実施例を第２図に示す。極液タンり２０は
、極液ライン２４を介して陽極室３と接続され、陽極室
３は極液ライン２５を介して極液タンク２０と接続され
ており、陽極室３は、閉流路を介して極液タンク２０か
らの極液が循環可能となっている。

同様に極液タンク２０は、極液ライン２６を介して陰極
室４に接続され、陰極室４は極液ライン２７を介して極
液タンク２０と接続されており、陰極室４は閉流路を介
して極液タンク２０からの極液が循環可能となっている
。

このように極液タンク２０は、陽極室３及び陰極室４に
それぞれ別個に平行流とする閉流路を構成している。

この電気透析装置においては、極液タンク２０から出た
極液は、二分されて、それぞれ陽極室３及び陰極室４へ
供給され、陽極反応又は陰極反応に使用される。この実
施例の効果は、前記実施例と同様に、陰極室４への酸供
給を不要にでき、また、塩素ガス及び水素ガスを発生し
ない電気透析槽を構成できる効果が得られる。しかし、
この実施例は、陽極室３及び陰極室４への液供給を並列
流で行っているため、陽極室３内へ供給される極液中の
Ｆｅ（、ｅ、濃度及び陰極室４内へ供給されるＦ　ｅ　
Ｃｊ！　ｓ　？！Ａ度は、前記実施例の直列流の場合よ
り低下する問題が生じる。しかしながら、陽極室３内と
陰極室４内の圧力を等しくできるため、透析室ブロック
が変形しにくい利点が得られる。

ただし、陽極５及び陰極６の表面上を流れる極液の流速
が遅く、極液の濃度が低く、電流密度が高いと、不可逆
反応が生じる。例えば、ＦｅＣ１ｚとＦｅＣ１ｔ混合溶
液において、電流密度を高くすると、陽極５表面上では
塩素ガスが発生する。

また、陰極６表面上では鉄が析出し、また、水素ガスが
発生する。この塩素ガス発生、水素ガス発生及び鉄析出
の反応は、この電気透析装置の陽極室３と陰極室４を循
環する系において不可逆な反応である。

したがって、不可逆な反応が生じない対策が必要である
。不可逆な反応が生じる条件は、電極の材質、゛表面形
状、極液中の電解質濃度、極液の流速、温度、電流密度
等によって決まる。このため、運転条件によって、不可
逆反応が生じる条件が異なるが、極液中の電解質濃度を
高く、極液の流速を速く、温度を低く、電流密度を低く
すると不可逆な反応を抑制できる。

実施例 寸法が２．ＯＸｌ　２０Ｘ１，７２０ｍの白金をメツキ
したチタン板を陽極と陰極とし、この陽極と陰極の間に
寸法が１６０Ｘ２，０００ｍｍの陽イオン交換膜及び陰
イオン交換膜を交互に２００対積層された透析槽ブロッ
クからなる電気透析槽を用い、海水を透析槽ブロックに
導入して、バッチ処理によって、飲用の淡水を製造した
。１バツチは３時間３０分で１．５ｍ”の淡水を製造し
た。

極液タンク内へ０．２モル／ｌのＦｅＣ１ｔと、０．３
モル／２のＦ　ｅ　Ｃ１１ｓの水溶液を導入し〔微量の
酸（ＨＣｆ）添加〕、この水溶液が電極表面上を４　ｃ
ｔａ　／　ｓｅｃ以上の流速で流れるようにした。

温度２５°Ｃにおいて、陽極と陰極の間に直流電圧８０
Ｖを印加した。

その結果、電極表面の電流密度は、パンチ始めが０．０
５Ａ／ｃＪであったが、徐々に低下し、完了時は０．０
０１　Ａ／ｃｉｌｌであった。この運転を１ケ月間続け
た結果、極液中に少量の鉄系析出物が見られたが、透析
性能には変化は見られなかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、陽極と陰極の反応は可逆的な酸化還元
反応にできるので、陰極室への酸供給を不要にでき、ま
た塩素ガス及び水素ガスを発生しない電気透析装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる電気透析装置の一実施例を示す概
略的構成図、第２図は本発明になる電気透析装置の他の
実施例を示す概略的構成図、第３図は従来の電気透析装
置の一例を示す概略的構成図である。 ２・・・・・・透析室ブロック、３・・・・・・陽極室
、４・・・・・・陰極室、５・・・・・・陽極、６・・
・・・・陰極、Ａ・・・・・・陰イオン交換膜、Ｂ・・
・・・・陽イオン交換膜、１０・・・・・・原脛１１・
・・・・・脱塩水、１２・・・・・・濃縮水、２０・・
・・・・極液タンク、 ２ ・・・・・・極液ポンプ、 ２２〜２７・・・・・・極 液ライン。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を交互に多数設
   置し、その両端部の一方に陽極室、他方に陰極室を有す
   る電気透析槽を備え、この電気透析槽に直流電気を印加
   し、脱塩水と濃縮水とをつくる電気透析装置において、
   前記陽極室と前記陰極室との間に酸化還元反応が可逆的
   に行われる極液を循環させるようにしたことを特徴とす
   る電気透析装置。
2. （２）前記酸化還元反応が可逆的に行われる極液を有す
   る極液タンクを備え、この極液タンク内の極液が前記陽
   極室と前記陰極室とを直列流に循環するようにしたこと
   を特徴とする請求項（１）記載の電気透析装置。
3. （３）前記酸化還元反応が可逆的に行われる溶液は、主
   成分が、鉄系（Ｆｅ＾２＾＋／Ｆｅ＾３＾＋）、チタン
   系（Ｔｉ＾３＾＋／Ｔｉ＾４＾＋）、スズ系（Ｓｎ＾２
   ＾＋／Ｓｎ＾４＾＋）、臭素系（Ｂｒ＾−／Ｂｒ＿２＾
   ０）、クロム系（Ｃｒ＾２＾＋／Ｃｒ＾３＾＋、Ｃｒ＾
   ３＾＋／Ｃｒ＾４＾＋）、マンガン系（Ｍｎ＾２＾＋／
   Ｍｎ＾３＾＋）、モリブデン系（Ｍｏ＾２＾＋／Ｍｏ＾
   ３＾＋）、バナジウム系（Ｖ＾２＾＋／Ｖ＾３＾＋）、
   塩素系（Ｃｌ＾−／Ｃｌ＿２）の溶液であることを特徴
   とする請求項（１）記載の電気透析装置。
4. （４）前記陽極室に最も近いイオン交換膜（陽極膜）及
   び前記陰極室に最も近いイオン交換膜（陰極膜）が、陰
   イオン交換膜であることを特徴とする請求項（１）記載
   の電気透析装置。