JPH0418919A

JPH0418919A - 電気透析方法及び装置

Info

Publication number: JPH0418919A
Application number: JP2123351A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyoshi Ishida; 哲義石田; Setsuo Inoue; 井上　節夫; Satoshi Ikeda; 池田　悟志; Hiroyuki Fujimoto; 浩之藤本; Morio Ito; 守男伊藤
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1992-01-23

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、塩素ガス及び水素ガスを発生することなく、
また、陰極室へｐＨ調整用の酸供給を必要とせず、特に
離島等で運転及び設置するのに好適な電気透析方法及び
その装置に関する。

〔従来の技術］従来の電気透析装置の大部分は、第６図に示されるよう
に、陽極ｌと陰極２の間に、陽イオン交換ＭＫと陰イオ
ン交換膜Ａが交互に多数設置されている。この電気透析
装置に電解質溶液である原水６が供給され、陽極１と陰
極２の間に直流電流が印加されると、電気透析装置内に
濃縮室Ｃと脱塩室りが交互に形成される。

この電気透析装置では、陽極室３及び陰極室４では、次
の反応が生しており、それぞれ、塩素ガス７、水素ガス
８を発生している。

（陽極室）　２　Ｃｆ　−→ＣＲｚ　＋　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の上昇が生し、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
オン交換膜に、陰イオン交換膜Ａが変質するばかりでな
く、アルカリ土類金属塩、及びアルカリ土類水酸化物〔
例えば、ＣａＣＯｘ、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、陽イオン交換膜に、陰イオン交換膜Ａの破損を
生しる。

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

一般に塩素ガス７は、電気透析装置からの排水に吸収さ
れ、装置外に排出されている。一方、水素ガス８は、爆
発しないように注意を払いながら、大気中に放出されて
いる。

この塩素ガス７及び水素ガス８の発生及び酸消費の問題
から、電気透析装置を設置する際は、屋外設置となるこ
とが多かった。また、離島の造水装置として電気透析装
置が設置される場合は、硫酸の輸送の問題から、高価な
酸の使用となり、装置のランニングコスト等の面で問題
があった。

そこで、上記した問題を解決する方法として未公知であ
るが、本発明者らは、先に陽極室、陰極室び極液タンク
を導管で結び、酸化還元を可逆的に行わせる金属イオン
？８′ｅ、を循環させる電気透析装置を捉案じた。（特
願平１−２５６８１号）Ｃ発明が解決しようとする課題
〕しかしながら、この装置においては原水のｐＨが５以下
の場合は、原水と金属イオン溶液の循環極液が接する陽
極膜（陽極に最も近いイオン交換膜）及び陰極膜（陰極
に最も近いイオン交換膜）において、溶解していた金属
が析出する問題が生じる。例えば、循環極液に塩化第一
鉄と塩化第２鉄の混合水溶液を用い、原水に海水を用い
ると、循環極液中に溶解していた鉄が陽極膜及び陰極膜
内に析出する。膜内に析出した鉄は、陽極膜及び陰極膜
におけるイオン透過を阻害し、電気透析装置の運転を不
可能にする。

以上のように、従来の電気透析装置では、装置から発生
ずる塩素ガス及び水素ガスの処理、硫酸の供給について
十分配慮されておらず、又は配慮されていても、原水は
ｐＨが低いものに使用が限定されていた。したがって、
従来の電気透析装置は、離島における生活用水の遣水装
置としては適さない問題があった。

本発明の目的は、塩素ガス及び水素ガスを発生せず、硫
酸等の酸を消費せず、原水のｐＨが７近傍でも安定した
運転が得られ、離島等の造水装置に好適な電気透析方法
及び装置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、陽極室及び陰極室と極液タンクとの間
に酸化還元反応を可逆的に行なうものであって、金属キ
レート化合物を含む極液を循環させることによって達成
される。

また、前記の循環流路を形成すると共に陽極室に隣接す
る緩衝室及び陰極室に隣接する緩衝室にそれぞれｐＨ５
以下の緩衝液を供給する波路を設けた装置構成とするこ
とによって達成される。

〔作用〕

上記した可逆的酸化還元反応を行う金属イオンは、キレ
ート剤と結びつくと、一種の錯体である金属キレート化
合物を生成する。したがって、ｐＨが高い傾城では、水
溶液中における溶解度が低下する金属も、ＰＨの高い水
溶液中で十分溶解し、金属の析出がなくなる。

また、可逆的酸化還元反応を行なう金属イオンは、緩衝
室内の溶液のｐＨが５以下であり、溶解した状態が維持
される結果、金属の析出が解消される。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明を更に詳細に説明する。第
１図は本発明の電気透析方法を実施するための装置の概
略的構成図であり、第１図において、陽極１と陰極２の
間に、陽イオン交換膜にと陰イオン交換膜Ａが交互に多
数設置されている。

陽極１及び陰極２に最も近いイオン交換膜は、それぞれ
陽極膜１１および陰極膜１２と呼ばれ、陰イオン交換膜
が用いられる。陽極１と陽極膜１１によって挟まれた室
は陽極室３．陰極２と陰極膜１２に挾まれた室は陰極室
４と呼ばれる。この陽極室３．陰極室４及び極液タンク
１３は導管１４で連通され、一系統の閉ループを構成し
ている。

この閉ループ内に酸化還元反応を可逆的に行うための金
属化合物とその化合物の金属イオンと金属キレート化合
物を形成可能なキレート剤との混合溶液が導入される。

また、原水６は多数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１と陰極２との
間に直流電流を印加すると、濃縮水と脱塩好きが生成さ
れる。

酸化還元反応が可逆的に行う溶液には、鉄系（Ｆｅ”／
Ｆｅ”）、チタン系（Ｔ　ｉ　”／　Ｔ　ｔ　”）スズ
系（Ｓ　ｎ　”／　Ｓ　ｎ　”）　、　　クロム系（Ｃ
ｒ”／Ｃｒ”、Ｃｒ”／Ｃｒ”）、７ンガン系（Ｍｎ２
４／Ｍｎ”）、モリブデン系（Ｍｏ”／Ｍｏ２″′）。

バナジウム系（Ｖ”／Ｖ”）、等の容器が含まれる。

また、これらの金属イオンと金属キレート化合物を形成
可能なキレート剤としては、特にエチレンジアミン四酢
酸（ＥＤＴＡ）が挙げられる。

ここで、例えば、鉄系溶液の塩化第一鉄（Ｆｅｃｐ２）
と塩化第二鉄（ＦｅＣｆ、）とキレート剤としてのエチ
レンジアミン四酢酸混合溶液を極液タンク１３内に注入
すると、陽極１及び陰極２では次の反応が生しる。

（陽極）　Ｌ　−Ｆ　ｅ”−＋Ｌ−Ｆ　ｅ”＋ｅ−−（
３）（陰極）　Ｌ　−Ｆ　ｅ”−＋ｅ−−）Ｌ　−Ｆ　
ｅ”−＝−（４）ここで　Ｌ；キレート剤Ｙこの反応からも明らかなように、陽極反応は２価の鉄イ
オンＦ　ｅ　”が３価の鉄イオンＦ　ｅ　”になる酸化
反応であり、陰極反応は３価の鉄イオンＦｅ３゛が２価
の鉄イオンＦ　ｅ　”になる還元反応である。

このような可逆的な酸化還元反応により、陽極室３から
の塩素ガスの発生がなく、また陰極室４からの水素ガス
の発生がなくなる。したがって、陰極反応には、水素イ
オンが関与しないので、陰極室３に対し、ｐＨ調整用の
酸供給は不要となる。

また、塩化第−鉄及び塩化第二鉄は、エチレンジアミン
四酢酸ナトリウムと反応し、それぞれ、エチレンジアミ
ン四酢酸第−鉄及びエチレンジアミン四酢酸第二鉄の金
属キレート化合物を生成しており、このキレート化合物
の生成により、２価及び３価の鉄イオンは安定した溶解
状態となっている。このため、原水のｐＨが高くなった
場合にも、可逆的酸化還元反応のための金属イオンが析
出する事態が解消される。

なお、単位電極面積当たりの電流値を大きくすると、前
記第（３）式及び第（４）式の反応が電流値に追いつけ
なくなり、塩素ガス及び水素ガスが発生してくる。

このような場合、直ちに電流値を下げる必要があるが、
電極への印加Ｔ１．流値に最大許容値がある。

この印加電流の最大許容値は、前記した塩化第一鉄、塩
化第二鉄等の金属化合物、エチレンジアミン四酢酸ナト
リム等のキレート剤の濃度、温度。

液流速、１！！極の状態等によって変化し、このため印
加電流の許容値は、電気透析装置の本運転前に予備運転
を行い、求めるとよい。

電気化学的には、電極と電極室内液（陽極と陽極室内溶
液、陰極と陰極室内容液）の間の電流と電位差の関係か
ら、印加ｉｉ　＠の許容値を容易に求めることができる
。

第２図に、陽極と陽極室内溶液の間及び陰極と陰極室内
溶液の間における電流と電位差の関係を示す。陽極（図
中、破線で示す）及び陰極（図中、実線で示す）ともに
、電位差を増加すると、電流も増加する。第２図中に示
す液組成の場合、第（３）式で表される反応が陽極で安
定して行われるためには、電流値を０．０２５　Ａ／ｃ
ｉｉ以下にするとよし）。

すなわち、第２図上に表される陽極の特性曲線の変曲点
の電流値及び陰極の特性曲線の変曲点の電流値のうち、
小さいほうの電流値以下とすればよい。

また、原水に電気伝導度が高い溶液を用いるときは、原
水を生成脱塩水で希釈するとよい、！気伝導度が高い原
水を用いると、電気透析装置の陽極と陰極との間の電気
抵抗が低くなり、多くの電流が流れようとする。このよ
うな場合は、第３図に示すように、電気透析装置の脱塩
室へ供給される原水１６を原水タンク１７で生成脱塩水
１８により希釈し、原水希釈水６ａを電気透析槽に供給
する。

このようにすると、電気透析装置の脱塩室の電気抵抗が
増加して、印加される電流を減少できるため、陽極１及
び陰極２へ過大な電流が印加されることがなくなる。

例えば、極液の組成として、塩化第一鉄が０．０１モル
／ｌ、塩化第二鉄が０．０１モル／β、エチレンジアミ
ン四酢酸ナトリウムが０．０２モル／ｐとすると、原水
に海水を使用する場合は、電気透析装置に供給される前
に、原水を塩分重量割合で１％程度まで希釈すると、陽
極１及び陰極２における電流密度は０．０２５　Ａｃｄ
以下に保つことができる。

第４図は本発明の電気透析装置の一実施例を示す概略的
構成図である。この電気透析装置においては、陽極室３
に隣接し、陽極膜１１と陰イオン交換膜Ａで形成される
緩衝膜１５によって挟まれた室（緩衝室）１６ａを備え
ている。また、陰極室４に隣接し、陰極膜１２とそれに
隣接する陽イオン交換膜Ｋによって挟まれた室（ｌｌｌ
衝室）１６ａを備えている。

これらの緩衝室１６ａ、１６ｂは、それぞれ緩衝液タン
ク２２とを導管２３による独立した流路を形成しており
、これらの構成以外は、第１図に示す装置の場合と実質
的に同じであるので、同一符号で示し、構成上の説明は
省略する。

次にこの装置においては、原水６は、陽極室３、陰極室
４、緩衝室１６ａ、１６ｂを除く透析室に供給される。

また、第１図の場合と同様に、導管１４を介して陽極室
３、陰極室４間に酸化還元反応を可逆的に行なうための
溶液が循環される。そして、緩衝室１６ａ、１６ｂには
、緩衝液タンク２２から導管２３を介してｐＨが５以下
の緩衝液が供給される。

この場合、原水６は、緩衝室１６ａ、１６ｂによって、
極液１４と接触しないため、ｐＨ７近傍乃至ｐＨ７以上
の原水６を使用することができる。

また、緩衝室１６ａ、１６ｂ内には、ｐＨが５以下の緩
衝液が存在しているため、金属イオンが析出することが
なく、安定した運転が可能となる。

第５図は本発明の電気透析装置の他の実施例を示す概略
的構成図である。

この電気透析装置においては、導管１４を介して極液を
陽極室３及びと陰極室４に並行して供給するようになっ
ており、また、緩衝液を導管２３を介して緩衝室１６ａ
、１６ｂに並行しで供給するようになっている。

この実施例においても、前記実施例同様な効果があるが
、この実施例では、陽極室３内へ供給されるＦｅＣｊ２
．濃度及び陰極室４内へ供給されるＦ　ｅ　Ｃｆ３４度
が、第４圀に示す実施例の直列流の場合よりも低下する
問題が生しる。しかし、陽極室３内、陰極室４内及び緩
衝室１６ａ、１６ｂ内の圧力を等しくできるため、透析
ブロックが変形しにくい効果がある。

上記した例では、塩化第１鉄及び塩化第２鉄を例に説明
したが、可逆的酸化還元反応を行なうための他の金属イ
オンの化合物の場合にも同様である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、塩素ガス、水素ガスの発
生がなく、かつｐＨ調整用の硫酸等の酸を消費すること
なく、しかも原水のｐＨが７近傍乃至７以上の場合にも
安定した運転が可能であり、離島等における生活用水を
つくるための電気透析法及びその遣水装置として極めて
好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気透析方法を実施するための装置の
概略的構成図、第２図は本発明の電気透析方法における
運転状態の例を示すグラフ、第３図は本発明の電気透析
方法を実施するための装置の概略的構成図、第４図は本
発明の電気透析装置の一実施例を示す概略的構成図、第
５図は本発明の電気透析装置の他の実施例を示す概略的
構成は第６図は従来の電気透析装置を示す概略的構成図
である。１・・・・・・陽極、２・・・・・・陰極、３・・・・
・・陽極室、４・・・・・・陰極室、６・・・・・・原
水、６ａ・・・・・・原水希釈水、７・・・・・・塩素
カス、８・・・・・・水素ガス、９・・・・・・酸（硫
酸）、１１・・・用陽極膜、１２・・・・・・陰極膜、
１３・・・・・・極液タンク、１４・・・・・・導管（
循環極液用）、１５・・・・・・緩衝膜、１６ａ、１６
ｂ・・・・・・緩衝室、１７・・・・・・原水タンク、
１８．１９・・・・・・生成脱塩水、２１・・・・・・
生成濃縮水、２２・・・・・・緩衝液タンク、２３・・
・・・・導管（緩衝溶液用）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを交互に多数
設置し、その両端部に陽極室及び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ものにおいて、前記陽極室及び前
記陰極室と極液タンクとの間に酸化還元反応を可逆的に
行なうものであって、金属キレート化合物を含む極液を
循環させることを特徴とする電気透析方法。
（２）前記金属キレート化合物が、鉄、チタン、スズ、
クロム、マンガン及びバナジウムの群から選ばれる少な
くとも１種の金属のキレート化合物であることを特徴と
する請求項（１）記載の電気透析方法。
（３）前記金属キレート化合物が、前記金属と、エチレ
ンジアミン四酢酸とのキレート化合物であることを特徴
とする請求項（２）記載の電気透析方法。
（４）原水を該電気透析装置で生成される生成脱塩水で
希釈して前記陽極室及び陰極室に供給することを特徴と
する請求項（１）記載の電気透析方法。
（５）原水を、その塩分重量割合が１％以下になるよう
に希釈した後、前記陽極室及び陰極室に供給することを
特徴とする請求項（１）記載の電気透析方法。
（６）前記電気透析装置に印加される直流電流が、前記
金属キレート化合物の酸化還元反応が可逆状態に保たれ
る電流値以下とすることを特徴とする請求項（１）記載
の電気透析方法。
（７）陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを交互に多数
設置し、その両端部に陽極室及び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ものにおいて、前記陽極室及び前
記陰極室と極液タンクとの間に極液を循環させる流路を
設けると共に前記陽極室に隣接する緩衝室及び前記陰極
室に隣接する緩衝室にそれぞれｐＨ５以下の緩衝液を供
給する流路を設けたことを特徴とする電気透析装置。