JPH0422426A

JPH0422426A - 電気透析装置

Info

Publication number: JPH0422426A
Application number: JP2128788A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Inoue; 井上　節夫; Yoshio Matsuo; 松尾　宣雄; Morio Ito; 守男伊藤; Tetsuyoshi Ishida; 哲義石田; Hiroshi Kaneda; 金田　博志; Hiroyuki Fujimoto; 浩之藤本; Teruyuki Yokobayashi; 横林　照之
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1992-01-27

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〕本発明は電気透析槽に係り、特に大気圧以上で操作され
る一過流方式に好適な電気透析装置に関する。

〔従来の技術〕

陽イオン交換膜、陰イオン交換膜を室枠を介して交互に
複数配列して、これらの膜間に複数個の脱塩室と濃縮室
を形成せしめ、両端に電極を設は直流電流を印加するこ
とによって、海水などの塩類溶液を脱塩もしくは濃縮す
るいわゆる電気透析装置は、大別して回分処理方式と一
過処理方式の２方式がある。

従来、電気透析装置の多くは脱塩室又は濃縮室に溶液を
複数回循環させつつ、一定量の被処理溶液を補給し、同
時に一定量ずつ処理水を抜きとるいわゆる、回分処理方
式が行なわれてきた。

一方、−過処理方式では電気透析装置内に被処理溶液を
一度通過させるのみで所定の濃度まで脱塩又は濃縮する
方式であり、ポンプ動力が少なく配管系統が簡単でポン
プの数が減少し、装置がコンパクトになる事や、操作が
簡単になるという利点がある。この方式の電気透析装置
を詳しく説明する。

この方式の電気透析槽は、第２０図に示されるように陽
極板１および陽極用室枠２からなる陽極部と、陽イオン
選択性透過膜３、濃縮側室枠４、陰イオン選択性透過膜
５および脱塩側室枠６を処理液量に応して反復積層した
透析部と、更に陰極板８及び陰極用室枠７からなる陰極
部とを順次積層して形成されている。

このような電気透析層において、陽極板１−と陰極板８
との間に直流電流を印加すると、前記透析部へ供給され
た電解質溶液（ｙＫ水）中の陽イオンは陰極板８へ向っ
て移動し、一方、陰イオンは陽極板１へ向って移動する
。このとき、陽イオン選択性透過膜３と陰イオン選択性
透過膜５があるため、陽イオン及び陰イオンの濃度が低
下する室と濃度が上昇する室とがそれぞれ形成される。

濃度が上昇した室内の溶液は２電解質の濃縮液として利
用できる。

この電気透析槽は、生成する脱塩水中又は濃縮液中の電
解質濃度と原水中の濃度が大きく異なる場合、透析部（
通電部）となる液室は長い流路を有する構造にする必要
がある。このため、多くの電気透析槽の室枠〕１（濃縮
側室枠と脱塩側室枠は同形状であり、組み立て時表裏反
転して使用する）は、第２１図に示すような細長い矩形
の形状をしていた。同図において、１２〜１５はそれぞ
れ液連通孔、１７．１８はディストリビュータ、１９は
液室となる透析部を示す。しかし、この矩形室枠１１を
有する電気透析槽は、内部圧力が高くなると室枠１１が
変形する欠点を有していた。

したがって、化学プラント等において、電気透析法によ
る高圧流体の脱塩又は濃縮をする場合は。

第２２図に示されるように一旦、原水を大気圧まで減圧
弁２０で減圧し、透析処理後、再び所定の圧力まで昇圧
ポンプ２１．２２で加圧していた。

２３は脱塩水、２４は濃縮液を示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は高圧の高濃度溶液の脱塩および濃縮には
配慮がされておらず、溶液の槽外への液漏れや脱塩水と
濃縮水間のショートパスなどによる流路の不安定に基づ
くスケールの析出、電気消費量の増加、脱塩性能の低下
などの問題があった。

また、流体を一様に流すという点についても配慮されて
いないという問題があった。

本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決し、
高圧な高濃度流体の脱塩又は濃縮を、減圧すること無く
出来るようにして、しかも、経済的で、スケールの生成
しない電気透析槽を提供することにある。

上記目的を達成ため、本発明は、陽極板と陰極板との間
に交互に配置される陽イオン選択透過膜及び陰イオン選
択透過膜と、この陽イオン選択透過膜と陰イオン選択透
過膜との間に位置し内部に脱塩室又は濃縮室となる液室
を有し外周が円形又は五角形以上の多角形に形成されて
いる室枠と、を備えた電気透析装置において、脱塩室と
濃縮室は交互に配置され且つ両室の流れ方向が反対に形
成されていることを特徴とする電気透析装置である。こ
こで、室枠に形成されている脱塩室及び濃縮室への液流
入孔とこれらの各室からの液流出孔とを略軸対称位置に
設けると共に、溶液は各液流入孔から左右両方向に分流
されて脱塩室及び濃縮室内を流れて液流出孔に至るもの
がよい。また。

陽極板と陰極板との間に非電導性材料から成る脱塩水お
よび濃縮水の液折流板を少なくとも一以上設けたものが
よい。また、前記のいずれかの電気透析槽を単位として
、これを複数段に積層したものがよい。

また、室枠の透析部となる液室の外径Ｒｏ（多角形の場
合は等価外径）と内径Ｒｉ（多角形の場合は等価内径）
との比率Ｒ，ｏ　／　ＲＩを２．２以下に形成したもの
がよい。ここで、等側径は多角形を面積の等しい円に置
き換えた場合の直径である。

または、液室に設けられているスペーサの流動抵抗を液
室外周側が液室内周側より小さく形成したものがよい。

ここで、液室外周側のスペーサが部分的に切欠されて流
動抵抗が小さく形成されているものがよい。

〔作用〕

脱塩室と濃縮室の液の流れ方向を反対方向にする事によ
り潮導部（液出入口孔と室枠との連通部）の落ち込みが
なくなり槽内間での液漏れがなくなる。

円盤状の室枠で、圧力の高い液流入孔と圧力の低い液流
出孔を分離して配置することができるため液間のショー
トパスがなくなる。

液析流板を設置する事により、電極間での溶液の流路長
さを長くすることができる。このため電極の数を減少さ
せる事ができる。

透析槽の間に設置される電極は両側透析槽の電極として
利用できるため電極の数を減少させる事ができ、流路長
さを長くできるため高濃度の塩類溶液でも一過処理が可
能となる。

空間的に均質な流動抵抗を持つスペーサを用いた場合、
室枠の透析部外径と内径との比率を２゜２以下にするこ
とによって、外側を流れる流体の経路長さと内側を流れ
る流体の経路長さに大きな差が無くなる。それによって
、透析部の外側を流れる流体の流動抵抗と内側を流れる
流体の流動抵抗の差が小さくなり、偏流を少なくするこ
とができる。また、室枠の透析部外径と内径との比率が
２．２以上の場合でも、透析部外側のスペーサの一部分
を切り取ることにより、透析部外側を流れる流体の流動
抵抗が減少し、透析部の内側を流れる流体との流動抵抗
の差が小さくなって、偏流を大幅に低減することができ
る。

〔実施例〕

第１図に本発明に基づく脱塩室枠を示す。室枠は枠体３
１とネット３２から構成され、脱塩水流入孔３３、脱塩
水流出孔３４、濃縮水流人孔３５および濃縮水流出孔３
６が設けられている。この室枠の材質としてはポリプロ
ピレン製のネット３２に発砲ポリエチレンシートを一体
成形したものが好ましい。

脱塩水は脱塩水流入孔３３から脱塩室枠内に入り、ネッ
ト３２部を流動して脱塩水流出孔３４から流出する。こ
こで室枠の両面に配置される図示しない陽イオン交換膜
と陰イオン交換膜とを通ってイオンが移動し脱塩操作が
行なわれる。

一方、第２図には濃縮室枠を示す。濃縮室枠も脱塩室枠
と同様な構造となっているが、濃縮水流入孔３５および
濃縮水流出孔３６がネット３２でつながっているため濃
縮水流人孔３５から流入した濃縮水はネット３２部を通
って濃縮水流出孔３６から流出する。このとき室枠の両
面に配置される図示しない陽イオン交換１摸と陰イオン
交換膜を通ってイオンが移動し濃縮操作が行なわれる。

この様に脱塩水と濃縮水の流動方向を反対方向とする事
により、脱塩室枠と濃縮室枠が交互に積層される電気透
析槽では槽内での液圧力の分布が均一となるため、脱塩
水と濃縮水との内部混合や枠体部を通っての外部リーク
が著しく減少する。

第５図は本発明に基づく電気透析槽の電極間の構成を示
したものである。陽極板４１と陰極板４２との間に脱塩
室、陰イオン交換膜、濃縮室および陽イオン交換膜を複
数積層した透析槽４３と第６図に示す液折流板４４を配
列し構成させる。

第６図の液折流板４４は枠体５１、ネット５２、脱塩水
連通孔５４および濃縮水連通孔５６から成り、電極４１
．４２間にある各透析槽１３毎に流路を反転し、流路長
さを長くとれる様としたものである。

第７図は第５図に示す透析槽を複数段組み合せたもので
、−過処理に必要な流路長さを確保し、更に中間に設置
される陽極板４１および陰極板４２は両側の透析槽に対
し共通の電極となるため電極数を減少させることができ
る。

第８図乃至第１１図に基いて、この複数段構造の他実施
例を説明する。電気透析槽６１は、４つに分割されユニ
ット６２．６３となっている。それぞれのユニット６２
．６３の両端には、陰極板を有する押え抜６４と陽極板
を有する押え板６５に挾み込まれ、ボルト、ナツト６６
で固定されている。陰極板を有する押え板６４は、陰極
用の極液が流れる様に孔がおいており、陰極液用配管６
７及び陰極板用の配線６８によってつながっている。同
様に陽極板を有する押え板６５も、陽極液用配管６９．
陽極用配線７０でつながっている。

７１は、脱塩水出口ソケット、７２は、濃縮水出口ソケ
ットである。７３は、各ユニットがずれるのを防止する
ために全体を固定する通しボルト用の穴である。

第９図は、第８図におけるユニット６３の拡大図である
。７４は脱塩水用達通孔、７５は濃縮水用連通孔である
。

第１０図は、ユニット６３の断面図を示している。尚、
ここには、両極液用配管６７．６９及び両極板用配線６
８．７０は省略されている。

ユニット６３の両端には、脱塩水入口ソケット７６、濃
縮水入口ソケット７７を備えた陰極板片押え板６４及び
陽極板用押え板６５が位置しており、それらの内側には
陰極板７８と陽極板７９とがある。陰極板７８と陽極板
７９との間には、陽イオン交換膜８０と陰イオン交換膜
８１とがスペーサ８２及び室枠８３を隔てて交互に配列
さ九ている。陰極室８４と陽極室８５とは、それぞれの
陽イオン交換膜により隣室と隔てられており、極液が流
れる構造になっている。本実施例は、塩化ナトリウムを
主成分とする溶液を処理するためのものである。

このような構成の電気透析装置において、電気透析操作
を実行すると、脱塩水入口ソケット７６、濃縮水入口ソ
ケット７７から入った被処理液は、各イオンが、陽イオ
ン交換膜８０、陰イオン交換膜８１を選択的に透過し、
脱塩水側で溶液の希釈濃縮側では溶液の濃縮が行われる
６第１１図は、本実施例で使用した透析槽内部の溶液の流
れを示す。又、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜、スペ
ーサ及び室枠の形状も示す。８６は脱塩水、８７は濃縮
水を示す。

本実施例においては、両極液用配管６７．６９及び面電
極用配線６８．７０を透析槽の外部に設けであるが、場
合によっては、透析槽内部へ専用の通し穴を設けてもよ
い。

第３図および第４図に本発明の他の実施例を示す。本実
施例では脱塩水および濃縮水の各流入孔３３．３５と各
流出孔３４．３６を室枠の軸対称位置に配置するもので
、室枠内で左右両方向の流れを作るものである。

この実施例の効果は液圧力の高い液流入孔３３゜３５と
、圧力の低くなった液流出孔３４．３６を分離して配置
するため、孔間のショートパスを充分に防止することが
できる。

第１２図に、透析部の外半径と透析部の内半径との比率
を２．２とした本発明の一実施例である電気透析槽の室
枠を示す。この室枠は濃縮側及び脱塩側用として使用出
来る。すなわち１組立時において、図示状態のものを濃
縮側用とし、表裏反転したものを脱塩側用とすればよい
。

液連通孔１２より原水１０がディストリビュータ１７を
通して透析部（通電部）１９に入り、円周方向に流れな
がら、ディストリビュータ１８を通して他の液連通孔１
４内に入り、電気透析槽外へ排出される。この室枠１１
は、図示しない陽イオン選択性透過膜及び陰イオン選択
性透過膜にはさまれて使用される。そして、電位方向か
ら脱塩側室枠となる場合は、ディストリビュータ１７か
ら入った原水は、陽イオン及び陰イオンが除去されて、
ディストリビュータ１８近傍において所定塩濃度の脱塩
水となる。一方濃縮側室枠となる場合は、ディストリビ
ュータ１７から入った原水は、ディストリビュータ１８
近傍において、所定塩濃度の濃縮液となる。

この室枠は、第２０図に示したように、陽イオン選択性
透過膜３、陰イオン選択性透過膜５とともに多数積層さ
れて透析部を構成し、この透析部は陽極板１と陽極用室
枠２からなる陰極部によってはさまれ、ボルト締め又は
油圧によって一体化される。

第１５図から第１９図に本発明を完成するに到った根拠
となる計算結果等を示す。第１５図は室枠透析部の外径
（Ｒｏ）を１３０Ｍｍと一定にしておき、室枠透析部の
内径（Ｒ＋）を変えて透析部における速度分布を種々計
算し、透析部内における偏流の割合を算出して作成した
ものである。第１６図は、従来からある室枠形状（透析
部外径／透析部内径＝２．６）の速度分布計算結果であ
る。

本結果は、第１７図に示すように透析部を１５×２２の
格子に分割して、数値計算法を用いて流れ場を解いたも
ので、ベクトルで流れの方向（矢の向き）を、そしてベ
クトルの長さで速度の大きさを表したものである。本図
から透析部内側２５の流速が外側２６の流速より約４０
％大きくて、透析部内で大きく偏流している事がわかる
。そこで、この偏流が生じる原因を種々調べた結果、室
枠の形状すなわち透析部外径Ｒｏと透析部内径Ｒｉの比
率Ｒ，ｏ　／　Ｒ、が大きいことに問題があることがわ
かった。この偏流に起因して、従来の透析槽が、予定し
た性能を達成出来ないと考えられた。

第１８図にＲｏ　／　Ｒ＋　＝　２　、２の場合の計算
結果を示す。本図から、透析部外径Ｒｏと透析部内径Ｒ
＋の比率Ｒｏ　／　Ｒ＋を小さくすることにより、偏流
を低減できることがわかる。第１９図は、第１８図の流
れを計算するために用いた格子である。

第１６図や第１８図等の結果より、局所の流速が透析部
の平均流速の±２５％、±１５％そして±１０％以内に
入る領域の全透析部面積に締める割合を算出し、透析部
半径ＲＩに対してプロットしたものが、第１５図である
。これまでの細長い矩形形状の透析部を用いた試作実験
結果より、局所流速が透析部平均流速の±２５％以内に
入っておれば、脱塩あるいは濃縮効率が低下しないし、
またスケールが生成しないことが分かっており、構造判
定の基準条件として、上記した±２５％を選定した。な
お、透析部コーナにおいては、どうしても低流速部が生
じるため、上記割合を０％にすることは出来ない。本図
より、透析部の内半径Ｒ＋が６０ｍ以上、すなわち透析
部の外径と内径の比率Ｒｏ　／　ＲＩを２．２以下にす
れば、偏流領域の割合を大幅に低減できることがわかる
。この結果をもとに電気透析槽を試作し、試験を行った
結果、良好な性能が達成できることを確認した。

第１３図及び第１４図に本発明の異なる他の実施例であ
る電気透析槽の室枠１１を示す。スペーサ１６と一体構
造をなす室枠１１の形状は、従来からあるものと同じで
、透析部外径と内径の比率Ｒｏ　／　ＲＩは２．６のま
まである。これらの室枠１１及びスペーサ１６は濃縮側
用及び脱塩側用として使用出来る。すなわち、組立時に
おいて、図示状態のものを濃縮側用とし、表裏反転した
ちのを脱塩側用とすればよい。これらの図において、１
１は室枠、１２，１．３，１４．１５は波速通孔、１７
．１８はディストリビュータ、１９は透析部、１６はス
ペーサ、２７はスペーサの切り取り部である。

第１２図の実施例においては、空間的に均一な流動抵抗
を持つスペーサを使用することが前提であったが、本実
施例（第１３図及び第１４図）においては、電気透析部
外側のスペーサ１６の一部を切り取って（スペーサ切り
取り部２７）、空間的に不均一な流動抵抗を持たせるよ
うにしたものである。このようなスペーサ１６をもちい
ると、ディストリビュータ］７を通して透析部（通電部
）１９に入り、円周方向に流れながら、ディストリビュ
ータ１８を通して他の波速通孔１４内に入る流体は、偏
流することなく透析部〕９を一様に流れ、電気透析槽外
へ排出される。従って、本例では室枠１１の内径を大き
くすることなく、偏流領域を少なく出来るため、電気透
析膜の有効利用率（使用膜全面積にしめる透析部コーナ
の割合）が高いという効果がある。なお、ここでは計算
結果は省略するが、このようにスペーサの一部を切り取
る方式でも局所流速が平均流速の±２５％以内に入る割
合が９３％あることを確認している。

〔発明の効果〕

本発明によれば、槽外への被処理溶液の液漏れが充分に
防止できるので、効率的な運転を行なう事が可能となる
。また従来技術では困難であった高濃度の被処理溶液を
一過処理で行なう事が可能であり、系統が単純となるた
め経済性に優れた、運転操作の容易な装置を提供するこ
とができる。

また、各ユニットの重量、容積を低減し、工場で組立後
、透析性能を検査した後に、現地へ発送が出来、品質面
も向上する。また、現地での組立は、各ユニットの結合
作業のみであり、従来の複雑な組立作業がなくなり、多
大な時間が費やす必要がなくなる。更に、ユニット単位
での点検及び交換が可能であり、保守点検が容易となる
。

また、円形あるいは多角形の室枠を用いても、透析部の
偏流領域割合を大幅に低減することが出来るため、透析
前の減圧操作及び透析後の昇圧操作をしなくても高圧の
原水を、脱塩あるいは濃縮効率の低下、またスケールを
生成することなく運転できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る脱塩室枠を示す平面図、第２図は
本発明に係る濃縮室枠を示す平面図、第３図は本発明の
他の実施例に係る脱塩室枠を示す平面図、第４図は本発
明の他の実施例に係る濃縮室枠を示す平面図、第５図は
本発明に基づく透析槽の電極間の構成の一例を示す側面
図、第６図は本発明に係る液析流板を示す平面図、第７
図は本発明に基づく透析槽の組立図、第８図は、本発明
に係る透析槽の全体組立斜視図、第９図は第８図おける
ユニットの拡大斜視図、第１０図は第９図の断面図、第
１１図は本発明で使用した透析層内部の溶液、の流れと
イオン交換膜及びスペーサ、室枠の形状を示す概略斜視
図、第１２図は本発明に係る電気透析槽の室枠を示す斜
視図、第１３図は本発明に係る他の実施例の電気透析槽
の室枠及びスペーサの平面図、第１４図は本発明に係る
他実施例の電気透析槽の室枠及びスペーサの平面図、第
１５図は透析部の内半径と整流領域（１００−偏流領域
の大きさ）の関係を示す図、第１−６図は透析部外径と
内径の比率が２．６の室枠を用いた場合の透析部のフロ
ーパターン計算結果を示す図、第１７図は第１６図の結
果を得るために用いた計算格子を示す図、第１８＠は透
析部外径と内径の比率が２．２の室枠を用いた場合の透
析部のフローパターン計算結果を示す図、第１９図は第
１８図の結果を得るために用いた計算格子を示す図、第
２０図は電気透析槽の一般構成を示す原理図、第２１図
は従来からある電気透析槽の室枠の斜視図、第２２図は
従来からある電気透析槽を用いた高圧原水の処理を示す
基本フロー図である。１・・・陽極板、３・・・陽イオン選択透過膜、５・・
・陰イオン選択、８・・・陰極板、１１．３１・・・室
枠、３２・・・ネット（スペーサ）、３３・・・脱塩水
流入孔、３４・・・脱塩水流出孔、３５・・・濃縮水流
人孔、３６・・・濃縮水流出孔。第４図第５図第６図第８図／９〃λ３（りηｚ７）第１６図第旧図

Claims

【特許請求の範囲】１、陽極板と陰極板との間に交互に配置される陽イオン
選択透過膜及び陰イオン選択透過膜と、この陽イオン選
択透過膜と陰イオン選択透過膜との間に位置し内部に脱
塩室又は濃縮室となる液室を有し外周が円形又は五角形
以上の多角形に形成されている室枠と、を備えた電気透
析装置において、脱塩室と濃縮室は交互に配置され且つ
両室の流れ方向が反対に形成されていることを特徴とす
る電気透析装置。２、請求項１において、室枠に形成されている脱塩室及
び濃縮室への液流入孔とこれら各室からの液流出孔とを
略軸対称位置に設けると共に、溶液は各液流入孔から左
右両方向に分流されて脱塩室及び濃縮室内を流れて液流
出孔に至る電気透析装置。３、請求項１又は２において、陽極板と陰極板との間に
非電導性材料から成る脱塩水および濃縮水の液折流板を
少なくとも一以上設けた電気透析装置。４、請求項１〜３のいずれかに記載の電気透析槽を単位
として、これを複数段に積層した電気透析装置。５、請求項１〜４のいずれかにおいて、室枠の透析部と
なる液室の外径Ｒ＿ｏ（多角形の場合は等価外径）と内
径Ｒ＿ｉ（多角形の場合は等価内径）との比率Ｒ＿ｏ／
Ｒ＿ｉを２．２以下に形成した電気透析装置。６、請求項１〜４のいずれかにおいて、液室に設けられ
ているスペーサの流動抵抗を液室外周側が液室内周側よ
り小さく形成した電気透析装置。７、請求項６において、液室外周側のスペーサが部分的
に切欠されて流動抵抗が小さく形成されている電気透析
装置。