JPS5836604B2 - 高温電気透析方法と装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオンの電気泳動とイオン交換膜の撰択透過性
により電解質液の脱塩又は濃縮を行なう電気透析手段に
おいて、これを高温のもとに有効に実施できる高温電気
透析方法とその装置に関するものである。

電気透析法の性能は、■単位膜面積当りの透析処理量と
■消費電力により評価できる。

■の評価因子は、その限界電流密度であり、これは液の
乱流の程度に依存する。

また■の評価因子は、電極間の電気抵抗であり、これは
濃度分極の程度を示す脱塩室側の膜面近傍に生ずる低濃
度の拡散層の厚さ、バルク層の比抵抗、膜の比抵抗及び
、ソフトスケール、ハードスケール等による膜汚染の程
度に依存する。

また脱塩室側の膜汚染は前記濃度分極の程度に影響を及
ぼす。

高温電気透析法は、電解質液を所定の温度に高め、液の
比抵抗を低減し、液の粘性を下げて乱流化を容易にし、
電極間の電気抵抗を大幅に低減して低消費電力で電気透
析装置を運転する方法であって、例えば電解質液の温度
２０℃を基準として、６０℃で運転することにより電極
間の電気抵抗は、その加温効果により４０％程度低下す
る。

また粘性の低下により膜間へ供給する液の流動圧損も低
減する利点がある。

しかしながら、加温による負の効果、すなわちハードス
ケールの析出促進、これに伴なう膜汚染等の障害は、前
記利点を上まわる欠点となる。

一般に、塩類の飽和溶解濃度は、温度が上昇すると増大
する傾向にあるが、海水中の代表的な・・ードスケール
（ＣａＳＯ４、ＣａＳＯ４・２Ｈ２０１ＣａＳ０４−
１／２Ｈ２０，ＣａＣ０３、Ｍｇ（ＯＨ）２）の飽和溶
解濃度は第１図に示したように温度の上昇に伴なわず、
いずれも減少する傾向にある。

従って海水の電気透析操作を昇温条件のもとに行うと、
低濃縮倍率でスケールが膜面に析出して透析性能は低下
し、膜の寿命も著し《短縮し、そのまま運転を継続する
と、析出スケールの成長により透析室その他液流路等が
閉塞して給液も困難となり、運転の続行は不能となる。

かかる理由により、海水の高温電気透析法では、スケー
ルの膜面析出を如何にして防止するかが必要条件となる
。

本発明は、以上の如きスケールの析出現象の解明に端を
発し、種々な実験と埋論的考察の結果、温度上昇につれ
て飽和溶解濃度が減少する傾向の電解質液を、高温電気
透析処理する際のイオン交換膜面へのスケール析出は、
イオン交換膜間の電解質液中に、その電解質液と温度差
を有する気泡状のガスを流通し、その気泡の気液界面で
液の蒸発現象が生じると、イオン交換膜面へのスケール
析出は事実上防止でき、電気透析の効率も向上すること
が解明された結果本発明に到達したわけである。

本発明の目的は、高温のもとに電解質液を、イオン交換
膜を用いて電気透析処理する際に生じるスケールの膜而
析出を事実上防止し、加温効果を高度に発揮できる高温
電気透析方法並びにその実施装置の提供にある。

本発明の他の目的は、高温のもとに電解質液な電気透析
処理する際、その加温手段に係る方法並びにその実施装
置を提供するにある。

本発明は、すくなくとも一対の電極間に、陰、陽イオン
交換膜を交互に多数配夕１ル、脱塩室と濃縮室を形成し
、前記脱塩室および濃縮室に電解質液を供給して、前記
電解質液の濃縮又は脱塩を行なう電気透析方法において
、イオン交換膜間の電解質液に、その電解質液と温度差
があるように気体を気泡状に導入し、気液接触せしめる
ことを特徴とする高温電気透析方法である。

本発明方法において、イオン交換膜間の電解質液と、導
入気体とに温度差を持たせる手段には次の二通りの方法
がある。

（１） 電解質液の温度を、導入気体よりも高温にし
ておきこれに気泡状に気体を導入して気液接触せしめる
方法。

（２）導入気体の温度を、電解質液よりも高温に加熱し
て電解質液中に気泡状に導入し、気液接触せしめる方法
。

上記構成になる本発明の要点は、イオン交換膜間の電解
質液の、その濃度の最も高い部分を膜面に沿った以外の
部分、すなわちイオン交換膜相互間の中間部分を最高濃
度にして、そこにスケールを析出させながら、その析出
スケールを気泡の上昇に伴って運搬させることにより、
膜面へのスケール付着を防止する点である。

この作用を第２面を基に、より詳しく説明する。

第２図は電気透析時の濃縮室の濃度分布を示す図である
。

電極５，５′間に電流を通じると、イオンの電気泳動と
イオン交換膜の選択透過性により、イオンは濃縮室に移
動する。

イオンの電気泳動とはマイナスの電荷をもつイオン（例
えばＣｌ−）はプラスの電極に向かって移動し、プラス
の電荷をもつイオン（例えばＮａ ＋）はマイナスの電
極に向って移動することである。

またイオン交換膜の選択透過性とは、アニオン交換膜Ａ
は陰イオンのみを透過し、カチオン交換膜Ｋは陽イオン
のみを透過する性質を指すものである。

かくしてイオンは、イオン交換膜を透過して濃縮室に移
動し、その結果膜面近傍では、濃度が極めて高い分布と
なる。

このように膜面近傍で濃度が高くなる（脱塩室では濃度
は低くなる）現象は濃度分極と呼ばれている。

上記濃度分布で、濃度勾配を有する部分は拡散層（δ）
、濃度勾配のない部分はバルク層（ロ）と呼ばれ、上記
拡散層の厚さδにより濃度分極の程度の大小を評価する
ことができる。

本発明の要点は先記したように、前記拡散層の厚さδを
低減しながら、拡散層以外のバルク層を含む部分の濃度
を最高にして、そこにスケールを析出せしめることであ
る。

すなわち、電解質液と温度差を有する気泡状の気体を、
イオン交換膜相互間の電解質液に導入して気液接触せし
め、前記気泡の気液界面での蒸発現象により電解質液を
濃縮させながら、析出したスケールをイオン交換膜に付
着させることなく気泡により運搬させる方法である。

本発明の方法において、電解質液と気泡状の導入気体と
の温度差を持たせる手段として、高温の電解質液を用い
る場合と、高温の導入気体を用いる場合とについては、
以下本発明を実施する装置を基に、これらの効果を併せ
て詳細に説明する。

実施例 ｌ 第３図は、電解質液の温度を導入気体よりも高温にして
おき、これに気泡状に気体を導入して気液接触せしめる
先緘１）の方法の、実施例装置系統図である。

電気透析槽１は、陽電極５、陰電極５′、これら電極５
，５′間に、アニオン交換膜Ａとカチオン交換膜Ｋを交
互に配列し、脱塩室■と濃縮室■を構或し、前記脱塩室
■及び濃縮室■の下部にはガス供給装置１４が設けてあ
る。

極液１５を収容して電極５，５′を有する隔室■′は電
極室と呼ばれる。

脱塩液６及び濃縮液７は加温熱交換装置２で所定の温度
に上昇された後、それぞれ電気透析槽１の脱塩室■及び
濃縮室■に分散供給される。

ガス９ｌはガス供給装置１４により、各透析室１，ｎ（
脱塩室Ｉ及び濃縮室■を指す）に導入される。

上記透析室Ｉ，ＩＩで、前記脱塩液６及び濃縮液Ｉが電
気透析され、脱塩液はその塩類濃度を低下し、濃縮液は
その塩類濃度を増加し、前記透析室■，■から流出する
。

各透析室■，■に導入されるガス９′の動きは、除湿千
段１２を経て、これを気泡に分散するノズルを備えたガ
ス供給装置１４により気泡１６となって、各透析室Ｉ，
ＩＩの下部から導入され、高温電解質液を攪拌し、膜面
近傍に生じる濃度分極の程度を低減し、膜面濃度とバル
ク濃度の差を事実上なくす。

そして気泡１６の気液界面での高温電解質液との接触に
より、高温電解質液の気泡接触面での蒸発を行なわせ、
その蒸気を気泡１６中に包含させるようにして該界面近
傍の電解質液濃度を他の部分より高く濃縮し、該界面で
スケールを析出させ、その白濁電解質液を気泡同伴にて
透析室から流出させる。

透析室Ｉ，ＩＩからガスを含んで流出した脱塩液及び濃
縮液は、それぞれ気液分離装置３により、湿りガス９を
分離放出し、再び循環されて電気透析される。

一方湿りガス９は、凝縮器４により、ガス中の水分は凝
縮水１１（淡水）となり、脱塩液の処理水６′に混入さ
れるか、あるいは別に淡水として取出される。

水分が除去された飽和湿りガス９ｌは、再び除湿装置１
２を経て散気手段のガス供給装置１４により、脱塩液及
び濃縮液に循環導入される。

本実施例装置は海水の脱塩処理すなわち淡水化や製塩に
適する装置であり、海水処理を例に述べる。

海水が原料液となる脱塩液６、濃縮液７の加温は、太陽
熱利用、その他火力発電所の冷却温海水等ニよるほか、
南方の石油産出地方においては、昼間は太陽熱を利用し
、曇天、夜間などは天然ガスを燃料として行なうもので
ある。

常時連続運転を可能とした本装置の加温機構の構戒は、
気液分離装置３かも湿りガス９を分離した脱塩液及び濃
縮液を再循環して電気透析する際の伝熱管部１８，１９
を具備して、原料海水２０を収容する加温熱交換装置２
を備え、凝縮器４から分離された飽和湿りガス９′を天
然ガスを燃料とする加熱装置２１の伝熱管部２２で高温
に加熱し、これを前記加温熱交換装置２の原料海水中に
、直接吹込んで高温原料海水とすることにまり脱塩液６
、濃縮液１が高温状態で得られる。

前記高温原料海水中に吹込んだ加熱ガスは水蒸気を伴っ
て、管路２３を経て凝縮器４に入り、凝縮した淡水を除
いたガス９′は再循環して使用される。

使用ガスは空気または窒素などが適する。

これらガスの補給は、ｆ過器１７を通して除塵されたも
のが用いられる。

要するに本発明装置は、上記実施例によって説明したよ
うに、すくなくとも一対の電極間に、陰、陽イオン交換
膜を交互に多数配夕１ル、脱塩室と濃縮室を形成する電
気透析槽を有し、前記脱塩室および濃縮室に電解質液を
供給して、前記電解質液の濃縮又は脱塩を行なう電気透
析装置において、その電解質液と温度差があるように気
体を気泡状に導入する操作を可能にした装置である。

そして本実施例装置は、電解質液の温度を導入気体より
も高温に加温して温度差を持たせることを特徴とする装
置であり、前記加温機構は、電気透析槽から流出して含
有気体を分離した脱塩液と濃縮液の再循還用伝熱管部を
具備し、かつ未処理（原料）の脱塩液と濃縮液を収容す
る加温熱交換槽と、この加温熱交換槽に吹込む気体の加
熱装置からなり、前記加温熱交換槽からの気体を再循還
して電気透析槽の脱塩室と濃縮室に気泡状に導入する経
路構或を有することを特徴とする高温電気透析装置であ
る。

本実施例装置による実験結果を第１表に示す。

供試電気透析槽仕様 膜対数：３対 膜面積： ２ １．３ ｄ ｒｒｌ／枚 膜間隔：４朋 供試液：海水（石膏分２０００ｐｐｍ） 供試ガス：空気（相対湿度７０％） 運転時間：４時間（濃度変化がなくなってから３時間以
上） 導入ガス流速： ３ ｃｍ／ ｓ （見かけのガス流速
として） 上記実験から、２０℃の電解質液に対しては、膜面全体
に石膏スケールが析出し、液の白濁はなく、効果は期待
し難い。

３０℃の電解質液に対しては、透析室の隅部膜面にスケ
ールの析出が見られたが他の膜而にはなかった。

液は白濁した。これは、透析室の構造に基因する流れの
滞溜部で有効に発揮できないものと考えられた。

４０℃〜６０℃では膜面への析出はほとんどなかった。

従って、常温で、かつ通常の湿り分を有する空気を用い
る際には、少くとも電解質液の温度差は１０℃以上必要
である。

なお、２０℃の導入ガスに対して電解質液の温度は３０
℃以上あればよいが、イオン交換膜の性能、寿命に及ぼ
す高温の影響等も考慮する必要がある。

以上のように気液に温度差を持たせる際、処理前に供給
する電解質液の温度を高温にしておく本実施例手段によ
る高温電気透析処理は、太陽熱利用の容易な南方地域に
おいて海水等に適用して、経済的にも有効である。

また、導入気体を気泡状に導入する散気ノズル部へのス
ケール付着現象は、導入気体の温度が低く、しかもその
近傍の電解質液温が高い場合に発生し易いことが実験的
に明らかであり、導入気体の温度が飽和に近づくにつれ
てスケール付着が少くなる傾向を示す。

従って導入気体の散気手段の支障は、振動ノズルを用い
るとか、あるいは温度、湿度の調節可能な機構によるな
ど、その装置に応じた簡易な手段により解決は容易であ
る。

実施例 ２ 第４図は、導入気体の温度を電解質液よりも高温に加熱
しておき、これを気泡状に導入して気液接触せしめる先
恥２）の方法の、実施例装置系統図である。

本実施例装置は、電気透析槽１、気液分離装置３、凝縮
器４等においては実施例ｌの装置に共通し、他の気体導
入手段に係る部分の構成、作用等を異にするものである
。

よって以下共通な説明は簡略し重複を避ける。

本実施例装置は実施例１と同様に海水の脱塩処理に適す
る装置なので、やはり海水処理を例に述べる。

本実施例装置は、太陽熱等の利用が容易でない地域に適
する装置で、勿論海岸に近い火山地帯の地熱利用等は特
例であるが、一般に温帯地方以北において、燃料を用い
て大量の海水を常時加温し続ける手段は経済的に成立し
難い。

例えば実施例ｌに記したような、海水に直接熱ガスを吹
込む簡易な手段でも、その加温装置におけるハードスケ
ールの付着、沈積等は、たとえ少いとしても避けられな
い現象であるから、常時連続操作される装置としては、
難点なしとはいえない。

本実施例は、スケール発生などを考慮から外して、導入
気体の加熱手段により、本発明の目的を達成することを
主眼とするものである。

海水が原料水２０となる脱塩液６、濃縮液７は、気液分
離装置３からの脱塩液及び濃縮液と同経路を通り電気．
透析槽１に導入される。

気液分離装置３から凝縮器４に入り、凝縮した淡水を除
いた飽和湿りガス９ｌは、除湿装置１２を経て、加熱装
置２１の伝熱管部２２で高温に加熱され、温度調整装置
２４の伝熱管部２５を通り、ガス供給装置１４から散気
手段により、電気透析槽１の脱塩室Ｉ及び濃縮室■に気
泡状に分散導入される。

この高温に加熱されている気泡はイオン交換膜間の電解
質液を攪拌し、膜面近傍に生じる濃度分極の程度を低減
し、膜面濃度とバルク濃度の差を事実上なくす。

そして高温気泡１６の気液界面での電解質液との接触に
より、電解質液の気泡接触面で蒸発を行なわせ、その蒸
気を気泡１６中に包会させるようにして該界面近傍の電
解質液濃度を他の部分より痛く濃縮し、該界面でスケー
ルを析出させ、その白濁電解質液を気泡同伴にて透析室
から流出させる。

そして実施例１と同様に、気液分離装置３、凝縮器４で
操作される。

そして飽和湿りガス９′は再循還使用される。

本実施例装置において、加熱装置２１で高温に加熱され
たガスは、あまりに高温に過ぎると、イオン交換膜に支
障をもたらすので、温度調整装置２４にて空気冷却によ
り調整する。

この温度調整は、脱塩室■、濃縮室■の下部にて温度を
検出し、加熱装置２１に連動する温度調整装置２４のダ
ンパーＤの開閉調整によって行なわれる。

本実施例装置においても、使用ガスは空気または窒素な
どが適する。

これらガスの補給は沢過器１７を通して除塵されたもの
が用いられる。

第５図はガス（空気）の状態変化を説明する線図である
。

高温導入ガスは湿り度が低い程、電解質液との接触によ
る気泡界面での蒸発効率は良いわけであるが、本図は、
第４図の本実施例装置における除湿装置１２をバイパス
した場合の操作についての説明である。

ガスの状態変化線図第５図に示す曲線の破線部分は大気
圧７ ６ ０ ｍｍＨｇの飽和湿り空気の曲線である。

操作線図は８４゜Ｃの所定の湿り分を有する空気（ｂ点
）を２０℃の電解質液中に導入して、その高温空気と気
液接触による熱交換の結果、電解質液の温度が４ ０
゜Ｃになった（ｄ点）定常状態の場合（ｂ−ｄ−ｃ）を
示す。

これを第４図の実施例装置系統図の符号と対応して説明
すると、空気１３は線図第６図のａ点に相当し、相対湿
度は７０％程度である。

空気１３は加熱装置２１，温度調整装置２４で８４℃に
加熱され、空気１３′（ｂ点）となる。

そして電解質液中に導入され、気液界面での熱交換と液
の蒸発があり、８４℃のｂ点から４０℃のｄ点に移行す
る。

湿り空気９はこのｄ点に相当し飽和湿り状態にある。

その後凝縮器４で凝縮水が除かれ、３３℃の飽和湿り空
気９′となり、これがＣ点に相当する。

ｄ−Ｃ点間は凝縮過程である。

飽和湿り空気９′は再び加熱装置２１で所定の温度に加
熱され、高温の未飽和湿り空気１ ３’となり、再びｂ
点に戻る。

以後、ｂ−ｄＣ点間の繰返しとなる。

気液界面での液の蒸発量はΔＸである。

ΔＸは、定常の電解質液の定常温度、導入ガスの湿り程
度及び温度により異なる。

そこで、導入ガスに空気（相対湿度７０％程度）を用い
、初期の電解質液温度２０℃、定常時の電解質液温度３
０℃として、導入ガス温度を４０℃〜１００℃の間で、
効果の確認の実験を行なった。

その条件を次記し、結果を第２表により説明する。

供試電気透析槽仕様 膜対数：３対 膜面積： ２ １．３ ｄ ｍ’／枚 膜間隔：４ｍｍ 供試液：海水（石膏分２０００ｐｐｍ） 供試ガス：空気（相対湿度７０％） 運転時間：４時間（濃度変化がなくなってから３時間以
上） 導入ガス速度： ３ ＣｒｒＬ／ ｓ （見かけのガス
流速として） 導入ガス濃度７０℃以下では膜面にスケールが析出し、
効果は無い。

しかし８０℃以上では、流れの滞溜部を除いて、膜面へ
のスケール析出はほとんど無く、有効であることが確認
された。

たｇ、イオン交換膜の性能、寿命について、ガスを、特
に高温に加熱する本発明の手段においては、本実施例に
説明したように、イオン交換膜に接触する以前にガス温
度を調整しておく必要がある。

以上要するに本発明の実施例２に説明した装置が、実施
例ｌの装置と異なるところは、導入気体を電解質液より
も高温に加熱して、この導入気体と、接触する電解質液
との間に温度をもたせることを特徴とする装置であり、
前記導入気体を高温に加熱する機構は、電気透析槽から
流出して気液を分離し、かつ凝縮した淡水を除いた気体
の加熱装置と、その加熱気体の温度を適温にする温度調
整機構を備え、導入気体を再循還して電気透析槽の脱塩
室と濃縮室に高温気泡として導入する経路構成を有する
ことを特徴とする高温電気透析装置である。

本発明の実施において、本実施例２に説明した装置は、
導入気体を高温に加熱する手段によるものであるから電
解質液の加温と異なり、加熱装置におけるスケールの付
着や沈積による障害を考慮に入れる必要がなく、しかも
加熱した高温導入気体温度調整手段があるので、高温に
よるイオン交換膜の性能や寿命に悪影響を及ぼすことな
く効率の良い装置運転が可能となる。

また海水の電気透析の場合に、太陽熱利用に期待をもて
ない温帯以北の地域では、導入気体を加熱して用いる本
実施例装置は、経済的にも有利である。

イオン交換膜を対象とし、濃度分極現象やスケール付着
防止を可能にした本発明方法を実施例Ｉ、Ｈにより行っ
た実施結果を、２０℃の海水を電気透析する際の電気抵
抗を基準とした抵抗比により、第３表に示す。

以上から明らかなように、電解質液の電気透析を本発明
方法により、イオン交換膜を損傷することなく、しかも
高温のもとに電気透析を実施することができて電気抵抗
を従来の１／２以下に低減する。

従って消費電力の低減はもとより、操作電流密度を犬に
して効率の向上を図り得る。

よって本発明高温電気透析方法を、本発明装置により実
施した場合の効果は、特に海水の電気透析処理工業にお
いて顕著に発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は海水中の代表的なハードスケール成分の飽和溶
解度と温度の関係を示す線図、第２図は電気透析時の濃
縮室の濃度分布を示す図、第３図をキ、電解質液の温度
を導入気体よりも高温にして操作する本発明実施例装置
の系統図、第４図は、導入気体の温度を電解質液よりも
高温に加熱して操作する本発明実施例装置の系統図、第
５図は、本発明実施例２の装置操作における導入空気の
状態変化を説明する線図である。 １・・・・・・電気透析槽、２・・・・・・加温熱交換
装置、３・・・・・・気液分離装置、４・・・・・・凝
縮器、６・・・・・・脱塩液、７・・・・・・濃縮液、
１４・・・・・・ガス供給装置、２１・・・・・・加熱
装置、２５・・・・・・温度調整装置、Ａ・・・・・・
アニオン交換膜、Ｋ・・・・・・カチオン交換膜、■・
・・・・・脱塩室、■・・・・・・濃縮室、ｎ／・・・
・・・電極室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ すくなくとも一対の電極間に，陰、陽イオン交換膜
   を交互に多数配夕１ル、脱塩室と濃縮室を形成し、前記
   脱塩室および濃縮室に電解質液を供給して、前記電解質
   液の濃縮又は脱塩を行なう電気透析方法において、イオ
   ン交換膜間の電解質液に、その電解質液と温度差がある
   ように気体を気泡状に導入し、気液接触せしめる手段を
   介在せしめることを特徴とする高温電気透析方法。 ２ 電解質液の温度を、導入気体よりも高温にしておき
   、この高温な電解質液と気体を気泡状に気液接触せしめ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の高温電気透析方法。 ３ 導入気体の温度を、電解質液よりも高温に加熱して
   、電解質液と気泡状に気液接触せしめる特許請求の範囲
   第１項に記載の高温電気透析方法。 ４ す《なくとも一対の電極間に、陰、陽イオン交換膜
   を交互に多数配夕］ル、脱塩室と濃縮室を形成する電気
   透析槽を有し、前記脱塩室および濃縮室に電解質液を供
   給して、前記電解質液の濃縮又は脱塩を行なう電気透析
   装置において、イオン交換膜間の電解質液と気泡状にて
   気液接触せしめる気体分散供給装置と、前記電解質液ま
   たは気体を加温するための該電解質液の供給路または前
   記気体の供給路の一部に設けられた加温熱交換装置とを
   備えたことを特徴とする高温電気透析装置。