KR20030088881A

KR20030088881A - 전기식 탈이온수 제조 장치

Info

Publication number: KR20030088881A
Application number: KR10-2003-0030965A
Authority: KR
Inventors: 야마나카고지; 이노우에히로시; 다지마나오유키
Original assignee: 오르가노 가부시키가이샤
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2003-11-20
Also published as: DE60301590T2; JP3773190B2; EP1364709A2; DE60301590D1; KR100980989B1; TW200306953A; TWI241983B; US20030213695A1; EP1364709A3; US7201832B2; JP2003334560A; EP1364709B1

Abstract

3차원 망목 구조의 유기 다공질 이온 교환체를 충전한 탈이온실에 통수하여 수중의 이온성 불순물을 제거하여 탈이온수를 제조함과 더불어, 이 탈이온실에 직류 전장을 인가하여, 이 유기 다공질 이온 교환체에 흡착한 이온성 불순물을 계 외로 배제하는 전기식 탈이온수 제조 장치에 있어서, 이 직류 전장의 인가는 배제되는 이온이 이 유기 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 통수 방향에 대하여 역방향으로 이동하도록 행한다.

Description

전기식 탈이온수 제조 장치{Electric deionized water-producing apparatus}

본 발명은 탈이온수를 이용하는 반도체 제조 공업, 제약 공업, 식품 공업, 발전소, 연구소 등의 각종 공업 혹은 당액(糖液), 쥬스, 와인 등의 제조 등에서 이용되는 전기식 탈이온액 제조 장치에 바람직하게 사용되는 전기식 탈이온수 제조 장치에 관한 것이다.

탈이온수를 제조하는 방법으로서, 종래부터 이온 교환 수지에 피처리수를 통과시켜서 탈이온을 행하는 방법이 알려져 있지만, 이 방법에서는 이온 교환 수지가이온으로 포화되었을 때에 약제에 의해 재생을 행할 필요가 있고, 이러한 처리 조작상의 불리한 점을 해소하기 위해서, 약제에 의한 재생이 전혀 불필요한 전기식 탈이온법에 의한 탈이온수 제조 방법이 확립되어, 실용화에 이르고 있다.

상기 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치는 기본적으로는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 형성되는 틈새에, 이온 교환체로서 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지의 혼합 이온 교환 수지층을 충전하여 탈이온실로 하고, 이 이온 교환 수지층에 피처리수를 통과시킴과 더불어, 상기 양쪽 이온 교환막을 통해서 피처리수의 흐름에 대하여 수직 방향으로 직류 전류를 작용시켜서, 양쪽 이온 교환막의 외측에 유통되고 있는 농축수 중에 피처리수 중의 이온을 전기적으로 배제하면서 탈이온수를 제조하는 것이다.

도 5는 상술한 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치의 일례를 나타내는 모식 단면도이며, 양이온 교환막(101) 및 음이온 교환막(102)을 이격해서 교호로 배치하고, 양이온 교환막(101)과 음이온 교환막(102)으로 형성되는 공간 내에 1개씩 걸러 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지의 혼합 이온 교환 수지(103)를 충전하여, 탈이온실(104)로 한다. 또한 이 탈이온실(104)의 각각의 옆에 위치하는 음이온 교환막(102)과 양이온 교환막(101)으로 형성되는 혼합 이온 교환 수지(103)를 충전하고 있지 않은 부분은 후술하는 바와 같이 농축수를 유통시키기 위한 농축실(105)로 한다. 양이온 교환막(101)과 음이온 교환막(102)과 그 내부에 충전하는 혼합 이온 교환 수지(103)로 탈이온 모듈(106)을 형성하지만, 그 상세한 것은 도 6에 도시한 바와 같다.

즉 프레임(107)의 한 쪽 부분에 양이온 교환막(101)을 밀봉하고, 이 프레임(107) 내부에 혼합 이온 교환 수지(103)를 충전하고, 이어서 프레임(107)의 다른 쪽 부분에 음이온 교환막(102)을 밀봉한 것이다. 한편 이온 교환막은 비교적 연한 것이므로, 프레임(107) 내부에 혼합 이온 교환 수지(103)를 충전해서 그 양면을 이온 교환막으로 밀봉했을 때, 이온 교환막이 만곡해서 혼합 이온 교환 수지(103)의 충전층이 불균일해지는 것을 방지하기 위해서, 프레임(107)의 공간부에 다수의 리브(108)를 설치하는 것이 일반적이다. 또 도 6에서는 도시하지 않고 있지만, 프레임(107)의 상방부에 피처리수의 유입구가, 또 프레임의 하방부에 처리수의 유출구가 부설되어 있다.

이러한 탈이온 모듈(106)의 다수개를 그 사이에 스페이서(도시 생략)를 개재하여, 병설한 상태를 도 5에 나타낸 것이며, 병설한 탈이온 모듈(106)의 일단측에 음극(109)을 배설함과 더불어, 타단측에 양극(110)을 배설한다. 또한 전술한 스페이서를 개재한 위치가 농축실(105)이며, 또 양단의 농축실(105)의 양쪽 외측에 필요에 따라 양이온 교환막, 음이온 교환막, 혹은 이온 교환성이 없는 단순한 격막 등의 칸막이막(111)을 배설하고, 이 칸막이막(111)으로 격리된 양쪽 전극(109, 110)이 접촉하는 부분을 각각 음극실(112) 및 양극실(113)로 한다.

이러한 전기식 탈이온수 제조 장치에 의해 탈이온수를 제조하는 경우, 이하와 같이 조작된다. 즉 음극(109)과 양극(110) 사이에 직류 전류를 유통하고, 또 피처리수 유입구(A)로부터 피처리수를 유입함과 더불어, 농축수 유입구(B)로부터 농축수를 유입하고, 또한 전극수 유입구(C, D)로부터 각각 전극수를 유입한다. 피처리수 유입구(A)로부터 유입한 피처리수는 실선으로 나타낸 화살표처럼 각 탈이온실(104)을 유하(流下)하고, 혼합 이온 교환 수지(103)의 충전층을 통과할 때에 불순물 이온이 제외되어, 탈이온수가 탈이온수 유출구(a)로부터 얻어진다. 또 농축수 유입구(B)로부터 유입한 농축수는 점선의 화살표로 나타낸 바와 같이 각 농축실(105)을 유하하고, 양쪽 이온 교환막을 통해서 이동해 오는 불순물 이온을 받아들이고, 불순물 이온을 농축한 농축수로서 농축수 유출구(b)로부터 유출되고, 또한 전극수 유입구(C, D)로부터 유입한 전극수는 전극수 유출구(c, d)로부터 유출된다. 상술한 바와 같은 조작에 의해 피처리수 중의 불순물 이온은 전기적으로 제거되므로, 충전한 이온 교환 수지를 약액(藥液)에 의한 재생을 전혀 행하는 일 없이 탈이온수를 연속적으로 얻을 수 있다.

그렇지만, 상기 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치는 다수의 탈이온실이나 농축실을 배설하기 때문에, 프레임이나 이온 교환막을 다용하고, 이 때문에 구조가 복잡하여 재료비, 가공비, 조립 비용이 커진다는 문제가 있었다. 다시 말해, 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치에서는 탈이온실에 종전의 입상 이온 교환 수지를 충전하고 있기 때문에, 흡착한 이온을 배제할 때의 이온의 이동이 늦고, 목적의 처리 수질을 얻기 위해서는, 배제하는 이온의 이동 거리를 짧게 할 필요가 있고, 이 때문에 탈이온실의 두께는 1∼8㎜ 정도의 얇기로 제한된다. 이러한 제한을 받으면서, 실용적으로 제공할 수 있는 통수량과 수질을 얻도록 설계된 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치에서는 상술한 바와 같이, 얇은 판상 탈이온실을 다수 병립시키고, 이 탈이온실의 장축 방향으로 피처리수를 통수하면서, 이것에 수직 방향으로 전장(electric field)을 인가하여 흡착한 이온을 배제하는 구조를 취하지 않을 수 없다.

종래의 전기식 탈이온수 제조 장치에서 탈이온실에 충전되는 이온 교환 수지로서는 일반적으로 스티렌과 디비닐벤젠(DVB)의 공중합체에 양이온 교환기로서는 술폰산기(R-SO₃ ^-H⁺)를, 음이온 교환기로서는 제4급 암모늄염기(R-N⁺R₁R₂R₃)를 도입하여 얻어진 직경 0.2∼0.5㎜ 정도의 구 형상의 것이 충전되어 있다. 이 경우, 이온 교환 수지 입자 내에 있어서의 전류 전달, 즉 이온의 전달은 고분자 겔 내에 균일 또한 치밀하게 존재하는 이온 교환기를 통해서 저저항으로 행하여지는 것에 대해, 이온 교환 수지 입자 계면에 있어서는, 이온의 이동시에 수중의 이동 거리가 길고, 또한 구 형상이기 때문에 입자끼리의 접촉 면적이 작으므로 이온의 흐름이 이 접점부에 집중하여, 이온 이동의 저해 요인이 되고, 흡착 이온의 계 외 배제를 느리게 시키는 주요 원인이 되고 있다.

또, 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치에서는 유입하는 피처리수의 경도가 높은 경우, 전기식 탈이온수 제조 장치의 농축실에 있어서 탄산칼슘이나 수산화마그네슘 등의 스케일이 발생한다는 문제가 있었다. 다시 말해, 양이온 교환막을 통과하여 탈이온실로부터 농축실로 배제된 칼슘 이온이나 마그네슘 이온은 농축실의 반대측의 음이온 교환막 표면에서 국부적으로 농축되고, 여기에서 음이온 교환막을 통과하여 농축실로 배제되어 오는 탄산 이온이나 수산화물 이온과, 용해도 곱을 초과한 농도로 혼합되어서 스케일이 발생한다. 스케일이 발생하면, 그 부분에서의 전기 저항이 상승하고, 전류가 유통되기 어려워진다. 다시 말해, 스케일 발생이 없는 경우와 동일한 전류치를 유통시키기 위해서는 전압을 상승시킬 필요가 있고, 소비 전력이 증가한다. 또, 스케일의 부착 장소에 따라서는, 농축실 내에서 전류 밀도가 달라, 탈이온실 내에 있어서 전류의 불균일화가 발생한다. 또, 스케일 부착량이 더욱 증가하면, 통수차압(通水差壓)이 증대함과 더불어, 전압이 더욱 상승하고, 장치의 최대 전압치를 초과한 경우는 전류치가 저하하게 된다. 이 경우, 이온 제거에 필요한 전류치가 유통되지 않아, 처리 수질의 저하를 초래한다. 또한, 성장한 스케일이 이온 교환막 내에까지 침식하여, 최종적으로는 이온 교환막을 파손해 버린다.

상기 스케일 발생을 방지하기 위해서, 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치에서는 전기식 탈이온수 제조 장치로의 피처리수의 통수에 앞서, 피처리수 중으로부터 칼슘 이온이나 마그네슘 이온 등의 경도 성분을 제거하는 전처리, 다시 말해, Na형 양이온 교환 수지층에 통수함으로써 상기 경도 성분을 나트륨 이온으로 교환하는 연화나, 또는 역침투막이나 이온 교환에 의한 일차탈염을 필요로 하고 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 흡착한 이온성 불순물의 이동을 빠르게 해서 흡착 이온의 배제를 쉽게 하고, 장치의 구조를 간략화하여, 재료비, 가공비, 조립 비용을 경감시킴과 더불어, 탄산칼슘이나 수산화마그네슘 등의 스케일 발생의 가능성이 전혀 없고, 따라서, 일차탈염이나 연화 등의 전처리를 필요로 하지 않는 전기식 탈이온수 제조 장치를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 예의 전기식 탈이온수 제조 장치의 구조를 도시하는 모식도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시 형태의 예의 전기식 탈이온수 제조 장치의 구조를 도시하는 모식도이다.

도 3은 본 발명의 제3 실시 형태의 예의 전기식 탈이온수 제조 장치의 구조를 도시하는 모식도이다.

도 4는 피처리수 도입 분배부 또는 처리수 집수부가 되는 다공질 이온 교환체 표면의 홈부를 예시한 도면이다.

도 5는 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치의 모식 단면도이다.

도 6은 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치에 이용되고 있는 탈이온 모듈의 조립도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 101 : 양이온 교환막2, 102 : 음이온 교환막

3a, 3b : 제1, 제2 피처리수 도입 분배부

4a, 4b : 제1, 제2 처리수 집수부

5a, 5b : 연통관6 : 탈양이온실

7 : 탈음이온실9, 109 : 음극

10, 110 : 양극11, 105 : 농축실

12, 112 : 음극실13, 113 : 양극실

15 : 다공질 양이온 교환체16 : 다공질 음이온 교환체

17, 117 : 양이온 교환막, 또는 음이온 교환막

20A∼20C : 전기식 탈이온수 제조 장치

24 : 홈부104 : 탈이온실

106 : 탈이온 모듈107 : 프레임

108 : 리브111 : 칸막이막

B : 농축수 유입구b : 농축수 유출구

C, D : 전극수 유입구c, d : 전극수 유출구

이러한 실정에 있어서, 본 발명자들은 상기 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치의 문제점을 해결하도록 예의연구를 거듭한 결과, 탈이온실 충전재로서 3차원 망목 구조를 갖는 유기 다공질 이온 교환체를 이용하고, 또한 배제되는 이온이 탈이온 교환체 내의 통수 방향에 대하여 역방향으로 이동하도록 전장을 인가하면, 장치의 구조를 간략화하여, 재료비, 가공비, 조립 비용을 경감시킴과 더불어, 탄산칼슘이나 수산화마그네슘 등의 스케일 발생의 가능성이 전혀 없고, 따라서, 일차탈염이나 연화 등의 전처리를 필요로 하지 않는 것 등을 찾아내어, 본 발명을 완성하기에 도달했다.

다시 말해, 본 발명(1)은 서로 연결되어 있는 매크로 포어와 매크로 포어의 벽 내에 평균 직경이 1∼1000㎛인 메소 포어를 갖는 연속 기포 구조를 가지며, 전체 미세 구멍 용적이 1㎖/g∼50㎖/g이며, 이온 교환기가 균일하게 분포되고, 이온 교환 용량이 0.5㎎당량/g 건조 다공질체 이상의 유기 다공질 이온 교환체를 충전한 탈이온실을 가지며, 이 탈이온실에 통수하고, 수중의 이온성 불순물을 제거하여 탈이온수를 제조함과 더불어, 이 탈이온실에 직류 전장을 인가하여, 이 유기 다공질 이온 교환체에 흡착한 이온성 불순물을 계 외로 배제하는 전기식 탈이온수 제조 장치에 있어서, 이 직류 전장의 인가는 배제되는 이온이 이 유기 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 통수 방향에 대하여 역방향으로 이동하도록 행하는 전기식 탈이온수 제조 장치, 본 발명(2)은 한 쪽의 이온 교환막과 다른 쪽의 양이온 교환막으로 구획되는 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈양이온실과, 이 한 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과, 이 다른 쪽의 양이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과, 이 탈양이온실 중의 다른 쪽의 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부와, 이 탈양이온실 중의 한 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부를 갖는 전기식 탈양이온수 제조 장치와, 한 쪽의 음이온 교환막과 다른 쪽의 이온 교환막으로 구획되는 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈음이온실과, 이 한 쪽의 음이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과, 이 다른 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과, 상기 전기식 탈양이온수 제조 장치의 제1 처리수 집수부와 연통관으로 접속되는 이 탈음이온실 중의 한 쪽의 음이온 교환막 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부와, 이 탈음이온실 중의 다른 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부를 갖는 전기식 탈음이온수 제조 장치를 구비하는 전기식 탈이온수 제조 장치, 본 발명(3)은 한 쪽의 양이온 교환막과, 이 한 쪽의 양이온 교환막과 다른 쪽의 음이온 교환막 사이에 형성되는 중간 양이온 교환막으로 구획되는 제1 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈양이온실과, 이 다른 쪽의 음이온 교환막과 이 중간 양이온 교환막으로 구획되는 제2 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈음이온실과, 이 한 쪽의 양이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과, 이 다른 쪽의 음이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과, 이 탈양이온실 중의 한 쪽의 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부와, 이 탈양이온실 중의 중간 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부와, 이 제1 처리수 집수부와 연통관으로 접속되는 이 탈음이온실 중의 다른 쪽의 음이온 교환막 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부와, 이 탈음이온실 중의 중간 양이온 교환막 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부를 구비하는 전기식 탈이온수 제조 장치, 본 발명(4)은 한 쪽의 이온 교환막과, 이 한 쪽의 이온 교환막과 다른 쪽의 이온 교환막 사이에 형성되는 중간 양이온 교환막으로 구획되는 제1 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈양이온실과, 이 중간 양이온 교환막과, 이 중간 양이온 교환막과 다른 쪽의 이온 교환막 사이에 형성되는 중간 음이온 교환막으로 구획되는 농축실과, 이 다른 쪽의 이온 교환막과 이 중간 음이온 교환막으로 구획되는 제2 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈음이온실과, 이 한 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과, 이 다른 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과, 이 탈양이온실 중의 중간 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부와, 이 탈양이온실 중의 한 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부와, 이 제1 처리수 집수부와 연통관으로 접속되는 이 탈음이온실 중의 중간 음이온 교환막 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부와, 이 탈음이온실 중의 다른 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부를 구비하는 전기식 탈이온수 제조 장치, 본 발명(5)은 상기 유기 다공질 양이온 교환체 또는 상기 유기 다공질 음이온 교환체가, 서로 연결되어 있는 매크로 포어와 매크로 포어의 벽 내에 평균 직경이 1∼1000㎛인 메소 포어를 갖는 연속 기포 구조를 가지며, 전체 미세 구멍 용적이 1㎖/g∼50㎖/g이며, 이온 교환기가 균일하게 분포되고, 이온 교환 용량이0.5㎎당량/g 건조 다공질체 이상인 상기 전기식 탈이온수 제조 장치를 각각 제공하는 것이다.

본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치에 따르면, 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 이온의 이동을 빠르게 하여 흡착 이온의 배제를 쉽게 할 수 있다. 또, 탈이온실을 다수로 분할하여 병렬 배설할 필요가 없고, 장치의 구조를 간략화하여, 재료비, 가공비, 조립 비용을 경감시킬 수 있다. 또, 탄산칼슘이나 수산화마그네슘 등의 스케일 발생이 전혀 없고, 일차탈염이나 연화 등의 전처리를 필요로 하지 않는다. 또한, 저전압으로 안정한 수질의 처리수를 얻을 수 있다.

(발명의 실시 형태)

본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치는 특정 구조의 유기 다공질 이온 교환체를 충전한 탈이온실에 통수하고, 수중의 이온성 불순물을 제거하여 탈이온수를 제조함과 더불어, 이 탈이온실에 직류 전장을 인가하여, 이 유기 다공질 이온 교환체에 흡착한 이온성 불순물을 계 외로 배제하는 장치에 있어서, 이 직류 전장의 인가는 배제되는 이온이 이 유기 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 통수 방향에 대하여 역방향으로 이동하도록 행하는 것이다. 다시 말해, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치의 기본 구조는 양쪽의 이온 교환막으로 구획되는 탈이온실에 유기 다공질 이온 교환체를 충전하여 탈이온실을 구성하고, 이 이온 교환막의 외측에 직류 전장을 인가하는 전극을 배치하여 이루어지고, 이 직류 전장의 인가를 상술한 바와 같은 특정한 형태로 행하는 것이다. 또, 본 발명에 있어서, 유기 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 통수 방향이란 특정한 연속 기포 구조를 갖는 유기 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 통수 방향, 다시 말해, 특정한 연속 기포 구조를 갖는 유기 다공질 이온 교환체 내의 통수 방향에 유래하는 이온의 평균 확산 방향을 말하는 것이며, 후술하는 바와 같은, 유기 다공질 이온 교환체 내에 별도에 배설 또는 가공되는 제1, 제2 피처리수 도입 분배부 내나 제1, 제2 처리수 집수부 내에 있어서의 통수 방향을 말하는 것이 아니다.

탈이온실에 충전되는 유기 다공질 이온 교환체란 서로 연결되어 있는 매크로 포어와 매크로 포어의 벽 내에 평균 직경이 1∼1000㎛인 메소 포어를 갖는 연속 기포 구조를 가지며, 전체 미세 구멍 용적이 1㎖/g∼50㎖/g이며, 이온 교환기가 균일하게 분포되고, 이온 교환 용량이 0.5㎎당량/g 건조 다공질체 이상인 3차원 망목 구조를 가지는 이온 교환체이다.

다시 말해, 이 유기 다공질 이온 교환체의 기본 구조는 서로 연결되어 있는 매크로 포어와 매크로 포어의 벽 내에 평균 직경이 1∼1000㎛, 바람직하게는 10∼100㎛의 메소 포어를 갖는 연속 기포 구조이다. 다시 말해, 연속 기포 구조는 통상, 평균 직경 2∼5000㎛의 매크로 포어와 매크로 포어가 겹치고, 이 겹치는 부분이 공통의 개구가 되는 메소 포어를 갖는 것으로, 그 대부분이 오픈 포어 구조인 것이다. 오픈 포어 구조는 물을 유통시키면 이 매크로 포어와 이 메소 포어로 형성되는 기포 구조 내가 유로가 된다. 메소 포어의 평균 직경이 1㎛ 미만이면, 통수시의 압력 손실이 커져 버리고, 한편, 메소 포어의 평균 직경이 1000㎛보다 크면, 물의 유로가 균일하게 형성되기 어려워지기 때문에 바람직하지 못하다. 다공질 이온 교환체의 구조가 상기와 같은 연속 기포 구조로 됨으로써, 미세 구멍 용적이나 비표면적을 현격히 크게 할 수 있다.

또, 이 유기 다공질 이온 교환체는 전체 미세 구멍 용적이 1㎖/g∼50㎖/g이다. 전체 미세 구멍 용적이 1㎖/g 미만이면, 단위 단면적당 통수량이 작아져 버리고, 통수량을 크게 취할 수 없어지기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 전체 미세 구멍 용적이 50㎖/g을 초과하면, 폴리머 등의 골격 부분이 차지하는 비율이 저하하고, 다공질체의 강도가 현저하게 저하해 버리므로 바람직하지 못하다. 연속 기포 구조를 형성하는 골격 부분의 재료는 가교 구조 등의 화학적 구속점이나 결정부 등의 물리적 구속점을 갖는 유기 폴리머 재료를 이용한다. 이 폴리머 재료가 가교 구조를 갖는 폴리머인 경우, 폴리머 재료를 구성하는 전체 구성 단위에 대하여, 10∼90몰%의 가교 구조 단위를 포함하는 것이 바람직하다. 가교 구조 단위가 10몰% 미만이면, 기계적 강도가 부족하기 때문에 바람직하지 못하고, 한편, 90몰%을 초과하면, 이온 교환기의 도입이 곤란해지고, 이온 교환 용량이 저하해 버리므로 바람직하지 못하다. 이 폴리머 재료의 종류에는 특별히 제한은 없고, 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리(α-메틸스티렌), 폴리비닐벤질클로라이드 등의 스티렌계 폴리머나 그들 가교체; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀이나 그들 가교체; 폴리염화비닐, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 폴리(할로겐화올레핀)이나 그들 가교체; 폴리아크릴로니트릴 등의 니트릴계 폴리머나 그들 가교체; 폴리메타크릴산메틸, 폴리아크릴산에틸 등의 (메타)아크릴계 폴리머나 그들 가교체; 스티렌-디비닐벤젠 공중합체, 비닐벤질클로라이드-디비닐벤젠 공중합체 등을 들 수 있다. 상기 폴리머는 단독의 모노머를 중합시켜서 얻어지는 단독중합체이어도, 다수의 모노머를 중합시켜서 얻어지는 공중합체이어도 되고, 또, 2종류 이상의 폴리머가 블렌드된 것이어도 된다. 이들 유기 폴리머 재료 중에서, 이온 교환기의 도입의 용이성과 기계적 강도가 높은 점에서, 스티렌-디비닐벤젠 공중합체나 비닐벤질클로라이드-디비닐벤젠 공중합체가 바람직한 재료로서 들 수 있다. 본 발명의 다공질 이온 교환체의 연속 기포 구조는 주사형 전자 현미경(SEM)을 이용함으로써, 비교적 용이하게 관찰할 수 있다.

본 발명에서 이용되는 유기 다공질 이온 교환체는 이온 교환기가 균일하게 분포하고, 이온 교환 용량이 0.5㎎등량/g 건조 다공질체 이상, 바람직하게는 2.0㎎등량/g 건조 다공질체 이상의 다공질 이온 교환체이다. 이온 교환 용량이 0.5㎎등량/g 건조 다공질체 미만이면, 이온 흡착 용량이 부족하여 바람직하지 못하다. 또, 이온 교환기의 분포가 불균일하면, 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 이온의 이동이 불균일해지고, 흡착된 이온의 신속한 배제가 저해되므로 바람직하지 못하다. 한편, 여기서 말하는 「이온 교환기가 균일하게 분포하고 있다」란 이온 교환기의 분포가 적어도 ㎛ 정도로 균일한 것을 말한다. 이온 교환기의 분포 상황은 전자선 마이크로 어날라이저(EPMA)이나 2차 이온 질량 분석법(SIMS) 등을 이용함으로써, 비교적 간단히 확인할 수 있다. 다공질 이온 교환체에 도입되는 이온 교환기로서는 카르복실산기, 이미노 2아세트산기, 술폰산기, 인산기, 인산에스테르기, 아미노인산기, 방향족 수산기 등의 양이온 교환기; 4급 암모늄기, 3급 아미노기, ２급 아미노기, 1급 아미노기, 폴리에틸렌이민, 제3 술포늄기, 포스포늄기 등의 음이온 교환기를 들 수 있다.

한편, 연속 구멍을 갖는 유기 다공질체로서는 입자 응집형 구조를 갖는 다공질체가 F. Svec, Science, 273, 205∼211(1996) 등에 개시되어 있다. 또, 일본국 특개평 10-216717호 공보, 일본국 특개평 10-192717호 공보, 일본국 특개평 10-192716호 공보, 일본국 특개평 8-252579호 공보에는 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지의 혼합물을 결합재 폴리머를 이용해서 결합한 입자 응집형 다공질 구조체가 기재되어 있다. 이들 입자 응집형 다공질체는 유기계 미립자나 미리 이온 교환기를 도입한 입상 이온 교환 수지를 결합재 폴리머를 이용해서 결합하거나, 혹은 일정한 형태에 이 미립자를 충전하여 가열 용융해서 결합시켜서 다공질 구조체로 하고, 추가로 경우에 따라서는, 결합재 폴리머부에도 이온 교환기를 도입하여 제조되어 있다. 그러나, 상기 입자 응집형 다공질체는 입자 응집 구조 때문에, 미세 구멍 용적이 작고, 메소 포어도 크게 할 수 없기 때문에, 저압으로 큰 유량의 처리를 행할 때에 제약을 받는다. 또한, 상기 입자 응집형 다공질체에서는 이온 교환기 등이 다공질체 중에 균일하게 분포되어 있지 않다. 다시 말해, 이들 다공질 구조체에서는 결합 폴리머 부분에 이온 교환기가 존재하지 않던가, 또는 존재하는 경우에서도, 이온 교환 수지 부분과는 폴리머 모체 및 이온 교환기의 구조가 다른 데다가, 이온 교환기의 존재 밀도가 이온 교환 수지 부분과 비교해서 낮고, 전체가 균질한 이온 교환체로는 되어 있지 않다. 이 때문에, 충전층 내의 이온이나 전자 이동의 불균일성의 문제는 해결되지 않은 채이며, 이온 교환체 충전층의 전기 저항의 저감 및 포착 이온의 효율적인 배출이 충분하다고 말할 수 없다.

본 발명에서 이용되는 다공질 이온 교환체는 외부와 연속한 오픈 셀 구조를갖는 스폰지 구조체인 것이 필요하다. 여기서 말하는 스폰지 구조체란 다케우치 야스시(竹內雍): 다공질체의 성질과 그 응용 기술, p. 2-5, 후지 ·테크노 시스템(2000)에 정의되어 있는 바와 같이, 고체 중에 기포가 분산된 기포분산형 다공질체를 일컫는 것이며, 일본국 특개평 10-216717호 공보, 일본국 특개평 10-192717호 공보, 일본국 특개평 10-192716호 공보, 일본국 특개평 8-252579호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 입자 응집형 다공질체와는 전혀 구조가 다른 것이다. 다공질체의 구조가 스폰지 구조로 됨으로써, 셀 구조를 균일하게 형성할 수 있음과 더불어, 입자 응집형 다공질체와 비교해서, 전체 미세 구멍 용적이나 비표면적을 현격히 크게 할 수 있기 때문에, 매우 유리하다. 또, 본 발명의 다공질 이온 교환체에는 상술한 바와 같이 이온 교환기 등이 균일하게 분포하고 있으므로, 흡착된 이온의 충전층 내의 이동이 빠르고, 전기 저항이 낮게 억제되므로, 장치를 저전압으로 안정하게 운전할 수 있다.

상기 유기 다공질 이온 교환체의 제조 방법으로서는 이온 교환기를 포함하는 성분을 일단계에서 다공질체로 하는 방법, 이온 교환기를 포함하지 않은 성분에 의해 다공질체를 형성하고, 그 후, 이온 교환기를 도입하는 방법 등을 들 수 있다. 유기 다공질 이온 교환체의 제조 방법의 일례를 다음에 나타낸다. 다시 말해, 이 다공질 이온 교환체는 이온 교환기를 포함하지 않는 유용성 모노머, 계면활성제, 물 및 필요에 따라서 중합 개시제를 혼합하고, 유중 수적형 에멀션을 얻은 후, 이것을 중합해서 다공질체로 하고, 추가로 이온 교환기를 도입함으로써 제조된다.

이온 교환기를 포함하지 않는 유용성 모노머로서는 카르복실산기, 술폰산기등의 이온 교환기를 포함하지 않고, 물에 대한 용해성이 낮고, 친유성 모노머를 일컫는 것이다. 이들 모노머의 약간의 구체예로서는 스티렌, α-메틸스티렌, 비닐톨루엔, 비닐벤질클로라이드, 디비닐벤젠, 에틸렌, 프로필렌, 이소부텐, 부타디엔, 이소프렌, 클로로프렌, 염화비닐, 브롬화비닐, 염화비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아세트산비닐, 아크릴산메틸, 아크릴산에틸, 아크릴산부틸, 아크릴산2-에틸헥실, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 부탄디올디아크릴레이트, 메타크릴산메틸, 메타크릴산에틸, 메타크릴산프로필, 메타크릴산부틸, 메타크릴산2-에틸헥실, 메타크릴산시클로헥실, 메타크릴산벤질, 메타크릴산글리시딜, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 등을 들 수 있다. 이들 모노머는 단독 또는 2종류 이상을 혼합하여 이용할 수 있다. 단, 본 발명에 있어서는, 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 등의 가교성 모노머를 적어도 모노머의 1성분으로서 선택하고, 그 함유량을 전체 유용성 모노머 중, 5∼90몰%, 바람직하게는 10∼80몰%로 하는 것이 후공정에서 이온 교환기량을 많이 도입할 때에 필요한 기계적 강도가 얻어지는 점에서 바람직하다.

계면활성제는 이온 교환기를 포함하지 않는 유용성 모노머와 물을 혼합했을 때에, 유중 수적형(W/O) 에멀션을 형성할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없고, 소르비탄모노올레이트, 소르비탄모노라우레이트, 소르비탄모노팔미테이트, 소르비탄모노스테아레이트, 소르비탄트리올레이트, 폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르, 폴리옥시에틸렌스테아릴에테르, 폴리옥시에틸렌소르비탄모노올레이트 등의 비이온 계면활성제; 올레인산칼륨, 도데실벤젠술폰산나트륨, 술포숙신산디옥틸나트륨 등의 음이온 계면활성제; 디스테아릴디메틸암모늄 클로라이드 등의 양이온 계면활성제; 라우릴디메틸베타인 등의 양성 계면활성제를 이용할 수 있다. 이들 계면활성제는 1종 단독 또는 2종류 이상을 조합시켜서 사용할 수 있다. 한편, 유중 수적형 에멀션이란 기름 상이 연속 상이 되고, 그 중에 물방울이 분산되어 있는 에멀션을 말한다. 상기 계면활성제의 첨가량은 유용성 모노머의 종류 및 목적으로 하는 에멀션 입자(매크로 포어)의 크기에 따라 대폭으로 변동하기 때문에 통틀어서는 말할 수 없지만, 유용성 모노머와 계면활성제의 합계량에 대하여 약 2∼70%의 범위에서 선택할 수 있다. 또, 반드시 필수적이지 않지만, 다공질 이온 교환체의 기포 형상이나 사이즈를 제어하기 위해서, 메탄올, 스테아릴알코올 등의 알코올; 스테아린산 등의 카르복실산; 옥탄, 도데칸 등의 탄화수소를 계 내에 공존시킬 수 있다.

중합 개시제로서는 열 및 광조사에 의해 라디칼을 발생시키는 화합물이 바람직하게 이용된다. 중합 개시제는 수용성이어도 유용성이어도 되고, 예를 들면, 아조비스이소브티로니트릴, 아조비스시클로헥산니트릴, 아조비스시클로헥산카르보니트릴, 과산화벤조일, 과황산칼륨, 과황산암모늄, 과산화수소-염화제1철, 과황산나트륨-산성아황산나트륨, 테트라메틸티우람디설파이드 등을 들 수 있다. 단, 경우에 따라서는, 중합 개시제를 첨가하지 않아도 가열만이나 광조사만으로 중합이 진행하는 계도 있기 때문에, 그러한 계에서는 중합 개시제의 첨가는 불필요하다.

이온 교환기를 포함하지 않는 유용성 모노머, 침전제, 계면활성제, 물 및 중합 개시제를 혼합하고, 유중 수적형 에멀션을 형성시킬 때의 혼합 순서로서는 특별히 제한은 없고, 각 성분을 일괄해서 한번에 혼합하는 방법; 유용성 모노머, 침전제, 계면활성제 및 유용성 중합 개시제인 유용성 성분과, 물이나 수용성 중합 개시제인 수용성 성분을 별도로 균일 용해시킨 후, 각각의 성분을 혼합하는 방법 등을 사용할 수 있다. 에멀션을 형성시키기 위한 혼합 장치에 대해서도 특별히 제한은 없고, 통상의 믹서나 호모지나이저, 고압 호모지나이저, 유성식(遊星式) 교반 장치 등을 이용할 수 있고, 목적의 에멀션 입자 직경을 얻을 수 있는 유화 조건을 임의로 설정할 수 있다.

이렇게 하여 얻어진 유중 수적형 에멀션을 중합시키는 중합 조건은 모노머의 종류, 중합 개시제 계에 의해 여러 가지 조건을 선택할 수 있다. 예를 들면, 중합 개시제로서 아조비스이소브티로니트릴, 과산화벤조일, 과황산칼륨 등을 이용했을 때에는, 불활성 분위기하의 밀봉 용기 내에 있어서, 30∼100℃에서 1∼48시간 가열 중합시키면 되고, 중합 개시제로서 과산화수소-염화제1철, 과황산나트륨-산성아황산나트륨 등을 이용했을 때에는, 불활성 분위기하의 밀봉 용기 내에 있어서, 0∼30℃에서 1∼48시간 중합시키면 된다. 중합 종료 후, 내용물을 꺼내고, 필요하면, 미반응 모노머와 계면활성제 제거를 목적으로, 이소프로판올 등의 용제로 추출해서 다공질체를 얻는다.

상기 유기 다공질체에 이온 교환기를 도입하는 방법으로서는 특별히 제한은 없고, 고분자 반응이나 그래프트 중합 등의 공지의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면 술폰산기를 도입하는 방법으로서는 유기 다공질체가 스티렌-디비닐벤젠 공중합체 등이면 클로로황산이나 농황산, 발연 황산을 이용해서 술폰화하는 방법; 유기 다공질체에 라디칼 개시기나 연쇄 이동기를 도입하고, 스티렌술폰산나트륨이나 아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산을 그래프트 중합하는 방법; 마찬가지로 글리시딜메타크릴레이트를 그래프트 중합한 후, 관능기 변환에 의해 술폰산기를 도입하는 방법 등을 들 수 있다. 또, 4급 암모늄기를 도입하는 방법으로서는 유기 다공질체가 스티렌-디비닐벤젠 공중합체 등이면 클로로메틸메틸에테르 등에 의해 클로로메틸기를 도입한 후, 3급 아민과 반응시키는 방법; 유기 다공질체를 클로로메틸스티렌과 디비닐벤젠의 공중합에 의해 제조하고, 3급 아민과 반응시키는 방법; 유기 다공질체에 라디칼 개시기나 연쇄 이동기를 도입하고, N,N,N-트리메틸암모늄에틸아크릴레이트나 N,N,N-트리메틸암모늄 프로필아크릴아미드를 그래프트 중합하는 방법; 마찬가지로 글리시딜메타크릴레이트를 그래프트 중합한 후, 관능기 변환에 의해 4급 암모늄기를 도입하는 방법 등을 들 수 있다. 한편, 도입하는 이온 교환기로서는 카르복실산기, 이미노2아세트산기, 술폰산기, 아미노인산기, 인산기, 인산에스테르기 등의 양이온 교환기; 4급 암모늄기, 3급 아미노기, ２급 아미노기, 1급 아미노기, 폴리에틸렌이민, 제3 술포늄기, 포스포늄기 등의 음이온 교환기를 들 수 있다.

또, 탈이온실에 충전하는 다공질 이온 교환체로서, 상기 유기 다공질 이온 교환체 대신에, 유기 다공질 이온 교환체와 일체로 되도록 적어도 한 쪽에 치밀층을 형성시킨 복합 다공질 이온 교환체를 이용하면, 전기식 탈이온수 제조 장치를 제작할 때, 이 치밀층측의 이온 교환막을 생략할 수도 있다. 여기서 말하는 치밀층이란 다공질 폴리머 골격의 고분자 재료와 같은 고분자 재료로 이루어지고, 물의 투과를 저지하는 기능을 갖는 층을 말한다. 치밀층을 갖는 복합 다공질 이온 교환체는 예를 들면, 상기 유중 수적형 에멀션을 일부가 소수성 재료로 구성된 용기에충전한 후 정치(靜置)하여, 이 소수성 재료의 표면에 유용성 모노머의 연속막을 형성시킨 후 중합시키던가, 또는 상기 유중 수적형 에멀션을 중합시켜서 다공질 폴리머를 얻은 후, 치밀층을 형성시키는 표면 부분에 필요에 따라서 중합 개시제를 첨가한 유용성 모노머를 도포해서, 다시 중합시켜서 얻어지는 복합 다공질 중합체에 상기와 마찬가지의 방법으로 이온 교환기를 도입하여 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치의 탈이온실에 충전하는 유기 다공질 이온 교환체로서, 상기 유기 다공질 이온 교환체와 메소 포어의 평균 직경이 1㎛ 미만, 바람직하게는 0.5㎛ 미만인 다공질 이온 교환체를 조합시켜서 이용함으로써, 이온 교환막을 생략할 수도 있다. 상기 메소 포어의 평균 직경이 1㎛ 미만, 바람직하게는 0.5㎛ 미만인 다공질 이온 교환체는 메소 포어 직경이 현저하게 작기 때문에, 통상의 운전 조건에서는 이온은 투과하지만 물의 투과는 매우 적어지고, 이온 교환막을 대체할 수 있는 것이 된다.

탈이온실에 충전하는 이온 교환체로서 종래의 이온 교환체를 이용한 경우, 이온 교환체 내부에 있어서의 전류 전달, 다시 말해, 전자 및 이온의 전달은 고분자 겔 내에 균일 또한 치밀하게 존재하는 이온 교환기를 통해서 저저항으로 행하여지는 것에 대해, 이온 교환체 계면에 있어서는, 이온 및 전자의 이동시에, 이온의 경우에는 이 이온의 수중의 이동 거리가, 또, 전자의 경우에는 수분자 간의 수소 결합을 통한 전자 전달 경로가 길고, 또한 이온 교환체끼리의 접촉 면적이 작으므로 이온의 흐름이 이 접촉부에 집중하여, 전류 전달의 저해 요인, 다시 말해, 전기 저항의 원인이 되고, 이온 교환체 유래의 전기 저항의 주요 원인이 되고 있다. 이것에 대하여, 상술의 유기 다공질 이온 교환체를 충전재로 하면, 충전 작업이 간소화되고, 또한 그 뛰어난 전기 전도성에 의해 전압이 저하하여 운전시의 소비 전력을 저감하는 것이 가능하여, 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 피처리수로서는 탈이온 처리를 목적으로 하는 것이며, 탁질(濁質)을 포함하지 않는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 탁도 1도 정도 이하의 공업 용수나 수돗물 등을 들 수 있다.

다음에, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 전기식 탈이온수 제조 장치를 도 1을 참조해서 설명한다. 도 1은 본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치의 구조를 도시하는 모식도이다. 도 1의 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)는 피처리수로부터 양이온성 불순물을 제거하는 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)와, 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)의 처리수로부터 음이온성 불순물을 제거하는 전기식 탈음이온수 제조 장치(20b)로 이루어지는 것이다. 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)는 한 쪽의 이온 교환막(17)과 다른 쪽의 양이온 교환막(1)으로 구획되는 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체(15)를 충전하여 이루어지는 탈양이온실(6)과, 한 쪽의 이온 교환막(17)의 외측에 배설되는 양극(10)과, 다른 쪽의 양이온 교환막(1)의 외측에 배설되는 음극(9)과, 탈양이온실(6) 중의 다른 쪽의 양이온 교환막(1) 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부(3a)와, 이 탈양이온실(6) 중의 한 쪽의 이온 교환막(17) 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부(4a)를 갖는 것이다. 다시 말해, 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)의 다공질 양이온 교환체(15) 내에 있어서의 통수 방향은 도 1 중의 실선의 화살표 방향인 아래로부터 위이다.

한편, 전기식 탈음이온수 제조 장치(20b)는 한 쪽의 음이온 교환막(2)과 다른 쪽의 이온 교환막(17)으로 구획되는 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체(16)를 충전하여 이루어지는 탈음이온실(7)과, 한 쪽의 음이온 교환막(2)의 외측에 배설되는 양극(10)과, 다른 쪽의 이온 교환막(17)의 외측에 배설되는 음극(9)과, 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)의 제1 처리수 집수부(3a)와 연통관(5a)으로 접속되는 탈음이온실(7) 중의 한 쪽의 음이온 교환막(2)근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부(3b)와, 탈음이온실(7) 중의 다른 쪽의 이온 교환막(17) 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부(4b)를 갖는 것이다. 다시 말해, 전기식 탈양이온수 제조 장치(20b)의 다공질 음이온 교환체(16) 내에 있어서의 통수 방향은 도 1 중의 실선의 화살표 방향인 위로부터 아래이다.

본 예의 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)의 탈양이온염실(6)에 충전되는 유기 다공질 양이온 교환체(15)로서는 상술의 유기 다공질 양이온 교환체가 바람직하고, 전기식 탈음이온수 제조 장치(20b)의 탈음이온염실(7)에 충전되는 유기 다공질 음이온 교환체(16)로서는 상술의 유기 다공질 음이온 교환체가 바람직하다. 또, 탈양이온실(6) 및 탈음이온실(7)의 형상으로서는 배제되는 이온이 다공질 이온 교환체 내의 통수 방향에 대하여 역방향으로 이동하도록 전장을 인가할 수 있으면, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면 원주상 또는 직방체상으로 하는 것이 구성 부재의 제조하기 용이함 등의 점에서 바람직하다. 또, 피처리수가 이동하는 거리, 즉 탈양이온실(6) 및 탈음이온실(7)을 구성하는 다공질 이온 교환체 충전층의 유효 두께는 20∼600㎜, 바람직하게는 30∼300㎜로 하는 것이 전기 저항치나 통수차압을낮은 값으로 억제하면서 탈이온 처리를 확실하게 행할 수 있는 점에서 바람직하다. 양쪽의 이온 교환막으로 구획되는 탈이온실로의 유기 다공질 이온 교환체의 충전 방법으로서는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 탈이온실에 맞춘 형상의 다공질 이온 교환체를 제조하여 그대로 충전해도 되고, 또, 다수로 분할한 층상의 유기 다공질 이온 교환체를 적층하여 충전해도 된다.

양이온 교환막으로서는 양이온만을 투과시키고, 그 양쪽의 물을 격리할 수 있는 것이면, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 불소 수지 모체에 -SO₃ ^-기를 도입한 강산성 양이온 교환막(예를 들면 Nafion 117이나 Nafion 350(듀폰사제)) 및 스티렌-디비닐벤젠 공중합체 모체에 -SO₃ ^-기를 도입한 강산성 양이온 교환막(예를 들면 네오세푸타 CMX(도쿠야마 소다사제)) 등을 들 수 있다. 음이온 교환막으로서는 음이온만을 투과시키고, 그 양쪽의 물을 격리할 수 있는 것이면, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 불소 수지 모체에 음이온 교환기를 도입한 음이온 교환막(예를 들면 TOSFLEX IE-SA, TOSFLEX IE-DF, TOSFLEX IE-SF(토소사제)) 및 스티렌-디비닐벤젠 공중합체 모체에 음이온 교환기를 도입한 음이온 교환막(예를 들면 네오세푸타 AMH(도쿠야마 소다사제)) 등을 들 수 있다. 또, 본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)에서 이용하는 이온 교환막(17)은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막 중의 어느 것을 이용할 수 있다.

또, 음극(9) 및 양극(10)으로서는 금속, 합금, 금속 산화물, 이들 중 어느것을 기판으로 해서 도금 또는 코팅한 것 및 소결 탄소 등의 도전성 재료를 이용할 수 있고, 그 형상으로서는 판상, 펀칭 메탈 및 메쉬 형상 등의 것을 이용할 수 있다. 특히, 양극(10)의 재질로서는 예를 들면 Pt, Pd, Ir, β-PbO₂, NiFe₂O₄등이 내산성이 뛰어나고, 산화되기 어려운 점에서 바람직하다. 또, 음극(9)의 재질로서는 예를 들면 Pt, Pd, Au, 탄소강, 스테인리스, Ag, Cu, 흑연, 유리질 탄소 등이 내알카리성이 뛰어난 점에서 바람직하다.

전극과 이온 교환막의 배치는 전극과 이온 교환막을 직접 접촉시키는 배치로 하는 것이 운전시의 전압을 저하시켜서 소비 전력을 저감시킬 수 있는 점에서 바람직하다. 전극과 이온 교환막을 직접 접촉시킬 경우, 특히 양극측에 있어서는, 불소 수지 모체의 이온 교환막을 이용하여, 강한 산화 작용에 의한 이온 교환막의 열화를 방지할 필요가 있다. 불소 수지 모체 이외의 이온 교환막을 이용하는 경우는, 폴리올레핀제 메쉬 등의 부도체 스페이서를 전극과 이온 교환막 사이에 삽입하는 것이 전극과 이온 교환막의 직접의 접촉을 피하고, 이온 교환막을 열화로부터 보호할 수 있는 점에서 바람직하다. 단, 불소 수지 모체의 이온 교환막이어도, 탈음이온실(7)의 양극측과 같이 제4급 암모늄기 등의 음이온 교환기가 도입된 음이온 교환막(2)과 양극(10)이 배설되는 경우는, 폴리올레핀제 메쉬 등의 부도체 스페이서를 양전극(10)과 음이온 교환막(2) 사이에 삽입하는 것이 음이온 교환기의 산화를 방지하여, 이온 교환막을 열화로부터 보호할 수 있는 점에서 바람직하다.

전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)에 있어서, 제1 및 제2 피처리수 도입 분배부(3a, 3b) 및 제1 및 제2 처리수 집수부(4a, 4b)로서는 예를 들면 탈이온실 내에 균등한 피처리수의 흐름을 형성시키도록, 탈이온실 형상에 맞춰서, 배관에 미세 구멍을 뚫은 분배관 및 집수관을 동심원상이나 등간격 평행선상으로 다공질 이온 교환체 내에 매설시키는 방법, 및 다공질 이온 교환체의 피처리수 도입 분배부와 처리수 집수부에 홈을 내고, 다공질 이온 교환체 그 자체에 피처리수 분배 및 처리수 집수 기능을 갖게 하는 방법을 들 수 있고, 이 중, 다공질 이온 교환체 그 자체에 피처리수 분배 및 처리수 집수 기능을 갖게 하는 방법이 별도의 배관 부재를 준비하는 것도 없이 간단히 제작할 수 있는 점에서 바람직하다.

본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)에 있어서, 직류 전류의 배치 형태로서는 탈양이온실(6)과 탈음이온실(7)의 각 실에 개별의 전원을 두고 독립적으로 통전하는 방법, 또는 단일의 직류 전원을 이용해서 탈양이온실(6)과 탈음이온실(7)을 직렬로 접속하여 통전하는 방법을 들 수 있다. 탈양이온실(6)과 탈음이온실(7)을 병렬로 접속하여 통전하는 방법은 일반적으로 각 탈이온실의 전기 저항치가 다르기 때문에, 탈이온실 간에서 통전 전류치에 차가 발생하여, 흡착 이온의 충분한 배출을 저해할 염려가 있으므로 바람직하지 못하다.

본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)에 있어서, 직류 전류의 통전 방법으로서는 이온 조성의 변화 등에 의해 발생하는 다공질 이온 교환체의 전기 저항치의 변동에 맞춰서 자동적으로 전압치를 변동시키는 정전류 운전이, 유입하는 이온 부하를 전기적으로 효율적으로 배제할 수 있는 점에서 바람직하다. 필요 전류치는 배제해야 할 이온량, 즉 피처리수의 수질 및 처리 유량에 의해 결정된다. 또한,단속 운전의 경우에는, 피처리수의 수질이나 처리 유량에 덧붙여, 통수 시간과 정지 시간에 의해도 필요 전류치는 다르다. 이와 같이, 필요 전류치는 여러 가지 조건에 따라 변화하기 때문에, 통틀어서 결정하는 것이 곤란하지만, 전기식 탈이온수 제조 장치에 있어서의 전류 효율에 수질 변동 등을 예측한 안전율을 가한 값과, 다음식에서 얻어지는 필요 최저 전류치를 곱한 값으로 하면 된다.

탈양이온실에 있어서의 필요 최저 전류치 I_min(A)=McQF/(60²×10³);

탈음이온실에 있어서의 필요 최저 전류치 I_min(A)=MaQF/(60²×10³);

식 중, Mc는 피처리수의 전체 양이온(meq/ℓ), Ma는 전체 음이온(meq/ℓ), Q는 처리 유량(ℓ/h), F는 패러데이 정수(C/mol)이다. 한편, 전류 효율이란 전류가 이온의 배제에 사용되는 비율이며, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치에서는 95∼100%이다.

또, 본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)의 운전 방법으로서는 연속 운전 및 단속 운전 중의 어느 것이어도 되고, 예를 들면 피처리수의 장치로의 연속 통수 및 연속 통전에 의한 연속 운전 방법 및 피처리수의 통수를 일정 시간 정지하고, 그 통수 정지 시간만 또는 통수 정지 시간과 통수 시간의 쌍방에서 직류 전류를 통전하는 단속 운전 방법으로 할 수도 있다.

전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)에 있어서, 피처리수는 탈양이온실(6)의 음극(9)측으로부터 도입되고, 제1 피처리수 도입 분배부(3a)에 의해 다공질 양이온교환체(15)에 균등하게 분배된다. 이어서, 피처리수는 다공질 양이온 교환체(15) 내에 있어서 양이온 X⁺를 흡착 제거되면서 양극(10)측으로 이동하고, 산성 연수로 되어 제1 처리수 집수부(4a)에 의해 집수되어 제1 처리수로서 탈양이온실(6)로부터 배출된다. 이어서, 이 산성 연수는 연통관(5a)에 의해 탈음이온실(7) 내의 양극(10)측에 도입되고, 마찬가지로 제2 피처리수 도입 분배부(3b)에 의해 다공질 음이온 교환체(16)에 균등하게 분배된다. 이어서, 피처리수인 제1 처리수는 다공질 음이온 교환체(16) 내에 있어서 음이온 Y^-를 흡착 제거되면서 양극(10)측으로 이동하고, 제2 처리수 집수부(4b)에 의해 집수되어 제2 처리수로서 탈음이온실(7)로부터 배출된다.

한편, 탈양이온실(6)에서 유기 다공질 양이온 교환체(15)에 흡착된 양이온 X⁺는 탈양이온실(6)의 양단에 배설된 음극(9) 및 양극(10) 간에 인가된 직류 전류에 의해 전기적으로 이동하고, 음극(9)측의 양이온 교환막(1)을 통과해서 음극실(12)로 배출된다. 마찬가지로, 탈음이온실(7)에서 유기 다공질 음이온 교환체(16)에 흡착된 음이온 Y^-는 탈음이온실(7)의 양단에 배설된 음극(9) 및 양극(10) 간에 인가된 직류 전류에 의해 전기적으로 이동하고, 양극(10)측의 음이온 교환막(2)을 통과해서 양극실(13)로 배출된다.

음극실(12)로 배출된 불순물 양이온은 전극실 입구(C)로부터 유입하고, 전극실 출구(c)로부터 유출하는 전극수에 흡입되어 계 외로 배출된다. 마찬가지로 양극실(13)로 배출된 불순물 음이온은 전극실 입구(D)로부터 유입하고, 전극실 출구(d)로부터 유출하는 전극수에 흡입되어 계 외로 배출된다. 전극수는 피처리수의 일부를 분기시켜서 4개의 전극실에 독립적으로 유통시켜도 되고, 또, 양극수계 및 음극수계의 2계통에 각각 유통시키도록 해도 된다. 또, 전극수는 상시 유통시켜도 되고, 단속적으로 적당히 유통시켜도 된다.

이러한 조작에 의해, 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 흡착 불순물 이온의 농도 분포는 항상 피처리수 유입측에 있어서 높고, 유출측에 있어서 낮다. 이 때문에, 처리수 집수부(4) 부근에 있어서의 다공질 이온 교환체는 대략 완전 재생형이 유지되기 때문에, 피처리수 중의 불순물 이온을 저농도까지 흡착하는 것이 가능하여, 고순도의 탈이온수를 안정하게 유스 포인트 등에 공급할 수 있다. 또, 불순물 양이온과 불순물 음이온은 각각 별개로 장치 외로 배출되기 때문에, 종래의 전기식 탈이온수 제조 장치와 같이 장치 내에 있어서 혼합되는 일 없이, 피처리수에 칼슘이나 마그네슘 등의 경도 성분이 함유된 경우에서도, 장치 내에 스케일이 발생하는 일이 없다.

한편, 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)의 통수 방법으로서, 상기 이외에, 예를 들면 피처리수를 전기식 탈음이온수 제조 장치(20b)에서 처리하고, 이어서 전기식 탈음이온수 제조 장치(20b)의 처리수를 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)에서 처리하는 방법을 취할 수 있다. 이 방법은 연수와 같이 칼슘, 마그네슘 등의 경도 성분을 함유하지 않는 피처리수에 적용할 수 있다. 그러나, 이러한 연수 이외의 물을 처리하는 경우는, 피처리수의 통수 순서를 탈양이온실(6)로부터탈음이온실(7)로 하는 것이 통수 순서를 반대로 한 경우에 일어날 수 있는 탈음이온실(7) 내에 있어서의 경도 성분의 석출을 방지할 수 있는 점에서 바람직하다.

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 전기식 탈이온수 제조 장치를 도 2를 참조해서 설명한다. 도 2는 본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치의 구조를 도시하는 모식도이다. 도 2에 있어서, 도 1과 동일 구성 요소에는 동일 부호를 첨부해서 그 설명을 생략하고, 다른 점에 대해서 주로 설명한다. 도 2의 전기식 탈이온수 제조 장치(20B)에 있어서 도 1과 다른 점은 전극 1세트를 생략하여, 1세트의 전극 간에 탈양이온실과 탈음이온실을 병설한 점에 있다. 다시 말해, 본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20B)는 한 쪽의 양이온 교환막(1)과, 한 쪽의 양이온 교환막(1)과 다른 쪽의 음이온 교환막(2) 사이에 형성되는 중간 양이온 교환막(1)으로 구획되는 제1 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체(15)를 충전하여 이루어지는 탈양이온실(6)과, 다른 쪽의 음이온 교환막(2)과 중간 양이온 교환막(1)으로 구획되는 제2 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체(16)를 충전하여 이루어지는 탈음이온실(7)과, 한 쪽의 양이온 교환막(1)의 외측에 배설되는 음극(9)과, 다른 쪽의 음이온 교환막(2)의 외측에 배설되는 양극(10)과, 탈양이온실(6) 중의 한 쪽의 양이온 교환막(1) 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부(3a)와, 탈양이온실(6) 중의 중간 양이온 교환막(1) 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부(4a)와, 제1 처리수 집수부(4a)와 연통관(5b)으로 접속되는 탈음이온실(7) 중의 다른 쪽의 음이온 교환막(2) 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부(3b)와, 탈음이온실(7) 중의 중간 양이온 교환막(1) 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부(4b)를 구비하는 것이다.

전기식 탈이온수 제조 장치(20B)에 있어서는, 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)와 같이 피처리수는 탈양이온실(6)의 음극(9)측으로부터 도입되어, 제1 피처리수 도입 분배부(3a)에 의해 다공질 양이온 교환체(15)에 균등하게 분배된다. 이어서, 피처리수는 다공질 양이온 교환체(15) 내에 있어서 양이온 X⁺를 흡착 제거되면서 중간 양이온 교환막(1)측으로 이동하고, 산성 연수로 되어 제1 처리수 집수부(4a)에 의해 집수되어 제1 처리수로서 탈양이온실(6)로부터 배출된다. 이어서, 제1 처리수는 연통관(5b)에 의해 탈음이온실(7) 내의 양극(10)측에 도입되어, 마찬가지로 제2 피처리수 도입 분배부(3b)에 의해 다공질 음이온 교환체(16)에 균등하게 분배된다. 이어서, 피처리수인 제1 처리수는 다공질 음이온 교환체(16) 내에 있어서 음이온 Y^-를 흡착 제거되면서 중간 양이온 교환막(1)측으로 이동하고, 제2 처리수 집수부(4b)에 의해 집수되어 제2 처리수로서 탈음이온실(7)로부터 배출된다.

한편, 탈양이온실(6)에서 유기 다공질 양이온 교환체(15)에 흡착된 양이온 X⁺는 이 장치(20B)의 양단에 배설된 음극(9) 및 양극(10) 간에 인가된 직류 전류에 의해 전기적으로 이동하고, 음극(9)측의 양이온 교환막(1)을 통과해서 음극실(12)로 배출된다. 마찬가지로, 탈음이온실(7)에서 유기 다공질 음이온 교환체(16)에 흡착된 음이온 Y^-는 마찬가지로 음극(9) 및 양극(10) 간에 인가된 직류 전류에 의해전기적으로 이동하고, 양극(10)측의 음이온 교환막(2)을 통과해서 양극실(13)로 배출된다. 제2 실시 형태의 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20B)에 따르면, 제1 실시 형태의 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)와 마찬가지의 효과를 발휘하는 이외, 전극 1세트를 생략하여 장치의 소형화, 간소화를 도모할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제3의 실시 형태에 있어서의 전기식 탈이온수 제조 장치를 도 3을 참조해서 설명한다. 도 3은 본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치의 구조를 도시하는 모식도이다. 도 3에 있어서, 도 1과 동일 구성 요소에는 동일 부호를 첨부해서 그 설명을 생략하고, 다른 점에 대해서 주로 설명한다. 도 3의 전기식 탈이온수 제조 장치(20C)에 있어서 도 1과 다른 점은 전극 1세트를 생략하여, 1세트의 전극 간에 탈양이온실과 탈음이온실을 병설함과 더불어, 배제하는 이온을 중앙에 설치한 농축실에 모으는 구조로 한 점에 있다. 다시 말해, 본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20C)는 한 쪽의 이온 교환막(17)과, 한 쪽의 이온 교환막(17)과 다른 쪽의 이온 교환막(17) 사이에 형성되는 중간 양이온 교환막(1)으로 구획되는 제1 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체(15)를 충전하여 이루어지는 탈양이온실(6)과, 중간 양이온 교환막(1)과, 중간 양이온 교환막(1)과 다른 쪽의 이온 교환막(17) 사이에 형성되는 중간 음이온 교환막(2)으로 구획되는 농축실(11)과, 다른 쪽의 이온 교환막(17)과 중간 음이온 교환막(2)으로 구획되는 제2 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체(16)를 충전하여 이루어지는 탈음이온실(7)과, 한 쪽의 이온 교환막(17)의 외측에 배설되는 양극(10)과, 다른 쪽의 이온 교환막(17)의 외측에 배설되는 음극(9)과, 탈양이온실(6) 중의 중간 양이온 교환막(1) 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부(3a)와, 탈양이온실(6) 중의 한 쪽의 이온 교환막 근방(17)에 배설되는 제1 처리수 집수부(4a)와, 제1 처리수 집수부(3b)와 연통관(5b)으로 접속되는 탈음이온실(7) 중의 중간 음이온 교환막(2) 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부(3b)와, 탈음이온실(7) 중의 다른 쪽의 이온 교환막(17) 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부(4b)를 구비하는 것이다.

본 예의 전기식 탈이온수 제조 장치(20C)에 있어서, 탈양이온실(6)에 있어서의 피처리수의 통수 방향은 중앙의 농축실(11)측으로부터 양극(10)측을 향하는 방향이며, 배제되는 양이온 X⁺는 그 역방향이다. 또, 탈음이온실(7)에 있어서의 피처리수의 통수 방향은 중앙의 농축실(11)측으로부터 음극(9)측을 향하는 방향이며, 배제되는 음이온 Y^-는 그 역방향이다. 농축실(11)에 유입한 불순물 이온은 농축실 입구(B)로부터 유입하여, 농축실 출구(b)로부터 유출하는 농축수에 혼입되어 계 외로 배출된다. 농축실(11)을 유통하는 농축수는 예를 들면 피처리수의 일부를 사용할 수 있다. 전기식 탈이온수 제조 장치(20C)에 따르면, 전기식 탈이온수 제조 장치(20B)와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다. 그러나, 칼슘 이온이나 마그네슘 이온 등의 양이온과 탄산 이온 등의 음이온이 농축실(11) 내에서 혼합되기 때문에, 농축실(11) 내의 음이온 교환막(2) 면에 스케일이 발생할 염려가 있다. 따라서, 전기식 탈이온수 제조 장치(20C)의 전단계 부분에, 연화나 일차탈염 등을 행하는 전처리 수단을 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치에 있어서는, 전극 반응에 의해, 양극에 있어서 산소 및 염소 등의 가스가 소량 생성하고, 음극에 있어서 수소 등의 가스가 소량 생성한다. 이 때문에, 각전극실 또는 전극수 배관의 도중에는, 기액 분리 수단과 배기 가스 배관을 설치하고, 상시 또는 단속적으로 생성 가스를 배출하고, 또한, 가스의 종류에 따른 적정한 처리를 경유해서 계 외로 방출한다. 또, 마찬가지로 전극 반응에 의해, 특히 음극으로 칼슘 등의 금속이 석출되는 일이 있다. 이 경우, 일정 운전 시간마다 전극의 극성을 반전시키는 방법, 전극수 배관에 1mol/ℓ 정도의 질산 등의 산을 통액(通液)하여 산 세정을 행하는 방법 또는 이들을 복합시킨 방법에 의해, 전극 기능을 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치는 종래의 이온 교환 장치와 마찬가지의 응용이나 조합이 가능하고, 예를 들면, 탈양이온실만을 이용해서 연화 장치로 하거나, 후단계에 혼상식(混床式) 이온 교환기를 붙여서, 추가로 처리 수질의 고순도화를 도모하는 것 등을 할 수 있다.

(실시예)

다음에, 실시예를 들어, 본 발명을 추가로 구체적으로 설명하지만, 이것은 단지 예시이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

(다공질 양이온 교환체의 제조)

스티렌 83.1g, 디비닐벤젠 20.7g, 아조비스이소브티로니트릴 0.42g 및 소르비탄모노올레이트 11.4g을 혼합하고, 균일하게 용해시켰다. 다음에, 이 스티렌/디비닐벤젠/아조비스이소브티로니트릴/소르비탄모노올레이트 혼합물을 1350㎖의 순수에 첨가하고, 호모지나이저를 이용해서 2만 회전/분으로 2분간 교반하고, 유중 수적형 에멀션을 얻었다. 유화 종료 후, 유중 수적형 에멀션을 스테인리스제 오토클레이브에 옮기고, 질소로 충분히 치환한 후 밀봉하여, 정치하 60℃에서 24시간 중합시켰다. 중합 종료 후, 내용물을 꺼내고, 이소프로판올에서 24시간 속슬렛 추출하고, 미반응 모노머와 소르비탄모노올레이트를 제거한 후, 40℃에서 24시간 감압 건조했다. 이렇게 하여 얻어진 스티렌/디비닐벤젠 공중합체로 이루어지는 가교 성분을 14몰% 함유한 다공질체에 테트라클로로에탄 1500g을 가하고, 60℃에서 30분 가열한 후, 실온까지 냉각하고, 클로로황산 75g을 서서히 가하고, 실온에서 24시간 반응시켰다. 그 후, 아세트산을 가하고, 다량의 수중에 반응물을 투입하고, 수세, 건조해서 다공질 양이온 교환체를 얻었다. 이 다공질체의 이온 교환 용량은 건조 다공질체 환산으로 4.0㎎당량/g이며, EPMA를 이용한 황 원자의 매핑에 의해, 술폰산기가 다공질체에 균일하게 도입되어 있는 것을 확인했다. 또, SEM 관찰의 결과, 이 다공질체의 내부 구조는 연속 기포 구조를 가지고 있으며, 평균 직경 30㎛의 매크로 포어의 대부분이 겹치고, 매크로 포어와 매크로 포어의 겹침으로 형성되는 메소 포어의 직경 평균치는 5㎛, 전체 미세 구멍 용적은 10.1㎖/g이었다.

(다공질 음이온 교환체의 제조)

스티렌 83.1g 대신에, p-클로로메틸스티렌 54.0g을 이용하고, 디비닐벤젠 51.9g, 아조비스이소브티로니트릴 0.78g로 한 이외, 상기 다공질 양이온 교환체의 제조와 마찬가지의 유중 수적형 에멀션의 중합을 행하고, p-클로로메틸스티렌/디비닐벤젠 공중합체로 이루어지는 가교 성분을 50몰% 함유한 다공질체를 제조했다. 이 다공질체에 디옥산 1500g을 가해 80℃에서 30분 가열한 후, 실온까지 냉각하고,트리메틸아민(30%) 수용액 195g을 서서히 가하여, 50℃에서 3시간 반응시킨 후, 실온에서 24시간 방치했다. 반응 종료 후, 다공질체를 꺼내고, 아세톤으로 세정 후 수세하고, 건조해서 다공질 음이온 교환체를 얻었다. 이 다공질체의 이온 교환 용량은 건조 다공질체 환산으로 2.5㎎당량/g이며, SIMS에 의해, 트리메틸암모늄기가 다공질체에 균일하게 도입되어 있는 것을 확인했다. 또, SEM 관찰의 결과, 이 다공질체의 내부 구조는 연속 기포 구조를 가지고 있으며, 평균 직경 30㎛의 매크로 포어의 대부분이 겹치고, 매크로 포어와 매크로 포어의 겹침으로 형성되는 메소 포어의 직경 평균치는 4㎛, 전체 미세 구멍 용적은 9.9㎖/g이었다.

(전기식 탈양이온수 제조 장치의 제작)

도 1에 도시하는 바와 같은 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)를 제작하기 위해서, 우선 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)를 제작했다. 얻어진 다공질 양이온 교환체로부터, 순수 습윤 상태에서 세로 100㎜, 가로 100㎜, 두께 10㎜의 직방체 5개와, 세로 100㎜, 가로 100㎜, 두께 5㎜의 직방체 2개를 잘라내서 탈이온실에 적층 충전하는 충전재를 얻었다. 이어서, 두께 5㎜의 충전재 2개와, 두께 10㎜의 충전재 2개의 한 면에 도 4에 도시한 바와 같은 간격(w) 10㎜, 폭(s) 2㎜의 다수조의 세로 홈(21), 세로 홈(21)의 일단을 연결시킬 수 있는 가로 홈(22), 가로 홈(22)과 도시하지 않은 외부 배관에 연결시킬 수 있는 도입 홈(23)을 절삭 가공에 의해 형성했다. 이어서 두께 5㎜의 충전재를 홈부(24)가 장치 내부를 향하도록 배치해서 최상부 및 최하부로 하고, 그 사이에 두께 10㎜의 충전재 5개를 적층했다. 이때, 두께 10㎜의 충전재 중, 상부와 하부의 충전재는 그 홈부(24)가 두께 5㎜의 충전재의 홈부(24)와 대향하도록 배치하고, 피처리수 도입 분배부(3) 및 처리수 집수부(4)를 형성했다. 이렇게 제작된 블록상 다공질 양이온 교환체(15)는 세로 100㎜, 가로 100㎜, 전체 충전층 높이 60㎜이며, 피처리수 도입 분배부(3)의 중심으로부터 처리수 집수부(4)의 중심까지의 높이, 즉 유효 이온 교환체층 높이가 50㎜이었다. 이어서, 블록상 다공질 양이온 교환체(15)의 다른 쪽에 양이온 교환막(Nafion 350; 듀폰사제)을, 한 쪽에 양이온 교환막(Nafion 350; 듀폰사제)을 각각 밀착시켜서 배설했다. 또한, 양이온 교환막의 외측면에 백금 메쉬 형상의 양극(10)을, 양이온 교환막의 외측면에 백금 메쉬 형상의 음극(9)을 배치했다. 얻어진 구조체를 적당히 노즐이나 리드 선 출력구(output port)를 갖는 폴리염화비닐제 케이스 내에 구축하고, 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)를 제작했다.

(전기식 탈양이온수 제조 장치의 제작)

얻어진 다공질 음이온 교환체에 대해서, 상기 마찬가지의 방법에 의해 충전재를 얻음과 더불어, 피처리수 도입 분배부(3) 및 처리수 집수부(4)를 형성하여 블록상 다공질 음이온 교환체(16)를 얻었다. 이어서, 블록상 다공질 음이온 교환체(16)의 한 쪽에 음이온 교환막(2)(네오세푸타 AMH; 도쿠야마 소다사제)을 다른 쪽에 양이온 교환막(Nafion 350; 듀폰사제)을 각각 밀착시켜서 배설했다. 또한, 음이온 교환막(2)의 외측면에 백금 메쉬 형상의 양극(10)을, 양이온 교환막의 외측면에 백금 메쉬 형상의 음극(9)을 배치했다. 한편, 양극(10)과 음이온 교환막(2) 사이에는 폴리테트라플루오로에틸렌제 메쉬를 개재시켰다. 얻어진 구조체를 적당히 노즐이나 리드 선 출력구를 갖는 폴리염화비닐제 케이스 내에 구축하여, 전기식 탈음이온수 제조 장치(20b)를 제작했다.

(전기식 탈이온수 제조 장치의 제작)

얻어진 전기식 탈양이온수 제조 장치(20a)의 처리수 집수부(4)의 개구와 전기식 탈음이온수 제조 장치(20b)의 피처리수 도입 분배부(3)의 개구를 연통관(5a)으로 접속하고, 4개의 전극실에는 피처리수의 일부를 독립적으로 공급하도록 했다. 또, 전원으로서 직류 전원 1개를 이용하고, 탈양이온실과 탈음이온실이 직렬로 접속되도록 배선하여, 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)를 얻었다.

(전기식 탈이온수 제조 장치의 운전)

얻어진 전기식 탈이온수 제조 장치(20A)에 도전율 120μS/㎝의 수돗물을 피처리수로서 유속 100ℓ/h로 연속 통수하고, 4.5A의 직류 전류를 통전한 바, 조작 전압은 36V에서, 도전율 0.1μS/㎝의 처리수가 얻어지고, 본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치에 의해 순도가 높은 순수가 생성되는 것을 나타냈다.

본 발명의 전기식 탈이온수 제조 장치는 탈이온실 충전재로서 3차원 망목 구조를 갖는 유기 다공질 이온 교환체를 이용하고, 또한 배제되는 이온이 탈이온실 내의 통수 방향에 대하여 역방향으로 이동하도록 전장을 인가하기 때문에, 전기식 탈이온수 제조 장치의 구조를 간략화하여, 재료비, 가공비, 조립 비용을 경감할 수 있다. 또, 탄산칼슘이나 수산화마그네슘 등의 스케일 발생의 가능성이 전혀 없고, 따라서, 일차탈염이나 연화 등의 전처리를 필요로 하지 않기 때문에, 처리수의 제조 비용을 저감할 수 있다.

Claims

서로 연결되어 있는 매크로 포어와 매크로 포어의 벽 내에 평균 직경이 1∼1000㎛인 메소 포어를 갖는 연속 기포 구조를 가지며, 전체 미세 구멍 용적이 1㎖/g∼50㎖/g이며, 이온 교환기가 균일하게 분포되고, 이온 교환 용량이 0.5㎎당량/g 건조 다공질체 이상의 유기 다공질 이온 교환체를 충전한 탈이온실에 통수하고, 수중의 이온성 불순물을 제거하여 탈이온수를 제조함과 더불어, 이 탈이온실에 직류 전장을 인가하여, 이 유기 다공질 이온 교환체에 흡착한 이온성 불순물을 계 외로 배제하는 전기식 탈이온수 제조 장치에 있어서, 이 직류 전장의 인가는 배제되는 이온이 이 유기 다공질 이온 교환체 내에 있어서의 통수 방향에 대하여 역방향으로 이동하도록 행하는 것을 특징으로 하는 전기식 탈이온수 제조 장치.
한 쪽의 이온 교환막과 다른 쪽의 양이온 교환막으로 구획되는 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈양이온실과, 이 한 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과, 이 다른 쪽의 양이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과, 이 탈양이온실 중의 다른 쪽의 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부와, 이 탈양이온실 중의 한 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부를 갖는 전기식 탈양이온수 제조 장치와,

한 쪽의 음이온 교환막과 다른 쪽의 이온 교환막으로 구획되는 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈음이온실과, 이 한 쪽의 음이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과, 이 다른 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과, 상기 전기식 탈양이온수 제조 장치의 제1 처리수 집수부와 연통관으로 접속되는 이 탈음이온실 중의 한 쪽의 음이온 교환막 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부와, 이 탈음이온실 중의 다른 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부를 갖는 전기식 탈음이온수 제조 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기식 탈이온수 제조 장치.
한 쪽의 양이온 교환막과, 이 한 쪽의 양이온 교환막과 다른 쪽의 음이온 교환막 사이에 형성되는 중간 양이온 교환막으로 구획되는 제1 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈양이온실과,

이 다른 쪽의 음이온 교환막과 이 중간 양이온 교환막으로 구획되는 제2 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈음이온실과,

이 한 쪽의 양이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과,

이 다른 쪽의 음이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과,

이 탈양이온실 중의 한 쪽의 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부와, 이 탈양이온실 중의 중간 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부와, 이 제1 처리수 집수부와 연통관으로 접속되는 이 탈음이온실 중의 다른 쪽의 음이온 교환막 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부와, 이 탈음이온실 중의 중간 양이온 교환막 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기식 탈이온수 제조 장치.
한 쪽의 이온 교환막과, 이 한 쪽의 이온 교환막과 다른 쪽의 이온 교환막 사이에 형성되는 중간 양이온 교환막으로 구획되는 제1 탈이온실에 유기 다공질 양이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈양이온실과,

이 중간 양이온 교환막과, 이 중간 양이온 교환막과 다른 쪽의 이온 교환막 사이에 형성되는 중간 음이온 교환막으로 구획되는 농축실과,

이 다른 쪽의 이온 교환막과 이 중간 음이온 교환막으로 구획되는 제2 탈이온실에 유기 다공질 음이온 교환체를 충전하여 이루어지는 탈음이온실과,

이 한 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 양극과,

이 다른 쪽의 이온 교환막의 외측에 배설되는 음극과,

이 탈양이온실 중의 중간 양이온 교환막 근방에 배설되는 제1 피처리수 도입 분배부와, 이 탈양이온실 중의 한 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제1 처리수 집수부와, 이 제1 처리수 집수부와 연통관으로 접속되는 이 탈음이온실 중의 중간 음이온 교환막 근방에 배설되는 제2 피처리수 도입 분배부와, 이 탈음이온실 중의 다른 쪽의 이온 교환막 근방에 배설되는 제2 처리수 집수부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기식 탈이온수 제조 장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 다공질 양이온 교환체 또는 상기 유기 다공질 음이온 교환체가, 서로 연결되어 있는 매크로 포어와 매크로 포어의 벽 내에 평균 직경이 1∼1000㎛인 메소 포어를 갖는 연속 기포 구조를가지며, 전체 미세 구멍 용적이 1㎖/g∼50㎖/g이며, 이온 교환기가 균일하게 분포되고, 이온 교환 용량이 0.5㎎당량/g 건조 다공질체 이상인 것을 특징으로 하는 전기식 탈이온수 제조 장치.