WO2004002898A1

WO2004002898A1 - 電気脱イオン装置

Info

Publication number: WO2004002898A1
Application number: PCT/JP2003/007972
Authority: WO
Inventors: Masayuki Miwa; Shin Sato; Takayuki Moribe
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd.
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2004-01-08
Also published as: JP3864891B2; JP2004082092A; KR20050024452A; AU2003244174A1; KR100643068B1; CN1678533A; US7247225B2; EP1553056B1; CN1301916C; ATE512933T1; EP1553056A4; EP1553056A1; US20050098436A1

Abstract

　電極間の印加電圧を低くしても必要量の電流を流し、十分に脱イオン処理することができる電気脱イオン装置が提供される。陰極１と陽極２との間に第１のカチオン交換膜３とアニオン交換膜４と第２のカチオン交換膜３'とを１枚ずつ配置し、陰極１と陽極２との間に順次に濃縮室兼陰極室５、脱塩室７、濃縮室１０及び陽極６を形成している。濃縮室兼陰極室５及び陽極室６にはそれぞれカチオン交換樹脂８が充填されている。脱塩室７にはカチオン交換樹脂８とアニオン交換樹脂９とが混合状態にて充填されている。陽極室６へは原水又は脱イオン水が導入され、その流出水が順次に濃縮室１０、濃縮室兼陰極室５を流れる。

Description

明細書電気脱イオン装置発明の分野

本発明は電気脱イオン装置に係り、詳しくは単位時間当りの脱ィオン水（生産水）の生産水量が少ない場合に好適な電気脱イオン装置に関する。発明の背景

従来の電気脱イオン装置は、電極（陽極と陰極）同士の間に複数のカチオン交換膜とァニオン交換膜とを交互に配列して脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にィォン交換樹脂を充填した構成を有する。この電気脱ィオン装置にあっては陽極、陰極間に電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入させると共に、濃縮室に濃縮水を流通させて被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を製造する。

従来の電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間に複数の脱塩室と濃縮室とを交互に形成したものであるため、陰極と陽極との間の電気抵抗が大きく、両極間の印加電圧が高い。また、原水中の C a ^{2 +}及び炭酸成分（C 0 ₂， H C O 3-) に起因す-る炭酸カルシウムスケールが濃縮室のイオン交換膜面にしばしば生じていた。

本発明は、生産水量が少ない場合に採用するのに好適な、電極間の印加電圧が低く、また、スケールが発生しにくい電気脱イオン装置を提供することを第 1の目的とする。発明の概要

本出願人は、上記第 1の目的を達成するものとして、陰極と陽極との間にカチォン交換膜とァニオン交換膜とが 1枚ずつ配置され、該陰極とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極とァニォン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とァニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該濃縮室兼陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にィオン交換体が充填されてなる電気脱イオン装置；及び、陰極板と陽極板との間にカチオン交換膜とァニオン交換膜とが 1枚ずつ配置され、該陰極板とカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、該陽極板とァニォン交換膜との間に濃縮室兼陽極室が設けられ、該カチオン交換膜とァニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該陰極板及ぴ陽極板が電極水の通水路を有し、該陰極板がカチオン交換膜に接し、該陽極板が該ァニオン交換膜と接している電気脱ィォン装置；

をそれぞれ特開 2003-136063号にて提案している。

かかる特開 2003-136063号の電気脱イオン装置は、脱塩室が 1室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞれ陽極室を兼ねた濃縮室と陰極室を兼ねた濃縮室とが配置されているため、電極間距離が小さく、電極間の印加電圧が低い。この特開 2003— 136063号の電気脱ィオン装置について、本出願人がさらに研究を重ねたところ、原水中に C 1—イオンが存在すると、濃縮室兼陽極室において C 1—が酸化反応を受けて C 1₂が発生し、該濃縮室兼陽極室内に充填されたカチオン交換樹脂等の導電体や、あるいは濃縮室兼陽極室に臨むイオン交換膜が徐々に劣化する可能性があることが見出された。

本発明は、かかるカチオン交換樹脂等の導電体やイオン交換膜の劣化を防止することを第 2の目的とする。

第 1アスペクトの電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間に、第 1のカチオン交換膜と、ァニオン交換膜と、第 2のカチオン交換膜とがこの順に配置され、該陰極と第 1のカチオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、第 1のカチオン交換膜と該ァニオン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該ァニオン交換膜と第 2のカチオン交換膜との間に濃縮室が設けられ、該第 2のカチオン交換膜と該陽極との間に陽極室が設けられ、該濃縮室内、該陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ導電体が充填され、該脱塩室内にィォン交換体が充填されてなるものである。

第 2ァスぺクトの電気脱イオン装置は、上記請求項 1の電気脱イオン装置の陽極室及び濃縮室兼陰極室内に導電体を充填する代わりに、陽極板及び陰極板に電極水を流す通水路を設けると共に、該陽極板と陰極板がイオン交換膜と接するようにしたものである。

即ち、第 2アスペクトの電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間に、第 1のカチオン交換膜と、ァニオン交換膜と、第 2のカチオン交換膜とがこの順に配置され、該陰極と第 1の力チオン交換膜との間に濃縮室兼陰極室が設けられ、第 1のカチォン交換膜と該ァニォン交換膜との間に脱塩室が設けられ、該ァニォン交換膜と第 2 の力チオン交換膜との間に濃縮室が設けられ、該第 2の力チオン交換膜と該陽極との間に陽極室が設けられ、該陰極板及ぴ陽極板が電極水の通水路を有し、該陰極板が第 1のカチオン交換膜に接し、該陽極板が第 2のカチオン交換膜と接していることを特徴とするものである。

かかる第 1及び第 2ァスぺクトの電気脱イオン装置は、脱塩室が 1室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞれ濃縮室と陰極室兼濃縮室とが配置され、この濃縮室の隣りに陽極室が配置されているため、電極間距離が小さく、電極間の印加電圧が低い。

本発明では、濃縮室とは別個に陽極室が設けられ、両者が第 2のカチオン交換膜で隔てられているので、濃縮室から陽極室への C 1—イオンの移動が阻止される。そのため、陽極室内で発生する C 1 ₂は、陽極室内に導入された電極水中の C 1—にのみ由来するものとなるので、陽極室での C 1 ₂発生量が著しくない。このため、陽極室内に充填されたカチオン交換樹脂等の導電体や、陽極室に臨む第 2のカチォン交換膜が C 1 ₂によって劣化することが防止される。

本発明では、脱塩室が 1室であり、単位時間当たりの生産水量が少ないが、小規模実験用、小型燃料電池用などには十分に実用することができる。

本発明の電気脱イオン装置は、脱塩室内を区画部材によつて多数の小室に区画し、各小室にイオン交換体を充填してもよい。この各小室に臨む区画部材の少なくとも —部は、脱塩室内の平均的な水の流れ方向に対して傾斜しており、この傾斜した部分は、水は通過させるが、イオン交換樹脂は通過させない構造となっている。この脱塩室内に流入した水の少なくとも一部は、平均的な水の流れ方向に対し斜め方向に流れるようになり、脱塩室内の全体に分散して流れる。従って、水とイオン交換樹脂との接触効率が向上し、脱イオン特性が向上する。

この小室を平均的な水の流れ方向及びこれと直交方向のいずれにおいても膜面に沿って複数個配置することにより、（例えば縦横に多数配置することにより、）水とイオン交換樹脂との接触効率がきわめて高いものとなる。また、各小室内の上下方向の高さが小さくなり、イオン交換樹脂が局部的に圧縮されにくくなる。従って、小室に隙間が生じることがなく、イオン交換樹脂の充填密度が高い。

この小室は、イオン交換膜面に投影した形状が六角形又は四角形であってもよい。六角形の場合には、 1対の平行な辺が平均的な水の流れ方向となるように各小室を配置するのが好ましい。四角形の場合には、各辺が平均的な水の流れ方向に対し傾斜するように配置する。この様な構造にすることによって、脱塩効率が高まるため、脱塩室への高流速通水が可能となり、脱塩室 1室当たりの処理流量を多くすることができる。

1つの小室内に 1種類のィオン交換特性のイオン交換体のみを充填してもよく、複数種類のイオン交換特性のイオン交換体を充填してもよい。例えば 1つの小室内にァニォン交換体と両性ィオン交換体とを混合して充填してもよい。

本発明の電気脱イオン装置においては、原水又は脱塩室からの脱イオン水を電極水として陽極室に通水し、この陽極室流出水を濃縮室に通水し、この濃縮室流出水を濃縮室兼陰極室へ通水するよう構成してもよい。図面の簡単な説明

図 1は、実施の形態に係る電気脱イオン装置の概略的な縦断面図である。

図 2は、区画部材を脱塩室内に配置した別の実施の形態に係る電気脱イオン装置の分解斜視図である。

図 3は、区画部材の斜視図である。

図 4は、区画部材の分解図である。

図 5は、区画部材の通水状況説明図である。

図 6は、別の実施の形態に係る電気脱イオン装置の電極部分の縦断面図である。図 7は、別の実施の形態に係る電気脱イオン装置の概略的な縦断面図である。詳細な説明

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

[図 1の電気脱イオン装置]

図 1に示す電気脱イオン装置にあっては、陰極 1と陽極 2との間に、第 1のカチオン交換膜 3と、ァニオン交換膜 4と、第 2のカチオン交換膜 3，とを 1枚ずつ配置している。陰極 1と第 1の力チオン交換膜 3との間に濃縮室兼陰極室 5を形成し、第 1のカチオン交換膜 3とァニオン交換膜 4との間に脱塩室 7を形成している。了二オン交換膜 4と第 2のカチオン交換膜 3 ' との間に濃縮室 1 0を形成し、第 2のカチオン交換膜 3 ' と陽極 2との間に陽極室 6を形成している。

濃縮室兼陰極室 5、濃縮室 1 0及ぴ陽極室 6にはそれぞれカチオン交換樹脂 8が充填されている。この濃縮室兼陰極室 5、濃縮室 1 0及ぴ陽極室 6に充填されるィオン交換樹脂は、ァニオン交換樹脂ゃァニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を混合したものであってもよいが、特に濃縮室兼陰極室 5及び陽極室 6には樹脂の強度の点からはカチオン交換樹脂を用いるのが好ましレ、。脱塩室 7にはカチオン交換樹脂 8とァニオン交換樹脂 9とが混合状態にて充填されている。

脱塩室 7の一端側には原水の流入口が設けられ、他端側には脱ィオン水の流出口が設けられている。

陽極室 6の一端側には原水又は脱ィォン水の流入口が設けられている。陽極室 6 の流出水は濃縮室 1 0へその一端側から流入し、他端側から流出する。濃縮室 1 0 の流出水は、濃縮室兼陰極室 5へその一端側から流入し、他端側から濃縮水兼陰極電極水として出される。

図 1において、陰極 1と陽極 2との間に電圧を印加した状態にて原水を脱塩室 7 に導入し、脱イオン水として取り出す。上記の通り、原水又は該脱イオン水を陽極室 6に導入し、順次に濃縮室 1 0及ぴ濃縮室兼陰極室 5に流通させる。原水中の力チオンは第 1のカチオン交換膜 3を透過し、陰極電極水に混入して排出される。原水中のァニオンはァユオン交換膜 4を透過して濃縮室 1 0に移動し、濃縮室流出水に混入して濃縮室兼陰極室 5を経て排出される。

[図 7の電気脱イオン装置]

図 7の電気脱イオン装置は、濃縮室 1 0にァニオン交換樹脂 9が充填されている点、及び陽極室 6に脱イオン水の一部が通水され、濃縮室 1 0にも上昇流で通水が行われる点が図 1に示す電気脱ィオン装置と異なり、その他は同様の構成とされている。図 7において、図 1に示す部材と同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。濃縮室 1 0にァニオン交換樹脂 9を充填した図 7の電気脱イオン装置の効果は次の通りである。

図 7の電気脱イオン装置においても、図 1の電気脱イオン装置と同様に、原水中のカチオンは第 1のカチオン交換膜 3を透過し、陰極電極水に混入して排出される。原水中のァニオンはァニオン交換膜 4を透過して濃縮室 1 0に移動し、濃縮室流出水に混入して濃縮室兼陰極室 5を経て排出される。このとき排出されにくい C O ₂、シリ力等の弱ィオン成分は、脱塩室 7内の水解離で発生した O H により H C O ₃一、 H S i 0 ₃一の形態に変化し、濃縮室 1 0にお出される。

ァニオン交換膜 4の濃縮室 1 0近傍の界面では濃度分極によりァニオン成分が最も濃縮されるが、移動しにくい H C O ₃—、 H S i O ₃ の濃度分極が大きくなりすぎると、電気抵抗が上昇したり、イオンが移動しにくくなることによる除去率の低下が起こってしまう問題がある。

このとき、ァニオン交換膜 4の濃縮室 1 0近傍の界面に反対電化のカチオン交換樹脂が存在すると、ァニオンの移動が遅くなるため、上記濃度分極はさらに発生しやすくなる。逆に、ァニオン交換樹脂が存在すると、ァニオンの移動が速やかになり、濃度分極は発生しにくい。

特に、濃縮室 1 0のィオン交換体のァニオン交換体ノカチオン交換体充填比率が、脱塩室 7のァニオン交換体/力チオン交換体充填比率よりも大きくなると、このァユオンの移動が速やかになり、好ましい。とりわけ、濃縮室 1 0にァニオン交換体のみが充填されていることがァユオンの移動速度の面で好ましい。

濃縮室 1 0のァニオン交換膜 1 0の濃縮面の濃度分極、特に c o ₂、シリカ等の弱イオン成分の濃度分極は、脱塩室 7に流入する C O ₂、シリカ等の弱イオン成分が多いほど、また脱塩室 7からァニオン交換膜 4面を通して濃縮室 1 0に移動する C 0 ₂、シリカ等の成分が多いほど、また電流密度が大きいほど発生しやすい。しかし、濃縮室 1 0のァ-オン交換体/力チオン交換体充填比率を脱塩室 7のァ二オン交換体/力チオン交換体充填比率よりも大きく、好ましくは濃縮室 1 0の充填物をァニオン交換体のみ、より好ましくはァニオン交換樹脂のみとすることにより、これらの弱イオン成分の負荷が高くても、脱塩性能、運転安定性に優れる電気脱イオン装置とすることができる。例えば、脱塩室 7のァニオン交換膜 4の有効面積（dm²) に対する脱塩室 7に流入する炭酸負荷量（mg— C〇₂Zh) が 80以上、さらには 250〜300、脱塩室 7のァニオン交換膜 4の有効面積 (dm²) に対する脱塩室に流入するシリカ負荷量（mg— S i 0₂/h) が 8以上、さらには 1 5〜25、電流密度が 30 OmA/ dm²以上、さらには 600〜； 1200m AZdm²としても、脱塩性能、電気抵抗等の観点で安定した電気脱イオン装置が得られるため、電気脱イオン装置をより一層小型化することができ、経済面においてもきわめて有効である。

なお、電気脱イオン装置の給水は、一般的に巿水等の原水を活性炭、逆浸透膜分離（RO) 処理した水が用いられ、その電気伝導度は 3〜10 μ S/cm、 C0₂ 濃度は 3〜30 p pm、シリカ濃度は 0. 2〜1. O p pm程度である。このような水の処理には、脱塩室 7のィオン交換体のァニオン交換体/力チオン交換体充填比率は 60Z40〜70/30 (例えばァ-オン交換樹脂、カチオン交換樹脂が再生型である場合の体積比）程度とすることが望ましい。

図 1， 7の電気脱イオン装置において、濃縮室 10や脱塩室 7、濃縮室兼陰極室 5、陽極室 6に充填されるイオン交換体は、取り扱い性の観点から、イオン交換樹脂であることが好適である。この場合、イオン交換樹脂の架橋度はァニオン交換樹脂で 3〜8%、カチオン交換樹脂で 5〜10%程度とすることが好ましい。これはイオン交換樹脂の架橋度が小さいと強度が弱くなり、架橋度が大きいと電気抵抗が大きくなってしまうためである。

図 7の電気脱イオン装置において、濃縮室 10にイオン交換繊維等のイオン交換樹脂以外のイオン交換体を充填しても良いが、ァニオン交換体 Zカチオン交換体充填比率を脱塩室 7のァニオン交換体/力チオン交換体充填比率よりも大きくし、特にァニオン交換体のみとすることが好ましい。このように、ァ-オン交換樹脂の比率が大きくなると、長期的の運転では、劣化が進み、電気抵抗が上がってしまうことがある。即ち、一般的に、例えば酸素存在下ではカチオン交換樹脂の酸ィ匕劣化よりも、ァニオン交換樹脂の劣化が先に起こると考えられる。特に、濃縮室 10中のァニオン交換樹脂の比率を高める場合、とりわけァニオン交換樹脂単独とする場合には、酸化劣化等にも強い樹脂である、熱安定性のあるァニオン交換樹脂を用いることが好適である。図 1， 7の電気脱イオン装置において、濃縮室兼陰極室 5では、カチオン交換体が多いほどカチオンの移動が速やかになるため、カチオン交換体のみが充填されていることが望ましい。また、陽極室 6では、陽極 2の板面での電極反応により酸ィ匕剤発生があるため、酸化に強、力チオン交換体のみが充填されていることが好ましい。また、陽極 2は酸化剤による劣化、陰極 1では孔食発生のおそれがあるため、チタンに白金メツキしたもの等の材質の耐食性に優れた電極板を用いることが望ましい。

図 1， 7の電気脱イオン装置にあっては、陰極 1と陽極 2との間にそれぞれ 1個の濃縮室兼陰極室 5、脱塩室 7、濃縮室 1 0及び陽極室 6のみが配置されており、陰極 1と陽極 2との距離が小さい。そのため、電極 1， 2間の印加電圧が低くても十分に電極 1， 2間に電流を流して脱ィオン処理することができる。

また、本発明では脱塩室内の C 1 _は濃縮室 1 0にのみ移動し、陽極室 6へは移動しない。このため、陽極室 6内の C 1 濃度は原水又は脱イオン水中に存在する C 1—のみとなり、陽極室 6で陽極酸ィ匕により生じる C 1 ₂が著しく少ない。そのため、陽極室 6内のカチオン交換樹脂 Sや、陽極室 6に臨む第 2のカチオン交換膜 3，の劣化が防止される。

なお、陰極室が濃縮室を兼ねていることから、陰極室内の電極水の電気伝導度が高い。これによつても、電極 1， 2間の印加電圧が低くても電極 1， 2間に十分に電流を流すことが可能となる。

濃縮室兼陰極室 5及ぴ濃縮室 1 0での通水方向は、脱塩室 7と並流通水でも向流通水でもよい。濃縮室兼陰極室 5及び陽極室 6は、上昇流通水であることが望ましい。これは、各室 5， 6には、直流電流によって H ₂や 0₂、場合によっては少量の C 1 ₂等の気体が発生するので、上昇流で通水し気体の排出を促進させ偏流を防ぐためである。

なお、図 1， 7の電気脱イオン装置から濃縮室 1 0を省略し、脱塩室 7から C 1 —が陽極室 6にすベて流入するとした場合の、陽極室の C 1負荷量の一例を次に計算する。なお、陽極室には C 1濃度 3 p p mの原水を 0 . 8 L Z hで供給し、脱塩室にはこの原水を 1 . 5 LZ hで供給するものとする。

この場合、脱塩室から C 1の実質的に全量が陽極室へ移動することから、陽極室の C 1負荷量は

脱塩室からの C 1量 = 1. 5 L h - 3mg/L = 4. 5mg/h

陽極室流入 C I量 =0. 8 L/h -

2. 4mg/h

の和 6. 9mg/hとなる。

これに対し、図 1， 7の場合であれば、陽極室 C 1負荷量は、陽極室への流入原水中の C 1のみであるから上記 2. 4mg/hとなる。なお、陽極室に脱イオン水を通水するならば、陽極室 C 1負荷量は実質的にゼロになる。

この一例からも明らかな通り、脱塩室と陽極室との間に濃縮室を配置することにより、陽極室の C 1濃度を低くし、陽極室での C 1₂発生量を減少させることがでさる。

このような電気脱イオン装置では、図 1， 7に示す如く、原水又は脱塩室 7からの脱イオン水の一部、好ましくは脱イオン水の一部を陽極室 6、濃縮室 10、陰極室兼濃縮室 5の順に通水することが望ましい。

この理由を以下に示す。

即ち、陽極室 6では C 1 イオンが存在すると、電極反応で塩素が発生し、樹脂等の部材を劣化させることがあるため、前述の如く、 C 1 イオンを含まない脱ィオン水を用いることが好ましい。また、濃縮室 10のァニオン交換膜 4面ではカルシゥムスケールが発生しやすいが、脱イオン水を陽極室 6に通水した場合には、この水には C a ²⁺イオンが含まれていないため、このカルシウムスケールも防止することができる。なお、本発明の電気脱イオン装置では、脱塩室 7からの C 1—ィォンは第 2のカチオン交換膜 3により陽極室 6には流入しないため、塩素発生を押さえられる。

[濃縮室兼陰極室及び陽極室の別の構成（図 6)]

本発明の電気脱イオン装置においては、濃縮室兼陰極室及び陽極室は図 6に示す構成とされてもよく、ここでは、陰極板 80及び陽極板 90が電極水の通水路を有している。陰極板 80が第 1のカチオン交換膜 3に接し、陽極板 90が第 2のカチオン交換膜 3' と接するように配置されている。これによつて、濃縮室兼陰極室及び陽極室内の電気抵抗が小さくなり、低い印加電圧でも効率的に脱イオン処理を行うことが可能となる。このような電極板 80， 90は、厚み方向に貫通する多数の開口を有した孔明き板を複数枚積層して、隣接する孔明き板の孔同士が部分的に重なり合うようにすることにより、形成することができる。

この通水路付きの陰極板 8 0は濃縮室兼陰極室を構成する。通水路付きの陽極板 9 0は陽極室を構成する図 6のカチオン交換膜 3 , 3 ' の間の構成 1 0 0 ( 2点鎖線で仮想的に示されている。）は、図 1又は図 7の膜 3， 3 ' の間の構成と同じである。図 6において、水は図 1又は図 7と同様に通水される。

[多数の小室に区画された脱塩室を有する電気脱イオン装置（図 2〜5 ) ] 図 2〜 5を参照して、脱塩室内に区画部材を配置して脱塩室内に多数の小室を形成した電気脱イオン装置について説明する。

陰極側のェンドプレート 1 1に沿って陰極電極板 1 2が配置され、この陰極電極板 1 2の周縁部に枠状の濃縮室兼陰極室形成用枠状フレーム 1 3が重ね合わされている。この枠状フレーム 1 3に対して第 1のカチオン交換膜 1 4が重ね合わされ、このカチオン交換膜 1 4に対して脱塩室形成用の枠状フレーム 2 0、ァニオン交換膜 1 5、濃縮室形成用の枠状フレーム 1 6 S、第 2のカチオン交換膜 1 4 S、及び陽極室形成用枠状フレーム 1 6がこの順に重ね合わされている。第 2のカチオン交換膜 1 4 Sに対し陽極室形成用の枠状フレーム 1 6を介して陽極電極板 1 7が重ね合わされ、さらに陽極側エンドプレート 1 8が重ね合わされて積層体とされる。この積層体はボルト等によって締め付けられる。

枠状フレーム 2 0の内側が脱塩室となっている。この脱塩室に区画部材 2 1が配置されており、区画部材 2 1内にァニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合物よりなるイオン交換樹脂 2 3が充填されている。

濃縮室兼陰極室用フレーム 1 3の内側スペースが濃縮室兼陰極室 3 0となっており、濃縮室用フレーム 1 6 Sの内側が濃縮室 5 0となっている。陽極室用フレーム 1 6の内側が陽極室 4 0となっている。この濃縮室兼用の陰極室 3 0、濃縮室 5 0 及ぴ陽極室 4 0には導電体としてカチオン交換樹脂 8が充填されている。

濃縮室兼陰極室 3 0に陰極電極水を流通させるために、エンドプレート 1 1とフレーム 1 3にそれぞれ透孔 3 1 , 3 2， 3 5 , 3 6が設けられると共に、フレーム 1 3にスリット 3 3 , 3 4が設けられている。

透孔 3 1， 3 2は互いに重なり合い、透孔 3 5， 3 6も互い重なり合う。フレーム 13の透孔 32， 35はそれぞれスリット 33， 34を介して濃縮室兼陰極室 3 0に連通している。

陰極電極水は、透孔 31, 32、スリット 33、濃縮室兼陰極室 30、スリット 34、透孔 35， 36の順に流れ、濃縮水兼陰極電極水として流出する。

陽極室 40に陽極電極水を流通させるために、エンドプレート 1 8とフレーム 1 6にそれぞれ透孔 41， 42， 45， 46が設けられると共に、フレーム 16にスリット 43, 44が設けられている。

透孔 41， 42は互いに重なり合い、透孔 45， 46も互い重なり合う。フレーム 16の透孔 42， 45はそれぞれスリット 43， 44を介して濃縮室兼陽極室 4 0に連通している。

陽極電極水は、透孔 41, 42、スリット 43、陽極室 40、スリット 44、透孔 45， 46の順に流れ、陽極電極水として流出する。

フレーム 20の内側の脱塩室に原水を流通させるために、エンドプレート 18、ァニオン交換膜 1 5及びフレーム 16， 16 S, 20にそれぞれ透孔 51， 52， 53 S, 53， 62， 54， 5 7， 60が設けられると共に、フレーム 20にスリット 55， 56が設けられている。なお、ァニオン交換膜 1 5、フレーム 1 6 S、カチオン交換膜 14 S及ぴフレーム 16の下部に設けられた脱塩室への通水用の透孔は図示されていない。透孔 5 1， 60はエンドプレート 1 8に設けられ、透孔 5 4， 5 7はフレーム 20に設けられ、透孔 5 2はフレーム 16に設けられ、透孔 5 3はァニオン交換膜 1 5に設けられている。

透孔 51〜54， 62は互いに重なり合い、透孔 57〜60も互いに重なり合う。フレーム 20の透孔 54， 57はそれぞれスリット 55， 56を介して脱塩室に連通している。

原水は、透孔 51， 52, 53， 54， 62、スリット 5· 5、脱塩室、スリット

56、透孔 57〜 60の順に流れ、脱イオン水（生産水）として流出する。

濃縮室 50に水を流すために、ェンドブレート 1 8とフレーム 16， 16 S及ぴカチオン交換膜 14 Sの上部に透孔 64， 6 5， 66及ぴ 65 Sが設けられ、透孔

66は該フレーム 1 6 Sに設けられたスリット 67を介して濃縮室 50内に連通している。濃縮室用フレーム 16 Sの下部には、透孔 66、スリット 67と同様の透孔及びフレーム（図示略）が設けられ、この透孔と重なるようにカチオン交換膜 1 4 S及び陽極室用フレーム 4 0の下部に透孔（図示略）が設けられると共にェンドプレート 1 8の下部に透孔 6 8が設けられている。濃縮室 5 0へは、水は透孔 6 8 を介して導入され、流出水は濃縮室 5 0からの流出水は、透孔 6 6， 6 5 S , 6 5，

6 4を通って流出する。

この実施の形態でも、陽極室 4 0に原水又は脱イオン水が透孔 4 1， 4 2から流入し、透孔 4 5， 4 6を経て流出する。この流出水は透孔 6 8を経て濃縮室 5 0に流入し、透孔 6 6， 6 5 S , 6 5， 6 4を経て流出し、次いで透孔 3 1 , 3 2から濃縮室兼陰極室 3 0に流入し、透孔 3 5， 3 6より濃縮水兼陰極電極水として排出される。

なお、上記の脱塩室用フレーム 2 0は上下方向に長い長方形状のものである。このフレーム 2 0內に配置された区画部材 2 1は六角形のハニカム形状のものであり、小室 2 2は上下左右に多数配置されている。各小室 2 2の 1対の側辺がフレーム 2 0の長手方向即ち上下方向となるように配置されている。

この区画部材 2 1は、予め一体成形されたものであってもよく、複数の部材を組み合わせたものであってもよい。例えば図 4のようにジグザグ状の屈曲板 7 0の長手方向面 7 1同士を連結することにより構成される。この屈曲板 7 0は、長手方向面 7 1に対し 1 2 0 ° の角度で連なる通水性の斜向面 7 2， 7 3を備えている。長手方向面 7 1同士を連結するには例えば接着剤を用いることができる。この屈曲板

7 0は、水は通過させるがイオン交換樹脂は通過させない材料、例えば織布、不織布、メッシュ、多孔質材などにより構成されている。この屈曲板 7 0は耐酸性及ぴ耐アルカリ性を有した合成樹脂又は金属により剛性を有するように形成されるのが好ましい。長手方向面 7 1は通水性を有していてもよく、有していなくてもよレ、。区画部材 2 1はフレーム 2 0に嵌め込まれてもよい。また、フレーム 2 0の片面側に透水性シート又はメッシュを張設し、これに区画部材を接着してもよい。

透孔 5 4からスリット 5 5を介して脱塩室に流入した原水は、図 5の通り小室 2 2を囲む区画部材 2 1を通過して隣接する小室 2 2に流れ込み、徐々に下方に流れ、この間に脱イオン処理を受ける。そして、遂には脱塩室の下部に達し、スリット 5 6及ぴ透孔 5 7〜6 0を通り、脱塩水として電気的脱イオン装置外に取り出される。この脱塩室における平均的な水の流れ方向は、原水流入用の透孔 5 4及びスリット 5 5がフレーム 2 0の上部に存在し、脱塩水取出用のスリット 5 6及び透孔 5 7 がフレーム 2 0の下部に存在するところから、上から下に向う鉛直方向となっている。この平均的な水の流れ方向に対し小室の上部及ぴ下部が傾斜しているので、被処理水は 1つの小室 2 2から左及ぴ右側の小室 2 2へ斜めに分かれて流下するようになる。このため、被処理水が各小室 2 2にほぼ均等に分散して流れるようになり、被処理水とィォン交換樹脂 2 3との接触効率が良好なものとなる。

この脱塩室にあっては、小室 2 2が比較的小さく、イオン交換体の自重及び水圧によつて各小室 2 2内においてイオン交換体に対し加えられる下向きの圧力が小さい。従って、いずれの小室 2 2内においてもイオン交換体が圧縮されることがなく、イオン交換体が小室内の下部において局部的に圧密化されることがない。この実施の形態では、各小室 2 2に充填したイオン交換樹脂は、ァニオン交換樹脂とカチォン交換樹脂との混合物であるが、次の（i)〜（iii)のいずれかでもよい。

(i) すべての小室にァニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂、両性イオン交換樹脂のうち 1,種類のものを充填する。

(ii) すべての小室にァニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂及び両性イオン交換樹脂の 2又は 3の混合物を充填する。混合比、混合種はすべて共通であってもよく、一部又はすベての小室において異なっていてもよい。

(iii) 一部の小室にァ-オン交換樹脂を充填し、他の一部の小室にカチオン交換樹脂を充填し、残りの小室にァユオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合物又は両性ィオン交換樹脂を充填する。

なお、（ii)，（iii)の場合、原水のァニオン、カチオン比率に応じ、ァニオン交換樹脂を充填する小室、及びカチオン交換樹脂を充填する小室の数を調整してもよレ、。この電気脱イオン装置の脱塩室の L Vは 1 5〜4 5 m/ h、 S Vは 8 0〜2 8 0 H r一¹程度が好ましい。

この図 2〜 5の電気脱イオン装置も、陰極 ·陽極間の積層室数が少ないので、電気抵抗が小さく、少ない電圧で、必要量の電流を流すことができる。この実施の形態においても、脱塩室内の C 1—は濃縮室 5 0にのみ移動し、陽極室 4 0には流入しないので、陽極室 4 0内の C 1—濃度は低く、陽極室 4 0内の C 1 ₂発生量が少ない。これにより、陽極室 40内のカチオン交換樹脂 8や陽極室 40内に臨むカチォン交換膜 14 Sの劣化が防止される。

また、脱塩室内にハニカム状構造体を充填しているので、高純度の処理水を得ることができる。なお、図 2〜 5において、脱塩室の幅（水の平均的な流れ方向と直交方向の幅）が小さいときには、ハニカム状構造体を省略してもよい。

[実施例及び比較例]

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

実施例 1

図 7に示す電気脱イオン装置に、巿水を活性炭、 RO処理した水を通水した。この給水の水質は、電気伝導度： 10 μ SZcm、 CO ₂濃度： 30 p p m、 S i 0₂ 濃度： 2 p pmで、水温は 10°Cであった。

この電気脱イオン装置の脱塩室 7は有効幅 17 mm、有効高さ 194mm、厚さ 5 mmであり、濃縮室 10、陽極室 6、陰極室兼濃縮室 5はいずれも厚さ 2. 5 m mとした。また、脱塩室 7にはァニオン交換樹脂 Zカチオン交換樹脂 = 7/3 (体積比）の混合ィオン交換樹脂を充填し、濃縮室 10にはァニオン交換樹脂を充填し、陽極室 6及び陰極室兼濃縮室 5にはカチオン交換樹脂を充填した。陽極 2及ぴ陰極 1にはチタンに白金メツキした電極板を用いた。

脱塩室 7の入り口水量を 3 L/hとし、生産水（脱イオン水）の一部（1 LZh) を陽極室 6、濃縮室 10、陰極室兼濃縮室 5の順で通水した後、排出した。

電流は 0. 2 Aの条件で 1ヶ月通水を行った。このときの通水条件は下記の通りであったが、 1ヶ月後の生産水の比抵抗は 15ΜΩ · cm、運転電圧は 8 Vと初期から変化なく安定していた。

脱塩室 7のァ-オン交換膜 4の有劲面積 (dm²) に対する脱塩室通水水量（L /h) の比 =9. 1

脱塩室 7のァニオン交換膜 4の有効面積（dm²) に対する脱塩室に流入する炭酸負荷量 (mg-C0₂/h) =272

脱塩室 7のァニオン交換膜 4の有効面積（dm²) に対する脱塩室に流入するシリカ負荷量（mg— S i 0₂Zh) =18

電流密度（mAZdm²) =606 比較例 1

濃縮室 1 0のイオン交換樹脂をァ-オン交換樹脂 Zカチオン交換樹脂 = 7 / 3 (体積比）の混合イオン交換樹脂としたこと以外は実施例 1と同様に通水を行ったところ、通水初期（3日目）は、生産水の比抵抗は 1 0 Μ Ω · c m、運転電圧は 8 Vであったが、 1ヶ月後の生産水の比抵抗は 8 Μ Ω · c m、運転電圧は 1 2 Vとなり、水質が低下すると共に、電気抵抗が上昇する傾向がみられた。産業上の利用可能性

以上の通り、本発明の電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間にそれぞれ 1個の濃縮室兼陰極室、脱塩室、濃縮室及び陽極室を配置したものであり、電極間距離が小さく、また陰極室と濃縮室とが兼用され電極水が高電気伝導度の濃縮水となっているため、電極間の印加電圧を低くしても必要量の電流を流し、十分に脱イオン処理することができる。また、陽極室での C 1 ₂発生が防止ないし抑制されるため、陽極室内のカチオン交換樹脂等の導電体や、陽極室に臨む第 2のカチオン交換膜の劣化が長期にわたり防止される。

本発明の電気脱イオン装置は、小規模実験室用、小型燃料電池用など生産水量が少量の用途にきわめて好適である。

Claims

請求の範囲

1 . 陰極；

陽極；

該陰極と陽極との間に配置された、第 1のカチオン交換膜、ァ-オン交換膜、及ぴ第 2のカチオン交換膜；

該陰極と第 1のカチオン交換膜との間に設けられた濃縮室兼陰極室；

第 1のカチオン交換膜と該ァニオン交換膜との間に設けられた脱塩室；該ァニオン交換膜と第 2のカチオン交換膜との間に設けられた濃縮室；該第 2の力チオン交換膜と該陽極との間に設けられた陽極室；

該濃縮室内、該陽極室内及び濃縮室兼陰極室内にそれぞれ充填された導電体；及ぴ

該脱塩室内に充填されたィオン交換体

を有する電気脱イオン装置。

2 . 請求項 1において、

該脱塩室内に区画部材が配置され、該区画部材と該カチオン交換膜及ぴァユオン交換膜とによって囲まれた多数の小室が該脱塩室内に形成されており、

該小室にそれぞれイオン交換体が充填されており、

各小室に臨む区画部材の少なくとも一部は該脱塩室内の平均的な水の流れ方向に対し傾斜しており、 ·

該区画部材の少なくとも傾斜した部分は、水を通過させるがイオン交換体の通過を阻止する構造となっていることを特徴とする電気脱イオン装置。

3 . 請求項 1において、陽極室内及び濃縮室兼陰極室内に充填された導電体がィオン交換樹脂であることを特徴とする電気脱イオン装置。

4 . 請求項 3において、前記イオン交換樹脂がカチオン交換樹脂であることを特徴とする電気脱ィォン装置。

5 . 請求項 1において、前記濃縮室に充填された導電体がイオン交換体であり、該濃縮室内のィォン交換体のァ二オン交換体/力チオン交換体充填比率が、前記脱塩室のイオン交換体のァニオン交換体/力チオン交換体充填比率よりも大きいことを特徴とする電気脱ィォン装置。

6 . 請求項 5において、該濃縮室のイオン交換体がイオン交換樹脂であることを特徴とする電気脱ィォン装置。

7 . 請求項 6において、該イオン交換樹脂は、架橋度 3〜 8 %のァニオン交換樹脂と架橋度 5〜1 0 %のカチオン交換樹脂の少なくとも一方であることを特徴とする電気脱イオン装置。

8 . 請求項 5において、前記脱塩室にァニオン交換体とカチオン交換体とが充填されており、前記濃縮室にァニオン交換体のみが充填されていることを特徴とする電気脱イオン装置。

9 . 請求項 5において、前記陰極室兼濃縮室及び陽極室にカチオン交換体のみが充填されていることを特徴とする電気脱ィォン装置。

1 0 . 通水路を有した陰極板；

通水路を有した陽極板；

該陰極板に接する第 1のカチオン交換膜；

該陽極板に接する第 2のカチオン交換膜；

該第 1のカチオン交換膜と第 2のカチオン交換膜との間に配置されたァニオン交該陰極と第 1の力チオン交換膜との間に設けられた濃縮室兼陰極室；

第 1のカチオン交換膜と該ァニオン交換膜との間に設けられた脱塩室；及び該ァニオン交換膜と第 2の力チオン交換膜との間に設けられた濃縮室

を有する電気脱イオン装置。

1 1 . 請求項 1 0において、該脱塩室内にイオン交換樹脂などのイオン交換体が充填されていることを特徴とする電気脱イオン装置。

1 2 . 請求項 1 1において、

該脱塩室内に区画部材が配置され、該区画部材と該カチオン交換膜及びァ-オン交換膜とによつて囲まれた多数の小室が該脱塩室内に形成されており、

該小室にそれぞれイオン交換体が充填されており、

各小室に臨む区画部材の少なくとも一部は該脱塩室内の平均的な水の流れ方向に対し傾斜しており、該区画部材の少なくとも傾斜した部分は、水を通過させるがイオン交換体の通過を阻止する構造となっていることを特徴とする電気脱イオン装置。

13. 請求項 10において、濃縮室内にイオン交換樹脂などの導電体が充填されていることを特徴とする電気脱イオン装置。

14. 請求項 1又は 10において、前記脱塩室のァユオン交換膜の有効面積（d m²) に対する該脱塩室の通水水量（LZh) の比が 5以上であることを特徴とする電気脱イオン装置。

15. 請求項 1又は 10において、前記脱塩室のァニオン交換膜の有効面積（d m²) に対する該脱塩室に流入する炭酸負荷量（mg— C0₂/h) が 80以上であることを特徴とする電気脱ィォン装置。

16. 請求項 1又は 10において、前記脱塩室のァニオン交換膜の有効面積（d m²) に対する該脱塩室に流入するシリカ負荷量（mg— S i O₂/h) が 8以上であることを特徴とする電気脱ィォン装置。

17. 請求項 1又は 10において、電流密度が 30 OmA/ dm²以上であることを特徴とする電気脱ィオン装置。

18. 請求項 1又は 10において、該濃縮室に熱安定性のァニオン交換樹脂が充填されていることを特徴とする電気脱ィォン装置。

19. 請求項 1又は 10において、原水又は脱塩室からの脱イオン水を電極水として陽極室に通水し、この陽極室流出水を濃縮室に通水し、この濃縮室流出水を濃縮室兼陰極室へ通水する流路が設けられていることを特徴とする電気脱ィォン装置。