WO2025158809A1

WO2025158809A1 - 電気式脱イオン水製造装置及びその運転方法

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Publication number: WO2025158809A1
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Abstract

電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）は、脱塩室２３の入口に対して接続して昇圧された供給水を脱塩室２３に供給する供給水配管６１と、供給水配管６１に設けられた調整弁５１と、調整弁５１よりも上流の位置で供給水配管６１から分岐する分岐配管６２と、を備え、分岐配管６２から陽極室２１及び陰極室２５に対して供給水が通水される。陽極室２１及び陰極室２５の少なくとも一方を利用対象電極室として、利用対象電極室の出口に接続する配管６９が設けられ、利用対象電極室の出口水が調整弁５１の下流側で供給水に混合されて脱塩室２３に供給される。

Description

電気式脱イオン水製造装置及びその運転方法

　本発明は、電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ(Electrodeionization)装置）とその運転方法とに関する。

　供給水（被処理水ともいう）に対して脱塩処理を行って処理水として脱イオン水を生成する装置の１つとしてＥＤＩ装置がある。ＥＤＩ装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせて動作する装置であって、陽極と陰極との間に、イオン交換膜などの隔膜によって区画された脱塩室を少なくとも備えている。脱塩室にはイオン交換樹脂などのイオン交換体が充填されている。陽極と陰極との間に直流電流を印加した状態で脱塩室に供給水を供給することによって、脱塩室内で脱塩処理が進行し、脱塩室から処理水として脱イオン水が流出する。ＥＤＩ装置では、陽極及び陰極はそれぞれ陽極室及び陰極室内に配置されるのが一般的である。陽極室と脱塩室との間、及び脱塩室と陰極室との間にはそれぞれ濃縮室が配置されてもよく、その場合、濃縮室と脱塩室との間はイオン交換膜などの隔膜で区画されるとともに、陽極室と濃縮室の間、及び、濃縮室と陰極室の間もイオン交換膜などの隔膜によって区画される。ＥＤＩ装置では、陽極室や陰極室、濃縮室に対しても水を供給する必要があり、陽極室や陰極室、濃縮室からの排水はそのまま外部に排出されることが多い。ＥＤＩ装置は、脱イオン水を生成を中断して薬剤によってイオン交換樹脂の再生を行う再生処理を実行する必要がない、という利点を有し、長時間にわたって連続的に脱塩処理を実行することができる。

　純水や超純水の製造にＥＤＩ装置を用いる場合、供給水中の溶存酸素も除去したい場合がある。溶存酸素自体はイオン性物質ではないので脱塩室での脱塩処理では除去できない。特許文献１は、ＥＤＩ装置において、パラジウム（Ｐｄ）触媒などの酸化剤分解能を有する触媒を脱塩室内に混在させるとともに供給水に水素を添加することにより、供給水中の溶存酸素を除去することを開示している。特許文献１に開示された技術では、触媒の存在下で溶存酸素と水素とから水を生成する反応を進行させ、供給水中の溶存酸素濃度を低下させる。ＥＤＩ装置の陰極室では電極反応により水素が生じるから、特許文献１は、陰極室を水素源として使用して陰極室の出口水を供給水に添加することも開示している。従来、陰極室の出口水は排水として廃棄されることが多かったので、陰極室の出口水を供給水に添加することは、ＥＤＩ装置における水回収率を向上させ、廃棄される水量を減少させるという効果をもたらす。ＥＤＩ装置から排出される水は、脱イオン水などとして外部の装置で利用されるかあるいはＥＤＩ装置の前段に設けられた装置に供給されるかなどして有効に利用される水である有効利用水と、排水として廃棄されるべき水とに分けられる。ＥＤＩ装置における水回収率とは、脱塩室、陽極室、陰極室及び濃縮室に対してＥＤＩ装置の外部から供給される水の総量に対する有効利用水の量の比率のことを意味する。

　ＥＤＩ装置では、一般に、脱塩室の入口での圧力の方が陰極室の出口における圧力よりも高い。そのため脱塩室に供給される供給水に対して陰極室の出口水を添加する場合には、ポンプを使用して陰極水の出口水を加圧し、加圧された出口水を供給水に添加する必要がある。したがって特許文献１に示されるＥＤＩ装置では、供給水を脱塩室に供給するために用いられるポンプの他に陰極室の出口水を加圧するポンプが必要となり、その分、コストの上昇などが発生する。

　特許文献２は、ＥＤＩ装置と同様の構造を有して供給水中の溶存酸素を除去するように構成された水処理装置を開示している。この水処理装置では、ＥＤＩ装置における脱塩室に相当する部分を溶存酸素除去室と呼んでおり、溶存酸素除去室には酸化剤分解能を有する触媒を担持したイオン交換樹脂が充填されている。供給水はまず陰極室に供給されて陰極室からの出口水がそのまま溶存酸素除去室に供給される。この水処理装置では、供給水を溶存酸素除去室に直接供給するのではなく、陰極室を経由して供給水を溶存酸素除去室に供給するので、供給水を供給するためのポンプを陰極室の入口側に配置しておけば、陰極室の出口水を加圧するためのポンプを別途設ける必要はない。

特開平１０－２７２４７４号公報国際公開第２０２２／１９０７２７号

　特許文献１に記載されたＥＤＩ装置は、供給水に対する脱塩処理と溶存酸素の除去とを同時に行うとともに水回収率を向上させることができるが、供給水を脱塩室に供給するために用いられるポンプとは別に、陰極水の出口水を加圧するためのポンプを必要とする。一方、特許文献２に記載された水処理装置は、ＥＤＩ装置と同じ構造を有するので脱塩機能を備えているが、あくまで溶存酸素の除去を主眼においた装置であり、脱塩能力を高めて大量の供給水を高い水回収率で処理するためには改良の余地がある。

　本発明の目的は、必要なポンプの台数を減らしつつ、大量の供給水に対して水回収率を高めて脱塩処理を行うことができる電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）とその運転方法とを提供することにある。

　本発明の一態様の電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）は、陽極が配置されて第１の隔膜で区画された陽極室と、陰極が配置されて第２の隔膜で区画された陰極室と、陽極室と陰極室との間に配置されてイオン交換体が充填された脱塩室と、脱塩室の入口に接続して昇圧された供給水を脱塩室に供給する第１の配管と、第１の配管に設けられた第１の調整弁と、第１の配管において第１の調整弁と脱塩室の入口との間の位置に設けられた合流部と、第１の調整弁よりも上流の位置で第１の配管から分岐して供給水が流れる第２の配管と、陽極室及び陰極室の少なくとも一方を利用対象電極室として、利用対象電極室の出口と合流部とを接続する第３の配管と、を有し、陽極室及び陰極室には第２の配管を介して供給水が供給され、利用対象電極室の出口水が合流部において供給水に混合されて脱塩室に供給され、陽極と陰極との間に直流電流が印加される。

　本発明の一態様のＥＤＩ装置の運転方法は、陽極が配置されて第１の隔膜で区画された陽極室と、陰極が配置されて第２の隔膜で区画された陰極室と、陽極室と陰極室との間に配置されてイオン交換体が充填された脱塩室とを有する電気式脱イオン水製造装置の運転方法であって、陽極室及び陰極室の少なくとも一方を利用対象電極室として、陽極と陰極との間に直流電流を印加しながら、ポンプによって昇圧された供給水を調整弁を介して脱塩室に供給するとともに、調整弁の上流側で分岐した供給水を陽極室及び陰極室に通水し、利用対象電極室の出口水を昇圧することなく調整弁の下流側で供給水に混合して脱塩室に供給する。

　本発明において、第１の隔膜及び第２の隔膜にはイオン交換膜が好ましく用いられる。また、脱塩室は、陽極に近い側に配置された隔膜と陰極に近い側に配置された隔膜によって区画されるが、脱塩室を区画するための隔膜にもイオン交換膜が好ましく用いられる。

　本発明によれば、ＥＤＩ装置を用い、必要なポンプの台数を減らしつつ、大量の供給水に対して高い水回収率で脱塩処理を行うことができるようになる。

第１の実施形態のＥＤＩ装置の構成の一例を示す図である。第１の実施形態のＥＤＩ装置の構成の別の例を示す図である。ＥＤＩシステムの構成を示す図である。ＥＤＩシステムの構成を示す図である。ＥＤＩシステムの構成を示す図である。ＥＤＩシステムの構成を示す図である。第２の実施形態のＥＤＩ装置の構成の一例を示す図である。第３の実施形態のＥＤＩ装置の構成の別の例を示す図である。第３の実施形態のＥＤＩ装置の構成の一例を示す図である。第３の実施形態のＥＤＩ装置の構成の別の例を示す図である。

　次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

　［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態のＥＤＩ装置（電気式脱イオン水製造装置）の構成を示している。図１に示すＥＤＩ装置は、陽極室（Ｅ＋）２１、濃縮室（Ｃ）２２，２４、脱塩室（Ｄ）２３及び陰極室（Ｅ－）２５とからなる本体部１０と、本体部１０の各室、すなわち陽極室２１、濃縮室２２，２４、脱塩室２３及び陰極室２５に接続する配管群と、配管に設けられた調整弁５１～５６とを備えている。陽極室２１には陽極１１が設けられ、陰極室２５には陰極１２が設けられている。本体部１０において、陽極室２１と陰極室２５との間に陽極室２１の側から順に、濃縮室２２、脱塩室２３及び濃縮室２４が配置している。陽極室２１と濃縮室２２とはカチオン交換膜３１によって区画されて隣接し、濃縮室２２と脱塩室２３とはアニオン交換膜３２によって区画されて隣接し、脱塩室２３と濃縮室２４とはカチオン交換膜３３によって区画されて隣接し、濃縮室２４と陰極室２５とはアニオン交換膜３４によって区画されて隣接している。カチオン交換膜３１，３３及びアニオン交換膜３２，３４は、いずれも本体部１０を構成する各室を区画するための隔膜として機能する。

　陽極１１及び陰極１２はいずれも電極であるので、本明細書においては、陽極室２１及び陰極室２５は、それらの各々を区別する必要がないときや、それらの両方を合わせて示すときに、「電極室」と記載することがある。後述するように本実施形態では、ＥＤＩ装置の水回収率の向上のために、脱塩室２３に供給されるべき供給水に対し、陽極室２１の出口水と陰極室２５の出口水の少なくとも一方を合流させる。そこで、その出口水が供給水に合流されることとなる電極室のことを「利用対象電極室」と定義する。陽極室２１の出口水と陰極室２５の出口水をそれぞれ陽極水及び陰極水と呼ぶことがある。

　図１に示すＥＤＩ装置は、脱塩室２３に供給された供給水に対して脱塩処理と溶存酸素を除去する処理とを行って処理水を生成して排出する。脱塩処理を行うために、脱塩室２３にはイオン交換体としてイオン交換樹脂が充填されている。例えばアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが複床形態または混床形態で脱塩室２３に充填される。さらに、触媒の存在下において溶存酸素を水素と反応させて水を生成することによって供給水中の溶存酸素を除去するために、脱塩室２３に充填されるイオン交換樹脂の少なくとも一部には、酸化剤分解能を有する触媒が担持されている。触媒の存在下で溶存酸素と水素から水を生成する反応は、下記の式（１）で表される。

　酸化剤分解能を有する触媒とは、式（１）で示す反応を促進する触媒であり、例えば、二酸化マンガンや酸化コバルト、酸化チタン、酸化亜鉛などの金属酸化物触媒、あるいは各種の金属触媒などが挙げられる。あるいは、溶存酸素や過酸化水素に代表される酸化剤を分解することができる酵素なども酸化剤分解能を有する触媒として使用することができる。このような酵素として、カタラーゼやペルオキシダーゼが例示される。酸化剤分解能を有する触媒として金属触媒を使用するときは、クロム、金、銀、銅、白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、ロジウムなどを好ましく使用することができる。式（１）に示す反応を高速で進行させることができるという観点から、酸化剤分解能を有する触媒として、白金やパラジウムなどの白金族金属触媒を用いることが特に好ましい。ここでいう白金族金属触媒とは、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム及び白金の中から選ばれた１つの金属からなる触媒、またはこれらの金属のうちの２種以上を含む合金からなる触媒のことである。

　ＥＤＩ装置の作動電圧を低くするために、各電極室や濃縮室２２，２４にもイオン交換体を充填することが好ましい。例えば陽極室２１にはカチオン交換樹脂が充填され、陰極室２５にはアニオン交換樹脂が充填され、濃縮室２２，２４にもアニオン交換樹脂が充填される。

　供給水を脱塩室２３に供給するために、ＥＤＩ装置の外部から供給される供給水を昇圧するポンプ１５が設けられており、ポンプ１５の二次側すなわち出口と脱塩室２３の入口との間は供給水配管６１によって接続されている。脱塩室２３の出口には処理水配管６３が接続し、脱塩室２３の出口水すなわち処理水は処理水配管６３を介して脱塩室２３から排出される。脱塩室２３での圧力を所定値に維持し、さらには脱塩室の通水量を所定値に維持するために、供給水配管６１及び処理水配管６３にはそれぞれ調整弁５１，５５が設けられている。供給水配管６１では、調整弁５１と脱塩室２３の入口との間に、後述するように陰極水を供給水に混合するための合流部８１も設けられている。合流部８１は、例えば、三方継手などによって構成されている。

　ＥＤＩ装置を運転するためには各電極室及び濃縮室２２，２４にも通水する必要がある。電極室及び濃縮室２２，２４への通水のために、調整弁５１よりも上流の位置で供給水配管６１から分岐する分岐配管６２が設けられている。またＥＤＩ装置を運転したときに脱塩室２３での脱塩処理によって供給水から除去されたイオン性不純物は濃縮室２２，２４から排出されるので、濃縮室２２，２４の出口水（すなわち濃縮水）を排水として外部に排出するための濃縮水配管６４も設けられている。濃縮水配管６４を介して排出される濃縮水はそのまま廃棄される場合が多いが、濃縮水を別途利用してもよいし、濃縮水をＥＤＩ装置の前段側に循環させてもよい。例えば、原水を逆浸透膜（ＲＯ）装置を介して処理し、逆浸透膜装置の透過水を供給水としてＥＤＩ装置に供給する場合においては、ＥＤＩ装置から排出される濃縮水を、逆浸透膜装置に供給される原水に合流させてもよい。

　陽極室２１の入口と分岐配管６２とを接続する配管６６が設けられており、配管６６を介して陽極室２１に供給水が供給され、陽極室２１の出口水すなわち陽極水は、そのまま濃縮水配管６４に流入してＥＤＩ装置の外部に排出される。配管６６には、陽極室２１への通水量を一定に維持するために調整弁５２が設けられている。同様に濃縮室２２，２４に対して供給水を供給するために、一端が分岐配管６２に接続する配管６７が設けられており、配管６７には調整弁５３が設けられている。調整弁５３の下流側の位置すなわち配管６７の他端側の位置で配管６７は２つに分岐し、これらの分岐はそれぞれ濃縮室２２，２４の入口に接続している。濃縮室２２，２４の出口水は、合流した後、調整弁５６を介して濃縮水配管６４に流入し、ＥＤＩ装置の外部に排出される。調整弁５３，５６は、濃縮室２２，２４での圧力と通水量とを所定値に維持するために設けられている。

　陰極室２５の入口と分岐配管６２とを接続する配管６８が設けられており、配管６８を介して陰極室２５に供給水が供給される。陰極室２５の出口と合流部８１とを接続する配管６９が設けられている。陰極室２５の出口水すなわち陰極水は、配管６９を介して合流部８１に送られ、合流部８１においてＥＤＩ装置の外部から供給された供給水に混合され、その後、脱塩室２３に供給される。図１に示すＥＤＩ装置では、陰極室２５が利用対象電極室である。このＥＤＩ装置では、調整弁５１よりも上流の位置において供給水配管６１から分岐配管６２が分岐し、分岐配管６２から配管６８を経て陰極室２５に供給水が供給される。したがって、調整弁５１，５４，５５を適切に設定することによって、脱塩室２３の入口での圧力よりも陰極室２５の出口での圧力の方を高くすることができ、供給水に陰極水を合流させて脱塩室２３に供給することが可能になる。すなわち、陰極水を昇圧するポンプを設けることなく、脱塩室２３に供給される供給水に陰極水を混合することができる。

　次に、図１に示したＥＤＩ装置の動作を説明する。ポンプ１５を駆動して供給水を電極室、濃縮室２２，２４及び脱塩室２３に通水し、陽極１１と陰極１２との間に直流電流を印加すると、陰極室２５では、式（２）に示す還元反応（陰極反応）が進行し、電解生成物として水素（Ｈ_２）と水酸化物イオン（ＯＨ^－）とが発生する。

　２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ → Ｈ_２↑ ＋２ＯＨ^－　　　　（２）

　生成した水酸化物イオンは、陰極室２５から排出される陰極水に含まれるとともに、陽極１１と陰極１２との間の電界によってアニオン交換膜３４を透過して濃縮室２４に移行する。生成した水素は陰極水に含まれて陰極室２５から排出され、配管６９を経て合流部８１において陰極水とともに供給水に混合される。ＥＤＩ装置に外部から供給される供給水は、溶存酸素を含むことはあっても水素をほとんど含まないが、陰極水が混合されることによって水素が添加された状態で脱塩室２３に供給される。脱塩室２３では、陽極１１と陰極１２との間の電界により一般的なＥＤＩ装置と同様に脱塩処理が進行し、供給水からイオン成分が除去される。供給水から除去されたイオン成分のうちアニオン成分は、アニオン交換膜３２を介して濃縮室２２に移行し、カチオン成分は、カチオン交換膜３３を介して濃縮室２４へ移行し、いずれのイオン成分も濃縮水としてＥＤＩ装置の外部に排出される。それと同時に脱塩室２３では、酸化剤分解能を有する触媒が存在しかつ供給水に水素が含まれているので上記の式（１）に示す反応が進行し、供給水中の溶存酸素が水素と反応することによって除去される。その結果、脱塩室２３からは、脱塩処理によってイオン成分が除去されるとともに溶存酸素も除去された処理水が排出される。

　上述したように陰極水は、水素と水酸化物イオンとを含んでおり、還元力を有するアルカリ性機能水として使用することができる。陰極水を添加することによって、陰極水が添加された水のｐＨをアルカリ側に傾けることができる。陰極水を供給水に添加することにより、供給水に水素を含有させることができるようになるほか、塩素などの酸化剤が供給水に含まれている場合に、ＥＤＩ装置に流入するそれらの酸化剤を多少なりとも中和することが可能になる。図１に示したＥＤＩ装置では、外部から調整弁５１を介して脱塩室２３に供給される供給水の流量が陰極水の流量の例えば１１倍程度以上であったとしても、その供給水中の溶存酸素を高効率で除去することができる。また図１に示したＥＤＩ装置では、陰極室２５で発生した陰極水の全量が脱塩室２３に供給されているが、還元性を有するアルカリ性機能水として陰極水をＥＤＩ装置の外部で使用するために、配管６９から分岐する配管を設けて陰極水の一部をＥＤＩ装置の外部に対して供給してもよい。

　陽極室２１では、式（３）に示す酸化反応すなわち陽極反応が進行し、電解生成物として酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）とが発生する。陽極室２１内の水に含まれる成分によっては、酸素以外に塩素（Ｃｌ_２）やオゾン（Ｏ_３）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）などの酸化性の物質が発生することがある。

　２Ｈ_２Ｏ → Ｏ_２↑ ＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－　　　　（３）

　陽極室２１において生成した水素イオンは、陽極室２１から排出される陽極水に含まれるとともに、陽極１１と陰極１２との間の電界によってカチオン交換膜３１を透過して濃縮室２２に移行する。陽極水は、酸素やその他の酸化性物質も含んでいるから、酸化力を有する酸性機能水として使用することもできる。陽極水を加えることによって、陽極水が添加された水のｐＨを酸性側に傾けることができ、例えば、供給水に含まれる硬度成分によるスケールの発生を抑制することができる。陽極室２１で発生する酸素、塩素、オゾンなどの酸化性ガスなどを脱塩室２３に導入して供給水中の微生物類の殺菌を行うこともできる。

　一般にＥＤＩ装置では、脱塩室自体を隔膜である中間イオン交換膜によって２つの小脱塩室に分割し、この２つの小脱塩室を直列に接続して通水することができる。この場合、小脱塩室の各々も１対のイオン交換膜によって区画されていることになる。本実施形態のＥＤＩ装置においても脱塩室を中間イオン交換膜によって２つの小脱塩室に分割し、一方の小脱塩室に供給水を供給し、一方の小脱塩室の出口水を他方の小脱塩室に供給するように構成することができる。他方の小脱塩室から、脱イオン水である処理水が得られる。以下では、供給水が最初に供給される方の小脱塩室を第１小脱塩室と呼び、処理水が排出される方の小脱塩室を第２小脱塩室と呼ぶ。この場合、供給水が最初に供給される第１小脱塩室において溶存酸素を除去する処理を行うことが好ましい。図２に示すＥＤＩ装置は、図１に示すＥＤＩ装置における脱塩室２３を中間イオン交換膜３５によって２つの小脱塩室２６，２７に分割し区画したものである。中間イオン交換膜３５としては例えばアニオン交換膜が使用されるが、アニオン交換膜以外にもカチオン交換膜やバイポーラ膜を使用することができる。図示される例では、中間イオン交換膜３５を挟んで陽極１１に近い側に配置される小脱塩室が第１小脱塩室（Ｄ１）２６であり、陰極１２に近い側に配置される小脱塩室が第２小脱塩室（Ｄ２）２７である。中間イオン交換膜３５を挟んで陽極１１に近い側に第２小脱塩室２７を配置し、陰極１２に近い側に第１小脱塩室を配置してもよい。

　第１小脱塩室２６及び第２小脱塩室２７のいずれにもイオン交換体が充填される。第１小脱塩室２６に充填されるイオン交換樹脂の少なくとも一部には、酸化剤分解能を有する触媒が担持されている。ポンプ１５によって昇圧された供給水は供給水配管６１から調整弁５１及び合流部８１を経て第１小脱塩室２６に供給され、第１小脱塩室２６からの出口水が第２小脱塩室２７に供給される。第２小脱塩室２７からの出口水は、脱塩処理と溶存酸素の除去処理を経た処理水であり、調整弁５５と処理水配管６３とを経てＥＤＩ装置の外部に排出される。

　図１及び図２に示した例では、１台のＥＤＩ装置に対して１台のポンプ１５が設けられてＥＤＩ装置に供給水を供給しているが、ポンプ１５として大容量のものを使用すれば、１台のポンプによって複数のＥＤＩ装置に対して供給水を供給することも可能である。複数のＥＤＩ装置を有するシステムのことをＥＤＩシステムと呼ぶこととすると、図３は、図１に示したＥＤＩ装置を２台設け、この２台のＥＤＩ装置に対して１台のポンプ１５によって供給水を供給できるようにしたＥＤＩシステムを示している。ポンプ１５の二次側に接続する供給水配管６１は、その末端が２つに分岐して分岐のそれぞれごとに調整弁５１と合流部８１が設けられている。各ＥＤＩ装置の脱塩室２３には、そのＥＤＩ装置に対応して設けられている調整弁５１と合流部８１を介して供給水が供給される。各ＥＤＩ装置の脱塩室２３の出口水すなわち処理水は、ＥＤＩ装置ごとに設けられている調整弁５５を介し、処理水配管６３を経てＥＤＩ装置の外部に排出される。

　分岐配管６２、処理水配管６３及び濃縮水配管６４は、２台のＥＤＩ装置に対して共通に設けられている。各ＥＤＩ装置は、そのＥＤＩ装置の配管６６～６８を介して分岐配管６２に接続し、図１に示すＥＤＩ装置と同様に電極室及び濃縮室２２，２４に供給水の供給を受ける。各ＥＤＩ装置の濃縮室２２，２４から排出される濃縮水は、ＥＤＩ装置ごとに合流したのちに調整弁５６を介して濃縮水配管６４を経て排水として外部に排出される。各ＥＤＩ装置の陽極室２１から排出される陽極水は、そのまま濃縮水配管６４に流入し、各ＥＤＩ装置の陰極室２５から排出される陰極水は、配管６９を介してそのＥＤＩ装置の脱塩室２３の入口側に設けられている合流部８１に送られる。

　図３に示すＥＤＩ装置は、図１に示すＥＤＩ装置を２台並列に並べた上で、供給水配管６１、分岐配管６２、処理水配管６３及び濃縮水配管６４を２台のＥＤＩ装置に対して共通に設けるようにしたものであるから、調整弁５１～５６の個数は、図１に示すＥＤＩ装置の場合の２倍となっている。ＥＤＩシステムにおいて並列に設けられるＥＤＩ装置の台数は、２台に限定されるものではなく、ポンプ１５の能力が許す限り増やすことができ、３台以上とすることが可能である。並列に設けられるＥＤＩ装置の台数が増えるにつれて、そこに設けられる調整弁の数も増加する。調整弁の数の増加を抑えるために、並列に設けられる複数のＥＤＩ装置に対して共通に調整弁を設けることもできる。図４に示すＥＤＩシステムは、図３に示すＥＤＩシステムにおいて、調整弁５１～５６を２台のＥＤＩ装置に対して共通に設けるように構成したものである。

　図４に示したＥＤＩシステムでは、ポンプ１５の二次側に接続する供給水配管６１には調整弁５１が設けられており、調整弁５１の下流側で供給水配管６１が２つに分岐して分岐のそれぞれごとに合流部８１が設けられ、各ＥＤＩ装置の脱塩室２３には合流部８１から流出する供給水が供給される。両方のＥＤＩ装置の脱塩室２３の出口水すなわち処理水は合流し、合流後、調整弁５５を介し、処理水配管６３を経てＥＤＩ装置の外部に排出される。分岐配管６２に対して配管６６が接続しており、配管６６には調整弁５２が設けられている。調整弁５２の下流側で配管６６は２つに分岐し、２つの分岐は２つのＥＤＩ装置の陽極室２１の入口にそれぞれ接続してこれらの陽極室２１に供給水を供給する。各陽極室２１の出口は濃縮水配管６４に接続されている。同様に、分岐配管６２に対して配管６７が接続しており、配管６７には調整弁５３が設けられている。調整弁５３の下流側で配管６７は４つに分岐し、４つの分岐は一方のＥＤＩ装置の濃縮室２２，２４の入口及び他方のＥＤＩ装置の濃縮室２２，２４の入口にそれぞれ接続し、これらの濃縮室２２，２４に供給水を供給する。両方のＥＤＩ装置の濃縮室２２，２４の出口からの濃縮水は、合流した後、調整弁５６を介し濃縮水配管６４を経て外部に排出される。分岐配管６２に対して配管６８が接続し、配管６８には調整弁５４が設けられている。調整弁５４の下流側で配管６８は２つに分岐し、２つの分岐は２つのＥＤＩ装置の陰極室２５の入口にそれぞれ接続してこれらの陰極室２５に供給水を供給する。各ＥＤＩ装置において、陰極室２５からの出口水すなわち陰極水は、配管６９を介し、そのＥＤＩ装置の合流部８１に送られる。図４に示したＥＤＩシステムは、調整弁５１～５６を２台のＥＤＩ装置に対して共通に設けるように構成したものであるが、１組の調整弁５１～５６を使用して３台以上のＥＤＩ装置からなるＥＤＩシステムを構成することも可能である。

　図３及び図４に示す場合と同様に、脱塩室が中間イオン交換膜３５により第１小脱塩室２６及び第２小脱塩室２７に分けられている図２に示すＥＤＩ装置を複数台設け、これらの複数台のＥＤＩ装置に対して単一のポンプ１５によって供給水を供給することもできる。図５は、図３に示すＥＤＩシステムにおいて、図１に示すＥＤＩ装置の代わりにＥＤＩ装置として図２にＥＤＩ装置を使用したものを示している。図６は、図４に示すＥＤＩシステムにおいて、図１に示すＥＤＩ装置の代わりにＥＤＩ装置として図２にＥＤＩ装置を使用したものを示している。

　第１の実施形態によれば、水素などを含んでいてこれまではＥＤＩ装置の外部に廃棄されていた陰極水をＥＤＩ装置内で再利用するので、ポンプを別途配置することなくＥＤＩ装置での水回収率を向上させることができる。さらに、濃縮水も例えばＥＤＩ装置の前段に設けられている逆浸透膜装置の入口に供給することとすれば、濃縮水も有効に利用されることとなって、ＥＤＩ装置での水回収率をより一層向上させることができる。なお、第１の実施形態において示した、脱塩室に供給されるべき供給水に陰極水を合流させる構成は、酸化剤分解能を有する触媒が脱塩室に設けられていないＥＤＩ装置、すなわち溶存酸素を除去する機能を有しないＥＤＩ装置においても、水回収率を向上させるために有用である。したがって、本発明に基づくＥＤＩ装置の範疇には、溶存酸素を除去する機能を有しないＥＤＩ装置も含まれる。

　［第２の実施形態］
　第１の実施形態のＥＤＩ装置では、陽極室２１の出口水すなわち陽極水が排水として濃縮水配管６４を介してＥＤＩ装置の外部に排出される。ＥＤＩ装置からの排水量を削減し、排水の処理コストを低減するためには、陽極水も有効利用することが好ましい。陽極室２１での通水量は脱塩室２３での通水量の例えば５～１０％とされるので陽極水の流量も処理水の流量の例えば５～１０％であり、このような流量の陽極水を排水として外部に排出しないことによって、排水量を削減して水回収率の向上を図ることができる。図７に示す第２の実施形態のＥＤＩ装置は、図１に示すＥＤＩ装置と同様のものであるが、陰極室２５からの陰極水を配管７０によって陽極室２１に供給し、陽極室２１からの陽極水を合流部８１に供給するようにした点で、図１に示すＥＤＩ装置とは異なっている。図７に示すＥＤＩ装置では、陽極室２１に供給水を供給するために分岐配管６２に接続する配管６６と配管６６に設けられる調整弁５２とは設けられておらず、陽極室２１の出口は濃縮水配管６４には接続されていない。図７に示すＥＤＩ装置では、陽極室２１が利用対象電極室である。

　図７に示すＥＤＩ装置では、図１に示すＥＤＩ装置と同様に、水素と水酸化物イオンとを含む陰極水が陰極室２５から排出され、それがそのまま陽極室２１に通水される。陽極室２１での酸化反応により酸素などの酸化性物質と水素イオンとが発生するが、陽極室２１には酸化剤分解能を有する触媒は存在しないので、陽極室２１に流入した水に含まれている水素は反応せず、陽極室２１からの陽極水にも水素は含まれたままとなる。陽極水に由来する酸化性物質が脱塩室２３に流入すると、脱塩室２３内のイオン交換樹脂が参加して劣化する恐れがあるが、ここで脱塩室２３に酸化剤分解能を有する触媒が存在すれば、その触媒によって酸化性物質が分解するので、脱塩室２３内のイオン交換樹脂の劣化を抑制することができ、あわせて供給水中の溶存酸素の除去も行うことが可能になる。本実施形態のＥＤＩ装置は、酸化剤分解能を有する触媒が脱塩室２３内に存在しないＥＤＩ装置であってもよいが、酸化剤分解能を有する触媒が脱塩室２３内に存在するＥＤＩ装置であることが好ましい。

　脱塩室が中間イオン交換膜３５により第１小脱塩室２６と第２小脱塩室２７とに区画されている場合においても、同様に、陽極水が排水として外部に排出されないようにすることができる。図８に示すＥＤＩ装置は、図２に示すＥＤＩ装置と同様のものであるが、陰極室２５からの陰極水を配管７０によって陽極室２１に供給し、陽極室２１からの陽極水を合流部８１に供給するようにした点で、図２に示すＥＤＩ装置とは異なっている。

　第２の実施形態のＥＤＩ装置においては、陰極水が陽極室に供給され、陽極室の出口水が脱塩室に循環するので、第１の実施形態のＥＤＩ装置に比べてＥＤＩ装置の水回収率をさらに向上させることができる。特に、濃縮水も例えばＥＤＩ装置の前段に設けられている逆浸透膜装置の入口に供給することとすれば、ＥＤＩ装置から排出される水は脱塩室の出口水である処理水（脱イオン水）だけとなるので、ＥＤＩ装置における水回収率を１００％とすることができる。

　［第３の実施形態］
　ＥＤＩ装置において陽極水が排水として外部に排出されないようにするための形態は、第２の実施形態に示されるものに限定されない。図９に示す本発明の第３の実施形態のＥＤＩ装置は、図１に示すＥＤＩ装置と同様のものであるが、脱塩室２３に供給水を供給する配管において調整弁５１と合流部８１の間にさらに合流部８２を設け、陽極室２１からの陽極水が配管７１を介して合流部８２に流れ、合流部８２において供給水に添加されるようにした点で、図１に示したものと異なっている。陽極室２１の出口は濃縮水配管６４には接続されない。図９に示すＥＤＩ装置では、陽極室２１と陰極室２５の両方が利用対象電極室である。図９に示すＥＤＩ装置においても、ＥＤＩ装置内に陽極水及び陰極水が循環するので、ＥＤＩ装置における水回収率を向上させることができる。また、酸化剤分解能を有する触媒が脱塩室２３に存在する場合には、合流部８１において水素を含む陰極水が添加されるので、脱塩室２３において溶存酸素の除去を行うことができる。

　脱塩室が中間イオン交換膜３５により第１小脱塩室２６と第２小脱塩室２７とに区画されている場合においても、同様に、脱塩室２３に供給される供給水に対して陽極水と陰極水とを別々に添加することができる。図１０に示すＥＤＩ装置は、図２に示すＥＤＩ装置と同様のものであるが、脱塩室２３に供給水を供給する配管において調整弁５１と合流部８１の間にさらに合流部８２を設け、陽極室２１からの陽極水が配管７１を介して合流部８２に流れ、合流部８２において供給水に添加されるようにした点で、図２に示したものと異なっている。

　以下、実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明する。

　［実施例１］
　図２に示すＥＤＩ装置を組み立てた。第１小脱塩室２６及び第２小脱塩室２７にはイオン交換樹脂が充填されるが、特に、第１小脱塩室２６には、酸化剤分解能を有する触媒であるパラジウムを担持したイオン交換樹脂を充填した。そしてポンプ１５を駆動して、電極室、濃縮室２２，２４及び第１小脱塩室２６に対して溶存酸素濃度が２２００μｇ／Ｌである供給水を供給した。供給水の流れに関して第１小脱塩室２６と第２小脱塩室２７とが直列に接続して脱塩室２３を構成しているので、第１小脱塩室２６での流量と第２小脱塩室２７での流量は等しくなる。以下の説明においてはこの流量を脱塩室２３での流量とする。陽極１１と陰極１２との間に印加される直流電流の電流値を４．０Ａとした。そして第１小脱塩室２６の入口での流量が３００Ｌ／ｈ、陽極室２１の入口での流量が５Ｌ／ｈでそれぞれ一定であり、濃縮室２２，２４の入口での流量が合計で常に３０Ｌ／ｈであるという条件の下で、供給水配管６１から調整弁５１を介して脱塩室２３（小脱塩室２６，２７）に供給される供給水の流量ａと陰極室２５から排出されて合流部８１において供給水に添加される陰極水の流量ｂとを変えて実施例１－１～１－４とした。実施例１－１～１－４の各々において、脱塩室２３からの処理水すなわち第２小脱塩室２７から排出される処理水における溶存酸素除去率を求めた。溶存酸素除去率は、処理水において、調整弁５１を介して脱塩室２３に供給される供給水に含まれる溶存酸素のどれだけが除去されたかを示す値である。結果を表１に示す。表１において流量比ａ：ｂは、調整弁５１を介して脱塩室２３（小脱塩室２６，２７）に供給される供給水の流量ａと、合流部８１において供給水に添加される陰極水の流量ｂとの比を示している。濃縮水はＥＤＩ装置の前段側に循環されるとして陽極水のみがＥＤＩ装置の外部に排出されるとすると、このときのＥＤＩ装置の水回収率は、実施例１－１～１－４のいずれにおいても９８．５％であった。

　表１に示す結果より、図２に示すＥＤＩ装置では、９８．５％という高い水回収率で安定して運転を行うことができることが分かった。また、供給水での溶存酸素濃度が２２００μｇ／Ｌと比較的高い場合であっても、流量比ａ：ｂがおおよそ１１：１かそれよりも陰極水の割合が大きいときにおいても溶存酸素除去率を９０％以上とすることができた。実施例１から、陰極水を昇圧するための別途のポンプを設けることなく、高い水回収率で、供給水中の溶存酸素を高効率で除去することができることが分かる。酸化剤分解能を有する触媒の存在下での酸素と水素との反応速度は大きいから、供給水に含まれる溶存酸素量に見合うだけの水素が脱塩室２３、特に、パラジウムを担持したイオン交換樹脂が充填されている第１小脱塩室２６に供給されるように陰極水の流量を設定することにより、供給水中の溶存酸素を高効率で除去することができる。

　［実施例２］
　図２に示したＥＤＩ装置を２台並列に設けた図５に示したＥＤＩシステムを組み立てた。各ＥＤＩ装置の第１小脱塩室２６及び第２小脱塩室２７にはイオン交換樹脂が充填されており、特に、第１小脱塩室２６には、酸化剤分解能を有する触媒であるパラジウムを担持したイオン交換樹脂を充填した。そしてポンプ１５を駆動して、電極室、濃縮室２２，２４及び第１小脱塩室２６に対して溶存酸素濃度が１６０μｇ／Ｌである供給水を実施例１の場合と同様に供給した。陽極１１と陰極１２との間に印加される直流電流の電流値を４．０Ａとした。そしてＥＤＩ装置の１台あたり、供給水配管６１から調整弁５１を介して脱塩室２３（小脱塩室２６，２７）に供給される供給水の流量ａを２６００Ｌ／ｈとし、陰極室２５から排出されて合流部８１において供給水に添加される陰極水の流量ｂを２０Ｌ／ｈとし、陽極室２１の入口での流量を１９Ｌ／ｈとし、濃縮室２２，２４の入口での流量が合計で３００Ｌ／ｈであるとして、実施例１と同様に処理水における溶存酸素除去率を求めた。結果を表１に示す。また、濃縮水はＥＤＩ装置の前段側に循環されるとして陽極水のみがＥＤＩ装置の外部に排出されるとすると、このときのＥＤＩ装置の水回収率は、９９．３％であった。これらの結果より、図２に示すＥＤＩ装置では、９９．３％という高い水回収率で安定して運転を行うことができるとともに、供給水での溶存酸素濃度が１６０μｇ／Ｌと比較的低い場合であれば、流量比ａ：ｂを１３０：１としても溶存酸素除去率を９９％以上とすることができることが分かった。すなわち、供給水に含まれる溶存酸素が少量である場合には、陰極水の添加量を小さくしても供給水中の溶存酸素を高効率で除去することができた。

　１０　　本体部
　１１　　陽極
　１２　　陰極
　１５　　ポンプ
　２１　　陽極室（Ｅ＋）
　２２，２４　　濃縮室（Ｃ）
　２３　　脱塩室（Ｄ）
　２５　　陰極室（Ｅ－）
　２６　　第１小脱塩室（Ｄ１）
　２７　　第２小脱塩室（Ｄ２）
　３１，３３　　カチオン交換膜
　３２，３４　　アニオン交換膜
　３５　　中間イオン交換膜
　５１～５６　　調整弁
　６１　　供給水配管
　６２　　分岐配管
　６３　　処理水配管
　６４　　濃縮水配管
　６６～７０．７５　　配管
　８１，８２　　合流部

Claims

　陽極が配置されて第１の隔膜で区画された陽極室と、
　陰極が配置されて第２の隔膜で区画された陰極室と、
　前記陽極室と前記陰極室との間に配置されてイオン交換体が充填された脱塩室と、
　前記脱塩室の入口に接続して昇圧された供給水を前記脱塩室に供給する第１の配管と、
　前記第１の配管に設けられた第１の調整弁と、
　前記第１の配管において前記第１の調整弁と前記脱塩室の前記入口との間の位置に設けられた合流部と、
　前記第１の調整弁よりも上流の位置で前記第１の配管から分岐して前記供給水が流れる第２の配管と、
　前記陽極室及び前記陰極室の少なくとも一方を利用対象電極室として、前記利用対象電極室の出口と前記合流部とを接続する第３の配管と、
　を有し、
　前記陽極室及び前記陰極室には前記第２の配管を介して前記供給水が供給され、
　前記利用対象電極室の出口水が前記合流部において前記供給水に混合されて前記脱塩室に供給され、
　前記陽極と前記陰極との間に直流電流が印加される、電気式脱イオン水製造装置。
　前記脱塩室に充填された前記イオン交換体の少なくとも一部に酸化剤分解能を有する触媒が担持されている、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
　前記酸化剤分解能を有する触媒が白金族金属触媒である、請求項２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
　前記利用対象電極室が前記陰極室である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
　前記第２の配管から前記利用対象電極室の入口に前記供給水を供給する経路に第２の調整弁を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
　前記脱塩室は、前記陽極に近い側に配置された第１のイオン交換膜と前記陰極に近い側に配置された第２のイオン交換膜とによって区画されるとともに、前記第１のイオン交換膜と前記第２のイオン交換膜との間に位置する中間のイオン交換核を備えて前記中間のイオン交換膜によって第１小脱塩室及び第２小脱塩室に分割され、前記第１小脱塩室及び前記第２小脱塩室のうちの一方の小脱塩室に前記供給水が供給されて当該一方の小脱塩室から流出する水が他方の小脱塩室に流入するように、前記第１小脱塩室及び前記第２小脱塩室が連通する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
　陽極が配置されて第１の隔膜で区画された陽極室と、陰極が配置されて第２の隔膜で区画された陰極室と、前記陽極室と前記陰極室との間に配置されてイオン交換体が充填された脱塩室とを有する電気式脱イオン水製造装置の運転方法であって、
　前記陽極室及び前記陰極室の少なくとも一方を利用対象電極室として、
　前記陽極と前記陰極との間に直流電流を印加しながら、ポンプによって昇圧された供給水を調整弁を介して前記脱塩室に供給するとともに、前記調整弁の上流側で分岐した前記供給水を前記陽極室及び前記陰極室に通水し、前記利用対象電極室の出口水を昇圧することなく前記調整弁の下流側で前記供給水に混合して前記脱塩室に供給する、運転方法。
　前記脱塩室に充填された前記イオン交換体の少なくとも一部に酸化剤分解能を有する触媒が担持されている、請求項７に記載の運転方法。
　前記調整弁を介して前記脱塩室に供給される前記供給水の流量を、前記供給水に混合される前記利用対象電極室の出口水の流量の１１倍以上とする、請求項７または８に記載の運転方法。
　前記利用対象電極室が前記陰極室である、請求項９に記載の運転方法。