JP2010125353A - 軟水化方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極材料の消耗を抑制することによって、装置の維持管理コストを低減可能にする、軟水化方法及びその装置を提供する。
【解決手段】対向する電極間に被処理水を流し、電極間に直流電圧を印加して、被処理水中の金属イオンをカソード側の電極に電解析出させることを含む、被処理水の軟水化方法において、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極を少なくともアノード側の電極に使用する。また、被処理水を受け入れて排出する電解槽と、電解槽内に設置されている第一電極と、電解槽内で第一電極と所定間隔をおいて設置されている第二電極と、第一電極と第二電極の間に直流電圧を印加する直流電源とを備え、第一電極と第二電極のうち少なくともアノード側の電極となる電極が、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極である、軟水化装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気分解により被処理水を軟水化する方法及びその装置に関する。更に詳しくは、電気分解により被処理水中のイオンを電極表面又はその近傍に析出させることを含む、軟水化方法及びその装置に関する。

対向する電極板を備えた電解槽内に被処理水を供給し、電極板間に直流電圧を印加して、被処理水中の陽イオン及び陰イオンを電極板の表面で酸化又は還元して除去することを含む、被処理水を軟水化する方法及びそのような装置が知られている。

そのような装置を長期間運転すると、被処理水中に含まれるアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、イオン状シリカなどの成分が、スケールとしてカソード側の電極板表面に析出し付着して次第に電流が流れなくなり、被処理水の軟水化が困難になる場合があった。

そのため、従来は、カソード側の電極板表面に付着したスケールが一定量以上になって電流が流れにくくなったときに、電極板を電解槽から取り外し、電極板表面からスケールを物理的に除去し、電極板を再び電解槽に取り付けていた。しかしながら、これらの一連の作業は手間がかかり、装置の維持管理にかなりのコストがかかるという問題があった。

そのような問題に対処するため、電極板として純チタン板を使用し、電極板間に印加される電圧の極性を定期的に反転することにより、電極板表面に付着しているスケールを自動的に剥落させることが可能な軟水化装置が提案されている(特許文献１）。

純チタン電極板を用いた電気分解により被処理水を処理する場合、アノード側の電極表面に陽極酸化被膜（ＴｉＯ₂）が次第に生成する。この陽極酸化被膜は、アノード側の電極の過電圧が高いほど生成しやすい。また、一般に電極板間に約１５〜１８Ｖの電圧が印加されると、生成した陽極酸化被膜が絶縁破壊されて電極表面から剥落する。このように、純チタン電極板は装置の運転に伴って消耗するため、定期的に新品の電極と交換する必要があった。また、電極板として、Ｐｔなどの高価な貴金属材料や、Ａｌ、ＳＵＳ、Ｆｅなどのすぐに消耗する材料を使用する場合も、純チタン板を用いた場合と同様に、電極板自体のコストや装置の維持管理に関連するコストの低減が困難であった。

国際公開ＷＯ２００８／０１８３１６号パンフレット

本発明は、電極材料の消耗を抑制することによって電極材料や装置の維持管理に関連するコストを低減し、効率的に被処理水の軟水化処理を行うことを可能にする、軟水化方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様によれば、対向する電極間に被処理水を配置し、電極間に直流電圧を印加して、被処理水中の金属イオンをカソード側の電極に電解析出させることを含む、被処理水の軟水化方法であって、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極を少なくともアノード側の電極に使用することを特徴とする、被処理水の軟水化方法が提供される。

本発明の他の実施態様では、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極をカソード側とアノード側の両方の電極に使用し、電極間に印加する電圧の極性を所定時間毎に反転させてもよい。

本発明の他の実施態様では、電極間に流す電流がアノード側の電極の単位面積１ｍ²当たり０．１〜３０Ａであってもよい。

本発明の他の実施態様では、電極間に流す電流が定電流であってもよい。

本発明の他の実施態様では、被処理水の電気伝導率が所定値Ａより高い場合は、電極間に流す電流を増加させ、被処理水の電気伝導率が所定値Ｂより低い場合は、電極間に流す電流を減少させ、所定値Ａと所定値ＢをＡ≧Ｂの関係としてもよい。このとき、被処理水の電気伝導率の所定値Ａを３０〜１５０ｍＳ／ｍ、所定値Ｂを３０〜１５０ｍＳ／ｍとすることが好ましい。

また、本発明の一実施態様によれば、被処理水を受け入れて排出する電解槽と、電解槽内に設置されている１又は複数の第一電極と、電解槽内で第一電極と所定間隔をおいて設置されている１又は複数の第二電極と、第一電極と第二電極の間に直流電圧を印加する直流電源とを備える軟水化装置であって、第一電極と第二電極のうち少なくともアノード側の電極となる電極が、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極であることを特徴とする、軟水化装置が提供される。

本発明の他の実施態様では、第一電極及び第二電極の両方が、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極であって、軟水化装置が、第一電極と第二電極の間に印加されている電圧の極性を所定時間毎に反転させる極性切替装置を更に備えてもよい。

本発明の他の実施態様では、直流電源が、アノード側の電極の単位面積１ｍ²当たり０．１〜３０Ａの定電流を流すことが可能な直流安定化電源であってもよい。

本発明の他の実施態様では、軟水化装置が、被処理水の電気伝導率を計測する電気伝導率計と、電気伝導率計によって得られた電気伝導率が所定値Ａより高い場合は、直流電源の出力電圧を高くして電極間を流れる電流を増加させ、電気伝導率計によって得られた電気伝導率が所定値Ｂより低い場合は、直流電源の出力電圧を低くして電極間を流れる電流を減少させ、所定値Ａと所定値ＢをＡ≧Ｂの関係とする、電流制御装置とを備えていてもよい。このとき、被処理水の電気伝導率の所定値Ａを３０〜１５０ｍＳ／ｍ、所定値Ｂを３０〜１５０ｍＳ／ｍとすることが好ましい。

本発明によれば、ニッケルを含有するチタン系合金を電極として使用することにより、被処理水中のスケール成分の除去能力を純チタン電極と同等に維持しながら、絶縁破壊により失われる電極材料の量を純チタン電極と比べて非常に減らすことができる。従って、本発明によれば、電極の寿命を大幅に延ばすことができ、電極材料自体のコスト及び軟水化装置の維持管理（例えば電極交換作業）に関するコストを大幅に削減できる。

特に、電流密度の大きい条件では、従来の純チタン電極が絶縁破壊によって大量に失われるのに対し、ニッケル含有チタン系合金電極はほとんど減少しない。従って、本発明によれば、従来の軟水化装置では実現が困難であった運転条件、すなわち電流密度の大きい運転条件を用いて、軟水化処理の速度を高めることができる。

また、本発明によれば、ニッケル含有チタン系合金電極は、純チタン電極と比べて電気分解に要する電圧が低いため、軟水化処理に必要な消費電力を低減できる。

また、必要に応じて、電極間に印加された電圧の極性を反転させることにより、カソード側の電極表面に付着したスケールをメンテナンスフリーで除去することもできる。このようにして、軟水化装置の維持管理コスト、特に作業者によるスケール除去作業に関するコストをさらに削減することができる。

また、電極間に印加された電圧の極性を所定時間毎に反転させる場合、対向する両方の電極について、陽極酸化被膜の絶縁破壊に由来する電極の消耗量を同程度にできるため、電極材料をさらに有効に利用できる。

また、必要に応じて、被処理水の電気伝導率を監視しながら軟水化処理を行うことにより、軟水化処理を効率的に行いつつ電極の消耗をさらに抑制できる。例えば、被処理水の電気伝導率が所定値Ａより高くなった場合は、軟水化処理を促進するのに必要な電流が被処理水中に流れることを確実にし、一方で被処理水の電気伝導率が所定値Ｂより低くなった場合は、電極間を流れる電流を減少させて電極の消耗を抑制し消費電力を低減できる。

なお、上述の記載は、本発明の全ての実施態様及び本発明に関する全ての利点を開示したものとみなしてはならない。

以下、図を参照しながら、本発明の代表的な実施態様を例示する目的でより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施態様に限定されない。

図１は、本発明の一実施態様による軟水化装置１０の概略図である。軟水化装置１０は電解槽１２と、電解槽１２の中に収容された電極ユニット１４と、電極ユニット１４に直流電流を供給する直流電源１６と、制御盤１７とを備えている。

電解槽１２は箱状の容器からなり、電解槽１２の底部１８で電解槽１２の側部に近い位置には給水ポンプ２０を介して原水（被処理水）を「ＩＮ」と示された配管から受け入れる給水口２２が設けられている。電解槽１２及び給水ポンプ２０の大きさ（容量）は供給される原水の量に応じて設計される。

電極ユニット１４は、所定間隔をおいて交互に配置された、１又は複数の第一電極及び１又は複数の第二電極から構成される。電極ユニット１４の第一電極及び第二電極はそれぞれ、板状、丸棒状、角棒状など任意の形状とすることができる。一般に使用される角形の電解槽に収容しやすいことや単位質量当たりの有効処理面積が大きいことなどから、板状電極を使用することが好ましい。電極ユニット１４の大きさは、必要とされる軟水化処理能力に応じて設計される。

図２は、本発明の一実施態様による、複数の板状電極２４、２６から構成される電極ユニット１４の概略図を示す。電極ユニット１４は、複数の板状の第一電極２４と複数の板状の第二電極２６とから構成され、第一電極２４と第二電極２６は所定間隔をおいて交互に平行に配置されている。

図２では、電極ユニット１４の第一電極２４は直流電源１６の正極側の出力端子に接続され、第二電極２６は直流電源１６の負極側の出力端子に接続されており、直流電源１６によって、第一電極と第二電極との間に直流電圧が印加される。

本発明によれば、少なくともアノード側の電極に、チタンをベースとしてニッケルを約０．１〜約５質量％、好ましくは約０．２〜約３質量％、より好ましくは約０．３〜約２質量％含有するチタン系合金を使用する。ニッケルの含有量が約５質量％を超えると、合金時の温度によっては、ニッケル含有チタン合金の相が電気分解活性を示すβＴｉからαＴｉへ変化して、軟水化処理を行うのに適当な電気分解活性を示さなくなり、一方でニッケルの含有量が約０．１質量％より少ないと、陽極酸化被膜の生成を十分に抑制できなくなる。ニッケル含有チタン系合金は、チタンをベースとしてニッケルのみを含有するチタン−ニッケル二元系合金であることが好ましい。ニッケル含有チタン系合金電極を使用すると、アノード側の電極表面における陽極酸化被膜の生成が抑制されるため、陽極酸化被膜の絶縁破壊及び剥落による電極の消耗を低減できる。また、陽極酸化被膜の抵抗に起因する電圧降下が小さくなるため電極間に印加する電圧を低くでき、結果的に消費電力を低減できる。

チタン−ニッケル合金の特性（例えば状態図）及び製造方法は、例えば、Max Hansen and Kurt Anderko, "Constitution of Binary Alloys", McGraw-Hill Book Co., New York (1958) に、多数の引用文献と併せて記載されている。

本発明の他の実施態様による軟水化装置は、第一電極と第二電極の間に印加されている電圧を反転させる、極性切替装置（不図示）をさらに備えていてもよい。この極性切替装置は、所定時間毎に極性反転を行う動作機構を備えていてもよい。この場合、第一電極及び第二電極はいずれも、交互にアノード側の電極及びカソード側の電極として機能するため、両方の電極が、ニッケルを約０．１〜約５質量％、好ましくは約０．２〜約３質量％、より好ましくは約０．３〜約２質量％含有するチタン系合金電極であることが好ましい。

直流電源１６は、アノード側となる電極の単位面積１ｍ²当たり約０．１〜約３０Ａの定電流を流すことが可能な直流安定化電源とすることができる。この場合、電極を板状としてもよく、図２に示すようにそれらの表面を対向させることにより、電極間の電流密度分布をより均一にできる。

電解槽１２の側部２８と電極ユニット１４の間で、給水口２２の反対側になる場所には２枚の平行なオーバーフロー仕切り３０が上下に若干ずれた状態で略垂直に所定間隔をおいて設置されている。電解槽１２の側部２８で、オーバーフロー仕切り３０が設けられている側の上方には軟水化処理された水を流出させる流出口３２が設けられている。

電解槽１２の側部２８とオーバーフロー仕切り３０の間で、流出口３２の近くには被処理水の電気伝導率を測定する電気伝導率計３４が設置されている。電気伝導率計３４によって測定された被処理水の電気伝導率を、例えば制御盤１７にデータとして送って、直流電源１６から供給される電流を制御するために利用してもよい。例えば、本発明の一実施態様によれば、被処理水の電気伝導率が所定値Ａより高い場合は、直流電源の出力電圧を高くして電極間を流れる電流を増加させ、被処理水の電気伝導率が所定値Ｂ（Ａ≧Ｂ）より低い場合は、直流電源の出力電圧を低くして電極間を流れる電流を減少させるように、直流電源１６の出力を制御することが可能な、電流制御装置（不図示）をさらに設けることができる。

電解槽１２の上部にはフロートスイッチ３６が設置されている。受けタンク４４の濾過部６０にスケール７０が蓄積して、電解槽１２から流出口３２を介して流出する水の抵抗が上昇した場合、フロートスイッチ３６が作動して制御盤１７に信号が送られる。

電解槽１２の下方には電解槽１２で軟水化処理した水を一時的に蓄える受けタンク４４が設けられ、流出口３２は流出配管４６を介して受けタンク４４につながっている。受けタンク４４の近傍には受けタンク４４に収容された処理水（軟水）を排出する排出ポンプ４８が設置されている。受けタンク４４内には、処理水（軟水）の水面が所定高さに到達したときに、排出ポンプ４８を作動させて受けタンク４４内の処理水を排出するためのフロートスイッチ５０が設けられている。

電解槽１２の底部１８の中央付近には堆積したスケールを排出させる排出口５２が設けられている。電解槽１２の底部１８は排出口５２に向けて低くなるように傾斜し、その傾斜角αは一般に約２５度〜約３５度とすることができる。

排出口５２の下方には排出装置５４が設けられている。排出装置５４は開閉装置である排出バルブ及び排出用タイマーを備えており、排出用タイマーによって、堆積したスケールを排出するタイミング及び排出バルブの開放時間が制御される。

排出装置５４の出側は別の配管に接続されることなく開放状態になっており、排出装置５４の直下で受けタンク４４の上方には電解槽１２内部の水とともに排出されたスケール７０を分離する濾過部６０が設けられている。

排出装置５４の排出能力は電解槽１２の大きさに応じて設定される。例えば、電解槽１２に水が所定高さまで入れられていて排出バルブ５６が全開状態になったときに排出される水の最大流量が約３０リットル／分以上となるように、排出装置５４を設定してもよい。

次に、図３を参照しながら、本発明の一実施態様による軟水化方法を説明する。図３は本発明の一実施態様による軟水化装置の制御機構の説明図である。

最初に被処理水の流れを説明する。給水ポンプ２０を作動させると、図中、「ＩＮ」と示された配管から原水（被処理水）が電解槽１２の給水口２２から電解槽１２の内部に供給される。供給された被処理水は電極ユニット１４を浸漬する。低い方のオーバーフロー仕切り３０の上端から溢れた処理水（軟水）は、２枚のオーバーフロー仕切り３０の間を通って、流出口３２から電解槽１２の外部に流出し、流出配管４６を介して受けタンク４４に入る。

受けタンク４４のフロートスイッチ５０は、処理水（軟水）の水面が所定高さに到達したときにスイッチが入るように設定してある。受けタンク４４の処理水（軟水）の水面がその設定した高さになると、フロートスイッチ５０が入って排出ポンプ４８が作動し、受けタンク４４中の処理水（軟水）は排出ポンプ４８によって「ＯＵＴ」と示された配管を通って排出される。

電解槽１２に被処理水が満たされた状態で直流電源１６をオンにすると、アノード側の電極に正電圧が印加され、カソード側の電極に負電圧が印加される。その結果、それら電極間に配置された被処理水中に含まれているカルシウムイオン、マグネシウムイオンなどの金属イオンおよびイオン状シリカは、例えば、カソード側の電極に引き寄せられてその表面で還元される、カソード側の電極近傍のｐＨが高いために飽和濃度に達するなど、様々な機構によりカソード側の電極の表面又は表面近傍にスケールとして析出する。その結果、被処理水に含まれるこれらのイオンは次第に減少する。

アノード側の電極とカソード側の電極の間に電流を流すと、アノード側の電極表面に陽極酸化被膜が生成して電極表面の抵抗値が上昇する。陽極酸化被膜は、ある程度の電圧が印加されると絶縁破壊して剥落し、その結果、アノード側の電極が消耗する。また、陽極酸化被膜の抵抗により電圧降下が生じるため、電極間に印加する電圧を高める必要が生じる場合もある。本発明では、少なくともアノード側の電極に、チタンをベースとしてニッケルを約０．１〜約５質量％、好ましくは約０．２〜約３質量％、より好ましくは約０．３〜約２質量％含有するチタン系合金電極を使用することにより、このような陽極酸化被膜の生成を最小限に留めることができる。このように、本発明によれば、陽極酸化被膜の絶縁破壊及び剥落による電極の消耗を低減でき、電極間に印加する電圧を低くして消費電力を低減できる。

ニッケル含有チタン系合金電極をカソード側とアノード側の両方の電極に使用し、電極間に印加する電圧の極性を所定時間毎に反転させてもよい。電圧の極性反転は、上述したような極性切替装置を用いて行うことができる。印加電圧の極性反転を行うと、反転前にカソード側の電極であった、スケールが表面に付着した電極がアノード側の電極となり、上述したような陽極酸化被膜の絶縁破壊及び剥落と同時にスケールが電極表面から除去される。そのため、軟水化装置を運転しながら電極表面からのスケール除去を行うことができ、スケール除去に関するメンテナンス作業が不要になる。また、電極の消耗は主に陽極酸化被膜の絶縁破壊及び剥落に起因するため、印加電圧の極性反転を行うと、対向する両方の電極の消耗を同程度に調節できて電極材料をさらに有効に使用できる。

アノード側となる電極の単位面積１ｍ²当たり約０．１〜約３０Ａの電流、好ましくは約０．５〜約２５Ａの電流を電極間に流してもよい。アノード側の電極の単位面積（１ｍ²）当たりの電流、すなわちアノード側の電極表面における電流密度が約０．１Ａ／ｍ²未満では被処理水を十分に軟水化できず、一方で約３０Ａ／ｍ²を超えると電極が腐食して過度に消耗する。また、この場合に電極を板状にしてもよい。電極を板状にすると、電極間の電流密度分布がより均一になり、軟水化処理を電極ユニット全体で均一に行うことができる。

電極間に流す電流を定電流としてもよい。定電流の供給は、上述したような直流安定化電源を用いて行うことができる。このようにすると、アノード側の電極表面での陽極酸化被膜の生成量にかかわらず、軟水化処理を一定速度で行うことができる。

電気分解による被処理水の軟水化処理を継続すると、カソード側の電極の表面又は表面近傍にスケールが析出し、その一部は電解槽１２の底部１８に泥状物質として次第に堆積する。また、上述したように、電極間に印加する電圧の極性を所定時間毎に反転させて、スケールの付着している電極表面の陽極酸化被膜を絶縁破壊した場合も、剥落したスケールが同様に底部１８に堆積する。被処理水の供給速度、スケールの堆積速度などに合わせて動作タイミングと開放時間が予め設定された排出用タイマー５８によって、その設定した作動タイミングで排出バルブ５６が開放し、電解槽１２内の処理水（軟水）は底部１８に堆積していたスケールとともに排出される。

排出された処理水（軟水）中のスケールは濾過部６０で濾過されて除かれ、処理水は受けタンク４４に入る。排出用タイマー５８に設定された開放時間が経過した時点で排出バルブは閉止し、電解槽１２が再び被処理水で満たされる。濾過部６０に残されたスケールはある程度溜まった時点で順次搬出除去される。

電解槽１２の流出口の近くに設置されている電気伝導率計３４は、被処理水の電気伝導率を常時計測している。被処理水の電気伝導率が所定値以上になった場合、警報装置３８が作動して、警報ランプ４０を点灯させ警報ブザー４２を鳴らす。

電気伝導率計３４を使用して被処理水の電気伝導率を測定し、被処理水の電気伝導率が所定値Ａより高い場合は、電極間を流れる電流を増加させ、被処理水の電気伝導率が所定値Ｂより高い場合は、電極間を流れる電流を減少させてもよい。このような制御は、上述したような電流制御装置によって行うことができる。所定値Ａと所定値ＢはＡ≧Ｂの関係にある。所定値Ａと所定値Ｂはそれぞれ、上述した関係（Ａ≧Ｂ）を満たしつつ、約３０〜約１５０ｍＳ／ｍ、好ましくは約５０〜約１００ｍＳ／ｍとすることができる。このようにすると、軟水化処理を効率的に行いつつ電極の過度の消耗を抑えることができる。

電解槽１２の上部のフロートスイッチ３６は、流出口３２から流出する水の抵抗を利用して濾過部６０に溜まっていくスケールの量を監視している。水の流出抵抗が所定値以上になると、フロートスイッチ３６が電解槽１２の水面の上昇を感知して警報装置３８に信号を送り、警報装置３８が警報ランプ４０を点灯させ警報ブザー４２を鳴らす。

例１：電極材料の比較
大きさが２０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ２ｍｍの、純Ｔｉ電極（ＪＩＳ２種）２枚又はＴｉ−Ｎｉ電極（Ｔｉ ９９．５％−Ｎｉ ０．５％）２枚を用いて電極ユニット１４を構成し、ガルバノスタットを直流電源１６として用いて、定電流（電流密度５Ａ／ｍ²）で被処理水の電気分解を行った。電極の間隔は３０ｍｍとした。被処理水として、５０ｍＭ Ｎａ₂ＳＯ₄＋１０ｍＭ ＮａＣｌ水溶液２００ｍＬを用いた。１時間ごとに印加電圧の極性を反転させて槽電圧及び両側の電極電位を測定した。結果を表１に示す。

表１の結果から、純Ｔｉ電極の槽電圧及び抵抗過電圧はそれぞれ約１０Ｖ及び約０．２Ｖであり、Ｔｉ−Ｎｉ電極の槽電圧及び抵抗過電圧はそれぞれ約４Ｖ及び約０．０３Ｖであった。陽極酸化被膜（ＴｉＯ₂）に由来する抵抗過電圧は、Ｔｉ−Ｎｉ電極の方が純Ｔｉ−Ｎｉ電極よりも一桁小さい。また、アノード側の電極の過電圧も、Ｔｉ−Ｎｉ電極の方がＴｉ電極よりも大幅に低い。従って、Ｔｉ−Ｎｉ電極を使用すると、アノード側の電極の過電圧を低くできることも同時に寄与して、電極表面における陽極酸化被膜の生成が効果的に抑制できる。また、槽電圧は純Ｔｉ電極の約３７％であったため、Ｔｉ−Ｎｉ電極を使用することにより消費電力も削減できる。

例２：クーリングタワー循環水の電気分解
大きさが１００ｍｍ×１１５ｍｍ、厚さ２ｍｍの、純Ｔｉ電極（ＪＩＳ２種）２枚又はＴｉ−Ｎｉ電極（Ｔｉ ９９．５％−Ｎｉ ０．５％）２枚を用いて電極ユニット１４を構成し、直流電源１６として直流安定化電源を用いて、定電流（電流密度３Ａ／ｍ²）で被処理水の電気分解を２４時間行った。電極の間隔は３０ｍｍとした。被処理水として、２０冷凍トンのクーリングタワーで電気伝導率が６８ｍＳ／ｍまで上昇した循環水２Ｌを用いた。被処理水の電気伝導率及び電極間の印加電圧の経時変化を測定し、軟水化処理後の水質分析、電極消耗量の測定、沈殿成分の蛍光Ｘ線分析を行った。結果を図４〜図６及び表２〜表３に示す。

図４に示すように、Ｔｉ−Ｎｉ電極を用いて２４時間電気分解を行った後の電気伝導率の低下量は、純Ｔｉ電極を用いた場合とほとんど同じであった。しかしながら、Ｔｉ−Ｎｉ電極では電気分解開始後１６〜１７時間で一定値（約５０ｍＳ／ｍ）に到達したのに対し、純Ｔｉ電極の場合は同程度の値に到達するのに２３〜２４時間を要している。このことから、被処理水中のイオン成分を電解析出する速度はＴｉ−Ｎｉ電極の方が優れていることが分かる。また、Ｔｉ−Ｎｉ電極を用いた場合の電気伝導率は、電気分解開始後１６時間以降、５０ｍＳ／ｍ近辺を僅かに上下しながら推移している。この現象について、カソード側の電極表面に析出し付着したスケールによって電気分解が阻害されることが、原因の１つとして想定される。従って、印加電圧の極性を反転し、電極表面の陽極酸化被膜を絶縁破壊することによってスケールを剥落させれば、更に電気分解を継続して行うことが可能であると予想される。

表２に示すように、イオン成分の除去量は、陰イオンについては純Ｔｉ電極の方が多く、陽イオンについてはＴｉ−Ｎｉ電極の方が多いという違いはあるものの、全体として同程度であった。ここで全硬度とは、水中の硬度成分の合計を意味し、全成分量とは、陽イオン及び陰イオンの合計を意味し、除去量とは、処理前の全成分量から処理後の全成分量を引いた値を意味する。

表３に示すように、Ｔｉ−Ｎｉ電極を用いた場合の電極消耗量は、純Ｔｉ電極の約１／５であった。このことから、Ｔｉ−Ｎｉ電極は、純Ｔｉ電極の少なくとも約５倍の寿命を有しており、電極材料に関するコストの低減が可能であることが分かる。図５に示すように、反応容器に沈殿した成分の蛍光Ｘ線分析結果からも、Ｔｉ−Ｎｉ電極を使用した場合はＴｉ成分が沈殿成分にほとんど含まれていないことが分かる。なお、図５では、沈殿成分中の各イオン種の質量を百分率（質量％）で示している。

この例では、直流安定化電源から定電流が供給されているため、アノード側の電極表面に生成される陽極酸化被膜が、電極間の電圧に少なくとも部分的に影響する。図６に示すように、純Ｔｉ電極を用いた場合の電圧は約６Ｖから約１８Ｖまで徐々に増加しながら推移する一方、Ｔｉ−Ｎｉ電極を用いた場合の電圧は約５Ｖから約１３．５Ｖで推移した。従って、この例では、Ｔｉ−Ｎｉ電極の消費電力は純Ｔｉ電極の約７５％と見積もることができ、Ｔｉ−Ｎｉ電極を使用することにより消費電力を低減することが可能である。

例３：大電流密度条件での電気分解
電流密度２０Ａ／ｍ²の定電流を直流安定化電源から供給した以外は例２と同様にして、被処理水の電気分解を行った。電極消耗量の測定を行った結果を表４に示す。

表４に示すように、電流密度を２０Ａ／ｍ²に上げてもＴｉ−Ｎｉ電極はほとんど消耗しないのに対し、純Ｔｉ電極はアノード側の電極表面に生成する陽極酸化被膜の絶縁破壊を繰り返して著しく消耗する。このことから、電流密度の大きい運転条件下での電極の寿命について、Ｔｉ−Ｎｉ電極は純Ｔｉ電極と比べて特に優れている。

本発明は、飲料水、ボイラーなどの蒸気発生装置用の水、射出成型装置などの金型冷却用の水、電気温水器・加湿器・誘導加熱炉などの電気加熱システムに使用される水、純水製造装置に供給される水（原水）、クーリングタワー用循環水、チラー用循環水、冷温水器用循環水、ヒートポンプ式給湯器の補給水、ガス・石油給湯器の補給水、２４時間風呂の水、プールの水、人工池の水などの軟水化に適用できる。

本発明の一実施態様による軟水化装置の概略図である。 本発明の一実施態様による、複数の板状電極から構成される電極ユニットの概略図である。 本発明の一実施態様による軟水化装置の制御機構の説明図である。 純チタン電極を用いた場合及びチタン−ニッケル合金電極を用いた場合の電気伝導率の推移を示すグラフである。 純チタン電極を用いた場合及びチタン−ニッケル合金電極を用いた場合の沈殿成分の分析結果を示す棒グラフである。 純チタン電極を用いた場合及びチタン−ニッケル合金電極を用いた場合の、電極間の印加電圧の推移を示すグラフである。

符号の説明

１０ 軟水化装置
１２ 電解槽
１４ 電極ユニット
１６ 直流電源
１７ 制御盤
１８ 底部
２０ 給水ポンプ
２２ 給水口
２４ 第一電極
２６ 第二電極
２８ 側部
３０ オーバーフロー仕切り
３２ 流出口
３４ 電気伝導率計
３６ フロートスイッチ
３８ 警報装置
４０ 警報ランプ
４２ 警報ブザー
４４ 受けタンク
４６ 流出配管
４８ 排出ポンプ
５０ フロートスイッチ
５２ 排出口
５４ 排出装置
５６ 排出バルブ
５８ 開閉用タイマー
６０ 濾過部
７０ スケール

Claims (11)

1. 対向する電極間に被処理水を配置し、該電極間に直流電圧を印加して、該被処理水中の金属イオンをカソード側の電極に電解析出させることを含む、被処理水の軟水化方法であって、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極を少なくともアノード側の電極に使用することを特徴とする、被処理水の軟水化方法。
2. ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極をカソード側とアノード側の両方の電極に使用し、前記電極間に印加する電圧の極性を所定時間毎に反転させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記電極間に流す電流がアノード側の電極の単位面積１ｍ²当たり０．１〜３０Ａであることを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. 前記電極間に流す電流が定電流であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記被処理水の電気伝導率が所定値Ａより高い場合は、前記電極間に流す電流を増加させ、前記被処理水の電気伝導率が所定値Ｂより低い場合は、前記電極間に流す電流を減少させ、該所定値Ａと該所定値ＢがＡ≧Ｂの関係であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
6. 前記被処理水の電気伝導率の前記所定値Ａが３０〜１５０ｍＳ／ｍであり、前記所定値Ｂが３０〜１５０ｍＳ／ｍであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 被処理水を受け入れて排出する電解槽と、該電解槽内に設置されている１又は複数の第一電極と、該電解槽内で該第一電極と所定間隔をおいて設置されている１又は複数の第二電極と、該第一電極と該第二電極の間に直流電圧を印加する直流電源とを備える軟水化装置であって、該第一電極と該第二電極のうち少なくともアノード側の電極となる電極が、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極であることを特徴とする、軟水化装置。
8. 前記第一電極及び前記第二電極の両方が、ニッケルを０．１〜５質量％含有するチタン系合金電極であり、前記第一電極と前記第二電極の間に印加されている電圧の極性を所定時間毎に反転させる極性切替装置を更に備えることを特徴とする、請求項７に記載の軟水化装置。
9. 前記直流電源が、アノード側の電極の単位面積１ｍ²当たり０．１〜３０Ａの定電流を流すことが可能な直流安定化電源であることを特徴とする、請求項７又は８のいずれかに記載の軟水化装置。
10. 前記被処理水の電気伝導率を計測する電気伝導率計と、該電気伝導率計によって得られた電気伝導率が所定値Ａより高い場合は、前記直流電源の出力電圧を高くして前記電極間を流れる電流を増加させ、該電気伝導率計によって得られた電気伝導率が所定値Ｂより低い場合は、前記直流電源の出力電圧を低くして前記電極間を流れる電流を減少させ、該所定値Ａと該所定値ＢをＡ≧Ｂの関係とする、電流制御装置とを備えていることを特徴とする、請求項７又は８のいずれかに記載の軟水化装置。
11. 前記被処理水の電気伝導率の前記所定値Ａが３０〜１５０ｍＳ／ｍ、前記所定値Ｂが３０〜１５０ｍＳ／ｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の軟水化装置。

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