JP2013013830A - 電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップを抑えながら、電極水として被処理水を用いた場合に発生する問題を解消する電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法を提供する。
【解決手段】陽極室Ｅ１と陰極室Ｅ２とからなる電極室Ｅ１，Ｅ２と、カチオン交換膜ｃ１，ｃ２と陰極室Ｅ２側で隣接し、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１と、アニオン交換膜ａ１，ａ２と陽極室Ｅ１側で隣接し、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室Ｄ２，Ｓ２と、を有し、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１とアニオン脱塩室Ｄ２，Ｓ２とは、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１を流出して少なくともカチオン成分が除去された中間処理水の一部がアニオン脱塩室Ｄ２，Ｓ２に流入するように連通され、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１と電極室Ｅ１，Ｅ２とは、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１を流出した中間処理水の他の一部が電極室Ｅ１，Ｅ２に流入するように連通されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法に関する。

脱イオン水の製造装置として、イオン交換体に被処理水を通水して脱イオンを行う製造装置が知られている。この装置ではイオン交換体のイオン交換基が飽和して脱塩性能が低下したときに、酸やアルカリといった薬剤によって再生を行う必要がある。すなわち、イオン交換基に吸着した陰イオンや陽イオンを、酸あるいはアルカリ由来のＨ⁺、ＯＨ^-と置き換える処理が必要となる。近年、このような運転上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が不要な電気式脱イオン水製造装置が実用化されている。

電気式脱イオン水製造装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせた装置である。電気式脱イオン水製造装置は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との間にイオン交換体を充填し主脱塩室とし、アニオン交換膜およびカチオン交換膜の外側に各々濃縮室を設け、さらにその外側に陽極を備える陽極室と、陰極を備える陰極室と、を配置した装置である。

電気式脱イオン水製造装置により脱イオン水（処理水）を製造するには、電極に直流電圧を印加した状態で主脱塩室に被処理水を通水する。被処理水中のイオン成分は脱塩室内のイオン交換体で吸着され、脱イオン化（脱塩）処理が行われる。脱塩室ではまた、印加電圧によって異種イオン交換体の界面、すなわち、脱塩室のアニオン交換体とカチオン交換体の界面で水の解離反応が起こり、水素イオンと水酸化物イオンが発生する（Ｈ₂Ｏ→Ｈ⁺＋ＯＨ^-）。イオン交換体に吸着されたイオン成分はこの水素イオンおよび水酸化物イオンと交換されて、イオン交換体から遊離する。遊離したイオン成分はイオン交換膜まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて、濃縮室を流れる濃縮水に排出される。このように、電気式脱イオン水製造装置では、水素イオンおよび水酸化物イオンが、イオン交換体を再生する酸、アルカリの再生剤として連続的に作用する。このため、薬剤による再生は基本的に不要であり、薬剤によるイオン交換体の再生を行わずに連続運転ができる。

ところで、上述の電気式脱イオン水製造装置の陽極室および陰極室では、水の電気分解（電極反応）が生じ、この反応によって、陽極室では酸素（２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-）、陰極室では水素（２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-）がそれぞれ発生する。これらのガス成分を外部に排出するために、電極室（陽極室および陰極室）には電極水が供給される。この電極水として、多くの場合、被処理水が用いられているが、そのことは、以下のような問題を発生させる要因となる。

陰極室では、上述の電極反応によって、水素と共に水酸化物イオンが生成される。そのため、陰極室（陰極表面）を流れる電極水の液性はアルカリ性に傾く。したがって、電極水として硬度成分を多く含む被処理水を用いた場合、陰極表面近傍では、陰極表面に引き寄せられた硬度成分と、電極反応によって生成した水酸化物イオンとにより、水酸化マグネシウムを主成分とするスケールが生成されることがある。スケールが生成されると、その部分での電気抵抗が上昇し、運転電圧が上昇することで、消費電力が増加することになる。

このような問題に対処する方法として、例えば特許文献１および２には、電極水として、脱塩室を流出して脱イオンされた処理水を用いる方法が開示されている。処理水は、カチオン成分、特に硬度成分をほとんど含んでいないため、陰極室でのスケール生成を抑制することが可能となる。

特許第３８０１８２１号公報 特許第３７８８３１８号公報

脱塩室を流出した処理水を電極室に供給するには、電極室による圧力損失を考慮して、電極室への処理水の供給圧、すなわち脱塩室出口の背圧を高くする必要がある。それには、電気式脱イオン水製造装置の前段に出力の大きなポンプを設置して、被処理水の供給圧を高くする必要がある。しかしながら、大型のポンプを使用することは、コストアップにつながるため好ましくない。

そこで、本発明は、コストアップを抑えながら、陰極室内のスケール生成など、電極水として被処理水を用いた場合に発生する問題を解消する電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の電気式脱イオン水製造装置は、被処理水を処理して脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置であって、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室とからなる電極室と、陽極室と陰極室との間に位置し、カチオン交換膜と陰極室側で隣接し、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、陽極室と陰極室との間に位置し、アニオン交換膜と陽極室側で隣接し、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、を有し、カチオン脱塩室とアニオン脱塩室とは、被処理水がカチオン脱塩室に流入し、カチオン脱塩室を流出して少なくともカチオン成分が除去された中間処理水の一部がアニオン脱塩室に流入するように連通されており、カチオン脱塩室と電極室とは、カチオン脱塩室を流出した中間処理水の他の一部が電極室に流入するように連通されている。

また、本発明の脱イオン水製造方法は、陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室とからなる電極室と、陽極室と陰極室との間に位置し、カチオン交換膜と陰極室側で隣接し、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、陽極室と陰極室との間に位置し、アニオン交換膜と陽極室側で隣接し、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、を有する電気式脱イオン水製造装置を用いて、被処理水を処理して脱イオン水を製造する脱イオン水製造方法であって、被処理水をカチオン脱塩室に流し、少なくともカチオン成分が除去された中間処理水を生成するステップと、カチオン脱塩室を流出した中間処理水の一部を、アニオン脱塩室に流すステップと、カチオン脱塩室を流出した中間処理水の他の一部を、電極室に流すステップと、を含んでいる。

このような電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法では、カチオン脱塩室に流入した被処理水のカチオン成分はカチオン交換体に吸着し、カチオン脱塩室からは、カチオン成分、特に硬度成分が除去された中間処理水が流出する。中間処理水は、一部がアニオン脱塩室に流入するようにされているため、カチオン脱塩室の出口での中間処理水の水圧は、アニオン脱塩室の出口での処理水の水圧よりも必然的に高くなる。このような中間処理水の一部を電極室に流入させることは、配管の変更などで容易に可能であり、このことは、装置前段に出力の大きなポンプを設置する場合などに比べて、大きなコストアップにつながることはない。また、特に硬度成分が除去された中間処理水を電極水として用いているため、陰極室への硬度成分の流入を抑制することができる。これにより、電極水に処理水を用いた場合と同様に、陰極室内のスケールの生成を抑え、運転電圧の上昇と、それに伴う消費電力の増加とを抑制することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、コストアップを抑えながら、陰極室内のスケール生成など、電極水として被処理水を用いた場合に発生する問題を解消する電気式脱イオン水製造装置および脱イオン水製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の他の構成例を示す概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。電気式脱イオン水製造装置１は、陽極４を備える陽極室Ｅ１と陰極５を備える陰極室Ｅ２との間に、主脱塩室Ｄと、主脱塩室Ｄの両側に位置する一対の濃縮室Ｃ１，Ｃ２と、濃縮室Ｃ１と陽極室Ｅ１の間に位置する副カチオン脱塩室Ｓ１と、濃縮室Ｃ２と陰極室Ｅ２の間に位置する副アニオン脱塩室Ｓ２とが設けられ、これらの各室がイオン交換膜ａ１〜ａ３，ｃ１〜ｃ３で仕切られている。以下の説明では、陽極側で主脱塩室Ｄと隣接する濃縮室を陽極側濃縮室Ｃ１、陰極側で主脱塩室Ｄと隣接する濃縮室を陰極側濃縮室Ｃ２と呼ぶ。

陽極側濃縮室Ｃ１は第１のアニオン交換膜ａ１を介して主脱塩室Ｄに隣接し、陰極側濃縮室Ｃ２は第１のカチオン交換膜ｃ１を介して主脱塩室Ｄに隣接している。副カチオン脱塩室Ｓ１は、第２のカチオン交換膜ｃ２を介して陽極側濃縮室Ｃ１と隣接し、第３のカチオン交換膜ｃ３を介して陽極室Ｅ１と隣接している。副アニオン脱塩室Ｓ２は、第２のアニオン交換膜ａ２を介して陰極側濃縮室Ｃ２と隣接し、第３のアニオン交換膜ａ３を介して陰極室Ｅ２と隣接している。

主脱塩室Ｄは、第１のカチオン交換膜ｃ１と隣接する主カチオン脱塩室Ｄ１と、第１のアニオン交換膜ａ１と隣接する主アニオン脱塩室Ｄ２と、を有している。主カチオン脱塩室Ｄ１と主アニオン脱塩室Ｄ２とは、中間イオン交換膜３を介して互いに隣接している。

主カチオン脱塩室Ｄ１には少なくともカチオン交換体が充填され、主に被処理水中のカチオン成分（Ｎａ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺等）が除去される。カチオン交換体としては、カチオン交換樹脂、カチオン交換繊維、モノリス状多孔質カチオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なカチオン交換樹脂が好適に用いられる。カチオン交換体の種類としては、弱酸性カチオン交換体、強酸性カチオン交換体等が挙げられる。主カチオン脱塩室Ｄ１に充填するイオン交換体の充填形態としては、カチオン交換体の単床形態が挙げられる。なお、被処理水中のカチオン成分（硬度成分）が十分除去できるだけのカチオン交換体が充填されていれば、アニオン交換体との混床形態または複床形態であってもよい。

主アニオン脱塩室Ｄ２には少なくともアニオン交換体が充填され、主に被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ^-、ＣＯ₃ ^2-、ＨＣＯ₃ ^-、ＳｉＯ₂（シリカは、特別な形態をとることが多いため、一般のイオンとは異なった表示とする）等）が除去される。アニオン交換体としては、アニオン交換樹脂、アニオン交換繊維、モノリス状多孔質アニオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なアニオン交換樹脂が好適に用いられる。アニオン交換体の種類としては、弱塩基性アニオン交換体、強塩基性アニオン交換体等が挙げられる。主アニオン脱塩室Ｄ２にはカチオン交換体がさらに充填されていてもよい。主アニオン脱塩室Ｄ２に充填するアニオン交換体の充填形態としては、アニオン交換体の単床形態、アニオン交換体とカチオン交換体との混床形態または複床形態が挙げられる。

中間イオン交換膜３は、被処理水の水質、脱イオン水に求められる水質、主カチオン脱塩室Ｄ１または主アニオン脱塩室Ｄ２に充填するイオン交換体の種類等を勘案して選択することができる。中間イオン交換膜３は、アニオン交換膜もしくはカチオン交換膜の単一膜、または、アニオン交換膜とカチオン交換膜の両方を備えた複合膜のいずれであってもよい。

このように、主脱塩室Ｄが主カチオン脱塩室Ｄ１と主アニオン脱塩室Ｄ２の２つの小脱塩室に区画され、各小脱塩室Ｄ１，Ｄ２の外側に濃縮室が隣接する構成（主脱塩室２室構成）は、被処理水の多段処理が可能であり、脱イオン性能の向上に効果的である。しかも、主カチオン脱塩室Ｄ１と主アニオン脱塩室Ｄ２との間に濃縮室を設ける必要がないため、陽極・陰極間の印加電圧が抑えられ、消費電力が下がり運転費の低減を図ることが可能である。

陽極側濃縮室Ｃ１は、主アニオン脱塩室Ｄ２から排出されるアニオン成分および副カチオン脱塩室Ｓ１から排出されるカチオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。陰極側濃縮室Ｃ２は、主カチオン脱塩室Ｄ１から排出されるカチオン成分および副アニオン脱塩室Ｓ２から排出されるアニオン成分を取り込み、それらを系外に放出するために設けられている。各濃縮室Ｃ１，Ｃ２には、濃縮室供給水が流入し、濃縮室供給水はカチオン成分およびアニオン成分を含んだ濃縮水となって、各濃縮室Ｃ１，Ｃ２から排出される。濃縮室供給水としては、本実施形態では被処理水の一部が利用されているが、別個の濃縮室供給水の供給ラインによって供給することもできる。電気式脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、各濃縮室Ｃ１，Ｃ２にイオン交換体が充填されていてもよい。

副カチオン脱塩室Ｓ１は主カチオン脱塩室Ｄ１と同様の構成を有しているが、カチオン交換体だけが単床充填されている。

副アニオン脱塩室Ｓ２は主アニオン脱塩室Ｄ２と同様の構成を有しているが、アニオン交換体だけが単床充填されている。

電極室（陽極室および陰極室）Ｅ１，Ｅ２には、後で詳述するように、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１でカチオン成分が除去された脱カチオン水（中間処理水）の一部が電極水として流入する。これらの電極水は、上述したように、電極近傍での電気分解により、水素イオンおよび水酸化物イオンを発生させる。そのため、電気式脱イオン水製造装置１の電気抵抗を抑えるために、陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。これにより、後述する水素イオンの副カチオン脱塩室Ｓ１への移動および水酸化物イオンの副アニオン脱塩室Ｓ２への移動が円滑に行われる。

陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２に充填するイオン交換体としては、イオン交換樹脂、イオン交換繊維、モノリス状多孔質イオン交換体等が挙げられ、最も汎用的なイオン交換樹脂が好適に用いられる。陽極室Ｅ１の場合、充填されるカチオン交換体の種類としては、弱酸性カチオン交換体、強酸性カチオン交換体等が挙げられ、その充填形態としては、単床充填が挙げられる。陰極室Ｅ２の場合、充填されるアニオン交換体の種類としては、弱塩基性アニオン交換体、強塩基性アニオン交換体等が挙げられ、その充填形態としては、単床充填が挙げられる。

陽極室Ｅ１は陽極４を収容している。陽極４は金属の網状体あるいは板状体からなっている。流入する電極水にＣｌ^-が含まれると、陽極４に塩素が発生する。このため、陽極４には耐塩素性能を有する材料を用いることが望ましく、一例として、白金、パラジウム、イリジウム等の金属、あるいはチタンをこれらの金属で被覆した材料が挙げられる。

陰極室Ｅ２は陰極５を収容している。陰極５は、金属の網状体あるいは板状体からなっており、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体を用いることができる。

各電極室Ｅ１，Ｅ２、主カチオン脱塩室Ｄ１、主アニオン脱塩室Ｄ２、各濃縮室Ｃ１，Ｃ２、副カチオン脱塩室Ｓ１、および副アニオン脱塩室Ｓ２は各々、開口部を備えた板状部材である枠体２の内部に設けられている。図１では、枠体２は一体的に示されているが、実際には部屋毎に別々の枠体を備え、枠体同士が互いに密着して設けられている。枠体２は絶縁性を有し、流入する被処理水が漏洩しない素材であれば特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）等の樹脂を挙げることができる。

各部屋同士の連絡、あるいは被処理水や電極水等の供給、排出用にいくつかの流路Ｕ１〜Ｕ４，Ｌ１〜Ｌ５が設けられている。

電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ１は、一端が被処理水の供給側に接続され、他端側では途中でいくつかに分岐して、主カチオン脱塩室Ｄ１と副カチオン脱塩室Ｓ１と各濃縮室Ｃ１，Ｃ２とに接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ１は、主カチオン脱塩室Ｄ１と副カチオン脱塩室Ｓ１とに接続され、途中で合流し、渡り配管Ｙ１の一端に接続している。渡り配管Ｙ１の他端は電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ２に接続されており、流路Ｕ２は、途中で分岐して、主アニオン脱塩室Ｄ２と副アニオン脱塩室Ｓ２とに接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ２は、主アニオン脱塩室Ｄ２と副アニオン脱塩室Ｓ２とに接続され、途中で合流し、処理水の流出側に接続されている。電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ５は、各濃縮室Ｃ１，Ｃ２に接続され、途中で合流し、濃縮水の流出側に接続されている。

電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ３は、一端側では渡り配管Ｙ１に接続され、他端側では陰極室Ｅ２に接続されている。すなわち、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１を流出した脱カチオン水は、一部が主アニオン脱塩室Ｄ２および副アニオン脱塩室Ｓ２に流入するようにされ、他の一部が陰極室Ｅ２に流入するようにされている。電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ３は、一端側では陰極室Ｅ２に接続され、他端側では渡り配管Ｙ２に接続されている。渡り配管Ｙ２の他端は電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ４に接続されており、流路Ｌ４は、陽極室Ｅ１に接続されている。陽極室Ｅ１の上部には流路Ｕ４が接続されており、したがって、陰極室Ｅ２に流入した電極水（脱カチオン水）は、流路Ｕ３と渡り配管Ｙ２と流路Ｌ４とを通って陽極室Ｅ１に流入し、流路Ｕ４を通って陽極室Ｅ１から排出される。

図１では、流路Ｕ１〜Ｕ３，Ｌ１〜Ｌ５は、図示の都合上枠体２の外側に位置しているが、これらの流路Ｕ１〜Ｕ４，Ｌ１〜Ｌ５は、枠体２に内蔵されているのが有利である。

次に、引き続き図１を参照して、被処理水の流れと脱イオンの原理について説明する。

あらかじめ、各濃縮室Ｃ１，Ｃ２には、濃縮室供給水として、流路Ｕ１から被処理水の一部を供給し、流路Ｌ５から排出するようにしておく。電極室Ｅ１，Ｅ２には、流路Ｌ３から電極水（この時点では主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１を通過しただけの被処理水）を供給し、流路Ｕ４から排出させておく。陽極４、陰極５間には所定の電圧を印加しておく。この状態で、被処理水を流路Ｕ１から、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１に並列に流入させる。被処理水は、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１で、カチオン成分が除去される。

具体的には、Ｍｇ²⁺等のカチオン成分は、主カチオン脱塩室Ｄ１で、主カチオン脱塩室Ｄ１に充填されたカチオン交換体に吸着される。主脱塩室Ｄでは、水が水素イオン（以下、「Ｈ⁺」という）と水酸化物イオン（以下、「ＯＨ^-」という）とに解離する反応（水解離反応）が、連続的に進行している。Ｈ⁺はカチオン交換体に吸着したＭｇ²⁺等のカチオン成分と交換され、主カチオン脱塩室Ｄ１に充填されたカチオン交換体が再生される。除去されたＭｇ²⁺等のカチオン成分は陽極４、陰極５間の電位差によって陰極５側に引き寄せられ、第１のカチオン交換膜ｃ１を通過して陰極側濃縮室Ｃ２に流入する。

副カチオン脱塩室Ｓ１では、Ｍｇ²⁺等のカチオン成分は、副カチオン脱塩室Ｓ１に充填されたカチオン交換体に吸着される。陽極室Ｅ１では、電極反応（２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-）によって水から酸素ガスとＨ⁺とが生成される反応が、連続的に進行している。酸素ガスは陽極室Ｅ１内を上昇し、電極水とともに電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。Ｈ⁺は第３のカチオン交換膜ｃ３を通って副カチオン脱塩室Ｓ１に流入する。副カチオン脱塩室Ｓ１に流入したＨ⁺は、カチオン交換体に吸着したカチオン成分と交換され、カチオン交換体が再生される。除去されたＭｇ²⁺等のカチオン成分は陽極４、陰極５間の電位によって陰極５側に引き寄せられ、第２のカチオン交換膜ｃ２を通過して陽極側濃縮室Ｃ１に流入する。

このようにしてＭｇ²⁺等のカチオン成分が除去された水（脱カチオン水）は流路Ｌ１で合流し、その一部が、渡り配管Ｙ１を通って流路Ｕ２に流入し、他の一部が、渡り配管Ｙ１から流路Ｌ３に流入する。

流路Ｕ２に流入した脱カチオン水は、主アニオン脱塩室Ｄ２および副アニオン脱塩室Ｓ２に並列に流入し、主アニオン脱塩室Ｄ２および副アニオン脱塩室Ｓ２で、アニオン成分が除去される。

具体的には、Ｃｌ^-等のアニオン成分は、主アニオン脱塩室Ｄ２で、主アニオン脱塩室Ｄ２に充填されたアニオン交換体に吸着される。主脱塩室Ｄでは、上述のように、水解離反応によってＯＨ^-が連続的に発生している。ＯＨ^-はアニオン交換樹脂に吸着したＣｌ^-等のアニオン成分と交換され、アニオン交換体が再生される。除去されたＣｌ^-等のアニオン成分は陽極４、陰極５間の電位差によって陽極４側に引き寄せられ、第１のアニオン交換膜ａ１を通過して陽極側濃縮室Ｃ１に流入する。

副アニオン脱塩室Ｓ２では、Ｃｌ^-等のアニオン成分は、副アニオン脱塩室Ｓ２に充填されたアニオン交換体に吸着される。陰極室Ｅ２では、電極反応（２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-）によって水から水素ガスとＯＨ^-とが生成される反応が、連続的に進行している。水素ガスは陰極室Ｅ２内を上昇し、電極水とともに脱イオン水製造装置１の外へ排出される。ＯＨ^-は第３のアニオン交換膜ａ３を通って副アニオン脱塩室Ｓ２に流入し、アニオン交換体に吸着したアニオン成分と交換され、アニオン交換体が再生される。除去されたＣｌ^-等のアニオン成分は陽極４、陰極５間の電位によって陽極４側に引き寄せられ、第２のアニオン交換膜ａ２を通過して陰極側濃縮室Ｃ２に流入する。主アニオン脱塩室Ｄ２および副アニオン脱塩室Ｓ２でアニオン成分が除去された処理水は流路Ｌ２で合流し、電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

一方、流路Ｌ３に流入した脱カチオン水は、電極水として、陰極室Ｅ２に供給される。陰極室Ｅ２から流出した電極水は、流路Ｕ３と渡り配管Ｙ２と流路Ｌ４とを通って陽極室Ｅ１に流入し、電気式脱イオン水製造装置１の上部に位置する流路Ｕ４を通って電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

流路Ｕ１を通って濃縮室Ｃ１，Ｃ２に供給される濃縮室供給水（被処理水）は、主カチオン脱塩室Ｄ１、副カチオン脱塩室Ｓ１、主アニオン脱塩室Ｄ２、および副アニオン脱塩室Ｓ２からそれぞれ排出されるカチオン成分およびアニオン成分を取り込み、電気式脱イオン水製造装置１の下部に位置する流路Ｌ５を通って電気式脱イオン水製造装置１の外へ排出される。

このようにして、被処理水は、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１でカチオン成分が除去されて脱カチオン水となり、主カチオン脱塩室Ｄ１のカチオン交換体は水解離反応によって生成されたＨ⁺により再生され、副カチオン脱塩室Ｓ１のカチオン交換体は陽極室Ｅ１で生成されたＨ⁺により再生される。同様にして、脱カチオン水は、主アニオン脱塩室Ｄ２および副アニオン脱塩室Ｓ２でアニオン成分が除去されて脱イオン水となり、主アニオン脱塩室Ｄ２のアニオン交換体は水解離反応によって生成されたＯＨ^-により再生され、副アニオン脱塩室Ｓ２のアニオン交換体は陰極室Ｅ２で生成されたＯＨ^-により再生される。

本実施形態のように、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１を流出した脱カチオン水がアニオン脱塩室Ｄ２，Ｓ２に流入するようにされている構成では、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１の出口の背圧が、アニオン脱塩室Ｄ２，Ｓ２の出口の背圧よりも、アニオン脱塩室Ｄ２，Ｓ２による圧力損失の分だけ高くなっている。すなわち、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１を流出した脱カチオン水の水圧は、アニオン脱塩室Ｄ２，Ｓ２を流出した処理水の水圧よりも、必然的に高くなっている。したがって、このような脱カチオン水は、配管の変更のみで、あるいは、電気式脱イオン水製造装置の前段に非常に小型の補助ポンプを設置するだけで、その一部を電極室Ｅ１，Ｅ２に流入させることが可能となる。このことは、電極水として処理水を用いた場合、すなわち、電気式脱イオン水製造装置の前段に出力の大きなポンプを設置して、被処理水の供給圧を高くすることで、処理水の水圧を高くする場合と比べても、大きなコストアップにつながることはない。

また、脱カチオン水は、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１によって、カチオン成分、特に硬度成分が除去されている。これに加えて、脱カチオン水は、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１でカチオン成分が除去される代わりに、Ｈ⁺を多く取り込んでいるため、そのｐＨ値は低くなっている。このような脱カチオン水を電極水として電極室Ｅ１，Ｅ２に流入させることで、陰極室Ｅ２への硬度成分の供給と、電極水の、特に陰極Ｅ２の表面におけるｐＨ値の上昇とを抑えることができる。これにより、電極水に処理水を用いた場合と同様に、陰極室Ｅ２内のスケールの生成を抑え、運転電圧の上昇と、それに伴う消費電力の増加とを抑制することが可能となる。

スケール生成は、陰極室Ｅ２に流入する脱カチオン水のｐＨ値をより低くすることで、より一層抑制される。そのために、主カチオン脱塩室Ｄ１および副カチオン脱塩室Ｓ１には、カチオン交換体が単床形態で充填されていることが最も好ましい。

上述した電気式脱イオン水製造装置１では、陽極室Ｅ１で発生した水素イオンおよび陰極室Ｅ２で発生した水酸化物イオンが、副カチオン脱塩室Ｓ１および副アニオン脱塩室Ｓ２のイオン交換体の再生に有効利用されている。その結果、陽極・陰極間の印加電圧を低減し、使用電力量を低減することが可能となる。このような構成では、電極水として被処理水を用いた場合、特に陽極室Ｅ１では、水素イオンだけでなく、電極水に含まれるカチオン成分も、副カチオン脱塩室Ｓ１へと移動することになる。そのため、副カチオン脱塩室Ｓ１を流れる被処理水は、そこでカチオン成分が除去されるにもかかわらず、陽極室Ｅ１から移動してきたカチオン成分によって再び汚染される可能性がある。したがって、本来は脱カチオン水として副カチオン脱塩室Ｓ１を流出すべきところ、カチオン成分を含んだ水が副カチオン脱塩室Ｓ１を流出してしまう虞がある。

本実施形態では、電極水として脱カチオン水を用いることで、このような問題にも対処することができる。すなわち、電極室Ｅ１，Ｅ２に供給される脱カチオン水は、カチオン成分をほとんど含んでいないため、上述の陽極室Ｅ１から副カチオン脱塩室Ｓ１へのカチオン成分のリークを抑制することができる。これにより、副カチオン脱塩室Ｓ１を流出する水（脱カチオン水）にカチオン成分が含まれてしまうのを抑制することで、脱カチオン水の水質を良好に維持することが可能となる。

電極水として脱カチオン水を用いた場合、電極室Ｅ１，Ｅ２に流入する電極水には、依然としてアニオン成分は含まれている。したがって、本実施形態のように、陰極室Ｅ２がアニオン交換膜ａ３を介して副アニオン脱塩室Ｓ２と隣接する装置では、電極反応によって生成した水酸化物イオンと共に、電極水（脱カチオン水）に含まれるアニオン成分も、陰極室Ｅ２から副アニオン脱塩室Ｓ２へと移動することになる。そのため、このアニオン成分は、副アニオン脱塩室Ｓ２で除去しきれずに処理水中に流入して、処理水を汚染させてしまう可能性がある。これを抑制するために、陰極室Ｅ２に電極水を供給する流路Ｌ３上に、アニオン交換体カートリッジを設けることもできる。これにより、陰極室Ｅ２に供給される電極水中のアニオン成分を減少または除去することができ、上述の陰極室Ｅ２から副アニオン脱塩室Ｓ２へのアニオン成分のリークを抑制することができる。

また、流路Ｌ３上には、一定量の電極水を確保するため定流量弁を設置することが好ましく、電極室Ｅ１，Ｅ２の圧力損失が大きい場合には、流路Ｌ３上に、さらに補助的なポンプが設けられていてもよい。

さらに、脱カチオン水は、上述のように、液性が酸性となっているため、その一部を電極室にだけでなく、濃縮室に流入させることも有効となる。これは、アニオン交換膜近傍での濃縮水のｐＨ値の上昇を抑え、特に硬度成分の高い被処理水を処理した場合に濃縮室（のアニオン交換膜近傍）で発生しうる、炭酸カルシウムを主成分とするスケールの生成を抑制することができるためである。

本実施形態では、陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２は、直列に接続され、陰極室Ｅ２から流出した電極水が陽極室Ｅ１に流入するようになっているが、その逆であってもよい。すなわち、陽極室Ｅ１と陰極室Ｅ２とには、上述した、陰極室Ｅ２内のスケール生成と、陽極室Ｅ１から副カチオン脱塩室Ｓ１へのカチオン成分のリークとを抑制するために、カチオン成分が除去された脱カチオン水が電極水として流入するようになっていればよい。したがって、例えば、脱カチオン水は、陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２にそれぞれ独立（例えば並列）に流入するようになっていてもよい。

本発明は、カチオン脱塩室Ｄ１，Ｓ１を流出した脱カチオン水の一部を電極室Ｅ１，Ｅ２に流入することに大きな特徴がある。したがって、本発明は、脱塩室や濃縮室の配置パターンによらず、既存のさまざまな電気式脱イオン水製造装置に適用可能である。図２に、そのような電気式脱イオン水製造装置の構成例を示している。図２では、各室の符号は、図１における各室の符号に対応し、図中の符号Ｘは、符号Ｘで示した流路の端部同士が接続されていることを意味する。

図１に示す実施形態では、本発明の電気式脱イオン水製造装置について、主脱塩室が１つだけ設けられている場合を例に挙げて説明したが、例えば被処理水量の増大などに対応するために、主脱塩室が２つ以上設けられていてもよい。その場合、主脱塩室と濃縮室とは、陽極側のアニオン交換膜と陰極側のカチオン交換膜とを挟んで交互に設けられ、最も陽極側に位置する濃縮室がカチオン交換膜を介して副カチオン脱塩室と隣接し、最も陰極側に位置する濃縮室がアニオン交換膜を介して副アニオン脱塩室と隣接することになる。また、主脱塩室は必ずしも設けられている必要はなく、副脱塩室だけが設けられていてもよい。すなわち、図２（ａ）に示すように、第３のカチオン交換膜ｃ３を介して陽極室Ｅ１に隣接するカチオン脱塩室Ｄ１と、第３のアニオン交換膜ａ３を介して陰極室Ｅ２に隣接するアニオン脱塩室Ｄ２との１組だけが設けられていてもよい。その場合、濃縮室Ｃは、カチオン脱塩室Ｄ１とアニオン脱塩室Ｄ２との間に１室だけ設けられ、カチオン脱塩室Ｄ１の陰極５側で第２のカチオン交換膜ｃ２と隣接し、アニオン脱塩室Ｄ２の陽極４側で第２のアニオン交換膜ａ２と隣接している。

また、主脱塩室が１つ以上設けられている場合、副カチオン脱塩室および副アニオン脱塩室は、いずれか一方のみが設けられていればよい。したがって、副カチオン脱塩室が設けられていない場合、最も陽極側に位置する濃縮室が、カチオン交換膜を介して陽極室と隣接し、副アニオン脱塩室が設けられていない場合、最も陰極側に位置する濃縮室が、アニオン交換膜を介して陰極室と隣接することになる。あるいは、図２（ｂ）に示すように、副カチオン脱塩室および副アニオン脱塩室の両方を省略することも可能である。図２（ｂ）には、主脱塩室Ｄが２つ設けられている場合が示されている。この場合、最も陽極４側に位置する濃縮室Ｃ１が、カチオン交換膜またはアニオン交換膜のいずれであるイオン交換膜ｍを介して陽極室Ｅ１と隣接し、最も陰極５側に位置する濃縮室Ｃ３が、イオン交換膜ｍを介して陰極室Ｅ２と隣接している。なお、主脱塩室Ｄと濃縮室Ｃ１〜Ｃ３とは、上述したように、陽極４側のアニオン交換膜ａ１と陰極５側のカチオン交換膜ｃ１とを挟んで互いに隣接している。

さらに、主脱塩室が１つ設けられている図１に示す実施形態から、副カチオン脱塩室Ｓ１と副アニオン脱塩室Ｓ２と一対の濃縮室Ｃ１，Ｃ２とを取り除き、陽極室Ｅ１と主アニオン脱塩室Ｄ１とを第１のカチオン交換膜ａ１を介して隣接させ、陰極室Ｅ２と主アニオン脱塩室Ｄ２とを第２のアニオン交換膜ａ２を介して隣接させた構成も可能である。図２（ｃ）に示すこのような構成では、陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２が濃縮室を兼ねることになり、すなわち、主脱塩室Ｄで除去された被処理水中のイオン成分が、電極室Ｅ１，Ｅ２に流入して電極水によって外部に排出されるようになる。なお、このような構成は、主脱塩室が２つ以上設けられている場合にも適用可能である。すなわち、例えば図２（ｂ）に示す実施形態において、電極室Ｅ１，Ｅ２に隣接した濃縮室Ｃ１，Ｃ２を取り除き、陽極室Ｅ１が濃縮室Ｃ１を兼ね、陰極室Ｅ２が濃縮室Ｃ３を兼ねる構成を採用してもよい。

（実施例）
図１に示す構成の電気式脱イオン水製造装置（実施例）と、図１に示す実施例と各室の構成は同じであるが流路構成が異なる電気式脱イオン水製造装置（比較例１，２）を用いて、本発明の効果を確認した。比較例１は、図１に示す実施例と、電極室供給水がカチオン脱塩室およびアニオン脱塩室を流通した処理水である点で異なっており、比較例２は、電極室供給水がカチオン脱塩室に流入させる前の被処理水、すなわち原水である点で異なっている。電極室供給水の流量と、得られる処理水の流量とは、実施例および比較例１，２で共に同量であるが、カチオン脱塩室を流出した脱カチオン水を電極室に流す実施例では、カチオン脱塩室入口での被処理水の流量が、比較例２と比べて、電極室に流す分だけ大きくなっている。同様に、アニオン脱塩室を流出した処理水を電極室に流す比較例１では、カチオン脱塩室入口での被処理水の流量が、比較例２と比べて、電極室に流す分だけ大きくなっている。また、中間イオン交換膜としてはアニオン交換膜を用いている。

なお、実際には、実施例および比較例１，２ともに、主脱塩室が２室設けられた電気式脱イオン水製造装置を用いて検証を行った。

実施例および比較例１，２における電気式脱イオン水製造装置の仕様、通水流量、供給水の仕様等は以下の通りである。なお、ＣＥＲはカチオン交換樹脂、ＡＥＲはアニオン交換樹脂の略である。
・陽極室Ｅ１：寸法３００×８０×４ｍｍ ＣＥＲ充填
・陰極室Ｅ２：寸法３００×８０×４ｍｍ ＡＥＲ充填
・カチオン脱塩室：寸法３００×８０×８ｍｍ（３室とも） ＣＥＲ充填
・アニオン脱塩室：寸法３００×８０×８ｍｍ（３室とも） ＡＥＲ充填
・濃縮室：３００×８０×５ｍｍ（３室とも） ＡＥＲ充填
・処理水流量：１５０Ｌ／ｈ
・濃縮水流量：３０Ｌ／ｈ
・電極水流量：１０Ｌ／ｈ
・カチオン脱塩室供給水（被処理水）：一段ＲＯ透過水１１±１μＳ／ｃｍ
・カチオン脱塩室供給水硬度（ＣａＣＯ₃含有量）：１±０．１ｍｇ／Ｌ
・濃縮室供給水：一段ＲＯ透過水１１±１μＳ／ｃｍ
・電極室供給水（実施例）：カチオン脱塩室処理水（脱カチオン水）
（比較例１）：アニオン脱塩室処理水（処理水）
（比較例２）：カチオン脱塩室供給水（被処理水）
・印加電流値：１．４Ａ
・印加電流密度：０．５８Ａ／ｄｍ²

実施例および比較例１の装置について、２０００時間の運転を行い、各脱塩室入口および出口での圧力を比較した。結果を表１に示す。

実施例では、比較例１と比べて、全体の圧力が低く抑えられ、処理水がアニオン脱塩室を流出する最低限の水圧で、カチオン脱塩室を流出した脱カチオン水を電極室に供給できることが確認された。一方、比較例１での圧力の増大は、アニオン脱塩室を流出した処理水を電極室に流すために、アニオン脱塩室出口での圧力を高くしなければならないことを意味している。つまり、カチオン脱塩室入口での圧力（被処理水の供給圧）を上げるために、コストアップにつながる追加の手段が必要になることを意味している。

また、同様に比較例２についても、２０００時間の運転を行い、処理水質（処理水比抵抗）および運転電圧の経時変化を実施例と比較した。結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例では、比較例２と比べて、運転電圧が低く抑えられることが確認された。これは、カチオン脱塩室を流出して硬度成分が除去された脱カチオン水を電極室に供給したことで、陰極でのスケールの生成が抑制された効果であると考えられる。実際、約２０００時間の運転後、それぞれの装置を解体したところ、比較例２の装置では、陰極にスケールが生成されていることが確認されたが、実施例の装置では、スケールの生成は確認できなかった。

また同様に、実施例では、比較例２と比べて、良好な処理水質が得られていることが確認された。これは、カチオン成分が副カチオン脱塩室に移動して、副カチオン脱塩室を流出する脱カチオン水を汚染することが抑制された効果であると考えられる。

１ 電気式脱イオン水製造装置
２ 枠体
３ 中間イオン交換膜
４ 陽極
５ 陰極
Ｄ 主脱塩室
Ｄ１ 主カチオン脱塩室
Ｄ２ 主アニオン脱塩室
Ｓ１ 副カチオン脱塩室
Ｓ２ 副アニオン脱塩室
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ３ 濃縮室
Ｃ１ 陰極側濃縮室
Ｃ２ 陽極側濃縮室
Ｅ１ 陽極室
Ｅ２ 陰極室
ａ１〜ａ３ アニオン交換膜
ｃ１〜ｃ３ カチオン交換膜

Claims (10)

1. 被処理水を処理して脱イオン水を製造する電気式脱イオン水製造装置であって、
   陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室とからなる電極室と、
   前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、カチオン交換膜と前記陰極室側で隣接し、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、
   前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、アニオン交換膜と前記陽極室側で隣接し、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、を有し、
   前記カチオン脱塩室と前記アニオン脱塩室とは、被処理水が前記カチオン脱塩室に流入し、該カチオン脱塩室を流出して少なくともカチオン成分が除去された中間処理水の一部が前記アニオン脱塩室に流入するように連通されており、
   前記カチオン脱塩室と前記電極室とは、前記カチオン脱塩室を流出した前記中間処理水の他の一部が前記電極室に流入するように連通されている、
   電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、前記カチオン脱塩室の前記陰極室側で、カチオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接し、前記アニオン脱塩室の前記陽極室側で、アニオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接する濃縮室を有する、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 前記アニオン脱塩室が主アニオン脱塩室を有し、前記カチオン脱塩室が主カチオン脱塩室を有し、
   前記主アニオン脱塩室の前記陽極室側で、第１のアニオン交換膜を介して前記主アニオン脱塩室に隣接して位置する陽極側濃縮室と、前記主カチオン脱塩室の前記陰極側で、第１のカチオン交換膜を介して前記主カチオン脱塩室に隣接して位置する陰極側濃縮室と、を有し、
   前記主アニオン脱塩室が、前記主カチオン脱塩室の前記陽極室側で、中間イオン交換膜を介して前記主カチオン脱塩室と隣接する、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 前記カチオン脱塩室が、前記陽極室と前記陽極側濃縮室の間に位置し、第２のカチオン交換膜を介して前記陽極側濃縮室と隣接し、第３のカチオン交換膜を介して前記陽極室と隣接し、前記主カチオン脱塩室と並列流路を形成する副カチオン脱塩室を有する、請求項３に記載の電気式脱イオン水製造装置。
5. 前記アニオン脱塩室が、前記陰極室と前記陰極側濃縮室の間に位置し、第２のアニオン交換膜を介して前記陰極側濃縮室と隣接し、第３のアニオン交換膜を介して前記陰極室と隣接し、前記主アニオン脱塩室と並列流路を形成する副アニオン脱塩室を有する、請求項３に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記カチオン脱塩室と前記陰極室とが、カチオン交換膜を介して互いに隣接し、前記アニオン脱塩室と前記陽極室とが、アニオン交換膜を介して互いに隣接し、前記アニオン脱塩室が、前記カチオン脱塩室の前記陽極室側で、中間イオン交換膜を介して前記カチオン脱塩室と隣接する、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
7. 前記カチオン脱塩室には、前記カチオン交換体が単床形態で充填されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
8. 前記陽極室と前記陰極室とは、前記中間処理水の前記他の一部が前記陽極室と前記陰極室とを直列に流通するように連通されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
9. 前記陽極室と前記陰極室とは、前記中間処理水の前記他の一部が前記陽極室と前記陰極室とを並列に流通するように連通されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
10. 陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室とからなる電極室と、
    前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、カチオン交換膜と前記陰極室側で隣接し、少なくともカチオン交換体が充填されたカチオン脱塩室と、
    前記陽極室と前記陰極室との間に位置し、アニオン交換膜と前記陽極室側で隣接し、少なくともアニオン交換体が充填されたアニオン脱塩室と、
    を有する電気式脱イオン水製造装置を用いて、被処理水を処理して脱イオン水を製造する脱イオン水製造方法であって、
    被処理水を前記カチオン脱塩室に流し、少なくともカチオン成分が除去された中間処理水を生成するステップと、
    前記カチオン脱塩室を流出した前記中間処理水の一部を、前記アニオン脱塩室に流すステップと、
    前記カチオン脱塩室を流出した前記中間処理水の他の一部を、前記電極室に流すステップと、
    を含む、脱イオン水製造方法。

Images