JP6514851B2 - 脱イオン水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、脱イオン水製造装置に関するものであり、特に液体が流れる各室を形成するよう互いに積層された複数の枠体を有する脱イオン水製造装置に関する。

イオン交換体に水を通すことにより水中のイオンを取り除く、すなわち脱イオン化をする脱イオン水製造装置が知られている（特許文献１〜３）。電気式の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。脱イオン水製造装置は、脱イオン室と、脱イオン室に隣接する濃縮室と、陽極室と、陰極室と、を有する。脱イオン室及び濃縮室は、陽極室と陰極室との間に配置されている。脱イオン室及び濃縮室は、それぞれ、イオン交換体を収容する開口を有する枠体と、当該枠体を挟む一対のイオン交換膜と、によって形成されている。これらの枠体は、通電方向に互いに積層されている。

上記のような構成を有する脱イオン水製造装置によって脱イオン水（以下、処理水とも称する。）を製造するには、陽極室及び陰極室にそれぞれ設けられている電極間に直流電圧を印加した状態で脱イオン室に水を通す。脱イオン室内のイオン交換体は、水中のイオン成分を捕捉する。イオン成分の捕捉と同時に、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、その結果、水素イオンと水酸化物イオンが発生する（Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ⁻）。イオン交換体に捕捉されたイオン成分は、この水素イオン及び水酸化物イオンと交換され、イオン交換体から遊離する。遊離したイオン成分は再びイオン交換体に捕捉される。イオン成分は、イオン交換体への捕捉とイオン交換体からの遊離を繰り返しながら、電圧の作用により濃縮室の方へ移動する。濃縮室に移動したイオン成分は、濃縮室を流れる濃縮水と共に排出される。

特許文献２は、処理水の水素イオン指数（ｐＨ）を制御する観点から、脱イオン室の厚みを調整することを開示している。特許文献３は、被処理水が流入する第２小脱塩室と、第２小脱塩室を通った水が流入する第１小脱塩室と、を有する脱イオン水製造装置を開示している。第１小脱塩室は、カチオン交換体とアニオン交換体の混合体を収容する。第２小脱塩室は、アニオン交換体を収容する。特許文献３は、電気抵抗及び電流効率の観点から、第１小脱塩室の厚さが０．８〜８ｍｍであり、第２小脱塩室の厚さが５〜１５ｍｍであると好適であるということを示唆している。

特開２０１３−３４９２０号公報 特開２００１−１１３２８１号公報 特開２００１−２３９２７０号公報

現在、脱イオン処理の効率化のため、脱イオン室に流す水の高流速化が進められている。しかしながら、水の高流速化に伴い、イオン交換体への捕捉性が低いアニオン成分、特に炭酸成分は、除去されきれず、水中に残留してしまう。

アニオン成分の除去性能を向上させるには、水中のアニオン成分が脱イオン室内のアニオン交換体と接触する時間（以下、単に「接触時間」と称することもある。）を増大させればよい。そのためには、アニオン交換体を収容する脱イオン室の厚み、すなわち枠体の厚みを大きくすることが考えられる。本明細書では、枠体の厚みは、枠体の積層方向における厚みを意味する。

本願の発明者は、枠体の厚みを増大させると、枠体の形状精度が低下することがあるという問題を見出した。枠体の形状、特に枠体の表面の平面度の精度が低下すると、枠体間に予期しない隙間が生じることがある。これにより、室内の液体が、枠体間に形成された隙間から漏れるという問題が生じ得る。

したがって、アニオン交換体を収容する脱イオン室の厚みを増大することによりアニオン成分の除去性能を向上するとともに、脱イオン室内からの流体の漏れを抑制することができる脱イオン水製造装置が望まれる。

一形態における脱イオン水製造装置は複数の枠体及びイオン交換膜を有する。各々の枠体は開口を有する。複数の枠体は互いに積層されている。イオン交換膜は、枠体間の領域のうちのいくつかの領域に設けられている。イオン交換膜は、液体が通る室を形成するように隣接する枠体の開口を互いに分離する。複数の枠体のうちの少なくとも２つの枠体は、当該少なくとも２つの枠体の開口が共同で１つの第１の脱イオン室を形成するように互いに隣接している。すなわち、当該少なくとも２つの枠体の開口は、イオン交換膜で分離されていない。第１の脱イオン室にはアニオン交換体が充填されている。

各枠体の厚みを増大させるのではなく、少なくとも２つの枠体で１つの第１の脱イオン室を形成することにより、枠体の形状精度を維持しつつ第１の脱イオン室の厚みを大きくすることができる。枠体の形状精度が維持されるため、互いに積層された枠体間からの液体の漏れが抑制される。また、アニオン交換体が充填された第１の脱イオン室の厚みを大きくすることにより、水中のアニオン成分の除去性能を向上させることができる。

本発明によれば、アニオン成分の除去性能を向上するとともに、脱イオン室内からの流体の漏れを抑制することができる。

第１の実施形態に係る脱イオン水製造装置の模式的断面図である。 第１の実施形態に係る脱イオン処理部と脱イオン処理部に隣接する濃縮室との模式的分解斜視図である。 図３（Ａ）は第１の脱イオン室用の枠体の模式的平面図であり、図３（Ｂ）は第２の脱イオン室用の枠体の模式的平面図である。 濃縮室用の枠体の模式的平面図である。 第１の比較例に係る脱イオン処理部の模式的断面図である。 脱イオン水製造装置の運転時間と処理水の導電率との関係を示している。 脱イオン水製造装置の運転時間と炭酸除去率との関係を示している。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。下記実施形態に係る脱イオン水製造装置は、特に電圧を印加する一対の電極を含む電気式の脱イオン水製造装置に関する。

図１は、第１の実施形態に係る脱イオン水製造装置の模式的断面図である。本実施形態に係る脱イオン水製造装置１００は、少なくとも１つの脱イオン処理部１０８と、複数の濃縮室１１４と、を備えている。図２は、脱イオン処理部１０８と脱イオン処理部１０８に隣接する濃縮室１１４との模式的分解斜視図である。少なくとも１つの脱イオン処理部１０８及び複数の濃縮室１１４は、陰極室１１６と陽極室１１８との間に配置されている。

本実施形態では、脱イオン水製造装置１００は、３つの脱イオン処理部１０８を有している。この代わりに、脱イオン水製造装置１００は、１つ又はそれ以上の脱イオン処理部１０８を有していてよい。濃縮室１１４は、各脱イオン処理部１０８を挟んで両側に配置されていてよい。複数の脱イオン処理部１０８が存在する場合、濃縮室は、脱イオン処理部１０８どうしの間と、脱イオン処理部１０８と電極室１１６，１１８との間に配置される。図１に示す例の代わりに、脱イオン処理部１０８と陰極室１１６とは互いに隣接していてもよく、脱イオン処理部１０８と陽極室１１８とは互いに隣接していてもよい。すなわち、脱イオン水製造装置は、陰極室１１６と脱イオン処理部１０８との間と陽極室１１８と脱イオン処理部１０８との間の濃縮室１１４を有していなくてもよい。

各脱イオン処理部１０８は、第１の脱イオン室１１０と、第２の脱イオン室１１２と、を有していてよい。第１の脱イオン室１１０は、第２の脱イオン室１１２と隣接している。第１の脱イオン室１１０の、第２の脱イオン室１１２とは反対側に、濃縮室１１４が配置されている。また、第２の脱イオン室１１２の、第１の脱イオン室１１０とは反対側に、別の濃縮室１１４が配置されている。

上記の各室１１０，１１２，１１４，１１６，１１８は、互いに積層された複数の枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８と、それら枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８の間に配置されたイオン交換膜１２０，１２２，１２４，１２６，１２８と、によって形成されている。各々の枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８は、各室１１０，１１２，１１４，１１６，１１８を形成するための開口１６０を有している。具体的には、枠体に形成された開口が、一対のイオン交換膜で塞がれることによって、外部から区画された空間が形成される。この区画された空間が上記の各室を形成している。なお、陰極室１１６及び陽極室１１８については、枠体に形成された開口が、イオン交換膜と端板１３６，１３８で塞がれることによって各室が形成されてもよい。

陰極室１１６及び陽極室１１８を形成する枠体１３６，１３８の外側には、端板１０４，１０６が設けられている。端板１０４，１０６は、互いに積層された複数の枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８からなる積層体を、その両側から押し付けている。両端板１０４，１０６は、例えばボルトにより互いに締結されていてよい。

本実施形態に係る脱イオン水製造装置１００は、陰極室用の枠体１３６と、濃縮室用の枠体１３４と、第１の脱イオン室用の枠体１３０と、第２の脱イオン室用の枠体１３２と、陽極室用の枠体１３８と、を有している。濃縮室用の枠体１３４と第２の脱イオン室用の枠体１３２との間には第１のイオン交換膜１２０が設けられている。第１のイオン交換膜１２０は、濃縮室用の枠体１３４の開口１６０と第２の脱イオン室用の枠体１３２の開口１６０とを互いに分離している。第１のイオン交換膜１２０は例えばカチオン交換膜であってよい。

第１の脱イオン室用の枠体１３０と濃縮室用の枠体１３４との間には第２のイオン交換膜１２２が設けられている。第２のイオン交換膜１２２は、第２の濃縮室用の枠体１３４の開口１６０と第１の脱イオン室用の枠体１３０の開口１６０とを分離している。第２のイオン交換膜１２２は例えばアニオン交換膜であってよい。上記のように、脱イオン処理部１０８の陰極側に配置された第１のイオン交換膜１２０がカチオン交換膜であり、かつ脱イオン処理部１０８の陽極側に配置された第２のイオン交換膜１２２がアニオン交換膜であることが好ましい。

第１の脱イオン室用の枠体１３０と第２の脱イオン室用の枠体１３２との間には第３のイオン交換膜１２４が設けられている。第３のイオン交換膜１２４は、例えばバイポーラ膜であってよい。バイポーラ膜は、アニオン交換膜とカチオン交換膜とが互いに接合されて一体化されたイオン交換膜である。バイポーラ膜は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との接合面において水の解離反応が非常に促進されるという特徴を有する。バイポーラ膜のアニオン交換膜が第１の脱イオン室１１０側に面していることが好ましい。これにより、脱イオン水製造装置１００の運転電圧の上昇を抑制することができる。その結果、高電流での運転に対する耐久性が向上する。

互いに隣接する脱イオン処理部１０８間に配置された濃縮室用の枠体１３４の開口１６０は、第１のイオン交換膜１２０と第２のイオン交換膜１２２とによって塞がれている。脱イオン処理部１０８と陰極室１１６の間に配置された濃縮室用の枠体１３４の開口１６０は、第１のイオン交換膜１２０と別のイオン交換膜１２６とによって塞がれている。また、脱イオン処理部１０８と陽極室１１８の間に配置された濃縮室用の枠体１３４の開口１６０は、第２のイオン交換膜１２２とさらに別のイオン交換膜１２８とによって塞がれている。

第１及び第２の脱イオン室１１０，１１２内にはイオン交換体が充填されている。好ましくは、第１の脱イオン室１１０内にアニオン交換体が充填されている。アニオン交換体は、第１の脱イオン室１１０内に単床形態で充填されていてよい。アニオン交換体は、水中のアニオン成分を捕捉する。好ましくは、第２の脱イオン室１１２内にカチオン交換体が充填されている。カチオン交換体は、第２の脱イオン室１１２内に単床形態で充填されていてよい。カチオン交換体は、水中のカチオン成分を捕捉する。カチオン交換体及びアニオン交換体としては、それぞれ、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂を用いることができる。

液体を第２の脱イオン室１１２内に流入させる第１の供給路１４２が、第２の脱イオン室１１２に連通している。第２の脱イオン室１１２から流出した液体は、第１の排出路１５２、中間路１５９及び第２の供給路１４０を経て、第１の脱イオン室１１０内へ流入されることが好ましい。第１の脱イオン室１１０内へ流入した液体は、第２の排出路１５０を通って外部へ排出される。第２の排出路１５０を通って外部へ排出された液体は、第１及び第２の脱イオン室１１０，１１２内で脱イオン化された処理水である。

第２の脱イオン室１１２内に流入する被処理水は、二段の逆浸透膜（ＲＯ膜）１０２を透過した水であってよく、さらに脱炭酸処理した水でもよいし、軟化処理した水でもよい。この代わりに、第２の脱イオン室１１２内に流入する被処理水は、一段のＲＯ膜を透過した水でもよく、脱炭酸処理されていない水でもよく、軟化処理されていない水でもよい。この場合、第２の脱イオン室１１２内に流入する液体は一段のＲＯ膜を透過した透過水であってよい。

液体は、陰極室１１６に設置されている陰極板１１７と陽極室１１８に設置されている陽極板１１９との間に直流電圧を印加した状態で、第１及び第２の脱イオン室１１０，１１２に通される。脱イオン室１１０，１１２内のイオン交換体は、液体中のイオン成分を捕捉する。イオン成分の捕捉と同時に、イオン交換体の界面で水の解離反応が起こり、その結果、水素イオンと水酸化物イオンが発生する。イオン交換体に捕捉されたイオン成分は、この水素イオン及び水酸化物イオンと交換され、イオン交換体から遊離する。遊離したイオン成分は再びイオン交換体に捕捉される。このイオン成分は、イオン交換体への捕捉とイオン交換体からの遊離を繰り返しながら、電圧の作用により濃縮室１１４内へ移動する。

各濃縮室１１４には、濃縮室用の供給路１４４を通して濃縮水が供給される。濃縮室１１４を通った濃縮水は、濃縮室用の排出路１５４を通して排出される。脱イオン室１１０，１１２から濃縮室１１４へ移動したイオン成分は、濃縮水と共に外部へ排出される。各濃縮室１１４内には、スケールの発生を抑制するため、アニオン交換体が単床形態で充填されていることが好ましい。

陰極室１１６及び陽極室１１８には、電極水（陽極水又は陰極水）が供給される。これらの電極水は、電極近傍での電気分解により、水素イオン及び水酸化物イオンを発生させる。脱イオン水製造装置１００の電気抵抗を抑えるために、陰極室１１６及び陽極室１１８には、イオン交換体がそれぞれ充填されていることが好ましい。具体的には、陰極室１１６にはアニオン交換体が単床形態で充填されていることが好ましく、陽極室１１８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好ましい。

本実施形態では、２つの枠体１３０の開口１６０が共同で第１の脱イオン室１１０を形成するように、２つの枠体１３０が互いに隣接している。言い換えると、これら２つの枠体１３０の間にはイオン交換膜は設けられていない。この実施形態の代わりに、少なくとも３つの枠体の開口が共同で第１の脱イオン室を形成するように、３つの枠体が互いに隣接していてもよい。

少なくとも２つの枠体１３０の開口１６０が共同で１つの室（第１の脱イオン室）を形成することにより、各枠体１３０の厚みを増大させることなく、第１の脱イオン室１１０の厚みを大きくすることができる。単一の枠体１３０の厚みを増大させる必要がないため、枠体１３０の形状精度を向上させることができる。特に枠体１３０の表面の平面度が高い水準に維持されることにより、互いに隣接する枠体１３０同士がぴったりと密着する。これにより、第１の脱イオン室１１０を形成する少なくとも２つの枠体１３０間からの液体の漏れが抑制される。

また、アニオン交換体が充填された第１の脱イオン室１１０の厚みを大きくすることができるため、水中のアニオン成分、特に炭酸成分がアニオン交換体に接触する接触時間を長くすることができる。これにより、水中のアニオン成分の除去率が向上する。

カチオン交換体を収容する第２の脱イオン室１１２は、主に、水中のカチオン成分を除去する。水中のカチオン成分、特にカルシウム成分やマグネシウム成分などの硬度成分は、特にアルカリ性の領域内にて、水酸化マグネシウムや炭酸カルシウムとして析出することがある。これらのカチオン成分の析出を抑制するため、アニオン交換体を収容する第１の脱イオン室１１０の前に、カチオン交換体を収容する第２の脱イオン室１１２に水を流入させることが好ましい。特に、カチオン交換体を収容する第２の脱イオン室内１１２内の水の水素イオン指数（ｐＨ）は、バイポーラ膜１２４にて進行する水解離反応にて発生した水素イオンにより、中性から酸性側へシフトしている。そのため、硬度成分の析出を抑制しつつ水中のカチオン成分を除去することができる。その結果、カルシウム成分やマグネシウム成分等に起因するスケールの発生を防止できる。

脱イオン水製造装置１００は、脱イオン室１１０，１１２よりも上流側に、１つ又はそれ以上の逆浸透膜１０２を有していてもよい。また、脱イオン水製造装置１００は、脱イオン室１１０，１１２の上流側又は下流側に、水中の炭酸成分を除去する別個の炭酸除去設備を備えていてもよい。これにより、原水が脱イオン室１１０，１１２に流入する前に、原水中のイオン成分や炭酸成分を少なくしておくことができる。

本実施形態における脱イオン水製造装置１００では、上述したように、水中のアニオン成分、特に炭酸成分の除去効率が向上する。したがって、脱イオン室の上流又は下流に、水中の炭酸を除去する別個の炭酸除去設備を備えていなくてもよい。さらに、硬度成分の析出も抑えられるため、二段のＲＯ膜を一段のＲＯ膜に置き換えてもよく、軟化装置が設置されていなくてもよい。

各枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８は、プラスチック材料、特に射出成形可能なプラスチック材料から形成されることが好ましい。射出成形されたプラスチック材料からなる枠体は、射出成形後の熱収縮により変化する。枠体のサイズ、特に枠体の厚みが大きいほど、枠体は、この熱収縮によって著しく変形する。したがって、各枠体の厚みの増大を抑制することによる液体の漏れの防止は、射出成形可能なプラスチック材料からなる枠体にとって特に大きな意義を有する。

射出成形によって、高い平面度を有する枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８を作成するという観点から、各枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８の厚みは、４〜１５ｍｍの範囲であることが好ましい。この場合であっても、少なくとも２つの枠体１３０の開口１６０が共同で１つの第１の脱イオン室１１０を形成することにより、第１の脱イオン室１１０の厚みを１５ｍｍ以上にすることができる。第１の脱イオン室１１０の厚みは、例えば１５〜３０ｍｍの範囲であってよい。なお、互いに積層された複数の枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８全体の製作精度の観点から、複数の枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８全体の厚みは１０００ｍｍ以下であることが好ましい。

図３は、脱イオン室用の枠体の模式的平面図である。図３（Ａ）は、第１の脱イオン室用の枠体１３０を示している。図３（Ｂ）は、第２の脱イオン室用の枠体１３２を示している。図４は、濃縮室用の枠体１３４の模式的平面図である。

各枠体１３０，１３２，１３４は、略長方形の開口１６０が形成されたプレートから構成されていてよい。各枠体１３０，１３２，１３４の開口１６０の周りには、第１〜第６の貫通孔１６１〜１６６が形成されている。なお、各枠体１３０，１３２，１３４の開口１６０又は貫通孔１６１〜１６６を取り囲む環状のガスケットが設けられていてもよい。ガスケットは、開口１６０又は貫通孔１６１〜１６６内からの液体の漏れを防止する機能を向上させる。

各枠体１３０，１３２，１３４の第１の貫通孔１６１は、互いに連通しており、第２の供給路１４０を形成している。各枠体１３０，１３２，１３４の第２の貫通孔１６２は、互いに連通しており、第１の供給路１４２を形成している。各枠体１３０，１３２，１３４の第３の貫通孔１６３は、互いに連通しており、第２の排出路１５０を形成している。各枠体１３０，１３２，１３４の第４の貫通孔１６４は、互いに連通しており、第１の排出路１５２を形成している。各枠体１３０，１３２，１３４の第５の貫通孔１６６は、互いに連通しており、濃縮室内に液体を供給する供給路１４４を形成している。各枠体１３０，１３２，１３４の第６の貫通孔１６５は、互いに連通しており、濃縮室内から液体を排出する排出路１５４を形成している。

第１の脱イオン室用の枠体１３０は、第２の供給路１４０から第１の脱イオン室１１０内に液体を導入するため、第１の貫通孔１６１を開口１６０に連通させる溝１８０を有する。また、第１の脱イオン室用の枠体１３０は、第１の脱イオン室１１０内から第２の排出路１５０へ液体を排出するため、開口１６０を第３の貫通孔１６３に連通させる溝１８１を有する。

第２の脱イオン室用の枠体１３２は、第１の供給路１４２から第２の脱イオン室１１２内に液体を導入するため、第２の貫通孔１６２を開口１６０に連通させる溝１８２を有する。また、第２の脱イオン室用の枠体１３２は、第２の脱イオン室１１２内から第１の排出路１５２へ液体を排出するため、開口１６０を第４の貫通孔１６４に連通させる溝１８３を有する。

濃縮室用の枠体１３４は、濃縮水用の供給路１４４から濃縮室１１４内に液体を導入するため、第５の貫通孔１６６を開口１６０に連通させる溝１８５を有する。また、濃縮室用の枠体１３４は、濃縮室１１４から濃縮水用の排出路１５４へ液体を排出するため、開口１６０を第６の貫通孔１６５に連通させる溝１８４を有する。

上記のように、各枠体１３０，１３２，１３４は、溝１８０〜１８５の形状を除き、互いに同一の形状であってよい。また、陰極室用の枠体１３６及び陽極室用の枠体１３８も、上記の枠体と同様の形状を有していてよい。ただし、端板１０４，１０６付近の枠体は、供給路１４０，１４２，１４４又は排出路１５０，１５２，１５４が不要な場合もある。この場合、それらの枠体は、供給路又は排出路に対応する貫通孔を有していなくてもよい。

第１の脱イオン室１１０を形成する少なくとも２つの枠体１３０は互いに同一の形状を有することが好ましい。具体的には、第１の脱イオン室用の少なくとも２つの枠体１３０に形成されている開口１６０、貫通孔１６１〜１６６及び溝１８０，１８１の形状が互いに同一であり、かつ第１の脱イオン室用の少なくとも２つの枠体１３０の厚さが互いに同一であってよい。これにより、第１の脱イオン室用の少なくとも２つの枠体１３０は、同一の金型で成形可能となる。

各枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８において、開口１６０が形成された中央部材１７０，１７２，１７４と、溝１８０〜１８５及び貫通孔１６１〜１６６が形成された周辺部材（中央部材１７０，１７２，１７４以外の部分）とは、互いに別個の部品から構成されていてよい。この場合、この中央部材に周辺部材を取り付けることにより、枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８が形成される。

複数の枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８のうちの少なくとも２つの枠体は、周辺部材を除き、互いに同一の形状であってよい。具体的には、各枠体の厚み及び各枠体の開口の形状が互いに同一であることが好ましい。これにより、少なくとも枠体の中央部材を同一の形状にすることができる。その結果、少なくとも２つの枠体の特に中央部材が、同一の金型で成形可能となる。複数の枠体を共通の金型で製造できれば、脱イオン水製造装置の製造コストを削減することができる。一例では、第１の脱イオン室用の枠体１３０が、周辺部材を除き、第２の脱イオン室用の枠体１３２と同一の形状であってよい。別の例では、第１又は第２の脱イオン室用の枠体１３０，１３２が、周辺部材を除き、濃縮室、陰極室又は陽極室用の枠体１３４，１３６，１３８と同一の形状であってもよい。

互いに積層する枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８の数が多くなりすぎると、端板１０４，１０６で枠体を押し付けたとしても、押し付け力が各枠体に均等に働かず、室内から液体が漏れることがある。したがって、室内からの液体の漏れを防止するという観点から、互いに積層される枠体の枚数に上限を設定することが好ましい。以下、第１の実施例における脱イオン水製造装置と、第２の実施例における脱イオン水製造装置について、液体の漏れについての実験結果を説明する。

第１の実施例及び第２の実施例は、図１に示す脱イオン水製造装置と同様の構成を有する。ただし、両実施例では、脱イオン処理部１０８の数が互いに異なっている。表１は、第１及び第２の実施例について、脱イオン処理部１０８の数、第１の脱イオン室１１０の数、第２の脱イオン室１１２の数、濃縮室１１４の数、陰極室１１６の数、陽極室１１８の数及び枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８の総数を示している。なお、両実施例において、第１の脱イオン室１１０は２つの枠体１３０から構成されていることに留意すべきである。

両実施例では、各枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８の形状は互いに同一とした。各枠体の縦方向の長さは４５０ｍｍ、各枠体の横方向の長さは２８０ｍｍであり、各枠体の厚みは１０ｍｍである。各枠体の開口１６０の縦方向の長さは３００ｍｍ、開口１６０の横方向の長さは１５０ｍｍである。

複数の枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８を互いに積層した積層体を端板１０４，１０６により互いに押し付けた。また、第１及び第２の脱イオン室１１０，１１２、濃縮室１１４、陰極室１１６及び陽極室１１８を水で満たし、第２の排出路１５０と濃縮水用の排出路１５４を塞いだ。そして、第１の供給路１４２及び濃縮水用の供給路１４４から各室内へ０．６ＭＰａの水圧をかけた。この状態で脱イオン水製造装置を３０分間維持した。

枠体の総数が７５枚の場合（第１の実施例）、各室からの水の漏れは検出されなかった。一方、枠体の総数が８３枚の場合（第２の実施例）、１時間あたり２３ｍＬの水の漏れが検出された。よって、脱イオン水製造装置を構成する枠体の総数は、好ましくは８０以下、より好ましくは７５以下であってよい。ただし、枠体の数の上限値は、枠体のサイズや実験条件等によって変化し得る。したがって、本発明は、必ずしも上記の上限値に制約されるわけではないことに留意されたい。

単位時間あたりの処理水の処理量を向上させるためには、脱イオン室１３０，１３２に流入させる液体の流速を大きくすることが有利である。しかしながら、液体の流速が増加すると、脱イオン化性能が低下する虞がある。この脱イオン化性能の低下を抑制するには、脱イオン室の厚み（体積）を増大させることによって、脱イオン室に収容されたイオン交換体に対する接触時間を増加させることが好ましい。

本願の発明者は、液体の流速が増大したときに、アニオン交換体を収容する脱イオン室の脱イオン化性能の方が、カチオン交換体を収容する脱イオン室の脱イオン化性能よりも大きく低下することを発見した。ここで、上記のように、互いに積層される枠体１３０，１３２，１３４，１３６，１３８の総数には上限が存在し得る。したがって、アニオン交換体を収容する第１の脱イオン室１１０の厚みを、カチオン交換体を収容する第２の脱イオン室１１２の厚みよりも大きくすることが好ましい。好ましくは、枠体の積層方向における第１の脱イオン室１１０の厚さは、第２の脱イオン室１１２の厚さの１．５倍〜３倍の範囲である。より好ましくは、以下で詳細に説明するように、枠体の積層方向における第１の脱イオン室１１０の厚さは、第２の脱イオン室１１２の厚さの２倍である。これにより、カチオン交換体を収容する脱イオン室によるカチオン成分の脱イオン化性能を維持しつつ、アニオン交換体を収容する脱イオン室によるアニオン成分の脱イオン化性能を向上させることができる。

以下、上記の第１の実施例における脱イオン水製造装置と、第１の比較例に係る脱イオン水製造装置とにおける脱イオン化性能についての実験結果を説明する。第１の実施例における脱イオン水製造装置は１８個の脱イオン処理部１０８を有する。

第１の比較例に係る脱イオン水製造装置は、脱イオン処理部の構成を除き、第１の実施例における脱イオン水製造装置と同様の構成を有する。図５は、第１の比較例に係る脱イオン水製造装置に備えられた脱イオン処理部の模式的断面図である。第１の比較例の脱イオン処理部７０８は、第１の脱イオン室７１０と第２の脱イオン室７１２とを有する。第１の比較例の脱イオン処理部７０８では、第１の脱イオン室７１０と第２の脱イオン室７１２は、それぞれ１つの枠体７３０，７３２から形成されている。

第１の実施例及び第１の比較例ともに、第１の脱イオン室１１０，７１０と第２の脱イオン室１１２，７１２との間に配置された第３のイオン交換膜１２４，７２４はバイポーラ膜である。第１の実施例及び第１の比較例ともに、第１の脱イオン室１１０，７１０の、第３のイオン交換膜１２４，７２４と反対側のイオン交換膜１２２，７２２はアニオン交換膜である。第１の実施例及び第１の比較例ともに、第２の脱イオン室１１２，７１２の、第３のイオン交換膜１２４，７２４と反対側のイオン交換膜１２０，７２０はカチオン交換膜である。第１の実施例及び第１の比較例ともに、第１の脱イオン室１１０，７１０はアニオン交換体を単床形態で収容し、第２の脱イオン室１１２，７１２はカチオン交換体を単床形態で収容する。

表２は、第１の実施例及び第１の比較例について、脱イオン処理部１０８，７０８の数、第１の脱イオン室１１０，７１０の数、第２の脱イオン室１１２，７１２の数、濃縮室の数、陰極室の数、陽極室の数及び枠体の総数を示している。なお、第１の実施例において、第１の脱イオン室１１０は２つの枠体１３０から構成されていることに留意すべきである。

上述したように、枠体の数に上限値が存在することを考慮し、第１の実施例と第１の比較例における枠体の総数を互いに一致させた。第１の比較例では、各枠体の形状は、第１の実施例における枠体と同一とした。すなわち、各枠体の縦方向の長さは４５０ｍｍ、各枠体の横方向の長さは２８０ｍｍであり、各枠体の厚みは１０ｍｍである。各枠体の開口の縦方向の長さは３００ｍｍ、開口の横方向の長さは１５０ｍｍである。

第１の実施例及び第１の比較例について、脱イオン室１１０，１１２，７１０，７１２に流入する被処理水の流量は、３６００Ｌ／ｈとした。濃縮室に流入する濃縮水の流量は３６０Ｌ／ｈとした。陰極室及び陽極室に流入する電極水の流量はそれぞれ２０Ｌ／ｈとした。また、陰極室に設置されている陰極板と陽極室に設置されている陽極板との間に印加する電流値は２．５Ａとした。脱イオン室に流入する被処理水は、１段のＲＯ膜１０２を透過させた水である。第２の脱イオン室１１２，７１２に流入する直前に、被処理水の導電率は８μＳ／ｃｍであり、炭酸濃度は１０ｍｇＣＯ_２／Ｌであり、硬度濃度は１ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであり、ナトリウム濃度は１ｍｇＮａ／Ｌであった。

表３は、上記条件の下における、第１の脱イオン室全体での流体の通水空間速度と、第２の脱イオン室全体での流体の通水空間速度と、を示している。ここで、通水空間速度は、液体の流速を室の体積で割った値で定義される。ある室での空間通水速度の逆数は、当該室内に充填されたイオン交換体に対する接触時間を意味する。第１の実施例では、第１の脱イオン室１１０の体積が第２の脱イオン室１１２の体積の２倍である。そのため、第１の脱イオン室１１０内での通水空間速度は第２の脱イオン室１１２内での通水空間速度の１／２となっている。

図６は、脱イオン水製造装置の運転時間と、脱イオン室を経て排出された処理水の導電率との関係を示すグラフを表している。図７は、脱イオン水製造装置の運転時間と処理水の炭酸除去率との関係を示すグラフを表している。脱イオン水製造装置を約５００時間以上運転すると、第１の比較例における脱イオン水製造装置では、処理水の導電率が上昇し、かつ処理水の炭酸除去率が低下した。一方、第１の実施例における脱イオン水製造装置では、処理水の導電率はほぼ一定であり、かつ処理水の炭酸除去率もほぼ一定値を維持した。このように、第１の実施例の脱イオン水製造装置では、イオン成分の除去率の低下を抑制しつつ、炭酸除去率を向上させることができる。

なお、上記表３を見ると、第１の実施例における第２の脱イオン室内の流体の通水空間速度は、第１の比較例における第２の脱イオン室内の流体の通水空間速度より大きくなっている。したがって、第１の実施例における脱イオン水製造装置では、カチオン交換体に対する接触時間がより小さくなっている。それにもかわらず、第１の実施例における脱イオン水製造装置は、第１の比較例における脱イオン水製造装置と同等のカチオン成分の除去性能を発揮した。これは、カチオン交換体を収容する脱イオン室の脱イオン化性能が、流速が増加してもそれほど低下しないということに依るものと考えられる。そこで、枠体の総数、すなわち全枠体の厚みに上限値が存在し得るという観点から、第１の脱イオン室１１０内の流体の通水空間速度を比較的小さくし、第２の脱イオン室１１２内の流体の通水空間速度を比較的大きくすることが好ましい。好ましくは、第１の脱イオン室１１０内の流体の通水空間速度が１５０〜３００ｈ^−１であり、かつ第２の脱イオン室１１２内の液体の通水空間速度が３００〜６００ｈ^−１であってもよい。より好ましくは、第２の脱イオン室１１２内の流体の通水空間速度は第１の脱イオン室１１０内の液体の通水空間速度の２倍である。これらの通水空間速度は、脱イオン室１１０，１１２に流入させる液体の流速と、第１の脱イオン室１１０と第２の脱イオン室１１２との体積比と、により調節可能である。

上記のように、本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、炭酸除去率が向上するため、別個の脱炭酸設備を備えていなくてもよい。本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、３ｍｇＣＯ_２／Ｌ〜２０ｍｇＣＯ_２／Ｌの炭酸濃度を有する水の脱炭酸化を行うことも可能である。また、本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、好ましくは１つのＲＯ膜を有していてもよい。本実施形態に係る脱イオン水製造装置は、０．５ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ〜２ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌの硬度濃度を有する水の脱イオン化を行うことも可能である。

さらに、本実施形態の脱イオン水製造装置は、第１の脱イオン室１１０を形成する少なくとも２つの枠体１３０どうしの間にイオン交換膜を有していなくてよい。それゆえ、イオン交換膜の数を減らすことができる。一般にイオン交換膜は高価であるので、本実施形態の脱イオン水製造装置は製造コストの観点からも優位である。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

１００ 脱イオン水製造装置
１０８ 脱イオン処理部
１１０，１１２ 脱イオン室
１１４ 濃縮室
１１６ 陰極室
１１８ 陽極室
１２０，１２２，１２４，１２６，１２８ イオン交換膜
１３０，１３２，１３４，１３６，１３８ 枠体

Claims (10)

1. 各々が開口を有し、射出成形可能なプラスチック材料から形成されて互いに積層された複数の枠体と、
   前記複数の枠体の積層方向に沿って前記複数の枠体の一端に配置された陽極と、
   前記積層方向に沿って前記複数の枠体の他端に配置された陰極と、
   枠体間の領域のうちのいくつかの領域に設けられ、液体が通る室を形成するように隣接する枠体の開口を互いに分離するイオン交換膜と、を有し、
   前記室は、脱イオン処理部を構成する室と、前記脱イオン処理部をはさんで前記積層方向の両側に配置される濃縮室とを含み、
   前記複数の枠体のうちの少なくとも２つの枠体は、前記少なくとも２つの枠体の開口が共同で、前記脱イオン処理部を構成する１つの第１の脱イオン室を形成するように互いに隣接しており、
   前記第１の脱イオン室にはアニオン交換体が充填され、
   前記枠体の厚みは４〜１５ｍｍの範囲にあり、
   前記積層方向に沿った前記第１の脱イオン室の厚みが１５ｍｍ以上であり、かつ、前記積層方向に沿った前記濃縮室の厚みよりも大きい、脱イオン水製造装置。
2. 前記第１の脱イオン室を形成する前記少なくとも２つの枠体は、互いに同一の形状を有する、請求項１に記載の脱イオン水製造装置。
3. 前記脱イオン処理部は、前記第１の脱イオン室と、前記第１の脱イオン室に隣接する第２の脱イオン室とによって構成され、
   前記第２の脱イオン室にはカチオン交換体が充填されている、請求項１または２に記載の脱イオン水製造装置。
4. 前記脱イオン処理部において、前記第１の脱イオン室の、前記第２の脱イオン室とは反対側に配置された前記イオン交換膜が、アニオン交換膜であり、
   前記脱イオン処理部において、前記第２の脱イオン室の、前記第１の脱イオン室とは反対側に配置された前記イオン交換膜が、カチオン交換膜である、請求項３に記載の脱イオン水製造装置。
5. 前記脱イオン処理部において、前記第２の脱イオン室から流出した液体を前記第１の脱イオン室に流入させる流路を有する、請求項３又は４に記載の脱イオン水製造装置。
6. 前記脱イオン処理部において前記第１の脱イオン室と前記第２の脱イオン室とを分離する前記イオン交換膜は、カチオン交換膜とアニオン交換膜が互いに接合されたバイポーラ膜であり、
   前記バイポーラ膜のアニオン交換膜が前記第１の脱イオン室側に面している、請求項３から５のいずれか１項に記載の脱イオン水製造装置。
7. 前記積層方向における前記第１の脱イオン室の厚さが、前記第２の脱イオン室の厚さの１．５倍〜３倍の範囲である、請求項３から６のいずれか１項に記載の脱イオン水製造装置。
8. 前記第１の脱イオン室内の液体の通水空間速度が１５０〜３００ｈ^-1であり、前記第２の脱イオン室内の液体の通水空間速度が３００〜６００ｈ^-1である、請求項３から７のいずれか１項に記載の脱イオン水製造装置。
9. 各々が開口を有し、射出成形可能なプラスチック材料から形成されて互いに積層された複数の枠体と、前記複数の枠体の積層方向に沿って前記複数の枠体の一端に配置された陽極と、前記積層方向に沿って前記複数の枠体の他端に配置された陰極と、枠体間の領域のうちのいくつかの領域に設けられ、液体が通る室を形成するように隣接する枠体の開口を互いに分離するイオン交換膜と、を有する脱イオン水製造装置を用いて液体を脱イオン化する方法であって、
   前記室は、脱イオン処理部を構成する室と、前記脱イオン処理部をはさんで前記積層方向の両側に配置される濃縮室とを含み、
   前記複数の枠体のうちの少なくとも２つの枠体は、前記少なくとも２つの枠体の開口が共同で、前記脱イオン処理部を構成する１つの第１の脱イオン室を形成するように互いに隣接しており、
   前記第１の脱イオン室にはアニオン交換体が充填されており、
   前記枠体の厚みは４〜１５ｍｍの範囲にあり、
   前記複数の枠体の積層方向に沿った前記第１の脱イオン室の厚みが１５ｍｍ以上であり、かつ、前記積層方向に沿った前記濃縮室の厚みよりも大きく、
   前記第１の脱イオン室内の液体の通水空間速度が１５０〜３００ｈ^-1となり、かつ前記第２の脱イオン室内の液体の通水空間速度が３００〜６００ｈ^-1となるように、前記第１及び第２の脱イオン室に液体を流すことを含む、方法。
10. 各々が開口を有し、射出成形可能なプラスチック材料から形成されて互いに積層された複数の枠体と、前記複数の枠体の積層方向に沿って前記複数の枠体の一端に配置された陽極と、前記積層方向に沿って前記複数の枠体の他端に配置された陰極と、枠体間の領域のうちのいくつかの領域に設けられ、液体が通る室を形成するように隣接する枠体の開口を互いに分離するイオン交換膜と、を有し、前記室は、脱イオン処理部を構成する室と、前記脱イオン処理部をはさんで前記積層方向の両側に配置される濃縮室とを含む、脱イオン水製造装置の製造方法であって、
    前記複数の枠体のうちの少なくとも２つの枠体を、当該少なくとも２つの枠体の開口が共同で前記脱イオン処理部を構成する１つの第１の脱イオン室を形成するように互いに隣接させ、
    前記第１の脱イオン室にアニオン交換体を充填し、
    前記枠体の厚みを４〜１５ｍｍの範囲内とし、前記積層方向に沿った前記第１の脱イオン室の厚みを１５ｍｍ以上としかつ前記積層方向に沿った前記濃縮室の厚みよりも大きくする、脱イオン水製造装置の製造方法。

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