JP6986414B2 - 電気式脱イオン水製造装置及びそれに用いるフィルム部材 - Google Patents

Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置と、この電気式脱イオン水製造装置に用いるフィルム部材とに関する。

イオン交換体によって被処理水を処理することにより脱イオン（脱塩）を行なう脱イオン水製造装置の１つとして、電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ(ElectroDeIonization)装置ともいう）がある。ＥＤＩ装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせた装置であって、薬剤によってイオン交換体を再生する処理を不要とするという利点を有する。

ＥＤＩ装置では、アニオン（陰イオン）のみを透過させるアニオン交換膜とカチオン（陽イオン）のみを透過させるカチオン交換膜との間にイオン交換体（アニオン交換体及び／またはカチオン交換体）を充填して脱塩室が構成されている。脱塩室から見てアニオン交換膜及びカチオン交換膜の外側に各々濃縮室が配置され、さらにそれらの外側に、陽極を備える陽極室と陰極を備える陰極室とが配置される。脱塩室では陽極に近い側にアニオン交換膜が配置され、陰極に近い側にカチオン交換膜が配置される。陽極と陰極との間に直流電圧を印加し、濃縮室、陽極室及び陰極室に通水しながら被処理水を脱塩室に通水することにより、被処理水の脱イオン処理がなされ、脱イオン水が脱塩室から排出される。被処理水に含まれていたイオン成分は、濃縮室に移行して濃縮室から排出される。

ここでは、［濃縮室（Ｃ）｜アニオン交換膜（ＡＥＭ）｜脱塩室（Ｄ）｜カチオン交換膜（ＣＥＭ）｜濃縮室（Ｃ）］からなる基本構成（すなわちセルセット）が陽極と陰極との間に配置されているものとしたが、電極間にこのようなセルセットを複数個並置し、電気的には複数個のセルセットが一端を陽極とし他端を陰極として直列接続されるようにして処理能力の増大を図ることが一般的である。この場合、隣接するセルセット間で隣り合う濃縮室を共有することができるから、ＥＤＩ装置の構成としては、［陽極室｜Ｃ｜ＡＥＭ｜Ｄ｜ＣＥＭ｜Ｃ｜ＡＥＭ｜Ｄ｜ＣＥＭ｜Ｃ｜ＡＥＭ｜Ｄ｜ＣＥＭ｜…｜Ｃ｜陰極室］の構成となる。また、陽極室とそれに隣接する濃縮室の間にカチオン交換膜を設け、陰極室とそれに隣接する濃縮室の間にはアニオン交換膜を設ける場合が多い。また、このような直列構造において、陽極室に最も近い脱塩室については、陽極室との間に独立の濃縮室を介在させることなく陽極室自体を濃縮室としても機能させることができ、陰極室に最も近い脱塩室については、陰極室との間に濃縮室を介在させることなく陰極室自体を濃縮室としても機能させることができる。直流電圧の印加によって消費する電力を抑えるためには、各濃縮室にイオン交換体を充填し、陽極室にカチオン交換体を充填し、陰極室にはアニオン交換体を充填して、ＥＤＩ装置全体としての電気抵抗を下げることが好ましい。ＥＤＩ装置において各室に充填されるカチオン交換体及びアニオン交換体は、例えば、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂である。

ここでは、脱塩室において陽極側にアニオン交換膜を配置し、陰極側にカチオン交換膜を配置するものと説明したが、アニオン交換膜やカチオン交換膜の代わりにバイポーラ膜を使用することも可能である。バイポーラ膜は、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを積層した構造を有する。以下の説明では、アニオン交換膜及びカチオン交換膜にさらにバイポーラ膜を含めてイオン交換膜と総称することとする。

結局、ＥＤＩ装置は、陽極と陰極との間の空間を複数枚のイオン交換膜で区画し、区画された空間の各々を脱塩室、濃縮室、陽極室及び陰極室のいずれかとし、必要に応じてこれらの区画にイオン交換体を充填した構造となっている。そこで、貫通する開口部を有する複数の枠体を用意し、枠体によってイオン交換膜が挟持されるように枠体とイオン交換膜とを交互に配置することによって、ＥＤＩ装置を構成する脱塩室、濃縮室、陽極室及び陰極室を形成することが行なわれている。イオン交換膜は、枠体の開口部よりも大きい形状であって、枠体の開口部を完全に覆うように配置される。このとき、枠体の少なくとも一方の面において、イオン交換膜を受け入れるための窪み部を開口部の周囲に設けている。ＥＤＩ装置を組み立てる際には、下側となる枠体の窪み部にイオン交換膜を載置し、その上に、上側の枠体を載置し、必要に応じて枠体の開口部にイオン交換樹脂などのイオン交換体を充填する。この工程を繰り返すことによって、ＥＤＩ装置での［…｜濃縮室｜脱塩室｜濃縮室｜脱塩室｜濃縮室｜…］という構造を完成させることができる。

枠体によってイオン交換膜を挟持することによってＥＤＩ装置の各室を形成する場合、イオン交換膜と枠体との間に隙間があるとそこから水漏れが発生する。そこで特許文献１には、イオン交換膜を受け入れるために枠体に設けられた窪み部の深さよりもイオン交換膜の厚みを厚くして、ＥＤＩ装置を組み立てたときにイオン交換膜の厚さと窪み部の深さとの差の分だけ枠体がイオン交換膜を押し潰すようにすることにより、イオン交換膜と枠体との間の密着性を高めることが開示されている。特許文献１に記載されたものでは、イオン交換膜の潰ししろを利用してイオン交換膜とその両側にそれぞれ位置する枠体との密着性を高めることにより、イオン交換膜と枠体との間から水漏れが生じることを防止している。

特開２００３−１１２１８５号公報

ＥＤＩ装置では、要求性能などに応じて使用するイオン交換膜の種類や仕様を変えており、通常用いるものよりも薄いイオン交換膜を使用したい場合が生ずる。しかしながら特許文献１に記載されたＥＤＩ装置では、枠体に形成される窪み部の深さより薄いイオン交換膜を使用した場合、イオン交換膜の潰ししろが存在しないこととなって、枠体とイオン交換膜との間が十分にシールされず、水漏れが生じることとなる。またＥＤＩ装置では少なくとも脱塩室にはイオン交換樹脂などのイオン交換体を充填するが、ＥＤＩ装置の組み立て時にイオン交換膜と枠体との間に粒状のイオン交換樹脂が入り込み、枠体によってイオン交換膜を挟持しようとするときにこのイオン交換樹脂がイオン交換膜を局所的に強く押圧することがある。その結果、イオン交換膜の一部分に集中的に負荷が加わってしまい、イオン交換膜の損傷の原因となることがある。イオン交換膜の損傷は、ＥＤＩ装置から得られる脱イオン水の水質の低下、処理流量の低下をもたらす。

本発明の目的は、脱塩室や濃縮室などを構成するために用いられる枠体に形成されるイオン交換膜用の窪み部の深さよりも薄いイオン交換膜を使用可能であり、かつ、イオン交換膜の損傷を防止できるＥＤＩ装置と、このＥＤＩ装置で用いるフィルム部材とを提供することにある。

本発明の電気式脱イオン水製造装置は、イオン交換体が充填された脱塩室と、脱塩室の両側にそれぞれイオン交換膜を介して配置された１対の濃縮室とを備える電気式脱イオン水製造装置であって、脱塩室及び濃縮室の各々は、第１の面と、第２の面と、第１の面と第２の面の間を貫通する開口部とを有する枠体によって構成され、枠体は、第１の面において開口部を囲んで形成された窪み部を有し、イオン交換膜は、枠体の開口部の面積よりも大きい面積を有して窪み部にはめ込むことが可能な形状を有し、窪み部の底面上に、イオン交換膜と、開口部を有して窪み部にはめ込むことが可能な外周形状を有するフィルム部材とがこの順で配置している。

本発明のフィルム部材は、イオン交換体が充填された脱塩室と、脱塩室の両側にそれぞれイオン交換膜を介して配置された１対の濃縮室とを備え、脱塩室及び濃縮室の各々は、第１の面と、第２の面と、第１の面と第２の面の間を貫通する開口部とを有する枠体によって構成され、枠体は、第１の面において開口部を囲んで形成された窪み部を有する電気的脱イオン水製造装置において用いられるフィルム部材であって、開口部を有して窪み部にはめ込むことが可能な外周形状を有し、イオン交換膜は、枠体の開口部の面積よりも大きい面積を有して窪み部にはめ込むことが可能な形状を有し、イオン交換膜が窪み部の底面に接するように窪み部にはめ込まれたときに、イオン交換膜に対して積層して配置される。

本発明によれば、ＥＤＩ装置において、脱塩室や濃縮室などを構成するために用いられる枠体に形成されるイオン交換膜用の窪み部の深さよりも薄いイオン交換膜を使用することが可能になり、かつ、枠体の窪み部に侵入したイオン交換樹脂粒子などによるイオン交換膜の損傷を防止できるようになる。

本発明の実施の一形態の電気式脱イオン水製造装置の構成を示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線での枠体の断面図である。 枠体とイオン交換膜とフィルム部材との位置関係を示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一形態の電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）の要部の構成を示している。このＥＤＩ装置は、陽極１３が設けられる陽極室と陰極１４が設けられる陰極室との間に、濃縮室と脱塩室とを交互に繰り返して配置したものである。このとき、各脱塩室は、その陽極側で隣り合う濃縮室との間ではアニオン交換膜あるいはバイポーラ膜で区切られ、その陰極側で隣り合う濃縮室との間ではカチオン交換膜あるいはバイポーラ膜で区切られている。本実施形態では、貫通する開口部２１を有する複数の枠体２０を用意し、隣接する２つの枠体２０によってイオン交換膜（アニオン交換膜、カチオン交換膜及びバイポーラ膜の少なくとも１つ）３０が挟持されるように枠体２０とイオン交換膜３０とを交互に配置することによって、ＥＤＩ装置を構成する脱塩室、濃縮室、陽極室及び陰極室を形成している。枠体２０は、電気絶縁性であってかつ水を通さない材料、例えばプラスチックによって構成されている。図では、１つの脱塩室と、それに隣接する濃縮室の枠体２０とが描かれている。少なくとも脱塩室には粒状のイオン交換樹脂などのイオン交換体が充填されるが、各室に充填されるイオン交換体は図１では示していない。枠体２０には、その枠体２０によって構成される脱塩室や濃縮室などに通水するための流路が形成されるが、図ではそれらの流路も示していない。

ＥＤＩ装置としてみて陽極１３の外側及び陰極１４の外側には、それぞれ、押さえ板１１，１２が設けられている。押さえ板１１，１２の間に例えばボルト（不図示）を挿通し、そのボルトをナット（不図示）で締結することによって、陽極１３、複数の枠体２０、複数のイオン交換膜３０及び陰極１４とからなるＥＤＩ装置の本体部が押さえ板１１，１２の間で締め付けられ、ＥＤＩ装置が完成することになる。

図２は、図１のＡ−Ａ線での枠体２０の断面図である。枠体２０は、略長方形の板状の部材であって、中央に略長方形の貫通する開口部２１を有する。板状の部材としての枠体２０の一方の面すなわち第１の面において、開口部２１を取り囲むように段差が形成されてイオン交換膜３０を受け入れるための窪み部２２が形成されている。窪み部２２は開口部２１を取り囲む段差によって形成されているので、この段差の高さが窪み部２２の深さということになる。枠体２０の第１の面には、窪み部２２の領域において、Ｏリング３４を配置するための溝２４が設けられている。また窪み部２２の外側となる位置においても枠体２０の一方の面に、Ｏリング３３が配置される溝２３が形成されている。説明のため、図２にはＯリング３３，３４は示されていない。溝２３，２４は、Ｏリング３３，３４を収容するためのものであるので、開口部２１の周りを循環する形状に形成されている。板状部材としての枠体２０の他方の面（すなわち第２の面）は平坦に形成されており、この面を平坦面と呼ぶ。上述のように枠体２０によってイオン交換膜３０を挟持しつつ枠体２０とイオン交換膜３０とを交互に配置しているが、このとき、相互に隣接する枠体２０に関し、一方の枠体２０の窪み部２２が形成されている面と他方の枠体２０の平坦面とが向かい合うようにする。

イオン交換膜３０は、枠体２０の開口部２１よりも面積が広くて開口部２１を完全に覆うことができるが、枠体２０の窪み部２２と同じかそれよりも小さい形状を有する。すなわちイオン交換膜３０は、窪み部２２にはめ込むことが可能な外周形状を有して、窪み部２２にはめ込まれるようにして収容され配置される。水漏れの防止のため、イオン交換膜３０は、窪み部２２に収容されたときに、その全周にわたってＯリング３４用の溝２４の形成位置よりも枠体３０の外周側にはみ出る形状であることが好ましい。図３は、２つの枠体２０によってイオン交換膜３０を挟持した状態を示している。

本実施形態のＥＤＩ装置では、枠体２０の一方の面に形成される窪み部２２の深さと同じかそれよりも薄いイオン交換膜３０を使用できるようにする。そこで、外周形状はイオン交換膜３０とほぼ同じであって窪み部２２にはめ込み可能であり、かつ、枠体２０の開口部２１とほぼ同形状の窓状の開口部３２を有するフィルム部材３１を使用する。フィルム部材３１は、枠体２０の窪み部２２の底面に接するように配置されているイオン交換膜３０の上に重ねられ、これによってフィルム部材３１も窪み部２２内に配置される。押圧しない状態でのイオン交換膜３０の厚さとフィルム部材３１の厚さとの和は、枠体２０の窪み部２２の深さと同じであるかそれよりも大きくなっている。この構成では、イオン交換膜３０とフィルム部材３１との積層体が、隣接する２つの枠体２０に一方に形成された窪み部２２と他方の平坦面とによって挟持されることになる。イオン交換膜３０とフィルム部材３１との積層体は、その合計の厚さが窪み部２２の深さ以上であれば、２つの枠体２０に挟まれて押し潰され、イオン交換膜３０と枠体２０の間、イオン交換膜３０とフィルム部材３１の間、フィルム部材３１と枠体２０の間の密着性が高まる。したがってこのＥＤＩ装置では、使用するイオン交換膜３０の厚さが枠体２０の窪み部２２の深さよりも薄いときであっても、水漏れの発生を良好に防止することができる。本実施形態のＥＤＩ装置では、枠体２０に周回する２本の溝２３，２４を設け、これにＯリング３３，３４を配置して二重のシール構造としている。これにより、さらなる水漏れ防止が図られる。フィルム部材３１には開口部３２が設けられているので、イオン交換膜３０にフィルム部材３１を重ねたときであっても、イオン交換膜３０を介したイオン（アニオン及びカチオン）の移動が妨げられることはない。

次に、フィルム部材３１について説明する。フィルム部材３１は、物理的強度に優れて表面が平滑なフィルムから構成されている。フィルム部材３１に用いられる材料としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレートなどのポリマー材料が挙げられる。フィルム部材３１は、例えば、Ｒｚ値が１０μｍ以下となるように形成されている。本明細書において、Ｒｚ値は、フィルム部材３１の表面粗さを示す一つのパラメータとして用いられる数値であって、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｂ０６０１：２００１に規定されるものである。一例として窪み部２２の深さが０．３ｍｍ、使用するイオン交換膜２０の非押圧状態での厚さが０．２ｍｍであれば、フィルム部材３１としては、非押圧状態での厚さが例えば０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ程度以下のものが使用される。フィルム部材３１は、イオン交換膜３０と重ねた状態で枠体２０で挟持したときに十分かつ適切な潰ししろを形成できるような厚さであることが好ましい。より高い密着性を得るために、非押圧状態でのフィルム部材３１の厚さは、１対の枠体２０によってイオン交換膜３０とフィルム部材３１とを挟持した状態においてイオン交換膜３０とフィルム部材３１との厚さの和が窪み部２２の深さを上回らない厚さとなるように選択される。

次に、本実施形態のＥＤＩ装置の組み立て方法について説明する。図１に示したものでは、各枠体２０において陽極１３側の面に窪み部２２が設けられているので、まず、陰極１４側の押さえ板１２の上に陰極１４を載置し、陰極１４の上に、窪み部２２が上になるように枠体２０を載置する。陰極１４と枠体２０との間の気密の保持のために、陰極１４の表面には、枠体２０に取り付けられるＯリング３３，３４と同様の２本のＯリング３５が取り付けられている。枠体２０を配置したら、その窪み部２２にイオン交換膜３０とフィルム部材３１とを配置する。これにより陰極室が形成される。続いて、陰極室の上に枠体２０を載置し、その窪み部２２にイオン交換膜３０とフィルム部材３１とを配置し、さらにその上に次の陰極室の上に枠体２０を載置し、その窪み部２２にイオン交換膜３０とフィルム部材３１とを配置することを繰り返すことによって、濃縮室と脱塩室とが交互に形成されることになる。

ＥＤＩ装置では少なくとも脱塩室にイオン交換樹脂などのイオン交換体を充填する必要があるが、イオン交換体としてイオン交換樹脂を充填するときは、図３に示すように、イオン交換膜３０を窪み部２２に配置する前の枠体２０の開口部２１にイオン交換樹脂４０を充填すればよい。イオン交換樹脂４０の充填後、イオン交換膜３０及びフィルム部材３１を窪み部２２に配置し、次の枠体２０をその上に載置する。イオン交換樹脂４０の充填の際に、窪み部２２内に粒状のイオン交換樹脂が入り込むことがある。この状態でイオン交換膜３０を配置し、組み立ての最終段階でボルトの締め付けなどによりイオン交換膜３０を隣接する枠体２０で挟持したとき、イオン交換樹脂４０の粒によってイオン交換膜３０に一部分に集中的に荷重がかかることになり、イオン交換膜３０が損傷する可能性がある。イオン交換膜３０が損傷すると、ＥＤＩ装置の処理水質及び処理流量が低下するおそれがある。本実施形態では、イオン交換膜３０にフィルム部材３１を重ねているのでイオン交換樹脂４０の粒による荷重がフィルム部材３１を介してイオン交換膜３０に加わることとなり、イオン交換膜３０への荷重が軽減し、イオン交換膜３０の損傷を防ぐことができる。

枠体２０を載置することとその窪み部２２にイオン交換膜３０及びフィルム部材３１を配置することを繰り返すことにより、最終的に、陽極室に対応する枠体２０までが配置されることになる。そうしたら、イオン交換膜３０及びフィルム部材３１を介することなく陽極１３を枠体２０上に載置し、さらに押さえ板１１をその上に設ける。最後に、押さえ板１１と押さえ板１２との間にボルトを通し、ナットで締結することにより、ＥＤＩ装置が完成することになる。

１１，１２ 押さえ板
１３ 陽極
１４ 陰極
２０ 枠体
２１，３２ 開口部
２２ 窪み部
２３，２４ 溝
３０ イオン交換膜
３１ フィルム部材
３３，３４，３５ Ｏリング
４０ イオン交換樹脂

Claims (7)

1. イオン交換体が充填された脱塩室と、前記脱塩室の両側にそれぞれイオン交換膜を介して配置された１対の濃縮室とを備える電気式脱イオン水製造装置であって、
   前記脱塩室及び前記濃縮室の各々は、第１の面と、第２の面と、前記第１の面と前記第２の面の間を貫通する開口部とを有する枠体によって構成され、
   前記枠体は、前記第１の面において前記開口部を囲んで形成された窪み部を有し、
   前記イオン交換膜は、前記枠体の開口部の面積よりも大きい面積を有して前記窪み部にはめ込むことが可能な形状を有し、
   前記窪み部の底面上に、前記イオン交換膜と、開口部を有して前記窪み部にはめ込むことが可能な外周形状を有するフィルム部材とがこの順で配置し、
   前記フィルム部材は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル及びポリエチレンテレフタレートのいずれかから形成され、
   前記フィルム部材の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に規定されるＲｚ値で表して、Ｒｚ値が１０μｍ以下である、電気式脱イオン水製造装置。
2. 前記イオン交換膜は、前記窪み部の深さ以下の厚さを有し、アニオン交換膜、カチオン交換膜及びバイポーラ膜の少なくとも１つである、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
3. 非押圧状態での前記フィルム部材の厚さは、１対の前記枠体によって前記イオン交換膜と前記フィルム部材とを挟持した状態において前記イオン交換膜と前記フィルム部材との厚さの和が前記窪み部の深さを上回らない厚さである、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
4. 一方の枠体の前記第１の面が他方の枠体の前記第２の面に向かい合うように、隣接する２つの前記枠体が配置される、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。
5. 前記枠体の前記第１の面に、前記開口部を取り囲む２重のＯリングを備える、請求項４に記載の電気式脱イオン水製造装置。
6. 前記２重のＯリングの一方のＯリングは前記窪み部の領域に配置され、他方のＯリングは前記窪み部の外側に配置されている、請求項５に記載の電気式脱イオン水製造装置。
7. イオン交換体が充填された脱塩室と、前記脱塩室の両側にそれぞれイオン交換膜を介して配置された１対の濃縮室とを備え、
   前記脱塩室及び前記濃縮室の各々は、第１の面と、第２の面と、前記第１の面と前記第２の面の間を貫通する開口部とを有する枠体によって構成され、
   前記枠体は、前記第１の面において前記開口部を囲んで形成された窪み部を有する電気的脱イオン水製造装置において用いられるフィルム部材であって、
   ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル及びポリエチレンテレフタレートのいずれかから形成され、
   開口部を有して前記窪み部にはめ込むことが可能な外周形状を有し、
   前記イオン交換膜は、前記枠体の開口部の面積よりも大きい面積を有して前記窪み部にはめ込むことが可能な形状を有し、
   前記イオン交換膜が前記窪み部の底面に接するように前記窪み部にはめ込まれたときに、前記イオン交換膜に対して積層して配置され、
   前記フィルム部材の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に規定されるＲｚ値で表して、Ｒｚ値が１０μｍ以下である、フィルム部材。

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