JP7262353B2 - 脱イオン水の製造方法および製造システム - Google Patents

Description

本発明は、電気式脱イオン水製造装置を用いた脱イオン水の製造方法および製造システムに関する。

電気式脱イオン水製造装置（以下、「ＥＤＩ装置」ということがある）は、電気泳動と電気透析を組み合わせた装置である。一般的なＥＤＩ装置の基本構成は次のとおりである。すなわち、ＥＤＩ装置は、脱塩室と、脱塩室の両側に配置された一対の濃縮室と、一方の濃縮室の外側に配置された陽極（プラス極）室と、他方の濃縮室の外側に配置された陰極（マイナス極）室とを有する。脱塩室は、対向配置されたアニオン交換膜およびカチオン交換膜と、それら交換膜の間に充填されたイオン交換体（アニオン交換体又は／及びカチオン交換体）とを有する。被処理水が脱塩室に供給され、被処理水中に存在するアニオン成分及びカチオン成分が、それぞれアニオン交換膜およびカチオン交換膜を通って脱塩室から濃縮室に移動し、脱塩室から処理水すなわち脱イオン水が得られ、濃縮室から濃縮水が得られる。

ＥＤＩ装置では、濃縮水に含まれるホウ素（ホウ酸）が、濃縮室と脱塩室とを仕切るカチオン交換膜を通過して処理水中に拡散し、処理水の純度を低下させる現象が発生することがある。これは、ホウ素が、ｐＨなどの変化に応じて一部イオン化していない分子（中性分子）の形態をとるため、カチオン交換膜による選択透過性の影響を受けにくいことに起因している。ホウ素については、下式で示される平衡関係がある。
Ｂ（ＯＨ）_３＋Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｂ（ＯＨ）_４ ^－＋Ｈ^＋
イオン化していない分子（中性分子）の形態はＢ（ＯＨ）_３であり、これはカチオン交換膜を容易に通過し得る。

また、ＥＤＩ装置において、水酸化マグネシウム等のスケールが生成することがある。スケールの生成を抑制する手法として、濃縮室内にアニオン交換体を充填する手法が特許文献１に記載されている。この文献には、濃縮室内にアニオン交換体を充填したＥＤＩ装置において弱酸成分による処理水の純度低下が顕著に現れることが開示され、この純度低下を抑制することのできるＥＤＩ装置が提案されている。

また、ＥＤＩ装置において、スケール発生の抑制の観点から、遊離炭酸を含む水を濃縮室に供給する手法が特許文献２に記載されている。

国際公開第２０１１／１５２２２６号 特開２００４－３５８４４０号公報

ホウ素は脱塩室内でイオン交換体によって捕捉し難い。したがって、ホウ素について、カチオン交換膜を通過して濃縮室から脱塩室に移動することを防止することが望まれる。

本発明の目的は、スケール生成抑制のために濃縮室内にアニオン交換体を配しつつも、ホウ素がカチオン交換膜を通過して濃縮室から脱塩室に移動することを抑制することのできる、ＥＤＩ装置を用いた脱イオン水の製造方法および製造システムを提供することである。

本発明の一態様によれば、
電気式脱イオン水製造装置を用いて脱イオン水を製造する、脱イオン水の製造方法であって、
前記電気式脱イオン水製造装置が、
対向する陰極と陽極との間に少なくとも一つの脱塩処理部が設けられ、
前記脱塩処理部は、イオン交換体が充填された脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられる一対の濃縮室とを有し、前記一対の濃縮室のそれぞれに少なくともアニオン交換体が充填され、
前記脱塩室は、前記一対の濃縮室のうちの前記陰極側の濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接するとともに、前記一対の濃縮室のうちの前記陽極側の濃縮室にアニオン交換膜を介して隣接し、
前記脱塩室に被処理水を通水して前記脱塩室から脱イオン水を得る電気式脱イオン水製造装置であり、
１μｇ－Ｂ／Ｌ以上のホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ３／Ｌ以上である供給水を、少なくとも、前記陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室に供給する、脱イオン水の製造方法が提供される。

本発明の別の態様によれば、
対向する陰極と陽極との間に少なくとも一つの脱塩処理部が設けられ、
前記脱塩処理部は、イオン交換体が充填された脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられる一対の濃縮室とを有し、前記一対の濃縮室のそれぞれに少なくともアニオン交換体が充填され、前記脱塩室は、前記一対の濃縮室のうちの前記陰極側の濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接するとともに、前記一対の濃縮室のうちの前記陽極側の濃縮室にアニオン交換膜を介して隣接し、
前記脱塩室に被処理水を通水して前記脱塩室から脱イオン水を得る電気式脱イオン水製造装置と、
前記電気式脱イオン水製造装置の、少なくとも、前記陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室に、１μｇ－Ｂ／Ｌ以上のホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ３／Ｌ以上である供給水を供給するホウ素含有水供給手段と
を備える、脱イオン水の製造システムが提供される。

本発明によれば、スケール生成抑制のために濃縮室内にアニオン交換体を配しつつも、ホウ素がカチオン交換膜を通過して濃縮室から脱塩室に移動することを抑制することのできる、ＥＤＩ装置を用いた脱イオン水の製造方法および製造システムが提供される。

本発明で用いることのできるＥＤＩ装置の一形態の概略構成を示す模式断面図である。 本発明で用いることのできるＥＤＩ装置の別の形態の概略構成を示す模式断面図である。 本発明で用いることのできるＥＤＩ装置のさらに別の形態の概略構成を示す模式断面図である。 本発明に係る脱イオン水製造システムの概略構成例を示すプロセスフローダイアグラムである。 本発明に係る脱イオン水製造システムの別の概略構成例を示すプロセスフローダイアグラムである。 実施例で用いたＥＤＩ装置の概略構成を示す模式断面図である。

イオン交換体として、例えばイオン交換樹脂およびイオン交換繊維がある。アニオン交換体としては例えばアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）があり、カチオン交換体としては例えばカチオン交換樹脂（ＣＥＲ）がある。イオン交換樹脂とは、三次元的な網目構造を持った高分子母体に官能基（イオン交換基）を導入した合成樹脂のことであり、通常使用されるものは、粒子径が例えば０．１～１．０ｍｍ程度の球状の粒子である。イオン交換樹脂の高分子母体としては、スチレン－ジビニルベンゼンの共重合体（スチレン系）や、アクリル酸－ジビニルベンゼンの共重合体（アクリル系）などがある。

イオン交換樹脂は、官能基が酸性を示すカチオン交換樹脂と、塩基性を示すアニオン交換樹脂とに大別され、さらに、導入されるイオン交換基の種類によって、強酸性カチオン交換樹脂、弱酸性カチオン交換樹脂、強塩基性アニオン交換樹脂、弱塩基性アニオン交換樹脂などがある。強塩基性アニオン交換樹脂としては、例えば、第４級アンモニウム基を官能基（イオン交換基）として有するものがあり、弱塩基性アニオン交換樹脂としては、例えば、第１～第３級アミンを官能基として有するものがある。強酸性カチオン交換樹脂としては、例えば、スルホン酸基を官能基として有するものがあり、弱酸性カチオン交換樹脂としては、例えば、カルボキシル基を官能基として有するものがある。

以下、図面を参照しつつ本発明について詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

図１に、本発明で用いることのできるＥＤＩ装置の基本的な形態を示す。ＥＤＩ装置には、対向する陰極１２と陽極１１との間に、少なくとも１つの脱塩処理部が設けられる。この脱塩処理部は、脱塩室２３と、脱塩室２３の両隣に設けられる一対の濃縮室２２及び２４とを有し、またアニオン交換膜（ＡＥＭ）３２とカチオン交換膜（ＣＥＭ）３３も有する。脱塩室２３に被処理水を通水して、脱塩室２３から脱イオン水を得る。

脱塩室２３は、一対の濃縮室２２、２４のうちの陰極側の濃縮室２４にカチオン交換膜３３を介して隣接するとともに、一対の濃縮室２２、２４のうちの陽極側の濃縮室２２にアニオン交換膜３２を介して隣接する。脱塩室２３は、陽極１１に向いた側に位置するアニオン交換膜３２と陰極１２に向いた側に位置するカチオン交換膜３３とによって区画されている。

図１に示すＥＤＩ装置では、陽極１１を備えた陽極室２１と、陰極１２を備えた陰極室２５との間に、陽極室２１側から順に、濃縮室２２、脱塩室２３及び濃縮室２４が設けられている。陽極室２１と濃縮室２２はカチオン交換膜３１を介して隣接し、濃縮室２４と陰極室２５はアニオン交換膜３４を介して隣接している。

・脱塩室内のイオン交換体
脱塩室２３内には、被処理水に含まれるイオンを捕捉するために、イオン交換体（アニオン交換体および／またはカチオン交換体）が充填される。特に、被処理水に含まれるホウ素等の弱酸成分のアニオンを捕捉し、被処理水から除去する観点からは、脱塩室２３に、少なくともアニオン交換体が充填されていることが好ましい。図１に示した例では、脱塩室２３内には、アニオン交換体とカチオン交換体とが混床（ＭＢ）となって充填されている。しかし、アニオン交換体のみが脱塩室２３に充填されていてもよい。あるいは、一つ以上のアニオン交換体床（アニオン交換体からなる床）と、一つ以上のカチオン交換体床（カチオン交換体からなる床）とが、脱塩室２３に設けられていてもよい。この場合は、脱塩室から最終的に排出される処理水中の弱酸成分濃度を低くするために、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、アニオン交換体床とカチオン交換体床が脱塩室に充填されていることが好ましい。アニオン交換体としては例えばアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）が使用され、カチオン交換体としては例えばカチオン交換樹脂（ＣＥＲ）が使用される。

ただし、本発明は、脱塩室２３に少なくともカチオン交換体が充填されている場合に、特に有用である。カチオン交換膜３３を通過して濃縮室２４から脱塩室２３に移動してきたホウ素は、脱塩室２３内のアニオン交換樹脂に捕捉されて、被処理水から除去され得る（アニオン交換膜３２を通して濃縮室２２に排出される）。例えば脱塩室２３に充填されたイオン交換体が、アニオン交換体のみであるケースと、カチオン交換体を含むケースとでは、被処理水からのホウ素の除去の容易さが異なり、後者のケースのほうが除去が難しい。本発明によれば、特定の性状を有する供給水を濃縮室２４に供給することにより濃縮室２４から脱塩室２３へのホウ素の移動を抑制できるので、後者のケースであってもホウ素による処理水（脱イオン水）の汚染を抑制でき、したがって後者のケースにおいて本発明は特に有用である。

・濃縮室内のイオン交換体
一対の濃縮室２２および２４にはそれぞれ、スケール生成を抑制するために、少なくともアニオン交換体、典型的にはアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）が充填される。濃縮室２２内および濃縮室２４内のイオン交換体はそれぞれ、アニオン交換体からなっていてもよく、あるいは、アニオン交換体と、カチオン交換樹脂（ＣＥＲ）などのカチオン交換体とからなっていてもよい。濃縮室２４内のイオン交換体のうち、アニオン交換体の割合は５割以上が好ましく、より好ましくは１０割（全てアニオン交換体）である。濃縮室２２内のイオン交換体のうちのアニオン交換体の割合についても同様である。

図１に示した例では、濃縮室２４に充填されたイオン交換体が、アニオン交換樹脂（ＡＥＲ）によって構成される。濃縮室２２についても同様である。

なお、このＥＤＩ装置では、カチオン交換体が陽極室２１内に充填され、アニオン交換体が陰極室２５内に充填されている。しかし、陽極室２１及び陰極室２５には、必ずしもイオン交換体を充填する必要はない。

以下に、図１に示したＥＤＩ装置による脱イオン水（処理水）の製造について説明する。陽極室２１、濃縮室２２、２４及び陰極室２５に供給水を通水し、陽極１１と陰極１２との間に直流電圧を印加した状態で、脱塩室２３に被処理水を通水する。すると、被処理水中のイオン成分は脱塩室２３内のイオン交換体に吸着され、脱イオン化（脱塩）処理が行われ、脱塩室２３から処理水として脱イオン水が流出する。このとき脱塩室２３では、印加電圧によって主に異種のイオン交換体（イオン交換膜であってもよい）同士の界面で水の解離反応が起こり、水素イオン及び水酸化物イオンが生成する。そしてその水素イオンと水酸化物イオンとによって、先に脱塩室２３内のイオン交換体に吸着されていたイオン成分がイオン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のうちアニオンはアニオン交換膜３２を介して陽極側の濃縮室２２に移動し、この濃縮室２２から濃縮水として排出され、カチオンは、カチオン交換膜３３を介して陰極側の濃縮室２４に移動し、この濃縮室２４から濃縮水として排出される。結局、脱塩室２３に供給された被処理水中のイオン成分は濃縮室２２、２４に移行して排出され、同時に、脱塩室２３のイオン交換体が再生される。なお、陽極室２１及び陰極室２５からは電極水が排出される。

カチオン交換膜３１、アニオン交換膜３２、カチオン交換膜３３およびアニオン交換膜３４は、それぞれＥＤＩ装置や電気透析装置（ＥＤ）の分野で公知のものを使用することができる。

陽極１１及び陰極１２として、ＥＤＩ装置の分野で公知のものを用いることができる。例えば、陰極にはステンレス、陽極には白金などの貴金属、もしくは貴金属めっき電極が用いられる。

また、例えば、陽極１１及び陰極１２、陽極室２１、濃縮室２２及び２４、脱塩室２３、陰極室２５、カチオン交換膜３１及び３３、ならびにアニオン交換膜３２および３４を、適宜の枠体（不図示）に収容することができる。

陽極室２１、濃縮室２２、２４及び陰極室２５に供給する供給水や、脱塩室２３に供給する被処理水として、ＥＤＩ装置の分野で公知のものを用いることができる（ただし濃縮室２４への供給水は前述の特定の性状を有する）。一般的には逆浸透膜の透過水（ＲＯ透過水）が用いられ、逆浸透膜で２段以上処理したものがより好ましい。加えて、脱炭酸塔や脱炭酸膜を用いて炭酸を除去することもある。さらに、近年においては、ＥＤＩにて処理した水を供給水や被処理水に用いる場合もある。濃縮室２２と濃縮室２４に供給する供給水が同じ水であってもよく、相異なる水であってもよい。供給水と被処理水が同じ水であってもよく、相異なる水であってもよい。

・被処理水
例えば、脱塩室２３に、ホウ素およびシリカからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む被処理水を通水して、脱イオン水を製造することができる。脱塩室に供給する被処理水中のこれら成分の濃度は問わないが、例えば、被処理水のホウ素濃度が１μｇ－Ｂ／Ｌ以上の場合に本発明は好適である。被処理水のホウ素以外の全アニオン濃度も特に限定されないが、例えば１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である。

・濃縮室への供給水の全アニオン濃度
少なくとも、陽極１１に最も近い濃縮室２２以外の濃縮室に供給する供給水、本形態では少なくとも濃縮室２４に供給する供給水は、ホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である。典型的には、陽極１１に最も近い濃縮室２２にも同様の水を供給することができる。したがって全ての濃縮室（２２および２４）に同様の供給水を供給することができる。ただし、陽極１１に最も近い濃縮室２２にはこれらの条件を満たさない供給水を供給してもよい。ホウ素以外の全アニオン濃度は、塩化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、炭酸水素イオン、炭酸イオン、遊離炭酸、シリカ（ＳｉＯ_２、Ｓｉ（ＯＨ）_４、Ｓｉ（ＯＨ）_３Ｏ^－）の合計濃度である。

ホウ素がカチオン交換膜３３を通過して濃縮室２４から脱塩室２３に移動する現象は、濃縮室２４内のホウ素以外の全アニオン濃度に影響され、当該濃度が高いほうが抑制される。濃縮室２４に供給する供給水中のホウ素以外の全アニオン濃度は１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上、好ましくは１００μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上、より好ましくは１０００μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である。また、陽極１１に最も近い濃縮室２２以外の濃縮室（濃縮室２４）に供給する供給水の全炭酸濃度（ＣＯ_２、ＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２－の濃度を全てＨＣＯ_３ ^－として換算して合計した値）は、好ましくは１０μｇ－ＣＯ_２／Ｌ以上、より好ましくは８００μｇ－ＣＯ_２／Ｌ以上である。ホウ素以外の全アニオン濃度さらには全炭酸濃度が上記条件を満たすと、濃縮室２４への供給水がホウ素を含んでいても、濃縮室２４内のイオン交換体にホウ素が捕捉されることを抑制し、ホウ素の濃縮室２４から脱塩室２３への移動を抑制できる。

濃縮室（少なくとも、陽極１１に最も近い濃縮室２２以外の濃縮室２４）に供給する供給水の、ホウ素以外の全アニオン濃度は、好ましくは４００００μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以下、より好ましくは２００００μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ、さらに好ましくは１００００μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以下である。その理由は、濃縮室２４内のホウ素以外の全アニオン濃度が脱塩室２３内のホウ素以外の全アニオン濃度と比較して非常に高くなり、濃縮室２４から脱塩室２３に濃度差によってホウ素以外のアニオン成分が移動し、処理水の水質が低下する可能性を減少させるためである。また、弱酸成分である炭酸がカチオン交換膜３３を通過して濃縮室２４から脱塩室２３に移動することを抑制するためである。

なお、単位「μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ」は、全アニオン濃度を表す際に用いられる単位であり、例えば水中に塩化物イオンが１０μｇ－Ｃｌ／Ｌ、硝酸イオンが１０μｇ－ＮＯ_３／Ｌ存在する場合、次式のように、全アニオン濃度は２２．１μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌとなる。
１０×１００（ＣａＣＯ_３の分子量）／（２×３５．５（Ｃｌの原子量））＋１０×１００（ＣａＣＯ_３の分子量）／（２×６２（ＮＯ_３の分子量））＝２２．１

・濃縮室への供給水のホウ素濃度
濃縮室（少なくとも、陽極１１に最も近い濃縮室２２以外の濃縮室２４）に供給する供給水のホウ素濃度は特に限定されず、この供給水がホウ素を含んでいれば本発明の効果が得られる。例えば、一般的にはこの供給水のホウ素濃度は１μｇ－Ｂ／Ｌ以上、特には５μｇ－Ｂ／Ｌ以上である。また、濃縮室２４から脱塩室２３へのホウ素の移動を抑制する観点からは、この供給水のホウ素濃度は好ましくは５０μｇ－Ｂ／Ｌ以下、より好ましくは２０μｇ－Ｂ／Ｌ以下、さらに好ましくは１０μｇ－Ｂ／Ｌ以下である。

・電流密度
一般的に、ＥＤＩ装置の電流密度が高いほど、ＥＤＩ装置の脱イオン性能は向上する。しかし、濃縮室２４から脱塩室２３へのホウ素の移動は、電流密度の増加に伴って増加する傾向がある。ホウ素濃度が低い処理水を得ようとする場合に、このようなホウ素の移動の影響が大きくなる。したがって、本発明は電流密度が高い場合に特に有用である。本発明によれば、例えば、電流密度が０．１Ａ／ｄｍ^２以上、特には１Ａ／ｄｍ^２以上の場合であっても、ホウ素濃度が例えば１００ｎｇ－Ｂ／Ｌ未満、特には１０ｎｇ－Ｂ／Ｌ未満、中でも１ｎｇ－Ｂ／Ｌ未満の処理水を安定して得ることが可能である。電流密度の上限値は、特に限定されないが、例えば２．０Ａ／ｄｍ^２とすることができる。ＥＤＩ装置を複数用いる場合、それぞれのＥＤＩ装置において、電流密度を上記範囲にすることができる。処理水は、例えば、１８ＭΩ・ｃｍ以上の水質を有する。

図１に示した装置では、陽極室２１、濃縮室２２及び２４、ならびに陰極室２５に、上方から供給水を導入し、下方から水（電極水もしくは濃縮水）を排出し、また、脱塩室２３には、上方から被処理水を導入し、処理水を下方へ排出している。しかし、その限りではなく、水の流れ方向は適宜決めることができる。さらに、陽極室２１に外部から水を供給するのではなく、陰極室２５の出口水（電極水）を陽極室２１に供給してもよいし、その逆としてもよい。

なお、濃縮室が電極室を兼ねている構成のＥＤＩ装置も使用可能である。例えば、図１に示す濃縮室２４に陰極を設けて陰極室２５を省略してもよい。この場合であっても、脱塩室および一対の濃縮室から構成される脱塩処理部は、陰極と陽極の間に配置される。

以上、図１を用いて本発明で用いることのできるＥＤＩ装置の基本的な構成を説明したが、本発明では種々の構成のＥＤＩ装置を広く使用できる。以下、本発明で用いることのできるＥＤＩ装置の構成例を説明する。

図２は、本発明で用いることのできるＥＤＩ装置の別の形態を示している。ＥＤＩ装置は、脱塩処理部を複数個有することができる。そのために、［濃縮室｜アニオン交換膜（ＡＥＭ）｜脱塩室｜カチオン交換膜（ＣＥＭ）｜濃縮室］からなる基本構成（すなわちセルセット）を陽極と陰極との間に複数個並置することができる。このとき、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。図２に示したＥＤＩ装置は、図１に示した装置において、アニオン交換膜３２、脱塩室２３、カチオン交換膜３３及び濃縮室２４で１つのセルセットが構成されるものとして、このセルセットを陽極室２１に最も近い濃縮室２２と陰極室２５との間にＮ（Ｎは１以上の整数）個配置したものである。

陽極室２１にはカチオン交換樹脂（ＣＥＲ）が充填され、濃縮室２２、２４と陰極室２５にはアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）が充填される。脱塩室２３にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床（ＭＢ）で充填されている。それぞれのセルセットにおいて、一対の濃縮室２２および２４のうちの陰極側の濃縮室２４には、ホウ素を含みかつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である供給水が供給される。したがって、陽極室２１に最も近い濃縮室２２を除いて、全ての濃縮室に、この供給水が供給される。換言すれば、最も陽極１１に近い脱塩室よりも陰極１２側に存在する濃縮室には全て、この供給水が供給される。陽極室２１に最も近い濃縮室２２にこの供給水を供給してもよい。つまり、全ての濃縮室に同様の供給水を供給することができる。

また、陽極室２１に外部から水を供給するのではなく、陰極室２５の出口水が陽極室２１に供給されるようになっている。また、図１に示したものと異なって、陽極室２１、濃縮室２２および２４、ならびに陰極室２５では、水の流れが下方から上方に向かう。したがって、脱塩室２３内の水の流れ方向は、その両側の濃縮室２２，２４内の水の流れ方向と向流になっている。

なお、カチオン交換膜３３を通しての濃縮室２４から脱塩室２３へのホウ素の移動は、濃縮室２４内のホウ素の濃度にも影響され、その濃度が高いほど移動する量も増加する。濃縮室２４ではその入口から出口に向かうにつれ、濃縮倍率が上がりホウ素の濃度も高くなる。図２に示すように、濃縮室２４の入口側が脱塩室２３の出口側に隣接するような構成の場合、脱塩室２３の処理水出口に近い位置において濃縮室２４からのホウ素の拡散が抑えられる。逆に言えば、濃縮室２４における水の流れ方向が、その陽極側に隣接する脱塩室２３（図３に示す形態では第２小脱塩室２７）における水の流れ方向と並流をなす場合に、濃縮室２４から脱塩室２３へのホウ素の移動が生じやすい。本発明は、後者の場合、すなわち図１に示すように濃縮室２４と脱塩室２３の通水方向が並流の場合に、特に有用である。

ＥＤＩ装置では、各脱塩室において陽極側のアニオン交換膜と陰極側のカチオン交換膜との間に中間イオン交換膜（ＩＩＥＭ）を設け、中間イオン交換膜によってその脱塩室を第１小脱塩室及び第２小脱塩室に区画することができる。そして、第１小脱塩室及び第２小脱塩室のうちの一方の小脱塩室に被処理水が供給されて、そ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、第１及び第２の小脱塩室を連通配置することができる。中間イオン交換膜としては、アニオン交換膜及びカチオン交換膜のいずれも使用できる。このとき、陽極側の小脱塩室を第１小脱塩室、陰極側の小脱塩室を第２小脱塩室とする。例えば、第１小脱塩室には少なくともアニオン交換体が充填され、第２小脱塩室には少なくともカチオン交換体が充填される。

図３は、脱塩室を中間イオン交換膜によって２つの小脱塩室に区画したＥＤＩ装置の例を示している。このＥＤＩ装置は、図２に示したＥＤＩ装置における各脱塩室２３を、アニオン交換膜３２とカチオン交換膜３３との間に位置する中間イオン交換膜３６によって、陽極１１側の第１小脱塩室２６と陰極１２側の第２小脱塩室２７とに区画した構成を有する。第１小脱塩室２６は、アニオン交換膜３２と中間イオン交換膜３６との間に位置し、第２小脱塩室２７は、カチオン交換膜３３と中間イオン交換膜３６との間に位置する。中間イオン交換膜３６として、アニオン交換膜が使用されている。

第１小脱塩室２６にはアニオン交換樹脂を充填する。第２小脱塩室２７の入口側領域にカチオン交換樹脂を配置し、出口側領域にアニオン交換樹脂を配置する。つまり、第２小脱塩室２７に、被処理水の通水方向に沿って、カチオン交換体床及びアニオン交換体床が、この順に設けられる。

第１小脱塩室２６に被処理水が供給され、第１小脱塩室２６から流出する水が第２小脱塩室２７に流入するように、第１小脱塩室２６及び第２小脱塩室２７が連通している。第２小脱塩室２７から脱イオン水が処理水として得られる。したがって、脱塩室２３には、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、アニオン交換体床とカチオン交換体床とが充填されている。

この装置では、第１小脱塩室２６における水の流れと、第２小脱塩室２７における水の流れとが、向流となっている。

脱塩室から最終的に排出される処理水の純度を高める観点から、脱塩室において、被処理水が最後に通過するイオン交換体がアニオン交換体となる順序で、カチオン交換体床とアニオン交換体床とを交互に用いることが好ましい。例えば、図３に示すような形態では、第２小脱塩室２７内に設けられたイオン交換体床の積層体の最終段がアニオン交換体床であることが好ましい。

・脱イオン水製造システム
本発明に係る脱イオン水製造システムは、ＥＤＩ装置と、ホウ素含有水供給手段とを備える。ホウ素含有水供給手段は、少なくとも、陽極１１に最も近い濃縮室以外の濃縮室（濃縮室２４）に、ホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である供給水を供給する手段である。陽極１１に最も近い濃縮室２２にも、ホウ素含有水供給手段から同様の供給水を供給することができる。ホウ素含有水供給手段は、逆浸透膜を含むことができ、また、少なくとも、陽極１１に最も近い濃縮室以外の濃縮室（濃縮室２４の入口に、典型的には全ての濃縮室の入口に、逆浸透膜の透過側を連通させる流路を含むことができる。逆浸透膜の透過水として、ホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である供給水を得、この供給水を前記流路を経て濃縮室に供給することができる。逆浸透膜として、脱イオン水製造の分野で公知のものを用いることができる。また、逆浸透膜に、脱イオン水製造の分野で公知の前処理を適宜施した水を供給することができる。

図４にＥＤＩ装置を１つ有する脱イオン水製造システムの構成例を示す。逆浸透膜装置１００からの逆浸透膜透過水（ＲＯ透過水）は、ホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である。ＲＯ透過水が、ライン１１０からライン１１１および１１２に分岐される。ライン１１１のＲＯ透過水が被処理水としてＥＤＩ装置１０１の脱塩室１０１ａに供給される。ライン１１２のＲＯ透過水が供給水としてＥＤＩ装置１０１の濃縮室１０１ｂに供給される。なおこの図では、簡単のため、濃縮室（図１の濃縮室２２および２４）はまとめて一つだけ示し、陽極室および陰極室は省略してあるが、各濃縮室に供給する水は同じであってよく、あるいは異なっていてもよい。また陽極室および陰極室にも濃縮室と同様の供給水を供給することができるが、その限りではない。脱塩室１０１ａは、図１に示した脱塩室２３と同じであってよい。脱塩室１０１ａから得られた処理水が、脱イオン水としてライン１１４に得られる。濃縮室１０１ｂから得られた濃縮水は、ライン１１５から脱イオン水製造システム外に排出される（電極水も同様）。ホウ素含有水供給手段は、逆浸透膜装置１００を備え、また逆浸透膜装置１００の逆浸透膜の透過側を濃縮室１０１ｂの入口に連通させる流路（ライン１１０および１１２）を備える。

・ＥＤＩ装置の多段構成
ＥＤＩ装置を２段以上、被処理水の流れに関して直列に接続し、ＲＯ透過水を１段目のＥＤＩ装置の脱塩室および濃縮室に供給することができる。このとき、１段目のＥＤＩ装置の脱塩室２３から得られる処理水を、２段目のＥＤＩ装置の濃縮室２４に供給すると、１段目のＥＤＩ装置の濃縮室２４よりも２段目のＥＤＩ装置の濃縮室２４のほうがホウ素以外の全アニオン濃度が低いため、２段目のＥＤＩ装置において濃縮室２４から脱塩室２３へのホウ素の移動現象が顕著に起こりやすい。３段目以降も同様である。このような現象を避けるためには、２段目以降のＥＤＩ装置の濃縮室２４にも、ＲＯ透過水を供給することが好ましい。すなわち、ＥＤＩ装置を被処理水の流れに関して直列に２つ以上設ける場合、それぞれのＥＤＩ装置において、逆浸透膜の透過水を、濃縮室（少なくとも、陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室２４。典型的には全ての濃縮室）への供給水として用いることが好ましい。そのために、それぞれのＥＤＩ装置の、濃縮室（少なくとも、陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室。典型的には全ての濃縮室）の入口に、前記逆浸透膜の透過側を連通させる流路（後述するライン１１０、１１２および１１３）を用いることができる。

このような場合の脱イオン水製造システムについて図５を用いて説明する。逆浸透膜装置１００からのＲＯ透過水（ライン１１０）がライン１１１、１１２および１１３に分岐される。ライン１１１のＲＯ透過水が被処理水として１段目のＥＤＩ装置１０１の脱塩室１０１ａに供給される。ライン１１２のＲＯ透過水が供給水としてＥＤＩ装置１０１の濃縮室１０１ｂに供給される。ライン１１３のＲＯ透過水が供給水として２段目のＥＤＩ装置１０２の濃縮室１０２ｂに供給される。なお、この図では簡単のためそれぞれのＥＤＩ装置において濃縮室（図１の濃縮室２２および２４）はまとめて一つだけ示し、陽極室および陰極室は省略してあるが、それぞれのＥＤＩ装置において各濃縮室には同じ供給水を供給することができ、また陽極室および陰極室にも濃縮室と同様の供給水を供給することができる。脱塩室１０１ａから得られた処理水が、ライン１１４を経て、ＥＤＩ装置１０２の脱塩室１０２ａに被処理水として供給される。濃縮室１０１ｂから得られた濃縮水は、ライン１１５から脱イオン水製造システム外に排出される（電極水も同様）。脱塩室１０２ａから処理水が脱イオン水としてライン１１６に得られる。濃縮室１０２ｂから得られた濃縮水は、ライン１１７から脱イオン水製造システム外に排出される（電極水も同様）。

〔実施例１～６および比較例１〕
図６に示す構成を有するＥＤＩ装置を用い、カチオン交換膜３３を通してのホウ素の透過量を評価した。この装置は、次の点を除いて、図１に示す装置と同様の構成を有していた。ホウ素以外のアニオン成分としては、炭酸を使用した。
・脱塩室２３の陽極側に位置する濃縮室が、陽極１１を有し、陽極室を兼ねる濃縮室５１であった。この濃縮室５１にはカチオン交換樹脂を充填した。
・濃縮室５１と脱塩室２３とを隔てる膜として、アニオン交換膜ではなく、カチオン交換膜５２を用いた。
・脱塩室２３に、カチオン交換樹脂を充填した。ホウ素を捕捉しないカチオン交換樹脂を脱塩室２３に充填することにより、脱塩室２３からホウ素を排出しやすくなる。
・陰極室２５の出口水を、濃縮室５１に供給した。
・濃縮室２４にホウ素および炭酸含有水を供給し、脱塩室２３および陰極室２５にホウ素を含まない水を供給した。

脱塩室２３の出口水中のホウ素濃度を測定した。ホウ素の透過量は、脱塩室２３の出口水に含まれるホウ素の質量流量（ホウ素濃度×脱塩室出口水流量）を、カチオン交換膜３３の有効膜面積で除した値である。

用いたＥＤＩ装置の仕様および試験条件を以下に示す。濃縮室５１および脱塩室２３に充填したカチオン交換樹脂（ＣＥＲ）は共通であり、濃縮室２４および陰極室２５に充填したアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）は共通である。
・濃縮室５１：寸法 縦５０×横４０×厚さ１０ｍｍ、ＣＥＲ充填
・脱塩室２３：寸法 縦５０×横４０×厚さ１０ｍｍ、ＣＥＲ充填
・濃縮室２４：寸法 縦５０×横４０×厚さ１０ｍｍ、ＡＥＲ充填
・陰極室２５：寸法 縦５０×横４０×厚さ１０ｍｍ、ＡＥＲ充填
・ＣＥＲ：強酸性カチオン交換樹脂（粒径：０．５ｍｍ、母体：スチレン・ジビニルベンゼン共重合体）
・ＡＥＲ：強塩基性アニオン交換樹脂（粒径：０．５ｍｍ、母体：スチレン・ジビニルベンゼン共重合体）
・ホウ素非含有水：超純水(比抵抗１８.２ＭΩ・ｃｍ、ホウ素濃度２０ｎｇ－Ｂ／Ｌ未満)
・ホウ素および炭酸含有水：上記ホウ素非含有水に、ホウ素を２５０μｇ－Ｂ／Ｌで添加し、かつホウ素以外の全アニオン濃度および全炭酸濃度が表１に示す値となるように炭酸を添加したもの
・各室から排出される水の流量：６Ｌ／ｈ
・印加電流密度：１．０Ａ／ｄｍ^２。
なお、「ホウ素および炭酸含有水」は、上記のように超純水にホウ素および炭酸を添加したものなので、表１に示される各例において、ホウ素以外の全アニオン濃度は実質的に全炭酸濃度と等価である。

なお、一般的なＥＤＩ装置において、被処理水中のホウ素濃度は数μｇ－Ｂ／Ｌ～数十μｇ－Ｂ／Ｌ程度であり、ホウ素濃縮倍率（濃縮室ホウ素濃度／脱塩室ホウ素濃度）は数倍～数十倍程度であることが多い。脱塩室に供給される被処理水のホウ素濃度が２５μｇ－Ｂ／Ｌ、ホウ素濃縮倍率が１０倍、ホウ素除去率が９９．９％であると仮定した場合、濃縮室内のほう素濃度は約２５０μｇ－Ｂ／Ｌになる。そこで、本例では、濃縮室２４にほう素濃度２５０μｇ－Ｂ／Ｌの水を供給した。

１１ 陽極
１２ 陰極
２１ 陽極室
２２、２４ 濃縮室
２３ 脱塩室
２５ 陰極室
２６ 第１小脱塩室
２７ 第２小脱塩室
３１、３３、５２ カチオン交換膜（ＣＥＭ）
３２、３４ アニオン交換膜（ＡＥＭ）
３６ 中間イオン交換膜（ＩＩＥＭ）
５１ 陽極室を兼ねる濃縮室
１００ 逆浸透膜装置
１０１ １段目のＥＤＩ装置
１０１ａ １段目のＥＤＩ装置の脱塩室
１０１ｂ １段目のＥＤＩ装置の濃縮室
１０２ ２段目のＥＤＩ装置
１０２ａ ２段目のＥＤＩ装置の脱塩室
１０２ｂ ２段目のＥＤＩ装置の濃縮室

Claims (10)

1. 電気式脱イオン水製造装置を用いて脱イオン水を製造する、脱イオン水の製造方法であって、
   前記電気式脱イオン水製造装置が、
   対向する陰極と陽極との間に少なくとも一つの脱塩処理部が設けられ、
   前記脱塩処理部は、イオン交換体が充填された脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられる一対の濃縮室とを有し、前記一対の濃縮室のそれぞれに少なくともアニオン交換体が充填され、
   前記脱塩室は、前記一対の濃縮室のうちの前記陰極側の濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接するとともに、前記一対の濃縮室のうちの前記陽極側の濃縮室にアニオン交換膜を介して隣接し、
   前記脱塩室に被処理水を通水して前記脱塩室から脱イオン水を得る電気式脱イオン水製造装置であり、
   １μｇ－Ｂ／Ｌ以上のホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である供給水を、少なくとも、前記陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室に供給する、脱イオン水の製造方法。
2. 前記供給水の全炭酸濃度が１０μｇ－ＣＯ_２／Ｌ以上である、請求項１に記載の脱イオン水の製造方法。
3. 前記供給水の全炭酸濃度が８００μｇ－ＣＯ_２／Ｌ以上である、請求項２に記載の脱イオン水の製造方法。
4. 前記電気式脱イオン水製造装置を、０．１Ａ／ｄｍ^２以上の電流密度で運転する、請求項１～３のいずれか一項に記載の脱イオン水の製造方法。
5. 前記脱塩室に充填されたイオン交換体が、少なくともカチオン交換体を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の脱イオン水の製造方法。
6. 逆浸透膜の透過水を、前記供給水として用いる、請求項１～５のいずれか一項に記載の脱イオン水の製造方法。
7. 前記電気式脱イオン水製造装置を、前記被処理水の流れに関して直列に２つ以上設け、
   それぞれの電気式脱イオン水製造装置において、逆浸透膜の透過水を、前記供給水として用いる、請求項６に記載の脱イオン水の製造方法。
8. 対向する陰極と陽極との間に少なくとも一つの脱塩処理部が設けられ、
   前記脱塩処理部は、イオン交換体が充填された脱塩室と、該脱塩室の両隣に設けられる一対の濃縮室とを有し、前記一対の濃縮室のそれぞれに少なくともアニオン交換体が充填され、
   前記脱塩室は、前記一対の濃縮室のうちの前記陰極側の濃縮室にカチオン交換膜を介して隣接するとともに、前記一対の濃縮室のうちの前記陽極側の濃縮室にアニオン交換膜を介して隣接し、
   前記脱塩室に被処理水を通水して前記脱塩室から脱イオン水を得る電気式脱イオン水製造装置と、
   前記電気式脱イオン水製造装置の、少なくとも、前記陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室に、１μｇ－Ｂ／Ｌ以上のホウ素を含み、かつホウ素以外の全アニオン濃度が１０μｇ－ＣａＣＯ_３／Ｌ以上である供給水を供給するホウ素含有水供給手段と
   を備える、脱イオン水の製造システム。
9. 前記ホウ素含有水供給手段が、
   逆浸透膜と、
   前記電気式脱イオン水製造装置の、少なくとも、前記陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室の入口に、前記逆浸透膜の透過側を連通させる流路と
   を含む、請求項８に記載の脱イオン水の製造システム。
10. 前記電気式脱イオン水製造装置が、前記被処理水の流れに関して直列に２つ以上接続され、
    前記ホウ素含有水供給手段が、
    それぞれの前記電気式脱イオン水製造装置の、少なくとも、前記陽極に最も近い濃縮室以外の濃縮室の入口に、前記逆浸透膜の透過側を連通させる流路を含む、請求項９に記載の脱イオン水の製造システム。

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