(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024162398
(43)【公開日】2024-11-21
(54)【発明の名称】電解装置
(51)【国際特許分類】
B01D 59/42 20060101AFI20241114BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20241114BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20241114BHJP
【FI】
B01D59/42
C25B9/23
C25B1/04
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023077861
(22)【出願日】2023-05-10
(71)【出願人】
【識別番号】518075130
【氏名又は名称】株式会社ネクスタイド
(71)【出願人】
【識別番号】597153936
【氏名又は名称】株式会社辰巳商会
(74)【代理人】
【識別番号】100095337
【弁理士】
【氏名又は名称】福田 伸一
(74)【代理人】
【識別番号】100174425
【弁理士】
【氏名又は名称】水崎 慎
(74)【代理人】
【識別番号】100203932
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 克宗
(72)【発明者】
【氏名】横川 敬
【テーマコード(参考)】
4K021
【Fターム(参考)】
4K021AA01
4K021AA09
4K021CA10
4K021DB06
4K021DB31
(57)【要約】
【課題】処理水から重水を効率よく分離できる電解装置を提供する。
【解決手段】電解装置1は、流入口2A及び流出口2Bを有するアノード室2と、流出口3A及び流出口3Bを有するカソード室3と、流入口4A及び流出口4Bを有し、かつアノード室2とカソード室3との間に配置され、内部に陽イオン交換樹脂4Cが充填された中間室4とを備え、アノード室2と中間室4との間に強酸性第一陽イオン交換膜5及び正電極6、カソード室3と中間室4との間に強酸性第二陽イオン交換膜7及び負電極8がそれぞれ設けられ、水を、流入口2Aからアノード室2に流入させ、流出口2Bから排出させ、空気を中間室4に流入させながら、重水を含む処理水を流入口4Aから中間室4に流入させ、陽イオン交換樹脂4Cを通過させた後、流出口4Bから排出させ、中間室4からカソード室3に移動した移動水を、中間室4に循環させる。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一開口部及び第二開口部を有するアノード室と、
第三開口部及び第四開口部を有するカソード室と、
第五開口部及び第六開口部を有し、かつ前記アノード室と前記カソード室との間に配置され、内部にイオン交換樹脂が充填された中間室とを備え、
前記アノード室と前記中間室との間に第一陽イオン交換膜及び正電極、前記カソード室と前記中間室との間に第二陽イオン交換膜及び負電極がそれぞれ設けられ、
水を、前記第一開口部から前記アノード室に流入させ、前記第二開口部から排出させ、
空気を前記中間室に流入させながら、重水を含む処理水を前記第五開口部から前記中間室に流入させ、前記イオン交換樹脂を通過させた後、前記第六開口部から排出させ、
前記中間室から前記カソード室に移動した移動水を、前記中間室に循環させる、
ことを特徴とする電解装置。
【請求項2】
前記第一陽イオン交換膜に重ねて水素イオン選択透過性膜が設けられ、
前記アノード室側から、前記正電極、前記第一陽イオン交換膜、前記水素イオン選択透過性膜の順に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、重水を含む処理水を電気分解する電解装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
重水は、物質の電気伝導度や電離度などの物性が通常の水(軽水)とは異なり、体内に大量に摂取すると、生体内反応に失調をきたすことが知られている。そのため、重水を含む処理水から、できるだけ安全に重水を分離できる装置や方法が望まれている。
【0003】
これまでに、電気分解によって重水の濃度を制御する電解方法が開示されている(例えば、特許文献1及び特許文献2)。特許文献1に開示された電解方法は、イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画されかつ重水素を含む水である電解液が充填された電解槽に通電して電解液を電解し水素及び酸素を発生させることにより、重水素を濃縮する。また、特許文献2に開示された方法は、水素同位体混合水からカソード電極反応によって重水素が選択的に濃縮された水を製造するために、カソード電極には銀、金、銅またはそれらの合金である金属を担持した導電性材料を用い、この担持金属は局在表面プラズモン共鳴特性を示し、カソードにおいて、水素同位体混合水からガスを生成させ、水素同位体混合水中の重水素濃度を高めた水を得る方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平8-026703号公報
【特許文献2】特開2020-138159号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、重水を含む処理水の量が増加しており、これまで以上に水素同位体混合水を含む処理水から重水等を分離できる装置や方法が望まれている。
【0006】
そこで、本発明は、処理水から重水を効率よく分離できる電解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る電解装置は、第一開口部及び第二開口部を有するアノード室と、第三開口部及び第四開口部を有するカソード室と、第五開口部及び第六開口部を有し、かつアノード室とカソード室との間に配置され、内部にイオン交換樹脂が充填された中間室とを備え、アノード室と中間室との間に第一陽イオン交換膜及び正電極、カソード室と中間室との間に第二陽イオン交換膜及び負電極がそれぞれ設けられ、水を、第一開口部からアノード室に流入させ、第二開口部から排出させ、空気を中間室に流入させながら、重水を含む処理水を、第五開口部から中間室に流入させ、イオン交換樹脂を通過させた後、第六開口部から排出させ、中間室からカソード室に移動した移動水を中間室に循環させることを特徴とする。
【0008】
本発明に係る電解装置は、第一陽イオン交換膜に重ねて水素イオン選択透過性膜が設けられ、アノード室側から、正電極、第一陽イオン交換膜、水素イオン選択透過性膜の順に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明に係る電解装置は、処理水を第五開口部から中間室に流入させ、イオン交換樹脂を通過させた後、中間室からカソード室に移動した移動水を中間室に循環させ、この際、空気を中間室に流入させる。この電解装置により、重水を分離することができ、処理水から重水を効率よく除去することができる。
【0010】
本発明に係る電解装置では、第一陽イオン交換膜に重ねて水素イオン選択透過性膜が設けられ、アノード室側から、正電極、第一陽イオン交換膜、水素イオン選択透過性膜の順に配置することで、処理水から重水をより効率よく分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】本発明の実施形態に係る電解装置の模式図である。
【
図2】本発明の実施形態に係る電解装置を含む電解処理システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本実施形態に係る電解装置について、
図1及び
図2を参照し説明する。
図1は、電解装置を示し、
図2は、この電解装置を利用した電解処理システムを示している。
【0013】
まず、本実施形態に係る電解装置1について説明する。
電解装置1は、
図1に示すように、アノード室2と、アノード室2に対向して配置されたカソード室3と、アノード室2とカソード室3との間に配置された中間室4とを備えた3室型電解装置である。アノード室2と中間室4との間には、アノード室2側から順に正電極6、強酸性第一陽イオン交換膜5及び水素イオン選択透過性膜5Aが設けられている。水素イオン選択透過性膜5Aは、強酸性第一陽イオン交換膜5に重ねて設けられ、強酸性第一陽イオン交換膜5に接して配置される。一方、カソード室3と中間室4との間には、カソード室3側から順に負電極8及び強酸性第二陽イオン交換膜7が設けられている。また、アノード室2の外側には複数の磁石体9が、カソード室3の外側には複数の磁石体10が、それぞれ設けられている。
【0014】
[アノード室2]
アノード室2は、流入口(第一開口部)2Aと、この流入口2Aと対向する側に形成された流出口(第二開口部)2Bを有している。流入口2Aは、
図2に示すように、流路21を介して、水タンク20に接続され、流出口2Bは、流路22を介して、水タンク20に接続されている。アノード室2から流出した水は、流路22を通り、水タンク20に流入し、その後、流路21を通り、再度、アノード室2に流入する。流路21には、流量調節装置(図示しない)が設けられ、この流量調節装置により、水タンク20からアノード室2に供給される水の流量が調節される。なお、アノード室2に流入する水には、純水や水道水を使用する。
【0015】
アノード室2の外側側面には、磁石体9が複数設けられている。これらの磁石体9には、例えば、環状のネオジウム磁石を使用できる。磁石体9の個数、強度及び固定する位置は、適宜決定する。この磁石体9は、後述するカソード室3に設けられた磁石体10と対向する位置に設けられていることが好ましい。
【0016】
[カソード室3]
カソード室3は、流出口(第三開口部)3Aと、この流出口3Aと対向する側に形成された流出口(第四開口部)3Bとを有している。流出口3Bは、流路32を介して、処理水タンク40に接続されている。カソード室3に溜まった液体は、流出口3B及び流路32を通って、処理水タンク40に流入する。また、カソード室3で発生する水素は、流出口3Aを通って、カソード室3の外部に排出される。
【0017】
カソード室3の外側側面には、磁石体10が複数設けられている。これらの磁石体10には、磁石体9と同様に、例えば、環状のネオジウム磁石を使用できる。また、磁石体10の個数、強度及び固定する位置は、適宜変更できる。これらの磁石体10は、アノード室2に設けられた磁石体9と対向する位置に設けられている。
【0018】
[中間室4]
中間室4は、流入口(第五開口部)4Aと、この流入口4Aと対向する側に形成された流出口(第六開口部)4Bとを有している。流入口4Aは、
図2に示すように、流路41を介して、処理水タンク40に接続され、流出口4Bは、流路42を介して、処理水タンク40に接続されている。中間室4で電解処理された処理水は、流路42を通り、処理水タンク40に流入し、その後、流路41を通り、再度、中間室4に流入する。流路41には、流量調節装置(図示しない)が設けられ、この流量調節装置により、処理水タンク40から中間室4に供給される処理水の流量が調節される。
【0019】
中間室4の内部には、陽イオン交換樹脂4Cが充填されている。この陽イオン交換樹脂4Cには、例えば、ゲル型(ゲル型構造イオン交換樹脂)やマクロポーラス型(マクロポーラス型構造イオン交換樹脂)のものを使用することができる。中間室4に流入した処理水は、この陽イオン交換樹脂4Cを通過して、流出口4Bから流出する。処理水タンク40は、浴槽の中に保持され、処理水タンク40の内部の処理水の温度は一定の温度に維持される。処理水タンク40から中間室4に流入させる処理水の温度は1度から5度が好ましい。
【0020】
また、中間室4の流入口4Aには、流路44を介して、ポンプ43が接続されている。このポンプ43によって大気中の空気を流路44に送り込む。このポンプ43には、例えば、ペリスティックポンプを用いることができ、中間室4には、流路44を通った空気が流入口4Aから流入される。水素イオン選択透過性膜5Aを設けて電気分解すると中間室4に気泡が発生し、電圧が大きくなる。そのため、中間室4に空気を送り込み、発生した気泡を除去することで、電圧が過剰に大きくなることを防止する。
【0021】
アノード室2と中間室4との間には、アノード室2側から、正電極6、強酸性第一陽イオン交換膜5及び水素イオン選択透過性膜5Aが、アノード室2と中間室4とを仕切るように設けられている。一方、カソード室3と中間室4との間には、中間室4側から、強酸性第二陽イオン交換膜7、負電極8が、カソード室3と中間室4とを仕切るように設けられている。正電極6及び負電極8は、それぞれ定電流電源50に接続されている。
【0022】
本実施形態に係る電解装置1を利用した電解方法は、上記の水を流入口2Aからアノード室2に流入させ、流出口2Bから排出させ、重水を含む処理水を流入口4Aから中間室4に流入させ、陽イオン交換樹脂4Cを通過させた後、流出口4Bから排出する。また、中間室4からカソード室3に移動した移動水を、流路32を介して処理水タンク40に戻し、再度中間室4に循環させる。この際、中間室4には、流入口4Aから空気を流入させる。
【0023】
[実施例]
重水を含んだ処理水を対象とし、
図2に示した電解処理システム100を利用し、各実施例における重水の分離係数を調べた。重水の初期濃度が2000ppmから5000ppmであり、pHが3.0から7.0の処理水を用いて、実験を行った。中間室4の内部に充填する陽イオン交換樹脂4Cには、ゲル型とマクロポーラス型の2種類を用いた。アノード室2には、純水を0.1L/minから1.0L/minの流速で流入させ、中間室4には、1度から5度の処理水を、0.01L/minから0.5L/minの流速で流入させた。強酸性第一陽イオン交換膜5及び強酸性第二陽イオン交換膜7には強酸性(Na型)(株式会社アストム社製:CMB)を、水素イオン選択透過性膜5AにはHSFN(ACエンジニアリング株式会社製)をそれぞれ使用した。
【0024】
定電流電源50の電流値は16A又は20Aに設定し、一定時間電気分解を行い、各電流値における重水の分離係数を調べた。分離係数は、流出口3Bから流出される移動水の重水の濃度から算出した。分離係数は、次の計算式から算出した。
分離係数={(「初期の中間室の重水の濃度」-「一定時間電気分解した後の中間室の重水の濃度」)/「初期の中間室の重水の濃度」}+1.0
【0025】
以下の条件で行った。
[実施例1]では、水素イオン選択透過性膜5Aを設けず、中間室4からカソード室3に移動した移動水を、再度中間室4に循環させた。この際、中間室4には、流入口4Aから空気を流入させ、流出口4Bから排出させた。[実施例2]では、水素イオン選択透過性膜5Aを設け、中間室4からカソード室3に移動した移動水を、流路32を介して処理水タンク40に戻し、再度中間室4に循環させた。この際、中間室4には、流入口4Aから空気を流入させ、流出口4Bから排出させた。
[比較例1]では、水素イオン選択透過性膜5Aを設けず、中間室4からカソード室3に移動した移動水を、再度中間室4に循環させた。この際、中間室4には、空気を流入させずに行った。[比較例2]では、水素イオン選択透過性膜5Aを設け、中間室4からカソード室3に移動した移動水を、再度中間室4に循環させた。この際、中間室4には、空気を流入させずに行った。
【0026】
本実施形態に係る電解装置は、以下のプロセスで、処理水中の重水が分離される。まず、アノード室2で発生した水素イオンが強酸性第一陽イオン交換膜5及び水素イオン選択透過性膜5Aを通過して、中間室4に移動する(
図1)。中間室4では、移動してきた水素イオンが水よりも重水と優先的に結合し、強酸性第二陽イオン交換膜7を介して、カソード室3に移動し、移動した移動水は、流出口3Bから流路42を介して処理水タンク40に循環される。また、カソード室3では、水素が発生し、この水素は流出口3Aから外部に排出される。
【0027】
【0028】
5時間後の重水の分離係数を[表1]に示した。[比較例2]では、中間室4で発生した気泡の影響により電解装置1の電圧の限界値を超え、電解装置1を一定時間稼働することはできなかった。このことから、中間室4に空気を流入させ、気泡を除去することが重要であるといえる。
【0029】
[表1]の結果から、どの電流値においても、[実施例1]及び[実施例2]の分離係数は、[比較例1]の分離係数よりも大きいことが判った。[実施例1]及び[実施例2]では、電流値が大きいほど、分離係数が大きくなることが判った。強酸性第一陽イオン交換膜5に重ねて水素イオン選択透過性膜5Aを設けた場合([実施例2])、水素イオン選択透過性膜5Aを設けない場合([実施例1]と比べて、分離係数が大きくなることが判った。
また、[実施例1]の電解装置(方法)では、[比較例1]の電解装置(方法)と比較し、重水の分離能が約5%向上し、[実施例2]の電解装置(方法)では[比較例1]の電解装置(方法)と比較し、重水の分離能が約10%から15%向上することが判った。
【0030】
次に、本実施形態に係る電解装置及び電解方法の作用効果について、説明する。
【0031】
本実施形態では、電解装置1を利用して電気分解を行い、中間室4に流入された重水に水素イオンを随伴させて、カソード室3側に移動させ、この移動水を再度中間室4に流入させる。また、電解装置1では、中間室4に空気を流入させ、中間室で発生する気泡を除去する。このような構成とすることで、重水を含む処理水からより効率的に重水を分離することができる。この電解装置1を使用することにより、処理水中の重水の分離係数が大きくなり、分離性能が向上する。したがって、本実施形態に係る電解装置1及び電解方法は、処理水から重水を効率よく分離できる。
【0032】
また、本実施形態に係る電解装置1は、アノード室2側から順に正電極6、強酸性第一陽イオン交換膜5及び水素イオン選択透過性膜5Aを設け、強酸性第一陽イオン交換膜5と水素イオン選択透過性膜5Aを重ねて配置することで、処理水から重水をより効率よく分離できる。また、アノード室2及びカソード室3に、磁石体9、10を複数配置することでも、処理水の重水の分離係数が大きくなる。
【0033】
以上、本実施形態について説明したが、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【0034】
本実施形態では、電気分解する対象を、重水を含む処理水として説明したが、本実施形態に係る電解装置及び電解方法は、軽水(H2O)の同位体である重水を含む処理水に適用し、重水を分離可能であったため、軽水の同位体であるトリチウム水を含む処理水にも適用し、同様な効果を得ることができる。そのため、本実施形態に係る電解装置や電解方法を利用することで、放射能汚染水の量を減少させることが期待できる。
【0035】
また、本実施形態では、中間室4に流入口4Aから処理水及び空気を流入させ、流出口4Bから排出させる例について示したが、流入口4Aとは別の流入口、流出口4Bとは別の流出口を設け、処理水と空気を別々に流入、流出させてもよい。
【符号の説明】
【0036】
1 電解装置
2 アノード室
2A 流入口(第一開口部)
2B 流出口(第二開口部)
3 カソード室
3A 流出口(第三開口部)
3B 流出口(第四開口部)
4 中間室
4A 流入口(第五開口部)
4B 流出口(第六開口部)
4C 陽イオン交換樹脂
5 強酸性第一陽イオン交換膜
5A 水素イオン選択透過性膜
6 正電極
7 強酸性第二陽イオン交換膜
8 負電極
9,10 磁石体
20 水タンク
21,22,32,41,42,44 流路
40 処理水タンク
43 ポンプ
50 定電流電源
100 電解処理システム