特開 2024-17877 電気式脱イオン水製造装置および電気式脱イオン水製造装置用の枠体

(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】P2024017877

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】電気式脱イオン水製造装置および電気式脱イオン水製造装置用の枠体

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/469 20230101AFI20240201BHJP

   B01D 61/46 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

C02F1/469

B01D61/46

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022120814

(22)【出願日】2022-07-28

(71)【出願人】

【識別番号】000004400

【氏名又は名称】オルガノ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】柴崎 賢治

【テーマコード（参考）】

4D006

4D061

【Ｆターム（参考）】

4D006GA17

4D006HA42

4D006JA08A

4D006JA08B

4D006JA30C

4D006MA03

4D006MA13

4D006MA14

4D006PA01

4D006PB02

4D061DA01

4D061DB13

4D061EA09

4D061EB01

4D061EB04

4D061EB13

4D061EB19

4D061FA08

(57)【要約】

【課題】脱塩室に充填されているイオン交換体の偏りや脱塩室を区画するイオン交換膜の変形を防ぎつつ、大流量で被処理水を安定して処理できる電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）を提供する。
【解決手段】貫通する開口を有する枠体４３と、開口内に充填されたイオン交換体と、を有し、開口の両端をそれぞれ塞ぐように配置された１対のイオン交換膜３２，３３によって区画されている脱塩室２３を備えるＥＤＩ装置１において、枠体４３の開口は相互に分離した複数の開口部６３からなり、開口部６３の各々は１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である幅Ｗを有する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

貫通する開口を有する枠体と、前記開口内に充填されたイオン交換体と、を有し、前記開口の両端をそれぞれ塞ぐように配置された１対のイオン交換膜によって区画されている脱塩室を備える電気式脱イオン水製造装置であって、
前記開口は相互に分離した複数の開口部からなり、前記開口部の各々は１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である幅を有する、電気式脱イオン水製造装置。

【請求項2】

前記脱塩室を区画する前記イオン交換膜を介して前記脱塩室に隣接して配置された濃縮室をさらに備え、
前記濃縮室には、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混合した状態で充填されている、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【請求項3】

前記開口部の各々は略長方形であって前記開口部の前記幅は前記開口部の短辺の長さである、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【請求項4】

前記開口部の前記幅は、前記脱塩室における水の流れ方向と前記枠体の厚さ方向とに直交する方向に沿った前記開口部の長さである、請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【請求項5】

前記電気式脱イオン水製造装置の使用状態における上下方向と前記枠体の厚さ方向とに直交する方向である横幅方向に沿って前記枠体に前記複数の開口部が配置する、請求項４に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【請求項6】

前記脱塩室における水の流れ方向に沿った前記開口部の長さは、前記開口部の前記幅よりも長い、請求項５に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【請求項7】

前記横幅方向に沿った前記枠体の長さが５００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下である、請求項６に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【請求項8】

前記電気式脱イオン水製造装置の使用状態における上下方向での前記枠体の長さより、前記横幅方向に沿った前記枠体の長さが長い、請求項５に記載の電気式脱イオン水製造装置。

【請求項9】

電気式脱イオン水製造装置において用いられ、イオン交換体の充填に用いられる貫通する開口を有する枠体において、
前記開口は相互に分離した複数の開口部からなり、前記開口部の各々は１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である幅を有することを特徴とする、枠体。

【請求項10】

前記開口部は略長方形であり、
前記枠体に、前記複数の開口部に供給される水が流れる流路を構成する第１の貫通孔と、前記複数の開口部から排出される水が流れる流路を構成する第２の貫通孔と、が設けられ、
前記複数の開口部の各々の短辺の一方において当該開口部の内壁に形成されたスリットとして、前記第１の貫通孔に連通する第１の内部流路が形成され、
前記複数の開口部の各々の短辺の他方において当該開口部の内壁に形成されたスリットとして、前記第２の貫通孔に連通する第２の内部流路が形成されている、請求項９に記載の枠体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気式脱イオン水製造装置と、電気式脱イオン水製造装置に用いられる枠体とに関する。

【背景技術】

【0002】

被処理水から脱イオン水を生成する装置の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。以下、電気式脱イオン水製造装置のことをＥＤＩ装置とも称する）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、陽極を備える陽極室と陰極を備える陰極室との間に濃縮室を介して１以上の脱塩室を配置した構成を有する。そして相互に隣接するこれらの室（すなわち陽極室、濃縮室、脱塩室及び陰極室）の間はイオン交換膜で区画されている。脱塩室にはイオン交換樹脂などのイオン交換体が充填されるとともに被処理水が供給される。陽極室、濃縮室及び陰極室にもイオン交換体が充填されていることが好ましい。ＥＤＩ装置では、陽極と陰極との間に直流電圧を印加することにより被処理水の脱塩処理とイオン交換体の再生処理とが同時に進行する。ＥＤＩ装置は、イオン交換体の再生のための薬品を必要としない、という利点を有する。

【0003】

ＥＤＩ装置は、少なくとも濃縮室と脱塩室とがイオン交換膜を介して繰り返して配置された構造とすることができるから、貫通する開口を有する複数の枠体（スペーサーなどとも呼ばれる）を使用し、イオン交換膜を挟みながら枠体を積層することで濃縮室と脱塩室を構成することができる。このような枠体は、板状部材にその両方の表面を貫通する開口を形成した形状であるとみなすことができ、板状部材に開口を設けて枠体としたと仮定してその板状部材における厚さが枠体の厚さであるということができる。脱塩室を構成する枠体を積層するたびに、その枠体の開口には脱塩室用のイオン交換体が充填される。このように構成されたＥＤＩ装置は、陽極から陰極に向かう方向が水平方向であって、枠体の厚さ方向に積層された複数の枠体の開口が１つの筒状の空間を形成しこの空間の両端に陽極と陰極とが配置されるような姿勢で使用される。この姿勢では、複数の枠体の開口によって形成される上述した筒状の空間は、枠体間に介在するイオン交換膜によって区画されることなり、区画されることによって形成された小空間がそれぞれ濃縮室や脱塩室となる。枠体を積層して構成されたＥＤＩ装置では、複数の脱塩室に対して並列に被処理水が供給される。以下の説明において、枠体や枠体に設けられる開口、開口部について上下方向というときは、その枠体を備えるＥＤＩ装置の使用状態における上下方向を指すものとする。そして上下方向にも枠体の厚さ方向にも直交する方向を横幅方向と呼ぶことにする。

【0004】

またＥＤＩ装置では、枠体の開口にイオン交換樹脂を充填して脱塩室を構成した場合に脱塩室内でイオン交換樹脂が移動したり圧縮したりするのを防ぎ、さらにイオン交換体の変形などを防ぐために、枠体に大きな開口を１つ設けるのではなく、枠体におけるそのような大きな開口を分割して、上下方向に延びた細長い開口部が横幅方向に複数個並ぶようにする手法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献３は、枠体の大きな開口内にハニカム状の区画部材を配置して区画部材によって形成された小室内にイオン交換体を充填することを開示し、特許文献４は、枠体の大きな開口を格子状に分割して各格子によって形成される小室の内部にイオン交換体を充填することを開示している。

【0005】

脱塩室をさらに中間イオン交換膜で仕切って、陽極側の第１小脱塩室と陰極側の第２小脱塩室に分割し、被処理水がこれらの小脱塩室を順次通水するように構成されたＥＤＩ装置もある。このようなＥＤＩ装置も枠体とイオン交換膜とを交互に積層することで組み立てることができ、その場合、各小脱塩室は小脱塩室用の枠体とその枠体の開口を覆うように枠体の両側に配置されているイオン交換膜と開口内に充填されているイオン交換体とによって構成されることになる。特許文献５は、各小脱塩室を構成する枠体の開口を複数の開口部に分割することを開示し、特許文献６は、陽極側の第１小脱塩室を構成する枠体の開口を複数の開口部に分割することを開示している。

【0006】

近年、半導体装置製造の分野などにおいて高純度の水が大量に必要とされるようになってきている。イオン交換体の再生のための薬品が不要であるという特徴から、高純度の水を大量に製造する用途のために、１台で大量の水を処理可能な大型のＥＤＩ装置、すなわち大流量のＥＤＩ装置の需要も高まっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開昭６１－１０７９０６号公報

【特許文献2】特公平７－１６５８７号公報

【特許文献3】特開２００２－１３６９７１号公報

【特許文献4】特開２００６－２１８３８２号公報

【特許文献5】特開２００１－２３９２７０号公報

【特許文献6】特開２０１１－５７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ＥＤＩ装置では、イオン交換体が充填された脱塩室に被処理水を通水するときに適切な空間速度（ＳＶ）には上限があり、ＥＤＩ装置において被処理水の流量を大きくするためにはＥＤＩ装置内に充填されるイオン交換体の総量を増やす必要がある。ここで、貫通する開口を有する枠体と、開口内に充填されたイオン交換体と、を有し、開口の両端をそれぞれ塞ぐように配置された１対のイオン交換膜によって区画されている脱塩室をセルと呼ぶことにする。大流量のＥＤＩ装置を構成するための方法として、脱塩室の数を増やす、すなわち積層されるセルの数を増やす方法と、セルを大きくしてその開口を大きくする方法とがあり、これらの方法の少なくとも一方が採用される。しかしながら、セルの積層数を大きくするとＥＤＩ装置の運転電圧が上昇するから、セルの積層数には実用上、上限がある。一方でセルの大型化を図る場合、特許文献１－５に記載されるようにセルの開口を複数の開口部に分割する場合には、これらの特許文献では開口部の幅は例えば４０～５０ｍｍ以下程度が好ましいとされているので、セルに設けられる開口部の数が多くなる。そしてこの場合、多数の開口部の各々に対してイオン交換樹脂などであるイオン交換体を適正量充填する必要があるのでＥＤＩ装置を組み立てるときの作業性が低下する。また、枠体に設けられる開口部の数が増えると、開口部の相互間を仕切る梁状の部分が枠体の寸法全体に占める割合を無視できなくなり、枠体をさらに大きくする必要が生じる。セルを大型化する際に上下方向に大きくすると通水差圧が大きくなりすぎたり、脱塩性能に影響が及んだりすることがあるので、セルは、ＥＤＩ装置の運転時の姿勢を基準として、横幅方向に大きくする必要がある。

【0009】

本発明の目的は、充填されているイオン交換体の偏りやイオン交換膜の変形を防ぎつつ、大流量で被処理水を安定して処理できるＥＤＩ装置と、そのようなＥＤＩ装置で使用される枠体とを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に基づくＥＤＩ装置（電気式脱イオン水製造装置）は、貫通する開口を有する枠体と、開口内に充填されたイオン交換体と、を有し、開口の両端をそれぞれ塞ぐように配置された１対のイオン交換膜によって区画されている脱塩室を備えるＥＤＩ装置であって、開口は相互に分離した複数の開口部からなり、開口部の各々は１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である幅を有する。

【0011】

本発明に基づく枠体は、ＥＤＩ装置において用いられ、イオン交換体の充填に用いられる貫通する開口を有する枠体において、開口は相互に分離した複数の開口部からなり、開口部の各々は１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である幅を有することを特徴とする。

【0012】

本発明において、枠体に形成される開口部の各々の幅は、１０５ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが好ましく、１１０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下であることがより好ましく、１２０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。本発明において「開口部の幅」とは、開口部の各々が略長方形に形成されるときは、例えばその短辺の長さである。本発明に基づくＥＤＩ装置は、イオン交換膜を挟んで枠体をその厚さ方向に多数積層することにより脱塩室と濃縮室が交互に配置するように構成されたものとすることができ、その場合、脱塩室における水の流れ方向は、通常、ＥＤＩ装置の使用状態における上下方向とされる。脱塩室において上下方向に沿って水が流れるようにした場合には、水の流れの方向に直交する方向での開口部の長さ、すなわち上述の横幅方向での開口部の長さを本発明における「開口部の幅」と規定してもよい。横幅方向での長さを開口部の幅とする場合、枠体に形成される複数の開口部は、相互に横幅方向に並ぶように配置されるようにすることができ、さらには、開口部の幅よりも開口部の上下方向での長さを長くすることができる。

【0013】

大流量のＥＤＩ装置に用いられる脱塩室においてその通水差圧を小さくするためには、横幅方向に長く枠体を形成することが有効である。機械的強度なども考慮して、横幅方向に沿った枠体の長さをａとして、例えばａを５００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とすることができる。あるいは、上下方向での枠体の長さをｂとして、ａ＞ｂ、すなわちａ／ｂ＞１とすることが好ましい。より好ましくはａ／ｂ＞１．２であり、さらに好ましくはａ／ｂ＞１．５である。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、充填されているイオン交換体の偏りやイオン交換膜の変形を防ぎつつ、大流量で被処理水を安定して処理できるＥＤＩ装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の一形態のＥＤＩ装置を示す概略断面図である。

【図2】図１に示すＥＤＩ装置の組立斜視図である。

【図3】別の実施形態のＥＤＩ装置の構成を示す概略断面図である。

【図4】従来技術による一般的な枠体を示す正面図である。

【図5】本発明において使用される枠体の構成の例を示す正面図である。

【図6】被処理水の流れの例を示す概略正面図である。

【図7】枠体の構成の別の例を示す正面図である。

【図8】実施例１～３、比較例１のＥＤＩ装置の要部を示す図である。

【図9】実施例４のＥＤＩ装置の要部を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、本発明を実施するための形態について、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ＥＤＩ装置を示している。図示されるＥＤＩ装置１０は、陽極１１を設けた陽極室２１と陰極１２を設けた陰極室２５との間に、陽極１１の側から、それぞれイオン交換膜を挟んで濃縮室２２、脱塩室２３、濃縮室２４を配置したものであり、このうち、脱塩室２３と濃縮室２４はこの順で繰り返し設けられてよい。この繰り返しの単位、すなわち１個の脱塩室２３とそれに隣接する１個の濃縮室２４とからなるものをセルペアと呼ぶ。したがって、ＥＤＩ装置１０は、陽極室２１、濃縮室２２、脱塩室２３、濃縮室２４、脱塩室２３、濃縮室２４、…、濃縮室２４、陰極室２５という構成を有する。陽極室２１と濃縮室２２の間にはカチオン交換膜３１が介在し、濃縮室２２と脱塩室２３の間にはアニオン交換膜３２が介在し、濃縮室２４と陰極室２５の間にはアニオン交換膜３４が介在する。そして、脱塩室２３に対して陽極１１の側で隣接する濃縮室２４とその脱塩室２３との間にはアニオン交換膜３２が介在し、脱塩室２３に対して陰極１２の側で隣接する濃縮室２４とその脱塩室２３との間にはカチオン交換膜３３が介在する。その結果、脱塩室２３は、陽極１１側のアニオン交換膜３２と陰極１２側のカチオン交換膜３３で区画されていることになる。

【0017】

脱塩室２３には、イオン交換体としてイオン交換樹脂が充填されている。ＥＤＩ装置１０の運転時に陽極１１と陰極１２との間に印加すべき直流電圧を低くするために、陽極室２１、濃縮室２２，２４及び陰極室２５にもイオン交換樹脂などのイオン交換体が充填されていることが好ましい。脱塩室２３は、被処理水が供給されて脱イオン水を処理水として排出する。陽極室２１及び陰極室２５は、電極室供給水が供給されて電極水を排出する。濃縮室２２，２４は、濃縮室供給水が供給されて濃縮水を排出する。

【0018】

濃縮室２２，２４にイオン交換樹脂を充填する場合、充填されるイオン交換樹脂にカチオン交換樹脂が含まれている方がＥＤＩ装置１０の運転電圧を小さくすることができるとともに運転電圧が安定し、かつ、ホウ素の除去率が向上する。その一方で濃縮室２２，２４にカチオン交換樹脂のみを充填させた場合、被処理水や濃縮室２２，２４に供給される水にカルシウムやマグネシウムなどの硬度成分が含まれているときに運転電圧の上昇が起こるおそれがある。これらのことから、濃縮室２２，２４にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とをそれらが混合した状態で充填することが好ましい。アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して濃縮室２２，２４に充填する場合、アニオン交換樹脂の見かけの体積をＡとし、カチオン交換樹脂の見かけの体積をＣとして、これらのイオン交換樹脂の混合比率Ａ：Ｃは２０：８０から６０：４０の間にあることが好ましく、２０：８０から５０：５０の間にあることがより好ましい。なお、ＡとＣとの比は、濃縮室２２，２４にイオン交換樹脂を充填した後においても、充填されたイオン交換樹脂を濃縮室２２，２４から取り出してアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とに分離し、分離されたアニオン交換樹脂の見かけの体積と分離されたカチオン交換樹脂の見かけの体積とをそれぞれ測定することによって決定することができる。

【0019】

このＥＤＩ装置１０は、各々が開口を有する複数の枠体４１～４５をそれらの相互間にイオン交換膜を挟みながら積層した構成を有する。陽極１１及び陰極１２は、枠体４１～４５の積層方向の両端に位置して枠体４１～４５の開口を介して相互に向かい合っている。陽極室２１、濃縮室２２、脱塩室２３、濃縮室２４及び陰極室２５は、それぞれ、枠体４１，４２，４３，４４，４５によって構成されている。陽極１１は押さえ板４８を介して枠体４１に固定され、陰極１２は押さえ板４９を介して枠体４５に固定されている。陽極室２１を構成する枠体４１と濃縮室２２を構成する枠体４２とが隣接しているが、これらの枠体４１，４２の開口がカチオン交換膜３１によって分離されて、陽極室２１と濃縮室２２とが相互に区画されている。同様に、隣接する枠体４２と枠体４３の間にはアニオン交換膜３２が配置し、隣接する枠体４３と枠体４４の間にはカチオン交換膜３３が配置し、隣接する枠体４４と枠体４５の間にはアニオン交換膜３４が配置している。

【0020】

図１では、複数の脱塩室２３に被処理水を供給する流路５１、複数の濃縮室２２，２４に濃縮室供給水を供給する流路５２、複数の脱塩室２３から脱イオン水を回収する流路５３、及び複数の濃縮室２２．２４から濃縮水を回収する流路５４が、枠体４１～４５の外部に描かれている。しかしながら流路５１～５４の各々は陽極１１から陰極１２に向かう方向と平行に延びるので、実際には、隣接する枠体４２～４４の間で連通するように少なくとも枠体４２～４４を貫通するものとして設けられている。図２は、図１に示すＥＤＩ装置１０の分解斜視図であるが、図２には、流路５１～５４は描かれていない。

【0021】

このようにイオン交換膜を介在させつつ枠体を順次積層して濃縮室２２，２４や脱塩室２３を形成することにより、ＥＤＩ装置１０を容易に製造することができる。枠体を積層するときは、開口を上向きにして枠体を積層する。各室（陽極室２１、濃縮室２２、脱塩室２３、濃縮室２４及び陰極室２５）にイオン交換樹脂を充填するときは、その室を構成する枠体を積層した上で、その枠体の開口にイオン交換樹脂を充填し、その後、イオン交換膜を介在させて次の枠体をその上に載せればよい。

【0022】

図１に示すＥＤＩ装置１０を運転して脱イオン水を製造するときは、陽極１１から陰極１２に向かう方向が水平方向となるように、そして、陽極室２１、濃縮室２２，２４、脱塩室２３及び陰極室２５のそれぞれの内部での水の流れ方向が上下方向となるように、ＥＤＩ装置１０の姿勢が定められる。この姿勢では、各枠体４１～４５が直立してそれらの開口が水平方向を向く。そして、濃縮室２２，２４に濃縮室供給水を供給し、陽極室２１と陰極室２５に電極室供給水を供給し、陽極１１と陰極１２の間に直流電圧を印加しながら脱塩室２３に被処理水を供給することにより、脱塩室２３内で被処理水の脱塩処理とイオン交換樹脂の再生処理とが同時に進行して、脱塩室２３から脱イオン水を得ることができる。

【0023】

図３は、別の実施形態のＥＤＩ装置１０を示している。このＥＤＩ装置１０は、図１に示すＥＤＩ装置１０の脱塩室２３を陽極１１側の第１小脱塩室２６と陰極１２側の第２小脱塩室２７とに分割したものであり、第１小脱塩室２６と第２小脱塩室２７の間は中間イオン交換膜３５で仕切られている。第１小脱塩室２６と第２小脱塩室２７のいずれにもイオン交換樹脂が充填される。被処理水は第１小脱塩室２６に供給され、第１小脱塩室から排出された被処理水が次に第２小脱塩室２７に供給され、第２小脱塩室２７から脱イオン水が処理水として排出される。第１小脱塩室から排出された被処理水を第２小脱塩室２７に供給するために、流路５５，５６が設けられている。図３に示すＥＤＩ装置１０でも第１小脱塩室２６及び第２小脱塩室２７は、それぞれ、枠体４６，４７によって構成されている。枠体４６，４７は、図１に示すＥＤＩ装置１０における枠体４３と同様のものである。図３では流路５５，５６は枠体４２，４４，４６，４７の外部に描かれているが、実際には流路５５，５６は、流路５１～５４と同様に、隣接する枠体４２，４４，４６，４７の間で連通するように少なくとも枠体４２，４４，４６，４７を貫通するものとして設けられている。なお、中間イオン交換膜３５を介して第１小脱塩室２６と第２小脱塩室２７とが隣接するＥＤＩ装置１０では、第１小脱塩室２６と第２小脱塩室２７と濃縮室２４とによってセルペアが構成される。

【0024】

次に、本発明に基づくＥＤＩ装置１０において脱塩室２３あるいは小脱塩室２６，２７を構成する枠体４３，４６，４７について説明する。枠体４３と枠体４６，４７は、流路５５，５６に対応する貫通孔が設けられているかどうかの点で異なるので、ここでは、枠体４３について説明するが、枠体４３を説明する前に、従来から用いられている一般的な枠体を説明する。図４は、図１に示すＥＤＩ装置１０と同様にイオン交換膜を挟んで枠体を積層して構成されるこれまでのＥＤＩ装置において一般的に用いられている枠体９０を示している。枠体９０は、板状の部材に開口６０を設けたものである。枠体９０の外周形状は、頂点を丸めた長方形であり、開口６０は、枠体９０を構成する板状の部材の両方の表面を貫通するように、枠体９０のほぼ中央部に設けられている。板状の部材としての厚さ方向を枠体の厚さ方向と呼ぶ。枠体９０において枠体９０の外周と開口６０との間には、上述した流路５１～５４をそれぞれ構成する貫通孔７１～７４が設けられている。

【0025】

脱塩室２３として使用されるとき、被処理水は枠体９０の開口６０とその両端を塞ぐように配置されたイオン交換膜とによって区画される空間を、枠体９０の厚さ方向とは直交する方向である上下方向に流される。イオン交換樹脂が充填されている脱塩室内での被処理水の流れを一様なものとし、かつ通水差圧を小さくするために、開口６０は、上下方向よりも横幅方向が長い略長方形の形状を有する。そして、被処理水が流れる流路５１に対応する貫通孔７１と開口６０の上辺または下辺の一方の辺とを接続する内部流路６１が設けられている。内部流路６１は、被処理水を流路５１から開口６０に導くものであって、貫通孔７１から見て、開口６０の上辺または下辺の一方の辺の全長にわたって被処理水を供給できるように、扇形に拡がって形成されている。内部流路６１が開口６０に接続する位置では内部流路６１は、開口６０の壁面に形成されたスリットとして形成されて内部流路６１が開口６０に対して連通している。同様に、脱塩室から脱イオン水を回収するために、脱イオン水が流れる流路５３に対応する貫通孔７３と開口６０の上辺または下辺の他方の辺とを接続する内部流路６２が設けられている。

【0026】

脱塩室２３における被処理水の流れ方向（すなわち上下方向）に沿う開口６０の長さをＬとし、横幅方向での開口の長さを幅Ｗとすれば、開口６０は横幅方向に長いので、図４に示した一般的な枠体９０ではＷ＞Ｌが成立する。そのため、枠体９０の外形としても横幅方向の長さをａ、上下方向の長さをｂとすれば、一般的にはａ＞ｂが成り立っている。脱塩室２３に大流量で被処理水を流すＥＤＩ装置では、幅Ｗは、例えば３００ｍｍから８００ｍｍ程度と大きくなり、枠体９０自体の幅ａも例えば５００ｍｍから１０００ｍｍ程度となる。このような一般的な枠体９０では、開口６０が大きいので、ＥＤＩ装置１０において使用したときに脱塩室２３を区画するためのイオン交換膜の変形が大きくなり、通水差圧の増加や運転電圧の上昇などが起こることがある。このような課題を解決するために、背景技術の欄で述べたように開口６０を多数の区画、典型的には細長い多数の区間に分割することも知られているが、そのように分割した場合には、脱塩室にイオン交換体を充填する作業効率が低下する。

【0027】

そこで本発明に基づくＥＤＩ装置１０では、図１に示すようにＥＤＩ装置１０が構成されているとして、脱塩室２３へのイオン交換体の充填の作業性を大きく損ねることなく、イオン交換膜の変形やイオン交換体の偏り、通水差圧の上昇を抑えることができる枠体４３を使用する。枠体４３は、図４に示した一般的な枠体９０の開口６０を複数の相互に分離した開口部６３に分割したものである。図５は、枠体４３の構成例を示している。図５において、（ａ）は図４の枠体９０の開口６０を２個の開口部６３に分割して得られる枠体４３を示し、（ｂ）は開口６０を３個の開口部６３に分割したものを示し、（ｃ）は開口６０を４個の開口部６３に分割したものを示し、（ｄ）は開口６０を５個の開口部６３に分割したものを示している。いずれの場合も枠体４３において開口部６３の形状は略長方形であり、複数の開口部６３は、横幅方向に並んでいる。図４に示した一般的な枠体９０に設けられていた内部流路６１，６２は枠体４３においてもそのまま存在しているから、枠体４３の各開口部６３に対して被処理水が均等に供給され、かつ、脱塩処理によって生じた脱イオン水は各開口部６３から均等に回収される。図５の（ａ）～（ｄ）に示すいずれの枠体４３においても、被処理水の流れ方向に沿う開口部６３の長さＬは、図４に示す一般的な枠体９０での開口６０の長さＬと同じである。

【0028】

被処理水の流れ方向に直交する方向での各開口部６３の長さを幅Ｗとすると、Ｗは、１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である。幅Ｗは、１０５ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが好ましく、１１０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下であることがより好ましく、１２０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。複数の開口部６３に分割する前の開口６０の幅Ｗ（図４に示す枠体９０での開口部６０の幅Ｗ）は、Ｗ＞Ｌを満たしていたが、各開口部６３においてはＷ＜Ｌとなっていてもよく、むしろＷ＜Ｌである方が好ましい。図５において（ａ）～（ｅ）に示すいずれの枠体４３においても、Ｗ＜Ｌとなっている。枠体４３の外周寸法は図４に示した枠体９０とほぼ同じである。したがって、枠体４３の横幅方向での長さａは例えば５００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、好ましくは６５０以上８００ｍｍ以下である。また枠体の上下方向の長さｂは横幅方向の長さａよりも小さいこと、すなわちａ／ｂ＞１であることが好ましい。ａ／ｂは、ａ／ｂ＞１．２であることがより好ましく、ａ／ｂ＞１．５であることがさらに好ましい。

【0029】

次に、枠体４３における水の流れを説明する。図５に示した各枠体４３では、複数個設けられている開口部６３に対し、貫通孔７１から内部流路６１を介して被処理水が並列に供給され、各開口部６３において脱塩処理が行われて得られる脱イオン水も、複数の開口部６３から内部流路６２を介して貫通孔７２に並列に集められている。枠体４３における開口部６３の数が３個であるとすれば、枠体４３では図６（ａ）に示すよう水が流れることになる。しかしながら、通水差圧の上昇を無視できる場合には、図６（ｂ）に示すように、１つの枠体４３に形成される複数の開口部６３に対して直列に水が流れるようにすることもできる。

【0030】

本発明に基づくＥＤＩ装置１０は、脱塩室２３において大流量で被処理水の脱塩処理を行なおうとして脱塩室２３を構成する枠体４３に形成される開口６０（図４参照）が大きくなるときに、通水差圧の上昇やイオン交換膜の変形を防ぐためのものであり、開口６０を複数の開口部６３（図５参照）に分割し、かつ、開口部６３における幅の下限と上限を規定するものである。図５（ａ）～（ｄ）に示すものについては、開口部６３の幅Ｗとは、その開口部６３において横幅方向での開口部６３の長さである。しかしながら、通水差圧の上昇とイオン交換膜の変形とを防ぐことができるのであれば、水の流れに沿った開口部６３の長さを開口部６３の幅とし、この幅が１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満であるようにすることができる。図７に示す枠体４３は、図４に示す枠体９０の開口６０を上下方向に２分割してそれぞれを開口部６３としたものである。図７に示す場合は、上側の開口部６３を通った水が下側の開口部６３に供給される必要があるから、２つの開口部６３の間には、両方の開口部６３に連通するスリット部６４が複数設けられている。図７に示す枠体４３では、略長方形である開口部６３の短辺の長さ、すなわち開口部６３における上下方向での長さを開口部６３の幅Ｄとしている。幅Ｄは、１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である。開口部６３の横幅方向での長さをＣとすれば、Ｃ＞Ｄとなっている。

【0031】

図５に示した場合も図７に示した場合も考慮すれば、本発明に基づくＥＤＩ装置では、開口部の幅は、脱塩室における水の流れ方向に直交する方向に沿った開口部の長さであってもよいし、開口部が略長方形であるときにはその短辺の長さであってもよい。いずれにせよ、開口部の幅は１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満である。

【実施例0032】

次に、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。

【0033】

［実施例１～３、比較例１］
それぞれ図３に示す構造を有して開口幅Ｗが異なる４台のＥＤＩ装置１０を組み立て、それらをそれぞれ実施例１～３、比較例１のＥＤＩ装置とした。各ＥＤＩ装置１０でのセルペア数を７とした。脱塩室は中間イオン交換膜３５を介して陽極１１側の第１小脱塩室２６と陰極１２側の第２小脱塩室２７とからなる。ただし、図３に示すものとは異なり、実施例１～３、比較例１のＥＤＩ装置３０では、中間イオン交換膜３５を挟んで相互に隣接する第１小脱塩室２６における水の流れ方向と第２小脱塩室２７における水の流れ方向とが向流の関係となるようにした。被処理水はまず第１小脱塩室２６に供給され、第１小脱塩室２６を通過した被処理水が第２小脱塩室２７に供給される。これらの小脱塩室２６，２７を構成するために用いられる枠体４６，４７は、いずれも横幅方向の長さａが６５５ｍｍであり、イオン交換樹脂が充填されるべき開口が横幅方向において複数の開口部６３に分割されているものである。また、各ＥＤＩ装置１０では、濃縮室２４を介して第１小脱塩室２６及び第２小脱塩室２７を７組設けた。開口を開口部６３に分割するときの分割数を変えることにより、枠体４６，４７における開口幅Ｗを、比較例１のＥＤＩ装置１０では２４０ｍｍとし、実施例１のＥＤＩ装置１０では１６０ｍｍとし、実施例２のＥＤＩ装置１０では１２０ｍｍとし、実施例３のＥＤＩ装置１０では９６ｍｍとした。

【0034】

図８は、実施例１～３、比較例１で用いたＥＤＩ装置１０の要部を示す図であり、隣接する２つの小脱塩室２６，２７とそれらに隣接する濃縮室２２，２４に対してどのようにイオン交換樹脂を充填したかを示している。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とを区画する中間イオン交換膜３５にはアニオン交換膜（ＡＥＭ）が用いられている。第１小脱塩室２６にはアニオン交換樹脂（ＡＥＲ）が単床で充填され、アニオン交換膜（ＡＥＭ）３２を介して第１小脱塩室２６に隣接する濃縮室２２にもアニオン交換樹脂が単床で充填されている。第２小脱塩室２７は、被処理水の流れに関して入口側と出口側との２つの領域に区分されており、入口側の領域にはカチオン交換樹脂（ＣＥＲ）が充填され、出口側の領域にはアニオン交換樹脂が充填されている。すなわち、第２小脱塩室２７では、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とが複床で充填されている。また、カチオン交換膜（ＣＥＭ）３３と第２小脱塩室２７内のアニオン交換樹脂とが接触する界面にはアニオン交換膜３７が設けられている。カチオン交換膜３３を介して第２小脱塩室２７に隣接する濃縮室２４にもアニオン交換樹脂が単床で充填されている。

【0035】

濃縮室２２，２４の各々に濃縮室供給水を供給し、第１小脱塩室２６に被処理水を供給し、運転条件（各室における通水の空間速度（ＳＶ）、印加電流、供給される水の水質）が同一になるようにして実施例１～３、比較例１の計４台のＥＤＩ装置１０を並列に運転する通水試験を行った。運転開始から１５００時間経過した時点での印加した直流電圧（印加電圧）、通水差圧を測定し、また、その直後に運転を停止してＥＤＩ装置１０を解体し、イオン交換膜の変形量を目視で観察した。

【0036】

印加電圧に関して、印加電圧として運転に好適な値であることを「Ａ」とし、運転には支障のない値であることを「Ｂ」とし、印加電圧が高すぎて運転に適さないことを「Ｃ」と区分した。通水差圧に関して、運転時の通水差圧として好適な値であることを「Ａ」とし、運転には支障のない値であることを「Ｂ」とし、通水差圧が高すぎて運転に適さないことを「Ｃ」と区分した。イオン交換膜の変形量に関し、大きな変形が見られず良好な運転を継続できると考えらえるものを「Ａ」とし、変形はあるものの運転の継続には支障がないと考えられるものを「Ｂ」とし、大きな変形があって運転の継続には適さないものを「Ｃ」と区分した。結果を表１に示す。

【0037】

【表1】

【0038】

開口部６３の幅Ｗが２４０ｍｍである比較例１のＥＤＩ装置１０では、イオン交換膜の変形が大きく、また印加電圧の上昇や通水差圧の上昇が見られた。特に、運転開始から一貫して印加電圧が上昇する傾向にあった。開口部６３の幅Ｗが２４０ｍｍではない実施例１～３のＥＤＩ装置１０では、運転開始から１５００時間経過した時点において印加電圧は安定していた。通水差圧に関し、開口部６３の幅Ｗが９６ｍｍである実施例３のＥＤＩ装置１０は、幅Ｗがそれぞれ１６０ｍｍ及び１２０ｍｍである実施例１，２のＥＤＩ装置１０に比べ、高めの値を示した。イオン交換膜の変形量は開口部６３の幅Ｗが１２０ｍｍ以下であるときに特に小さくなった。実施例１～３、比較例１の結果から、印加電圧、通水差圧及びイオン交換膜の変形量の観点から、開口部６３の幅Ｗは、１００ｍｍを超えて２４０ｍｍ未満でとすべきことが分かった。なお、イオン交換膜に大きな変形が見られないときは、充填されているイオン交換樹脂における偏りも認められなかった。

【0039】

［実施例４］
実施例２のＥＤＩ装置１０において、濃縮室２２，２４に対してアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して充填したもの、すなわち、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混床で充填したものを作製した。混床で充填するに際し、アニオン交換樹脂の見かけの体積Ａとカチオン交換樹脂の見かけの体積Ｋとの比Ａ：Ｋを１：１とした。図９は、実施例４のＥＤＩ装置１０の要部を示している。実施例２のＥＤＩ装置１０と実施例４のＥＤＩ装置１０は、濃縮室２２，２４に対し実施例２ではアニオン交換樹脂が単床で充填されるのに対して実施例４ではアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床で充填される点を除けば、同一構成、同一サイズである。特にこれらのＥＤＩ装置１０は、いずれもセルペア数が７であって開口部６３の幅Ｗが１２０ｍｍであり、セル幅ａが６５５ｍｍである。

【0040】

ホウ素濃度が１０ｐｐｂである同一の被処理水を供給し空間速度や電流密度などの運転条件を同一にして実施例２，４のそれぞれのＥＤＩ装置１０を運転し、ホウ素除去性能と運転電圧について比較評価を行った。被処理水にはカルシウムやマグネシウムなどの硬度成分は含まれておらず、電流密度は１．１Ａ／ｄｍ^２であった。運転開始から２００時間後の運転電圧とホウ素除去率を表２に示し、運転開始から２０００時間後の運転電圧とホウ素除去率を表３に示す。実施例２，４のＥＤＩ装置１０のセルペア数はいずれも７であるが、ＥＤＩ装置において大流量で被処理水を処理する場合には運転電圧が許容できる範囲内でセルペア数を増やすこととなるので、大流量での処理のためにセルペア数を５０としたときに想定される運転電圧を「大型化を想定した換算電圧」として表中に示している。なお、ＥＤＩ装置を駆動するために用いられる直流電源の仕様により、運転電圧の上限は一般に６００Ｖとされている。

【0041】

【表2】

【0042】

【表3】

【0043】

表２及び表３に示すように、アニオン交換樹脂のみが濃縮室２２，２４に充填される実施例２では、運転開始からの時間経過に応じて運転電圧が上昇しホウ素除去率が低下する傾向が見られたのに対し、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混床で濃縮室２２，２４に充填される実施例４では、運転電圧が安定し、ホウ素除去率も維持されていた。特にホウ素除去性能は、実施例２に比べ実施例４の方が良好であった。濃縮室がその陽極側に位置するカチオン交換膜と陰極側に位置するアニオン交換膜によって区画されているとして、運転中のＥＤＩ装置においては、濃縮室に対してカチオン交換膜を介して水素イオン（Ｈ^＋）が移動してくる。濃縮室にカチオン交換樹脂が存在するときは移動してきた水素イオンは濃縮室内を移動するが、濃縮室内にアニオン交換樹脂しか存在しないときは、濃縮室内において水素イオンはカチオン交換膜の近傍の領域に滞留し、その領域におけるｐＨが低下する。一方、脱塩室から濃縮室内に移動してきたホウ素成分は、ホウ酸を含むアニオンの形態で濃縮室中のアニオン交換樹脂に捕捉され、濃縮室内を陽極方向に移動しカチオン交換膜の近傍の領域で濃縮する。ホウ素を含むアニオンがカチオン交換膜の近傍の領域で濃縮するときにこの領域のｐＨが低いと、ホウ素を含むアニオンがホウ素を含む中性分子となり、中性分子であるのでカチオン交換膜を移動できて脱塩室にリークする。このホウ素成分の脱塩室へのリークは、濃縮室内においてホウ素を含むアニオンは移動できるが水素イオンの移動が起こりにくいことが原因であるので、濃縮室に対してアニオン交換樹脂だけでなくカチオン交換樹脂を混在させることで抑制される。これが、濃縮室２２，２４にカチオン交換樹脂が存在する方がホウ素除去性能が高いことの理由であると考えられる。

【0044】

表２及び表３に示される結果から、ＥＤＩ装置を長期間にわたって安定して運転しホウ素の除去性能（脱塩性能）を維持するためには、濃縮室２２，２４にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが混合して充填されていることが好ましいことが分かった。また、濃縮室２２，２４にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合して充填することにより、運転電圧を低くできて消費電力を抑えられることも分かった。

【符号の説明】

【0045】

１０ 電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ装置）
１１ 陽極
１２ 陰極
２１ 陽極室
２２，２４ 濃縮室
２３ 脱塩室
２５ 陰極室
２６，２７ 小脱塩室
３１，３３，３７ カチオン交換膜（ＣＥＭ）
３２，３４ アニオン交換膜（ＡＥＭ）
３５ 中間イオン交換膜
４１～４７，９０ 枠体
５１～５６ 流路
６０ 開口
６１，６２ 内部流路
６３ 開口部
７１～７４ 貫通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】