JP6001399B2

JP6001399B2 - 脱塩方法及び脱塩装置

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Publication number: JP6001399B2
Application number: JP2012216304A
Authority: JP
Inventors: 澄田　康光; 康光澄田; 山中　弘次; 弘次山中
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Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP2014069120A

Description

本発明は、水中に含まれる塩類を除去する水処理に関し、特に、バイポーラ膜のイオン交換能を利用してイオンを除去する脱塩方法及び脱塩装置に関する。

従来より、水道水などの被処理水中のイオン成分を除去し、被処理水の脱塩を行う方法として、イオン交換樹脂を用いる方法や、逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いる方法が知られている。これらの方法による脱塩は、産業分野では幅広く利用されているが、水を利用する家庭電化製品、例えば洗濯機や食器洗浄機などで使用する水の塩類除去（例えば、硬度成分除去）には普及していない。その理由としては、イオン交換樹脂を用いる方法では、定期的に樹脂を再生するために塩を供給する必要があるが、これが利用者にとって手間であること、逆浸透膜を用いる方法では、脱塩処理された水とともにイオン類が濃縮された濃縮水が排出されるため、節水が難しいこと、などが挙げられる。

そこで、イオン交換樹脂を用いる方法に含まれるが、樹脂の再生を自動的に行うことができ、かつ再生に必要な水も少量で済むことが可能な水処理方法として、バイポーラ膜に電圧を印加してイオンを除去する方法が提案されている。

バイポーラ膜とは、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを張り合わせた構造を有するイオン交換膜である。一対の電極を設けてこの電極間の空間を仕切るようにバイポーラ膜を配置し、電極間の空間を水で満たした状態で、アニオン交換膜側の電極が陽極、カチオン交換膜側の電極が陰極となるように、水の理論分解電圧である０．８３Ｖ以上の電圧を電極間に印加すると、水を水素イオン（Ｈ⁺）と水酸化物イオン（ＯＨ^-）とに解離させることができる。この解離は、バイポーラ膜でのカチオン交換膜とアニオン交換膜との接合面で起こり、生成した水素イオンはカチオン交換膜を介して陰極側に移動し、水酸化物イオンはアニオン交換膜を介して陽極側に移動する。バイポーラ膜による水の解離を利用した酸やアルカリの製造方法に関する特許が多数出願されている。例えば、特許文献１には、電気再生式脱塩装置のイオン交換樹脂の再生に、バイポーラ膜で生成される水素イオン及び水酸化物イオンを使用する例が示されている。このようにバイポーラ膜は、一般的には、水を解離し酸とアルカリを生成するために使用されている。

水を解離させるときとは電圧の印加方向を逆にした場合、すなわち、アニオン交換膜側の電極が陰極、カチオン交換膜側の電極が陽極となるように電極間に電圧を印加すると、水中の陽イオン（カチオン）はカチオン交換膜方向に移動して水素イオンとのイオン交換を行ってカチオン交換膜に取り込まれ、水中の陰イオン（アニオン）はアニオン交換膜方向に移動して水酸化物イオンとイオン交換を行ってアニオン交換膜に取り込まれる（図２参照）。イオン交換反応によって生成した水素イオンと水酸化物イオンとは再結合して水となる。これにより、水中の塩類が除去されたので、脱塩処理が行われたことになる。

バイポーラ膜で水が解離して水素イオンと水酸化物イオンが生成した場合、カチオン交換膜に何らかの陽イオンが含まれていればその陽イオンは水素イオンとイオン交換して膜外に排出され、アニオン交換膜に何らかの陰イオンが含まれていればその陰イオンは水酸化物イオンとイオン交換して膜外に排出される（図３参照）。結局、電圧印加によってバイポーラ膜において水を解離させるプロセスは、バイポーラ膜の再生のプロセスであるとも言える。したがって、バイポーラ膜に印加する電圧の方向を変化させることで、バイポーラ膜による脱塩処理とバイポーラ膜の再生処理とを切り替えることができる。特許文献２，３には、バイポーラ膜に電圧を印加する電極の極性を切り替えることで脱塩と再生とを繰り返し行う水処理装置が提案されている。特に特許文献３では、洗濯機や食器洗浄機に組み込むことに適した水処理装置が開示されている。

なお、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜とアニオン交換膜の組み合わせとしては、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせ、及び強酸性カチオン交換膜と弱塩基性アニオン交換膜との組み合わせが一般的である。強酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜とを組み合わせたバイポーラ膜では、特性が安定せず、例えば、水を水素イオンと水酸化物イオンに解離させるための電圧が高くなって効率が低下することなどが知られており、強酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜からなるバイポーラ膜を使用することは、実用上は難しい。

特開２００６−４３５４９号公報特表２００１−５０９０７４号公報特開２０１０−２９７５３号公報

バイポーラ膜は再生を容易に行えるという利点を有するものの、バイポーラ膜を用いた従来の脱塩装置では、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜あるいはアニオン交換膜の交換容量に対して十分な脱塩能力が発揮されない、という問題点があることが分かった。特に、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせによるバイポーラ膜でその傾向が顕著であることが分かった。

例えば、硬度成分の除去を目的としてカルシウムイオン（Ｃａ²⁺）やマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）を除去しようとする場合、通常のイオン交換樹脂を用いて脱塩を行おうとしたときと比べ、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜の交換容量に対して十分な脱塩能力が発揮されない、という問題点がある。一例として、同じ交換容量を有するイオン交換樹脂とバイポーラ膜とをそれぞれ利用して同一の原水を同一の硬度まで処理する場合、バイポーラ膜を使用したときには、イオン交換樹脂を使用したときに処理可能な原水の量の５分の１程度の原水しか処理できないことが明らかになった。つまり、バイポーラ膜を用いて再生を行うことなくイオン交換樹脂の場合と同等の脱塩処理を行うためには、イオン交換樹脂の使用量と比べて大量のバイポーラ膜を使用しなければならない。したがって、バイポーラ膜を用いて多量の水に対して連続して脱塩処理を行う場合には、装置が大型になるという課題が生じる。

本発明の目的は、バイポーラ膜を用いる脱塩方法及び脱塩装置であって、バイポーラ膜の交換容量を十分に活用でき、装置サイズを小型にすることができる脱塩方法及び脱塩装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を行った結果、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせによるバイポーラ膜において、弱酸性カチオン交換膜のイオン交換容量が強塩基性アニオン交換膜のイオン交換容量よりも大きい場合に、脱塩可能なイオン交換能はイオン交換容量の低い方の強塩基性アニオン交換膜に依存することが分かった。同様に、本発明者らは、強酸性カチオン交換膜と弱塩基性アニオン交換膜の組み合わせによるバイポーラ膜において、弱塩基性アニオン交換膜のイオン交換容量が強酸性カチオン交換膜のイオン交換容量よりも大きい場合、脱塩可能なイオン交換能はイオン交換容量の低い方の強酸性カチオン交換膜に依存することを見出した。これは、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜とアニオン交換膜のイオン交換容量が異なると、脱塩を続けていくうちにイオン交換容量の小さい方の膜の処理能力が低下して、イオン交換容量の大きい方の膜のみが処理を行うことになり、被処理液のｐＨが変動するためであると考えられる。具体的には、バイポーラ膜においてイオン交換容量の大きい方の膜が弱酸性カチオン交換膜である場合には、被処理液のｐＨが酸性側にシフトし、その結果、まだ十分なイオン交換容量があるにもかからわず弱酸性カチオン交換膜の交換基であるカルボキシル基が解離せずイオン交換能が低下し、処理効率が低下する。同様に、バイポーラ膜においてイオン交換容量の大きい方の膜が弱塩基性アニオン交換膜である場合には、被処理液のｐＨがアルカリ性側にシフトし、その結果、弱塩基性アニオン交換膜の交換基である第一アミン、第二アミン及び第三アミンが解離せずイオン交換能が低下し、処理効率が低下する。

そこで本発明の脱塩方法は、被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩方法において、イオン交換体を備えるイオン交換体モジュールに被処理水を通水する処理と、一対の電極と一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備えてバイポーラ膜はカチオン交換膜とアニオン交換膜とによって構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールに、バイポーラ膜におけるカチオン交換膜に面する電極が陽極、アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように一対の電極間に電圧を印加しながら、イオン交換体モジュールからの被処理水を通水する処理と、を有し、バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜であり、イオン交換体モジュールは、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関してカチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、アニオン交換体を備え、アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、カチオン交換体を備えていることを特徴とする。

本発明の脱塩装置は、被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩装置において、一対の電極と一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備え、バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールと、バイポーラ膜脱塩モジュールの前段に設けられたイオン交換体モジュールと、を有し、イオン交換体モジュールは、バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関してカチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、アニオン交換体を備え、アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、カチオン交換体を備え、バイポーラ膜におけるカチオン交換膜に面する電極が陽極、アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように一対の電極間に電圧を印加しながら、被処理水をイオン交換体モジュールからバイポーラ膜脱塩モジュールに向かう方向で通水させて脱塩処理を行うようにしたことを特徴とする。

本発明において、バイポーラ膜においてカチオン交換膜の方がアニオン交換膜よりもイオン交換容量の方が大きい場合にイオン交換体モジュールに設けられるアニオン交換体のイオン交換容量は、一例として、バイポーラ膜での両方のイオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きく、また、バイポーラ膜においてアニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合にイオン交換体モジュールに設けられるカチオン交換体のイオン交換容量は、一例として、バイポーラ膜での両方のイオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きい。

本発明では、バイポーラ膜におけるカチオン交換膜とアニオン交換膜との間のイオン交換容量の不均衡を補う形で、バイポーラ膜による脱塩処理の前段においてイオン交換体による処理を行うことにより、バイポーラ膜のイオン交換容量を十分に発揮した脱塩処理を行うことが可能になる。その結果、全体としてみても、バイポーラ膜のみを用いて脱塩処理を行う場合に比べ、装置サイズを小型化することができる。また、水の解離を行わせてバイポーラ膜の再生を行った場合、バイポーラ膜でのカチオン交換膜とアニオン交換膜との間のイオン交換容量の不均衡に応じて過剰の水素イオンまたは水酸化物イオンが発生するが、この過剰の水素イオンまたは水酸化物イオンをバイポーラ膜の前段に設けられるイオン交換体の再生に利用できるため、イオン交換体の再生のために塩を供給したりする必要はない。したがって本発明によれば、バイポーラ膜を用いた脱塩処理において、バイポーラ膜の再生を行うことなく脱塩処理を行うことができる被処理水の量を多くすることができ、その分、例えば、家庭電化製品等への搭載が可能な程度にまで小型化された脱塩装置とすることができる、という効果が得られる。

本発明の実施の一形態の脱塩装置の構成を示す図であって、（ａ）は脱塩処理を説明する図、（ｂ）は再生処理を説明する図である。バイポーラ膜による脱塩の原理を示す図である。バイポーラ膜の再生の原理を示す図である。実施例１での脱塩時間と硬度との関係を示すグラフである。比較例１での脱塩時間と硬度との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の実施の一形態の脱塩装置を示している。この脱塩装置は、バイポーラ膜１１と一対の電極１２，１３とを備えるバイポーラ膜脱塩モジュール１０と、バイポーラ膜脱塩モジュール１０の前段に設けられたイオン交換体モジュール２０と、電極１２，１３に印加する直流電圧を発生する直流電源２１と、直流電源２１と電極１２，１３との間に設けられて電極１２，１３の極性を切り替える切替スイッチ２２と、を備えている。イオン交換体モジュール２０とバイポーラ膜脱塩モジュール１０とは、配管３０を介して接続している。原水が供給される流路切替弁３１が設けられており、流路切替弁３１の一方の出口は、配管３２を介して、脱塩処理時にイオン交換体モジュール２０に対して被処理水として原水を供給するように、イオン交換体モジュール２０に接続している。配管３２には、再生処理時に再生水（塩類が濃縮した濃縮水）を排出するための配管３３が接続し、配管３３には弁３４が設けられている。流路切替弁３１の他方の出口は、再生処理時にバイポーラ膜脱塩モジュール１０に対して原水を供給するように、配管３５を介してバイポーラ膜脱塩モジュール１０に接続している。バイポーラ膜脱塩モジュール１０には、脱塩処理された被処理水（脱塩水）を外部に供給するための配管３６が接続し、この配管３６には弁３７が設けられている。

〈バイポーラ膜脱塩モジュール〉
バイポーラ膜脱塩モジュール１０についてさらに詳しく説明する。

バイポーラ膜脱塩モジュール１０では、容器内に１対の電極１２，１３が離隔して配置してその間の空間が被処理水で満たされるようになっている。そして、電極１２，１３間の空間を仕切るように、電極１２，１３から離れてバイポーラ膜１１が配置している。電極１２，１３としては、陰極及び陽極として機能を発揮するものであればよく、例えば、白金、パラジウム、イリジウム等の貴金属、あるいはこれらの貴金属をチタン等に被覆した網状あるいは板状の電極を挙げることができる。図１に示したものでは、平板状の電極１２，１３を使用している。

バイポーラ膜１１は、カチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５とを張り合わせた構造を有するものである。図１に示したものでは電極１２，１３間に、複数枚のバイポーラ膜１１が、相互に平行かつ電極１２，１３にも平行となるように配置されている。このとき、いずれのバイポーラ膜１１も、カチオン交換膜１４側の面が電極１２に向き、アニオン交換膜１５側の面がもう１つの電極１３に向くように、電極１１，１２の間に配置されている。本実施形態においてバイポーラ膜１１におけるカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５との組み合わせは、弱酸性カチオン交換膜と強塩基性アニオン交換膜との組み合わせ、あるいは、強酸性カチオン交換膜と弱塩基性アニオン交換膜との組み合わせである。

イオン交換膜としては、大別すると、原料モノマー液を補強体に含浸させた後に重合させ、全体を均質に形成した均質膜と、イオン交換樹脂を溶解成型可能なポリオレフィン系樹脂とともに粉砕成型した不均質膜との２種類がある。バイポーラ膜１１において、いずれもイオン交換膜の範疇に含まれるカチオン交換膜１４及びアニオン交換膜１５として、均質膜または不均質膜のいずれをも用いることができる。

ここで、バイポーラ膜１１による脱塩処理の原理について、図２を用いて説明する。ここでは、カチオン交換膜１４及びアニオン交換膜１５がいずれも再生形であるものとする。バイポーラ膜１１のカチオン交換膜１４が面する方の電極１２を陽極とし、もう一方の電極１３を陰極として電圧を印加すると、原水中に含まれるナトリウムイオン（Ｎａ⁺）などの陽イオンは、バイポーラ膜１１のカチオン交換膜１４側に移動し、そこでカチオン交換膜１４に含まれる水素イオン（Ｈ⁺）とイオン交換してカチオン交換膜１４に捕捉される。イオン交換によって遊離した水素イオンは、電極１２，１３間の電界によりカチオン交換膜１４からアニオン交換膜１５を通過して水中に放出される。同様に、原水中に含まれる塩化物イオン（Ｃｌ^-）などの陰イオンは、バイポーラ膜１１のアニオン交換膜１５側に移動し、そこでアニオン交換膜１５に含まれる水酸化物イオン（ＯＨ^-）とイオン交換してアニオン交換膜１５に捕捉される。イオン交換によって遊離した水酸化物イオンは、電界によりアニオン交換膜１５からカチオン交換膜１４を水中に放出され、アニオン交換膜１５から放出された水素イオンと結合して水となる。

次に、脱塩処理に用いられたバイポーラ膜１１を再生する処理の原理について、図３を用いて説明する。電極１２，１３の極性を脱塩処理のときのものから逆転させ、カチオン交換膜１４側の電極１２が陰極、アニオン交換膜１５側の電極１３が陽極となるように、電極１２，１３間に電圧を印加する。するとバイポーラ膜１１でのカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５との接合面において、膜中の水が水素イオンと水酸化物イオンとに解離する。このうち、水素イオンはカチオン交換膜１４に移行してカチオン交換膜１４に捕捉されている陽イオン（例えばナトリウムイオン）とイオン交換し、これによってカチオン交換膜１４が再生される。同様に、水酸化物イオンはアニオン交換膜１５に移行してアニオン交換膜１５に捕捉されている陰イオン（例えば塩化物イオン）とイオン交換し、アニオン交換膜１５が再生される。イオン交換によって遊離した陽イオン及び陰イオンは液中に放出され、これにより、液では塩類が濃縮されることになる。

このようにバイポーラ膜脱塩モジュール１０では、電極１２，１３の極性を変えることで、バイポーラ膜１１による脱塩と再生を繰り返し行うことができる。バイポーラ膜脱塩モジュール１０において、バイポーラ膜１１は、複数枚平膜状に重ねたものであっても、ロール状に巻いたものでもよいが、原水がバイポーラ膜１１の表面のどの部分にも均一に流れる構造であることが必要であり、バイポーラ膜１１を複数枚設ける場合には、どのバイポーラ膜１１の表面にも原水が均一に流れる必要がある。電極１２，１３の形状としては、平板、エクスパンド、パンチング、丸棒、ワイヤーなどが考えられるが、バイポーラ膜１１の形状に合わせてバイポーラ膜１１に均一に電位をかけられるような形状である必要がある。

〈イオン交換体モジュール〉
次に、イオン交換体モジュール２０について説明する。イオン交換体モジュール２０には、バイポーラ膜脱塩モジュール１０内のバイポーラ膜１１を構成するカチオン交換膜１４及びアニオン交換膜１５に関してアニオン交換膜１５よりもカチオン交換膜１４のイオン交換容量が大きい場合に、カチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５とのイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有するアニオン交換体が充填される。アニオン交換体としては、アニオン交換樹脂やモノリス状アニオン交換体などが挙げられる。逆に、バイポーラ膜１１においてカチオン交換膜１４よりもアニオン交換膜１５の方がイオン交換容量が大きい場合には、イオン交換体モジュール２０には、アニオン交換膜１５とカチオン交換膜１４のイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有するカチオン交換体が充填される。カチオン交換体としては、カチオン交換樹脂やモノリス状カチオン交換体などが挙げられる。結局、イオン交換体モジュール２０には、バイポーラ膜脱塩モジュール１０内のバイポーラ膜１１におけるカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５との間のイオン交換容量の不均衡を補う形で、不足する方のイオン交換容量に対応するイオンに対するイオン交換能を有するイオン交換樹脂（カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂）が備えられることになる。

イオン交換体モジュール２０に充填されるイオン交換体のイオン交換容量は、バイポーラ膜１１でのカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５とのイオン交換容量の差よりも大きければよいが、イオン交換体モジュール２０のイオン交換容量を大きくしすぎると、イオン交換体モジュール２０が大きくなりすぎて脱塩装置全体としての小型化を実現できなくなる。そのため、脱塩装置全体としての小型化を達成するためには、イオン交換体モジュール２０でのイオン交換容量は、バイポーラ膜１１でのカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５とのイオン交換容量の差の２倍以下とすることが好ましい。

また、イオン交換体モジュールで使用されるイオン交換体は、希薄な酸またはアルカリで再生が可能な弱酸性カチオン交換体あるいは弱塩基性アニオン交換体であることが望ましい。

〈運転方法〉
次に、本実施形態の脱塩装置による処理を説明する。

まず、原水からの脱塩処理について、図１（ａ）を用いて説明する。脱塩処理を行う時は、流路切替弁３１をイオン交換体モジュール２０側に切り替え、弁３４を閉じ、弁３７を開ける。また、切替スイッチ２２を操作し、電極１２が陽極、電極１３が陰極となるように、直流電源２１からの電圧を電極１２，１３に印加する。塩類（ここでは塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）とする）を含んだ原水は、流路切替弁３１から配管３２を介してイオン交換体モジュール２０を通過し、イオン交換体モジュール２０に充填されているイオン交換樹脂（カチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂）に応じて、イオン交換体モジュール２０において片方のイオン（ナトリウムイオンまたは塩化物イオン）が除去される。イオン交換体モジュール２０を通過した液は、配管３０を介してバイポーラ膜脱塩モジュール１０に送られ、図２を用いて説明した原理に基づいて脱塩処理を受け、残りのイオンが除去される。その結果、塩類を含まない水（脱塩水）が生成し、脱塩水は配管３６を介して外部に供給される。

イオン交換体モジュール２０のイオン交換容量は、バイポーラ膜１１でのカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５とのイオン交換容量の差を超える程度のものであってそれほど大きいとは言えず、イオン交換体モジュール２０内のイオン交換樹脂が上記一方のイオンに関してブレークすることもあるが、イオン交換体モジュール２０がブレークしたとしても、上記一方のイオンもバイポーラ膜脱塩モジュール１０で除去できるため、問題は生じない。また、本実施形態の構成では、バイポーラ膜脱塩モジュール１０内のバイポーラ膜１１におけるカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５との間のイオン交換容量の不均衡を補うようにバイポーラ膜脱塩モジュール１０の前段にイオン交換モジュール２０が設けられており、全体として、陽イオンと陰イオンに対するイオン交換容量が均等なものとなっている。したがって、片方のイオン交換膜のイオン交換容量の低下に伴うバイポーラ膜脱塩モジュール１０内の被処理水でのｐＨのシフトが発生せず、バイポーラ膜１１の全イオン交換容量をほぼ使い切るまで脱塩処理を行うことができる。本実施形態によれば、バイポーラ膜の交換容量を十分に活用でき、バイポーラ膜の再生を行うことなく脱塩処理を行うことができる被処理水の量を多くすることができ、装置サイズを小型にすることが可能になる。

次に、上述したように脱塩処理を行った後の再生処理について、図１（ｂ）を用いて説明する。再生処理を行う時は、流路切替弁３１をバイポーラ膜脱塩モジュール１０側に切り替え、弁３４を開け、弁３７を閉じる。また、切替スイッチ２２を操作し、電極１２が陰極、電極１３が陽極となるように、直流電源２１からの電圧を電極１２，１３に印加する。原水は、流路切替弁１により、配管３５を介してまずバイポーラ膜脱塩モジュール１０に導入される。このときバイポーラ膜脱塩モジュール１０に導入される水に塩類が含まれていると、それがバイポーラ膜１１でイオン交換されることにより再生処理に時間がかかるようになるため、純水をバイポーラ膜脱塩モジュール１０に導入することが好ましく、そのために、別経路からバイポーラ膜脱塩モジュール１０に純水を導入するようにしてもよい。バイポーラ膜脱塩モジュール１０では、図３を用いて説明した原理に基づいて再生処理が行われ、バイポーラ膜１１のカチオン交換膜１４とアニオン交換膜１５は再生される。さらに電極１２，１３に電圧をかけ続けると、イオン交換容量の小さい交換膜側では再生が終了し、カチオン交換膜１４の方のイオン交換容量が小さければ水素イオン、アニオン交換膜１５の方がイオン交換容量が小さければ水酸化物イオンが配管３０を介してそのままイオン交換体モジュール２０に導入される。イオン交換体モジュール２０には、バイポーラ膜１１においてイオン交換容量の小さい方のイオンに対するイオン交換能を有するイオン交換樹脂が設けられているので、イオン交換体モジュール２０に導入されたイオン（水素イオンまたは水酸化物イオン）によって、イオン交換体モジュール２０内のイオン交換樹脂も再生されることになる。

このように、本実施形態の脱塩装置では、イオン交換体モジュール２０内のイオン交換樹脂の再生のために塩類や酸、アルカリ類を必要としない。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。ただし本発明は、下記の実施例により限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示した構成のうち、イオン交換体モジュール２０、配管３０、バイポーラ膜脱塩モジュール１０及び直流電源２１からなる部分を組み立て、脱塩処理を行わせた。バイポーラ膜１１として、それぞれ厚みが０．２５ｃｍの弱酸性カチオン交換膜（イオン交換容量（カチオン交換容量）２．２ｍｅｑ／ｇ−バイポーラ膜）と強塩基性アニオン交換膜（イオン交換容量（アニオン交換容量）０．８ｍｅｑ／ｇ−バイポーラ膜）とを張り合わせたものを使用した。バイポーラ膜１１は、１５×４０ｃｍの大きさにカットしたもの（質量２０ｇ／枚）を１０枚重ねてロール状に巻いた。電極１２，１３には、ワイヤー状の白金被覆チタン電極を使用し、ロール状に巻いたバイポーラ膜１１の中心と外側に、電極１２，１３をそれぞれ配置した。バイポーラ膜１１全体としての弱酸性カチオン交換膜全体のイオン交換容量（カチオン交換容量）は４４０ｍｅｑ（２．２ｍｅｑ／ｇ×２０ｇ／枚×１０枚）であり、強塩基性アニオン交換膜全体のイオン交換容量（アニオン交換容量）は１５０ｍｅｑ（０．７５ｍｅｑ／ｇ×２０ｇ／枚×１０枚）であった。ここで、バイポーラ膜１１全体としては、カチオン交換膜のイオン交換容量（カチオン交換容量）の方が大きく、弱酸性カチオン交換膜のイオン交換容量（カチオン交換容量）と強塩基性アニオン交換膜のイオン交換容量（アニオン交換容量）の差は、４４０ｍｅｑ−１５０ｍｅｑ＝２９０ｍｅｑ、となる。

イオン交換体モジュール２０のイオン交換樹脂には、弱塩基性アニオン交換樹脂（交換容量１ｍｅｑ／ｍｌ）を３００ｍｌ充填した（すなわち、弱塩基性アニオン交換樹脂を１ｍｅｑ／ｍｌ×３００ｍｌ＝３００ｍｅｑ分充填した）。

原水には、硬度を２５０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌ含んだ水を使用し、この原水をイオン交換体モジュール２０側から１Ｌ／ｍｉｎで通水した。脱塩処理に電極１２，１３に印加する電圧は３００Ｖとした。バイポーラ膜脱塩モジュール１０の出口から得られる脱塩水での目標の水質を硬度５０ｍｇ−ＣａＣＯ₃／Ｌ以下とした。脱塩水の硬度を測定した結果を図４に示す。図４に示すように、２０分間にわたって目標の水質を達成できた。

［比較例１］
バイポーラ膜脱塩モジュール１０の前段にイオン交換体モジュールを設置せずに実施例と同条件で脱塩処理を行った。このときのバイポーラ膜脱塩モジュール１０の出口からの脱塩水の硬度を測定した。結果を図５に示す。図５に示すように、図のように約１０分で目標の水質を超える硬度がリークしており、十分な硬度除去ができなかった。

１０バイポーラ膜脱塩モジュール
１１バイポーラ膜
１２，１３電極
１４カチオン交換膜
１５アニオン交換膜
２０イオン交換体モジュール
２１直流電源
２２切替スイッチ
３０，３２，３３，３５，３６配管
３１流路切替弁
３４，３７弁

Claims

被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩装置において、
一対の電極と前記一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備え、前記バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールと、
前記バイポーラ膜脱塩モジュールの前段に設けられたイオン交換体モジュールと、
を有し、
前記イオン交換体モジュールは、前記バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関して前記カチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合にはアニオン交換体を備え、前記アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合にはカチオン交換体を備え、
前記バイポーラ膜における前記カチオン交換膜に面する電極が陽極、前記アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら、前記被処理水を前記イオン交換体モジュールから前記バイポーラ膜脱塩モジュールに向かう方向で通水させて脱塩処理を行うようにしたことを特徴とする脱塩装置。
前記イオン交換体モジュールは、前記バイポーラ膜を構成する前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関して前記カチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、前記カチオン交換膜及び前記アニオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有する前記アニオン交換体を備え、前記アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、前記アニオン交換膜と前記カチオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有する前記カチオン交換体を備える、請求項１に記載の脱塩装置。
前記一対の電極の極性を反転させる切替スイッチをさらに備え、
前記切替スイッチを操作して、前記バイポーラ膜における前記カチオン交換膜に面する前記電極が陰極、前記アニオン交換膜に面する前記電極が陽極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら、水を前記バイポーラ膜脱塩モジュールから前記イオン交換体モジュールに向かう方向で通水させて、前記バイポーラ膜と前記イオン交換体モジュール内のイオン交換体との再生処理を行えるようにした、請求項１または２に記載の脱塩装置。
前記イオン交換体モジュールは、弱酸性カチオン交換体あるいは弱塩基性アニオン交換体を備えることを特徴とする請求項１乃至３の１項に記載の脱塩装置。
被処理水に対する脱塩処理を行う脱塩方法において、
イオン交換体を備えるイオン交換体モジュールに被処理水を通水する処理と、
一対の電極と前記一対の電極間に配置されたバイポーラ膜とを備えて前記バイポーラ膜はカチオン交換膜とアニオン交換膜とによって構成されているバイポーラ膜脱塩モジュールに、前記バイポーラ膜における前記カチオン交換膜に面する電極が陽極、前記アニオン交換膜に面する電極が陰極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら、前記イオン交換体モジュールからの前記被処理水を通水する処理と、
を有し、
前記バイポーラ膜は、弱酸性カチオン交換膜及び強塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜、あるいは強酸性カチオン交換膜及び弱塩基性アニオン交換膜から構成されるバイポーラ膜であり、
前記イオン交換体モジュールは、前記バイポーラ膜を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜のイオン交換容量に関して前記カチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、アニオン交換体を備え、前記アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、カチオン交換体を備えていることを特徴とする脱塩方法。
前記イオン交換体モジュールは、前記バイポーラ膜を構成する前記カチオン交換膜及び前記アニオン交換膜のイオン交換容量に関して前記カチオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、前記カチオン交換膜及び前記アニオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有する前記アニオン交換体を備え、前記アニオン交換膜のイオン交換容量の方が大きい場合に、前記アニオン交換膜と前記カチオン交換膜のイオン交換容量の差よりも大きなイオン交換容量を有する前記カチオン交換体を備えている、請求項５に記載の脱塩方法。
前記バイポーラ膜における前記カチオン交換膜に面する前記電極が陰極、前記アニオン交換膜に面する前記電極が陽極となるように前記一対の電極間に電圧を印加しながら、前記バイポーラ膜脱塩モジュールに水を流し、前記バイポーラ膜脱塩モジュールからの前記水を前記イオン交換体モジュールに流すことによって、前記バイポーラ膜と前記イオン交換体モジュール内のイオン交換体との再生処理を行う段階を有する、請求項５または６に記載の脱塩方法。
前記イオン交換体モジュールは、弱酸性カチオン交換体あるいは弱塩基性アニオン交換体を備えることを特徴とする請求項５乃至７の１項に記載の脱塩方法。