JP2003190821A

JP2003190821A - 電気式脱塩装置

Info

Publication number: JP2003190821A
Application number: JP2001399500A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Kawamoto; 孝善川本; Osamu Nakanishi; 收中西; Toru Akiyama; 徹秋山; Kunio Fujiwara; 邦夫藤原; Yohei Takahashi; 洋平高橋
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-08

Abstract

(57)【要約】【解決課題】運転電圧の上昇を防止し、長期に安定し
て高純度の脱塩水を得ることができる電気式脱塩装置及
び該電気式脱塩装置に装填するイオン交換を提供する。【解決手段】陽極（＋）及び陰極（−）の間に陽イオ
ン交換膜Ｃ及び陰イオン交換膜Ａを少なくとも一部交互
に配列することによって脱塩室と濃縮室とが形成されて
いる電気式脱塩装置において、脱塩室及び／又は濃縮室
には、連通空孔を有する多孔性基材にイオン交換基を導
入してなり、空孔密度が傾斜するように構成されている
イオン交換体が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気式脱塩装置及
びイオン交換体に関し、さらに詳細には、イオン交換体
の装填作業性に優れ、取り扱いが容易であり、被処理流
体の流通を阻害しないだけの十分な流路を確保できると
共に十分に最近の高い要求にも応えられる高イオン交換
能を有する新規なイオン交換体及び電気式脱塩装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】電気式脱塩装置とは、陽極及び陰極の間
に陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を配列して濃縮室
及び脱塩室を交互に形成し、電位勾配を駆動源として、
脱塩室内において被処理液体中のイオンをイオン交換膜
を通して濃縮室へと移動・分離させることによって、液
体中のイオン成分を除去するものである。

【０００３】図１に典型的な電気式脱塩装置の概念を示
す。図１に示す電気式脱塩装置は、陰極（−）と陽極
（＋）の間に、陰イオン交換膜Ａ、陽イオン交換膜Ｃが
交互に配列されて、脱塩室及び濃縮室が形成されてい
る。この陰イオン交換膜と陽イオン交換膜との交互配列
を更に繰り返すことにより、複数の脱塩室が並列に形成
される。必要に応じて、脱塩室や濃縮室内にはイオン交
換体が充填されて、これにより室内でのイオンの移動が
促進される。また、両端の陽極及び陰極に接する区画は
一般に陽極室及び陰極室と称される。これら極室は、最
も電極側の濃縮室が極室として用いられる場合もある
し、あるいは、最も電極側の濃縮室の更に電極側に更に
イオン交換膜を配置して独立して極室を形成する場合も
ある。前者の場合には、最も陰極側のイオン交換膜は陽
イオン交換膜、最も陽極側のイオン交換膜は陰イオン交
換膜であり、後者の場合には、最も陰極側のイオン交換
膜は陰イオン交換膜、最も陰極側のイオン交換膜は陽イ
オン交換膜である。

【０００４】このような電気式脱塩装置の運転において
は、陽極及び陰極に電圧を印加すると共に、脱塩室、濃
縮室、両極室に水が供給される。濃縮室に供給される水
は濃縮水、脱塩室に供給される水は被処理水と称され
る。このように被処理水及び濃縮水を脱塩室及び濃縮室
にそれぞれ導入すると、水中のカチオン及びアニオンは
それぞれ陰極側及び陽極側に引かれるが、イオン交換膜
が同種のイオンのみを選択的に透過するため、被処理水
中のカチオン（Ｃａ²⁺、Ｎａ⁺、Ｍｇ²⁺、Ｈ⁺など）は、
陽イオン交換膜Ｃを通して陰極側の濃縮室へ、またアニ
オン（Ｃｌ^-、ＳＯ₄ ^2-、ＨＳｉＯ₃ ^-、ＣＯ₃ ^2-、ＨＣＯ₃
^-、ＯＨ^-など）は、陰イオン交換膜Ａを通して陽極側の
濃縮室へ移動する。一方、濃縮室から脱塩室へのアニオ
ンの移動及び濃縮室から脱塩室へのカチオンの移動は、
イオン交換膜の異種イオン遮断性のために阻止される。
この結果、脱塩室においては、イオン濃度の低められた
脱塩水が得られ、濃縮室においては、イオン濃度の高め
られた濃縮水が得られる。

【０００５】このような電気式脱塩装置によれば、被処
理水として例えばＲＯ（逆浸透）処理水相当の不純物の
少ない水を用いることで、脱塩水として、さらに純度の
高い純水を得ることができる。しかし、最近では、例え
ば半導体製造用超純水など、より高度な超純水が要求さ
れるようになっている。

【０００６】そこで、このようなより高純度の超純水を
得るべく、種々の提案がなされている、例えば、脱塩室
及び／又は濃縮室にイオン交換体としてカチオン交換樹
脂ビーズとアニオン交換樹脂ビーズとを混合して充填す
ることにより、これらの室内におけるイオンの移動を促
進させるという方法が提案されている。さらに、イオン
交換体として、脱塩室及び／又は濃縮室内において、陽
イオン交換膜側にカチオン交換繊維材料（不織布など）
を、陰イオン交換膜側にアニオン交換繊維材料を、それ
ぞれ向かい合わせて配置したり、これらイオン交換繊維
材料の間にスペーサもしくはイオン伝導性を付与したイ
オン伝導スペーサを充填するという方法も提案されてい
る（国際出願PCT/JP99/01391 国際公報WO99/48820参
照）。

【０００７】しかし、イオン交換体として、イオン交換
樹脂ビーズを用いる場合には、ビーズを均一に混合する
という煩雑な作業が必要であること、脱塩室内を被処理
水が短絡して流通しないようにビーズを緊密充填すると
いう煩雑な作業が必要であること、などのイオン交換体
装填上、取り扱い性に問題があった。また、脱塩室内に
ビーズを緊密充填させているために脱塩室への流入圧力
を高く保持する必要があること、アニオン交換樹脂ビー
ズとカチオン交換樹脂ビーズとを混合充填する場合には
脱塩室に通水する際の被処理液の流量変動により混合状
態が不均一になる（偏在する）おそれがあること、使用
中にビーズの破損のおそれがあること、などの装置運転
上の問題があり、長期に安定して高純度の脱塩水を得る
ことが困難であった。

【０００８】また、イオン交換体として、従来用いられ
ている不織布（厚さ：0.1〜1.0mm、目付10〜100g/m²、
繊維径10〜70μm）を基材とするイオン交換繊維材料だ
けを配置する場合には、被処理水などの流抵抗が生じる
ので被処理水などの流入圧力を高く保持する必要がある
こと、イオン交換体から有機炭素系成分(TOC)が溶出し
ないように十分な洗浄をするのが困難であること等の問
題があり、長期に安定して高純度の脱塩水を得ることが
困難であった。

【０００９】このため、両者のバランスを持たせるべ
く、イオン交換繊維材料を用いる場合には、上述のよう
にイオン交換繊維材料の間にスペーサもしくはイオン伝
導スペーサを充填することが提案されている。しかし、
これらの提案のようにスペーサー等を用いた場合には、
ビーズの場合ほどではないが２つの部材を配設しなけれ
ばならないため装填上取り扱い性に劣るという問題があ
った。また、これらのスペーサー等は、主として流体の
流路確保のためのもので、多くのイオン交換基を導入す
るには限界があり、イオン交換能、特にアニオン性の弱
電解質の除去性能に劣り、最近要求されている高イオン
交換能を発揮できず、外部からの電気エネルギーを与え
て強制的にイオン移動を行わせることが必要になり、電
極側からの印加電圧を増加させなければならないという
問題もあった。

【００１０】要するに、従来提案されている技術では、
未だ、装填操作・取り扱い性に優れ、しかも時間当たり
高処理量で処理可能な優れた処理能力と高純度の処理流
体を得ることができるという優れた処理性能とを両立し
得ないという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記問題点を解決することができる新規なイオン交換体及
び該イオン交換体を配置してなる電気式脱塩装置を提供
することを目的とする。

【００１２】特に、本発明の目的は、作製が容易で、イ
オン交換体の装填作業性に優れ、取り扱いが容易であ
り、被処理流体の流通を阻害しないだけの十分な流路を
確保して、被処理水などの流体の流抵抗を低減させるこ
とができ、運転時の消費電力を低減できると共に、最近
の高い要求にも充分に応えられる高イオン交換能を発揮
し、長期に安定して高純度の脱塩水を十分な量で得るこ
とができるイオン交換体及び該イオン交換体を配置して
なる電気式脱塩装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたもので、従来のイオン交換樹脂ビー
ズ、イオン交換不織布などのイオン交換体に代えて、連
通空孔を有し、該連通空孔の空孔密度を傾斜させた多孔
性基材にイオン交換基を導入した新規なイオン交換体を
用いることを特徴とする。

【００１４】すなわち、本発明によれば、陽極及び陰極
の間に陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を少なくとも
一部交互に配列することによって脱塩室及び濃縮室が形
成されていて、脱塩室及び／又は濃縮室には、連通空孔
を有するイオン交換体が配置されており、該イオン交換
体は、脱塩室及び／又は濃縮室に配置されたときに脱塩
室及び／又は濃縮室の中央部から陽イオン交換膜及び／
又は陰イオン交換膜に向かって傾斜する空孔密度を有す
る多孔性基材にイオン交換基が導入されてなる空孔密度
傾斜イオン交換体であることを特徴とする電気式脱塩装
置、及び脱塩室及び／又は濃縮室に配置されたときに脱
塩室及び／又は濃縮室の中央部から陽イオン交換膜及び
／又は陰イオン交換膜に向かって傾斜する空孔密度を有
する連通空孔を有する多孔性基材にイオン交換体が導入
されてなることを特徴とする空孔密度傾斜イオン交換体
が提供される。なお、本発明の電気式脱塩装置において
は、空孔密度傾斜イオン交換体を好ましくは、少なくと
も脱塩室に装填する。

【００１５】本発明の電気式脱塩装置において用いるこ
とができる陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜として
は、公知のイオン交換膜を特に制限なく用いることがで
きる。例えば、陽イオン交換膜としては、（株）トクヤ
マ製「NEOSEPTA CMB」、「NEOSEPTA CM1」など、陰イオ
ン交換膜としては例えば（株）トクヤマ製「NEOSEPTA A
HA」、「NEOSEPTA AM1」など、市販のイオン交換膜を制
限なく使用することができる。

【００１６】本明細書において「連通空孔」とは、基材
の一面側から反対側の他面側まで内部を貫通しており且
つ各貫通孔が相互に連通している、基材に縦横無尽に形
成された空孔を意味する。

【００１７】本発明のイオン交換体は、脱塩室及び／又
は濃縮室に配置されたときに脱塩室及び／又は濃縮室の
中央部から陽イオン交換膜及び／又は陰イオン交換膜に
向かって傾斜する空孔密度を有する連通空孔を有する多
孔性基材にイオン交換基が導入されてなる空孔密度傾斜
イオン交換体である。

【００１８】本発明の空孔密度傾斜イオン交換体は、連
通空孔を有する多孔性基材に、カチオン交換基を導入し
てなるカチオン交換体、アニオン交換基を導入してなる
アニオン交換体、又はカチオン交換基及びアニオン交換
基を導入してなる両性イオン交換体であることが好まし
い。両性イオン交換体である場合には、アニオン交換基
とカチオン交換基との比率を、イオン交換容量でアニオ
ン交換基：カチオン交換基＝３：１〜４：１とすること
が好ましく、この場合には、弱解離性である炭酸成分や
シリカなどのイオン、ＨＣＯ₃ ^-、ＣＯ₃ ^2-、Ｓｉ^2-をも
良好に脱塩処理することが可能となる。

【００１９】本発明の空孔密度傾斜イオン交換体の空孔
密度の傾斜は、電気式脱塩装置の脱塩室に装填した場合
に、脱塩室中央部に位置する部分の空孔密度が、被処理
水の通過を阻害しない程度であり、脱塩室を構成する両
側のイオン交換膜側に位置する部分の空孔密度が、被処
理水がイオン交換基と充分に接触できるだけの十分な量
で導入できる程度であればよい。具体的には、空孔密度
傾斜イオン交換体の脱塩室のイオン交換膜側に位置する
部分の空孔密度を100％とした場合に、脱塩室中央部に
位置する部分の空孔密度が70％以下となるように空孔密
度を傾斜させることが好ましい。例えば、脱塩室中央部
に位置する部分において、約１mm以上の比較的大きな孔
径の空孔の個数を５個〜25個／25.4mmとすることによ
り、被処理水の通過を阻害せずに良好に通水させること
ができ、イオン交換膜側に位置する部分において、約１
mm未満の孔径の空孔の個数を25個／25.4mm以上とするこ
とにより、十分な量のイオン交換基を導入することがで
きる。つまり、本明細書において「空孔密度が高い」す
なわち「空孔密度が100％である」とは、比較的小さな
孔径の空孔が一定長さあたりに多数個含まれる場合を意
味し、「空孔密度が低い」すなわち「空孔密度が70％で
ある」とは、比較的大きな孔径の空孔が一定長さあたり
に少数個含まれる場合を意味する。したがって、例え
ば、本発明の空孔密度傾斜イオン交換体を少なくとも２
枚用いて、空孔密度の高い一面側がイオン交換膜側に面
し且つ空孔密度の低い他面側が脱塩室中央部に面するよ
うに脱塩室内に充填する場合には、空孔密度傾斜イオン
交換体は、イオン交換膜側において小径、例えば径１mm
未満の空孔の密度が25個／25.4mm以上であり、中央部に
面する他面側において大径、例えば径１mm以上、好まし
くは１mm〜５mmの空孔の密度が５個／25.4mm〜25個／2
5.4mmであるように、傾斜していることが好ましい。あ
るいは、本発明の空孔密度傾斜イオン交換体を１枚だけ
脱塩室に充填する場合には、イオン交換膜に面するイオ
ン交換体の両側面において小径、例えば径１mm未満の空
孔の密度が25個／25.4mm以上で、イオン交換体の中央部
において大径、例えば径１mm以上、好ましくは１mm〜５
mmの空孔の密度が５個／25.4mm〜25個／25.4mmであるよ
うに、空孔密度が傾斜するものであることが好ましい。
このように空孔の径と密度とを制御することによって、
十分な量のイオン交換基を導入することができると同時
に、被処理流体の通過を阻害することがなくなる。尚、
本発明において、空孔密度傾斜イオン交換体の一面側、
他面側又は両面側とは、イオン交換体の表面から約30〜
約70％の厚さの部分を意味し、例えば全厚３mmのイオン
交換体の場合には表面から１〜２mmの部分を意味する
（以下、本明細書において同じ）。

【００２０】また、本発明の空孔密度傾斜イオン交換体
の空孔密度の傾斜は、密度の高い面から低い面に向け
て、約30％以上の減少率で徐々に減少することが好まし
い。減少率を約30％以上とすることにより、被処理水の
通水路を確保すると同時に、被処理水のイオン交換を良
好に行い得るに十分なイオン交換基を導入することがで
きる。

【００２１】上記のような本発明の空孔密度傾斜イオン
交換体は、連通空孔を有する多孔性基材の一面だけを熱
融着させることによって、一面側の空孔密度を反対面側
の空孔密度に比較して低くするように形成することがで
きる。あるいは、連通空孔を有する多孔性基材の両面を
熱融着させて、両面の空孔密度を中央部の空孔密度に比
較して低くするように形成することもできる。このよう
な連通空孔を有する多孔性基材の素材としては、ポリエ
チレン（PE）、ポリプロピレン（PP）等のポリオレフィ
ン系高分子や、ポリエチレンテレフタレート（PET）等
のポリエステル系高分子の連続気泡発泡体及び三次元織
布を好ましく挙げることができる。連続気泡発泡体とし
ては、ポリエチレン系多孔体、ポリプロピレン系多孔体
などのポリオレフィン系連続気泡発泡体を好ましく用い
ることができ、三次元織布としては、ポリエチレン繊
維、ポリプロピレン繊維などが三次元に織られてなるポ
リオレフィン系三次元織布を好ましく用いることができ
る。

【００２２】本発明の空孔密度傾斜イオン交換体は、上
述のような各特性を有する多孔性基材にイオン交換基が
導入されてなるものである。イオン交換基の導入は、ア
ニオン交換体の中性塩分解容量が３〜５meq/g、カチオ
ン交換体の中性塩分解容量が３〜５meq/gとなるように
行うことが好ましい。中性塩分解容量がこの範囲にあれ
ば、所望の超高純度の純水を得るに十分なイオン交換能
が発揮される。

【００２３】上述のように、本発明の空孔密度傾斜イオ
ン交換体は、連通空孔を有する多孔性基材に、カチオン
交換基を導入してなるカチオン交換体、アニオン交換基
を導入してなるアニオン交換体、又はカチオン交換基及
びアニオン交換基を導入してなる両性イオン交換体であ
ることが好ましい。両性イオン交換体である場合には、
アニオン交換基とカチオン交換基との比率を、イオン交
換容量でアニオン交換基：カチオン交換基＝３：１〜
４：１とすることが好ましく、この場合には、弱解離性
である炭酸成分やシリカなどのイオン、ＨＣＯ₃ ^-、ＣＯ
₃ ^2-、Ｓｉ^2-をも良好に脱塩処理することが可能とな
る。

【００２４】本発明の空孔密度傾斜イオン交換体におい
て、イオン交換基の多孔性基材への導入は、好ましくは
グラフト重合法、特に好ましくは放射線グラフト重合法
により行うことができる。ここで、放射線グラフト重合
法とは、高分子基材に放射線を照射してラジカルを形成
させ、これにモノマーを反応させることによってモノマ
ーを基材中に導入するという技法である。グラフト重合
法又は放射線グラフト重合法によりイオン交換基を導入
する場合には、本発明において用いられる多孔性基材
は、グラフト鎖を成長させることができるポリオレフィ
ン系樹脂の連通空孔を有する多孔性基材であることが好
ましい。

【００２５】放射線グラフト重合法に用いることができ
る放射線としては、α線、β線、γ線、電子線、紫外線
等を挙げることができるが、本発明においてはγ線や電
子線を好ましく用いる。放射線グラフト重合法には、グ
ラフト基材に予め放射線を照射した後、グラフトモノマ
ーと接触させて反応させる前照射グラフト重合法と、基
材とモノマーの共存下に放射線を照射する同時照射グラ
フト重合法とがあるが、本発明においては、いずれの方
法も用いることができる。また、モノマーと基材との接
触方法により、モノマー溶液に基材を浸漬させたまま重
合を行う液相グラフト重合法、モノマーの上記に基材を
接触させて重合を行う気相グラフト重合法、基材をモノ
マー溶液に浸漬した後モノマー溶液から取り出して気相
中で反応を行わせる含浸気相グラフト重合法などを挙げ
ることができるが、いずれの方法も本発明において用い
ることができる。

【００２６】本発明において連続気泡基材に導入するイ
オン交換基としては、特に限定されることなく種々のカ
チオン交換基又はアニオン交換基を用いることができ
る。例えば、カチオン交換基としては、スルホン基など
の強酸性カチオン交換基、リン酸基などの中酸性カチオ
ン交換基、カルボキシル基、フェノール性水酸基などの
弱酸性カチオン交換基、アニオン交換基としては、第１
級〜第３級アミノ基などの弱塩基性アニオン交換基、第
４アンモニウム基などの強塩基性アニオン交換基を用い
ることができ、或いは、上記カチオン交換基及びアニオ
ン交換基の両方を併有するイオン交換体を用いることも
できる。

【００２７】これらの各種イオン交換基は、これらのイ
オン交換基を有するモノマーを用いてグラフト重合、好
ましくは放射線グラフト重合を行うか、又はこれらのイ
オン交換基に転換可能な基を有する重合性モノマーを用
いてグラフト重合を行った後に当該基をイオン交換基に
転換することによって、連続気泡基材に導入することが
できる。この目的で用いることのできるイオン交換基を
有するモノマーとしては、アクリル酸（ＡＡｃ）、メタ
クリル酸、スチレンスルホン酸ナトリウム（ＳＳＳ）、
メタリルスルホン酸ナトリウム、アリルスルホン酸ナト
リウム、ビニルスルホン酸ナトリウム、ビニルベンジル
トリメチルアンモニウムクロライド（ＶＢＴＡＣ）、ジ
エチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノプ
ロピルアクリルアミドなどを挙げることができる。例え
ば、スチレンスルホン酸ナトリウムをモノマーとして用
いて放射線グラフト重合を行うことにより、基材に直
接、強酸性カチオン交換基であるスルホン基を導入する
ことができ、また、ビニルベンジルトリメチルアンモニ
ウムクロライドをモノマーとして用いて放射線グラフト
重合を行うことにより、基材に直接、強塩基性アニオン
交換基である第４級アンモニウム基を導入することがで
きる。また、イオン交換基に転換可能な基を有するモノ
マーとしては、アクリロニトリル、アクロレイン、ビニ
ルピリジン、スチレン、クロロメチルスチレン、メタク
リル酸グリシジル（ＧＭＡ）などが挙げられる。例え
ば、メタクリル酸グリシジルを放射線グラフト重合によ
って基材に導入し、次に亜硫酸ナトリウムなどのスルホ
ン化剤を反応させることによって強酸性カチオン交換基
であるスルホン基を基材に導入したり、又はクロロメチ
ルスチレンをグラフト重合した後に、基材をトリメチル
アミン水溶液に浸漬して４級アンモニウム化を行うこと
によって、強塩基性アニオン交換基である第４級アンモ
ニウム基を基材に導入することができる。

【００２８】本発明の空孔密度傾斜イオン交換体は、低
い空孔密度を有する面と、高い空孔密度を有する面とを
具備し、さらに、この空孔密度が徐々に傾斜しているの
で、流体の通過及びイオン交換基導入の両方のバランス
要求を満足することができる。特に、空孔密度の低い面
を脱塩室及び／又は濃縮室中央部に位置づけ、空孔密度
の高い面を脱塩室及び／又は濃縮室両側部のイオン交換
膜側に位置づけることで、室中央部側では流体の通過を
阻害せず、イオン交換膜側では十分なイオン交換基を存
在させることができる。また、従来のイオン交換繊維材
料とイオン伝導スペーサの組み合わせのように異なる部
材を組み合わせた場合と比較して、装填上の煩雑さも解
消される。さらに、イオン交換基とイオンとの接触が増
加するので、運転時の印加電圧を低減させることができ
る。

【００２９】本発明の電気式脱塩装置には、上述の本発
明の空孔密度傾斜イオン交換体が、脱塩室及び／又は濃
縮室、好ましくは少なくとも脱塩室に配されている。具
体的には、陽イオン交換膜側にはカチオン交換体を、陰
イオン交換膜側にはアニオン交換体をそれぞれイオン交
換膜側に空孔密度の低い面が面するように配置したり、
あるいは空孔密度の低い両側面がイオン交換膜に面する
ようにイオン交換体を配置してもよい。

【００３０】本発明の電気式脱塩装置の運転時には、両
電極間に電圧を印加しながら被処理水を脱塩室及び／又
は濃縮室に流通させると、被処理水はその流方向に沿っ
て連通空孔内を流通するので、被処理水中のイオンは被
処理水の流れ方向に沿って存在するイオン交換基と充分
に接触しながら室内を流通する。そして、カチオン交換
体を陽イオン交換膜側に配置し、アニオン交換体を陰イ
オン交換膜側に配置する場合には、被処理水中のカチオ
ンはカチオン交換体及び陽イオン交換膜側に移動し、ア
ニオンはアニオン交換体及び陰イオン交換膜側に移動す
るので、イオンの分離及び移動が促進される。一方、両
性イオン交換体を配置する場合には、アニオン交換基と
カチオン交換基との比率をイオン交換容量でアニオン交
換基：カチオン交換基＝３：１〜４：１となるように構
成することで、弱解離性である炭酸成分やシリカなども
良好に脱塩処理することができる。

【００３１】また、本発明の空孔密度傾斜型イオン交換
体としてアニオン交換体及びカチオン交換体を用いる場
合には、脱塩室と濃縮室とを組合せたセルを複数用いる
複数セル配置型脱塩装置として、１パス目の脱塩室には
アニオン交換体を配置し、２パス目の脱塩室にはカチオ
ン交換体を配置することもできる。この場合には、脱塩
室へのイオン交換体の充填が極めて容易となる。

【００３２】本発明の電気式脱塩装置は、脱塩室及び／
又は濃縮室に、空孔密度傾斜イオン交換体を装填してな
るので、空孔密度の低い部分を通過する流体の流を阻害
せず、流体の圧力損失を軽減できる上に、連通空孔中を
流通する被処理水とイオン交換基とが充分に接触でき
て、イオンの分離移動が促進され、さらに、空孔密度の
高い部分では、多量に導入されているイオン交換基と被
処理水が充分に接触するので、低い印加電圧で、十分な
脱塩処理を施すことができる。

【００３３】また、本発明の空孔密度傾斜イオン交換体
を濃縮室に配置することによって、脱塩室から濃縮室へ
のイオン交換膜を通過するイオンの移動が促進され、さ
らなる印加電圧の低減、濃縮水への接触面積の増大によ
る濃度分極の防止による濃縮室側イオン交換膜表面での
硬度成分（Ｃａ、Ｍｇなど）の析出防止をも図ることが
できる。

【００３４】

【好ましい実施形態の説明】以下、添付図面を参照しな
がら本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら
に限定されるものではない。

【００３５】図２に、本発明の連通空孔基材にイオン交
換基を導入してなる空孔密度傾斜イオン交換体を被処理
水の流方向と平行に配置した場合の電気式脱塩装置の模
式図を示す。なお、図中、本発明の特徴を説明する目的
で、脱塩室１室及び濃縮室２室の形態で示すが、脱塩室
及び濃縮室の数は、必要に応じて適宜増やすことができ
る。

【００３６】図２において、電気式脱塩装置は、陽極
（＋）と陰極（−）との間に、陰イオン交換膜（Ａ）と
陽イオン交換膜（Ｃ）とを交互に配置して、脱塩室及び
濃縮室を形成している。図中、Ｋは極室を表す。脱塩室
及び濃縮室内には、陰イオン交換膜（Ａ）側に、連通空
孔基材にアニオン交換基を導入してなるアニオン交換体
が、陽イオン交換膜（Ｃ）側に連通空孔基材にカチオン
交換基を導入してなるカチオン交換体がそれぞれ充填さ
れている。ここで、アニオン交換体及びイオン交換体
は、脱塩室中央部に面する側に空孔密度が高い面が面
し、陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜に面する側に空
孔密度が低い面が面するように、それぞれ配置されてい
る。

【００３７】図２に示す電気式脱塩装置の運転時には、
陽極（＋）及び陰極（−）に電圧を印加しながら、図
中、下から矢印の方向に向けて、脱塩室に被処理水を、
濃縮室に水をそれぞれ通水させる。脱塩室内において
は、被処理水がカチオン交換体及びアニオン交換体を通
過して脱塩室出口に向かって（図中、上方向）流れる。
被処理水が脱塩室を通過する間に、アニオンは、アニオ
ン交換体の連通空孔を通過してアニオン交換膜（Ａ）側
に移動して、隣接する濃縮室に通過し、カチオンは、カ
チオン交換体の連通空孔を通過してカチオン交換膜
（Ｃ）側に移動して、隣接する濃縮室に通過し、被処理
水からイオンが除去されて、脱塩室出口からは脱塩処理
水が得られる。ここで、イオン交換体が連通空孔構造で
あるから、被処理水の移動は妨げられず、流体圧力の損
失は非常に少ない。また、イオン交換体は、脱塩室中央
部に近いほど空孔密度が低く、イオン交換膜に近いほど
空孔密度が高く傾斜しているので、中央部では被処理水
の流が阻害されることなく通過し、イオン交換膜に近づ
くにつれて被処理水の流が遅延するようになり、被処理
水中イオンとイオン交換基との接触が多くなる。濃縮室
内においては、隣接する脱塩室から陰イオン交換膜を透
過してきたアニオンが、陽極側に移動するが、濃縮室の
陽極側には陽イオン交換膜が配置されているので、これ
を通過することができず濃縮室内に残る。カチオンも同
様に濃縮室内に残るので、結果的にイオンを多量に含む
濃縮水が得られる。

【００３８】

【実施例】

【００３９】

【製造例１】−密度傾斜アニオン交換体の製造連通空孔基材として、ポリエチレン系多孔体（積水化学
工業（株）製、平均孔径1.6mm、孔径範囲0.6〜2.6mm、
空隙率96%、比表面積30000m²/m³、厚さ３mm）を用い
た。この連通空孔基材を10cm×30cmに切り出し、片面を
220℃に熱したホットプレート（ポリテトラフロロエチ
レン表面加工）に１分間密着させて溶融させ、厚み1.8m
mの密度傾斜型連通空孔基材とした。このとき、溶融さ
せた側の表面から厚さ０mmにおいて、径約0.1mm〜約1.0
mm、平均孔径0.7mmの空孔の個数54個／25.4mm、厚さ0.5
mmにおいて、径約0.5〜約1.3m、平均孔径1.0mmの空孔の
密度は32個／25.4mm、溶融させなかった側の表面におい
て径約1.6〜約2.6mm、平均孔径2.1mmの空孔の個数は15
個／25.4mmであった。この密度傾斜型連通空孔基材に、
窒素雰囲気下で、γ線（150kGy）を照射した。照射済み
の密度傾斜型連通空孔基材を、予め活性アルミナによっ
て重合禁止剤を取り除いたクロロメチルスチレン（ｍ体
70％：ｐ体30％、セイミケミカル社製、商品名CMS-AM）
中に浸漬して、50℃で６時間反応させて、密度傾斜型ク
ロロメチルスチレングラフト連通空孔基材（グラフト
率：215％）を得た。この密度傾斜型グラフト連通空孔
基材をトリメチルアミン水溶液（10wt%）にて４級アン
モニウム化を行い、水酸化ナトリウム水溶液で再生し
て、密度傾斜アニオン交換体（中性塩分解容量：3.5meq
/g（平均値））を得た。−密度傾斜カチオン交換体の製造連通空孔基材として、ポリエチレン系多孔体（積水化学
工業（株）製、空隙率96%、孔径範囲0.6〜2.6mm、平均
孔径1.6mm、比表面積30000m²/m³）を用いた。この連通
空孔基材を10cm×30cm×３mmに切り出し、片面を220℃
に熱したホットプレート（ポリテトラフロロエチレン表
面加工）に１分間密着させて溶融し、厚み1.8mmの密度
傾斜型連通空孔基材とした。この密度傾斜型連通空孔基
材に、窒素雰囲気下で、γ線（150kGy）を照射した。こ
の照射済みの密度傾斜型連通空孔基材を、メタクリル酸
グリシジルの10％メタノール溶液中に浸漬し、45℃で5
時間反応させて、密度傾斜型グラフト連通空孔基材（グ
ラフト率：170％）を得た。この密度傾斜型グラフト連
通空孔基材を、亜硫酸ナトリウム：イソプロピルアルコ
ール：水＝１：１：８（重量比）の溶液に浸漬し、80℃
で10時間反応させて、密度傾斜カチオン交換体（中性塩
分解容量：3.3meq/g（平均値））を得た。

【００４０】

【製造例２】−強塩基性アニオン交換不織布の製造繊維径17μmのポリエチレン（鞘）／ポリプロピレン
（芯）の複合繊維よりなる目付55g/m²、厚さ0.35mmの熱
融着不織布に、窒素雰囲気下で、電子線（150kGy）を照
射した。予め活性アルミナ充填層に通液して重合禁止剤
を取り除いた後、窒素曝気して脱酸素を行ったクロロメ
チルスチレン（セイミケミカル社製、商品名：CMS-AM）
溶液中に、照射済みの不織布基材を浸漬して、50℃で６
時間反応させた。その後、溶液から不織布を取り出し
て、トルエンに３時間浸漬してホモポリマーを除去した
後、乾燥させて、グラフト不織布（グラフト率：161
％）を得た。このグラフト不織布をトリメチルアミン水
溶液（10wt%）にて、４級アンモニウム化を行い、水酸
化ナトリウム水溶液で再生して、強塩基性アニオン交換
不織布（中性塩分解容量：2.7〜3.4meq/g）を得た。−強酸性カチオン交換不織布の製造繊維径17μmのポリエチレン（鞘）／ポリプロピレン
（芯）の複合繊維よりなる目付55g/m²、厚さ0.35mmの熱
融着不織布に、窒素雰囲気下で、電子線（150kGy）を照
射した。この照射済みの不織布を、メタクリル酸グリシ
ジルの10％メタノール溶液中に浸漬し、45℃で４時間反
応させた後、乾燥させて、グラフト不織布（グラフト
率：131％）を得た。このグラフト不織布を、亜硫酸ナ
トリウム：イソプロピルアルコール：水＝１：１：８
（重量比）の溶液に浸漬し、80℃で10時間反応させて、
強酸性カチオン交換不織布（中性塩分解容量2.72meq/g
（平均値））を得た。−アニオン伝導スペーサの製造厚み1.2mm、ピッチ３mmのポリエチレン製の斜交網をド
ライアイスで冷却しながら、窒素雰囲気下で、γ線（15
0kGy）を照射した。この照射済み斜交網を、予め活性ア
ルミナによって重合禁止剤を取り除いたクロロメチルス
チレン（ｍ体70％：ｐ体30％、セイミケミカル社製、商
品名：CMS-AM）中に浸漬して、50℃で５時間反応させ
て、クロロメチルスチレングラフト斜交網（グラフト
率：90％）を得た。このグラフト斜交網をトリメチルア
ミン水溶液（10wt%）にて、４級アンモニウム化を行
い、水酸化ナトリウム水溶液で再生して、アニオン伝導
スペーサ（中性塩分解容量：1.6〜1.9meq/g）を得た。 −カチオン伝導スペーサの製造厚み1.2mm、ピッチ３mmのポリエチレン製の斜交網をド
ライアイスで冷却しながら、窒素雰囲気下で、γ線（15
0kGy）を照射した。照射済み斜交網をスチレンスルホン
酸ナトリウム25％、アクリル酸25％の混合モノマー溶液
に浸漬して、50℃で３時間反応させ、スルホン酸及びア
クリル酸導入カチオン伝導スペーサ（グラフト率：153
％、中性塩分解容量：1.5〜1.8meq/g）を得た。

【００４１】

【実施例１】図２に示す電気式脱塩装置（脱塩室２室：
厚さ３mm；濃縮室１室：厚さ1.5mm；極室：厚さ３mm；
電極板５cm×25cm；陰イオン交換膜：（株）トクヤマ
「NEOSEPTA AHA」；陽イオン交換膜：（株）トクヤマ
「NEOSEPTA CMB」）を構成した。すなわち、脱塩室に、
陽イオン交換膜側に製造例１で製造した密度傾斜カチオ
ン交換体を、陰イオン交換膜側に製造例１で製造した密
度傾斜アニオン交換体を、それぞれ空孔密度が高い面す
なわち比較的小径の空孔を多数含む側面がイオン交換膜
側に面するように１枚ずつ配置し、濃縮室には製造例２
で製造したアニオン伝導スペーサ及びカチオン伝導スペ
ーサをそれぞれ陰イオン交換膜側にアニオン伝導スペー
サが、陽イオン交換膜側にカチオン伝導スペーサが位置
づけられるように１枚ずつ配置し、電極室には、製造例
２で製造したイオン伝導スペーサを、陰極側にアニオン
伝導スペーサを４枚、陽極側にカチオン伝導スペーサを
４枚それぞれ配置した。

【００４２】両電極間に電流(0.2A)を印加し、被処理水
として、藤沢市水を逆浸透膜で処理したＲＯ処理水（導
電率：0.5ms/m）を流量10Ｌ/hで脱塩室に流入させた。
同時に、濃縮水（流量5Ｌ/h）で濃縮室に流入させた。
被処理巣の流入圧力損失は0.009MPaであった。得られた
処理水の比抵抗は、16ＭΩ・cmであり、印加電圧は30V
であった。

【００４３】

【比較例１】図３に示す電気式脱塩装置（脱塩室２室：
厚さ３mm；濃縮室１室：厚さ1.5mm；極室：厚さ３mm；
電極板５cm×25cm；陰イオン交換膜：（株）トクヤマ
「NEOSEPTA AHA」；陽イオン交換膜：（株）トクヤマ
「NEOSEPTA CMB」）を構成し、イオン交換体として、脱
塩室に、陽イオン交換膜側に製造例２で製造したカチオ
ン交換不織布を、陰イオン交換膜側に製造例２で製造し
たアニオン交換不織布を、それぞれ１枚ずつ装填し、カ
チオン交換不織布とアニオン交換不織布との間に、それ
ぞれ製造例２で製造したアニオン伝導スペーサをアニオ
ン交換不織布側に、カチオン伝導スペーサをカチオン交
換不織布側に配置した以外は、実施例１と同様に実験を
行ったところ、被処理水の流入圧力損失は、0.012MPa
で、得られた処理水の比抵抗は、９ＭΩ・cmであり、印
加電圧は70Vであった。

【００４４】この結果より、本発明の空孔密度傾斜イオ
ン交換体を装填することで、電気式脱塩装置の脱塩処理
能力が向上し、消費電力の低減が図れることがわかる

【００４５】

【発明の効果】本発明の空孔密度傾斜イオン交換体及び
該イオン交換体を装填した電気式脱塩装置を用いれば、
作製が容易で、イオン交換体の装填作業性に優れ、取り
扱いが容易であり、被処理流体の流通を阻害しないだけ
の十分な流路を確保できると共に十分に最近の高い要求
にも応えられる高イオン交換能を特に被処理水の流抵抗
を低減させることができ、消費電力の低減が図れ、長期
に安定して高純度の脱塩水を十分な量で得ることができ
る。

【００４６】詳細には、本発明のイオン交換体は、空間
密度に密度傾斜が形成されているため、主として空間密
度の大きい部分で十分な流路の確保が可能となり、これ
によりスペーサーを用いる必要がなく、十分なイオン交
換能を有するイオン交換体を脱塩室などの全体に亘って
配することができるので、アニオン性の弱電解質に至る
まで十分に除去することができる。また、イオン交換体
中には多量のイオン交換基が導入されていて、これらイ
オン交換基と被処理水中のイオンとが充分に接触するの
で、イオン交換能が向上すると同時に、消費電力も低減
できる。さらにまた、多数の部材を用いる必要がないた
め装填操作が容易で取り扱い性にも優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、典型的な電気式脱塩装置の概念を示す
模式図である。

【図２】図２は、本発明の電気式脱塩装置の実施形態を
示す模式図であり、実施例１で構成した電気式脱塩装置
の模式図でもある。

【図３】図３は、比較例１で構成した電気式脱塩装置の
模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｄ０６Ｍ 14/28 Ｃ０２Ｆ 1/46 １０３ (72)発明者秋山徹東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者藤原邦夫神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者高橋洋平神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内Ｆターム(参考） 4D006 GA17 HA47 JA02A JA04A JA04C JA30A JA41A JA42A JA43A JA44A KE02Q KE06Q KE18Q MA03 MA13 MA14 MB07 PA01 PB02 PB25 PB26 PC02 4D061 DA02 DB13 EA09 EB01 EB19 EB39 FA08 GA02 GA12 4L033 AA05 AB07 AC06 AC15 BA08 BA46

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陽極及び陰極の間に陽イオン交換膜及び
陰イオン交換膜を少なくとも一部交互に配列することに
よって脱塩室及び濃縮室が形成されている電気式脱塩装
置に用いるイオン交換体であって、脱塩室及び／又は濃
縮室に配置されたときに脱塩室及び／又は濃縮室の中央
部から陽イオン交換膜及び／又は陰イオン交換膜に向か
って傾斜する空孔密度を有し、連通空孔を有する多孔性
基材にイオン交換体が導入されてなることを特徴とする
空孔密度傾斜イオン交換体。
【請求項２】請求項１に記載のイオン交換体であっ
て、前記多孔性基材は、連続気泡発泡体及び３次元織布
から選択され、前記空孔密度傾斜イオン交換体は、前記
多孔性基材にカチオン交換基又はアニオン交換基をそれ
ぞれ導入してなるカチオン交換体又はアニオン交換体、
あるいはカチオン交換基とアニオン交換基とを導入して
なる両性イオン交換体である、ことを特徴とする空孔密
度傾斜イオン交換体。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の空孔密度
傾斜イオン交換体であって、放射線グラフト重合法によ
り、イオン交換基が前記多孔性基材に導入されてなるイ
オン交換体であることを特徴とする空孔密度傾斜イオン
交換体。
【請求項４】請求項２又は請求項３のいずれか１項に
記載の電気式脱塩装置であって、前記空孔密度傾斜イオ
ン交換体は、一面側の空孔密度を100％とした場合に、
反対面側の空孔密度が70％以下となるように、空孔密度
が傾斜していることを特徴とする空孔密度傾斜イオン交
換体。
【請求項５】請求項２又は請求項３に記載の電気式脱
塩装置であって、前記空孔密度傾斜イオン交換体は、両
側面の空孔密度を100％とした場合に、中央部の空孔密
度が70％以下となるように、空孔密度が傾斜しているこ
とを特徴とする空孔密度傾斜イオン交換体。
【請求項６】陽極及び陰極の間に陽イオン交換膜及び
陰イオン交換膜を少なくとも一部交互に配列することに
よって脱塩室及び濃縮室が形成されていて、脱塩室及び
／又は濃縮室には、請求項１〜請求項５のいずれか１項
に記載の連通空孔を有するイオン交換体が配置されてい
ることを特徴とする電気式脱塩装置。