JPH022830A - 電気透析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明はユーティリティとして元来必要な陰極室への酸
を装置外から供給することを不要にするのに好適な電気
透析装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の電気透析装置は、第５図に示されるように、電気
透析槽１、酸タンク７、直流電源６等から構成されてい
る。電気透析装置１は、陽イオンを選択的に透過する陽
イオン交換膜と陰イオンを選択的に透過する陰イオン交
換膜を交互に多数積層した透析室ブロック２、両端に陽
極室３、陰極室４を有した構造となっている。

この電気透析槽１には、電解質溶液（例えば、海水、地
下かん木、産業用排水、生活排水）である原水１４が供
給される。そして、陽極室３と陰極室４の間に直流電流
を流すと、原水中の陽イオンは陰極室４の方向に向かっ
て移動し、逆に、陰イオンは陽極室３の方向に向かって
移動する。このイオンの移動と、交互に組み重ねられた
陽イオン交換膜と陰イオン交換膜によって、脱塩室と濃
縮室が交互に多数形成され、脱塩室を通過した原水が脱
塩水１２となり、濃縮室を通過した原水が濃縮水１３と
なる。脱塩水１２は生活用水、濃縮水１３は製塩用の原
料水等に使用される。

この電気透析槽１の陽極室３、陰極室４では次の反応が
生じており、それぞれ、塩素ガス、水素ガスを発生して
いる。

（陽極室）　２Ｃｊ２−　→Ｃ７！ｚ　＋２　ｅ−・”
−（１）（陰極室）　２　Ｈ”　＋　２　ｅ　−−Ｈｚ
　　　・”−（２）陰極室４では、第（２）式の反応に
よってｐＨの上昇が生じ、このＰＨの上昇を防ぐために
は酸（例えば、硫酸、塩酸）の供給が必要である。酸の
供給を行わないと、ｐＨの上昇によって、陰極室４近傍
の陽イオン交換膜、陰イオン交換膜が変質するばかりで
な（、アルカリ土類金属塩、およびアルカリ土類水酸化
物〔例えば、ＣａＣ０，、Ｍｇ（ＯＨ）２〕の析出を発
生させる。この析出は、陰極室４内の原水流路を塞ぐば
かりでなく、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜の破損を
生じる。

このため、従来装置では、定期的に市販の工業用硫酸を
購入して酸タンク７内に蓄え、酸供給ポンプ８によって
所定量の硫酸を陰極室４へ注入している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、酸の入手が困難な地域に設置される電
気透析装置についての配慮がなされておらず、このため
、これら地域では、電気透析装置を設置できないか、設
置されても輸送コストの高い酸を使用することとなり、
経済的な電気透析装置となっていない問題があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、低
コストの酸を入手できない地域に適した電気透析装置を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、電気透析槽で生成される濃縮水を電気
透析槽に近接して設置された電解装置に供給し、ここで
発生する塩素ガスと水素ガスを原料ガスとして塩酸生反
応器により塩酸を生成し、この塩酸を前記電気透析槽の
陰極室に導入する構成とすることによって達成される。

〔作用〕

電気透析槽から排出される濃縮水は、陽イオンおよび陰
イオンの濃度が高い液である。原水に海水、地下かん木
等を用いた場合、その濃縮水の陽イオンおよび陰イオン
は、それぞれＮａ”イオン、Ｃｆｆ１−イオンである。

これらのイオンを高濃度に含む濃縮水を電解装置で電気
分解すると、電気抵抗が減少でき、ランニングコストが
低下できる。電気透析槽に付設した塩酸生成反応器で生
成した塩酸が電気透析槽の陰極室に導入され、陰極室付
近のＰＨの上昇が防止される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の電気透析装置の第１実施例を示す概略
的構成図である。

この電気透析装置は電気透析槽１、電解装置２１、塩酸
生成反応器２７、電気透析槽ｌ用の直流電源６および電
解装置２１用の直流電源３０から主に構成されている。

電気透析槽ｌは、陽イオン交換膜と、陰イオン交換膜が
交互に多数積層され、脱塩室と濃縮室が多数形成された
透析室ブロック２と、陽極室３および陰極室４とからな
っている。そして、透析ブロック２からの脱塩水１３を
電解装置２１の陽極室２２に供給するラインが設けられ
ている。また、電解装置２１の陽極室２２で発生する塩
素ガス２４を塩酸生成反応器２７に供給するラインと、
電解装置２１の陰極室２３で発生した水素ガス２５を塩
酸生成反応器２７に供給するラインが設置されている。

さらに、塩酸生成反応器２７で生成された塩酸を電気透
析槽１の陰極室４に供給するラインが設けられている。

なお、原水２８を塩酸生成反応器２７に導入するライン
が設けられている。

次に上記のように構成される電気透析装置の作用につい
て説明する。

原水１４は、電気透析槽１人口において、陽極用、陰極
用、脱塩用、濃縮用に分けられ、それぞれ、陽極室３、
塩酸生成反応器２７、透析室ブロック２内の脱塩室およ
び′ａ縮室に供給される。陽極室３に供給された原水は
、第（１）式に示す陽極反応に関与した後、装置外へ排
出される。塩酸生成反応器２７に供給された原水は、塩
酸（塩化水素）を吸収した後、陰極室４に供給され、第
（２）式に示す陰極反応に関与した後、装置外へ排出さ
れる。透析室ブロック２内の脱塩室内に供給された原水
は、透析によって脱塩処理された後、脱塩水１２となっ
て装置外へ供給される。

透析室ブロック２内の濃縮室内に供給された原水は、透
析によって濃縮された後、濃縮水１３となって電解装置
２１へ供給される。電解装置２１へ供給された濃縮水１
３は陽極室２２、陰極室２３のそれぞれの電解液として
用いられた後、装置外へ排出される。このとき、濃縮水
１３は陽極室２２、陰極室２３の順に流す必要がある。

逆の順に流すと、陰極室２３で生成したＮａＯＨが陽極
室２２に供給されて、塩素ガスＣ１２と反応し、Ｎ　ａ
　ＯＣｌ　ｚを生成する。そして、塩素ガスが発生しな
くなる。

陽極室２２内の電解反応は、前記第（１）式の反応と等
しく、塩素ガス２４を発生する。陰極室２３内の電解反
応は、前記第（２）式の反応に等しく、水素ガス２５を
発生する。電解装置２１で発生した塩素ガス２４および
水素ガス２５は、塩酸生成反応器２７に供給され、紫外
線４０を照射させて反応させ、塩酸を生成する。生成し
た塩酸は、塩酸生成反応器２７に供給された原水２８に
吸収される。

塩酸生成反応器２７における塩酸の生成は、合成塩酸製
造法によって行うものであり、そのときの反応は次式（
３）で表される。

Ｈｔ　＋Ｃ１，＝２　ＨＣ１＋４４　ｋ　ｃ　ａ　Ｉｌ
−・・・・・Ｃ３）上記の第１実施例によれば、電解装
置２１において、塩酸生成の原料となる塩素ガスおよび
水素ガスを生成し、塩酸生成反応器２７において合成反
応によって塩酸を生成する。そして、この塩酸を電気透
析槽１の陰極室４内の反応に使用するため、陰極室４の
ｐｕの上昇を防止できるため、従来装置のような外部か
ら酸を購入し、注入する必要がなくなる。したがって、
低コストで酸を入手することが困難な地域に対して、経
済的な電気透析装置を提供できる効果が得られる。

なお、電解装置２１の陰極室２３においても第（２）式
に示す反応からｐＨの上昇が見られる。しかし、この陰
極室２３へ供給される濃縮水１３の流量は多量であるた
めｐＨの上昇は小さく、したがって、アルカリ土類金属
の塩および水酸化物の析出は極めて少ない。一方、透析
室ブロック２は数百組の脱塩室と濃縮室から構成される
ことが多く、このため、濃縮水１３の流量は、陰極易１
１０数百倍である。

第２図は本発明の第２実施例を示す概略的構成図である
。本実施例の電気透析装置においては、電気透析槽１の
陽極室３および陰極室４から発生した塩素ガス、水素ガ
スを陽極液ＩＯおよび陰極液１１から分離し、電解装置
２１の陽極室２２および陰極室２３から発生した塩素ガ
ス、水素ガスと共に塩酸生成反応器２７に供給するよう
になっている。

本実施例では、塩酸生成反応器２７に供給される塩素ガ
ス、水素ガスは電解装置２１の他に電気透析槽１からも
供給されるので電解装置２１で生成すべき塩素ガス、水
素ガスの発生量を低減でき、電解装置２１の容量および
消費電力を低減できる効果がある。

第３図は本発明の第３実施例を示す概略的構成図であり
、図において第１図および第２図における電解装置２１
およびそれに付設される配管等は省略されている。

第３図において、原水１４を電気透析槽１に供給する配
管はその途中で塩酸生成反応器２７内に設置されるとと
もに塩酸生成反応器２７内の配管を経た原水２８の一部
が塩酸生成反応器２７に導入されるようになっている。

本実施例において、塩酸生成反応器２７で塩酸生成反応
時に発生した反応熱は原水１４に吸熱される。この結果
、第（３）式の反応による塩酸生成反応器２７内の温度
は、冷却しない場合は１０００°Ｃを越えるが、原水１
４で冷却すると室温近傍の温度に保つことが可能となる
。また、原水１４は加熱されて昇温し、電気伝導度が増
加する。この原水１４を電気透析槽１に供給すると電気
透析槽１の陽極と陰極間の電気抵抗は減少し、したがっ
て、透析に消費されるエネルギーを低減できる効果が得
られる。おな、液体の電気伝導度は、一般に温度が１°
Ｃ上昇すると２％増加する。

次にに第１図および第３図に示す本発明を適用したとき
の仕様および電気透析装置の運転状況を示す。

（原水、製造水） （１）　　原水の塩濃度　　　　（ｐｐｍ、ａｓ　Ｎａ
Ｃｊ！　）１２００（２）生成脱塩水の塩濃度　（ｐｐ
ｍ、ａｓ　ＮａＣｊ！　）　４００（３）生成濃縮水の
塩濃度　（ｐｐｍ、ａｓ　ＮａＣｌ２　）４４００（４
）生成脱塩水流量　　　　（ｍ”／ｈ）　　４（５）生
・成濃縮水流量　　　　（ｍ”／ｈ）　　１（６）原水
流量　　　　　　（ｍ３／ｈ）５．１（７）原水温度　
　　　　　　（”Ｃ）　　　　２０．０（８）塩酸消費
量　　　　　（ｍａｊ！　／ｈ）　　　０．４（電気透
析装置） （１）透析室寸法（ＩＩＩｍ）　　２００Ｘ　１８００
（２）　　イオン交換膜の間隔（ｍｍ）　　０．７５（
３）脱塩室・濃縮室対数（対）５００（４）透析槽用直
流電源消費電力（ｋＷ）　　０．８４（５）電解装置用
直流電源消費電力　（ｋＷ）　　０．０３（６）電気透
析槽入口原水温度（”Ｃ）　　２０．２なお、電解装置
２１に原水を直接供給する場合の電解装置用直流電源の
消費電力は、塩濃度にほぼ比例し、本発明の実施例の約
３．５倍となる。

第４図は本発明の第４実施例を示す概略的構成図である
。

第４図において、電解装置２１の各電極間の極性を切り
替えるための極性交換器１６が設置されている。第４図
における他の構成部は第１図と同じであり、同一符号で
示している。

電気透析槽ｌの陽極室３および陰極室４から４１電極反
応によって、それぞれ塩素ガス３５、水素ガス３７を主
成分とするガスを生成し、大気放出される。（塩素ガス
、水素ガスは塩酸生成反応器２７へ導入してもよい）　
この電気透析槽ｌへ印加する直流電流は直流型＃６を用
いて行われる。

電解装置２１への直流電流の印加は、直流電源３０から
の電流を極性変換器１６を経て用いて行われる。陽極室
２２からは塩素ガス２４、陰極室２３からは水素ガス２
５が発生する０発生した塩素ガス２４と水素ガス２５は
、塩酸生成反応器２７に導かれ、紫外光を照射されて反
応し、塩酸ガスとなる。生成した塩酸ガスは、電気透析
槽１の陰極室４へ供給される原水に吸収される。

極性変換器１６は、電解装置２１の陽極室２２と陰極室
２３内電掻間の電気抵抗が、しきい値を越えるときに極
性を切り替えるようになっている。

例えば、この電極間に一定電圧を印加し、このとき電流
値がしきい値以下となったとき極性を切り替える方法、
この電極間に一定電流を印加し、このときの電極間電圧
がしきい値以上となったとき極性を切り替える方法、又
は、印加電圧と電流を測定して、この電圧と電流から電
気抵抗を計算し、この電気抵抗がしきい値以上となった
とき極性を切り替える方法がある。また、予め析出物を
溶解除去するのに必要な時間が設定され、この設定時間
毎に定期的に極性を切り替える方法もある。

電解装置２１の陰極室２３の近傍では、上記した第（１
）式の陰極反応によって、ＰＨが上昇し、このとき液中
のＭｇト、Ｃａ　”は次の反応により析出し、一部が電
極表面に蓄積される。

Ｍ　ｇ　”　＋　２０　Ｈ−→Ｍｇ（ＯＨ）ｚ・・・・
・・（４）Ｃａ”＋ＣＯ，”　→ＣａＣＯ５−・−・・
・（ｓ）電極表面に蓄積されたＭｇ　（ＯＨ）　ｚ　、
Ｃａ　ＣＯｌは、電極の極性が切り替えられると、それ
ぞれ次の反応によって再び溶解し、したがって電極表面
における蓄積が除去される。

Ｍｇ（ＯＨ）ｚ　＋Ｃ１ｚ→ Ｍｇ　（ＯＣＩ！、）ｚ　＋Ｈｔ　Ｏ・・・・・・（６
）Ｃａ　ＣＯｓ　　＋　２　Ｃｌ　ｚ　＋　２　Ｈｚ　
Ｏ→Ｃａ　（ｏｃｐ）、＋２　ＨＣ１！、＋Ｈｚ　ＣＯ
ｚ　・・−・・−（７）このように第４実施例によれば
、電解装置２１の陰極室２３内の電極表面に析出した炭
酸カルシウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金
属の塩又は水酸化物を定期的に除去できるため、塩酸製
造量の経時的な減少を抑制できる効果が得られる。

第４実施例に示す電気透析装置において、電気透析槽は
、通電面積を０．２２ｒｒｒ、陽イオン交換膜と陰イオ
ン交換膜の対数を２００、膜間隔を０゜７５ｍｍとした
。原水、脱塩水、濃縮水中の電解質の濃度は、それぞれ
、Ｎａ　ＣＩ２重量換算で１゜２００ｐｐｍ　　３００
ｐｐｍ、２．ＯＯＯｐｐｍである。

電解装置は、電極面積が０，０１ｎｆである。平均通電
電流は、電気透析槽が３Ａ、電解装置が６Ａであり、毎
時４ｒｒｒの脱塩水を製造した。

このとき、電解装置の極性変換を２時間毎に行い、電解
装置の通電電流の変動は平均値の５％以下であった。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、装置外からの酸の供給を
要することなく、装置内で生成されるガスを用いて電気
透析槽の陰極室に供給される酸を生成できるため、酸の
入手が困難な地域に適した電気透析装置を供給すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す概略的構成図、第２
図は本発明の第２実施例を示す概略的構成図、第３図は
本発明の第３実施例を示す要部概略的構成図、第４図は
本発明の第４実施例を示す概略的構成図、第５図は従来
の電気透析装置の概略的構成図である。 １・・・・・・電気透析槽、２・・・・・・透析室ブロ
ック、３・・・・・・陽極室、４・・・・・・陰極室、
１０・・・・・・陽極液１１・・・・・・陰極液、１２
・・・・・・脱塩水、１３・・・・・・濃縮水、２１・
・・・・・電解装置、２２・・・・・・陽極室、２３・
・・・・・陰極室、２４．３５・・・・・・塩素ガス、
２５．３７・・・・・・水素ガス、２７・・・・・・塩
酸生成反応器。 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を交互に多数設
   置し、その両端部に陽極室と陰極室とを有する電気透析
   槽を備え、この電気透析槽に直流電気を印加して脱塩水
   と濃縮水とをつくる電気透析装置において、前記電気透
   析槽に隣接して電解装置および塩酸生成反応器を設置し
   、前記電気透析槽からの濃縮水を電解装置で電気分解し
   、発生した塩素ガスおよび水素ガスを原料ガスとして前
   記塩酸生成反応器で塩酸を生成し、この塩酸を前記電気
   透析槽の陰極室に導入する手段を設けたことを特徴とす
   る電気透析装置。
2. （２）前記電気透析槽の陽極室から発生する陽極液から
   塩素ガスを分離し、前記電気透析槽の陰極室から発生す
   る陰極液から水素ガスを分離し、これらの塩素ガスおよ
   び水素ガスを前記塩酸生成反応器に導入する手段を設け
   たことを特徴とする請求項（１）記載の電気透析装置。
3. （３）前記電気透析槽に原水を供給する配管を、その途
   中で前記塩酸生成反応器内に設置し、塩酸生成時におけ
   る発生熱により原水を加熱するようにしたことを特徴と
   する請求項（１）記載の電気透析装置（４）前記電気透
   析槽の濃縮水を前記電解装置内の陽極室に供給するため
   の配管を備えていることを特徴とする請求項（１）記載
   の電気透析装置。