JPH0244573B2 - - Google Patents

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【発明の詳細な説明】 本発明は、一過流通当りの脱塩率あるいは濃縮
率が高い電気透析装置に関する。特に被処理液の
流路を長く設けた脱塩室および濃縮室を有する構
造の電気透析装置において、アルカリスケール生
成等の弊害を起こさず高脱塩率あるいは高濃縮率
で電気透析が可能である電気透析装置を提供す
る。

従来、通電面を形成する切欠き部、被処理液を
供給排出する連通孔および給液溝を形成する切欠
き部を有する室枠を介して、陽イオン交換膜と陰
イオン交換膜とを電極間に多数配列して締付ける
ことによつて、装置内に被処理液（電解液）の脱
塩室および濃縮室を交互に多数形成させ、これら
の室に液を供給、排出するための連通孔および配
流溝を形成してなる電気透析装置は知られてお
り、電解質を含む溶液の脱塩あるいは濃縮等に広
範に利用されている。特に海水の濃縮による食塩
の製造、かん水の脱塩による淡水の製造、更には
工業排水を脱塩して再利用する場合等に工業的規
模で利用されている。

このような電気透析装置を用いて、例えば海水
の脱塩を行う場合１過流通当り、即ち脱塩室内を
１回通過する間における脱塩率が低いため所望の
脱塩率まで高める手段として回分方式により複数
回電気透析装置内を循環させて脱塩を行うとか、
あるいは複数個の電気透析装置を直列に並べて多
段に順次脱塩を行う方法等が一般に採用されてい
る。

しかしながら前者の回分式による脱塩において
は、循環ポンプおよび循環タンク更にはそれらの
間の配管が必要であり、また後者の直列に並べる
方法も透析装置が複数個必要である等の為、設備
費が大巾に上昇するばかりでなく運転操作が複雑
であるという欠点がある。

本発明者等は上記電気透析方法の欠点に着目し
て、単一の電気透析装置を用いて１過流通当りの
脱塩率を高めた電気透析装置の開発について検討
を行なつた。一般に単一の電気透析装置において
脱塩率を高める方法としては、電気透析装置に印
加する電流密度を増加させるか、あるいは供給す
る液量を減らす方法が考えられる。しかし、電気
透析装置には印加できる電流密度の限界、即ち限
界電流密度が存在し、限界電流密度以上で電気透
析を行うと水分解が起こり、透析室内にアルカリ
スケールが沈積する。また供給する被処理液の液
量を減らすと、イオン交換膜面の流動線速度が低
下するため限界電流密度も低下する。従つて印加
する電流密度を一定にして被処理液の供給液量を
減らせば同様に水分解、アルカリスケールの沈積
が起る。これらの理由により単に電流密度を増加
させたり、被処理液の供給液量を減少させること
によつて脱塩率を高めることは好ましくない。

そこで単一電気透析装置において脱塩率を高め
る手段として脱塩時間を長くするために被処理液
の流路を長く形成して電気透析を行う方法（以下
単に長流路法ともいう）が提案されている。アイ
オニツクス社（米国）の規則正しい屈曲流路を形
成させた態様がその代表的な例であるが、他に流
路をＵ字型にしたもの、渦巻き状にしたもの、直
線状に長くしたもの等が知られている。

このような長流路法は、前述の回分式方法、直
列多段法の如く循環タンク、循環ポンプあるいは
複数の電気透析装置が必要でなく設備費が安いと
いう特徴を有しているが、長流路法によつて、例
えば海水の脱塩を行つた場合、一部の濃縮室にア
ルカリスケールの生成が起こるという現象がみら
れる。このアルカリスケールは流路の閉塞あるい
は膜の破損を来たし、遂には透析不能の事態を招
く。

本発明者等はこの現象の主原因が被処理液の脱
塩室および／または濃縮室への不均一分配による
ものであることを見い出した。即ち、通常脱塩室
あるいは濃縮室への被処理液の給液は連通孔より
給液溝を通して行われるが、100室以上、特に
1000室以上の大型装置の脱塩室あるいは濃縮室に
被処理液を均等に分配することは不可能に近い。
事実、通常の電気透析装置では被処理液の分配が
不均一であり、平均流量より５〜10％流量の低下
した室が存在する。こうした被処理液の不均一分
配が存在する状態で脱塩を続けていくと、供給液
量の少ない脱塩室の濃度が他の脱塩室と比較して
異常に低下する。その結果濃度が異常低下した脱
塩室では水の分解が起こり、炭酸カルシウム等の
アルカリスケールが析出することが分つた。

更に詳細に検討を加えたところアルカリスケー
ルの析出は、第１図に示すように、被処理液が電
気透析処理を受けつつ流れる道筋（以下本明細書
において、「流路」という）の後半以降で起こり、
特に液流路の３／５以降で著しいことが分つた。

第１図は海水の脱塩を長流路法により高脱塩率
を得るようにした電気透析装置において流路の位
置によつて電流密度を脱塩液の濃度で割つた値
（ｉ／ｃと略記する）がどのように変るかを示し
ている。図に示す如く、流路の後半に入るとｉ／
ｃは増大傾向を示し、特に３／５以降になると急
激な増大を示す。一方ｉ／ｃには各個の電気透析
装置個有の限界値（限界電流密度）が存在し、そ
の限界値以上においては水分解が発生し、アルカ
リスケールの析出を招く為、ｉ／ｃは限界値以下
に設定しなければならない。かくして、高流路法
によつて、高脱塩率を得ようとすると第１図の如
く流路の後半でｉ／ｃの急激な増大により限界値
をオーバーする結果、水分解の発生によるアルカ
リスケールの折出に至ることが理解できる。かか
る現象は流路の３／５以降では、更に著しくな
る。

本発明者等は単一の電気透析装置、特に長流路
を形成させた単一の電気透析装置において、水分
解、アルカリスケールの生成を伴わず高脱塩率の
得られる電気透析装置の構造について研究を進め
た結果、被処理液の流路の後半で複数の脱塩室あ
るいは濃縮室の液を集液し、混合し、次いで再分
配して電気透析に付すことにより、第１図破線で
示すように限定値以下で脱塩できることを見い出
し、本発明を完成するに至つた。

本発明は、電極間に陽イオン交換膜と陰イオン
交換膜を室枠を介して交互に配列し締付けること
によつて多数の脱塩室および濃縮室を交互に形成
させ、これらの脱塩室および濃縮室に被処理液を
流すようにした電気透析装置において、被処理液
の流路の後半において複数の脱塩室および／また
は濃縮室の液を夫々集液、混合および再分配する
機構を設けたことを特徴とする電気透析装置であ
る。

以下、添付図面を用いて本発明を詳述する。

第２図は、従来使用されている代表的な電気透
析装置の構成を示した概略図である。陽イオン交
換膜１と陰イオン交換膜２とを切欠部に網状スペ
ーサー５を挿入した室枠３、室枠４を介して順次
積層し、適当な積層数になつたところで締付枠６
によつて締付ける（他方の締付枠は図示していな
い）ことにより、取扱い単位としての１スタツク
が形成される。このスタツクの１個あるいは２個
以上を電極間に配置し、油圧プレス等によつて締
付けて電気透析装置を形成する。室枠３および４
は一般に0.5〜３mmの厚さを有し、その中央には
切欠部を有しているので陽イオン交換膜および陰
イオン交換膜で区画され、内部に網状のスペーサ
ーを有する脱塩室および濃縮室（これらを総称し
て透析室ともいう）が交互に形成される。脱塩室
および濃縮室を形成する室枠はそれぞれ脱塩室
枠、濃縮室枠と呼ばれる。また、脱塩室枠、濃縮
室枠はそのいづれにも被処理液を透析室内に供給
あるいは透析室外へ排出させる為の連通孔を形成
する穿孔７および穿孔７と中央切欠部とを結ぶ配
流溝８および集流溝９が設けられている。尚、穿
孔７は少くとも脱塩液用１個および濃縮液用１個
が必要であり、一般には一定間隔で複数個設けら
れるが、図面においては１個に省略した。以下の
図面においても同様である。

かかる電気透析装置を用いて脱塩を行う場合は
脱塩液（被処理液）は連通孔１０を通じ、更に脱
塩室枠に設けられた配流溝８を通つて各脱塩室に
導入される。導入された脱塩液は脱塩室内を分散
し透析処理された後、集流溝９を通り更に連通孔
１１を経て透析装置外へ排出される。一方濃縮液
は連通孔１４を通つて更に各濃縮室枠に設けられ
た配流溝１２を通つて各濃縮室に導入される。濃
縮室に導入された濃縮液は濃縮室内を分散し電気
透析処理された後、濃縮室枠に設けられた集流溝
１３を通り、更に連通孔１５を通つて透析装置外
へ排出される。

第３図は、第２図に示した構成要素を電極間に
締付けた後の装置におけるＡ−A′視断面図であ
る。

以上の第２図および第３図に示した従来の代表
的な透析装置においては被処理液の流路が短かい
ため、１過流通当り、即ち透析室内を１パスした
時の透析率を上げることは一般に出来ない。透析
室内の流路を長く形成させて、例えば脱塩を行え
ば前述の如く水分解、アルカリスケールの発生等
が起こる。

このような欠点を、本発明においては透析室内
の被処理液の流路の後半に、被処理液を集液、混
合および再分配する機構（以下、単に再分配機構
ともいう）を設けることによつて解決した。

再分配機構としては、複数の脱塩室あるいは濃
縮室の液を一旦集液し、混合し、次いで新たに脱
塩室あるいは濃縮室に再分配する如く構成されて
いる機構であればよく、その好ましい態様を第４
図以下を用いて説明する。

第４図は被処理液の流路を直線状に長く設けた
構造の電気透析装置で、再分配機構が連通孔から
なる態様の概略図を示している。脱塩の場合を例
にとつて説明すると、被処理液は連通孔１０を通
り、配流溝８を通つて脱塩室に導入され、電気透
析されて集流溝９から連通孔１１に出ていくが、
脱塩室の被処理液流路の後半、約３／４の位置に
再分配機構である連通孔１６が新たに設けられて
いる。この連通孔１６は複数の、一般的には１ス
タツクの脱塩室を貫通し、脱塩室のＡ領域で脱塩
された被処理液の集液口を持ち、かつ、連通孔内
で混合された被処理液を更に脱塩を行う脱塩室の
Ｂ領域に再分配する再分配口を有している。また
Ａ領域脱塩室と連通孔の集液口との間には被処理
液の集流を容易にするために集流溝１７が室枠に
よつて形成され、同様に連通孔の再分配口とＢ領
域脱塩室との間にも配流を容易にするため配流溝
１８が形成されている。

尚、第５図は第４図に示した構成要素を電極間
に締付けた後の装置のＢ−B′視断面図である。

以上のように、流路の後半に連通孔１６を新た
に設けることによつて脱塩室の数に対応する集液
口から集められた被処理液は連通孔内で混合され
再分配口から脱塩室のＢ領域に流れ出てをくが、
連通孔内での被処理液の混合をより十分にし、か
つ均一な濃度組成とするために、連通孔１６内に
更に混合を促進させる機構を設けるのが好まし
い。一般に邪魔板を設けて屈曲流を形成させ乱流
状態を起こさせる構造とするのがよく、例えば一
定間隔で小孔あるいは細孔を複数個穿つた板状体
を集液口側と再分配口側とを区分するように連通
孔内に設置した態様が好ましく採用できる。

第６図は本発明の他の態様である電気透析装置
の構成を示した概略図である。この態様において
は連通孔を集液用連通孔１９と再分配用連通孔２
０の２個所設け、これらの連通孔同志を締付枠６
内で連結することによつて液の混合を行つてい
る。尚、連通孔２１と連通孔２０の連結は給液枠
が別に設けられている場合には給液枠（図示せ
ず）の切欠部内で行つてもよい。

第７図は第６図に示した構成要素を電極間に締
付けた後の装置のＣ−C′視断面図である。

以上第４図〜第７図を用いて被処理液を流路の
後半以降で集液、混合、再分配する機構を脱塩の
場合について説明したが、勿論濃縮の場合にも同
様に適用できることは言うまでもない。

また、電気透析装置のタイプも被処理液が供給
用連通孔から排液用連通孔に向けてほぼ直線的に
流れる長流路の場合を示したが、本発明はこれに
限られず、屈曲あるいは渦巻き状に長流路とした
電気透析装置にも適用できることは勿論である。

例えば第８図は被処理液の流路が水平方向で、
Ｕ字型を横に２個結んだ形状の屈曲流路を形成し
ているが、流路の３／４の位置、即ち、排液連通
孔の側から１／４の位置に、再分配機構である連
通孔２１が設けられている。

また、第９図も第８図と同様屈曲流路を水平方
向に形成させた構造であるが、この場合は液流路
の５／８および７／８の位置にそれぞれ再分配機
構の連通孔２２および連通孔２３を設けた態様を
示している。

本発明の電気透析装置において、被処理液の再
分配機構の設置個所は流路の後半以降、特に３／
５以降とするのが好ましい。また該機構の設置個
数は目的とする脱塩率、流路の長さ等を勘案して
２個以上とすることができる。

本発明の電気透析装置によれば、連通孔より配
流溝を通つて透析室、例えば脱塩室へ供給される
被処理液の液量が不均一で液量が少なく脱塩率が
高い脱塩室が存在していても、水分解を起すよう
な低濃度に至る前に他の複数の脱塩室、好ましく
は１スタツクの脱塩室の液と混合され均一な濃度
組成の被処理液として更に以降の脱塩室に供給さ
れるため、脱塩率の高い電気透析装置であつても
１過流通で水分解の発生を伴なうアルカリスケー
ルの析出がなく高脱塩率で安定した電気透析が可
能であるという特徴を有している。しかも、被処
理液の集液、混合および再分配機構が連通孔に代
表されるように構造的に簡単であるため設備費が
安いという利点もある。

実施例 １ 第４図に示すような、被処理液の流路を直線状
に長く設けた構造の電気透析装置を組立てた。

室枠の中央に切欠き部として、巾200mm×長さ
1740mmの切欠き部（Ａ領域脱塩室を構成する）お
よび巾200mm×長さ580mmの切欠き部（Ｂ領域脱塩
室を構成する）をこれらの切欠き部の間隔が80mm
となるように設け、かつこれらの間に再分配機構
としての連通孔を形成するための巾50mm、長さ20
mmの切欠きを脱塩液用および濃縮液用としてそれ
ぞれ１個形成させ、また室枠の周辺に液の供給、
排出用の連通孔をそれぞれ２個（脱塩液用１個お
よび濃縮液用１個）形成する切欠きを設けた室枠
（厚さ0.75mm、巾260mm×長さ2640mm）を介して、
陽イオン交換膜〔商品名“ネオセプターCL−
25T”（徳山曹達社製）スルホン酸を交換基とす
る強酸性膜〕および陰イオン交換膜〔商品名“ネ
オセプターACH−45T”（徳山曹達社製）、４級
アンモニウミ基を交換基とする強塩基性膜〕を交
互に配列し、これを電極間で締付けて濃縮室201
室、脱塩室200室からなる電気透析装置を組立て
た。電極は陰極がステンレス板で、陽極が白金メ
ツキを施したチタン板を用いた。

この装置の下方からTDS3000ppmのNaCl水溶
液を、脱塩室内の流速が６cm／secになるように、
また濃縮内の流速が２cm／secになるようにそれ
ぞれ供給して、平均電流密度0.95A／ｄm²で電気
透析を行なつたところ、脱塩室からは
NaCl300pppmの脱塩液が6.1m³／hrで得られた。
これにより脱塩率は90％であつた。一方濃縮室か
らはNaCl11000ppmの濃縮液が得られた。この時
の電圧は122Vであつた。

このような条件で脱塩を2000時間続行した後電
気透析装置を解体したところ何等の異常も認めら
れなかつた。

比較例 １ 中央に切欠部、周辺部に液の供給、排出用の連
通孔および配流溝を形成する切欠きを有する室枠
（厚さ0.75mm、大きさ260mm×2560mm、中央切欠き
の大きさ巾200mm×長さ2320mm）を用いた以外は
実施例１と同様にして電気透析装置を組立てた。
この透析装置における被処理液の流路長は室枠の
中央切欠き部の長さから約2.3mである。

この装置の下方からTDS3000ppmのNaCl水溶
液を、脱塩室内の流速が６cm／secになるように、
また濃縮内の流速が２cm／secになるようにそれ
ぞれ供給して、平均電流密度0.95A／ｄm²で電気
透析を行つたところ、脱塩室からはNaCl300ppm
の脱塩液が6.1m³／hrで得られた。これにより脱
塩率は90％であつた。一方濃縮室からは
NaCl11000ppmの濃縮液が得られた。この時の電
圧は130Vであつた。

斯様な条件のもとで250時間電気透析を行つた
後装置を解体したところ、陽極室側より数えて23
枚目、36枚目、83枚目、126枚目および146枚目の
陰イオン交換膜の濃縮室側膜面に炭酸カルシウム
のスケールが析出していた。スケールが析出して
いた場所はいずれの膜も流路の後半部分であり、
出口配流溝に近ずくほどスケールの析出量は多か
つた。このことは、これらスケールの発生した膜
の接する脱塩室の流量が低下した為に濃度が異常
低下し、水分解が起こりスケール発生に至つたこ
とが予想される。このような状態では安定した長
期の電気透析は不可能である。

実施例 ２ 実施例１において再分配機構として設けた連通
孔（巾50mm×長さ20mm）内に、混合を促進させる
ための邪魔板（巾50mm×厚さ10mmで中央に直径30
mmの孔を有する）を集液口側と再分配口側とを区
分するように挿入した。他は実施例１と同様の条
件でTDS3000ppmのNaCl水溶液を脱塩したとこ
ろ、NaCl300ppmの脱塩液が１時間当り6.1m³得
られた。一方濃縮室からはNaCl11000ppmの液が
排出された。この時の電圧は120Vであつた。こ
のような条件下で脱塩を2000時間続行した後透析
装置を解体したところ、スケールの析出等の異常
は全く認められなかつた。

実施例 ３ 第６図に示す如き、再分配機構が集液用連通孔
および再分配用連通孔を締付枠の切欠き部内で連
結されている態様の電気透析装置を組立てた。即
ち、室枠の中央に切欠部として、巾200mm×長さ
1740mmの切欠き部（Ａ領域脱塩室を構成する）お
よび巾200mm×長さ580mmの切欠き部（Ｂ領域脱塩
室を構成する）を、これらの切欠き部が150mm間
隔となるように設け、その間隔に再分配機構のた
めの直径が30mmの連通孔を２段にわたつて形成す
るための切欠き部を形成させ、他は実施例１と同
じように切欠き部を設けた室枠（巾260mm×長さ
2710mm）を用い実施例１と同様にして電気透析装
置を組立てた。尚、２段に設けられた連通孔は締
付枠の切欠き部で連結した。

実施例１と同様の条件でTDS3000ppmのNaCl
水溶液を脱塩したところ実施例２と同様な良好な
結果が得られた。

実施例 ４ 第８図に示すような、被処理液の流路を屈曲さ
せた構造の電気透析装置とした。即ち、厚さ0.75
mm、巾1000mm×長さ2200mmの室枠に巾210mm、長
さ8000mmの屈曲流路を形成させる切欠き部を設け
た。しかも8000mmの屈曲切欠き部は、6000mmと
2000mmの長さに２分割し、それらの間に巾80mm×
長さ30mmの再分配機構としての連通孔用切欠き部
を設けた。また屈曲切欠き部の前後に液の供給お
よび排出用の連通孔を形成させるための切欠き部
を設けた。

この室枠を用い、実施例１と同様のイオン交換
膜を用いて濃縮室301室および脱塩室300室からな
る電気透析装置を組立てた。

この装置の脱塩室にTDS34000ppmの塩分を含
む海水を室内の流速が６cm／secで、また濃縮室
には同じ海水を5.0cm／secで供給し、平均電流密
度3.3／ｄm²で電気透析を行なつたところ脱塩室
からはTDS380ppmの脱塩液が１時間当り8.9m³得
られた。これは脱塩率で98.9％に相当する。一方
濃縮室からはNaCl68000ppmの濃縮液が排出され
た。この時の電圧は220Vであつた。斯様な条件
で電気透析を2000時間続行後、装置を解体したと
ころスケールの析出等の異常は全く認められなか
つた。

比較例 ２ 実施例４の室枠で流路を２分割することなく、
また再分配機構を設けることなく、巾210mm×長
さ8000mmの連続流路を形成させる切欠き部を設け
た室枠を用いた以外は実施例４と同様に電気透析
装置を組立てた。この電気透析装置を用いて実施
例４と同様に海水の電気透析を行つた。この時の
電圧は245Vであつた。脱塩室からは
TDS460ppmの脱塩液が１時間当り8.9m³得られ
た。これは脱塩率98.6％に相当する。他方、濃縮
室からは68000ppmの濃縮液が排出された。この
ような条件で脱塩を200時間続行した後、装置を
解体したところ、陽極室より数えて５枚目、86枚
目、124枚目、216枚目、246枚目の陰イオン交換
膜の濃縮室側膜面に炭酸カルシウムのスケールが
析出していた。スケールの析出した場所は脱塩液
の供給用配流溝から5000mm以降の部分であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は流路の位置と、電流密度／濃度との関
係を示すグラフである。第２図は従来使用されて
いる代表的な電気透析装置の構成を示す概略図、
第３図は第２図に示した構成要素を締付けた後の
装置におけるＡ−A′視断面図、第４図は本発明
の一態様を示す電気透析装置の構成を示す概略
図、第５図は第４図に示した構成要素を締付けた
後の装置におけるＢ−B′視断面図、第６図は本
発明の他の一態様を示す電気透析装置の構成を示
す概略図、第７図は第６図に示した構成要素を電
極間に締付けた後の装置におけるＣ−C′視断面
図、第８図は本発明の更に他の態様を示す電気透
析装置の構成を示す概略図、第９図は本発明の更
に他の態様を示す室枠の概略図を夫々表わす。 図中、１…陽イオン交換膜、２…陰イオン交換
膜、３，４…室枠、５…網状スペーサー、６…締
付枠、７…連通孔を形成するための穿孔、８…配
流溝、９…集流溝、１０，１１…脱塩側連通孔、
１２…配流溝、１３…集流溝、１４，１５…濃縮
側連通孔、１６…再分配機構としての連通孔、１
７…集流溝、１８…配流溝、１９…集液用連通
孔、２０，２１，２２および２３…再分配機構と
しての連通孔を夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極間に陽イオン交換膜と陰イオン交換膜を
   室枠を介して交互に配列し締付けることによつて
   多数の脱塩室および濃縮室を交互に形成させ、こ
   れらの脱塩室および濃縮室に被処理液を流すよう
   にした電気透析装置において被処理液の流路の後
   半において複数の脱塩室および／または濃縮室の
   液を夫々集液、混合および再分配する機構を設け
   たことを特徴とする電気透析装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、集液、混合
   および再分配する機構を流路の３／５以降に設け
   た電気透析装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、集液、混合
   および再分配する機構が集液口と再分配口を有す
   る連通孔である電気透析装置。 ４ 特許請求の範囲第３項において、連通孔内に
   液を混合する機構が設けられている電気透析装
   置。 ５ 特許請求の範囲第１項において、集液、混合
   および再分配する機構が、集液用連通孔および再
   分配用連通孔を締付枠あるいは給液枠の切欠き部
   内において連結されていることからなる電気透析
   装置。