JPH0358769B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気透析式脱塩装置に関し、特に脱
塩液中の塩分濃度が経時的に大きく変動する回分
式運転法に適した電気透析式脱塩装置に関する。

更には、実験室で簡便に使用できる小型の脱塩
装置として有用な電気透析装置に関する。

〔発明の背景及び従来技術〕

電気透析式脱塩装置は、電気透析槽の一端に設
けられた陽極と他端に設けられた陰極との間に陰
イオン交換膜と陽イオン交換膜とを交互に多数配
列した構成を有し、前記した両電極間に直流電圧
を印加することで溶液の脱塩又は脱塩と濃縮を行
うために用いられ、例えば、地下かん水、チー
ズ、ホエー、糖液、ワイン、アミノ酸、タンパク
室、等の脱塩等に広く用いられている。

この種、電気透析装置は、通常回分式運転法で
使用されることが多く、特に塩濃度が高い溶液か
ら脱塩する場合は専らこの方法が用いられてい
る。

従来、回分式運転法での電気透析装置への通電
は、陽極両電極間に一定の電圧を印加して行われ
ているが、通電可能な電流密度には限界電流密度
と称される上限値があり、それ以上の電流密度で
運転した場合は透析液のPHが大巾に変動し、その
結果、スケールの発生、透析液中の有効成分の変
質、膜の劣化等の障害が発生し、安定した運転が
損なわれる。したがつて、通常は限界電流密度未
満の電流密度となるような一定電圧を印加して運
転されている。

ところで、一般的に限界電流密度は膜塩室にお
ける塩濃度にほぼ比例することが知られている。
したがつて脱塩室の塩濃度が経時的に大きく変動
する回分式運転方法においては限界電流密度も当
然大きく変化することになる。しかしながら、電
気透析装置全体の電気抵抗は脱塩室の塩濃度以外
に、膜の抵抗、電極室での抵抗を始めとし、多く
の因子によつて成り立つているため、両電極に一
定の電圧を印加した場合、運転電流密度は脱塩室
の塩濃度のみに比例して変化するものとは考えら
れず、回分式運転の開始から終了まで常に限界電
流密度以下で運転するためには、通常は脱塩室の
濃度が最も小さいとき、すなわち、運転終了直前
での電流密度が限界電流密度の70〜95％になるよ
うな一定電圧を印加する方法がとられている。し
かし、この場合、脱塩室の濃度が高い領域での電
流密度は限界電流密度よりはるかに低く、条件に
よつては20％にも満たないこともあり、このため
に、一回の回分式運転の処理時間が長くなること
となる。

従来は、上記のような問題点を解決するため
に、例えば脱塩室の塩濃度を電導度計で検知して
電流値を制御する方法や、特開昭59−130504号公
報に記載されているように、陽極、陰極の両電極
室のイオン交換膜近傍にそれぞれ電圧を検出する
一対の検出電極を設け、この検出電極間の電圧が
常に一定となるように電気透析装置の印加電圧を
制御するようにしたものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した回分式の脱塩をできるだけ短時間で終
了させるための従来技術は、何れも制御方法が複
雑で信頼性の点で問題を有し、例えば、脱塩対象
液の電導度を検出して電流値を制御する方法で
は、脱塩対象液に通常含まれる蛋白などの有機物
が電導度電極に付着し、測定値が変わるという問
題があり、同様なことは電極室に白金線などの電
圧検出用の電極を挿入して電圧を測定しつつ一定
電圧を印加する前記の特開昭59−130504号公報に
記載される発明でも起こり得るもので、この場
合、直流電流の一部を取り出して検出するため、
電極表面における酸化還元反応で徐々に検出電極
表面が劣化し、測定値が変動して印加電圧が不正
確になることがある。

特に通電面積200cm²程度までの大きさで、陰イ
オン交換膜と陽イオン交換膜とが枠体状ガスケツ
トを介して一体化されているような、電気透析式
脱塩装置においては、取扱いの簡便さが重要とな
るため、劣化しやすい白金線や電導度セルを使用
することは交換や洗浄など取り扱いが複雑となり
好ましくなく、また、部品点数も大巾に増加する
ので故障の生ずる確立も増加することとなる。更
に、白金線ではイオン交換膜の枚数が少ない場合
など、電圧の絶対値が小さいときは精度のよい測
定が困難であり、また、電導度セルでは測定に数
十cc程度の液量が必要であり、これより液量が少
ない場合は電動度を検出することが難しいという
問題点がある。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕

本発明の電気透析装置は陽極と陰極との間に、
陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とを交互に一対
以上配列された電気透析装置において、前記陽極
と陰極の両電極間に２以上の異なる値の一定電圧
を印加する手段と、前記両電極間に流れる電流値
を検出する手段を備え、前記両電極間に流れる電
流値が予め設定した１以上の電流値の一つに一致
したとき両電極間に印加する一定電圧の値を該電
流値に対応して予め設定した値に自動的に切替え
る手段を有することをその特徴とするものであ
る。

本発明に使用する陽極、陰極、陽イオン交換
膜、陰イオン交換膜、ガスケツト、電気透析槽の
フイルタープレス等は特に制限されるものでなく
通常のものが使用できるものである。

陽極と陰極の両電極間に２以上の異なる値の一
定電圧を印加する手段としては、予め設定した複
数の直流電圧の任意の一つが使用でき、定電圧条
件で通電できる回路であることが必要であり、予
め設定する直流電圧は２又は３種類多くとも５種
類もあれば充分であり、それ以上種類を増加せし
めると回路的に複雑となり好ましくない。

両電極間に流れる電流値を検知する手段として
は通常の電流計又はそれに相当する回路が使用で
きる。

両電極間に流れる電流値が予め設定した１以上
の電流値の一つに一致したときに両電極間に印加
する一定電圧の値を該電流値に対応して予め設定
した値に自動的に切替える手段としては、電流制
御の各リレー、又はそれと同等なリレー回路が使
用できる。この場合、予め設定する電流値は上記
の予め設定する直流電圧より一種類少なくとも良
いが、脱塩の終了を検知するための電流設定値も
含ませて、設定直流電圧と同数の電流値を定めて
おくとよい。

切替える順序としては、脱塩初期には透析槽全
体に比較的均一に分布していた電圧が脱塩の進行
に伴つて脱塩室のみにかゝる方向に推移するの
で、前記の脱塩の進行に伴い直流電圧を下げる方
向に切替えることが必要である。そして、電圧を
下げるように切替えないと限界電流密度を越える
ことになりやすい。

本発明は、大型の電気透析装置にも適用できる
が、特に通電面積200cm²程度以下の小型の電気透
析装置に適用することが好ましい。小型の電気透
析装置の場合脱塩室が少ないため、通電の進行と
ともに脱塩室にかかる電圧が相対的に大きくなり
やすいからである。

特に、取り扱い性を向上させるためのガスケツ
トを介して一体化したイオン交換膜を備えた電気
透析装置では、電圧測定用の端子や電導度セルを
用いないで通常の電気回路のみで通電条件が制御
できるため、脱塩対象液中の有機物による汚染に
起因する該動作が生ぜず、有機物による汚染の影
響はガスケツトを介して一体化したイオン交換膜
を一体として交換することにより簡単に切り換え
ることが可能である。また、必要な最少液量が電
導度セルの容量に制御をうけることもなく、脱塩
対象液が数c.c.と僅かであつても脱塩装置のデツド
ボリユームの範囲であれば、短い脱塩時間で脱塩
処置を行うことが可能である。

〔実施例〕

本発明の電気透析装置の実施例を図面に基づい
て詳細に説明する。

第１図は、本発明の電気透析装置の一実施例を
示す構成説明図で、図において、Ａは電気透析槽
で該電気透析槽Ａの一端に陽極１を他端には陰極
２を設け、前記陽極１と陰極２との間に陰イオン
交換膜３と陽イオン交換膜４が交互に多数配列さ
れている。前記陰イオン交換膜３と陽イオン交換
膜４との間には通常の如く枠体状のガスケツト
（図示しない）を介在せしめて膜間のスペーサと
電気透析槽Ａの内周壁を密封するのに役立つよう
にされている。

前記した陽極１と陰極２間に直流電圧を印加す
ることで塩分が除去される脱塩室５と塩分が濃縮
される濃縮室６が前記の陰イオン交換膜３と陽イ
オン交換膜４との間に交互に形成されている。

７は脱塩液流路、８は濃縮液流路であり、前記
脱塩液流路７及び濃縮液流路８により脱塩室５及
び濃縮室６にそれぞれの液を運転中に循環させる
ようにし、また、陽極１と該陽極１に併設されて
いるイオン交換膜３及び陰極２に併設されている
陽イオン交換膜４との間には電極電解液９，９が
循環される。また、両電極１及び２に直流電流を
通電するための電流供給源として整流器１０が設
けられる。

ところで、本実施例においては、前記した整流
器１０は異なる値の２以上の一定電圧が得られる
ようにしてある。第１図に示す整流器１０にはマ
イナス側出力端１３と三つのプラス側出力端１４
ａ，１４ｂ、及び１４ｃが設けられ、前記のマイ
ナス側出力端１３とプラス側の出力１４ａ間の電
圧はV1、マイナス側出力端１３とプラス側の出
力端１４ｂ間の電圧はV2は、マイナス側出力端
１３とプラス側の出力端１４ｃ間の電圧はV3の
ように三つの異なる一定電圧が得られるように構
成されている。１１は前記の三つの異なる一定電
圧を切換える出力切換装置であつて、該出力切換
装置１１によつて通電時に前記の三つの異なる一
定電圧のうちのいずれか一つの一定電圧を電気透
析槽Ａに印加するようにし、そして、前記の出力
切換装置１１は電流検知器１２にて電気透析槽Ａ
に流れる電流値を検知し、該検知された電流値に
よつて自動的に作動される。

次に、回分運転方法における運転の開始から終
了までの本実施例における電気透析装置の作動に
ついて述べるが、図に示すように例えば前記した
ように三つの異なる一定電圧としてV1、V2及び
V3と、それぞれの終了電流値I1、I2、I3を予じめ
定めておくが、その各々の値はV1＞V2＞V3、I1
＞I2＞I3の関係となし、その設定について述べる
と、本発明の特徴とするところは、脱塩室の濃度
が経時的に大きく低下する回分式運転法を行う電
気透析装置において、脱塩室濃度域は経時的に複
数に分け、それぞれの濃度域において所要の一定
電圧を陽・陰電極に印加して運転するものであ
る。

例えば、脱塩室濃度を経時的に第１に高濃度
域、第２の中濃度域、第３の低濃度域の三つに分
けた場合、それぞれの濃度域において限界電流密
度未満で、かつ、でき得る限り高い電流密度が得
られる一定電圧を電気透析槽Ａに印加することに
より短時間で回分式運転が完結することができる
ものであるので、前記した各濃度域の一定電圧
VI、V2、V3及び終了電流値I1、I2、I3の設定は
次のように行うのが好ましい。

先ず、前述の各濃度域の終了時すなわち、下限
濃度における限界電流密度の70〜95％の値をそれ
ぞれI1、I2、I3と設定し、上記各濃度域の終了時
に前記の電流値が得られる電気透析槽への印加電
圧をそれぞれVI、V2、V3と設定する。

前記のようにそれぞれVI、V2、V3及びI1、
I2、I3を設定し、運転を開始すると、先ず、運転
開始時には出力切換装置１１は整流器１０のプラ
ス側出力端１４ａの出力電圧V1を継電し、電気
透析槽Ａに一定電圧V1が印加され、前記第１の
高濃度域において脱塩が進むに従い電気透析槽Ａ
に流れる電流値V1での終了電流値I1まで低下し、
前記の第２の中濃度域になると出力切換装置１１
が作動し、整流器１０プラス側出力端１４ｂの出
力電圧V2に切り換わる。更に、中濃度域におい
て脱塩が進み電流値がV2での終了電流値I2まで
低下し、前記の第３の低濃度域となると出力切換
え装置１１が作動して整流器１０のプラス側出力
端１４ｃの出力電圧V3に切り換わり、最後に電
流がV3での終了電流値Ｉ３で低下すると出力切
換装置１１は整流器のいずれの出力も継電せず、
この時点で回分運転が終了する。この時、例えば
循環ポンプを停止するなど、前記の回分運転終了
と同時に工程の終了を行うようにすることが可能
である。

前記したように、I1、I2、I3、V1、V2を設定
することにより上記した回分運転の開始から終了
まで安定した運転が可能であり、しかも、短時間
に処理できるという効果が得られた。

本発明の具体例及び比較例を第２図、第３図に
より説明する。

具体例 第１図に示した電気透析装置の構成説明図にお
ける陰イオン交換膜３として旭化成工業(株)製アシ
プレツクスＡ−201膜を20枚、陽イオン交換膜４
として旭化成工業(株)製アシプレツクスＫ−101膜
を20枚用いて膜間隔が0.5mm、脱塩室５の数が20
室、濃縮室６の数が19室、通電面積が0.4dm³のフ
イルタープレス型電気透析槽を作成した。この装
置を用いて脱塩液として0.5M−NaCl水溶液１
を約0.002Mまで脱塩としたきの結果について説
明する。ただし、濃縮室循環液として0.1M−
NaCl水溶液１を、電極電解液として50ｇ／
−Na₂SO₄水溶液0.5を用いてそれぞれポンプ電
気透析槽に循環した。また脱塩液は脱塩室５内で
の流速が５cm／sec²となるようにポンプで循環
し、温度は25±１℃に調整した。

第２図は、本発明の電気透析装置を用い、運転
開始時の印加電圧V1を14V、V1での終了電流密
度I1を2.5A／ｄm²に、第２段目の印加電圧V2を
11V、V2での終了電流密度をI2を0.25A／ｄm²
に、第３段目の印加電圧V3を9V、V3での終了電
流密度すなわち脱塩運転終了電流密度I3を
0.08A／ｄm²に設定した場合の線図を示すもので
あり、第２図においては、運転開始から終了まで
の間の運転電流密度は常に限界電流密度の50％〜
80％の間にあつた。その結果、脱塩液濃度を
0.5Mから0.002Mまで脱塩するのに要する時間は
50分と短く良好な結果であつた。

第３図は、具体例１の装置で、印加電圧を、運
転開始から終了まで9Vの一定電圧としたときの
脱塩室濃度及び運転電流密度の時間的変化を示し
たものである。第３図において、Ａは脱塩液濃
度、Ｂは電流密度、破線Ｃは限界電流密度の約80
％である。この場合、運転開始直後での電流密度
は限界電流密度の約20％であつた。そして、脱塩
液濃度を0.5Mから0.002Mまで脱塩するのに87分
とかなりの時間を必要とした。

〔発明の効果〕

本発明に係る電気透析装置は、脱塩室の塩濃度
が大きく変化しても常に限界電流密度に比較的近
い電流密度で運転できるため、回分式運転の運転
時間を大巾に短縮できるという効果がある。

更に、両電極間に印加する一定電圧を予め定め
た電流値によつて切換えるための制御方式につい
ても、特殊なセンサ等を必要せず、電圧値と電流
値のみで行うことができるので、極めて簡単に構
成できるために誤動作やトラブルが起る恐れがな
いという格別の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電気透析装置の一実施例を
示す構成説明図、第２図、第３図は脱塩液濃度及
び電流密度の時間的変化を示す線図であり、第２
図は本発明の電気透析装置を用いて、印加電圧及
び終了電流密度を３段階に設定した場合、第３図
は具体例１の電気透析装置を用い印加電圧を一定
とした場合の結果を示す線図である。 １：陽極、２：陰極、３：陰イオン交換膜、
４：陽イオン交換膜、５：脱塩室、６：濃縮室、
７：脱塩液、８：濃縮液、１０：整流器、１１：
出力切換装置、１２：電流計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 陽極と陰極との間に、陰イオン交換膜と陽イ
   オン交換膜とを交互に一対以上配列された電気透
   析装置において、前記陽極と陰極の両電極間に２
   以上の異なる値の一定電圧を印加する手段と、前
   記両電極間に流れる電流値を検知する手段を備
   え、前記両電極間に流れる電流値が予め設定した
   １以上の電流値の一つに一致したとき両電極間に
   印加する一定電圧の値を該電流値に対応して予め
   設定した値に自動的に切替える手段を有すること
   を特徴とする電気透析装置。 ２ 通電面積が200cm²程度以下の大きさであつて、
   陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とが枠体状ガス
   ケツトを介して一体とされていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の電気透析装置。