JP4915843B2 - 電気軟化装置、軟化装置及び軟水製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、硬水を軟水にする電気軟化装置、軟化装置及び軟水製造方法に関するものである。

カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの二価カチオン（硬度成分）を多く含む水は硬水と呼ばれ、ボイラ給水や冷却水などに用いるのに不適である。このため、二価カチオンを除去するため硬水軟化処理が行われる。二価カチオンを除去して硬水軟化処理を行うための方法として、Ｎａ型強酸性カチオン交換樹脂の充填層に硬水を通して軟水とする食塩軟化法や逆浸透膜に硬水を通して軟水とする逆浸透膜法がある。

Ｎａ型強酸性カチオン交換樹脂を用いる食塩軟化法は、イオン交換した硬度成分の量がカチオン交換樹脂の交換容量を超えると、処理水中に硬度成分が漏れてくるため、食塩水を通水する再生工程が必要となり、連続した処理ができないという問題がある。逆浸透膜法では、連続した軟化処理ができるものの、膜面に炭酸カルシウムのスケールが発生する恐れがあり、水回収率を高めることができないという問題がある。この逆浸透膜装置においては、被処理水に酸を添加することで、炭酸カルシウムスケールの析出は回避できるものの、危険な酸は使用上、問題となる。

一方、特開平８−１０８１８４号公報には、一価カチオンと二価カチオンが混入する原水を電気透析セルに供給し、一価イオン選択透過性カチオン交換膜、非選択透過性カチオン交換膜によって一価イオンに富み二価イオンの少ない処理水と二価イオンに富み一価イオンの少ない処理水を同時に得る水処理システムが開示されている。
特開平８−１０８１８４号公報（請求項１、図１）

しかしながら、特開平８−１０８１８４号公報の電気透析セルにおいては、濃縮室に流入した被処理水のカチオンは直流電位によって非選択性陽イオン交換膜を透過し、脱塩室に運ばれる。一方、被処理水中のアニオンは非選択性陽イオン交換膜もステンレス製仕切り板も透過することができず、濃縮室に留まるため、結果的に濃縮室内はアニオンリッチとなってｐＨが低下する。 ｐＨが低下すると、非選択性陽イオン交換膜を透過して移動するカチオンのうち、水素イオンの占める割合が高くなるため、カルシウムイオンやマグネシウムイオンの移動する割合が低くなる、いわゆる電流効率の低下現象を招くという問題がある。

従って、本発明の目的は、電流効率の低下現象を起こすことなく、硬水中の硬度成分を目的に応じて所望の軟化率から顕著に高い軟化率まで自在に除去できる電気軟化装置、軟化装置及び軟水製造方法を提供することにある。

かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、陽極室と陰極室の間に一価カチオン選択透過膜とカチオン交換膜を交互に配置してその間を通水室とし、一価カチオン選択透過膜の陰極側に位置する通水室（軟化室）に硬度成分を含む被処理水を通水し、一価カチオン選択透過膜の陽極側に位置する通水室（置換室）に一価カチオンを含む置換水を通水し、陰極と陽極に直流電位を印加して被処理水中の硬度成分を置換水中の一価のカチオンと置換させれば、電流効率の低下現象を起こすことなく、硬水中の硬度成分を目的に応じて所望の軟化率から顕著に高い軟化率まで自在に除去できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、陽極室と陰極室の間に一価カチオン選択透過膜とカチオン交換膜を交互に配置してその間を通水室とし、一価カチオン選択透過膜の陰極側に位置する通水室を軟化室とし、一価カチオン選択透過膜の陽極側に位置する通水室を置換室とし、該軟化室には、硬度成分を含む被処理水の導入経路と軟水排出経路を配し、該置換室には、一価カチオンを含む置換水の導入経路と硬度成分濃縮水排出経路を配し、該陽極室及び該陰極室にはそれぞれ水の導入経路と排出経路を配する電気軟化装置を提供するものである。

また、本発明は、前脱塩装置と、該前脱塩装置の後段に位置する前記電気軟化装置を配し、該前脱塩装置の処理水排出経路と該電気軟化装置の被処理水導入経路を接続し、該前脱塩装置の濃縮液排出経路と該電気軟化装置の置換水導入経路を接続してなる軟化装置を提供するものである。

また、本発明は、前記電気軟化装置と、該電気軟化装置の後段に位置する後脱塩装置を配し、該電気軟化装置の処理水排出経路と該後脱塩装置の被処理水導入経路を接続し、該後脱塩装置の濃縮液排出経路と該電気軟化装置の置換水導入経路を接続してなる軟化装置を提供するものである。

また、本発明は、陽極室と陰極室の間に一価カチオン選択透過膜とカチオン交換膜を交互に配置してその間を通水室とし、一価カチオン選択透過膜の陰極側に位置する通水室（軟化室）に硬度成分を含む被処理水を通水し、一価カチオン選択透過膜の陽極側に位置する通水室（置換室）に一価カチオンを含む置換水を通水し、陰極と陽極に直流電位を印加して被処理水中の硬度成分を置換水中の一価のカチオンと置換させる軟水製造方法を提供するものである。

本発明の電気軟化装置に通水、通電すれば、軟化室では被処理水中の一価カチオン及び二価カチオンがカチオン交換膜を透過して置換室に移動する。同時に置換室では置換水中の主として一価カチオンが一価カチオン選択透過膜を透過して軟化室に移動する。このため、被処理水中の硬度成分を一価カチオンに置換して軟水を得ることができる。また、本発明の電気軟化装置においては、カチオンの輸送率はいずれの軟化室及び置換室においても同じであり、ｐＨが低下することがないため、電流効率の低下現象を起こすことはない。また、被処理水中の除去したい硬度成分の当量以上の一価カチオンを含む置換水を通水すれば、置換室の一価カチオン選択透過膜の膜面にスケールが発生し難くなり、また、より多くの電流を流せるため、単位時間に移動させるイオン量が増え、軟化効率が向上する。また、電流電圧値や置換水中の一価カチオン量を調整することにより、硬水中の硬度成分を所望の軟化率から顕著に高い軟化率まで自在に除去できる。また、本発明の軟化装置によれば、前脱塩装置から得られる濃縮水には、一価のカチオンが濃縮されているため、置換水に一価カチオン塩を別途に添加する必要がなくなると共に、前脱塩された処理水を被処理水とするため、より低硬度の軟水を得ることができる。本発明の軟化装置は、特に原水の硬度及び塩濃度が高い場合に好適である。また、本発明の他の軟化装置によれば、後脱塩装置から得られる濃縮水には、一価のカチオンが濃縮されているため、置換水に一価カチオン塩を別途に添加する必要がなくなる。また、前段の電気軟化装置をより低い電流値で運転することができ、直流電源の容量を小さくすることができる。また、後段に逆浸透膜装置を使用した場合、膜面のスケール付着を抑制することができる。また、陽極出口水はカチオンが減少してｐＨが低下し、また陽極反応によって次亜塩素酸が発生し、酸化力や殺菌力を有するため、酸性機能水として利用することができる。また、陰極出口水は、カチオンが増加してｐＨが上昇し、陰極反応によって水素ガスが発生するため、還元力を有するアルカリ性機能水として利用することができる。

本発明の第１の実施の形態における電気軟化装置を図１を参照して説明する。図１は本例の電気軟化装置の模式図である。電気軟化装置１０は、陽極７に隣接する陽極室６と陰極８に隣接する陰極室５の間に一価カチオン選択透過膜４とカチオン交換膜３を交互に配置してその間を通水室とし、一価カチオン選択透過膜４の陰極８側に位置する通水室を軟化室１とし、一価カチオン選択透過膜４の陽極７側に位置する通水室を置換室２とし、軟化室１には、硬度成分を含む被処理水の導入配管ａと軟水排出配管ｂを配し、置換室２には、一価カチオンを含む置換水の導入配管ｃと硬度成分濃縮水排出配管ｄを配し、陽極室６には硬度成分濃縮水排出配管ｄと接続する陽極水導入配管ｅと陽極水排水配管ｆを配し、陰極室５には陽極水排水配管ｆと接続する陰極水導入配管ｇと陰極水排水配管ｈを配する。なお、陽極室６に隣接するイオン交換膜は、本例のように、一価カチオン選択透過膜４とすることが、陽極室６を流れる水から硬度成分が電気軟化装置内に入ることを防止できる点で好ましい。

また、電気軟化装置１０の置換水導入配管ｃには、一価カチオン塩供給手段が接続されていてもよい（不図示）。これにより置換水中の一価のカチオン濃度を任意の量に適宜調整することができる。一価カチオン塩供給手段としては、例えば一価カチオン塩貯留槽、一価カチオン塩供給ポンプ及び配管、弁類などから構成される装置が挙げられる。

一価カチオン選択透過膜４としては、特に制限されないが、ポリカチオンの薄層を膜面上に完全に固定したカチオン交換膜を使用することができる。膜表面に存在する陽電荷バリヤーであるポリカチオンと透過しようとするイオンとの間の静電的反発が、２価のカチオンの方が一価のカチオンに比べて大きいため、２価のカチオンの膜透過が妨げられる。このような一価カチオン選択透過膜は市販のものが使用できる。

次ぎに、電気軟化装置１０を用いて軟水を製造する方法を説明する。一価カチオン選択透過膜の陰極８側に位置する軟化室１に、被処理水の導入配管ａを通して硬度成分を含む被処理水を通水し、一価カチオン選択透過膜４の陽極７側に位置する置換室２に、置換水導入配管ｃを通して一価カチオンを含む置換水を通水し、陰極８と陽極７に直流電位を印加する。

電気軟化装置１０に通水、通電すると、軟化室１では被処理水中の一価のカチオン及び二価のカチオン（硬度成分）がカチオン交換膜３を透過して置換室２に移動する。同時に置換室２では置換水中の主として一価カチオンが一価カチオン選択透過膜４を透過して軟化室１に移動する。このように、軟化室１では被処理水中の二価のカチオンを一価のカチオンに逐次置換することで連続して軟水を得、置換室２では置換水中の一価のカチオンを二価のカチオンに逐次置換することで連続して硬度成分が濃縮された濃縮水を得ることができる。また、電気軟化装置１０においては、カチオンの輸送率はいずれの軟化室１及び置換室２においても同じであり、ｐＨが低下することがないため、電流効率の低下現象が生じることはない。

本発明の電気軟化装置において、軟化室１中の被処理水の流れ方向と置換室２の置換水の流れ方向は、特に制限されないが、図１に示すように、互いに向流とすることが好適である。軟化室１中の被処理水の流れ方向と置換室２の置換水の流れ方向を互いに向流とすれば、軟化室１に導入された被処理水中の硬度成分は、一価のカチオンより高電荷であり、移動し易く置換室２の排出側のカチオン交換膜３を透過するため、軟化室１から素早く系外へ排出される。これにより、置換室２側の一価カチオン選択透過膜４の膜面にスケールは発生し難くなる。

電気軟化装置１０においては、置換室２から排出される置換室出口水を、陽極室６に通水し、さらに陽極室出口水を陰極室５に通水している。これにより、軟化室１からカチオン交換膜３を透過して置換室２に移動した一価カチオンを陽極室６に戻し、再度置換に利用することができるとともに、陽極室６においてカチオンが移動、減少してｐＨが低下した陽極出口水を陰極室５に通水することで、陰極室５における硬度スケール析出のリスクを低減することができる。このような電極水の通水方法は、特に硬度成分の多い被処理水を処理する際に好適である。なお、本例では置換室出口水の全部を陽極室６に通水しているが、これに限定されず、置換室出口水の一部を陽極室６に通水するものであってもよく、また、陽極室６及び陰極室５の電極水をそれぞれ別途に通水させてもよい。

電気軟化装置１０において、陰極水排出配管ｈから排出される陰極出口水は、カチオンが増加してｐＨが上昇し、陰極反応によって水素ガスが発生するため、還元力を有するアルカリ性機能水として利用することができる。

本発明において、被処理水は硬水であり、具体的には、水道水、井戸水等が挙げられる。当該被処理水には通常、カルシウムイオンやマグネシウムイオン等の２価のカチオンの他、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオン、硫酸イオン等の強電解質、炭酸イオン、シリカ等の弱電解質等の不純物が含まれていてもよい。また、硬度が高い水を処理する場合、電気軟化装置１０の前段に前脱塩装置を設置し（図３参照）、該前脱塩装置から流出する処理水を被処理水とすることができる。これにより、より低硬度の処理水を得ることができる。

本発明の一価のカチオンを含む置換水（以下、単に「置換水」とも言う。）において、置換水中の一価のカチオン量は、除去したい硬度成分の当量以上の量であることが好ましい。置換水中、一価のカチオン量が除去したい硬度成分の当量未満の場合、一時的に軟水は得られるものの、硬度成分の除去が不十分となり、置換室２の一価カチオン選択透過膜４の膜面にスケールが発生し易くなる。一価カチオン量が多いと、より多くの電流を流させるため、単位時間に移動させるイオン量が増え、軟化効率が向上する。

置換水は、２価のカチオンを含んでいてもよい。置換水の具体例としては、被処理水、被処理水に一価カチオン塩を添加して調製した水等が挙げられる。被処理水中の一価のカチオン量が、除去したい硬度成分の当量未満の場合、一価のカチオン塩を別途添加して使用することが、硬度成分の除去率が向上する点で好ましい。被処理水に添加される一価カチオン塩は、通常食塩である。一価のカチオン当量が二価のカチオン当量より少ない場合、例えば被処理水流量に対して、置換水流量を多量に流せばよいが、水の利用率が下がるため好ましくない。

また、硬度が高い水を処理する場合、電気軟化装置１０の前段に前脱塩装置を設置し（図３参照）、該前脱塩装置から排出する濃縮水を置換水とすることもできる。該前脱塩装置から排出する濃縮水には、一価のカチオンも濃縮されており、別途、一価カチオン塩を添加することなく使用することができ且つ軟化効率も上がる点で好適である。また、硬度が高い水を処理する場合、電気軟化装置１０の後段に後脱塩装置を設置し（図４参照）、該後脱塩装置から排出する濃縮水を置換水とすることもできる。該後脱塩装置から排出する濃縮水には、一価のカチオンが濃縮されており、別途、一価カチオン塩を添加することなく使用することができ且つ軟化効率も上がる点で好適である。なお、前脱塩装置及び後脱塩装置は、共に濃縮水中に排除イオンを濃縮するタイプの公知の装置であって、例えば電気透析装置、電気式脱イオン水製造装置及び逆浸透膜装置が挙げられる。

本発明において、電気軟化装置の軟化室、置換室、陽極室および陰極室の中、少なくとも軟化室に、好ましくは軟化室と置換室に、更に好ましくは全てに、カチオン交換体を充填することができる。軟化室１にカチオン交換体を充填することで、イオン交換選択性が高い二価カチオンをより選択的に置換室２へ排除することができる。またカチオン交換体自体導電性を有するため、軟化室、置換室、陰極室又は陽極室への充填によって装置スタックの通電抵抗値を下げ、電力消費量を低減することもできる。本発明において、カチオン交換体としては、特に制限されず、カチオン交換樹脂、カチオン交換繊維及び有機多孔質カチオン交換体などが挙げられる。

本発明の軟水製造方法において、硬度スケールが生成しない運転条件としては、Ｒ≦１を満たすように運転することが好ましい。Ｒは（電流値（Ａ）×３６００秒/９６５００クーロン）/（（置換水の一価のカチオン濃度（ｍｇＣａＣＯ_３/ｌ）×置換水流量（ｌ/ｈ））/置換室数））を示す。Ｒが１を超える場合、すなわち、一価カチオンを越える電流を流すと、一価カチオンが足らなくなり水はＨ^＋とＯＨ⁻に乖離する。この場合、Ｈ^＋は一価カチオン選択透過膜を透過するものの、ＯＨ⁻が残るため、ｐＨが高くなり置換室の陰極側の膜面にスケールができ易くなる。実用的なＲ値は０．７〜０．９である。Ｒが０．７未満であると軟化能力が低くなるため、硬度成分除去率を高めたい場合には能率が悪くなる。

本発明の軟水製造方法において、硬度成分除去率の低い軟水を得る方法としては、少ない電流を流す方法、一価カチオンの濃度が薄い置換水を流す方法が挙げられる。硬度成分除去率の低い軟水は、逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置などの脱塩装置の被処理水としての用途がある他、置換水に添加する一価カチオン塩の添加量を削減でき、また、省電力運転を行うことができる。一方、硬度成分除去率の高い軟水を得る方法としては、被処理水中の除去したい硬度成分の当量以上の一価カチオンを含む置換水を通水する方法、当該当量以上の一価カチオンを含む置換水を通水する方法に加えて、更にＲ値が０．７〜１．０の範囲となるような電流値を流す方法が挙げられる。本発明の軟水製造方法においては、Ｒ値が０．７〜１．０の範囲となるような電流値とし、且つ被処理水中の除去したい硬度成分の当量以上の一価カチオンを含む置換水を通水する方法が、９０％以上、特に９５％以上の高い硬度成分除去率が得られる点で好適である。

次ぎに、本発明の第２の実施の形態における電気軟化装置を図２を参照して説明する。図２は本例の電気軟化装置の模式図である。図２において、図１と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し異なる点について主に説明する。すなわち、図２の電気軟化装置１０ａにおいて、図１の電気軟化装置１０と異なる点は、電極水経路である。電気軟化装置１０ａにおいて、置換室２には、一価カチオンを含む置換水の導入配管ｃと硬度成分濃縮水排出配管ｄを配し、陰極室５には硬度成分濃縮水排出配管ｄと接続する陰極水導入配管ｇと陰極水排水配管ｈを配し、陽極室６には陰極水排水配管ｈと接続する陽極水導入配管ｅと陽極水排水配管ｆを配する。

電気軟化装置１０ａによれば、電気軟化装置１０と同様の効果を奏する他、軟化室１からカチオン交換膜３を透過して移動した一価のカチオンをカチオン移動の最上流の陽極室６に戻し、再度置換に利用することができる。その結果、系内の一価カチオン濃度を高く維持できるため、置換水に添加する一価カチオン塩を節約でき且つ軟化効率を高めることができる。また、電気軟化装置１０ａにおいて、陽極出口水はカチオンが減少してｐＨが低下し、また陽極反応によって次亜塩素酸が発生し、酸化力や殺菌力を有するため、酸性機能水として利用することができる。

次ぎに、本発明の第１の実施の形態における軟化装置を図３を参照して説明する。図３は本例の軟化装置の模式図である。図３中、軟化装置２０は、前脱塩装置２１と、前脱塩装置２１の後段に位置する前記の電気軟化装置１０を配し、前脱塩装置２１の処理水排出配管ｋと電気軟化装置１０の被処理水導入配管ａを接続し、前脱塩装置２１の濃縮液排出配管ｊと電気軟化装置１０の置換水導入配管ｃを接続してなる。なお、図３の軟化装置２０において、電気軟化装置１０は、電気軟化装置１０ａであってもよい。前脱塩装置２１は、濃縮水中に排除イオンを濃縮するタイプの公知の装置であって、例えば電気透析装置、電気式脱イオン水製造装置及び逆浸透膜装置が挙げられる。軟化装置２０において、前脱塩装置２１は、原水の硬度成分及び一価のカチオンなどの不純物成分を粗取りし、次いで電気軟化装置１０で更に残りの硬度成分を除去するものであるため、前脱塩装置の脱塩は温和な条件で行われる。このため、例えば逆浸透膜装置を用いた場合、膜面上のスケール発生を抑制することができる。軟化装置２０は、特に原水の硬度及び塩濃度が高い場合に好適である。

本例の軟化装置２０を用いて軟水を製造する方法は、前記電気軟化装置１０において、被処理水として前脱塩装置２１の処理水を用い、置換水として前脱塩装置２１の濃縮水を用いた場合と同じであるので説明を省略する。

次ぎに、本発明の第２の実施の形態における軟化装置を図４を参照して説明する。図４は本例の軟化装置の模式図である。図４の軟化装置２０ａにおいて、図３の軟化装置２０と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。図４中、軟化装置２０ａは、電気軟化装置１０と、電気軟化装置１０の後段に位置する後脱塩装置２２を配し、電気軟化装置１０の処理水排出配管ｂと後脱塩装置２２の被処理水導入配管ｉを接続し、後脱塩装置２２の濃縮液排出配管ｊと電気軟化装置の置換水導入配管ｃを接続してなる。なお、図４の軟化装置２０ａにおいて、電気軟化装置１０は、電気軟化装置１０ａであってもよい。後脱塩装置２２は、濃縮水中に排除イオンを濃縮するタイプの公知の装置であって、例えば電気透析装置、電気式脱イオン水製造装置及び逆浸透膜装置が挙げられる。軟化装置２０ａにおいて、電気軟化装置１０は、硬度成分除去率が低い運転を行い、原水の硬度成分を粗取りし、次いで後脱塩装置２２で更に残りの硬度成分とその他の不純物性イオンを除去すればよい。前段の電気軟化装置１０において、硬度成分除去率が低い運転を行えるため、置換水に添加する一価カチオン塩の使用量を低減することができるか、あるいはより低い電流値で運転ができ、直流電源の容量を小さくすることができる。また、後段の脱塩装置２２として、例えば逆浸透膜装置を用いた場合、被処理水中の硬度成分濃度が低減されているため、膜面上のスケール発生を抑制することができる。軟化装置２０は、特に原水の硬度及び塩濃度が高い場合に好適である。

次ぎに、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。

被処理水を図１に示す電気軟化装置に表１の運転条件下、連続して５００時間運転し、処理水を得た。連続５００時間の運転後、処理水の分析をすると共に、装置を停止し、分解して装置内部のスケールの発生状況を目視確認した。なお、被処理水は水道水を活性炭ろ過フィルタ（ＰＦ−ＣＢ、オルガノ社製）を通して電気軟化装置の軟化室に通水し、処理水サンプル及び運転データは運転開始５００時間後に採取した。また、置換水は被処理水と同様に水道水を活性炭ろ過フィルタでろ過し、２５％食塩水を定量ポンプを用いてアルカリ金属濃度が所定濃度となるよう添加した後、電気軟化装置の置換室に通水した。実施例１では、被処理水の硬度の濃度は６０．１ｍｇＣａＣＯ_３/ｌであり、置換水は当該硬度成分の当量以上の一価のカチオン濃度１００ｍｇＣａＣＯ_３/ｌとした。また、Ｒは０．７５であった。その結果、処理水の硬度は３．０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであり、硬度除去率は９５．０％であった。また、置換室の陰極側の膜面にもスケールは観察されなかった。

通電電流値０．２Ａに代えて０．１Ａとし、平均印加電圧１６Ｖに代えて９．７Ｖとした以外は、実施例１と同様に行った。この運転条件におけるＲは０．３７であった。すなわち、実施例２は通電電流値、平均印加電圧を変更して、低い軟化力に設定したものである。その結果を表１に示す。処理水の硬度は２９．６ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであり、硬度成分除去率が５０．７％であった。また、置換室の陰極側の膜面にスケールは観察されなかった。

置換水として、食塩添加調製水に代えて水道水（例１）（被処理水）とし、通電電流値０．２Ａに代えて０．０６Ａとし、平均印加電圧１６Ｖに代えて１２Ｖとした以外は、実施例１と同様に行った。この運転条件におけるＲは０．８４であった。すなわち、実施例３は置換水として、置換水中の一価カチオン濃度が被処理水中の硬度成分の当量を下回る水を使用したものである。その結果を表１に示す。処理水の硬度は４９．８ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであり、硬度成分除去率が１７．２％であった。また、置換室の陰極側の膜面にスケールは観察されなかった。

被処理水として、水道水（例１）に代えて水道水（例２）とし、置換水として、食塩添加調製水に代えて被処理水の水道水（例２）とし、通電電流値０．２Ａに代えて０．１２Ａとし、平均印加電圧１６Ｖに代えて２２Ｖとした以外は、実施例１と同様に行った。この運転条件におけるＲは０．８６であった。すなわち、実施例４は置換水として、実施例１〜３とは異なる被処理水である水道水を使用し、当該水道水中の一価カチオン濃度が同じ水道水中に含まれる硬度成分の当量を上回る水を使用したものである。その結果を表１に示す。処理水の硬度は３．１ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであり、硬度成分除去率が９２．５％であった。また、置換室の陰極側の膜面にスケールは観察されなかった。

軟化室及び置換室にカチオン交換体を充填せずに、経路材としてポリプロピレン製メッシュスペーサーを配置し、置換水を食塩添加調製水に代えて水道水（例２）（被処理水）とし、通電電流値０．２Ａに代えて０．０３Ａとし、平均印加電圧１６Ｖに代えて３４Ｖとし、連続運転時間５００時間に代えて３００時間とした以外は、実施例１と同様に行った。なお、軟化室及び置換室は厚みを各１ｍｍとしたため、室数を各２０室として、実施例１〜４と通水空間の容積を合わせた。この運転条件におけるＲは０．８６であった。すなわち、実施例５は軟化室及び置換室はカチオン交換樹脂無充填とし、被処理水である水道水を、当該水道水中の一価カチオン濃度が同じ水道水中に含まれる硬度成分の当量を上回る水を使用したものである。その結果を表１に示す。処理水の硬度は５．０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであり、硬度成分除去率が８８．０％であり、置換室の陰極側の膜面にスケールは観察されなかった。

被処理水を下記の軟化装置に表２の運転条件下、連続して５００時間運転し、硬度のより少ない処理水を得た。連続５００時間の運転後、処理水の分析をすると共に、装置を停止し、分解して装置内部のスケールの発生状況を目視確認した。実施例６では、被処理水の硬度の濃度は６０．１ｍｇＣａＣＯ_３/ｌであり、置換水は当該硬度成分の当量以上の一価のカチオン濃度３２７ｍｇＣａＣＯ_３/ｌであった。また、Ｒは０．８２であった。その結果、処理水の硬度は０．０１７ｍｇＣａＣＯ_３/ｌであり、硬度除去率は９９．９７％であった。また、置換室の陰極側の膜面にもスケールは観察されなかった。

＜軟化装置＞
実施例１と同様の電気軟化装置の処理水（中間軟水）を中間軟水タンク、高圧ポンプを経て逆浸透膜（エレメント；「ＥＳ−２０−Ｄ４」日東電工社製）に通水するように接続し、逆浸透膜濃縮水は濃縮水タンク、濃縮水ポンプを経て、電気軟化装置の置換室へ通水されるように接続した装置。

なお、実施例６においては、電気軟化部と逆浸透膜部の最適流量が一致していなかったため、中間軟水及び逆浸透膜濃縮水を一旦、中間軟水タンク、濃縮水タンクに貯留してポンプで送水する方法をとったが、電気軟化部の中間軟水流量と逆浸透膜部の供給水流量を一致させることで、中間軟水タンク、濃縮水タンク、濃縮水ポンプを省略することができる。

被処理水を下記の軟化装置に表２の運転条件下、連続して５００時間運転し、硬度のより少ない処理水を得た。連続５００時間の運転後、処理水の分析をすると共に、装置を停止し、分解して装置内部のスケールの発生状況を目視確認した。実施例７では、前段電気式脱イオン水製造装置（以下、電気脱イオン装置又は電気脱イオン部とも言う）の処理水の硬度の濃度は１７．９ｍｇＣａＣＯ_３/ｌであり、置換水は当該硬度成分の当量以上の一価のカチオン濃度４５．３ｍｇＣａＣＯ_３/ｌであった。また、Ｒは０．８２であった。その結果、処理水の硬度は０．３６ｍｇＣａＣＯ_３/ｌであり、硬度除去率は９８．０％であった。また、置換室の陰極側の膜面にもスケールは観察されなかった。

＜軟化装置＞
被処理水を電気脱イオン装置に通水して、その処理水を実施例１と同様の電気軟化装置の軟化室に通水し、該電気脱イオン装置の濃縮水を電気軟化装置の置換室に通水するよう接続した装置。なお、電気脱イオン装置は、公知の電気脱イオン装置であって、カチオン交換膜とアニオン交換膜で区画される脱イオン室には混床イオン交換樹脂を充填し、アニオン交換膜とカチオン交換膜で区画される濃縮室にも、混床イオン交換樹脂を充填したものを使用した。

実施例７の電気脱イオン部の通電電流値０．２Ａは、単位時間に流入する被処理水中のイオン負荷に対しておよそ８０％に相当し、この通電電流値では電気脱イオン部の脱イオン能力はイオン除去率で約７０％であった。表２から明からなように、この運転条件下では、硬度成分を多く含んだ被処理水を電気脱イオン部に通水、通電し脱イオン処理しても、スタック内部には硬度スケールは析出しなかった。

本発明の第１の実施の形態における電気軟化装置の模式図である。 本発明の第２の実施の形態における電気軟化装置の模式図である。 本発明の第１の実施の形態における軟化装置の模式図である。 本発明の第２の実施の形態における軟化装置の模式図である。

符号の説明

１ 軟化室
２ 置換室
３ カチオン交換膜
４ 一価カチオン選択透過膜
５ 陰極室
６ 陽極室
７ 陽極
８ 陰極
１０、１０ａ 電気軟化装置
ａ〜ｋ 配管
２０、２０ａ 軟化装置
２１ 前脱塩装置
２２ 後脱塩装置

Claims (16)

1. 陽極室と陰極室の間に一価カチオン選択透過膜とカチオン交換膜を交互に配置してその間を通水室とし、一価カチオン選択透過膜の陰極側に位置する通水室を軟化室とし、一価カチオン選択透過膜の陽極側に位置する通水室を置換室とし、該軟化室には、硬度成分を含む被処理水の導入経路と軟水排出経路を配し、該置換室には、一価カチオンを含む置換水の導入経路と硬度成分濃縮水排出経路を配し、該陽極室及び該陰極室にはそれぞれ水の導入経路と排出経路を配することを特徴とする電気軟化装置。
2. 前記置換水の導入経路には、一価カチオン塩供給手段が接続されていることを特徴とする請求項１記載の電気軟化装置。
3. 前記陰極室の導入経路には、前記置換室の硬度成分濃縮水排出経路が接続され、前記陽極室の導入経路には、前記陰極室の排出経路が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気軟化装置。
4. 前記陽極室の導入経路には、前記置換室の硬度成分濃縮水排出経路が接続され、前記陰極室の導入経路には、前記陽極室の排出経路が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気軟化装置。
5. 前記軟化室、置換室、陽極室及び陰極室の中、少なくとも軟化室にカチオン交換体が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電気軟化装置。
6. 前脱塩装置と、該前脱塩装置の後段に位置する請求項１〜５のいずれか１項記載の電気軟化装置を配し、該前脱塩装置の処理水排出経路と該電気軟化装置の被処理水導入経路を接続し、該前脱塩装置の濃縮液排出経路と該電気軟化装置の置換水導入経路を接続してなることを特徴とする軟化装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項記載の電気軟化装置と、該電気軟化装置の後段に位置する後脱塩装置を配し、該電気軟化装置の処理水排出経路と該後脱塩装置の被処理水導入経路を接続し、該後脱塩装置の濃縮液排出経路と該電気軟化装置の置換水導入経路を接続してなることを特徴とする軟化装置。
8. 前記前脱塩装置が、電気透析装置、電気式脱イオン水製造装置または逆浸透膜装置であることを特徴とする請求項６記載の軟化装置。
9. 前記後脱塩装置が、電気透析装置、電気式脱イオン水製造装置または逆浸透膜装置であることを特徴とする請求項７記載の軟化装置。
10. 陽極室と陰極室の間に一価カチオン選択透過膜とカチオン交換膜を交互に配置してその間を通水室とし、一価カチオン選択透過膜の陰極側に位置する通水室（軟化室）に硬度成分を含む被処理水を通水し、一価カチオン選択透過膜の陽極側に位置する通水室（置換室）に一価カチオンを含む置換水を通水し、陰極と陽極に直流電位を印加して被処理水中の硬度成分を置換水中の一価のカチオンと置換させることを特徴とする軟水製造方法。
11. 前記置換水中の一価のカチオン量は、除去したい硬度成分の当量以上であることを特徴とする請求項１０記載の軟水製造方法。
12. 前記置換水が、被処理水または被処理水に一価カチオン塩を添加して調製した水であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の軟水製造方法。
13. 前記被処理水は前脱塩装置から流出する処理水であり、前記置換水は、該前脱塩装置から排出される濃縮水であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項記載の軟水製造方法。
14. 前記軟化室、置換室、陽極室及び陰極室の中、少なくとも軟化室にカチオン交換体が充填されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項記載の軟水製造方法。
15. 置換室から排出される置換室出口水の全部または一部を、陰極室に通水し、さらに陰極室出口水を陽極室に通水することを特徴とした請求項１０〜１４のいずれか１項記載の軟水製造方法。
16. 置換室から排出される置換室出口水の全部または一部を、陽極室に通水し、さらに陽極室出口水を陰極室に通水することを特徴とした請求項１０〜１４のいずれか１項記載の軟水製造方法。

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