JPH0663365A - 電気透析装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気透析により、塩を構成する陽イオンを水
素イオンに置換して高純度の遊離酸を得る、或いは塩を
構成する陽イオンを他の陽イオンに置換する。 【構成】 陽極室と陰極室の間に、陽イオン交換膜と陽
イオン交換膜に挟まれた置換室を少なくとも１室以上備
え、少なくともその片側に位置する陰イオン交換膜と陽
イオン交換膜に挟まれた濃縮室及び／または脱塩室を備
えた電気透析槽からなることを特徴とする電気透析装置
を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気透析方法に関するも
のである。具体的には電気透析を用いた有機塩類、無機
塩類の陽イオン交換に関するものである。更に具体的に
は、有機塩類や無機塩類の陽イオンを水素イオンに置換
することによって遊離の酸を製造する方法、あるいは塩
を構成する陽イオンを他の陽イオンに置換する方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気透析を用いて陽イオンの交換
を行なう方法として、例えば特公昭３０−５６１３号公
報や、特公昭６２−５６９５３号公報には、陽極室と陰
極室の間に複数の陽イオン交換膜を配置し、膜によって
仕切られる室を交互に強酸室及び塩室とし、塩室中には
高分子酸の塩や有機酸の塩を、また、強酸室には鉱酸水
溶液を供給して直流電流を通電することで遊離の高分子
酸や有機酸を得る方法が提出されている。これらの方法
は直流の通電によって、塩室の陽イオンを塩室の陰極側
の陽イオン交換膜から排出し、代わりに強酸室の水素イ
オンを塩室の陽極側の陽イオン交換膜から取り入れるこ
とで塩室の有機酸塩を遊離の酸に変換する方法である。
これらはいずれも陽イオン交換膜が金属イオンよりも水
素イオンを透過しやすいという特性を応用した方法であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるにこれら公知の
方法では、塩室から一旦排出された金属イオンは強酸室
に含まれることになるため、運転を継続するに従い強酸
室の金属イオン濃度が上昇する。従って、鉱酸溶液を適
度に更新しなければ鉱酸溶液中の金属イオンが再度塩室
に透過する現象が生じて生成する有機酸の純度が低下す
るという問題点がある。

【０００４】またこれらの方法は弱酸性の高分子酸や有
機酸の製造には有効な方法であるが、有機酸が強酸性の
場合には利用されない。なぜならば強酸性有機酸の場
合、塩室に遊離酸が生成するに伴い水素イオン濃度が大
きくなるため、塩室から陰極側に排出される全陽イオン
に占める水素イオンの割合が高くなって効率が著しく悪
くなるのである。したがって高純度の遊離酸を得るには
水素イオンのみを塩室に供給する目的で鉱酸の更新を繰
り返す必要があり、経済性が悪いのである。

【０００５】本発明は上記の方法における問題点を解決
し、弱酸性、強酸性に関わらず、有機酸塩からの遊離酸
の製造を効率良く実現する方法を提供するものである。
さらに遊離酸の製造のみならず、塩を構成する陽イオン
を任意の他の陽イオン酸に置換する方法をも提供するも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、電気透析に
よる陽イオンの交換方法について鋭意研究を重ねた結
果、陽極室と陰極室を有し、陽イオン交換膜と陽イオン
交換膜に挟まれた置換室を少なくとも１室以上備え、少
なくともその片側に位置する陰イオン交換膜と陽イオン
交換膜に挟まれた濃縮室及び／又は脱塩室を備えた電気
透析槽からなる電気透析装置が上記の目的を達成し得る
ことを見いだし、本発明をなすに至った。

【０００７】即ち、本発明の装置の中間室に塩の水溶液
を、脱塩室に強酸水溶液を供給し、直流電流を通電する
ことで中間室の塩から遊離の酸を得ることができるので
ある。又中間室に陰イオンＡと陽イオンＢとからなる塩
の水溶液を、脱塩室に陰イオンＣと陽イオンＤからなる
塩の水溶液を供給し、直流電流を通電することで中間室
の塩を構成する陽イオンＢを陽イオンＤに置換して陰イ
オンＡと陽イオンＤとからなる塩を生成せしめることが
できるのである。次に本発明の方法を図面に基づいて説
明する。但し、図面は本発明の方法により使用される装
置の単なる１例を示しているもので、これによって本発
明はなんら制限を受けるものではない。

【０００８】まず最初に塩から遊離の酸を生成する方法
を説明する。電気透析槽は、図１に示した陽イオン交換
膜１及び２と陰イオン交換膜３によって脱塩室４、置換
室５及び濃縮室６に隔離される。脱塩室４にはタンク９
の強酸水溶液がポンプで循環供給される。置換室５には
例えば有機酸の金属塩がタンク１０から循環供給され
る。濃縮室６にはタンク１１から廃液が循環供給され
る。この廃液は初回の運転開始時は単なる水でも塩や強
酸の水溶液でもよいが、バッチ運転を繰り返す際にはバ
ッチ毎に更新する必要がなく、前のバッチのままの状態
で継続して使用してもよい。陽極室７及び陰極室８には
タンク１２から強酸の水溶液が循環供給される。

【０００９】直流電流を通電することによって、陽イオ
ンは陰極方向へ、陰イオンは陽極方向へ電気泳動する
が、陽イオン交換膜には陽イオンは透過するが陰イオン
の透過を阻止する働きが、また陰イオン交換膜には陰イ
オンは透過するが陽イオンの透過を阻止する働きがあ
る。したがって、脱塩室４の強酸は、水素イオンが陽イ
オン交換膜２を透過して置換室５に、また陰イオンは陰
イオン交換膜３を透過して濃縮室６に移動するために脱
塩液の濃度は低下する。そこでタンク９の強酸の濃度を
維持するためにタンク１３から濃度の高い強酸が供給さ
れる。

【００１０】置換室５では有機酸塩の金属イオンが陽イ
オン交換膜１から濃縮室６に排除されると同時に陽イオ
ン交換膜２から水素イオンが供給されるため、次第に目
的の遊離の有機酸が得られることになる。濃縮室６には
置換室５からの金属イオンと脱塩室４の強酸の陰イオン
による高濃度の廃液が生成する。

【００１１】以上に述べたように、本発明の方法の特徴
は脱塩室４には長時間運転しても水素イオン以外の陽イ
オン濃度が増加しないのであるから、常に水素イオンの
みを置換室５に供給することができ、したがって置換室
５に純度の高い遊離の有機酸を生成することができるの
である。また、本発明の方法は強酸性の有機酸の塩から
遊離酸を液更新を要せずに経済的に製造できることに特
徴がある。強酸性の有機酸を製造する場合には、置換室
５に遊離酸が生成するに従い置換室５の水素イオン濃度
も上昇することになる。したがって陽イオン交換膜１を
透過して濃縮室６に移動する陽イオンとしては水素イオ
ンが次第に多くなることになる。そのため、遊離酸への
転化率を高くしようとした場合、脱塩室４には置換室５
に供給された有機塩の当量に対して数倍の当量の強酸を
必要とするはずであるが、驚くべきことに実際にははる
かに少ない当量の強酸で済むのである。この理由は次の
様に推定される。前述の通り、一般に陰イオン交換膜に
は陰イオンは透過するが陽イオンの透過を阻止する働き
があるが、例外的に水素イオンについては十分に透過を
阻止できないのである。したがって、一旦濃縮室６に移
動した水素イオンは陰イオン交換膜３を透過して脱塩室
４に移動し、ふたたび置換室５の有機塩を有機酸に転化
するため活用されるのである。即ち、電気透析槽の内部
で水素イオンがリサイクル利用されているといえよう。

【００１２】以上、遊離酸の製造について述べてきた
が、本発明の装置を用いれば、これまで電気透析法では
困難とされてきた塩の陽イオン交換が可能となる。つま
り置換室に陰イオンＡと陽イオンＢとからなる塩の水溶
液を、また脱塩室に陰イオンＣと陽イオンＤからなる塩
の水溶液を供給し、直流電流を通電することにより置換
室に陰イオンＡと陽イオンＤからなる塩を生成せしめる
ことができるのである。その一例として有機酸のナトリ
ウム塩から有機酸のカリウム塩を得る場合等に用いるこ
とができる。この場合、有機酸のナトリウム塩の水溶液
を置換室５に、塩化カリウムなどカリウムイオンを持つ
無機塩の水溶液を脱塩室４に供給して直流電流を通電す
ることで、置換室５に目的とする有機酸のカリウム塩を
得られる。一般的に、ナトリウムイオンとカリウムイオ
ンでは陽イオン交換膜の透過特性には大差は無いのであ
るから転化率の上昇に伴って置換室５からカリウムイオ
ンも濃縮室６に透過するようになるが、脱塩室４に常に
カリウムイオンのみを供給する限りはやがては置換室５
の有機酸塩の殆どすべてをカリウム塩に転化することが
可能である。

【００１３】本発明に使用するイオン交換膜は特に限定
するものではなく、製塩工業や脱塩用途に使用されるも
のが任意に利用できる。また遊離酸の製造に用いるため
の強酸は硫酸や塩酸、硝酸などの無機酸が好ましいもの
であるが、特に制限を受けるものではない。塩の陽イオ
ンの交換においては、交換の対象となる陽イオンの種類
は何等制限を受けないもので、無機のイオン、有機のイ
オンのいずれにも利用可能である。また塩の陰イオン成
分についても同様に制限を受けない。

【００１４】また、本発明の説明において、脱塩室に供
給する強酸のタンク９には供給酸のタンク１３から供給
酸を添加する方法で説明したが、予め一定量の強酸をタ
ンク９に供給する方法でもなんら差支えない。しかし、
装置を安定な条件で運転するには前者が好ましいもので
ある。

【００１５】

【実施例】次に実施例によって本発明がいかに実施され
得るかを説明する。

【００１６】

【実施例１】本発明の方法で乳酸ナトリウムから乳酸を
得る試験を実施した。陽イオン交換膜として旭化成工業
（株）製、アシプレックス（商標登録）Ｋ−１０１を、
陰イオン交換膜として旭化成工業（株）製、アシプレッ
クス（商標登録）Ａ−２０１を用いて、図１に示す構成
で、脱塩室、置換室、濃縮室の数がそれぞれ１０室の透
析装置を作製した。この装置の通電面積は５５ｃｍ² で
あり、脱塩室、置換室、濃縮室の厚みはそれぞれ０．７
５ｍｍである。

【００１７】電極液として０．２Ｎの硫酸３００ｍｌ
を、廃液として０．１Ｎの硫酸３００ｍｌを、脱塩液と
して０．２Ｎの硫酸３００ｍｌを、又供給酸液として５
Ｎの硫酸を準備し、脱塩液の電導度を検知して電導度が
５０ｍＳ／ｃｍを維持できるように定量ポンプで自動的
に供給酸液が脱塩液タンクに供給できるようにした。置
換室に循環供給する試料液として１Ｎの乳酸ナトリウム
水溶液５００ｍｌを用いて、電極液、脱塩液、廃液、試
料液（原液）をそれぞれ電気透析槽に循環し、２Ａの直
流電流を５０分間通電した。その結果試料液の液量は４
９６ｍｌで、ナトリウムイオンの濃度は０．００２Ｎで
あった。即ち乳酸ナトリウムの約９９．８％を乳酸に転
化できたことになる。また供給酸液の消費量は１０６ｍ
ｌであった。この量は最初の試料液の乳酸ナトリウムの
１．０６倍当量に相当する。

【００１８】

【実施例２】本発明の方法で強酸性の有機酸の塩である
ベンゼンスルホン酸ナトリウムからベンゼンスルホン酸
を得る試験を実施した。装置、電極液、脱塩液、廃液、
供給酸液は実施例１と同じ条件とした。試料液（原液）
として１Ｎのベンゼンスルホン酸ナトリウム水溶液５０
０ｍｌを用いて、２Ａの直流電流を１５０分間通電し
た。その結果試料液の液量は５０２ｍｌで、ナトリウム
イオンの濃度は０．１９Ｎであった。即ち、ベンゼンス
ルホン酸ナトリウムの約８１％をベンゼンスルホン酸に
転化できたことになる。また供給酸液の消費量は２１４
ｍｌであり、この量は最初の試料液のベンゼンスルホン
酸ナトリウムの２．１４倍当量に相当する。

【００１９】

【実施例３】本発明の方法で乳酸ナトリウムのナトリウ
ムをカリウムに置換して乳酸カリウムを得る試験を実施
した。装置は実施例１と同じものを用い、電極液として
０．５Ｎの硫酸カリウム水溶液３００ｍｌを、廃液とし
て０．１Ｎの硫酸カリウム水溶液３００ｍｌを、脱塩液
として０．５Ｎの硫酸カリウム水溶液３００ｍｌを用い
た。又脱塩液タンクに供給する液として４Ｎの硫酸カリ
ウム水溶液を準備し、脱塩液の電導度を検知して電導度
が５０ｍＳ／ｃｍを維持できるように定量ポンプで自動
的に供給液が脱塩液タンクに供給できるようにした。置
換室に供給する試料液として１Ｎの乳酸ナトリウム水溶
液を５００ｍｌを用い、２Ａの電流で１５０分間、直流
電流を通電した。その結果、乳酸ナトリウムの９４．４
％を乳酸カリウムに転化できた。なお、４Ｎの硫酸カリ
ウム水溶液の消費量は４２０ｍｌであった。

【００２０】

【発明の効果】本発明の電気透析方法は、塩からの高純
度遊離酸の製造、あるいは塩を構成する陽イオンの置換
に優れた方法である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気透析方法の１例を示す系統図であ
る。

【符号の説明】

１、陽イオン交換膜 ２、陽イオン交換膜 ３、陰イオン交換膜 ４、脱塩室 ５、置換室 ６、濃縮室 ７、陽極室 ８、陰極室 ９、脱塩液タンク １０、原液（試料液）タンク １１、廃液タンク １２、電極液タンク １３、供給酸タンク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陽極室と陰極室を有し、陽イオン交換膜
   と陽イオン交換膜に挟まれた置換室を少なくとも１室以
   上備え、少なくともその片側に位置する陰イオン交換膜
   と陽イオン交換膜に挟まれた濃縮室及び／または脱塩室
   を備えた電気透析槽からなることを特徴とする電気透析
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、置換室に陰イオンＡ
   と陽イオンＢとからなる塩の水溶液を、また脱塩室に酸
   Ｃの水溶液を供給し、直流電流を通電することにより中
   間室にＡの酸を生成せしめることを特徴とする電気透析
   方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、置換室に陰イオンＡ
   と陽イオンＢとからなる塩の水溶液を、また脱塩室に陰
   イオンＣと陽イオンＤからなる塩の水溶液を供給し、直
   流電流を通電することにより置換室に陰イオンＡと陽イ
   オンＤからなる塩を生成せしめることを特徴とする電気
   透析方法。