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技術 イオン交換膜、イオン交換体、イオン交換ユニット、イオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置

出願人 パナソニック株式会社
発明者 平井利明
出願日 2010年1月26日 (10年5ヶ月経過) 出願番号 2010-013944
公開日 2011年8月11日 (8年10ヶ月経過) 公開番号 2011-152489
状態 未査定
技術分野 半透膜を用いた分離 電気・磁気による水処理 イオン交換
主要キーワード 中心空洞 ポストフィルター 集水路 重金属除去剤 イオン交換ユニット 径ノズル 極細径 陰イオン交換繊維
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

より容易に組み付けることのできるイオン交換膜イオン交換体イオン交換ユニットイオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置を得る。

解決手段

少なくとも表面にイオン交換基を有するイオン交換繊維23a,24aを不織布状に積層することで、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜23,24を形成した。

概要

背景

従来、陽極室陰極室との間に、陰イオン交換膜陽イオン交換膜を交互に配列した電気透析装置脱塩室に、強酸性陽イオン交換繊維、強塩基性陰イオン交換繊維及び不活性合成繊維混合体からなる充填物を収容した純水製造装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。

概要

より容易に組み付けることのできるイオン交換膜イオン交換体イオン交換ユニットイオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置を得る。少なくとも表面にイオン交換基を有するイオン交換繊維23a,24aを不織布状に積層することで、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜23,24を形成した。

目的

本発明は、より容易に組み付けることのできるイオン交換膜、イオン交換体、イオン交換ユニット、イオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置を得ることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であることを特徴とするイオン交換膜

請求項2

少なくとも表面にイオン交換基を有する繊維を不織布状に積層することで形成されていることを特徴とする請求項1に記載のイオン交換膜。

請求項3

請求項1または請求項2に記載のイオン交換膜が、イオン交換機能を有するイオン交換部を挟み込むように、当該イオン交換部の一方向両端に配置されていることを特徴とするイオン交換体

請求項4

請求項3に記載のイオン交換体の前記一方向両端に、当該イオン交換体を挟むように陽極および陰極が配置されていることを特徴とするイオン交換ユニット

請求項5

前記陽極および陰極のうち少なくともいずれか一方が、導電性繊維により形成されていることを特徴とする請求項4に記載のイオン交換ユニット。

請求項6

請求項4または請求項5に記載のイオン交換ユニットを少なくとも1つ備えることを特徴とするイオン交換装置

請求項7

請求項6に記載のイオン交換装置を備える水処理装置

技術分野

0001

本発明は、イオン交換膜イオン交換体イオン交換ユニットイオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置に関する。

背景技術

0002

従来、陽極室陰極室との間に、陰イオン交換膜陽イオン交換膜を交互に配列した電気透析装置脱塩室に、強酸性陽イオン交換繊維、強塩基性陰イオン交換繊維及び不活性合成繊維混合体からなる充填物を収容した純水製造装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開平7−236889号公報

発明が解決しようとする課題

0004

上記従来の技術では、陰イオン交換膜および陽イオン交換膜が用いられているが、これらのイオン交換膜は水に対する膨潤性が高いものである。このように、水に対する膨潤性が高いイオン交換膜を、乾燥した状態で装置に組み付けると、イオン交換膜が水に満たされた際に変形してしまうという問題がある。

0005

そのため、水に対する膨潤性が高いイオン交換膜を用いる場合、水を含浸させた状態のイオン交換膜を装置に組み付ける必要があり、手間がかかってしまう。

0006

そこで、本発明は、より容易に組み付けることのできるイオン交換膜、イオン交換体、イオン交換ユニット、イオン交換装置および当該イオン交換装置を用いた水処理装置を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明にあっては、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜を用いることを最も主要な特徴とする。

発明の効果

0008

本発明によれば、イオン交換膜が水に対して難膨潤性であるため、乾燥した状態でイオン交換膜を装置に組みつけた後に当該イオン交換膜に水を含浸させたとしても、イオン交換膜が変形してしまうのを抑制することができる。そのため、イオン交換膜に水を含浸させる必要がなくなり、より容易にイオン交換膜を装置に組み付けることができる。

図面の簡単な説明

0009

図1は、本発明の一実施形態にかかる水処理装置を模式的に示す説明図である。
図2は、本発明の一実施形態にかかるイオン交換装置を示す断面図である。
図3は、本発明の一実施形態にかかるイオン交換膜、陰極および陽極を模式的に示す図である。
図4は、本発明の一実施形態にかかるイオン交換装置の変形例を示す断面図である。

実施例

0010

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

0011

本実施形態にかかる水処理装置10は、通水路11を備えており、当該通水路11は、図1に示すように、図示せぬ水道配管などに給水弁12を介して接続されている。本実施形態では、通水路11に、上流側(給水弁12の配置側)から下流側に向かって順に、プレフィルター13、2次フィルター15、吸着フィルター16、イオン交換装置18およびポストフィルター19が直列に配置されている。そして、プレフィルター13と2次フィルター15との間に昇圧ポンプ14が配置されるとともに、吸着フィルター16とイオン交換装置18の間に逆止弁17が配置されている。

0012

給水弁12を介して水処理装置10内に導入された水は、まず、プレフィルター13内に導入される。

0013

プレフィルター13は、例えば、スポンジ状のフィルター(図示せず)等によって水に混入した比較的大きめ異物捕捉して除去するものである。

0014

なお、このプレフィルター13は、昇圧ポンプ14内部への微粒子の混入によるポンプ能力の低下を防止するためのものであるが、特に設けなくてもよい。

0015

プレフィルター13を通過して昇圧ポンプ14に到達した水は、昇圧ポンプ14で昇圧されて2次フィルター15、吸着フィルター16に導入される。

0016

2次フィルター15は、例えば、中空糸膜(図示せず)などが用いられており、水が中空糸膜を通過する際に、水中に混入された異物である微粒子成分濁度成分)を捕捉して濾過するものである。なお、2次フィルター15は、NF膜RO膜などの逆浸透膜UF膜MF膜などの濾過膜を用いて構成することもでき、このような膜フィルターユニットを用いた場合には、濃縮水を排出する排出管が設けられる。

0017

なお、プレフィルター13や2次フィルター15は、それぞれ複数個所に配置することも可能である。その場合、上流から下流に向かって孔径が小さくなるようにフィルターを配置するのが好適である。

0018

吸着フィルター16は、例えば、活性炭収納されており、水に溶解した成分、特に異味異臭、あるいは、トリハロメタンをはじめとしたハロゲン化炭素を除去するものである。また、吸着フィルター16の内部に重金属を除去するための重金属除去剤を混入することで、鉛などの有害重金属を吸着して除去できるようにしてもよい。また、吸着フィルター16で水中の残留塩素分解除去するため、下流側に細菌が繁殖し易くなる。そこで、吸着フィルター16に銀などの抗菌性を有する金属を含む抗菌剤を混合しておくのが好適である。

0019

そして、吸着フィルター16通過した水は、逆止弁17を介してイオン交換装置18に導入される。

0020

そして、このイオン交換装置18で、水中の陽イオン陰イオンが除去されて塩分の少ない水がポストフィルター19に導入される。また、陽イオン、陰イオンが濃縮された濃縮水は排水路32a,32bを介して装置外に排出される。

0021

なお、イオン交換装置18の詳細については、後述する。

0022

そして、ポストフィルター19に導入された水は、当該ポストフィルター19によって、水中の味、臭い成分が最終的に除去され、味を調えられた状態で、通水路11の下流側末端から外部に吐出される。この通水路11の下流側末端は、蛇口等に接続されており、この蛇口等を介して処理水が供給されるようになっている。

0023

このポストフィルター19は、万一濾過材等が漏出した場合でも、供給される処理水に濾過材等が混入してしまうのを抑制する機能も有している。

0024

逆止弁17は、昇圧ポンプ14が停止した場合、または給水弁12が閉じたとき、さらには水道配管の水圧所定圧以下に低下した場合に、イオン交換装置18を含む下流側からの残圧によって水が逆流し、プレフィルター13等のフィルター内に滞留堆積した異物が水道配管に逆流してしまうのを防止するものである。

0025

このような構成とすることで、高硬度原水からも脱塩した飲用水を供給することができる水処理装置の小型化を図ることができる。

0026

なお、水処理装置は上記構成に限定されるものではない。

0027

例えば、圧力センサを設け、通水路11内が所定圧以上に昇圧した場合に、圧力センサから昇圧ポンプ14や給水弁12を制御する図示せぬ制御ユニットに信号を送り、昇圧ポンプ14を停止するとともに、給水弁12を閉じるように構成してもよい。こうすれば、通水路11の内部の異常な昇圧による水漏れや破損を防止できるようになる。

0028

さらに、通水路11等に水質センサを設け、水質異常時に給水を停止するように構成することも可能である。

0029

また、水処理装置10を筺体収納固定して、当該筺体を処理水使用箇所近傍に設置可能とすることで、使用者の利便性向上を図るようにしてもよい。

0030

また、上記水処理装置10では、昇圧ポンプ14の上流側にプレフィルター13を配置しているが、プレフィルター13が昇圧ポンプ14の上流側に配置されている必要はなく、昇圧ポンプ14の下流側に配置されていてもよい。さらに、給水弁12の動作に支障をきたすような粒子が混入する可能性があれば、プレフィルター13を給水弁12の上流側に配置させてもよい。

0031

また、逆止弁17の取付位置も限定されるものでなく、止水時に生じる背圧によって昇圧ポンプ14や給水弁12の動作に支障をきたす場合があれば、その回避のために必要な場所に配置すればよい。

0032

次に、イオン交換装置18について説明する。

0033

本実施形態にかかるイオン交換装置18は、図2に示すように、イオン交換機能を有するイオン交換ユニット20をケーシング30内に配置することで形成されており、水処理装置10内に着脱自在に装着できるようになっている。

0034

ケーシング30は、略円筒状をしており、底壁部31の略中心部に、水をケーシング30内部に導入する吸入口31aが形成されている。そして、天壁部32には、略中心部に濃縮水吐出口32b、外周部に濃縮水吐出口32aが設けられており、天壁部32の径方向略中間部には、脱イオン水吐出口32cが設けられている。

0035

なお、ケーシング30は、天壁部32等を着脱可能に取り付けるようにすることで、イオン交換ユニット20を内部に配置できるようにしているが、図2ではそのような構造は省略している。

0036

イオン交換ユニット20は、本実施形態では、略円筒状のイオン交換体21を備えており、当該イオン交換体21の径方向(一方向)内周側に陽極27が、径方向(一方向)外周側に陰極28が配置されている。このように、本実施形態では、イオン交換体21の径方向(一方向)両端に、当該イオン交換体21を挟むように陽極27および陰極28を配置することで、イオン交換ユニット20が形成されている。

0037

イオン交換体21は、少なくとも陽イオン交換繊維と陰イオン繊維とを混合したものを略円筒状に形成することで得られるイオン交換層(イオン交換機能を有するイオン交換部)22を備えている。そして、イオン交換層22の径方向内周側陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23が積層されているとともに、径方向外周側に陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24が積層されている。

0038

すなわち、イオン交換体21は、イオン交換層(イオン交換機能を有するイオン交換部)22を、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23と陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24とで、径方向内外周側から挟み込むことで形成されている。

0039

さらに、本実施形態では、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23の径方向内周側に、当該陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23の形状を維持する透水性補強材25が積層されている。そして、陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24の径方向外周側に、当該陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24の形状を維持する透水性の補強材26が積層されている。

0040

本実施形態では、上述した陽極27および陰極28が、補強材25の径方向内周側および補強材26の径方向外周側にそれぞれ積層されている。

0041

そして、イオン交換ユニット20の軸方向(図2中上下方向)両端は、エンドキャップ40,41で覆われている。

0042

エンドキャップ40の底壁40aには、イオン交換ユニット20内に水を導入させる吸入口40bが、周方向に複数形成されている。

0043

そして、エンドキャップ41の天壁41aの下面側には、周方向に沿って溝41bが形成されており、溝41bの一部を貫通させることで、脱イオン水吐出口32cに連通する連通口41cが形成されている。

0044

本実施形態では、ケーシング30の径および軸方向長さを、イオン交換ユニット20の径および軸方向長さよりも長くしている。そして、イオン交換ユニット20の中心空洞部がケーシング30の天壁部32の濃縮水吐出口32bと連通するとともに、連通口41cが脱イオン水吐出口32cに連通するように、エンドキャップ41の天壁41aをケーシング30の天壁部32に取り付けている。このとき、ケーシング30のイオン交換ユニット20よりも外周側に濃縮水通路30aが形成されるとともに、ケーシング30のイオン交換ユニット20よりも内周側に濃縮水通路30bが形成される。この濃縮水通路30a,30bは、それぞれ、濃縮水吐出口32a,32bに連通している。

0045

このとき、連通口41cと脱イオン水吐出口32cとが液密に連通するように構成するのが好適である。

0046

ここで、本実施形態では、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜を、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23と陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24として用いている。

0047

具体的には、主鎖から分岐したイオン交換機能を持つ官能基を有するポリマーを水に対して難膨潤性のポリマーの外表面にコーティングした極細の繊維(少なくとも表面にイオン交換機能を有する繊維)23a,24aを不織布状に積層することで、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23および陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24を形成している(図3参照)。

0048

なお、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23を形成する際には、ジメチルアミノエチル基等の塩基性の官能基を有するポリマーが用いられる。また、陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24を形成する際には、カルボキシル基等の酸性の官能基を有するポリマーが用いられる。

0049

本実施形態では、繊維23a,24aとして、平均繊維径が1μm未満、より好ましくは、100nm以下の繊維を用いている。そして、当該繊維を、繊維密度が10mg/cm2以上となるように積層することで、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23および陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24を不織布状に形成している。

0050

このように、本実施形態にかかる陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23および陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24は、繊維径が極細の繊維で形成されているため、繊維間隙も繊維径もしくはそれ以下の極細径の細孔を多数備えた多孔質膜である。

0051

なお、この繊維状の膜は、極細径であるため柔軟性を有しており、基材となる別の素材の表面に当該繊維層を容易に形成することができる。このため、多孔質の濾過材表面に当該繊維膜を積層すれば、逆の電荷を有する微粒子を捕捉し、当該微粒子による濾過材表面の汚染を防止することができる。また、抗菌性を有する金属イオン(例えば、Agなど)を繊維膜に担持させれば、濾過材表面の微生物による汚染を抑制することができる。

0052

さらに、本実施形態では、水に対して難膨潤性のポリマーを繊維状にしたものを不織布状に積層して陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23および陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24を形成している。そのため、乾燥状態と水を含浸させた状態とで繊維自体の変形が極めて小さく、イオン交換膜そのものが水に対して難膨潤性となる。

0053

また、不織布状に積層しているため、仮に、繊維が膨潤したとしても繊維の自由端位置が変化するだけで、膜そのものが膨潤してしまうのを抑制することができる。

0054

しかも、イオン交換機能を持つ官能基を有するポリマーで表面をコーティングしているため、水に対する難膨潤性をより一層高めることができる。

0055

なお、水に対して難膨潤性のポリマーの材料は、ポリエステル系、アミド系、ビニル系、アクリル系等繊維状に加工可能なものの中から任意に選択することができる。

0056

また、イオン交換機能を持つ官能基を有するポリマーの材料は、セルロース系、スチレン系等イオン交換機能を持つものの中から任意に選択することができる。

0057

この繊維23a,24aは、例えば、水に対して難膨潤性のポリマーを心材として当該心材に静電気を与え、この心材に対して、イオン交換機能を有するポリマーを微細径ノズルから逆電位を与えた状態で噴出させることで形成される。

0058

このとき、2重管構造ノズルを用い、中心側から水に対して難膨潤性のポリマーを噴出するとともに、外周側からイオン交換機能を有するポリマーを噴出させることで形成するのが好ましい。

0059

また、本実施形態では、陽極27および陰極28(陽極および陰極のうち少なくともいずれか一方)が、導電性繊維27a,28aにより形成されている。

0060

この陽極27および陰極28は、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23および陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24と同様に、導電性繊維27a,28aを不織布状に積層することで形成されている(図3参照)。なお、図3では、便宜上、補強材25,26を省略したものを図示している。

0061

この導電性繊維27a,28aの材料は、プラチナ、金等耐腐食性を有する金属繊維カーボン繊維カーボンフィラーとして含有する多種のポリマー、例えばナイロン等のポリアミド系、ポリメチルメタクリル酸等のアクリル系、ポリエステル系、ビニル系,ポリエチレン等のオレフィン系等、導電性を有する材料の中から幅広く選択することができる。

0062

このように、陽極27および陰極28を、導電性繊維27a,28aで形成することで、棒状等の金属塊や板状の電極を用いた場合に比べて、加工自由度および形状自由度を向上させることができ、イオン交換ユニット20の形状自由度も向上させることができる。

0063

また、導電性繊維27a,28aで形成することで、基材表面にコーティングすることが可能となり、電極そのものを固定する必要がなくなるため、イオン交換ユニット20の構成の簡素化を図ることができる。

0064

なお、通常のように、ステンレスチタン、プラチナ、イリジウム等の金属板に孔を設けたものを電極(陽極および陰極)として用いるようにしてもよい。

0065

次に、イオン交換装置18の作用を説明する。

0066

まず、吸入口31からケーシング30(イオン交換装置18)内部に導入された水は、ケーシング30の外周部(濃縮水通路30a)を流れる水と、ケーシング30の内周部(濃縮水通路30b)を流れる水と、エンドキャップ40の底壁40aに設けられた吸入口40bからイオン交換層22内部に導入される水と、に分流される。

0067

このとき、吸入口31から導入された水を分散させる板等を配置して、より均等に水を分流させるようにしてもよい。

0068

そして、陽極27および陰極28に電圧(DC)が印加されると、逆の電荷を有するイオンがそれぞれの電極(陽極27および陰極28)に電気的にひき付けられる。

0069

このとき、イオン交換層22内部に混合された陽イオン交換繊維にはカルシウムマグネシウムナトリウムカリウムなどの陽イオンがイオン交換により吸着される。ここで、イオン交換により陽イオン交換繊維に吸着された陽イオンは、陰極28に電気的にひきつけられるため、陽イオン交換繊維と着脱を繰り返しながら、イオン交換層22の外周側へ移動していく。

0070

このイオン交換層22の外周には、繊維24aからなる陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24が存在する。この陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24は、上述したように、少なくとも表面が陰イオン交換能を有するミクロン未満の直径である極細繊維24aからなり、その繊維間の間隙はさらに細い空隙を有する水透過性の構造を有している。

0071

この陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24は、ナノサイズの繊維24aを用いて形成しているため、同重量、同材質のものに比べ、著しく比表面積が広くなっており、反応性が非常に高くなっている。

0072

したがって、この陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24も陽イオンを素早く吸着する。そして、陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24に吸着された陽イオンは、さらに外周に存在する陰極28にひき付けられ、補強材26の比較的大きな貫通孔を介して陰極28側へ移動し、濃縮水吐出口32bからイオン交換装置18の外に濃縮水として排出される。

0073

また、イオン交換層22内部に流入した硫酸イオン塩化物イオン硝酸イオン燐酸イオン等の陰イオンも、イオン交換層22内部の陰イオン交換繊維や陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23と着脱を繰り返しながら移動する。すなわち、陰イオンは、上述の陽イオンとは逆方向(径方向内周側)である陽極27側に移動し、濃縮水吐出口32bからイオン交換装置18の外に濃縮水として排出される。

0074

こうして、水中のイオン成分が取り除かれた脱イオン水が、溝41bに形成した連通口41cを介して脱イオン水吐出口32cから吐出される。

0075

なお、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23および陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24は、ナノサイズの繊維23a,24aで層を形成しているため、両面に連通する孔の孔径もナノサイズの極めて小さい孔とすることができる。したがって、ケーシング30の外周部を流れる水と、ケーシング30の内周部を流れる水が、イオン交換層22内に移動してしまうのを抑制することができる。

0076

なお、イオン交換装置18として、図4に示すように、イオン交換ユニット20を複数備えたものを用いることも可能である。

0077

図4では、3つのイオン交換ユニット20を同心状に配置させたものを示している。

0078

そして、各々のイオン交換層22の径方向外周側に、陽イオン交換薄層24と陰極28を設け、各々のイオン交換層22の径方向内周側に、陰イオン交換薄層23と陽極27を設けている。また、各々のイオン交換ユニット20を一体的に固定するエンドキャップ41に設けた各々の脱イオン水吐出口32cをさらに連結する脱イオン水集水路50を設けた。

0079

そして、それぞれのイオン交換ユニット20を経て生成された脱イオン水が脱イオン水集水路50を介して吐出されるようになっている。また、このとき生成される濃縮水も濃縮水集水路51を介してイオン交換装置18の外に排出される。

0080

このような構成とすることで、高効率のイオン交換装置18をさらにコンパクトにすることができる。

0081

以上説明したように、本実施形態では、イオン交換機能を有するとともに、水に対して難膨潤性であるイオン交換膜を、陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23と陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24として用いた。したがって、乾燥した状態で組み付けた陰イオン交換薄層(イオン交換膜)23と陽イオン交換薄層(イオン交換膜)24が、水を含浸した際に変形してしまうのを抑制することができる。このように、本実施形態によれば、より容易にイオン交換膜を装置に組み付けることができる。

0082

また、このようなイオン交換膜を用いることで、より容易に組み立てることのできるイオン交換体21、イオン交換ユニット20、イオン交換装置18ならびに水処理装置10を得ることができる。

0083

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。

0084

例えば、水処理装置は、少なくともイオン交換装置を備えていればよい。

0085

10水処理装置
18イオン交換装置
20イオン交換ユニット
21イオン交換体
22イオン交換繊維層(イオン交換部)
23陰イオン交換薄層(イオン交換膜)
23a 繊維
24陽イオン交換薄層(イオン交換膜)
24a 繊維
27陽極
27a導電性繊維
28陰極
28a 導電性繊維

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