JP3985495B2

JP3985495B2 - Electrodeionization equipment

Info

Publication number: JP3985495B2
Application number: JP2001325286A
Authority: JP
Inventors: 伸佐藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: JP2003126863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陰極板と陽極板との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置に係り、詳しくは、フッ素濃度の高い被処理水も処理することができる電気脱イオン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や液晶等を製造する電子産業分野の工場では、水の有効利用率を高めるために、洗浄水として使用した後の使用済み超純水（以下「回収水」と称す場合がある。）を回収、処理して再利用することが行われている。
【０００３】
この回収水の脱イオン処理に電気脱イオン装置を用いることが特開２００１−１７０６５８号に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
回収水中にはフッ素イオンが含有されているため、電気脱イオン装置の陽極板近傍に腐食性の強いフッ酸（ＨＦ）が濃縮し、陽極板が腐食し易い。
【０００５】
上記特開２００１−１７０６５８号では、被処理水をフッ素吸着除去装置に通水してフッ素を除去した後、電気脱イオン装置に通水するようにしているが、フッ素を十分に除去し得るフッ素吸着除去装置が必要である。
【０００６】
本発明は、フッ素濃度の高い被処理水であっても、フッ素吸着除去装置を用いることなく、あるいは簡易な構成のフッ素除去装置を用いるだけで、十分に処理することができる電気脱イオン装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気脱イオン装置は、陰極板と陽極板との間に、複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置において、少なくとも該陽極板の水と接する面がダイヤモンドよりなることを特徴とするものである。
【０００８】
かかる電気脱イオン装置は、少なくとも陽極板の水と接する面がダイヤモンドよりなるため、フッ酸により腐食を受けることがなく、高濃度フッ酸イオン含有水であっても長期にわたり安定して処理することができる。
【０００９】
本発明では、陽極板だけでなく陰極板の水と接する面もダイヤモンドにて構成してもよい。また、陽極板や陰極板の全体をダイヤモンドにて構成してもよい。
【００１０】
このダイヤモンドとしてはＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）法により製作されるＣＶＤダイヤモンドが好適である。
【００１１】
本発明の電気脱イオン装置では、該陰極板及び陽極板のうちの少なくとも一方に電極水の通水路を設けてもよい。
【００１２】
陰極板及び陽極板自体に電極水を通水可能な通水路を設けることにより、電極水を通水するための陰極室及び陽極室を省略することができ、陰極室及び陽極室を設けることによる電気抵抗の発生を解消することができる。また、陰極板及び陽極板に電極水を通水して、電解により発生したガスを排出することができる。
この場合、陰極板はアニオン交換膜に、また陽極板はカチオン交換膜に接していることが好ましい。
【００１３】
また、陰極板及び陽極板は、厚み方向に貫通する多数の開口を有した孔明き板を複数枚積層してなり、隣接する孔明き板の孔同士が部分的に重なり合うことにより電極水の通水路が形成された構成とすることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は実施の形態に係る電気脱イオン装置の構造を示す模式的な断面図である。図示の通り、この電気脱イオン装置にあっては、電極板（陽極板１１、陰極板１２）の間に複数のアニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合もしくは複層状に充填している。脱塩室１６に被処理水が流通され、濃縮室には濃縮水が流通される。また、濃縮室１５と陽極板１１及び陰極板１２との間の陽極室１７及び陰極室１８にはそれぞれ電極水が通水される。被処理水が脱塩室１６を流れる間にイオンが濃縮室１５に透通し、脱塩処理水（脱イオン水）が脱塩室１６から取り出される。
【００１６】
この実施の形態では、陽極板１１及び陰極板１２はいずれも、導電性の基板の水と接する面にホウ素（Ｂ）をドープしたＣＶＤダイヤモンド薄膜を成膜したものである。このＣＶＤダイヤモンド薄膜は、耐食性がきわめて高く、また緻密である。そのため、フッ酸濃度の高い水と接触しても腐食することがなく、基板の腐食も防止する。
【００１７】
この基板としては、耐食性の金属よりなる板；耐食性の金属で表面をメッキした金属板；炭素板などが好適である。耐食性の金属としては、白金等の貴金属、チタン、ステンレスなどが例示される。なお、ＣＶＤダイヤモンドの膜厚を著しく大きくすることにより陽極板及び陰極板の全体をＣＶＤダイヤモンド製とすることも可能である。
【００１８】
ダイヤモンドにホウ素をドープすることによりその比抵抗を低下させることができる。ただし、ホウ素のドープは必須ではない。
【００１９】
ＣＶＤダイヤモンド薄膜を有する電極板を製造するには、例えば、真空槽内に放電管を設けると共に、この放電管の周囲を囲む隔壁を設け、かつ放電管と隔壁との空間を真空排気し、放電管に対向して基板を設け、プラズマ放電により、基板上にダイヤモンド薄膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜方法によればよい。
【００２０】
本発明では、陽極板１１及び陰極板１２の少なくとも一方が電極水の通水路を有するものであってもよい。例えば、上記の基板の代りに耐食性金属製のメッシュ又は耐食性金属のメッキを施したメッシュの表面にダイヤモンド薄膜を成膜したものであってもよい。
【００２１】
また、図２，３に示す電気脱イオン装置のように、タイヤモンド薄膜で被覆された孔明き板を複数枚被層したものであってもよい。
【００２２】
図２はこの電気脱イオン装置の構造を示す模式的な断面図である。図３はこの電気脱イオン装置の電極板（陰極板、陽極板）の構成を示す図であって、図３（ａ），（ｂ）は電極板を構成する孔明き板を示す平面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面の拡大図、図３（ｄ）は図３（ｂ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図の拡大図、図３（ｅ）は電極板の断面の拡大図である。
【００２３】
この電気脱イオン装置は、陽極板２１と陰極板２２との間に複数のアニオン交換膜１３とカチオン交換膜１４を交互に配列し、濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、最も陽極板２１に近いカチオン交換膜１４は、陽極板２１に接して設けられている。また、最も陰極板２２に近いアニオン交換膜１３は陰極板２２に接して設けられている。
【００２４】
この電気脱イオン装置において、陽極板２１及び陰極板２２は電極水の通水路を有するため、陽極室及び陰極室を省略した構成としても陽極板２１及び陰極板２２に電極水を通水して電解により発生するガスを排出することができる。
【００２５】
なお、脱イオン水の生産機構は従来の電気脱イオン装置と同様であり、被処理水中のイオンが脱塩室１６からアニオン交換膜１３又はカチオン交換膜１４を透過して隣接する濃縮室１５に移動することにより、脱塩室１６から脱イオン水が生産され、濃縮室１５からは、イオンが濃縮された濃縮水が排出される。
【００２６】
この陽極板２１及び陰極板２２（以下「電極板」と称す場合がある。）の構成について、図３を参照して説明する。この電極板は、厚み方向に貫通する多数の開口を有した孔明き板を複数枚積層して構成し、隣接する孔明き板の孔同士が部分的に重なり合うことにより、電極水の通水路が形成されたものである。この孔明き板の表面にはダイヤモンド薄膜が成膜されている。
【００２７】
図３（ａ），（ｂ）では、厚さ方向に貫通する多数の菱形の開口１Ａ，２Ａが形成された孔明き板１，２を積層し、孔明き板１，２の孔１Ａ，２Ａが重なり合った部分から、順次電極水が移動できる構成としている。
【００２８】
孔明き板１の開口１Ａと孔明き板２の開口２Ａとは、孔明き板１と孔明き板２とを重ね合わせたときに、互いに位置がずれ、一部のみが重なるような位相で設けられており、図３（ｅ）に示す如く、この孔明き板１と孔明き板２とを重ねると、開口１Ａと開口２Ａの重なり部分を通って、電極水は、孔明き板１の開口１Ａ→孔明き板２の開口２Ａ→孔明き板１の開口１Ａ→孔明き板２の開口２Ａ→…の順で上から下へ順次孔明き板１の開口１Ａと孔明き板２の開口２Ａとを交互に通過して流れるようになる。
【００２９】
この開口の形成割合が過度に大きいと電気抵抗が大きくなるため、開口の形成割合は電極水の通水路を確保することができる範囲である程度小さくすることが望ましい。特に、イオン交換膜（アニオン交換膜又はカチオン交換膜）と接する電極板面の開口の総面積（全部の開口の面積の合計）は、電極板の面積（開口を含む面積）に対して５０％以下、特に３０％以下であることが好ましい。
【００３０】
また、１個当たりの開口の面積は、１〜５ｍｍ^２であることが好ましい。この面積範囲であれば、電極水が効率的に流れ、ガスも効率的に排出される。
【００３１】
図３では、孔明き板の開口として菱形形状のものを示したが、開口の形状は何らこれに限定されず、電極水が重なり合い部分を経て少なくとも一方向へ流れるような形状であれば、円形、楕円形、その他の多角形や、星形等の異形形状であっても良い。また、開口の大きさや形状は必ずしもすべて同一である必要はなく、大きさ及び／又は形状の異なる開口を組み合わせて設けたものであっても良い。
【００３２】
図３では、孔明き板を２枚積層した電極板を示したが、３枚以上の孔明き板を積層して電極板を構成しても良い。また、イオン交換膜と反対側の面には無孔板を設けても良く、このような無孔板を設けることにより、電気脱イオン装置の組み立てに際し、電極板を締め付けるプレートと電極板との間の水のシール性を高めることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の電気脱イオン装置によると、フッ素イオンや塩素イオンなどの腐食性の強いイオンを高濃度に含む被処理水であっても、電極に腐食を生じさせることなく長期にわたり安定して脱イオン処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気脱イオン装置の実施の形態を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の電気脱イオン装置の別の実施の形態を示す模式的な断面図である。
【図３】図２の電気脱イオン装置の電極板（陰極板、陽極板）の構成を示す図であって、図３（ａ），（ｂ）は電極板を構成する孔明き板を示す平面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面の拡大図、図３（ｄ）は図３（ｂ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図の拡大図、図３（ｅ）は電極板の断面の拡大図である。
【符号の説明】
１，２孔明き板
１Ａ，２Ａ開口
１１，２１陽極板
１２，２２陰極板
１３アニオン交換膜
１４カチオン交換膜
１５濃縮室
１６脱塩室
１７陽極室
１８陰極室[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrodeionization apparatus in which a plurality of anion exchange membranes and cation exchange membranes are alternately arranged between a cathode plate and an anode plate to form a concentration chamber and a desalting chamber. Relates to an electrodeionization apparatus capable of treating water to be treated having a high fluorine concentration.
[0002]
[Prior art]
In factories in the electronics industry that manufacture semiconductors, liquid crystals, etc., used ultrapure water (hereinafter sometimes referred to as “recovered water”) after being used as cleaning water in order to increase the effective utilization rate of water. It is collected, processed and reused.
[0003]
JP-A-2001-170658 describes that an electrodeionization apparatus is used for the deionization treatment of the recovered water.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the recovered water contains fluorine ions, highly corrosive hydrofluoric acid (HF) is concentrated near the anode plate of the electrodeionization apparatus, and the anode plate is easily corroded.
[0005]
In the above Japanese Patent Laid-Open No. 2001-170658, water to be treated is passed through a fluorine adsorption / removal device to remove fluorine, and then passed to an electrodeionization device, but fluorine that can sufficiently remove fluorine. An adsorption removal device is required.
[0006]
The present invention provides an electrodeionization apparatus capable of sufficiently treating water to be treated with a high fluorine concentration without using a fluorine adsorption removal apparatus or simply using a fluorine removal apparatus having a simple configuration. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The electrodeionization apparatus of the present invention is an electrodeionization ion which is formed by alternately arranging a plurality of anion exchange membranes and cation exchange membranes between a cathode plate and an anode plate to form a concentration chamber and a demineralization chamber. The apparatus is characterized in that at least the surface of the anode plate in contact with water is made of diamond.
[0008]
Such an electrodeionization apparatus is such that at least the surface of the anode plate in contact with water is made of diamond, so that it is not corroded by hydrofluoric acid, and even high concentration hydrofluoric acid ion-containing water can be treated stably over a long period of time. Can do.
[0009]
In the present invention, not only the anode plate but also the surface of the cathode plate in contact with water may be made of diamond. Moreover, you may comprise the whole anode plate or cathode plate with a diamond.
[0010]
As this diamond, CVD diamond manufactured by a CVD method (Chemical Vapor Deposition) method is suitable.
[0011]
In the electrodeionization apparatus of the present invention, a water passage for electrode water may be provided on at least one of the cathode plate and the anode plate.
[0012]
By providing the cathode plate and the anode plate with a water passage through which the electrode water can flow, the cathode chamber and the anode chamber for passing the electrode water can be omitted, and by providing the cathode chamber and the anode chamber. Generation of electrical resistance can be eliminated. Moreover, the electrode water can be passed through the cathode plate and the anode plate, and the gas generated by electrolysis can be discharged.
In this case, the cathode plate is preferably in contact with the anion exchange membrane and the anode plate is in contact with the cation exchange membrane.
[0013]
Further, the cathode plate and the anode plate are formed by laminating a plurality of perforated plates having a large number of openings penetrating in the thickness direction, and the holes of the adjacent perforated plates are partially overlapped to allow the passage of electrode water. A configuration in which a water channel is formed is preferable.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an electrodeionization apparatus according to an embodiment. As shown in the figure, in this electrodeionization apparatus, a plurality of anion exchange membranes 13 and cation exchange membranes 14 are alternately arranged between electrode plates (anode plate 11 and cathode plate 12) to remove from the concentration chamber 15. The salt chambers 16 are alternately formed, and the desalting chamber 16 is mixed or filled with an anion exchanger and a cation exchanger made of an ion exchange resin, an ion exchange fiber, a graft exchanger, or the like. The treated water is circulated in the desalting chamber 16 and the concentrated water is circulated in the concentration chamber. Electrode water is passed through the anode chamber 17 and the cathode chamber 18 between the concentration chamber 15 and the anode plate 11 and the cathode plate 12, respectively. While the water to be treated flows through the desalting chamber 16, ions pass through the concentration chamber 15, and desalted water (deionized water) is taken out from the desalting chamber 16.
[0016]
In this embodiment, both the anode plate 11 and the cathode plate 12 are obtained by forming a CVD diamond thin film doped with boron (B) on the surface of a conductive substrate in contact with water. This CVD diamond thin film has extremely high corrosion resistance and is dense. Therefore, even when it comes into contact with water having a high hydrofluoric acid concentration, it does not corrode and prevents the substrate from corroding.
[0017]
As this substrate, a plate made of a corrosion-resistant metal; a metal plate whose surface is plated with a corrosion-resistant metal; a carbon plate and the like are suitable. Examples of the corrosion-resistant metal include noble metals such as platinum, titanium, and stainless steel. It is possible to make the whole of the anode plate and the cathode plate made of CVD diamond by remarkably increasing the film thickness of CVD diamond.
[0018]
The specific resistance can be lowered by doping boron into diamond. However, boron doping is not essential.
[0019]
In order to manufacture an electrode plate having a CVD diamond thin film, for example, a discharge tube is provided in a vacuum chamber, a partition wall surrounding the discharge tube is provided, and a space between the discharge tube and the partition wall is evacuated and discharged. A plasma CVD film forming method may be used in which a substrate is provided facing the tube and a diamond thin film is formed on the substrate by plasma discharge.
[0020]
In the present invention, at least one of the anode plate 11 and the cathode plate 12 may have a water passage for electrode water. For example, instead of the above substrate, a diamond thin film may be formed on the surface of a mesh made of a corrosion resistant metal or a mesh plated with a corrosion resistant metal.
[0021]
Further, as in the electrodeionization apparatus shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of perforated plates covered with a tiremond thin film may be laminated.
[0022]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of this electrodeionization apparatus. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an electrode plate (cathode plate, anode plate) of this electrodeionization apparatus, and FIGS. 3A and 3B are plan views showing a perforated plate constituting the electrode plate, 3 (c) is an enlarged view of a cross section taken along the line CC of FIG. 3 (a), FIG. 3 (d) is an enlarged view of a cross sectional view taken along the line DD of FIG. 3 (b), and FIG. e) is an enlarged view of a cross section of the electrode plate.
[0023]
In this electrodeionization apparatus, a plurality of anion exchange membranes 13 and cation exchange membranes 14 are alternately arranged between an anode plate 21 and a cathode plate 22, and concentration chambers 15 and demineralization chambers 16 are alternately formed. The cation exchange membrane 14 closest to the anode plate 21 is provided in contact with the anode plate 21. The anion exchange membrane 13 closest to the cathode plate 22 is provided in contact with the cathode plate 22.
[0024]
In this electrodeionization apparatus, the anode plate 21 and the cathode plate 22 have electrode water passages. Therefore, even if the anode chamber and the cathode chamber are omitted, the electrode water is passed through the anode plate 21 and the cathode plate 22. Gas generated by electrolysis can be discharged.
[0025]
The production mechanism of deionized water is the same as that of the conventional electrodeionization apparatus, and ions in the water to be treated permeate from the desalting chamber 16 through the anion exchange membrane 13 or the cation exchange membrane 14 to the adjacent concentrating chamber 15. By moving, deionized water is produced from the desalting chamber 16, and concentrated water enriched with ions is discharged from the concentration chamber 15.
[0026]
The configuration of the anode plate 21 and the cathode plate 22 (hereinafter sometimes referred to as “electrode plate”) will be described with reference to FIG. This electrode plate is formed by laminating a plurality of perforated plates having a large number of openings penetrating in the thickness direction, and the holes of the adjacent perforated plates are partially overlapped, thereby providing a water passage for electrode water. It is formed. A diamond thin film is formed on the surface of the perforated plate.
[0027]
3A and 3B, the perforated plates 1 and 2 having a large number of rhomboid openings 1A and 2A penetrating in the thickness direction are stacked, and the holes 1A and 2A of the perforated plates 1 and 2 are stacked. It is set as the structure which electrode water can move sequentially from the part which overlapped.
[0028]
The opening 1A of the perforated plate 1 and the opening 2A of the perforated plate 2 are provided in such a phase that when the perforated plate 1 and the perforated plate 2 are overlapped, the positions are shifted from each other and only a part thereof is overlapped. As shown in FIG. 3 (e), when the perforated plate 1 and the perforated plate 2 are overlapped, the electrode water passes through the overlapping portion of the opening 1A and the opening 2A, and the electrode water passes through the opening of the perforated plate 1. 1A → Opening 2A of perforated plate 2 → Opening 1A of perforated plate 1 → Opening 2A of perforated plate 2 →... Opening 1A of perforated plate 1 and opening 2A of perforated plate 2 in this order from top to bottom And flow alternately.
[0029]
If the formation ratio of the openings is excessively large, the electrical resistance increases. Therefore, it is desirable to reduce the formation ratio of the openings to some extent within a range in which the water passage for the electrode water can be secured. In particular, the total area (total area of all openings) of the electrode plate surface in contact with the ion exchange membrane (anion exchange membrane or cation exchange membrane) is 50% of the electrode plate area (area including the openings). Hereinafter, it is particularly preferably 30% or less.
[0030]
Moreover, it is preferable that the area of the opening per piece is 1-5 mm < ² >. If it is this area range, electrode water will flow efficiently and gas will also be discharged | emitted efficiently.
[0031]
In FIG. 3, the opening of the perforated plate is shown as a rhombus, but the shape of the opening is not limited to this, and the opening is circular as long as the electrode water flows in at least one direction through the overlapping portion. It may be an elliptical shape, other polygonal shapes, or an irregular shape such as a star shape. Also, the sizes and shapes of the openings are not necessarily the same, and openings having different sizes and / or shapes may be provided in combination.
[0032]
Although FIG. 3 shows an electrode plate in which two perforated plates are stacked, the electrode plate may be configured by stacking three or more perforated plates. In addition, a non-porous plate may be provided on the surface opposite to the ion exchange membrane, and by providing such a non-porous plate, when assembling the electrodeionization apparatus, the plate and the electrode plate for fastening the electrode plate It is possible to improve the sealing performance of the water.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the electrodeionization apparatus of the present invention, even in water to be treated containing highly corrosive ions such as fluorine ions and chlorine ions at a high concentration, the electrodes are stable for a long time without causing corrosion. And can be deionized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an electrodeionization apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the electrodeionization apparatus of the present invention.
3 is a diagram showing the configuration of electrode plates (cathode plates, anode plates) of the electrodeionization apparatus of FIG. 2, and FIGS. 3 (a) and 3 (b) show perforated plates constituting the electrode plates. FIG. 3C is an enlarged view of a cross section taken along line CC in FIG. 3A, FIG. 3D is an enlarged view of a cross sectional view taken along line DD in FIG. FIG. 3E is an enlarged view of a cross section of the electrode plate.
[Explanation of symbols]
1, 2 Perforated plates 1A, 2A Openings 11, 21 Anode plates 12, 22 Cathode plate 13 Anion exchange membrane 14 Cation exchange membrane 15 Concentration chamber 16 Desalination chamber 17 Anode chamber 18 Cathode chamber

Claims

In an electrodeionization apparatus in which a plurality of anion exchange membranes and cation exchange membranes are alternately arranged between a cathode plate and an anode plate to form a concentration chamber and a desalting chamber, at least water in the anode plate An electrodeionization apparatus characterized in that the surface in contact with diamond is made of diamond.

2. The electrodeionization apparatus according to claim 1, wherein at least a surface of the cathode plate and the anode plate in contact with water is made of diamond.

3. The electrodeionization apparatus according to claim 1, wherein the diamond is a CVD diamond.

The electrodeionization apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of the cathode plate and the anode plate has a water passage for electrode water.