JP7668623B2 - イオン分離装置及び復水脱塩システム - Google Patents

Description

本発明はイオン分離装置と復水脱塩システムに関する。

陽イオンと陰イオンとを含む液体から陽イオンと陰イオンを分離する方法として、例えば電気透析を用いる方法が知られている。特許文献１には、ＮａＣｌの水溶液を供給する電離室と、電離室の陽極側にアニオン交換膜を介して隣接する酸室と、電離室の陰極側にカチオン交換膜を介して隣接するアルカリ室と、を有する電気透析装置が開示されている。Ｎａイオンはカチオン交換膜を通ってアルカリ室に移動し、Ｃｌイオンはアニオン交換膜を通って酸室に移動し、これによって、陽イオンと陰イオンとが分離される。

特許第４０６５３８６号公報

特許文献１に記載された装置では、陽イオンと陰イオンの分離のために３つの部屋が必要となり、装置の小型化が困難である。

本発明は、小型化が容易なイオン分離装置を提供することを目的とする。

本発明のイオン分離装置は、陽極と、陰極と、一方のユニットと、他方のユニットと、を有し、前記一方のユニットと前記他方のユニットの各々は、陽極と陰極との間に位置する第１の部屋と、第１の部屋と陰極との間に位置し、第１の部屋と隣接し且つ非連通の第２の部屋と、第１の部屋の陽極側を仕切る第１のカチオン交換膜と、第２の部屋の陰極側を仕切る第１のアニオン交換膜と、を有し、一方のユニットの第２の部屋と他方のユニットの第１の部屋は水の供給口を有し、他方のユニットの第２の部屋はNH ₄ ⁺ とCl ^- を含む液体またはNH ₄ ⁺ とSO ₄ ^2- とを含む液体の供給口を有し、一方のユニットは、一方のユニットの第１の部屋と第２の部屋とを仕切る第２のカチオン交換膜を有し、他方のユニットは、他方のユニットの第１の部屋と第２の部屋とを仕切る第２のアニオン交換膜を有し、他方のユニットは一方のユニットの陰極側で一方のユニットと隣接し、他方のユニットの第２の部屋と一方のユニットの第１の部屋は、他方のユニットの第２の部屋が上流側、一方のユニットの第１の部屋が下流側となるように接続され、一方のユニットの第１のアニオン交換膜と、他方のユニットの第１のカチオン交換膜とが隣接している。

本発明によれば、正負のイオン成分の一方は副室に移動するが、他方は主室に留まる。よって、正負のイオン成分を２つの部屋で分離することが可能であり、イオン分離装置の小型化が容易となる。

第１及び第２の実施形態を示す概略図である。 比較例を示す概略図である。 第３の実施形態を示す概略図である。 第４の実施形態を示す概略図である。 第５の実施形態を示す概略図である。 第６の実施形態を示す概略図である。 第７の実施形態を示す概略図である。 第８の実施形態を示す概略図である。 復水脱塩システムの概略図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。図１は、本発明の原理を説明する模式図であり、第１及び第２の実施形態を簡略化して示している。図２は、比較例１～５を簡略化して示す図１と同様の図である。図１，２において陽極は＋を丸で囲んだ図形で示し、陰極は－を丸で囲んだ図形で示している。また、正のイオン成分（カチオン成分）は＋を四角で囲んだ図形で示し、負のイオン成分（アニオン成分）は－を四角で囲んだ図形で示している。

図１（ａ）は第１の実施形態のイオン分離装置１の主室２と副室３を示している。イオン分離装置１は、陽極と陰極との間に位置する第１及び第２の部屋Ｈ１，Ｈ２を有している。第２の部屋Ｈ２は第１の部屋Ｈ１と陰極との間に位置している。第１の部屋Ｈ１は陽極側に位置し、第２の部屋Ｈ２は陰極側に位置している。すなわち、第１の部屋Ｈ１の陽極側は第１のカチオン交換膜Ｋ１で仕切られ、第２の部屋Ｈ２の陰極側は第１のアニオン交換膜Ａ１で仕切られている。第１の部屋Ｈ１と第２の部屋Ｈ２は中間イオン交換膜Ｍで仕切られ、且つ中間イオン交換膜Ｍを介して隣接している。本実施形態では、中間イオン交換膜Ｍは第２のアニオン交換膜Ａ２である。従って、第１の部屋Ｈ１は陽極室側を第１のカチオン交換膜Ｋ１で仕切られ、陰極側を第２のアニオン交換膜Ａ２で仕切られる。第２の部屋Ｈ２は陽極側を第２のアニオン交換膜Ａ２で仕切られ、陰極側を第１のアニオン交換膜Ａ１で仕切られる。２つのアニオン交換膜で仕切られた部屋を主室２、両側をカチオン交換膜とアニオン交換膜とで仕切られた部屋を副室３という。本実施形態では、第２の部屋Ｈ２が主室２であり、第１の部屋Ｈ１が副室３である。

主室２は正負のイオン成分を含む液体（以下、被処理液という）の供給口４と処理された液体の排出口５と、を有する。被処理液は供給口４を通って主室２に供給される。正のイオン成分は陰極側に電気的引力を受けるが、第１のアニオン交換膜Ａ１を通過できないため、主室２に留まる。負のイオン成分（アニオン成分）は陽極側に電気的引力を受け、第２のアニオン交換膜Ａ２を通って副室３に移動する。しかし、負のイオン成分は第１のカチオン交換膜Ｋ１を通過できないため、副室３に移動後は副室３に留まる。このようにして、本実施形態では、正負のイオン成分をそれぞれ主室２と副室３に分離することができる。

図１（ｂ）は第２の実施形態のイオン分離装置１の主室２と副室３を示している。本実施形態では、中間イオン交換膜Ｍは第２のカチオン交換膜Ｋ２である。第１の部屋Ｈ１は陽極室側を第１のカチオン交換膜Ｋ１で仕切られ、陰極側を第２のカチオン交換膜Ｋ２で仕切られている。第２の部屋Ｈ２は陽極側を第２のカチオン交換膜Ｋ２で仕切られ、陰極側を第１のアニオン交換膜Ａ１で仕切られている。本実施形態では、第１の部屋Ｈ１が主室２であり、第２の部屋Ｈ２が副室３である。正のイオン成分は陰極側に電気的引力を受け、第２のカチオン交換膜Ｋ２を通って副室３に移動する。しかし、正のイオン成分は第１のアニオン交換膜Ａ１を通過できないため、副室３に移動後は副室３に留まる。負のイオン成分は陽極側に電気的引力を受けるが、第１のカチオン交換膜Ｋ１を通過できないため、主室２に留まる。このようにして、本実施形態では、正負のイオン成分をそれぞれ副室３と主室２とに分離することができる。

図２（ａ）は比較例１のイオン分離装置１０１の主室２と副室３を示している。本比較例は、膜構成は第１の実施形態と同じであるが、被処理液は副室３に供給される。正のイオン成分は陰極側に電気的引力を受けるが、第２のアニオン交換膜Ａ２を通過できないため、副室３に留まる。同様に、負のイオン成分は陽極側に電気的引力を受けるが、第１のカチオン交換膜Ｋ１を通過できないため、副室３に留まる。従って、比較例１では正負のイオン成分を分離することができない。図２（ｂ）は比較例２のイオン分離装置１０１の主室２と副室３を示している。本比較例は、膜構成は第２の実施形態と同じであるが、被処理液は副室３に供給される。正のイオン成分は陰極側に電気的引力を受けるが、第１のアニオン交換膜Ａ１を通過できないため、副室３に留まる。同様に、負のイオン成分は陽極側に電気的引力を受けるが、第２のカチオン交換膜Ｋ２を通過できないため、副室３に留まる。従って、比較例２では正負のイオン成分を分離することができない。このように、被処理液を副室３に供給する場合、正負のイオン成分を分離することができない。

図２（ｃ）は比較例３のイオン分離装置１０１の主室１０２を示している。本比較例は、主室１０２のみが設けられ、副室が設けられていない。正のイオン成分は陰極側に電気的引力を受け、第１のカチオン交換膜Ｋ１を通って陰極側に移動する。負のイオン成分は陽極側に電気的引力を受け、第１のアニオン交換膜Ａ１を通って陽極側に移動する。この構成は、主室１０２から正負のイオン成分がともに除去されるため、例えば純水を製造する場合に用いられる。しかし、主室１０２の両側に正のイオン成分と負のイオン成分を受け入れる部屋が必要であり、正負のイオン成分を分離するために少なくとも３つの部屋を必要とする。図２（ｄ）は比較例４のイオン分離装置１０１の主室２０２と副室２０３を示している。本比較例では、比較例３の主室１０２が第２のアニオン交換膜Ａ２で、主室２０２と副室２０３とに分割されている。被処理水は主室２０２に供給され、主室２０２で処理された被処理水はさらに副室２０３に供給される。負のイオン成分は陽極側に電気的引力を受け、第１のアニオン交換膜Ａ１を通って陽極側に移動する。正のイオン成分は陰極側に電気的引力を受けるが、第２のアニオン交換膜Ａ２を通過できないため、主室２０２に留まり、その後副室２０３に移動する。副室２０３に移動した正のイオン成分は、陰極側に電気的引力を受け、第１のカチオン交換膜Ｋ１を通って陽極側に移動する。この構成も、主室２０２と副室２０３から正負のイオン成分がともに除去されるため、例えば純水を製造する場合に用いられる。しかし、主室２０２及び副室２０３の両側に正のイオン成分と負のイオン成分を受け入れる部屋が必要であり、正負のイオン成分を分離するために少なくとも４つの部屋を必要とする。第２のアニオン交換膜Ａ２の代わりにカチオン交換膜を設けても同じである。

図２（ｅ）は比較例５のイオン分離装置１０１の主室２と副室３を示している。本比較例は、膜構成は第１の実施形態と同じであるが、主室２と副室３が接続管６によって直列で接続されている。正のイオン成分は陰極側に電気的引力を受けるが、第１のアニオン交換膜Ａ１を通過できないため、主室２に留まる。負のイオン成分（アニオン成分）は第１の実施形態と同様、第２のアニオン交換膜Ａ２を通って副室３に移動し、副室３に留まる。しかし、主室２に留まった正のイオン成分は接続管６を通って副室３に移動する。従って、主室２と副室３が接続されている場合、正負のイオン成分を分離することができない。

本実施形態では、中間イオン交換膜Ｍはカチオン交換膜またはアニオン交換膜である。第１の部屋Ｈ１と第２の部屋Ｈ２のうち、同種のイオン交換膜（ともにアニオン交換膜、またはともにカチオン交換膜）で仕切られる部屋は主室２を構成し、異種のイオン交換膜（一方がアニオン交換膜、他方がカチオン交換膜）で仕切られる部屋は副室３を構成する。そして、正負のイオン成分を含む被処理液は主室２に供給される。また、主室２と副室３は非連通である。非連通とは、中間イオン交換膜Ｍをイオンが通過することは許容するが、主室２と副室３との間を液体が流通することは許容しないことを意味する。換言すれば、主室２と副室３は接続管６によって接続されていない。このような構成によれば、２つの部屋で正負のイオンを分離することができる。

主室２が第２の部屋Ｈ２である場合（第１の実施形態）、主室２と副室３にアニオン交換樹脂などのアニオン交換体Ａが充填されていることが好ましい。アニオン交換体Ａは負のイオン成分（アニオン成分）の副室３への移動を効率化する。主室２が第１の部屋Ｈ１である場合（第２の実施形態）、主室２と副室３にカチオン交換樹脂などのカチオン交換体Ｋが充填されていることが好ましい。カチオン交換体Ｋは正のイオン成分（カチオン成分）の副室３への移動を効率化する。

以下、本発明を他の実施形態によってさらに詳細に説明する。第１及び第２の実施形態と共通する説明は省略する。図３は本発明の第３の実施形態を示す模式図であり、膜構成は第１の実施形態に対応している。第１の部屋Ｈ１（副室３）の陽極側には陽極Ｅ１を備えた陽極室１１が配置されている。第２の部屋Ｈ２（主室２）の陰極側には陰極Ｅ２を備えた陰極室１２が配置されている。陽極室１１と陰極室１２には電極水が供給される。電極水は水であり、好ましくは純水である。陽極室１１と陰極室１２は並列接続されてもよいし、直列接続されてもよい。第２の部屋Ｈ２にはカチオン樹脂再生廃液が供給される。カチオン樹脂再生廃液は、アンモニアを含有する復水を処理する復水脱塩装置のカチオン樹脂再生装置から排出される廃液である。

この点に関し、図９を参照して以下詳細に説明する。火力発電所や加圧水型原子力発電所では、ボイラで生成された高温高圧の水蒸気が蒸気タービンに供給され、蒸気タービンから排出された排蒸気が復水器で凝縮されて復水となり、復水がボイラに給水として供給されるという水循環が行われている。復水中には腐食生成物などの不純物が蓄積するため、火力発電所や加圧水型原子力発電所には定常運転時に復水からこれらの不純物を除去する復水脱塩装置５１が設置されている。復水器が海水冷却方式である場合、復水脱塩装置５１は復水に混入する可能性のある、海水に含まれる塩化ナトリウム等を一定時間にわたり捕捉して、復水系を保護する機能も有している。復水脱塩装置５１にはアニオン樹脂とカチオン樹脂が充填されており、アニオン樹脂はアニオン樹脂再生装置５２で、カチオン樹脂はカチオン樹脂再生装置５３で再生され、復水脱塩装置５１で再利用される。

一方、火力発電所や加圧水型原子力発電所においては復水系の配管等の腐食を抑制するため、復水にアンモニア等のｐＨ調整剤を添加し、復水をアルカリ性にする運用が行われている。このため、海水の混入がない場合、復水脱塩装置５１のイオン負荷はほとんどがアンモニアである。しかし、海水の混入に備えるため、カチオン交換樹脂がイオン交換容量の５０～７０％程度のアンモニアを捕捉すると、カチオン樹脂再生装置５３において、塩酸、硫酸など（以下の説明は塩酸（HCl aq）で代表する）でアンモニウムイオン（NH₄ ⁺）を除去し、交換基をＨ形にする薬品再生を行う。再生廃液は主として、再生剤である塩酸と、イオン交換したアンモニウムイオン（NH₄ ⁺）とを含む。再生廃液は、復水系統に存在する不純物（Na, Fe, Cu等）、樹脂移送や空気混合の際に混入する炭酸イオンなどを含むことがあるが、いずれもごく微量である。従って、カチオン樹脂再生装置５３から排出されるカチオン交換樹脂の再生廃液は実質的にNH₄Cl＋HClである。

従来、再生廃液に含まれるアンモニア成分は回収していない。再生廃液はアニオン交換樹脂の再生に用いられる苛性ソーダの再生廃液と混合し、中和した後に廃棄されている。しかし、復水のｐＨを一定に維持するため、復水系統には復水脱塩装置５１で除去された分を補充する量のアンモニアが添加されている。このため、アンモニアを再生利用することが望まれるが、そのためには再生廃液に含まれるCl-イオンをアンモニアから分離する必要がある。従って、カチオン樹脂再生装置５３から排出されたカチオン樹脂再生廃液が、カチオン樹脂再生装置５３に接続されたイオン分離装置１で処理される。復水脱塩装置５１と、アニオン樹脂再生装置５２と、カチオン樹脂再生装置５３と、イオン分離装置１は復水脱塩システム５０を構成する。

本実施形態では、第２の部屋Ｈ２（主室２）はNH₄Cl+HClの供給口４を備え、第１の部屋Ｈ１（副室３）は水の供給口７を備えている。第２の部屋Ｈ２（主室２）にはNH₄Cl+HClが供給され、第１の部屋Ｈ１（副室３）には水が供給される。主室２のCl^-イオンは第２のアニオン交換膜Ａ２を通って副室３に移動する。陰極室１２では水の電気分解により2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-の化学反応が生じ、水酸化物イオン（OH^-）が連続的に生成されている。水酸化物イオンは第１のアニオン交換膜Ａ１を通って主室２に移動し、その一部は塩酸中の解離したプロトン（H^＋）と結合して水となる。アンモニウムイオン（NH₄ ⁺）は水酸化物イオンの一部と結合してアンモニアとなり、水に溶解する。この結果、主室２にアンモニア水溶液（NH₃ aq）が生成される。陽極室１１では、水の電気分解により2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-の化学反応が生じ、プロトンが連続的に生成されている。プロトンは第１のカチオン交換膜Ｋ１を通って副室３に移動する。副室３に移動したCl^-イオンは、同じく副室３に移動したプロトンと結合してHClとなり、副室３に供給される水に溶解する。この結果、副室３に塩酸（HCl aq）が生成される。プロトンの移動効率を高めるため、陽極室１１にはカチオン交換樹脂を充填することが好ましく、水酸化物イオン及びCl^-イオンの移動効率を高めるため、主室２、副室３及び陰極室１２にはアニオン交換樹脂を充填することが好ましい。

Clの量は、主室２に供給される被処理液である再生廃液の量で決まるため、副室３に供給される水の流量を調整することで、塩酸のCl濃度を制御することができる。再生廃液のCl濃度は３．５％程度であるが、塩酸のCl濃度は例えば、３．５～３５％の範囲で調整することができる。副室３に供給される水の流量を主室２に供給される再生廃液の流量より少なくすることで、再生廃液よりCl濃度の高い塩酸を生成することができる。副室３に供給される水の流量は主室２に供給される再生廃液の流量とは無関係に設定できるため、塩酸のCl濃度は自由に調整することができる。耐薬品性や発煙性の観点からは、塩酸のCl濃度は２５％以下にすることが好ましい。

海水漏洩がない限り、アニオン交換樹脂のイオン負荷は、復水中に残留するカチオン樹脂の再生剤（Cl^-, SO₄ ^2-）、炭酸イオンなどであるが、いずれも微量である。このため、アニオン交換樹脂の薬品再生の頻度は少なくてよい。しかし、カチオン樹脂の再生廃液の中和剤（NaOH）が必要なことから、アニオン交換樹脂についても毎回薬品再生を実施している。本実施形態では、カチオン樹脂の再生廃液が回収できるため、中和剤が不要である。このため、アニオン交換樹脂の再生頻度を低減させることが可能である。

図４は本発明の第４の実施形態を示す模式図であり、膜構成は第１の実施形態に対応している。本実施形態のイオン分離装置１は、互いに隣接する複数のユニットを有している。本実施形態では、２つのユニット（以下、第１のユニットＵ１、第２のユニットＵ２という）が設けられている。各ユニットは、第１及び第２の部屋Ｈ１，Ｈ２と、第１のカチオン交換膜Ｋ１と、第１のアニオン交換膜Ａ１と、中間イオン交換膜Ｍと、を有している。陽極Ｅ１側に位置する一方のユニット（第２のユニットＵ２）の第１のアニオン交換膜Ａ１と、陰極Ｅ２側に位置する他方のユニット（第１のユニットＵ１）の第１のカチオン交換膜Ｋ１とが隣接している。このため、第１のユニットＵ１は、第２の部屋Ｈ２（主室２）の陰極Ｅ２側で陰極Ｅ２を備えた陰極室１２と隣接しているが、陽極室１１とは隣接していない。また、第２のユニットＵ２は、第１の部屋Ｈ１（副室３）の陽極Ｅ１側で陽極Ｅ１を備えた陽極室１１と隣接しているが、陰極室１２とは隣接していない。第１のユニットＵ１の中間イオン交換膜Ｍと第２のユニットＵ２の中間イオン交換膜Ｍは同種のイオン交換膜であり、本実施形態では第２のアニオン交換膜Ａ２である。第１のユニットＵ１の主室２と第２のユニットＵ２の主室２は並列接続されている。すなわち、図示は省略するが、第１及び第２のユニットＵ１，Ｕ２の主室２には共通の配管からNH₄Cl＋HClを主成分とするカチオン樹脂再生廃液が供給され、第１及び第２のユニットＵ１，Ｕ２の副室３には共通の配管から水が供給される。陽極室１１と陰極室１２には水（電極水）が供給される。陽極室１１と陰極室１２は並列接続されてもよいし、直列接続されてもよい。

第２のユニットＵ２の第１のアニオン交換膜Ａ１と第１のユニットＵ１の第１のカチオン交換膜Ｋ１はバイポーラ膜ＢＰを形成する。バイポーラ膜ＢＰはアニオン交換膜とカチオン交換膜を貼り合わせたイオン交換膜である。膜の内部に浸透した水がアニオン交換膜とカチオン交換膜の界面で解離することで、プロトンと水酸化物イオンが発生する。バイポーラ膜ＢＰは、イオン成分の透過を阻止するが、生成するプロトンと水酸化物イオンによって電流を流すことができる。本実施形態では、バイポーラ膜ＢＰのこのような性質を生かし、バイポーラ膜ＢＰをプロトンと水酸化物イオンの供給手段、すなわち陽極Ｅ１及び陰極Ｅ２の代替手段として用いている。従って、第１のユニットＵ１は、陽極室１１がバイポーラ膜ＢＰに置き換えられた点を除き、第３の実施形態のイオン分離装置１と同じ構成を有し、第３の実施形態のイオン分離装置１と同じ原理で作動する。同様に、第２のユニットＵ２は、陰極室１２がバイポーラ膜ＢＰに置き換えられた点を除き、第３の実施形態のイオン分離装置１と同じ構成を有し、第３の実施形態のイオン分離装置１と同じ原理で作動する。

本実施形態は複数のユニットＵ１，Ｕ２を並列接続するため、被処理液の流量（処理量）を容易に増加することができる。ユニットの数は限定されない。図示は省略するが、３つ以上のユニットを並列接続する場合、両端を除くユニットはバイポーラ膜ＢＰによって、隣接する両側のユニットと仕切られる。

図５は本発明の第５の実施形態を示す模式図である。本実施形態では、一方のユニット（第１のユニットＵ１）の主室２を上流側として、他方のユニット（第２のユニットＵ２）の主室２を下流側として、これらの主室２が接続管６によって直列接続されている。第１のユニットＵ１は陰極Ｅ２側に、第２のユニットＵ２は陽極Ｅ１側に設けられている。第１のユニットＵ１の膜構成は第１の実施形態に対応し、第２のユニットＵ２の膜構成は第２の実施形態に対応している。すなわち、第１のユニットＵ１の中間イオン交換膜Ｍと第２のユニットＵ２の中間イオン交換膜Ｍは異種のイオン交換膜である。第１のユニットＵ１の主室２と副室３と陰極室１２にはアニオン交換樹脂が充填されていることが好ましく、第２のユニットＵ２の主室２と副室３と陽極室１１にはカチオン交換樹脂が充填されていることが好ましい。

NH₄Cl＋HClを主成分とするカチオン樹脂再生廃液は第１のユニットＵ１の主室２に供給される。第１及び第３の実施形態と同様の原理で、第１のユニットＵ１の主室２からはアンモニア水溶液（NH₃ aq）が排出される。また、第１のユニットＵ１の副室３には水が供給され、塩酸（HCl aq）が排出される。第１のユニットＵ１の主室２から排出されたアンモニア水溶液は第２のユニットＵ２の主室２に供給され、第２のユニットＵ２の副室３には水が供給される。アンモニア水溶液から解離したアンモニウムイオン（NH₄ ⁺）は第２のカチオン交換膜Ｋ２を通って第２のユニットＵ２の副室３に移動し、バイポーラ膜ＢＰから供給された水酸化物イオンと結合してアンモニア（ＮＨ_４・ＯＨ）となる。この結果、第２のユニットＵ２の副室３ではアンモニア水溶液が生成される。第２のユニットＵ２の主室２のアンモニア水溶液から解離した水酸化物イオンは、陽極Ｅ１から供給されたプロトンと結合して水となる。この結果、第２のユニットＵ２の主室２では水（H₂O）が生成される。

本実施形態では、第３、第４の実施形態と同様、第１のユニットＵ１の副室３に供給される水の流量を調整することで、塩酸濃度を自由に調整することができる。さらに、第２のユニットＵ２の副室３に供給される水の流量を調整することで、アンモニア水溶液のアンモニウムイオンの濃度を自由に調整することができる。これは、アンモニウムイオンの量が、第２のユニットＵ２の主室２に供給されるカチオン樹脂再生廃液に含まれるアンモニウムイオンの量、すなわち被処理液の量に依存するのに対し、水の量は第２のユニットＵ１の副室３に供給される水の流量に依存するためである。

さらに、本実施形態では、供給した水よりも多い水を回収することができる。第２のユニットＵ２の主室２から排出される水の流量は、第１のユニットＵ１の主室２から排出されるアンモニア水溶液の流量に依存し、アンモニア水溶液の流量は、第１のユニットＵ１の主室２に供給されるカチオン樹脂再生廃液の流量Ｒ１に依存する。これに対し、第１のユニットＵ１の副室３に供給する水の流量Ｒ２と第２のユニットＵ２の副室３に供給する水の流量Ｒ３は自由に調整できる。さらに、陽極室１１に供給する電極水の流量Ｒ４と、陰極室１２に供給する電極水の流量Ｒ５も自由に調整できるので、Ｒ１＞Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５となるように流量を調整すれば、水回収が可能となる。電極水を陽極室１１と陰極室１２に直列で通水する場合、陽極室１１に供給する電極水の流量Ｒ４（または陰極室１２に供給する電極水の流量Ｒ５）が自由に調整できるので、Ｒ１＞Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４（Ｒ５）となるように流量を調整すれば、水回収が可能となる。

図６は本発明の第６の実施形態を示す模式図である。本実施形態は第４の実施形態と同様の方法で、第５の実施形態のイオン分離装置１を並列接続したものである。イオン分離装置１は複数の統合ユニットＴ１，Ｔ２を有し、各々の統合ユニットは第５の実施形態における一方のユニット（第２のユニットＵ１）と他方のユニット（第１のユニットＵ２）とを有している。第１のユニットＵ１と第２のユニットＵ２は直列接続されている。そして、一方の統合ユニット（第１の統合ユニットＴ１）の上流側の主室２（２１）と他方の統合ユニット（第２の統合ユニットＴ２）の上流側の主室２（２２）が並列接続されている。第１の統合ユニットＴ１の下流側の主室２（２３）と第２の統合ユニットＴ２の下流側の主室２（２４）は並列接続されている。各ユニットの副室３へは共通の配管から水が供給される。各統合ユニットＴ１，Ｔ２は第５の実施形態と同様に作動する。本実施形態では、第４の実施形態と同様、被処理液の流量を容易に増加することができる。統合ユニットの数は限定されない。図示は省略するが、３つ以上の統合ユニットを並列接続する場合、両端を除く統合ユニットはバイポーラ膜ＢＰによって、隣接する両側の統合ユニットと仕切られる。

図７は本発明の第７の実施形態を示す模式図であり、膜構成は第２の実施形態に対応している。第１の部屋Ｈ１（主室２）の陽極Ｅ１側には陽極Ｅ１を備えた陽極室１１が配置されている。第２の部屋Ｈ２（副室３）の陰極Ｅ２側には陰極Ｅ２を備えた陰極室１２が配置されている。第１の部屋Ｈ１にはアンモニア水溶液（NH₃ aq）が供給され、第２の部屋Ｈ２（副室３）に水が供給される。アンモニア水溶液は特に限定されないが、第３～第６の実施形態のイオン分離装置１から排出されたものであってもよい。第２の部屋Ｈ２には水が供給される。

アンモニア水溶液から解離したアンモニウムイオン（NH₄ ⁺）は第２のカチオン交換膜Ｋ２を通って副室３に移動する。陰極室１２では水の電気分解により2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-の化学反応が生じ、水酸化物イオン（OH^-）が連続的に生成されている。水酸化物イオンは第１のアニオン交換膜Ａ１を通って副室３に移動する。アンモニウムイオン（NH₄ ⁺）は水酸化物イオンと結合してアンモニアとなり、水に溶解する。この結果、副室３にアンモニア水溶液（NH₃ aq）が生成される。陽極室１１では、水の電気分解により2H₂O→O₂+4H⁺＋4e^-の化学反応が生じ、プロトン（H⁺）が連続的に生成されている。アンモニア水溶液（NH₃ aq）から解離した水酸化物イオンは陽極Ｅ１から供給されたプロトンと結合して水となる。この水は主室２に供給される水として再利用することができる。プロトン及びアンモニウムイオンの移動効率を高めるため、陽極室１１、主室２及び副室３にはカチオン交換樹脂を充填することが好ましく、水酸化物イオンの移動効率を高めるため、陰極室１２にはアニオン交換樹脂を充填することが好ましい。

本実施形態では、アンモニア水溶液のアンモニウムイオンの濃度を調整することができる。副室３のアンモニウムイオンの量は主室２に供給されるアンモニア水溶液の流量に依存する。これに対し、副室３に供給する水の流量は自由に調整できる。従って、主室２に供給されるアンモニア水溶液の流量より副室３に供給する水の流量を少なくすることで、アンモニウムイオンの濃度を増加することができる。すなわち、アンモニア水溶液の濃縮が可能となる。また、副室３に供給する水より主室２から回収する水の方が多いため、水回収も可能である。

アンモニアは、例えば火力発電所の排煙脱硝装置に使用することができる。排煙脱硝装置は排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するもので、特にアンモニア接触還元法が広く用いられている。具体的には、排ガスにアンモニアを注入し、高温で触媒を通過させることで、窒素酸化物が窒素と水蒸気に分解される。アンモニアは燃料として使用することもできる。アンモニアを単独でまたはＬＮＧと混燃する技術はすでに実用化されている。アンモニアは多くの水素を含んでいるため、水素キャリアとして使用することもできる。アンモニアの分解（脱水素）反応によって水素を取り出し、水素を燃料電池として用いることができる。これらの用途では、輸送効率や貯蔵性の観点から、アンモニア水溶液の濃縮度を高めることが有効である。

アンモニアはウエハの洗浄に用いられることがある。ウエハが帯電してパーティクルが吸着するのを防ぐため、アンモニアを一定濃度（０．６～２３ｍｇ／Ｌ程度）添加した水を洗浄液として用いることがある。洗浄水に含まれるアンモニア以外のイオンは微量であり、陰イオンはほとんど含まれない。水質監視のため、洗浄水の一部が電気伝導率測定セルに取り出され、電気伝導率が測定される。電気伝導率測定セルに導入された洗浄水は測定後廃棄されている。洗浄水を本実施形態のイオン分離装置１で処理することによって、アンモニア濃度の高いアンモニア水溶液を生成し、再利用することができる。水も洗浄水として再利用できる。

図８は本発明の第８の実施形態を示す模式図であり、膜構成は第２の実施形態に対応している。本実施形態のイオン分離装置１は、第４の実施形態同様、互いに隣接する複数のユニットを有している。本実施形態では、２つのユニット（以下、第１のユニットＵ１、第２のユニットＵ２という）が設けられている。各ユニットは、第１及び第２の部屋Ｈ１，Ｈ２と、第１のカチオン交換膜Ｋ１と、第１のアニオン交換膜Ａ１と、第２のカチオン交換膜Ｋ２（中間イオン交換膜Ｍ）と、を有している。一方のユニット（第２のユニットＵ２）の第１のアニオン交換膜Ａ１と他方のユニット（第１のユニットＵ１）の第１のカチオン交換膜Ｋ１とが隣接している。このため、第１のユニットＵ１は、第２の部屋Ｈ２（副室３）の陰極Ｅ２側で陰極Ｅ２を備えた陰極室１２と隣接しているが、陽極室１１とは隣接していない。第２のユニットＵ２は、第１の部屋Ｈ１（主室２）の陽極Ｅ１側で陽極Ｅ１を備えた陽極室１１と隣接しているが、陰極室１２とは隣接していない。第１及び第２のユニットＵ１，Ｕ２の主室２には共通の配管からアンモニア水溶液が供給され、第１及び第２のユニットＵ１，Ｕ２の副室３には共通の配管から水が供給される。陽極室１１と陰極室１２にも共通の配管から電極水が供給される。

本実施形態は複数のユニットＵ１，Ｕ２を並列接続するため、電流効率が向上し、被処理液の流量（処理量）を容易に増加することができる。ユニットの数は限定されない。図示は省略するが、３つ以上のユニットを並列接続する場合、両端を除くユニットはバイポーラ膜ＢＰによって、隣接する両側のユニットと仕切られる。

（実施例１）
第３の実施形態のイオン分離装置１に３Ａの電流を通電しながら、主室２にアンモニア濃度１％、Cl濃度３．５％のNH₄ClとHClの混合液を、流量０．１Ｌ／ｈで供給した。陽極Ｅ１及び陰極Ｅ２として５ｃｍ×４ｃｍの電極を用いた。副室３に純水を流量０．０２Ｌ／ｈで供給し、陽極室１１と陰極室１２には純水を０．０１Ｌ／ｈで通水した。主室２、副室３、陰極室１２にアニオン交換樹脂を充填し、陽極室１１にカチオン交換樹脂を充填した。主室２からはCl^-イオンをほとんど含まない（＜1mgCl/L）、アンモニア濃度１％のアンモニア溶液が得られ、副室３からはCl濃度１７．５％の塩酸が得られた。

（実施例２）
第５の実施形態のイオン分離装置１に３Ａの電流を通電しながら、第１のユニットＵ１の主室２にアンモニア濃度１％、Cl濃度３．５％のNH₄ClとHClの混合液を、流量０．１Ｌ／ｈで供給した。第１のユニットＵ１の主室２からはCl^-イオンをほとんど含まない（＜1mgCl/L）アンモニア濃度１％のアンモニア溶液が得られた。このアンモニア溶液を第２のユニットＵ２の主室２に供給した。第２のユニットＵ２の主室２からはアンモニアを含まない純水が得られた。この純水の一部を第１のユニットＵ１の副室３に流量０．０２Ｌ／ｈで供給し、第２のユニットＵ２の副室３に流量０．０２Ｌ／ｈで供給し、陽極室１１と陰極室１２には純水を０．０１Ｌ／ｈで通水した。陽極Ｅ１及び陰極Ｅ２として５ｃｍ×４ｃｍの電極を用いた。第１のユニットＵ１の主室２、副室３、陰極室１２にアニオン交換樹脂を充填し、第２のユニットＵ２の主室２、副室３、陽極室１１にカチオン交換樹脂を充填した。第１のユニットＵ１の副室３からはCl濃度１７．５％の塩酸が得られ、第２のユニットＵ２の副室３からはアンモニア濃度５％のアンモニア溶液が得られた。また、０．０５Ｌ／ｈの純水が得られた。

（実施例３）
第７の実施形態のイオン分離装置１に３Ａの電流を通電しながら、主室２にアンモニア濃度１％のアンモニア溶液を、流量０．１Ｌ／ｈで供給した。副室３に純水を流量０．０２Ｌ／ｈで供給した。主室２、副室３、陽極室１１にカチオン交換樹脂を充填し、陰極室１２にアニオン交換樹脂を充填した。主室２からはアンモニアを含まない純水が得られた。この純水の一部を流量０．０１Ｌ／ｈで陽極室１１と陰極室１２に直列で通水した。副室３からはアンモニア濃度５％のアンモニア溶液と、０．０７Ｌ／ｈの純水が得られた。

１ イオン分離装置
２ 主室
３ 副室
５０ 復水脱塩システム
５１ 復水脱塩装置
５２ アニオン樹脂再生装置
５３ カチオン樹脂再生装置
Ｅ１ 陽極
Ｅ２ 陰極
Ａ１ 第１のアニオン交換膜
Ａ２ 第２のアニオン交換膜
ＢＰ バイポーラ膜
Ｈ１ 第１の部屋
Ｈ２ 第２の部屋
Ｋ１ 第１のカチオン交換膜
Ｋ２ 第２のカチオン交換膜
Ｍ 中間イオン交換膜
Ｕ１，Ｕ２ ユニット
Ｔ１，Ｔ２ 統合ユニット

Claims (6)

1. 陽極と、陰極と、一方のユニットと、他方のユニットと、を有し、
   前記一方のユニットと前記他方のユニットの各々は、前記陽極と前記陰極との間に位置する第１の部屋と、前記第１の部屋と前記陰極との間に位置し、前記第１の部屋と隣接し且つ非連通の第２の部屋と、前記第１の部屋の前記陽極側を仕切る第１のカチオン交換膜と、前記第２の部屋の前記陰極側を仕切る第１のアニオン交換膜と、を有し、
   前記一方のユニットの前記第２の部屋と前記他方のユニットの前記第１の部屋は水の供給口を有し、
   前記他方のユニットの前記第２の部屋はNH ₄ ⁺ とCl ^- を含む液体またはNH ₄ ⁺ とSO ₄ ^2- とを含む液体の供給口を有し、
   前記一方のユニットは、前記一方のユニットの前記第１の部屋と前記第２の部屋とを仕切る第２のカチオン交換膜を有し、前記他方のユニットは、前記他方のユニットの前記第１の部屋と前記第２の部屋とを仕切る第２のアニオン交換膜を有し、
   前記他方のユニットは前記一方のユニットの前記陰極側で前記一方のユニットと隣接し、前記他方のユニットの前記第２の部屋と前記一方のユニットの前記第１の部屋は、前記他方のユニットの前記第２の部屋が上流側、前記一方のユニットの前記第１の部屋が下流側となるように接続され、
   前記一方のユニットの前記第１のアニオン交換膜と、前記他方のユニットの前記第１のカチオン交換膜とが隣接している、イオン分離装置。
2. 前記他方のユニットの前記第１の部屋と前記第２の部屋にアニオン交換体が充填されている、請求項１に記載のイオン分離装置。
3. 前記他方のユニットの前記第１の部屋に供給される前記水の流量は前記他方のユニットの前記第２の部屋に供給される前記液体の流量より少ない、請求項１または２に記載のイオン分離装置。
4. 前記一方のユニットの前記第１のアニオン交換膜と前記他方のユニットの前記第１のカチオン交換膜はバイポーラ膜を形成する、請求項１から３のいずれか１項に記載のイオン分離装置。
5. 前記一方のユニットと前記他方のユニットとが隣接する統合ユニットが複数設けられ、各統合ユニットの前記一方のユニットの前記第１の部屋は並列接続され、各統合ユニットの前記他方のユニットの前記第２の部屋は並列接続されている、請求項４に記載のイオン分離装置。
6. 少なくともカチオン樹脂が充填され、アンモニアを含有する復水を処理する復水脱塩装置と、
   前記カチオン樹脂を再生するカチオン樹脂再生装置と、
   前記カチオン樹脂再生装置から排出されるカチオン樹脂再生廃液である前記液体を処理してアンモニアを回収する、請求項１から５のいずれか１項に記載のイオン分離装置と、
   を有する復水脱塩システム。

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