脱イオン装置とは
脱イオン装置とは、水中に溶存しているイオンを除去し、純水を作り出す装置です。
水中には、不純物として、カルシウムイオン、ナトリウムイオンなどの陽イオン、硫酸イオンなどの陰イオンが溶存しています。脱イオン装置はイオン交換樹脂、イオン交換膜、直流電流などを利用して、電気的に水中のイオン種を除去することができる装置です。
脱イオン装置の使用用途
脱イオン装置は、水中のイオン種の存在が問題となる場合に、イオン種を除去するために用いられる装置です。
一般的な水には、不純物として、カルシウム、ナトリウムやシリカなどの塩類がイオン種として溶解しています。水中のイオン種は、製品原料として用いた場合に化学的性質や品質の不安定化を招いたり、洗浄に用いると水が蒸発する際に不純物が析出して水垢として付着したりする場合があります。また、ボイラーや配管などでは、水垢の発生が閉塞につながることがあり、避けるべき問題です。
研究・開発用途では、主に生物学や化学などにおいて、実験の信頼性と再現性を高めるために実験や器具洗浄に用いられています。産業用途では、下記のような使用例が挙げられます。
- 半導体、電子回路の基板、液晶パネルに使うガラスなどの製造工程における洗浄
- 飲料製造工程
- 医薬品製造
- 一般工業製品製造
- 装置・製品の水系洗浄工程
- ボイラー・配管用水
- 鉛蓄電池の電解液
- コンタクトレンズの洗浄液
脱イオン装置の原理
脱イオン装置は、イオン樹脂やイオン交換膜によるイオンの分離や吸着を原理として用いる装置です。EDI (英: Electro Deionization) やCDI® (英: Continuous Deionization) などの機構を用いた装置があります。
1. イオン交換膜とイオン交換樹脂
イオン交換樹脂は、イオン交換樹脂とは、イオン交換基を持つ合成樹脂です。水中の不純物である陽イオンや陰イオンを取り込み、代わりに元々樹脂と結合していた水素イオンや水酸化物イオンを放出します。
イオン交換膜とは、イオンの持つ電荷の符号によってイオンを選択的に透過させたり遮断させたりする性質を持つ、イオン濾過膜です。
2. EDI (電気脱イオン処理)
電気脱イオン処理 (EDI: Electro Deionization) とは、イオン交換樹脂、イオン交換膜を用いながら水に電気を通し、水中の陽イオンや陰イオンを分離し、除去する技術です。装置は、陽極と陰極の間に交互に配置された脱塩室と濃縮室が配置された構造になっており、脱塩室と濃縮室は陽イオン交換膜と陰イオン交換膜で仕切られています。脱塩室内にはイオン交換樹脂が充填されている構造です。
電極から電流を流すと、水中の塩化物イオンや硫酸イオンなどの陰イオンは陽極側に、ナトリウムイオンやカルシウムイオンなどの陽イオンは陰極側に移動します。その際、イオン交換樹脂が充填している脱塩室では、不純物イオンの吸着と、水酸化物イオン・水素イオンの放出が起きるため純水が生成します。同時に、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜が不純物の陽イオン、陰イオンを通過させることにより、濃縮室では不純物イオンの濃縮が起こります。
EDIでは、脱塩室においてイオン交換樹脂による脱塩と同時に、直流電流によってイオン交換樹脂の再生を行うことが可能です。通常のイオン交換方式では、薬品などを用いたイオン交換樹脂の再生が必要ですが、EDIではこのようにイオン交換樹脂の再生が行われるため、イオン除去性能が長時間維持されます。
脱イオン装置の種類
脱イオン装置の種類には、産業用、研究用など、様々な種類があります。用途に合わせて大きさも様々なものがあり、研究・試験用の小型のものから、工場などで利用される大型のものまで様々です。機能面では、樹脂再生効率を上げるために活性炭によるスケーリング防止対策がなされているものなどがあります。
主な装置の種類として挙げられるのは、CDI方式の装置です。CDIとは、米国 IONPURE®がライセンスを持つ装置の仕組みであり、連続式電気脱イオン装置とも呼ばれます。CDI方式の装置では、濃縮室にもイオン交換樹脂を充填しているため、イオン移動効率が高くなっています。樹脂再生は、高圧の電気を流しながらイオン交換樹脂を連続再生する仕組みです。樹脂再生のための化学薬品を使用せずに直流電流で連続して純水を製造することができ、環境負荷の低減や、省スペース、無排水化などのメリットがあります。
参考文献
https://www.muro-chem.co.jp/media/knowledge/edi
https://m-hub.jp/water/4335/306
https://kcr.kurita.co.jp/wtschool/009.html
https://www.kurita.co.jp/products/kcdi.html