離子濃度降低裝置、以及具備該裝置的液體處理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及降低保持于系統(tǒng)的水性液體的離子濃度的裝置、以及具備該裝置的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]冷卻塔的水等用于冷卻的水占工業(yè)用水的近八成。該冷卻水通過帶走蒸發(fā)熱而被冷卻。因此，需要補(bǔ)給蒸發(fā)的水。此時(shí)，補(bǔ)給水中所包含的各種離子也添加到冷卻水中。另一方面，在蒸發(fā)的水中幾乎不含有離子。因此，隨著冷卻水蒸發(fā)，冷卻水中的離子濃度增高而產(chǎn)生水垢。另外，若冷卻水中的氯離子濃度增高，則系統(tǒng)容易腐蝕。因此，在以往的冷卻水系統(tǒng)中，定期地排出冷卻水并更換補(bǔ)給水。在該情況下，將產(chǎn)生大量的廢液。另外，在該情況下，需要大量的補(bǔ)給水。大量的廢液以及補(bǔ)給水將增大系統(tǒng)的維持成本。
[0003]為了減少?gòu)U液量，還向冷卻水添加抑制水垢的析出的藥劑(例如日本特開2011-224455號(hào)公報(bào))。但是，即便使用藥劑，也未能充分地降低廢液以及補(bǔ)給水的量。另外，在使用藥劑的情況下，會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，需要進(jìn)行廢液的處理。
[0004]另外，為了抑制結(jié)垢，還提出了使用通液型電容器的方法(例如日本特開2012-232233號(hào)公報(bào))。日本特開2012-232233號(hào)公報(bào)提出了用于縮窄通液型電容器的電極間距離的結(jié)構(gòu)。但是，這樣的通液型電容器如后述那樣存在問題。
[0005]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特開2011-224455號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本特開2012-232233號(hào)公報(bào)
[0009]雖然上述課題在水資源少的國(guó)家是非常重要的問題，但至今仍未提出好方法?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0010]實(shí)用新型要解決的課題
[0011]在這樣的狀況下，本實(shí)用新型的目的之一在于提供用于降低保持于系統(tǒng)中的水性液體的離子濃度的新的裝置以及方法。
[0012]用于解決課題的方法
[0013]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種降低保持于系統(tǒng)中的水性液體的離子濃度的裝置。該離子濃度降低裝置包括至少一個(gè)離子吸附部，所述離子吸附部包括液體路徑、以及配置在所述液體路徑內(nèi)的多個(gè)電極對(duì)，所述液體路徑包括流入口與流出口，所述流入口和流出口與所述系統(tǒng)連接，以便形成包括所述液體路徑與所述系統(tǒng)的循環(huán)路，所述電極對(duì)包括第一電極與第二電極，所述第一電極包括含有活性炭的第一導(dǎo)電性物質(zhì)，所述第二電極包括含有活性炭的第二導(dǎo)電性物質(zhì)，所述第一電極以及第二電極分別面對(duì)供所述水性液體流通的空隙。
[0014]另外，本實(shí)用新型還提供其他裝置。該裝置具備:保持水性液體的系統(tǒng)、以及降低所述水性液體的離子濃度的本實(shí)用新型的離子濃度降低裝置。
[0015]另外，本實(shí)用新型提供一種方法，使用本實(shí)用新型的離子濃度降低裝置來降低保持于系統(tǒng)中的水性液體的離子濃度。該方法包括以下工序:
[0016](i)在所述水性液體在所述離子吸附部與所述系統(tǒng)之間循環(huán)的狀態(tài)下，以所述第一電極成為陽(yáng)極的方式向所述第一電極與所述第二電極之間施加電壓，從而使所述水性液體中的離子吸附于所述第一導(dǎo)電性物質(zhì)以及第二導(dǎo)電性物質(zhì)；以及
[0017](ii)在切斷所述水性液體從所述離子吸附部向所述系統(tǒng)的流通的狀態(tài)下，將吸附于所述第一導(dǎo)電性物質(zhì)以及第二導(dǎo)電性物質(zhì)的所述離子向所述離子吸附部?jī)?nèi)的液體放出，并將放出所述離子后的所述液體向所述循環(huán)路的外部排出的工序。
[0018]實(shí)用新型效果
[0019]根據(jù)本實(shí)用新型，能夠容易地降低保持于系統(tǒng)中的水性液體的離子濃度。
【附圖說明】
[0020]圖1是示意性地示出活性炭電極的電位、水的電解的反應(yīng)電位、離子的吸附的關(guān)系的圖。
[0021]圖2是示意性地示出陽(yáng)極的容量與陰極的容量相同的情況下的離子的吸附、放出的狀態(tài)的圖。
[0022]圖3是示出離子吸附電極的示意性的等效電路的圖。
[0023]圖4是示意性地示出使陽(yáng)極的容量比陰極的容量大時(shí)的離子吸附的狀態(tài)的圖。
[0024]圖5是示出電壓施加時(shí)間與離子吸附率的關(guān)系的示意圖。
[0025]圖6是示意性地示出本實(shí)用新型的裝置中所包含的離子吸附部的一例的圖。
[0026]圖7是示意性地示出離子吸附部中所包含的電極組件的一例的剖視圖。
[0027]圖8是示意性地示出布線的配置的一例的圖。
[0028]圖9是示意性地示出在本實(shí)用新型中所使用的隔板的一例的主視圖。
[0029]圖10是圖9所示的隔板的剖視圖。
[0030]圖11是圖9所示的隔板的另一剖視圖。
[0031]圖12是示意性地示出本實(shí)用新型的裝置的一例的圖。
[0032]圖13是示意性地示出本實(shí)用新型的裝置的另一例的圖。
[0033]圖14是示意性地示出本實(shí)用新型的裝置的又一例的局部的圖。
[0034]圖15是示意性地示出本實(shí)用新型的裝置的又一例的圖。
[0035]圖16A是示意性地示出本實(shí)用新型的實(shí)施方式的一例的一種狀態(tài)的圖。
[0036]圖16B是示意性地示出圖16A所示的一例的其他狀態(tài)的圖。
[0037]圖17是示意性地示出本實(shí)用新型的電極對(duì)的一例的圖。
[0038]圖18是不意性地不出本實(shí)用新型的電極對(duì)的另一例的圖。
[0039]圖19是示意性地示出在本實(shí)用新型中所使用的電極對(duì)的另一例的剖視圖。
[0040]圖20是示意性地示出在本實(shí)用新型中所使用的電極對(duì)的另一例的剖視圖。
[0041]圖21是示意性地示出能夠在本實(shí)用新型中使用的水質(zhì)調(diào)節(jié)裝置的一例的圖。
[0042]圖22是示意性地示出能夠在本實(shí)用新型中使用的游離氯濃度調(diào)節(jié)裝置的一例的圖。
[0043]圖23是示出對(duì)在離子吸附部中流動(dòng)的水性液體的流速與水性液體的導(dǎo)電率的變化的關(guān)系進(jìn)行研究的結(jié)果的一例的圖表。
[0044]圖24是示出對(duì)在離子吸附部中流動(dòng)的水性液體的流速與水性液體的導(dǎo)電率的變化的關(guān)系進(jìn)行研究的結(jié)果的另一例的圖表。
[0045]圖25是示出處理100L的水性液體的實(shí)施例的結(jié)果的一部分的圖表。
[0046]圖26是示出處理10L的水性液體的實(shí)施例的結(jié)果的一部分的圖表。
[0047]圖27是示出本實(shí)用新型的系統(tǒng)的離子濃度的變化的示意圖。
[0048]圖28是示出實(shí)施例2的結(jié)果的圖。
[0049]圖29是示出實(shí)施例3的結(jié)果的圖。
[0050]圖30是示意性地示出以往的基于分批法的離子去除的一例的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051]以下，對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行說明。在以下的說明中，舉例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行說明，但本實(shí)用新型并不限定于以下說明的實(shí)施方式。在以下的說明中有時(shí)會(huì)例示特定的數(shù)值、特定的材料，但只要能夠得到本實(shí)用新型的效果，也可以應(yīng)用其他數(shù)值、其他材料。
[0052](離子濃度降低裝置)
[0053]以下對(duì)用于降低保持于系統(tǒng)中的水性液體的離子濃度的本實(shí)用新型的裝置進(jìn)行說明。以下，有時(shí)將該裝置記載為“裝置(A)”。另外，以下，有時(shí)將保持有水性液體的系統(tǒng)記載為“系統(tǒng)(S)”。在其他觀點(diǎn)中，本實(shí)用新型的裝置(A)還能夠用作去除存在于系統(tǒng)(S)中的水性液體中的離子的裝置、將存在于系統(tǒng)(S)中的水性液體中的離子濃縮并從系統(tǒng)(S)排出的裝置、防止系統(tǒng)(S)的劣化的裝置、使排水側(cè)的水性液體循環(huán)、濃縮從而提高離子濃度的裝置、或者降低水的硬度的裝置。
[0054]本實(shí)用新型的裝置(A)包括至少一個(gè)離子吸附部。一個(gè)離子吸附部包括液體路徑、以及配置在液體路徑內(nèi)的多個(gè)電極對(duì)。以下，有時(shí)將該液體路徑記載為“液體路徑(P)”。液體路徑(P)包括與系統(tǒng)(S)連接的流入口和流出口，以形成包括液體路徑(P)與系統(tǒng)(S)的循環(huán)路。在一個(gè)觀點(diǎn)中，通過使液體路徑(P)的兩端與系統(tǒng)(S)連接而形成包括液體路徑(P)與系統(tǒng)(S)的循環(huán)路。一個(gè)電極對(duì)包括第一電極與第二電極。作為代表，第一電極以及第二電極分別是平板狀的電極。第一電極包括含有活性炭的第一導(dǎo)電性物質(zhì)。第二電極包括含有活性炭的第二導(dǎo)電性物質(zhì)。作為代表，第一導(dǎo)電性物質(zhì)以及第二導(dǎo)電性物質(zhì)分別具有平板狀的形狀。第一電極以及第二電極分別面對(duì)供水性液體流動(dòng)的空隙。在其他的觀點(diǎn)中，第一導(dǎo)電性物質(zhì)以及第二導(dǎo)電性物質(zhì)分別面對(duì)供水性液體流動(dòng)的空隙。多個(gè)電極對(duì)既可以并聯(lián)連接，也可以串聯(lián)連接。在將多個(gè)電極對(duì)并聯(lián)連接的情況下，多個(gè)電極對(duì)中所包含的第一電極彼此連接，多個(gè)電極對(duì)中所包含的第二電極彼此連接。
[0055]電極對(duì)還可以進(jìn)一步包括配置在第一電極與第二電極之間的隔板。并且，也可以通過該隔板形成供水性液體流動(dòng)的空隙。
[0056]為了防止第一電極與第二電極的短路并且確保水性液體的流路，將隔板配置在第一電極與第二電極之間。通過配置隔板，能夠?qū)㈦姌O之間的距離確保為等間隔。對(duì)于隔板，能夠使用具有供液體流動(dòng)的空間的絕緣性的隔板。在這種隔板的例子中，包括樹脂制的網(wǎng)狀物(例如氺卜口 X注冊(cè)商標(biāo)，NETLON))。優(yōu)選的隔板的一例為交叉的部分的厚度比其他部分厚的樹脂制的網(wǎng)狀物。優(yōu)選隔板的表面為親水性。在表面為親水性的隔板的例子中，包括親水性的丙烯酸類樹脂制的隔板。
[0057]在離子吸附部的一例中，通過串聯(lián)連接多個(gè)電極對(duì)而構(gòu)成一個(gè)電極組，僅存在于該電極組的兩端的兩個(gè)電極與電源連接。在該情況下，存在于電極組的兩端的兩個(gè)電極與電源的正極以及負(fù)極連接。在該情況下，在一個(gè)電極對(duì)中的第一電極與第二電極之間通常也配置有隔板。
[0058]本實(shí)用新型的裝置的一例也可以包括多個(gè)上述的電極組。并且，上述多個(gè)電極組也可以并聯(lián)連接。在串聯(lián)連接多個(gè)電極對(duì)的情況下，有時(shí)應(yīng)當(dāng)施加的電壓過高。在這種情況下，可以將上述電極對(duì)分為多個(gè)電極組，在一個(gè)電極組內(nèi)進(jìn)行串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接多個(gè)電極組。
[0059]在后述的工序(i)中，在向電極之間施加電壓的情況下，有時(shí)水被電解而產(chǎn)生氣體。若產(chǎn)生的氣體殘留在隔板、電極的表面，則離子吸附的速度降低。為了將產(chǎn)生的氣體迅速地向外部排放，優(yōu)選隔板的表面為親水性。另外，也可以提高在離子吸附部中流動(dòng)的水性液體的流速，從而易于排出氣體。另外，也可以通過在離子吸附部中使水性液體從下方朝向上方流動(dòng)，從而易于排出氣體。
[0060]能夠根據(jù)隔板的厚度來改變第一電極與第二電極的間隔。通常，存在于電極組件內(nèi)的多個(gè)電極對(duì)各自的電極間距離實(shí)質(zhì)上相等。在一個(gè)電極對(duì)中，第一電極與第二電極之間的間隔(與隔板的厚度實(shí)質(zhì)上相等)可以處于0.2?1mm的范圍，例如，也可以處于0.3?1mm的范圍、0.3?5mm的范圍、0.5?2mm的范圍、0.5?I.5mm的范圍。通過縮窄電極間隔(例如1mm以下、2mm以下)，能夠縮短離子的移動(dòng)距離，另外，能夠使施加電壓時(shí)的電位變化率變大。其結(jié)果是，能夠提高離子的吸附速度。另外，通過將電極間隔設(shè)為0.2mm以上(優(yōu)選為0.3mm以上、0.5mm以上)，能夠使水性液體容易在電極之間流動(dòng)，其結(jié)果是，能夠抑制水性液體的流動(dòng)在局部集中的現(xiàn)象(溝流，英文:channeling)。通過抑制溝流，能夠緩和導(dǎo)電性物質(zhì)(活性炭電極)的面內(nèi)的離子吸附量的偏差，能夠提高離子吸附的速度，并且，能夠增大電極的離子吸附量。另外，通過確保電極之間的空間，能夠?qū)崿F(xiàn)水性液體的快速流動(dòng)，因此能夠減小水性液體的導(dǎo)入側(cè)的活性炭中的離子吸附量與水性液體的排出側(cè)的活性炭中的離子吸附量的偏差。
[0061]在以往的通液型電容器中，兩個(gè)電極(陽(yáng)極以及陰極)以隔著隔離物交替層疊的方式配置。在通液型電容器中，為了增加單位體積的容量以及降低電極之間的電阻，需要盡可能地縮短陽(yáng)極與陰極的距離。因此，在以往的通液型電容器(例如上述的日本特開2012-232233號(hào)公報(bào)所記載的電容器)中，使用非常薄的隔離物以縮短電極間距離。在該情況下，在電容器中流動(dòng)的液體主要在存在于電極與隔離物的界面的被稱作溝道的微小路徑中流動(dòng)。其結(jié)果是，離子的吸附在溝道附近增多，在除此以外的部分減少。若想要吸附盡可能多的離子，則需要在遠(yuǎn)離溝道的部分中也進(jìn)行離子吸附。但是，為了使離子向這種部分吸附，需要長(zhǎng)時(shí)間施加電壓。
[0062]另外，以往的通液型電容器設(shè)計(jì)為，在液體在電容器中通過一次的期間吸附盡可能多的離子，因此在液體的排放口附近的離子吸附量飽和之前，液體的導(dǎo)入口附近的離子吸附量飽和。即，在以往的通液型電容器中，電極內(nèi)的離子吸附的偏差較大。因此，在以往的通液型電容器中，大部分活性炭未對(duì)離子吸附做出貢獻(xiàn)。例如，與在水性液體中分離地配置兩個(gè)電極的平行平板型的電容器的活性炭利用率相比，以往的通液型電容器的活性炭利用率僅為百分之一左右(棚橋正治以及棚橋正和，《基于利用活性炭的電偶層形成的水溶液的離子去除法》，化學(xué)工學(xué)論文集，第35卷，第4號(hào)，364?369頁(yè)，2009年。)
[0063]并且，在向電極之間施加的電壓高的情況下，在離子的吸附飽和的部分發(fā)生水的電解，有時(shí)因由此產(chǎn)生的氣體而導(dǎo)致電極劣化。另外，若發(fā)生水的電解，則電能的利用效率降低。
[0064]—直以來，提出了用于抑制液體的流動(dòng)集中于溝道附近的各種方案。但是，在以往的通液型電容器中，一直未想到縮窄電極間隔，并使液體在隔離物的局部高速地流動(dòng)，因此并未充分地進(jìn)行用于使液體在隔離物的局部流動(dòng)的改進(jìn)。
[0065]與此相對(duì)，在本實(shí)用新型的優(yōu)選的一例中，在電極之間配置確保電極之間的距離為恒定的隔板，使水性液體在隔板內(nèi)順暢地流動(dòng)。由此，能夠降低電極內(nèi)的離子吸附的偏差。為了進(jìn)一步降低該偏差，在本實(shí)用新型的優(yōu)選的一例中，在吸附離子的工序(后述的工序(i))中，縮小向離子吸附部導(dǎo)入之前的水性液體的離子濃度與向離子吸附部導(dǎo)入之后的水性液體的離子濃度之差。對(duì)此，詳細(xì)情況后述。
[0066]隔板的開口率可以處于0.3?0.9的范圍(例如0.5?0.7的范圍)。通過將開口率設(shè)為0.3以上，水性液體容易在隔板內(nèi)的空隙中流動(dòng)，另外，能夠降低電極之間的電阻。通過將開口率設(shè)為0.9以下，能夠抑制電極之間的短路。需要說明的是，開口率是指(開口部的面積)/(隔板的面積)的值，更具體而言，是指(開口部的投影面積)/(隔板的投影面積)的值。隔板的一例為開口率處于0.3?0.9的范圍的網(wǎng)狀的隔板。隔板的空隙率可以處于50%?95%的范圍(例如60%?85%的范圍)ο隔板的空隙率能夠根據(jù)隔板的占有體積、隔板的質(zhì)量、以及構(gòu)成隔板的物質(zhì)的密度而求出。需要說明的是，在求取隔板的占有體積時(shí)，將利用兩塊板夾著隔板時(shí)的兩塊板的間隔用作隔板的厚度。
[0067]隔板也可以是形成有凹凸的構(gòu)件。在該情況下，凹凸的間距(厚度方向上的凸部與凹部之間的距離)可以處于0.2mm?5mm的范圍(例如0.5mm?3mm)。通過形成凹凸，能夠在隔板與電極表面之間確保供水性液體流動(dòng)的空間。
[0068]在電極對(duì)中，也可以在第一電極以及第二電極的表面(第一導(dǎo)電性物質(zhì)以及第二導(dǎo)電性物質(zhì)的表面)上，分別通過隔板的空隙而形成呈條紋狀配置的多個(gè)流路。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，水性液體容易在隔板內(nèi)的空隙中流動(dòng)。
[0069]在優(yōu)選的一例中，第一導(dǎo)電性物質(zhì)以及第二導(dǎo)電性物質(zhì)具有片狀的形狀，優(yōu)選第一導(dǎo)電性物質(zhì)以及第二導(dǎo)電性物質(zhì)與水性液體的流動(dòng)平行地配置，在圖19以及圖20中示出這樣的一例。
[0070]優(yōu)選第一電極的容量(飽和離子吸附量)處于第二電極的容量(飽和離子吸附量)的1.5?3倍的范圍(例如1.7?2.2倍的范圍)。即，優(yōu)選(第一電極的容量)/(第二電極的容量)的值處于I.5?3的范圍(例如1.7?2.2的范圍)ο如后述那樣，在吸附離子的工序(i)中，以第一電極成為陽(yáng)極而第二電極成為陰極的方式施加電壓。需要說明的是，在本說明書中，電極的容量C是在單位電壓△ V下存積在電極中的電量Q，用容量C = Q/ △ V來表示。電極的容量比可以視為與通過靜止電位附近的單位微小電壓的施加而吸附于電極的離子的總電荷量比相等。
[0071]另外，在以下的說明中，“飽和離子吸附量”是指電極(實(shí)質(zhì)上為含有活性炭的導(dǎo)電性物質(zhì))從靜止電位到氣體產(chǎn)生電位的期間吸附的離子的總電荷量。例如，陽(yáng)極的飽和離子吸附量是指從靜止電位到氧氣產(chǎn)生電位期間吸附于陽(yáng)極的陰離子的總電荷量。另外，陰極的飽和離子吸附量是指從靜止電位到氫氣產(chǎn)生電位期間吸附于陰極的陽(yáng)離子的總電荷量。
[0072]在圖1中示出水的電解的反應(yīng)電位與離子的吸附的關(guān)系。圖1的(a)示出電極上的水的反應(yīng)電位，圖1的(b)示出與之對(duì)應(yīng)的離子吸附的狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行向陽(yáng)極的充電(即陰離子的吸附)時(shí)，陽(yáng)極的電位達(dá)到氧產(chǎn)生電位(以銀-氯化銀電極為基準(zhǔn)約為0.6伏)，在陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣。另一方面，當(dāng)進(jìn)行向陰極的充電時(shí)，陰極的電位達(dá)到氫產(chǎn)生電位(以銀-氯化銀電極為基準(zhǔn)約為-0.6伏)，在陰極產(chǎn)生氫氣。
[0073]在圖2中示意性地示出陽(yáng)極的容量與陰極的容量相同的情況下的離子的吸附、放出的狀態(tài)。如圖1的(a)所示，電壓施加開始前的靜止電位以銀-氯化銀電極為基準(zhǔn)