离子浓度降低装置、以及具备该装置的液体处理装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及降低保持于系统的水性液体的离子浓度的装置、以及具备该装置的装置。
【背景技术】
[0002]冷却塔的水等用于冷却的水占工业用水的近八成。该冷却水通过带走蒸发热而被冷却。因此，需要补给蒸发的水。此时，补给水中所包含的各种离子也添加到冷却水中。另一方面，在蒸发的水中几乎不含有离子。因此，随着冷却水蒸发，冷却水中的离子浓度增高而产生水垢。另外，若冷却水中的氯离子浓度增高，则系统容易腐蚀。因此，在以往的冷却水系统中，定期地排出冷却水并更换补给水。在该情况下，将产生大量的废液。另外，在该情况下，需要大量的补给水。大量的废液以及补给水将增大系统的维持成本。
[0003]为了减少废液量，还向冷却水添加抑制水垢的析出的药剂(例如日本特开2011-224455号公报)。但是，即便使用药剂，也未能充分地降低废液以及补给水的量。另外，在使用药剂的情况下，会产生环境污染，需要进行废液的处理。
[0004]另外，为了抑制结垢，还提出了使用通液型电容器的方法(例如日本特开2012-232233号公报)。日本特开2012-232233号公报提出了用于缩窄通液型电容器的电极间距离的结构。但是，这样的通液型电容器如后述那样存在问题。
[0005]在先技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2011-224455号公报
[0008]专利文献2:日本特开2012-232233号公报
[0009]虽然上述课题在水资源少的国家是非常重要的问题，但至今仍未提出好方法。【实用新型内容】
[0010]实用新型要解决的课题
[0011]在这样的状况下，本实用新型的目的之一在于提供用于降低保持于系统中的水性液体的离子浓度的新的装置以及方法。
[0012]用于解决课题的方法
[0013]为了实现上述目的，本实用新型提供一种降低保持于系统中的水性液体的离子浓度的装置。该离子浓度降低装置包括至少一个离子吸附部，所述离子吸附部包括液体路径、以及配置在所述液体路径内的多个电极对，所述液体路径包括流入口与流出口，所述流入口和流出口与所述系统连接，以便形成包括所述液体路径与所述系统的循环路，所述电极对包括第一电极与第二电极，所述第一电极包括含有活性炭的第一导电性物质，所述第二电极包括含有活性炭的第二导电性物质，所述第一电极以及第二电极分别面对供所述水性液体流通的空隙。
[0014]另外，本实用新型还提供其他装置。该装置具备:保持水性液体的系统、以及降低所述水性液体的离子浓度的本实用新型的离子浓度降低装置。
[0015]另外，本实用新型提供一种方法，使用本实用新型的离子浓度降低装置来降低保持于系统中的水性液体的离子浓度。该方法包括以下工序:
[0016](i)在所述水性液体在所述离子吸附部与所述系统之间循环的状态下，以所述第一电极成为阳极的方式向所述第一电极与所述第二电极之间施加电压，从而使所述水性液体中的离子吸附于所述第一导电性物质以及第二导电性物质；以及
[0017](ii)在切断所述水性液体从所述离子吸附部向所述系统的流通的状态下，将吸附于所述第一导电性物质以及第二导电性物质的所述离子向所述离子吸附部内的液体放出，并将放出所述离子后的所述液体向所述循环路的外部排出的工序。
[0018]实用新型效果
[0019]根据本实用新型，能够容易地降低保持于系统中的水性液体的离子浓度。
【附图说明】
[0020]图1是示意性地示出活性炭电极的电位、水的电解的反应电位、离子的吸附的关系的图。
[0021]图2是示意性地示出阳极的容量与阴极的容量相同的情况下的离子的吸附、放出的状态的图。
[0022]图3是示出离子吸附电极的示意性的等效电路的图。
[0023]图4是示意性地示出使阳极的容量比阴极的容量大时的离子吸附的状态的图。
[0024]图5是示出电压施加时间与离子吸附率的关系的示意图。
[0025]图6是示意性地示出本实用新型的装置中所包含的离子吸附部的一例的图。
[0026]图7是示意性地示出离子吸附部中所包含的电极组件的一例的剖视图。
[0027]图8是示意性地示出布线的配置的一例的图。
[0028]图9是示意性地示出在本实用新型中所使用的隔板的一例的主视图。
[0029]图10是图9所示的隔板的剖视图。
[0030]图11是图9所示的隔板的另一剖视图。
[0031]图12是示意性地示出本实用新型的装置的一例的图。
[0032]图13是示意性地示出本实用新型的装置的另一例的图。
[0033]图14是示意性地示出本实用新型的装置的又一例的局部的图。
[0034]图15是示意性地示出本实用新型的装置的又一例的图。
[0035]图16A是示意性地示出本实用新型的实施方式的一例的一种状态的图。
[0036]图16B是示意性地示出图16A所示的一例的其他状态的图。
[0037]图17是示意性地示出本实用新型的电极对的一例的图。
[0038]图18是不意性地不出本实用新型的电极对的另一例的图。
[0039]图19是示意性地示出在本实用新型中所使用的电极对的另一例的剖视图。
[0040]图20是示意性地示出在本实用新型中所使用的电极对的另一例的剖视图。
[0041]图21是示意性地示出能够在本实用新型中使用的水质调节装置的一例的图。
[0042]图22是示意性地示出能够在本实用新型中使用的游离氯浓度调节装置的一例的图。
[0043]图23是示出对在离子吸附部中流动的水性液体的流速与水性液体的导电率的变化的关系进行研究的结果的一例的图表。
[0044]图24是示出对在离子吸附部中流动的水性液体的流速与水性液体的导电率的变化的关系进行研究的结果的另一例的图表。
[0045]图25是示出处理100L的水性液体的实施例的结果的一部分的图表。
[0046]图26是示出处理10L的水性液体的实施例的结果的一部分的图表。
[0047]图27是示出本实用新型的系统的离子浓度的变化的示意图。
[0048]图28是示出实施例2的结果的图。
[0049]图29是示出实施例3的结果的图。
[0050]图30是示意性地示出以往的基于分批法的离子去除的一例的图。
【具体实施方式】
[0051]以下，对本实用新型的实施方式进行说明。在以下的说明中，举例对本实用新型的实施方式进行说明，但本实用新型并不限定于以下说明的实施方式。在以下的说明中有时会例示特定的数值、特定的材料，但只要能够得到本实用新型的效果，也可以应用其他数值、其他材料。
[0052](离子浓度降低装置)
[0053]以下对用于降低保持于系统中的水性液体的离子浓度的本实用新型的装置进行说明。以下，有时将该装置记载为“装置(A)”。另外，以下，有时将保持有水性液体的系统记载为“系统(S)”。在其他观点中，本实用新型的装置(A)还能够用作去除存在于系统(S)中的水性液体中的离子的装置、将存在于系统(S)中的水性液体中的离子浓缩并从系统(S)排出的装置、防止系统(S)的劣化的装置、使排水侧的水性液体循环、浓缩从而提高离子浓度的装置、或者降低水的硬度的装置。
[0054]本实用新型的装置(A)包括至少一个离子吸附部。一个离子吸附部包括液体路径、以及配置在液体路径内的多个电极对。以下，有时将该液体路径记载为“液体路径(P)”。液体路径(P)包括与系统(S)连接的流入口和流出口，以形成包括液体路径(P)与系统(S)的循环路。在一个观点中，通过使液体路径(P)的两端与系统(S)连接而形成包括液体路径(P)与系统(S)的循环路。一个电极对包括第一电极与第二电极。作为代表，第一电极以及第二电极分别是平板状的电极。第一电极包括含有活性炭的第一导电性物质。第二电极包括含有活性炭的第二导电性物质。作为代表，第一导电性物质以及第二导电性物质分别具有平板状的形状。第一电极以及第二电极分别面对供水性液体流动的空隙。在其他的观点中，第一导电性物质以及第二导电性物质分别面对供水性液体流动的空隙。多个电极对既可以并联连接，也可以串联连接。在将多个电极对并联连接的情况下，多个电极对中所包含的第一电极彼此连接，多个电极对中所包含的第二电极彼此连接。
[0055]电极对还可以进一步包括配置在第一电极与第二电极之间的隔板。并且，也可以通过该隔板形成供水性液体流动的空隙。
[0056]为了防止第一电极与第二电极的短路并且确保水性液体的流路，将隔板配置在第一电极与第二电极之间。通过配置隔板，能够将电极之间的距离确保为等间隔。对于隔板，能够使用具有供液体流动的空间的绝缘性的隔板。在这种隔板的例子中，包括树脂制的网状物(例如氺卜口 X注册商标，NETLON))。优选的隔板的一例为交叉的部分的厚度比其他部分厚的树脂制的网状物。优选隔板的表面为亲水性。在表面为亲水性的隔板的例子中，包括亲水性的丙烯酸类树脂制的隔板。
[0057]在离子吸附部的一例中，通过串联连接多个电极对而构成一个电极组，仅存在于该电极组的两端的两个电极与电源连接。在该情况下，存在于电极组的两端的两个电极与电源的正极以及负极连接。在该情况下，在一个电极对中的第一电极与第二电极之间通常也配置有隔板。
[0058]本实用新型的装置的一例也可以包括多个上述的电极组。并且，上述多个电极组也可以并联连接。在串联连接多个电极对的情况下，有时应当施加的电压过高。在这种情况下，可以将上述电极对分为多个电极组，在一个电极组内进行串联连接，也可以并联连接多个电极组。
[0059]在后述的工序(i)中，在向电极之间施加电压的情况下，有时水被电解而产生气体。若产生的气体残留在隔板、电极的表面，则离子吸附的速度降低。为了将产生的气体迅速地向外部排放，优选隔板的表面为亲水性。另外，也可以提高在离子吸附部中流动的水性液体的流速，从而易于排出气体。另外，也可以通过在离子吸附部中使水性液体从下方朝向上方流动，从而易于排出气体。
[0060]能够根据隔板的厚度来改变第一电极与第二电极的间隔。通常，存在于电极组件内的多个电极对各自的电极间距离实质上相等。在一个电极对中，第一电极与第二电极之间的间隔(与隔板的厚度实质上相等)可以处于0.2?1mm的范围，例如，也可以处于0.3?1mm的范围、0.3?5mm的范围、0.5?2mm的范围、0.5?I.5mm的范围。通过缩窄电极间隔(例如1mm以下、2mm以下)，能够缩短离子的移动距离，另外，能够使施加电压时的电位变化率变大。其结果是，能够提高离子的吸附速度。另外，通过将电极间隔设为0.2mm以上(优选为0.3mm以上、0.5mm以上)，能够使水性液体容易在电极之间流动，其结果是，能够抑制水性液体的流动在局部集中的现象(沟流，英文:channeling)。通过抑制沟流，能够缓和导电性物质(活性炭电极)的面内的离子吸附量的偏差，能够提高离子吸附的速度，并且，能够增大电极的离子吸附量。另外，通过确保电极之间的空间，能够实现水性液体的快速流动，因此能够减小水性液体的导入侧的活性炭中的离子吸附量与水性液体的排出侧的活性炭中的离子吸附量的偏差。
[0061]在以往的通液型电容器中，两个电极(阳极以及阴极)以隔着隔离物交替层叠的方式配置。在通液型电容器中，为了增加单位体积的容量以及降低电极之间的电阻，需要尽可能地缩短阳极与阴极的距离。因此，在以往的通液型电容器(例如上述的日本特开2012-232233号公报所记载的电容器)中，使用非常薄的隔离物以缩短电极间距离。在该情况下，在电容器中流动的液体主要在存在于电极与隔离物的界面的被称作沟道的微小路径中流动。其结果是，离子的吸附在沟道附近增多，在除此以外的部分减少。若想要吸附尽可能多的离子，则需要在远离沟道的部分中也进行离子吸附。但是，为了使离子向这种部分吸附，需要长时间施加电压。
[0062]另外，以往的通液型电容器设计为，在液体在电容器中通过一次的期间吸附尽可能多的离子，因此在液体的排放口附近的离子吸附量饱和之前，液体的导入口附近的离子吸附量饱和。即，在以往的通液型电容器中，电极内的离子吸附的偏差较大。因此，在以往的通液型电容器中，大部分活性炭未对离子吸附做出贡献。例如，与在水性液体中分离地配置两个电极的平行平板型的电容器的活性炭利用率相比，以往的通液型电容器的活性炭利用率仅为百分之一左右(棚桥正治以及棚桥正和，《基于利用活性炭的电偶层形成的水溶液的离子去除法》，化学工学论文集，第35卷，第4号，364?369页，2009年。)
[0063]并且，在向电极之间施加的电压高的情况下，在离子的吸附饱和的部分发生水的电解，有时因由此产生的气体而导致电极劣化。另外，若发生水的电解，则电能的利用效率降低。
[0064]—直以来，提出了用于抑制液体的流动集中于沟道附近的各种方案。但是，在以往的通液型电容器中，一直未想到缩窄电极间隔，并使液体在隔离物的局部高速地流动，因此并未充分地进行用于使液体在隔离物的局部流动的改进。
[0065]与此相对，在本实用新型的优选的一例中，在电极之间配置确保电极之间的距离为恒定的隔板，使水性液体在隔板内顺畅地流动。由此，能够降低电极内的离子吸附的偏差。为了进一步降低该偏差，在本实用新型的优选的一例中，在吸附离子的工序(后述的工序(i))中，缩小向离子吸附部导入之前的水性液体的离子浓度与向离子吸附部导入之后的水性液体的离子浓度之差。对此，详细情况后述。
[0066]隔板的开口率可以处于0.3?0.9的范围(例如0.5?0.7的范围)。通过将开口率设为0.3以上，水性液体容易在隔板内的空隙中流动，另外，能够降低电极之间的电阻。通过将开口率设为0.9以下，能够抑制电极之间的短路。需要说明的是，开口率是指(开口部的面积)/(隔板的面积)的值，更具体而言，是指(开口部的投影面积)/(隔板的投影面积)的值。隔板的一例为开口率处于0.3?0.9的范围的网状的隔板。隔板的空隙率可以处于50%?95%的范围(例如60%?85%的范围)ο隔板的空隙率能够根据隔板的占有体积、隔板的质量、以及构成隔板的物质的密度而求出。需要说明的是，在求取隔板的占有体积时，将利用两块板夹着隔板时的两块板的间隔用作隔板的厚度。
[0067]隔板也可以是形成有凹凸的构件。在该情况下，凹凸的间距(厚度方向上的凸部与凹部之间的距离)可以处于0.2mm?5mm的范围(例如0.5mm?3mm)。通过形成凹凸，能够在隔板与电极表面之间确保供水性液体流动的空间。
[0068]在电极对中，也可以在第一电极以及第二电极的表面(第一导电性物质以及第二导电性物质的表面)上，分别通过隔板的空隙而形成呈条纹状配置的多个流路。根据该结构，水性液体容易在隔板内的空隙中流动。
[0069]在优选的一例中，第一导电性物质以及第二导电性物质具有片状的形状，优选第一导电性物质以及第二导电性物质与水性液体的流动平行地配置，在图19以及图20中示出这样的一例。
[0070]优选第一电极的容量(饱和离子吸附量)处于第二电极的容量(饱和离子吸附量)的1.5?3倍的范围(例如1.7?2.2倍的范围)。即，优选(第一电极的容量)/(第二电极的容量)的值处于I.5?3的范围(例如1.7?2.2的范围)ο如后述那样，在吸附离子的工序(i)中，以第一电极成为阳极而第二电极成为阴极的方式施加电压。需要说明的是，在本说明书中，电极的容量C是在单位电压△ V下存积在电极中的电量Q，用容量C = Q/ △ V来表示。电极的容量比可以视为与通过静止电位附近的单位微小电压的施加而吸附于电极的离子的总电荷量比相等。
[0071]另外，在以下的说明中，“饱和离子吸附量”是指电极(实质上为含有活性炭的导电性物质)从静止电位到气体产生电位的期间吸附的离子的总电荷量。例如，阳极的饱和离子吸附量是指从静止电位到氧气产生电位期间吸附于阳极的阴离子的总电荷量。另外，阴极的饱和离子吸附量是指从静止电位到氢气产生电位期间吸附于阴极的阳离子的总电荷量。
[0072]在图1中示出水的电解的反应电位与离子的吸附的关系。图1的(a)示出电极上的水的反应电位，图1的(b)示出与之对应的离子吸附的状态。当进行向阳极的充电(即阴离子的吸附)时，阳极的电位达到氧产生电位(以银-氯化银电极为基准约为0.6伏)，在阳极产生氧气。另一方面，当进行向阴极的充电时，阴极的电位达到氢产生电位(以银-氯化银电极为基准约为-0.6伏)，在阴极产生氢气。
[0073]在图2中示意性地示出阳极的容量与阴极的容量相同的情况下的离子的吸附、放出的状态。如图1的(a)所示，电压施加开始前的静止电位以银-氯化银电极为基准