JP2014147871A

JP2014147871A - 純水製造方法及び装置

Info

Publication number: JP2014147871A
Application number: JP2013017164A
Authority: JP
Inventors: Shin Sato; 伸佐藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP6040789B2

Abstract

【課題】湖沼水などシリカ濃度が一時的に高くなる場合に、電気式脱イオン装置へのシリカの蓄積を低コストにて防止することができる純水製造方法及び装置を提供する。
【解決手段】原水を前処理装置１で処理した後、ＲＯ装置３で処理し、必要に応じアニオン交換樹脂塔５で処理した後、電気式脱イオン装置７に通水して純水を製造する。シリカ濃度計１１によって測定されるシリカ濃度が基準値よりも高いときには、ＲＯ装置３の透過水をアニオン交換樹脂塔５に通水させ、シリカ濃度計１１によって測定されるシリカ濃度が基準値よりも低いときにはＲＯ装置３の透過水をバイパス配管１０に流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気式脱イオン装置を用いた純水製造方法及び純水製造装置に係り、特に電気式脱イオン装置へのシリカ蓄積を防止する純水製造方法及び装置に関する。

原水を電気式脱イオン装置によって脱イオン処理して純水を製造する方法及び装置は、半導体製造工場、液晶製造工場、製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業又は民生用ないし研究施設等において広く使用されている（例えば特許文献１〜５）。

電気式脱イオン装置により脱イオン処理する場合、シリカ、ホウ素等のイオン解離度の低いイオンの除去性能が低い。そこで、特許文献１では、原水を多段に設けた逆浸透膜装置（ＲＯ装置）によって処理することにより、電気式脱イオン装置への給水中のシリカ濃度を５００ｐｐｂ以下とすることが記載されている。特許文献２には、電気式脱イオン装置の陰極水を濃縮室の流入側に戻すことによりシリカの除去率を向上させることが記載されている。なお、特許文献２の実施例１では、原水のシリカ濃度は４９０μｇ／Ｌである。

特許文献３には、原水を逆浸透膜で処理し、次いでアニオン交換樹脂でアニオン交換処理した後、電気式脱イオン装置に通水することにより、電気式脱イオン装置におけるスケール発生を防止することが記載されている。特許文献３の００３１段落には、アニオン交換樹脂としてＯＨ型アニオン交換樹脂を用いるとシリカが除去されることが記載されている。

特許文献４には、原水を除濁及び脱気処理した後、アニオン交換樹脂塔に通水し、次いでＲＯ処理した後、電気式脱イオン装置に通水することが記載されている。

特許文献５には、電気式脱イオン装置の濃縮室に、原水よりシリカ及びホウ素濃度の低い水を脱塩室における被処理水流水方向と反対方向に通水することにより、シリカ及びホウ素を高度に除去することが記載されている。

特開２０００−６１２７１特開平１１−１６５１７６特開２００１−２１９１６１特開平１１−２６２７７１特開２００２−２０５０６９

電気式脱イオン装置では、電流密度が一定となるように印加電圧を制御して運転が行われる。原水中のシリカ濃度が高いと、シリカが電気式脱イオン装置内のイオン交換樹脂に蓄積し、電気抵抗を増大させ、運転電圧が高くなる。シリカ蓄積量が更に多くなると、電流密度が低下し、処理水質が悪化してしまうこともある。

特許文献１では、原水を２段又は３段のＲＯ装置によって処理することにより電気式脱イオン装置給水中のシリカ濃度を低下させているが、このようにＲＯ装置を多段に設けることはコスト高であると共に、原水のシリカ濃度が高く且つｐＨが低いときには、ＲＯ装置を多段に設置してもシリカ濃度を十分に低くすることができないことがある。

この場合、ＲＯ給水のｐＨを高くすると（例えば９〜１０以上）、シリカのＲＯでの除去率が上がるため用いられることがある。ただし、カルシウムスケールができやすくなるため、カルシウム濃度等に留意すると共に、十分な前処理（軟化処理等）を検討する必要がある。

特許文献３では、ＲＯ処理水を常にアニオン交換樹脂で処理するため、アニオン交換樹脂の再生又は交換頻度が多くなり、この結果、処理コストが高くなる。

特許文献４では、アニオン交換樹脂塔をＲＯ装置の前段に配置しているため、アニオン交換樹脂塔へのイオン負荷が大きく、アニオン交換樹脂の再生又は交換頻度が多くなり、この結果、処理コストが高くなる。

本発明は上記従来の問題点を解消し、湖沼水などシリカ濃度が一時的に高くなる場合に、電気式脱イオン装置へのシリカの蓄積を低コストにて防止することができる純水製造方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の純水製造方法は、被処理水を逆浸透膜で処理した後、電気式脱イオン装置で処理する純水製造方法において、逆浸透膜流入水中及び／又は逆浸透膜処理水中のシリカ濃度が基準値よりも高い場合には、逆浸透膜水をアニオン交換手段によってアニオン交換処理した後、前記電気式脱イオン装置で処理し、逆浸透膜流入水中及び／又は逆浸透膜処理水中のシリカ濃度が基準値よりも低い場合には逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段に通水することなく前記電気式脱イオン装置で処理することを特徴とするものである。

本発明の純水製造装置は、原水を逆浸透膜装置で処理した後、電気式脱イオン装置で処理する純水製造装置において、原水中及び／又は逆浸透膜処理水中のシリカ濃度を測定するシリカ濃度測定手段を有し、該シリカ濃度測定手段で測定されたシリカ濃度が基準値よりも高い場合には逆浸透膜処理水をアニオン交換手段によってアニオン交換処理した後、前記電気式脱イオン装置に供給し、該シリカ濃度測定手段で測定されたシリカ濃度が基準値よりも低い場合には逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段に通水することなく前記電気式脱イオン装置に供給するように構成されていることを特徴とするものである。

この純水製造装置は、前記逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段に供給する流路選択と、該逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段を迂回させて前記電気式脱イオン装置に供給する流路選択とを切り替える流路切替手段を備えることが好ましい。

本発明の純水製造方法及び装置では、逆浸透膜への流入水のシリカ濃度が基準値よりも高いときには、逆浸透膜透過水をアニオン交換手段に通水してアニオン除去処理するので、電気式脱イオン装置の流入水中のシリカ濃度が低くなり、電気式脱イオン装置におけるシリカ蓄積が防止される。

また、逆浸透膜への流入水中のシリカ濃度が基準値よりも低いときには、逆浸透膜透過水をアニオン交換樹脂手段に通水せずに電気式脱イオン装置で処理するので、アニオン交換樹脂の再生又は交換頻度が小さくなり、アニオン交換樹脂塔のメンテナンスコストが低くなる。

このように、本発明によると、電気式脱イオン装置内部へのシリカ蓄積を防止し、電圧上昇を防ぎ、これによる性能低下（処理水の水質悪化）を防ぐことができる。また、湖沼水等での季節的原水水質悪化等に対し、簡易で経済的に対処することができる。

本発明では、逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段に供給する流路選択と、該逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段を迂回させて前記電気式脱イオン装置に供給する流路選択とを切り替える流路切替手段を採用することにより、アニオン交換手段への通水と迂回（バイパス）との切り替えを容易に行うことができる。

実施の形態に係る純水製造装置のブロック図である。実施の形態に係る純水製造装置のブロック図である。給水シリカ濃度と水温の関係を示すグラフである。給水シリカ濃度と脱塩セル流量の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る純水製造装置を示すものであり、原水は前処理装置１で処理された後、配管２を介して逆浸透膜装置（ＲＯ装置）３へ供給される。前処理装置１としては、凝集沈殿、砂濾過、活性炭濾過、加圧浮上、膜式前処理などの１又は２以上の処理が挙げられる。原水の水質によっては、この前処理は省略されてもよい。なお、本発明は、湖沼水などシリカ濃度が季節等に応じて変動する原水を処理するのに好適である。湖沼水のシリカ濃度の範囲は２０〜１００ｐｐｍ（μｇ／Ｌ）程度である。

ＲＯ装置３の濃縮水の少なくとも一部は前処理装置１に返送されるのが好ましい。ＲＯ装置３の透過水は、配管４を介してアニオン交換樹脂塔５に通水され、アニオン交換樹脂によってアニオン除去処理が行われる。アニオン交換樹脂塔５の流出水は、配管６を介して電気式脱イオン装置７に通水され、処理水（生産水）が純水として配管８を介して取り出される。なお、この生産水をさらに処理して高水質の純水としてもよい。

電気式脱イオン装置としては、前記特許文献５に記載のように、陽極を有する陽極室と、陰極を有する陰極室と、これらの陽極室と陰極室との間に複数のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を交互に配列することにより交互に形成された濃縮室及び脱塩室とを備え、該脱塩室にイオン交換体が充填され、該濃縮室にイオン交換体、活性炭又は電気導電体が充填されている電気式脱イオン装置を用いることができる。この場合、特許文献５のように、濃縮室に通水する濃縮水として、原水よりシリカ濃度の低い水（例えば生産水）を、脱塩室内における被処理水の流水方向と反対方向に通水するのが好適であるが、これに限定されない。

この実施の形態では、配管４に三方弁９が設けられ、該三方弁９にバイパス配管１０の一端側が接続されている。このバイパス配管１０は、前記アニオン交換樹脂塔５を迂回するように設置されており、該バイパス配管１０の他端側が配管６に接続されている。三方弁９は、ＲＯ装置３の透過水をアニオン交換樹脂塔５へ流す流路選択と、バイパス配管１０へ流す流路選択とを択一的に切り替えるためのものである。

前記配管２にはシリカ濃度を測定するシリカ濃度計１１が設けられており、このシリカ濃度計１１の検出信号が制御器１２に入力され、該制御器１２によって三方弁９が切り替えられる。この実施の形態では、シリカ濃度計１１によって測定されるシリカ濃度が基準値（第１基準値）よりも高いときには、ＲＯ装置３の透過水をアニオン交換樹脂塔５に通水させ、シリカ濃度計１１によって測定されるシリカ濃度が基準値よりも低いときにはＲＯ装置３の透過水をバイパス配管１０に流し、アニオン交換樹脂塔５を迂回させるように三方弁９が制御器１２によって切り替えられる。

この場合の上記基準値（第１基準値）としては、２００００〜１０００００ｐｐｂ（２０〜１００ｐｐｍ）特に３００００〜５００００ｐｐｂ（３０〜５０ｐｐｍ）の間から選択された値が好ましい。前処理装置１を設置しない場合も、基準値は上記範囲から選択された値であることが好ましい。

このように、ＲＯ装置３の流入水のシリカ濃度が基準値よりも高いときには、ＲＯ装置３の透過水をアニオン交換樹脂塔５に通水してアニオン除去処理するので、電気式脱イオン装置７の流入水中のシリカ濃度が低くなり、電気式脱イオン装置７におけるシリカ蓄積が防止される。

また、ＲＯ装置３の流入水中のシリカ濃度が基準値よりも低いときには、ＲＯ装置３の透過水をバイパス配管１０に流し、アニオン交換樹脂塔５を迂回させるので、アニオン交換樹脂の再生又は交換頻度が小さくなり、アニオン交換樹脂塔５のメンテナンスコストが低くなる。

図１では、シリカ濃度計１１を配管２に設置しているが、配管４に設置し、ＲＯ装置３からの透過水中のシリカ濃度を測定し、このシリカ濃度が基準値（第２基準値）よりも高いときにはアニオン交換樹脂塔５に通水し、第２基準値よりも低いときにはバイパス配管１０に流してアニオン交換樹脂塔５を迂回させてもよい。この第２基準値としては、５００〜８００ｐｐｂ特に６００〜８００ｐｐｂの間から選択された値であることが好ましい。なお、電気式脱イオン装置への給水中のシリカ濃度の上限値は水温と流速によって変動する。水温の上昇と給水流量の減少で基準値の上限が上昇するが、２５℃、１７０Ｌ／ｈのときには７００ｐｐｂをひとつの基準とすることができる。また、２０℃のときは６００ｐｐｂ、１４０Ｌ／ｈのときには８００ｐｐｂを基準とすることができる。

図２は本発明の第２の実施の形態に係る純水製造装置を示すものである。この実施の形態では、配管４の下流端及び配管６の上流端にそれぞれ継手１５，１６を設けており、アニオン交換樹脂塔５を撤去可能としている。図２（ａ）では、アニオン交換樹脂塔５が設置されており、ＲＯ装置３の透過水がアニオン交換樹脂塔５を通過してから電気式脱イオン装置７に供給される。図２（ｂ）では、アニオン交換樹脂塔５が撤去され、継手４，６が配管１７によって直結されている。従って、ＲＯ装置３の透過水はアニオン交換処理されることなくそのまま電気式脱イオン装置７に供給される。

ＲＯ装置３への流入水中のシリカ濃度が前記第１基準値よりも高いか又はＲＯ装置３の透過水中のシリカ濃度が前記第２基準値よりも高いときには図２（ａ）のようにアニオン交換樹脂塔５を設置し、シリカ濃度が該基準値よりも低い場合には図２（ｂ）のようにアニオン交換樹脂塔を撤去して配管４，６を配管１７によって直結する。湖沼水の場合、１年のうち１週間〜２ヶ月程度シリカ濃度が高くなる時期があるので、このような時期に図２（ａ）の構成とし、その他の時期には図２（ｂ）の構成とするのが好ましい。撤去したアニオン交換樹脂塔５は工場に持ち返り再生処理をして再び利用したり、あるいは、より純度の低いグレードの純水設備に用いるイオン交換樹脂として使用することができる。

図２の場合も、配管２又は４にシリカ濃度計を設け、図２（ａ），（ｂ）の構成の切り替えを行ってもよいが、ＲＯ装置３の流入水又は透過水の水質を定期的に分析し、この結果に応じて図２（ａ），（ｂ）の構成の切り替えを行ってもよい。

本発明では、シリカ濃度以外の水質指標値（例えば電気伝導度）を検出するセンサを配管２又は４に設けておき、このセンサ検出値が基準値（例えば３００μＳ）よりも水質の良い側である（例えば電気伝導度が基準値よりも低い）ときにはアニオン交換樹脂塔５に通水しない構成とし、センサ検出値が基準値よりも水質の悪い側である（例えば電気伝導度が基準値よりも高い）ときにはとりあえずアニオン交換樹脂塔５に通水する構成とし、且つシリカ濃度を分析し、実際のシリカ濃度が前記第１又は第２基準値よりも高いときにはその状態（アニオン交換樹脂塔５への通水）に保ち、実際のシリカ濃度が前記第１又は第２基準値よりも低いときにはアニオン交換樹脂塔５に通水しない構成に戻すようにしてもよい。

［実施例１］
湖沼水を原水とし、この原水を前処理及びＲＯ処理した後、電気式脱イオン装置に通水する運転を４月から３月まで１２ヶ月間運転した。なお、９月の一ヶ月間の期間だけ、図２（ａ）のようにアニオン交換樹脂塔を電気式脱イオン装置の前段に設置した。その他の期間は図２（ｂ）のフローとした。

前処理としては、凝集（凝集剤ポリ塩化アルミニウム）及び濾過（濾過装置栗田工業株式会社製ＭＦ膜濾過装置）後、活性炭塔通水処理を行った。電気式脱イオン装置としては、栗田工業株式会社製ＫＣＤＩ−ＵＰｚ（登録商標）（定格処理水量１５ｍ^３／ｈ）を用い、電流値は１０Ａとした。電気式脱イオン装置への通水量は１５ｍ^３／ｈとした。

原水及びＲＯ処理水のシリカ濃度並びに電気式脱イオン装置の電圧と処理水水質の経時変化を表１に示す。

［比較例１］
９月でもアニオン交換樹脂塔を設置しなかったこと以外は実施例１と同一条件にて４月から３月まで１２ヶ月間処理を行った。結果を表１に示す。

表１から明らかな通り、実施例１では、電気式脱イオン装置の電圧値は全期間を通じて３００〜３１０Ｖで安定し、処理水質も１８．２ＭΩ・ｃｍ以上で安定した。

これに対し、比較例１では、電気式脱イオン装置の電圧は９月に４２０Ｖまで上昇した。１０月から電圧は低下傾向となったが、１２月でも３５０Ｖであった。これは、９月に電気式脱イオン装置内にシリカが多く付着したこと、シリカの付着量は徐々に減少するが、その後の３〜４ヶ月間はシリカ付着残留量が多いためであると考えられる。

以下、電気式脱イオン装置への通水条件を変えた場合の結果について説明する。

電気式脱イオン装置として栗田工業株式会社製ＫＣＤＩ−ＵＰｚ（１ｍ^３／ｈ）を用いた。原水として工業用水を前記実施例１と同様に凝集、濾過、活性炭処理及びＲＯ処理した水を用いた。この原水を通水し、電流密度が一定となるように印加電圧を制御して電気式脱イオン処理した。

図３は標準処理水量（１７０Ｌ／ｈ／セル）における給水シリカ濃度と水温との関係をプロットしたものである。水温の上昇により限界シリカ許容濃度は上昇し、水温が５℃上昇することによりシリカ許容濃度は１０％アップする。しかし、水温のコントロールは難しいため安全率を見て２５℃を基準とし、限界シリカ許容濃度を７００μｇ／Ｌに設定するのがよいことが分かる。

図４は標準処理水温（２５℃）における給水シリカ濃度と脱塩セル流量との関係をプロットしたものである。セル流量を１７０Ｌ／ｈから１４０Ｌ／ｈへ下げることにより、限界シリカ濃度が８００μｇ／Ｌを超えて運転しても電圧の上昇は観測されなかった。したがって、設計段階では高流量のコストメリットを勘案し、脱塩セル流量を１４０Ｌ／ｈ以下で設計することにより、限界シリカ許容濃度を８００μｇ／Ｌに設定することもできる。

図３，４より、水温の上昇と給水流量の減少で基準値の上限が上昇するが、２５℃、１７０／Ｌのときには７００ｐｐｍをひとつの基準とすることができる。また、限界シリカ許容濃度の基準値は給水の水温や流量に応じて設定することができ、基準値を上回った場合にアニオン交換手段に通水することにより、電気式脱イオン装置の電圧上昇を抑制し、長期間安定した運転が可能となる。

３ＲＯ装置
５アニオン交換樹脂塔
７電気式脱イオン装置
１１シリカ濃度計
１５，１６継手
１７配管

Claims

被処理水を逆浸透膜で処理した後、電気式脱イオン装置で処理する純水製造方法において、逆浸透膜流入水中及び／又は逆浸透膜処理水中のシリカ濃度が基準値よりも高い場合には、逆浸透膜処理水をアニオン交換手段によってアニオン交換処理した後、前記電気式脱イオン装置で処理し、逆浸透膜流入水中及び／又は逆浸透膜処理水中のシリカ濃度が基準値よりも低い場合には逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段に通水することなく前記電気式脱イオン装置で処理することを特徴とする純水製造方法。
請求項１において、逆浸透膜流入水中のシリカ濃度の前記基準値が２００００〜１０００００ｐｐｂから選ばれた値であり、逆浸透膜処理水中のシリカ濃度の前記基準値が５００〜８００ｐｐｂから選ばれた値であることを特徴とする純水製造方法。
請求項１又は２において、前記原水が湖沼水であることを特徴とする純水製造方法。
被処理水を逆浸透膜装置で処理した後、電気式脱イオン装置で処理する純水製造装置において、
原水中及び／又は逆浸透膜処理水中のシリカ濃度を測定するシリカ濃度測定手段を有し、
該シリカ濃度測定手段で測定されたシリカ濃度が基準値よりも高い場合には逆浸透膜処理水をアニオン交換手段によってアニオン交換処理した後、前記電気式脱イオン装置に供給し、該シリカ濃度測定手段で測定されたシリカ濃度が基準値よりも低い場合には逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段に通水することなく前記電気式脱イオン装置に供給するように構成されていることを特徴とする純水製造装置。
請求項４において、前記逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段に供給する流路選択と、該逆浸透膜処理水を該アニオン交換手段を迂回させて前記電気式脱イオン装置に供給する流路選択とを切り替える流路切替手段を備えたことを特徴とする純水製造装置。
請求項４又は５において、逆浸透膜流入水中のシリカ濃度の前記基準値が２００００〜１０００００ｐｐｂから選ばれた値であり、逆浸透膜処理水中のシリカ濃度の前記基準値が５００〜８００ｐｐｂから選ばれた値であることを特徴とする純水製造装置。