JP7040008B2 - Toc除去装置 - Google Patents
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Description
また、超純水製造装置などでよく用いられるRO膜や低圧UV酸化装置などは、分子量が小さい窒素化合物(尿素など)に代表される難分解性TOCと呼ばれるTOCに対しては、極端に分解効率が悪いといった問題もあった。
この方法は、白金族の金属触媒に対し、水素水通水工程、酸素水通水工程及び有機物含有原水通水工程を繰り返し行う方法であり、次のようなメカニズムでTOCが分解される。
水素水を触媒に通水すると、触媒に水素が吸着する。触媒に水素が吸着した状態で酸素水を供給することにより、触媒上で水分子が生成し、一部の水分子が触媒上に留まる。次いで有機物含有水を供給すると、非共有電子対をもつ尿素のようなTOCと該水分子とが配位結合のような結合をして、有機物が触媒に吸着される。この吸着された有機物が白金族触媒の作用によって一部分解される。そして、次の水素水供給時に、触媒に水素が吸着すると同時に、分解生成物が触媒から離れる。
このようにして触媒に接触させた後の処理水をアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の少なくとも一方と接触させることで、TOCの分解によって生成した有機酸などのイオン性物質をイオン交換樹脂によって吸着除去できる。このため、特許文献1では、触媒充填カラムの後段にイオン交換樹脂カラムを設けている。
連続式電気脱イオン装置は、水解離によってH+イオンとOH-イオンを生成させ、脱塩室内に充填されているイオン交換体を連続して再生することによって、効率的な脱イオン処理が可能であり、従来から広く用いられてきたイオン交換樹脂装置のような薬品を用いた再生処理を必要とせず、完全な連続採水が可能で、高純度の水が得られるという優れた特徴を有する。
即ち、連続式電気脱イオン装置の脱塩室内にアニオン交換体及びカチオン交換体と共にTOC分解能を有する触媒を充填し、連続式電気脱イオン装置に供給する給水を、水素ガス溶解TOC含有水と酸素ガス溶液TOC含有水とで交互に切り換えることにより、連続式電気脱イオン装置内のTOC分解能を有する触媒へTOCが吸着(酸素ガス溶解TOC含有水給水時)、脱着(水素ガス溶解TOC含有水給水時)を連続的に繰り返すことが可能となり、また脱着時にイオン化した尿素等のTOC分解物を脱塩室内のイオン交換体で吸着し、TOC分解物を吸着したイオン交換体を連続式電気脱イオン装置本来の作用で連続的に再生することで、連続して水処理を行うことが可能となる。
本発明の連続式電気脱イオン装置の部材構成自体は、図2に示す一般的な連続式電気脱イオン装置と同様であり、本発明の連続式電気脱イオン装置は、連続式電気脱イオン装置の脱塩室にTOC分解能を有する触媒を充填してなることを特徴とする。
本発明の連続式電気脱イオン装置は、このような一般的な連続式電気脱イオン装置の脱塩室にアニオン交換体及びカチオン交換体と共にTOC分解能を有する触媒を充填してなるものであるが、その充填方法としては、
(1) 複数の脱塩室のうちの一部の脱塩室にTOC分解能を有する触媒を充填し、他の脱塩室にはアニオン交換体及びカチオン交換体を充填する。
(2) 複数の脱塩室のうちの一部にTOC分解能を有する触媒とアニオン交換体及びカチオン交換体とを充填し、他の脱塩室にはアニオン交換体及びカチオン交換体を充填する。
(3) すべての脱塩室にTOC分解能を有する触媒とアニオン交換体及びカチオン交換体とを充填する。
などの方法が考えられるが、TOC分解能を有する触媒に接しない被処理水のTOCは分解されないため、(3)の方法でTOC分解能を有する触媒を充填するこが好ましい。
触媒に用いる白金族金属としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム及び白金を挙げることができる。こられの白金族金属は、1種を単独で用いることができ、2種以上を組み合わせて用いることもでき、2種以上の合金として用いることもでき、あるいは、天然に産出される混合物の精製品を単体に分離することなく用いることもできる。これらの中で、白金、パラジウム、白金/パラジウム合金の単独又はこれらの2種以上の混合物は、触媒活性が強いので特に好適に用いることができる。
従って、本発明のTOC除去装置では、原水であるTOC含有水に水素ガス又は酸素ガスを溶解させるガス溶解手段と、該ガス溶解手段で水素ガスを溶解させたTOC含有水と酸素ガスを溶解させたTOC含有水とを本発明の連続式電気脱イオン装置の脱塩室に交互に導入する手段とを設けることが好ましい。このガス溶解手段として、連続式電気脱イオン装置の前段にガス溶解膜モジュールを設け、ガス溶解膜モジュールの気相室に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、水素ガス供給手段及び酸素ガス供給手段によるガスの供給を交互に切り換える切換手段と、ガス溶解膜モジュールの液相室にTOC含有水を供給する手段とを設け、ガス溶解膜モジュールの液相室から流出するガス溶解TOC含有水を連続式電気脱イオン装置の脱塩室に導入するようにすることが好ましい。
前述の通り、特許文献1の方法では、水素水通水工程、酸素水通水工程及び有機物含有原水通水工程を繰り返し行う必要があったのに対して、本発明では、水素ガスと酸素ガスを切り換えることで、水素水、酸素水を交互に通水することが可能であるため、水素ガス溶解TOC含有水と酸素ガス溶解TOC含有水との交互通水でTOCを分解除去できる。
原水のTOC除去装置は、原水供給配管L1を経て、ガス溶解手段であるガス溶解膜モジュール1へ供給される。ガス溶解手段はTOC含有水にガスを溶解することができるものであれば制限はなく、膜、エゼクター、散気機構などが用いられる。ここでは取り扱いが簡便なガス溶解膜モジュール1を例示した。原水はガス溶解膜モジュール1にて適宜、窒素ガスと水素ガス又は酸素ガスとが溶解され、ガス溶解膜モジュール1の液相室1Bよりガス溶解水として給水配管L2を経て、連続式電気脱イオン装置2へ供給される。窒素ガスタンク3内の窒素ガスはキャリアガスとして窒素ガス流量調整弁V1を有する窒素ガス配管L3及びガス供給本管L6を経てガス溶解膜モジュール1の気相室1Aに供給される。窒素ガスは、ガス溶解膜モジュール1の膜の型式により10~1000NL/min程度を供給することが望ましいが、水量と膜本数に依存するためその限りではない。窒素ガスの供給は、水素ガスが爆発性があるため希釈の意味があるが、防爆対策が施されていればその限りではない。
また、脱着の際に約1/2のTOCがイオン化するが、生成したイオン性分解物は連続通水で吸脱着を繰り返すことで、連続式電気脱イオン装置2の脱塩室内のイオン交換体に捕捉され、連続式電気脱イオン装置2の濃縮室を経て系外へ排出される。
まず、金属触媒に水素ガス溶解水が供給されると触媒に水素が吸蔵され、表面には触媒金属と水素の弱い結合が生じる。その状態で酸素ガスとTOCの共存系が金属触媒に接触すると、触媒金属表面に存在する水素原子と酸素原子が結合するときに、酸素原子中の電子が水素(金属)方向に引っ張られて電子が欠乏し、そことTOCの非共有電子対が結合すると考えられる。その状態で、再び水素ガス溶解水を接触すると、酸素原子から脱離が起こり、TOCの一部はイオン化して脱離すると考えられている。そのため、水素ガス溶解水と酸素ガス溶解水は交互に金属触媒に接触させる必要があるが、上記のようにガス溶解手段へのガス供給を酸素ガスと水素ガスで切り替えることで対応することができ、通水流路を切り替える必要はなく、圧力変動などを伴うことなく簡便に対応することができる。この場合、交互にガスを切り替えるタイミングは1~600秒程度、特に10~300秒程度の間隔が好ましく、酸素ガスの供給時間は水素ガスの供給時間の0.5~2.0倍程度とすることが好ましい。
図1に示す本発明のTOC除去装置により原水を処理した。
試験に用いた装置仕様は次の通りである。
ガス溶解膜モジュール:セルガード社製「リキセルG284」(4×28インチ)
連続式電気脱イオン装置:栗田工業(株)製「KCDI」
連続式電気脱イオン装置の脱塩室内の充填樹脂:
アニオン交換樹脂:栗田工業(株)製「ナノセイバー」
(白金ナノコロイド担体アニオン交換樹脂)10L
カチオン交換樹脂:栗田工業(株)製「KR-UC1」10L
原水を低圧紫外線ランプ装置(日本フォトサイエンス社製「AZ-26」)を用いて処理し、さらにイオン交換樹脂カラム(栗田工業(株)製「KR-UA1」と「KR-UC1」の混合樹脂)処理したところ、処理水のTOC濃度は3ppbであり、尿素が主成分であるため全く分解されなかった。
特許文献1に記載の方法で原水の処理を行った。即ち、連続式電気脱イオン装置の代りに栗田工業(株)製「ナノセイバー」(白金ナノコロイド担体アニオン交換樹脂)を充填した触媒カラムを用い、その後段にイオン交換樹脂カラム(栗田工業(株)製「KR-UA1」と「KR-UC1」の混合樹脂)を設置した。
その結果、イオン交換樹脂カラムの処理水のTOC濃度は1ppb以下であったが、触媒カラムを水素処理から酸素処理に切りかえる際に、10kPa程度の圧力変動が起こり、連続処理が行えなかった。またイオン交換樹脂の吸着量が20日程度で破過し、樹脂交換が必要となり連続処理が行えなかった。
2 連続式電気脱イオン装置
10 イオン交換体
11 陽極
12 陰極
13 アニオン交換膜
14 カチオン交換膜
15 濃縮室
16 脱塩室
17 陽極室
18 陰極室
Claims (4)
- 脱塩室内に、TOC分解能を有する触媒を含む連続式電気脱イオン装置を有するTOC除去装置であって、
TOC含有水に水素ガス又は酸素ガスを溶解させるガス溶解手段と、
該ガス溶解手段で水素ガスを溶解させたTOC含有水と酸素ガスを溶解させたTOC含有水とを前記連続式電気脱イオン装置の前記脱塩室に交互に導入する手段と
を有し、
前記連続式電気脱イオン装置の陽極で発生した酸素ガスを前記TOC含有水に溶解させる酸素ガスとして前記ガス溶解手段に送給する酸素ガス送給手段、及び/又は、前記連続式電気脱イオン装置の陰極で発生した水素ガスを前記TOC含有水に溶解させる水素ガスとして前記ガス溶解手段に送給する水素ガス送給手段を有することを特徴とするTOC除去装置。 - 前記ガス溶解手段が、前記連続式電気脱イオン装置の前段に設けられたガス溶解膜モジュールと、該ガス溶解膜モジュールの気相室に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と該気相室に酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、該水素ガス供給手段及び酸素ガス供給手段によるガスの供給を交互に切り換える切換手段と、該ガス溶解膜モジュールの液相室に前記TOC含有水を供給する手段とを有し、該液相室から流出するガス溶解TOC含有水が前記連続式電気脱イオン装置の脱塩室に導入されることを特徴とする請求項1に記載のTOC除去装置。
- 前記TOC分解能を有する触媒が白金族金属の微粒子よりなり、イオン交換樹脂に担持されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のTOC除去装置。
- 前記連続式電気脱イオン装置の脱塩室に、カチオン交換樹脂と、前記TOC分解能を有する金属が担持されたアニオン交換樹脂とが充填されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のTOC除去装置。
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