JPWO2017056792A1 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
EDI装置は、電気泳動と電気透析とを組み合わせた装置である。EDI装置は、アニオンのみを透過させるアニオン交換膜とカチオンのみを透過させるカチオン交換膜との間にイオン交換体(アニオン交換体および/またはカチオン交換体)が充填された脱塩室を備える。EDI装置では、脱塩室から見てアニオン交換膜およびカチオン交換膜の各々の外側に濃縮室が配置される。そして、脱塩室と各濃縮室が、陽極を備える陽極室と陰極を備える陰極室との間に配置される。脱塩室では、陽極に近い側にアニオン交換膜が配置され、陰極に近い側にカチオン交換膜が配置される。脱塩室とアニオン交換膜を介して隣接する濃縮室は、カチオン交換膜を介して陽極室と隣接する。脱塩室とカチオン交換膜を介して隣接する濃縮室は、アニオン交換膜を介して陰極室と隣接する。
H2O → H++OH−
本発明の目的は、処理水におけるホウ素の低濃度化が可能な水処理装置および水処理方法を提供することである。
12 陰極
21 陽極室
22、24 濃縮室
23a、23b、23c、23d、23e、23f 脱塩室
23d−1、23e−1、23f−1 第1小脱塩室
23d−2、23e−2、23f−2 第2小脱塩室
25 陰極室
31、33 カチオン交換膜
32、34 アニオン交換膜
36 中間イオン交換膜
CER、K カチオン交換体
AER、A アニオン交換体
101〜106 EDI装置
201〜208 水処理装置
図1は、EDI装置101を示した図である。
EDI装置101では、陽極11を備えた陽極室21と、陰極12を備えた陰極室25との間に、陽極室21側から順に、濃縮室22、脱塩室23aおよび濃縮室24が設けられている。
図2は、EDI装置102を示した図である。EDI装置102は、図1に示したEDI装置101と比べて、脱塩室に充填されているイオン交換体が異なる。EDI装置102の脱塩室23bでは、被処理水の入口側23b1の領域にアニオン交換体AERが単独で充填され、出口側23b2の領域にカチオン交換体CERが単独で充填されている。カチオン交換体CERとしては、例えばカチオン交換樹脂が使用される。
図3は、EDI装置103を示した図である。EDI装置103は、図2に示したEDI装置102と比べて、脱塩室に充填されているアニオン交換体AERとカチオン交換体CERの位置が逆になっている。つまり、EDI装置103の脱塩室23cでは、被処理水の入口側23c1の領域にカチオン交換体CERが単独で充填され、出口側23c2の領域にアニオン交換体AERが単独で充填されている。
図4は、EDI装置104を示した図である。
EDI装置104の脱塩室23dでは、アニオン交換膜32とカチオン交換膜33との間に中間イオン交換膜36が設けられ、中間イオン交換膜36によって脱塩室23dが小脱塩室23d−1と小脱塩室23d−2に区画されている。中間イオン交換膜36としては、アニオン交換膜、カチオン交換膜、および、バイポーラ膜などの複合膜のいずれも使用できる。EDI装置104では、中間イオン交換膜36として、アニオン交換膜が用いられる。陽極側の小脱塩室23d−1は第1小脱塩室の一例であり、陰極側の小脱塩室23d−2は第2小脱塩室の一例である。
図5は、EDI装置105を示した図である。
EDI装置105は、図4に示したEDI装置104と比べて、第1小脱塩室と第2小脱塩室における被処理水の通水の順番が逆になっている。EDI装置105では、小脱塩室23e−2に被処理水が供給されて小脱塩室23e−2から流出する水が小脱塩室23e−1に流入するように(矢印105a、矢印105b、矢印105c参照)、小脱塩室23e−1と小脱塩室23e−2は直列に連通されている。
図6は、EDI装置106を示した図である。
EDI装置106は、図4に示したEDI装置104と比べて、陰極側の小脱塩室に充填されているイオン交換体が異なっている。小脱塩室23f−2では、小脱塩室23f−1から流出する水の入口側23f−21の領域にカチオン交換体CERが単独で充填され、出口側23f−22の領域にアニオン交換体AERが単独で充填されている。EDI装置106では、小脱塩室23f−1に被処理水が供給されて小脱塩室23f−1から流出する水が小脱塩室23f−2に流入するように(矢印106a、矢印106b、矢印106c参照)、小脱塩室23f−1と小脱塩室23f−2は直列に連通されている。小脱塩室23f−1と小脱塩室23f−2における被処理水の通水方向は向流の関係となっている。また、中間イオン交換膜36として、アニオン交換膜が用いられる。
図7は、本発明の第1の実施形態の水処理装置201を示した図である。
水処理装置201は、EDI装置102とEDI装置103とを有する。EDI装置102の脱塩室23bとEDI装置103の脱塩室23cは、この順に直列に連通している。脱塩室23bの出口側23b2から流出した水は、脱塩室23cに入口側23c1から流入する。EDI装置102とEDI装置103の間では、濃縮室は直列に連通しておらず別々に供給水(純水)が供給される。EDI装置102の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置103の電極室(陰極室、陽極室)には、別々に供給水(純水)が供給される。なお、EDI装置102とEDI装置103の間で、濃縮室が直列に連通されてもよい。また、EDI装置102の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置103の電極室(陰極室、陽極室)に、共通の供給水が供給されてもよい。
被処理水内のホウ素は、脱塩室23bの入口側23b1の領域に充填されたアニオン交換体AERに触れると、アニオンとして解離してアニオン交換体AERに吸着される。なお、被処理水内のホウ素の一部は、アニオン交換体AERに吸着されずに被処理水の中に残る。ホウ素が残った被処理水は、脱塩室23b内のカチオン交換体CERが充填された部分(領域)に流れる。
脱塩室23bから流れ出た被処理水が、脱塩室23cのカチオン交換体CERが充填された領域に流れ込むと、被処理水に対して脱塩室23bのカチオン交換体CERが充填された領域で行われた処理と同様の処理が行われる。このため、脱塩室23cのカチオン交換体CERが充填された領域から流れ出る被処理水での水酸化物イオンの濃度は、脱塩室23cにカチオン交換体CERが存在しない場合よりも低くなる。
例えば、1台のEDI装置の脱塩室に「アニオン交換体→カチオン交換体→アニオン交換体」の順にイオン交換体が充填された場合、アニオン交換体とカチオン交換体との間での電気抵抗が異なるため、その電気抵抗の差異に応じて電流の偏流が生じてしまう。
これに対して、複数のEDI装置を用いた場合、1台のEDI装置を用いた場合に比べて、1つの脱塩室に充填するイオン交換体の種類を減らすことができ、イオン交換体の電気抵抗の差異に応じた電流の偏流を低減できる。
電極板は電流密度が高くなると、劣化しやすくなる。また、EDI装置を構成するイオン交換膜やイオン交換樹脂もイオン負荷が少ない状態にて高い電流値で運転すると電気的な焼けなどの劣化が発生する傾向がある。例えば、イオン負荷が少なくなる後段のEDI装置の電流値を低くすることでより安定した運転を行うことも可能になると考えられる。
後段のEDI装置は、その前段のEDI装置で処理された処理水を処理するため、全く処理されていない被処理水を処理する場合に比べて、処理の負荷が低くなる。そのため、後段のEDI装置は前段のEDI装置よりも劣化の進行度合いも少なく、より長い期間使用できることが想定される。後段のEDI装置は前段のEDI装置よりも交換頻度を少なくできることが考えられる。
図8は、本発明の第2の実施形態の水処理装置202を示した図である。
水処理装置202は、EDI装置101とEDI装置103とを有する。EDI装置101の脱塩室23aとEDI装置103の脱塩室23cは、この順に直列に連通している。被処理水は、脱塩室23aに流入する。そして、脱塩室23aから流出した水は、脱塩室23cに入口側23c1から流入する。EDI装置101とEDI装置103の間では、濃縮室は直列に連通しておらず別々に供給水が供給される。EDI装置101の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置103の電極室(陰極室、陽極室)には別々に供給水が供給される。
EDI装置101および103において、陽極室21と濃縮室22および24と陰極室25に供給水を通水し陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、EDI装置101の脱塩室23aから被処理水を通水する。
図9は、本発明の第3の実施形態の水処理装置203を示した図である。
水処理装置203は、EDI装置102とEDI装置101とを有する。EDI装置102の脱塩室23bとEDI装置101の脱塩室23aは、この順に直列に連通している。被処理水は、脱塩室23bに入口側23b1から流入する。脱塩室23bから流出した水は、脱塩室23aに流入する。EDI装置102とEDI装置101の間では、濃縮室は直列に連通しておらず別々に供給水が供給される。EDI装置102の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置101の電極室(陰極室、陽極室)には別々に供給水が供給される。
EDI装置102および101において、陽極室21と濃縮室22および24と陰極室25に供給水を通水し陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、EDI装置102の脱塩室23bの入口側23b1から被処理水を通水する。
EDI装置102では、第1の実施形態に示したEDI装置102にて行われる処理と同様の処理が行われると推定される。EDI装置102の脱塩室23bの出口側23b2から流れ出た被処理水は、EDI装置101の脱塩室23aに流入する。EDI装置101では、第1の実施形態における脱塩室23cの出口側23c2の領域に充填されたアニオン交換体AERを用いて行われる処理と同様の処理が行われると推定される。
図10は、本発明の第4の実施形態の水処理装置204を示した図である。
水処理装置204は、EDI装置104とEDI装置101とを有する。EDI装置104の脱塩室23d−1と、EDI装置104の脱塩室23d−2と、EDI装置101の脱塩室23aは、この順に直列に連通している。被処理水は、小脱塩室23d−1から流入する。EDI装置104とEDI装置101の間では、濃縮室は直列に連通しておらず別々に供給水が供給される。EDI装置104の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置101の電極室(陰極室、陽極室)には別々に供給水が供給される。
EDI装置104および101において、陽極室21と濃縮室22および24と陰極室25に供給水を通水し陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、EDI装置104の小脱塩室23d−1から被処理水を通水する。
図11は、本発明の第5の実施形態の水処理装置205を示した図である。
水処理装置205は、EDI装置101とEDI装置105とを有する。EDI装置101の脱塩室23aと、EDI装置105の小脱塩室23e−2と、EDI装置105の小脱塩室23e−1は、この順に直列に連通している。被処理水は、脱塩室23aから流入する。EDI装置101とEDI装置105の間では、濃縮室は直列に連通しておらず別々に供給水が供給される。EDI装置101の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置105の電極室(陰極室、陽極室)には別々に供給水が供給される。
EDI装置101および105において、陽極室21と濃縮室22および24と陰極室25に供給水を通水し陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、EDI装置101の脱塩室23aから被処理水を通水する。
図12は、本発明の第6の実施形態の水処理装置206を示した図である。
水処理装置206は、EDI装置106とEDI装置101とを有する。EDI装置106の小脱塩室23f−1と、EDI装置106の小脱塩室23f−2と、EDI装置101の脱塩室23aは、この順に直列に連通している。被処理水は、小脱塩室23f−1から流入する。EDI装置106とEDI装置101の間では、濃縮室は直列に連通しておらず別々に供給水が供給される。EDI装置106の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置101の電極室(陰極室、陽極室)には別々に供給水が供給される。
EDI装置106および101において、陽極室21と濃縮室22および24と陰極室25に供給水を通水し陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、EDI装置106の小脱塩室23f−1から被処理水を通水する。
図13は、本発明の第7の実施形態の水処理装置207を示した図である。
水処理装置207は、2台のEDI装置106を有する。以下、最初に被処理水が通水されるEDI装置106を「1段目EDI装置106−1」と称し、最後に被処理水が通水されるEDI装置106を「最終段EDI装置106−2」と称する。
1段目EDI装置106−1と最終段EDI装置106−2において、陽極室21と濃縮室22および24と陰極室25に供給水を通水し陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、1段目EDI装置106−1の小脱塩室23f−1から被処理水を通水する。
図14は、本発明の第8の実施形態の水処理装置208を示した図である。
水処理装置208は、EDI装置106とEDI装置105とを有する。EDI装置106の小脱塩室23f−1と、EDI装置106の小脱塩室23f−2と、EDI装置105の小脱塩室23e−2と、EDI装置105の小脱塩室23e−1とは、この順に直列に連通している。被処理水は、小脱塩室23f−1から流入する。EDI装置106とEDI装置105の間では、濃縮室は直列に連通しておらず別々に供給水が供給される。EDI装置106の電極室(陰極室、陽極室)と、EDI装置105の電極室(陰極室、陽極室)には別々に供給水が供給される。
EDI装置106および105において、陽極室21と濃縮室22および24と陰極室25に供給水を通水し陽極11と陰極12との間に直流電圧を印加した状態で、EDI装置106の小脱塩室23f−1から被処理水を通水する。
例えば、上述した各実施形態では、2台のEDI装置を用いた水処理装置が使用されている。しかしながら、複数の脱塩室のうち、被処理水が最初に通水される1段目の脱塩室の最上流部と、処理水を出力する最終段の脱塩室の最下流部に、アニオン交換体が単独で充填され、直列に連通する複数の脱塩室の一部であって1段目の脱塩室の最上流部と最終段の脱塩室の最下流部との間の部分に、少なくともカチオン交換体が充填されていれば、EDI装置の数は2台に限らず3台以上でもよい。
実施例および比較例として、2台のEDI装置を有し各EDI装置の脱塩室が直列に連通された水処理装置を用いた。以下、2台のEDI装置のうち、被処理水が最初に通水されるEDI装置を「1段目EDI装置」と称し、1段目EDI装置から流れ出た被処理水が通水されるEDI装置(最終段EDI装置)を「2段目EDI装置」と称する。
実施例1〜8の水処理装置として、図7〜図14に示した第1〜第8の実施形態の水処理装置201〜208(図20参照)を用いた。
次に、比較例で用いたEDI装置301について説明する。
図15は、EDI装置301を示した図である。EDI装置301としては、脱塩室23gにアニオン交換体Aとカチオン交換体Kとを混床形態で充填したEDI装置を用いた。
図16〜図19は、それぞれ、比較例1〜4の水処理装置を示した図である。
比較例1では、図16に示したように1段目EDI装置および2段目EDI装置としてEDI装置301を用いた。比較例2では、図17に示したように1段目EDI装置としてEDI装置301を用い2段目EDI装置としてEDI装置103を用いた。比較例3では、図18に示したように1段目EDI装置としてEDI装置301を用い2段目EDI装置としてEDI装置102を用いた。比較例4では、図19に示したように1段目EDI装置としてEDI装置101を用い2段目EDI装置としてEDI装置301を用いた。
・アニオン交換体として、アニオン交換樹脂[商品名:アンバージェット(登録商標)4002(強塩基性陰イオン交換樹脂4002)、ダウ・ケミカル社製]を用い、カチオン交換体として、カチオン交換樹脂[商品名:アンバージェット(登録商標)1020(強酸性陽イオン交換樹脂1020)、ダウ・ケミカル社製]を用いた。
・アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の両方が充填されている脱塩室23b、23c、小脱塩室23f−2、脱塩室23gでは、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との体積の割合を1:1にした。
・セル(脱塩室、濃縮室、陽極室、陰極室)の容積を、100mm×100mm×10mmとした。
・脱塩室セルペア数を、1セルペアとした。
・1段目EDI装置に通水される被処理水として、2段RO(逆浸透膜)処理水(導電率:3〜4μS/cm、ホウ素濃度:90〜100μgB/L)を用いた。
・被処理水流量を、20L/hとした。
・陽極と陰極との間を流れる電流の値を、0.4Aとした。
・濃縮室へ供給する供給水として、別系統からの純水を用いた。
・濃縮室への供給水流量を、5L/hとした。
・陽極室へ供給する供給水および陰極室へ供給する供給水として、別系統からの純水を用いた。
・陽極室へ供給する供給水流量および陰極室への供給水流量を、5L/hとした。
次に、図21を参照して実施例9〜10の水処理装置を説明する。
実施例9は、実施例1において、2段目EDI装置の脱塩室におけるカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂との体積比を一定(カチオン交換樹脂:アニオン交換樹脂=9:1)にした状態で、1段目EDI装置の脱塩室におけるアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の体積比を変更(アニオン交換樹脂の体積比を5%〜100%の間で変更)した例である。
次に、図22を参照して実施例11〜13の水処理装置を説明する。
実施例11は、実施例1において、1段目EDI装置の脱塩室に通水する被処理水に関して、シリカとホウ素の濃度を100マイクログラムパーリッター程度で一定(シリカ:98μgSiO2/L、ホウ素:97μgB/L)にした状態で炭酸の濃度(mgCO2/L)を変更した例である。
次に、図23を参照して実施例14の水処理装置を説明する。
実施例14は、実施例8において、1段目EDI装置の小脱塩室23f−1に通水する被処理水について、シリカと炭酸の濃度を一定(シリカ:101μgSiO2/L、炭酸:5mgCO2/L)にした状態でホウ素の濃度(μgB/L)を変更した例である。
Claims (14)
- 複数の電気式脱イオン水製造装置を有する水処理装置において、
前記複数の電気式脱イオン水製造装置の各々は、陽極と陰極との間に、前記陽極側に位置するアニオン交換膜と前記陰極側に位置するカチオン交換膜とで区画されイオン交換体が充填された脱塩室を有し、
前記複数の電気式脱イオン水製造装置の各々の前記脱塩室は、直列に連通しており、
前記直列に連通する複数の脱塩室は、被処理水を通水して処理水を流出し、
前記被処理水が最初に通水される1段目の前記脱塩室の最上流部と、前記処理水を流出する最終段の前記脱塩室の最下流部には、アニオン交換体が単独で充填され、
前記複数の脱塩室の一部であって前記1段目の脱塩室の最上流部と前記最終段の脱塩室の最下流部との間の部分に、少なくともカチオン交換体が充填されていることを特徴とする水処理装置。 - 前記1段目の脱塩室の体積に対する前記1段目の脱塩室の最上流部に単独で充填されたアニオン交換体の体積の比、および、前記最終段の脱塩室の体積に対する前記最終段の脱塩室の最下流部に単独で充填されたアニオン交換体の体積の比は、10%以上である、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記1段目の脱塩室または前記最終段の脱塩室には、アニオン交換体が単床形態で充填されている、請求項1または2に記載の水処理装置。
- 前記複数の脱塩室の少なくとも1つは、
前記アニオン交換膜と前記カチオン交換膜との間に位置する中間イオン交換膜と、
前記アニオン交換膜と前記中間イオン交換膜とで区画された第1小脱塩室と、
前記カチオン交換膜と前記中間イオン交換膜とで区画された第2小脱塩室と、を有し、
前記第1小脱塩室と前記第2小脱塩室とが直列に連通している、請求項1から3のいずれか1項に記載の水処理装置。 - 前記1段目の脱塩室は、前記中間イオン交換膜と前記第1小脱塩室と前記第2小脱塩室とを有し、
前記1段目の脱塩室では、前記第1小脱塩室が前記第2小脱塩室より上流側に位置し、当該第1小脱塩室にアニオン交換体が単床形態で充填されている、請求項4に記載の水処理装置。 - 前記最終段の脱塩室は、前記中間イオン交換膜と前記第1小脱塩室と前記第2小脱塩室とを有し、
前記最終段の脱塩室では、前記第1小脱塩室が前記第2小脱塩室より下流側に位置し、当該第1小脱塩室にアニオン交換体が単床形態で充填されている、請求項4または5に記載の水処理装置。 - 2つ以上の前記電気式脱イオン水製造装置が設けられ、
前記1段目および前記最終段の脱塩室は、それぞれ、前記中間イオン交換膜と前記第1小脱塩室と前記第2小脱塩室とを有し、
前記1段目および前記最終段の脱塩室では、前記第1小脱塩室が前記第2小脱塩室より上流側に位置し、当該第1小脱塩室にアニオン交換体が単床形態で充填され、前記第2小脱塩室における最上流部にカチオン交換体が単独で充填され、当該第2小脱塩室における前記最上流部以外の部分にアニオン交換体が単独で充填されている、請求項4または5に記載の水処理装置。 - 2つ以上の前記電気式脱イオン水製造装置が設けられ、
前記1段目および前記最終段の脱塩室は、それぞれ、前記中間イオン交換膜と前記第1小脱塩室と前記第2小脱塩室とを有し、
前記1段目の脱塩室では、前記第1小脱塩室が前記第2小脱塩室より上流側に位置し、当該第1小脱塩室にアニオン交換体が単床形態で充填され、前記第2小脱塩室における最上流部にカチオン交換体が単独で充填され、当該第2小脱塩室における前記最上流部以外の部分にアニオン交換体が単独で充填され、
前記最終段の脱塩室では、前記第1小脱塩室が前記第2小脱塩室より下流側に位置し、前記第1小脱塩室にアニオン交換体が単床形態で充填され、前記第2小脱塩室にカチオン交換体が単床形態で充填されている、請求項4から6のいずれか1項に記載の水処理装置。 - 前記1段目の脱塩室の上流側に逆浸透膜装置が設けられている、請求項1から8のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 前記1段目の脱塩室の上流側に脱炭酸膜装置が設けられている、請求項1から9のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 陽極と陰極との間に、前記陽極側に位置するアニオン交換膜と前記陰極側に位置するカチオン交換膜とで区画されイオン交換体が充填された脱塩室を有する複数の電気式脱イオン水製造装置を備え、前記複数の電気式脱イオン水製造装置の各々の前記脱塩室は、直列に連通しており、前記直列に連通する複数の脱塩室は、被処理水を通水して処理水を流出し、前記被処理水が最初に通水される1段目の前記脱塩室の最上流部と、前記処理水を流出する最終段の前記脱塩室の最下流部には、アニオン交換体が単独で充填され、前記複数の脱塩室の一部であって前記1段目の脱塩室の最上流部と前記最終段の脱塩室の最下流部との間の部分に、少なくともカチオン交換体が充填されている水処理装置を用いた水処理方法であって、
前記陽極と前記陰極との間に直流電圧を印加しつつ前記直列に連通する複数の脱塩室に前記被処理水を通水して前記被処理水を処理して前記処理水を流出する水処理方法。 - 前記1段目の電気式脱イオン水製造装置に通水する被処理水のシリカ濃度が100μgSiO2/L以下である請求項11に記載の水処理方法。
- 前記1段目の電気式脱イオン水製造装置に通水する被処理水のホウ素濃度が100μgB/L以下である請求項11または12に記載の水処理方法。
- 前記1段目の電気式脱イオン水製造装置に通水する被処理水の炭酸濃度が5mgCO2/L以下である請求項11から13のいずれか1項に記載の水処理方法。
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