JP2003326266A - 純水の製造方法及び装置並びにスケールモニター装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 濃縮室におけるスケールの発生を防止ないし
抑制して、長期に亘り安定かつ効率的な純水の製造を行
うことができる純水の製造方法及び装置と、そのための
スケールモニター装置を提供する。 【解決手段】 純水製造装置は、電気脱イオン装置１
と、スケールモニター装置２とを備えている。スケール
モニター装置２は、陽極３と陰極４との間に陽極電極室
５、アニオン交換膜６、脱塩室７、カチオン交換膜８及
び陰極電極室９のみをこの順に配置したものである。陽
極電極室５に電気脱イオン装置１の濃縮水が通水され、
脱塩室７及び陰極電極室９に原水が通水される。スケー
ルモニター装置２は、電気脱イオン装置よりもスケール
が発生し易い条件で運転される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体、液晶、製
薬、食品、電力等の分野の各種産業、民生用、又は研究
設備で利用される脱イオン水を、電気脱イオン装置を用
いて製造する純水の製造方法及び装置に係り、特に電気
脱イオン装置でのスケール発生を防止して長期に亘り安
定かつ効率的に純水を製造する方法及び装置に関する。
また、本発明は、このためのスケールモニター装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】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使用される脱イオン水の製造に、
電気脱イオン装置が広く用いられている。この電気脱イ
オン装置として、図３に示す如く、電極（陽極１１，陰
極１２）の間に複数のアニオン交換膜１３及びカチオン
交換膜１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６と
を交互に形成し、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン
交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交
換体及びカチオン交換体を混合もしくは複層状に充填し
たものがある（特許第１７８２９４３号、特許第２７５
１０９０号、特許第２６９９２５６号）。なお、図３に
おいて、１７は陽極室、１８は陰極室である。

【０００３】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、
効率的な脱塩処理が可能であり、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効果を発揮する。

【０００４】この電気脱イオン装置では、濃縮室におい
て炭酸カルシウムを主体としたスケールが析出し、濃縮
室が閉塞して連続運転が困難になることがある。

【０００５】電気脱イオン装置における炭酸カルシウム
スケール発生のメカニズムを図４に概略的に示す。濃縮
室１５内のカルシウムイオンは、アニオン交換膜１３面
に濃縮される。一方、脱塩室１６内の炭酸イオン、重炭
酸イオン及び水解離によって生じたＯＨ⁻イオンはアニ
オン交換膜１３を通じて濃縮室１５に移動する。このた
め濃縮室１５側のアニオン交換膜１３の膜面直近領域で
は、高濃度の炭酸イオン、重炭酸イオン、カルシウムイ
オンが存在し、かつＯＨ⁻イオンにより高ｐＨとなって
いる。このため、高濃度の重炭酸イオン、炭酸イオン、
カルシウムイオンが含まれる供給水を通水した場合や、
電気脱イオン装置を高回収率で運転し、高濃度のカルシ
ウムイオンが濃縮室に存在する場合に、アニオン交換膜
面に炭酸カルシウムのスケールが発生しやすい。

【０００６】従来より、炭酸カルシウム由来のスケール
析出の有無の判定には、ランジェリア指数が用いられて
いるが、上述のように電気脱イオン装置内では水解離が
生じており、局所的にアルカリ部分が生じていることよ
り、ランジェリア指数をスケール析出の指標とすること
ができなかった。また、ＣＯ_２、シリカ、ホウ素等の弱
イオン性物質を除去するために、高電流を流す電気脱イ
オン装置では、微量のＣａ、無機炭酸（以下「ＩＣ」と
呼ぶ。）濃度下でもスケールが発生してしまい、その都
度、ＨＣｌなどの酸洗浄を実施する必要があった。

【０００７】特開２００１−３１４８６５号公報には、
電気脱イオン装置を用いて純水を製造するに当り、炭酸
カルシウム発生の指標を明確にすることにより、電気脱
イオン装置におけるスケールの発生を確実に防止して、
長期安定運転を可能とする純水の製造方法として、下記
式で算出されるスケール指標数値ＳＩが２００以下とな
る条件で電気脱イオン装置を運転する方法が記載されて
いる。 スケール指標数値ＳＩ＝ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ
_２／ｈ・ｄｍ^２）×濃縮水Ｃａ濃度（ｍｇ−ＣａＣＯ_３
／Ｌ） （ただし、ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ
^２）は、該電気脱イオン装置のアニオン交換膜面積（ｄ
ｍ^２）当たりのＩＣ負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ）であ
り、濃縮水Ｃａ濃度は濃縮室流出水のＣａ濃度（ＣａＣ
Ｏ_３換算）である。）

【０００８】なお、電気脱イオン装置のＩＣ負荷量（ｍ
ｇ−ＣＯ_２／ｈ）は、電気脱イオン装置の供給水のＩＣ
濃度（ｍｇ−ＣＯ_２／Ｌ）に流量（Ｌ／ｈ）を掛けるこ
とにより求められ、従って、ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−
ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ^２）は、 供給水のＩＣ濃度（ｍｇ−ＣＯ_２／Ｌ）×セル当たりの
流量（Ｌ／ｈ）÷セル有効アニオン交換膜面積（ｄ
ｍ^２） で算出される。

【０００９】このスケール指標数値ＳＩを規定値以下に
することにより、電気脱イオン装置の濃縮室内での炭酸
カルシウムスケールの析出を確実に防止することがで
き、該電気脱イオン装置を長期間に亘って安定に運転す
ることが可能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記特開２００１−３
１４８６５号の方法により電気脱イオン装置を運転する
場合、電気脱イオン装置に供給される原水中のＩＣ濃度
と濃縮水のＣａ濃度とをモニタリングし、これに基づい
て電気脱イオン装置を制御する必要がある。

【００１１】本発明は、このような濃度のモニタリング
を行うまでもなく電気脱イオン装置におけるスケール発
生を防止又は抑制することができる純水の製造方法及び
装置並びにスケールモニター装置を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の純水の製造方法
は、陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオ
ン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる
電気脱イオン装置を用い、原水を該電気脱イオン装置の
脱塩室に導入し、該脱塩室の流出水を処理水として取り
出す純水の製造方法において、少なくとも陽極、陰極及
びこれらの間に配設されたアニオン交換膜を有したスケ
ールモニター装置に原水及び／又は前記電気脱イオン装
置からの濃縮水を流通させてスケール発生傾向を検出
し、この検出結果に基づいて前記電気脱イオン装置の運
転条件を制御して該電気脱イオン装置におけるスケール
発生を防止又は抑制することを特徴とするものである。

【００１３】本発明の純水製造装置は、陽極と陰極との
間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列し
て濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置を
備えた純水製造装置において、少なくとも陽極、陰極及
びこれらの間に配置されたアニオン交換膜を有し、原水
及び／又は該電気脱イオン装置からの濃縮水が流通され
るスケール発生傾向検出用スケールモニター装置と、該
スケールモニター装置で検出されたスケール発生傾向に
基づいて、該電気脱イオン装置におけるスケール発生を
防止又は抑制するように該電気脱イオン装置の運転条件
を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするもので
ある。

【００１４】本発明のスケールモニター装置は、電気脱
イオン装置におけるスケール発生傾向を検出するための
モニター装置であって、少なくとも陽極、陰極及びこれ
らの間に配置されたアニオン交換膜を有し、原水及び／
又は電気脱イオン装置からの濃縮水が流通されるもので
ある。

【００１５】かかる本発明によると、電気脱イオン装置
を模擬したスケールモニター装置に原水及び／又は電気
脱イオン装置濃縮水を通水し、このスケールモニター装
置のスケール発生傾向に基づいて電気脱イオン装置を制
御するので、電気脱イオン装置のスケール発生を確実に
防止又は抑制することができる。

【００１６】スケールモニター装置のスケール発生傾向
は、スケールモニター装置の印加電圧及び／又は電流に
より検出するのが好ましい。

【００１７】このスケールモニター装置では、電気脱イ
オン装置よりもスケール発生傾向が高い条件で運転され
る。このスケール発生傾向は、例えば上記スケール指標
数値ＳＩによって判断される。なお、このスケールモニ
ター装置において、ＳＩ値を算出する場合、濃縮側の流
出水のＣａ濃度としては、アニオン交換膜に接した、且
つ該アニオン交換膜よりも陽極側の室からの流出水のＣ
ａ濃度を充てるものとする。

【００１８】スケールモニター装置のスケール発生傾向
を電気脱イオン装置のスケール発生傾向よりも高くする
には、電気脱イオン装置の濃縮排水をスケールモニター
装置に通水する方法、スケールモニター装置の回収率を
電気脱イオン装置より高くする方法、スケールモニター
装置のアニオン交換膜１ｄｍ^２当りの炭酸イオン及び重
炭酸イオン移動量を電気脱イオン装置より高くする方
法、及びスケールモニター装置の電流密度を電気脱イオ
ン装置より高くする方法の少なくとも１つの方法を採用
するのが好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る純
水製造装置のブロック図である。

【００２０】この純水製造装置は、電気脱イオン装置１
と、スケールモニター装置２とを備えている。この電気
脱イオン装置１は前記図３と全く同一の構成のものであ
り、電極（陽極１１，陰極１２）の間に複数のアニオン
交換膜１３及びカチオン交換膜１４を交互に配列して濃
縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成し、脱塩室１６に
イオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換
体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合
もしくは複層状に充填した構成を有する。なお、図１で
は、各部材ないし室１１〜１６は図示が省略されてい
る。この電気脱イオン装置１においても、前記図３の場
合と同じく、脱塩室１６及び濃縮室１５にそれぞれ原水
が供給され、脱塩室１６から希釈水が取り出され、濃縮
室１５から濃縮水が取り出される。濃縮水の一部は装置
外に排出され、残部はポンプによって濃縮室１５に戻さ
れる。この循環される濃縮水に対し所定量の原水が添加
される。

【００２１】図１に示すスケールモニター装置２は、陽
極３と陰極４との間に陽極電極室５、アニオン交換膜
６、脱塩室７、カチオン交換膜８及び陰極電極室９のみ
をこの順に配置したものである。脱塩室７には電気脱イ
オン装置１の脱塩室と同じイオン交換樹脂が充填されて
いる。アニオン交換膜及びカチオン交換膜は電気脱イオ
ン装置１のアニオン交換膜及びカチオン交換膜と同一の
ものである。

【００２２】陽極電極室５に電気脱イオン装置１の濃縮
水が通水され、脱塩室７及び陰極電極室９に原水が通水
される。陽極３と陰極４との間に電圧を印加した状態で
上記のように濃縮水及び原水が通水される。

【００２３】このように、電気脱イオン装置１の濃縮水
を陽極電極室５に通水することにより、スケールモニタ
ー装置２のアニオン交換膜６の膜面の陽極電極室側にお
けるＣａ濃度を、電気脱イオン装置１のアニオン交換膜
膜面の濃縮室側と同じにしている。この実施の形態にあ
っては、脱塩室７に通水する原水量を調整し、アニオン
交換膜６のＩＣの膜面積負荷を電気脱イオン装置のアニ
オン交換膜における膜面積負荷よりも大きくし、電気脱
イオン装置１よりもスケールモニター装置２のアニオン
交換膜６膜面をスケールが生成し易い環境としている。
即ち、スケールモニター装置２は電気脱イオン装置１よ
りもスケール発生傾向が高くなっている。

【００２４】そのため、この電気脱イオン装置１及びス
ケールモニター装置２よりなる純水製造装置を運転しな
がらスケールモニター装置２でのスケール発生傾向をモ
ニターし、スケールモニター装置２でスケールの生成が
認められたときには、電気脱イオン装置１の運転条件を
スケール発生を防止ないし抑制するように変化させる。

【００２５】具体的には、スケールモニター装置２の陽
極３と陰極４との間に定電圧装置により定電圧を印加し
て運転している場合には、陽極３と陰極４との間の電流
値が低下したときには、スケールモニター装置２内でス
ケールが析出してきたと判定し、且つこの電流値の低下
度合からスケール発生量を知ることができる。

【００２６】また、スケールモニター装置２の陽極３と
陰極４との間に定電流装置により定電流を通電して運転
している場合には、陽極３と陰極４との間の電圧値が上
昇しているときには、スケールモニター装置２内でスケ
ールが析出してきたと判定し、且つこの電圧値の上昇度
合からスケール発生量を知ることができる。

【００２７】前記の通り、スケールモニター装置２は、
その陽極電極室５に電気脱イオン装置１の濃縮水が流通
され、電気脱イオン装置１よりもアニオン交換膜面にス
ケールが析出し易い環境とされているので、スケールモ
ニター装置２でスケール発生を検知した段階で電気脱イ
オン装置１の運転条件をスケール防止側に変化させるこ
とにより、電気脱イオン装置１でのスケール発生を確実
に防止することができる。

【００２８】電気脱イオン装置の運転条件をスケール防
止側に変化させるには、例えば、電流密度を低下させ
る、濃縮水の排出量を増加させる、などの運転条件変更
を行う。

【００２９】本発明では、スケールモニター装置の構成
を、図２の通り、より簡略化してもよい。図２のスケー
ルモニター装置２’は、陽極３と陰極４との間に陽極電
極室５、アニオン交換膜６及び脱塩室７のみをこの順に
配置したものである。このスケールモニター装置２’に
おいても、アニオン交換膜６の膜面(陽極電極室５側の
膜面)のスケールの発生傾向をモニターすることができ
る。

【００３０】本発明では、陽極電極室５に電気脱イオン
装置１の濃縮水を通水する方法以外にも、スケールモニ
ター装置２，２’の希釈水回収率を電気脱イオン装置１
の希釈水回収率よりも高くする方法；スケールモニター
装置２，２’のアニオン交換膜６の単位面積(１ｄｍ^２)
当りの炭酸イオン、重炭酸イオン移動量を電気脱イオン
装置１のアニオン交換膜におけるよりも高くする方法；
スケールモニター装置２，２’の電流密度を電気脱イオ
ン装置１よりも高くする方法；により、スケールモニタ
ー装置のスケール発生傾向を電気脱イオン装置１よりも
高くすることができる。これらの方法は、いずれか１つ
又は２以上を組み合わせて採用してもよい。

【００３１】なお、図１の純水製造装置において、電気
脱イオン装置１の濃縮水をスケールモニター装置２の陽
極電極室５に通水することで、アニオン交換膜６の濃縮
側のＣａ濃度を電気脱イオン装置１のアニオン交換膜の
濃縮側と同じにし、脱塩室７へ供給する原水量を多く
し、ＩＣ膜面積負荷を電気脱イオン装置１より大きくし
た場合において、原水のＣＯ_２濃度又はＣａ濃度が変動
したときの電気脱イオン装置１及びスケールモニター装
置２におけるＳＩ値の変化の一例を表１，２に示す。

【００３２】表１は、Ｃａ濃度が０．２ｍｇ−ＣａＣＯ
_３／Ｌと一定のときに原水のＣＯ_２濃度が変化した場合
のＳＩ値変化

【００３３】

【表１】

【００３４】表２は、ＣＯ_２濃度が１０ｍｇ−ＣａＣＯ
_３／Ｌと一定のときに原水のＣａ濃度が変化した場合の
ＳＩ値変化である。

【００３５】

【表２】

【００３６】表１，２の通り、いずれの場合もスケール
モニター装置２のＳＩ値が高く、スケールモニター装置
２でスケールが生成し易いことが明らかである。

【００３７】また、図１の純水製造装置において、スケ
ールモニター装置２に定電流装置を用いて０．４５Ａの
定電流を通電したところ、印加電圧は約１０Ｖとほぼ一
定であった。この状態で、試験的に、原水に塩化カルシ
ウム水溶液を添加して原水中のＣａ濃度を０．３ｍｇ／
Ｌから４．０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌにまで高めて通水を
行った。その結果、印加電圧は０．２５Ｖ／ｈの速度で
上昇した。なお、その後、スケールモニター装置を分解
して検査したところ、Ｃａ添加開始後、４時間でスケー
ルが生成し始めたことが認められた。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の純水の製造
方法及び装置によれば、電気脱イオン装置の濃縮室にお
けるスケールの発生を防止ないし抑制して、長期に亘り
安定かつ効率的な純水の製造を行うことができる。ま
た、本発明のスケールモニター装置によれば、電気脱イ
オン装置におけるスケール発生を簡便にモニタリングす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る純水製造装置のブロック図で
ある。

【図２】別の実施の形態に係るスケールモニター装置の
模式的な断面図である。

【図３】電気脱イオン装置の一般的な構成を示す模式的
な断面図である。

【図４】電気脱イオン装置におけるイオンの移動状況を
説明する模式図である。

【符号の説明】

１ 電気脱イオン装置 ２，２’ スケールモニター装置 ３ 陽極 ４ 陰極 ５ 陽極電極室 ６ アニオン交換膜 ７ 脱塩室 ８ カチオン交換膜 ９ 陰極電極室 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

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D006 GA17 HA47 JA30Z JA51Z JA53Z JA56Z KE14P KE30P LA08 MA13 MA14 PA01 PB02 PC01 PC11 PC42 4D061 DA02 DB13 EA09 EB01 EB04 EB13 EB37 EB39 FA08 GA05 GA30 GC11

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陽極と陰極との間に複数のアニオン交換
   膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形
   成してなる電気脱イオン装置を用い、 原水を該電気脱イオン装置の脱塩室に導入し、該脱塩室
   の流出水を処理水として取り出す純水の製造方法におい
   て、 少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配設されたアニ
   オン交換膜を有したスケールモニター装置に原水及び／
   又は前記電気脱イオン装置からの濃縮水を流通させてス
   ケール発生傾向を検出し、 この検出結果に基づいて前記電気脱イオン装置の運転条
   件を制御して該電気脱イオン装置におけるスケール発生
   を防止又は抑制することを特徴とする純水の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記スケール発生傾
   向を検出するために、前記スケールモニター装置の陽極
   と陰極との間の印加電流及び／又は両者の間の通電電流
   を検出することを特徴とする純水の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記スケール
   モニター装置を前記電気脱イオン装置よりもスケール発
   生傾向が高い条件で運転することを特徴とする純水の製
   造方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、下記式で算出され
   る、前記電気脱イオン装置及びスケールモニター装置に
   おけるスケール指標数値ＳＩが、前記電気脱イオン装置
   よりも前記スケールモニター装置において高くなるよう
   に該スケールモニター装置を運転することを特徴とする
   純水の製造方法。 スケール指標数値ＳＩ＝ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ
   _２／ｈ・ｄｍ^２）×濃縮水Ｃａ濃度（ｍｇ−ＣａＣＯ_３
   ／Ｌ） （ただし、ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ
   ^２）は、各装置におけるアニオン交換膜面積（ｄｍ^２）
   当たりの無機炭酸負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ）であり、
   濃縮水Ｃａ濃度は各装置における濃縮側の流出水のＣａ
   濃度（ＣａＣＯ_３換算）である。）
5. 【請求項５】 請求項３又は４において、前記スケール
   モニター装置を前記電気脱イオン装置よりもスケール発
   生傾向が高い条件で運転するために、 前記電気脱イオン装置の濃縮排水をスケールモニター装
   置に通水する方法、 スケールモニター装置の回収率を電気脱イオン装置より
   高くする方法、 スケールモニター装置のアニオン交換膜１ｄｍ^２当りの
   炭酸イオン及び重炭酸イオン移動量を電気脱イオン装置
   より高くする方法、及びスケールモニター装置の電流密
   度を電気脱イオン装置より高くする方法の少なくとも１
   つの方法を採用することを特徴とする純水の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか１項におい
   て、前記スケールモニター装置の検出結果に基づき、電
   気脱イオン装置の印加電圧及び／又は回収率を制御して
   スケール発生を防止又は抑制することを特徴とする純水
   の製造方法。
7. 【請求項７】 陽極と陰極との間に複数のアニオン交換
   膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形
   成してなる電気脱イオン装置を備えた純水製造装置にお
   いて、 少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配置されたアニ
   オン交換膜を有し、原水及び／又は該電気脱イオン装置
   からの濃縮水が流通されるスケール発生傾向検出用スケ
   ールモニター装置と、 該スケールモニター装置で検出されたスケール発生傾向
   に基づいて、該電気脱イオン装置におけるスケール発生
   を防止又は抑制するように該電気脱イオン装置の運転条
   件を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする純
   水製造装置。
8. 【請求項８】 電気脱イオン装置におけるスケール発生
   傾向を検出するためのモニター装置であって、 少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配置されたアニ
   オン交換膜を有し、原水及び／又は電気脱イオン装置か
   らの濃縮水が流通されるスケール発生傾向検出用スケー
   ルモニター装置。
9. 【請求項９】 請求項８において、前記陽極及び陰極の
   間に陽極電極室、カチオン交換膜、脱塩室、アニオン交
   換膜及び陰極電極室のみがこの順に配置されていること
   を特徴とするスケールモニター装置。
10. 【請求項１０】 請求項８において、前記陽極及び陰極
    の間に脱塩室、アニオン交換膜及び陰極電極室のみがこ
    の順に配置されていることを特徴とするスケールモニタ
    ー装置。