JP2004195293A

JP2004195293A - 電気脱イオン処理方法

Info

Publication number: JP2004195293A
Application number: JP2002363982A
Authority: JP
Inventors: Shin Sato; 伸佐藤; Kiminobu Osawa; 公伸大澤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】給水中の炭酸（ＣＯ_２）濃度が高く、また、電気脱イオン装置の運転電流値が高い場合であっても、電気抵抗の上昇を抑制して、長期に亘り安定に処理を継続する。
【解決手段】電気脱イオン装置６の給水の全無機炭酸濃度（ｍｇ−Ｃ／Ｌ）に対して、該給水の塩化ナトリウム濃度（ｍｇ−ＮａＣｌ／Ｌ）が５倍以上となるように、該給水に塩化ナトリウムを添加する。
【選択図】図１

Description

【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の製造に用いられる電気脱イオン装置を用いて脱イオン処理する方法に係り、特に、運転の継続に伴う電気脱イオン装置の電気抵抗の経時的な上昇を抑制して、長期に亘り安定に処理を継続することができる電気脱イオン処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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は、図４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電気脱イオン装置が多用されている（特許第１７８２９４３号、特許第２７５１０９０号、特許第２６９９２５６号）。なお、図４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。
【０００４】
【特許文献１】
特許第１７８２９４３号
【特許文献２】
特許第２７５１０９０号
【特許文献３】
特許第２６９９２５６号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電気脱イオン装置では、運転を長期に亘り継続すると、電気抵抗が次第に上昇する現象が見られることがある。
【０００６】
この電気抵抗上昇の原因としては、電気脱イオン装置内部での炭酸カルシウムスケールの生成などが挙げられているが、カルシウムを含まない給水を通水しても、長期の運転で電気抵抗が上昇することがある。この現象は、特に給水中に炭酸（ＣＯ_２）成分が存在し、電気脱イオン装置の運転電流値が例えば電流密度２００ｍＡ／ｄｍ^２以上と高い場合に生じ易い。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、給水中に炭酸（ＣＯ_２）成分が存在し、また、電気脱イオン装置の運転電流値が高い場合であっても、電気抵抗の上昇を抑制して、長期に亘り安定に処理を継続することができる電気脱イオン処理方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気脱イオン処理方法は、電気脱イオン装置の給水の全無機炭酸濃度（ｍｇ−Ｃ／Ｌ）に対して、該給水の塩化ナトリウム濃度（ｍｇ−ＮａＣｌ／Ｌ）が５倍以上となるように、該給水に塩化ナトリウムを添加することを特徴とする。
【０００９】
電気脱イオン装置の給水に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を添加して、給水のＮａＣｌ濃度（ｍｇ−ＮａＣｌ／Ｌ）を給水の全無機炭酸（以下「ＩＣ」と称す場合がある。）濃度の５倍以上とすることにより、上述のような、Ｃａを含まない給水での電気抵抗の上昇を防止して、電気抵抗を長期間安定させることができる。
【００１０】
本発明は特に電流密度２００ｍＡ／ｄｍ^２以上で運転する場合において、顕著な効果を得ることができ、長期に亘って電気抵抗の上昇を抑制することができる。
【００１１】
本発明に従って、給水にＮａＣｌを添加することによる電気抵抗の上昇防止効果の作用機構の詳細については、十分には明らかになっていないが、以下のように考えられる。
【００１２】
即ち、前述の如く、電気脱イオン装置の脱塩室にはアニオン交換体とカチオン交換体が充填されており、給水中の強イオン成分は早期に、従って、脱塩室の入口側でイオン交換体に吸着し、弱イオン成分は強イオン成分よりも遅く吸着する。従って、Ｃｌ⁻，ＨＣＯ_３ ⁻等の給水中のアニオン交換体に吸着する成分のうち、強イオン成分のＣｌ⁻は脱塩室の入口側で吸着し、その後で弱イオン成分のＨＣＯ_３ ⁻が吸着する。このため、図３（ａ）に示す如く、脱塩室１の入口側では、Ｃｌ型のアニオン交換体が多く、中ほどではＨＣＯ_３型のアニオン交換体が多く、出口側の方では通電による水解離で発生したＯＨ⁻によりアニオン交換体が再生されるためＯＨ型が多くなる。しかして、このようなイオン型のうち、ＨＣＯ_３型のイオン交換体が電気抵抗の上昇の原因となる。
【００１３】
給水中のＣｌ濃度とＩＣ濃度との比率で、全ＩＣ濃度が高くなると、図３（ｂ）に示す如く、脱塩室１内にＨＣＯ_３型のアニオン交換体の割合が高くなってしまうため、全体での電気抵抗が高くなる。特に、高電流で電気脱イオン装置を運転すると、再生され易いＣｌ型の割合が少なくなり、再生され難いＨＣＯ_３型の割合が多くなってしまうため、より一層電気抵抗が上昇する。
【００１４】
本発明に従って、給水にＮａＣｌを添加して、ＮａＣｌ／ＩＣを５倍以上とすることにより、脱塩室内のアニオン交換体のうち、Ｃｌ型のアニオン交換体が増え、ＨＣＯ_３型の割合が相対的に減り、このようなＨＣＯ_３型アニオン交換体に起因する電気抵抗の上昇を防止することができ、例えば、３００〜１０００ｍＡ／ｄｍ^２の高電流密度での運転を行っても安定な処理が可能となる。
【００１５】
以上のことから、本発明では、電気脱イオン装置の給水全体にＮａＣｌを添加しても良いが、電気脱イオン装置の給水のうち、脱塩室に導入される給水のみにＮａＣｌを添加すれば十分な効果を得ることができる。
【００１６】
なお、上述の説明では、アニオン交換体に吸着する強イオン成分として、給水中の主要な成分であるＣｌ⁻についてのみ言及したが、給水中には、Ｃｌ⁻以外にも他のアニオン成分、例えばＳＯ_４ ^２−，ＮＯ_３ ⁻，ＮＯ_２ ⁻，ＰＯ_４ ^３−，Ｆ⁻，ＨＳｉＯ_３ ⁻等が含有されている場合がある。従って、給水に添加する強イオン成分の電解質としては、ＮａＣｌに限らず、Ｎａ_２ＳＯ_４等の他の電解質を用いても、同様な結果を得ることができるが、取り扱い性等の面でＮａＣｌが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の電気脱イオン処理方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の電気脱イオン処理方法の実施の形態を示す系統図であり、図２は、本発明におけるＮａＣｌの添加箇所を示す模式図である。
【００１９】
図１に示す如く、電気脱イオン装置６には、一般に、市水、工水等の原水を活性炭装置４、逆浸透（ＲＯ）膜装置５、脱気装置８等で前処理した水が給水として供給される。本発明においては、このような電気脱イオン装置６の給水にＮａＣｌを添加するＮａＣｌ添加装置７を設けて、電気脱イオン装置６の給水にＮａＣｌを添加する。
【００２０】
ＮａＣｌは、５〜２３重量％程度の水溶液として添加されることが好ましい。このＮａＣｌ水溶液としては、ＮａＣｌ水溶液による給水の水質低下を防止するために、ＮａＣｌを原水や脱イオン水、純水、超純水又はＲＯ処理水で溶解したＮａＣｌ水溶液を用いることが好ましい。
【００２１】
ＮａＣｌ水溶液は、電気脱イオン装置６の給水中のＮａＣｌ濃度がＩＣ濃度の５倍以上、好ましくは１０倍以上となるように添加する。このＮａＣｌ／ＩＣ比が５倍未満では、特に給水のＩＣ濃度が高い場合や、２００ｍＡ／ｄｍ^２以上の高電流密度で運転する場合において、経時による電気抵抗の上昇を確実に防止し得ない。ＮａＣｌ／ＩＣ比は高い程、電気抵抗の安定化のためには好適であるが、給水のイオン負荷が上昇することにより、得られる脱イオン水の水質の低下が懸念されるため、給水のＮａＣｌ濃度はＩＣ濃度の２０倍以下となるようにＮａＣｌ水溶液の添加量を調整することが好ましい。
【００２２】
なお、一般に、市水等の原水を、活性炭装置４、ＲＯ膜装置５、脱気装置８等で処理して得られる水のＩＣ濃度は、３００〜８００ｐｐｂ程度、ＮａＣｌ濃度は０．５〜１ｐｐｍ程度で、ＮａＣｌ／ＩＣ比は０．５〜３．３程度あるため、ＮａＣｌ水溶液を添加しない場合には、高電流密度条件での運転において、電気抵抗が経時的に上昇する。
【００２３】
ＮａＣｌ水溶液は、前述の如く、電気脱イオン装置の給水のうち、少なくとも脱塩室に導入される水に添加することが好ましく、従って、図２に示す如く、脱塩室１、濃縮室２及び電極室３を備え、給水の一部を脱塩室１に導入し、残部を濃縮室２に導入し、脱塩室１から脱イオン水を取り出すと共に、電極室３からの電極水を系外へ排出し、濃縮室２からの濃縮水の一部を系外へ排出し、残部を濃縮室２及び電極室３に循環する電気脱イオン装置６において、ＮａＣｌ水溶液は、▲１▼の箇所に添加して、電気脱イオン装置の給水全体のＮａＣｌ／ＩＣ比が５倍以上となるようにしても良く、▲２▼の箇所に添加して脱塩室１の給水のＮａＣｌ／ＩＣ比が５倍以上となるようにしても良い。
【００２４】
本発明の方法は、このように電気脱イオン装置の給水のＮａＣｌ／ＩＣ比が５倍以上となるようにＮａＣｌを添加すること以外は、常法に従って電気脱イオン処理を行うことができる。
【００２５】
本発明において用いる電気脱イオン装置は、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して濃縮室と脱塩室とを交互に形成した一般的なものであり、脱塩室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合イオン交換樹脂等のイオン交換体が充填されたものである。また、濃縮室にもこのようなイオン交換体が充填されていても良い。
【００２６】
前述の濃縮室からの濃縮水の循環は、水回収率の向上のために行われている。この循環水量は特に制限はないが、通常、濃縮室から流出する濃縮水の７．０〜９５％程度とし、電気脱イオン装置の水回収率は０．７〜０．９５程度の条件で運転を実施するのが好ましい。
【００２７】
このような本発明の電気脱イオン処理方法は、電流密度２００ｍＡ／ｄｍ^２以上、特に３００〜１０００ｍＡ／ｄｍ^２という高い電流密度条件で電気脱イオン装置の運転を行う場合にきわめて効果的である。
【００２８】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００２９】
実施例１，２、比較例１，２
野木町水を活性炭装置、ＲＯ膜装置及び脱気膜装置で順次処理した下記水質の水を給水として電気脱イオン装置に通水した。
【００３０】
［給水水質］
Ｃａ＜５０ｐｐｂ
ＩＣ＝３００ｐｐｂ
ＮａＣｌ＝１ｐｐｍ
【００３１】
この電気脱イオン装置のイオン交換膜及び脱塩室に充填するイオン交換樹脂としては次のものを用いた。脱塩室内のイオン交換樹脂中のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の割合は、カチオン交換樹脂：アニオン交換樹脂＝７０：３０とした。
【００３２】
アニオン交換膜：（株）トクヤマ製「ネオセプタＡＨＡ」
カチオン交換膜：（株）トクヤマ製「ネオセプタＣＭＢ」
アニオン交換樹脂：三菱化学（株）「ＳＡ１０Ａ」
カチオン交換樹脂：三菱化学（株）「ＳＫ１Ｂ」
【００３３】
電気脱イオン装置の脱塩室は、有効高さ６００ｍｍ、有効幅１４０ｍｍのセル３枚を用い、厚み５ｍｍに形成した。脱塩室の通水ＳＶは６０ｈｒ^−１とし、電気脱イオン装置の水回収率は９０％とした。
【００３４】
実施例１，２では電気脱イオン装置の給水に、給水中のＮａＣｌ濃度が表１に示す値となるように２３重量％ＮａＣｌ水溶液（２３０ｇのＮａＣｌを１リットルの純水に溶解したもの）を添加し、表１に示す定電流及び電流密度条件で運転を行った。
【００３５】
比較例１，２では、給水にＮａＣｌ水溶液を添加せずに、表１に示す定電流及び電流密度条件で運転を行った。
【００３６】
このときの初期電圧と、１ヶ月運転を継続したときの電圧とを調べ、結果を表１に示した。
【００３７】
また、得られた脱イオン水の平均水質（比抵抗）を調べ、結果を表１に併記した。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表１より明らかなように、ＮａＣｌを添加しない比較例１では、初期電圧４０Ｖに対して、１ヶ月後には６０Ｖに上昇した。これに対して、ＮａＣｌを添加した実施例１では、４５Ｖにとどまり、実施例２では、４０Ｖのままで電圧の変化は全く起こらず、安定に運転を継続することができた。なお、電流値１Ａ、電流密度１１９ｍＡ／ｄｍ^２で行った比較例２では、ＮａＣｌの添加を行わなくても、電圧の上昇は殆どなく、安定していた。
【００４０】
なお、得られた脱イオン水の水質は、実施例１，２及び比較例１，２で殆ど差はなく、ＮａＣｌ水溶液の添加による水質の低下の問題はなかった。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、電気脱イオン装置による脱イオン処理において、電気抵抗の上昇を抑制して、長期に亘り安定に脱イオン処理を継続することができる。なお、電気脱イオン装置に定電流となるように通電して運転を継続する場合、電気抵抗の上昇が抑制されることにより、電気脱イオン装置への印加電圧の上昇が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気脱イオン処理方法の実施の形態を示す系統図である。
【図２】本発明におけるＮａＣｌの添加箇所を示す模式図である。
【図３】脱塩室内のアニオン交換体のイオン型を示す模式図である。
【図４】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。
【符号の説明】
１脱塩室
２濃縮室
３電極室
４活性炭装置
５ＲＯ膜装置
６電気脱イオン装置
７ＮａＣｌ添加装置
８脱気装置
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

電気脱イオン装置の給水の全無機炭酸濃度（ｍｇ−Ｃ／Ｌ）に対して、該給水の塩化ナトリウム濃度（ｍｇ−ＮａＣｌ／Ｌ）が５倍以上となるように、該給水に塩化ナトリウムを添加することを特徴とする電気脱イオン処理方法。
請求項１において、該電気脱イオン装置を電流密度２００ｍＡ／ｄｍ^２以上で運転することを特徴とする電気脱イオン処理方法。