JP2004261643A - 電気脱イオン装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】濃縮室からのホウ素の濃度拡散を抑制し、これにより極低ホウ素濃度の生産水を得ることができる電気脱イオン装置とその運転方法を提供する。
【解決手段】原水は脱塩室１６に導入され、脱塩室１６からは生産水が取り出される。この生産水の一部は、濃縮室１５に脱塩室１６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水され、濃縮室１５の流出水は系外へ排出される。脱塩室１６の生産水取り出し側に濃縮室１５の流入口が設けられており、脱塩室１６の原水流入側に濃縮室１５の流出口が設けられている。濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度は生産水のホウ素濃度の５００倍以下又は１０ｐｐｂ以下である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホウ素濃度の低い生産水を生産するための電気脱イオン装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
純水、超純水等を製造する分野などにおいて電気脱イオン装置が用いられている。プレートアンドフレーム型の電気脱イオン装置は、陽極と、陰極と、該陽極、陰極間に濃縮室と脱塩室（希釈室）とを交互に形成するように交互に配置された平膜状の陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を有する。脱塩室にはイオン交換樹脂等のイオン交換体が充填されている。この脱塩室に脱塩処理すべき水が流通され、水中のイオンがイオン交換膜を透過して脱塩室から濃縮室に移動する。
【０００３】
特開２００２−２０５０６９号には、シリカ濃度及びホウ素濃度の低い生産水を生産するために、濃縮水として、原水よりシリカ又はホウ素濃度の低い水を、脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から該濃縮室内に導入すると共に、該濃縮室のうち脱塩室の原水入口に近い側から流出させ、この濃縮室から流出した濃縮水の少なくとも一部を系外へ排出することが記載されている。
【０００４】
同号公報では、濃縮水として原水よりシリカ又はホウ素濃度の低い水を用い、しかも、このように水質の良好な水を、脱塩室の脱イオン水（生産水）取り出し側から原水流入側へ向かう方向に濃縮室に通水することにより、シリカ、ホウ素濃度を極低濃度にまで低減した高水質の生産水を得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２０５０６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、濃縮室からのホウ素の濃度拡散を十分に抑制し、これにより極低ホウ素濃度の生産水を得ることができる電気脱イオン装置の運転方法と電気脱イオン装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気脱イオン装置の運転方法は、陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画された電気脱イオン装置の運転方法であって、濃縮水を該濃縮室に流通させると共に、原水を被処理水として脱塩室に流通させ、生産水として該脱塩室から取り出す運転方法において、該濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度を生産水のホウ素濃度の５００倍以下又は１０ｐｐｂ以下とすることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の電気脱イオン装置は、陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室に流通され、生産水として取り出される電気脱イオン装置において、該濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度を生産水のホウ素濃度の５００倍以下、又は１０ｐｐｂ以下とする手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明では、ホウ素濃度が著しく低い例えば０．１ｐｐｂ以下の高純度の生産水の製造するために、濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度を低くする。
【００１０】
被処理水の流れ方向に沿って複数個の脱塩室及び濃縮室が設けられている場合には、最も下流側の濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度を最も下流側の脱塩室から流出する生産水のホウ素濃度の５００倍以下又は１０ｐｐｂ以下とすることが好ましい。これにより、濃縮室の出口近傍においても濃縮室から脱塩室に向うホウ素濃度勾配が比較的小さくなり、濃縮室から脱塩室へのホウ素の拡散が抑制され、生産水のホウ素濃度を低くすることができる。
【００１１】
本発明では、電気脱イオン装置に導入される原水を前処理することが好ましく、特に、水道水等の原水をＭＦ膜等による除濁や、活性炭等の脱塩素処理後、ＲＯ処理を行うことが望ましい。更には脱気処理を行っても良い。
【００１２】
特に、生産水のホウ素濃度を０．００５ｐｐｂ以下とする際には、２段ＲＯ（逆浸透）処理を行い、電気脱イオン装置の給水の負荷を下げること（例えば３ｐｐｂ以下）が更に望ましい。
【００１３】
本発明では、脱塩室にはイオン交換体が充填されていることが好ましい。
【００１４】
なお、水質の良質な水を低電気伝導度、高比抵抗の水を濃縮室に通水すると濃縮室の電気抵抗が高くなり、電流値を確保し得ない可能性がある。そこで、濃縮室にもイオン交換樹脂等のイオン交換体や、活性炭又はその他の電気導電体を充填して必要電流を確保することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。この電気脱イオン装置は、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６には、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が混合もしくは複層状に充填されている。
【００１７】
また、濃縮室１５と、陽極室１７及び陰極室１８にも、イオン交換体、活性炭又は金属等の電気導電体が充填されている。
【００１８】
原水は脱塩室１６に導入され、脱塩室１６からは生産水が取り出される。この生産水の一部は、濃縮室１５に脱塩室１６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水され、濃縮室１５の流出水は系外へ排出される。即ち、この電気脱イオン装置では、濃縮室１５と脱塩室１６とが交互に並設され、脱塩室１６の生産水取り出し側に濃縮室１５の流入口が設けられており、脱塩室１６の原水流入側に濃縮室１５の流出口が設けられている。また、生産水の一部は陽極室１７の入口側に送給され、そして、陽極室１７の流出水は、陰極室１８の入口側へ送給され、陰極室１８の流出水は排水として系外へ排出される。
【００１９】
このように、濃縮室１５に生産水を脱塩室１６と向流一過式で通水することにより、生産水取り出し側ほど濃縮室１５内の濃縮水の濃度が低いものとなり、濃度拡散による脱塩室１６への影響が小さくなり、ホウ素等のイオンの除去率を飛躍的に高めることができる。
【００２０】
この実施の形態では、濃縮室に生産水を通水することにより、電気脱イオン装置の電気抵抗が高くなるので、濃縮室にもイオン交換体等の導電体が充填されている。これにより、濃縮水に食塩等の電解質を添加し電気抵抗を下げることが不要となる。
【００２１】
この図１の電気脱イオン装置では、電極室１７，１８にも生産水を供給しているが、電極室１７，１８でも濃縮室１５と同様に、電流確保のために、イオン交換体や活性炭、又は電気導電体である金属等を充填することが好ましい。これにより、超純水等の高水質の水を通水しても必要電流を確保することが可能となる。
【００２２】
なお、電極室では、特に陽極室での塩素やオゾン等の酸化剤の発生が起こるため、充填物としては、長期的にはイオン交換樹脂等を用いるよりも、活性炭を用いることが好ましい。また、電極室へ図１のように生産水を供給することは、電極室供給水にＣｌ⁻が殆ど無いため、塩素の発生を防止できるので、充填物や電極の長期安定化のためには望ましい。
【００２３】
なお、図２は、この図１の電気脱イオン装置の脱塩室及び濃縮室への通水系統を簡略化して示したものである。図示の通り、原水が脱塩室１６に通水されて生産水となる。生産水の一部が濃縮室１５に通水され、濃縮排水として排出される。濃縮室内の水の流れ方向は脱塩室１６内の反対（向流）である。
【００２４】
この濃縮排水のホウ素濃度を生産水のホウ素濃度の５００倍以下、又は１０ｐｐｂ以下とすることにより、生産水のホウ素濃度が例えば０．１ｐｐｂ以下程度にまで著しく低くなり、さらにはホウ素濃度０．０５ｐｐｂ以下の極低濃度生産水を生産することが可能となる。
【００２５】
図７（ａ）は本発明の電気脱イオン装置の他の実施の形態を示す概略的な斜視図、図７（ｂ）は同系統図である。
【００２６】
図示の如く、この電気脱イオン装置は、陽極１１と陰極１２との間に、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成した点においては図１の電気脱イオン装置と同様の構成とされているが、濃縮室１５が仕切壁１５Ｓにより２以上（図７においては２個）の濃縮水流通部１５ａ，１５ｂに区画され、各濃縮水流通部１５ａ，１５ｂの濃縮水の通水方向が脱塩室１６内の通水方向と交叉する方向とされている点が図１の電気脱イオン装置と異なる。
【００２７】
即ち、図７において、脱塩室１６は、図７（ａ）における上側が入口側、下側が出口側であり、脱塩室１６内を水は上から下へ向かって流れる。
【００２８】
一方、濃縮室１５内には、この脱塩室１６内の通水方向と交叉する方向（図７（ａ）においては直交方向（なお、この直交方向とは必ずしも厳密なものではなく、８０〜１００゜程度の範囲を含む）に延在する仕切壁１５Ｓが設けられ、濃縮室１５内は図において上下に２段に分画され、各濃縮水流通部１５ａ，１５ｂの各々に図の手前側から裏側へ通水が行われる。
【００２９】
図７（ｂ）に示す如く、脱塩室１６から取り出された生産水の一部はポンプにより循環される濃縮水流通部１５ｂの循環系に導入され、生産水取り出し側の濃縮水流通部１５ｂを循環する。この循環系の循環濃縮水の一部がポンプにより循環される濃縮水流通部１５ａの循環系に導入され、原水流入側の濃縮水流通部１５ａを循環し、その一部は系外へ排出される。
【００３０】
この電気脱イオン装置であっても、生産水が生産水取り出し側の濃縮水流通部１５ｂを循環した後原水流入側の濃縮水流通部１５ａに流入して循環し、その後系外へ排出されることにより、結果的には、濃縮水は、生産水の取り出し側から原水流入側へ通水され、その後一部が系外へ排出されたことになり、図１に示す脱塩室との向流一過式通水の場合と同様の効果が奏される。
【００３１】
なお、濃縮室を仕切壁で仕切って形成する濃縮水流通部は３以上であっても良い。ただし、仕切壁の数を増やすことによる部材数の増加、装置構成の複雑化等を考慮した場合、濃縮室内を２又は３個の濃縮水流通部に区画するのが好ましい。
【００３２】
図７の電気脱イオン装置においても、濃縮水流通部１５ｂから排出される濃縮排水のホウ素濃度を生産水のホウ素濃度の５００倍以下、又は１０ｐｐｂ以下とすることにより、生産水のホウ素濃度が例えば０．１ｐｐｂ以下程度にまで著しく低くなり、さらにはホウ素濃度０．０５ｐｐｂ以下の極低濃度生産水を生産することが可能となる。
【００３３】
電気脱イオン装置を多段に設置し、原水を多段に脱イオン処理することにより、上記のようにホウ素濃度が著しく低い生産水を確実に生産することができ、さらには０．００５ｐｐｂ以下の超極低濃度の生産水を生産することも可能である。
【００３４】
図３〜６は、このように電気脱イオン装置を多段に設置した電気脱イオンシステムの通水系統図であり、いずれも第１の電気脱イオン装置１と第２の電気脱イオン装置２とを直列に接続している。
【００３５】
図３の電気脱イオンシステムでは、ホウ素濃度３ｐｐｂの原水が第１の電気脱イオン装置の脱塩室１６Ａに通水されてホウ素濃度０．１ｐｐｂの１次生産水となる。この１次生産水が第２の電気脱イオン装置の脱塩室１６Ｂ及び濃縮室１５Ｂに分流される。濃縮室１５Ａ，１５Ｂの濃縮水の流通方向は脱塩室１６Ａ，１６Ｂと並流方向である。該脱塩室１６Ｂからホウ素濃度０．０１ｐｐｂの２次生産水（生産水）が取り出される。第２の電気脱イオン装置２の濃縮室１５Ｂから流出する濃縮水はホウ素濃度が１ｐｐｂと低いものであり、その一部は該濃縮室１５Ｂの入口側に循環され、残部は例えば原水に戻される。
【００３６】
第１の電気脱イオン装置１の濃縮室１５Ａからの濃縮排水はホウ素濃度が３０ｐｐｂと高いものであり、一部は該濃縮室１５Ａの入口側に戻され、残部は濃縮排水として排出される。
【００３７】
図４の電気脱イオンシステムでは、第１の電気脱イオン装置１の脱塩室１６Ａからのホウ素濃度０．１ｐｐｂの１次生産水の全量を第２の電気脱イオン装置２の脱塩室１６Ｂに通水し、ホウ素濃度０．００５ｐｐｂ以下の２次生産水としている。この２次生産水の一部を濃縮室１５Ｂに向流方式にて通水する。濃縮室１５Ｂから流出するホウ素濃度１ｐｐｂの２次濃縮水は例えば原水に戻される。
【００３８】
第１の電気脱イオン装置１の濃縮室１５Ａへは原水が並流方式にて通水され、ホウ素濃度３０ｐｐｂの１次濃縮水となり、排出される。
【００３９】
図５の電気脱イオンシステムにおいては、原水の全量が脱塩室１６Ａ，１６Ｂの順に流れてホウ素濃度０．００５ｐｐｂ以下の２次生産水となる。なお、１次生産水のホウ素濃度は０．０５ｐｐｂである。この２次生産水の一部は濃縮室１５Ｂ，１５Ａの順序にてそれぞれ向流方式にて通水され、ホウ素濃度１５ｐｐｂの濃縮排水として排出される。濃縮室１５Ｂから流出する１次濃縮水のホウ素濃度は０．２５ｐｐｂである。
【００４０】
図６の電気脱イオンシステムでは、原水の全量が脱塩室１６Ａに供給されてホウ素濃度０．０２ｐｐｂの１次生産水となる。１次生産水の一部は濃縮室１５Ａに向流方式にて通水され、ホウ素濃度３０ｐｐｂの濃縮排水として排出される。１次生産水の残部は、脱塩室１６Ｂに通水され、ホウ素濃度０．００５ｐｐｂ以下の２次生産水となる。この２次生産水の一部は濃縮室１５Ｂに向流方式にて通水され、ホウ素濃度０．２ｐｐｂの２次濃縮水として流出する。この２次濃縮水は例えば原水に戻される。
【００４１】
図３〜６のように多段に電気脱イオン装置を設置する場合、第１の電気脱イオン装置１の脱塩室の厚みが７ｍｍ以上、特に８〜３０ｍｍであり、第２の電気脱イオン装置２の脱塩室の厚みが７ｍｍ未満、特に２〜５ｍｍであると、第１の電気脱イオン装置１でシリカ、ホウ素等の弱電解物質及び硬度成分が除去され、第２の電気脱イオン装置２でシリカ及びホウ素がさらに除去される。第２の電気脱イオン装置２は、前段の電気脱イオン装置１からリークしたアルカリ成分を除去するので、高水質の処理水が得られる。
【００４２】
第１の電気脱イオン装置１の脱塩室の厚みを７ｍｍ以上とすることにより、該装置１の脱塩室１６Ａ内のｐＨが上昇し、シリカやホウ素等の弱電解質及び硬度成分が効率良く除去される。
【００４３】
上記実施の形態では生産水を濃縮室に供給することにより、脱塩室出口側に位置する濃縮室内のホウ素濃度を低下させているが、生産水を用いる代りに、あるいはそれと併用して、濃縮室供給水を脱ホウ素処理した水としてもよい。
【００４４】
ホウ素除去手段は、イオン交換樹脂やホウ素吸着樹脂を用いる方法や、逆浸透膜を用いる方法等いずれでも良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の電気脱イオン装置及びその運転方法によるとホウ素濃度が著しく低い生産水を確実に生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る電気脱イオン装置の模式的な断面図である。
【図２】図１の電気脱イオン装置の通水系統図である。
【図３】別の実施の形態に係る電気脱イオンシステムの通水系統図である。
【図４】さらに別の実施の形態に係る電気脱イオンシステムの通水系統図である。
【図５】異なる実施の形態に係る電気脱イオンシステムの通水系統図である。
【図６】実施の形態に係る電気脱イオンシステムの通水系統図である。
【図７】図７（ａ）は別の実施の形態に係る電気脱イオン装置の概略的な斜視図、図７（ｂ）は同系統図である。
【符号の説明】
１ 第１の電気脱イオン装置
２ 第２の電気脱イオン装置
１１ 陽極
１２ 陰極
１５，１５Ａ，１５Ｂ 濃縮室
１６，１６Ａ，１６Ｂ 脱塩室

Claims (9)

1. 陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画された電気脱イオン装置の運転方法であって、
   濃縮水を該濃縮室に流通させると共に、原水を被処理水として脱塩室に流通させ、生産水として該脱塩室から取り出す運転方法において、
   該濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度を生産水のホウ素濃度の５００倍以下又は１０ｐｐｂ以下とすることを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
2. 請求項１において、前記濃縮室及び脱塩室が、被処理水の流れ方向に沿って複数個設けられており、被処理水の流れ方向の最も下流側の濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度を最も下流側の脱塩室から流出する生産水のホウ素濃度の５００倍以下又は１０ｐｐｂ以下とすることを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
3. 請求項１又は２において、生産水の一部を濃縮室に供給することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、濃縮室に供給する濃縮水を、脱塩室出口に近い側から供給し、脱塩室入口に近い側から流出させることを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
5. 陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、
   濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室に流通され、生産水として取り出される電気脱イオン装置において、
   該濃縮室から流出する濃縮水のホウ素濃度を生産水のホウ素濃度の５００倍以下、又は１０ｐｐｂ以下とする手段を備えたことを特徴とする電気脱イオン装置。
6. 請求項５において、複数個の脱塩室が直列に設置されており、最終の脱塩室に対してイオン交換膜を介して隔てられた濃縮室からの濃縮水のホウ素濃度を、最終の脱塩室生産水のホウ素濃度の５００倍以下、又は１０ｐｐｂ以下とすることを特徴とする電気脱イオン装置。
7. 請求項５又は６において、濃縮室に供給する濃縮水は、脱塩室出口に近い側から供給され、脱塩室入口に近い側から流出することを特徴とする電気脱イオン装置。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項において、生産水の一部を濃縮水として濃縮室に流通させる手段を備えたことを特徴とする電気脱イオン装置。
9. 請求項５ないし７のいずれか１項において、濃縮室に供給される水からホウ素を除去する手段を備えたことを特徴とする電気脱イオン装置。

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