JP2005169365A - 流動床流通式イオン交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオン交換体成形物をイオン交換塔内で流動状態に維持する交換イオン含有水溶液の循環量が少なく、イオン交換された成形物の取り出しが容易な流動床流通式イオン交換装置の提供。
【解決手段】 交換イオン含有水溶液貯蔵タンクと、交換イオン含有水溶液を流通循環させる循環ポンプと、循環ポンプの下流側に設けられたイオン交換体成形物を取り出すための抜き出し口を有する交換イオン含有水溶液の流通循環用配管と接続するイオン交換塔と、イオン交換塔の上部に接続するイオン交換液を交換イオン含有水溶液貯蔵タンクに戻す配管を有する流動床流通式イオン交換装置であって、前記イオン交換塔がコーンタイプであることを特徴とする流動床流通式イオン交換装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン交換体のイオン交換装置に関し、さらに詳しくは、イオン交換体成形物を流動床流通式によりイオン交換する流動床流通式イオン交換装置に関するものである。

従来、ゼオライトなどのイオン交換体が粉末である場合には、攪拌機の付いたタンクにイオン交換体中のイオンとイオン交換反応するイオンを含有する水溶液（交換イオン含有水溶液）を張り込み、該水溶液に撹拌しながらイオン交換体粉末を加えて懸濁し、所定温度にて所定時間撹拌しながら保持してイオン交換するのが一般的である。この方法は、平衡イオン交換容率（交換イオン量を幾ら多くしてもイオン交換が平衡に達し見かけ上イオン交換が進まない状態のイオン交換率）に達するまでの任意のイオン交換率で均一にイオン交換できるが、しかし、イオン交換体が成形物である場合には、成形物の懸濁液を撹拌するため成形物が壊れるという問題があった。

そこで、イオン交換体成形物のイオン交換は、固定床流通式によるイオン交換方法が行われている。しかし、固定床流通式では、イオン交換カラムの入口部と出口部でイオン交換率は大きく異なり、イオン交換率はイオン交換カラムの入口部が最も高く、出口部方向に向かうに従って低くなる。従って、この方法では、イオン交換カラムの入口部と出口部とでのイオン交換率の差を無くするために種々の改良が行われている。

例えば、特許文献１には、イオン交換体を難イオン交換性イオンによりイオン交換する方法に関し、固定床流通法でイオン交換率にバラツキが無いようにイオン交換率を制御する方法として、交換イオンを含む溶液を一回通液した後に、被交換イオンおよび交換イオンを含まない洗浄液を交換イオンを含む溶液と同じ通液方向で通液し、その後に、交換イオンを含む循環溶液を循環通液することが記載されている。しかし、該方法でもイオン交換体の平衡イオン交換率に達するまでイオン交換しなければ、イオン交換カラムの入口部と出口部とでのイオン交換率の差を無くすることが出来ず、イオン交換体の平衡イオン交換率に達するまでの所望のイオン交換率でイオン交換カラムの入口部と出口部とでのイオン交換率の差を無くすることが出来ないという問題があった。

本発明者らは、先に特許文献２において前述の問題点を解決したイオン交換体成形物のイオン交換方法およびその装置について提案した。該イオン交換方法およびその装置では、成形物を壊すことなく、イオン交換体の平衡イオン交換率に達するまでの任意のイオン交換率で精密に制御されたイオン交換率で均一にイオン交換することができる。しかし、該装置ではイオン交換体成形物の取り出し方法や、イオン交換体成形物を流動させるため交換イオン含有水溶液の流通循環量を少なくする方法などについて更なる改善の余地があった。

特開平１１−２２６４３０号公報 特開２００３−１８１３０４号公報

本発明の目的は、前述のイオン交換体成形物のイオン交換装置を更に改良した、イオン交換体成形物の取り出す作業性が改善され、交換イオン含有水溶液の流通循環量が少なくて流動させることができる流動床流通式イオン交換装置を提供することにある。

本発明者は、前述の課題を解決するために流動床流通式イオン交換装置について鋭意研究を重ねた結果、イオン交換塔の形状を変えることによりイオン交換体成形物の取り出す作業性が改善され、交換イオン含有水溶液の流通循環量が少なくて流動させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の第１は、交換イオン含有水溶液貯蔵タンク（１）と、交換イオン含有水溶液を流通循環させる循環ポンプ（２）と、循環ポンプの下流側に設けられたイオン交換体成形物を取り出すための抜き出し口（４）を有する交換イオン含有水溶液の流通循環用配管（３）と接続するイオン交換塔（５）と、イオン交換塔（５）の上部に接続するイオン交換液を交換イオン含有水溶液貯蔵タンク（１）に戻す配管（６）を有する流動床流通式イオン交換装置であって、前記イオン交換塔（５）がコーンタイプであることを特徴とする流動床流通式イオン交換装置に関する。
本発明の第２は、前記コーンタイプイオン交換塔がコーン部分と円筒形部分からなり、コーン部分の高さ（Ｈ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．５〜２の範囲で、円筒形部分の高さ（ｈ）／コーン部分の高さ（Ｈ）比が０．１〜３の範囲にあり、かつ、コーン部分の最小直径（ｄ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．０５〜０．５の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の流動床流通式イオン交換装置に関する。
本発明の第３は、前記交換イオン含有水溶液貯蔵タンクが攪拌機（７）と加熱手段（８）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の流動床流通式イオン交換装置に関する。
本発明の第４は、前記コーンタイプイオン交換塔が複数個、並列に前記交換イオン含有水溶液の流通循環用配管およびイオン交換液を交換イオン含有水溶液貯蔵タンクに戻す配管と接続していることを特徴とする請求項１、２または３記載の流動床流通式イオン交換装置に関する。

本発明の流動床流通式イオン交換装置は、イオン交換塔の形状がコーンタイプ（円錐型）であるため、イオン交換体成形物を流動させるための整流板が不要である。コーンタイプのイオン交換塔では、整流板なしでイオン交換体成形物を均一に流動させることができ、また、イオン交換体成形物を流動させるための交換イオン含有水溶液の流通循環量が少なくて良い。そのため、循環ポンプの容量が小さくてよいので消費電力が少なくなる。

さらに、本発明の流動床流通式イオン交換装置は、イオン交換塔に整流板が付いていないので、循環ポンプを止め、循環ポンプの下流側に設けられたイオン交換体成形物を取り出すための抜き出し口に設けられたバルブを開けることにより、自動的に取り出すことができる。

図１は、本発明の流動床流通式イオン交換装置を示す説明図である。図１に示すように、流動床流通式イオン交換装置は、交換イオン物質を溶解して貯蔵する交換イオン含有水溶液貯蔵タンク１と、交換イオン含有水溶液を流通循環させる循環ポンプ２と、循環ポンプ２の下流側に設けられたイオン交換体成形物を取り出すための抜き出し口４を有する交換イオン含有水溶液の流通循環用配管３と接続するコーンタイプイオン交換塔５と、コーンタイプイオン交換塔５の上部に接続するイオン交換液を交換イオン含有水溶液貯蔵タンク１に戻す配管６を備えている。

図２は、前記コーンタイプイオン交換塔５を示す説明図である。該コーンタイプイオン交換塔５はコーン部分と円筒形部分からなり、コーン部分の高さ（Ｈ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．５〜２の範囲で、円筒形部分の高さ（ｈ）／コーン部分の高さ（Ｈ）比が０．１〜３の範囲にあり、かつ、コーン部分の最小直径（ｄ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．０５〜０．５の範囲であることが好ましい。コーン部分の高さ（Ｈ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．５より小さい場合には、イオン交換体成形物の流動性が悪くなる。また、コーン部分の高さ（Ｈ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が２より大きい場合には、縦長の塔になり、イオン交換体成型物を流動させるための流量が多量に必要で大きい容量の循環ポンプが必要となり、動力費が高くなることがある。コーン部分の高さ（Ｈ）／円筒形部分直径（Ｄ）比は、更に好ましくは０．５〜１．５の範囲が望ましい。なお、コーンタイプイオン交換塔５のコーン角度は、コーン部分の高さ（Ｈ）／円筒形部分直径（Ｄ）比により一義的に決まる。
また、円筒形部分の高さ（ｈ）／コーン部分の高さ（Ｈ）比が０．１より小さい場合には交換イオン含有水溶液の吹き抜け現象が起きることがあり、イオン交換体成形物の流動状態が悪くなることがある。また、円筒形部分の高さ（ｈ）／コーン部分の高さ（Ｈ）比が３より大きい場合には、大きい容量の循環ポンプが必要となり、動力費が高くなる。円筒形部分の高さ（ｈ）／コーン部分の高さ（Ｈ）比は、更に好ましくは０．５〜１．０の範囲が望ましい。なお、本発明での円筒形部分の高さ（ｈ）は、コーン部分の直径が円筒形部分直径（Ｄ）と等しくなる所から配管６が円筒形部分に接続している所までの最小の距離を示す。

前記コーン部分の最小直径（ｄ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．０５より小さい場合には、コーンタイプイオン交換塔５内での交換イオン含有水溶液の流速が部分的に速くなりイオン交換体成形物の摩耗が促進されることがある。また、該コーン部分の最小直径（ｄ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．５より大きい場合には、コーンタイプイオン交換塔５内での交換イオン含有水溶液の流速が低下することがあり、イオン交換体成形物の流動状態が悪くなることがある。該コーン部分の最小直径（ｄ）／円筒形部分直径（Ｄ）比は、更に好ましくは０．１〜０．３の範囲が望ましい。

また、前記交換イオン含有水溶液貯蔵タンク１は、交換イオン物質を溶解し、所望の交換イオン濃度、温度に調節して交換イオン含有水溶液を調製するため、攪拌機と加熱手段を備えていることが好ましい。

本発明の流動床流通式イオン交換装置は、前記コーンタイプイオン交換塔を複数個並列に設置することも可能である。例えば２個のイオン交換塔を設置した場合には交合にイオン交換を行うことができる。即ち、一方のイオン交換塔でイオン交換を行っている際に、他方のイオン交換塔では、イオン交換の終わったイオン交換体成形物を取り出し、次にイオン交換を行うイオン交換体成形物を仕込み、イオン交換の準備を行うことができる。

本発明の流動床流通式イオン交換装置でイオン交換されるイオン交換体は成形物であることを特徴とする。イオン交換体成形物とは、イオン交換体の粉末に湿分を与えたものなどに適当な物理的操作を加えて得られるビードやペレットなどの一定形状物をいう。なお、イオン交換体成形物の大きさは、特に限定されるものではないが、粒子径が０．２〜５ｍｍΦの範囲にある成形物が好適に使用される。

前記イオン交換体は特に限定はなく、イオン交換反応を示す物質であれば良く、カチオン交換体、アニオン交換体の何れでも良い。特に、ゼオライトは好適に使用される。ゼオライトの種類としても限定はなく、例えば、Ａ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、モルデナイト、ＺＳＭ、グメリナイト、β−ゼオライト、チャバサイトなどが例示される。

本発明の流動床流通式イオン交換装置でのイオン交換方法を図１で説明する。所定量の交換イオン含有水溶液を交換イオン含有水溶液貯蔵タンク１で調製する。次いで、循環ポンプ２を稼働して交換イオン含有水溶液を所定流量でコーンタイプイオン交換塔５を通して循環させ、コーンタイプイオン交換塔５に前述のイオン交換体成形物の所定量を投入する。イオン交換塔５内でイオン交換体成形物が流動床を形成する交換イオン含有水溶液量を一定速度で、一定時間循環させる。イオン交換体成形物のイオン交換が所望のイオン交換律に達したところで、交換イオン含有水溶液の循環ラインを純水ライン９に切り替えて洗浄した後、循環ポンプ２を止め、抜き出し口４のラインに備えられたバルブを開けることにより、イオン交換体成形物を水と共に、水だけが通過するコンテナバッグに受け入れることにより自動的に取り出すことができる。取り出されたイオン交換体成形物は、通常の方法で乾燥、焼成される。

本発明の代表的な流動床流通式イオン交換装置を示す。 本発明のコーンタイプイオン交換塔を示す。

符号の説明

１ 交換イオン含有水溶液貯蔵タンク
２ 循環ポンプ
３ 流通循環用配管
４ 抜き出し口
５ コーンタイプイオン交換塔
６ 配管
７ 撹拌機
８ 加熱手段
９ 純水供給ライン
１０ バルブ

Claims (4)

1. 交換イオン含有水溶液貯蔵タンク（１）と、交換イオン含有水溶液を流通循環させる循環ポンプ（２）と、循環ポンプの下流側に設けられたイオン交換体成形物を取り出すための抜き出し口（４）を有する交換イオン含有水溶液の流通循環用配管（３）と接続するイオン交換塔（５）と、イオン交換塔（５）の上部に接続するイオン交換液を交換イオン含有水溶液貯蔵タンク（１）に戻す配管（６）を有する流動床流通式イオン交換装置であって、前記イオン交換塔（５）がコーンタイプであることを特徴とする流動床流通式イオン交換装置。
2. 前記コーンタイプイオン交換塔がコーン部分と円筒形部分からなり、コーン部分の高さ（Ｈ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．５〜２の範囲で、円筒形部分の高さ（ｈ）／コーン部分の高さ（Ｈ）比が０．１〜３の範囲にあり、かつ、コーン部分の最小直径（ｄ）／円筒形部分直径（Ｄ）比が０．０５〜０．５の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の流動床流通式イオン交換装置。
3. 前記交換イオン含有水溶液貯蔵タンクが攪拌機（７）と加熱手段（８）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の流動床流通式イオン交換装置。
4. 前記コーンタイプイオン交換塔が複数個、並列に前記交換イオン含有水溶液の流通循環用配管およびイオン交換液を交換イオン含有水溶液貯蔵タンクに戻す配管と接続していることを特徴とする請求項１、２または３記載の流動床流通式イオン交換装置。

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