JP2006192400A - イオン交換塔 - Google Patents

Abstract

【課題】塔内樹脂を効率よく再生に最適な形態に固定でき、安定して高い再生効率を得ることが可能なイオン交換塔の構造を提供する。
【解決手段】塔内にイオン交換樹脂が充填され、イオン交換樹脂層に対する原液の通液方向と再生用薬液の通薬方向とが向流とされるイオン交換塔において、塔内に、流れに対する塔横断面積を狭めて流速を少なくとも局部的に増大可能な仕切板を有する構造体を設けたことを特徴とするイオン交換塔。
【選択図】図４

Description

本発明は、イオン交換樹脂を充填したイオン交換塔に関し、とくに通薬によるイオン交換樹脂の再生性能を高めたイオン交換塔に関する。

イオン交換装置は例えば純水製造装置として広く使用されており、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂との２床式や、それに脱炭酸塔を加えた、いわゆる２床３塔式の純水製造装置はよく知られている。このような純水製造装置においては、イオン交換塔内に充填されているイオン交換樹脂が貫流容量に達すると、所定の薬液が通薬されイオン交換樹脂の再生処理が施される。

イオン交換塔内のイオン交換樹脂の再生方法には、並流再生方式と向流再生方式の二通りの方法がある。並流再生は、例えば下降流採水、下降流再生方式のように原液（被処理液）の通水方向と再生用薬液の通薬方向とを同じ方向とする再生方式であり、例えば塔内上部の樹脂に吸着したイオンを全て下方へ押し出す必要があるため効率が悪く、大量の再生用薬液を使用する。加えて全ての樹脂を再生させることは難しく、処理液（処理水）の純度を上げることが難しい。

これに対して、向流再生方式は、例えば下降流採水、上昇流再生方式のように原液（被処理液）の通水方向と再生用薬液の通薬方向とを反対方向とする再生方式であり、例えば、まだイオン交換に使用されていない樹脂が存在する塔内下部から再生を行うため、非常に効率が良く、少量の再生用薬液にて短時間で再生を行うことができる。加えて、採水開始時のＮａリーク等を最小限に抑えることができ、高純度の処理液（処理水）を容易に作ることができる。しかし、向流再生方式を行う際には、樹脂を塔内の一方側（例えば、上部側）に固定する必要があり、その固定方法が大きな課題とされてきた。すなわち、通常イオン交換樹脂は膨潤した状態でイオン交換塔内に充填され、貫流容量に達し再生が必要となったときにはイオン交換樹脂はその体積が収縮しており、再生により再び膨潤されて体積が大きくなり、この体積変化を予め見込んでおく必要があるため、イオン交換樹脂はイオン交換塔内に隙間を持たせた状態で充填される。したがって、向流方式で効果的な再生を行うためには、イオン交換樹脂を塔内において再生用薬液の入口とは反対側に固定し、充填樹脂に流動が生じない状態に固定して通薬する必要がある。

このような向流再生方式における要求を満たすために、高流速により塔内にあるイオン交換樹脂層を塔内上方に持ち上げて固定した後、流速を下げて通薬を行い樹脂を再生する方法（特許文献１）や、水よりも比重の軽いペレットを用いて、その浮力により樹脂を上方に持ち上げて固定した後、通薬を行い樹脂を再生する方法（特許文献２）等が知られている。この特許文献２による方法は、図１５に示すように、上昇流再生方式のイオン交換塔１０１に充填されたイオン交換樹脂１０２の層の下部に通水性のフィルターマット１０３を上下移動可能に設け、その下部に水に浮く粒状物（ペレット）１０４を充填し、ペレット１０４の浮力によりマット１０３を介してイオン交換樹脂１０２を上方に持ち上げて固定した後、下部コレクター１０５（通薬時にはディストリビュータとして機能し、採水時にはコレクターとして機能する）、上部コレクター１０６（通薬時にはコレクターとして機能し、採水時にはディストリビュータとして機能する）を介して通薬する方法である。
特許第３４５８３１７号公報 特許第３１５０２４９号公報

ところが、上記特許文献１、特許文献２に記載の方法には、以下のような問題が残されている。
特許文献１に記載の高流速により樹脂層を固定する方法においては、再生用薬液を通液する前に再生薬液の上昇流速よりも大きい流速の浮上水で樹脂層を固定させる必要があるため、当該浮上水を流入するための配管や弁を設置せねばならず、特に小型装置の場合は構造が複雑となるという欠点を有している。

特許文献２に記載のペレットを用いて樹脂層を固定する方法においては、樹脂とペレットの境界に敷いてあるマットが、再生、採水を繰り返す内に傾斜してしまうことがあり、過度のマット傾斜が生じると、ペレットと樹脂が混ざり、樹脂層が崩れてしまうことによる再生不良を起こすおそれがある。

そこで本発明の課題は、特許文献１や特許文献２に記載の方法におけるような問題を生じることなく、塔内樹脂を効率よく再生に最適な形態に固定でき、安定して高い再生効率を得ることが可能なイオン交換塔の構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るイオン交換塔は、塔内にイオン交換樹脂が充填され、イオン交換樹脂層に対する原液の通液方向と再生用薬液の通薬方向とが向流とされるイオン交換塔において、塔内に、流れに対する塔横断面積を狭めて流速を少なくとも局部的に増大可能な仕切板を有する構造体を設けたことを特徴とするものからなる。

本発明は、向流再生方式のイオン交換塔であれば、下降流通水（通液）上昇流通薬、上降流通水（通液）下昇流通薬のいずれの方式にも適用可能であるが、とくに通水時の安定したイオン交換性能の面からは、下降流通水上昇流通薬方式に適用してより好適なものである。

この本発明に係るイオン交換塔においては、上記構造体が再生用薬液の入口側に対して設けられていることが好ましい。

また、上記構造体は、塔内に流入された原液および再生用薬液の流れ方向が上記仕切板の端部で反転するように設置されている構成とすることが好ましい。この構成は、例えば、構造体が、流れ方向が反転される仕切板の端部で開口した有底容器状に形成されている構造によって実現でき、上記構造体の仕切板が、塔内上端から垂設され、下端が流れ方向が反転される端部とされた仕切板からなる構造によっても実現できる。

また、上記仕切板で横断面積が狭められた塔内部分に、コレクターまたはディストリビュータが設けられている構造とすることができる。向流再生方式であるため、通水時あるいは再生時のコレクターは、再生時あるいは通水時のディストリビュータとして機能でき、通水時あるいは再生時のディストリビュータは、再生時あるいは通水時のコレクターとして機能できる。

このような本発明に係るイオン交換塔においては、構造体の仕切板部分で流れに対する塔横断面積を狭められて流路断面積が小さくされ、その部分で少なくとも局部的に流速が増大される。この流速増大により、通水量や通薬量を実質的に増大させることなく、塔内樹脂が所定方向に押されて移動され、移動した状態に固定される。このイオン交換樹脂固定状態にて、通薬による再生処理が施される。この方式では、樹脂層の乱れを起こさずに樹脂を固定できるので、余分な配管、弁等を設置することなく、効率のよい再生が可能となり、再生後採水時の処理水の水質向上にも寄与できる。また、塔内を移動するマット等の構造物は不要であるため、マット傾斜等に伴う問題も発生しない。

本発明に係るイオン交換塔によれば、向流再生方式において、樹脂層の乱れを生じることなく、再生すべきイオン交換樹脂を再生に最適な形態に容易に固定することができ、効率のよい再生処理が可能になる。目標とする再生を容易に行うことができるため、樹脂再生後のイオン交換により高い水質の処理水が得られる。

また、塔内にマット等の移動構造物を設ける必要はないので、移動構造物を設けた場合のトラブルが発生しないことは勿論のこと、安定した再生処理、安定した再生処理と採水との切り換えが可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図４は、本発明の第１実施態様に係るイオン交換塔を示している。以下に、図１〜図４を用いて、下降流通水上昇流再生（通薬）方式のイオン交換塔について説明するが、この逆、つまり、上昇流通水下降流再生（通薬）方式に対しても本実施態様は適用できる。

図１は、第１実施態様における下降流通水時の原液（被処理液）（本実施態様では、原水（被処理水））の流れを示しており、図２は、上昇流再生（通薬）時の再生用薬液の流れを示している。図３は、下降流通水時における図１の流れに対応する充填イオン交換樹脂の塔内の動きを示しており、図４は、上昇流再生時における図２の流れに対応する充填イオン交換樹脂の塔内の動きを示している。イオン交換塔１内には、例えば図３に示すように塔内上部に隙間２を形成した状態でイオン交換樹脂３が充填され、図１にも示すように、上端に設けられた原水導入口４から原水５がディストリビュータ６を介してイオン交換塔１内に導入され、下降流にてイオン交換樹脂３の層中を通水された後、処理水７が、塔内下部に設けられたコレクター８、排出口９を介して排出される。

一方、再生時には、例えば図２、図４に示すように、再生用薬液１０が、再生用薬液導入口として機能する排出口９、導入再生用薬液のディストリビュータとして機能するコレクター８を介してイオン交換塔１内に導入され、上昇流にてイオン交換樹脂３の層中を通薬（高流速の上昇流でイオン交換樹脂層を上部に固定した後再生用薬液に切り換えてそれを上昇流にて通薬する態様も含む）された後、コレクターとして機能するディストリビュータ６、薬液排出口として機能する原水導入口４を介して排出される。

イオン交換塔１内には、上記のような流れに対する塔横断面積を狭めて流速を少なくとも局部的に増大させる仕切板１１を有する構造体１２が設けられている。この第１実施態様においては、構造体１２は、塔内底部、つまり、再生用薬液１０の入口側に対して設けられており、図１、図２に示すように、塔内に流入された原水５および再生用薬液１０が仕切板１１の下端部で反転するように設置されている。構造体１２の仕切板１１は上下方向に延びる筒状形状に形成され、構造体１２全体としては有底容器状の形状に形成されている。この筒状の仕切板１１の部分で、流れに対し塔横断面積が局部的に狭められ、流速が局部的に増大される。

この第１実施態様においては、通水時には、イオン交換樹脂３はイオン交換塔１内で図３の状態にあり、充填されていたイオン交換樹脂３が貫流容量に達すると、再生に供される。再生時には、上昇流にて再生用薬液１０がイオン交換塔１内に導入されるが（あるいは、該再生のための準備操作として前述の上昇流にて通水されるが）、導入された再生用薬液１０は、まず、構造体１２の仕切板１１に囲まれた部分を流下する。この部分では、仕切板１１により塔横断面積を狭められ流速が局部的に増大されているので、とくに薬液導入量を増やさないでも、十分に高い流速が得られ、構造体１２内に存在していたイオン交換樹脂３が構造体１２内から効率よく押し出される。この押し出し力は、塔内上部に充填されていたイオン交換樹脂３に対しては、それを持ち上げる力として作用し、結局図４に示すように、塔内樹脂がイオン交換塔１内の天井面側に押しつけられ、その状態で固定される。このとき、構造体１２内における薬液流速は増大されるものの、構造体１２外に存在しているイオン交換樹脂３に対しては、従来同様の通常の薬液通薬流速に維持可能であるので、持ち上げられるイオン交換樹脂３の層に乱れが生じることは回避される。このような状態が確実に現出されるためには、図３に示した隙間２の容積よりも図４に示した構造体１２内の容積を大きく設定しておくことが好ましい。

このように塔内樹脂は層乱れを生じない状態にて持ち上げられ、その状態で固定されて再生されるので、通水時の下流側から望ましい条件で効率よくイオン交換樹脂３の再生が行われる。したがって、再生後採水時の処理水の水質向上にも寄与できる。

また、構造体１２はイオン交換塔１内に固定設置されるものであるから、イオン交換塔１内には従来のマットのような可動物は存在せず、この面からも、イオン交換樹脂３は層乱れやその他のトラブルを生じることなく、安定して持ち上げられ、固定される。したがって、より確実に所望の再生が行われることになる。

図５〜図８は、本発明の第２実施態様に係るイオン交換塔２１を示している。図５は、第２実施態様における通水時の流れを、図６は再生時の流れを、図７は図５の流れに対応する充填イオン交換樹脂の塔内の動きを、図８は図６の流れに対応する充填イオン交換樹脂の塔内の動きを、それぞれ示している。本実施態様では、イオン交換塔２１内に、塔内上端から垂設された筒状の仕切板２２が設けられており、この仕切板２２自体で本発明に係る構造物が構成されている。この仕切板（構造物）２２の下端部で、図５、図６に示すように、流れが反転されるようになっている。このように、筒状（角筒あるいはイオン交換塔の側壁を利用した区画部も含む）の仕切板２２を塔内に垂設した構成においても、仕切板２２で囲まれた部分の流れに対する塔横断面積を狭めて流速を局部的に増大させることができる。したがって、通水時には図７の状態にあった塔内イオン交換樹脂３は、再生用薬液１０の導入口として機能する処理水の排出口２３、導入再生用薬液のディストリビュータとして機能するコレクター２４を介してイオン交換塔２１内に再生用薬液１０が導入され、再生に使用された再生用薬液１０がコレクターとして機能する原水のディストリビュータ２５、薬液排出口として機能する原水導入口２６を介して排出されることにより、図８に示すように原水の入口側へと移動されて固定され、その状態で再生処理が行われる。

この第２実施態様においても、塔内樹脂に対して局部的に再生薬液の通薬流速を増大させ、塔内樹脂に層乱れが生じない状態で樹脂を所定方向に移動させて固定することができるので、望ましい条件で効率よくイオン交換樹脂３の再生が行われ、再生後採水時の処理水の水質向上にも寄与できる。また、構造体を構成する筒状の仕切板２２はイオン交換塔２１内に固定設置されるので、可動物が存在する場合のような層乱れやその他のトラブルを生じることもない。

図９〜図１２は、本発明の第３実施態様に係るイオン交換塔３１を示している。図９は、第３実施態様における通水時の流れを、図１０は再生時の流れを、図１１は図９の流れに対応する充填イオン交換樹脂の塔内の動きを、図１２は図１０の流れに対応する充填イオン交換樹脂の塔内の動きを、それぞれ示している。本実施態様では、イオン交換塔３１内に、塔内上端から垂設された板状の仕切板３２が設けられており、この仕切板３２自体で本発明に係る構造物が構成されている。この仕切板（構造物）３２の下端部で、図９、図１０に示すように、流れが反転されるようになっている。仕切板３２の垂設位置は、通水時の塔内通水速度と再生時の樹脂押し出し速度との比率を適切に設定するために、塔横断面内において任意の位置に設定することができる。すなわち、再生薬液の仕切板３２の下端部での反転前の流速が、反転後の流速よりも大きくなるように仕切板３２の位置が設定されることが好ましい。このように、塔内に単なる板状の仕切板３２を垂設しただけの構成においても、仕切板３２と塔内面で囲まれた部分の流れに対する塔横断面積を狭めて流速を局部的に増大させることができる。したがって、通水時には図１１の状態にあった塔内イオン交換樹脂３は、再生用薬液１０の導入口として機能する処理水の排出口３３、導入再生用薬液のディストリビュータとして機能するコレクター３４を介してイオン交換塔３１内に再生用薬液１０が導入され、再生に使用された再生用薬液１０がコレクターとして機能する原水のディストリビュータ３５、薬液排出口として機能する原水導入口３６を介して排出されることにより、図１２に示すように原水の入口側へと移動されて固定され、その状態で再生処理が行われる。

この第３実施態様においても、塔内樹脂に対して局部的に再生薬液の通薬流速を増大させ、塔内樹脂に層乱れが生じない状態で樹脂を所定方向に移動させて固定することができるので、望ましい条件で効率よくイオン交換樹脂３の再生が行われ、再生後採水時の処理水の水質向上にも寄与できる。また、構造体を構成する板状の仕切板３２はイオン交換塔３１内に固定設置されるので、可動物が存在する場合のような層乱れやその他のトラブルを生じることもない。

本発明による効果を確認するために、以下のような試験を行った。試験は、カチオン交換樹脂を充填したカチオン塔の後段にアニオン交換樹脂を充填したアニオン塔を接続した２床式純水製造装置の形態で実施し、カチオン塔に対し本発明を適用し、アニオン塔には十分に再生したアニオン交換樹脂を充填して、本発明による再生の適用により、再生後採水時にどのような最終処理水の水質が得られるかを測定した。試験には、カチオン塔として前述の第１実施態様に係る構成を有するイオン交換塔１を用いた。試験に用いたイオン交換塔１の主要寸法を図１３に示す（寸法単位：ｍｍ）。また、試験に用いた原水の水質を表１に示す。

試験においては、カチオン塔にカチオン交換樹脂（商品名”アンバーライトＩＲ１２０Ｂ”（Ｈ形））を充填し、通水時ＳＶ（単位：１／ｈ）を６０、通水時ＬＶ（単位：ｍ／ｈ）を，構造物が存在しない塔内部分で４８、構造体が存在する部分の構造体内部分で１９１に設定した。カチオン塔に上記カチオン交換樹脂を２５Ｌ充填し、アニオン塔にアニオン交換樹脂（商品名”アンバーライトＩＲＡ４１０”（ＯＨ形））を２５Ｌ充填して採水を行い、処理水の水質として、電気伝導率計の指示値で0.07[ μS/ｃｍ] (SiO₂=5ppb未満)まで純度が上がったことを確認し、採水後の再生を行った。再生条件は以下の通りである。
再生レベル： HCL ：200g/L-R at35%（カチオン塔（Ｋ塔））
通薬濃度[%] ： HCL ： 5
通薬SV[1/h] ： K塔 SV=5.5
通薬LV[m/h] ： K塔 LV=4.8 （内塔（構造体内）LV=17.3）
再生用水（純水）温度〔℃] K塔 常温
上記再生（洗浄）時の立ち上りの処理水の純度を、図１４に示す。続いて、約３時間通水した後、再び同条件で再生を行った。２回目の再生（洗浄）時の立ち上りの純度を同じ図１４に示す。

試験の結果から、現行の装置と同等の到達性能を確認できた。また、現行の装置と比べて処理水純度の立ち上りが早い、再生のための上昇流通薬中に通薬を止めても上部に固定された樹脂の流動は認められず、構造体内に樹脂が入り込まない等の本発明特有の特徴、効果を確認できた。

本発明に係るイオン交換塔は、とくに純水製造装置のイオン交換塔として好適なものであるが、他の装置であっても向流再生方式のイオン交換塔であるかぎり、本発明の適用が可能である。

本発明の第１実施態様に係るイオン交換塔の通水時の流れを示す縦断面図である。 図１のイオン交換塔の再生時の流れを示す縦断面図である。 図１のイオン交換塔の通水時の塔内樹脂の状態を示す縦断面図である。 図１のイオン交換塔の再生時の塔内樹脂の状態を示す縦断面図である。 本発明の第２実施態様に係るイオン交換塔の通水時の流れを示す縦断面図である。 図５のイオン交換塔の再生時の流れを示す縦断面図である。 図５のイオン交換塔の通水時の塔内樹脂の状態を示す縦断面図である。 図５のイオン交換塔の再生時の塔内樹脂の状態を示す縦断面図である。 本発明の第３実施態様に係るイオン交換塔の通水時の流れを示す縦断面図である。 図９のイオン交換塔の再生時の流れを示す縦断面図である。 図９のイオン交換塔の通水時の塔内樹脂の状態を示す縦断面図である。 図９のイオン交換塔の再生時の塔内樹脂の状態を示す縦断面図である。 試験に用いたイオン交換塔の主要寸法を示す縦断面図である。 試験結果を示す再生からの経過時間と処理水純度との関係図である。 従来のイオン交換塔の一例を示す縦断面図である。

符号の説明

１、２１、３１ イオン交換塔
２ 隙間
３ イオン交換樹脂
４、２６、３６ 原水導入口
５ 原水
６、２５、３５ ディストリビュータ
７ 処理水
８、２４、３４ コレクター
９、２３、３３ 排出口
１０ 再生用薬液
１１、２２、３２ 仕切板
１２ 構造体

Claims (6)

1. 塔内にイオン交換樹脂が充填され、イオン交換樹脂層に対する原液の通液方向と再生用薬液の通薬方向とが向流とされるイオン交換塔において、塔内に、流れに対する塔横断面積を狭めて流速を少なくとも局部的に増大可能な仕切板を有する構造体を設けたことを特徴とするイオン交換塔。
2. 前記構造体が、再生用薬液の入口側に対して設けられている、請求項１のイオン交換塔。
3. 前記構造体が、塔内に流入された原液および再生用薬液の流れ方向が前記仕切板の端部で反転するように設置されている、請求項１または２のイオン交換塔。
4. 前記構造体が、流れ方向が反転される仕切板の端部で開口した有底容器状に形成されている、請求項３のイオン交換塔。
5. 前記構造体の仕切板が、塔内上端から垂設され、下端が流れ方向が反転される端部とされた仕切板からなる、請求項３のイオン交換塔。
6. 前記仕切板で横断面積が狭められた塔内部分に、コレクターまたはディストリビュータが設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載のイオン交換塔。

Images