JP2010099594A - 電気式脱塩装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【目的】電気式脱塩装置において、原水をイオン交換体へ供給しながら通電して処理水を得る調製工程と、原水に替えて脱塩水をイオン交換体へ供給しながら通電することでイオン交換体を再生する休止工程とを繰り返しながら運転するに当たり、休止工程においてイオン交換体を十分にかつ経済的に再生できるようにする。
【構成】調製工程で得られた処理水を貯水槽３０４に貯留し、休止工程では、この処理水を第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２のイオン交換体１２２へ供給する。濃縮室１１３からの濃縮水の電気伝導率を第一センサ４０１により連続的に測定し、この電気伝導率が低下して安定したときに休止工程から調製工程へ移行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気式脱塩装置の運転方法、特に、原水をイオン交換体へ供給して処理水を得る調製工程と、前記原水に替えて脱塩水を前記イオン交換体へ供給することで前記イオン交換体を再生する休止工程とを繰り返す電気式脱塩装置の運転方法に関する。

半導体、液晶、医薬および食品などの製造工場や研究施設等において使用される純水を製造するために、電気式脱塩装置が用いられている。基本的な電気式脱塩装置は、濃縮室と、濃縮室の片側に陽イオン交換膜を介して配置された第一脱塩室と、濃縮室の他側に陰イオン交換膜を介して配置された第二脱塩室と、陰イオン交換膜を介して第一脱塩室に隣接する陽極室と、陽イオン交換膜を介して第二脱塩室に隣接する陰極室とを備えている。また、第一脱塩室および第二脱塩室には、イオン交換体が充填されている。このイオン交換体は、陽イオン交換体と陰イオン交換体とが混在したものである。

この電気式脱塩装置の運転では、例えば、逆浸透膜で一次処理された原水を濃縮室、第一脱塩室、第二脱塩室、陽極室および陰極室へ供給し、陽極室と陰極室との間に通電する。ここで、第一脱塩室および第二脱塩室へ供給された原水に残留している陽イオンおよび陰イオンは、それぞれ、各脱塩室の陽イオン交換体および陰イオン交換体に吸着される。そして、第一脱塩室において陽イオン交換体に吸着された陽イオンは、陽イオン交換膜を通過して濃縮室へ移動し、また、第一脱塩室において陰イオン交換体に吸着された陰イオンは陰イオン交換膜を通過して陽極室へ移動する。一方、第二脱塩室において陰イオン交換体に吸着された陰イオンは、陰イオン交換膜を通過して濃縮室へ移動し、また、第二脱塩室において陽イオン交換体に吸着された陽イオンは陽イオン交換膜を通過して陰極室へ移動する。この結果、各脱塩室を通過した原水は、イオンが取り除かれた処理水になる。一方、濃縮室、陽極室および陰極室を通過した原水は、イオン濃度が高まった低純度の水になるため、廃棄されるか、或いは、一次処理前の原水と適宜混合することで水源として再利用される。

上述の電気式脱塩装置において、第一脱塩室および第二脱塩室にそれぞれ充填されたイオン交換体は、吸着した陽イオンおよび陰イオンが溶離して濃縮室または陰極室若しくは陽極室へ移動することになるため、自動的に再生されることになる。しかし、イオン交換体は、原水に含まれる電気的に溶離しにくい炭酸イオンやシリカ等の弱電解質およびカルシウムイオン等が徐々に吸着して蓄積するためにイオン交換能が低下し、また、蓄積したイオン等の溶出により処理水の水質を低下させることになるため、電気式脱塩装置は、現実にはイオン交換体の再生が求められる。

電気式脱塩装置におけるイオン交換体の再生方法は、原水の供給を停止し、イオン交換体を薬剤で処理する方法が一般的であるが、この方法は煩雑であって長時間を要し、しかも廃液処理が必要になることから、最近では薬剤を用いない方法への転換が計られている。薬剤を使用しないイオン交換体の再生方法として、特許文献１には、電気式脱塩装置へ原水の替わりに脱塩水を供給する方法が記載されている。この再生方法は、脱塩水を脱塩室へ供給しながら陽極室と陰極室との間に通電することで、無負荷状態にあるイオン交換体に蓄積したイオンを徐々に溶離させ、それによってイオン交換体を再生するものである。

特許第３４８０６６１号公報

ところで、特許文献１に記載の再生方法では、イオン交換体の再生を予め設定された時間実行している（段落［００３０］）。この場合、設定した再生時間が短いとイオン交換体の再生が不十分となり、結果的に処理水の水質が低下する可能性がある。また、設定した再生時間が必要時間よりも長すぎると、無駄な電気エネルギーを消費することになり、不経済である。

本発明の目的は、電気式脱塩装置において、原水をイオン交換体へ供給しながら通電して処理水を得る工程と、原水に替えて脱塩水をイオン交換体へ供給しながら通電することでイオン交換体を再生する休止工程とを繰り返しながら運転するに当たり、休止工程においてイオン交換体を十分にかつ経済的に再生できるようにすることにある。

本発明に係る電気式脱塩装置の運転方法は、原水をイオン交換体へ供給しながら通電して処理水を得る調製工程と、原水に替えて脱塩水をイオン交換体へ供給しながら通電することでイオン交換体を再生する休止工程とを繰り返すものであり、この運転方法は、休止工程において、脱塩水をイオン交換樹脂へ供給することで得られる濃縮水およびイオン交換体を通過した脱塩水のうちの一つの電気伝導率を連続的に測定する工程を含み、測定した電気伝導率が低下して安定したときに休止工程から調製工程へ移行する。

この運転方法において、調製工程での処理水の調製によりイオン交換体にイオンが蓄積し、それによってイオン交換体の能力が低下したときは、調製工程から休止工程へ移行し、イオン交換体を再生する。休止工程では、原水に替えて脱塩水をイオン交換体へ供給しながら通電すると、イオン交換体に蓄積したイオンがイオン交換体から脱塩水中へ溶離し、イオン交換体が再生される。

このようなイオン交換体の再生過程において、脱塩水をイオン交換体へ供給することで得られる濃縮水およびイオン交換体を通過した脱塩水は、再生の初期段階においてイオン交換体から溶離するイオンを受けてイオン濃度が高まるために電気伝導率が急激に上昇するが、その後は再生の進行によりイオン交換体から溶離するイオンが減少してイオン濃度が低下するために電気伝導率が徐々に低下する。そして、イオン交換体の再生が完了すると、濃縮水およびイオン交換体を通過した脱塩水は、電気伝導率が低下した状態で変動が小さくなり、安定する。

このため、濃縮水またはイオン交換体を通過した脱塩水の電気伝導率を連続的に測定し、その電気伝導率が低下して安定したときに休止工程から調製工程へ移行すると、休止工程において無駄な電力を消費せずに経済的にイオン交換体を十分に再生することができ、調製工程において安定した水質の処理水を得ることができる。

この運転方法の一形態では、イオン交換体を通過した脱塩水の比抵抗の測定により電気伝導率を連続的に測定する。

本発明に係る電気式脱塩装置の運転方法は、例えば、調製工程において、イオン交換体へのイオン吸着総量を連続的に判定する工程をさらに含み、イオン吸着総量が所定値を超えたときに調製工程から休止工程へ移行する。

ここで、イオン吸着総量の所定値をイオン交換体が吸着可能なイオン総量未満に設定すると、イオン交換体が破過する前に調製工程から休止工程へ移行することができるため、調製工程において高純度の処理水を安定に得ることができる。

本発明によると、原水をイオン交換体へ供給しながら通電して処理水を得る工程と、原水に替えて脱塩水をイオン交換体へ供給しながら通電することでイオン交換体を再生する休止工程とを繰り返しながら電気式脱塩装置を運転するに当たり、休止工程においてイオン交換体を十分にかつ経済的に再生することができる。

図１を参照して、本発明の実施の一形態に係る運転方法を実施可能な電気式脱塩装置を供えた水処理システムを説明する。図において、水処理システム１は、原水から電解質等に由来のイオンを除去した処理水、すなわち脱塩水を調製するためのものであり、電気式脱塩装置１０、原水供給路２０、処理水経路３０および制御装置４０を主に備えている。

電気式脱塩装置１０は、第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２を備えており、両脱塩室１１１，１１２の間に濃縮室１１３が形成されている。第一脱塩室１１１と濃縮室１１３とは、陽イオン交換膜１１４を介して隣接している。また、第二脱塩室１１２と濃縮室１１３とは、陰イオン交換膜１１５を介して隣接している。第一脱塩室１１１には、陰イオン交換膜１１６を介して陽極１２０を有する陽極室１１７が隣接している。また、第二脱塩室１１２には、陽イオン交換膜１１８を介して陰極１２１を有する陰極室１１９が隣接している。

ここで用いられる陽イオン交換膜１１４，１１８は、陰イオンの透過を阻止可能でありかつ陽イオンを透過可能なものであり、また、陰イオン交換膜１１５，１１６は、陽イオンの透過を阻止可能でありかつ陰イオンを透過可能なものである。

また、第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２には、それぞれ、イオン交換体１２２が充填されている。イオン交換体１２２は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混合したものである。

第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２の一端（図の上端）からは、それぞれ後述する処理水を送るための第一処理水路１３１および第二処理水路１３２が延びており、両処理水路１３１，１３２は集合して単一の処理水路１３０を形成している。また、濃縮室１１３からは、後述する濃縮水を排水するための第一排水路１３３が延びている。さらに、陽極室１１７の一端（図の上端）からは後述する電極水を陰極室１１９の一端（図の上端）へ送るための送水路１３４が設けられており、陰極室１１９の他端（図の下端）には陽極室１１７からの電極水を排水するための第二排水路１３５が設けられている。

さらに、電気式脱塩装置１０は、図示しない電源装置を備えている。この電源装置は、陽極室１１７の陽極１２０と陰極室１１９の陰極１２１との間に直流電流を供給するためのものである。

原水供給路２０は、電気式脱塩装置１０に対して処理水を得るための原水を供給するためのものであり、原水のろ過装置２０１と、ろ過装置２０１から延びる供給経路２０２とを備えている。ろ過装置２０１は、逆浸透膜などのろ過膜を用い、原水をろ過処理するためのものである。

供給経路２０２は、第一経路２０３、第二経路２０４および第三経路２０５の三つに分岐している。第一経路２０３は、陽極室１１７へ連絡している。第二経路２０４は、第一切替弁２０６を有しており、第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２へそれぞれ連絡するよう二つの経路に分岐している。第一切替弁２０６は、流路を選択可能な電磁弁である。また、第三経路２０５は、濃縮室１１３へ連絡している。

処理水経路３０は、処理水路１３０に連絡する第二切替弁３０１を有している。第二切替弁３０１は、流路を切換え可能な電磁弁であり、第三排水路３０２と処理水供給路３０３とが連絡している。処理水供給路３０３は、処理水を貯留するための貯水槽３０４を有している。貯水槽３０４は、処理水を利用するための装置、例えば、電子部品の洗浄装置へ処理水を供給するための連絡経路３０５と、第一切替弁２０６を通じて原水供給路２０の第二経路２０４へ連絡する還流経路３０６とを有している。還流経路３０６は、貯水槽３０４に貯留された処理水を送出すためのポンプ（図示せず）を有している。

制御装置４０は、水処理システム１を制御するための電子情報処理組織であり、入力ポート４１と出力ポート４２とを有している。入力ポート４１は、第一排水路１３３を流れる濃縮水の電気伝導率を測定するための第一センサ４０１、処理水路１３０を流れる処理水の電気伝導率を測定するための第二センサ４０２、ろ過装置２０１から供給経路２０２へ流れる原水の電気伝導率を測定するための第三センサ４０３、第二経路２０４から第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２へ流れる原水の流量を測定するための第一流量計４０４および第三経路２０５から濃縮室１１３へ流れる原水の流量を測定するための第二流量計４０５が連絡しており、これらのセンサや流量計からの情報を入力するためのものである。出力ポート４２は、第一切替弁２０６および第二切替弁３０１が連絡しており、これらの切換弁２０６，３０１に対して流路の切換え司令を出力するためのものである。また、出力ポート４１は、電源装置（図示せず）に連絡しており、陽極１２０と陰極１２１間への通電の制御指令、例えば陽極１２０と陰極１２１との間に印加する電圧や電流の制御指令を出力可能である。

次に、電気式脱塩装置１０の運転方法に触れながら、水処理システム１の動作を説明する。水処理システム１を作動させるときは、原水供給路２０から電気式脱塩装置１０へ原水を供給し、また、電源装置を作動させて陽極１２０と陰極１２１との間に通電する。

電気式脱塩装置１０において原水からイオンを除去した処理水を調製する調製工程においては、制御装置４０により第一切替弁２０６を作動させ、供給経路２０２と第二経路２０４とを連絡し、還流経路３０６と第二経路２０４との連絡を遮断する。また、制御装置４０により第二切替弁３０１を作動させ、処理水路１３０と処理水供給路３０３とを連絡し、処理水路１３０と第三排水路３０２との連絡を遮断する。

調製工程において、原水供給路２０へ供給される水道水、工業用水または地下水などの原水は、ろ過装置２０１のろ過膜でろ過処理され、コロイド、微粒子およびイオン成分の一部などの含有物が除去される。そして、ろ過装置２０１でろ過処理された原水は、供給経路２０２を流れて第一経路２０３、第二経路２０４および第三経路２０５の三つの経路に分流し、陽極室１１７、第一脱塩室１１１、第二脱塩室１１２および濃縮室１１３のそれぞれへ供給される。

ここで、第二経路２０４から第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２へそれぞれ供給された原水は、含有するイオンがイオン交換体１２２に吸着されて取り除かれた処理水となり、第一処理水路１３１および第二処理水路１３２から処理水路１３０を通じて処理水供給路３０３へ流れる。処理水供給路３０３へ流れた処理水は、貯水槽３０４で一時的に貯留され、必要に応じて連絡経路３０５を通じて処理水を利用するための装置へ供給される。

一方、第三経路２０５から濃縮室１１３へ供給された原水は、第一脱塩室１１１のイオン交換体１２２から溶離して陽イオン交換膜１１４を透過した陽イオンと、第二脱塩室１１２のイオン交換体１２２から溶離して陰イオン交換膜１１５を透過した陰イオンとが供給されてイオン濃度が高まった濃縮水となり、第一排水路１３３へ流れて排水される。また、第一経路２０３から陽極室１１７へ供給された原水は、第一脱塩室１１１のイオン交換体１２２から溶離して陰イオン交換膜１１６を透過した陰イオンが供給された電極水となり、送水路１３４を経由して陰極室１１９へ供給される。そして、陰極室１１９へ供給された電極水は、第二脱塩室１１２のイオン交換体１２２から溶離して陽イオン交換膜１１８を透過した陽イオンがさらに供給され、第二排水路１３５を通じて排水される。

このような調製工程での電気式脱塩装置１０の運転において、第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２にそれぞれ充填されたイオン交換体１２２は、吸着した陽イオンおよび陰イオンが溶離して濃縮室１１３、陽極室１１７および陰極室１１９へ移動することになるため、自動的に再生が進行することになるが、現実には原水に含まれる電気的に溶離しにくい炭酸イオンやシリカ等の弱電解質およびカルシウムイオン等が徐々に吸着して蓄積することでイオン交換能が低下する。

そこで、調製工程では、制御装置４０においてイオン交換体１２２へのイオン吸着量を連続的に求め、それを積算することでイオン交換体１２２へのイオン吸着総量を連続的に判定する。イオン交換体１２２へのイオン吸着量は、次の式により求めることができる。

式中の要素は次のとおりである。
α：イオン吸着量
Ｃ_０：第三センサ４０３により測定される供給経路２０２を流れる原水の電気伝導率に基づいて換算される原水のイオン濃度（ｍｏｌ／リットル）
Ｃ_１：第二センサ４０２により測定される処理水路１３０を流れる処理水の電気伝導率に基づいて換算される処理水のイオン濃度（ｍｏｌ／リットル）
Ｃ_２：第一センサ４０１により測定される第一排水路１３３を流れる濃縮水の電気伝導率に基づいて換算される濃縮水のイオン濃度（ｍｏｌ／リットル）
Ｑ_１：第一流量計４０４により測定される第二経路２０４を流れる原水の流量（リットル／分）
Ｑ_２：第二流量計４０５により測定される第三経路２０５を流れる原水の流量（リットル／分）

制御装置４０は、イオン吸着総量が所定値を超えたと判定したとき、電源装置による陽極１２０と陰極１２１との間への通電状態を維持したままの状態で、電気式脱塩装置１０の運転を休止工程へ移行する。具体的には、制御装置４０は、第一切替弁２０６および第二切替弁３０１を作動させ、第一切替弁２０６において、供給経路２０２と第二経路２０４との連絡を遮断し、還流経路３０６と第二経路２０４とを連絡する。また、第二切替弁３０１において、処理水路１３０と処理水供給路３０３との連絡を遮断し、処理水路１３０と第三排水路３０２とを連絡する。

因みに、制御装置４０が判定するイオン吸着総量の所定値は、予め求めたイオン交換体１２２が吸着可能なイオン総量（吸着可能イオン総量）よりも小さい値であり、好ましくは吸着可能イオン総量の２０％以上、より好ましくは４０％以上で吸着可能イオン総量未満の範囲で任意に設定した値である。

制御装置４０が第一切替弁２０６および第二切替弁３０１を上述のように作動させると、供給経路２０２から第二経路２０４への原水の供給が遮断され、第二経路２０４へは還流経路３０６を通じて貯水槽３０４に貯留された処理水、すなわち脱塩水が連続的に供給される。そして、第二経路２０４を通じて第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２へそれぞれ供給される処理水は、原水からイオンが除去されたものであるため、イオン交換体１２２に対してイオン吸着負荷をかけず、逆に、イオン交換体１２２に吸着したイオンを溶離させてイオン交換体１２２を再生する。この結果、第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２をそれぞれ通過した処理水は、イオン交換体１２２から溶離したイオンのためにイオン濃度が高まり、純度が低下するため、処理水路１３０、第二切替弁３０１および第三排水路３０２を通じて排水される。

一方、濃縮室１１３を流れる濃縮水は、第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２からそれぞれ陽イオン交換膜１１４および陰イオン交換膜１１５を透過する、イオン交換体１２２から溶離したイオンのために休止工程の初期段階で電気伝導率が急激に上昇するが、イオン交換体１２２の再生が進行して溶離するイオン量が減少するに従ってこの電気伝導率は徐々に低下する。そして、イオン交換体１２２の再生が完了すると、濃縮水の電気伝導率は、第三経路２０５から供給される原水に含まれるイオンによる電気伝導率まで低下して安定する。

そこで、制御装置４０は、第一センサ４０１により第一排水路１３３を流れる濃縮水の電気伝導率を連続的に測定し、この電気伝導率が低下して安定したときに、電気式脱塩装置１０の運転を休止工程から調製工程へ復帰する。具体的には、制御装置４０は、第一切替弁２０６および第二切替弁３０１を作動させ、供給経路２０２と第二経路２０４とを連絡し、還流経路３０６と第二経路２０４との連絡を遮断する。また、処理水路１３０と処理水供給路３０３とを連絡し、処理水路１３０と第三排水路３０２との連絡を遮断する。これにより、第一脱塩室１１１および第二脱塩室１１２のそれぞれへ第二経路２０４から原水が供給されるようになり、電気式脱塩装置１０において新たな処理水が調製され、この処理水は貯水槽３０４に貯留される。

このように電気式脱塩装置１０は、制御装置４０が休止工程から調製工程への移行の時期を濃縮水の電気伝導率に基づいて判断しているので、休止工程において、イオン交換体１２２を十分に再生することができるとともに、休止工程の時間を適正化することができ、それによって無駄な電気エネルギーの消費を抑制することができる。

したがって、水処理システム１は、電気式脱塩装置１０を上述のような調製工程と休止工程とを繰り返しながら運転することにより、高純度の処理水を安定的にかつ経済的に調製することができる。

上述の実施の形態は、例えば次のような変形が可能である。
（１）上述の実施の形態では、二つの脱塩室を備えた電気式脱塩装置において本発明を実施する場合について説明したが、イオン交換膜を介して濃縮室を挟みながら三つ以上の脱塩室を備えた電気式脱塩装置についても本発明を同様に実施することができる。

（２）上述の実施の形態では、休止工程において濃縮水の電気伝導率を測定し、その変動に基づいて休止工程から調製工程への移行時期を判定しているが、この移行時期は、休止工程において脱塩室を通過した処理水、すなわちイオン交換体を通過した処理水の電気伝導率を測定することで判定することもできる。

（３）上述の実施の形態および変形例（２）において、休止工程での濃縮水またはイオン交換体を通過した処理水は、比抵抗を測定することで電気伝導率の変動を観測することもできる。比抵抗は電気伝導率の逆数に当るため、休止工程での濃縮水またはイオン交換体を通過した処理水の比抵抗は、イオン交換体の再生が進むに従って上昇することになる。したがって、この場合は、比抵抗が上昇して安定したときに休止工程から調製工程へ移行する。

（４）上述の実施の形態では、調製工程において処理水を貯留し、この貯留した処理水を休止工程においてイオン交換体へ供給する脱塩水として利用しているが、休止工程で用いる脱塩水はこれに限られるものではない。例えば、水処理システムにおいて電気式脱塩装置を複数台用い、一部の電気式脱塩装置において調製工程を実行しながら他の電気式脱塩装置において休止工程を実行すると、調製工程を実行中の電気式脱塩装置において調製された処理水の一部を休止工程を実行中の電気式脱塩装置で必要な脱塩水として利用することができる。

（５）上述の実施の形態では、調製工程や休止工程での濃縮水や電極水を排水しているが、これらの水は、原水の一部として再利用することもできる。この場合は、ろ過装置へ供給される原水に対して排水を混合するのが好ましい。

本発明の実施の一形態に係る運転方法を実施可能な電気式脱塩装置を備えた水処理システムの概略図。

符号の説明

１０ 電気式脱塩装置
１２２ イオン交換体
４０１ 第一センサ
４０２ 第二センサ
４０３ 第三センサ
４０４ 第一流量計
４０５ 第二流量計

Claims (3)

1. 原水をイオン交換体へ供給しながら通電して処理水を得る調製工程と、前記原水に替えて脱塩水を前記イオン交換体へ供給しながら通電することで前記イオン交換体を再生する休止工程とを繰り返す電気式脱塩装置の運転方法であって、
   前記休止工程において、前記脱塩水を前記イオン交換樹脂へ供給することで得られる濃縮水および前記イオン交換体を通過した前記脱塩水のうちの一つの電気伝導率を連続的に測定する工程を含み、
   前記電気伝導率が低下して安定したときに前記休止工程から前記調製工程へ移行する、
   電気式脱塩装置の運転方法。
2. 前記イオン交換体を通過した前記脱塩水の比抵抗の測定により前記電気伝導率を連続的に測定する、請求項１に記載の電気式脱塩装置の運転方法。
3. 前記調製工程において、前記イオン交換体へのイオン吸着総量を連続的に判定する工程をさらに含み、
   前記イオン吸着総量が所定値を超えたときに前記調製工程から前記休止工程へ移行する、
   請求項１または２に記載の電気式脱塩装置の運転方法。
   

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