JP2011072927A - イオン交換装置及びその塔体 - Google Patents

Abstract

【課題】塔内部におけるアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の逆再生が確実に防止され、再生直後でも高水質の脱イオン水を生産することができるイオン交換装置とそのための塔体を提供する。
【解決手段】再生時には、弁１２を閉、弁７，１０を開とし、上部給排配管３からＨＣｌなどの酸溶液を供給すると共に、第３の連通配管８からＮａＯＨなどのアルカリ溶液を供給する。酸溶液は、集配水部材４、不活性樹脂２２、カチオン交換樹脂２１、集配水部材６、連通配管５、弁７の順に流れ、カチオン交換樹脂２１が再生される。アルカリ溶液は、集配水部材９、不活性樹脂３２、アルカリ交換樹脂３１、集配水部材１４、下部給排配管１３の順に流れ、アニオン交換樹脂３１が再生される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを備えた再生型のイオン交換装置と、そのための塔体に関する。

電子産業等における純水や超純水製造設備などにおいて、イオン交換装置が広く用いられている。このイオン交換装置の１つとして、混床式イオン交換装置が周知である。

混床式イオン交換装置は、強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂とが混合された混合イオン交換樹脂層を有するイオン交換塔を備え、例えば原水の下降流通水によりイオン交換塔において原水中のカチオン及びアニオンを同時にイオン交換して純度の高い純水を製造するようにしている。そして、各イオン交換樹脂の再生を行う時には同一塔内で、混合イオン交換樹脂層を逆洗分離し、各イオン交換樹脂の比重差により上層に強塩基性アニオン交換樹脂層を、下層に強酸性カチオン交換樹脂層を形成した後、各イオン交換樹脂層にそれぞれの再生剤を通液して両イオン交換樹脂を個別に再生するようにしている。この再生操作は同一塔内で行われることもあるし、各イオン交換樹脂を別の塔に個別に抜き出し、それぞれの塔内で個別に再生を行うこともある。

従来の混床式イオン交換装置にあっては、「逆再生」と呼ばれるカチオン・アニオン交換樹脂の分離不完全による不具合が生じることがある。

即ち、カチオン交換樹脂はＨ形で使用され、その再生は酸溶液を通液することにより行われる。一方、アニオン交換樹脂はＯＨ形で使用され、その再生はアルカリ溶液を通液することにより行われる。前述の通り、混床式脱塩塔のイオン交換樹脂の再生に先立って、先ず混床に上向流通水を施して、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを比重差で分離した後、例えば、ＨＣｌを塔下部から導入してカチオン交換樹脂の再生を行い、またＮａＯＨを塔上部から導入してアニオン交換樹脂の再生を行う。各々の再生廃液は、アニオン交換樹脂床とカチオン交換樹脂床との界面部分に設けた排出配管より排出する。その後、Ｎ_２ガスを塔底部から導入してアニオン交換樹脂とイオン交換樹脂を混合して混床とし、通水を再開する。

このような再生型混床式イオン交換塔においては、ＨＣｌ，ＮａＯＨによる各イオン交換樹脂の再生に先立って、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを十分に分離する必要がある。この分離が完全に行われず、例えば、アニオン交換樹脂中にカチオン交換樹脂が混入すると、アルカリ（主として水酸化ナトリウムが使用される。）による再生（逆再生）でカチオン交換樹脂がＮａ形となり、この樹脂を使って脱イオンを行うとナトリウムイオンが放出される。また、カチオン交換樹脂中にアニオン交換樹脂が混入すると、酸（主として硫酸又は塩酸が使用される。）による再生（逆再生）でアニオン交換樹脂がＳＯ_４形又はＣｌ形となり、脱イオンに際して硫酸イオン又は塩素イオンが放出される。

このような逆再生を防止しようとしたイオン交換装置として、特開平１０−１３７７５１（特許文献１）には、塔内を通水性の仕切板で上下２室に区画し、一方の室にカチオン交換樹脂を充填し、他方の室にアニオン交換樹脂を充填したものが記載されている。この仕切板は、水の流通を許容するが、イオン交換樹脂の流通は、阻止するものであり、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合が防止される。この特許文献１の塔体は一塔式であり、装置面積が小さい。

特開平１０−１３７７５１

上記特開平１０−１３７７５１のイオン交換装置は、アニオン交換樹脂層とカチオン交換樹層とを仕切る仕切板が通水性であるため、再生時には、カチオン交換樹脂再生用の酸溶液が仕切板を通過してアニオン交換樹脂と接触することにより、逆再生が生じる。また、アニオン交換樹脂再生用のアルカリ溶液が仕切板を通過してカチオン交換樹脂と接触することにより、逆再生が生じる。特許文献１の００２３，００２７，００２８段落には、再生時に一方の再生剤が他方のイオン交換樹脂層に流入しないように純水をバランス水として通水することが記載されているが、再生剤の混入を完全に防止するには不十分であり、逆再生が生じてしまう。

本発明は、塔内部におけるアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂の逆再生が確実に防止され、再生直後でも高水質の脱イオン水を生産することができるイオン交換装置とそのための塔体を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）のイオン交換装置用塔体は、内部にイオン交換樹脂が充填されるイオン交換装置用塔体において、該塔体内に遮水性の仕切板によって上室と下室とが区画形成されており、該塔体外を引き回された連通手段によって該上室と下室とが連通されていることを特徴とするものである。

本発明（請求項２）のイオン交換装置は、請求項１のイオン交換装置用塔体と、該塔体の上室及び下室のうち一方に収容されたカチオン交換樹脂と、他方に収容されたアニオン交換樹脂とを備えてなるものである。

請求項３のイオン交換装置は、請求項２において、前記上室の上部に液を供給又は排出するための上部給排配管と、該下室の下部に液を供給又は排出するための下部給排配管とを備えており、前記連通手段は、該上室の下部に液を給排するための第１の連通配管と、該下室の上部に液を給排するための第２の連通配管と、該第１の連通配管と第２の連通配管とを連通する第３の連通配管と、該第３の連通配管の開閉手段と、該第１の連通配管及び第２の連通配管にそれぞれ設けられた再生液の給排手段と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項４のイオン交換装置は、請求項３において、前記上室の上部、上室の下部、下室の上部及び下室の下部にそれぞれ、水は通すがイオン交換樹脂の通過を阻止する集配水部材が配置されており、前記上部給排配管、第１の連通配管、第２の連通配管及び下部給排配管の末端がそれぞれ該集配水部材に接続されていることを特徴とするものである。

請求項５のイオン交換装置は、請求項４において、前記上室の上部及び下室の上部にそれぞれ粒状の不活性樹脂が充填されており、上室上部の集配水部材及び下室下部の集配水部材がそれぞれ該不活性樹脂中に埋設されていることを特徴とするものである。

本発明の塔体及びイオン交換装置においては、上室と下室とが遮水性の仕切板で区画され、一方の室にカチオン交換樹脂が収容され、他方の室にアニオン交換樹脂が収容されている。被処理水（原水）は、一方の室に供給され、連通手段を介して他方の室に流入し、該他方の室から取り出される。

このイオン交換装置では、イオン交換樹脂の再生時には、各室に別々に酸又はアルカリが供給される。従って、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とが混合することは全くなく、しかも、両室を区画する仕切板は遮水性であり、一方の室に供給された酸又はアルカリが仕切板を通過して他方の室に流入することは全くなく、逆再生が防止される。

本発明の塔体は、内部を仕切板で上下２室に区画したものであり、アニオン交換塔とカチオン交換塔とを別々に設置したものと比べて設置スペースが少なくなり、配管の長さも少なくて済み、さらにイオン交換樹脂を充填するイオン交換樹脂室間を１枚の仕切板で分離するようにしたことにより、イオン交換装置の高さを低くできる。また、安価に製作できる。

請求項３のイオン交換装置では、第１の連通配管及び第２の連通配管を介して上室及び下室にそれぞれ酸又はアルカリを容易に通水して効率よく再生を行うことができる。この際、第３の連通配管を閉とすることにより、酸、アルカリの混合が完全に防止される。そして、上室及び下室のイオン交換樹脂を同時に再生することができ、再生時間を大幅に短縮することができる。

請求項４のイオン交換装置によれば、上室及び下室に水の局部的な滞留が生じることがなく、効率よく処理水（脱イオン水）の生産及びイオン交換樹脂の再生を行うことができる。

請求項５のイオン交換装置は、上室及び下室の上部に不活性樹脂を充填しており、イオン交換樹脂の流動が抑制される。イオン交換樹脂が流動すると、採水時又は再生時に液が均等にイオン交換樹脂と接触しないため水質の低下が生じるおそれがあるが、この請求項５によれば、かかる水質低下が防止され、高水質の処理水を得ることができる。また、採水時と再生時の被処理水と再生剤の通水方向は特に限定されないが、採水を上向流、再生を下向流とする方が、高水質の処理水を得ることができるため望ましい。これは不活性樹脂の充填により、十分に再生されたイオン交換樹脂が各イオン交換樹脂の上部に固定され、採水時は被処理水の出口側にこのイオン交換樹脂が位置する為と考えられる。

実施の形態に係るイオン交換装置を示す概略的な断面図である。

以下、図１を参照し、実施の形態について説明する。

塔体１は筒軸心方向を鉛直方向とした円筒部１ａと、頂部の鏡板部１ｂと、底部の鏡板部１ｃとによって外殻が構成されている。鏡板部１ｂは上に凸に湾曲し、鏡板部１ｃは下に凸に湾曲している。

この塔体１内が遮水性の仕切板２によって上室２０と下室３０との２室に区画されている。この実施の形態では、仕切板２は、水を全く通過させない金属又は合成樹脂製のものであり、鏡板部１ｃと同様に下に凸に湾曲している。仕切板２の周縁部は、円筒部１ａの内周面に対し溶接等により水密的に結合されている。

上室２０内の上部に第１の集配水部材４が配置され、この第１の集配水部材４に上部給排配管３が接続されている。上室２０内の下部に第２の集配水部材６が設置され、この集配水部材６に第１の連通配管５が接続されている。下室３０内の上部に第３の集配水部材９が設置され、この集配水部材９に第２の連通配管８が接続されている。連通配管５，８は、第３の連通配管１１によって接続され、この連通配管１１に弁１２が設置されている。

連通配管５，８の末端部には、再生液の給排手段としての弁７，１０が設けられている。下室３０の下部には、第４の集配水部材１４が設置され、この集配水部材１４に下部給排配管１３が設置されている。

上室２０内の大部分にカチオン交換樹脂２１が充填され、このカチオン交換樹脂２１の上側に粒状の不活性樹脂２２が充填されている。第１の集配水部材４はこの不活性樹脂２２内に埋設されている。

下室３０内の大部分にアニオン交換樹脂３１が充填され、このアニオン交換樹脂３１の上側に粒状の不活性樹脂３２が充填されている。第３の集配水部材９はこの不活性樹脂３２中に埋設されている。不活性樹脂としては、イオン交換樹脂よりも比重の小さいポリアクリロニトリル系樹脂などが用いられる。不活性樹脂の粒径は、イオン交換樹脂と同程度が好ましい。

集配水部材４，６，９，１４としては、従来のイオン交換装置で使用されている集水板や、放射状に延在させた配管に多数のスリットを設けたストレーナーなどを使用することができる。例えば、イオン交換樹脂の大きさが約０．４ｍｍ程度の場合、ストレーナーとしてスリットの幅が約０．２ｍｍのものを使用するのが好ましい。集配水部材４，６，９，１４は、鏡板部１ｂ、仕切板２、鏡板部１ｃに沿う形状を有しており、鏡板部１ｂ、仕切板２、鏡板部１ｃに沿うデッドスペースが小さいものとなっている。

このイオン交換装置を用いた脱イオン水の生産（採水）時のフローを図１（ａ）に示す。この場合、弁１２を開、弁７，１０を閉とし、下部給排配管１３から原水（被処理水）を供給する。この原水は集配水部材１４、アニオン交換樹脂３１、不活性樹脂３２、集配水部材９、連通配管８，１２，５、集配水部材６、カチオン交換樹脂２１、不活性樹脂２２、集配水部材４、上部給排配管３の順に流れ、処理水（脱イオン水）として取り出される。

アニオン交換樹脂３１及びカチオン交換樹脂２１の再生時には、図１（ｂ）のように弁１２を閉、弁７，１０を開とし、上部給排配管３からＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ_４などの酸溶液を供給すると共に、第３の連通配管８からＮａＯＨなどのアルカリ溶液を供給する。酸溶液は、集配水部材４、不活性樹脂２２、カチオン交換樹脂２１、集配水部材６、連通配管５、弁７の順に流れ、再生廃水（酸）として流出し、これによりカチオン交換樹脂２１が再生される。アルカリ溶液は、集配水部材９、不活性樹脂３２、アニオン交換樹脂３１、集配水部材１４、下部給排配管１３の順に流れ、再生廃水（アルカリ）として流出し、これにより、アニオン交換樹脂３１が再生される。

再生終了後は、図１（ｂ）のＨＣｌ溶液、ＮａＯＨ溶液の代わりに、それぞれ純水を通水し、各経路及び樹脂をリンスした後、必要に応じて純水で上室と下室を個別に下向流洗浄しながら洗浄排水を排出し、その後、純水を上室２０と下室３０との間で所定時間循環させ、次いで、採水工程に復帰する。この再生に際しては、カチオン交換樹脂２１とアニオン交換樹脂３１とが混ざり合うことは全くない。また、再生用の酸溶液が下室３０に流入したり、アルカリ溶液が上室２０に混入することが全くなく、逆再生が完全に防止される。加えて、カチオン交換樹脂２１とアニオン交換樹脂３１とを同時に並行して再生することができ、再生時間が著しく短いものとなる。

このイオン交換装置は、１つの塔体１内を１枚の仕切板２によって上下２室に区画したものであり、塔体の高さが低く、設置スペースも小さい。また、上室２０と下室３０とを連通する配管５，１１，８が短くてすむ。

このイオン交換装置では集配水部材４，６，９，１４が鏡板部１ｂ、仕切板２、鏡板部１ｃに沿って設けられており、水の局部的な滞留が防止される。

このイオン交換装置では、上室２０及び下室３０の上部に不活性樹脂２２，３２を充填しており、カチオン交換樹脂２１及びアニオン交換樹脂３１の流動が防止され、採水時及び再生時に液が均等にカチオン交換樹脂２１及びアニオン交換樹脂３１と接触するようになっており、高水質の脱イオン水が得られると共に、十分に再生が行われるようになる。

上記実施の形態では、上室２０にカチオン交換樹脂を収容し、下室３０にアニオン交換樹脂を収容しているが、逆としてもよい。上記実施の形態では、上室２０と下室３０とが配管５，１１，８を介して連通されているが、塔体１の外部を引き回されている限り、これに限定されない。また、この実施の形態では、３個の弁７，１０，１２を用いているが、２個の三方弁を用いて流路切り替えを行うようにしてもよい。

以下、実施例及び比較例について説明する。実施例では図１に示すイオン交換装置を用いた。諸元は次の通りである。
塔体直径 ： ４５０ｍｍ
塔体の高さ ： ３０００ｍｍ
上室容積 ： １９０Ｌ
下室容積 ： ２６０Ｌ
カチオン交換樹脂の充填量 ： １５０Ｌ
アニオン交換樹脂の充填量 ： ２００Ｌ
不活性樹脂２２の充填量 ： ３０Ｌ
不活性樹脂３２の充填量 ： ３０Ｌ

比較例では、市販の混床型イオン交換装置を用いた。諸元は次の通りである。
塔体直径 ： ４５０ｍｍ
塔体の高さ ： ４０００ｍｍ
容積 ： ６４０Ｌ
カチオン交換樹脂の充填量 ： １５０Ｌ
アニオン交換樹脂の充填量 ： ２００Ｌ

各イオン交換装置にＲＯ処理水（導電率：５μＳ／ｃｍ、金属Ｎａ：１ｐｐｍ、塩化物イオン：１ｐｐｍ、ＳｉＯ_２：１ｐｐｍ）を一定時間通水し、下記の酸溶液及びアルカリ溶液を用いて同時に再生し、その後の処理水質を確認した結果である。
（１） 運転条件
通水流量：１５ｍ^３／ｈ
（２） 再生条件
ＨＣｌ ：５％ 通水流量：０．７５ｍ^３／ｈ、３０分
ＮａＯＨ ：５％ 通水流量：１ｍ^３／ｈ、加温４０℃、４０分
（３） 強塩基性陰イオン交換樹脂：Ｄｏｗ ５５０Ａ
強酸性陽イオン交換樹脂 ：Ｄｏｗ ６５０Ｃ

＜再生時間比較＞
実施例のイオン交換装置の再生時間（ｍｉｎ）は、４０(薬品通液時間)＋４０（純水による薬品押出時間）＋５（純水で洗浄しながら排水）＋１５(純水の循環洗浄)＝１００ｍｉｎであった。
一方、従来型混床式イオン交換装置再生時間は、１０(樹脂分離時間)＋３０(カチオン交換樹脂：薬品通液時間)+３０(カチオン交換樹脂：薬品押出時間)＋４０（アニオン交換樹脂：薬品通液時間）＋４０（アニオン交換樹脂：薬品押出時間）＋５（純水で洗浄しながら排水）＋１５(樹脂混合時間)＋３０(循環洗浄)=２００ｍｉｎであった。

この実施例及び比較例で再生されたイオン交換装置で採水工程を開始したときの処理水の比抵抗値の経時変化を表１に示す。また、再生後の採水開始後、１時間経過した時点での処理水の水質を表２に示す。

表１，２から明らかな通り、本発明によれば、従来の混床式イオン交換塔に比べ、逆再生による水質立上り時間の短縮（表１）および高純度化（表２）が可能であり、且つアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を同時に再生できるため、再生時間も半減でき、且つ装置コスト、設置面積は同等以下である。

１ 塔体
１ｂ，１ｃ 鏡板
２ 仕切板
３ 上部給排配管
４，６，９，１４ 集配水部材
５，８，１１ 連通配管
１３ 下部給排配管
２０ 上室
３０ 下室

Claims (5)

1. 内部にイオン交換樹脂が充填されるイオン交換装置用塔体において、
   該塔体内に遮水性の仕切板によって上室と下室とが区画形成されており、
   該塔体外を引き回された連通手段によって該上室と下室とが連通されていることを特徴とするイオン交換装置用塔体。
2. 請求項１のイオン交換装置用塔体と、
   該塔体の上室及び下室のうち一方に収容されたカチオン交換樹脂と、
   他方に収容されたアニオン交換樹脂とを備えてなるイオン交換装置。
3. 請求項２において、
   前記上室の上部に液を供給又は排出するための上部給排配管と、
   該下室の下部に液を供給又は排出するための下部給排配管と、
   を備えており、前記連通手段は、
   該上室の下部に液を給排するための第１の連通配管と、
   該下室の上部に液を給排するための第２の連通配管と、
   該第１の連通配管と第２の連通配管とを連通する第３の連通配管と、
   該第３の連通配管の開閉手段と、
   該第１の連通配管及び第２の連通配管にそれぞれ設けられた再生液の給排手段と
   を備えたことを特徴とするイオン交換装置。
4. 請求項３において、前記上室の上部、上室の下部、下室の上部及び下室の下部にそれぞれ、水は通すがイオン交換樹脂の通過を阻止する集配水部材が配置されており、
   前記上部給排配管、第１の連通配管、第２の連通配管及び下部給排配管の末端がそれぞれ該集配水部材に接続されていることを特徴とするイオン交換装置。
5. 請求項４において、前記上室の上部及び下室の上部にそれぞれ粒状の不活性樹脂が充填されており、上室上部の集配水部材及び下室下部の集配水部材がそれぞれ該不活性樹脂中に埋設されていることを特徴とするイオン交換装置。

Images