JP2012196636A - イオン成分除去装置、及びイオン成分除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の処理液中の陽イオン及び陰イオンを、処理液中に新たな不純物を生成することなく効率的に除去する。
【解決手段】一般式Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７・ａＨ_２Ｏ（１）または一般式ＨＮｂＯ_３・ｂＨ_２Ｏ（２）（式中、ａは０≦ａ、ｂは０≦ｂを満たす数である）で表される陽イオン交換体を含む装置１１と、一般式Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}・ｃＨ_２Ｏ（３）（式中、Ｌ^２＋は、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋からなる群より選ばれる少なくとも一種の２価金属カチオンであり、Ｍ^３＋は、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋及びＭｎ^３＋から選ばれる少なくとも一種の３価金属カチオンであり、Ｘ及びＹは、０＜Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＝８を満たす数であり、ｃは０≦ｃを満たす数である）で表される陰イオン交換体を含む装置１２とを具え、接続ラインを介して直列に接続し、イオン成分除去装置１０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン成分除去装置、及びイオン成分除去方法に関する。

従来、一般産業の廃液中や、原子力発電プラントまたは火力発電プラントの炉水中に不純物として存在するイオンを分離回収する技術としては、イオン交換樹脂を用いたイオン交換システムが知られている。

しかしながら、イオン交換樹脂を用いたイオン交換システムは、被処理液が高温になるとイオン交換樹脂の交換基が外れ、イオン交換性能が大幅に低下するため、高温条件で使用できない。このため、イオン交換樹脂を用いたイオン交換システムを用いて被処理液を処理する場合は、イオン交換システムに導入する前に被処理液を冷却する必要があり、被処理液の冷却や再加熱に多量のエネルギーが必要になる。

そこで、高温のまま被処理液中に不純物として存在する陽イオンを分離回収する技術が提案されている。たとえば、特許第４４１８８８４号（特許文献１）には、ニオブ酸カリウムをイオン交換体としたイオン成分除去システムが記載されている。このイオン成分除去システムによれば、２００℃程度の高温水中に含まれるコバルトイオンの除去が可能であるため、被処理液の冷却や再加熱に多量のエネルギーを必要としない。

また、特許文献１のイオン成分除去システム以外の、被処理液中に不純物として存在する陰イオンを分離回収する技術として、モノサルフェート（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ）、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）、ハイドロタルサイト（Ｍｇ_６・Ａｌ_２（ＯＨ）_１６・ＣＯ_３・ｎＨ_２Ｏ， ｎ：自然数）等のイオン交換体を用いることが知られている。これらのイオン交換体によれば、硫酸イオンや炭酸イオンが交換体となり、被処理液中の陰イオンを吸着することができる。

さらに、特許第４３３７４１１号（特許文献２）には、マグネシウム、亜鉛、ニッケルからなる群から選ばれる少なくとも１種以上とアルミニウムとで生成するハイドロタルサイト焼成物をケイ素、チタン、ジルコニウムからなる群から選ばれる１種以上の金属酸化物で被覆した無機陰イオン交換体が記載されている。この無機陰イオン交換体によれば、吸湿性が少なく且つ陰イオン交換性能に優れる。

しかしながら、特許文献１のイオン交換体で除去可能なイオンはコバルトイオン等の陽イオンのみであり、陰イオンを除去することはできない。しかも、特許文献１のイオン交換体を用いると、高温水中で使用するとイオン交換体に含まれるカリウムが処理済液に流出し、カリウムが新たな不純物となるおそれがある。

また、特許文献２に記載された無機陰イオン交換体等のイオン交換体を用いても、除去可能なイオンは塩化物イオン等の陰イオンのみであり、陽イオンを除去することはできない。しかも、特許文献２に記載された無機陰イオン交換体等のイオン交換体を用いる場合は、高温水中でイオン交換体から硫酸イオンや炭酸イオン、金属や有機物等が流出し、処理済液の新たな不純物となるおそれがある。

特許第４４１８８８４号公報 特許第４３３７４１１号公報

本発明は、高温の処理液中の陽イオン及び陰イオンを、処理液中に新たな不純物を生成することなく効率的に除去することを目的とする。

本発明の一態様は、一般式
［化１］
Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７・ａＨ_２Ｏ （１）
（式中、ａは０≦ａを満たす数である）
または一般式
［化２］
ＨＮｂＯ_３・ｂＨ_２Ｏ （２）
（式中、ｂは０≦ｂを満たす数である）
で表される陽イオン交換体を含む陽イオン交換装置と、
一般式
［化３］
Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}・ｃＨ_２Ｏ （３）
（式中、Ｌ^２＋は、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋からなる群より選ばれる少なくとも一種の２価金属カチオンであり、Ｍ^３＋は、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋及びＭｎ^３＋から選ばれる少なくとも一種の３価金属カチオンであり、Ｘ及びＹは、０＜Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＝８を満たす数であり、ｃは０≦ｃを満たす数である）
で表される陰イオン交換体を含む陰イオン交換装置とを具え、前記陽イオン交換装置と前記陰イオン交換装置とが、接続ラインを介して直列に接続されてなることを特徴とする、イオン成分除去装置に関する。

本発明によれば、高温の処理液中の陽イオン及び陰イオンを、処理液中に新たな不純物を生成することなく効率的に除去することができる。

第１の実施形態におけるイオン成分除去装置の概略構成図である。 第２の実施形態におけるイオン成分除去装置の概略構成図である。 第３の実施形態におけるイオン成分除去装置の概略構成図である。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のイオン成分除去装置の概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態のイオン成分除去装置１０は、陽イオン交換体１１Ａが所定の容器内に充填された陽イオン交換装置１１と、陰イオン交換体１２Ａが所定の容器に充填された陰イオン交換装置１２とを有している。なお、陽イオン交換装置１１及び陰イオン交換装置１２とは接続ライン１６によって直列に接続されている。また、陽イオン交換装置１１の外面には陽イオン交換体用ヒータ１３が設けられ、陰イオン交換装置１２の外面には陰イオン交換用ヒータ１４が設けられている。

陽イオン交換体１１Ａは、一般式
［化４］
Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７・ａＨ_２Ｏ （１）
（式中、ａは０≦ａを満たす数である）
または一般式
［化５］
ＨＮｂＯ_３・ｂＨ_２Ｏ （２）
（式中、ｂは０≦ｂを満たす数である）
で表される組成物からなる。

これらの組成物からなる陽イオン交換体１１Ａは、高温耐性に優れるため、以下に説明する高温の処理水を通水してイオン交換による陽イオンの吸着及び除去を行う場合においても、組成物中の物質が被処理水中に流出してしまうことがなく、被処理水中に新たな不純物を生成することがない。

逆に上記組成物からなる陽イオン交換体１１Ａによるイオン交換反応は、３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃の温度範囲において最も効果を発揮する。

なお、一般式（１）におけるａは、０≦ａを満たす数であることが必要であるが、好ましくは０≦ａ≦５、さらに好ましくはａ＝０である。この場合、一般式（１）で表される陽イオン交換体１１Ａのイオン交換能が向上する。

また、一般式（２）におけるｂは、０≦ｂを満たす数であることが必要であるが、好ましくは０≦ｂ≦５、さらに好ましくはｂ＝０である。この場合、一般式（２）で表される陽イオン交換体１１Ａのイオン交換能が向上する。

０≦ａ≦５、さらにはａ＝０なる要件、また、０≦ｂ≦５、さらにはｂ＝０なる要件は、陽イオン交換体１１Ａを上述のような温度範囲に設定することによって自ずから満たされる場合が多い。すなわち、陽イオン交換体１１Ａを上述した温度範囲で使用することにより、一般式（１）及び一般式（２）に表される組成物中の結晶水部分が減少あるいは除去され、陽イオン交換体１１Ａは、それぞれ一般式Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７及びＨＮｂＯ_３で表される組成物に近似あるいは同一となるため、陽イオン交換体１１Ａのイオン交換能が向上すると考えることができる。

陰イオン交換体１２Ａは、一般式
［化６］
Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}・ｃＨ_２Ｏ （３）
（式中、Ｌ^２＋は、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋からなる群より選ばれる少なくとも一種の２価金属カチオンであり、Ｍ^３＋は、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋及びＭｎ^３＋から選ばれる少なくとも一種の３価金属カチオンであり、Ｘ及びＹは、０＜Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＝８を満たす数であり、ｃは０≦ｃを満たす数である）
で表される組成物からなる。

上記組成物からなる陰イオン交換体１２Ａは、高温耐性に優れるため、以下に説明する高温の処理水を通水してイオン交換による陰イオンの吸着及び除去を行う場合においても、組成物中の物質が被処理水中に溶出してしまうことがなく、被処理水中に新たな不純物を生成することがない。

逆に上記組成物からなる陰イオン交換体１２Ａによるイオン交換反応は、３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃の温度範囲において最も効果を発揮する。

なお、一般式（３）において、３価金属カチオンＭ^３＋は、特にＡｌ^３＋であることが好ましい。この場合、一般式（３）で表される陰イオン交換体１２Ａのイオン交換能が向上する。

また、一般式（３）におけるｃは、０≦ｃを満たす数であることが必要であるが、好ましくは０≦ｃ≦５、さらに好ましくはｃ＝０である。この場合、一般式（３）で表される陽イオン交換体１２Ａのイオン交換能が向上する。

上記同様に、０≦ｃ≦５、さらにはｃ＝０なる要件は、陰イオン交換体１２Ａを上述のような温度範囲に設定することによって自ずから満たされる場合が多い。すなわち、陰イオン交換体１２Ａを上述した温度範囲で使用することにより、一般式（３）に表される組成物中の結晶水部分が減少あるいは除去され、陰イオン交換体１２Ａは、一般式Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}で表される組成物に近似あるいは同一となるため、陰イオン交換体１２Ａのイオン交換能が向上すると考えることができる。

陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａは、粉末状として用いることもできるが、好ましくは所定の形に成型された成形体として用いることもできる。この場合、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａのハンドリングが容易になるとともに、イオン交換反応の温度制御などを容易に行うことができる。

陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａを成形体とする場合、特に形状は限定されないものの、好ましくは球状であることが好ましい。この場合、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａの表面に角がなく、表面の反応性が均一となることから、イオン交換能がより向上するとともに、イオン交換反応の温度制御などをより簡易に行うことができる。また、比較的高い流動性を有するようになるので、被処理液を通水した場合においても、成形体が互いに衝突し、破損するのを防止することができる。

成形体は、一般式（１）〜（３）で表される組成物の粉末をゴム等の型に充填し、ＣＩＰ（冷間静水圧成形）法、ＨＰ（ホットプレス）法、ＨＩＰ（熱間静水圧成形）法などの方法で、例えば上述したような球状に成型することができる。

陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａを球状の成形体とする場合、その直径は好ましくは０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、さらに好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍである。このような範囲において、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａのイオン交換反応の温度制御などをより簡易に行うことができ、イオン交換能が向上するとともに、ハンドリングもより容易に行うことができるようになる。

次に、図１に示すイオン成分除去装置１０を用いたイオン成分除去方法について説明する。

最初に、例えば原子力発電プラントあるいは火力発電プラントの炉水などの被処理水Ｌを、被処理水供給ライン１７を介して陽イオン交換装置１１内に導入し、所定時間滞留させる。被処理水Ｌは陽イオン交換装置１１内に導入した際に、例えば８０℃以上の温度となっているが、陽イオン交換装置１１では外面に設けられた陽イオン交換装置用ヒータ１３で陽イオン交換装置１１内の、一般式（１）あるいは一般式（２）で表される陽イオン交換体１１Ａを、上述した３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃に加熱して、イオン交換能を向上させる。

被処理水Ｌが陽イオン交換装置１１内に滞留している間、被処理水Ｌは陽イオン交換体１１Ａとイオン交換反応を生ぜしめ、被処理水Ｌ中の陽イオンが陽イオン交換体１１Ａに吸着され、除去される。なお、被処理水Ｌのイオン交換反応時間は、被処理水Ｌの滞留時間と実質的に同一であるので、被処理水Ｌは、イオン交換反応が十分に行われて被処理水Ｌ中の陽イオンが十分に除去されるまで、陽イオン交換装置１１内に滞留させる。

次いで、被処理水Ｌは、接続ライン１６を介して陰イオン交換装置１２内に導入し、所定時間滞留させる。被処理水Ｌは陽イオン交換装置１１での加熱操作によって十分に高い温度に設定されているので、陰イオン交換装置１２内に導入した際にも、十分高い温度を保持している。したがって、被処理水Ｌ自体で、陰イオン交換装置１２内に充填された、一般式（３）で表される陰イオン交換体１２Ａを上述したイオン交換能を活性化させる温度範囲、すなわち３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃にまで加熱させることができる。

しかしながら、イオン交換反応時間が長期化し、滞留時間が長くなるような場合においては、陰イオン交換装置１２の外面に設けられた陰イオン交換装置用ヒータ１４で陰イオン交換装置１２内に充填された陰イオン交換体１２Ａを、上述した３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃に加熱して、陰イオン交換装置１２のイオン交換能を向上させる。

被処理水Ｌが陰イオン交換装置１２内に滞留している間、被処理水Ｌは陰イオン交換体１２Ａとイオン交換反応を生ぜしめ、被処理水Ｌ中の陰イオンが陰イオン交換体１２Ａに吸着され、除去される。なお、被処理水Ｌのイオン交換反応時間は、被処理水Ｌの滞留時間と実質的に同一であるので、被処理水Ｌは、イオン交換反応が十分に行われて被処理水Ｌ中の陰イオンが十分に除去されるまで、陰イオン交換装置１２内に滞留させる。

陰イオン交換装置１２内で陰イオンが除去された被処理水Ｌは、処理済液排出ライン１８からイオン成分除去装置１０の外部に排出され、所定の処理に供される。

本実施形態においては、イオン成分除去装置１０が、直列に接続された陽イオン交換装置１１及び陰イオン交換装置１２を有しているので、被処理液Ｌを、これら陽イオン交換装置１１及び陰イオン交換装置１２に対して連続して通水し、それぞれにおいて所定時間滞留させるという簡易な操作によって、被処理液Ｌ中の陽イオン及び陰イオンを吸着除去することができ、被処理液Ｌからのイオン成分の除去を極めて簡易に行うことができる。

また、陽イオン交換装置１１内に充填した一般式（１）又は（２）で表される陽イオン交換体１１Ａ、及び陰イオン交換装置１２内に充填した一般式（３）で表される陰イオン交換体１２Ａは、高温耐性を有しており、さらにはその高いイオン交換能を示す温度が３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃の温度範囲であるので、被処理水Ｌが炉水などのように高温の場合においても、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａの一部が被処理水Ｌ中に溶出し、被処理水Ｌ中に新たな不純物を生じるという不都合を生じることがない。

なお、本実施形態では、被処理水Ｌを最初に陽イオン交換装置１１内に導入し、その後陰イオン交換装置１２内に導入するようにしているが、導入の順番を逆転することもできる。さらに、被処理水Ｌとして、水中に存在するイオン成分の除去について説明しているが、所定の有機溶媒中に存在するイオン成分の除去をも上記操作方法に基づいて行うことができる。

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態のイオン成分除去装置の概略構成図である。なお、図１に示す構成要素と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

図２に示すように、本実施形態のイオン成分除去装置２０は、陽イオン交換体１１Ａが所定の容器内に充填された第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２と、陰イオン交換体１２Ａが所定の容器に充填された第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２とを有している。

第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２の外面には、それぞれ第１の陽イオン交換装置用ヒータ１３−１及び第２の陽イオン交換装置用ヒータ１３−２が設けられ、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２の外面には、それぞれ第１の陰イオン交換装置用ヒータ１４−１及び第２の陰イオン交換装置用ヒータ１４−２が設けられている。

また、第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２間は、接続ライン２１及び２２を介して互いに連通するように並列に配列されており、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２間は、接続ライン２２及び２３を介して互いに連通するようにして並列に配列されている。また、第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２と、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２との間は、接続ライン１６及び２２を介して直列に接続されている。

第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２内には、一般式（１）あるいは一般式（２）で表される陽イオン交換体１１Ａが充填されており、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内には、一般式（３）で表される陰イオン交換体１２Ａが充填されている。

一般式（１）及び（２）で表される陽イオン交換体１１Ａ及び一般式（３）で表される陰イオン交換体１２Ａに関する特徴及び特性は、第１の実施形態で説明した通りであるので、本実施形態については説明を省略する。

陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａは、第１の実施形態と同様に、好ましくは所定の形に成型された成形体として用いる。この場合、イオン交換体１１Ａ及び１２Ａのハンドリングが容易になるとともに、イオン交換反応の温度制御などを容易に行うことができる。

陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａを成形体とする場合、好ましくは球状であることが好ましくい。この場合、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａの表面に角がなく、表面の反応性が均一となることから、イオン交換能がより向上するとともに、イオン交換反応の温度制御などをより簡易に行うことができる。また、比較的高い流動性を有するようになるので、被処理液を通水した場合においても、成形体が互いに衝突し、破損するのを防止することができる。

陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａを球状の成形体とする場合、その直径は好ましくは０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、さらに好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍである。このような範囲において、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａのイオン交換反応の温度制御などをより簡易に行うことができ、イオン交換能が向上するとともに、ハンドリングもより容易に行うことができるようになる。

次に、図２に示すイオン成分除去装置２０を用いたイオン成分除去方法について説明する。

最初に、例えば原子力発電プラントあるいは火力発電プラントの炉水などの被処理水Ｌを、被処理水供給ライン１７及び接続ライン２１を介して第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２内に導入し、所定時間滞留させる。被処理水Ｌは第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２内に導入した際に、例えば８０℃以上の温度となっている。

しかしながら、第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２では、それぞれ外面に設けられた第１の陽イオン交換装置用ヒータ１３−１及び第２の陽イオン交換装置用ヒータ１３−２で、第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２内に充填された一般式（１）あるいは一般式（２）で表される陽イオン交換体１１Ａを、上述した３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃に加熱して、イオン交換能を向上させる。

被処理水Ｌが第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２内に滞留している間、被処理水Ｌは陽イオン交換体１１Ａとイオン交換反応を生ぜしめ、被処理水Ｌ中の陽イオンが陽イオン交換体１１Ａに吸着され、除去される。なお、被処理水Ｌのイオン交換反応時間は、被処理水Ｌの滞留時間と実質的に同一であるので、被処理水Ｌは、イオン交換反応が十分に行われて被処理水Ｌ中の陽イオンが十分に除去されるまで、第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２内に滞留させる。

次いで、被処理水Ｌは、接続ライン１６及び２２を介して第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内に導入し、所定時間滞留させる。被処理水Ｌは第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２での加熱操作によって十分に高い温度に設定されているので、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内に導入した際にも、十分高い温度を保持している。したがって、被処理水Ｌ自体で、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内に充填された陰イオン交換体１２Ａを上述したイオン交換能を活性化させる温度範囲、すなわち３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃にまで加熱させることができる。

しかしながら、イオン交換反応時間が長期化し、滞留時間が長くなるような場合においては、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２それぞれの外面に設けられた第１の陰イオン交換装置用ヒータ１４−１及び第２の陰イオン交換装置用ヒータ１４−２で第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内の陰イオン交換体１２Ａを上述した３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃に加熱して、一般式（３）で表される陰イオン交換体１２のイオン交換能を向上させる。

被処理水Ｌが第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内に滞留している間、被処理水Ｌは陰イオン交換体１２Ａとイオン交換反応を生ぜしめ、被処理水Ｌ中の陰イオンが陰イオン交換体１２Ａに吸着され、除去される。なお、被処理水Ｌのイオン交換反応時間は、被処理水Ｌの滞留時間と実質的に同一であるので、被処理水Ｌは、イオン交換反応が十分に行われて被処理水Ｌ中の陰イオンが十分に除去されるまで、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内に滞留させる。

第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内で陰イオンが除去された被処理水Ｌは、処理済液排出ライン１８からイオン成分除去装置２０の外部に排出され、所定の処理に供される。

本実施形態においては、イオン成分除去装置２０が、直列に接続された第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２と、第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２を有しているので、被処理液Ｌを、これら陽イオン交換装置１１−１，１１−２及び陰イオン交換装置１２−１，１２−２に対して連続して通水し、それぞれにおいて所定時間滞留させるという簡易な操作によって、被処理液Ｌ中の陽イオン及び陰イオンを吸着除去することができ、被処理液Ｌからのイオン成分の除去を極めて簡易に行うことができる。

また、第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陽イオン交換装置１１−２内に充填した一般式（１）又は（２）で表される陽イオン交換体１１Ａ、及び第１の陰イオン交換装置１２−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２内に充填した一般式（３）で表される陰イオン交換体１２Ａは、高温耐性を有しており、さらにはその高いイオン交換能を示す温度が３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃の温度範囲であるので、被処理水Ｌが炉水などのように高温の場合においても、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａの一部が被処理水Ｌ中に溶出し、被処理水Ｌ中に新たな不純物が生じるという不都合を生じることがない。

さらに、本実施形態のイオン成分除去装置２０においては、２つの陽イオン交換装置１１−１及び１１−２、並びに２つの陰イオン交換装置１２−１及び１２−２を有しているので、比較的多量の被処理水Ｌを処理することができる。

なお、本実施形態では、被処理水Ｌを第１の陽イオン交換装置１１−１及び１１−２、並びに第２の陰イオン交換装置１２−１及び１２−２に同時に流すようにしているが、接続ライン２１、２２、２３等に適宜バルブを設け、いずれか一つの陽イオン交換装置及び陰イオン交換装置にのみ被処理水Ｌを流すようにすることができる。

例えば、接続ライン２１及び２２に設けたバルブによって、被処理水Ｌを第１の陽イオン交換装置１１−１及び第１の陰イオン交換装置１２−１のみに流すことができ、あるいは第２の陽イオン交換装置１１−２及び第２の陰イオン交換装置１２−２のみに流すことができる。同様に、被処理水Ｌを第１の陽イオン交換装置１１−１及び第２の陰イオン交換装置１２−２のみに流すことができ、あるいは第２の陽イオン交換装置１１−２及び第１の陰イオン交換装置１２−１のみに流すことができる。

これらの場合においては、被処理水Ｌを通水していない陽イオン交換装置及び陰イオン交換装置は適宜洗浄あるいはイオン交換体の交換等を行うことができ、イオン成分除去装置２０の全体において、被処理水Ｌの処理能力を恒常的に一定に保持することができる。

例えば、被処理水Ｌを第１の陽イオン交換装置１１−１及び第１の陰イオン交換装置１２−１のみに流した後、接続ライン２１及び２２に設けたバルブの開閉を切り替えることにより、被処理水Ｌを第２の陽イオン交換装置１１−２及び第２の陰イオン交換装置１２−２のみに流し、この間に、第１の陽イオン交換装置１１−１及び第１の陰イオン交換装置１２−１の洗浄や、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａの交換を行うことにより、イオン成分除去装置２０の被処理水Ｌの処理能力を恒常的に一定に保持することができる。

なお、本実施形態では、被処理水Ｌを最初に陽イオン交換装置１１−１及び１１−２内に導入し、その後陰イオン交換装置１２−１及び１２−２内に導入するようにしているが、導入の順番を逆転することもできる。また、陽イオン交換装置及び陰イオン交換装置の数をそれぞれ２個としているが、必要に応じて３個以上とすることもできる。さらに、被処理水Ｌとして、水中に存在するイオン成分の除去について説明しているが、所定の有機溶媒中に存在するイオン成分の除去をも上記操作方法に基づいて行うことができる。

（第３の実施形態）
図３は、本実施形態のイオン成分除去装置の概略構成図である。なお、図１に示す構成要素と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

図３に示すように、本実施形態のイオン成分除去装置３０は、第１の実施形態に係る図１に示すイオン成分除去装置１０に対して、陽イオン交換装置１１に対して酸供給ライン３３を介して酸供給装置３１が接続され、また供給した酸を排出するための酸排出ライン３５が設けられ、陰イオン交換装置１１に対してアルカリ供給ライン３４を介してアルカリ供給装置３２が接続され、また供給したアルカリを排出するためのアルカリ排出ライン３６が設けられている。

なお、本実施形態のイオン成分除去装置３０のその他の特徴及び構成については、第１の実施形態に係る図１に示すイオン成分除去装置１０と同じであるので、説明を省略する。

次に、図３に示すイオン成分除去装置３０を用いたイオン成分除去方法について説明する。なお、図１に示すイオン成分除去装置１０を用いたイオン成分除去方法と同一あるいは類似の工程については、説明を簡略化する。

最初に、例えば原子力発電プラントあるいは火力発電プラントの炉水などの被処理水Ｌを、被処理水供給ライン１７を介して陽イオン交換装置１１内に導入し、所定時間滞留させる。被処理水Ｌが陽イオン交換装置１１内に滞留している間、被処理水Ｌは陽イオン交換体１１Ａとイオン交換反応を生ぜしめ、被処理水Ｌ中の陽イオンが陽イオン交換体１１Ａに吸着され、除去される。被処理水Ｌのイオン交換反応時間は、被処理水Ｌの滞留時間と実質的に同一であるので、被処理水Ｌは、イオン交換反応が十分に行われて被処理水Ｌ中の陽イオンが十分に除去されるまで、陽イオン交換装置１１内に滞留させる。

次いで、被処理水Ｌは、接続ライン１６を介して陰イオン交換装置１２内に導入し、所定時間滞留させる。そして、被処理水Ｌ中の陰イオンを陰イオン交換体１２Ａに吸着させ、除去する。なお、被処理水Ｌのイオン交換反応時間は、被処理水Ｌの滞留時間と実質的に同一であるので、被処理水Ｌは、イオン交換反応が十分に行われて被処理水Ｌ中の陰イオンが十分に除去されるまで、陰イオン交換装置１２内に滞留させる。

陰イオン交換装置１２内で陰イオンが除去された被処理水Ｌは、処理済液排出ライン１８からイオン成分除去装置１０の外部に排出され、所定の処理に供される。

次いで、被処理水Ｌの処理が完了した後、陽イオン交換装置１１に対して、酸供給装置３１から酸供給ライン３３を介して塩酸、硝酸、硫酸等の酸を供給し、陽イオン交換装置１１内の陽イオン交換体１１Ａに付着した陽イオンの脱離を行う。陽イオンの脱離は、酸から供給されるプロトン（Ｈ^＋）と、陽イオンとのイオン交換反応を通じて行われる。陽イオン脱離後の酸は、酸排出ライン３５を介して外部に放出され、適宜処理される。

一方、陰イオン供給装置１２に対して、アルカリ供給装置３２からアルカリ供給ライン３４を介して水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリを供給し、陰イオン交換装置１２内の陰イオン交換体１２Ａに付着した陰イオンの脱離を行う。陰イオンの脱離は、アルカリから供給される水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と、陰イオンとのイオン交換反応を通じて行われる。陰イオン脱離後のアルカリは、アルカリ排出ライン３６を介して外部に放出され、適宜処理される。

本実施形態では、被処理水Ｌの処理後において、陽イオン交換装置１１内の陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換装置１２内の陰イオン交換体１２Ａを、それぞれ酸及びアルカリを用いて洗浄しているので、これらイオン交換体がイオンを比較的多量に吸着し、イオン交換能、すなわちイオン吸着能が低下してきた場合に、その再生を図ることができる。

なお、本実施形態におけるイオン成分除去方法のその他の特徴及び利点については、第１の実施形態の場合と同様である。すなわち、イオン成分除去装置３０が、直列に接続された陽イオン交換装置１１及び陰イオン交換装置１２を有しているので、被処理液Ｌを、これら陽イオン交換装置１１及び陰イオン交換装置１２に対して連続して通水し、それぞれにおいて所定時間滞留させるという簡易な操作によって、被処理液Ｌ中の陽イオン及び陰イオンを吸着除去することができ、被処理液Ｌからのイオン成分の除去を極めて簡易に行うことができる。

また、陽イオン交換装置１１内に充填した一般式（１）又は（２）で表される陽イオン交換体１１Ａ、及び陰イオン交換装置１２内に充填した一般式（３）で表される陰イオン交換体１２Ａは、高温耐性を有しており、さらにはその高いイオン交換能を示す温度が３５０℃以下、好ましくは２００℃〜３５０℃、さらに好ましくは２５０℃〜３５０℃の温度範囲であるので、被処理水Ｌが炉水などのように高温の場合においても、陽イオン交換体１１Ａ及び陰イオン交換体１２Ａの一部が被処理水Ｌ中に溶出し、被処理水Ｌ中に新たな不純物を生じるという不都合を生じることがない。

なお、本実施形態では、図１に示す構成のイオン成分除去装置１０に対して酸供給装置３１及びアルカリ供給装置３２等を設ける構成としたが、図２に示すような構成の、陽イオン交換装置及び陰イオン交換装置を複数有するようなイオン成分除去装置に対しても、各陽イオン交換装置及び各陰イオン交換装置に酸供給装置及びアルカリ供給装置を設けるようにすることもできる。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。

（実施例１）
［イオン成分除去システムの評価］
陽イオン交換体として一般式（１）で表わされるニオブ酸（Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７）を１０ｇ充填した陽イオン吸着槽と、陰イオン交換体としてＭｇ_６Ａｌ_２（ＯＨ）_１８・２Ｈ_２Ｏを１００ｇ充填した陰イオン吸着槽とを図１に示すように直列に繋ぎ、陽イオン吸着槽と陰イオン吸着槽をそれぞれ２８０℃に保持した状態で、陽イオン吸着槽内及び陰イオン吸着槽内に０．１Ｍ硫酸コバルト水溶液を５ｍｌ／分で供給し、処理済液が吸着槽から排出され始めた時点を０としてコバルトイオンＣｏ^２＋及び硫酸イオンＳＯ_４ ^２−の濃度の経時変化を測定した。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、経過時間３０分までは被処理液中にコバルトイオン、硫酸イオンは検出されず、ほぼ全量が除去されることがわかった。また、処理済液にはＮｂ、Ｍｇ、Ａｌは検出されなかった。このように本実施例のイオン成分除去システムを用いると不純物を溶出することなく高温水中の不純物陽イオンと不純物陰イオンを除去できることがわかった。

（実施例２）
［再生の評価］
実施例１で使用した陽イオン交換体１０ｇを充填した陽イオン吸着槽と、陰イオン交換体１００ｇを充填した陰イオン吸着槽に、図３に示すように、それぞれ酸、アルカリの供給ラインを設け、それぞれ８０℃の温度に設定した。酸供給ラインには１Ｍ塩酸を２０ｍｌ／分で供給し、アルカリ供給ラインには１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液を２０ｍｌ／分で供給し、処理済液が吸着槽から排出され始めた時点を０としてコバルトイオンＣｏ^２＋及び硫酸イオンＳＯ_４ ^２−の濃度の経時変化を測定した。測定結果を表２に示す。

表２に示すように、経過時間９０分以降は被処理液中にコバルトイオン、硫酸イオンは検出されず、ほぼ全量が除去されることがわかった。また、処理済液にはＮｂ、Ｍｇ、Ａｌは検出されなかった。このように本実施例のイオン成分除去システムを用いるとイオン交換体の再生が可能なことがわかった。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，２０，３０ イオン成分除去装置
１１ 陽イオン交換装置
１１−１ 第１の陽イオン交換装置
１１−２ 第２の陽イオン交換装置
１１Ａ 陽イオン交換体
１２ 陰イオン交換装置
１２−１ 第１の陰イオン交換装置
１２−２ 第２の陰イオン交換装置
１２Ａ 陰イオン交換体
１３ 陽イオン交換装置用ヒータ
１３−１ 第１の陽イオン交換装置用ヒータ
１３−２ 第２の陽イオン交換装置用ヒータ
１４ 陰イオン交換装置用ヒータ
１４−１ 第１の陰イオン交換装置用ヒータ
１４−２ 第２の陰イオン交換装置用ヒータ
１６ 接続ライン
１７ 被処理液供給ライン
１８ 処理済液排出ライン
２１，２２，２３ 接続ライン
３１ 酸供給装置
３２ アルカリ供給装置
３３ 酸供給ライン
３４ アルカリ供給ライン
３５ 酸排出ライン
３６ アルカリ排出ライン

Claims (14)

1. 一般式
   ［化１］
   Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７・ａＨ_２Ｏ （１）
   （式中、ａは０≦ａを満たす数である）
   または一般式
   ［化２］
   ＨＮｂＯ_３・ｂＨ_２Ｏ （２）
   （式中、ｂは０≦ｂを満たす数である）
   で表される陽イオン交換体を含む陽イオン交換装置と、
   一般式
   ［化３］
   Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}・ｃＨ_２Ｏ （３）
   （式中、Ｌ^２＋は、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋からなる群より選ばれる少なくとも一種の２価金属カチオンであり、Ｍ^３＋は、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋及びＭｎ^３＋から選ばれる少なくとも一種の３価金属カチオンであり、Ｘ及びＹは、０＜Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＝８を満たす数であり、ｃは０≦ｃを満たす数である）
   で表される陰イオン交換体を含む陰イオン交換装置とを具え、
   前記陽イオン交換装置と前記陰イオン交換装置とが、接続ラインを介して直列に接続されてなることを特徴とする、イオン成分除去装置。
2. 一般式
   ［化４］
   Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７・ａＨ_２Ｏ （１）
   （式中、ａは０≦ａを満たす数である）
   または一般式
   ［化５］
   ＨＮｂＯ_３・ｂＨ_２Ｏ （２）
   （式中、ｂは０≦ｂを満たす数である）
   で表される陽イオン交換体を含む複数の陽イオン交換装置と、
   一般式
   ［化６］
   Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}・ｃＨ_２Ｏ （３）
   （式中、Ｌ^２＋は、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋からなる群より選ばれる少なくとも一種の２価金属カチオンであり、Ｍ^３＋は、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋及びＭｎ^３＋から選ばれる少なくとも一種の３価金属カチオンであり、Ｘ及びＹは、０＜Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＝８を満たす数であり、ｃは０≦ｃを満たす数である）
   で表される陰イオン交換体を含む複数の陰イオン交換装置とを具え、
   前記複数の陽イオン交換装置は第１の接続ラインを介して互いに連通するようにして並列に配列されるとともに、前記複数の陰イオン交換装置は第２の接続ラインを介して互いに連通するようにして並列に配列され、
   前記複数の陽イオン交換装置と前記複数の陰イオン交換装置とは、第３の接続ラインを介して直列に接続されてなることを特徴とする、イオン成分除去装置。
3. 前記陽イオン交換装置又は前記複数の陽イオン交換装置には陽イオン交換体加熱手段が設けられ、
   前記陰イオン交換装置又は前記複数の陰イオン交換装置には陰イオン交換体加熱手段が設けられたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のイオン成分除去装置。
4. 前記陽イオン交換装置又は前記複数の陽イオン交換装置には、それらに含まれる前記陽イオン交換体に酸を供給し、前記陽イオン交換体に吸着した陽イオンを脱離させるための酸供給装置が接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のイオン成分除去装置。
5. 前記陰イオン交換装置又は前記複数の陰イオン交換装置には、それらに含まれる前記陰イオン交換体にアルカリを供給し、前記陽イオン交換体に吸着した陰イオンを脱離させるためのアルカリ供給装置が接続されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のイオン成分除去装置。
6. 前記陽イオン交換体又は前記複数の陽イオン交換体および前記陰イオン交換体又は前記複数の陰イオン交換体は、成形体として形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のイオン成分除去装置。
7. 前記成形体は球状を呈することを特徴とする、請求項６に記載のイオン成分除去装置。
8. 前記成形体の直径が０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項７に記載のイオン成分除去装置。
9. 一般式
   ［化７］
   Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７・ａＨ_２Ｏ （１）
   （式中、ａは０≦ａを満たす数である）
   または一般式
   ［化８］
   ＨＮｂＯ_３・ｂＨ_２Ｏ （２）
   （式中、ｂは０≦ｂを満たす数である）
   で表される陽イオン交換体を含む陽イオン交換装置に、温度８０℃以上の被処理水を通水させ、前記被処理水中の陽イオン成分を吸着除去するステップと、
   前記陽イオン交換装置に対して接続ラインを介して直列に接続された
   一般式
   ［化９］
   Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}・ｃＨ_２Ｏ （３）
   （式中、Ｌ^２＋は、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋からなる群より選ばれる少なくとも一種の２価金属カチオンであり、Ｍ^３＋は、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋及びＭｎ^３＋から選ばれる少なくとも一種の３価金属カチオンであり、Ｘ及びＹは、０＜Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＝８を満たす数であり、ｃは０≦ｃを満たす数である）
   で表される陰イオン交換体を含む陰イオン交換装置に、前記被処理水を通水させ、前記被処理水中の陰イオンを吸着除去するステップと、
   を具えることを特徴とする、イオン成分除去方法。
10. 一般式
    ［化１０］
    Ｈ_４Ｎｂ_６Ｏ_１７・ａＨ_２Ｏ （１）
    （式中、ａは０≦ａを満たす数である）
    または一般式
    ［化１１］
    ＨＮｂＯ_３・ｂＨ_２Ｏ （２）
    （式中、ｂは０≦ｂを満たす数である）
    で表される陽イオン交換体を含む第１の接続ラインを介して並列に配置された複数の陽イオン交換装置に、温度８０℃以上の被処理水を通水させ、前記被処理水中の陽イオン成分を吸着除去するステップと、
    前記複数の陽イオン交換体と第３の接続ラインを介して接続された
    一般式
    ［化１２］
    Ｌ^２＋ _ＸＭ^３＋ _Ｙ（ＯＨ⁻）_{２Ｘ＋３Ｙ}・ｃＨ_２Ｏ （３）
    （式中、Ｌ^２＋は、Ｍｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋からなる群より選ばれる少なくとも一種の２価金属カチオンであり、Ｍ^３＋は、Ｆｅ^３＋、Ａｌ^３＋及びＭｎ^３＋から選ばれる少なくとも一種の３価金属カチオンであり、Ｘ及びＹは、０＜Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＝８を満たす数であり、ｃは０≦ｃを満たす数である）
    で表される陰イオン交換体を含む第２の接続ラインを介して互いに複数の陰イオン交換装置とを具え、
    前記複数の陽イオン交換装置は第１の接続ラインを介して互いに連通するようにして並列に配列されるとともに、前記複数の陰イオン交換装置は第２の接続ラインを介して並列に接続された複数の陰イオン交換装置に、前記被処理水を通水させ、前記被処理水中の陰イオン成分を吸着除去するステップと、
    を具えることを特徴とする、イオン成分除去方法。
11. 前記陽イオン交換装置又は前記複数の陽イオン交換装置に前記被処理水を通水する際に、前記陽イオン交換装置又は前記複数の陽イオン交換装置を３５０℃以下の温度に加熱することを特徴とする、請求項９又は１０に記載のイオン成分除去方法。
12. 前記陰イオン交換装置又は前記複数の陰イオン交換装置に前記被処理水を通水する際に、前記陰イオン交換装置又は前記複数の陰イオン交換装置を３５０℃以下の温度に加熱することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一に記載のイオン成分除去方法。
13. 前記陽イオン交換装置又は前記複数の陽イオン交換装置に含まれる前記陽イオン交換体に、酸供給装置から酸を供給し、前記陽イオン交換体に吸着した陽イオンを脱離させるステップを具えることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一に記載のイオン成分除去方法。
14. 前記陰イオン交換装置又は前記複数の陰イオン交換装置に含まれる前記陰イオン交換体に、アルカリ供給装置からアルカリを供給し、前記陰イオン交換体に吸着した陰イオンを脱離させるステップを具えることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか一に記載のイオン成分除去方法。

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