JP2012205996A - イオン交換装置の運転方法及びイオン交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換装置のイオン交換能力を十分に活用し、しかも昼間等の適切な日時に再生・交換作業を行うことができるイオン交換装置の運転方法及びシステムを提供する。
【解決手段】イオン交換体を有するイオン交換装置に被処理水を通水し、予め設定した作業日時に該イオン交換体の再生又は交換を行うイオン交換装置の運転方法及びシステムにおいて、被処理水の水質と前回の再生又は交換の作業日時からの積算通水量とから該イオン交換装置の破過時期を予測し、この予測破過時期と予定作業日時との乖離が所定時間以内となるようにイオン交換装置への通水量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン交換装置の運転方法及びイオン交換システムに係り、特にイオン交換体のメンテナンス時期に応じて通水量を制御するようにした方法及びシステムに関する。

液晶や半導体等の電子産業分野では、電子部品の洗浄に用いる純水・超純水装置が大規模化している。そのような純水・超純水装置には、イオン交換樹脂等のイオン交換体を備えたイオン交換処理装置が複数台設けられており、再生型のイオン交換処理装置の場合は一定の再生頻度でイオン交換体の再生スケジュールが組まれ、非再生型のイオン交換処理装置の場合は一定の交換頻度で交換スケジュールが組まれていることが多い。

ところが、イオン交換処理装置の被処理水の水質に変動があった場合、一定の再生・交換頻度でイオン交換体を再生・交換すると、イオン交換体のイオン交換能が残ったまま再生・交換したり、再生・交換前にイオン交換体が破過してトラブルとなる虞がある。

そのような問題を解決するものとして、特許文献１には、イオン交換樹脂塔の被処理水の導電率と特定イオン濃度から総イオン負荷を算出し、それを基にイオン交換樹脂塔の採水可能量を予測計算して、再生動作の制御を行う制御装置が開示されている。この特許文献１の制御装置によれば、イオン交換装置の予測採水可能量をリアルタイムで推定することが可能であるため、イオン交換樹脂の能力を最大限に利用した運転が可能である。

特開平６−５５０８２号公報

イオン交換装置の再生においては、強酸・強アルカリを使用することから昼間の日時に作業員が再生操作を行っている。また、イオン交換体の交換においては、適切な員数の作業員が対応できる日時に交換操作を行っている。このように、イオン交換装置の再生・交換を作業員が対応できる再生スケジュール・交換スケジュールで実施しているのが実状である。従って、上記特許文献１のようにして破過を予測したとしても、この予測破過時期に合わせて再生・交換が行われるのではなく、作業スケジュールを優先して再生・交換が行われるため、イオン交換体にイオン交換能力がかなり残存しているにも拘わらず交換・再生が行われることが多い。

本発明は、イオン交換装置のイオン交換能力を十分に活用し、しかも昼間等の適切な日時に再生・交換作業を行うことができるイオン交換装置の運転方法及びイオン交換システムを提供することを目的とする。

請求項１のイオン交換装置の運転方法は、イオン交換体を有するイオン交換装置に被処理水を通水し、予め設定した作業日時に該イオン交換体の再生又は交換を行うイオン交換装置の運転方法において、被処理水の水質と、前回の再生又は交換の作業日時からの積算通水量とから該イオン交換装置の破過時期を予測し、この予測破過時期が、予定作業日時以降であり、かつ予測破過時期と予定作業日時との乖離が所定時間以内となるようにイオン交換装置への通水量を制御することを特徴とするものである。

請求項２のイオン交換装置の運転方法は、請求項１において、予測破過時期が予定作業日時以降であり、かつ予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間よりも長いときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を増加させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間以内となる通水量を求め、この通水量にて前記イオン交換装置に通水を行うことを特徴とするものである。

請求項３のイオン交換装置の運転方法は、請求項１において、予測破過時期が予定作業日時よりも前であるときには警報を発生させることを特徴とするものである。

請求項４のイオン交換装置の運転方法は、請求項３において、警報を発生した後、所要時間内に予定作業日時が変更されないときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を減少させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期が予定作業日時以降となる通水量を求め、この通水量にて前記イオン交換装置に通水を行うことを特徴とするものである。

請求項５のイオン交換装置の運転方法は、請求項１ないし４のいずれか1項において、前記イオン交換装置が３台以上並列に設けられており、予測破過時期が最も早いイオン交換装置の通水量を変化させた場合に、全てのイオン交換装置の通水量の合計量が略一定となるように当該破過時期が最も早いイオン交換装置以外のイオン交換装置の通水量を制御することを特徴とするものである。

請求項６のイオン交換システムは、イオン交換体を備えたイオン交換装置と、該イオン交換装置への被処理水の通水量を調整する流量調整手段と、被処理水の水質を計測する水質計測手段と、該イオン交換装置への通水量を計測する通水量計測手段と、該水質計測手段で計測された水質、前回の再生又は交換作業時期及び該通水量計測手段で計測される通水量から該イオン交換体の予想破過時期を演算すると共に、演算結果に基づいて該流量調整手段を制御する制御手段と、該制御手段に次回のイオン交換体の再生又は交換の作業日時を入力する入力手段と、を有するイオン交換システムであって、該制御手段は、予測破過時期が、次回のイオン交換体の再生又は交換の予定作業日時以降であり、かつ予定作業日時と演算された予想破過時期との乖離が所定時間以内となるように流量調整手段の流量を制御するものであることを特徴とするものである。

請求項７のイオン交換システムは、請求項６において、前記制御手段は、予測破過時期が予定作業日時以降であり、かつ予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間よりも長いときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を増加させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間以内となる通水量を求め、この通水量となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とするものである。

請求項８のイオン交換システムは、請求項６において、前記制御手段は、予測破過時期が予定作業日時よりも前であるときには警報を発生させることを特徴とするものである。

請求項９のイオン交換システムは、請求項８において、前記制御手段は、警報を発生した後、所要時間内に予定作業日時の変更が前記入力手段によって入力されないときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を減少させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期が予定作業日時以降となる通水量を求め、この通水量となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とするものである。

請求項１０のイオン交換システムは、請求項６ないし９のいずれか1項において、前記イオン交換装置が３台以上並列に設けられており、前記制御手段により算定された予測破過時期が最も早いイオン交換装置の通水量を変化させた場合に、全てのイオン交換装置の通水量の合計量が略一定となるように当該破過時期が最も早いイオン交換装置以外のイオン交換装置の通水量を制御することを特徴とするものである。

本発明では、被処理水のイオン負荷及び通水量を基にイオン交換装置の予測採水可能量を推定する。そして、この採水可能量と、予め設定した再生スケジュール又は交換スケジュールに応じて通水量を調整し、予測破過時期を再生又は交換予定時期よりも遅くかつなるべくそれに近い時期となるようにする。これによりイオン交換装置のイオン交換能力を最大限に活用しつつ、予定作業日時にイオン交換体の再生・交換を行うことが可能となる。

イオン交換システムのブロック図である。 制御方法を示すフローチャートである。 イオン交換樹脂塔におけるイオン交換モデルを説明する模式図である。

以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。図１の通り被処理水は、流量調整弁１、水質計２を通ってイオン交換装置３に通水され、流量計４を通って処理水として流出する。このイオン交換装置３は、カラムと、該カラムに充填されたイオン交換樹脂、イオン交換膜、又はゼオライト等のイオン交換体とを有する。

水質計２及び流量計４の検出値が制御装置６に入力され、予測採水可能量と、前回のイオン交換体の再生又は交換から現時点までの積算通水量と、採取可能な残りの水量とが演算される。この演算結果は、液晶パネル等よりなる表示部８に表示される。

制御装置６には、キーボード等の入力手段７によって、前回行った再生又は交換作業日時と、次回行う予定の再生又は交換作業日時が入力される。

この制御手段６によるイオン交換装置３への通水制御方法について図２を参照して説明する。

予め前回行った再生又は交換の作業日時と次回予定の再生又は交換作業日時とを入力しておく。まず、水質計２からの被処理水の水質と流量計４からの流量とを読み込む。そして、貫流交換容量（ＢＴＣ）算定式にこれらのデータをあてはめ、予測採水可能量を演算する。また、前回の再生又は交換から現時点までの通水量を積算し、予測採水可能量からこの積算値を減算した残存採水可能量を演算する。これらの予測採水可能量、積算流量及び残存採水可能量を表示部８に表示させる。

また、上記残存採水可能量がゼロとなる破過時期（日時）を演算し、この予想破過日時と次回予定されている作業日時とを対比し、両者の時間差ΔＴが所定範囲（０以上Ｔ_１以下）に入っているか判断する。０≦ΔＴ≦Ｔ_１であるならば、現状の通水量にて通水を継続することとし、規定時間経過後に最初のステップに戻る。

ΔＴがＴ_１よりも大きい場合、即ち予想破過時期が次回の作業日時から過度に乖離している場合には、通水量を若干（＋α）多くした場合の予想破過時期をシミュレーションし、ΔＴを再度演算する。ΔＴが０以上Ｔ_１以下の間の値となるまで、通水量を１回又は２回以上＋αずつ増加するシミュレーションを行う。０≦ΔＴ≦Ｔ_１となったならば、そのシミュレーション時の通水量となるように流量調整弁１の開度を増大させる。規定時間経過後、最初のステップに戻る。Ｔ_１は再生型のイオン交換装置の場合には０．１〜２４ｈ特に０．５〜１０ｈの間から選定されることが好ましく、非再生型イオン交換装置の場合には１〜２１６０ｈ特に２４０〜１４４０ｈの間から選定されることが好ましい。

なお、通水量の増加によりＢＴＣが減少するため、ＢＴＣ、残存採水可能量及び予想破過時間の計算を繰り返し行って、残存採水可能量が減少しない範囲かつ通水量上限値以下の範囲で通水量を大きくする。

ΔＴ＜０の場合、即ち現在の通水量で通水し続けた場合に、予想破過時間が予定作業日時よりも早期となってしまうときには、再生又は交換の作業日時を早くするように作業スケジュールの修正を催促する警告（表示または音声、光等の各種アラーム）を発する。所定時間内に予定作業日時（作業スケジュール）が修正されない場合には、予想破過時間が遅れるように通水量を少なくする制御を行う。具体的には、通水量を現時点の通水量よりも若干少なく（−α）した場合の予想破過時期をシミュレーションし、ΔＴを再度演算する。ΔＴが０以上の値となるまで、通水量を１回又は２回以上αずつ減少させるシミュレーションを行う。０≦ΔＴ≦Ｔ_１となったならば、そのシミュレーション時の通水量となるように流量調整弁１の開度を減少させる。

なお、通水量の減少によりＢＴＣが増加するため、ＢＴＣ、予測採水可能量及び予想破過時間の計算を繰り返し行って、通水量下限値以上の範囲で通水量を小さくする。

上記のＢＴＣを算出するための式は、種々提案されている。例えばＬｅｗａｔｉｔ Ｍ５００冊子（バイエルジヤパン株式会社）には下記の式が記載されている。

＜計算式＞
運転交換容量（ｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ−Ｒ）＝Ａ×強酸濃度／全陰イオン濃度＋Ｂ×弱酸濃度／全陰イオン濃度×Ｌ×Ｒ
Ａ：固有の交換容量ＳＯ_４−Ｃｌ−ＮＯ_３系
Ｂ：固有の交換容量ＣＯ_２−ＳｉＯ_２系
Ｌ：未使用交換容量についての補正係数
Ｒ：再生係数

上記説明ではＢＴＣを用いて予測採水可能量を算出し、破過時期を予測しているが、イオン交換樹脂のイオン吸着モデル式を用いた破過予測シミュレーションによって破過時期を算出してもよい。

＜破過予測シミュレーション＞
破過予測シミュレータとしては、式（１）の物質収支式及び式（２）の吸着速度式を連立させることにより、イオン交換樹脂充填層内における対象イオンのイオン交換樹脂内濃度ｑ及び液中濃度Ｃの経時変化を算定するモデルを用いることができる（参考：化学工学便覧（改訂第六版）丸善株式会社Ｐ．７０２〜７０３）。

ε：充填されたイオン交換樹脂の空隙率［−］
Ｃ：液中濃度［ｍｏｌ／Ｌ］
ｔ：時間［ｈ］
ｕ：通水ＬＶ［ｍ／ｈ］
ｚ：充填層入口からの距離［ｍ］
γ：イオン交換樹脂の嵩密度([カラム内のイオン交換樹脂重量]／[カラム充填層容積])［ｋｇ／Ｌ］
ｑ：イオン交換樹脂内濃度［ｍｏｌ／ｋｇ］

Ｋ_Ｆａ_ｖ：総括物質移動容量係数［ｌ／ｈ］
Ｃ：ｑと平衡な液中濃度［ｍｏｌ／Ｌ］

このモデルを図３に示す。図３の通り、イオン交換樹脂塔内に充填されたイオン交換樹脂を充填層最上面から充填層最下面に向かって、Ｆ_１，Ｆ_２，Ｆ_３……………Ｆ_ｎのｎ個の層状のフラクションよりなるものとする。フラクションの数ｎは多ければ多いほど精度が上がるが、ｎは５０〜１００００程度であればよい。

上記式（１）は、任意のフラクションＦ_ｋにおける単位時間当りのイオンの流入量が該フラクションＦ_ｋからのイオンの流出量と該フラクションＦ_ｋに属するイオン交換樹脂へのイオン吸着量との和に等しいという物質収支を表わすものである。

式（２）は、該フラクションＦ_ｋに属するイオン交換樹脂のイオン吸着量ｑの単位時間当りの増加量は、フラクションＦ_ｋに流入する水中のイオン濃度Ｃと、該ｑと平衡な液中イオン濃度Ｃ^＊との差に比例することを表わす。

対象イオン（破過律速イオン）がＨＣＯ_３ ⁻の場合、ｑとＣ^＊との関係は次式にて表される。

最下段のフラクションＦ_ｎの流出水は、イオン交換樹脂塔からの流出水である。従って、（２）式を（１）式に代入し、Ｃをｔで解くことにより、フラクションＦ_ｎのイオン濃度Ｃと通水開始からの経過時間ｔとの関係を表わす式がＫ_Ｆａ_ｖ，ε，γ，Ｑ，Ｋ^ＨＣＯ３ _ＯＨ（上記（３）式の選択係数。以下、同様。），Ｃ_Ｏ，Ｃ^＊，ｚ，ｕを用いて表わされる。このうち、ε，γ，Ｑ，Ｃ_Ｏ，ｚ（充填層高）は既知である。Ｃ^＊又はＫ^ＨＣＯ３ _ＯＨは、平衡吸着試験で求めておくか、又はシミュレーションのフィッティングによって定める。

次に、イオン交換樹脂塔からの流出水のイオン濃度を経時的に測定し、フラクションＦ_ｎからの流出水濃度経時変化が実測値と合致するようにＫ_Ｆａ_ｖ，Ｃ^＊を定める。

このようにして求めた式からイオン交換装置の破過時期が求められる。

なお、破過予測シミュレータとしては、適用するモデルにより予測精度は異なるが、各種のシミュレーションモデルを利用することができる。たとえば、下記の文献i)〜iii)に開示されるシミュレーションモデルを採用することが可能である。
i) 片岡，武藤，西機；ケミカルエンジニアリングVol.40 No.2 Page.144-147 (1995.02)
ii) Journal of Hazardous Materials 152(2008)241-249 “Prediction of ion-exchange column breakthrough curves by constant-pattern wave approach”
iii) Reactive & Functional Polymers 60(2004)121-135

なお、図１ではイオン交換装置３が１塔のみ設置されているが、イオン交換塔が３塔以上並列に設けられている場合、制御装置６により算定された破過時期が最も早いイオン交換塔の通水量を上記の手順のように変化させたときには、全てのイオン交換塔の通水量の合計量が略一定となるように当該最も早いイオン交換塔以外のイオン交換塔の通水量を増減させるとよい。そうすることにより、後段に送水する処理水量を略一定とすることができる。なお、略一定とは、例えば、変動幅が±１０％特に±５％以内又はそれ以内となることを表わす。

［実施例１］
図１のシステムにおいて、イオン交換装置３として下記の構成を有したイオン交換塔を用いた。このイオン交換塔に、塩化ナトリウムを６０ｍｇ−Ｃｌ／Ｌ添加した被処理水（電気伝導率２６０μＳ／ｃｍ）を通水開始した。

通水開始時（１３：００）に下記シミュレーション条件にて前記式（１）〜（３）を用いて算出した予測採水可能量は１５００ｍ^３、予想破過時期は２８ｈ後であった。ＢＴＣは３０ｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ−Ｒであった。

再生日時を通水開始から２０ｈ後（１１：００）に設定し、通水量を制御しながら通水を継続したところ、再生直前における通水量は７２ｍ^３／ｈとなり、採水量は１３８０ｍ^３であった。

＜イオン交換塔の構成及び通水条件＞
内径：１５１［ｃｍ］
イオン交換体：ゲル型強塩基性アニオン交換樹脂
充填層高：１６７［ｃｍ］
通水量：５４［ｍ^３／ｈ］
ＳＶ：１８［ｌ／ｈ］
ＬＶ：３０［ｍ／ｈ］
許容水質（貫流点；ＢＴＰ）：１［ＭΩ・ｃｍ］

＜計算条件＞
破過時間算定手段：破過予測シミュレータ
通水量増減幅（上記のα）：４［ｍ^３／ｈ］
通水量変更間隔（前記の規定時間）：０．５［ｈ］
所定時間Ｔ_１（予想破過日時−予定再生日時）：２［ｈ］

［比較例１］
通水量の調整を行わなかったこと以外は実施例１と同様にしてイオン交換処理を行ったところ、再生までの採水量は１０８０ｍ^３（５４ｍ^３／ｈ×２０ｈ＝１０８０ｍ^３）であった。

１ 流量調整弁
２ 水質計
３ イオン交換装置
４ 流量計
６ 制御装置
７ 入力手段
８ 表示部

Claims (10)

1. イオン交換体を有するイオン交換装置に被処理水を通水し、予め設定した作業日時に該イオン交換体の再生又は交換を行うイオン交換装置の運転方法において、
   被処理水の水質と、前回の再生又は交換の作業日時からの積算通水量とから該イオン交換装置の破過時期を予測し、この予測破過時期が、予定作業日時以降であり、かつ予測破過時期と予定作業日時との乖離が所定時間以内となるようにイオン交換装置への通水量を制御することを特徴とするイオン交換装置の運転方法。
2. 請求項１において、予測破過時期が予定作業日時以降であり、かつ予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間よりも長いときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を増加させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間以内となる通水量を求め、この通水量にて前記イオン交換装置に通水を行うことを特徴とするイオン交換装置の運転方法。
3. 請求項１において、予測破過時期が予定作業日時よりも前であるときには警報を発生させることを特徴とするイオン交換装置の運転方法。
4. 請求項３において、警報を発生した後、所要時間内に予定作業日時が変更されないときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を減少させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期が予定作業日時以降となる通水量を求め、この通水量にて前記イオン交換装置に通水を行うことを特徴とするイオン交換装置の運転方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか1項において、前記イオン交換装置が３台以上並列に設けられており、
   予測破過時期が最も早いイオン交換装置の通水量を変化させた場合に、全てのイオン交換装置の通水量の合計量が略一定となるように当該破過時期が最も早いイオン交換装置以外のイオン交換装置の通水量を制御することを特徴とするイオン交換装置の運転方法。
6. イオン交換体を備えたイオン交換装置と、
   該イオン交換装置への被処理水の通水量を調整する流量調整手段と、
   被処理水の水質を計測する水質計測手段と、
   該イオン交換装置への通水量を計測する通水量計測手段と、
   該水質計測手段で計測された水質、前回の再生又は交換作業時期及び該通水量計測手段で計測される通水量から該イオン交換体の予想破過時期を演算すると共に、演算結果に基づいて該流量調整手段を制御する制御手段と、
   該制御手段に次回のイオン交換体の再生又は交換の作業日時を入力する入力手段と、
   を有するイオン交換システムであって、
   該制御手段は、予測破過時期が、次回のイオン交換体の再生又は交換の予定作業日時以降であり、かつ予定作業日時と演算された予想破過時期との乖離が所定時間以内となるように流量調整手段の流量を制御するものであることを特徴とするイオン交換システム。
7. 請求項６において、前記制御手段は、予測破過時期が予定作業日時以降であり、かつ予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間よりも長いときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を増加させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期と予定作業日時との乖離時間が前記所定時間以内となる通水量を求め、この通水量となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とするイオン交換システム。
8. 請求項６において、前記制御手段は、予測破過時期が予定作業日時よりも前であるときには警報を発生させることを特徴とするイオン交換システム。
9. 請求項８において、前記制御手段は、警報を発生した後、所要時間内に予定作業日時の変更が前記入力手段によって入力されないときには、イオン交換装置への通水量と液中イオン濃度との関係を表わすモデル式を用いたシミュレーションに従って通水量を減少させたときの破過時期を演算し、このシミュレーションによる予測破過時期が予定作業日時以降となる通水量を求め、この通水量となるように前記流量調整手段を制御することを特徴とするイオン交換システム。
10. 請求項６ないし９のいずれか1項において、前記イオン交換装置が３台以上並列に設けられており、
    前記制御手段により算定された予測破過時期が最も早いイオン交換装置の通水量を変化させた場合に、全てのイオン交換装置の通水量の合計量が略一定となるように当該破過時期が最も早いイオン交換装置以外のイオン交換装置の通水量を制御することを特徴とするイオン交換システム。

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