JP2014213244A

JP2014213244A - 紫外線水処理装置

Info

Publication number: JP2014213244A
Application number: JP2013091219A
Authority: JP
Inventors: 英典渡邊; Hidenori Watanabe; 菱沼　宣是; Nobuyoshi Hishinuma; 宣是菱沼
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】外管と、内管と、前記内管に配置された紫外線光源とを備え、前記外管と前記内管の間隙が純水の流路となっており、前記流路を流れる純水に紫外線を照射し純水中のＴＯＣを分解除去する小型の紫外線水処理装置において、装置の小型化の要請に応えて処理装置内の流路を狭く設計しても、ＴＯＣ分解率が著しく低下することがなく、高効率のＴＯＣ分解率を維持することが可能な紫外線水処理装置を提供することにある。
【解決手段】前記紫外線光源は、ピーク波長が１７２ｎｍの紫外線を照射するエキシマランプであり、前記流路の断面積が７０ｍｍ^２〜２８００ｍｍ^２の範囲で形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、純水の紫外線水処理装置、特に、ピーク波長が１７２ｎｍの紫外線を照射するエキシマランプを用いた小型の紫外線水処理装置に係わるものである。

超純水の製造プロセスでは、通常、イオン交換処理や逆浸透膜による処理等の一次工程により純水を生成し、更に二次工程として当該純水に紫外線処理を行い水中の有機物質を分解除去する方法が採られている。この紫外線処理にはいくつかの手法がある。
例えば、特開２０１１−２５５３２６号公報（特許文献１）や特開平０１−１６４４８８号公報（特許文献２）に開示される、主光源として１８５ｎｍの低圧水銀ランプを用いて純水に紫外線を照射する手法や、特開２００４−３３７６６５号公報（特許文献３）に開示される、酸化剤となる薬剤を純水中に混合し、当該純水に紫外線を照射する手法等の技術が開発されており、純水中に含まれる極微量のＴＯＣを分解することが可能である。

特許文献１に記載の水処理方法は、ＴＯＣ濃度が３０〜１０００ｐｐｂ相当の純水（Ｈ_２Ｏ）に紫外線を照射してＯＨラジカルを生成し、このＯＨラジカルによって有機物質の酸化を促進させ、純水中のＴＯＣ分解処理を行うものである。
図６にその概要図を示す。この水処理装置は、同心状の外管１１と内管１２とを有し、前記内管１２内には紫外線光源１３が配置されている。そして、この外管１１と内管１２の環状の間隙が純水の流路１４を構成しており、該純水流路１４を流れる純水に紫外線光源１３から紫外線を照射して、純水中のＴＯＣを分解除去する構成となっている。この紫外線光源１３にはピーク波長１８５ｎｍの水銀ランプが用いられている。

ＴＯＣ分解は、純水に吸収される紫外線量が大きいほどＴＯＣの分解処理が促進される。しかしながら、紫外線の吸収率が高すぎると、純水の表層で紫外線が殆ど吸収されてしまい内部にまで浸透できず、十分な水量の純水を処理できない。
図７に、波長と水の吸収係数の相関関係を示す。図７によれば、波長２００ｎｍ以上の紫外線は水の吸収係数が小さいため、ＴＯＣ分解効率も低いと推察できる。また一方で、波長１７２ｎｍ以下の紫外線は水の吸収係数が高く、ＴＯＣ分解効率は高いが、水の透過率が低くて深部にまで到達できず、十分な水量を処理することできない。
このような観点から、従来からこの種の水処理装置に用いられる紫外線光源には、主に、水に対する吸収率と透過率のバランスを考慮して、ピーク波長１８５ｎｍの低圧水銀ランプ（Ｈｇ蒸気圧０．００１〜０．２ｍｍＨｇ）が用いられていた（特許文献１、特許文献２）。

ところで、近年、特に研究用途において、単位時間あたりの処理水量が数Ｌ／ｍｉｎ以下の小型の紫外線水処理装置が要請されている。当該装置は小型化の要請があることから、装置内を流れる純水の流路を狭く設計する必要がある。しかしながら、従来の水処理装置は、装置内の流路を狭く設計するとＴＯＣ分解率が低下してしまうという問題があった。それは、流路を狭く設計すると該流路内を流れる純水の流速が速くなり、紫外線が照射される処理時間が短くなるためである。
ＴＯＣ分解率と流路断面積の関係を図８に示す。従来の紫外線水処理装置では、流路を狭めるにつれて純水の流速が速くなり、ＴＯＣ分解率が低下する傾向が認められる。このＴＯＣ分解率を低下させないためには、流路面積を所定の大きさ以上に設計するか、単位時間あたりの処理水量を減らす必要があった。
しかしながら、流路面積を大きくすることは、装置の小型化の要請に反することであり、また、処理水量を減らすことは処理効率の低下につながり好ましくはない。

特開２０１１−２５５３２６号公報特開平０１−１６４４８８号公報特開２００４−３３７６６５号公報

上記従来技術の問題点に鑑みて、本発明が解決しようとする課題は、紫外線光源を用いて純水のＴＯＣを分解除去する小型の紫外線水処理装置において、小型化の要請に応えて処理装置内の流路を狭く設計しても、ＴＯＣ分解率が著しく低下することがなく、高効率のＴＯＣ分解率を維持することが可能な紫外線水処理装置を提供することである。

外管と、内管と、前記内管に配置された紫外線光源とを備え、前記外管と前記内管の間隙が純水の流路となっており、前記流路を流れる純水に紫外線を照射し純水中のＴＯＣを分解除去する小型の紫外線水処理装置において、前記紫外線光源は、ピーク波長が１７２ｎｍの紫外線を照射するエキシマランプであり、前記流路の断面積が７０ｍｍ^２〜２８００ｍｍ^２の範囲で形成されていることを特徴とする。
また、前記内管内が不活性ガスでパージされており、前記流路の断面積が７０ｍｍ^２〜１５００ｍｍ^２の範囲に形成されることを特徴とする。

この発明にかかる紫外線水処理装置によれば、紫外線光源にピーク波長１７２ｎｍのエキシマランプを使用することで、流路を狭く設計してもＴＯＣ分解率を低下させることがない。そのため、装置の小型化に適しており、特に、流路断面積が７０ｍｍ^２〜２８００ｍｍ^２の範囲において、優れたＴＯＣ分解除去特性が得られる。
また更に、内管内を不活性ガスによってパージして、紫外線光源の周囲に酸素が介在することによる紫外線の吸収をなくして、流路内の純水に効率的に紫外線を照射でき、特に、流路断面積が７０ｍｍ^２〜１５００ｍｍ^２の範囲において、より優れたＴＯＣ分解除去特性を得ることができる。

本発明の紫外線水処理装置の側断面図（Ａ）と横断面図（Ｂ）。本発明の効果を表すグラフ。内管内に空気が存在する場合の光源の波長シフト図。本発明の作用効果の説明概念図（１）。本発明の作用効果の説明概念図（２）。従来の紫外線水処理装置。波長と水の吸収係数の相関グラフ。従来技術の課題を示す流路断面積とＴＯＣ分解率の相関グラフ。

図１（Ａ）（Ｂ）に本発明の小型の紫外線水処理装置が示されていて、該紫外線水処理装置は、同心状に配置された外管１と内管２とを有しており、該内管２内には、紫外線光源３が配置されている。この紫外線光源３としては、ピーク波長が１７２ｎｍの紫外線を照射するエキシマランプが用いられ、より具体的には、合成石英ガラス等の真空紫外域の光の透過性に優れた部材からなる発光管内に、キセノンガスを封入したエキシマランプが用いられる。
なお、その電極構造としては、両電極ともに発光管の外部に設けられる外部電極構造、一方の電極が発光管の外部に、他方の電極が発光管の内部に設けられる内外電極構造のいずれであってもよく、また、封止構造としてもシングエンド型、ダブルエンド型のいずれのものであってもよい。
外管１は、耐水性や耐食性に優れた部材が用いられ、具体的には、ステンレスやアルミニウム等の金属材料からなる管状部材を用いることができる。
また、内管２は、波長２００ｎｍ以下の真空紫外域の光を透過する透光性部材が用いられ、具体的には、合成石英ガラス製の管状部材を用いることができる。

前記外管１と内管２との間には環状の純水流路４が形成されている。そして、前記外管１にはその両端に流入管５と流出管６が設けられていて、被処理物である純水は、流入管５から導入されて、環状の純水流路４を流れ、内管２内の紫外線光源であるエキシマランプ３からの真空紫外線が照射されてＴＯＣ分解がなされて、流出管６から流出する。

上記構成の紫外線水処理装置においては、内管２内の紫外線光源であるエキシマランプ３からはピーク波長が１７２ｎｍの真空紫外線が照射されるので、内管２内のランプ周囲の雰囲気が空気である場合、真空紫外線が酸素によって吸収されるので、内管２から環状の流路４内の被処理物である純水に照射される紫外線は幾分減少する。
これを避けるためには、内管２内を窒素等の不活性ガスによってパージすることもできる。
当然のこととして、不活性ガスでパージする構成とする場合、相応の設備とコストが掛かることとなるので、内管２内を空気雰囲気とするか不活性ガスパージとするかのいずれを選択するかは、求められる処理に対する要求やコストとの関係で決定される。

本発明による効果を実証すべく、従来技術との比較をする実験を行った。
＜実施条件＞
外管：ステンレス製、長さ１５０ｍｍ
内管：石英ガラス製、外径２２ｍｍ、内径２０ｍｍ（厚さ１ｍｍ）、
長さ１５０ｍｍ
流量：１．６Ｌ／ｍｉｎ
上記条件において、外管の外径（内径）を変えることによって、純水の流路の断面積を変化させて（即ち、流速を変化させて）、純水中のＴＯＣ残存率を測定する実験を行った。

＜本発明＞
光源：キセノンエキシマランプ（波長１７２ｎｍ）、ガス圧３５０Ｔｏｒｒ、
外径１６ｍｍ、有効発光長１００ｍｍ、点灯電力１６Ｗ
実施例１：内管内は空気雰囲気
実施例２：内管内を窒素ガスでパージ
＜比較例＞
光源：水銀ランプ（波長１８５ｎｍ）、外径１６ｍｍ

その実験結果が図２のグラフに表されている。グラフ中、○は本発明の実施例１、◇は実施例２、■は比較例である。尚、以下に記載する流路断面積は、内管および外管の管軸に直交する断面での面積を示す。
比較例では、流路断面積が４０００ｍｍ^２以下に小さくなるにつれてＴＯＣ分解率が上昇していく。この４０００ｍｍ^２での流速は０．８３ｃｍ／ｓｅｃであった。つまり、流路断面積を小さくすると流速が速くなり、ＴＯＣ残存率があがり、分解処理が困難になってきている。
これに対して、本発明の実施例１および実施例２ともに、その挙動が異なり、流路断面積を小さくして流速が速くなっても、ＴＯＣ残存率が大きくならず、ＴＯＣ分解率が低下しないことが分かる。

このように、本発明による紫外線水処理装置によれば、純水の流路断面積を小さくして流速を速めても、ＴＯＣ分解率が低下しない理由は以下のように考察される。
まずもって、そもそも１７２ｎｍの光は、従来例での１８５ｎｍの光に比べて光エネルギーが大きく、ＴＯＣ分解への寄与度は格段に大きい。
また、キセノン封入のエキシマランプにおいて放射される真空紫外線は、その波長がピーク波長１７２ｎｍを中心とする紫外線であるが、図３のピークＷ１が示すように、数ｎｍ程度の半値幅を有している。また、エキシマランプから放射される真空紫外線は、内管２内に存在する空気によって吸収される場合、長波長領域よりも短波長領域の吸収が大きいため、ピークＷ１からピークＷ２、ピークＷ３に向けて波形が変化する。
波長１７２ｎｍの光は水による吸収が大きく、１ｍｍ以下の深さで吸収されてしまうが、これよりも長波長側の光はそれよりも深い領域にまで到達し、ＴＯＣ分解に寄与する。
図３で分かるように、１７２ｎｍの真空紫外線が水によって吸収されるといっても、この水による吸収は１７２ｎｍ以下の波長領域で大きく、これより長波長側での吸収はそれよりもずっと小さい。
このため、１７２ｎｍ以上の長波長領域の光によってＴＯＣ分解機能が担保されている。

また、図４に示すように、内管２内の光源による環状流路４内を流れる純水に対するＴＯＣ分解処理は、紫外線の透過程度によって内管２の近い環状領域で大きく、距離の遠い外管１側ではＴＯＣ分解率が低下する。
一方で、光エネルギーの大小によってもそのＴＯＣ分解率が変わる。
その模式的態様が図５に示されていて、図５（Ａ）は１８５ｎｍによる処理の程度を表し、図５（Ｂ）は１７２ｎｍによる処理の程度を示している。図中、色濃く表現されているものほど処理の程度が進んでいることを示している。
図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、内管側領域での処理においても、その程度の差が生じ、１８５ｎｍよりも光エネルギーの大きな１７２ｎｍによるＴＯＣ分解能は高分解能である。それ故、純水の全体量からみれば、１７２ｎｍの方がその処理の程度がより大きくなる。

このように、１７２ｎｍの方が１８５ｎｍよりも吸収が大きく、深さ方向で浅い領域にまでしか到達しないとはいっても、図３に示すように、１７２ｎｍよりも長波長側では、水による吸収が少なく深い領域にまで到達しており、また、図５に示すように、１７２ｎｍでの処理の程度がより大きいために、図２に示すように、同じ流路断面積の場合には、１７２ｎｍによる処理の方が、１８５ｎｍによる処理よりも高分解率（低残存率）となるものである。
以上からも分かるように、実施例１の場合には、純水の流路断面積が２８００ｍｍ^２以下の範囲において、従来の１８５ｎｍの場合に比べて優位性があることが分かる。
尚、流路断面積が７０ｍｍ^２を下回るように設計することは、装置構成上、流路の幅（外管１と内管２との間隙）が小さすぎて設計困難となる。

また、内管２内を窒素パージした実施例２においては、図２に示すように、特に、小流路断面積おいて分解率が更に高くなる。
内管２内を窒素ガスパージすることで、エキシマランプ３からの真空紫外線が、内管２内で酸素によって吸収されることがなく、内管２から流路４内の純水にそのまま照射されるので、実施例１よりも更に分解率が向上している。
その傾向は、流路断面積が小さな領域において特に顕著であり、窒素ガスパージに要する設備や費用を勘案して、実施例１との比較でより実用的な範囲で採用することがよく、流路断面積が１５００ｍｍ^２以下の場合において特に有用である。
なお、本発明に係る紫外線水処理装置では、純水が小水量の場合おいて特に効果を奏するが、単位時間当たりの水処理量が５Ｌ／ｍｉｎ以下の場合において効果を奏することが確認されている。

以上説明したように、本発明に係る小型の紫外線水処理装置によれば、内管内に配置する紫外線光源として、ピーク波長が１７２ｎｍの紫外線を照射するエキシマランプを使用して、外管と内管の間に形成される純水流路の断面積を７０ｍｍ^２〜２８００ｍｍ^２の範囲で形成したことにより、特に、小流量の被処理水を処理する場合に、従来用いられていた１８５ｎｍの紫外線による水処理装置より、格段に効果的なＴＯＣ分解効果が得られる。
また、内管内を不活性ガスでパージすることで、７０ｍｍ^２〜１５００ｍｍ^２という、流路断面積の更に小さな範囲で特段のＴＯＣ分解効果を達成できるものである。

１外管
２内管
３紫外線光源（エキシマランプ）
４環状の純水流路
５流入管
６流出管

Claims

外管と、内管と、前記内管に配置された紫外線光源とを備え、前記外管と前記内管の間隙が純水の流路となっており、前記流路を流れる純水に紫外線を照射し純水中のＴＯＣを分解除去する小型の紫外線水処理装置において、
前記紫外線光源は、ピーク波長が１７２ｎｍの紫外線を照射するエキシマランプであり、
前記流路の断面積が７０ｍｍ^２〜２８００ｍｍ^２の範囲で形成されていること、
を特徴とするＴＯＣ分解用の小型の紫外線水処理装置。
前記内管内が不活性ガスでパージされており、
前記流路の断面積が７０ｍｍ^２〜１５００ｍｍ^２の範囲に形成されること、
を特徴とする請求項１に記載の小型の紫外線水処理装置。