JP2016137447A - イオン状シリカ含有水の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン状シリカ含有水を前段の逆浸透膜装置で処理し、その濃縮水を後段の逆浸透膜装置で再度処理する場合において、前段の逆浸透膜装置からの濃縮水のｐＨ制御によらずに後段の逆浸透膜装置においてシリカの析出を抑制する。
【解決手段】イオン状シリカ含有水は、第１逆浸透膜装置２０での処理によりイオン状シリカが分離された第１透過水と第１濃縮水とに分離される。添加装置４０から平均粒径が３０ｎｍ未満のコロイダルシリカを供給した第１濃縮水を第２逆浸透膜装置３０で再度処理すると、イオン状シリカが分離された第２透過水とコロイダルシリカを含む第２濃縮水とに分離される。第２逆浸透膜装置３０において第２濃縮水のイオン状シリカ濃度が過飽和状態になったとき、過飽和部分のイオン状シリカがコロイダルシリカを核として重合し、第２濃縮水のイオン状シリカ濃度が低下することから、第２逆浸透膜装置３０でのシリカの析出が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン状シリカ含有水の処理方法、特に、イオン状シリカを含む水からイオン状シリカを分離するための処理方法に関する。

イオン状シリカを溶解成分として含む天然水、例えば、湖沼水、河川水または地下水を取水原とする水道水や工業用水を給水用や循環用の用水として用いるボイラやクーリングタワーは、用水と触れる箇所においてイオン状シリカの析出によるシリカスケールが生成し、これが熱交換等の諸機能を低下させる原因となる。そこで、ボイラやクーリングタワーにおいては、逆浸透膜装置を用いて上記取水原からの原水を処理することでイオン状シリカなどの溶解成分をはじめとする夾雑成分が除去された透過水とイオン状シリカなどの夾雑成分を含む濃縮水とに分離し、その透過水を用水として用いることがある。

ところが、逆浸透膜装置を用いて原水を処理すると、濃縮水においてイオン状シリカ濃度が高まることからイオン状シリカがシリカとして析出し、それが逆浸透膜装置の膜面におけるシリカスケールの生成やファウリング発生の原因となって逆浸透膜装置の機能低下をもたらす。そこで、逆浸透膜装置は、通常、回収率、すなわち、原水に対して得られる透過水の割合を抑えることで濃縮水のイオン状シリカ濃度が溶解度未満になるよう制御し、それによってシリカの析出を抑制している。しかし、回収率の抑制は、濃縮水量の増加をもたらし、結果的にその廃棄量を増加させることになって原水の利用効率を損なう。

そこで、逆浸透膜装置による原水の処理では、例えば特許文献１に記載のように、前段の逆浸透膜装置からの濃縮水を後段の逆浸透膜装置を用いて再度処理し、その透過水を原水に循環することで原水の利用効率を高める方法が検討されている。このように逆浸透膜装置を２段階で用いる処理方法は、前段の逆浸透膜装置の回収率を抑えることで当該逆浸透膜装置の機能低下を避けることができる。しかし、後段の逆浸透膜装置は、前段の逆浸透膜装置からの夾雑成分濃度が高まった濃縮水の処理を負担するため、シリカの析出によるシリカスケールの生成やファウリングが発生しやすく、短期間のうちに処理機能が低下する。

そこで、特許文献１に記載の方法は、前段の逆浸透膜装置からの濃縮水について、必要により酸を添加するなどしてｐＨを６以下に制御するとともにスケール分散剤等を添加し、後段の逆浸透膜装置でのシリカの析出を抑制している。

しかし、後段の逆浸透膜装置へ送る濃縮水のｐＨを６以下にすると、当該濃縮水や原水に溶存している炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）や重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）が逆浸透膜を透過しやすい遊離炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）や溶解二酸化炭素（ＣＯ_２．ａｑ）に変換され、これらが後段の逆浸透膜装置からの透過水の水質低下を招く。このような透過水は、原水に循環して再利用されることから、原水の水質を低下させ、前段の逆浸透膜装置の負担を高めることになる。また、ｐＨ調整のための酸の添加やｐＨの監視が必要となることが多いため、煩雑であって不経済になりやすい。

特許第３７５２７６１号公報

本発明は、イオン状シリカを含む水を前段の逆浸透膜装置において処理し、その濃縮水を後段の逆浸透膜装置を用いて再度処理する処理方法において、前段の逆浸透膜装置からの濃縮水のｐＨ制御によらずに後段の逆浸透膜装置においてシリカの析出を抑制できるようにするものである。

本発明は、イオン状シリカを含む水からイオン状シリカを分離するための処理方法に関するものであり、この処理方法は、イオン状シリカ含有水を第１逆浸透膜装置へ送って処理し、第１透過水と第１濃縮水とに分離する工程と、第１濃縮水を第２逆浸透膜装置において処理し、第２透過水と第２濃縮水とに分離する工程とを含み、第２濃縮水に対して平均粒径が３０ｎｍ未満のコロイダルシリカを添加する。第１濃縮水は、例えば、ｐＨが６を上回るものである。

この処理方法において、第１逆浸透膜装置によりイオン状シリカを含む水を処理することで得られる第１透過水は、イオン状シリカが分離されたものであることから所要の用水として用いられる。一方、第１逆浸透膜装置での処理による第１濃縮水は、第２逆浸透膜装置によりさらに処理することで一部が第２透過水となり、この第２透過水は、イオン状シリカが分離されたものであることから所要の用水として利用可能である。第２濃縮水は、上記平均粒径のコロイダルシリカを添加すると、第２逆浸透膜装置においてイオン状シリカがシリカとして析出しやすい過飽和状態になったとき、コロイダルシリカを核として過飽和部分のイオン状シリカが重合する。この結果、第２濃縮水においてイオン状シリカ濃度が低下し、第２逆浸透膜装置においてシリカの析出が抑制される。

この処理方法では、例えば、第１逆浸透膜装置へ送るイオン状シリカ含有水に対して第２透過水を循環して混合する。また、この処理方法では、通常、第１濃縮水の一部を第１逆浸透膜装置へ送るイオン状シリカ含有水に対して循環して混合するとともに、第２濃縮水の一部を第２逆浸透膜装置へ送る第１濃縮水に循環して混合する。

他の観点に係る本発明は、イオン状シリカを含む水からイオン状シリカを分離するための処理装置に関するものであり、イオン状シリカ含有水の送水経路と、送水経路からのイオン状シリカ含有水を処理して第１透過水と第２濃縮水とに分離するための第１逆浸透膜装置と、第１逆浸透膜装置からの第１濃縮水を処理して第２透過水と第２濃縮水とに分離するための第２逆浸透膜装置と、第２濃縮水に対して平均粒径が３０ｎｍ未満のコロイダルシリカを添加するための添加装置とを備えている。

この処理装置において、第１逆浸透膜装置において送水経路からのイオン状シリカを含む水を処理することで得られる第１透過水は、イオン状シリカが分離されたものであることから所要の用水として用いられる。一方、第１逆浸透膜装置での処理による第１濃縮水は、第２逆浸透膜装置においてさらに処理することで一部が第２透過水となり、この第２透過水は、イオン状シリカが分離されたものであることから所要の用水として利用可能である。第２濃縮水は、添加装置から上記平均粒径のコロイダルシリカを添加すると、第２逆浸透膜装置においてイオン状シリカがシリカとして析出しやすい過飽和状態になったとき、添加されたコロイダルシリカを核として過飽和部分のイオン状シリカが重合する。この結果、第２濃縮水においてイオン状シリカ濃度が低下し、第２逆浸透膜装置においてシリカの析出が抑制される。

この処理装置は、例えば、第２透過水を送水経路へ循環するための水路をさらに備えている。また、この処理装置は、通常、送水経路からの水に第１濃縮水の一部を循環して混合するための循環経路と、第１逆浸透膜装置からの第１濃縮水に第２濃縮水を循環して混合するための循環経路とをさらに備えている。

本発明に係る処理方法および処理装置は、前段の第１逆浸透膜装置からの第１濃縮水を処理するための後段の第２逆浸透膜装置において、第１濃縮水のｐＨ制御によらずにシリカの析出を抑制することができる。

本発明に係る処理装置の一形態の概略図。 実験例１で用いた試験装置の概略図。 実験例１の結果を示すグラフ。 実験例３Ａの結果を示すグラフ。 実験例３Ｂの結果を示すグラフ。 実験例３Ｃの結果を示すグラフ。

図１を参照して、本発明の処理装置の一形態を説明する。図において、処理装置１は、湖沼水、河川水または地下水を取水原とする水道水や工業用水などの、溶存成分としてイオン状シリカを含む原水からイオン状シリカを分離し、ボイラへの給水や密閉式クーリングタワーの循環水として用いられる用水を調製するためのものであり、送水経路１０、第１逆浸透膜装置２０、第２逆浸透膜装置３０および添加装置４０を主に備えている。

送水経路１０は、原水の供給源（図示省略）からの原水を第１逆浸透膜装置２０に対して供給するための経路である。

第１逆浸透膜装置２０は、送水経路１０からの原水を処理するためのものであり、第１逆浸透膜モジュール２１１と第１ポンプ２１２とを備えている。第１逆浸透膜モジュール２１１は、単一または複数の逆浸透膜エレメント（図示省略）を備えたものであり、第１処理水路２２０および送水路２３０が連絡している。逆浸透膜エレメントを形成する逆浸透膜は、通常、孔径が０．５ｎｍ程度の微孔を全面に有しており、原水に含まれる分子量が数十程度の微細な夾雑成分の透過を阻止可能である。

第１ポンプ２１２は、送水経路１０からの原水を加圧して第１逆浸透膜モジュール２１１へ送るためのものである。送水経路１０からの原水は、この第１ポンプ２１２により逆浸透膜での浸透圧以上に加圧された状態で第１逆浸透膜モジュール２１１へ供給されることで処理され、一部が逆浸透膜エレメントを透過する。これにより、原水は、逆浸透膜エレメントにおいて、イオン状シリカ等の溶存成分をはじめとする夾雑成分が除去された第１透過水と、夾雑成分濃度が高まった第１濃縮水とに分離される。

第１処理水路２２０は、ボイラやクーリングタワーなどへの用水の供給部に対し、第１逆浸透膜モジュール２１１からの第１透過水を送るための経路である。送水路２３０は、第１逆浸透膜モジュール２１１において生成した第１濃縮水を第２逆浸透膜装置３０へ送るための経路であり、第１逆浸透膜モジュール２１１側から第１循環経路２３１および第１制御弁２３２をこの順に備えている。

第１循環経路２３１は、第１逆浸透膜モジュール２１１からの第１濃縮水の一部を送水経路１０へ循環させるためのものであり、送水路２３０から分岐するとともに第１調整弁２３３を有しており、第１ポンプ２１２の上流側において送水経路１０に連絡している。第１調整弁２３３は、第１濃縮水の循環流量や第１逆浸透膜モジュール２１１内の圧力を調整するためのものである。

第１制御弁２３２は、第１逆浸透膜モジュール２１１から送水路２３０を通じて第２逆浸透膜装置３０へ送られる第１濃縮水の流量を制御するためのものである。

第２逆浸透膜装置３０は、送水路２３０からの第１濃縮水を処理するためのものであり、第２逆浸透膜モジュール３１１と第２ポンプ３１２とを備えている。第２逆浸透膜モジュール３１１は、第１逆浸透膜モジュール２１１と同様のものであり、第２処理水路３２０および排水路３３０が連絡している。

第２ポンプ３１２は、送水路２３０からの第１濃縮水を加圧して第２逆浸透膜モジュール３１１へ送るためのものである。送水路２３０からの第１濃縮水は、この第２ポンプ３１２により逆浸透膜での浸透圧以上に加圧された状態で第２逆浸透膜モジュール３１１へ供給されることで処理され、一部が逆浸透膜エレメントを透過する。これにより、第１濃縮水は、第２逆浸透膜モジュール３１１の逆浸透膜エレメントにおいて、イオン状シリカ等の溶存成分をはじめとする夾雑成分が除去された第２透過水と、夾雑成分濃度がさらに高まった第２濃縮水とに分離される。

第２処理水路３２０は、第２逆浸透膜モジュール３１１からの第２透過水を送水経路１０へ循環するための経路であり、第１循環経路２３１の上流側において送水経路１０に連絡している。排水路３３０は、第２逆浸透膜モジュール３１１において生成した第２濃縮水を当該モジュールから排出するための経路であり、第２逆浸透膜モジュール３１１側から第２循環経路３３１および第２制御弁３３２をこの順に備えている。

第２循環経路３３１は、第２逆浸透膜モジュール３１１からの第２濃縮水の一部を送水路２３０へ循環させるためのものであり、排水路３３０から分岐するとともに第２調整弁３３３を有しており、第２ポンプ３１２の上流側において送水路２３０に連絡している。第２調整弁３３３は、第２濃縮水の循環流量や第２逆浸透膜モジュール３１１内の圧力を調整するためのものである。

第２制御弁３３２は、第２逆浸透膜モジュール３１１から排水路３３０を通じて廃棄される第２濃縮水の流量を制御するためのものである。

添加装置４０は、送水路２３０から第２逆浸透膜装置３０へ送られる第１濃縮水に対し、シリカの析出抑制剤を供給するためのものであり、送水路２３０に対する第２循環経路３３１の連絡点の下流側であって、第２ポンプ３１２の上流側に設けられている。

ここで用いられる析出抑制剤は、ＢＥＴ法またはＮａＯＨ滴定法により測定した平均粒径が３０ｎｍ未満、好ましくは１５ｎｍ以下、特に好ましくは４〜６ｎｍのコロイダルシリカ、すなわち、ＢＥＴ法またはＮａＯＨ滴定法により測定した平均粒径が３０ｎｍ未満、好ましくは１５ｎｍ以下、特に好ましくは４〜６ｎｍのシリカ（ＳｉＯ２）粒子を水中に分散状態で含む分散液である。なお、平均粒径が１０ｎｍ以下のコロイダルシリカについては、測定精度の点でシアーズ法での測定値を参照するのが好ましい。コロイダルシリカにおいて、シリカの含有量は特に限定されるものではないが、通常はシリカ含有量が５〜５０重量％程度のものが好ましい。

コロイダルシリカとしては、市販のものを使用することができる。例えば、日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−ＸＳ」（シアーズ法により測定した平均粒径４〜６ｎｍ）、同社の商品名「スノーテックスＳＴ−３０」（ＢＥＴ法により測定した平均粒径１０〜１５ｎｍ）、日揮触媒化成株式会社の商品名「カタロイドＳＩ−５５０」（ＮａＯＨ滴定法により測定した平均粒径４〜６ｎｍ）、同社の商品名「カタロイドＳＩ−３０」（ＮａＯＨ滴定法により測定した平均粒径１０〜１４ｎｍ）、扶桑化学工業株式会社の商品名「クォートロンＰＬ−１」（ＢＥＴ法により測定した平均一次粒径１５ｎｍ）などを使用することができる。

次に、上述の処理装置１の動作を説明する。処理装置１において、供給源の原水は、第１ポンプ２１２により吸引されて送水経路１０を流通し、逆浸透膜での浸透圧以上に加圧された状態で第１逆浸透膜モジュール２１１へ供給される。第１逆浸透膜モジュール２１１に供給された原水は、逆浸透膜により処理され、イオン状シリカ等の夾雑成分が分離された第１透過水と、夾雑成分の濃度が高まった第１濃縮水とに分離される。第１透過水は、第１処理水路２２０からボイラやクーリングタワーなどに対する用水の供給部へ送られる。一方、第１濃縮水は、第１逆浸透膜モジュール２１１へ供給される原水に圧されて送水路２３０へ流れる。送水路２３０へ流れた第１濃縮水は、一部が第１循環経路２３１へ流れ、送水経路１０を流れる原水に合流する。また、送水路２３０へ流れた第１濃縮水の一部は、第１制御弁２３２を通じて第２逆浸透膜装置３０へ送られる。

送水路２３０へ流れた第１濃縮水は、第２ポンプ３１２により吸引され、逆浸透膜での浸透圧以上に加圧された状態で第２逆浸透膜モジュール３１１へ供給される。第２逆浸透膜モジュール３１１に供給された第１濃縮水は、逆浸透膜により処理され、イオン状シリカ等の夾雑成分が分離された第２透過水と、夾雑成分の濃度がさらに高まった第２濃縮水とに分離される。第２透過水は、第２処理水路３２０へ流れ、送水経路１０を流れる原水に合流する。このように、第２透過水は第１透過水を生産するための水源として再利用されることから、処理装置１は原水の利用効率を高めることができる。

一方、第２濃縮水は、第２逆浸透膜モジュール３１１へ供給される第１濃縮水に圧されて排水路３３０へ流れる。排水路３３０へ流れた第２濃縮水は、一部が第２循環経路３３１へ流れ、送水路２３０を流れる第１濃縮水に合流する。また、排水路３３０へ流れた第２濃縮水の一部は、第２循環経路３３１へ循環せずに第２制御弁３３２を通じて廃棄される。

このような処理装置１の運転中、第１逆浸透膜装置２０は、第１制御弁２３２により第２逆浸透膜装置３０へ送られる第１濃縮水の流量を制御するとともに第１循環経路２３１から送水経路１０に循環する第１濃縮水の流量を第１調整弁２３３により調整することで第１透過水の流量（Ｆ_２）を調整し、それによって回収率を調節することができる。回収率とは、送水経路１０から第１逆浸透膜モジュール２１１へ供給される原水の流量（Ｆ_１）に対する第１透過水の流量（Ｆ_２）の割合（％）（すなわち、Ｆ_２／Ｆ_１×１００）をいう。

第１逆浸透膜装置２０において回収率を高めると、それに従って第１透過水量が増加し、原水の利用効率を高めることができるが、同時に第１濃縮水において夾雑成分濃度の上昇が不可避であることから、第１濃縮水において原水に由来のイオン状シリカ濃度が過飽和状態になり得る。この場合、第１濃縮水においてシリカが析出し、それが第１逆浸透膜モジュール２１１の膜面でのスケール生成やファウリングの原因となることから、第１逆浸透膜モジュール２１１では経時的に透過水量が減少する。また、回収率を高め過ぎると、濃縮倍率が高まることから、第１透過水の水質が悪化する。したがって、第１逆浸透膜装置２０は、イオン状シリカ濃度が過飽和状態になるような高回収率を維持しながら長期間に亘って連続運転するのが困難である。

そこで、第１逆浸透膜装置２０の運転では、第１濃縮水のイオン状シリカ濃度が過飽和状態にならないよう、回収率を抑制的に制御する。これにより、第１逆浸透膜モジュール２１１は、第１濃縮水においてシリカの析出が抑制され、膜面でのスケールやファウリングが生じにくくなり、良好な水質の第１透過水を長期間に亘って安定に生産することができる。

一方、第２逆浸透膜装置３０は、第２制御弁３３２により第２濃縮水の廃棄量を制御するとともに第２循環経路３３１から送水路２３０に循環する第２濃縮水の流量を第２調整弁３３３により調整することで第２処理水路３２０から送水経路１０へ流れる第２透過水の流量（Ｆ_４）を調整し、それによって回収率を調節することができる。ここでの回収率とは、送水路２３０から第２逆浸透膜モジュール３１１へ供給される第１濃縮水の流量（Ｆ_３）に対する第２透過水の流量（Ｆ_４）の割合（％）（すなわち、Ｆ_４／Ｆ_３×１００）をいう。

第２逆浸透膜装置３０において回収率を高めると、それに従って排出路３３０から第２制御弁３３２を通じて廃棄する第２濃縮水の量を抑制することができるとともに、送水経路１０へ循環させる第２透過水量が増加することから、処理装置１全体として原水の利用効率を高めることができるが、同時に第２濃縮水は、夾雑成分濃度の上昇が不可避であることから、原水に由来のイオン状シリカ濃度が過飽和状態になり得る。この場合、第２濃縮水においてシリカが析出し、それが第２逆浸透膜モジュール３１１の膜面でのスケール生成やファウリングの原因となることから、第２逆浸透膜モジュール３１１では経時的に第２透過水量が減少する。したがって、第２逆浸透膜装置３０は、イオン状シリカ濃度が過飽和状態になるような高回収率を維持しながら長期間に亘って連続運転するのが困難であり、第１逆浸透膜装置２０が安定に第１透過水を生産している間であっても第２逆浸透膜モジュール３１１において逆浸透膜エレメントの交換が必要になる。

そこで、送水路２３０から第２逆浸透膜装置３０へ供給される第１濃縮水に対し、添加装置４０から析出抑制剤を供給する。供給された析出抑制剤は、第１濃縮水とともに第２逆浸透膜モジュール３１１へ供給され、結果的に第２濃縮水中に添加されて留まることから、第２濃縮水での濃度が高まる。そして、第２濃縮水において過飽和部分のイオン状シリカは、析出抑制剤に含まれるコロイダルシリカを核として重合が進行する。これにより、第２濃縮水は、イオン状シリカ濃度が低下し、同濃度の過飽和状態が解消されることから、シリカの析出が抑制される。この結果、第２逆浸透膜装置３０は、第２逆浸透膜モジュール３１１でのシリカスケールの生成やファウリングが抑えられ、第２逆浸透膜モジュール３１１からの第２透過水量が低下しにくくなることから、長期間に亘って安定的に連続運転することができる。

なお、コロイダルシリカは、その平均粒径が逆浸透膜の孔径よりも十分に大きく、また、逆浸透膜面上を流れる濃縮水のせん断力を受けやすいことから、それ自体、或いは、それを核としてイオン状シリカの重合が進行した場合においても、ファウリングの原因物質となりにくい。

析出抑制剤は、添加装置４０から第１濃縮水への供給量を多くするのに従って第２濃縮水でのシリカの析出抑制効果を高めることができるが、通常、第２濃縮水おいて、シリカとしての濃度が５０〜５００ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ程度になるように供給量を設定するのが好ましい。第２濃縮水での析出抑制剤のこのような濃度を達成可能であれば、析出抑制剤は、送水路２３０から第２逆浸透膜装置３０へ流れる第１濃縮水に対して適宜供給することができる。すなわち、析出抑制剤は、添加装置４０から第１濃縮水に対して少しずつ連続的に供給されてもよいし、同装置から比較的多量の一定量が断続的に供給されてもよい。また、第２逆浸透膜モジュール３１１において第２濃縮水のシリカ濃度を測定するためのセンサを設け、このセンサでのシリカ濃度の測定結果に基づいて添加装置４０から第１濃縮水に対する析出抑制剤の供給を制御することもできる。

なお、析出抑制剤は、平均粒径が小さなコロイダルシリカを用いた場合、特に、平均粒径が４〜６ｎｍのコロイダルシリカを用いた場合、第１濃縮水に対する供給量を抑えて効果的にシリカの析出を抑制可能である。

処理装置１において、送水路２３０から第２逆浸透膜装置３０へ供給する第１濃縮水および第２逆浸透膜装置３０の第２濃縮水は、ｐＨの制御が不要である。すなわち、処理装置１は、特許文献１に記載の先行技術と異なり、第２逆浸透膜装置３０での第２濃縮水のｐＨが６を上回るとき、典型的には同ｐＨが６〜８程度の中性付近の場合であっても、第２濃縮水でのシリカの析出を効果的に抑制することができる。このため、第２濃縮水に溶存している炭酸イオンや重炭酸イオンは逆浸透膜を透過しやすい遊離炭酸や溶解二酸化炭素に変換されるのが抑えられ、処理装置１は第２透過水の水質を高めることができる。

また、処理装置１は、原水、第１濃縮水、第２濃縮水および第２透過水の温度調整が不要であり、これらの水が常温（５〜３８℃程度）の状態で運転することができる。

さらに、処理装置１において、送水経路１０から第１逆浸透膜装置２０へ供給される原水および送水路２３０から第２逆浸透膜装置３０へ供給される第１濃縮水は、例えば、硬度分によるスケールの抑制、菌類の繁殖抑制またはスライムの生成抑制などの目的のため、スケール抑制剤、殺菌剤またはスライム抑制剤などの薬剤を適宜供給することもできる。添加装置４０から第１濃縮水に供給するシリカの析出抑制剤はこれらの他の薬剤と反応しにくいことから、同析出抑制剤および他の薬剤は、それぞれ安定に独立して機能し得る。なお、シリカの析出抑制剤は、他の薬剤が混合された複合剤であってもよい。

上述の実施の形態の処理装置１では、送水路２３０に添加装置４０を設け、送水路２３０から第２逆浸透膜装置３０へ送られる第１濃縮水に対してシリカの析出抑制剤を供給することで第２濃縮水に対してシリカの析出抑制剤を添加しているが、添加装置４０は処理装置１の他の部位に配置することもできる。例えば、第２循環経路３３１に添加装置４０を配置し、第２循環経路３３１を循環する第２濃縮水に対して析出抑制剤を供給するよう変更することができる。この場合、第２濃縮水に供給された析出抑制剤は、第２濃縮水が送水路２３０から第２逆浸透膜装置３０へ送られる第１濃縮水に合流することで、第２逆浸透膜装置３０の第２濃縮水に添加されることになる。また、送水経路１０に添加装置４０を配置し、第１逆浸透膜装置２０へ送られる原水に対して析出抑制剤を供給するよう変更することもできる。この場合、原水に供給された析出抑制剤は、第１逆浸透膜装置２０において原水が第１透過水と第１濃縮水とに分離されたときに第１濃縮水側に留まり、この第１濃縮水が送水路２３０を通じて第２逆浸透膜装置３０へ送られることから、結果的に第２逆浸透膜装置３０において第２濃縮水に対して添加されることになる。第１逆浸透膜装置２０へ送られる原水に対して析出抑制剤を供給する場合、添加装置４０の設置部位は、第１循環経路２３１または第２処理水路３２０に変更することができる。第１循環経路２３１に添加装置４０を配置したとき、析出抑制剤は、循環する第１濃縮水に対して供給されることになり、この第１濃縮水が送水経路１０を流れる原水に合流することで原水に対して供給される。一方、第２処理水路３２０に添加装置４０を配置したとき、析出抑制剤は、循環する第２透過水に対して供給されることになり、この第２透過水が送水経路１０を流れる原水に合流することで原水に対して供給される。

また、上述の実施の形態の処理装置１では、原水の利用効率を高めるために第２透過水を第２処理水路３２０から送水経路１０へ循環させているが、第２透過水は、送水経路１０へ循環させず、その水質に応じて所要の用水として用いることもできる。

［実験例］
実験例１
図２に示す処理装置の試験装置５００を作成し、この試験装置５００を用いて８種類のモデル原水（モデル原水Ａ〜Ｈの８種類）を個別に処理した。試験装置および各モデル原水の仕様は次の通りである。

＜試験装置＞
試験装置５００は、モデル原水の送水経路５１０および逆浸透膜装置５２０を備えている。逆浸透膜装置５２０は、送水経路５１０からのモデル原水を処理するためのものであり、逆浸透膜モジュール５２１とポンプ５２２とを備えている。逆浸透膜モジュール５２１は、東レ株式会社の逆浸透膜（商品名「ＴＭＧ１０」）を５．０ｃｍ×２．８ｃｍの大きさに切り取り、これをセルホルダに挟み込むことで作成したものであり、処理水路５２３および排水路５２４が連絡している。ポンプ５２２は、送水経路５１０からのモデル原水を加圧して逆浸透膜モジュール５２１へ供給するためのものである。

処理水路５２３は、逆浸透膜モジュール５２１からの透過水を排出するための経路である。排水路５２４は、逆浸透膜モジュール５２１において生成した濃縮水を当該モジュールから排出するための経路であり、逆浸透膜モジュール５２１側から循環経路５２５および排水制御弁５２６をこの順に備えている。循環経路５２５は、逆浸透膜モジュール５２１からの濃縮水の一部を送水経路５１０へ循環させるためのものであり、排水路５２４から分岐するとともに調整弁５２７を有しており、ポンプ５２２の上流側において送水経路５１０に連絡している。排水制御弁５２６は、逆浸透膜モジュール５２１から排水路５２４を通じて廃棄される濃縮水の流量を制御するためのものである。

試験装置５００は、濃縮水の循環系（図２に示した逆浸透膜モジュール５２１の薄墨部分、逆浸透膜モジュール５２１から循環経路５２５の分岐部までの排水路５２４部分、循環経路５２５、および、循環経路５２５の連絡部から逆浸透膜モジュール５２１までの送水経路５１０部分）の保有水量が約２５０ｍＬになるようセルホルダおよび各流路のサイズを設定した。また、ポンプ５２２としてダイアフラムポンプを用いた。

＜モデル原水＞
モデル原水Ａ：
１５Ｌのイオン交換水にイオン状シリカ源としてのメタ珪酸ナトリウム九水和物５，６８４．０ｍｇと緩衝剤としての炭酸水素ナトリウム１，００８．１ｍｇとを添加して溶解し、イオン状シリカ含有水を調製した。このイオン状シリカ含有水におけるイオン状シリカ濃度は８０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになる。得られたイオン状シリカ含有水に１０％塩酸を添加することでｐＨを７．３に調整し、モデル原水Ａとした。
モデル原水Ｂ：
モデル原水Ａの調製時に調製したイオン状シリカ含有水に平均粒径（シアーズ法）が４〜６ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−ＸＳ」）をシリカ換算濃度が２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになるよう添加後、ｐＨ調整剤としての１０％塩酸を添加することでｐＨを６．３に調整したもの。
モデル原水Ｃ：
モデル原水Ａの調製時に調製したイオン状シリカ含有水に平均粒径（シアーズ法）が４〜６ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−ＸＳ」）をシリカ換算濃度が２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになるよう添加後、ｐＨ調整剤としての１０％塩酸を添加することでｐＨを７．３に調整したもの。
モデル原水Ｄ：
モデル原水Ａの調製時に調製したイオン状シリカ含有水に平均粒径（ＢＥＴ法）が１０〜１５ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−３０」）をシリカ換算濃度が２００ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになるよう添加後、ｐＨ調整剤としての１０％塩酸を添加することでｐＨを６．３に調整したもの。
モデル原水Ｅ：
モデル原水Ａの調製時に調製したイオン状シリカ含有水に平均粒径（ＢＥＴ法）が１０〜１５ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−３０」）をシリカ換算濃度が２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになるよう添加後、ｐＨ調整剤としての１０％塩酸を添加することでｐＨを６．３に調整したもの。
モデル原水Ｆ：
モデル原水Ａの調製時に調製したイオン状シリカ含有水に平均粒径（ＢＥＴ法）が１０〜１５ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−３０」）をシリカ換算濃度が２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになるよう添加後、ｐＨ調整剤としての１０％塩酸を添加することでｐＨを７．３に調整したもの。
モデル原水Ｇ：
モデル原水Ａの調製時に調製したイオン状シリカ含有水に平均粒径（ＢＥＴ法）が７０〜１００ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−ＺＬ」）をシリカ換算濃度が２００ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになるよう添加後、ｐＨ調整剤としての１０％塩酸を添加することでｐＨを７．３に調整したもの。
モデル原水Ｈ：
モデル原水Ａの調製時に調製したイオン状シリカ含有水に平均粒径（ＢＥＴ法）が７０〜１００ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−ＺＬ」）をシリカ換算濃度が２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌになるよう添加後、ｐＨ調整剤としての１０％塩酸を添加することでｐＨを７．３に調整したもの。

試験装置５００によるモデル原水の処理では、ポンプ５２２により平均０．７ＭＰａとなるように循環水（供給源からの原水および循環経路５２５を循環する濃縮水が混合された水）を昇圧し、約３００ｍＬ／分の流速で循環水を逆浸透膜モジュール５２１に送った。また、排水制御弁５２６の制御により回収率を８０％（５倍濃縮）に設定した。この場合、モデル原水の供給量は約１．００ｍＬ／分であり、また、透過水の初期流量は約０．８０ｍＬ／分、濃縮水の初期排水流量は約０．２０ｍＬ／分となる。さらに、濃縮水のｐＨは、ｐＨを６．３に調製したモデル原水については７．３に、また、ｐＨを７．３に調製したモデル原水については８．３になる。

試験装置５００を用いたモデル原水の処理を濃縮水の温度が３０℃になる環境で実行し、透過水の経時的な流量変化を調べた結果を図３に示す。なお、５倍濃縮された濃縮水でのイオン状シリカ濃度（４００ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ）は、濃縮水の温度が３０℃の場合のイオン状シリカの溶解度が約１４０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ（ｐＨ７．３）、或いは、約１８０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ（ｐＨ８．３）であることから過飽和状態である。

図３において、縦軸の対初期流量比は、透過水の初期流量（約０．８ｍＬ／分）に対する測定時点での透過水の流量の比である。図３において、各モデル原水の対初期流量比が経時的に低下しているのは、シリカの析出により逆浸透膜モジュール５２１の逆浸透膜にスケールまたはファウリングが生じたことによるものである。平均粒径が４〜１５ｎｍのコロイダルシリカを添加したモデル原水Ｂ〜Ｆは、濃縮水のｐＨが６を超えているにもかかわらず、コロイダルシリカを添加していないモデル原水Ａおよび平均粒径が大きなコロイダルシリカを添加したモデル原水Ｇ、Ｈに比べて対初期流量比の低下が抑えられていることから、シリカの析出が抑えられていることがわかる。特に、モデル原水Ｂ、Ｃの結果によると、平均粒径が４〜６ｎｍのコロイダルシリカは、原水に対する少量の添加で濃縮水でのシリカの析出を効果的に抑制可能である。

実験例２
実験例１において調製したモデル原水Ａ〜Ｈの８種類について、常温（２５℃：同温度でのイオン状シリカの溶解度は約１４０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ（ｐＨ６．３）、或いは、約１３０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ（ｐＨ７．３）である。）下での調製直後および調製から常温下で１週間経過時のイオン状シリカ濃度および全シリカ濃度を測定した。イオン状シリカ濃度は、ＪＩＳ Ｋ ０１０１ （１９９８）「工業用水試験方法」に規定されたモリブデン黄吸光光度法に従って測定した。また、全シリカ濃度は、ＩＣＰ発光分析装置（株式会社日立ハイテクサイエンスの商品名「ＳＰＳ７８００」）を用いて測定した。結果を表１に示す。

表１において、各モデル原水についての全シリカ濃度とイオン状シリカ濃度との差（全シリカ濃度−イオン状シリカ濃度）は、各モデル原水に含まれるコロイダルシリカ濃度に略相当している。表１によると、各モデル原水は、イオン状シリカ濃度および全シリカ濃度のいずれもが、調製直後と１週間後とで実質的に変動していない。モデル原水Ｂ〜Ｈは、イオン状シリカ濃度が飽和濃度に達していないことから、イオン状シリカとコロイダルシリカとが反応していないことがわかる。

実験例３
（実験例３Ａ）
メタ珪酸ナトリウム九水和物５３２．９ｍｇと、緩衝成分としての炭酸水素ナトリウム４２０ｍｇとをイオン交換水２５０ｍＬに添加して完全に溶解し、イオン状シリカ濃度が４５０ｍｇＳｉＯ_２/Ｌの水溶液（イオン状シリカの過飽和水溶液）を調製した。そして、この水溶液６０ｍＬをポリプロピレン製の容器に量り取ってスターラーで攪拌し、最終ｐＨが約８．３となるように１０％塩酸０．３５ｍＬを添加した。１０％塩酸の添加完了後、平均粒径（シアーズ法）が４〜６ｎｍのコロイダルシリカ（日産化学工業株式会社の商品名「スノーテックスＳＴ−ＸＳ」：２０重量％水溶液）の所定量（シリカ量（ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ）換算）を即座に添加し、水溶液のイオン状シリカ濃度を実験例２と同じくモリブデン黄吸光光度法により経時的に測定した。また、コロイダルシリカを添加していない水溶液について、同様にイオン状シリカ濃度を経時的に測定した。測定の間、水溶液の温度は２５℃に維持した。結果を図４に示す。図４において、横軸の反応時間（分）は、調製した水溶液に対して１０％塩酸の添加が完了した時点を０としている。

（実験例３Ｂ）
メタ珪酸ナトリウム九水和物５３２．９ｍｇと、緩衝成分としてのクエン酸三ナトリウム二水和物５００ｍｇとをイオン交換水２５０ｍＬに添加して完全に溶解し、イオン状シリカ濃度が４５０ｍｇＳｉＯ_２/Ｌの水溶液（イオン状シリカの過飽和水溶液）を調製した。そして、この水溶液６０ｍＬをポリプロピレン製の容器に量り取ってスターラーで攪拌し、最終ｐＨが約６．５となるように１０％塩酸０．３５ｍＬを添加した。１０％塩酸の添加完了後、実験例３Ａで用いたものと同じコロイダルシリカを実験例３Ａと同様に添加し、実験例３Ａと同様に水溶液のイオン状シリカ濃度を経時的に測定した。また、コロイダルシリカを添加していない水溶液について、同様にイオン状シリカ濃度を経時的に測定した。測定の間、水溶液の温度は２５℃に維持した。結果を図５に示す。図５において、横軸の反応時間（分）は、調製した水溶液に対して１０％塩酸の添加が完了した時点を０としている。

（実験例３Ｃ）
メタ珪酸ナトリウム九水和物５９２．１ｍｇと、緩衝成分としての炭酸水素ナトリウム８４０．１ｍｇとをイオン交換水５００ｍＬに添加して完全に溶解し、イオン状シリカ濃度が２５０ｍｇＳｉＯ_２/Ｌの水溶液（イオン状シリカの過飽和水溶液）を調製した。そして、この水溶液６０ｍＬをポリプロピレン製の容器に量り取ってスターラーで攪拌し、最終ｐＨが約８．３となるように１０％塩酸０．２０ｍＬを添加した。１０％塩酸の添加完了後、実験例３Ａで用いたものと同じコロイダルシリカを実験例３Ａと同様に添加し、実験例３Ａと同様に水溶液のイオン状シリカ濃度を経時的に測定した。また、コロイダルシリカを添加していない水溶液について、同様にイオン状シリカ濃度を経時的に測定した。測定の間、水溶液の温度は２５℃に維持した。結果を図６に示す。図６において、横軸の反応時間（分）は、調製した水溶液に対して１０％塩酸の添加が完了した時点を０としている。

（実験例３の評価）
図４から図６によると、実験例３Ａから３Ｃは、いずれも、コロイダルシリカを添加することでイオン状シリカ濃度が経時的に低下し、また、同濃度はコロイダルシリカの添加量が多くなるほど経時的な低下量が大きくなることから、水溶液中のイオン状シリカはコロイダルシリカと反応しているものと考えられる。この反応は、水溶液のイオン状シリカ濃度が高い程、また、水溶液のｐＨが高い程、高速で進行していることが分かる。

さらに、実験例３Ａから３Ｃのいずれにおいてもイオン状シリカ濃度の低下はイオン状シリカの溶解度に向かって漸近していることから、水溶液中の過飽和部分のイオン状シリカのみが添加したコロイダルシリカと反応しているものと推察される。なお、コロイダルシリカを添加していない水溶液についてもイオン状シリカ濃度が徐々に低下しているが、これは過飽和部分のイオン状シリカ間の反応（重合）によるものと考えられる。

［試算例］
上述の実施の形態に係る処理装置１を用い、イオン状シリカ濃度が２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌでありかつ電気伝導率（ＥＣ）が２００μＳ／ｃｍの原水を送水経路１０へ供給して処理することで１０ｔ／時で第１透過水を生産する場合を想定し、下記の条件で処理装置１を運転したときに同装置の全体で物質収支が合うよう原水の利用効率（原水の供給量に対する第１透過水の生産量の割合）を試算した。

第１逆浸透膜装置２０の能力
イオン状シリカ除去率：９９．５％
電気伝導率に関わる夾雑成分の除去率：９９．８％
第２逆浸透膜装置３０の能力
イオン状シリカ除去率：９９．５％
電気伝導率に関わる夾雑成分の除去率：９９．８％
第１逆浸透膜装置２０で設定する回収率：８５．０％（６．７倍濃縮）
第２逆浸透膜装置３０で設定する回収率：７２．０％（３．６倍濃縮）

上記条件で試算した、処理装置１の各部での水質および流量は次の通りである。
（原水）
電気伝導率：２００．０μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：２０．０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
送水経路１０への原水の供給量：１０．５ｔ／時
（第１透過水）
電気伝導率：２．４μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：０．５９ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
生産量：１０ｔ／時
（第１濃縮水）
電気伝導率：１，１８２．０μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：１１７．１ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
第２逆浸透膜装置３０への流量：１．８ｔ／時
（第２透過水）
電気伝導率：８．４μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：２．０６ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
送水経路１０への循環流量：１．２７ｔ／時
（第２濃縮水）
電気伝導率：４，１９９．８μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：４１２．９ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
廃棄量：０．４９ｔ／時
（送水経路１０を流れる原水に対して第２処理水路３２０からの第２透過水が混合された水）
電気伝導率：１７９．３μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：１８．１ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
流量：１１．８ｔ／時

試算結果によると、送水経路１０に対して１０．５ｔ／時で原水を供給することになり、第２濃縮水の廃棄量が０．４９ｔ／時になることから、処理装置１における原水の利用効率は９５．３％である。

なお、上記条件による処理装置１の運転では、第１濃縮水のイオン状シリカ濃度がイオン状シリカの飽和濃度（１２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ（ｐＨ７．０）：２０℃）以下になることから、第１逆浸透膜装置２０は第１濃縮水に対してシリカスケールの分散剤やｐＨ調整剤を添加せずに運転可能である。一方、第２濃縮水のイオン状シリカ濃度は上記飽和濃度を大きく超える大過飽和状態（４１２．９ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ）になることから、第２逆浸透膜装置３０を長期間に亘って安定に運転するためには、第２循環経路３３１からの第２濃縮水が混合された第１濃縮水に対し、添加装置４０からシリカの析出抑制剤を添加する必要がある。

［参考試算例］
実験例１で用いた試験装置５００（図２）を用い、試算例と同じくイオン状シリカ濃度が２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌでありかつ電気伝導率（ＥＣ）が２００μＳ／ｃｍの原水を送水経路１０へ供給して処理することで１０ｔ／時で透過水を生産する場合を想定し、下記の条件で試験装置５００を運転したときに同装置の全体で物質収支が合うよう原水の利用効率（原水の供給量に対する透過水の生産量の割合）を試算した。

逆浸透膜装置５２０の能力
イオン状シリカ除去率：９９．５％
電気伝導率に関わる夾雑成分の除去率：９９．８％
逆浸透膜装置５２０で設定する回収率：８４．０％（６．３倍濃縮）

上記条件で試算した、試験装置５００の各部での水質および流量は次の通りである。なお、逆浸透膜装置５２０で設定する上記回収率によると、濃縮水のイオン状シリカ濃度がイオン状シリカの飽和濃度（１２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ（ｐＨ７．０）：２０℃）を若干上回るようになる。
（原水）
電気伝導率：２００．０μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：２０．０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
送水経路１０への供給量：１１．９ｔ／時
（透過水）
電気伝導率：２．５μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：０．６１ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
生産量：１０ｔ／時
（濃縮水）
電気伝導率：１，２３７．０μＳ／ｃｍ
イオン状シリカ濃度：１２１．８ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ
廃棄量：１．９ｔ／時

試算結果によると、送水経路５１０に対して１１．９ｔ／時で原水を供給することになり、濃縮水の廃棄量が１．９ｔ／時になることから、試験装置５００における原水の利用効率は８４．０％であり、１６．０％の原水を濃縮水として廃棄する必要がある。

１ 処理装置
１０ 送水経路
２０ 第１逆浸透膜装置
３０ 第２逆浸透膜装置
４０ 添加装置
３２０ 第２処理水路

Claims (5)

1. イオン状シリカを含む水から前記イオン状シリカを分離するための処理方法であって、
   前記水を第１逆浸透膜装置へ送って処理し、第１透過水と第１濃縮水とに分離する工程と、
   前記第１濃縮水を第２逆浸透膜装置において処理し、第２透過水と第２濃縮水とに分離する工程とを含み、
   前記第２濃縮水に対して平均粒径が３０ｎｍ未満のコロイダルシリカを添加する、
   イオン状シリカ含有水の処理方法。
2. 前記第１濃縮水のｐＨが６を上回る、請求項１に記載のイオン状シリカ含有水の処理方法。
3. 前記第１逆浸透膜装置へ送る前記水に対して前記第２透過水を循環して混合する、請求項１または２に記載のイオン状シリカ含有水の処理方法。
4. イオン状シリカを含む水から前記イオン状シリカを分離するための処理装置であって、
   前記水の送水経路と、
   前記送水経路からの前記水を処理して第１透過水と第１濃縮水とに分離するための第１逆浸透膜装置と、
   前記第１逆浸透膜装置からの前記第１濃縮水を処理して第２透過水と第２濃縮水とに分離するための第２逆浸透膜装置と、
   前記第２濃縮水に対して平均粒径が３０ｎｍ未満のコロイダルシリカを添加するための添加装置と、
   を備えたイオン状シリカ含有水の処理装置。
5. 前記第２透過水を前記送水経路へ循環するための水路をさらに備えている、請求項４に記載のイオン状シリカ含有水の処理装置。

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