JP2017140548A - 電気脱イオン装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホウ素除去率を向上させるとともに装置寿命の低下を防止しうる電気脱イオン装置の運転方法を提供する。
【解決手段】 前処理システム２により処理した前処理水Ｗ１をタンク７に貯留し、ｐＨ調整手段８から塩酸を添加して、この前処理水Ｗ１をｐＨ５以下に調整する。続いて、第１のＲＯ膜装置４及び第２のＲＯ膜装置５によりＲＯ処理水（被処理水）Ｗ２のシリカ濃度が５ｐｐｂ以下となるように処理する。そして、ＲＯ処理水を被処理水Ｗ２として電気脱イオン装置６を運転する。このとき、電気脱イオン装置６を電流密度４００ｍＡ／ｄｍ^２以上、好ましくは６００〜１０００ｍＡ／ｄｍ^２で運転する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気脱イオン装置の運転方法に関し、特にホウ素除去率を向上させるとともに装置寿命の低下を防止しうる電気脱イオン装置の運転方法に関する。

従来、半導体等の電子産業分野で用いられている超純水は、前処理システム、一次純水システム及び一次純水を処理するサブシステムで構成される超純水製造装置で原水を処理することにより製造されている。特に電子産業分野用の超純水では、ホウ素濃度を０．１ｐｐｔ以下にまで抑制することが要求されることもあり、これに伴い一次純水システムでの処理水のホウ素濃度を１ｐｐｂ以下にするのが望ましい。

このような超純水製造装置において、一次純水システムは、超純水の用途に限らず、サブシステムを伴うことなく、医薬用や食品用などにも利用可能な最も汎用的なシステムであり、そのシステム構成としては、２段構成の逆浸透膜（ＲＯ膜）装置及び電気脱イオン装置からなるものが一般的である。この一次純水システムでは、ＲＯ膜装置はシリカや塩類を除去すると共に、イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。さらに電気脱イオン交換装置ではその他の各種無機あるいは有機性のアニオン及びカチオンの除去を行う。したがって、一次純水のホウ素濃度を低下させるには電気脱イオン装置でのホウ素の除去率を高くすることが重要である。

ここで、電気脱イオン装置は、一般に陰極及び陽極間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配置し、これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成することで脱塩室及び濃縮室を形成し、この脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換樹脂を充填したものである。

そして、この電気脱イオン装置において、脱塩室に被処理水を通過させるとともに濃縮室に濃縮水を通過させ、これに伴い陰極及び陽極間に電流を流すと、脱塩室からイオン交換樹脂を介してアニオン交換膜及びカチオン交換膜を通って濃縮室へと被処理水中のイオンが移動することで、脱塩室から脱イオン水（処理水）を得る。また、濃縮室を流れるイオンが濃縮された濃縮排水は廃棄されるか、あるいは部分的にリサイクルされる。

上述したような電気脱イオン装置におけるホウ素除去率は、被処理水中のホウ素濃度にもよるが、例えば栗田工業（株）製「ＫＣＤＩ−ＵＰｚ」（商品名）のような高性能な電気脱イオン装置でも電流密度３００ｍＡ／ｄｍ^２以下の通常の運転条件では９９％程度である。そこで、電気脱イオン装置のホウ素除去率を向上させることを目的として、電気脱イオン装置に供給する電流を多く（電流密度を高く）することでイオンの除去率を向上させる運転方法が行われている。

しかしながら、上述した電流密度を高くした電気脱イオン装置の運転方法であっても、あまり高い電流密度とするのは好ましくなく、４００ｍＡ／ｄｍ^２程度が限界であった。これは過剰に高い電流密度で電気脱イオン装置を運転すると、電気脱イオン装置の電気抵抗の上昇が大きくなり、その結果電圧値も上昇するとともに電流が低下して、かえってホウ素除去率が低下するばかりか、電気脱イオン装置にかかる負荷が増大するため、電気脱イオン装置の寿命が短くなる、という問題点があるためである。電気脱イオン装置は非常に高価であるので、電気脱イオン装置の寿命を損なうことなく、ホウ素の除去率を高めることができるのが望ましい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ホウ素除去率を向上させるとともに装置寿命の低下を防止しうる電気脱イオン装置の運転方法を提供することを目的とする。

上記目的に鑑み、本発明は、陰極及び陽極と、該陰極及び陽極の間に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成された脱塩室及び濃縮室とを備え、前記脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換体が充填されていて、該濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と前記脱塩室に被処理水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有する電気脱イオン装置の運転方法であって、前記被処理水のシリカ濃度を５ｐｐｂ以下として４００ｍＡ／ｄｍ^２以上の電流密度で前記脱塩室に通水処理することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法を提供する（発明１）。

かかる発明（発明１）によれば、電気脱イオン装置に供給する電流（電流密度）を大きくしても電圧の上昇を抑制することができ、ホウ素除去率を高くすることができる。これは以下のような理由によるものと考えられる。すなわち、電気脱イオン装置の電気抵抗の増加は、電気脱イオン装置に充填されたイオン交換樹脂の官能基が何らかの成分に被覆されてしまうことにより電流が流れにくくなることが一因である。この被覆成分は、電流密度の増大により電気脱イオン装置内での水かい離（Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ⁻）が激しくなるのに伴い、被処理水中に含まれる微量のシリカ成分がＯＨ⁻イオンとの反応により形態等が変化したものであり、これがイオン交換樹脂の官能基を被覆する作用を示すためであることがわかった。そこで、被処理水のシリカ濃度を５ｐｐｂ以下としてやれば、電流密度を４００ｍＡ／ｄｍ^２以上に上げても被覆成分を減少させることができ、電気抵抗の上昇を抑えることができることを見出したのである。

上記発明（発明１）においては、前記被処理水が、原水のｐＨを５以下に調整した後、逆浸透膜によりシリカ濃度を低減したものであるのが好ましい（発明２）。

かかる発明（発明２）によれば、ｐＨ５以下では、原水中のシリカ成分が析出しやすくなるので、シリカ成分を前段のＲＯ膜で除去しやすくすることができ、電気脱イオン装置の被処理水となるＲＯ膜処理水のシリカ濃度を低減することができる。

上記発明（発明１，２）においては、前記電気脱イオン装置を６００〜１０００ｍＡ／ｄｍ^２の電流密度で運転するのが好ましい（発明３）。

かかる発明（発明３）によれば、６００〜１０００ｍＡ／ｄｍ^２の電流密度で電気脱イオン装置を運転することにより、４００ｍＡ／ｄｍ^２程度の電流密度の場合よりもホウ素除去率を大幅に向上させることができる。しかも、上記電流密度では電気脱イオン装置内での水かい離（Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ⁻）がより激しく行われるが、シリカ濃度が５ｐｐｂ以下の被処理水を通水することにより、４００ｍＡ／ｄｍ^２程度の電流密度の場合と同程度の電気抵抗にその上昇を抑制することができる。

上記発明（発明１〜３）においては、前記濃縮水通水手段が、前記脱塩室を通水した脱イオン水を濃縮水として通水するのが好ましい（発明４）。

かかる発明（発明４）によれば、電気脱イオン装置は、脱イオン水を濃縮室に供給することで、脱塩室と濃縮室のイオン濃度の格差を縮小することができ、ホウ素の除去率をさらに高くすることができる。

上記発明（発明４）においては、前記濃縮水通水手段が、前記濃縮水を前記脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から該濃縮室内に導入すると共に、脱塩室の原水入口に近い側から流出するのが好ましい（発明５）。

かかる発明（発明５）によれば、電気脱イオン装置は、脱塩室では脱イオン水取り出し口に近い側に向かうほどイオン濃度は低減するので、これとは逆に脱イオン水取り出し口に近い側から脱イオン水を濃縮室に供給することで、脱塩室と濃縮室のイオン濃度の格差を脱塩室と濃縮室の全域において縮小することができ、ホウ素イオンの除去率の向上効果が大きいので、ホウ素の除去率をより一層高くすることができる。

本発明によれば、シリカ濃度が５ｐｐｂ以下の被処理水を電気脱イオン装置に通水して処理するので、電気脱イオン装置に供給する電流密度を４００ｍＡ／ｄｍ^２以上に大きくしても、電圧の上昇を抑制することができ、ホウ素除去率を高くすることができる。

本発明の一実施形態による電気脱イオン装置の運転方法を実施可能な純水製造システムを示すフロー図である。 同実施形態に好適に適用可能な電気脱イオン装置の構成を示す模式的な断面図である。 同実施形態における電気脱イオン装置の運転方法を示す系統図である。

以下、本発明の一実施形態による電気脱イオン装置の運転方法について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態による電気脱イオン装置の運転方法を実施可能な純水製造システムを示すフロー図である。図１において、純水製造装置１は、原水Ｗを処理する前処理システム２と一次純水システム３とを有し、前処理システム２は一般的なシステム構成、例えば凝集・加圧浮上装置、ろ過装置及び活性炭塔からなり、一次純水システム３は、本実施形態においては第１の逆浸透膜（ＲＯ膜）装置４と第２のＲＯ膜装置５と電気脱イオン装置６とをこの順番で直列に接続してなる。そして、本実施形態においては、第１の逆浸透膜（ＲＯ膜）装置４の上流側には、前処理システム２から供給される前処理水Ｗ１を貯留するタンク７がポンプＰを介して設けられており、このタンク７には酸を添加するｐＨ調整手段８及びｐＨ計９が付設されている。ここで、ｐＨ調整手段８において添加する酸としては特に制限はないが、塩酸を用いるのが好ましい。また、第２のＲＯ膜装置５の出口側にはシリカ濃度計１０が設けられている。

また、電気脱イオン装置６としては、図２及び図３に示すような構成を有するものを好適に用いることができる。

図２において、電気脱イオン装置６は、電極（陽極２１、陰極２２）の間に複数のアニオン交換膜２３及びカチオン交換膜２４を交互に配列して濃縮室２５と脱塩室２６とを交互に形成したものであり、脱塩室２６にはイオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるイオン交換体（アニオン交換体及びカチオン交換体）が混合もしくは複層状に充填されている。また、濃縮室２５と、陽極室２７及び陰極室２８にも、イオン交換体が充填されている。

この電気脱イオン装置６には、脱塩室２６に第２のＲＯ膜装置５で処理した被処理水Ｗ２を通水して処理水（脱イオン水）Ｗ３を取り出す通水手段（図示せず）と、濃縮室２５に濃縮水Ｗ４を通水する濃縮水通水手段（図示せず）とが設けられていて、本実施形態においては濃縮水Ｗ４を脱塩室２６の処理水Ｗ３の取り出し口に近い側から濃縮室２５内に導入すると共に、脱塩室２６の入口に近い側から流出する、すなわち脱塩室２６における被処理水Ｗ２の流通方向と反対方向から濃縮水Ｗ４を濃縮室２５に導入して濃縮排水Ｗ５を吐出する構成となっている。

具体的には、図３に示すように脱塩室２６から得られる処理水Ｗ３の一部を濃縮室２５及び陽極室２７に導入しうる。このように濃縮水Ｗ４として処理水Ｗ３を用いることで、イオン濃度が低減された濃縮水Ｗ４を流通させるのが好ましい。

次に上述したような構成を有する純水製造装置における電気脱イオン装置６の運転方法について説明する。まず、原水Ｗを前処理システム２で処理した前処理水Ｗ１をタンク７に貯留し、ｐＨ調整手段８から塩酸を添加し、ｐＨ計９により前処理水Ｗ１のｐＨを監視することで、前処理水Ｗ１をｐＨ５以下に調整するのが好ましい。前処理水Ｗ１をｐＨ５以下とすることで、前処理水Ｗ１中のシリカが析出しやすくなり、後段の第１のＲＯ装置４の膜面にシリカが付着してＲＯ装置でのシリカ除去率が低下するのを防止することができる。これにより、電気脱イオン装置６の給水（被処理水Ｗ２）中のシリカ濃度が上昇するのを抑制することができる。

続いて、第１のＲＯ膜装置４及び第２のＲＯ膜装置５により処理する。第１及び第２のＲＯ膜装置４，５では、塩類やシリカなどの除去のほかにイオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。この２段ＲＯ膜装置４，５による処理は、被処理水（ＲＯ処理水）Ｗ２のシリカ濃度が５ｐｐｂ以下となるようにおこなう。被処理水Ｗ２のシリカ濃度が５ｐｐｂを超えると、電気脱イオン装置６を後述するように４００ｍＡ／ｄｍ^２以上の電流密度で運転した際の電気抵抗の増加が大きくなり、これに伴い電圧も上昇し、長期間の運転により電圧が限界運転電圧（例えば６００Ｖ）に達してしまうおそれがある。なお、シリカ濃度の下限については特に制限はないが、シリカ濃度を低くし過ぎてもそれ以上の電気抵抗の増加を抑制する効果が得られないばかりか、シリカ濃度低減のための装置が過大に必要となるため１ｐｐｂ以下程度である。この被処理水Ｗ２のシリカ濃度はシリカ濃度計１０により連続的、断続的、もしくは定期的に測定するなどして適宜確認し、必要に応じ調整すればよい。

そして、ＲＯ処理水を被処理水Ｗ２として電気脱イオン装置６で処理する。このとき、電気脱イオン装置６を電流密度４００ｍＡ／ｄｍ^２以上で運転する。電流密度４００ｍＡ／ｄｍ^２未満では、十分なホウ素除去率の向上効果が得られない。好ましくは電流密度６００〜１０００ｍＡ／ｄｍ^２で運転する。電流密度が６００ｍＡ／ｄｍ^２で未満では９９．９％を超えるホウ素除去率とするのが困難となる一方、１０００ｍＡ／ｄｍ^２を超えてもそれ以上のホウ素除去率の向上効果が得られないばかりか、電気抵抗値が上昇してこれに伴い電気脱イオン装置６にかかる電圧が増大しすぎ、装置寿命の低下を招くため好ましくない。なお、電気脱イオン装置６における被処理水Ｗ２の通水速度はＬＶ＝５０〜２００ｍ／ｈで、空間速度はＳＶ＝５０〜２００／ｈが好ましい。さらに電気脱イオン装置６は水回収率８０〜９０％で運転するのが好ましい。

このとき、電気脱イオン装置６では、被処理水（ＲＯ処理水）Ｗ２が脱塩室２６に導入され、脱塩室２６から処理水（脱イオン水）Ｗ３が得られる。本実施形態においては、この処理水Ｗ３の一部を濃縮水Ｗ４として濃縮室２５に脱塩室２６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水し、濃縮室２５から濃縮排水Ｗ５を系外へ排出する。すなわち、本実施形態では、濃縮室２５と脱塩室２６とが交互に並設され、脱塩室２６の処理水Ｗ３の取り出し側に濃縮室２５の流入口となっているとともに脱塩室２６の原水流入側に濃縮室２５の流出口となっている。なお、処理水（脱イオン水）Ｗ３の一部は陽極室２７の入口側に送給され、そして、陽極室２７の流出水は、陰極室２８の入口側へ送給され、陰極室２８の流出水は排水として系外へ排出される。

このように、濃縮室２５に処理水Ｗ３を濃縮水Ｗ４として脱塩室２６に対して向流一過式で通水することにより、脱塩室２６の取り出し側ほど濃縮室２５内の濃縮排水Ｗ５中のイオン濃度が低いものとなるので、濃度拡散による脱塩室２６への影響が小さくなり、イオン除去率、特にホウ素の除去率を飛躍的に高めることができる。

このようにして電気脱イオン装置６を運転することにより、ホウ素除去率を９９％以上、特に９９．９％、さらには９９．９９％程度にまで高めることができる。

以上、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明してきたが、本発明は前記実施形態に限定されず、シリカ濃度が５ｐｐｂ以下の被処理水Ｗ２を電気脱イオン装置６に供給可能であれば一次純水システム３は種々の構成とすることができる。例えば、本実施形態においては、第１のＲＯ膜装置４と第２のＲＯ膜装置５の２段ＲＯ膜装置としたが、海水淡水化用などの高圧ＲＯ膜装置を用いれば１段のＲＯ膜装置としても性能的には可能である。また、電気脱イオン装置６の前段には膜式脱気装置を設けたり、必要に応じ再生型混床式イオン交換装置を設けたりしてもよい。さらに前処理システム２は、必ずしも設けなくてもよく、水道水をそのまま一次純水システム３に供給してもよい。

以下、比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
静岡県榛原郡吉田町の市水（原水）Ｗを凝集・加圧浮上装置、ろ過装置及び活性炭塔からなる前処理システムで処理して前処理水Ｗ１を得た。この前処理水Ｗ１に塩酸を添加してｐＨを５に調整した後、２段ＲＯ膜装置により処理した。この２段ＲＯ処理水（被処理水）Ｗ２のシリカ濃度は１ｐｐｂ以下であり、ホウ素濃度は１〜５ｐｐｂであった。続いて、この被処理水Ｗ２を電気脱イオン装置（栗田工業（株）製 ＫＣＤＩ−ＵＰｚ）に１５ｍ^３／ｈの流量で通水し、電流量２０Ａ（電流密度８００ｍＡ／ｄｍ^２）で運転した。なお、この電気脱イオン装置におけるＳＶは１００／ｈであり、回収率８５％とした。

この電気脱イオン装置の運転を継続したところ、初期電圧３００Ｖであったのに対し、５年運転相当後の電圧は５５０Ｖに上昇したが、電気脱イオン装置の処理水Ｗ３のホウ素除去率は９９．９９％を維持しており安定していた。

〔実施例２〕
実施例１において、前処理水Ｗ１を２段ＲＯ膜装置の代わりに１段の高圧ＲＯ膜装置（栗田工業（株）製 ＫＲＯＡ−２０ＸＵ−ＦＸ）により処理した以外同様にして電気脱イオン装置を運転した。この高圧ＲＯ処理水（被処理水）Ｗ２のシリカ濃度は２ｐｐｂ以下であり、ホウ素濃度は２〜１０ｐｐｂであった。

この電気脱イオン装置の運転を継続したところ、初期電圧３００Ｖであったのに対し、５年運転相当後の電圧は５８０Ｖに上昇したが、電気脱イオン装置の処理水Ｗ３のホウ素除去率は９９．９９％を維持しており安定していた。

〔比較例１〕
実施例１において、前処理水Ｗ１を１段ＲＯ膜装置により処理したＲＯ処理水（被処理水）Ｗ２を同様に電気脱イオン装置で処理した。このＲＯ処理水（被処理水）Ｗ２のシリカ濃度は５０〜１００ｐｐｂであり、ホウ素濃度は１０〜２０ｐｐｂであった。

この電気脱イオン装置の運転を継続したところ、初期電圧３００Ｖであったのに対し、２年運転相当後の電圧は６００Ｖの運転限界（これ以上電気抵抗が上昇すると電流値が低下するためホウ素除去率が低下する状態）にまで上昇した。このとき電気脱イオン装置処理水Ｗ３のホウ素除去率は９９．９９％を維持していたが、これ以上の連続運転は困難であった。

〔比較例２〕
実施例１において、塩酸を低下せずにｐＨ５超とした以外は同様にして電気脱イオン装置で処理した。このＲＯ処理水（被処理水）Ｗ２のシリカ濃度は１０〜５０ｐｐｂであり、ホウ素濃度は１〜５ｐｐｂであった。

この電気脱イオン装置の運転を継続したところ、初期電圧３００Ｖであったのに対し、３年運転相当後の電圧は６００Ｖの運転限界（これ以上電気抵抗が上昇すると電流値が低下するためホウ素除去率が低下する状態）にまで上昇した。このとき電気脱イオン装置処理水Ｗ３のホウ素除去率は９９．９９％を維持していたが、これ以上の連続運転は困難であった。

１…純水製造装置
２…前処理システム
３…一次純水システム
４…第１の逆浸透膜（ＲＯ膜）装置
５…第２の逆浸透膜（ＲＯ膜）装置
６…電気脱イオン装置
７…タンク
８…ｐＨ調整手段
９…ｐＨ計
１０…シリカ濃度計
Ｗ…原水
Ｗ１…前処理水
Ｗ２…被処理水（ＲＯ処理水）
Ｗ３…処理水

Claims (5)

1. 陰極及び陽極と、該陰極及び陽極の間に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成された脱塩室及び濃縮室とを備え、前記脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換体が充填されていて、該濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と前記脱塩室に被処理水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有する電気脱イオン装置の運転方法であって、
   前記被処理水のシリカ濃度を５ｐｐｂ以下として４００ｍＡ／ｄｍ^２以上の電流密度で前記脱塩室に通水処理することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
2. 前記被処理水が、原水のｐＨを５以下に調整した後、逆浸透膜によりシリカ濃度を低減したものであることを特徴とする請求項１に記載の電気脱イオン装置の運転方法。
3. 前記電気脱イオン装置を６００〜１０００ｍＡ／ｄｍ^２の電流密度で運転することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気脱イオン装置の運転方法。
4. 前記濃縮水通水手段が、前記脱塩室を通水した脱イオン水を濃縮水として通水することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気脱イオン装置の運転方法。
5. 前記濃縮水通水手段が、前記濃縮水を前記脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から該濃縮室内に導入すると共に、脱塩室の原水入口に近い側から流出することを特徴とする請求項４に記載の電気脱イオン装置の運転方法。

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