JP2019177327A - 電気脱イオン装置及び脱イオン水の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ホウ素除去性能に優れた電気脱イオン装置と、この電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法を提供する。【解決手段】陽極１１と陰極１２との間にイオン交換膜１３，１４によって濃縮室１５と脱塩室１６とが区画され、濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室１６に流通され、生産水として取り出され、生産水の一部が濃縮水として濃縮室１５に脱塩室１６の流れ方向と向流方向に流通される電気脱イオン装置において、該脱塩室１６のイオン交換樹脂充填高さが４００〜２０００ｍｍであり、該脱塩室１６に充填されるイオン交換樹脂が平均直径が０．１〜０．４ｍｍのものを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、被処理水中のホウ素を高度に除去することができる電気脱イオン装置と、この電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法に関する。
近年、超純水製造において、ホウ素については、例えば１ｐｐｔ以下という厳しい水質が求められるようになってきている。
特許文献１には陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室に流通され、生産水として取り出され、生産水の一部が濃縮水として濃縮室に脱塩室の流れ方向と向流方向に流通される電気脱イオン装置において、該脱塩室に充填されるイオン交換樹脂の平均直径が０．２〜０．３ｍｍであり、イオン交換樹脂充填高さ４０〜８０ｍｍである電気脱イオン装置が記載されている。
この電気脱イオン装置では、イオン交換樹脂として平均粒径が０．２〜０．３ｍｍと小さいものを用いることにより、ホウ素除去効率を高くしてる。
本発明は、上記特許文献１よりもホウ素除去性能をさらに向上させた電気脱イオン装置と、この電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法を提供することを課題とする。
本発明の電気脱イオン装置は、陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室に流通され、生産水として取り出され、生産水の一部が濃縮水として濃縮室に脱塩室の流れ方向と向流方向に流通される電気脱イオン装置において、該脱塩室のイオン交換樹脂充填高さが４００〜２０００ｍｍであり、該脱塩室に充填されるイオン交換樹脂が平均直径０．１〜０．４ｍｍのものを含むことを特徴とする。
本発明の脱イオン水の製造方法は、この電気脱イオン装置を用いて脱イオン水を製造する。
本発明の電気脱イオン装置では、脱塩室のイオン交換樹脂充填高さを４００〜２０００ｍｍと大きくしたことにより、ホウ素、シリカ等の除去率が向上する。
なお、平均粒径が０．１〜０．４ｍｍと小さいイオン交換樹脂を用いると、イオン交換樹脂の表面積が大きくなるため、電気抵抗が小さくなり、印加電圧を低くしても電流が確保される（即ち、同電流で運転するための必要電圧が低下する）ようになるので、電力コストを低減することができる。
図１は本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。この電気脱イオン装置は、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６には、イオン交換樹脂が充填されている。
また、濃縮室１５と、陽極室１７及び陰極室１８にも、イオン交換体、活性炭又は金属等の電気導電体が充填されている。
原水は脱塩室１６の入口側から導入され、脱塩室１６の出口側から生産水が取り出される。この生産水の一部は、濃縮室１５に脱塩室１６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水され、濃縮室１５の流出水は系外へ排出される。即ち、この電気脱イオン装置では、濃縮室１５と脱塩室１６とが交互に並設され、脱塩室１６の生産水取り出し側に濃縮室１５の流入口が設けられており、脱塩室１６の原水流入側に濃縮室１５の流出口が設けられている。また、生産水の一部は陽極室１７の入口側に送給され、陽極室１７の流出水は、陰極室１８の入口側へ送給され、陰極室１８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１５に生産水を脱塩室１６と向流一過式で通水することにより、生産水取り出し側ほど濃縮室１５内の濃縮水の濃度が低いものとなり、濃度拡散による脱塩室１６への影響が小さくなり、ホウ素等のイオンの除去率を高めることができる。
この電気脱イオン装置では、脱塩室１６におけるイオン交換樹脂充填高さを４００〜２０００ｍｍとする。このように脱塩室１６のイオン交換樹脂充填高さを大きくしているため、吸着帯長さが大きく、ホウ素やシリカといった難除去のアニオンも十分に除去することができる。また、イオン交換樹脂として平均粒径が０．１〜０．４ｍｍと小粒径のイオン交換樹脂を充填し、イオン交換樹脂と被処理水との接触効率を高くしているので、難除去アニオンの除去性能がさらに向上する。なお、本発明において、イオン交換樹脂の平均直径（平均粒径）および樹脂比率は再生型（ＯＨ型、Ｈ型）の湿潤状態での値であり、平均直径は重量平均で、樹脂比率も重量比率である。
脱塩室のイオン交換樹脂充填高さは、特に４００〜８００ｍｍ、とりわけ４００〜６００ｍｍであるのが好ましい。樹脂層高が過度に大きくなると、樹脂による通水差圧が高くなり採水量が減ってしまう可能性や、装置の強度の問題で装置自体がかなり大型化してしまう可能性がある。脱塩室に被処理水を上下方向に通水する場合、脱塩室のイオン交換樹脂充填高さは４００〜８００ｍｍであり、幅は３０〜６０ｍｍであることが好ましい。
小粒径のイオン交換樹脂はホウ素、シリカなどの難除去性のイオン除去性能向上目的だけでなく、運転電圧を下げる効果も有する。イオン交換樹脂として平均粒径の小さいものを用いると、イオンの表面積が大きくなるため、電気抵抗が小さくなり、運転寿命を決定する電圧上限に余裕を持たせ、より高寿命の運転が可能になる。
なお、このイオン交換樹脂の平均粒径は、篩を用いることにより測定することもできるが、イオン交換樹脂メーカーのカタログ値を採用するのが好ましい。
脱塩室１６に充填する小粒径のイオン交換樹脂の平均粒径が０．４ｍｍを超えると、小粒径のイオン交換樹脂を用いることによる本発明の効果を十分に得ることができない。一方、平均粒径が０．１ｍｍより小さいイオン交換樹脂は、取り扱い性や通水抵抗の面で好ましくない場合がある。
脱塩室に充填されるイオン交換樹脂は、そのすべてが平均粒径０．１〜０．４ｍｍであってもよく、平均粒径０．１〜０．４ｍｍのイオン交換樹脂と、平均粒径がこの範囲外のイオン交換樹脂との双方が充填されてもよい。脱塩室のイオン交換樹脂に占める平均粒径０．１〜０．４ｍｍのイオン交換樹脂の割合は１〜１００％特に１０〜３０％程度が好ましい。平均粒径０．１〜０．４ｍｍのイオン交換樹脂（以下、イオン交換樹脂Ａということがある。）と、平均粒径０．４ｍｍ超のイオン交換樹脂（以下、イオン交換樹脂Ｂということがある。）とを混合して脱塩室に充填してもよく、脱塩室内に別々に充填してもよい。例えば、脱塩室の上下方向の中央部にイオン交換樹脂Ａを充填し、脱塩室の上部及び下部にイオン交換樹脂Ｂを充填してもよい。なお、イオン交換樹脂Ｂの平均粒径の上限は特に設定されるものではないが、通常は平均粒径１ｍｍ以下のイオン交換樹脂を用いることができる。
脱塩室１６に充填するアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合樹脂の混合割合は、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝４０〜８０：６０〜２０、特に５０〜８０：５０〜２０の範囲であることが好ましい。脱塩室１６に充填される混合樹脂は、上記の混合割合の範囲おいて、すべての箇所において同一であってもよく、脱塩室の通水方向の入口側と出口側で異なっていてもよい。
本発明の電気脱イオン装置は、高いホウ素除去率を実現するために、濃縮室にもイオン交換樹脂を充填することが好ましく、この場合、濃縮室に充填するイオン交換樹脂もまた、脱塩室１６に充填するイオン交換樹脂と同様の理由から、平均粒径０．１〜０．６ｍｍのイオン交換樹脂であることが好ましい。
濃縮室に充填するイオン交換樹脂もまた、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合樹脂が好ましい。特に、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝４０〜７０：６０〜３０、好ましくは５０〜７０：５０〜３０の混合樹脂であることが好ましい。濃縮室の厚さは、脱塩室の厚さと同等とすることが好ましい。
本発明では、コストダウンを目的として脱塩室１６の厚みを２．５〜２０ｍｍまで厚くしても良い。脱塩室を厚くすることによりイオン交換膜や濃縮室を削減することができる。また、イオン交換膜を削減することで電気抵抗を減らすことができ、より高寿命の運転が可能になる。脱塩室の数は、１〜２００特に４０〜１００程度が好ましい。
本発明では、電気脱イオン装置の脱塩室に被処理水を通水し、処理水（脱塩室の流出水）の一部、例えば１０〜３０％程度を濃縮室に、脱塩室の通水方向と逆方向に通水することが、高いホウ素除去率を得る上で好ましい。また、その際の通水速度としては、ホウ素除去率と処理効率の面から、脱塩室の通水ＬＶは５０〜１５０ｍ／ｈ、濃縮室の通水ＬＶは１０〜３０ｍ／ｈ程度であることが好ましい。
電流密度は５０Ａ／ｍ２以上とすることが高いホウ素、シリカ除去率とするために好ましい。
本発明の電気脱イオン装置は、特に、純水製造装置のＲＯ膜分離装置の後段に設ける電気脱イオン装置として好ましく用いられ、ＲＯ膜分離装置からのホウ素濃度１０〜２０ｐｐｂ程度のＲＯ透過水を本発明の電気脱イオン装置で処理してホウ素濃度１ｐｐｔ以下の処理水を効率的に得ることができる。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
［実施例１］
陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して、濃縮室と脱塩室を交互に形成した電気脱イオン装置（脱塩室及び濃縮室の厚さ１０ｍｍ、脱塩室数＝１００）を脱塩室及び濃縮室の通水方向が鉛直方向となるように設置した。脱塩室及び濃縮室に、以下の通りイオン交換樹脂を充填した。脱塩室及び濃縮室のイオン交換樹脂の充填高さは６００ｍｍ、幅は３５０ｍｍとした。
陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して、濃縮室と脱塩室を交互に形成した電気脱イオン装置（脱塩室及び濃縮室の厚さ１０ｍｍ、脱塩室数＝１００）を脱塩室及び濃縮室の通水方向が鉛直方向となるように設置した。脱塩室及び濃縮室に、以下の通りイオン交換樹脂を充填した。脱塩室及び濃縮室のイオン交換樹脂の充填高さは６００ｍｍ、幅は３５０ｍｍとした。
表１及び図２の通り、脱塩室の上下方向の中央部には、上下１００ｍｍの範囲にわたって、平均粒径０．３ｍｍのアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂の比率５０：５０の混合樹脂を充填した。脱塩室の上部及び下部には、それぞれ上下２５０ｍｍの範囲にわたって平均粒径０．６ｍｍのアニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂混合樹脂（混合比率は５０：５０）を充填した。
濃縮室には、平均粒径０．５５ｍｍの上記アニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂をアニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝５０：５０の混合比で充填した。
この電気脱イオン装置に電流密度１００Ａ／ｍ２で電流を流し、ホウ素濃度３．５μｇ／Ｌの被処理水を、脱塩室にＬＶ＝６５ｍ／ｈｒで下向流通水し、脱塩室の流出水の５％を濃縮室にＬＶ＝６ｍ／ｈｒで上向流通水し、残部を処理水として取り出した。
得られた処理水（脱塩室流出水）のホウ素濃度は表２の通り、０．００１μｇ／Ｌ以下であり、ホウ素除去率９９．９７％を達成することができた。
［実施例２，比較例１］
実施例１において、脱塩室のイオン交換樹脂の充填高さを４００ｍｍ（実施例２）又は３００ｍｍ（比較例１）とし、脱塩室内の平均粒径０．６ｍｍのイオン交換樹脂の範囲を表１の通りとしたこと以外は実施例１と同一の構成とされた電気脱イオン装置に、同一条件（ただし、実施例２は被処理水ホウ素濃度３．４μｇ／Ｌ）で被処理水を通水した。結果を表２に示す。
実施例１において、脱塩室のイオン交換樹脂の充填高さを４００ｍｍ（実施例２）又は３００ｍｍ（比較例１）とし、脱塩室内の平均粒径０．６ｍｍのイオン交換樹脂の範囲を表１の通りとしたこと以外は実施例１と同一の構成とされた電気脱イオン装置に、同一条件（ただし、実施例２は被処理水ホウ素濃度３．４μｇ／Ｌ）で被処理水を通水した。結果を表２に示す。
［比較例２］
脱塩室のイオン交換樹脂充填高さは６００ｍｍであるが、イオン交換樹脂としてすべて平均粒径０．６ｍｍのもの（アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂混合樹脂。混合比は５０：５０）を充填したこと以外は実施例１と同一条件にて試験を行った。
脱塩室のイオン交換樹脂充填高さは６００ｍｍであるが、イオン交換樹脂としてすべて平均粒径０．６ｍｍのもの（アニオン交換樹脂／カチオン交換樹脂混合樹脂。混合比は５０：５０）を充填したこと以外は実施例１と同一条件にて試験を行った。
結果を表２に示す。
＜結果・考察＞
表２の通り、樹脂層高が４００ｍｍ以上と高く、且つ平均粒径０．１〜０．４ｍｍのイオン交換樹脂を使用することにより、高いホウ素除去性能が得られること認められる。
表２の通り、樹脂層高が４００ｍｍ以上と高く、且つ平均粒径０．１〜０．４ｍｍのイオン交換樹脂を使用することにより、高いホウ素除去性能が得られること認められる。
１１ 陽極
１２ 陰極
１３ アニオン交換膜
１４ カチオン交換膜
１５ 濃縮室
１６ 脱塩室
１２ 陰極
１３ アニオン交換膜
１４ カチオン交換膜
１５ 濃縮室
１６ 脱塩室
Claims (3)
- 陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、
濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室に流通され、生産水として取り出され、
生産水の一部が濃縮水として濃縮室に脱塩室の流れ方向と向流方向に流通される電気脱イオン装置において、
該脱塩室のイオン交換樹脂充填高さが４００〜２０００ｍｍであり、
該脱塩室に充填されるイオン交換樹脂が平均直径０．１〜０．４ｍｍのものを含むことを特徴とする電気脱イオン装置。 - 請求項１において、脱塩室にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂が充填されており、
該脱塩室内の混合樹脂中のアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合割合は、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝４０〜８０：６０〜２０であることを特徴とする電気脱イオン装置。 - 請求項１又は２に記載の電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法。
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