JP2020000983A - 純水製造装置、純水の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭酸カルシウムのスケールの生成を防止することにより、逆浸透膜が閉塞することを防止できる純水製造装置および純水の製造方法を提供する。【解決手段】原水に酸を添加する酸添加手段２と、酸が添加された原水を脱炭酸処理する脱炭酸塔３と、脱炭酸塔３より供給された原水を第１の処理水と第１の濃縮水に分離する逆浸透膜５と、第１の処理水を脱気処理する脱気膜６と、脱気処理された第１の処理水中のイオン性物質を除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離する電気脱イオン装置７と、を備えた純水製造装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、純水製造装置および純水の製造方法に関する。

半導体製造工場や液晶製造工場等の電子産業分野や研究開発分野にて利用される純水製造装置としては、例えば、電気脱イオン装置を備えたものが用いられている。電気脱イオン装置に供給される水のカルシウム濃度および炭酸イオン濃度が高いと、電気脱イオン装置の陰極側の濃縮室に炭酸カルシウムのスケールが発生しやすくなる。スケールが発生すると、電気抵抗が増すため、電気脱イオン装置を運転する際の電圧が上昇し、処理水の水質の低下を招く。

そこで、電気脱イオン装置の前段に、逆浸透膜と脱気膜を設けて、電気脱イオン装置に供給される被処理水中のカルシウムを除去することにより、電気脱イオン装置における炭酸カルシウムのスケールの発生を防止した純水製造装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。純水製造装置の逆浸透膜に供給される被処理水には、二酸化炭素、炭酸イオン、カルシウムイオン等が含まれる。逆浸透膜では、被処理水を、処理水と濃縮水に分離し、被処理水に含まれる炭酸イオンやカルシウムイオンを除去するが、二酸化炭素は透過する。そのため、逆浸透膜を透過した処理水には、溶存状態の炭酸ガスが含まれる。一方、濃縮水には、逆浸透膜で除去された炭酸イオンやカルシウムイオンが含まれる。

特開２００７−２８９８８７号公報

純水製造装置では、通常、逆浸透膜に供給される被処理水のｐＨは７程度である。ｐＨが７程度の被処理水は、二酸化炭素の存在割合が低い一方、炭酸イオンの存在割合が比較的高い。炭酸イオンの存在割合が高い被処理水を、そのままの状態で逆浸透膜に供給すると、逆浸透膜の濃縮側にて、被処理水に含まれるカルシウムイオンと炭酸イオンが結合して、炭酸カルシウムのスケールが発生しやすい。炭酸カルシウムのスケールは、逆浸透膜を閉塞する。逆浸透膜が閉塞すると、濃縮水の流れが悪くなり、結果として、純水製造装置による純水の製造効率が低下する。そこで、逆浸透膜において、炭酸カルシウムのスケールの生成を防止するために、被処理水の濃縮倍率を下げるとともに、逆浸透膜に多量の被処理水を供給する必要があった。その場合、逆浸透膜からの濃縮水の排水量が増加するため、純水製造装置による純水の製造コストが高くなるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、炭酸カルシウムのスケールの生成を防止することにより、逆浸透膜が閉塞することを防止できる純水製造装置および純水の製造方法を提供することを目的とする。

［１］原水に酸を添加する酸添加手段と、前記酸が添加された原水を脱炭酸処理する脱炭酸塔と、前記脱炭酸塔より供給された原水を第１の処理水と第１の濃縮水に分離する逆浸透膜と、前記第１の処理水を脱気処理する脱気膜と、前記脱気処理された第１の処理水中のイオン性物質を除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離する電気脱イオン装置と、を備えたことを特徴とする純水製造装置。
［２］前記電気脱イオン装置から排出された第２の濃縮水を前記逆浸透膜の入側に返送する返送路を備えた前記［１］に記載の純水製造装置。
［３］原水に酸を添加する酸添加工程と、前記酸が添加された原水を脱炭酸塔により脱炭酸処理する脱炭酸工程と、前記脱炭酸処理された原水を逆浸透処理膜により第１の処理水と第１の濃縮水に分離する分離工程と、前記第１の処理水を脱気膜により脱気処理する脱気工程と、前記脱気処理された第１の処理水を電気脱イオン装置によりイオン性物質を除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離する脱イオン工程と、を有する純水の製造方法。
［４］前記酸添加工程において、前記原水のｐＨを４〜６に調整する前記［３］に記載の純水の製造方法。
［５］前記脱イオン工程において得られた第２の濃縮水を、前記原水に返送する返送工程を有する前記［３］または前記［４］に記載の純水の製造方法。

本発明によれば、炭酸カルシウムのスケールの生成を防止することにより、逆浸透膜が閉塞することを防止できる純水製造装置および純水の製造方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る純水製造装置を示す模式図である。

本発明の純水製造装置および純水の製造方法の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

［純水製造装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る純水製造装置を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態の純水製造装置１は、酸添加手段２と、脱炭酸塔３と、逆浸透原水槽４と、逆浸透膜５と、脱気膜６と、電気脱イオン装置７と、処理水槽８とを、この順に備えている。

酸添加手段２は、脱炭酸塔３に導入される原水に、塩酸（ＨＣｌ）、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）等の酸を添加して、原水のｐＨを所定の範囲に調整するためのものである。酸添加手段２に供給される原水（被処理水）は、水道水、井戸水、工業用水等を、予め除濁、除塩素等の前処理を行った水であることが好ましい。酸添加手段２としては、特に限定されないが、例えば、酸を貯留するための酸タンクと、原水に酸を添加するためのポンプと、酸が添加された原水のｐＨを測定するｐＨメータと、を有するものが挙げられる。酸添加手段２では、ｐＨメータで原水のｐＨを測定し、その結果をポンプにフィードバックして、ポンプによる酸の添加量を制御する。これにより、原水のｐＨを、例えば、４〜６の範囲に調整する。
酸添加手段２は、脱炭酸塔３に導入される原水が流れる原水路１１の途中であって、脱炭酸塔３の直前に、配管１２を介して接続されている。

脱炭酸塔３としては、原水中の二酸化炭素（ＣＯ_２）を主に除去することができるものであれば、特に限定されない。脱炭酸塔３としては、例えば、充填材塔と、その充填材塔の上部に設けられた噴射ノズルと、充填材塔の下部に設けられた散気手段と、を有するものが挙げられる。充填材塔は、筒状の筐体と、その内部に充填され、原水を付着させる、テトラポット形状、中空形状、円柱状等の形状をなし、表面積が大きな充填材と、を有する。噴射ノズルは、充填材塔内の充填材に原水を噴霧するためのものである。散気手段は、充填材塔内に空気を送風して、充填材塔内の充填材に付着した原水に空気を接触させ、原水中の二酸化炭素を遊離させて脱気するためのものである。
脱炭酸塔３は、水路１３を介して、逆浸透原水槽４に接続されている。

逆浸透原水槽４としては、脱炭酸塔３にて二酸化炭素が除去された原水を収容することができるものであれば、特に限定されない。
逆浸透原水槽４は、水路１４を介して、逆浸透膜５に接続されている。

逆浸透膜５は、脱炭酸塔３にて脱炭酸処理された原水を第１の処理水と第１の濃縮水に分離し、原水中の炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）やカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）等のイオン性物質を主に除去するためのものである。逆浸透膜５は、浸透膜（メンブレン）を何層にも重ねて海苔巻き状に巻き、容器に収めたスパイラル型モジュールを好適に使用できるが、これに限定されるものではない。
逆浸透膜５は、水路１５を介して、脱気膜６に接続されている。
また、逆浸透膜５は、第１の濃縮水を系外に排出するための排水管２１を備えている。

また、逆浸透膜５は２つ以上直列に設けられていることが好ましい。逆浸透膜５が２つ以上直列に設けられる場合、前段の逆浸透膜５の透過水（処理水）が後段の逆浸透膜５の供給水となるように設けられる。

脱気膜６としては、逆浸透膜５を透過した第１の処理水に溶存している二酸化炭素を主に除去することができるものであれば、特に限定されない。脱気膜６としては、例えば、中空糸膜等から構成される膜脱気装置等が用いられる。
脱気膜６は、水路１６を介して、逆浸透膜５に接続されている。
また、脱気膜６は、脱気管２２を介して、真空ポンプ１０に接続されている。真空ポンプ１０は、脱気膜６で除去された二酸化炭素を系外に排出するためのものである。

電気脱イオン装置７は、脱気膜６にて脱気処理された第１の処理水から、残存するイオン性物質を更に除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離するためのものである。電気脱イオン装置７は、陽極と陰極との間がアニオン交換膜とカチオン交換膜とで区画され、陽極室、陰極室、脱塩室および濃縮室が形成されてなるものである。
電気脱イオン装置７は、水路１７を介して、処理水槽８に接続されている。

また、電気脱イオン装置７は、返送路１８を介して逆浸透原水槽４に接続されている。返送路１８は、電気脱イオン装置７から排出された第２の濃縮水を逆浸透膜５の入側、すなわち、逆浸透原水槽４に返送するためのものである。

処理水槽８は、電気脱イオン装置７の脱塩室から排出された第２の処理水を収容することができるものであれば、特に限定されない。

本実施形態の純水製造装置１によれば、逆浸透膜５の前段に、酸添加手段２により、脱炭酸塔３に導入される原水のｐＨを下げて、原水中の炭酸イオンの存在割合を低下させる一方、原水中の二酸化炭素の存在割合を増加させ、次いで、脱炭酸塔３により、原水中の二酸化炭素の大部分を除去する。そのため、逆浸透膜５にて、カルシウムイオンと炭酸イオンが結合して炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）が生成し、炭酸カルシウムのスケールが発生することを抑制できる。よって、炭酸カルシウムのスケールによって、逆浸透膜５が閉塞することを防止できる。これにより、電気脱イオン装置７へ供給される第１の処理水の水質を向上することができる。したがって、電気脱イオン装置７にて得られた第２の処理水（純水）の水質が向上するとともに、安定して、純水を製造することができる。

また、本実施形態の純水製造装置１によれば、酸添加手段２により原水中のｐＨを下げることで、原水中の炭酸イオンの大部分を二酸化炭素とし、その二酸化炭素の大部分を脱炭酸塔３により除去するため、脱気膜６において除去する、二酸化炭素の量を低減することができる。よって、脱気膜６において、二酸化炭素を除去する際の負荷を低減することができる。これにより、脱気膜６の処理能力を増やす必要がなく、純水製造装置１全体をコンパクトにすることができる。

また、本実施形態の純水製造装置１によれば、電気脱イオン装置７から排出された第２の濃縮水を逆浸透原水槽４（逆浸透膜５の入側）に返送する返送路１８を備えることにより、逆浸透膜５に供給する原水の水質を向上し、純水製造装置１全体として処理効率を高めることができる。

［純水の製造方法］
本実施形態の純水の製造方法は、原水に酸を添加する酸添加工程と、前記酸が添加された原水を脱炭酸塔により脱炭酸処理する脱炭酸工程と、前記脱炭酸処理された原水を逆浸透処理膜により第１の処理水と第１の濃縮水に分離する分離工程と、前記第１の処理水を脱気膜により脱気処理する脱気工程と、前記脱気処理された第１の処理水を電気脱イオン装置によりイオン性物質を除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離する脱イオン工程と、を有する。

図１を参照して、本実施形態の純水の製造方法を説明する。
酸添加手段２により、原水路１１を流れている、脱炭酸塔３に導入される前の原水に酸を添加する（酸添加工程）。
酸添加工程において、酸としては、塩酸または硫酸が好適に用いられる。酸の添加量は、原水を酸化して、原水のｐＨが所定の範囲となる量とする。

酸添加工程において、原水のｐＨを４〜６に調整することが好ましく、原水のｐＨを４．５〜６に調整することがより好ましい。
酸添加工程において、原水のｐＨを４〜６に調整することにより、平衡状態を変化させて、例えば、炭酸イオンの７０％以上を二酸化炭素とする。また、原水のｐＨを４〜６に調整することにより、原水は、二酸化炭素の存在割合が高くなる一方、炭酸イオンの存在割合が低くなる。

次いで、脱炭酸塔３により、ｐＨが所定の範囲に調整された原水を脱炭酸処理し、原水中の二酸化炭素を主に除去する（脱炭酸工程）。
例えば、脱炭酸工程では、ｐＨが４〜６に調整された原水を脱炭酸塔３へ送り込み、脱炭酸塔３の上部に設けられた噴射ノズルにより、原水を多数の微小液滴に細分して脱炭酸塔３の内部（充填材塔の内部）に噴霧して、充填材に原水を付着させる。この際、散気手段により、充填材塔の内部に空気が送り込まれる。すると、充填材に付着した原水と空気が接触することにより、原水に溶存する二酸化炭素が空気中に放散されて、原水中の二酸化炭素（ＣＯ_２）の大部分が除去される。

脱炭酸工程において二酸化炭素の大部分が除去された原水は、脱炭酸塔３から水路１３を介して逆浸透原水槽４に供給される。
逆浸透原水槽４では、二酸化炭素の大部分が除去された原水が収容される。
脱炭酸工程後の原水は、二酸化炭素が減少した状態にある。また、原水のｐＨが４〜６に調整されているため、ｐＨが７の場合に比べて、原水中の炭酸イオンが少ない状態にある。

次いで、二酸化炭素が除去された原水が、逆浸透原水槽４から水路１４を介して逆浸透膜５に供給され、逆浸透膜５により、その原水を第１の処理水と第１の濃縮水に分離し、原水中の炭酸イオンやカルシウムイオン等のイオン性物質を除去する（分離工程）。
逆浸透膜５に供給される原水は、二酸化炭素の大部分が除去されている。また、ｐＨが４〜６に調整されたことで、ｐＨが７の場合に比べて、原水における炭酸イオン量が少なくなっている。すなわち、原水は、二酸化炭素および炭酸イオンの両方が少ない状態にある。
この原水を逆浸透膜５によって処理すると、逆浸透膜５を透過する第１の処理水には二酸化炭素が含まれ、一方、逆浸透膜５を透過しない第１の濃縮水には、炭酸イオンやカルシウムイオン等のイオン性物質が含まれる。ここで、第１の濃縮水中の炭酸イオン量は少ない状態にあるため、濃縮水中にカルシウムイオンが比較的多く存在していたとしても、炭酸カルシウムの析出量は少なくなり、炭酸カルシウムのスケールの発生が抑制される。

次いで、第１の処理水が、逆浸透膜５から水路１５を介して脱気膜６に供給され、脱気膜６により、その第１の処理水を脱気処理する（脱気工程）。
脱炭酸工程において、原水に含まれていた二酸化炭素の大部分は除去されるが、除去しきれなかったものが第１の処理水に溶存している。そこで、脱気工程において、第１の処理水に溶存している二酸化炭素を除去する。

脱炭酸工程において、原水に含まれていた二酸化炭素の大部分は除去されているため、脱気工程では、二酸化炭素の除去により、脱気膜６に過剰な負荷が発生することを防止できる。
また、脱気膜６で除去された二酸化炭素は、脱気管２２を介して、真空ポンプ１０によって吸引され、系外に排出される。

次いで、脱気処理された第１の処理水が、脱気膜６から水路１６を介して電気脱イオン装置７に供給され、電気脱イオン装置７により、その第１の処理水から、残存するイオン性物質を更に除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離する（脱イオン工程）。
脱気膜６からの第１の処理水が電気脱イオン装置７の脱塩室に供給されると、第１の処理水中の陰イオンは、アニオン交換膜を通過して陽極側の濃縮室に移動し、第１の処理水中の陽イオンは、カチオン交換膜を通過して陰極側の濃縮室に移動する。これにより、脱塩室から処理水槽８へ排出される第２の処理水は、イオン性物質が除去されたものとなる。これにより、純水を製造することができる。

脱イオン工程において、第２の処理水は、電気脱イオン装置７の脱塩室から水路１７を介して処理水槽８へ排出され、処理水槽８に収容される。処理水槽８に収容された第２の処理水は、必要に応じて、図示しない水路を介して、目的とする（第２の処理水を必要とする）装置、設備等に供給される。

また、脱イオン工程において得られた第２の濃縮水は、返送路１８を介して逆浸透原水槽４の原水へ返送される（返送工程）。これにより、逆浸透膜５における分離工程に供給する原水の水質を向上し、純水の製造方法全体として処理効率を高めることができる。

本実施形態の純水の製造方法によれば、分離工程の前に、酸添加工程により、脱炭酸工程に導入される原水のｐＨを下げて、原水中の炭酸イオンの存在割合を低下させる一方、原水中の二酸化炭素存在割合を増加させ、さらに、脱炭酸工程により、原水中の二酸化炭素の大部分を除去する。そのため、逆浸透膜５にて、カルシウムイオンと炭酸イオンが結合して炭酸カルシウムが生成し、炭酸カルシウムのスケールが発生することを抑制できる。よって、炭酸カルシウムのスケールによって、逆浸透膜５が閉塞することを防止できる。これにより、脱イオン工程へ供給される第１の処理水の水質を向上することができる。したがって、脱イオン工程にて得られた第２の処理水（純水）の水質が向上するとともに、安定して、純水を製造することができる。

また、本実施形態の純水の製造方法によれば、酸添加工程により、原水中のｐＨを下げることで、原水中の炭酸イオンの大部分を二酸化炭素とし、その二酸化炭素の大部分を脱炭酸工程により除去するため、脱気工程において除去する、二酸化炭素の量を低減することができる。よって、脱気工程において、二酸化炭素を除去する際の負荷を低減することができる。これにより、脱気工程の処理能力を増やす必要がなくなる。

１ 純水製造装置
２ 酸添加手段
３ 脱炭酸塔
４ 逆浸透原水槽
５ 逆浸透膜
６ 脱気膜
７ 電気脱イオン装置
８ 処理水槽
１０ 真空ポンプ
１１ 原水路
１２ 配管
１３，１４，１５，１６，１７ 水路
１８ 返送路
２１ 排水管
２２ 脱気管

Claims (5)

1. 原水に酸を添加する酸添加手段と、
   前記酸が添加された原水を脱炭酸処理する脱炭酸塔と、
   前記脱炭酸塔より供給された原水を第１の処理水と第１の濃縮水に分離する逆浸透膜と、
   前記第１の処理水を脱気処理する脱気膜と、
   前記脱気処理された第１の処理水中のイオン性物質を除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離する電気脱イオン装置と、を備えたことを特徴とする純水製造装置。
2. 前記電気脱イオン装置から排出された第２の濃縮水を前記逆浸透膜の入側に返送する返送路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の純水製造装置。
3. 原水に酸を添加する酸添加工程と、
   前記酸が添加された原水を脱炭酸塔により脱炭酸処理する脱炭酸工程と、
   前記脱炭酸処理された原水を逆浸透処理膜により第１の処理水と第１の濃縮水に分離する分離工程と、
   前記第１の処理水を脱気膜により脱気処理する脱気工程と、
   前記脱気処理された第１の処理水を電気脱イオン装置によりイオン性物質を除去し、第２の処理水と第２の濃縮水に分離する脱イオン工程と、を有することを特徴とする純水の製造方法。
4. 前記酸添加工程において、前記原水のｐＨを４〜６に調整することを特徴とする請求項３に記載の純水の製造方法。
5. 前記脱イオン工程において得られた第２の濃縮水を、前記原水に返送する返送工程を有することを特徴する請求項３または４に記載の純水の製造方法。

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