JP2020089803A - 炭酸除去システム、純水製造装置及び炭酸除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で水中の炭酸濃度を効果的に低減させる。【解決手段】炭酸含有水から炭酸を除去して炭酸除去水を生成する炭酸除去システム１０１は、炭酸除去水が貯留される貯留部１０３が下方に形成され、貯留部１０３の上方に上部空間１０４が形成されるタンク１０２と、上部空間１０４に設けられ、炭酸含有水を噴霧して炭酸を除去する第１のスプレイノズル１０５と、上部空間１０４に設けられた給気口１０８及び排気口１０９と、気体が給気口１０８から上部空間１０４に流入し排気口１０９から排気されるように、上部空間１０４の気体を強制流動させる気体流動手段（ファン）１０７と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は炭酸除去システム、純水製造装置及び炭酸除去方法に関し、特に純水製造装置が備える炭酸除去システムの構成に関する。

純水製造装置ではイオンや塩類を除去する目的で逆浸透膜装置が設けられることがある。逆浸透膜装置への供給水に炭酸が含まれていると、炭酸が逆浸透膜装置を透過し処理水の水質が悪化する。そのため、逆浸透膜装置の前段に脱炭酸塔や脱炭酸膜装置を設けて、逆浸透膜装置への供給水に含まれる炭酸を除去することがある。しかし、設置スペースの関係などの理由により、脱炭酸塔や脱炭酸膜装置の設置が難しい場合がある。

特許文献１には、原水（被処理水）を貯留する原水タンクと、原水タンクの後段に設けられた逆浸透膜装置と、逆浸透膜装置で発生する濃縮水を原水タンクに戻す戻し管と、を有する脱炭酸水製造装置が開示されている。戻し管には、空気を吸引し濃縮水と空気との混合物を生成するエゼクタが設けられている。戻し管の端部には原水タンクの上部空間に位置するスプレイノズルが設けられ、スプレイノズルから濃縮水と空気の混合物が噴霧される。これによって濃縮水中の遊離二酸化炭素が炭酸ガスとして分離され、分離された炭酸ガスが原水タンクの上部の排気管から排気される。

特開平７−２６５８５４号公報

特許文献１に記載の脱炭酸水製造装置は、脱炭酸塔や脱炭酸膜装置を設けなくても、濃縮水中の炭酸を低減させることができる。しかし、特許文献１に記載の脱炭酸水製造装置は、分離された炭酸ガスを原水タンクから積極的に排気していない。したがって、分離された炭酸ガスが時間の経過とともに再び原水タンク内の貯留水に溶解するため、その効果は限定的である。

本発明は、簡単な構成で水中の炭酸濃度を効果的に低減させることのできる炭酸除去システムを提供することを目的とする。

本発明の炭酸除去システムは、炭酸含有水から炭酸を除去して炭酸除去水を生成する。炭酸除去システムは、炭酸除去水が貯留される貯留部が下方に形成され、貯留部の上方に上部空間が形成されるタンクと、上部空間に設けられ、炭酸含有水を噴霧して炭酸を除去する第１のスプレイノズルと、上部空間に設けられた給気口及び排気口と、気体が給気口から上部空間に流入し排気口から排気されるように、上部空間の気体を強制流動させる気体流動手段と、を有する。

本発明によれば、噴霧によって炭酸含有水から分離した炭酸ガスが、気体流動手段によって上部空間を強制流動させられる気体によって効率的に排気される。このため、分離した炭酸ガスが貯留部の炭酸含有水に再溶解することが抑制され、簡単な構成で水中の炭酸濃度を効果的に低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る純水製造装置の概略構成図である。 第１のスプレイノズルの概念図である。 本発明の効果を示す図である。

図面を参照して、本発明の一実施形態に係る純水製造装置と炭酸除去システムについて説明する。図１は純水製造装置１の概略構成図を示している。純水製造装置１は１次系によって製造されたろ過水から純水を製造する。１次系は活性炭及び除濁膜を備える、原水を処理する水処理系統を意味し、ろ過水は原水を活性炭に通水し残留塩素を吸着・除去した後、除濁膜に通水し不純物を除去して得られた水である。純水製造装置１は、被処理水であるろ過水を貯留するろ過水タンク２（被処理水貯蔵槽）と、第１段逆浸透膜装置（以下、第１段ＲＯ装置３という）と、第２段逆浸透膜装置（以下、第２段ＲＯ装置４という）と、脱炭酸膜装置５と、電気式脱イオン水製造装置（以下、ＥＤＩ６という）と、を有し、これらが被処理水の流通する方向に沿って直列に配置されている。なお、ＥＤＩ６の代わりにイオン交換樹脂塔などの脱イオン装置を用いることも可能である。

ろ過水タンク２に貯留されたろ過水は、第１段ＲＯ装置３に送られ、塩などが除去される。ろ過水はさらに第２段ＲＯ装置４に送られ、純度がさらに高められる。第１段ＲＯ装置３と第２段ＲＯ装置４はそれぞれ、逆浸透膜１１によって入口側空間１２と出口側空間１３とに仕切られている。入口側空間１２には塩の濃度が上昇した濃縮水が生成され、出口側空間１３には塩の濃度が低下した透過水が生成される。以下の説明で、第１段ＲＯ装置３と第２段ＲＯ装置４の入口側空間１２を濃縮側空間１２、出口側空間１３を透過側空間１３という場合がある。第１段ＲＯ装置３の濃縮側空間１２で形成される濃縮水を第１段濃縮水といい、第２段ＲＯ装置４の濃縮側空間１２で形成される濃縮水を第２段濃縮水という。第１段濃縮水は、後述する炭酸除去システム１０１に送られ、第２段濃縮水は、第２段ＲＯ装置４の入口側空間１２とろ過水タンク２とを接続する第２の戻し管Ｌ６によってろ過水タンク２に戻される。第１段ＲＯ装置３と第２段ＲＯ装置４で浄化されたろ過水は、後段の脱炭酸膜装置５に送られ、炭酸が除去される。炭酸が除去された脱炭酸水は、後段のＥＤＩ６に送られ、イオン成分がさらに除去された純水が生成され、ユースポイント（ＰＯＵ）に送られる。脱炭酸膜装置５がＥＤＩ６の上流に設けられているのは、ＥＤＩ６に充填されるイオン交換樹脂が炭酸による劣化を受けやすいためである。

炭酸除去システム１０１は、第１段濃縮水に含有される炭酸を除去するためのシステムである。本実施形態の純水製造装置１は、第１段濃縮水をブライン逆浸透膜装置７でろ過処理し、ブライン逆浸透膜装置７で生成された透過水をろ過水タンク２に戻すように構成されている。ここで、第１段濃縮水に炭酸が含有されている場合、第１段濃縮水に含有される炭酸がブライン逆浸透膜ＲＯ７を透過してタンク２に戻ってしまう。したがって、本実施形態では、ブライン逆浸透膜装置７の前段に炭酸除去システム１０１を設けて、第１段濃縮水に含有される炭酸を除去している。

炭酸除去システム１０１は、炭酸の少なくとも一部、好ましくは実質的に全ての炭酸が除去された第１段濃縮水（炭酸除去水）を貯留する第１段濃縮水タンク１０２と、第１段濃縮水タンク１０２の上部空間に存在する気体を強制流動させる気体流動手段（ファン）１０７と、を有している。また、炭酸除去システム１０１に関連する設備として、純水製造装置１は、第１段ＲＯ装置３の濃縮側空間１２に接続され、第１段濃縮水を第１段濃縮水タンク１０２に供給する第１段濃縮水供給配管Ｌ１と、ブライン逆浸透膜装置７と、第１段濃縮水タンク１０２をブライン逆浸透膜装置７に接続する接続配管Ｌ２と、ブライン逆浸透膜装置７の透過側空間１３をろ過水タンク２に接続する第１の戻し配管Ｌ５と、を有している。

第１段濃縮水タンク１０２は、炭酸が除去された第１段濃縮水を貯留する貯留部１０３と、貯留部１０３の上方に形成された上部空間１０４と、に区分されている。上部空間１０４には、第１のスプレイノズル１０５が設けられている。具体的には、第１のスプレイノズル１０５は、第１段濃縮水供給配管Ｌ１の第１段濃縮水タンク１０２側の端部に、上部空間１０４に位置するように取り付けられている。第１のスプレイノズル１０５は、第１段濃縮水供給配管Ｌ１を介して第１段ＲＯ装置３の濃縮側空間１２に接続され、第１段ＲＯ装置３の濃縮側空間１２から供給された第１段濃縮水を上部空間１０４に噴霧する。第１段濃縮水タンク１０２は、オーバーフローライン１１２を有しており、オーバーフローライン１１２を超えて貯留水の水位が上昇することはない。このため、第１段濃縮水タンク１０２の貯留部１０３の上方には、常に上部空間１０４が確保され、スプレイノズル１０５による第１段濃縮水の噴霧が可能となっている。

図２には、第１のスプレイノズル１０５の概念的な側方図を示す。第１のスプレイノズル１０５は、第１段濃縮水供給配管Ｌ１に接続される接続部１０５ａと、接続部１０５ａの下方に位置する螺旋部１０５ｂとを有している。接続部１０５ａは第１段濃縮水供給配管Ｌ１と同じ内径の流路１０５ｃを有し、その下端が開放されている。螺旋部１０５ｂは螺旋状に下方に巻回する線状体からなっている。線状体は矩形断面を有し、一つの面が上方を向いている。螺旋部１０５ｂは概ね円錐形状の包絡面をなしており、下側ほど径が小さくなっている。接続部１０５ａの内部の流路１０５ｃを出た第１段濃縮水は螺旋部１０５ｂの互いに対向する面の間で衝突を繰り返しながら大きな噴射角で噴霧される。第１のスプレイノズル１０５の噴射角θは１６０度以上、１８０度以下であることが望ましい。第１のスプレイノズル１０５として、例えば（株）いけうち製広角充円錐ノズルＵＺＵＪＰシリーズ（噴射角θ＝１７０度）を用いることができる。

図１に示すように、第１段濃縮水供給配管Ｌ１と、第１のスプレイノズル１０５と、第１段濃縮水タンク１０２と、接続配管Ｌ２と、ブライン逆浸透膜装置７と、第１の戻し配管Ｌ５は循環ループを構成している。以下に示すように、第１段濃縮水タンク１０２に貯留された、炭酸が除去された（つまり、炭酸濃度が低減された）第１段濃縮水は、ブライン逆浸透膜装置７で塩などを除去され、第１の戻し配管Ｌ５によってろ過水タンク２に戻され、第１段ＲＯ装置３の濃縮側空間１２から再び第１段濃縮水タンク１０２に戻される。このような循環ループによって、炭酸濃度が低減された第１段濃縮水をろ過水タンク２に戻すことで、脱炭酸膜装置５の入口における被処理水の炭酸濃度が十分なレベルにまで低減される。

第１段濃縮水タンク１０２の上部空間１０４には、給気口１０８と排気口１０９が設けられている。具体的には、給気口１０８及び排気口１０９は、上部空間１０４に開口するように、第１段濃縮水タンク１０２に設けられている。給気口１０８には、接続配管１１０を介してファン１０７が接続されている。ファン１０７は、防水仕様のものが望ましく、例えばオリエンタルモーター（株）製防水プロペラファンＭＤＰシリーズを用いることができる。第１段濃縮水タンク１０２内の噴霧水がファン１０７に直接吹き付けられないように、接続配管１１０は上に凸となる形状に曲げられている。ファン１０７は外部から気体を吸引し、吸引した気体を給気口１０８から上部空間１０４に給気する。これによって、気体が上部空間１０４に流入し、排気口１０９から排気される。ファン１０７はこのように上部空間１０４内の気体を給気口１０８から排気口１０９に向かって強制流動させる気体流動手段の一例である。気体の種類は特に限定されず、窒素ガスなどでもよいが、通常は空気である。気体流動手段としては、例えば排気口１０９に接続された真空ポンプ、排気ファンなどを用いることも可能で、給気口１０８と排気口１０９にそれぞれ給気ファンと排気ファンを接続してもよい。

排気口１０９は、気体排出配管１１１に接続されている。気体排出配管１１１も接続配管１１０と同様上に凸となる形状に曲げられており、これによって第１段濃縮水タンク１０２内の噴霧水が第１段濃縮水タンク１０２から流出することが防止される。オーバーフローライン１１２は通常空気が充填されているため、オーバーフローライン１１２の入口も他の排気口として機能する。つまり、本実施形態の第１段濃縮水タンク１０２には２つの排気口が設けられているが、排気口は少なくとも一つあればよく、いずれか一つを省略することもできる。気体排出配管１１１を設け、オーバーフローライン１１２を省略する場合、第１段濃縮水タンク１０２の上部空間１０４を確保する手段を別途設けることが望ましい。例えば、第１段濃縮水タンク１０２に水位計を設け、水位が一定レベルを超えないように、水位計で測定した水位に応じて第１段濃縮水の流量を調整することができる。

第１のスプレイノズル１０５から噴霧された第１段濃縮水は、上部空間１０４の空気と気液接触し、それによって第１段濃縮水に溶存していた炭酸（遊離二酸化炭素）が炭酸ガスとして分離する。炭酸ガスは、上部空間１０４内の給気口１０８から排気口１０９に向かう空気の流れに乗って、気体排出配管１１１及びオーバーフローライン１１２から空気とともに積極的に排気される。これによって、第１段濃縮水に含まれる炭酸が分離して除去されると共に、分離した炭酸が上部空間１０４内から系外に積極的に排出される。

ブライン逆浸透膜装置７は、第１段濃縮水タンク１０２から供給される、炭酸が除去された第１段濃縮水をろ過処理し、塩などを除去する。ブライン逆浸透膜装置７も第１段ＲＯ装置３及び第２段ＲＯ装置４と同様の構成を有し、逆浸透膜１１によって入口側空間（濃縮側空間）１２と出口側空間（透過側空間）１３とに仕切られている。ブライン逆浸透膜装置７の透過水は第１の戻し配管Ｌ５によってろ過水タンク２に戻され、ブライン逆浸透膜装置７の濃縮水は接続配管Ｌ３によって第１段濃縮水タンク１０２に戻される。第１段濃縮水タンク１０２の上部空間１０４には第２のスプレイノズル１０６が設けられ、接続配管Ｌ３が第２のスプレイノズル１０６に接続されている。濃縮水は第２のスプレイノズル１０６によって第１段濃縮水タンク１０２の上部空間１０４に噴霧される。濃縮水に含まれる炭酸は第１段濃縮水に含まれる炭酸と同様にして濃縮水から分離され、ファン１０７によって排気される。第２のスプレイノズル１０６は第１のスプレイノズル１０５と同様の構成を有しているが、流量が小さいため、第１のスプレイノズル１０５より小型のものでよい。

第１段濃縮水供給配管Ｌ１には、塩酸注入手段８が接続されている。塩酸注入手段８は、塩酸を貯留する塩酸貯槽８ａと、塩酸貯槽８ａを第１段濃縮水供給配管Ｌ１に接続する塩酸注入配管８ｂと、塩酸注入配管８ｂ上に設けられた塩酸注入ポンプ８ｃと、を有している。塩酸を第１段濃縮水に注入することによって、第１段濃縮水のｐＨが５．４〜４．０程度、好ましくは４．８程度に調整される。これによって、遊離二酸化炭素の第１段濃縮水からの分離がさらに促進され、炭酸除去システム１０１の脱炭酸性能が高められる。

以上説明したように、本実施形態の炭酸除去システム１０１は、第１段濃縮水タンク１０２の上部空間１０４に位置する第１のスプレイノズル１０５と、上部空間１０４の気体を強制流動させる気体流動手段（ファン１０７）と、を設けるだけの簡易な構成で第１段濃縮水ないし被処理水の炭酸濃度を低減させることができる。このため、従来逆浸透膜装置の上流に設けていた脱炭酸塔や脱炭酸膜装置を省略することができる。また、配置スペースの関係から脱炭酸塔や脱炭酸膜装置を設置できない場合も、本実施形態の炭酸除去システム１０１を適用することで、被処理水の炭酸濃度を効果的に低減させることができる。

また、本実施形態の炭酸除去システム１０１では、ファン１０７で上部空間１０４内の気体を強制流動させているので、上部空間１０４内の炭酸は、上部空間１０４内の給気口１０８から排気口１０９に向かう空気の流れに乗って、気体排出配管１１１及びオーバーフローライン１１２から空気とともに積極的に系外に排気される。このように、本実施形態の炭酸除去システム１０１では、第１段濃縮水タンク１０２内で分離された炭酸を積極的に排気することができるので、上部空間１０４内に炭酸が充満することがなく、貯留部１０３の貯留水に溶解することを抑制することができる。

（実施例）
ファン１０７の効果を検討するため、図１に示す設備を用いて試験を行った。具体的には、ファン１０７を運転しながら純水製造装置１を稼動した場合（実施例）とファン１０７の運転をしないで純水製造装置１を稼動した場合（比較例）とを対象に、第１段濃縮水タンク１０２の上流（但し、塩酸注入点より下流）のＡ点と第１段濃縮水タンク１０２の下流（ブライン逆浸透膜装置７の入口）のＢ点での第１段濃縮水の炭酸濃度を測定した。比較例では、ファン１０７は停止しているが、第１段濃縮水タンク１０２は完全な密閉状態ではなく、自然対流による若干の空気の流動は可能な状態となっている。炭酸濃度の指標としては無機炭素濃度を用いた。測定はオフラインで行い、純水製造装置１の稼動後０分、６０分、９０分、１２０分の時点でＡ点、Ｂ点での第１段濃縮水をサンプリングして、炭酸濃度の時間的変化を取得した。測定は４回行い、１回目の測定結果は測定誤差が大きい可能性があることから棄却し、２回目から４回目の測定結果を採用した。２回目から４回目の測定結果はほとんど同じであったため、ここでは２回目のデータだけを示す。

図３は、横軸に時間を、縦軸に第１段濃縮水の無機炭素濃度を示している。比較例ではＡ点の無機炭素濃度は２０〜２３．５ｐｐｍ程度の範囲にあり、Ｂ点の無機炭素濃度は６０分までは低いレベルにあるが、その後急激に増加している。これは、純水製造装置１の稼動後しばらくはスプレイノズル１０５，１０６からの噴霧の効果で炭酸濃度が減少するものの、その後第１段濃縮水タンク１０２の上部空間１０４の炭酸ガスの濃度が上昇し、それとともに第１段濃縮水への炭酸ガスの再溶解が発生し、Ｂ点の無機炭素濃度が上昇したためと考えられる。１２０分経過後にはＢ点の無機炭素濃度はほぼＡ点の無機炭素濃度と同程度となった。これは、スプレイノズル１０５，１０６からの噴霧によって単位時間当たりに除去される炭酸の量と、再溶解によって単位時間当たりに増加する炭酸の量がバランスしたこと、換言すればスプレイノズル１０５，１０６からの噴霧によって第１段濃縮水から炭酸が除去される効果が完全になくなったことを意味する。これに対して、実施例では、Ｂ点の無機炭素濃度はほぼ一定値を維持しており、経過時間によらずＢ点の無機炭素濃度はＡ点の無機炭素濃度の２０〜３０％程度となっている。このことは、第１段濃縮水タンク１０２の上部空間１０４の炭酸ガスがファン１０７によって効率的に系外に排出され、炭酸ガスの第１段濃縮水への再溶解が抑制されたことを示している。

１純水製造装置
２ ろ過水タンク（被処理水貯蔵槽）
３ 第１段逆浸透膜装置（第１段ＲＯ装置）
４ 第２段逆浸透膜装置（第２段ＲＯ装置）
６ 電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ）
７ ブライン逆浸透膜装置
８ 塩酸注入手段
１０１ 炭酸除去システム
１０２ 第１段濃縮水タンク
１０４ 上部空間
１０５ 第１のスプレイノズル
１０６ 第２のスプレイノズル
１０７ 気体流動手段（ファン）
１０８ 給気口
１０９ 排気口
１１１ 気体排出配管
１１２ オーバーフローライン
Ｌ１ 第１段濃縮水供給配管
Ｌ５ 第１の戻し配管

Claims (7)

1. 炭酸含有水から炭酸を除去して炭酸除去水を生成する炭酸除去システムであって、
   前記炭酸除去水が貯留される貯留部が下方に形成され、前記貯留部の上方に上部空間が形成されるタンクと、
   前記上部空間に設けられ、前記炭酸含有水を噴霧して炭酸を除去する第１のスプレイノズルと、
   前記上部空間に設けられた給気口及び排気口と、
   気体が前記給気口から前記上部空間に流入し前記排気口から排気されるように、前記上部空間の気体を強制流動させる気体流動手段と、を有する炭酸除去システム。
2. 前記気体流動手段は前記給気口に接続されたファンである、請求項１に記載の炭酸除去システム。
3. 前記第１のスプレイノズルは、螺旋状に下方に巻回する線状体を有し、
   前記線状体は、矩形断面を有し、一つの面が上方を向いている、請求項１または２に記載の炭酸除去システム。
4. 前記排気口に接続された気体排出配管またはオーバーフローラインを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の炭酸除去システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の炭酸除去システムと、
   炭酸を含む被処理水を貯留する被処理水貯蔵槽と、
   前記被処理水貯蔵槽の後段に設けられ、被処理水をろ過する逆浸透膜装置と、
   前記逆浸透膜装置の濃縮側空間を前記炭酸除去システムの前記第１のスプレイノズルに接続し、前記濃縮側空間で発生した濃縮水を前記炭酸含有水として前記第１のスプレイノズルに供給する濃縮水供給配管と、
   前記タンクに接続され、前記タンクに貯留された前記炭酸除去水をろ過するブライン逆浸透膜装置と、
   前記ブライン逆浸透膜装置の透過側空間を前記被処理水貯蔵槽に接続する戻し配管と、を有する純水製造装置。
6. 前記濃縮水供給配管に接続された酸注入手段を有する、請求項５に記載の純水製造装置。
7. 炭酸含有水から炭酸を除去して炭酸除去水を生成する炭酸除去方法であって、
   前記炭酸除去水が貯留される貯留部が下方に形成され、前記貯留部の上方に上部空間が形成され、前記上部空間に給気口と排気口が設けられたタンクの前記上部空間に前記炭酸含有水を噴霧することと、
   気体が前記給気口から前記上部空間に流入し前記排気口から排気されるように、前記上部空間の気体を気体流動手段によって強制流動させることと、を有する炭酸除去方法。

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