JP2020199436A - 超純水製造装置及び超純水製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器でのエネルギー消費量を削減することの可能な超純水製造装置及びこれを用いた超純水製造方法を提供する。【解決手段】 超純水製造装置１は、前処理システム２、一次純水製造装置３及び一次純水を処理する二次純水製造装置（サブシステム）４で構成される。一次純水製造装置３は、前処理水Ｗ０のタンク１１、予熱器１５、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２、イオン交換装置１３及び脱気装置１４を備える。そして、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２の後段に熱交換器１６が配置されている。【選択図】 図１

Description

本発明は半導体、液晶等の電子産業分野で利用される超純水を製造する超純水製造装置及びこの超純水製造装置を用いた超純水の製造方法に関する。

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、図２に示すように前処理システム２、一次純水製造装置３及び一次純水を処理する二次純水製造装置（サブシステム）４で構成される超純水製造装置１で原水（工業用水、市水、井水等）Ｗを処理することにより製造されている。

凝集、加圧浮上（沈殿）、濾過（膜濾過）装置などよりなる前処理システム２では、原水Ｗ中の懸濁物質やコロイド物質の除去を行う。また、この過程では高分子系有機物、疎水性有機物などの除去も可能である。

一次純水製造装置３は、前処理された水Ｗ０のタンク１１、予熱器１５、熱交換器１６、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２、イオン交換装置（混床式又は４床５塔式など）１３及び脱気装置１４を備える。この一次純水製造装置３では、原水中のイオンや有機成分の除去を行う。なお、水は温度が高い程、粘性が低下し、膜装置などの透過性が向上する。このため、図２に示す通り、逆浸透膜装置１２の前段に予熱器１５及び熱交換器１６が設置され、熱交換器１６の出口水を所定温度となるように制御することより、水の粘度を低下させ、逆浸透膜装置１２、イオン交換装置１３及び脱気装置１４への供給水の温度が所定温度以上となるように水を加温するとともに、二次純水製造装置４への供給水である一次純水Ｗ１を所定の温度に制御する。熱交換器１６の１次側には、熱源流体として蒸気が供給される。逆浸透膜装置１２では、所定の回収率で被処理水を処理することにより塩類を除去すると共に、イオン性やコロイド性のＴＯＣを除去する一方、濃縮水Ｗ３を排出する。イオン交換装置１３では、塩類を除去すると共にイオン交換樹脂によって吸着又はイオン交換されるＴＯＣ成分の除去を行う。そして、脱気装置１４では無機系炭素（ＩＣ）、溶存酸素の除去を行う。

一次純水製造装置で製造された一次純水Ｗ１は、配管１７を介して二次純水製造装置４へ送水される。この二次純水製造装置４は、一次純水タンク２１、ポンプ２２、熱交換器２３、低圧紫外線酸化装置（ＵＶ酸化装置）２４、非再生式のイオン交換装置２５及び限外濾過膜（ＵＦ膜）２６を備えている。低圧紫外線酸化装置２４では、低圧紫外線ランプより出される１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、さらにはＣＯ_２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ_２は後段のイオン交換装置２５で除去される。限外濾過膜装置２６では、微粒子が除去され、イオン交換樹脂からの流出粒子も除去される。

この二次純水製造装置４で製造された超純水Ｗ２は、配管２７を介してユースポイント５に送られ、未使用の超純水は配管２８を介して一次純水タンク２１へ戻される。なお、ポンプ２２の圧力が不足する場合、イオン交換装置２５の上流側（例えばＵＶ酸化装置２４とイオン交換装置２５の間）に昇圧ポンプが設置されることもある。

熱交換器２３は、二次純水製造装置４からユースポイント５に送水される超純水Ｗ２の水温を所定温度（例えば約２５℃程度）にするためのものである。 一般に、二次純水製造装置４で製造された超純水Ｗ２はユースポイント５へ供給され、余剰の超純水Ｗ２（未使用）はユースポイント５から二次純水製造装置４へ返送され、該二次純水製造装置４で再度処理されて一定の超純水水質を維持しながら循環する。そして、常時循環することで水が滞留せず、微生物の繁殖が抑制されている。この循環途中において、ポンプ２２や低圧紫外線酸化装置２４の紫外線照射のランプの熱などにより循環超純水の水温が上昇するのを熱交換器２３によって奪熱し、循環する超純水の水温を所定温度に維持する。

なお、この二次純水製造装置４からの超純水Ｗ２をさらに三次純水製造装置で処理して不純物濃度をさらに低下させることもある。三次純水製造装置としては、二次純水製造装置と同様の構成のものを用いることができる。

上述したような前処理水Ｗ０を逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２の前段で予熱器１５及び熱交換器１６により加温処理する超純水製造装置として、例えば特許文献１に示すものが提案されている。

特開２０１３−１１９０６０号公報

しかしながら、近年、従来の熱交換器で前処理水Ｗ０を加温する一次純水製造装置（超純水製造装置）においても省エネルギー化が求められており、熱交換器１６でのエネルギー（蒸気）消費量を削減できることが望ましい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも熱交換器によるエネルギー消費量を削減することの可能な超純水製造装置及びこれを用いた超純水製造方法を提供することを目的とする。

上記目的に鑑み、本発明は第一に、熱交換器及び逆浸透膜分離手段を備えた一次純水製造装置と、該一次純水製造装置から得られた一次純水を処理する二次純水製造装置とを有する超純水製造装置であって、前記熱交換器が前記逆浸透膜分離手段の後段に設けられている超純水製造装置を提供する（発明１）。

かかる発明（発明１）によれば、逆浸透膜分離手段の処理水を熱交換器で加温することが可能となり、逆浸透膜分離手段の供給水を加温する場合と比較して、逆浸透膜分離手段の回収率に応じて熱交換器での熱源流体の使用量を低減することができる。

上記発明（発明１）においては、前記逆浸透膜分離手段の処理水の流量検出手段及び温度検出手段と、前記熱交換器の出口水の目標温度を設定する手段と、これら流量検出手段及び温度検出手段で検出される流量及び温度に基づいて、この目標温度となるように熱交換器への熱源流体の供給量を制御する手段とを備えるのが好ましい（発明２）。

かかる発明（発明２）によれば、逆浸透膜分離手段の処理水の流量及び温度に基づいて、熱交換器への熱源流体の供給量を制御することができるので、熱源流体使用量をさらに最適化することができる。

また、本発明は第二に、熱交換器及び逆浸透膜分離手段を備えた一次純水製造装置に原水を通水して一次純水を製造し、この一次純水を二次純水製造装置に通水して超純水を製造する超純水製造方法において、 逆浸透膜分離手段の処理水を熱交換器で加温する超純水製造方法を提供する（発明３）。

かかる発明（発明３）によれば、逆浸透膜分離手段の処理水を熱交換器で加温することにより、逆浸透膜分離手段の供給水を加温する場合と比較して、逆浸透膜分離手段の回収率に応じて蒸気使用量を低減することができる。

前記発明（発明３）においては、前記逆浸透膜分離手段の処理水の流量及び温度を計測し、この計測された流量及び温度に基づいて、前記熱交換器を通過した水が目標温度となるように熱交換器への熱源流体の供給量を制御するのが好ましい（発明４）。

かかる発明（発明４）によれば、逆浸透膜分離手段の処理水の流量及び温度に基づいて、熱交換器への熱源流体の供給量を制御することにより、さらに熱源流体の使用量の最適化を図ることができる。

本発明によれば、熱交換器を逆浸透膜の後段に設けて、逆浸透膜の処理水を熱交換器で加温することにより、逆浸透膜の供給水を加温する場合と比較して、逆浸透膜の回収率に応じて熱源流体の使用量を低減することができ、熱交換器でのエネルギー消費量を削減することが可能となる。

本発明の一実施形態による超純水製造装置を示すフロー図である。 従来の超純水製造装置を示すフロー図である。

以下、本発明の一実施形態による超純水製造装置について添付図面を参照して説明する。

［超純水製造装置］
図１は本発明の一実施形態による超純水製造装置を示すフロー図であり、図１において、超純水製造装置１は基本的には前述した従来例と同じ構成を有するので、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の超純水製造装置１は、図１に示すように前処理システム２、一次純水製造装置３及び一次純水を処理する二次純水製造装置（サブシステム）４で構成される。前処理システム２は、凝集、加圧浮上（沈殿）、濾過（膜濾過）装置などよりなる。

一次純水製造装置３は、前処理水Ｗ０のタンク１１と、予熱器１５と、逆浸透膜分離手段としての逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２と、イオン交換装置（混床式、４床５塔式と、電気再生式イオン交換装置（ＥＤＩ又はＣＤＩ）など）１３と脱気装置１４とを備え、本実施形態においては、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２の後段に熱交換器１６が配置されている。この逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２に用いる逆浸透膜としては特に制限はないが、膜面積が広く、高いフラックスを確保できるものが望ましい。

この一次純水製造装置３には、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２の透過水Ｗ４の流量検出手段としての流量計と、温度検出手段としての温度センサと、熱交換器の出口水Ｗ５の温度センサとが設置されている。これら流量計及び温度センサと、熱交換器１６の出口水Ｗ５の温度センサ及び熱交換器１６とはそれぞれ制御手段に接続されていて、この制御手段に熱交換器１６の出口水Ｗ５の目標温度を設定すると、これら流量計及び温度センサで検出される逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２の透過水Ｗ４の流量及び温度に基づいて、この目標温度となるように熱交換器１６への熱源流体の供給量を制御することが可能となっている。なお、便宜上、透過水Ｗ４の流量計、温度センサと、熱交換器１６の出口水Ｗ５の温度センサ及び制御手段については図示を省略する。

そして、二次純水製造装置４は、一次純水Ｗ１のタンク２１と、ポンプ２２と、熱交換器２３と、低圧紫外線酸化装置（ＵＶ酸化装置）２４と、非再生式のイオン交換装置２５と、限外濾過膜（ＵＦ膜）２６とにより構成される。

［超純水製造方法］
上述したような構成を有する超純水製造装置を用いた超純水の製造方法について説明する。

まず、原水Ｗを前処理システム２に供給して、凝集、加圧浮上（沈殿）、濾過（膜濾過）装置などにより処理する。これにより、原水Ｗ中の懸濁物質やコロイド物質を除去する。また、この前処理システム２で高分子系有機物、疎水性有機物なども除去することができる。ここで処理された前処理水Ｗ０では通常、水中の微粒子数は１０^３個／ｍＬ以下となる。

次にこの前処理水Ｗ０を一次純水製造装置３のタンク１１に一旦貯留した後供給するが、この際予熱器１５によりある程度加温する。これにより前処理水Ｗ０の粘度を低下させて、逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）１２での透過性を向上させる。この加温する温度は、前処理水Ｗ０の温度にもよるが、逆浸透膜装置１２への供給水の温度が１８℃未満では、前処理水Ｗ０の粘度の低下が十分でないだけでなく、後述する熱交換器１６での熱源流体の供給量が多く必要になる一方、２２℃を超えると、予熱器１５での加温のエネルギーの必要量が過大となるため１８〜２２℃程度とすればよい。

このようにして予熱した前処理水Ｗ０を逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）１２で所定の回収率で処理することにより塩類を除去すると共に、イオン性やコロイド性のＴＯＣを除去する一方、濃縮水Ｗ３を排出する。この逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）１２による回収率は、前処理水Ｗ０及び一次純水Ｗ１にもよるが、６０〜９０容積％程度、特に７０〜８０容積％程度である。したがって、逆浸透膜装置（ＲＯ膜装置）１２の透過水Ｗ４は、前処理水Ｗ０よりも回収率を積算した分だけ、その量が少なくなる。このとき、逆浸透膜でのスライム・スケールトラブルを防止するために、スライムコントロール剤やスケール付着防止剤を添加することが好ましい。

続いて、このＲＯ膜透過水Ｗ４を熱交換器１６により再度加温して、所定の温度の出口水Ｗ５を製造する。このＲＯ膜透過水Ｗ４の加温温度は、要求される超純水Ｗ２の水温にもよるが、２３℃未満では熱交換器１６によりあえて最加温するのは効率的でない一方、２７℃を超えると熱交換器１６に供給する熱源流体の供給量が多く必要になるため、２３〜２７℃程度、例えば約２５℃とすればよい。

具体的には、制御手段に熱交換器１６の出口水Ｗ５の目標温度をインプットしておき、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２の透過水Ｗ４の流量及び温度を流量計及び温度センサによりそれぞれ計測し、この計測値に基づいて目標温度となるように熱交換器１６への熱源流体の供給量を決定し、出口水Ｗ５の温度センサの測定値に基づいて熱源流体の供給量を制御すればよい。

このようにＲＯ膜透過水Ｗ４を熱交換器１６で加温することにより、逆浸透膜装置１２の透過水Ｗ４は、前処理水Ｗ０（逆浸透膜装置１２の供給水）よりも回収率を積算した分だけその量が少ないので、逆浸透膜装置１２の供給水を熱交換器１６で加温する場合と比べて、熱交換器１６への熱源流体の供給量を少なくすることができるため、熱交換器でのエネルギー消費量を削減することができる。しかも一次純水Ｗ１の吐出側により近い位置で熱交換器１６により加温することになるので、一次純水Ｗ１の供給温度をより正確に管理することが可能となる、という効果も奏する。

その後、イオン交換装置１３で塩類を除去すると共にイオン交換樹脂によって吸着又はイオン交換されるＴＯＣ成分の除去を行い、脱気装置１４で無機系炭素（ＩＣ）、溶存酸素の除去を行うことにより、一次純水Ｗ１を製造する。

そして、製造された一次純水Ｗ１は、配管１７を介して二次純水製造装置４へ送水され、一次純水タンク２１に一旦貯留される。そして、低圧紫外線酸化装置２４で、低圧紫外線ランプより出される１８５ｎｍの紫外線により微量に残存するＴＯＣを有機酸、さらにはＣＯ_２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ_２は後段のイオン交換装置２５で除去される。限外濾過膜装置２６では、微粒子が除去され、イオン交換樹脂からの流出粒子も除去される。このようにして超純水Ｗ２を製造することができる。

この二次純水製造装置４で製造された超純水Ｗ２は、配管２７を介してユースポイント５に送られ、未使用の超純水は配管２８を介して一次純水タンク２１へ戻される。なお、熱交換器２３は、上述したような超純水Ｗ２の循環利用に伴いポンプ２２や低圧紫外線酸化装置２４の紫外線照射のランプの熱などにより超純水Ｗ２の水温が上昇することがあるので、このような場合には、熱交換器２３によって奪熱し、循環する超純水Ｗ２の水温を所定温度に維持する。

以上、本発明について、前記実施形態に基づき説明してきたが、本発明は前記実施形態に限らず種々の変形実施が可能であり、一次純水製造装置３と二次純水製造装置４は本実施例の構成に限らず種々の構成とすることができる。例えば、一次純水製造装置３では逆浸透膜（ＲＯ）装置１２を２段に直列に配置して、いずれかの透過水を熱交換器１６で加温するようにしてもよい。さらに二次純水製造装置４の後段にさらに三次純水装置を設けてもよい。

以下、実施例及び比較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。

〔比較例１〕
図２に示す超純水製造装置１を用い、原水Ｗを前処理装置２、一次純水製造装置３及び二次純水製造装置４により処理して超純水Ｗ２を製造した。

この際、一次純水製造装置３の給水として１０ｍ^３／ｈの前処理水Ｗ０を予熱器１５で２０℃に加温した後、さらに熱交換器１６で２５℃に加温し、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２で回収率７０容積％で処理してＲＯ膜透過水Ｗ４とした。このときの熱交換器１６での必要熱量は、２１０［ＭＪ／ｈ］であった。

〔実施例１〕
図１に示す超純水製造装置１を用い、原水Ｗを前処理装置２、一次純水製造装置３及び二次純水製造装置４により処理して超純水Ｗ２を製造した。

この際、一次純水製造装置３の給水として１０ｍ^３／ｈの前処理水Ｗ０を予熱器１５で２０℃に加温した後、逆浸透膜装置（ＲＯ装置）１２で回収率７０容積％で処理した。このＲＯ膜透過水Ｗ４をさらに熱交換器１６で２５℃に加温した。このときの熱交換器１６での必要熱量は、１４７［ＭＪ／ｈ］であった。

一方、逆浸透膜装置１２の処理水を２５℃から２０℃に下げたことによる逆浸透膜装置１２の所費電力の増加は、２５℃基準での透過水０．８ｍ／ｄ（ａｔ０．７４ＭＰａ）とすると、２０℃及び２５℃での温度補正係数各々０．１４４及び１であるので、これにより各々の入口圧力は０．８５ＭＰ及び０．７４ＭＰａとなる。よってΔ０．０９ＭＰａが温度変化による全揚程（Δ９ｍ）に影響する。

消費電力Ｗは軸動力Ｗ／モータ効率で求められる。重力加速度９．８ｍ／Ｓ、ポンプ効率８０％、モータ効率８０％を一定とすると、比較例１と実施例１とにおける消費電力の差は以下のように算出される。
消費電力（Ｗ）＝１０００［ｋｇ／ｍ^３］×９．８［ｍ／Ｓ^２］×１０［ｍ^３／ｈ］
×Δ９［ｍ］÷０．８÷０．８
＝１．３８ＭＪ／ｈ

したがって、逆浸透膜装置１２消費電力の増加分１．３８ＭＪ／ｈと熱交換器１６で削減できる熱量６３（２１０−１４７）ＭＪ／ｈとから、６１．６ＭＪ／ｈのエネルギーの削減が見込めることが確認できた。

１ 超純水製造装置
２ 前処理システム
３ 一次純水製造装置
１１ タンク
１２ 逆浸透膜装置（ＲＯ装置）
１３ イオン交換装置
１４ 脱気装置
１５ 予熱器
１６ 熱交換器
１７ 配管
４ 二次純水製造装置（サブシステム）
２１ 一次純水タンク
２２ ポンプ
２３ 熱交換器
２４ 低圧紫外線酸化装置（ＵＶ酸化装置）
２５ イオン交換装置
２６ 限外濾過膜（ＵＦ膜）
２７ 配管
２８ 配管
５ ユースポイント
Ｗ 原水
Ｗ０ 前処理水
Ｗ１ 一次純水
Ｗ２ 超純水
Ｗ３ 濃縮水
Ｗ４ ＲＯ膜透過水
Ｗ５ 出口水

Claims (4)

1. 熱交換器及び逆浸透膜分離手段を備えた一次純水製造装置と、該一次純水製造装置から得られた一次純水を処理する二次純水製造装置とを有する超純水製造装置であって、
   前記熱交換器が前記逆浸透膜分離手段の後段に設けられている超純水製造装置。
2. 前記逆浸透膜分離手段の処理水の流量検出手段及び温度検出手段と、前記熱交換器の出口水の目標温度を設定する手段と、これら流量検出手段及び温度検出手段で検出される流量及び温度に基づいて、 この目標温度となるように熱交換器への熱源流体の供給量を制御する手段とを備える、請求項１に記載の超純水製造装置。
3. 熱交換器及び逆浸透膜分離手段を備えた一次純水製造装置に原水を通水して一次純水を製造し、この一次純水を二次純水製造装置に通水して超純水を製造する超純水製造方法において、
   逆浸透膜装置分離手段の処理水を熱交換器で加温する超純水製造方法。
4. 前記逆浸透膜分離手段の処理水の流量及び温度を計測し、この計測された流量及び温度に基づいて、前記熱交換器を通過した水が目標温度となるように熱交換器への熱源流体の供給量を制御する、請求項３に記載の超純水製造方法。

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