JP2021037469A

JP2021037469A - 電気脱イオン装置及び脱イオン水の製造方法

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Publication number: JP2021037469A
Application number: JP2019160488A
Authority: JP
Inventors: 加藤　晃久; Akihisa Kato; 晃久加藤; 麗奈田部井; Rena Tabei
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-03-11

Abstract

【課題】電気脱イオン装置に充填するイオン交換樹脂の酸化劣化を抑制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、濃縮室１５及び電極室のイオン交換樹脂の架橋度が８〜１５％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＶ酸化器の後段に設置してもイオン交換樹脂の劣化を防ぐことが出来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。

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て脱塩室及び濃縮室を形成し、この脱塩室にイオン交換樹脂を充填したものである。カチオン交換膜やアニオン交換膜などのイオン交換膜としては、粉末状のイオン交換樹脂にポリスチレンなどの結合剤を加えて製膜する不均質膜、スチレン−ジビニルベンゼン等の重合によって製膜する均質膜、さらには各種アニオン交換機能あるいはカチオン交換機能を有する単量体をグラフト重合により製膜したものなどが用いられている。

電気脱イオン装置において、脱塩室に原水を通過させるとともに濃縮室に濃縮水を通過させ、陰極及び陽極間に電流を流すと、脱塩室から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イオンが移動することにより、脱塩室から脱イオン水（純水）が得られる。濃縮室を流れるイオンが濃縮された濃縮水は廃棄されるか、あるいは部分的にリサイクルされる。このような電気脱イオン装置は、種々の産業、例えば半導体製造などに用いる超純水製造装置として利用されている（例えば特許文献１）。

特開２０１８−４３１９１号公報

超純水製造プロセスにおいて、電気脱イオン装置がＵＶ酸化器の出口側に設置されると、ＵＶ酸化器から発生する過酸化水素などの酸化物質によって電気脱イオン装置内の樹脂が酸化劣化する。
即ち、電気脱イオン装置に酸化物質が入ってくると、装置内に充填されているイオン交換樹脂の架橋構造が破壊され、樹脂の酸化劣化（破砕）が起きる。樹脂の劣化が起きると、樹脂からＴＯＣや微粒子が吐出されたり、イオン交換基が破壊される。これらの劣化が起こると、処理水水質が悪化してしまう。一般的な架橋度４〜６％のイオン交換樹脂の場合、架橋構造が少ないため、酸化劣化しやすい問題がある。
これを防止するためには、電気脱イオン装置をＵＶ酸化器よりも前段に設置する必要がある。しかし、その場合は電気脱イオン装置とは別にＵＶ酸化器後段にイオン交換樹脂（ポリッシャー）を設置しなければならず、フローが複雑となってしまう問題がある。

本発明は、電気脱イオン装置内のイオン交換樹脂の酸化劣化を抑制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を提供することを目的とする。

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、脱塩室、濃縮室及び電極室にはイオン交換樹脂が充填されている電気脱イオン装置において、該脱塩室、濃縮室及び電極室の少なくとも一つのイオン交換樹脂の架橋度が８〜１５％であることを特徴とする。

本発明の一態様では、前記脱塩室、濃縮室及び電極室のすべてのイオン交換樹脂の架橋度が８〜１５％である。

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ことを特徴とする。

本発明の電気脱イオン装置では、脱塩室、濃縮室及び電極室の少なくとも一つに充填されるイオン交換樹脂の架橋度を８〜１５％にすることで、イオン交換樹脂の酸化劣化を防ぎ、ＵＶ酸化器の後段に電気脱イオン装置を設置することが可能となる。またＵＶ酸化器と電気脱イオン装置を組合せた超純水製造装置への適用も可能となる。

実施の形態に係る電気脱イオン装置の模式的な断面図である。実施例及び比較例のフロー図である。実施例及び比較例の結果を示すグラフである。

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、イオン交換樹脂が充填されている。

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。

脱塩室１６に被処理水を上下方向に通水する場合、脱塩室１６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。

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＝６０〜９０：４０〜１０、特に６０〜８０：４０〜２０（乾燥重量比）の範囲であることが好ましい。

濃縮室１５、陽極室１７及び陰極室１８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（乾燥重量比）の混合樹脂であることが好ましい。

イオン交換樹脂の粒径は０．１〜０．７ｍｍの範囲が好ましい。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ある。

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。

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、１〜３００特に４０〜２００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／ｍ^２以上特に５０〜２００Ａ／ｍ^２とりわけ７５〜１２５Ａ／ｍ^２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ＵＶ酸化器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］
図２に示すように、工業用水をＲＯ処理した水をＵＶ酸化器１、電気脱イオン装置２に順次に通水した。電気脱イオン装置２は、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ものである。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１０ｍｍとした。

脱塩室、濃縮室、陽極室及び陰極室には、架橋度１０％のアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂（アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂の比率５０：５０）を充填した。

なお、アニオン交換樹脂の平均粒径は０．６ｍｍ、カチオン交換樹脂の平均粒径は０．６ｍｍである。

この電気脱イオン装置２に電流密度１０Ａ／ｍ^２で電流を流し、ＵＶ酸化器１の流出水を、脱塩室にＬＶ＝８０ｍ／ｈｒで下向流通水し、脱塩室の流出水の１０％を濃縮室にＬＶ＝３０ｍ／ｈｒで上向流通水し、残部を処理水として取り出した（生産水量１５ｍ^３／ｈ、回収率９０％）。

得られた処理水（脱塩室流出水）中の微粒子数を微粒子計（リオン株式会社製Ｋ−ＬＡＭＩＣＫＳ１、微粒子測定範囲≧５０ｎｍ）によって測定、その経時変化を図３に示した。

［比較例１］
実施例１において、イオン交換樹脂の架橋度を４％としたこと以外は実施例１と同一条件で被処理水を通水した。結果を図３に示す。

＜結果・考察＞
図３の通り、架橋度４％のイオン交換樹脂は微粒子の吐出し量が通水開始直後から徐々に増加し、酸化劣化が進行していることが分かる。これに対して、架橋度１０％のイオン交換樹脂を用いた場合は、微粒子の吐出しがなく安定している。つまり、酸化劣化を抑制できることが分かる。

以上の通り、架橋度が高い樹脂を充填した電気脱イオン装置を用いることで、ＵＶ酸化器の後段に電気脱イオン装置を設置することが可能となる。

１ＵＶ酸化器
２電気脱イオン装置
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

Claims

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、
脱塩室、濃縮室及び電極室にはイオン交換樹脂が充填されている電気脱イオン装置において、
該脱塩室、濃縮室及び電極室の少なくとも一つのイオン交換樹脂の架橋度が８〜１５％であることを特徴とする電気脱イオン装置。
前記脱塩室、濃縮室及び電極室のすべてのイオン交換樹脂の架橋度が８〜１５％であることを特徴とする請求項１の電気脱イオン装置。
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。
被処理水をＵＶ酸化器に通水した後、前記電気脱イオン装置で脱イオン処理することを特徴とする請求項３の脱イオン水の製造方法。