JP2021171709A - 陽イオン交換樹脂再生剤 - Google Patents
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- Treatment Of Water By Ion Exchange (AREA)
Abstract
【課題】水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂について、再生用の処理液の使用量を抑えて安全に再生率を高める。【解決手段】水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生剤は、塩化ナトリウムと、硬度分に対して配位し得るリンゴ酸二ナトリウム、クエン酸ナトリウムまたは乳酸ナトリウムなどの有機酸塩とを含み、水道水を用いて塩化ナトリウムの濃度が１０質量％の水溶液を調製したときの当該水溶液のｐＨが５．８〜８．６になるものである。この再生剤を水に溶解して処理液を調製し、当該処理液で陽イオン交換樹脂を処理すると、当該陽イオン交換樹脂が再生される。【選択図】なし
Description
本発明は、陽イオン交換樹脂の再生剤、特に、水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生剤に関する。
水道水に含まれる硬度分、すなわち、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンは浴室などの水回りに付着する水垢の原因となることが知られているが、肌荒れや皮膚炎などの皮膚障害の原因ともなり得ることも報告されている。そこで、今日、水道水から硬度分を分離するための家庭用の軟水器が上市され、関心を持たれている。
家庭用の軟水器は、陽イオン交換樹脂を充填した容器に水道水を通水し、水道水中の硬度分を陽イオン交換樹脂のナトリウムと交換することで分離するものである。しかし、陽イオン交換樹脂は、水道水の処理量が累積するに従って硬度分の分離能が劣化することから、適時に再生が必要となる。この再生は、陽イオン交換樹脂を食塩水で処理し、陽イオン交換樹脂に捕捉された硬度分を食塩水中のナトリウムイオンと交換するものである。
しかし、再生時の食塩水中においてナトリウムイオンとともに陽イオン交換樹脂から遊離した硬度分が混在することから、食塩水中のイオン環境におけるナトリウムイオンの割合が再生の進行に従って漸次低下することになり、それに伴ってナトリウムイオンの利用効率が低下する。この結果、陽イオン交換樹脂の再生に限界が生じ、再生率がある程度の段階以上に高まりにくくなる。陽イオン交換樹脂に対して食塩水を連続的に通水することで陽イオン交換樹脂側の硬度分を徐々にナトリウムイオンに交換すれば、再生率を高めることができるが、この場合は大量の食塩水が必要となる。
陽イオン交換樹脂の再生は、上述のように食塩水によるのが一般的であるが、理論的には酸の溶液を使用することもできる。例えば、特許文献１は、食塩、クエン酸やリンゴ酸などの有機酸およびコハク酸アルカリ塩を含むイオン交換樹脂の回生剤を食塩の濃度が１０％程度になるよう溶解した水溶液を用いた場合、除鉄、すなわちイオン交換樹脂に沈積した鉄分の除去と同時に再生が行われることを記載している。このような回生剤は、その水溶液の使用量を相対的に抑えて効率的に陽イオン交換樹脂の再生が可能なものと考えられるが、同特許文献の実施例が示すように酸を用いることから処理水のｐＨ低下を招くのが必然であり、家庭用軟水器に対して適用するのは特に安全性の観点において支障がある。
本発明は、水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂について、再生用の処理液の使用量を抑えて安全に再生率を高めようとするものである。
本発明は、水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生剤に関するものである。この再生剤は、塩化ナトリウムと、硬度分に対して配位し得る有機酸塩とを含み、水道水を用いて塩化ナトリウムの濃度が１０質量％の水溶液を調製したときの当該水溶液のｐＨが５．８〜８．６である。
再生剤は、有機酸塩の含有量が塩化ナトリウムに対するモル比で０．０２以上に設定されているのが好ましい。
再生剤に含まれる有機酸塩は、通常、カルシウムイオンに対する錯体の安定度定数が１．０を超える有機酸の塩である。このような有機酸塩は、例えば、リンゴ酸ナトリウム、クエン酸ナトリウムおよび乳酸ナトリウムからなる群から選択された少なくとも一つである。
他の観点に係る本発明は、水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生方法に関するものである。この再生方法は、本発明に係る陽イオン交換樹脂再生剤を水に溶解して処理液を調製する工程と、当該処理液を用いて陽イオン交換樹脂を処理する工程とを含む。
処理液を調製する工程では、通常、有機酸塩の濃度が０．０８ｍｏｌ／Ｌ以上になるよう処理液を調製するのが好ましい。特に、陽イオン交換樹脂再生剤に由来の塩化ナトリウムの濃度が少なくとも２０質量％になるよう処理液を調製するのが好ましい。
また、陽イオン交換樹脂を処理する工程では、通常、処理液の使用量を陽イオン交換樹脂の体積の０．５〜２倍に設定する。
本発明の再生剤は、塩化ナトリウムと、硬度分に対して配位し得る有機酸塩とを含むものであることから、その水溶液の使用量を抑えて安全に、水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生率を高めることができる。
本発明の再生方法は、本発明の再生剤を水に溶解して調製した処理液を用いることから、当該処理液の使用量を抑えて安全に、水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生率を高めることができる。
本発明の再生剤は、水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂を再生するために用いられるものであり、塩化ナトリウムと有機酸塩とを含む。
ここで用いられる有機酸塩は、硬度分、すなわちカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンに対して配位し得るものである。このような有機酸塩は、例えば、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、コハク酸、グルタミン酸、アスパラギン酸、グルコン酸またはピリジン−２−カルボン酸などのアルカリ金属塩である。特に、陽イオン交換樹脂の再生に寄与するナトリウムイオンを後記する処理液中に供給可能なことから、ナトリウム塩が好ましい。有機酸が多塩基酸の場合、その塩は、塩を形成する官能基（典型的にはカルボキシ基。）の全てが塩を形成していてもよいし、一部のみが塩を形成していてもよい。また、有機酸塩は、水和物であってもよい。有機酸塩は、二種類以上のものを併用することもできる。
有機酸塩は、カルシウムイオンに対する錯体の安定度定数が１．０を超える有機酸の塩、例えば、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、グルタミン酸、アスパラギン酸、グルコン酸またはピリジン−２−カルボン酸の塩を用いるのが好ましい。特に、リンゴ酸ナトリウム、クエン酸ナトリウムまたは乳酸ナトリウムを用いるのが好ましい。このような有機酸塩を用いると、陽イオン交換樹脂の再生効率をより高めることができ、塩化ナトリウムの使用量を抑えて陽イオン交換樹脂の再生効率を高めることのできる場合がある。
カルシウムイオンに対する有機酸の錯体の安定度定数とは、カルシウムイオンと有機酸とにより生成する金属錯体の安定度を示す平衡定数をいう。具体的には、カルシウムイオンＭと有機酸Ａとが段階的に反応してＭＡｎのような錯体を生成する場合において、次の式により定義される。
カルシウムイオンに対する有機酸の錯体の安定度定数の具体的な例は、坂口武一、上野景平著、金属キレート［III］（南江堂）によると表１のとおりである。
なお、食品添加物として認められている乳酸、グルタミン酸、グルコン酸またはアスパラギン酸のような有機酸のナトリウム塩を用いた場合、再生後の陽イオン交換樹脂を用いたイオン交換水は、飲用としても特に安全性に優れている。また、水中の溶解度が高い有機酸塩、好ましくは２０℃の溶解度が３ｇ／１００ｇ水以上の有機酸塩、例えば、乳酸塩、グルタミン酸塩またはグルコン酸塩を用いた場合、後記する処理液において有機酸塩を高濃度化することができることから、陽イオン交換樹脂上における有機酸塩の析出や固着を抑制でき、陽イオン交換樹脂の再生率を高めやすくなる。また、陽イオン交換樹脂の再生時に発生する廃液による固着汚れ、例えば、家庭用軟水器を浴室に設置した場合に想定される、浴室床面に固着しやすい廃水痕の発生を抑えることができる。これらの観点から、有機酸塩として乳酸塩、特に、乳酸ナトリウムを用いるのが特に好ましい。
本発明の再生剤における有機酸塩の含有量は、陽イオン交換樹脂の再生効率を高めやすいことから、通常、塩化ナトリウムに対するモル比で０．００２以上に設定するのが好ましく、０．０１以上に設定するのがより好ましく、０．０２以上に設定するのが特に好ましい。有機酸塩の含有量の上限は特に設定されるものではないが、通常は再生剤の経済的観点に照らして設定するのが好ましい。
本発明の再生剤は、水道水を用いて塩化ナトリウムの濃度が１０質量％の水溶液を調製したときの当該水溶液のｐＨが水道水基準（水道法第４条の規定を受けた「水質基準に関する省令」に規定する水質基準）の５．８〜８．６になるものであり、このｐＨの範囲を充足する限りにおいて塩化ナトリウムと有機酸塩以外の成分を含んでいてもよい。
次に、本発明の再生剤を用いた陽イオン交換樹脂の再生方法を説明する。
この再生方法では、先ず、上述の再生剤を水に溶解して処理液を調製する。ここで用いる水は、通常は水道水であるが、蒸留水、イオン交換水または逆浸透膜や限外濾過膜などの濾過膜を用いた処理水などの精製水であってもよい。
この再生方法では、先ず、上述の再生剤を水に溶解して処理液を調製する。ここで用いる水は、通常は水道水であるが、蒸留水、イオン交換水または逆浸透膜や限外濾過膜などの濾過膜を用いた処理水などの精製水であってもよい。
処理液における再生剤の濃度は、陽イオン交換樹脂の再生効率を効果的に高める観点から、有機酸塩の濃度が少なくとも０．０１ｍｏｌ／Ｌになるよう設定するのが好ましく、同濃度が０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上になるよう設定するのがより好ましく、同濃度が０．０８ｍｏｌ／Ｌ以上になるよう設定するのが特に好ましい。有機酸塩の濃度の上限は、特に限定されるものではないが、経済性の観点から、通常は３ｍｏｌ／Ｌに設定するのが好ましい。
また、処理液における再生剤の濃度は、処理液の使用量を抑えて陽イオン交換樹脂の効率的な再生を図る観点から、有機酸塩の濃度を上述のように設定するとともに、再生剤に由来の塩化ナトリウムの濃度が１０質量％以上になるよう設定するのが好ましい。塩化ナトリウムの濃度は、１５質量％以上、特に２０質量％以上になるよう設定するのがより好ましい。塩化ナトリウムの濃度の上限は、塩化ナトリウムの飽和濃度である。
次に、調製した処理液を用いて陽イオン交換樹脂を処理する。処理液による処理方法は、陽イオン交換樹脂と処理液とを接触させることのできる方法であれば特に限定されるものではなく、通常は陽イオン交換樹脂を充填した容器に処理液を通過させ、それによって当該容器内に充填された陽イオン交換樹脂と処理液とを接触させる方法をとることができる。
処理液を用いた陽イオン交換樹脂の処理において、陽イオン交換樹脂に捕捉された硬度分は処理液に含まれるナトリウムと交換される。これにより、陽イオン交換樹脂が再生される。この際、陽イオン交換樹脂から遊離した少なくとも一部の硬度分に対して有機酸塩が配位し、陽イオン交換樹脂に接触する処理液中のイオン環境は硬度分に対してナトリウムイオンが相対的に豊富な状態となることから処理液中のナトリウムイオンの利用効率が高まり、硬度分とナトリウムとの交換が促進される。この結果、陽イオン交換樹脂は、効率的に再生され、再生率が高まる。
処理液の使用量は、多く設定するほど陽イオン交換樹脂の再生率を高めることができるが、再生剤に由来の塩化ナトリウムの濃度が２０質量％以上の処理液を用いる場合、その使用量が陽イオン交換樹脂の体積の０．５〜２倍の少量であっても６０％以上の再生率を期待することができる。
上述の再生方法では、必要量の処理液を調製した後に当該処理液を一度にまたは徐々に陽イオン交換樹脂へ供給することで処理してもよいし、処理液を連続的に調製しながら陽イオン交換樹脂へ供給することで処理してもよい。
［比較例１、実施例１〜４］
表２に示す組成の再生剤を調製した。
表２に示す組成の再生剤を調製した。
調製した再生剤を塩化ナトリウム濃度が１０質量％になるよう蒸留水に個別に溶解し、１．５Ｌの処理液を調製した。調製した処理液における各成分の濃度を表３に示す。未使用（新品）のポリスチレンスルホン酸ナトリウム型陽イオン交換樹脂１Ｌに対して水道水を通水することで完全に破過させ、この陽イオン交換樹脂に対して調製した処理液の全量を５８ｍＬ／分の流速で通液し、再生処理した。再生処理後の陽イオン交換樹脂について再生率を調べた結果を表３に示す。再生率は、次の計算式により求めたものである。
［実施例５〜１１］
表４に示す組成の再生剤を調製した。
表４に示す組成の再生剤を調製した。
調製した再生剤および比較例１の再生剤を表５に示す濃度になるよう蒸留水に個別に溶解し、処理液を調製した。未使用（新品）のポリスチレンスルホン酸ナトリウム型陽イオン交換樹脂１Ｌに対して水道水を通水することで完全に破過させ、この陽イオン交換樹脂に対して調製した処理液を１５０ｍＬ／分〜２００ｍＬ／分の流速で通液し、再生処理した。陽イオン交換樹脂の体積に対する処理液の使用量比は、表５に示すように設定した。再生処理後の陽イオン交換樹脂について再生率を調べた結果を表５に示す。再生率の求め方は既述のとおりである。
Claims (8)
- 水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生剤であって、
塩化ナトリウムと、硬度分に対して配位し得る有機酸塩とを含み、
水道水を用いて前記塩化ナトリウムの濃度が１０質量％の水溶液を調製したときの当該水溶液のｐＨが５．８〜８．６である、
陽イオン交換樹脂再生剤。 - 前記有機酸塩の含有量が前記塩化ナトリウムに対するモル比で０．０２以上に設定されている、請求項１に記載の陽イオン交換樹脂再生剤。
- 前記有機酸塩は、カルシウムイオンに対する錯体の安定度定数が１．０を超える有機酸の塩である、請求項１または２に記載の陽イオン交換樹脂再生剤。
- 前記有機酸塩がリンゴ酸ナトリウム、クエン酸ナトリウムおよび乳酸ナトリウムからなる群から選択された少なくとも一つである、請求項３に記載の陽イオン交換樹脂再生剤。
- 水道水に含まれる硬度分をナトリウムイオンとの交換により分離可能な陽イオン交換樹脂の再生方法であって、
請求項１から４のいずれかに記載の陽イオン交換樹脂再生剤を水に溶解して処理液を調製する工程と、
前記処理液を用いて前記陽イオン交換樹脂を処理する工程と、
を含む陽イオン交換樹脂の再生方法。 - 前記有機酸塩の濃度が０．０８ｍｏｌ／Ｌ以上になるよう前記処理液を調製する、請求項５に記載の陽イオン交換樹脂の再生方法。
- 前記陽イオン交換樹脂再生剤に由来の塩化ナトリウムの濃度が２０質量％以上になるよう前記処理液を調製する、請求項６に記載の陽イオン交換樹脂の再生方法。
- 前記処理液の使用量を前記陽イオン交換樹脂の体積の０．５〜２倍に設定する、請求項６または７に記載の陽イオン交換樹脂の再生方法。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS53108085A (en) * | 1977-03-04 | 1978-09-20 | Shin Etsu Chem Co Ltd | Regenerating agent for ion exchange resin by means of removal of iron |
| US4540715A (en) * | 1983-09-06 | 1985-09-10 | Morton Thiokol, Inc. | Surfactant and alkali metal citrate composition for recharging a water softener |
| US20160207036A1 (en) * | 2015-01-21 | 2016-07-21 | Cargill, Incorporated | Water softening compositions, and related systems and methods |
-
2020
- 2020-04-24 JP JP2020077788A patent/JP2021171709A/ja active Pending
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