JP2022089558A - 電気脱イオン装置及び脱イオン水の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気脱イオン装置内のイオン交換樹脂への炭酸の蓄積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、原水にＮａＣｌを添加するか、又は脱イオン水の比抵抗値が低下した場合に濃縮室１５にＮａＣｌ含有水を通水する。
【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。

特許文献１には、電気脱イオン装置で生産される脱イオン水の水質を向上させる方法として、脱イオン水（脱塩室流出水）の一部を分取し、濃縮室に脱塩室と向流で通水する方法が記載されている。この方法によると、脱塩室の脱イオン水出口付近と隣り合う濃縮室入口付近における濃縮水の濃度が、脱イオン水と同一になるので、炭酸、シリカ、ホウ素等の弱電解質が濃縮室から脱塩室へ濃度勾配によって拡散する（逆拡散する）ことを防ぎ、高純度の脱イオン水を得ることができる。このように、電気脱イオン装置の脱イオン水の水質を向上させるためには、弱電解質の逆拡散を防止することが重要である。

特開２００２－２０５０６９号公報

逆拡散し易い弱電解質の一つとして炭酸が挙げられる。濃縮室内の濃縮水中に炭酸が存在すると、遊離の二酸化炭素が濃縮室から脱塩室に逆拡散し、処理水の抵抗率が低下する。その理由は次の通りである。

二酸化炭素は、ｐＨが高い場合、水中では炭酸イオン、重炭酸イオンの形態で存在し、ｐＨが低い場合、電荷を持たない遊離の二酸化炭素として存在する。脱塩室に流入する被処理水中の二酸化炭素は、先ず重炭酸イオンや炭酸イオンといった電荷を持つ形態のものが、電気透析作用により脱塩室から濃縮室に移動し、脱塩室中のこれらの濃度が低下する。次いで、脱塩室内の重炭酸イオンや炭酸イオンの濃度が低下するにつれて、脱塩室内の遊離の二酸化炭素も重炭酸イオンや炭酸イオンに解離し、最終的には電気透析作用によって濃縮室に移動し、除去される。

しかし、濃縮室内の濃縮水のｐＨは、ほとんどの場合、５～７程度の弱酸であるため、濃縮水には、ある程度の濃度の遊離二酸化炭素が存在する。この遊離二酸化炭素は、電気透析作用を受けず、遊離二酸化炭素の一部がイオン交換膜を介して脱塩室に逆拡散して脱イオン水の水質が悪化する。具体的には、脱イオン水の抵抗率１７～１８ＭΩ・ｃｍが、遊離二酸化炭素の逆拡散により、１５～１６ＭΩ・ｃｍにまで低下する。これにより、通常、電気式脱イオン水製造装置の後段に設置されるカートリッジポリッシャーの寿命低下が早くなる。

また、炭酸イオンはイオン交換樹脂に吸着した後の移動速度が遅く、イオン交換樹脂内部に蓄積しやすい。イオン交換樹脂内部での炭酸イオンの蓄積が進むと、通電抵抗が増大し、陽極・陰極間の印加電圧が上昇する。また、蓄積したイオンが処理水にリークし、処理水質が低下する。

本発明は、電気脱イオン装置内のイオン交換樹脂への炭酸の蓄積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、脱イオン水として取り出され、脱塩室及び濃縮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、該脱塩室及び濃縮室の少なくとも一方に炭酸イオンパージ物質を供給する手段を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様では、前記炭酸イオンパージ物質は、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、ＨＣｌ及びＨ_２ＳＯ_４の少なくとも１種である。

本発明の一態様では、前記炭酸イオンパージ物質はＮａＣｌである。

本発明の一態様では、前記脱塩室からの脱イオン水の一部が前記濃縮室に、脱塩室と向流にて流通される。

本発明の脱イオン水の製造方法の一態様は、本発明の電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法であって、原水を脱塩室に通水して脱イオン水を生産する生産工程と、炭酸イオンパージ物質含有水を脱塩室及び濃縮室の少なくとも一方に通水する炭酸イオンパージ工程とを有することを特徴とする。

本発明の脱イオン水の製造方法の一態様は、本発明の電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法であって、原水を脱塩室に通水して脱イオン水を生産する脱イオン水の製造方法において、脱塩室に流入する原水に対し炭酸イオンパージ物質を供給することを特徴とする。

本発明の電気脱イオン装置及び脱イオン水の製造方法では、脱塩室及び濃縮室の少なくとも一方に、炭酸イオンパージ物質を供給することにより、イオン交換樹脂への炭酸イオンの蓄積が防止され、脱イオン水の水質が向上する。

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１０の模式的な断面図である。この電気脱イオン装置１０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、各電極に沿って陽極室１７、陰極室１８が形成されている。

また、濃縮室１５、脱塩室１６、陽極室１７及び陰極室１８に、イオン交換樹脂が充填されている。

被処理水（原水）は脱塩室１６の入口側から配管２０，２１によって導入され、脱塩室１６の出口側から脱イオン水（生産水）が配管３０，３１によって取り出される。この脱イオン水の一部は、配管４０，４１によって濃縮室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る。濃縮室１５の流出水は配管５０，５１によって系外へ排出される。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の脱イオン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、脱イオン水の一部は配管６０によって陽極室１７の入口側に送給され、陽極室１７の流出水は、配管６１によって陰極室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。

濃縮室１５、脱塩室１６、陽極室１７及び陰極室１８に充填するイオン交換樹脂は、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、炭酸、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、脱イオン水（脱塩室の流出水）の一部、例えば３～１０％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、優れた処理水質を得る上で好ましい。また、その際の通水速度としては、脱塩室の通水ＬＶは６０～１００ｍ／ｈ、濃縮室の通水ＬＶは５～２０ｍ／ｈ程度であることが好ましい。

電流密度は５０～１５０Ａ／ｍ^２とりわけ６０～１２０Ａ／ｍ^２程度が好ましい。

濃縮室１５や脱塩室１６内のイオン交換樹脂に蓄積した炭酸イオンをパージ（除去）するために、図１では、濃縮室１５に対し炭酸イオンパージ物質としてＮａＣｌを水溶液の形態で供給する供給手段７０を備えている。この供給手段７０は、ＮａＣｌ水溶液のタンク７１と、送水用ポンプ７２及び配管７３とを有しており、配管７３が前記配管４０に接続されている。なお、配管７３にバルブ７４が設けられている。また、配管４０には、配管７３の接続点よりも上流側にバルブ４０Ｖが設けられている。通常運転時には、バルブ４０Ｖは開、バルブ７４は閉とされている。

炭酸イオンの蓄積により、脱イオン水の抵抗率が所定値以下に低下した場合、電気脱イオン装置１０を停止（通電停止及び被処理水の給水停止）させた後、炭酸イオンパージ運転を行う。即ち、バルブ４０Ｖを閉、バルブ７４を開とし、ポンプ７２を作動させ、タンク７１内のＮａＣｌ水溶液を配管７３から配管４０，４１を介して各濃縮室１５に通水する。

これにより濃縮室１５内のイオン交換樹脂に蓄積していた炭酸イオンがナトリウムイオンと置換し、炭酸イオンは濃縮室１５からの流出水と共に配管５０，５１を介して排出される。このようにして濃縮室１５内のイオン交換樹脂に蓄積した炭酸イオンをパージした後、ポンプ７２を停止し、バルブ７４を閉、バルブ４０Ｖを開とし、通常運転に復帰する。

パージ運転中に配管５１から濃縮室１５に流入するＮａＣｌ添加水中のＮａＣｌ濃度（ｗｔ％）は、３～１０％特に５％程度が好適である。濃縮室１５へのＮａＣｌ添加水の通水量は、樹脂量に対して４～１０倍（４～１０ＢＶ）特に６倍（６ＢＶ）程度が好ましく、通水ＬＶは１．２～３．６ｍ／ｈ特に２．４～３．６ｍ／ｈ程度が好ましい。

なお、図１では、ＮａＣｌ添加水を濃縮室１５に通水しているが、脱塩室１６に通水してもよく、双方に通水してもよい。

図２に別の実施の形態に係る電気脱イオン装置１０Ａを示す。この電気脱イオン装置１０Ａは、脱塩室１６に流入する被処理水（原水）にＮａＣｌを添加するよう構成したものであり、ＮａＣｌ供給手段７０の配管７３を被処理水供給用配管２０に接続している。前記バルブ４０Ｖは設置されていない。その他の構成は図１と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

この実施の形態では、ポンプ７２を常時作動させ、バルブ７４を常時開とし、脱塩室１６への給水に常時ＮａＣｌ水溶液を添加する。これにより、脱塩室１６内のイオン交換樹脂への炭酸イオン蓄積が防止される。また、イオン交換膜を透過して脱塩室１６から濃縮室１５に移動したナトリウムイオンの作用により、濃縮室１５内のイオン交換樹脂への炭酸イオン蓄積が防止される。

被処理水へのＮａＣｌ添加量は、０．１～１．０ｍｇ／Ｌ特に０．５ｍｇ／Ｌ程度が好適であり、特に、脱塩室１６に流入する被処理水の導電率が０．１～１．５ｍＳ／ｍ特に０．５～１．０ｍＳ／ｍ程度となる添加量が好適である。

上記実施の形態では、炭酸イオンパージ物質としてＮａＣｌを用いているが、ＮａＯＨ、ＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ_４などを用いてもよい。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

［比較例１］
図１に示す電気脱イオン装置（脱塩室及び濃縮室の厚さ１０ｍｍ、幅３００ｍｍ、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。脱塩室及び濃縮室のイオン交換樹脂の充填高さは３００ｍｍとした。

脱塩室、濃縮室、陽極室及び陰極室には、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。

アニオン交換樹脂としては、デュポン社製ＭＯＮＯＳＰＨＥＲＥ ５５０Ａ（平均粒径６００μｍ）を用い、カチオン交換樹脂としてはデュポン社製ＭＯＮＯＳＰＨＥＲＥ ６５０Ｃ（平均粒径６５０μｍ）を用いた。なお、濃縮室及び脱塩室に充填するイオン交換樹脂については、予め濃度５％の炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）水溶液を樹脂量に対し４倍（４ＢＶ）の通水量及び通水ＬＶ２．４ｍ／ｈで通液することにより、炭酸型に置換したものを用いる。

この電気脱イオン装置１０に電流密度１０Ａ／ｍ^２で電流を流し、原水として工業用水のＲＯ処理水（導電率０．１ｍＳ／ｍ、ＣＯ_２濃度５００μｇ／Ｌ）を、脱塩室にＬＶ＝８０ｍ／ｈｒで下向流通水し、脱塩室の流出水の５％を濃縮室にＬＶ＝１０ｍ／ｈｒで上向流通水し、残部を脱イオン水として取り出した（生産水量１０ｍ^３／ｈ、回収率９５％）。ＮａＣｌ水溶液は添加しなかった。

得られた脱イオン水の比抵抗値の経時変化を図３に示す。

［実施例１］
上記比較例１において、原水通水に先立って、上記原水にＮａＣｌを０．５ｍｇ／Ｌ添加した水溶液（導電率１．０ｍＳ／ｍ）をＬＶ＝８０ｍ／ｈにて１４０ｈ、濃縮室に通水した後、比較例１と同一条件にて原水を供給して脱イオン水を生産した。この脱イオン水の比抵抗値の経時変化を図３に示す。

［実施例２］
比較例１において、図２のように、原水にＮａＣｌ水溶液（ＮａＣｌ濃度０．３ｍｇ／Ｌ）を添加して導電率０．５ｍＳ／ｍとした原水を脱塩室に供給した。その他の条件は比較例１と同一とした。この脱イオン水の比抵抗値の経時変化を図３に示す。

＜考察＞
図３の通り、比較例１では蓄積した炭酸によって脱イオン水の比抵抗値が約１５ＭΩ・ｃｍ以下で推移しているのに対し、実施例１，２では、通水開始から所定時間が経過した後は、脱イオン水の比抵抗値が約１８ＭΩ・ｃｍと高い値となっている。特に、給水にＮａＣｌを添加する実施例２では、通水開始から３０ｈ経過後は比抵抗値が低下せず、高い値に一定に維持されており、イオン交換樹脂への炭酸の蓄積が防止されることが認められた。

１０，１０Ａ 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
７０ 炭酸イオンパージ物質供給手段
７１ ＮａＣｌ水溶液のタンク

Claims (6)

1. 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、脱イオン水として取り出され、
   脱塩室及び濃縮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、
   該脱塩室及び濃縮室の少なくとも一方に炭酸イオンパージ物質を供給する手段を備えたことを特徴とする電気脱イオン装置。
2. 前記炭酸イオンパージ物質は、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、ＨＣｌ及びＨ_２ＳＯ_４の少なくとも１種である請求項１の電気脱イオン装置。
3. 前記炭酸イオンパージ物質はＮａＣｌである請求項１の電気脱イオン装置。
4. 前記脱塩室からの脱イオン水の一部が前記濃縮室に、脱塩室と向流にて流通される請求項１～３のいずれかの電気脱イオン装置。
5. 請求項１～４のいずれか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であって、
   原水を脱塩室に通水して脱イオン水を生産する生産工程と、
   炭酸イオンパージ物質含有水を脱塩室及び濃縮室の少なくとも一方に通水する炭酸イオンパージ工程と
   を有することを特徴とする脱イオン水の製造方法。
6. 請求項１～４のいずれか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であって、
   原水を脱塩室に通水して脱イオン水を生産する脱イオン水の製造方法において、
   脱塩室に流入する原水に対し炭酸イオンパージ物質を供給することを特徴とする脱イオン水の製造方法。

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