JP2024039757A - イオン交換塔及びイオン交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価なイオン交換塔、及び、それを用いたイオン交換方法を提供することである。【解決手段】頂部に上部鏡部１１ａを有するイオン交換塔１であって、上部鏡部１１ａの上方に配置され、被処理液を供給する供給部２０と、上部鏡部１１ａの下方に配置され、被処理液を透過させる孔部１２ｃが設けられた上部仕切り板１２ａと、上部仕切り板１２ａの下方に充填されたイオン交換樹脂Ａと、を備え、上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内に球体Ｂが充填されていることを特徴とするイオン交換塔１である。【選択図】図１

Description

本発明は、イオン交換塔及びイオン交換方法に関するものであり、より詳細には、例えば、工業用水、糖液、あるいは塩水等の被処理液の処理に用いられるイオン交換塔、及び、それを用いたイオン交換方法に関する。

従来から、地下水、工業用水、糖液、塩水等の被処理液中からイオン類を除去するための装置として、イオン交換樹脂を充填したイオン交換塔が知られている。このイオン交換塔には、例えば、イオン交換樹脂等からなるイオン交換手段が内部に充填されている。そして、イオン交換手段に被処理液を通液することで、被処理液中に含まれるイオン類と、イオン交換手段に具備されたイオンとがイオン交換され、これによってイオン類が除去される。イオン交換処理後は、イオン交換手段と被処理液とが分離され、処理液としてイオン交換塔の外部に取り出される。また、上記のようなイオン交換塔は、工業用水を処理して純水を製造する用途のみならず、例えば、糖液の脱色や脱塩、塩水の精製等、種々の分野において利用されている。

上記のようなイオン交換塔におけるイオン交換樹脂への被処理液の流れは、イオン交換の効果等に大きな影響がある。そのため、近年、被処理液の流れを均一にするための整流手段をイオン交換塔に設けることが提案されている。

上記のようなイオン交換塔として、例えば、特許文献１に記載された構成のものが提案されている。特許文献１では、イオン交換塔の頂部にディストリビュータと呼ばれる散水ケースを設けることで下方のイオン交換樹脂に被処理液を均一に供給することが可能となり、イオン交換樹脂の利用率が高まることが開示されている。

特開２０１８－１１８１９８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来のイオン交換塔及びイオン交換方法によれば、被処理液の種類、イオン交換塔の処理量やカラムの容量等に基づき、散水ケースの形状、材質、開口の面積と開口率を設計し、個別生産をしなければならないため、コスト面で不利である。

また、特許文献１に開示されたイオン交換塔では、散水ケースが小さいことから閉塞・汚染されやすいため、定期的に清掃又は交換をする必要がある。特に、大型のイオン交換塔を用いた場合、頂部に配置される散水ケースの清掃や交換をすることは困難であり、作業性が劣るという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価なイオン交換塔、及び、それを用いたイオン交換方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた。この結果、イオン交換塔内における特定の空間内に球体を充填する構成を採用し、この球体によって被処理液を整流することを知見した。このような構成を採用することで、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価なイオン交換塔が実現できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、以下の態様を有する。
［１］ 頂部に鏡部を有するイオン交換塔であって、前記鏡部の上方に配置され、被処理液を供給する供給部と、前記鏡部の下方に配置され、前記被処理液を透過させる孔部が設けられた仕切り板と、前記仕切り板の下方に充填されたイオン交換樹脂と、を備え、前記鏡部と前記仕切り板とで形成された空間内に球体が充填されていることを特徴とするイオン交換塔。
［２］ 前記球体の素材が不活性樹脂であることを特徴とする上記［１］に記載のイオン交換塔。
［３］ 前記球体の比重が、前記被処理液の比重よりも小さいことを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のイオン交換塔。
［４］ 前記球体が中空構造を有することを特徴とする上記［１］～［３］の何れかに記載のイオン交換塔。
［５］ 前記球体の粒径が、前記イオン交換樹脂の粒径よりも大きいことを特徴とする上記［１］～［４］の何れかに記載のイオン交換塔。
［６］ 前記球体の粒径が５～１００ｍｍであることを特徴とする上記［１］～［５］の何れかに記載のイオン交換塔。
［７］ 前記仕切り板の孔部に、前記イオン交換樹脂及び前記球体を透過させない不透過手段が装着されていることを特徴とする上記［１］～［６］の何れかに記載のイオン交換塔。
［８］ 前記鏡部と前記仕切り板とで形成された空間内における、前記球体の充填率が３０％以上１００％未満であることを特徴とする上記［１］～［７］の何れかに記載のイオン交換塔。
［９］ 上記［１］～［８］の何れかに記載のイオン交換塔を用いて被処理液をイオン交換することを特徴とする被処理液のイオン交換方法。

本発明に係るイオン交換塔によれば、特定の空間内、即ち、鏡部と仕切り板とで形成された空間内に球体が充填されていることで、被処理液を下向流にて通液する際、被処理液の流れを整え、下流側に配置されたイオン交換樹脂に均一に被処理液を供給することができる。
従って、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価なイオン交換塔が実現できる。

また、本発明に係るイオン交換方法によれば、上記の本発明に係るイオン交換塔を用いて被処理水をイオン交換する方法なので、上記同様、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価にイオン交換することが可能になる。

本発明に係るイオン交換塔の一実施形態について模式的に説明する図であり、イオン交換塔の内部構造を概略で示す断面図である。 本発明に係るイオン交換塔の実施例について説明する図であり、実験で用いたイオン交換樹脂のサンプリングポイントを示す模式図である。

以下、本発明に係るイオン交換塔の実施の形態を挙げ、図１を適宜参照しながら詳述する。
なお、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
また、以下の説明で用いる各図面は、その特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なる場合がある。

また、本明細書において「～」という表現を用いる場合、その前後に記載される数値あるいは物理値を含む意味で用いることとする。また、上限、下限として記載した数値あるいは物理値は、その値を含む意味で用いることとする。

＜イオン交換塔＞
図１は、本実施形態のイオン交換塔１の内部構造を概略で示す断面図である。
図１に示したイオン交換塔１は、全体として略円筒形状のカラムとして構成されている。
本実施形態のイオン交換塔１は、その頂部に、塔外に向かって凸状とされた上部鏡部（鏡部）１１ａを有するものである。本実施形態のイオン交換塔１は、上部鏡部１１ａの上方に配置され、被処理液を供給する供給部２０と、上部鏡部１１ａの下方に配置され、被処理液を透過させる孔部が設けられた上部仕切り板（仕切り板）１２ａと、上部仕切り板１２ａの下方に充填されたイオン交換樹脂Ａと、を備える。
そして、本実施形態のイオン交換塔１は、上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内に球体Ｂが充填されて構成されている。

また、図示例のイオン交換塔１は、さらに、イオン交換樹脂Ａを充填した充填部１０と、処理した被処理液を排出する排出部３０とを備える。
また、図１中においては、被処理液が通液される方向である通液方向を矢印で示しており、本実施形態のイオン交換塔１においては、被処理液が下向流にて通液される。

（被処理液）
本実施形態のイオン交換塔１によってイオン交換を行う被処理液としては、特に制限されるものではないが、例えば、純水を製造するために使用される原水としての工業用水、地下水、又は水道水等が挙げられる。また、本実施形態において対象とする被処理液としては、例えば、脱色や脱塩に供される糖液や、精製に供される塩水であってもよい。但し、通常は、フィルタ等を備える濾過器等による固形物の除去を行うことが好ましい。また、予め、活性炭処理装置等により活性炭処理を行い、被処理液中に含まれる溶剤等の有機物や重金属イオン等を除去する処理を行うようにしてもよい。

（供給部）
供給部２０は、イオン交換塔１の上部に配置されており、被処理液を導入するための配管Ｈ１の挿入によって上部鏡部１１ａと連接する。図１に示す例では、配管Ｈ１は、上部鏡部１１ａの上部から挿入されており、図示例のように設けられることが好ましいが、これには限定されず、例えば、上部鏡部１１ａの側部から配管が挿入されるように構成してもよい。

（充填部）
充填部１０は、内部にイオン交換樹脂Ａを充填し、被処理液をイオン交換するための反応塔であり、図示例においては、円筒状に形成されている。また、図示例の充填部１０は、上方に上部鏡部１１ａが配置・連接されており、下方に下部鏡部１１ｂが配置・連接されている。

充填部１０は、イオン交換樹脂Ａや被処理液の重量を支えることができ、アルカリと酸に強く、且つ、イオン交換機能を有さない材料から構成される。具体的には、充填部１０を構成する材料としては、例えば、炭素鋼、ステンレス、又は樹脂等が挙げられる。

また、充填部１０の内部に図示略のライニングを施すことも可能である。このようなライニングを施すことにより、充填部１０を構成する材料と、被処理液やイオン交換樹脂の再生等に供する再生液との間を非接触にすることができる。これにより、高い強度を有している一方で耐食性には劣る材料であっても、充填部１０の材料に採用することができる。これにより、イオン交換塔１のメンテナンスの頻度を低減することができ、また、イオン交換塔１を長寿命とすることが可能となる。

上記のようなライニングの材質としては、特に限定されず、例えば、被処理液に含まれる陽イオンや陰イオンの種類、被処理液の種類や使用する再生液等の特性を考慮しながら適宜選択することができる。具体的には、ライニングの材質として、例えば、硬質ゴム等からなるゴムライニング等を採用することができる。

（イオン交換樹脂）
イオン交換樹脂Ａは、被処理液をイオン交換処理することで処理液とするものである。
本実施形態のイオン交換塔１に用いられるイオン交換樹脂Ａとしては、特に限定されず、一般的な陽イオン交換樹脂、及び、陰イオン交換樹脂を用いることができる。また、イオン交換樹脂Ａを、キレート樹脂や合成吸着剤から構成することも可能である。

また、イオン交換樹脂Ａの形状としても、特に限定されず、例えば、粒状や円筒形状のもの等、種々の形状のものを採用できる。
また、イオン交換樹脂Ａの大きさとしても、特に限定されず、例えば、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下のものを用いることができる。また、イオン交換樹脂Ａの大きさは、詳細を後述する球体Ｂの粒径より小さいことが好ましい。また、イオン交換樹脂Ａの大きさは、詳細を後述する上部仕切り板（仕切り板）１２ａに装着されるストレーナ１３ａのスリット幅、又はメッシュの目開きよりも大きいことが好ましい。
上記のようなイオン交換樹脂Ａは、充填部１０内において、例えば、５割以上のかさ体積になるように充填される。

（上部鏡部（鏡部））
上部鏡部（鏡部）１１ａは、上述したように、イオン交換塔１の頂部に配置され、供給部２０の下部に連接される。
図１に示すように、上部鏡部１１ａは、その上部が、弧状に湾曲する膨らみを有しており、上部鏡部１１ａの頂部が、供給部２０と連接している。また、上部鏡部１１ａの下部と充填部１０の上部とは、上部仕切り板１２ａを挟みこむように、図示略のボルト及びナット等によって接続される。また、上述したように、上部鏡部１１ａには、イオン交換塔１の内部に被処理液を導入するための配管Ｈ１が挿入されている。

（上部仕切り板（仕切り板））
上部仕切り板（仕切り板）１２ａは、上部鏡部１１ａの下部と充填部１０の上部との間を仕切るために設けられる板状の部材であり、被処理液を透過させる孔部１２ｃが設けられたものである。上部仕切り板１２ａの材質は、特に限定されないが、充填部１０と同様に、例えば、アルカリと酸に強く、且つ、イオン交換機能のない材料から構成することができる。また、上部仕切り板１２ａを構成する材料としては、例えば、炭素鋼、ステンレス、樹脂が挙げられる。
また、上部仕切り板１２ａの表面に図示略のライニングを施すことも可能である。このように、上部仕切り板１２ａの表面にライニングを施す場合には、上述した充填部１０に施すライニングと同じ材料を採用することが可能である。

上部仕切り板１２ａには、上記の孔部１２ｃが複数設けられていてもよい。
また、上部仕切り板１２ａにおける孔部１２ｃの単位面積当たりの数は、被処理液の種類や供給流量、イオン交換樹脂Ａの種類や粒径、使用温度等を勘案しながら、任意に設定すればよい。
また、孔部１２ｃの形状としては、例えば、略円形、楕円形、又は多辺形等が挙げられる。加工性や入手しやすさの観点からは、上部仕切り板１２ａとして、略円形の孔部１２ｃを有するものを採用することが好ましい。
上部仕切り板１２ａの具体例としては、例えば、目皿板が挙げられる。

（不透過手段）
上部仕切り板１２ａの孔部１２ｃには、イオン交換樹脂Ａ及び球体Ｂを透過させない不透過手段が装着されていることが好ましい。
上記のような、イオン交換樹脂Ａ及び球体Ｂを透過させない構造の不透過手段としては、図１中に示したストレーナ１３ａ、又は、メッシュ等が挙げられる。上部仕切り板１２ａの孔部１２ｃに上記の不透過手段が装着されていることで、被処理液を下向流にて通液する際に、球体Ｂをイオン交換樹脂Ａ側に漏れ出させることなく、優れた透過性で被処理液をイオン交換樹脂Ａに導入させることが可能となる。また、イオン交換樹脂Ａを再生する場合において、再生液を上向流にて通液する際に、イオン交換樹脂Ａを球体Ｂ側に漏れ出させることもない。

ストレーナ１３ａとしては、例えば、上部仕切り板１２ａに設けられ、被処理液と球体Ｂとを分離するためのスリットが複数で設けられているものが用いられる。このスリットは、球体Ｂが通過できる幅より狭く形成される。即ち、球体Ｂはスリットを通過できないが、液体である被処理液はスリットを通過できることから、球体Ｂと被処理液との分離を行うことが可能となる。

上記構造を有するストレーナ１３ａを、上部仕切り板１２ａに設けられた孔部１２ｃの不透過構造として採用することで、球体Ｂで整流された被処理液をイオン交換樹脂Ａに導入する処理を連続的に行うことが可能となる。

ストレーナ１３ａは、例えば、熱可塑性樹脂からなり、射出成形等によって製造することができる。また、ストレーナ１３ａは、被処理液を均一且つより高速に通過させる観点から、上部仕切り板１２ａにおける複数の孔部１２ｃに取り付けられる。

ストレーナ１３ａのスリットの総面積は大きいので、被処理水の供給流量が大きいケースにおいても対応が可能であるというメリットがある。
また、ストレーナ１３ａは、被処理液をイオン交換する際に、イオン交換樹脂Ａに被処理液を導入する導入部として機能する。
上部仕切り板１２ａの孔部１２ｃにストレーナ１３ａが装着される場合、イオン交換樹脂Ａの再生処理時に樹脂を通すことがないように、ストレーナ１３ａのスリット幅は、イオン交換樹脂Ａの粒径よりも小さいことが好ましい。
同様に、上部仕切り板１２ａの孔部１２ｃにメッシュが装着される場合、メッシュの目開きは、イオン交換樹脂Ａの粒径よりも小さいことが好ましい。

本実施形態では、上部仕切り板１２ａの孔部１２ｃに上記のストレーナ１３ａが装着されていることで、球体Ｂを、充填部１０に充填されたイオン交換樹脂Ａ側に漏れ出させることなく、優れた透過性で被処理液をイオン交換樹脂Ａに導入させることが可能となる。

（球体）
上述したように、本実施形態のイオン交換塔１においては、上部鏡部１１ａと仕切り板１２ａとで形成される空間内に、被処理液の流れを整流し、均一にイオン交換樹脂Ａに供給するための、複数の球体Ｂが充填される。

球体Ｂとしては、特に限定されないが、例えば、被処理液よりも比重の小さいものを用いることが好ましい。球体Ｂの比重が被処理液の比重よりも小さいことで、球体の充填率がやや低い場合であっても、浮力により、球体Ｂが常に上部鏡部１１ａの上部に位置するため、被処理液を分流しやすく、優れた整流性が得られる。

被処理液が純水製造用原水である場合、球体Ｂの比重は１．０未満であることが好ましく、０．９５以下であることがより好ましく、比重０．４以下であることがさらに好ましい。

球体Ｂの素材は、特に限定されないが、被処理液の種類等によって選択することができ、具体的には、アルカリと酸に対する耐性を有する不活性樹脂であることが好ましい。球体Ｂの素材に不活性樹脂を採用することで、被処理液にアルカリや酸が含まれる場合であっても劣化が生じるのが抑制され、また、設備コストも抑制される。

なお、本実施形態において、球体Ｂに用いる不活性樹脂とは、イオン交換機能を有さない樹脂であり、例えば、ポリオレフィン系樹脂が挙げられる。このポリオレフィン系樹脂の中でも、比重とコストの観点から、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂が好ましく、ポリプロピレン樹脂がより好ましい。
球体Ｂの粒径は、イオン交換樹脂Ａよりも大きいことが好ましい。
通常のイオン交換樹脂Ａのサイズを考慮すると、球体Ｂの粒径は１００ｍｍ以下であることが好ましく、８０ｍｍ以下であることがより好ましい。また、球体Ｂの粒径の下限については、ストレーナ１３ａにおける図示略のスリット幅を基準に設定されるが、球体Ｂの粒径は５ｍｍ以上であることが好ましく、７ｍｍ以上であることがより好ましい。
球体Ｂの粒径が上記範囲であることで、簡単に安価な市販品を入手することができる。また、球体Ｂの粒径が上記範囲であることで、不透過手段を通過することがないため、被処理液を下向流で通液する際に、下流側に配置されたイオン交換樹脂Ａと混入することも抑制される。
本実施形態のイオン交換塔１においては、上記のような粒径を有する球体Ｂを用いることで、被処理液を安定的に整流しながらイオン交換樹脂Ａに導入することが可能となる。
なお、球体Ｂの粒径は、ＪＩＳ Ｚ ８８２７－１ 第１部：静的画像解析法に記載の手法により測定される。

球体Ｂの形状は、例えば、真球度３０μｍ以下の略球体から構成される。また、球体Ｂは、優れた整流性を得る観点から、全量のうちの６０％以上の球体Ｂの形状が均一であることが好ましく、８０％以上の球体Ｂの形状が均一であることがより好ましく、１００％の球体Ｂの形状が均一であることがさらに好ましい。

球体Ｂは、中空構造を有するものが好ましい。
球体を中空構造又は非中空構造で構成し、両者とも同じサイズであるとき、浮力は同じであるが、球体の重さが異なる。この場合、中空構造を有する球体は、非中空構造に比べて球体の重さが軽いため、浮き上がる力が大きい。一方、球体を中空構造又は非中空構造で構成し、両者とも同じ重さである場合、中空構造を有する球体はサイズが大きく、浮力が大きいため、非中空構造の球体に比べて浮き上がる力が大きい。
その結果、中空構造を有する球体Ｂを採用した場合、球体Ｂを、浮力によって上部鏡部１１ａの上部に固定しやすくなり、安定的な整流性が得られやすい。

上記の各要因を総合的に考慮した場合、球体Ｂとしては、例えば、粒径が１００ｍｍ以下で、且つ、イオン交換樹脂Ａよりも大きい範囲であり、形状が均一的なポリプロピレン樹脂からなる中空構造を有する球体を用いることが好ましい。

本実施形態のイオン交換塔１で採用する球体Ｂは、長期間にわたって使用することが可能である。
球体Ｂを洗浄する際には、例えば、球体Ｂを水に浸した状態で、棒等を用いて供給部２０から球体Ｂを突くことで、付着した汚れを剥離させればよい。
また、球体Ｂを交換する際には、業務用掃除機等を用いて、供給部２０からホースを挿入して球体Ｂを吸い取ることで、全量回収することが可能である。

被処理液の流れを球体Ｂより分散し、バイパスのないように均一に下流側に供給するためには、上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内における球体Ｂの充填率は、３０％以上が好ましく、６０％以上がより好ましい。また、メンテナンス等で球体Ｂを洗浄する際に、棒等で球体を効果的に攪拌し、より優れた作業性を実現する観点からは、球体Ｂの充填率は、１００％未満が好ましく、９５％以下がより好ましい。

球体Ｂの充填率は、下記（１）式を用いた方法で計算することができる。
下記（１）式においては、上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間容積をａとし、球体Ｂを充填したときの球体のかさ体積をｂとする。
充填率（％）＝（ｂ／ａ）×１００ ・・・・・（１）

（イオン交換塔の下部構造）
イオン交換塔１の底部の構造は、イオン交換樹脂Ａの再生工程に応じて設計すればよい。例えば、イオン交換塔１の頂部と対称構造を有していればよい。具体的には、下部鏡部１１ｂは、イオン交換塔１の底部に位置する。

図１に示すように、下部鏡部１１ｂの下部は、弧状に湾曲する膨らみを有する。下部鏡部１１ｂの底部は、排出部３０と連接している。また、下部鏡部１１ｂの上部と充填部１０の下部とは、下部仕切り板１２ｂを挟みこむように、図示略のボルト及びナット等により接続される。また、下部鏡部１１ｂには、排出部３０に向けて処理液を排出するための配管Ｈ２が挿入されている。

排出部３０は、イオン交換塔１の下部に配置され、イオン交換処理した被処理液を排出するための配管Ｈ２が挿入されることで、下部鏡部１１ｂと連接している。なお、図１に示す例では、配管Ｈ２は、下部鏡部１１ｂの下部から挿入されており、図示例のように設けられることが好ましいが、これには限定されず、例えば、下部鏡部１１ｂの側部から配管が挿入されるように構成してもよい。

下部仕切り板１２ｂの素材や形状は、上部仕切り板１２ａと同様でよい。また、図示例のように、下部仕切り板１２ｂの孔部１２ｄにストレーナ１３ｂを配してもよい。ストレーナ１３ｂは、処理液とイオン交換樹脂Ａとを分離する分離手段であり、また、イオン交換樹脂Ａを再生する際に、再生液を導入する導入部としても機能する。ストレーナ１３ｂとしても、ストレーナ１３ａと同様のものを使用することができる。

イオン交換された処理液は、図１中の矢印で示した通液方向で、イオン交換塔１の外部に排出される。
この際、充填部１０内で精製された処理液をイオン交換樹脂Ａから分離して取り出すとともに、処理液を下部鏡部１１ｂの側に排出する処理を連続的に行うことができる。

本実施形態のイオン交換塔１によれば、上記のように、上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内に球体Ｂが充填された構成により、球体Ｂによって被処理液を効果的に整流することができる。また、被処理液の整流に安価な球体Ｂを用いることで、設備コストも抑制される。また、球体Ｂには閉塞や汚染が生じ難いので、イオン交換塔の頂部近傍に配置される球体Ｂの清掃や交換頻度が抑制され、メンテナンス時の作業性に優れたものとなる。

＜イオン交換方法＞
以下に、本実施形態のイオン交換方法について、上記同様、図１も適宜参照しながら詳述する。
本実施形態のイオン交換方法は、上述した構成を有する本実施形態のイオン交換塔１を用いて被処理液をイオン交換する方法である。

図１では、イオン交換塔１を用いて被処理液をイオン交換処理する際の、被処理液を通液する方向である通液方向を示している。図１に示すように、本実施形態では、被処理液は、下向流にて通液する。
このときの被処理液の空間速度（ＳＶ）は、イオン交換塔１の構造、被処理液、及び、イオン交換樹脂Ａ等によって適切に設定すればよい。

以下に、本実施形態のイオン交換塔１を用いて、被処理液の整流性を向上させるメカニズムについて説明する。
上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内には、複数の球体Ｂを充填する。これにより、被処理液の流れを球体Ｂより分散し、バイパスのないように均一に下流側のイオン交換樹脂Ａに被処理液を供給することが可能である。

複数の球体Ｂを一つの系として見ると、球体Ｂは、被処理液の下に押す力Ｆ１と、被処理液による浮力Ｆ２と、球体自身の重量Ｆ３との力を受けている。このときの、浮力Ｆ２と、重量Ｆ３との差はＦ１’とする。

まず、上記のＦ１とＦ１’との関係が「Ｆ１＞Ｆ１’」である場合、球体Ｂを押し上げようとする力が足りないため、被処理液を供給する際に、被処理液の流れを、ある程度、整流することは可能ではあるが、このようなケースでは、球体Ｂが流動しやすいことから、最良の選択ではない。

一方、上記のＦ１とＦ１’との関係が「Ｆ１≦Ｆ１’」である場合、球体Ｂを押し上げようとする力が充分であるため、被処理液を供給する際に、球体Ｂが上部鏡部１１ａの上部（内側）に固定されるので、被処理液の流れを整流しやすい。よって、本実施形態の方法で被処理液をイオン交換する場合には、上記のＦ１とＦ１’とが「Ｆ１≦Ｆ１’」で表される関係となるように、球体の比重等を選択することが好ましい。

本実施形態のイオン交換方法によれば、上述した構成を有する本実施形態のイオン交換塔１を用いて被処理液をイオン交換する方法なので、上記同様、設備コストを増大させることなく、被処理液を効果的に整流することができ、また、メンテナンス時における優れた作業性が得られる。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態のイオン交換塔１によれば、特定の空間内、即ち、上部鏡部（鏡部）１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内に球体Ｂが充填されていることで、被処理液を下向流にて通液する際、被処理液の流れを整え、下流側に配置されたイオン交換樹脂Ａに均一に被処理液を供給することができる。
従って、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価なイオン交換塔１が実現できる。

また、本実施形態のイオン交換方法によれば、上述した本実施形態のイオン交換塔１を用いて被処理水をイオン交換する方法なので、上記同様、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価にイオン交換することが可能になる。

以下、実施例により、本発明に係るイオン交換塔及びイオン交換方法についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
また、本実施例で採用した各条件は、あくまで一例であり、上記同様、本発明を限定するものではない。

［実施例１］
（イオン交換塔の構成）
図１は、実施例１で使用するイオン交換塔１を概略で示した断面図である。
図１に示すように、イオン交換塔１は、φ１００ｍｍ×Ｈ１５０ｍｍの大きさを有し、イオン交換塔１の頂部と底部に、それぞれφ１００ｍｍの鏡部（上部鏡部１１ａ及び下部鏡部１１ｂ）を有する。イオン交換塔１を構成する各部材の材料には、それぞれ、アクリル樹脂を採用している。

また、イオン交換塔１の上部と下部には、それぞれ、φ６ｍｍの孔部１２ｃ、１２ｄを複数（合計６９個）設けた、アクリル樹脂製の仕切り板（上部仕切り板１２ａ及び下部仕切り板１２ｂ）が備えられている。また、これら上部仕切り板１２ａ及び下部仕切り板１２ｂの孔部１２ｃ、１２ｄには、それぞれ、ポリプロピレン樹脂製のメッシュ（目開き１００μｍ）を装着している。
また、上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとの間の空間容積は、２３６ｍＬである。

そして、上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内に、球体Ｂとして、比重０．３、粒径８ｍｍの、ポリプロピレン樹脂製で中空構造を有する球体を充填した。上部鏡部１１ａと上部仕切り板１２ａとで形成された空間内における、球体Ｂの充填率は９０％とした。

（実験条件及び手順）
図１に示すイオン交換塔１を用いて、被処理液を処理した。イオン交換塔１に通水させる被処理液としては、活性炭処理後の上水道水（横浜市水道局）を使用した。

被処理液の主なカチオン成分は、ナトリウム ８．０ｍｇ／Ｌ、カリウム １．５ｍｇ／Ｌ、カルシウム １５．６ｍｇ／Ｌ、マグネシウム ５．２ｍｇ／Ｌであった。
また、イオン交換樹脂Ａとしては、三菱ケミカル株式会社製のＵＢＫ１０ＰＢ（平均粒径５６７μｍ）を用いた。

本実施例では、イオン交換樹脂Ａに通液する被処理液の線速度（ＬＶ）は、４０（ｍ／ｈ）であり、空間速度（ＳＶ）は、２６６（１／ｈ）であり、被処理液の供給流量は５．２４（Ｌ／ｍｉｎ）である。イオン交換樹脂のイオン交換容量は２．０７（当量／Ｌ－Ｒ）であり、充填部１０内における充填率は１００％であった。

そして、被処理水の通水を０．５時間継続し、図２の模式図に示したように、充填部１０（図１を参照）に充填されたイオン交換樹脂Ａにおける上部の中心部１箇所（図２中のサンプリングポイント「５」を参照）、及び周辺部４箇所（図２中のサンプリングポイント「１」～「４」を参照）で、直径１４．４ｍｍ、深さ約１５～４５ｍｍの領域の樹脂をサンプリングした。
次いで、サンプリングしたイオン交換樹脂Ａにおける初期と０．５時間後のＨ形含有量を測定し、下記（２）式を用いてＨ形減少率を計算した。
Ｈ形減少率（％）＝（（初期Ｈ形含有量－０．５時間後Ｈ形含有量）／初期Ｈ形含有量）×１００ ・・・・・（２）

次いで、各サンプリングポイント１～５のＨ形減少率中、最大減少率をαとし、最小減少率をβとしたときの、Ｈ形減少率の最大差異を、次式［α－β］で計算した。
上記式で得られるＨ形減少率の最大差異は、小さければ小さいほど好ましく、この値により、被処理液が均一に下流側のイオン交換樹脂に供給できているか否かが確認できる。

［実施例２］
実施例１に対し、球体Ｂとして、比重０．９、粒径８ｍｍで、ポリプロピレン樹脂製の非中空構造を有する球体を用いた点以外は、上記の実施例１と同様の条件及び手順で被処理液を処理した。

［比較例１］
実施例１に対し、球体Ｂを用いなかった点以外は、上記の実施例１と同様の条件及び手順で被処理液を処理した。

［評価方法］
上記実施例１，２、及び比較例１で得られた結果を用い、下記の基準に基づいて評価し、結果を下記表１に示した。
◎：Ｈ形減少率の最大差異が１０％未満
○：Ｈ形減少率の最大差異が１０％以上２０％未満
×：Ｈ形減少率の最大差異が２０％以上

［評価結果］
表１に示すように、球体Ｂを用いた実施例１，２は、優れた整流性を有するため、下流側のイオン交換樹脂に向けて均一に被処理液を供給できることがわかった。また、中空構造の球体を用いた実施例１は、非中空構造の球体を用いた実施例２よりも、さらに優れた整流性を示すことがわかった。
このような結果となった理由としては、球体に同じ素材を採用した場合、中空構造の球体の方が、押し上げようとする力が大きく、球体を上部鏡部１１ａの上部（内側）に固定しやすいためであると考えられる。

これに対して、球体Ｂを用いなかった比較例１においては、整流性が良好でなかったため、Ｈ形減少率の最大差異が２８％となった。

上記の実施例及び比較例の結果より、本発明に係るイオン交換塔を用いることで、被処理液を下向流にて通液する際、被処理液の流れを整え、下流側に配置されたイオン交換樹脂に均一に被処理液を供給できることが確認できた。

本発明のイオン交換塔は、被処理液の整流性を維持しつつ、作業性が良好で、且つ、安価なものであることから、例えば、地下水、工業用水、糖液、塩水等の被処理液中からイオン類を除去するための装置として非常に有用である。

１…イオン交換塔
１０…充填部
１１ａ…上部鏡部（鏡部）
１１ｂ…下部鏡部
１２ａ…上部仕切り板（仕切り板）
１２ｃ…孔部
１２ｂ…下部仕切り板
１２ｄ…孔部
１３ａ，１３ｂ…ストレーナ
２０…供給部
３０…排出部
Ｈ１，Ｈ２…配管
Ａ…イオン交換樹脂
Ｂ…球体

Claims (9)

1. 頂部に鏡部を有するイオン交換塔であって、
   前記鏡部の上方に配置され、被処理液を供給する供給部と、
   前記鏡部の下方に配置され、前記被処理液を透過させる孔部が設けられた仕切り板と、
   前記仕切り板の下方に充填されたイオン交換樹脂と、を備え、
   前記鏡部と前記仕切り板とで形成された空間内に球体が充填されていることを特徴とするイオン交換塔。
2. 前記球体の素材が不活性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換塔。
3. 前記球体の比重が、前記被処理液の比重よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換塔。
4. 前記球体が中空構造を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換塔。
5. 前記球体の粒径が、前記イオン交換樹脂の粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換塔。
6. 前記球体の粒径が５～１００ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換塔。
7. 前記仕切り板の孔部に、前記イオン交換樹脂及び前記球体を透過させない不透過手段が装着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換塔。
8. 前記鏡部と前記仕切り板とで形成された空間内における、前記球体の充填率が３０％以上１００％未満であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換塔。
9. 請求項１又は請求項２に記載のイオン交換塔を用いて被処理液をイオン交換することを特徴とする被処理液のイオン交換方法。
   
   

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