JP2892811B2

JP2892811B2 - イオン交換樹脂およびこの樹脂を用いた復水脱塩塔ならびに復水浄化装置

Info

Publication number: JP2892811B2
Application number: JP2273373A
Authority: JP
Inventors: 一郎稲見
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1990-10-15
Publication date: 1999-05-17
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JPH04151600A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は原子力発電所等に設置される復水浄化装置に
係り、特に復水浄化装置に使用されるイオン交換樹脂お
よびこの樹脂を用いた復水脱塩塔ならびに復水浄化装置
に関する。

（従来の技術）沸騰水型原子炉（BWR）を装備した原子力発電所にお
いては、運転に伴って原子炉冷却系の構成機器間を冷却
水が循環する。冷却水は原子炉にて高温高圧の蒸気とさ
れ、タービンにて仕事をした後に復水される。

ところで原子炉冷却水中にCa,Mg,SiO₂などの不純物が
存在すると、これらの不純物が燃料棒の表面にスケール
として沈着し、燃料棒の熱伝導を阻害する。一方、鉄の
腐食生成物（以下、クラッドと称する。）は中性子照射
を受けて放射化し発電設備全体の汚染レベルを高める傾
向がある。

そのため復水などの原子炉冷却水は各種フィルタで微
細固形物を除去した後に、イオン交換樹脂を充填した脱
塩塔などの浄化装置において処理され、処理水は純度の
高い補給水とともに給水として原子炉設備に還流されて
いる。

従来の沸騰水型原子炉用の復水浄化装置１としては、
一般にアンバーライトや各種高分子化合物で形成した粉
状樹脂を、多層に充填した混床式粒状樹脂充填型の復水
脱塩塔１のみを、第５図に示すように、複数基並列に配
置して構成したものや、第６図に示すように、上記の復
水脱塩塔２と、濾材として、それぞれ微小パーライト粒
や中空糸膜を使用したプリコートフィルタ３または中空
糸膜フィルタ４とを組み合わせた浄化装置が採用されて
いる。

また特にイオン交換容量が高いスチレン／ジビニルベ
ンゼン共重合体からなるイオン交換樹脂を使用した復水
脱塩塔も広く採用されている。

近年では、原子炉機器構成金属材（主として鉄）の腐
食生成物（クラッド）が原子炉内へ取り込まれる絶対量
を可及的に低減して原子炉設備の放射線レベルをより低
減するために、不溶性、可溶性を問わず、より高い除去
率で不純物を除去すべく、特に新設プラントにおいては
第６図に示す復水浄化装置が一般的に採用される傾向に
ある。

また第５図に示す粉状樹脂充填型の復水脱塩塔２のみ
を配設した既設のプラントにおいても、水質のより高度
化をめざし、種々の形式のフィルターが前置濾過装置と
して新たに追加付設される傾向にある。この前置濾過装
置としては、クラッド除去性能が優れ、また廃棄物発生
量が少ない中空糸膜フィルタが主として採用される。

一方、復水脱塩塔は、前置濾過装置の有無に拘らず装
置規模は同等であり、そのイオン交換樹脂の充填量は、
780MW級プラントにおてい約50m³であり、1100MW級プラ
ントでは約60m³にも及ぶ。

第５図および第６図に示す復水脱塩塔２は、下記のよ
うに運転される。すなわち復水の通水速度は大体2500〜
6500m³/hrであり、各復水脱塩塔内における積算採水量
が所定値に達した段階で、復水脱塩塔２内の充填樹脂を
スラリー輸送によって図示しない再生塔に移送し、ここ
で付着クラッドの逆洗や薬品による化学再生を行った後
に再生樹脂は再びスラリー輸送によって復水脱塩塔２内
に還流される。この運転サイクルを所定回数繰り返した
結果、損耗した樹脂は、順次廃棄物処理建屋の沈降分離
槽にスラリー輸送され、そこでスラッジとして分離され
処理される。

第６図に示すように前置濾過装置としての中空糸膜フ
ィルタ４等が配設されることにより、復水脱塩塔２に対
するクラッド負荷は大幅に軽減される。しかしながら復
水脱塩塔２におけるイオン交換樹脂の逆洗、再生操作
は、その実施頻度は減るが依然として、所定期間または
所定通水量毎に励行される。

一方前置濾過装置としてプリコートフィルタ３を配設
した復水浄化装置においては、パーライトなどの粉末イ
オン交換樹脂を濾過助材として使用しているため、固形
分の捕捉とともに脱塩作用も進行する。従って復水脱塩
塔２に対するイオン負荷は軽減される。しかしながら従
来一般に使用されている中空糸膜は脱塩能力を保持して
いないため、第３図（ａ）に示すように中空糸膜フィル
タ４に通水しても復水脱塩塔２に対するイオン負荷は変
わらない。

（発明が解決しようとする課題）このように従来の復水浄化装置を構成する復水脱塩塔
には、１プラント当りに50〜60m³程度の膨大なイオン交
換樹脂を充填し、かつ所定の運転期間毎に再生して運用
している。

従って損耗して廃棄されるイオン交換樹脂の樹脂量も
多く、またイオン交換樹脂をスラリー輸送する際には、
樹脂容量の10倍程度の移送用水が必要とされるため、高
濃度に汚染された移送用水や逆洗時に排出される再生廃
液も膨大になり、二次処理を要する廃棄物量が増加する
欠点がある。また再生塔や沈降分離槽などの再生用の付
帯設備が必須となり、装置の全体構成が大型で複雑にな
る問題点がある。

またスチレン／ジビニルベンゼン共重合体で、形成し
たイオン交換樹脂を使用した復水脱塩塔においては、イ
オン交換樹脂の単位容積当りのイオン交換容量が大きく
なる一方、イオン交換速度が小さくなるため、復水脱塩
塔の規模が大きくなる問題点があった。

すなわち従来の共重合体製のイオン交換樹脂は、ジビ
ニルベンゼンの添加量が、表面部および中心部ともに均
一であり、標準的に８％程度に設定され、高い架橋度を
有しているため、樹脂表面部における不純物イオンの交
換容量は大きいが、樹脂中心部への不純物イオンの拡散
速度が小さいためイオン交換速度が小さい欠点があっ
た。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、
イオン交換容量および交換速度が共に大きいイオン交換
樹脂を採用したイオン交換樹脂およびこの樹脂を用いた
復水脱塩塔ならびに復水浄化装置を提供することを目的
とする。

本発明の他の目的は、イオン交換容量および交換速度
の大きなイオン交換樹脂を用いることにより、装置全体
を簡素で小型化でき、かつ廃棄物発生量を低減すること
ができる復水脱塩塔および復水浄化装置を提供するにあ
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明に係るイオン交換樹脂は、上述した課題を解決
するために、請求項１に記載したように、スチレンおよ
びジビニルベンゼンの共重合体からなるイオン交換樹脂
において、高架橋度の表層部と、低架橋度の中心部とを
有するイオン交換樹脂である。

請求項２に係る発明は、上述した課題を解決するため
に、前記ジビニルベンゼンの含有量が８〜16重量％であ
る表層部と、前記ジビニルベンゼンの含有量が３〜７重
量％である中心部とを有するイオン交換樹脂である。

請求項３に係る発明は、上述した課題を解決するため
に、前記表層部から中心部に向かって、前記ジビニルベ
ンゼンの含有量が16重量％から３重量％へと減少する組
成分布を有するイオン交換樹脂である。

本発明に係る復水脱塩塔は、上述した課題を解決する
ために、請求項４に記載したように、スチレンおよびジ
ビニルベンゼンの共重合体からなるイオン交換樹脂を充
填した復水脱塩塔において、前記イオン交換樹脂はジビ
ニルベンゼンの含有量が８〜16重量％である高架橋度の
表層部と、ジビニルベンゼンの含有量が３〜７重量％で
ある低架橋度の中心部とを有するものである。

本発明に係る復水浄化装置は、上述した課題を解決す
るために、請求項５に記載したように、スチレンおよび
ジビニルベンゼンの共重合体からなるイオン交換樹脂を
充填した復水脱塩塔と、中空糸膜を濾過材として充填し
た中空糸膜フィルタとを備え、前記復水脱塩塔は、ジビ
ニルベンゼンの含有量が８〜16重量％である高架橋度の
表層部と、ジビニルベンゼンの含有量が３〜７重量％で
ある低架橋度の中心部とを有するイオン交換樹脂が充填
されたものである。

（作用）本発明に係るイオン交換樹脂およびその樹脂を用いた
復水脱塩塔ならびに復水浄化装置によれば、イオン交換
速度およびイオン交換容量が従来より格段に優れるスチ
レン／ジビニルベンゼン共重合体からなるイオン交換樹
脂を充填した復水脱塩塔を備えているため、復水脱塩塔
の樹脂充填層高を相対的に小さくできる一方、通液速度
を高めることができる。従って復水脱塩塔の小型化を図
ることが可能となり復水浄化装置の全体構成を簡素にす
ることができる。

またイオン交換能を有する機能性中空糸膜フィルタを
設けた場合には、予め固形物質はもとより、不純物イオ
ンも除去されるため、復水脱塩塔に対するイオン負荷が
低下し、復水脱塩塔の再生頻度が低減されるため、再生
時に発生する廃棄物量を大幅に低減することができる。

（実施例）次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説
明する。

第１図は本発明に係る復水浄化装置の一実施例を示す
系統図である。すなわち本実施例の復水浄化装置1aは復
水脱塩塔2aと機能性中空糸膜フィルタ５とを備える。復
水脱塩塔2aはスチレン／ジビニルベンゼン共重合体から
なる粒体状のイオン交換樹脂を充填しており、このイオ
ン交換樹脂は粒体中心部におけるジビニルベンゼンの含
有量が３〜７重量％を有するものである。また、機能性
中空糸膜フィルタ５には、イオン交換能を有する機能性
中空糸膜を濾材として装填される。

上記イオン交換樹脂は、強酸性の、例えばスルホン酸
基（−SO₃−）をイオン交換基とするカチオン系イオン
交換樹脂の機能と、強塩基性の、例えば第４アンモニウ
ム基（−(CH₃)₃N⁺）をイオン交換基とするアニオン系イ
オン交換樹脂としての機能を併有するものである。これ
らのイオン交換基の選択は、我が国の大部分の原子力発
電所において海水が２次冷却水として使用されているた
め、必須の要件となっている。

上記イオン交換樹脂は、スチレンとジビニルベンゼン
（DVB）との共重合体からなり、例えば、第２図
（ａ），（ｂ）に示すように球体状に形成される。第２
図（ａ）に示すイオン交換樹脂6aは球体の表層部からそ
の中心部に向かって、ジビニルベンゼン（DVB）の含有
量が16重量％から４重量％へと連続的に減少する組成分
布を有する。従って、表層部は高架橋度を呈する一方、
中心部は低架橋度となる。

一方第２図（ｂ）に示すイオン交換樹脂6bは、高架橋
度の表層部７と低架橋度の中心部８とからなる２層構造
で形成されている。

イオン交換樹脂6a,6bの架橋度はジビニルベンゼンの
添加量によって調整することが可能であり、架橋度を高
めることにより、イオン交換樹脂の単位体積当りのイオ
ン交換容量を高めることができる一方、架橋度を低減す
ることにより、樹脂内部への不純物イオンの拡散速度を
高め、イオン交換速度を増大化させることができる。

樹脂表層部７におけるジビニルベンゼン（DVB）の含
有量は８重量％以上に設定する一方、中心部８における
DVBの含有量は３〜７重量％の範囲に設定される。中心
部８におけるDVBの含有量が３重量％未満の場合は、樹
脂の構造強度が低下し、イオン交換体としての寿命が短
くなる一方、含有量が７重量％を超えると高架橋構造と
なり、不純物イオンの中心部への拡散が阻害されてしま
うため、上記範囲に設定される。なお樹脂全体としてイ
オン交換容量およびイオン交換速度を共に実用上、満足
させるためには、高架橋度部におけるDVB含有量を16重
量％程度に設定する一方、低架橋度部においては４重量
％程度に設定することが望ましい。

これらのイオン交換樹脂は充填層を形成するように復
水脱塩塔に配置してもよいが、復水脱塩塔から容易に着
脱できるカートリッジ内に充填する方式が優れている。

一方、機能性中空糸膜フィルタ５は、従来、汎用の中
空糸膜の表面に、前記スルホン基や第４アンモニウム基
などのイオン交換基を一体に形成した中空糸膜を濾材と
してフィルタ本体内に装填して構成される。

本実施例に係る復水浄化装置1aに供給されたBWR復水
は、まず機能性中空糸膜フィルタ５によって、微細なク
ラッドがほぼ100％除去されるとともに、ある程度の不
純物イオンが除去される。平常運転時に排出される復水
中の不純物イオン量は、導電率で表わすと0.07μs/cm程
度と非常に小さいので、事故時等において系外から多量
の不純物の流入が発生しない限りは、機能性中空糸膜フ
ィルタ５による処理のみで復水の浄化処理は可能であ
る。

そして、機能性中空糸膜フィルタ５から排出された復
水は、後段の復水脱塩塔2aに供給され、中空糸膜フィル
タ５で除去されなかった不純物イオンがカートリッジ内
のイオン交換樹脂6a,6bによってイオン交換される。球
状のイオン交換樹脂6a,6bの表層部においてイオン交換
した不純物イオンは樹脂の中心方向に拡散していく。こ
のとき表層部７は高い架橋度を有しているため、イオン
交換容量が大きくなるが、球体内への拡散速度は小さ
い。表層部７を通り、架橋度が低い中心部８に不純物イ
オンが到達すると、不純物イオンの拡散速度が急激に上
昇する。その結果、イオン交換樹脂6a,6bの全体として
のイオン交換速度が、従来と比較して大幅に増加し、ま
たイオン交換容量も大きくなる。

第３図（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来装置および本実
施例装置を使用して、同一水質のBWR復水を同一の処理
速度で浄化した場合の処理水質を表す図である。第３図
（ｂ）に示す機能性中空糸膜フィルタの濾材としては、
第３図（ａ）の中空糸膜フィルタの表面にスルホン基お
よび第４アンモニウム基を形成した中空糸膜を使用し
た。また第３図（ｂ）に示す復水脱塩塔には第２図
（ｂ）に示すイオン交換樹脂をパッケージに充填したも
のを装填している。パッケージの充填容積は、第３図
（ａ）に示す粒状樹脂充填復水脱塩塔２の充填容積の1/
5に設定した。

本実施例装置によればイオン交換能を有する機能性中
空糸膜フィルタ５を前置濾過器として採用しているた
め、BWR復水中のクラッドおよび不純物イオンを同時に
除去でき、後流側の復水脱塩塔2aに対するクラッド負荷
および不純物イオン負荷を大幅に軽減することができ
る。

またカートリッジ型復水脱塩塔2a内に充填したイオン
交換樹脂6bは、ジビニルベンゼンの含有量が表層部およ
び中心部ともに同一で８重量である従来の樹脂と比較し
て、極めて大きな反応速度を有し、イオン交換樹脂6bは
短時間の間にイオン除去を行うことができる。

具体的に例示すると、従来の粒状樹脂充填型の復水脱
塩塔２では、充填層高を900〜1000mmとし、また復水脱
塩塔２における接触時間の逆数である空間速度（SV）を
120h^-1程度に設定する必要があったが、本実施例では、
SV値が600h^-1程度まで高めることが可能であり、従来と
同一量のBWR復水を処理するための樹脂の充填層高を1/5
程度に低減することができ、層高の減少により圧力損失
も小さくすることができる。

また、イオン交換容量（単位体積当たりのイオン交換
容量）が大きいことから、下記（１）式に示すように、
吸着帯移動速度ｕが小さくなり、層高を小さくしても容
易に破過には至らない。従って非再生運用が可能とな
る。

ｕ＝Ｕ・C/（Ｑ＋ε・Ｃ）…………（１）ただし、u:吸着帯移動速度（m/h） U:通水線流速LV（m/h） C:負荷イオン濃度（meq/ml） Q:貫流イオン交換容量（meq/ml） ε：空隙率（−）である。

またイオン交換速度およびイオン交換容量の増大は、
必然的に廃棄物量の減少にもつながる。特に復水脱塩塔
2a内にカートリッジ型のイオン交換樹脂を充填した場合
には、最終的に廃棄処理を行う際においても、配管中を
多量の移送水とともに流体移送することなく、通常の固
形物の運搬と同様に廃棄物処理建屋に移送することがで
きる。

特に前置濾過装置として、イオン交換能を有する機能
性中空糸膜フィルタ５を配置することにより、後流側の
復水脱塩塔2aに対するクラッド負荷および不純物イオン
負荷が図られ、原子炉の通常運転条件下においては、復
水脱塩塔2a内のイオン交換樹脂の非再生化が可能とな
り、再生設備が不要となる。すなわち廃樹脂の沈降分離
槽、輸送配管等が不要となるため、設備構成を大幅に簡
素化でき、廃樹脂、再生廃液、移送水などの廃棄物発生
量を大幅に低減することができる。

以上、本実施例では機能性中空糸膜フィルタ５とカー
トリッジ型脱塩塔2aとを直列に配設して復水浄化装置を
構成した例で示しているが、第４図（ａ），（ｂ）にそ
れぞれ示すように、本願に係るカートリッジ型脱塩塔2a
または機能性中空糸膜フィルタ５をそれぞれ単独に配置
して復水浄化装置1b,1cとした場合においても、それぞ
れの特徴を生かした効果を発揮することができる。

さらに第４図（ｃ）に示すように機能性中空糸膜フィ
ルタ５の代りに従来の中空糸膜フィルタ４またはプリコ
ートフィルタ９を配設する一方、後流側に、本発明に係
る復水脱塩塔2aを配置して構成した場合においても、第
１図に示す復水浄化装置とほぼ同一の効果が得られるこ
とが確認されている。

〔発明の効果〕

本発明に係るイオン交換樹脂およびこの樹脂を用いた
復水脱塩塔ならびに復水浄化装置によれば、イオン交換
速度およびイオン交換容量が従来より格段に優れるスチ
レン／ジビニルベンゼン共重合体からなるイオン交換樹
脂を充填した脱塩塔を備えているため、脱塩塔の樹脂充
填層高を相対的に小さくできる。

一方、イオン交換樹脂は、ジビニルベンゼンの含有量
が８〜16重量％である高架橋度の表層部とジビニルベン
ゼンの含有量が３〜７重量％の低架橋度の中心部とを有
するので、イオン交換速度およびイオン交換容量を大幅
に改善して通液速度を高めることができる。従って復水
脱塩塔の小型化を図ることが可能となり復水浄化装置の
全体構成を簡素にすることができる。

また、中空糸膜フィルタによって予め固形物質が除去
されるため、復水脱塩塔に対するイオン負荷が低下し、
復水脱塩塔の再生頻度が低減され、再生時に発生する廃
棄物量を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る復水浄化装置の一実施例を示す系
統図、第２図（ａ），（ｂ）はそれぞれ脱塩塔に充填す
るイオン交換樹脂の構造を示す断面図、第３図（ａ），
（ｂ）はそれぞれ従来装置および本実施例装置による復
水処理結果を示す図、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）は
それぞれ本発明の他の実施例を示す系統図、第５図およ
び第６図は従来の復水浄化装置の構成例を示す系統図で
ある。 1,1a,1b,1c,1d…復水浄化装置、2,2a…脱塩塔、３…プ
リコートフィルタ、４…中空糸膜フィルタ、５…機能性
中空糸膜フィルタ、6a,6b…イオン交換樹脂、７…表層
部、８…中心部、９…プリコートフィルタ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】スチレンおよびジビニルベンゼンの共重合
体からなるイオン交換樹脂において、高架橋度の表層部
と、低架橋度の中心部とを有することを特徴とするイオ
ン交換樹脂。
【請求項２】前記ジビニルベンゼンの含有量が８〜16重
量％である表層部と、前記ジビニルベンゼンの含有量が
３〜７重量％である中心部とを有する請求項１記載のイ
オン交換樹脂。
【請求項３】前記表層部から中心部に向かって、前記ジ
ビニルベンゼンの含有量が16重量％から３重量％へと減
少する組成分布を有する請求項１記載のイオン交換樹
脂。
【請求項４】スチレンおよびジビニルベンゼンの共重合
体からなるイオン交換樹脂を充填した復水脱塩塔におい
て、前記イオン交換樹脂はジビニルベンゼンの含有量が
８〜16重量％である高架橋度の表層部と、ジビニルベン
ゼンの含有量が３〜７重量％である低架橋度の中心部と
を有することを特徴とする復水脱塩塔。
【請求項５】スチレンおよびジビニルベンゼンの共重合
体からなるイオン交換樹脂を充填した復水脱塩塔と、中
空糸膜を濾過材として装填した中空糸膜フィルタとを備
え、前記復水脱塩塔は、ジビニルベンゼンの含有量が８
〜16重量％である高架橋度の表層部と、ジビニルベンゼ
ンの含有量が３〜７重量％である低架橋度の中心部とを
有するイオン交換樹脂が充填されたことを特徴とする復
水浄化装置。