JP3321179B2 - 高効率逆侵透処理の方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、膜による水処理、精製、濃縮システムにお
れる水処理の方法、およびそれを実行するための装置に
関する。ある実施の形態においては、供給水前処置の方
法および逆浸透（“RO"）装置の操作方法に関する。こ
れにより、溶質除去率を高め、極めて高純度の生成水
（溶質物含有の低い）をつくることを達成し、同時に水
処理装置の作業効率を顕著に高める。

背景技術 最小限の管理ですむような装置を用いて、希望の純度
の水を確実に製造できるような簡便かつ効率的、さらに
安価なプロセスが、常に求められている。特に、供給水
利用効率の改善、また高純水システムにかかる運転費用
および投資費用の両方を減額することが、半導体、医
薬、バイオテクノロジー、蒸気一電力，プラント、原子
力プラント操作など各種産業において望まれる。

前述の産業のほとんどの水処理システムにおいては、
通常、そのプラント設計や操作パラメーターは、溶融性
の乏しい物質の溶解限度に関する、選択された装置の許
容できる最終濃度（通常、全溶解固形物、または“TDS"
と表現されている）に制約される。特に、シリカ、硫酸
カルシウム、硫酸バリウムは、達成できる最終濃度を制
限することが多い。多くの原子力プラントや多くの超純
水プラントオペレーションなどほとんどの場合、ホウ素
または同じように作用する両性電解質の他の化合物は、
従来のROシステムにおいては、膜通過の排除率が比較的
小さいので、設計や運転限度を左右する可能性がある。
そのような化合物が存在すると、透過水として知られる
逆浸透生成水の質が悪く、許容純度の純水を製造するた
めには、RO処理後に更に追加の処理が必要となることが
多い。とにかく、膜寿命に及ぼす潜在的に有害な作用だ
けでなく、スケール形成、および結果的に生じる膜処理
量の低下を避けるために、膜による水処理プラントの設
計や操作において、シリカや他のタイプのスケール形成
の可能性を認識しなければならず、また水回収率および
それに応じて運転をも制限しなければならない。実際、
典型的なROプラントにおける経験によると、透過流速の
低下、透過水の質の悪化、または膜通過の圧力損失（pr
essure drop）の増加が生じるので、定期的な膜の化学
的洗浄が必要である。歴史的にも、そのような洗浄は、
膜のスケール形成、微粒子ファウリング、生物的ファウ
リング、あるいはそれらの組み合わせが生じることから
必要とされてきた。そのような膜洗浄サイクルにより生
じる経費、不便さ、製造損失のため、化学的洗浄を必要
とする期間と期間の間をできるだけ長くし、同時に望ま
しくないイオン種を効率よく排除し、高純度の透過水の
生成を確実に達成することが有益である。

1980年代中頃から末期までに、薄層複合膜が導入さ
れ、ほぼ世界的に採用されて以来、RO技術は発展的に改
良されてきた。この薄層複合膜の平均排除率の改良が進
む一方で、要求される排除率と流動率（膜表面積の単位
あたりの透過水生成率、通常、膜平方フィート当たり１
日のガロンあるいは膜平方メートル当たり１日のリット
ルで表現される）を達成するのに必要とされる操作圧力
は、ゆっくり減じられてきた。

歴史的に、半塩水（brackish water）ROシステムは、
その供給水のスケール形成およびファウリング傾向によ
り、その許容できる回収率、流動率が制限されてきた。
従来の半塩水ROシステムの制限に比較して、半塩水供給
水のスケール形成およびファウリング傾向を、回収率限
界が浸透圧により決められる点まで、また流束率が実質
的に増加する点まで低下させることが望ましい。

典型的な最終消費者の見地から、RO技術のいくつかの
分野の改良が−塩素許容量はその一つであるが−更に求
められている。薄層複合膜は、少なくとも幾分かは表面
の電荷や特質により、生物的ファウリングや微粒子ファ
ウリングが比較的生じ易い傾向にある。ある種の供給水
の場合、特に地上水源の場合、膜のファウリングおよび
ファウリングを防ぐのに必要な頻回の洗浄のために、困
難で、費用や時間のかかる操作上の挑戦が求められる。

全有機炭素（“TOC"）、シリカ、ホウ素などの弱イオ
ン化種の排除率は、ナトリウム、塩化物のような強イオ
ン化種の排除率に比較して明らかに低い。RO後のイオン
交換の効率は、主に、RO透過水に存在する弱い陰イオン
の濃度により決定されるので、ROユニット操作において
は、可能な限り多くの弱陰イオンを排除することが有益
である。言い換えれば、RO工程でより多くのシリカ（お
よびホウ素）を排除することで、ROユニット後のイオン
交換ユニット操作における、より高い処理量を達成でき
る。

1986年３月４日、ピットナー（Pittner）によるアメ
リカ特許No.4,574,049の「逆浸透システム（REVERSE OS
MOSIS SYSTEM）」、これは二回通過（生成段階）ROシス
テム設計であるが、この中で発表されたROプロセスを除
いて、二酸化炭素は、一般的には、RO透過水における陰
イオン負荷の最大の分画を表す。しかし、従来のROシス
テム操作状況では、透過水の二酸化炭素含有が同（絶
対）濃度にとどまり、より大きい陰イオン負荷の分画を
表すので、多数回通過型のROではほとんど利益を与えな
い。従って、単回通過のROシステムにおける弱陰イオン
の排除率を高めることは、重要な改良が更に求められて
いる分野の一つであると考えられる。

弱イオン化種の排除率を高めることに加えて、強イオ
ン化種の排除率を高めることも望まれる。

回収率または容量効率は別のパラメータで、それを改
良すればROシステム性能に有利となる。典型的なROシス
テムは、約75％の回収率で作動している。つまり入って
くる供給水の75％のみが有効に利用され、残り（25％）
は排出されているのである。水が世界中で不足し高価に
なってきているから、ROシステムの回収率を最大限に高
めることが重要な目標である。

流束を高めると投資費用を減額するので、操作流束を
高めることは常に最終消費者にとって重要である。

またRO後ユニット操作の簡便化およびコスト減額もま
た最終消費者に求められている。これは、半導体デバイ
ス形態における設計ルールが厳しくなっていくにつれ
て、超純水の不純物の許容濃度が、低下してきているか
らである。超純水システムにおける汚染濃度を更に低く
することは必要である。結果的に、RO後のシステムの構
成部品の費用および複雑さは、ここ数年劇的に高まって
きた。

高純水加工法およびそれらを実行するのに必要な機械
設備は、複雑で高価である。実際、再生可能な混床式イ
オン交換システムは、超純水処理システム全体の中でも
最も高価な（かつ複雑な）単ユニット操作／プロセスで
ある。従って、RO処理水の特質を大きく改善すれば、明
らかに超純水システム全体の費用を下げ、複雑さを解消
できる。

私は、高純水処理適用におけるいくつかの試み、排水
処理適用における試み等、中性あるいは中性付近のpHで
水溶液にわずかに溶解しているある種のイオンの排除効
率を高めようという努力を行っているさまざまな試みを
知っている。そのような試みの多くは、従来の硬度除去
およびその後化学薬品添加によりpHを上昇させるという
特徴を持っている。その方法の一つが、1993年10月５
日、アメリカで発行された特許No.5,250,185タオらの
「高いpHでの逆浸透膜操作による水溶性ホウ素濃度の低
減（REDUCING AQUEOUS BORON CONCENTRATION WITH
REVERSE OSMOSIS MEMBRANES OPERARING AT HIGH
PH）」に示されている。彼の発明の好ましい実施の形
態の中では、二価の陰イオンを除去するために、従来の
ゼオライト軟化剤を使用した後、ナトリウム形で操作さ
れる弱酸性陽イオン交換体を用いている。装置制限とプ
ロセス設計考慮の両方から、彼の発明の前処理工程に
は、硬度によるスケール形成を防止するため、別に供給
水にスケール抑制剤を添加するという、幾分費用がかか
り望ましくない工程が伴う。また彼の方法は、硬度とア
ルカリ度を同時に除去するというもので、多くのタイプ
の適用に利益があり、私も興味があるのであるが、その
除去工程において高い効率を示さない。そのことは、彼
のプロセスにおいて、下流部の軟化工程を２回追加する
必要があるという事実により証明されている。さらに彼
の適用は、炭化水素化合物（炭素と水素のみを含み、大
抵イオン化されていない）を含む油田の生成水に関係が
あり、それを述べ主張しているが、私が興味を持つ適用
においては、そのような化合物はほとんど全く存在して
いない。私が第一に興味を引かれる適用では、フミン酸
やフルボ酸のような自然に生じる様々な有機酸が、特
に、処理のために提供される地上水に存在する。

また、高純水適用に利用された方法が、日本におい
て、ヨコヤマらによって2984年６月29日に公開された特
開昭58−112890、「逆浸透膜を用いた脱塩法（METHOD
OF DESALINATION WITH AREVERSE OSMOSIS MEMBRAN
E UNIT）」に示されている。その中で、ある例では軟
化のために、また別の例では軟化せずに強酸性陽イオン
交換樹脂（“SAC"）の前処理プロセスを利用する逆浸透
ユニットを示している。彼のプロセスは、ある種の供給
水には効果的であるが、RO膜のスケールを避けながら、
より高いpHでどんな操作が用いられるのかは示していな
い。

私のプロセスをよく理解するためには、水の化学の基
礎原理を理解することが有用である。例えば、炭酸カル
シウム（CaCO₃）についていえば、最終排除ゾーンのRO
膜で沈殿を生じる可能性が、ランゲリア飽和指数（Lang
elier Saturation Index）（LSI）としても知られる
ランゲリア指数（Langelier Index）を用いて予測され
る。1979年著作権マグロウヒルによるナルコ水ハンドブ
ック（Nalco Water Handbook）を参照せよ。この指数
は、一般に次のように公式化されている。

LSI＝pHreject−pHs ここで、pHs＝CaCO₃飽和時のpH（排除水）、 pHs＝pCa＋pALK＋Ｃ、 また、ここで、pCa＝Ca⁺⁺イオン濃度（モル／リット
ル）の−log、 paLK＝HCO₃ ^-イオン濃度（モル／リットル）、および Ｃ＝全イオン強度およびRO排除水の温度を基にした定
数 である。

あるRO排除水において、炭酸塩スケール形成を避ける
ためには、LSIを負に、即ちCaCO₃を可溶の状態に保てば
最も望ましい。しかし、これは、ある条件下では、ある
種の抗スケール添加剤を使用すれば、LSIは、CaCO₃のス
ケール形成を生じさせずに約＋1.5までは許容できるこ
とがわかっている。とにかく、どんなRO排除水のpHであ
っても、望ましくないスケール形成を避けるためには、
pHsは最小限にしなければならない。このことから全体
を見通すためには、どんなRO前処理においても、軟化工
程でカルシウムが常にいくらかは漏出することが予測で
きるということを考慮しなければならない。このよう
に、原供給水硬度および実行された前処理プロセス計画
によれば、処理されたRO供給水に存在するCa⁺⁺イオン濃
度による、pCaの達成可能値の下限が予測できる。とに
かく、Ｃの値は、全イオン強度および温度により決定さ
れる。従って、LSIを許容範囲に保つためには、−RO操
作でスケールを防ぐためには−カルシウム（マグネシウ
ムのような他の硬度と同様に）の漏出は、重大な要因と
なる。先に示したタオらの特許では、種々の軟化剤を連
続して与えることで、この問題を解決しようとしてい
る。明らかに彼は、それに必然的に伴う高い投資費用や
運転費用を受け入れている。他方ヨコヤマは、カルシウ
ム除去の程度に一致したpHにまでRO操作を制限すること
を決断した、pH9でRO排除水を処理し、イオン交換列か
らのCa⁺⁺漏出が0.1ppm、ROにおける濃縮要因が５（“5
X"）と仮定すると、彼のRO操作はLSI約−0.5でRO排除水
をつくると予想される。スケール抑制剤の使用有無に関
わらず、LSIがこの程度であればスケール形成のない操
作ができる。しかし、ヨコヤマの例におけるpHが、例え
ば11まで高められ、同じ前処置方法を行うと、LSIは約
＋2.4になるかもしれない。このような場合、排除水の
ランゲリアー飽和指数のレベルは、現在の抗スケール剤
が持っている、スケール形成を起こさずにRO操作ができ
るレベルより十分高いだろう。

このように、私の知っている先の方法は、次に挙げて
いる欠点を一つ以上持っている。

（ａ）非常に高いpHで、スケールを生じさせないで操作
するのにどうしても必要となる、極端に低い硬度および
非水酸化のアルカリ度を確実に達成するわけではない。
（ｂ）硬度漏出を最小限にするために、運転費用ととも
に余分で高価な装置を必要とする。（ｃ）RO排除水のLS
Iを低下させるためにまず硬度低下を要する（効果的な
脱アルカリ化のための手段は含まれない）。（ｄ）スケ
ール形成を防止するために抗スケール添加剤を要する。
したがって、高いpHでもRO操作を様々な問題から免れさ
せるため、（ａ）硬度を非常に低いレベルにまで除去
し、（ｂ）効果的な脱アルカリ化を行う、私のシンプル
な処理プロセスの利点は重要で自明である。

更に、スケール形成傾向による濃度要素（concentrat
ion factor）の上限のため、ROシステムは原供給水の
約25％以上を使用できないことが多い。また、原水の化
学的性質によるが、約75％（またはそれより幾分低い）
より大きい回収率では、従来のRO方式における化学的ス
ケール発生および生物学的ファウリングの制御は、長時
間の運転をしようとすると、ほとんど困難となる。従っ
て、約75％を上回る率の水回収を持つRO方式の広範囲な
商業使用は、今まで成し遂げられなかった。

水はますます高価になり、または供給が低く、または
その両方の理由から、RO方式では原供給水に対する処理
生成水の割合を高めることが望ましい。それ故、今日一
般に達成されている率より高い回収率での水処理を可能
にし、水処理にかかる費用を減額することが望ましいと
いうことが理解される。最終的に、そのようなますます
困難となる水処理目標に、今日よりさらにシステムの有
効性を高め、運転時間を長くすることで対処することは
明らかに望ましい。

私の知る限りでは、今まで誰も、より高純度の処理水
を生成するため連独的で持続可能な長期操作で、約９よ
り高いpHで逆浸透法による水処理方式を行うことが適し
ているとは考えなかった。従来の工学技術は、中等度の
pHの使用、最終濃度や水回収率の制限、化学的添加剤の
使用により、設計周辺の制限あるいはスケール形成との
闘いにアプローチしてきた。歴史的にも、酢酸セルロー
ス膜は、pHおよそ４から７までの範囲での操作に限定さ
れた。新しいポリアミドおよび薄層複合膜タイプの膜
は、pHおよそ約４から約８までの範囲で伝統的に操作さ
れてきた。２、３の特殊な目的のために、高いpHでの操
作が時折試みられてきたが、通常シリカに関連のない適
用においてであった。また、高いpHでの操作が、シリカ
に関連したROの２回目の通過で利用されていたが、私の
知る限りでは、中性または中性付近のpHでの操作の初回
通過RO操作の後でのみ行われている。有機物が明らかに
関係している場合には、pHは５未満、好ましくは４未満
に及ぶことが多い。

先の水処理方法に対して、ここに教えられた方法は、
入手できる膜を用いて最大限に実行可能なpHで、初回通
過の間にスケール発生のどんな可能性をも事実上排除す
るという理想的な設計哲学を利用し、同時に希望の濃度
を維持し、結果的に水回収率の利益を得ている。

要約 私は今回、シリカ濃度の非常に低い高品質透過水を生
成するために、硬度やアルカリ度の積極的除去、高いpH
での膜分離をベースにした、新しい水処理方法を発明し
た。

独特な供給水処理プロセスの中で、同時に硬度とアル
カリ度を除去するために、適当な化学組成の原供給水を
水素形で稼動される弱酸性陽イオン交換樹脂で処理す
る。この弱酸性陽イオン交換樹脂は、従来のイオン交換
システムでな、硬度破過（breakthrough）のため停止を
引き起こすような硬度やアルカリ度よりもはるかに高い
原供給水の硬度、アルカリ度レベルで操作できる。

私の排水処理プラントで好ましく使用されるこの処理
の一連の設計は、多くの重要で深刻な問題を克服してい
る。まず、低い硬度は、非水酸化物によるアルカリ度の
排除と組み合わされて、硫酸塩、炭酸塩、または珪酸塩
陰イオンに関連した化合物を形成するスケールの沈殿を
実質的に除去する。従って、洗浄の必要性が最小限にな
る。このことは、水処理プラントが水生産を損失しない
ですむので商業的にも重要である。つまり洗浄サイクル
の間、生産損失に適応するため、望まなくても別に処理
プラントを増大する必要がでてくるからである。二番目
に、高いpHでの操作状況は、水溶液中で中性または中性
付近のpHではわずかしかイオン化していない種々のイオ
ンにおいても、かなりの程度までイオン化を達成できる
し、そのような種類のイオンを膜方式で優先的に排除す
ることができる。最後に、高いpHでの操作は生物学的汚
染から保護し、生成水の望ましくない汚染を防止する。
高い操作pHは、細菌や細菌内毒素を効果的に破壊する。
本質において、ここでの開示通りに操作された水処理方
式は、従来のRO方式だと通常洗浄を考慮される可能性の
ある状況でも普通に行われる。

いまや私は水処理使用のために新しいプロセス設計を
開発した。ある実施の形態においては、このプロセス
は、溶質含有量の低い生成水流と溶質含有量の高い排除
水流を生成するための、（ｉ）硬度、（ii）アルカリ度
および（iii）中性または中性付近のpHの水溶液中でわ
ずかにイオン化している分子の存在によって特徴づけら
れる供給水流の処理を含む。（ｉ）原供給水流から硬度
を除去する、（ii）原供給水流からアルカリ度を除去す
る、（iii）硬度除去工程中に発生する不溶ガスを除去
するというステップの中から、任意の順序で一つ以上の
ステップを行うことで、このプロセスは、原供給水を、
選択されたpHで所望の濃度まで濃縮した場合に、原供給
水のスケール形成傾向を効果的に排除するというもので
ある。それから供給水のpHを、少なくとも約8.5まで、
または9.0まで、または約10まで、または（現在利用で
きる合成の薄いフイルムタイプの膜には）好ましくは10
から11の範囲まで、さもなければ11より高く、そして更
に望ましいのは約12または幾分それ以上、シリカや他の
種類の物質の高い排除率によって得られる利益が経費の
追加に勝るまで高くする。現在利用できる薄層複合膜を
用いて、約10.5まででpHをコントロールすれば、長期の
膜寿命を損なうことなく、この方法の利益のほとんどを
得られる。こうしたpH上昇は、軟化され脱アルカリされ
た供給水流に、選択された塩基を、好ましくは直接注入
あるいは代わりに陰イオン交換を使用して添加すること
で行われる。pHを高めると、中性または中性付近でわず
かにイオン化していた分子のイオン化増加が進む。もう
一つの概念は、protonatable、すなわち物質を受け取る
プロトン、または塩基が増加するというものである。pH
の調整された供給水は、排除流および生成流を生成する
ために、典型的には逆浸透型の膜分離装置に、しかし代
わりになる微小ろ過（nanofiltration）または他の適当
なタイプまたは他に利用できる配置、または将来利用で
きるようになり今のこの方法が実行することができるよ
うな膜分離装置に通水される。膜分離装置の理想は、イ
オン化物質の通過を実質的に阻止する半透膜を持つタイ
プである。重要なことは、私のプロセスにおける膜分離
装置は、水溶液中で中性または中性付近のpHでわずかに
イオン化している通常は望ましくないイオン種のほとん
どない生成流をつくることである。

目的、利点および特徴 前述から、本発明の重要で主要な目的の一つは、あら
かじめ選択した非常に高純度高品質の水生成流を、長期
の操作サイクルにわたって確実に連続的につくる水処理
のための新しい方法の準備にあるということは、明白で
ある。

更に明確にすると、私の発明の重要な目的は、高効率
で操作するとき高純度の水生成の方法を確実に与えるよ
うに、生じやすいスケール発生やファウリングの問題を
避けることができる膜による水処理方法を提供すること
である。

本発明の他の重要かつより具体的な目的は、以下のよ
うな（先に述べている）水処理方法の準備にある。

：選択した供給水からの硬度およびアルカリ度の除去
を、単純で直接的な方法で行われるようにする、 ：最小限のユニットプロセスの必要条件を持ち、化学的
供給方式は最小限にするまたは避ける、 ：既存の技術水処理プラントより物理的スペースが少な
くてすむ ：建設、始動、点検しやすい、 ：高効率である、すなわち通水される供給水の量に比例
して高い生成水生産高を水処理プラントに提供する、 ：前述の目的に関連して、水処理プラント経営者に対し
て、および水使用者に対して、現在よりも装置の費用を
減額できる、 ：今述べている目的に関連して、これまで一般的に使用
されていたある種のタイプの化学的添加剤、特にスケー
ル抑制剤の使用をほとんど排除することで、結果的にほ
とんどの水処理施設よりも化学薬品の使用が少なくな
る。

本発明の一実施の形態の特徴は、ほぼ完全な硬度およ
びアルカリ度の除去と弱酸性陽イオン交換との独特な組
み合わせである。これにより水処理プラントは、排除水
の割合を最小限にすることができる。結果的に全体のサ
イクル効率が高まる。

本発明のもう一つの特徴は、シリカ、ホウ素、または
TOCのようなイオン化しにくい種類の物質をイオン化し
やすくするような高いpHでの操作を用いることである。
従って相応する化学的性質を持つ供給水を処理すると
き、従来のRO処理方式の限界をはるかに越えるシリカ、
ホウ素、またはTOC除去レベルでの操作を可能にした。

本発明の更にもう一つの特徴は、このプロセス設計に
従って操作するよう既存のROプラントを改造する能力、
そのRO膜の必要条件を増加させないで生産性を高める処
理能力である。

本発明の別の特徴は、今まで従来のRO方式設計で実行
可能であったものより更に高い流束レベルで操作しなが
ら、更に純度の高い生成水を製造する能力である。

本発明の他の重要な目的、特徴、追加の利点は、前述
から、また後に続く詳細な説明から、および請求項か
ら、付随する図に関連して当業者らに対して明白となる
であろう。

図面の簡単な説明 図面においては、図に示されている同一の特徴は、同
一の参照数字を付し、説明は省略する。

図１は、pHにつれての水溶液中のシリカイオンのイオ
ン化百分率を示している。

図２は、硬度と非水酸化物によるアルカリ度とを同時
に除去する弱酸性陽イオン交換の使用を示す、高効率逆
浸透操作のための私の方法の最初の実施の形態を表して
いる。

図３は、高効率逆浸透操作のための私の２番目の実施
の形態で、この中では、Naゼオライト軟水法および石灰
または石灰／ソーダ軟水法により硬度を減じている。

図４は、高効率逆浸透操作のための私の３番目の実施
の形態で、原供給水のアルカリ度を酸添加により効果的
に適切に低下し、硬度を石灰または石灰／ソーダ軟水法
により選択的に減じる装置の配列を示している。

図５は、私の新しいプロセスを利用しているパイロッ
ト逆浸透試験装置に用いられた逆浸透膜についての１平
方インチ当たりのポンド 対時間（PSID 対 月）にお
ける差圧を示している。

図６は、私の新しいプロセスを利用しているパイロッ
ト逆浸透試験装置に用いられた逆浸透膜についての、分
当たりのリットル 対 時間で標準透過水流を示してい
る。

図７は、私の新しいプロセスを利用しているパイロッ
ト逆浸透試験装置における、逆浸透排除流中のシリカ濃
度を示している。

図８は、私の新しいプロセスのパイロット試験で用い
られた逆浸透膜についての、シリカ排除率 対 時間を
示している。

図９は、一つ以上のRO膜を通過してきた透過水を生成
するため、最初の供給水の部分を引き続き処理するよ
う、多数回通過のROプロセスを使用するときのRO方式操
作の私の方法の利用について述べている。

図10は、ボイラー供給用水、または冷却塔用水、また
はスクラバー（scrubber）用水について、RO方式操作の
私の方法の利用について示している。

図11は、高純水生成のため、連続電気脱イオン化装置
を組み合わせたRO操作の私の方法の利用について示して
いる。

図12は、私の高効率ROプロセスの一つの配置につい
て、プロセス流れ図を示している。

図13は、従来のRO方式プロセス設計についてのシステ
ム概要図を示している。

図14は、ここに示した設計および操作概念を利用し
た、私の高効率ROプロセスについての模範的プロセス例
の流れ図を示している。

詳細な説明 私は、RO方式のプロセス設計および操作についての新
しい方法を開発した。そしてRO方式のプロセス設計及び
操作についてのこの新しい方法を、徹底的に試験した。
このプロセスは、RO操作目的における重要な改善を達成
することができることを示している。

私のヒーロー（HERO）（tm）ブランドROプロセス設計
および操作の特徴は、以下の通りである。

（１） あらゆる汚染物質、特にTOC、シリカ、ホウ素
などの弱酸性の陰イオンの非常に高い排除。

（２） 非常に高い回収率 − 90％以上の回収率を達
成できる。

（３） 生物的ファウリングを本質的に排除する。

（４） 微粒子ファウリングを実質的に減じる。

（５） 洗浄頻度を実質的に減らせる。

（６） 高いpHで操作する結果存在する化学的物質によ
り、またはある場合では最初に塩素を添加する必要をな
くすことにより、供給水からの塩素の除去を必要としな
い。

（７） スケール抑制剤の添加をほとんど排除する。

（８） 実質的に高い流束率が達成される。

（９） 従来のRO方式に比較して、全体としての投資費
用が安い。

（10） 従来のRO方式に比較して、全体としての運転費
用が安い。

（11） 超純水方式の複雑さを顕著に軽減できる。

HEROブランドRO方式は、かなり場所−特異性がある。
個々のプロセス工程は、特定の場所で特定の供給水に適
合するようにあつらえて作られている。異なる場所の前
処置プロセスにおける差異に関わらず、あらゆる適用に
対して一つのプロセスパラメーター、すなわちRO方式は
排除を実行可能な最も高いpHで操作されるということで
共通である。現在利用できるRO膜（例えば、フィルムテ
ック（FILMTEC）（Ｒ）ROエレメントではpH11.0）の許
容限界の最高pHに対応して、典型的なHEROブランドROユ
ニット方式は、そのRO排除流で測定したとき、約11まで
のpHで操作するよう設計されている。

私のHEROブランドROユニットプロセスに許される非常
に高い濃度要素（すなわち、回収率）のため、このRO供
給水pHは相応して低い。例えば、RO供給水が、炭酸塩、
リン酸塩などの存在でほんのわずかに緩衝される場合に
は、回収率90％で操作している方式では、pH10.0の原水
だと約pH11で排除流を生成する。一般的に約75％の回収
率で操作される従来のROシステムと異なって、HEROブラ
ンドROユニットシステムは、そのRO排除水の浸透圧によ
ってのみ制限されるが、いつも90％かそれ以上の回収率
で行われる。RO供給水から排除水までのpHの増加は、非
常に高い回収率へと拡大される。従って、最大許容pHは
特にRO排除水条件に適用される。

ROシステムでpH11近くまで、または約pH11、またはそ
れより高いpHの排除水を扱うためには、RO膜上のスケー
ル形成の潜在的可能性を効果的に取り除くように、いく
つかのプロセス条件を適合させなければならない。これ
らのプロセス条件の中には、非常に高い回収率でROシス
テムを行うために必要のあるものもある。そのようなプ
ロセス条件を以下に示す。

（１）RO供給水中のカルシウム、マグネシウム、ストロ
ンチウムおよびバリウム濃度を実質的に、好ましくはゼ
ロ近くまで、最も望ましくは本質的にゼロにまで取り除
かねばならない。

（２）アルミニウム、鉄、マンガンなどあるいはこれら
を含むコロイド粒子の存在だけでなく、有機的に結合し
ているものも含めて、これらの含有量は実質的に、そし
て好ましくはゼロ近くまで除去されるべきである。

（３）緩衝陰イオン（特に重炭酸塩、または炭酸塩、お
よび／またはリン酸塩）は、現実に達成可能な低レベル
まで減らすべきである。

上記のプロセス必要条件を満たすための特別な操作お
よびコントロールポイントの選択は、各特定供給水の特
質に影響される。また必要とされる（または特別の適用
のために望まれる）回収率は、操作およびコントロール
ポイントの規準に同様に影響を及ぼす。図２は、費用効
率の良いROユニットプロセス順序を表している。

最初の工程は、必要があれば、供給水の硬度 対 ア
ルカリ度の比率を調整することである。大抵はアルカリ
で行われるが、この比率を最適にすると、、次のプロセ
ス工程で完全な硬度除去ができるようになる。

ROプロセス配列の２番目の工程は、弱酸性陽イオン
（WAC）樹脂［例えば、DOWEX（Ｒ）MAC−３、またはLew
atit CNP−80,Amberlite（Ｒ）IRC−86］の利用であ
る。水素形で操作されるWAC樹脂は、硬度を量的に除去
し、流入水にふさわしい硬度：アルカリ度の比率を与え
る。陽イオン交換プロセスで遊離した水素イオンはアル
カリと反応し、WAC流出水に溶解する炭酸（H₂CO₃）_２を
生成する。

３番目の工程は、もし存在するならば、残存している
アルカリ度をなくすためにWAC流出水に酸を添加するこ
とである。この工程での総アルカリ除去は、ROシステム
を通過して非常に高い回収率を達成するのに重要であ
る。

４番目の工程では、硬度とアルカリ度がほとんどゼロ
の、酸性化された流出水を次に二酸化炭素除去のために
処理する。この除去は、強制／誘導ドラフト脱炭酸装置
あるいは、充填床（packed bed）またはガス透過性膜
障壁設計の真空脱ガス装置（degasifier）で成し遂げる
ことができる。脱炭酸して、本質的に硬度ゼロ、アルカ
リ度ゼロになった水に、pHを10.0以上に調整するため
に、溶解アルカリを注入する。また最も望ましいのは、
RO排除水においてpHを11.0またはそれ近くまで達成する
のに必要なpHにまで注入する。

次の工程は、排除水のpHが約11.0（しかしこれよりか
なり高いのは好ましくない）であるようにして、ROシス
テムを操作することである。このpH11という限界は、現
在利用できるRO膜についてのみ適用できる。最も高いpH
耐性をもつ膜の例は、FILMTEC型のFT30膜である。更に
高いpH耐性を持つRO膜が将来入手できるようになるな
ら、その時許容できる排除水pHは最大限にまで相応に上
げられ、同時に11.0より高いpHによりもたらされる利益
を得る。

廃水処理における供給水はもちろん、高純水の生成に
利用される供給水にも、一つの形または別の形で二酸化
珪素（シリカまたはSiO₂としても知られている）が存在
する。それは、水中のpHおよび水中に存在する他の物質
に依存している。膜分離システムでは、特にRO型の膜分
離システムでは、シリカによる膜上のスケール形成は厳
密に避けられるべきである。何故ならば、（ａ）シリカ
は、膜の生産性を減じる固いスケールを形成する、
（ｂ）通常除去がかなり困難である、（ｃ）スケール除
去プロセスでは、洗浄用の化学薬品が望ましくないほど
多量に費やされる、（ｄ）洗浄サイクルによって、装置
にとって望ましくない。非生産性の非作動期間が生じ
る。従って、入ってくる原供給水中のシリカの濃度に関
わらず、一般に従来の膜分離プロセスの操作は、高い全
溶解固形物（“TDS"）流中に、SiO₂濃度150ppm（SiO₂と
して150ppm）を過度に越えないレベルで行う。非除流中
のシリカ濃度がおよそ150ppmを越えないようにするた
め、典型的には、ROシステムは、必要ならば低い回収率
で操作される。

硫酸カルシウム、炭酸カルシウムなどのさまざまなス
ケール形成化合物によるスケール発生は、普通の当業者
により、この明細書が対象とする者により、先に述べた
ラングリア飽和指数または他の利用できる溶解度データ
を用いて予測することができる。温度、pH、透過水およ
び排除流量などの操作パラメーターは、原供給水中の種
々のイオンおよび前処理で添加される物質と同様に、適
切に明かにされなければならない。

私は、RO操作のために選択したpHでスケール形成を効
果的に避けるレベルまで、硬度や非水酸化のアルカリ度
を確実に除去することによって、RO排除流中のSiO₂の濃
度を安全に450ppm以上まで増加できることを発見した。
これは、ROシステムへの供給水のpHを高めることで、ス
ケール抑制剤を使用しなくても成し遂げられる。さら
に、このようなRO排除水中のシリカの増加にも関わら
ず、RO透過水中のシリカ汚染レベルは、従来のROプロセ
ス状況下で予測されるシリカの濃度に比較して、優先的
かつ実質的に減少している。

pHが高まるにつれてシリカの溶解性も増加し、またpH
の高い水溶液中でシリカな良く溶けることは一般的に理
解されている。溶解性に加えて、シリカのイオン化の程
度もpHが高まると共に増加する。シリカの溶解性の増加
はイオン化の程度に正比例はしないが、シリカの溶解性
の増加率は、イオン化の変化率に基本的に比例する。溶
解性とイオン化の間の不一致は、解離していないシリカ
でさえ、温度や他の要因によっておよそ120ppm−160ppm
の溶解性を水溶液中で示す事実により説明される。比較
すると、pH11におけるシリカ溶解度は、周囲温度で1500
ppmを越える。またシリカは、温度および／またはpHが
高まるにつれてますます溶解性が高まる。

シリカは、中性または中性付近の水溶液中にあるとき
は、非常に弱くしかイオン化されないず、一般的には、
pH約８までで自然に生じるほとんどの水の中では、非解
離（メタ／オルト−）珪酸（H₄SiO₄）として存在すると
考えられている。シリカの解離の最初段階における解離
定数（pKa）値は、約9.7と報告されてきたが、このこと
は、シリカがpH9.7で約50％イオン化していて、他の50
％はこのpHで非解離（オルト）珪酸として残っているこ
とを示している。pHとシリカのイオン化率との関係を表
すグラフを図１に示す。シリカのイオン化を望むのな
ら、10より高いpH、もっと好ましくは、11より高いpH
で、更に好ましくは、12より高いpHで操作することが有
利なのは明白である。

膜分離装置の膜を通過するほとんどの種類の物質の排
除率は、イオン化増加により高まるので、シリカのイオ
ン化現象を理解することは重要である。その結果とし
て、RO膜によるシリカの排除は、イオン化の程度が増加
するにつれて改善されると期待でき、シリカに関してい
えば、イオン化は、より高いpHで増加する。従って、RO
操作のpHを高めると、大きな利益を生む。まず第一に、
既存の市販の薄層複合膜タイプRO膜の現在のpH限界内に
あるとしても、シリカの溶解性は、急進的に増加でき
る。二番目に、シリカのイオン化の程度が増加するにつ
れて、シリカの排除率は、高いpHレベルではっきりと増
加する。

膜の化学的性質により、また膜製造者の保証書により
課せられた限界があるが、高いpHでシリカのイオン化か
ら最大限の利益を得るためには、ROシステムをできるだ
け高いpHで操作するべきである。ROシステムをpH約10以
上で操作することが望ましいが、もっと望ましいのは、
10.5以上で、更に望ましいのは、pH11以上である。これ
は、スケール形成、特にシリカおよび炭酸塩スケールを
避けるために、操作pHを約8.5に制限してきた典型的なR
O操作実行と対照となす。

図２を再度参照すると、膜分離装置操作のための私の
プロセスの実施の形態の一つが示されている。この方法
では、原水10は、硬度と重炭酸塩のアルカリが同時に除
去される弱酸性陽イオン交換ユニット12で最初に処理さ
れる。原水10の硬度がアルカリ度より大きいような場合
は、炭酸ナトリウム（Na₂Co₃）の水溶液のような、アル
カリ源13を添加することで弱酸性陽イオン交換ユニット
12の操作を容易にしなければならない。操作および再生
を容易にするために、WACユニット12は水素形で操作す
るのが好ましい。しかし、ナトリウム形でも操作され、
その後酸を添加する。とにかく、今述べている場合であ
ろうと他の適当な場合であろうと、重炭酸塩の破壊を高
めるために、WACユニット12からの流出水18へ、酸14が
ポンプ16によって加えられる。その後、WAC中で（およ
び／または酸添加によって）生成された二酸化炭素19
は、好ましくは大気圧または真空脱ガス装置20中で除去
される。最終的に、供給水25のpHを選択レベルまで上げ
るために、アルカリ22（塩基）が、好ましくはポンプ24
による液体溶液注入により加えられる。スケール形成傾
向が少しも現れないようにするのであれば、様々な種類
の便利に利用でき、費用効率の良い塩基産物を使用して
もよい。一般的な水酸化ナトリウムの他にも、炭酸ナト
リウム、水酸化カリウム、または炭酸カリウムのような
他の化学薬品が選択されるかもしれない。ケースによっ
ては、このプロセスを効果的に実行するために、ピリジ
ン型化合物のような有機塩基を、使用してもよい。とに
かく、膜プロセスのための原水25の与圧は、示されてい
るようにRO型膜分離ユニット30への移動前に、高圧ポン
プ26によって行われる。代わりに、pHを希望のレベルま
で上げるために、原水を陰イオン交換ユニット31に通す
ことで原水へのアルカリ（塩基）添加を行ってもよい。
原水のpHを、少なくとも約8.5または9.0の選択pHまで、
または約10.0まで、または好ましくは（現在利用できる
薄膜合成タイプの膜にとって）10から11の範囲まで、さ
もなければ11より多く、更に好ましいのは12以上まで、
最も好ましくは13以上までに上げる。フィルムテックの
子会社でフィルムテックブランドのミシガン州ミッドラ
ンドのダウケミカル（DOW CHEMICAL）により販売されて
いるような、現在利用できる薄膜合成タイプのRO膜で
は、そのpHを約10.5までに管理すれば、長期の膜生命を
損なうことなく、この方法から多くの利益を得ることが
できる。しかし、シリカの溶解性およびシリカの除去率
を高めるためには、そのpHを少なくとも約11まで、また
は更に好ましくは少なくとも約12まで、または最も好ま
しくは少なくとも約13まで上げることが可能な膜が望ま
しい。従って、このように上昇したpHでも長期寿命の見
込みのある膜が、市販されるようになるとき、私の方法
が使用されると更に利益があがるということが理解され
る。

膜分離ユニット30からの排除水32は、特に場所環境に
適切なように、下水処理を施されるかまたは次の処理に
送られる。膜分離ユニット30からの透過水34は、“その
まま”利用してもよく、または、例えば、18.2meg ohm
の純水を望むような、半導体製造関係の高純水使用者の
場合には、更に浄化し残っている汚染を除去してもよ
い。半導体産業における高純水38生成のための従来のRO
後の処理順列は、陽イオン交換体40、続いて陰イオン交
換体42、第一および第二ポリッシング混床式イオン交換
ユニット44、46である。与えられた場所、原水の化学的
性質、最終使用の詳細な必要に適応するように、しかし
ここに挙げたROプロセス方法で得られる利益や有利な点
からはずれないように、幾分異なったRO後処理順列が利
用されても良い。例えば、ある状況では、陽イオン交換
体40および陰イオン交換体42を省略し、直接第一混床式
イオン交換ユニット44およびポリッシング混床式イオン
交換ユニット46に達するように、配管47経由でRO透過水
のバイパスを作ることも望ましいかもしれない。最終的
に、多くの超純水プラントでは、現在、ポリッシング混
床式イオン交換ユニット46から得た生成水を、微粒子お
よび生物学的ファウリングを除去するために、それぞれ
最終ろ過ユニット48および紫外線照射ユニット49で更に
処理する。特別な最終消費者の必要性に応じて適当に、
処理操作が追加されてもよい。

ROシステム操作における私の方法の、もう一つのはっ
きりした独特の利点は、様々な原水の化学的性質や操作
状況においても、再生をしないでRO後イオン交換順列全
体（すなわち、イオン交換ユニット40、42、44、46）を
操作することが可能かもしれないということである。化
学的性質により、陽イオン交換体40と陰イオン42交換体
を単に取り替えることも可能である。更に通常の場合だ
と、第二またはポリッシング混床式ユニット46は、新し
い樹脂と取り替えられ、古いポリッシング樹脂は、第一
床44位置に移動される。このことは、特に超純水および
ボイラー給水タイプの水処理システムにおいて可能であ
る。何故ならばシリカ、ホウ素、または他のイオン漏出
が、所定の値に達する時、ポリッシング混床式ユニット
46が最終操作によりコントロールされるからである。所
定のイオン漏出値に達するとき、その時のポリッシング
混床式ユニット46は、第一混床式イオン交換ユニット44
の代わりになり、その位置に置かれる。混床式イオン交
換ユニットの交換が行われると、“古い”第一混床式ユ
ニット44樹脂は取り去られ、捨てられるかまたは樹脂に
対する要求の低い他の使用者に売られる。それから新し
い樹脂が、“古い”第一混床式イオン交換ユニット44に
入れられ、そこで“新しい”ポリッシング混床式イオン
交換ユニット46になる。別の実施の形態では、また選択
された原水の化学的性質による詳細な必要性に適応する
ように、ナトリウム形強酸性陽イオン交換50、続いて酸
性化（図３を参照）、またはナトリウム形強酸性陽イオ
ン交換50または弱酸性陽イオン交換12のどちらかへの前
処置追加工程として石灰52（または類似の石灰／ソー
ダ）軟化剤の使用（図２、３を参照）など、種々の形の
硬度除去を利用してもよい。

特に軟水の場合、石灰または石灰／ソーダ軟化剤52
は、不適当であり、この方法を、原水の軟化をしない
で、図４に見られるように脱炭素の前に単に酸14を与え
るだけで進行させてもよい。他方、軟化処理が適当であ
る場合は、軟化剤52により希望の範囲まで硬度とアルカ
リ度を下げるために適当に処理できる。特別な原水の化
学的性質の処理のために選択された装置配列に関わら
ず、重要なプロセスパラメーターは、（ａ）膜表面上で
わずかに溶解している塩を、高いpHで存在する他の物質
とともに沈殿させるような陽イオンを除去することであ
り、（ｂ）膜表面上のスケールの沈殿を更に防ぐため
に、非水酸化物によるアルカリ度を実行可能な最大限の
範囲まで除去することである。

図２に図示した、私の方法の好ましい実施の形態の最
初の工程で使用した弱酸性陽イオン（“WAC"）イオン交
換樹脂は、アルカリ度とともに硬度の除去においても非
常に効果的である。その反応は、以下のように進行す
る。

その後、水素は重炭酸塩と結合して炭酸になり、減圧
されると、以下のように水と二酸化炭素になる。

樹脂は、利用しやすく、費用効率の良い酸を用いて再
生される。WACイオン交換樹脂の再生が、化学量論的レ
ベル近くで（通常、多くて理想レベルの約120％）非常
に効果的に進行することは、当業者には良く知られてい
る。塩酸を使用するのが望ましいかもしれない。なぜな
ら、この場合、溶解性の高い塩酸カルシウムを生じ、こ
の再生プロセスでは、強酸を用いてでさえ、硫酸カルシ
ウムのような不溶性の硫酸塩沈殿物を形成するという潜
在的危険性を引き起こさないからである。しかし、段階
的再生手順を用いると、すなわち低濃度の酸を使用した
後、高濃度の酸を使用すること、樹脂上の望ましくない
沈殿物の発生を穏やかに防止しつつ、硫酸（H₂SO₄）な
どの他の酸を確実に利用することが可能である。このよ
うに、硬度イオンはその溶解性が高められ、溶解可能な
塩を形成し、この溶解可能な塩は、樹脂床から溶離し、
ほとんど下水処理される。硫酸の使用は、半導体製造に
特に利点がある。そのようなプラントは、概してこうし
た酸を大量に使用し、廃棄物あるいは使用した酸を弱酸
性陽イオン交換床の再生に好都合に利用してもよいから
である。

他の多価陽イオン、最も多いのが鉄（Fe⁺⁺/Fe⁺⁺⁺）、
マグネシウム（Mg⁺⁺）、バリウム（Ba⁺⁺）、ストロンチ
ウム（Sr⁺⁺）、アルミニウム（Al⁺⁺⁺）、マンガン（Mn
⁺⁺/Mn⁺⁺⁺⁺）であるが、これらのイオンもまた、WAC樹脂
によって除去される。非常に少量であっても、硬度が存
在するまたはpHの増加につれて溶解性が減少する他の物
質が存在する場合には、私のプロセスの条件下で、わず
かに溶解している塩が沈殿してくるので、炭酸カルシウ
ム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、珪酸マグ
ネシウムなどの物質が膜に沈殿しないように注意しなけ
ればならない。行われるべき予防措置は、選択されたRO
操作状況に順応してpHを上昇させる前に、原水の硬度お
よび非水酸化物形のアルカリ度の両方を積極的に低下す
るべきであるということである。一度硬度や非水酸化物
形のアルカリ度が除去されたならば、所望のpH上昇を、
ナトリウムやカリウムのような便利なアルカリ源や、陰
イオン交換によって行ってもよい。この前処置が完全に
行われたら、ROシステムは、前述のシリカの溶解性を利
用するため、非常に高いpHレベルで安全に操作すること
ができる。

図３に示されるように、原水組成が、ナトリウムゼオ
ライト軟化が都合がよいようなものの場合では、カルシ
ウム硬度の除去は次のように進行する。

それから、重炭酸アルカリ度は選択された酸により次の
ような方法で、二酸化炭素に変化する。

石灰による軟化が最初の硬度やアルカリ度低下に容認
可能または好ましい方法であるような水については、以
下のように、水に石灰を添加することでカルシウムおよ
びマグネシウム硬度、それに伴う重炭酸アルカリ度は低
下する。

このプロセス構成は、図３および04に示したように、私
の方法における代わりの実施の形態として描かれてい
る。しかし、石灰または石灰／ソーダ軟化が行われるよ
うな場合には、硬度イオンの溶解性が、軟化装置52流出
流54にかなり残っているので、前処置システムの残りの
部分の性能の評価に非常に注意する必要がある。

ほとんどの供給水、特に石灰や石灰／ソーダによる軟
化が行われない供給水については、二酸化炭素除去工程
をpH増加より前に実行すれば、プロセスの費用効果が顕
著に高まる。またこれにより、ROへの供給水中の総アル
カリレベルを低く維持するのに役立ち、従って、陽イオ
ン除去工程からの硬度の漏出によるスケール発生に対し
ての安全性の限界を大きくできる。二酸化炭素除去によ
る脱アルカリ化は、競合する物質を欠いていることか
ら、シリカ排除率を高める。これは、ある弱イオン化陰
イオンの除去率は、その原水中の他の弱イオン化陰イオ
ンの存在および濃度に影響されるからである。このこと
は、ホウ素、有機酸（TOC）、シアン化物、フッ化物、
ある種の砒素化合物やセレニウム化合物などの弱イオン
化陰イオンにも適用される。

高いpHでの操作は、ホウ酸塩、有機酸（TOC）、シア
ン化物、フッ化物、およびある種の砒素化合物、セレニ
ウム化合物などの他の弱イオン化陰イオンのイオン化を
も増加するので、これらの排除率はRO膜システムにおい
て高まる。結局、通常、私の方法は、約7.5以上のpKa₁
を持つ弱酸のほとんどを膜通過で排除することに都合良
く適用できる。シリカ排除率は、従来のベースライン、
約99％から約99.95％あるいはそれより高い値まで増加
できる。これは、実質上、透過水に漏出するシリカの量
が、少なくとも一桁減少することに等しい。それで、シ
リカスカベンジング（scavenging）のイオン交換樹脂
床、すなわち陰イオン交換体42および混床式ユニットの
運転寿命を10倍（10⁺）増加する。

シアン化物の場合、従来のROプロセスを用いると典型
的な範囲で少なくとも約50％排除であったのに対して、
ROの初回通過で90％より多い排除率が達成される。

シリカの場合も同様で、ホウ素除去率は、適当な高pH
での操作で、従来のベースライン、約60−70％の範囲か
ら99％以上まで増加することができる。高いpHでの操作
による除去率への有益な効果は、ホウ素の場合、わずか
に低いpHで始まる。これは、ホウ素のpKaが9.14で、オ
ルトケイ酸のpKa、すなわち9.7、よりおよそ0.5高いか
らである。しかし、ホウ素における、高いpHでの操作に
よる有益な効果は、はるかに大きいといえる。何故なら
ば、水溶液中のオルトケイ酸（H₂SiO₄）は、一般的に水
和の水分子を６個持っているが、概してホウ酸（H₃B
O₃）は、付着される水和の水分子を持っていないからで
ある。それ故、オルトケイ酸分子は、pHの値に関わりな
く、膜の細孔サイズに関してホウ酸に比べて非常に大き
く、結果としてシリカの除去率は、普通よりかなり高
い。結果的に、約9.1より高いpHで操作するときホウ酸
のイオン化が増加していることは非常に有益であり、pH
が10から11まで、または現在好まれているコントロール
点の約10.5まで上がるにつれて、ますます有益となる。
ホウ素の除去率は、ROシステムをpH12または13で操作す
るとき、市販の膜がこうした実施に利用可能となると、
更に高まるであろう。

例−パイロット試験 パイロット水処理システムは、開示された方法の効果
を試験するために準備された。パイロット水処理システ
ムは、生水道水を処理して、半導体製造プラントにおい
て将来利用する可能性のある高純度生成水をつくるため
に設計された。その目的は、（ａ）水利用を最小限にす
るため、回収率を増加すること、（ｂ）処理された水の
純度を上げること、（ｃ）膜洗浄の間の平均期間を長く
することであった。このパイロットシステムでは、一連
の試験を行った。各試験では、このシステムはRO排除水
中のシリカ濃度が450ppm以上で開始された。このパイロ
ットプラントシステムは、（ａ）標準のRO透過水流中10
％の減少が認められるか、または（ｂ）RO膜を通過する
軸方向の差圧が15％の増加に達するまで、連続的に操作
された。このパイロット試験は、ダウ／フィルムテック
RO膜Model FT30/BW4040（Dow/Filmtec RO Membrane
Model FT30/BW4040）などの膜分離ユニットを用いて
行った。これは、約130psigから約185psigまでの圧力
で、供給水温度が約20℃から約25℃の範囲で、最大限8U
Sガロン／分（30リットル／分）までの供給水率で操作
された。図６に見られるように、１分当たり5USガロン
よりわずかに多い（約20リットル／分）、長期間標準透
過水流を試験した。このパイロット試験装置は、ローム
アンドハース社（Rohm and Hass Company）（ペンシル
バニア州、フィラデルフィア）の弱酸性陽イオン樹脂製
品ナンバーIRC−86を利用した、平行に操作される１対
の弱酸性陽イオン交換床を使用しており、続いて強制空
気脱炭酸装置（forced air decarbonator）、水酸化ナ
トリウム注入、処理された供給水のRO膜による排除流、
透過流への分離を行った。

表１に、原水、RO排除水、RO透過水についてのパイロ
ットプラント操作より得た化学的分析を示す。表１に
は、またパイロットRO操作で達成した除去率を示し、従
来のROシステム操作で同じ供給水について得られた除去
率と比較する。特に、原供給水中のシリカ濃度（67pp
m）およびRO排除水中のシリカ濃度（480ppm）に注意す
べきである。このRO排除水中のシリカ濃度は、従来のRO
プロセス配置から通常得られる排除水中のシリカ濃度の
約３倍である。更に、このようにRO排除水中のシリカは
高濃度であり、また、従来のROシステムを用いた同じ供
給水についての除去率が約95％から約99％の範囲である
のに比較して、シリカ除去率が99.87％に達しているこ
とでシリカの除去率が改善しているのがわかる。

実際、従来のROで得られた除去率に比して、あらゆる
重要な化学物質についての除去率が改善されていること
は、表１に示されているデータから明白である。特に、
ホウ素およびTOCの高い除去率により、下向流陰イオン4
2、混床式イオン交換ユニット44、46の負荷を減らすと
いう重要な利益が追加される。これに関しては、同じ供
給水を用いたとき、従来のROシステムで得られるホウ素
の除去率が約60％から７％であるのに比較して、98.51
％を達成したということに注目されたい。一般的に、陰
イオンまたは混床式イオン交換体の稼動限界はシリカ、
またある場合には、ホウ素漏出により決定される。パイ
ロットROシステムの高い回収率にも関わらず、従来のRO
システム透過水中のシリカ濃度は、パイロットROシステ
ムより３倍高い。特に、従来のRO透過水中のSiO₂ 1.5p
pmに比較して、この方法のパイロット試験ユニットで得
られる透過水中ではシリカ濃度、SiO₂ 0.45ppmが達成
された。この方法を利用すると、RO透過水中のSiO₂濃度
は、1.0ppmより低くできることは明白であり、実際、0.
5ppmより低い濃度が得られることが示されている。ま
た、私の新しいプロセスによる透過水中のホウ素濃度
は、従来のROシステムによる0.06ppmBに対して、0.007p
pmBであった。明らかに、0.05ppmより低いホウ素濃度
が、0.01ppmより低いホウ素濃度と同様に証明された。
この結果を示した表１から、従来のROシステムにおける
ホウ素の除去率が、60％から70％の範囲であるのに対し
て、私の水処理プロセスにおけるホウ素の除去率は約9
8.5％であることを示しているということがこの試験に
よりわかった。言い換えれば、従来のROプロセスでは、
供給水中に存在するホウ酸イオン100個当たり、膜を通
過するのは約30から40個であるのに対して、私のプロセ
スだと膜を通過するのは、100個あたり２個より少な
い、わずかに約1.5個である。更に言い換えれば、従来
のROでは、供給水中の100個当たり30個または100個当た
り40個が透過水に達するのに対して、このプロセスで
は、100個当たり1.5個である。ある種の供給水では、こ
の値は、1/100または1/1000までさらに減少するだろ
う。つまりホウ素の除去率はそれぞれ99％または99.9％
になる。従って、陰イオン交換体42の稼動時間は、流入
水中のシリカおよびホウ素濃度に必ずしも比例しない
が、それにも関わらず私の新しいプロセスからの透過水
34を処理すると、従来のROシステムからの透過水を処理
するときの稼動時間に比べると、顕著に長くなる。陰イ
オン枯渇（anion exhaustion）は、シリカ（SiO₂）およ
びある場合はホウ素の所定の漏出レベルで示され、樹脂
床出口の濃度は樹脂床における物質濃度の平均に関係す
るので、陰イオン交換樹脂床への流入水中のこうした陰
イオン濃度を顕著に減少させることにより、SiO₂または
ホウ素の最大許容漏出に達するまでの稼動時間を延長で
きる。

重要なことに、ホウ素、特にシリカおよびTOCの濃度
は、このパイロットプラントの混床式イオン交換体44、
46における透過水34の処理後に極端に低くなることが認
められた。従来ROプロセスからの混床後の透過水との比
較が、表３のデータに挙げられる。意義深いことに、私
の新しいプロセスでは、混床式イオン交換体処理後の水
のTOC濃度は、3.0ppbより低い、すなわち検出限界以下
であることが認められた。

そして、見逃せないことは、ナトリウムおよびカリウ
ムの除去率の顕著な改善である。従来のROシステムにお
いて、ナトリウムの場合95％から98％、カリウムの場合
90％から95％の範囲であった除去率が、それぞれ99.73
％および99.98％までに改善した。

ナトリウム、カリウム、塩化物および硫酸塩のような
強イオン化種の除去率が、表１のデータによって証明さ
れているように従来のRO操作に比較して、顕著に増加し
たことは、パイロット試験の特に重要で予期せぬ実験結
果であった。また、表２にあるように、たとえパイロッ
トプラント試験におけるRO透過水が従来のROプロセスの
透過水よりも高い濃度のナトリウムを含んでいたとして
も、RO陽イオン交換後の高いナトリウム含有量の影響
は、取るに足らない。私の新しいプロセスによるRO透過
水は、アルカリ性が高く（パイロット試験中の典型的pH
は、10.3であることが表１に示されている）、遊離の水
酸イオンをかなりの濃度で含んでいるので、そのナトリ
ウム除去限度および陽イオン交換ユニット40の樹脂容量
の実質的な限界は広がる。そのような透過水からのナト
リウム除去を高めるための、透過水中の水酸化アルカリ
度上昇の効果を表２に示す。同じ供給水を用いた従来の
RO処理においては、ROシステム透過水中のナトリウムは
わずか193ppbであったが、陽イオン交換樹脂によっても
約0.431ppbまでしかナトリウム除去ができなかった。そ
れに対して、私の新しいプロセスでは、RO透過水中のナ
トリウム濃度が955ppbであったとしても、陽イオン交換
処理後には、0.007ppbより低下した。

私のプロセスにおいては、全有機炭素（“TOC"）の除
去率の向上が、ROプラントオペレーターに顕著な利益を
与える。自然の水は、検出可能な量の高分子量有機酸お
よびその誘導体、特にフミン酸、フルボ酸、およびタン
ニン酸を含むのが普通である。これらの化合物は、植物
の腐敗から生じていて、通常フェノール様化合物の濃縮
産物に関係している。概して、フミン酸は、アルカリ性
pHでは水に溶解しているが、酸性pHでは沈殿するフミン
物質（humic substances）の分画を含む。フルボ酸
は、アルカリ性でも酸性でも水に溶解するフミン物質の
分画を含んでいる。これらの酸およびその分解産物は、
供給水流に運ばれ、特に陰イオン選択物質に望ましくな
い付着層を形成する。また、これらは、従来のROシステ
ムにおけるファウリングに寄与する傾向にある。それ
故、それらの存在が及ぼす不利な結果が、特に陰イオン
交換ユニットで避けることができるように、逆浸透膜上
または通過中のそのような分子の作用を最小限にするこ
とが望ましい。表１を参照するとわかるように、透過水
34のTOC含有量は、原供給水中の同一量のTOCを用いた従
来のROプロセスからのTOC含有量と比較すると、かなり
低い。すなわち、従来のROシステムにおける回収率90％
から95％に比較して、このパイロットプラントROシステ
ムでは、TOCの除去率は99.66％である。この重要な結果
は、シリカやホウ素の場合のように、高くしたpHによる
TOCのイオン化の増加にあると考えられる。このよう
に、ここに述べた方法に従ってROシステムを操作すると
き、イオン化可能な有機炭素種のイオン化の範囲を利用
することで、効果的なTOC低下が可能となる。

パイロット試験ユニットの操作結果は、図５、６、
７、８を参照すれば、良く理解されるだろう。図５は、
軸方向の差圧（△ｐ）対 時間との関係を、パイロット
逆浸透試験装置に使用した逆浸透膜についての１平方イ
ンチ当たりのポンドで表している。ここに示された差圧
は、供給水流速における変化に対して訂正されていな
い。従来のROに比べて、このパイロット試験結果は、安
定した標準化透過水流速、安定したシリカ除去率、安定
した差圧が達せられていることを示す。このことは、私
の新しいプロセスにおいてファウリング／スケール発生
が本質的に除去されたことを示している。図６は、パイ
ロット逆浸透試験装置に使用した逆浸透膜について、標
準化透過水流（１分当たりのリットル）対 時間を６カ
月間にわたって示している。

図７は、パイロット逆浸透試験装置における逆浸透排
除流中のシリカ濃度を６カ月間にわたって示している。
図８は、パイロット逆浸透試験装置に使用した逆浸透膜
について、シリカの除去率 対 時間を６カ月間にわた
って示す。このシリカ除去率は、パイロットROユニット
における算術平均シリカ濃度に基づいている。

標準透過水流の10％以上の減少によるパイロットプラ
ント操作の操業停止毎に、膜を点検し洗浄した。洗浄
が、塩酸溶液、テトラナトリウムEDTA、水酸化ナトリウ
ムのような商品膜洗浄薬品により簡便に効果的に成し遂
げられることは重要は発見であった。高価で専売の化学
洗浄薬品は、必要とされなかった。ここに述べたような
方法で供給水前処置で操作されたRO膜は、運転開始時の
性能値100％の流速にまで完全に回復されることがわか
った。全ての洗浄は、実質的には洗浄過程の酸性の最初
の工程で成し遂げられた。これは、炭酸カルシウム、水
酸化マグネシウム、ケイ酸マグネシウムなどが主なスケ
ール発生物質であることを示している。重要なことに、
シリカのスケール発生も生物的ファウリングもこの特定
プロセス条件下ではほとんど関係していないことがわか
った。最小限のスケール発生で、ほとんど生物ファウリ
ングが存在しない状態で、運転能力が高められシステム
有効性が増加することは、明らかに私のRO操作方法のも
う一つの重要な利点である。

薄膜複合膜の生物的ファウリングは、これまで一般的
な問題であったようで、また、ある特別な供給水源につ
いては、事実上打ち勝ちがたかった。生物的ファウリン
グの管理が、比較的高いpHでの操作で改善されることは
予想されたが、その生物的ファウリング管理の程度は、
実際には予想をはるかに越えて達成され、RO膜エレメン
トの分析中細菌はほとんど検出されないレベルであっ
た。このことは、従来のROシステムにおいて一般的なよ
うに、膜表面に生きているおよび死んでいる細菌を蓄積
する代わりに、私の独特な方法では、入ってくる細菌は
死に、膜表面から溶出されることを意味する。このよう
に、RO前処置および操作のこの方法は、問題の多い水源
処理に有効である。これは、高いpH溶液が、細胞溶解ま
たは細胞壁の破裂によって殺菌を行うので有効である。
これは、例えば、細胞膜を通して拡散し、微生物の酵素
を不活性化し殺菌するという非常にゆっくりした方法で
作用する塩素処理と比較すると、非常に強力で迅速に作
用する抗細菌活性である。塩素衛生化システムに対し
て、この方法で好適である高pH操作で、ウイルスやエン
ドトキシン（グラム陰性菌の細胞壁から得られるリポ多
糖類部分）は、溶解によって効果的に破壊されるため、
この方法を、発熱物質のない水または滅菌水の生成に使
用することが可能となった。本質において、この方法を
10より高いpHで操作すると衛生効果があり（3logの細菌
減少、成長物質の破壊）、また、透過水中の細菌が０の
試験結果が示すように、このプロセス装置で本質的に真
の殺菌（12logの細菌減少、バイオフィルムおよび胞子
の除去）が行われることも証明されるだろう。また、こ
の方法における透過水のpHを高めることで、RO処理後の
装置においても同様に役立つ結果をもたらすことは明記
すべきである。そのような操作の方法は、製薬関係に適
用のする高純水生成に特に利点があるはずである。この
最終生成水は、補足されたアメリカ薬局方23規準（“US
P23"）に最終的に適合しなければならない。これについ
ては、好ましい実施の形態に関してここに述べたよう
な、原水のポリマー、抗スケール剤、RO前処理における
他の専有的薬品の使用を避ければ、製薬用の水の望まし
くない添加剤を除去できるし、RO生成水について必要な
試験を減らすことにより経費を安くできる。更に簡潔に
言うと、細菌成長をさせないRO操作状況のためのpHの選
択、および添加物の使用を避けられるレベルまでの硬度
およびアルカリ度の除去は、高純水生成にとって優れた
方法である。

高いpHでの操作によるもう一つの利点は、膜、特に薄
層複合膜タイプの膜の保護を高めることである。こうし
た膜は、中性、中性付近、そして中等等のアルカリpH
（およそpH9まで）での酸化剤に対して限られた耐性を
もつからである。RO供給水に塩素を加えるときには、一
般的に塩素ガス（Cl₂）または次亜塩素酸ナトリウム（N
aOCl）を用いる。従来のROシステムでは、遊離塩素に対
する膜の感受性のために、通常、亜硫酸塩（SO₃−−）
注入により除去される。しかし、９以上のpH、特に10以
上のpHでは、塩素および他の類似酸化剤が薄層複合膜に
及ぼす作用は、顕著に低下する。これは、非イオン化種
（次亜塩素酸として知られるHOClのような）の濃度が、
劇的に減少するからである。このような酸は比較的弱い
からである。それ故、私のHERO（tm）高pH逆浸透プロセ
ス、典型的にはpH10以上での操作において、塩素除去は
一般的に必要ではなく、従ってシステムの複雑さおよび
経費を減少させる。これは、水処理プラントへの供給水
として市の水源を利用するシステムにとっては、特に有
益である。

膜寿命の増加は、また私の新しい膜操作プロセスのも
う一つの利点である。膜操作において、特にRO操作につ
いては、膜エレメントの寿命が長いことが期待されるだ
ろう。何故ならば主にスケール発生および生物的ファウ
リングを避けられ、そのため過酷な洗浄薬品（例えば、
酸性薬品および界面活性剤）に曝されることが劇的に減
少するからである。

RO膜は、重要な物質、例えばシリカ、ホウ素、または
TOCの除去率が許容限界以下まで落ちると取り外され
る。シリカについては、通常、除去率の最初の値99％以
上から95％−96％の間にまで落ちるときである。前述の
ように、私のプロセスにおけるシリカの最初の除去率
は、従来のROシステムで達成される値より顕著に高い。
それ故、従来のROのシリカ除去率の限界を許容するので
あれば、例えば、特定の膜エレメントは、許容限界に達
するまで長く持ちこたえる。言い換えると、この方法で
移用される膜エレメントは、たとえ、かなり長期に使用
された後でも、従来のRO方式配置で操作する新しい膜に
より得られる除去率を超えるシリカ除去率を示す。

高い流束または透過水生成は、ROシステムを操作する
際の私の方法による独特の操作条件により達成できる。
いくつかの要因がこの結果をもたらす。流束は、１日の
膜１平方フィート当たりの通過する水の量ガロンで表現
されるが（一般に“GFD"で表す）、従来のROシステムで
は約15GPDの予想されている。パイロット試験では、こ
こに述べた薄層複合膜タイプのフィルマテックBW膜は、
24GPDで操作され、30GPDまでの潜在能力が評価されてい
る。後者の流束率は、スペーサー形状に基づく、従来の
ROモジュール設計の現在の水圧限界に近いと信じられて
いるが、そのように増加した流束を支持できるような膜
モジュールが利用できるようになると、さらに増加した
流束（50GPD位までの）がこの操作方法で達せられると
予期される。これは、ROシステムオペレーターにとって
最も有利である。何故ならば、例えば、普通の流束がこ
の方法の使用により２倍になると、膜表面が必要とする
全平方フィートは、二つの要因により減少する。投資費
用（特に、膜および圧力容器について）および必要な床
面積を相応に減少できる。運転費用は、この方法による
他の利益によりすでに顕著に低下されているが、更に膜
交換費用の低下により減少される。試験で証明されたよ
うに、従来のROシステムの設計ベースに対して150％以
上の流束増加があることからは、即座に利益が得られ
る。

本法を利用すると、RO排除水の浸透圧が、RO技術につ
いての最終限界を表す。適切な供給水処理により、炭酸
カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、シリカな
どのわずかに溶解している物質がいったん効果的に除去
されれば、排除水の濃度は、浸透圧限界に達するまで進
めることができる。このとき、商業用に実証されている
ROシステムの設計圧力は、一般的に約1,200psigまでに
制限されている。設計許容が、排除流の駆動力200psig
となるならば、許容できる最大浸透圧は約1,000psigと
なる。約1psigの浸透圧は、100ppmのTDSにより加えられ
るという単純な経験則に基づいて例を挙げると、排除流
中の最大許容TDSは、約100,000ppmである。このよう
に、この新しいRO操作技術は、供給水の化学的性質に関
わらず、どんな供給水でも、わずかに溶解している様々
な物質、特に硫酸カルシウム、硫酸バリウム、シリカに
関係なく約100,000ppmまで濃縮することができる。

私の新しいRO操作技術のもう一つの利点は、既存のRO
システムを硬度およびアルカリ度除去のためにここで述
べた前処理装置を用いて改造すると、このプロセス法の
操作利益を得ることができることである。

この独特なRO操作法は、ボイラー供給水、冷却塔用
水、スクラバー用水のための多くの伝統的な産業使用だ
けでなく、半導体製造および製薬関係応用のような両方
の高純度応用に追加的に適用される。私の逆浸透システ
ム操作方法の高純水生成システムへの適用を図９に示
す。この図においては、多数回通過逆浸透プロセス技術
が、最初の原供給水10の一部分を、逆浸透膜ユニット数
Ｎを通って通水された最終透過水34_(1+N)を生成するた
めの供給水に加工するのに利用される。このＮは、正の
整数で、一般的には（２）、時には（３）であるが、も
っと大きい数字を利用することもできる。上記のよう
に、原供給水10は、もしアルカリ度が不足している場合
は、炭酸カルシウム13のような便利な方法でアルカリ度
を追加されてもよく、その後その処理流R_Cは、弱酸性陽
イオン交換システム12へ送られる。陽イオン交換後、中
間処理流WAを生成するために、塩酸や硫酸のような酸14
を加えてもよい。それから脱炭酸ユニット20で二酸化炭
素が除去され、中間処理流Ｄが生成される。その後、ア
ルカリ溶液22の添加または陰イオン交換ユニット31のよ
うな簡便で経費効率の良い方法でpHを高め、さらなる中
間処理流D_OHを生成する。逆浸透ユニットＮ（と最初のR
Oユニット30₍₁₎と最終ROユニット30_(N)の間のいくつか
の中間ROユニットからの排除水32_(N)は、ROユニット30
_(N)の前に再生され、望ましくないが許容できる溶解物
質および溶液を含む供給水25_(1+N)を生成する。ポンプ2
6は、供給水25_(1+N)に圧力をかけ、最初のROユニット30
₍₁₎への供給水を生成する。処理後、透過水34₍₁₎が生じ
る。この透過水34₍₁₎は、その後、１からＮまでの一連
の逆浸透ユニットへ供給される。全RO列からの排除水
は、排除水32_(1+N)として示される。全RO列からの高純
度処理透過水は、透過水または生成水34_(1+N)として示
され、使用前の最終浄化のために通常のイオン交換装置
へ供給される。陽イオン交換ユニット40で、中間純水流
Ｃが生成され、その後陰イオン交換ユニット42へ送ら
れ、さらなる中間純水流Ａが生成される。使用前、第一
混床式イオン交換ユニット44は、さらに純度の高い純水
流Ｐを生成し、オプションの第二またはポリッシング混
床式イオン交換ユニット46により、更に純度の高い、可
能ならば最終純水Ｓ、または上記と同じ名称を用いれ
ば、純生成水流38_(1+N)を生成する。半導体製造では、
名目上は0.02ミクロンのサイズのフィルター、しかし恐
らくは約0.02ミクロンから約0.1ミクロンの範囲のサイ
ズで選択されているフィルターを用いたサブミクロンフ
ィルター48による最終ろ過が通常行われ、更に高純度の
生成水流Ｍを生成する。また、高純水を紫外線消毒器ユ
ニット49に通して生物的管理を行うのは通例で、通常25
4nm波長で操作してこの高純水流Ｍに残っている可能性
のある細菌を全て殺し、最終超純水Ｕを得る。多くのシ
ステムでは、最終サブミクロンフィルター48と紫外線消
毒器49の位置は逆でもよく、また紫外線後更にフィルタ
ーを利用してもよい。

図10は、ボイラー供給用水、または冷却塔用水、また
はスクラバー用水のための私の逆浸透操作方法の使用を
示している。逆浸透ユニット30および様々な前処理装置
は、前述された方法に従って操作し、高純度透過水34を
生成する。それからこの生成水透過水34は、特定のボイ
ラー必要条件に基づいて必要なイオン交換システムで処
理され、ボイラー用水100としてボイラー102に供給され
る。ボイラー102からのブロウダウン（blowdown）104
は、ポンプ108のための蓄積タンク106に送られ、戻り管
109を通ってRO前処理列に送られる。冷却塔110およびス
クラバー112はRO透過水34で供給されることができる
が、一般的には、冷却塔110およびスクラバー112は、例
えば蒸気電力の場合は、水道水や井戸水のような供給源
の普通の原水10で供給される。それ故、冷却塔のブロウ
ダウン114やスクラバーブロウダウン116は、両方とも硬
度やアルカリ度が概して高い。同様に、このシステム
は、石炭燃焼蒸気電力プラントからの灰溜まり水や灰洗
浄水のように、灰と密に接触する水を処理するのに使用
される。私の逆浸透プロセスでは、従来のROシステムの
場合と異なって、かなりの量の再利用水を、RO前処理お
よび操作の私の方法によって通常得ることができる。

ROシステムの前処理および操作のための私の方法の別
の有益な使用を図11に示す。ここでは、先に説明したも
のと類似した好ましい実施の形態であるが、連続電気脱
イオン化システム150の前処理に、多数回通過ROシステ
ム（ここでは、ROユニット30₍₁₎と30_(N)による２回通
過、Ｎ＝２）を使用する場合を示している。連続電気脱
イオンにより処理されたRO透過水34_(1+N)は、非常に高
品質な脱イオン水Ｅを生成する。この水は、紫外線処理
46および最終ろ過48を経た後、超小型電子産業において
超純水UPとして使用できるようになる。第二またはポリ
ッシュタイプ混床式イオン交換ユニット46は除外しても
よく、連続電気脱イオン化生成水Ｅを、直接、紫外線消
毒ユニット49へ送ってもよい。ホウ素、シリカなどを排
除する連続電気脱イオン化の限界が、エレクトロニクス
製造のために必要は18.2メグオーム（mgohm）の水を直
接流出水として生成する能力を限定するので、これは正
しい。ここに発表された方法に従って操作された場合、
２回通過のROシステムからの透過水34_(1+N)は、ホウ
素、シリカ、TOCなどの連続電気脱イオン化に厄介な物
質を非常に低濃度しか含んでいない。したがって、こう
した透過水を連続電気脱イオン化処理ユニットへ供給す
ることで、こうした電気脱イオン化ユニットが下流のイ
オン交換ポリッシャー46の利益を得ずして、18.2メグオ
ームの水を生成できると信じられている。従来のイオン
交換の代わりに連続電気脱イオン化を使用する利点は、
この連続プロセス（イオン交換樹脂のバッチプロセスよ
り）が化学的というよりむしろ電気的に再生されている
ため、従来の再生化学薬品の使用を避けることができる
ということである。

そして、排水においてでさえ、この現在の方法を使用
する利益があるかもしれない。ここに述べられたように
操作すると、ROシステムは、高いpHでイオン化種をかな
り除去するので、そのような成分に対する高い排除率が
達成されると、再生および再利用のため、そのような成
分含有の低いRO透過水が生成される。製錬所、パルプお
よび製紙業、および下水処理プラントからの排水は、全
て候補成分（脂肪酸または芳香族有機酸およびその誘導
体）をかなり多く含んでいるが、有機的ファウリングや
関連の生物的成長のために、従来のRO膜では操作が最も
困難である。廃水処理で、十分な質の水が達せられるで
あろう産業上の使用としては、冷却塔、ボイラー、スク
ラバーなどの用水がある。

HEROブランドROユニットプロセス設計と操作の利点 HEROブランドROユニットシステムプロセスの設計およ
び操作から得ている多くの典型的で望ましいプロセスの
利点を22−23頁に列挙した。その利点についての詳細な
説明は以下の通りである。

（Ａ）汚染物質の高い排除 HEROブランドROユニットプロセスパイロットプラント
のデータを要約して、表４に示してあるように、あらゆ
る物質の除去率は、従来のRO操作において達成されるこ
とができる除去率よりも顕著に高い。特に、TOC、シリ
カ、ホウ素のような弱い陰イオンの除去における改善が
目立っている。フミン酸／フルボ酸誘導体（TOC）、ケ
イ酸、ホウ酸は、全て比較的弱酸であるので、高いpH操
作ではこれらの酸は、非常に大きな範囲まで解離し（中
性近くのpH操作に比較して）、それ故RO膜でさらによく
排除される。

強イオン化種（中性近くのpHにおいて）の排除におけ
る改善もまた認められた。強イオン化種の除去率におけ
る改善には、いくつかの要因が考えられる。膜形態の変
化が生じると考えられている。この改善は、主に、膜表
面近傍の濃度分極層の厚さが顕著に減っていることによ
る（腐食性のない状態で表面張力が低下したことによ
る）と考えられる。また、Ｏリングのようなエラストマ
ーの膨張およびその結果として生じるモジュール内の良
好な密閉も要因である。

シリカなどの非常に高い除去率が、RO後のイオン交換
システムの運転／操作に及ぼす影響は、非常に重要であ
る。RO後のイオン交換のほとんどは、シリカまたはホウ
素のどちらかの破過を基に再生されるので、流入水のシ
リカ／ホウ素含有量の10の減少（ten reduction）の１
要因により、再生の間の運転時間がずっと長くなる。RO
透過水中の重炭酸塩と同様（高いpH、典型的には少なく
ともpH10、による）二酸化炭素が存在しなければ、シリ
カ／ホウ素漏出量が正常な閾値を越えるまで運転時間は
増加する。ほとんどのRO後イオン交換は、結局シリカま
たはホウ素で制限されているので、RO透過水中の強イオ
ン化種濃度の減少は、あまり重要でない。

従来の薄層複合膜RO操作におけるホウ素の60−70％の
除去率に比較して、新しいプロセスでは、約99％のホウ
素除去率が得られる。２回通過構成で、この新しいプロ
セスは、検出可能な限界以下のホウ素含有量の透過水を
生成することができる。

HEROブランドROユニットシステムからの透過水でイオ
ン交換して得られる非常に重要なもう一つの利点は、陽
イオン樹脂からのナトリウム漏出が、流入水の高い周囲
pHにより、数オーダー減少することである。その結果、
既存のイオン交換システムのための再生の間の運転時間
が延長する。つまり化学薬品や人力の必要が減り、再生
消耗量も減少することになる。新しいシステムについ
て、または発展している既存のシステムについても、こ
の新しいHEROブランドROユニットプロセス設計と操作
は、イオン交換システムの設備費用に強力な影響を持つ
ことができる。

（Ｂ）高回収率 カルシウム、マグネシウム、バリウム、ストロンチウ
ム、アルミニウム、鉄、マンガンなどの硬度誘発イオン
（hardness−causing ions）は、ROの前に除去されるの
で、炭酸カルシウム、フッ化カルシウム、硫酸カルシウ
ム、硫酸バリウム、水酸化マグネシウム、ケイ酸アルミ
ニウム／マグネシウムなどの望ましくない沈殿物は、HE
ROブランドROユニットプロセスには生じないし、またし
たがって、この種の沈殿物は、ROシステムにより達成で
きる回収率をもはや制限しない。重要なことは、標準的
なHEROブランドROユニット操作のpH（約11が好ましい）
で、シリカの溶解性が劇的に高まることである。RO排除
水中のシリカ濃度が450から500ppmの範囲での操作だ
と、実質的に長期間持続できることは判明しているし、
この新しいRO操作法では、1,000ppm以上の濃度でも達成
可能であろうことを理論モデルが示している。

RO供給水中のシリカ25ppmをベースにした場合、95％
回収率のRO操作（排除水中約500ppm）が試験により証明
されている。更に97.5％回収率（RO排除水中シリカ約1,
000ppm）は、操作上の見地から実用的かどうかは別とし
て、理論上実行可能である。通常、シリカは、ROシステ
ムでの最大許容回収率の最終限界基準を表しているの
で、RO供給水中のカルシウムやバリウムなどの物質が本
質的に全て存在しなくなると共に高まったシリカの溶解
性により、RO操作は、大量の供給水を得て非常に高い回
収率（90−98％）を達成できるはずである。

バリウム含有量の比較的高い供給水については、ROシ
ステムの回収率は、排除水末端の硫酸バリウム沈殿生成
可能性により限定される。このHEROシステムでは、ROの
前にバリウムを定量的に除去するので、この心配を除外
できる。また、硫酸ストロンチウム、硫酸カルシウム、
フッ化カルシウム、その他のわずかに溶解しているカル
シウム、マグネシウム、鉄、アルミニウム塩により制限
されるROシステムについても、同じ結果が当てはまる。

もちろん、RO排除水の浸透圧で表される、RO回収率に
おける最終限界は、特定の供給水についての最大限達成
可能な回収率を制御するが、この限界は、普通ほとんど
の供給水について99％以下の回収率になることはない。

（Ｃ）生物的ファウリングは、本質的に除去される 最も多く生じる微生物は、高い操作pHで完全に溶解す
る（物理的に破壊される）。実際、ウイルス、胞子、エ
ンドトキシンでさえ、非常に高いpHレベルで破壊される
か、再生／増殖ができなくなる。脂肪酸およびにそれに
相応するグリセリドは、高いpH操作で溶解性の“石け
ん”を形成するので、脂質（脂肪）の加水分解は、この
プロセスにおいて同様に役割をはたすことが期待され
る。

長期間の試験が実行されたある場所で、HERO技術の試
験中、生物的ファウリングが生じなかったことは顕著で
あった。このパイロットROシステムは、標準透過水流お
よびシステム圧力損失について非常に安定した操作性能
をあらわした。さらに定期的な間隔でのROエレメント分
析で、生物ファウリングが存在しないことが確認され
た。フィルムテックFT30のエレメントについての試験お
よび分析の段階的プログラムが、15カ月間にわたって行
われた。このデータは、標準の試験状況下で、初期品質
保証より高い塩排除率を示した。また、膜表面は清潔
で、生物ファウリングの存在は認められなかった。

この新しいプロセスの特質は、知られている生物ファ
ウリング問題を持つ場所または生物汚染／生物活性に影
響を及ぼす廃水処理に、重要な利益を持つ。また周囲温
度より高い温度のRO操作は、システムにとって非常に効
果的である。

（Ｄ）微粒子ファウリングは、かなり減少する 約30年間、RO供給水の軟化が供給水中に存在するコロ
イド状の固形物を不安定にし、それに関連したファウリ
ング問題を顕著に減少することは知られていた（実行さ
れてきた）。1960年代末期および1970年代初めに、中空
糸ROエレメントのための前処理として義務的に軟化を必
要としていたことが、これが裏付ける。さらに、高いpH
では、表面とファウリング微粒子の間のゼータ電位が通
常減少し、それにより付着の可能性も減ずる。この性質
は、自然に存在する微粒子（細菌を含む）のほとんどの
表面が負に荷電しているという事実がら強められる。並
んでいるゼータ電位が、今なお測定されることになって
いる一方で、この新しいプロセスは、微粒子ファウリン
グ問題を除外できないとしても、顕著に減少することが
期待されている。ゼータポテンシャルの減少は、わずか
に陰性に荷電している膜表面への微粒子付着の可能性も
また減少させる。細菌の脂質からの表面活性剤のin sit
uでの形成が、もし存在するならば、膜表面への微粒子
付着減少に更に役立つ。

新しいプロセスのこの独特の性質は、ROシステムの設
計に、特に投資費用やUPW処理の操作複雑性を減少する
可能性において重要な価値を持つことができる。この新
しいプロセスは、あるレベルの微粒子ファウラングを受
容する能力に加えて、マルチメディアろ過、凝固剤／凝
集剤添加、珪藻土ろ過などROシステムへの前処理として
の必要性を最小限にする。

（Ｅ）化学薬品使用の顕著な減少 非常に高い操作pHでは、遊離（解離していない）の次
亜塩素酸（HOCL）の濃度が極端に低いので、化学薬品添
加によるかまたは活性炭による脱塩素は、明らかに不必
要である。

（Ｆ）スケール抑制剤使用の排除 抗スケール剤またはスケール抑制剤の使用は、新しい
プロセスに有害でも不適合でもないが、半導体製造設備
での18カ月間の試験により判明したように、完全に排除
できる。

（Ｇ）高流束率 生物ファウリングの除去、膜表面への微粒子付着の減
少だけでなく、濃度分極層の厚さの低下により、この新
しいプロセスを使用しているROシステムは、従来の操作
に比較して高い流束で操作できることは、驚くべきこと
ではない。普通の設計流束15gfd（１日１平方フィート
当たりのガロン）に比べて、HEROブランドROユニットシ
ステムは、15gfdより多く、好ましくは約20gfd、更に好
ましくは約25gfdまで、実行可能ならば25gfdより多くで
設計される。

（Ｈ）生産物の高純度性 ROシステムへの投資費用減少に加えて、RO透過水の質
は、高い設計流束により顕著に改善される。例えば、25
gfdの場合、RO透過水は、15gfd設計基準に比較して40％
低い溶解固形物を含む。高い生産水流束と高いpH操作を
組み合わせると、塩流束（圧依存性というよりむしろ、
濃度依存性）は、顕著に減少するという結果になる。こ
のROシステムは、他のパラメーター全てが等しいときで
も、この要因だけでも約20％経費節減を期待できる。

（Ｉ）洗浄用水としての排除水使用 HEROブランドROユニットシステムからの排除水は、高
pHで、低炭酸塩アルカリ、ほとんど硬度がなく、酸性ガ
ススクラバー用水として使用することができる。スクラ
バー内のpHは顕著に低下すると、シリカ沈殿の可能性が
あるため、RO排除水は、１回通過を基準に使用されるべ
きであり、蒸発率は制限されるべきではない。

プロセスの化学性 前述の通り、排除水の非常に高いpHは、HEROブランド
ROユニットシステムの操作を特徴づける要因の一つであ
る。TOC、シリカ、ホウ素などのような弱イオン化陰イ
オンの極端に高い除去率は、そのような特徴に関連があ
る。シリカについての次の例は、この関係を検討するに
使用することができる。

自然に発生する水において、また中性付近のpHの範囲
（６−８）で、シリカは、主にオルトケイ酸（H₄SiO₄）
として存在する。オルトケイ酸は、普通、ケイ酸と呼ば
れるが、水に存在する最も弱い酸の一つである。ケイ酸
の最初の解離定数（すなわち、４つの水素全体からの最
初の陽子の解離）は、約2x10^-10、周囲温度で相応するp
Ka値は9.7、その溶液のバックグランドのイオン強度は
非常に低い。

pKa₁9.7でのケイ酸の比較強度を明確化する便利な方
法は、pH9.7で、50％がイオン化している、すなわち50
％が非解離のオルトケイ酸として存在していて、残り50
％は解離していて一価のケイ酸イオン、オルトケイ酸の
結合塩基として存在するとするものである。pH10.7で
は、非解離酸への結合塩基のlogが一致しているとき、
約91％がケイ酸イオンとして、他方９％は非解離酸とし
て存在する。pH11.7での分配は、それぞれ99％と１％で
ある。逆に、pH8.7（比率のlogは、0.1）では、約91％
が非解離酸として、また９％がイオン化したケイ酸とし
て存在する。pH7.7では、約99％が非解離ケイ酸とし
て、１％はイオン化した一価のケイ酸イオンとして存在
する。

自然に発生する供給水のほとんどは、pH8以下なの
で、本質的にはシリカは全て、これらの条件下で非解離
のケイ酸として存在する。ホウ酸（H₃BO₃、pKa約9.2）
やシアン酸（HCN、pKa約9.3）のような他の非常に弱い
酸は、非常に類似した性質を表すが、もちろん両方とも
シリカに比較して幾分強い酸である。

RO膜を通過する個々の物質の除去率の特徴は、その溶
質のサイズ、形、電荷密度の影響を受ける。サイズや形
が匹敵するならば、イオン化した溶質は、非解離状態で
存在する溶質に比較してよく排除されることは一般的に
認められている。例えば、フッ化物の除去率は、pHが３
より低い場合は本質的に０、pH3.5で30％、pH4で50％、
pH5で75％、pH7で98％（あるいはそれより上）である。
フッ化水素酸（pKa3.2の弱酸）は、イオン化したフッ化
物の対応物であり、低pH値での主要成分である。

しかし、シリカ／ケイ酸の除去率は、主要構成成分が
非解離ケイ酸でイオン化したケイ酸塩ではないというpH
7で、驚くほど高い98％である。この矛盾は、（オル
ト）ケイ酸の分子が水和の水分子６個までと結合するこ
とから、（オルト）ケイ酸の実際の大きさは予想される
大きさよりもはるかに大きいという事実から、少なくと
も部分的には説明される。このように、pH7では、ケイ
酸はほとんどイオン化していないので（0.2％より少な
い）、この高い除去率は、サイズ／形の要因によるもの
である。

これらの要因に基づくと、シリカが、実質的にイオン
化しているとき、硫酸（SO₄）イオンに至適する除去率
をもつと思われる。この予想は、硫酸イオンがやはり水
和の６個の水分子に結合していること、また硫酸イオン
が中性近くのpH値では完全にイオン化しているという事
実に基づいている。記録をみると、硫酸塩の除去率は、
標準のRO操作で通常99.5から99.9％が認められ、シリカ
の除去率は、HEROシステムにおいて10.5から11.0の範囲
のpHで99.9％以上である。言い換えれば、pH7での硫酸
塩の除去率は、pH10以上でのシリカの除去率と匹敵す
る。これらの相応する酸の強度と分子のサイズを比較す
ると、この効果は、利用されるばかりでなく合理的に説
明できる。

更なる検討に値するこの新しいプロセスの別の局面
は、RO供給水のpH調整（増加）の前に、本質的に完全な
アルカリ度除去を必要とすることである。全く実際的な
見地からすると、アルカリ度が少しでも残っていると強
力な緩衝作用を持ち、正常な操作範囲までpHを上げるの
に必要なアルカリの量がかなり増加するので、ゼロに近
いアルカリ度が必要である。増加したアルカリ要求に必
要な直接的は経費に加えて、RO透過水のナトリウム含有
量がまた非常に高いので、結果的にRO後のイオン交換負
担や経費が不必要に高くなる。

しかし、概念的見地からすると、アルカリ度除去の必
要性は、かなり差し迫っているが、簡単である。炭酸カ
ルシウムの溶解性に基づいた次の例は、この関係を数量
化するのに用いられている。

炭酸カルシウムの溶解積（Ksp）は、周囲温度および
非常に低いイオン強度で約8.7x10^-9平方モルである。RO
通過、90％回収率を目標とするならば、RO供給水のCaCO
₃最大許容イオン積は、約8.7x10^-11平方モルである。更
に、軟化した供給水中のカルシウムを0.1mg/lと仮定す
るならば、RO供給水の炭酸塩の許容最大含有量は、全て
イオンとして表した場合約2.1mg/lである。

pH11.0の排除水の状態では、そこに含まれる炭酸塩類
の約85％は炭酸塩として、残りは重炭酸塩として存在す
る。pH増加前の全剰余二酸化炭素同等物を5mg/lとする
と、RO供給水中に約5.8mg/lの炭酸塩（イオンとして）
が存在する。炭酸塩の最大許容量2.1mg/lと比較する
と、この5.8mg/lは３倍高い。

90％の回収率でスケールのない操作を行うためには、
次の１つ以上を守らなくてはならない。−残っているカ
ルシウム含有量を0.1mg/lより少なくしなければならな
い。またはRO操作条件を変えなくてはならない。炭酸カ
ルシウムスケール抑制剤は、一般的に高いKspを許すこ
とが知られているが、私は、効果的にかつ経費効率よ
く、高いpHでの持続的RO操作可能などんな方法も知らな
い。重要なことは、ROシステムの長期間の試験の間、ス
ケール抑制剤は、どんなものも使用されなかったという
ことである。

マグネシウムは弱酸性陽イオン交換体から早期に漏出
する傾向があるので、約1.2x10^-11平方モルのKspを持つ
水酸化マグネシウムは、許容できる残余物に関しては、
いろいろな点で更に要求が厳しい。それ故、水酸化マグ
ネシウムスケールを防ぐために、さらに注意を要する。

典型的な例 HEROシステムを典型的に適用している例を以下にあげ
る。シリカ含有量の高い、南日本、熊本地区の供給水
を、例として選んだ。示された経費は予算である（＋ま
たは−30％精度）。見積価格は、次の前提に基づいてい
る。

（１） システムの名目上の処理能力:1,500,000 US
GPD （２） 通常の回収率75％ 対 HEROシステム回収率90
％ （３） UPW品質（化学）基準は （ａ）シリカ＜1PPB （ｂ）TOC＜1PPBと （ｃ）酸素＜5PPB （４） 消費コスト （ａ）硫酸（93％） 100米ドル／トン （ｂ）水酸化ナトリウム（100％） 450米ドル／トン （ｃ）抗スケール剤 1.50米ドル／ポンド （ｄ）電気 0.075米ドル/kwh （ｅ）水購入および廃水放流コスト （併せて） ３米ドル/1,000米ガロン 既存のROシステムの転換 表６には、表５に示した供給水を用いて75％の回収率
で操作する既存の150万GPD（US）のシステムを、90％回
収率のHEROブランドROユニットプロセスシステムに換
え、ROシステム以外は変化なしの見積もりを示した。

従来のROシステムからの排除水を処理することによっ
て、また（ａ）WACシステムで、硬度とアルカリ度を同
時に低下させることによって、（ｂ）脱炭酸、（ｃ）２
番目のROシステムに水流を供給する前に、pHをあげるこ
とによって、全体のRO回収率が増加するようにHEROブラ
ンドROユニットプロセス設計を使用することが、実行可
能な場合がある。

また、既存のシステムを変換することで、ROシステム
の処理能力を高めるというすばらしい機会を得ることが
できる。これは、操作をHEROブランドROユニットプロセ
ス設計および操作配置に換えると、従来のROシステムで
は約15gfdの流束を、約20gfdまで、または恐らく25gfd
以上まで増加することができるので、可能である。

新しいROシステム設計および操作 表７に、従来の方法（図13を参照）を利用する場合、
および簡単なポリッシングループ設計を含むHEROブラン
ドROユニットシステム（図14を参照）を使用する場合の
２種類の真新しいUPWシステムが建設されることを基に
した見積もりを示している。両方のシステムとも、二回
通過RO、中空糸限外ろ過器および複床式でないイオン交
換体を使用する。UPWの約40％は、高温で使用されるの
で、その見積もり費用はDIW加熱器を含む。限外ろ過シ
ステムの上の分配パイプ輸送システム、またはシステム
設置、あるいはPVDFにつながる貯蔵タンクなどは経費見
積もりには含まれない。こうした部品のサイズは、非常
に場所特異性があるからである。

要約 新しいHER0ブランドRO技術は、あらゆる汚染物質、特
に弱酸性陰イオンに非常に高い除去率を持つことが示さ
れている。加えて、大抵の供給水について90％以上のRO
回収率を達成することができる。生物的ファウリング
は、微粒子ファウリングが実質的に減少すると同時に、
本質的に除去される。従来のROシステム設計を使用して
普通に実用されるよりもずっと高い流束が、この新しい
HERO技術を用いて達成される。この新しいプロセスの利
益が、UPWシステムの高額な費用を正当化するとして
も、まさにその逆が真実である。UPWシステムの複雑さ
だけでなく、全体にかかる経費もまた両方とも劇的に減
少する。

膜分離装置により、特にここに述べたHERO逆浸透
（“RO"）プロセス設計により、水を処理する方法と装
置は、革命的で、かつ矛盾した結果、すなわちRO排除水
中のシリカ濃度を高めるが、同時に、精製したRO透過水
中のシリカ濃度を下げるという結果をもたらす。膜分離
システム操作法、特に逆浸透システム操作の方法は、水
処理システムの投資費用と運転費用を同時に減らす一方
で、水使用も減らすための重要な選択を表す。水回収
率、すなわち、供給水流量に対する透過水流量の割合
は、明らかに約50％より多く、また容易に約85％以上ま
で、しばしば約95％まで、また時には約99％のレベルに
まで達する。更にこの効率が得られれば、生成された純
水１ガロン当たりに消費される、イオン交換再生または
RO洗浄のための化学薬品は劇的に減少する。

このように、上述の記載から明らかにされたことも含
めて、上記に述べた目的は、効果的に達せられているこ
とがわかる。また、上記の方法を実行するにあたって、
またこの方法を実行し、ここの述べたような希望の製品
を作るための適切な装置の建設にあたっては、変更を加
えてもよく、本発明が、その意図または本質的な特徴か
らはずれないで、他の特定の形に具体化される可能性が
あることを理解するべきである。例えば、私は、同時に
硬度とアルカリを除去するという設計例を述べたが、別
の実施の形態により、ここに発表した方法の原理の結果
を達成することも可能である。それ故、本発明の代表的
な実施の形態について先の説明は、説明の目的のため、
および本発明の理解のためだけに紹介されてきたという
ことが理解されよう。また網羅的あるいは制限的である
こと、または本発明を開示した形そのままに制限するこ
とを意図してはいないということも理解されよう。反対
に、本発明は、巻末の請求項に表現されている本発明の
意図および範囲内で、変更された方法や装置、同等な方
法や装置、および代替の方法や装置を全てカバーしてい
る。このように、請求項は、ここに述べられた方法およ
び構造、またこの中にある方法や構造の同様なもの、そ
してあらゆる同等な方法や構造をカバーするよう意図さ
れている。巻末の請求項に示されるように、本発明の範
囲は、広い意味で、また請求項の文言あるいは請求項の
中の均等な文言に正しく許される範囲で述べられている
実施の形態からのさまざまな変化を含むことを意図して
いる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ０２Ｆ 5/00 ６１０ Ｃ０２Ｆ 5/00 ６１０Ｚ 9/00 ５０２ 9/00 ５０２Ｆ ５０２Ｊ ５０２Ｚ ５０３ ５０３Ａ ５０４ ５０４Ｂ (56)参考文献 特開 昭62−294484（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−112890（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−12040（ＪＰ，Ｂ２) 宮原昭三等、共著「実用イオン交換」 （昭和47年１月１日）化学工業社第99頁 〜102頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 1/44 B01D 61/04 B01D 65/08 C02F 5/00 610 C02F 5/00 620

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】供給水流を逆浸透膜装置で処理して90％以
   上の回収率、１日当たり0.611m³/m²（１日当たり15ガロ
   ン/feet²）を越える流束で溶質含有量の低い生成水流を
   生成する方法において、 （ａ） 前記供給水流をＨ形の陽イオン交換樹脂で処理
   して前記供給水流から硬度とアルカリ度を実質的に完全
   に除去する工程と、 （ｂ） 前記（ａ）の工程で処理された水流から溶存す
   る二酸化炭素を除去する工程と、 （ｃ） 前記（ｂ）の工程で処理された水流に、アルカ
   リを添加して前記水流のpHを10以上まで上昇させる工程
   と、 （ｄ） 前記（ｃ）の工程で処理された水流を、前記逆
   浸透膜装置に通過させる工程と、 を有することを特徴とする水処理方法。
2. 【請求項２】供給水流のアルカリ度に比べて供給水流の
   硬度が高い場合に、請求項１の（ａ）の工程に先だっ
   て、前記供給水流にアルカリを加える工程を有すること
   を特徴とする請求項１記載の水処理方法。
3. 【請求項３】供給水流を逆浸透膜装置で処理して90％以
   上の回収率、１日当たり0.611m³/m²（１日当たり15ガロ
   ン/feet²）を越える流束で溶質含有量の低い生成水流を
   生成する方法において、 （ａ） 前記供給水流をNa型の陽イオン交換樹脂で処理
   して前記供給水流から硬度を実質的に完全に除去する工
   程と、 （ｂ） 前記（ａ）の工程で処理された水流に酸を添加
   して、前記水流からアルカリ度を実質的に完全に除去す
   る工程と、 （ｃ） 前記（ｂ）の工程で処理された水流から溶存す
   る二酸化炭素を除去する工程と、 （ｄ） 前記（ｃ）の工程で処理された水流に、アルカ
   リを添加して前記水流のpHを10以上まで上昇させる工程
   と、 （ｅ） 前記（ｄ）の工程で処理された水流を、前記逆
   浸透膜装置に通過させる工程と、 を具備することを特徴とする水処理方法。
4. 【請求項４】前記アルカリ度が、非水酸化アルカリ度で
   あることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記
   載の水処理方法。
5. 【請求項５】前記水流のpHを10以上まで上昇させる工程
   が、アニオン交換システムにより行われる請求項１乃至
   ４のいずれか１項記載の水処理方法。
6. 【請求項６】溶質含有量の低い生成水流と溶質含有量の
   高い排除水流をつくるための逆浸透膜システムによって
   前記供給水流の透過水生産量及び透過水の純度を同時に
   高めるための方法であって、 （ａ）前記供給水流は、１） 硬度、２） アルカリ
   度、３） 中性又は中性付近のpHの水溶液でわずかにイ
   オン化している少なくとも１つ以上の分子種の存在によ
   って特徴づけられ、 （ｂ）前記供給水流を選択されたpHで所定の濃度限界ま
   で濃縮する際に、次の工程を達成して前記供給水流のス
   ケール形成傾向を効果的に排除し、 １） 前記供給水流をNa形の陽イオン交換樹脂で処理し
   て前記供給水流から硬度を実質的に完全に除去する工程 ２） 前記供給水流に酸を添加して前記供給水流からア
   ルカリ度を実質的に完全に除去する工程 ３） 最初から存在していたか、あるいは前記硬度を除
   去する工程、あるいは前記アルカリ度を除去する工程で
   発生した溶存する二酸化炭素を前記供給水流から除去す
   る工程 （ｃ）中性または中性付近のpHの水溶液で、わずかにイ
   オン化している１つ以上の分子種のイオン化を増加させ
   るために、選択した塩基を加えることで、前記（ｂ）の
   工程からの生成水のpHを10以上の選択されたpHまで高
   め、 （ｄ）前記（ｃ）の工程からの生成水を、前記溶質の通
   過を実質的に阻止する逆浸透膜装置に通すことからな
   る、 １） 溶質含有量の高い排除水流を作り、 ２） 溶質含有量の低い透過水流を作り ３） 透過水生産量が１日あたり0.611m³/m²（１日当た
   り15ガロン/feet²）を越えることを特徴とする水処理方
   法。
7. 【請求項７】前記アルカリ度がイオン交換システムによ
   って除去されることを特徴とする請求項１乃至６のいず
   れか１項記載の水処理方法。
8. 【請求項８】前記逆浸透膜装置が第１の逆浸透膜ユニッ
   トと前記第１の逆浸透膜ユニットと直列に配列された第
   ２の逆浸透膜ユニットからなり、pHを10以上まで上昇さ
   せた生成水流を、前記第１の逆浸透膜ユニットと第２の
   逆浸透膜ユニットに順に通すことを特徴とする請求項１
   乃至７のいずれか１項記載の水処理方法。
9. 【請求項９】供給水流を逆浸透膜装置で処理して90％以
   上の回収率、１日当たり0.611m³/m²（１日当たり15ガロ
   ン/feet²）を越える流束で溶質含有量の低い生成水流を
   生成する装置において、 （ａ） 前記供給水流をＨ型の陽イオン交換樹脂で処理
   して前記供給水流から硬度とアルカリ度をほぼ完全に除
   去する手段と、 （ｂ） 前記（ａ）の手段で処理された水流から溶存す
   る二酸化炭素を除去する手段と、 （ｃ） 前記（ｂ）の手段で処理された水流に、アルカ
   リを添加して前記水流のpHを少なくとも10まで上昇させ
   る手段と、 （ｄ） 前記（ｃ）の手段で処理された水流を、逆浸透
   膜装置に通過させる手段と、 を具備することを特徴とする水処理装置。
10. 【請求項１０】供給水流を逆浸透膜装置で処理して90％
    以上の回収率、１日当たり0.611m³/m²（１日当たり15ガ
    ロン/feet²）を越える流束で溶質含有量の低い生成水流
    を生成する装置において、 （ａ） 前記供給水流をNa型の溶イオン交換樹脂で処理
    してから硬度を除去する手段と、 （ｂ） 前記（ａ）の工程で処理された水流に酸を添加
    して、前記水流からアルカリ度を実質的に完全に除去す
    る手段と、 （ｃ） 前記（ｂ）の手段で処理された水流から溶存す
    る二酸化炭素を除去する手段と、 （ｄ） 前記（ｃ）の手段で処理された水流に、アルカ
    リを添加して前記水流のpHを少なくとも10まで上昇させ
    る手段と、 （ｅ） 前記（ｄ）の手段で処理された水流を、逆浸透
    膜装置に通過させる手段と、 を具備することを特徴とする水処理装置。
11. 【請求項１１】逆浸透膜装置により、１） 硬度、２）
    アルカリ度、３） 中性または中性付近のpHの水溶液
    でわずかにイオン化している１つ以上の分子種の存在に
    よって特徴づけられる供給水流を処理して、溶質含有量
    の低い生成水流と溶質含有量の高い排除水流を生成する
    装置であって、 前記装置は、 （ａ） 前記供給水を選択されたpHで所定の濃度要素ま
    で濃縮したとき前記供給水のスケール形成傾向を効果的
    に排除するための次の手段と、 １） 前記供給水流をＨ形の陽イオン交換樹脂で処理し
    て前記供給水流から硬度とアルカリ度を実質的に完全に
    除去する手段 ２） 前記供給水流から溶存二酸化炭素を除去する手段 （ｂ） 中性または中性付近のpHの水溶液で、わずかに
    イオン化している１つ以上の分子種のイオン化を増加さ
    せるために、選択した塩基を加えることで、前記手段
    （ａ）の生成水のpHを、10以上の選択されたpHまで高め
    る手段と、 （ｃ） １） 前記供給水流を所定の濃度限界まで濃縮
    し、 ２） 排除水流と、中性または中性付近のpHの水溶液で
    わずかにイオン化している分子種を実質的に含まない生
    成水流とを生成すべく、 前記手段（ｂ）の生成水を、イオン化している分子種の
    通過を実質的に阻止する逆浸透膜に通過させる第１の逆
    浸透膜ユニットと を有することを特徴とする供給水流処理のための水処理
    装置。
12. 【請求項１２】逆浸透膜装置により、１） 硬度、２）
    アルカリ度、３） 中性または中性付近のpHの水溶液
    でわずかにイオン化している１つ以上の分子種の存在に
    よって特徴づけられる供給水流を処理して、溶質含有量
    の低い生成水流と溶質含有量の高い排除水流を生成する
    装置であって、 前記装置は、 （ａ） 前記供給水を選択されたpHで所定の濃度限界ま
    で濃縮したとき前記供給水のスケール形成傾向を効果的
    に排除するための次の手段と、 １） 前記供給水流をNa形の陽イオン交換樹脂で処理し
    て前記供給水流から硬度を除去する手段 ２） 前記供給水流に酸を添加して前記供給水流からア
    ルカリ度を実質的に完全に除去する手段 ３） 前記供給水流から溶存する二酸化炭素を除去する
    手段 （ｂ） 中性または中性付近のpHの水溶液で、わずかに
    イオン化している１つ以上の分子種のイオン化を増加さ
    せるために、選択した塩基を加えることで、前記手段
    （ａ）の生成水のpHを、10以上の選択されたpHまで高め
    る手段と、 （ｃ） １） 前記供給水流を所定の濃度限界まで濃縮
    し、 ２） 排除水流と、中性または中性付近のpHの水溶液で
    わずかにイオン化している分子種を実質的に含まない生
    成水流とを生成すべく、 前記手段（ｂ）の生成水を、イオン化している分子種の
    通過を実質的に阻止する逆浸透膜に通過させる第１の逆
    浸透膜ユニットと を有することを特徴とする供給水流処理のための水処理
    装置。
13. 【請求項１３】前記第１の逆浸透膜ユニットの生成水流
    を処理するために、前記第１の逆浸透膜ユニットと直列
    に配列された第２の逆浸透膜ユニットをUF膜装置するこ
    とを特徴とする請求項11又は12に記載の水処理装置。