JP3979172B2

JP3979172B2 - 純水の製造方法及び装置並びにスケールモニター装置

Info

Publication number: JP3979172B2
Application number: JP2002132937A
Authority: JP
Inventors: 昌之三輪
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-05-08
Also published as: JP2003326266A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、液晶、製薬、食品、電力等の分野の各種産業、民生用、又は研究設備で利用される脱イオン水を、電気脱イオン装置を用いて製造する純水の製造方法及び装置に係り、特に電気脱イオン装置でのスケール発生を防止して長期に亘り安定かつ効率的に純水を製造する方法及び装置に関する。また、本発明は、このためのスケールモニター装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工場、液晶製造工場、製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業又は民生用ないし研究施設等において使用される脱イオン水の製造に、電気脱イオン装置が広く用いられている。この電気脱イオン装置として、図３に示す如く、電極（陽極１１，陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜１３及びカチオン交換膜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、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合もしくは複層状に充填したものがある（特許第１７８２９４３号、特許第２７５１０９０号、特許第２６９９２５６号）。なお、図３において、１７は陽極室、１８は陰極室である。
【０００３】
電気脱イオン装置は、水解離によってＨ^＋イオンとＯＨ⁻イオンを生成させ、脱塩室内に充填されているイオン交換体を連続して再生することによって、効率的な脱塩処理が可能であり、従来から広く用いられてきたイオン交換樹脂装置のような薬品を用いた再生処理を必要とせず、完全な連続採水が可能で、高純度の水が得られるという優れた効果を発揮する。
【０００４】
この電気脱イオン装置では、濃縮室において炭酸カルシウムを主体としたスケールが析出し、濃縮室が閉塞して連続運転が困難になることがある。
【０００５】
電気脱イオン装置における炭酸カルシウムスケール発生のメカニズムを図４に概略的に示す。濃縮室１５内のカルシウムイオンは、アニオン交換膜１３面に濃縮される。一方、脱塩室１６内の炭酸イオン、重炭酸イオン及び水解離によって生じたＯＨ⁻イオンはアニオン交換膜１３を通じて濃縮室１５に移動する。このため濃縮室１５側のアニオン交換膜１３の膜面直近領域では、高濃度の炭酸イオン、重炭酸イオン、カルシウムイオンが存在し、かつＯＨ⁻イオンにより高ｐＨとなっている。このため、高濃度の重炭酸イオン、炭酸イオン、カルシウムイオンが含まれる供給水を通水した場合や、電気脱イオン装置を高回収率で運転し、高濃度のカルシウムイオンが濃縮室に存在する場合に、アニオン交換膜面に炭酸カルシウムのスケールが発生しやすい。
【０００６】
従来より、炭酸カルシウム由来のスケール析出の有無の判定には、ランジェリア指数が用いられているが、上述のように電気脱イオン装置内では水解離が生じており、局所的にアルカリ部分が生じていることより、ランジェリア指数をスケール析出の指標とすることができなかった。また、ＣＯ_２、シリカ、ホウ素等の弱イオン性物質を除去するために、高電流を流す電気脱イオン装置では、微量のＣａ、無機炭酸（以下「ＩＣ」と呼ぶ。）濃度下でもスケールが発生してしまい、その都度、ＨＣｌなどの酸洗浄を実施する必要があった。
【０００７】
特開２００１−３１４８６５号公報には、電気脱イオン装置を用いて純水を製造するに当り、炭酸カルシウム発生の指標を明確にすることにより、電気脱イオン装置におけるスケールの発生を確実に防止して、長期安定運転を可能とする純水の製造方法として、下記式で算出されるスケール指標数値ＳＩが２００以下となる条件で電気脱イオン装置を運転する方法が記載されている。
スケール指標数値ＳＩ＝ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ^２）×濃縮水Ｃａ濃度（ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ）
（ただし、ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ^２）は、該電気脱イオン装置のアニオン交換膜面積（ｄｍ^２）当たりのＩＣ負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ）であり、濃縮水Ｃａ濃度は濃縮室流出水のＣａ濃度（ＣａＣＯ_３換算）である。）
【０００８】
なお、電気脱イオン装置のＩＣ負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ）は、電気脱イオン装置の供給水のＩＣ濃度（ｍｇ−ＣＯ_２／Ｌ）に流量（Ｌ／ｈ）を掛けることにより求められ、従って、ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ^２）は、
供給水のＩＣ濃度（ｍｇ−ＣＯ_２／Ｌ）×セル当たりの流量（Ｌ／ｈ）÷セル有効アニオン交換膜面積（ｄｍ^２）
で算出される。
【０００９】
このスケール指標数値ＳＩを規定値以下にすることにより、電気脱イオン装置の濃縮室内での炭酸カルシウムスケールの析出を確実に防止することができ、該電気脱イオン装置を長期間に亘って安定に運転することが可能となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開２００１−３１４８６５号の方法により電気脱イオン装置を運転する場合、電気脱イオン装置に供給される原水中のＩＣ濃度と濃縮水のＣａ濃度とをモニタリングし、これに基づいて電気脱イオン装置を制御する必要がある。
【００１１】
本発明は、このような濃度のモニタリングを行うまでもなく電気脱イオン装置におけるスケール発生を防止又は抑制することができる純水の製造方法及び装置並びにスケールモニター装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の純水の製造方法は、陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置を用い、原水を該電気脱イオン装置の脱塩室に導入し、該脱塩室の流出水を処理水として取り出す純水の製造方法において、少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配設されたアニオン交換膜を有したスケールモニター装置に原水及び／又は前記電気脱イオン装置からの濃縮水を流通させてスケール発生傾向を検出し、この検出結果に基づいて前記電気脱イオン装置の運転条件を制御して該電気脱イオン装置におけるスケール発生を防止又は抑制することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の純水製造装置は、陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置を備えた純水製造装置において、少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配置されたアニオン交換膜を有し、原水及び／又は該電気脱イオン装置からの濃縮水が流通されるスケール発生傾向検出用スケールモニター装置と、該スケールモニター装置で検出されたスケール発生傾向に基づいて、該電気脱イオン装置におけるスケール発生を防止又は抑制するように該電気脱イオン装置の運転条件を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のスケールモニター装置は、電気脱イオン装置におけるスケール発生傾向を検出するためのモニター装置であって、少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配置されたアニオン交換膜を有し、原水及び／又は電気脱イオン装置からの濃縮水が流通されるものである。
【００１５】
かかる本発明によると、電気脱イオン装置を模擬したスケールモニター装置に原水及び／又は電気脱イオン装置濃縮水を通水し、このスケールモニター装置のスケール発生傾向に基づいて電気脱イオン装置を制御するので、電気脱イオン装置のスケール発生を確実に防止又は抑制することができる。
【００１６】
スケールモニター装置のスケール発生傾向は、スケールモニター装置の印加電圧及び／又は電流により検出するのが好ましい。
【００１７】
このスケールモニター装置では、電気脱イオン装置よりもスケール発生傾向が高い条件で運転される。このスケール発生傾向は、例えば上記スケール指標数値ＳＩによって判断される。なお、このスケールモニター装置において、ＳＩ値を算出する場合、濃縮側の流出水のＣａ濃度としては、アニオン交換膜に接した、且つ該アニオン交換膜よりも陽極側の室からの流出水のＣａ濃度を充てるものとする。
【００１８】
スケールモニター装置のスケール発生傾向を電気脱イオン装置のスケール発生傾向よりも高くするには、
電気脱イオン装置の濃縮排水をスケールモニター装置に通水する方法、
スケールモニター装置の回収率を電気脱イオン装置より高くする方法、
スケールモニター装置のアニオン交換膜１ｄｍ^２当りの炭酸イオン及び重炭酸イオン移動量を電気脱イオン装置より高くする方法、及び
スケールモニター装置の電流密度を電気脱イオン装置より高くする方法
の少なくとも１つの方法を採用するのが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る純水製造装置のブロック図である。
【００２０】
この純水製造装置は、電気脱イオン装置１と、スケールモニター装置２とを備えている。この電気脱イオン装置１は前記図３と全く同一の構成のものであり、電極（陽極１１，陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜１３及びカチオン交換膜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、脱塩室１６にイオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合もしくは複層状に充填した構成を有する。なお、図１では、各部材ないし室１１〜１６は図示が省略されている。この電気脱イオン装置１においても、前記図３の場合と同じく、脱塩室１６及び濃縮室１５にそれぞれ原水が供給され、脱塩室１６から希釈水が取り出され、濃縮室１５から濃縮水が取り出される。濃縮水の一部は装置外に排出され、残部はポンプによって濃縮室１５に戻される。この循環される濃縮水に対し所定量の原水が添加される。
【００２１】
図１に示すスケールモニター装置２は、陽極３と陰極４との間に陽極電極室５、アニオン交換膜６、脱塩室７、カチオン交換膜８及び陰極電極室９のみをこの順に配置したものである。脱塩室７には電気脱イオン装置１の脱塩室と同じイオン交換樹脂が充填されている。アニオン交換膜及びカチオン交換膜は電気脱イオン装置１のアニオン交換膜及びカチオン交換膜と同一のものである。
【００２２】
陽極電極室５に電気脱イオン装置１の濃縮水が通水され、脱塩室７及び陰極電極室９に原水が通水される。陽極３と陰極４との間に電圧を印加した状態で上記のように濃縮水及び原水が通水される。
【００２３】
このように、電気脱イオン装置１の濃縮水を陽極電極室５に通水することにより、スケールモニター装置２のアニオン交換膜６の膜面の陽極電極室側におけるＣａ濃度を、電気脱イオン装置１のアニオン交換膜膜面の濃縮室側と同じにしている。この実施の形態にあっては、脱塩室７に通水する原水量を調整し、アニオン交換膜６のＩＣの膜面積負荷を電気脱イオン装置のアニオン交換膜における膜面積負荷よりも大きくし、電気脱イオン装置１よりもスケールモニター装置２のアニオン交換膜６膜面をスケールが生成し易い環境としている。即ち、スケールモニター装置２は電気脱イオン装置１よりもスケール発生傾向が高くなっている。
【００２４】
そのため、この電気脱イオン装置１及びスケールモニター装置２よりなる純水製造装置を運転しながらスケールモニター装置２でのスケール発生傾向をモニターし、スケールモニター装置２でスケールの生成が認められたときには、電気脱イオン装置１の運転条件をスケール発生を防止ないし抑制するように変化させる。
【００２５】
具体的には、スケールモニター装置２の陽極３と陰極４との間に定電圧装置により定電圧を印加して運転している場合には、陽極３と陰極４との間の電流値が低下したときには、スケールモニター装置２内でスケールが析出してきたと判定し、且つこの電流値の低下度合からスケール発生量を知ることができる。
【００２６】
また、スケールモニター装置２の陽極３と陰極４との間に定電流装置により定電流を通電して運転している場合には、陽極３と陰極４との間の電圧値が上昇しているときには、スケールモニター装置２内でスケールが析出してきたと判定し、且つこの電圧値の上昇度合からスケール発生量を知ることができる。
【００２７】
前記の通り、スケールモニター装置２は、その陽極電極室５に電気脱イオン装置１の濃縮水が流通され、電気脱イオン装置１よりもアニオン交換膜面にスケールが析出し易い環境とされているので、スケールモニター装置２でスケール発生を検知した段階で電気脱イオン装置１の運転条件をスケール防止側に変化させることにより、電気脱イオン装置１でのスケール発生を確実に防止することができる。
【００２８】
電気脱イオン装置の運転条件をスケール防止側に変化させるには、例えば、
電流密度を低下させる、
濃縮水の排出量を増加させる、
などの運転条件変更を行う。
【００２９】
本発明では、スケールモニター装置の構成を、図２の通り、より簡略化してもよい。図２のスケールモニター装置２’は、陽極３と陰極４との間に陽極電極室５、アニオン交換膜６及び脱塩室７のみをこの順に配置したものである。このスケールモニター装置２’においても、アニオン交換膜６の膜面(陽極電極室５側の膜面)のスケールの発生傾向をモニターすることができる。
【００３０】
本発明では、陽極電極室５に電気脱イオン装置１の濃縮水を通水する方法以外にも、
スケールモニター装置２，２’の希釈水回収率を電気脱イオン装置１の希釈水回収率よりも高くする方法；
スケールモニター装置２，２’のアニオン交換膜６の単位面積(１ｄｍ^２)当りの炭酸イオン、重炭酸イオン移動量を電気脱イオン装置１のアニオン交換膜におけるよりも高くする方法；
スケールモニター装置２，２’の電流密度を電気脱イオン装置１よりも高くする方法；
により、スケールモニター装置のスケール発生傾向を電気脱イオン装置１よりも高くすることができる。これらの方法は、いずれか１つ又は２以上を組み合わせて採用してもよい。
【００３１】
なお、図１の純水製造装置において、電気脱イオン装置１の濃縮水をスケールモニター装置２の陽極電極室５に通水することで、アニオン交換膜６の濃縮側のＣａ濃度を電気脱イオン装置１のアニオン交換膜の濃縮側と同じにし、脱塩室７へ供給する原水量を多くし、ＩＣ膜面積負荷を電気脱イオン装置１より大きくした場合において、原水のＣＯ_２濃度又はＣａ濃度が変動したときの電気脱イオン装置１及びスケールモニター装置２におけるＳＩ値の変化の一例を表１，２に示す。
【００３２】
表１は、Ｃａ濃度が０．２ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌと一定のときに原水のＣＯ_２濃度が変化した場合のＳＩ値変化
【００３３】
【表１】

【００３４】
表２は、ＣＯ_２濃度が１０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌと一定のときに原水のＣａ濃度が変化した場合のＳＩ値変化である。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表１，２の通り、いずれの場合もスケールモニター装置２のＳＩ値が高く、スケールモニター装置２でスケールが生成し易いことが明らかである。
【００３７】
また、図１の純水製造装置において、スケールモニター装置２に定電流装置を用いて０．４５Ａの定電流を通電したところ、印加電圧は約１０Ｖとほぼ一定であった。この状態で、試験的に、原水に塩化カルシウム水溶液を添加して原水中のＣａ濃度を０．３ｍｇ／Ｌから４．０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌにまで高めて通水を行った。その結果、印加電圧は０．２５Ｖ／ｈの速度で上昇した。なお、その後、スケールモニター装置を分解して検査したところ、Ｃａ添加開始後、４時間でスケールが生成し始めたことが認められた。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の純水の製造方法及び装置によれば、電気脱イオン装置の濃縮室におけるスケールの発生を防止ないし抑制して、長期に亘り安定かつ効率的な純水の製造を行うことができる。また、本発明のスケールモニター装置によれば、電気脱イオン装置におけるスケール発生を簡便にモニタリングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る純水製造装置のブロック図である。
【図２】別の実施の形態に係るスケールモニター装置の模式的な断面図である。
【図３】電気脱イオン装置の一般的な構成を示す模式的な断面図である。
【図４】電気脱イオン装置におけるイオンの移動状況を説明する模式図である。
【符号の説明】
１電気脱イオン装置
２，２’ スケールモニター装置
３陽極
４陰極
５陽極電極室
６アニオン交換膜
７脱塩室
８カチオン交換膜
９陰極電極室
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
１７陽極室
１８陰極室

Claims

陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置を用い、
原水を該電気脱イオン装置の脱塩室に導入し、該脱塩室の流出水を処理水として取り出す純水の製造方法において、
少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配設されたアニオン交換膜を有したスケールモニター装置に原水及び／又は前記電気脱イオン装置からの濃縮水を流通させてスケール発生傾向を検出し、
この検出結果に基づいて前記電気脱イオン装置の運転条件を制御して該電気脱イオン装置におけるスケール発生を防止又は抑制することを特徴とする純水の製造方法。
請求項１において、前記スケール発生傾向を検出するために、前記スケールモニター装置の陽極と陰極との間の印加電流及び／又は両者の間の通電電流を検出することを特徴とする純水の製造方法。
請求項１又は２において、前記スケールモニター装置を前記電気脱イオン装置よりもスケール発生傾向が高い条件で運転することを特徴とする純水の製造方法。
請求項３において、下記式で算出される、前記電気脱イオン装置及びスケールモニター装置におけるスケール指標数値ＳＩが、前記電気脱イオン装置よりも前記スケールモニター装置において高くなるように該スケールモニター装置を運転することを特徴とする純水の製造方法。
スケール指標数値ＳＩ＝ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ^２）×濃縮水Ｃａ濃度（ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ）
（ただし、ＩＣ膜面積負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ・ｄｍ^２）は、各装置におけるアニオン交換膜面積（ｄｍ^２）当たりの無機炭酸負荷量（ｍｇ−ＣＯ_２／ｈ）であり、濃縮水Ｃａ濃度は各装置における濃縮側の流出水のＣａ濃度（ＣａＣＯ_３換算）である。）
請求項３又は４において、前記スケールモニター装置を前記電気脱イオン装置よりもスケール発生傾向が高い条件で運転するために、
前記電気脱イオン装置の濃縮排水をスケールモニター装置に通水する方法、
スケールモニター装置の回収率を電気脱イオン装置より高くする方法、
スケールモニター装置のアニオン交換膜１ｄｍ^２当りの炭酸イオン及び重炭酸イオン移動量を電気脱イオン装置より高くする方法、及び
スケールモニター装置の電流密度を電気脱イオン装置より高くする方法
の少なくとも１つの方法を採用することを特徴とする純水の製造方法。
請求項１ないし５のいずれか１項において、前記スケールモニター装置の検出結果に基づき、電気脱イオン装置の印加電圧及び／又は回収率を制御してスケール発生を防止又は抑制することを特徴とする純水の製造方法。
陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成してなる電気脱イオン装置を備えた純水製造装置において、
少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配置されたアニオン交換膜を有し、原水及び／又は該電気脱イオン装置からの濃縮水が流通されるスケール発生傾向検出用スケールモニター装置と、
該スケールモニター装置で検出されたスケール発生傾向に基づいて、該電気脱イオン装置におけるスケール発生を防止又は抑制するように該電気脱イオン装置の運転条件を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする純水製造装置。
電気脱イオン装置におけるスケール発生傾向を検出するためのモニター装置であって、
少なくとも陽極、陰極及びこれらの間に配置されたアニオン交換膜を有し、原水及び／又は電気脱イオン装置からの濃縮水が流通されるスケール発生傾向検出用スケールモニター装置。
請求項８において、前記陽極及び陰極の間に陽極電極室、カチオン交換膜、脱塩室、アニオン交換膜及び陰極電極室のみがこの順に配置されていることを特徴とするスケールモニター装置。
請求項８において、前記陽極及び陰極の間に脱塩室、アニオン交換膜及び陰極電極室のみがこの順に配置されていることを特徴とするスケールモニター装置。