JP4026385B2

JP4026385B2 - 電気脱イオン装置の制御方法

Info

Publication number: JP4026385B2
Application number: JP2002081174A
Authority: JP
Inventors: 伸佐藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003275767A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原水を電気的に脱塩処理（脱イオン処理）するための電気脱イオン装置の制御方法に係り、特に電気脱イオン装置への通電電流値を制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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電気脱イオン装置が公知である（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】
このような電気脱イオン装置におけるシリカ除去性能に電流値が関係することは知られていたが、濃縮室における濃度の影響等は明確とされていなかった。
【０００５】
このため、従来においては、電流値とシリカ除去率との関係などの経験的なデータをもとに定められた運転マニュアル等により電気脱イオン装置の電流制御が行われていた。
【０００６】
しかし、このような制御方法では、水量や回収率等の条件が異なった場合や、被処理水の濃度変動等に対応して必要電流値を正確に求めることができない。このようなことから、従来においては、電気脱イオン装置の電流値の自動制御運転等は全く行われていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電気脱イオン装置における脱塩のための電流値を制御し、目標とする濃度の生産水を生産することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気脱イオン装置の制御方法は、水を脱イオン処理するための電気脱イオン装置を制御する方法であって、該電気脱イオン装置は、陽極及び陰極と、該陽極と陰極との間にカチオン交換膜及びアニオン交換膜を配置することに形成された濃縮室及び脱塩室とを備えており、該脱塩室に原水が通水されて生産水として取り出され、該濃縮室に濃縮水が通水され、該陽極と陰極との間に電源装置から直流電流が通電され、この電流量が制御装置によって制御される電気脱イオン装置の制御方法であって、該脱塩室に導入される原水の濃度及び流量と、目標とする生産水の濃度とを該制御装置に入力して目標とする生産水の濃度を達成するために必要な電流値を演算し、この演算された電流を該陽極と陰極の間に通電する電気脱イオン装置の制御方法において、前記原水の一部と、前記濃縮室流出水の一部とを濃縮室に導入し、濃縮室流出水の残部を電気脱イオン装置外に排出する方法であって、脱塩室内の流量Ｑ、濃縮室内の流量ｓ・Ｑ、電気脱イオン装置外に排出する濃縮水量ｒ・Ｑをそれぞれ設定しておき、これらの設定値を予め前記制御装置に入力しておき、原水の濃度と目標生産水濃度とに応じて前記電流値を演算することを特徴とするものである。
【０００９】
かかる本発明によると、原水の濃度及び流量と生産水の目標濃度とを制御装置に与えて電流値を決定するため、制御を自動化することができる。
【００１０】
本発明では、原水の一部と、前記濃縮室流出水の一部とを濃縮室に導入し、濃縮室流出水の残部を電気脱イオン装置外に排出する。脱塩室内の流量Ｑ、濃縮室内の流量ｓ・Ｑ、電気脱イオン装置外に排出する濃縮水量ｒ・Ｑをそれぞれ設定しておき、これらの設定値を予め前記制御装置に入力しておき、原水の濃度と目標生産水濃度とに応じて前記電流値を演算することにより、目標濃度の生産水を確実に生産することができる。ここで、ｓは脱塩室流量に対する濃縮室流量の比率、ｒは脱塩室流量に対する濃縮室からの排出流量の比率である。
【００１１】
本発明では、脱塩室から濃縮室へのイオンの移動量を、［脱塩室内のイオン濃度、及び、電流値に比例して脱塩室から濃縮室へ移動するイオン移動量］から、［イオン交換膜の膜面積、及び、濃縮室内のイオン濃度と脱塩室内のイオン濃度との濃度差に比例して濃縮室から脱塩室へ移動するイオン移動量］を減算した量とすることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係る制御方法が適用される電気脱イオン装置の概略的なモデル図、図２は動作解析を差分方程式にて行う場合のモデル図である。
【００１４】
図１において、原水は配管１から流量Ｑにて脱塩室２に導入され、同じく流量Ｑにて脱塩室２から配管３を介して生産水として取り出される。
【００１５】
原水の一部は、配管１から分岐した配管４を介して濃縮室５に導入され、濃縮室流出水の一部は配管６から電気脱イオン装置外に排出される。濃縮室流出水の残部は、配管６から分岐した配管７及びポンプ８を介して前記配管４内の分岐原水と合流されて濃縮室５に循環される。脱塩室３と濃縮室５とはイオン交換膜９（この場合はアニオン交換膜）により隔てられている。
【００１６】
濃縮室内の流量は、脱塩室流量Ｑに比率ｓを乗じた流量ｓ・Ｑであり、電気脱イオン装置外に排出される流量は、脱塩室流量Ｑに比率ｒを乗じた流量ｒ・Ｑである。当然ながら、電気脱イオン装置に供給される原水の総量は（１＋ｒ）Ｑであり、また、配管７を流れる濃縮水循環流量は、（ｓ−ｒ）・Ｑとして表現される。
【００１７】
原水中の除去対象とする解離性化合物（この実施の形態ではシリカ）濃度がｃ_０（μｇ／Ｌ）であり、生産水の目標濃度がｃ_Ｎである。
【００１８】
脱塩室２内の流入口から距離ｘの地点では、水中のシリカ濃度はｃとなっている。
【００１９】
濃縮室５では、流入口のシリカ濃度はｃ_０’であり、流出する濃縮水のシリカ濃度はｃ_Ｎ’である。濃縮室５内の流入口から距離ｘの地点では、水中のシリカ濃度はｃ’となっている。
【００２０】
また、脱塩室２から濃縮室５へ電気脱イオン装置の電極間の電位差に基づいて移動する単位時間当りのシリカ移動量をＫ（μｇ／Ｈｒ）とし、濃縮室５から脱塩室２へシリカ濃度差に基づいて移動する単位時間当りのシリカ移動量をＫ’（μｇ／Ｈｒ）とする。
【００２１】
電気脱イオン装置の陽極から陰極へ流れる電流をｉ（Ａ）とする。
【００２２】
図１に示す通り、流入口から距離ｘの地点における水の流れ方向（流入口と流出口とを結ぶ方向。図１の左右方向）の微少幅をｄｘとする。この微少幅ｄｘに属するイオン交換膜８の膜面積をｍとする。この膜面積ｍはｄｘに脱塩室の幅を乗じた面積である。脱塩室の幅は、上記の水の流れ方向と直交方向の幅である。
【００２３】
この微少幅ｄｘに属する膜面積ｍの領域を電位差により脱塩室２から濃縮室５へ透過する単位時間当りのシリカ移動量ｄＫは、脱塩室シリカ濃度ｃと電流値ｉに比例するので、比例定数ｋを用いて
ｄＫ＝ｋ・ｃ・ｉ・ｄｘ（１）
として表される。
【００２４】
同様に、シリカ濃度に用いて該領域を濃縮室５から脱塩室２へ透過する単位時間当りのシリカ移動量ｄＫ’は両室のシリカ濃度差（ｃ’−ｃ）と該領域の面積ｍとに比例するので比例定数ｋ’を用いて
ｄＫ’＝ｋ’・（ｃ’−ｃ）・ｍ・ｄｘ（２）
として表される。
【００２５】
脱塩室２内における前記距離ｘの地点における物質収支から次の（３）式が導かれる。
Ｑ・ｄｃ／ｄｘ＝ｄＫ／ｄｘ−ｄＫ’／ｄｘ（３）
左辺のｄｃ／ｄｘは、前記流入口から距離ｘの地点における水の流れ方向の濃度勾配であり、Ｑ・ｄｃ／ｄｘは、この距離ｘの地点の脱塩室断面を通過することにより減少するシリカ量である。
【００２６】
（３）式の右辺のｄＫ／ｄｘは地点ｘにおける脱塩室から濃縮室への移動シリカ量であり、ｄＫ’／ｄｘは地点ｘにおける濃縮室から脱塩室への移動シリカ量であるから、両者の差（ｄＫ／ｄｘ−ｄＫ’／ｄｘ）は上記Ｑ・ｄｃ／ｄｘに等しい。
【００２７】
同様に、濃縮室５内における流入口から距離ｘの地点での物質収支より次の（４）式が導かれる。
−ｓ・Ｑ・ｄｃ’／ｄｘ＝ｄＫ／ｄｘ−ｄＫ’／ｄｘ（４）
なお、（４）式の左辺のｓ・Ｑが濃縮室内の流量であることは前記の通りである。
【００２８】
この電気脱イオン装置の全体のシリカ収支、即ち単位時間当りの電気脱イオン装置への原水総量中のシリカ量と、生産水（流量Ｑ）及び排出濃縮水（流量ｒ・Ｑ）とによって持ち出されるシリカ量とが等しいことから、次の（５）式が導かれる。
（１＋ｒ）・Ｑ・ｃ_０＝Ｑ・ｃ_Ｎ＋ｒ・Ｑ・ｃ_Ｎ’ （５）
【００２９】
同様に、配管４と配管７との合流地点でのシリカ収支より、次の（６）式が導かれる。当然ながら、（６）式の右辺は配管４と配管７とから流入するシリカ量の和であり、左辺は合流後のシリカ量である。
ｓ・Ｑ・ｃ_０’＝ｒ・Ｑ・ｃ₀＋（ｓ−ｒ）・Ｑ・ｃ_Ｎ’ （６）
【００３０】
上記各式（１）〜（６）と変数・定数の内容を次にまとめて示す。
ｄＫ＝ｋ・ｃ・ｉ・ｄｘ（１）
ｄＫ’＝ｋ’・（ｃ’−ｃ）・ｍ・ｄｘ（２）
Ｑ・ｄｃ／ｄｘ＝ｄＫ／ｄｘ−ｄＫ’／ｄｘ（３）
−ｓ・Ｑ・ｄｃ’／ｄｘ＝ｄＫ／ｄｘ−ｄＫ’／ｄｘ（４）
（１＋ｒ）・Ｑ・ｃ_０＝Ｑ・ｃ_Ｎ＋ｒ・Ｑ・ｃ_Ｎ’ （５）
ｓ・Ｑ・ｃ_０’＝ｒ・Ｑ・ｃ₀＋（ｓ−ｒ）・Ｑ・ｃ_Ｎ’ （６）
Ｑ：脱塩室流量（Ｌ／ｍｉｎ）
ｓ・Ｑ：濃縮室流量（Ｌ／ｍｉｎ）
ｒ・Ｑ：電気脱イオン装置外への排出濃縮水流量（Ｌ／ｍｉｎ）
Ｋ：脱塩室から濃縮室への電位による移動量（μｇ／ｍｉｎ）
ｋ：定数
ｃ：脱塩室濃度（μｇ／Ｌ）
ｉ：電流（ｄｘ部）（Ａ）
Ｋ’：濃縮室から脱塩室への電位による移動量（μｇ／ｍｉｎ）
ｋ’：定数
ｃ’：濃縮室濃度（μｇ／Ｌ）
ｍ：膜面積（ｄｘ部）（ｃｍ^２）
なお、上記の流量、濃度等の単位は一例であり、これに限定されない。
【００３１】
上記の（１）〜（６）式では、電極間の電流ｉは各室の水の流れ方向において均一に流れる（電流密度が同じ）ことを前提としている。種々の実験の結果、電流分布はほぼ均一として扱い得ることが認められた。
【００３２】
なお、実験の結果、脱塩室２のうち流入口近傍では、塩素イオンが多量に存在し、シリカは殆ど解離せず、脱塩室から濃縮室へは移動しない現象が認められた。そこで、流入口に近い所定の範囲では、シリカは移動せず、残りの範囲でのみシリカが移動（膜を透過）するものとして扱うのが適切である。本発明では、シリカ移動が生じない範囲は、脱塩室全長Ｘに対し電流効率ｅ（％）を乗じた範囲即ちＬ＝Ｘ・（ｅ／１００）の範囲と扱うのが好適である。
【００３３】
水道水を活性炭、逆浸透（ＲＯ）装置、脱気膜で処理したシリカ濃度２００μｇ／Ｌの水を用いて実験を行ったところ、
脱塩室流量Ｑ：１３．３Ｌ／ｍｉｎ
膜面積：７３９．２ｃｍ^２
濃縮室シリカ平均濃度：２０００μｇ／Ｌ
脱塩室シリカ平均濃度：１００μｇ／Ｌ
濃縮室流出水シリカ濃度：２１５７μｇ／Ｌ
であり、これらの値を（２）式の積分式に代入することにより
ｋ’＝０．０００２２９
と算出された。ｋについては、種々のｋの値を用いてシミュレーションを行い、実測値と照合したところｋ＝１２０を採用すればよいことが認められた。なお、この場合、シリカの透過は流入側のＸ・（ｅ／１００）の範囲では行われないと扱った。シミュレーションに際しては、（１）〜（６）式を解く必要があり、この場合（１）〜（６）式より次のようにして後述の（１０）式を導き、これを差分法により解いた。
【００３４】
即ち、（５），（６）式より、

ここで、ｃ_０はｃ_Ｎに著しく大である、即ち、
ｃ_０＞＞ｃ_Ｎであるので、
ｃ_０−ｃ_Ｎ＝ｃ_０（９）
【００３５】
（８），（９）式より、次の（１０）式が導かれる。

【００３６】
ここで、図１は図２の通り脱塩室濃度分布が階段状に変化する差分型とみなし、（１）〜（４）式を差分方程式と扱い、差分式とした（３），（４）式に差分式とした（１），（２）式を代入して次の（１２），（１３）式を導いた。

【００３７】
（１２），（１３）式において、Δｘを十分小さくして例えばΔｘ＝１ｃｍとし、ｃ_０〜ｃ_Ｎまで順次計算を行うことにより、生産水濃度が求められる。
【００３８】
電流値ｉを種々変えて生産水シリカ濃度を演算しこの生産水のシリカ濃度が目標濃度となる電流値ｉを選び出して電気脱イオン装置に通電すればよい。実際には安全率（例えば１．２）をｉに乗じた通電を行うのが好ましい。
【００３９】
なお、図２において、脱塩室内のシリカ濃度は、流入口側がｃ_０であり、幅Δｘ毎にｃ_１，ｃ_２，ｃ_３………，ｃ_ｎ，ｃ_ｎ＋１………と階段状に変化し、生産水シリカ濃度がｃ_Ｎとなっている。濃縮室内は、同様にシリカ濃度が流入口から流出口にかけてｃ_０’，ｃ_１’，ｃ_２’………，ｃ_ｎ’，ｃ_ｎ＋１’………ｃ_Ｎ’と階段状に変化する。
【００４０】
本発明では、原水中のシリカ濃度は連続式測定器によって連続して測定するのが好ましい。電気脱イオン装置の電源装置としては安定化電源装置が好ましい。電気脱イオン装置は単段で運転されてもよく、２段以上直列に接続されてもよい。
【００４１】
本発明において、ｐＨ条件については以下のように扱ってもよい。即ち、原水が中性であれば解離によるシリカのイオン比はほぼ0であるため、上記Ｌの範囲においてシリカ移動はないとし、また例えば原水ｐＨ＝９．８６であれば上記Ｌの範囲内において、式（１）にイオン解離率＝０．５を掛けた移動量となるように計算する。
【００４２】
【実施例】
水道水を活性炭−ＲＯ−脱気膜で処理した水を原水とし、図１の電気脱イオン装置に通水した。電気脱イオン装置は、３室の脱塩室を有し、有効高さ６６ｃｍ×幅１１．２ｃｍ×厚さ２．５ｍｍとした。イオン交換樹脂として、アニオン交換樹脂６０％、カチオン交換樹脂４０％の混合樹脂を、脱塩室にのみ充填した。濃縮室内にはスペーサを配置した。
【００４３】
通水量Ｑ等は次の通りである。
Ｑ＝１３．３Ｌ／Ｈｒ（脱塩室１室当り）
ｒ＝０．９
ｓ＝０．３
【００４４】
コンピュータで前記式（９），（１０）に従って生産水シリカ濃度を１０ｐｐｂにするように自動計算、自動制御させた。
【００４５】
運転当初は供給水のシリカ濃度を１００ｐｐｂで運転したところ、自動計算された０．３Ａの電流値で運転が行われた。また、運転５００時間からシリカを添加し供給水のシリカ濃度を５００ｐｐｂとしたところ、自動計算された０．８Ａで運転が行われた。運転時間１０００時間より１５００時間まで、シリカ濃度を２００ｐｐｂで運転したところ、自動計算された電流値０．４Ａで運転が行われた。
【００４６】
処理水のシリカを連続モニターした結果は、いずれの時期においても８〜１０ｐｐｂであり、自動制御運転により低シリカ濃度の生産水を生産できることが認められた。
【００４７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によると、目標とする濃度の生産水を確実に生産するよう電気脱イオン装置を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る方法が適用される電気脱イオン装置の制御方法の模式図である。
【図２】実施の形態に係る方法が適用される電気脱イオン装置の制御方法の模式図である。
【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。
【符号の説明】
２脱塩室
５濃縮室
８ポンプ
９イオン交換膜
１０イオン交換体
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

水を脱イオン処理するための電気脱イオン装置を制御する方法であって、
該電気脱イオン装置は、陽極及び陰極と、該陽極と陰極との間にカチオン交換膜及びアニオン交換膜を配置することに形成された濃縮室及び脱塩室とを備えており、
該脱塩室に原水が通水されて生産水として取り出され、該濃縮室に濃縮水が通水され、
該陽極と陰極との間に電源装置から直流電流が通電され、この電流量が制御装置によって制御される電気脱イオン装置の制御方法であって、
該脱塩室に導入される原水の濃度及び流量と、目標とする生産水の濃度とを該制御装置に入力して目標とする生産水の濃度を達成するために必要な電流値を演算し、この演算された電流を該陽極と陰極の間に通電する電気脱イオン装置の制御方法において、
前記原水の一部と、前記濃縮室流出水の一部とを濃縮室に導入し、濃縮室流出水の残部を電気脱イオン装置外に排出する方法であって、
脱塩室内の流量Ｑ、
濃縮室内の流量ｓ・Ｑ、
電気脱イオン装置外に排出する濃縮水量ｒ・Ｑ
をそれぞれ設定しておき、これらの設定値を予め前記制御装置に入力しておき、原水の濃度と目標生産水濃度とに応じて前記電流値を演算することを特徴とする電気脱イオン装置の制御方法。
請求項１において、前記脱塩室から濃縮室へのイオンの移動量を、
［脱塩室内のイオン濃度、及び、電流値に比例して脱塩室から濃縮室へ移動するイオン移動量］から、
［イオン交換膜の膜面積、及び、濃縮室内のイオン濃度と脱塩室内のイオン濃度との濃度差に比例して濃縮室から脱塩室へ移動するイオン移動量］
を減算した量とすることを特徴とする電気脱イオン装置の制御方法。
請求項１又は２において、前記脱塩室は、一端側に原水の流入口を備え、他端側に生産水の流出口を備えたものであり、
この一端側の所定範囲では弱電解質が脱塩室から濃縮室へ移動しないものとして制御を行うことを特徴とする電気脱イオン装置の制御方法。
請求項３において、前記所定範囲を、電気脱イオン装置の電流効率に比例して設定することを特徴とする電気脱イオン装置の制御方法。