JP4300828B2

JP4300828B2 - 電気脱イオン装置及びその運転方法

Info

Publication number: JP4300828B2
Application number: JP2003061816A
Authority: JP
Inventors: 伸佐藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004267907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭酸、炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）及び重炭酸イオン濃度が低い生産水を生産するための電気脱イオン装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
純水、超純水等を製造する分野などにおいて電気脱イオン装置が用いられている。プレートアンドフレーム型の電気脱イオン装置は、陽極と、陰極と、該陽極、陰極間に濃縮室と脱塩室（希釈室）とを交互に形成するように交互に配置された平膜状の陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を有する。脱塩室にはイオン交換樹脂等のイオン交換体が充填されている。この脱塩室に脱塩処理すべき水が流通され、水中のイオンがイオン交換膜を透過して脱塩室から濃縮室に移動する。
【０００３】
特開２００２−２０５０６９号には、シリカ濃度及びホウ素濃度の低い生産水を生産するために、濃縮水として、生産水の一部を、脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から該濃縮室内に導入すると共に、該濃縮室のうち脱塩室の原水入口に近い側から流出させることにより、シリカ、ホウ素濃度を極低濃度にまで低減した高水質の生産水を得る方法が記載されている。しかしながら、この方法では、生産水の一部を濃縮水に用いてしまうため、生産水量が少なくなる。
【０００４】
特開２００１−１９８５７８号には、脱塩室に供給される水を脱気処理して無機炭酸濃度を５０ｐｐｂ以下とすることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２０５０６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−１９８５７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００２−２０５０６９号公報の方法では、上記の通り、生産水の一部を濃縮水として用いるため、生産水量が少なくなる。
【０００７】
特開２００１−１９８５７８号公報の方法にあっては、脱塩室供給水中の無機炭酸濃度を低下させても、濃縮室から脱塩室側へ炭酸成分が濃度勾配により拡散する。そして、この結果、生産水の比抵抗が低下する。
【０００８】
本発明は、濃縮室から脱塩室へのＨＣＯ_３ ⁻の拡散を十分に抑制し、これにより高比抵抗の生産水を効率良く得ることができる電気脱イオン装置の運転方法と電気脱イオン装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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運転方法は、陽極を有する陽極室及び陰極を有する陰極室を有し、これら陽極室と陰極室との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画された電気脱イオン装置の運転方法であって、被処理水を該脱塩室に流通させ、濃縮水を該濃縮室に流通させ、電極水を該陽極室及び該陰極室に流通させる運転方法において、該濃縮水及び該電極水は、被処理水をＨＣＯ_３ ⁻低減手段で処理した低ＨＣＯ_３ ⁻濃度水である電気脱イオン装置の運転方法であり、該濃縮水を脱塩室出口に近い側から該濃縮室に流入させると共に、脱塩室入口に近い側から流出させるように該濃縮室に流通させるものであり、前記ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段で処理された水のＨＣＯ _３ ⁻ 濃度が５０ｐｐｂ以下であり、該ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段は、水のｐＨを４.８以下とするものであることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の電気脱イオン装置は、陽極を有する陽極室及び陰極を有する陰極室を有し、これら陽極室と陰極室との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、被処理水が該脱塩室に流通され、濃縮水が該濃縮室に流通され、電極水が該陽極室及び該陰極室に流通される電気脱イオン装置において、被処理水のＨＣＯ _３ ⁻ 濃度を低下させて低ＨＣＯ _３ ⁻ 濃度水とするＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段と、該ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段からの該低ＨＣＯ _３ ⁻ 濃度水を、該濃縮水として、脱塩室出口に近い側から該濃縮室に流入させると共に脱塩室入口に近い側から流出させるように設けられた濃縮水導入手段及び流出手段と、該ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段からの該低ＨＣＯ _３ ⁻ 濃度水を、該電極水として、該陽極室及び該陰極室に流通させる電極水流通手段と、を備えてなり、前記ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段は、水のＨＣＯ _３ ⁻ 濃度を５０ｐｐｂ以下とし、水のｐＨを４.８以下とするものであることを特徴とするものである。
【００１１】
かかる本発明によると、濃縮室へ供給する水のＨＣＯ_３ ⁻濃度が低いため、濃縮室から脱塩室内の処理水中にイオン交換膜を介してＨＣＯ_３ ⁻が濃度勾配によって拡散することが防止され、比抵抗の高い生産水が生産される。
【００１２】
一般に水中の無機炭酸の形態としては、ＣＯ_２、ＨＣＯ_３ ⁻、ＣＯ_３ ^２−がある。これらの成分が濃度勾配により濃縮室から脱塩室に拡散する可能性としては、次の（１）〜（４）が考えられる。
（１）濃縮室のＨＣＯ_３ ⁻がアニオン膜を通して濃縮室から脱塩室へ拡散する。
（２）濃縮室のＣＯ_３ ^２−がアニオン膜を通して濃縮室から脱塩室へ拡散する。
（３）濃縮室（陽極に近い側）の溶存ＣＯ_２ガス成分が、カチオン膜を通して濃縮室から脱塩室へ拡散する。
（４）濃縮室（陰極に近い側）の溶存ＣＯ_２ガス成分が、アニオン膜を通して濃縮室から脱塩室へ拡散する。
【００１３】
このうち、ＨＣＯ_３ ⁻は、電荷が１価であり、ＣＯ_３ ^２−よりも電界による拘束が弱く、濃度勾配により濃縮室から脱塩室に拡散し易い。
【００１４】
なお、ＣＯ_２ガス成分は帯電していないため、濃縮室と脱塩室との間でＣＯ_２濃度勾配は生じない。そのため、上記（３）、（４）のＣＯ_２の拡散は生じない。
【００１５】
本発明によると、濃縮室流入水中のＨＣＯ_３ ⁻濃度を低下させ、これにより濃縮室から脱塩室へのＨＣＯ_３ ⁻の濃度勾配による拡散を防止し、比抵抗の高い生産水を得ることが可能となる。
【００１６】
本発明では、このようにＨＣＯ_３ ⁻濃度を低下させた濃縮水を脱塩室出口に近い側から該濃縮室に流入させると共に脱塩室入口に近い側から流出させる。これにより、濃縮室の出口近傍においても濃縮室から脱塩室に向うＨＣＯ_３ ⁻濃度勾配が十分に小さくなり、濃縮室から脱塩室へのＨＣＯ_３ ⁻の拡散が抑制され、生産水の比抵抗をさらに高くすることができる。
【００１７】
本発明では、濃縮室に流入する濃縮水のＨＣＯ_３ ⁻濃度を５０ｐｐｂ以下とする。これにより、濃縮室から脱塩室へのＨＣＯ_３ ⁻の濃度勾配による拡散を十分に抑制し、比抵抗が著しく高い生産水を生産することが可能となる。
【００１８】
濃縮室に流入する濃縮水中のＨＣＯ_３ ⁻濃度を低下させるために、ｐＨを強酸性〜中酸性又は強アルカリ性〜中アルカリ性とし、ＨＣＯ_３ ⁻をＣＯ_２又はＣＯ_３ ^２−とすればよい。
【００１９】
ｐＨによる全炭酸の水中における存在形態の様子を図６に示す。図６から分る通り、ｐＨを酸性側とすると炭酸成分はＣＯ_２形態（図６のＨ_２ＣＯ_３）となるので、脱気により水中から効率良く除去することができる。
【００２０】
また、図６に示すように、ｐＨを酸性又はアルカリ性とするだけでも、ＨＣＯ_３ ⁻濃度を低減させることができる。
【００２１】
水道水等を活性炭処理、脱炭酸処理及び逆浸透（ＲＯ）処理した水では、図６の通り、水のｐＨが７付近であると、水中の全炭酸のうち約８０％がＨＣＯ_３ ⁻の形態となっている。一方、酸性、例えば、ｐＨ４.８ではＨＣＯ_３ ⁻の割合は約２％と少なくなる。また、ｐＨ＝４ではほぼ０％となる。
【００２２】
濃縮室流入水の全炭酸濃度が４５０ｐｐｂ（ａｓＣ）の時、ｐＨが中性、すなわちｐＨ＝７のときのＨＣＯ_３ ⁻の割合が８０％であるので、ＨＣＯ_３ ⁻濃度は、ＨＣＯ_３ ⁻の分子量を６１、Ｃの原子量を１２として、４５０ｐｐｂ×６１（ＨＣＯ_３）／１２（Ｃ）×０.８＝１８３０ｐｐｂ（ａｓＨＣＯ_３ ⁻）となる。この水を酸の添加によりｐＨ＝４.８とした場合には、ＨＣＯ_３ ⁻の割合が２％になるので、ＨＣＯ３⁻濃度は４５０×６１／１２×０.０２＝４６ｐｐｂとなる。このように酸を添加するという簡易な方法だけでも、濃縮室流入水中のＨＣＯ_３ ⁻濃度を５０ｐｐｂ以下とすることができる。
【００２３】
本発明では、濃縮室流入水のｐＨを４.８以下とするため、ＨＣＯ_３ ⁻存在割合が極端に低くなり、好適である。
【００２４】
なお、ｐＨを４より低くしても、図６の通り、ＨＣＯ_３ ⁻の割合は０％であり、ｐＨ４.８の場合と大差がなく、徒に酸の添加量が多くなるので、濃縮室流入水のｐＨは４〜４.８とするのが好ましい。添加する酸は特に限定されないが、硫酸・塩酸等の鉱酸を用いることが安価で好適である。
【００２５】
図６により、給水をアルカリ性とすることでも、ＨＣＯ_３ ⁻濃度は低減できるという効果はある。このときは、ＣＯ_３ ^２−の存在比が高くなるが、２価イオンであるため膜透過性は低く、ＨＣＯ_３ ⁻よりも影響は小さく比抵抗は良くなる。ただし、濃縮室流入水をアルカリ性とすると、電気脱イオン装置濃縮室内で、ＣａＣＯ_３スケールが発生し易くなるので、ＨＣＯ_３ ⁻濃度低減のためには濃縮室流入水を酸性とすることが望ましい。
【００２６】
濃縮室に流入する濃縮水中のＨＣＯ_３ ⁻濃度を低下させるために、脱気膜装置、真空脱気、窒素脱気、脱炭酸塔などの脱気手段を用いてもよい。この脱気処理は、ＣＯ_２を除去するものであり、ＨＣＯ_３ ⁻を直接に低減するものではないところから、まずｐＨを酸性としてＨＣＯ_３ ⁻をＣＯ_２とし、次いで脱気処理することが望ましい。
【００２７】
本発明では、通常の場合、原水を必要に応じ、活性炭処理、脱炭酸処理及び逆浸透処理してから電気脱イオン装置に供給する。この電気脱イオン装置の給水の一部をＨＣＯ_３ ⁻低減処理した後、濃縮室、陽極室及び陰極室に流通させ、残部を脱塩室に流通させる。
【００２８】
電気脱イオン装置の給水としては、水道水を活性炭処理、脱炭酸処理及び逆浸透処理したもの、工業用水等を凝集加圧浮上・濾過等の除濁後、活性炭処理、脱炭酸処理及び逆浸透処理したもの、電子産業、半導体工場、液晶工場等で回収される回収水、これらを混合したものなどが用いられる。必要に応じて逆浸透処理を多段に行っても良い。
【００２９】
これらの前処理により、電気伝導率＜１０μＳ／ｃｍ、無機炭酸（ＩＣ）＜５００ｐｐｂ（ａｓＣ）の給水水質とすることが望ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。この電気脱イオン装置１０は、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６には、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が混合もしくは複層状に充填されている。
【００３２】
また、濃縮室１５と、陽極室１７及び陰極室１８にも、イオン交換体、活性炭又は金属等の電気導電体が充填されてもよい。
【００３３】
被処理水は脱塩室１６に導入され、脱塩室１６からは生産水が取り出される。被処理水の一部はＨＣＯ_３ ⁻低減手段９に送られ、ＨＣＯ_３ ⁻低減処理される。このＨＣＯ_３ ⁻低減手段９でＨＣＯ_３ ⁻濃度が低下した水は、濃縮室１５に脱塩室１６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水され、濃縮室１５の流出水は系外へ排出される。この電気脱イオン装置では、濃縮室１５と脱塩室１６とが交互に並設され、脱塩室１６の生産水取り出し側に濃縮室１５の流入口が設けられており、脱塩室１６の原水流入側に濃縮室１５の流出口が設けられている。これにより、濃縮水は濃縮室１５に対し脱塩室出口側（図１の下側）から流入し、脱塩室入口側（図１の上側）から流出する。
【００３４】
また、ＨＣＯ_３ ⁻低減手段９から流出した水の一部は陽極室１７の入口側に送給され、そして、陽極室１７の流出水は、陰極室１８の入口側へ送給され、陰極室１８の流出水は排水として系外へ排出される。
【００３５】
このように、濃縮室１５にＨＣＯ_３ ⁻低減処理水を脱塩室１６と向流一過式で通水することにより、生産水取り出し側ほど濃縮室１５内の濃縮水のＨＣＯ_３ ⁻を含めたイオン濃度が低いものとなり、濃度拡散による脱塩室１６への影響が小さくなり、強アニオンのみならずＨＣＯ_３ ⁻の除去率も飛躍的に高めることができる。この電気脱イオン装置によれば、比抵抗が１７.５ＭΩ・ｃｍ以上の生産水を生産することが可能である。
【００３６】
なお、濃縮室に通水されるＨＣＯ_３ ⁻低減処理水の導電率が低く、電気脱イオン装置の電気抵抗が高くなるときには、濃縮室にイオン交換体等の導電体を充填する。これにより、濃縮水に食塩等の電解質を添加し電気抵抗を下げることが不要となる。電極室１７，１８にも、電流確保のために、イオン交換体や活性炭、又は電気導電体である金属等を充填することが好ましい。これにより、超純水等の高水質の水を通水しても必要電流を確保することが可能となる。
【００３７】
電極室では、特に陽極室での塩素やオゾン等の酸化剤の発生が起こるため、充填物としては、長期的にはイオン交換樹脂等を用いるよりも、活性炭を用いることが好ましい。
【００３８】
図２は、この図１の電気脱イオン装置の脱塩室及び濃縮室への通水系統を簡略化して示したものである。図示の通り、被処理水が脱塩室１６に通水されて生産水となる。被処理水の一部がＨＣＯ_３ ⁻低減処理後、濃縮室１５に通水され、濃縮排水として排出される。濃縮室内の水の流れ方向は脱塩室１６内の反対（向流）である。
【００３９】
このＨＣＯ_３ ⁻低減手段９により、ＨＣＯ_３ ⁻濃度を５０ｐｐｂ以下好ましくは３０ｐｐｂ以下とすることにより、生産水中のＨＣＯ_３ ⁻濃度が著しく低くなる。
【００４０】
図３〜５に別の実施の形態（図３）及び参考例（図４，５）に係る電気脱イオン装置の通水系統図を示す。
【００４１】
図３では、濃縮室に供給する水を、ＨＣＯ_３ ⁻低減手段９で処理後、濃縮室１５に対し、脱塩室１６の出口に近い側から供給し、脱塩室１６の入口に近い側から流出させるとともに、濃縮室流出水の一部をＨＣＯ_３ ⁻低減手段９の前に戻し、循環利用している。図中Ｐは循環用ポンプを示している。
【００４２】
図４では、濃縮室に供給する水を、ＨＣＯ_３ ⁻低減手段９で処理後、脱塩室１６の入口に近い側から供給し、脱塩室１６の出口に近い側から一過式で流出させている。
【００４３】
図５では、濃縮室に供給する水を、ＨＣＯ_３ ⁻低減手段９で処理後、脱塩室１６の入口に近い側から供給し、脱塩室１６の出口に近い側から流出させるとともに、濃縮室１６の流出水の一部をＨＣＯ_３ ⁻低減手段９の前に戻し、循環利用している。
【００４４】
図３，５の方式によれば、濃縮水の一部を循環利用しているため、電気脱イオン装置の水回収率を高くすることができる。
【００４５】
図４，５では、脱塩室出口側の濃縮室ＨＣＯ_３ ⁻濃度が濃縮室入口側よりも高くなる。このため、例えばＨＣＯ_３ ⁻低減手段として酸添加による低減を行う場合には、濃縮室通過によるｐＨの上昇分を見込んで、酸添加量を増やし、脱塩室出口側の濃縮室ｐＨを４．８以下とすることによって、ＨＣＯ_３ ⁻の濃度勾配による拡散を防ぐことが望ましい。
【００４６】
なお、図３，４，５では、図１に比べて、脱塩室出口側の濃縮室１５のシリカ、ホウ素の濃度が高くなる。従って、電気脱イオン装置の処理水のシリカ、ホウ素濃度を低減させるためには、図２の方式が望ましい。
【００４７】
本発明では、脱塩室の厚さは２〜７ｍｍ、流速はＬＶ＝６０〜１２０ｍ／ｈ、ＳＶ＝１００〜２００／ｈが好ましい。濃縮室の厚さは２〜７ｍｍ、流速はＬＶ＝１０〜３０ｍ／ｈ、ＳＶ＝２５〜５０／ｈが好ましい。また、脱塩室、濃縮室ともにイオン交換体が充填され、特にアニオンカチオンの混合で充填されており、電流密度３００〜７００ｍＡ／ｄｍ^２で運転されることが好ましい。また、水回収率を７５〜８５％で運転することが好ましい。
【００４８】
【実施例】
[実施例１]
図１において、脱塩室のセル数を１０とし、この脱塩室に特開２００１−２５６４７に記載のハニカムを配置し、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを混合充填した。アニオン樹脂／カチオン樹脂の混合比率（重量比）は、セル上部で７５／２５、セル下部で６０／４０とした。濃縮室には同じ混合樹脂（上記比率７５／２５）を充填した。なお、イオン交換膜としては、（株）トクヤマ製均質イオン交換膜（アニオン膜：ＡＨＡ，カチオン膜：ＣＭＢ）を使用した。
【００４９】
脱塩室及び濃縮室の寸法は５ｍｍ（厚）×６００ｍｍ（高さ）×３２０（幅）とした。
【００５０】
脱塩室通水量は１．２ｍ^３／ｈ（ＳＶ＝１２５ｈ^−１，ＬＶ＝７５ｍ／ｈ）、濃縮室通水量は０．３ｍ^３／ｈとした。ＨＣＯ_３ ⁻低減手段としては、硫酸（濃度５％）の薬注設備を用い、ｐＨ４．８となるように添加した。運転電流１０Ａ（５２０ｍＡ／ｄｍ^２）、運転電圧３８Ｖにて運転した。通水開始１週間後の生産水の水質を表１に示す。
【００５１】
[比較例１]
硫酸添加を行わなかった他は実施例１と同様に通水し、通水１週間後に水質測定を行った。
【００５２】
表１の通り、実施例１の生産水比抵抗は、比較例１に比べて著しく高い。
【００５３】
【表１】

【００５４】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の電気脱イオン装置及びその運転方法によるとアニオン濃度特にＨＣＯ_３ ⁻濃度が著しく低い生産水を確実に生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る電気脱イオン装置の模式的な断面図である。
【図２】図１の電気脱イオン装置の通水系統図である。
【図３】別の実施の形態に係る電気脱イオンシステムの通水系統図である。
【図４】参考例に係る電気脱イオンシステムの通水系統図である。
【図５】異なる参考例に係る電気脱イオンシステムの通水系統図である。
【図６】ｐＨと炭酸の形態との相関図である。

Claims

陽極を有する陽極室及び陰極を有する陰極室を有し、これら陽極室と陰極室との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画された電気脱イオン装置の運転方法であって、
被処理水を該脱塩室に流通させ、濃縮水を該濃縮室に流通させ、電極水を該陽極室及び該陰極室に流通させる運転方法において、
該濃縮水及び該電極水は、被処理水をＨＣＯ_３ ⁻低減手段で処理した低ＨＣＯ_３ ⁻濃度水である電気脱イオン装置の運転方法であり、
該濃縮水を脱塩室出口に近い側から該濃縮室に流入させると共に、脱塩室入口に近い側から流出させるように該濃縮室に流通させるものであり、
前記ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段で処理された水のＨＣＯ _３ ⁻ 濃度が５０ｐｐｂ以下であり、
該ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段は、水のｐＨを４.８以下とするものであることを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
請求項１において、前記ＨＣＯ_３ ⁻低減手段が脱気手段を有することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
陽極を有する陽極室及び陰極を有する陰極室を有し、これら陽極室と陰極室との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、
被処理水が該脱塩室に流通され、濃縮水が該濃縮室に流通され、電極水が該陽極室及び該陰極室に流通される電気脱イオン装置において、
被処理水のＨＣＯ _３ ⁻ 濃度を低下させて低ＨＣＯ _３ ⁻ 濃度水とするＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段と、
該ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段からの該低ＨＣＯ _３ ⁻ 濃度水を、該濃縮水として、脱塩室出口に近い側から該濃縮室に流入させると共に脱塩室入口に近い側から流出させるように設けられた濃縮水導入手段及び流出手段と、
該ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段からの該低ＨＣＯ _３ ⁻ 濃度水を、該電極水として、該陽極室及び該陰極室に流通させる電極水流通手段と、
を備えてなり、
前記ＨＣＯ _３ ⁻ 低減手段は、水のＨＣＯ _３ ⁻ 濃度を５０ｐｐｂ以下とし、水のｐＨを４.８以下とするものであることを特徴とする電気脱イオン装置。