JP4499239B2 - 脱イオン水製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造分野、医製薬製造分野、原子力や火力等の発電分野、食品工業などの各種の産業又は研究所施設において使用され、逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置の長期間の通水による差圧上昇を抑制できる電気式脱イオン水製造装置を使用した脱イオン水製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
脱イオン水を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られているが、この方法ではイオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに薬剤によって再生を行う必要があり、このような処理操作上の不利な点を解消するため、近年、薬剤による再生が全く不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。
【０００３】
図５はその従来の典型的な電気式脱イオン水製造装置の模式断面図を示す。図５に示すように、カチオン交換膜１０１及びアニオン交換膜１０２を離間して交互に配置し、カチオン交換膜１０１とアニオン交換膜１０２で形成される空間内に一つおきにイオン交換体１０３を充填して脱塩室とする。脱塩室の被処理水流入側（前段）にはアニオン交換樹脂１０３ａが充填され、脱塩室の被処理水流出側（後段）にはカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂１０３ｂが充填されている。また、脱塩室１０４のそれぞれ隣に位置するアニオン交換膜１０２とカチオン交換膜１０１で形成されるイオン交換体１０３を充填していない部分は濃縮水を流すための濃縮室１０５とする。
【０００４】
また、脱塩室の一側に陰極１０９を配設すると共に、他端側に陽極１１０を配設する。なお、前述したスペーサーを挟んだ位置が濃縮室１０５であり、また両端の濃縮室１０５の両外側に必要に応じカチオン交換膜１０１、アニオン交換膜１０２、あるいはイオン交換性のない単なる隔膜等の仕切り膜を配設し、仕切り膜で仕切られた両電極１０９、１１０が接触する部分をそれぞれ陰極室１１２及び陽極室１１３とする。このように、従来の電気式脱イオン水製造装置においては、濃縮室の数は脱塩室の数より１つ多い形態のものであるか、あるいは両端に濃縮室を仕切り膜無しで電極室とした場合、１つ少ない形態のものであった。
【０００５】
このような電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合を図５を参照して説明する。すなわち、陰極１０９と陽極１１０間に直流電流を通じ、また、被処理水流入ライン１１１から被処理水が流入すると共に、濃縮水流入ライン１１５から濃縮水が流入し、且つ電極水流入ライン１１７、１１７からそれぞれ電極水が流入する。被処理水流入ライン１１１から流入した被処理水は脱塩室１０４を流下し、先ず、前段のアニオン交換樹脂１０３ａを通過する際、塩酸イオンや硫酸イオンなどのアニオン成分が除去され、次に、後段のカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂１０３ｂを通過する際、マグネシウムやカルシウムなどのカチオン成分が除去される。濃縮水流入ライン１１５から流入した濃縮水は各濃縮室１０５を上昇し、カチオン交換膜１０１及びアニオン交換膜１０２を介して移動してくる不純物イオンを受取り、不純物イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン１１６から流出され、さらに電極水流入ライン１１７、１１７から流入した電極水は電極水流出ライン１１８、１１８から流出される。従って、脱イオン水流出ライン１１４から脱塩水が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、逆浸透膜装置と上記のような電気式脱イオン水製造装置を組み合わせた脱イオン水製造装置は半導体製造分野、医製薬製造分野、原子力や火力等の発電分野、食品工業などの各種の産業において、無薬品の脱イオン水製造装置として利用されてきた。しかし、このような脱イオン水製造装置においても長期間の運転では、逆浸透膜装置においては通水差圧の上昇が、電気式脱イオン水製造装置においては濃縮室の通水差圧の上昇が起こり、薬品洗浄の原因となっていた。
【０００７】
逆浸透膜装置における通水差圧の上昇は、放置すると透過水量が低下する。ある程度までは薬品洗浄することなく、バルブ操作やポンプインバーターを制御することにより運転圧力を高くして透過水量を確保することはできるものの、通水差圧の上昇を放置すると最終的には逆浸透膜の破損の原因となり、重大なトラブルに繋がる。一方、電気式脱イオン水製造装置においては濃縮室の通水差圧の上昇はある程度までは薬品洗浄することなく、バルブ操作で運転圧力を高くして濃縮水量は確保できるが、通水差圧の上昇を放置すると濃縮水の流量分布が不均一になり、難溶性物質の析出、微生物の発生などの原因となり更に圧力上昇を招くことになる。また、脱塩室と濃縮室の圧力バランスが崩れることにより、濃縮水がイオン交換膜を通って脱塩室にリークし、処理水質の変動を引き起こす原因にもなる。このようなトラブルを事前に防止するために、定期的あるいは差圧上昇が一定限度を越えた場合には、逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置を薬品で洗浄することが通例であり、薬品洗浄に伴う装置の停止は、運転管理面でも、コスト面でも不都合なことであった。
【０００８】
また、従来の電気式脱イオン水製造装置において、脱塩室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂が充填されたものは、脱塩室のｐＨは７近傍にあり、流入する被処理水中の糸状菌やカビの胞子などが脱塩室内で成長し、脱塩室の差圧を上昇させたり、水質の低下、処理水への微生物混入といった問題があった。また、脱塩室の上流側にアニオン交換樹脂が充填され、下流側にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂が充填されたものは、脱塩室から得られる処理水中への微生物混入は抑制されるものの、上記のような長期間の運転における逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置における通水差圧の上昇の問題は依然として解決されないものであった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、長期間の運転における逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置の通水による差圧上昇の抑制を薬剤を使用することなく、電気式脱イオン水製造装置の構造面からの抜本的な改善により達成すること、更に脱イオン水中への微生物混入を抑制する脱イオン水製造装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、（１）従来の電気式脱イオン水製造装置の濃縮室内に発生する通水差圧は、濃縮室側のカチオン交換膜面上に付着するスライム（粘着状物）に起因すること、（２）このカチオン交換膜面上に付着するスライムは被処理水の硬度成分とは無関係の微生物、その代謝物及び水中の微粒子に起因するもので、電気式脱イオン水製造装置の前段部分で軟化処理などの硬度成分除去対策を十分実施しても、運転数カ月の比較的短期間にカチオン交換膜面上に発生すること、（３）該装置の濃縮水を逆浸透膜装置の前段に戻す場合、逆浸透膜装置の膜面上にはスライムが付着し、これにより逆浸透膜装置の通水差圧が発生するが、この現象は電気式脱イオン水製造装置の濃縮室で増殖した微生物とスライムに起因すること、（４）枠体の一側にカチオン交換膜が封着され、他側にアニオン交換膜が封着された従来の脱塩室構造において、このカチオン交換膜とアニオン交換膜の間にさらに、脱塩室を２分割する中間イオン交換膜を配設して、２つの小脱塩室を隣合わせに有する脱塩室とし、最初に被処理水が流入する陽極側の小脱塩室にはアニオン交換体を、この小脱塩室の流出水が流入する陰極側の小脱塩室にはアニオン交換体とカチオン交換体の混合交換体をそれぞれ充填し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極と陰極の間に配置した構造の電気式脱イオン水製造装置を使用すれば、上記（１）〜（３）の現象はことごとく改善され、更に脱塩室から得られる脱イオン水は微生物混入のない安定した水質のものが得られること、等を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、逆浸透膜装置及び電気式脱イオン水製造装置をこの順序で連接する脱イオン水製造装置であって、前記電気式脱イオン水製造装置は、一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室のうち陰極側の小脱塩室にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体を、陽極側の小脱塩室にはアニオン交換体をそれぞれ充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極と陰極の間に配置して形成され、
前記逆浸透膜装置は、第１段逆浸透膜装置及び該第１段逆浸透膜装置の透過水を更に処理する第２段逆浸透膜装置とからなり、且つ前記濃縮室から流出する濃縮水を前記第１段逆浸透膜装置の透過水側で、前記第２段逆浸透膜装置の被処理水側に返送する配管を備える脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、被処理水の一部を濃縮室に供給すると、通常負に帯電している微生物は直流電流が印加されて陽極側に移動する。濃縮室の陽極側には濃縮室と脱塩室とを区画するカチオン交換膜が存在し、微生物はこのカチオン交換膜面上に捕捉される。一方、一側のカチオン交換膜と中間イオン交換膜で区画される小脱塩室（陰極側）にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体が充填されており、このカチオン交換膜の全面からナトリウムイオンなどのカチオンが濃縮室に移動するため、カチオン交換膜全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチでアルカリ状態となり微生物が増殖し難い。このため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはなく、濃縮室内の通水差圧は長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、被処理水が最初に流入する小脱塩室の入口側は、被処理水中に存在する微細な濁質の蓄積は不可避であり、該濁質中に糸状菌やカビの胞子などが存在した場合、該小脱塩室はアニオン交換体が充填されておりアニオンが選択的に除去されてアルカリ性となる。このため、次いで流入する小脱塩室には微生物が存在しない水を供給でき、この結果、電気式脱イオン水製造装置からは微生物が実質的に存在しない水が得られる。また、水の利用率を向上させることができ、また、濃縮水の返送を第１段逆浸透膜装置の透過水側とするため第１段逆浸透膜装置の処理量が軽減され合理的な装置となる。
【００１４】
また、本発明は、更に、前記第２段逆浸透膜装置の濃縮水を前記第１段逆浸透膜装置の被処理水側に返送する配管を備える前記脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明と同様の効果を奏する他、更に水の利用率を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明は、前記逆浸透膜装置で使用される逆浸透膜が、ポリアミド系膜である前記脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、従来、運転圧力が高く（１．５〜３．０ＭＰａ）、分離性能が劣るものの、次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できる点、膜表面の荷電が中性であり汚れにくい点等から通水差圧が上昇し難い酢酸セルロース系の膜がスライム発生対策の面からは有利とされていたが、スライムの発生は極力抑制できるため、次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できず、酸化劣化を受けると分離性能が低下し易く、膜表面の荷電や疎水性により、膜表面が汚れやすいなどの欠点はあるものの、運転圧力が低く（０．３〜１．５ＭＰａ）、分離性能が高いポリアミド系膜が使用でき、膜を使用する際、選択の余地が広がる。
【００１６】
本発明は、更に、前記逆浸透膜装置又は前記電気式脱イオン水製造装置の前段に、紫外線酸化装置又は紫外線殺菌装置を備える前記脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明と同様の効果を奏する他、被処理水中の微生物は事前に殺菌されたり、有機物の酸化により微生物の栄養源が絶たれるため、更に微生物の増殖は抑制される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明で使用する電気式脱イオン水製造装置を図１を参照して説明する。図１は本実施の形態における電気式脱イオン水製造装置の模式図である。図１に示すように、カチオン交換膜３、中間イオン交換膜５及びアニオン交換膜４を離間して交互に配置し、カチオン交換膜３と中間イオン交換膜５で形成される空間内にイオン交換体８を充填して第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 を形成し、中間イオン交換膜５とアニオン交換膜４で形成される空間内にイオン交換体８を充填して第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 を形成し、第１小脱塩室ｄ1 と第２小脱塩室ｄ2 で脱塩室Ｄ1 、第１小脱塩室ｄ3 と第２小脱塩室ｄ4 で脱塩室Ｄ2 、第１小脱塩室ｄ5 と第２小脱塩室ｄ6 で脱塩室Ｄ3 、第１小脱塩室ｄ7 と第２小脱塩室ｄ8 で脱塩室Ｄ4 とする。また、脱塩室Ｄ2 、Ｄ3 のそれぞれ隣に位置するアニオン交換膜４とカチオン交換膜３で形成されるイオン交換体８を充填していない部分は濃縮水を流すための濃縮室１とする。これを順次に併設して図中、左より脱塩室Ｄ1 、濃縮室１、脱塩室Ｄ2 、濃縮室１、脱塩室Ｄ3 、濃縮室１、脱塩室Ｄ4 を形成する。また、中間膜を介して隣合う２つの小脱塩室において、第２小脱塩室の処理水流出ライン１２は第１脱塩室の被処理水流入ライン１３に連接されている。ここで、第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 に充填されるイオン交換体はアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体であり、第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 に充填されるイオン交換体はアニオン交換体である。なお、濃縮室１にはスペーサーとしてまたは濃縮室の電気抵抗を下げるためにイオン交換体を充填することもできる。
【００１８】
このような脱塩室は２つの内部がくり抜かれた枠体と３つのイオン交換膜によって形成される脱イオンモジュールからなる。すなわち、図では省略するが、第１枠体の一側にカチオン交換膜を封着し、第１枠体のくり抜かれた部分にカチオン交換体とアニオン交換体の混合交換体を充填し、次いで、第１枠体の他方の部分に中間イオン交換膜を封着して第１小脱塩室を形成する。次に中間イオン交換膜を挟み込むように第２枠体を封着し、第２枠体のくり抜かれた部分にアニオン交換体を充填し、次いで、第２枠体の他方の部分にアニオン交換膜を封着して第２小脱塩室を形成する。なお、イオン交換膜は比較的柔らかいものであり、第１枠体、第２枠体内部にイオン交換体を充填してその両面をイオン交換膜で封着した時、イオン交換膜が湾曲してイオン交換体の充填層が不均一となるのを防止するため、第１枠体、第２枠体の空間部に複数のリブを縦設する。また、第１枠体、第２枠体の上方部に被処理水の流入口又は処理水の流出口が、また枠体の下方部に被処理水の流出口又は処理水の流入口が付設されている。このような脱イオンモジュールの複数個をその間に図では省略するスペーサーを挟んで、並設した状態が図１に示されたものであり、並設した脱イオンモジュールの一側に陰極６を配設すると共に、他端側に陽極７を配設する。なお、前述したスペーサーを挟んだ位置が濃縮室１であり、また両端の脱塩室Ｄの両外側に必要に応じカチオン交換膜、アニオン交換膜、あるいはイオン交換性のない単なる隔膜等の仕切り膜を配設し、仕切り膜で仕切られた両電極６、７が接触する部分をそれぞれ電極室２、２としてもよい。
【００１９】
このような電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合、以下のように操作される。すなわち、陰極６と陽極７間に直流電流を通じ、また被処理水流入ライン１１から被処理水が流入すると共に、濃縮水流入ライン１５から濃縮水が流入し、かつ電極水流入ライン１７、１７からそれぞれ電極水が流入する。被処理水流入ライン１１から流入した被処理水は第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 を流下し、アニオン交換体８１の充填層を通過する際にアニオン成分が除去される。更に、第２小脱塩室の処理水流出ライン１２を通った流出水は、第１小脱塩室の被処理水流入ライン１３を通って第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 を流下し、ここでもアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体８２の充填層を通過する際にカチオン及びアニオンの不純物イオンが除去され、脱イオン水が脱イオン水流出ライン１４から得られる。また、濃縮水流入ライン１５から流入した濃縮水は各濃縮室１を上昇し、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４を介して移動してくる不純物イオンを受取り、不純物イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン１６から流出され、さらに電極水流入ライン１７、１７から流入した電極水は電極水流出ライン１８、１８から流出される。上述の操作によって、被処理水中の不純物イオンは電気的に除去される。なお、第１小脱塩室及び第２小脱塩室の厚さは特に制限されないが、第１小脱塩室の厚さを０．８〜８mm、好ましくは２〜５mm、第２小脱塩室の厚さを５〜１５mm、好ましくは６〜１０mmとすれば、より低い電気抵抗及びより高い電流効率が得られ、またより良い水質が得られる点で好適である。
【００２０】
また、上記の通水方法において、濃縮室１を流れる濃縮水に存在する微生物は、通常負に帯電しているから直流電流が印加されて陽極７側に移動する。濃縮室１の陽極側には濃縮室１と第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 とを区画するカチオン交換膜３が存在し、微生物はこのカチオン交換膜３面上に捕捉される。一方、一側のカチオン交換膜３と中間イオン交換膜５で区画される第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体８２が充填されており、このカチオン交換膜３の全面からナトリウムイオンなどのカチオンが濃縮室１に移動するため、カチオン交換膜３全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチとなりアルカリ状態となり微生物が増殖し難い。このため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはなく、濃縮室１内の通水差圧は長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、被処理水が最初に流入する第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 の入口側は、被処理水中に存在する微細な濁質の蓄積は不可避であり、該濁質中に糸状菌やカビの胞子などが存在した場合、該第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 はアニオン交換体が充填されておりアニオンが選択的に除去されてアルカリ性となり、微生物の増殖が抑制される。このため、次いで流入する第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 には微生物が存在しない水を供給でき、この結果、電気式脱イオン水製造装置から流出する処理水も実質的に微生物が存在しない水が得られる。なお、中間イオン交換膜については、カチオン交換膜であるとカチオンが第２小脱塩室から第１小脱塩室へ移動してしまい第２小脱塩室での殺菌効果が薄れてしまうので、アニオン交換膜とすることが好ましい。
【００２１】
このように、カチオン交換膜３全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチでアルカリ状態となり微生物が増殖し難く、一方、最終的に脱塩室から得られる処理水中にも微生物が存在しない水が得られるのは図１に示すような特異な脱塩室構造に由来するものである。これを従来の脱塩室構造のものと比較する。すなわち、従来例の１例である図５の電気式脱イオン水製造装置１００は脱塩室上流側にアニオン交換体１０３ａが、脱塩室下流側にアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体１０３ｂがそれぞれ充填されている。この場合、被処理水は先ずアニオン交換されるからｐＨがアルカリ側に移行し、微生物の増殖を防止でき、この点は好都合である。しかし、濃縮室の上流側ではカチオン交換膜１０１の近傍の濃縮水は脱塩室からのカチオンの流入が相対的に少ないため濃縮水がアルカリ性になり難く微生物の増殖は抑制できない。更に、従来例の他の例に脱塩室にアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体を充填したものがある。この場合、脱塩室はアニオン交換とカチオン交換が共に行われ、中性であり、脱塩水への微生物混入は避けられない。
【００２２】
また、被処理水の第１小脱塩室及び第２小脱塩室での流れ方向は、特に制限されず、上記実施の形態例の他、第１小脱塩室と第２小脱塩室での流れ方向が異なっていてもよい。また、被処理水が流入する小脱塩室は、上記実施の形態例の他、先ず、被処理水を第１脱塩室に流入させ、流下した後、第１脱塩室の流出水を第２脱塩室に流入させてもよい。また、濃縮水の流れ方向も適宜決定される。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態例における脱イオン水製造装置を図２〜図４を参照して説明する。本明細書中、第１の実施の形態は、本発明の参考例となるものである。図２は第１の実施の形態における脱イオン水製造装置を示すブロック図であり、脱イオン水製造装置２０ａは脱炭酸塔２２、逆浸透膜装置２１、電気式脱イオン水製造装置１０をこの順序で直列に、配管３０ｂ、３０ｃで接続したものである。電気式脱イオン水製造装置１０は図１の構造のものであり、配管３０ｃから分岐した配管３３は濃縮室流入配管であり、配管３４ａは濃縮水戻り配管であり、濃縮室の流出配管３５と被処理水流入配管３０ａと連接している。また、配管３１は第２小脱塩室ｄ２、ｄ４、ｄ６、ｄ８ 流入配管（図１中の記号１１）であり、脱イオン水流出配管３０ｄは第１小脱塩室ｄ１、ｄ３、ｄ５、ｄ７流出配管３０ｄである。２１１は逆浸透膜である。
【００２４】
脱炭酸塔２２は原水中の炭酸などの溶存ガス成分、特に炭酸を除去するために設置されるもので、公知の脱炭酸塔が使用できる。なお、脱炭酸塔の代わりに膜脱炭酸装置を使用してもよい。逆浸透膜装置２１は後段の電気式脱イオン水製造装置１０の負荷を低減するために設置されるもので、公知の逆浸透膜装置（逆浸透膜モジュール）が使用できる。逆浸透膜装置２１に使用される逆浸透膜としては、特に制限されず、酢酸セルロース系非対称性膜、ポリアミド系複合合成膜などが例示される。酢酸セルロース系非対称性膜は運転圧力が高く（１．５〜３．０MPa ）、分離性能が劣るものの、次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できる点、膜表面の荷電が中性であり汚れにくい点で有利である。また、ポリアミド系複合合成膜は次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できず、酸化劣化を受けると分離性能が低下し易く、膜表面の荷電や疎水性により、膜表面が汚れやすいなどの欠点はあるものの、運転圧力が低く（０．３〜１．５MPa ）、分離性能が高い点で有利である。本発明の逆浸透膜装置２１においては、スライムの発生が極力抑制できるため、ポリアミド系複合合成膜でも使用できる。また、逆浸透膜装置の形態としては、スパイラルモジュール、中空糸モジュール、平膜モジュールなどが例示される。
【００２５】
電気式脱イオン水製造装置１０は、逆浸透膜装置２１の透過水の水質を更に高度の脱イオン水にするものであり、構造及び脱イオン作用並びにスライム発生抑制作用は前述の通りである。また、電気式脱イオン水製造装置１０の濃縮水を脱炭酸塔の被処理水側に戻して、水の利用率を高めている。
【００２６】
図３は第２の実施の形態における脱イオン水製造装置を示すブロック図であり、図３において、図２と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し異なる点についてのみ説明する。すなわち、図３中、図２と異なる点は、脱炭酸塔２２の代わりに、膜脱炭酸装置２４を使用し、膜脱炭酸装置２４の前段で且つ濃縮水戻り配管３４ａの接続点Ａよりも上流側に更に逆浸透膜装置２１ａを設け、逆浸透膜装置２１ａと膜脱炭酸装置２４を配管３０ｅで接続した点にあり、更に逆浸透膜装置２１の濃縮水側と逆浸透膜装置２１ａの被処理水流入配管３０ａとを連接した点にある。以下の説明では２１ａを第１段逆浸透膜装置、２１を第２段逆浸透膜装置という。
【００２７】
膜脱炭酸装置２４は、原水中の炭酸などの溶存ガス成分、特に、炭酸を除去するために設置されるもので、公知の膜脱炭酸装置が使用できる。また、膜脱炭酸装置２４で使用される脱気膜は疎水性の材質からなる多孔膜であり、気体は透過するが液体は透過しない特性を有するものである。脱気膜の材質としては、ポリプロピレン、ポエチレン、シリコン樹脂、フッ素樹脂などからなる多孔膜が挙げられる。なお、この場合、膜脱炭酸装置の代わりに脱炭酸塔を使用することもできるが、処理水の水質を維持するためには膜脱炭酸装置が好ましい。すなわち、膜脱炭酸装置は被処理水を通水する膜の反対側を減圧して脱気するので、装置内で被処理水は汚染されにくく、逆浸透膜の透過水の脱気に好都合である。一方、脱炭酸塔は空気を被処理水に吹き込むので、空気中の汚染物質が被処理水に移行する可能性があり、逆浸透膜の透過水に利用するのは得策ではない。
【００２８】
本第２の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｂによれば、第１の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ａと同様の効果を奏する他、水の利用率を向上させることができ、また、電気式脱イオン水製造装置１０の濃縮室から流出する濃縮水の返送を第１段逆浸透膜装置の透過水側とするため第１段逆浸透膜装置の処理量が軽減され合理的な装置となる。
【００２９】
図４は第３の実施の形態における脱イオン水製造装置を示すブロック図であり、図４において、図２と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し異なる点についてのみ説明する。すなわち、図４中、図２と異なる点は、逆浸透膜装置２１と、電気式脱イオン水製造装置１０との間に紫外線殺菌装置２３を設置し、逆浸透膜装置２１と紫外線殺菌装置２３を配管３０ｆで接続し、紫外線殺菌装置２３と電気式脱イオン水製造装置１０とを配管３０ｇで接続したところにある。紫外線殺菌装置としては、２５４nm付近の波長を照射可能な紫外線ランプを備え、被処理水の殺菌可能なものであればよい。
【００３０】
本第３の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｃによれば、第１の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ａと同様の効果を奏する他、電気式脱イオン水製造装置１０の流入水中の微生物などがほとんど存在しないため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはほとんどなく、濃縮室１内の通水差圧は更に長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、逆浸透膜装置２１の膜面にも微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはほとんどなく、同様に逆浸透膜装置２１内の通水差圧は更に長期間に渡り一定状態を保つことができる。
【００３１】
本第３の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｃにおいて、紫外線殺菌装置２３に代えて、あるいは紫外線殺菌装置２３と共に、紫外線酸化装置を使用してもよい。紫外線酸化装置を使用することにより、被処理水中の有機物の酸化により微生物の栄養源が絶たれるため、更に微生物の増殖は抑制される。紫外線酸化装置としては、被処理水に少なくとも１８５nm付近の波長を照射可能な紫外線ランプを備え、被処理水中の有機物を分解可能なものであればよい。紫外線酸化装置は、通常１８５nm付近の波長の紫外線に加えて、それより有機物分解能力が低い２５４nm付近の波長の紫外線も照射可能な装置である。
【００３２】
本第３の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｃにおいて、脱イオン水製造装置２０ｃの脱炭酸塔２２の前段に更にもう１台の逆浸透膜装置を設置してもよい。この場合、第２の実施の形態例のように、第２逆浸透膜装置の濃縮水を第１逆浸透膜装置の被処理水側に戻してもよい。これにより、水の利用率を向上させることができる。また、濃縮室から流出する濃縮水戻り配管３４ａを省略し、この濃縮水を系外へブローするようにしてもよい。更に、濃縮室から流出する濃縮水戻り配管を配管３３に接続して、濃縮水循環形態を採ってもよい。また、濃縮水循環形態においては、更に該濃縮水循環系内に紫外線殺菌装置又は紫外線酸化装置を設置してもよい。また、紫外線殺菌装置２３の設置位置を図４に示す位置に代えて、逆浸透膜装置２１の前段側、すなわち、配管３０ａの途中、配管３０ｂの途中とすることもできる。
【００３３】
本発明において、被処理水としては、特に制限されず、例えば、井水、水道水、下水、工業用水、川の水、半導体製造工場の半導体デバイスなどの洗浄排水又は濃縮室からの回収水などが挙げられ、これらを単独又は組み合わせ混合状態で使用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理水の一部を濃縮室に供給すると、通常負に帯電している微生物は直流電流が印加されて陽極側に移動し、カチオン交換膜面上に捕捉される。一方、カチオン交換膜全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチでアルカリ状態となり微生物が増殖し難い。このため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはなく、濃縮室内の通水差圧は長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、被処理水が最初に流入する小脱塩室の入口側は、被処理水中に存在する微細な濁質の蓄積は不可避であり、該濁質中に糸状菌やカビの胞子などが存在した場合、該小脱塩室はアニオン交換体が充填されておりアニオンが選択的に除去されてアルカリ性となる。このため、次の小脱塩室には微生物が存在しない水を供給でき、この結果、電気式脱イオン水製造装置からは微生物が実質的に存在しない水が得られる。また、水の利用率を向上させることができ、また、濃縮水の返送を第１段逆浸透膜装置の透過水側とするため第１段逆浸透膜装置の処理量が軽減され合理的な装置となる。
【００３５】
また、本発明によれば、更に水の利用率を向上させることができる。また、本発明によれば、従来、スライム発生対策の面からは有利とされていた酢酸セルロース系の膜以外にも、運転圧力が低く（０．３〜１．５ＭＰａ）、分離性能が高いポリアミド系膜が使用でき、膜を使用する際の選択の余地が広がる。また、本発明によれば、被処理水中の微生物は事前に殺菌されたり、有機物の酸化により微生物の栄養源が絶たれるため、更に微生物の増殖は抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する電気式脱イオン水製造装置の１例を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における脱イオン水製造装置のブロック図である。
【図３】本発明の他の実施の形態における脱イオン水製造装置のブロック図である。
【図４】本発明の他の実施の形態における脱イオン水製造装置のブロック図である。
【図５】従来の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。
【符号の説明】
Ｄ、Ｄ1 〜Ｄ4 、１０４ 脱塩室
ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 第１小脱塩室
ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 第２小脱塩室
１、１０５ 濃縮室
２、１１２、１１３ 電極室
３、１０１ カチオン膜
４、１０２ アニオン膜
５ 中間イオン交換膜
６、１０９ 陰極
７、１１０ 陽極
８、１０３ イオン交換体
１０、１００ 電気式脱イオン水製造装置
１１、３１、１１１ 被処理水流入ライン
１２ 第２小脱塩室の処理水流出ライン
１３ 第１小脱塩室の被処理水流入ライン
１４、３０ｄ、１１４ 脱イオン水流出ライン
１５、３３、１１５ 濃縮水流入ライン
１６、１１６ 濃縮水流出ライン
１７、１１７ 電極水流入ライン
１８、１１８ 電極水流出ライン
２０ａ〜２０ｃ 脱イオン水製造装置
２１、２１ａ 逆浸透膜装置
２２ 脱炭酸塔
２３ 紫外線殺菌装置
２４ 膜脱炭酸装置
３０ａ〜３０ｇ 配管
３４ａ〜３４ｂ 濃縮水戻り配管
８１ アニオン交換体
８２ アニオンとカチオンの混合イオン交換体
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造分野、医製薬製造分野、原子力や火力等の発電分野、食品工業などの各種の産業又は研究所施設において使用され、逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置の長期間の通水による差圧上昇を抑制できる電気式脱イオン水製造装置を使用した脱イオン水製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
脱イオン水を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られているが、この方法ではイオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに薬剤によって再生を行う必要があり、このような処理操作上の不利な点を解消するため、近年、薬剤による再生が全く不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。
【０００３】
図５はその従来の典型的な電気式脱イオン水製造装置の模式断面図を示す。図５に示すように、カチオン交換膜１０１及びアニオン交換膜１０２を離間して交互に配置し、カチオン交換膜１０１とアニオン交換膜１０２で形成される空間内に一つおきにイオン交換体１０３を充填して脱塩室とする。脱塩室の被処理水流入側（前段）にはアニオン交換樹脂１０３ａが充填され、脱塩室の被処理水流出側（後段）にはカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂１０３ｂが充填されている。また、脱塩室１０４のそれぞれ隣に位置するアニオン交換膜１０２とカチオン交換膜１０１で形成されるイオン交換体１０３を充填していない部分は濃縮水を流すための濃縮室１０５とする。
【０００４】
また、脱塩室の一側に陰極１０９を配設すると共に、他端側に陽極１１０を配設する。なお、前述したスペーサーを挟んだ位置が濃縮室１０５であり、また両端の濃縮室１０５の両外側に必要に応じカチオン交換膜１０１、アニオン交換膜１０２、あるいはイオン交換性のない単なる隔膜等の仕切り膜を配設し、仕切り膜で仕切られた両電極１０９、１１０が接触する部分をそれぞれ陰極室１１２及び陽極室１１３とする。このように、従来の電気式脱イオン水製造装置においては、濃縮室の数は脱塩室の数より１つ多い形態のものであるか、あるいは両端に濃縮室を仕切り膜無しで電極室とした場合、１つ少ない形態のものであった。
【０００５】
このような電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合を図５を参照して説明する。すなわち、陰極１０９と陽極１１０間に直流電流を通じ、また、被処理水流入ライン１１１から被処理水が流入すると共に、濃縮水流入ライン１１５から濃縮水が流入し、且つ電極水流入ライン１１７、１１７からそれぞれ電極水が流入する。被処理水流入ライン１１１から流入した被処理水は脱塩室１０４を流下し、先ず、前段のアニオン交換樹脂１０３ａを通過する際、塩酸イオンや硫酸イオンなどのアニオン成分が除去され、次に、後段のカチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂１０３ｂを通過する際、マグネシウムやカルシウムなどのカチオン成分が除去される。濃縮水流入ライン１１５から流入した濃縮水は各濃縮室１０５を上昇し、カチオン交換膜１０１及びアニオン交換膜１０２を介して移動してくる不純物イオンを受取り、不純物イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン１１６から流出され、さらに電極水流入ライン１１７、１１７から流入した電極水は電極水流出ライン１１８、１１８から流出される。従って、脱イオン水流出ライン１１４から脱塩水が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、逆浸透膜装置と上記のような電気式脱イオン水製造装置を組み合わせた脱イオン水製造装置は半導体製造分野、医製薬製造分野、原子力や火力等の発電分野、食品工業などの各種の産業において、無薬品の脱イオン水製造装置として利用されてきた。しかし、このような脱イオン水製造装置においても長期間の運転では、逆浸透膜装置においては通水差圧の上昇が、電気式脱イオン水製造装置においては濃縮室の通水差圧の上昇が起こり、薬品洗浄の原因となっていた。
【０００７】
逆浸透膜装置における通水差圧の上昇は、放置すると透過水量が低下する。ある程度までは薬品洗浄することなく、バルブ操作やポンプインバーターを制御することにより運転圧力を高くして透過水量を確保することはできるものの、通水差圧の上昇を放置すると最終的には逆浸透膜の破損の原因となり、重大なトラブルに繋がる。一方、電気式脱イオン水製造装置においては濃縮室の通水差圧の上昇はある程度までは薬品洗浄することなく、バルブ操作で運転圧力を高くして濃縮水量は確保できるが、通水差圧の上昇を放置すると濃縮水の流量分布が不均一になり、難溶性物質の析出、微生物の発生などの原因となり更に圧力上昇を招くことになる。また、脱塩室と濃縮室の圧力バランスが崩れることにより、濃縮水がイオン交換膜を通って脱塩室にリークし、処理水質の変動を引き起こす原因にもなる。このようなトラブルを事前に防止するために、定期的あるいは差圧上昇が一定限度を越えた場合には、逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置を薬品で洗浄することが通例であり、薬品洗浄に伴う装置の停止は、運転管理面でも、コスト面でも不都合なことであった。
【０００８】
また、従来の電気式脱イオン水製造装置において、脱塩室にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂が充填されたものは、脱塩室のｐＨは７近傍にあり、流入する被処理水中の糸状菌やカビの胞子などが脱塩室内で成長し、脱塩室の差圧を上昇させたり、水質の低下、処理水への微生物混入といった問題があった。また、脱塩室の上流側にアニオン交換樹脂が充填され、下流側にアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂が充填されたものは、脱塩室から得られる処理水中への微生物混入は抑制されるものの、上記のような長期間の運転における逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置における通水差圧の上昇の問題は依然として解決されないものであった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、長期間の運転における逆浸透膜装置や電気式脱イオン水製造装置の通水による差圧上昇の抑制を薬剤を使用することなく、電気式脱イオン水製造装置の構造面からの抜本的な改善により達成すること、更に脱イオン水中への微生物混入を抑制する脱イオン水製造装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、（１）従来の電気式脱イオン水製造装置の濃縮室内に発生する通水差圧は、濃縮室側のカチオン交換膜面上に付着するスライム（粘着状物）に起因すること、（２）このカチオン交換膜面上に付着するスライムは被処理水の硬度成分とは無関係の微生物、その代謝物及び水中の微粒子に起因するもので、電気式脱イオン水製造装置の前段部分で軟化処理などの硬度成分除去対策を十分実施しても、運転数カ月の比較的短期間にカチオン交換膜面上に発生すること、（３）該装置の濃縮水を逆浸透膜装置の前段に戻す場合、逆浸透膜装置の膜面上にはスライムが付着し、これにより逆浸透膜装置の通水差圧が発生するが、この現象は電気式脱イオン水製造装置の濃縮室で増殖した微生物とスライムに起因すること、（４）枠体の一側にカチオン交換膜が封着され、他側にアニオン交換膜が封着された従来の脱塩室構造において、このカチオン交換膜とアニオン交換膜の間にさらに、脱塩室を２分割する中間イオン交換膜を配設して、２つの小脱塩室を隣合わせに有する脱塩室とし、最初に被処理水が流入する陽極側の小脱塩室にはアニオン交換体を、この小脱塩室の流出水が流入する陰極側の小脱塩室にはアニオン交換体とカチオン交換体の混合交換体をそれぞれ充填し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極と陰極の間に配置した構造の電気式脱イオン水製造装置を使用すれば、上記（１）〜（３）の現象はことごとく改善され、更に脱塩室から得られる脱イオン水は微生物混入のない安定した水質のものが得られること、等を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、逆浸透膜装置及び電気式脱イオン水製造装置をこの順序で連接する脱イオン水製造装置であって、前記電気式脱イオン水製造装置は、一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室のうち陰極側の小脱塩室にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体を、陽極側の小脱塩室にはアニオン交換体をそれぞれ充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極と陰極の間に配置して形成され、
前記逆浸透膜装置は、第１段逆浸透膜装置及び該第１段逆浸透膜装置の透過水を更に処理する第２段逆浸透膜装置とからなり、且つ前記濃縮室から流出する濃縮水を前記第１段逆浸透膜装置の透過水側で、前記第２段逆浸透膜装置の被処理水側に返送する配管を備える脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、被処理水の一部を濃縮室に供給すると、通常負に帯電している微生物は直流電流が印加されて陽極側に移動する。濃縮室の陽極側には濃縮室と脱塩室とを区画するカチオン交換膜が存在し、微生物はこのカチオン交換膜面上に捕捉される。一方、一側のカチオン交換膜と中間イオン交換膜で区画される小脱塩室（陰極側）にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体が充填されており、このカチオン交換膜の全面からナトリウムイオンなどのカチオンが濃縮室に移動するため、カチオン交換膜全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチでアルカリ状態となり微生物が増殖し難い。このため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはなく、濃縮室内の通水差圧は長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、被処理水が最初に流入する小脱塩室の入口側は、被処理水中に存在する微細な濁質の蓄積は不可避であり、該濁質中に糸状菌やカビの胞子などが存在した場合、該小脱塩室はアニオン交換体が充填されておりアニオンが選択的に除去されてアルカリ性となる。このため、次いで流入する小脱塩室には微生物が存在しない水を供給でき、この結果、電気式脱イオン水製造装置からは微生物が実質的に存在しない水が得られる。また、水の利用率を向上させることができ、また、濃縮水の返送を第１段逆浸透膜装置の透過水側とするため第１段逆浸透膜装置の処理量が軽減され合理的な装置となる。
【００１４】
また、本発明は、更に、前記第２段逆浸透膜装置の濃縮水を前記第１段逆浸透膜装置の被処理水側に返送する配管を備える前記脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明と同様の効果を奏する他、更に水の利用率を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明は、前記逆浸透膜装置で使用される逆浸透膜が、ポリアミド系膜である前記脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、従来、運転圧力が高く（１．５〜３．０ＭＰａ）、分離性能が劣るものの、次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できる点、膜表面の荷電が中性であり汚れにくい点等から通水差圧が上昇し難い酢酸セルロース系の膜がスライム発生対策の面からは有利とされていたが、スライムの発生は極力抑制できるため、次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できず、酸化劣化を受けると分離性能が低下し易く、膜表面の荷電や疎水性により、膜表面が汚れやすいなどの欠点はあるものの、運転圧力が低く（０．３〜１．５ＭＰａ）、分離性能が高いポリアミド系膜が使用でき、膜を使用する際、選択の余地が広がる。
【００１６】
本発明は、更に、前記逆浸透膜装置又は前記電気式脱イオン水製造装置の前段に、紫外線酸化装置又は紫外線殺菌装置を備える前記脱イオン水製造装置を提供するものである。かかる構成を採ることにより、前記発明と同様の効果を奏する他、被処理水中の微生物は事前に殺菌されたり、有機物の酸化により微生物の栄養源が絶たれるため、更に微生物の増殖は抑制される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明で使用する電気式脱イオン水製造装置を図１を参照して説明する。図１は本実施の形態における電気式脱イオン水製造装置の模式図である。図１に示すように、カチオン交換膜３、中間イオン交換膜５及びアニオン交換膜４を離間して交互に配置し、カチオン交換膜３と中間イオン交換膜５で形成される空間内にイオン交換体８を充填して第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 を形成し、中間イオン交換膜５とアニオン交換膜４で形成される空間内にイオン交換体８を充填して第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 を形成し、第１小脱塩室ｄ1 と第２小脱塩室ｄ2 で脱塩室Ｄ1 、第１小脱塩室ｄ3 と第２小脱塩室ｄ4 で脱塩室Ｄ2 、第１小脱塩室ｄ5 と第２小脱塩室ｄ6 で脱塩室Ｄ3 、第１小脱塩室ｄ7 と第２小脱塩室ｄ8 で脱塩室Ｄ4 とする。また、脱塩室Ｄ2 、Ｄ3 のそれぞれ隣に位置するアニオン交換膜４とカチオン交換膜３で形成されるイオン交換体８を充填していない部分は濃縮水を流すための濃縮室１とする。これを順次に併設して図中、左より脱塩室Ｄ1 、濃縮室１、脱塩室Ｄ2 、濃縮室１、脱塩室Ｄ3 、濃縮室１、脱塩室Ｄ4 を形成する。また、中間膜を介して隣合う２つの小脱塩室において、第２小脱塩室の処理水流出ライン１２は第１脱塩室の被処理水流入ライン１３に連接されている。ここで、第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 に充填されるイオン交換体はアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体であり、第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 に充填されるイオン交換体はアニオン交換体である。なお、濃縮室１にはスペーサーとしてまたは濃縮室の電気抵抗を下げるためにイオン交換体を充填することもできる。
【００１８】
このような脱塩室は２つの内部がくり抜かれた枠体と３つのイオン交換膜によって形成される脱イオンモジュールからなる。すなわち、図では省略するが、第１枠体の一側にカチオン交換膜を封着し、第１枠体のくり抜かれた部分にカチオン交換体とアニオン交換体の混合交換体を充填し、次いで、第１枠体の他方の部分に中間イオン交換膜を封着して第１小脱塩室を形成する。次に中間イオン交換膜を挟み込むように第２枠体を封着し、第２枠体のくり抜かれた部分にアニオン交換体を充填し、次いで、第２枠体の他方の部分にアニオン交換膜を封着して第２小脱塩室を形成する。なお、イオン交換膜は比較的柔らかいものであり、第１枠体、第２枠体内部にイオン交換体を充填してその両面をイオン交換膜で封着した時、イオン交換膜が湾曲してイオン交換体の充填層が不均一となるのを防止するため、第１枠体、第２枠体の空間部に複数のリブを縦設する。また、第１枠体、第２枠体の上方部に被処理水の流入口又は処理水の流出口が、また枠体の下方部に被処理水の流出口又は処理水の流入口が付設されている。このような脱イオンモジュールの複数個をその間に図では省略するスペーサーを挟んで、並設した状態が図１に示されたものであり、並設した脱イオンモジュールの一側に陰極６を配設すると共に、他端側に陽極７を配設する。なお、前述したスペーサーを挟んだ位置が濃縮室１であり、また両端の脱塩室Ｄの両外側に必要に応じカチオン交換膜、アニオン交換膜、あるいはイオン交換性のない単なる隔膜等の仕切り膜を配設し、仕切り膜で仕切られた両電極６、７が接触する部分をそれぞれ電極室２、２としてもよい。
【００１９】
このような電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合、以下のように操作される。すなわち、陰極６と陽極７間に直流電流を通じ、また被処理水流入ライン１１から被処理水が流入すると共に、濃縮水流入ライン１５から濃縮水が流入し、かつ電極水流入ライン１７、１７からそれぞれ電極水が流入する。被処理水流入ライン１１から流入した被処理水は第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 を流下し、アニオン交換体８１の充填層を通過する際にアニオン成分が除去される。更に、第２小脱塩室の処理水流出ライン１２を通った流出水は、第１小脱塩室の被処理水流入ライン１３を通って第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 を流下し、ここでもアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体８２の充填層を通過する際にカチオン及びアニオンの不純物イオンが除去され、脱イオン水が脱イオン水流出ライン１４から得られる。また、濃縮水流入ライン１５から流入した濃縮水は各濃縮室１を上昇し、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４を介して移動してくる不純物イオンを受取り、不純物イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン１６から流出され、さらに電極水流入ライン１７、１７から流入した電極水は電極水流出ライン１８、１８から流出される。上述の操作によって、被処理水中の不純物イオンは電気的に除去される。なお、第１小脱塩室及び第２小脱塩室の厚さは特に制限されないが、第１小脱塩室の厚さを０．８〜８mm、好ましくは２〜５mm、第２小脱塩室の厚さを５〜１５mm、好ましくは６〜１０mmとすれば、より低い電気抵抗及びより高い電流効率が得られ、またより良い水質が得られる点で好適である。
【００２０】
また、上記の通水方法において、濃縮室１を流れる濃縮水に存在する微生物は、通常負に帯電しているから直流電流が印加されて陽極７側に移動する。濃縮室１の陽極側には濃縮室１と第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 とを区画するカチオン交換膜３が存在し、微生物はこのカチオン交換膜３面上に捕捉される。一方、一側のカチオン交換膜３と中間イオン交換膜５で区画される第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体８２が充填されており、このカチオン交換膜３の全面からナトリウムイオンなどのカチオンが濃縮室１に移動するため、カチオン交換膜３全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチとなりアルカリ状態となり微生物が増殖し難い。このため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはなく、濃縮室１内の通水差圧は長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、被処理水が最初に流入する第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 の入口側は、被処理水中に存在する微細な濁質の蓄積は不可避であり、該濁質中に糸状菌やカビの胞子などが存在した場合、該第２小脱塩室ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 はアニオン交換体が充填されておりアニオンが選択的に除去されてアルカリ性となり、微生物の増殖が抑制される。このため、次いで流入する第１小脱塩室ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 には微生物が存在しない水を供給でき、この結果、電気式脱イオン水製造装置から流出する処理水も実質的に微生物が存在しない水が得られる。なお、中間イオン交換膜については、カチオン交換膜であるとカチオンが第２小脱塩室から第１小脱塩室へ移動してしまい第２小脱塩室での殺菌効果が薄れてしまうので、アニオン交換膜とすることが好ましい。
【００２１】
このように、カチオン交換膜３全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチでアルカリ状態となり微生物が増殖し難く、一方、最終的に脱塩室から得られる処理水中にも微生物が存在しない水が得られるのは図１に示すような特異な脱塩室構造に由来するものである。これを従来の脱塩室構造のものと比較する。すなわち、従来例の１例である図５の電気式脱イオン水製造装置１００は脱塩室上流側にアニオン交換体１０３ａが、脱塩室下流側にアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体１０３ｂがそれぞれ充填されている。この場合、被処理水は先ずアニオン交換されるからｐＨがアルカリ側に移行し、微生物の増殖を防止でき、この点は好都合である。しかし、濃縮室の上流側ではカチオン交換膜１０１の近傍の濃縮水は脱塩室からのカチオンの流入が相対的に少ないため濃縮水がアルカリ性になり難く微生物の増殖は抑制できない。更に、従来例の他の例に脱塩室にアニオン交換体とカチオン交換体の混合イオン交換体を充填したものがある。この場合、脱塩室はアニオン交換とカチオン交換が共に行われ、中性であり、脱塩水への微生物混入は避けられない。
【００２２】
また、被処理水の第１小脱塩室及び第２小脱塩室での流れ方向は、特に制限されず、上記実施の形態例の他、第１小脱塩室と第２小脱塩室での流れ方向が異なっていてもよい。また、被処理水が流入する小脱塩室は、上記実施の形態例の他、先ず、被処理水を第１脱塩室に流入させ、流下した後、第１脱塩室の流出水を第２脱塩室に流入させてもよい。また、濃縮水の流れ方向も適宜決定される。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態例における脱イオン水製造装置を図２〜図４を参照して説明する。本明細書中、第１の実施の形態は、本発明の参考例となるものである。図２は第１の実施の形態における脱イオン水製造装置を示すブロック図であり、脱イオン水製造装置２０ａは脱炭酸塔２２、逆浸透膜装置２１、電気式脱イオン水製造装置１０をこの順序で直列に、配管３０ｂ、３０ｃで接続したものである。電気式脱イオン水製造装置１０は図１の構造のものであり、配管３０ｃから分岐した配管３３は濃縮室流入配管であり、配管３４ａは濃縮水戻り配管であり、濃縮室の流出配管３５と被処理水流入配管３０ａと連接している。また、配管３１は第２小脱塩室ｄ２、ｄ４、ｄ６、ｄ８ 流入配管（図１中の記号１１）であり、脱イオン水流出配管３０ｄは第１小脱塩室ｄ１、ｄ３、ｄ５、ｄ７流出配管３０ｄである。２１１は逆浸透膜である。
【００２４】
脱炭酸塔２２は原水中の炭酸などの溶存ガス成分、特に炭酸を除去するために設置されるもので、公知の脱炭酸塔が使用できる。なお、脱炭酸塔の代わりに膜脱炭酸装置を使用してもよい。逆浸透膜装置２１は後段の電気式脱イオン水製造装置１０の負荷を低減するために設置されるもので、公知の逆浸透膜装置（逆浸透膜モジュール）が使用できる。逆浸透膜装置２１に使用される逆浸透膜としては、特に制限されず、酢酸セルロース系非対称性膜、ポリアミド系複合合成膜などが例示される。酢酸セルロース系非対称性膜は運転圧力が高く（１．５〜３．０MPa ）、分離性能が劣るものの、次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できる点、膜表面の荷電が中性であり汚れにくい点で有利である。また、ポリアミド系複合合成膜は次亜塩素酸ソーダなどの殺菌剤で殺菌できず、酸化劣化を受けると分離性能が低下し易く、膜表面の荷電や疎水性により、膜表面が汚れやすいなどの欠点はあるものの、運転圧力が低く（０．３〜１．５MPa ）、分離性能が高い点で有利である。本発明の逆浸透膜装置２１においては、スライムの発生が極力抑制できるため、ポリアミド系複合合成膜でも使用できる。また、逆浸透膜装置の形態としては、スパイラルモジュール、中空糸モジュール、平膜モジュールなどが例示される。
【００２５】
電気式脱イオン水製造装置１０は、逆浸透膜装置２１の透過水の水質を更に高度の脱イオン水にするものであり、構造及び脱イオン作用並びにスライム発生抑制作用は前述の通りである。また、電気式脱イオン水製造装置１０の濃縮水を脱炭酸塔の被処理水側に戻して、水の利用率を高めている。
【００２６】
図３は第２の実施の形態における脱イオン水製造装置を示すブロック図であり、図３において、図２と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し異なる点についてのみ説明する。すなわち、図３中、図２と異なる点は、脱炭酸塔２２の代わりに、膜脱炭酸装置２４を使用し、膜脱炭酸装置２４の前段で且つ濃縮水戻り配管３４ａの接続点Ａよりも上流側に更に逆浸透膜装置２１ａを設け、逆浸透膜装置２１ａと膜脱炭酸装置２４を配管３０ｅで接続した点にあり、更に逆浸透膜装置２１の濃縮水側と逆浸透膜装置２１ａの被処理水流入配管３０ａとを連接した点にある。以下の説明では２１ａを第１段逆浸透膜装置、２１を第２段逆浸透膜装置という。
【００２７】
膜脱炭酸装置２４は、原水中の炭酸などの溶存ガス成分、特に、炭酸を除去するために設置されるもので、公知の膜脱炭酸装置が使用できる。また、膜脱炭酸装置２４で使用される脱気膜は疎水性の材質からなる多孔膜であり、気体は透過するが液体は透過しない特性を有するものである。脱気膜の材質としては、ポリプロピレン、ポエチレン、シリコン樹脂、フッ素樹脂などからなる多孔膜が挙げられる。なお、この場合、膜脱炭酸装置の代わりに脱炭酸塔を使用することもできるが、処理水の水質を維持するためには膜脱炭酸装置が好ましい。すなわち、膜脱炭酸装置は被処理水を通水する膜の反対側を減圧して脱気するので、装置内で被処理水は汚染されにくく、逆浸透膜の透過水の脱気に好都合である。一方、脱炭酸塔は空気を被処理水に吹き込むので、空気中の汚染物質が被処理水に移行する可能性があり、逆浸透膜の透過水に利用するのは得策ではない。
【００２８】
本第２の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｂによれば、第１の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ａと同様の効果を奏する他、水の利用率を向上させることができ、また、電気式脱イオン水製造装置１０の濃縮室から流出する濃縮水の返送を第１段逆浸透膜装置の透過水側とするため第１段逆浸透膜装置の処理量が軽減され合理的な装置となる。
【００２９】
図４は第３の実施の形態における脱イオン水製造装置を示すブロック図であり、図４において、図２と同一構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し異なる点についてのみ説明する。すなわち、図４中、図２と異なる点は、逆浸透膜装置２１と、電気式脱イオン水製造装置１０との間に紫外線殺菌装置２３を設置し、逆浸透膜装置２１と紫外線殺菌装置２３を配管３０ｆで接続し、紫外線殺菌装置２３と電気式脱イオン水製造装置１０とを配管３０ｇで接続したところにある。紫外線殺菌装置としては、２５４nm付近の波長を照射可能な紫外線ランプを備え、被処理水の殺菌可能なものであればよい。
【００３０】
本第３の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｃによれば、第１の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ａと同様の効果を奏する他、電気式脱イオン水製造装置１０の流入水中の微生物などがほとんど存在しないため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはほとんどなく、濃縮室１内の通水差圧は更に長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、逆浸透膜装置２１の膜面にも微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはほとんどなく、同様に逆浸透膜装置２１内の通水差圧は更に長期間に渡り一定状態を保つことができる。
【００３１】
本第３の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｃにおいて、紫外線殺菌装置２３に代えて、あるいは紫外線殺菌装置２３と共に、紫外線酸化装置を使用してもよい。紫外線酸化装置を使用することにより、被処理水中の有機物の酸化により微生物の栄養源が絶たれるため、更に微生物の増殖は抑制される。紫外線酸化装置としては、被処理水に少なくとも１８５nm付近の波長を照射可能な紫外線ランプを備え、被処理水中の有機物を分解可能なものであればよい。紫外線酸化装置は、通常１８５nm付近の波長の紫外線に加えて、それより有機物分解能力が低い２５４nm付近の波長の紫外線も照射可能な装置である。
【００３２】
本第３の実施の形態例の脱イオン水製造装置２０ｃにおいて、脱イオン水製造装置２０ｃの脱炭酸塔２２の前段に更にもう１台の逆浸透膜装置を設置してもよい。この場合、第２の実施の形態例のように、第２逆浸透膜装置の濃縮水を第１逆浸透膜装置の被処理水側に戻してもよい。これにより、水の利用率を向上させることができる。また、濃縮室から流出する濃縮水戻り配管３４ａを省略し、この濃縮水を系外へブローするようにしてもよい。更に、濃縮室から流出する濃縮水戻り配管を配管３３に接続して、濃縮水循環形態を採ってもよい。また、濃縮水循環形態においては、更に該濃縮水循環系内に紫外線殺菌装置又は紫外線酸化装置を設置してもよい。また、紫外線殺菌装置２３の設置位置を図４に示す位置に代えて、逆浸透膜装置２１の前段側、すなわち、配管３０ａの途中、配管３０ｂの途中とすることもできる。
【００３３】
本発明において、被処理水としては、特に制限されず、例えば、井水、水道水、下水、工業用水、川の水、半導体製造工場の半導体デバイスなどの洗浄排水又は濃縮室からの回収水などが挙げられ、これらを単独又は組み合わせ混合状態で使用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理水の一部を濃縮室に供給すると、通常負に帯電している微生物は直流電流が印加されて陽極側に移動し、カチオン交換膜面上に捕捉される。一方、カチオン交換膜全面の近傍の濃縮水はナトリウムイオンリッチでアルカリ状態となり微生物が増殖し難い。このため、カチオン交換膜面には微生物に起因する粘着状のスライムが発生することはなく、濃縮室内の通水差圧は長期間に渡り一定状態を保つことができる。また、被処理水が最初に流入する小脱塩室の入口側は、被処理水中に存在する微細な濁質の蓄積は不可避であり、該濁質中に糸状菌やカビの胞子などが存在した場合、該小脱塩室はアニオン交換体が充填されておりアニオンが選択的に除去されてアルカリ性となる。このため、次の小脱塩室には微生物が存在しない水を供給でき、この結果、電気式脱イオン水製造装置からは微生物が実質的に存在しない水が得られる。また、水の利用率を向上させることができ、また、濃縮水の返送を第１段逆浸透膜装置の透過水側とするため第１段逆浸透膜装置の処理量が軽減され合理的な装置となる。
【００３５】
また、本発明によれば、更に水の利用率を向上させることができる。また、本発明によれば、従来、スライム発生対策の面からは有利とされていた酢酸セルロース系の膜以外にも、運転圧力が低く（０．３〜１．５ＭＰａ）、分離性能が高いポリアミド系膜が使用でき、膜を使用する際の選択の余地が広がる。また、本発明によれば、被処理水中の微生物は事前に殺菌されたり、有機物の酸化により微生物の栄養源が絶たれるため、更に微生物の増殖は抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する電気式脱イオン水製造装置の１例を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における脱イオン水製造装置のブロック図である。
【図３】本発明の他の実施の形態における脱イオン水製造装置のブロック図である。
【図４】本発明の他の実施の形態における脱イオン水製造装置のブロック図である。
【図５】従来の電気式脱イオン水製造装置の模式図である。
【符号の説明】
Ｄ、Ｄ1 〜Ｄ4 、１０４ 脱塩室
ｄ1 、ｄ3 、ｄ5 、ｄ7 第１小脱塩室
ｄ2 、ｄ4 、ｄ6 、ｄ8 第２小脱塩室
１、１０５ 濃縮室
２、１１２、１１３ 電極室
３、１０１ カチオン膜
４、１０２ アニオン膜
５ 中間イオン交換膜
６、１０９ 陰極
７、１１０ 陽極
８、１０３ イオン交換体
１０、１００ 電気式脱イオン水製造装置
１１、３１、１１１ 被処理水流入ライン
１２ 第２小脱塩室の処理水流出ライン
１３ 第１小脱塩室の被処理水流入ライン
１４、３０ｄ、１１４ 脱イオン水流出ライン
１５、３３、１１５ 濃縮水流入ライン
１６、１１６ 濃縮水流出ライン
１７、１１７ 電極水流入ライン
１８、１１８ 電極水流出ライン
２０ａ〜２０ｃ 脱イオン水製造装置
２１、２１ａ 逆浸透膜装置
２２ 脱炭酸塔
２３ 紫外線殺菌装置
２４ 膜脱炭酸装置
３０ａ〜３０ｇ 配管
３４ａ〜３４ｂ 濃縮水戻り配管
８１ アニオン交換体
８２ アニオンとカチオンの混合イオン交換体
Claims (4)
- 逆浸透膜装置及び電気式脱イオン水製造装置をこの順序で連接する脱イオン水製造装置であって、前記電気式脱イオン水製造装置は、一側のカチオン交換膜、他側のアニオン交換膜及び当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜の間に位置する中間イオン交換膜で区画される２つの小脱塩室のうち陰極側の小脱塩室にはカチオン交換体とアニオン交換体の混合イオン交換体を、陽極側の小脱塩室にはアニオン交換体をそれぞれ充填して脱塩室を構成し、前記カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室を設け、これらの脱塩室及び濃縮室を陽極と陰極の間に配置して形成され、
前記逆浸透膜装置は、第１段逆浸透膜装置及び該第１段逆浸透膜装置の透過水を更に処理する第２段逆浸透膜装置とからなり、且つ前記濃縮室から流出する濃縮水を前記第１段逆浸透膜装置の透過水側で、前記第２段逆浸透膜装置の被処理水側に返送する配管を備えることを特徴とする脱イオン水製造装置。 - 更に、前記第２段逆浸透膜装置の濃縮水を前記第１段逆浸透膜装置の被処理水側に返送する配管を備えることを特徴とする請求項１記載の脱イオン水製造装置。
- 前記逆浸透膜装置で使用される逆浸透膜が、ポリアミド系膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の脱イオン水製造装置。
- 更に、前記逆浸透膜装置又は前記電気式脱イオン水製造装置の前段に、紫外線酸化装置又は紫外線殺菌装置を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の脱イオン水製造装置。
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