JP4505965B2

JP4505965B2 - 純水の製造方法

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Publication number: JP4505965B2
Application number: JP2000259279A
Authority: JP
Inventors: 修加藤; 恒雄河上; 公伸大澤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: JP2002066259A

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製造する純水の製造方法に係り、特に逆浸透（ＲＯ）膜装置（以下「ＲＯ膜装置」と称す。）と電気脱イオン装置とを備える純水製造装置において、電気脱イオン装置の消費電力を低減した上で高純度の脱イオン水を安定にかつ高い水回収率で製造することができる純水の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造工場、液晶工場、食品工業、電力工業等の各種産業、民生用ないし研究施設において使用される脱イオン水の製造には、図２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とカチオン交換体とを混合もしくは複層状に充填した電気脱イオン装置が多用されている。なお、図２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⁻イオンとを生成させ、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、従来から脱塩処理に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奏し、純水製造装置などに組み込まれて広く使用されている。
【０００４】
図３は、このような電気脱イオン装置を組み込んだ一般的な純水製造装置を示す系統図であり、市水等の原水は、活性炭装置１及びＲＯ膜装置２で処理された後、電気脱イオン装置３で処理される。ここで、ＲＯ膜装置２は電気脱イオン装置の有機物、硬度成分、塩類の負荷を軽減させるために設けられており、ＲＯ膜としては、通常、ポリアミド製のＲＯ膜が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示すように、電気脱イオン装置では、濃縮水の導電率が１００μＳ／ｃｍ以下の水質になると急激に電気抵抗（電気抵抗（Ω）＝セル電圧（Ｖ／ｃｅｌｌ）／電流密度（Ａ／ｍ^２））が上昇し、濃縮水導電率１０〜２０μＳ／ｃｍでは、全く電流が流れなくなってしまう。そして、この結果、脱塩室内に通水された被処理水の水質が全く向上しなくなる。
【０００６】
このようなことから、図３に示す如く、電気脱イオン装置の負荷を軽減するために電気脱イオン装置の前段にＲＯ膜装置を配置した純水製造装置にあっては、電気脱イオン装置の給水の導電率が低くなりすぎるために、得られる処理水の水質が低下する場合があった。
【０００７】
この問題を解決するために、電気脱イオン装置の水回収率を高めて、濃縮水、電極水の導電率を上昇させる方法や、ＲＯ膜装置の水回収率を高めて電気脱イオン装置の給水の導電率を上昇させる方法も考えられるが、高濃縮によるＣａＣＯ_３、シリカ等の析出の問題から水回収率の上昇度合いにも制限があり、上記課題の解決には至らない。
【０００８】
一方で、周知の通り、近年の地球環境保護及び省資源化の点から、純水製造システムでの水回収率の向上は常に望まれている。
【０００９】
本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ＲＯ膜装置と電気脱イオン装置とを備える純水製造装置を用いて純水を製造する際、電気脱イオン装置における導電率を確保して脱塩に必要な電流値を十分に高め、低電力量で高水質の処理水を高い水回収率にて安定に得ることができる純水の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の純水の製造方法は、ＲＯ膜装置と電気脱イオン装置とを有し、該逆浸透膜脱塩装置の透過水を該電気脱イオン装置に供給するようにした純水の製造方法において、該ＲＯ膜装置にｐＨ３．０〜５．５の被処理水を導入し、該ＲＯ膜装置において、水回収率９０％以上、塩類リーク率５％以上で処理することを特徴とする。
【００１１】
なお、ＲＯ膜装置の水回収率とは、ＲＯ膜装置に流入する水に対する透過水として取り出す水の割合である。ここで、ＲＯ膜装置に流入する水とはＲＯ膜装置で処理する被処理水とＲＯ膜装置の濃縮水の循環水との合計である。従って、水回収率９０％で運転するときには、ＲＯ膜装置には、９０部の被処理水と１０部の濃縮循環水が流入し、９０部の透過水が取り出される。
【００１２】
また、ＲＯ膜装置の塩類リーク率とは、被処理水の塩類（１価の塩）濃度に対する透過水の塩類（１価の塩）濃度の割合である。
【００１３】
本発明では、ＲＯ膜装置の被処理水のｐＨを３．０〜５．５とし、かつＲＯ膜装置を水回収率９０％以上の高回収率で運転して、ＲＯ膜装置の透過水中にＮａＣｌなどのイオンをリークさせることによって、ＲＯ膜装置の透過水が導入される電気脱イオン装置に必要なイオンを確保する。
【００１４】
図４から明らかなように、電気脱イオン装置における電流効率を確保するためには、電気脱イオン装置の濃縮水、電極水の導電率は少なくとも５０μＳ／ｃｍ、好ましくは１００μＳ／ｃｍ以上必要である。例えば、電気脱イオン装置を水回収率９０％で運転するとした場合、電気脱イオン装置の給水、即ち、ＲＯ膜装置の透過水の導電率は５μＳ／ｃｍ以上、好ましくは１０μＳ／ｃｍ以上であることが必要である。
【００１５】
一方、図５に示す如く、ＲＯ膜装置では、水回収率９０％以上で運転することにより、導入される被処理水のイオンの５％以上がリークするようになる（塩類リーク率５％以上）。ただし、ここで用いられるＲＯ膜装置のＲＯ膜は通常の純水製造装置に採用される脱塩率９９％以上の高脱塩率のものである。従って、通常、純水製造装置の原水とされる市水レベルの水質の水（導電率１５０〜２００μＳ／ｃｍ程度）を処理する場合、ＲＯ膜装置を水回収率９０％以上で処理することにより導電率１０μＳ／ｃｍ以上の透過水を得ることができる。
【００１６】
また、シリカ、ＴＯＣの水質が要求されない場合には、ＲＯ膜に代えてＮＦ膜（ナノフィルトレーション、ルーズＲＯ）を用いても良い。例えば、日東電工（株）製「ＬＥＳ９０」、「ＮＴＲ−７２９ＨＦ」などを利用できる。
【００１７】
ところで、市水中には通常２０ｍｇ／Ｌ（ＳｉＯ_２換算）程度のシリカが含まれており、このような水をＲＯ膜装置において水回収率９０％以上で処理すると、ＲＯ膜装置の濃縮水のシリカ濃度は１０倍濃縮で２００ｍｇ／Ｌ程度となる。一方で、シリカの飽和溶解度は図６に示す通りであることから、２００ｍｇ／Ｌでは濃縮水中にシリカが析出し、シリカスケールによるＲＯ膜閉塞の問題が懸念される。
【００１８】
しかし、本発明者らの研究により、ＲＯ膜でのシリカスケールが析出する濃度は図６の破線に示す通りであり、ｐＨ３．０〜５．５であれば、飽和溶解度を超えてシリカが析出してもＲＯ膜に付着することはなく、例えば、ｐＨ３．０ではシリカ濃度５００ｍｇ／Ｌでもスケールの析出はなく、膜閉塞による透過水量の低下の問題はないことが見出された。また、このようにｐＨ酸性とすることで、炭酸カルシウム等のアルカリ領域で発生するスケールの問題も回避される。
【００１９】
従って、本発明によれば、ＲＯ膜装置における水回収率を高めてもスケール障害等を引き起こすことなく、電気脱イオン装置における導電率を確保して高水質の処理水を得ることができる。
【００２０】
本発明では、ＲＯ膜装置の透過水中にイオンをリークさせることにより、電気脱イオン装置の濃縮水及び／又は電極水の導電率を５０μＳ／ｃｍ以上とすることが好ましい。
【００２１】
なお、前述の如く、本発明ではシリカスケールを防止できることから、本発明はシリカ濃度２０ｍｇ／Ｌ（ＳｉＯ_２換算）以上というようなシリカ濃度の高い被処理水の処理に有効である。
【００２２】
本発明においては、ＲＯ膜装置に導入される水、またはＲＯ膜装置の透過水を脱ガス装置で処理することが好ましく、これにより電気脱イオン装置で除去し難い炭酸ガスを予め除去して電気脱イオン装置に導入される水の炭酸ガス（ＣＯ_２）濃度を１ｍｇ／Ｌ以下とすることにより、電気脱イオン装置におけるＣＯ_２以外のシリカ、ホウ素等の弱電解質の除去率も向上し、より一層高水質の処理水を得ることができる。
【００２３】
【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。
【００２４】
図１は本発明の純水の製造方法の実施の形態を示す系統図である。
【００２５】
図示の方法では、市水等の原水を活性炭装置１で処理した後、ＨＣｌ等の酸を添加してｐＨ３．０〜５．５に調整し、これを脱ガス装置４で処理し、次いでＲＯ膜装置２及び電気脱イオン装置３で順次処理して処理水を得る。
【００２６】
このような純水製造装置で処理するに当たり、本発明においてはＲＯ膜装置２の被処理水のｐＨ３.０〜５.５、水回収率９０％以上、塩類リーク率５％以上で処理を行う。
【００２７】
ＲＯ膜装置２の被処理水のｐＨが５.５を超えるとシリカスケールで経時によりＲＯ膜装置の透過水量が低減する。このｐＨが３．０未満の強酸性ではｐＨ調整のための薬剤コストの高騰、装置腐食等の問題があり好ましくない。
【００２８】
なお、ｐＨ調整に用いる酸としては、特に制限はないが、塩類リーク率５％以上を確保するために一価の酸、例えばＨＣｌが好適である。
【００２９】
また、ＲＯ膜装置の水回収率が９０％未満では塩類リーク率５％以上を達成することが難しく、電気脱イオン装置における導電率を確保し得ない。
【００３０】
この水回収率は過度に高いとＲＯ膜装置の透過水の導電率が高くなり過ぎ、ＲＯ膜装置による前処理の効果が損なわれるため、原水の水質にもよるが、ＲＯ膜装置の水回収率は特に９０〜９５％で、塩類リーク率５〜２５％程度で導電率５〜４０μＳ／ｃｍ程度の透過水を得ることが望ましい。
【００３１】
本発明においては、このようにＲＯ膜装置の水回収率９０％以上で塩類リーク率５％以上として、好ましくは導電率５μＳ／ｃｍ以上、より好ましくは１０μＳ／ｃｍ以上の透過水を得るために、次のような条件を採用することが好ましい。
【００３２】
原水水質：導電率１５０〜２００μＳ／ｃｍ程度の市水、工水。なお、前述のシリカスケール防止効果の面から、本発明は、特に、シリカ濃度２０ｍｇ／Ｌ以上、とりわけ２５ｍｇ／Ｌ以上の原水に有効である。
ＲＯ膜装置のＲＯ膜：脱塩率９９％以上のＲＯ膜。
【００３３】
また、このような透過水を処理して電気脱イオン装置において濃縮水及び／又は電極水の導電率を５０μＳ／ｃｍ以上、好ましくは１００〜５００μＳ／ｃｍ、電極室の電気抵抗を２Ω（Ｖ／（Ａ／ｍ^２））以下とするために、電気脱イオン装置においては水回収率７５〜９０％程度で処理を行うのが好ましい。
【００３４】
このような運転条件で処理を行うことにより、電気脱イオン装置の電極水供給水に電解質を注入したり、電極室内にイオン交換体を充填することなく、高い電流効率で処理を行うことが可能となる。
【００３５】
なお、図１に示す純水製造装置は、本発明の実施の形態の一例であって、本発明で用いる純水製造装置の構成は、その要旨を超えない限り、何ら図示のものに限定されるわけではない。
【００３６】
例えば、ＲＯ膜装置を２機以上用い、これを直列に配置しても良い。この場合には、電気脱イオン装置のカルシウムスケール負荷軽減、スライム発生防止等による処理運転の安定化、水質向上（シリカ、比抵抗）という効果が奏される。また、脱ガス装置は必ずしも必要とされないが、脱ガス装置を設けて電気脱イオン装置で除去し難いＣＯ_２を予め除去することにより、処理水の水質を高めることができ、有利である。脱ガス装置は、図１に示す如く、ＲＯ膜装置の前段に設けても良く、ＲＯ膜装置の後段に設けても良いが、脱ガス装置に導入される水のｐＨが酸性領域であることが重要である。脱ガス装置による処理は、電気脱イオン装置の給水のＣＯ_２濃度が１ｍｇ／Ｌ以下となるように行うのが好ましい。
【００３７】
【実施例】
以下に実験例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３８】
実験例１
ＲＯ膜装置として下記仕様のものを用い、下記水質の水を原水として表１に示す水回収率で処理を行った。
［ＲＯ膜装置の仕様］
栗田工業（株）製「膜エースＫＮ２００」
ＲＯ膜として日東電工（株）製「ＮＴＲ７５９」
（脱塩率９９％）を装填。
［原水水質］
シリカ濃度：３０ｍｇ／Ｌ
導電率：１５０μＳ／ｃｍ
ｐＨ：５．０
【００３９】
各水回収率におけるＲＯ膜装置の流入水、濃縮水、透過水の導電率、塩類リーク率は表１に示す通りであり、水回収率９０％以上で処理を行うことにより、塩類リーク率５％以上で透過水の導電率５〜１０μＳ／ｃｍ以上を確保できることがわかる。
【００４０】
【表１】

【００４１】
実験例２
実験例１において、原水のｐＨを表２に示す通り変え、水回収率９５％で同様に処理を行った。１０日間処理を維続したときの運転圧力の上昇率（運転初期の圧力に対する１０日間運転後の圧力上昇割合）を求め、結果を表２に示した。また、１０日間運転後のＲＯ膜装置のＲＯ膜を取り出し、シリカスケールの付着の有無を調べ、結果を表２に示した。
【００４２】
【表２】

【００４３】
表２により、ｐＨ５．５以下であれば、水回収率９０％以上でもシリカスケールによる透過水量の低下の問題はないことがわかる。
【００４４】
実施例１
下記の活性炭装置、脱ガス装置、ＲＯ膜装置及び電気脱イオン装置を図１に示すように直列に設置した純水製造装置を用い、表３に示す水質の市水を原水として１００Ｌ／ｈｒで処理した。
【００４５】
【表３】

【００４６】

【００４７】
上記電気脱イオン装置のイオン交換膜として下記のものを用い、また、脱塩室に充填するイオン交換樹脂として下記のアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とをアニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝６：４（体積比）で混合したものを用い、図２に示すような電気脱イオン装置を組み立てた。なお、アニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂は超純水で十分に洗浄したものを用いた。
アニオン交換膜：（株）トクヤマ製「ネオセプタＡＨＡ」
カチオン交換膜：（株）トクヤマ製「ネオセプタＣＭＢ」
アニオン交換樹脂：三菱化学（株）製「ＳＡ１０Ａ」
カチオン交換樹脂：三菱化学（株）製「ＳＫ１Ｂ」
【００４８】
活性炭装置の流出水にはＨＣｌを添加してｐＨ３．５に調整した。また、ＲＯ膜装置の水回収率は９５％とし、電気脱イオン装置の水回収率は９０％、印加電圧３０Ｖ、電流０．５Ａとした。
【００４９】
このときの電気脱イオン装置の給水（ＲＯ膜装置の透過水）、濃縮水及び脱イオン水の水質は表３に示す通りであり、高水質の処理水を得ることができた。また、このときの電気脱イオン装置の電極室の電気抵抗は０．５Ω（Ｖ／（Ａ／ｍ^２））であった。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の純水の製造方法によれば、ＲＯ膜装置と電気脱イオン装置で構成される純水製造装置において、スケール障害を引き起こすことなく、電気脱イオン装置における導電率を確保して脱塩に必要な電流値を十分に高め、低電力で高水質の処理水を高い水回収率にて安定に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の純水の製造方法の実施の形態を説明する系統図である。
【図２】一般的な電気脱イオン装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図３】一般的な純水製造装置の系統図である。
【図４】電気脱イオン装置における濃縮水の導電率と電気抵抗との関係を示すグラフである。
【図５】ＲＯ膜装置の水回収率と塩類リーク率との関係を示すグラフである。
【図６】シリカの飽和溶解度を示すグラフである。
【符号の説明】
１活性炭装置
２ＲＯ膜装置
３電気脱イオン装置
４脱ガス装置

Claims

逆浸透膜装置と電気脱イオン装置とを有し、該逆浸透膜脱塩装置の透過水を該電気脱イオン装置に供給するようにした純水の製造方法において、
該逆浸透膜装置にｐＨ３．０〜５．５の被処理水を導入し、該逆浸透膜装置において、水回収率９０％以上、塩類リーク率５％以上で処理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、該逆浸透膜装置に導入される水、又は該逆浸透膜装置の透過水を脱ガス装置で処理することにより、該電気脱イオン装置に導入される水の炭酸ガス濃度を１ｍｇ／Ｌ以下と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、該電気脱イオン装置の濃縮水及び／又は電極水の導電率が５０μＳ／ｃｍ以上であることを特徴とする純水の製造方法。
請求項１ないし３のいずれか１項において、該被処理水のシリカ濃度が２０ｍｇ／Ｌ（ＳｉＯ_２換算）以上であることを特徴とする純水の製造方法。