JP4874831B2 - 円筒型脱塩器 - Google Patents

Description

本発明は、イオン成分を含有する高温水の水処理装置に関し、特に、原子炉冷却材等の高温水中に含まれるイオン成分を除去する電気透析方式の円筒型脱塩器に関する。

原子力発電所の原子炉冷却材として、例えば、軽水炉では水が用いられるが、この原子炉冷却材（以下、「炉水」という。）中には、原子炉構造物から生成される腐食生成物や放射線分解生成物、混入物として鉄、コバルト及び塩素等の化合物やイオン、さらには微量の金属酸化物等の固形分が含まれており、常時これらの不純物を浄化装置でろ過脱塩処理を行うことによって除去している。

現状の原子力発電所の多くは、ろ過脱塩処理にイオン交換樹脂を用いているが、炉水の温度が２８０℃であるのに対し、イオン交換樹脂の耐熱温度が６０℃以下と低く、このため、炉水を脱塩処理する前に冷却する工程が必須となっている。これに伴う熱エネルギーの損失は膨大で、試算では１０００ＭＷ級の原子力発電所ではその損失は約４．１ＭＷとされている。

このため、高温水でも使用できるイオン交換樹脂の開発が進められており、例えば、特許文献１及び２には、浄化装置にアニオン交換体等の耐熱性に優れたイオン交換樹脂を用いることが記載されている。しかしながら、イオン交換樹脂は一定期間毎に交換されるため、原子力プラントでは放射性廃棄物が多量に発生することになり、そのため大規模な廃棄物処理施設が必要となる。

また、イオン交換樹脂を使用しない方法として、電気透析方式を用いた脱塩処理法が知られている。この電気透析方式の脱塩処理法では、原子力プラントの高温水に対応するために、特許文献３に示されているように、導電性セラミックスフィルタからなる１対の平行平板状の隔膜を用いて電気透析脱塩を行う方法が考案されている。

この従来の１対の平行平板状の隔膜を用いた電気透析脱塩器の概要を図６の模式図を用いて説明する。
脱塩器１は、被処理水の導入経路２と、直流印加を行う一対の平行平板状の電極７と、該電極７間に配置される１対の平行平板状の隔膜４と、該隔膜４間に配置され、被処理水が導入される脱塩部５と、脱塩部５から排出される脱塩処理水３の排出経路と、前記隔膜４と電極７に間に配置される濃縮部６と、該濃縮部６に設けられる濃縮部洗浄水８の導入経路と、濃縮部排出水９の排出経路と、から構成されている。

前記脱塩器１は、図６に示した電極７へ直流電圧を印加することによって脱塩が行われる。脱塩器１を囲繞する筐体（図示せず）と電極７、前記筐体と隔膜４、電極７と隔膜４、および対を成す隔膜４は、それぞれ電気的に絶縁されている。

また、脱塩部５および濃縮部６に満たされる液は、脱塩器１の内部において、濃縮部洗浄水８の導入経路および隔膜４以外の場所から液体が混ざり合わないことが望ましい。電極７は、脱塩時に脱塩処理水に電極７の構成成分が溶出しにくい材質で、かつ、脱塩器１の運用温度、電流電圧域で安定に使用できるものが選定される。一対の隔膜４は、脱塩器１の内部において、電極７と平行に配置され、金属、合金系等の素材で、その構成成分が脱塩運用環境で溶出、腐食しないものが選定される。

さらに、脱塩器１を構成する隔膜等の素材は、高温下で運用可能な素材で構成することにより、脱塩器の前後で温度操作をすることなく、高温の被処理水中のイオン成分を除去できる。

被処理水２に含まれるイオン成分は、脱塩器１の内部で、電極７によって印加される電位勾配によって、脱塩部５と接する隔膜４を透過し濃縮部６へ電気泳動により移動し、その結果、脱塩器１よりイオン成分が除去された脱塩処理水３が排出経路へ排出される。

一方、濃縮部６へ移動したイオン成分は濃縮部排出経路を通じて脱塩器１の外へ排出される。また、図示はしないが、脱塩器１を並列に２つ以上配置し、少なくとも１つ以上の脱塩器をイオン成分除去用に使用し、他の脱塩器をその間洗浄操作することにより、被処理水のイオン成分除去と脱塩器の洗浄を連続的に実施し、脱塩器の稼働率を向上させるようにしてもよい。

脱塩操作を停止して脱塩器の洗浄操作を実施する際、洗浄操作を行う脱塩器１に配置される電極７の極性を、脱塩操作時の極性と逆となるよう直流印加を行うことで、脱塩時に電極７に析出物等が生じた場合の、析出物の溶出洗浄が行われ、脱塩性能を回復することができる。

しかしながら、この１対の平行平板状の電極及び隔膜を用いた電気透析脱塩器は、平板状の一対の隔膜が使用されるため、平板形状の隔膜端部において液シールを行う必要があること、また、絶縁構造を保つ必要から、隔膜毎に全ての隔膜縁部にシール・絶縁等の構造を設ける必要があり、脱塩セル内部の構造が複雑となっていた。

近年、この問題に対処するために、平行平板状の隔膜を用いずに、円筒状の隔膜を用いる試みがなされている（特許文献４）。
特許文献４に記載の円筒型脱塩器を図７を用いて説明する。この円筒型脱塩器は、容器本体４１とフランジ４２からなる筐体４０、中心電極４３、中心電極４３の外周に配置された同心状の二つの円筒状の隔膜４５、４６、前記隔膜４６の外周に配置された円筒状の外側電極４４、送水管４７、排水管４８より構成され、被処理水５１は送水管４７から流入し、２つの電極間で溶解性不純物が除去され後、排水管４８から処理水５２が排出される。

そして、２つの電極４３、４４及び２つの隔膜４５、４６は、絶縁部材４９、５０に設けられた溝に嵌合固定されることにより、それぞれ互いに絶縁されかつ位置決めされた上、組み立てられる。
特開平７−２８９９２３号公報 特開２００３−８８８１５号公報 特許第２９４７８４９号公報 特開２００６−１３６８４６号公報

従来の円筒型脱塩器（図７参照）を組み立てるには、絶縁部材４９、５０と隔膜、電極等の位置関係を目視しながら、部材間のシール性、絶縁性を確認しつつ組み立てる必要があり、作業が複雑で時間を要するものであった。さらに、脱塩器が大型化するにつれて、組立の際の各部材の微調整等が困難となり、組立作業がさらに複雑かつ時間を要するものとなっていた。

そのため、本発明は、絶縁性及びシール性を確実に維持することができるとともに、脱塩器の大型化にも対応できる組立が簡単な円筒型脱塩器を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、イオン成分を含有する高温の被処理水を処理する円筒型脱塩器において、同心状に配置された円筒状の内周隔膜及び外周隔膜と、前記内周隔膜の内側に内周濃縮部を介して配置された円筒状の中心電極と、前記外周隔膜の外側に外周濃縮部を介して配置された円筒状の外周電極と、前記内周膜と外周隔膜との間に設けられ被処理水が導入される脱塩部と、前記外周隔膜を保持する外周隔膜上部構造体及び外周隔膜下部構造体と、前記内周隔膜を保持する内周隔膜上部構造体及び内周隔膜下部構造体と、を備え、前記中心電極の下部に設けられた隔膜間構造体は、当該中心電極を所定位置に保持するとともに前記外周隔膜下部構造体と前記内周隔膜下部構造体を相互に接触しないように所定位置に保持することを特徴とする。

本発明によれば、高温下でのイオン除去が可能で、絶縁性及びシール性を確実に維持することができるとともに、脱塩器の大型化にも対応できる組立が簡単な円筒型脱塩器を提供することができる。また、これにより、放射性廃棄物の発生を少なくできるとともに、原子力プラントの熱損失の低減を図ることができる。

以下、本発明に係る円筒型脱塩器の実施の形態について、図１乃至図５を参照して説明する。
なお、以下に示す実施例は、本発明の形態を限定するものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る円筒型隔膜構造体１０の模式図である。図１に示す円筒型隔膜構造体１０は、円筒状の隔膜１１の一方の端部に底部１２を、他方の端部に開口部１３を設けたものである。底部１２と開口部１３は、隔膜１１を固定し、固定した箇所から、隔膜１１の有する透水能と同等のシール性を有すればよい。隔膜１１を円筒状にする際に、円筒型隔膜構造体１０の強度を保つために、隔膜１１に接し、隔膜１１の内周あるいは外周に補強構造体を配置してもよい。図２に示すような円筒型隔膜構造体１０を用いることにより、隔膜を平板状とした場合に比べ、前記液の混合防止および絶縁箇所を少なくすることができ、大型化や高温運転に適した脱塩器を構成できる。

図２は、図１に示した円筒型隔膜構造体１０を用いた円筒型脱塩器２０の断面模式図である。図２に示した円筒型脱塩器２０は、その内部構造物として、直流印加を行う外周電極２１と、中心電極２２と、その間に配置された外周隔膜２３と、内周隔膜２４と、からなり、外周隔膜２３と内周隔膜２４の間に脱塩部２５を、また、外周隔膜２３の外側に外周濃縮部２６を、内周隔膜２４の内側に内周濃縮部２７を配置したものである。

円周型脱塩器２０の筐体３４と外周及び中心電極２１、２２、円筒型脱塩器２０の筐体３４と外周隔膜２３、円筒型脱塩器２０の筐体３４と内周隔膜２４、並びに外周隔膜２３と内周隔膜２４は、それぞれ電気的に絶縁されている。外周電極２１と中心電極２２は、脱塩処理時において、電極構成材成分が溶出しにくい材質で、円筒型脱塩器２０の運用温度、電流電圧域で安定に使用できるものが選定される。また、外周隔膜２３と内周隔膜２４は、円筒型脱塩器２０内部において、中心電極２２および外周電極２３と同心状に配置され、金属、合金系等の素材で、その構成成分が脱塩運転環境で溶出、腐食しないものが選定される。

さらに、図２中に示した円筒型脱塩器２０を構成する隔膜等の素材は、高温下で運転可能な素材で構成することにより、沸騰水型原子炉又は加圧水型原子炉に用いられる高温系統水、例えば復水器の下流側に配置される復水系、原子炉冷却材浄化系に使用することによって、脱塩器の前後で温度操作をすることなく、高温の被処理水中のイオン成分を除去でき、その結果、炉水浄化における炉水の温度操作に伴う熱損失の低減を図ることができる。

この第１の実施の形態に係る円筒型脱塩器２０の脱塩動作態様を説明する。
脱塩部２５において、脱塩部２５に導入される被処理液中のイオン成分は、円筒型脱塩器２０内部で、中心電極２２および外周電極２１によって印加される電位勾配によって、脱塩部２５と接する外周隔膜２３と内周隔膜２４を透過し脱塩部２５の外へ電気泳動により移動しイオン成分が除去される。

一方、脱塩操作を行わずに円筒型脱塩器２０の洗浄操作を実施する場合、洗浄操作を行う円筒型脱塩器２０に配置される中心電極２２および外周電極２１の極性を、脱塩操作時の極性と逆となるよう直流印加を行うことで、脱塩時に中心電極２２および外周電極２３に生じた析出物等の溶出洗浄が行われ、脱塩性能を回復することができる。

図３は、円筒型隔膜構造体１０の内部構造図である。径の異なる円筒型隔膜構造体１０として、外周隔膜２３と内周隔膜２４を配置し、この隔膜対の間に導入される被処理水２に含まれるイオン成分は、外周電極２１と中心電極２２を介して印加される直流電流によって与えられる電位勾配によって、イオン成分が除去される。

図４は、円筒型脱塩器２０の構造図で、図３に示した円筒型隔膜構造体１０をその内部に有している。図４に示した円筒型脱塩器２０において、被処理水２の導入経路は、外周隔膜２３および外周電極２１の外側から導入される構造となっている。

また、外周濃縮部２６および内周濃縮部２７には、それぞれの濃縮部への濃縮部洗浄水８の導入経路と、濃縮部排出水９の排出経路が設けられている。これらの導入経路および排出経路は、図４に示したように円筒型脱塩器２０内部において、円筒形の長さ方向の離れた位置に設けられている。

また、外周隔膜２３は、それぞれの端部を外周隔膜上部構造体２９と外周隔膜下部構造体３０とにより絶縁保持され、また、内周隔膜２４は、それぞれの端部を内周隔膜上部構造体３１と外周隔膜下部構造体３２とにより絶縁保持される。

図４に示した円筒型脱塩器２０の外周電極２１、中心電極２２、外周隔膜２３及び内周隔膜２４からなる円筒型隔膜構造体１０と、筐体３４の間の必要な箇所に、絶縁シール構造体２８が配置され、筐体３４および円筒型隔膜構造体１０との間を電気的に絶縁し、かつ、液密にシールし液体成分の混合を防止する。また、脱塩部２５、外周濃縮部２６、内周濃縮部２７に接続される液導入・排出経路となる配管も、この絶縁シール構造材によって、筐体３４と絶縁シールされる。

また、図４に示した隔膜間構造体３３は、外周隔膜下部構造体３０と内周隔膜下部構造体３２を相互に接触しないように所定位置に保持するとともに、中心電極２２を内周電極等と接触しないように所定位置を保持する機能を有することにより、同時に複数の機能を備えている。そして、この、隔膜間構造体３３は、外周隔膜下部構造体３０と内周隔膜下部構造体３２を介して外周隔膜２３と内周隔膜２４を所定位置に位置決めしながら絶縁シールを行い、かつ、中心電極も所定位置に保持しつつ絶縁シールするので、円筒型脱塩器２０の組立が大幅に簡素化される一方で、各部材間の絶縁性及びシール性を確実に維持することができるものである。

なお、図４における脱塩部２５への被処理水２の導入経路と、脱塩処理水３の排出経路については、図４と逆の流路としてもよい。
また、図４に示したように被処理水２の導入経路と脱塩処理水３の排出経路を円筒型脱塩器２０の同一端部に設けているが、これにより、円筒型脱塩器２０に導入排出される液の温度差を小さくし、同時に高温水を処理する際の脱塩器内の温度設定を容易にするとともに、特に、被処理水の漏洩を防ぐ必要がある場合には、円筒型脱塩器２０での開口箇所と溶接封止する箇所を離間させ、装置の保守や装置設置レイアウトなどを簡素化することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態を図５に示す。
図５は、図４に示した第１の実施の形態に係る円筒型脱塩器２０のうち、内周濃縮部２７における濃縮部洗浄水８の導入経路および濃縮部排出水９の排出経路を、 二重管構造としたものであり、その他は図５と略同一である。

このように構成された本第２の実施の形態において、円筒型脱塩器２０の内周濃縮部２７に供給される濃縮部洗浄水８と、濃縮部排出水９は、二重管で熱交換が行われるため、円筒型脱塩器２０の温度を適切に維持するとともに、円筒型脱塩器２０内に導入排出する液流路数を低減することにより、必要な絶縁シール構造体２８を減少させ、円筒型脱塩器２０の筐体３４の構造を単純化することができる。

本第２の実施の形態によれば、円筒型脱塩器２０の温度を適切に維持することが容易になり、沸騰水型原子炉又は加圧水型原子炉に用いられる高温系統水、例えば復水器の下流側に配置される復水系、原子炉冷却材浄化系に使用することによって、高温である被処理水を高温の状態のままでイオン成分の除去が可能となるとともに、原子力プラントの熱損失をより低減できる。

第１の実施の形態に係る円筒型隔膜構造体の模式図。 第１の実施の形態に係る円筒型脱塩器の断面構造の模式図。 第１の実施の形態に係る円筒型隔膜構造体の内部構造図。 第１の実施の形態に係る円筒型脱塩器の構造図。 第２の実施の形態に係る円筒型脱塩器の構造図。 従来の平行平板状隔膜を用いた脱塩器の模式図。 従来の円筒状薄膜を用い脱塩器の構造図。

符号の説明

１…脱塩器、２…被処理水、３…脱塩処理水、４…隔膜、５…脱塩部、６…濃縮部、７…電極、８…濃縮部洗浄水、９…濃縮部排出水、１０…円筒型隔膜構造体、１１…隔膜、１２…底部、１３…開口部、２０…円筒型脱塩器、２１…外周電極、２２…中心電極、２３…外周隔膜、２４…内周隔膜、２５…脱塩部、２６…外周濃縮部、２７…内周濃縮部、２８…絶縁シール構造体、２９…外周隔膜上部構造体、３０…外周隔膜下部構造体、３１…内周隔膜上部構造体、３２…内周隔膜下部構造体、３３…隔膜間構造体、３４…筐体、４０…筐体、４１…容器本体、４２…フランジ、４３… 中心電極、４４…外周電極、４５、４６…隔膜、４７、４８…送水管、４９、５０…絶縁部材、５１…被処理水、５２…処理水。

Claims (6)

1. イオン成分を含有する高温の被処理水を処理する円筒型脱塩器において、
   同心状に配置された円筒状の内周隔膜及び外周隔膜と、前記内周隔膜の内側に内周濃縮部を介して配置された円筒状の中心電極と、前記外周隔膜の外側に外周濃縮部を介して配置された円筒状の外周電極と、前記内周膜と外周隔膜との間に設けられ被処理水が導入される脱塩部と、前記外周隔膜を保持する外周隔膜上部構造体及び外周隔膜下部構造体と、前記内周隔膜を保持する内周隔膜上部構造体及び内周隔膜下部構造体と、を備え、
   前記中心電極の下部に設けられた隔膜間構造体は、当該中心電極を所定位置に保持するとともに前記外周隔膜下部構造体と前記内周隔膜下部構造体を相互に接触しないように所定位置に保持することを特徴とする円筒型脱塩器。
2. 被処理水が沸騰水型原子炉又は加圧水型原子炉に用いられる高温系統水であり、前記中心電極および外周電極は脱塩時に生じた析出物を溶出洗浄するときに脱塩操作時の極性と逆となるよう直流印加されることを特徴とする請求項１記載の円筒型脱塩器。
3. 脱塩処理水と前記被処理水の導入経路を、前記円筒型脱塩器の筐体の同一端部に設けることを特徴とする請求項１又は２記載の円筒型脱塩器。
4. 前記内周濃縮部と外周濃縮部に、処理液の排出経路と洗浄水の導入経路を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の円筒型脱塩器。
5. 被処理水導入経路及び/又は脱塩処理水導入経路を、外周電極の外側に配置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の円筒型脱塩器。
6. 前記外周電極、中心電極、外周隔膜及び内周隔膜からなる円筒型隔膜構造体と、筐体との間に絶縁シール構造体が配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の円筒型脱塩器。

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