JP5050372B2 - イオン交換樹脂装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン交換樹脂が容器内に充填されてなるイオン交換樹脂装置に関し、特にボンベ型の耐圧容器にイオン交換樹脂が充填されてなる、いわゆるカートリッジ式のイオン交換樹脂装置に関する。

従来、純水製造装置として、密閉可能な容器の内部にイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂装置が知られている（例えば特許文献１）。図４は、従来例に係るイオン交換樹脂装置９０の内部構造を示す一部断面模式図である。

イオン交換樹脂装置９０は、耐圧性の容器１０内部にイオン交換樹脂５０が充填されて構成され、ヘッド部１１を上にした状態で設置される。水道水等のイオンを含む被処理水は、ヘッド部１１に形成された水入口１２から容器１０内に導入される。容器１０内に導入された被処理水は、容器１０内部を下向に移動する際に容器１０内のイオン交換樹脂５０と接触し、イオンが除去された脱イオン水が生成される。脱イオン水は、集水器３０Ｂを介して集水管２０内へ入り、水出口１３から容器１０外へ取り出される。

このようなイオン交換樹脂装置９０は、「ボンベ型」とも称され、容器１０ごと取り外して移動させることが容易であり、カートリッジ式イオン交換樹脂装置として普及している。容器１０内部には、使用目的に応じてアニオン交換樹脂またはカチオン交換樹脂が単独または混合されて充填され、１または２以上のイオン交換樹脂装置９０が直列または並列に接続されて使用される。

イオン交換樹脂のイオン交換能力は、一定量の被処理水を脱イオン処理することで失われ、イオン交換能力を失ったボンベ型のイオン交換樹脂装置９０は容器１０ごと交換される。使用済みのボンベ型のイオン交換樹脂装置９０は、再生工場または現場の再生設備等に運ばれ、薬品を用いて再生される。
特公平３−６４１９５号公報

本発明者らは、上記のボンベ型のイオン交換樹脂装置の容器内部での水の流れを調べたところ、容器の底面付近に水の流れが非常に遅い部分が存在することを発見した。このように水の流れが悪い部分（以下、「停滞部」）では、水が滞留するため、停滞部にあるイオン交換樹脂のイオン交換能力はほとんど利用されない。このような停滞部の存在は、容器あたりのイオン交換樹脂充填量に対する採水量（イオン交換樹脂装置の使用開始から、イオン交換能力低下による使用終了までの間に得られる脱イオン水量）を低下させる原因となる。

本発明は、上記課題を得て完成されたものであり、ボンベ型のイオン交換樹脂装置について、充填樹脂量あたりの採水量を増加させることを目的とする。本発明は特に、簡単な構造で、充填樹脂量あたりの採水量を増加させることを目的とする。

本発明は、イオン交換樹脂が充填される容器内部に、集水器の周囲を覆うカバーを設けることにより、容器底部での水の流れを変化させ、停滞部を解消させる。より具体的には、本発明は以下を提供する。

（１）開口が形成された開口端面および該開口端面に対向する底面を備えイオン交換樹脂が内部に充填される容器と、該容器内に設けられ該開口端面側から該底面側に延びる集水管と、該集水管の該底面側端縁に接続され、中央部が外側に突出し先端が円板状の底面側の端面を有する略円錐形の円錐部分及び複数の細隙が形成された略円筒形の円筒部分を有する集水器と、を含むイオン交換樹脂装置であって、一端面が開口した円筒形で、上から流れてきた水が前記集水器の側面から直接、前記集水器の内部に入ることを防止できるように、前記一端面が前記集水器の円筒部分と円錐部分との境界とほぼ同じ位置にくるように前記集水器を取り囲むように配置されたカバーをさらに含み、前記集水器の先端と前記容器の底面との距離は、１〜１０ｍｍであるイオン交換樹脂装置。
（２）前記集水器の前記円筒部分と前記カバーとの間の距離は１０〜１５ｍｍである請求項（１）に記載のイオン交換樹脂装置。
（３）前記カバーの前記底面側端縁と前記容器の底面との距離は、２５ｍｍ以下である（１）または（２）に記載のイオン交換樹脂装置。

本発明は、いわゆるボンベ型のイオン交換樹脂装置に適用される。容器には、一端面に開口が形成され、被処理水および脱イオン水が同じ側の端面から導入または取り出される。容器は、好ましくは細長い略円柱形で、開口端面を上側、底面を底として設置される。

本発明に係るイオン交換樹脂装置においては、集水器は開口端面側から底面近傍に延びる集水管の底面側端縁（先端）に接続され、容器底面近傍に存在する。集水器はイオン交換樹脂と水とを分離する細隙が形成された分離面を有する立体形状のものであればよい。

分離面には、イオン交換樹脂を透過させない程度の細かい隙間が形成されていればよく、例えば細隙として複数の細かいスリットが形成された面、網体で構成されたメッシュ状の面、および細孔を有する面等が挙げられる。分離面で囲まれた内部には、イオン交換樹脂と分離された脱イオン水が一時的に滞留する貯水部が形成され、貯水部に集水管の先端が接続されていればよい。

集水器は、底面に近づけて配置することが好ましく、具体的には底面に近い側の端部（先端）が底面から２５ｍｍまたはそれより底面に近い距離であることが好ましい。より具体的には、底面から集水器先端までの距離は１〜１０ｍｍであることが好ましい。

カバーは、上から流れてきた水が集水器の側面から直接、集水器内部に入ることを防止できるものであればよい。カバーは、集水器の側面をぐるりと取り囲む連続的な面を備えるものであれば形状は限定されない。カバーは、集水器の底面側端面を覆うことがないように集水器の底面側端面に対応する部分が開口していることが好ましい。

カバーの形状としては、例えば、複数の平板の側縁同士を接続して構成され水平断面が四角形、六角形、または八角形等の多角形をなす多角形の筒、水平断面が円形（楕円を含む）の円筒等が挙げられる。なお、「連続的な面」とは実質的に隙間がない面であることを意味するが、上から流れてきた水が集水器の側方から集水器に入ることを妨害する邪魔板として機能する範囲で、面の一部に切れ目や継ぎ目等の不連続な部分があってもよい。

集水器の側面とカバーとの間の距離は、５〜２０ｍｍ程度、特に１０〜１５ｍｍ程度であることが好ましい。かかる距離であれば、集水器とカバーとの間、およびカバーと容器内壁の間で水を良好に流動させることができる。カバーは、集水器と同様に容器の底面に近い位置に配置することが好ましく、カバーの底面側の端縁と底面との間の距離は２５ｍｍ以下、特に容器内のライニングを傷つけないようにすることも考慮すると１〜１０ｍｍであることが好ましい。

本発明によれば、集水器の周囲を取り囲むカバーを設けることで、容器の上方から流れてきた水がカバーを伝って容器の底面近傍に達することができる。このため、従来は容器の底部に形成されていた停滞部を解消し、容器内部に充填されたイオン交換樹脂を最大限、活用できる。このため、イオン交換樹脂装置のイオン交換能力を高め、充填樹脂量あたりの採水量を増やすことができ、イオン交換樹脂装置の寿命を長期化し、交換頻度を少なくできる。

以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。本明細書において、同一部材については同一符号を付し、説明を省略または簡略化する。

図１は、本発明の一実施形態に係るイオン交換樹脂装置１の内部構造を示す一部断面模式図である。図２は、イオン交換樹脂装置１内部の一部を拡大して示す模式図である。イオン交換樹脂装置１は、縦長のボンベ状容器１０と、容器１０の内部に配置され容器１０内を縦断するように延びる集水管２０と、集水管２０の一方の端縁（先端）に接続された集水器３０と、集水器３０の側面を覆うように配置されたカバー４０と、容器１０内に充填されたイオン交換樹脂５０と、を備える。

容器１０の片側端面は開口し、開口を覆うヘッド部１１が設けられている。ヘッド部１１には、水入口１２および水出口１３が形成され、水出口１３の内側に集水管２０の他方の端縁が接続されている。イオン交換樹脂装置１は、ヘッド部１１が設けられた端面（開口端面）を上側とし、開口端面と対向する側の端面を底面として設置される。

本実施形態の容器１０は、開口端面から底面までの高さが約１３３ｃｍ、直径が３２５ｍｍ、容積９３Ｌであるが、容器１０の大きさはこれに限定されるものではない。容器１０の材質は、金属溶出のおそれが少ないものが好ましいが、強度確保のためにステンレス合金等の金属溶出のおそれが比較的少ない金属製としてもよい。また、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等も好適に使用できる。

容器１０内部には、イオン交換樹脂５０が充填されてなるイオン交換樹脂層が形成されている。イオン交換樹脂５０を再生すると、容器１０内に充填されたイオン交換樹脂５０の容積が変化するため、イオン交換樹脂層と開口との間に、空洞部１６が設けられている。本実施形態では、イオン交換樹脂層の最上面と開口までの間の距離は３０ｃｍ程度であり、この空洞部１６に散水器１５が配置されている。散水器１５は、筒状のものとしているが、他に、容器１０内部に面状に拡がる略円盤状の散水板等、任意のものを使用できる。

集水管２０は、容器１０の略中央を鉛直方向に延び、先端は底面近くに達する。集水器３０は、この例では分離面として多数のスリット３１が形成された側面を有する略円柱形であり、集水器３０の底面側の端面（以下、「先端面」）は、中央部が外側に突出する略円錐形となっている。ただし、円錐の先端は尖らず平らで、具体的には直径約２ｃｍの円板状としている。このようにすることにより、集水器３０をイオン交換樹脂５０が充填された容器１０内に容易に入れることができ、かつ、集水器３０を容器１０に入れる際等に、集水器３０先端で容器１０内のライニングを傷つけるおそれを回避できる。

この実施態様では、集水器３０の円筒形部分の長さは約８ｃｍ、円錐の高さは約１．５ｃｍ、直径は約６ｃｍである。集水器３０の内部には、集水管２０が接続される貯水部が形成されており、スリット３１を通過した水は貯水部を経由して、集水管２０に入るように構成されている。

スリット３１を有する側面（分離面）は、集水管２０の延伸方向と略平行に拡がっている。この例では、スリット３１は、幅約０．２ｍｍで水平に延び、スリット同士の間隔はイオン交換樹脂５０の再生時に再生薬品を同じ流量で出せるように１〜５ｍｍ程度、具体的には約３ｍｍ間隔としている。ただし、分離面に形成される細隙は、イオン交換樹脂を透過させないものであればこれに限られず、メッシュ、小孔等任意の形状であってよい。

集水器３０は、先端部分が容器１０の底面から２５ｍｍ以内、具体的には約５ｍｍ離れた位置にある。集水器３０の形状、および大きさはこれに限定されるものではなく、例えば、集水器３０として、先端が略円錐形の本実施形態のものに代えて全体が円筒状のものを用いてもよい。また、円筒形以外の形、例えば１６面体等の多面体等としてもよいが、容器１０本体が本実施形態のように円筒形である場合は特に円筒形であることが好ましい。いずれの場合においても、集水器の先端面は、底面から２５ｍｍ以内にあることが好ましい。

また、集水器３０の数は１つに限定されるものではないが、本実施形態のような小型のイオン交換樹脂装置１では集水器３０は一つで足りる。集水器を複数、設ける場合、カバーを複数設けて各々が各集水器を覆うようにしてもよく、全体を覆うカバーを一つ設けてもよい。

集水器３０の先端面と反対側の端面（以下、「基端面」）は、取付板２３と接している。取付板２３は、集水器３０の水平断面より２０〜４０ｍｍ程度大きい直径を有する略円盤状である。本実施形態では、取付板２３の直径は約９ｃｍであるが、これに限定されない。取付板２３には略円筒形のカバー４０が取り付けられており、取付板２３の円形の周辺部からカバー４０が容器１０の底に向かって延びている。

カバー４０は、容器１０の底面に近い側の端縁（以下、「先端」）が集水器３０の円筒部分と円錐部分との境界とほぼ同じ位置に来るように延びており、先端縁は底面から約１５ｍｍ離れた位置にある。カバー４０は、集水器３０の円筒形部分の側面を取り囲んでおり、取付板２３と接続された端縁（以下、「基端」）から先端までの長さは８ｃｍ程度である。カバー４０の内壁から集水器３０の側面までの直線距離は、本実施形態では約１０ｍｍであるが、これに限定されず、好ましくは５〜２０ｍｍ程度とする。

本実施形態では、集水器３０の先端面がカバー４０で覆われることがないようにカバー４０の端面は開口している。これにより、容器１０の底に達した水はカバー４０の開口部からカバー４０の内側に入り込む。ただし、カバー４０の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、カバー４０が集水器３０の先端面の一部を覆うような面を有することは本発明の範囲から排除されない。

カバー４０の材質は特に限定されないが、金属イオンが溶出するおそれの少ない材質、例えばポリプロピレンおよびポリエチレン等の合成樹脂を使用できる。容器１０内部の他の構成部材、すなわち集水管２０、集水器３０、および取付板２３も同様の素材で構成できる。

このようなイオン交換樹脂装置１には、図１に示すようにイオンを含む水道水等が被処理水として水入口１２から容器１０内へ導入される。水入口１２から容器１０内部に導入された被処理水は、散水器１５により容器１０の水平断面全体に拡がってイオン交換樹脂層に入り、イオン交換樹脂５０の間を下向きに、つまり開口端面側から底面側へ移動する。このため、容器１０の下部には、被処理水がイオン交換されて生成された脱イオン水が集まる。本実施形態の容器１０は耐圧性であり、被処理水を加圧状態で導入することにより、脱イオン水を集水器３０の内部へ圧力により流入させ、集水管２０を介して水出口１３から取り出す。

本発明に係るイオン交換樹脂装置１では、集水器３０を取り囲むカバー４０が邪魔板として機能し、上方から流れてきた水は、集水器３０側方から直接、集水器３０に入り込まず、カバー４０を伝って底面に達する。図３は、本実施形態に係るイオン交換樹脂装置１の容器１０内部での水の挙動を示す模式図であり、図５は、従来のイオン交換樹脂装置９０の容器１０内部での水の挙動を示す模式図である。

図５に示すように、従来のイオン交換樹脂装置９０では、上方から流れてくる水は、略円筒形の集水器３０Ｂの側面から直接、集水器３０Ｂ内部に入る。このため、図において斜線で示した部分は、水の流れが少ない停滞部となり、この部分のイオン交換樹脂５０が利用されない。

一方、本実施形態によれば、図３に示すように、集水器３０がカバー４０に取り囲まれているため、上方から流れる水はカバー４０に沿って従来例より下方へ流れる。特に、本実施形態では、集水器３０およびカバー４０が従来例に比べて底面に近い位置に配置されていることから、水は底面にまで達する。カバー４０と底面との間には１５ｍｍ程度の隙間Ｓが開いており、底面に達した水はこの隙間Ｓからカバー４０と集水器３０との間に入り込む。カバー４０と集水器３０との間に入り込んだ水は、集水器３０の内部へ流入し、集水管２０内を上方、すなわち開口端面側に流れ、水出口１３から容器１０外へ取り出される。

このように、本発明によれば、集水器３０を取り囲むカバーを設けるという、簡易な手段により、ボンベ型の容器１０の底部における水の停滞を防止し、底部に充填されたイオン交換樹脂を最大限、利用できる。このため、本発明によれば充填樹脂量あたりの採水量を増やすことができる。

以下、実施例に基づき、本発明についてさらに詳細に説明する。

［実施例］
実施例として、図１に示した上記実施形態に係るイオン交換樹脂装置１を用いて通水試験を行なった。容器１０には、イオン交換樹脂として、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを容積比１：２の割合で混合して１．０ｍの高さまで充填した。被処理水として水道水（電気伝導率１５ｍＳ／ｍ）を通水し、集水管２０を介して取り出される処理水（脱イオン水）の目標水質を電気伝導率０．１ｍＳ／ｍとし、処理水の水質が目標水質を維持できる時間を求めた。その結果、実施例では、通水時間が８時間を経過しても処理水水質の悪化は認められず、通水開始後１０時間まで処理水水質は目標値を維持できた。

［比較例］
比較例として、図４に示した従来例に係るイオン交換樹脂装置９０に、実施例と同じ種類の樹脂を同じ充填量で充填した。イオン交換樹脂装置９０は、集水器３０Ｂを取り囲むカバーがない点、および集水器３０Ｂの先端が平らでなく尖っており、集水器３０Ｂの先端から容器１０底面までの距離が３５ｍｍである点で、実施例に用いたイオン交換樹脂装置１と異なる。その他の条件は実施例と同様にして通水試験を行なったところ、通水開始後８時間を経過する頃から処理水水質が悪化し、約９時間経過後で処理水の電気伝導率が０．１ｍＳ／ｍを超え、目標水質が維持できなくなった。

図６に実施例および比較例の処理水質の経時変化を示す。図６において、実施例の処理水質は実線で示し、比較例の処理水質は破線で示す。図６に図示されるように、本発明によれば処理水の目標水質を維持できる時間が約１０％長くなることが示され、充填樹脂量あたりの採水量を１０％程度多くできることが示された。

本発明は、純水製造装置に用いられるイオン交換樹脂装置に用いることができる。

本発明の一実施形態に係るイオン交換樹脂装置の模式図である。 図１のイオン交換樹脂装置の一部拡大図である。 前記実施形態に係るイオン交換樹脂装置における水の挙動を示す図である。 従来例に係るイオン交換樹脂装置の模式図である。 従来例に係るイオン交換樹脂装置における水の挙動を示す図である。 実施例および比較例の結果を示す図である。

符号の説明

１、９０ イオン交換樹脂装置
１０ 容器
２０ 集水管
２３ 取付板
３０ 集水器
４０ カバー
５０ イオン交換樹脂

Claims (3)

1. 開口が形成された開口端面および該開口端面に対向する底面を備えイオン交換樹脂が内部に充填される容器と、該容器内に設けられ該開口端面側から該底面側に延びる集水管と、該集水管の該底面側端縁に接続され、中央部が外側に突出し先端が円板状の底面側の端面を有する略円錐形の円錐部分及び複数の細隙が形成された略円筒形の円筒部分を有する集水器と、を含むイオン交換樹脂装置であって、
   一端面が開口した円筒形で、上から流れてきた水が前記集水器の側面から直接、前記集水器の内部に入ることを防止できるように、前記一端面が前記集水器の前記円筒部分と前記円錐部分との境界とほぼ同じ位置にくるように前記集水器を取り囲むように配置されたカバーをさらに含み、
   前記集水器の先端と前記容器の底面との距離は、１〜１０ｍｍであるイオン交換樹脂装置。
2. 前記集水器の前記円筒部分と前記カバーとの間の距離は１０〜１５ｍｍである請求項１に記載のイオン交換樹脂装置。
3. 前記カバーの前記底面側端縁と前記容器の底面との距離は、２５ｍｍ以下である請求項１または２に記載のイオン交換樹脂装置。
   

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