JP5211414B2 - 超純水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は超純水製造装置に係り、特に、紫外線（ＵＶ）照射により有機物（ＴＯＣ）を酸化分解するＵＶ酸化装置と、ＵＶ酸化分解により発生した炭酸、有機酸などのイオン性物質を除去するイオン交換装置とを備える超純水製造装置において、ＵＶ酸化装置のＵＶ照射量を的確に制御することによりＴＯＣの分解除去を効率的に行って、ＴＯＣ及び溶存酸素（ＤＯ）が著しく低減された超純水を製造する装置に関する。

河川水、工業用水、水道水などの原水から、半導体製造工程、医薬品製造工程等で使用される超純水を製造する場合の一般的な製造システムは、図２に示す如く、前処理システムＩ、一次純水システムII及び二次純水製造工程（サブシステム）IIIからなる。

サブシステムIIIは、一次純水システムIIからサブタンク１に導入された一次純水をポンプＰで取り出し、熱交換器２で超純水の水温が所望の温度になるよう調整した後、ＵＶ酸化装置３に導入し、ＵＶ照射により水中のＴＯＣを酸化分解する。そして、このＵＶ酸化装置３の流出水を後段のイオン交換装置４に導入して、酸化分解により発生した炭酸や有機酸などのイオン性物質を除去する。このようにして得られた超純水は、ユースポイント５に送給されて使用され、余剰の戻り水はサブタンク１に循環される。

このように、ＵＶ酸化装置３と後段のイオン交換装置４とを組み合わせて水中の有機物を酸化分解して除去する手段は、一次純水システムにも適用されている。

ところで、ＵＶ酸化装置のＵＶランプは、図３に示す如く、ランプの汚れや劣化により徐々にＵＶ照射量が減少してＴＯＣの酸化分解能力が低下する。このため、装置の設計時には、予めＵＶランプの出力が低下してもＴＯＣを設定値以下まで酸化分解できるように、ＵＶランプの設置本数を決定している。

また、従来の超純水製造装置では、ＵＶ酸化装置の流入水（入口水）のＴＯＣ濃度の最大含有量を設定し、この設定したＴＯＣ含有量（以下「最大ＴＯＣ設定濃度」と称す。）の酸化分解除去に必要な量のＵＶ照射を行えるように、ＵＶ酸化装置が設計されている。即ち、従来では、流入水のＴＯＣ濃度の変動に関らず、常に最大ＴＯＣ設定濃度のＴＯＣを酸化分解除去し得る量のＵＶを照射することで、ＵＶ酸化後のＴＯＣの残留を防止している。

上記の如く、ＵＶ酸化装置ではＵＶランプの本数をＵＶランプの能力が低下したときに合わせてランプ本数を決定しているため、ランプの交換当初には、ＵＶ照射量が流入水中のＴＯＣ濃度に対して過剰となる。

また、ＵＶ酸化後のＴＯＣの残留を防止するために、ＵＶ酸化装置のＵＶ照射量は最大ＴＯＣ設定濃度に対応した高い値に固定されているため、最大ＴＯＣ設定濃度より低ＴＯＣ濃度の水が流入した場合、必要以上のＵＶが照射されることになる。

このように必要以上のＵＶ照射を行った場合には、ＵＶコストが高くつく上に、次のような問題がある。

即ち、ＵＶ酸化装置の流入水中のＴＯＣ濃度に対して過剰のＵＶが照射された場合、ＴＯＣのＵＶ酸化分解に使われなかったＵＶが水と反応して発生した余剰のＯＨラジカルから過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が生成し、これがＵＶ酸化装置の後段のイオン交換装置のイオン交換樹脂、特にアニオン交換樹脂と接触して分解されて酸素を生成する。このため、処理水（超純水）のＤＯ濃度が上昇する。また、Ｈ_２Ｏ_２によるイオン交換樹脂の酸化劣化により樹脂からＴＯＣ成分が溶出し、これにより処理水（超純水）のＴＯＣ濃度も上昇する。

特に、ＴＯＣ１μｇ／Ｌ以下の処理水を得るようなＵＶ照射条件では、過剰なＵＶが水と反応してＨ_２Ｏ_２を発生し易いため、Ｈ_２Ｏ_２によるＤＯ及びＴＯＣの上昇の問題が起こり易い。

このような問題を解決するものとして、特開平１０−１２３１１８号公報には、ＵＶ酸化装置とその後段のイオン交換装置とを備えた超純水製造装置において、イオン交換装置の出口水のＤＯ濃度を測定し、この測定結果に基いてＵＶ酸化装置のＵＶ照射量を制御するものが提案されている。

この超純水製造装置であれば、イオン交換装置の出口水のＤＯ濃度に基いてＵＶ照射量を制御することにより、ＵＶの過剰照射によるＤＯの発生、イオン交換樹脂の劣化によるＴＯＣの増加を防止することができる。

課題を解決するための手段

前述の如く、ＵＶ酸化装置のＵＶランプは時間の経過と共に出力が低下してくるため、経時によりＵＶ酸化装置のＴＯＣ分解能力が低下してくる。このため、イオン交換装置の出口水のＤＯ濃度のみに基いて、このＤＯを低く抑えるようにＵＶ照射量を制御する特開平１０−１２３１１８号公報の超純水製造装置では、ＵＶランプの出力低下による未分解ＴＯＣの残留を防止することができない。

本発明は上記従来の問題点を解決し、ＤＯ及びＴＯＣが著しく低い高純度超純水を安定かつ効率的に製造することができる超純水製造装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

本発明の超純水製造装置は、紫外線酸化装置とその後段のイオン交換装置とを備えてなる超純水製造装置において、該イオン交換装置の出口水の溶存酸素濃度と有機物濃度とを測定し、これらの測定結果に基いて該紫外線酸化装置の紫外線照射量を制御することを特徴とする。

本発明では、イオン交換装置のＤＯ濃度をＤＯ計で測定し、この測定値に基いてＵＶ酸化装置の出力を制御する。即ち、前述の如く、ＵＶの過剰照射により発生したＨ_２Ｏ_２がイオン交換装置で分解し、処理水のＤＯが上昇するが、本発明ではこのＤＯ濃度がある設定値以上になると、ＵＶ酸化装置のＵＶランプの出力を下げたり、一部のランプを消灯するように調整することで、過剰のＵＶ照射を抑制することができる。その結果、Ｈ_２Ｏ_２の発生が抑制されるため、イオン交換装置の処理水ＤＯの増加も抑制される。また、樹脂の酸化劣化によるＴＯＣの上昇も抑制される。

また、前述の如く、ＵＶランプは時間の経過に従い出力が低下するため、ＵＶ酸化装置がＴＯＣを十分酸化分解できなくなる。よって、上記のようにＤＯを低く抑えるための出力を調整しただけでは、必要なＴＯＣの水質を満足できなくなる。そこで、本発明では、イオン交換装置の出口水のＴＯＣ濃度を測定し、この測定値が設定値以上になるとＵＶランプの出力を上げたり、一部のランプを点灯するように調整することで未分解ＴＯＣの残留によるＴＯＣ濃度の上昇を抑えることができる。

本発明ではこのようにＤＯ濃度の測定値が設定値以上にならないようにすると共に、ＴＯＣ濃度の測定も設定値以上にならないようにＵＶ酸化装置の出力を調整することにより極低ＤＯ、極低ＴＯＣの高純度超純水を長時間に亘って安定して供給することができる。

なお、図２に示す従来の超純水製造装置において、イオン交換装置４の出口水のＤＯ濃度を測定するＤＯ計やＴＯＣ濃度を測定するＴＯＣ計が設けられている場合もあるが、この場合、ＤＯ計やＴＯＣ計は得られる超純水の水質を確認するために設けられたものであり、ＵＶ酸化装置のＵＶ照射量の制御のために設けられたものではない。

以下に図面を参照して本発明の超純水製造装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す系統図である。図１において、図２に示す部材と同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。

図２に示す従来の超純水製造装置と同様、この超純水製造装置４は、各種前処理工程より得られた一次純水をサブタンク１、ポンプＰ、熱交換器２、ＵＶ酸化装置３、及びイオン交換装置４に順次通水し、得られた超純水をユースポイント５に送給し、戻り水をタンク１に循環するものであるが、イオン交換装置４の出口水のＤＯ濃度を測定するＤＯ計６とＴＯＣ濃度を測定するＴＯＣ計７とを設け、このＤＯ計６の測定値とＴＯＣ計７の測定値に基いてＵＶ酸化装置３の出力（ＵＶ照射量）を制御する点が、図２に示す超純水製造装置と異なる。

図１の超純水製造装置において、ＵＶ酸化装置３としては、通常、超純水製造装置に用いられる１８５ｎｍ付近の波長を有するＵＶを照射するＵＶ酸化装置、例えば低圧水銀ランプを用いたＵＶ酸化装置を用いることができる。このＵＶ酸化装置３で、一次純水中のＴＯＣが有機酸、更にはＣＯ_２に分解される。このＵＶ酸化装置３では、ランプ交換当初や入口ＴＯＣ濃度が設計時より低い場合、特にＴＯＣを１μｇ／Ｌ以下に処理するような場合、過剰なＵＶ照射により水自体がＵＶと反応し、Ｈ_２Ｏ_２が発生する。また、ＵＶランプの経時劣化や汚れにより、ＵＶ照射量が経時により低減し、このために、未分解ＴＯＣが流出する場合もある。

ＵＶ酸化装置３の流出水は次いでイオン交換装置４に通水される。イオン交換装置４としては、ＵＶ酸化装置３で発生した有機酸、ＣＯ_２を除去できるアニオン交換装置、特に、混床式イオン交換装置が好ましい。混床式イオン交換装置としてはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とをイオン負荷に応じて混合充填した非再生型混床式イオン交換装置を用いるのが好ましい。このイオン交換装置では、ＵＶ酸化装置３で発生したＨ_２Ｏ_２の一部が分解し、酸素になるため、その流出水のＤＯが上昇する。また、Ｈ_２Ｏ_２による樹脂の酸化劣化によりＴＯＣが上昇する。

本発明では、ＤＯ計６の測定値に基いてＵＶ酸化装置３の出力を調整することで、過剰なＵＶ照射を抑制しＨ_２Ｏ_２の発生を最小限にすることができる。その結果、Ｈ_２Ｏ_２に起因するＤＯ、更にＴＯＣの上昇を抑制できる。また、ＴＯＣ計７の測定値をもＵＶ酸化装置３の出力の制御に取り入れるため、ＵＶランプの劣化などにより処理水中のＴＯＣが上昇した場合には瞬時に対応してＵＶランプの出力を調整することで、ＤＯ、ＴＯＣとも低減化した高純度超純水を安定して製造することができる。

本発明においてイオン交換装置４の出口水のＤＯ濃度を測定するＤＯ計６としては、超純水製造装置で通常用いられている、隔膜電極を用いたポーラログラフ方式のＤＯ計が好ましい。

また、ＴＯＣ計７としても、超純水製造装置で通常用いられている、ＵＶ酸化／導電率式ＴＯＣ計が好ましい。

このＴＯＣ計７は、残留ＴＯＣを測定できればよく、従って、図１に示すように、ＤＯ計６の後段に設けても良く、逆に、ＴＯＣ計の後段にＤＯ計を設けても良い。

本発明では、例えば予めイオン交換装置４の出口水のＤＯ濃度の基準値とＴＯＣ濃度の基準値を定めておき、ＤＯ濃度の測定値がこの基準値を超える場合には、ＵＶ酸化装置３のＵＶ照射量を減らし、ＴＯＣ濃度の測定値がこの基準値を超える場合には、ＵＶ酸化装置３のＵＶ照射量を増す。

ＤＯ計６及びＴＯＣ計７の測定値に基いてＵＶ酸化装置３のＵＶ照射量を増減する方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。
（１） 制御器としてＵＶランプ点灯数制御器を用い、ＵＶランプの点灯数を望ましいＵＶ照射量に応じて制御する。例えば、１シリンダー当り、任意の複数（例えば１０本）のＵＶランプを設置したシリンダーを複数個備えたＵＶ酸化装置であれば、点灯するシリンダー数を制御する。
（２） 制御器としてＵＶランプ電流制御器を用い、ＵＶランプの電流値を望ましいＵＶ照射量に応じて制御する。例えば、特定のいくつかのシリンダー或いはすべてのシリンダーについて電流値を制御する。
（３） 制御器としてＵＶランプ点灯数制御器とＵＶランプ電流制御器とを用い、上記（１）と（２）とを組み合せて望ましいＵＶ照射量に応じて制御する。例えば、あるシリンダーについては定常電流値で点灯又は消灯し、他のシリンダーは電流値を増減する。

このような制御を行う場合のＤＯ濃度の基準値及びＴＯＣ濃度の基準値と、ＵＶ照射量の増減幅は、当該超純水製造装置で製造する超純水の目標水質やＵＶ酸化装置の仕様等に応じて適宜決定されるが、例えば、ＤＯ濃度及びＴＯＣ濃度の目標値をそれぞれの基準値とし、この基準値を超える場合には、ＵＶ酸化装置のＵＶ照射量を５〜２０％程度増減するようにしても良い。

このような本発明の超純水製造装置は、超純水製造システムの一次純水システム、サブシステムのいずれにも適用可能であるが、特に、サブシステムへの適用に好適であり、ＵＶの過剰照射によるＤＯ増加及びＵＶランプの経時劣化等による残留ＴＯＣの増加を抑制して、高純度の超純水を安定に製造することが可能となる。

なお、図１に示す超純水製造装置は本発明の超純水製造装置の実施の形態の一例であって、本発明はＵＶ酸化装置及びイオン交換装置とＤＯ計及びＴＯＣ計を前述した順で備えている限り、その他の各種の機器を組み合わせても良く、例えば、イオン交換装置の後段に限外濾過（ＵＦ）膜分離装置などの微粒子分離装置を設けても良く、また、ＤＯを更に低減させるための膜式脱気装置等の脱気装置を設けても良い。また、これらの装置が多段に設置されていても良い。また、前処理システム、一次純水システムについても何ら限定されるものではなく、他の様々な装置の組み合わせを採用することができる。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

実施例１、比較例１，２
水道水（野木町水）を原水として、図４に示す装置により超純水を製造した。

即ち、原水を活性炭塔１１、熱交換器１２、除濁用ＵＦ膜分離装置１３、２段ＲＯ膜分離装置１４、膜式脱気装置１５、及び混床式イオン交換装置１６に順次通水して一次純水を得た。この一次純水を、サブタンク１７を経てポンプＰにより、６ｍ^３／ｈｒの流量で、サブシステムの熱交換器１８、ＵＶ酸化装置１９、混床式イオン交換装置２０及び微粒子分離用ＵＦ膜分離装置２１に順次通水し、得られた超純水をユースポイント２２に送給し、戻り水をサブタンク１７に循環した。なお、混床式イオン交換装置２０の出口側には混床式イオン交換装置２０の出口水のＤＯ濃度を測定するＤＯ計２３とＴＯＣ濃度を測定するＴＯＣ計２４を設けた。

サブシステムに用いた各装置の仕様は次の通りである。
ＵＶ酸化装置：（株）日本フォトサイエンス製低圧ＵＶ酸化装置（波長１８５ｎｍ付近、０．３２ｋＷ・ｈｒ／ｍ^３）
温床式イオン交換装置：非再生型，ＳＶ８０ｈｒ^−１
微粒子分離用ＵＦ膜分離装置：栗田工業（株）製ＵＦ膜分離装置「ＫＵ−１５１０」
ＤＯ計：オービスフェア社製ＭＯＤＥＬ３６００
ＴＯＣ計：Ａｎａｔｅｌ社製Ａ−１０００ＸＰ

この装置において、次のような運転条件で連続通水を行い、得られた超純水のＤＯ及びＴＯＣ濃度を図５に示した。

実施例１：ＤＯ計とＴＯＣ計の測定値に基いて ＵＶ酸化装置の出力調整を行った。具体的には、ＤＯ計の測定値が１．０μｇ／Ｌ以上でＵＶ出力を１０％ずつ低減させ、ＴＯＣ計の測定値が０．４５μｇ／Ｌ以上でＵＶ出力を１０％ずつ上昇させた。
比較例１：ＵＶ酸化装置の出力調整を行わずＵＶ酸化装置の最大出力で運転した。
比較例２：ＤＯ計の測定値のみに基いてＵＶ酸化装置の出力調整を行った。具体的には、ＤＯ計の測定値が１．０μｇ／Ｌ以上でＵＶ出力を１０％ずつ低減させた。

図５より次のことが明らかである。

即ち、比較例１では過剰なランプ照射により水自体がＵＶと反応し、Ｈ_２Ｏ_２が多く発生する。このＨ_２Ｏ_２の一部が後段のイオン交換装置で分解し、酸素になるため、その処理水のＤＯ値が上昇する。また、過剰なＨ_２Ｏ_２が樹脂を酸化劣化させ、ＴＯＣが上昇する。ただし、時間経過と共にＵＶランプが劣化するため、Ｈ_２Ｏ_２の発生も減少し、その結果ＤＯ値、ＴＯＣ値も減少する。

一方、比較例２では、ＤＯ計に基くＵＶ出力制御でＵＶの過剰照射が防止され、ＤＯ及びＴＯＣを低く抑えることができるが、経時によりＵＶランプが劣化した場合にＵＶ出力を増加させることができないため、ＴＯＣが徐々に上昇する傾向がある。

これに対して、実施例１ではＤＯが設定値を超えるとＵＶの出力を下げ、ＴＯＣが設定値を超えるとＵＶの出力を上げるため、Ｈ_２Ｏ_２の発生を抑制しつつ、効率よくＴＯＣを分解できる。従って、低ＤＯ、低ＴＯＣの高純度超純水を長時間に亘って供給することができる。

発明の効果

以上詳述した通り、本発明の超純水製造装置によれば、流入水のＴＯＣ濃度の変動やＵＶランプの出力変動に応じて適正量のＵＶ照射を行えるため、ＵＶの過少照射によるＴＯＣの残留、或いは、ＵＶの過剰照射によるＤＯ，ＴＯＣの増加を防止して、ＴＯＣ，ＤＯが著しく低い高純度の超純水を安定かつ効率的に製造することができる。

本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す系統図である。 従来の超純水製造装置を示す系統図である。 経時によるＵＶランプの減衰を示すグラフである。 実施例で用いた超純水製造装置を示す系統図である。 実施例１及び比較例１，２の結果を示すグラフである。

Ｉ： 前処理システム
ＩＩＩ： 一次純水システム
ＩＩＩ： サブシステム
１ サブタンク
２ 熱交換器
３ ＵＶ酸化装置
４ イオン交換装置
５ ユースポイント
６ ＤＯ計
７ ＴＯＣ計
１１ 活性炭塔
１２ 熱交換器
１３ 除濁用ＵＦ膜分離装置
１４ ２段ＲＯ膜分離装置
１５ 膜式脱気装置
１６ 温床式イオン交換装置
１７ サブタンク
１８ 熱交換器
１９ ＵＶ酸化装置
２０ 混床式イオン交換装置
２１ 微粒子分離用ＵＦ膜分離装置
２２ ユースポイント
２３ ＤＯ計
２４ ＴＯＣ計

Claims (4)

1. 紫外線酸化装置とその後段のイオン交換装置とを備えてなる超純水製造装置において、該イオン交換装置の出口水の溶存酸素濃度と有機物濃度とを測定し、これらの測定結果に基いて該紫外線酸化装置の紫外線照射量を制御することを特徴とする超純水製造装置。
   
2. 請求項１において、予めイオン交換装置の出口水の溶存酸素濃度の基準値と有機物濃度の基準値を定めておき、溶存酸素濃度の測定値がこの基準値を超える場合には、紫外線酸化装置の紫外線照射量を減らし、有機物濃度の測定値がこの基準値を超える場合には、紫外線酸化装置の紫外線照射量を増すことを特徴とする超純水製造装置。
   
3. 請求項１又は２において、該紫外線酸化装置の紫外線照射量を以下の（１）〜（３）のいずれかの方法により制御することを特徴とする超純水製造装置。
   （１） 制御器としてＵＶランプ点灯数制御器を用い、該紫外線酸化装置のＵＶランプの点灯数を制御することにより紫外線照射量を制御する。
   （２） 制御器としてＵＶランプ電流制御器を用い、該紫外線酸化装置のＵＶランプの電流値を制御することにより紫外線照射量を制御する。
   （３） 制御器としてＵＶランプ点灯数制御器とＵＶランプ電流制御器とを用い、上記（１）と（２）とを組み合せて紫外線照射量を制御する。
   
4. 請求項２又は３において、該溶存酸素濃度の測定値が基準値を超える場合には、該紫外線酸化装置の紫外線照射量を５〜２０％減らし、該有機物濃度の測定値が基準値を超える場合には、該紫外線酸化装置の紫外線照射量を５〜２０％増すことを特徴とする超純水製造装置。

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