JP5569784B2

JP5569784B2 - 純水製造システム

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Publication number: JP5569784B2
Application number: JP2010058633A
Authority: JP
Inventors: 敦行真鍋
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: JP2011189298A

Description

本発明は、純水製造システムに関し、特に、逆浸透膜装置を備える純水製造システムに関する。

半導体製造工程や電子部品の製造、医療器具の洗浄等では、不純物を含まない高純度の純水が使用されており、従来から種々の純水製造システムが提供されている。また、純水製造システムとしては、イオン交換樹脂を用いるイオン交換装置や、逆浸透膜を用いる逆浸透膜装置を備える物が数多く提供されている。

イオン交換装置は、陽イオン交換樹脂や陰イオン交換樹脂を備え、イオン交換樹脂中の固定イオンと異符号のイオンを吸着除去する装置であり、純度を上げるために、塔内にＨ型陽イオン交換樹脂とＯＨ型陰イオン交換樹脂を混合して充填した混床式イオン交換装置も提供されている。

逆浸透膜装置は、逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いた膜分離により供給水の中のイオンを除去する装置である。例えば、下記特許文献１には、原水にアルカリを添加してｐＨを９．２以上に調整後、耐アルカリ性ＲＯ膜、耐アルカリ性ＲＯ膜、正荷電ＲＯ膜の順で処理する純水製造システムが開示されている。

また、下記特許文献２には、原水にアルカリを添加してｐＨを９．２以上に調整後、耐アルカリ性ＲＯ膜、正荷電ＲＯ膜の順で処理する純水製造システムが開示されている。

特開平１１−１２８９２１号公報特開平１１−１２８９２２号公報

ところで、原水中のシリカ濃度が高い場合、一般にＲＯ膜はシリカ除去率が高いため、ＲＯ膜の濃縮水中に含まれるシリカ濃度が非常に高くなり、温度や濃縮度合等の条件によっては、膜面にシリカがＳｉＯ_２やケイ酸カルシウムとして析出してしまうといった問題が生じてしまう。

いったん膜面にシリカが析出してしまうと、有効な膜面積も減少し、透過流束の急激な低下を招いてしまう。また、ＲＯ膜の洗浄は非常に困難であり、無理に除去させようとすると、ＲＯ膜を破損や劣化させてしまうケースも多い。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、逆浸透膜装置を用いる純水製造システムにおいて、原水のシリカ濃度が高い場合であっても逆浸透膜へのシリカ析出を防止することができる純水製造システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る純水製造システムは、二段以上の逆浸透膜装置を有し、前段で製造された処理水を次段の供給水とする純水製造システムにおいて、シリカ除去率が９０％以下の低シリカ除去率逆浸透膜を用いる、前記二段以上の逆浸透膜装置の中で最前段に設置される低シリカ除去率逆浸透膜装置と、シリカ除去率が９０％超過の負荷電膜の高シリカ除去率逆浸透膜を用いる高シリカ除去率逆浸透膜装置と、前記低シリカ除去率逆浸透膜装置の前段に設置される、原水にアルカリを添加して前記低シリカ除去率逆浸透膜装置の濃縮水のｐＨが８〜９となるように調整するアルカリ添加装置と、前記高シリカ除去率逆浸透膜装置の後段に設置される、負の固定イオンを持つイオン交換体のみを有する陽イオン交換装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る純水製造方法は、二段以上の逆浸透膜装置を有し、前段で製造された処理水を次段の供給水としながら純水を製造する純水製造方法において、シリカ除去率が９０％以下の低シリカ除去率逆浸透膜を用いて膜分離を行う第一膜分離工程と、前記第一膜分離工程の後に、シリカ除去率が９０％超過の負荷電膜の高シリカ除去率逆浸透膜を用いて膜分離を行う第二膜分離工程と、前記第一膜分離工程の前に、原水にアルカリを添加して前記低シリカ除去率逆浸透膜の濃縮水のｐＨが８〜９となるように調整するアルカリ添加工程と、前記第二膜分離工程の後に、負の固定イオンを持つイオン交換体のみを有する陽イオン交換装置により残留陽イオンを除去する陽イオン除去工程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る純水製造システムによれば、原水のシリカ濃度が高い場合であっても逆浸透膜へのシリカ析出を防止することができる。

図１は、第一実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。図２は、第一実施形態に係る処理水のシリカ濃度及び導電率の測定結果を示す図である。図３は、第二実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。

（第一実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る純水製造システムについて説明する。図１は、第一実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム１０は、給水ライン２上に順に設置された軟水装置１１、給水ライン２にアルカリを添加するためのアルカリ添加装置１２、第一逆浸透膜装置１５（以下、「逆浸透膜装置」を「ＲＯ装置」とする）、及び第二ＲＯ装置１６を備えている。

軟水装置１１は、イオン交換塔内にナトリウム型の陽イオン交換樹脂が収容されている。原水が給水ライン２から軟水装置１１に供給されると、原水に含まれる硬度成分であるカルシウムイオン及びマグネシウムイオンが陽イオン交換樹脂のナトリウムイオンとイオン交換されて除去され、原水が軟水化される。つまり、第一ＲＯ装置１５には、供給水として、軟水装置１１で製造された軟水が送水される。

アルカリ添加装置１２は、給水ライン２を流れる軟水をアルカリ性にする装置であり、例えば、水酸化ナトリウム等のアルカリ水溶液を添加する装置や、ＯＨ型陰イオン交換樹脂を収容したイオン交換塔等を用いることができる。また、本実施形態に係るアルカリ添加装置１２は、第一ＲＯ装置１５への供給水（軟水）のｐＨを８〜８．５に調整するものである。

第一ＲＯ装置１５は、低シリカ除去率逆浸透膜を用いる低シリカ除去率逆浸透膜装置である。本実施形態では、最前段に設置される逆浸透膜として、シリカ除去率が９０％以下の低シリカ除去率逆浸透膜を採用したことを特徴としている。具体的には、塩化ナトリウム濃度５００ｍｇ／Ｌ、かつシリカ濃度３０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌの水溶液を操作圧力１ＭＰａ、回収率１５％、温度２５℃及びｐＨ７の条件で処理した場合の塩化ナトリウム除去率が９０％以上、かつシリカ除去率が９０％以下となる負荷電の合成高分子膜を用いている。

なお、低シリカ除去率逆浸透膜のシリカ除去率が低すぎると、一段目のＲＯ装置によるシリカ除去量が少なくなり、後段の高シリカ除去率逆浸透膜にシリカが析出してしまうおそれもあるので、第一ＲＯ装置１５の低シリカ除去率逆浸透膜のシリカ除去率は、７０〜９０％であることが望ましく、さらに望ましくは８０〜９０％であれば良い。

第二ＲＯ装置１６は、シリカ除去率が９０％超過の高シリカ除去率逆浸透膜を用いる高シリカ除去率逆浸透膜装置である。具体的には、塩化ナトリウム濃度５００ｍｇ／Ｌ、かつシリカ濃度３０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌの水溶液を、操作圧力１ＭＰａ、回収率１５％、温度２５℃及びｐＨ７の条件で処理した場合の塩化ナトリウム除去率が９９％以上、かつシリカ除去率が９８％以上となる負荷電の合成高分子膜を用いている。

また、第一及び第二ＲＯ装置１５，１６は、図示しない加圧ポンプで供給水側を加圧することで、水分子のみをＲＯ膜を透過させ、ＲＯ膜によってイオンを除去する。

以上、第一実施形態に係る純水製造システム１０の構成について説明したが、続いて、純水製造システム１０での処理工程について順次説明する。なお、本実施形態に係る原水は、溶存シリカ濃度が１５ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以上の原水である。

純水製造システム１０に供給された原水は、まず、軟水装置１１において硬度成分が取り除かれる。続いて、アルカリ添加装置１２により、給水ライン２にアルカリが添加され、供給水のｐＨがアルカリ性側に調整されることで、シリカの溶解度が高くなる。

また、供給水のｐＨがアルカリ性側に調整されることにより供給水に含まれる溶存炭酸ガス（ＣＯ_２）が炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）及び炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）にイオン化される。炭酸水素イオン及び炭酸イオンは、陰イオンであるため、負荷電のＲＯ膜を有する第一ＲＯ装置１５や第二ＲＯ装置１６によって容易に除去される。

シリカの溶解度を上げると共に、溶存炭酸ガスをイオン化して効果的に除去するためには、アルカリ添加装置１２により、供給水のｐＨが８〜８．５程度になるように、または、第一ＲＯ装置１５で発生する排水（濃縮水）のｐＨが８〜９となるように調整するのが望ましい。もちろん、原水のｐＨが元々高い場合には、アルカリ添加装置１２を作動させなくても良い。

アルカリ性側に調整された供給水は、第一ＲＯ装置１５に供給され、低シリカ除去率ＲＯ膜によりシリカ、炭酸水素イオン、炭酸イオン、及びその他の溶存塩類が除去される。このとき、第一ＲＯ装置１５のシリカ除去率は９０％以下であり、第二ＲＯ装置１６と比較して低いため、原水のシリカ濃度が１５ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ以上であっても、シリカの過剰な濃縮が抑制され、ＲＯ膜の膜面にシリカが析出するといったことがない。

第一ＲＯ装置１５で製造された処理水（透過水）は、続いて、第二ＲＯ装置１６に供給水として供給され、高シリカ除去率ＲＯ膜によって膜分離され、第一ＲＯ装置１５を透過したシリカや溶存塩類が除去される。なお、第一ＲＯ装置１５で発生した濃縮水は、系外へ排出される。また、第二ＲＯ装置１６で発生した濃縮水は、系外へ排出されるか、第一ＲＯ装置１５への供給水に混合される。

図２は、本実施形態に係る純水製造システム１０における処理水のシリカ濃度及び導電率の測定結果を示す図である。同図に示すように、第一ＲＯ装置１５への供給水が、水量４９３８Ｌ／ｈ、シリカ濃度３０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ、導電率２５０μＳ／ｃｍであったとき、第一ＲＯ装置１５の処理水は、水量４４４４Ｌ／ｈ（回収率９０％）、シリカ濃度１４．５ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ、導電率５４．５μＳ／ｃｍであり、第一ＲＯ装置１５の排水は、シリカ濃度１６９．６ｍｇＳｉＯ_２／Ｌであった。

また、第一ＲＯ装置１５の処理水が供給される第二ＲＯ装置１６の処理水は、水量４０００Ｌ／ｈ（回収率９０％）、シリカ濃度０．５ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ、導電率１．９μＳ／ｃｍであり、第二ＲＯ装置１６の排水は、シリカ濃度１４０．３ｍｇＳｉＯ_２／Ｌであった。

このように、本実施形態では、原水のシリカ濃度が３０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌと高い場合であっても、第一ＲＯ装置１５の濃縮水（排水）におけるシリカ濃度が１６９．６ｍｇＳｉＯ_２／Ｌと過剰な濃縮が抑制されており、アルカリ添加装置１２による供給水のアルカリ性側への調整と相俟って、ＲＯ膜におけるシリカの析出を防止することができる。

これは、最前段に設置される第一ＲＯ装置１５において、シリカ除去率が９０％以下の低シリカ除去率逆浸透膜を用いているので、シリカ除去率の大きな逆浸透膜を用いる場合と比較して、第一ＲＯ装置１５によって除去されるシリカの量が抑えられているからである。

なお、本実施形態では、第二ＲＯ装置１６に高シリカ除去率逆浸透膜を用いているので、図２に示すように、第二ＲＯ装置１６の処理水のシリカ濃度は０．５ｍｇＳｉＯ_２／Ｌとなっており、純水製造システム１０全体では十分にシリカを除去できている。

また、図２に示すように、第二ＲＯ装置１６の処理水の導電率は１．９μＳ／ｃｍと低く抑えられており、純水製造システム１０によれば、処理水中のイオン成分についても効果的に除去できている。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態のように、最前段に配置されるＲＯ装置として、低シリカ除去率逆浸透膜装置を設置すれば、原水のシリカ濃度が高い場合であってもシリカの膜面への析出を防止することができ、シリカ析出による膜性能の低下を防ぐことができる。

（第二実施形態）
続いて、本発明の第二実施形態について説明する。図３は、第二実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム２０は、給水ライン２上に順に設置された軟水装置１１、アルカリ添加装置１２、第一ＲＯ装置１５、第二ＲＯ装置１６、陽イオン交換装置２９を備えている。軟水装置１１、アルカリ添加装置１２、第一ＲＯ装置１５、第二ＲＯ装置１６の構成は、上記第一実施形態と同じであるため同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。

陽イオン交換装置２９は、第二ＲＯ装置１６のＲＯ膜（負荷電膜）と同符号の負の固定イオン（イオン交換基）を持つイオン交換体のみを有しており、第二ＲＯ装置１６で製造された処理水中に含まれる陽イオンを除去する。また、本実施形態に係る陽イオン交換装置２９は、非再生型である。

第二実施形態によれば、上記第一実施形態と同様の作用効果を奏する。さらに、本実施形態において、第二ＲＯ装置１６が負荷電膜であるため、これと異符号の陽イオンが第二ＲＯ装置１６を透過し易くなり、第二ＲＯ装置１６の処理水は陽イオンがリッチな水質となる。

これに対して、第二ＲＯ装置１６の下流側に、そのＲＯ膜（負荷電膜）と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有する陽イオン交換装置２９を設置することで、処理水中に残留した陽イオンを除去し、導電率が１μＳ／ｃｍ以下の高純度の純水を得ることができる。

以上、本発明の第一及び第二実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施形態は上述した形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述した各装置の構成として、同様の機能を有する他の構成を採用できるのでは言うまでもない。

また、上記実施形態では、第一ＲＯ装置と第二ＲＯ装置の二段のＲＯ装置を備える純水製造システムについて説明したが、最前段に設置される低シリカ除去率逆浸透膜装置と、その下流に設置される高シリカ除去率逆浸透膜装置を有する純水製造システムであれば、三段以上のＲＯ装置を有する純水製造システムであっても良い。

また、上記純水製造システムにおいて、さらに脱気膜装置等の脱炭酸装置を設置するようにしても良い。例えば、上記第一及び第二実施形態において、第一ＲＯ装置１５の後段、第二ＲＯ装置１６の後段、陽イオン交換装置２９の後段に脱炭酸装置を設置することができる。

脱炭酸装置を設置すれば、炭酸成分のうち、供給水中の溶存炭酸ガスを効果的に除去することができ、さらに高純度な純水を得ることができる。

２給水ライン
１０，２０純水製造システム
１１軟水装置
１２アルカリ添加装置
１５第一ＲＯ装置
１６第二ＲＯ装置
２９陽イオン交換装置

Claims

二段以上の逆浸透膜装置を有し、前段で製造された処理水を次段の供給水とする純水製造システムにおいて、
シリカ除去率が９０％以下の低シリカ除去率逆浸透膜を用いる、前記二段以上の逆浸透膜装置の中で最前段に設置される低シリカ除去率逆浸透膜装置と、
シリカ除去率が９０％超過の負荷電膜の高シリカ除去率逆浸透膜を用いる高シリカ除去率逆浸透膜装置と、
前記低シリカ除去率逆浸透膜装置の前段に設置される、原水にアルカリを添加して前記低シリカ除去率逆浸透膜装置の濃縮水のｐＨが８〜９となるように調整するアルカリ添加装置と、
前記高シリカ除去率逆浸透膜装置の後段に設置される、負の固定イオンを持つイオン交換体のみを有する陽イオン交換装置と、
を備えることを特徴とする純水製造システム。
前記アルカリ添加装置の前段に設置される軟水装置をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の純水製造システム。
前記低シリカ除去率逆浸透膜及び前記高シリカ除去率逆浸透膜のシリカ除去率は、シリカ濃度３０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌの水溶液を操作圧力１ＭＰａ、回収率１５％、温度２５℃及びｐＨ７の条件で処理した場合の除去率であることを特徴とする請求項１又は２記載の純水製造システム。
二段以上の逆浸透膜装置を有し、前段で製造された処理水を次段の供給水としながら純水を製造する純水製造方法において、
シリカ除去率が９０％以下の低シリカ除去率逆浸透膜を用いて膜分離を行う第一膜分離工程と、
前記第一膜分離工程の後に、シリカ除去率が９０％超過の負荷電膜の高シリカ除去率逆浸透膜を用いて膜分離を行う第二膜分離工程と、
前記第一膜分離工程の前に、原水にアルカリを添加して前記低シリカ除去率逆浸透膜の濃縮水のｐＨが８〜９となるように調整するアルカリ添加工程と、
前記第二膜分離工程の後に、負の固定イオンを持つイオン交換体のみを有する陽イオン交換装置により残留陽イオンを除去する陽イオン除去工程と、
を含むことを特徴とする純水製造方法。