JP6513250B1 - イオン交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カチオン樹脂の酸化劣化が発生し難いイオン交換装置を提供する。【解決手段】アニオン樹脂およびカチオン樹脂を充填した混床式のイオン交換樹脂塔１０を備え、イオン交換樹脂塔１０の内部において、水平方向に配設した主管２１に枝管２２を水平方向に接続した中間排水管２０を備え、主管２１に主管排水孔２１ａを設けたイオン交換装置。【選択図】図３

Description

本発明は、アニオン樹脂およびカチオン樹脂を充填した混床式のイオン交換樹脂塔を備えたイオン交換装置に関する。

特許文献１には、強酸性カチオン交換樹脂および強塩基性アニオン交換樹脂を混合充填した混床式イオン交換樹脂塔（イオン交換装置）が記載してある。特許文献１では当該混床式イオン交換樹脂塔にシリカ含有水を通水して純水を得る通水工程と、強酸性カチオン交換樹脂および強塩基性アニオン交換樹脂を再生する再生工程が記載してある。

当該再生工程は、以下のようにして行うことが記載してある。まず、混床式イオン交換樹脂塔に逆洗水を上向流で通水した後静沈させることにより、塔内に混合充填されている強酸性カチオン交換樹脂および強塩基性アニオン交換樹脂をこれらの比重差を利用して分離する。分離後は上層に強塩基性アニオン交換樹脂層が形成され、下層に強酸性カチオン交換樹脂層が形成される。

再生工程では、強酸性カチオン交換樹脂、強塩基性アニオン交換樹脂をそれぞれ強酸再生剤、強塩基再生剤で再生する。即ち、再生工程は、強塩基再生剤を上層の強塩基性アニオン交換樹脂層に下向流で通液し、強酸再生剤を下層の強酸性カチオン交換樹脂層に上向流で通液して行っていた。

強酸性カチオン交換樹脂および強塩基性アニオン交換樹脂の境界面には中間排水管が設置してあり、当該中間排水管から再生工程で発生した再生廃液等を混床式イオン交換樹脂塔の外部に排出していた。

特許文献２には、工業用水などの原水より純水を製造するため、イオン交換樹脂を充填した塔を備えた装置（イオン交換装置）に原水を通水し、原水に含まれる種々の成分を除去することが記載してある。

当該イオン交換装置に対し一定時間、原水の通水を継続すると、イオン交換樹脂は原水の処理量が増えるに従ってイオン除去能力を失っていくため、特許文献２には、イオン交換樹脂のイオン除去能力を回復させるために、通常、カチオン交換樹脂は塩酸、アニオン交換樹脂は水酸化ナトリウム水溶液で再生することが記載してある。

特開２００２−３６１２４７号公報 特開２０１６−２５４０号公報

上述したイオン交換装置において、強酸性カチオン交換樹脂および強塩基性アニオン交換樹脂の境界面に設けた中間排水管を、主管に枝管を水平方向に接続した構造とする場合があった。当該枝管には、排出孔（枝管排出孔）が形成してあり、再生工程で発生した再生廃液等は当該枝管排出孔から中間排水管に流入させていた。枝管は、主管に形成した接続部材に接続してあるため、枝管排出孔は、主管からある程度離間した位置に形成されていた。

このような構造を有する中間排水管を備えたイオン交換装置において、再生を繰り返し行ったカチオン樹脂の劣化が発生することがあった。即ち、カチオン樹脂は、特許文献１，２に記載してあるように再生剤である酸（塩酸）によって再生していたが、当該カチオン樹脂の劣化の原因は再生剤である酸による酸化劣化が原因であると考えられた。しかし、再生剤である酸の濃度を下げてもこのようなカチオン樹脂の酸化劣化は発生していた。

また、カチオン樹脂が酸化劣化することにより、カチオン樹脂が砕け、その砕けたカチオン樹脂の一部が流れ出して混床式イオン交換樹脂塔の下流に配設してあるストレーナが詰まる虞があった。

従って、本発明の目的は、カチオン樹脂の酸化劣化が発生し難いイオン交換装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るイオン交換装置の特徴構成は、アニオン樹脂およびカチオン樹脂を充填した混床式のイオン交換樹脂塔を備え、前記イオン交換樹脂塔の内部において、水平方向に配設した主管に枝管を水平方向に接続部材によって接続した中間排水管を備え、前記主管に主管排水孔を設けた点にある。

主管排水孔を形成しない従来のイオン交換装置における中間排水管では、再生工程の際に、上層のアニオン樹脂の層に下向流で通液した強塩基再生剤の再生廃液、および、下層のカチオン樹脂の層に上向流で通液した強酸再生剤の再生廃液は、枝管に形成してある枝管排出孔から中間排水管に流入させていた。当該枝管は、主管に形成した接続部材に接続してあるため、枝管に形成した最も主管の側に位置する枝管排出孔と主管とは、少なくとも接続部材の長さの分だけ離間している。これにより、主管の周縁に存在する強塩基再生剤および強酸再生剤は、枝管排出孔から主管に流入し難い状態となっていた。そのため、強塩基再生剤および強酸再生剤は主管の周縁に滞留し易くなるため、主管の周縁に位置するカチオン樹脂は、強酸再生剤に長時間接触することとなる。このように強酸再生剤に長時間接触したカチオン樹脂は、強酸再生剤によって酸化劣化していたと考えられる。

本構成によれば、水平方向に配設した主管に枝管を水平方向に接続部材によって接続した中間排水管において、主管に主管排水孔を設けてある。これにより、主管の周縁に存在する強塩基再生剤および強酸再生剤は、主管排水孔から主管に流入し易くなっているため、強塩基再生剤および強酸再生剤が主管の周縁に滞留し難くなっている。従って、主管の周縁に位置するカチオン樹脂は、強酸再生剤に長時間接触し難い状態となるため、カチオン樹脂が強酸再生剤によって酸化劣化し難くなる。

本発明に係るイオン交換装置の更なる特徴構成は、前記主管排水孔を水平方向に設けた点にある。

本構成によれば、主管排水孔を水平方向に開口するように設けることで、上層のアニオン樹脂の層に下向流で通液した強塩基再生剤の再生廃液、および、下層のカチオン樹脂の層に上向流で通液した強酸再生剤の再生廃液を効率よく主管に流入させることができる。

本発明に係るイオン交換装置の更なる特徴構成は、前記中間排水管を前記アニオン樹脂および前記カチオン樹脂の境界面に配設した点にある。

本構成によれば、アニオン樹脂およびカチオン樹脂の再生時に中間排水管がアニオン樹脂およびカチオン樹脂の境界面に位置するように中間排水管を配設しているため、上層のアニオン樹脂の層に下向流で通液した強塩基再生剤の再生廃液がカチオン樹脂の層に到達する前に中間排水管に流入させることができ、下層のカチオン樹脂の層に上向流で通液した強酸再生剤の再生廃液がアニオン樹脂の層に到達する前に中間排水管に流入させることができる。

本発明に係るイオン交換装置の更なる特徴構成は、前記枝管に枝管排出孔を水平方向に設けた点にある。

本構成によれば、枝管排出孔を水平方向に開口するように設けることで、上層のアニオン樹脂の層に下向流で通液した強塩基再生剤の再生廃液、および、下層のカチオン樹脂の層に上向流で通液した強酸再生剤の再生廃液を効率よく枝管に流入させることができる。

実施形態に係るイオン交換装置の概略図（純水製造時）である。 実施形態に係るイオン交換装置の概略図（再生工程時）である。 中間排水管の上面視概略図である。 中間排水管の斜視概略図である。 フィルタを巻き付けた中間排水管の斜視概略図である。 実施形態に係るイオン交換装置を使用して純水の製造を開始してから１か月後のカチオン樹脂の写真図である。 従来のイオン交換装置を使用して純水の製造を開始してから１．５か月後のカチオン樹脂の写真図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明のイオン交換装置は、例えば純水装置、発電所の復水脱塩装置、軟水装置、食品製造プロセス、薬品製造プロセスなどにおいて、水中もしくは溶媒中の不純物を除去または分離することを目的として使用される。本実施形態では、前記イオン交換装置を工業用水などの原水より純水を製造する純水製造装置として使用される場合について説明する。

図１〜４に示したように、本発明のイオン交換装置Ｘは、アニオン樹脂１およびカチオン樹脂２を充填した混床式のイオン交換樹脂塔１０を備え、イオン交換樹脂塔１０の内部において、水平方向に配設した主管２１に枝管２２を水平方向に接続した中間排水管２０を備え、主管２１に主管排水孔２１ａを設けてある。

イオン交換樹脂塔１０は、樹脂収容部１１にアニオン樹脂１およびカチオン樹脂２を混合充填した混床式イオン交換樹脂塔とすることができる。即ち、イオン交換樹脂塔１０に工業用水などの原水を通水するときには、アニオン樹脂１およびカチオン樹脂２は樹脂収容部１１において混合された状態となってイオン交換樹脂塔１０の内部に充填してある（図１）。

アニオン樹脂１は、官能基としてアミノ基を導入したイオン交換樹脂でＣｌ^-イオン、ＳＯ_４ ^２-イオンのような陰イオンを交換することができるものであり、公知の強塩基性陰イオン交換樹脂や弱塩基性陰イオン交換樹脂を使用することができる。また、カチオン樹脂２はスルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）を交換基として持つ樹脂でＮａ^＋イオンやＣａ^２＋イオンのような陽イオンを交換することができるものであり、公知の強酸性陽イオン交換樹脂や弱酸性陽イオン交換樹脂を使用することができる。即ち、本実施形態におけるイオン交換装置Ｘによって原水より純水を製造する場合、カチオン樹脂２によってＮａ^＋イオンを取り込んでＨ^＋を放出し、アニオン樹脂１によってＣｌ^-イオンを取り込んでＯＨ^-を放出し、このように放出されたＨ^＋およびＯＨ^-は結合して水（純水）となり、イオン交換樹脂塔１０から排出される。

アニオン樹脂１およびカチオン樹脂２は、原水の処理量が増えるに従ってイオン除去能力を失っていくため、これらイオン交換樹脂のイオン除去能力を回復させるために、アニオン樹脂１は強塩基再生剤である水酸化ナトリウム水溶液（苛性ソーダ液）、カチオン樹脂２は強酸再生剤である塩酸で再生する。この再生工程は以下のようにして行う。

即ち、まず、イオン交換樹脂塔１０に逆洗水を上向流で通水した後、静沈させることにより、イオン交換樹脂塔１０内に混合充填されているアニオン樹脂１およびカチオン樹脂２をこれらの比重差を利用して樹脂収容部１１にて分離する。分離後は上層にアニオン樹脂１の層が形成され、下層にカチオン樹脂２の層が形成される。次に、水酸化ナトリウム水溶液（苛性ソーダ液）を上層のアニオン樹脂１の層に下向流で通液し、その後、塩酸を下層のカチオン樹脂２の層に上向流で通液することで、これらイオン交換樹脂のイオン除去能力を回復することができる（図２）。水酸化ナトリウムおよび塩酸の通液の順番は適宜決定すればよい。また、水酸化ナトリウムを通液した後に洗浄液を通液してもよく、同様に、塩酸を通液した後に洗浄液を通液してもよい。

アニオン樹脂１およびカチオン樹脂２の境界面には中間排水管２０が設置してあり、当該中間排水管２０から上記の再生工程で発生した再生廃液等を排出することができる。

具体的には、上層のアニオン樹脂１の層に下向流で通液した強塩基再生剤の再生廃液がカチオン樹脂２の層に到達する前に中間排水管２０に流入させることができ、下層のカチオン樹脂２の層に上向流で通液した強酸再生剤の再生廃液がアニオン樹脂１の層に到達する前に中間排水管２０に流入させることができる。

中間排水管２０は、水平方向に配設した主管２１に枝管２２を水平方向に接続して構成してある。主管２１および枝管２２は、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス製とすることができるが、これに限定されるものではない。

主管２１には、再生工程で発生した再生廃液等を中間排水管２０に流入させる主管排水孔２１ａが設けてある。主管排水孔２１ａは水平方向に設けてある。主管排水孔２１ａの数は特に限定されるものではない。当該主管排水孔２１ａは、例えば枝管２２を接続する接続部材２３の間や主管２１の端部側に形成することができる。本実施形態では、直径８ｍｍの主管排水孔２１ａを左右対称となるように片側に４個（合計８個）形成した場合について説明する。

主管排水孔２１ａを水平方向に開口するように設けることで、上層のアニオン樹脂１の層に下向流で通液した強塩基再生剤（水酸化ナトリウム水溶液）の再生廃液、および、下層のカチオン樹脂２の層に上向流で通液した強酸再生剤（塩酸）の再生廃液を効率よく主管２１に流入させることができる。

枝管２２には、再生工程で発生した再生廃液等を中間排水管２０に流入させる枝管排出孔２２ａが設けてある。当該枝管排出孔２２ａは、主管排水孔２１ａと同様に水平方向に設けるとよい。

枝管排出孔２２ａを水平方向に開口するように設けることで、上層のアニオン樹脂１の層に下向流で通液した強塩基再生剤の再生廃液、および、下層のカチオン樹脂２の層に上向流で通液した強酸再生剤の再生廃液を効率よく枝管２２に流入させることができる。

本実施形態では、長く設定した枝管２２には、直径８ｍｍの枝管排出孔２２ａを左右対称となるように片側に５個（合計１０個）形成し、短く設定した枝管２２には、直径８ｍｍの枝管排出孔２２ａを左右対称となるように片側に４個（合計８個）形成した場合について説明する。

枝管２２は、主管２１に形成した接続部材２３に接続するとよい。当該接続部材２３は、枝管２２を接続できる態様であればその形状は特に限定されるものではない。本実施形態の接続部材２３は、主管２１と連通して主管２１から突出する接続管２３ａと、当該接続管２３ａの先端に付設された接続管側フランジ部２３ｂとを備えた態様とした場合について説明する。枝管２２には、その一方に枝管側フランジ部２２ｂが付設してあり、当該枝管側フランジ部２２ｂと接続管側フランジ部２３ｂとを接合してボルト３０で締結して主管２１に接続する。

枝管２２の本数は特に限定されるものではない。本実施形態では、左右対称となるように片側に４本（合計８本）の枝管２２を接続した場合について説明するが、このような態様に限定されるものではない。枝管２２の長さは、イオン交換樹脂塔１０の中心付近に接続される枝管２２は、イオン交換樹脂塔１０の中心から離れた位置に接続される枝管２２より長く設定すればよい。

本発明のイオン交換装置Ｘでは、中間排水管２０において、主管２１に主管排水孔２１ａを設けてある。これにより、主管２１の周縁に存在する強塩基再生剤および強酸再生剤は、主管排水孔２１ａから主管２１に流入し易くなっているため、強塩基再生剤および強酸再生剤が主管２１の周縁に滞留し難くなっている。従って、主管２１の周縁に位置するカチオン樹脂２は、強酸再生剤に長時間接触し難い状態となるため、カチオン樹脂２が強酸再生剤によって酸化劣化し難くなる。

また、本構成では、強酸再生剤が主管２１の周縁に滞留し難くなっているため、主管２１が酸焼けによって劣化するのを未然に防止することができる。

本発明のイオン交換装置Ｘでは、再生工程で発生した再生廃液は、主管２１に形成した主管排水孔２１ａ、および、枝管２２に形成した枝管排出孔２２ａから中間排水管２０に流入させて外部に排出することができる。

従来のイオン交換装置において中間排水管２０へ流入する再生廃液（強塩基再生剤および強酸再生剤）の量と、本発明のイオン交換装置Ｘにおいて中間排水管２０へ流入する再生廃液の量がほぼ一致するように、主管排水孔２１ａおよび枝管排出孔２２ａの孔径や数を設定するとよい。即ち、本発明のイオン交換装置Ｘにおいては、主管排水孔２１ａを新たに形成したため、主管排水孔２１ａを形成した分だけ、枝管排出孔２２ａのみを形成した場合と比べて枝管排出孔２２ａの孔径を小さくし（例えば直径１５ｍｍから８ｍｍ）、かつ数も減少（例えば９６個から８０個）させるとよい。

主管２１において主管排水孔２１ａが形成してある部位、および、枝管２２には、アニオン樹脂１およびカチオン樹脂２が主管排水孔２１ａや枝管排出孔２２ａから中間排水管２０に流入するのを防止するため、水は透過するがこれら樹脂は透過しないフィルタ２４を巻き付けておくとよい（図５）。当該フィルタ２４は、例えばサランネット等を使用することができる。

尚、本発明のイオン交換装置Ｘを使用して、原水から純水を製造するプロセスは以下の通りである。

まず、工業用水などの原水を凝集槽に貯留させる。当該凝集槽には、凝集剤、殺菌剤（次亜塩素酸ソーダ）、ｐＨ調整剤（塩酸）を投入し、ＳＳ成分（浮遊物質）を凝集させる。次に、凝集槽で処理した処理液を濾過器によって濾過し、濾過液を濾過水槽に貯留させる。濾過水槽に貯留した処理液にチオ硫酸ソーダを投入し、処理液を還元したのち、この処理液をイオン交換装置Ｘに投入することにより純水を得ることができる。

〔実施例１〕
中間排水管２０の主管２１に主管排水孔２１ａおよび枝管２２に枝管排出孔２２ａを設けた本発明のイオン交換装置Ｘを使用して純水を製造し、イオン交換樹脂のイオン除去能力を回復させるために、適宜、アニオン樹脂１は強塩基再生剤である水酸化ナトリウム水溶液、カチオン樹脂２は強酸再生剤である塩酸で再生する再生工程を行って、これらイオン交換樹脂を繰り返し使用した。最初に純水の製造を開始してから１か月後、および、半年後に、カチオン樹脂２の押し潰し強度平均（ｇ/粒）を測定した。この結果、１か月後の値は３７７であり、半年後の値は３７９であった。

主管排水孔２１ａを形成せず枝管２２に枝管排出孔２２ａを設けた従来のイオン交換装置においても同様に純水製造、および、イオン交換樹脂の再生工程を行い、最初に純水の製造を開始してから１．５か月後、および、半年後に、カチオン樹脂の押し潰し強度平均（ｇ/粒）を求めた。この結果、１．５か月後の値は７８．８であり、半年後の値は１０２であった。

この結果より、本発明のイオン交換装置Ｘで使用したカチオン樹脂２の押し潰し強度平均値は従来のイオン交換装置で使用したカチオン樹脂の押し潰し強度平均値より３．７〜４．８倍程度高い値が得られたため、カチオン樹脂の酸化劣化が起こり難くなっているものと認められた。

また、本発明のイオン交換装置Ｘで使用したカチオン樹脂２の外観指数（（破砕又はひびのない樹脂の数／樹脂の数）×１００）は、１か月後の値は９５．８であり、半年後の値は９８．８であった。外観指数の管理基準値は９６〜９９であるため、本発明のイオン交換装置Ｘで使用したカチオン樹脂２は、管理基準値を満たすため、破砕又はひびが殆ど無いものと認められた。

本発明のイオン交換装置Ｘにおいて最初に純水の製造を開始してから１か月後のカチオン樹脂２の写真図を図６に示した。この写真図から、本発明のイオン交換装置Ｘで使用したカチオン樹脂２は破砕又はひびが殆ど無いものと認められた。

また、従来のイオン交換装置において最初に純水の製造を開始してから１．５か月後のカチオン樹脂の写真図を図７に示した。この写真図から、従来のイオン交換装置で使用したカチオン樹脂は、多数のカチオン樹脂において破砕又はひびが発生したものと認められた。

本発明は、アニオン樹脂およびカチオン樹脂を充填した混床式のイオン交換樹脂塔を備えたイオン交換装置に利用できる。

Ｘ イオン交換装置
１ アニオン樹脂
２ カチオン樹脂
１０ イオン交換樹脂塔
２０ 中間排水管
２１ 主管
２１ａ 主管排水孔
２２ 枝管
２２ａ 枝管排出孔

Claims (4)

1. アニオン樹脂およびカチオン樹脂を充填した混床式のイオン交換樹脂塔を備え、
   前記イオン交換樹脂塔の内部において、水平方向に配設した主管に枝管を水平方向に接続部材によって接続した中間排水管を備え、
   前記主管に主管排水孔を設けたイオン交換装置。
2. 前記主管排水孔を水平方向に設けてある請求項１に記載のイオン交換装置。
3. 前記中間排水管を前記アニオン樹脂および前記カチオン樹脂の境界面に配設した請求項１または２に記載のイオン交換装置。
4. 前記枝管に枝管排出孔を水平方向に設けてある請求項１〜３の何れか一項に記載のイオン交換装置。