JP6610384B2 - 水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体素子の製造工程に用いられる超純水の製造システムにおいて使用される水処理装置に関する。

半導体素子などの製造工程における洗浄処理では、高濃度の薬液や洗剤と共に、それを濯ぐための大量の純水または超純水が用いられる。
近年、半導体デバイスにおける回路パターンの微細化や高密度化および高集積化に伴い、洗浄処理に用いる純水（超純水）に水質向上の要請があることから、水中の有機物（ＴＯＣ：Total Organic Carbon）をより効率的に除去する技術の開発が進められている。

従来、水中のＴＯＣを除去する方法として、逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置、低圧水銀ランプを備えた紫外光酸化処理装置、イオン交換樹脂を備えたイオン交換装置などの有機物除去処理装置を使用する手法が用いられている。
具体的に、半導体素子などの製造工程に用いる洗浄用の純水（超純水）を得るための水処理システムとしては、主に原水（工業用水）から懸濁物質を除去する前処理装置と、複数の有機物除去処理装置と、脱気装置や限外濾過膜分離装置等の後処理装置とを備えたものが用いられている。このような水処理システムの具体例としては、例えば、前処理装置、逆浸透膜分離装置、紫外光酸化処理装置、イオン交換装置、脱気装置および限外濾過膜分離装置などをこの順に用いて原水（市水）を処理するものがある。

紫外光酸化処理装置においては、逆浸透膜分離装置などによって処理されて排出された処理済水（一次純水や二次純水）に対して低圧水銀ランプからの光（紫外線）を照射することによって処理が行われる。
水は、紫外線が水に吸収された場合には、紫外線の照射エネルギーによって励起され、ラジカル（具体的には、水素ラジカル（・Ｈ）およびヒドロキシラジカル（・ＯＨ））を生成し、瞬時に水に戻る反応を繰り返している。
このようにして水が励起されることによって生成されたヒドロキシラジカルは、一部がＴＯＣと反応してＴＯＣの分解（酸化分解）に寄与するが、その大部分は水素ラジカルと結合して水に戻る。

紫外光酸化処理装置としては、被処理水（逆浸透膜分離装置などによって処理されて排出された処理済水）を撹拌しながら紫外線を照射することによって当該被処理水に均質に紫外線を照射し、高い効率でＴＯＣを分解する装置が開示されている（特許文献１参照）。
具体的には、図２に示されるように、被処理水が流通する円筒状の処理容器３１を有し、当該処理容器３１内に同軸状に伸びるよう光源保護管４１が配置されると共に、当該光源保護管４１内に、流通される被処理水に紫外線を照射する紫外光源４２が同軸状に伸びるよう配置されている。この処理容器３１においては、処理容器３１の内壁と光源保護管４１とによって区画された空間によって被処理水が流通する流通空間Ｒが形成されている。また、この処理容器３１においては、一端部に被処理水が供給される供給口３３が形成されていると共に、他端部に被処理水が排出される排出口３４が形成されている。
そして、処理容器３１内の流通空間Ｒには、処理容器３１の内径と略同等の外径を有し、光源保護管４１の外径よりも大きな内径の開口３５Ａを有する、円環状のバッフル板３５が複数設けられている。
バッフル板３５は、具体的には、その開口３５Ａ内に、被処理水の流通路Ｒｗとなる間隙を介して光源保護管４１が挿入された状態となるよう、処理容器３１の長さ方向に互いに離間して平行に備えられている。図２において、３６はバッフル板３５を貫通して保持するバッフル板保持棒である。

特開２０００−０６１４５９号公報

しかしながら、このような水処理装置を処理容器３１の軸が水平となるように配置して被処理水の紫外線照射処理を行うと、バッフル板３５が不可避的に鉛直方向に沿って延びることとなるため、処理前に存在する空気が撹拌されて生じる気泡が、処理容器３１内に溜まったまま抜けない場合がある。具体的には、流通空間Ｒにおける隣接するバッフル板３５間の空間や、バッフル板３５と処理容器３１の内壁との間の空間、特に、図２において鎖線で囲って示す空間のような、流通空間Ｒにおける鉛直方向上方の空間に気泡による気体が溜まってしまう。
そして、処理容器３１内に気体が溜まった状態となる結果、流通空間Ｒ内に存在させることのできる被処理水の量が低減され、従って、紫外線照射処理することのできる被処理水の量が所期の量よりも少なくなってしまう。また、流通空間Ｒ内における被処理水の流れ方が変化してしまうことや、流通空間Ｒにおいて被処理水が偏在することなどによって被処理水に対する紫外線の照射に所期の均質性が得られないことがある。その結果、処理効率が低いものとなってしまうという問題が生じることが判明した。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、被処理水の紫外線照射処理時に気体が処理容器内に溜まらず、高い効率で被処理水の紫外線照射処理を行うことができる水処理装置を提供することにある。

本発明の水処理装置は、上下方向に伸びる、被処理水が流通する処理容器と、
前記処理容器の下部に形成された被処理水供給口と、
前記処理容器の上部に形成された被処理水排出口と、
前記処理容器内に上下方向に伸びるよう配置された、流通される被処理水に紫外線を照射する紫外光源を有する光源部と、
前記処理容器内において前記紫外光源の周囲に設けられた複数のバッフル板とを備え、
前記バッフル板が円環状のものであり、水平方向に沿った方向に延びるものであり、
前記光源部が、前記バッフル板の開口内に、被処理水の流通路となる隙間を介して挿入されていることを特徴とする。

本発明の水処理装置においては、前記光源部が、光透過性の光源保護管内に紫外光源が配置されてなるものである構成とすることができる。

本発明の水処理装置においては、前記光源部を構成する紫外光源が、波長１８９ｎｍ以下の光を放射するものであることが好ましい。

本発明の水処理装置においては、前記光源部を構成する紫外光源が、発光ガスとしてキセノンが封入されたランプよりなることが好ましい。

本発明の水処理装置においては、前記処理容器が、上下端に開口を有する直円筒状の筒状本体と、当該筒状本体の上方の開口および下方の開口をそれぞれ閉塞するように配設された蓋部材とよりなり、
前記処理容器における前記被処理水排出口側の蓋部材に、脱気部が備えられていることが好ましい。

本発明の水処理装置においては、処理容器が上下方向に伸び、下部に形成された被処理水供給口から上部に形成された被処理水排出口に向かって被処理水が流通される構造を有する。従って、被処理水の紫外線照射処理時に気体は鉛直方向に向かうところ、処理容器内において被処理水も上方に向かって流通するので、気泡などの気体が被処理水排出口から抜け易い。
その結果、本発明の水処理装置によれば、所期の量の被処理水を処理容器内に流通させることができると共に、水平方向に伸びるバッフル板が備えられていることによって被処理水に所期の撹拌状態が得られて高い均質性で被処理水に紫外線を照射することができるので、高い効率で被処理水の紫外線照射処理を行うことができる。

本発明の水処理装置の構成の一例を示す説明用断面図である。 従来の水処理装置の構成の一例を示す説明用断面図である。

以下、本発明の水処理装置の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の水処理装置の構成の一例を示す説明図である。
この水処理装置１０は、水を被処理水とするものである。被処理水は、任意成分が含有されたものであってもよい。
水処理装置１０は、上下方向に伸びる、被処理水が流通する例えば円筒状の処理容器１１と、当該処理容器１１内に上下方向に伸びるよう配置された、流通される被処理水に紫外線を照射する紫外光源２２を有する光源部２０とを備えるものである。

処理容器１１は、上下端に開口を有する直円筒状の筒状本体１１Ａと、筒状本体１１Ａの上方の開口を閉塞するように配設された上方蓋部材１１Ｂと、筒状本体１１Ａの下方の開口を閉塞するように配設された下方蓋部材１１Ｃとよりなる。上方蓋部材１１Ｂおよび下方蓋部材１１Ｃは、各々、固定部材（図示省略）によって筒状本体１１Ａに対して着脱自在に設けられている。この処理容器１１においては、筒状本体１１Ａと上方蓋部材１１Ｂとの間、および筒状本体１１Ａと下方蓋部材１１Ｃとの間に、各々、耐水性および耐光性を有する合成樹脂よりなるシール部材（図示省略）が設けられていることにより、筒状本体１１Ａと上方蓋部材１１Ｂとの間の液密性、および筒状本体１１Ａと下方蓋部材１１Ｃとの間の液密性が保持されている。
処理容器１１の下部には、筒状本体１１Ａにおける下方蓋部材１１Ｃに近接した位置に、被処理水が供給される被処理水供給口１３が設けられていると共に、処理容器１１の上部には、筒状本体１１Ａにおける上方蓋部材１１Ｂに近接した位置に、被処理水が排出される被処理水排出口１４が設けられている。この図の例において、被処理水供給口１３と被処理水排出口１４とは、並列配置されている。
また、処理容器１１において被処理水排出口１４側の蓋部材である上方蓋部材１１Ｂに脱気部（図示せず）が備えられている。

この処理容器１１において、処理容器１１の筒状本体１１Ａが上下方向に伸び、下部に被処理水供給口１３が形成されると共に上部に被処理水排出口１４が形成された構造を有することにより、処理容器１１内において被処理水を上方に向かって流通させることができる。
処理容器１１の筒状本体１１Ａは、上下方向に伸びるものであればよく、特に鉛直方向に伸びるものであることが好ましいが、鉛直方向に対して０〜３０°の傾きで伸びるものであってもよい。

この水処理装置１０において、被処理水排出口１４は、処理容器１１の筒状本体１１Ａにおける上方蓋部材１１Ｂに近接した位置に開口されるが、被処理水排出口１４と処理容器１１の上端部すなわち上方蓋部材１１Ｂとの間に空間を有することが好ましい。
このように被処理水排出口１４と上方蓋部材１１Ｂとの間に空間を有することによって、紫外線照射処理時において被処理水排出口１４から抜けなかった気体が当該空間に溜まるので、被処理水に対する紫外線の照射の均質性に与える影響を極めて小さく抑制することができる。

処理容器１１は、当該処理容器１１の内面に照射される光源部２０からの光に対する耐性を有する耐紫外光材料よりなるものであることが好ましい。
処理容器１１を構成する耐紫外光材料の具体例としては、例えばステンレス鋼やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂などが挙げられる。

光源部２０は、直円筒状の光源保護管２１と、光源保護管２１内に設けられた紫外光源２２とよりなるものとすることができる。
光源部２０の光源保護管２１は、後述するバッフル板１５の開口１５Ａの内径より小さい外径を有すると共に筒状本体１１Ａの全長と同等の全長を有するものである。そして、光源保護管２１は、処理容器１１内において、当該光源保護管２１の管軸が筒状本体１１Ａの管軸Ｃと一致するように支持部材（図示省略）によって支持されている。また、光源保護管２１の一方の開口は上方蓋部材１１Ｂによって閉塞され、他方の開口が下方蓋部材１１Ｃによって閉塞されている。この光源保護管２１においては、上方蓋部材１１Ｂとの間、および下方蓋部材１１Ｃとの間に、各々、耐水性および耐光性を有する合成樹脂よりなるシール部材（図示省略）が設けられていることにより、当該光源保護管２１の気密性および液密性が保持されている。
そして、処理容器１１と光源保護管２１との間の円環状の空間によって被処理水が流通される流通空間Ｒが形成されている。

光源保護管２１としては、紫外光源２２からの紫外線を透過する光透過性を有する材料よりなり、例えば、合成石英ガラス（具体的には、例えば「Ｓｕｐｒａｓｉｌ−Ｆ３００」（信越石英株式会社））よりなるガラス管が用いられる。

光源保護管２１の内部には、当該光源保護管２１の管軸に沿って紫外光源２２が配設されている。この紫外光源２２は、光源保護管２１の内径よりも小さい外径を有すると共に光源保護管２１の全長と同等の全長を有しており、光源保護管２１の内部において、当該紫外光源２２の管軸（ランプ中心軸）が光源保護管２１の管軸と一致するように支持部材（図示省略）によって支持されている。すなわち、紫外光源２２は、当該紫外光源２２の管軸（ランプ中心軸）が処理容器１１（筒状本体１１Ａ）の管軸Ｃと一致し、流通空間Ｒに囲まれるように配設されている。
この図の例において、紫外光源２２と光源保護管２１との間の空間は、窒素ガスなどの不活性ガスで満たされている。すなわち、紫外光源２２と光源保護管２１との間には、不活性ガス層が形成されている。紫外光源２２と光源保護管２１との間の空間が不活性ガスで満たされていることにより、当該空間において、オゾンなどの活性ガスが発生するおそれがなくなり、水処理装置１０の劣化を抑制することができる。また、紫外光源２２からの光（紫外光）が、紫外光源２２と光源保護管２１との間の空間に存在するガスに吸収されることに起因して、被処理水に対する紫外光照射量が減少するおそれがない。この不活性ガス層の厚み、すなわち紫外光源２２と光源保護管２１との間の距離は、例えば１ｍｍである。

紫外光源２２としては、例えばアマルガムランプ（発光波長：２５４ｎｍおよび１８５ｎｍ）、発光ガスとしてキセノンが封入されたランプ、具体的にはキセノンエキシマランプ（発光波長：１５０〜２００ｎｍ、ピーク波長：１７２ｎｍ）などを用いることができる。
特に、紫外光源２２として波長１８９ｎｍ以下の光を放射するランプを用いる場合、紫外線が水に吸収されることにより気体（主に酸素）が生成されるが、本発明の水処理装置１０によれば流通空間Ｒ内から気体が被処理水排出口１４から抜け易いので、高い効率で被処理水の紫外線照射処理を行うことができる。

水処理装置１０において、流通空間Ｒにおける光路長、すなわち処理容器１１（筒状本体１１Ａ）の内周面と光源保護管２１の外周面との間の距離、流通空間Ｒにおける被処理水の流量、流通空間Ｒにおける紫外線が照射される領域の大きさ（紫外光源２２の発光長）およびその他の条件は、流通空間Ｒに供給される被処理水の種類、および当該水処理装置１０によって処理された被処理水（処理済水（具体的には、純水または超純水））において必要とされる水質などに応じて適宜に設定される。

処理容器１１内の流通空間Ｒには、筒状本体１１Ａの内径と略同等の外径を有し、光源保護管２１の外径よりも大きな内径の開口１５Ａを有する、円環状のバッフル板１５が複数、設けられている。
バッフル板１５は、具体的には、その開口１５Ａ内に光源部２０の光源保護管２１が被処理水の流通路Ｒｗとなる間隙を介して挿入された状態となるよう、筒状本体１１Ａの長さ方向すなわち上下方向に互いに離間して平行に備えられている。バッフル板１５は、上下方向に伸び、その上下端が上方蓋部材１１Ｂおよび下方蓋部材１１Ｃによって支持されたバッフル板保持棒（図示せず）に円環部が貫通されて保持されている。バッフル板１５がバッフル板保持棒によって保持される場合においては、バッフル板１５と処理容器１１の筒状本体１１Ａの内壁とは接触状態とされていてもよく、非接触状態とされていてもよい。また、バッフル板１５は、処理容器１１の筒状本体１１Ａの内壁面から延びる状態に一体的に形成されていてもよい。
そして、本発明の水処理装置１０においては、バッフル板１５は水平方向に沿った方向に延びるものとされている。この水処理装置１０において、被処理水は流通空間Ｒにおいて上方に向かって流通するところ、バッフル板１５が水平方向に沿った方向に延びるので、被処理水の流通方向と略直交させることができて、所期の被処理水の撹拌状態が得られる。
バッフル板１５は、処理容器１１の筒状本体１１Ａの伸びる方向に直交する平面に沿って延びていればよく、具体的には例えば当該平面に対して０〜３０°の傾きがあってもよい。

バッフル板１５を構成する材料の具体例としては、例えばステンレス鋼などが挙げられる。

バッフル板１５の数としては、処理容器１１の筒状本体１１Ａの長さ１ｍ当たり２〜２０枚とすることができる。
上記範囲の数のバッフル板１５を備えていることによって、被処理水を十分に撹拌することができて高い均質性で被処理水に紫外線を照射することができる

上記の水処理装置１０の寸法の一例を挙げると、被処理水供給口１３の高さ方向中心から被処理水排出口１４の高さ方向の中心までの距離ｄ１が４６３．６ｍｍ、被処理水供給口１３の高さ方向中心から下方蓋部材１１Ｃまでの距離ｄ２および被処理水排出口１４の高さ方向中心から上方蓋部材１１Ｂまでの距離ｄ３がそれぞれ３０ｍｍ、被処理水供給口１３の最大径ｄ４および被処理水排出口１４の最大径ｄ５がそれぞれφ２３ｍｍ、被処理水供給口１３に最も近接するバッフル板１５から下方蓋部材１１Ｃまでの距離Ｄ１が９０ｍｍ、隣接するバッフル板１５間距離Ｄ２が９０ｍｍ、被処理水排出口１４に最も近接するバッフル板１５から上方蓋部材１１Ｂまでの距離Ｄ３が７０．４ｍｍバッフル板１５の外径Ｄ４がφ７０ｍｍ、開口径Ｄ５がφ２４ｍｍ、厚みが１ｍｍ、光源保護管２１の外径がφ２２ｍｍ、内径がφ２０ｍｍ、処理容器１１の筒状本体１１Ａの内径がφ７２．３ｍｍである。

この水処理装置１０において、被処理水の紫外線照射処理中には、紫外光源２２が点灯され、被処理水が被処理水供給口１３を介して処理容器１１内に供給される。そして、被処理水は、処理容器１１内における流通空間Ｒを、被処理水供給口１３から被処理水排出口１４に向かって、隣接するバッフル板１５間の空間において乱流となって撹拌されながら各バッフル板１５に係る流通路Ｒｗを流通する。このとき、撹拌に伴って発生する気泡は、被処理水と共に上方に向かって流通し、被処理水排出口１４から抜ける、あるいは、流通空間Ｒにおける被処理水排出口１４より上方の空間すなわち被処理水排出口１４と上方蓋部材１１Ｂとの間の空間に溜まる。そして、流通空間Ｒを撹拌されながら流通する被処理水に対して、紫外光源２２からの光が、紫外光源２２と光源保護管２１との間の不活性ガス層および光源保護管２１を介して照射される。このようにして、紫外光源２２からの光が照射された被処理水、すなわち処理済水が、被処理水排出口１４を介して処理容器１１の外部に排出される。図１には、被処理水の流通方向が黒塗り矢印によって示されている。

被処理水の流量は、例えば１０Ｌ／ｍｉｎとされる。

以上のような水処理装置１０においては、処理容器１１が上下方向に伸び、下部に形成された被処理水供給口１３から上部に形成された被処理水排出口１４に向かって被処理水が流通される構造を有する。従って、被処理水の紫外線照射処理時に気体は鉛直方向に向かうところ、流通空間Ｒ内において被処理水も上方に向かって流通するので、気泡などの気体が被処理水排出口１４から抜け易い。
その結果、この水処理装置１０によれば、所期の量の被処理水を処理容器１１内に流通させることができると共に、水平方向に伸びるバッフル板１５が備えられていることによって被処理水に所期の撹拌状態が得られて高い均質性で被処理水に紫外線を照射することができるので、高い効率で被処理水の紫外線照射処理を行うことができる。

このような本発明の水処理装置は、工業用純水および医療用純水などとして用いられる純水（超純水）や上水などの飲料用水を製造するための水処理システムの構成装置として好適に用いられる。具体的には、水処理システムにおいて、有機物除去装置、排出される処理済水に過酸化水素が含有されることとなる装置の後処理装置（過酸化水素量を減少させるための装置）として好適に用いられる。

以上、本発明の水処理装置について具体的に説明したが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、被処理水が収容される処理容器は、光源部（具体的には、紫外光源および光源保護管等）のメンテナンス容易性の観点からは、図１に係る処理容器１１のように、複数の構成部（図１に係る処理容器１１においては、筒状本体１１Ａ、上方蓋部材１１Ｂおよび下方蓋部材１１Ｃ）が固定部材によって組み立てられたもの、すなわち分解組立てが可能なものであることが好ましいが、一体成形されたものであってもよい。

また、光源部は、光源保護管を備えておらず、紫外光源が被処理水と接触する構成のものであってもよい。

１０ 水処理装置
１１ 処理容器
１１Ａ 筒状本体
１１Ｂ 上方蓋部材
１１Ｃ 下方蓋部材
１３ 被処理水供給口
１４ 被処理水排出口
１５ バッフル板
１５Ａ 開口
２０ 光源部
２１ 光源保護管
２２ 紫外光源
３１ 処理容器
３３ 供給口
３４ 排出口
３５ バッフル板
３５Ａ 開口
３６ バッフル板保持棒
４１ 光源保護管
４２ 紫外光源
Ｒ 流通空間
Ｒｗ 流通路

Claims (5)

1. 上下方向に伸びる、被処理水が流通する処理容器と、
   前記処理容器の下部に形成された被処理水供給口と、
   前記処理容器の上部に形成された被処理水排出口と、
   前記処理容器内に上下方向に伸びるよう配置された、流通される被処理水に紫外線を照射する紫外光源を有する光源部と、
   前記処理容器内において前記紫外光源の周囲に設けられた複数のバッフル板とを備え、
   前記バッフル板が円環状のものであり、水平方向に沿った方向に延びるものであり、
   前記光源部が、前記バッフル板の開口内に、被処理水の流通路となる隙間を介して挿入されていることを特徴とする水処理装置。
2. 前記光源部が、光透過性の光源保護管内に紫外光源が配置されてなるものであることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記光源部を構成する紫外光源が、波長１８９ｎｍ以下の光を放射するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水処理装置。
4. 前記光源部を構成する紫外光源が、発光ガスとしてキセノンが封入されたランプよりなることを特徴とする請求項３に記載の水処理装置。
5. 前記処理容器が、上下端に開口を有する直円筒状の筒状本体と、当該筒状本体の上方の開口および下方の開口をそれぞれ閉塞するように配設された蓋部材とよりなり、
   前記処理容器における前記被処理水排出口側の蓋部材に、脱気部が備えられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の水処理装置。

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