JP6728876B2

JP6728876B2 - 電気脱イオン装置及び脱イオン水の製造方法

Info

Publication number: JP6728876B2
Application number: JP2016066069A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　伸; 伸佐藤
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP2017176968A

Description

本発明は、被処理水中のホウ素を高度に除去することができる電気脱イオン装置と、この電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法に関する。

従来、市水、地下水、工水等の原水から超純水を製造する超純水製造装置は、基本的に、前処理装置、一次純水製造装置及び二次純水製造装置から構成される。このうち、前処理装置は、凝集、浮上、濾過、除濁膜装置等で構成される。一次純水製造装置は、活性炭吸着塔、紫外線（ＵＶ）酸化装置、化学的酸化装置、脱気装置等のうちの１種又は２種以上の装置と、脱塩装置とで構成され、このうち脱塩装置は、逆浸透（ＲＯ）膜分離装置、電気脱イオン装置、イオン交換装置（混床式イオン交換装置ないしはイオン交換純水装置）の１種或いは２種以上の組み合わせにより構成される。また、二次純水製造装置は、一次純水製造装置と同様な装置単位を適宜組み合わせたものであり、一般的には、低圧ＵＶ酸化装置、混床式イオン交換装置及び限外濾過（ＵＦ）膜分離装置で構成される。

これらの各装置単位において、原水の脱塩は、ＲＯ膜分離装置、電気脱イオン装置及び混床式イオン交換装置で行われる。また、原水中の微粒子の除去は、ＲＯ膜分離装置及びＵＦ膜分離装置で行われ、ＴＯＣ成分の除去は、ＲＯ膜分離装置、イオン交換純水装置、低圧ＵＶ酸化装置で行われる。

近年、超純水製造において、ホウ素については、例えば１ｐｐｔ以下という厳しい水質が求められるようになってきている。

従来、ＲＯ膜分離装置と電気脱イオン装置との組み合わせにおいて、ホウ素除去率の高い電気脱イオン装置（例えば栗田工業（株）製「ＫＣＤＩ−ＵＰｚ」等）も提案されているが、このような高性能の電気脱イオン装置であっても、そのホウ素除去率は９９．９％程度である。このため、例えば、ホウ素濃度２０ｐｐｂ程度の被処理水をＲＯ膜分離装置で処理してホウ素濃度１０ｐｐｂ程度のＲＯ透過水を得、これをホウ素除去率９９．９％の電気脱イオン装置で処理しても、得られる処理水（脱イオン水）のホウ素濃度は１０ｐｐｔにしかならず、ホウ素濃度１ｐｐｔ以下の処理水を得ることはできない。

一般的な電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間に複数のカチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配列することにより、濃縮室と脱塩室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換樹脂を充填してなり、更に濃縮室にもイオン交換樹脂が充填されたものも提供されている。

電気脱イオン装置において、ホウ素除去率の向上のためには、脱塩室の厚さは小さい方が有利である。特許文献１には、脱塩室の厚さを５ｍｍ以下とした、ホウ素除去率の高い電気脱イオン装置が記載されている。

従来の電気脱イオン装置において、脱塩室、更には濃縮室に充填されるイオン交換樹脂は、粒径５００〜６００μｍ程度のものであり、また、多くの場合、粒径の均一性についての考慮はなされていない。

例えば、特許文献２の実施例では、電気脱イオン装置の脱塩室にアニオン交換樹脂として三菱化学（株）製「ダイヤイオン（登録商標）ＳＡ１０Ａ」（平均粒径５４０μｍ）と、カチオン交換樹脂として三菱化学（株）製「ダイヤイオン（登録商標）ＳＫ１Ｂ」（平均粒径６２０μｍ）を充填している。

特許文献３には、脱塩室に、粒径が異なる複数の均一粒径を有するイオン交換樹脂粒子群の混合物であって、最大の均一粒径を有するイオン交換樹脂粒子群の粒径が、最小の均一粒径を有するイオン交換樹脂粒子群の粒径の１．５倍以上であるものが充填された脱イオン水製造装置が提案されており、最小の均一粒径を有するイオン交換樹脂粒子群の粒径が３０〜６００μｍであるとされているが、実施例で具体的に用いたイオン交換樹脂は、平均粒径が６３０μｍのカチオン交換樹脂と、平均粒径２２０μｍのカチオン交換樹脂と、平均粒径５７５μｍのアニオン交換樹脂の２５／２２．５／５２．５（重量比）の混合物である。

特開２０１１−１１０５１５号公報特開２００１−１１３２８１号公報特開平１０−２５８２８９号公報

本発明は、脱塩室のセル数を少なくしても十分なホウ素除去性能を有する電気脱イオン装置と、この電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法を提供することを課題とする。

本発明の電気脱イオン装置は、陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室に流通され、生産水として取り出され、生産水の一部が濃縮水として濃縮室に脱塩室の流れ方向と向流方向に流通される電気脱イオン装置において、該脱塩室の厚さが１０〜２０ｍｍであり、該脱塩室に充填されるイオン交換樹脂の平均直径が０．２〜０．３ｍｍであることを特徴とするものである。

本発明の脱イオン水の製造方法は、この電気脱イオン装置を用いて脱イオン水を製造する。

本発明の電気脱イオン装置では、脱塩室の厚さを１０〜２０ｍｍと大きくしている。これにより、アニオン交換膜やカチオン交換膜の枚数が少なくなり、電気脱イオン装置の構成コストが安価となる。ただし、脱塩室の厚さを大きくすると、ホウ素除去効率が低下する。そこで、本発明では、イオン交換樹脂として平均粒径が０．２〜０．３ｍｍと小さいものを用い、ホウ素除去効率を確保する。従って、本発明によると、装置構成コストが低く、しかも十分なホウ素除去能力を有した電気脱イオン装置が提供される。

なお、平均粒径が小さいイオン交換樹脂を用いると、イオン交換樹脂の表面積が大きくなるため、電気抵抗が小さくなり、印加電圧を低くしても電流が確保される（即ち、同電流で運転するための必要電圧が低下する）ようになるので、電力コストを低減することができる。

実施の形態に係る電気脱イオン装置の模式的な断面図である。

図１は本発明の実施の形態を示す電気脱イオン装置の模式的な断面図である。この電気脱イオン装置は、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜（Ａ膜）１３及びカチオン交換膜（Ｃ膜）１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６には、平均粒径０．２〜０．３ｍｍのイオン交換樹脂が充填されている。

また、濃縮室１５と、陽極室１７及び陰極室１８にも、イオン交換体、活性炭又は金属等の電気導電体が充填されている。

原水は脱塩室１６の入口側から導入され、脱塩室１６の出口側から生産水が取り出される。この生産水の一部は、濃縮室１５に脱塩室１６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水され、濃縮室１５の流出水は系外へ排出される。即ち、この電気脱イオン装置では、濃縮室１５と脱塩室１６とが交互に並設され、脱塩室１６の生産水取り出し側に濃縮室１５の流入口が設けられており、脱塩室１６の原水流入側に濃縮室１５の流出口が設けられている。また、生産水の一部は陽極室１７の入口側に送給され、陽極室１７の流出水は、陰極室１８の入口側へ送給され、陰極室１８の流出水は排水として系外へ排出される。

このように、濃縮室１５に生産水を脱塩室１６と向流一過式で通水することにより、生産水取り出し側ほど濃縮室１５内の濃縮水の濃度が低いものとなり、濃度拡散による脱塩室１６への影響が小さくなり、ホウ素等のイオンの除去率を高めることができる。

この電気脱イオン装置では、脱塩室１６の厚さを１０〜２０ｍｍと大きくしている。これにより、アニオン交換膜やカチオン交換膜の枚数が少なくなり、電気脱イオン装置の構成コストが安価となる。ただし、脱塩室１６の厚さを大きくすると、ホウ素除去効率が低下するが、それを補うために、イオン交換樹脂として平均粒径が０．２〜０．３ｍｍと小さいものを用い、ホウ素除去効率を確保する。なお、イオン交換樹脂として平均粒径の小さいものを用いると、イオンの表面積が大きくなるため、電気抵抗が小さくなり、印加電圧を低くしても、電流が確保されるようになるので、電力コストを低減することができる。なお、脱塩室の数は、１０〜１００特に４０〜６０程度が好ましい。

脱塩室１６に被処理水を上下方向に通水する場合、脱塩室１６のイオン交換樹脂充填高さは４０〜８０ｍｍであり、幅は３０〜６０ｍｍであることが好ましい。なお、電流値は１０〜２０Ａとすることが高いホウ素除去率とするためには好ましい。

なお、このイオン交換樹脂の平均粒径は、篩を用いることにより測定することもできるが、イオン交換樹脂メーカーのカタログ値を採用するのが好ましい。

平均粒径が０．２〜０．３ｍｍの小粒径のイオン交換樹脂を用いると、同一量のイオン交換樹脂に対して、ホウ素の吸着除去に関与するイオン交換樹脂の表面積が大きくなり、イオン交換樹脂に吸着されたホウ素がイオン交換樹脂の表面を伝わって濃縮室に排出される効率が大きく向上する。

脱塩室１６に充填するイオン交換樹脂の平均粒径が０．３ｍｍを超えると、小粒径のイオン交換樹脂を用いることによる本発明の効果を十分に得ることができない。一方、平均粒径が０．２ｍｍより小さいイオン交換樹脂は、取り扱い性や通水抵抗の面で好ましくない場合がある。

脱塩室１６には、通常、イオン交換樹脂として、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合樹脂が充填される。従って、このアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂のそれぞれが前述の平均粒径を満たすことが好ましい。

脱塩室１６に充填するアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合樹脂の混合割合は、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝６０〜９０：４０〜１０、特に６０〜８０：４０〜２０（乾燥重量比）の範囲であることが好ましい。脱塩室１６に充填される混合樹脂は、上記の混合割合の範囲おいて、すべての箇所において同一であってもよく、脱塩室１６の通水方向の入口側と出口側で異なっていてもよい。例えば、脱塩室１６の通水方向の入口側（上流側）の通水流路の長さのうち１／２〜１／３の領域においては、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝７０〜８０：３０〜２０（乾燥重量比）の混合樹脂を充填し、その他の箇所（出口側の箇所）にはアニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝４０〜６０：６０〜４０、好ましくは５０〜６０：５０〜４０（乾燥重量比）の混合樹脂を充填してもよい。このようにすることで、入口側でアニオンが効果的に除去され、アルカリ雰囲気となるので、炭酸、シリカ、ホウ素がよりイオン化しやすくなり、電気脱イオン装置で除去されやすくなる。

本発明の電気脱イオン装置は、高いホウ素除去率を実現するために、濃縮室１５にもイオン交換樹脂を充填することが好ましく、この場合、濃縮室１５に充填するイオン交換樹脂もまた、脱塩室１６に充填するイオン交換樹脂と同様の理由から、平均粒径０．２〜０．３ｍｍのイオン交換樹脂であることが好ましい。

濃縮室１５に充填するイオン交換樹脂もまた、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合樹脂が好ましい。特に、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝４０〜７０：６０〜３０、好ましくは５０〜７０：５０〜３０（乾燥重量比）の混合樹脂であることが好ましい。濃縮室１５の厚さは、脱塩室の厚さと同等とすることが好ましい。

本発明の脱イオン水の製造方法は、このような本発明の電気脱イオン装置に被処理水を通水して脱イオン処理する方法であり、好ましくは、電気脱イオン装置の脱塩室１６に被処理水を通水し、処理水（脱塩室の流出水）の一部、例えば１０〜３０％程度を濃縮室１５に、脱塩室１６の通水方向と逆方向に通水することが、高いホウ素除去率を得る上で好ましい。また、その際の通水速度としては、ホウ素除去率と処理効率の面から、脱塩室１６の通水ＬＶは５０〜１５０ｍ／ｈｒ、濃縮室１５の通水ＬＶは１０〜３０ｍ／ｈｒ程度であることが好ましい。

また、被処理水の通水処理時の電気脱イオン装置の電流密度は５００ｍＡ／ｄｍ^２以上、例えば１０００〜１５００ｍＡ／ｄｍ^２とすることが好ましい。

本発明の電気脱イオン装置は、特に、純水製造装置のＲＯ膜分離装置の後段に設ける電気脱イオン装置として好ましく用いられ、ＲＯ膜分離装置からのホウ素濃度１０〜２０ｐｐｂ程度のＲＯ透過水を本発明の電気脱イオン装置で処理してホウ素濃度１ｐｐｔ以下の処理水を効率的に得ることができる。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

［実施例１］
陽極と陰極との間に複数のアニオン交換膜とカチオン交換膜とを交互に配列して、濃縮室と脱塩室を交互に形成した電気脱イオン装置（栗田工業（株）製「ＫＣＤＩ−ＵＰｚ−０２０」）を、脱塩室及び濃縮室の厚さが１０ｍｍとなるように改造し、脱塩室数＝５０とした。この電気脱イオン装置を脱塩室及び濃縮室の通水方向が鉛直方向となるように設置した。脱塩室及び濃縮室に、以下の通りイオン交換樹脂を充填した。脱塩室及び濃縮室のイオン交換樹脂の充填高さは６０ｍｍ、幅は４０ｍｍとした。

脱塩室には、平均粒径０．３ｍｍのアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを、アニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂の比率（乾燥重量比）を上部で７５：２５とし、下部で６０：４０とする混合比で充填した。

濃縮室には、上記アニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂をアニオン交換樹脂：カチオン交換樹脂＝６０：４０（乾燥重量比）の混合比で充填した。

この電気脱イオン装置に電流値１０Ａ、電流密度１２００ｍＡ／ｄｍ^２で電流を流し、ホウ素濃度３ｐｐｂの被処理水を、脱塩室にＬＶ＝２．５ｍ／ｈｒで下向流通水し、脱塩室の流出水の１５％を濃縮室にＬＶ＝１．０ｍ／ｈｒで上向流通水し、残部を処理水として取り出した。

得られた処理水（脱塩室流出水）のホウ素濃度は１ｐｐｔ以下であり、ホウ素除去率９９．９７％を達成することができた。運転電圧は１００Ｖであった。

［比較例１］
実施例１において、脱塩室及び濃縮室の厚さを５ｍｍとし、脱塩室数を１００とした。また、アニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂として、それぞれ粒径が０．６ｍｍのものを用いた。これら以外は実施例1と同一の構成とされた電気脱イオン装置に、同一条件で被処理水を通水したところ、得られた処理水のホウ素濃度は実施例１と同一であった。運転電圧は１４０Ｖであった。

以上の結果より、実施例１によると、セル数を少なくしても、ホウ素を十分に除去できることが認められた。また、実施例１によると、同電流で運転するための必要電圧が低下することも認められた。

１１陽極
１２陰極
１３アニオン交換膜
１４カチオン交換膜
１５濃縮室
１６脱塩室

Claims

陽極と陰極との間にイオン交換膜によって濃縮室と脱塩室とが区画され、
濃縮水が該濃縮室に流通され、原水が被処理水として脱塩室に流通され、生産水として取り出され、
生産水の一部が濃縮水として濃縮室に脱塩室の流れ方向と向流方向に流通される電気脱イオン装置において、
該脱塩室及び濃縮室の厚さが１０〜２０ｍｍであり、
該脱塩室及び濃縮室に充填されるイオン交換樹脂の平均直径が０．２〜０．３ｍｍであることを特徴とする電気脱イオン装置。
請求項１において、脱塩室のイオン交換樹脂充填高さが４０〜８０ｍｍであり、幅が３０〜６０ｍｍであることを特徴とする電気脱イオン装置。
請求項１又は２において、脱塩室にはアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂との混合樹脂が充填されており、
該脱塩室内の混合樹脂中のアニオン交換樹脂の割合（乾燥重量比）は、脱塩室入口側では７０〜８０％であり、脱塩室出口側では４０〜６０％であることを特徴とする電気脱イオン装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気脱イオン装置を用いた脱イオン水の製造方法。