JP6873972B2 - 混合床樹脂の再生 - Google Patents

Description

本発明は、混合床セパレータを用いた水処理に関する。特に、本発明は、混合床セパレータにおけるカチオン樹脂とアニオン樹脂の最小限のクロス・コンタミネーションによる再生に関する。
イオン交換樹脂は、様々な分離、精製および汚染除去プロセスにおいて広く使用されている。一般的な例としては、水の軟化と水の浄化である。樹脂は、イオン交換のために水を通過させて汚染物質を除去する作業容器内にアニオン樹脂とカチオン樹脂の両方を含有する混合床においてしばしば使用されている。イオン交換樹脂の使用は、天然または人工ゼオライトの使用にしばしば代わるものである。
樹脂は、不溶性マトリックスまたは支持構造体を通常小ビーズの形で形成し(約0.5〜1mmの直径)、ポリスチレンスルホン酸のような適切な有機ポリマーから製造されている。通常樹脂ビーズは多孔性であり、高表面積を与える。イオンのビーズ表面上での捕捉は、イオン樹脂床によって行われるイオン交換プロセスにおいて他のイオンの同時放出により起こる。
イオン交換に使用されるアニオン樹脂は、強塩基性または弱塩基性であり、負に帯電されているアニオンを引きつける。カチオン樹脂は、強酸性または弱酸性であり、正に帯電しているカチオンを引きつける。

イオン交換プロセスにおいて樹脂ビーズは、飽和されるので定期的に再生しなければならない。アニオン樹脂の再生は、典型的には、強塩基性溶液、例えば水酸化ナトリウム水溶液による樹脂ビーズの処理を必要とする。カチオン樹脂の再生は、典型的には、強酸性溶液、例えば、塩酸又は硫酸により行われる。再生剤化学物質と組み合わせることにより、再生中に再生剤溶液は樹脂ビーズを通過し、捕捉されたイオンが遊離し、これにより、樹脂の交換容量を回復させる。
混合床樹脂は、作業容器内に混在しているカチオン樹脂とアニオン樹脂の両方を含んでいる。再生が必要な場合、カチオン樹脂ビーズは、アニオン樹脂ビーズから分離しなければならず、その後、それぞれ別個にそれぞれの再生剤、酸性またはアルカリ性の化学物質で再生される。混合床再生のための既知の方法には、作業容器から特に専用の分離カラム、例えば約2メートルの混合樹脂床を含有するように約4メートルのシリンダの高さを有し得る比較的小さな直径の背の高いカラム(100％フリールーム)へ移送することが含まれている。このカラムにおいて混合媒体床を通って上向きの水の逆流洗浄は、低密度アニオン樹脂ビーズをカチオン樹脂ビーズの上に上昇させ、このようにしてカチオン層から上に分けられたアニオン層を形成する。

次いで、カチオン樹脂とアニオン樹脂の再生は、現在の発明の以前にいくつかの異なる方法によって達成されている。１つの方法においては、アニオン層とカチオン層は、同時に再生されており、アニオン層を通って下向きに通過するアルカリ性溶液と同時に酸溶液がカチオン層を通って上向きに送られた。それぞれのイオン樹脂層の再生から使用済みの両方の再生剤化学物質は、2つの層の間の界面のレベルで１つ以上の出口ポートを通ってカラムの外に送られた。次いで、樹脂が作業容器に戻されるので、アニオン樹脂とカチオン樹脂をすすぎ、再び混合した。この方法の使用により、カチオン樹脂層とアニオン樹脂層の間の界面または分離面の上下の樹脂の著しいクロス・コンタミネーション領域が生じる。クロス・コンタミネーションは、作業容器においては、混合床樹脂を汚染物質の除去にあまり効果的でないものにした。
他の従来の方法は、上述したように水の逆流洗浄を使用して、１本のカラムにおいてアニオン樹脂とカチオン樹脂を分離することであったが、その後2つの層を2本の異なるカラムに別々に移し、そこで、カチオン樹脂とアニオン樹脂は相互汚染がほとんどなく(通常は0.2%以下)別々に再生された。カチオン層とアニオン層の回収については、混合ゾーンが界面でおよび界面に隣接して分離カラムに意図的に残された。混合ゾーンは、典型的には、高さが約20〜30cmの領域を含んでいた。カチオン樹脂とアニオン樹脂が別々に再生されると、これらは混合され且つ/または作業容器に戻された。

上記の3−カラム系の変形例において、2−カラム系も使用されており、アニオン樹脂層が第2カラムの中へ再生前に取り出され、次いで第2カラム内で再生され、その一方で、カチオン層は分離カラムに残り、そのカラム内で再生された。別々の再生後、2つの樹脂は第2カラム内で混合し、次いで作業容器に戻された。再び、クロス・コンタミネーションの層が分離カラムに残った。
特許第4,191,644号には、上記と同様のプロセスが記載されている。
アニオン樹脂とカチオン樹脂の単一カラム再生は、作業容器に戻ったときに樹脂床に残っている約10％のクロス・コンタミネーションによって非効率的である。2または3本の別個のカラムを必要とする再生はきれいに再生樹脂を製造するのにはるかに効果的であるが、かなり高価になる。単一カラムだけを使用して効率的な再生を実現するプロセスを使うことは望ましいことである。

本発明は、上記の複雑でコストのかかる2−カラム系や3−カラム系に特有のレベルに匹敵する非常に低いクロス・コンタミネーションレベルをもった、カチオン樹脂とアニオン樹脂両方の分離および再生のための単一カラムを使うものである。
本発明の方法において、混合床樹脂は単一の分離/再生カラムに移される。そのカラムにおいて、混合床樹脂を最初に逆流洗浄(上向流)水を使用して分離し、充分に層化された2つのカチオン層とアニオン層に床を分割する。再生酸は、例えばHClはカチオン層を通って分配され、一方塩基、例えばNaOHは上のアニオン層を通って分配される。使用済の酸性および塩基性再生液体は2つの層の間の界面で収集し、カラムから除去される。次いで、水すすぎ工程が使われ、アニオン層を通って下方に、カチオン層を通って上方に送ることができることが好ましい。
次に、その層のほとんどである充分に再生された上部アニオン層は作業容器に戻され、充分に再生された底部カチオン層は作業容器に戻される。2つの層は作業容器内で混合される。

重要なことに、カラムからの中間ゾーンがカラム内に残る。この中間ゾーンには、アニオン層の底部カットおよびカチオン層の隣接する上部カット、各々から約15〜20cmが含まれ、この部分にはかなりのクロス・コンタミネーションが含まれ、したがって、より再生されていない樹脂が含まれている。これは、樹脂の望ましい深さが残るまで、中間のクロス・コンタミネーションのゾーンとなる界面の15〜20cm上の位置からアニオン層を回収し、次いで底部からカチオン層を回収することによって達成される。
汚染された中間層またはゾーンは、簡単にカラムに残り、混合樹脂の別のバッチが再生用のカラムに導入されたときにプロセスが繰り返されるので、持続した体積の再生された混合樹脂が各再生手順によって作業容器に戻される。
本発明の主な目的は、2または3本の別個のカラムを必要とする複雑なプロセスの利点を達成しながら、単一カラム内の混合床イオン交換樹脂を分離し再生することである。本発明のこれらのおよび他の目的、利点および特徴は、添付の図面とともに考慮される好適実施態様の以下の説明から明らかになるであろう。

作業容器から分離/再生カラムへの混合床樹脂の移送を示す概略図である。 異なった層、アニオン樹脂層およびカチオン樹脂層に分離される樹脂を示す概略図である。 カラムに導入され、層の間の界面レベルから回収されている再生化学物質を示す概略立面図である。 再生されたアニオン層とカチオン層を通って循環されているすすぎ水を示す同様の概略図である。 アニオン層の充分に再生された主要部分の回収を示し、アニオン樹脂層の底部からの残存する層を示す同様の概略図である。 カラムから回収されているカチオン層の主要部分を示し、アニオン層の底部部分とともにカチオン層の残存する上部部分を示し、これら2つの層はかなりのクロス・コンタミネーションを有する中間ゾーンである同様の図である。

図面において、図１は、イオン交換水処理のための作業容器10を示す。矢印12は、イオン交換時間後の実質的に飽和している混合床イオン交換樹脂14の分離/再生カラム16内への移送を示す。本発明においてこの再生カラム16は、アニオン樹脂とカチオン樹脂の分離および再生のための唯一のカラムである。上述したように、イオン樹脂14は、典型的には、非常に小さなポリマービーズ、技術的には直径0.5mm〜1mmである。この時点で、樹脂床14はイオンを交換しており、それがもはや充分に有効でなく、再生されなければならない程度まで作業容器内の汚染物質を除去している。
また、図１は、導入すべき既知の体積の樹脂14から、2つの層を分離した後に、カチオン層とアニオン層の間の界面のレベルとなる所定の界面レベル18を示す。このレベルで、後の再生工程とすすぎ工程において活性な液体が取り出される。また、下でさらに説明するように、以前の樹脂バッチ再生手順からの中間の残存する層のレベルを示す破線20が見られる。

図２は、分離を引き起こす逆洗浄後の2つの分離した層、カチオン樹脂層24の上にアニオン樹脂層22を示している分離/再生カラム16を示す。矢印26は、図１に示すように樹脂の導入後の混合樹脂を通って上方に進む逆洗浄液体(好ましくは水)を示す。アニオン樹脂ビーズは、カチオン樹脂ビーズよりも低密度であり、したがって上向流逆洗浄水が樹脂ビーズを2つの異なる層に分離する。図面に示すように、2つの層の間の界面は、既知の所定の界面レベル18で生じる。逆洗浄水は、溢流27によってカラム16を出る。カラム16は、2つの層よりもかなり大きい高さを有することに留意されたい。通常、高さは、層の約2倍の高さである。一例として、層22および24は、約4メートルの円筒状カラムの高さ全体の約2メートルを占め得る。

図３は、同時にアニオン層樹脂およびカチオン層樹脂の再生を示す概略図である。矢印28によって示されるように、アルカリ性溶液、例えば水酸化ナトリウムは、上からアニオン層へ下方に導入される。同時に(または下記で説明するように別個の工程として)、矢印30によって示されるように、酸性溶液、例えば塩酸が、上向流再生剤として導入される。2つの再生剤液体は界面18で合流し、排出矢印32によって示されるように、これら使用済化学物質はそのレベルから排出される。これは、タンクの周辺の1つまたは複数のポートを経て行うことができる。一部の塩基溶液がカチオン層へ短い距離に浸透し、少量の酸性溶液がアニオン層へわずかに浸透し得るにもかかわらず、酸性再生剤の上向流と塩基性再生剤の下向流の同時の流れによって使用済み再生剤液体のほぼすべてがレベル18で出る。周知のように、アルカリ性再生剤は汚染物質材料の負に荷電したイオンを取り除いてアニオン樹脂を再生し、その一方で、酸性溶液はカチオン層の正に荷電したイオンを取り除いてカチオン樹脂を再生する。
また、再生は、2つの連続工程において行うこともでき、一方の化学物質のみが一方の樹脂層を通って導入される(アニオン層を通る苛性アルカリまたはカチオン層を通る酸)が、界面レベルでクロス・コンタミネーションを防止するもう一方の層を通って水が導入される。

図４は、矢印28および30によって示される再生剤であったのと同じ経路を通ってすすぎ水が送られることによるすすぎ工程を示す。これにより、残留化学物質が除去され、矢印32で示される界面でカラムを出る。
図５は、矢印34で示されるアニオン樹脂層の大部分のカラムからの除去を示す。タンク内で下向きに流れる矢印35で示されるように移送水によって回収が援助される。アニオン樹脂の回収は、(複数の出口ポートを経て)所定のレベル38からであり、タンク内のアニオン樹脂層の後ろに選択された小部分39が残る。これは、例えば、界面のすぐ上の約15〜20cmの深さであることができ、この部分39は、部分的には、界面の上で交差して再生効果の一部を打ち消す反対の化学再生剤から、さらにまたこの領域を汚染するカチオン樹脂の一部からのかなりのクロス・コンタミネーションを有する。一連の出口ポートからの回収コンジットは、予め選択されたレベル38に位置している；コンジットは図示されてなく、回収矢印34によって表されている。また、図５は、矢印40で、流動水がカラムの底部から上向きに流れることを示す。移送水35よりも低い速度であるこの上向流は、移動するアニオン樹脂媒体を維持して34におけるようにタンクから外に媒体を移送するのを助ける。カチオン樹脂層24が所定の位置に留まることに留意されたい。

次に、図６に示すように、カチオン樹脂層の大部分が除去される。この層は、42で示されるレベルで、典型的にはタンクの底部プレートの約5cm上のタンクの底部から除去される(移送中のカチオン樹脂の良好な流動化を可能にする)。カチオン樹脂媒体は、矢印44で示されるようにタンクの外に(コンジットを通る移送を表している)、そのレベルで複数の出口ポートを経て移送される。タンク内で上向きに流れる、矢印40によって示されるように移送水によって回収が援助される。圧縮水は、低速度で、35で下向きに流れ、カチオン層の除去を助けることを示している。カチオン層の回収を測定し、残存する層46、主にカチオン層24の上部からのカチオン樹脂媒体が所望の残留深さである点で停止する。残存するアニオン層39と同様に、この残留カチオン層46は、好ましくは約15〜20cmの深さである。層は、かなりのクロス・コンタミネーションを有し、したがって、クロス・コンタミネーションのアニオン層39とともにカラムに残る。一緒に中間ゾーンと呼ぶことができる2つの層39および46は、図１に示すレベル20に達して分離および再生すべき混合樹脂の次のバッチと混合される。
従って、本発明は、混合イオン交換樹脂のための2本のカラムまたは3本のカラムの分離/再生システムの利点を達成するが、単一のタンクのみを用いる。本発明は、従来の再生システムよりも複雑でなくコストもかからない。
前述の好適実施態様は、本発明の原理を説明することを意図しているが、その範囲を限定するものではない。これらの好適実施態様に対する他の実施態様および変形例は、当業者には明らかであり、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われ得る。

Claims (7)

1. カチオン樹脂とアニオン樹脂を備えた混合床セパレータを用いたイオン交換水処理システムにおいて、カチオン樹脂とアニオン樹脂を最小限のクロス・コンタミネーションで再生する方法であって、下記の工程を含む、前記方法：
   カチオン樹脂とアニオン樹脂の混合物を作業容器から分離/再生カラムに移送する工程、
   逆流洗浄水の上向流を用いてカチオン樹脂からアニオン樹脂を分離し、このようにして床をアニオン樹脂層が上にある2つの充分に層化されたカチオン樹脂層とアニオン樹脂層に分割する工程、
   アニオン樹脂層を通って下方に再生用アルカリ性液体を流すことによってアニオン樹脂層を再生し、カチオン樹脂層を通って上方に再生用酸液体を流すことによってカチオン樹脂層を再生し、その一方、再生用酸液体と再生用アルカリ性液体を実質的にアニオン樹脂層とカチオン樹脂層の間の界面でカラムから回収する工程、
   それぞれの再生した層を水ですすぐ工程、
   再生されたアニオン樹脂層をカラムから回収し、カラムに残存する汚染されたアニオン樹脂層をカチオン樹脂層の上部に残す工程であって、カラムに残存する汚染されたアニオン樹脂層は約15〜20cmの深さであり、再生されたアニオン樹脂はカラムから回収されるときに直接作業容器に戻される工程、
   再生されたカチオン樹脂層をカラムの底部の回収レベルから回収し、カラムに残存する汚染されたカチオン樹脂層を残存するアニオン樹脂の下に残す工程であって、カラムに残存する汚染されたカチオン樹脂層は約15〜20cmの深さであり、再生されたカチオン樹脂はカラムから回収されるときに直接作業容器に戻される工程、
   および
   前記一部のアニオン樹脂と一部のカチオン樹脂が残って分離/再生カラムに残存し、樹脂再生の後続サイクルにおいてカチオン樹脂とアニオン樹脂の次の床と混合させる工程であって、
   それによって、単一の分離/再生カラムにおいて樹脂が最小限のクロス・コンタミネーションで再生される、前記方法。
2. アニオン樹脂層の再生およびカチオン樹脂層の再生が同時にまたは連続的に行われる、請求項１記載の方法。
3. アニオン樹脂層の回収中にカラムの底部を通って且つカチオン樹脂層を通って上方に流動水が導入され、カチオン樹脂層のコンタミネーションを防ぐのを助ける、請求項１記載の方法。
4. カチオン樹脂層の回収中にカラムの底部からカチオン樹脂層を通って上方に流動水が送られる、請求項１記載の方法。
5. アニオン樹脂回収中にアニオン樹脂層の上からカラムに移送水が導入される、請求項１記載の方法。
6. カチオン樹脂層のための回収レベルがカラムの底部の約5cm上にあり、カチオン樹脂回収中の流動水の上向流によって流動させることができる、請求項１記載の方法。
7. カチオン樹脂層の回収を測定してカチオン樹脂層の前記汚染されたカチオン樹脂層の予め選択された深さが残る工程を含む、請求項１記載の方法。

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