JP7217590B2 - Pure water production device and pure water production method - Google Patents
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本発明は、純水製造装置及び純水製造方法に関し、特に、医薬品の製造、半導体の製造、発電用ボイラー水、食品などに使用される純水もしくは超純水を製造するためのイオン交換方式純水製造装置に利用可能な純水製造装置及び純水製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a pure water production apparatus and a pure water production method, and in particular, an ion exchange system for producing pure water or ultrapure water used for pharmaceutical production, semiconductor production, boiler water for power generation, food, etc. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a pure water production device and a pure water production method that can be used for the pure water production device.
医薬品の製造、半導体の製造、発電用ボイラー水、食品などに使用される純水もしくは超純水を製造するためのイオン交換方式純水製造装置が知られている。イオン交換方式純水製造装置は、原水をイオン交換樹脂等に接触させ、原水に含まれるアニオンおよびカチオン成分をイオン交換反応により除去し、純水を製造する装置である。イオン交換樹脂は、定期的に酸およびアルカリにより再生することで、繰り返し使用することができる。 2. Description of the Related Art Ion-exchange pure water production apparatuses are known for producing pure water or ultrapure water used for the production of pharmaceuticals, the production of semiconductors, boiler water for power generation, food, and the like. An ion-exchange type pure water production apparatus is an apparatus for producing pure water by bringing raw water into contact with an ion-exchange resin or the like to remove anion and cation components contained in the raw water through an ion-exchange reaction. Ion exchange resins can be used repeatedly by periodically regenerating them with acid and alkali.
近年、半導体の高集積度化などにより、純水製造装置に求められる純水の純度が高くなるとともに、再生に用いられる薬品の使用量を抑え、ランニングコストを極限まで低減することが求められている。しかしながら、適正な再生頻度および再生薬品量の調整を行わないと、イオン交換樹脂の再生不良が起こり、純水の水質低下のリスクが高まる。 In recent years, due to the high integration of semiconductors, the purity of pure water required for pure water production equipment has increased, and there has been a demand for reducing the amount of chemicals used for regeneration and reducing running costs to the utmost limit. there is However, if the frequency of regeneration and the amount of regeneration chemicals are not adjusted appropriately, the regeneration of the ion-exchange resin will fail, increasing the risk of deteriorating the quality of pure water.
再生頻度の決定方法として従来から行われる最もオーソドックスな方法は、原水のイオン濃度を一定とみなし、一定量の原水の通水量を超えた場合に、イオン交換樹脂の再生をする方式である。 Conventionally, the most orthodox method for determining the frequency of regeneration is to regard the ion concentration of the raw water as constant, and to regenerate the ion-exchange resin when the flow rate of the raw water exceeds a certain amount.
しかしながら、原水のイオン濃度が季節変動などにより上昇した場合、再生頻度が足りなくなるため、処理水の水質が低下する。季節変動を見越して薬品量や再生頻度を多く設定すると、無駄に薬品を消費するため、ランニングコストが上昇する。また、イオン交換樹脂は、原水に含まれる有機物等の汚れにより経年劣化するため、季節変動がなくても純水装置のイオン交換能力が低下し、処理水水質が低下していく。純水装置のイオン交換能力の低下を考慮した薬品量や再生頻度を設定すると、ランニングコストが更に上昇する問題もある。 However, when the ion concentration of raw water increases due to seasonal fluctuations, the frequency of regeneration becomes insufficient, and the quality of treated water deteriorates. If the amount of chemicals and the frequency of regeneration are set high in anticipation of seasonal fluctuations, the chemicals will be wasted, resulting in an increase in running costs. In addition, since the ion exchange resin deteriorates over time due to dirt such as organic matter contained in the raw water, the ion exchange capacity of the water purifier decreases even if there is no seasonal fluctuation, and the quality of the treated water deteriorates. If the amount of chemicals and regeneration frequency are set in consideration of the decrease in the ion exchange capacity of the water purifier, there is also the problem that the running cost will increase further.
更に進化した従来技術としては、例えば特開平3-181384号公報(特許文献1)に記載されるように、原水の導電率を測定してイオン負荷を演算し、原水のイオン負荷を考慮したうえでイオン負荷を求め、再生頻度を決定する方式がある。 As a further advanced conventional technology, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-181384 (Patent Document 1), the conductivity of raw water is measured to calculate the ion load, and the ion load of raw water is taken into consideration. There is a method of determining the regeneration frequency by obtaining the ion load in .
しかしながら、導電率によるイオン負荷の演算方法は、イオン種やpHによって誤差が生じるため、精度に限界がある。特に、イオンの中でもシリカは弱電解質であるため、導電率に表れにくく、原水の導電率からイオン負荷を推算すると誤差が生じる場合がある。他の分析器を設置することも可能であるが、イニシャルコストやランニングコストが上昇する。更に、上述の従来技術と同様に、イオン交換樹脂は汚れなどにより経年劣化するため、季節変動がなくても純水装置のイオン交換能力が低下し、処理水の水質が低下していくが、これらの誤差を考慮すると、特許文献1の技術を用いた場合でも、再生頻度および再生剤量の低減は限定的である。
However, the method of calculating the ion load based on the conductivity has a limited accuracy because an error occurs depending on the ion species and pH. In particular, since silica is a weak electrolyte among ions, it is difficult to appear in the conductivity, and an error may occur when estimating the ion load from the conductivity of the raw water. Although it is possible to install other analyzers, initial costs and running costs increase. Furthermore, as in the conventional technology described above, ion exchange resin deteriorates over time due to dirt and the like. Therefore, the ion exchange capacity of the water purifier decreases even if there is no seasonal fluctuation, and the water quality of the treated water deteriorates. Considering these errors, even when the technique of
更に別の従来技術としては、イオン交換樹脂の再生廃液のpHを測定し、測定値に基づいて再生剤の通薬量の監視を行うことにより再生に用いる薬品の使用量を抑える方法(特開平9-117679号公報(特許文献2))や、処理水中のシリカを分析計により測定する方法等がある。 Furthermore, as another prior art, there is a method of measuring the pH of the regeneration waste liquid of the ion exchange resin and monitoring the amount of the regeneration agent passing through based on the measured value, thereby suppressing the amount of chemicals used for regeneration (Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-117679 (Patent Document 2)) and a method of measuring silica in treated water with an analyzer.
しかしながら、いずれの方法も、監視の精度に限界がある上、測定装置が高価で機器サイズも大きくなり、ランニングコスト及びメンテナンスコストが増大する。また、イオン交換樹脂を収容したイオン交換塔は目視により得られる情報が少なく、イオン交換塔の外部に接続された水質計などによっても、イオン交換塔の内部状況を把握することが困難である。 However, in any method, there is a limit to the accuracy of monitoring, and the measuring device is expensive, the size of the device is large, and the running and maintenance costs are increased. In addition, little information can be obtained by visual inspection of an ion exchange tower containing an ion exchange resin, and it is difficult to grasp the internal conditions of the ion exchange tower even with a water quality meter or the like connected to the outside of the ion exchange tower.
更に、特開2014-188456号公報(特許文献3)には、被処理水をアニオン交換樹脂層に通水してアニオン交換処理し、得られた処理水の比抵抗又は電気伝導率を測定し、測定結果に基づいて、アニオン交換樹脂の再生又は交換を行うイオン交換樹脂装置の運転方法が記載されている。 Furthermore, in JP 2014-188456 A (Patent Document 3), water to be treated is passed through an anion exchange resin layer to perform anion exchange treatment, and the resistivity or electrical conductivity of the resulting treated water is measured. , describes a method of operating an ion-exchange resin apparatus in which the anion-exchange resin is regenerated or replaced based on measurement results.
しかしながら、特許文献3には、イオン交換塔の外部に接続された比抵抗計を用いて処理水の比抵抗値を求める具体例しか開示されておらず、電気伝導率の具体的測定手法に関して全く述べられていない。
However,
更に、特表2008-518232号公報(特許文献4)には、イオン交換式硬水軟化装置において、軟水タンク12内の樹脂層14中に2つの伝導度プローブ47、48を延在させる例が記載されている。特許文献4に記載された発明では、一般的にカチオン塔として認識される硬水軟化装置に対する導電率の測定方法が記載されている。 Furthermore, Japanese Patent Application Publication No. 2008-518232 (Patent Document 4) describes an example in which two conductivity probes 47 and 48 are extended into the resin layer 14 in the water softening tank 12 in an ion exchange type water softening device. It is The invention described in Patent Document 4 describes a method of measuring conductivity for a water softening device commonly recognized as a cation tower.
しかしながら、特許文献4に記載されるようなカチオン塔に対して導電率計を挿入して測定した場合には、カチオン塔内の固相の導電率に比べて液相の導電率の変化が大きくなるため、結果として液相の導電率の変化を観察していることになり、固相の導電率を適切に評価できていない。そのため、再生剤量を低減しながら再生頻度をより精度よくイオン交換塔内の状態を把握するためには未だ検討の余地がある。 However, when a conductivity meter is inserted into the cation tower as described in Patent Document 4 and measured, the change in the conductivity of the liquid phase is greater than that of the solid phase in the cation tower. Therefore, as a result, we are observing changes in the conductivity of the liquid phase, and the conductivity of the solid phase cannot be evaluated appropriately. Therefore, there is still room for investigation into how to determine the state of the ion exchange tower more accurately while reducing the amount of regenerant.
上記課題を鑑み、本発明は、イオン交換塔の内部状態をより精度良く把握することが可能な純水製造装置及び純水製造方法を提供する。 In view of the above problems, the present invention provides a pure water production apparatus and a pure water production method that enable the internal state of an ion exchange tower to be more accurately grasped.
更に、本発明は、イオン交換樹脂をより最適な再生頻度および再生剤量で処理でき、ランニングコストを低減して純水の水質低下を抑制可能な純水製造装置及び純水製造方法を提供する。 Furthermore, the present invention provides a pure water production apparatus and a pure water production method that can process ion exchange resins with a more optimal regeneration frequency and amount of regenerant, reduce running costs, and suppress deterioration in the quality of pure water. .
上記目的を達成するために本発明者らが鋭意検討したところ、イオン交換樹脂を内部に充填したイオン交換塔内に液相と固相の導電率を測定可能な少なくとも2つの導電率測定計を配置することが有効であるとの知見を得た。 In order to achieve the above object, the present inventors have made intensive studies and found that an ion exchange column filled with an ion exchange resin is provided with at least two conductivity meters capable of measuring the conductivity of the liquid phase and the solid phase. We have found that it is effective to arrange
以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、イオン交換樹脂を内部に充填したイオン交換塔を用いて純水を製造する純水製造装置において、イオン交換塔内のイオン交換樹脂と接触するように配置され、イオン交換塔内の固相導電率および液相導電率を測定可能な第1の導電率測定計と、第1の導電率測定計に近接するようにイオン交換塔内に配置され、イオン交換塔内の液相導電率を測定可能な第2の導電率測定計とを備える純水製造装置が提供される。 One aspect of the present invention, which has been completed based on the above knowledge, is to provide a pure water production apparatus for producing pure water using an ion exchange tower filled with an ion exchange resin, wherein the ion exchange resin is brought into contact with the ion exchange tower. A first conductivity meter capable of measuring solid-phase conductivity and liquid-phase conductivity in the ion exchange tower, and in the ion exchange tower so as to be close to the first conductivity meter. A pure water production apparatus is provided, comprising: a second conductivity measuring instrument arranged in the ion exchange tower and capable of measuring the liquid phase conductivity in the ion exchange tower.
本発明に係る純水製造装置は一実施態様において、第1の導電率測定計が、イオン交換塔内の液相及び固相の両方に接するように配置され、第2の導電率測定計が、液相にのみ接するようにイオン交換塔内に配置されている。 In one embodiment of the pure water production apparatus according to the present invention, the first conductivity meter is arranged so as to be in contact with both the liquid phase and the solid phase in the ion exchange tower, and the second conductivity meter is , is placed in the ion exchange column so as to be in contact only with the liquid phase.
本発明に係る純水製造装置は別の一実施態様において、第1の導電率測定計が測定した導電率の測定値から第2の導電率測定計の導電率の測定値を減算することにより、イオン交換樹脂の導電率を算出する。 In another embodiment of the pure water production apparatus according to the present invention, the conductivity measured by the second conductivity meter is subtracted from the conductivity measured by the first conductivity meter. , to calculate the conductivity of the ion exchange resin.
本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、第1の導電率測定計及び第2の導電率測定計が、イオン交換塔の通水方向に対して同一の高さに設置されている。 In still another embodiment of the pure water production apparatus according to the present invention, the first conductivity meter and the second conductivity meter are installed at the same height with respect to the water flow direction of the ion exchange tower. It is
本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、第1の導電率測定計及び第2の導電率測定計の測定値に基づいて、イオン交換塔内におけるイオン交換樹脂の状態をシミュレーションする解析手段を備える。 In still another embodiment of the pure water production apparatus according to the present invention, the state of the ion exchange resin in the ion exchange tower is determined based on the measured values of the first conductivity meter and the second conductivity meter. An analysis means for simulating is provided.
本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、純水製造装置が、カチオン塔、脱炭酸塔及びアニオン塔を備える2床3塔方式の純水製造装置を含み、第1の導電率測定計及び第2の導電率測定計が、カチオン塔の内部に配置される。 In still another embodiment of the pure water production apparatus according to the present invention, the pure water production apparatus includes a two-bed, three-tower type pure water production apparatus comprising a cation tower, a decarboxylation tower and an anion tower, and the first A conductivity meter and a second conductivity meter are positioned inside the cation tower.
本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、アニオン塔内の固相導電率を測定する第3の導電率測定計が、アニオン塔内に充填されたアニオン交換樹脂と接触するように配置される。 In still another embodiment of the pure water production apparatus according to the present invention, a third conductivity meter for measuring the solid phase conductivity in the anion tower is in contact with the anion exchange resin packed in the anion tower. are arranged as follows.
本発明は別の一側面において、イオン交換樹脂を内部に充填したイオン交換塔を用いて純水を製造する純水製造方法であって、イオン交換塔内のイオン交換樹脂と接触するように配置された第1の導電率測定計を用いてイオン交換塔内の固相導電率および液相導電率を測定することと、第1の導電率測定計に近接するようにイオン交換塔内に配置された第2の導電率測定計を用いてイオン交換塔内の液相導電率を測定することと、第1の導電率測定計の測定値から第2の導電率測定計の測定値を減算することにより、イオン交換塔内の固相導電率を解析することと、固相導電率の算出結果に基づいてイオン交換塔の運転条件を制御することと、を有する純水製造方法が提供される。 In another aspect of the present invention, there is provided a pure water production method for producing pure water using an ion exchange tower filled with an ion exchange resin, wherein the ion exchange tower is arranged to contact the ion exchange resin. measuring the solid-phase conductivity and the liquid-phase conductivity in the ion-exchange tower using the first conductivity meter and disposed in the ion-exchange tower so as to be proximate to the first conductivity meter measuring the liquid phase conductivity in the ion exchange column using the second conductivity meter and subtracting the measurement value of the second conductivity meter from the measurement value of the first conductivity meter By doing so, a pure water production method is provided that includes analyzing the solid-phase conductivity in the ion-exchange tower and controlling the operating conditions of the ion-exchange tower based on the calculation result of the solid-phase conductivity. be.
本発明によれば、イオン交換樹脂をより最適な再生頻度および再生剤量で処理でき、ランニングコストを低減して純水の水質低下を抑制可能な純水製造装置が提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a pure water production apparatus capable of treating the ion exchange resin with a more optimum regeneration frequency and amount of regenerating agent, reducing running costs, and suppressing degradation of pure water quality.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiments shown below are examples of devices and methods for embodying the technical idea of the present invention. It is not specific.
本発明の実施の形態に係る純水製造装置1は、図1に示すように、イオン交換樹脂3を内部に充填したイオン交換塔2を用いて純水を製造する純水製造装置1であり、イオン交換塔2内のイオン交換樹脂3と接触するように配置され、イオン交換樹脂3の導電率およびイオン交換塔2内の液相導電率を測定可能な第1の導電率測定計4aと、第1の導電率測定計4aに近接するようにイオン交換塔2内に配置され、イオン交換塔2内の液相導電率を測定可能な第2の導電率測定計4bとを備える。第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bによりイオン交換塔2内の液相及び固相の導電率が連続的に測定される。
A pure
なお、本実施形態において「連続的に測定」とは、導電率を常時測定する場合の他、純水製造装置1の運転期間中において、一定期間毎(数時間毎、1月、1年毎)に定期的に導電率を測定する場合も含む。第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bによりイオン交換塔2内の液相及び固相の導電率が連続的に測定されることにより、イオン交換樹脂3の状態(樹脂性能)がリアルタイムに把握できる。その結果、イオン交換樹脂3の性能低下をより素早く判断できるため、イオン交換樹脂3の再生時期や交換時期を精度良く判断することができる。
In addition, in the present embodiment, "continuous measurement" refers to the case where the conductivity is constantly measured, as well as every certain period (every several hours, every month, every year) during the operation period of the pure
イオン交換塔2は、内部にイオン交換樹脂3を収容し、被処理水を塔内に通水してイオン交換樹脂3と接触させることにより、被処理水中の荷電性溶解不純物を除去することが可能な装置であれば、具体的構成は特に限定されない。イオン交換塔2としては、カチオン塔、アニオン塔などが利用可能である。イオン交換樹脂3としては、粒子状のカチオン交換樹脂、アニオン交換樹脂、或いはこれら樹脂を混合した混床型イオン交換樹脂等が用いられる。
The
図1に示すように、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bは、少なくとも一対の電極41a、41b、電極41c、41dをそれぞれ備えている。第1の導電率測定計4aは、イオン交換塔2内の液相である被処理水及びイオン交換塔2内の固相であるイオン交換樹脂3の両方に接するように配置されている。第2の導電率測定計4bは、イオン交換塔2内の液相である被処理水にのみ接し、固相であるイオン交換樹脂3には接しないように配置されている。
As shown in FIG. 1, the
第2の導電率測定計4bが液相にのみ接する構成の具体的態様は特に制限されないが、例えば、図1に示すように、イオン交換塔2内に挿入された電極41c、41dの周囲を覆うためのスクリーン5を配置することで、イオン交換樹脂3と電極41c、41dとが接触しないようにすることができる。
Although the specific mode of the configuration in which the
このように、第1の導電率測定計4aがイオン交換塔2内の液相及び固相に接するように配置されることで、図2(a)の模式図に示すように、第1の導電率測定計4aが、イオン交換塔2内の液相及び固相の導電率を測定することができる。第2の導電率測定計4bがイオン交換塔2内の液相にのみ接するように配置されることにより、図2(b)の模式図に示すように、第2の導電率測定計4bが、イオン交換塔2内の液相の導電率を測定することができる。
By arranging the
例えば、カチオン70mg/L(as CaCO3)を含む水道水を原水とし、イオン交換塔2としてカチオン塔を利用する場合、カチオン塔内の液相の導電率は一般的には50~100mS/mであり、固相であるカチオン交換樹脂の導電率は10~30mS/mである。第1の導電率測定計4aが測定した導電率の測定値は、イオン交換塔2内の固相であるイオン交換樹脂の導電率と液相の導電率との合計値となり、第2の導電率測定計4bが測定した導電率の測定値は、液相の導電率となるため、第1の導電率測定計4aが測定した導電率の測定値から第2の導電率測定計の導電率の測定値を減算することにより、イオン交換塔2内に充填されるイオン交換樹脂3の導電率を算出することができる。
For example, when tap water containing 70 mg/L (as CaCO 3 ) of cations is used as raw water and a cation tower is used as the
イオン交換塔2内の固相導電率(「樹脂導電率」ともいう)の計算は、純水製造装置1の操作者が必要に応じて算出してもよいし、図1の解析手段10で自動的に算出するようにしてもよい。また、上述の算出方法に加えてイオン交換塔2内の液相と固相の充填率、体積比の影響などを考慮した計算式を組み合わせて、イオン交換塔2内のイオン交換樹脂3の導電率を計算してもよい。
Calculation of the solid phase conductivity (also referred to as “resin conductivity”) in the
図1の例では、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bは、イオン交換塔2の外側面において互いに対向するように配置されているが、イオン交換塔2の外周方向に互いにより近接して配置させることが好ましい。第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bを互いに近接して配置することにより、それぞれの測定領域を互いに近接させることができる。その結果、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが配置された測定領域の状態をより正確に把握することができる。
In the example of FIG. 1, the
第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bは、イオン交換塔2の通水方向(図1ではイオン交換塔2の上部から下部方向)に対して同一の高さに設置されることが好ましい。イオン交換塔2の内部のイオン交換樹脂3は、通水方向に対して被処理水の性状が変わるため、固相イオン濃度変化が生じ、イオン交換塔2の高さにより導電率が変わる場合がある。第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bをイオン交換塔2の通水方向に同一高さに配置することで、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが配置された測定領域の状態をより正確に把握することができる。なお、本実施形態において「同一高さ」とは、完全に同一な高さだけを意味するものではなく、実質的に同一、即ち、導電率の測定において測定に影響を及ぼさない程度の高さの差が生じている態様をも包含するものとする。
The
第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bには、イオン交換塔2の内部状態を解析するための解析手段10が接続されている。解析手段10は、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bの測定値に基づいて、イオン交換塔2内におけるイオン交換樹脂3の状態をシミュレーションする手段である。解析手段10による解析結果に基づいて、解析手段10に接続された制御手段11が、イオン交換塔2へ供給される被処理水の通水量、薬品量及び前記イオン交換樹脂の再生頻度の少なくともいずれかを制御することができる。
An analyzing means 10 for analyzing the internal state of the
図3(a)及び図3(b)は、第1の導電率測定計4aの断面図及びイオン交換塔2の外側面側からみた場合の平面図である。図3に示すように、第1の導電率測定計4aの電極41a、41bは、イオン交換塔2の高さ方向(通水方向)と交差する方向に差し込まれている。
3(a) and 3(b) are a cross-sectional view of the
なお、第2の導電率測定計4bは、電極41c、41dの周囲にイオン交換樹脂3との接触を避けるためのスクリーンを備える以外は、第1の導電率測定計4aの構成と実質的に同様の構成を採用することができるものであり、本実施形態では重複した説明を省略する。
The
電極41a、41bは、ステンレス鋼等の耐食性を有する材料で形成されている。図3(a)に示すように、電極41a、41bの周囲は、支持材(スリーブ)42で取り囲まれている。スリーブ42は絶縁材料で形成されており、電極41a、41bの先端部がイオン交換樹脂3と接するように、所定の位置に電極41a、41bを支持するとともに、電極41a、41b同士の接触を防いでいる。電極41a、41bの一端にはフランジ43が接続されており、図3(b)に示すように、複数のねじ44によって、電極41a、41bが所定の位置に収容されるように固定されている。
The
図4に模式図として示すように、イオン交換樹脂3を構成するイオン交換樹脂粒子31の粒径は、一般的には500μm程度が一般的であり、電極間に粒子31が4粒以上存在すると、イオン交換樹脂3の導電率が安定して測定できる。そのため、イオン交換塔2内に挿入された電極41a、41bの電極間距離D(図3(a)参照)は、2mm以上とすることが好ましい。電極間距離Dは、あまり離れすぎても導電率が安定して測定できない場合もあることから10mm以下、より好ましくは7mm以下、更に好ましくは5mm以下とすることが好ましい。
As shown as a schematic diagram in FIG. 4, the particle size of the ion
イオン交換樹脂3の導電率を精度良く測定するためには、イオン交換塔2の内側面から電極41a、41bの先端までの距離H(図3(a)参照)が30mm以上であることが好ましい。距離Hの上限は特に限定されないが、イオン交換樹脂3を構成する樹脂が流動することにより、電極41a、41bに力学的負荷が加わり、破損する場合もあることから、距離Hは、50mm以下とすることが好ましい。
In order to accurately measure the conductivity of the
イオン交換樹脂3の樹脂再生時には、イオン交換樹脂3が粒子状となって流動する場合が多い。そのため、形状によっては、電極41a、41b付近の樹脂が滞留し、導電率が精度良く測定できない場合がある。電極41a、41bの形状を板状よりも円筒形(柱状)とすることにより、イオン交換樹脂の再生時においても電極41a、41bが粒子の動きを阻害することを抑制でき、より高精度に測定できる。以下に限定されるものではないが、イオン交換塔2内に挿入される電極の直径は5mm以上とすることが好ましく、具体的には10mm程度とすることができる。
When the ion-
カチオン交換樹脂の固相導電率は、一般的には、約0~30mS/mである。そのため、イオン交換樹脂3の固相導電率を測定するための電極41a、41bとしては、セル乗数が1~10m-1となるように、電極41a、41bがイオン交換塔の内部に配置されていることが好ましい。なお、「セル乗数」とは、電極面積と電極間距離との比で表されるものであり、測定条件はJIS K0130「電気伝導率測定法通則」に準じて算出される。
The solid state conductivity of cation exchange resins is generally about 0-30 mS/m. Therefore, the
あるいは、図3(a)に示すようなイオン交換塔2の外側面から電極41a、41bを挿入する代わりに、図5に示すようなイオン交換塔2の内部に配置される内装管45を電極41a、41bの支持材とすることもできる。内装管45そのものを電極41a、41bとして利用することもできる。内装管45を利用することにより、イオン交換樹脂3の中心部の樹脂と電極41a、41bとを接触させることができるため、より正確な導電率を測定することができる。
Alternatively, instead of inserting the
第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bは、イオン交換塔の高さ方向に2箇所以上配置することが好ましい。例えば、イオン交換塔2の通水方向からみて上流、中流、及び下流領域それぞれに第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bがそれぞれ備える一対の電極41a、41b、41c、41dをそれぞれ配置して、イオン交換樹脂3の上流側、中流側、下流側の導電率を測定することが好ましい。イオン交換塔2の内部のイオン交換樹脂3は、通水方向に対して被処理水の性状が変わるため、イオン濃度の濃度勾配が生じ、イオン交換塔2の入口側と出口側で導電率が変わる場合があるが、1対の電極41a、41b、41c、41dを複数箇所に配置して、イオン交換樹脂3の局所領域での導電率を複数箇所から測定することによって、イオン交換樹脂3の樹脂性能をより詳しく把握することができる。
It is preferable that the first
図1の例では塔上部に第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが配置される例を示しているが、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bは、イオン交換塔2の入口と出口の中間よりも下流側に配置されることができる。具体的には、図1に示すように、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bの被処理水の通水方向において下流側に位置する一方の電極41b、41dが、それぞれイオン交換塔2の入口21(塔最上部)を0%、出口22(塔最下部)を100%とした場合に、30%以上、更には50%以上、更には60%以上、更には70%以上、下流側(塔下部)となる位置に、電極41b、41dの先端が位置するように配置することが好ましい。これにより、イオン交換塔2内のイオン交換樹脂をより最適な再生頻度および再生剤量で処理でき、ランニングコストを低減して純水の水質低下を抑制することができる。
The example of FIG. 1 shows an example in which the
イオン交換塔2内のイオン交換樹脂の導電率の測定は、ブレーク前検知という観点から、アニオン塔であってもカチオン塔であってもイオン交換塔2の出口近くに配置されることが好ましい。
Measurement of the electrical conductivity of the ion exchange resin in the
例えば2床3塔(2B3T)方式純水製造装置などでは、アニオン塔から最もリークしやすい物質はシリカやホウ素となるため、アニオン交換樹脂の導電率を連続的に測定することにより、シリカやホウ素の吸着状態を推定する指標となる。アニオン塔の場合は、被処理水の通水方向においてより下流側、即ち、イオン交換塔2の入口21(塔最上部)を0%、出口22(塔最下部)を100%とした場合に70%以上、下流側に配置することで、アニオン交換樹脂のシリカ、ホウ素の吸着状態をより精度良く把握することができるため、アニオン塔からシリカがリークする前に適切な対策を施すことが可能となり、その結果、純水の水質低下をより効果的に抑制することができる。
For example, in a two-bed, three-tower (2B3T) type pure water production system, silica and boron are the substances most likely to leak from the anion tower. It is an index for estimating the adsorption state of In the case of the anion tower, when the inlet 21 (uppermost part of the tower) of the
一方、2床3塔(2B3T)方式純水製造装置のカチオン塔は、純水装置の入口側に配置されているため、アニオン塔よりも、Fe、Mn等を含む浮遊物(SS)等の汚染物の影響を受けやすく、また、被処理水に含まれる塩素などの混入による酸化物の存在などにより、カチオン交換樹脂が劣化しやすいという問題がある。更に、被処理水の水質や性状変動により、フミン質、有機性高分子、カチオン系洗剤、中性洗剤、アニオン交換樹脂からの溶出物、凝集助剤などの種々の不純物を含む被処理水が、純水装置の入口側に配置されたカチオン塔内に通液されることもあり、これら汚染物によってカチオン交換樹脂が汚染を受けるという問題もある。更に、アニオン交換樹脂に比べてカチオン交換樹脂の選択係数(H+に対する除去対象イオンNa+、Ca2+等の選択係数)が低いため、吸着力が弱く、また、平衡反応が支配的なためアニオン塔に比べてカチオン塔のイオン交換バンドがブロードになりカチオンリークが生じやすいという問題がある。本発明の実施の形態に係る純水装置によれば、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bをカチオン塔に配置することで、これら不純物の付着によるカチオン交換樹脂の性能低下をより精度よく把握することができる。
On the other hand, the cation tower of the 2-bed, 3-tower (2B3T) type pure water production system is arranged on the inlet side of the water purifier, so that suspended solids (SS) containing Fe, Mn, etc. are produced more than the anion tower. There is a problem that the cation exchange resin is easily affected by contaminants, and the cation exchange resin is easily deteriorated due to the presence of oxides due to the mixing of chlorine or the like contained in the water to be treated. Furthermore, due to changes in the water quality and properties of the water to be treated, the water to be treated may contain various impurities such as humic substances, organic polymers, cationic detergents, neutral detergents, effluents from anion exchange resins, and flocculation aids. There is also a problem that the cation exchange resin is contaminated by these contaminants, which may be passed through the cation tower arranged on the inlet side of the water purifier. Furthermore, since the selectivity coefficient of the cation exchange resin (the selectivity coefficient of the ions Na + , Ca 2+ , etc. to be removed with respect to H + ) is lower than that of the anion exchange resin, the adsorptive power is weak, and the equilibrium reaction is dominant. There is a problem that the ion exchange band of the cation tower is broader than that of the anion tower, and cation leakage is likely to occur. According to the water purifier according to the embodiment of the present invention, by arranging the
図6は本発明の実施の形態に係る純水装置のカチオン塔における液相導電率及び固相導電率及びカチオン塔を通過するナトリウムイオン及び水素イオンの固相イオン濃度の変化の例を示すグラフである。図6において、固相イオン濃度[-]=(Na+又はH+)イオンの固相濃度[mEq/L]/交換容量[mEq/L]で算出される。 FIG. 6 is a graph showing an example of changes in the liquid-phase conductivity and solid-phase conductivity in the cation tower of the water purifier according to the embodiment of the present invention and the solid-phase ion concentration of sodium ions and hydrogen ions passing through the cation tower. is. In FIG. 6, solid phase ion concentration [−]=(Na + or H + ) ion solid phase concentration [mEq/L]/exchange capacity [mEq/L].
カチオン塔は、液相が酸性溶液であるため、固相よりも液相中心の導電率が検出されることとなるが、図6に示すように、カチオン塔の入口側から出口側へいくほど、液相導電率の変化が大きくなる。即ち、カチオン塔においては、被処理水の通水方向において下流側に位置する一方の電極41b、41dが、それぞれイオン交換塔2の入口21(塔最上部)を0%、出口22(塔最下部)を100%とした場合に、50%以上、更には60%以上、更には70%以上、下流側(塔下部)となる位置に、電極41b、41dの先端が位置するように配置することが好ましい。
Since the liquid phase of the cation tower is an acidic solution, the electrical conductivity of the center of the liquid phase is detected rather than that of the solid phase. , the change in liquidus conductivity increases. That is, in the cation tower, one of the
参考のため、従来からよく知られるソフナーに導電率測定計を配置した場合の液相導電率及び固相導電率及びソフナー中のカルシウムイオン及びナトリウムイオンの固相イオン濃度の変化を図7に示す。図7において、固相イオン濃度[-]=(Na+又はCa2+)イオンの固相濃度[mEq/L]/交換容量[mEq/L]で算出される。 For reference, FIG. 7 shows changes in liquid-phase conductivity, solid-phase conductivity, and solid-phase ion concentrations of calcium ions and sodium ions in the softener when a conductivity measuring instrument is placed in a conventionally well-known softener. . In FIG. 7, solid-phase ion concentration [−]=(Na + or Ca 2+ ) ion solid-phase concentration [mEq/L]/exchange capacity [mEq/L].
ソフナーは、ナトリウム型カチオン交換樹脂に原水を通し、原水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンをナトリウムイオンに置き換える装置として従来から知られているが、反応による液相導電率の変化及び固相導電率の変化が小さく、精度の高い導電率測定及びイオン交換樹脂の内部状態の把握は図6のカチオン塔の場合と比べて効果が非常に小さい。一方、本発明の実施の形態に係る純水装置は、ソフナーに比べて液相導電率の変化が非常に大きいため、安価且つ簡易な第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bを用いて、カチオン交換塔内の液相及び固相の状態をより適切に予測することができ、カチオンリークによる純水の水質低下をより適切に防ぐことができる。 A softener is conventionally known as a device that passes raw water through a sodium-type cation exchange resin and replaces calcium ions and magnesium ions in the raw water with sodium ions. Compared to the case of the cation tower in FIG. 6, the effect of highly accurate conductivity measurement and understanding of the internal state of the ion exchange resin is very small. On the other hand, in the water purifier according to the embodiment of the present invention, the change in liquid phase conductivity is very large compared to the softener. Using the total 4b, the state of the liquid phase and the solid phase in the cation exchange column can be predicted more appropriately, and deterioration of pure water quality due to cation leakage can be more appropriately prevented.
なお、電極41a、41b、41c、41dによる導電率の検知精度を高めるために、イオン交換塔2の内面には、樹脂などの非導電性材料によるライニング層(図示省略)が配置されることが好ましい。或いは、イオン交換塔2自身が、非導電性材料で構成されていてもよい。
In addition, in order to increase the detection accuracy of conductivity by the
電極41a、41b間、電極41c、41d間には、それぞれ交流電圧が印加されることが好ましい。これにより、電極41a、41b間、電極41c、41d間に直流電圧が印加される場合に比べて、電極41a、41b、41c、41dの表面に分極が生じるのを防ぎ、長期間安定してイオン交換樹脂3の導電率を測定することができる。
An AC voltage is preferably applied between the
図1の解析手段10は、導電率の測定値に基づいて、イオン交換樹脂3の状態をシミュレーションする。例えば、解析手段10は、導電率の測定値を利用して、イオン交換塔2内のイオン交換平衡計算(液相-固相)、固相内イオン濃度拡散計算、液相内イオン濃度拡散計算、或いは、被処理水の負荷変動、再生頻度、再生剤量をパラメータとした任意の通水時間におけるイオン交換塔内の固相のイオン濃度の推算、ネルンストプランクの方程式に基づくイオンの濃度拡散計算等を行うことにより、イオン交換塔2内におけるイオン交換樹脂3を構成するイオン交換樹脂の樹脂性能(汚染物による汚染状態、樹脂再生不良状態、経年劣化など)をシミュレーションすることができる。
The analysis means 10 in FIG. 1 simulates the state of the ion-
具体的には、解析手段10は、イオン交換樹脂の初期状態(固相イオン濃度)を計算した後、導電率の測定値と、物性定数、拡散係数などの各条件を用いて、予め入力された被処理水の負荷変動、イオン交換樹脂3の再生頻度、再生剤量をパラメータとして、ネルンストプランクの方程式及び物質収支に基づき逐次計算を行う。そして、任意の時間における計算結果と導電率測定結果に基づくイオン交換樹脂の状態(固相イオン濃度)とを比較し、計算を補正し、再計算を行い、測定結果と計算結果が近いことを確認し、設備の状態(固相及び液相イオン濃度の把握)や拡散係数の値から、樹脂の劣化度をシミュレーションすることができる。
Specifically, after calculating the initial state (solid phase ion concentration) of the ion exchange resin, the analysis means 10 uses the measured value of conductivity, the physical property constant, the diffusion coefficient, and other conditions, which are input in advance. Using the load fluctuation of the water to be treated, the frequency of regeneration of the
そのため、例えば、解析手段10は、図8に示すように、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bから出力された導電率の測定値を解析処理するための処理部100と、記憶装置110と、操作者からの入力を行うための入力装置120と、操作者に必要な情報を操作者に表示するための表示装置130を備える。
Therefore, for example, as shown in FIG. 8, the analysis means 10 includes a processing unit for analyzing the conductivity measurement values output from the
処理部100は、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが測定した導電率の測定値を検出する導電率検出部101と、導電率検出部101による導電率の検出結果と記憶装置110に記憶された解析情報(イオン交換平衡計算情報(液相-固相)、固相内イオン濃度拡散計算情報、液相内イオン濃度拡散計算、被処理水の負荷変動、再生頻度、再生剤量をパラメータとし、任意の通水時間におけるイオン交換塔内の固相のイオン濃度の推算情報、ネルンストプランクの方程式に基づくイオンの濃度拡散情報など)とに基づいて、イオン交換塔2内に充填されたイオン交換樹脂3の状態をシミュレーションするシミュレーション部102と、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが測定した導電率、或いはこの導電率からシミュレーションされたシミュレーション結果を、既存のシミュレーション結果と比較する比較部103と、比較部103による比較結果から、純水製造装置1の運転条件の変更が必要と判断された場合に、運転条件を変更するための補正情報を出力するための条件変更部104を備えることができる。
The
制御手段11は、比較部103による比較の結果、或いは操作者からの運転条件の変更要求に基づいて、純水製造装置1の運転条件を変更する制御信号、具体的には、イオン交換塔へ供給される被処理水の通水量、薬品量及び前記イオン交換樹脂の再生頻度の少なくともいずれかを制御するための制御信号を出力する。
The control means 11 outputs a control signal for changing the operating conditions of the pure
本発明の実施の形態に係る純水製造装置1によれば、解析手段10により、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが測定した固相及び液相の導電率及び液相の導電率の測定結果を用いて、イオン交換塔2内の固相、液相の状態をリアルタイムでシミュレーションすることができるため、イオン交換塔2内の内部状態及びイオン交換塔2内に充填されたイオン交換樹脂3の状態(樹脂性能)を精度良く把握することができる。
According to the pure
さらに、連続的に測定されたイオン交換樹脂3の導電率の測定結果から、導電率の経時的な変化を捉え、比較部103がシミュレーション結果と常時比較することにより、必要に応じて運転条件の補正を行うことができるため、設備全体の状態を精度よく把握することができる。これにより、設備の状態が精度よく可視化されるため、信頼性が向上する。
Furthermore, from the measurement results of the conductivity of the ion-
特に、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bをカチオン塔に導入する場合、液相に含まれる酸性物質(カチオン塔においてイオン交換される酸)の影響により固相導電率を正確に把握できない場合がある。本実施形態に係る純水製造装置によれば、安価でより精度良くカチオン塔内の液相及びカチオン交換樹脂(固相)の状態を把握できるため、カチオン交換樹脂の再生頻度や劣化の状況などを適切に判断することができる。
In particular, when the
なお、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bをアニオン塔にも設置することができる。これにより、アニオン塔におけるアニオン交換樹脂の固相導電率をより適切に把握することができる。
The
更に、本実施形態によれば、解析手段10により、あらゆる運転条件をシミュレーションに反映させることが可能となるため、運転条件に応じて、薬品量、通水量、再生頻度を自由に設定することができる。 Furthermore, according to the present embodiment, the analyzing means 10 enables all operating conditions to be reflected in the simulation, so that the chemical amount, water flow rate, and regeneration frequency can be freely set according to the operating conditions. can.
また、本実施形態に係る純水製造装置によれば、通水量、薬品量、再生頻度がパラメータ(変数)となるため、設備運用上の制約(生産スケジュール、操作者の出勤時間、薬品の納入日程)などの制約に応じて、より現場の運転管理条件に即した運転条件が設定可能となる。また、最適な運転条件をリアルタイムで反映させることにより、薬品の過剰供給や不必要な樹脂再生工程を削減することができるため、ランニングコストを低減させることが可能となる。 In addition, according to the pure water production apparatus according to the present embodiment, the amount of water flow, the amount of chemicals, and the frequency of regeneration are parameters (variables). It is possible to set operating conditions that are more in line with on-site operation management conditions according to constraints such as schedule). In addition, by reflecting the optimum operating conditions in real time, it is possible to reduce the excessive supply of chemicals and unnecessary resin regeneration processes, so it is possible to reduce running costs.
図9のフローチャートを用いて本発明の実施の形態に係る純水製造方法について以下に説明する。なお、下記の方法は単なる例示であり、本実施形態に係る純水製造装置を用いて、以下に示す例の他にも種々の製造方法が存在することは勿論である。 A pure water production method according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the flow chart of FIG. The method described below is merely an example, and it goes without saying that there are various manufacturing methods other than the examples shown below using the pure water manufacturing apparatus according to the present embodiment.
まず、入力装置120を介して必要な情報(初期条件、設備条件、運転条件など)が、記憶装置110に記憶される。初期条件としては、イオン交換塔2の初期の状態を規定するための固相イオン濃度(XOS)、液相イオン濃度(XOL)などが入力される。設備条件、運転条件としては、樹脂量V[m3]、流量Q[m3/h]、原水イオン負荷CO[eq/m3]、再生条件(頻度[h/cycle]、薬液濃度[eq/m3])、物性定数(各拡散係数D[m2/sec]、イオン価数など)などが入力される。
First, necessary information (initial conditions, equipment conditions, operating conditions, etc.) is stored in the
次に、ステップS1において、イオン交換塔2内に配置された第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bを用いて導電率(電気伝導度)を測定する。図8の導電率検出部101は、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが測定した導電率の測定値を検出する。
Next, in step S1, the conductivity (electrical conductivity) is measured using the
ステップS2において、シミュレーション部102が、導電率検出部101が検知した導電率の測定値を用いて、イオン交換樹脂3の状態、例えば、イオン交換樹脂3の固相導電率、イオン交換塔2内の固相、液相のイオン濃度勾配を計算し、イオン交換樹脂3の使用状態をシミュレーションする。例えば、検出された導電率と、記憶装置110に記憶された解析情報とに基づいて、イオン交換平衡計算(液相-固相)、固相内イオン濃度拡散計算、液相内イオン濃度拡散の計算などを行うことができる。具体的には、例えば、イオン交換塔2を高さ方向に100段程度に分割し、入口付近から順番に液相のイオン濃度を計算する。更には、ネルンストプランクの方程式及び拡散係数Dを解析情報として利用し、高さ方向に分割された各要素毎に、固相であるイオン交換樹脂3とその周囲にある液相内でのイオンの濃度拡散(イオンの拡散濃度)についてシミュレーションを行う。イオン交換樹脂のイオン濃度は、例えば、イオン交換樹脂を約20分割し、各分割要素毎に微分計算することによりシミュレーションできる。シミュレーション結果は記憶装置110に記憶され、例えば、図9に示すような情報が、必要に応じて表示装置130に表示されることにより、操作者はイオン交換塔2内部の状態を容易に確認できる。
In step S2, the
ステップS3において、導電率検出部101が再び第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが測定した導電率の測定値を検出する。ステップS4において、比較部103は、記憶装置110に記憶されたシミュレーション結果を読み出して、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが測定した導電率(或いはこの導電率から得られたシミュレーション結果)と比較し、イオン交換塔2の運転条件の補正が必要か否かを判断する。純水製造装置1の運転条件の変更が必要と判断された場合には、ステップS5において、条件変更部104が、運転条件を変更するための補正情報を出力し、ステップS6に進む。純水製造装置1の運転条件の変更が必要ではない場合にはそのままステップS6へ進む。
In step S3, the
ステップS6において、条件変更部104により純水製造装置1の解析を終了させるか否かが判定され、終了する場合には、終了となる。解析終了しない場合には、再度ステップS2~S6を繰り返す。
In step S6, the
従来の純水製造装置では、イオン交換塔2の外部に計器を設置したとしてもイオン交換塔2の内部の状況までは詳しく把握することが難しかったため、処理水質が低下しないように、ある程度余裕をもって運転条件が設定されていた。
In the conventional pure water production apparatus, even if a meter is installed outside the
本実施形態に係る純水製造方法によれば、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bの測定結果に基づいて、イオン交換樹脂3の固相導電率をより精度良く測定することができるため、導電率からイオン交換樹脂3のイオン濃度などを領域毎にシミュレーションすることにより、イオン交換塔2の内部状態を詳細に把握することができる。
According to the pure water production method according to the present embodiment, the solid-phase conductivity of the
また、イオン交換塔2の内部状況は、一般的には、水の流れ等のモデル化を完全に行うことが難しいパラメータがあるが、本実施形態では、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bによる導電率の検出結果を、過去のシミュレーション結果や試験結果と照らし合わせて補正することで、より精度の高い計算結果が得られる。
In addition, the internal conditions of the
例えば図10は、解析結果の出力結果が示されており、画面左側には純水製造装置を構成する各塔の固相及び液相の高さ方向のイオン濃度分布が示され、画面右側にはイオン交換樹脂の高さに垂直な断面のイオン濃度分布が示されている。操作者は、例えば図10に示すような画面を通じて純水製造装置を構成する各塔の内部状況をリアルタイムで把握することができる。 For example, FIG. 10 shows the output results of the analysis results. shows the ion concentration distribution of the cross section perpendicular to the height of the ion exchange resin. The operator can grasp the internal conditions of each tower constituting the pure water production apparatus in real time through a screen as shown in FIG. 10, for example.
(変形例)
なお、上述のような複雑なシミュレーションを実施せず、解析手段10が、導電率の経時的変化のみに着目して、イオン交換樹脂3の樹脂性能を推定するようにしてもよい。例えば、(1)イオン交換塔2に被処理水を通水しながら、所定の期間毎にイオン交換樹脂3の導電率を測定する場合に、導電率の低下が見られたところで、樹脂再生工程或いは樹脂の交換を実施する方法、(2)樹脂再生直後に導電率を測定し、その導電率の値を前回の樹脂再生直後の導電率と比較して、所定の値以上に導電率が低下する場合に樹脂再生不良とみなし、再度樹脂再生を行うか、樹脂の交換を促す方法、(3)導電率の測定結果の変化を経時的に記録し、長期間の使用に伴う導電率の低下具合により設備の劣化を評価する方法などがある。
(Modification)
It should be noted that the analysis means 10 may estimate the resin performance of the
即ち、イオン交換塔2内部における水の電気伝導媒体はイオンである場合が多く、イオンの濃度が高まるにつれて水の電気伝導度が高くなる。一方純水は蒸留水から超純水と呼ばれるグレードまで純度により幅があるが、純度が高くなるにしたがって、イオンの濃度が低くなり電気伝導度が低くなる。純水の純度が高まると、水が解離して生成されるH+とOH-による電気伝導のみとなり、純水の理論導電率0.056μS/cm(0.0056mS/m)に近づく。
That is, the electric conduction medium of water inside the
有機高分子系イオン交換樹脂は、例えばスチレンジビニルベンゼン共重合体を骨格とし、カチオン交換樹脂はスルホン酸基、アニオン交換樹脂は4級アンモニウム基など官能基をもった構造となっており、スルホン酸や4級アンモニウム基には、対イオンとしてH+やOH-を配した酸、アルカリ又は金属イオンや塩化物イオンなどを配した塩となっている。 The organic polymer-based ion exchange resin has, for example, a styrene divinylbenzene copolymer as a skeleton, and the cation exchange resin has a structure having functional groups such as a sulfonic acid group and the anion exchange resin having a functional group such as a quaternary ammonium group. and quaternary ammonium groups are salts with acids, alkalis, metal ions, chloride ions, or the like with H + or OH − as counter ions.
イオン交換樹脂3中のイオン濃度は、官能基の濃度により異なるが1モル/L~10モル/Lといった比較的高濃度の固体酸、固体アルカリ又は塩となっている。このように、イオン交換樹脂3中ではイオン濃度が高く、運動性の高い高分子であることから、比較的イオンの運動性がよく、特に水分を含んだ状態においてはイオン交換樹脂3の導電性が高く、純水中では純水より数倍から数百倍導電率が高くなる。
The ion concentration in the
イオン交換樹脂3中ではイオンが電気伝導の媒体であるため、対イオンの運動性、拡散性によりイオン交換樹脂の導電率が大きく変わる。特にイオン種、イオンの大きさ、イオンの吸着状態によりイオン交換樹脂の導電性が大きくかわり、H+とOH-はサイズ、質量から運動性が高く、イオン交換樹脂の対イオンがH+とOH-の場合、イオン交換樹脂の導電率が高くなる。
In the ion-
純水装置で用いるイオン交換樹脂は、酸やアルカリによる再生を行い、イオン交換除去した対イオンをH+やOH-に戻し、採水工程において原水に含まれるイオンをイオン交換することで純水を製造している。つまり、再生直後のイオン交換樹脂は対イオンがH+やOH-で満たされており、イオン交換樹脂の導電率は高く、採水を行い徐々に原水に含まれるイオンをイオン交換反応によりイオン交換樹脂中に取り込むと導電率が低くなる傾向がある。 The ion-exchange resin used in the water purifier is regenerated with acid or alkali, and the counter ions removed by ion exchange are returned to H + or OH - . are manufacturing. In other words, the counter ions of the ion exchange resin immediately after regeneration are filled with H + and OH − , and the conductivity of the ion exchange resin is high. Incorporation into the resin tends to lower the electrical conductivity.
上述したようにシリカやホウ素は弱電解質であり、重合し大きな分子に成長する性質があるためシリカやホウ素を吸着したイオン交換樹脂は特に個体の導電率が低くなる。2床3塔(2B3T)方式純水装置などではアニオン塔から最もリークしやすい物質はシリカやホウ素となるため、アニオン交換樹脂の固相導電率はシリカやホウ素の吸着状態を推定する指標となる。例えば2B3T方式純水装置では、処理水が特に純水に近くイオン濃度が低いアニオン塔の出口に近い位置に電極を設置しアニオン交換樹脂の導電率を測定することで精度よくシリカやホウ素の吸着状態を把握し、アニオン交換樹脂の状態を把握することができる。 As described above, silica and boron are weak electrolytes and have the property of polymerizing and growing into large molecules. Therefore, ion exchange resins adsorbing silica or boron have particularly low electrical conductivity. In a two-bed, three-tower (2B3T) type water purifier, the substances that are most likely to leak from the anion tower are silica and boron, so the solid phase conductivity of the anion exchange resin is an index for estimating the adsorption state of silica and boron. . For example, in the 2B3T system pure water system, electrodes are placed near the outlet of the anion tower where the treated water is particularly close to pure water and the ion concentration is low. It is possible to grasp the state and grasp the state of the anion exchange resin.
アニオン交換樹脂も原水に含まれるアニオン性高分子電解質やフミン酸や有機物などにより汚染され性能が低下する場合がある。これらの汚染物質はある程度イオン化されている場合もあるが、分子量が大きく運動性が低いため、一度イオン交換によりイオン交換樹脂中に取り込まれると再生されにくい傾向がある。さらに汚染物質はその質量が大きいことから汚染されたイオン交換樹脂の固相導電率は低い傾向を示す。従ってイオン交換樹脂の導電率を測定することでイオン交換樹脂の劣化の程度を測定することが可能となり、イオン交換樹脂の交換時期を判断することができる。 The anion exchange resin may also be contaminated with anionic polymer electrolytes, humic acid, organic substances, etc. contained in the raw water, and its performance may be lowered. Although these contaminants may be ionized to some extent, they tend to be difficult to regenerate once they are taken into the ion exchange resin by ion exchange because of their large molecular weight and low mobility. Furthermore, since the contaminants have a large mass, the solid phase conductivity of the contaminated ion exchange resin tends to be low. Therefore, by measuring the conductivity of the ion-exchange resin, it becomes possible to measure the degree of deterioration of the ion-exchange resin, and to determine the replacement time of the ion-exchange resin.
また、上述のようにカチオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂より耐久性が高いものの、純水装置においては、カチオン塔がプロセスの入口寄りに配置されることが多く、浮遊物質(SS)や酸化剤による劣化やカチオン性高分子による汚染により性能低下し、固相導電率が低下する。そのため、カチオン交換樹脂の導電率を測定することにより、カチオン交換樹脂の性能低下を精度よく測定することが可能となり、イオン交換樹脂の交換時期を適切に判断することができる。 As described above, cation exchange resins are more durable than anion exchange resins. Performance is degraded due to deterioration due to cationic polymers and contamination by cationic polymers, and the solid-state conductivity decreases. Therefore, by measuring the electrical conductivity of the cation exchange resin, it becomes possible to accurately measure deterioration in the performance of the cation exchange resin, and it is possible to appropriately determine when to replace the ion exchange resin.
なお、上述の方法に加えて、定期的に樹脂塔の高さ方向に数カ所、樹脂及び液相をサンプリングし、樹脂の状態を直接測定し、液相のイオン濃度を直接測定することにより、その結果を、上記のシミュレーション結果に反映させることで、シミュレーションの精度をより高めることができる。 In addition to the above method, the resin and the liquid phase are periodically sampled at several points in the height direction of the resin tower, the state of the resin is directly measured, and the ion concentration of the liquid phase is directly measured. By reflecting the results in the above simulation results, the accuracy of the simulation can be further improved.
(応用例)
上述のイオン交換塔2は、2B3T方式の多床塔の純水製造装置或いは混床式の純水製造装置などに好適に利用可能である。例えば、図11に示すように、本実施形態に係る純水製造装置は、カチオン塔30、脱炭酸塔40及びアニオン塔50により成る2床3塔方式の純水製造装置を含み、第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bが、カチオン塔30の内部に配置され、アニオン塔50内には、アニオン塔50内に充填されたアニオン交換樹脂と接触するように配置され、アニオン交換樹脂の固相導電率を測定する第3の導電率測定計4cを備えることを含む。
(Application example)
The
第3の導電率測定計4cは第1の導電率測定計と同一の構成を有することができる。アニオン塔50の場合は、第3の導電率測定計が、図12に示すように、被処理水の通水方向に対してイオン交換塔2の入口21(塔最上部)と出口22(塔最下部)の中間(50%)よりも下流側に配置されることが好ましい。より好ましくは、入口(0%)から出口(100%)に向かって60%以上、更には70%以上、下流側となる位置で、電極の先端(導電率検出部分)がイオン交換樹脂3と接触するように配置され、アニオン塔50の入口21から出口22に向かって60%以上、更には70%以上下流側となる位置でアニオン交換樹脂と接触するように配置され、アニオン交換樹脂の導電率を連続的に測定することによりアニオン交換樹脂のシリカの吸着状態を把握できるように第3の導電率測定計4cを配置することが好ましい。
The
不純物の多い原水を処理するカチオン塔30においては少なくとも2本の第1の導電率測定計4a及び第2の導電率測定計4bを用いて固相、液相の導電率をそれぞれ測定し、カチオン塔30よりも被処理水の水質が高品質なアニオン塔50内の導電率は、少なくとも1本の第3の導電率測定計を用いて固相導電率を測定することにより、少ない装置点数で、内部に収容されるイオン交換樹脂の状態の評価の精度を向上させることができる。第1~第3の導電率測定計4a、4b、4cは、必要に応じて脱炭酸塔40内に挿入されてもよいことは勿論である。また、原水の導電率を測定するための導電率計61が更に配置されてもよいことは勿論である。
In the
或いは、図13(a)及び13(b)に示すように、本実施形態に係る純水製造装置として、アニオン塔の下流側に更にポリッシャー70を配置し、このポリッシャー70の内部に第1及び第2の導電率測定計4a、4bが更に配置されていてもよい。ポリッシャー70は、図13(a)に示すような混床式のものでも、図13(b)に示すようなカチオンポリッシャー71とアニオンポリッシャー72とを別々に設ける形態のものでもいずれでも構わない。
Alternatively, as shown in FIGS. 13(a) and 13(b), as the pure water production apparatus according to this embodiment, a
このように、本発明は上記の開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲において変形し具体化し得るものである。 In this way, the present invention is represented by the matters specifying the invention in the scope of claims that are valid from the above disclosure, and can be modified and embodied in the implementation stage without departing from the gist of the invention.
以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。 Examples of the present invention are presented below along with comparative examples, which are provided for a better understanding of the invention and its advantages and are not intended to be limiting of the invention.
(実施例1)
向流再生方式の2床3塔方式の純水製造装置において、カチオン塔内に2本の導電率計を設置し、カチオン交換樹脂の導電率を測定した。カチオン交換樹脂としては、ダウ・ケミカル製 カチオン交換樹脂650C×3000Lを使用した。アニオン交換樹脂としては、ダウ・ケミカル製 アニオン交換樹脂550A×3000L(再生後の樹脂層高2300mm)を使用した。カチオン塔の直径は1200mm、アニオン塔の直径は1300mmとした。原水として、井水処理水(電気導電率23mS/m、シリカ濃度60mg/L as SiO2)とし、処理水(純水)の水質は0.2mS/m以下、シリカ濃度100μg/L as SiO2となるように、通水流量50m3/hで行った。
(Example 1)
In a two-bed, three-tower system pure water production apparatus of a countercurrent regeneration system, two conductivity meters were installed in the cation tower to measure the conductivity of the cation exchange resin. As the cation exchange resin, a cation exchange resin 650C×3000L manufactured by Dow Chemical was used. As the anion exchange resin, an anion exchange resin 550A×3000L (resin layer height after regeneration: 2300 mm) manufactured by Dow Chemical Co., Ltd. was used. The diameter of the cation tower was 1200 mm, and the diameter of the anion tower was 1300 mm. Treated well water (electrical conductivity 23 mS/m,
カチオン交換樹脂測定用の電極として、図1に示すように、2本の円筒状の直径10mmのステンレス製電極を有する第1及び第2の導電率測定計4a、4bを2本挿入し、第2の一方は樹脂との接触を避けるために電極の周囲にスクリーンを配置して、第1及び第2の導電率測定計4a、4bの電極間の抵抗を測定した。通水方向に対して2000mmの位置に電極の先端(測定端)がくるようにし、電極間距離Dを6mm、電極の挿入深さ(イオン交換塔2の内側面から電極41a、41bの先端までの距離H)を40mmとした。導電率の測定に当たっては、東亜DKK(株)製変換器 WBM-100を使用し、通水時間3時間毎に導電率を測定した。結果を表1に示す。
As electrodes for cation exchange resin measurement, as shown in FIG. 2 placed a screen around the electrodes to avoid contact with the resin, and measured the resistance between the electrodes of the first and
表1に示すように、21時間通水するとカチオン塔の樹脂導電率が、表1のように変化した。15時間運転したところで固相導電率の低下がみられたことから、イオン交換バンド(イオン交換が進み塩型となったイオン交換樹脂の層)が通水方向に移動していると判断し、導電率が低下したタイミングで再生を行うこととした。 As shown in Table 1, the resin conductivity of the cation tower changed as shown in Table 1 when water was passed for 21 hours. Since a decrease in solid-phase conductivity was observed after 15 hours of operation, it was determined that the ion exchange band (a layer of ion exchange resin that has undergone ion exchange and has become a salt form) is moving in the direction of water flow. It was decided to perform regeneration at the timing when the conductivity decreased.
本方法により再生を行うことで、原水の負荷などが変動した場合でも好適な再生開始タイミングを検知することができ、変動を見越した再生を行う必要がなくなり、再生頻度を低減することが可能となり、従来の純水装置より再生薬剤使用量より約30%少なく運転することができた。 By performing regeneration using this method, it is possible to detect the optimal regeneration start timing even when the load of the raw water fluctuates, eliminating the need to perform regeneration in anticipation of fluctuations and reducing the frequency of regeneration. , it was possible to operate with about 30% less regenerative chemicals than the conventional water purifier.
(実施例2)
実施例1と同様の純水製造装置を用いて、イオン交換樹脂の再生/通水/再生を繰り返す過程において、樹脂体の再生完了後、通水直後に導電率を測定した。結果を表2に示す。
(Example 2)
Using the same pure water production apparatus as in Example 1, in the process of repeating regeneration/flowing/regeneration of the ion-exchange resin, the electrical conductivity was measured immediately after the regeneration of the resin body was completed and water was passed. Table 2 shows the results.
RUN NO.4のみ、再生完了後通水直後の導電率が低く、再生が不良であったことが判明した。実施例2によれば、再生後通水直後の導電率を管理することで、再生の健全性を確認することができ、再生不良による水質の低下を未然に防ぐことが可能となり装置の安定運転が可能となった。 RUN NO. Only No. 4 was found to have a low conductivity immediately after the completion of regeneration and immediately after water flow, indicating that regeneration was unsatisfactory. According to Example 2, the soundness of regeneration can be confirmed by controlling the conductivity immediately after water is passed after regeneration, and it is possible to prevent deterioration of water quality due to poor regeneration, and stable operation of the device. became possible.
(実施例3)
実施例1と同様の純水製造装置を用いて、6ヶ月毎に導電率の測定を行った。結果を表3に示す。
(Example 3)
Using the same pure water production apparatus as in Example 1, the electrical conductivity was measured every six months. Table 3 shows the results.
樹脂の導電率が年単位で低下することが確認され、再生を行っても導電率が十分回復せず、樹脂の性能の経年劣化が確認された。36カ月後に導電率の低下が確認されたため、再生薬剤量を増やし再生操作を行い、その後導電率が回復し樹脂性能がある程度回復したことを確認した。しかし、運転を続けると60カ月後に導電率が初期の約半分となり、樹脂の性能が大幅に低下したことが確認されたため、樹脂の交換を行った。このように本実施形態によれば、樹脂の経年的な性能低下をリアルタイムに把握することができ、適正な樹脂の回生操作や樹脂の定期交換を行うことができ、従来の純水装置と比較しランニングコストを30%~40%低減することができた。 It was confirmed that the electrical conductivity of the resin decreased year by year, and the electrical conductivity did not recover sufficiently even after regeneration, and it was confirmed that the performance of the resin deteriorated over time. After 36 months, it was confirmed that the conductivity had decreased, so the amount of the regeneration agent was increased and the regeneration operation was performed. However, after 60 months of continuous operation, the electrical conductivity decreased to about half of the initial level, and it was confirmed that the performance of the resin had significantly deteriorated, so the resin was replaced. As described above, according to the present embodiment, deterioration in performance of the resin over time can be grasped in real time, and appropriate resin regeneration operation and periodic replacement of the resin can be performed. As a result, the running cost could be reduced by 30% to 40%.
1…純水製造装置
2…イオン交換塔
3…イオン交換樹脂
4a…第1の導電率測定計
4b…第2の導電率測定計
4c…第3の導電率測定計
5…スクリーン
10…解析手段
11…制御手段
21…入口
22…出口
30…カチオン塔
31…イオン交換樹脂粒子(粒子)
40…脱炭酸塔
41a~41d…電極
42…スリーブ
43…フランジ
45…内装管
47…伝導度プローブ
50…アニオン塔
61…導電率計
70…ポリッシャー
71…カチオンポリッシャー
72…アニオンポリッシャー
100…処理部
101…導電率検出部
102…シミュレーション部
103…比較部
104…条件変更部
110…記憶装置
120…入力装置
130…表示装置
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記純水製造装置が備える前記カチオン塔内に充填された前記カチオン交換樹脂と接触するように前記カチオン塔の入口から出口に向かって50%以上下流側となる位置に配置され、前記カチオン塔内の固相導電率および液相導電率を測定可能なセル乗数が1~10 -1 mの一対の電極を備える第1の導電率測定計と、
前記カチオン塔の外周の前記第1の導電率測定計とは異なる位置から挿入され、前記カチオン塔の周方向において前記第1の導電率測定計の測定領域に近接して前記カチオン交換樹脂内に配置されるか、又は前記カチオン塔の外側面から内部へ前記第1の導電率測定計と互いに対向するように前記第1の導電率測定計とは異なる位置から前記カチオン交換樹脂内に挿入され、前記カチオン塔内の液相導電率を測定可能なセル乗数が1~10 -1 mの一対の電極及び前記電極の周囲を覆うスクリーンを備える第2の導電率測定計と
を備えることを特徴とする純水製造装置。 In a pure water production apparatus that produces pure water using a cation tower filled with a cation exchange resin,
arranged at a position that is 50% or more downstream from the inlet to the outlet of the cation tower so as to be in contact with the cation exchange resin packed in the cation tower provided in the water purification apparatus, and in the cation tower a first conductivity meter comprising a pair of electrodes with a cell multiplier of 1 to 10 -1 m capable of measuring the solid-phase conductivity and liquid-phase conductivity of
It is inserted from a position different from the first conductivity meter on the outer circumference of the cation tower, and in the cation exchange resin in the vicinity of the measurement area of the first conductivity meter in the circumferential direction of the cation tower. or inserted into the cation exchange resin from a position different from the first conductivity meter so as to face the first conductivity meter from the outer surface of the cation tower to the inside. , a second conductivity meter comprising a pair of electrodes with a cell multiplier of 1 to 10 -1 m and a screen covering the electrodes, which can measure the liquid phase conductivity in the cation tower. and pure water production equipment.
前記カチオン交換樹脂を内部に充填した前記カチオン塔を用いて処理する工程を含み、
前記カチオン塔内の前記カチオン交換樹脂と接触するように前記カチオン塔の入口から出口に向かって50%以上下流側となる位置に配置された第1の導電率測定計を用いて前記カチオン塔内の固相導電率および液相導電率を測定することと、
前記カチオン塔の外周の前記第1の導電率測定計とは異なる位置から挿入され、前記カチオン塔の周方向において前記第1の導電率測定計の測定領域に近接して前記カチオン交換樹脂内に配置されるか、又は前記カチオン塔の外側面から内部へ挿入され、前記第1の導電率測定計と互いに対向するように前記第1の導電率測定計とは異なる位置から前記カチオン交換樹脂内に配置された第2の導電率測定計を用いて前記カチオン塔内の液相導電率を測定することと、
前記第1の導電率測定計の測定値から前記第2の導電率測定計の測定値を減算することにより、前記カチオン塔内の固相導電率を算出することと、
前記固相導電率の算出結果に基づいて、前記カチオン交換樹脂の固相導電率と、前記カチオン塔内の固相及び液相のイオン濃度勾配を計算し、被処理水の負荷変動、イオン交換樹脂の再生頻度、再生剤量をパラメータとした物質収支に基づく逐次計算を行うことにより、任意の時間における前記カチオン塔内における前記カチオン交換樹脂の使用状態をシミュレーションすることと、
前記シミュレーションの結果と既存のシミュレーション結果とを比較し、該比較の結果に基づいて、イオン交換塔へ供給される被処理水の通水量、薬品量及びイオン交換樹脂の再生頻度の少なくともいずれかを含む前記カチオン塔の運転条件の変更が必要か否かを判断することと、
前記運転条件の変更が必要な場合に、前記カチオン塔の運転条件を変更することと
を有することを特徴とする純水製造方法。 A pure water production method for producing pure water using a cation tower filled with a cation exchange resin,
A step of treating using the cation tower filled with the cation exchange resin,
The inside of the cation tower is measured using a first conductivity meter arranged at a position that is 50% or more downstream from the entrance of the cation tower toward the exit so as to be in contact with the cation exchange resin in the cation tower. measuring the solid-phase conductivity and liquid-phase conductivity of
It is inserted from a position different from the first conductivity meter on the outer circumference of the cation tower, and in the cation exchange resin in the vicinity of the measurement area of the first conductivity meter in the circumferential direction of the cation tower. placed or inserted into the inside from the outer surface of the cation tower, and in the cation exchange resin from a position different from the first conductivity meter so as to face each other with the first conductivity meter measuring the liquid phase conductivity in the cation tower using a second conductivity meter located in
calculating the solid phase conductivity in the cation tower by subtracting the measured value of the second conductivity meter from the measured value of the first conductivity meter;
Based on the calculation result of the solid phase conductivity, the solid phase conductivity of the cation exchange resin and the ion concentration gradient of the solid phase and liquid phase in the cation tower are calculated, and the load fluctuation of the water to be treated, ion exchange simulating the state of use of the cation exchange resin in the cation tower at any given time by performing sequential calculations based on the material balance with the frequency of resin regeneration and the amount of regenerant used as parameters ;
The results of the simulation are compared with the existing simulation results, and based on the results of the comparison, at least one of the amount of water to be treated supplied to the ion exchange tower, the amount of chemicals, and the frequency of regeneration of the ion exchange resin is adjusted. Determining whether it is necessary to change the operating conditions of the cation tower containing
and changing the operating conditions of the cation tower when the operating conditions need to be changed.
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