JP7327450B2 - How to operate an ion exchange device - Google Patents
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Description
本発明は、イオン交換装置の運転方法に関する。 The present invention relates to a method of operating an ion exchange apparatus.
液晶や半導体等の電子産業分野では、電子部品の洗浄に用いる純水製造装置が大規模化している。そのような純水製造装置には、イオン交換樹脂等のイオン交換体を備えたイオン交換装置が複数台設けられている。再生型のイオン交換装置の場合は、一定の再生頻度でイオン交換樹脂の再生スケジュールが組まれる。また、非再生型のイオン交換装置の場合は、一定の交換頻度でイオン交換樹脂の交換スケジュールが組まれる。 In the field of electronic industries such as liquid crystals and semiconductors, the scale of pure water production equipment used for cleaning electronic parts is increasing. A plurality of ion exchangers having ion exchangers such as ion exchange resins are provided in such a pure water production apparatus. In the case of a regenerative ion exchange device, a regeneration schedule for the ion exchange resin is established at a constant regeneration frequency. Further, in the case of a non-regenerative ion exchange device, an ion exchange resin exchange schedule is established at a constant exchange frequency.
純水製造装置に備えられた再生型のイオン交換装置において、通水工程と再生工程を交互に繰り返す運転では、通水開始から樹脂再生に移行するまでの間に採水できる量（採水可能量（ｍ３／サイクル））を予め制御値として設定すると共に、製造される純水の水質の許容上限値（ｍＳ／ｍ等）を予め制御値として設定しておき、設定した採水可能量（ｍ３／サイクル）、または処理水である純水の導電率等の水質の許容上限に達したタイミングで、通水工程から再生工程に移行するように再生運転を行っている。 In the regenerative ion exchange device installed in the water purifier, the amount of water that can be sampled from the start of water flow to the resin regeneration (water sampleable quantity (m 3 /cycle)) is set in advance as a control value, and the allowable upper limit value (mS/m, etc.) of the water quality of the pure water to be produced is set in advance as a control value, and the set possible water intake amount (m 3 /cycle), or at the timing when the allowable upper limit of the water quality such as the conductivity of the pure water, which is the treated water, is reached, the regeneration operation is performed so as to shift from the water flow process to the regeneration process.
設定する採水可能量は、被処理水のイオン濃度の変動幅の最大のときを想定した条件で、装置設計時に設定される。そして設定された採水可能量は、当該装置において通水工程と再生工程とを交互に行う際に、通水工程から再生工程に切り替える際の目安とされる。なお、採水可能量は、イオン交換樹脂の経年劣化を見越して、３～５年間使用された後のイオン交換樹脂の状態を考慮して、余裕を持った値に設定されている。そして、経年劣化したイオン交換樹脂は、定期的に、または十分な純水採水量が確保できなくなった時点で、イオン交換樹脂の交換が行われ、新品の樹脂等に入れ替えることで、純水採水量を確保している。 The amount of water that can be sampled is set at the time of designing the apparatus under conditions that assume the maximum fluctuation range of the ion concentration of the water to be treated. The set amount of water that can be collected is used as a guideline for switching from the water supply process to the regeneration process when the water supply process and the regeneration process are alternately performed in the apparatus. In addition, the amount of water that can be collected is set to a value with a margin in anticipation of aging deterioration of the ion exchange resin and considering the state of the ion exchange resin after being used for 3 to 5 years. The ion-exchange resin that has deteriorated over time is replaced periodically or when a sufficient amount of pure water cannot be obtained. Secures water.
ここで、イオン交換樹脂の再生のタイミングに関しては、下記特許文献１に記載の技術が知られている。また、イオン交換樹脂の経年劣化により採水可能量が減ることを予測計算し、次回の予測採水可能量が実際の採水量より少なくなった時点で再生に切り替えることが特許文献２、３に記載されている。また、特許文献４には、イオン交換容量や総括物質異動容量係数に基づいてイオン交換樹脂の性能を評価して、イオン負荷と通水量から採水可能量を予測計算することが記載されている。更に、特許文献５、６には、イオン交換樹脂への阻害物質の影響予測について記載されている。
Here, regarding the timing of regeneration of the ion exchange resin, the technique described in
上述のように、純水製造装置では、予め設定された採水可能量に基づき、純水を製造する通水工程とイオン交換樹脂を再生する再生工程とを交互に行う。ここで、純水製造装置の原水には、工業用水が多く使われる。工業用水は、イオン濃度の変動が大きい河川水を水源とする。このため、純水装置の原水は水質変動が大きい。従って、純水製造装置では、薬品ロスと水質悪化のリスクがある。即ち、設計当初に計画されたイオン濃度より低濃度の原水を処理した場合、イオン交換樹脂の交換容量が残存した状態で再生工程が行なわれる。この場合、純水製造装置は余力がある状態で再生を行うため、再生薬品の無駄（薬品ロス）が生じる。一方、設計当初に計画されたイオン濃度より高濃度の原水を処理した場合、通水工程中にイオン交換樹脂の交換容量を使い切って破過が起こり、純水の水質悪化が起こり得る。 As described above, the pure water producing apparatus alternately performs the water passing step for producing pure water and the regeneration step for regenerating the ion exchange resin based on the preset amount of water that can be collected. Industrial water is often used as the raw water for the pure water production apparatus. Industrial water is sourced from river water with large fluctuations in ion concentration. For this reason, the water quality of the raw water of the water purifier is greatly fluctuated. Therefore, there is a risk of chemical loss and deterioration of water quality in the pure water production system. That is, when raw water with an ion concentration lower than that planned at the time of design is treated, the regeneration process is performed with the exchange capacity of the ion exchange resin remaining. In this case, the deionized water production apparatus performs regeneration with a surplus capacity, so waste of regeneration chemicals (chemical loss) occurs. On the other hand, if raw water with a higher ion concentration than planned at the time of design is treated, the exchange capacity of the ion-exchange resin will be used up during the water flow process, causing breakthrough and deteriorating the quality of pure water.
一方、イオン交換樹脂においては、継続使用により徐々に樹脂の性能が低下する。一般に、純水製造装置の設計時に再生可能量を設定する場合は、純水装置に備えられたイオン交換樹脂の状態によるイオン交換能力の違いを考慮していないため、安全面を考慮して早めの樹脂交換を行うように設計されている。このため、樹脂再生のための再生薬品ロスや、樹脂交換費用のロスが生じ得る。即ち、イオン交換樹脂が新品に近い状態にある場合、設定された純水採水量では、樹脂に余力がある状態で再生が行われるため、再生薬品の無駄が生じる。一方、イオン交換樹脂の性能低下は、カチオン交換樹脂やアニオン交換樹脂によりその程度が異なる。また、イオン交換樹脂の性能低下は、原水である工業用水の水質によってもその程度が異なる。そのため、定期的に樹脂交換を実施する場合には、安全面を考慮して早めに樹脂交換を行う必要があり、必要以上に樹脂交換することによる費用の無駄が生じる。特に、各種のコンビナートに備えられる純水製造装置は、１年間単位の長期間にわたり連続運転されるところ、１年後の正確な状態予測が難しいため、相当に余裕をもった樹脂交換を実施しており、樹脂交換費用のロスが顕著になる。 On the other hand, in the ion exchange resin, the performance of the resin gradually deteriorates with continued use. In general, when setting the renewable amount at the time of designing a water purifier, the difference in ion exchange capacity due to the state of the ion exchange resin installed in the water purifier is not taken into account. designed to perform a resin exchange of For this reason, loss of regeneration chemicals for regeneration of the resin and loss of resin exchange costs may occur. That is, when the ion-exchange resin is in a state close to a new one, regeneration is performed in a state where the resin has a surplus capacity with the set amount of pure water sampled, resulting in waste of regeneration chemicals. On the other hand, the degree of deterioration in the performance of the ion exchange resin differs depending on the cation exchange resin and the anion exchange resin. Further, the degree of deterioration in the performance of the ion-exchange resin varies depending on the quality of industrial water, which is raw water. Therefore, when the resin is to be replaced periodically, it is necessary to replace the resin early in consideration of safety. In particular, the pure water production equipment installed in various industrial complexes is operated continuously for a long period of time, such as one year, and it is difficult to accurately predict the state after one year. Therefore, the loss of resin exchange cost becomes remarkable.
以上のことから、イオン交換樹脂の性能劣化を考慮しつつ、イオン交換樹脂の能力を最大限活用し、イオン交換装置の採水可能量を正確に管理して、イオン交換樹脂の再生を行うことが求められる。 From the above, while considering the deterioration of the performance of the ion exchange resin, it is necessary to maximize the capacity of the ion exchange resin, accurately manage the amount of water that can be collected by the ion exchange device, and regenerate the ion exchange resin. is required.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、イオン交換装置の採水可能量を正確に管理することが可能な、イオン交換装置の運転方法を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of operating an ion exchange apparatus that enables accurate management of the amount of water that can be collected by the ion exchange apparatus.
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採用する。
［１］ イオン交換樹脂が充填された樹脂塔に対して、原水を通水してイオン交換処理する通水工程と、前記イオン交換樹脂を再生する再生工程とを順次行う通水・再生サイクルを繰り返す、純水製造装置に備えられた再生型のイオン交換装置の運転方法において、
前記通水・再生サイクル中に、前記通水工程における前記原水の流量と前記原水中の目的成分のイオン濃度との積である原水負荷を計測し、前記原水負荷に基づいて前記イオン交換樹脂の予測採水可能量をシミュレーションにより算出し、
前記シミュレーションにおいては、前記イオン交換樹脂のイオン交換容量及び総活物質移動容量係数を組み込んだ数式として、ある時点でのイオン交換樹脂のイオン交換容量、物質収支式、移動速度式及び吸着平衡式を組み込んだものとし、
当該数式に、原水のイオン負荷量（原水負荷）を導入することより算出した貫流交換容量に基づき予測採水容量を求めるとともに、前記イオン交換樹脂の性能変化傾向情報を予め取得しておき、前記性能変化傾向情報を考慮して前記予測採水容量を補正し、
前記性能変化傾向情報には、前記原水の有機物量、重金属イオン量または残留塩素イオン量のいずれかが含まれ、
算出された補正後の前記予測採水可能量に基づいて、採水量制御値を設定し、
前記通水工程中における前記原水の採水量が前記採水量制御値に到達した時点で、前記通水工程から前記再生工程に切り替える、イオン交換装置の運転方法。
ただし、
前記物質収支式は、原水のイオン負荷量を、処理水の成分リーク量、樹脂に吸着された成分量、樹脂間の空隙に滞留する成分量との関係で表した物質収支式であり、
前記移動速度式は、イオン交換塔におけるイオンの移動速度を、液相における移動速度とイオン交換樹脂内における移動速度で表した移動速度式であり、
前記吸着平衡式は、イオン交換樹脂中のイオン濃度に平衡な成分の液相中濃度を求めるためにイオン交換を、１価－１価の交換で表現する拡張ラングミュア式を用いてイオン交換樹脂中の濃度と液相中の濃度の平衡関係を求めた吸着平衡式である。
［２］ 前記原水中の目的成分のイオン濃度は、目的成分のイオン濃度を直接計測するか、または目的成分のイオン濃度と相関する計測項目を計測し、その計測値に基づいて目的成分のイオン濃度を求める、［１］に記載のイオン交換装置の運転方法。
［３］ 前記計測値に基づいて前記イオン交換樹脂の許容負荷量を求め、求めた許容負荷量と前記原水負荷とに基づいて前記イオン交換樹脂の予測採水可能量を算出する、［２］に記載のイオン交換装置の運転方法。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.
[1] A water passing/regenerating cycle in which a water passing step of passing raw water through a resin tower filled with an ion exchange resin for ion exchange treatment and a regeneration step of regenerating the ion exchange resin are sequentially performed. In the repeated operation method of the regenerative ion exchange device provided in the pure water production device,
During the water supply/regeneration cycle, the raw water load, which is the product of the flow rate of the raw water in the water supply process and the ion concentration of the target component in the raw water, is measured, and the ion exchange resin is processed based on the raw water load. Calculate the estimated amount of water that can be collected by simulation,
In the simulation, the ion exchange capacity of the ion exchange resin at a certain time, the mass balance equation, the transfer rate equation, and the adsorption equilibrium equation were used as mathematical formulas incorporating the ion exchange capacity and the total active material transfer capacity coefficient of the ion exchange resin . shall be incorporated,
In addition to obtaining the predicted water intake capacity based on the once-through exchange capacity calculated by introducing the ion load of the raw water (raw water load) into the formula , obtaining the performance change trend information of the ion exchange resin in advance, Correcting the predicted water intake capacity in consideration of performance change trend information,
The performance change trend information includes any of the amount of organic substances in the raw water, the amount of heavy metal ions, or the amount of residual chlorine ions,
setting a water intake amount control value based on the predicted corrected water intake amount that has been calculated;
A method of operating an ion exchange apparatus, wherein the water passing step is switched to the regeneration step when the amount of raw water sampled during the water passing step reaches the water sampling amount control value.
however,
The material balance formula is a material balance formula that expresses the amount of ion load in raw water in terms of the relationship between the amount of component leakage in treated water, the amount of components adsorbed by resin, and the amount of components retained in voids between resins,
The migration rate formula is a migration rate formula in which the migration rate of ions in the ion exchange column is represented by the migration rate in the liquid phase and the migration rate in the ion exchange resin,
The adsorption equilibrium equation uses the extended Langmuir equation, which expresses the ion exchange in terms of monovalent-monovalent exchange, in order to obtain the concentration in the liquid phase of the component in equilibrium with the ion concentration in the ion exchange resin. It is an adsorption equilibrium equation that obtains the equilibrium relationship between the concentration of and the concentration in the liquid phase.
[2] The ion concentration of the target component in the raw water is obtained by directly measuring the ion concentration of the target component, or by measuring a measurement item that correlates with the ion concentration of the target component, and based on the measured value, the ion concentration of the target component The method for operating an ion exchange device according to [1], wherein the concentration is determined.
[3] Obtaining the allowable load of the ion exchange resin based on the measured value, and calculating the predicted possible water intake amount of the ion exchange resin based on the obtained allowable load and the raw water load, [2] The method of operating the ion exchange device according to 1.
本発明によれば、イオン交換装置の採水可能量を正確に管理することが可能な、イオン交換装置の運転方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the operating method of an ion-exchange apparatus which can manage the amount of water which can be sampled of an ion-exchange apparatus correctly can be provided.
以下、本発明の実施形態であるイオン交換装置の運転方法について図面を参照して説明する。 Hereinafter, a method for operating an ion exchange apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
［イオン交換装置］
本実施形態の運転方法を適用可能なイオン交換装置について図面を参照して説明する。
図１に示すイオン交換装置１は、原水が流れる順に、原水が貯留される原水槽２と、活性炭が充填された活性炭塔３と、カチオン交換樹脂が充填された第１カチオン交換塔４と、脱炭酸塔５と、アニオン交換樹脂が充填された第１アニオン交換塔６と、カチオン交換樹脂が充填された第２カチオン交換塔７と、アニオン交換樹脂が充填された第２アニオン交換塔８と、純水が貯留される純水槽９と、制御部１０と、が備えられている。これらの設備は、流路Ｌ１～Ｌ７によって接続されている。
[Ion exchange device]
An ion exchange apparatus to which the operating method of the present embodiment can be applied will be described with reference to the drawings.
The
原水槽２と活性炭塔３とを接続する流路Ｌ１には、原水を加圧するポンプＰ１と、原水中のイオン濃度を測定するイオン濃度計Ｍ１とが備えられている。イオン濃度計Ｍ１によって計測された原水のイオン濃度のデータは、制御部１０に送られる。
また、脱炭酸塔５と第１アニオン交換塔６とを接続する流路Ｌ４には、第１アニオン交換塔６から流出された被処理水を加圧するポンプＰ２が設けられている。
更に、第２アニオン交換塔８と純水槽９とを接続する流路Ｌ７には、流量計Ｆ１が備えられている。流量計Ｆ１によって計測された純水の流量のデータは、制御部１０に送られる。純水の流量は原水の流量にほぼ一致するため、本実施形態の運転方法では、流量計Ｆ１によって計測された純水の流量を、原水の流量として扱う。
A flow path L1 connecting the
A pump P2 for pressurizing the water to be treated flowing out from the first anion exchange tower 6 is provided in the flow path L4 connecting the
Further, the flow path L7 connecting the second
制御部１０は、原水のイオン濃度及び原水の流量に基づき、イオン交換装置１における予測採水可能量をシミュレーションにより算出し、算出された予測採水可能量に基づいて、採水量制御値を設定し、通水工程中における原水の採水量が採水量制御値に到達した時点で、通水工程から再生工程に切り替えさせる。制御部１０の動作は、運転方法の説明において詳細に述べる。
The
図１に示すイオン交換装置１においては、通水工程と再生工程とが交互に繰り返し行われる。通水工程では、原水を、活性炭塔３、第１カチオン交換塔４、脱炭酸塔５、第１アニオン交換塔６、第２カチオン交換塔７及び第２アニオン交換塔８に順次通過させることで、純水を製造する。再生工程では、第１アニオン交換塔６及び第２アニオン交換塔８にアルカリ性再生液（例えば水酸化ナトリウム水溶液）を供給し、第１カチオン交換塔４及び第２カチオン交換塔７に酸性再生液（例えば塩酸水溶液）を供給して、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂を再生する。
In the
［イオン交換装置１の運転方法］
図１に示すイオン交換装置１においては、通水工程の開始時から再生工程の開始前の間に採水できると予測される量（ｍ３／サイクル）である予測採水可能量を求め、予測採水可能量に基づいて採水量制御値を設定し、通水工程中における原水の採水量が採水量制御値に到達した時点で、通水工程から再生工程に切り替える。
[Method of operating the ion exchange device 1]
In the
すなわち、本実施形態のイオン交換装置１の運転方法は、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂（イオン交換樹脂）が充填された第１カチオン交換塔４、第１アニオン交換塔６、第２カチオン交換塔７及び第２アニオン交換塔８（樹脂塔）に対して、原水を通水してイオン交換処理する通水工程と、イオン交換樹脂を再生する再生工程とを順次行う通水・再生サイクルを繰り返す、イオン交換装置１の運転方法において、通水・再生サイクル中に、通水工程における原水の流量と原水中の目的成分のイオン濃度との積である原水負荷を計測し、原水負荷に基づいてイオン交換樹脂の予測採水可能量をシミュレーションにより算出し、算出された予測採水可能量に基づいて、採水量制御値を設定し、通水工程中における原水の採水量が採水量制御値に到達した時点で、通水工程から再生工程に切り替える。
That is, the operation method of the
イオン交換樹脂の予測採水可能量をシミュレーションにより算出する際のシミュレーションにおいては、イオン交換樹脂の性能変化傾向情報を予め取得しておき、性能変化傾向情報を考慮してシミュレーション条件を補正しつつシミュレーションを行う。 In the simulation when calculating the predicted water intake capacity of the ion exchange resin by simulation, the performance change trend information of the ion exchange resin is acquired in advance, and the simulation conditions are corrected in consideration of the performance change trend information. I do.
図１に示すイオン交換装置１においては、制御部１０において運転方法を実施するための制御を行う。以下、制御部１０における動作を説明する。なお、図１に示すイオン交換装置１は、４床５塔（４Ｂ５Ｔ）形式の装置であるが、本実施形態の運転方法を適用可能なイオン交換装置１の形式はこれに限らず、例えば、２Ｂ３Ｔ形式、３Ｂ４Ｔ形式であっってもよい。
In the
［原水の負荷量の計測］
原水は、最初のイオン交換樹脂（カチオン交換樹脂）への供給水である。例えば原水として河川を水源とする工業用水を用いることができる。原水負荷を計測する場合の測定対象は、例えば、原水槽２とイオン交換樹脂塔とが接続されている場合や、原水槽２とイオン交換樹脂塔との間に活性炭塔３が介在する場合は、原水槽２内の水を測定対象とする。
[Measurement of raw water load]
Raw water is the feed water to the first ion exchange resin (cation exchange resin). For example, industrial water from a river can be used as raw water. The measurement object when measuring the raw water load is, for example, when the
原水の流量、すなわち、イオン交換樹脂への供給水は、定流量に制御されており、その流量は流量計Ｆ１によって測定され、制御部１０に送られている。よって、原水についての測定は、原水の目的成分（Ｎａなど）のイオン濃度の測定のみとする。目的成分のイオン濃度の測定は、通水・再生サイクルの１サイクル中に、連続的または間欠的に原水の目的成分のイオン濃度を測定してもよいし、何サイクルかに１度の割合で目的成分のイオン濃度を測定し、その値を採用してもよい。測定された目的成分のイオン濃度と原水の流量との積を原水負荷とする。 The flow rate of the raw water, that is, the water supplied to the ion exchange resin is controlled at a constant flow rate. Therefore, only the ion concentration of the target component (such as Na) in the raw water should be measured. The ion concentration of the target component may be measured continuously or intermittently during one cycle of the water supply/regeneration cycle, or at a rate of once every several cycles. The ion concentration of the target component may be measured and the value may be adopted. The raw water load is defined as the product of the measured ion concentration of the target component and the raw water flow rate.
図１に示すイオン交換装置１の場合、原水槽２と活性炭塔３とを接続する流路Ｌ１に設けられたイオン濃度計Ｍ１により目的成分のイオン濃度を直接測定するか、イオン濃度計Ｍ１に替えて電気伝導率計Ｍ２を用い、電気伝導率計Ｍ２により電気伝導率を測定し、その結果を制御部１０に送る。
なお、イオン濃度を求める方法として電気伝導率計Ｍ２を使用する場合と、イオン濃度計Ｍ１を使用する場合とがある。電気伝導率計Ｍ２を用いる場合は、まず、運転前に予め給水を複数回サンプリングして電気伝導率と目的成分（Ｎａなど）のイオン濃度を測定し、電気伝導率と目的成分のイオン濃度との近似式を作成しておき、運転開始後は電気伝導率計Ｍ２により電気伝導率を測定して前記近似式による相関関係から目的成分のイオン濃度を求める。
一方、イオン濃度計Ｍ１を用いる場合は、目的成分（Ｎａなど）に対応する電極を使用して測定することで目的成分のイオン濃度を直接測定する。
In the case of the
As a method for obtaining the ion concentration, there are a case of using the electrical conductivity meter M2 and a case of using the ion concentration meter M1. When using the electrical conductivity meter M2, first, the water supply is sampled several times in advance before operation to measure the electrical conductivity and the ion concentration of the target component (such as Na), and the electrical conductivity and the ion concentration of the target component are measured. After the operation is started, the electric conductivity is measured by the electric conductivity meter M2, and the ion concentration of the target component is obtained from the correlation by the approximate expression.
On the other hand, when the ion concentration meter M1 is used, the ion concentration of the target component (such as Na) is directly measured by using an electrode corresponding to the target component (such as Na).
また、後述するシミュレーションにおいて予測採水可能量を求める場合、通水・再生サイクルの１サイクル内の１時点の瞬間イオン濃度の測定値が１サイクルの全時間帯で一定だったとみなして当該サイクルの予測採水可能量を概算してもよいし、１サイクル内で単位時間ごとの原水イオン負荷の計測値に応じてイオン交換樹脂の許容イオン負荷が徐々に低下することを考慮して残りの予測採水可能量を算出すると共に直前の単位時間以前の単位予測採水可能量の積算値と加算することによって求めてもよい。 In addition, when obtaining the predicted possible water intake volume in the simulation described later, it is assumed that the measurement value of the instantaneous ion concentration at one point in one cycle of the water supply/regeneration cycle is constant throughout the entire time period of the cycle. The estimated amount of water that can be collected may be roughly estimated, or the remaining prediction considering that the allowable ion load of the ion exchange resin gradually decreases according to the measured value of the raw water ion load per unit time within one cycle It may be obtained by calculating the possible water intake amount and adding it to the integrated value of the unit predictable water intake amount before the immediately preceding unit time.
［イオン交換樹脂の性能による採水可能量の変化のシミュレーション］
制御部１０は、原水のイオン負荷量に基づき、イオン交換樹脂の予測採水可能量をシミュレーションにより算出する。
シミュレーションにおいては、イオン交換樹脂の性能変化傾向情報を予め取得しておき、性能変化傾向情報を考慮してシミュレーション条件を補正しつつ、原水負荷（原水のイオン負荷）が１サイクルの間、一定であるとみなしたときの１サイクル当たりの予測採水可能量を算出するというシミュレーションを行う。
具体的には、電気伝導率と許容負荷量の関係、または、目的成分のイオン濃度と許容負荷量の関係を予め近似関数で数式化しておき、電気伝導率またはイオン濃度の計測値から許容負荷量を求め、許容負荷量を原水負荷で除することにより予測採水可能量を算出する。
なお、電気伝導率計Ｍ２を用いてイオン濃度を求める場合は許容負荷量も電気伝導率計Ｍ２を用いて求め、イオン濃度計Ｍ１を用いてイオン濃度を求める場合は許容負荷量もイオン濃度計Ｍ１を用いて求めることで、計器を１種類に統一して減らすことができるが、これに限定されない。
[Simulation of changes in the amount of water that can be collected due to the performance of ion-exchange resin]
The
In the simulation, the performance change trend information of the ion exchange resin is acquired in advance, and the simulation conditions are corrected in consideration of the performance change trend information, and the raw water load (ion load of raw water) is constant during one cycle. A simulation is performed to calculate the predicted amount of water that can be collected per cycle when it is assumed that there is.
Specifically, the relationship between the electrical conductivity and the allowable load amount, or the relationship between the ion concentration of the target component and the allowable load amount is expressed in advance with an approximate function, and the allowable load is calculated from the measured value of the electrical conductivity or ion concentration. Calculate the estimated possible water intake volume by dividing the allowable load volume by the raw water load volume.
When the ion concentration is determined using the electrical conductivity meter M2, the allowable load is also determined using the electrical conductivity meter M2, and when the ion concentration is determined using the ion concentration meter M1, the allowable load is also determined by the ion concentration meter By obtaining using M1, it is possible to unify and reduce the number of instruments to one type, but it is not limited to this.
（ａ）イオン交換容量（イオン交換樹脂１Ｌ（リットル）あたりの吸着可能なイオン量）
（ｂ）総括物質移動容量係数（大きいほどイオンの吸着速度が大きい）
(a) Ion exchange capacity (amount of adsorbable ions per 1 L (liter) of ion exchange resin)
(b) Overall mass transfer capacity coefficient (the larger the coefficient, the higher the ion adsorption speed)
制御部１０では、これらを組み込んだ数式に、原水のイオン負荷量（原水負荷）を導入することより、イオン交換処理において一定水質が維持できる総イオン当量である貫流交換容量（ＢＴＣ）を算定し、算出した貫流交換容量（ＢＴＣ）からイオン交換装置１の予測採水可能量を推定する。さらに、１サイクル前の通水・再生サイクルにおける樹脂再生後から現時点までの通水量を積算し、予測採水可能量からこの積算値を減算した残存採水可能量を演算する。
In the
シミュレーションにて利用する数式では、「ある時点でのイオン交換樹脂の性能（交換容量）」、「物質収支式」、「移動速度式」及び「吸着平衡式」に基づき、イオン交換塔でのイオン交換性能を計算する。更に、数式には「樹脂性能予測式」を組み込んでもよい。 In the formulas used in the simulation, the ion Calculate exchange performance. Furthermore, a "resin performance prediction formula" may be incorporated into the formula.
「物質収支式」は、原水のイオン負荷量を、処理水の成分リーク量、樹脂に吸着された成分量、樹脂間の空隙に滞留する成分量との関係で表す。「移動速度式」は、イオン交換塔におけるイオンの移動速度を、液相における移動速度とイオン交換樹脂内における移動速度で表す。「吸着平衡式」は、イオン交換樹脂中のイオン濃度に平衡な成分の液相中濃度を求めるためにイオン交換を、１価－１価の交換で表現する拡張ラングミュア式を用いてイオン交換樹脂中の濃度と液相中の濃度の平衡関係を求める。「樹脂性能予測式」は、後述するEEMスペクトルなどの樹脂性能低下の指標と、イオン交換樹脂への積算通水量から性能低下を予測する予測式である。予備試験にて、通水による樹脂性能低下要因物質の蓄積と上記（ａ）、（ｂ）の樹脂性能低下傾向の関係を示す実測値を得て、近似関数で数式化して予測式とする。 The "mass balance formula" expresses the ion load of the raw water in terms of the relationship between the leak amount of the components of the treated water, the amount of the components adsorbed by the resin, and the amount of the components remaining in the voids between the resins. The "migration rate formula" expresses the migration rate of ions in the ion exchange column by the migration rate in the liquid phase and the migration rate in the ion exchange resin. The "adsorption equilibrium equation" uses the extended Langmuir equation, which expresses ion exchange as a monovalent-monovalent exchange, to determine the concentration in the liquid phase of a component that is in equilibrium with the ion concentration in the ion exchange resin. Find the equilibrium relationship between the concentration in the medium and the concentration in the liquid phase. The "resin performance prediction formula" is a prediction formula for predicting performance degradation from an indicator of resin performance degradation such as the EEM spectrum, which will be described later, and the cumulative amount of water passing through the ion-exchange resin. In a preliminary test, measured values showing the relationship between the accumulation of resin performance deteriorating substances due to water passage and the above (a) and (b) resin performance deteriorating tendencies are obtained, and expressed as a prediction formula using an approximation function.
変化因子である「ある時点でのイオン交換樹脂の性能」を水中のＥＥＭスペクトルなどの樹脂の性能低下に関わる指標、運転条件（採水量、再生材量）から性能変化（低下）を算出し、一定期間後の将来的なイオン交換塔の状態を予測する。なお、ＥＥＭスペクトルは、３次元蛍光分光分析装置によって測定されるものであり、原水中の有機物（特にフミン酸、フルボ酸のような腐植物質）の存在量を示す。３次元蛍光分光分析装置は、例えば、原水槽２に設置してもよい。
The performance change (decrease) is calculated from the "performance of the ion-exchange resin at a certain point", which is a change factor, from the index related to the performance deterioration of the resin such as the EEM spectrum in water, and the operating conditions (water sampling amount, recycled material amount), Predict the future state of the ion exchange tower after a certain period of time. The EEM spectrum is measured by a three-dimensional fluorescence spectrometer, and indicates the abundance of organic matter (especially humic substances such as humic acid and fulvic acid) in the raw water. The three-dimensional fluorescence spectroscopic analyzer may be installed in the
イオン交換樹脂の性能変化傾向情報は、予備試験などで実験的に求め、固定値としてシミュレーションの補正パラメータとして使用してもよいし、実運転中も定期的に測定して変数としてシミュレーションの補正パラメータとして考慮することもできる。イオン交換樹脂の性能変化傾向情報としては、原水中の有機物によるアニオン交換樹脂の性能低下の傾向を示す情報や、原水中の重金属イオン（銅、鉄、バナジウムなど）や残留塩素イオンによるカチオン交換樹脂の劣化の傾向を示す情報が例示される。このうち有機物によるアニオン交換樹脂の性能低下については、例えば以下の（１）または（２）傾向が考慮される。 The performance change trend information of the ion exchange resin may be obtained experimentally in a preliminary test or the like and used as a fixed value as a correction parameter for the simulation, or it may be periodically measured during actual operation and used as a variable for the correction parameter for the simulation. can also be considered as The performance change trend information of the ion exchange resin includes information indicating the tendency of deterioration of the performance of the anion exchange resin due to organic substances in the raw water, and cation exchange resin due to heavy metal ions (copper, iron, vanadium, etc.) and residual chlorine ions in the raw water. is exemplified as information indicating the tendency of deterioration of Of these, the following tendencies (1) or (2), for example, are considered for the deterioration of the performance of the anion exchange resin due to organic matter.
（１）原水のイオン負荷
イオン交換樹脂が、通水／再生を繰り返してイオンの吸着／脱着を繰り返すうちに、イオン交換樹脂の許容イオン負荷が経時的に低下する。この経時的なイオン負荷の低下量を、予備試験で傾向を数値化し、シミュレーションのパラメータとして考慮する。
(1) Ion load of raw water While the ion exchange resin repeats the adsorption/desorption of ions by repeating water flow/regeneration, the allowable ion load of the ion exchange resin decreases with time. This decrease in ion load over time is quantified in a preliminary test and taken into account as a simulation parameter.
（２）原水中の有機物の影響
原水に含まれる有機物（特にフミン酸、フルボ酸のような腐植物質）が、イオン交換樹脂の表面に吸着してイオン交換性能が低下する。このようなイオン交換性能の低下量を、予備試験または予備試験と実運転中の測定により、原水中の有機物濃度をシミュレーションの補正パラメータとして考慮する。
(2) Effect of Organic Substances in Raw Water Organic substances contained in raw water (especially humic substances such as humic acid and fulvic acid) are adsorbed on the surface of the ion-exchange resin to lower the ion-exchange performance. Such a decrease in ion exchange performance is measured in a preliminary test or during a preliminary test and actual operation, and the concentration of organic matter in the raw water is taken into account as a correction parameter for the simulation.
特に、上記（２）について、イオン交換樹脂のうち、アニオン交換樹脂に有機物が吸着することによる汚染が発生すると、上記（ａ）イオン交換容量や、上記（ｂ）総括物質移動容量係数が低下する。そこで、アニオン交換樹脂の汚染によって上記（ａ）や上記（ｂ）の値が低下する割合を数式化する（樹脂性能予測式）。このとき予備分析などにより原水中の有機物量を見積もり、上記（ａ）や上記（ｂ）の低下幅を推定した上で、これらを定数として演算することもできる。また、連続的または定期的に原水中の有機物量を分析して、上記（ａ）や上記（ｂ）の低下幅を変数として演算することもできる。上記（ａ）や上記（ｂ）に対して、新品のイオン交換樹脂のイオン交換容量または総括物質移動容量よりも低い値を設定してシミュレーションすれば、破過するまでの時間が短くなり、経時的に採水量が低下するシミュレーション結果が得られるようになる。 In particular, with respect to (2) above, when contamination occurs due to adsorption of organic matter to anion exchange resin among ion exchange resins, the above (a) ion exchange capacity and the above (b) overall mass transfer capacity coefficient decrease. . Therefore, the rate at which the above values (a) and (b) decrease due to contamination of the anion exchange resin is expressed as a formula (resin performance prediction formula). At this time, it is also possible to estimate the amount of organic substances in the raw water by preliminary analysis or the like, estimate the range of decrease in the above (a) and (b), and then calculate these as constants. It is also possible to continuously or periodically analyze the amount of organic matter in the raw water and calculate the range of decrease in (a) or (b) above as a variable. For the above (a) and above (b), if the simulation is performed by setting a value lower than the ion exchange capacity or the overall mass transfer capacity of the new ion exchange resin, the time until breakthrough is shortened, and the aging It is possible to obtain a simulation result that the amount of water sampled decreases exponentially.
原水中の有機物量の数値化については、例えばＴＯＣ濃度分析や、三次元蛍光スペクトル分析のＥＥＭスペクトルの成分分離による腐植成分の分離として実施される。ＴＯＣ濃度は、原水槽２に設置したＴＯＣ計により測定される。また、ＥＥＭスペクトルは、原水槽２に設置した３次元蛍光分光分析装置により測定される。予備試験で分析した原水の有機物濃度の計測値が実運転においても変動がないものとみなして、シミュレーションのパラメータに固定値として適用すると共に定期的に分析してパラメータを補正することで、有機物の樹脂吸着を考慮したシミュレーションを可能にする。
The quantification of the amount of organic matter in the raw water is carried out, for example, by TOC concentration analysis or separation of humic components by component separation of the EEM spectrum of three-dimensional fluorescence spectrum analysis. The TOC concentration is measured by a TOC meter installed in the
また、定期的にイオン交換樹脂をサンプリングして手分析を行い、シミュレーションによる結果と乖離があればシミュレーション条件を補正するとよい。 In addition, the ion exchange resin is periodically sampled and manually analyzed, and if there is a deviation from the simulation result, the simulation conditions should be corrected.
以上のようにして、性能変化傾向情報を予め取得したイオン交換樹脂の性能変化傾向情報を考慮してシミュレーション条件を補正しつつ、原水の負荷量に基づきシミュレーションを行い、イオン交換樹脂の予測採水可能量を算出する。 As described above, while correcting the simulation conditions in consideration of the performance change trend information of the ion-exchange resin obtained in advance, the simulation is performed based on the load of raw water, and the predicted water intake of the ion-exchange resin is performed. Calculate the possible amount.
［採水量制御値］
次に、制御部１０は、イオン交換樹脂の予測採水可能量から、採水量制御値を設定する。採水量制御値は、予想採水可能量そのものを設定してもよいし、安全率を考慮して予想採水可能量よりも幾分低めに設定してもよい。例えば、予測採水可能量に安全率として０．９を乗じた値を、採水量制御値としてもよい。安全率は０．９に限定されるものではなく、実際の純水製造装置の稼働状況を踏まえて適切な値に設定すればよい。
[Water sampling volume control value]
Next, the
また、カチオン交換樹脂を充填した第１、第２カチオン交換塔４、７とアニオン交換樹脂を充填した第１、第２アニオン交換塔６、８の通水流量は、通常は同じであるから、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の予測採水可能量を別個に算出した場合は、どちらか小さい方を基準として、さらに必要に応じて安全率を考慮して採水量制御値を決定すればよい。
In addition, since the water flow rate of the first and second
そして、通水工程と再生工程を交互に繰り返し行うイオン交換装置１の運転において、通水工程中における原水の採水量が採水量制御値に到達した時点で、制御部１０は、通水工程から再生工程に切り替えるようにする。これにより、適切なタイミングで通水工程から再生工程に切り替えることができるようになる。
Then, in the operation of the
本実施形態の運転方法の一例を説明する。
図１のイオン濃度計Ｍ１を電気伝導率計Ｍ２とし、原水の電気伝導率を連続測定して、イオン濃度を算出する。イオン濃度の算出は、第１、第２カチオン交換塔４、７でのイオン交換成分（陽イオン；ＴＣ）と、第１、第２アニオン交換塔６、８でのイオン交換成分（炭酸に起因するイオンを除いた陰イオン；ＤＴＡ）を個別で算出する。原水の電気伝導率からＴＣ、ＤＴＡを算出するためにＴＣと電気伝導率の関係式、ＤＴＡと電気伝導率の関係式を予備試験の分析結果から実験的に事前に求め決定しておく。そして長期間で装置運転に伴う変動を把握するために定期的に検証し関係式を見直すことでより精度の高いイオン濃度の算出を可能とする。なお、電気伝導率からＴＣ、ＤＴＡの算出は、制御部１０にて行う。
An example of the operating method of this embodiment will be described.
The ion concentration meter M1 in FIG. 1 is replaced by an electrical conductivity meter M2, and the electrical conductivity of the raw water is continuously measured to calculate the ion concentration. The ion concentration is calculated based on the ion exchange components (cations; TC) in the first and second
関係式によって求めたＴＣ、ＤＴＡが１サイクルの通水開始（再開）から一定であると仮定して、原水流量（基本は一定流量）から、ＴＣに対して第１、第２カチオン交換塔７、ＤＴＡに対して第１、第２アニオン交換塔８のどちらか先に飽和する採水量を予測採水可能量として算出する。次いで、予測採水可能量そのもの又は安全率を乗じた数値を採水量制御値として設定する。次いで、実際の１サイクル中の採水量が採水量制御値に到達した時に通水工程から再生工程に切り替えて、カチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂の再生を行う。
Assuming that TC and DTA obtained by the relational expression are constant from the start (restart) of water flow in one cycle, from the raw water flow rate (basically a constant flow rate), the first and second
このとき、原水中の重金属イオンや残留塩素イオンによるカチオン交換樹脂の劣化を考慮する場合や、原水中の有機物によるアニオン交換樹脂の性能低下を考慮する場合は、貫流交換容量（ＢＴＣ）の算定式における（ａ）イオン交換容量や、（ｂ）総括物質移動容量係数の低下量の係数を乗じるなどにより、イオン交換樹脂の不慮の性能低下を考慮した予測採水可能量の算出を可能とする。 At this time, when considering the deterioration of the cation exchange resin due to heavy metal ions and residual chlorine ions in the raw water, or when considering the performance deterioration of the anion exchange resin due to organic substances in the raw water, the calculation formula for the flow-through exchange capacity (BTC) By multiplying (a) the ion exchange capacity in (a) and (b) the reduction amount of the overall mass transfer capacity coefficient, etc., it is possible to calculate the predicted amount of water that can be collected in consideration of the unexpected performance deterioration of the ion exchange resin.
以上説明したように、本実施形態のイオン交換装置１の運転方法によれば、イオン交換装置の採水可能量を正確に管理することが可能になり、樹脂再生のための再生薬品ロスや、樹脂交換費用のロスが生じることがなく、効率的に純水を製造できる。
As described above, according to the operation method of the
図２に示す純水製造装置についてシミュレーションを行った。
図２に示す純水製造装置は、凝集槽１２と、重力濾過槽１３と、イオン交換装置１４とから構成されていた。イオン交換装置１４は、原水が流れる順に、原水が貯留される原水槽２１と、活性炭が充填された活性炭塔２２と、カチオン交換樹脂が充填されたカチオン交換塔２３と、脱炭酸塔２４と、アニオン交換樹脂が充填されたアニオン交換塔２５と、純水が貯留される純水槽２６と、制御部２７と、が備えられていた。これらは、流路Ｌによって接続されていた。
A simulation was performed for the pure water production apparatus shown in FIG.
The pure water production apparatus shown in FIG. The
カチオン交換塔２３は、塔径１８００ｍｍ、樹脂高さ１３６７ｍｍとした。アニオン交換塔２５は、塔径２０００ｍｍ、樹脂高さ１２１８ｍｍとした。原水の流量は１１０ｍ３／ｈの一定とした。
The
また、事前に原水槽２１中の原水の有機物量を３次元蛍光分光分析装置により分析してＥＥＭスペクトルを求め、これを制御部２７に入力した。
Further, the amount of organic substances in the raw water in the
原水槽２１と活性炭塔２２とを接続する流路Ｌには、原水を加圧するポンプＰ１と、原水中のイオン濃度を測定するための電気伝導率計Ｍ２とが備えられていた。電気伝導率計Ｍ２によって計測された原水の電気伝導率は、制御部２７に送られた。制御部２７にて、電気伝導率からイオン濃度を算出した。
A flow path L connecting the
脱炭酸塔２４とアニオン交換塔２５とを接続する流路Ｌには、アニオン交換塔２５から流出された被処理水を加圧するポンプＰ２が設けられていた。
A flow path L connecting the
アニオン交換塔２５と純水槽２６とを接続する流路には、流量計Ｆ１が備えられていた。流量計Ｆ１によって計測された純水の流量は、制御部２７に送られた。
A flow meter F1 was provided in the flow path connecting the
制御部２７は、原水のイオン濃度及び原水の流量に基づき、イオン交換装置１４における予測採水可能量をシミュレーションにより算出し、算出された予測採水可能量に基づいて、採水量制御値を設定し、通水工程中における原水の採水量が採水量制御値に到達した時点で、通水工程から再生工程に切り替えさせた。
The
表１に、図２に示したイオン交換装置１４の運転状況を示す。
Table 1 shows the operating conditions of the
表１に示すように、イオン交換樹脂の性能変化情報としてアニオン交換樹脂の性能低下の原因となる有機物量をＥＥＭスペクトルの測定結果として考慮したシミュレーションを行ったことにより、より正確な予測採水可能量を算出することができた。 As shown in Table 1, it is possible to more accurately predict water sampling by conducting a simulation that considers the amount of organic matter that causes the performance deterioration of the anion exchange resin as the measurement result of the EEM spectrum as the performance change information of the ion exchange resin. amount could be calculated.
１…イオン交換装置、４…第１カチオン交換塔（樹脂塔）、６…第１アニオン交換塔（樹脂塔）、７…第２カチオン交換塔（樹脂塔）、８…第２アニオン交換塔（樹脂塔）。 1... Ion exchange device, 4... First cation exchange tower (resin tower), 6... First anion exchange tower (resin tower), 7... Second cation exchange tower (resin tower), 8... Second anion exchange tower ( resin tower).
Claims (3)
前記通水・再生サイクル中に、前記通水工程における前記原水の流量と前記原水中の目的成分のイオン濃度との積である原水負荷を計測し、前記原水負荷に基づいて前記イオン交換樹脂の予測採水可能量をシミュレーションにより算出し、
前記シミュレーションにおいては、前記イオン交換樹脂のイオン交換容量及び総活物質移動容量係数を組み込んだ数式として、ある時点でのイオン交換樹脂のイオン交換容量、物質収支式、移動速度式及び吸着平衡式を組み込んだものとし、
当該数式に、原水のイオン負荷量（原水負荷）を導入することより算出した貫流交換容量に基づき予測採水容量を求めるとともに、前記イオン交換樹脂の性能変化傾向情報を予め取得しておき、前記性能変化傾向情報を考慮して前記予測採水容量を補正し、
前記性能変化傾向情報には、前記原水の有機物量、重金属イオン量または残留塩素イオン量のいずれかが含まれ、
算出された補正後の前記予測採水可能量に基づいて、採水量制御値を設定し、
前記通水工程中における前記原水の採水量が前記採水量制御値に到達した時点で、前記通水工程から前記再生工程に切り替える、イオン交換装置の運転方法。
ただし、
前記物質収支式は、原水のイオン負荷量を、処理水の成分リーク量、樹脂に吸着された成分量、樹脂間の空隙に滞留する成分量との関係で表した物質収支式であり、
前記移動速度式は、イオン交換塔におけるイオンの移動速度を、液相における移動速度とイオン交換樹脂内における移動速度で表した移動速度式であり、
前記吸着平衡式は、イオン交換樹脂中のイオン濃度に平衡な成分の液相中濃度を求めるためにイオン交換を、１価－１価の交換で表現する拡張ラングミュア式を用いてイオン交換樹脂中の濃度と液相中の濃度の平衡関係を求めた吸着平衡式である。 A water passing/regenerating cycle in which raw water is passed through a resin tower filled with an ion exchange resin for ion exchange treatment and a regeneration process for regenerating the ion exchange resin is repeated sequentially. In a method for operating a regenerative ion exchange device provided in a water production device,
During the water supply/regeneration cycle, the raw water load, which is the product of the flow rate of the raw water in the water supply process and the ion concentration of the target component in the raw water, is measured, and the ion exchange resin is processed based on the raw water load. Calculate the estimated amount of water that can be collected by simulation,
In the simulation, the ion exchange capacity of the ion exchange resin at a certain time, the mass balance equation, the transfer rate equation, and the adsorption equilibrium equation were used as mathematical formulas incorporating the ion exchange capacity and the total active material transfer capacity coefficient of the ion exchange resin . shall be incorporated,
In addition to obtaining the predicted water intake capacity based on the once-through exchange capacity calculated by introducing the ion load of the raw water (raw water load) into the formula , obtaining the performance change trend information of the ion exchange resin in advance, Correcting the predicted water intake capacity in consideration of performance change trend information,
The performance change trend information includes any of the amount of organic substances in the raw water, the amount of heavy metal ions, or the amount of residual chlorine ions,
setting a water intake amount control value based on the predicted corrected water intake amount that has been calculated;
A method of operating an ion exchange apparatus, wherein the water passing step is switched to the regeneration step when the amount of raw water sampled during the water passing step reaches the water sampling amount control value.
however,
The material balance formula is a material balance formula that expresses the amount of ion load in raw water in terms of the relationship between the amount of component leakage in treated water, the amount of components adsorbed by resin, and the amount of components retained in voids between resins,
The migration rate formula is a migration rate formula in which the migration rate of ions in the ion exchange column is represented by the migration rate in the liquid phase and the migration rate in the ion exchange resin,
The adsorption equilibrium equation uses the extended Langmuir equation, which expresses the ion exchange in terms of monovalent-monovalent exchange, in order to obtain the concentration in the liquid phase of the component in equilibrium with the ion concentration in the ion exchange resin. It is an adsorption equilibrium equation that obtains the equilibrium relationship between the concentration of and the concentration in the liquid phase.
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