JPH02303593A - 二段式逆浸透膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は電子工業における半導体洗浄用水や、製薬用水
等の製造に使用される二段式逆浸透膜装置の改良に関す
るものである。

〈従来技術〉 水中に含有される塩類を除く手段として、蒸留法、イオ
ン交換膜法、イオン交換樹脂法、逆浸透膜法等があるが
、河川水、湖沼水、あるいは工業用水、上水等の全カチ
オン３００■／ｊ！（ＣａＣＯ１換算）前後からそれ以
下の水質である原水を対象とした場合、エネルギーコス
トが比較的安い点、および塩類とともに水中に共存する
有機物や微粒子も同時に除去できる点で、逆浸透膜法が
採用されることが多い。

また塩類を除くとともに水中の有機物や微粒子を可及的
に除去する必要のある半導体洗浄用水や製薬用水等のい
わゆる超純水レベルの純水製造には逆浸透膜装置が不可
欠であり、当該超純水レベルの純水製造は原水をまず逆
浸透膜装置で処理することにより、全カチオンで１０ｐ
ｐｍ前後ないしそれ以下の透過水を得、次いで当該透過
水をイオン交換装置で処理するという、逆浸透膜装置と
イオン交換装置とを組み合わせたシステムが主流となっ
ている。

このような逆浸透膜装置とイオン交換装置とを組み合わ
せたシステムにおいては、前段の逆浸透膜装置で可及的
に塩類を除去した方が後段のイオン交換装置の負担を低
減できるので、最近になって二段式逆浸透膜装置が採用
されるようになって来た。

すなわち原水を第一逆浸透膜装置に供給して全力チオン
１０ｐｐｍ前後ないしそれ以下の一次透過水を得、また
当該−次透過水をさらに第二逆浸透膜装置に供給して全
カチオンでｌｐｐｍ前後ないしそれ以下の二次透過水を
得、当該二次透過水を後段の再生型やあるいは非再生型
のイオン交換装置で処理して純水を得るものである。

ところで逆浸透膜装置は供給水中に含まれる二酸化炭素
を除去する能力を有していない。

したがって原水中にもともと含有されている二酸化炭素
や、第一逆浸透膜装置に装着した逆浸透膜に炭酸カルシ
ウムが付着するのを防止するために、原水に酸を添加す
ることにより原水中の炭酸水素イオンの分解によって生
じた二酸化炭素は、第二逆浸透膜装置により得られる二
次透過水中にそのまま含まれることとなり、後段に設置
するイオン交換装置の特にアニオン交換樹脂のイオン負
荷となり好ましくない。

したがって従来では、第一逆浸透膜装置の前段や第一逆
浸透膜装置と第二逆浸透膜装置の間や、第一逆浸透膜装
置とイオン交換装置の間に、脱気塔を設置して原水中や
一次あるいは二次透過水中の二酸化炭素をイオン交換装
置に至る前で除去することが行われている。

当該脱気装置は、空気吹き込み式のいわゆる脱炭酸塔や
、水と窒素ガスとを接触させて二酸化炭素等の溶存ガス
を窒素ガスと置換するタイプや、単純な真空式脱気装置
や脱気膜を用いる真空式脱気装置や加熱脱気装置が用い
られるが、二酸化炭素の除去能力が不充分であったり、
あるいは装置の設置費やランニングコストが高い等の欠
点を有している。

また二酸化炭素を前述のような物理的に除去するのでな
くて、二酸化炭素を逆浸透膜で除去できるようなイオン
に化学変化させることも提案（特開昭６ｌ−４５９１）
されている。

すなわち第一逆浸透膜装置の一次透過水に水酸化ナトリ
ウム溶液等のアルカリ水溶液を添加し、下記（１）式あ
るいは（２）式のように炭酸水素イオンあるいは炭酸イ
オンに変化させるものである。

ＣＯｚ＋Ｎａ０Ｈ−ｅＨｃｏ、−＋Ｎａ”・−・−９（
１）Ｃ０ｇ＋２ＮａＯＨ−４ＣＯ，”−＋２Ｎａ”＋Ｈ
，Ｏ−・・・・・（２） なお本方法においては第一逆浸透膜装置の前段に脱炭酸
塔を設置し、原水中に存在する二酸化炭素をあらかじめ
できるだけ除去した後に、第一逆浸透膜装置で処理し、
当該第一逆浸透膜装置の透過水にアルカリ水溶液を添加
する場合が多い。

第−逆浸ｉ！！膜装置の一次透過水にアルカリ水溶液を
添加して二酸化炭素を炭酸水素イオン等のイオンに化学
変化させる方法は、アルカリ水溶液を適正に添加するこ
とができれば二酸化炭素が二次透過水に含まれることが
なく、後段のイオン交換装置のイオン負荷を増加させる
ことがない。

しかしながら前記アルカリ水溶液の添加量が少なすぎる
場合は二酸化炭素が残留するし、また多すぎる場合は最
終透過水中に過剰のカチオンが混入することとなり、い
ずれも後段のイオン交換装置のイオン負荷の原因となる
。

したがって当該アルカリ水溶液の添加量については厳密
に制御する必要があり、通常第一逆浸透膜装置の透過木
管にインラインミキサー等の混合器を挿着し、当該混合
器の上流側の透過木管にアルカリ水溶液の注入配管を分
岐して連通ずるとともに、混合器の下流側にｐＨ針を付
設し、また前記注入配管に注入ポンプを介してアルカリ
水溶液槽を連通ずる構成とした、いわゆるｐＨ制御装置
を設置し、前記ｐＨ針の計測値に応じて前記注入ポンプ
によるアルカリ水溶液の注入量を制御するものである。

しかしながらかかるｐＨ制御装置は設置コストが嵩むば
かりでなく操作が煩雑であり、さらに次のような欠点が
ある。

すなわちアルカリ水溶液の濃度を薄くすればする程、ｐ
Ｈの制御がしやすくなるが、アルカリ水溶液を頻繁に調
整せねばならず、さらにアルカリ水溶液の濃度があまり
薄い場合は、空気中の二酸化炭素が当該水溶液に吸収さ
れないような構造とする必要がある。

一部アルカリ水溶液の濃度を濃くすれば前記二酸化炭素
の吸収についてはあまり考慮する必要がなくなるが、ｐ
Ｈの制御がしにくくなる。

〈解決しようとする問題点〉 本発明は従来の二段式逆浸透膜装置における上述した欠
点を解決し、第一逆浸透膜装置の一次透過水にアルカリ
水溶液を添加することなく、簡単な操作によって当該透
過水中の二酸化炭素を炭酸水素イオンや炭酸イオンに化
学変化させ、後段のイオン交換装置のイオン負荷を最小
とすることができる二段式逆浸透膜装置を提供すること
を目的とするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 かかる目的を達成するためになされた本発明よりなる二
段式逆浸透膜装置は、原水を第一逆浸透膜装置で処理し
てその透過水を後段に設置した第二逆浸透膜装置で処理
する二段式逆浸透膜装置において、第一逆浸透膜装置と
第二逆浸透膜装置の間に、アルカリ金属型弱酸性カチオ
ン交換樹脂を充填したカチオン塔を設置し、第一逆浸透
膜装置から流出する一次透過水を前記カチオン塔で処理
し、その処理水を第二逆浸透膜装置に供給するように構
成したことを特徴とするものである。

く作用〉 ナトリウム、カリウム、リチウム等のアルカリ金属型た
とえばナトリウム型の弱酸性カチオン交換樹脂に水を通
すと、下記（３）式に示すごとく交換基のナトリウムイ
オンが加水分解により水素イオンに置換され、水酸化ナ
トリウムが生成される。

ＲＣＯＯＮ　ａ　＋　Ｈｚ　Ｏ→ＲＣＯＯＨ＋　Ｎ　ａ
　０Ｈ・・・・・・（３） 本発明は第一逆浸透膜装置の一次通過水をアルカリ金属
型弱酸性カチオン交換樹脂たとえば、ナトリウム型弱酸
性カチオン交換樹脂に通し、上述の（３）式により水酸
化ナトリウムを生成させ、前述した（１）あるいは（２
）式に基づいて当該水酸化ナトリウムと一次透過水中の
二酸化炭素を反応させて、イオン状の炭酸水素イオンあ
るいは炭酸イオンとなし、これを後段の第一逆浸透膜装
置で除去するものである。

以下に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明の実施態様の一例を示すフローの説明図
であり、■は本発明に用いる第一逆浸透膜装置、２はナ
トリウム型弱酸性カチオン交換樹脂３を充填したカチオ
ン塔、４は第二逆浸透膜装置、５はＨ型カチオン交換樹
脂とＯＨ型アニオン交換樹脂の混合樹脂６を充填した温
床式純水製造装置である。

次に本発明装置のフローを説明すると、必要により凝集
沈殿濾過、活性炭処理等の前処理装置（図示せず）で処
理した原水７を直接第一逆浸透膜装置ｌに供給する場合
（原水７中のカルシウムイオン、炭酸水素イオン等から
炭酸カルシウムの析出に対して安全である場合）と、原
水７中に炭酸水素カルシウム量が比較的多く含まれてい
る場合は、第１図に示したような前処理をする場合があ
る。すなわち原水７中のカルシウムイオンが第一逆浸透
膜装置に装着した逆浸透膜に９Ｍカルシウムとして析出
しないランゲリア指数とするため、原水７に酸貯槽８か
ら注入ポンプ９を用いて、塩酸等の酸を添加し、原水７
のｐＨを４〜５．５に調整する。また原水７のｐＨを上
述したような値とすると、原水７中の炭酸水素イオンの
一部が下記（４）式により二酸化炭素となるので、これ
を除去するため、脱気装置ＩＯが用いられることが多い
。

ＨＣＯｚ−＋ＨＣ１”ＣＯｔ＋ＨｔＯ＋ＣＩ−＝Ａ４）
第１図に示したものはラシヒリング等の充填材を充填し
た塔の上部から二酸化炭素を含む水を落下させ、工大か
らブロワ−１１により空気を吹き込み気液接触させて脱
炭酸を行う、いわゆる脱炭酸基であるが、脱気膜を用い
るまたは用いない通常の真空脱気装置あるいは窒素ガス
を用いる気液接触型の脱炭酸装置等を用いることができ
る。このような脱気装置１０で過剰の二酸化炭素を除去
した脱気水をポンプ１２を用いて第一逆浸透膜装置１に
供給し、原水７中の塩類の大半が除去された一次透過水
を一次透過水管１３から得る。なお塩類が濃縮された一
次濃縮水は一次濃縮水管１４から系外にブローする。

脱気装置１０で処理しても二酸化炭素が完全に除去でき
るものではないので、−次透過水中には少量の二酸化炭
素が存在する。当該二酸化炭素は逆浸透膜装置で除去で
きないので、これをそのままとしておくと、後段の第二
逆浸透膜装置４でも除去できず、よって前述したごとく
温床式純水製造装置５のイオン負荷となる。

よって本発明では一次透過水をナトリウム型弱酸性カチ
オン交換樹脂３を充填したカチオン塔２に通水する。当
該通水により（３）式に示したごとく水酸化ナトリウム
が生成され、また当該水酸化ナトリウムと一次透過水中
の二酸化炭素が（１）式あるいは（２）式に示したごと
く反応し、炭酸水素イオンあるいは炭酸イオンに化学変
化する。

このようにして−次透過水中の二酸化炭素を炭酸水素イ
オン等のイオンに化学変化させたイオン交換処理水を処
理水管１５を介して第二逆浸透膜装置４に供給し、当該
イオン交換処理水中の炭酸水素イオンあるいは炭酸イオ
ンを含む残留イオンを除去した二次透過水を得る。また
イオンが濃縮された二次濃縮水は二次濃縮木管１６から
得られるが、そのイオン量が通常の場合、原水のそれよ
り低い量なので、回収し、原水７と混合して用いる。

一方二次透過水管１７から得られる二次透過水は、二酸
化炭素を含んでいないので電気伝導率はｌμｓ　／　ｃ
ｓ前後と高純度であり、そのまま脱塩水として用いても
よく、また必要に応じ、非再生型のカートリッジ式混床
式純水製造装置や再生型の混床式純水製造装置５で処理
し、高純度水１８として、種々の用途に用いることがで
きる。

本発明に用いるカチオン塔２に充填する弱酸性カチオン
交換樹脂３は、ナトリウム、カリウム、リチウム等のア
ルカリ金属型の弱酸性カチオン交換樹脂を用いるが、通
常はナトリウム型を用いる。

前述したごとくナトリウム型弱酸性カチオン交換樹脂に
水を通水すると、（３）式に示したごとく水酸化ナトリ
ウムが生成するが、この生成量はイオン交換樹脂と水と
の接触時間に左右される。

すなわち接触時間が長いと水酸化ナトリウムの生成量が
多く、短いと生成量が少ない。

したがってイオン交換樹脂の充填層に一次透過水をゆっ
くり通水すると生成される水酸化ナトリウムの量が過剰
となる場合があるので、−次透過水中の二酸化炭素に見
合う量の水酸化ナトリウムが生成するような通水速度を
あらかじめ求めておき、当該通水速度で通水するように
する。

なおイオン交換樹脂の充填層に対して下降流で通水する
方法により、通水速度をあらかじめ求めた場合、その通
水速度がかなり高流速となる場合は、イオン交換樹脂の
充填層に対して通水を上昇流で行いイオン交換樹脂が流
動するような通水方式としてもよい。

一般に流動床の場合、イオン交換帯が形成されにくく不
完全イオン交換が起こりやすいので、これを積極的に応
用することにより、（３）式の反応を故意に不充分とさ
せ、過剰の水酸化ナトリウムの生成を防止させることが
可能となる。

また第１図に示したごとく、カチオン塔２の入口と出口
とを点線で示したバイパス管１９で連通し、当該バイパ
ス管１９に一部の一次透過水を通し、これをカチオン塔
２の処理水と混合して二酸化炭素に対して過不足ないよ
うな量の水酸化ナトリウム量となるように調節すること
もできる。

上述したような通水によりカチオン塔２に充填した弱酸
性カチオン交換樹脂３のイオン交換基がアルカリ金属型
から水素型に変化し、水素型の増加に伴い水酸化ナトリ
ウムの生成量が低下して来た場合、当該カチオン塔２が
カートリッジ式の場合は、アルカリ金属型弱酸性カチオ
ン交換樹脂３が充填されている新しいカチオン塔２に交
換する。

また水酸化ナトリウムの生成量が低下した弱酸性カチオ
ン交換樹脂３を再生して用いる場合は、以下のような操
作を行う。

すなわちカチオン塔２の通水中に、−次透過水管１３あ
るは、カチオン塔２のイオン交換樹脂層中に、水素型か
らナトリウム型にする量にたりる水酸化ナトリウム溶液
を注入し、以下の（５）式による反応により再びナトリ
ウム型とする。

ＲＣＯＯＨ＋　Ｎ　ａ　ＯＨ＝　ＲＣＯＯＮ　ａ　＋　
ＨｔＯ・・・・・・（５） （５）式で示した反応はほぼ理論値の水酸化ナトリウム
の量で進むので、水素型の弱酸性カチオン交換樹脂の当
量かあるいはそれより僅かに少ない当量の水酸化ナトリ
ウムを用いることにより、再生中にイオン交換樹脂充填
層から多量の水酸化ナトリウムが漏洩することがなく、
また（５）式で示したごとく再生によって生成するのは
Ｈ，Ｏなので、再生廃液中には不純物イオンが含まれず
、したがって通水中に上記再生ができるということも本
発明の大きな利点である。

なお上記通水と再生を繰り返すことにより一次透過水中
にｍｌ含まれるカルシウムイオンやマグネシウムイオン
が弱酸性カチオン交換樹脂に蓄積して来たら、通水を中
断し、塩酸をイオン交換樹脂に通液して上記カチオンを
脱着し、次いで水酸化ナトリウム溶液を通液してナトリ
ウム型とすればよい。

〈効果〉 以上説明したごとく、本発明は二段式逆浸透膜装置にお
いて、第一段逆浸透膜装置から得られる一次透過水をア
ルカリ金属型弱酸性カチオン交換樹脂が充填されている
カチオン塔で処理することにより、−次週過水中に含ま
れている二酸化炭素を逆浸透膜で除去できる炭酸水素イ
オン等のイオンに化学変化させるので、従来の処理方法
のように水酸化ナトリウム等のアルカリ溶液を添加する
のと相違して、操作が簡−単であり、またあらかじめカ
チオン塔の流速を決定することにより、当該カチオン塔
により規定量の水酸化ナトリウムを生成させることがで
きるので、従来の処理方法と比較して制御が簡便となり
、イニシャルコストを低減させることができる。

さらに水素型となった弱酸性カチオン交換樹脂を水酸化
ナトリウム溶液で再生して再び用いる場合においては、
当該再生を通水中に行うことができ、従来のイオン交換
装置と比較して、再生操作を簡略化し得るという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施態様の一例を示すフローの説明図
である。 １・・・第一逆浸透膜装置　　２・・・カチオン塔３・
・・弱酸性カチオン交換樹脂 ４・・・第二逆浸透膜装置 ５・・・混床式純水製造装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原水を第一逆浸透膜装置で処理してその一次透過水
   を後段に設置した第二逆浸透膜装置で処理する二段式逆
   浸透膜装置において、第一逆浸透膜装置と第二逆浸透膜
   装置の間に、アルカリ金属型弱酸性カチオン交換樹脂を
   充填したカチオン塔を設置し、第一逆浸透膜装置から流
   出する一次透過水を前記カチオン塔で処理し、その処理
   水を第二逆浸透膜装置に供給するように構成したことを
   特徴とする二段式逆浸透膜装置。 ２、カチオン塔がアルカリ金属型弱酸性カチオン交換樹
   脂の流動床である請求項１に記載の二段式逆浸透膜装置
   。 ３、カチオン塔の入口と出口を一次透過水のバイパス配
   管で連通した請求項１または請求項２に記載の二段式逆
   浸透膜装置。