JPH0649191B2 - ２段式逆浸透膜処理方法 - Google Patents

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
等の製造に採用される２段式逆浸透膜処理方法の改良に
関するものである。

＜従来の技術＞ 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３００mg／（ＣａＣＯ₃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２段式逆浸透膜処理方法が
採用されるようになって来た。

すなわち原水を第１逆浸透膜装置に供給して全カチオン
で１０ｐｐｍ前後ないしそれ以下の一次透過水を得、ま
た当該一次透過水をさらに第２逆浸透膜装置に供給して
全カチオンで１ｐｐｍ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イオン交換装置の供給水
とするものである。

また当該イオン交換装置は再生廃液の中和処理の省略や
運転管理の簡素化のために、非再生型の強酸性カチオン
交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂との混合樹脂を充
填したカートリッジ型混床式ポリシャーが用いられるよ
うになって来た。

しかしながら前述した２段式逆浸透膜処理方法には以下
のような問題点がある。

すなわち透過水回収率を上昇させるために、系外に排出
する濃縮水の濃縮率を大とする必要があり、そのため原
水にカルシウムイオンが含まれていると膜面に炭酸カル
シウムが析出し膜面を汚染する恐れがある。

したがって従来ではこれを回避するため、原水に酸を添
加してｐＨを低下させて炭酸カルシウムの析出を防止し
ながら原水を逆浸透膜処理するのである。

なお原水に酸を添加するため本来ならば逆浸透膜でその
大半を除去することができる炭酸水素イオンの一部分な
いし大部分を逆浸透膜ではほとんど除去することができ
ない炭酸に変化させてしまうので、通常、原水に酸を添
加した後、ラシヒリング等の充填塔の上部から水を流下
させるとともに充填塔の下部から空気等の気体を流入す
る、いわゆる脱炭酸塔あるいは真空脱気塔で処理するこ
とにより炭酸を除くことが行われている。

しかしながら従来の脱炭酸処理においては、炭酸の除去
効果が不充分であり、残留した炭酸は第１逆浸透膜装置
の一次透過水に含まれることとなる。

またこの一次透過水をさらに第２逆浸透膜装置で処理し
たとしても、当然のことながら当該炭酸は除去すること
ができず、結局二次透過水にそのまま透過することとな
り、後段のイオン交換装置のイオン負荷を増大せしめ
る。

したがって従来では第１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を添加し、一次透過水
中の炭酸を逆浸透膜で除去することのできる炭酸水素イ
オン（ＨＣＯ₃ ^-）およびまたは炭酸イオン（ＣＯ₃ ^2-）
に変化させ、次いで当該アルカリ添加水を第２逆浸透膜
装置で処理する方法が採用されている。

このような従来の２段式逆浸透膜処理方法の原理を簡単
にまとめると以下のごとくなる。

すなわち原水に酸を添加する工程（主目的；原水のｐＨ
を下げて逆浸透膜面の炭酸カルシウムスケールの析出防
止）、酸添加水を脱炭酸処理する工程（主目的；逆浸透
膜装置で除去不可能な炭酸を事前にできるだけ除去して
おく）、脱炭酸処理水を第１逆浸透膜装置で処理して一
次透過水を得る工程（主目的；一次脱塩）、一次透過水
にアルカリを添加する工程（主目的；一次透過水中の残
留炭酸を炭酸水素イオンおよびまたは炭酸イオンに変化
させる）、アルカリを添加した一次透過水を第２逆浸透
膜装置で処理して二次透過水を得る工程（主目的；二次
脱塩）からなる。

しかしながら上述した従来の２段式逆浸透膜処理方法は
炭酸を残留させた脱炭酸処理水をそのまま第１逆浸透膜
装置で処理しており、この点に問題がある。

すなわち脱炭酸塔等で処理したとしても、その脱炭酸処
理水中の炭酸は通常６ｐｐｍ（炭酸カルシウム換算）前
後であり、当該脱炭酸処理水をそのまま第１逆浸透膜装
置で処理するので、前述したごとく結局一次透過水中に
ほぼ同量の炭酸が含まれる。

また当該一次透過水にアルカリを添加して当該炭酸を炭
酸水素イオンおよびまたは炭酸イオン等の炭酸成分イオ
ンに変化させたとしても、当該炭酸成分イオンは硫酸や
塩化物イオン等の鉱酸アニオンと比較して逆浸透膜で排
除しにくく、二次透過水中の全イオン量は期待する程低
下しない。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 本発明は原水に含まれる炭酸およびまたは炭酸水素イオ
ン等の炭酸成分を可及的に第１逆浸透膜装置で排除する
ことにより、２段式逆浸透膜処理方法における二次透過
水の全イオン量を低下させ、これによって後段に設置す
るイオン交換装置のイオン負荷を低減させ、全体として
のランニングコストをより低下させることを目的とす
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２
段式逆浸透膜処理方法は、炭酸水素イオンを含む原水に
酸を添加する工程、次いで酸添加水を脱炭酸処理する工
程、次いで脱炭酸処理水を第１逆浸透膜装置で処理して
一次透過水を得る工程、次いで一次透過水を第２逆浸透
膜装置で処理して二次透過水を得る工程とからなる２段
式逆浸透膜処理方法において、脱炭酸処理水に、残留す
る炭酸を可及的に炭酸水素イオンおよびまたは炭酸イオ
ンに変化させ得る量のアルカリを添加し、当該アルカリ
を添加した脱炭酸処理水を第１逆浸透膜装置で処理して
一次透過水を得、次いで当該一次透過水を第２逆浸透膜
装置で処理して二次透過水を得ることを特徴とする２段
式逆浸透膜処理方法である。

＜作用＞ 本発明者は炭酸水素イオンを含む原水に酸を添加し、炭
酸水素イオンを炭酸に変化させ、これを脱炭酸塔や真空
脱気器で処理し、水中に含まれる炭酸の大部分を炭酸ガ
スとして放散せしめた、いわゆる脱炭酸水を逆浸透膜装
置で処理する場合、当該脱炭酸水に水酸化ナトリムウ溶
液等のアルカリを添加して、水中に残留する少量の炭酸
を炭酸水素イオンや炭酸イオンに変化させた、いわゆる
アルカリ性の脱炭酸水を逆浸透膜処理しても、逆浸透膜
に炭酸カルシウムに起因するスケールが付着しないこと
を知見した。

すなわち逆浸透膜処理する水にたとえカルシウムイオン
が存在していても、炭酸カルシウムを構成する一方の成
分である炭酸成分が事前に脱炭酸処理することにより少
量となっているために、系のｐＨがアルカリ性であって
も炭酸カルシウムが生成しないのである。

本発明は上記知見に基づいてなされたもので、脱炭酸水
に積極的にアルカリを添加し、残留する少量の炭酸を炭
酸水素イオンおよびまたは炭酸イオンに変化させ、これ
を第１逆浸透膜装置で処理することにより、炭酸成分を
効果的に除去するものである。

従来の２段式逆浸透膜処理方法においては、炭酸が残留
する脱炭酸水をそのまま第１逆浸透膜装置で処理してい
たので、当該炭酸がほとんどそのまま一次透過水に透過
していた。

したがって炭酸の除去に関しては第１逆浸透膜はほとん
ど関与することなく、当該炭酸を炭酸水素イオンおよび
または炭酸イオンの形に変えてもっぱら第２逆浸透膜装
置で除去していたのである。

しかしながら本発明においては脱炭酸処理水中の炭酸を
炭酸水素イオンおよびまたは炭酸イオンに変化させ、こ
れを第１逆浸透膜装置と第２逆浸透膜装置の２段で処理
するので、二次透過水の全イオン量を確実に低下させる
ことができる。

以下に本発明を実施する装置の態様の一例のフローを図
面に基づいて説明する。

第１図に示したごとく、必要により凝集沈殿、濾過、活
性炭処理等の前処理した原水１に、塩酸、硫酸等の酸を
受け入れた酸貯槽２から酸注入ポンプ３を用いて、酸を
添加する。

当該酸の添加は原水に存在する炭酸水素イオンを以下の
反応（酸として硫酸を用いた場合）により炭酸とするも
のである。

HCO₃ ^-＋1/2H₂SO₄→H₂CO₃＋1/2SO₄ ^- 第２図に示したように炭酸成分は系の水のｐＨによっ
て、Ｈ₂ＣＯ₃、ＨＣＯ₃ ^-、ＣＯ₃ ^2-となり、酸性側では
炭酸（Ｈ₂ＣＯ₃）となる。

したがって、酸を添加した原水を続いて脱炭酸装置４に
流入することにより生成された炭酸を炭酸ガスとして放
出する。

本発明に用いる脱炭酸装置４は、ラシヒリング等の気液
接触用の充填材を充填した塔の上部から原水を流下し、
塔の下部からブロワー５を用いて空気を流入して原水中
の炭酸を炭酸ガスとして除去する、いわゆる脱炭酸塔や
前記充填材を充填した塔の上部から真空ポンプ等にてガ
スを吸収する、いわゆる真空脱気塔等を用いる。

なお第２図に示したごとく系のｐＨが４．５以下となる
と原水中の炭酸水素イオンはほとんど炭酸となる。

したがって脱炭酸装置４の処理水のｐＨをｐＨ電極６で
検出し、当該処理水のｐＨが４．５以下になるように酸
注入ポンプ３を計装的に制御し、酸の注入量を調整す
る。

なお従来行われているように脱炭酸装置４の入口水のｐ
Ｈをたとえば４．５〜５．５に調整して脱炭酸処理する
のは好ましくない。

すなわちこの場合は脱炭酸処理の過程において炭酸が除
去されるためにｐＨが上昇し、炭酸の一部が炭酸水素イ
オンに変化するため、炭酸成分が残留することとなるか
らである。

第１図に示したフローのように脱炭酸処理水のｐＨが常
に４．５以下になるようにして脱炭酸処理することによ
り、炭酸を可及的に除去することができる。

なお脱炭酸処理水のｐＨをあまり低くすると、それだけ
イオンを増加させる原因となるので、本発明では脱炭酸
処理水のｐＨを４．０〜４．５程度とするとよい。

このようにして炭酸を可及的に除去した脱炭酸処理水
に、今度は水酸化ナトリウム溶液等のアルカリを受け入
れたアルカリ貯槽７からアルカリ注入ポンプ８を用いて
アルカリを添加する。

当該アルカリの添加は脱炭酸処理水に残留する炭酸を以
下の反応（アルカリとして水酸化ナトリウムを用いた場
合）により、炭酸水素イオン、およびまたは炭酸イオン
とするものである。

H₂CO₃＋NaOH→Na⁺＋HCO₃ ^-＋H₂O H₂CO₃＋2NaOH→2Na⁺＋CO₃ ^--＋2H₂O 第２図に示したように系の水のｐＨが８．０以上となる
と、水中の炭酸のほとんどは炭酸水素イオンあるいは炭
酸イオンとなる。したがってアルカリ添加後のｐＨをｐ
Ｈ電極９で検出し、このｐＨが８．０以上になるように
アルカリ注入ポンプ８を計装的に制御し、アルカリの注
入量を調整する。

なおあまりｐＨを高くすると、それだけイオンを増加さ
せることとなるので、好ましくは８．０〜８．５程度に
調整するとよい。

このようにしてアルカリを添加した脱炭酸水をポンプ１
０を用いて第１逆浸透膜装置１１に供給し、第１段処理
を行う。

前述したごとく第１逆浸透膜装置１１の供給水中の炭酸
は可及的に炭酸水素イオンおよびまたは炭酸イオンとな
っているので、炭酸と相違して充分に逆浸透膜で排除さ
れ、炭酸を含まない一次透過水１２およびイオンが濃縮
された一次濃縮水１３が得られる。

次いで当該一次透過水１２をさらに第２逆浸透膜装置１
４で第２段処理し、二次透過水１５および二次濃縮水１
６を得る。なお二次濃縮水１６は比較的水質が良好な水
であるので、通常は図示していない回収配管を用いて、
たとえば原水槽に回収する。

またこのようにして得られた二次透過水１５は、そのま
まあるいはさらにイオン交換処理等を経て、半導体洗浄
用水や製薬用水等として用いられる。

＜効果＞ 以上説明したごとく本発明は原水に酸を添加して、原水
に存在する炭酸水素イオンを全て炭酸とし、かつ当該炭
酸を可及的に脱炭酸処理して除去し、さらに脱炭酸処理
水にアルカリを添加して、脱炭酸処理水中に残留する少
量の炭酸を可及的に炭酸水素イオンおよびまたは炭酸イ
オンとなし、しかる後に逆浸透膜装置で２段処理するの
で、原水に存在する炭酸成分を効果的に除去することが
でき、よって二次透過水のイオン量を従来法と比較して
大幅に低下させることができる。

したがって当該二次透過水をたとえば非再生型のカート
リッジ型混床式ポリシャーで処理する場合においては、
当該ポリシャーの交換頻度を大幅に延長させることがで
き、超純水を製造するためのランニングコストを大幅に
低下させることができる。

以下に本発明の効果をより一層明確とするために実施例
を説明する。

実施例 砂濾過および活性炭濾過を施した第１表に示す水質の市
水を原水とし、第１図に示すフローに基づいて本発明を
実施した。

すなわち脱炭酸処理水のｐＨが４．０になるごとく原水
に硫酸を添加し、次いで脱炭酸処理した。続いて当該脱
炭酸処理水のｐＨが８．０になるごとく、脱炭酸処理水
に水酸化ナトリウム溶液を添加し、ｐＨ８．０となした
脱炭酸処理水をＮＴＲ−７３９（日東電工(株)製逆浸透
膜）を装着した第１逆浸透膜装置で処理し、当該一次透
過水を続いてＳＵ−７２０（東レ(株)製逆浸透膜）を装
着した第２逆浸透膜装置で処理し二次透過水を得た。こ
の時の一次透過水および二次透過水の水質を第２表およ
び第３表に示す。

なお本処理方法を７２０時間（３０日間）続行したが、
第１逆浸透膜装置の透過水量が低下することはなかっ
た。

比較例 実施例で用いたと同じ原水に硫酸を加えてｐＨ４．０に
調整し、ｐＨ４．０とした原水を脱炭酸処理した。続い
て当該脱炭酸処理水を実施例で用いたと同じ第１逆浸透
膜装置で処理して一次透過水を得、当該一次透過水に水
酸化ナトリウム溶液を加えてｐＨを８．０に調整した。
次いでｐＨ８．０に調整した一次透過水を実施例で用い
たと同じ第２逆浸透膜装置で処理し二次透過水を得た。

この時の一次透過水、ｐＨを８．０に調整後の一次透過
水、二次透過水の水質を第４表、第５表、第６表に示
す。

以上の実施例および比較例の二次透過水の水質に示され
るごとく、本発明方法では全カチオン０．０８ｐｐｍ、
全アニオン０．１１ｐｐｍに対して、従来方法では全カ
チオン０．４８ｐｐｍ、全アニオン０．５１ｐｐｍ（い
ずれもＣａＣＯ₃換算）であり、本発明方法によれば従
来方法に比較して全カチオンで約６分の１、全アニオン
で約５分の１の二次透過水が得られる。

したがって二次透過水をさらにイオン交換装置で処理す
る場合は、当該イオン交換装置の通水時間を少なくとも
約５倍とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する装置の態様の一例のフローを
示す説明図であり、第２図はｐＨにおける炭酸と炭酸水
素イオンと炭酸イオンのモル比を示す説明図であり、縦
軸にモル比、横軸にｐＨを示す。 １……原水、２……酸貯槽 ３……酸注入ポンプ、４……脱炭酸装置 ５……ブロワー、６……ｐＨ電極 ７……アルカリ貯槽、８……アルカリ注入ポンプ ９……ｐＨ電極、１０……ポンプ １１……第１逆浸透膜装置 １２……一次透過水、１３……一次濃縮水 １４……第２逆浸透膜装置 １５……二次透過水、１６……二次濃縮水

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭酸水素イオンを含む原水に酸を添加する
   工程、次いで酸添加水を脱炭酸処理する工程、次いで脱
   炭酸処理水を第１逆浸透膜装置で処理して一次透過水を
   得る工程、次いで一次透過水を第２逆浸透膜装置で処理
   して二次透過水を得る工程とからなる２段式逆浸透膜処
   理方法において、脱炭酸処理水に、残留する炭酸を可及
   的に炭酸水素イオンおよびまたは炭酸イオンに変化させ
   得る量のアルカリを添加し、当該アルカリを添加した脱
   炭酸処理水を第１逆浸透膜装置で処理して一次透過水を
   得、次いで当該一次透過水を第２逆浸透膜装置で処理し
   て二次透過水を得ることを特徴とする２段式逆浸透膜処
   理方法。