TW202010712A - 電氣式脫離子裝置，超純水製造系統及超純水製造方法 - Google Patents

電氣式脫離子裝置，超純水製造系統及超純水製造方法 Download PDF

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Abstract

提供一種能夠使硼除去性能及離子成分的除去效率提升之電氣式脫離子裝置及使用其之超純水製造系統以及超純水製造方法。一種電氣式脱離子裝置，係具有：電氣式脫離子堆疊(stack)，其具有具陽極之陽極室、及具陰極之陰極室、及在前述陽極室與前述陰極室之間交互配置之複數個陰離子交換膜及陽離子交換膜、及在前述複數個陰離子交換膜及前述陽離子交換膜之間交互形成之濃縮室及脫鹽室、及充填於前述脫鹽室內之離子交換體；及用來對前述電氣式脫離子堆疊施加電壓之陽極及陰極；及電源裝置，對前述陽極與前述陰極之間施加直流電壓；之電氣式脱離子裝置，前述電源裝置供給之直流電壓，當將規定期間的最大電壓訂為Vmax，最小電壓訂為Vmin時，滿足關係式：(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)≦0.3。

Description

電氣式脫離子裝置，超純水製造系統及超純水製造方法
本發明有關電氣式脫離子裝置，超純水製造系統及超純水製造方法。
已知一種令被處理水通過離子交換樹脂等的離子交換體而藉由離子交換反應來進行脫離子之離子交換裝置。就離子交換裝置而言具代表性者，為使用離子交換樹脂作為離子交換體之離子交換樹脂裝置。此離子交換樹脂裝置中，當離子交換樹脂的離子交換基飽和時必須注入酸或鹼等的藥劑來進行離子交換樹脂的再生。是故，離子交換樹脂裝置中，有著無法進行連續運轉，還有藥劑補充的麻煩之待解問題。鑑此，近年來不需要離子交換體的藥劑所做的再生之電氣式脫離子(EDI(Electro Deionization))裝置逐漸實用化。
電氣式脫離子裝置中，是在僅令陽離子(cation)透過的陽離子交換膜與僅令陰離子(anion)透過的陰離子交換膜之間充填離子交換體(陰離子交換體及/或陽離子交換體)來構成脫鹽室，而具有在陽離子交換膜及陰離子交換膜的外側配置濃縮室之構成。又，從脫鹽室看來在陰離子交換膜側配置陽極，在陽離子交換膜側配置陰極。於在陽極與陰極之間施加直流電壓之狀態下將被處理水通過脫鹽室，則被處理水中的離子成分會被捕捉至脫鹽室內的離子交換體，並且藉由因水的解離反應而生成之氫離子(H+ )和氫氧化物離子(OH- )，來進行離子交換體的再生。
使用電氣式脫離子裝置之超純水製造系統中，會因應期望的目的來做系統構成的調整，例如為了加快從停止狀態重啟運轉時的水質的揚升，有人提出一種在電氣式脫離子裝置的EDI堆疊(stack)與直流電源之間配置二極體之裝置(例如參照專利文獻1)。此外，以減低硼濃度為目的，有人提出一種使用將電氣式脫離子裝置串聯2段地連接而成的2段EDI裝置之超純水製造系統、或併用電氣式脫離子裝置與硼選擇性樹脂之超純水製造系統等(例如參照專利文獻2、3)。
然而，上述習知的系統中目前仍然沒有充分達成硼濃度的減低。又，上述的2段EDI裝置、或電氣式脫離子裝置與硼選擇性樹脂之併用中，有著超純水製造系統的構成變得複雜之問題，特別是2段EDI裝置中，電氣式脫離子裝置的使用台數變多，因而消費電力變多成為問題。又，使用電氣式脫離子裝置之超純水製造系統中，若欲明顯減低硼濃度，則依電氣式脫離子裝置的供給電源而定，會發生供給電壓容易明顯變得不穩定，電源裝置的交換頻率增大這樣新的待解問題。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2015-83287號公報 [專利文獻2] 日本特開2014-575號公報 [專利文獻3] 日本特開平9-192661號公報
[發明所欲解決之問題]
本發明為解決上述的待解問題而研發，目的在於提供一種使硼除去性能及離子成分的除去效率提升，且能夠長期間穩定地保持電源裝置的供給電壓之電氣式脫離子裝置及使用其之超純水製造系統以及超純水製造方法。 [解決問題之技術手段]
本發明之電氣式脫離子裝置，係具有：電氣式脫離子堆疊(stack)，其具有陽極、及陰極、及配置於前述陽極與前述陰極之間而和前述陽極相接之陽極室、及和前述陰極相接之陰極室、及在前述陽極室與前述陰極室之間交互配置之陰離子交換膜及陽離子交換膜、及在前述陰離子交換膜及前述陽離子交換膜之間交互形成之濃縮室及脫鹽室、及充填於前述脫鹽室內之離子交換體；及電源裝置，對前述陽極與前述陰極之間施加直流電壓；之電氣式脱離子裝置，前述直流電壓，當將規定期間的最大電壓訂為Vmax，最小電壓訂為Vmin時，滿足下記關係式(1)：
Figure 02_image001
。
本發明之電氣式脫離子裝置中，前述電氣式脫離子堆疊，較佳是具有充填於前述濃縮室內、前述陽極室內及前述陰極室內之離子交換體或電氣導電體。此外，本發明之電氣式脫離子裝置中，前述電源裝置，較佳為將供給至前述電源裝置的交流電壓變換成前述直流電壓而輸出之變換器。
本發明之電氣式脫離子裝置中，前述規定期間，較佳為前述交流電壓的交流周期的1/2以上。
本發明之電氣式脫離子裝置中，前述變換器，較佳為以全波整流方式將交流電壓變換成前述直流電壓之全波整流式變換器，或以切換方式將交流電壓變換成前述直流電壓之切換式變換器。
本發明之超純水製造系統，係依序具有逆滲透膜裝置、及離子交換裝置之超純水製造系統，前述離子交換裝置，較佳為藉由上述本發明之電氣式脫離子裝置而構成。
本發明之超純水製造系統中，逆滲透膜裝置，較佳為將2座逆滲透膜裝置串聯連接而構成之2段逆滲透膜裝置。
本發明之超純水製造系統，係依序具有離子交換樹脂裝置、及脫氣裝置、及離子交換裝置之超純水製造系統，前述離子交換裝置，較佳為藉由上述本發明之電氣式脫離子裝置而構成。
本發明之超純水製造系統中，前述電氣式脫離子裝置的透過水中的硼濃度較佳為1μg/L(as B)以下。
本發明之超純水製造方法，係包含將被處理水以電氣式脫離子裝置處理之工程的超純水製造方法，其特徵為，前述電氣式脫離子裝置，具有：陽極；及陰極；及電氣式脫離子堆疊(stack)，其具有配置於前述陽極與前述陰極之間而和前述陽極相接之陽極室、及和前述陰極相接之陰極室、及在前述陽極室與前述陰極室之間交互配置之陰離子交換膜及陽離子交換膜、及在前述陰離子交換膜及前述陽離子交換膜之間交互形成之濃縮室及脫鹽室、及充填於前述脫鹽室內之離子交換體；及電源裝置，對前述陽極與前述陰極之間施加直流電壓；前述直流電壓，當將規定期間的最大電壓訂為Vmax，最小電壓訂為Vmin時，以滿足下記關係式(1)之條件來處理前述被處理水：
Figure 02_image003
。
本發明之超純水製造方法中，前述電氣式脫離子堆疊，較佳是具有充填於前述濃縮室內、前述陽極室內及前述陰極室內之離子交換體或電氣導電體。
本發明之超純水製造方法中，較佳是更具有將原水藉由逆滲透膜裝置處理而獲得前述被處理水之工程，接著該工程來將前述被處理水藉由前述電氣式脫離子裝置處理。此外，前述逆滲透膜裝置，較佳為將2座逆滲透膜裝置串聯連接而構成之2段逆滲透膜裝置。
本發明之超純水製造方法中，較佳是更具有將原水藉由離子交換樹脂裝置與脫氣裝置處理而獲得前述被處理水之工程，接著該工程來將前述被處理水藉由前述電氣式脫離子裝置處理。
本發明之超純水製造方法中，前述電氣式脫離子裝置的透過水中的硼濃度較佳為1μg/L(as B)以下。 [發明之功效]
按照本發明之電氣式脫離子裝置，能夠使電氣式脫離子裝置中的硼除去性能及離子成分的除去效率提升。此外，長期使用下仍能穩定地保持電源裝置的供給電壓，能夠減低對電源裝置之負荷。此外，按照本發明之超純水製造系統及超純水製造方法，能夠使電氣式脫離子裝置中的硼除去性能及離子成分的除去效率提升，故能夠有效率地獲得硼濃度明顯減低之超純水。
以下參照圖面，詳細說明實施形態。另，本發明不限定於該些實施形態，而能夠將該些實施形態在不脫離本發明要旨及範圍內予以變更或變形。
[電氣式脫離子裝置] 圖1為本實施形態之電氣式脫離子裝置11模型示意圖。電氣式脫離子裝置11，具有電氣式脫離子堆疊110、及為了對電氣式脫離子堆疊110施加電壓而被配置成挾持電氣式脫離子堆疊110之陽極111及陰極112、及對陽極111與陰極112之間施加直流電壓之電源裝置113。
電氣式脫離子堆疊110，具有和陽極111相接之陽極室115a、及和陰極112相接之陰極室115b、及在陽極室115a與陰極室115b之間從陽極室115a開始依序交互配置之複數個陽離子交換膜11c、複數個陰離子交換膜11a。在陰離子交換膜11a與陽離子交換膜11c之間，交互設有脫鹽室114與濃縮室116。在脫鹽室114，充填有離子交換體。在渡縮室116、陽極室115a、及陰極室115b例如充填有離子交換體、或由活性碳或金屬等所構成之電氣導電體。
電氣式脫離子堆疊110中，和脫鹽室114相接而配置於陽極111側的離子交換膜是陰離子交換膜11a，和脫鹽室114相接而配置於陰極112側的離子交換膜是陽離子交換膜11c。電氣式脫離子堆疊110，是藉由脫鹽室114與在脫鹽室114的兩側各自隔著陰離子交換膜11a或陽離子交換膜11c而配置的1對濃縮室116來構成1個單元(cell)。在1對濃縮室116的至少一方的內部，亦可充填有離子交換樹脂等的離子交換體。此外，電氣式脫離子堆疊110，亦可構成為在陽極111與陰極112之間有複數個單元並排配置。
作為陽離子交換膜11c及陰離子交換膜11a，由膜的構造而言有不均質膜、半均質膜、均質膜，但就離子成分的除去效率這點、以及抑制電氣式脫離子裝置中的電阻增大這點而言，均質膜較佳。
作為脫鹽室114中充填的離子交換體，能夠使用將陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂混合而成之離子交換體。此陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂的混合比，就離子成分的除去效率這點、以及抑制電氣式脫離子裝置中的電阻增大這點而言，以體積比表示，陰離子交換樹脂比率為20～80%較佳。作為離子交換體，亦可使用將陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂朝流路方向層積而成之離子交換體。
電氣式脫離子堆疊110中，被處理水從脫鹽室114的一端被供給，從脫鹽室114的另一端流出。此過程中，被處理水中的離子成分被吸附至脫鹽室內的離子交換體。此外，此時，對陽極111及陰極112間施加經整流的直流電壓，直流電流朝和脫鹽室114內的被處理水的流向正交之方向流通。藉由此電流，水解離成氫離子與氫氧化物離子，此解離的氫離子與氫氧化物離子各自和被吸附至離子交換體的離子成分交換。交換的離子成分，移動至濃縮室116、陽極室115a及陰極室115b，經由它們而從電氣式脫離子堆疊流出。
作為電氣式脫離子堆疊110，可使用市售的電氣式脫離子堆疊。作為電氣式脫離子堆疊110的市售品，例如就電氣式脫離子堆疊110中設置有陽極111與陰極112之物而言，可使用VNX50、VNX55、VNX-55EX(以上Evoqua公司製)、E-CELL MK3、MK2(以上GE公司製)等。
電氣式脫離子裝置11中，作為電源裝置113，可使用能夠對陽極111與陰極112之間施加滿足下記關係式(1)的直流電壓之物。
Figure 02_image005
另，式(1)中的Vmax表示規定期間中的最大電壓，Vmin表示規定期間中的最小電壓。
電源裝置113，例如為將從交流(AC)電源供給的交流電壓變換成滿足上述式(1)的直流(DC)電壓之AC-DC變換器。
以往一般的電氣式脫離子裝置中，特別是製造大流量的超純水的情形下，為了抑制電源成本，會使用簡易地做AC-DC變換之變換器。這是因為料想超純水的量多，AC-DC變換而成之直流電壓的品質，亦即電壓漣波(ripple)的有無對於水質幾乎沒有影響的緣故。因此，當謀求超純水水質的提升的情形下，特別是為了高度除去硼(B)或矽石(Si)等的弱電解質，會採用將電壓有效值增大之方法。
相對於此，本發明中，著眼於對電氣式脫離子裝置的電氣式脫離子堆疊施加直流電壓的品質，來實現處理水水質的提升。具體而言，使用電源裝置113透過陽極111與陰極112而對電氣式脫離子堆疊110施加之直流電壓，滿足式(1)的要件，藉此便能早期且明顯地減低電氣式脫離子裝置11的透過水中的硼。
此外，直流電壓滿足式(1)，如以下說明般，表示該直流電壓的電壓漣波被減低，像這樣藉由減小電壓漣波，當將複數個電氣式脫離子裝置11串聯連接而運轉的情形下，還有著能夠長期間穩定地維持來自電源裝置的供給電壓之優點。特別是，為了高度除去硼或矽石等的弱電解質，而將電壓有效值增大，造成電源裝置承受的負荷變大的情形下，容易發揮長期間穩定地維持來自電源裝置的供給電壓之這樣優良的效果。
此處，在日本國內從電力供給業者會供給電源頻率為50Hz或60Hz的交流電壓，因此若將其變換成直流電壓，則電壓漣波可能會以和上述電源頻率相應的周期產生。例如，簡易的整流方式亦即單相全波整流方式中，電壓漣波會以電源頻率的1/2的周期而大略周期性地產生。
本發明中使用的電源裝置113，例如將這樣的電壓漣波產生的周期訂為規定的期間，而使用此期間中的電壓的最大值Vmax和最小值Vmin之差，與規定期間中的電壓的平均值(以(Vmax+Vmin)/2來近似)之比為小者。也就是說，式(1)((Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)≦0.3)，是本發明為了發揮效果而規範作為指標的電壓漣波之式子，藉由滿足式(1)，實現了減小電壓漣波，早期且明顯地減低電氣式脫離子裝置11的透過水中的硼之效果。此原理雖僅為推測，但作為一例可如下般設想。
如上述般，在電氣式脫離子堆疊110內，被處理水於脫鹽室114內流通的過程中，被處理水中的離子成分被吸附至離子交換體，同時被吸附至離子交換體的離子成分會和水因電流而解離產生的氫離子及氫氧離子做離子交換，藉此從離子交換體脫離，往濃縮室116移動。
此時，當施加至陽極及陰極間之直流電壓的漣波大的情形下，從陽極朝陰極流通的電流值的變動會因應電壓漣波而變大，在規定期間之間會發生電流相對大的期間與小的期間。又，此電流小的期間中，離子交換體吸附的離子成分之脫離會變得難以發生，因此其結果，從陽極朝陰極流通的電流小的期間中，離子交換體的離子交換基能夠吸附之離子成分的量變少，透過水中容易殘留未完全除去之離子成分。特別是硼或矽石等的弱電解質會變得容易殘留在透過水中。
相對於此，當施加電壓漣波小的直流電壓的情形下，會流通恆定的電流，因此離子成分從離子交換體之脫離與離子成分往離子交換基之吸附會連續地且恆常地進行，其結果，能夠更高度減低被處理水中的離子成分。特別是，硼或矽石等的弱電解質的濃度變得能夠飛躍性地減低。此外，不易發生在電氣式脫離子堆疊內的離子成分的滯留，因此能夠將離子成分迅速地排出至濃縮水中，故能夠使離子成分的除去效率提升。
本發明之電氣式脫離子裝置11中，當電源裝置113為AC-DC變換器的情形下，從外部對電源裝置113供給電力之方式，例如可為三相3線式亦可為單相3線式。任一種情形下，都能獲得離子成分的除去效率提升及硼除去性能的提升效果。供給電壓通常為100～240V的範圍，頻率為50Hz或60Hz任一者皆可，它們能夠配合使用的電源裝置來選擇。
另，作為用來規範式(1)中的電壓的最大值Vmax與最小值Vmin之期間亦即規定期間，例如當電源裝置113是從單相交流電源受到電力供給的情形下，較佳為供給的交流電壓的頻率的交流周期的1/2以上。或是，例如當電源裝置113是從三相交流電源受到電力供給的情形下，作為規定期間，較佳為供給的交流電壓的頻率的交流周期的1/6以上。
此外，本發明之電氣式脫離子裝置11中，就更高度除去硼或矽石等弱電解質之觀點看來，水回收率較佳為90～96%，電氣式脫離子堆疊111中的電流密度，較佳為500～3000mA/dm2 ，更佳為1500～2500mA/dm2 。
作為電源裝置113，就輸出的直流電壓中的電壓漣波小者而言，能夠使用切換(switching)方式所致之AC-DC變換器。此切換方式所致之AC-DC變換器的基本構成，係具有一次側電路與二次側電路。一次側電路，具備將二極體組合而成之二極體橋、及電解電容器、及切換元件、及高頻變壓器，二次側電路具備高頻變壓器、及二極體、及電解電容器。上述二極體橋，代表性者是將4個二極體組合，使交流電壓的負側反轉，藉此將全波整流。
切換方式所致之AC-DC變換器中，首先，藉由交流電源而供給至一次側電路的交流電壓，藉由二極體橋受到整流後，藉由電解電容器受到平滑化而被變換成直流電壓。該直流電壓，藉由切換元件被變換成高頻直流電壓後，藉由一次側電路與二次側電路的高頻變壓器而被移送至二次側電路。然後，被移送的直流電壓，在二次側電路的二極體與電解電容器受到整流、平滑化而被輸出。又設置控制電路，以此輸出電壓被保持一定之方式對切換元件做反饋控制。按照此切換方式所致之AC-DC變換器，能夠將上述式(1)中的(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)所表示的值，較佳是設為0.1以下、更佳是設為0.01以下。
本發明中使用的切換方式所致之AC-DC變換器，可以是將從一次側電路往二次側電路之能量的傳遞於切換ON時進行之順向(forward)方式，亦可以是於切換OFF時進行之返馳(flyback)方式。此外，一次側及二次側的切換元件或二極體、電解電容器的數量不限於各自一個，因應變換方式亦可為2以上。
作為切換方式所致之AC-DC變換器的市售品，例如可舉出菊水工業公司製的PAT-T系列等。
作為電源裝置113，除切換方式以外例如可使用全波整流方式所致之AC-DC變換器。全波整流方式所致之AC-DC變換器的基本構成，具有將二極體組合而成之二極體橋、及電解電容器。此二極體橋，代表性者是將4個二極體組合，使交流電壓的負側反轉，藉此將全波整流。全波整流方式所致之AC-DC變換器中，藉由交流電源而供給的交流電壓，藉由二極體橋受到整流後，藉由電解電容器受到平滑化而被輸出作為直流電壓。全波整流方式所致之AC-DC變換器中，藉由電解電容器的電容與負載，輸出的直流電壓的電壓漣波受到調整。按照此全波整流方式所致之AC-DC變換器，能夠將上述式(1)中的(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)所表示的值，較佳是設為0.27以下、更佳是設為0.15以下。
作為全波整流方式所致之AC-DC變換器的市售品，例如可舉出Evoqua公司製的IP-POWER600-G2等。
電源裝置113供給的直流電壓的有效值會因使用的電氣式脫離子裝置而異，惟作為一例，為了在電氣式脫離子堆疊110流通充分的電流，較佳是將100～150V程度的直流電壓施加於陽極111與陰極112之間。
評估實施形態之電氣式脫離子裝置中使用的電源裝置的特性，特別是輸出的直流電壓的漣波的程度時，能夠令其輸出50～200V的定電壓來評估，例如較佳是令其輸出70～90V的直流電壓來評估。
按照以上說明的實施形態之電氣式脫離子裝置，能夠使電氣式脫離子裝置中的硼除去性能及離子成分的除去效率提升。此外，長期使用下仍能穩定地保持電源裝置的供給電壓，能夠減低對電源裝置之負荷。
[超純水製造方法及超純水製造系統] 實施形態之超純水製造方法，包含使用以下構成的電氣式脫離子裝置，在施加於陽極與陰極之間的直流電壓滿足上述式(1)之條件下，來處理被處理水之工程。實施形態之超純水製造方法中作為處理被處理水的條件，針對施加於陽極與陰極之間的直流電壓，為以上述式(1)中的(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)表示之值成為較佳是0.27以下，更佳是0.15以下，再更佳是0.1以下，又更佳是0.01以下之條件。
實施形態之超純水製造方法中使用的電氣式脫離子裝置，具有：電氣式脫離子堆疊，其具有陽極、及陰極、及配置於陽極與陰極之間而和陽極相接之陽極室、及和陰極相接之陰極室、及在陽極室與陰極室之間交互配置之陰離子交換膜及陽離子交換膜、及在陰離子交換膜及陽離子交換膜之間交互形成之濃縮室及脫鹽室、及充填於脫鹽室內之離子交換體；及電源裝置，對陽極與陰極之間施加直流電壓。作為該電氣式脫離子裝置，例如能夠使用本實施形態之電氣式脫離子裝置。
藉由電氣式脫離子裝置而被處理的被處理水，例如是將原水藉由前處理部處理而獲得。也就是說，實施形態之超純水製造方法，例如具有將原水藉由前處理部處理而獲得被處理水之工程，而將獲得的被處理水提供給使用上述電氣式脫離子裝置而以上述條件處理之工程亦可。作為原水，使用自來水、井水、地下水、工業用水、半導體製造工場中使用而被回收受到前處理之水(回收水)等。原水，為了從自來水、井水、地下水、工業用水、回收水等除去懸濁物質，亦可為將該些水以砂過濾裝置、精密過濾裝置等處理後之物。此外，原水亦可藉由熱交換器等而受到溫度調整。
前處理部，亦可為逆滲透膜裝置，亦可為依序具有離子交換樹脂裝置與脫氣裝置之構成，亦可將它們組合而構成。逆滲透膜裝置，較佳為將2座逆滲透膜裝置串聯連接而構成之2段逆滲透膜裝置。另，依原水的水質而定，前處理部的一部分或全部亦可省略。
實施形態之超純水製造方法，較佳是使用具備以下說明的前處理部與實施形態的電氣式脫離子裝置之實施形態的超純水製造系統來執行。以下參照圖2，說明實施形態之超純水製造系統及使用該系統之超純水製造方法。
圖2為使用本實施形態之電氣式脫離子裝置11的超純水製造系統1概略示意方塊圖。超純水製造系統1，具有將2座逆滲透膜裝置(第1段的逆滲透膜裝置RO1與第2段的逆滲透膜裝置RO2)串聯連接而構成之2段逆滲透膜裝置12、及電氣式脫離子裝置(EDI)11。圖2所示超純水製造系統1中，2段逆滲透膜裝置12相當於前處理部。
當使用超純水製造系統1來進行實施形態之超純水製造方法的情形下，原水被供給至2段逆滲透膜裝置12。構成2段逆滲透膜裝置的第1段及第2段的逆滲透膜裝置RO1、RO2，分別將原水中的鹽類或離子性的有機物、膠體性的有機物予以除去。作為第1段及第2段的逆滲透膜裝置RO1、RO2中使用之逆滲透膜，例如可舉出三醋酸纖維素系非對稱膜、或聚醯胺系、聚乙烯醇系或是聚碸系的複合膜等。膜形狀，為片狀平膜、螺旋膜、管狀膜、中空纖維膜等，但不限定它們。其中，以鹽類的除去率高這點而言，聚醯胺系的複合膜較佳，交聯全芳香族聚醯胺系的複合膜更佳。膜形狀，較佳為螺旋膜。
構成2段逆滲透膜裝置12的第1段及第2段的逆滲透膜裝置RO1、RO2的脫鹽率(鈉離子的除去率)，各自為96～99.8%較佳。鈉離子的除去率，是以將25℃、pH =7、NaCl濃度0.2質量%的給水，以水回收率15%、給水壓力1.5MPa通過逆滲透膜時的鈉離子的除去率來計測。
2段逆滲透膜裝置12中，以有效率地除去離子成分這點而，水回收率在第1段的逆滲透膜裝置RO1中較佳為60～98%，更佳為80～95%。第2段的逆滲透膜裝置RO2中，較佳為80～95%，更佳為85～95%。此外，第1段的逆滲透膜裝置RO1的給水中，視必要亦可添加水垢防止劑、制菌劑、pH調整劑等。
第1段及第2段的逆滲透膜裝置RO1、RO2，各自亦可為超低壓型、低壓型、高壓型的逆滲透膜裝置的任一種，由超純水的製造效率這點看來，較佳為超低壓型或低壓型的逆滲透膜裝置。此外，在2段逆滲透膜裝置12的前段，較佳是備有將原水加壓成規定壓力而供給至2段逆滲透膜裝置12之給水泵浦。
此處，超低壓型的逆滲透膜裝置，其運轉壓力為0.4MPa～0.8MPa，較佳為0.6MPa～0.7MPa。低壓型的逆滲透膜裝置，其運轉壓力為超過0.8MPa而未滿2.5 MPa，較佳為1MPa～1.6MPa。高壓型的逆滲透膜裝置，其運轉壓力為超過2MPa而8MPa以下，較佳為超過5MPa而6MPa以下。另，上述超低壓型、低壓型、高壓型的逆滲透膜裝置的運轉壓力，能夠以各逆滲透膜裝置的製造時的設計壓力(標準壓力)來區別，但實際上有時亦會在上述範圍以外的壓力下運轉。
作為構成2段逆滲透膜裝置12的第1段及第2段的逆滲透膜裝置RO1、RO2的市售品，能夠各自使用東麗公司製的TM820K-400、TM720-400、TM720D-400、SUL-G20，DOW公司製的BW30-400、BW30-400FR，日東電工公司製的CPA5、CPA5-LD等。
電氣式脫離子裝置11，係使用上述實施形態的電氣式脫離子裝置。2段逆滲透膜裝置12的透過水被供給至電氣式脫離子裝置11作為被處理水，在此處受到離子交換處理而生成透過水。此透過水作為超純水而被供給至超純水的使用場所(POU；Place of Use)13。
經過了電氣式脫離子裝置11的透過水的水質，其硼濃度例如為1μg/L(as B)以下，較佳為0.2μg/L(as B)以下，更佳為0.1μg/L(as B)以下，比電阻(電阻率)能夠獲得17.5MΩ･cm以上。硼濃度，例如能夠藉由Central Kagaku(股)販賣之SIEVERS線上硼分析計，或是將超純水取樣而藉由ICP-MS(感應耦合電漿質量分析計)等來測定。電氣脫離子裝置11，可將1台以單段使用，亦可將2台以上串聯連接作為複數段來使用。特別是，若將電氣脫離子裝置11設置10台以上，乃至於50台以上，則容易發生電壓漣波所造成之電源裝置的問題，因此容易獲得本發明之莫大效果。
此外，超純水製造系統1在2段逆滲透膜裝置12與電氣式脫離子裝置11之間，亦可具備脫氣裝置。藉此，水中的碳酸氣體會被高度除去，故能夠抑制電氣式脫離子裝置11中的水垢的生成，使離子成分除去效率提升。作為脫氣裝置，例如能夠使使用脫氣膜裝置。脫氣膜裝置，是在氣體透過性的膜的一次側將液體，此情形下為2段逆滲透膜裝置的透過水一面予以通水，一面將膜的2次側視必要予以減壓，藉此僅使液體中的溶存氣體移往2次側而予以除去之裝置。
此外，超純水製造系統1，亦可具備除去硬度成分之離子交換樹脂裝置，來取代2段逆滲透膜裝置12的第2段的逆滲透膜裝置RO2。藉此，能夠抑制電氣式脫離子裝置11中的水垢的生成，使離子成分除去效率提升。作為除去硬度成分之離子交換樹脂裝置，能夠使用運用了鹽型的強酸性陽離子交換樹脂之離子交換樹脂裝置等。
此外，超純水製造系統1，亦可為依序具有離子交換樹脂裝置與脫氣裝置來取代2段逆滲透膜裝置12之構成。離子交換樹脂裝置及脫氣裝置能夠使用和上述同樣之物。又，在超純水製造系統1的後段，亦可設置將紫外線照射裝置、非再生型離子交換樹脂裝置、脫氣裝置、超過濾(ultrafiltration)裝置等予以組合而成之2次純水裝置。
按照以上說明的實施形態之超純水製造系統及超純水製造方法，會使電氣式脫離子裝置中的硼除去性能及離子成分的除去效率提升，藉此能夠有效率地獲得硼濃度明顯減低之超純水。 [實施例]
接下來說明實施例。本發明不限定於以下的實施例。
(實施例1) 製作了依序具有以下所示規格的2段逆滲透膜裝置、脫氣膜裝置、及電氣式脫離子裝置之超純水製造系統A。
2段逆滲透膜裝置： 第1段的逆滲透膜裝置(東麗股份有限公司製TM820K-400，給水壓力為2.5MPa(標準運轉壓力的範圍)，水回收率80%)、 第2段的逆滲透膜裝置(東麗股份有限公司製SUL-G20，給水壓力為0.5MPa(標準運轉壓力的範圍)，水回收率90%) 脫氣膜裝置(Polypore公司製，X40) 電氣式脫離子裝置(Evoqua公司製VNX50作為附陽極、陰極電氣式脫離子堆疊，菊水工業公司製PAT-650-12.3，切換方式所致之AC-DC變換器(以後述方法測定之(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)為0)作為電源裝置，將它們組合使用。)
使用超純水製造系統A，將原水(自來水)依以下方式處理而製造超純水。亦即，將原水以2段逆滲透膜裝置處理後，貯留於槽，將槽內的2段逆滲透膜處理水供給至脫氣膜裝置，將脫氣膜裝置的處理水供給至電氣式脫離子裝置作為被處理水，而獲得電氣式脫離子裝置的透過水作為超純水。獲得的超純水的硼濃度為0.03～0.04μg /L(as B)，電阻率為18.1～18.2MΩ･cm。硼渡度，是將樣本水藉由感應耦合電漿質量分析(ICP-MS)裝置，電阻率藉由HORIBA公司製HE-960RW來測定。又，令超純水製造系統A運轉17天，評估性能。
另，整個測定期間被供給至電氣式脫離子裝置的被處理水水質，其導電率為0.5～2.9μS/cm，硼濃度為9.4～11ppb(約9.4～11μg/L)(as B)。電氣式脫離子裝置中的水回收率為95～97%，以電流成為10A之方式施加直流電壓。本例中，電氣式脫離子裝置中的電流密度為2000 mA/dm2 。
測定了電氣式脫離子裝置的透過水中的硼濃度、透過水的電阻率、濃縮水的導電率之經時變化。使用電氣式脫離子裝置的給水中的硼濃度、及透過水中的硼濃度，算出電氣式脫離子裝置中的硼的透過率。硼的透過率的經時變化如圖3，透過水的電阻率的經時變化如圖4，濃縮水的導電率的經時變化如圖5所示。
(實施例2) 除了將實施例1中電氣式脫離子裝置的電源裝置變更成Evoqua公司製的IP-POWER600-G2(全波整流方式所致之AC-DC變換器(以後述的方法測定之(Vmax-Vmin)/(Vmax+ Vmin)為0.27))以外依同樣方式，製作了超純水製造系統B。使用超純水製造系統B，如同實施例1般進行，獲得電氣式脫離子裝置的透過水作為超純水。獲得的超純水的硼濃度為0.08～0.09μg/L(as B)，電阻率為18.1～18.2MΩ･cm。又，令超純水製造系統B運轉17天，評估性能。
測定了電氣式脫離子裝置的給水中及透過水中的硼濃度、電阻率、濃縮水的導電率之經時變化，算出電氣式脫離子裝置中的硼的透過率。硼的透過率的經時變化如圖3，透過水的電阻率的經時變化如圖4，濃縮水的導電率的經時變化如圖5，各自和實施例1合併揭示。
(比較例1) 除了將實施例1中電氣式脫離子裝置的電源裝置變更成Evoqua公司製的IP-DCR600V15A-R2/M(半波整流方式之AC-DC變換器(以後述的方法測定之(Vmax-Vmin)/(Vmax+ Vmin)為0.96))以外依同樣方式，製作了超純水製造系統C。使用超純水製造系統C，如同實施例1般進行，獲得電氣式脫離子裝置的透過水作為超純水。獲得的超純水的硼濃度為0.3～0.4μg/L(as B)，電阻率為18.1～18.2MΩ･cm。又，令超純水製造系統C運轉17天，評估性能。
測定了電氣式脫離子裝置的給水中及透過水中的硼濃度、電阻率、濃縮水的導電率之經時變化，算出電氣式脫離子裝置中的硼的透過率。硼濃度的經時變化如圖3，透過水的電阻率的經時變化如圖4，濃縮水的導電率的經時變化各自和實施例1合併揭示。
此外，實施例1、2及比較例1中使用的電源裝置的輸出電壓的波形如圖6～8所示。電源裝置的輸出電壓的波形，以類比示波器(型式：AD-5132A，A&D公司製)來測定。由圖6～8算出之各電源裝置的(Vmax-Vmin)/ (Vmax+Vmin)的值如次。
實施例1：(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)=0 實施例2：(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)=0.27 比較例1：(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)=0.96
如圖4所示，在透過水的電阻率，實施例、比較例沒有大幅差距。這示意著有關除去對透過水的電阻率造成莫大影響的鈉(Na)離子等強電解質而言，在實施例與比較例之間沒有大幅差距。但，如圖3所示，實施例中，可知硼的透過率獲得1%以下(亦即除去率為99%以上)，較比較例實現了更優良的硼除去率。此外，由圖5還可知，實施例相較於比較例，濃縮水的導電率的上昇快，亦即電氣式脫離子裝置中的離子成分的除去速度快。這示意著以同一電流有效值，能夠有效率地除去離子成分。
(實施例4) 將和實施例1同樣的基本構成的超純水製造系統，以超純水的製造流量1000m3 /h連續運轉2年。超純水製造系統中配置的電氣式脫離子裝置，是將附陽極、陰極之電氣式脫離子堆疊(Evoqua公司製，VNX50)100台，與電源裝置(菊水工業公司製，PAT-650-12)100台予以並列配置來構成。2段逆滲透膜裝置及脫氣膜裝置，各自配合供給至電氣式脫離子裝置之被處理水的量來增加台數配置。本例中，2年間，電源裝置無問題地成功製造超純水。
(實施例5) 除了將實施例4中電源裝置變為Evoqua公司製的IP-POWER600-G2以外，以和實施例4相同條件進行了連續運轉。本例中，在製造超純水的期間，來自電源裝置的供給電壓變得不穩定，不得不更換好幾次的電源裝置。交換台數(迭加)為5台。
(比較例2) 除了將實施例4的電源裝置變為Evoqua公司製的IP-DCR600V15A-R2/M以外，以和實施例4相同方法進行了連續運轉。本例中，在製造超純水的期間，來自電源裝置的供給電壓變得不穩定，不得不更換好幾次的電源裝置。交換台數(迭加)為22台。該些結果統整揭示於表1。
Figure 02_image007
由表1結果可知，如實施例4、5所示，藉由使用電壓漣波小的電源裝置，來自電源裝置的電壓供給會長時間保持穩定，能夠長期間安全地製造超純水。
另，電源裝置故障的原因雖未必明朗，但推測是使用複數台的電源裝置所造成之電源裝置彼此的干涉、或是由於電壓漣波而發生供給電壓或供給電流的周期性增減，導致電磁波產生之影響。此外，為了獲得硼或矽石等弱電解質的高除去率，相較於將其他離子脫鹽的情形必須流通高電流，為此會以高電壓運轉，故料想對電源裝置之負擔變大亦有影響。
由以上事實，按照實施例之電氣式脫離子裝置及使用其之超純水製造系統，能夠使硼除去性能及離子成分的除去效率提升。
1:超純水製造系統 11:電氣式脫離子裝置 11a:陰離子交換膜 11c:陽離子交換膜 12:2段逆滲透膜裝置 110:電氣式脫離子堆疊 11:電氣式脫離子裝置 111:陽極 112:陰極 113:電源裝置 114:脫鹽室 115a:陽極室 115b:陰極室 116:濃縮室
[圖1] 實施形態的電氣式脫離子裝置模型示意方塊圖。 [圖2] 實施形態的超純水製造系統概略示意方塊圖。 [圖3] 實施例及比較例的電氣式脫離子裝置中的硼透過率的經時變化示意圖表。 [圖4] 實施例及比較例的電氣式脫離子裝置中的透過水的電阻率的經時變化示意圖表。 [圖5] 實施例及比較例的電氣式脫離子裝置中的濃縮水的導電率的經時變化示意圖表。 [圖6] 實施例中使用的切換方式所致之AC-DC變換器的輸出電壓波形示意圖表。 [圖7] 另一實施例中使用的全波整流方式所致之AC-DC變換器的輸出電壓波形示意圖表。 [圖8] 比較例中使用的半波整流方式所致之AC-DC變換器的輸出電壓波形示意圖表。
11:電氣式脫離子裝置
11a:陰離子交換膜
11c:陽離子交換膜
110:電氣式脫離子堆疊
111:陽極
112:陰極
113:電源裝置
114:脫鹽室
115a:陽極室
115b:陰極室
116:濃縮室

Claims (15)

  1. 一種電氣式脱離子裝置，係具有： 陽極；及 陰極；及 電氣式脫離子堆疊(stack)，其具有配置於前述陽極與前述陰極之間而和前述陽極相接之陽極室、及和前述陰極相接之陰極室、及在前述陽極室與前述陰極室之間交互配置之陰離子交換膜及陽離子交換膜、及在前述陰離子交換膜及前述陽離子交換膜之間交互形成之濃縮室及脫鹽室、及充填於前述脫鹽室內之離子交換體；及 電源裝置，對前述陽極與前述陰極之間施加直流電壓； 該電氣式脫離子裝置，其特徵為， 前述直流電壓，當將規定期間的最大電壓訂為Vmax，最小電壓訂為Vmin時，滿足下記關係式(1)：
    Figure 03_image009
    。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電氣式脫離子裝置，其中，前述電氣式脫離子堆疊，具有充填於前述濃縮室內、前述陽極室內及前述陰極室內之離子交換體或電氣導電體。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電氣式脫離子裝置，其中，前述電源裝置，為將供給至前述電源裝置的交流電壓變換成前述直流電壓而輸出之變換器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電氣式脫離子裝置，其中，前述規定期間，為前述交流電壓的交流周期的1/2以上。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所述之電氣式脫離子裝置，其中，前述變換器，為以全波整流方式將交流電壓變換成前述直流電壓之全波整流式變換器，或以切換方式將交流電壓變換成前述直流電壓之切換式變換器。
  6. 一種超純水製造系統，依序具有：逆滲透膜裝置；及如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之電氣式脫離子裝置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之超純水製造系統，其中，前述逆滲透膜裝置，為將2座逆滲透膜裝置串聯連接而構成之2段逆滲透膜裝置。
  8. 一種超純水製造系統，依序具有：離子交換樹脂裝置；及脫氣裝置；及如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之電氣式脫離子裝置。
  9. 如申請專利範圍第6至8項中任一項所述之超純水製造系統，其中，前述電氣式脫離子裝置的透過水中的硼濃度為1μg/L以下(as B)。
  10. 一種超純水製造方法，係包含將被處理水以電氣式脫離子裝置處理之工程的超純水製造方法，其特徵為， 前述電氣式脫離子裝置，具有：電氣式脫離子堆疊，其具有陽極、及陰極、及配置於前述陽極與前述陰極之間而和前述陽極相接之陽極室、及和前述陰極相接之陰極室、及在前述陽極室與前述陰極室之間交互配置之陰離子交換膜及陽離子交換膜、及在前述陰離子交換膜及前述陽離子交換膜之間交互形成之濃縮室及脫鹽室、及充填於前述脫鹽室內之離子交換體；及電源裝置，對前述陽極與前述陰極之間施加直流電壓， 前述直流電壓，當將規定期間的最大電壓訂為Vmax，最小電壓訂為Vmin時，以滿足下記關係式(1)之條件來處理前述被處理水：
    Figure 03_image011
    。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之超純水製造方法，其中，前述電氣式脫離子堆疊，具有充填於前述濃縮室內、前述陽極室內及前述陰極室內之離子交換體或電氣導電體。
  12. 如申請專利範圍第10或11項所述之超純水製造方法，其中，更具有將原水藉由逆滲透膜裝置處理而獲得前述被處理水之工程。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之超純水製造方法，其中，前述逆滲透膜裝置，為將2座逆滲透膜裝置串聯連接而構成之2段逆滲透膜裝置。
  14. 如申請專利範圍第10或11項所述之超純水製造方法，其中，更具有將原水藉由離子交換樹脂裝置與脫氣裝置處理而獲得前述被處理水之工程。
  15. 如申請專利範圍第10至14項中任一項所述之超純水製造方法，其中，藉由前述電氣式脫離子裝置而受到處理的處理水，硼濃度為1μg/L以下(as B)。
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