TW202423850A - 廢水的濃縮裝置及濃縮方法 - Google Patents

Abstract

一種廢水的濃縮裝置及方法，所述廢水的濃縮裝置包括：滲透壓輔助型逆滲透裝置，具有由滲透壓輔助型逆滲透膜分隔開的一次室及二次室，進行滲透壓輔助型逆滲透法；及供水單元，向該一次室供給被處理水，且於所述裝置及方法中，該供水單元利用陽離子交換裝置或陰離子交換裝置對被處理水的至少一部分進行處理，以使得向滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）。

Description

廢水的濃縮裝置及濃縮方法

本發明是有關於一種廢水的濃縮裝置，特別是有關於一種基於滲透壓輔助型逆滲透法的廢水的濃縮裝置。另外，本發明是有關於一種使用該濃縮裝置的廢水的濃縮方法。

經常看到將廢液濃縮而以有價物的形式回收或削減產廢費用的嘗試。於電子產業中，使用大量的異丙醇（Isopropanol，IPA），但就節約資源、除碳的觀點而言，有將其回收並再利用的動向。

自先前以來，作為將廢水濃縮的方法，一般使用基於蒸發器的蒸發法。於該方法中，由於伴隨水的相變，因此能量消耗大成為課題。若使用逆滲透（reverse osmosis，RO）膜，則不會伴隨水的相變，因此可期待能量消耗量的減低，但若廢水的滲透壓變高，則必需施加高壓力，而需要高壓規格的裝置。為了將濃度為1 wt%～5 wt%左右的IPA水溶液濃縮至IPA濃度15 wt%以上，需要10 MPa以上的壓力而並不現實。

有一種滲透壓輔助型逆滲透法（Osmotically Assisted Reverse Osmosis METHOD（OARO）法），其中，於利用逆滲透（RO）膜將高滲透壓的水溶液濃縮時，向透過水側流入較供給水側而言滲透壓低的水溶液，藉此減少滲透壓差，從而減低驅動壓力（專利文獻1等）。 於OARO法中，由於亦向透過側通液，因此於結構方面適合的是中空系RO膜。作為市售的中空系RO膜，已知有來自東洋紡股份有限公司的鹽水濃度（Brine Concentration，BC）膜。BC膜的素材為乙酸纖維素，因此需要使pH為3～8。

於將BC膜用於濃縮廢水的情況下，當廢水的pH低於3時或高於8時，需要進行pH調整，必須添加中和所需的鹼或酸，從而產生滲透壓的上升、濃縮鹽的增加、化學品費的增加等問題。 [現有技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特表2019-504763號公報

[發明所欲解決之課題] 於藉由滲透壓輔助型逆滲透法來濃縮廢水時，存在廢水的pH高於8的情況或低於3的情況。為了調整pH，一般考慮添加酸或鹼，但因中和而生成的鹽會使滲透壓進一步上升。另外，於以有機成分的濃縮為目的的情況下，所生成的鹽亦會同時被濃縮。

本發明的課題在於提供一種藉由調整向滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH而可穩定地進行廢水的濃縮處理的廢水的濃縮裝置及濃縮方法。 [解決課題之手段]

本發明的一態樣的廢水的濃縮裝置包括：滲透壓輔助型逆滲透裝置，具有由滲透壓輔助型逆滲透膜分隔開的一次室及二次室，進行滲透壓輔助型逆滲透法；及供水單元，向該一次室供給被處理水，且所述廢水的濃縮裝置的特徵在於，該供水單元具有離子交換裝置。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮裝置中，所述被處理水的pH為鹼性，所述離子交換裝置為陽離子交換裝置。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮裝置中，所述被處理水的pH為酸性，所述離子交換裝置為陰離子交換裝置。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮裝置中，所述供水單元構成為能夠將所述離子交換裝置的處理水與未進行離子交換處理的被處理水混合而使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮裝置中， 所述供水單元構成為能夠切換如下流路選擇： 將所述離子交換裝置的處理水與未進行離子交換處理的被處理水混合而使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）的流路選擇；及 將所述離子交換裝置的第一規定pH～第二規定pH的處理水供給至所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的流路選擇。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮裝置中， 所述供水單元構成為能夠切換如下流路選擇： 將所述離子交換裝置的處理水與未進行離子交換處理的被處理水混合而使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）的流路選擇； 將來自所述離子交換裝置的第一規定pH～第二規定pH的處理水供給至所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的流路選擇；及 於所述被處理水的pH為第一規定pH～第二規定pH的情況下，將該被處理水直接供給至所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的流路選擇。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮裝置中，滲透壓輔助型逆滲透膜的材質為乙酸纖維素。

本發明的一態樣的廢水的濃縮方法為使用廢水的濃縮裝置的廢水的濃縮方法，所述廢水的濃縮裝置包括：滲透壓輔助型逆滲透裝置，具有由滲透壓輔助型逆滲透膜分隔開的一次室及二次室；及供水單元，向該一次室供給被處理水且具有離子交換裝置，且所述廢水的濃縮方法包括利用向該離子交換裝置的通水對向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH進行調整的步驟。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮方法中，使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）。

於本發明的一態樣的廢水的濃縮方法中，於所述被處理水的pH高於第一規定pH時，利用陽離子交換裝置對被處理水的至少一部分進行處理，於被處理水的pH低於第二規定pH時，利用陰離子交換裝置對被處理水的至少一部分進行處理。 [發明的效果]

於本發明的一態樣中，於藉由滲透壓輔助型逆滲透法對高pH的廢水進行濃縮處理時，利用陽離子交換樹脂進行預處理，將有助於高pH的陽離子成分，並且藉由因離子交換而釋放出的氫離子來降低廢水的pH。另外，於藉由滲透壓輔助型逆滲透法對低pH的廢水進行濃縮處理的情況下，藉由利用陰離子交換樹脂進行預處理，將有助於低pH的陰離子成分去除，並且藉由因離子交換而釋放出的氫氧化物離子來使廢水的pH上升。

再者，於本發明的一態樣中，於對pH高於8的高pH廢水進行陽離子交換樹脂處理而pH低於3的情況下，能夠藉由與原來的高pH廢水混合來將pH調整為3～8。於對pH低於3的低pH廢水進行陰離子交換樹脂處理而pH高於8的情況下，亦能夠與原來的低pH廢水混合而將pH調整為3～8。再者，pH 3、pH 8為一例，並不限定於此。

如上所述，關於高pH的廢水的情況及低pH的廢水的情況的任一情況，均可藉由利用離子交換樹脂進行處理而同時進行鹽濃度的減低與pH調整。再者，於本發明中，即便於滲透壓輔助型逆滲透膜的材質為乙酸纖維素以外者且pH範圍並非3～8的情況下，以減低廢水中的酸、鹼、鹽為目的，亦可於離子交換樹脂處理後進行滲透壓輔助型逆滲透膜處理。

以下，參照圖式對實施形態進行說明。

圖1是本發明的實施形態的滲透壓輔助型逆滲透裝置的結構圖。作為被處理水的廢水（原廢水）自原水配管1導入至原水槽2。原水槽2內的原廢水藉由泵3而送至配管4。於配管4設置有pH計5。配管4分支成分支配管6、分支配管7、分支配管8。

分支配管6經由閥10而連接於陽離子交換樹脂塔13的流入側。陽離子交換樹脂塔13的流出側經由配管15而連接於合流配管20。

分支配管7經由閥11而連接於合流配管20。

分支配管8經由閥12而連接於陰離子交換樹脂塔14的流入側。陰離子交換樹脂塔14的流出側經由配管16而連接於合流配管20。

於配管15、配管16及合流配管20設置有pH計17、pH計18、pH計22。

於合流配管20設置有泵21，泵21的噴出側連接於滲透壓輔助型逆滲透裝置（OARO裝置）30的一次室31的流入口。OARO裝置30內由包含乙酸纖維素膜的滲透壓輔助型逆滲透膜33分隔成一次室31與二次室32。

於一次室31的流出口連接有濃縮水配管34。於該實施形態中，自濃縮水配管34分支的配管35連接於二次室32的流入口。於二次室32的流出口連接有稀釋水取出用的配管36。

所述pH計5、pH計17、pH計18、pH計22的輸出訊號被輸入至控制器23，根據來自控制器23的訊號來控制閥10、閥11、閥12。

基於該滲透壓輔助型逆滲透裝置的廢水的濃縮是藉由以下的（1）～（5）的流程的任一個來實施。 （1） pH高於8的廢水→陽離子交換樹脂處理→pH 3～8的廢水→滲透壓輔助型逆滲透膜處理 （2） pH高於8的廢水→陽離子交換樹脂處理→pH低於3的廢水→與原來的廢水混合→pH 3～8的廢水→滲透壓輔助型逆滲透膜處理 （3） pH低於3的廢水→陰離子交換樹脂處理→pH 3～8廢水→滲透壓輔助型逆滲透膜處理 （4） pH低於3的廢水→陰離子交換樹脂處理→pH高於8的廢水→與原來的廢水混合→pH 3～8的廢水→滲透壓輔助型逆滲透膜處理 （5） pH為3～8的廢水→直接滲透壓輔助型逆滲透膜處理

＜（1）的流程＞ 於（1）的流程的情況下，打開閥10，關閉閥11、閥12，將廢水通入至陽離子交換樹脂塔13。於此情況下，由pH計17、pH計22檢測的陽離子交換樹脂塔13的流出水的pH為3～8，因此直接通入至滲透壓輔助型逆滲透裝置30的一次室31，濃縮水自配管34流出。濃縮水的一部分自配管35通入至二次室32。一次室31內由於被施加泵21的噴出壓，因此處於水壓較二次室32內高的狀態。因此，H ₂O成分自一次室31內的廢水透過滲透壓輔助型逆滲透膜32並轉移至二次室32，一次室31流出水為濃縮水，二次室32流出水為稀釋水。

＜（2）的流程＞ 於（2）的流程中，打開閥10、閥11，關閉閥12。由pH計17檢測的陽離子交換樹脂塔13的流出水的pH未滿3，但藉由pH超過8的原廢水自配管7於合流配管20合流，而使合流配管20的pH為3～8。再者，對閥10、閥11的開度進行控制，以使得pH計22的檢測pH為3～8。

＜（3）的流程＞ 於（3）的流程的情況下，打開閥12，關閉閥10、閥11，將廢水通入至陰離子交換樹脂塔14。於此情況下，由pH計18、pH計22檢測的陰離子交換樹脂塔14的流出水的pH為3～8，因此直接通入至滲透壓輔助型逆滲透裝置30的一次室31，濃縮水自配管34流出。濃縮水的一部分自配管35通入至二次室32。一次室31內由於被施加泵21的噴出壓，因此處於水壓較二次室32內高的狀態。因此，H ₂O成分自一次室31內的廢水透過滲透壓輔助型逆滲透膜32並轉移至二次室32，一次室31流出水為濃縮水，二次室32流出水為稀釋水。

＜（4）的流程＞ 於（4）的流程中，打開閥11、閥12，關閉閥10。由pH計18檢測的陰離子交換樹脂塔14的流出水的pH超過8，但藉由pH未滿3的原廢水自配管7於合流配管20合流，而使合流配管20的pH為3～8。再者，對閥11、閥12的開度進行控制，以使得pH計22的檢測pH為3～8。

＜（5）的流程＞ 於（5）的流程的情況下，關閉閥10、閥12，打開閥11，原水槽2內的pH 3～8的廢水經由配管7、合流配管20、泵21而通入至滲透壓輔助型逆滲透裝置30的一次室31，濃縮水自配管34流出，稀釋水自配管36流出。

如上所述，於（1）～（5）的任一流程中，通入至滲透壓輔助型逆滲透裝置30的廢水的pH為3～8，即便滲透壓輔助型逆滲透膜33為乙酸纖維素膜，亦可不劣化地長期穩定地進行濃縮處理。

再者，滲透壓輔助型逆滲透膜並不限定於乙酸纖維素膜。

於所述實施形態中，用於向滲透壓輔助型逆滲透裝置30送入被處理水的泵21的噴出壓較佳為1 MPa～10 MPa左右、特別是3 MPa～8 MPa左右。

於所述實施形態中，第一規定pH=8、第二規定pH=3，但本發明並不限定於此。於本發明中，只要是第一規定pH為6～8、特別是7～8左右、第二規定pH為3～6、特別是3～5左右即可。 [實施例]

如圖2所示，使用如下試驗用滲透壓輔助型逆滲透系統對pH 11.2的廢水進行濃縮處理，所述試驗用滲透壓輔助型逆滲透系統構成為，包括陽離子交換樹脂塔47，並且串聯設置兩階段的滲透壓輔助型逆滲透裝置60、70，利用滲透壓輔助型逆滲透裝置70對來自滲透壓輔助型逆滲透裝置60的濃縮水進一步進行濃縮。主要條件如下所述。 廢水：來自電子產業的IPA廢水（pH 11.2、IPA濃度1.1 wt%、Na離子31 mg/L） 陽離子交換樹脂塔：填充陽離子交換樹脂（KR-UC1、栗田工業製造）125 mL 滲透壓輔助型逆滲透裝置：霍洛賽普迷你（HOLLOSEP MINI）（註冊商標）BC膜模塊（中空系膜模塊、膜面積1.1 m ²、東洋紡製造） 原水槽41的廢水量（通水開始前）：10 L 泵43的送水量：120 mL/min 升壓泵52的噴出壓：5.5 MPa 向二次室62、二次室72的導入水量：20 mL/min

[實施例1] 打開閥46、閥49，將廢水自配管42、泵43送至配管44、配管45兩者。再者，設為[向配管44的送水量]/[向配管45的送水量]=20/7。

自陽離子交換樹脂塔47向配管48的流出水的pH（pH計82檢測值）為3.3，Na濃度為0.2 mg/L，IPA濃度為1.1 wt%（與原水IPA濃度相同）。

於配管51合流的合流水的pH（pH計83檢測值）為4.0。藉由泵52而將該合流水供給至滲透壓輔助型逆滲透裝置60的一次室61，藉由配管64而將來自一次室61的濃縮水供給至滲透壓輔助型逆滲透裝置70的一次室71。

藉由分支配管76而將自一次室71向配管74流出的濃縮水的一部分（20 mL/min）通入至二次室72，藉由配管66而將所述流出水通入至滲透壓輔助型逆滲透裝置60的二次室62。藉由配管78而使自二次室62向配管67流出的稀釋水及來自配管74的濃縮水的剩餘部分返回至原水槽41。

＜結果＞ 運轉9天後，來自配管74的濃縮水中的IPA濃度於第4天、第8天為4.6 wt%。另外，對原水槽41中的乙酸濃度進行離子層析分析（裝置：ICS900、管柱：IonPacICE-AS1（賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）製造）），結果始終未滿作為檢測極限的0.5 mg/L。

[比較例1] 關閉閥46，打開閥49，將原水的總量直接通入至滲透壓輔助型逆滲透裝置60、滲透壓輔助型逆滲透裝置70，除此以外，進行與實施例1相同條件的試驗。

將原水槽41內的乙酸濃度的測定結果示於圖3中。

如圖3所示，乙酸濃度經時性上升。認為其原因在於，藉由在pH 11.2下運轉，作為BC膜的材料的乙酸纖維素水解而溶出乙酸。再者，比較例1的第4天的濃縮水IPA濃度為3.6 wt%，第8天的濃縮水IPA濃度為3.2 wt%。

根據以上的結果，確認到藉由在進行廢水的BC膜濃縮之前進行離子交換樹脂處理，將pH調整為3～8，可穩定地進行濃縮處理。

使用特定的態樣對本發明進行了詳細說明，但本領域技術人員明確：能夠於發揮發明的效果的範圍內進行各種變更。 本申請案基於2022年10月5日提出申請的日本專利申請案2022-161068，藉由引用而援引其全體內容。

1:原水配管 2、41:原水槽 3、21、43:泵 4、15、16、35、36、42、44、45、46、48、49、51、64、66、67、74、78:配管 5、17、18、22、82、83:pH計 6、8、76:分支配管 7:分支配管/配管 10、11、12、46、49:閥 13、47:陽離子交換樹脂塔 14:陰離子交換樹脂塔 20:合流配管 23:控制器 30、60、70:滲透壓輔助型逆滲透裝置/OARO裝置 31、61、71:一次室 32、62、72:二次室 33、63、73:滲透壓輔助型逆滲透膜 34:濃縮水配管/配管 52:升壓泵/泵

圖1是實施形態的滲透壓輔助型逆滲透裝置的結構圖。 圖2是實施例的滲透壓輔助型逆滲透裝置的結構圖。 圖3是表示實驗結果的曲線圖。

1:原水配管

2:原水槽

3、21:泵

4、15、16、35、36:配管

5、17、18、22:pH計

6、7、8:分支配管

10、11、12:閥

13:陽離子交換樹脂塔

14:陰離子交換樹脂塔

20:合流配管

23:控制器

30:滲透壓輔助型逆滲透裝置/OARO裝置

31:一次室

32:二次室

33:滲透壓輔助型逆滲透膜

34:濃縮水配管

Claims (10)

1. 一種廢水的濃縮裝置，包括：滲透壓輔助型逆滲透裝置，具有由滲透壓輔助型逆滲透膜分隔開的一次室及二次室，進行滲透壓輔助型逆滲透法；及供水單元，向所述一次室供給被處理水，且所述廢水的濃縮裝置的特徵在於， 所述供水單元具有離子交換裝置。
2. 如請求項1所述的廢水的濃縮裝置，其中，所述被處理水的pH為鹼性，所述離子交換裝置為陽離子交換裝置。
3. 如請求項1所述的廢水的濃縮裝置，其中，所述被處理水的pH為酸性，所述離子交換裝置為陰離子交換裝置。
4. 如請求項1所述的廢水的濃縮裝置，其中，所述供水單元構成為能夠將所述離子交換裝置的處理水與未進行離子交換處理的被處理水混合而使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）。
5. 如請求項1所述的廢水的濃縮裝置，其中， 所述供水單元構成為能夠切換如下流路選擇： 將所述離子交換裝置的處理水與未進行離子交換處理的被處理水混合而使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）的流路選擇；及 將所述離子交換裝置的第一規定pH～第二規定pH的處理水供給至所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的流路選擇。
6. 如請求項1所述的廢水的濃縮裝置，其中， 所述供水單元構成為能夠切換如下流路選擇： 將所述離子交換裝置的處理水與未進行離子交換處理的被處理水混合而使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）的流路選擇； 將來自所述離子交換裝置的第一規定pH～第二規定pH的處理水供給至所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的流路選擇；及 於所述被處理水的pH為第一規定pH～第二規定pH的情況下，將所述被處理水直接供給至所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的流路選擇。
7. 如請求項1至6中任一項所述的廢水的濃縮裝置，其中，滲透壓輔助型逆滲透膜的材質為乙酸纖維素。
8. 一種廢水的濃縮方法，使用廢水的濃縮裝置，所述廢水的濃縮裝置包括：滲透壓輔助型逆滲透裝置，具有由滲透壓輔助型逆滲透膜分隔開的一次室及二次室；及供水單元，向所述一次室供給被處理水且具有離子交換裝置，且所述廢水的濃縮方法包括如下步驟，即 利用向所述離子交換裝置的通水對向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH進行調整的步驟。
9. 如請求項8所述的廢水的濃縮方法，其中，使向所述滲透壓輔助型逆滲透裝置的供水的pH為第一規定pH～第二規定pH（其中，第一規定pH為鹼性的pH，第二規定pH為酸性的pH）。
10. 如請求項9所述的廢水的濃縮方法，其中，於所述被處理水的pH高於第一規定pH時，利用陽離子交換裝置對被處理水的至少一部分進行處理， 於被處理水的pH低於第二規定pH時，利用陰離子交換裝置對被處理水的至少一部分進行處理。