TWI674923B - 電氣式去離子裝置、去離子水之製造方法及純水製造裝置 - Google Patents
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Abstract
提供一種相較於習知之高性能電氣式去離子裝置，硼去除性能被更加改善的電氣式去離子裝置。本發明之電氣式去離子裝置係具有陰極及陽極；及藉由在該陰極與陽極之間排列複數陽離子交換膜及陰離子交換膜而交替形成的濃縮室及脫鹽室，在該脫鹽室被填充有離子交換樹脂的電氣式去離子裝置，該離子交換樹脂為平均粒徑100~300μm的離子交換樹脂。較佳為該離子交換樹脂的均一係數為1.1以下。
Description
本發明係關於可高度去除被處理水中的硼的電氣式去離子裝置及純水製造裝置、及使用該電氣式去離子裝置之去離子水之製造方法。
由自來水、地下水、工業用水等原水製造超純水的超純水製造裝置，基本上係由前處理裝置、一次純水製造裝置、及二次純水製造裝置所構成。前處理裝置係由凝集、浮上、過濾、澄清膜裝置等所構成。一次純水製造裝置係由活性碳吸附塔、紫外線(UV)氧化裝置、化學氧化裝置、除氣裝置等之中的1種或2種以上的裝置、及脫鹽裝置所構成。脫鹽裝置係藉由逆浸透(RO)膜分離裝置、電氣式去離子裝置、離子交換裝置(混合床式離子交換裝置或離子交換純水裝置)的1種或2種以上的組合所構成。二次純水製造裝置係適當組合與一次純水製造裝置相同的裝置單位者，一般而言，由低壓UV氧化裝置、混合床式離子交換裝置、及超微過濾(UF)膜分離
裝置所構成。
在該等各裝置單位中，原水的脫鹽係以RO膜分離裝置、電氣式去離子裝置、及混合床式離子交換裝置進行。原水中之微粒子的去除係以RO膜分離裝置、及UF膜分離裝置進行。TOC成分的去除係以RO膜分離裝置、離子交換純水裝置、低壓UV氧化裝置進行。
近年來，在超純水製造中，關於硼，係逐漸圖求例如1ppt以下之嚴謹的水質。
在RO膜分離裝置與電氣式去離子裝置的組合中，亦已提出一種硼去除率高的電氣式去離子裝置(例如栗田工業(股)製「KCDI-UPz」等)，但是即使為如上所示之高性能的電氣式去離子裝置，其硼去除率亦為99.9%左右。因此，例如以RO膜分離裝置處理硼濃度20ppb左右的被處理水而得硼濃度10ppb左右的RO透過水，即使以硼去除率99.9%的電氣式去離子裝置將其進行處理，所得之處理水(去離子水)的硼濃度亦僅為10ppt，並無法獲得硼濃度1ppt以下的處理水。
一般的電氣式去離子裝置亦已提供一種在陰極與陽極之間交替排列複數陽離子交換膜與陰離子交換膜，藉此交替形成濃縮室及脫鹽室，在脫鹽室填充離子交換樹脂而成，另外在濃縮室亦填充有離子交換樹脂者。
在習知之電氣式去離子裝置中，被填充在脫鹽室，甚至濃縮室的離子交換樹脂係粒徑500~600μm左右者，此外，大多數情形下並未考慮到有關粒徑均一性。
例如，在專利文獻1的實施例中，在電氣式去離子裝置的脫鹽室填充三菱化學(股)製「DIAION(註冊商標)SA10A」(平均粒徑540μm)作為陰離子交換樹脂、及三菱化學(股)製「DIAION(註冊商標)SK1B」(平均粒徑620μm)作為陽離子交換樹脂。
在專利文獻2係被提出一種去離子水製造裝置，其係在脫鹽室被填充有：具有粒徑不同的複數均一粒徑的離子交換樹脂粒子群的混合物，且具有最大均一粒徑的離子交換樹脂粒子群的粒徑為具有最小均一粒徑的離子交換樹脂粒子群的粒徑的1.5倍以上者。在專利文獻2中，具有最小均一粒徑的離子交換樹脂粒子群的粒徑被設為30~600μm，但是實施例中具體使用的離子交換樹脂係平均粒徑為630μm的陽離子交換樹脂、平均粒徑220μm的陽離子交換樹脂、及平均粒徑575μm的陰離子交換樹脂的25/22.5/52.5(重量比)的混合物。
在專利文獻3的實施例中，係記載在脫鹽室，將平均粒徑為600μm的陽離子交換樹脂與平均粒徑為550μm的陰離子交換樹脂以黏合劑進行成形的離子交換成形體填充在脫鹽室。
專利文獻1：日本特開2001-113281號公報
專利文獻2：日本特開平10-258289號公報
專利文獻3：日本特開2002-1345號公報
本發明之課題在提供相較於習知之高性能電氣式去離子裝置，硼去除性能被更加被改善的電氣式去離子裝置、及使用該電氣式去離子裝置之去離子水之製造方法及純水製造裝置。
本發明人等為解決上述課題而不斷精心研究的結果，發現藉由使用相較於以往所使用的離子交換樹脂為粒徑更小且均一粒徑的離子交換樹脂作為填充在電氣式去離子裝置的脫鹽室，甚至濃縮室的離子交換樹脂，可高度去除被處理水中的硼。
本發明係根據如上所示之知見而達成者，要旨如下。
〔1〕一種電氣式去離子裝置，其係具有陰極及陽極；及藉由在該陰極與陽極之間排列複數陽離子交換膜及陰離子交換膜而交替形成的濃縮室及脫鹽室，在該脫鹽室被填充有離子交換樹脂的電氣式去離子裝置，其特徵為：該離子交換樹脂為平均粒徑150~250μm且均一係數為1.1以下的離子交換樹脂。
〔2〕在〔1〕之電氣式去離子裝置中，前述離子交換樹脂為陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂。
〔3〕在〔2〕之電氣式去離子裝置中，前述離子交換樹脂在前述脫鹽室的通水方向的入口側，為陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=60~90：40~10(乾燥重
量比)的混合樹脂，在出口側，為陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=40~60：60~40(乾燥重量比)的混合樹脂。
〔4〕在〔1〕至〔3〕中任一者之電氣式去離子裝置中，在前述濃縮室被填充有平均粒徑100~300μm的離子交換樹脂。
〔5〕在〔4〕之電氣式去離子裝置中，被填充在前述濃縮室的離子交換樹脂的均一係數為1.1以下。
〔6〕在〔4〕之電氣式去離子裝置中，被填充在前述濃縮室的離子交換樹脂為陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂。
〔7〕在〔6〕之電氣式去離子裝置中，被填充在前述濃縮室的離子交換樹脂為陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=40~70：60~30(乾燥重量比)的混合樹脂。
〔8〕一種去離子水之製造方法，其特徵為：將被處理水通水至〔1〕至〔7〕中任一者之電氣式去離子裝置的前述脫鹽室，將該脫鹽室的流出水的一部分，以與該脫鹽室的通水方向為相反方向通水至前述濃縮室，將殘部排出作為處理水。
〔9〕一種純水製造裝置，其特徵為：具備有：〔1〕至〔7〕中任一者之電氣式去離子裝置；及被設在該電氣式去離子裝置的前段的逆浸透膜分離裝置。
藉由本發明，可高度去除被處理水中的硼，且可得硼濃度1ppt以下的處理水。
以下詳細說明本發明之實施形態。
本發明之特徵為：在電氣式去離子裝置的脫鹽室填充平均粒徑100~300μm，較佳為均一係數為1.1以下的離子交換樹脂。
在本發明中，藉由使用平均粒徑100~300μm之比以往被使用的平均粒徑500~600μm左右的離子交換樹脂更為小粒徑的離子交換樹脂所得之電氣式去離子裝置的硼去除性能的提升效果的作用機構的詳細內容雖不明確，惟考慮如下。
相對於粒徑500~600μm左右之習知品，若使用平均粒徑100~300μm的小粒徑的離子交換樹脂，對同一量的離子交換樹脂，參與硼之吸附去除的離子交換樹脂的表面積成為4~5倍，被離子交換樹脂吸附的硼傳至離子交換樹脂的表面而被排出至濃縮室的效率大幅提升。
在該情形下，藉由使用均一係數1.1以下之粒徑一致的離子交換樹脂，即使使用小粒徑的離子交換樹脂而填充在脫鹽室內時的空隙率係可形成為與使用大粒徑的離子交換樹脂時為大致同等，可抑制脫鹽室內的通水差壓增加，較為理想。
若填充在脫鹽室的離子交換樹脂的平均粒徑超出300μm，無法充分獲得藉由使用小粒徑的離子交換樹脂所得之本發明之效果。另一方面，平均粒徑小於100μm的離子交換樹脂有在處理性或通水阻力方面較不理想的情形，此外，由取得容易性的觀點來看，亦為離子交換樹脂的平均粒徑係設為100μm以上。本發明中所使用的離子交換樹脂的平均粒徑係以150~250μm的範圍為佳。
本發明中所使用的離子交換樹脂係如上所述，以粒徑均一為佳，離子交換樹脂的均一係數為1.1以下，尤其以1.05以下為佳。離子交換樹脂的均一係數的下限為1.0。在此，離子交換樹脂的均一係數係可按照定則，例如三菱化學股份有限公司離子交換樹脂事業部發行「DIAION指南I」第4版(平成20(西元2008)年10月10日)第70~71頁所記載之周知的算出法來算出。
以滿足上述平均粒徑及均一係數的離子交換樹脂而言，可使用市售品。例如，可使用在後述實施例之項中記載的離子交換樹脂。亦可將市售之大粒徑的離子交換樹脂粉碎、分級、粒度調整來使用。
在脫鹽室通常被填充陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂作為離子交換樹脂。因此，該陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的各個以滿足前述平均粒徑及均一係數為佳，較佳為陰離子交換樹脂的平均粒徑與陽離子交換樹脂的平均粒徑係大致同等(在此所謂同等係指平均粒徑差為100μm以下)，關於均一係數，亦大致同
等(在此所謂同等係指均一係數差為0.05以下)。
填充在脫鹽室的陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂的混合比例係陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=60~90：40~10，尤其以60~80：40~20(乾燥重量比)的範圍為佳。被填充在脫鹽室的混合樹脂係可在上述混合比例的範圍內，在所有部位均為相同，亦可在脫鹽室的通水方向的入口側與出口側為不同。例如，亦可在脫鹽室的通水方向的入口側(上游側)的通水流路的長度之中1/2~1/3的區域，填充陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=60~90：40~10，較佳為70~80：30~20(乾燥重量比)的混合樹脂，在其他部位(出口側的部位)填充陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=40~60：60~40，較佳為50~60：50~40(乾燥重量比)的混合樹脂。
如上所示，在入口側，陰離子被有效去除，而形成為鹼氣體環境，因此碳酸、二氧化矽、硼更容易離子化，容易在電氣式去離子裝置被去除。
本發明之電氣式去離子裝置係為實現較高的硼去除率，以在濃縮室亦填充離子交換樹脂為佳。填充在濃縮室的離子交換樹脂亦另外基於與填充在脫鹽室的離子交換樹脂相同的理由，以平均粒徑100~300μm，較佳為150~250μm，均一係數1.1以下，較佳為1.0~1.05的離子交換樹脂為佳。
填充在濃縮室的離子交換樹脂亦以陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂為佳。尤其，以陰離
子交換樹脂：陽離子交換樹脂=40~70：60~30，較佳為50~70：50~30(乾燥重量比)的混合樹脂為佳。
本發明之電氣式去離子裝置係如上所述，除了使用特定的離子交換樹脂作為填充在脫鹽室，更佳為甚至濃縮室的離子交換樹脂以外，係形成為與藉由在陰極與陽極之間交替排列複數陽離子交換膜與陰離子交換膜，交替設置濃縮室與脫鹽室的一般電氣式去離子裝置為相同的構成。
脫鹽室的厚度(區劃形成脫鹽室之鄰接的陰離子交換膜與陽離子交換膜的距離)若由離子移動效率，亦即移動距離的觀點來看，以薄者為佳，若由裝置製作容易度的觀點來看，則以厚者為佳。脫鹽室之較佳厚度為2.0~8.0mm。
濃縮室的厚度較佳為與脫鹽室的厚度同等。
本發明之去離子水之製造方法係將被處理水通水至如上所示之本發明之電氣式去離子裝置來進行去離子處理的方法。將被處理水通水至電氣式去離子裝置的脫鹽室，將處理水(脫鹽室的流出水)的一部分，例如10~30%左右，以與脫鹽室的通水方向為相反方向通水至濃縮室，在獲得較高之硼去除率方面較為理想。此時的通水速度若由硼去除率及處理效率方面來看，較佳為脫鹽室的通水LV為50~150m/hr，濃縮室的通水LV為10~30m/hr左右。
被處理水的通水處理時的電氣式去離子裝置
的電流密度為500mA/dm2以上，以例如1000~1500mA/dm2為佳。
本發明之電氣式去離子裝置尤其較佳為被使用作為設在純水製造裝置之RO膜分離裝置的後段的電氣式去離子裝置。以本發明之電氣式去離子裝置處理來自RO膜分離裝置的硼濃度10~20ppb左右的RO透過水，可有效率地獲得硼濃度1ppt以下的處理水。
本發明之純水製造裝置若為具有：RO膜分離裝置、及其後段之本發明之電氣式去離子裝置者即可。RO膜分離裝置並非侷限於1段，亦可設為2段以上的多段。此外，亦可在RO膜分離裝置的前段設置活性碳塔或凝集、浮上、過濾、澄清膜裝置等前處理裝置。亦可在RO膜分離裝置與電氣式去離子裝置之間設置UV氧化裝置或除氣膜裝置。亦可在電氣式去離子裝置的後段設置UV氧化裝置或混合床式離子交換裝置，甚至UF膜分離裝置。
以下列舉實施例，更加具體說明本發明。
使用三菱化學(股)製「DIAION(註冊商標)UMA150」(平均粒徑200μm、均一係數1.03)作為陰離子交換樹脂，使用三菱化學(股)製「DIAION(註冊商
標)UBK550」(平均粒徑200μm、均一係數1.05)作為陽離子交換樹脂，在陽極與陰極之間交替排列複數陰離子交換膜及陽離子交換膜，將交替形成有濃縮室及脫鹽室的電氣式去離子裝置(栗田工業(股)製「KCDI-UPz」)，以脫鹽室及濃縮室的通水方向成為鉛直方向的方式設置，在脫鹽室及濃縮室填充離子交換樹脂如以下所示。脫鹽室及濃縮室的厚度為5mm，離子交換樹脂的填充高度為60cm。
脫鹽室：在入口側的30cm的通水流路填充陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=8：2(乾燥重量比)的混合樹脂，在其之後的出口側的通水流路填充陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=5：5(乾燥重量比)的混合樹脂。
濃縮室：填充陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=5：5(乾燥重量比)的混合樹脂。
以電流密度1200mA/dm2流通電流至該電氣式去離子裝置，將硼濃度10ppb的被處理水，以LV=100m/hr向下流通水至脫鹽室，將脫鹽室的流出水的20%，以LV=20m/hr向上流通水至濃縮室，取出殘部作為處理水。
所得之處理水(脫鹽室流出水)的硼濃度為1ppt以下，可達成硼去除率99.99%。
在實施例1中，以相同條件，將被處理水通水至除了使用分別粒徑為500~600μm者作為陰離子交換樹脂及陽離子交換樹脂以外被形成為相同構成的電氣式去離子裝置，所得之處理水的硼濃度為9ppt，硼去除率與習知裝置相同為99.9%。
以上使用特定態樣，詳細說明本發明，惟該領域熟習該項技術者清楚可知在未脫離本發明之意圖與範圍之情形下可為各種變更。
本申請案係根據2015年2月17日申請之日本專利申請案2015-028736，藉由引用而沿用其全體。
Claims (9)
- 一種電氣式去離子裝置，其係具有陰極及陽極；及藉由在該陰極與陽極之間排列複數陽離子交換膜及陰離子交換膜而交替形成的濃縮室及脫鹽室，在該脫鹽室被填充有離子交換樹脂的電氣式去離子裝置，其特徵為：該離子交換樹脂為平均粒徑150~250μm且均一係數為1.1以下的離子交換樹脂，該脫鹽室的流出水的一部分以與該脫鹽室的通水方向為相反方向被通水至前述濃縮室，殘部被排出作為處理水，所得的該處理水中的硼去除率為99.99%以上。
- 如申請專利範圍第1項之電氣式去離子裝置，其中，前述離子交換樹脂為陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂。
- 如申請專利範圍第2項之電氣式去離子裝置，其中，前述離子交換樹脂在前述脫鹽室的通水方向的入口側，為陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=60~90：40~10(乾燥重量比)的混合樹脂，在出口側，為陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=40~60：60~40(乾燥重量比)的混合樹脂。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之電氣式去離子裝置，其中，在前述濃縮室被填充有平均粒徑100~300μm的離子交換樹脂。
- 如申請專利範圍第4項之電氣式去離子裝置，其中，被填充在前述濃縮室的離子交換樹脂的均一係數為 1.1以下。
- 如申請專利範圍第4項之電氣式去離子裝置，其中，被填充在前述濃縮室的離子交換樹脂為陰離子交換樹脂與陽離子交換樹脂的混合樹脂。
- 如申請專利範圍第6項之電氣式去離子裝置，其中，被填充在前述濃縮室的離子交換樹脂為陰離子交換樹脂：陽離子交換樹脂=40~70：60~30(乾燥重量比)的混合樹脂。
- 一種去離子水之製造方法，其特徵為：將被處理水通水至如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之電氣式去離子裝置的前述脫鹽室，將該脫鹽室的流出水的一部分，以與該脫鹽室的通水方向為相反方向通水至前述濃縮室，將殘部排出作為處理水。
- 一種純水製造裝置，其特徵為：具備有：如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之電氣式去離子裝置；及被設在該電氣式去離子裝置的前段的逆浸透膜分離裝置。
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