WO2021131360A1 - 純水製造方法、純水製造システム、超純水製造方法及び超純水製造システム - Google Patents

純水製造方法、純水製造システム、超純水製造方法及び超純水製造システム Download PDF

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Abstract

膜脱気装置を用いることなく、安定した運転が可能な超純水製造方法、超純水製造システム、純水製造方法及び純水製造システムを提供する。被処理水を、第1の逆浸透膜装置2で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置3及びホウ素除去装置4の順で処理して、ホウ素濃度が1ng/L以下である超純水を得る超純水製造方法であって、電気式脱イオン装置3の被処理水が、炭酸を1mg/L超含有し、かつ、電気式脱イオン装置3の処理水が、炭酸が除去され、ホウ素を1μg/L以下含有する超純水製造方法。

Description

純水製造方法、純水製造システム、超純水製造方法及び超純水製造システム
 本発明は、原水中に含まれるホウ素を十分に除去して、所望の水質となる超純水が得られる超純水製造方法及び超純水製造システム並びに水質と水回収率のバランスが良好な純水製造方法及び純水製造システムに関する。
 従来、水処理において、各種イオン成分や硬度成分の除去のため、膜処理手段、イオン交換手段、脱炭酸装置等を用いて、純水や超純水が製造されている。
 また、半導体製造のような非常に精密な機器を製造する現場においては、その製造する部品について高い清浄度が求められ、この部品等の洗浄には超純水が用いられる。近年では、この超純水中のホウ素の含有量も非常に低いレベルが求められ、種々の水処理方法が検討されている。
 また、安全性などの面から、近年は、薬液を使用しない方法での超純水製造が求められている。
 電気式脱イオン装置は、硬度スケールを発生させることなく、ホウ素の除去も良好に行えるため、高純度の水を得るために有用で、超純水製造システムに好適に用いられる装置である。しかも、通常のイオン交換樹脂塔と異なり、酸やアルカリのような薬液による再生が必要ないため、近年、超純水装置製造への利用が急激に進んでいる。
 なお、電気式脱イオン装置は、被処理水中に硬度成分と炭酸の両者が含有されていると、硬度スケールが発生し、処理水質の低下を招くため、通常、電気式脱イオン装置の前段に、硬度成分を除去する逆浸透膜装置と、炭酸を除去する脱炭酸装置が設けられ、超純水製造システムが構成されている(例えば、特許文献1~2参照)。なお、電気式脱イオン装置の被処理水中に炭酸が含有されていると、電気式脱イオン装置のホウ素除去能力が低下することも知られている(例えば、特許文献1参照)。
 また、超純水の製造においては、DO(溶存酸素)を高度に除去する必要もあり、真空脱気装置、脱気膜装置が使われるが、前記脱炭酸装置がこの機能を担う場合も多い。
特開2014-575号公報 特開2017-56384号公報
 脱炭酸装置しては、脱気塔、真空脱気塔、脱気膜等が存在するが、電気式脱イオン装置の前段に設置する脱炭酸装置としては、薬液不使用で運転可能で、かつ装置が小型であるということ、炭酸の除去能力が高いこと、さらに、DO(溶存酸素)も除去可能という観点から、脱気膜を用いた膜脱気装置(MDG)が用いられることが多いが、この膜脱気装置は、多数の中空糸を束ねた中空糸膜からなり、この中空糸間の隙間は、例えば150μm程度と狭くなっている。そのため、膜脱気装置は異物に対して脆弱な構造である。
 そのため、超純水製造システム内で、何らかの原因によって異物が混入して、その異物を含む被処理水が膜脱気装置に供給されると、詰まりが発生して処理を継続することができなくなる。一方、超純水製造システムにおいては、継続して超純水を供給することが強く求められており、膜脱気装置を用いる限り、現状、そのリスクを解消する方法が存在しない。
 そこで、本発明は、炭酸除去のための膜脱気装置を用いることなく、安定した運転が可能な超純水製造方法及び超純水製造システムの提供を目的とする。また、その検討過程において見出した、水質と水回収率とのバランスの良好な純水製造方法及び純水製造システムの提供も目的とする
 本発明の超純水製造方法は、被処理水を、第1の逆浸透膜装置で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置及びホウ素除去装置の順で処理して、ホウ素濃度が1ng/L以下である超純水を得る超純水製造方法であって、前記電気式脱イオン装置の被処理水が、炭酸を1mg/L超含有し、かつ、前記電気式脱イオン装置の処理水が、前記炭酸が除去され、ホウ素を1μg/L以下含有することを特徴とする。
 本発明の純水製造方法は、被処理水を、第1の逆浸透膜装置で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置で処理する純水製造方法において、前記電気式脱イオン装置の被処理水が、炭酸を1mg/L超含有し、前記電気式脱イオン装置の濃縮水を、前記第1の逆浸透膜装置の濃縮水と混合して混合濃縮水とし、その混合濃縮水を第2の逆浸透膜装置に通水して得られた透過水を前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させることを特徴とする
 本発明の超純水製造システムは、被処理水を、第1の逆浸透膜装置、電気式脱イオン装置及びホウ素除去装置で順番に処理して、ホウ素濃度が1ng/L以下である超純水を得るための超純水製造装置であって、前記第1の逆浸透膜装置の濃縮水と前記電気式脱イオン装置の濃縮水との濃縮混合水を処理するための第2の逆浸透膜装置と、前記第2の逆浸透膜装置の透過水を、前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させる循環配管と、を有することを特徴とする。
 本発明の純水製造システムは、被処理水を、第1の逆浸透膜装置及び電気式脱イオン装置で順番に処理する純水製造装置であって、前記第1の逆浸透膜装置の濃縮水と前記電気式脱イオン装置の濃縮水との濃縮混合水を処理するための第2の逆浸透膜装置と、前記第2の逆浸透膜装置の透過水を、前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させる循環配管と、を有することを特徴とする。
 本発明の超純水製造方法及び超純水製造システムによれば、炭酸除去のための膜脱気装置を使用することなく、炭酸及びホウ素の除去を達成でき、かつ、異物の混入に起因する膜脱気装置の詰まりの不具合を生じることがないため、超純水製造システムの安定した運転を可能とする。
 したがって、本発明の超純水製造方法及び超純水製造システムによれば、所定の水質の超純水を長期間安定して得ることができる。
 また、本発明の純水製造方法及び純水製造システムによれば、炭酸除去のための膜脱気装置を使用することなく水処理でき、異物の混入に起因する膜脱気装置の詰まりの不具合を生じることがないため、安定した純水製造ができる。また、本発明の純水製造方法は、水質と水回収率のバランスが良好な処理水を得ることができる。
本発明の一実施形態に係る超純水製造方法に用いる超純水製造システムの概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る他の超純水製造方法に用いる超純水製造システムの概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係るさらに他の超純水製造方法に用いる超純水製造システムの概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る純水製造方法に用いる純水製造システムの概略構成を示した図である。 実施例3の純水製造システムと、その比較となるシステムとの、水質の相違を説明する図である。
 以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
 まず、本発明の第1の実施形態に係る超純水製造方法について、図1を参照しながら詳細に説明する。
[超純水製造方法]
 本発明の一実施形態である超純水製造方法は、被処理水を、第1の逆浸透膜装置で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置及びホウ素除去装置の順で処理して、ホウ素濃度が1ng/L以下である超純水を得る超純水製造方法である。
 そして、この超純水製造方法においては、電気式脱イオン装置の被処理水が、炭酸を1mg/L超含有し、かつ、電気式脱イオン装置の処理水が、炭酸が除去され、ホウ素を1μg/L以下含有することを特徴とする。
 この超純水製造方法を説明するにあたって、まず、この超純水製造方法に用いる超純水製造システムについて、図面を参照しながら説明する。ここで用いられる超純水製造システムは、図1に示したように、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、ホウ素除去装置4の順番で被処理水を処理する構成となっている超純水製造システム1である。
 本実施形態で用いられる第1の逆浸透膜装置2(RO1)は、本分野で公知の逆浸透膜装置を特に限定せずに用いることができ、被処理水中に含まれる有機不純物や塩類を除去する。第1の逆浸透膜装置2に使用される逆浸透膜としては、例えば、酢酸セルロース、脂肪族ポリアミド系若しくは芳香族ポリアミド系又はこれらの複合系からなる各種有機高分子膜或いはセラミック膜等が使用できる。
 また、第1の逆浸透膜装置2に使用される逆浸透膜としては、超低圧型、低圧型、中圧型又は高圧型のいずれも適用することができるが、ホウ素除去率の観点から中圧型又は高圧型が好ましい。例えば、原水のホウ素濃度が高い場合には、中圧型又は高圧型を用いることで、後段のホウ素除去の負担を軽減することが可能である。膜モジュールの形式としては、中空糸型モジュール、管状型モジュール、スパイラル型モジュール、平膜型モジュール等が適用でき、単位容積あたりの膜面積が大きくとれるスパイラル型モジュールが好ましい。
 この第1の逆浸透膜装置2は、逆浸透膜装置を2つ直列に接続した2段逆浸透膜装置(2段RO)としてもよい。電気式脱イオン装置3への供給水の水質が向上するため、電気式脱イオン装置3以降への負担が小さくなり、得られる超純水の水質の向上が期待される。また、本実施形態においては、電気式脱イオン装置3の供給水の水質の許容範囲が広いため、第1の逆浸透膜装置2は1段で行うことにより、純水装置1を簡略化させ、かつ高純度な超純水を得ることも可能である。
 本実施形態で用いられる電気式脱イオン装置3(EDI)は、本分野で公知の電気式脱イオン装置を特に限定せずに用いることができ、主として塩類を除去する。電気式脱イオン装置3は、第1の逆浸透膜装置2で得られた透過水中のイオン成分を除去すると共に、炭酸及びホウ素も除去する。
 電気式脱イオン装置3は、例えば、陽極と陰極の間に交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とを有し、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜によって仕切られた脱塩室と、除去されたイオン成分を含む濃縮水が流入する濃縮室とを交互に有している。そして、電気式脱イオン装置3は、脱塩室内に充填された陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂との混合体と、直流電圧を印加するための電極を有している。
 電気式脱イオン装置3において、例えば、被処理水は脱塩室及び濃縮室に並行して供給され、脱塩室の陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂の混合体が被処理水中のイオン成分を吸着する。吸着されたイオン成分は直流電流の作用により濃縮室に移行されて、濃縮室の濃縮水は系外に排出される。
 電気式脱イオン装置3は、イオン交換樹脂を再生するための、酸やアルカリのような薬品を一切使用せずに連続的にイオン成分の除去を行うことができる。そのため、超純水製造における安全性の向上や製造コスト削減、装置の小型化などを実現することができ、製造効率の向上につながる。
 本実施形態で用いられるホウ素除去装置4は、電気式脱イオン装置3の後段に配置され、電気式脱イオン装置3で処理された処理水から、さらにホウ素を効率よく除去できる装置である。このホウ素除去装置4としては、例えば、電気式脱イオン装置、ホウ素選択性イオン交換樹脂装置或いはホウ素選択性イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂及び/又は陰イオン交換樹脂の混床式イオン交換樹脂装置のいずれかが挙げられる。以下、これら装置について説明する。
 電気式脱イオン装置は、上記した電気式脱イオン装置3における説明と同一内容であるため省略する。なお、このホウ素除去装置4として電気式脱イオン装置を選択した場合、2つの電気式脱イオン装置が直列に接続した、2段の電気式脱イオン装置(2段EDI)という構成となる。
 ホウ素選択性イオン交換樹脂装置は、ホウ素を選択的に吸着できる公知のものが挙げられ、特に限定されることなく用いることができる。このホウ素選択性イオン交換樹脂としては、具体的には、官能基として多価アルコール基を導入した、例えばアンバーライト(登録商標:ローム・アンド・ハース社製)IRA-743T、ダイヤイオンCRB02(三菱化成社製)等を挙げることができる。
 また、ホウ素選択性イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂及び/又は陰イオン交換樹脂の混床式イオン交換樹脂装置は、イオン交換樹脂塔に上記したホウ素選択性イオン交換樹脂と、その他のイオン交換樹脂とを混合した混床式の構成である。この場合、ホウ素選択性イオン交換樹脂と混合するイオン交換樹脂として、例えば、強酸性陽イオン交換樹脂及び/又は強塩基性陰イオン交換樹脂を混合したものが例示できる。より具体的には、ホウ素選択性イオン交換/陽イオン交換混床樹脂、ホウ素選択性イオン交換/陰イオン交換混床樹脂、ホウ素選択性イオン交換/陽イオン交換/陰イオン交換混床樹脂が挙げられる。
 ここで、強酸性陽イオン交換樹脂としては、イオン交換樹脂の加水分解が少なく有機陽イオン成分の超純水への溶出が少ないため、官能基としてスルホン酸基を有するスチレン系樹脂などが好ましい。強酸性陽イオン交換樹脂としては、イオン選択性の低い陽イオン成分を除去できることからH型が好ましい。
 ここで用いられる強酸性陽イオン交換樹脂の市販品として、Duolite  CGP(ローム・アンド・ハース社製)、ダイヤイオンSKT20L(三菱化学(株)社製)等が挙げられる。
 また、強塩基性陰イオン交換樹脂としては、イオン交換樹脂の加水分解が少なく有機系陰イオン成分の超純水への溶出が少ないため、官能基として第4級アンモニウム基を有するスチレン系樹脂などが好ましく用いられる。強塩基性陰イオン交換樹脂は、イオン選択性の低い陰イオン成分を除去できることからOH型が好ましい。
 ここで用いられる強塩基性陰イオン交換樹脂の市販品として、Duolite  AGP(ローム・アンド・ハース社製)、ダイヤイオンSAT20L(三菱化学(株)社製)等が挙げられる。
 このような超純水製造システムを用いる場合、被処理水を第1の逆浸透膜装置2で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置3で処理し、さらにホウ素除去装置4で処理する。このとき、第1の逆浸透膜装置2及びホウ素除去装置4は、従来公知の方法により処理を行えばよい。一方、電気式脱イオン装置3は、その被処理水として炭酸とホウ素を含有しており、それらの除去をバランスよく行うように運転、処理する。
 第1の逆浸透膜装置2の被処理水(供給水)としては、シリカスケールの発生抑制の観点から、シリカ成分に対する硬度成分の比の値[硬度/シリカ]を1以上とすることが好ましい。この比の値は、より好ましくは2以上、さらに好ましくは、5以上である。 
 上記の比[硬度/シリカ]は、例えば、次の式で算出できる。
 [硬度/シリカ] = 硬度濃度(Ca+Mgの炭酸カルシウム換算値) ÷ シリカ濃度(as SiO
 また、第1の逆浸透膜装置2への被処理水(供給水)は、必要に応じ、酸やアルカリを添加してpHを調整してもよい。また、必要に応じシリカスケール防止剤、硬度スケール防止剤や制菌剤を添加していてもよい。
 第1の逆浸透膜装置2は、通常公知の超純水製造方法と同様に運転すればよく、その水回収率は、硬度スケールやシリカスケールの発生を避けるため、ランゲラーインデックスやシリカの飽和溶解度等を考慮して設定する。水質にもよるが、例えば、第1の逆浸透膜装置2の水回収率は70~90%程度で運転可能である。
 すなわち、電気式脱イオン装置3に供給する被処理水を炭酸濃度が1mg/L超、好ましくは1mg/L超50mg/L以下含有するものとしつつ、処理後の処理水として炭酸を十分に除去し(例えば、10μg/L(ppb)以下となるように)、かつ、ホウ素濃度を1μg/L以下とする。これは、電気式脱イオン装置3の被処理水としては、その前段で炭酸が十分に除去されておらず(脱炭酸装置が設けられておらず)、その処理後の処理水では、炭酸濃度が低減され、かつ、ホウ素濃度も所定の濃度以下となるように処理されることを表している。
 なお、電気式脱イオン装置3の処理水としては、ホウ素濃度が500ng/L(ppt)以下の処理水がより好ましく、ホウ素濃度が100ng/L(ppt)以下の処理水がさらに好ましい。
 電気式脱イオン装置3の処理水の炭酸濃度を上記範囲とすることにより、後段に設置する装置への炭酸の影響を最小限とすることが可能である。
 本実施形態において、その技術的な意味は、超純水の製造を効率的に行うために、この電気式脱イオン装置3で、炭酸とホウ素を同時に除去するとともに、これらの除去をバランス良く行う点にある。
 上記のような水質となるように処理するために、本実施形態では、電気式脱イオン装置3の回収率を80%以上90%未満として処理をする。このように、従来公知の装置構成における電気式脱イオン装置の通常の回収率よりも回収率を下げて運転することにより、炭酸の除去に加え、ホウ素の除去も十分に行うことができる。ここでは、後段のホウ素除去装置4により所望のホウ素濃度となる超純水を製造するための準備ができる程度にホウ素濃度を低減できる。
 なお、炭酸の存在によりホウ素除去率が低下する理由は、電気式脱イオン装置において、炭酸が除去されると、次第に電気式脱イオン装置の濃縮水側の炭酸濃度が増加する。すると、この炭酸が脱塩室側に逆流してしまうためと考えられる。水回収率を、80%以上90%未満として処理すると、濃縮水側の炭酸濃度を低下させることができるので、この影響を小さくすることができる。
 また、電気式脱イオン装置3の回収率を80%未満としても、ホウ素除去率の向上はほとんど見られないため、電気式脱イオン装置3の回収率を80%未満とすることは好ましくない。
 電気式脱イオン装置3は、好適に炭酸除去とホウ素除去する観点から、処理水流量あたりの電流値を0.4A/(m/h)から4.0A/(m/h)が好ましく、0.8A/(m/h)から2.5A/(m/h)とすることがより好ましい。
 電気式脱イオン装置3で上記の処理ができると、その次のホウ素除去装置4の処理によって、ホウ素濃度が1ng/L(1ppt)以下という所望の水質の超純水を効率的に、かつ、膜脱気装置を用いずに得ることができる。すなわち、電気式脱イオン装置3で炭酸を除去してあるため、ホウ素除去装置4への炭酸の影響を排除できるだけでなく、電気式脱イオン装置3でホウ素を除去してあるため、ホウ素除去装置4へのホウ素除去の負担が軽減され、効率的な除去が可能となる。また、膜脱気装置が設置されていないため、異物による膜脱気装置の詰まりという不具合は生じることなく、超純水製造装置を安定的に運転でき、継続して所望の超純水を得ることができる。
 なお、ホウ素除去装置4は、電気式脱イオン装置3によって得られた水質(ホウ素濃度)によって、適宜最適なものを選べばよい。
 なお、本実施形態における炭酸は、二酸化炭素、炭酸水素イオン及び炭酸イオンを含むもので、炭酸濃度は、全炭酸(CO+HCO +CO 2-)濃度を意味する(ただし、全炭酸濃度はCO換算濃度である。)。
(変形例)
 上記説明では、電気式脱イオン装置3の運転条件による処理を説明したが、次のように特定の装置を用いることによっても、所望の水質の処理水を得ることができる。
 すなわち、この変形例において用いられる超純水製造システムは、その構成は図1に示したものと同じであるが、この変形例においては、電気式脱イオン装置3として、その脱塩室のセル幅が2mm以上6mm以下の装置を用いる。この変形例においては、その回収率は特に限定されずに、90%以上として運転することができる。
 このように脱塩室のセル幅を2mm以上6mm以下と、比較的狭いセル幅の電気式脱イオン装置を用いることによっても、上記説明した炭酸を10μg/L以下、ホウ素を1μg/L以下含有する処理水を得ることができる。なお、脱塩室のセル幅は2mm以上4mm以下がより好ましい。
 隣接する濃縮室側までのイオンの移動速度は、例えば強イオンである塩化物イオンやナトリウムイオンの移動速度と比べて、弱イオンであるホウ素や炭酸の移動速度は小さいため、脱塩室のセル幅の影響が大きく出るものと推測される。すなわち、脱塩室のセル幅を小さくすることで、ホウ素除去率が大きく向上するとともに、炭酸の影響が小さくなり、本実施形態で求める水質の処理水が得られる。
(第2の実施形態)
 次に、本発明の第2の実施形態における超純水製造方法及び超純水製造システムについて、図2を参照しながら説明する。
[超純水製造システム]
 本実施形態における超純水製造システムは、図2に示したように、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、ホウ素除去装置4の順番で被処理水を処理する構成に加え、第2の逆浸透膜装置11と、第2の逆浸透膜装置11の処理水を循環させる循環配管12とを有する超純水製造システム10である。
 ここで、第1の実施形態と同一の構成となる装置は、同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。すなわち、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、ホウ素除去装置4については、上記第1の実施形態の説明と同一であるため、以下異なる構成についてのみ説明する。
 本実施形態における第2の逆浸透膜装置11は、第1の逆浸透膜装置2と同様に、本分野で公知の逆浸透膜装置を特に限定せずに用いることができ、第1の逆浸透膜装置2と同様に、被処理水中に含まれる有機不純物や炭酸やホウ素等の塩類を除去する。この第2の逆浸透膜装置11は、電気式脱イオン装置3の濃縮水を、第1の逆浸透膜装置2の濃縮水と混合して混合濃縮水とし、その混合濃縮水を被処理水とするものである。そして、その混合濃縮水を、この第2の逆浸透膜装置11で処理して、混合濃縮水中に含まれる塩類等の不純物を除去する。
 本実施形態における循環配管12は、上記第2の逆浸透膜装置11で得られた処理水(透過水)を、第1の逆浸透膜装置2の前段に返送し、循環させるための配管である。この循環配管12により、第1の逆浸透膜装置2及び電気式脱イオン装置3における濃縮水を、不純物を除去した上で、再度超純水製造のための被処理水として利用できる。
[超純水製造方法]
 本実施形態における超純水製造方法は、被処理水を第1の逆浸透膜装置2で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置3で処理し、さらにホウ素除去装置4で処理する。ここで、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3及びホウ素除去装置4は、第1の実施形態で説明した通りの処理を行えばよい。
 本実施形態では、さらに、第1の逆浸透膜装置2で処理した際に得られる濃縮水と、電気式脱イオン装置3で処理した際に得られる濃縮水とを混合し、混合濃縮水を得て、この混合濃縮水を第2の逆浸透膜装置11で処理する。この第2の逆浸透膜装置11での処理は、従来公知の方法により処理を行えばよい。なお、ここで得られる濃縮水は、排水とする。
 一方、上記の第2の逆浸透膜装置11の処理により得られる透過水は、循環配管12を用いて、第1の逆浸透膜装置2の前段に返送、循環する。すなわち、この透過水は、第1の逆浸透膜装置2に再度通水され処理される。
 このように循環させると、電気式脱イオン装置3の濃縮水には炭酸が含有されることから、第2の逆浸透膜装置11の被処理水である混合濃縮水及び処理水である透過水は、その炭酸を含有する。このように炭酸を含有する透過水を循環させるため、第1の逆浸透膜装置の被処理水は、もともと供給していた被処理水よりも炭酸濃度が高められるが、その炭酸濃度の向上度合いは電気式脱イオン装置3での負荷を極端に大きくするものではなく、電気式脱イオン装置3の処理水(透過水)の水質を所望の範囲で維持できるものである。
 一方、この炭酸濃度の向上により、第1の逆浸透膜装置2の透過水で得られる処理水の炭酸濃度は、循環しない場合に比べて向上するため、そのpHは若干酸性側に傾き、これは第2の逆浸透膜装置11における回収率の向上に寄与する。そのため、本実施形態においては、電気式脱イオン装置3の負荷をそれほど大きくせずに処理水質を維持しながら、回収率を向上できる利点を有する。これにより、より効率的に超純水を製造できる。
(第3の実施形態)
 本発明の第3の実施形態における超純水製造方法及び超純水製造システムについて、図3を参照しながら説明する。
[超純水製造システム]
 本実施形態における超純水製造システムは、図3に示したように、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、ホウ素除去装置として電気式脱イオン装置21の順番で被処理水を処理する構成に加え、第2の逆浸透膜装置11と、第2の逆浸透膜装置11の処理水を循環させる循環配管12とを有し、さらに、電気式脱イオン装置21の後段に、紫外線酸化装置22(TOC-UV)と混床式イオン交換装置23(MB)を有する超純水製造システム20である。
 ここで、第1の実施形態及び第2の実施形態と同一の構成となる装置は、同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。すなわち、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、第2の逆浸透膜装置11、循環配管12については、上記第1の実施形態又は第2の実施形態の説明と同一であるため、以下異なる構成についてのみ説明する。
 本実施形態における電気式脱イオン装置21は、ホウ素除去装置4として電気式脱イオン装置を特定したものであり、これは第1の実施形態で説明した通りである。すなわち、2段EDIとして言及した構成であることを明確に示したものである。
 次に、本実施形態における紫外線酸化装置22(TOC-UV)は、従来公知の紫外線酸化装置を用いることができる。この紫外線酸化装置22としては、例えば、185nm付近の波長を有する紫外線を照射可能な紫外線ランプを有し、この紫外線ランプから紫外線を被処理水に照射することで、被処理水中のTOC(全有機炭素)濃度を増大させる有機物を酸化分解する。紫外線酸化装置22に用いられる紫外線ランプは、185nm付近の波長の紫外線のみを発生するランプである必要はなく、本実施形態では、例えば、185nm付近の波長の紫外線とともに254nm付近の波長の紫外線を放射する低圧水銀ランプを使用することができる。
 紫外線酸化装置22は、波長185nm付近の紫外線により、水を分解してOHラジカルを生成させ、このOHラジカルによって被処理水中の有機物を有機酸にまで酸化分解する。なお、この紫外線酸化装置22における紫外線照射量は、被処理水の水質によって適宜変更することができる。例えば、紫外線照射量を0.1~0.7kW・h/mとすることができる。紫外線照射量は、処理水に求められる所望の水質に応じて上記範囲で調整することが好ましい。例えば、紫外線照射量を抑える観点からは0.1~0.4kW・h/m程度とすることが好ましく、より高純度な水質を得たい場合には、必要に応じ、紫外線照射量をこれ以上とすればよい。
 混床式イオン交換装置23としては、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂を混合して充填した装置を用いることができ、再生式、非再生式のいずれであってもよい。混床式イオン交換装置23は、前段の紫外線酸化装置22で有機物が酸化分解されて生成した低分子量のイオン成分を吸着除去する。本実施形態の紫外線酸化装置22及び混床式イオン交換装置23の組み合わせにより、被処理水中に残留する有機物を除去してTOC濃度の低減された超純水を得ることができる。なお、混床式イオン交換装置23に代わり、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂、ホウ素選択性イオン交換樹脂のいずれかを単独で用いる単床塔、いずれか、2つ以上を用いた混床塔、いずれかを用いた複床塔を用いることも可能である。
[超純水製造方法]
 本実施形態における超純水製造方法は、被処理水を第1の逆浸透膜装置2で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置3で処理し、さらにホウ素除去装置として電気式脱イオン装置21で処理する。ここで、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3及び電気式脱イオン装置21は、第1の実施形態で説明した通りの処理を行えばよい。
 また、本実施形態では、さらに、第1の逆浸透膜装置2で処理した際に得られる濃縮水と、電気式脱イオン装置3で処理した際に得られる濃縮水とを混合し、混合濃縮水を得て、この混合濃縮水を第2の逆浸透膜装置11で処理する。また、第2の逆浸透膜装置11で得られた透過水は、循環配管12により第1の逆浸透膜装置2の前段に返送、循環させる。これらの構成による処理は、第2の実施形態で説明した通りの処理を行えばよい。
 この循環に加えて、本実施形態では、電気式脱イオン装置21の濃縮水も第1の逆浸透膜装置2の前段に返送、循環させて再度、超純水製造の処理に付すこともできる。図3においては、この循環を循環配管24により、循環配管12と合流させて返送するように示しているが、これを独立して行ってもよい。
 また、電気式脱イオン装置21で得られた処理水は、さらに、紫外線酸化装置22及び混床式イオン交換装置23で処理するが、これら装置における処理は公知の方法により行えばよい。
 ここでは、紫外線酸化装置22及び混床式イオン交換装置23による処理を例示しているが、これらに限定されずに、超純水製造システムに用いられる公知の処理装置を、適宜組み合わせて超純水製造システムを構成し、それによる超純水製造方法を実施することができる。
 なお、上記説明した実施形態における超純水製造方法は、公知の処理方法に従い、原水を、前処理、1次純水処理、2次純水処理、と段階的に処理するものであり、上記した第1~3の実施形態で具体的に示した装置構成は、1次純水処理の装置構成として含むことが好ましい。
 前処理装置としては、従来公知の前処理装置を設ければよく、例えば、活性炭塔、脱気塔(DG塔)、凝集沈殿槽、砂ろ過塔、MMF(マルチメディアフィルタ)塔等から、必要に応じて設置して、逆浸透膜装置でのスケール等の問題が起きないようにして運転することが好ましい。
 また、ホウ素除去装置4(電気式脱イオン装置21)の後段の任意の位置に、膜脱気装置を設置してもよい。ここで設置する膜脱気装置は、主に溶存酸素(DO)を除去するために設けられる。このような位置での設置では、前段にて、硬度成分や炭酸等の不純物を高度に除去されているため、課題として挙げた膜の詰まり等のトラブルが起きる可能性は極めて小さい。また、このような膜脱気装置を設置することにより、DO<1μg/Lの超純水を製造することができる。この膜脱気装置は上記のような2次純水処理において設置することも可能である。膜脱気装置を1次純水処理と2次純水処理の各処理で併設すると、さらにDOを低減した超純水、例えばDO<0.5μg/L以下の超純水、を得ることができる。
 また、2次純水処理は、少なくとも、紫外線照射装置、非再生型イオン交換装置(ポリッシャー)、限外ろ過膜装置の順にした装置で構成される。任意の箇所に膜脱気装置を設置してもよい。また、紫外線照射装置の後段に酸化剤除去樹脂装置を設置してもよい。
 ここで用いる酸化剤除去樹脂としては、パラジウム(Pd)担持樹脂によって過酸化水素を分解除去するパラジウム担持樹脂装置や表面に亜硫酸基及び/又は亜硫酸水素基を有する還元性樹脂を充填した還元性樹脂装置等が挙げられる。
(第4の実施形態)
 次に、本発明の第4の実施形態における純水製造方法及び純水製造システムについて、図4を参照しながら説明する。
[純水製造システム]
 本実施形態における純水製造システムは、図4に示したように、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3の順番で被処理水を処理する構成と、第2の逆浸透膜装置11と、第2の逆浸透膜装置11の処理水を循環させる循環配管12とを有する純水製造システム30である。
 この純水製造装置30は、上記第2の実施形態で説明した超純水製造装置10から、ホウ素除去装置4を省略した構成の装置であり、その用途として超純水ではなく純水の製造に用いるものである。ここで、第1の実施形態及び第2の実施形態と同一の構成となる装置は、同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。すなわち、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、第2の逆浸透膜装置11、循環配管12については、上記第1の実施形態及び第2の実施形態で既に説明しており、個々の装置構成は全て上記の通りである。
 第1の実施形態及び第2の実施形態との相違点としては、ホウ素除去装置4が省略させており、その点で、超純水の製造に限定されずに、純水製造のレベルで使用可能なものとなる。
[純水製造方法]
 本実施形態における純水製造方法は、被処理水を第1の逆浸透膜装置2で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置3で処理する。さらに、第1の逆浸透膜装置2で処理した際に得られる濃縮水と、電気式脱イオン装置3で処理した際に得られる濃縮水とを混合し、混合濃縮水を得て、この混合濃縮水を第2の逆浸透膜装置11で処理する。ここで、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、第2の逆浸透膜装置11及び循環配管12は、第2の実施形態で説明した通りの処理を行えばよい。
 既に、第2の実施形態で説明したように、第2の逆浸透膜装置11の処理により得られる透過水は、循環配管12を用いて、第1の逆浸透膜装置2の前段に返送、循環され、このように循環させると、電気式脱イオン装置3の濃縮水には炭酸が含有されることから、第2の逆浸透膜装置11の被処理水である混合濃縮水及び処理水である透過水は、その炭酸を含有する。このように炭酸を含有する透過水を循環させるため、第1の逆浸透膜装置の被処理水は、もともと供給していた被処理水よりも炭酸濃度が高められるが、その炭酸濃度の向上度合いは電気式脱イオン装置3での負荷を極端に大きくするものではなく、電気式脱イオン装置3の処理水(透過水)の水質を所望の範囲で維持できるものである。
 一方、この炭酸濃度の向上により、第1の逆浸透膜装置2の透過水で得られる処理水の炭酸濃度は、循環しない場合に比べて向上するため、そのpHは若干酸性側に傾き、これは第2の逆浸透膜装置11における回収率の向上に寄与する。そのため、本実施形態においては、電気式脱イオン装置3の負荷をそれほど大きくせずに処理水質を維持しながら、回収率を向上できる利点を有する。これにより、効率的に純水を製造できる。
 以下、本発明について実施例及び比較例を参照しながら説明する。
(実施例1)
 図1に示した、被処理水を、第1の逆浸透膜装置2、電気式脱イオン装置3、ホウ素除去装置4として電気式脱イオン装置、の順番で処理する超純水製造システム(RO1-EDI1-EDI2)を構築し、また、厚木市水を原水とし、ホウ素濃度10μg/L(ppb)、炭酸濃度3.6mg/L(ppm)、pH7.4の被処理水を用意した。
 まず、被処理水を、逆浸透膜モジュール(東レ株式会社製、商品名:TM820K;架橋全芳香族ポリアミド系複合膜)を12本有する第1の逆浸透膜装置2に供給し、運転圧力2MPa、回収率90%で通水処理した。
 続いて、電気式脱イオン装置3(エヴォクア・ウォーター・テクノロジーズ製、商品名:VNX-55EX;脱塩室のセル幅10mm)にて水回収率83%(電流:10A、処理流量:10(m/h))で処理し、さらにホウ素除去装置4としての電気式脱イオン装置(エヴォクア・ウォーター・テクノロジーズ製、商品名:VNX-55EX)にて水回収率90%(電流:10A、処理流量:10(m/h))で処理して、超純水を得た。
 このとき得られた被処理水及び処理水のホウ素濃度、炭酸濃度及び抵抗率について表1にまとめて示した。炭酸は電気式脱イオン装置3(EDI1)で十分に除去されていた。また、表1における、電気式脱イオン装置の被処理水に対する電気式脱イオン装置とホウ素除去装置(2段EDI)におけるホウ素除去率は、99.96%と非常に良好であった。
(実施例2)
 実施例1において、電気式脱イオン装置3(EDI1)として使用した装置の、脱塩室のセル幅を3mmにカスタマイズした以外は、実施例1と同一の装置構成として超純水製造システムを用意した。
 上記の電気式脱イオン装置3(EDI1)の回収率を90%(電流:10A、処理流量:10(m/h))として運転した以外は、実施例1と同一の条件で被処理水の処理を行い、超純水を得た。
 このとき得られた被処理水及び処理水のホウ素濃度、炭酸濃度及び抵抗率について表1にまとめて示した。炭酸は電気式脱イオン装置3(EDI1)で十分に除去されていた。また、表1における、電気式脱イオン装置の被処理水に対する電気式脱イオン装置とホウ素除去装置(2段EDI)におけるホウ素除去率は、99.96%と非常に良好であった。
(比較例1)
 実施例1で用いた超純水製造システムと同一のものを用い、電気式脱イオン装置3(EDI1)の運転条件を95%(電流:10A、処理流量:10(m/h))とした以外は、実施例1と同一の条件で水処理を行った。
 このとき得られた被処理水及び処理水のホウ素濃度及び抵抗率について表1にまとめて示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 なお、上記実施例及び比較例で得られた各成分は以下の通り測定して、その数値を得た。
[pH]CP-200(Horiba社製、商品名)を用いてpHを測定した。
[ホウ素]サンプリングして誘導結合プラズマ質量分析計(ICP-MS)による分析を行い、ホウ素濃度を算出した。
[炭酸]全炭酸濃度を、TOC-900 On-Line(GE社製)を用いて測定した。
(実施例3)
 この実施例では、図4に示した純水製造装置における、濃縮水を循環させることについての作用、効果について確かめた。個々の装置は、上記実施例で用いた装置と同一である。
 まず、図5に示したように、第1の逆浸透膜装置(RO1)と電気式脱イオン装置(EDI)とを、この順番に並べた水処理システムにおいて、(a)循環しない場合、(b)電気式脱イオン装置の濃縮水を循環する場合、(c)第1の逆浸透膜装置の濃縮水と電気式脱イオン装置の濃縮水を第2の逆浸透膜装置(RO2)で処理し、その透過水を循環する場合、の3つの構成に対して、排水のpHと、第1の逆浸透膜装置で処理された透過水の炭酸濃度について測定した。なお、被処理水として、厚木市水(炭酸濃度:3.6mg/L(ppm)、pH:6.4)を用いた。
 図5において、炭酸濃度の測定点をA、pHの測定点をB、でそれぞれ示した。
 図5(a)では、第1の逆浸透膜装置で、炭酸が除去しにくいため透過水側に含まれ、その排水(濃縮水)が被処理水よりもアルカリ側に振れ、pHは7.74となっている。また、その透過水には炭酸が多く含まれ炭酸濃度は被処理水と同程度の3.6mg/L(ppm)である。第1の逆浸透膜装置の水回収率は70%である。
 図5(b)では、図5(a)に対して、電気式脱イオン装置の濃縮水を第1の逆浸透膜装置の前段に循環している。電気式脱イオン装置では炭酸が効果的に除去されるため、その濃縮水における炭酸濃度は上がり、これを第1の逆浸透膜装置の前段に循環させているため、測定点Aにおける炭酸濃度は12ppmと被処理水よりも大幅に上昇している。この炭酸濃度の上昇は、その後の電気式脱イオン装置の透過水における水質を悪化させる原因となり、超純水製造においてこの構成は好ましくない。一方、電気式脱イオン装置の濃縮水のpHが低いので、第1の逆浸透膜装置の供給水のpHが低下するため、第1の逆浸透膜装置の水回収率は84%で運転している。測定点BにおけるpHは図5(a)よりも酸側になっている。
 図5(c)では、図5(a)に対して、第1の逆浸透膜装置の濃縮水及び電気式脱イオン装置の濃縮水を混合して混合濃縮水とし、この混合濃縮水を第2の逆浸透膜装置で通水処理した後、その透過水を第1の逆浸透膜装置の前段に循環している。図5(b)とは異なり、電気式脱イオン装置の濃縮水をそのまま循環せずに一旦第2の逆浸透膜装置により処理してから循環させているため、測定点Aにおける炭酸濃度は5.5ppmと上昇しているものの、その後の電気式脱イオン装置の処理により炭酸が十分除去できるため超純水製造において問題はない。一方、第2の逆浸透膜装置の供給水には電気式脱イオン装置の濃縮水が混合されpHが低下するため、また、第1の逆浸透膜装置の供給水には第2の逆浸透膜装置の処理水が混合されpHが低下するため、第1の逆浸透膜装置と第2の逆浸透膜装置ともに図5(a)よりも水回収率が上げられる。そのため、第1の逆浸透膜装置と第2の逆浸透膜装置の合計の水回収率は図5(b)と同じである。測定点BにおけるpHは図5(b)と同様に酸側になっている。
 以上より、図5(a)~(c)の水処理において、電気式脱イオン装置の透過水の水質は、図5(a)及び図5(c)では良好であったものの、図5(b)では炭酸含有量が増え、好ましくないものであった。なお、ここで良好とは、図1のように、その後にホウ素除去装置での処理により超純水が製造できる場合を意味する。また、この水処理における水回収率は、図5(a)では、50%程度と低く、図5(b)及び図5(c)では71%程度と良好であった。したがって、図5(c)が、水質と水回収率とのバランスが良好であり、超純水製造に適用する装置構成として好ましいものであることがわかった。
 また、図5(c)の方法を用いると、電気式脱イオン装置の濃縮水を第2の逆浸透膜装置により除去してから循環させているため、電気式脱イオン装置の濃縮水のホウ素により測定点Bのホウ素濃度が上昇しないため、電気式脱イオン装置の処理水のホウ素濃度を上昇させないという効果もある。また、EDIの水回収率を下げて運転した場合には、純水装置全体の水回収率を向上させられる。これは、超純水の製造に非常に好適な構成である。
 なお、図5(c)の方法において、第2の逆浸透膜装置に供給する電気式脱イオン装置の濃縮水は、電気式脱イオン装置の電極水を含んでもよい。この場合は、電気式脱イオン装置の電極水は微量の残留塩素を含む場合があるため、活性炭などで残留塩素を除去してから、第2の逆浸透膜装置に送水してもよい。また、電気式脱イオン装置の電極水は水素も含むため、スクラバーで処理する、又は、いったんタンクに貯留するなどして、水素濃度を低減させてもよい。また、電気式脱イオン装置の電極水は別個に排水してもよい。この場合には、電極水に含まれる残留塩素や水素の処理は不要となる。
 以上より、本実施形態の超純水製造方法及び超純水製造システムは、ホウ素濃度を著しく低減させた所定の水質を有する超純水を、簡易な装置構成で、かつ、膜脱気装置に起因する詰まりによる不具合を生じることなく、安定して得られることがわかった。
 また、本実施形態の純水製造方法及び純水製造システムは、処理水質と水回収率とのバランスを良好に、水処理できることがわかった。
 したがって、本実施形態の超純水製造方法及び超純水製造システムは、所定の水質の超純水を長期間安定して得られる優れた方法及びシステムである。また、本実施形態の純水製造方法及び純水製造システムは、所定の水質と水回収率とのバランスを良好にした方法及びシステムである。
 1,10,20…超純水製造システム、2…第1の逆浸透膜装置(RO1)、3,21…電気式脱イオン装置、4…ホウ素除去装置、11…第2の逆浸透膜装置、12,24…循環配管、22…紫外線酸化装置(TOC-UV)、23…混床式イオン交換装置(MB)、30…純水製造システム

Claims (15)

  1.  被処理水を、第1の逆浸透膜装置で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置及びホウ素除去装置の順で処理して、ホウ素濃度が1ng/L以下である超純水を得る超純水製造方法であって、
     前記電気式脱イオン装置の被処理水が、炭酸を1mg/L超含有し、かつ、前記電気式脱イオン装置の処理水が、前記炭酸が除去され、ホウ素を1μg/L以下含有することを特徴とする超純水製造方法。
  2.  前記電気式脱イオン装置を80%以上90%未満の回収率で運転する請求項1に記載の超純水製造方法。
  3.  前記電気式脱イオン装置の脱塩室のセル幅が2mm以上6mm以下である、請求項1に記載の超純水製造方法。
  4.  前記電気式脱イオン装置の濃縮水を、前記第1の逆浸透膜装置の濃縮水と混合して混合濃縮水とし、その混合濃縮水を第2の逆浸透膜装置に通水して得られた透過水を前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させる請求項1~3のいずれか1項に記載の超純水製造方法。
  5.  前記ホウ素除去装置が、電気式脱イオン装置、ホウ素選択性イオン交換樹脂装置或いはホウ素選択性イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂及び/又は陰イオン交換樹脂の混床式イオン交換樹脂装置である請求項1~4のいずれか1項に記載の超純水製造方法。
  6.  前記ホウ素除去装置が、電気式脱イオン装置であり、該電気式脱イオン装置の濃縮水を、前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させる請求項5に記載の超純水製造方法。
  7.  前記ホウ素除去装置の前段において膜脱気処理を行わない、請求項1~6のいずれか1項に記載の超純水製造方法。
  8.  被処理水を、第1の逆浸透膜装置で処理した後、続けて、電気式脱イオン装置で処理する純水製造方法において、
     前記電気式脱イオン装置の濃縮水を、前記第1の逆浸透膜装置の濃縮水と混合して混合濃縮水とし、その混合濃縮水を第2の逆浸透膜装置に通水して得られた透過水を前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させることを特徴とする純水製造方法。
  9.  被処理水を、第1の逆浸透膜装置、電気式脱イオン装置及びホウ素除去装置で順番に処理して、ホウ素濃度が1ng/L以下である超純水を得るための超純水製造装置であって、
     前記第1の逆浸透膜装置の濃縮水と前記電気式脱イオン装置の濃縮水との濃縮混合水を処理するための第2の逆浸透膜装置と、
     前記第2の逆浸透膜装置の透過水を、前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させる循環配管と、
     を有することを特徴とする超純水製造システム。
  10.  前記電気式脱イオン装置のセル幅が2mm以上6mm以下である、請求項9に記載の超純水製造システム。
  11.  前記ホウ素除去装置が、電気式脱イオン装置、ホウ素選択性イオン交換樹脂装置或いはホウ素選択性イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂及び/又は陰イオン交換樹脂の混床式イオン交換樹脂装置である請求項9又は10に記載の超純水製造システム。
  12.  前記ホウ素除去装置が電気式脱イオン装置であり、該電気式脱イオン装置の濃縮水を、前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させる循環配管を有する請求項11に記載の超純水製造システム。
  13.  前記第1の逆浸透膜装置が、2つの逆浸透膜装置を直列に接続した逆浸透膜ユニットである請求項9~12のいずれか1項に記載の超純水製造システム。
  14.  前記ホウ素除去装置の前段において膜脱気装置を有しない、請求項9~13のいずれか1項に記載の超純水製造システム。
  15.  被処理水を、第1の逆浸透膜装置及び電気式脱イオン装置で順番に処理する純水製造装置であって、
     前記第1の逆浸透膜装置の濃縮水と前記電気式脱イオン装置の濃縮水との濃縮混合水を処理するための第2の逆浸透膜装置と、
     前記第2の逆浸透膜装置の透過水を、前記第1の逆浸透膜装置の前段に循環させる循環配管と、
     を有することを特徴とする純水製造システム。
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