WO2022239314A1

WO2022239314A1 - 純水製造装置及び純水製造方法

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Publication number: WO2022239314A1
Application number: PCT/JP2022/003220
Authority: WO
Inventors: 悠介高橋; 一重高橋
Original assignee: オルガノ株式会社
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-11-17
Also published as: CN117321007A; JP2022174865A; US20240246834A1; TW202311178A

Abstract

過酸化水素などの酸化剤を添加することなく、被処理水のＴＯＣ濃度を低減する純水製造装置が提供される。純水製造装置１は、被処理水に紫外線を照射する紫外線照射装置１６と、紫外線照射装置１６の前段に設けられたＴＯＣ取得部１９及び溶存酸素濃度取得部２０と、ＴＯＣ取得部１９によって測定した被処理水のＴＯＣ濃度に対する、溶存酸素濃度取得部２０によって測定した被処理水の溶存酸素濃度の重量比率が１以上、７以下となるように溶存酸素濃度を制御する制御手段２１と、を有する。

Description

純水製造装置及び純水製造方法

　本出願は、２０２１年５月１２日出願の日本出願である特願２０２１－８０８７３に基づき、かつ同出願に基づく優先権を主張する。この出願は、その全体が参照によって本出願に取り込まれる。

　本発明は純水製造装置と純水製造方法に関し、特に紫外線照射装置を用いた純水製造装置に関する。

　被処理水中の有機物を分解しＴＯＣ（全有機炭素）濃度を低減する技術が知られている。特開２０１１－２１８２４８公報には、過酸化水素の添加装置と、その後段に設けられた紫外線照射装置と、を有する純水製造装置が開示されている。過酸化水素が添加された被処理水に紫外線を照射することで、酸化力の強いＯＨラジカルが発生する。これによって、被処理水中の有機物を効率的に分解することができる。

　特開２０１１－２１８２４８公報に記載された純水製造装置では、紫外線を照射された被処理水、すなわち紫外線照射装置の処理水には過酸化水素が残留する。残留した過酸化水素は後段の装置を劣化させる可能性がある。このため、後段の装置の頻繁なメンテナンスや過酸化水素の除去手段が必要となる。

　本発明は、過酸化水素などの酸化剤を添加することなく、被処理水のＴＯＣ濃度を低減することが可能な純水製造装置を提供することを目的とする。

　本発明の純水製造装置は、被処理水に紫外線を照射する紫外線照射装置と、紫外線照射装置の前段に設けられたＴＯＣ取得部及び溶存酸素濃度取得部と、ＴＯＣ取得部によって測定した被処理水のＴＯＣ濃度に対する、溶存酸素取得部によって測定した被処理水の溶存酸素濃度の重量比率が１以上、７以下となるように溶存酸素濃度を制御する制御手段と、を有する。

　本発明によれば、過酸化水素などの酸化剤を添加することなく、被処理水のＴＯＣ濃度を低減することが可能な純水製造装置を提供することができる。

　上述した、およびその他の、本出願の目的、特徴、および利点は、本出願を例示した添付の図面を参照する以下に述べる詳細な説明によって明らかとなろう。

本発明の実施形態に係る純水製造装置の概略構成図である。本発明の変形例に係る純水製造装置の概略構成図である。ＤＯ／ＴＯＣ比とＴＯＣ除去率の関係を示すグラフである。ＤＯ／ＴＯＣ比と溶存酸素濃度低減率の関係を示すグラフである。

　以下、図面を参照して本発明の純水製造装置と純水製造方法の実施形態について説明する。図１Ａは本発明の一実施形態に係る純水製造装置１の概略構成を示している。純水製造装置１（１次システム）は下流側のサブシステム（２次システム）とともに超純水製造装置を構成する。純水製造装置１に供給される原水（以下、被処理水という）は有機物を含有している。以下の説明で、「前段」と「後段」はそれぞれ、被処理水の流通する方向に関して「上流側」と「下流側」を意味する。

　純水製造装置１は、ろ過器１１、活性炭塔１２、第１のイオン交換装置１３、逆浸透膜装置１４、脱酸素装置１５、紫外線照射装置（紫外線酸化装置）１６、第２のイオン交換装置１７、脱気装置１８を有し、これらは被処理水の流通方向Ｄに関し上流から下流に向かって、母管Ｌ１に沿ってこの順序で直列に配置されている。被処理水は原水ポンプ（図示せず）で昇圧された後、ろ過器１１で比較的粒径の大きな塵埃等が除去され、活性炭塔１２で高分子有機物などの不純物が除去される。ろ過器１１の構成は限定されないが、本実施形態では砂ろ過器を用いている。第１のイオン交換装置１３は、カチオン交換樹脂が充填されたカチオン塔（図示せず）と、脱炭酸塔（図示せず）と、アニオン交換樹脂が充填されたアニオン塔（図示せず）と、を有し、これらは上流から下流に向けてこの順で直列に配置されている。被処理水はカチオン塔でカチオン成分を、脱炭酸塔で炭酸を、アニオン塔でアニオン成分をそれぞれ除去される。前段に第１のイオン交換装置１３があるため、逆浸透膜装置１４は主として有機物などの非荷電物質を除去する。逆浸透膜装置１４で有機物を除去することで、後段の紫外線照射装置１６の負荷が低減される。被処理水のＴＯＣが高いと、紫外線照射装置１６におけるＴＯＣ濃度除去率が低下する。

　脱酸素手段１５は、被処理水から酸素を除去し、被処理水の溶存酸素濃度を低下させる。脱酸素手段１５は紫外線照射装置１６の前段に位置しているため、紫外線照射装置１６には溶存酸素濃度が低下した被処理水が供給される。脱酸素手段１５の種類は限定されず、例えば、真空脱気装置を用いることができる。一般的に真空脱気装置では、水の表面積を増大させるための気液接触材を脱気塔に充填し、脱気塔内の気体圧力を真空ポンプで減圧し、被処理水である純水を真空状態におき、溶存酸素を除去する。溶存酸素濃度は、真空ポンプを用いて脱気塔内の真空度を調整することによって制御可能である。さらに、窒素を流入させることで脱気性能を向上することができる。この場合、溶存酸素濃度は、真空度と窒素流入量（窒素分圧）を調整することによって制御可能である。脱気膜を用いた脱酸素手段１５を用いてもよい。この場合も真空脱気装置と同様に真空ポンプが用いられ、溶存酸素濃度は真空度を調整することによって制御可能である。これらの脱酸素手段１５を２段以上直列に設けてもよい。その他の脱酸素手段１５として、被処理水に水素（Ｈ₂）を添加し、被処理水をパラジウム（Ｐｄ）触媒に接触させる構成を用いることもできる。パラジウム触媒によって酸素が水素と反応して水となることで、酸素を除去することができる。あるいは、パラジウムなどの金属触媒が担持されたイオン交換体を、電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ）に充填してもよい。金属触媒に接触させる水素としては、例えば電気式脱イオン水製造装置の陰極で発生する水素を利用することができる。これらの脱酸素手段１５を用いることで、紫外線照射装置１６には有機物と溶存酸素とを含み、溶存酸素濃度の調整された被処理水が供給される。一方、被処理水には過酸化水素などの酸化剤が添加されないため、紫外線照射装置１６に供給される被処理水は酸化剤を含んでいない。すなわち、純水製造装置１には酸化剤を添加する手段が設けられていない。この結果、添加された酸化剤を消費または除去する設備も不要となるため、純水製造装置１の合理化が可能となる。ただし、原水由来の微量の酸化剤成分が被処理水に含まれていても構わない。

　紫外線照射装置１６は被処理水に紫外線を照射する。紫外線照射装置１６としては、例えば３６５ｎｍ、２５４ｎｍ、１８５ｎｍ、１７２ｎｍの少なくともいずれかの波長を含む紫外線ランプを用いることができる。

　紫外線照射装置１６の後段に位置する第２のイオン交換装置１７は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とが充填された再生式イオン交換樹脂塔である。紫外線照射によって被処理水中に発生する有機物の分解生成物は、第２のイオン交換装置１７によって除去される。その後、被処理水中の溶存酸素、炭酸等が脱気装置１８によって除去される。さらに、図示は省略するが、第１のイオン交換装置１３を省略し、逆浸透膜装置１４と脱酸素装置１５との間にＥＤＩを設けることもできる。または、第２のイオン交換装置１７の代わりにＥＤＩを設けることもできる。ＥＤＩは連続再生式であるため、イオン交換体の再生工程が不要となる。

　本実施形態では、紫外線照射装置１６の前段にＴＯＣ取得部１９と溶存酸素濃度取得部２０が設けられている。ＴＯＣ取得部１９と溶存酸素濃度取得部２０は母管Ｌ１の脱酸素装置１５と紫外線照射装置１６の間の区間に設けられている。ＴＯＣ取得部１９と溶存酸素濃度取得部２０はどちらが上流側にあってもよい。ＴＯＣ取得部１９と溶存酸素濃度取得部２０は制御手段２１に電気的に接続されており、制御手段２１は脱酸素装置１５に電気的に接続されている。本実施形態ではＴＯＣ取得部１９はＴＯＣ測定計であるが、ＴＯＣを取得できるものであれば限定されない。同様に、本実施形態では溶存酸素濃度取得部２０は溶存酸素濃度測定計であるが、溶存酸素濃度を取得できるものであれば限定されない。

　制御手段２１は、ＴＯＣ取得部１９によって測定した被処理水のＴＯＣ濃度に対する、溶存酸素濃度取得部２０によって測定した被処理水の溶存酸素濃度の重量比率（以下、ＤＯ／ＴＯＣ比という）が１以上、７以下となるように溶存酸素濃度を制御する。制御手段２１は純水製造装置１の制御装置または脱酸素装置１５の制御装置に組み込まれることが望ましい。ＴＯＣ濃度にもよるが、被処理水のＤＯ／ＴＯＣ比は通常、上記の数値範囲よりはるかに高い。つまり、被処理水はＤＯ／ＴＯＣ比＝１～７を満足する溶存酸素よりはるかに多量の溶存酸素を含んでいる。このため、本実施形態では、紫外線照射装置１６の前段に脱酸素装置１５が設けられているのであるが、逆に被処理水の溶存酸素濃度が極端に低く、ＤＯ／ＴＯＣ比が１未満であることもあり得る。この場合は被処理水に酸素を供給することが好ましい。従って、被処理水のＤＯ／ＴＯＣ比によっては酸素供給手段２２を設けることも可能である。図１Ｂに示すように、酸素供給手段２２は脱酸素装置１５の位置に、脱酸素装置１５の代わりに設けられる。図示は省略するが、脱酸素装置１５と酸素供給手段２２を並列設置し、ＤＯ／ＴＯＣ比に応じてこれらを切り替えることも可能である。酸素供給手段２２として、例えばガス溶解膜を介して酸素ガスを被処理水に添加するものが挙げられる。脱酸素装置１５と酸素供給手段２２は溶存酸素濃度の調整手段の例であり、制御手段２１は溶存酸素濃度の調整手段を制御する。制御手段２１はＴＯＣ取得部１９によって測定した被処理水のＴＯＣ濃度と、溶存酸素濃度取得部２０によって測定した被処理水の溶存酸素濃度の、いずれかまたは双方の変動に応じて、上述の真空度や窒素の分圧を自動制御するものであることが望ましい。また、脱酸素装置１５の台数の増減によって溶存酸素濃度を制御することもできる。

　溶存酸素を含む水に紫外線を照射すると以下の反応が起きると考えられる。

　すなわち解離した水素ラジカル（・H）が溶存酸素と反応して水となり、残ったＯＨラジカル（・OH）が有機物を分解する。この反応によって有機物を効率的に分解するためには、一定量の溶存酸素が必要となる。後述するように、ＤＯ／ＴＯＣ比を１以上とすることで、必要な量の溶存酸素を確保することができる。一方、上述の通り、通常は原水中に溶存酸素が過剰に含まれているため、紫外線照射装置１６の前段に脱酸素装置１５が設けられている。しかし、ＤＯ／ＴＯＣ比を減少させるために脱酸素装置１５の大型化、消費電力の増加などを伴うことがある。実施例でも述べるように、ＤＯ／ＴＯＣ比が１前後ではＴＯＣ低減効果は大きく変わらない。また、ＤＯ／ＴＯＣ比が７を超えると、有機物の分解効率が低下してＴＯＣ濃度除去率が悪化する他、残存する溶存酸素を除去するための脱気装置１８の負荷が増加する。ＴＯＣ濃度除去率が悪化するのは、Ｏ₂が紫外線を吸収するため、溶存酸素濃度が高すぎると、ＯＨラジカルの発生量が減り、有機物の分解効率が低下するためである。

　溶存酸素が効率よく消費されると、残存する溶存酸素は減少する。また、脱気装置１８の負荷も低減する。従って、紫外線照射装置１６における溶存酸素消費率は純水製造装置１の性能指標として重要である。ＤＯ／ＴＯＣ比を１以上、７以下とすることで、溶存酸素消費率を高めることができる。以上を踏まえると、ＤＯ／ＴＯＣ比は２以上、７以下の範囲に設定するのが好ましく、溶存酸素消費率を９０％以上とすることがさらに好ましい。

　（実施例）
　超純水に酸素と有機物を添加して被処理水を作成し、被処理水に紫外線を照射することにより、有機物の除去性能（ＴＯＣ濃度低減性能）を評価した。有機物として、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を１０μｇ／Ｌ（ｐｐｂ）添加した（実施例１）。溶存酸素は、溶解膜を介して酸素ガスを超純水に供給することによって生成した。このようにして作成した被処理水を流量５．３ｍ³／ｈで紫外線照射装置に供給した。紫外線照射装置としてＪＰＷ（株式会社日本フォトサイエンス製）を使用し、照射量０．1ｋＷｈ／ｍ³で、被処理水に紫外線を照射した。紫外線照射装置の後段にカチオン交換樹脂（オルガノ株式会社製AMBERJET1024 H型）とアニオン交換樹脂（オルガノ株式会社製AMBERJET4002OH型）を混床充填したカラムを設置し、紫外線照射装置の処理水に含まれるイオン成分を除去した。紫外線照射装置入口のＴＯＣ濃度Ｔ１とカラム出口のＴＯＣ濃度Ｔ２をＳｉｅｖｅｒｓＴＯＣ計５００ＲＬｅ（ＳＵＥＺ社製）を用いて測定し、ＴＯＣ濃度除去率を（Ｔ１－Ｔ２）／Ｔ１×１００（％）として算出した。また、紫外線照射装置１６への供給水の溶存酸素濃度Ｄ１と紫外線照射装置１６の処理水の溶存酸素濃度Ｄ２をHACH社製ORBISPHERE 510を用いて測定し、溶存酸素消費率を（Ｄ１－Ｄ２）／Ｄ１×１００（％）として算出した。

　溶存酸素濃度を変えて、ＤＯ／ＴＯＣ比とＴＯＣ濃度除去率の関係及びＤＯ／ＴＯＣ比と溶存酸素消費率の関係を求めた。また、ＩＰＡの添加量を３０μｇ／Ｌ、５０μｇ／Ｌ、１００μｇ／Ｌとして同様の測定を実施した（実施例２、比較例１，２）。結果を表１及び図２Ａ，２Ｂに示す。図２Ａより被処理水のＴＯＣ濃度（ＩＰＡ濃度）が小さいほどＴＯＣ濃度除去率が向上することがわかる。実施例１では、ＤＯ／ＴＯＣ比＝１～５のときのＴＯＣ濃度除去率がＤＯ／ＴＯＣ比＝０．２のときより向上した。特にＤＯ／ＴＯＣ比＝２～４で、ＴＯＣ濃度除去率は良好な値を示している。ＴＯＣ濃度除去率はＤＯ／ＴＯＣ比＝７で若干低下するが、脱酸素装置１５の負荷が低減するため、要求水質や運用条件によっては実用的なレベルである。図２Ｂに示すように、溶存酸素消費率はＤＯ／ＴＯＣ比＝１～５で９０％以上を示し、ＤＯ／ＴＯＣ比＝７でもＤＯ／ＴＯＣ比＝０．２のときより良好な値を示した。一方、ＤＯ／ＴＯＣ比＜１となるように溶存酸素濃度を低減するためには、脱酸素装置１５の台数増加、容量増加など設備コストへの影響が大きい。設備コストを考慮すると、ＤＯ／ＴＯＣ比＜１とするのは好ましくなく、ＤＯ／ＴＯＣ比≧１とするのが有利である。従って、１０μｇ／Ｌ以下のときにＤＯ／ＴＯＣ比は１以上、７以下が好ましく、２以上、７以下がより好ましく、２以上、５以下がさらに好ましく、２以上、４以下がより一層好ましく、制御手段２１はこのようなＤＯ／ＴＯＣ比が得られるように溶存酸素濃度を制御することが好ましい。

　実施例２では、ＴＯＣ濃度除去率は実施例１より低下しているが、実施例１と同様な傾向を示している。しかし、ＤＯ／ＴＯＣ比に対するＴＯＣ濃度除去率の変動が実施例１よりも大きく、好ましいＤＯ／ＴＯＣ比の範囲は実施例１より狭くなっている。溶存酸素消費率もＤＯ／ＴＯＣ比＝１～４で、ＤＯ／ＴＯＣ比＝０．１のときより良好な値を示したが、ＤＯ／ＴＯＣ比＝５では低下がみられる。ただし、ＤＯ／ＴＯＣ比＝５での溶存酸素消費率は、ＤＯ／ＴＯＣ比＝０．１での溶存酸素消費率と大差はない。上述の通りＤＯ／ＴＯＣ比＜１とするのは好ましくなく、ＤＯ／ＴＯＣ比≧１とするのが有利である。従って、制御手段２１は、被処理水のＴＯＣ濃度が３０μｇ／Ｌ以下のときは、ＤＯ／ＴＯＣ比が１以上、５以下、好ましくは２以上、５以下、さらに好ましくは２以上、４以下となるように溶存酸素濃度を制御することが好ましい。これに対し、比較例１，２ではＴＯＣ濃度除去率が低く、好適な溶存酸素消費率及び溶存酸素消費率を示すＤＯ／ＴＯＣ比の範囲も狭くなっている。

　１　純水製造装置
　１５　脱酸素手段
　１６　紫外線照射装置
　１９　ＴＯＣ取得部
　２０　溶存酸素濃度取得部
　２１　制御手段
　２２　酸素供給手段

Claims

　被処理水に紫外線を照射する紫外線照射装置と、
　前記紫外線照射装置の前段に設けられたＴＯＣ取得部及び溶存酸素濃度取得部と、
　前記ＴＯＣ取得部によって取得された前記被処理水のＴＯＣ濃度に対する、前記溶存酸素濃度取得部によって取得された前記被処理水の溶存酸素濃度の重量比率が１以上、７以下となるように、前記紫外線照射装置に供給される被処理水の溶存酸素濃度を制御する制御手段と、
　を有する純水製造装置。
　前記制御手段は、前記重量比率が２以上、７以下となるように前記紫外線照射装置に供給される被処理水の前記溶存酸素濃度を制御する、請求項１に記載の純水製造装置。
　前記紫外線照射装置に供給される被処理水のＴＯＣ濃度が１０μｇ／Ｌ以下である、請求項１または２に記載の純水製造装置。
　前記制御手段は、前記重量比率が２以上、５以下となるように前記紫外線照射装置に供給される被処理水の前記溶存酸素濃度を制御する、請求項３に記載の純水製造装置。
　前記制御手段は、前記紫外線照射装置による溶存酸素消費率が９０％以上となるように、前記紫外線照射装置に供給される被処理水の溶存酸素濃度を制御する、請求項１から４いずれか１項に記載の純水製造装置。
　前記溶存酸素濃度取得部及び前記紫外線照射装置の上流に位置する脱酸素手段を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の純水製造装置。
　前記脱酸素手段が脱気装置であり、前記溶存酸素濃度は、前記脱気装置内の真空度を調整することによって制御される、請求項６に記載の純水製造装置。
　前記溶存酸素濃度取得部及び前記紫外線照射装置の上流に位置する酸素供給手段を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の純水製造装置。
　前記紫外線照射装置に供給される被処理水に酸化剤が添加されない、請求項１から８のいずれか１項に記載の純水製造装置。
　被処理水のＴＯＣ濃度と溶存酸素濃度を、紫外線照射装置の前段で、それぞれＴＯＣ取得部と溶存酸素濃度取得部で測定することと、
　前記ＴＯＣと前記溶存酸素濃度が測定された前記被処理水に、前記紫外線照射装置によって紫外線を照射することと、
　前記ＴＯＣ取得部によって取得された前記被処理水のＴＯＣ濃度に対する、前記溶存酸素濃度取得部によって取得された前記被処理水の溶存酸素濃度の重量比率が１以上、７以下となるように溶存酸素濃度を制御することと、
　を有する純水製造方法。