JP5670069B2 - 純水製造システム - Google Patents

Description

本発明は、純水製造システムに関し、特に、逆浸透膜装置を備える純水製造システムに関する。

半導体製造工程や電子部品の製造、医療器具の洗浄等では、不純物を含まない高純度の純水が使用されており、従来から種々の純水製造システムが提供されている。また、純水製造システムとしては、イオン交換樹脂を用いるイオン交換装置や、逆浸透膜を用いる逆浸透膜装置を備える物が数多く提供されている。

イオン交換装置は、陽イオン交換樹脂や陰イオン交換樹脂を備え、イオン交換樹脂中の固定イオンと異符号のイオンを吸着除去する装置であり、純度を上げるために、塔内にＨ型陽イオン交換樹脂とＯＨ型陰イオン交換樹脂を混合して充填した混床式イオン交換装置も提供されている。

逆浸透膜装置は、逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いた膜分離により供給水中のイオンを除去する装置である。例えば、下記特許文献１には、逆浸透膜装置と、その後段に設置された混床式イオン交換装置とを備えた純水製造システムが開示されている。

また、下記特許文献２には、二段に直列に配置された逆浸透膜装置と、その後段に配置された電気脱イオン装置とを備えた純水製造システムが開示されている。

特開２０００−０７０９３３号公報 特開２００４−１６７４２３号公報

しかし、上記特許文献１のように、逆浸透膜装置と混床式イオン交換装置とを組み合わせた場合には、混床式イオン交換装置において、陽イオン交換膜樹脂及び陰イオン交換膜樹脂の双方の再生が必要となり、再生の手間やコストが大きくなってしまう。

また、上記特許文献２のように電気脱イオン装置を組み合わせれば、電気脱イオン装置は、イオン交換膜とイオン交換樹脂を組み合わせて電気的に脱イオンを行うことで、長期間にわたってメンテナンスフリーでイオン交換樹脂の再生を行うことができる。そのため、再生の手間やコストを下げることはできるが、電気脱イオン装置の価格が混床式イオン交換装置よりも高いため、純水製造システムが非常に高価になってしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、逆浸透膜装置を用いる純水製造システムにおいて、低コストで高純度な純水を製造することができる純水製造システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る純水製造システムは、正荷電型又は負荷電型の逆浸透膜を有し、供給水を膜分離処理して透過水及び濃縮水を製造する二段以上の逆浸透膜装置と、最終段の前記逆浸透膜装置における逆浸透膜の荷電と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有し、前記逆浸透膜装置の透過水が供給される単独のイオン交換装置と、を備え、前記逆浸透膜装置は、第一逆浸透膜装置、第二逆浸透膜装置及び第三逆浸透膜装置の三段から構成され、前記第二及び第三逆浸透膜装置における逆浸透膜が負荷電型であることを特徴とする。
また、本発明に係る純水製造システムは、正荷電型又は負荷電型の逆浸透膜を有し、供給水を膜分離処理して透過水及び濃縮水を製造する二段以上の逆浸透膜装置と、最終段の前記逆浸透膜装置における逆浸透膜の荷電と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有し、前記逆浸透膜装置の透過水が供給される単独のイオン交換装置と、を備え、前記逆浸透膜装置は、第一逆浸透膜装置及び逆浸透膜が負荷電型である第二逆浸透膜装置の二段から構成され、前記第一逆浸透膜装置又は前記第二逆浸透膜装置の前段に、供給水にアルカリを添加してｐＨを９以上に調整するアルカリ添加装置をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係る純水製造システムは、正荷電型又は負荷電型の逆浸透膜を有し、供給水を膜分離処理して透過水及び濃縮水を製造する二段以上の逆浸透膜装置と、最終段の前記逆浸透膜装置における逆浸透膜の荷電と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有し、前記逆浸透膜装置の透過水が供給される単独のイオン交換装置と、を備え、前記逆浸透膜装置は、第一逆浸透膜装置及び第二逆浸透膜装置の二段から構成され、前記第一逆浸透膜装置又は前記第二逆浸透膜装置の前段に、供給水に酸を添加してｐＨを６以下に調整する酸添加装置と、前記酸添加装置によりｐＨ調整された供給水が供給される脱気装置と、をさらに備えることを特徴とする。

本発明に係る純水製造システムによれば、低コストで高純度な純水を製造することができる。

図１は、第一実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。 図２は、第一実施形態の変形例１に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。 図３は、第二実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。 図４は、第三実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。 図５は、第三実施形態の変形例２に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。 図６は、第四実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。 図７は、第四実施形態の変形例３に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。

（第一実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る純水製造システムについて説明する。図１は、第一実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム１０は、給水ライン２上に順に設置された軟水装置１１、第一逆浸透膜装置（以下、「逆浸透膜装置」を「ＲＯ装置」とする）１５、膜荷電が負である第二ＲＯ装置１８、陽イオン交換装置１９を備えている。

軟水装置１１は、イオン交換塔内にナトリウム型の陽イオン交換樹脂が収容されている。原水が供給ライン２から軟水装置１１に供給されると、原水に含まれる硬度成分であるカルシウムイオン及びマグネシウムイオンが陽イオン交換樹脂のナトリウムイオンとイオン交換されて除去され、原水が軟水化される。つまり、第一ＲＯ装置１５には、供給水として、軟水装置１１で製造された軟水が提供される。

第一ＲＯ装置１５及び第二ＲＯ装置１８は、ＲＯ膜モジュールを内蔵しており、図示しない加圧ポンプで供給水側を加圧することで水分子のみをＲＯ膜を透過させ、ＲＯ膜によってイオンが除去される。すなわち、第一ＲＯ装置１５及び第二ＲＯ装置１８は、供給水をＲＯ膜で膜分離処理し、供給水中のイオンが除去された透過水と、供給水中のイオンが濃縮された濃縮水を製造する。濃縮水は、適宜系外へ排出される。第二ＲＯ装置１８には、第一ＲＯ装置１５で製造された透過水が供給水として提供される。

なお、第一ＲＯ装置１５の膜荷電は、正でも負でも良い。正荷電膜とする場合には、限外ろ過膜（ＵＦ膜）の上に界面架橋のような方法で薄いスキン層が形成されたＲＯ複合膜において、例えば、第四アンモニウム基等の陽イオン基を導入して膜表面を正に帯電させたものを用いれば良い。また、ＲＯ装置として負荷電膜を用いる場合には、上記ＲＯ複合膜において、例えば、カルボキシル基等の陰イオン基を導入して膜表面を負に帯電させたポリアミド系の負荷電膜を用いればよい。

第二ＲＯ装置１８は、例えばポリアミド系の負荷電膜である。なお、本実施形態で用いられるＲＯ膜は、塩除去率が９５％以上のものが望ましく、９９％以上のものが更に望ましい。このような塩除去率を有するＲＯ膜は、操作圧力により低圧ＲＯ膜、超低圧ＲＯ膜、極超低圧ＲＯ膜等に分類されることもあるが、いずれのタイプのＲＯ膜を用いてもよい。

陽イオン交換装置１９は、弱酸性型の陽イオン交換樹脂を備えている。すなわち、陽イオン交換樹装置１９は、第二ＲＯ装置１８の負荷電と同符号の負の固定イオン（イオン交換基）を持つイオン交換体のみを有しており、第二ＲＯ装置１８で製造された透過水中に含まれる陽イオンを除去する。

以上、第一実施形態に係る純水製造システム１０の構成について説明したが、純水製造システム１０に供給された原水は、まず、軟水装置１１において硬度成分が取り除かれる。続いて、一段目のＲＯ装置である第一ＲＯ装置１５では、供給水中のイオンを含む不純物が除去される。このとき、第一ＲＯ装置１５への供給水（軟水）のイオン濃度は高いため、第一ＲＯ装置１５の膜荷電による影響はほとんど出ない。

一方、第一ＲＯ装置１５の透過水のイオン濃度は極めて希薄となるため、二段目のＲＯ装置である第二ＲＯ装置１８では、ＲＯ膜の荷電（負）と異符号の陽イオンが透過し易くなり、第二ＲＯ装置１８の透過水は陽イオンがリッチな水質となる。

これに対して、最終段のＲＯ装置である第二ＲＯ装置１８のＲＯ膜の荷電（負）と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有する陽イオン交換装置１９を第二ＲＯ装置１８の下流側に設置することで、第二ＲＯ装置１８の透過水中に残留した陽イオンを除去し、高純度の純水を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、第一ＲＯ装置１５によりいったんイオンを除去した透過水に対し、さらに、負荷電膜を有する第二ＲＯ装置１８と、この最終段のＲＯ装置のＲＯ膜の荷電と異符号のイオンを吸着する陽イオン交換装置１９とで処理することで、高純度の純水を得ることができる。また、このようなシステムは、従来のように混床式イオン交換装置を用いる場合と比較して、再生コストを大きく抑えることができる。

なお、第一実施形態では、最終段のＲＯ装置である第二ＲＯ装置１８の上流側に設置するＲＯ装置を第一ＲＯ装置１５のみとしているが、さらにＲＯ装置を設置して第二ＲＯ装置１８の前側に複数のＲＯ装置を多段に設置するようにしても良い。追加されるＲＯ装置についても、第一ＲＯ装置１５と同様に、その膜荷電は正負どちらでも良い。

続いて、第一実施形態の変形例１について説明する。図２は、変形例１に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム２０は、給水ライン２上に設置された軟水装置１１、第一ＲＯ装置１５、膜荷電が正である第二ＲＯ装置２８、陰イオン交換装置２９を備えている。

本変形例１において、上記第一実施形態と同じ構成については、同じ番号を付して説明を省略する。純水製造システム２０は、その後段において、正荷電膜の第二ＲＯ装置２８と、陰イオン交換装置２９を備えている点で上記純水製造システム１０と構成が異なる。

陰イオン交換装置２９は、弱アルカリ型の陰イオン交換樹脂を備えている。すなわち、陰イオン交換装置２９は、第二ＲＯ装置２８の正荷電と同符号の正の固定イオンを持つイオン交換体のみを有しており、第二ＲＯ装置１８で製造された透過水中に含まれる陰イオンを除去する。

第一ＲＯ装置１５の透過水のイオン濃度は希薄であることから、供給水中の陽イオンは、第二ＲＯ装置２８の正荷電のＲＯ膜によって除去されるのに対して、陰イオンはＲＯ膜を透過し易い。透過した陰イオンは、第二ＲＯ装置２８のＲＯ膜の荷電と異符号のイオンを吸着する陰イオン交換装置２９によって除去される。

このように、本変形例１においても、システムの最終段の第二ＲＯ装置２８に対して、そのＲＯ膜の荷電（正）と異符号のイオンを吸着する陰イオン交換装置２９を設置しており、陽イオン及び陰イオン成分を良好に除去して、高純度の純水を低コストで生成することができる。

（第二実施形態）
続いて、本発明の第二実施形態について説明する。図３は、第二実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム３０は、給水ライン２上に順に設置された軟水装置３１、第一ＲＯ装置３５、膜荷電が負である第二ＲＯ装置３６、同じく膜荷電が負である第三ＲＯ装置３８、陽イオン交換装置３９を備えている。

なお、第一ＲＯ装置３５の膜荷電は、正でも負でも良く、軟水装置３１、ＲＯ装置３５，３６，３８、陽イオン交換装置３９の構成は、上記第一実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。第二実施形態では、負荷電性のＲＯ膜を有するＲＯ装置３６，３８を連続で配置すると共に、それらの後段にＲＯ膜の荷電（負）と異符号のイオンを吸着する陽イオン交換装置３９を設置することを特徴としている。

本実施形態において、第一ＲＯ装置３５によってイオンが除去されイオン濃度が希薄になった透過水が負荷電性の第二ＲＯ装置３６で処理されると、その透過水は負の膜荷電の影響によりアルカリ性になる。

ここで、水中の炭酸成分の存在比率は、水のｐＨによって決まり、ｐＨが６以下では溶存炭酸ガス（ＣＯ_２）の存在が支配的となり、ｐＨ６．５〜１０では、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）の存在が支配的となり、ｐＨ１０．５以上では炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）の存在が支配的となる。また、ＲＯ装置では、イオンである炭酸水素イオン及び炭酸イオンは除去できるが、溶存炭酸ガスは除去できない。よって、ＲＯ装置により炭酸成分を除去するためには、ＲＯ装置への供給水のｐＨを上昇させて炭酸成分をイオン化する必要がある。

上述したように、第二ＲＯ装置３６の処理水がアルカリ性となり、第三ＲＯ装置３８への供給水に含まれる炭酸成分のイオン化が促進されると、膜荷電が負である第三ＲＯ装置３８により効率良く炭酸成分を除去し、炭酸成分の除去率を向上させることができる。

さらに、第三ＲＯ装置３８の透過水は、負の膜荷電の影響により陽イオンがリッチな水質となるので、その後段に設置された陽イオン交換装置３９により、残留する陽イオンが除去され、高純度の純水を得ることができる。

以上、本実施形態によれば、上記第一実施形態と同様に、第一ＲＯ装置３５によっていったん不純物を除去した透過水に対して、さらに負荷電膜の第二及び第三ＲＯ装置３６，３８と、この最終段のＲＯ装置のＲＯ膜の荷電（負）と異符号のイオンを吸着する陽イオン交換装置３９とで処理することで、高純度の純水を得ることができる。

さらに、本実施形態においては、第二ＲＯ装置３６の負膜荷電の影響により透過水をアルカリ性にして、炭酸成分のイオン化を促進することで、脱炭酸効果をも奏しており、さらに高純度の純水を得ることができる。

なお、炭酸成分をイオン化してより効果的に除去するためには、第三ＲＯ装置３８への給水のｐＨを６．５以上に調整するように構成することが望ましく、より望ましくは溶存炭酸ガスがほぼ存在しなくなるようにｐＨを９以上に調整するように構成すると良い。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態について説明する。図４は、第三実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム４０は、給水ライン２上に順に設置された軟水装置４１、給水ライン２にアルカリを添加するためのアルカリ添加装置４２、第一ＲＯ装置４５、膜荷電が負である第二ＲＯ装置４８、陽イオン交換装置４９を備えている。

第一ＲＯ装置４５の膜荷電は、正でも負でも良く、軟水装置４１、ＲＯ装置４５，４８、陽イオン交換装置４９の構成は上記第一実施形態と同様であるため詳細な説明は省略する。第三実施形態では、第一ＲＯ装置４５への給水にアルカリ添加装置４２によりアルカリを添加することを特徴としている。

アルカリ添加装置４２は、給水ライン２を流れる水をアルカリ性にする装置であり、例えば、水酸化ナトリウム等のアルカリ水溶液を添加する装置や、ＯＨ型陰イオン交換樹脂を収容したイオン交換塔等を用いることができる。なお、上述したように、炭酸成分をイオン化してＲＯ膜で効果的に除去するためには、アルカリ添加装置４２により、ｐＨ６．５以上、さらに望ましくは、ｐＨ９以上に調整することが望ましい。

本実施形態においては、第一ＲＯ装置４５への供給水にアルカリを添加することにより、供給水に含まれる炭酸成分のイオン化を促進することができる。イオン化された炭酸成分は、イオン濃度が希薄になり膜荷電の影響が出てくる第二ＲＯ装置４８によって効率的に除去することができる。

さらに、第二ＲＯ装置４８の透過水は、負の膜荷電の影響により陽イオンがリッチな水質となるので、その後段に設置された陽イオン交換装置４９により、残留する陽イオンが除去され、高純度の純水を得ることができる。

以上、本実施形態によれば、上記第一実施形態と同様に、第一ＲＯ装置４５によっていったんイオンを除去した透過水に対して、さらに負荷電膜の第二ＲＯ装置４８と、この最終段のＲＯ装置のＲＯ膜の荷電（負）と異符号のイオンを吸着する陽イオン交換装置４９とで処理することで、高純度の純水を得ることができる。

さらに、本実施形態においては、アルカリ添加装置４２により、供給水をアルカリ性にして、炭酸成分のイオン化を促進することで、脱炭酸効果をも奏しており、さらに高純度の純水を得ることができる。

続いて、第三実施形態の変形例２について説明する。図５は、変形例２に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム５０は、給水ライン２上に設置された軟水装置４１、第一ＲＯ装置４５、アルカリ添加装置４２、第二ＲＯ装置４８、陽イオン交換装置４９を備えている。

本変形例２は、図４に示した第三実施形態と比較して、第一ＲＯ装置４５とアルカリ添加装置４２の設置位置が変更になっただけであるため、同じ構成には同じ番号を付して説明を省略する。

本変形例２においても第二ＲＯ装置４８への供給水にアルカリを添加することにより、供給水に含まれる炭酸成分のイオン化を促進することができ、上記第三実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形について説明する。図６は、第四実施形態に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム６０は、給水ライン２上に設置された軟水装置６１、給水ライン２に酸を添加するための酸添加装置６２、脱気装置６３、第一ＲＯ装置６５、膜荷電が負である第二ＲＯ装置６８、陽イオン交換装置６９を備えている。

なお、第一ＲＯ装置６５の膜荷電は正でも負でも良く、軟水装置６１、ＲＯ装置６５，６８、陽イオン交換装置６９の構成は、上記第一実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。第四実施形態では、第一ＲＯ装置６５への供給水に酸添加装置６２により酸を添加すると共に、脱気装置６３で脱炭酸を行うことを特徴としている。

酸添加装置６２は、給水ライン２を流れる水を酸性にする装置であり、例えば、塩酸や硫酸を添加するための攪拌部材付きのｐＨ調整槽を設置したり、給水ライン２に静止型混合器を設けると共にその上流側に酸注入口を設置したりすることで実現できる。

ここで、上述したように、水中の炭酸成分の存在比率は、水が酸性化されてｐＨが６以下となると、溶存炭酸ガスの存在が支配的となる。したがって、後述するように、脱気装置６３により溶存炭酸ガスを効率的に除去するためには、酸添加装置６２による酸添加により脱気装置６３への供給水のｐＨが６以下となるように構成することがより望ましい。

脱気装置６３は、供給水中の溶存気体を除去する装置であり、真空式脱気装置、窒素置換式脱気装置、膜式脱気装置等を用いることができる。

本実施形態においては、酸添加装置６２により酸を添加して軟水化された供給水を酸化することで、供給水中の炭酸成分の大部分が溶存炭酸ガスとなるので、脱気装置６３によって脱気することで、供給水中の炭酸成分を効率的に脱炭酸することができる。

また、供給水中に残っている炭酸成分は、第一ＲＯ装置６５によって透過水のイオン濃度が希薄になると、イオン化が促進される。そして、このイオン化された炭酸成分は、負荷電膜の第二ＲＯ装置６８によって除去されるため、本実施形態では、システム全体での炭酸成分の除去率を大きく向上させることができる。

以上、本実施形態によれば、上記第一実施形態と同様に、第一ＲＯ装置６５によっていったん不純物を除去した透過水に対して、さらに負荷電膜の第二ＲＯ装置６８と、この最終段のＲＯ装置のＲＯ膜の荷電（負）と異符号のイオンを吸着する陽イオン交換装置６９とで処理することで、高純度の純水を得ることができる。さらに、本実施形態では、第一ＲＯ装置６５への供給水に酸を添加すると共に脱気処理を施すことで、炭酸成分の除去率を大きく向上させることができる。

続いて、第四実施形態の変形例３について説明する。図７は、変形例３に係る純水製造システムの構成を概略的に示す模式図である。同図に示すように、純水製造システム７０は、給水ライン２上に設置された軟水装置６１、第一ＲＯ装置６５、酸添加装置６２、脱気装置６３、膜荷電が負である第二ＲＯ装置６８、陽イオン交換装置６９を備えている。

本変形例３は、図６に示した第四実施形態と比較して、第一ＲＯ装置６５の設置位置が酸添加装置６２の上流側に変更になっただけであるため、同じ構成には同じ番号を付して説明を省略する。

本変形例３においても第二ＲＯ装置６８への供給水に酸を添加すると共に脱気処理を施すことで、炭酸成分の除去率を大きく向上させることができ、上記第四実施形態と同様の作用効果を奏する。

以上、本発明の第一乃至第四実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施形態は上述した形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述した各装置の構成として、同様の機能を有する他の構成を採用できるのでは言うまでもない。

２ 給水ライン
１０，２０，３０，４０ 純水製造システム
５０，６０，７０ 純水製造システム
１１，３１，４１，６１ 軟水装置
１５，３５，４５，６５ 第一ＲＯ装置
１８，２８，３６，４８ 第二ＲＯ装置
６８ 第二ＲＯ装置
３８ 第三ＲＯ装置
１９，３９，４９，６９ 陽イオン交換装置
２９ 陰イオン交換装置
４２ アルカリ添加装置
６２ 酸添加装置
６３ 脱気装置

Claims (3)

1. 正荷電型又は負荷電型の逆浸透膜を有し、供給水を膜分離処理して透過水及び濃縮水を製造する二段以上の逆浸透膜装置と、
   最終段の前記逆浸透膜装置における逆浸透膜の荷電と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有し、前記逆浸透膜装置の透過水が供給される単独のイオン交換装置と、を備え、
   前記逆浸透膜装置は、第一逆浸透膜装置、第二逆浸透膜装置及び第三逆浸透膜装置の三段から構成され、
   前記第二及び第三逆浸透膜装置における逆浸透膜が負荷電型であることを特徴とする純水製造システム。
2. 正荷電型又は負荷電型の逆浸透膜を有し、供給水を膜分離処理して透過水及び濃縮水を製造する二段以上の逆浸透膜装置と、
   最終段の前記逆浸透膜装置における逆浸透膜の荷電と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有し、前記逆浸透膜装置の透過水が供給される単独のイオン交換装置と、を備え、
   前記逆浸透膜装置は、第一逆浸透膜装置及び逆浸透膜が負荷電型である第二逆浸透膜装置の二段から構成され、
   前記第一逆浸透膜装置又は前記第二逆浸透膜装置の前段に、供給水にアルカリを添加してｐＨを９以上に調整するアルカリ添加装置をさらに備えることを特徴とする純水製造システム。
3. 正荷電型又は負荷電型の逆浸透膜を有し、供給水を膜分離処理して透過水及び濃縮水を製造する二段以上の逆浸透膜装置と、
   最終段の前記逆浸透膜装置における逆浸透膜の荷電と同符号の固定イオンを持つイオン交換体のみを有し、前記逆浸透膜装置の透過水が供給される単独のイオン交換装置と、を備え、
   前記逆浸透膜装置は、第一逆浸透膜装置及び第二逆浸透膜装置の二段から構成され、
   前記第一逆浸透膜装置又は前記第二逆浸透膜装置の前段に、供給水に酸を添加してｐＨを６以下に調整する酸添加装置と、前記酸添加装置によりｐＨ調整された供給水が供給される脱気装置と、をさらに備えることを特徴とする純水製造システム。

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