特許 6722710 純水製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6722710

(24)【登録日】2020年6月24日

(45)【発行日】2020年7月15日

(54)【発明の名称】純水製造装置

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/42 20060101AFI20200706BHJP

   B01J 47/02 20170101ALI20200706BHJP

   B01J 47/14 20170101ALI20200706BHJP

【ＦＩ】

   C02F1/42 A

   B01J47/02

   B01J47/14

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-55151(P2018-55151)

(22)【出願日】2018年3月22日

(62)【分割の表示】特願2016-176911(P2016-176911)の分割

【原出願日】2016年9月9日

(65)【公開番号】特開2018-114499(P2018-114499A)

(43)【公開日】2018年7月26日

【審査請求日】2018年3月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】591030651

【氏名又は名称】水ｉｎｇ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 洋平

(72)【発明者】

【氏名】星 舞奈

(72)【発明者】

【氏名】塚本 祐司

(72)【発明者】

【氏名】大場 将純

【審査官】 岡田 三恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０１８４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９２７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０７−５０１７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５１８２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１６６０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−２０９６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１８８４５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０２Ｆ １／４２

Ｂ０１Ｊ ４７／０２

Ｂ０１Ｊ ４７／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アニオン交換樹脂を内部に充填し、被処理水を前記アニオン交換樹脂と接触させて純水を製造するアニオン塔と、
前記アニオン交換樹脂と接触するように配置され、前記アニオン交換樹脂の導電率を連続的に測定する少なくとも１対の電極と、
前記電極による前記導電率の測定値に基づいて、前記アニオン塔の高さ方向に沿って前記アニオン交換樹脂のイオン濃度を解析する解析手段と
を備えることを特徴とする純水製造装置。

【請求項2】

前記解析手段が、前記アニオン交換樹脂の汚染物付着による汚染状態、樹脂再生不良状態、経年劣化の少なくともいずれかを含む劣化度をシミュレーションすることを含む請求項１に記載の純水製造装置。

【請求項3】

前記導電率の測定値に基づいて、前記アニオン塔へ供給される被処理水の通水量、再生剤量及び前記アニオン交換樹脂の再生頻度の少なくともいずれかを制御する制御手段を更に備える請求項１又は２に記載の純水製造装置。

【請求項4】

前記電極が、前記被処理水の通水方向に対して前記アニオン塔の入口と出口の中間よりも下流側に配置されることを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の純水製造装置。

【請求項5】

前記アニオン塔の高さ方向に２箇所以上、前記電極を配置することを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の純水製造装置。

【請求項6】

前記純水製造装置が、カチオン塔、脱炭酸塔及び前記アニオン塔により成る２床３塔方式の純水製造装置を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の純水製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、純水製造装置に関し、特に、医薬品の製造、半導体の製造、発電用ボイラー水、食品などに使用される純水もしくは超純水を製造するためのイオン交換方式純水製造装置に利用可能な純水製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

医薬品の製造、半導体の製造、発電用ボイラー水、食品などに使用される純水もしくは超純水を製造するためのイオン交換方式純水製造装置が知られている。イオン交換方式純水製造装置は、原水をイオン交換樹脂等に接触させ、原水に含まれるアニオンおよびカチオン成分をイオン交換反応により除去し、純水を製造する装置である。イオン交換樹脂は、定期的に酸およびアルカリにより再生することで、繰り返し使用することができる。

【0003】

近年、半導体の高集積度化などにより、純水製造装置に求められる純水の純度が高くなるとともに、再生に用いられる薬品の使用量を抑え、ランニングコストを極限まで低減することが求められている。しかしながら、適正な再生頻度および再生薬品量の調整を行わないと、イオン交換樹脂の再生不良が起こり、純水の水質低下のリスクが高まる。

【0004】

再生頻度の決定方法として従来から行われる最もオーソドックスな方法は、原水のイオン濃度を一定とみなし、一定量の原水の通水量を超えた場合に、イオン交換樹脂の再生をする方式である。しかしながら、原水のイオン濃度が季節変動などにより上昇した場合、再生頻度が足りなくなるため、処理水の水質が低下する。季節変動を見越して薬品量や再生頻度を多く設定すると、無駄に薬品を消費するため、ランニングコストが上昇する。また、イオン交換樹脂は汚れなどにより経年劣化するため、季節変動がなくても設備の能力が低下し、処理水の水質が低下していく。設備能力の低下を考慮した薬品量や再生頻度を設定すると、ランニングコストが更に上昇する問題もある。

【0005】

更に進化した従来技術としては、例えば特開平３−１８１３８４号公報（特許文献１）に記載されるように、原水の導電率を測定してイオン負荷を演算し、原水のイオン負荷を考慮したうえでイオン負荷を求め、再生頻度を決定する方式がある。しかしながら、導電率によるイオン負荷の演算方法は、イオン種やｐＨによって誤差が生じるため、精度に限界がある。特に、イオンの中でもシリカは弱電解質であるため、導電率に表れにくく、原水の導電率からイオン負荷を推算すると誤差が生じる場合がある。他の分析器を設置することも可能であるが、イニシャルコストやランニングコストが上昇する。更に、上述の従来技術と同様に、イオン交換樹脂は汚れなどにより経年劣化するため、季節変動がなくても設備の能力が低下し、処理水の水質が低下していくが、これらの誤差を考慮すると、特許文献１の技術を用いた場合でも、再生頻度および再生剤量の低減は限定的である。

【0006】

更に別の従来技術としては、イオン交換樹脂の再生廃液のｐＨを測定し、測定値に基づいて再生剤の通薬量の監視を行うことにより再生に用いる薬品の使用量を抑える方法（特開平９−１１７６７９号公報（特許文献２））や、処理水中のシリカを分析計により測定する方法等がある。しかしながら、いずれの方法も、監視の精度に限界がある上、測定装置が高価で機器サイズも大きくなり、ランニングコスト及びメンテナンスコストが増大する。また、イオン交換樹脂を収容したイオン交換塔は目視により得られる情報が少なく、イオン交換塔の外部に接続された水質計などによっても、イオン交換塔の内部状況を把握することが困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平３−１８１３８４号公報

【特許文献2】特開平９−１１７６７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記課題を鑑み、本発明は、イオン交換塔の内部状態を把握することが可能な純水製造装置を提供する。

【0009】

更に、本発明は、イオン交換樹脂をより最適な再生頻度および再生剤量で処理でき、ランニングコストを低減して純水の水質低下を抑制可能な純水製造装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために本発明者らが鋭意検討したところ、イオン交換体を充填したイオン交換塔内にイオン交換体と接するように電極を配置し、この電極により、イオン交換塔内に収容されたイオン交換体の導電率を連続的に測定することが有効であるとの知見を得た。

【0011】

以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、イオン交換体を内部に充填したイオン交換塔を用いて純水を製造する純水製造装置において、イオン交換塔の内部に少なくとも１対の電極をイオン交換体と接触するように配置し、その電極によりイオン交換体の導電率を連続的に測定する純水製造装置が提供される。

【0012】

本発明に係る純水製造装置は一実施態様において、電極が、被処理水の通水方向に対してイオン交換塔の入口と出口の中間よりも下流側に配置される。

【0013】

本発明に係る純水製造装置は別の一実施態様において、電極の電極間距離を２ｍｍ以上とすることを含む。

【0014】

本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、電極のセル乗数が１〜１０ｍ^-1となるように、電極がイオン交換塔の内部に配置されていることを含む。

【0015】

本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、イオン交換塔の高さ方向に２箇所以上、１対の電極を配置することを含む。

【0016】

本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、導電率の測定値に基づいて、イオン交換塔内におけるイオン交換体の状態をシミュレーションする解析手段を更に備える。

【0017】

本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、導電率の測定値に基づいて、イオン交換塔へ供給される被処理水の通水量、薬品量及びイオン交換体の再生頻度の少なくともいずれかを制御する制御手段を備える。

【0018】

本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、純水製造装置が、カチオン塔、脱炭酸塔及びアニオン塔により成る２床３塔方式の純水製造装置を含み、上記電極が少なくともアニオン塔の内部に配置される。

【0019】

本発明に係る純水製造装置は更に別の一実施態様において、純水製造装置が、カチオン塔、脱炭酸塔、アニオン塔及びアニオン塔の下流側に接続されたポリッシャを備える純水製造装置を含み、上記電極が少なくともポリッシャの内部に配置される。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、イオン交換樹脂をより最適な再生頻度および再生剤量で処理でき、ランニングコストを低減して純水の水質低下を抑制可能な純水製造装置を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施の形態に係る純水製造装置の一例を示す概略図である。

【図2】図２（ａ）は、１対の電極が挿入される電極座の断面図を示し、図２（ｂ）は、イオン交換塔の外側面からみた電極座の平面図を示す。

【図3】１対の電極の電極間距離とイオン交換樹脂の粒子との関係を表す概略図である。

【図4】本発明の実施の形態に係るイオン交換塔と電極の配置関係を表す説明図である。

【図5】解析手段の具体例を表すブロック図である。

【図6】導電率の測定値に基づくイオン交換体の状態の解析方法の一例を表すフローチャートである。

【図7】解析結果の出力結果（画面）の一例を示す概略図である。

【図8】本発明の実施の形態に係る純水製造装置を２床３塔方式の純水製造装置に適用した場合の一例を表す概略図である。

【図9】本発明の実施の形態の変形例に係る純水製造装置を表すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

【0023】

本発明の実施の形態に係る純水製造装置１は、図１に示すように、イオン交換体３を内部に充填したイオン交換塔２を用いて純水を製造する純水製造装置１であり、イオン交換塔２の内部には少なくとも１対の電極４１ａ、４１ｂ（図２（ａ）参照）がイオン交換体３と接触するように配置され、電極４１ａ、４１ｂにより、イオン交換体３の導電率が連続的に測定される。

【0024】

本実施形態において「連続的に測定」とは、導電率を常時測定する場合の他、純水製造装置１の運転期間中において、一定期間毎（数時間毎、１月、１年毎）に定期的に導電率を測定する場合も含む態様も意味する。電極４１ａ、４１ｂを介してイオン交換体３の導電率が連続的に測定されるため、導電率の測定結果を通じて、イオン交換体３の状態（樹脂性能）がリアルタイムに把握できる。その結果、イオン交換体３の性能低下をより素早く判断できるため、イオン交換体３の再生時期や交換時期を精度良く判断することができる。

【0025】

イオン交換塔２は、内部にイオン交換体３を収容し、被処理水を塔内に通水してイオン交換体３と接触させることにより、被処理水中の無機性溶解不純物を除去することが可能な装置であれば、具体的構成は特に限定されない。イオン交換体３としては、カチオン交換樹脂、アニオン交換樹脂などからなる粒子状のイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂層が用いられる。

【0026】

図１に示すように、イオン交換塔２の外側面下部には、１対の電極４１ａ、４１ｂ（図２（ａ）参照）を保持するための電極座４が配置されている。図２（ａ）の例では、電極座４内に保持された電極４１ａ、４１ｂは、イオン交換塔２の高さ方向（通水方向）と交差する方向に差し込まれている。

【0027】

電極４１ａ、４１ｂは、ステンレス鋼等の耐食性を有する材料で形成されている。図２（ａ）に示すように、電極４１ａ、４１ｂの周囲は、支持材（スリーブ）４２で取り囲まれている。スリーブ４２は絶縁材料で形成されており、電極４１ａ、４１ｂの先端部がイオン交換体３と接するように、電極座４内の所定の位置に電極４１ａ、４１ｂを支持するとともに、電極４１ａ、４１ｂ同士の接触を防いでいる。電極座４はフランジ４３を備えており、図２（ｂ）に示すように、複数のねじ４４によって、電極４１ａ、４１ｂが所定の位置に収容されるように固定されている。

【0028】

図３に模式図として示すように、イオン交換体３として利用されるイオン交換樹脂の粒子３１の粒径は、一般的には５００μｍ程度が一般的であり、電極間に粒子３１が４粒以上存在すると、イオン交換体３の導電率が安定して測定できる。そのため、イオン交換塔２内に挿入された電極４１ａ、４１ｂの電極間距離Ｄ（図２（ａ）参照）は、２ｍｍ以上とすることが好ましい。電極間距離Ｄは、あまり離れすぎても導電率が安定して測定できない場合もあることから１０ｍｍ以下、より好ましくは７ｍｍ以下、更に好ましくは５ｍｍ以下とすることが好ましい。

【0029】

イオン交換体３の導電率を精度良く測定するためには、イオン交換塔２の内側面から電極４１ａ、４１ｂの先端までの距離Ｈ（図２（ａ）参照）が３０ｍｍ以上が好ましい。距離Ｈの上限は特に限定されないが、イオン交換体３を構成する樹脂が流動することにより、電極４１ａ、４１ｂに力学的負荷が加わり、破損する場合もあることから、距離Ｈは、５０ｍｍ以下とすることが好ましい。

【0030】

イオン交換体３の樹脂再生時には、イオン交換体３を構成するイオン交換樹脂が、粒子状となって流動する場合が多い。そのため、形状によっては、電極４１ａ、４１ｂ付近の樹脂が滞留し、導電率が精度良く測定できない場合がある。電極４１ａ、４１ｂの形状を板状よりも円筒形（柱状）とすることにより、イオン交換樹脂の再生時においても電極４１ａ、４１ｂが粒子の動きを阻害することを抑制でき、より高精度に測定できる。以下に限定されるものではないが、イオン交換塔２内に挿入される電極の直径は５ｍｍ以上とすることが好ましく、具体的には１０ｍｍ程度とすることができる。

【0031】

アニオン交換樹脂の固相導電率は、一般的には、約０．１〜１０ｍＳ／ｃｍである。そのため、イオン交換体３の固相導電率を測定するための電極４１ａ、４１ｂとしては、セル乗数が１〜１０ｍ^-1となるように、電極４１ａ、４１ｂがイオン交換塔の内部に配置されていることが好ましい。なお、「セル乗数」とは、電極面積と電極間距離との比で表されるものであり、測定条件はＪＩＳ Ｋ０１３０「電気伝導率測定法通則」に準じて算出される。

【0032】

イオン交換体３の状態をより精度良く把握するためには、イオン交換塔２の入口側のイオン交換体３よりも出口側のイオン交換体３の樹脂の状態を検知することが好ましい。このため、電極４１ａ、４１ｂは、図１に示すように、被処理水の通水方向に対してイオン交換塔２の入口２１（塔最上部）と出口２２（塔最下部）の中間（５０％）よりも下流側に配置されることが好ましい。より好ましくは、入口（０％）から出口（１００％）に向かって７０％以上下流側となる位置で、電極４１ａ、４１ｂの先端（導電率検出部分）がイオン交換体３と接触するように配置される。

【0033】

あるいは、図１の電極座４の代わりに、図４に示すようなイオン交換塔２の内部に配置される内装管４５を電極４１ａ、４１ｂの支持材とすることもできる。内装管４５そのものを電極４１ａ、４１ｂとして利用することもできる。内装管４５を利用することにより、イオン交換体３の中心部の樹脂と電極４１ａ、４１ｂとを接触させることができるため、より正確な導電率を測定することができる。

【0034】

電極４１ａ、４１ｂは、イオン交換塔の高さ方向に２箇所以上配置することが好ましい。例えば、イオン交換塔２の通水方向からみて上流、中流、及び下流領域それぞれに１対の電極をそれぞれ配置して、イオン交換体３の上流側、中流側、下流側の導電率を測定することが好ましい。イオン交換塔２の内部のイオン交換体３は、通水方向に対して被処理水の性状が変わるため、イオン濃度の濃度勾配が生じ、イオン交換塔２の入口側と出口側で導電率が変わる場合があるが、１対の電極４１ａ、４１ｂを複数箇所に配置して、イオン交換体３の局所領域での導電率を複数箇所から測定することによって、イオン交換体３の樹脂性能をより詳しく把握することができる。

【0035】

なお、電極４１ａ、４１ｂによる導電率の検知精度を高めるために、イオン交換塔２の内面には、樹脂などの非導電性材料によるライニング層（図示省略）が配置されることが好ましい。或いは、イオン交換塔２自身が、非導電性材料で構成されていてもよい。

【0036】

電極４１ａ、４１ｂ間には、交流電圧が印加されることが好ましい。これにより、電極４１ａ、４１ｂ間に直流電圧が印加される場合に比べて、電極４１ａ、４１ｂの表面に分極が生じるのを防ぎ、長期間安定してイオン交換体３の導電率を測定することができる。

【0037】

図１に示すように、本実施形態に係る純水製造装置は、電極４１ａ、４１ｂの測定値を解析する解析手段１０と、イオン交換塔２へ供給される被処理水の通水量、薬品量及び前記イオン交換体の再生頻度の少なくともいずれかを制御する制御手段１１とを更に備える。

【0038】

解析手段１０は、導電率の測定値に基づいて、イオン交換体３の状態をシミュレーションする。例えば、解析手段１０は、導電率の測定値を利用して、イオン交換塔２内のイオン交換平衡計算（液相−固相）、固相内イオン濃度拡散計算、液相内イオン濃度拡散計算、或いは、被処理水の負荷変動、再生頻度、再生剤量をパラメータとした任意の通水時間におけるイオン交換塔内の固相のイオン濃度の推算、ネルンストプランクの方程式に基づくイオンの濃度拡散計算等を行うことにより、イオン交換塔２内におけるイオン交換体３を構成するイオン交換樹脂の樹脂性能（汚染物による汚染状態、樹脂再生不良状態、経年劣化など）をシミュレーションすることができる。具体的には、解析手段１０は、イオン交換樹脂の初期状態（固相イオン濃度）を計算した後、導電率の測定値と、物性定数、拡散係数などの各条件を用いて、予め入力された被処理水の負荷変動、イオン交換体３の再生頻度、再生剤量をパラメータとして、ネルンストプランクの方程式及び物質収支に基づき逐次計算を行う。そして、任意の時間における計算結果と導電率測定結果に基づくイオン交換樹脂の状態（固相イオン濃度）とを比較し、計算を補正し、再計算を行い、測定結果と計算結果が近いことを確認し、設備の状態（固相及び液相イオン濃度の把握）や拡散係数の値から、樹脂の劣化度をシミュレーションすることができる。

【0039】

そのため、例えば、解析手段１０は、図５に示すように、少なくとも１対の電極４１ａ、４１ｂ（図２（ａ）参照）から出力された導電率の測定値を処理するための処理部１００と、記憶装置１１０と、操作者からの入力を行うための入力装置１２０と、操作者に必要な情報を操作者に表示するための表示装置１３０を備える。

【0040】

処理部１００は、電極４１ａ、４１ｂが測定した導電率の測定値を検出する導電率検出部１０１と、導電率検出部１０１による導電率の検出結果と記憶装置１１０に記憶された解析情報（イオン交換平衡計算情報（液相−固相）、固相内イオン濃度拡散計算情報、液相内イオン濃度拡散計算、被処理水の負荷変動、再生頻度、再生剤量をパラメータとし、任意の通水時間におけるイオン交換塔内の固相のイオン濃度の推算情報、ネルンストプランクの方程式に基づくイオンの濃度拡散情報など）とに基づいて、イオン交換塔２内に充填されたイオン交換体３の状態をシミュレーションするシミュレーション部１０２と、電極４１ａ、４１ｂが測定した導電率、或いはこの導電率からシミュレーションされたシミュレーション結果を、既存のシミュレーション結果と比較する比較部１０３と、比較部１０３による比較結果から、純水製造装置１の運転条件の変更が必要と判断された場合に、運転条件を変更するための補正情報を出力するための条件変更部１０４を備えることができる。

【0041】

制御手段１１は、比較部１０３による比較の結果、或いは操作者からの運転条件の変更要求に基づいて、純水製造装置１の運転条件を変更する制御信号、具体的には、イオン交換塔２へ供給される被処理水の通水量、薬品量及び前記イオン交換体の再生頻度の少なくともいずれかを制御するための制御信号を出力する。

【0042】

本発明の実施の形態に係る純水製造装置１によれば、解析手段１０により、電極４１ａ、４１ｂが測定した導電率の測定値を用いて、イオン交換塔２内の固相、液相の状態をリアルタイムでシミュレーションすることができるため、イオン交換塔２内の内部状態及びイオン交換塔２内に充填されたイオン交換体３の状態（樹脂性能）を精度良く把握することができる。さらに、連続的に測定されたイオン交換体３の導電率の測定結果から、導電率の経時的な変化を捉え、比較部１０３がシミュレーション結果と常時比較することにより、必要に応じて運転条件の補正を行うことができるため、設備全体の状態を精度よく把握することができる。これにより、設備の状態が精度よく可視化されるため、信頼性が向上する。

【0043】

これまでの純水製造装置の運転は、一定の薬品量及び通水量が基本であったが、本実施形態によれば、解析手段１０により、あらゆる運転条件をシミュレーションに反映させることが可能となるため、運転条件に応じて、薬品量、通水量、再生頻度を自由に設定することができる。

【0044】

また、本実施形態に係る純水製造装置によれば、通水量、薬品量、再生頻度がパラメータ（変数）となるため、設備運用上の制約（生産スケジュール、操作者の出勤時間、薬品の納入日程）などの制約に応じて、より現場の運転管理条件に即した運転条件が設定可能となる。また、最適な運転条件をリアルタイムで反映させることにより、薬品の過剰供給や不必要な樹脂再生工程を削減することができるため、ランニングコストを低減させることが可能となる。

【0045】

図６のフローチャートを用いて本発明の実施の形態に係る純水製造装置の運転方法について以下に説明する。なお、下記の運転方法は単なる例示であり、本実施形態に係る純水製造装置を用いて、他にも種々の運転方法が存在することは勿論である。

【0046】

まず、入力装置１２０を介して必要な情報（初期条件、設備条件、運転条件など）が、記憶装置１１０に記憶される。初期条件としては、イオン交換塔２の初期の状態を規定するための固相イオン濃度（Ｘ_OS）、液相イオン濃度（Ｘ_OL）などが入力される。設備条件、運転条件としては、樹脂量Ｖ［ｍ³］、流量Ｑ［ｍ³／ｈ］、原水イオン負荷ＣＯ［ｅｑ／ｍ³］、再生条件（頻度［ｈ／ｃｙｃｌｅ］、薬液濃度［ｅｑ／ｍ³］）、物性定数（各拡散係数Ｄ［ｍ²／ｓｅｃ］、イオン価数など）などが入力される。

【0047】

次に、ステップＳ１において、イオン交換塔２内に配置された少なくとも１対の電極４１ａ、４１間に交流電圧を印加し、導電率（電気伝導度）を測定する。図５の導電率検出部１０１は、電極４１ａ、４１が測定した導電率の測定値を検出する。

【0048】

ステップＳ２において、シミュレーション部１０２が、導電率検出部１０１が検知した導電率の測定値を用いて、イオン交換体３の状態、例えば、イオン交換塔２内の固相、液相のイオン濃度勾配を計算することにより、イオン交換体３の使用状態をシミュレーションする。例えば、検出された導電率と、記憶装置１１０に記憶された解析情報とに基づいて、イオン交換平衡計算（液相−固相間）、固相内イオン濃度拡散、液相内イオン濃度拡散の微分、積分計算などを行うことができる。具体的には、例えば、イオン交換塔２を高さ方向に１００段程度に分割し、入口付近から順番に液相のイオン濃度を計算する。更には、ネルンストプランクの方程式及び拡散係数Ｄを解析情報として利用し、高さ方向に分割された各要素毎に、固相であるイオン交換体３とその周囲にある液相内でのイオンの濃度拡散（イオンの拡散濃度）についてシミュレーションを行う。イオン交換樹脂のイオン濃度は、例えば、イオン交換樹脂を約２０分割し、各分割要素毎に微分計算することによりシミュレーションできる。シミュレーション結果は記憶装置１１０に記憶され、例えば、図７に示すような情報が、必要に応じて表示装置１３０に表示されることにより、操作者はイオン交換塔２内部の状態を容易に確認できる。

【0049】

ステップＳ３において、導電率検出部１０１が再び電極４１ａ、４１が測定した導電率の測定値を検出する。ステップＳ４において、比較部１０３は、記憶装置１１０に記憶されたシミュレーション結果を読み出して、電極４１ａ、４１ｂが測定した導電率（或いはこの導電率から得られたシミュレーション結果）と比較し、イオン交換塔２の運転条件の補正が必要か否かを判断する。純水製造装置１の運転条件の変更が必要と判断された場合には、ステップＳ５において、条件変更部１０４が、運転条件を変更するための補正情報を出力し、ステップＳ６に進む。純水製造装置１の運転条件の変更が必要ではない場合にはそのままステップＳ６へ進む。

【0050】

ステップＳ６において、条件変更部１０４により純水製造装置１の解析を終了させるか否かが判定され、終了する場合には、終了となる。解析終了しない場合には、再度ステップＳ２〜Ｓ６を繰り返す。

【0051】

従来の純水製造装置では、イオン交換塔２の外部に計器を設置したとしてもイオン交換塔２の内部の状況までは詳しく把握することが難しかったため、処理水の水質が低下しないように、ある程度余裕をもって運転条件が設定されていた。本実施形態に係る純水製造方法によれば、少なくとも１対の電極４１ａ、４１ｂに基づいて、イオン交換体３の導電率を測定することができるため、導電率からイオン交換体３のイオン濃度などを領域毎にシミュレーションすることにより、イオン交換塔２の内部状態を詳細に把握することができる。イオン交換塔２の内部状況は、一般的には、水の流れ等のモデル化を完全に行うことが難しいパラメータがあるが、本実施形態では、連続的に検出される電極４１ａ、４１ｂによる導電率の検出結果を、過去のシミュレーション結果や試験結果と照らし合わせて補正することで、より精度の高い計算結果が得られる。例えば図７は、計算結果の出力結果が示されており、画面左側には純水製造装置を構成する各塔の固相及び液相の高さ方向のイオン濃度分布が示され、画面右側にはイオン交換樹脂の高さに垂直な断面のイオン濃度分布が示されている。操作者は、例えば図７に示すような画面を通じて純水製造装置を構成する各塔の内部状況をリアルタイムで把握することができる。

【0052】

（変形例）
なお、上述のような複雑なシミュレーションを実施せず、解析手段１０が、導電率の経時的変化のみに着目して、イオン交換体３の樹脂性能を推定するようにしてもよい。例えば、（１）イオン交換塔２に被処理水を通水しながら、所定の期間毎にイオン交換体３の導電率を測定する場合に、導電率の低下が見られたところで、樹脂再生工程或いは樹脂の交換を実施する方法、（２）樹脂再生直後に導電率を測定し、その導電率の値を前回の樹脂再生直後の導電率と比較して、所定の値以上に導電率が低下する場合に樹脂再生不良とみなし、再度樹脂再生を行うか、樹脂の交換を促す方法、（３）導電率の測定結果の変化を経時的に記録し、長期間の使用に伴う導電率の低下具合により設備の劣化を評価する方法などがある。

【0053】

即ち、イオン交換塔２内部における水の電気伝導媒体はイオンである場合が多く、イオンの濃度が高まるにつれて水の電気伝導度が高くなる。一方純水は蒸留水から超純水と呼ばれるグレードまで純度により幅があるが、純度が高くなるにしたがって、イオンの濃度が低くなり電気伝導度が低くなる。純水の純度が高まると、水が解離して生成されるＨ⁺とＯＨ^-による電気伝導のみとなり、純水の理論導電率０．０５６μＳ／ｃｍ（０．００５６ｍＳ／ｍ）に近づく。

【0054】

有機高分子系イオン交換樹脂は、例えばスチレンジビニルベンゼン共重合体を骨格とし、カチオン交換樹脂はスルホン酸基、アニオン交換樹脂は４級アンモニウム基など官能基をもった構造となっており、スルホン酸や４級アンモニウム基には、対イオンとしてＨ⁺やＯＨ^-を配した酸、アルカリ又は金属イオンや塩化物イオンなどを配した塩となっている。イオン交換体３中のイオン濃度は、官能基の濃度により異なるが１モル／Ｌ〜１０モル／Ｌといった比較的高濃度の固体酸、固体アルカリ又は塩となっている。このように、イオン交換体３中ではイオン濃度が高く、運動性の高い高分子であることから、比較的イオンの運動性がよく、特に水分を含んだ状態においてはイオン交換体３の導電性が高く、純水中では純水よりも数倍から数百倍導電率が高くなる。

【0055】

イオン交換体３中ではイオンが電気伝導の媒体であるため、対イオンの運動性、拡散性によりイオン交換体の導電率が大きく変わる。特にイオン種、イオンの大きさ、イオンの吸着状態によりイオン交換体の導電性が大きく変わり、Ｈ⁺とＯＨ^-はサイズ、質量から運動性が高く、イオン交換体の対イオンがＨ⁺とＯＨ^-の場合、イオン交換体の導電率が高くなる。

【0056】

純水製造装置で用いるイオン交換樹脂は、酸やアルカリによる再生を行い、イオン交換除去した対イオンをＨ⁺やＯＨ^-に戻し、採水工程において原水に含まれるイオンをイオン交換することで純水を製造している。つまり、再生直後のイオン交換体は対イオンがＨ⁺やＯＨ^-で満たされており、イオン交換体の導電率は高く、採水を行い徐々に原水に含まれるイオンをイオン交換反応によりイオン交換体中に取り込むと導電率が低くなる傾向がある。

【0057】

特にシリカやホウ素は弱電解質であり、重合し大きな分子に成長する性質があるためシリカやホウ素を吸着したイオン交換体は特に個体の導電率が低くなる。２床３塔（２Ｂ３Ｔ）方式純水製造装置などではアニオン交換塔より最もリークしやすいアニオンはシリカやホウ素となるため、アニオン交換体の個体の導電率はシリカやホウ素の吸着状態を推定する指標となる。例えば２Ｂ３Ｔ方式純水製造装置では、被処理水が特に純水に近くイオン濃度が低いアニオン塔の出口に近い位置に電極を設置しアニオン交換体の導電率を測定することで精度よくシリカやホウ素の吸着状態を把握し、アニオン交換体の状態を把握することができる。

【0058】

イオン交換体は原水に含まれる高分子電解質やフミン質や有機物などにより汚染され性能が低下する。これらの汚染物質はある程度イオン化されている場合もあるが、分子量が大きく運動性が低いため、一度イオン交換によりイオン交換体中に取り込まれると再生されにくい傾向がある。さらに汚染物質はその質量が大きいことから汚染されたイオン交換体の個体の導電率は低い傾向を示す。従ってイオン交換体の導電率を測定することでイオン交換体の劣化の程度を測定することが可能となり、イオン交換体の交換時期を判断することができる。

【0059】

なお、上述の方法に加えて、定期的に樹脂塔の高さ方向に数カ所、樹脂及び液相をサンプリングし、樹脂の状態を直接測定し、液相のイオン濃度を直接測定することにより、その結果を、上記のシミュレーション結果に反映させることで、シミュレーションの精度をより高めることができる。

【0060】

（応用例）
上述のイオン交換塔２は、２Ｂ３Ｔ方式の多床塔の純水製造装置或いは混床式の純水製造装置などに好適に利用可能である。例えば、図８に示すように、本実施形態に係る純水製造装置は、カチオン塔３０、脱炭酸塔４０及びアニオン塔５０により成る２床３塔方式の純水製造装置を含み、図示を省略するが、電極４１ａ、４１ｂが少なくともアニオン塔５０の内部に配置され、電極４１ａ、４１ｂを収容した電極座４がアニオン塔５０に設けられていることを含む。不純物の多い原水を処理するカチオン塔３０よりも被処理水の水質が高品質なアニオン塔５０内の導電率を測定することにより、少ない装置点数で、内部に収容されるイオン交換体の状態の評価の精度を向上させることができる。電極４１ａ、４１ｂは、カチオン塔３０、脱炭酸塔４０内に挿入されてもよいことは勿論である。また、原水の導電率を測定するための導電率計６１が更に配置されてもよいことは勿論である。

【0061】

或いは、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る純水製造装置として、アニオン塔の下流側に更にポリッシャ７０を配置し、このポリッシャ７０の内部に電極４１ａ、４１ｂが更に配置されていてもよい。ポリッシャ７０は、図９（ａ）に示すような混床式のものでも、図９（ｂ）に示すようなカチオンポリッシャ７１とアニオンポリッシャ７２とを別々に設ける形態のものでもいずれでも構わない。

【0062】

このように、本発明は上記の開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲において変形し具体化し得るものである。

【実施例】

【0063】

以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。

【0064】

（実施例１）
向流再生方式の２床３塔方式の純水製造装置において、アニオン塔内に導電率計を設置しアニオン交換樹脂の導電率を測定した。カチオン交換樹脂としては、ダウ・ケミカル製 カチオン交換樹脂６５０Ｃ×３０００Ｌを使用した。アニオン交換樹脂としては、ダウ・ケミカル製 アニオン交換樹脂５５０Ａ×３０００Ｌ（再生後の樹脂層高２３００ｍｍ）を使用した。カチオン塔の直径は１２００ｍｍ、アニオン塔の直径は１３００ｍｍとした。原水として、井水処理水（電気導電率２３ｍＳ／ｍ、シリカ濃度６０ｍｇ／Ｌ ａｓ ＳｉＯ₂）とし、処理水（純水）の水質は０．２ｍＳ／ｍ以下、シリカ濃度１００μｇ／Ｌ ａｓ ＳｉＯ₂となるように、通水流量５０ｍ³／ｈで行った。

【0065】

アニオン樹脂測定用の電極として、図２（ａ）に示す電極座４内に２本の円筒状の直径１０ｍｍのステンレス製電極を対向させ、電極間の抵抗を測定することにより、アニオン交換樹脂の導電率を測定した。通水方向に対して２０００ｍｍの位置に電極の先端（測定端）がくるようにし、電極間距離Ｄを６ｍｍ、電極の挿入深さ（イオン交換塔２の内側面から電極４１ａ、４１ｂの先端までの距離Ｈ）を４０ｍｍとした。導電率の測定に当たっては、東亜ＤＫＫ(株)製変換器 ＷＢＭ−１００を使用し、通水時間３時間毎に導電率を測定した。結果を表１に示す。

【0066】

表１に示すように、２１時間通水するとアニオン塔の樹脂導電率が下表のように変化した。１５時間運転したところで導電率の低下が測定されたことから、イオン交換バンド（イオン交換が進み塩型となったイオン交換樹脂の層）が通水方向に移動していると判断し、導電率が低下したタイミングで再生を行うこととした。

【0067】

【表1】

【0068】

本方法により再生を行うことで、原水の負荷などが変動した場合でも好適な再生開始タイミングを検知することができ、変動を見越した再生を行う必要がなくなり、再生頻度を低減することが可能となり、従来の純水製造装置より再生薬剤使用量より約３０％少なく運転することができた。

【0069】

（実施例２）
実施例１と同様の純水製造装置を用いて、イオン交換樹脂の再生／通水／再生を繰り返す過程において、樹脂体の再生完了後、通水直後に導電率を測定した。結果を表２に示す。

【0070】

【表2】

【0071】

ＲＵＮ ＮＯ．４のみ、再生完了後通水直後の導電率が低く、再生が不良であったことが判明した。実施例２によれば、再生後通水直後の導電率を管理することで、再生の健全性を確認することができ、再生不良による水質の低下を未然に防ぐことが可能となり装置の安定運転が可能となった。

【0072】

（実施例３）
実施例１と同様の純水製造装置を用いて、６カ月毎に導電率の測定を行った。結果を表３に示す。

【0073】

【表3】

【0074】

樹脂の導電率が年単位で低下することが確認され、再生を行っても導電率が十分回復せず、樹脂の性能の経年劣化が確認された。３６カ月後に導電率の低下が確認されたため、再生薬剤量を増やし再生操作を行い、その後導電率が回復し樹脂性能がある程度回復したことを確認した。しかし、運転を続けると６０カ月後に導電率が初期の約半分となり、樹脂の性能が大幅に低下したことが確認されたため、樹脂の交換を行った。このように本実施形態によれば、樹脂の経年的な性能低下をリアルタイムに把握することができ、適正な樹脂の再生操作や樹脂の定期交換を行うことができ、従来の純水製造装置と比較しランニングコストを３０％〜４０％低減することができた。

【符号の説明】

【0075】

１…純水製造装置
２…イオン交換塔
３…イオン交換体
４…電極座
１０…解析手段
１１…制御手段
３０…カチオン塔
３１…粒子
４０…脱炭酸塔
４１ａ、４１ｂ…電極
４２…スリーブ
４３…フランジ
４５…内装管
５０…アニオン塔
６１…導電率計
７０…ポリッシャ
７１…カチオンポリッシャ
７２…アニオンポリッシャ
１００…処理部
１０１…導電率検出部
１０２…シミュレーション部
１０３…比較部
１０４…条件変更部
１１０…記憶装置
１２０…入力装置
１３０…表示装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】