(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023161371
(43)【公開日】2023-11-07
(54)【発明の名称】純水製造装置
(51)【国際特許分類】
C02F 1/44 20230101AFI20231030BHJP
C02F 1/469 20230101ALI20231030BHJP
B01D 61/44 20060101ALI20231030BHJP
【ＦＩ】
C02F1/44 J
C02F1/469
B01D61/44
【審査請求】有
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022071721
(22)【出願日】2022-04-25
(71)【出願人】
【識別番号】000001063
【氏名又は名称】栗田工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100086911
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 剛
(74)【代理人】
【識別番号】100144967
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 隆之
(72)【発明者】
【氏名】平山 順也
(72)【発明者】
【氏名】大河原 正博
(72)【発明者】
【氏名】阿部 幸也
【テーマコード（参考）】
4D006
4D061
【Ｆターム（参考）】
4D006GA17
4D006KA52
4D006KA53
4D006KA55
4D006KA57
4D006KE12R
4D006KE19P
4D006PA01
4D006PB04
4D006PB05
4D006PC02
4D061DA02
4D061DB13
4D061EA09
4D061EB01
4D061EB04
4D061FA03
4D061FA09
(57)【要約】
【課題】炭酸濃度の低い純水を製造することができる純水製造装置を提供する。
【解決手段】逆浸透膜装置２と電気脱イオン装置４とをこの順に有し、逆浸透膜装置２の処理水を電気脱イオン装置４の脱塩室に供給する純水製造装置であって、電気脱イオン装置４の脱塩室に供給する逆浸透膜装置処理水中の[炭酸イオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]／[総アニオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]比を０．５以下とする炭酸イオン調整用の塩類添加手段６を備えたことを特徴とする純水製造装置。
【選択図】図１
【解決手段】逆浸透膜装置２と電気脱イオン装置４とをこの順に有し、逆浸透膜装置２の処理水を電気脱イオン装置４の脱塩室に供給する純水製造装置であって、電気脱イオン装置４の脱塩室に供給する逆浸透膜装置処理水中の[炭酸イオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]／[総アニオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]比を０．５以下とする炭酸イオン調整用の塩類添加手段６を備えたことを特徴とする純水製造装置。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
逆浸透膜装置と電気脱イオン装置とをこの順に有し、逆浸透膜装置の処理水を電気脱イオン装置の脱塩室に供給する純水製造装置であって、
前記電気脱イオン装置の脱塩室に供給する逆浸透膜装置処理水中の[炭酸イオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]／[総アニオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]比を０．５以下とする炭酸イオン調整手段を備えたことを特徴とする純水製造装置。
前記電気脱イオン装置の脱塩室に供給する逆浸透膜装置処理水中の[炭酸イオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]／[総アニオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]比を０．５以下とする炭酸イオン調整手段を備えたことを特徴とする純水製造装置。
【請求項2】
前記炭酸イオン調整手段が、塩類（炭酸塩は除く）の添加手段である請求項１の純水製造装置。
【請求項3】
前記電気脱イオン装置の給水及び／又は濃縮水の導電率を計測する導電率測定手段を備え、この導電率測定手段の計測値に基づいて前記比が０．５以下となるように前記塩類添加手段からの塩類の添加量を制御する請求項２の純水製造装置。
【請求項4】
前記電気脱イオン装置の給水の炭酸イオン濃度の測定手段を備え、この炭酸イオン濃度測定手段の計測値に基づいて、前記比が０．５以下となるようにするための炭酸イオン以外の必要アニオン濃度を算出し、この算出値に基づいて前記塩類添加手段からの塩類の添加量を制御する請求項２の純水製造装置。
【請求項5】
前記電気脱イオン装置の給水の総アニオン濃度が２０ｍｇ／Ｌ（ＣａＣＯ３換算）以下であり、炭酸イオン濃度が１０ｍｇ／Ｌ（ＣａＣＯ３換算）以下である、請求項１～４のいずれかの純水製造装置。
【請求項6】
前記炭酸イオン調整手段が、前記逆浸透膜装置を経由しない脱炭酸装置であり、該脱炭酸装置の処理水と、前記逆浸透膜装置の透過水とを合流させて電気脱イオン装置の脱塩室に供給する請求項１の純水製造装置。
【請求項7】
前記炭酸イオン調整手段が、前記逆浸透膜装置の後段かつ前記電気脱イオン装置の前段に設けられたＮＦ膜もしくは一価イオンリーク率が二価イオンリーク率の２倍以上の膜からなる膜分離装置と、該膜分離装置の被処理水のｐＨをアルカリ性とするアルカリ薬品添加装置とからなる請求項１の純水製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、純水製造装置に係り、特に電気脱イオン装置を備えた純水製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電気脱イオン装置は、一般に陰極及び陽極間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配置して脱塩室及び濃縮室を形成し、この脱塩室にイオン交換樹脂を充填したものである。カチオン交換膜やアニオン交換膜などのイオン交換膜としては、粉末状のイオン交換樹脂にポリスチレンなどの結合剤を加えて製膜する不均質膜、スチレン－ジビニルベンゼン等の重合によって製膜する均質膜、さらには各種アニオン交換機能あるいはカチオン交換機能を有する単量体をグラフト重合により製膜したものなどが用いられている。
【0003】
電気脱イオン装置において、脱塩室に原水を通過させるとともに濃縮室に濃縮水を通過させ、陰極及び陽極間に電流を流すと、脱塩室からアニオン交換膜及びカチオン交換膜を通って濃縮室へとイオンが移動することにより、脱塩室から脱イオン水（純水）が得られる。濃縮室を流れるイオンが濃縮された濃縮水は廃棄されるか、あるいは部分的にリサイクルされる。このような電気脱イオン装置は、種々の産業、例えば半導体製造などに用いる超純水製造装置として利用されている。
【0004】
電気脱イオン装置は、イオン交換樹脂が充填されており、電極間に電流を流すことでイオン交換樹脂を連続再生しながら高純度処理水を得る装置であり、内部は処理室、濃縮室、電極室に分かれ、一般的に電極室以外にイオン交換樹脂が充填されている。
【0005】
内部の樹脂の塩型は処理室、濃縮室の入口のイオンや炭酸ガス比率に影響を受ける。炭酸ガスあるいは炭酸イオンは、電気脱イオン装置内部で炭酸イオンの脱塩室から濃縮室への移動、移動後の処理室内では平衡による炭酸ガスが炭酸イオン化されることで更にイオン移動することができ、徐々に脱塩室内の炭酸ガス、炭酸イオン濃度は低下する。
【0006】
電気脱イオン装置内部では水のスピリットによりＯＨ，Ｈが発生するため内部のｐＨは部分的にアルカリ、酸の状態が生まれる。酸領域では移動中の炭酸イオンはガス化するため、移動速度が急激に下がる。炭酸ガスあるいは炭酸イオンは総じて除去しづらい物質といえる。
【0007】
イオン交換樹脂の原理により、処理室内、濃縮室内の塩型は処理室、濃縮室入口の炭酸ガス、炭酸イオン濃度が高ければ、比例して高くなる。
【0008】
濃縮室内の炭酸塩型イオン交換樹脂は、ｐＨが水のスピリットにより酸性となると、ガス化し電流によるイオン移動ができなくなる。加えて、アニオン交換膜近傍では発生した炭酸ガスがアニオン交換膜を通過し脱塩室に侵入する逆拡散現象をおこす。これにより、処理水の水質が低下する。このように、処理室、あるいは濃縮室入口の炭酸ガスあるいは炭酸イオン濃度が高いと、処理水は悪化する。
【0009】
特許文献１には、電気脱イオン装置で生産される脱イオン水の水質を向上させる方法として、濃縮水循環系にブロワを設け、二酸化炭素を除去することにより、二酸化炭素が濃縮室から脱塩室へ濃度勾配によって拡散する（逆拡散する）ことを防ぎ、高純度の脱イオン水を得ることが記載されている。
【0010】
なお、特許文献１には、濃縮水循環系に塩化ナトリウムなどの塩化合物を添加することが記載されているが、脱塩室給水に塩化合物を添加することは記載されていない。
【0011】
特許文献２には、第１電気脱イオン装置の生産水（脱イオン水）に塩化ナトリウム又は水酸化ナトリウムを添加した後、第２電気脱イオン装置に供給して、ホウ素濃度の低い生産水を得ることが記載されている。
【0012】
特許文献３には、逆浸透膜（ＲＯ）装置と、第１電気脱イオン装置と、第２電気脱イオン装置とを直列に配置した純水製造装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開２００３－１７０１６９号公報
【特許文献2】特開２００６－５１４２３号公報
【特許文献3】特開２００１－１１３２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
逆拡散し易い弱電解質の一つとして炭酸が挙げられる。濃縮室内の濃縮水中に炭酸が存在すると、遊離の二酸化炭素が濃縮室から脱塩室に逆拡散し、処理水の抵抗率が低下する。その理由は次の通りである。
【0015】
二酸化炭素は、ｐＨが高い場合、水中では炭酸イオン、重炭酸イオンの形態で存在し、ｐＨが低い場合、電荷を持たない遊離の二酸化炭素として存在する。脱塩室に流入する被処理水中の二酸化炭素は、先ず重炭酸イオンや炭酸イオンといった電荷を持つ形態のものが、電気透析作用により脱塩室から濃縮室に移動し、脱塩室中のこれらの濃度が低下する。次いで、脱塩室内の重炭酸イオンや炭酸イオンの濃度が低下するにつれて、脱塩室内の遊離の二酸化炭素も重炭酸イオンや炭酸イオンに解離し、最終的には電気透析作用によって濃縮室に移動し、除去される。
【0016】
しかし、濃縮室内の濃縮水には、ある程度の濃度の遊離二酸化炭素が存在する。この遊離二酸化炭素は、電気透析作用を受けず、遊離二酸化炭素の一部がイオン交換膜を介して脱塩室に逆拡散して脱イオン水の水質が悪化する。具体的には、脱イオン水の抵抗率１７～１８ＭΩ・ｃｍが、遊離二酸化炭素の逆拡散により、１５～１６ＭΩ・ｃｍにまで低下する。これにより、通常、電気式脱イオン水製造装置の後段に設置されるカートリッジポリッシャーの寿命低下が早くなる。
【0017】
また、炭酸イオンはイオン交換樹脂に吸着した後の移動速度が遅く、イオン交換樹脂内部に蓄積しやすい。イオン交換樹脂内部での炭酸イオンの蓄積が進むと、通電抵抗が増大し、陽極・陰極間の印加電圧が上昇する。また、蓄積したイオンが処理水にリークし、処理水質が低下する。
【0018】
本発明は、炭酸濃度の低い純水を製造することができる純水製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0019】
本発明の純水製造装置は、逆浸透膜装置と電気脱イオン装置とをこの順に有し、逆浸透膜装置の処理水を電気脱イオン装置の脱塩室に供給する純水製造装置であって、前記電気脱イオン装置の脱塩室に供給する逆浸透膜装置処理水中の[炭酸イオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]／[総アニオン濃度（ＣａＣＯ３換算）]比を０．５以下とする炭酸イオン調整手段を備えたことを特徴とする。
【0020】
本発明の一態様では、前記炭酸イオン調整手段が、塩類（炭酸塩は除く）の添加手段である。
【0021】
本発明の一態様では、前記電気脱イオン装置の給水及び／又は濃縮水の導電率を計測する導電率測定手段を備え、この導電率測定手段の計測値に基づいて前記比が０．５以下となるように前記塩類添加手段からの塩類の添加量を制御する。
【0022】
本発明の一態様では、前記電気脱イオン装置の給水の炭酸イオン濃度の測定手段を備え、この炭酸イオン濃度測定手段の計測値に基づいて、前記比が０．５以下となるようにするための炭酸イオン以外の必要アニオン濃度を算出し、この算出値に基づいて前記塩類添加手段からの塩類の添加量を制御する。
【0023】
本発明の一態様では、前記電気脱イオン装置の給水の総アニオン濃度が２０ｍｇ／Ｌ（ＣａＣＯ３換算）以下であり、炭酸イオン濃度が１０ｍｇ／Ｌ（ＣａＣＯ３換算）以下である。
【0024】
本発明の一態様では、前記炭酸イオン調整手段が、前記逆浸透膜装置を経由しない脱炭酸装置であり、該脱炭酸装置の処理水と、前記逆浸透膜装置の透過水とを合流させて電気脱イオン装置の脱塩室に供給する。
【0025】
本発明の一態様では、前記炭酸イオン調整手段が、前記逆浸透膜装置の後段かつ前記電気脱イオン装置の前段に設けられたＮＦ膜もしくは一価イオンリーク率が二価イオンリーク率の２倍以上の膜からなる膜分離装置と、該膜分離装置の被処理水のｐＨをアルカリ性とするアルカリ薬品添加装置とからなる。
【発明の効果】
【0026】
本発明の純水製造装置によると、電気脱イオン装置の脱塩室に供給される逆浸透膜装置処理水中の［炭酸イオン濃度（ＣａＣＯ３換算）］／［総アニオン濃度（ＣａＣＯ３換算）］比を０．５以下とすることにより、電気脱イオン装置処理水中の炭酸濃度を十分に低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、原水としては河川水、湖沼水、井水あるいは、それをろ過、あるいは凝集・ろ過、あるいはこれらにさらに高度処理を行った水などが例示されるが、これに限定されない。
【0029】
図１は、第１の実施の形態に係る純水製造装置を示すものであり、原水は配管１から逆浸透膜（ＲＯ）装置２に供給される。ＲＯ膜を透過した透過水が配管３を通って電気脱イオン装置４の脱塩室に供給される。脱塩室を透過した脱イオン水（純水）が配管５から取り出される。
【0030】
電気脱イオン装置は、陽極を陰極との間に複数のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を交互に配列して濃縮室と脱塩室とを交互に形成したものであり、各電極に沿って陽極室、陰極室が形成されている。
【0031】
また、濃縮室、脱塩室、陽極室及び陰極室に、イオン交換樹脂が充填されている。
【0032】
配管３からのＲＯ透過水は脱塩室の入口側に導入され、脱塩室の出口側から脱イオン水（生産水）が配管５によって取り出される。なお、この脱イオン水の一部を濃縮室に脱塩室の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水してもよい。
【0033】
また、脱イオン水の一部を陽極室の入口側に送水し、陽極室の流出水を、陰極室の入口側へ送水し、陰極室の流出水を排水として系外へ排出するようにしてもよい。
【0034】
なお、配管３からの水を濃縮水として濃縮室に通水するようにしてもよい。この場合も、濃縮室流出水を電極室に通水することが好ましい。
【0035】
この実施の形態では、炭酸イオン調整手段として、配管３に、塩類の水溶液を添加するように塩類添加手段６が設けられている。塩類添加手段６としては、塩類水溶液のタンクと、該タンク内の塩類水溶液を送水する薬注ポンプとを備えたものが好ましい。塩類としては、炭酸塩以外の塩が用いられる。塩としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム等の塩化物や硫酸塩など各種のものを用いることができる。塩類添加手段６は、電気脱イオン装置４への給水中の炭酸イオン濃度（ＣａＣＯ３換算）と総アニオン濃度（ＣａＣＯ３換算）との比、すなわち［炭酸イオン］／［総アニオン］比が０．５以下、好ましくは０．３以下となるように塩類を添加する。
【0036】
なお、電気脱イオン装置４への給水及び／又は電気脱イオン装置４の濃縮水の導電率を測定する導電率計を設け、この導電率計の検出導電率に基づいて、前記比が０．５以下となるように塩類添加手段からの塩類水溶液添加量を制御する（例えば薬注ポンプを制御する）制御器を設けてもよい。
【0037】
また、電気脱イオン装置４への給水中の炭酸イオン濃度を検出する炭酸イオンセンサを設け、この炭酸イオンセンサの検出濃度に基づいて、電気脱イオン装置４への給水の［炭酸イオン］／［総アニオン］比を０．５以下とするための総アニオン濃度の必要量を求め、この必要量となるように塩類添加手段６を制御するようにしてもよい。
【0038】
本発明では、電気脱イオン装置４の脱塩室への給水の総アニオン濃度が２０ｍｇ／Ｌ（ＣａＣＯ３換算）以下であり、炭酸イオン濃度が１０ｍｇ／Ｌ（ＣａＣＯ３換算）以下であることが好ましい。
【0039】
図２は、第２の実施の形態に係る純水製造装置の構成図である。この実施の形態では、炭酸イオン調整手段として、塩類添加手段６の代わりに、ＲＯ装置２を迂回するように脱炭酸装置８を設けている。即ち、原水の一部は、配管１から配管７を介して脱炭酸装置８に導入され、脱炭酸処理水が配管９を介して配管４にてＲＯ透過水に合流する。脱炭酸装置８としては、脱炭酸塔、膜脱気、真空脱気塔などが用いられる。
【0040】
電気脱イオン装置４への配管３からの給水の［炭酸イオン］／［総アニオン］比が０．５以下、好ましくは０．３以下となるように脱炭酸装置８の運転条件又は脱炭酸装置８への原水供給量を制御する。なお、配管１からの原水とは別の水を脱炭酸装置８に供給し、その脱炭酸処理水を配管３に合流させるようにしてもよい。
【0041】
図３は第３の実施の形態に係る純水製造装置を示すものであり、ＲＯ装置２と電気脱イオン装置４との間にＮＦ膜装置１０が設けられ、ＲＯ装置の透過水が配管３ａを介してＮＦ膜装置１０に供給され、ＮＦ膜装置１０の透過水が配管３ｂを介して電気脱イオン装置４に供給されるように構成されている。なお、本実施形態においては、ＮF膜１０に限らず、一価イオンリーク率が二価イオンリーク率の２倍以上の膜であれば、同様に適用することができる。
【0042】
また、ＮＦ膜装置１０への給水のｐＨが８．５以上、好ましくは９～１１のアルカリ性となるように、配管３ａにアルカリ水溶液を添加するアルカリ添加手段１１が設けられている。アルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムの水溶液を使用することができるが、カルシウム、マグネシウムはスケール物質であり、アンモニアはｐＨによってはガス化するため、これらの点に留意して使用する必要である。アルカリ添加により、電気脱イオン装置４への給水中の二酸化炭素が炭酸イオン化し、電気脱イオン装置４で効率よく除去される。なお、アルカリ添加は、［炭酸イオン］／［総アニオン］比が０．５以下となるように行われる。
【0043】
ＮＦ膜装置１０のＮＦ膜としては、一価イオンの除去率が９７％以下のＮＦ膜が好ましい。
【符号の説明】
【0044】
２ ＲＯ装置
４ 電気脱イオン装置
８ 脱炭酸装置
１０ ＮＦ膜装置
４ 電気脱イオン装置
８ 脱炭酸装置
１０ ＮＦ膜装置
【図1】
【図2】
【図3】