(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】
(24)【登録日】2023-11-09
(45)【発行日】2023-11-17
(54)【発明の名称】TOC除去装置及びTOC除去方法
(51)【国際特許分類】
C02F 9/00 20230101AFI20231110BHJP
B01D 61/48 20060101ALI20231110BHJP
B01D 61/58 20060101ALI20231110BHJP
C02F 1/32 20230101ALI20231110BHJP
C02F 1/44 20230101ALI20231110BHJP
C02F 1/469 20230101ALI20231110BHJP
【FI】
C02F9/00
B01D61/48
B01D61/58
C02F1/32
C02F1/44 H
C02F1/44 K
C02F1/469
(21)【出願番号】P 2022524323
(86)(22)【出願日】2021-04-08
(86)【国際出願番号】 JP2021014916
(87)【国際公開番号】W WO2021235130
(87)【国際公開日】2021-11-25
【審査請求日】2022-10-18
(31)【優先権主張番号】P 2020087983
(32)【優先日】2020-05-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004400
【氏名又は名称】オルガノ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100123788
【氏名又は名称】宮崎 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100127454
【氏名又は名称】緒方 雅昭
(72)【発明者】
【氏名】柴崎 賢治
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 慶介
(72)【発明者】
【氏名】高橋 一重
【審査官】池田 周士郎
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第2019/0233314(US,A1)
【文献】特開2008-260017(JP,A)
【文献】国際公開第2015/068635(WO,A1)
【文献】特開2011-110515(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C02F 9/00
C02F 1/30- 1/32
C02F 1/44
C02F 1/46- 1/48
B01D 61/00-71/82
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被処理水が供給される第1の電気再生式脱イオン装置と、
前記第1の電気再生式脱イオン装置で処理された処理水が供給される紫外線酸化装置と、
前記紫外線酸化装置で処理された処理水が供給される第2の電気再生式脱イオン装置と、
を有する
、一次純水システムとしてのTOC除去装置。
【請求項2】
前記TOC除去装置で処理された処理水のTOC濃度が1ppb未満である、請求項1に記載のTOC除去装置。
【請求項3】
前記紫外線酸化装置に供給される水のpHが1.0以上8.5未満である、請求項1または2に記載のTOC除去装置。
【請求項4】
前記
第1の電気再生式脱イオン装置の前段にpH調整装置を備える、請求項1~3のいずれか1項に記載のTOC除去装置。
【請求項5】
前記第2の電気再生式脱イオン装置で処理された処理水をブローするブロー配管をさらに備える、請求項1~4のいずれか1項に記載のTOC除去装置。
【請求項6】
前記TOC除去装置の運転開始初期または再起動時に、前記第2の電気再生式脱イオン装置で処理された処理水が前記ブロー配管を介して15時間以上ブローされる、請求項5に記載のTOC除去装置。
【請求項7】
前記第1の電気再生式脱イオン装置を間欠運転とし、前記第2の電気再生式脱イオン装置を連続運転とする、請求項1~6のいずれか1項に記載のTOC除去装置。
【請求項8】
前記第2の電気再生式脱イオン装置の消費電力が、前記第1の電気再生式脱イオン装置の消費電力よりも低い、請求項1~7のいずれか1項に記載のTOC除去装置。
【請求項9】
第1の電気再生式脱イオン装置と、紫外線酸化装置と、第2の電気再生式脱イオン装置と、を有する一次純水システムとしてのTOC除去装置を用いてTOCを除去するTOC除去方法であって、
(a)被処理水を
前記第1の電気再生式脱イオン装置に供給して処理するステップと、
(b)前記第1の電気再生式脱イオン装置からの処理水を
前記紫外線酸化装置に供給して処理するステップと、
(c)前記紫外線酸化装置からの処理水を
前記第2の電気再生式脱イオン装置に供給して処理するステップと、
を有するTOC除去方法。
【請求項10】
前記ステップ(a
)の前段に、前記紫外線酸化装置に供給される水のpHを1.0以上8.5未満に調整するステップをさらに有する、請求項9に記載の
TOC除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被処理水中のTOC除去装置及びTOC除去方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、半導体装置の製造工程や液晶装置の製造工程における洗浄水等として、有機物、イオン成分、微粒子、細菌等の不純物が高度に除去された超純水等の純水が使用されている。特に、半導体装置を含む電子部品を製造する際には、その洗浄工程において多量の純水が使用されており、その水質に対する要求も年々高まっている。
例えば、微量の不純物として全有機炭素(TOC:Total Organic Carbon)の低減が求められている。すなわち、一次系(一次純水システム)のイオン交換樹脂装置の前段に紫外線酸化装置(UV酸化装置)を設置し、TOC成分を分解・除去した後、サブシステム(二次純水システム)へと送水する構成が採用されている。TOCを低減した水を得るために、一次系で効率よくTOCを低減させておくことが重要であり、これによりサブシステムでのUV酸化装置の負担を小さくすることも可能となる。
【0003】
ところで、ノンケミカルへの要望から、一次系のイオン交換樹脂装置を電気再生式脱イオン装置(EDI)に置き換えることが求められている。
特許文献1には、一次系に紫外線酸化装置とイオン交換装置とをこの順で備え、被処理水中の有機物を紫外線酸化装置によって分解し、有機物が分解された被処理水をイオン交換装置によって処理すること、イオン交換装置は、電気再生式脱イオン装置を1段又は複数段直列に接続した再生型イオン交換装置であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明者らは、特許文献1に記載の方法のようにUV酸化装置→EDI→EDIというフローでは、TOC濃度を低減した処理水を得ようとする場合、UV酸化装置のエネルギー効率が悪いということを見出した。つまり、被処理水に含まれるTOCには、EDIで除去できるイオン化可能なイオン性のTOCと、EDIでは除去できない非イオン性のTOCがある。そして、前述したフローでは、EDIで除去できるイオン化可能なTOCについてもUV酸化しているため、その分、UV酸化装置のエネルギー効率が悪くなるということを見出した。
【0006】
そこで、本発明の目的は、UV酸化装置のエネルギー効率が良く、被処理水中のTOCを低減できるTOC除去装置及びTOC除去方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らは、複数の電気再生式脱イオン装置と紫外線酸化装置を適切に組み合わせることにより、UV酸化装置のエネルギー効率を向上させつつ、TOC濃度を効率よく低減できることを見出した。
【0008】
すなわち、本発明は、被処理水が供給される第1の電気再生式脱イオン装置と、前記第1の電気再生式脱イオン装置で処理された処理水が供給される紫外線酸化装置と、前記紫外線酸化装置で処理された処理水が供給される第2の電気再生式脱イオン装置と、を有する、一次純水システムとしてのTOC除去装置に関する。
【0009】
また本発明は、第1の電気再生式脱イオン装置と、紫外線酸化装置と、第2の電気再生式脱イオン装置と、を有する一次純水システムとしてのTOC除去装置を用いてTOCを除去するTOC除去方法であって、(a)被処理水を前記第1の電気再生式脱イオン装置に供給して処理するステップと、(b)前記第1の電気再生式脱イオン装置からの処理水を前記紫外線酸化装置に供給して処理するステップと、(c)前記紫外線酸化装置からの処理水を前記第2の電気再生式脱イオン装置に供給して処理するステップと、を有するTOC除去方法に関する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、UV酸化装置のエネルギー効率が良く、被処理水中のTOCを低減できるTOC除去装置及びTOC除去方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】本発明の一実施態様に係るTOC除去装置の構成を示す概念図である。
【
図2】比較例に用いた装置の構成を示す概念図である。
【
図3】EDIに超純水(UPW)を通水した場合の電流の印加によるTOC値の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照して本発明を説明するが、本発明は図面に記された構成に限定されるものではない。
【0013】
図1において、本発明に係るTOC除去装置100は、ポンプ45を介して被処理水10が供給される第1の電気再生式脱イオン装置(EDI-1)30と、第1の電気再生式脱イオン装置30で処理された水が供給される紫外線酸化装置(UV酸化装置)40と、紫外線酸化装置(UV酸化装置)40で処理された水が供給される第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)50と、を備える。
そして、被処理水10が第1の電気再生式脱イオン装置30に供給されると、第1の電気再生式脱イオン装置30によって被処理水中のイオン化可能なTOCが除去される。次いで、その処理水(つまり、第1の電気再生式脱イオン装置30によってイオン化可能なTOCが除去された被処理水)が紫外線酸化装置40に供給されて、非イオン性のTOC成分が分解される。その後、その処理水(つまり、紫外線酸化装置40に供給され、非イオン性のTOC成分が分解された被処理水)が第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)50に送られ、紫外線酸化装置40で分解されたTOCが第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)50によって除去され、処理水20が得られる。
【0014】
本発明に用いられる紫外線酸化装置40は、有機物を分解する目的で設置される。そのため、200nm以下の波長を含む紫外線を照射して、紫外線酸化処理を行う紫外線酸化装置を用いることが好ましい。なお、サブシステムにおいても紫外線酸化装置を備える場合があるが、例えば超純水のTOC濃度として1μg/L以下が求められるような設備においては、溶存酸素(DO)濃度の比較的高い1次純水システムに紫外線酸化装置を設置することにより、全体としてのエネルギーコストを抑えることが可能となる。溶存酸素が存在することにより、紫外線照射により溶存酸素からヒドロキシラジカルや過酸化水素が生成し、TOC分解効率が向上することが期待できる。
また、本発明において照射する紫外線のエネルギー量としては、特に制限はなく、また被処理水中に含まれる非イオン性のTOC成分の量にもよるが、例えば0.1~0.5kW・h/m3などを挙げることができる。
【0015】
次に、本発明に用いられるEDIについて説明する。EDIは、イオン交換膜にて区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、脱塩室にて脱塩されたイオンを濃縮する濃縮室と、電流を通電するための陽極と陰極とを有する装置である。そして、電流を通電して運転することで、イオン交換体による被処理水の脱イオン化(脱塩)処理と、イオン交換体の再生処理とを同時に行う装置である。EDIに通水された被処理水は、脱塩室に充填されたイオン交換体によって脱塩され、EDI処理水としてEDI外部に排出される。同様に、イオン類が濃縮された濃縮水は、EDI濃縮水として外部に排出される。
【0016】
ここで、EDIでは、電流を印加することにより水解離反応(H2O→H++OH-)が進行し、イオン交換体に捕捉されたイオンは、イオン交換体を伝ってイオン交換膜及び濃縮室まで移動する。
移動するイオンの量は電流値に依存するため、イオン負荷量の少ない水に対して過剰に電流値をかけると、イオン交換体に捕捉されたイオンの移動のほかに、水解離反応が過剰に発生することになる。すると、イオン交換体自体が劣化してしまい、イオン交換基が壊れ運転電圧が上昇する。この時壊れたイオン交換体の一部が処理水のTOC濃度を上昇させる恐れがある。
つまり本発明においては、第1のEDIの消費電力よりも第2のEDIの消費電力を低く抑えて運転することが望ましい。これは、第1のEDIによって被処理水中のイオン化可能なTOCが除去された分、第2のEDIの供給水のイオン負荷が小さいためである。第1のEDIおよび第2のEDIとしては、同じEDIを用いてもよく、異なるEDIを用いてもよい。
【0017】
なお、EDIの回収率は、EDIに供給される被処理水量と、得られる処理水量によって算出される。すなわち、EDI回収率=(EDI処理水量)/(EDI被処理水量)×100(%)である。EDI回収率に特に制限はないが、90~95%であることが好ましい。
【0018】
本発明に用いられる被処理水10としては、特に制限はないが、工水、地下水、表層水、水道水、海水、海水を逆浸透法または蒸発法等によって脱塩した海水淡水化処理水、下水、下水処理水、各種排水、例えば半導体製造工程で使用された排水、これらの混合水が挙げられる。なお、被処理水成分としては、導電率が10μS/cm以下、TOC濃度が500ppb以下、のいずれか一つ以上を満たすことが好ましい。これらの条件を満たさない場合は、凝集沈殿処理、ろ過処理、軟化処理、脱炭酸処理、活性炭処理、等の前処理を行うことが好ましい。
【0019】
本発明において、TOC除去装置で処理された処理水20のTOC濃度としては、被処理水のTOC濃度より低いものであれば特に制限はない。ただし、後述する実施例1の結果から、TOC濃度は、例えば、2.5ppb未満、より好ましくは2ppb未満、さらに好ましくは1ppb未満を挙げることができる。
【0020】
また、本発明に係るTOC除去装置は、UV酸化装置40の前段、例えば、第1のEDI30の前段または、第1のEDI30とUV酸化装置40との間に、
図1に示すようなpH調整装置70をさらに備えてもよい。
pH調整装置70から、UV酸化装置40に供給される水にpH調整剤が添加されてpHが調整される。UV酸化装置40に供給される水のpHの上限としては、特に制限はないが、後述する実施例3の結果より、9.5以下であることが好ましく、8.5未満であることがより好ましく、8.0以下であることがさらに好ましい。また、pHの下限としては、特に制限はないが、1.0以上であることが好ましく、2.0以上であることがより好ましく、3.0以上であることがさらに好ましい。
本発明で用いられるpH調整剤としては、水のpHを調整できるものであれば特に制限はなく、無機酸、有機酸、無機塩基、有機塩基のいずれも用いることができる。無機酸の例としては、塩酸、硫酸、硝酸、スルホン酸、リン酸等を、有機酸の例としては、ギ酸、酢酸、シュウ酸、コハク酸等を挙げることができる。また、無機塩基の例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等を、有機塩基の例としては、グアニジン型の有機塩基等を挙げることができる。
【0021】
本発明に係るTOC除去装置は、第2の電気再生式脱イオン装置50で処理された処理水をブロー(排出)するブロー配管60をさらに備えてもよい。ブロー配管60は、第2の電気再生式脱イオン装置50に接続されている。例えば、TOC除去装置の運転開始初期または再起動時であって、EDI処理水のTOC濃度が所定値よりも高い場合に、TOC濃度が低減して所定値以下になるまでブローする。ここで、ブロー配管によって処理水がブローされる時間としては、特に制限はない。ただし、後述する実施例2の結果から、運転開始初期のブロー時間は15時間以上が好ましく、30時間以上がより好ましい。また、再起動時のブロー時間は、好ましくは7時間以上、より好ましくは10時間以上、さらに好ましくは15時間以上、特に好ましくは20時間以上である。
【0022】
なお、本発明に係るTOC除去装置は、UV酸化装置40の後段であって第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)50の前段に、UV殺菌装置(不図示)を備えていてもよい。
ここで、UV殺菌装置としては、主UV波長が200~300nm、好ましくは220~280nm、より好ましくは240~260nmのものを挙げることができる。また、照射する紫外線のエネルギー量としては、特に制限はなく、また被処理水中の非イオン性のTOC成分の量にもよるが、例えば0.01~0.1kW・h/m3などを挙げることができる。
【0023】
ここで、
図2に示すように、紫外線酸化装置40を第1の電気再生式脱イオン装置30の前段に設置し、第1の電気再生式脱イオン装置30の後段に、さらに第2の電気再生式脱イオン装置50を配した構成と本願発明の構成とを比較して述べる。
図2に示す構成とした場合は、被処理水に含まれるすべてのTOCが、まず紫外線酸化装置40で分解される。このため、本願発明の構成とした場合に比べ、既にイオン化し電気再生式脱イオン装置30で除去可能なTOCについてもUV酸化を行っている分、紫外線酸化装置40に多くのエネルギーを必要とする。また、被処理水に炭酸等のラジカルスカベンジャーが含まれる場合、紫外線酸化装置40の効率が低下する。そして、紫外線酸化装置40で発生したラジカルの重合により生成した酸化性物質である過酸化水素は、後段の第1の電気再生式脱イオン装置30内のイオン交換体を劣化させ、性能低下を引き起こす可能性がある。
一方、本願発明の構成とした場合は、第1の電気再生式脱イオン装置30でイオン化しているTOC及び炭酸等を除去し、その後、非イオン性のTOCを分解するためだけのエネルギーを紫外線酸化装置40で照射するだけで済むため、
図2に示す構成に比べ、少ないエネルギー照射量で済む。そして、エネルギー照射量を少なく抑えることができるため、過酸化水素の発生量を低くできる。したがって、本願発明の構成においては、
図2に示す構成と比べると、紫外線酸化装置40の後段に設置される第2の電気再生式脱イオン装置50の性能低下の抑制も期待できる。さらに、紫外線酸化装置40の前段にpH調整装置70を設けることで、ラジカルスカベンジャーであるアルカリを低減し、TOC除去率の低下を防止することができる。
【実施例】
【0024】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0025】
(実施例1)
導電率1~2μS/cm、ホウ素濃度14ppb、シリカ濃度23ppb、TOC濃度13ppb、溶存酸素(DO)8ppmを含む被処理水について、
図1に示す装置を用いて、TOCの除去試験を行った。UVの照射エネルギーとしては、0.33kW・h/m
3とし、通水量1m
3/hに対し、100時間の通水試験を実施した。第1の電気再生式脱イオン装置(EDI-1)及び第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)としては、ともにEDI-XP(商品名、オルガノ社製)を用いた。運転電流値の設定は5Aとした。紫外線酸化装置としては、JPW(商品名、日本フォトサイエンス社製、波長:185nm)を用いた。被処理水、EDI-1処理水、UV酸化装置処理水、EDI-2処理水のそれぞれの出口のTOC濃度を表1に示す。なお、UV酸化装置に供給される水のpHは、pH調整装置により5.5~6.0に調整した。
【0026】
【0027】
(比較例1)
装置構成を
図2に示す構成にした以外は、実施例1と同一の条件でTOCの除去試験を行った。なお、UV酸化装置に供給される水のpHは、実施例1と同様、5.5~6.0であった。結果を表2に示す。
【0028】
【0029】
上記、実施例1及び比較例1から明らかなとおり、UV酸化装置で同一の照射エネルギーを用いても、実施例1では、第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)で処理された処理水のTOC濃度が<1ppbであったのに対し、比較例1では3ppbであった。
仮に、比較例1においてEDI-2で処理された処理水のTOC濃度を<1ppbとするには、UV酸化装置における照射エネルギーを高くする必要がある。これは、エネルギー効率を悪化させるのみならず、大量のUV照射により発生する過酸化水素等により、その後段に設置した第1の電気再生式脱イオン装置(EDI-1)、さらには、第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)の劣化を招く恐れがある。
【0030】
(実施例2)
再生後の電気再生式脱イオン装置(商品名:EDI-XP、オルガノ社製)に超純水(UPW)を通水し、電流を5A印加してEDI処理水のTOC濃度の推移を確認した。結果を
図3に示す。
図3において、ΔTOCとは、TOC濃度の実測値から、UPW中のTOC濃度の測定値を計器ブランクとして減じた値をいう。
なお、試験は以下の条件にて行った。
0~47時間 :UPW通水+電流印加
47~65時間 :UPW通水のみ(電流印加なし)
65~73時間 :UPW通水+電流印加
73~161時間:UPW通水、電流印加ともになし
161時間以降 :UPW通水+電流印加
【0031】
通電開始直後のΔTOCは9ppb程度であったが、徐々に低下し、30時間経過後には1ppb以下となった。47時間経過後65時間経過するまでは、UPWの通水を継続したまま電流の印加を止め、65時間経過後から73時間経過するまで再度電流を印加したが、いずれも出口のΔTOCの推移は変化しなかった(UPWを通水中に電流印加の有無を行った場合のTOC濃度の推移を検証)。
73時間経過後に装置を停止し、UPWの通水及び電流の印加を停止した。そして、161時間経過後から再起動して、ΔTOCの推移を観察した。すると再び0時間時点と同等の9ppbまでΔTOCは増加し、1ppb以下になるまでに約7時間、1ppb以下で安定するまで約15時間程度の時間を要した。
【0032】
運転開始初期におけるTOC濃度が高いのは、イオン交換体由来のTOCが脱塩水中にリークしたことによるものである。したがって、低TOCの水を製造する場合には、運転開始初期のEDI処理水をTOCが低減するまで、好ましくは15時間以上、より好ましくは30時間程度ブローしてから後段の装置に通水することが望ましい。
今回の試験で、一度停止させたEDIを再起動する際にもTOC濃度が初期と同レベルまで上昇することが判明した。したがって、EDIを再起動させた場合には、初期ブローを行うことが望ましく、ブロー時間は、好ましくは7時間以上、より好ましくは10時間以上、さらに好ましくは15時間以上、特に好ましくは20時間以上である。
【0033】
また、2段EDIにおいて低TOC濃度の水を製造する場合には、2段目のEDIは連続運転で運転されることが望ましい。上述のように、電流印加の有無はEDI処理水のTOC濃度に影響を及ぼさないが、超純水の通水の有無はEDI処理水のTOC濃度に大きな影響を及ぼす。このことから、2段EDIのうち、1段目のEDIを間欠運転(UPWの通水及び電流印加を任意の時間ごとにON/OFFする運転)としても、少なくともユースポイントに近い2段目のEDIを連続運転(UPWの通水及び電流印加を時間的な切れ目なく継続してONとする運転)していれば、1段目のEDIを停止状態(UPWの通水及び電流印加をOFFにした状態)から運転状態(UPWの通水及び電流印加をONにした状態)に切り替えた場合でも、1段目のEDIで発生するTOCを2段目のEDIで除去することができ、低TOC濃度の水を得ることができる。
【0034】
(実施例3)
純水(pH6.5)、NaOHを添加した水(pH8.0及びpH9.6)、並びにH2SO4を添加した水(pH4.0)を、それぞれ紫外線酸化装置(商品名:JPW、日本フォトサイエンス社製)に通水し、紫外線酸化装置処理水を電気再生式脱イオン装置(商品名:EDI-XP、オルガノ社製)に通水した。紫外線酸化装置への供給水のTOC濃度の調整は、IPAの添加によって行い、各pHの水においてTOC濃度を1ppmとした。なお、各TOC濃度の測定は、TOC計(商品名:Sievers M9e、SUEZ WTS Analytical Instruments社製)にて行った。紫外線酸化装置による紫外線の照射エネルギーは、0.88kW・h/m3にて試験を実施した。
EDI処理水のTOC濃度を測定し、TOCの除去率を計算した結果を表3に示す。
【0035】
【0036】
pHが9.6の水を紫外線酸化装置に通水した場合、TOC除去率が大幅に低下していることがわかる。このことから、低TOC濃度の水を得るためには、紫外線酸化装置への供給水のpHを適切な値(範囲)に調整する必要がある。
【符号の説明】
【0037】
10 被処理水
20 処理水
30 第1の電気再生式脱イオン装置(EDI-1)
40 UV酸化装置
45 ポンプ
50 第2の電気再生式脱イオン装置(EDI-2)
60 ブロー配管
70 pH調整装置
100 TOC除去装置