JP2017121611A - 電気脱イオン装置及び電気脱イオン装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置内に発生する菌類や微生物等の増殖を抑制可能な電気脱イオン装置を提供する。【解決手段】 電気脱イオン装置１は、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６、濃縮室１５、陽極室１７及び陰極室１８には、イオン交換体が充填されている。カチオン交換膜１４及びアニオン交換膜１３を構成するイオン交換膜としては、酢酸ビニル成分を含むものを用いる。特に酢酸ビニル成分とアニオン性基あるいはカチオン性基を有する重合成分とによる重合体からなるイオン交換膜を用いる。【選択図】 図１

Description

本発明は、電気脱イオン装置及びその運転方法に関し、特に装置内に発生する微生物等の増殖を抑制可能な電気脱イオン装置及びその運転方法に関する。

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、これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成することで脱塩室及び濃縮室を形成し、この脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換樹脂を充填したものである。そして、従来の電気脱イオン装置においては、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。

上述したような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、これに伴い陰極及び陽極間に電流を流すと、脱塩室からイオン交換樹脂を介して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で、脱塩室から脱イオン水（純水）を得る。また、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、例えば半導体チップの製造、発電所の運転、石油化学用途、医薬品製造などに用いる純水製造装置として利用されている。

しかしながら、電気脱イオン装置はその運転により脱イオン水を製造すると、菌類や微生物などが繁殖して汚染される。特に濃縮室やこれに連通するラインでの繁殖が起こりやすく、最悪の場合には濃縮室の閉塞を招くこともある。そこで、電気脱イオン装置の殺菌方法として、加熱水の流通や化学薬品による消毒などが考えられるが、加熱殺菌では加熱水の製造・供給のための手段を別途設ける必要がある、という問題点がある。また、化学薬品による消毒の場合には、化学薬品が電気脱イオン装置内のイオン交換樹脂やイオン交換膜と反応性を有することがあり、電気脱イオン装置の耐用年数の短縮を招く虞がある、という問題点がある。特に、電気脱イオン装置の洗浄頻度はできるだけ少ないのが望ましい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、装置内に発生する菌類や微生物等の増殖を抑制可能な電気脱イオン装置を提供することを目的とする。また、本発明はかかる電気脱イオン装置の運転方法を提供することを目的とする。

上記目的に鑑み、本発明は第一に、陰極及び陽極と、該陰極及び陽極の間に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成された脱塩室及び濃縮室とを備え、前記脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換体が充填されていて、前記濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と前記脱塩室に原水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有する電気脱イオン装置において、前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜として、酢酸ビニル成分を含むものを用いたことを特徴とする電気脱イオン装置を提供する（発明１）。

かかる発明（発明１）によれば、本発明者が電気脱イオン装置の濃縮室やこれに連通するラインでの菌類や微生物が繁殖しやすい原因について検討したところ、アニオン交換膜及びカチオン交換膜で区画された濃縮室では各種イオンが濃縮されることになるが、不均質膜、均質膜などの汎用的なイオン交換膜（アニオン交換膜及びカチオン交換膜）には、有機物イオンが付着しやすく、これによりの菌類や微生物が繁殖しやすいことがわかった。そこで、酢酸ビニル成分を含む重合体からなる膜は耐有機汚染性に優れており、菌類や微生物も付着しにくいことから、酢酸ビニル成分とアニオン性基あるいはカチオン性基を有する成分とによる重合体を用いたイオン交換膜を用いれば、濃縮室の菌類や微生物の繁殖を抑制でき、濃縮室の閉塞を回避して、電気脱イオン装置の洗浄頻度を少なくすることができる。

上記発明（発明１）においては、前記濃縮水通水手段が、前記脱塩室を通水した脱イオン水を濃縮水として通水するのが好ましい（発明２）。特に、前記濃縮水通水手段が、前記濃縮水を前記脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から該濃縮室内に導入すると共に、脱塩室の原水入口に近い側から流出するのが好ましい（発明３）。

かかる発明（発明２、３）によれば、脱塩室を通水したて脱イオン水を濃縮室に通水することにより、それ自体イオン成分が微量であるので菌類や微生物の繁殖を抑制できる。さらに、電気脱イオン装置においては、脱塩室では脱イオン水取り出し口に近い側に向かうほどイオン濃度は低減する。一方、濃縮室にはイオン濃度が高い濃縮水が流通するので、イオン濃度の格差が大きくなるため、脱イオン水の純度が向上するほどイオンの除去率が上がりにくくなる。そこで、脱イオン水を濃縮室に通水することにより、イオン濃度の格差を低減して、イオンの除去率を向上させることができる。特に脱塩室では脱イオン水取り出し口に近い側に向かうほどイオン濃度は低減するので、これとは逆に脱イオン水取り出し口に近い側から脱イオン水を濃縮室に供給することで、脱塩室と濃縮室のイオン濃度の格差を脱塩室と濃縮室の全域において縮小することができ、イオンの除去率の向上効果が大きい。さらに、濃縮された成分を系外に排出しやすくなる、という効果も奏する。

上記発明（発明１〜３）においては、前記カチオン交換膜が、分子中にスルホネート基を有するアニオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を含むものであるのが好ましい（発明４）。

かかる発明（発明４）によれば、このようなカチオン交換膜は、カチオン交換能を有するとともに耐有機汚染性に優れているので、菌類や微生物の繁殖を抑制可能であるととともに電気脱イオン装置を構成するカチオン交換膜として好適である。

上記発明（発明１〜４）においては、前記アニオン交換膜が、分子中に４級アンモニウム基を有するカチオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を含むものであるのが好ましい（発明５）。

かかる発明（発明５）によれば、このようなアニオン交換膜は、アニオン交換能を有するとともに耐有機汚染性に優れているので、菌類や微生物の繁殖を抑制可能であるとともに電気脱イオン装置を構成するアニオン交換膜として好適である。

また、本発明は第二に、陰極及び陽極と、該陰極及び陽極の間に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成された脱塩室及び濃縮室とを備え、前記脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換体が充填されていて、前記濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と該脱塩室に原水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有し、前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜として、酢酸ビニル成分を含む重合体からなる膜を用いた電気脱イオン装置の運転方法であって、前記濃縮水として前記脱塩室を通水した脱イオン水の一部を導入することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法を提供する（発明６）。

かかる発明（発明６）によれば、酢酸ビニル成分を含む重合体からなる膜は耐有機汚染性に優れていることから、酢酸ビニル成分とアニオン性基あるいはカチオン性基を有する重合成分とによる重合体からなるイオン交換膜を電気脱イオン装置に用いて、前記脱塩室を通水した脱イオン水の一部を濃縮水として導入することにより、脱イオン水はそれ自体イオン成分が微量であるので菌類や微生物の繁殖を抑制できる、高純度の脱イオン水を製造することができる。

前記発明（発明６）においては、前記濃縮水を前記濃縮室の前記脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から導入すると共に、前記濃縮室の前記脱塩室の原水入口に近い側から流出させるのが好ましい（発明７）。

かかる発明（発明７）によれば、脱塩室では脱イオン水取り出し口に近い側に向かうほどイオン濃度は低減するので、これとは逆に脱イオン水取り出し口に近い側から脱イオン水を濃縮室に供給することにより、脱塩室と濃縮室のイオン濃度の格差を脱塩室と濃縮室の全域において縮小することができる。

本発明によれば、電気脱イオン装置を構成するカチオン交換膜及びアニオン交換膜として、酢酸ビニル成分を含むもの、特に酢酸ビニル成分とアニオン性基あるいはカチオン性基を有する成分とによる重合体からなるイオン交換膜を用いているので、濃縮室における菌類や微生物の繁殖を抑制し、濃縮室の閉塞を回避して、電気脱イオン装置の洗浄頻度を少なく抑制することができる。

本発明の一実施形態による電気脱イオン装置の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の一実施形態による電気脱イオン装置を示す系統図である。

以下、本発明の第一の実施形態による電気脱イオン装置及びこれを用いた電気脱イオンの運転方法について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態による電気脱イオン装置の構成を示す模式図であり、図１において、電気脱イオン装置１は、電極（陽極１１、陰極１２）の間に複数のアニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４を交互に配列して濃縮室１５と脱塩室１６とを交互に形成したものであり、脱塩室１６には、イオン交換樹脂、イオン交換繊維もしくはグラフト交換体等からなるイオン交換体（アニオン交換体及びカチオン交換体）が混合もしくは複層状に充填されている。また、濃縮室１５と、陽極室１７及び陰極室１８にも、イオン交換体が充填されている。

この電気脱イオン装置１には、脱塩室１６に被処理水（原水）Ｗを通水して脱イオン水（処理水）Ｗ１を取り出す通水手段（図示せず）と、濃縮室１５に濃縮水Ｗ２を通水する濃縮水通水手段（図示せず）とが設けられていて、本実施形態においては濃縮水Ｗ２を脱塩室１６の脱イオン水Ｗ１の取り出し口に近い側から濃縮室１５内に導入すると共に、脱塩室１６の原水入口に近い側から流出する、すなわち脱塩室１６における被処理水（原水）Ｗの流通方向と反対方向から濃縮水Ｗ２を濃縮室１５に導入して濃縮排水Ｗ３を吐出する構成となっている。

具体的には、図２に示すように脱塩室１６から得られる脱イオン水の一部を濃縮室１５に導入して、濃縮室１５の濃縮水Ｗ２として脱イオン水Ｗ１を用いることで、イオン濃度が低減された濃縮水Ｗ２とすることが好ましい。

この電気脱イオン装置１において、カチオン交換膜１４及びアニオン交換膜１３を構成するイオン交換膜としては、酢酸ビニル成分を含むものを用いる。特に酢酸ビニル成分とアニオン性基あるいはカチオン性基を有する重合成分とによる重合体からなるイオン交換膜を用いるのが好ましい。カチオン交換膜１４の場合、分子中にスルホネート基を有するアニオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を製膜したものを用いることができる。また、アニオン交換膜１３の場合、分子中に４級アンモニウム基を有するカチオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を製膜したものを用いることができる。

イオン交換膜（アニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４）として、酢酸ビニル成分を含む重合体からなる膜を用いることにより濃縮室１５における微生物の繁殖や菌数の増加を抑制でき、濃縮室１５の閉塞を防止し、電気脱イオン装置１の洗浄頻度を低減することができる。

上述したような酢酸ビニル成分とアニオン性基あるいはカチオン性基を有する重合成分とによる重合体からなるイオン交換膜としては、これら各成分を重合したものを含んでいれば特に制限はないが、例えば特開２０１５−１７４１９号公報などに記載されたものを好適に適用することができる。

次に上述したような電気脱イオン装置の運転方法について説明する。まず、被処理水（原水）Ｗが脱塩室１６に導入され、脱塩室１６から脱イオン水Ｗ１が得られる。本実施形態においては、この脱イオン水Ｗ１の一部を濃縮水Ｗ２として濃縮室１５に脱塩室１６の通水方向とは逆方向に向流一過式で通水し、濃縮室１５から濃縮排水Ｗ３を系外へ排出する。すなわち、本実施形態の電気脱イオン装置１では、濃縮室１５と脱塩室１６とが交互に並設され、脱塩室１６の脱イオン水Ｗ１の取り出し側に濃縮室１５の流入口となっているとともに脱塩室１６の原水流入側に濃縮室１５の流出口となっている。なお、脱イオン水Ｗ１の一部は陽極室１７の入口側に送給され、そして、陽極室１７の流出水は、陰極室１８の入口側へ送給され、陰極室１８の流出水は排水として系外へ排出される。

このように、濃縮室１５に脱イオン水Ｗ１を脱塩室１６と向流一過式で通水することにより、脱塩室１６の脱塩室１６の取り出し側ほど濃縮室１５内の濃縮排水Ｗ３中のイオン濃度が低いものとなり、菌類や微生物の繁殖自体が抑制されるだけでなく、濃度拡散による脱塩室１６への影響が小さくなり、イオン除去率、特にシリカ、ホウ素の除去率を飛躍的に高めることができる。しかも脱塩室１６から排出した濃縮された成分を系外に排出しやすくなる、という効果も奏する。

この電気脱イオン装置１の運転方法においては、濃縮室１５には脱塩室１６から各種のイオンが濃縮されることになり、これらの中には有機物イオンも含まれるため、菌類や微生物が繁殖しやすい。しかしながら、イオン交換膜（アニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４）として、上述したような酢酸ビニル成分を含む重合体からなる膜を用いており、酢酸ビニル成分を含む重合体は耐有機汚染性に優れているので、有機物イオンはイオン交換膜１３、１４に付着しにくいため効率よく濃縮排水Ｗ３として排出される。これにより、濃縮室１５における微生物の繁殖や菌数の増加を抑制でき、濃縮室１５の閉塞を防止し、電気脱イオン装置１の洗浄頻度を低減することができる。

以上、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明してきたが、本発明は、アニオン交換膜１３及びカチオン交換膜１４として酢酸ビニル成分を含む重合体からなる膜を用いていれば前記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、前記実施形態においては、濃縮水Ｗ２として脱イオン水Ｗ１を用いたが、別途純水を用意してもよい。また、その通水方向は被処理水Ｗと同じ方向でもよい。

以下の具体的実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
電気脱イオン装置（ＫＣＤＩ−ＵＰｚ・２０Ｈ 栗田工業（株）製）において、分子中にスルホネート基を有するアニオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を含むカチオン交換膜（クラレ（株）製）と分子中に４級アンモニウム基を有するカチオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を含むアニオン交換膜（クラレ（株）製）を用いて電気脱イオン装置を構成した。

この電気脱イオン装置を用いて、半導体工場の原水（２００μＳ／ｃｍ、ＴＯＣ３ｐｐｍ）を逆浸透（ＲＯ）膜で処理したものを原水（被処理水Ｗ）として、電気脱イオン装置に通水した。処理条件は、脱イオン水（処理水）Ｗ１の流量を２ｍ^３／ｈ、濃縮水Ｗ２の流量を０．３ｍ^３／ｈとし、濃縮水Ｗ２としては脱イオン水Ｗ１の一部を用い、脱塩室と向流となるように一過式で濃縮室に通水した。

このような運転を１年間継続したところ、濃縮水Ｗ２の差圧は０．２ｋｇ／ｃｍ^２でほぼ一定であり、上昇は認められなかった。

〔比較例１〕
電気脱イオン装置（ＫＣＤＩ−ＵＰｚ・２０Ｈ 栗田工業（株）製）において、ポリスチレンを結合剤とした汎用的な不均質膜を用いたカチオン交換膜及びアニオン交換膜を用いて電気脱イオン装置を構成した。

この電気脱イオン装置を用いて、半導体工場の原水（２００μＳ／ｃｍ、ＴＯＣ３ｐｐｍ）を逆浸透（ＲＯ）膜で処理したものを原水（被処理水Ｗ）として、電気脱イオン装置に通水した。処理条件は、脱イオン水（処理水）Ｗ１の流量を２ｍ^３／ｈ、濃縮水Ｗ２の流量を０．３ｍ^３／ｈとし、濃縮水Ｗ２として被処理水Ｗ（ＲＯ膜処理水）を用い、脱塩室と同じ方向（並流）となるように一過式で濃縮室に通水した。

このような運転を１年間継続したところ、濃縮水Ｗ２の差圧は０．２ｋｇ／ｃｍ^２から０．７ｋｇ／ｃｍ^２に上昇し、電気脱イオン装置の濃縮室の洗浄が必要となった。

〔比較例２〕
電気脱イオン装置（ＫＣＤＩ−ＵＰｚ・２０Ｈ 栗田工業（株）製）において、ポリスチレンを結合剤とした汎用的な不均質膜を用いたカチオン交換膜及びアニオン交換膜を用いて電気脱イオン装置を構成した。

この電気脱イオン装置を用いて、半導体工場の原水（２００μＳ／ｃｍ、ＴＯＣ３ｐｐｍ）を逆浸透（ＲＯ）膜で処理したものを原水（被処理水Ｗ）として、電気脱イオン装置に通水した。処理条件は、脱イオン水（処理水）Ｗ１の流量を２ｍ^３／ｈ、濃縮水Ｗ２の流量を０．３ｍ^３／ｈとし、濃縮水Ｗ２としては脱イオン水Ｗ１の一部を用い、脱塩室と向流となるように一過式で濃縮室に通水した。

このような運転を１年間継続したところ、濃縮水Ｗ２の差圧は０．２ｋｇ／ｃｍ^２から０．９ｋｇ／ｃｍ^２に上昇し、電気脱イオン装置の濃縮室の洗浄が必要となった。

１…電気脱イオン装置
１１…陽極
１２…陰極
１３…アニオン交換膜
１４…カチオン交換膜
１５…濃縮室
１６…脱塩室
１７…陽極室
１８…陰極室
Ｗ…被処理水（原水）
Ｗ１…脱イオン水（処理水）
Ｗ２…濃縮水
Ｗ３…濃縮排水

Claims (7)

1. 陰極及び陽極と、
   該陰極及び陽極の間に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、
   これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成された脱塩室及び濃縮室とを備え、
   前記脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換体が充填されていて、
   前記濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と前記脱塩室に原水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有する電気脱イオン装置において、
   前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜として、酢酸ビニル成分を含むものを用いたことを特徴とする電気脱イオン装置。
2. 前記濃縮水通水手段が、前記脱塩室を通水した脱イオン水を濃縮水として通水することを特徴とする請求項１に記載の電気脱イオン装置。
3. 前記濃縮水通水手段が、前記濃縮水を前記脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から該濃縮室内に導入すると共に、脱塩室の原水入口に近い側から流出することを特徴とする請求項２に記載の電気脱イオン装置。
4. 前記カチオン交換膜が、分子中にスルホネート基を有するアニオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
5. 前記アニオン交換膜が、分子中に４級アンモニウム基を有するカチオン性単量体と酢酸ビニルの単量体との共重合体を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気脱イオン装置。
6. 陰極及び陽極と、該陰極及び陽極の間に配置されたカチオン交換膜及びアニオン交換膜と、これらカチオン交換膜及びアニオン交換膜により区画形成された脱塩室及び濃縮室とを備え、前記脱塩室及び前記濃縮室にイオン交換体が充填されていて、前記濃縮室に濃縮水を通水する濃縮水通水手段と該脱塩室に原水を通水して脱イオン水を取り出す手段とを有し、前記カチオン交換膜及びアニオン交換膜として、酢酸ビニル成分を含む重合体からなる膜を用いた電気脱イオン装置の運転方法であって、
   前記濃縮水として前記脱塩室を通水した脱イオン水の一部を導入することを特徴とする電気脱イオン装置の運転方法。
7. 前記濃縮水を前記濃縮室の前記脱塩室の脱イオン水取り出し口に近い側から導入すると共に、前記濃縮室の前記脱塩室の原水入口に近い側から流出させることを特徴とする請求項６に記載の電気脱イオン装置の運転方法。

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