JP7176586B2

JP7176586B2 - 電気脱イオン装置の制御方法

Info

Publication number: JP7176586B2
Application number: JP2021047988A
Authority: JP
Inventors: 麗奈田部井; 康晴港
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2041-03-22
Also published as: CN117062781A; JP2022146818A; TW202239464A; KR20230160780A; WO2022202305A1; CN117062781B; US20240157300A1

Description

本発明は電気脱イオン装置の制御方法に関する。

従来、半導体等の電子産業分野で用いられている超純水は、前処理システム、一次純水製造装置及び一次純水を処理する二次純水製造装置（サブシステム）で構成される超純水製造装置で原水を処理することにより製造されている。

このような超純水製造装置に含まれる一次純水製造装置は、超純水製造装置の分野以外にも、医薬用や食品用などの様々な分野に利用されている汎用性の高いシステムである。一次純水製造装置の構成としては、２段構成の逆浸透膜（ＲＯ膜）装置及び電気脱イオン装置からなるものが一般的であり、逆浸透膜（ＲＯ膜）装置はシリカや塩類を除去すると共に、イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。

ここで、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列して脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換樹脂を充填した構成を有し、各種無機あるいは有機性のアニオン及びカチオンの除去を行う。

この電気脱イオン装置の脱塩室に水が供給されると、水中のイオンはその荷電によって、脱塩室内の陽・陰極のいずれかのイオン交換樹脂の方向に移動する。移動したイオンはイオン交換樹脂を通過し濃縮室へ入るため、脱塩室内においては高度に脱塩された純水が製造される。一方で、濃縮室に移動したイオンは、濃縮水として排出される。

電気脱イオン装置は、所定の水質の一次純水を安定的に製造するという観点から、電気脱イオン装置への給水の供給条件を一定にした運用がなされていた。そのため、電気脱イオン装置を含む一次純水製造装置にて製造した一次純水は、必要量が二次純水製造装置のサブタンクに供給される一方で、余剰に生産された一次純水は一次純水製造装置内で循環して利用するといった運用を行っていた。

しかしながら、上述したように一次純水製造装置の従来の運用方法では、電気脱イオン装置などに必要量以上の給水を供給して処理することになるので、エネルギー効率の点で改善の余地があった。そこで、一次純水の必要量に応じて、電気脱イオン装置の処理量を変動させることが考えられるが、電気脱イオン装置の稼働中に、電気脱イオン装置へ供給する給水の流量を瞬時に減少させた場合、濃縮水の電気伝導率が一時的に上昇する。濃縮水の電気伝導率が増加すると、濃縮室内のイオン濃度が高まり、スケールが発生しやすくなるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電気脱イオン装置への供給する給水の流量を減少させた場合でも、電気伝導率の上昇を防ぎ、それによりスケールの発生を抑制する電気脱イオン装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的に鑑み、本発明は電気脱イオン装置の制御方法であって、前記電気脱イオン装置から排出される濃縮水の流量を一定に保ちながら、前記電気脱イオン装置へ供給される給水の流量を段階的に減少させる、電気脱イオン装置の制御方法を提供する（発明１）。

かかる発明（発明１）によれば、電気脱イオン装置から排出される濃縮水の流量を一定に保ちながら、電気脱イオン装置へ供給される給水の流量を段階的に減少させることにより、濃縮水の電気伝導率の上昇を防ぎ、それによりスケールの発生を抑制することができる。

上記発明（発明１）においては、１段階あたりに減少させる前記給水の流量は、前記電気脱イオン装置における最大流量の１０％以下の流量であってもよい（発明２）。

上記発明（発明１又は２）においては、前記給水の流量を段階的に減少させる際の１段階あたりの時間は１～１０分であってもよい（発明３）。

上記発明（発明１～３）においては、前記電気脱イオン装置へ供給される給水の流量を、ＰＩＤ制御により段階的に減少させてもよい（発明４）。

本発明の物品収受システムによれば、電気脱イオン装置への供給する給水の流量を減少させた場合でも、電気伝導率の上昇を防ぎ、それによりスケールの発生を抑制する電気脱イオン装置の制御方法を提供することができる。

本発明に係る電気脱イオン装置の制御方法を適用可能な超純水製造装置を示すフロー図である。本発明に係る電気脱イオン装置の制御方法における電気脱イオン装置の制御構造を示す概略図である。本発明に係る電気脱イオン装置の制御方法に用いられる電気脱イオン装置を示す概略図である。本発明に係る電気脱イオン装置の制御方法に用いられる電気脱イオン装置の通水状態を示す概略図である。実施例１の電気脱イオン装置の制御構造を示す概略図である。実施例１における電気脱イオン装置から排出される濃縮水の経過時間当たりの電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の変化を示すグラフである。比較例１における電気脱イオン装置から排出される濃縮水の経過時間当たりの電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の変化を示すグラフである。比較例２における電気脱イオン装置から排出される濃縮水の経過時間当たりの電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の変化を示すグラフである。比較例３における電気脱イオン装置から排出される濃縮水の経過時間当たりの電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の変化を示すグラフである。

以下、本発明の電気脱イオン装置の制御方法について添付図面を参照して説明する。なお、説明のために電気脱イオン装置が超純水製造装置に備えられた図を一部用いて説明するが、本発明における電気脱イオン装置の制御方法は、この超純水製造装置に限られず、医薬や食品などの様々な分野に用いることができる。

（電気脱イオン装置）
図１は本発明の一実施形態による電気脱イオン装置１の制御方法を実施可能な超純水製造装置Ａを示す図である。図１に示すように、超純水製造装置Ａは、前処理装置２、電気脱イオン装置１（図１中はＣＤＩと表記）を含む一次純水製造装置３、及び二次純水製造装置（サブシステム）４といった３段の装置で構成されている。このような超純水製造装置Ａの前処理装置２では、原水Ｗの濾過、凝集沈殿、精密濾過膜などによる前処理が施され、主に懸濁物質が除去される。

一次純水製造装置３は、前処理水（給水ともいう、以下同じ）Ｗ１を処理する逆浸透膜装置５と、脱気膜装置６と、紫外線酸化装置７と、電気脱イオン装置１と、この電気脱イオン装置１に前処理水Ｗ１を供給する給水ポンプ８とを有する。この一次純水製造装置３で前処理水Ｗ１中の大半の電解質、微粒子、生菌等の除去を行うと共に有機物を分解する。

サブシステム４は、一次純水製造装置３で製造された脱塩水（本実施形態においては電気脱イオン装置１が一次純水製造装置３の末端にあるので一次純水に相当する、以下同じ）Ｗ２を貯留する、上記電気脱イオン装置１の後段に配置された貯水タンクとしてのサブタンク１１とこのサブタンク１１から図示しないポンプを介して送給される一次純水Ｗ２を処理する紫外線酸化装置１２と非再生型混床式イオン交換装置１３と膜濾過装置としての限外濾過（ＵＦ）膜１４とで構成され、更に必要に応じＲＯ膜分離装置等が設けられている場合もある。このサブシステム４では、紫外線酸化装置１２により一次純水Ｗ２中に含まれる微量の有機物（ＴＯＣ成分）を酸化分解し、続いて非再生型混床式イオン交換装置１３で処理することで残留した炭酸イオン、有機酸類、アニオン性物質、更には金属イオンやカチオン性物質等をイオン交換によって除去する。そして、限外濾過（ＵＦ）膜１４で微粒子を除去して超純水Ｗ３とし、これをユースポイント１５に供給して、未使用の超純水Ｗ３はサブタンク１１に還流する。

本実施形態では図２に示すように一次純水製造装置３には、電気脱イオン装置１への給水Ｗ１の流量を制御するための給水ポンプ８が備えられ、当該給水ポンプ８に連通した電気脱イオン装置１には直流電源器９が備えられており、電気脱イオン装置１の脱塩水Ｗ２を電気脱イオン装置１の後段に配置された貯水タンクとしてのサブタンク１１に供給可能となっている。

また、電気脱イオン装置１の濃縮水Ｗ５の流路２５には濃縮水Ｗ５の流量を任意に制御するためのコントロール弁２６と流量計２７が設けられている。また、電気脱イオン装置１の脱塩水Ｗ２の流路２２にも、コントロール弁２３と流量計２４が設けられている。

パーソナルコンピュータなどを備えた制御装置２８は、給水ポンプ８を制御することで電気脱イオン装置１への給水Ｗ１の流量を増減すること、及びコントロール弁２３及びコントロール弁２６を制御することにより流路２２及び／又は流路２５の流量を任意に増減させることができる。また、制御装置２８は、流量計２４及び流量計２７の計測データがそれぞれ送信可能となっている。加えて、サブタンク１１には、貯水量を測定するレベルスイッチ２１が設けられていてもよく、サブタンク１１の貯水量の計測データに応じて脱塩水Ｗ２の製造量を制御してもよい。

ここで、電気脱イオン装置１としては、図３及び図４に示すような構成を有するものを好適に用いることができる。

図３において、電気脱イオン装置１は、電極（陽極３１、陰極３２）の間に複数のアニオン交換膜３３及びカチオン交換膜３４を交互に配列して濃縮室３５と脱塩室３６とを交互に形成したものであり、脱塩室３６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３５と、陽極室３７及び陰極室３８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３６に給水Ｗ１を通水して脱塩水Ｗ２取り出す通水手段（図示せず）と、濃縮室３５に被濃縮水Ｗ４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被濃縮水Ｗ４を、脱塩室３６の脱塩水Ｗ２の取り出し口に近い側から濃縮室３５内に導入すると共に、脱塩室３６の給水Ｗ１の入口に近い側から流出する。すなわち脱塩室３６における給水Ｗ１の流通方向と反対方向から被濃縮水Ｗ４を濃縮室３５に導入して濃縮水Ｗ５を吐出する構成となっている。なお、本明細書中においては、前処理水Ｗ１を逆浸透膜装置５、脱気膜装置６及び紫外線酸化装置７で処理した電気脱イオン装置１の給水も説明の便宜上、給水Ｗ１として記載する。

この濃縮室３５に導入する被濃縮水Ｗ４としては、脱塩室３６に供給する給水Ｗ１を用いることができるが、図４に示すように被濃縮水Ｗ４として脱塩室３６から得られる脱塩水Ｗ２を用いることが好ましい。

（電気脱イオン装置の制御方法）
本実施形態に係る電気脱イオン装置１の制御方法について以下説明する。

本実施形態に係る電気脱イオン装置１の制御方法は、電気脱イオン装置１から排出される濃縮水Ｗ５の流量を一定に保ちながら、電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量を段階的に減少させる。当該制御方法により、濃縮水Ｗ５の電気伝導率の上昇を防ぎ、それによりスケールの発生を抑制することができる。

上述のように、本実施形態に係る電気脱イオン装置１の制御方法は、電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量を段階的に減少させる。図２に示すように給水Ｗ１は、流量を制御可能な給水ポンプ８を介して電気脱イオン装置１に供給されるが、この電気脱イオン装置１への給水Ｗ１の流量を給水ポンプ８に付属するポンプインバータ（図示なし）等を用いて段階的に減少させてもよい。

一実施形態に係る制御方法では、１段階あたりに減少させる給水Ｗ１の流量は、電気脱イオン装置１における最大流量の１０％以下の流量であることが好ましい。また、１段階あたりに減少させる給水Ｗ１の流量は、電気脱イオン装置１における最大流量の１％以上の量であることが好ましい。１段階あたりに減少させる給水Ｗ１の流量が１０％よりも大きくなると、濃縮水Ｗ５のイオン濃度が増加し、スケールが発生するおそれがある。給水Ｗ１の減少工程のより具体的な例としては、電気脱イオン装置１における最大流量が５．０Ｌ／ｍｉｎであった場合、４．５Ｌ／ｍｉｎ、４．０Ｌ／ｍｉｎ、３．５Ｌ／ｍｉｎ、３．０Ｌ／ｍｉｎと段階的に減少させることができる。なお、各段階における給水Ｗ１の流量の減少量は必ずしも一定である必要はなく、各段階における給水Ｗ１の減少量を、上記範囲において変動するものとしてもよい。また、給水Ｗ１の全ての段階における流量の減少量を合わせた全体の給水Ｗ１の流量の減少量は、給水Ｗ１の減少を開始する前の流量の７０％以下であることが好ましい。

一実施形態に係る制御方法では、電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量を段階的に減少させる際の１段階あたりの時間は１～１０分であることが好ましい。上記範囲にあることにより、濃縮水Ｗ５のイオン濃度の増加を抑制できる効果がある。より具体的な例としては、上述のように給水Ｗ１の流量を５．０Ｌ／ｍｉｎ、４．５Ｌ／ｍｉｎ、４．０Ｌ／ｍｉｎ、３．５Ｌ／ｍｉｎ、３．０Ｌ／ｍｉｎと段階的に減少させる場合、例えば、５．０Ｌ／ｍｉｎで１０分間保持し、次いで４．５Ｌ／ｍｉｎに減少させた状態で１０分間保持し、次いで４．０Ｌ／ｍｉｎに減少させた状態で１０分間保持し、次いで３．５Ｌ／ｍｉｎに減少させた状態で１０分間保持し、次いで３．０Ｌ／ｍｉｎに減少させた状態で１０分間保持することができる。

本実施形態に係る制御方法では、電気脱イオン装置１から排出される濃縮水Ｗ５の流量は一定に保たれるように制御される。例えば、図２に示すように、給水Ｗ１の水量の変化に応じて、制御装置２８により、コントロール弁２３及びコントロール弁２６を制御して、電気脱イオン装置１の脱塩水Ｗ２と濃縮水Ｗ５の流量を制御することにより可能となる。すなわち、濃縮水Ｗ５の水量を一定として、回収率が変動するように脱塩水（一次純水）Ｗ２の量を調整すればよい。ここで、一定に保たれるとは、電気脱イオン装置１から排出される濃縮水Ｗ５の流量の変化が、９０％～１１０％の範囲にあることを意味する。

また一実施形態に係る制御方法では、電気脱イオン装置１の水回収量は、特に制限されないが、５０～９９％であることが好ましい。

一実施形態に係る制御方法では、電気脱イオン装置１へ供給する給水Ｗ１の導電率は、特に制限されないが、０．１～５ｍＳ／ｍであることが好ましい。また、電気脱イオン装置１への給水Ｗ１の電流効率は１～３０％とすることが好ましい。

一実施形態に係る制御方法では、電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量を、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御により段階的に減少させてもよい。例えば、図２に示したサブタンク１１の貯水量や、図５に示した脱塩水流路５４を流れる脱塩水Ｗ２の流量を測定し、これらの目標値に応じて、図２の給水ポンプ８や図５の給水ポンプ５５の出力をＰＩＤ制御することで、電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量を段階的に減少させることができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、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〕
図５に示す電気脱イオン装置１の制御用の試験装置５１を用いて実験を行った。この試験装置５１は、電気脱イオン装置１に加え、給水流路５２と、濃縮水流路５３と、脱塩水（一次純水）流路５４とを有する。そして、給水流路５２には、電気脱イオン装置１への給水Ｗ１の流量を制御するための給水ポンプ５５と、カルシウムイオン源である塩化カルシウム溶液タンク５６を薬液ポンプ５６Ａを介して接続すると共に、導電率計５７Ａが設けられている。濃縮水流路５３には、流量を任意の量に制御するためのコントロール弁５９Ｂと流量計５８Ｂが設けられ、更に導電率計５７Ｂが接続されている。また、脱塩水流路５４には、コントロール弁５９Ａと流量計５８Ａが設けられていると共に比抵抗計６０が接続されている。なお、電気脱イオン装置１としては、図３及び図４に示す構成のものを採用した。

上述した試験装置５１の稼働中に、電気脱イオン装置１から排出される濃縮水Ｗ５の流量をコントロール弁５９Ａとコントロール弁５９Ｂとを用いて一定値（１．０Ｌ／ｍｉｎ）に保ちながら、給水ポンプ５５を用いて電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量を１０分ごとに５．０Ｌ／ｍｉｎ、４．５Ｌ／ｍｉｎ、４．０Ｌ／ｍｉｎ、３．５Ｌ／ｍｉｎとなるように段階的に減少させた。この操作に起因する、濃縮水流路５３を流れる濃縮水Ｗ５の電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の経時変化を、導電率計５７Ｂを用いて測定した。結果を図６に示す。なお、グラフ中の経過時間０時点から上記の操作を開始した（図７～９も同様）。また、試験中の電気脱イオン装置１の電流値は４．０Ａであり、塩化カルシウム濃度添加後の給水Ｗ１中のカルシウム濃度は４００μｇ／ＬａｓＣａＣＯ_３であり、給水Ｗ１の導電率は０．１０～０．１２ｍＳ／ｍの範囲内であった。

〔比較例１〕
実施例１と同様の試験装置５１を用いて、比較例１の試験を行った。当該試験装置５１の稼働中に、電気脱イオン装置１から排出される濃縮水Ｗ５の流量を１．０Ｌ／ｍｉｎから０．７Ｌ／ｍｉｎへ瞬時に減少させた際に、電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量も５．０Ｌ／ｍｉｎから３．５Ｌ／ｍｉｎへ瞬時に減少させた。この操作に起因する、濃縮水流路５３を流れる濃縮水Ｗ５の電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の経時変化を、導電率計５７Ｂを用いて測定した。結果を図７に示す。なお、その他の条件は実施例１と同様である。

〔比較例２〕
実施例１と同様の試験装置５１を用いて、比較例２の試験を行った。当該試験装置５１の稼働中に、電気脱イオン装置１から排出される濃縮水Ｗ５の流量を一定値（１．０Ｌ／ｍｉｎ）に保ちながら、電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量を５．０Ｌ／ｍｉｎから３．５Ｌ／ｍｉｎへ瞬時に減少させた。この操作に起因する、濃縮水流路５３を流れる濃縮水Ｗ５の電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の経時変化を、導電率計５７Ｂを用いて測定した。結果を図８に示す。なお、その他の条件は実施例１と同様である。

〔比較例３〕
実施例１と同様の試験装置５１を用いて、比較例３の試験を行った。当該試験装置５１の稼働中に、電気脱イオン装置１から排出される濃縮水Ｗ５の流量を１０分ごとに１Ｌ／ｍｉｎ、０．９Ｌ／ｍｉｎ、０．８Ｌ／ｍｉｎ、０．７Ｌ／ｍｉｎとなるように段階的に減少させた。同様に電気脱イオン装置１へ供給される給水Ｗ１の流量も１０分ごとに５．０Ｌ／ｍｉｎ、４．５Ｌ／ｍｉｎ、４．０Ｌ／ｍｉｎ、３．５Ｌ／ｍｉｎとなるように段階的に減少させた。この操作に起因する、濃縮水流路５３を流れる濃縮水Ｗ５の電気伝導率（ｍＳ／ｍ）の経時変化を、導電率計５７Ｂを用いて測定した。結果を図９に示す。なお、その他の条件は実施例１と同様である。

〔結果及び考察〕
図６～９から明らかなように、実施例１では操作に起因した濃縮水Ｗ５の電気伝導率の増加は見られなかったが、比較例１～３ではいずれも操作に起因した濃縮水Ｗ５の電気伝導率が上昇した。すなわち、実施例１の電気脱イオン装置１の制御方法によれば、電気伝導率の上昇を防止することができ、それによりスケールの発生を抑制することができる。一方で、比較例１～３の制御方法では、濃縮水Ｗ５の電気伝導率が上昇するため、スケールが発生する可能性が高まる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

Ａ超純水製造装置
１電気脱イオン装置
２前処理装置
３一次純水製造装置
４二次純水製造装置（サブシステム）
５逆浸透膜装置
６脱気膜装置
７紫外線酸化装置
８給水ポンプ
９直流電源器
１１サブタンク
１２紫外線酸化装置
１３非再生型混床式イオン交換装置
１４限外濾過（ＵＦ）膜
１５ユースポイント
２１レベルスイッチ（水位計測手段）
２２脱塩水の流路
２３、２６コントロール弁
２４、２７流量計
２５濃縮水の流路
２８制御装置
３１陽極（電極）
３２陰極（電極）
３３アニオン交換膜
３４カチオン交換膜
３５濃縮室
３６脱塩室
５１試験装置
５２給水流路
５３濃縮水流路
５４脱塩水流路
５５給水ポンプ
５６塩化カルシウム溶液タンク、５６Ａ薬液ポンプ
５７Ａ、５７Ｂ導電率計
５８Ａ、５８Ｂ流量計
５９Ａ、５９Ｂコントロール弁
６０比抵抗計
Ｗ原水
Ｗ１前処理水（給水）
Ｗ２一次純水（脱塩水）
Ｗ３超純水（二次純水）
Ｗ４被濃縮水
Ｗ５濃縮水

Claims

電気脱イオン装置の制御方法であって、
前記電気脱イオン装置から排出される濃縮水の流量を一定に保ちながら、前記電気脱イオン装置へ供給される給水の流量を複数回段階的に減少させ、
１段階あたりに減少させる前記給水の流量は、前記電気脱イオン装置における最大流量の１０％以下の流量である、電気脱イオン装置の制御方法。
前記給水の流量を段階的に減少させる際の１段階あたりの時間は１～１０分である、請求項１に記載の電気脱イオン装置の制御方法。
前記電気脱イオン装置へ供給される給水の流量を、ＰＩＤ制御により段階的に減少させる、請求項１又は２に記載の電気脱イオン装置の制御方法。