JP7208043B2 - 濃度計測装置、超純水製造装置、及び水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、超純水の製造に際して有用な濃縮器、濃度計測装置及び超純水製造装置に関する。

半導体ウエハなどの洗浄水として利用される超純水は、近年、さらなる高純度化の要請がある。例えば、超純水を得るための被処理水中に、不純物として含まれるシリカなどの濃度を高い精度でより低い定量下限値を計測することが要求されている。今日では、０．１ｐｐｂから０．０１ｐｐｂさらには０．００１ｐｐｂまでのオーダのシリカの濃度の計測が求められる可能性もあり、今後もより一層、要求水準が高まって行くことが予想される。

ところで、被処理水中の極微量のシリカを計測することは技術的に困難である。例えば、オンラインシリカモニタの定量下限値は０．１～１ｐｐｂオーダであるため、計測対象のシリカの濃度が例えば０．００１ｐｐｂである場合には、計測精度が１００～１０００倍、及ばないことになる（例えば非特許文献１）。このため、濃縮法を用いてサンプル水を濃縮して測定したいものの、既存の方法であるイオン交換樹脂を用いた濃縮法ではシリカを効率的に吸着させることができず、一方、蒸留法ではシリカが蒸留側に流出する可能性がありシリカを十分に濃縮させることができない。また、逆浸透膜装置などを利用して被処理水中のシリカを、既存の計測器で計測可能なレベルまで濃縮することが検討されているが（例えば特許文献１参照）、この方法では、逆浸透膜装置でのシリカの除去率が十分ではないことから、十分な濃縮倍率を得て、かつ、高い回収率でシリカを回収することが難しく、このため、低濃度のシリカの分析に適用することが困難であった。

特開２００４－７７２９９号公報

半導体基盤技術研究会 偏、「超純水の科学」出版社:リアライズ社、1990年9月11日、p.543

しかしながら、シリカなどの弱電解質成分を逆浸透膜装置を利用して濃縮する場合、ろ過されない溶質が、逆浸透膜の厚さ方向に濃度の勾配を作る現象、つまり、濃度分極が生じ得る。濃度分極の影響が大きくなると、膜透過側への溶質の漏洩が増える。特にシリカなどの弱電解質成分の濃度分極の影響は、他の溶質よりも大きい。このため、逆浸透膜装置における被処理水の回収率や濃縮率などが適切に設定されていないと、弱電解質成分の回収率が低下し、十分な濃縮倍率を得られない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被処理水中に不純物として含まれた弱電解質成分の回収率が高くかつ高い濃縮倍率まで濃縮ができる濃縮器、濃度計測装置及び超純水製造装置の提供を目的とする。また、本発明は現状の分析定量下限値以下（０．１ｐｐｂから０．０１ｐｐｂさらには０．００１ｐｐｂまでのオーダのシリカの濃度）の水に対して使用可能である。

本発明の濃縮器は、送水流路、第１及び第２の逆浸透膜装置、第１及び第２の帰還流路、第１及び第２の分岐流路、並びに流量調整機構を備えている。送水流路には、被処理水が送水される。第１の逆浸透膜装置は、送水流路上に設けられている。第２の逆浸透膜装置は、送水流路上における第１の逆浸透膜装置よりも下流側に設けられている。第１の帰還流路は、第１の逆浸透膜装置における濃縮水出口から延び、送水流路上における第１の逆浸透膜装置の上流側に帰還する。第２の帰還流路は、第２の逆浸透膜装置における濃縮水出口から延び、送水流路上における第１の逆浸透膜装置の上流側に帰還する。第１の分岐流路は、第１の帰還流路から分岐して排水を行う。第２の分岐流路は、第２の帰還流路から分岐し、送水流路上における第１の逆浸透膜装置と第２の逆浸透膜装置との間に合流する。流量調整機構は、送水流路、第１及び第２の帰還流路、並びに第１及び第２の分岐流路の流量を調整する。

前述した流量調整機構は、複数のバルブ、ポンプ、並びに制御部を有する。複数のバルブは、送水流路、第１及び第２の帰還流路、並びに第１及び第２の分岐流路に設けられている。ポンプは、送水流路上に設けられている。制御部は、複数のバルブ及び／又はポンプの動作を制御する。ここで、第１の逆浸透膜装置の水回収率は、第２の逆浸透膜装置の水回収率よりも大きい設定である。

また、本発明の濃度計測装置は、上述した構成の濃縮器、検出部、並びに演算部を備えている。検出部は、第１の分岐流路を流れる濃縮水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を検出する。ここで、検出部は、濃縮器と直接、配管などで接続されていてもよいし、また、濃縮器の濃縮水をサンプリングボトルなどで採水し、採水したこの濃縮水の濃度を、例えば濃縮器から離れた位置に設けた検出部によって検出するようにしてもよい。演算部は、流量調整機構により調整された流量及び前記検出された濃度に基づいて、送水流路上における第１及び第２の帰還流路の帰還箇所よりも上流側の被処理水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を算出する。前述した所定の弱電解質成分は、例えばシリカである。

さらに、本発明の超純水製造装置は、上述した濃度計測装置、一次純水製造部、二次純水製造部、タンク、及び第３の帰還流路を備えている。一次純水製造部は、被処理水に水処理を施して一次純水を製造する。二次純水製造部は、一次純水製造部の下流側に設けられ、前記製造された一次純水にさらなる水処理を施して二次純水を製造する。タンクは、一次純水製造部と二次純水製造部との間に介在されている。第３の帰還流路は、二次純水製造部の下流側に設けられているユースポイントを通過した被処理水をタンクに帰還させる。ここで、濃度計測装置を構成する少なくとも上記した濃縮器は、二次純水製造部とユースポイントとの間、二次純水製造部の内部、若しくは、第３の帰還流路、に所定の接続機構を介して接続されていてもよいし、二次純水製造部とユースポイントとの間、二次純水製造部の内部、若しくは、第３の帰還流路に直列に設置されていてもよい。所定の接続機構とは、第３の帰還流路（又は、二次純水製造部内のメインの流路、又は、二次純水製造部とユースポイントとの間をつなぐ流路）から、分岐した流路を含む機器接続用の機構であり、濃縮器は、このように分岐した流路を含む接続機構を介して超純水製造装置本体に接続される。接続機構は、必要に応じて、バルブや逆止弁等を備える。なお、上記した濃縮器を流路に直列に設置する場合には、濃縮器に流入する被処理水の流量が増加するので、それに合わせて濃縮器を適宜スケールアップする必要がある。

本発明によれば、被処理水中に不純物として含まれた弱電解質成分の回収率を高め、かつ高い濃縮倍率を得ることができる濃縮器、濃度計測装置及び超純水製造装置を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る超純水製造装置の構成を示すブロック図。 図１の超純水製造装置が備える二次純水製造部及び濃度計測装置の構成を示すブロック図。 図２の濃度計測装置が備える濃縮器の構成を示す図。 比較例１の濃縮器の構成を示す図。 比較例２の濃縮器の構成を示す図。 図３の濃縮器とは構成が一部異なる他の濃縮器の構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る超純水製造装置１０は、被処理水を水処理して超純水を得る装置であって、前処理部１２、一次純水製造部１４、被処理水の流路１７、タンク１６、二次純水製造部１８、濃度計測装置１９、を含む水処理系１５を備えている。前処理部１２は、原水として、市水、井水、工業用水などを導入する。この前処理部１２は、原水の水質などに応じて適宜の構成を有し、原水の懸濁物質を除去して前処理水を生成する。前処理部１２は、例えば砂ろ過装置や精密ろ過装置などを備え、さらに、必要に応じて被処理水の温度を調節するための熱交換器などを有している。

一次純水製造部１４は、被処理水（前処理水）に水処理を施して一次純水を製造する。この一次純水製造部１４は、前処理水中の有機成分、イオン成分、溶存ガスなどを除去して一次純水を製造し、この一次純水をタンク１６に供給する。また、一次純水製造部１４は、例えば、逆浸透膜装置、イオン交換装置（陽イオン交換装置、陰イオン交換装置、混床式イオン交換装置など）、紫外線酸化装置、及び脱気装置（真空脱気装置、脱気膜装置など）のうちの１つ以上を適宜組み合わせて構成される。一次純水は、例えば全有機炭素（ＴＯＣ：Total Organic Carbon）濃度が５μｇＣ／Ｌ以下、抵抗率が１７ＭΩ・ｃｍ以上である。タンク１６は、一次純水を貯留し、その必要量を二次純水製造部１８に供給する。

一方、二次純水製造部１８は、一次純水製造部１４の下流側に設けられ、一次純水製造部１４により製造された一次純水にさらなる水処理を施して二次純水を製造する。この二次純水製造部１８は、一次純水中の不純物を除去して超純水となる二次純水を製造し、超純水の使用場所であるユースポイント（ＰＯＵ：Point Of Use）２０に供給する。タンク１６は、一次純水製造部１４と二次純水製造部１８との間に介在されている。

ユースポイント２０は、二次純水製造部１８及び濃度計測装置１９の下流側に設けられている。流路１７は、水処理系１５を構成する前処理部１２、一次純水製造部１４及び二次純水製造部１８、濃度計測装置１９によって水処理された被処理水をユースポイント２０へ向けて送る。また、流路１７は、ユースポイント２０を通過した被処理水をタンク１６に帰還させる帰還流路（第３の帰還流路）１７ａを有している。つまり、ユースポイント２０を通過した余剰分の超純水は、流路１７の帰還流路１７ａを通ってタンク１６にて回収される。

より具体的には、図２に示すように、二次純水製造部１８は、サークルポンプ２２、熱交換器（ＨＥＸ：Heat Exchanger）２３、紫外線酸化装置（ＴＯＣ－ＵＶ）２４、膜脱気装置（ＭＤＧ：membrane degasifier）２５、ポリッシャ２６、及び限外ろ過膜（ＵＦ：Ultrafiltration Membrane）装置２８を備えている。

サークルポンプ２２は、タンク１６内に収容された被処理水（一次純水）を熱交換器２３に供給する被処理水供給ポンプである。熱交換器２３は、サークルポンプ２２から供給された被処理水の温度を調節する。この際、被処理水は、熱交換器２３によって例えば２５±３℃に温度調節されることが好ましい。

紫外線酸化装置２４は、熱交換器２３で温度調節された被処理水（一次純水）に紫外線を照射して、被処理水中の微量有機物を分解除去する。紫外線酸化装置２４は、例えば紫外線ランプを有し、波長１８５ｎｍ付近の紫外線を発生させる。紫外線酸化装置２４は、波長２５４ｎｍ付近の紫外線を発生させるものであってもよい。このような紫外線酸化装置２４内で被処理水に紫外線が照射されると、紫外線が被処理水を分解してＯＨラジカルを生成し、このＯＨラジカルが、被処理水中の有機物を酸化分解する。

膜脱気装置２５は、気体透過性の膜の二次側を減圧して、一次側を通流する被処理水中の溶存ガスのみを二次側に透過させて除去する装置である。ポリッシャ２６は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが混合された混床式のイオン交換樹脂を有し、被処理水の中の微量の陽イオン成分及び陰イオン成分を吸着除去する非再生型の混床式イオン交換装置である。

限外ろ過膜装置２８は、流路１７上における最下流のユースポイント２０との間で濃度計測装置１９を挟む位置に設けられている。限外ろ過膜装置２８は、複数の中空糸型モジュールを有しており、この中空糸型モジュールの１つあたりの通水流量は、１０ｍ³／ｈ以上である。この限外ろ過膜装置２８は、ポリッシャ２６（又は装着時の精密ろ過膜装置２７）による被処理水をさらに水処理することにより、例えば粒子径５０ｎｍ以上の微粒子を除去して超純水（二次純水）を得る。

ここで、本実施形態の超純水製造装置１０における製造スペック内の超純水（所期の水質条件を満足する超純水）は、粒子径５０ｎｍ以上の粒子の数が２００個／Ｌ以下であり、また、全有機炭素濃度が１μｇＣ／Ｌ以下であり、さらには抵抗率が１８ＭΩ・ｃｍ以上である。
図２において、濃度計測装置１９は限外ろ過膜装置２８の直後に設置されているが、このように設置することで、製造する超純水中の例えば、シリカ濃度を低濃度まで精度よく測定することが可能である。また、濃度計測装置１９を２次純水製造部の各機器の間に直列に、または所定の接続機構を介して設置した場合には、各機器の不具合（例えばポリッシャーからのシリカリーク）等を検出することにも可能となる。濃度計測装置１９をＰＯＵ２０とタンク１６の間に直列に、または所定の接続機構を介して設置する場合には、例えば、ＰＯＵの何らかの不具合でコンタミが起きたことを確認することができる。

次に、本実施形態の濃度計測装置１９の構成について図１～図３に基づき詳述する。濃度計測装置１９は、図１、図２に示すように、濃縮器１９ａ、検出部１９ｂ及び演算部１９ｃを備えている。濃度計測装置１９を構成する少なくとも前記濃縮器１９ａは、二次純水製造部１８（限外ろ過膜装置２８）とユースポイント２０との間に所定の接続機構を介して接続されている。ここで、濃度計測装置１９の濃縮器１９ａは、上記の設置位置に代えて、二次純水製造部１８の内部、若しくは、第３の帰還流路１７ａ、に所定の接続機構を介して接続されていてもよい。また、濃度計測装置１９の濃縮器１９ａは、二次純水製造部１８とユースポイント２０との間、二次純水製造部１８の内部、若しくは、第３の帰還流路１７ａ、の流路上に直列に接続されていてもよい。さらに、これに代えて、濃度計測装置１９の濃縮器１９ａは、図１に示す超純水製造装置１０の流路１７上に設けられていてもよい。ここで、上記した所定の接続機構とは、帰還流路１７ａ（又は、二次純水製造部１８内のメインの流路１７、又は、二次純水製造部１８とユースポイント２０との間をつなぐ流路）から、分岐した流路を含む機器接続用のインターフェースであり、濃縮器１９ａは、このように分岐した流路を含む接続機構を介して超純水製造装置１０本体に接続される。また、濃度計測装置１９は、超純水製造装置１０の流路１７の所定の位置に対して着脱可能に構成されていてもよい。

また、本実施形態の濃縮器１９ａは、図３に示すように、送水流路３５、逆浸透膜装置（第１の逆浸透膜装置：ＲＯ－１）３１、逆浸透膜装置（第２の逆浸透膜装置：ＲＯ－２）３２、帰還流路（第１の帰還流路）３６、帰還流路（第２の帰還流路）３７、分岐流路（第１の分岐流路）３８、分岐流路（第２の分岐流路）３９、及び流量調整機構２１を備えている。

図３に示すように、送水流路３５は、被処理水が送水される流路であって、図１、図２に示す流路１７と直列的に接続されている。この逆浸透膜装置３１は、被処理水入口３１ａ、透過水出口３１ｂ及び濃縮水出口３１ｃを有し、送水流路３５上に設けられている。また、逆浸透膜装置３１は、逆浸透膜を備えており、被処理水入口３１ａから導入された被処理水を、逆浸透膜により透過水と濃縮水とに分離する。より具体的には、被処理水入口３１ａは、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１の上流側から被処理水を導入する。一方、透過水出口３１ｂは、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１の下流側から透過水を排出させる。また、濃縮水出口３１ｃは、濃縮水を帰還流路３６へ排出させる。ここで、本実施形態の濃縮器１９ａは、常時送水運転でも間欠運転でも使用可能である。ただし、間欠運転にする場合には、送水開始後から数日はフラッシング（洗い流し処理）をしてから使用することが好ましい。

一方、逆浸透膜装置３２は、被処理水入口３２ａ、透過水出口３２ｂ及び濃縮水出口３２ｃを有している。この逆浸透膜装置３２は、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１よりも下流側に設けられている。また、逆浸透膜装置３２は、逆浸透膜装置３１と同様に逆浸透膜を備えており、被処理水入口３２ａから導入された被処理水を、逆浸透膜により透過水と濃縮水とに分離する。詳述すると、被処理水入口３２ａは、送水流路３５上における逆浸透膜装置３２の上流側から被処理水（逆浸透膜装置３１の透過水）を導入する。また、透過水出口３２ｂは、送水流路３５上における逆浸透膜装置３２の下流側から透過水を排出させる。なお、この透過水を、図１、図２に示すタンク１６に戻すようにしてもよい。また、この透過水を所定の接続機構によって二次純水製造部１８から被処理水を分岐させた流路と同じ流路に戻すことも可能である。これらの方法を用いれば、二次純水製造部１８内の水質とほぼ同等の水質である排水を無駄にすることを避けることができる。さらに、濃縮水出口３２ｃは、濃縮水を帰還流路３７へ排出させる。

帰還流路３６は、逆浸透膜装置３１における濃縮水出口３１ｃから延び、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１の上流側に帰還する。帰還流路３７は、逆浸透膜装置３２における濃縮水出口３２ｃから延び、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１の上流側に帰還する。分岐流路３８は、帰還流路３６から分岐して超純水製造装置１０（濃縮器１９ａ）の外部へ排水を行う。分岐流路３９は、帰還流路３７から分岐し、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１と逆浸透膜装置３２との間に合流する。

流量調整機構２１は、送水流路３５、帰還流路３６、３７、及び分岐流路３８、３９の流量を調整する。より具体的には、流量調整機構２１は、ポンプ３３、３４、バルブ４１～４９、及び制御部２１ａを有している。制御部２１ａは、バルブ４１～４９及びポンプ３３、３４の動作を制御する。また、ポンプ３３は、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１の上流側に設けられている。一方、ポンプ３４は、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１の下流側でかつ逆浸透膜装置３２の上流側に設けられている。

バルブ４１は、送水流路３５上における帰還流路３６、３７の各帰還箇所（送水流路３５と帰還流路３６、３７との合流箇所）よりも上流側に設けられている。上記したポンプ３３は、バルブ４１との間で帰還流路３６、３７の上記した各帰還箇所を挟む位置に設置されている。また、バルブ４２は、送水流路３５上におけるポンプ３３と逆浸透膜装置３１との間に挟まれる位置に設置されている。

さらに、上記したポンプ３４は、分岐流路３９における送水流路３５へ合流箇所を、逆浸透膜装置３１との間で、挟む位置に設置されている。バルブ４３は、送水流路３５上におけるポンプ３４と逆浸透膜装置３２との間に挟まれる位置に設置されている。また、バルブ４６、４８は、帰還流路３６上に設けられ、一方、バルブ４５、４７は、帰還流路３７上に設けられている。さらに、バルブ４９は、分岐流路３８上に設けられ、また、バルブ４４は、分岐流路３９上に設けられている。

上記したバルブ４１～４９は、例えば電磁弁などで構成されており、制御部２１ａが発生させる制御信号に基づき開度を変更して通水流量を調節する。また、ポンプ３３、３４は、制御部２１ａが発生させる制御信号に基づき稼働量を変更し、当該ポンプ３３、３４の下流側への供給水量を調節する。これにより、制御部２１ａ並びに上記した各バルブ及び各ポンプを有する流量調整機構２１は、送水流路３５、帰還流路３６、３７及び分岐流路３８、３９の流量を調整する。

また、図２、図３に示すように、濃度計測装置１９を構成する検出部１９ｂは、分岐流路３８（バルブ４９の下流側のポイントＤ８）を流れる濃縮水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を検出する。演算部１９ｃは、流量調整機構２１により調整された流量及び検出部１９ｂにより検出された濃度に基づいて、送水流路３５上における帰還流路３６、３７の各帰還箇所よりも上流側（バルブ４１と前記各帰還箇所との間のポイントＤ１）の被処理水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を算出する。

つまり、演算部１９ｃは、逆浸透膜装置３１、３２による被処理水の濃縮率（濃縮倍率）から逆算して実際の弱電解質成分の濃度を求める。ここで、所定の弱電解質成分は、例えばシリカ（二酸化ケイ素：ＳｉＯ₂）である。したがって、上記した検出部１９ｂ及び演算部１９ｃは、例えばシリカ計などで構成される。
本濃縮器に用いる逆浸透膜装置に内蔵される逆浸透膜モジュールとしては、超低圧膜、低圧膜、中圧膜、高圧膜から構成されるもののいずれも使える。
逆浸透膜モジュールとしては、市販のモジュールを使用可能であるが、たとえば、日東電工社製 ＥＳ－２０等が使用可能である。
本濃縮器は分析用の少流量の濃縮水を得られればよいので、逆浸透膜モジュールとしては膜面積の小さいモジュールとして、例えば、４インチモジュールないしラボ用小型モジュールがより好ましい。
本濃縮器は分析用の濃縮水が得られればよいので、濃縮水流量が１～１０Ｌ／ｍｉｎ程度となることが好ましい。
分岐流路３９、帰還流路３６、３７に必要に応じて冷却器を設けることが可能である。冷却器を設けることにより、水の循環による水温上昇を防ぐことが可能であり、水温の上昇に伴う逆浸透膜装置でのシリカ除去率の低下の抑制が可能である。水温は、２０～２５℃に保つことが好ましい。
濃度分極の悪影響を抑えるためには、逆浸透膜装置の仕様上の最低濃縮水量以上、濃縮水を流す必要があるが、最低濃縮水量の１．５倍以上の流量を保っていることが好ましい。
なお、上記した濃縮器を、二次純水製造部の内部に設置する場合には、濃縮器に流入する被処理水の流量が増加するので、それに合わせて濃縮器を適宜スケールアップする必要がある。

次に、主に図３に基づき、本実施形態の濃度計測装置１９におけるより具体的な構成及び作用効果を例示（実施例を説明）する。本実施形態の濃度計測装置１９（濃縮器１９ａ）における逆浸透膜装置３１の水回収率は、逆浸透膜装置３２の水回収率よりも大きくなるように構成されている。より具体的には、逆浸透膜装置３１の水回収率は、８０～９９．９９％の範囲内にあることが好ましく、９８～９９．９％の範囲内にあればより好ましい。一方、逆浸透膜装置３２の水回収率は、１０～８０％の範囲内にあることが好ましく、４０～６０％の範囲内にあればより好ましい。本実施形態（実施例）では、逆浸透膜装置（ＲＯ－１）３１の水回収率が９９．５％とされ、一方、逆浸透膜装置（ＲＯ－２）３２の水回収率が４８．５％とされた例を説明する。ここで、逆浸透膜装置３１には、超低圧２インチＲＯ（ＥＳ ２０－Ｄ２：日東電工）が適用され、一方、逆浸透膜装置３２には、海水淡水化膜２インチＲＯ（ＲＥ ２５２１－ＳＨＮ：ＬＥＮＮＴＥＣＨ）が適用されている。

以下、図３に示すように、濃縮器１９ａ内のポイントＤ１、Ｄ４～Ｄ８における流量やシリカの濃度の測定値を例示する。なお、ポイントＤ２、Ｄ３については、シリカの濃度の予想値を例示する。まず、ポイントＤ１の流量は０．７０７Ｌ／ｍｉｎ、ポイントＤ１のシリカの濃度は４．１ｐｐｂである。なお、ポイントＤ１における送水流量は、１～１０Ｌ／ｍｉｎオーダの水量が最適である。また、ポイントＤ２のシリカの濃度は３ｐｐｂであり、ポイントＤ３のシリカの濃度は６ｐｐｂである。

また、ポイントＤ４の流量は０．７Ｌ／ｍｉｎであり、ポイントＤ４のシリカの濃度は０．０８ｐｐｂであり、ポイントＤ５の流量（測定値）は４．７Ｌ／ｍｉｎである。さらに、ポイントＤ６の流量は０．６５Ｌ／ｍｉｎであり、ポイントＤ７の流量は３．５Ｌ／ｍｉｎである。また、ポイントＤ８の流量は０．００７Ｌ／ｍｉｎ、ポイントＤ８のシリカの濃度は４１０ｐｐｂである。

ここで、１００％シリカ回収時の濃縮水の理論値Ａ（ポイントＤ８におけるシリカの理論上の濃度）は、ポイントＤ１のシリカの濃度をＢ、ポイントＤ１の流量をＣ、ポイントＤ８の流量をＥとすると、次の式１で与えられる。
Ａ＝Ｂ×（Ｃ÷Ｅ） …式１
つまり、４１４．１［ｐｐｂ］＝４．１×１０１［流量比１０１倍］である。

一方、実際のシリカの回収率Ｆは、ポイントＤ８のシリカの濃度をＧとすると、次の式２で与えられる。
Ｆ＝（Ｇ÷Ａ）×１００ …式２
すなわち、９９［％］≒（４１０÷４１４．１）×１００［％］である。

この結果からわかるように、濃縮器１９ａの流量調整機構２１を介して各流路の流量が適切に設定されている。つまり、逆浸透膜装置３１は、濃縮を目的とするため、水回収率が高い設定とされ、一方、逆浸透膜装置３２よりリーク（漏洩）したシリカの回収を目的とするため、水回収率が低い設定とされている。詳述すると、逆浸透膜装置３１、３２で生じ得る濃度分極を抑えるために、濃縮器１９ａでは、逆浸透膜装置３１、３２の前段（直前）に被処理水の濃縮水を戻す帰還流路３６及び分岐流路３９が設けられており、逆浸透膜装置の仕様上の最低濃縮水量の１．５倍以上の流量を保っている。一方、シリカの回収率を向上させるために（逆浸透膜装置３１よりリークしたシリカを回収するために）、逆浸透膜装置３２の濃縮水を逆浸透膜装置３１の前段に戻す帰還流路３７が設けられている。濃縮器１９ａを含む濃度計測装置１９は、このような構成を有していることで、ポイントＤ１、Ｄ８の流量比及びポイントＤ８のシリカの濃度（実際には演算部１９ｃで演算されるポイントＤ８のシリカ濃度）を基に逆算して、ポイントＤ１のシリカの濃度を高い精度で計測することが可能となる。

次に、比較例１、２の濃縮器８０、９０について図４、図５を参照して説明する。図４に示すように、比較例１の濃縮器８０は、被処理水入口８１ａ、透過水出口８１ｂ及び濃縮水出口８１ｃを有する逆浸透膜装置８１、送水流路８２、並びに濃縮水流路８３を備えている。濃縮器８０内のポイントＤ１１～Ｄ１３における流量やシリカの濃度の測定値を例示する。まず、ポイントＤ１１の流量は０．７６５Ｌ／ｍｉｎであり、ポイントＤ１１のシリカの濃度は０．１３ｐｐｂである。また、ポイントＤ１２の流量は０．７５Ｌ／ｍｉｎであり、ポイントＤ１２のシリカの濃度は０．１１ｐｐｂである。さらに、ポイントＤ１３の流量は０．０１５Ｌ／ｍｉｎであり、ポイントＤ１３のシリカの濃度は０．７１ｐｐｂである。

ここで、１００％シリカ回収時の濃縮水の理論値Ｈ（ポイントＤ１３におけるシリカの理論上の濃度）は、ポイントＤ１１のシリカの濃度をＪ、ポイントＤ１１の流量をＫ、ポイントＤ１３の流量をＭとすると、次の式３で与えられる。
Ｈ＝Ｊ×（Ｋ÷Ｍ） …式３
つまり、６．６３［ｐｐｂ］＝０．１３×５１［流量比５１倍］である。

一方、実際のシリカの回収率Ｎは、ポイントＤ１３のシリカの濃度をＰとすると、次の式４で与えられる。
Ｎ＝（Ｐ÷Ｈ）×１００ …式４
すなわち、１０．７［％］≒０．７１÷６．６３×１００である。

この結果から、帰還流路を持たず単一の逆浸透膜装置８１を備える比較例１の濃縮器８０は、シリカの回収率が極めて低いことがわかる。

一方、図５に示すように、比較例２の濃縮器９０は、被処理水入口９１ａ、透過水出口９１ｂ及び濃縮水出口９１ｃを有する逆浸透膜装置９１、ポンプ９２、バルブ９６、９７、送水流路９３、帰還流路９４、並びに分岐流路９５を備えている。濃縮器９０内のポイントＤ２１、Ｄ２３～Ｄ２５における流量やシリカの濃度の測定値を例示する。なお、ポイントＤ２２については、シリカの濃度の予想値を例示する。まず、ポイントＤ２１の流量は１．００９Ｌ／ｍｉｎであり、ポイントＤ２１のシリカの濃度は３ｐｐｂである。また、ポイントＤ２２のシリカの濃度は９０．９ｐｐｂである。さらに、ポイントＤ２３の流量は０．９９Ｌ／ｍｉｎであり、ポイントＤ２３のシリカの濃度は０．９９ｐｐｂである。また、ポイントＤ２４の流量は２．６６Ｌ／ｍｉｎである。さらに、ポイントＤ２５の流量は０．０１９Ｌ／ｍｉｎ、ポイントＤ２５のシリカの濃度は１１０ｐｐｂである。

ここで、１００％シリカ回収時の濃縮水の理論値Ｑ（ポイントＤ２５におけるシリカの理論上の濃度）は、ポイントＤ２１のシリカの濃度をＲ、ポイントＤ２１の流量をＳ、ポイントＤ２５の流量をＴとすると、次の式５で与えられる。
Ｑ＝Ｒ×（Ｓ÷Ｔ） …式５
つまり、１５９［ｐｐｂ］＝３×５３［流量比約５３倍］である。

一方、実際のシリカの回収率Ｕは、ポイントＤ２５のシリカの濃度をＶとすると、次の式６で与えられる。
Ｕ＝（Ｖ÷Ｑ）×１００ …式６
すなわち、６９［％］≒（１１０÷１５９）×１００［％］である。

比較例２の濃縮器９０では、帰還流路９４を設けて濃縮水を帰還させていることから、逆浸透膜装置９１の前段ではシリカ濃度が上昇している。逆浸透膜装置９１の水回収率は、９８％程度にはなるものの、シリカの回収率は、約７０％であり、十分ではないことがわかる。

これに対して、上述した本実施形態（実施例）の濃縮器１９ａは、第１、第２の逆浸透膜装置３１、３２を備えると共に、それぞれの濃縮水出口３１ｃ、３２ｃから送水流路３５に帰還する帰還流路３６、３７を有し、しかも流量調整機構２１を介して各逆浸透膜装置３１、３２の水回収率が適切に設定されている。したがって、本実施形態の濃縮器１９ａを含む濃度計測装置１９、及び超純水製造装置１０によれば、被処理水中に不純物として含まれたシリカなどの弱電解質成分の回収率を高め、かつ高い濃縮倍率を得ることができる。

以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明は、この実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよいし、上記実施形態に開示した複数の構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

例えば、図３に示した濃縮器１９ａに代えて、図６に示すように、濃縮器５０を構成することも可能である。なお、図６では、一部のバルブの図示などを省略している。濃縮器５０は、図６に示すように、濃縮器１９ａの構成に加え、帰還流路５１、分岐流路５４、ポンプ５７、バルブ５２、５５、５６、逆浸透膜装置（ＲＯ－３）５３を備えている。逆浸透膜装置５３は、逆浸透膜を備えており、上流側から導入された被処理水を、逆浸透膜により透過水と濃縮水とに分離する。

帰還流路５１は、逆浸透膜装置５３における濃縮水出口から延び、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１の上流側に帰還する。分岐流路５４は、帰還流路５１から分岐し、送水流路３５上における逆浸透膜装置３２と逆浸透膜装置５３との間に合流する。なお、分岐流路５４は、帰還流路５１から分岐し、送水流路３５上における逆浸透膜装置３１と逆浸透膜装置３２との間に合流するものであってもよい。また、逆浸透膜装置５３の水回収率は、逆浸透膜装置３２と同様に、逆浸透膜装置３１の水回収率よりも小さくなるように構成されている。したがって、直列に３段の逆浸透膜装置３１、３２、５３が設置された濃縮器５０においても、被処理水中に不純物として含まれたシリカなどの弱電解質成分の回収率を高め、かつ高い濃縮倍率を得ることができる。なお、逆浸透膜装置を４段以上直列に設置した濃縮器を構成することも可能である。

１０…超純水製造装置、１４…一次純水製造部、１６…タンク、１７…流路、１８…二次純水製造部、１９…濃度計測装置、１９ａ…濃縮器、１９ｂ…検出部、１９ｃ…演算部、２０…ユースポイント（ＰＯＵ）、２１…流量調整機構、２１ａ…制御部、３１…逆浸透膜装置（第１の逆浸透膜装置）、３２…逆浸透膜装置（第２の逆浸透膜装置）、３３，３４…ポンプ、３５…送水流路、３６…帰還流路（第１の帰還流路）、３７…帰還流路（第２の帰還流路）、３８…分岐流路（第１の分岐流路）、３９…分岐流路（第２の分岐流路）、４１～４９…バルブ。

Claims (9)

1. 被処理水が送水される送水流路と、
   前記送水流路上に設けられた第１の逆浸透膜装置と、
   前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置よりも下流側に設けられた第２の逆浸透膜装置と、
   前記第１の逆浸透膜装置における濃縮水出口から延び、前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置の上流側に帰還する第１の帰還流路と、
   前記第２の逆浸透膜装置における濃縮水出口から延び、前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置の上流側に帰還する第２の帰還流路と、
   前記第１の帰還流路から分岐して排水を行う第１の分岐流路と、
   前記第２の帰還流路から分岐し、前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置と前記第２の逆浸透膜装置との間に合流する第２の分岐流路と、
   前記送水流路、前記第１及び第２の帰還流路、並びに前記第１及び第２の分岐流路の流量を調整する流量調整機構と、
   を備える濃縮器と、
   前記第１の分岐流路を流れる濃縮水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を検出する検出部と、
   前記流量調整機構により調整された流量及び前記検出された濃度に基づいて、前記送水流路上における前記第１及び第２の帰還流路の帰還箇所よりも上流側の被処理水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を算出する演算部と、
   を備える濃度計測装置。
2. 前記流量調整機構は、
   前記送水流路、前記第１及び第２の帰還流路、並びに前記第１及び第２の分岐流路に設けられた複数のバルブと、
   前記送水流路上に設けられたポンプと、
   前記複数のバルブ及び前記ポンプの動作を制御する制御部と、
   を有する請求項１に記載の濃度計測装置。
3. 前記第１の逆浸透膜装置の水回収率は、前記第２の逆浸透膜装置の水回収率よりも大きい、
   請求項１又は２に記載の濃度計測装置。
4. 前記所定の弱電解質成分は、シリカである、
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の濃度計測装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の濃度計測装置と、
   被処理水に水処理を施して一次純水を製造する一次純水製造部と、
   前記一次純水製造部の下流側に設けられ、前記製造された一次純水にさらなる水処理を施して二次純水を製造する二次純水製造部と、
   前記一次純水製造部と前記二次純水製造部との間に介在されたタンクと、
   前記二次純水製造部の下流側に設けられているユースポイントを通過した被処理水を前記タンクに帰還させる第３の帰還流路と、
   を備え、
   前記濃度計測装置を構成する少なくとも前記濃縮器は、前記二次純水製造部と前記ユースポイントとの間、前記二次純水製造部の内部、若しくは、前記第３の帰還流路、の流路上に、直列にまたは所定の接続機構を介して接続されている、超純水製造装置。
6. 被処理水が送水される送水流路と、
   前記送水流路上に設けられた第１の逆浸透膜装置と、
   前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置よりも下流側に設けられた第２の逆浸透膜装置と、
   前記第１の逆浸透膜装置における濃縮水出口から延び、前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置の上流側に帰還する第１の帰還流路と、
   前記第２の逆浸透膜装置における濃縮水出口から延び、前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置の上流側に帰還する第２の帰還流路と、
   前記第１の帰還流路から分岐して排水を行う第１の分岐流路と、
   前記第２の帰還流路から分岐し、前記送水流路上における前記第１の逆浸透膜装置と前記第２の逆浸透膜装置との間に合流する第２の分岐流路と、
   前記送水流路、前記第１及び第２の帰還流路、並びに前記第１及び第２の分岐流路の流量を調整する流量調整機構と、
   を備える濃縮器を用いた水処理方法であって、
   前記第１の分岐流路を流れる濃縮水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を検出し、
   前記流量調整機構により調整された流量及び前記検出された濃度に基づいて、前記送水流路上における前記第１及び第２の帰還流路の帰還箇所よりも上流側の被処理水中に含まれた所定の弱電解質成分の濃度を算出する、水処理方法。
7. 前記流量調整機構は、
   前記送水流路、前記第１及び第２の帰還流路、並びに前記第１及び第２の分岐流路に設けられた複数のバルブと、
   前記送水流路上に設けられたポンプと、
   前記複数のバルブ及び前記ポンプの動作を制御する制御部と、
   を有する請求項６に記載の水処理方法。
8. 前記第１の逆浸透膜装置の水回収率は、前記第２の逆浸透膜装置の水回収率よりも大きい、
   請求項６又は７に記載の水処理方法。
9. 前記所定の弱電解質成分は、シリカである、
   請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の水処理方法。

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