JPH0687984B2

JPH0687984B2 - イオン交換樹脂内蔵回転型カラムイオン交換器およびそれを用いたイオン交換処理方法

Info

Publication number: JPH0687984B2
Application number: JP2323344A
Authority: JP
Inventors: 芳彦本多; 浩青山
Original assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Current assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: JPH04193353A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、イオン交換樹脂を内蔵した回転型カラムイオ
ン交換器、およびこれを用いて、チーズホエー、脱脂乳
等の脱塩を目的とする液体等のイオン交換処理を行う方
法に関する。本技術は特に、連続イオン交換処理に好適
である。

〔従来技術及び課題〕

イオン交換樹脂を用いて液中のイオンを交換あるいは排
除するイオン交換処理技術は一般によく知られており、
実際に、反応系の中和、液の脱塩、イオン性不純物除去
による精製等の工程で広範に採用されている。このよう
なイオン交換樹脂によるイオン交換処理は通常、一般に
反応効率が良いとされる充填層型の反応器を用いて行う
が、これには、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹
脂を一つの樹脂塔に入れ混床で行う方式とそれぞれ別の
樹脂塔に入れ複床で行う方式とがある。しかし、どちら
の方式による充填層型反応器でも、充填層内の樹脂が圧
密化したり、チャネリング流れが生じやすく、このた
め、接触効率低下によるイオン交換効率の低下が起ると
いう問題がある。更に、イオン交換樹脂の再生時、再生
を有効に行うため固まった充填層をほぐし分散させるこ
とが必要であり、多くの場合、人手で撹拌しなければな
らないという問題がある。

即ち、従来の充填層型反応器によるイオン交換処理に
は、イオン交換処理中に起るチャネリング等によるイオ
ン交換効率の低下、及び、イオン交換処理後の再生処理
の煩雑さ等の問題があり、処理の効率化、簡便化、更に
連続化を図る上で重大な課題となってきていた。

一方、本願出願人は、固定化酵素を用いた反応系の効率
化を実現しうる活性反応器として固定化酵素を内蔵した
回転型カラムを備えて成る反応器をすでに提案している
（特開昭55−37130号公報）。

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みなされたもので
あり、上記回転型カラムの基本的原理を応用することに
より効率的イオン交換処理を可能とするイオン交換器及
びその方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、第１に、外周多孔性部材と内周多孔性部材で
挟まれたイオン交換処理室内にイオン交換樹脂が収納さ
れ、該イオン交換処理室の周径が回転軸方向の長さより
長い形状を有し、該回転軸の部分に液供給・排出用オリ
フィスを有する中空シャフトを備えて成る回転型カラ
ム、及び回転型カラムを回転調節自在に内装し、液供給
・排出用パイプを備えて成るカラム収容器から少なくと
も構成されるイオン交換樹脂内蔵回転型カラムイオン交
換器であり、第２に、上記イオン交換樹脂内蔵回転型カ
ラムイオン交換器を用いて行う以下の工程を包含して成
ることを特徴とするイオン交換処理方法である。

工程：回転型カラムを回転させながら外周多孔性部材
側から、液供給・排出用パイプを介してイオン交換樹脂
堆積層形成用液を供給し、内周多孔性部材側から中空シ
ャフトを介して該液を排出させることにより内周多孔性
部材上にイオン交換樹脂堆積層を形成する。

工程：回転型カラムを回転を続け、液供給・排出用パ
イプから被処理液を供給し、前記堆積層を通過させ、中
空シャフトより排出することによりイオン交換処理を行
う。

工程：処理液を回収し、次にイオン交換再生用の液を
中空シャフトを介して回転型カラム内へ供給し、それと
共に回転型カラムをより速い速度で回転させることによ
り前記堆積層を破壊、分散させる。

第３には、前記イオン交換樹脂内蔵回転型カラムイオン
交換器を用いて行う別のイオン交換処理方法であり、以
下の工程を包含して成ることを特徴とするものである。

工程：回転型カラムを回転させながら必要により、内
周多孔性部材側から中空シャフトを介してイオン交換樹
脂堆積層形成用液を供給し、外周多孔性部材側から液供
給・排出用パイプを介して該液を排出させることにより
外周多孔性部材上にイオン交換樹脂堆積層を形成する。

工程：回転型カラムの回転を続け、中空シャフトから
被処理液を供給し、前記堆積層を通過させ、液供給・排
出用パイプより排出することによりイオン交換処理を行
う。

工程：処理液を回収し、次に、イオン交換再生用の液
を液供給・排出用パイプを介して回転型カラム内へ供給
し、それと共に回転型カラムをより遅い速度で回転させ
ることにより前記堆積層を破壊、分散させる。

本発明の方法によれば、回転型カラムの特徴であるチャ
ネリング発生の抑制又は防止の効果を保持しつつ、回転
型カラム内へ堆積層を形成し効率的イオン交換処理を実
現することができ、更に、従来特に課題であったイオン
交換樹脂の再生処理を著しく効率化することが可能とな
る。

本発明のイオン交換器を用いてイオン交換処理を行う方
法には大きく２通りあり、それぞれ、カラム内の液流が
外周→中心及び中心→外周となっている。

まず、本発明の回転型カラムイオン交換器について図面
を参照して説明する。

第１図は、本発明に係る、イオン交換樹脂を内蔵する前
の回転型カラムイオン交換器の一態様を示す概略透視図
である。ここでは、イオン交換樹脂を内蔵前のものを示
しているが、それは作動前の状態でイオン交換樹脂を描
けば構成の理解のさまたげとなりうるためである。外周
多孔性部材２と内周多孔性部材１で挟まれた空間がイオ
ン交換処理室６であり、この中にイオン交換樹脂を収納
する。更に、本図では、必須要素ではないが、イオン交
換樹脂の偏在化を防ぐため４枚の多孔性の仕切り板９が
備えられており、イオン交換処理室が４室に分けられて
いる。液流は液供給・排出用オリフィスを有する中空シ
ャフト３及び液供給・排出用パイプ４を通る。外周多孔
性部材２と内周多孔性部材１は一体化されており、中空
シャフト３を含め回転型カラムとよぶ。回転型カラム
（以下、「カラム」という。）は密閉可能なカラム収容
器５に、回転調節自在となるように内装され収容されて
いる。ここでカラムが回転する機構については図示され
ていないが、該機構としては、中空シャフト３をカラム
収容器５に軸架し、これに駆動手段を連結するか、又
は、外周多孔性部材２の一部をローラー等でカラム収容
器５内に担持し、該外周多孔性部材に駆動手段を連結し
てもよい。

外周多孔性部材及び内周多孔性部材としては、イオン交
換樹脂が通り抜けできないが、液は容易に通過できる程
度の孔径の孔を多数有する部材であり、通常イオン交換
樹脂の径が0.2〜2mmであることを勘案すれば、例えば74
〜1410μｍ程度の孔径の孔を千鳥状に配置したようなも
のである。簡易には、網状部材を用いることができ、20
0〜20メッシュ程度の網で構成することができる。材質
としてはステンレス等を用いることができ、厚みはイオ
ン交換処理時にかかる圧力に充分耐える程度であればよ
い。具体的には、回転型カラムの骨組を構造材で構成
し、これに外周又は内周多孔性部材を張設してもよい
し、又、構造材としての強度をそれ自体で有する場合
は、それを多孔質に加工し回転型カラムを構成してもよ
い。イオン交換処理室６は上記、外周及び内周多孔性部
材の他、両部材の両周端をを塞ぐ平板７により構成され
る。該平板は特に制限されることなく空間を構成するも
のであればよい。

中空シャフトは液供給・排出用オリフィスを有する。該
オリフィスを介して液がカラム内へ均一に分散供給さ
れ、又、カラム内から液の排出を行う。該オリフィスの
大きさ、形状等は特に制限されず液と分散状態、圧力損
失等を勘案して設定するが、通常、径１〜5mmのものを
数〜数十個適宜設ければよい。

次に、密閉可能なカラム収納器には前記中空シャフトと
共に液の系内へ流入出に関与する液供給・排出用パイプ
が備えられている。該パイプはイオン交換処理後の処理
液の回収や、イオン交換樹脂再生後の再生液の回収の際
ドレインパイプとして機能する。カラム収容器は密閉可
能であり、イオン交換樹脂堆積層形成時やイオン交換処
理時に液の一定のフローを確保するための圧力がかけら
れるようになっている。

次に、回転型カラムの形状は、第１図においては回転型
カラムは円柱状であるが、特に内周多孔性部材の形状は
円筒である必要はなく、四角形の断面形を有する筒状で
もよい。但し、イオン交換樹脂堆積層（以下、「体積
層」という。）を内周多孔性部材上に形成する場合は、
堆積層の均一性の観点から円筒状が好ましい。

回転型カラムの長さ（回転軸方向のイオン交換処理室の
実効長）と外周径との関係は、本発明においては、イオ
ン交換処理効率上重要である。即ち、イオン交換樹脂を
イオン交換処理室内で分散させて使用すると短時間で全
ての樹脂が飽和してしまうため、充填層の状態を形成さ
せることがイオン交換処理上は重要で、このため、液の
流れの方向に沿って比較的長い方が好ましく、従って、
回転型カラムの外周径は長さに比べ長い方がよい。更に
好ましくは外周径と軸方向の長さとの比は３以上であ
る。これにより効率化された有効な堆積層を形成しう
る。ここで、回転軸方向の長さとは、カラムが軸方向に
仕切られている場合は、軸方向のイオン交換樹脂の偏在
化が低減し充填層を形成し易くなることから、仕切り間
の長さをいう。即ち、カラムとして一体化していても軸
方向に仕切られている場合はカラム長さではなく、仕切
り間長が回転軸方向の長さとなる。

カラムの周方向でイオン交換樹脂の偏在化が生じず均一
な堆積層を形成するには、イオン交換処理室内を数室に
仕切るのは有効である。仕切り板を設けることによっ
て、少なくとも仕切り板で仕切られた範囲内相互のバラ
ツキは防止できる。従って仕切られた室数が多ければ多
い程周方向のバラツキは低減する。好ましい室数として
は４〜６程度である。特に、仕切り板は収納するイオン
交換樹脂量が比較的少ない場合に有効である。一方、室
数が増加すればイオン交換樹脂をカラム内へ収納するの
に更に手間を要する。仕切り板が多孔板でありイオン交
換樹脂が比較的自由に通り抜けられるものであれば、収
納当初にはバラツキがあっても、回転型カラムを作動後
はイオン交換樹脂は分散し室間で均一化されるため、手
間の問題は軽減される。又、各室にそれぞれイオン交換
樹脂収納用の蓋を設け、各室へ予め同量の樹脂を収納す
れば、仕切り板は通常の板でもよい。但し収納の手間は
かかる。仕切り板に多孔板でない平板を用いた場合に
は、イオン交換樹脂堆積層形成中にカラム内の周方向に
液の流れが生じることがないので、該堆積層の形成が容
易となる。ここで、仕切り板は完全に室を仕切るものの
他、ついたて状であってもよく、樹脂の偏在化を防止し
うる。この場合仕切り板は形成される堆積層の位置、即
ち、中心部か外周部かにより内周又は外周多孔性部材の
どちらかに付設する。

更に、本発明ではカラム内へ液を供給したときカラム内
へ残る空気を系外へ効率的に排除するために、及びイオ
ン交換樹脂再生時における堆積層の破壊、分散を促進す
るために空気量制御機構を設けてもよい。特に、堆積層
の破壊、分散の際、カラムの回転とともに、イオン交換
処理室内へ空気を送り樹脂の撹拌を促進するのは再生の
効率上有効である。具体的空気量制御機構としては、例
えば、中空シャフトに空気送入用のパイプを連結し、カ
ラム収容器上に空気抜きバルブを設ければよい。又、堆
積層をカラムの中心部に形成する場合は、空気送入用の
パイプを中空シャフトから外周方向へ伸ばし堆積層に埋
まらない程度の長さとしてもよい。一方、堆積層をカラ
ムの外周部に形成する場合は、空気送入用のパイプは中
空シャフトから外周方向へ伸ばす必要はない。

又、実際に本発明のカラムを用いてイオン交換器を構成
する場合は、必要により、各種バルブ、配管、センサ
ー、駆動モーター、コントローラー等、公知の技術に基
づいた各種機構を本カラムに付設又は接続すればよい。

実際に本発明の回転型カラムイオン交換器を用いるに
は、カチオン交換樹脂用とアニオン交換樹脂用の最低二
台用いた方がよい。通常のイオン交換樹脂塔では、樹脂
の比重が異なることからこの比重差を利用し、二層を形
成させ、即ち、混床方式を採用しているものも多い。し
かし、本発明に係る回転型カラムを用いる場合、二層を
形成させることは難しい。このため、原則として一層
で、即ち、複床で用いるとよい。即ち、カチオン交換樹
脂を内蔵した回転難カラムイオン交換器と、アニオン交
換樹脂を内蔵した回転型カラムイオン交換器とを直列に
連結してイオン交換処理装置を構成するとよい。

また、イオン交換装置としてシステム化するには、上記
のように回転型カラムが最低二台あればよいが、連続処
理を考慮した場合、四台で一組とするとよい。この場
合、二台はイオン交換処理中、他の二台は再生処理中と
いう用い方をすれば、連続的にホエー等の脱塩を行うこ
とが可能である。本発明で用いることのできるイオン交
換樹脂には特に制限はないが、カチオン交換樹脂として
はスチレンとジビニルベンゼンの共重合体等を基材とし
スルホン酸基、カルボン酸基等を反応基として有するも
の、アニオン交換樹脂としてはスチレンとジビニルベン
ゼンの共重合体等を基材とし４級アンモニウム基、１〜
３級アミン等を交換基として有するもの等であり、通
常、径0.2〜3mm程度のものであり、製法等は問わず用い
うる。

次に、カラム内（即ち、イオン交換処理内）に収納する
イオン交換樹脂の量は、基本的に、目的とするイオン交
換能力を達成するための堆積層の厚みに応じて定まるも
のであり特に限定されるものではないが、構造上は、少
なすぎれば均一な堆積層を形成しにくくなり、イオン交
換処理の効率も低くなる。一方、多すぎればカラム内で
の流動性を失い特に樹脂の再生が困難となる。好ましい
範囲としては、イオン交換処理室の有効堆積に対して、
30〜70％程度になるよう収納するとよい。

ここで、本願発明者らが先に出願した固定化酵素内蔵の
回転型カラムと、本願のイオン交換樹脂内蔵回転型カラ
ムとの作用機構の相違に起因する構造上の主な相違につ
いて述べる。

まず、前提のして内蔵物が異なり、構造上の相違以前の
問題として、単に固定化酵素にかえイオン交換樹脂を用
いても有効なイオン交換処理が実施できない実情があ
る。これは、イオン交換処理では充填層としての堆積層
の形成が必須であり、単に接触効率を上げればよいとい
うものではないこと、堆積層の形成には固定化酵素を用
いる際とは異なる特定の手法が必要であるということに
よる。

次に、構造上の相違を、イオン交換処理の好ましい態様
について述べる。

第１に、有効な堆積層を形成するため、カラムの径と長
さの比が規定される。カラム長が径より長ければ充填層
である樹脂堆積層が均一に形成され難い。

第２に、イオン交換樹脂径は通常0.2〜2mm程度であるた
め、多孔性部材の孔はこれに適するものでなくてはなら
ない。

第３に、堆積層形成を液のフローとカラムとの回転との
相対的関係で達成していくため、液の流れを適正化しう
る液圧がかけられる構造である必要がある。

第４に、堆積層を通過させることによる処理であり、こ
の意味で処理は連続的であるため、カラム中にある程
度、液を滞溜させ接触を図る機構、例えばオーバーフロ
ー機構等を設ける必要がない。

次に、前記本発明のイオン交換器を用いてイオン交換処
理を行う方法について述べる。この方法には液流をカラ
ムの外周→中心とする態様と、中心→外周とする態様の
２つがある。まず、外周→中心の態様について述べる。

本態様による処理は３つの段階に大きく分かれる。

堆積層形成工程：回転型カラムを回転させながら外周多孔性部材側から液
供給・排出用パイプを介してイオン交換樹脂堆積層形成
用液を供給し、内周多孔性部材側から中空シャフトを介
して該液を排出させることにより内周多孔性部材上にイ
オン交換樹脂堆積層を形成する。形成された堆積層の概
念断面図を第２図に示す。本図では仕切り板９を４枚用
いた４室の例を示し、又、中空シャフト、カラム収容器
等は図示していない。このように本態様ではカラムの中
心付近に堆積層８を形成される（実際は遠心力の影響を
受け若干回転方向によった形になる。）ここで、堆積層を回転型カラムの中心付近（内周多孔性
部材上）に形成するための力学的関係について述べる。
本態様においては堆積層が遠心加速度及び重力加速度に
逆らって形成されるため、それに相応する外周から中心
へ向う液流が必要となる。堆積層が形成される限り特に
力学的関係は問題とならないが、具体的回転速度の目安
は、カラム下部でイオン交換樹脂の回転型カラム外周へ
向う終末速度が回転型カラム内を流れる液の流速よりも
小さくなるような速度（以下、「低速１」という。）と
定義できる。

ここで、イオン交換樹脂（以下、「樹脂」という。）の
カラム外周へ向う終末速度が回転型カラム内を流れる液
の流速より小さくなるような速度とは、樹脂がカラム外
周方向へ作用する加速度（最大の加速度はカラム下部で
重力加速度と遠心加速度の重なる中心から外周へ向うも
のであり、この位置における樹脂の終末速度が流速より
小さければよい。）にうちかって、カラム中心へ液流と
共に移動し堆積するための条件である。終末速度は、次
に示す粒子の沈降による一般的終末速度の関係式により
概算することができる。

Re＜２ではＵ＝ａ（ρｓ−ρｆ）D²/18μ ２＜Re＜500ではＵ＝［（4/225）（ρｓ−ρｆ）a²/（μρｆ］^1/3Ｄ 500＜Re＜10⁵ではＵ＝√3a（ρｓ−ρｆ）D/ρｆ（ここで、Re:レイノルズ数、U:終末速度、a:重力加速
度＋堆積層表面にかかる遠心加速度、ρs:樹脂の密度、
ρf:液体の密度、D:樹脂の径、μ：液体の粘度を表
す。）上記式において、Re数はRe＝DUρf/μと定義されること
から、算出されたＵとの関係で適用式を判断することが
できる。

カラムの中心へ向う液の流速を上記で算出されたＵの値
よりも大きくすることにより堆積層形成が可能となる。
従って本態様の流れでは回転数が大きくなれば流速が大
きくなり、液の供給圧力も増大するため、イオン交換処
理効率上及び装置の構造、操作上問題が生じうる。適正
な回転数は、樹脂の大きさ、堆積層の厚み、必要なイオ
ン交換能力等を考慮し、堆積層形成に必要な力学関係に
より適宜設定すればよいが、好ましい範囲としては１〜
50rpm、更には５〜20rpmである。これは、カラム径が概
ね20〜200cm程度のものについてであり、遠心加速度と
しては0.001〜27.4m/s²程度に相当する。遅すぎれば、
通常の充填層型で生じやすいチャネリング流れが発生し
やすくなる。

又、イオン交換樹脂堆積層形成用液とは、水又は被処理
液等でよい。即ち、堆積層形成に至るまではイオン交換
処理は不充分であるが、堆積層形成に要する時間は全体
の処理時間（２〜３時間程度が一般的）からすれば短い
ため、被処理液それ自体を用いてもよいし、又堆積層形
成に用いた被処理液は別に回収し、次回処理の際に流入
するか一部循環方式にするとかにより適宜処理すればよ
い。水等、イオン交換処理上直接影響を及ばさない液体
を用いてもよく、水等を用いた方が、樹脂が直ちに飽和
状態になたりいする弊害を防げるので好ましい。この場
合、堆積層が形成された後、被処理液に切り換えればよ
い。堆積層が形成されたかどうかは、液供給の際の圧力
損失の変化から知りうるので、堆積層形成→イオン交換
処理を連続的に一連の操作として進めることができる。

本態様による方法では、樹脂の終末速度と液流との関係
で堆積層を形成することから、樹脂の比重は好ましくは
比較的軽い方がよく、1.3以下、特に1.2以下であるとよ
い。但し、見かけ比重が液の比重よりも軽いものはそも
そも沈降を起こさないため、軽すぎるものは対象になり
難いが、イオン交換樹脂は膨潤後、通常、液よりも重く
なるためほとんどの場合下限の制限はないといえる。比
重1.2以下の樹脂としてはダイヤイオン（PK208、PA30
6、WK10）、キトパール等を例示しうる。

イオン交換処理工程：回転型カラムの回転を続け、液供給・排出用パイプから
被処理液を供給し、前記堆積層を通過させ、中空シャフ
トより排出することによりイオン交換処理を行う。

所望のpHおよび電気伝導度を有する処理液を得るには、
被処理液の流量および堆積層中の流速に係る回転数をコ
ントロールすればよい。回転数は原則的には低速１でよ
いが、上記の関係を考慮し調整すればよい。

イオン交換処理液は堆積層が形成され安定してから回収
すればよい。ある程度流速を上げなければ堆積層が保持
できない場合は、イオン交換処理が充分に行われないこ
ともあるので、回収液を一部循環させる循環式を採用し
てもよい。

樹脂のイオン交換能力が飽和に近づいているかどうかは
pH変化、電気伝導度変化等により知りうるので、それら
の検知器を処理液の出口に設置しておけばよい。

樹脂の再生工程：処理液を回収し、次にイオン交換再生用の液を中空シャ
フトを介して回転型カラム内へ供給し、それと共に回転
型カラムを低速１より速い速度（高速１）で回転させる
ことにより前記堆積層を破壊、分散させる。

処理を終了した後、カラム中に残留する処理液を抜き、
目的とする処理液により、これを回収済の処理液に混入
してもよいし、又、イオン交換処理が不充分として別に
取り、次回の処理時に処理してもよい。

通常の充填層型のイオン交換樹脂塔では、人手で樹脂層
を強制的に撹拌しなければならないが、この回転型カラ
ムでは、中空シャフト側からお湯、再生液等、再生用の
液を通液しながらカラムを高速で回転させることによ
り、この堆積層を破壊し、分散させることで樹脂の再生
を大幅に簡単化できる。

ここで、イオン交換再生用の液とは、再生に係る液はす
べて包含し、堆積層の破壊に用いるお湯又は水、再生に
用いる再生液、更に水洗用の水等も含むものである。再
生液は通常用いられるものでよく、例えばカチオン交換
樹脂に対しては３〜４％のHCl溶液等、アニオン交換樹
脂に対しては３〜４％のNaOH溶液等を用いうる。

堆積層破壊時には、前述した空気量制御機構を用いてカ
ラム内にイオン交換処理室容積の10〜30％程度の空気を
導入し、樹脂の撹拌を促進するとよい。空気あるいは再
生用の液がカラム内へ供給され、高速でカラムが回転す
ることからカラムの中心付近に形成されていた堆積層の
破壊、分散は飛躍的に効率化される。

ここで、高速１とは、低速１よりも速い速度であり、堆
積層を充分破壊しうる遠心加速度を付与できる程度であ
り、分散後の樹脂が圧密化しないような速度であればよ
いが、好ましくは20〜400rpm、特に50〜200rpm程度であ
る（カラム径20〜200cmのもので）。遠心加速度として
は27〜440m/s²程度でよい。

再生処理は樹脂の水洗により終了する。イオン交換処理
から再生処理へは供給液の切り換えを行うことにより連
続的に移行させることができ、水洗を終えた後は再び堆
積層形成の工程に移行させることができ、基本的に全工
程の連続的処理が実現可能である。

本態様によれば、特にチャネリングが生じにくく、又、
樹脂の圧密化も起りにくくイオン交換処理の効率化を図
ることができ、又、堆積層の破壊に遠心力を有効に利用
できるので、再生処理が極めて容易となる。

次に、別の態様である堆積層が外周側に形成される態様
について説明する。本態様による処理も前述と同様３つ
の段階に分けられる。特記しない部分は前記態様と同じ
である。

堆積層形成工程：回転型カラムを回転させながら必要により、内周多孔性
部材側から中空シャフトを介してイオン交換樹脂堆積層
形成用液を供給し、外周多孔性部材側から液供給・排出
用パイプを介して該液を排出させることにより外周多孔
性部材上にイオン交換樹脂堆積層を形成する。形成され
た堆積層の概念図を第３図に示す。本図では仕切り板９
を４枚用いた４室の例を示し、又、中空シャフト、カラ
ム収容器等は図示していない。このように本態様ではカ
ラムの外周内に堆積層８が形成される（実際は遠心力の
影響を受け若干回転方向によって形になる。）ここで、堆積層をカラム外周側（外周多孔性部材上）に
形成するための力学関係は、堆積層が遠心加速度及び液
流の方向と同じことから、前述態様に比べて比較的簡単
であり、堆積層形成に液流は不可欠なファクターではな
くなる。即ち、カラム全域で遠心加速度が重力加速度を
越えるものであれば液流は不要であるが、ここで、液流
も含めた力学関係からカラム回転速度を定義すれば、イ
オン交換樹脂の回転型カラム中心へ向う終末速度が回転
型カラム内を流れる液の流速よりも小さくなるような速
度（以下、「高速２」という。）といえる。堆積層が形
成される限りにおいては上記関係は特に規定されなくと
もよいが、実用上は速度の目安となりうる。但し、特に
本態様においては、樹脂が膨潤によって外周多孔性部材
と及び樹脂相互に付着する傾向を示すようになるため、
遠心加速度が計算上の値より小さくとも、樹脂は落下せ
ず堆積層を形成しうる。付着性の影響は個々のケースに
より異なるため一概に規定できないので、実際の工程設
計時に適宜設計に折り込んでいけばよい。

ここで終末速度等の概念は前述の場合と同様であるが、
本態様で問題となるのは外周から中心へ向う終末速度で
あって、実際には重力加速度の方向と遠心加速度の方向
が重なり対向するカラム最上部から中心へ向うものであ
る。この終末速度が、カラム中心から外周へ流れる液流
速度より小さくなればよく、この場合、樹脂はカラム外
周へ液流と共に移動し堆積することになる。従って前述
の計算式におけるａは樹脂の付着性を考慮しなければ概
略〔a:重力加速度−堆積層表面にかかる遠心加速度〕の
値となる。遠心加速度が充分大きければ終末速度はマイ
ナスとなり、即ち、樹脂は中心から外周に向うこととな
り、液の流れがなくとも外周側へ堆積しうる。従って、
本態様の力学関係においては、堆積層形成上液流れは必
須要件とはならない。

即ち、本態様においては、液流と遠心加速度方向性が同
一であるため、それらの堆積層形成に及ぼす影響は小さ
い。従って、小さい遠心加速度で行う意味はあまりな
く、比較的高速で堆積層形成の効率性の向上を図るとよ
い。但し、高速すぎれば樹脂の圧密化を起こす可能性が
ある。好ましい回転数としては20〜400rpm、特に50〜20
0rpm程度である（カラム径20〜200cm程度として）。

前述の態様と本態様の主なちがいは樹脂の比重に起因し
ている。即ち、イオン交換樹脂の比重が大きく、流速と
イオン交換樹脂挙動とのバランスが取りにくい、すなわ
ち比重1.1、特に1.2より大きい場合、イオン交換樹脂を
収納後カラムを回転させ、各室に均一に分散させた後、
カラムを高速で回転させることによりカラム外周部内側
にイオン交換樹脂の堆積層を形成させ、そして、カラム
の中心部からホエー等をカラム外周側へ通液する方法が
好適である。上記においては、仕切り板がある方が好ま
しい。これは、流速、遠心運動と樹脂挙動のバランスが
取りにくく、樹脂がカラム内（イオン交換処理室内）で
偏在化し易いためである。一方、本態様ではイオン交換
処理も高速で行うことから、又、液流が中心から外周へ
向うため回転による周方向の流れが生じやすい。堆積層
形成においては径方向の定常的な流れが重要であるた
め、周方向の流れをなるべく抑制することが好ましい。
従って、本態様において用いる仕切り板は、多孔板では
なく、孔のない平板を用いる方がよい。比重1.2より大
きい樹脂としてはダイヤイオン（PK216、PK220、PK22
8）等を例示しうる。

イオン交換処理工程：回転型カラムの回転を続け、中空シャフトから被処理液
を供給し、前記堆積層を通過させ、より排出することに
よりイオン交換処理を行う。

所望のpHおよび電気伝導度を有する処理液を得るには、
被処理液の流量および堆積層中の流速に係る回転数をコ
ントロールすればよい。回転数は原則的には高速２でよ
いが、上記の関係を考慮し調整すればよい。

本態様においては遠心力を有効に利用しているため、
又、液が中心から外周へ向うため液供給の圧力損失は小
さくてすむ。更に、本態様においては、堆積層を通過す
る被処理液の速度は、供給する流量の他、カラムの回転
数によっても調整が可能であり、イオン交換処理効率の
コントロール手段の幅が広く、実用上は便利である。

樹脂の再生工程：処理液を回収し、次に、イオン交換再生用の液を液供給
・排出用パイプを介して回転型カラム内へ供給し、それ
と共に回転型カラムを高速２より遅い速度（「低速２」
という。）で回転させることにより前記堆積層を破壊、
分散させる。

ここで、通常の充填層型のイオン交換樹脂塔では人手で
樹脂層を強制的に撹拌しなければならないが、この回転
型カラムでは、カラム外周側からお湯、再生用の液等を
通液しながらカラムを低速で回転させることにより、イ
オン交換樹脂を液の流れと自重により落下させ、分散さ
せる。このように、イオン交換樹脂の再生時における樹
脂の分散が極めて容易である。

又、この際、前記態様と同様、空気量制御機構を用いて
カラム内に空気を導入し堆積層の破壊、分散を促進する
ことができる。

本態様において、低速２とは高速２よりも遅い速度であ
り、堆積層が自重により落下しうる程度で、かつ、樹脂
の撹拌が可能な程度の速度であればよいが、好ましくは
１〜50rpm、特に５〜20rpm程度である。

本態様においても、堆積層形成→イオン交換処理→再生
処理を一連の操作で実施することができ、さらに連続的
に繰り返し行うことが可能なものである。

以上説明した２つの方法において、処理対象となりうる
被処理液としては、脱塩を目的とするホエー、脱脂乳、
水等を挙げることができるが、これらに限らず、通常、
イオン交換処理に付される液体であれば、すべて本発明
の対象となりうるものである。

〔実施例〕

以下に実施例を示し、更に説明する。

実施例１第１図に示した回転型カラムを仕切り板（孔のない平
板）４枚で４室に仕切り、各室の外周多孔性部材に樹脂
収納用の蓋を設けて成る内径145mmの回転型カラム（容
量600ml、径と長さの比3.6）にカチオン交換樹脂IR−12
0B（比重1.24、平均径0.45〜0.60mm、オルガノ（株））
を均等に合計400ml（層高27mmに相当）入れた。外周及
び内周多孔性部材としては金属製の網（200メッシュ）
を用いた。

このカラムを150rpmで回転させ、遠心力によってカラム
外周部内側にイオン交換樹脂の堆積層を形成させた。そ
して、回転を維持しつつ、中心部からホエー（pH6.14、
電気伝導度5.01mS/cm）を流量2.1/hrで通液しながら
カチオン交換処理を行い、この液を連続的に同様にして
形成させた別のアニオン交換樹脂（IRA−400、435ml、
比重1.22、平均径0.41〜0.48mm、層高30.2mm）へ通液
し、イオン交換処理を行った。このようにして処理した
ホエーのpHの経時的変化はカチオン交換後は１〜３程
度、アニオン交換後は第４図に示すようであった。処理
液のpHは時間とともに低下し、特に30分以降の低下は大
変急激であった（これは、樹脂が飽和到達してきている
ことを意味する。）。そして、pH6に達するまで通液し
たところ、その時間は約90分、処理量は3.15であり、
効率よくイオン交換ができた。なお、この電気伝導度は
1.94mS/cmであった。

尚、実施例においては堆積層形成時に液を供給していな
いが、カラム内の力学関係は概ね以下の通りであった。

・堆積層表面の遠心加速度＝ω^２×ｒ＝（150/60 ×２π）^２×（145/2−27）×10^-3 ＝11.2m/s² ・カラム最上部から中心へ向う加速度ａ＝9.8 −11.2＝−1.4m/s² ・適用式：前述２＜Re＜500に該当する式・終末速度Ｕ＝−0.9×10.3^-3m/s 従って、加速度ａはマイナスであるため終末速度はマイ
ナスになるので、液流なしで充分堆積層は形成されるの
が判る。

次に、これらの樹脂の再生を行った。それぞれのカラム
の外周側からお湯を通液しながらカラムを10rpmで回転
させ、樹脂をその流れと樹脂の自重によってカラム内に
落下させ、分散させた。この場合、樹脂は瞬時に分散し
た。さらに、お湯を通液して廃液が清浄になるまで洗浄
した後、カチオン交換樹脂側には３〜４％のHClを通液
し、また、アニオン側には３〜４％のNaOHを通液して再
生した。このように再生処理は極めて容易であった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、回転型カラムによりイオン交換処
理を行うことで、樹脂の充填層形成→イオン交換処理→
再生処理を一連の操作として行うことが可能となり、
又、この操作は繰り返し実施しうることから、イオン交
換処理の連続化が可能となる。特に、樹脂の再生処理に
おいては、従来人手により充填層を破壊したり手間がか
かっていたのに比べ、著しく簡便化する。又、用いるイ
オン交換樹脂の種類に応じて、２態様ある処理方法を適
宜選択することでより適正な処理を実現できる。本発明
のイオン交換器をアニオン交換用とカチオン交換用の２
台連結すれば、イオン交換処理装置を容易に構成でき、
本発明はイオン交換処理上、非常に有用な技術である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転型カラムイオン交換器の一例を示
す概略透視斜視図、第２図は堆積層をカラムの中心付近
に形成する態様におけるカラムの概念断面図、第３図は
堆積層をカラムの外周内に形成する態様におけるカラム
の概念断面図、第４図は実施例において得られた処理液
のpH経時変化を示すグラフである。１……内周多孔性部材２……外周多孔性部材３……中空シャフト４……液供給・排出用パイプ５……カラム収容器６……イオン交換処理室７……平板８……堆積層９……仕切り板 10……空気抜き

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周多孔性部材と内周多孔性部材で挟まれ
たイオン交換処理室内にイオン交換樹脂が収納され、該
イオン交換処理室の周径が回転軸方向の長さより長い形
状を有し、該回転軸の部分に液供給・排出用オリフィス
を有する中空シャフトを備えて成る回転型カラム、及び
回転型カラムを回転調節自在に内装し、液供給・排出用
パイプを備えて成る密閉可能なカラム収容器から少なく
とも構成されるイオン交換樹脂内蔵回転型カラムイオン
交換器。
【請求項２】イオン交換処理室が、仕切り板により複数
の室に等分されている請求項１に記載の回転型カラムイ
オン交換器。
【請求項３】イオン交換処理室内に空気を入れる空気量
制御機構を備えた請求項１に記載の回転型カラムイオン
交換器。
【請求項４】回転型カラムの周径は回転軸方向の長さの
３倍以上である請求項１に記載の回転型カラムイオン交
換器。
【請求項５】カチオン交換樹脂を内蔵した請求項１に記
載の回転型カラムイオン交換器と、アニオン交換樹脂を
内蔵した請求項１に記載の回転型カラムイオン交換器と
を直列に連結して成るイオン交換処理装置。
【請求項６】請求項１に記載のイオン交換樹脂内蔵回転
型カラムイオン交換器を用いて行う以下の工程を包含し
て成ることを特徴とするイオン交換処理方法。工程：回転型カラムを回転させながら外周多孔性部材
側から、液供給・排出用パイプを介してイオン交換樹脂
堆積層形成用液を供給し、内周多孔性部材側から中空シ
ャフトを介して該液を排出させることにより内周多孔性
部材上にイオン交換樹脂堆積層を形成する。工程：回転型カラムの回転を続け、液供給・排出用パ
イプから被処理液を供給し、前記堆積層を通過させ、中
空シャフトより排出することによりイオン交換処理を行
う。工程：処理液を回収し、次にイオン交換再生用の液を
中空シャフトを介して回転型カラム内へ供給し、それと
共に回転型カラムをより速い速度で回転させることによ
り前記堆積層を破壊、分散させる。
【請求項７】工程における回転型カラムの回転速度
は、イオン交換樹脂の該カラム中心から外周へ向う終末
速度が該カラム内を流れる液の流速よりも小さくなるよ
うな速度である請求項６に記載のイオン交換処理方法。
【請求項８】イオン交換樹脂の比重が1.2以下である請
求項７に記載のイオン交換処理方法。
【請求項９】回転型カラムの回転速度が工程及びに
おいて１〜50rpm、工程において20〜400rpmの範囲内
である請求項７に記載のイオン交換処理方法。
【請求項１０】請求項１に記載のイオン交換樹脂内蔵回
転型カラムイオン交換器を用いて行う以下の工程を包含
して成ることを特徴とするイオン交換処理方法。工程：回転型カラムを回転させながら必要により、内
周多孔性部材側から中空シャフトを介してイオン交換樹
脂堆積層形成用液を供給し、外周多孔性部材側から液供
給・排出用パイプを介して該液を排出させることにより
外周多孔性部材上にイオン交換樹脂堆積層を形成する。工程：回転型カラムの回転を続け、中空シャフトから
被処理液を供給し、前記堆積層を通過させ、液供給・排
出用パイプより排出することによりイオン交換処理を行
う。工程：処理液を回収し、次に、イオン交換再生用の液
を液供給・排出用パイプを介して回転型カラム内へ供給
し、それと共に回転型カラムをより遅い速度で回転させ
ることにより前記堆積層を破壊、分散させる。
【請求項１１】工程における回転型カラムの回転速度
は、イオン交換樹脂の該カラム外周から中心へ向う終末
速度が該カラム内を流れる液の流速よりも小さくなるよ
うな速度である請求項10に記載のイオン交換処理方法。
【請求項１２】イオン交換樹脂の比重が1.2より大きい
請求項10に記載のイオン交換処理方法。
【請求項１３】回転型カラムの回転速度が工程及び
において20〜400rpm、工程において１〜50rpmの範囲
内である請求項10に記載のイオン交換処理方法。