JP4648307B2 - 連続式電気脱イオン装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、逆浸透／連続式電気脱イオン化を組み合わせた水処理システムに関し、より詳しくは、高純水を生成するための逆浸透／連続式電気脱イオン化を組み合わせた水処理システムに関する。

電子産業、電力産業、および製薬産業を含むいくつかの産業において、特定の特性を持つ高純水に対する要求が高まってきている。それら産業の中でも、半導体産業における水の純度要求が最も厳しい。典型的には、汚染物質のレベルを減少させるために、これらでの適用には源となる供給水(上水道水など)の処理を必要とする。高純水の処理手順および処理を実行するのに必要なハードウェアは複雑かつ高価である。電子および半導体産業のＡＳＴＭ Ｄ ５１２７−９９規格に現在の高純水の仕様が記載されている。

イオン交換樹脂は、脱イオン水の生成に使用されてきた。浄水に使用可能な他の周知の処理には、蒸留、電気透析、逆浸透、および液体クロマトグラフィーがある。一般的に、これらのイオン交換樹脂には薬品再生が必要となる。イオン交換および再生の現場では、取り扱いが危険な劇薬が必要となる。使用された薬品の除去は環境に安全であるように対処しなくてはならない。この点に関して、自己再生型脱イオン装置が近年注目されてきた。劇薬の使用を避けるためには、イオン交換樹脂の脱イオン機能およびイオン交換膜の電気透析機能を電気脱イオン装置において組み合わせれば、薬品再生を行うことなく高純度脱イオン水が得られる（米国特許第６，２７４，０１９号）。電気脱イオン化は、イオン交換樹脂、イオン交換膜、および電気を利用して水を脱イオン化する浄水技術である（より詳細な説明に関しては、ウィルキンス（Ｗｉｌｋｉｎｓ，Ｆ．Ｃ．）およびマクコーネリ（ＭｃＣｏｎｎｅｌｅｅ，Ｐ．Ａ．）の『マクロ電子グレード水の調製における連続式脱イオン化』（固体技術、87〜92頁、1988年8月）を参照のこと）。電気脱イオン化は、精製室におけるイオン交換樹脂の存在により電気透析とは異なる。電気透析およびイオン交換樹脂の組み合わせを使用して塩水を浄化する他の従来技術が、米国特許第２，７９６，３９５号、第２，９４７，６８８号、第２，９２３，６７４号、第３，０１４，８５５号、第３，３８４，５６８号、および第４，１６５，２７３号に記載されている。

電気脱イオン化の使用は、米国特許第２，６８９，８２６号、第２，８１５，３２０号、第３，１４９，０６１号、第３，２９１，７１３号、および第３，３３０，７５０号その他多くに記載されている。商業的に成功している電気脱イオン装置および処理が、米国特許第４，６３２，７４５号に記載されている。セル対と呼ばれる基本的な繰り返しエレメントは、陰イオン膜および陽イオン膜により両端に境界線が形成され、混床イオン交換樹脂で充填されている精製室、ならびに濃縮室からなる（ウィルキンスおよびマクコーネリを参照のこと）。電気脱イオン装置に流入する供給水は、少なくとも３つに分割される。わずかな割合が電極上を流れ、供給水の大部分が精製室を通過し、残りは濃縮室に沿って流れる。直流電位の影響を受けて精製室のイオンは隣接する濃縮室へと移動する。樹脂で充填された精製室に入ったイオンは、電位勾配の方向に、樹脂およびイオン交換膜を通過して濃縮室へと移動する（リャン（Ｌｉａｎｇ，Ｌ．Ｓ．）、ウッド（Ｗｏｏｄ，Ｊ．）およびハス（Ｈａｓｓ Ｗ．）の『発電施設への適用における電気脱イオンシステムの設計および性能』（超純水、41〜48頁、1992年10月）を参照のこと）。その結果、水中のイオンは精製室で除去され、隣接する濃縮室において濃縮されるようになる。第３の水流は、電極を通って流れ、その流れに従って電極反応によりガスを除去する電極ストリームである。入ってくる供給水のうち、浄化生成水になる割合をシステムの回収率という。供給水として逆浸透生成水を用いる従来の電気脱イオンシステムにおいては、典型的には、濃縮ストリームを再循環させて８０〜９５％の回収率を得ることが可能である（リャンらを参照のこと）。米国特許第６，１９３，８６９号には、モジュラーシステム設計の使用が開示されている。

電源は定電流または定電圧電源であってもよい。現在、一般的には電気脱イオン装置は、電流が変化して一定の電圧を維持する定電圧電源を使用して作動する。残念なことに、電気脱イオン装置の電気インピーダンスはモジュールの経年に伴い増加することが観察されている。このインピーダンス増加は、定電圧電源で作動する場合に、電気脱イオン装置の経年に伴い装置を流れる電流が減少することを意味する（米国特許第６，３６５，０２３号に記載されている通り）。このことにより、電気脱イオン装置により処理された品質が劣化する結果となる。同様に、インピーダンスが低く定電圧で作動する新しい電気脱イオン装置は非常に高い電流を発生させる場合がある。さらに、装置に必要以上の電流を印加した場合、電気脱イオン装置のスケールが問題となることがある。温度が低下するのに従って、電気脱イオン装置のインピーダンスは増加する。結果として、冬にはスケールの危険は低くなる。米国特許第６，３６５，０２３号では、定電流電源の使用が提案されている。これによると、理論上最小電流の約１．５〜１５倍の範囲における一定の電流を供給することによりイオンの除去が達成される。

電気脱イオン装置においては、陰イオン交換膜および陽イオン交換膜の間に位置するガスケットが精製室を形成する。米国特許第４，６３２，７４５号、第４，７４７，９２９号、第４，９２５，５４１号、第４，９３１，１６０号、第４，９５６，０７１号、および第５，１２０，４１６号には、電気脱イオン装置におけるガスケットの設計が記載されている。良好な流量および電流分配を確実にし、かつ流量に対する全体的な圧力低下が少ないガスケットが必要とされている（例えば、米国特許第６，１２３，８２３号を参照のこと）。

米国特許第４，９２５，５４１号には、プレート＆フレーム型の電気脱イオン装置および方法が開示されている。プレート＆フレーム型の装置は大型であり、大型容器を密閉することが難しいために、通常、漏れという欠点を抱える。さらに、うず巻き型モジュール（米国特許第５，３７６，２５３号、ならびにリチェン（Ｒｙｃｈｅｎ Ｐ．）、アロンゾ（Ａｌｏｎｓｏ Ｓ．）、およびアルト（Ａｌｔ Ｈ．Ｐ．）の『最新モジュラー電気脱イオン技術を用いた高純水の生成』（超純水ヨーロッパ、アムステルダム、1996年））、および螺旋状モジュール（米国特許第６，１９０，５２８号）も利用可能である。

一般的に、イオン交換体は陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との混合物である（例えば、米国特許第４，６３２，７４５号）が、これらの樹脂が交互に配置された層に関する記載もある（例えば、米国特許第５，８５８，１９１号および第５，３０８，４６７号）。イオン交換樹脂は、対イオン交換能があるため電気伝導性を有する（ヘイマン（Ｈｅｙｍａｎｎ Ｅ．）およびオドネル（Ｏ‘Ｄｏｎｎｅｌｌ Ｉ．Ｊ．）「コロイド科学ジャーナル」第４巻、395頁、1949年）。樹脂で充填された精製室により、高い抵抗率を持つ非常に高い純度の溶液においても、抵抗が低い電気経路を作成することによって、隣接するイオン交換ビーズに沿ったイオン移動が容易となる（グリフィン（Ｇｒｉｆｆｉｎ Ｃ．）の『高純水の生成における連続式脱イオン使用の進歩』（超純水、52〜60頁、1991年11月）を参照のこと）。周囲のバルク溶液を通る経路よりも電気抵抗が大幅に低いイオン交換樹脂ビーズを通って経路が形成され、これにより装置からのイオンが容易に除去できるようになる（ガンジー（Ｇａｎｚｉ Ｇ．Ｃ．）の『イオンピュア^TM連続式脱イオン処理 電流分配による性能への影響』（米国化学工学会第８０回年次大会における発表、ワシントン市、1988年11月）を参照のこと）。強電離イオン交換樹脂は、約１００Ω・ｃｍの強さ程度の特定の電気抵抗（例えば、１リットルあたり塩化ナトリウム約０．１グラム当量を含む水溶液とほぼ同じ）を有する。米国特許第５，５９３，５６３号には、陰極室における金属粒子および／または炭素粒子などの電子伝導性粒子の使用が開示されている。米国特許第５，８６８，９１５号には、耐薬品性、耐温度性および耐ファウリング性がある合成の炭素質吸着剤粒子（直径０．５〜１．０ｍｍ）の電解室、精製室、または濃縮室のいずれかにおける使用が開示されている。なお、電解室におけるガスの存在、流量分配の不良、低温、および／または液体の低伝導率によって電流分配が妨げられ、これにより脱イオン化の効率が低下することがある。

望ましくはないが、混床イオン交換体が使用される場合、樹脂を通過し膜へと動く不純物イオンの移動効率を最大化するために精製室の厚さは必然的に薄くなくてはならない（米国特許第６，１９７，１７４号）。希釈室をより薄くすることによって、製造コストがより高くなる。米国特許第４，６３６，２９６号には、この問題を緩和するため、陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂が交互に配置された層を含む電気脱イオン装置が開示されている。米国特許第６，１９７，１７４号には、陽イオン樹脂および陰イオン樹脂の混床相を１つ、およびこの混床相に隣接する単相を少なくとも１つの用いることが開示されている。米国特許第６，１５６，１８０号には、精製室における第２イオン交換樹脂材クラスタの分散相を含む第１イオン交換樹脂材の連続相の使用が開示されている。この構成によって、精製室の厚さおよびサイズの増大が可能になり、その結果、精製室により多くの樹脂を収容することができ、かつ、与えられた流量に対して必要な膜面積を減少することができる。

均一なビーズサイズの樹脂が精製室に配置された場合、イオン交換率が上昇し、これにより脱塩がよりよく行われることが分かった（グリフィンを参照のこと）。これは樹脂表面積が増加するためであり、かつ、システム内の電気回路において活性樹脂の量が効果的に増加するためである。米国特許第５，３０８，４６６号には、樹脂または膜の抵抗を低下させるための、低架橋度イオン交換樹脂または膜の使用が開示されている。このような樹脂または膜は、高架橋度イオン交換樹脂および膜と比較して、より大きな間隙水分含有量、より大きい孔径、および、より低い電荷密度を有する。米国特許第５，８５８，１９１号には、電流分配、樹脂再生度、および脱イオン性能を向上するために、陰イオン透過膜および／または樹脂における、陰イオン交換樹脂材ＩＩ型の単独の使用、または陰イオン交換樹脂材Ｉ型との併用が開示されている。米国特許第６，２８４，１２４号には、交互に配置された層の間の伝導率の差を減少させるために、精製室においてドープ陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂材Ｉ型を使用することが開示されている。米国特許第６，３１２，５７７号には、高架橋度であり、かつ高い水分含有量を有するマクロ孔質イオン交換樹脂の使用が開示されている。このシステムにより、イオン化度の低いイオン、特にシリカの除去率が向上される。

供給水中にイオンがかなり存在する場合、イオンが濃縮室へと移動するのに従い、電荷が精製室を通過する。しかし、イオンが除去されるのに従って、電気脱イオンシステムにおいて電極で発生する電荷を運搬するのに十分なイオンが得られない状態に達する。セルの抵抗は大幅に増加し、その結果電圧が上昇する。精製室の電圧差は水をＨ⁺イオンおよびＯＨ^-イオンに分離するのに十分な程度まで増大する（バーン（Ｂｙｒｎｅ Ｗ．）の「水処理百科辞典」（第１０巻、ＥＤＲ＆ＥＤＩ、Ｕ１．０バージョン、ウェス・バーンおよび教育発展社（ＣＥＡ）、1999年）を参照のこと）。電気脱イオン装置においては、電気脱イオン装置が効率よく水の脱イオン化を実行することが可能となるように、水を電離させてＨ⁺イオンおよびＯＨ^-イオンを生成し、精製室に充填されているイオン交換樹脂を継続的に再生する。希釈室における高電圧は水を分離するだけではなく、先行する逆浸透システムを通過したいくつかの低分子量有機物を破壊する（アウアウォルド（Ａｕｅｒｓｗａｌｄ，Ｄ．）『逆浸透／連続式電気脱イオンシステム性能の最適化』、超純水、35〜52頁、1996年5／6月）。供給水からイオンを放出するのに理論上必要とされる量よりも大きな電流を供給し、精製室における水の電離を引き起こし、これにより、イオン交換樹脂を継続的に再生する。理論上、９６，５００クーロン（１ファラデー）の通電を行った場合、塩１化学当量が移動する。

精製室から隣接する濃縮室へとイオンを除去するメカニズムには、イオンの樹脂相への拡散、および、それに伴った、樹脂相における精製室の境界膜への電気伝導が含まれることが示されている（グルキエフ（Ｇｌｕｅｃｋａｕｆ Ｅ．）『充填層による電気脱イオン化』（英国化学工学、646〜651頁1959年12月）を参照のこと）。高いイオン除去率を得るためには、陽イオン交換樹脂は主として水素型とされるべきであり、かつ陰イオン交換樹脂は主として水酸化物型とされるべきである。水からイオンが比較的遊離している精製室の端において、電界により水が分離される。このことにより、水素イオンおよびヒドロキシルイオンが生じる。水を電離してＨ⁺イオンおよびＯＨ^-イオンを生成することによって、樹脂の水素型および水酸化物型を維持することができる。さらに、再生された型の樹脂はイオン化度の低い物質と反応することが可能であり、それらの物質が、さもなくば起こり得ない移動を可能とする（ガンジーによる記載の通り）。

陽イオンと陰イオンとの混合交換樹脂のランダムな性質により樹脂の一部が不必要に高い程度にまで再生され、他の部分の再生が不十分となる傾向がある。水分離の均一な分布を達成することは非常に難しい問題であり、これを達成する構造を設計するために多くの努力が費やされてきた（例えば、米国特許第６，２４１，８６７号、第５，８５８，１９１号、第５，８６８，９１５号、および第５，３０８，４６７号を参照のこと）。

スケールは、電気脱イオン装置の局所、特に、典型的に高いｐＨが存在する箇所において発生することが知られている。電流に従って境界層におけるｐＨが上昇するとされている。従って、スケールの発生を防止または少なくとも改善するためには、電流を十分に低いレベルに維持しなくてはならない。電流が低すぎる場合、水質が劣化する。電流が高すぎる場合、スケールの発生が増加する（米国特許第６，３６５，０２３号）。電気脱イオン装置を利用する際の問題点の１つとして、主として、陰極室の基本的環境に接する液体中のカルシウム、マグネシウムおよび重炭酸塩イオンの存在により引き起こされる陰極室内の不溶性スケールの堆積が挙げられる。水回収率が高い場合には濃縮室においてもスケールが発生することがある。炭酸カルシウムが溶液中で析出するには、ランゲリア飽和指数（ＬＳＩ）が正でなくてはならない。陰極室においては、ＬＳＩが正となるのに十分な程度までｐＨが上昇することがある。逆浸透生成水のＬＳＩは常に負となる。電気脱イオン化濃縮ストリームにおいてもＬＳＩは負となる。よって、ＬＳＩのみの考察に基づくと、濃縮室に発生する炭酸カルシウムの析出は考えられないが、局所的状況によって生じると考えれば説明がつく（米国特許第６，２９６，７５１号）。電気脱イオン装置の作動中に、陰イオン交換膜表面付近のｐＨは局所的にアルカリ性を示す。精製室からの陰イオン交換膜を透過するＣＯ₃ ^2-またはＨＣＯ₃ ^-およびＨＯ^-は陰イオン交換膜付近で濃縮される。さらに、濃縮室における水中の硬度の高い多価陽イオンは陰イオン交換膜側に引き付けられるか動かされ、これによりＣＯ₃ ^2-またはＨＣＯ₃ ^-およびＨＯ^-がＣａ²⁺と反応して陰イオン交換膜上に炭酸カルシウムのスケールを形成する。スケールが堆積すると、この堆積物を通過する電流および水に対する抵抗が増加する結果となる。スケールが形成されると、スケールが形成された領域の電気抵抗が増加してその部位においては電流が低下する。極端な場合、装置の最大電圧範囲内でイオンの除去に十分な電流を印加することが不可能となり、処理水の品質が低下する。スケール形成の防止策としては、典型的には、軟水剤を添加することによって供給ストリームから多価陽イオンを除去することに焦点が当てられる。電気脱イオン装置のメーカは、システムに対する供給水中のカルシウム濃度を非常に低いレベル（例えば、０．５ｐｐｍ未満）とすることを提案している（米国フィルタ文献Ｎｏ． ＵＳ２００６）。米国特許第５，３０８，４６６号には、イオン交換樹脂を含む濃縮室を利用した電気脱イオン装置が開示されている。濃縮室がイオン交換樹脂で充填されている場合、陰イオン交換膜を透過するＯＨ^-イオンが濃縮室に移動しやすくなり、これによりスケールが分散される（米国特許第６，３７９，５１８号）。酸を添加して、いくつかのアルカリ性物質を炭酸へと変換し、炭酸塩および硫酸塩の溶解度を上昇させてもよい。米国特許第６，２７４，０１９号には、濃縮水に対する酸性溶液の添加が開示されている。濃縮水中における酸性溶液の使用は、濃縮水中の硬度成分の溶解度を上昇させ、スケールの形成を防止する。スケールの析出を阻止するために、濃縮室、陽極室、および陰極室におけるスケール防止剤を有効量使用することが、米国特許第６，０５６，８７８号において開示されている。スケールが多い場合、堆積物質により物理的なダメージが与えられることもある。

米国特許第６，２９６，７５１号には、電気脱イオン装置における第１ステージおよび第２ステージの適用が開示されている。第１ステージの精製室は、陰イオン交換樹脂材または陽イオン交換樹脂材のみを含み、これにより陰イオンまたは陽イオンのいずれか一方のみを除去する。第２ステージの精製室は第１ステージの精製室からの流出水を受け取り、他方の交換樹脂または混合樹脂材を含み逆極性のイオンを除去する。第１ステージからの濃縮水を第２ステージから隔離することにより、濃縮室においてやや溶けにくい塩によるスケール形成を防止する。

供給ストリームおよび濃縮ストリームに対する逆方向通水の適用が米国特許第６，２４８，２２６号において開示されている。逆方向通水の適用に関連して、スケールを防止するために、多孔性隔壁またはイオン伝導膜を導入することにより、濃縮室を第１室および第２室へ分割することが米国特許第６，１４９，７８８号において開示されている。多孔性隔壁またはイオン伝導膜は、濃縮室の陽イオン交換膜側から濃縮室の陰イオン交換膜側への、スケールを形成する金属陽イオンの対流移動を効果的に防ぎ、これにより陰イオン交換膜上のスケール形成を阻止する。

一般的に、膜およびイオン交換樹脂表面上にコロイド、有機汚染物質、および他の不純物が堆積すると、電気抵抗の増加を引き起こす。これは、この堆積物が存在する室内における水に対する抵抗の増加、および電流効率の減少をも引き起こす可能性がある（米国特許第５，０２６，４６５号）。

塩析出物、コロイド、有機汚染物質、および他の不純物によるスケールおよびファウリングの発生傾向を減少するための、電気脱イオン化極性反転の使用が米国特許第５，０２６，４６５号に開示されている。電気透析処理における極性反転の使用が米国特許第２，８６３，８１３号、第３，３４１， ４４１号、第４，１１５， ２２５号、および第４，３８１，２３２号に開示されている。

本発明の目的は、水を浄化するための逆浸透および電気脱イオン化を組み合わせたシステムを改良することにあり、少なくとも、有用な選択を公共に対して提供することにある。

本発明によると、少なくとも１つの逆浸透装置に供給水を通過させて生成水および排出水を生成する工程と、上記生成水を逆浸透装置から連続式電気脱イオン装置の希釈ストリームへと導く工程と、上記排出水を第１パスの逆浸透装置から軟化器を通過するように導くことにより第１パスの逆浸透装置からの排出水よりも少ない硬度成分を含む軟化器流出水を生成する工程と、上記軟化器流出水を連続式電気脱イオン装置の濃縮ストリームへと導く工程とを含み、上記連続式電気脱イオン装置が上記希釈ストリームからの水をさらに浄化して浄化水を生成する浄水方法が提供される。

逆浸透装置において、供給水は２つの部分、すなわち、排出水部分および生成水部分に分けられる。逆浸透装置において、排出水部分からの水分子が少なくとも１つの膜を通過して生成水部分に流入するのにつれて、排出水部分はより濃縮され生成水部分はより希釈される。排出水部分は排出水として逆浸透装置から流出し、生成水部分は生成水として逆浸透装置から流出する。

連続式電気脱イオン装置は、陽極、陰極、複数の陽イオン交換膜、および複数の陰イオン交換膜を有する。陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜は陽極室、陰極室、少なくとも２つの濃縮室、および少なくとも１つの精製室を形成するように配置される。これらの室は陽極と陰極との間に形成される。第１パスの逆浸透操作からの排出水を含む濃縮ストリームが、濃縮室、陽極室、および陰極室へと加えられる。逆浸透生成水の供給ストリームが、精製室へと加えられる。電気脱イオン装置の陽極および陰極に十分な電力が加えられる場合、供給ストリーム中の陰イオンが陰イオン交換膜を通過して濃縮室へと流入し、供給ストリーム中の陽イオンが陽イオン交換膜を通過して濃縮室へと流入する。このことにより精製室内の水中イオンが減少する。水は浄化生成水として精製室から流出する。

第１パスの逆浸透装置からの排出水は、連続式電気脱イオン装置へと加えられる前に、硬度を取り除く処理を受けなくてはならない。４つの異なった軟化処理が好ましい。すなわち、粒径が均一な強酸陽イオン樹脂を含む標準的な逆流軟化器、カルボン酸基の樹脂を含む弱酸陽イオン交換器、適切なマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を含むイオン交換器、または適切なマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能基キレート樹脂を含むイオン交換器である。

以下の図面を参照して、これらに限定することを意図せずに、一例としてのみ本発明をさらに説明する。

図１は、本実施例において使用される高純水システムを示す。同図は、本発明を実施する一実施形態のフローチャートである。

水道水は、原水貯蔵槽１で受け入れられ、浮遊固形分を減少させるためにマルチステージ垂直遠心ポンプＰ１によってマルチメディアフィルタ３を通って送出される。浮遊固形分を凝固させるために凝固剤（ＰＡＣ）がマルチメディアフィルタ３よりも前の段階で加えられ、凝固剤と水との適切な混合を確実に行うためにインライン静的ミキサ２が配設される。有機物および残留塩素を除去するために、マルチメディアフィルタ３からの濾過水は活性炭フィルタ４を通過する。遊離塩素および溶存酸素を除去するために、重亜硫酸ナトリウムを活性炭フィルタ４よりも前の段階で添加する。次いで、微小固形分を除去するために、活性炭フィルタ４からの処理水を１ミクロンカートリッジフィルタ５に通水する。

２パスの逆浸透（ＲＯ）システムは、高圧流吸引マルチステージ垂直遠心ポンプＰ２およびＰ３、第１パスの逆浸透膜フィルタ６、および第２パスの逆浸透膜フィルタ８を含む。第２パスの逆浸透膜フィルタ８における弱イオン化したシリカ、ホウ素、および有機物の排出に関して膜フィルタの性能を向上するために、２つのパスの間で苛性ソーダを添加する。逆浸透フィルタ６および８として、渦巻状に成形されたポリアミド複合逆浸透膜が使用される。第２パスの逆浸透膜フィルタ８からの排出ストリームは、第１パスの供給ストリームに戻るよう再循環される。２パスの逆浸透システムからの透過水（生成水）は透過水貯蔵槽９に送水される。透過水貯蔵槽９から、水中有機物含有量を低減するために、水はマルチステージ垂直遠心ポンプＰ４によって１次ＵＶ ＴＯＣ低減器１０を通って送出される。１次ＵＶ ＴＯＣ低減器１０からの水は、溶存ガスおよび揮発性有機物を除去するために１次膜脱気器１１を通過する。最終的には、水中のイオン不純物を低減するために、ＣＥＤＩ装置１２、次いで１次混床脱イオン装置１３を通過する。

このような補給処理ループから、水は脱イオン水貯蔵槽１４に送水される。槽１４は、槽中の水が外気により汚染されないように、窒素で充填されている。水は、温度を低下させるために高圧流吸引マルチステージ垂直遠心ポンプＰ５によって熱交換器１５を通って送出され、次いで残留有機物を除去するために２次ＵＶ ＴＯＣ低減器１６を通過する。従来のようにポリシングループにおける再循環率が３３％の場合、２次ＵＶ ＴＯＣ低減器１６によって、ＴＯＣはサブｐｐｂレベルにまで除去される。この２次ＵＶ ＴＯＣ器１６の流出口からの水は、犠牲ポリシング混床脱イオン装置１７、次いで２次膜脱気器１８を通過する。犠牲ポリシング混床脱イオン装置１７内の樹脂は非再生型である。犠牲ポリシング混床脱イオン装置１７により、イオン不純物はｐｐｔレベルにまで除去される。２次膜脱気器１８により、溶存酸素はサブｐｐｂレベルにまで除去される。２次膜脱気器１８からの水は、ＵＶ消毒器１９、次いで絶対値０．１ミクロンカートリッジフィルタ２０を通過する。ＵＶ消毒器１９は、高純水の調製において滅菌装置として使用される。ＵＶ消毒器１９からの滅菌水は、次いで超微粒子を除去するために絶対値０．１ミクロンカートリッジフィルタ２０に送水される。限外濾過（ＵＦ）器２１は、ポリシングループにおける最終装置であり、このＵＦ器２１からの生成水については、その流量、圧力、温度、抵抗率、粒子カウント、ＴＯＣ、および溶存酸素が継続的にモニターされる。使用ポイント（ＰＯＵ）におけるＵＦ器２１は、超微粒子除去作用をさらに強化して、粒子カウントを５０ｎｍ径粒子３００／リットル未満にまで低減する。ＰＯＵから戻された水は、滅菌状態を維持するために復路ＵＶ消毒器２２を通って脱イオン水貯蔵槽１４に戻される。

図１は２パスの逆浸透システムを示すが、システムにおける回収率を向上するために、逆浸透システムは濃縮段階の使用の必要性に応じて単一のまたは連続した複数の配列であってもよい。より多くの、またはより少ない逆浸透システムが使用されてもよい。例えば、逆浸透システムを１つだけ使用してもよい。

第１パスの逆浸透の前に、排出ストリームが連続式電気脱イオン装置へと加えられ、硬度成分を除去するためにその排出ストリームはイオン交換器７を通過する。イオン交換器７によって排出ストリームから多価陽イオンが除去される。これにより、電気脱イオン装置における濃縮ストリームの伝導率が適切となるようにされる。この場合、濃縮ストリーム中の局所的なランゲリア飽和指数（ＬＳＩ）を負とするために、第１パスの排出ストリームにおける多価陽イオンを除去することが好ましい。本発明の好適な実施形態においては、標準的な逆流軟化、弱酸陽イオン樹脂の通過／透過による軟化、適切なアミノホスホン酸のまたはイミノ二酢酸の官能基キレート樹脂を用いた軟化という４つのシステムのうち１つが、第１パスの逆浸透排出ストリームから硬度成分を除去するために使用される。

好適な実施形態においては、軟水システムにおいて、粒径が均一な強酸陽イオン樹脂を含む標準的な逆流軟化器が使用される場合、強酸陽イオン樹脂はナトリウム型とされる。

好適な実施形態においては、軟水システムにおいて、弱酸陽イオン樹脂の通過または透過を用いて水を軟化する場合、弱酸陽イオン樹脂はナトリウム型とされる。

水の硬度（スケール）を形成する構成要素であるカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを除去するために水が軟化される。標準的な逆流軟化器は非常に効果的である上、比較的単純である。硬水が、ナトリウム型の強酸陽イオン交換樹脂のカラムを通過すると、そこで望ましくないカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを望ましいナトリウムイオンに置換する。カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを吸着する樹脂の能力が消耗すると、カラムは供給水流とは反対の方向の塩水により再生される。逆流軟化器通過後の第１パスの逆浸透排出水のほとんどにおいて、炭酸カルシウムとしての硬度は約１．５ｐｐｍ未満となる。逆流軟化器が消耗した場合、再生する必要がある。樹脂１リットルあたり約１５０グラムの再生レベルで、１０％の塩水により再生を行うことが可能である。

硬度を取り除くための、ナトリウム型の弱酸陽イオン樹脂の使用は、炭素軟化処理と同等である。全溶存固形物質（ＴＤＳ）が多い水を効果的に軟化するためには、ナトリウム型の弱酸陽イオン樹脂を利用する必要がある。２段階再生によるこの技術は炭素軟化処理と呼ばれる。ナトリウム型は、カルシウムおよびマグネシウムに対して、従来の強酸陽イオン交換器が示すよりも強い選択性を有する。消耗した樹脂は、まず比較的高レベルの酸、次いで水酸化ナトリウムにより再生される。ナトリウムサイクルにおける軟化には、酸で再生された形態を、作用ナトリウム型に直接的に変換することが必要である。この樹脂は、水素型からナトリウム型へと変換されるときに約５０〜６０％膨張する。イオン交換容器は、この膨張を許容するのに十分な大きさを備えている必要がある。ナトリウム型の弱酸陽イオン樹脂を使用する場合、第１パスの逆浸透排出水のほとんどにおいて、得られる水における炭酸カルシウムとしての硬度を約０．５ｐｐｍ未満とすることが可能である。弱酸陽イオン樹脂に流入する供給水は、供給水のアルカリ性を総硬度レベルまで上昇させるために水酸化ナトリウムまたは炭酸ナトリウムのいずれかを使用することでｐＨを調整することが必要になる場合がある。弱酸陽イオン樹脂が消耗すると、再生する必要がある。再生は５％の塩酸で約１１０％の再生率で処理し、次いで５％の水酸化ナトリウム溶液で調整される。床の圧縮を避けるために、ナトリウム変換に際して、弱酸陽イオン樹脂にはアップフロー技術を使用してもよい。

アミノホスホン酸のまたはイミノ二酢酸の官能基を用いたマクロレティキュラー型のキレート樹脂は、重金属陽イオンだけではなくカルシウム、マグネシウム、およびストロンチウムに対しても、ナトリウムのようなアルカリ金属イオンに対するよりも強い選択性を有する。このような樹脂の選択的性質により、溶液から重金属を除去することが可能となるだけではなく、水ストリームから硬度を取り除いてｐｐｂレベルにまで低減することが可能となる。消耗した樹脂は、まず比較的高レベルの酸、次いで水酸化ナトリウムにより再生される。ナトリウム循環における軟化には、酸で再生された組成を、作用するナトリウム組成に直接的に変換することが必要である。この樹脂は、水素組成からナトリウム組成へと変換されるときに約４０〜４５％膨張する。イオン交換容器は、この膨張を可能とする大きさを備えている必要がある。

マクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を使用した軟化作業の際、第１パスの逆浸透排出水のほとんどにおいて、軟化作業によって得られる水における炭酸カルシウムとしての硬度を約２５ｐｐｂ未満とすることが可能である。作業効率を最適化するために、マクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂は約１５ＢＶ／ｈの空間速度で流される。床の圧縮を避けるために、ナトリウム変換に際して、マクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂にはアップフロー技術が使用される。

マクロレティキュラー型のイミノ二酢官能基キレート樹脂を使用した軟化作業の際、第１パスの逆浸透排出水のほとんどにおいて、軟化作業によって得られる水における炭酸カルシウムとしての硬度を約２５ｐｐｂ未満とすることが可能である。作業効率を最適化するために、マクロレティキュラー型のイミノ二酢官能基キレート樹脂は約１５ＢＶ／ｈの空間速度で流される。床の圧縮を避けるために、ナトリウム変換に際して、マクロレティキュラー型のイミノ二酢官能基キレート樹脂にはアップフロー技術が使用される。

図２は、本実施例において使用されるＣＥＤＩ装置１２の一部を示す断面図である。ＣＥＤＩ装置１２は、陽極２４を備える陽極室２３、および陰極２６を備える陰極室２５を含む。複数の陽イオン交換膜２７および陰イオン交換膜２８が、陽極室２３と陰極室２５との間に交互に配置されて、精製室２９および濃縮室３０を形成する。精製室２９は陽極側では陰イオン透過膜２８により、陰極側では陽イオン透過膜２７により境界が形成される。隣接する濃縮室３０は陽極側では陽イオン透過膜２７により、陰極側では陰イオン透過膜２８によりそれぞれ境界が形成される。精製室２９において利用される電気活性媒体は、陰イオン３１および陽イオン３２のイオン交換樹脂ビーズ混合物を含む。イオン交換体３１および３２は、ビーズ状のイオン交換樹脂粒子であることが好ましい。第２パスの逆浸透生成水は、実質的に均一なサイズの樹脂ビーズを含む精製室２９に流入する前に、１次ＵＶ ＴＯＣ低減器１０および１次膜脱気器１１においてさらに処理される。同様に、第１パスの逆浸透排出水は、濃縮室３０、陽極室２３、および陰極室２５に流入する前に、硬度を取り除くためにイオン交換器７においてさらに処理される。

なお、連続式電気脱イオン装置は、１つよりも多い精製室および２つよりも多い濃縮室を含んでいてもよい。

イオン交換膜はシート状に製造されたイオン交換樹脂からなる。特定の固定荷電膜は、対イオンに対しては透過性を有し、共イオンに対しては透過性を有しない。イオン交換膜は水に対しては透過性を有さないので、これにより電位の影響下で対イオンの移動を許容しつつバルク液体の流れに対するバリアとして作用する。

濃縮水を循環および再利用することによって、水の利用率が向上し、濃縮室の合理的なイオン濃縮が維持される。室を通過する濃縮水の流量は、乱流を維持し、かつ圧力低下を望ましい範囲内で維持するのに十分でなくてはならない。システムからのより良好な水回収率を得る手段としての流量の低減には、あまり柔軟性がない。濃縮水流の一定の割合が排水管へと送られなくてはならない。濃縮水の電気伝導度がより高くなると電流が増大し、印加電圧を低下させることが可能となるために、装置の電力消費量が抑えられる。逆拡散によって流出水の品質を制限することが可能である一方、濃縮ストリームの伝導率が高いほど電流の流れが促進される。濃縮ストリームの流量増加によって、濃縮室におけるスケールの形成が防止される。望ましくは、従来のシステムにおいては、回収率を制限することにより、濃縮室におけるスケールの形成速度を低下させることができ、場合によれば逆拡散の効果を低減することも可能になる。

図３を参照して、本発明に係るＣＥＤＩ装置１２についてさらに詳しく説明する。電気脱イオンシステムへの供給水は２つのストリーム、すなわち、濃縮ループ３４へと続く供給ストリーム３３および補給ストリーム３７に分離される。処理される水は供給ストリーム３３から精製室２９へと導入される。供給ストリーム３３はシステムにおける精製室２９を通って流れるにつれて脱イオン化される。目標とする流出水の水質を得るために、濃縮ループ３４内の水は必要とする電流が流れるのに十分な伝導率を有していなくてはならない。濃縮ループ３４は、濃縮溶液を再循環させるポンプＰ６、配水管３６への濃縮ブリードオフライン３５、供給ストリーム３３からの補給ストリーム３７、およびイオン交換器７からの別の高伝導軟水補給ストリーム３８を含む。イオン交換器７は、ナトリウム型の標準的な逆流軟化器または弱酸陽イオン交換器、あるいはマクロレティキュラー型のアミノホスホンのまたはイミノ二酢の官能基キレート樹脂を含むイオン交換器であってもよい。精製室の流入ストリームよりも５〜１０ｐｓｉｇ低い圧力で、濃縮および電極供給ストリームが導入されることを確実にするために、補給ストリーム３８内で減圧バルブ（ＰＲＶ）４１が使用される。軟化器からの流出水に適切なスケール防止剤を注入して、シリカの過飽和によるスケールを防止する。スケール防止剤と軟化器からの流出ストリームとの適切な混合を確実に行うためにインライン静的ミキサ４２が備えられる。補給ストリーム３７はイオン交換器７からの高伝導軟水補給ストリーム３８と混合されて、十分な伝導率を有する濃縮ストリーム３９となる。結果として得られる濃縮ストリーム３９は、濃縮室３０、陽極室２３、および陰極室２５にそれぞれ導入される。塩素、水素、および酸素ガスを微量含んでいるため、電極ブリードオフストリーム４０は配水管３６へと分岐する。

図４を参照して、濃縮再循環を行わないＣＥＤＩ装置１２について説明する。この構成は本実施例において用いられたものである。なお、濃縮水中にもともと少量存在していた硬度成分は、濃縮水が循環および再利用されるのに従ってますます濃縮され、時間が経つにつれて、より急速に濃縮チャンバまたは電極チャンバに沈殿するようになり、スケールが形成される。本発明に係る濃縮ループにおいては貫流式操作を使用することによりこのようなスケールが防止される。電気脱イオンシステムへの供給水は２つのストリーム、すなわち、精製チャンバへ流入する供給ストリーム３３と、濃縮ストリーム３９に交わる補給ストリーム３７とに分離される。処理される水は供給ストリーム３３から１つまたは複数の精製室２９へと導入される。供給ストリーム３３はシステムにおける１つまたは複数の精製室２９を通って流れるのに従って脱イオン化される。補給ストリーム３７はイオン交換器７からの高伝導軟水補給ストリーム３８と混合されて、十分な伝導率を有する濃縮ストリーム３９となる。イオン交換器７は、ナトリウム型の標準的な逆流軟化器または弱酸陽イオン交換器、あるいはマクロレティキュラー型のアミノホスホンのまたはイミノ二酢の官能基キレート樹脂を含むイオン交換器であってもよい。確実に精製室の流入ストリームよりも５〜１０ｐｓｉｇ低い圧力で濃縮および電極供給ストリームが導入されるように、補給ストリーム３８内で減圧バルブ（ＰＲＶ）４１が使用される。軟化器からの流出水に適切なスケール防止剤を注入して、シリカの過飽和によるスケールを防止する。スケール防止剤と軟化器からの流出ストリームとの適切な混合を確実に行うためにインライン静的ミキサ４２が備えられる。結果として得られる濃縮ストリーム３９は、濃縮室３０、陽極室２３、および陰極室２５にそれぞれ導入される。濃縮ブリードオフストリーム３５および電極ブリードオフストリーム４０は配水管３６へと分岐する。

以前のＣＥＤＩ装置においては、濃縮ストリーム内のイオン濃縮度を適切にするために、塩水などの薬品が添加された。第１パスの逆浸透装置からの排出水によりＣＥＤＩの濃縮ストリームが高い伝導率を有するようになる。第１パスの逆浸透排出水の伝導率は十分に高いので、ＣＥＤＩ濃縮ストリームに薬品を添加する必要がない。このことにより、コストおよび薬品処理を節約することができる。第１パスの逆浸透排出水をＣＥＤＩ濃縮ストリームの一部として使用することのさらなる利点は、濃縮ストリームの導電率がさらに高くなることによりＣＥＤＩが低温において作動可能となることにある。濃縮ストリームの伝導率が高くなると、電気脱イオンセル全体の総電圧低下が装置の最大電圧限界内に収まる。別の利点として、ＣＥＤＩ装置の濃縮チャンバにおける伝導率の上昇により、電流が一般的に増大することが挙げられる。

以下の実施例において、本発明はさらに説明、明確化され、本発明の利用方法が示される。しかしながら、これらの実施例はいかなる方法においても本発明の範囲を制限または制約することを意図せず、本発明を実施するにあたって排他的に利用しなくてはならない条件、パラメータ、または値を提供するものとして解釈してはならない。

本実施例において用いられる上水道水の典型的な特徴は以下の通りである。

平均供給水ｐＨ ：７．５
平均供給水温度 ：摂氏２８度（華氏８２度）
平均全溶存固形物質（ＴＤＳ） ：２４０ｐｐｍ
平均供給水中シリカ ：１０ｐｐｍ
平均供給水中ホウ素 ：５０ｐｐｂ
平均全有機炭素（ＴＯＣ） ：３．０ｐｐｍ

水道水は、原水貯蔵槽によって受け入れれた後、浮遊固形分を減少させるためにマルチステージ垂直遠心ポンプによってマルチメディアフィルタを通って送出される。マルチメディアフィルタよりも前の段階で、浮遊固形分を凝固させるために凝固剤（ＰＡＣ）が加えられ、凝固剤と水との適切な混合を確実に行うためにインライン静的ミキサが配設されている。マルチメディアフィルタの性能を決定するために、濁度、汚れ指標（ＳＤＩ）１５分、およびゼータ電位を測定する。

濁度は、水サンプルにおける透明性欠如の測定により得られる。濁度計は、水サンプルにおける種々の粒子および浮遊物質により引き起こされる光散乱を測定する。通常、測定値は比濁計濁度単位（ＮＴＵ）で表される。濁度測定値が１．０を超える場合、膜ファウリング傾向がより強いことを示す。ＳＤＩ試験のように、濁度はファウリングの可能性を示すものに過ぎない。実際、光路において透明であり濁度試験において現れない汚染物質も存在する。これらは分析ツールとして完璧ではないが、濁度およびＳＤＩ測定値はＲＯ供給水の特徴を捉える上で有用である。

実験結果によると、ＰＡＣ添加量が２ｐｐｍの場合に流出水濁度が約０．１ＮＴＵとなる。ＧＬＩ社のＡｃｃｕ４^TM低量濁度システムを用いて、マルチメディアフィルタからの流出口における濁度のオンラインモニタリングを行った。このシステムには自動範囲設定目盛りが配設されており、０〜１００ＮＴＵの範囲で継続的モニタリングを行うことができる。ケメテック社（米国、ポートランド）のフィルタプラギング解析器モデルＦＰＡ−３３００を用いて、ＰＡＣ添加量を変動させながら、マルチメディアフィルタからの流出口におけるＳＤＩのオンラインモニタリングを行った。実験結果によると、ＰＡＣを２ｐｐｍ添加した場合に流出水ＳＤＩ（１５分）が約２．５となる。マルバーン社のゼータサイザ３０００ＨＳを用いて、マルチメディアフィルタへの流入口におけるゼータ電位のオフラインモニタリングを行った。ＰＡＣ添加量が約２ｐｐｍの場合にマルチメディアフィルタ流入口におけるゼータ電位は０に近づく。

有機物および残留塩素を除去するために、マルチメディアフィルタからの濾過水を活性炭フィルタに通した。遊離塩素および溶存酸素を除去するために、重亜硫酸ナトリウムを活性炭フィルタよりも前の段階で添加した。次いで、微小固形分を除去するために、活性炭フィルタからの処理水を１ミクロンカートリッジフィルタに送水した。重亜硫酸ナトリウムによって、塩素は完全に除去され、かつ溶存酸素レベルは約２．５〜３．０ｐｐｍに低減された。活性炭生成水中の全有機炭素（ＴＯＣ）レベルは、３．０ｐｐｍから１．８ｐｐｍ未満に低減された。

好適な実施形態における以下の機器操作は、電気脱イオン装置１２よりも前の段階で行われるイオン不純物の除去に関わる。

第１パスの逆浸透膜フィルタ６。膜フィルタは、ＣＰＡ２−４０４０膜エレメント（ハイドラノーティックス社製）の３：２配列によるものを含み、容器１つあたり４つのエレメントが備えられる。第１パスの逆浸透エレメントは、１平方フィートおよび１日あたり１２ガロン（ＧＦＤ）の平均流速、ならびに７０％の回収率で作動する。

第２パスの逆浸透膜フィルタ８。膜フィルタは、ＣＰＡ２−４０４０膜エレメント（ハイドラノーティックス社製）の２：１配列によるものを含み、容器１つあたり４つのエレメントが備えられる。第２パスの逆浸透エレメントは、１平方フィートおよび１日あたり１７ガロン（ＧＦＤ）の平均流速、ならびに８５％の回収率で作動する。その結果、全体としての回収率は約６６．５％となる。

第１パスの逆浸システムからの排出ストリームにおいてＬＳＩを確実に負にするために、２．０ｐｐｍの塩酸を第１パスの供給水に添加した。本実施例において得られた２重パス生成水の典型的特徴は以下の通りである。

平均生成水ｐＨ ：５．２
平均全溶存固形物質（ＴＤＳ） ：０．３ｐｐｍ
平均生成水中シリカ ：１０ｐｐｂ
平均生成水中ホウ素 ：８ｐｐｂ
平均全有機炭素（ＴＯＣ） ：５０ｐｐｂ

上記の好適な実施形態を用いて、電気脱イオン装置周辺の回収率を変動させながら、第１パスの逆浸透排出ストリームに対して様々な軟化器を使用する逆浸透／電気脱イオン化を組み合わせた装置について、一連の実験を行った。最大出力電圧６００ボルトの整流器を使用して、電気脱イオン装置を流れる直流電流を４．６アンペアに設定した。

我々の実験において、軟化器の種類、ならびにスケール防止剤の種類および濃度が電気脱イオン装置の性能に強い影響を与えることが分かった。パイロットテスト器の操作結果は、実施例１〜５を参照することによってよりよく理解されるであろう。

本研究においては、ホウ素、シリカ、ナトリウム、カリウム、カルシウム、およびマグネシウムの微量元素分析にフィニガン社のエレメント２を使用した。エレメント２は、多くの異なった基質における化合物（特に、微量元素）の分析が可能な高解像度誘導結合プラズマ質量スペクトロメトリである。本研究においては、脱イオン水中の陰イオン不純物を分析するために、ダイオネクス社のＤＸ５００イオン交換クロマトグラフィー（ＩＣ）を使用した。本研究においては、２重パス逆浸透システムの流入口および流出口においてＴＯＣレベルをオンラインモニタリングするために、シーバーズ（米国、ボルダ、イオニックインストルメントビジネスグループ）社の８００ＴＯＣアナライザを用いた。

表１に示す品質の上水道水を２重パス逆浸透装置で処理して、同表に示す品質の透過水を得た。透過水は、電気脱イオン水生成装置における精製室および濃縮室をそれぞれ通過する供給水および部分的な濃縮水として使用された。逆浸透装置からの第１パスの排出ストリームは、標準的な逆流軟化器または好ましくはナトリウム型の弱酸陽イオン樹脂、あるいは適切なキレート樹脂を通過し、硬度成分が除去される。第１パスの排出ストリームの品質も表１に示す。シリカの過飽和によるスケールを防止するために適切なスケール防止剤を添加した後、軟化した第１パスの排出ストリームを使用して、電気脱イオン水生成装置における適切な濃縮ストリーム伝導率が得られた。

本実施例において使用される電気脱イオン水生成装置の詳細を以下の表２に示す。

電気脱イオン装置に対する観察された供給水のパラメータを以下の表３に示す。

この場合に、第１パスの逆浸透排出ストリームに対する軟化器の使用に以下のような変動を加えて脱イオン処理を行った。本実施例を通して、濃縮室を流れる流量は４．５ｇｐｍの一定値に維持された。このように高い流量で濃縮ストリームを操作することによって、濃縮室におけるスケールの形成が防止される。さらに、軟化された第１パスの逆浸透排出ストリームから適切な濃縮水の流量が得られるため、濃縮水を再循環させなかった。なお、濃縮水中にもともと少量存在していた硬度成分は、濃縮水が循環および再利用されるのに従ってますます濃縮され、時間が経つにつれて、より急速に濃縮チャンバまたは電極チャンバに沈殿するようになり、スケールが形成される。濃縮ループにおいて貫流式操作を使用することによりこのようなスケールが防止される。本実施例においては、生成水流量を１２．５ｇｐｍの一定値に維持された。逆浸透装置から濃縮室を流れる軟化した第１パスの排出ストリームの流量を変動させて、電気脱イオン水生成装置周辺の回収率を変動させた。結果は、堆積物電圧および処理水の電気抵抗を計測し、操作を３０日間継続的に行った後に濃縮チャンバおよび電極チャンバのあらゆるスケール堆積物を観察することによって評価された。必要な印加電圧が装置の最大電圧を超えた場合に、スケールの存在は各部位の電流を低下させる。この場合、イオンの除去に十分な電流を印加することが不可能となり、処理水の品質が低下する。

最大出力電圧６００ボルトの整流器を使用して、電気脱イオン装置を流れる直流電流を４．６アンペアに設定した。

実施例１
標準的な逆流軟化器を使用して、第１パスの逆浸透排出ストリームから硬度成分を除去した。イオン交換樹脂は、スルホン酸タイプの陽イオン交換樹脂（商標:アンバージェット１２００Ｎａ、ローム アンド ハース社製）であった。本実施例においては、最大流量７．０ｇｐｍおよび循環時間８．０時間を実現するために、外径２５０ｍｍの逆流軟化器を使用した。樹脂量は５０リットルであった。容器を通過する空間速度は、流量７．０ｇｐｍで３２．４ＢＶ／ｈであった。樹脂１リットルあたり１５０グラムのレベルで、１０％の塩水を用いて再生を行った。この標準的な逆流軟化器により、約１．５ｐｐｍの硬度流出物を炭酸カルシウムとして得た。軟水の伝導率は１３００〜１６００マイクロジーメンス／ｃｍの範囲内であった。全体としての回収率６６．５％で逆浸透システムを作動させたので、軟水の伝導率は源となる供給水の約３倍となった。電気脱イオン装置における精製室の流入ストリームよりも５〜１０ｐｓｉｇ低い圧力で濃縮および電極供給ストリームが確実に導入されるように、標準的な逆流軟化器からの流出ストリームにおいて減圧バルブ（ＰＲＶ）タイプＶ８２（ジョージフィッシャー社製）を使用した。

静的ミキサを用いてプレトリートプラス^TM０１００スケール防止剤（キング・リーテクノロジーズ社製）を脱イオン化濃縮ストリームに注入してシリカの重合および析出を遅らせた。このスケール防止剤は、溶存イオン／酸化アルミニウム／シリカ複合体を凝集させない。これは、４．５ｐｐｍの添加量において有用であった。

電気脱イオン水生成装置周辺の回収率を９０％に設定した。実験の開始時点では、６００ボルトの最大印加電圧により２．９アンペアの電流が生じたが、電圧が４８０ボルトに低下し、実験の持続時間（７２０時間）を通してこのレベルに止まった一方、電流は４．６アンペアの設定値まで上昇した。実験の持続時間中、生成水は１７．１マイクロジーメンス／ｃｍよりも高い抵抗値に維持された。生成水中のシリカレベルは、１０ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。生成水中のホウ素レベルは、８ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。一定の電圧および一貫して高い生成水抵抗により、濃縮チャンバおよび電極チャンバ内に目立ったスケールがないことが分かる。

実施例２
脱イオン装置を回収率９５％で作動させたこと以外は上記の通りの標準的な逆流軟化器を使用して、比較実験を行った。標準的な逆流軟化器により、約１．５ｐｐｍの硬度流出物を炭酸カルシウムとして得た。軟水の伝導率は１３００〜１６００マイクロジーメンス／ｃｍの範囲内であった。全体としての回収率６６．５％で逆浸透システムを作動させたので、軟水の伝導率は源となる供給水の約３倍となった。電気脱イオン装置における精製室の流入ストリームよりも５〜１０ｐｓｉｇ低い圧力で濃縮および電極供給ストリームが導入されることを確実にするために、標準的な逆流軟化器からの流出ストリームにおいて減圧バルブ（ＰＲＶ）タイプＶ８２（ジョージフィッシャー社製）を使用した。任意の適切な減圧バルブを使用してもよい。本実施例においては、添加量４．５ｐｐｍのプレトリートプラス^TM０１００スケール防止剤（キング・リーテクノロジーズ社製）の注入が維持された。最初の数時間は、利用可能な直流６００Ｖで４．６アンペアの目標操作電流が通電され、その後、実験の持続時間（７２０時間）を通して電流は１．８アンペアにまで着々と低下した。生成水の抵抗は、初期値が１６．８マイクロジーメンス／ｃｍであったが、１６０時間の操作後９．０マイクロジーメンス／ｃｍに低下し、７２０時間の操作後１．２マイクロジーメンス／ｃｍ未満にさらに低下した。この結果から、陰イオン膜の濃縮チャンバ側にスケールが形成されたことが明らかである。スケールの堆積が観察され、流れの一部が妨害された。

実施例３
ナトリウム型の弱酸陽イオン樹脂を使用して、第１パスの逆浸透排出ストリームから硬度成分を除去した。アルカリ性が総硬度を超えるようにするために水酸化ナトリウムを供給ストリームに添加した。イオン交換樹脂は、炭酸タイプの陽イオン交換樹脂（商標:アンバーライトＩＲＣ８６、ローム アンド ハース社製）であった。本実施例においては、最大流量８．０ｇｐｍおよび循環時間２０．０時間を実現するために、外径３００ｍｍの弱酸陽イオン軟化器を使用した。樹脂量は７５リットルであった。容器を通過する空間速度は、流量８．０ｇｐｍで２４．０ＢＶ／ｈであった。樹脂１リットルあたり７８グラムのレベルで、５％の塩酸を用いて、１１０％の再生率に相当する再生を行った。続いて、水酸化ナトリウムによる調整を行い、再生した樹脂をナトリウム組成へと変換した。床の圧縮を避けるために、このナトリウム変換はアップフロー法により行われた。樹脂（水素組成で届けられる）は５０〜６０％膨張してナトリウム組成となるため、これに準じて容器のサイジングを行った。ナトリウム型の弱酸陽イオン交換器により、約０．５ｐｐｍの硬度流出物を炭酸カルシウムとして得た。軟水の伝導率は１３００〜１６００マイクロジーメンス／ｃｍの範囲内であった。全体としての回収率６６．５％で逆浸透システムを作動させたので、軟水の伝導率は源となる供給水の約３倍となった。電気脱イオン装置における精製室の流入ストリームよりも５〜１０ｐｓｉｇ低い圧力で濃縮および電極供給ストリームが導入されることを確実にするために、弱酸陽イオン交換器からの流出ストリームにおいて減圧バルブ（ＰＲＶ）タイプＶ８２（ジョージフィッシャー社製）を使用した。

本実施例においては、添加量４．５ｐｐｍのプレトリートプラス^TM０１００スケール防止剤（キング・リーテクノロジーズ社製）の注入が維持された。

電気脱イオン水生成装置周辺の回収率を９５％に設定した。実験の開始時点では、６００ボルトの最大印加電圧により３．１アンペアの電流が生じたが、電圧が４８０ボルトに低下し、実験の持続時間（７２０時間）を通してこのレベルに止まった一方、電流は４．６アンペアの設定値まで上昇した。実験の持続時間中、生成水は１７．０マイクロジーメンス／ｃｍよりも高い抵抗値に維持された。生成水中のシリカレベルは、１０ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。生成水中のホウ素レベルは、８ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。一定の電圧および一貫して高い生成水抵抗により、濃縮チャンバおよび電極チャンバ内に目立ったスケールがないことが分かる。

実施例４
適切なキレート樹脂を使用して、第１パスの逆浸透排出ストリームから硬度成分を除去した。イオン交換樹脂は、アミノホスホン官能基樹脂を用いたマクロレティキュラー型（商標:アンバーライトＩＲＣ７４７、ローム アンド ハース社製）であった。この基は、金属イオンで錯体を形成するという薬学的性質を有する。アンバーライトＩＲＣ７４７は水ストリームにおける硬度成分および他の金属を除去するのに効果的な樹脂である。イオン交換器は、空間速度１５ＢＶ／ｈで作動させた。ナトリウム型のマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を含むイオン交換器により、約２５ｐｐｂの硬度流出物を炭酸カルシウムとして得た。軟水の伝導率は１３００〜１６００マイクロジーメンス／ｃｍの範囲内であった。全体としての回収率６６．５％で逆浸透システムを作動させたので、軟水の伝導率は源となる供給水の約３倍となった。電気脱イオン装置における精製室の流入ストリームよりも５〜１０ｐｓｉｇ低い圧力で濃縮および電極供給ストリームが導入されることを確実にするために、マクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を含むイオン交換器からの流出ストリームにおいて減圧バルブ（ＰＲＶ）タイプＶ８２（ジョージフィッシャー社製）を使用した。

本実施例においては、添加量４．５ｐｐｍのプレトリートプラス^TM０１００スケール防止剤（キング・リーテクノロジーズ社製）の注入が維持された。

電気脱イオン水生成装置周辺の回収率を９８％に設定した。実験の開始時点では、６００ボルトの最大印加電圧により３．２アンペアの電流が生じたが、電圧が４５０ボルトに低下し、実験の持続時間（７２０時間）を通してこのレベルに止まった一方、電流は４．６アンペアの設定値まで上昇した。実験の持続時間中、生成水は１７．４マイクロジーメンス／ｃｍよりも高い抵抗値に維持された。生成水中のシリカレベルは、１０ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。生成水中のホウ素レベルは、８ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。一定の電圧および一貫して高い生成水抵抗により、濃縮チャンバおよび電極チャンバ内に目立ったスケールがないことが分かる。

実施例５
適切なキレート樹脂を使用して、第１パスの逆浸透排出ストリームから硬度成分を除去した。イオン交換樹脂は、ナトリウム型のマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能キレート樹脂（商標:アンバーライトＩＲＣ７４０、ローム アンド ハース社製）であった。この基は、金属イオンで錯体を形成するという薬学的性質を有する。アンバーライトＩＲＣ７４８は水ストリームにおける硬度成分および他の金属を除去するのに効果的な樹脂である。イオン交換器は、空間速度１５ＢＶ／ｈで作動させた。ナトリウム型のマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能キレート樹脂を含むイオン交換器により、約２５ｐｐｂの硬度流出物を炭酸カルシウムとして得た。軟水の伝導率は１３００〜１６００マイクロジーメンス／ｃｍの範囲内であった。全体としての回収率６６．５％で逆浸透システムを作動させたので、軟水の伝導率は源となる供給水の約３倍となった。電気脱イオン装置における精製室の流入ストリームよりも５〜１０ｐｓｉｇ低い圧力で濃縮および電極供給ストリームが導入されることを確実にするために、マクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能キレート樹脂を含むイオン交換器からの流出ストリームにおいて減圧バルブ（ＰＲＶ）タイプＶ８２（ジョージフィッシャー社製）を使用した。

本実施例においては、添加量４．５ｐｐｍのプレトリートプラス^TM０１００スケール防止剤（キング・リーテクノロジーズ社製）の注入が維持された。

電気脱イオン水生成装置周辺の回収率を９８％に設定した。実験の開始時点では、６００ボルトの最大印加電圧により３．１アンペアの電流が生じたが、電圧が４６０ボルトに低下し、実験の持続時間（７２０時間）を通してこのレベルに止まった一方、電流は４．６アンペアの設定値まで上昇した。実験の持続時間中、生成水は１７．３マイクロジーメンス／ｃｍよりも高い抵抗値に維持された。生成水中のシリカレベルは、１０ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。生成水中のホウ素レベルは、８ｐｐｂから１００ｐｐｔ未満に低下した。一定の電圧および一貫して高い生成水抵抗により、濃縮チャンバおよび電極チャンバ内に目立ったスケールがないことが分かる。

実施例４および５において説明したようなマクロレティキュラー樹脂の使用は、ゲルタイプ樹脂（例えば、実施例１〜３において使用したもの）よりも浸透圧ショックへの耐性が高くイオン交換の反応速度が向上されているという利点を有する。

以上、好適な形態を含めて本発明を説明した。当業者には明らかな変更および改良は、特許請求の範囲により定義される本発明の範囲に含まれる。

本発明に係る浄水方法の好適な実施形態の流れ図である。 基本的な連続式電気脱イオン装置の概略を示す。 逆浸透および連続式電気脱イオン化を組み合わせた装置の一実施形態の流れ図である。 逆浸透および連続式電気脱イオン化を組み合わせた装置の別の実施形態の流れ図である。

符号の説明

１ 原水貯蔵槽
２ インライン静的ミキサ
３ マルチメディアフィルタ
４ 活性炭フィルタ
５ 公称値１ミクロンカートリッジフィルタ
６ 第１パスの逆浸透膜フィルタ
７ 硬度除去用イオン交換器
８ 第２パスの逆浸透膜フィルタ
９ 透過水貯蔵槽
１０ １次ＵＶ ＴＯＣ（全有機炭素）低減器
１１ １次膜脱気器
１２ 連続式電気脱イオン装置（ＣＥＤＩ）
１３ １次混床脱イオン装置
１４ 脱イオン水貯蔵槽
１５ プレート型熱交換器
１６ ２次ＵＶ ＴＯＣ低減器
１７ 犠牲ポリシング混床脱イオン装置
１８ ２次膜脱気器
１９ ＵＶ消毒器
２０ 絶対値０．１ミクロンカートリッジフィルタ
２１ 限外濾過膜
２２ 復路のＵＶ消毒器
２３ 陽極室
２４ 陽極
２５ 陰極室
２６ 陰極
２７ 陽イオン交換膜
２８ 陰イオン交換膜
２９ 精製室
３０ 濃縮室
３１ 陰イオン交換体
３２ 陽イオン交換体
３３ 供給ストリーム
３４ 濃縮ループ
３５ 濃縮ブリードオフライン
３６ 配水管
３７ 補給ストリーム
３８ 補給ストリーム
３９ 濃縮ストリーム
４０ 電極ブリードオフストリーム
４１ 減圧バルブ（ＰＲＶ）
４２ インライン静的ミキサ
Ｐ１〜Ｐ６ ポンプ

Claims (12)

1. 少なくとも１つの逆浸透装置を通過するように供給水を導いて生成水および排出水を生成する工程と、
   前記生成水を逆浸透装置から連続式電気脱イオン装置の希釈ストリームへと導く工程と、
   第１パスの逆浸透装置からの排出水を、軟化器を通過するように導いて、第１パスの逆浸透装置からの排出水よりも少ない硬度成分を含む軟化器流出水を生成する工程と、
   前記軟化器流出水を前記連続式電気脱イオン装置の濃縮および電極ストリームへと導く工程とを含み、
   前記軟化器には、ナトリウム型でマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂またはナトリウム型でマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能基キレート樹脂が使用されており、かつ
   前記連続式電気脱イオン装置が前記希釈ストリームからの水をさらに浄化して浄化水を生成する浄水方法。
2. 前記第１パスの逆浸透排出水をマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を通過するように導く工程によって、炭酸カルシウムとしての硬度が２５ｐｐｂ未満の軟化器流出水を生成する請求項１に記載の浄水方法。
3. 前記第１パスの逆浸透排出水をマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を通過するように導く工程が、最適な作業効率のために、空間速度１５ＢＶ／ｈで実施される請求項１に記載の浄水方法。
4. 前記第１パスの逆浸透排出水をマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を通過するように導く工程において、該樹脂が水素型からナトリウム型へ変換される再生に際して、床の圧縮を避けるためにアップフロー技術が使用される請求項１に記載の浄水方法。
5. 前記第１パスの逆浸透排出水をマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を通過するように導く工程は、水素型からナトリウム型への４５％の膨張を可能にする大きさのイオン交換容器を備える請求項１に記載の浄水方法。
6. 前記第１パスの逆浸透排出水を、ナトリウム型でマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能基キレート樹脂を通過するように導く工程によって、炭酸カルシウムとしての硬度が２５ｐｐｂ未満の軟化器流出水を生成する請求項１に記載の浄水方法。
7. 前記第１パスの逆浸透排出水を、ナトリウム型でマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能基キレート樹脂を通過するように導く工程が、最適な作業効率のために、空間速度１５ＢＶ／ｈで実施される請求項１に記載の浄水方法。
8. 前記第１パスの逆浸透排出水を、ナトリウム型でマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能基キレート樹脂を通過するように導く工程において、該樹脂が水素型からナトリウム型へ変換される再生に際して、床の圧縮を避けるためにアップフロー技術が使用される請求項１に記載の浄水方法。
9. 前記第１パスの逆浸透排出水を、ナトリウム型でマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能基キレート樹脂を通過するように導く工程は、水素型からナトリウム型への４０％の膨張を可能にする大きさのイオン交換容器を備える請求項１に記載の浄水方法。
10. 前記軟化器の流出ストリームにおいて減圧バルブを使用することにより、前記連続式電気脱イオン装置の精製室の流入ストリームよりも３．４５×１０ ⁴ 〜６．８９×１０ ⁴ Ｐａ（５〜１０ｐｓｉｇ）低い圧力で前記濃縮および電極ストリームが導入される請求項１に記載の浄水方法。
11. 前記水軟化器が、ナトリウム型のマクロレティキュラー型のアミノホスホン官能基キレート樹脂を含むイオン交換器である場合、前記連続式電気脱イオン装置は９８％の回収率を得る請求項１に記載の浄水方法。
12. 前記水軟化器が、ナトリウム型のマクロレティキュラー型のイミノ二酢酸官能基キレート樹脂を含むイオン交換器である場合、前記連続式電気脱イオン装置は９８％の回収率を得る請求項１に記載の浄水方法。

Images