JP5212585B2 - 純水製造システム - Google Patents

Description

本発明は、逆浸透膜モジュールと電気脱イオン装置とを備えた純水製造システムに関し、特に電気脱イオン装置のスケール障害が抑制され、原水質が変動しても所定のレベルの純水を供給することのできる純水製造システムに関する。

近年、半導体製造工場や液晶製造工場等の電子産業分野や研究開発分野において、超純水を製造する手段として電気脱イオン装置が定着しつつある。この電気脱イオン装置では、電気脱イオン装置に供給される水のカルシウム濃度及び炭酸イオン濃度、さらにはシリカ濃度が制限されている。電気脱イオン装置に供給される水のカルシウム濃度及び炭酸濃度が高いと、電気脱イオン装置の陰極側の濃縮室にカルシウムスケールが発生してしまう。また、シリカ濃度が高い場合にもシリカスケールが発生して電気抵抗が増すので、電気脱イオン装置を運転する際の電圧が上昇し、処理水の水質の低下を招くことになる。

従来、活性炭塔、２段構成の逆浸透膜モジュール、脱炭酸塔、カチオン交換樹脂塔等により構成される前処理装置を設けて、カルシウム、炭酸イオン、シリカ等を除去することで対応していたが、上記構成の前処理装置は、非常に大掛かりなものであり、カルシウム、炭酸イオン、シリカ等は所定の水準値以下であれば問題はないにもかかわらず必要以上に除去することになる一方、システム構成が過剰であるため、設置スペースが限られる場合には適用できないという問題点があった。

そこで、図４に示すように、逆浸透膜を用いた超純水製造装置により対応している。この超純水製造装置は、原水槽Ｔ、前処理装置、純水製造システム及びサブシステムから構成されており、前処理装置は、活性炭塔２１及び膜式前処理装置２２からなるシンプルな構成となっており、純水製造システムは、複数の逆浸透膜モジュールからなるモジュール群Ｍ、すなわち第１の逆浸透膜モジュール２３、第１の逆浸透膜モジュール２３の濃縮水排出ライン２３Ａに直列的に接続された第２の逆浸透膜モジュール２４、及び第２の逆浸透膜モジュール２４の濃縮水排出ライン２４Ａに直列的に接続された第３の逆浸透膜モジュール２５からなるモジュール群Ｍを構成し、各逆浸透膜モジュール２３，２４，２５の透過水排出ライン２６に電気脱イオン装置２７を設けてなる。なお、２５Ａは第３の逆浸透膜モジュール２５の濃縮水排出ラインであり、２８は濃縮水槽である。そして、サブシステムは、デミナー（非再生型イオン交換樹脂塔）２９と紫外線処理装置３０とフィルタ装置（ＵＦ）３１とからなる。

上述したような超純水製造装置では、原水槽Ｔから供給された原水Ｗを、活性炭塔２１及び膜式前処理装置２２で前処理した後、３段の逆浸透膜モジュール２３，２４，２５によりカルシウム、炭酸イオン又はシリカを所定の給水条件値以下まで除去した透過水Ｗ１を電気脱イオン装置２７に導入する。この電気脱イオン装置２７でイオン性の不純物を十分に除去した後、デミナー２９、紫外線処理装置３０及びＵＦ３１を経由してユースポイントに超純水として供給するものである。このようにすることで、前処理装置の構成をシンプルにして、コンパクトな超純水製造装置とすることができる。

しかしながら、上記超純水製造装置では、定常運転時には、問題なく電気脱イオン装置２７を運転できるが、電気脱イオン装置２７への給水が基準値を超えるのは通常運転時ではなく、予測を大きく超えるカルシウム濃度、シリカ濃度及び炭酸イオン濃度の原水Ｗが供給される場合や、逆浸透膜モジュール２３，２４又は２５が経時的に劣化した場合等の非定常運転時である。上記超純水製造装置では、このような場合に十分に対応できないため、非定常運転が長期間継続した場合には、電気脱イオン装置２７の濃縮室にスケールを生じるおそれがあるという問題点があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、最小限の前処理装置の構成を維持したまま非定常運転時においても電気脱イオン装置のスケール障害を生じることなく、所定のレベルの純水を電気脱イオン装置に供給することができる純水製造システムを提供することを目的とする。

本発明の純水製造システムは、複数の逆浸透膜モジュールを直列的に設けてモジュール群を構成し、該モジュール群からの透過水排出ラインに電気脱イオン装置を設けた純水製造システムであって、前記モジュール群を構成する複数の逆浸透膜モジュールのうちのいずれか１の逆浸透膜モジュールの濃縮水排出ラインに予備的逆浸透膜モジュールを設け、該予備的逆浸透膜モジュールの透過水排出ラインを原水側に接続したことを特徴とする（発明１）。

上記発明（発明１）によれば、このような構成を採用することにより、モジュール群からの電気脱イオン装置への給水のカルシウム、炭酸イオン、シリカ等の濃度が設定値（基準値）以上の場合に、予備的逆浸透膜モジュールの透過水を原水側に流すことで、原水におけるこれらの濃度を低減させてモジュール群での処理水の水質を改善し、この結果電気脱イオン装置への給水の水質を改善することができる。

上記発明（発明１）においては、前記モジュール群からの透過水排出ラインに水質測定器を設けるとともに、前記予備的逆浸透膜モジュールを設けた濃縮水排出ラインに前記予備的逆浸透膜モジュールへの開閉弁を設け、前記水質測定器の計測値が設定値を超えていたら予備的逆浸透膜モジュールへの開閉弁を開成して通水することが好ましい（発明２）。

上記発明（発明２）によれば、カルシウム、炭酸イオン、シリカ等の濃度が設定値（基準値）を超えたときのみ予備的逆浸透膜モジュールへの開閉弁を開成して通水して予備的逆浸透膜モジュールの透過水を原水側に流すことで、モジュール群での処理水の水質を改善し、この結果電気脱イオン装置への給水の水質を改善することができる。さらに、水質測定器の測定結果に基づき迅速に予備的逆浸透膜モジュールに通水することができるので、電気脱イオン装置を安全に運転することができる。

上記発明（発明２）においては、前記水質測定器の計測値が設定値以下であれば前記予備的逆浸透膜モジュールへの開閉弁を閉鎖するように制御するのが好ましい（発明３）。

上記発明（発明３）によれば、定常運転条件時には、予備的逆浸透膜モジュールに水を流さないので、必要以上にカルシウム、炭酸イオン、シリカ等の濃度を低減させず、予備的逆浸透膜モジュールの経時劣化が防止される。

上記発明（発明３）においては、前記予備的逆浸透膜モジュールを設けた濃縮水排出ラインが、前記開閉弁側のラインとバイパスラインとに分岐していることが好ましい（発明４）。

上記発明（発明４）によれば、水質測定器の水質計測値が設定値を超えていれば、予備的逆浸透膜モジュールに通水する一方、設定値以下では、予備的逆浸透膜モジュールに水を流さずに、バイパスラインを通過させることで通常運転時と同様の水の流れとすることができる。

上記発明（発明１）においては、前記モジュール群からの透過水排出ラインに水質測定器を設け、前記水質測定器の計測値が設定値以下であれば前記予備的逆浸透膜モジュールに逆浸透膜を入れずに運転することが好ましい（発明５）。

上記発明（発明５）によれば、カルシウム、炭酸イオン、シリカ等の濃度が設定値（基準値）を超えている場合には、予備的逆浸透膜モジュールへ逆浸透膜を入れて通水し、予備的逆浸透膜モジュールの透過水を原水側に流すことでモジュール群での処理水の水質を改善し、この結果電気脱イオン装置への給水の水質を改善することができる一方、設定値（基準値）以下の場合には、予備的逆浸透膜モジュールへ逆浸透膜を入れずに通水し、予備的逆浸透膜モジュールの透過水を原水側に流して運転することで、過剰な水質の改善をせずに処理することができる。

本発明によれば、非定常運転時にモジュール群からの電気脱イオン装置への給水の水質が設定値（基準値）を超えたら、予備的逆浸透膜モジュールに通水して純度の高い水を原水側に合流させて原水の水質を改善することで、最小限の前処理装置の構成を維持したまま非定常運転時においても電気脱イオン装置のスケール障害を生じることなく、所定のレベルの純水を電気脱イオン装置に供給することのできる純水製造システムを提供することができる。

以下に本発明の純水製造システムの一実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る純水製造システムを有する超純水製造装置のフロー図を示す。

図１に示すように、超純水製造装置は、原水槽Ｔと前処理装置と純水製造システムとサブシステムとから構成されている。前処理装置は、活性炭塔１及び膜式前処理装置２のみにより構成されている。

純水製造システムは、この膜式前処理装置２の処理水を続けて処理するものであり、第１の逆浸透膜モジュール３の濃縮水排出ライン３Ａを第２の逆浸透膜モジュール４に接続し、第２の逆浸透膜モジュール４の濃縮水排出ライン４Ａを第３の逆浸透膜モジュール５に接続することで３個の逆浸透膜モジュールを直列的に接続したモジュール群Ｍと、このモジュール群Ｍを構成する各逆浸透膜モジュール３，４，５の透過水排出ライン６上に設けた電気脱イオン装置７とを備え、透過水排出ライン６上の電気脱イオン装置７の上流には、水質測定器としての水質センサ８が設けられている。

５Ａは第３の逆浸透膜モジュール５の濃縮水排出ラインであり、この濃縮水排出ライン５Ａは、第１の開閉弁１０を備えたメインライン９と第２の開閉弁１２を備えたバイパスライン１１とに分岐している。

メインライン９には予備的逆浸透膜モジュール１３が設けられていて、この予備的逆浸透膜モジュール１３の透過水排出ライン１３Ａは原水槽Ｔに接続されている。一方、濃縮水排出ライン１３Ｂはバイパスライン１１に合流して濃縮水槽１４に接続されている。

そして、水質センサ８、第１の開閉弁１０及び第２の開閉弁１２は、パーソナルコンピュータ等の制御機構（図示せず）に接続されており、制御機構は、水質センサ８の水質データに基づいて第１の開閉弁１０及び第２の開閉弁１２を開閉制御することができる。

さらに、サブシステムは、電気脱イオン装置７の脱塩水が導入されるデミナー（非再生型イオン交換樹脂塔）１５と紫外線処理装置１６とフィルタ装置（ＵＦ）１７とからなる。

上記のような構成を有する超純水製造装置について、その作用を説明する。
まず、原水槽Ｔから供給される原水Ｗに対し、前処理として活性炭塔１で有機物を除去した後、膜式前処理装置２で濁質成分を除去する。続いて、この前処理後の被処理水を純水製造システムに導入する。

純水製造システムでは、第１の逆浸透膜モジュール３、第２の逆浸透膜モジュール４、第３の逆浸透膜モジュール５にて連続的に処理を行い、被処理水中からカルシウム、炭酸イオン、シリカ等を除去する。そして、それぞれの逆浸透膜モジュール３，４，５の透過水（モジュール群Ｍの透過水）Ｗ１は、透過水排出ライン６に合流して電気脱イオン装置７に供給される。

このとき、透過水排出ライン６上の電気脱イオン装置７の上流に設けた水質センサ８で透過水Ｗ１の水質、例えば、カルシウム、炭酸イオン又はシリカの濃度を監視する。具体的には、カルシウム濃度０．６０ｐｐｍ ａｓ ＣａＣＯ_３、炭酸イオン濃度１．０ｐｐｍ ａｓ ＣＯ_２及びシリカ濃度０．７５ｐｐｍ ａｓ ＳｉＯ_２を基準値（設定値）として、これを超えているか否かを監視する。

そして、以下に詳述する通り、図示しない制御機構が水質センサ８の出力に応じて制御を行うことにより処理が行われる。すなわち、水質センサ８の出力において、非定常運転時等、逆浸透膜モジュール３，４，５の透過水Ｗ１の水質が基準値を超えている場合、制御機構は、第１の開閉弁１０を開成するとともに第２の開閉弁１２を閉鎖するように制御する。これにより、第３の逆浸透膜モジュール５の濃縮水は、濃縮水排出ライン５Ａからメインライン９を経て予備的逆浸透膜モジュール１３に導入される。

この予備的逆浸透膜モジュール１３の透過水Ｗ２は、透過水排出ライン１３Ａを通って原水槽Ｔに導入される。この透過水Ｗ２は、原水Ｗよりもカルシウム、炭酸イオン又はシリカ濃度が低いので、原水槽Ｔ中の原水Ｗの水質が改善されることになる。この結果、前処理装置、さらには各逆浸透膜モジュール３，４，５を透過する被処理水の水質が改善され、これが連続的に行われることによりモジュール群Ｍの透過水Ｗ１のカルシウム濃度、炭酸イオン濃度又はシリカ濃度が基準値以下になり、非定常運転時においても電気脱イオン装置７のスケール障害を生じることなく、所定のレベルの純水を電気脱イオン装置７に供給することができる。また、予備的逆浸透膜モジュール１３の濃縮水Ｗ３は、濃縮水排出ライン１３Ｂからバイパスライン１１を経て濃縮水槽１４に貯留される。

一方、水質センサ８の出力において、定常運転時等、逆浸透膜モジュール３，４，５の透過水Ｗ１の水質が基準値以下の場合には、制御機構は第１の開閉弁１０を閉鎖するとともに第２の開閉弁１２を開成するように制御する。これにより、透過水Ｗ１は透過水排出ライン６から、そのまま電気脱イオン装置７に導入される。また、第３の逆浸透膜モジュール５の濃縮水は、濃縮水排出ライン５Ａからバイパスライン１１を経て濃縮水槽１４に貯留される。

このようにモジュール群Ｍの透過水Ｗ１の水質に応じて、予備的逆浸透膜モジュール１３に通水するか否かを制御することにより、非定常運転時における原水Ｗ自体の水質を改善し、電気脱イオン装置７への給水条件を基準値以下にすることができる。

そして、電気脱イオン装置７に供給された透過水Ｗ１は、電気脱イオン装置７でイオン性の不純物を十分に除去した後、デミナー１５、紫外線処理装置１６及びＵＦ１７を経由してユースポイントに超純水として供給される。

以上、本実施形態に係る純水製造システムについて図面に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、種々の変更実施が可能である。

例えば、図１に示す装置において、第３の逆浸透膜モジュール５の濃縮水排出ライン５Ａをメインライン９とバイパスライン１１に分岐させないとともに第１の開閉弁１０も設けずに、モジュール群Ｍの透過水Ｗ１の水質に応じて、水質センサ８の計測値が基準値以下であれば、予備的逆浸透膜モジュール１３に逆浸透膜（図示せず）を入れずに運転し、水質センサ８の計測値が基準値を超える場合にのみ予備的逆浸透膜モジュール１３に逆浸透膜（図示せず）を入れて運転をするように制御することで、同様に非定常運転時における原水Ｗ自体の水質を改善し、電気脱イオン装置７への給水条件を基準値以下にすることができる。

また、上記実施形態においては、モジュール群Ｍを第１の逆浸透膜モジュール３、第２の逆浸透膜モジュール４及び第３の逆浸透膜モジュール５の３段構成としたが２段構成以上であればよく、また、予備的逆浸透膜モジュール１３は第３の逆浸透膜モジュール５の濃縮水排出ライン５Ａ上に設けたが、第１の逆浸透膜モジュール３や第２の逆浸透膜モジュール４の濃縮水排出ライン３Ａ，４Ａのいずれかに設けてもよい。

さらに、本発明は純水製造システムにその特徴を有するものであり、上記実施形態において前処理装置及びサブシステムの構成については特に制限はなく、場合によっては設けなくてもよい。

〔実施例１〕
図１に示す純水製造装置において、前処理装置及びサブシステムを設けず、図２に示すように、原水槽Ｔ及び純水製造システムのみで装置を構成した。この装置において、モジュール群Ｍ（第１の逆浸透膜モジュール３、第２の逆浸透膜モジュール４、及び第３の逆浸透膜モジュール５）及び予備的逆浸透膜モジュール１３に８インチのＲＯ膜（商品名：ＥＳ−２０，日東電工社製）を１本ずつ入れて、電気脱イオン装置７（ＣＤＩ）として栗田工業社製の「ピュアコンティ」を用い、予備的逆浸透膜モジュール１３の透過水Ｗ２を原水槽Ｔに戻しながらシリカ濃度３２ｐｐｍの原水Ｗを連続的に処理した。

処理条件は、モジュール群Ｍの回収率は７５％、逆浸透膜のシリカ除去率は９８．５％（初期値であり、長期使用で劣化）、逆浸透膜モジュール３，４及び５の処理水流量２．４ｍ^３／ｈ、予備的逆浸透膜モジュール１３の処理水流量０．８ｍ^３／ｈ、原水Ｗの流量４．３ｍ^３／ｈ、原水希釈率０．８１倍であった。

この装置を用いて、原水Ｗを１００時間処理した後の電気脱イオン装置７の電圧変化、電気脱イオン装置７の処理水のシリカ濃度及び処理水の比抵抗値を測定した。測定結果を、逆浸透膜モジュール３，４，５の透過水Ｗ１のシリカ濃度とともに表１に示す。

〔比較例１〕
実施例１において予備的逆浸透膜モジュール１３及びこれに接続する構成を設けない以外は同様にして図３に示すような装置を構成し、原水Ｗを処理した。

この装置を用いて、原水Ｗを１００時間処理した後の電気脱イオン装置７の電圧変化、電気脱イオン装置７の処理水のシリカ濃度及び処理水の比抵抗値を測定した。結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１の装置では、電気脱イオン装置７の電圧の変化がなく、処理水のシリカ濃度も低く、比抵抗値も大きく処理水の純度も高かった。これは、透過水Ｗ１のシリカ濃度が低いためであると考えられる。

本発明の一実施形態による純水製造システムを含む超純水製造装置を示すフロー図である。 実施例１の純水製造システムを示すフロー図である。 比較例１の純水製造システムを示すフロー図である。 従来の純水製造システムを含む超純水製造装置を示すフロー図である。

符号の説明

Ｗ…原水槽（原水側）
３…第１の逆浸透膜モジュール
４…第２の逆浸透膜モジュール
５…第３の逆浸透膜モジュール
Ｍ…モジュール群
６…透過水排出ライン
７…電気脱イオン装置
８…水質センサ（水質測定器）
９…メインライン
１０…第１の開閉弁
１１…サブメインライン
１２…第２の開閉弁
１３…予備的逆浸透膜モジュール
１３Ａ…透過水排出ライン

Claims (1)

1. 複数の逆浸透膜モジュールを、前段の逆浸透膜モジュールの濃縮水を次段の逆浸透膜モジュールに供給するように直列的に設けてモジュール群を構成し、該モジュール群からの透過水排出ラインに電気脱イオン装置を設け、該モジュール群の最後段の逆浸透膜モジュールからの濃縮水を濃縮水槽へと排出する純水製造システムであって、
   前記モジュール群を構成する複数の逆浸透膜モジュールのうちのいずれか１の逆浸透膜モジュールの濃縮水排出ライン上に予備的逆浸透膜モジュールを設け、該予備的逆浸透膜モジュールの濃縮水排出ラインを次段の逆浸透膜モジュール又は前記濃縮水槽に接続するとともに、該予備的逆浸透膜モジュールの透過水排出ラインを原水側に接続し、
   前記モジュール群からの透過水排出ラインに水質測定器を設けるとともに、前記予備的逆浸透膜モジュールを設けた濃縮水排出ラインに前記予備的逆浸透膜モジュールへの第１の開閉弁を設け、
   前記予備的逆浸透膜モジュールを設けた濃縮水排出ラインが、前記第１の開閉弁側のラインと、前記第１の開閉弁よりも原水側及び前記予備的逆浸透膜モジュールよりも濃縮水側を接続し、もって前記予備的逆浸透膜モジュールをバイパスするバイパスラインとに分岐しており、前記バイパスラインには第２の開閉弁が設けられており、
   前記水質測定器の計測値が設定値を超えていたら前記第１の開閉弁を開成するとともに前記第２の開閉弁を閉鎖して前記予備的逆浸透膜モジュールに通水し、前記計測値が設定値以下であれば、前記第１の開閉弁を閉鎖するとともに前記第２の開閉弁を開成するように制御することを特徴とする純水製造システム。

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