非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期予測方法及び保守方法
【課題】予測精度の高い非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期予測方法と、この方法に基づくイオン交換樹脂装置の保守方法を提供することを目的とする。
【解決手段】カラム内にイオン交換を充填した非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測する方法において、該カラムよりも小型のカラム内に該イオン交換樹脂と同じイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂを該非再生型イオン交換樹脂装置２と並列に設置し、被処理水を該小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂに通水し、該小型樹脂カラムの処理水データに基づいて該非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測する。
【解決手段】カラム内にイオン交換を充填した非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測する方法において、該カラムよりも小型のカラム内に該イオン交換樹脂と同じイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂを該非再生型イオン交換樹脂装置２と並列に設置し、被処理水を該小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂに通水し、該小型樹脂カラムの処理水データに基づいて該非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する方法と、この方法で予測された破過時期前に該非再生型イオン交換樹脂装置又はそのイオン交換樹脂を交換する保守方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度の純水、超純水が要求される液晶・半導体等の電子産業分野では、一次純水製造装置の末尾や二次純水製造装置において、極微量のイオンを除去するために非再生型イオン交換樹脂装置が設置されることが多い。非再生型イオン交換樹脂装置としては、混床式イオン交換樹脂装置が多く用いられるが、単床式や複床式のイオン交換樹脂装置も使用される。
【０００３】
非再生型イオン交換樹脂装置は、ユースポイントの前段に設置されるため、非再生型イオン交換樹脂装置から万一イオンリークが発生すると生産設備の操業が停止される恐れがある。そのため、従来は非再生型イオン交換樹脂装置の交換を早目に行っており、非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換能を最大限に利用することが難しかった。
【０００４】
特許文献１には、二次純水製造装置におけるイオン交換装置の前段で一次純水中のＴＯＣが紫外線酸化装置において炭酸に分解されることから、非再生型イオン交換装置のイオン負荷の大部分が炭酸であるとみなし、イオン交換装置の炭酸負荷量を連続的に監視し、予め設定しておいたイオン交換装置の炭酸交換容量とこの炭酸負荷量とからイオン交換装置の交換時期を予測する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１０１７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１においては、対象とするイオン交換装置の炭酸交換容量を予め定めるものとしている。しかしながら、炭酸交換容量は樹脂の種類や給水条件によって異なるという問題がある。非再生型イオン交換樹脂装置は、イオン負荷が極めて低い領域で使用されるため、予め実機の非再生型イオン交換樹脂装置と同等の条件で炭酸交換容量を求める試験を行うことは難しく、実機と異なる条件下での試験により求めた炭酸交換容量の値をそのまま適用すると実機との誤差が生じる恐れがあった。そうした場合、通常数年単位での樹脂交換頻度となる非再生型イオン交換装置において、イオン交換能を最大限に利用しうる樹脂交換時期の予測誤差が大きくなる。
【０００７】
本発明は、予測精度の高い非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期予測方法と、この方法に基づくイオン交換樹脂装置の保守方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、カラム内にイオン交換を充填した非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する方法において、該カラムよりも小型の小型カラム内に該イオン交換樹脂と同じイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラムを該非再生型イオン交換樹脂装置と並列に設置し、該非再生型イオン交換樹脂装置に通水される被処理水と同一の被処理水を該小型樹脂カラムに通水し、該小型樹脂カラムの処理水データに基づいて該非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１において、前記小型樹脂カラムのイオン交換樹脂層高は、前記非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換樹脂層高の１／２０〜１／２であることを特徴するものである。
【００１０】
請求項３の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１又は２において、前記非再生型イオン交換樹脂装置の通水ＳＶの２〜２００倍の通水ＳＶで小型樹脂カラムに通水することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記処理水データは、前記小型樹脂カラムの処理水の比抵抗値、導電率、イオンクロマトグラフィー分析結果又はＩＣＰ分析結果であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１ないし４のいずれか１項において、小型樹脂カラムからの流出水中のイオン濃度の経時変化を表わす式を小型樹脂カラムの仕様及びパラメータを用いて表わしておき、このパラメータを小型樹脂カラムからの流出水のイオン濃度の経時変化の実測値に基づいて決定し、このパラメータと、非再生型イオン交換樹脂装置の仕様とに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置からの流出水中のイオン濃度の経時変化を演算し、この演算値が基準値を超える時間を予測破過時間とすることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１ないし５のいずれか１項において、前記小型樹脂カラムは、塔径、樹脂層高、及び通水ＳＶのうち１以上を異ならせた複数本が並列に設置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７の非再生型イオン交換樹脂装置の保守方法は、請求項１ないし６のいずれか１項の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法によって予測された破過時期の経過前に、前記非再生型イオン交換樹脂装置内のイオン交換樹脂又は前記非再生型イオン交換樹脂装置を交換することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、非再生型イオン交換樹脂装置と並列に、該非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換樹脂と同一のイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラムを設置する。そして、該非再生型イオン交換樹脂装置に通水される被処理水と同一の被処理水を小型樹脂カラムに通水し、この小型樹脂カラムの処理水データを取得し、この処理水データに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する。
【００１６】
小型樹脂カラムへの通水条件を非再生型イオン交換樹脂装置よりも破過が早く発生する条件とすることにより、非再生型イオン交換樹脂装置の破過に先行して小型樹脂カラムに破過が発生する。小型樹脂カラムの処理水データに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する。
【００１７】
具体的には、イオン交換カラムにおけるこのイオン交換樹脂と被処理水との吸着特性を表わすモデルを小型樹脂カラムの処理水データに基づいて設定し、このモデルを該非再生型イオン交換樹脂装置に適用する。これにより、この非再生型イオン交換樹脂装置に上記被処理水を通水した場合の破過時期を予測することができる。
【００１８】
小型樹脂カラムとして、破過時期が異なるように構成された複数個のものに該被処理水を通水し、各小型樹脂カラムの処理水データからそれぞれモデルを設定し、各モデルから非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測してもよい。このようにすれば、複数の予測データが得られるので予測破過時期の信頼性が向上する。
【００１９】
非再生型イオン交換樹脂装置について予測された破過時期が到来する前に、非再生型イオン交換樹脂装置の交換又は非再生型イオン交換樹脂装置内のイオン交換樹脂の交換を行う。破過時期の予測精度が高いので、破過を生じさせることなく、非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換容量を最大限に利用することができる。
【００２０】
なお、特許文献１では、炭酸が破過の律速となる場合にのみイオン交換装置の破過予測が可能であるが、本発明では炭酸以外のイオン（ナトリウム、ホウ素、シリカ等）が律速であっても破過予測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】非再生型イオン交換樹脂装置の通水系統図である。
【図２】小型樹脂カラムにおけるイオン交換モデルを説明する模式図である。
【図３】シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図４】破過曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。図１は実施の形態に係る非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法を示すフロー図である。被処理水は、水質計１を通って非再生型イオン交換樹脂装置２に通水され、処理水として流出する。非再生型イオン交換樹脂装置２は、カラムと、該カラムに充填されたイオン交換樹脂とを有する。
【００２３】
水質計１を通った被処理水の一部は、小型樹脂カラム３Ａ、流量計４Ａ、流量調節バルブ５Ａ、水質計６Ａの第１予測系統と、小型樹脂カラム３Ｂ、流量計４Ｂ、流量調節バルブ５Ｂ、水質計６Ｂの第２予測系統とにそれぞれ通水される。なお、この系統数は１又は３以上であってもよい。
【００２４】
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂは、非再生型イオン交換樹脂装置２のカラムよりも小さいカラム内に非再生型イオン交換樹脂装置２のイオン交換樹脂と同一のイオン交換樹脂を充填したものである。なお、小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂは、塔径、樹脂層高、及び通水ＳＶのうち１以上を異ならせてある。
【００２５】
この非再生型イオン交換樹脂装置２と小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂとに同一の被処理水を通水し、小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの処理水（流出水）中の対象イオンの濃度を水質計６Ａ，６Ｂで検出する。そして、被処理水の水質と小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの流出水の水質の経時変化とから、この被処理水とイオン交換樹脂カラムとの破過特性を表わすモデル（破過予測シミュレーションモデル）を決定し、このモデルを非再生型イオン交換樹脂装置２に適用して非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測する。
【００２６】
非再生型イオン交換樹脂装置２及び小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの好適な構成と、破過時期の計算方法及びシミュレーションモデルについて次に説明する。
【００２７】
＜非再生型イオン交換樹脂装置＞
非再生型イオン交換樹脂装置２は、一次純水製造装置の最終部や二次純水製造装置に設置され、その被処理水の水質は通常、炭酸イオン３０μｇ／Ｌ ａｓ Ｃ以下、塩化物イオン１μｇ／Ｌ以下、ナトリウムイオン１μｇ／Ｌ以下、アンモニウムイオン０．１μｇ／Ｌ以下、ホウ素１０μｇ／Ｌ ａｓ Ｂ以下、シリカ５０μｇ／Ｌ ａｓ ＳｉＯ２以下のレベルである。
【００２８】
非再生型イオン交換樹脂装置としては、Ｈ型の強カチオン交換樹脂とＯＨ型の強アニオン交換樹脂を混合した混床式イオン交換樹脂装置が多く用いられる。混床式イオン交換樹脂装置のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合割合は、被処理水質によっても異なるが、カチオン交換樹脂／アニオン交換樹脂＝０．２〜１．０であることが好ましい。通常の場合、本発明が対象とする混床式イオン交換樹脂装置の樹脂層高は０．３〜２ｍ程度、塔径は０．３〜２ｍ程度、樹脂量は０．０２〜６ｍ３程度である。非再生型イオン交換樹脂装置の通水ＳＶは３０〜１５０程度である。
【００２９】
＜小型樹脂カラム＞
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂは円筒形のものが好ましい。カラムの両端は、イオン交換樹脂が漏れないように樹脂の粒子径よりも小さい径のメッシュを設けたものを用いるのが好ましい。
【００３０】
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの樹脂層高は、低すぎると実機の非再生型イオン交換樹脂装置との構造差が大きくなりすぎるとともに、短期間の通水により破過が起こるため、非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測精度が悪くなる。また、樹脂層高が高すぎると破過までの時間が長くなりすぎて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測に時間を要することとなる。従って、できるだけ短時間で精度良く破過時期を予測するためには、小型樹脂カラムの樹脂層高を、実機の非再生型イオン交換樹脂装置の樹脂層高の１／２０〜１／２とするのが好ましく、１／１５〜１／３とするのがより好ましく、１／１０〜１／５とするのがさらに好ましい。
【００３１】
小型樹脂カラムの塔径（内径）は、小さすぎるとカラム内壁を沿う水の流れの影響が大きくなり、大きすぎると破過までの時間が長くなりすぎて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測に時間を要することとなる。その点で、小型樹脂カラムの塔径は、２０〜１００ｍｍとするのが好ましく、２５〜９０ｍｍとするのがより好ましく、３０〜６０ｍｍとするのがさらに好ましい。
【００３２】
小型樹脂カラムの通水ＳＶは実機の非再生型イオン交換樹脂装置の２〜２００倍とするのが好ましく、５〜１００倍とするのがより好ましく、１０〜５０倍とするのがさらに好ましい。具体的には、９００〜９０００［１／ｈ］とするのが好ましい。ＳＶが小さすぎると破過までの時間が長くなりすぎて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測に時間を要することとなる。また、大きすぎると短期間の通水により破過が起こるため、破過時期の予測精度が悪くなる。なお、本明細書において、ＳＶは［通水量］／［充填樹脂容量］である。
【００３３】
このように小型樹脂カラムに高ＳＶで通水を行うため、小型樹脂カラムの処理水を回収し、当該非再生型イオン交換樹脂装置の前段の一次純水系又は二次純水系に返送するのが好ましい。
【００３４】
本発明における小型樹脂カラムは、１本でも非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測は可能であるが、複数本設けることにより、より予測精度を向上させることができる。
【００３５】
＜処理水データ＞
処理水データとしては、予め破過の律速となるイオン（対象イオン）を求めておき、処理水中のこのイオンの濃度を処理水データとするのが好ましい。
【００３６】
具体的には、被処理水中の各種イオン濃度をイオンクロマトグラフィーやＩＣＰなどの分析手法により分析することにより、どのイオンが破過の律速になるのかを事前に把握しておくのが好ましい。即ち、炭酸、ナトリウム、アンモニア、ホウ素、シリカ等のうちから最も早く破過するイオンを対象イオンとする。通常の場合、ＨＣＯ３−が対象イオンとなることが多い。
【００３７】
なお、処理水データ取得用の小型樹脂カラムとは別に樹脂分析用の樹脂カラムを設け、当該樹脂カラムに所定の通水量だけ通水した後、当該樹脂カラムの塩型分析（Ｈ型カチオン樹脂やＯＨ型アニオン樹脂がどのような塩型になっているのかの定量分析）を行うことにより破過の律速となる対象イオンを決定してもよい。被処理水のイオン濃度の変動が大きい場合には、被処理水のサンプリング数が多く必要となるために手間と経費がかさんだり、少数の各サンプリングにより水質の平均値をとると誤差が大きくなったりする虞がある。そのような場合には、樹脂分析用の樹脂カラムにより被処理水中のイオン種及びそれらの平均濃度を容易に測定することができる。
【００３８】
炭酸濃度が高く、炭酸が律速となると判断される場合には、処理水の電気伝導率又は比抵抗率を測定し、それを特許文献１の段落００１７〜００３０に記載の原理で炭酸濃度に換算することができる。その他のイオンが律速になると判断される場合には、市販のイオンクロマトグラフィー装置やＩＣＰ、ホウ素分析計、シリカ分析計を利用することができる。
【００３９】
本発明では、比抵抗率計やオンラインイオンクロマトグラフィーを処理水ラインに設置して対象イオン濃度を直接測定してもよい。また、処理水のサンプリングを複数回行い、対象イオンの濃度を測定してもよい。
【００４０】
＜破過時期の予測＞
本発明においては、小型樹脂カラムの破過までの時間と、小型樹脂カラムの仕様（樹脂層高、ＳＶ等）から非再生型イオン交換樹脂装置の破過までの時間を求める式を定式化することによって、実機の非再生型イオン交換樹脂装置の仕様における破過時期の予測を行ってもよい。例えば、複数の小型樹脂カラムの破過までの時間とＳＶの関係から、下記のような式を定式化することにより、非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測が可能である。
【００４１】
【数１】
【００４２】
ただし、樹脂層の仕様や通水条件によってイオン交換帯の形状が異なるため、上記式の補正係数Ａの精度が正確に求められない場合もある。本発明では、後述の破過予測シミュレータを用いることにより、理論的にイオン交換樹脂充填層内における対象イオンのイオン交換樹脂内濃度ｑや液中濃度Ｃを取得し、上記式のような予測式を用いるよりも正確に破過時期を予測することができる。
【００４３】
＜破過予測シミュレーション＞
破過予測シミュレータとしては、式（１）の物質収支式及び式（２）の吸着速度式を連立させることにより、イオン交換樹脂充填層内における対象イオンのイオン交換樹脂内濃度ｑ及び液中濃度Ｃの経時変化を算定するモデルを用いることができる（参考：化学工学便覧（改訂第六版）丸善株式会社Ｐ．７０２〜７０３）。
【００４４】
【数２】
ε：充填されたイオン交換樹脂の空隙率［−］
Ｃ：液中濃度［ｍｏｌ／Ｌ］
ｔ：時間［ｈ］
ｕ：通水ＬＶ［ｍ／ｈ］
ｚ：充填層入口からの距離［ｍ］
γ：イオン交換樹脂の嵩密度([カラム内のイオン交換樹脂重量]／[カラム充填層容積])［ｋｇ／Ｌ］
ｑ：イオン交換樹脂内濃度［ｍｏｌ／ｋｇ］
【００４５】
【数３】
ＫＦａｖ：総括物質移動容量係数［ｌ／ｈ］
Ｃ：ｑと平衡な液中濃度［ｍｏｌ／Ｌ］
【００４６】
このモデルを図２に示す。図２の通り、小型樹脂カラム４内に充填されたイオン交換樹脂を充填層最上面から充填層最下面に向かって、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３……………Ｆｎのｎ個の層状のフラクションよりなるものとする。フラクションの数ｎは多ければ多いほど精度が上がるが、ｎは５０〜１００００程度であればよい。
【００４７】
上記式（１）は、任意のフラクションＦｋにおける単位時間当りのイオンの流入量が該フラクションＦｋからのイオンの流出量と該フラクションＦｋに属するイオン交換樹脂へのイオン吸着量との和に等しいという物質収支を表わすものである。
【００４８】
式（２）は、該フラクションＦｋに属するイオン交換樹脂のイオン吸着量ｑの単位時間当りの増加量は、フラクションＦｋに流入する水中のイオン濃度Ｃと、該ｑと平衡な液中イオン濃度Ｃ＊との差に比例することを表わす。
【００４９】
対象イオン（破過律速イオン）がＨＣＯ３−の場合、ｑとＣ＊との関係は次式にて表される。
【００５０】
【数４】
【００５１】
最下段のフラクションＦｎの流出水は、小型樹脂カラム４からの流出水である。従って、（２）式を（１）式に代入し、Ｃをｔで解くことにより、フラクションＦｎのイオン濃度Ｃと通水開始からの経過時間ｔとの関係を表わす式がＫＦａｖ，ε，γ，Ｑ，ＫＨＣＯ３ＯＨ（上記（３）式の選択係数。以下、同様。），ＣＯ，Ｃ＊，ｚ，ｕを用いて表わされる。このうち、ε，γ，Ｑ，ＣＯ，ｚ（充填層高）は既知である。Ｃ＊又はＫＨＣＯ３ＯＨは、平衡吸着試験で求めておくか、又はシミュレーションのフィッティングによって定める。
【００５２】
次に、小型樹脂カラム３Ａ又は３Ｂからの流出水のイオン濃度を経時的に測定し、フラクションＦｎからの流出水濃度経時変化が実測値と合致するようにＫＦａｖ，Ｃ＊を定める。
【００５３】
このようにして求めた式に非再生型イオン交換樹脂装置２のε，γ，ｚ（充填層高），ｕの値を代入することにより、非再生型イオン交換樹脂装置２の処理水中のイオン濃度の経時変化が求められ、これから該装置２の破過時期が求められる。ε，γは小型樹脂カラムと同一値としてもよい。
【００５４】
このように、小型樹脂カラムの処理水データに基づいて破過予測式を定め、非再生型イオン交換樹脂装置２にあてはめて非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測することができる。その際に、１本の小型樹脂カラムの処理水データに基づいて破過予測式を定めることが可能であるが、破過時期が異なるように構成された複数本の小型樹脂カラムの処理水データにシミュレーション結果がフィッティングするように破過予測式を定めると、破過予測の精度を向上させることができる。
【００５５】
なお、破過予測シミュレータとしては、適用するモデルにより予測精度は異なるが、各種のシミュレーションモデルを利用することができる。たとえば、下記の文献i)〜iii)に開示されるシミュレーションモデルを採用することが可能である。
i) 片岡，武藤，西機；ケミカルエンジニアリングVol.40 No.2 Page.144-147 (1995.02)
ii) Journal of Hazardous Materials 152(2008)241-249 “Prediction of ion-exchange column breakthrough curves by constant-pattern wave approach”
iii) Reactive & Functional Polymers 60(2004)121-135
【００５６】
＜非再生型イオン交換樹脂装置の樹脂交換＞
上記破過時期に沿って、もしくは上記破過時期に所定の安全率をかけた時期に樹脂交換を行う。たとえば、破過時期が非再生型イオン交換樹脂装置への通水開始から２６ヶ月と予測された場合には、２ヶ月の余裕を持って、２４ヶ月経過した時点で樹脂交換を行うといった交換スケジュールの立案が可能となる。
【実施例】
【００５７】
［実施例１］
液晶工場の二次純水製造装置における非再生型イオン交換樹脂装置の交換時期の予測を行った。
【００５８】
図１のように、非再生型イオン交換樹脂装置２に並列で小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂを設置し、通水を行った。対象イオンはＨＣＯ３−イオンとし、水質計として比抵抗率計を用い、比抵抗率からＨＣＯ３−濃度を求めた。
【００５９】
被処理水の水質は次の通りである。
【００６０】
被処理水比抵抗率［ＭΩ・ｃｍ］：１７．１
被処理水［Ｈ２ＣＯ３］濃度：６．９１Ｅ−０９
被処理水［ＨＣＯ３−］濃度：２．７０Ｅ−０８
被処理水［Ｈ＋］濃度：１．１４Ｅ−０７
被処理水［ＯＨ−］濃度：８．７７Ｅ−０８
被処理水ｐＨ：６．９４
【００６１】
小型樹脂カラムの仕様は次の通りである。
＜小型樹脂カラム３Ａ＞
塔径［ｍｍ］：４０
樹脂層高［ｍｍ］：１００
通水ＳＶ［１／ｈ］：４０００（ＬＶ＝４００ｍ／ｈ）
樹脂層空隙率ε［−］：０．３９２
樹脂層嵩密度γ［ｇ／Ｌ］：６５０
＜小型樹脂カラム３Ｂ＞
塔径［ｍｍ］：４０
樹脂層高［ｍｍ］：２００
通水ＳＶ［１／ｈ］：１０００（ＬＶ＝２００ｍ／ｈ）
樹脂層空隙率ε［−］：０．３９２
樹脂層嵩密度γ［ｇ／Ｌ］：６５０
【００６２】
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの処理水データ（比抵抗率の経時変化の測定結果）を図３にプロットした。このデータを用い、（１）〜（３）式を連立させてＣ，ｔについて解き、各小型樹脂カラムの上記仕様を入力し、下記条件で小型樹脂カラム３Ａ、３Ｂの破過曲線に近くなるようシミュレーションパラメータを設定し、破過予測シミュレーション結果を図３に破線で示した。なお、図３のシミュレーションでは、ＫＨＣＯ３ＯＨは８［−］Ｘ、ＫＦａｖは１３５００［１／ｈ］である。
【００６３】
＜小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの仕様及びシミュレーション条件＞
フラクション数ｎ：１００
計数ステップ数（時間刻み数）：２０００
時間刻み幅［ｈ］：１．２
最大計算時間［ｈ］：２４００
【００６４】
同じシミュレーションパラメータを用いて、非再生型イオン交換樹脂装置２について下記仕様及び条件で破過予測シミュレーションを行うことにより得られた破過曲線を図４に示す。図示の通り、破過点を１８．０ＭΩ・ｃｍとした場合、破過時期は、通水開始から８００日後であると予測された。
＜非再生型イオン交換樹脂装置２の仕様及びシミュレーション条件＞
塔径［ｍｍ］：４００
樹脂層高［ｍｍ］：５００
通水ＳＶ［１／ｈ］：２００（ＬＶ＝１００ｍ／ｈ）
樹脂層分割数：１００
計数ステップ数：２０００
時間刻み幅［ｈ］：２１
最大計算時間［ｈ］：４２０００
樹脂層空隙率ε［−］：０．３９２
樹脂層嵩密度γ［ｇ／Ｌ］：６５０
被処理水比抵抗率［ＭΩ・ｃｍ］：１７．１
被処理水［Ｈ２ＣＯ３］濃度：６．９１Ｅ−０９
被処理水［ＨＣＯ３−］濃度：２．７０Ｅ−０８
被処理水［Ｈ＋］濃度：１．１４Ｅ−０７
被処理水［ＯＨ−］濃度：８．７７Ｅ−０８
被処理水ｐＨ：６．９４
【符号の説明】
【００６５】
１，６Ａ，６Ｂ 水質計
２ 非再生型イオン交換樹脂装置
３Ａ，３Ｂ 小型樹脂カラム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する方法と、この方法で予測された破過時期前に該非再生型イオン交換樹脂装置又はそのイオン交換樹脂を交換する保守方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度の純水、超純水が要求される液晶・半導体等の電子産業分野では、一次純水製造装置の末尾や二次純水製造装置において、極微量のイオンを除去するために非再生型イオン交換樹脂装置が設置されることが多い。非再生型イオン交換樹脂装置としては、混床式イオン交換樹脂装置が多く用いられるが、単床式や複床式のイオン交換樹脂装置も使用される。
【０００３】
非再生型イオン交換樹脂装置は、ユースポイントの前段に設置されるため、非再生型イオン交換樹脂装置から万一イオンリークが発生すると生産設備の操業が停止される恐れがある。そのため、従来は非再生型イオン交換樹脂装置の交換を早目に行っており、非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換能を最大限に利用することが難しかった。
【０００４】
特許文献１には、二次純水製造装置におけるイオン交換装置の前段で一次純水中のＴＯＣが紫外線酸化装置において炭酸に分解されることから、非再生型イオン交換装置のイオン負荷の大部分が炭酸であるとみなし、イオン交換装置の炭酸負荷量を連続的に監視し、予め設定しておいたイオン交換装置の炭酸交換容量とこの炭酸負荷量とからイオン交換装置の交換時期を予測する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１０１７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１においては、対象とするイオン交換装置の炭酸交換容量を予め定めるものとしている。しかしながら、炭酸交換容量は樹脂の種類や給水条件によって異なるという問題がある。非再生型イオン交換樹脂装置は、イオン負荷が極めて低い領域で使用されるため、予め実機の非再生型イオン交換樹脂装置と同等の条件で炭酸交換容量を求める試験を行うことは難しく、実機と異なる条件下での試験により求めた炭酸交換容量の値をそのまま適用すると実機との誤差が生じる恐れがあった。そうした場合、通常数年単位での樹脂交換頻度となる非再生型イオン交換装置において、イオン交換能を最大限に利用しうる樹脂交換時期の予測誤差が大きくなる。
【０００７】
本発明は、予測精度の高い非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期予測方法と、この方法に基づくイオン交換樹脂装置の保守方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、カラム内にイオン交換を充填した非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する方法において、該カラムよりも小型の小型カラム内に該イオン交換樹脂と同じイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラムを該非再生型イオン交換樹脂装置と並列に設置し、該非再生型イオン交換樹脂装置に通水される被処理水と同一の被処理水を該小型樹脂カラムに通水し、該小型樹脂カラムの処理水データに基づいて該非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１において、前記小型樹脂カラムのイオン交換樹脂層高は、前記非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換樹脂層高の１／２０〜１／２であることを特徴するものである。
【００１０】
請求項３の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１又は２において、前記非再生型イオン交換樹脂装置の通水ＳＶの２〜２００倍の通水ＳＶで小型樹脂カラムに通水することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記処理水データは、前記小型樹脂カラムの処理水の比抵抗値、導電率、イオンクロマトグラフィー分析結果又はＩＣＰ分析結果であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１ないし４のいずれか１項において、小型樹脂カラムからの流出水中のイオン濃度の経時変化を表わす式を小型樹脂カラムの仕様及びパラメータを用いて表わしておき、このパラメータを小型樹脂カラムからの流出水のイオン濃度の経時変化の実測値に基づいて決定し、このパラメータと、非再生型イオン交換樹脂装置の仕様とに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置からの流出水中のイオン濃度の経時変化を演算し、この演算値が基準値を超える時間を予測破過時間とすることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法は、請求項１ないし５のいずれか１項において、前記小型樹脂カラムは、塔径、樹脂層高、及び通水ＳＶのうち１以上を異ならせた複数本が並列に設置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７の非再生型イオン交換樹脂装置の保守方法は、請求項１ないし６のいずれか１項の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法によって予測された破過時期の経過前に、前記非再生型イオン交換樹脂装置内のイオン交換樹脂又は前記非再生型イオン交換樹脂装置を交換することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、非再生型イオン交換樹脂装置と並列に、該非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換樹脂と同一のイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラムを設置する。そして、該非再生型イオン交換樹脂装置に通水される被処理水と同一の被処理水を小型樹脂カラムに通水し、この小型樹脂カラムの処理水データを取得し、この処理水データに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する。
【００１６】
小型樹脂カラムへの通水条件を非再生型イオン交換樹脂装置よりも破過が早く発生する条件とすることにより、非再生型イオン交換樹脂装置の破過に先行して小型樹脂カラムに破過が発生する。小型樹脂カラムの処理水データに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する。
【００１７】
具体的には、イオン交換カラムにおけるこのイオン交換樹脂と被処理水との吸着特性を表わすモデルを小型樹脂カラムの処理水データに基づいて設定し、このモデルを該非再生型イオン交換樹脂装置に適用する。これにより、この非再生型イオン交換樹脂装置に上記被処理水を通水した場合の破過時期を予測することができる。
【００１８】
小型樹脂カラムとして、破過時期が異なるように構成された複数個のものに該被処理水を通水し、各小型樹脂カラムの処理水データからそれぞれモデルを設定し、各モデルから非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測してもよい。このようにすれば、複数の予測データが得られるので予測破過時期の信頼性が向上する。
【００１９】
非再生型イオン交換樹脂装置について予測された破過時期が到来する前に、非再生型イオン交換樹脂装置の交換又は非再生型イオン交換樹脂装置内のイオン交換樹脂の交換を行う。破過時期の予測精度が高いので、破過を生じさせることなく、非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換容量を最大限に利用することができる。
【００２０】
なお、特許文献１では、炭酸が破過の律速となる場合にのみイオン交換装置の破過予測が可能であるが、本発明では炭酸以外のイオン（ナトリウム、ホウ素、シリカ等）が律速であっても破過予測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】非再生型イオン交換樹脂装置の通水系統図である。
【図２】小型樹脂カラムにおけるイオン交換モデルを説明する模式図である。
【図３】シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図４】破過曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。図１は実施の形態に係る非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法を示すフロー図である。被処理水は、水質計１を通って非再生型イオン交換樹脂装置２に通水され、処理水として流出する。非再生型イオン交換樹脂装置２は、カラムと、該カラムに充填されたイオン交換樹脂とを有する。
【００２３】
水質計１を通った被処理水の一部は、小型樹脂カラム３Ａ、流量計４Ａ、流量調節バルブ５Ａ、水質計６Ａの第１予測系統と、小型樹脂カラム３Ｂ、流量計４Ｂ、流量調節バルブ５Ｂ、水質計６Ｂの第２予測系統とにそれぞれ通水される。なお、この系統数は１又は３以上であってもよい。
【００２４】
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂは、非再生型イオン交換樹脂装置２のカラムよりも小さいカラム内に非再生型イオン交換樹脂装置２のイオン交換樹脂と同一のイオン交換樹脂を充填したものである。なお、小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂは、塔径、樹脂層高、及び通水ＳＶのうち１以上を異ならせてある。
【００２５】
この非再生型イオン交換樹脂装置２と小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂとに同一の被処理水を通水し、小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの処理水（流出水）中の対象イオンの濃度を水質計６Ａ，６Ｂで検出する。そして、被処理水の水質と小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの流出水の水質の経時変化とから、この被処理水とイオン交換樹脂カラムとの破過特性を表わすモデル（破過予測シミュレーションモデル）を決定し、このモデルを非再生型イオン交換樹脂装置２に適用して非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測する。
【００２６】
非再生型イオン交換樹脂装置２及び小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの好適な構成と、破過時期の計算方法及びシミュレーションモデルについて次に説明する。
【００２７】
＜非再生型イオン交換樹脂装置＞
非再生型イオン交換樹脂装置２は、一次純水製造装置の最終部や二次純水製造装置に設置され、その被処理水の水質は通常、炭酸イオン３０μｇ／Ｌ ａｓ Ｃ以下、塩化物イオン１μｇ／Ｌ以下、ナトリウムイオン１μｇ／Ｌ以下、アンモニウムイオン０．１μｇ／Ｌ以下、ホウ素１０μｇ／Ｌ ａｓ Ｂ以下、シリカ５０μｇ／Ｌ ａｓ ＳｉＯ２以下のレベルである。
【００２８】
非再生型イオン交換樹脂装置としては、Ｈ型の強カチオン交換樹脂とＯＨ型の強アニオン交換樹脂を混合した混床式イオン交換樹脂装置が多く用いられる。混床式イオン交換樹脂装置のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の混合割合は、被処理水質によっても異なるが、カチオン交換樹脂／アニオン交換樹脂＝０．２〜１．０であることが好ましい。通常の場合、本発明が対象とする混床式イオン交換樹脂装置の樹脂層高は０．３〜２ｍ程度、塔径は０．３〜２ｍ程度、樹脂量は０．０２〜６ｍ３程度である。非再生型イオン交換樹脂装置の通水ＳＶは３０〜１５０程度である。
【００２９】
＜小型樹脂カラム＞
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂは円筒形のものが好ましい。カラムの両端は、イオン交換樹脂が漏れないように樹脂の粒子径よりも小さい径のメッシュを設けたものを用いるのが好ましい。
【００３０】
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの樹脂層高は、低すぎると実機の非再生型イオン交換樹脂装置との構造差が大きくなりすぎるとともに、短期間の通水により破過が起こるため、非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測精度が悪くなる。また、樹脂層高が高すぎると破過までの時間が長くなりすぎて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測に時間を要することとなる。従って、できるだけ短時間で精度良く破過時期を予測するためには、小型樹脂カラムの樹脂層高を、実機の非再生型イオン交換樹脂装置の樹脂層高の１／２０〜１／２とするのが好ましく、１／１５〜１／３とするのがより好ましく、１／１０〜１／５とするのがさらに好ましい。
【００３１】
小型樹脂カラムの塔径（内径）は、小さすぎるとカラム内壁を沿う水の流れの影響が大きくなり、大きすぎると破過までの時間が長くなりすぎて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測に時間を要することとなる。その点で、小型樹脂カラムの塔径は、２０〜１００ｍｍとするのが好ましく、２５〜９０ｍｍとするのがより好ましく、３０〜６０ｍｍとするのがさらに好ましい。
【００３２】
小型樹脂カラムの通水ＳＶは実機の非再生型イオン交換樹脂装置の２〜２００倍とするのが好ましく、５〜１００倍とするのがより好ましく、１０〜５０倍とするのがさらに好ましい。具体的には、９００〜９０００［１／ｈ］とするのが好ましい。ＳＶが小さすぎると破過までの時間が長くなりすぎて非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測に時間を要することとなる。また、大きすぎると短期間の通水により破過が起こるため、破過時期の予測精度が悪くなる。なお、本明細書において、ＳＶは［通水量］／［充填樹脂容量］である。
【００３３】
このように小型樹脂カラムに高ＳＶで通水を行うため、小型樹脂カラムの処理水を回収し、当該非再生型イオン交換樹脂装置の前段の一次純水系又は二次純水系に返送するのが好ましい。
【００３４】
本発明における小型樹脂カラムは、１本でも非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測は可能であるが、複数本設けることにより、より予測精度を向上させることができる。
【００３５】
＜処理水データ＞
処理水データとしては、予め破過の律速となるイオン（対象イオン）を求めておき、処理水中のこのイオンの濃度を処理水データとするのが好ましい。
【００３６】
具体的には、被処理水中の各種イオン濃度をイオンクロマトグラフィーやＩＣＰなどの分析手法により分析することにより、どのイオンが破過の律速になるのかを事前に把握しておくのが好ましい。即ち、炭酸、ナトリウム、アンモニア、ホウ素、シリカ等のうちから最も早く破過するイオンを対象イオンとする。通常の場合、ＨＣＯ３−が対象イオンとなることが多い。
【００３７】
なお、処理水データ取得用の小型樹脂カラムとは別に樹脂分析用の樹脂カラムを設け、当該樹脂カラムに所定の通水量だけ通水した後、当該樹脂カラムの塩型分析（Ｈ型カチオン樹脂やＯＨ型アニオン樹脂がどのような塩型になっているのかの定量分析）を行うことにより破過の律速となる対象イオンを決定してもよい。被処理水のイオン濃度の変動が大きい場合には、被処理水のサンプリング数が多く必要となるために手間と経費がかさんだり、少数の各サンプリングにより水質の平均値をとると誤差が大きくなったりする虞がある。そのような場合には、樹脂分析用の樹脂カラムにより被処理水中のイオン種及びそれらの平均濃度を容易に測定することができる。
【００３８】
炭酸濃度が高く、炭酸が律速となると判断される場合には、処理水の電気伝導率又は比抵抗率を測定し、それを特許文献１の段落００１７〜００３０に記載の原理で炭酸濃度に換算することができる。その他のイオンが律速になると判断される場合には、市販のイオンクロマトグラフィー装置やＩＣＰ、ホウ素分析計、シリカ分析計を利用することができる。
【００３９】
本発明では、比抵抗率計やオンラインイオンクロマトグラフィーを処理水ラインに設置して対象イオン濃度を直接測定してもよい。また、処理水のサンプリングを複数回行い、対象イオンの濃度を測定してもよい。
【００４０】
＜破過時期の予測＞
本発明においては、小型樹脂カラムの破過までの時間と、小型樹脂カラムの仕様（樹脂層高、ＳＶ等）から非再生型イオン交換樹脂装置の破過までの時間を求める式を定式化することによって、実機の非再生型イオン交換樹脂装置の仕様における破過時期の予測を行ってもよい。例えば、複数の小型樹脂カラムの破過までの時間とＳＶの関係から、下記のような式を定式化することにより、非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測が可能である。
【００４１】
【数１】
【００４２】
ただし、樹脂層の仕様や通水条件によってイオン交換帯の形状が異なるため、上記式の補正係数Ａの精度が正確に求められない場合もある。本発明では、後述の破過予測シミュレータを用いることにより、理論的にイオン交換樹脂充填層内における対象イオンのイオン交換樹脂内濃度ｑや液中濃度Ｃを取得し、上記式のような予測式を用いるよりも正確に破過時期を予測することができる。
【００４３】
＜破過予測シミュレーション＞
破過予測シミュレータとしては、式（１）の物質収支式及び式（２）の吸着速度式を連立させることにより、イオン交換樹脂充填層内における対象イオンのイオン交換樹脂内濃度ｑ及び液中濃度Ｃの経時変化を算定するモデルを用いることができる（参考：化学工学便覧（改訂第六版）丸善株式会社Ｐ．７０２〜７０３）。
【００４４】
【数２】
ε：充填されたイオン交換樹脂の空隙率［−］
Ｃ：液中濃度［ｍｏｌ／Ｌ］
ｔ：時間［ｈ］
ｕ：通水ＬＶ［ｍ／ｈ］
ｚ：充填層入口からの距離［ｍ］
γ：イオン交換樹脂の嵩密度([カラム内のイオン交換樹脂重量]／[カラム充填層容積])［ｋｇ／Ｌ］
ｑ：イオン交換樹脂内濃度［ｍｏｌ／ｋｇ］
【００４５】
【数３】
ＫＦａｖ：総括物質移動容量係数［ｌ／ｈ］
Ｃ：ｑと平衡な液中濃度［ｍｏｌ／Ｌ］
【００４６】
このモデルを図２に示す。図２の通り、小型樹脂カラム４内に充填されたイオン交換樹脂を充填層最上面から充填層最下面に向かって、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３……………Ｆｎのｎ個の層状のフラクションよりなるものとする。フラクションの数ｎは多ければ多いほど精度が上がるが、ｎは５０〜１００００程度であればよい。
【００４７】
上記式（１）は、任意のフラクションＦｋにおける単位時間当りのイオンの流入量が該フラクションＦｋからのイオンの流出量と該フラクションＦｋに属するイオン交換樹脂へのイオン吸着量との和に等しいという物質収支を表わすものである。
【００４８】
式（２）は、該フラクションＦｋに属するイオン交換樹脂のイオン吸着量ｑの単位時間当りの増加量は、フラクションＦｋに流入する水中のイオン濃度Ｃと、該ｑと平衡な液中イオン濃度Ｃ＊との差に比例することを表わす。
【００４９】
対象イオン（破過律速イオン）がＨＣＯ３−の場合、ｑとＣ＊との関係は次式にて表される。
【００５０】
【数４】
【００５１】
最下段のフラクションＦｎの流出水は、小型樹脂カラム４からの流出水である。従って、（２）式を（１）式に代入し、Ｃをｔで解くことにより、フラクションＦｎのイオン濃度Ｃと通水開始からの経過時間ｔとの関係を表わす式がＫＦａｖ，ε，γ，Ｑ，ＫＨＣＯ３ＯＨ（上記（３）式の選択係数。以下、同様。），ＣＯ，Ｃ＊，ｚ，ｕを用いて表わされる。このうち、ε，γ，Ｑ，ＣＯ，ｚ（充填層高）は既知である。Ｃ＊又はＫＨＣＯ３ＯＨは、平衡吸着試験で求めておくか、又はシミュレーションのフィッティングによって定める。
【００５２】
次に、小型樹脂カラム３Ａ又は３Ｂからの流出水のイオン濃度を経時的に測定し、フラクションＦｎからの流出水濃度経時変化が実測値と合致するようにＫＦａｖ，Ｃ＊を定める。
【００５３】
このようにして求めた式に非再生型イオン交換樹脂装置２のε，γ，ｚ（充填層高），ｕの値を代入することにより、非再生型イオン交換樹脂装置２の処理水中のイオン濃度の経時変化が求められ、これから該装置２の破過時期が求められる。ε，γは小型樹脂カラムと同一値としてもよい。
【００５４】
このように、小型樹脂カラムの処理水データに基づいて破過予測式を定め、非再生型イオン交換樹脂装置２にあてはめて非再生型イオン交換樹脂装置２の破過時期を予測することができる。その際に、１本の小型樹脂カラムの処理水データに基づいて破過予測式を定めることが可能であるが、破過時期が異なるように構成された複数本の小型樹脂カラムの処理水データにシミュレーション結果がフィッティングするように破過予測式を定めると、破過予測の精度を向上させることができる。
【００５５】
なお、破過予測シミュレータとしては、適用するモデルにより予測精度は異なるが、各種のシミュレーションモデルを利用することができる。たとえば、下記の文献i)〜iii)に開示されるシミュレーションモデルを採用することが可能である。
i) 片岡，武藤，西機；ケミカルエンジニアリングVol.40 No.2 Page.144-147 (1995.02)
ii) Journal of Hazardous Materials 152(2008)241-249 “Prediction of ion-exchange column breakthrough curves by constant-pattern wave approach”
iii) Reactive & Functional Polymers 60(2004)121-135
【００５６】
＜非再生型イオン交換樹脂装置の樹脂交換＞
上記破過時期に沿って、もしくは上記破過時期に所定の安全率をかけた時期に樹脂交換を行う。たとえば、破過時期が非再生型イオン交換樹脂装置への通水開始から２６ヶ月と予測された場合には、２ヶ月の余裕を持って、２４ヶ月経過した時点で樹脂交換を行うといった交換スケジュールの立案が可能となる。
【実施例】
【００５７】
［実施例１］
液晶工場の二次純水製造装置における非再生型イオン交換樹脂装置の交換時期の予測を行った。
【００５８】
図１のように、非再生型イオン交換樹脂装置２に並列で小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂを設置し、通水を行った。対象イオンはＨＣＯ３−イオンとし、水質計として比抵抗率計を用い、比抵抗率からＨＣＯ３−濃度を求めた。
【００５９】
被処理水の水質は次の通りである。
【００６０】
被処理水比抵抗率［ＭΩ・ｃｍ］：１７．１
被処理水［Ｈ２ＣＯ３］濃度：６．９１Ｅ−０９
被処理水［ＨＣＯ３−］濃度：２．７０Ｅ−０８
被処理水［Ｈ＋］濃度：１．１４Ｅ−０７
被処理水［ＯＨ−］濃度：８．７７Ｅ−０８
被処理水ｐＨ：６．９４
【００６１】
小型樹脂カラムの仕様は次の通りである。
＜小型樹脂カラム３Ａ＞
塔径［ｍｍ］：４０
樹脂層高［ｍｍ］：１００
通水ＳＶ［１／ｈ］：４０００（ＬＶ＝４００ｍ／ｈ）
樹脂層空隙率ε［−］：０．３９２
樹脂層嵩密度γ［ｇ／Ｌ］：６５０
＜小型樹脂カラム３Ｂ＞
塔径［ｍｍ］：４０
樹脂層高［ｍｍ］：２００
通水ＳＶ［１／ｈ］：１０００（ＬＶ＝２００ｍ／ｈ）
樹脂層空隙率ε［−］：０．３９２
樹脂層嵩密度γ［ｇ／Ｌ］：６５０
【００６２】
小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの処理水データ（比抵抗率の経時変化の測定結果）を図３にプロットした。このデータを用い、（１）〜（３）式を連立させてＣ，ｔについて解き、各小型樹脂カラムの上記仕様を入力し、下記条件で小型樹脂カラム３Ａ、３Ｂの破過曲線に近くなるようシミュレーションパラメータを設定し、破過予測シミュレーション結果を図３に破線で示した。なお、図３のシミュレーションでは、ＫＨＣＯ３ＯＨは８［−］Ｘ、ＫＦａｖは１３５００［１／ｈ］である。
【００６３】
＜小型樹脂カラム３Ａ，３Ｂの仕様及びシミュレーション条件＞
フラクション数ｎ：１００
計数ステップ数（時間刻み数）：２０００
時間刻み幅［ｈ］：１．２
最大計算時間［ｈ］：２４００
【００６４】
同じシミュレーションパラメータを用いて、非再生型イオン交換樹脂装置２について下記仕様及び条件で破過予測シミュレーションを行うことにより得られた破過曲線を図４に示す。図示の通り、破過点を１８．０ＭΩ・ｃｍとした場合、破過時期は、通水開始から８００日後であると予測された。
＜非再生型イオン交換樹脂装置２の仕様及びシミュレーション条件＞
塔径［ｍｍ］：４００
樹脂層高［ｍｍ］：５００
通水ＳＶ［１／ｈ］：２００（ＬＶ＝１００ｍ／ｈ）
樹脂層分割数：１００
計数ステップ数：２０００
時間刻み幅［ｈ］：２１
最大計算時間［ｈ］：４２０００
樹脂層空隙率ε［−］：０．３９２
樹脂層嵩密度γ［ｇ／Ｌ］：６５０
被処理水比抵抗率［ＭΩ・ｃｍ］：１７．１
被処理水［Ｈ２ＣＯ３］濃度：６．９１Ｅ−０９
被処理水［ＨＣＯ３−］濃度：２．７０Ｅ−０８
被処理水［Ｈ＋］濃度：１．１４Ｅ−０７
被処理水［ＯＨ−］濃度：８．７７Ｅ−０８
被処理水ｐＨ：６．９４
【符号の説明】
【００６５】
１，６Ａ，６Ｂ 水質計
２ 非再生型イオン交換樹脂装置
３Ａ，３Ｂ 小型樹脂カラム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カラム内にイオン交換を充填した非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する方法において、
該カラムよりも小型の小型カラム内に該イオン交換樹脂と同じイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラムを該非再生型イオン交換樹脂装置と並列に設置し、
該非再生型イオン交換樹脂装置に通水される被処理水と同一の被処理水を該小型樹脂カラムに通水し、
該小型樹脂カラムの処理水データに基づいて該非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測することを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項２】
請求項１において、前記小型樹脂カラムのイオン交換樹脂層高は、前記非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換樹脂層高の１／２０〜１／２であることを特徴する非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記非再生型イオン交換樹脂装置の通水ＳＶの２〜２００倍の通水ＳＶで小型樹脂カラムに通水することを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記処理水データは、前記小型樹脂カラムの処理水の比抵抗値、導電率、イオンクロマトグラフィー分析結果又はＩＣＰ分析結果であることを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
小型樹脂カラムからの流出水中のイオン濃度の経時変化を表わす式を小型樹脂カラムの仕様及びパラメータを用いて表わしておき、このパラメータを小型樹脂カラムからの流出水のイオン濃度の経時変化の実測値に基づいて決定し、
このパラメータと、非再生型イオン交換樹脂装置の仕様とに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置からの流出水中のイオン濃度の経時変化を演算し、この演算値が基準値を超える時間を予測破過時間とすることを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記小型樹脂カラムは、塔径、樹脂層高、及び通水ＳＶのうち１以上を異ならせた複数本が並列に設置されていることを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法によって予測された破過時期の経過前に、前記非再生型イオン交換樹脂装置内のイオン交換樹脂又は前記非再生型イオン交換樹脂装置を交換することを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の保守方法。
【請求項１】
カラム内にイオン交換を充填した非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測する方法において、
該カラムよりも小型の小型カラム内に該イオン交換樹脂と同じイオン交換樹脂を充填した小型樹脂カラムを該非再生型イオン交換樹脂装置と並列に設置し、
該非再生型イオン交換樹脂装置に通水される被処理水と同一の被処理水を該小型樹脂カラムに通水し、
該小型樹脂カラムの処理水データに基づいて該非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期を予測することを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項２】
請求項１において、前記小型樹脂カラムのイオン交換樹脂層高は、前記非再生型イオン交換樹脂装置のイオン交換樹脂層高の１／２０〜１／２であることを特徴する非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記非再生型イオン交換樹脂装置の通水ＳＶの２〜２００倍の通水ＳＶで小型樹脂カラムに通水することを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記処理水データは、前記小型樹脂カラムの処理水の比抵抗値、導電率、イオンクロマトグラフィー分析結果又はＩＣＰ分析結果であることを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
小型樹脂カラムからの流出水中のイオン濃度の経時変化を表わす式を小型樹脂カラムの仕様及びパラメータを用いて表わしておき、このパラメータを小型樹脂カラムからの流出水のイオン濃度の経時変化の実測値に基づいて決定し、
このパラメータと、非再生型イオン交換樹脂装置の仕様とに基づいて非再生型イオン交換樹脂装置からの流出水中のイオン濃度の経時変化を演算し、この演算値が基準値を超える時間を予測破過時間とすることを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記小型樹脂カラムは、塔径、樹脂層高、及び通水ＳＶのうち１以上を異ならせた複数本が並列に設置されていることを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項の非再生型イオン交換樹脂装置の破過時期の予測方法によって予測された破過時期の経過前に、前記非再生型イオン交換樹脂装置内のイオン交換樹脂又は前記非再生型イオン交換樹脂装置を交換することを特徴とする非再生型イオン交換樹脂装置の保守方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１５４６３４（Ｐ２０１２−１５４６３４Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１０６３（Ｐ２０１１−１１０６３）
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]