JP4869881B2 - イオン交換装置及びイオン交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン交換装置及びこのイオン交換装置を用いたイオン交換方法に関し、さらに詳しくは、例えばボイラ給水や電子部品等の洗浄用水等に使用される純水を製造する際に好適に用いられるイオン交換装置及びこのイオン交換装置を用いたイオン交換方法に関する。

従来のイオン交換装置及びイオン交換方法として代表的なものとしては、例えば、２床３塔式イオン交換装置や混床式イオン交換装置等がある。２床３塔式イオン交換装置は、例えば、強酸性カチオン交換樹脂が充填されたカチオン交換塔と、強塩基性アニオン交換樹脂が充填されたアニオン交換塔と、これら両者の間に配置された脱炭酸塔とを備え、例えば原水の下降流通水によりカチオン交換塔において原水中のカルシウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン等のカチオンを強酸性カチオン交換樹脂の水素イオンとイオン交換した後、脱炭酸塔内において酸性下で炭酸イオンを炭酸ガスとして脱炭酸し、次いでアニオン交換塔における下降流通水により原水中の硫酸イオン、塩素イオン等のアニオンやシリカを強塩基性アニオン交換樹脂の水酸化物イオンとイオン交換して純水を製造するようにしている。そして、上記各イオン交換樹脂の再生を行う場合には、例えば、各イオン交換塔にそれぞれの再生剤を通水と同一方向に通液を行う並流再生方式、あるいはそれぞれの再生剤を通水と反対方向に通液を行う向流再生方式がある。

一方、混床式イオン交換装置は、強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂とが混合された混合イオン交換樹脂層からなる充填層を有するイオン交換塔を備え、例えば、原水の下降流通水によりイオン交換塔において原水中のカチオン及びアニオンを高効率で同時にイオン交換して純度の高い純水を製造するようにしている。そして、各イオン交換樹脂の再生を行う時には同一塔内で、混合イオン交換樹脂層を逆洗分離し、各イオン交換樹脂の比重差により上層に強塩基性アニオン交換樹脂層を、下層に強酸性カチオン交換樹脂層を形成した後、各イオン交換樹脂層にそれぞれの再生剤を通液して両イオン交換樹脂を個別に再生するようにしている。この再生操作は同一塔内で行われることもあるし、各イオン交換樹脂を別の塔に個別に抜き出し、それぞれの塔内で個別に再生を行うこともある。

しかしながら、従来の２床３塔式イオン交換装置の場合には、塔構成がカチオン塔、脱炭酸塔及びアニオン塔の３塔構成であるため、装置としては大型化して設置面積が大きくなり、コスト的にも高くなるという課題があった。一方、混床式イオン交換装置の場合には、イオン交換塔としては一塔で済み装置自体としては小型化することができるが、強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂とが混合しているため、両イオン交換樹脂が互いに付着して混合樹脂塊を作る、いわゆるクランピング現象が発生することがある。この混合樹脂塊は再生時の逆洗分離操作では完全に分離させることが難しく、逆洗分離操作による分離後の強酸性カチオン交換樹脂層と強塩基性アニオン交換樹脂層の双方に混合樹脂塊が混じるため、再生操作を行っても各層に存在する混合樹脂塊が再生不良となり、あるいは混合樹脂塊がそれぞれの層内で逆再生を受ける。この状態のまま混合操作を行うと、例えばナトリウム型に逆再生された強酸性カチオン交換樹脂はナトリウムを、塩素イオン型に逆再生された強塩基性アニオン交換樹脂は塩化物イオン型をそれぞれ放出するが、塔出口付近で放出されたこれらの不純物は除去されず、処理水の純度を低下させてしまう。

また、このようなクランピング現象がない場合であっても、混床式イオン交換装置においては再生剤通液前に混合イオン交換樹脂層を逆洗分離する必要があり、また再生剤通液後には再度分離したイオン交換樹脂を混合する必要があるため、再生工程が複雑となり再生時間、及び排水量が増加してしまう課題がある。また、混床式の場合には再生工程で逆洗分離操作をイオン交換塔内で行うため、逆洗時にイオン交換樹脂が展開するスペースを充填層の上層に必要なため塔高が高くとなり、装置的に必ずしも小型化することができないという課題があった。まして、再生操作を別塔で行う場合には再生塔が別途必要となり、装置の大型化を免れない。

混合イオン交換樹脂のクランピングを防止したイオン交換装置として、例えば強酸性カチオン交換樹脂層上に強塩基性アニオン交換樹脂層を積層し、下降流通水を行う複層式イオン交換装置もあるが、この装置の場合には通水により上流側のイオン交換樹脂が徐々に下流側のイオン交換樹脂層内に入り込むため、再生時に他方の樹脂層に入り込んだイオン交換樹脂が他方の再生剤により逆再生され、通水時に十分な純度を得られないと言う課題があった。これを解消するために再生前に分離のための逆洗を行うのであれば、混床式イオン交換塔と同様に再生排水の増加、及び装置の小型化などの課題がある。また、両イオン交換樹脂が接触して積層されているために、両イオン交換樹脂層の界面近傍で相互の再生剤による逆再生部分を生じることとなり、十分な純度が得られないという課題があった。

そこで、イオン交換装置を一つの塔として装置をコンパクトにすることができると共に、下流側の樹脂層に上流側のイオン交換樹脂が入り込む事を防止するために同一塔内に形成された強酸性カチオン交換樹脂層と強塩基性アニオン交換樹脂層の各層に被処理水を通水し、各イオン交換樹脂層に被処理水の通水方向とは逆の方向にそれぞれ再生剤を通液するイオン交換方法に用いられる装置であって、強塩基性アニオン交換樹脂層と強酸性カチオン交換樹脂層との間に、被処理水の流通は許すが、各イオン交換樹脂の流通を阻止する仕切り板を設けて構成されたイオン交換装置が知られている。このような装置では、シリカリークや再生時に生じる逆再生部分が処理水の水質に影響を与えることを防止するために、各イオン交換樹脂層の再生の際に再生剤が他の樹脂層に接触しないように再生剤に対して同一方向、もしくは反対方向で支持水を他の樹脂層に流すことを行っている。（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−１３７７５１号公報

しかしながら、このように仕切り板を設けて樹脂を分離して、その仕切り板の上部近傍に再生剤の出入管を設置した場合には、再生剤の出入管が上層のイオン交換樹脂層に埋設される事となり、下層のイオン交換樹脂層の再生を行う際に再生剤の出入管から供給される再生剤により、再生剤の出入管付近のイオン交換樹脂が逆再生されるために、処理水の純度が十分得られないことやイオン交換容量が低下する課題がある。他方、再生剤の出入管を仕切り板の下部近傍に設置した場合には、上層のイオン交換層への影響は少なくなるが、下層のイオン交換層の上部の処理水側を逆再生する事になるため、処理水の純度への影響は更に大きくなる。このような上層のイオン交換層への再生剤通液時の下層イオン交換樹脂への逆再生を防止する為に、上層のイオン交換層へ再生剤を供給し仕切り板近傍の再生剤出入管より排水すると同時に、塔下方より下層のイオン交換樹脂層を通して再生剤出入管よりイオン交換水を支持水として通水する事で、上層のイオン交換樹脂層の再生剤が下層のイオン交換樹脂層を逆再生するのを防止する方法がある。しかし、再生剤出入管が配置されている仕切り板の下部近傍についてはイオン交換樹脂が膨潤する事を考慮した隙間が存在する事になる。この為、再生時に用いられる再生剤と支持水が仕切り板近傍に存在する空間で乱流を起こすために、仕切り板近傍に存在する空間内の水は再生剤と水が混和する混和層となる。この混和層が再生剤を通液しない下層の樹脂層のイオン交換樹脂層とも接触する事によって下層の樹脂層を逆再生する事になる。この為、処理水の純度が低下したり、イオンの交換容量が少なくなってしまうことがあった。これを緩和するために再生剤の流量に比べて支持水の流量を多くする手段がとられているが、再生時の排水量が増加してしまう課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、イオン交換装置の大型化や排水量の増加をすることなく、高純度の水を効率よく製造することができるイオン交換装置及びこのイオン交換装置を用いたイオン交換方法を提供することを目的とする。

本発明のイオン交換装置は、同一塔内に積層して形成されたカチオン交換樹脂層とアニオン交換樹脂層の２種類のイオン交換樹脂層と、この２種類のイオン交換樹脂層の間に設けられた被処理水の流通は許すが、イオン交換樹脂の流通を阻止するように構成された仕切り板と、その仕切り板の上部近傍に再生剤の出入管を設けたイオン交換装置であって、再生剤の出入管全体が、イオン交換能力を保持しない支持材で覆われていることを特徴とするものである。

また、本発明のイオン交換方法は、同一塔内に積層して形成されたカチオン交換樹脂層とアニオン交換樹脂層の２種類のイオン交換樹脂層と、この２種類のイオン交換樹脂層の間に設けられた被処理水の流通は許すが、イオン交換樹脂の流通を阻止するように構成された仕切り板と、その仕切り板の上部近傍に再生剤の出入管と、再生剤の出入管全体を覆うイオン交換能力を保持しない支持材と、からなるイオン交換装置を用いたイオン交換方法であって、イオン交換樹脂層の各層に被処理水を上昇流で通水する通水工程と、各イオン交換樹脂層にそれぞれ再生剤を下降流で通液する再生工程と、通水工程と前記再生工程とを交互に行う際に、先に上層へ再生剤を通液し、その後に下層へ再生剤を通液する上昇流通水、下降流再生により各工程を行うことを特徴とするものである。

本発明のイオン交換装置及びイオン交換方法によれば、再生剤の出入管を支持材により覆うことで、他方の再生剤と支持水による乱流によって生じる混和層の発生を抑える事ができ、混和層による再生剤を通液しない側のイオン交換層の逆再生を防止し、装置の大型化や排水量を増加することなく、高純度の水を効率よく製造する事ができる。

ここで、本発明に用いることができるカチオン交換樹脂としては、強酸性カチオン交換樹脂、弱酸性カチオン交換樹脂又はこれらを混合したカチオン交換樹脂を用いることができ、アニオン交換樹脂としては、強塩基性アニオン交換樹脂、弱塩基性アニオン交換樹脂又はこれらを混合したアニオン交換樹脂を用いることができる。

以下、図１〜３に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。なお、各図中、図１〜２はそれぞれ本発明のイオン交換装置の実施形態を示す概念図で、図３は図１に示すイオン交換装置を適用した純水製造装置の要部を示すフロー図である。

（第１の実施形態）
図１に示すイオン交換装置１０は、図１に示したように、塔本体１１と、この塔本体１１内に強酸性カチオン交換樹脂により形成された上層１２と、上記塔本体１１内に強塩基性アニオン交換樹脂により形成された下層１３と、これら上下各層１２、１３を横方向に仕切る仕切板１４と、この仕切板１４の上方近傍にこれと平行に設けられた出入管１５と、出入管１５を覆っているイオン交換能力を保持しない支持材１６と、を備え、上昇流通水、下降流再生を行うように構成されている。

そして、上層１２の強酸性カチオン交換樹脂は仕切板１４によって支持され、下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂は塔本体１１内の下部に仕切板１４と平行に設けられた第２仕切板１７によって支持されている。従って、上層１２の強酸性カチオン交換樹脂は仕切板１４によって下層１３から区画されているため、上層１２の強酸性カチオン交換樹脂が下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂と混合することはない。また、下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂の上面と仕切板１４との間には再生時に膨潤する量に見合う僅かな隙間が形成されている。また、塔本体１１内の上部には第３仕切板１８が仕切板１４と平行に設けられ、第３仕切板１８と強酸性カチオン交換樹脂層１２の上面に強塩基性アニオン交換樹脂の場合と同様に再生時に膨潤する量に見合う僅かな隙間が形成されている。本発明において各仕切板の下方に形成する隙間は、上述のように再生時に膨潤する量に見合った僅かな隙間のことであり、後述する各実施形態における隙間の意味も同様である。

また、上記各仕切板１４、１７、１８はいずれも上下の空間を連通する多数の連通手段が全面に均等に分散して形成され、これらの連通手段は被処理水や再生剤が流通し、各イオン交換樹脂や支持材が流通できないように構成されている。

そして、原水が流入する流入管１１Ａは塔本体１１の塔底に接続され、その処理水の流出管１１Ｂは塔頂に接続され、原水は流入管１１Ａから塔本体１１内へ上昇流で流入し、上昇流通水の間に下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂、支持材１６、上層１２の強酸性カチオン交換樹脂の順で通水してイオン交換され、不純物イオンが除去された処理水が流出管１１Ｂから流出するようにしてある。

また、上記塔本体１１の塔底の流入管１１Ａには下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂の再生廃液が流出する第２流出管１１Ｃが接続され、塔頂の流出管１１Ｂには酸再生剤が流入する第２流入管１１Ｄが接続されている。さらに、塔本体１１内の出入管１５には外部配管１５Ａが接続され、この外部配管１５Ａからアルカリ再生剤が流入して出入管１５を介して下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂全体に分散供給され、また、この出入管１５を介して上層１２の強酸性カチオン交換樹脂からの酸再生廃液が外部配管１５Ａから排出するようにしてある。

従って、再生時には、酸再生剤は第２流入管１１Ｄから供給され、塔本体１１の頂部空間に流入し、第３仕切板１８を介して上層１２の強酸性カチオン交換樹脂の上面全体に分散されて上層１２及び支持材１６を下降流で順に通液し、出入管１５を経由して外部配管１５Ａから排出される。酸再生剤注入と同時に１１Ａより支持水としてイオン交換水が供給され、塔本体１１の下部空間に流入し、第２仕切板１７を介して下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂下面全体に分散されて下層１３及び支持材１６を上向流で順に通水し、出入管１５を経由して酸再生剤と同時に外部配管１５Ａから排出される。また、アルカリ再生剤は出入管１５を介して支持材１６の最下部に流入し、仕切板１４を介して下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂の上面全体に分散されて下層１３を下降流で通液し、アルカリ再生廃液が第２仕切板１７を経由して第２流出管１１Ｃから排出される。

再生順序としては、先に通水出口側に位置する上層１２の強酸性カチオン交換樹脂を再生し、後で通水入口側に位置する下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂を再生するようにしてある。このように通水出口側である上層１２の強酸性カチオン交換樹脂を先に向流再生することにより、処理水の塩化物イオン等の不純物アニオン量を小さくすることができる。例えば、下層１３である強塩基性アニオン交換樹脂を先に再生すると、後に再生する上層１２である強酸性カチオン交換樹脂の再生剤が処理水の純度に最も影響を与える強塩基性アニオン交換樹脂層の上層部に接触する場合があり、再生剤が塩酸である場合には、そのイオン型を一部塩化物イオン型としてしまう。従って、この塩化物イオンが通水中に徐々に脱離することにより、処理水の不純物アニオン量を増加させてしまう。

しかしながら、先に上層１２を再生し、後に下層１３を再生する場合には、例えば塩化物イオン型となった強塩基性アニオン交換樹脂は、その後に下層の再生を行うために上述のような塩化物イオン型の強塩基性アニオン交換樹脂が含まれる量は少なくなり、処理水の不純物の量は上述の再生順序に比べて少なくなる。なお、先に上層１２を再生し、後に下層１３を再生する場合には、折角、再生した上層１２の強酸性カチオン交換樹脂に下層１３の再生剤である水酸化ナトリウムが接触し、そのイオン型が一部ナトリウム型となってしまうが、このナトリウム型の樹脂は、強酸性カチン交換樹脂の下層部（通水上流側）に位置することになり、処理水の導電率を低下させる影響は少なくなる。

また、この実施形態においては、支持材１６が設けられているため、上層１２のイオン交換樹脂は出入管１５から離れて存在し、下層１３のイオン交換樹脂の再生剤による汚染の影響を受けにくくなっている。更に再生剤の出入管付近は空間では無く支持材で覆われているため、上層１２のイオン交換樹脂再生時に上層１２より出入管１５を経由して外部配管１５Ａに再生剤が排出されると同時に１１Ａより支持水としてイオン交換水を供給され、塔本体１１の下部空間に流入し、第２仕切板１７を介して下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂下面全体に分散されて下層１３及び支持材１６を上向流で順に通水し、出入管１５を経由して酸再生剤と同時に外部配管１５Ａから排出される工程において、支持水の流量が少なくても混和することが無いため、下層１３のイオン交換樹脂が逆再生される事は無い。ここで用いられる支持材の材質として再生剤によって変質しない素材なら特に制限は無く、例えば、ガラス、テフロン（登録商標）系樹脂等のイオン交換能力を保持しない素材からなる支持材が挙げられ、その形状は均一である事がより良いが、球状、ペレット状等で特に限定されるものではない。特に好ましい支持材としては、例えば、ユニビーズ、ユニビーズスーパー（以上、株式会社ユニオン製、商品名）等の均一な粒状のガラスビーズが挙げられる。

また、この支持材の大きさは、同じ小室に入り積層されるイオン交換樹脂が支持材の隙間に入らない程度の大きさであればよく小さければ小さいほどよいが、圧力損失を考慮すればイオン交換樹脂と同程度の大きさであることが好ましい。具体的には、支持材の平均粒径が、０．３〜２．０ｍｍであることが好ましく、１．０〜１．４ｍｍであることが特に好ましい。さらに、この支持材１６は、上層１２の強酸性カチオン交換樹脂と同じ小室に入っているため、通水操作、再生操作等を行った場合でも、常に出入管１５を覆い、上層の強酸性カチオン交換樹脂が出入管と直接接触しないように該イオン交換樹脂よりも比重の重いものであることが好ましい。この比重としては、１．３以上であることが好ましく、２．５以上であることが特に好ましい。

次に、上記イオン交換装置１０を用いた本発明のイオン交換方法について説明する。通水工程で原水を処理する時には、原水が塔底の流入管１１Ａから塔本体１１内へ上昇流で流入し、第２仕切板１７を介して強塩基性アニオン交換樹脂からなる下層１３下面全面に分散する。下層１３は原水の給水圧によりピストン移動して仕切板１４と接触して固定層を形成し、この状態で原水が通水する間に原水中の硫酸イオン、塩素イオン等のアニオンが強塩基性アニオン交換樹脂により除去される。その後、原水は仕切板１４を介して支持材１６の下面全面に分散し、下層１３と同様に、強酸性カチオン交換樹脂からなる上層１２がピストン移動して第３仕切板１８と接触して固定層を形成し、この状態でアニオン除去後の処理水が通水する間にそのカルシウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン等のカチオンが強酸性カチオン交換樹脂により除去される。この処理水は第３仕切板１８を経由し、流出管１１Ｂから高純度の純水として流出し、次工程へ供給される。

原水の処理により各イオン交換樹脂が貫流点に達したら再生工程で各イオン交換樹脂を再生する。それには各イオン交換樹脂層を逆洗することなく、まず、通水出口側に位置する上層１２の強酸性カチオン交換樹脂を向流再生する。即ち、酸再生剤として例えば塩酸水溶液を塔頂の第２流入管１１Ｄから下降流で供給すると共に、支持水を塔底部から上昇流で塔本体１１内へ供給する。これにより酸再生剤は第２仕切板１８を介して上層１２全体に分散し、酸再生剤が上層１２全体を下降流で通液し、この通液の間に強酸性カチオン交換樹脂が再生される。この間、塔底部から支持水が上昇流で通水されているため、支持水により酸再生剤の下層１３への侵入を防止する。そして、酸再生廃液は支持水と出入管１５において合流し、外部配管１５Ａから排出される。上層１２の強酸性カチオン交換樹脂の向流再生後、酸再生剤に代えて純水を塔頂から供給し、塔本体１１の塔頂、塔底の双方から通水して上層１２の強酸性カチオン交換樹脂の押出し、洗浄操作を行い、洗浄廃液は出入管１５、外部配管１５Ａから排出される。

上層の洗浄操作の後、通水入口側に位置する下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂を向流再生する。即ち、アルカリ再生剤として例えば水酸化ナトリウム溶液を直胴部の外部配管１５Ａから下降流で供給すると共に、支持水を塔頂部の第２流入管１１Ｄから塔本体１１内へ下降流で供給する。これによりアルカリ再生剤は出入管１５から支持材１６の最下部に流入し、支持水と合流して仕切板１４を介して下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂全体へ下降流で通液される。アルカリ再生剤が下層１３を通液する間に強塩基性アニオン交換樹脂はアルカリ再生剤により効率良く再生される。強塩基性アニオン交換樹脂の向流再生操作が終了したら、引き続き、出入管１５から純水を下降流通水し、下層１３の強塩基性アニオン交換樹脂を洗浄し、再生操作を終了する。後は、通水工程と再生工程とを逆洗操作を行うことなく繰り返してイオン交換反応により原水を処理して純水を製造する。

なお、この再生操作において、再生剤と支持水とは、その合流地点において乱流が生じ、再生剤と支持水が混在した混和層を形成する。この混和層はそれが大きく（厚く）なるほど、周辺のイオン交換樹脂の再生が十分に行えなくなったり、再生対象としていない他方のイオン交換樹脂（支持水側）を汚染したりするため、これを十分小さく（薄く）することが、交流再生を行うイオン交換樹脂において重要である。特に、上層１２を再生する際には、再生剤と支持水がそれぞれ正反対の流れ方向であるため、その衝突による混和層が大きくなりやすいが、本実施形態においては、支持材１６を設けることにより混和層の大きさをこれまでより小さくして、周辺のイオン交換樹脂の再生を促進したり、汚染を防止したりすることで、全体として再生効率を向上させることができる。

従って、本実施形態では、通水終了後の両イオン交換樹脂層の逆洗操作を行うことなく、両イオン交換樹脂層に被処理水を通水する方向とは逆方向にそれぞれの再生剤を通液する、いわゆる向流再生を行うため、通水終了時にイオン交換樹脂層で形成されたイオン型の配列を乱すことなく、そのまま再生することができ、通水終了時に残留している最下層の再生型のイオン交換樹脂を有効に活用することができると共に、再生効率を向上させることができる。

以上説明したように本実施形態によれば、強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂とを一塔内に納めたため、従来の２床３塔式イオン交換装置と比較して装置をコンパクト化することができる。

また、本実施形態では、同一塔内で互いに独立した強酸性カチオン交換樹脂層と強塩基性アニオン交換樹脂層をそれぞれ向流再生するため、上下の各イオン交換樹脂の通水出口側を常に新鮮な再生剤により再生することができ、処理水への不純物イオンのリークを格段に低減することができる。しかも、強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂とは仕切板１４によって上下の各層１２、１３として仕切られ、それぞれ単独のイオン交換樹脂層として形成されているため、従来の混床式イオン交換装置のようにクランピングによる再生不良や逆再生部分が各層１２、１３内に残留することがなく、ひいてはシリカリーク等の不純物イオンのリークがなく、純度の高い処理水を製造することができる。

また、本実施形態によれば、原水は上昇流でまず強塩基性アニオン交換樹脂と接触し、ややアルカリ性雰囲気でイオン交換されるため、コロイドシリカのような非イオン状のシリカがアルカリによって溶解してイオン状となって効率良く除去することができる。また、本実施形態では上昇流通水であるため、通水終了時には上層１２は通水時の圧密状態が徐々に解除されながら支持材１６に積層した状態で仕切板１４に、下層１３は通水時の圧密状態が徐々に解除されながら仕切板１７まで下降する。また、再生工程においてはそれぞれの仕切板１４、１７で支持された状態で再生され、通水工程と再生工程を繰り返しても各イオン交換樹脂層が圧密状態のまま各仕切板１４、１７に固着するということがなく、通水時及び通液時における圧力損失の増大を防止することができる。

さらに、本実施形態によれば、支持材１６が存在することにより、再生剤と支持水とにより形成される混和層を小さく抑制することができ、再生操作における、イオン交換樹脂の汚染を防止して、再生を確実に行い、全体として再生効率を向上させることができ、これにより再生時間の短縮、再生排水量の低減させることもできる。

なお、図１に示した実施形態では、後述する図３のフローのように、原水を逆浸透膜処理して原水中のカルシウムやマグネシウム等の硬度成分の大部分を予め除去した被処理水や原水を公知のイオン交換装置で処理して得た軟化水や脱塩水を被処理水として処理する場合などに適している。

（第２の実施形態）
図２に示すイオン交換塔２０は、図１に示すイオン交換装置１０の場合とは強酸性カチオン交換樹脂層と強塩基性アニオン交換樹脂層の上下関係が逆になっていると共に各イオン交換樹脂の再生剤の種類も上下関係が逆に変更されている以外は図１のイオン交換装置１０に準じて、上昇流通水、下降流再生の向流再生を行うように構成されている。符号も図１と同様に付している。

ここで用いられる支持材２６は、第１の実施形態と同様のものでよいが、上層２２の強塩基性アニオン交換樹脂と同じ小室に入っているため、該イオン交換樹脂よりも比重の重いものであることが好ましい。この比重としては、１．３以上であることが好ましく、２．５以上であることが特に好ましい。

次に、上記イオン交換装置２０を用いた本発明にイオン交換方法について説明する。通水工程で原水を処理する時には、原水が塔底の流入管２１Ａから塔本体２１内へ上昇流で流入し、第２仕切板２７を介して強酸性カチオン交換樹脂からなる下層２３下面全面に分散する。下層２３は原水の給水圧によりピストン移動して仕切板２４と接触して固定層を形成し、この状態で原水が通水する間に原水中のカルシウムイオン、マグネシウムイオン、ナトリウムイオン等のカチオンが強酸性カチオン交換樹脂により除去される。その後、原水は仕切板２４を介して支持材２６の下面全面に分散し、下層２３と同様に、この強塩基性アニオン交換樹脂からなる上層２２がピストン移動して第３仕切板２８と接触して固定層を形成し、この状態でアニオン除去後の処理水が通水する間にその硫酸イオン、塩素イオン等のアニオンやシリカが強塩基性アニオン交換樹脂により除去される。この処理水は第３仕切板２８を経由し、流出管２１Ｂから高純度の純水として流出し、次工程へ供給される。

原水の処理により各イオン交換樹脂が貫流点に達したら再生工程で各イオン交換樹脂を再生する。それには各イオン交換樹脂層を逆洗することなく、まず、通水出口側に位置する上層２２の強塩基性アニオン交換樹脂を向流再生する。即ち、アルカリ再生剤として例えば水酸化ナトリウム水溶液を塔頂の第２流入管２１Ｄから下降流供給すると共に、支持水を塔底部から塔本体２１内へ上昇流で供給する。これによりアルカリ再生剤は第２仕切板２８を介して上層２２全体に分散し、アルカリ再生剤が上層２２全体を下降流で通液し、この通液の間に強塩基性アニオン交換樹脂が再生される。この間、塔底部から支持水が上昇流で通水されているため、支持水によりアルカリ再生剤の下層２３への侵入を防止する。そして、アルカリ再生廃液は出入管２５において支持水と合流し、外部配管２５Ａから排出される。上層２２の強塩基性アニオン交換樹脂の向流再生後、アルカリ再生剤に代えて純水を塔頂から供給し、塔本体２１の塔頂、塔底の双方から通水して上層２２の強塩基性アニオン交換樹脂の洗浄操作を行い、洗浄廃液は出入管２５、外部配管２５Ａから排出される。

上層の洗浄操作の後、通水入口側に位置する下層２３の強酸性カチオン交換樹脂を向流再生する。即ち、酸再生剤として例えば塩酸水溶液を直胴部の外部配管２５Ａから下降流で供給すると共に支持水を塔頂部から下降流で供給する。これにより酸再生剤は出入管２５から支持材２６の最下部に流入し、支持水と合流して仕切板２４を介して下層２３の強酸性カチオン交換樹脂全体へ下降流で通液される。酸再生剤が下層２３を通液する間に強酸性カチオン交換樹脂は効率良く再生される。強酸性カチオン交換樹脂の向流再生操作が終了したら、引き続き、出入管２５から純水を下降流通水し、下層２３の強酸性カチオン交換樹脂を洗浄し、再生操作を終了する。後は、通水工程と再生工程とを逆洗操作を行うことなく繰り返してイオン交換反応により原水を処理して純水を製造する。

従って、本実施形態によれば、図１に示すイオン交換装置１０の上昇流通水、下降流再生による効果を期することができる。さらに、本実施形態によれば、原水は上昇流で強酸性カチオン交換樹脂、強塩基性アニオン交換樹脂の順で通水し、原水が強塩基性アニオン交換樹脂と直接接触することがないため、原水中にマグネシウムイオン等の硬度成分が多量に含まれている原水を処理する場合にはこれらの硬度成分は下層２３の強酸性カチオン交換樹脂により除去され、上層２２の強塩基性アニオン交換樹脂において水酸化マグネシウム等の難溶性の水酸化物を生成することがない。

また、第１及び第２の実施形態により説明した本願発明は、従来の一塔型のイオン交換装置が奏する次のような種々の効果も併せて奏するものである。

（１）強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性カチオン交換樹脂を一塔内に充填したため、塔数を最小にすることができ、イオン交換装置をコンパクト化することができ、設置コスト及び設置面積を大幅に削減することができる。

（２）一塔内に両イオン交換樹脂を充填するとは云え、従来のように両イオン交換樹脂を混合することなく、両イオン交換樹脂の積層状態を維持したまま通水及び再生を行うため、従来の混床式イオン交換装置で発生したような両イオン交換樹脂によるクランピング現象による再生不良を生じることなく、しかも、向流再生を行うため、処理水中のシリカに関しては混床式イオン交換装置よりむしろ優れている。即ち、混床式イオン交換装置においては、再生後にイオン交換樹脂を混合するため、再生によって残留したシリカ型の強塩基性アニオン交換樹脂が全樹脂層に分散して平均化してしまい、処理水のシリカリークは、この平均化したシリカ型の分率によって決定されるが、本発明は向流再生であるため、処理水流出側は完全に再生されており、シリカリークが極めて少ない。

（３）積層させた強酸性カチオン交換樹脂と強塩基性アニオン交換樹脂を再生するに当たり、通水後に逆洗を実施することなく向流再生を行うため、再生操作そのものを理想的な状態で行うことができ、再生剤の使用量当たりの再生後に生成させるＨ型強酸性カチオン交換樹脂あるいはＯＨ型強塩基性アニオン交換樹脂の量を最大にすることができ、処理容量を大きくすることができる。

（４）積層させた両イオン交換樹脂を再生するに当たり、強酸性カチオン交換樹脂から強塩基性アニオン交換樹脂へ通水する場合には強塩基性アニオン交換樹脂を再生した後強酸性カチオン交換樹脂を再生し、強塩基性アニオン交換樹脂から強酸性カチオン交換樹脂へ通水する場合には強酸性カチオン交換樹脂を再生した後強塩基性アニオン交換樹脂を再生するというように、両イオン交換樹脂に被処理水を通水する順序と逆の順序で再生することにより、後から再生する一方のイオン交換樹脂の再生剤が先に再生した他方のイオン交換樹脂と接触して塩型となってもこの塩型が最上流部に位置するため、処理水の純度に全く影響を与えないようにすることができる。

（５）両イオン交換樹脂を仕切板によって仕切ることにより通水と再生を繰り返し行っても両イオン交換樹脂が混合することなく、安定したイオン交換操作を実施することができる。

また、図３は前述したように例えば図１に示すイオン交換装置１０を純水製造装置に適用した図を示す。この純水製造装置の場合には、イオン交換装置１０が逆浸透膜装置３０の下流側に配置され、逆浸透膜装置３０により原水中の微粒子が除去されると共に、硬度成分の大部分が除去された透過水がイオン交換装置１０に流入するように構成されている。このようにイオン交換装置１０を逆浸透膜装置３０の下流側に配置することにより、イオン交換樹脂層が微粒子の蓄積により、その圧力損失が増大することがなく、さらに、強塩基性アニオン交換樹脂層に水酸化マグネシウム等が発生することがなく、長期間に渡って安定した運転を行うことができる。

このように逆浸透膜装置を設置することで、被処理水を逆浸透膜装置により処理し、その透過水を本発明に用いるイオン交換塔で処理するフローにより微粒子の蓄積によるイオン交換樹脂層の圧力損失の増大等の障害を防止することができ、さらに、強塩基性アニオン交換樹脂を先に接触させる場合であっても強塩基性アニオン交換樹脂層に水酸化マグネシウム等の沈澱物を発生させることがなく、高純度の処理水を得ることができる。

なお、図示してないが、炭酸水素カルシウムや炭酸水素マグネシウムを含む被処理水を処理するに当たり、弱酸性カチオン交換樹脂と脱炭酸塔を組み合わせた脱アルカリ軟化装置でまず被処理水を処理した後、本発明の各イオン交換塔で処理することもできる。Ｈ型弱酸性カチオン交換樹脂に上記被処理水を通水すると、炭酸水素イオンに対応するカルシウムイオン、マグネシウムイオンはイオン交換され、炭酸水素イオンは遊離炭酸となる。従って、これを脱炭酸塔で処理することにより、遊離炭酸の大部分を除去することができる。このような処理方法を採用すれば、炭酸水素イオンは本発明のイオン交換塔のイオン負荷から除くことができ、より低コストで純水を得ることができる。また、弱酸性カチオン交換樹脂の再生効率は良いため、その再生に当たっては本発明のイオン交換塔における強酸性カチオン交換樹脂を再生した再生廃液を利用することができる。

また、本発明に用いるイオン交換装置を例えば２基設置した場合には、メリーゴーランド方式により運転することにより各イオン交換樹脂の利用効率を高め、連続的に効率良く純水を製造することができる。
なお、図３ではイオン交換装置１０を逆浸透膜装置３０の下流側に配置したものについて説明したが、その他の図２に示したイオン交換装置も同様に図３に示す純水製造装置に適用することができる。

本発明のイオン交換装置の一実施形態を示す構成図である。 本発明のイオン交換装置の他の実施形態を示す構成図である。 図１に示すイオン交換装置を適用した純水製造装置の要部を示すフロー図である。

符号の説明

１０，２０…イオン交換装置、１１，２１…塔本体、１２，２２…上層（イオン交換樹脂層）、１３，２３…下層（イオン交換樹脂層）、１４，２４…仕切板、１５，２５…出入管、１６，２６…支持材、１７，２７…第２仕切板、１８，２８…第３仕切板

Claims (3)

1. 同一塔内に積層して形成されたカチオン交換樹脂層とアニオン交換樹脂層の２種類のイオン交換樹脂層と、前記２種類のイオン交換樹脂層の間に設けられた被処理水の流通は許すが、イオン交換樹脂の流通を阻止するように構成された仕切り板と、その仕切り板の上部近傍に再生剤の出入管を設けたイオン交換装置であって、
   前記イオン交換樹脂層の上層が強塩基性アニオン交換樹脂、下層が強酸性カチオン交換樹脂からなり、その各層に被処理水が上昇流で通水され、各イオン交換樹脂層にそれぞれ再生剤が下降流で通液されるものであって、前記被処理水の通水と前記再生剤の通液とを交互に行う際に、先に上層へ再生剤を通液され、その後に下層へ再生剤を通液される上昇流通水、下降流再生によるイオン交換に用いられ、
   前記再生剤の出入管全体が、イオン交換能力を保持せず、比重が１．３以上であって同じ小室のイオン交換樹脂よりも重い支持材で覆われていることを特徴とするイオン交換装置。
2. 前記支持材が、平均粒径１．０〜１．４ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のイオン交換装置。
3. 同一塔内に積層して形成されたカチオン交換樹脂層とアニオン交換樹脂層の２種類のイオン交換樹脂層と、前記２種類のイオン交換樹脂層の間に設けられた被処理水の流通は許すが、イオン交換樹脂の流通を阻止するように構成された仕切り板と、その仕切り板の上部近傍に再生剤の出入管と、前記再生剤の出入管全体を覆うイオン交換能力を保持せず、比重が１．３以上であって同じ小室のイオン交換樹脂よりも重い支持材と、からなるイオン交換装置を用いたイオン交換方法であって、
   前記イオン交換樹脂層の上層が強塩基性アニオン交換樹脂、下層が強酸性カチオン交換樹脂からなり、
   前記イオン交換樹脂層の各層に被処理水を上昇流で通水する通水工程と、前記各イオン交換樹脂層にそれぞれ再生剤を下降流で通液する再生工程と、からなり、前記通水工程と前記再生工程とを交互に行う際に、先に上層へ再生剤を通液し、その後に下層へ再生剤を通液する上昇流通水、下降流再生により各工程を行うことを特徴とするイオン交換方法。

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