よくわかる水処理2

2章前言:制造工业用水的处理方法自来水或者工厂使用的水统称为用水。然后将这些水净化为可使用即为用水处理。用水处理是指用一些方法让水质达到标准。本章是介绍以工厂用水为主，纯水和超纯水的制造法以及回收方式。1工厂用水需要前处理现在,在工厂制造类使用的工业用水,供给的主要渠道是工业用水道和河水,地下水(井水)。工业用水管的水是在净化场未被处理含杂质的水。河水也一样。另外井水中含有铁、锰，和空气接触后被氧化，产生Fe（OH）3和Mn（OH）3之类的氧化物杂质。因此，此类水无法直接当作工业用水来使用。小粒子絮凝反应flock状因此，使用工业用水的纯水装置前面需要有去除杂质的前处理。作为饮用水的自来水，需要净水场处理。前处理也是一样，是由若干个系统组合起来的。那个场合，砂过滤器的去除对象是5μm以上的粒子。原水中悬浊的5μm以下的微粒子是通过前处理的絮凝过滤或者加压浮上分离来去除的。进行药品处理的絮凝反应槽，是通过氢氧化铝对5μm以下的微粒子或者1μm以下的胶体物质进行絮凝。因为水中存在着负电荷的粒子和带正电荷的氢氧化铝，将两者混合的话，电荷中和形成被称为絮凝flock的块状。絮凝反应后，将进行沉淀·浮上·过滤等分离操作。另外加压浮上装置先将空气加压，使其溶于水，在大气压中开放·减压会产生大量的微细气泡。在气泡中絮凝粒子和胶状物质附着，悬浮物质上浮分离，分离水进行过滤处理。采用何种前处理，根据原水的悬浊物质的浓度来决定，大致上后面会展示会采用哪类工程。2砂过滤无法去除的物质使用膜来去除通常所谓的前处理过滤,是指砂过滤,或者砂和无烟煤的2层过滤。但是也有过滤无法去除的细微物质。那些细微物质如果就这样混入工厂制造过程中,就会出现各种故障。因此，为了去除砂过滤无法去除的微浊物质开发了膜。膜的作用是让物质有选择的通过。物质的移动就是通过膜孔的大小进行筛除，利用膜的带电的电力和反推力进行筛除。水处理中基本上使用筛除法。使用各类膜的特征水的膜过滤根据孔大小如以下所示，进行分类。精密过滤（Microfiltration:MF）有机膜和无机膜限外过滤（UItrafiltrasion:UF）有机膜反渗透（ReverseOsmosis:RO）有机膜膜分离法的特性和分离对象如右图所示。精密过滤法是阻止悬浊物质和细菌、超微粒子之类、大致是阻止0.1-10μm的物质通过，限外过滤是阻止蛋白质和氧气、细菌类或者病毒之类的1-100nm的物质通过。特别是反渗透法，是将含有无机盐和糖类、铝酸或者含BOD、COD成分的低分子、离子的溶液进行分离浓缩。在实际水处理中，根据各类膜情况有效组合使用。从这个项目开始使用何种膜，以何种形态使用，包括构造都会介绍给大家。3使用范围广的MF膜前一节中所述的各类过滤膜中就有MF膜就是对过滤装置使用水过滤的SCREEN方式。此种场合，持续过滤使得浊质粒子堆积在过滤滤芯的膜面上。会导致膜的进水侧和处理水侧的压差上升。如果压差达到标准，只有更换新膜或者将处理水侧进行反洗，将堆积在膜上的浊质粒子去除，让膜面复原可在使用。MF膜的孔径较大，范围在0.1-10μm。形状是卷轴纤维和平膜加工,也有管状直径为0.5-2mm的中空卷轴状等多种多样的，利用其特征而被使用。家庭用净水器也被使用MF膜的切身利用事例，家里的自来水龙头装上去除管道生锈的家庭用净水装置，地震或者水灾时紧急用过滤器也被使用。如果使用紧急用过滤器，河水、池塘、湖沼等水经过过滤可确保直接饮用。当然、除了使用工业用水的前处理过滤，还有其他的超纯水制造或者医药用水制造等最终过滤器也均被使用。另外、最近离子交换的纯水装置的替代技术反渗透膜脱盐装置（RO装置）开始被使用，浊质进入很容易堵塞，RO也无法反复反洗。因此、为了防止RO装置的堵塞，需要使用作为保安滤芯的cartridge的MF膜。MF膜活跃在各个领域中。4连病毒都能除去的UF膜拥有比在前项中说明过的MF膜更加细微空洞的就是UF膜。这种UF膜被运用到水处理领域是从1960年开始的。最初的膜素材是醋酸纤维，现在使用聚氨酯（PU）和聚砜树脂等各种合成高分子材料。在水处理中使用的UF膜的处理对象为，分子量5000～30万左右的高分子成分（蛋白质、聚乙二醇等）和粒径1～100mm的病毒、乳液等。因此，UF膜和MF膜存在着显而易见的级别差距，有着持续除去细微物体的能力。并且，所使用膜能分离除去90%以上的分子的最小分子量被称为截留分子量（cutoffmolecularweight），用于表示膜的性能。使用UF膜进行水处理的特征与过滤水流过的方式为沙滤及使用一部分MF膜的过滤面（膜面）垂直的全量过滤方式不同，采用与过滤棉平行的错流过滤方式。UF膜的形状与合成高分子制成的MF膜相同，有平膜、管状膜、中空丝膜、还有将平膜像海苔卷一样卷起来的螺旋状膜，根据用途分别使用。UF膜一般使用将含有胶体和高分子成分的水用泵施加0.1～0.5MPa的压力进行过滤的方式。如果含有胶状微粒子和高分子有机物时，也采用同样程度的过滤的话，在膜面会产生此类物资堆积所形成的层（胶质层），从而堵塞膜面。此类情况会导致过滤流量的减少。因此，无法进行清洗的平膜、管状膜、螺旋形等的构造，如何减少此类胶质层在UF膜的使用中是重点。5应用反渗透现象的RO膜在进行反渗透膜（RO膜）的说明之前，首先，说一说半渗透膜。在无法得到玻璃和金属或者塑料等可以装入液体的容器的时代，在欧洲使用了作为此类容器的羊膀胱。然后，当时的人发现如果在此容器中放入红酒或盐水后放入水中静置，容器内的液量会增加。对此现象进行科学的调查，并提出半透膜概念加以说明，是在19世纪末的事情了。红酒或盐水的液量增加，是因为容器内的液体和周围的液体浓度有异，水通过膜从浓度低的向浓度高的方向移动的结果所致。也被使用在超纯水制造中的RO膜当半透膜被放入盐水和淡水之间时，淡水会透过膜向盐水侧移动，两侧产生水位差（浸透压）。但是反过来，在盐水侧施加此浸透压以上的压力时，会产生水从盐水侧向淡水侧移动的反渗透现象。这种功能在水处理被应用是反渗透膜，最初于1950年以后在美国实现了实用化。这类反渗透膜中，采用稳定的高分子膜制作的，就是RO膜。最初实用化的RO膜是采用醋酸纤维制作，现在多采用聚酰胺系复合膜，在0.75～1.5MPa下运行。以前主要用于对海水和盐水进行脱盐得到淡水，最近被广泛运用于超纯水制造系统、废水回收等更广阔的领域中。RO膜的孔小到在电子显微镜中都无法被观察到，被称为非多孔膜。与其称其为孔，倒不如说成是往高分子间的空隙通水的方式更为贴切吧。现在已被实用化并广泛使用的是螺旋形或中空丝膜的方式。6水中离子与自身离子交换的离子交换树脂终于说到纯水制造了，此时有必要了解离子交换的知识了，在此进行说明。有些物质在溶于水的场合，构成物质的原子会有失去一个或者数个电子（正电荷），或者得到一个或者数个电子（负电荷）等状态。带电荷的原子称为离子（阳离子，阴离子），比如食盐（NaCl）可分为Na+和Cl-。软水和纯水的制造中，有必要将水中的离子去除。将水中自带离子去除，替换成可存在于水中的其他同符号离子。此时就利用具有交换特性物质的离子交换体。离子交换体通过使用不溶性，多孔性的合成树脂制造出的物质称之为离子交换树脂。离子交换的化学式举一个具有代表性的离子交换树脂中的强酸性阳离子交换树脂。如下所示，展示其实如何在水中交换离子的。强酸性阳离子交换树脂的效果R-SO3·H+NaCl→R-SO3·Na+HCl…………通水R-SO3·Na+浓HCl→R-SO3·H+NaCl……再生强酸性阳离子交换树脂的强酸性是通过强酸性物质用交换树脂来置换水中离子，阳离子是表示替换阳离子的树脂。另外R是代表树脂，上述场合树脂是从SO3·H开始吸附的。原水中的NaCl是可以分成Na+和Cl-，此种状态下，若和树脂接触的话，Na+和树脂中的H+相置换，结果将强酸性的HCl排出，最终将水中的NaCl去除。7能够通过离子交换体和RO膜的纯水井水和自来水等，也就是并非纯粹的水中含有各种各样的杂质。特别是存在相对较多量的钙离子和镁离子。利用离子交换树脂和RO膜，出去此类离子后的水叫做纯水。纯水的导电率一般在0.5～10μS/cm以下。水的化学式是H2O，仅含有H2O的水不导电，而水中如果含有NaCl和Ca(HCO3)2、二氧化硅（SiO2）等杂质可以导电。用来表示这种导电的容易程度的，就是电导率，0.5μS/cm意味着如果水中的杂质按照均为NaCl计算的话，1升水中约含有0.2mg的NaCl，10μS/cm则是2mg的NaCl溶解在水中的状态。在产业发展中不可或缺的纯水的存在有着日本的高速发展少了纯水的存在就不可能的说法也不为过。可作为发电用的锅炉水、石油化学工业中蒸汽、拥有可作为反应媒体的高性能、还可溶解物质的能力，所有的这些都是因为有着高纯度的纯水存在为产业的发展所作出的贡献。所以，纯水制造也完全依靠高度的水处理技术。并且，作为锅炉用水的情况下，因为二氧化硅也会在水蒸发时，会以固态物体的形式附着、析出在壁面上，所以此物质的量也需要控制。也就是说，水中所含的钙、镁的量被叫做硬度。硬度也被分为德标硬度（单位dH）和美标硬度（单位ppm），美标硬度为在1升水中所含钙和镁的量换算为碳酸钙（CaCO3）的浓度，用重量（mg）表示的数值。与此相对的，德标硬度为按照100毫升水中的氧化钙的换算的重量（mg）来计算的。8纯水装置的构造离子交换树脂纯水装置是阳离子交换树脂和阴离子交换树脂组合而成用来去除原水中的阳离子（Na+,Ca2+,Mg2+,NH4+,K+）和阴离子(Cl-,SO42-,HCO3-,PO34-,SiO2)的。纯水制造有两种使用方式。阳离子交换树脂和阴离子交换树脂分别填充在各自独立的塔罐中，将塔罐相互连接用原水冲洗的方式（多床塔方式），或者阴阳离子交换树脂混合均匀填充于同一塔罐中的方式（混床塔方式）。多床塔方式是用H塔，脱碳酸塔，OH塔组合而成（2床3塔方式）。2床3塔方式的反应2床3塔方式的原理如下所示。①H塔的反应有强酸性的阳离子R-SO3·H中的H和水中的Na+,Ca2+,Mg2+之类的进行置换来去除。②脱碳酸塔通过H塔的处理从离子交换树脂中中将H+分解，处理水显酸性。阴离子中HCO3-变化为：HCO3-+H+→H2CO3，通过空气的吹拂，变化为：H2CO3→H2O+CO2。CO2（二氧化碳）从水中大部分都释放到空气中。结果能降低阴离子树脂的使用量。③OH塔的反应在此，弱碱性阴离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂填充到不同的塔罐中，通过HCl或者H2SO4等酸来去除阴离子。最终达到OH塔的出口是H++OH-→H2O，最终作为纯水的处理就结束了。９比纯水纯度更高的超纯水纯水是以水溶液中的电解质为对象，用电气传导率和二氧化硅的测定值来定义。而超纯水不止对电解质有要求，溶解在水中的有机物、细菌、微粒子等也要求在一定基准以下。超纯水的说法是伴随着随着半导体的发展而出现的。半导体产业要求的超纯水是不含离子类、有机物、细菌、微粒子等的100%的理论纯水。但是获得理论上的纯水是不可能的，原因并不是制造理论纯水本身困难，而是如果变成理论纯水的话溶解其他物质的能力也会相应提高。及时能够制造理论纯水，也不能无视设备的附着物和来自材料的污染。但是把制造水放入到容器中时会出现来自容器的污染和溶出，很难维持纯度。因此，“超纯水”是现实制造各种最接近理论纯水的。谋求半导体制造中最接近理论纯水的水理论上25℃条件下纯水的电阻率为18.24MΩ·cm，电气传导率为0.05482us/cm。此传导率的值就如H2O=H++OH-(正式是2H2O=H3O++OH_)通过水自身的离解达到没有氢离子和氢氧基离子的状态。超纯水所谋求的正是这种电阻率接近理论纯水的水平。实际上最近高精度的半导体制造工程所要求的水质的电阻率是18MΩ·cm以上的高水平。例如水中的Fe2+离子仅溶解1mg/e，电阻率就会在174MΩ·cm以下，所以溶解物质ug/e（ppb）的浓度水平也成为一个严峻的问题。10超纯水制造装置的结构