(57)【要約】【課題】簡便な機構により原水に含まれる帯電性不純物を分離すること。【解決手段】一対の電極５，６と、この電極間に設けられた一対以上の耐熱性セパレータ７−１，７−２と、この一対以上の耐熱性セパレータそれぞれを隔てる耐熱性スペーサ８−１，８−２，８−３と、これら電極、耐熱性セパレータおよび耐熱性スペーサ相互を密接した状態で収納する処理槽１８とから構成された水処理装置３０において、電場を形成した状態で、中央部に位置する耐熱性スペーサおよびこの耐熱性スペーサに隣接する耐熱性セパレータにより形成した室に帯電性不純物を含む原水１を通水して前記電場によって帯電性不純物をそれぞれの極性方向に従って電極方向に分離し、原水を浄化する。【選択図】図２
2005181190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、この電極間に設けられた一対以上の耐熱性セパレータと、この一対以上の耐熱性セパレータそれぞれを隔てる耐熱性スペーサと、これら電極、耐熱性セパレータおよび耐熱性スペーサ相互を密接した状態で収納する処理槽とから構成された水処理装置において、
前記電極を電源に接続することにより当該電極間に電場を形成した状態で、中央部に位置する耐熱性スペーサおよびこの耐熱性スペーサに隣接する耐熱性セパレータにより形成した室に帯電性不純物を含む原水を通水して前記電場によって原水に存在する帯電性不純物をそれぞれの極性方向に従って電極方向に分離し、原水を浄化することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
前記電極に白金あるいは白金を被覆したものを使用することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項３】
前記処理槽の材質がステンレスであることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項４】
前記耐熱性スペーサの水と接する面にセラミックを内張りすることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項５】
前記耐熱性セパレータとして孔径の異なる複数枚のセパレータを用いることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項６】
前記両端に位置する一対の電極間に、一方が陽極、他方が陰極として機能する両性電極と耐熱性スペーサと耐熱性セパレータとにより構成されたユニットを複数段設置することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項７】
前記両端に位置する一対の電極と電源との間に電場の方向を反転させる切替スイッチを設けたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項８】
前記処理槽の前段に超音波振動子により超音波振動する処理タンクを設けたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項９】
前記電極と耐熱性セパレータとで形成した室に空気圧を与えることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項１０】
前記耐熱性セパレータに超音波振動を与えることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項１１】
処理槽内で、一対の電極間に耐熱性スペーサにより隔てられた一対以上の耐熱性セパレータを配置し、中央部に位置する前記耐熱性スペーサおよびこの耐熱性スペーサに隣接する前記耐熱性セパレータで形成した室に帯電性不純物を含む原水を通水し、帯電性不純物を分離するようにした水処理方法において、
前記電極間に電圧を印加して電場を形成した状態で前記耐熱性スペーサとこれに隣接する前記耐熱性セパレータとで形成した室に帯電性不純物を含む原水を通水し、前記電場によって帯電性不純物をそれぞれの極性方向に従って電極方向に分離して原水を浄化することを特徴とする水処理方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項１０記載の水処理装置を、原子炉から蒸気タービンに主蒸気を導く主蒸気系または復水器から原子炉へ給水を導く給水系または原子炉から導出された冷却水を浄化し再び原子炉へ導く原子炉冷却材浄化系に配設したことを特徴とする原子力プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中に存在する電荷を帯びた不純物を原水から分離する水処理装置及び水処理方法およびこの水処理装置を使用する原子力プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷を帯びた不純物、すなわち帯電性不純物としてはイオンあるいは粒子成分として多くのものが存在している。そして、例えば、原子力プラント等において原子炉水、給水におけるイオンの分離にはイオン交換樹脂塔の適用例が最も汎用的である（例えば、特許文献１）。この適用例は有機物の樹脂にイオン交換基を付与してなるイオン交換樹脂を、通水可能な管体(樹脂塔)に充填して原子炉冷却材浄化系に使用するものである。
【０００３】
一方、イオンと粒子成分とを同時に分離する方法として逆浸透膜濾過法がある。この方法は分子レベルの微細孔を持つ逆浸透膜により濾過することで物理的にイオンを分離する方法である。
【特許文献１】特開平７−２６０９８７号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記イオン交換樹脂を適用する場合、前提条件として不溶解成分の除去が必要であり、さらにこの方法の場合、有機物の樹脂とイオン交換基との結合は十分な強度を持っておらず、特に原子炉において、給水、原子炉水においてはその熱により容易に分解するため、二次的な不純物の発生原因あるいは、使用済みイオン交換樹脂自体が二次廃棄物として発生するおそれがある。
【０００５】
一方、逆浸透膜濾過法の場合、イオン交換樹脂と同様に前提条件として不溶解成分の除去が必要であり、また、熱によっては微細孔が膨張するためイオンの捕捉ができなくなるおそれがある。粒子成分の分離には、様々な材質の濾過材による精密濾過があり、これは単純な物理的な粒子成分の濾過分離である。このため、イオンに対する分離効果はなく、粒子成分であっても濾過材の孔径より細かなものは分離することができない。  
本発明の目的は、簡便な機構により原水に含まれる帯電性不純物を分離することのできる処理装置及び処理方法、原子力プラントを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る水処理装置の発明は、一対の電極と、この電極間に設けられた一対以上の耐熱性セパレータと、この一対以上の耐熱性セパレータそれぞれを隔てる耐熱性スペーサと、これら電極、耐熱性セパレータおよび耐熱性スペーサ相互を密接した状態で収納する処理槽とから構成された水処理装置において、前記電極を電源に接続することにより当該電極間に電場を形成した状態で、中央部に位置する耐熱性スペーサおよびこの耐熱性スペーサに隣接する耐熱性セパレータにより形成した室に帯電性不純物を含む原水を通水して前記電場によって原水に存在する帯電性不純物をそれぞれの極性方向に従って電極方向に分離し、原水を浄化することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項１１に係る水処理方法の発明は、処理槽内で、一対の電極間に耐熱性スペーサにより隔てられた一対以上の耐熱性セパレータを配置し、中央部に位置する前記耐熱性スペーサおよびこの耐熱性スペーサに隣接する前記耐熱性セパレータで形成した室に帯電性不純物を含む原水を通水し、帯電性不純物を分離するようにした水処理方法において、前記電極間に電圧を印可して電場を形成した状態で前記耐熱性スペーサとこれに隣接する前記耐熱性セパレータとで形成した室に帯電性不純物を含む原水を通水し、前記電場によって帯電性不純物をそれぞれの極性方向に従って電極方向に分離して原水を浄化することを特徴とする。
【０００８】
またさらに、請求項１２に係る原子力プラントの発明は、請求項１から請求項１０記載の水処理装置を、原子炉から蒸気タービンに主蒸気を導く主蒸気系または復水器から原子炉へ給水を導く給水系または原子炉から導出された冷却水を浄化し再び原子炉へ導く原子炉冷却材浄化系に配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、処理槽内に一対の電極を配置し、この一対の電極間に耐熱性スペーサにより隔てられた一対以上の耐熱性セパレータを配置し、中央部に位置する前記耐熱性スペーサおよびこの耐熱性スペーサに隣接する前記耐熱性セパレータで形成した室に帯電性不純物を含む原水を通水して帯電性不純物を分離するようにしたので、簡便な機構により原水に含まれる帯電性不純物を分離することが可能である。
【００１０】
さらに原子力プラントに適用することによって主蒸気系、給水系、炉水の温度を低下させずに帯電性不純物を分離させることができるので、原子力プラントの発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る水処理装置及び水処理方法、原子力プラントの実施例について図面を参照して説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１は本発明による水処理装置を原子力発電所の一次水（原水）系統への適用例を示す系統概念図である。  
図１において、９は原子炉であり、高温高圧の蒸気を主蒸気系１３を経て蒸気タービン１０に導入する。この蒸気タービン１０で膨張仕事をした蒸気は復水器１０Ｃで凝縮されて復水となり、給水系１４を通って再び原子炉に戻る。なお、１１は発電機、１２は原子炉冷却材浄化系である。
【００１３】
原子力発電所の一次系水には、不純物としては鉄やコバルトなどの放射性金属成分、シリカ成分、酸性イオンとして硫酸イオン、塩化物イオンなどが含まれるので、本発明による水処理装置３０の設置場所としては、原子炉の内部の水が循環されている位置１５、または蒸気が原子炉から蒸気タービン１０に至る間の位置１６、あるいは復水が蒸気タービン１０から原子炉９に戻る間の位置１７が適当である。
【００１４】
図２は本発明に係る水処理装置の１実施例を示す図であり、（ａ）は水処理装置の各構成部品を分離して示した図、（ｂ）は水処理装置を示す図である。  
図２（ａ）および（ｂ）において、水処理装置３０は基本的に一対の電極、複数の例えば３つのスペーサおよび一対の（二重の）セパレータで構成され、底部より原子力発電所の一次系水原水（主蒸気を含む）を流入させ、上部から処理水を流出させる構成となっている。
【００１５】
すなわち、水処理装置３０は一対の正負の電極５、６間に、３つの耐熱性スペーサ８−１、８−２および８−３と、これら２個の耐熱性スペーサ８−１〜８−２間および８−２〜８−３間にそれぞれ耐熱性セパレータ７−１、７−２を介挿し、これらの各部品相互間を密着した状態で処理槽１８内に収納した構成となっている。しかもこの処理槽１８全体は圧力１０MPaまで耐え得うるように製作されている。
【００１６】
ここで、前記一対の電極５、６は形状および寸法を限定するものではないが、不溶性であることが必要で、材料は例えばチタン基材としてその表面に白金を被覆したものを用いる。また、前記スペーサ８−１，８−２および８−３は３００℃に耐える耐熱性の材料で長方形の額縁状に形成されており、図示上部縁部にぞれぞれ流出パイプＰ１ｔ、Ｐ２ｔおよびＰ３ｔを、下部縁部に流入パイプＰ１ｂ、Ｐ２ｂおよびＰ３ｂをそれぞれ取り付けている。なお、３つのスペーサ８−１、８−２および８−３のうち、中央のスペーサ８−２に取り付けた下部パイプＰ２ｂのみ原水１が供給され、両側のスペーサ８−１，８−３に取り付けた下部パイプＰ１ｂおよびＰ３ｂは閉止状態にしている。
【００１７】
さらに、前記セパレータ７−１および７−２は、孔径が０．１〜１００μｍ範囲の微細孔を有するチタン等の耐熱性の材料で構成され、原水１および処理水２の流入口および流出口に対して直角方向の両側面に配置されている。なお、このセパレータ７−１および７−２の厚みは電極とセパレータ間あるいはセパレータ間の送液が可能となる厚さがあればよく、その形状および寸法は特に限定されることはない。
【００１８】
このように構成された水処理装置３において、図示しない電源から電圧を印可することによって両電極５、６間に電場を形成すると、耐熱性セパレータ７−１および７−２では、そのセパレータの内部を境界して表面が分極し、その一方が正、他方が負に帯電する。
【００１９】
この状態で中央の耐熱性スペーサ８−２の下部に設けた流入パイプＰ２ｂから原水１を供給すると、原水１中に含まれる帯電性不純物は、その極性に従ってそれぞれ電場方向のセパレータ７−１あるいは７−２の表面に吸着され、特に負の電場方向のセパレータでは鉄およびコバルトなどの放射性金属成分が、正の電場方向のセパレータではシリカ成分がそれぞれ静電気的に中和されて吸着される。
【００２０】
さらに、硫酸イオンや塩化物イオンなどの酸性イオンはセパレータ７−１あるいは７−２を介して陽極側に電気泳動し、同様にアルカリ性イオンは陰極側に電気泳動する。これらによって、原子力発電所の一次系水に含まれる鉄やコバルトなどの金属成分、シリカ成分、硫酸イオンや塩化物イオンなどの成分が分離されることになる。
【００２１】
ここで、セパレータ７−１あるいは７−２を介して電極側のスペーサ８−１または８−３内の室に移動した不純物の濃縮水は当該スペーサ８−１または８−３に設けた流出口パイプＰ１ｔ，Ｐ３ｔから常時一定量ずつ排出される。  
なお、前記処理槽１８は汎用としてはステンレス材を用いることが有効であるが、耐久性あるいは耐食性など、必要に応じてチタンの適用が考えられる。
【００２２】
また、電極５、６の材質は白金を使用すれば耐食性、耐久性に優れたものとすることができるが、原料単価が高価であるため、例えばチタンを基材として白金を表着したもの（白金メッキしたもの）が実用的である。
【００２３】
さらに、耐熱性セパレータ７−１および７−２の材質をステンレスにすれば、材料原価や加工費を廉価にすることができるが、チタンにすれば耐食性や耐久性を大きくとることができ、また、セラミックにすれば耐食性に優れたものとすることができる。この他、耐熱性セパレータ７−１および７−２の材質をカーボンにすれば、大きな静電気容量を利用してセパレータ表面の付着量を大きくすることができる。なお、原水が水蒸気である場合、静電気容量の大きいカーボンの適用が考えられる。  
以上述べたように、実施例１によれば、簡便な機構により原水に含まれる帯電性不純物を分離することのできる水処理装置を提供することができる。
【００２４】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２に係る水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図である。  
本実施例２は、処理槽１８の耐食性を向上させるために、処理槽１８にセラミックを内張りするようにしたものである。  
具体的には、額縁状のスペーサ８−１〜８−３の内面にセラミックの内張り１９を設けることによって処理槽１８の耐食性を向上させるようにしたものである。
【００２５】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３に係る水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図である。  
本実施例３は、両端の電極５、６間に、一方が陽極として他方が陰極として機能する両性電極２０とスペーサ８とセパレータ７とで構成されたユニットを複数段（図示のものは５段）配置することによって、より高密度な水処理を行うようにしたものである。
【００２６】
（実施例４）
図５は、本発明の実施例４に係る水処理装置の構成図であり、（ａ）は水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図、（ｂ）は水処理装置を示す図である。  
本実施例４は、耐熱性のセパレータとして孔径の異なるセパレータ２１を複数枚（本例では２枚）用いることを特徴とするものである。
【００２７】
耐熱性セパレータ２１は、異なる孔径のものを複数枚重ねて使用しても問題なく、例えば、１μｍのセパレータの原水側に１０μｍのセパレータを配置すれば、１０μｍのセパレータ内部に金属成分を付着させることも可能となる。
【００２８】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５に係る水処理装置の構成図であり、（ａ）は電極に対する第１の電圧印加状態を示す図、（ｂ）は電極に対する第２の印加状態を示す図である。  
本実施例５は、電極で形成した電場を一定期間毎に反転させることを特徴とするものである。
【００２９】
本実施例５によれば、電極５、６に接続される電源２２の極性を切換スイッチ２３で一定時間毎に切替えて電場の方向を図６（ａ）の状態から図６（ｂ）の状態に反転させるようにしたので、セパレータの表面の正と負の分極を逆転させることができる。  
この結果、セパレータの表面に付着していた金属成分や帯電性の粒子成分を容易に剥離することができる。
【００３０】
（実施例６）
本実施例６は、特に図示していないが、原水を一定量処理した後、セパレータに超音波振動子を取り付けて、セパレータに超音波を与えるようにしたものである。  
このようにセパレータに超音波を与えることにより、物理的にセパレータの表面に付着していた金属成分や帯電性の粒子成分を剥離することができる。
【００３１】
（実施例７）
図７は本発明の実施例７に係る水処理装置の構成図であり、（ａ）は水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図、（ｂ）は水処理装置を示す図である。  
本実施例７は、必要に応じて原水１の流入口である下部パイプＰ２ｂの前段に超音波振動子２５を備えた処理タンク２４を設置し、原水１中に含まれる不純物を超音波により予め除去するようにしたものである。
【００３２】
この実施例７によれば、大きな不純物は前段の処理タンク２４で予め除去できるので、セパレータ７−１あるいは７−２の目詰まり速度を遅延する効果がある。なお、除去された不純物は、処理タンク２４下部に設けた固形物排出ライン２６から系外に排出される。
【００３３】
（実施例８）
図８は本発明の実施例８に係る水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図である。  
本実施例８は、スペーサとこれに隣接する電極および耐熱性セパレータで形成された室に空気圧を与えるようにしたものである。
【００３４】
スペーサ８−１、セパレータ７−１および電極５で形成された室または、スペーサ８−３、セパレータ７−２および電極６で形成された室に空気圧２７を与えることにより、実施例６の超音波の場合と同様な作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による水処理装置を原子力発電所の一次水系統への適用例を示す系統概念図。
【図２】本発明の実施例１に係る水処理装置の構成図であり、（ａ）は水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図、（ｂ）は水処理装置を示す図。
【図３】本発明の実施例２に係る水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図。
【図４】本発明の実施例３に係る水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図。
【図５】本発明の実施例４に係る水処理装置の構成図であり、（ａ）は水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図、（ｂ）は水処理装置を示す図。
【図６】本発明の実施例５に係る水処理装置の構成図であり、（ａ）は電極に対する第１の電圧印加状態を示す図、（ｂ）は電極に対する第２の印加状態を示す図。
【図７】本発明の実施例７に係る水処理装置の構成図であり、（ａ）は水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図、（ｂ）は水処理装置を示す図。
【図８】本発明の実施例８に係る水処理装置の各構成部品を分離して示した構成図。
【符号の説明】
【００３６】
１…帯電性のある不純物を含む原水、２…処理水、３…正(又は負)の帯電性のある不純物、４…負(又は正)の帯電性のある不純物、５…正電極(又は負電極)、６…負電極(又は正電極)、７、２１…セパレータ、８…スペーサ、９…原子炉、１０…タービン、１０Ｃ…復水器、１１…発電機、１２…原子炉水系、１３…主蒸気系、１４…復水系、１５…原子炉水系の水処理装置設置位置、１６…復水水蒸気系の水処理装置設置位置、１７…復水系の水処理装置設置位置、１８…処理槽、１９…セラミック内張り、２０…両性電極、２２…電源、２３…電源切換スイッチ、２４…処理タンク、２５…超音波振動子、２６…固形物排出ライン、２７…空気圧、３０…水処理装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005181190.tif 000009
【図８】
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