(57)【要約】【課題】  逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム及び方法を提供する。【解決手段】  主に高效率薄膜型ポリアミド逆浸透薄膜を分離介質(媒体)として利用し、二酸化シリコンを含むその他の成分を除去し、高濃度ほう酸を得る純化及び再利用のシステム及び方法であって、加圧水型原子力発電所のメイン冷却システムに適用可能である。ほう酸保存装置１、濃縮液一時保存装置２、逆浸透薄膜分離装置３、電気制御装置４及びほう酸二酸化シリコンモニタ装置５を含み、各装置間は相互に接続し、特定の操作ステップに基づき、高效率のほう酸純化及び再利用を可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜型ポリアミド(thin-film polyamide)逆浸透薄膜を利用してほう酸溶液中のほう酸と二酸化シリコンを分離するシステムであって、
ほう酸保存装置、濃縮液一時保存装置、逆浸透薄膜分離装置、ほう酸二酸化シリコンモニタ装置からなり、
該ほう酸保存装置はほう酸保存槽、低圧ポンプ、流量計、筒状ろ過器を含み、
該ほう酸保存槽はほう酸原液を保存すると共に純化された溶液を受取り、
該低圧ポンプはほう酸原液を輸送し、
該流量計は流量を調節し、
該筒状ろ過器はほう酸原液中に含まれる浮遊顆粒をろ過し、
該濃縮液一時保存装置は、濃縮液一時保存槽、加熱器、高圧循環ポンプを含み、
該濃縮液一時保存槽は、ほう酸保存槽から送られてくる定量の処理を待つほう酸原液を保存し、既に濃縮されたほう酸液を受取り、
該加熱器は、該濃縮液一時保存槽の濃縮液を加温し、ほう酸、二酸化シリコンの分離效率を高め、
該高圧循環ポンプは、必要に応じて適当な水圧を提供し、逆浸透圧及び圧力低下を克服し、
該逆浸透薄膜分離装置は、逆浸透薄膜組、三組の圧力計、二組の流量計、筒状ろ過器、電気制御装置を含み、
該逆浸透薄膜組は、原液進入口、濃縮液出口、一純化流液出口の三本のパイプを接続し、
該三組の圧力計は、それぞれ該原液進入口、該濃縮液出口、該純化流液出口に設置し、薄膜組の溶液の出入り及び純化流液パイプの圧力を調節し、
該二組の流量計は、濃縮液及び純化流液の流量を制御し、
該筒状ろ過器は、濃縮液流中の浮遊粒子の一時保存槽中への進入をろ過し、
該電気制御装置は、操作パネルを設置し、該操作パネル上には複数個の電源インジケータ及びスイッチボタンを設置し、システムの水ポンプの運転、温度及び圧力の調整及びシステムの起動、停止などを制御し、
該ほう酸二酸化シリコンモニタ装置は、自動滴定分析器、紫外線可視光線分光器を含み、各部位水流のほう酸及び二酸化シリコン濃度をモニタし、
上記各装置は、パイプにより接続され、ポンプ及び制御バルブを設置して各溶液を輸送し、電気制御装置の操作によりシステムのほう酸純化作業を制御することを特徴とする逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【請求項２】
前記電気制御装置は、コンピュータシステム制御装置を有し、純化作業を手動、或いはコンピュータ自動制御とすることができることを特徴とする請求項１記載の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【請求項３】
前記ほう酸二酸化シリコンモニタ装置は、線形分析或いは非線形分析とすることができることを特徴とする請求項１記載の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【請求項４】
前記処理しようとするほう酸は、放射性を含むか否かを問わないことを特徴とする請求項１記載の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【請求項５】
前記処理しようとするほう酸は、流体或いは浮遊固体であることを特徴とする請求項１記載の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【請求項６】
前記逆浸透薄膜のMWCOは、200ダルトンで、ほう酸を通過させ、二酸化シリコンを排除し、両者の分離を達成することを特徴とする請求項１記載の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【請求項７】
前記逆浸透薄膜組は、特殊製造の薄膜型ポリアミドRO膜(HS-BP1-4040CST)を使用することを特徴とする請求項１記載の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【請求項８】
前記逆浸透分離法のほう酸純化及び再利用システムは、以下のステップに基づき進行し、
a. 低圧ポンプは、ほう酸保存槽から一定量の処理を待つほう酸溶液を濃縮液一  時保存槽に送り出し、
b.該濃縮液一時保存槽の処理を待つほう酸溶液は、さらに逆浸透薄膜組に送られ  ほう酸の純化を行い、大多数の二酸化シリコンは排除され、多数のほう酸は通  過し、
c.逆浸透薄膜組の処理を経て生じた濃縮溶液は、さらに濃縮液一時保存槽中に戻  され、純化過程で生じる純化溶液はほう酸保存槽中に送られ、
該ほう酸保存槽の二酸化シリコンを可能な限り上記a〜cのステップを繰返し、ほう酸溶液が再利用でき、純化の過程において、隨時、電気制御装置により、必要な条件を設定し、需要に符合するほう酸純化作業を達成することを特徴とする請求項１記載の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム及び方法に関する。特に一種の薄膜型ポリアミド逆浸透(Reverse Osmosis, RO)を利用し、ほう酸溶液中のほう酸と二酸化シリコンを薄膜分離し、ほう酸を純化及び再利用するシステム及び方法で、加圧水型原子力発電所のメイン冷却システムに応用可能で、高濃度のほう酸溶液を純化し、他の工業が必要とするほう酸純化作業を実現することができる逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム及び方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子力発電所のメイン冷却システム中には放射性高濃度ほう酸溶液を含む。これは原子力発電所の中性子反応の制御剤で、運転中はメイン冷却システム中の二酸化シリコンの濃度が増加し、メインシステム中の部品を損壊させる可能性がある。そのため、メイン冷却水中のほう酸溶液が含む二酸化シリコンは除去し、害のない程度に低下させなければならない。
世界各国の加圧水型原子力発電所では高濃度二酸化シリコンを含むほう酸水溶液に対して、一般的には二種の方式で処理している。
一種は放射性廃液として処理する方法である。放射性廃液の処理費用は非常に高額で、この方式は経済的ではない。
もう一種は直接外界へと排出するものである。しかし、これには各国の環境排放水中のほう酸濃度の制限がある。中華民国の環境保護法規下では、排水として処理することはできないため、特殊な処理手順を踏み、放射性ほう酸量を減少させなければならない。
【０００３】
これまでは、半導体工業において使用する超純水中では、ほう酸及び二酸化シリコンの存在は厳密に抑制されていた。そのため、イオン交換樹脂及び逆浸透薄膜淨化により浄化を達成していた。
ほう酸(H3BO3)は非常に弱い酸で、その酸性平衡定数(pKa)？は9.2である。二酸化シリコン(SiO2)は代表的な化学式で、水中ではケイ酸(H4SiO4)として存在する。そのpKa？は9.5である。PHが7より小さい時、ほう素は不解離であるほう酸として存在する。pH が11より大きい時には、ほう酸塩(B(OH)4-)として存在し、二酸化シリコンも同様で、PHが10より大きい時には、ケイ酸塩(H3SiO4-)として存在する。加圧水型原子力発電所ほう酸保存槽(pH <7)中において、ほう素は中性のほう酸として存在する。二酸化シリコンは中性のケイ酸として存在する。公知の陰イオン樹脂交換方法は、マイナス電荷を含むほう酸塩及びケイ酸塩に対してのみ分離能力を持つ。そのため、公知のイオン交換法のほう酸と二酸化シリコンを分離する効果は十分ではなく、回收され再利用されるほう酸の效率は低く、経済的にも実用的価値も低い。
公知の加圧水型メイン冷却水の処理方法、ほう酸回収の方法では、最初は蒸発器による濃縮方式を採用しようとしたが、濃縮後の高濃度ほう酸が結晶化し、設備に放射性塩類が堆積し、しかも該方法は蒸気揮発性に対しては酸性度をコントロールし結晶化を避ける必要があるため、方法が非常に複雜になってしまうため、既に使用されていない。
一方、イオン交換樹脂により直接ほう酸を濃縮する方法は，メイン冷却水中のpHがアルカリ性(pH=9.5)である時、ほう酸塩とケイ酸塩を分離可能であるが、両社のpKaが非常に近いため、良好な分離效果を得ることはできず、実用性及び経済性に乏しい。そのため、逆浸透分離法が最良の方法と言える。
【０００４】
また、公知の技術において、加圧水型原子力発電所は逆浸透薄膜を利用し、二酸化シリコンを除去してほう酸を回収する時、多くは酢酸繊維素中空繊維RO膜(cellulose acetate (CA) hollow fiber membrane) を使用する。USF cology社は米国Zion, Millstone, Hadden NeckなどのPWR発電所でこの技術を利用している。ATI (Associated Technology Incorprate)米国Conneticut Yankee発電所でこの技術を利用している。DTS (Diversified technologies service Inc.) 社はBARS (Boric Acid Recovery System)を発展させ、韓国Krosys社もまたKEPCO発電所の廃棄原料システム中においてほう酸回收システム発展させている。
これら公知の技術のCA Hollow Film RO膜は比較的目が粗いため、除去率は良くない。二酸化シリコンの除去率は85%、ほう素の除去率は15%である。これでも分離效果の目的に適合してはいるが、CA膜にはpH限制範囲(pH=3-7)があり、しかも二酸化シリコンの除去率が低く、水流通量が低く(5 GPD/ft2)、使用圧力は高く(最小400psi)、使用温度が低く(最高35℃)、中空繊維RO膜は目詰まりし易いと、環境基準及びコストが高くつくなどの欠点が存する。
【非特許文献１】Avijit Dey, Gareth Thomas, Kiran Arum Kekre, and Tao Guihe, "Part 1 : Effect of Interstage Caustic Dosing on The Silica, Boron and Organic Removal Using Double-Pass RO," Ultrapure Water, pp.52-58 (July/August 2001)
【非特許文献２】Frank X. McGarvey, "Use of Boric Acid in Nuclear Reactor From AN Ion-Exchange Standpoint," Ultrapure water, pp.47-52 (October 1995)
【非特許文献３】David H. Paul, "Understanding Reverse Osmosis Membranes," Ultrapure Water, pp.50-52 (Ultrapure Water, September 1998)
【非特許文献４】Jimmy Gelen, "Removing Silica by Reverse Osmosis," Filtration Technology Review, pp.43 (April 1991)
【非特許文献５】Busch Goncarovs and Richard K.Doyle, "A Cost Effective Approach to Silica Reduction," Waste Management 88. Vol1, pp.483-486
【非特許文献６】Alex O Hobbs and P.E.Raleigh, "Review of Operating LWR Experience With Membrane Technology," Waste Management 83. Vol1, pp.223-231.)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記公知構造の欠点を解決するため、本発明は逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム及び方法の提供を課題とする。
それは、一種の特殊な逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム及び方法で、加圧水型原子力発電所メインシステム中に含まれる過剰の二酸化シリコン放射性過多のほう酸溶液に対して純化を行うものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は下記の逆浸透分離法を用いたほう酸純化及び再利用システム及び方法を提供する。
本発明の逆浸透分離法は逆浸透薄膜中の孔隙を利用し分離し、処理しようとする溶液中の排除しようとする溶質の切断分子量(Molecular weight cut off, MWCO)により、該薄膜の孔隙度を製造する。
これまでは逆浸透薄膜は水処理淨化目的として、多くは200ダルトンをMWCO？(ダルトン、Daltonは原子量或いは分子量の基本単位)とし、溶質の分子量が200ダルトンより大きい時、薄膜により排除される。分子量が200ダルトンより小さい時には膜を通過する。ほう酸の分子量は61ダルトン、ケイ酸(二酸化シリコン)は100ダルトンであるが、処理しようとする流水中の純水と定義された溶液の通過には90ダルトン以上が必要であるため、本発明中の逆浸透薄膜のMWCO値は200ダルトンで、ほう酸は通過し、ケイ酸(二酸化シリコン)は排除し、両者の分離を達成する。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように、本発明は逆浸透薄膜の分離特性は水溶液中の異なる分子量の溶質、例えば上記のほう酸及びケイ酸に対して、極めて良好な分離效果を達成する。さらに、高温逆浸透膜の使用は分離效果を増加させ、ほう酸及び二酸化シリコンの分離效果を一層高めることができる。また、処理を待つほう酸液中に含まれる他のカルシウム、マグネシウムなどの他の成分に対して、本発明の応用はいかなるマイナスの影響もないため、本発明の応用性には影響を与えない。さらに、処理しようとするほう酸溶液中にろ過を必要とする浮遊顆粒成分が含まれる時、孔の大きさがミクロのレベルのろ過器を用いて除去し、薄膜システムの使用性及び耐用性を増すことができる。また、本発明のシステム及び方法は、加圧水型原子力発電所メイン冷却システム中で求められるほう酸の品質を達成することができ、しかも再利用により、廃棄物を最低の量とすることができ、運営コスト及び環境保護の要求に合致する。さらに、本発明は放射性を含まない同程度のほう酸水に対しても上記の効果を発揮する。
本発明の実施例は本発明の実施範囲を限定するものでなく、上記に示す内容に基づき、本発明は確実に予期の目的を達成可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、主にほう酸保存装置、濃縮液一時保存装置、逆浸透薄膜分離装置を含む。三者はパイプにより接続され、パイプの各位置には制御バルブ、電気制御装置及びほう酸二酸化シリコンモニタ装置を設置する。
該ほう酸保存装置はほう酸保存槽を含む。該ほう酸保存槽はほう酸溶液を保存し、純化流液を受取る。
低圧ポンプはほう酸溶液を送り出す。
流量計は流量を調節する。
筒状ろ過器はほう酸溶液中に含まれる浮遊顆粒をろ過する。
該濃縮液一時保存装置は濃縮液一時保存槽を含む。該濃縮液一時保存槽はほう酸保存槽から送られた定量の処理を待つほう酸溶液を保存し、既に濃縮されたほう酸液を受取る。
加熱器は濃縮液一時保存槽の濃縮液を加温し、ほう酸、二酸化シリコンの分離效率を高める。
高圧循環ポンプは必要に応じて適当な水圧を提供し、逆浸透圧及び圧力低下を克服する。
該逆浸透薄膜分離装置は逆浸透薄膜組を含む。該逆浸透薄膜組には原液進入口、濃縮液出口、純化流液出口を設置し、ほう酸及び二酸化シリコンを分離する。
三組の圧力計はそれぞれ原液進入口、濃縮液出口、純化流液出口に設置し、薄膜組の溶液の出入り及び純化流液パイプの圧力を制御する。
二組の流量計は濃縮液及び純化流液の流量を制御する。
筒状ろ過器は濃縮液流中の浮遊粒子の一時保存槽中への進入をろ過する。
該電気制御装置はシステム温度及び各項処理スイッチの切り替えを制御する。該ほう酸二酸化シリコンモニタ装置は自動滴定分析器及び紫外線可視光線分光器を含み、各部位水流のほう酸及び二酸化シリコン濃度をモニタする。
上記各装置の接続と操作は以下のステップを踏む。
a.低圧ポンプはほう酸保存槽から一定量の処理を待つほう酸溶液を濃縮液一時保  存槽に送り出す。
b.該濃縮液一時保存槽の処理を待つほう酸溶液は、さらに逆浸透薄膜組に送られ  ほう酸の純化を行い、大多数の二酸化シリコンは排除され、多くのほう酸は通  過する。
c.逆浸透薄膜組の処理を経て生じた濃縮溶液は、さらに濃縮液一時保存槽中に戻  され、純化過程で生じる純化溶液はほう酸保存槽中に送られる。
ほう酸保存槽の二酸化シリコンを可能な程度になるまで上記a〜cのステップを繰返し、ほう酸溶液が再利用できる。純化の過程において、隨時、電子制御装置により、必要な条件を設定し、需要に符合するほう酸純化作業を達成する。
【実施例】
【０００９】
図１は本発明の逆浸透分離法的ほう酸純化及再利用システムの構造指示図である。図が示すように、本発明はほう酸保存装置１を含む。該ほう酸保存装置１はほう酸保存槽１１、一組の電磁バルブ１２、低圧ポンプ１３、流量計１４、筒状ろ過器１５を含む。該電磁バルブ１２は処理手順のスイッチを制御する。該低圧ポンプ１３は処理しようとするほう酸溶液を伝送する。該流量計１４は処理を必要とする流量を調節する。該筒状ろ過器１５は処理しようとするほう酸溶液中に含まれる浮遊顆粒をろ過する。処理しようとするほう酸溶液中の浮遊粒が非常に少ない時には、必要に応じて脇のパイプを通し輸送することができる。
【００１０】
濃縮液一時保存装置２は該ほう酸保存装置１とパイプで接続する。該濃縮液一時保存装置２は濃縮液一時保存槽２１、加熱器２２、高圧循環ポンプ２３を含む。該加熱器２２は必要に応じて濃縮液一時保存槽２１の濃縮液を加温し、ほう酸、二酸化シリコンの分離效率を高める。該高圧循環ポンプ２３は圧力を調節する。
【００１１】
逆浸透薄膜分離装置３は該濃縮液一時保存装置２とパイプで接続し、パイプ上には数個の制御バルブを設置する。該逆浸透薄膜分離装置３は逆浸透薄膜組３１、三組の圧力計３２'、３３'、３４'と二組の流量計３５、３５'、及び筒状ろ過器３６を含む。該逆浸透薄膜組３１は特殊製造の薄膜型ポリアミドRO膜(HS-BP1-4040CST)を使用し、室温温度下(< 35℃)ではほう素除去率は比較的高いが、使用温度を高くし、予期のほう素除去力が低く、二酸化シリコンの除去力が高い状態にし、分離の效率を向上させることができる。
該逆浸透薄膜組３１は三本のパイプを接続し、原液進入口３２、濃縮液出口３３、純化流液出口３４、三組の圧力計をそれぞれ設置し、これにより、薄膜組の溶液の出入り、及び純化流液のパイプ圧力を監視する。
該二組の流量計はそれぞれ該濃縮液出口３３及び該純化流液出口３４に設置し、濃縮液及び純化流液の流量を制御する。
該筒状ろ過器３６は濃縮液流中の浮遊粒子の濃縮液一時保存槽２１への供給液をろ過する。この時、該逆浸透薄膜の供給圧力は最高260 psiまで可能で、最高温度は95℃まで耐えることができる。純化流液流量は3 GPMまで可能で、濃縮液流の流量は41 GPMにまで耐えることができる。
【００１２】
該電気制御装置４は操作パネルを設置し、該操作パネル上には複数の電源インジケータ及びスイッチボタンを設置し、これによりシステムの水ポンプの運転、温度及び圧力の調整及びシステムの起動、停止などを制御する。
該ほう酸二酸化シリコンモニタ装置５は、自動滴定分析器５１、紫外線可視光線分光器５２を含む。これらは各部位水流のほう酸及び二酸化シリコン濃度をモニタする。
【００１３】
続いて図３が示す本発明のステップについて説明する。
a.低圧ポンプはほう酸保存槽から一定量の処理を待つほう酸溶液を濃縮液一時保  存槽に送り出す。
b.該濃縮液一時保存槽の処理を待つほう酸溶液は、さらに逆浸透薄膜組に送られ  てほう酸の純化を行い、大多数の二酸化シリコンは排除され、多数のほう酸は  通過する。
c.逆浸透薄膜組の処理を経て生じた濃縮溶液は、さらに濃縮液一時保存槽中に戻  され、純化過程で生じる純化溶液はほう酸保存槽中に送られる。
ほう酸保存槽の二酸化シリコンを可能な限り上記a〜cのステップを繰返し、ほう酸溶液が再利用できる。純化の過程において、隨時、電気制御装置により、必要な条件を設定し、需要に符合するほう酸純化作業を達成し、同時にコンピュータシステムを組み込むことにより、作業を自動化することができる。
上記システム及びステップにより、高効率のほう酸及び二酸化シリコン分離を達成する。
【００１４】
次に図４の試験結果について説明する。
本発明が処理可能なほう酸水中の二酸化シリコン濃度は83 .63ppmまでで、ほう酸の逆浸透膜通過率は51-83%、二酸化シリコンの逆浸透膜除去率は97%以上であり、実用性が高い。
この他、本発明が提供する逆浸透薄膜処理法は放射性を含む、或いは含まない高濃度ほう酸に適用可能なだけでなく、本発明の技術により、あらゆる環境保護法規で排出が制限される混合溶液にも適用可能で用途が非常に広い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明実施例のシステム構造指示図である。
【図２】本発明実施例のほう酸と二酸化シリコンのモニタ装置の指示図である。
【図３】本発明のフローチャートである。
【図４】本発明の実験数値データ表である。
【符号の説明】
【００１６】
１  ほう酸保存装置
１１  ほう酸一時保存槽
１２  電磁バルブ
１３  低圧ポンプ
１４  流量計
１５  筒状ろ過器
２  濃縮液一時保存装置
２１  濃縮液一時保存槽
２２  加熱器
２３  高圧循環ポンプ
３  逆浸透薄膜分離装置
３１  逆浸透薄膜組
３２  原液進入口
３３  濃縮液出口
３４  純化流液出口
３２'、３３'、３４'  圧力計
３５、３５'  流量計
３６  筒状ろ過器
４  電気制御装置
５  ほう酸二酸化シリコンモニタ装置
５１  自動滴定分析器
５２  紫外線可視光線分光器
【図１】
2005147788.tif 000003
【図２】
2005147788.tif 000004
【図３】
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【図４】
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