JP2012170862A

JP2012170862A - 水処理フィルタ用濾材およびその製造方法

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Publication number: JP2012170862A
Application number: JP2011034117A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Kondo; 康人近藤; Hiroo Kubokawa; 博夫久保川; Shigetaka Honda; 茂孝本田
Original assignee: HONDA SENI KOGYO KK; Gunma Prefecture
Current assignee: HONDA SENI KOGYO KK; Gunma Prefecture
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】処理水を通過させることにより微生物を除去することができ、安価で再生可能な水処理フィルタ用濾材を提供する。
【解決手段】第四級アンモニウム塩の自己組織化膜であるカチオン系表面処理を施したポリエステル繊維で構成される製綿状の構造物により水処理フィルタ用濾材１を作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カチオン系の表面処理を施してなるポリエステル繊維により構成される製綿状の構造物であることを特徴とする水処理フィルタ用濾材およびその製造方法に関する。

近年、安全で安心な水への要望は年々高まっており、その対象は飲料用水に限らず温泉やプールなどの飲料用以外の水分野にも広がりをみせている。また、本格的な高齢化社会を迎えつつある今日では、浴槽などに病原菌等の微生物が混入することが高齢者の死亡につながる危険性も増大している。予防方法としては次亜塩素酸投与が一般的に行われている。しかし、次亜塩素酸に関しては過剰投与による塩素臭やトリハロメタン等の発ガン性物質の生成が懸念されており、真に安全な微生物制御技術とは言えない。

従来の電気エネルギーを利用した微生物除去技術としては、陰極と陽極を対峙させた処理室内へ処理水を導き、処理水溶液中の微生物に電気エネルギーを付与して微生物を不活化・破壊させる方法がある（特許文献１）。また、陽極と表面にポリアニリンを接触させた陰極とを配置し、前記陽極と陰極間を間歇的にまたは連続的に通電しながら前記ポリアニリンが処理水中の溶存酸素を還元することにより生成するスーパーオキサイドにより微生物を殺菌する方法がある（特許文献２）。

光エネルギーを利用した微生物除去技術としては、光触媒を内蔵した板状カラムを有する透光性の浄水槽に光源から紫外線等の光を照射する方法がある（特許文献３）。加熱による微生物除去技術としては、捕捉可能な孔径を有し、かつ加熱により微生物を殺菌することが可能なフィルタを備えた濾過ユニットで微生物除去する方法がある（特許文献４）。銀抗菌剤による微生物除去技術としては、多孔質シリカに内包された銀抗菌剤が予め含有されたポリマー組成物、活性炭並びにゼオライトよりなる配合物が、通液性素材によって成形されたフィルタがある（特許文献５）。

特開平９−１０８６７６特開平１０−９９８６３特開平７−２７５８５３特開平１０−８５７５８特開平７−３０３８０９

従来の陰極と陽極を対峙させた処理室内へ処理水を導いて微生物を不活化・破壊させる方法では、電極を使用するための電源の確保が必要となり、システムの大型化への対応も難しいという課題があった。光触媒を内蔵した板状カラムを有する透光性の浄水槽に光源から紫外線等の光を照射する方法では、光の照射のために電源の確保が必要であり、処理効率を向上させて微生物を確実に除去することが難しいという課題があった。

微生物を捕捉して加熱により殺菌する方法では、加熱を行うヒーターを使用するために電源の確保が必要となり、またシステムを大型化することが難しいという課題があった。銀抗菌剤によって微生物を殺菌する方法では、稼働させるために電源は必要としないが、処理水中に微量の銀イオンを溶出させる必要がある。そのため、銀イオンの混入を避けたい場合、また大量の水を処理したい場合には適用が難しいという課題があった。

本発明の目的は、処理水中の微生物を除去するために電源を必要とせず、処理水を通過させるだけで微生物を除去することができ、処理水中に金属イオン等を溶出させることがなく、安価であるとともに再生可能であり、容易にシステム大型化に対応できる水処理フィルタ用濾材およびその製造方法を提供することである。

前記課題に鑑み研究を重ねた結果、本発明者らは、フィルタ表面に微生物を付着させて除去するために、化学力である電荷相互作用を利用した。ほとんどのウイルスや微生物はグルタミン酸、アスパラギン酸、ヒスチジンおよびチロシンのようなアミノ酸を含有するタンパク質ポリペプチドから成る皮膜を有する。これらのアミノ酸は、水中でイオン化した際にウイルスキャプシド（viral capsid）等に電荷を与えるカルボキシルおよびアミノ基を含有する。そのためフィルタ表面に、微生物表面の電荷を受け取ることができるカチオン系の表面処理を施した。

フィルタ用濾材の材質および形状としては、安価かつ高処理効率が得られるポリエステル繊維により構成される製綿状の構造物を用いた。カチオン系表面処理としては、ポリエステル繊維が反応性表面を有していないため、繊維表面で第四級アンモニウム塩を自己組織的に配列させて膜を形成させた。原料コストを低減するためには、中古のポリエステル布団綿を再利用してフィルタ用濾材の原料とした。また、フィルタ用濾材の製造方法としては、第四級アンモニウム塩水溶液を通過させ、続いて洗浄液を通過させる簡便な方法で行うことにより、本発明の水処理フィルタ用濾材およびその製造方法を完成した。

即ち、本発明の要旨は以下のとおりである。

（１）カチオン系の表面処理を施してなるポリエステル繊維により構成される製綿状の構造物であることを特徴とする水処理フィルタ用濾材。

（２）前記カチオン系の表面処理が第四級アンモニウム塩の自己組織化膜であることを特徴とする（１）に記載の水処理フィルタ用濾材。

（３）前記第四級アンモニウム塩がジアリルジメチルアンモニウム塩重合体であることを特徴とする（２）に記載の水処理フィルタ用濾材。

（４）前記製綿状構造物が中古のポリエステル布団綿を再利用した製綿であることを特徴とする（１）、（２）及び（３）に記載の水処理フィルタ用濾材。

（５）導管内部にポリエステル繊維により構成される製綿状の構造物を充填し、前記導管中に前記第四級アンモニウム塩の水溶液を通過させ、続いて前記導管中に洗浄水を通過させて過剰な第四級アンモニウム塩を除去することを特徴とする（１）、（２）、（３）及び（４）に記載の水処理フィルタ用濾材の製造方法。

（６）微生物が吸着することにより、表面電荷がアニオン性に反転した水処理フィルタ用濾材に、次亜塩素酸の水溶液を通過させ、続いて洗浄水を通過させて過剰な第次亜塩素酸を除去することを特徴とする、（１）、（２）、（３）、（４）及び（５）に記載の水処理フィルタ用濾材の再生方法。

本発明によれば、処理水中の微生物を除去するために電源を必要とせず、処理水を通過させるだけで微生物を除去することができ、処理水中に金属イオン等を溶出させることがなく、安価であるとともに再生可能であり、容易にシステム大型化に対応できる水処理フィルタ用濾材およびその製造方法を提供できる。

本願発明の実施形態に係る装置概要図本願発明の実施形態に係るポリエステル綿のゼータ電位本願発明の実施形態に係るカチオン化ポリエステル綿のゼータ電位本願発明の水処理フィルタ用濾材の大腸菌除去試験結果本願発明の水処理フィルタ用濾材の枯草菌除去試験結果本願発明の水処理フィルタ用濾材のレジオネラ除去試験結果本願発明の水処理フィルタ用濾材の電子顕微鏡写真

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明のカチオン系の表面処理は、ポリエステル繊維表面にカチオン化合物を固定化できる処理方法であれば、特に制限なく実施することができる。ここでカチオン性化合物とは、微生物表面の電荷を受け取ることができるカチオン性物質であり、アルカリあるいはアルカリ土類金属の塩化物等の無機系カチオン性化合物や、カチオン界面活性剤、カチオン性高分子などの有機系カチオン性化合物が挙げられる。

カチオン性化合物としては、特にポリエステル繊維表面で自己組織的配列によって膜を形成する性質がある第四級アンモニウム塩が好ましく用いられる。自己組織化膜を形成する場合、カチオン性化合物を固定化するために接着剤を使用する必要がないため、繊維表面全体で細菌表面の電荷を受け取ることが可能となる。カチオン性高分子の中では、ジアリルジメチルアンモニウム塩重合体がポリエステル繊維の表面上で強固な自己組織膜を形成できるため、特に好ましく用いられる。

ジアリルジメチルアンモニウム塩重合体であるポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドは次の化学式(１)で示される。

本発明のポリエステル繊維により構成される製綿状の構造物としては、捲縮した繊度５乃至８デニール程度のポリエステル長繊維を長さ５０ミリメートル程度に切った短繊維を原綿として、布団綿の一般的な製造方法と同様に、開綿機を通過させてカード機で薄い平面状綿とし、成形機で目的の大きさと厚みになるように積み重ねて綿状の構造物に成形したものを利用することができる。このように新しいポリエステル長繊維から製造すれば、夾雑物が存在しないため、微生物除去能力の品質が安定して外観も純白で美しい水処理フィルタ用濾材を製造できる。

本発明のポリエステル繊維により構成される綿状の構造物としては、中古のポリエステル布団綿を再利用しても製造できる。中古のポリエステル布団綿をクリーナーに投入して除塵を行い、開綿機を通過させてカード機で薄い平面状綿とし、成形機で目的の大きさと厚みになるように積み重ねて製綿状の構造物に成形したものを利用することができる。利用する中古のポリエステル布団綿としては、ポリエステル繊維１００パーセントで構成される布団綿が好ましく用いられる。

ポリエステル繊維により構成される綿状構造物の表面に第四級アンモニウム塩の自己組織化膜を形成させる方法としては、導管内部に綿状構造物を充填し、この導管に第四級アンモニウム塩水溶液を通過させ、続いて洗浄水を通過させて過剰な第四級アンモニウム塩を除去する方法が好ましく用いられる。第四級アンモニウム塩水溶液の濃度には特に制限はないが、０．１乃至２重量パーセント程度が好ましい。第四級アンモニウム塩水溶液を通過させる量は、導管内部に充填した綿状構造物を十分に湿潤させることができれば充分である。洗浄水は、特に高濃度でイオン性の物質を含有しなければ、通常用いられる水道水もしくは工業用水が好ましく用いられる。洗浄水を通過させる量は、過剰な第四級アンモニウム塩を除去するために充分であれば特に制限はないが、製綿状構造物の重量の１００倍以上の洗浄水を通過させることが好ましい。

本発明の水処理フィルタ用濾材は、電荷相互作用によって表面に微生物が吸着することで微生物を除去できるが、電荷の中和点を超えて微生物が吸着すると濾材表面の電荷がアニオン性に反転し、その結果として濾材は微生物除去能力を失う。しかし、本発明の第四級アンモニウム塩の自己組織化膜を形成させる方法では、アニオン性に反転した水処理フィルタ用濾材に、次亜塩素酸の水溶液を通過させ、続いて洗浄水を通過させて過剰な次亜塩素酸を除去することで、微生物除去能力を失った水処理フィルタ用濾材を再生することができる。

以下に、発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実験に使用したポリエステル繊維は、布団綿に用いられているポリエステル綿である。ポリエステル繊維のカチオン化はポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドを用いた。ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドを水道水で1%に希釈し、これにポリエステル繊維を約10秒間浸漬（浴比1:10）し、その後室温で乾燥した。処理後、未処理ポリエステルとカチオン化ポリエステルのゼータ電位測定を行った。

図２は、未処理のポリエステル繊維のゼータ電位を示している。結果から未処理のポリエステル繊維のゼータ電位は-20mVにピークを持ち、負に帯電していることが明らかとなった。また、今回ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドで処理したポリエステル綿のゼータ電位は、図３に示す。図から明らかなように、+45mVにピークを持ち、大きく正に帯電していることがわかった。このことから、ポリエステル繊維をポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド1%で短時間処理することにより、十分にカチオン化できることが明らかとなった。

試験に用いた細菌は、腸管感染症起因菌の指標となるEscerichia coli
（ATCC 11775）(以下、大腸菌)、環境細菌の汚染指標となるグラム陽性菌であるBacillus subtilis (ATCC 66)（以下、枯草菌）、水系感染によりレジオネラ感染症を起こすLegionella pneumophila (ATCC
33152)（以下、レジオネラ）である。大腸菌、枯草菌は普通寒天培地（栄研化学製）で36℃、24時間好気的条件下で培養し、生じたコロニーの一白金耳量の菌を滅菌蒸留水に懸濁した。これを、通水試験に使用する滅菌蒸留水で遠心集菌し、添加菌液とした。レジオネラはGVPC培地（ビオメリュー社製）で、37℃3日間好気的条件下で培養後、一白金耳量の菌を滅菌蒸留水に懸濁し、試験に使用する滅菌蒸留水で遠心集菌し、添加菌液を作成した。

カチオン化ポリエステル繊維は、市販されているハウジング容器（内径：５０mm、高さ２７０mm、環境テクノス製）に40g充填し水処理フィルタとした。フィルタは実験に使用する前に、蒸留水で十分に洗浄した。また、コントロールとしては未処理のポリエステル繊維を用いた。本実施例で用いた簡易水処理システムの構成は、カチオン化ポリエステル綿を詰めたフィルタとガラス製貯留槽（1L）、ポンプおよびこれらを結ぶチューブである. 簡易水処理システムは、クリーンベンチ内に組んで試験を行った。各簡易水処理システムに、全量１Lの各菌懸濁液(10⁵〜10⁶CFU/ml)をポンプで約300ml/minの流量で通水させ、経時的に処理液を採取した。

それぞれの検体を、0、15、30、60分ごとに2mlずつ採水し、水中の細菌数を測定した。大腸菌はDHL寒天培地（栄研化学製）、枯草菌は標準寒天培地（栄研化学製）、レジオネラはGVPV寒天培地をそれぞれ用いて、平板希釈法により菌数を測定した。

各菌懸濁液を簡易水処理システムで循環処理した際の処理液中の菌数変化を図に示す。図４は大腸菌、図５は枯草菌、図６はレジオネラの結果である。図から明らかなように、すべての菌種で対象区であるカチオン化していないポリエステル繊維フィルタでは、ほとんど除去できないが、カチオン化ポリエステル繊維フィルタで循環処理した場合、60分後には検出限界まで除去できることがわかった。また、大腸菌のカチオン化ポリエステル繊維フィルタで循環した場合の60 分後における菌数のばらつきが大きいが、これは初期菌数が10⁶CFU/mlよりも多くなると、100CFU/mL程度残存したためである。つまり初期の菌濃度が10⁶CFU/ml以下であれば、すべて今回の実験で用いた細菌は検出限界まで除去可能となった。

また、各試験で試験対象微生物を変える際に0.0１％以上に調整した次亜塩素酸溶液で洗浄した。その際、細菌の吸着で飽和したフィルタも再生し、再度細菌の吸着力が改善できることがわかった。これは、次亜塩素酸による殺菌により、繊維表面も付着している微生物表面のゼータ電位が変化することで繊維から剥がれると考えている。

本結果から、カチオン化ポリエステル繊維フィルタ安価な微生物除去フィルタとして利用できると考えている。

次に、伊香保温泉水にレジオネラを添加し、同様に試験を行った。その結果もレジオネラを検出限界以下まで除去できた。浴槽水のレジオネラ低減効果もあった。

試験菌液を通水したカチオン化フィルタ及び未カチオン化フィルタを採取し、サンプルステージに乗せて乾燥後、蒸着させ、SEM(JSM-5300LV)にて観察した。測定は加速電圧25ｋV、高真空モードでおこなった。

電子顕微鏡の写真を図７に示す。写真から明らかなように、カチオン化ポリエステル表面に細菌が吸着していることがわかった。

本研究は、簡易な方法でポリエステル綿をカチオン化することで、水中の微生物を除去する検討を行った。その結果、水中の微生物の除去には、99%以上の除去効果を認めた。

本発明は、処理水中の微生物を除去するための水処理フィルタ用濾材に利用できる。

１ポリエステルフィルタ
２ポンプ
３配管
４貯水タンク（浴槽など）
５流れ方向
６コントロール（ポリエステルフィルタ）
７カチオン化ポリエステルフィルタ
８細菌

Claims

カチオン系の表面処理を施してなるポリエステル繊維により構成される製綿状の構造物であることを特徴とする水処理フィルタ用濾材。
前記カチオン系の表面処理が第四級アンモニウム塩の自己組織化膜であることを特徴とする請求項１に記載の水処理フィルタ用濾材。
前記第四級アンモニウム塩がジアリルジメチルアンモニウム塩重合体であることを特徴とする請求項２に記載の水処理フィルタ用濾材。
前記製綿状構造物が中古のポリエステル布団綿を再利用した製綿であることを特徴とする請求項１−３に記載の水処理フィルタ用濾材。
導管内部にポリエステル繊維により構成される製綿状の構造物を充填し、前記導管中に前記第四級アンモニウム塩の水溶液を通過させ、続いて前記導管中に洗浄水を通過させて過剰な第四級アンモニウム塩を除去することを特徴とする、請求項１−５に記載の水処理フィルタ用濾材の製造方法。
微生物が吸着することにより、表面電荷がアニオン性に反転した水処理フィルタ用濾材に、次亜塩素酸溶液で殺菌し、前記第四級アンモニウム塩の水溶液を通過させ、続いて洗浄水を通過させてポリエステル繊維の表面を再度カチオン性に反転させることを特徴とする、請求項１−５に記載の水処理フィルタ用濾材の再生方法。