JP2016076590A - Conductive aqueous solution manufacturing device, conductive aqueous solution manufacturing method, and ion exchange device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電性水溶液製造装置および製造方法と、その製造装置に使用されるイオン交換装置とに関する。 The present invention relates to a conductive aqueous solution manufacturing apparatus and manufacturing method, and an ion exchange apparatus used in the manufacturing apparatus.
半導体や液晶の製造プロセスでは、不純物が高度に除去された超純水を用いて、半導体ウエハやガラス基板の洗浄が行われている。 In semiconductor and liquid crystal manufacturing processes, semiconductor wafers and glass substrates are cleaned using ultrapure water from which impurities are highly removed.
このような超純水を用いた半導体ウエハの洗浄では、比抵抗値の高い超純水を用いることで、洗浄時に静電気が発生しやすくなり、絶縁膜の静電破壊や微粒子の再付着を招くおそれがあることが知られている。そのため、近年では、超純水に二酸化炭素やアンモニアなどの導電性付与物質を溶解させることで、超純水の比抵抗値を所望に調整し、静電気の発生を抑制することが行われている。 In cleaning semiconductor wafers using such ultrapure water, using ultrapure water with a high specific resistance value, static electricity is likely to occur during cleaning, leading to electrostatic breakdown of the insulating film and reattachment of fine particles. It is known that there is a risk. For this reason, in recent years, it has been attempted to adjust the specific resistance value of ultrapure water to a desired level by dissolving a conductivity-imparting substance such as carbon dioxide or ammonia in ultrapure water, thereby suppressing the generation of static electricity. .
超純水に導電性付与物質を溶解させた導電性水溶液は、多くの場合、超純水に導電性付与物質を添加する装置を用いて製造されている(例えば、特許文献1参照)。 In many cases, a conductive aqueous solution in which a conductivity-imparting substance is dissolved in ultrapure water is manufactured using a device that adds the conductivity-imparting substance to ultrapure water (see, for example, Patent Document 1).
上述の装置によれば、簡単かつ小型な構成で、導電性水溶液を安定的に製造することができる反面、製造される導電性水溶液に濃度(比抵抗値)のばらつきが不可避的に生じるという問題が発生する。例えば、超純水の供給流量が一時的に変動した場合、その変動にリアルタイムに応答して導電性付与物質の添加量を調整することは困難である。また、この濃度変動の問題は、導電性付与物質が高濃度に溶解した水溶液を往復動式定量ポンプやシリンジポンプを用いて超純水に添加する装置では、ポンプの脈動のために特に顕著である。 According to the above-described apparatus, the conductive aqueous solution can be stably manufactured with a simple and small configuration, but the concentration (specific resistance value) variation inevitably occurs in the manufactured conductive aqueous solution. Occurs. For example, when the supply flow rate of ultrapure water changes temporarily, it is difficult to adjust the addition amount of the conductivity imparting substance in response to the change in real time. In addition, this concentration variation problem is particularly noticeable due to pump pulsation in an apparatus that adds an aqueous solution in which a conductivity-imparting substance is dissolved at a high concentration to ultrapure water using a reciprocating metering pump or syringe pump. is there.
そこで、本発明の目的は、簡単かつ小型な構成で、濃度の安定した導電性水溶液を製造することができる導電性水溶液製造装置および製造方法と、その製造装置に使用されるイオン交換装置とを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a conductive aqueous solution manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of manufacturing a conductive aqueous solution having a stable concentration with a simple and small configuration, and an ion exchange apparatus used in the manufacturing apparatus. Is to provide.
上述した目的を達成するために、本発明の導電性水溶液製造装置は、原料水に導電性付与物質を溶解させた導電性水溶液を製造し、その導電性水溶液をユースポイントに供給する導電性水溶液製造装置であって、原料水に導電性付与物質を添加して導電性水溶液を生成する導電性付与物質添加装置と、導電性付与物質添加装置により生成された導電性水溶液が流通するように構成され、有機多孔質イオン交換体が充填されたイオン交換塔を有するイオン交換装置であって、導電性付与物質が原料水に溶解することで生成され、原料水に導電性を付与するイオンがカチオンである場合、イオン交換塔には有機多孔質カチオン交換体が充填され、そのイオンがアニオンである場合、イオン交換塔には有機多孔質アニオン交換体が充填されている、イオン交換装置と、を有している。 In order to achieve the above-described object, the conductive aqueous solution manufacturing apparatus of the present invention manufactures a conductive aqueous solution in which a conductivity-imparting substance is dissolved in raw water, and supplies the conductive aqueous solution to a use point. It is a manufacturing apparatus, and is configured such that a conductivity imparting substance adding device that generates a conductive aqueous solution by adding a conductivity imparting substance to raw material water and a conductive aqueous solution generated by the conductivity imparting substance adding device are distributed. An ion exchange apparatus having an ion exchange tower filled with an organic porous ion exchanger, wherein the conductivity imparting substance is generated by dissolving in the raw material water, and the ion imparting conductivity to the raw material water is a cation. The ion exchange tower is filled with an organic porous cation exchanger, and when the ion is an anion, the ion exchange tower is filled with an organic porous anion exchanger, And on switching device, a has.
また、本発明の導電性水溶液製造方法は、原料水に導電性付与物質を溶解させた導電性水溶液を製造し、導電性水溶液をユースポイントに供給する導電性水溶液製造方法であって、原料水に導電性付与物質を添加して導電性水溶液を生成する工程と、導電性水溶液を生成する工程で生成された導電性水溶液を有機多孔質イオン交換体に接触させる工程と、を含み、導電性水溶液を有機多孔質イオン交換体に接触させる工程が、導電性付与物質が原料水に溶解することで生成され、原料水に導電性を付与するイオンがカチオンである場合、導電性水溶液を有機多孔質カチオン交換体に接触させ、そのイオンがアニオンである場合、導電性水溶液を有機多孔質アニオン交換体に接触させることを含んでいる。 The conductive aqueous solution production method of the present invention is a conductive aqueous solution production method for producing a conductive aqueous solution in which a conductivity-imparting substance is dissolved in raw water, and supplying the conductive aqueous solution to a use point. A step of generating a conductive aqueous solution by adding a conductivity imparting substance to the substrate, and a step of bringing the conductive aqueous solution generated in the step of generating the conductive aqueous solution into contact with the organic porous ion exchanger. The step of bringing the aqueous solution into contact with the organic porous ion exchanger is generated by dissolving the conductivity-imparting substance in the raw material water, and when the ion imparting conductivity to the raw material water is a cation, the conductive aqueous solution is converted into the organic porous material. Contact with a porous cation exchanger, and when the ion is an anion, the method includes contacting the conductive aqueous solution with the organic porous anion exchanger.
また、本発明のイオン交換装置は、原料水に導電性付与物質を溶解させた導電性水溶液を製造し、導電性水溶液をユースポイントに供給する導電性水溶液製造装置に使用され、導電性水溶液が流通するように構成されたイオン交換装置であって、有機多孔質イオン交換体が充填されたイオン交換塔を有し、そのイオン交換塔には、導電性付与物質が原料水に溶解することで生成され、原料水に導電性を付与するイオンがカチオンである場合、有機多孔質カチオン交換体が充填され、イオンがアニオンである場合、有機多孔質アニオン交換体が充填されている。 The ion exchange apparatus of the present invention is used in a conductive aqueous solution manufacturing apparatus that manufactures a conductive aqueous solution in which a conductivity-imparting substance is dissolved in raw material water and supplies the conductive aqueous solution to a use point. An ion exchange apparatus configured to circulate, having an ion exchange tower filled with an organic porous ion exchanger, and in the ion exchange tower, a conductivity-imparting substance is dissolved in raw water. When the ion that is generated and imparts conductivity to the raw material water is a cation, the organic porous cation exchanger is filled. When the ion is an anion, the organic porous anion exchanger is filled.
このような導電性水溶液製造装置、導電性水溶液製造方法、およびイオン交換装置では、導電性水溶液を有機多孔質イオン交換体に流通(接触)させると、有機多孔質イオン交換体と、導電性水溶液中の導電性付与物質に由来するイオンとの間でイオン交換反応が行われる。このとき、有機多孔質イオン交換体に接触させる導電性水溶液の濃度(上記イオン濃度)にばらつきがあったとしても、上述のイオン交換反応は平衡状態を維持するように進行する。そのため、液相のイオン濃度のばらつきは、有機多孔質イオン交換体との接触が進むにつれて徐々に小さくなることになる。有機多孔質イオン交換体は、3次元網目状構造を有しているため、一般的な粒状のイオン交換樹脂と比べて、比表面積が圧倒的に大きい。そのため、非常にわずかな充填量で、上述のイオン濃度のばらつきを効果的に抑制することができる。 In such a conductive aqueous solution production apparatus, a conductive aqueous solution production method, and an ion exchange device, when the conductive aqueous solution is circulated (contacted) with the organic porous ion exchanger, the organic porous ion exchanger and the conductive aqueous solution are obtained. An ion exchange reaction is performed with ions derived from the conductivity-imparting substance therein. At this time, even if there is variation in the concentration of the conductive aqueous solution brought into contact with the organic porous ion exchanger (the ion concentration), the ion exchange reaction proceeds so as to maintain an equilibrium state. Therefore, the dispersion of the ion concentration in the liquid phase gradually decreases as the contact with the organic porous ion exchanger proceeds. Since the organic porous ion exchanger has a three-dimensional network structure, the specific surface area is overwhelmingly larger than that of a general granular ion exchange resin. Therefore, the above-described variation in ion concentration can be effectively suppressed with a very small filling amount.
以上、本発明によれば、簡単かつ小型な構成で、濃度の安定した導電性水溶液を製造することができる。 As described above, according to the present invention, a conductive aqueous solution having a stable concentration can be produced with a simple and small configuration.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態による導電性水溶液製造装置を示す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a conductive aqueous solution manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
本実施形態の導電性水溶液製造装置1は、原料水に導電性付与物質を溶解させた導電性水溶液を製造し、その水溶液をユースポイント2に供給するものであり、導電性付与物質添加装置3と、イオン交換装置4とを有している。
The conductive aqueous solution manufacturing
導電性付与物質添加装置3は、原料水に導電性付与物質を添加して導電性水溶液を生成するものである。用いる原料水としては、不純物が高度に除去された水であれば特に限定されるものではないが、本実施形態では、純水または超純水が好適に用いられる。なお、ここでいう「純水または超純水」とは、純水製造装置または超純水製造装置を用いて被処理水(原水)からイオンおよび非イオン性物質を除去して得られる処理水を意味し、比抵抗値が1MΩ・cm以上の処理水を「純水」といい、比抵抗値が18MΩ・cm以上の処理水を「超純水」というものとする。また、「導電性付与物質」とは、原料水に溶解することでイオン(アニオンまたはカチオン)を生成し、そのイオンによって原料水に導電性を付与する物質を意味する。このような導電性付与物質としては、多くのものが挙げられるが、製造される導電性水溶液が半導体ウエハの洗浄に使用される場合には、二酸化炭素やアンモニアが特に好適に用いられる。
The conductivity-imparting
導電性付与物質添加装置3としては、原料水(本実施形態では純水または超純水)に導電性付与物質を添加することができるものであれば、その方法は特に限定されるものではない。例えば、ガス状の導電性付与物質を原料水に添加して溶解させる場合、中空糸製のガス透過膜を用いて溶解させる方法や、配管内に直接バブリングする方法などを用いることができる。また、純水または超純水に導電性付与物質を高濃度に溶解させた水溶液を原料水に添加して希釈する場合、タンクに貯留した当該水溶液を往復動式定量ポンプやシリンジポンプを用いて添加する方法や、タンク内に加圧不活性ガスを導入することで上記水溶液を圧送する圧送手段などを用いることができる。なお、圧送手段を用いることは、往復動式定量ポンプやシリンジポンプを用いることに比べて、ポンプの脈動を抑制できる点で有利である。
The conductivity imparting
イオン交換装置4は、導電性付与物質添加装置3により生成された導電性水溶液が流通するように構成され、有機多孔質イオン交換体が充填されたイオン交換塔を有している。ここでいう「有機多孔質イオン交換体」とは、骨格が有機ポリマーにより形成され、骨格間に反応液の流路となる連通孔を多数有する多孔質体である有機多孔質体の骨格中に、イオン交換基が均一に分布するように導入されている多孔質体を意味する。なお、有機多孔質イオン交換体は、非粒状のイオン交換体であり、したがって、ここで用いられる有機多孔質イオン交換体には、繊維状のイオン交換体は含まれるが、一般的な粒状のイオン交換樹脂は含まれないことに留意されたい。有機多孔質イオン交換体は、連続骨格相と連続空孔相とからなり、連続骨格の厚みは1〜100μmであることが好ましく、連続空孔の平均直径は1〜1000μmであることが好ましく、全細孔容積は0.5〜50ml/gであることが好ましい。また、乾燥状態での単位重量当たりのイオン交換容量は0.5〜10mg当量/gであることが好ましく、より好ましくは1〜6mg当量/gであり、イオン交換基は有機多孔質イオン交換体中に均一に分布していることが好ましい。
The
有機多孔質イオン交換体の例としては、特開2002−355564号公報に開示された、樹脂焼結多孔体表面にイオン交換機能を持つ官能基が導入された有機多孔質イオン交換体も挙げられるが、好適なものは、モノリス状有機多孔質体の骨格中にイオン交換基が導入されたモノリス状有機多孔質イオン交換体である。以下、モノリス状有機多孔質体を単に「モノリス」ともいい、モノリス状有機多孔質イオン交換体を単に「モノリスイオン交換体」ともいう。また、モノリスの製造における中間体(前駆体)であるモノリス状有機多孔質中間体を単に「モノリス中間体」ともいう。モノリスイオン交換体の具体的な例については後述する。 Examples of organic porous ion exchangers include organic porous ion exchangers disclosed in JP 2002-355564 A, in which functional groups having an ion exchange function are introduced on the surface of a sintered resin porous body. However, preferred is a monolithic organic porous ion exchanger in which an ion exchange group is introduced into the skeleton of the monolithic organic porous body. Hereinafter, the monolithic organic porous body is also simply referred to as “monolith”, and the monolithic organic porous ion exchanger is also simply referred to as “monolith ion exchanger”. A monolithic organic porous intermediate that is an intermediate (precursor) in the production of a monolith is also simply referred to as a “monolith intermediate”. Specific examples of the monolith ion exchanger will be described later.
導電性水溶液がイオン交換塔に供給されて有機多孔質イオン交換体に接触すると、有機多孔質イオン交換体は、導電性水溶液中の導電性付与物質に由来するイオンとイオン交換反応を行う。このとき、イオン交換塔に供給される導電性水溶液の濃度(上記イオン濃度)にばらつきがあったとしても、上述のイオン交換反応は平衡状態を維持するように進行するため、液相のイオン濃度のばらつきは、イオン交換塔の入口から出口に向かって徐々に小さくなることになる。有機多孔質イオン交換体は、3次元網目状構造を有しているため、一般的な粒状のイオン交換樹脂と比べて、比表面積が圧倒的に大きい。そのため、非常にわずかな充填量で、上述のイオン濃度のばらつきを効果的に抑制することができる。また、有機多孔質イオン交換体は、導電性水溶液の種類などにもよるが、有機多孔質イオン交換体に対して2000h−1を超える空間速度で導電性水溶液を通水することができる点でも有利である。 When the conductive aqueous solution is supplied to the ion exchange tower and comes into contact with the organic porous ion exchanger, the organic porous ion exchanger performs an ion exchange reaction with ions derived from the conductivity-imparting substance in the conductive aqueous solution. At this time, even if there is a variation in the concentration of the aqueous conductive solution supplied to the ion exchange tower (the above ion concentration), the above ion exchange reaction proceeds so as to maintain an equilibrium state. The variation in the angle gradually decreases from the entrance to the exit of the ion exchange column. Since the organic porous ion exchanger has a three-dimensional network structure, the specific surface area is overwhelmingly larger than that of a general granular ion exchange resin. Therefore, the above-described variation in ion concentration can be effectively suppressed with a very small filling amount. Moreover, although an organic porous ion exchanger is based also on the kind of electroconductive aqueous solution etc., also in the point which can permeate | transmit an electroconductive aqueous solution with the space velocity over 2000 h- 1 with respect to an organic porous ion exchanger. It is advantageous.
なお、上述のような機構により導電性水溶液の濃度変動が抑制されるため、導電性付与物質が原料水に溶解することで生成され、原料水に導電性を付与するイオンがカチオンである場合、イオン交換塔には、有機多孔質カチオン交換体が充填されていることが好ましい。また、上記イオンがアニオンである場合、イオン交換塔には、有機多孔質アニオン交換体が充填されていることが好ましい。例えば、導電性付与物質がアンモニアである場合、上記イオンはカチオン、すなわちアンモニウムイオン(NH4 +)であるため、イオン交換塔には、有機多孔質カチオン交換体が充填されていることが好ましい。このときのカチオン交換体のイオン形としては、特に限定されるものではないが、Na形のような塩形であると、Naなどの塩類が導電性水溶液に含まれ、これにより半導体ウエハが汚染されるおそれがあるため、H形またはアンモニウムイオン形であることが好ましい。また、導電性付与物質が二酸化炭素である場合、上記イオンはアニオン、すなわち重炭酸イオン(HCO3 −)または炭酸イオン(CO3 2−)であるため、イオン交換塔には、有機多孔質アニオン交換体が充填されていることが好ましい。このときのアニオン交換体のイオン形としては、特に限定されるものではないが、Cl形などであると、Clなどが導電性水溶液に含まれ、これにより半導体ウエハが汚染されるおそれがあるため、OH形、重炭酸イオン形、炭酸イオン形のいずれかであることが好ましい。 In addition, since the concentration variation of the conductive aqueous solution is suppressed by the mechanism as described above, when the conductivity imparting substance is generated by dissolving in the raw material water and the ion that imparts conductivity to the raw material water is a cation, The ion exchange tower is preferably packed with an organic porous cation exchanger. Moreover, when the said ion is an anion, it is preferable that the ion exchange tower is filled with the organic porous anion exchanger. For example, when the conductivity-imparting substance is ammonia, the ion is a cation, that is, an ammonium ion (NH 4 + ). Therefore, the ion exchange column is preferably filled with an organic porous cation exchanger. The ion form of the cation exchanger at this time is not particularly limited, but if it is a salt form such as Na form, salts such as Na are contained in the conductive aqueous solution, thereby contaminating the semiconductor wafer. Therefore, the H form or the ammonium ion form is preferred. When the conductivity-imparting substance is carbon dioxide, the above ions are anions, that is, bicarbonate ions (HCO 3 − ) or carbonate ions (CO 3 2− ). It is preferable that the exchanger is filled. The ion form of the anion exchanger at this time is not particularly limited, but if it is Cl form or the like, Cl or the like is contained in the conductive aqueous solution, which may contaminate the semiconductor wafer. , OH form, bicarbonate ion form, or carbonate ion form is preferred.
ところで、本実施形態では、導電性水溶液の溶媒として純水または超純水が用いられているため、導電性付与物質添加装置3での導電性付与物質の添加量から、導電性水溶液の濃度を概ね把握することができる。しかしながら、所望の水質の導電性水溶液を安定してユースポイント2に供給するためには、導電性水溶液の濃度を継続的に監視することが好ましい。
By the way, in this embodiment, since pure water or ultrapure water is used as a solvent for the conductive aqueous solution, the concentration of the conductive aqueous solution is determined from the amount of the conductive material added in the conductive
このため、本実施形態の導電性水溶液製造装置1は、導電性水溶液の濃度を測定する濃度測定手段6を有している。図示した例では、濃度測定手段6は、イオン交換装置4の下流側に接続された配管から分岐したサンプリングラインに設けられているが、その配管に直接設けられていてもよい。濃度測定手段6としては、イオン交換塔の出口での導電性水溶液の濃度を測定することができるものであればよく、例えば、導電率計、pH計、比抵抗計、酸化還元電位(ORP)計、イオン電極計などを用いることができる。特に、比較的容易かつ正確に濃度を測定できる点で、導電率計を用いることが好ましい。
For this reason, the electroconductive aqueous
さらに、本実施形態では、より安定した濃度の導電性水溶液を製造するために、フィードバック制御によって導電性付与物質添加装置3での導電性付与物質の添加量の調整を行うようになっていることが好ましい。このため、導電性水溶液製造装置1は、濃度測定手段5により測定された導電性水溶液の濃度に基づいて、導電性付与物質添加装置3での導電性付与物質の添加量を調整する制御部(制御手段)6を有している。
Furthermore, in this embodiment, in order to produce a conductive aqueous solution having a more stable concentration, the amount of conductivity imparting substance added in the conductivity imparting
なお、図示していないが、導電性水溶液製造装置1には、必要に応じて各種のフィルタや弁が適宜設置されていてもよい。
Although not shown, the conductive aqueous
以下、本実施形態のイオン交換塔に充填されるモノリスイオン交換体の具体例として、6種類のモノリスイオン交換体について説明する。 Hereinafter, six types of monolith ion exchangers will be described as specific examples of the monolith ion exchanger packed in the ion exchange tower of the present embodiment.
(第1のモノリスイオン交換体の構成)
第1のモノリスイオン交換体は、連続気泡構造を有する第1のモノリスにイオン交換基が導入されたものである。
(Configuration of the first monolith ion exchanger)
The first monolith ion exchanger is obtained by introducing an ion exchange group into the first monolith having an open cell structure.
第1のモノリス(すなわち第1のモノリスイオン交換体)は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が1〜1000μm、好ましくは10〜100μmの共通の開口(メソポア)を有する連続気泡構造を有している。すなわち、連続気泡構造は、平均径が2〜5000μmのマクロポアとマクロポアが重なり合い、この重なる部分が共通のメソポアを有するもので、その大部分がオープンポア構造のものである。オープンポア構造は、水を流せばマクロポアとメソポアで形成される気泡内が流路となる。第1のモノリスは、1〜50ml/gの全細孔容積を有している。なお、全細孔容積が5ml/g以下の場合には、製造方法の制約により、共通の開口は小さくなり、実質的に開口の平均径は20μm未満になる。 The first monolith (ie, the first monolith ion exchanger) is an open cell having a common opening (mesopore) having an average diameter of 1 to 1000 μm, preferably 10 to 100 μm, in the walls of the macropores and the macropores connected to each other. It has a structure. That is, in the open cell structure, macropores having an average diameter of 2 to 5000 μm and macropores are overlapped, and the overlapping portions have a common mesopore, and most of them have an open pore structure. In the open pore structure, if water is flowed, the inside of bubbles formed by macropores and mesopores becomes a flow path. The first monolith has a total pore volume of 1-50 ml / g. When the total pore volume is 5 ml / g or less, the common opening becomes small due to the limitation of the manufacturing method, and the average diameter of the opening is substantially less than 20 μm.
第1のモノリスの骨格を構成する材料は、全構成単位に対して10〜90モル%の架橋構造単位を含む有機ポリマー材料である。このような有機ポリマー材料としては、多くのものが挙げられるが、イオン交換基の導入の容易性と機械的強度の高さから、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体が好適に用いられる。 The material constituting the skeleton of the first monolith is an organic polymer material containing 10 to 90 mol% of crosslinked structural units with respect to all the structural units. As such an organic polymer material, there are many materials, and a styrene-divinylbenzene copolymer is preferably used because of the ease of introduction of ion exchange groups and high mechanical strength.
第1のモノリスイオン交換体の、乾燥状態での単位質量当たりのイオン交換容量は、0.5mg当量/g以上であり、好ましくは2mg当量/g以上である。第1のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基は、カチオン交換基またはアニオン交換基であり、カチオン交換基としては、カルボン酸基、イミノジ酢酸基、スルホン酸基、リン酸基、リン酸エステル基などが挙げられ、アニオン交換基としては、四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン、第三スルホニウム基、ホスホニウム基などが挙げられる。 The ion exchange capacity per unit mass in the dry state of the first monolithic ion exchanger is 0.5 mg equivalent / g or more, preferably 2 mg equivalent / g or more. The ion exchange group introduced into the first monolith ion exchanger is a cation exchange group or an anion exchange group. Examples of the cation exchange group include a carboxylic acid group, an iminodiacetic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, phosphorus Examples of the anion exchange group include a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, a primary amino group, a polyethyleneimine, a tertiary sulfonium group, and a phosphonium group.
(第1のモノリスイオン交換体の製造方法)
まず、連続気泡構造を有する第1のモノリスを製造する。なお、以下に示す第1のモノリスの製造方法は、特開2002−306976号公報記載の方法に準拠したものであるが、第1のモノリスの製造方法は、これに限定されるものではない。
(Method for producing first monolithic ion exchanger)
First, a first monolith having an open cell structure is manufactured. In addition, the manufacturing method of the 1st monolith shown below is based on the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-306976, However, The manufacturing method of a 1st monolith is not limited to this.
具体的には、まず、イオン交換基を含まない油溶性モノマーと、界面活性剤と、純水または超純水と、必要に応じて重合開始剤とを混合して、油中水滴型エマルジョンを形成する。このときの混合方法としては、例えば、各成分を一括して一度に混合する方法、油溶性成分(油溶性モノマーなど)と水溶性成分(純水または超純水など)とを別々に均一溶解させた後、それぞれの成分を混合する方法などを用いることができる。また、混合条件については、目的のエマルジョン粒径を得ることができる攪拌回転数や攪拌時間を任意に設定することができ、混合装置についても、目的のエマルジョン粒径を得るのに適切な装置を選択することができる。 Specifically, first, an oil-soluble monomer containing no ion exchange group, a surfactant, pure water or ultrapure water, and a polymerization initiator as necessary are mixed to form a water-in-oil emulsion. Form. As a mixing method at this time, for example, a method of mixing each component at once, an oil-soluble component (such as an oil-soluble monomer) and a water-soluble component (such as pure water or ultrapure water) are uniformly dissolved separately. Then, a method of mixing the respective components can be used. As for the mixing conditions, the number of stirring revolutions and the stirring time capable of obtaining the target emulsion particle size can be arbitrarily set, and the mixing device is also suitable for obtaining the target emulsion particle size. You can choose.
第1のモノリスの製造に用いられる油溶性モノマーは、いずれのイオン交換基も含まないモノマーであり、水に対する溶解性が低い親油性のモノマーである。このようなモノマーとしては、多くのものが挙げられるが、本実施形態では、スチレンおよびジビニルベンゼン(架橋性モノマー)が好適に用いられる。なお、このときのジビニルベンゼンの含有量は、全油溶性モノマー中、10〜90モル%、好ましくは15〜80モル%である。 The oil-soluble monomer used for the production of the first monolith is a monomer that does not contain any ion-exchange groups, and is a lipophilic monomer that has low solubility in water. Although many things are mentioned as such a monomer, In this embodiment, styrene and divinylbenzene (crosslinkable monomer) are used suitably. In addition, content of divinylbenzene at this time is 10-90 mol% in all oil-soluble monomers, Preferably it is 15-80 mol%.
第1のモノリスの製造に用いられる界面活性剤としては、イオン交換基を含まない油溶性モノマーと純水または超純水とを混合した際に、油中水滴型エマルジョンを形成できるものであれば特に限定されるものではないが、本実施形態では、ソルビタンモノオレエートが好適に用いられる。なお、「油中水滴型エマルジョン」とは、油相が連続相となり、その中に水滴が分散しているエマルジョンを意味する。 As the surfactant used in the production of the first monolith, any oil-in-oil emulsion can be formed when an oil-soluble monomer containing no ion exchange group and pure water or ultrapure water are mixed. Although not particularly limited, sorbitan monooleate is preferably used in the present embodiment. The “water-in-oil emulsion” means an emulsion in which an oil phase is a continuous phase and water droplets are dispersed therein.
第1のモノリスの製造に用いられる重合開始剤としては、熱および光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は、水溶性であっても油溶性であってもよい。このような重合開始剤としては、多くのものが挙げられるが、本実施形態では、アゾビスイソブチロニトリルが好適に用いられる。なお、重合開始剤を添加しなくても加熱のみや光照射のみで重合が進行する系も存在し、そのような系では重合開始剤の添加は不要である。 As the polymerization initiator used for the production of the first monolith, a compound that generates radicals by heat and light irradiation is preferably used. The polymerization initiator may be water-soluble or oil-soluble. Although many things are mentioned as such a polymerization initiator, In this embodiment, azobisisobutyronitrile is used suitably. In addition, there is a system in which polymerization proceeds only by heating or light irradiation without adding a polymerization initiator, and in such a system, addition of a polymerization initiator is unnecessary.
次に、油中水滴型エマルジョンを不活性雰囲気下の密封容器内に静置し、所定の温度で一定時間重合させる。このときの重合条件としては、モノマーや重合開始剤の種類により様々な条件を選択することができる。例えば、重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルを用いた場合、重合温度は30〜100℃、重合時間は1〜48時間である。 Next, the water-in-oil emulsion is allowed to stand in a sealed container under an inert atmosphere and polymerized for a certain period of time at a predetermined temperature. As polymerization conditions at this time, various conditions can be selected depending on the types of monomers and polymerization initiators. For example, when azobisisobutyronitrile is used as the polymerization initiator, the polymerization temperature is 30 to 100 ° C., and the polymerization time is 1 to 48 hours.
重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールなどの溶剤でソックスレー抽出し、未反応モノマーと残留界面活性剤を除去することで、第1のモノリスが得られる。 After the completion of the polymerization, the content is taken out and subjected to Soxhlet extraction with a solvent such as isopropanol to remove unreacted monomers and residual surfactant, thereby obtaining a first monolith.
その後、こうして得られた第1のモノリスにイオン交換基を導入して、第1のモノリスイオン交換体を製造する。このときの導入方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、高分子反応やグラフト重合などの公知の方法を用いることができる。 Then, an ion exchange group is introduce | transduced into the 1st monolith obtained in this way, and a 1st monolith ion exchanger is manufactured. The introduction method at this time is not particularly limited, and for example, known methods such as polymer reaction and graft polymerization can be used.
第1のモノリスイオン交換体の製造方法としては、イオン交換基を含まないモノマーを用いる代わりに、イオン交換基を含む油溶性モノマーを用いて重合を行い、一段階でモノリスイオン交換体を製造する方法も挙げられる。しかしながら、モノリスイオン交換体の多孔構造の制御が容易であり、イオン交換基の定量的導入も可能である点で、上述した製造方法、すなわち、まず第1のモノリスを製造した後、第1のモノリスにイオン交換基を導入する方法を用いることが好ましい。 As a first method for producing a monolithic ion exchanger, instead of using a monomer not containing an ion exchange group, polymerization is carried out using an oil-soluble monomer containing an ion exchange group to produce a monolith ion exchanger in one step. A method is also mentioned. However, since the control of the porous structure of the monolith ion exchanger is easy and the quantitative introduction of the ion exchange group is possible, the production method described above, that is, after first producing the first monolith, It is preferable to use a method of introducing an ion exchange group into the monolith.
(第2のモノリスイオン交換体)
第2のモノリスイオン交換体は、粒子凝集型構造を有する第2のモノリスにイオン交換基が導入されたものである。
(Second monolith ion exchanger)
The second monolith ion exchanger is obtained by introducing an ion exchange group into the second monolith having a particle aggregation type structure.
第2のモノリス(第2のモノリスイオン交換体)は、有機ポリマー粒子が凝集して3次元的に連続した骨格部分を形成し、その骨格間に3次元的に連続した空孔を有する粒子凝集型構造を有している。骨格を構成する材料は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。すなわち、この有機ポリマー材料は、ビニルモノマーからなる構成単位と、1分子中に2個以上のビニル基を有する架橋剤構造単位とを有するものである。このような有機ポリマー材料としては、多くのものが挙げられるが、粒子凝集構造の形成の容易性やイオン交換基の導入の容易性、機械的強度の高さなどから、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体が好適に用いられる。第2のモノリスは、例えば、イオン交換基を含まないビニルモノマー(スチレンなど)と、特定量の架橋剤(ジビニルベンゼンなど)と、有機溶媒(アルコール類など)と、重合開始剤(2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)など)とを混合し、静置状態でこれを重合させることにより製造することができる。 In the second monolith (second monolith ion exchanger), organic polymer particles aggregate to form a three-dimensionally continuous skeleton part, and particle aggregation having three-dimensionally continuous pores between the skeletons Has a mold structure. The material constituting the skeleton is an organic polymer material having a crosslinked structure. That is, this organic polymer material has a structural unit composed of a vinyl monomer and a crosslinker structural unit having two or more vinyl groups in one molecule. There are many organic polymer materials such as this, but styrene-divinylbenzene copolymer is used because of the ease of forming a particle aggregate structure, the ease of introducing ion exchange groups, and the high mechanical strength. Coalescence is preferably used. The second monolith includes, for example, a vinyl monomer not containing an ion exchange group (such as styrene), a specific amount of a crosslinking agent (such as divinylbenzene), an organic solvent (such as alcohols), and a polymerization initiator (2, 2). It can be produced by mixing '-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) and the like and polymerizing it in a stationary state.
第2のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基は、第1のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基と同様であり、その導入方法も、第1のモノリスにイオン交換基を導入する方法と同様である。第2のモノリスイオン交換体の製造方法としては、上述の第2のモノリスを製造した後、第2のモノリスにイオン交換基を導入する方法の他、イオン交換基を含むビニルモノマーを用いて重合を行い、一段階でモノリスイオン交換体を製造する方法も挙げられる。 The ion exchange group introduced into the second monolith ion exchanger is the same as the ion exchange group introduced into the first monolith ion exchanger, and the introduction method is also the ion exchange group in the first monolith. It is the same as the method of introducing. As a method for producing the second monolithic ion exchanger, in addition to the method for introducing the ion exchange group into the second monolith after producing the second monolith described above, polymerization is performed using a vinyl monomer containing an ion exchange group. And a method for producing a monolithic ion exchanger in one step.
(第3のモノリスイオン交換体の構成)
第3のモノリスイオン交換体は、第1のモノリスに比べて骨格が骨太の連続気泡構造(以下、「骨太骨格構造」という)を有する第3のモノリスにイオン交換基が導入されたものである。
(Configuration of third monolith ion exchanger)
The third monolith ion exchanger is obtained by introducing an ion exchange group into a third monolith having an open-cell structure with a thick skeleton compared to the first monolith (hereinafter referred to as “bone skeleton structure”). .
第3のモノリスは、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が共通の開口(メソポア)となる連続気泡構造を有し、開口の平均直径が20〜200μm、好ましくは20〜150μm、特に20〜100μmであり、マクロポアと開口で形成される気泡内が流路となる。このような骨太骨格構造は、連続気泡構造体(乾燥体)の切断面のSEM(走査型電子顕微鏡による二次電子像)画像において、断面に表れる骨格部面積が、画像領域中、25〜50%、好ましくは25〜45%である。第3のモノリスは、骨格を構成する壁部の厚みが概ね20〜200μmである。また、第3のモノリスは、0.5〜5ml/g、好適には0.8〜4ml/gの全細孔容積を有している。 The third monolith has an open cell structure in which bubble-shaped macropores overlap each other, and the overlapping portion forms a common opening (mesopore). The average diameter of the openings is 20 to 200 μm, preferably 20 to 150 μm, particularly 20 It is -100 micrometers, and the inside of the bubble formed with a macropore and opening becomes a flow path. In such a thick skeletal structure, in the SEM (secondary electron image by scanning electron microscope) image of the cut surface of the open cell structure (dry body), the skeleton part area that appears in the cross section is 25 to 50 in the image region. %, Preferably 25 to 45%. In the third monolith, the thickness of the wall portion constituting the skeleton is approximately 20 to 200 μm. The third monolith has a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g, preferably 0.8 to 4 ml / g.
第3のモノリスの骨格を構成する材料は、全構成単位に対して、0.3〜50モル%、好適には0.3〜5モル%の架橋構造単位を含む有機ポリマー材料である。このような有機ポリマー材料としては、多くのものが挙げられるが、連続気泡構造の形成の容易性やイオン交換基の導入の容易性、機械的強度の高さ、酸・アルカリに対する安定性の高さからから、芳香族ビニルポリマーの架橋重合体が好適に用いられ、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体が特に好適に用いられる。 The material constituting the skeleton of the third monolith is an organic polymer material containing 0.3 to 50 mol%, preferably 0.3 to 5 mol% of a crosslinked structural unit with respect to all the structural units. Many examples of such organic polymer materials include the ease of forming an open-cell structure, the ease of introducing ion-exchange groups, high mechanical strength, and high stability against acids and alkalis. Accordingly, a crosslinked polymer of an aromatic vinyl polymer is preferably used, and a styrene-divinylbenzene copolymer is particularly preferably used.
第3のモノリスイオン交換体は、第3のモノリスにイオン交換基を導入する際にモノリス全体が膨潤するため、開口の平均直径が、第3のモノリスのそれよりも大きくなり、30〜300μm、好ましくは30〜200μm、特に35〜150μmである。また、骨格を構成する壁部の厚みも、第3のモノリスのそれよりも大きくなり、概ね30〜300μmである。一方で、第3のモノリスイオン交換体の全細孔容積は、開口径が大きくなっても、骨格部も太くなるため、第3のモノリスの全細孔容積と同様である。また、連続気泡構造体(乾燥体)の切断面のSEM画像において、断面に表れる骨格部面積も、第3のモノリスのそれと同様である。 In the third monolith ion exchanger, when the ion exchange group is introduced into the third monolith, the entire monolith swells, so that the average diameter of the opening is larger than that of the third monolith, 30 to 300 μm, Preferably it is 30-200 micrometers, especially 35-150 micrometers. Moreover, the thickness of the wall part which comprises frame | skeleton becomes larger than that of a 3rd monolith, and is 30-300 micrometers in general. On the other hand, the total pore volume of the third monolith ion exchanger is the same as the total pore volume of the third monolith because the skeleton part also becomes thick even when the opening diameter increases. Moreover, in the SEM image of the cut surface of the open cell structure (dry body), the skeleton part area appearing in the cross section is the same as that of the third monolith.
第3のモノリスイオン交換体は、水湿潤状態での単位体積当たりのイオン交換容量が0.4mg当量/ml以上、好ましくは0.4〜1.8mg当量/mlであり、単位質量当たりのイオン交換容量が、例えば、3〜5mg当量/gである。第3のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基は、カチオン交換基またはアニオン交換基であり、カチオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、リン酸基、リン酸エステル基などが挙げられ、アニオン交換基としては、四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン基、第三スルホニウム基、ホスホニウム基などが挙げられる。 The third monolith ion exchanger has an ion exchange capacity per unit volume of 0.4 mg equivalent / ml or more, preferably 0.4 to 1.8 mg equivalent / ml in a water-wet state, and ions per unit mass. The exchange capacity is, for example, 3 to 5 mg equivalent / g. The ion exchange group introduced into the third monolith ion exchanger is a cation exchange group or an anion exchange group, and examples of the cation exchange group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, an iminodiacetic acid group, a phosphoric acid group, Examples of the anion exchange group include a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, a primary amino group, a polyethyleneimine group, a tertiary sulfonium group, and a phosphonium group.
(第3のモノリスイオン交換体の製造方法)
まず、上述した第1のモノリスの製造方法に従って、第1のモノリスと同様の連続気泡構造を有し、全細孔容積が5〜16ml/gのモノリス中間体(以下、「第3のモノリス中間体」という)を製造する。ただし、油溶性モノマーの一成分として選択する架橋性モノマー(ジビニルベンゼン)の含有量は、第1のモノリスの場合とは異なり、全油溶性モノマー中、0.3〜50モル%、好ましくは0.3〜5モル%である。また、重合開始剤としては、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)が好適に用いられる。
(Method for producing third monolithic ion exchanger)
First, according to the manufacturing method of the first monolith described above, a monolith intermediate (hereinafter referred to as “third monolith intermediate) having an open cell structure similar to that of the first monolith and having a total pore volume of 5 to 16 ml / g. Body)). However, the content of the crosslinkable monomer (divinylbenzene) selected as one component of the oil-soluble monomer is 0.3 to 50 mol%, preferably 0, in the total oil-soluble monomer, unlike the case of the first monolith. 3 to 5 mol%. In addition, 2,2′-azobis (isobutyronitrile) is preferably used as the polymerization initiator.
この第3のモノリス中間体の製造と前後して、ビニルモノマーと、1分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤と、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒と、重合開始剤とからなる混合物を調製する。 Before and after the production of the third monolith intermediate, the vinyl monomer, the crosslinking agent having at least two vinyl groups in one molecule, the vinyl monomer and the crosslinking agent are dissolved, but the vinyl monomer is polymerized. A mixture composed of an organic solvent that does not dissolve the produced polymer and a polymerization initiator is prepared.
この混合物の調整に用いられるビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性のビニルモノマーであれば特に限定されるものではないが、上記重合系に共存させるモノリス中間体と同種類もしくは類似のポリマー材料を生成するビニルモノマーを選定することが好ましい。したがって、本実施形態では、スチレンが好適に用いられる。ビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体に対して、重量で3〜40倍、好ましくは4〜30倍である。 The vinyl monomer used for the preparation of this mixture is not particularly limited as long as it is a lipophilic vinyl monomer that contains a polymerizable vinyl group in the molecule and has high solubility in an organic solvent. It is preferable to select a vinyl monomer that produces the same or similar polymer material as the monolith intermediate coexisting in the system. Therefore, in this embodiment, styrene is preferably used. The addition amount of the vinyl monomer is 3 to 40 times, preferably 4 to 30 times, by weight with respect to the monolith intermediate coexisting at the time of polymerization.
上記混合物の調整に用いられる架橋剤は、1分子中に少なくとも2個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好ましい。そのような架橋剤としては、多くのものが挙げられるが、本実施形態では、機械的強度の高さと加水分解に対する安定性から、ジビニルベンゼンなどの芳香族ポリビニル化合物が好適に用いられる。架橋剤使用量は、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対して0.3〜50モル%、特に0.3〜5モル%であることが好ましい。なお、この架橋剤使用量は、ビニルモノマー/架橋剤重合時に共存させるモノリス中間体の架橋密度とほぼ等しくなるように用いることが好ましい。 The crosslinking agent used for the preparation of the mixture preferably contains at least two polymerizable vinyl groups in one molecule and has high solubility in an organic solvent. As such a crosslinking agent, many can be mentioned. In the present embodiment, aromatic polyvinyl compounds such as divinylbenzene are preferably used because of high mechanical strength and stability against hydrolysis. The amount of the crosslinking agent used is preferably 0.3 to 50 mol%, particularly 0.3 to 5 mol%, based on the total amount of the vinyl monomer and the crosslinking agent. In addition, it is preferable to use this crosslinking agent so that it may become substantially equal to the crosslinking density of the monolith intermediate coexisted during the vinyl monomer / crosslinking agent polymerization.
上記混合物の調整に用いられる有機溶媒は、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒、言い換えると、ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。このような有機溶媒としては、ビニルモノマーの種類によって大きく異なるため、非常に多くのものが挙げられるが、本実施形態では、デカノールなどが好適に用いられる。また、貧溶媒の他、その使用量が少ない場合には、良溶媒も有機溶媒として使用することができる。これら有機溶媒の使用量は、ビニルモノマーの濃度が30〜80重量%となるようにすることが好ましい。 The organic solvent used for the preparation of the above mixture is an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer, in other words, a poor solvent for the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer. It is. Such an organic solvent varies greatly depending on the type of vinyl monomer, and thus includes a great number of organic solvents. In the present embodiment, decanol or the like is preferably used. Moreover, when the usage-amount other than a poor solvent is small, a good solvent can also be used as an organic solvent. The amount of the organic solvent used is preferably such that the concentration of the vinyl monomer is 30 to 80% by weight.
上記混合物の調整に用いられる重合開始剤としては、熱および光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は油溶性であることが好ましい。このような重合開始剤としては、多くのものが挙げられるが、本実施形態では、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)が好適に用いられる。重合開始剤の使用量は、モノマーの種類や重合温度などによって大きく変動するが、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対して、約0.01〜5%の範囲であってよい。 As the polymerization initiator used for the preparation of the mixture, a compound that generates radicals by heat and light irradiation is preferably used. The polymerization initiator is preferably oil-soluble. Although many things are mentioned as such a polymerization initiator, In this embodiment, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) is used suitably. The amount of the polymerization initiator used varies greatly depending on the type of monomer and polymerization temperature, but may range from about 0.01 to 5% with respect to the total amount of vinyl monomer and crosslinking agent.
次に、第3のモノリス中間体を、上記混合物(溶液)に含浸させた状態で、不活性雰囲気下の密封容器内に静置し、所定の温度で一定時間重合させる。このときの重合条件としては、モノマーや重合開始剤の種類により様々な条件を選択することができる。例えば、重合開始剤として2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を用いた場合、重合温度は30〜100℃、重合時間は1〜48時間である。 Next, the third monolith intermediate is allowed to stand in a sealed container under an inert atmosphere in a state of being impregnated with the above mixture (solution), and polymerized at a predetermined temperature for a predetermined time. As polymerization conditions at this time, various conditions can be selected depending on the types of monomers and polymerization initiators. For example, when 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) is used as the polymerization initiator, the polymerization temperature is 30 to 100 ° C., and the polymerization time is 1 to 48 hours.
この加熱重合により、ビニルモノマーおよび架橋剤が、静置された第3のモノリス中間体の骨格に吸着または分配され、その骨格内で重合が進行することで、骨太骨格構造の第3のモノリスが形成される。 By this heat polymerization, the vinyl monomer and the cross-linking agent are adsorbed or distributed on the skeleton of the stationary third monolith intermediate, and the polymerization proceeds in the skeleton, so that the third monolith having a thick skeleton structure is formed. It is formed.
重合終了後、内容物を取り出し、アセトンなどの溶剤で抽出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒を除去することで、第3のモノリスが得られる。 After the completion of the polymerization, the content is taken out, extracted with a solvent such as acetone, and the unreacted vinyl monomer and the organic solvent are removed to obtain a third monolith.
その後、こうして得られた第3のモノリスにイオン交換基を導入して、第3のモノリスイオン交換体を製造する。このときの導入方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、高分子反応やグラフト重合などの公知の方法を用いることができる。また、製造される第3のモノリスイオン交換体は、イオン交換基の導入により、上述の通り、第3のモノリスの1.4〜1.9倍に大きく膨潤することになる。 Then, an ion exchange group is introduce | transduced into the 3rd monolith obtained in this way, and a 3rd monolith ion exchanger is manufactured. The introduction method at this time is not particularly limited, and for example, known methods such as polymer reaction and graft polymerization can be used. Moreover, the 3rd monolith ion exchanger manufactured swells large 1.4 to 1.9 times of a 3rd monolith as above-mentioned by introduction | transduction of an ion exchange group.
(第4のモノリスイオン交換体の構成)
第4のモノリスイオン交換体は、共連続構造を有する第4のモノリスにイオン交換基が導入されたものである。
(Configuration of fourth monolith ion exchanger)
The fourth monolith ion exchanger is obtained by introducing an ion exchange group into a fourth monolith having a co-continuous structure.
第4のモノリスは、太さが0.8〜40μm、好ましくは1〜30μmの3次元的に連続した棒状の骨格と、その骨格間に直径が8〜80μmの3次元的に連続した空孔が配置された共連続構造を有している。すなわち、共連続構造は、連続する骨格相と連続する空孔相とが絡み合ってそれぞれが共に3次元的に連続する構造である。この連続した空孔は、上述したモノリスに比べて、空孔の連続性が高くてその大きさに偏りがないため、極めて均一なイオンの吸着挙動を達成することができる。また、第4のモノリスは、0.5〜5ml/gの全細孔容積を有している。 The fourth monolith has a three-dimensionally continuous rod-like skeleton having a thickness of 0.8 to 40 μm, preferably 1 to 30 μm, and three-dimensionally continuous pores having a diameter of 8 to 80 μm between the skeletons. Have a co-continuous structure. That is, the co-continuous structure is a structure in which a continuous skeleton phase and a continuous vacancy phase are intertwined and both are three-dimensionally continuous. Since these continuous vacancies are higher in continuity of the vacancies and the size of the vacancies is not biased compared to the monolith described above, it is possible to achieve an extremely uniform ion adsorption behavior. The fourth monolith has a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g.
第4のモノリスの骨格を構成する材料は、全構成単位に対して、0.3〜5モル%、好適には0.3〜3モル%の架橋構造単位を含む疎水性の芳香族ビニルポリマーである。このような芳香族ビニルポリマーとしては、多くのものが挙げられるが、共連続構造の形成の容易性やイオン交換基の導入の容易性、機械的強度の高さ、酸・アルカリに対する安定性の高さからから、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体が特に好適に用いられる。 The material constituting the skeleton of the fourth monolith is a hydrophobic aromatic vinyl polymer containing 0.3 to 5 mol%, preferably 0.3 to 3 mol% of cross-linked structural units based on the total structural units It is. There are many examples of such aromatic vinyl polymers, but it is easy to form a co-continuous structure, to easily introduce ion-exchange groups, to have high mechanical strength, and to be stable against acids and alkalis. From the height, a styrene-divinylbenzene copolymer is particularly preferably used.
第4のモノリスイオン交換体は、第4のモノリスにイオン交換基を導入する際にモノリス全体が膨潤するため、骨格の太さおよび空孔の直径が、第4のモノリスのそれよりも大きくなる。すなわち、骨格の太さが、1〜60μm、好ましくは3〜58μmであり、空孔の直径が、10〜100μm、好ましくは15〜90μm、特に20〜80μmである。一方で、第4のモノリスイオン交換体の全細孔容積は、上記膨潤により開口径が大きくなっても、骨格部も太くなるため、第4のモノリスの全細孔容積と同様である。 In the fourth monolith ion exchanger, since the whole monolith swells when an ion exchange group is introduced into the fourth monolith, the thickness of the skeleton and the diameter of the pores are larger than those of the fourth monolith. . That is, the thickness of the skeleton is 1 to 60 μm, preferably 3 to 58 μm, and the pore diameter is 10 to 100 μm, preferably 15 to 90 μm, particularly 20 to 80 μm. On the other hand, the total pore volume of the fourth monolith ion exchanger is the same as the total pore volume of the fourth monolith because the skeleton portion also becomes thick even if the opening diameter increases due to the swelling.
第4のモノリスイオン交換体は、水湿潤状態での単位体積当たりのイオン交換容量が0.3mg当量/ml以上、好ましくは0.4〜1.8mg当量/mlであり、乾燥状態での単位質量当たりのイオン交換容量が、例えば、3〜5mg当量/gである。第4のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基は、カチオン交換基またはアニオン交換基であり、カチオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、リン酸基、リン酸エステル基などが挙げられ、アニオン交換基としては、四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン基、第三スルホニウム基、ホスホニウム基などが挙げられる。 The fourth monolith ion exchanger has an ion exchange capacity per unit volume in a water wet state of 0.3 mg equivalent / ml or more, preferably 0.4 to 1.8 mg equivalent / ml. The ion exchange capacity per mass is, for example, 3 to 5 mg equivalent / g. The ion exchange group introduced into the fourth monolith ion exchanger is a cation exchange group or an anion exchange group. Examples of the cation exchange group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, an iminodiacetic acid group, a phosphoric acid group, Examples of the anion exchange group include a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, a primary amino group, a polyethyleneimine group, a tertiary sulfonium group, and a phosphonium group.
(第4のモノリスイオン交換体の製造方法)
まず、上述した第1のモノリスの製造方法に従って、第1のモノリスと同様の連続気泡構造を有し、全細孔容積が16ml/gを超え、30ml/g以下のモノリス中間体(以下、「第4のモノリス中間体」という)を製造する。ただし、油溶性モノマーの一成分として選択する架橋性モノマー(ジビニルベンゼン)の含有量は、第1のモノリスの場合とは異なり、全油溶性モノマー中、0.3〜5モル%、好ましくは0.3〜3モル%である。また、重合開始剤としては、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)が好適に用いられる。
(Fourth Monolith Ion Exchanger Production Method)
First, according to the first monolith production method described above, a monolith intermediate (hereinafter referred to as “the monolith intermediate” having an open cell structure similar to that of the first monolith and having a total pore volume of more than 16 ml / g and 30 ml / g or less. A fourth monolith intermediate "). However, the content of the crosslinkable monomer (divinylbenzene) selected as one component of the oil-soluble monomer is 0.3 to 5 mol%, preferably 0, in the total oil-soluble monomer, unlike the case of the first monolith. .3 to 3 mol%. In addition, 2,2′-azobis (isobutyronitrile) is preferably used as the polymerization initiator.
この第4のモノリス中間体の製造と前後して、芳香族ビニルモノマーと、1分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤と、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒と、重合開始剤とからなる混合物を調製する。 Before and after the production of the fourth monolith intermediate, the aromatic vinyl monomer, the cross-linking agent having at least two vinyl groups in one molecule, and the aromatic vinyl monomer and the cross-linking agent dissolve but are aromatic. A mixture comprising an organic solvent that does not dissolve the polymer produced by polymerization of the vinyl monomer and a polymerization initiator is prepared.
この混合物の調整に用いられる芳香族ビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性の芳香族ビニルモノマーであれば特に限定されるものではないが、上記重合系に共存させるモノリス中間体と同種類もしくは類似のポリマー材料を生成するビニルモノマーを選定することが好ましい。したがって、本実施形態では、スチレンが好適に用いられる。芳香族ビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体に対して、重量で5〜50倍、好ましくは5〜40倍である。 The aromatic vinyl monomer used for the preparation of the mixture is not particularly limited as long as it is a lipophilic aromatic vinyl monomer that contains a polymerizable vinyl group in the molecule and has high solubility in an organic solvent. However, it is preferable to select a vinyl monomer that produces the same or similar polymer material as the monolith intermediate coexisting in the polymerization system. Therefore, in this embodiment, styrene is preferably used. The addition amount of the aromatic vinyl monomer is 5 to 50 times by weight, preferably 5 to 40 times by weight with respect to the monolith intermediate coexisting at the time of polymerization.
上記混合物の調整に用いられる架橋剤は、分子中に少なくとも2個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好ましい。そのような架橋剤としては、多くのものが挙げられるが、本実施形態では、機械的強度の高さと加水分解に対する安定性から、芳香族ポリビニル化合物が好適に用いられ、ジビニルベンゼンが特に好適に用いられる。架橋剤使用量は、ビニルモノマーと架橋剤の合計量(全油溶性モノマー)に対して0.3〜5モル%、特に0.3〜3モル%である。なお、この架橋剤使用量は、ビニルモノマー/架橋剤重合時に共存させるモノリス中間体の架橋密度とほぼ等しくなるように用いることが好ましい。 The crosslinking agent used for the preparation of the mixture preferably contains at least two polymerizable vinyl groups in the molecule and has high solubility in an organic solvent. As such a crosslinking agent, many can be mentioned, but in this embodiment, an aromatic polyvinyl compound is preferably used and divinylbenzene is particularly preferably used because of high mechanical strength and stability against hydrolysis. Used. The amount of the crosslinking agent used is 0.3 to 5 mol%, particularly 0.3 to 3 mol%, based on the total amount of vinyl monomer and crosslinking agent (total oil-soluble monomer). In addition, it is preferable to use this crosslinking agent so that it may become substantially equal to the crosslinking density of the monolith intermediate coexisting at the time of vinyl monomer / crosslinking agent polymerization.
上記混合物の調整に用いられる有機溶媒は、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒、言い換えると、芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。このような有機溶媒としては、芳香族ビニルモノマーの種類によって大きく異なるため、非常に多くのものが挙げられるが、本実施形態では、デカノールが好適に用いられる。また、貧溶媒の他、その使用量が少ない場合には、良溶媒も有機溶媒として使用することができる。これら有機溶媒の使用量は、芳香族ビニルモノマーの濃度が30〜80重量%となるように用いることが好ましい。 The organic solvent used for the preparation of the above mixture is an organic solvent that dissolves the aromatic vinyl monomer and the crosslinking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the aromatic vinyl monomer, in other words, the aromatic vinyl monomer is polymerized. It is a poor solvent for the polymer produced. Such an organic solvent varies greatly depending on the type of the aromatic vinyl monomer, and thus includes an extremely large number of solvents. In this embodiment, decanol is preferably used. Moreover, when the usage-amount other than a poor solvent is small, a good solvent can also be used as an organic solvent. These organic solvents are preferably used so that the concentration of the aromatic vinyl monomer is 30 to 80% by weight.
上記混合物の調整に用いられる重合開始剤としては、熱および光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は油溶性であることが好ましい。このような重合開始剤としては、多くのものが挙げられるが、本実施形態では、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)が好適に用いられる。重合開始剤の使用量は、モノマーの種類や重合温度等によって大きく変動するが、芳香族ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対して、約0.01〜5%の範囲であってよい。 As the polymerization initiator used for the preparation of the mixture, a compound that generates radicals by heat and light irradiation is preferably used. The polymerization initiator is preferably oil-soluble. Although many things are mentioned as such a polymerization initiator, In this embodiment, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) is used suitably. The amount of polymerization initiator used varies greatly depending on the type of monomer, polymerization temperature, etc., but may be in the range of about 0.01 to 5% with respect to the total amount of aromatic vinyl monomer and crosslinking agent.
次に、第4のモノリス中間体を、上記混合物(溶液)に含浸させた状態で、不活性雰囲気下の密封容器内に静置し、所定の温度で一定時間重合させる。このときの重合条件としては、モノマーや重合開始剤の種類により様々な条件を選択することができる。例えば、重合開始剤として2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を用いた場合、重合温度は30〜100℃、重合時間は1〜48時間である。 Next, the fourth monolith intermediate is allowed to stand in a sealed container under an inert atmosphere in a state of being impregnated with the above mixture (solution), and polymerized at a predetermined temperature for a certain period of time. As polymerization conditions at this time, various conditions can be selected depending on the types of monomers and polymerization initiators. For example, when 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) is used as the polymerization initiator, the polymerization temperature is 30 to 100 ° C., and the polymerization time is 1 to 48 hours.
この加熱重合により、芳香族ビニルモノマーおよび架橋剤が、静置された第4のモノリス中間体の骨格に吸着または分配され、その骨格内で重合が進行し、モノリス構造を構成する骨格が2次元の壁面から1次元の棒状骨格に変化することで、共連続構造の第4のモノリスが形成される。 By this heat polymerization, the aromatic vinyl monomer and the crosslinking agent are adsorbed or distributed on the skeleton of the stationary fourth monolith intermediate, the polymerization proceeds in the skeleton, and the skeleton constituting the monolith structure is two-dimensional. By changing from a wall surface to a one-dimensional rod-like skeleton, a fourth monolith having a co-continuous structure is formed.
重合終了後、内容物を取り出し、アセトンなどの溶剤で抽出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒を除去することで、第4のモノリスが得られる。 After completion of the polymerization, the contents are taken out, extracted with a solvent such as acetone, and the unreacted vinyl monomer and the organic solvent are removed to obtain a fourth monolith.
その後、こうして得られた第4のモノリスにイオン交換基を導入して、第4のモノリスイオン交換体を製造する。このときの導入方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、高分子反応やグラフト重合などの公知の方法を用いることができる。また、製造される第4のモノリスイオン交換体は、イオン交換基の導入により、上述の通り、第4のモノリスの1.4〜1.9倍に大きく膨潤することになる。 Then, an ion exchange group is introduce | transduced into the 4th monolith obtained in this way, and a 4th monolith ion exchanger is manufactured. The introduction method at this time is not particularly limited, and for example, known methods such as polymer reaction and graft polymerization can be used. Moreover, the 4th monolith ion exchanger manufactured will swell large 1.4 to 1.9 times of a 4th monolith as above-mentioned by introduction | transduction of an ion exchange group.
(第5のモノリスイオン交換体の構成)
第5のモノリスイオン交換体は、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体の骨格表面に多数の粒子体または突起体が固着または形成された第5のモノリスに、イオン交換基が導入されたものである。第5のモノリスの有機多孔質体の好ましい構造は、第3のモノリスと同様の骨太骨格構造、または、第4のモノリスと同様の共連続構造である。以下、「粒子体」および「突起体」を合わせて「粒子体等」ともいう。
(Configuration of fifth monolith ion exchanger)
The fifth monolith ion exchanger has an ion exchange group on the fifth monolith in which a large number of particles or protrusions are fixed or formed on the skeleton surface of an organic porous body composed of a continuous skeleton phase and a continuous pore phase. It has been introduced. A preferred structure of the organic porous body of the fifth monolith is a bone skeleton structure similar to the third monolith, or a co-continuous structure similar to the fourth monolith. Hereinafter, the “particle body” and the “projection body” are also collectively referred to as “particle body”.
第5のモノリスの孔径は、平均直径が8〜100μm、好ましくは10〜80μmである。第5のモノリスが骨太骨格構造を有する場合、孔径の好ましい値は10〜80μmであり、第5のモノリスが共連続構造を有する場合、孔径の好ましい値は10〜60μmである。第5のモノリスは、0.5〜5ml/g、好適には0.8〜4ml/gの全細孔容積を有している。粒子体の直径および突起体の最大径の好ましい値は3〜15μm、特に3〜10μmであり、全粒子体等中、3〜5μmの粒子体等が占める割合は70%以上、特に80%以上である。また、粒子体は粒子体同士が集塊して凝集体を形成していてもよい。この場合、粒子体の直径は個々の粒子のものをいう。また、突起体に粒子体が固着した複合突起体であってもよい。複合突起体の場合、上記直径および最大径は個々の突起体の値および粒子体の値をいう。 The average diameter of the fifth monolith is 8 to 100 μm, preferably 10 to 80 μm. When the fifth monolith has a thick bone skeleton structure, a preferable value of the pore diameter is 10 to 80 μm, and when the fifth monolith has a co-continuous structure, a preferable value of the pore diameter is 10 to 60 μm. The fifth monolith has a total pore volume of 0.5-5 ml / g, preferably 0.8-4 ml / g. A preferable value of the diameter of the particle body and the maximum diameter of the protrusion is 3 to 15 μm, particularly 3 to 10 μm, and the ratio of the particle body of 3 to 5 μm in the total particle body is 70% or more, particularly 80% or more. It is. Further, the particle bodies may be aggregated to form an aggregate. In this case, the diameter of the particle body refers to that of an individual particle. Further, it may be a composite protrusion in which the particle body is fixed to the protrusion. In the case of a composite protrusion, the above-mentioned diameter and maximum diameter refer to values of individual protrusions and particle bodies.
第5のモノリスの連続空孔構造の骨格を構成する材料は、全構成単位に対して、0.3〜10モル%、好適には0.3〜5モル%の架橋構造単位を含む有機ポリマー材料である。このような有機ポリマー材料としては、多くのものが挙げられるが、連続空孔構造の形成の容易性やイオン交換基の導入の容易性、機械的強度の高さ、酸・アルカリに対する安定性の高さからから、芳香族ビニルポリマーの架橋重合体が好適に用いられ、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体が特に好適に用いられる。また、粒子体等の材料としては、骨格を構成する材料に対して、同じ組織が連続した同一材料のもの、同じではない組織が連続する互いが異なる材料のものなどが挙げられる。 The material constituting the skeleton of the continuous pore structure of the fifth monolith is an organic polymer containing 0.3 to 10 mol%, preferably 0.3 to 5 mol% of cross-linked structural units with respect to all the structural units. Material. There are many examples of such organic polymer materials, but it is easy to form a continuous pore structure, to easily introduce ion exchange groups, to have high mechanical strength, and to be stable against acids and alkalis. From the height, a cross-linked polymer of an aromatic vinyl polymer is preferably used, and a styrene-divinylbenzene copolymer is particularly preferably used. In addition, examples of the material such as a particle body include the same material in which the same structure is continuous with respect to the material constituting the skeleton, and the different material in which different structures are continuous with each other.
第5のモノリスイオン交換体では、第5のモノリスにイオン交換基を導入する際にモノリス全体が膨潤する。そのため、第5のモノリスが骨太骨格構造を有する場合、開口の平均直径は、第3のモノリスイオン交換体の場合と同様に大きくなり、第5のモノリスが共連続構造を有する場合、骨格の太さおよび空孔の直径は、第4のモノリスイオン交換体の場合と同様に大きくなる。また、第5のモノリスイオン交換体の孔径も同様に大きくなり、平均直径は10〜150μm、好ましくは10〜120μmであり、第5のモノリスが骨太骨格構造を有する場合、孔径の好ましい値は10〜120μm、第5のモノリスが共連続構造を有する場合、孔径の好ましい値は10〜90μmである。さらに、粒子体の直径および突起体の最大径も同様に大きくなり、4〜40μm、好ましい値は4〜30μm、特に4〜20μmであり、全粒子体等中、4〜10μmの粒子体等が占める割合は70%以上、特に80%以上である。また、骨格相の表面は粒子体等により40%以上、好ましくは50%以上被覆されている。一方、第5のモノリスイオン交換体の全細孔容積は、上記膨潤により開口径が大きくなっても、骨格部も太くなるため、第5のモノリスの全細孔容積と同様である。 In the fifth monolith ion exchanger, the entire monolith swells when an ion exchange group is introduced into the fifth monolith. Therefore, when the fifth monolith has a thick skeletal structure, the average diameter of the openings is increased as in the case of the third monolith ion exchanger, and when the fifth monolith has a co-continuous structure, the skeleton thickened. The diameter of the holes and the pores are increased as in the case of the fourth monolith ion exchanger. In addition, the pore diameter of the fifth monolith ion exchanger is similarly increased, the average diameter is 10 to 150 μm, preferably 10 to 120 μm, and when the fifth monolith has a bone skeleton structure, the preferred value of the pore diameter is 10 When the fifth monolith has a co-continuous structure, the preferable value of the pore diameter is 10 to 90 μm. Further, the diameter of the particle body and the maximum diameter of the protrusions are similarly increased, and 4 to 40 μm, preferably 4 to 30 μm, particularly 4 to 20 μm. Among all the particle bodies, 4 to 10 μm particle bodies and the like are included. The proportion occupied is 70% or more, particularly 80% or more. Further, the surface of the skeletal phase is covered with particle bodies or the like for 40% or more, preferably 50% or more. On the other hand, the total pore volume of the fifth monolith ion exchanger is the same as the total pore volume of the fifth monolith because the skeleton part also becomes thick even if the opening diameter increases due to the swelling.
第5のモノリスイオン交換体は、水湿潤状態での体積当たりのイオン交換容量が0.2mg当量/ml以上、好ましくは0.3〜1.8mg当量/mlであり、乾燥状態での単位質量当たりのイオン交換容量が、例えば、3〜5mg当量/gである。第5のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基は、カチオン交換基またはアニオン交換基であり、カチオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、リン酸基、リン酸エステル基などが挙げられ、アニオン交換基としては、四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン基、第三スルホニウム基、ホスホニウム基などが挙げられる。 The fifth monolith ion exchanger has an ion exchange capacity per volume in a water-wet state of 0.2 mg equivalent / ml or more, preferably 0.3 to 1.8 mg equivalent / ml, and a unit mass in a dry state. The per ion exchange capacity is, for example, 3 to 5 mg equivalent / g. The ion exchange group introduced into the fifth monolith ion exchanger is a cation exchange group or an anion exchange group. Examples of the cation exchange group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, an iminodiacetic acid group, a phosphoric acid group, Examples of the anion exchange group include a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, a primary amino group, a polyethyleneimine group, a tertiary sulfonium group, and a phosphonium group.
(第5のモノリスイオン交換体の製造方法)
まず、第5のモノリス中間体として、第3のモノリス中間体または第4のモノリス中間と同様のモノリス中間体を製造する。
(Fifth Monolith Ion Exchanger Manufacturing Method)
First, a monolith intermediate similar to the third monolith intermediate or the fourth monolith intermediate is produced as the fifth monolith intermediate.
この第5のモノリス中間体の製造と前後して、芳香族ビニルモノマーと、1分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤と、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒と、重合開始剤とからなる混合物を調製する。 Before and after the production of the fifth monolith intermediate, the aromatic vinyl monomer, the cross-linking agent having at least two vinyl groups in one molecule, and the aromatic vinyl monomer and the cross-linking agent dissolve but are aromatic. A mixture comprising an organic solvent that does not dissolve the polymer produced by polymerization of the vinyl monomer and a polymerization initiator is prepared.
この混合物の調整に用いられるビニルモノマーとしては、第3のモノリス中間体または第4のモノリス中間の場合と同様のビニルモノマーが用いられ、スチレンが好適に用いられる。ビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体に対して、重量で3〜40倍、好ましくは4〜30倍である。 As the vinyl monomer used for the preparation of this mixture, the same vinyl monomer as in the case of the third monolith intermediate or the fourth monolith intermediate is used, and styrene is preferably used. The addition amount of the vinyl monomer is 3 to 40 times, preferably 4 to 30 times, by weight with respect to the monolith intermediate coexisting at the time of polymerization.
上記混合物の調整に用いられる架橋剤としては、第3のモノリス中間体または第4のモノリス中間の場合と同様の架橋剤が用いられ、ジビニルベンゼンなどの芳香族ポリビニル化合物が好適に用いられる。架橋剤使用量は、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対して0.3〜20モル%、特に0.3〜10モル%である
上記混合物の調整に用いられる有機溶媒としては、第3のモノリス中間体または第4のモノリス中間の場合と同様の有機溶媒が用いられ、デカノールなどが好適に用いられる。この有機溶媒の使用量は、ビニルモノマーの濃度が10〜30重量%となるようにすることが好ましい。
As the crosslinking agent used for the preparation of the above mixture, the same crosslinking agent as in the case of the third monolith intermediate or the fourth monolith intermediate is used, and an aromatic polyvinyl compound such as divinylbenzene is preferably used. The amount of the crosslinking agent used is 0.3 to 20 mol%, particularly 0.3 to 10 mol%, based on the total amount of the vinyl monomer and the crosslinking agent. The same organic solvent as in the case of the monolith intermediate or the fourth monolith intermediate is used, and decanol or the like is preferably used. The amount of the organic solvent used is preferably such that the concentration of the vinyl monomer is 10 to 30% by weight.
上記混合物の調整に用いられる重合開始剤としては、第3のモノリス中間体または第4のモノリス中間の場合と同様の重合開始剤が用いられ、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)が好適に用いられる。重合開始剤の使用量も、第3のモノリス中間体または第4のモノリス中間の場合と同様に、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対して、約0.01〜5%の範囲であってよい。 As the polymerization initiator used for the preparation of the above mixture, the same polymerization initiator as in the case of the third monolith intermediate or the fourth monolith intermediate is used, and 2,2′-azobis (2,4-dimethylvalero) is used. Nitrile) is preferably used. The amount of the polymerization initiator used is also in the range of about 0.01 to 5% based on the total amount of the vinyl monomer and the crosslinking agent, as in the case of the third monolith intermediate or the fourth monolith intermediate. Good.
次に、第5のモノリス中間体を、上記混合物(溶液)に含浸させた状態で、不活性雰囲気下の密封容器内に静置し、所定の温度で一定時間重合させる。このときの重合条件としては、モノマーや重合開始剤の種類により様々な条件を選択することができる。例えば、重合開始剤として2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を用いた場合、重合温度は20〜100℃、重合時間は1〜48時間である。 Next, the fifth monolith intermediate is impregnated in the above-mentioned mixture (solution) in a sealed container under an inert atmosphere and polymerized at a predetermined temperature for a predetermined time. As polymerization conditions at this time, various conditions can be selected depending on the types of monomers and polymerization initiators. For example, when 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) is used as the polymerization initiator, the polymerization temperature is 20 to 100 ° C., and the polymerization time is 1 to 48 hours.
この加熱重合により、第5のモノリス中間体が第3のモノリス中間体と同様のものである場合、骨太骨格構造の有機多孔質体が形成され、第5のモノリス中間体が第4のモノリス中間体と同様のものである場合、共連続構造の有機多孔質体が形成される。 By this heat polymerization, when the fifth monolith intermediate is the same as the third monolith intermediate, an organic porous body having a thick skeleton structure is formed, and the fifth monolith intermediate becomes the fourth monolith intermediate. When it is the same as the body, a co-continuous organic porous body is formed.
このとき、上述した工程において、下記(1)〜(5)の条件の少なくとも1つを選択することで、第5のモノリスの特徴的な構造である粒子体等が有機多孔質体の骨格表面に形成され、その結果、第5のモノリスを形成することができる。
(1)重合温度が、重合開始剤の10時間半減温度より、少なくとも5℃低い温度である。
(2)混合物の調整に用いられる架橋剤のモル%が、第5のモノリス中間体の製造に用いられる架橋剤のモル%の2倍以上である。
(3)混合物の調整に用いられるビニルモノマーが、第5のモノリス中間体の製造に用いられる油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーである。
(4)混合物の調整に用いられる有機溶媒が、分子量200以上のポリエーテルである。
(5)混合物の調整に用いられるビニルモノマーの濃度が、当該混合物中、30重量%以下である。
At this time, in the above-described process, by selecting at least one of the following conditions (1) to (5), the particle body having the characteristic structure of the fifth monolith is converted into the skeleton surface of the organic porous body. As a result, a fifth monolith can be formed.
(1) The polymerization temperature is at least 5 ° C. lower than the 10-hour half-life temperature of the polymerization initiator.
(2) The mol% of the crosslinking agent used for the preparation of the mixture is at least twice the mol% of the crosslinking agent used for the production of the fifth monolith intermediate.
(3) The vinyl monomer used for the preparation of the mixture is a vinyl monomer having a structure different from that of the oil-soluble monomer used for the production of the fifth monolith intermediate.
(4) The organic solvent used for adjusting the mixture is a polyether having a molecular weight of 200 or more.
(5) The density | concentration of the vinyl monomer used for adjustment of a mixture is 30 weight% or less in the said mixture.
なお、粒子体等が形成される原理については、特開2009−108294号公報を参照されたい。 For the principle of formation of particle bodies and the like, refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-108294.
重合終了後、内容物を取り出し、アセトンなどの溶剤で抽出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒を除去することで、第5のモノリスが得られる。 After the completion of the polymerization, the content is taken out, extracted with a solvent such as acetone, and the unreacted vinyl monomer and the organic solvent are removed to obtain a fifth monolith.
その後、こうして得られた第5のモノリスにイオン交換基を導入して、第5のモノリスイオン交換体を製造する。このときの導入方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、高分子反応やグラフト重合などの公知の方法を用いることができる。 Then, an ion exchange group is introduce | transduced into the 5th monolith obtained in this way, and a 5th monolith ion exchanger is manufactured. The introduction method at this time is not particularly limited, and for example, known methods such as polymer reaction and graft polymerization can be used.
(第6のモノリスイオン交換体)
第6のモノリスイオン交換体は、第3のモノリスと同様の骨太骨格構造を有し、骨格部の表面部に多孔構造が導入された第6のモノリスに、イオン交換基が導入されたものである。
(Sixth monolith ion exchanger)
The sixth monolith ion exchanger has a bone skeleton structure similar to that of the third monolith, and an ion exchange group is introduced into the sixth monolith in which a porous structure is introduced on the surface of the skeleton part. is there.
第6のモノリスの多孔構造は、表層部中に無数の細孔が存在する、いわゆる蜂の巣に類似した構造である。多数の細孔は、互いに独立するものや、隣接の孔同士が連続しているものがある。第6のモノリスの骨格を構成する材料は、架橋構造を有する有機ポリマー材料であり、連続気泡構造の形成の容易性やイオン交換基の導入の容易性、機械的強度の高さなどから、好適にはスチレン−ジビニルベンゼン共重合体である。 The porous structure of the sixth monolith is a structure similar to a so-called honeycomb in which innumerable pores exist in the surface layer portion. Many pores include those that are independent from each other and those that are adjacent to each other. The material constituting the skeleton of the sixth monolith is an organic polymer material having a cross-linked structure, which is preferable because of the ease of forming an open-cell structure, the ease of introduction of ion exchange groups, the high mechanical strength, and the like. Is a styrene-divinylbenzene copolymer.
第6のモノリスは、例えば、第3のモノリス中間体と同様のモノリス中間体を、ビニルモノマー(スチレンなど)と、1分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤(ジビニルベンゼンなど)と、炭素数3〜9の脂肪族アルコール(1−オクタノールなど)と、重合開始剤(2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)など)とからなる混合物に含浸された状態で、不活性雰囲気下の密封容器内に静置し、所定の温度で一定時間重合させることで製造することができる。 The sixth monolith is, for example, a monolith intermediate similar to the third monolith intermediate, a vinyl monomer (such as styrene), and a crosslinking agent having at least two or more vinyl groups in one molecule (such as divinylbenzene). In a state of being impregnated with a mixture of an aliphatic alcohol having 3 to 9 carbon atoms (such as 1-octanol) and a polymerization initiator (such as 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile)) It can be produced by standing in a sealed container under an inert atmosphere and polymerizing at a predetermined temperature for a certain period of time.
第6のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基は、上述のモノリスイオン交換体に導入されているイオン交換基と同様であり、その導入方法も、上述のモノリスにイオン交換基を導入する方法と同様である。 The ion exchange group introduced into the sixth monolith ion exchanger is the same as the ion exchange group introduced into the above-described monolith ion exchanger, and the introduction method also introduces the ion exchange group into the above monolith. It is the same as the method to do.
なお、第6のモノリスイオン交換体の詳細については、特開2009−191148号公報を参照されたい。 For details of the sixth monolith ion exchanger, refer to JP-A-2009-191148.
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、これは単に例示であって、本発明を限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific examples. However, this is merely an example and does not limit the present invention.
(実施例1)
図1に示す導電性水溶液製造装置を用いて、導電性水溶液として希薄アンモニア水の製造を行い、イオン交換装置(イオン交換塔)の入口および出口での希釈アンモニア水の導電率を測定した。
Example 1
Diluted ammonia water was produced as a conductive aqueous solution using the conductive aqueous solution production apparatus shown in FIG. 1, and the conductivity of diluted ammonia water at the inlet and outlet of the ion exchange device (ion exchange tower) was measured.
イオン交換塔に充填するイオン交換体として、有機多孔質カチオン交換体を用い、具体的には、骨格がスチレン−ジビニルベンゼン共重合体からなる共連続構造を有する第4のモノリスイオン(カチオン)交換体を用いた。この第4のモノリスイオン(カチオン)交換体は、円柱型であり、外径が90mm、高さが40mm、容量が250mLである。また、第4のモノリスイオン(カチオン)交換体のイオン形は、H形である。 An organic porous cation exchanger is used as the ion exchanger packed in the ion exchange tower. Specifically, a fourth monolith ion (cation) exchange having a co-continuous structure whose skeleton is made of a styrene-divinylbenzene copolymer. Using the body. This fourth monolith ion (cation) exchanger is cylindrical, has an outer diameter of 90 mm, a height of 40 mm, and a capacity of 250 mL. The ionic form of the fourth monolith ion (cation) exchanger is the H form.
原料水として、比抵抗値が18MΩ・cm以上、TOCが1.0ppb以下の超純水を用い、導電性付与物質添加装置として、PFA製の薬液タンクに貯留したアンモニア水を薬注ポンプ(品番「DDA」、グルンドフォス社製)で原料水に添加する方法を用いた。薬液タンクに貯留するアンモニア水としては、29wt%のアンモニア水(電子工業用、関東化学(株)製)を200倍に希釈したものを用いた。また、導電性付与物質添加装置からの希釈アンモニア水は、流量10L/min(空間速度2400h−1)でイオン交換塔に通水させ、有機多孔質イオン交換体に接触させた。 As raw material water, ultrapure water having a specific resistance of 18 MΩ · cm or more and TOC of 1.0 ppb or less is used, and ammonia water stored in a PFA chemical solution tank is used as a conductivity-imparting substance addition device. “DDA” (manufactured by Grundfos) was added to the raw water. As the ammonia water stored in the chemical solution tank, 29 wt% ammonia water (for electronics industry, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) diluted 200 times was used. Moreover, the diluted ammonia water from the electroconductivity imparting substance adding device was passed through the ion exchange tower at a flow rate of 10 L / min (space velocity 2400 h −1 ) and brought into contact with the organic porous ion exchanger.
ユースポイントへ供給される希釈アンモニア水の導電率が10μS/cmになるように、原料水に添加するアンモニア水の添加量を調整し、そのときのイオン交換塔の入口および出口での導電率を、導電率計(品番「M300」、メトラートレド社製)を用いて測定した。 The amount of ammonia water added to the raw water is adjusted so that the conductivity of the diluted ammonia water supplied to the use point is 10 μS / cm, and the conductivity at the inlet and outlet of the ion exchange tower at that time is adjusted. The conductivity was measured using a conductivity meter (product number “M300”, manufactured by METTLER TOLEDO).
(実施例2)
導電性付与物質添加装置として、レギュレータ(品番「EVD−1500」、CKD(株)製)により圧力調整された加圧窒素ガスを薬液タンク内に導入することで、薬液タンクに貯留したアンモニア水を圧送して原料水に添加する方法を用いた以外、実施例1と同様の条件で測定を行った。薬液タンクに貯留するアンモニア水としては、前述の29wt%のアンモニア水を用いた。
(Example 2)
As a conductivity imparting substance adding device, by introducing pressurized nitrogen gas whose pressure is adjusted by a regulator (product number “EVD-1500”, manufactured by CKD) into the chemical tank, the ammonia water stored in the chemical tank is Measurement was performed under the same conditions as in Example 1 except that the method of pumping and adding to raw material water was used. As the ammonia water stored in the chemical tank, the 29 wt% ammonia water described above was used.
(比較例)
イオン交換塔に充填するイオン交換体として、実施例1の有機多孔質カチオン交換体と同容量の粒状のカチオン交換樹脂を用いた以外、実施例1と同様の条件で測定を行った。カチオン交換樹脂としては、ダウケミカル社製の「アンバーライト(登録商標)IR−124」を用いた。
(Comparative example)
The measurement was performed under the same conditions as in Example 1 except that a granular cation exchange resin having the same capacity as that of the organic porous cation exchanger in Example 1 was used as the ion exchanger packed in the ion exchange tower. As the cation exchange resin, “Amberlite (registered trademark) IR-124” manufactured by Dow Chemical Company was used.
表1に、実施例1、実施例2、および比較例における、イオン交換塔の入口および出口での導電率の測定結果を示す。 Table 1 shows the measurement results of the conductivity at the inlet and outlet of the ion exchange tower in Example 1, Example 2, and Comparative Example.
実施例1および実施例2では、比較例と比べて、イオン交換塔の出口での導電率のばらつきが大きく改善されていることが確認された。これは、イオン交換塔に充填されたイオン交換体の構成の違いによるものであり、有機多孔質カチオン交換体による効果であると考えられる。なお、比較例では、実施例1と同程度に導電率のばらつきを抑制するためには、容量が5Lのカチオン交換樹脂が必要であった。この点でも、有機多孔質イオン交換体の優位性が確認された。 In Example 1 and Example 2, it was confirmed that the variation in conductivity at the outlet of the ion exchange tower was greatly improved as compared with the comparative example. This is due to the difference in the configuration of the ion exchanger packed in the ion exchange tower, and is considered to be an effect of the organic porous cation exchanger. In the comparative example, a cation exchange resin with a capacity of 5 L was required to suppress the variation in conductivity to the same extent as in Example 1. Also in this respect, the superiority of the organic porous ion exchanger was confirmed.
一方で、実施例1と実施例2を比較すると、イオン交換塔の出口での導電率のばらつきは、実施例2においてより改善されているが、これは、イオン交換塔の入口での導電率のばらつきも小さくなっていることから、ポンプの脈動に起因する導電率のばらつきが抑制された効果であると考えられる。 On the other hand, when Example 1 and Example 2 are compared, the variation in conductivity at the outlet of the ion exchange column is improved more in Example 2, which is the conductivity at the inlet of the ion exchange column. Therefore, it is considered that the variation in conductivity caused by the pulsation of the pump is suppressed.
1 導電性水溶液製造装置
2 ユースポイント
3 導電性付与物質添加装置
4 イオン交換装置
5 濃度測定手段
6 制御部
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記原料水に前記導電性付与物質を添加して前記導電性水溶液を生成する導電性付与物質添加装置と、
前記導電性付与物質添加装置により生成された前記導電性水溶液が流通するように構成され、有機多孔質イオン交換体が充填されたイオン交換塔を有するイオン交換装置であって、前記導電性付与物質が前記原料水に溶解することで生成され、前記原料水に導電性を付与するイオンがカチオンである場合、前記イオン交換塔には有機多孔質カチオン交換体が充填され、前記イオンがアニオンである場合、前記イオン交換塔には有機多孔質アニオン交換体が充填されている、イオン交換装置と、
を有する、導電性水溶液製造装置。 A conductive aqueous solution manufacturing apparatus for manufacturing a conductive aqueous solution in which a conductivity imparting substance is dissolved in raw water, and supplying the conductive aqueous solution to a use point,
A conductivity-imparting substance adding device for adding the conductivity-imparting substance to the raw water to generate the conductive aqueous solution;
An ion exchange apparatus having an ion exchange tower configured to circulate the conductive aqueous solution generated by the conductivity imparting substance addition apparatus and filled with an organic porous ion exchanger, the conductivity imparting substance Is dissolved in the raw water, and when the ion imparting conductivity to the raw water is a cation, the ion exchange tower is filled with an organic porous cation exchanger, and the ion is an anion. The ion exchange tower is filled with an organic porous anion exchanger, an ion exchange device, and
A conductive aqueous solution manufacturing apparatus having:
前記濃度測定手段により測定された前記濃度に基づいて、前記導電性付与物質添加装置での前記導電性付与物質の添加量を調整する制御手段と、
を有する、請求項1に記載の導電性水溶液製造装置。 Concentration measuring means for measuring the concentration of the ions of the conductive aqueous solution that has circulated through the ion exchange device;
Control means for adjusting the addition amount of the conductivity-imparting substance in the conductivity-imparting substance addition device based on the concentration measured by the concentration measurement means;
The electrically conductive aqueous solution manufacturing apparatus of Claim 1 which has these.
前記原料水に前記導電性付与物質を添加して前記導電性水溶液を生成する工程と、
前記導電性水溶液を生成する工程で生成された前記導電性水溶液を有機多孔質イオン交換体に接触させる工程と、
を含み、
前記導電性水溶液を有機多孔質イオン交換体に接触させる工程が、前記導電性付与物質が前記原料水に溶解することで生成され、前記原料水に導電性を付与するイオンがカチオンである場合、前記導電性水溶液を有機多孔質カチオン交換体に接触させ、前記イオンがアニオンである場合、前記導電性水溶液を有機多孔質アニオン交換体に接触させることを含む、
導電性水溶液製造方法。 A method for producing a conductive aqueous solution in which a conductive aqueous solution in which a conductivity imparting substance is dissolved in raw material water is produced, and the conductive aqueous solution is supplied to a use point,
Adding the conductivity-imparting substance to the raw water to produce the conductive aqueous solution;
Contacting the conductive aqueous solution generated in the step of generating the conductive aqueous solution with an organic porous ion exchanger;
Including
When the step of bringing the conductive aqueous solution into contact with the organic porous ion exchanger is generated by dissolving the conductivity-imparting substance in the raw material water, and the ion that imparts conductivity to the raw material water is a cation, Contacting the aqueous conductive solution with an organic porous cation exchanger, and when the ion is an anion, contacting the conductive aqueous solution with an organic porous anion exchanger,
A method for producing a conductive aqueous solution.
前記イオンの濃度を測定する工程で測定された前記濃度に基づいて、前記原料水への前記導電性付与物質の添加量を調整する工程と、
を含む、請求項6に記載の導電性水溶液製造方法。 Measuring the concentration of the ions in the conductive aqueous solution in contact with the organic porous ion exchanger;
Adjusting the amount of the conductivity-imparting substance added to the raw water based on the concentration measured in the step of measuring the concentration of the ions;
The electrically conductive aqueous solution manufacturing method of Claim 6 containing this.
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