JP2020507462A - 超純水を製造するための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
これは、当技術水準において、カートリッジのサイズは、カートリッジの容量を縮小させて容量ゾーンを縮小することによってのみ縮小することができ、一方、イオン交換ゾーンは、水質を損なうことなく短縮させることができないということを意味する。このゾーンを縮小する唯一のやり方は、樹脂の反応速度を改善することによる。イオン交換ゾーンの下流の最後のゾーンは、「微量除去ゾーン」と呼ばれ、これは特に、超純水システムにおいて使用するためのカートリッジに使用される。
しかしながら、かかる材料の欠点は、それがカラムの稼働において高い圧力降下を生じる可能性があり、その扱いが困難になる可能性があるということである。この場合において、マイクロメートルの直径またはミリメートルの長さを有する繊維片は、カラムから漏れ出る可能性があった。
好ましい態様において、精製水は、超純水すなわち1型水であり、18MΩ・cmより大きい(25℃での)比抵抗および20パーツ・パー・ビリオン(ppb)未満の全有機化合物(TOC)の値によって特徴づけられる。
好ましくは、アニオン交換ビーズおよびカチオン交換ビーズは、それぞれ、単分散である。ビーズのサイズは、Camsizer(Horiba Camsizer XL)、Nikon SMZ-2T顕微鏡またはOlympus BX41顕微鏡(DP71デジタルCCDカメラおよび細胞イメージングソフトウェアとともに)などの顕微鏡イメージング手法の計装によって決定することができる。
典型的には、混床イオン交換体は、イオンの両方の型について等しい容量を有するような比率でアニオンおよびカチオン交換体の混合物を含み、すなわち、カチオン交換体およびアニオン交換体が1/1の等容量の比率で混合されている。
調製カラムを樹脂で充填し、18.2MΩ・cmおよび<5ppbのTOCを有する超純水の連続流によって、>60BV/h(BV=ベッドボリューム)で>15分間洗浄する。4BV/hで1時間、2NのHCl(カチオン交換体について)または2NのNaOH(アニオン交換体について)を通す。18.2MΩ・cmおよび<5ppbのTOCを有する超純水の連続流によって、カラムを>60BV/hで>15分間洗浄する。
イオン交換短繊維は、複合繊維の手法によって製造することができる。基質繊維ポリマーそのものはイオン交換特性を持たないが、繊維は、イオン交換樹脂粒子と混合されたモノマーからの重合か、または溶融ポリマーから紡がれる。
代替的に、イオン交換樹脂は、紡糸までのイオン交換可能なモノマーとイオン交換可能でないモノマーとの共重合によって、製造することができる。
最終的に、グラフト共重合手法は、主要な繊維基質ポリマー鎖上に異なるポリマーの側鎖を構築させ、これは次に、カチオン交換体のためのスルホン化およびアニオン交換体のためのメチルアミノ化などの官能基挿入によって、イオン交換体へと変換することができる。
イオン交換基を有するモノマーは、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、スチレンスルホン酸ナトリウム、メタリルスルホン酸ナトリウム、アリルスルホン酸ナトリウムまたは塩化ビニルベンジルトリメチルアンモニウムであり得る。イオン交換基へと転換可能な基を有するモノマーは、例えば、アクリロニトリル、アクロレイン、ビニルピリジン、スチレン、クロロメチルスチレンまたはメタクリル酸グリシジルである。かかる基を使用する場合、それらは最初に放射線誘導グラフト重合により基質内に導入され、次にイオン交換部位を生成するために、変性剤(例えば亜硫酸ナトリウムなどのスルホン化剤またはジエタノールアミンなどのアミノ化剤)と反応させられる。
3C+6A
10C+18A
4×(C+3A)
7×(C+2A)+C
9×(C+2A)+C
9×(C+3A)+C
13×(C+2A)+C
各層は、典型的には、1mmから5mmまでの厚さを有する。これらの数字は、しかしながら、限定するものではない。
ビーズを含むイオン交換体の量は、樹脂の供給元により与えられるとおりの、最適な脱イオン化のために推奨される直線速度の範囲内で選択される。しかしながら、高さは、推奨されるよりもはるかに短くする選択ができる。樹脂床によって活発に漏れ出る微量イオンは、下流の繊維状イオン交換材料によって一掃することができる。
繊維状イオン交換材料の量は、上方の樹脂層から漏れ出るイオンを完全に吸着させるために適正な媒体の深さの要求に基づいて選択される。動的容量は、組合せカートリッジの寿命の間を通した樹脂からの総イオン漏出に近づけるべきである。
繊維状イオン交換材料は、より高いイオン交換反応速度(例えば典型的な材料に対して3倍速い)を有する。かかる場合には、繊維状イオン交換材料は、従来型の樹脂床よりも、同じイオン交換反応速度を達成するためにたった1/3の層高のみ必要とする。使用における期待される高さは、したがって、およそ1/3である。
繊維状媒体の追加は、驚くべき用量増加をもたらし、これは不織媒体の追加容量に直接結び付くものではなく、すなわち、効果は相加的ではない。これに対して、繊維状媒体は、標準樹脂の未使用の残余容量を回復することを可能にさせ、それによって見かけの樹脂容量を拡大させる。これはまた、最大樹脂飽和に至るまでは繊維状媒体層が重大なイオン漏出を吸着するという事実にも起因する。
もう一つの利点は、本発明による標準イオン交換樹脂と繊維状材料との組み合わせが、標準樹脂を単独で有するカートリッジよりも高い流速で脱イオン化カートリッジを働かせることを可能にさせるということである。
典型的には、混床イオン交換体の体積と繊維状イオン交換材料の体積の比率は、10:1〜1:5の間である。
活性炭は、溶解した有機物および塩素を除去する能力がある。活性炭は、複雑に配された小さな孔を含有する有機材料の多孔質の微粒子で作られており、高度に発達した表面をもたらす。水中に溶解した有機分子は、孔に進入し、それらの壁にファンデルワールス力によって結合する。
− 水が、最初に活性炭床に通され(ステップ(c))、次に混床イオン交換体に通され(ステップ(a))、および次に繊維状イオン交換材料に通される(ステップ(b))。
− 水が、最初に活性炭床に通され(ステップ(c))、次に繊維状イオン交換材料に通され(ステップ(b))、および次に混床イオン交換体に通される(ステップ(a))。
− 水が、最初に混床イオン交換体に通され(ステップ(a))、次に活性炭床に通され(ステップ(c))、および次に繊維状イオン交換材料に通される(ステップ(b))。
− 水が、最初に繊維状イオン交換材料に通され(ステップ(b))、次に活性炭床に通され(ステップ(c))、および次に混床イオン交換体に通される(ステップ(a))。
− 水が、活性炭と混合された混床イオン交換体の第1の部分に通され(ステップ(a)およびステップ(c))、次に混床イオン交換体の第2の部分に通され(ステップ(a))、および次に繊維状イオン交換材料に通される(ステップ(b))。
本発明は、方法が水を逆浸透により処理するさらなるステップ(d)および/または水を電気脱イオン化により処理するさらなるステップ(e)を含み、ここで、ステップ(d)およびステップ(e)がステップ(a)およびステップ(b)に先立って行われることを特徴とする、上で定義されたとおりの方法に、さらに向けられる。
逆浸透(RO)のステップは、水の中の多数の汚染物質、例えば粒子、細菌、および分子量>200ダルトンの有機物などを除去し得る。ROは、典型的には、半透膜を使用して、かかる汚染物質を退けることで行う。浸透圧に対抗するために、濃縮された溶液へと水圧が加えられる。膜の下流で、精製水を回収することができる。
RO膜は、典型的には、酢酸セルロース、またはポリスルホン基質上のポリアミドの薄膜状の複合体から製作される。
したがって、媒体および/または膜は、典型的には、それぞれの水精製システムからの、これらの消耗品である媒体の的確な交換を円滑化するように、カートリッジにパッケージ化されている。
かかるモジュールは、上に記載されたとおりの方法において使用することができる。
本発明によるモジュールは、上で定義されたとおり、活性炭床をさらに含み得る。かかる場合には、活性炭床は、混床イオン交換体および繊維状イオン交換材料の上流にも、または後者の間にも位置し得る。さらなる態様において、活性炭は、当該イオン交換体と混合される。
600mmの最小層高および48BV/hの流速の与えられた規格を有する樹脂Lanxess UP1292/1294についての同じ計算は、73mmの最適直径および0.8cm/秒(28m/h)の直線速度をもたらす。
カートリッジ中の合計樹脂高さは、典型的には、10〜60cmの間である。好ましくは、合計樹脂高さは、20〜50cmの間である。極めて好ましい態様において、合計樹脂高さは、20〜40cmの間である。
典型的には、カートリッジは、65〜75mm、好ましくは69mm前後の、内径を有する管の形態である。
モジュールは、個別にて、または一緒に成形されて、提供され得る。
ここでも、混床イオン交換体、繊維状イオン交換材料および活性炭床は、上で定義されたとおり、単一のモジュールで提供され得る。
代替的に、好ましい態様において、活性炭床は、活性炭床を単独で含むかまたは代替的にこれを混床イオン交換体と一緒に含む、さらなるモジュールで提供される。
例1:繊維状イオン交換媒体のイオン交換の効能
以下の実験では、Ebara Clean Environmentから得られた繊維状のアニオン交換材料およびカチオン交換材料を使用する。これらの材料は、ポリプロピレンマイクロファイバー不織基質(繊維公称直径50μm)に基づき、共重合体(クロロメチルスチレンおよびメタクリル酸グリシジル)を導入するための放射線グラフト重合にさらされ、第4級アミンおよびスルホン酸へと官能基化されている。およそ1mmの厚さの材料は、ASTM D2187-2009の総容量に相当する方法によると、1.4meq/gの乾燥アニオン交換容量または2.7meq/gの乾燥カチオン交換容量を持つ。
層状のイオン交換材料を、35mm径フロースルーカラム中に入れて、交換反応速度を試験する。
供給のイオン伝導率を調整するために、NaClを水に加える。注入された塩が再循環中で混合され、電気伝導率計を使用して供給および流出物中の塩を決定して、脱イオン化効率を計算する。
この実験セットアップのフロー概要を、図2に示す(動的容量試験ベンチ)。
媒体の厚さが異なる3つの構成を評価する。1/2(C+2A)または1/3(C+3A)のC/A比率を有するサンドイッチ状の構成は、良好な結果を示した。積層厚さが増加したときに、脱イオン化効率が改善している。9×(C+2A)と9×(C+3A)との比較は、増加したアニオン容量にもかかわらず1/3比率の構成は脱イオン化効率を改善させないことを示している。これに対して、媒体グループが別々に分かれた構成は、劣った結果を実証している。
1/2比率は、媒体の容量を考慮するとイオン的に平衡であることに留意すべきである(カチオンおよびアニオン交換媒体について、それぞれ、2.7meq/gおよび1.4meq/g)。
結果は、図4に示される:繊維状イオン交換材料は、大幅により速い反応速度を示す。同じ脱イオン化を達成するのに、標準イオン交換樹脂は、繊維状媒体に対して3倍以上高いカラム高さを必要とする。
異なる供給水質で、標準樹脂と繊維状イオン交換媒体との組み合わせを評価する。繊維状媒体としては、例1におけるものと同じ媒体を使用する。Jetpore(登録商標)混床樹脂(Merck KGaA)を、標準樹脂として使用する。動的容量試験のフロー概要は、例1および図2に記載したものと同じである。標準樹脂および繊維状媒体を組み合わせで含む試験カートリッジを、35mm径カラム中にて調製する。繊維状媒体については、構成7×(C+2A)+Cを使用する。流速を35mm試験カラムでLV0.89cm/秒または0.5L/分に調整し、これは69mm径カートリッジについての2L/分に相当する。
下記の表(表4)は、試験した構成および試験結果を示す。
標準樹脂を単独で8cmの高さで使用することは、>18MΩ・cmの超純水の質を達成させない。繊維状材料との組み合わせは、少なくとも3cmの層を必要とする。かかる組み合わせは、カートリッジの出口での超純水ポリッシングを達成する。繊維状媒体の速い反応速度は、標準樹脂からのイオン漏出の捕捉を可能にさせる。図5は、上記の例2による構成5についての動的容量試験の結果を示す。
図6は、21cmの標準樹脂が3cmの繊維状不織材料と組み合わせられた上記の例2による構成7についての動的容量試験の結果を示す。10MΩ・cmの比抵抗の設定点でカートリッジ容量を決定する:標準樹脂単独では、15.2gのNaClに相当する容量をもたらすのみである。この樹脂は、このベッドボリュームでは34gのNaClの総容量を有するべきである。3cmの繊維状媒体の追加は、22.8gのNaClまでの容量の回復をもたらす。
図7は、拡大された構成5およびその派生物についての動的容量試験の結果を示す。8cmの標準樹脂が3cmの繊維状不織材料と組み合わせられた上記の例2による構成5と比較すると、構成5の拡大されたモデルは、11cmの標準樹脂を含む(図7A)。この追加の標準樹脂の容量は、より多くの用量およびカートリッジの寿命を保証する。
図7Dは、例2による元々の構成5を含めた同じグラフ中で、全ての動的容量曲線を比較する。
標準樹脂のみ(上に記載された通りの24cm混床樹脂)で充填されたカートリッジと、標準樹脂の繊維状不織材料との組み合わせ(上に記載されたとおりの構成7による、21cm標準樹脂と3cm繊維状不織材料)で充填されたカートリッジとを比較することによって、流速を調査する。動的容量を、例1に記載されたとおりに決定する。標準樹脂を含有するカートリッジについては、0.5L/分(LV0.22cm/分)の流速を使用する。組合せカートリッジについては、流速は2.0L/分(LV0.89cm/分)である。供給水は、17〜22μS/cmの電気伝導率範囲および10〜15ppm前後の溶解CO2での、フランスのギュイアンクールにおける都市用水からRiOs 200システムによって製造されたRO水である。
本コンセプトを、Milli-Q(登録商標)システム(Merck KGaA, Darmstadt, Germanyから商業的に入手可能である)でのフルスケールカートリッジを用いたフルスケールモデルにおいてもまた実証する。この実験において、カートリッジ直径は69mm(上記のいくつかの例中のような35mmではなく)である。フロー概要は以下のとおりである:ROおよびEDIのための手段を含むElix(登録商標)システムは、60Lポリエチレンタンクに充填された純水を製造する。8cm標準樹脂および3cm不織繊維状材料を有する2つの同一の改良Milli-Q(登録商標)システムは、周期的に超純水を製造する。TOC(全有機炭素)測定は、Anatel A-1000 TOC分析機および電気伝導率セルによって遂行する。流速は、2L/分まで調整する。
図9は、実験において決定された比抵抗を示す。システムは、それがElix(登録商標)グレードの水(>1MΩ・cm)を供給されたときに、>18MΩ・cmの水を製造する能力がある。実線(組合せカートリッジ(「組合せパック」)の出口)と破線(中間樹脂出口)との組み合わせは、各ステップ(標準樹脂、繊維状樹脂)および各システム(L=左のシステム、R=右のシステム、F=供給水)での比抵抗を示す。従来型の超純水システムが使用されるとすれば、同じ水質を達成するために少なくとも24cmのカラムが必要である。
図10は、実験において決定されたTOC値を示す(R=右のシステム、L=左のシステム、F=供給水)。起動時のTOC洗浄では、初期TOC値は5ppb前後であり、洗浄効果によって<5ppbまで低下する。10000L超の容量では、TOC値は低いレベルにとどまる。
例3の構成5による標準樹脂と繊維状媒体との組み合わせ(8cm標準樹脂+3cm繊維状媒体)、例5の拡張された構成5(8cm標準樹脂+3cm繊維状媒体)および先行技術の標準イオン交換カートリッジ(25cm標準樹脂単独)を、例7によるフルスケール試験環境で比較する。標準樹脂と繊維状媒体との組み合わせについては直径69mmカラム中にて試験カートリッジを調製し、25cmの高さの標準樹脂の先行技術の代表として、Quantum TIX(QTUM 0TIX1, Merck KGaA)を使用する。
図11Aは、実験において決定された比抵抗を示す。先行技術の25cm標準樹脂単独のカートリッジがそうであるように、標準樹脂と繊維状媒体との組み合わせを有するシステムは、Elix(登録商標)グレードの水(>1MΩ・cm)を供給されたときに>18MΩ・cmの水を製造する能力がある。
図11Bは、実験において決定されたTOC値を示す。先行技術のカートリッジを含む3つの構成の間で、TOC値の有意な差はない。
微量イオン分析は、イオンクロマトグラフィー分析によって行う。純水および超純水に豊富である3つの主要なイオンの結果は、以下の表に示される(表5、6、7)。
以下の表は、いくつかの特定の元素についてのGFAAS分析を示す(表8):
例1に記載されたものと同様の実験を行い、ここで、供給水は10ppbのギ酸および酢酸を含有する(カラム直径35mm、標準樹脂床深さ3cmまたは繊維状媒体床深さ3cm(7×(C+2A)+C)、流速400ml/分、1μS/cm相当、LV=0.69cm/秒)。
例1、2および3を、異なる繊維状イオン交換材料(Institute of Physical Organic Chemistry of the National Academy of Science of Belarus)を使用して繰り返す。この材料は、例1で使用した材料と同様に、ポリプロピレン繊維上にイオン交換官能基を導入するための、放射線照射により開始するグラフト重合によって加工されている。繊維状基質は、針穴の開けられた不織布である。厚さは、3〜12mm(1〜2mmではなく)である。容量密度(meq/g)は、同様である。乾燥したアニオン交換体およびカチオン交換体についてのイオン交換容量は、それぞれ2.5meq/gおよび2.6meq/gである。
媒体を、例1にてディスクの調製、再生および精製について記載されてたものと同じ手順によって処理する。例2(8cm標準樹脂+不織媒体の組み合わせ)および3における構成5を、1/4スケールモデルにおいてこの媒体で再現する(表10)。
Claims (19)
- 0.2〜0.7mmの間の直径を有するビーズを含む混床イオン交換体に水を通すステップ(a)、および繊維状イオン交換材料に水を通すステップ(b)を含む、精製水を製造するための方法。
- 精製水が、超純水であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- ステップ(a)が、ステップ(b)の前に行われることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 混床イオン交換体が、アニオン交換粒子とカチオン交換粒子との混合物からなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 混床イオン交換体が、スチレンジビニルベンゼン共重合体に基づくことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 繊維状イオン交換材料が、不織繊維状イオン交換材料であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 繊維状イオン交換材料が、放射線誘導グラフト重合によりカチオン交換基が導入されている基質を含む繊維状のカチオン交換材料の層、および放射線誘導グラフト重合によりアニオン交換基が導入されている基質を含む繊維状のアニオン交換材料の層を含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 繊維状イオン交換材料が、放射線誘導グラフト重合によりスルホン酸基または第4級アンモニウム基が導入されているポリプロピレン基質に基づくことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 混床イオン交換体の体積と繊維状イオン交換材料の体積の比率が、10:1〜1:5の間であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 方法が、活性炭床に水を通すさらなるステップ(c)を含むことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- 方法が、水を逆浸透により処理するさらなるステップ(d)および/または水を電気脱イオン化により処理するさらなるステップ(e)を含み、ここで、ステップ(d)およびステップ(e)がステップ(a)およびステップ(b)に先立って行われることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 0.2〜0.7mmの間の直径を有するビーズを含む混床イオン交換体、および繊維状イオン交換材料を含む、モジュール。
- 混床イオン交換体が、スチレンジビニルベンゼン共重合体に基づくことを特徴とする、請求項12に記載のモジュール。
- 繊維状イオン交換材料が、不織イオン交換材料であることを特徴とする、請求項12または13に記載のモジュール。
- 任意に混床イオン交換体と混合される活性炭床を、さらに含むことを特徴とする、請求項12〜14のいずれか一項に記載のモジュール。
- 0.2〜0.7mmの間の直径を有するビーズを含む混床イオン交換体、および繊維状イオン交換材料を含む、超純水を製造するための水処理システム。
- 混床イオン交換体および繊維状イオン交換材料が、単一の、請求項12〜15のいずれか一項に記載のモジュールで提供されることを特徴とする、請求項16に記載の水処理システム。
- 混床イオン交換体および繊維状イオン交換材料が、少なくとも2つのモジュールで提供されることを特徴とする、請求項16に記載の水処理システム。
- 任意に混床イオン交換体と混合される活性炭床を、さらに含む、請求項16〜18のいずれか一項に記載の水処理システム。
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