JP3248259B2 - イオン交換フェルト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオン交換フェルトに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】イオン交換処理において、
カチオン交換とアニオン交換を各々連続して行う複床式
は経済的で簡単であるが、精度の高い処理は混床式でな
ければ成されないことはイオン交換樹脂による実績で良
く知られている。このため、超純水製造などの分野では
すべて混床式のイオン交換ポリシャーが用いられてい
る。

【０００３】また、最近では従来のイオン交換樹脂では
用いることができなかった分野にもイオン交換体を使用
してより高度な処理を行おうとする動きがあり、イオン
交換繊維およびそれを利用したイオン交換フェルトが既
に知られている。しかしながら、これらは、カチオン交
換基及びアニオン交換基のうちいずれかの交換基を有す
るものしかなかった。したがって、その構成では、処理
精度を上げようとするとイオン交換フェルトを何枚も重
ねることが必要になって使いにくく、また使用場所が限
定される。しかも、処理精度があまり上がらないという
欠点もある。

【０００４】そこで、カチオン交換体とアニオン交換体
をバインダーによって混合して構成した、見掛上混床式
のフェルト状物が既に提案されている（特開平３−４２
０４６号）。しかし、この場合には、フェルト状物にお
けるイオン交換体の実質有効空間が小さく実用化に難が
ある。本発明の目的は、一度の処理で高精度のイオン交
換を可能とし、しかも大きな実質有効空間を確保するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るイオン交換
フェルトは、カチオン交換基とアニオン交換基とを含む
混床で構成されている。なお、前記カチオン交換基とア
ニオン交換基のうち、少なくとも一方がイオン交換繊維
であることが好ましい。また、前記イオン交換繊維は、
ポリスチレンからなるイオン交換ポリマとポリエチレン
からなる補強材ポリマとの複合形態をとっていることが
好ましい。

【０００６】以下、本発明に係るイオン交換フェルトを
詳細に説明する。このイオン交換フェルトは、イオン交
換繊維をフェルト状に加工して従来に無かった種々の性
能を付与した画期的なイオン交換フェルトである。本発
明において最も重要な特徴は、１枚のフェルトのなかに
カチオン交換基とアニオン交換基の両方を含む混床式を
とっていることである。これにより、非常に精度の高い
イオン交換処理が可能になる。特に、中性塩の分解処理
を完全に行うためには、混床である事が好ましい。

【０００７】本発明に係るイオン交換フェルトは、繊維
が絡み合っていることから、材料としてのコシがあって
形態保持性に優れている。このため、他の支持体を使わ
ないかもしくは極めて僅かな支持体を使うことによっ
て、所望場所に適用できる。従来一般的なイオン交換樹
脂は、容器に入れて使用しなければならず、上から下へ
通水する液体処理にしか用いられなかったが、イオン交
換フェルトは、そうした既成の限定条件にとらわれず
に、例えば気体処理にも使用できる。しかも従来のイオ
ン交換体をバインダーで固めた物ではなく、それ自身が
イオン交換体であるイオン交換繊維でイオン交換フェル
トを構成することで、実質有効空間を大きくとることが
できる。しかも、材料内部の多くの空隙により、通気及
び通液抵抗が極めて小さくなる。さらに、イオン交換繊
維は比表面積が大きいことから、反応速度が大きく、イ
オン交換性能を理想的に発揮させ得る。これらの利点
は、コシが無く充填した際の通気抵抗が高いカットファ
イバー、編物、織物等といった一般的なイオン交換繊維
にはなく、イオン交換フェルト特有の性質である。

【０００８】本発明に係るイオン交換フェルトを構成す
るイオン交換繊維は特に限定はなく、イオン交換ポリマ
が繊維形態を有する物であれば足りる。ただし、イオン
交換性能に優れている点においてポリスチレン系のもの
が好ましく、とくに架橋不溶化したポリスチレンが好ま
しい。しかし、ポリスチレンの靭性の無さから、ポリス
チレンからなるイオン交換ポリマと補強用ポリマとから
なる繊維であることがより好ましい。ポリスチレン単独
では、実用に耐える機械的性能を有する繊維を得ること
が困難であり、それからフェルトを得ることも同様に難
しい。

【０００９】イオン交換繊維の含水度は１．０〜５．０
の範囲にあることが好ましい。イオン交換繊維の直径
は、高比表面積を有する点から１５〜１００μｍ（乾燥
状態）が好ましい。より好ましくは２０〜７０μｍ、特
に好ましくは３０〜５０μｍである。イオン交換用ポリ
マと補強用ポリマの混合態様は特に問わないが、例えば
イオン交換ポリマを鞘成分の主成分にし補強用ポリマを
芯成分にした芯鞘型繊維，多芯型混合繊維及び多芯型複
合繊維が好ましく用いられる。特に、多芯型複合繊維
が、十分な機械強度を有し、フェルト形態にした際の強
度安定性その他に優れ、かつイオン交換体としての比表
面積が大きいので好ましい。補強用ポリマとしては、ポ
リ−α−オレフィン，ポリアミド，ポリエステル，ポリ
アクリル等を挙げることができるが、これらに限定され
るものではない。中でも、イオン交換繊維の製造上、ポ
リ−α−オレフィンが耐薬品性に優れていて好ましい。
ポリ−α−オレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリ−３−メチルブテン−１、ポリ−４−メ
チルペンテン−１等が挙げられるが、強度や製造性の点
からポリエチレンが好ましい。

【００１０】イオン交換フェルトを製造する際には、前
記繊維を適度な長さにカットし、フェルト状に加工した
後、イオン交換基を導入する。カット長は任意である
が、数ｍｍ〜数百ｍｍの範囲が好ましく、１０〜１００
ｍｍの範囲がより好ましく、さらには３０〜７０ｍｍの
範囲が好ましい。この長さを有した繊維が絡まっている
ため、フェルトは脱落や強度低下をおこす事なく良好な
性能を発揮できる。カット長が短かすぎるとフェルト化
しても繊維の脱落が起こり好ましくなく、長すぎるとフ
ェルト化しにくくなる。

【００１１】フェルトに加工する方法は任意であり、一
般に広く用いられている方法を使用することができる。
例えば、一定長にカットした前記複合繊維をカード機に
かけてウェブとし、ニードルパンチをかけて交絡してフ
ェルト化する方法が挙げられる。フェルトの目付量は、
数十〜数千ｇ／ｍ² の範囲から選ばれる。なお、好まし
くは５０〜１０００ｇ／ｍ² 、特に好ましくは１００〜
７００ｇ／ｍ² の範囲である。これは、後で電気的に反
するカットファイバーもしくは粉末イオン交換樹脂を吸
着させる際に、フェルトが詰まり過ぎていると表面にし
か吸着させることができず、空き過ぎていると脱落しや
すいからである。

【００１２】フェルトにイオン交換基を導入する方法も
任意である。例えば、カチオン交換基の場合、スルホン
酸基が導入可能であればどんな方法を用いても良い。例
えば、酸触媒下でホルムアルデヒド源でポリスチレン部
を架橋不溶化し、次に公知の方法でイオン交換基を導入
して製造する液相での方法、及び無水硫酸を通気してス
ルホン化を行う気相での方法が挙げられる。ただし、フ
ェルトの反応状態の均一性から気相での方法の方が好ま
しい。アニオン交換基の場合は、４級アンモニウムム基
が導入可能であればどんな方法を用いても良い。例え
ば、酸触媒下でホルムアルデヒド源でポリスチレン部を
架橋不溶化し、次に公知の方法でイオン交換基を導入し
て製造する液相での方法が挙げられる。

【００１３】導入するイオン交換基の量は、繊維の乾燥
重量に対して少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇ以上であるこ
とが好ましく、さらには１．０〜１０ｍｅｑ／ｇである
ことが好ましい。これらの工程で得られるイオン交換繊
維からなるフェルトは、バインダーなど第三成分を全く
含まないイオン交換材料であり、非常に効果的にイオン
交換の実質空間を有する。

【００１４】本発明で最も重要な事項は、フェルト製造
後に、カチオン交換基とアニオン交換基を両方有する混
床にすることである。ここでは、前記方法で単独基のイ
オン交換フェルトを作成した後、電気的に反するイオン
交換基をもつカットファイバー、粉末イオン交換樹脂又
はそれらの混合体をフェルトに吸着させる。吸着させる
粉末イオン交換樹脂は、一般に市販されているものが使
用可能で、原子力復水処理用のプリコート材として使用
されているものが好適に用いられる。カットファイバー
としては、イオン交換繊維のカットファイバーであれば
足りるが、好ましくは前記フェルトに使用される複合繊
維を用い、カット長を変え、イオン交換基を導入したも
のが好ましい。カット長は、好ましくは０．１〜５ｍｍ
の範囲、さらに好ましくは０．３〜１ｍｍの範囲であ
る。

【００１５】吸着前のフェルトと、カットファイバー、
粉末樹脂又はその混合体との割合は、交換容量比で１：
０．１〜１：３の範囲が好ましく、１：０．５〜１：
１．５の範囲がより好ましい。カットファイバー、粉末
樹脂側又はその混合体が多すぎるとそれらの脱落が見ら
れて好ましくなく、また交換容量に差が有り過ぎると混
床であることのメリットが出にくくなる。

【００１６】フェルトに、カットファイバー、粉末樹脂
側又はその混合体を吸着させる方法は任意である。例え
ば、カットファイバー、粉末樹脂又はその混合体を超純
水中でスラリー状にしておき、そこにフェルトを浸漬
し、ゆるやかに攪拌して吸着させる方法、フエルトをホ
ルダーに固定し、上から前記スラリーを通水することに
よって吸着させる方法が挙げられる。これらの操作はす
べて室温で行われ、操作性・安全性などに問題はない。

【００１７】ここでは、イオン交換繊維をフェルト状に
したものに、反対電荷を持つイオン交換繊維のカットフ
ァイバー、粉末イオン交換樹脂又はそれらの混合体を吸
着させることによって、バインダーなど他の成分を入れ
ること無く、混床イオン交換フェルトを得ることを可能
にした。これは、簡単にかつ経済的に得ることができる
画期的な材料であり、これによって従来のイオン交換樹
脂では適用できなかった分野へのイオン交換体の進出が
期待できる。特に、フェルト状という形状がもつハンド
リング性の良さ・使用可能部分の大きさなどのメリット
に加え、混床であることからイオン交換処理精度が高い
というメリットが有り、非常に広範囲の要求に対応する
ことが可能となる。例えば、この混床イオン交換フェル
トはこのまま様々な所に使用され、液体及び固体の両方
に対する処理が可能である。超純水製造分野、混合イオ
ン性ガスの吸着分野、極微量物質の吸着分離分野などで
の使用が考えられ、特に最近開発が進んでいる電気再生
型の純水製造装置には非常に有利に用いられる。

【００１８】

【実施例】以下に実施例を示すが、本発明はこれに限定
されるものではない。実施例１ 製糸した多芯海島型複合繊維［海成分ポリスチレン／島
成分ポリエチレン＝５０／５０（島数１６，繊維直径４
０μｍ）］を１．５倍に延伸した後、クリンパーにかけ
てけん縮を付与した。この繊維を長さ５１ｍｍに切断
し、オープナーで開繊し、ローラーカードを通してウェ
ブとし、ニードルパンチングマシン（３００本／ｃ
ｍ² ）で交絡しフェルトを作った。フェルトの目付は３
００ｇ／ｍ² とした。

【００１９】前記フェルトを２５ｃｍ角に切断し、８枚
を１セットとして反応器中に装着し、無水硫酸（１００
％）ガスを６０ｇ反応器に通気した。１０分間室温でそ
のガスを循環させ、その後窒素パージを行って残無水硫
酸ガスを除去してスルホン酸基が導入されたフェルトを
取り出した。その後、洗浄水が中性になるまでフェルト
を超純水で洗浄してから水を切り、乾燥機中７０℃で乾
燥した。

【００２０】得られたフェルトの性能測定を行ったとこ
ろ、交換容量が２．０ミリ当量／ｇ−Ｎａ、含水度が
１．５であった。交換容量は、０．１Ｎの水酸化ナトリ
ウム５０ｍｌに前記フェルト１ｇを入れ、２時間振とう
し、５ｍｌを正確に計りとり、中和滴定することによっ
て求めた。また、含水度は、Ｎａ型に変換した前記フェ
ルトをイオン交換水に十分浸漬し、家庭用遠心脱水機で
脱水して重量（Ｗ）を測定し、続いて８０℃の乾燥機中
で２時間絶乾して重量（Ｗo ）を測定し、次式より求め
た。

【００２１】含水度＝（Ｗ−Ｗo )/Ｗo 前記多芯海島型複合繊維を、０．５ｍｍにカットし、１
重量部を市販の一級硫酸５重量部と水０．５重量部とパ
ラフォルムアルデヒド０．２重量部とからなる架橋液に
加え、８５℃で４時間架橋反応を行って架橋糸を得た。
次に、クロルメチルエーテル８．５容量部と塩化第二ス
ズ１．５容量部からなる溶液に架橋糸を加え、さらにそ
れを３０％トリメチルアミン水溶液１０容量部に加え、
３０℃で１時間アミノ化した後、水洗した。さらに水酸
化ナトリウムで処理してから超純水で洗浄することによ
って、トリメチルアンモニウム基を有するアニオン交換
カットファイバーを得た。

【００２２】得られたカットファイバーの性能測定を行
ったところ、交換容量が２．８ミリ当量／ｇ−Ｃｌ、含
水度が１．８であった。このカットファイバーを２．０
ｇ超純水の入ったビーカーに入れ良く攪拌してスラリー
状にし、１０ｃｍ角に切った前記カチオン交換フェルト
をそのビーカーに入れ再度攪拌した。スラリーで濁って
いた液が透明になった時点で攪拌を止め、混床となった
イオン交換フェルトを取り出し、フェルト表面の水分を
除去した。

【００２３】得られた混床イオン交換フェルトは、表面
にややアニオン交換カットファイバーが多い傾向は見ら
れたが、ほぼ均一に中央部まで混床となっていた。ま
た、フェルトを構成する繊維が互いに絡まりあってお
り、繊維の脱落がない良好な形態保持性を示した。次
に、この混床イオン交換フェルトをホルダーに挟み、上
から電気比抵抗約１ＭΩ・ｃｍのＲＯ水を通水して処理
水の水質を測定したところ、電気比抵抗１８ＭΩ・ｃｍ
以上の超純水が得られた。実施例２ アニオン交換カットファイバーを市販の粉末アニオン交
換樹脂（オルガノ社製“パウデックスＰＡＯ”）に変更
したこと以外は実施例１と全く同様の実験を行った。

【００２４】その結果、粉末の脱落が見られない良好な
形態保持性を示すイオン交換フェルトが得られた。ま
た、処理水の水質は電気比抵抗１８ＭΩ・ｃｍ以上とな
った。 比較例１ 実施例１で作った反応前の原フェルトを、実施例１で行
ったと同様の方法で液相で反応させて、トリメチルアン
モニウム基を有するアニオン交換フェルトを得た。

【００２５】得られたフェルトの性能測定を行ったとこ
ろ、交換容量が３．０ミリ当量／ｇ−Ｃｌ、含水度が
２．０であった。このアニオン交換フェルトと実施例１
と同様のカチオン交換フェルトとを２枚重ねてホルダー
に挟み、複床式のイオン交換処理層を作った。実施例１
と同様にして水処理テストを行ったところ、処理水の水
質 電気比抵抗１０ＭΩ・ｃｍ程度までしか上がらなか
った。また、アニオン交換フェルトとカチオン交換フェ
ルトの位置を交換してみたが、同様の結果であった。比較例２ 反応前の多芯海島型複合繊維を長さ０．５ｍｍに切断し
てカットファイバーを得た。そのカットファイバー１重
量部を、市販の１級硫酸７．５重量部とパラフォルムア
ルデヒド０．０７重量部からなる架橋・スルホン化溶液
に加え、９０℃で４時間反応処理し、水洗した。次に、
アルカリで処理してから塩酸で活性化することによっ
て、スルホン酸基を有するカチオン交換繊維を得た。

【００２６】得られたカチオン交換繊維の性能測定を行
ったところ、交換容量が３．２ミリ当量／ｇ−Ｎａ、含
水度が１．５であった。このカチオン交換繊維と実施例
１で用いたアニオン交換繊維とをポリエステルの不織布
上に積層し、アクリル系の接着剤を用いてフェルト状に
した。接着剤はローラに掛けてできる限り除去した。こ
れを十分乾燥させ、実施例１と同様に水処理テストを行
ったところ、処理水の水質が電気比抵抗１５ＭΩ・ｃｍ
程度までしか上がらなかった。

【００２７】これらの結果より、精度の高いイオン交換
処理を必要とする所には、本実施例にかかる混床式のイ
オン交換フェルトが好適であることがわかった。また、
バインダーなど他の第３成分を加えると処理精度が低下
するが、本実施例に係るイオン交換フェルトでは、その
ような問題が存在しないことがわかった。しかも、本実
施例に係るイオン交換フェルトは、イオン交換体として
はハンドリング性に優れ、適用場所が樹脂に比べ大幅に
広がるというメリットを合わせ持っていることがわかっ
た。

【００２８】

【発明の効果】本発明に係るイオン交換フェルトは、カ
チオン交換基とアニオン交換基とを含む混床で構成され
ているので、一度の処理で高精度のイオン交換が可能と
なり、しかも大きな実質有効空間が確保できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−68491（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−10388（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01J 39/00 - 49/02 C02F 1/42

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単独のイオン交換基を有するフェルトと、 前記単独のイオン交換基に対し電気的に相反するイオン
   交換基を有するカットファイバー，前記単独のイオン交
   換基に対し電気的に相反する粉末のイオン交換樹脂また
   はこれらの混合体との混床から構成されるイオン交換フ
   ェルト。
2. 【請求項２】前記カットファイバー，イオン交換樹脂ま
   たはこれらの混合体は、前記単独のイオン交換基を有す
   るフェルトに吸着されている、請求項１に記載のイオン
   交換フェルト。