JP3659716B2

JP3659716B2 - ユースポイントフィルターシステム

Info

Publication number: JP3659716B2
Application number: JP30770495A
Authority: JP
Inventors: 隆博堀
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JPH09141262A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体産業における超純水製造プロセスにおいて、イオン交換樹脂からのコロイダル物質あるいはシリカ含有物の破過などによって末端における超純水の純度が低下したときにこれら破過物質を除去する機能をユースポント直前に設置することにより、高純度超純水を安定に供給することを可能にしたシステムである。
【０００２】
特に高透水タイプで、しかもイオン除去能力と濾過機能の両者を有するガードフィルターとして、ユースポイント直前に設置した場合、有効である。
【０００３】
【従来の技術】
半導体産業における超純水製造システムは、基本的には１カ所で大量に製造し、各ユースポイントに長い配管を通して配水するという考え方であった。そのため、用水センターと称する超純水の製造センターが工場内に設置され、半導体の集積度の向上に対応して、用水センターにおけるプロセスは次第に大型化してきた。
【０００４】
しかし、このような流れは、半導体メーカーのコストダウンの思考によって修正されつつある。すなわち、工場内に多数存在する各ユースポイントの全てが超高純度の純水を必要とするわけではなく、多くの部分は、現在の純度で、たとえば、１Ｇｂｉｔまでは対応できそうだといったことが考えられるようになってきている。その場合、特に高純度が必要とされるユースポイントと、いわゆる従来型のシステムで製造された超純水で対応できるユースポイントとを区別して、それぞれに応じた純度の超純水を配水することによって、すべての純水を高純度化することによるコストを削減することを意図することになる。
【０００５】
また、今後、半導体の集積度が向上するたびに新たに工場を建設するといっ
たことは考えにくく、その場合もやはり、高い集積度に応じた超高純度の超純水が要求される部分のみに、それに対応した高純度化のシステムを設置することになる。このような考え方に対応する超純水製造システムは、ユースポイントシステムの導入によって効果的に実現することができる。ポイントは以下の３点である。第１に、一次純水製造システムで、できるだけ純度を向上させ、それ以後のユニットプロセスに対する負担を軽減する。第２に、サブシステムはできる限り簡素化し、例えば、混床ポリッシャーと限外濾過膜のみによるプロセスとし、超純水製造ライン全体において、原水の水質変動の影響を最小限にするための保険的な役割を果たすこととする。第３に要求純度に応じたユースポイントシステムを設置する。
【０００６】
要求純度に応じたユースポイントシステムとして概ね以下の３段階が考えられる。第１が、ユースポイントシステムそのものを設置しない場合、第２が、高透水のユースポイントフィルターを設置し、特に、イオン交換樹脂からのコロイダル物質の破過や何らかの原因による比抵抗の低下などのように、何らかのトラブルに対応したガードフィルターとして設置する場合、第３が、超高純度化システムとしてのユースポイントシステムを設置する場合である。第３の超高純度化に必要なユースポイントシステムは、イオン交換樹脂や限外濾過膜で十分に高純度化して、さらに残存している極微量の不純物を除去することを目的としているものであり、極微量の不純物に対する優れた接触効率を有すると共に、特に吸着によってそれらを除去する場合は、一定レベル以上の容量が要求される。そのような目的に対応するものとして、本発明者らは、既に、例えば、特開平７−１８５５４４号公報に示されるシリカ除去機能を有する高機能膜を開発した。
【０００７】
今回、本発明において対象としているのは、ユースポイントシステムとして第２の段階に相当するもので、基本的に濾過機能とイオン除去機能を合わせ持った複合システムとなると共に、特にシステムそのものをコンパクトにするために、高透水を意識したモジュールシステムとなる。本発明者は、形状の最適化を含めた詳細な検討によって、高透水型のガードフィルターとしてのユースポイントフィルターシステムを構築することができた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、サブシステムにおけるイオン交換樹脂からのコロイダル物質の破過や何らかの原因による比抵抗の低下などのように、何らかのトラブルに対応したガードフィルターとして、コンパクトなユースポイントフィルターシステムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため検討の結果、本発明者は、以下のようなユースポイントフィルターシステムを見いだすに至った。すなわち、本発明は、膜内部にアニオン交換基、カチオン交換基、キレート形成基のうち少なくとも１種を有する高分子鎖がグラフト重合により保持されている多孔性のポリエチレン製の平膜を基材とする３次元的に均一な構造の平膜であって、膜１ｇあたり０．２〜１０ミリ当量のアニオン交換基、カチオン交換基あるいはキレート形成基を有し、平均孔径０．０１〜１μｍである平膜のうち１種類と、アニオン交換基、カチオン交換基を保持していない分画分子量が２０万以下の限外濾過膜である多孔性の平膜を重ねて端部を液密的にシールして装填したモジュールをユースポイント直前に設置したことを特徴とするユースポイントフィルターシステムを構築できることを見いだしたものである。以下、本発明について詳しく説明する。アニオン交換基、カチオン交換基、キレート形成基をまとめて、以下、官能基と称する。
【００１０】
膜内部にアニオン交換基、カチオン交換基、キレート形成基のうち少なくとも１種の官能基を有する高分子鎖が保持されている多孔性の平膜とは、多孔性の平膜の細孔内表面において、これら官能基のうち少なくとも１種を有する高分子鎖が化学結合によって保持されている状態をいうものである。それぞれ官能基を多孔性の平膜に化学結合によって保持する手段としては、特開昭６２−２５８７１１号公報、特開平７−４１５７４号公報、特開平７−２４３１４号公報などに例示されているグラフト重合による方法が好
適である。
【００１１】
本発明において、アニオン交換基とは、３級アミンあるいは４級アミンを有するものであり、クロロメチルスチレンを４級化したものが好適に用いられるが、ピリジン系やイミダゾール系などの複素環の窒素原子を４級化したものも適用可能である。カチオン交換基とは、スルホン酸基、リン酸基、カルボキシル基などに代表されるようにカチオン交換機能性を有する官能基である。キレート形成基とは、キレート形成能を有する官能基であり、イミノジ酢酸基、エチレンジアミン、メルカプト基などが好適に採用できる。
【００１２】
また、該官能基は、膜１ｇあたり０．２〜１０ミリ当量存在することが必要であり、好ましくは、０．５〜５ミリ当量の官能基が保持されていることが好ましい。官能基量が少ないと、イオンに対する吸着容量が減少し、官能基量が多すぎると、膜の寸法変化が大きくなり、強度が低下するため、長時間使用に耐えらえれなくなる。
【００１３】
なお、この場合、膜１ｇあたりとは、比較的巨視的に見た値である。例えば、アニオン交換基を導入した場合は、該平膜を１Ｎ水酸化ナトリウム溶液中に十分時間浸漬し、アニオン交換基をＯＨ型にした後、乾燥重量を測定し、再び、水に濡らした後、１ＮのＮａＣｌ水溶液液中にやはり十分時間浸漬して、Ｃｌイオンを吸着させた後、１Ｎ硝酸カリウム溶液によって吸着したＣｌイオンを溶離し、溶離液中のＣｌイオン濃度を沈殿適定により測定し、該Ｃｌ吸着量を膜乾燥重量で割った値としてアニオン交換基保持量を求めたものである。
【００１４】
カチオン交換基、キレート形成基の導入量を求める場合は、同様な手法でＣｕイオンの吸着量を原子吸光により測定することによって求める。平均孔径は、０．０１〜１μｍであることが必要であり、好ましくは、０．０５〜０．５μｍであることが好ましい。平均孔径が小さすぎると膜抵抗が大きくなり、大きすぎると濾過機能が低下したり、水中不純物と細孔内の官能基との接触効率が十分に得られないなどの不都合が生じる。この場合、平均孔径は、走査型電子顕微鏡写真で観察される開孔部２００個の長径と短径を加重平均して算出した。
【００１５】
細孔構造は、濾過機能が得られ、水中のイオンと細孔内のイオン交換基が効率よく接触する構造であれば、適用できる。特公昭５９−３７２９２号公報に開示された方法は、３次元的に均一な構造を得ることができ、本発明の目的に好適に用いることができる。ユースポイント直前とは、超純水を流出し、洗浄に使用する部分すなわちユースポイントに近接した場所をいい、ユースポイントがクリーンベンチ内にある場合は、クリーンベンチ内クリーンベンチ直前いずれも対応する。
【００１６】
ユースポイントフィルターシステムにおいて、アニオン交換基を保持した膜、カチオン交換基を保持した膜、キレート形成基を保持した膜のうちいずれを用いるかは、処理すべき純水の水質やユースポイントで求められる水質によって選択されるべきである。特に、コロイダル物質の除去を意図した場合、アニオン交換基を有する膜が選択され、カチオンの溶出が想定されるようなポンプ等のユニットプロセスがユースポイント近くに存在する場合はカチオン交換基を有する膜が選択される。また特に、重金属を選択的に除去したい用途にはキレート膜の採用が好適である。
【００１７】
また、異なる２種類以上の平膜を重ねてモジュールに装填することによって、濾過機能の他、例えば、アニオンとカチオンやアニオンと重金属といった２種類のイオンに対する除去能力を１本のモジュールで発現することができ、スペースの限られたユースポイントで使用する際には効果的である。この場合、重ね合わせる２種類以上の平膜は必ずしも接着される必要はないが、平膜を装填する際に２枚以上の平膜を重ねたものを１枚の平膜のごとく端部を液密的にシールして装填し、被処理水が、装填された２枚の平膜の両者を透過する仕組みになっていればよい。
【００１８】
本発明は、目的に応じて種々の態様がありうるが、好ましいものの一つとして、アニオン交換基を保持した膜、カチオン交換基を保持した膜、キレート形成基を保持した膜のうちいずれか１種とイオン交換基を保持しない多孔性の平膜を重ね合わせてモジュールに端部を液密的にシールして用いる方法がある。その場合、イオン交換基を保持し
ない多孔性の平膜は、微粒子除去性能に対する信頼性を高めることを目的として導入されることになり、限外濾過膜としての濾過機能を有する膜を採用することによって、目的に合致したユースポントフィルターシステムを得ることができ、好適である。この場合、該限外濾過膜は、分画分子量２０万以下が好ましく、さらに好ましくは、分画分子量１０万以下が微粒子除去性能を確保する上で好適である。
【００１９】
また、使用条件によって、上記のように得られる各種膜装填モジュールを連結して使用することも考えられる。モジュール構造は、通常の平膜を端部を液密的にシールして装填する構造が全て適用できる。スパイラル型、プリーツ型、スタックドディスク型などが一般的であり、好適に採用できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を示すが、実施例は本発明を限定するものではない。
【００２１】
【参考例１】
まず、アニオン交換基を保持してなる多孔膜の合成を行った。膜厚０．８ｍｍの多孔性のポリエチレン製の平膜を基材として用いる。基材は、公知の方法で合成した。すなわち、微粉ケイ酸（商標名ＡｅｒｏｓｉｌＲ−９７２）２５．０重量部、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）５１．０重量部、ポリエチレン樹脂粉末（旭化成工業（株）製ＳＨ−８００グレード）２４．０重量部の組成物を予備混合した後、３０ｍｍ２軸押し出し機に４５０ｍｍのＴダイを取り付けたフィルム製造装置にて膜状に成形した。該平膜を１，１，１−トリクロロエタン中に６０分間浸漬し、ＤＢＰを抽出した。さらに、温度６０℃の２０％苛性ソーダ水溶液中に約２０分間浸漬して、微粉ケイ酸を抽出した後、水洗、乾燥させることにより合成した。このようにして、３次元網目構造を有する多孔性の平膜が得られる。
【００２２】
得られた多孔性の平膜に対し、Ｃｏ⁶⁰よりのγ線を１００ｋＧｙ照射する。反応液として、０．７５ｍｏｌ／Ｌのクロロメチルスチレンおよび０．０５ｍｏｌ／Ｌのジビニルベンゼンを溶存させたエタノール溶液を用いた。反応液を、４０℃とし、窒素バブリングにより、溶存酸素を除去して、リアクターに投入し、さらにγ線照射後の多孔性基材膜を投入した。
【００２３】
１５時間反応行い、膜を取り出し、エタノールで繰り返し洗浄した。得られた膜を、トリメチルアミン１０％を溶存させた水、アセトンの１：１溶液に浸漬し、３０℃で５０時間反応させ、導入したクロロメチルスチレンを４級化した。得られた膜は、水洗及びエタノール洗浄を繰り返した後、純水中に保存した。
【００２４】
得られた膜について、本文中記載の方法により、平均孔径を求めたところ、０．１３μｍであった。本文中に記載された方法で、アニオン交換基導入量を求めたところ、１ｇあたり２．１ｍｍｏｌであった。以上のようにして得られた膜を、３５ｍｍ径のフィルターホルダーに装填して実験に用いた。
【００２５】
図１に実験装置のフロー図を示す。一般的な超純水製造ラインの末端に該フィルターを設置した。設置ポイントは図１のテストフィルター１の位置である。評価用に親水性シリカ微粒子を含有する水を調製した。すなわち、粒径０．１μｍの親水性シリカ微粒子（商標名Ａｅｒｏｓｉｌ）１ｍｌを０．０１ＮのＮａＯＨ溶液１Ｌに浸漬し、８０℃で２時間処理した。該液をＨＣｌで中和した後、１ｍｌを分取し、超純水ラインのポリッシャーの前段に注入した。５分経過後、アニオン交換基を有する膜のフィルター前後のシリカ濃度をフレームレス原子吸光により測定した。
【００２６】
結果を表１に示す。フィルター前後で、シリカ濃度が低減化している様子が認められる。
【００２７】
【参考例２】
参考例１と同様な方法で得られた多孔性の平膜に対し、参考例１と同様な方法でカチオン交換基を導入する。すなわち、Ｃｏ⁶⁰よりのγ線を１００ｋＧｙ照射し、０．６ｍｏｌ／Ｌのスチレンおよび０．０４ｍｏｌ／Ｌのジビニルベンゼンを溶存させたエタノール溶液に浸漬して、５０℃で１２時間反応を行った。
【００２８】
１５時間反応行い、膜を取り出し、エタノールで繰り返し洗浄した。得られ
た膜を、クロルスルホン酸液中に浸漬し、３０℃で１時間反応させ、導入したスチレンにスルホン酸基を導入した。得られた膜は、水洗及びエタノール洗浄を繰り返した後、純水中に保存した。得られた膜について、本文中記載の方法により、平均孔径を求めたところ、０．１１μｍであった。
【００２９】
本文中に記載された方法で、カチオン交換基導入量を求めたところ、１ｇあたり１．４ｍｍｏｌであった。以上のようにして得られたカチオン吸着膜を実施例１で合成したアニオン吸着膜と重ね合わせて、３５ｍｍ径のフィルターホルダーに装填して実験に用いた。テストフィルター２の位置に設置し、フィルター前後の比抵抗を測定した。結果を表２に示す。比抵抗が向上しているようすがわかる。比抵抗の測定はＡＮＡＴＥＬ社製のＰＴ１０００によって行った。
【００３０】
【実施例１】
実施例１で合成したアニオン交換基を有する平膜と分画分子量３万の限外濾過膜（ミリポア社製ＰＴＴＫ）を重ね合わせて、実施例１と同様に、フィルターホルダー装填した。図１の実験装置において、テストフィルター３の位置に、該モジュールを設置し、実施例１と同様に親水性シリカ溶液を超純水ライン中に滴下して、モジュール前後の水質を測定した。実施例１と同様にシリカ濃度を測定し、さらに、Particle Measuring System社製のパーティクルカウンターＰＤＳ−ＰＢにより微粒子濃度を測定した。結果を表３に示す。シリカ濃度、微粒子濃度の両者に低減化が認められている。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
【表３】

【００３４】
【発明の効果】
本発明のシステムは、半導体産業において、ユースポイントにおける水質を保証するシステムとしてきわめて有用であり、その効果ははかりしれない。

Claims

膜内部にアニオン交換基、カチオン交換基、キレート形成基のうち少なくとも１種を有する高分子鎖がグラフト重合により保持されている多孔性のポリエチレン製の平膜を基材とする３次元的に均一な構造の平膜であって、膜１ｇあたり０．２〜１０ミリ当量のアニオン交換基、カチオン交換基あるいはキレート形成基を有し、平均孔径０．０１〜１μｍである平膜のうち１種類と、アニオン交換基、カチオン交換基を保持していない分画分子量が２０万以下の限外濾過膜である多孔性の平膜を重ねて端部を液密的にシールして装填したモジュールをユースポイント直前に設置したことを特徴とするユースポイントフィルターシステム。