JP3982355B2 - イオン交換装置及び超純水製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に積層した積層体を有するイオン交換装置と、このイオン交換装置を二次純水システムに設けた超純水製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体洗浄用水等として用いられる超純水は、図９に示すような超純水製造装置で、原水（工業用水、市水、井水等）を処理することにより製造される。図９において、除濁装置としては、凝集、加圧浮上、重力濾過装置などが用いられ、原水中の懸濁物質やコロイド物質の除去を行う。また、この過程では高分子系有機物、疎水性有機物などの除去も可能である。なお、凝集処理水を除濁膜で処理した後直接後段の逆浸透（ＲＯ）膜分離装置へ送給する場合もある。また、原水を直接膜式前処理装置で処理した後、紫外線（ＵＶ）殺菌装置へ送給する場合もある。
【０００３】
混床式脱塩装置は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを充填したものであり、この混床式脱塩装置の代りに電気再生式連続脱塩装置が用いられる場合もある。脱気装置としては、窒素脱気装置、真空脱気装置、膜脱気装置などが用いられる。精密濾過（ＭＦ）膜分離装置、ＲＯ膜分離装置、混床式脱塩装置、脱気装置、非再生型混床式イオン交換装置では、原水中のイオンや有機成分等の除去を行う。即ち、ＲＯ膜分離装置では、塩類を除去すると共に、イオン性、非イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。脱塩装置、イオン交換装置では、塩類を除去すると共にイオン交換樹脂によって吸着又はイオン交換されるＴＯＣ成分の除去を行う。脱気装置では無機系炭素（ＩＣ）、溶存酸素（ＤＯ）の除去を行う。
【０００４】
ＵＶ酸化装置、非再生型混床式イオン交換装置、膜脱気装置及び限外濾過（ＵＦ）膜分離装置を備える二次純水システムでは、水の純度をより一層高めて超純水にする。なお、ＵＶ酸化装置では、低圧紫外線ランプより出される波長１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、更にはＣＯ２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ２は後段の非再生型混床式イオン交換装置で除去される。ＵＦ膜分離装置では微粒子が除去され、非再生型混床式イオン交換装置からの流出粒子も除去される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の超純水製造装置では次のような欠点がある。
（１） 非再生型混床式イオン交換装置には、球状のイオン交換樹脂（粒径０．３〜０．８ｍｍ程度）が充填されているが、このような非再生型混床式イオン交換装置では、イオン交換樹脂によるイオン交換速度の観点から、通水速度ＳＶ＝２００ｈｒ−１程度が限界であり、これよりも速い通水速度では、十分なイオン交換効果を得ることはできない。
（２） （１）のように非再生型混床式イオン交換装置の通水速度が遅く、イオン交換樹脂との接触時間が長いために、イオン交換樹脂からの溶出物（アミン類，ベンゼンスルホン酸等）による処理水の汚染の問題がある。
イオン交換樹脂からアミン等の溶出物が溶出すると、得られる超純水にこれらの溶出物が混入することになる。このような溶出物を含む超純水を半導体洗浄用水として用いた場合には、半導体製品の製品不良の原因となる。
（３） ＵＦ膜分離装置としては、一般に中空糸膜を装填したものが用いられているが、この中空糸型膜分離装置では、中空糸膜の製膜工程、切断工程、中空糸膜を束ねてポッティング部をエポキシ樹脂で固定するモジュール化工程といった製造工程数が多く、これらの工程をすべて高清浄な雰囲気で実施することは困難である。このため、製造工程において、雰囲気からのゴミの吸着によるＣａ，Ａｌ等の汚染を受け易く、これにより処理水が汚染されるおそれがある。
（４） 中空糸型ＵＦ膜分離装置では、モジュール１本当たりの中空糸膜本数は５０００本〜数万本と非常に多く、これらの中空糸膜の束を熱融着により固定することはできないため、エポキシ樹脂の注型固定を行っているが、このエポキシ樹脂のポッティング部からの高分子アミンの溶出による処理水汚染の問題もある。
【０００６】
なお、従来、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置の代りに、多孔質（即ち、透水性の）イオン交換膜を用いたイオン交換装置を用いることも考えられている。この膜状のイオン交換体は粒状のイオン交換体であるイオン交換樹脂に比べて、イオン交換反応が格段に速いため、イオン交換膜を用いたイオン交換装置であれば、速い通水速度での処理が可能であり、イオン交換体からの溶出物による処理水汚染を防止することができる。従来の多孔質イオン交換膜を備えたイオン交換装置は、多孔質カチオン交換膜又は多孔質アニオン交換膜のいずれか一方のみを備えたものであり、単独で用いられるか、或いは、多孔質カチオン交換膜を備えたイオン交換装置と多孔質アニオン交換膜を備えたイオン交換装置とがシリーズに連結して用いられている。
【０００７】
しかし、従来の多孔質イオン交換膜を備えたイオン交換装置では、イオン交換容量が低く、早期に破過に到るため実用的ではない。また、このイオン交換装置であっても、従来のイオン交換装置では、一般に中空糸型イオン交換膜が用いられており、この場合には、上記中空糸型ＵＦ膜分離装置と同様の問題がある。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決し、多孔質イオン交換膜を用いたイオン交換装置であって、イオン交換容量が十分に大きく、充填物の溶出等による処理水汚染の問題のないイオン交換装置と、このイオン交換装置を用いた超純水製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン交換装置は、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体と、該積層体を収容した容器とを備えてなり、被処理水が該積層体を前記積層方向に通水されるイオン交換装置であって、該積層体は更に前記通水方向の最上流側又は最下流側に積層された除濁膜を有しており、該積層体は、筒状の多孔質カチオン交換膜と多孔質アニオン交換膜とを交互に同軸状に重ねるか又は多孔質カチオン交換膜及び多孔質アニオン交換膜の重ね合わせ体をスパイラル状に巻回し、最外層に除濁膜を装着したものであり、該積層体の端面が熱融着により封止されていることを特徴とする。
【００１０】
イオン交換膜はイオン交換反応速度が速く、速い通水速度で効率的な処理を行える。しかも、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体（以下、この多孔質カチオン交換膜と多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体を交互積層膜ということがある。）は、イオン交換容量が大きく、長期に亘り安定な処理を行うことができる。即ち、このカチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜によると、カチオン交換装置とアニオン交換装置とを交互に何回も繰り返し直列に並べたものと同等の処理効果が得られ、単にカチオン交換装置とアニオン交換装置とを１回のみシリーズに連結した場合に比べ、処理水の純度は著しく高められる。しかも、積層方向に通水してアニオン交換膜及びカチオン交換膜で交互にイオン交換することにより、処理水は常時中性付近に保たれるようになり、これにより、イオンリーク量が減少し、より一層高水質の処理水が得られるという利点もある。
【００１１】
カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜との交互積層膜を有する本発明のイオン交換装置によれば、通水ＳＶ２０００ｈｒ−１以上の通水速度であっても良好なイオン交換処理効果を得ることができ、従来のイオン交換樹脂塔に比べて、イオン交換体と水との接触時間を著しく短縮し、イオン交換体からの溶出物による汚染を防止することができる。また、この積層膜は、熱融着により固定するため、従来のポッティング部の樹脂溶出物による処理水汚染の問題もない。
【００１２】
このため、このようなイオン交換装置を超純水製造装置の二次純水システムに用いることにより、極めて高純度の超純水を得ることが可能となる。
【００１３】
この積層膜に更に除濁膜を積層することにより、イオン交換装置に除濁機能をも付与することができる。従って、従来の非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置とを一体化した装置として用いることが可能となり、超純水製造装置の二次純水システムの設置スペースを３／４〜１／２程度に小さくすることができる。また、このように非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置とが一体化されたことにより、超純水製造装置の定期メンテナンス時の交換作業も、１／２の時間に短縮される。
【００１４】
即ち、従来の二次純水システムでは、図９に示す如く、非再生型混床式イオン交換装置（混床式イオン交換樹脂塔）と共にＵＦ膜分離装置が設けられており、これらを一体化することは困難であるが、本発明のイオン交換装置は膜充填型式の装置であるため、膜分離装置と同様の構成とすることができ、除濁膜と容易に一体化することができる。
【００１５】
しかも、この場合において、従来のポッティング部を有する中空糸型とする必要がなく、アニオン交換膜及びカチオン交換膜と共に熱融着により固定することが可能であるため、ポッティング部の樹脂からの溶出物による汚染の問題も解消される。
【００１６】
本発明のイオン交換装置において、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜との交互積層膜は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との通水方向の合計厚みが２〜５ｍｍ程度となるようにアニオン交換膜とカチオン交換膜とが積層されたものであることが好ましく、このような積層膜であれば、通常の非再生型混床式イオン交換装置と同等のイオン交換容量を達成することができ、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｌｉ＋等の１価のイオンのイオン交換容量も大きい。
【００１７】
本発明の超純水製造装置は、一次純水システムとイオン交換装置を有する二次純水システムとを備え、二次純水システムのイオン交換装置としてこのような本発明のイオン交換装置を設置したものであり、高純度の超純水を安定かつ効率的に得ることができる。
【００１８】
この二次純水システムは、タンク、ポンプ、熱交換器、及び本発明のイオン交換装置をこの順に連結して構成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明のイオン交換装置及び超純水製造装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
まず、図１〜５を参照して本発明のイオン交換装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの一例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）図は（ｂ）図のＣ部の拡大図、（ｄ）図は多孔管の斜視図である。図２は本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す平面図、図３は本発明のイオン交換装置の実施の形態を示す断面図、図４はイオン交換エレメントの連結方法を示す斜視図である。図５は、本発明のイオン交換装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【００２２】
図１に示すイオン交換エレメント１は、多孔管２の外周にカチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜（以下、単に「カチオン交換膜」と称す。）３とアニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜（以下、単に「アニオン交換膜」と称す。）４とが交互に積層され、最外層に除濁膜５が装着されたものである。
【００２３】
多孔管２は、図１（ｄ）に示す如く、管状体（パイプ）よりなり、管壁のうち、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４が巻き付けられる領域にのみ、管壁を貫通する通水用の開孔２Ａが多数設けられている。カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４は筒状であり、このような多孔管２の外周に交互に装着されている。除濁膜５も筒状であり、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜の最外層に取り付けられている。これらカチオン交換膜３及びアニオン交換膜４と除濁膜５よりなる積層体６の端面６Ａ及び６Ｂは、熱融着により封止されている。
【００２４】
カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４はいずれも多孔質であり、それぞれ厚み方向に水を通過させる機能を有する。
【００２５】
このイオン交換エレメント１では、多孔管２内に流入した原水が多孔管２の通水孔２Ａからカチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜と除濁膜５とを通過してイオン交換エレメント１の外周面から流出し、この積層体６を厚さ方向に通過する間に、イオン交換処理及び除濁処理される。或いは、イオン交換エレメント１の外周から除濁膜５と、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜とを通過して多孔管２の孔２Ａから多孔管２内に流入し、多孔管２の端部から取り出され、この積層体６を厚さ方向に通過する間に、イオン交換処理及び除濁処理される。
【００２６】
図１のイオン交換エレメントは、多孔管２の外周に筒状のカチオン交換膜３とアニオン交換膜４とを交互に同軸状に重ねたものであるが、図２に示す如く、１枚のカチオン交換膜３及び１枚のアニオン交換膜４の重ね合わせ体を多孔管２の外周にスパイラル状に巻回しても、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜を形成することができる。この場合にも、最外層に除濁膜５を装着することにより、図１のイオン交換エレメント１と同様の構成とすることができる。
【００２７】
なお、除濁膜５は、膜面積を大きくするために、図示の如く、積層体６の最外層に設ける。
【００２８】
このようなイオン交換エレメント１は、例えば図３に示すようなイオン交換装置に用いることができる。
【００２９】
図３のイオン交換装置１０は、円筒状のケース１１内に、図１に示すイオン交換エレメント１が同軸的に収容されたものである。円筒状ケース１１の一端面１１Ａには原水の流入口１２が設けられ、他端面１１Ｂにはイオン交換エレメント１の多孔管２の差込口１３が設けられている。イオン交換エレメント１は、多孔管２の下端側をこの差込口１３に差し込むようにしてケース１１内に配置されている。多孔管２下部の外周面と差込口１３の内周面との間にはＯリング１４が介在され、ケース１１内からの水漏れを防いでいる。なお、多孔管２の上端２Ｂは封止されている。
【００３０】
このイオン交換装置１０では、流入口１２から流入した原水が、ケース１１の内壁とイオン交換エレメント１外周との間からイオン交換エレメント１の積層体６を厚さ方向に通過し、この間に除濁及びイオン交換処理された後、多孔管２の孔２Ａを通って多孔管２内に流入し、多孔管２の下端から処理水が取り出される。
【００３１】
なお、図３で示した水の流れとは逆に、原水を多孔管２の下部開口から流入させ、多孔管２の孔２Ａから積層体６を通過させてケース１１の上部流入口１２から処理水を取り出すようにしても良い。但し、強度的には前述の流し方が好ましい。
【００３２】
図３のイオン交換装置１０は、これを複数個直列に連結して多段処理を行うようにしても良い。また、ケース１１内に複数のイオン交換エレメント１を収容するようにしても良い。この場合、イオン交換エレメント１をケース１１内に並列に配置しても良く、また、図４に示す如く、管継手７を用いて、イオン交換エレメント１，１の多孔管２，２同士を連結して配置しても良い。
【００３３】
図１に示すイオン交換エレメント１は、例えば外径約５０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ程度の大きさを有するものであるが、このようなイオン交換エレメント１を、図４に示す如く、管継手７により直列に連結することにより、５００〜１０００ｍｍ程度の連結体として用いることもできる。
【００３４】
図４の例では、管継手７が隣接するイオン交換エレメントの各多孔管２，２を覆う形で連結しているが、管継手７の一端を一方の多孔管２の内部に差し込み、他端を他の多孔管２に差し込んで２つのイオン交換エレメントを連結してもよい。
【００３５】
図５に示すイオン交換装置２０は、ケース２１内に複数のイオン交換エレメント１を収容したものである。
【００３６】
このイオン交換装置２０では、略円筒状のケース２１がその円筒の軸心線方向を上下方向として設置されている。ケース２１には、最下部に原水流入口２２が設けられ、最上部に処理水流出口２３が設けられている。ケース２１内の下部には、イオン交換エレメント１の保持板２４が水平に設けられ、この保持板２４には、イオン交換エレメント１の多孔管２の下端の差込孔２４Ａと、原水の通水孔２４Ｂとが設けられている。ケース２１内の上部には、封隔板２５が水平に設けられており、この封隔板２５にはイオン交換エレメント１の多孔管２の上端の差込孔２５Ａのみが設けられている。
【００３７】
封隔板２５と保持板２４との間はエレメント収容室２６となっている。また、ケース２１内の保持板２４の下部は原水室２７、封隔板２５の上部は処理水室２８となっている。
【００３８】
この実施の形態では、図１に示したものと同様のイオン交換エレメント１が図４に示す如く管継手７によって複数個（図５では３個）直列に接続されたものが、複数群並列に設置されている。
【００３９】
最下部のイオン交換エレメント１は、多孔管２の下端２Ｃが封じられており、保持板２４の差込孔２４ＡにＯリング（図示略）を介して差し込まれている。最上部のイオン交換エレメント１の多孔管２の上端は、封隔板２５の差込孔２５ＡにＯリング（図示略）を介して差し込まれている。最下部以外の中間及び最上部のイオン交換エレメント１は、図１に示す如く、その多孔管２の両端が開放している。
【００４０】
このイオン交換装置２０では、原水流入口２２よりケース２１内の原水室２７に流入した原水は、保持板２４の通水孔２４Ｂを通ってエレメント収容室２６に流入し、各イオン交換エレメント１の積層体６を流通し、この間に除濁及びイオン交換処理された後多孔管２内に流入し、処理水は処理水室２８を経て流出口２３から取り出される。
【００４１】
なお、図５では、３個のイオン交換エレメント１を直列に連結しているが２個又は４個以上のイオン交換エレメントを連結しても良い。また、ケース２１は、軸心線が横方向又は斜め方向に配されても良い。
【００４２】
また、図５のイオン交換装置２０は、図示の水の流れとは逆に、原水を流出口２３から導入し、イオン交換エレメント１の多孔管２内から積層体６を通過させて保持板２４の通水孔２４Ｂを経て流入口２２から処理水を取り出すようにしても良い。
【００４３】
本発明のイオン交換装置において、除濁膜としては、孔径０．０５μｍ以下、例えば０．００５〜０．０５μｍのＵＦ膜又はＭＦ膜等を用いるのが好ましい。
【００４４】
カチオン交換膜及びアニオン交換膜としては、孔径０．４〜１０μｍ、厚み１００〜３００μｍ程度の透水性有機高分子膜の全体或いは表層に、強酸性イオン交換基又は強塩基性イオン交換基を付与したものを用いることができる。カチオン交換膜及びアニオン交換膜の膜材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリサルホン等のイオン交換基を化学的に付加できるようなものであれば良く、特に制限はない。カチオン交換膜及びアニオン交換膜に導入されたイオン交換基は、モジュール組立前あるいは使用前に、各々Ｈ形或いはＯＨ形に変換される。
【００４５】
カチオン交換膜とアニオン交換膜とは、１枚ずつ交互に積層しても良く、複数枚ごとに交互に積層しても良い。また、カチオン交換膜とアニオン交換膜の積層枚数は必ずしも同一である必要はなく、異なる枚数で積層しても良い。
【００４６】
カチオン交換膜とアニオン交換膜との積層枚数は、イオン交換装置の用途、要求される処理能力等に応じて適宜決定されるが、カチオン交換膜とアニオン交換膜との合計の膜厚が２〜５ｍｍ程度になるように積層することにより、通常の非再生型混床式イオン交換装置と同等のイオン交換容量を有するものとすることができ好ましい。
【００４７】
本発明のイオン交換装置の積層体は、カチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜に対して好ましくは更に除濁膜を積層したものであるが、この除濁膜は、カチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜の原水流入側（通水方向の上流側）に積層しても良く、処理水流出側（通水方向の下流側）に積層しても良い。
【００４８】
除濁膜をカチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜の下流側に設けると、イオン交換膜から微粒子がごく微量発生した場合であっても、これを除濁膜で除去することができる。イオン交換膜からの微粒子の流出が問題にならない場合には、除濁膜は上流側、下流側のいずれに設けても良い。
【００４９】
このようなカチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層膜と除濁膜との積層体であれば、ＳＶ２０００ｈｒ−１以上、例えばＳＶ２０００〜４０００ｈｒ−１の速い通水速度での処理が可能である。
【００５０】
次にこのような本発明のイオン交換装置を二次純水システムに設けた本発明の超純水製造装置の実施の形態を図６〜８を参照して詳細に説明する。
【００５１】
図６〜８は本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【００５２】
本発明の超純水製造装置において、一次純水システムは、好ましくはＴＯＣ１０ｐｐｂ程度、抵抗率１０〜１７５ＭΩ・ｃｍの純水を得ることができるようなものであれば良く、その構成には特に制限はない。例えば、図９に示す従来法の純水槽の上流側の構成を採用することができるが、何ら図９のものに限定されるものではない。
【００５３】
本発明の超純水製造装置の二次純水システムは、このような純水を、好ましくはＴＯＣ０．５〜２ｐｐｂ、ＤＯ５〜１０ｐｐｂ、抵抗率１７．５ＭΩ・ｃｍ以上、特に１８．１ＭΩ・ｃｍ以上の超純水とすることができるようなものであれば良く、本発明のイオン交換装置の他、脱気装置及びＵＶ酸化装置を備えるものなどが挙げられる。即ち、本発明のイオン交換装置のイオン交換エレメントを、前述の如く、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層膜と除濁膜とで構成することにより、このイオン交換装置にイオン交換機能と除濁機能を付与することができ、従って、このイオン交換装置を非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置の代替して用い、ＵＦ膜分離装置を省略することができる。特に、本発明のイオン交換装置の二次純水システムにおいては、更にＵＶ酸化装置を省略し、これを一次純水システムに設けたものとすることが好ましい。
【００５４】
即ち、従来においては、通常二次純水システムは、図９に示す如く、ＵＶ酸化装置、非再生型混床式イオン交換装置及び膜分離装置で構成され、ユースポイントで使用されなかった余剰の超純水は、サブタンクに返送される。このため、返送された超純水は、再びＵＶ酸化及びイオン交換処理を受けることになるが、繰り返しのＵＶ照射により、ＵＶ照射量が水中のＴＯＣに対して過剰になると、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生し、発生したＨ２Ｏ２がイオン交換体に接触すると酸素になり、ＤＯ増加の原因となる。従って、本発明では、ＵＶ酸化装置をサブタンクの上流側に設け、サブタンクに返送された未使用の超純水が過剰にＵＶ照射されることによるＤＯの増加を防止することが好ましい。
【００５５】
従って、本発明の超純水製造装置の二次純水システムは、温度調整のための熱交換器と、ＤＯを５ｐｐｂ以下にするための膜脱気装置と本発明のイオン交換装置を設け、必要に応じて更に超低圧ＲＯ膜分離装置を組み込んだ構成とすることが好ましい。
【００５６】
図６に示す超純水製造装置は、純水槽からの純水を脱気装置（窒素脱気装置、真空脱気装置、膜脱気装置等）、ＵＶ酸化装置、及び非再生型混床式イオン交換装置で処理した後サブタンクに受け、サブタンク内の水をサブポンプにより取り出し、熱交換器、膜脱気装置及び本発明のイオン交換装置で処理し、得られた超純水をユースポイントに送給するものである。ユースポイントで使用されなかった余剰の超純水はサブタンクに戻される。
【００５７】
図７の超純水製造装置は、脱気装置を非再生型混床式イオン交換装置の後段に設けた点が図６に示す超純水製造装置と異なり、その他の二次純水システムの構成は図６に示す装置と同様である。
【００５８】
なお、超純水製造装置において、一次純水のサブタンクへの送給と、純水槽への返送の切り換えは、サブタンクの水位と連動させた三方弁の開度調整により行われる。この三方弁Ｖは、図６に示す如く、ＵＶ酸化装置の入口に設けても、図７に示す如く、サブタンクの入口に設けても良い。
【００５９】
図８の超純水製造装置は、膜脱気装置をサブタンクの前段に設け、三方弁Ｖをサブタンクの入口に設けた点が図６に示す超純水製造装置と異なり、その他は同様の構成とされている。この超純水製造装置であれば、膜脱気装置をサブタンクの前段に設けることにより、膜脱気装置からの溶出物による超純水の汚染を防止することができる。即ち、膜脱気装置の脱気膜も、エポキシ樹脂等の封止用樹脂を用いている部分があり、この樹脂からの溶出物による超純水の汚染が懸念される。従って、図８に示す如く、膜脱気装置をサブタンクの前段に設け、サブタンク以降の二次純水システムを熱交換器と本発明のイオン交換装置のみで構成することにより、二次純水システムにおける汚染を防止して高純度の超純水を得ることができる。
【００６０】
【実施例】
以下に比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００６１】
比較例１
図９に示す従来の超純水製造装置では、二次純水システムの非再生型混床式イオン交換装置を半年〜１年に１回の頻度で交換し、また、ＵＦ膜分離装置は３年〜５年に１回の頻度でＵＦ膜を交換していた。そして、ユースポイントにおいては、非再生型混床式イオン交換装置の交換直後に高度ＬＳＩ製品によっては、非再生型混床式イオン交換装置のイオン交換樹脂からの溶出物（アミン類やＰＳＡ）によって１週間から２ヶ月にわたって、酸化膜が数ｎｍ〜数十ｎｍ厚みが増加したり、酸化膜部分の表面荒れが生じたりして、製品不良が生じていた。
【００６２】
また、ＵＦ膜の交換により、ＵＦ膜製造時の金属汚染でＣａが数百ｎｇ／Ｌ溶出し、製品の耐圧不良が生じていた。更に、中空糸型ＭＦ膜のポッティング部のエポキシ樹脂から高分子アミンの溶出があり、交換後１ヶ月近くも酸化膜の厚み増加や表面荒れが生じ、１〜２ヶ月にわたって、フラッシュメモリーの製品不良が生じていた。なお、このときの高分子アミンはヘキサデカアミンや水溶性アミン類であり、数十ｎｇ／Ｌ〜数百ｎｇ／Ｌ存在した。
【００６３】
このようなことから、従来の超純水製造装置では、超純水の保証水質は満足していたが、ＬＳＩ製品のグレードアップに対応することはできなかった。
【００６４】
実施例１
図９の従来法において、純水槽以降を図８に示す構成とした。
【００６５】
用いたイオン交換装置は、図１に示す如く、多孔管２にカチオン交換膜３とアニオン交換膜４との交互積層膜と除濁膜５とを積層したイオン交換エレメント１を図３に示す如く、ケース１１内に収容したものである。このイオン交換装置のイオン交換エレメント１の仕様は次の通りである。
【００６６】
［イオン交換エレメント仕様］
カチオン交換膜３：膜材質ポリエチレン
膜厚 １００μｍ
孔径 ３μｍ
イオン交換基：スルホン酸基（−ＳＯ３ −）
イオン交換容量：５０ｍｅｑ／枚
アニオン交換膜４：膜材質ポリエチレン
膜厚 １００μｍ
孔径 ５μｍ
イオン交換基：４級アンモニウム基（−ＮＲ３ ＋）
イオン交換容量：３０ｍｅｑ／枚
除濁膜（ＵＦ膜）５：膜材質ポリサルホン
膜厚 １００μｍ
孔径 ０．００２μｍ
カチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層数：カチオン交換膜２０枚
アニオン交換膜２０枚
積層厚さ５ｍｍ
多孔管２：外径４５ｍｍ，内径４０ｍｍ
イオン交換エレメントの寸法：外径５０ｍｍ
積層体部分の長さ２５０ｍｍ
【００６７】
このイオン交換装置に、熱交換器出口水を通水ＳＶ２０００ｈｒ−１で通水して得られた超純水をユースポイントに１〜２ｍ３／ｈｒで送給した。
【００６８】
その結果、フラッシュメモリー製造に際し、自然酸化膜の厚み増加も起こらず、酸化膜の表面荒れもなく、平滑面が得られ、イオン交換装置を設置した１日経過後から製品化が可能であった。
【００６９】
得られた超純水を分析したところ、Ｃａは０．１ｎｇ／Ｌ以下、高分子アミンの代表であるヘキサデカアミンは２０ｎｇ／Ｌ以下であり、イオン交換装置の構成部材からの溶出物による汚染が殆どないことが判明した。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のイオン交換装置によれば、通水処理中の溶出物による汚染を防止して高水質のイオン交換処理水を長期に亘り、安定かつ効率的に得ることができる。
【００７１】
このような本発明のイオン交換装置を二次純水システムに設けた本発明の超純水製造装置によれば、極めて高純度の超純水を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの一例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）図は（ｂ）図のＣ部の拡大図、（ｄ）図は多孔管の斜視図である。
【図２】 本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す平面図である。
【図３】 本発明のイオン交換装置の実施の形態を示す断面図である。
【図４】 図１のイオン交換エレメントの連結方法を示す斜視図である。
【図５】 本発明のイオン交換装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【図６】 本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図７】 本発明の超純水製造装置の他の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図８】 本発明の超純水製造装置の別の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図９】 従来例を示す系統図である。
【符号の説明】
１ イオン交換エレメント
２ 多孔管
３ カチオン交換膜
４ アニオン交換膜
５ 除濁膜
６ 積層体
７ 管継手
１０，２０ イオン交換装置
１１，２１ ケース
２４ 保持板
２５ 封隔板
２６ エレメント収容室
２７ 原水室
２８ 処理水室
【発明の属する技術分野】
本発明は、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に積層した積層体を有するイオン交換装置と、このイオン交換装置を二次純水システムに設けた超純水製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体洗浄用水等として用いられる超純水は、図９に示すような超純水製造装置で、原水（工業用水、市水、井水等）を処理することにより製造される。図９において、除濁装置としては、凝集、加圧浮上、重力濾過装置などが用いられ、原水中の懸濁物質やコロイド物質の除去を行う。また、この過程では高分子系有機物、疎水性有機物などの除去も可能である。なお、凝集処理水を除濁膜で処理した後直接後段の逆浸透（ＲＯ）膜分離装置へ送給する場合もある。また、原水を直接膜式前処理装置で処理した後、紫外線（ＵＶ）殺菌装置へ送給する場合もある。
【０００３】
混床式脱塩装置は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを充填したものであり、この混床式脱塩装置の代りに電気再生式連続脱塩装置が用いられる場合もある。脱気装置としては、窒素脱気装置、真空脱気装置、膜脱気装置などが用いられる。精密濾過（ＭＦ）膜分離装置、ＲＯ膜分離装置、混床式脱塩装置、脱気装置、非再生型混床式イオン交換装置では、原水中のイオンや有機成分等の除去を行う。即ち、ＲＯ膜分離装置では、塩類を除去すると共に、イオン性、非イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。脱塩装置、イオン交換装置では、塩類を除去すると共にイオン交換樹脂によって吸着又はイオン交換されるＴＯＣ成分の除去を行う。脱気装置では無機系炭素（ＩＣ）、溶存酸素（ＤＯ）の除去を行う。
【０００４】
ＵＶ酸化装置、非再生型混床式イオン交換装置、膜脱気装置及び限外濾過（ＵＦ）膜分離装置を備える二次純水システムでは、水の純度をより一層高めて超純水にする。なお、ＵＶ酸化装置では、低圧紫外線ランプより出される波長１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、更にはＣＯ２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ２は後段の非再生型混床式イオン交換装置で除去される。ＵＦ膜分離装置では微粒子が除去され、非再生型混床式イオン交換装置からの流出粒子も除去される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の超純水製造装置では次のような欠点がある。
（１） 非再生型混床式イオン交換装置には、球状のイオン交換樹脂（粒径０．３〜０．８ｍｍ程度）が充填されているが、このような非再生型混床式イオン交換装置では、イオン交換樹脂によるイオン交換速度の観点から、通水速度ＳＶ＝２００ｈｒ−１程度が限界であり、これよりも速い通水速度では、十分なイオン交換効果を得ることはできない。
（２） （１）のように非再生型混床式イオン交換装置の通水速度が遅く、イオン交換樹脂との接触時間が長いために、イオン交換樹脂からの溶出物（アミン類，ベンゼンスルホン酸等）による処理水の汚染の問題がある。
イオン交換樹脂からアミン等の溶出物が溶出すると、得られる超純水にこれらの溶出物が混入することになる。このような溶出物を含む超純水を半導体洗浄用水として用いた場合には、半導体製品の製品不良の原因となる。
（３） ＵＦ膜分離装置としては、一般に中空糸膜を装填したものが用いられているが、この中空糸型膜分離装置では、中空糸膜の製膜工程、切断工程、中空糸膜を束ねてポッティング部をエポキシ樹脂で固定するモジュール化工程といった製造工程数が多く、これらの工程をすべて高清浄な雰囲気で実施することは困難である。このため、製造工程において、雰囲気からのゴミの吸着によるＣａ，Ａｌ等の汚染を受け易く、これにより処理水が汚染されるおそれがある。
（４） 中空糸型ＵＦ膜分離装置では、モジュール１本当たりの中空糸膜本数は５０００本〜数万本と非常に多く、これらの中空糸膜の束を熱融着により固定することはできないため、エポキシ樹脂の注型固定を行っているが、このエポキシ樹脂のポッティング部からの高分子アミンの溶出による処理水汚染の問題もある。
【０００６】
なお、従来、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置の代りに、多孔質（即ち、透水性の）イオン交換膜を用いたイオン交換装置を用いることも考えられている。この膜状のイオン交換体は粒状のイオン交換体であるイオン交換樹脂に比べて、イオン交換反応が格段に速いため、イオン交換膜を用いたイオン交換装置であれば、速い通水速度での処理が可能であり、イオン交換体からの溶出物による処理水汚染を防止することができる。従来の多孔質イオン交換膜を備えたイオン交換装置は、多孔質カチオン交換膜又は多孔質アニオン交換膜のいずれか一方のみを備えたものであり、単独で用いられるか、或いは、多孔質カチオン交換膜を備えたイオン交換装置と多孔質アニオン交換膜を備えたイオン交換装置とがシリーズに連結して用いられている。
【０００７】
しかし、従来の多孔質イオン交換膜を備えたイオン交換装置では、イオン交換容量が低く、早期に破過に到るため実用的ではない。また、このイオン交換装置であっても、従来のイオン交換装置では、一般に中空糸型イオン交換膜が用いられており、この場合には、上記中空糸型ＵＦ膜分離装置と同様の問題がある。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決し、多孔質イオン交換膜を用いたイオン交換装置であって、イオン交換容量が十分に大きく、充填物の溶出等による処理水汚染の問題のないイオン交換装置と、このイオン交換装置を用いた超純水製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン交換装置は、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体と、該積層体を収容した容器とを備えてなり、被処理水が該積層体を前記積層方向に通水されるイオン交換装置であって、該積層体は更に前記通水方向の最上流側又は最下流側に積層された除濁膜を有しており、該積層体は、筒状の多孔質カチオン交換膜と多孔質アニオン交換膜とを交互に同軸状に重ねるか又は多孔質カチオン交換膜及び多孔質アニオン交換膜の重ね合わせ体をスパイラル状に巻回し、最外層に除濁膜を装着したものであり、該積層体の端面が熱融着により封止されていることを特徴とする。
【００１０】
イオン交換膜はイオン交換反応速度が速く、速い通水速度で効率的な処理を行える。しかも、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体（以下、この多孔質カチオン交換膜と多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体を交互積層膜ということがある。）は、イオン交換容量が大きく、長期に亘り安定な処理を行うことができる。即ち、このカチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜によると、カチオン交換装置とアニオン交換装置とを交互に何回も繰り返し直列に並べたものと同等の処理効果が得られ、単にカチオン交換装置とアニオン交換装置とを１回のみシリーズに連結した場合に比べ、処理水の純度は著しく高められる。しかも、積層方向に通水してアニオン交換膜及びカチオン交換膜で交互にイオン交換することにより、処理水は常時中性付近に保たれるようになり、これにより、イオンリーク量が減少し、より一層高水質の処理水が得られるという利点もある。
【００１１】
カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜との交互積層膜を有する本発明のイオン交換装置によれば、通水ＳＶ２０００ｈｒ−１以上の通水速度であっても良好なイオン交換処理効果を得ることができ、従来のイオン交換樹脂塔に比べて、イオン交換体と水との接触時間を著しく短縮し、イオン交換体からの溶出物による汚染を防止することができる。また、この積層膜は、熱融着により固定するため、従来のポッティング部の樹脂溶出物による処理水汚染の問題もない。
【００１２】
このため、このようなイオン交換装置を超純水製造装置の二次純水システムに用いることにより、極めて高純度の超純水を得ることが可能となる。
【００１３】
この積層膜に更に除濁膜を積層することにより、イオン交換装置に除濁機能をも付与することができる。従って、従来の非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置とを一体化した装置として用いることが可能となり、超純水製造装置の二次純水システムの設置スペースを３／４〜１／２程度に小さくすることができる。また、このように非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置とが一体化されたことにより、超純水製造装置の定期メンテナンス時の交換作業も、１／２の時間に短縮される。
【００１４】
即ち、従来の二次純水システムでは、図９に示す如く、非再生型混床式イオン交換装置（混床式イオン交換樹脂塔）と共にＵＦ膜分離装置が設けられており、これらを一体化することは困難であるが、本発明のイオン交換装置は膜充填型式の装置であるため、膜分離装置と同様の構成とすることができ、除濁膜と容易に一体化することができる。
【００１５】
しかも、この場合において、従来のポッティング部を有する中空糸型とする必要がなく、アニオン交換膜及びカチオン交換膜と共に熱融着により固定することが可能であるため、ポッティング部の樹脂からの溶出物による汚染の問題も解消される。
【００１６】
本発明のイオン交換装置において、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜との交互積層膜は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との通水方向の合計厚みが２〜５ｍｍ程度となるようにアニオン交換膜とカチオン交換膜とが積層されたものであることが好ましく、このような積層膜であれば、通常の非再生型混床式イオン交換装置と同等のイオン交換容量を達成することができ、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｌｉ＋等の１価のイオンのイオン交換容量も大きい。
【００１７】
本発明の超純水製造装置は、一次純水システムとイオン交換装置を有する二次純水システムとを備え、二次純水システムのイオン交換装置としてこのような本発明のイオン交換装置を設置したものであり、高純度の超純水を安定かつ効率的に得ることができる。
【００１８】
この二次純水システムは、タンク、ポンプ、熱交換器、及び本発明のイオン交換装置をこの順に連結して構成されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明のイオン交換装置及び超純水製造装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
まず、図１〜５を参照して本発明のイオン交換装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの一例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）図は（ｂ）図のＣ部の拡大図、（ｄ）図は多孔管の斜視図である。図２は本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す平面図、図３は本発明のイオン交換装置の実施の形態を示す断面図、図４はイオン交換エレメントの連結方法を示す斜視図である。図５は、本発明のイオン交換装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【００２２】
図１に示すイオン交換エレメント１は、多孔管２の外周にカチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜（以下、単に「カチオン交換膜」と称す。）３とアニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜（以下、単に「アニオン交換膜」と称す。）４とが交互に積層され、最外層に除濁膜５が装着されたものである。
【００２３】
多孔管２は、図１（ｄ）に示す如く、管状体（パイプ）よりなり、管壁のうち、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４が巻き付けられる領域にのみ、管壁を貫通する通水用の開孔２Ａが多数設けられている。カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４は筒状であり、このような多孔管２の外周に交互に装着されている。除濁膜５も筒状であり、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜の最外層に取り付けられている。これらカチオン交換膜３及びアニオン交換膜４と除濁膜５よりなる積層体６の端面６Ａ及び６Ｂは、熱融着により封止されている。
【００２４】
カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４はいずれも多孔質であり、それぞれ厚み方向に水を通過させる機能を有する。
【００２５】
このイオン交換エレメント１では、多孔管２内に流入した原水が多孔管２の通水孔２Ａからカチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜と除濁膜５とを通過してイオン交換エレメント１の外周面から流出し、この積層体６を厚さ方向に通過する間に、イオン交換処理及び除濁処理される。或いは、イオン交換エレメント１の外周から除濁膜５と、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜とを通過して多孔管２の孔２Ａから多孔管２内に流入し、多孔管２の端部から取り出され、この積層体６を厚さ方向に通過する間に、イオン交換処理及び除濁処理される。
【００２６】
図１のイオン交換エレメントは、多孔管２の外周に筒状のカチオン交換膜３とアニオン交換膜４とを交互に同軸状に重ねたものであるが、図２に示す如く、１枚のカチオン交換膜３及び１枚のアニオン交換膜４の重ね合わせ体を多孔管２の外周にスパイラル状に巻回しても、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜を形成することができる。この場合にも、最外層に除濁膜５を装着することにより、図１のイオン交換エレメント１と同様の構成とすることができる。
【００２７】
なお、除濁膜５は、膜面積を大きくするために、図示の如く、積層体６の最外層に設ける。
【００２８】
このようなイオン交換エレメント１は、例えば図３に示すようなイオン交換装置に用いることができる。
【００２９】
図３のイオン交換装置１０は、円筒状のケース１１内に、図１に示すイオン交換エレメント１が同軸的に収容されたものである。円筒状ケース１１の一端面１１Ａには原水の流入口１２が設けられ、他端面１１Ｂにはイオン交換エレメント１の多孔管２の差込口１３が設けられている。イオン交換エレメント１は、多孔管２の下端側をこの差込口１３に差し込むようにしてケース１１内に配置されている。多孔管２下部の外周面と差込口１３の内周面との間にはＯリング１４が介在され、ケース１１内からの水漏れを防いでいる。なお、多孔管２の上端２Ｂは封止されている。
【００３０】
このイオン交換装置１０では、流入口１２から流入した原水が、ケース１１の内壁とイオン交換エレメント１外周との間からイオン交換エレメント１の積層体６を厚さ方向に通過し、この間に除濁及びイオン交換処理された後、多孔管２の孔２Ａを通って多孔管２内に流入し、多孔管２の下端から処理水が取り出される。
【００３１】
なお、図３で示した水の流れとは逆に、原水を多孔管２の下部開口から流入させ、多孔管２の孔２Ａから積層体６を通過させてケース１１の上部流入口１２から処理水を取り出すようにしても良い。但し、強度的には前述の流し方が好ましい。
【００３２】
図３のイオン交換装置１０は、これを複数個直列に連結して多段処理を行うようにしても良い。また、ケース１１内に複数のイオン交換エレメント１を収容するようにしても良い。この場合、イオン交換エレメント１をケース１１内に並列に配置しても良く、また、図４に示す如く、管継手７を用いて、イオン交換エレメント１，１の多孔管２，２同士を連結して配置しても良い。
【００３３】
図１に示すイオン交換エレメント１は、例えば外径約５０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ程度の大きさを有するものであるが、このようなイオン交換エレメント１を、図４に示す如く、管継手７により直列に連結することにより、５００〜１０００ｍｍ程度の連結体として用いることもできる。
【００３４】
図４の例では、管継手７が隣接するイオン交換エレメントの各多孔管２，２を覆う形で連結しているが、管継手７の一端を一方の多孔管２の内部に差し込み、他端を他の多孔管２に差し込んで２つのイオン交換エレメントを連結してもよい。
【００３５】
図５に示すイオン交換装置２０は、ケース２１内に複数のイオン交換エレメント１を収容したものである。
【００３６】
このイオン交換装置２０では、略円筒状のケース２１がその円筒の軸心線方向を上下方向として設置されている。ケース２１には、最下部に原水流入口２２が設けられ、最上部に処理水流出口２３が設けられている。ケース２１内の下部には、イオン交換エレメント１の保持板２４が水平に設けられ、この保持板２４には、イオン交換エレメント１の多孔管２の下端の差込孔２４Ａと、原水の通水孔２４Ｂとが設けられている。ケース２１内の上部には、封隔板２５が水平に設けられており、この封隔板２５にはイオン交換エレメント１の多孔管２の上端の差込孔２５Ａのみが設けられている。
【００３７】
封隔板２５と保持板２４との間はエレメント収容室２６となっている。また、ケース２１内の保持板２４の下部は原水室２７、封隔板２５の上部は処理水室２８となっている。
【００３８】
この実施の形態では、図１に示したものと同様のイオン交換エレメント１が図４に示す如く管継手７によって複数個（図５では３個）直列に接続されたものが、複数群並列に設置されている。
【００３９】
最下部のイオン交換エレメント１は、多孔管２の下端２Ｃが封じられており、保持板２４の差込孔２４ＡにＯリング（図示略）を介して差し込まれている。最上部のイオン交換エレメント１の多孔管２の上端は、封隔板２５の差込孔２５ＡにＯリング（図示略）を介して差し込まれている。最下部以外の中間及び最上部のイオン交換エレメント１は、図１に示す如く、その多孔管２の両端が開放している。
【００４０】
このイオン交換装置２０では、原水流入口２２よりケース２１内の原水室２７に流入した原水は、保持板２４の通水孔２４Ｂを通ってエレメント収容室２６に流入し、各イオン交換エレメント１の積層体６を流通し、この間に除濁及びイオン交換処理された後多孔管２内に流入し、処理水は処理水室２８を経て流出口２３から取り出される。
【００４１】
なお、図５では、３個のイオン交換エレメント１を直列に連結しているが２個又は４個以上のイオン交換エレメントを連結しても良い。また、ケース２１は、軸心線が横方向又は斜め方向に配されても良い。
【００４２】
また、図５のイオン交換装置２０は、図示の水の流れとは逆に、原水を流出口２３から導入し、イオン交換エレメント１の多孔管２内から積層体６を通過させて保持板２４の通水孔２４Ｂを経て流入口２２から処理水を取り出すようにしても良い。
【００４３】
本発明のイオン交換装置において、除濁膜としては、孔径０．０５μｍ以下、例えば０．００５〜０．０５μｍのＵＦ膜又はＭＦ膜等を用いるのが好ましい。
【００４４】
カチオン交換膜及びアニオン交換膜としては、孔径０．４〜１０μｍ、厚み１００〜３００μｍ程度の透水性有機高分子膜の全体或いは表層に、強酸性イオン交換基又は強塩基性イオン交換基を付与したものを用いることができる。カチオン交換膜及びアニオン交換膜の膜材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリサルホン等のイオン交換基を化学的に付加できるようなものであれば良く、特に制限はない。カチオン交換膜及びアニオン交換膜に導入されたイオン交換基は、モジュール組立前あるいは使用前に、各々Ｈ形或いはＯＨ形に変換される。
【００４５】
カチオン交換膜とアニオン交換膜とは、１枚ずつ交互に積層しても良く、複数枚ごとに交互に積層しても良い。また、カチオン交換膜とアニオン交換膜の積層枚数は必ずしも同一である必要はなく、異なる枚数で積層しても良い。
【００４６】
カチオン交換膜とアニオン交換膜との積層枚数は、イオン交換装置の用途、要求される処理能力等に応じて適宜決定されるが、カチオン交換膜とアニオン交換膜との合計の膜厚が２〜５ｍｍ程度になるように積層することにより、通常の非再生型混床式イオン交換装置と同等のイオン交換容量を有するものとすることができ好ましい。
【００４７】
本発明のイオン交換装置の積層体は、カチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜に対して好ましくは更に除濁膜を積層したものであるが、この除濁膜は、カチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜の原水流入側（通水方向の上流側）に積層しても良く、処理水流出側（通水方向の下流側）に積層しても良い。
【００４８】
除濁膜をカチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜の下流側に設けると、イオン交換膜から微粒子がごく微量発生した場合であっても、これを除濁膜で除去することができる。イオン交換膜からの微粒子の流出が問題にならない場合には、除濁膜は上流側、下流側のいずれに設けても良い。
【００４９】
このようなカチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層膜と除濁膜との積層体であれば、ＳＶ２０００ｈｒ−１以上、例えばＳＶ２０００〜４０００ｈｒ−１の速い通水速度での処理が可能である。
【００５０】
次にこのような本発明のイオン交換装置を二次純水システムに設けた本発明の超純水製造装置の実施の形態を図６〜８を参照して詳細に説明する。
【００５１】
図６〜８は本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【００５２】
本発明の超純水製造装置において、一次純水システムは、好ましくはＴＯＣ１０ｐｐｂ程度、抵抗率１０〜１７５ＭΩ・ｃｍの純水を得ることができるようなものであれば良く、その構成には特に制限はない。例えば、図９に示す従来法の純水槽の上流側の構成を採用することができるが、何ら図９のものに限定されるものではない。
【００５３】
本発明の超純水製造装置の二次純水システムは、このような純水を、好ましくはＴＯＣ０．５〜２ｐｐｂ、ＤＯ５〜１０ｐｐｂ、抵抗率１７．５ＭΩ・ｃｍ以上、特に１８．１ＭΩ・ｃｍ以上の超純水とすることができるようなものであれば良く、本発明のイオン交換装置の他、脱気装置及びＵＶ酸化装置を備えるものなどが挙げられる。即ち、本発明のイオン交換装置のイオン交換エレメントを、前述の如く、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層膜と除濁膜とで構成することにより、このイオン交換装置にイオン交換機能と除濁機能を付与することができ、従って、このイオン交換装置を非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置の代替して用い、ＵＦ膜分離装置を省略することができる。特に、本発明のイオン交換装置の二次純水システムにおいては、更にＵＶ酸化装置を省略し、これを一次純水システムに設けたものとすることが好ましい。
【００５４】
即ち、従来においては、通常二次純水システムは、図９に示す如く、ＵＶ酸化装置、非再生型混床式イオン交換装置及び膜分離装置で構成され、ユースポイントで使用されなかった余剰の超純水は、サブタンクに返送される。このため、返送された超純水は、再びＵＶ酸化及びイオン交換処理を受けることになるが、繰り返しのＵＶ照射により、ＵＶ照射量が水中のＴＯＣに対して過剰になると、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が発生し、発生したＨ２Ｏ２がイオン交換体に接触すると酸素になり、ＤＯ増加の原因となる。従って、本発明では、ＵＶ酸化装置をサブタンクの上流側に設け、サブタンクに返送された未使用の超純水が過剰にＵＶ照射されることによるＤＯの増加を防止することが好ましい。
【００５５】
従って、本発明の超純水製造装置の二次純水システムは、温度調整のための熱交換器と、ＤＯを５ｐｐｂ以下にするための膜脱気装置と本発明のイオン交換装置を設け、必要に応じて更に超低圧ＲＯ膜分離装置を組み込んだ構成とすることが好ましい。
【００５６】
図６に示す超純水製造装置は、純水槽からの純水を脱気装置（窒素脱気装置、真空脱気装置、膜脱気装置等）、ＵＶ酸化装置、及び非再生型混床式イオン交換装置で処理した後サブタンクに受け、サブタンク内の水をサブポンプにより取り出し、熱交換器、膜脱気装置及び本発明のイオン交換装置で処理し、得られた超純水をユースポイントに送給するものである。ユースポイントで使用されなかった余剰の超純水はサブタンクに戻される。
【００５７】
図７の超純水製造装置は、脱気装置を非再生型混床式イオン交換装置の後段に設けた点が図６に示す超純水製造装置と異なり、その他の二次純水システムの構成は図６に示す装置と同様である。
【００５８】
なお、超純水製造装置において、一次純水のサブタンクへの送給と、純水槽への返送の切り換えは、サブタンクの水位と連動させた三方弁の開度調整により行われる。この三方弁Ｖは、図６に示す如く、ＵＶ酸化装置の入口に設けても、図７に示す如く、サブタンクの入口に設けても良い。
【００５９】
図８の超純水製造装置は、膜脱気装置をサブタンクの前段に設け、三方弁Ｖをサブタンクの入口に設けた点が図６に示す超純水製造装置と異なり、その他は同様の構成とされている。この超純水製造装置であれば、膜脱気装置をサブタンクの前段に設けることにより、膜脱気装置からの溶出物による超純水の汚染を防止することができる。即ち、膜脱気装置の脱気膜も、エポキシ樹脂等の封止用樹脂を用いている部分があり、この樹脂からの溶出物による超純水の汚染が懸念される。従って、図８に示す如く、膜脱気装置をサブタンクの前段に設け、サブタンク以降の二次純水システムを熱交換器と本発明のイオン交換装置のみで構成することにより、二次純水システムにおける汚染を防止して高純度の超純水を得ることができる。
【００６０】
【実施例】
以下に比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００６１】
比較例１
図９に示す従来の超純水製造装置では、二次純水システムの非再生型混床式イオン交換装置を半年〜１年に１回の頻度で交換し、また、ＵＦ膜分離装置は３年〜５年に１回の頻度でＵＦ膜を交換していた。そして、ユースポイントにおいては、非再生型混床式イオン交換装置の交換直後に高度ＬＳＩ製品によっては、非再生型混床式イオン交換装置のイオン交換樹脂からの溶出物（アミン類やＰＳＡ）によって１週間から２ヶ月にわたって、酸化膜が数ｎｍ〜数十ｎｍ厚みが増加したり、酸化膜部分の表面荒れが生じたりして、製品不良が生じていた。
【００６２】
また、ＵＦ膜の交換により、ＵＦ膜製造時の金属汚染でＣａが数百ｎｇ／Ｌ溶出し、製品の耐圧不良が生じていた。更に、中空糸型ＭＦ膜のポッティング部のエポキシ樹脂から高分子アミンの溶出があり、交換後１ヶ月近くも酸化膜の厚み増加や表面荒れが生じ、１〜２ヶ月にわたって、フラッシュメモリーの製品不良が生じていた。なお、このときの高分子アミンはヘキサデカアミンや水溶性アミン類であり、数十ｎｇ／Ｌ〜数百ｎｇ／Ｌ存在した。
【００６３】
このようなことから、従来の超純水製造装置では、超純水の保証水質は満足していたが、ＬＳＩ製品のグレードアップに対応することはできなかった。
【００６４】
実施例１
図９の従来法において、純水槽以降を図８に示す構成とした。
【００６５】
用いたイオン交換装置は、図１に示す如く、多孔管２にカチオン交換膜３とアニオン交換膜４との交互積層膜と除濁膜５とを積層したイオン交換エレメント１を図３に示す如く、ケース１１内に収容したものである。このイオン交換装置のイオン交換エレメント１の仕様は次の通りである。
【００６６】
［イオン交換エレメント仕様］
カチオン交換膜３：膜材質ポリエチレン
膜厚 １００μｍ
孔径 ３μｍ
イオン交換基：スルホン酸基（−ＳＯ３ −）
イオン交換容量：５０ｍｅｑ／枚
アニオン交換膜４：膜材質ポリエチレン
膜厚 １００μｍ
孔径 ５μｍ
イオン交換基：４級アンモニウム基（−ＮＲ３ ＋）
イオン交換容量：３０ｍｅｑ／枚
除濁膜（ＵＦ膜）５：膜材質ポリサルホン
膜厚 １００μｍ
孔径 ０．００２μｍ
カチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層数：カチオン交換膜２０枚
アニオン交換膜２０枚
積層厚さ５ｍｍ
多孔管２：外径４５ｍｍ，内径４０ｍｍ
イオン交換エレメントの寸法：外径５０ｍｍ
積層体部分の長さ２５０ｍｍ
【００６７】
このイオン交換装置に、熱交換器出口水を通水ＳＶ２０００ｈｒ−１で通水して得られた超純水をユースポイントに１〜２ｍ３／ｈｒで送給した。
【００６８】
その結果、フラッシュメモリー製造に際し、自然酸化膜の厚み増加も起こらず、酸化膜の表面荒れもなく、平滑面が得られ、イオン交換装置を設置した１日経過後から製品化が可能であった。
【００６９】
得られた超純水を分析したところ、Ｃａは０．１ｎｇ／Ｌ以下、高分子アミンの代表であるヘキサデカアミンは２０ｎｇ／Ｌ以下であり、イオン交換装置の構成部材からの溶出物による汚染が殆どないことが判明した。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のイオン交換装置によれば、通水処理中の溶出物による汚染を防止して高水質のイオン交換処理水を長期に亘り、安定かつ効率的に得ることができる。
【００７１】
このような本発明のイオン交換装置を二次純水システムに設けた本発明の超純水製造装置によれば、極めて高純度の超純水を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの一例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）図は（ｂ）図のＣ部の拡大図、（ｄ）図は多孔管の斜視図である。
【図２】 本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す平面図である。
【図３】 本発明のイオン交換装置の実施の形態を示す断面図である。
【図４】 図１のイオン交換エレメントの連結方法を示す斜視図である。
【図５】 本発明のイオン交換装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【図６】 本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図７】 本発明の超純水製造装置の他の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図８】 本発明の超純水製造装置の別の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図９】 従来例を示す系統図である。
【符号の説明】
１ イオン交換エレメント
２ 多孔管
３ カチオン交換膜
４ アニオン交換膜
５ 除濁膜
６ 積層体
７ 管継手
１０，２０ イオン交換装置
１１，２１ ケース
２４ 保持板
２５ 封隔板
２６ エレメント収容室
２７ 原水室
２８ 処理水室
Claims (3)
- カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体と、該積層体を収容した容器とを備えてなり、被処理水が該積層体を前記積層方向に通水されるイオン交換装置であって、
該積層体は更に前記通水方向の最上流側又は最下流側に積層された除濁膜を有しており、
該積層体は、筒状の多孔質カチオン交換膜と多孔質アニオン交換膜とを交互に同軸状に重ねるか又は多孔質カチオン交換膜及び多孔質アニオン交換膜の重ね合わせ体をスパイラル状に巻回し、最外層に除濁膜を装着したものであり、
該積層体の端面が熱融着により封止されていることを特徴とするイオン交換装置。 - 請求項１において、該積層体におけるカチオン交換膜とアニオン交換膜との合計の積層厚みが２〜５ｍｍであることを特徴とするイオン交換装置。
- 一次純水システムと、イオン交換装置を有する二次純水システムとを備える超純水製造装置において、該イオン交換装置が請求項１又は２に記載のイオン交換装置であり、
該二次純水システムは、タンク、ポンプ、熱交換器、及び前記イオン交換装置をこの順に連結して構成されていることを特徴とする超純水製造装置。
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