JP5055662B2

JP5055662B2 - 超純水製造装置及び超純水製造方法

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Publication number: JP5055662B2
Application number: JP2001141893A
Authority: JP
Inventors: 望育野
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP2002336886A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超純水製造装置及び超純水製造方法に係り、特に、有機物（ＴＯＣ）濃度がきわめて低い超純水を製造することができる超純水製造装置及び超純水製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体洗浄用水として用いられている超純水は、図２に示すように前処理システム１、一次純水系システム２、サブシステム３から構成される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２において各システムの役割は次の通りである。
【０００３】
凝集、加圧浮上（沈殿）、濾過（膜濾過）装置などよりなる前処理システム１では、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。
【０００４】
逆浸透膜分離装置、脱気装置及びイオン交換装置（混床式又は４床５塔式など）を備える一次純水系システム２では、原水中のイオンや有機成分の除去を行う。なお、逆浸透膜分離装置では、塩類を除去すると共に、イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。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）、溶存酸素の除去を行う。
【０００５】
低圧紫外線酸化装置、イオン交換純水装置及び限外濾過膜分離装置を備えるサブシステム３では、水の純度をより一層高め超純水にする。なお、低圧紫外線酸化装置では、低圧紫外線ランプより出される１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、さらにはＣＯ_２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ_２は後段のイオン交換樹脂で除去される。限外濾過膜分離装置では、微粒子が除去され、イオン交換樹脂の流出粒子も除去される。
【０００６】
このような従来の超純水製造装置で得られる超純水のＴＯＣ濃度は、おおむね１μｇ／Ｌ程度である。
【０００７】
ところで、ＬＳＩの超微細化、高集積化に伴い、超ＬＳＩチップ製造における洗浄水としての超純水中の不純物の影響はより大きくなってきている。超ＬＳＩチップ不良の大部分はパターン欠陥であり、その主な原因は超純水中の不純物である。超純水中の不純物は主に低分子系有機物であり、従って、低分子系有機物成分をより一層効率良く除去する高性能の超純水製造装置が必要となってくる。
【０００８】
特開平６−１２６２７１号公報には、一次純水系システムに、通常の活性炭と細孔径２０〜１０００Åの細孔を全細孔の５〜１０％以上持つ高性能活性炭とシリカアルミナ系吸着剤との３層からなる多層吸着装置を設置することにより、逆浸透膜分離装置やイオン交換装置では除去することが難しい有機物を効率良く除去することが報告されているが、この方法は単なる吸着法であるため、充填剤の吸着能が飽和に達してしまうと破過してしまうという欠点がある。また、吸着によるＴＯＣ除去効果が期待できるのは、初期吸着と呼ばれる通水開始から約２ヶ月ぐらいの間であり、それ以降の除去効果は期待できないという欠点もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、原水中の有機物、特に低分子系有機物成分を効率的に除去することができ、ＴＯＣ濃度がきわめて低く、高純度な超純水を製造することができる超純水製造装置及び超純水製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の超純水製造装置は、一次純水系システムと、該一次純水系システムの処理水を処理するサブシステムとを有する超純水製造装置において、該一次純水系システムの原水は、工水、市水、井水、或いはこれに回収水（超純水のコースポイントで回収された使用済超純水）を混合した水を凝集、加圧浮上（沈殿）、又は濾過装置を含む前処理システムで処理して得られた水であり、該一次純水系システムに、生物活性炭塔と、該生物活性炭塔の流出水を抗菌処理する抗菌手段とが設けられており、該生物活性炭塔に流入する水に還元剤を添加する手段を備え、該生物活性炭塔は、抗菌剤が実質的に存在しない条件下で原水中の有機物を生物的に分解するものであることを特徴とする。
【００１１】
本発明の超純水製造方法は、原水を一次純水系システムで処理した後、サブシステムで処理する超純水製造方法において、該原水は、工水、市水、井水、或いはこれに回収水（超純水のコースポイントで回収された使用済超純水）を混合した水を凝集、加圧浮上（沈殿）、又は濾過装置を含む前処理システムで処理して得られた水であり、該一次純水系システムにおいて、該生物活性炭塔に流入する水に還元剤を添加し、原水を実質的に抗菌剤が存在しない条件下で生物活性炭塔に通水して原水中の有機物を生物的に分解した後、該生物活性炭塔の流出水を抗菌処理することを特徴とする。
【００１２】
本発明は、超純水中に含まれる有機物が低分子系有機物であることに注目し、低分子有機物の分解性能に優れている生物処理と活性炭による吸着処理効果を併せ持った生物活性炭塔を一次純水系システムに導入することにより、超純水中のＴＯＣ濃度の低減を可能としたものである。
【００１３】
この生物活性炭塔の有機物除去機構は
(1) 活性炭による有機物吸着効果
(2) 生物膜による有機物分解効果
(3) 活性炭内の微生物が活性炭に吸着した有機物を分解して細孔容積を回復させる生物再生効果
の３つの機構よりなる。この生物活性炭塔は、活性炭自体の吸着能が飽和に達するまでの時間が著しく長い。
【００１４】
このような生物活性炭塔に通水される水に抗菌剤が存在すると、生物活性炭塔内の微生物の繁殖が抑制され、著しい場合には、微生物が死滅する可能性があり、この場合には、生物活性炭としての機能が得られない。本発明では、生物活性炭塔において実質的に抗菌剤が存在しない条件で処理を行うため、このような微生物の生育阻害はなく、生物活性炭塔内で微生物を繁殖させて、良好な生物活性炭処理を行える。
【００１５】
生物活性炭塔の後段に逆浸透膜分離装置及びイオン交換装置においては、生物活性炭塔からリークする余剰菌による目詰まりが懸念されるが、本発明では、生物活性炭塔の流出水を抗菌処理するので微生物が死滅するか、又はその生育が抑制されるため、逆浸透膜分離装置やイオン交換装置が目詰まりを起こすことはない。
【００１６】
生物活性炭塔において生分解性有機物はほぼ完全に分解除去されるため、その後段での微生物の繁殖を抑制することも可能となる。
【００１７】
この抗菌手段としては、非酸化性スライムコントロール剤の添加手段、或いは電磁場装置を用いることができる。
【００１８】
非酸化性スライムコントロール剤であれば、後段の逆浸透膜分離装置の膜を劣化させることなく、生物活性炭塔流出水中の微生物を効果的に抗菌ないし殺菌することができる。
【００１９】
また、電磁場装置であっても同様の効果を得ることができる。即ち、生物活性炭処理水に電磁場をかけることにより、微生物の細胞内に１Ａ／ｍ^２以上の誘導電流が流れ、微生物の細胞膜はダメージをうける。そして、微生物の細胞が浸透圧によって水を吸収して膨張し、最終的には破裂して死滅する。
【００２０】
なお、市水系原水には一般的に抗菌作用のある残留塩素が含まれており、また、工水・井水系原水においても配管及びタンク内での微生物の繁殖を抑制する目的からＮａＣｌＯ等の酸化剤（抗菌剤）が注入される。このような酸化剤が生物活性炭塔内に流入すると、微生物の繁殖を抑制したり死滅させる可能性があるため、酸化剤が生物活性炭塔に流入しないように、生物活性炭塔の流入水に還元剤を添加して酸化剤を分解しておくことが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の超純水製造装置及び超純水製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す系統図である。
【００２３】
一次純水系システム２の原水は、工水、市水、井水、或いはこれに回収水（超純水のコースポイントで回収された使用済超純水）を混合した水を凝集、加圧浮上（沈殿）、濾過装置等よりなる前処理システム１で処理して得られた水である。
【００２４】
生物活性炭塔に流入する水を前処理しておくことにより、生物活性炭塔の活性炭の寿命が長くなる。即ち、凝集沈殿処理等の前処理を行っていない水には、有機物中の生分解性の低い高分子系有機物成分の割合が多く、このような水を生物活性炭塔に通水すると、前述の生物による有機物の分解及び活性炭の再生効果が得られないために、活性炭が早期に破過してしまう。これに対し、生物活性炭塔を一次純水系システム２に設け、前処理を経た水を生物活性炭塔に通水することにより、高分子系有機物は前処理で除去され、低分子系有機物は生物活性炭で除去される。しかも、この低分子系有機物が生物活性炭で生物的に分解されるため、生物活性炭の寿命が著しく長いものとなる。
【００２５】
生物活性炭塔は、生物活性炭塔給水の溶存酸素濃度を高めるために、図１に示す如く、脱炭酸塔の後段に設けられることが好ましい。即ち、脱炭酸塔では、炭酸の除去のために一般に空気を吹き込むため、空気中の酸素が水中に溶け込み、生物活性炭塔に必要な溶存酸素を確保することができる。一般に、工水、市水、井水、更には回収水を前処理して得られる水のＴＯＣは、１ｍｇ／Ｌ程度であるので、この脱炭酸塔で溶解する程度の酸素量で生物活性炭塔に必要な酸素量を十分にまかなうことができる。また、生物活性炭塔から放出される余剰菌体の除去という観点から、逆浸透膜分離装置の前段に設置し、生物活性炭塔と逆浸透膜分離装置との間に抗菌手段を設けることが好ましい。
【００２６】
なお、生物活性炭塔から流出した菌体による逆浸透膜分離装置の目詰まりを防止するために、抗菌手段と逆浸透膜分離装置との間には保安フィルターを設けることが望ましい。
【００２７】
生物活性炭塔に充填する活性炭種としては石炭系、椰子殻系等のいずれでも良く、破砕炭、造粒炭、成形炭、クロス状、繊維状等、その形状、種類等に特に制限はない。
【００２８】
生物活性炭塔への活性炭充填方式は、流動床、膨張層、固定床などのいずれでもよいが、菌体のリークが少ないところから固定床が好ましい。生物活性炭塔の通水方式は上向流通水であっても下向流通水であっても良い。
【００２９】
生物活性炭塔の生物担持量は、通水初期の状態でメタノール除去速度１０μｇ／Ｌ／ｍｉｎ以上を達成できるようなものであることが好ましい。このメタノール除去速度は、例えば、生物活性炭塔にＴＯＣとしてメタノールを含有する水をＳＶ２０ｈｒ^−１で通水したときの入口ＴＯＣ濃度と出口ＴＯＣ濃度とから、ＴＯＣ除去量を求め、これを滞留時間（ＨＲＴ）で除して求められる。
【００３０】
本発明においては、このような生物活性炭塔に、実質的に抗菌剤の存在しない条件下で原水を通水し、生物活性炭で菌体を十分に増殖させる。
【００３１】
前述の如く、市水系原水には一般的に抗菌作用のある残留塩素が含まれており、また、工水・井水系原水においても配管及びタンク内での微生物の繁殖を抑制する目的からＮａＣｌＯ等の酸化剤（抗菌剤）が注入されることから、生物活性炭塔の流入水中に、このような酸化剤が存在する場合には、ＮａＨＳＯ_３等の還元剤を添加して、これらの酸化剤を分解除去しておく。
【００３２】
この場合、生物活性炭塔の給水中の残留塩素濃度が０．５ｍｇ／Ｌ以下、好ましくは０ｍｇ／Ｌとなるように還元剤を添加することが好ましい。また、還元剤は、還元剤添加後の配管及びタンク内での微生物の繁殖を抑制するために、生物活性炭塔の直前で添加されるのが好ましい。
【００３３】
生物活性炭塔内の菌体付着量を１０^６個／ｇ−活性炭以上、例えば１０^６〜１０^９個／ｇ−活性炭とすることにより、ＴＯＣ成分を著しく低濃度にまで除去することができる。
【００３４】
生物活性炭塔への通水速度は、ＳＶ５〜３０ｈｒ^−１程度とするのが好ましい。この生物活性炭塔の給水の水温は１０〜３５℃、ｐＨは４〜８であることが好ましく、従って、必要に応じて、生物活性炭塔の前段に熱交換器やｐＨ調整剤添加手段を設けることが望ましい。
【００３５】
生物活性炭塔の流出水は、非酸化性スライムコントロール剤を添加するか、電磁場装置により電磁場を印加することにより抗菌処理する。この抗菌手段は、生物活性炭塔の直後に設けることが好ましい。
【００３６】
なお、抗菌手段としては、非酸化性スライムコントロール剤の添加手段と電磁場装置は各々単独で用いても併用しても良い。
【００３７】
非酸化性スライムコントロール剤としては、２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オン、５−クロロ−２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オン、或いはこれらの塩等の酸化力の弱いスライムコントロール剤や、酸化力のないスライムコントロール剤などを用いることができる。非酸化性スライムコントロール剤は１種を単独で用いても良く、２種以上を混合して用いても良い。
【００３８】
非酸化性スライムコントロール剤の添加量や、電磁場装置による電磁場の印加量は、生物活性炭塔から流出した微生物による後段の逆浸透膜分離装置やイオン交換装置の目詰まりを防止し得る程度であれば良い。非酸化性スライムコントロール剤であれば、１〜１０ｍｇ／Ｌ程度の添加で良好な添加効果を得ることができる。
【００３９】
なお、図示の通り、生物活性炭塔及び抗菌手段を一次純水系システムの脱炭酸塔と逆浸透膜分離装置との間に設けることにより、脱炭酸塔による溶存酸素供給及び逆浸透膜分離装置による流出菌体の捕捉を行うことができる。
【００４０】
【実施例】
以下に実験例、実施例及び比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
【００４１】
実験例１
市水（ＴＯＣ濃度１ｍｇ／Ｌ、塩素濃度０．６ｍｇ／Ｌ、ｐＨ６．８、水温２０℃）を原水として、通常の活性炭塔と生物活性炭塔とにそれぞれ通水ＳＶ：２０ｈｒ^−１，通水速度２０Ｌ／ｈｒで１年間通水し、ＴＯＣの除去性能を比較する実験を行い、結果を図３に示した。
【００４２】
なお、活性炭塔及び生物活性炭塔に用いた活性炭種はクラレケミカル社製石炭系活性炭「ＫＷ１０−３２」であり、活性炭充填量は１Ｌとした。生物活性炭塔は、メタノール分解除去速度１０μｇ／Ｌ／ｍｉｎとなるように生物を担持させたものである。原水には、活性炭塔又は生物活性炭塔の入口の残留塩素濃度が０ｍｇ／Ｌとなるように、ＮａＨＳＯ_３を添加した。また、ＴＯＣ除去性能は、活性炭塔又は生物活性炭塔の入口のＴＯＣ濃度と出口のＴＯＣ濃度とをアナテル社製「Ａ−１０００ＸＰ」で測定し、（出口ＴＯＣ濃度÷入口ＴＯＣ濃度）でＴＯＣのリーク率を求めることにより調べた。
【００４３】
図３より明らかなように、通水開始後１ヶ月ぐらいまでは両者の結果に大きな相違は見られなかったが、１ヶ月を過ぎたあたりから両者の除去率には開きが生じ、通常の活性炭塔では通水開始２００日で原水ＴＯＣに対し９０％以上がリークした。しかし、生物活性炭塔では６０％と通常の活性炭塔に比べ１．５倍のＴＯＣ除去性能を発揮した。
【００４４】
これは、通常の活性炭塔では、活性炭による吸着性能のみでＴＯＣを除去するため、早期に活性炭の吸着能が飽和し、ＴＯＣがリークしてくるのに対して、生物活性炭塔では、活性炭による吸着のみならず、生物によるＴＯＣ分解と生物による活性炭の吸着能の再生作用が得られ、長期に亘りＴＯＣ除去能が維持されることによるものである。
【００４５】
実施例１
市水（ＴＯＣ濃度１ｍｇ／Ｌ、ｐＨ６．８、水温２０℃、塩素濃度０．６ｍｇ／Ｌ）を、２ｍ^３／ｈｒの処理量で一次純水系システムとしての脱炭酸塔、生物活性炭塔、逆浸透膜分離装置、混床式イオン交換装置、脱気装置及び逆浸透膜分離装置に順次通水した後、サブシステムとしての低圧紫外線酸化装置、イオン交換純水装置、及び限外濾過膜分離装置に順次通水して処理して超純水を製造する超純水製造装置において、生物活性炭塔の出口水のＴＯＣ濃度と、得られた超純水（限外濾過膜分離装置の出口水）のＴＯＣ濃度を調べ、結果を表１に示した。ＴＯＣ濃度はアナテル社製「Ａ−１０００ＸＰ」を用いて測定した。
【００４６】
なお、用いた生物活性炭塔は、実験例１で用いたものと同様の活性炭種及びメタノール除去性能のものであり、通水ＳＶは２０ｈｒ^−１とした。また、市水にはＮａＨＳＯ_３を添加して生物活性炭塔の入口の残留塩素濃度が０ｍｇ／Ｌとなるように調整し、生物活性炭塔の流出水には非酸化性スライムコントロール剤として２−メチル−４−イソチアゾリン−３−オンを３ｍｇ／Ｌに添加した後逆浸透膜分離装置に供給した。
【００４７】
比較例１
実施例１において、生物活性炭塔の代りに通常の活性炭塔を用いたこと以外は同様にして超純水の製造を行い、活性炭塔の出口水のＴＯＣ濃度と得られた超純水のＴＯＣ濃度を調べ、結果を表１に示した。
【００４８】
【表１】

【００４９】
表１より次のことが明らかである。
【００５０】
即ち、活性炭塔で処理した比較例１では、通水日数に伴いＴＯＣ値が増加し超純水中のＴＯＣ値は１μｇ／Ｌ程度で安定した。これは図３で示した活性炭塔での傾向と同じである。一方、生物活性炭塔を用いた実施例１においては通水日数によらず超純水のＴＯＣ濃度は０．３μｇ／Ｌ程度で安定しており、図３で示した、生物活性炭塔単独の時とは傾向が異なる。これは、一部のＴＯＣ成分が生物活性炭塔内で完全に分解、吸着除去されなかったとしても、生物活性炭塔を通過することにより生物によって何らかの形態変化を受け、後段の逆浸透膜分離装置やイオン交換装置で除去可能物質に変化したため、ＴＯＣ濃度が低い値で安定するためと考えられる。
【００５１】
実験例２
実施例１において、生物活性炭塔の後段の逆浸透膜分離装置の透過水量の経時変化を調べ、結果を図４に示した。
【００５２】
また、比較のため非酸化性スライムコントロール剤を添加しなかったこと以外は同様に処理を行った場合の生物活性炭塔の後段の逆浸透膜分離装置の透過水量の経時変化を調べ、結果を図４に併記した。
【００５３】
図４より明らかなように、生物活性炭塔流出水に非酸化性スライムコントロール剤を添加した場合には、通水開始から４０日を経過しても透過水量の低下は認められないが、非酸化性スライムコントロール剤を添加しない場合には、通水開始から徐々に透過水量が低下して、４０日後には初期透過水量の７５％にまで低下した。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の超純水製造装置及び超純水製造方法によれば、ＴＯＣ濃度が著しく低い、不純物の問題のない高純度な超純水を長期に亘り安定に製造することができる。本発明の超純水製造装置及び超純水製造方法により製造された超純水は、超ＬＳＩチップ洗浄水として、良好な洗浄効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す系統図である。
【図２】従来の超純水製造装置を示す系統図である。
【図３】実験例１の結果を示すグラフである。
【図４】実験例２の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１前処理システム
２一次純水系システム
３サブシステム

Claims

一次純水系システムと、該一次純水系システムの処理水を処理するサブシステムとを有する超純水製造装置において、
該一次純水系システムの原水は、工水、市水、井水、或いはこれに回収水（超純水のコースポイントで回収された使用済超純水）を混合した水を凝集、加圧浮上（沈殿）、又は濾過装置を含む前処理システムで処理して得られた水であり、
該一次純水系システムに、生物活性炭塔と、該生物活性炭塔の流出水を抗菌処理する抗菌手段とが設けられており、
該生物活性炭塔に流入する水に還元剤を添加する手段を備え、
該生物活性炭塔は、抗菌剤が実質的に存在しない条件下で原水中の有機物を生物的に分解するものであることを特徴とする超純水製造装置。
請求項１において、該抗菌手段が非酸化性スライムコントロール剤の添加手段と電磁場装置との少なくとも一方であることを特徴とする超純水製造装置。
請求項１又は２において、該生物活性炭塔中の活性炭への菌体付着量が１０^６個／ｇ以上であることを特徴とする超純水製造装置。
原水を一次純水系システムで処理した後、サブシステムで処理する超純水製造方法において、
該原水は、工水、市水、井水、或いはこれに回収水（超純水のコースポイントで回収された使用済超純水）を混合した水を凝集、加圧浮上（沈殿）、又は濾過装置を含む前処理システムで処理して得られた水であり、
該一次純水系システムにおいて、該生物活性炭塔に流入する水に還元剤を添加し、原水を実質的に抗菌剤が存在しない条件下で生物活性炭塔に通水して原水中の有機物を生物的に分解した後、該生物活性炭塔の流出水を抗菌処理することを特徴とする超純水製造方法。
請求項４において、該抗菌処理が、該生物活性炭塔の流出水への非酸化性スライムコントロール剤の添加、及び／又は電磁場の印加であることを特徴とする超純水製造方法。
請求項４又は５において、該生物活性炭塔中の活性炭への菌体付着量が１０^６個／ｇ以上であることを特徴とする超純水製造方法。