JP5116710B2 - Electric deionized water production apparatus and deionized water production method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体、液晶、製薬、食品工業等の各種産業、民生用ないし研究施設等において利用される電気式脱イオン水製造装置及び脱イオン水の製造方法の技術に関する。 The present invention relates to a technique for an electric deionized water production apparatus and a deionized water production method used in various industries such as semiconductors, liquid crystals, pharmaceuticals, and food industries, consumer use, and research facilities.
脱イオン水を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られている。しかし、この方法では、イオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに、通常薬剤によって再生を行う。このような再生処理は、処理操作上の不利であり、このような点を解消するため、薬剤による再生が不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。 As a method for producing deionized water, a method of performing deionization by passing water to be treated through an ion exchange resin has been known. However, in this method, when the ion exchange resin is saturated with ions, regeneration is usually performed with a drug. Such regeneration treatment is disadvantageous in processing operation, and in order to eliminate such a point, a deionized water production method by an electric deionization method that does not require regeneration by a chemical agent has been established and has been put into practical use. .
このような脱塩処理を行う電気式脱イオン水製造装置(EDI)においては、陽極と陰との間に、一側のカチオン交換膜と他側のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、カチオン交換膜、アニオン交換膜を介して脱塩室の両側に濃縮室とが配置される。通常、脱塩室及び濃縮室は複数組配置される。そして、電気式脱イオン水製造装置によって脱イオン水を製造する場合、陽極と陰極間に直流電流を流した状態で、イオン交換体が充填された脱塩室内に被処理水を、濃縮室に濃縮水を通水させることによって、被処理水中のイオンを濃縮水中に移動させ、脱イオン水を得る。 In an electric deionized water production apparatus (EDI) that performs such desalting treatment, an ion exchanger is partitioned between an anode and a shade by a cation exchange membrane on one side and an anion exchange membrane on the other side. And a concentrating chamber on both sides of the desalting chamber via a cation exchange membrane and an anion exchange membrane. Usually, a plurality of sets of desalting chambers and concentrating chambers are arranged. When deionized water is produced by an electric deionized water production apparatus, water to be treated is placed in a demineralization chamber filled with an ion exchanger in a state where a direct current is passed between the anode and the cathode. By passing the concentrated water, ions in the water to be treated are moved into the concentrated water to obtain deionized water.
ここで、脱塩室に流入させる被処理水中の硬度が高い場合、例えば、水道水または水道水をRO膜処理した水を被処理水として用いると、濃縮室のアニオン交換膜面に硬度スケールが発生しやすい。すなわち、被処理水中に炭酸成分と硬度成分が含まれていると、電気式脱イオン水製造装置の濃縮室に移動したカルシウムイオンやマグネシウムイオンが濃縮室のアニオン交換膜面で炭酸イオン等と結合し、炭酸カルシウムや炭酸マグネシウム等の硬度スケールを生じやすい。 Here, when the hardness of the water to be treated flowing into the desalination chamber is high, for example, when tap water or water obtained by subjecting tap water to RO membrane treatment is used as the water to be treated, a hardness scale is formed on the anion exchange membrane surface of the concentration chamber. Likely to happen. In other words, if the water to be treated contains a carbonate component and a hardness component, calcium ions and magnesium ions that have moved to the concentration chamber of the electric deionized water production apparatus are combined with carbonate ions etc. on the anion exchange membrane surface of the concentration chamber. However, it is easy to produce hardness scales such as calcium carbonate and magnesium carbonate.
特許文献1には、濃縮室のアニオン交換膜側に特定構造のアニオン交換体を配置する電気式脱イオン水製造装置が提案されている。この特許文献1の装置によれば、OHイオンの濃縮液への拡散希釈が、多孔性アニオン交換体表面より促進され、多孔性アニオン交換体表面におけるOHイオン濃度の速やかな低減が図られる。他方、硬度成分イオンは、多孔性アニオン交換体の内部に侵入し難くなり、OHイオンと硬度成分イオンとが接触し反応する機会が低減されるため、硬度成分の析出や蓄積が抑制される。 Patent Document 1 proposes an electric deionized water production apparatus in which an anion exchanger having a specific structure is disposed on the anion exchange membrane side of a concentration chamber. According to the apparatus of Patent Document 1, diffusion dilution of OH ions into a concentrated liquid is promoted from the surface of the porous anion exchanger, and the OH ion concentration on the surface of the porous anion exchanger can be quickly reduced. On the other hand, hardness component ions are less likely to enter the interior of the porous anion exchanger, and the opportunity for OH ions and hardness component ions to contact and react with each other is reduced, so that precipitation and accumulation of hardness components are suppressed.
しかし、被処理水中の炭酸(遊離炭酸、重炭酸イオン、炭酸イオンの総称)が脱塩室から陽極側のアニオン交換膜を介して濃縮室へ移動すると、(詳細は後述するが)濃縮室内のアニオン交換体はHCO3形となる。そして、HCO3形のアニオン交換体に電流が流れると、HCO3 −(及びCO3 2−)が電場によってカチオン交換膜近傍まで引き寄せられるが、カチオン交換膜を透過することはできず、カチオン交換膜近傍で濃縮される。また、水素イオンがカチオン交換膜を透過してくるため、カチオン交換膜付近のpHは低くなる。そうすると、水と炭酸ガス(CO2)が発生し、カチオン交換膜近傍に高濃度炭酸ガス含有水溶液層が形成される。そして、炭酸ガスは、拡散によってカチオン交換膜10を透過して脱塩室へ移動(逆拡散)してしまう。すなわち、一旦被処理水中から除去された炭酸が、炭酸ガスとして被処理水中に再度溶解される、いわゆる炭酸の逆拡散が発生し、脱塩室から排出される処理水が炭酸成分で汚染される。 However, when carbonic acid in the water to be treated (generic name for free carbonate, bicarbonate ion, carbonate ion) moves from the desalting chamber to the concentration chamber via the anion exchange membrane on the anode side (details will be described later), The anion exchanger is in the HCO 3 form. Then, a current flows through the anion exchanger of HCO 3 form, HCO 3 - (and CO 3 2-) but are attracted to the cation exchange membrane near by the electric field, can not be transmitted through the cation exchange membrane, a cation exchange It is concentrated near the membrane. Further, since hydrogen ions permeate the cation exchange membrane, the pH in the vicinity of the cation exchange membrane is lowered. Then, water and carbon dioxide (CO 2 ) are generated, and a high-concentration carbon dioxide-containing aqueous solution layer is formed in the vicinity of the cation exchange membrane. Then, the carbon dioxide gas permeates through the cation exchange membrane 10 by diffusion and moves (back diffuses) to the desalting chamber. That is, carbon dioxide once removed from the water to be treated is dissolved again as carbon dioxide gas in the water to be treated, so-called reverse diffusion of carbonic acid occurs, and the treated water discharged from the desalting chamber is contaminated with carbonic acid components. .
特許文献2では、濃縮室に充填されたアニオン交換樹脂とカチオン交換膜との間に強塩基性アニオン基を有さない水透過性体を設けることにより、炭酸の逆拡散の発生を抑制する電気式脱イオン水製造装置が提案されている。この特許文献2の装置によれば、HCO3 −等が水透過性体でブロックされ、カチオン交換膜近傍にまで拡散することを防止して、炭酸の逆拡散を防止することができる。 In Patent Document 2, by providing a water permeable body having no strongly basic anion group between an anion exchange resin and a cation exchange membrane filled in a concentrating chamber, A deionized water production system has been proposed. According to the apparatus of Patent Document 2, it is possible to prevent the reverse diffusion of carbonic acid by preventing HCO 3 − and the like from being blocked by the water permeable material and diffusing to the vicinity of the cation exchange membrane.
また、特許文献3には、濃縮室にアニオン交換樹脂及びカチオン交換樹脂を充填することにより、炭酸の逆拡散の発生を抑制する電気式脱イオン水製造装置が提案されている。この特許文献3の装置によれば、カチオンおよびアニオンの両方が濃縮室内で移動可能になり、炭酸の逆拡散を比較的小さくして、かつスケールの発生も少なくできる。 Patent Document 3 proposes an electric deionized water production apparatus that suppresses the occurrence of reverse diffusion of carbonic acid by filling an anion exchange resin and a cation exchange resin in a concentration chamber. According to the apparatus of Patent Document 3, both the cation and the anion can move in the concentration chamber, so that the reverse diffusion of carbon dioxide can be made relatively small and the generation of scale can be reduced.
なお、出願人は、先に濃縮室のアニオン交換体とカチオン交換膜の間に、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なり合った部分に開口部を有する連続気泡構造のモノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置したEDIを提案している(特願2007−318125号)。 In addition, the applicant previously stated that the macroporous pores overlap each other between the anion exchanger and the cation exchange membrane in the concentrating chamber, and the monolithic organic porous cation exchange has an open cell structure having an opening at the overlapped portion. An EDI with a body is proposed (Japanese Patent Application No. 2007-318125).
しかしながら、特願2007−318125号に記載の有機多孔質陽イオン交換体は、断面積中の骨格部の面積が、単位断面積当たり3〜50%の範囲と記載されているものの、全細孔容積5ml/g以下の細孔容積の小さなモノリスについては、油中水滴型エマルジョン中の水滴の量を少なくする必要があるため共通の開口は小さくなり、実質的に開口の平均径20μm以上のものは製造できない。このため、本発明で使用する有機多孔質陽イオン交換体と特願2007−318125号に記載の有機多孔質陽イオン交換体とはその構造を違える。なお、特願2007−318125号に記載の有機多孔質陽イオン交換体の製造方法の詳細は、特開2002−306976号にも開示されている。 However, in the organic porous cation exchanger described in Japanese Patent Application No. 2007-318125, the area of the skeleton part in the cross-sectional area is described as being in the range of 3 to 50% per unit cross-sectional area. For monoliths with a small pore volume of 5 ml / g or less, it is necessary to reduce the amount of water droplets in the water-in-oil emulsion, so the common opening becomes small, and the average diameter of the opening is substantially 20 μm or more. Cannot be manufactured. Therefore, the structure of the organic porous cation exchanger used in the present invention is different from that of the organic porous cation exchanger described in Japanese Patent Application No. 2007-318125. Details of the method for producing an organic porous cation exchanger described in Japanese Patent Application No. 2007-318125 are also disclosed in JP-A No. 2002-306976.
従って、本発明の目的は、上記と異なる構成で炭酸の逆拡散の発生を抑制し、高水質の脱イオン水を得ることができる電気式脱イオン水製造装置及び脱イオン水の製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electric deionized water production apparatus and a deionized water production method capable of suppressing the occurrence of reverse diffusion of carbonic acid with a configuration different from the above and obtaining high-quality deionized water. There is to do.
本発明は、陽極と陰極との間に、陰極側のカチオン交換膜と陽極側のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、前記カチオン交換膜、前記アニオン交換膜を介して前記脱塩室の両側に設けられ、アニオン交換体が充填された濃縮室とを配置する電気式脱イオン水製造装置であって、前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、モノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置し、前記モノリス状有機多孔質カチオン交換体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径30〜300μmの開口となる連続マクロポア構造体であり、全細孔容積0.5〜5ml/gであり、該連続マクロポア構造体(乾燥体)の切断面のSEM画像において、断面に表れる骨格部面積が、画像領域中25〜50%である(以下、「第1のモノリスイオン交換体」とも言う。)ことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。 The present invention provides a desalting chamber partitioned between a cathode and a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode side and filled with an ion exchanger, the cation exchange membrane, and the anion exchange. An electric deionized water production apparatus in which a concentration chamber provided on both sides of the demineralization chamber via a membrane and filled with an anion exchanger is disposed, the anion exchanger in the concentration chamber and the cation exchange membrane The monolithic organic porous cation exchanger is disposed between the two, and the monolithic organic porous cation exchanger has an average diameter of 30 to 300 μm in a state where the macroscopic pores overlap each other and the overlapping portion is wet with water. It is a continuous macropore structure serving as an opening, and has a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g. In the SEM image of the cut surface of the continuous macropore structure (dried body), the skeleton part area that appears in the cross section , From 25 to 50% in image area (hereinafter, also referred to as "first monolithic ion exchanger".) It is intended to provide an electrodeionization water producing apparatus according to claim.
また、本発明は、陽極と陰極との間に、陰極側のカチオン交換膜と陽極側のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、前記カチオン交換膜、前記アニオン交換膜を介して前記脱塩室の両側に設けられ、アニオン交換体が充填された濃縮室とを配置する電気式脱イオン水製造装置であって、前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、モノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置し、前記モノリス状有機多孔質カチオン交換体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径30〜300μmの開口となる連続マクロポア構造体であり、全細孔容積0.5〜5ml/gであって、下記工程;イオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が5〜16ml/gの連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体を得るI工程、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製するII工程、II工程で得られた混合物を静置下、且つ該I工程で得られたモノリス状の有機多孔質中間体の存在下に重合を行い、該有機多孔質中間体の骨格より太い骨格を有する骨太有機多孔質体を得るIII工程、該III工程で得られた骨太有機多孔質体に陽イオン交換基を導入するIV工程、を行うことで得られるものである電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。 Further, the present invention provides a desalting chamber partitioned between a cathode and a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode side and filled with an ion exchanger, the cation exchange membrane, An electrical deionized water production apparatus in which a concentration chamber provided on both sides of the desalting chamber via an anion exchange membrane and filled with an anion exchanger is provided, the anion exchanger in the concentration chamber and the cation A monolithic organic porous cation exchanger is disposed between the exchange membrane, and the monolithic organic porous cation exchanger has an average diameter of 30 to 30 in which the macroscopic pores overlap each other and the overlapping portion is wet with water. 300 [mu] m is a continuous macropores structure comprising an opening of a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g, the following steps; oil-soluble monomer not containing an ion exchange group, the mixture of surfactant and water A water-in-oil emulsion is prepared by stirring, and then the water-in-oil emulsion is polymerized to obtain a monolithic organic porous intermediate having a continuous macropore structure with a total pore volume of 5 to 16 ml / g , A vinyl monomer, a cross-linking agent having at least two vinyl groups in one molecule, a mixture of an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the cross-linking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer and a polymerization initiator The step II for preparing the mixture, the mixture obtained in the step II is allowed to stand, and the polymerization is carried out in the presence of the monolithic organic porous intermediate obtained in the step I to form a skeleton of the organic porous intermediate Obtained by performing Step III for obtaining a thick organic porous body having a thicker skeleton, and Step IV for introducing a cation exchange group into the thick organic porous body obtained in Step III. There is provided an electrodeionization water producing apparatus is shall.
また、本発明は、陽極と陰極との間に、陰極側のカチオン交換膜と陽極側のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、前記カチオン交換膜、前記アニオン交換膜を介して前記脱塩室の両側に設けられ、アニオン交換体が充填された濃縮室とを配置する電気式脱イオン水製造装置であって、前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、モノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置し、前記モノリス状有機多孔質カチオン交換体は、イオン交換基が導入された全構成単位中、架橋構造単位を0.3〜5.0モル%含有する芳香族ビニルポリマーからなる太さが1〜60μmの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に直径が10〜100μmの三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体であって、全細孔容積が0.5〜5ml/gである(以下、「第2のモノリスイオン交換体」とも言う。)電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。 Further, the present invention provides a desalting chamber partitioned between a cathode and a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode side and filled with an ion exchanger, the cation exchange membrane, An electrical deionized water production apparatus in which a concentration chamber provided on both sides of the desalting chamber via an anion exchange membrane and filled with an anion exchanger is provided, the anion exchanger in the concentration chamber and the cation A monolithic organic porous cation exchanger is disposed between the exchange membrane, and the monolithic organic porous cation exchanger has a cross-linking structural unit of 0.3 to 0.3 in all the structural units into which ion exchange groups are introduced. Consists of a three-dimensionally continuous skeleton having a thickness of 1 to 60 μm made of an aromatic vinyl polymer containing 5.0 mol% and three-dimensionally continuous pores having a diameter of 10 to 100 μm between the skeletons. A co-continuous structure, The present invention provides an apparatus for producing electrical deionized water having a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g (hereinafter also referred to as “second monolith ion exchanger”).
また、本発明は、陽極と陰極との間に、陰極側のカチオン交換膜と陽極側のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、前記カチオン交換膜、前記アニオン交換膜を介して前記脱塩室の両側に設けられ、アニオン交換体が充填された濃縮室と、を配置する電気式脱イオン水製造装置を利用して脱イオン水を製造する脱イオン水の製造方法であって、前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径30〜300μmの開口となる連続マクロポア構造体であり、全細孔容積0.5〜5ml/gであり、該連続マクロポア構造体(乾燥体)の切断面のSEM画像において、断面に表れる骨格部面積が、画像領域中25〜50%であるモノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置する脱イオン水の製造方法を提供するものである。 Further, the present invention provides a desalting chamber partitioned between a cathode and a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode side and filled with an ion exchanger, the cation exchange membrane, Deionized water for producing deionized water using an electric deionized water production apparatus that is disposed on both sides of the demineralization chamber via an anion exchange membrane and is provided with a concentration chamber filled with an anion exchanger. In which the bubble-like macropores overlap each other between the anion exchanger in the concentrating chamber and the cation exchange membrane, and the overlapping portions are continuously formed as openings having an average diameter of 30 to 300 μm in a wet state of water. It is a macropore structure and has a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g. In the SEM image of the cut surface of the continuous macropore structure (dry body), the skeletal area shown in the cross section is 25 to 25 in the image region. 50% There is provided a method for producing deionized water to place the monolithic organic porous cation exchanger that.
また、本発明は、陽極と陰極との間に、陰極側のカチオン交換膜と陽極側のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、前記カチオン交換膜、前記アニオン交換膜を介して前記脱塩室の両側に設けられ、アニオン交換体が充填された濃縮室と、を配置する電気式脱イオン水製造装置を利用して脱イオン水を製造する脱イオン水の製造方法であって、前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、イオン交換基が導入された全構成単位中、架橋構造単位を0.3〜5.0モル%含有する芳香族ビニルポリマーからなる太さが1〜60μmの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に直径が10〜100μmの三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体であって、全細孔容積が0.5〜5ml/gであるモノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置する脱イオン水の製造方法を提供するものである。 Further, the present invention provides a desalting chamber partitioned between a cathode and a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode side and filled with an ion exchanger, the cation exchange membrane, Deionized water for producing deionized water using an electric deionized water production apparatus that is disposed on both sides of the demineralization chamber via an anion exchange membrane and is provided with a concentration chamber filled with an anion exchanger. The method of manufacturing, wherein 0.3 to 5.0 mol% of a cross-linking structural unit is contained in all the structural units having an ion exchange group introduced between the anion exchanger in the concentration chamber and the cation exchange membrane. A co-continuous structure comprising a three-dimensionally continuous skeleton having a thickness of 1 to 60 μm and a three-dimensionally continuous pore having a diameter of 10 to 100 μm between the skeletons. The total pore volume is 0.5-5 ml / g There is provided a method for producing deionized water to place the monolithic organic porous cation exchanger.
本発明によれば、炭酸の逆拡散の発生を抑制し、高水質の脱イオン水を得ることができる。また、本発明は、モノリス状有機多孔質カチオン交換体の強度を高くできる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation | occurrence | production of the reverse diffusion of a carbonic acid can be suppressed and high quality deionized water can be obtained. In addition, the present invention can increase the strength of the monolithic organic porous cation exchanger.
本発明の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置は、陽極と陰極との間に、一側のカチオン交換膜と他側のアニオン交換膜とで区画され、イオン交換体が充填された脱塩室と、前記カチオン交換膜、前記アニオン交換膜を介して前記脱塩室の両側に設けられ、アニオン交換体が充填された濃縮室とが配置される。ここで、本実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の脱塩室は、上記構成を有するものであれば、単一の脱塩室であっても、例えば、当該カチオン交換膜と当該アニオン交換膜との間に位置する中間イオン交換膜により2つの小脱塩室に区画された脱塩室であって、被処理水が2つの小脱塩室を順次流れるように構成されたものであってもよい。この2つの小脱塩室に区画された脱塩室を用いると、被処理水の脱塩処理を効率よく行うことが可能になる。 The electric deionized water production apparatus according to the embodiment of the present invention is a deionization system in which an cation exchange membrane on one side and an anion exchange membrane on the other side are partitioned between an anode and a cathode and filled with an ion exchanger. A salt chamber and a concentration chamber provided on both sides of the desalting chamber through the cation exchange membrane and the anion exchange membrane and filled with an anion exchanger are arranged. Here, as long as the demineralization chamber of the electric deionized water production apparatus according to the present embodiment has the above configuration, for example, the cation exchange membrane and the anion A desalination chamber partitioned into two small desalination chambers by an intermediate ion exchange membrane positioned between the exchange membranes and configured to allow water to be treated to flow sequentially through the two small desalination chambers. There may be. If the desalting chamber divided into these two small desalting chambers is used, it becomes possible to efficiently perform desalting treatment of the water to be treated.
以下に、カチオン交換膜とアニオン交換膜との間に位置する中間イオン交換膜により2つの小脱塩室に区画された脱塩室を一例として説明する。 Hereinafter, a desalting chamber partitioned into two small desalting chambers by an intermediate ion exchange membrane located between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane will be described as an example.
図13は、本実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。電気式脱イオン水製造装置1には、カチオン交換膜10と、中間イオン交換膜12と、アニオン交換膜14とが互いに離間して交互に配置され、中間イオン交換膜12とアニオン交換膜14とで区画される第一小脱塩室d1、d3、d5及びカチオン交換膜10と中間イオン交換膜12とで区画される第二小脱塩室d2、d4、d6が形成されている。第一小脱塩室d1と第二小脱塩室d2とで脱塩室D1、第一小脱塩室d3と第二小脱塩室d4とで脱塩室D2、第一小脱塩室d5と第二小脱塩室d6とで脱塩室D3を形成する。また、脱塩室D1とD2、D2とD3のそれぞれの間に位置するアニオン交換膜14とカチオン交換膜10とで形成される部分は、濃縮水を流すための濃縮室16(16a、16b)とする。これを順次に併設して図13中、左より脱塩室D1、濃縮室16a、脱塩室D2、濃縮室16b、脱塩室D3が形成される。なお、図13の脱塩室及び濃縮室の数は、被処理水の処理流量などにより適宜決定され、上記に限定されない。また、濃縮室は、必要に応じて脱塩室と後述する電極室との間に設けることもできる。 FIG. 13 is a schematic configuration diagram of an electric deionized water production apparatus according to this embodiment. In the electric deionized water production apparatus 1, the cation exchange membrane 10, the intermediate ion exchange membrane 12, and the anion exchange membrane 14 are alternately arranged apart from each other, and the intermediate ion exchange membrane 12, the anion exchange membrane 14, The first small desalination chambers d1, d3, d5 and the second small desalination chambers d2, d4, d6 partitioned by the cation exchange membrane 10 and the intermediate ion exchange membrane 12 are formed. The first small desalination chamber d1 and the second small desalination chamber d2 are the desalination chamber D1, the first small desalination chamber d3 and the second small desalination chamber d4 are the desalination chamber D2, and the first small desalination chamber d2. A desalting chamber D3 is formed by d5 and the second small desalting chamber d6. A portion formed by the anion exchange membrane 14 and the cation exchange membrane 10 located between the desalting chambers D1 and D2 and D2 and D3 is a concentration chamber 16 (16a, 16b) for flowing concentrated water. And These are sequentially arranged to form a desalting chamber D1, a concentrating chamber 16a, a desalting chamber D2, a concentrating chamber 16b, and a desalting chamber D3 from the left in FIG. In addition, the number of the desalting chambers and the concentration chambers in FIG. Further, the concentration chamber can be provided between the desalting chamber and an electrode chamber described later, if necessary.
図13に示す第一小脱塩室d1、d3、d5には、アニオン交換体20が充填され、第二小脱塩室d2、d4、d6には、アニオン交換体及びカチオン交換体の混合イオン交換体18(以下、単に「混合体18」とも言う。)が充填されている。なお、第一小脱塩室d1、d3、d5及び第二小脱塩室d2、d4、6に充填されるイオン交換体は、上記に限定されるものではなく、脱塩処理の目的に応じて適宜選択すればよい。 The first small desalting chambers d1, d3, and d5 shown in FIG. 13 are filled with the anion exchanger 20, and the second small desalting chambers d2, d4, and d6 are mixed ions of the anion exchanger and the cation exchanger. The exchanger 18 (hereinafter also simply referred to as “mixture 18”) is filled. In addition, the ion exchangers filled in the first small desalting chambers d1, d3, d5 and the second small desalting chambers d2, d4, 6 are not limited to the above, depending on the purpose of the desalting treatment. May be selected as appropriate.
上記実施の形態における中間イオン交換膜12はアニオン交換膜であるが、特に制限されるものではない。 The intermediate ion exchange membrane 12 in the above embodiment is an anion exchange membrane, but is not particularly limited.
濃縮室16a、16bには、アニオン交換体22が充填されている。濃縮室16a、16bにアニオン交換体22を充填することで、濃縮室16a、16bのカチオン交換膜10面に炭酸が拡散して、カチオン交換膜10面に硬度スケールが発生するのを防止でき、また高伝導度のアニオン交換体22が存在することで印加電圧を低電圧化することができる。 The concentration chambers 16 a and 16 b are filled with an anion exchanger 22. By filling the concentration chambers 16a and 16b with the anion exchanger 22, it is possible to prevent carbon dioxide from diffusing on the surface of the cation exchange membrane 10 in the concentration chambers 16a and 16b and generating a hardness scale on the surface of the cation exchange membrane 10, Further, the presence of the high conductivity anion exchanger 22 can reduce the applied voltage.
また、濃縮室16a、16bには、アニオン交換体22とカチオン交換膜10との間に、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23が配置されている。モノリス状有機多孔質カチオン交換体23には、マクロポア及び開口部により濃縮室の流路が形成されるか、あるいは共連続構造の空孔により濃縮室の流路が形成されている。 In addition, a monolithic organic porous cation exchanger 23 is disposed between the anion exchanger 22 and the cation exchange membrane 10 in the concentration chambers 16a and 16b. In the monolithic organic porous cation exchanger 23, the flow path of the concentrating chamber is formed by the macropores and the opening, or the flow path of the concentrating chamber is formed by co-continuous pores.
図14は、本実施の形態における濃縮室の構成の一例を示す分解斜視図である。図14に示すように、濃縮室16a、16bには、脱塩室D1、D2のアニオン交換膜14と別の脱塩室D2、D3のカチオン交換膜10との間に枠体25が配置され、枠体25のくり抜かれた部分に、アニオン交換体22が充填されている。また、枠体25とカチオン交換膜10との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体23が配置されている。枠体25とアニオン交換膜14、枠体25とモノリス状有機多孔質カチオン交換体23、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23とカチオン交換膜10はそれぞれ封着されている。また、本実施の形態では、枠体25とカチオン交換膜10との間に別の枠体を配置し、当該枠体のくり抜かれた部分にモノリス状有機多孔質カチオン交換体23が配置されていてもよい。なお、イオン交換膜は通常比較的柔らかいものであるため、アニオン交換膜14と枠体25との封着時には、アニオン交換膜14が湾曲して、枠体25のくり抜かれた部分に充填されたアニオン交換体22の充填層が不均一となりやすい。これを防止するため、枠体25の空間部に複数のリブ(不図示)が縦設されてもよい。また、図では省略するが、枠体25に濃縮水の流入口及び流出口が付設されている。 FIG. 14 is an exploded perspective view showing an example of the configuration of the concentration chamber in the present embodiment. As shown in FIG. 14, in the concentration chambers 16a and 16b, a frame 25 is disposed between the anion exchange membrane 14 in the desalting chambers D1 and D2 and the cation exchange membrane 10 in another desalting chamber D2 and D3. The hollowed out portion of the frame body 25 is filled with the anion exchanger 22. A monolithic organic porous cation exchanger 23 is disposed between the frame 25 and the cation exchange membrane 10. The frame 25 and the anion exchange membrane 14, the frame 25 and the monolithic organic porous cation exchanger 23, the monolithic organic porous cation exchanger 23 and the cation exchange membrane 10 are sealed. In the present embodiment, another frame is disposed between the frame 25 and the cation exchange membrane 10, and the monolithic organic porous cation exchanger 23 is disposed in the hollowed portion of the frame. May be. Since the ion exchange membrane is usually relatively soft, when the anion exchange membrane 14 and the frame 25 are sealed, the anion exchange membrane 14 is curved and filled into the hollowed out portion of the frame 25. The packed bed of anion exchanger 22 tends to be non-uniform. In order to prevent this, a plurality of ribs (not shown) may be provided vertically in the space of the frame body 25. Although not shown in the figure, the frame 25 is provided with an inlet and an outlet of concentrated water.
脱塩室D1、D2、D3も上記同様に枠体を用いて、枠体のくり抜かれた部分にイオン交換体が充填される構成であることが好ましい。すなわち、カチオン交換膜10及び中間イオン交換膜12との間、中間イオン交換膜12とアニオン交換膜14との間に枠体が配置され、各枠体のくり抜かれた部分にイオン交換体が充填される。また各枠体とカチオン交換膜10、中間イオン交換膜12、アニオン交換膜14とは、封着される。 It is preferable that the desalting chambers D1, D2, and D3 have a configuration in which the frame body is used in the same manner as described above, and an ion exchanger is filled in a hollowed portion of the frame body. That is, a frame is disposed between the cation exchange membrane 10 and the intermediate ion exchange membrane 12, and between the intermediate ion exchange membrane 12 and the anion exchange membrane 14, and the ion exchanger is filled in the hollowed portion of each frame. Is done. Further, each frame, the cation exchange membrane 10, the intermediate ion exchange membrane 12, and the anion exchange membrane 14 are sealed.
両端の脱塩室D1、D3の両外側と両電極(陰極24、陽極26)との間の空間をそれぞれ電極室28、30として、ここに電極水(本実施の形態例では濃縮水)が通水される。なお、電極室28、30には、必要に応じてカチオン交換体、アニオン交換体等が充填されてもよい。図13の例では、電極室28にアニオン交換体32が、電極室30にカチオン交換体34が配設されているが、これに限らない。 Spaces between both outer sides of the desalting chambers D1 and D3 at both ends and both electrodes (cathode 24, anode 26) are respectively used as electrode chambers 28 and 30, and electrode water (concentrated water in this embodiment) is provided here. Water is passed. The electrode chambers 28 and 30 may be filled with a cation exchanger, an anion exchanger, or the like as necessary. In the example of FIG. 13, the anion exchanger 32 is disposed in the electrode chamber 28 and the cation exchanger 34 is disposed in the electrode chamber 30, but this is not restrictive.
図13の電気式脱イオン水製造装置1において、被処理水が流入するための第一流入ライン36が、第一小脱塩室d1、d3、d5の入口にそれぞれ接続され、第一小脱塩室d1、d3、d5の出口からの被処理水が流出するための第一流出ライン38が、第二小脱塩室d2、d4、d6の入口へ被処理水が流入するための第二流入ライン40に接続されている。処理水が流出するための第二流出ライン42が、第二小脱塩室d2、d4、d6の出口にそれぞれ接続されている。上記構成によって、被処理水は、まず、第一小脱塩室d1、d3、d5に供給され、脱塩処理される。そして、第一小脱塩室d1、d3、d5を通過した被処理水が、第二小脱塩室d2、d4、d6に供給され、さらに脱塩処理されて処理水として排出される。なお、被処理水の通水経路は、上記に制限されるものではなく、例えば、混合体18が充填された第二小脱塩室d2、d4、d6からアニオン交換体20が充填された第一小脱塩室d1、d3、d5へ被処理水が通水されてもよい。 In the electric deionized water production apparatus 1 of FIG. 13, the first inflow lines 36 through which the treated water flows are connected to the inlets of the first small demineralization chambers d1, d3, d5, respectively. A first outflow line 38 for flowing out the water to be treated from the outlets of the salt chambers d1, d3, d5 is a second for flowing the water to be treated into the inlets of the second small desalting chambers d2, d4, d6. It is connected to the inflow line 40. A second outflow line 42 through which the treated water flows out is connected to the outlets of the second small desalting chambers d2, d4, and d6, respectively. With the above configuration, the water to be treated is first supplied to the first small desalting chambers d1, d3, and d5 and desalted. And the to-be-processed water which passed 1st small desalination chamber d1, d3, d5 is supplied to 2nd small desalination chamber d2, d4, d6, is further desalted, and is discharged | emitted as treated water. The flow path of the water to be treated is not limited to the above. For example, the second anion exchanger 20 filled with the anion exchanger 20 from the second small desalting chambers d2, d4, d6 filled with the mixture 18 is used. The treated water may be passed through the small desalting chambers d1, d3, and d5.
また、濃縮水流入ライン48は、濃縮室16a、16bの入口にそれぞれ接続され、濃縮水流出ライン50は、濃縮室16a、16bの出口にそれぞれ接続されている。電極水流入ラインは、濃縮水流入ライン48と同一のラインとし、電極室28、30の入口にそれぞれ接続され、電極水流出ラインは、濃縮水流出ライン50と同一のラインとし、電極室28、30の出口にそれぞれ接続されている。本実施の形態例において、電極水流入ライン及び濃縮水流入ライン48、電極水流出ライン及び濃縮水流出ライン50をそれぞれ同一のラインとしているが、異なるラインとしてもよい。また、濃縮水及び電極水として流入させる溶液を同じものとして通水させているが、これに限られず、濃縮水及び電極水を異なる溶液としてもよい。 The concentrated water inflow line 48 is connected to the inlets of the concentrating chambers 16a and 16b, respectively, and the concentrated water outflow line 50 is connected to the outlets of the concentrating chambers 16a and 16b, respectively. The electrode water inflow line is the same line as the concentrated water inflow line 48 and is connected to the inlets of the electrode chambers 28 and 30, respectively. The electrode water outflow line is the same line as the concentrated water outflow line 50, and the electrode chambers 28, 30 Each is connected to 30 outlets. In the present embodiment, the electrode water inflow line and the concentrated water inflow line 48, the electrode water outflow line and the concentrated water outflow line 50 are the same line, but may be different lines. Moreover, although the solution made to flow in as concentrated water and electrode water is made to pass through as the same thing, it is not restricted to this, It is good also considering concentrated water and electrode water as a different solution.
また、本実施の形態例では、第一小脱塩室d1、d3、d5に流入する被処理水の流れ方向及び第二小脱塩室d2、d4、d6に流入する被処理水の流れ方向は共に下降方向であり、濃縮水の流れ方向はその逆の上昇方向であるが、これに制限されない。 Moreover, in this embodiment, the flow direction of the water to be treated flowing into the first small desalination chambers d1, d3, d5 and the flow direction of the water to be treated flowing into the second small desalination chambers d2, d4, d6. Are both descending directions, and the flow direction of the concentrated water is the opposite upward direction, but is not limited thereto.
本実施の形態における電気式脱イオン水製造装置1によって、脱イオン水を製造する場合の運転方法の一例を以下に説明する。まず、陰極24と陽極26間に直流電流を流した状態で、第一流入ライン36から被処理水を流入させると共に、濃縮水流入ライン48から濃縮水を流入させる。第一流入ライン36から流入した被処理水は、第一小脱塩室d1、d3、d5を流れ、アニオン交換体20の充填層を通過する際に炭酸(遊離炭酸、重炭酸イオン、炭酸イオン)、シリカ等のアニオンが除去される。更に、第一小脱塩室d1、d3、d5の第一流出ライン38を通った被処理水は、第二小脱塩室d2、d4、d6の第二流入ライン40を流れ、混合体18の充填層を通過する際にカチオン及びアニオンが除去され、処理水(脱イオン水)が第二流出ライン42から得られる。また、濃縮水流入ライン48から流入した濃縮水は、各濃縮室16a、16bを流れ、カチオン交換膜10及びアニオン交換膜14を介して移動してくるイオンを受取り、イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン50から流出される。さらに、濃縮水流入ライン48(電極水流入ライン)から流入した電極水は、濃縮水流出ライン50(電極水流出ライン)から流出される。上述の運転によって、被処理水中の不純物イオンが除去された処理水(脱イオン水)が得られる。 An example of an operation method in the case of producing deionized water by the electric deionized water production apparatus 1 in the present embodiment will be described below. First, in a state where a direct current is passed between the cathode 24 and the anode 26, water to be treated is introduced from the first inflow line 36 and concentrated water is introduced from the concentrated water inflow line 48. The water to be treated that flows from the first inflow line 36 flows through the first small desalting chambers d1, d3, and d5 and passes through the packed bed of the anion exchanger 20, so that it is carbonated (free carbonic acid, bicarbonate ions, carbonate ions). ), Anions such as silica are removed. Furthermore, the water to be treated that has passed through the first outflow line 38 of the first small desalination chambers d1, d3, d5 flows through the second inflow line 40 of the second small desalination chambers d2, d4, d6, and the mixture 18. When passing through the packed bed, cations and anions are removed, and treated water (deionized water) is obtained from the second outflow line 42. Further, the concentrated water flowing in from the concentrated water inflow line 48 flows through the concentration chambers 16a and 16b, receives ions moving through the cation exchange membrane 10 and the anion exchange membrane 14, and is used as concentrated water obtained by concentrating the ions. It flows out from the concentrated water outflow line 50. Furthermore, the electrode water flowing in from the concentrated water inflow line 48 (electrode water inflow line) flows out from the concentrated water outflow line 50 (electrode water outflow line). By the above operation, treated water (deionized water) from which impurity ions in the water to be treated have been removed is obtained.
先に流入する第一小脱塩室d1、d3、d5のアニオン交換体20にて捕捉される炭酸(遊離炭酸、重炭酸イオン、炭酸イオン)は、水酸化物イオンやアニオン交換体20に捕捉された他のアニオン成分と共に陽極側のアニオン交換膜14を通過し、濃縮室16a、16bへと移動する。濃縮室16a、16bのアニオン交換体22は、移動してきた炭酸によりHCO3形のアニオン交換体となる。仮に、本実施形態とは異なり、濃縮室16a、16b内のアニオン交換体22とカチオン交換膜10との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体23が配置されていない状態で、HCO3形のアニオン交換体に電流が流れると、HCO3 −(及びCO3 2−)は電場によってカチオン交換膜10近傍まで引き寄せられるが、カチオン交換膜10を透過することはできず、カチオン交換膜10近傍で濃縮される。これによって、カチオン交換膜10を隔てて濃縮室16a、16b(濃厚側)と第一小脱塩室d3、d5(希薄側)との間にHCO3 −(及びCO3 2−)の急な濃度勾配が発生する。また、カチオン交換膜10からは水素イオンが透過してくるため、濃縮室16a、16bのカチオン交換膜10近傍のpHは低くなる。そうすると、水と炭酸ガス(CO2)が発生し、カチオン交換膜10近傍に高濃度炭酸ガス含有水溶液層が形成され、炭酸ガスは、拡散によってカチオン交換膜10を透過して第二小脱塩室d4,d6へ移動(逆拡散)してしまう。これにより第二小脱塩室d4,d6から排出される最終処理水が炭酸で汚染されることになる。 Carbonic acid (free carbonic acid, bicarbonate ion, carbonate ion) trapped by the anion exchanger 20 in the first small desalting chambers d1, d3, d5 flowing in first is trapped by the hydroxide ion or the anion exchanger 20. It passes through the anion exchange membrane 14 on the anode side together with the other anion components thus formed, and moves to the concentration chambers 16a and 16b. The anion exchanger 22 in the concentrating chambers 16a and 16b becomes an HCO 3 type anion exchanger by the carbon dioxide that has moved. Unlike the present embodiment, in the state where the monolithic organic porous cation exchanger 23 is not disposed between the anion exchanger 22 and the cation exchange membrane 10 in the concentration chambers 16a and 16b, the HCO 3 type When an electric current flows through the anion exchanger, HCO 3 − (and CO 3 2− ) is attracted to the vicinity of the cation exchange membrane 10 by an electric field, but cannot pass through the cation exchange membrane 10, and in the vicinity of the cation exchange membrane 10. Concentrated. As a result, the HCO 3 − (and CO 3 2− ) suddenly moves between the concentration chambers 16 a and 16 b (rich side) and the first small desalting chambers d 3 and d 5 (lean side) across the cation exchange membrane 10. A concentration gradient occurs. Further, since hydrogen ions permeate from the cation exchange membrane 10, the pH in the vicinity of the cation exchange membrane 10 in the concentration chambers 16a and 16b is lowered. Then, water and carbon dioxide (CO 2 ) are generated, and a high-concentration carbon dioxide-containing aqueous solution layer is formed in the vicinity of the cation exchange membrane 10, and the carbon dioxide permeates through the cation exchange membrane 10 by diffusion and becomes the second small desalting. It moves (reverse diffusion) to the chambers d4 and d6. As a result, the final treated water discharged from the second small desalting chambers d4 and d6 is contaminated with carbonic acid.
これに対し、本実施の形態例では、濃縮室16a、16b内のアニオン交換体22とカチオン交換膜10との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体23が配置されているため、濃縮室16a、16b内のアニオン交換体22はカチオン交換膜10と接触していない。したがって、高濃度炭酸ガス含有水溶液層は、カチオン交換膜10から離れて、主にアニオン交換体22と接するモノリス状有機多孔質カチオン交換体23表面又は内部に形成される。また、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23のマクロポアと開口部あるいは空孔部は、濃縮水が通過する流路であるため、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23表面又は内部の炭酸ガスは、カチオン交換膜10に接する前に濃縮水と共に濃縮室16a、16bから流出される。また、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23表面又は内部の炭酸ガスが、カチオン交換膜10に到達したとしても、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23内で希薄化(低濃度化)されているため、カチオン交換膜10を透過する炭酸ガスの量は大きく低減される。 On the other hand, in the present embodiment, since the monolithic organic porous cation exchanger 23 is disposed between the anion exchanger 22 and the cation exchange membrane 10 in the concentration chambers 16a and 16b, the concentration chamber 16a. , 16 b is not in contact with the cation exchange membrane 10. Therefore, the high-concentration carbon dioxide-containing aqueous solution layer is formed on the surface or inside of the monolithic organic porous cation exchanger 23 that is separated from the cation exchange membrane 10 and mainly in contact with the anion exchanger 22. In addition, since the macropores and openings or pores of the monolithic organic porous cation exchanger 23 are channels through which concentrated water passes, the carbon dioxide gas on the surface or inside of the monolithic organic porous cation exchanger 23 is Before coming into contact with the cation exchange membrane 10, it flows out of the concentration chambers 16a and 16b together with the concentrated water. Moreover, even if carbon dioxide gas on the surface or inside of the monolithic organic porous cation exchanger 23 reaches the cation exchange membrane 10, it is diluted (lowered in concentration) in the monolithic organic porous cation exchanger 23. Therefore, the amount of carbon dioxide that permeates the cation exchange membrane 10 is greatly reduced.
また、本実施の形態例のモノリス状有機多孔質カチオン交換体23は、イオン交換基(カチオン交換基)が分散しているため、イオン交換基のないモノリス状の有機多孔質体を濃縮室16a、16b内のアニオン交換体22とカチオン交換膜10との間に配置するものより、電気式脱イオン水製造装置1の電気抵抗を低くすることができる。また、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23は、その他のメッシュ状物、不織布、織布等の多孔質カチオン交換体よりも充填率が高いため、その他のメッシュ状物、不織布、織布等の多孔質カチオン交換体を配置するよりも、電気式脱イオン水製造装置1の電気抵抗を低くすることができる。 In addition, since the monolithic organic porous cation exchanger 23 of the present embodiment is dispersed with ion exchange groups (cation exchange groups), the monolithic organic porous body without ion exchange groups is concentrated in the concentration chamber 16a. The electrical resistance of the electric deionized water production apparatus 1 can be made lower than that disposed between the anion exchanger 22 and the cation exchange membrane 10 in 16b. The monolithic organic porous cation exchanger 23 has a higher filling rate than other cation exchangers such as other mesh-like materials, nonwoven fabrics, and woven fabrics. The electric resistance of the electric deionized water production apparatus 1 can be made lower than that of disposing a porous cation exchanger.
また、被処理水を第一小脱塩室に充填されたアニオン交換体から第二小脱塩室に充填された混合体(アニオン交換体及びカチオン交換体)の順で接触させる構成では、炭酸の逆拡散現象が起こると、最終処理の第二小脱塩室に炭酸が移動するため、処理水が炭酸で汚染され易い。しかし、上記モノリス状有機多孔質カチオン交換体を濃縮室のアニオン交換体とカチオン交換体との間に配置することにより、炭酸の逆拡散現象が抑制されるため、このような構成でも最終処理水の炭酸汚染を防止することができる。また、脱塩室に充填された混合体によって、アニオン及びカチオンの両方のイオン除去が行え、高品位の脱イオン水を得ることができる。 In the configuration in which the water to be treated is contacted in the order of the anion exchanger filled in the first small desalting chamber to the mixture (anion exchanger and cation exchanger) filled in the second small desalting chamber, When the reverse diffusion phenomenon occurs, the carbonic acid moves to the second small desalting chamber of the final treatment, so that the treated water is easily contaminated with carbonic acid. However, by disposing the monolithic organic porous cation exchanger between the anion exchanger and the cation exchanger in the concentration chamber, the reverse diffusion phenomenon of carbon dioxide is suppressed. Carbon dioxide contamination can be prevented. In addition, the mixture filled in the desalting chamber can remove both anions and cations, and high-quality deionized water can be obtained.
本発明の電気式脱イオン水製造装置で使用するモノリス状有機多孔質カチオン交換体は、「第1のモノリスイオン交換体」又は「第2のモノリスイオン交換体」である。本明細書中、「モノリス状有機多孔質体」を単に「モノリス」と、「モノリス状有機多孔質イオン交換体」を単に「モノリスイオン交換体」と、「モノリス状の有機多孔質中間体」を単に「モノリス中間体」とも言う。 The monolithic organic porous cation exchanger used in the electric deionized water production apparatus of the present invention is a “first monolith ion exchanger” or a “second monolith ion exchanger”. In the present specification, “monolithic organic porous body” is simply “monolith”, “monolithic organic porous ion exchanger” is simply “monolith ion exchanger”, and “monolithic organic porous intermediate”. Is also simply referred to as “monolith intermediate”.
<第1のモノリスイオン交換体の説明>
第1のモノリスイオン交換体は、モノリスに陽イオン交換基を導入することで得られるものであり、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径30〜300μm、好ましくは30〜200μm、特に35〜150μmの開口(メソポア)となる連続マクロポア構造体である。モノリスイオン交換体の開口の平均直径は、モノリスに陽イオン交換基を導入する際、モノリス全体が膨潤するため、モノリスの開口の平均直径よりも大となる。開口の平均直径が30μm未満であると、濃縮水の圧力損失が高くなり、モノリスイオン交換体内で発生した炭酸ガスを濃縮水とともに、排水させることが困難となる場合がある。また、開口の平均直径が大き過ぎると、流体とモノリスイオン交換体との接触が不十分となり、その結果イオン交換特性が低下してしまうため好ましくない。なお、本発明では、乾燥状態のモノリス中間体の開口の平均直径、乾燥状態のモノリスの開口の平均直径及び乾燥状態のモノリスイオン交換体の開口の平均直径は、水銀圧入法により測定される値である。また、水湿潤状態のモノリスイオン交換体の開口の平均直径は、乾燥状態のモノリスイオン交換体の開口の平均直径に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態のモノリスイオン交換体の直径がx1(mm)であり、その水湿潤状態のモノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態のモノリスイオン交換体の直径がy1(mm)であり、この乾燥状態のモノリスイオン交換体を水銀圧入法により測定したときの開口の平均直径がz1(μm)であったとすると、水湿潤状態のモノリスイオン交換体の開口の平均直径(μm)は、次式「水湿潤状態のモノリスイオン交換体の開口の平均直径(μm)=z1×(x1/y1)」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態のモノリスの開口の平均直径、及びその乾燥状態のモノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態のモノリスに対する水湿潤状態のモノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態のモノリスの開口の平均直径に、膨潤率を乗じて、モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径を算出することもできる。
<Description of the first monolith ion exchanger>
The first monolith ion exchanger is obtained by introducing a cation exchange group into the monolith, and the bubble-like macropores are overlapped with each other, and the overlapping portion has an average diameter of 30 to 300 μm in a water wet state, preferably It is a continuous macropore structure which becomes an opening (mesopore) of 30 to 200 μm, particularly 35 to 150 μm. The average diameter of the opening of the monolith ion exchanger is larger than the average diameter of the opening of the monolith because the entire monolith swells when a cation exchange group is introduced into the monolith. If the average diameter of the openings is less than 30 μm, the pressure loss of the concentrated water increases, and it may be difficult to drain the carbon dioxide gas generated in the monolith ion exchanger together with the concentrated water. On the other hand, if the average diameter of the openings is too large, the contact between the fluid and the monolith ion exchanger becomes insufficient, and as a result, the ion exchange characteristics deteriorate. In the present invention, the average diameter of the opening of the monolith intermediate in the dry state, the average diameter of the opening of the monolith in the dry state, and the average diameter of the opening of the monolith ion exchanger in the dry state are values measured by a mercury intrusion method. It is. Further, the average diameter of the openings of the monolith ion exchanger in the wet state is a value calculated by multiplying the average diameter of the openings of the monolith ion exchanger in the dry state by the swelling rate. Specifically, the water-wet monolith ion exchanger has a diameter of x1 (mm), the water-wet monolith ion exchanger is dried, and the resulting dried monolith ion exchanger has a diameter of y1 ( mm), and the average diameter of the opening of the monolith ion exchanger in the dry state measured by the mercury intrusion method was z1 (μm), the average diameter of the opening of the monolith ion exchanger in the water wet state ( μm) is calculated by the following formula: “average diameter of openings of monolith ion exchanger in water wet state (μm) = z1 × (x1 / y1)”. In addition, the average diameter of the opening of the dried monolith before introduction of the ion exchange group, and the swelling ratio of the monolith ion exchanger in the water wet state relative to the dried monolith when the ion exchange group is introduced into the dried monolith. In this case, the average diameter in the water-wet state of the pores of the monolith ion exchanger can also be calculated by multiplying the average diameter of the opening of the monolith in the dry state by the swelling rate.
第1のモノリスイオン交換体において、連続マクロポア構造体の切断面のSEM画像において、断面に表れる骨格部面積が、画像領域中、25〜50%、好ましくは25を越え、45%以下である。断面に表れる骨格部面積が、画像領域中、25%未満であると、細い骨格となり、モノリスイオン交換体の強度が低下する場合があり、50%を超えると、モノリスイオン交換体を流れる濃縮水の圧力損失が高くなり、モノリスイオン交換体内で発生した炭酸ガスを濃縮水と共に、排水させることが困難となる場合がある。なお、特願2007−318125号記載のモノリスは、実際には水に対する油相部の配合比を多くして骨格部分を太くしても、共通の開口を確保するためには配合比に限界があり、断面に表れる骨格部面積の最大値は画像領域中、25%を超えることはできない。 In the first monolith ion exchanger, in the SEM image of the cut surface of the continuous macropore structure, the skeleton part area appearing in the cross section is 25 to 50%, preferably more than 25 and 45% or less in the image region. When the area of the skeleton part shown in the cross section is less than 25% in the image region, the skeleton becomes a thin skeleton, and the strength of the monolith ion exchanger may be reduced. When the area exceeds 50%, the concentrated water flowing through the monolith ion exchanger. In some cases, it becomes difficult to drain the carbon dioxide gas generated in the monolith ion exchanger together with the concentrated water. In addition, the monolith described in Japanese Patent Application No. 2007-318125 has a limit to the blending ratio in order to ensure a common opening even if the blending ratio of the oil phase part with respect to water is actually increased and the skeleton part is thickened. Yes, the maximum value of the skeleton part area appearing in the cross section cannot exceed 25% in the image region.
SEM画像を得るための条件は、切断面の断面に表れる骨格部が鮮明に表れる条件であればよく、例えば倍率100〜600、写真領域が約150mm×100mmである。SEM観察は、主観を排除したモノリスの任意の切断面の任意の箇所で撮影された切断箇所や撮影箇所が異なる3枚以上、好ましくは5枚以上の画像で行なうのがよい。切断されるモノリスは、電子顕微鏡に供するため、乾燥状態のものである。SEM画像における切断面の骨格部を図1及び図5を参照して説明する。また、図5は、図1のSEM写真の断面として表れる骨格部を転写したものである。図1及び図5中、概ね不定形状で且つ断面で表れるものは本発明の「断面に表れる骨格部(符号82)」であり、図1に表れる円形の孔は開口(メソポア)であり、また、比較的大きな曲率や曲面のものはマクロポア(図5中の符号83)である。図5の断面に表れる骨格部面積は、矩形状の写真領域81中、28%である。このように、骨格部は明確に判断できる。 The conditions for obtaining the SEM image may be any conditions as long as the skeleton part that appears in the cross section of the cut surface appears clearly. For example, the magnification is 100 to 600, and the photographic area is about 150 mm × 100 mm. SEM observation is preferably performed on three or more images, preferably five or more images, taken at arbitrary locations on an arbitrary cut surface of the monolith excluding subjectivity and at different locations. The monolith to be cut is in a dry state for use in an electron microscope. The skeleton part of the cut surface in the SEM image will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a transcribed skeleton that appears as a cross section of the SEM photograph of FIG. 1 and FIG. 5, what is generally indeterminate in shape and shown in cross section is the “skeleton part (reference numeral 82)” in the present invention, the circular hole shown in FIG. 1 is an opening (mesopore), and A relatively large curvature or curved surface is a macropore (reference numeral 83 in FIG. 5). The skeleton part area shown in the cross section of FIG. 5 is 28% in the rectangular photographic region 81. Thus, the skeleton can be clearly determined.
SEM写真において、切断面の断面に表れる骨格部の面積の測定方法としては、特に制限されず、当該骨格部を公知のコンピューター処理などを行い特定した後、コンピューターなどによる自動計算又は手動計算による算出方法が挙げられる。手動計算としては、不定形状物を、四角形、三角形、円形又は台形などの集合物に置き換え、それらを積層して面積を求める方法が挙げられる。 In the SEM photograph, the method for measuring the area of the skeletal part appearing in the cross section of the cut surface is not particularly limited, and after specifying the skeletal part by performing known computer processing or the like, calculation by automatic calculation by a computer or manual calculation A method is mentioned. The manual calculation includes a method in which an indefinite shape is replaced with an aggregate such as a quadrangle, a triangle, a circle, or a trapezoid, and the areas are obtained by stacking them.
また、第1のモノリスイオン交換体は、0.5〜5ml/g、好適には0.8〜4ml/gの全細孔容積を有するものである。全細孔容積が0.5ml/g未満であると、モノリスイオン交換体を流れる濃縮水の圧力損失が高くなり、モノリスイオン交換体内で発生した炭酸ガスを濃縮水と共に排水させることが困難となる場合がある。一方、全細孔容積が5ml/gを超えると、モノリスイオン交換体の強度低下、電気式脱イオン水製造装置の電気抵抗の増加するため好ましくない。なお、本発明では、モノリス(モノリス中間体、モノリス、モノリスイオン交換体)の全細孔容積は、水銀圧入法により測定される値である。また、モノリス(モノリス中間体、モノリス、モノリスイオン交換体)の全細孔容積は、乾燥状態でも、水湿潤状態でも、同じである。 The first monolith ion exchanger has a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g, preferably 0.8 to 4 ml / g. When the total pore volume is less than 0.5 ml / g, the pressure loss of the concentrated water flowing through the monolith ion exchanger increases, and it becomes difficult to drain the carbon dioxide gas generated in the monolith ion exchanger together with the concentrated water. There is a case. On the other hand, if the total pore volume exceeds 5 ml / g, the strength of the monolith ion exchanger is decreased, and the electrical resistance of the electric deionized water production apparatus is increased. In the present invention, the total pore volume of the monolith (monolith intermediate, monolith, monolith ion exchanger) is a value measured by a mercury intrusion method. In addition, the total pore volume of the monolith (monolith intermediate, monolith, monolith ion exchanger) is the same both in the dry state and in the water wet state.
なお、第1のモノリスイオン交換体に水を透過させた際の圧力損失は、多孔質体を1m充填したカラムに通水線速度(LV)1m/hで通水した際の圧力損失(以下、「差圧係数」と言う。)で示すと、0.001〜0.1MPa/m・LVの範囲、特に0.001〜0.05MPa/m・LVであることが好ましい。 In addition, the pressure loss at the time of making water permeate | transmit the 1st monolith ion exchanger is the pressure loss at the time of letting water flow through the column filled with 1 m of the porous body at a water flow rate (LV) of 1 m / h (hereinafter referred to as “pressure loss”). , “Differential pressure coefficient”), it is preferably in the range of 0.001 to 0.1 MPa / m · LV, more preferably 0.001 to 0.05 MPa / m · LV.
第1のモノリスイオン交換体は、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量が0.4〜5mg当量/mlのイオン交換容量を有する。特願2007−318125号に記載されているような本発明とは異なる連続気泡構造を有するモノリス状有機多孔質イオン交換体では、実用的に要求される低い圧力損失を達成するために、開口径を大きくすると、全細孔容積もそれに伴って大きくなってしまうため、体積当りのイオン交換容量が低下する、体積当りの交換容量を増加させるために全細孔容積を小さくしていくと、開口径が小さくなってしまうため圧力損失が増加するといった欠点を有していた。それに対して、本発明のモノリスイオン交換体は、開口径を更に大きくすると共に、連続マクロポア構造体の骨格を太くする(骨格の壁部を厚くする)ことができるため、透過時の圧力損失を低く押さえられ、モノリスイオン交換体内を通過する濃縮水量を大きくすることができる。なお、本発明のモノリスイオン交換体の重量当りのイオン交換容量は特に限定されないが、イオン交換基が多孔質体の表面及び骨格内部にまで均一に導入しているため、3〜5mg当量/gである。なお、イオン交換基が表面のみに導入された多孔質体のイオン交換容量は、多孔質体やイオン交換基の種類により一概には決定できないものの、せいぜい500μg当量/gである。 The first monolith ion exchanger has an ion exchange capacity of 0.4 to 5 mg equivalent / ml per volume in a water-wet state. In the monolithic organic porous ion exchanger having an open cell structure different from the present invention as described in Japanese Patent Application No. 2007-318125, in order to achieve a low pressure loss that is practically required, As the total pore volume increases, the ion exchange capacity per volume decreases.If the total pore volume is reduced to increase the exchange capacity per volume, the total pore volume increases. There was a drawback that the pressure loss increased because the aperture was reduced. On the other hand, the monolith ion exchanger of the present invention can further increase the aperture diameter and thicken the skeleton of the continuous macropore structure (thicken the skeleton wall), so that the pressure loss during permeation can be reduced. The amount of concentrated water that is kept low and passes through the monolith ion exchanger can be increased. The ion exchange capacity per weight of the monolith ion exchanger of the present invention is not particularly limited. However, since the ion exchange groups are uniformly introduced to the surface of the porous body and the inside of the skeleton, 3 to 5 mg equivalent / g It is. The ion exchange capacity of a porous body in which ion exchange groups are introduced only on the surface cannot be determined unconditionally depending on the type of the porous body or ion exchange groups, but is at most 500 μg equivalent / g.
第1のモノリスイオン交換体において、連続マクロポア構造体の骨格を構成する材料は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。該ポリマー材料の架橋密度は特に限定されないが、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、0.3〜50モル%、好適には0.3〜5モル%の架橋構造単位を含んでいることが好ましい。架橋構造単位が0.3モル%未満であると、機械的強度が不足するため好ましくなく、一方、50モル%を越えると、多孔質体の脆化が進行し、柔軟性が失われるため好ましくなく、特に、イオン交換体の場合にはイオン交換基導入量が減少してしまうため好ましくない。該ポリマー材料の種類に特に制限はなく、例えば、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、ポリビニルトルエン、ポリビニルベンジルクロライド、ポリビニルビフェニル、ポリビニルナフタレン等の芳香族ビニルポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン等のポリ(ハロゲン化ポリオレフィン);ポリアクリロニトリル等のニトリル系ポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸グリシジル、ポリアクリル酸エチル等の(メタ)アクリル系ポリマー等の架橋重合体が挙げられる。上記ポリマーは、単独のビニルモノマーと架橋剤を共重合させて得られるポリマーでも、複数のビニルモノマーと架橋剤を重合させて得られるポリマーであってもよく、また、二種類以上のポリマーがブレンドされたものであってもよい。これら有機ポリマー材料の中で、連続マクロポア構造形成の容易さ、イオン交換基導入の容易性と機械的強度の高さ、および酸・アルカリに対する安定性の高さから、芳香族ビニルポリマーの架橋重合体が好ましく、特に、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体やビニルベンジルクロライド−ジビニルベンゼン共重合体が好ましい材料として挙げられる。 In the first monolith ion exchanger, the material constituting the skeleton of the continuous macropore structure is an organic polymer material having a crosslinked structure. Although the crosslinking density of the polymer material is not particularly limited, it contains 0.3 to 50 mol%, preferably 0.3 to 5 mol% of crosslinked structural units with respect to all structural units constituting the polymer material. It is preferable. If the cross-linking structural unit is less than 0.3 mol%, it is not preferable because the mechanical strength is insufficient. On the other hand, if it exceeds 50 mol%, embrittlement of the porous body proceeds and flexibility is lost. In particular, in the case of an ion exchanger, the amount of ion exchange groups introduced is decreased, which is not preferable. The type of the polymer material is not particularly limited, and examples thereof include aromatic vinyl polymers such as polystyrene, poly (α-methylstyrene), polyvinyl toluene, polyvinyl benzyl chloride, polyvinyl biphenyl, and polyvinyl naphthalene; polyolefins such as polyethylene and polypropylene; Poly (halogenated polyolefin) such as vinyl chloride and polytetrafluoroethylene; Nitrile-based polymer such as polyacrylonitrile; Cross-linking weight of (meth) acrylic polymer such as polymethyl methacrylate, polyglycidyl methacrylate, and polyethyl acrylate Coalesce is mentioned. The polymer may be a polymer obtained by copolymerizing a single vinyl monomer and a crosslinking agent, a polymer obtained by polymerizing a plurality of vinyl monomers and a crosslinking agent, or a blend of two or more types of polymers. It may be what was done. Among these organic polymer materials, the cross-linking weight of the aromatic vinyl polymer is high due to the ease of forming a continuous macropore structure, the ease of introducing ion-exchange groups and the high mechanical strength, and the high stability to acids and alkalis. A styrene-divinylbenzene copolymer and a vinylbenzyl chloride-divinylbenzene copolymer are particularly preferable materials.
第1のモノリスイオン交換体のイオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、リン酸基、リン酸エステル基等のカチオン交換基が挙げられる。 Examples of the ion exchange group of the first monolith ion exchanger include cation exchange groups such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, an iminodiacetic acid group, a phosphoric acid group, and a phosphoric acid ester group.
第1のモノリスイオン交換体において、導入されたイオン交換基は、多孔質体の表面のみならず、多孔質体の骨格内部にまで均一に分布している。ここで言う「イオン交換基が均一に分布している」とは、イオン交換基の分布が少なくともμmオーダーで表面および骨格内部に均一に分布していることを指す。イオン交換基の分布状況は、EPMA等を用いることで、比較的簡単に確認することができる。また、イオン交換基が、モノリスの表面のみならず、多孔質体の骨格内部にまで均一に分布していると、表面と内部の物理的性質及び化学的性質を均一にできるため、膨潤及び収縮に対する耐久性が向上する。 In the first monolith ion exchanger, the introduced ion exchange groups are uniformly distributed not only on the surface of the porous body but also within the skeleton of the porous body. Here, “ion exchange groups are uniformly distributed” means that the distribution of ion exchange groups is uniformly distributed on the surface and inside the skeleton in the order of at least μm. The distribution of ion exchange groups can be confirmed relatively easily by using EPMA or the like. In addition, if the ion exchange groups are uniformly distributed not only on the surface of the monolith but also within the skeleton of the porous body, the physical and chemical properties of the surface and the interior can be made uniform, so that the swelling and shrinkage can be achieved. The durability against is improved.
(第1のモノリスイオン交換体の製造方法)
第1のモノリスイオン交換体は、イオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が5〜16ml/gの連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体を得るI工程、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製するII工程、II工程で得られた混合物を静置下、且つ該I工程で得られたモノリス状の有機多孔質中間体の存在下に重合を行い、該有機多孔質中間体の骨格より太い骨格を有する骨太有機多孔質体を得るIII工程、該III工程で得られた骨太有機多孔質体に陽イオン交換基を導入するIV工程、を行なうことにより得られる。
(Method for producing first monolithic ion exchanger)
The first monolith ion exchanger is prepared by preparing a water-in-oil emulsion by stirring a mixture of oil-soluble monomer, surfactant and water that does not contain ion-exchange groups, and then polymerizing the water-in-oil emulsion. Step I for obtaining a monolithic organic porous intermediate having a continuous macropore structure having a total pore volume of 5 to 16 ml / g, a vinyl monomer, a crosslinking agent having at least two vinyl groups in one molecule, a vinyl monomer, Step II for preparing a mixture comprising an organic solvent and a polymerization initiator that dissolves the cross-linking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer. The mixture obtained in Step II is allowed to stand still and in Step I. Polymerization is performed in the presence of the obtained monolithic organic porous intermediate to obtain a thick organic porous body having a skeleton thicker than the skeleton of the organic porous intermediate. It is obtained by performing the IV step of introducing a cation exchange group into the thick organic porous material obtained in the step III.
第1のモノリスイオン交換体の製造方法において、I工程は、特開2002−306976号公報記載の方法に準拠して行なえばよい。 In the first method for producing a monolithic ion exchanger, the step I may be performed in accordance with the method described in JP-A-2002-306976.
I工程のモノリス中間体の製造において、イオン交換基を含まない油溶性モノマーとしては、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、四級アンモニウム基等のイオン交換基を含まず、水に対する溶解性が低く、親油性のモノマーが挙げられる。これらモノマーの好適なものとしては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ジビニルベンゼン、エチレン、プロピレン、イソブテン、ブタジエン、エチレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。これらモノマーは、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。ただし、ジビニルベンゼン、エチレングリコールジメタクリレート等の架橋性モノマーを少なくとも油溶性モノマーの一成分として選択し、その含有量を全油溶性モノマー中、0.3〜50モル%、好ましくは0.3〜5モル%とすることが、後の工程でイオン交換基量を多く導入するに際して必要な機械的強度が得られる点で好ましい。 In the production of the monolith intermediate of step I, the oil-soluble monomer that does not contain an ion exchange group includes, for example, an ion exchange group such as a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, and a quaternary ammonium group, and is soluble in water. Low and lipophilic monomers may be mentioned. Preferable examples of these monomers include styrene, α-methylstyrene, vinyl toluene, vinyl benzyl chloride, divinyl benzene, ethylene, propylene, isobutene, butadiene, ethylene glycol dimethacrylate, and the like. These monomers can be used alone or in combination of two or more. However, a crosslinkable monomer such as divinylbenzene or ethylene glycol dimethacrylate is selected as at least one component of the oil-soluble monomer, and the content thereof is 0.3 to 50 mol%, preferably 0.3 to the total oil-soluble monomer. 5 mol% is preferable in that the mechanical strength necessary for introducing a large amount of ion-exchange groups in a later step can be obtained.
界面活性剤は、イオン交換基を含まない油溶性モノマーと水とを混合した際に、油中水滴型(W/O)エマルジョンを形成できるものであれば特に制限はなく、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノパルミテート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタントリオレエート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート等の非イオン界面活性剤;オレイン酸カリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、スルホコハク酸ジオクチルナトリウム等の陰イオン界面活性剤;ジステアリルジメチルアンモニウムクロライド等の陽イオン界面活性剤;ラウリルジメチルベタイン等の両性界面活性剤を用いることができる。これら界面活性剤は1種単独又は2種類以上を組み合わせて使用することができる。なお、油中水滴型エマルジョンとは、油相が連続相となり、その中に水滴が分散しているエマルジョンを言う。上記界面活性剤の添加量としては、油溶性モノマーの種類および目的とするエマルジョン粒子(マクロポア)の大きさによって大幅に変動するため一概には言えないが、油溶性モノマーと界面活性剤の合計量に対して約2〜70%の範囲で選択することができる。 The surfactant is not particularly limited as long as it can form a water-in-oil (W / O) emulsion when an oil-soluble monomer containing no ion exchange group and water are mixed, and sorbitan monooleate, Nonionic surfactants such as sorbitan monolaurate, sorbitan monopalmitate, sorbitan monostearate, sorbitan trioleate, polyoxyethylene nonylphenyl ether, polyoxyethylene stearyl ether, polyoxyethylene sorbitan monooleate; potassium oleate Anionic surfactants such as sodium dodecylbenzenesulfonate and dioctyl sodium sulfosuccinate; cationic surfactants such as distearyldimethylammonium chloride; amphoteric surfactants such as lauryldimethylbetaine can be used . These surfactants can be used alone or in combination of two or more. The water-in-oil emulsion refers to an emulsion in which an oil phase is a continuous phase and water droplets are dispersed therein. The amount of the surfactant added may vary depending on the type of oil-soluble monomer and the size of the target emulsion particles (macropores), but it cannot be generally stated, but the total amount of oil-soluble monomer and surfactant Can be selected within a range of about 2 to 70%.
また、I工程では、油中水滴型エマルジョン形成の際、必要に応じて重合開始剤を使用してもよい。重合開始剤は、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は水溶性であっても油溶性であってもよく、例えば、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスシクロヘキサンニトリル、アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、過酸化ベンゾイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素−塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム−酸性亜硫酸ナトリウム、テトラメチルチウラムジスルフィド等が挙げられる。 In Step I, a polymerization initiator may be used as necessary when forming a water-in-oil emulsion. As the polymerization initiator, a compound that generates radicals by heat and light irradiation is preferably used. The polymerization initiator may be water-soluble or oil-soluble. For example, azobisisobutyronitrile, azobiscyclohexanenitrile, azobiscyclohexanecarbonitrile, benzoyl peroxide, potassium persulfate, ammonium persulfate, Examples thereof include hydrogen oxide-ferrous chloride, sodium persulfate-sodium acid sulfite, and tetramethylthiuram disulfide.
イオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤、水及び重合開始剤とを混合し、油中水滴型エマルジョンを形成させる際の混合方法としては、特に制限はなく、各成分を一括して一度に混合する方法、油溶性モノマー、界面活性剤及び油溶性重合開始剤である油溶性成分と、水や水溶性重合開始剤である水溶性成分とを別々に均一溶解させた後、それぞれの成分を混合する方法などが使用できる。エマルジョンを形成させるための混合装置についても特に制限はなく、通常のミキサーやホモジナイザー、高圧ホモジナイザー等を用いることができ、目的のエマルジョン粒径を得るのに適切な装置を選択すればよい。また、混合条件についても特に制限はなく、目的のエマルジョン粒径を得ることができる攪拌回転数や攪拌時間を、任意に設定することができる。 The mixing method for mixing the oil-soluble monomer not containing an ion exchange group, a surfactant, water, and a polymerization initiator to form a water-in-oil emulsion is not particularly limited. Method of mixing at once, oil-soluble monomer, surfactant and oil-soluble polymerization initiator oil-soluble component and water or water-soluble polymerization initiator water-soluble component separately and uniformly dissolved, A method of mixing the components can be used. There is no particular limitation on the mixing apparatus for forming the emulsion, and a normal mixer, homogenizer, high-pressure homogenizer, or the like can be used, and an appropriate apparatus may be selected to obtain the desired emulsion particle size. Moreover, there is no restriction | limiting in particular about mixing conditions, The stirring rotation speed and stirring time which can obtain the target emulsion particle size can be set arbitrarily.
I工程で得られるモノリス中間体は、連続マクロポア構造を有する。これを重合系に共存させると、モノリス中間体の構造を鋳型として骨太の骨格を有する多孔構造が形成される。また、モノリス中間体は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。該ポリマー材料の架橋密度は特に限定されないが、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、0.3〜50モル%、好ましくは0.3〜5モル%の架橋構造単位を含んでいることが好ましい。架橋構造単位が0.3モル%未満であると、機械的強度が不足するため好ましくない。特に、全細孔容積が10〜16ml/gと大きい場合には、連続マクロポア構造を維持するため、架橋構造単位を2モル%以上含有していることが好ましい。一方、50モル%を越えると、多孔質体の脆化が進行し、柔軟性が失われるため好ましくない。 The monolith intermediate obtained in Step I has a continuous macropore structure. When this coexists in the polymerization system, a porous structure having a thick skeleton is formed using the structure of the monolith intermediate as a template. The monolith intermediate is an organic polymer material having a crosslinked structure. Although the crosslinking density of the polymer material is not particularly limited, it contains 0.3 to 50 mol%, preferably 0.3 to 5 mol% of crosslinked structural units with respect to all the structural units constituting the polymer material. Is preferred. When the cross-linking structural unit is less than 0.3 mol%, the mechanical strength is insufficient, which is not preferable. In particular, when the total pore volume is as large as 10 to 16 ml / g, in order to maintain a continuous macropore structure, it is preferable to contain 2 mol% or more of cross-linked structural units. On the other hand, if it exceeds 50 mol%, the porous body becomes brittle and the flexibility is lost.
モノリス中間体のポリマー材料の種類としては、特に制限はなく、前述のモノリスのポリマー材料と同じものが挙げられる。これにより、モノリス中間体の骨格に同様のポリマーを形成して、骨格を太らせ均一な骨格構造のモノリスを得ることができる。 The type of the polymer material of the monolith intermediate is not particularly limited, and examples thereof include the same materials as the monolith polymer material described above. Thereby, the same polymer can be formed in the skeleton of the monolith intermediate, and the skeleton can be thickened to obtain a monolith having a uniform skeleton structure.
モノリス中間体の全細孔容積は、5〜16ml/g、好適には6〜16ml/gである。全細孔容積が小さ過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの全細孔容積が小さくなりすぎ、濃縮水の圧力損失が大きくなるため好ましくない。一方、全細孔容積が大き過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの構造が連続マクロポア構造から逸脱するため好ましくない。モノリス中間体の全細孔容積を上記数値範囲とするには、モノマーと水の比を、概ね1:5〜1:20とすればよい。 The total pore volume of the monolith intermediate is 5 to 16 ml / g, preferably 6 to 16 ml / g. If the total pore volume is too small, the total pore volume of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer becomes too small, and the pressure loss of concentrated water increases, which is not preferable. On the other hand, if the total pore volume is too large, the structure of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer deviates from the continuous macropore structure, which is not preferable. In order to make the total pore volume of the monolith intermediate within the above numerical range, the ratio of the monomer and water may be about 1: 5 to 1:20.
また、モノリス中間体は、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口(メソポア)の平均直径が乾燥状態で20〜200μmである。開口の平均直径が20μm未満であると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が小さくなり、濃縮水透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。一方、200μmを超えると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が大きくなりすぎ、モノリスイオン交換体の強度が低下してしまうため好ましくない。モノリス中間体は、マクロポアの大きさや開口の径が揃った均一構造のものが好適であるが、これに限定されず、均一構造中、均一なマクロポアの大きさよりも大きな不均一なマクロポアが点在するものであってもよい。 Moreover, the average diameter of the opening (mesopore) which is an overlap part of a macropore and a macropore is 20-200 micrometers in a monolith intermediate body in a dry state. If the average diameter of the openings is less than 20 μm, the opening diameter of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer becomes small, and the pressure loss during permeation of concentrated water becomes large, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 200 μm, the opening diameter of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer becomes too large, and the strength of the monolith ion exchanger decreases, which is not preferable. Monolith intermediates preferably have a uniform structure with uniform macropore size and aperture diameter, but are not limited to this, and the uniform structure is dotted with nonuniform macropores larger than the size of the uniform macropore. You may do.
II工程は、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製する工程である。なお、I工程とII工程の順序はなく、I工程後にII工程を行ってもよく、II工程後にI工程を行ってもよい。 Step II consists of a vinyl monomer, a crosslinking agent having at least two vinyl groups in one molecule, an organic solvent and a polymerization initiator that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer. A step of preparing a mixture of In addition, there is no order of I process and II process, II process may be performed after I process, and I process may be performed after II process.
II工程で用いられるビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性のビニルモノマーであれば、特に制限はないが、上記重合系に共存させるモノリス中間体と同種類もしくは類似のポリマー材料を生成するビニルモノマーを選定することが好ましい。これらビニルモノマーの具体例としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ビニルビフェニル、ビニルナフタレン等の芳香族ビニルモノマー;エチレン、プロピレン、1-ブテン、イソブテン等のα-オレフィン;ブタジエン、イソプレン、クロロプレン等のジエン系モノマー;塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン等のハロゲン化オレフィン;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル系モノマー;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸2-エチルヘキシル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸グリシジル等の(メタ)アクリル系モノマーが挙げられる。これらモノマーは、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。本発明で好適に用いられるビニルモノマーは、スチレン、ビニルベンジルクロライド等の芳香族ビニルモノマーである。 The vinyl monomer used in step II is not particularly limited as long as it is a lipophilic vinyl monomer containing a polymerizable vinyl group in the molecule and having high solubility in an organic solvent, but is allowed to coexist in the polymerization system. It is preferred to select a vinyl monomer that produces the same or similar polymer material as the monolith intermediate. Specific examples of these vinyl monomers include aromatic vinyl monomers such as styrene, α-methylstyrene, vinyl toluene, vinyl benzyl chloride, vinyl biphenyl and vinyl naphthalene; α-olefins such as ethylene, propylene, 1-butene and isobutene; Diene monomers such as butadiene, isoprene and chloroprene; halogenated olefins such as vinyl chloride, vinyl bromide, vinylidene chloride and tetrafluoroethylene; nitrile monomers such as acrylonitrile and methacrylonitrile; vinyl such as vinyl acetate and vinyl propionate Esters: methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, propyl methacrylate, butyl methacrylate, 2-methacrylic acid 2- Hexyl, cyclohexyl methacrylate, benzyl methacrylate, and (meth) acrylic monomer of glycidyl methacrylate. These monomers can be used alone or in combination of two or more. The vinyl monomer suitably used in the present invention is an aromatic vinyl monomer such as styrene or vinyl benzyl chloride.
これらビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体に対して、重量で3〜40倍、好ましくは4〜30倍である。ビニルモノマー添加量が多孔質体に対して3倍未満であると、生成したモノリスの骨格(モノリス骨格の壁部の厚み)を太くできず、体積当りの吸着容量やイオン交換基導入後の体積当りのイオン交換容量が小さくなってしまうため好ましくない。一方、ビニルモノマー添加量が40倍を超えると、開口径が小さくなり、濃縮水透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。 The added amount of these vinyl monomers is 3 to 40 times, preferably 4 to 30 times, by weight with respect to the monolith intermediate coexisting during polymerization. If the amount of vinyl monomer added is less than 3 times that of the porous material, the resulting monolith skeleton (the thickness of the monolith skeleton wall) cannot be increased, and the adsorption capacity per volume and the volume after introduction of ion-exchange groups. Since the ion exchange capacity per unit becomes small, it is not preferable. On the other hand, when the addition amount of vinyl monomer exceeds 40 times, the opening diameter becomes small, and the pressure loss at the time of permeation of concentrated water increases, which is not preferable.
II工程で用いられる架橋剤は、分子中に少なくとも2個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好適に用いられる。架橋剤の具体例としては、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ブタンジオールジアクリレート等が挙げられる。これら架橋剤は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。好ましい架橋剤は、機械的強度の高さと加水分解に対する安定性から、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル等の芳香族ポリビニル化合物である。架橋剤使用量は、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対して0.3〜50モル%、特に0.3〜5モル%であることが好ましい。架橋剤使用量が0.3モル%未満であると、モノリスの機械的強度が不足するため好ましくない。一方、50モル%を越えると、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。なお、上記架橋剤使用量は、ビニルモノマー/架橋剤重合時に共存させるモノリス中間体の架橋密度とほぼ等しくなるように用いることが好ましい。両者の使用量があまりに大きくかけ離れると、生成したモノリス中で架橋密度分布の偏りが生じ、イオン交換基導入反応時にクラックが生じやすくなる。 As the crosslinking agent used in step II, a crosslinking agent containing at least two polymerizable vinyl groups in the molecule and having high solubility in an organic solvent is preferably used. Specific examples of the crosslinking agent include divinylbenzene, divinylnaphthalene, divinylbiphenyl, ethylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane triacrylate, butanediol diacrylate, and the like. These crosslinking agents can be used singly or in combination of two or more. Preferred cross-linking agents are aromatic polyvinyl compounds such as divinylbenzene, divinylnaphthalene and divinylbiphenyl because of their high mechanical strength and stability to hydrolysis. The amount of the crosslinking agent used is preferably 0.3 to 50 mol%, particularly 0.3 to 5 mol%, based on the total amount of the vinyl monomer and the crosslinking agent. When the amount of the crosslinking agent used is less than 0.3 mol%, the mechanical strength of the monolith is insufficient, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 50 mol%, the monolith becomes more brittle and the flexibility is lost, and the amount of ion-exchange groups introduced decreases, which is not preferable. In addition, it is preferable to use the said crosslinking agent usage-amount so that it may become substantially equal to the crosslinking density of the monolith intermediate body coexisted at the time of vinyl monomer / crosslinking agent polymerization. If the amounts used of both are too large, the crosslink density distribution is biased in the produced monolith, and cracks are likely to occur during the ion exchange group introduction reaction.
II工程で用いられる有機溶媒は、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒、言い換えると、ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。該有機溶媒は、ビニルモノマーの種類によって大きく異なるため一般的な具体例を列挙することは困難であるが、例えば、ビニルモノマーがスチレンの場合、有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、オクタノール、2-エチルヘキサノール、デカノール、ドデカノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、テトラメチレングリコール、グリセリン等のアルコール類;ジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、セロソルブ、メチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール等の鎖状(ポリ)エーテル類;ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、デカン、ドデカン等の鎖状飽和炭化水素類;酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸セロソルブ、プロピオン酸エチル等のエステル類が挙げられる。また、ジオキサンやTHF、トルエンのようにポリスチレンの良溶媒であっても、上記貧溶媒と共に用いられ、その使用量が少ない場合には、有機溶媒として使用することができる。これら有機溶媒の使用量は、上記ビニルモノマーの濃度が30〜80重量%となるように用いることが好ましい。有機溶媒使用量が上記範囲から逸脱してビニルモノマー濃度が30重量%未満となると、重合速度が低下したり、重合後のモノリス構造が本発明の範囲から逸脱してしまうため好ましくない。一方、ビニルモノマー濃度が80重量%を超えると、重合が暴走する恐れがあるため好ましくない。 The organic solvent used in Step II is an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer. In other words, it is a poor solvent for the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer. . Since the organic solvent varies greatly depending on the type of vinyl monomer, it is difficult to list general specific examples. For example, when the vinyl monomer is styrene, the organic solvent includes methanol, ethanol, propanol, butanol, Alcohols such as hexanol, cyclohexanol, octanol, 2-ethylhexanol, decanol, dodecanol, ethylene glycol, propylene glycol, tetramethylene glycol, glycerin; diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, cellosolve, methyl cellosolve, butyl cellosolve, polyethylene glycol, polypropylene Chain (poly) ethers such as glycol and polytetramethylene glycol; hexane, heptane, octane, isooctane, decane, dode Chain saturated hydrocarbons such as down, ethyl acetate, isopropyl acetate, cellosolve acetate, esters such as ethyl propionate. Moreover, even if it is a good solvent of polystyrene like a dioxane, THF, and toluene, when it is used with the said poor solvent and the usage-amount is small, it can be used as an organic solvent. These organic solvents are preferably used so that the concentration of the vinyl monomer is 30 to 80% by weight. If the amount of the organic solvent used deviates from the above range and the vinyl monomer concentration is less than 30% by weight, the polymerization rate is lowered, or the monolith structure after polymerization deviates from the range of the present invention. On the other hand, if the vinyl monomer concentration exceeds 80% by weight, the polymerization may run away, which is not preferable.
重合開始剤としては、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は油溶性であるほうが好ましい。本発明で用いられる重合開始剤の具体例としては、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)、1,1’-アゾビス(シクロヘキサン-1-カルボニトリル)、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、テトラメチルチウラムジスルフィド等が挙げられる。重合開始剤の使用量は、モノマーの種類や重合温度等によって大きく変動するが、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対して、約0.01〜5%の範囲で使用することができる。 As the polymerization initiator, a compound that generates radicals by heat and light irradiation is preferably used. The polymerization initiator is preferably oil-soluble. Specific examples of the polymerization initiator used in the present invention include 2,2′-azobis (isobutyronitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2′-azobis ( 2-methylbutyronitrile), 2,2′-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2,2′-azobisisobutyrate, 4,4′-azobis (4-cyanovaleric acid) 1,1′-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile), benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, potassium persulfate, ammonium persulfate, tetramethylthiuram disulfide and the like. The amount of the polymerization initiator used varies greatly depending on the type of monomer, polymerization temperature, etc., but can be used in a range of about 0.01 to 5% with respect to the total amount of vinyl monomer and crosslinking agent.
III工程は、II工程で得られた混合物を静置下、且つ該I工程で得られたモノリス中間体の存在下に重合を行い、該モノリス中間体の骨格より太い骨格を有する骨太のモノリスを得る工程である。III工程で用いるモノリス中間体は、本発明の斬新な構造を有するモノリスを創出する上で、極めて重要な役割を担っている。特表平7−501140号等に開示されているように、モノリス中間体不存在下でビニルモノマーと架橋剤を特定の有機溶媒中で静置重合させると、粒子凝集型のモノリス状有機多孔質体が得られる。それに対して、本発明のように上記重合系に連続マクロポア構造のモノリス中間体を存在させると、重合後のモノリスの構造は劇的に変化し、粒子凝集構造は消失し、上述の骨太のモノリスが得られる。その理由は詳細には解明されていないが、モノリス中間体が存在しない場合は、重合により生じた架橋重合体が粒子状に析出・沈殿することで粒子凝集構造が形成されるのに対し、重合系に多孔質体(中間体)が存在すると、ビニルモノマー及び架橋剤が液相から多孔質体の骨格部に吸着又は分配され、多孔質体中で重合が進行して骨太骨格のモノリスが得られると考えられる。なお、開口径は重合の進行により狭められるが、モノリス中間体の全細孔容積が大きいため、例え骨格が骨太になっても適度な大きさの開口径が得られる。 In step III, the mixture obtained in step II is allowed to stand and polymerize in the presence of the monolith intermediate obtained in step I to obtain a thick monolith having a skeleton thicker than the skeleton of the monolith intermediate. It is a process to obtain. The monolith intermediate used in the step III plays a very important role in creating the monolith having the novel structure of the present invention. As disclosed in JP-A-7-501140 and the like, when a vinyl monomer and a crosslinking agent are allowed to stand in a specific organic solvent in the absence of a monolith intermediate, a particle aggregation type monolithic organic porous material is obtained. The body is obtained. On the other hand, when a monolith intermediate having a continuous macropore structure is present in the polymerization system as in the present invention, the structure of the monolith after polymerization changes dramatically, the particle aggregation structure disappears, and the above-mentioned thick monolith is lost. Is obtained. The reason for this has not been elucidated in detail, but in the absence of a monolith intermediate, the cross-linked polymer produced by polymerization precipitates and precipitates in the form of particles, while a particle aggregate structure is formed. When a porous body (intermediate) is present in the system, the vinyl monomer and the cross-linking agent are adsorbed or distributed from the liquid phase to the skeleton of the porous body, and polymerization proceeds in the porous body to obtain a thick skeleton monolith. It is thought that. Although the opening diameter is narrowed by the progress of the polymerization, since the total pore volume of the monolith intermediate is large, an appropriate opening diameter can be obtained even if the skeleton becomes thick.
反応容器の内容積は、モノリス中間体を反応容器中に存在させる大きさのものであれば特に制限されず、反応容器内にモノリス中間体を載置した際、平面視でモノリスの周りに隙間ができるもの、反応容器内にモノリス中間体が隙間無く入るもののいずれであってもよい。このうち、重合後の骨太のモノリスが容器内壁から押圧を受けることなく、反応容器内に隙間無く入るものが、モノリスに歪が生じることもなく、反応原料などの無駄がなく効率的である。なお、反応容器の内容積が大きく、重合後のモノリスの周りに隙間が存在する場合であっても、ビニルモノマーや架橋剤は、モノリス中間体に吸着、分配されるため、反応容器内の隙間部分に粒子凝集構造物が生成することはない。 The internal volume of the reaction vessel is not particularly limited as long as it is large enough to allow the monolith intermediate to exist in the reaction vessel. When the monolith intermediate is placed in the reaction vessel, there is a gap around the monolith in plan view. Or a monolith intermediate in the reaction vessel with no gap. Of these, the thick monolith after polymerization is not pressed from the inner wall of the container and enters the reaction container without any gap, and the monolith is not distorted, and the reaction raw materials are not wasted and efficient. Even when the internal volume of the reaction vessel is large and there are gaps around the monolith after polymerization, the vinyl monomer and the crosslinking agent are adsorbed and distributed on the monolith intermediate, so the gaps in the reaction vessel A particle aggregate structure is not generated in the portion.
III工程において、反応容器中、モノリス中間体は混合物(溶液)で含浸された状態に置かれる。II工程で得られた混合物とモノリス中間体の配合比は、前述の如く、モノリス中間体に対して、ビニルモノマーの添加量が重量で3〜40倍、好ましくは4〜30倍となるように配合するのが好適である。これにより、適度な開口径を有しつつ、骨太の骨格を有するモノリスを得ることができる。反応容器中、混合物中のビニルモノマーと架橋剤は、静置されたモノリス中間体の骨格に吸着、分配され、モノリス中間体の骨格内で重合が進行する。 In step III, the monolith intermediate is placed in a reaction vessel impregnated with the mixture (solution). As described above, the blending ratio of the mixture obtained in Step II and the monolith intermediate is 3 to 40 times by weight, preferably 4 to 30 times by weight, relative to the monolith intermediate. It is suitable to mix. Thereby, it is possible to obtain a monolith having a thick skeleton while having an appropriate opening diameter. In the reaction vessel, the vinyl monomer and the crosslinking agent in the mixture are adsorbed and distributed on the skeleton of the monolith intermediate that has been allowed to stand, and polymerization proceeds in the skeleton of the monolith intermediate.
重合条件は、モノマーの種類、開始剤の種類により様々な条件が選択できる。例えば、開始剤として2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム等を用いたときには、不活性雰囲気下の密封容器内において、30〜100℃で1〜48時間加熱重合させればよい。加熱重合により、モノリス中間体の骨格に吸着、分配したビニルモノマーと架橋剤が該骨格内で重合し、該骨格を太らせる。重合終了後、内容物を取り出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒の除去を目的に、アセトン等の溶剤で抽出して骨太のモノリスを得る。 Various polymerization conditions can be selected depending on the type of monomer and the type of initiator. For example, when 2,2′-azobis (isobutyronitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, potassium persulfate, etc. are used as initiators In a sealed container under an inert atmosphere, heat polymerization may be performed at 30 to 100 ° C. for 1 to 48 hours. By heat polymerization, the vinyl monomer adsorbed and distributed on the skeleton of the monolith intermediate and the cross-linking agent are polymerized in the skeleton to thicken the skeleton. After completion of the polymerization, the contents are taken out and extracted with a solvent such as acetone for the purpose of removing unreacted vinyl monomer and organic solvent to obtain a thick monolith.
次に、上記の方法によりモノリスを製造した後、陽イオン交換基を導入する方法が、得られるモノリス陽イオン交換体の多孔構造を厳密にコントロールできる点で好ましい。 Next, the method of introducing a cation exchange group after producing a monolith by the above method is preferable in that the porous structure of the resulting monolith cation exchanger can be strictly controlled.
上記モノリスに陽イオン交換基を導入する方法としては、特に制限はなく、高分子反応やグラフト重合等の公知の方法を用いることができる。例えば、スルホン酸基を導入する方法としては、モノリスがスチレン-ジビニルベンゼン共重合体等であればクロロ硫酸や濃硫酸、発煙硫酸を用いてスルホン化する方法;モノリスに均一にラジカル開始基や連鎖移動基を骨格表面及び骨格内部に導入し、スチレンスルホン酸ナトリウムやアクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸をグラフト重合する方法;同様にグリシジルメタクリレートをグラフト重合した後、官能基変換によりスルホン酸基を導入する方法等が挙げられる。これらの方法のうち、スルホン酸基を導入する方法については、クロロ硫酸を用いてスチレン-ジビニルベンゼン共重合体にスルホン酸基を導入する方法が、陽イオン交換基を均一かつ定量的に導入できる点で好ましい。なお、導入するイオン交換基としては、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、スルホン酸基、リン酸基、リン酸エステル基等のカチオン交換基が挙げられる。 There is no restriction | limiting in particular as a method of introduce | transducing a cation exchange group into the said monolith, Well-known methods, such as a polymer reaction and graft polymerization, can be used. For example, as a method of introducing a sulfonic acid group, if the monolith is a styrene-divinylbenzene copolymer, etc., a method of sulfonation using chlorosulfuric acid, concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid; A method of grafting a sodium styrenesulfonate or acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid by introducing a mobile group into the skeleton surface or inside the skeleton; Similarly, after graft polymerization of glycidyl methacrylate, a sulfonic acid group is introduced by functional group conversion. And the like. Among these methods, as for the method of introducing sulfonic acid groups, the method of introducing sulfonic acid groups into styrene-divinylbenzene copolymer using chlorosulfuric acid can introduce cation exchange groups uniformly and quantitatively. This is preferable. Examples of ion exchange groups to be introduced include cation exchange groups such as carboxylic acid groups, iminodiacetic acid groups, sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, and phosphoric acid ester groups.
第1のモノリスイオン交換体は、骨太のモノリスに陽イオン交換基が導入されるため例えば骨太モノリスの1.4〜1.9倍のように大きく膨潤する。すなわち、特開2002−306976記載の従来のモノリスにイオン交換基が導入されたものよりも膨潤度が遥かに大きい。このため、骨太モノリスの開口径が小さいものであっても、モノリスイオン交換体の開口径は概ね、上記倍率で大きくなる。また、開口径が膨潤で大きくなっても全細孔容積は変化しない。従って、第1のモノリスイオン交換体は、開口径が格段に大きいにもかかわらず、骨太骨格を有するため機械的強度が高い。 Since the cation exchange group is introduced into the thick monolith, the first monolith ion exchanger swells greatly, for example, 1.4 to 1.9 times as thick as the monolith. That is, the degree of swelling is much greater than that obtained by introducing an ion exchange group into a conventional monolith described in JP-A-2002-306976. For this reason, even if the opening diameter of the thick monolith is small, the opening diameter of the monolith ion exchanger generally increases at the above magnification. In addition, the total pore volume does not change even when the opening diameter increases due to swelling. Therefore, the first monolith ion exchanger has a high mechanical strength because it has a thick bone skeleton despite the remarkably large opening diameter.
<第2のモノリスイオン交換体の説明>
第2のモノリスイオン交換体は、イオン交換基が導入された全構成単位中、架橋構造単位を0.3〜5.0モル%含有する芳香族ビニルポリマーからなる太さが1〜60μmの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に直径が10〜100μmの三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体であって、全細孔容積が0.5〜5ml/gであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量が0.3〜5mg当量/mlであり、陽イオン交換基が該多孔質イオン交換体中に均一に分布している。
<Description of Second Monolith Ion Exchanger>
The second monolith ion exchanger is a tertiary having a thickness of 1 to 60 μm made of an aromatic vinyl polymer containing 0.3 to 5.0 mol% of a crosslinked structural unit among all the structural units into which ion exchange groups are introduced. A co-continuous structure comprising an originally continuous skeleton and three-dimensionally continuous pores having a diameter of 10 to 100 μm between the skeletons, and the total pore volume is 0.5 to 5 ml / g Yes, the ion exchange capacity per volume in a wet state of water is 0.3 to 5 mg equivalent / ml, and the cation exchange groups are uniformly distributed in the porous ion exchanger.
第2のモノリスイオン交換体は、イオン交換基が導入された平均太さが水湿潤状態で1〜60μm、好ましくは3〜58μmの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に平均直径が水湿潤状態で10〜100μm、好ましくは15〜90μm、特に20〜80μmの三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体である。すなわち、共連続構造は図6の模式図に示すように、連続する骨格相91と連続する空孔相92とが絡み合ってそれぞれが共に3次元的に連続する構造90である。この連続した空孔92は、従来の連続気泡型モノリスや粒子凝集型モノリスに比べて空孔の連続性が高くてその大きさに偏りがないため、極めて均一なイオンの吸着挙動が達成できる。また、骨格が太いため機械的強度が高い。 The second monolith ion exchanger has a three-dimensional continuous skeleton having an average thickness of 1 to 60 μm, preferably 3 to 58 μm in a water-wet state in which ion-exchange groups are introduced, and an average diameter between the skeletons. It is a co-continuous structure composed of three-dimensionally continuous pores of 10 to 100 μm, preferably 15 to 90 μm, particularly 20 to 80 μm in a wet state. That is, as shown in the schematic diagram of FIG. 6, the co-continuous structure is a structure 90 in which a continuous skeleton phase 91 and a continuous vacancy phase 92 are intertwined and both are three-dimensionally continuous. The continuous vacancies 92 have higher continuity of the vacancies and are not biased in size compared to the conventional open-cell type monolith or particle aggregation type monolith, so that extremely uniform ion adsorption behavior can be achieved. Moreover, since the skeleton is thick, the mechanical strength is high.
第2のモノリスイオン交換体の骨格の太さ及び空孔の直径は、モノリスにイオン交換基を導入する際、モノリス全体が膨潤するため、モノリスの骨格の太さ及び空孔の直径よりも大となる。この連続した空孔は、従来の連続気泡型モノリス状有機多孔質イオン交換体や粒子凝集型モノリス状有機多孔質イオン交換体に比べて空孔の連続性が高くてその大きさに偏りがないため、極めて均一なイオンの吸着挙動が達成できる。三次元的に連続した空孔の直径が10μm未満であると、濃縮液透過時の圧力損失が高くなり、モノリスイオン交換体内で発生した炭酸ガスを濃縮水と共に、排水させることが困難となる場合があり好ましくなく、100μmを超えると、強度が低下する場合や、充填率が低くなり電気式脱イオン水製造装置の電気抵抗が高くなる場合がある。 The skeleton thickness and pore diameter of the second monolith ion exchanger are larger than the monolith skeleton thickness and pore diameter because the entire monolith swells when an ion exchange group is introduced into the monolith. It becomes. These continuous pores have higher continuity of pores and are not biased in size compared to conventional open-cell monolithic organic porous ion exchangers and particle-aggregated monolithic organic porous ion exchangers. Therefore, extremely uniform ion adsorption behavior can be achieved. When the diameter of the three-dimensionally continuous pores is less than 10 μm, the pressure loss during the permeation of the concentrate increases, making it difficult to drain the carbon dioxide generated in the monolith ion exchanger together with the concentrated water. If the thickness exceeds 100 μm, the strength may decrease, or the filling rate may decrease and the electrical resistance of the electrical deionized water production apparatus may increase.
上記記連続構造体の空孔の水湿潤状態での平均直径は、公知の水銀圧入法で測定した乾燥状態のモノリスイオン交換体の空孔の平均直径に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態のモノリスイオン交換体の直径がx2(mm)であり、その水湿潤状態のモノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態のモノリスイオン交換体の直径がy2(mm)であり、この乾燥状態のモノリスイオン交換体を水銀圧入法により測定したときの空孔の平均直径がz2(μm)であったとすると、モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態での平均直径(μm)は、次式「モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径(μm)=z2×(x2/y2)」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態のモノリスの空孔の平均直径、及びその乾燥状態のモノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態のモノリスに対する水湿潤状態のモノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態のモノリスの空孔の平均直径に、膨潤率を乗じて、モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径を算出することもできる。また、上記記連続構造体の骨格の水湿潤状態での平均太さは、乾燥状態のモノリスイオン交換体のSEM観察を少なくとも3回行い、得られた画像中の骨格の太さを測定し、その平均値に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態のモノリスイオン交換体の直径がx3(mm)であり、その水湿潤状態のモノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態のモノリスイオン交換体の直径がy3(mm)であり、この乾燥状態のモノリスイオン交換体のSEM観察を少なくとも3回行い、得られた画像中の骨格の太さを測定し、その平均値がz3(μm)であったとすると、モノリスイオン交換体の連続構造体の骨格の水湿潤状態での平均太さ(μm)は、次式「モノリスイオン交換体の連続構造体の骨格の水湿潤状態の平均太さ(μm)=z3×(x3/y3)」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態のモノリスの骨格の平均太さ、及びその乾燥状態のモノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態のモノリスに対する水湿潤状態のモノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態のモノリスの骨格の平均太さに、膨潤率を乗じて、モノリスイオン交換体の骨格の水湿潤状態の平均太さを算出することもできる。なお、骨格は棒状であり円形断面形状であるが、楕円断面形状等異径断面のものが含まれていてもよい。この場合の太さは短径と長径の平均である。 The average diameter of the pores of the above-mentioned continuous structure in the water wet state is a value calculated by multiplying the average diameter of the pores of the monolith ion exchanger in the dry state measured by a known mercury intrusion method and the swelling ratio. It is. Specifically, the water-wet monolith ion exchanger has a diameter of x2 (mm), and the water-wet monolith ion exchanger is dried, and the resulting dried monolith ion exchanger has a diameter of y2 ( mm), and the average diameter of the pores when the dried monolith ion exchanger was measured by the mercury intrusion method was z2 (μm), the pores of the monolith ion exchanger in the water-wet state The average diameter (μm) is calculated by the following formula: “average diameter (μm) of water holes in the monolith ion exchanger pores = z2 × (x2 / y2)”. In addition, the average diameter of the pores of the dried monolith before introduction of the ion exchange groups, and the swelling ratio of the water-dried monolith ion exchanger with respect to the dried monolith when the ion exchange groups are introduced into the dried monolith. If it is known, the average diameter of the monolith ion exchanger pores in the water-wet state can be calculated by multiplying the average diameter of the pores of the dry monolith by the swelling rate. Further, the average thickness of the skeleton of the continuous structure in the water-wet state is obtained by performing SEM observation of the dried monolith ion exchanger at least three times, and measuring the thickness of the skeleton in the obtained image. It is a value calculated by multiplying the average value by the swelling rate. Specifically, the water-wet monolith ion exchanger has a diameter of x3 (mm), the water-wet monolith ion exchanger is dried, and the resulting dried monolith ion exchanger has a diameter of y3 ( SEM observation of this dried monolith ion exchanger at least three times, the thickness of the skeleton in the obtained image was measured, and the average value was z3 (μm). The average thickness (μm) of the skeleton of the continuous structure of the ion exchanger in the water wet state is expressed by the following formula: “average thickness of the skeleton of the continuous structure of the monolith ion exchanger (μm) = z3 × (X3 / y3) ". In addition, the average thickness of the skeleton of the dried monolith before the introduction of the ion exchange group, and the swelling ratio of the monolith ion exchanger in the water wet state relative to the dried monolith when the ion exchange group is introduced into the dried monolith. When it is understood, the average thickness of the skeleton of the monolith ion exchanger can be calculated by multiplying the average thickness of the skeleton of the monolith in the dry state by the swelling ratio. The skeleton has a rod-like shape and a circular cross-sectional shape, but may have a cross-section with a different diameter such as an elliptical cross-sectional shape. The thickness in this case is the average of the minor axis and the major axis.
第2のモノリスイオン交換体は、3次元的に連続した棒状骨格の太さが10μm未満であると、体積当りのイオン交換容量が低下してしまうため好ましくなく、100μmを超えると、イオン交換特性の均一性が失われるため好ましくない。モノリスイオン交換体の壁部の定義及び測定方法などは、モノリスと同様である。 If the thickness of the three-dimensional continuous rod-like skeleton is less than 10 μm, the second monolith ion exchanger is not preferable because the ion exchange capacity per volume is lowered, and if it exceeds 100 μm, the ion exchange characteristics This is not preferable because the uniformity of the film is lost. The definition and measurement method of the wall of the monolith ion exchanger are the same as those of the monolith.
また、第2のモノリスイオン交換体は、0.5〜5ml/gの全細孔容積を有する。全細孔容積が0.5ml/g未満であると、モノリスイオン交換体を流れる濃縮水の圧力損失が高くなり、モノリスイオン交換体内で発生した炭酸ガスを濃縮水と共に排水させることが困難となる場合がある。一方、全細孔容積が5ml/gを超えると、モノリスイオン交換体の強度低下、電気式脱イオン水製造装置の電気抵抗の増加するため好ましくない。なお、モノリス(モノリス中間体、モノリス、モノリスイオン交換体)の全細孔容積は、乾燥状態でも、水湿潤状態でも、同じである。 The second monolith ion exchanger has a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g. When the total pore volume is less than 0.5 ml / g, the pressure loss of the concentrated water flowing through the monolith ion exchanger increases, and it becomes difficult to drain the carbon dioxide gas generated in the monolith ion exchanger together with the concentrated water. There is a case. On the other hand, if the total pore volume exceeds 5 ml / g, the strength of the monolith ion exchanger is decreased, and the electrical resistance of the electric deionized water production apparatus is increased. The total pore volume of the monolith (monolith intermediate, monolith, monolith ion exchanger) is the same in the dry state and in the water wet state.
なお、第2のモノリスイオン交換体に水を透過させた際の圧力損失は、多孔質体を1m充填したカラムに通水線速度(LV)1m/hで通水した際の圧力損失(以下、「差圧係数」と言う。)で示すと、0.001〜0.5MPa/m・LVの範囲、特に0.001〜0.1MPa/m・LVである。 The pressure loss when water was permeated through the second monolith ion exchanger was the pressure loss when water was passed through a column filled with 1 m of a porous material at a water flow rate (LV) of 1 m / h (hereinafter referred to as “pressure loss”). And “differential pressure coefficient”) in the range of 0.001 to 0.5 MPa / m · LV, particularly 0.001 to 0.1 MPa / m · LV.
第2のモノリスイオン交換体において、共連続構造体の骨格を構成する材料は、全構成単位中、0.3〜5モル%、好ましくは0.5〜3.0モル%の架橋構造単位を含んでいる芳香族ビニルポリマーであり疎水性である。架橋構造単位が0.3モル%未満であると、機械的強度が不足するため好ましくなく、一方、5モル%を越えると、多孔質体の構造が共連続構造から逸脱しやすくなる。該芳香族ビニルポリマーの種類に特に制限はなく、例えば、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、ポリビニルトルエン、ポリビニルベンジルクロライド、ポリビニルビフェニル、ポリビニルナフタレン等が挙げられる。上記ポリマーは、単独のビニルモノマーと架橋剤を共重合させて得られるポリマーでも、複数のビニルモノマーと架橋剤を重合させて得られるポリマーであってもよく、また、二種類以上のポリマーがブレンドされたものであってもよい。これら有機ポリマー材料の中で、共連続構造形成の容易さ、イオン交換基導入の容易性と機械的強度の高さ、および酸・アルカリに対する安定性の高さから、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体やビニルベンジルクロライド−ジビニルベンゼン共重合体が好ましい。 In the second monolith ion exchanger, the material constituting the skeleton of the co-continuous structure is 0.3 to 5 mol%, preferably 0.5 to 3.0 mol% of the crosslinked structural unit in all the structural units. It is an aromatic vinyl polymer containing and is hydrophobic. If the cross-linking structural unit is less than 0.3 mol%, the mechanical strength is insufficient, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 5 mol%, the structure of the porous body tends to deviate from the bicontinuous structure. There is no restriction | limiting in particular in the kind of this aromatic vinyl polymer, For example, a polystyrene, poly ((alpha) -methylstyrene), polyvinyl toluene, polyvinyl benzyl chloride, polyvinyl biphenyl, polyvinyl naphthalene etc. are mentioned. The polymer may be a polymer obtained by copolymerizing a single vinyl monomer and a crosslinking agent, a polymer obtained by polymerizing a plurality of vinyl monomers and a crosslinking agent, or a blend of two or more types of polymers. It may be what was done. Among these organic polymer materials, a styrene-divinylbenzene copolymer is used because of its ease of forming a co-continuous structure, ease of introduction of ion exchange groups, high mechanical strength, and high stability against acids and alkalis. And vinylbenzyl chloride-divinylbenzene copolymer is preferred.
第2のモノリスイオン交換体は、水湿潤状態での体積当りの陽イオン交換容量が0.3〜5mg当量/mlのイオン交換容量を有する。特開2002−306976号に記載されているような本発明とは異なる連続マクロポア構造を有する従来型のモノリス状有機多孔質イオン交換体では、実用的に要求される低い圧力損失を達成するために、開口径を大きくすると、全細孔容積もそれに伴って大きくなってしまうため、モノリスイオン交換体の強度が低下する、体積当りの交換容量を増加させるために全細孔容積を小さくしていくと、開口径が小さくなってしまうため圧力損失が増加するといった欠点を有していた。それに対して、本発明のモノリスイオン交換体は、三次元的に連続した空孔の連続性や均一性が高いため、全細孔容積を低下させても圧力損失はさほど増加しない。なお、第2のモノリスイオン交換体の乾燥状態における重量当りのイオン交換容量は特に限定されないが、イオン交換基が多孔質体の骨格表面及び骨格内部にまで均一に導入しているため、3〜5mg当量/gである。なお、イオン交換基が骨格表面のみに導入された多孔質体のイオン交換容量は、多孔質体やイオン交換基の種類により一概には決定できないものの、せいぜい500μg当量/gである。 The second monolith ion exchanger has an ion exchange capacity of 0.3 to 5 mg equivalent / ml cation exchange capacity per volume in a wet state of water. In the conventional monolithic organic porous ion exchanger having a continuous macropore structure different from the present invention as described in JP-A-2002-306976, in order to achieve a low pressure loss that is practically required, When the opening diameter is increased, the total pore volume also increases accordingly, so the strength of the monolith ion exchanger decreases, and the total pore volume is decreased in order to increase the exchange capacity per volume. In addition, since the opening diameter is reduced, the pressure loss increases. On the other hand, since the monolith ion exchanger of the present invention has high continuity and uniformity of three-dimensionally continuous pores, the pressure loss does not increase so much even if the total pore volume is reduced. The ion exchange capacity per weight in the dry state of the second monolith ion exchanger is not particularly limited, but the ion exchange groups are uniformly introduced to the skeleton surface and the skeleton inside the porous body. 5 mg equivalent / g. The ion exchange capacity of a porous body in which ion exchange groups are introduced only on the surface of the skeleton cannot be determined unconditionally depending on the kind of the porous body or ion exchange groups, but is at most 500 μg equivalent / g.
第2のモノリスイオン交換体における陽イオン交換基としては、第1のモノリスイオン交換体におけるイオン交換基と同様であり、その説明を省略する。第2のモノリスイオン交換体において、導入された陽イオン交換基は、多孔質体の表面のみならず、多孔質体の骨格内部にまで均一に分布している。均一分布の定義は、第1のモノリスイオン交換体の均一分布の定義と同じである。 The cation exchange group in the second monolith ion exchanger is the same as the ion exchange group in the first monolith ion exchanger, and the description thereof is omitted. In the second monolith ion exchanger, the introduced cation exchange groups are uniformly distributed not only on the surface of the porous body but also inside the skeleton of the porous body. The definition of the uniform distribution is the same as the definition of the uniform distribution of the first monolith ion exchanger.
(第2のモノリスイオン交換体の製造方法)
第2のモノリスイオン交換体は、イオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が16ml/gを超え、30ml/g以下の連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体を得るI工程、芳香族ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する全油溶性モノマー中、0.3〜5モル%の架橋剤、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製するII工程、II工程で得られた混合物を静置下、且つI工程で得られたモノリス状の有機多孔質中間体の存在下に重合を行い、共連続構造体を得るIII工程、該III工程で得られた共連続構造体にイオン交換基を導入するIV工程を行うことで得られる。
(Method for producing second monolith ion exchanger)
The second monolith ion exchanger prepares a water-in-oil emulsion by stirring a mixture of oil-soluble monomer, surfactant and water that does not contain ion-exchange groups, and then polymerizes the water-in-oil emulsion. Step I for obtaining a monolithic organic porous intermediate having a continuous macropore structure having a total pore volume of more than 16 ml / g and 30 ml / g or less, an aromatic vinyl monomer, and at least two or more vinyl groups in one molecule From an organic solvent and a polymerization initiator in which 0.3 to 5 mol% of the cross-linking agent, aromatic vinyl monomer and cross-linking agent dissolve but the polymer formed by polymerization of the aromatic vinyl monomer does not dissolve in the total oil-soluble monomer having Step II for preparing the mixture, the mixture obtained in Step II is allowed to stand, and polymerization is performed in the presence of the monolithic organic porous intermediate obtained in Step I. III to obtain a continuous structure, obtained by performing the IV step of introducing ion exchange groups to resulting co-continuous structure in the step III.
第2のモノリスイオン交換体におけるモノリス中間体を得るI工程は、特開2002−306976号公報記載の方法に準拠して行なえばよい。 What is necessary is just to perform the I process of obtaining the monolith intermediate body in a 2nd monolith ion exchanger based on the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-306976.
すなわち、I工程において、イオン交換基を含まない油溶性モノマーとしては、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、四級アンモニウム基等のイオン交換基を含まず、水に対する溶解性が低く、親油性のモノマーが挙げられる。これらモノマーの具体例としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ビニルビフェニル、ビニルナフタレン等の芳香族ビニルモノマー;エチレン、プロピレン、1-ブテン、イソブテン等のα-オレフィン;ブタジエン、イソプレン、クロロプレン等のジエン系モノマー;塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン等のハロゲン化オレフィン;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル系モノマー;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸2-エチルヘキシル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸2-エチルヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸グリシジル等の(メタ)アクリル系モノマーが挙げられる。これらモノマーの中で、好適なものとしては、芳香族ビニルモノマーであり、例えばスチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ジビニルベンゼン等が挙げられる。これらモノマーは、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。ただし、ジビニルベンゼン、エチレングリコールジメタクリレート等の架橋性モノマーを少なくとも油溶性モノマーの一成分として選択し、その含有量を全油溶性モノマー中、0.3〜5モル%、好ましくは0.3〜3モル%とすることが、後の工程でイオン交換基量を多く導入するに際して必要な機械的強度が得られる点で好ましい。 That is, in the step I, as the oil-soluble monomer not containing an ion exchange group, for example, it does not contain an ion exchange group such as a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, and a quaternary ammonium group, has low solubility in water, and is lipophilic. These monomers are mentioned. Specific examples of these monomers include aromatic vinyl monomers such as styrene, α-methylstyrene, vinyl toluene, vinyl benzyl chloride, vinyl biphenyl and vinyl naphthalene; α-olefins such as ethylene, propylene, 1-butene and isobutene; butadiene Diene monomers such as vinyl chloride, vinyl bromide, vinylidene chloride and tetrafluoroethylene; nitrile monomers such as acrylonitrile and methacrylonitrile; vinyl esters such as vinyl acetate and vinyl propionate Methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, propyl methacrylate, butyl methacrylate, 2-ethyl methacrylate Sill, cyclohexyl methacrylate, benzyl methacrylate, and (meth) acrylic monomer of glycidyl methacrylate. Among these monomers, preferred are aromatic vinyl monomers such as styrene, α-methylstyrene, vinyl toluene, vinyl benzyl chloride, divinyl benzene and the like. These monomers can be used alone or in combination of two or more. However, a crosslinkable monomer such as divinylbenzene or ethylene glycol dimethacrylate is selected as at least one component of the oil-soluble monomer, and its content is 0.3 to 5 mol%, preferably 0.3 to the total oil-soluble monomer. 3 mol% is preferable in that a mechanical strength necessary for introducing a large amount of ion-exchange groups in a later step can be obtained.
界面活性剤は、第1のモノリスイオン交換体のI工程で使用する界面活性剤と同様であり、その説明を省略する。 The surfactant is the same as the surfactant used in step I of the first monolith ion exchanger, and the description thereof is omitted.
また、I工程では、油中水滴型エマルジョン形成の際、必要に応じて重合開始剤を使用してもよい。重合開始剤は、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は水溶性であっても油溶性であってもよく、例えば、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)、1,1’-アゾビス(シクロヘキサン-1-カルボニトリル)、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、テトラメチルチウラムジスルフィド、過酸化水素−塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム−酸性亜硫酸ナトリウム等が挙げられる。 In Step I, a polymerization initiator may be used as necessary when forming a water-in-oil emulsion. As the polymerization initiator, a compound that generates radicals by heat and light irradiation is preferably used. The polymerization initiator may be water-soluble or oil-soluble. For example, 2,2′-azobis (isobutyronitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 2 , 2′-azobis (2-methylbutyronitrile), 2,2′-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2,2′-azobisisobutyrate, 4,4′-azobis ( 4-cyanovaleric acid), 1,1'-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile), benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, potassium persulfate, ammonium persulfate, tetramethylthiuram disulfide, hydrogen peroxide-ferrous chloride Sodium persulfate-sodium acid sodium sulfite and the like.
イオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤、水及び重合開始剤とを混合し、油中水滴型エマルジョンを形成させる際の混合方法としては、第1のモノリスイオン交換体のI工程における混合方法と同様であり、その説明を省略する。 As a mixing method when an oil-soluble monomer not containing an ion exchange group, a surfactant, water and a polymerization initiator are mixed to form a water-in-oil emulsion, in the step I of the first monolith ion exchanger This is the same as the mixing method, and the description thereof is omitted.
第2のモノリスイオン交換体の製造方法において、I工程で得られるモノリス中間体は、架橋構造を有する有機ポリマー材料、好適には芳香族ビニルポリマーである。該ポリマー材料の架橋密度は特に限定されないが、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、0.3〜5モル%、好ましくは0.3〜3モル%の架橋構造単位を含んでいることが好ましい。架橋構造単位が0.3モル%未満であると、機械的強度が不足するため好ましくない。一方、5モル%を超えると、モノリスの構造が共連続構造を逸脱し易くなるため好ましくない。特に、全細孔容積が16〜20ml/gと本発明の中では小さい場合には、共連続構造を形成させるため、架橋構造単位は3モル未満とすることが好ましい。 In the second method for producing a monolith ion exchanger, the monolith intermediate obtained in the step I is an organic polymer material having a crosslinked structure, preferably an aromatic vinyl polymer. Although the crosslinking density of the polymer material is not particularly limited, it contains 0.3 to 5 mol%, preferably 0.3 to 3 mol% of crosslinked structural units with respect to all structural units constituting the polymer material. Is preferred. When the cross-linking structural unit is less than 0.3 mol%, the mechanical strength is insufficient, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 5 mol%, the structure of the monolith tends to deviate from the co-continuous structure, which is not preferable. In particular, when the total pore volume is as small as 16 to 20 ml / g in the present invention, the cross-linking structural unit is preferably less than 3 mol in order to form a co-continuous structure.
モノリス中間体のポリマー材料の種類は、第1のモノリスイオン交換体のモノリス中間体のポリマー材料の種類と同様であり、その説明を省略する。 The type of the polymer material of the monolith intermediate is the same as the type of the polymer material of the monolith intermediate of the first monolith ion exchanger, and the description thereof is omitted.
モノリス中間体の全細孔容積は、16ml/gを超え、30ml/g以下、好適には6〜25ml/gである。すなわち、このモノリス中間体は、基本的には連続マクロポア構造ではあるが、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口(メソポア)が格段に大きいため、モノリス構造を構成する骨格が二次元の壁面から一次元の棒状骨格に限りなく近い構造を有している。これを重合系に共存させると、モノリス中間体の構造を鋳型として共連続構造の多孔質体が形成される。全細孔容積が小さ過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの構造が共連続構造から連続マクロポア構造に変化してしまうため好ましくなく、一方、全細孔容積が大き過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの機械的強度が低下したり、体積当たりのイオン交換容量が低下してしまうため好ましくない。モノリス中間体の全細孔容積を第2のモノリスイオン交換体の特定の範囲とするには、モノマーと水の比を、概ね1:20〜1:40とすればよい。 The total pore volume of the monolith intermediate is more than 16 ml / g and not more than 30 ml / g, preferably 6-25 ml / g. In other words, this monolith intermediate is basically a continuous macropore structure, but the opening (mesopore) that is the overlap between macropores and macropores is remarkably large. It has a structure as close as possible to the original rod-like skeleton. When this coexists in the polymerization system, a porous body having a co-continuous structure is formed using the structure of the monolith intermediate as a template. If the total pore volume is too small, the structure of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer is not preferable because it changes from a co-continuous structure to a continuous macropore structure. On the other hand, if the total pore volume is too large, This is not preferable because the mechanical strength of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer is lowered and the ion exchange capacity per volume is lowered. In order to make the total pore volume of the monolith intermediate within a specific range of the second monolith ion exchanger, the ratio of monomer to water may be approximately 1:20 to 1:40.
また、モノリス中間体は、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口(メソポア)の平均直径が乾燥状態で5〜100μmである。開口の平均直径が5μm未満であると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が小さくなり、流体透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。一方、100μmを超えると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が大きくなりすぎ、モノルスの強度が低下したり、充填率が低下する場合があり好ましくない。モノリス中間体は、マクロポアの大きさや開口の径が揃った均一構造のものが好適であるが、これに限定されず、均一構造中、均一なマクロポアの大きさよりも大きな不均一なマクロポアが点在するものであってもよい。 Moreover, the average diameter of the opening (mesopore) which is an overlap part of a macropore and a macropore is a monolith intermediate body is 5-100 micrometers in a dry state. If the average diameter of the openings is less than 5 μm, the opening diameter of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer becomes small, and the pressure loss during fluid permeation increases, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 100 μm, the opening diameter of the monolith obtained after polymerizing the vinyl monomer becomes too large, and the strength of the monorus may be lowered or the filling rate may be lowered, which is not preferable. Monolith intermediates preferably have a uniform structure with uniform macropore size and aperture diameter, but are not limited to this, and the uniform structure is dotted with nonuniform macropores larger than the size of the uniform macropore. You may do.
第2のモノリスイオン交換体の製造方法において、II工程は、芳香族ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する全油溶性モノマー中、0.3〜5モル%の架橋剤、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製する工程である。なお、I工程とII工程の順序はなく、I工程後にII工程を行ってもよく、II工程後にI工程を行ってもよい。 In the second method for producing a monolithic ion exchanger, the step II includes 0.3 to 5 mol% of a crosslinking agent in the aromatic vinyl monomer and the total oil-soluble monomer having at least two or more vinyl groups in one molecule. This is a step of preparing a mixture comprising an organic solvent and a polymerization initiator that dissolves the aromatic vinyl monomer and the crosslinking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the aromatic vinyl monomer. In addition, there is no order of I process and II process, II process may be performed after I process, and I process may be performed after II process.
第2のモノリスイオン交換体の製造方法において、II工程で用いられる芳香族ビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性の芳香族ビニルモノマーであれば、特に制限はないが、上記重合系に共存させるモノリス中間体と同種類もしくは類似のポリマー材料を生成するビニルモノマーを選定することが好ましい。これらビニルモノマーの具体例としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ビニルビフェニル、ビニルナフタレン等が挙げられる。これらモノマーは、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。本発明で好適に用いられる芳香族ビニルモノマーは、スチレン、ビニルベンジルクロライド等である。 In the second method for producing a monolithic ion exchanger, the aromatic vinyl monomer used in step II includes a lipophilic aromatic vinyl monomer that contains a polymerizable vinyl group in the molecule and has high solubility in an organic solvent. If it is, there is no particular limitation, but it is preferable to select a vinyl monomer that produces the same or similar polymer material as the monolith intermediate coexisting in the polymerization system. Specific examples of these vinyl monomers include styrene, α-methylstyrene, vinyl toluene, vinyl benzyl chloride, vinyl biphenyl, vinyl naphthalene and the like. These monomers can be used alone or in combination of two or more. Aromatic vinyl monomers preferably used in the present invention are styrene, vinyl benzyl chloride and the like.
これら芳香族ビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体に対して、重量で5〜50倍、好ましくは5〜40倍である。芳香族ビニルモノマー添加量が多孔質体に対して5倍未満であると、棒状骨格を太くできず、イオン交換基導入後の体積当りのイオン交換容量が小さくなってしまう。 The amount of these aromatic vinyl monomers added is 5 to 50 times, preferably 5 to 40 times, by weight with respect to the monolith intermediate coexisting during polymerization. If the amount of the aromatic vinyl monomer added is less than 5 times that of the porous body, the rod-like skeleton cannot be made thick, and the ion exchange capacity per volume after the introduction of ion exchange groups becomes small.
II工程で用いられる架橋剤は、分子中に少なくとも2個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好適に用いられる。架橋剤の具体例としては、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ブタンジオールジアクリレート等が挙げられる。これら架橋剤は、1種単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。好ましい架橋剤は、機械的強度の高さと加水分解に対する安定性から、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル等の芳香族ポリビニル化合物である。架橋剤使用量は、ビニルモノマーと架橋剤の合計量(全油溶性モノマー)に対して0.3〜5モル%、特に0.3〜3モル%である。架橋剤使用量が0.3モル%未満であると、モノリスの機械的強度が不足するため好ましくなく、一方、多過ぎると、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。なお、上記架橋剤使用量は、ビニルモノマー/架橋剤重合時に共存させるモノリス中間体の架橋密度とほぼ等しくなるように用いることが好ましい。両者の使用量があまりに大きくかけ離れると、生成したモノリス中で架橋密度分布の偏りが生じ、イオン交換基導入反応時にクラックが生じやすくなる。 As the crosslinking agent used in step II, a crosslinking agent containing at least two polymerizable vinyl groups in the molecule and having high solubility in an organic solvent is preferably used. Specific examples of the crosslinking agent include divinylbenzene, divinylnaphthalene, divinylbiphenyl, ethylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane triacrylate, butanediol diacrylate, and the like. These crosslinking agents can be used singly or in combination of two or more. Preferred cross-linking agents are aromatic polyvinyl compounds such as divinylbenzene, divinylnaphthalene and divinylbiphenyl because of their high mechanical strength and stability to hydrolysis. The amount of the crosslinking agent used is 0.3 to 5 mol%, particularly 0.3 to 3 mol%, based on the total amount of vinyl monomer and crosslinking agent (total oil-soluble monomer). When the amount of the crosslinking agent used is less than 0.3 mol%, it is not preferable because the mechanical strength of the monolith is insufficient. On the other hand, when the amount is too large, the brittleness of the monolith proceeds and the flexibility is lost. This is not preferable because a problem arises in that the amount of introduction of is reduced. In addition, it is preferable to use the said crosslinking agent usage-amount so that it may become substantially equal to the crosslinking density of the monolith intermediate body coexisted at the time of vinyl monomer / crosslinking agent polymerization. If the amounts used of both are too large, the crosslink density distribution is biased in the produced monolith, and cracks are likely to occur during the ion exchange group introduction reaction.
II工程で用いられる有機溶媒は、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒、言い換えると、芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。該有機溶媒は、芳香族ビニルモノマーの種類によって大きく異なるため一般的な具体例を列挙することは困難であるが、例えば、芳香族ビニルモノマーがスチレンの場合、有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、オクタノール、2-エチルヘキサノール、デカノール、ドデカノール、プロピレングリコール、テトラメチレングリコール等のアルコール類;ジエチルエーテル、ブチルセロソルブ、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール等の鎖状(ポリ)エーテル類;ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、デカン、ドデカン等の鎖状飽和炭化水素類;酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸セロソルブ、プロピオン酸エチル等のエステル類が挙げられる。また、ジオキサンやTHF、トルエンのようにポリスチレンの良溶媒であっても、上記貧溶媒と共に用いられ、その使用量が少ない場合には、有機溶媒として使用することができる。これら有機溶媒の使用量は、上記芳香族ビニルモノマーの濃度が30〜80重量%となるように用いることが好ましい。有機溶媒使用量が上記範囲から逸脱して芳香族ビニルモノマー濃度が30重量%未満となると、重合速度が低下したり、重合後のモノリス構造が本発明の範囲から逸脱してしまうため好ましくない。一方、芳香族ビニルモノマー濃度が80重量%を超えると、重合が暴走する恐れがあるため好ましくない。 The organic solvent used in step II is an organic solvent that dissolves the aromatic vinyl monomer and the crosslinking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the aromatic vinyl monomer, in other words, is formed by polymerization of the aromatic vinyl monomer. It is a poor solvent for polymers. Since the organic solvent varies greatly depending on the type of the aromatic vinyl monomer, it is difficult to list general specific examples. For example, when the aromatic vinyl monomer is styrene, the organic solvent includes methanol, ethanol, Alcohols such as propanol, butanol, hexanol, cyclohexanol, octanol, 2-ethylhexanol, decanol, dodecanol, propylene glycol, tetramethylene glycol; chain structures such as diethyl ether, butyl cellosolve, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polytetramethylene glycol (Poly) ethers; chain saturated hydrocarbons such as hexane, heptane, octane, isooctane, decane, dodecane; ethyl acetate, isopropyl acetate, cellosolve acetate, propionic acid Examples include esters such as ethyl. Moreover, even if it is a good solvent of polystyrene like a dioxane, THF, and toluene, when it is used with the said poor solvent and the usage-amount is small, it can be used as an organic solvent. These organic solvents are preferably used so that the concentration of the aromatic vinyl monomer is 30 to 80% by weight. If the amount of the organic solvent used deviates from the above range and the aromatic vinyl monomer concentration becomes less than 30% by weight, the polymerization rate is lowered, or the monolith structure after polymerization deviates from the scope of the present invention, which is not preferable. On the other hand, if the concentration of the aromatic vinyl monomer exceeds 80% by weight, the polymerization may run away, which is not preferable.
重合開始剤は、第1のモノリスイオン交換体のII工程で用いる重合開始剤と同様であり、その説明を省略する。 The polymerization initiator is the same as the polymerization initiator used in Step II of the first monolith ion exchanger, and the description thereof is omitted.
第2のモノリスイオン交換体の製造方法において、III工程は、II工程で得られた混合物を静置下、且つ該I工程で得られたモノリス中間体の存在下に重合を行い、該モノリス中間体の連続マクロポア構造を共連続構造に変化させ、骨太骨格のモノリスを得る工程である。III工程で用いるモノリス中間体は、本発明の斬新な構造を有するモノリスを創出する上で、極めて重要な役割を担っている。特表平7−501140号等に開示されているように、モノリス中間体不存在下でビニルモノマーと架橋剤を特定の有機溶媒中で静置重合させると、粒子凝集型のモノリス状有機多孔質体が得られる。それに対して、本発明の第2のモノリスのように上記重合系に特定の連続マクロポア構造のモノリス中間体を存在させると、重合後のモノリスの構造は劇的に変化し、粒子凝集構造は消失し、上述の共連続構造のモノリスが得られる。その理由は詳細には解明されていないが、モノリス中間体が存在しない場合は、重合により生じた架橋重合体が粒子状に析出・沈殿することで粒子凝集構造が形成されるのに対し、重合系に全細孔容積が大きな多孔質体(中間体)が存在すると、ビニルモノマー及び架橋剤が液相から多孔質体の骨格部に吸着又は分配され、多孔質体中で重合が進行し、モノリス構造を構成する骨格が二次元の壁面から一次元の棒状骨格に変化して共連続構造を有するモノリス状有機多孔質体が形成されると考えられる。 In the second method for producing a monolith ion exchanger, in the step III, the mixture obtained in the step II is allowed to stand, and polymerization is performed in the presence of the monolith intermediate obtained in the step I. This is a process of changing the continuous macropore structure of the body to a co-continuous structure to obtain a monolith with a bone skeleton. The monolith intermediate used in the step III plays a very important role in creating the monolith having the novel structure of the present invention. As disclosed in JP-A-7-501140 and the like, when a vinyl monomer and a crosslinking agent are allowed to stand in a specific organic solvent in the absence of a monolith intermediate, a particle aggregation type monolithic organic porous material is obtained. The body is obtained. On the other hand, when a monolith intermediate having a specific continuous macropore structure is present in the polymerization system as in the second monolith of the present invention, the structure of the monolith after the polymerization changes dramatically and the particle aggregation structure disappears. Thus, a monolith having the above-described bicontinuous structure can be obtained. The reason for this has not been elucidated in detail, but in the absence of a monolith intermediate, the cross-linked polymer produced by polymerization precipitates and precipitates in the form of particles, while a particle aggregate structure is formed. When a porous body (intermediate) having a large total pore volume is present in the system, the vinyl monomer and the crosslinking agent are adsorbed or distributed from the liquid phase to the skeleton of the porous body, and polymerization proceeds in the porous body. It is considered that the skeleton constituting the monolith structure is changed from a two-dimensional wall surface to a one-dimensional rod-like skeleton to form a monolithic organic porous body having a co-continuous structure.
反応容器の内容積は、第1のモノリスイオン交換体の反応容器の内容積の説明と同様であり、その説明を省略する。 The internal volume of the reaction vessel is the same as the description of the internal volume of the reaction vessel of the first monolith ion exchanger, and the description thereof is omitted.
III工程において、反応容器中、モノリス中間体は混合物(溶液)で含浸された状態に置かれる。II工程で得られた混合物とモノリス中間体の配合比は、前述の如く、モノリス中間体に対して、芳香族ビニルモノマーの添加量が重量で5〜50倍、好ましくは5〜40倍となるように配合するのが好適である。これにより、適度な大きさの空孔が三次元的に連続し、且つ骨太の骨格が3次元的に連続する共連続構造のモノリスを得ることができる。反応容器中、混合物中の芳香族ビニルモノマーと架橋剤は、静置されたモノリス中間体の骨格に吸着、分配され、モノリス中間体の骨格内で重合が進行する。 In step III, the monolith intermediate is placed in a reaction vessel impregnated with the mixture (solution). As described above, the blending ratio of the mixture obtained in Step II and the monolith intermediate is 5 to 50 times, preferably 5 to 40 times the weight of the aromatic vinyl monomer added to the monolith intermediate. It is preferable to blend them as described above. Thereby, it is possible to obtain a monolith having a co-continuous structure in which pores of an appropriate size are three-dimensionally continuous and a thick skeleton is three-dimensionally continuous. In the reaction vessel, the aromatic vinyl monomer and the cross-linking agent in the mixture are adsorbed and distributed on the skeleton of the monolith intermediate that is allowed to stand, and polymerization proceeds in the skeleton of the monolith intermediate.
共連続構造を有するモノリスの基本構造は、平均太さが乾燥状態で0.8〜40μmの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に直径が8〜80μmの三次元的に連続した空孔が配置された構造である。上記三次元的に連続した空孔の平均直径は、水銀圧入法により細孔分布曲線を測定し、細孔分布曲線の極大値として得ることができる。モノリスの骨格の太さは、SEM観察を少なくとも3回行い、得られた画像中の骨格の平均太さを測定して算出すればよい。また、共連続構造を有するモノリスは、0.5〜5ml/gの全細孔容積を有する。 The basic structure of a monolith having a co-continuous structure is a three-dimensional continuous skeleton having an average thickness of 0.8 to 40 μm in a dry state and a three-dimensional continuous sky having a diameter of 8 to 80 μm between the skeletons. This is a structure in which holes are arranged. The average diameter of the three-dimensionally continuous pores can be obtained as a maximum value of the pore distribution curve by measuring the pore distribution curve by the mercury intrusion method. The thickness of the skeleton of the monolith may be calculated by performing SEM observation at least three times and measuring the average thickness of the skeleton in the obtained image. A monolith having a co-continuous structure has a total pore volume of 0.5 to 5 ml / g.
重合条件は、第1のモノリスイオン交換体のIII工程の重合条件の説明と同様であり、その説明を省略する。 The polymerization conditions are the same as the description of the polymerization conditions in step III of the first monolith ion exchanger, and the description thereof is omitted.
IV工程において、共連続構造を有するモノリスにイオン交換基を導入する方法は、第1のモノリスイオン交換体における、モノリスにイオン交換基を導入する方法と同様であり、その説明を省略する。 In the step IV, the method for introducing an ion exchange group into a monolith having a co-continuous structure is the same as the method for introducing an ion exchange group into a monolith in the first monolith ion exchanger, and the description thereof is omitted.
第2のモノリスイオン交換体は、共連続構造のモノリスにイオン交換基が導入されるため、例えばモノリスの1.4〜1.9倍に大きく膨潤する。また、空孔径が膨潤で大きくなっても全細孔容積は変化しない。従って、第2のモノリスイオン交換体は、3次元的に連続する空孔の大きさが格段に大きいにもかかわらず、骨太骨格を有するため機械的強度が高い。また、骨格が太いため、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量を大きくできる。 Since the ion exchange group is introduced into the bilithic monolith, the second monolith ion exchanger swells greatly, for example, 1.4 to 1.9 times that of the monolith. Further, the total pore volume does not change even if the pore diameter becomes larger due to swelling. Therefore, the second monolith ion exchanger has a high mechanical strength because it has a thick bone skeleton even though the size of three-dimensionally continuous pores is remarkably large. Moreover, since the skeleton is thick, the ion exchange capacity per volume in a wet state can be increased.
上記電気式脱イオン水製造装置では、被処理水を第一小脱塩室d1、d3、d5に充填されたアニオン交換体20から接触させる構成を例示している。本実施の形態例では、脱塩室に充填されたイオン交換体の通水順序及び脱塩室に充填されるイオン交換体等は特に制限されるものではないが、下記に第一小脱塩室にカチオン交換体を充填し、第二小脱塩室にアニオン交換体を充填し、被処理水をカチオン交換体からアニオン交換体の順で接触させる電気式脱イオン水製造装置について説明する。 In the said electrical deionized water manufacturing apparatus, the structure which makes the to-be-processed water contact from the anion exchanger 20 with which the 1st small demineralization chamber d1, d3, d5 was filled is illustrated. In the present embodiment, the water flow order of the ion exchanger filled in the desalting chamber and the ion exchanger filled in the desalting chamber are not particularly limited, but the first small desalting is described below. An electric deionized water production apparatus will be described in which the chamber is filled with a cation exchanger, the second small desalting chamber is filled with an anion exchanger, and the water to be treated is contacted in the order of the cation exchanger to the anion exchanger.
図15は、本発明の他の実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の概略構成図である。図15に示す第一小脱塩室d1、d3、d5は、カチオン交換膜10と中間イオン交換膜12とで区画され、第二小脱塩室d2、d4、d6は、中間イオン交換膜12とアニオン交換膜14とで区画されている。また、図15に示す第一小脱塩室d1、d3、d5には、カチオン交換体46が充填され、第二小脱塩室d2、d4、d6には、アニオン交換体20が充填されている。また、本実施形態において、中間イオン交換膜12は、アニオン交換膜であるが、アニオン交換膜に制限されるものではない。また、濃縮室16a、16b及び電極室28、30は、図13の電気式脱イオン水製造装置1と同様の構成であるため説明を省略する。 FIG. 15 is a schematic configuration diagram of an electric deionized water production apparatus according to another embodiment of the present invention. The first small desalting chambers d1, d3, and d5 shown in FIG. 15 are partitioned by the cation exchange membrane 10 and the intermediate ion exchange membrane 12, and the second small desalting chambers d2, d4, and d6 are defined by the intermediate ion exchange membrane 12. And an anion exchange membrane 14. Further, the first small desalting chambers d1, d3, d5 shown in FIG. 15 are filled with a cation exchanger 46, and the second small desalting chambers d2, d4, d6 are filled with an anion exchanger 20. Yes. In the present embodiment, the intermediate ion exchange membrane 12 is an anion exchange membrane, but is not limited to an anion exchange membrane. Moreover, since the concentration chambers 16a and 16b and the electrode chambers 28 and 30 have the same configuration as that of the electric deionized water production apparatus 1 in FIG.
図15の電気式脱イオン水製造装置2において、被処理水が流入するための第一流入ライン36が、第一小脱塩室d1、d3、d5の入口にそれぞれ接続され、第一小脱塩室d1、d3、d5の出口からの被処理水が流出するための第一流出ライン38が、第二小脱塩室d2、d4、d6の入口へ被処理水が流入するための第二流入ライン40に接続されている。処理水が流出するための第二流出ライン42が、第二小脱塩室d2、d4、d6の出口にそれぞれ接続されている。上記構成によって、被処理水は、まず、第一小脱塩室d1、d3、d5に供給され、脱塩処理される。そして、第一小脱塩室d1、d3、d5を通過した被処理水が、第二小脱塩室d2、d4、d6に供給され、さらに脱塩処理されて処理水として排出される。また、濃縮水流入ライン48、濃縮水流出ライン50等の構成は、図13の電気式脱イオン水製造装置1と同様の構成であるため説明を省略する。 In the electric deionized water production apparatus 2 of FIG. 15, first inflow lines 36 through which water to be treated flows are connected to the inlets of the first small demineralization chambers d1, d3, d5, respectively. A first outflow line 38 for flowing out the water to be treated from the outlets of the salt chambers d1, d3, d5 is a second for flowing the water to be treated into the inlets of the second small desalting chambers d2, d4, d6. It is connected to the inflow line 40. A second outflow line 42 through which the treated water flows out is connected to the outlets of the second small desalting chambers d2, d4, and d6, respectively. With the above configuration, the water to be treated is first supplied to the first small desalting chambers d1, d3, and d5 and desalted. And the to-be-processed water which passed 1st small desalination chamber d1, d3, d5 is supplied to 2nd small desalination chamber d2, d4, d6, is further desalted, and is discharged | emitted as treated water. Moreover, since the structure of the concentrated water inflow line 48, the concentrated water outflow line 50, etc. is the same structure as the electric deionized water manufacturing apparatus 1 of FIG. 13, description is abbreviate | omitted.
本実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置2によって脱イオン水を製造する場合の運転方法の一例を以下に説明する。まず、陰極24と陽極26間に直流電流を流した状態で、第一流入ライン36から被処理水を流入させると共に、濃縮水流入ライン48から濃縮水を流入させる。第一流入ライン36から流入した被処理水は、第一小脱塩室d1、d3、d5を流れ、カチオン交換体46の充填層を通過する際にカチオンが除去される。更に、第一小脱塩室d1、d3、d5の第一流出ライン38を通った被処理水は、第二小脱塩室d2、d4、d6の第二流入ライン40を通って、第二小脱塩室d2、d4、d6を流れ、アニオン交換体20の充填層を通過する際に炭酸(遊離炭酸、重炭酸イオン、炭酸イオン)、シリカ等のアニオンが除去され、処理水(脱イオン水)が第二流出ライン42から得られる。また、濃縮水流入ライン48から流入した濃縮水は、各濃縮室16a、16bを流れ、カチオン交換膜10及びアニオン交換膜14を介して移動してくるイオンを受取り、イオンを濃縮した濃縮水として濃縮水流出ライン50から流出される。さらに濃縮水流入ライン48(電極水流入ライン)から流入した電極水は、濃縮水流出ライン50(電極水流出ライン)から流出される。 An example of an operation method in the case of producing deionized water by the electric deionized water production apparatus 2 according to this embodiment will be described below. First, in a state where a direct current is passed between the cathode 24 and the anode 26, water to be treated is introduced from the first inflow line 36 and concentrated water is introduced from the concentrated water inflow line 48. The treated water that has flowed in from the first inflow line 36 flows through the first small desalting chambers d1, d3, and d5, and the cations are removed when passing through the packed bed of the cation exchanger 46. Further, the treated water that has passed through the first outflow line 38 of the first small desalination chambers d1, d3, d5 passes through the second inflow line 40 of the second small desalination chambers d2, d4, d6, When flowing through the small desalting chambers d2, d4, d6 and passing through the packed bed of the anion exchanger 20, anions such as carbonic acid (free carbonic acid, bicarbonate ion, carbonate ion) and silica are removed, and treated water (deionized) Water) is obtained from the second outlet line 42. Further, the concentrated water flowing in from the concentrated water inflow line 48 flows through the concentration chambers 16a and 16b, receives ions moving through the cation exchange membrane 10 and the anion exchange membrane 14, and is used as concentrated water obtained by concentrating the ions. It flows out from the concentrated water outflow line 50. Furthermore, the electrode water flowing in from the concentrated water inflow line 48 (electrode water inflow line) flows out from the concentrated water outflow line 50 (electrode water outflow line).
第二小脱塩室d2、d4、d6のアニオン交換体20にて捕捉される炭酸(遊離炭酸、重炭酸イオン、炭酸イオン)は、水酸化物イオンやアニオン交換体20に捕捉された他のアニオン成分と共に陽極側のアニオン交換膜14を通過し、濃縮室16a、16bへと移動する。本実施形態では、濃縮室16a、16b内のアニオン交換体22とカチオン交換膜10との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体23が配置されているため、上記でも説明したように高濃度炭酸ガス含有水溶液層は、アニオン交換体22と接するモノリス状有機多孔質カチオン交換体23表面又は内部で発生し、炭酸ガスは、カチオン交換膜10に接する前に濃縮水と共に濃縮室16a,16bから流出される。また、炭酸ガスが、カチオン交換膜10に到達したとしても、モノリス状有機多孔質カチオン交換体23内で希薄化(低濃度化)されているため、カチオン交換膜10を透過する炭酸の量は大きく低減される。したがって、炭酸ガスがカチオン交換膜10を介して第一小脱塩室d3、d5へ移動し、被処理水中に逆拡散することを抑制することができる。 Carbonic acid (free carbonic acid, bicarbonate ion, carbonate ion) captured by the anion exchanger 20 in the second small desalting chambers d2, d4, d6 is other ions captured by the hydroxide ion or the anion exchanger 20. It passes through the anion exchange membrane 14 on the anode side together with the anion component, and moves to the concentration chambers 16a and 16b. In the present embodiment, since the monolithic organic porous cation exchanger 23 is disposed between the anion exchanger 22 and the cation exchange membrane 10 in the concentration chambers 16a and 16b, as described above, the high-concentration carbonic acid is used. The gas-containing aqueous solution layer is generated on or inside the monolithic organic porous cation exchanger 23 in contact with the anion exchanger 22, and the carbon dioxide gas flows out of the concentration chambers 16 a and 16 b together with the concentrated water before contacting the cation exchange membrane 10. Is done. Even if the carbon dioxide gas reaches the cation exchange membrane 10, the amount of carbon dioxide permeating the cation exchange membrane 10 is reduced because it is diluted (lowered in concentration) in the monolithic organic porous cation exchanger 23. It is greatly reduced. Therefore, it is possible to suppress the carbon dioxide gas from moving through the cation exchange membrane 10 to the first small desalting chambers d3 and d5 and backdiffusing into the water to be treated.
本実施の形態例において、第一小脱塩室d1、d3、d5または第二小脱塩室d2、d4、d6の厚さは特に制限されないが、第一小脱塩室d1、d3、d5の厚さを0.8〜600mm、好ましくは2〜100mm、第二小脱塩室d2、d4、d6の厚さを0.8〜600mm、好ましくは6〜100mmとすれば、低い電気抵抗及び高い電流効率が得られる点で好適である。第一小脱塩室d1、d3、d5の厚さが0.8mm未満では滞留時間を充分に確保できず、水質が悪化しやすい。また、600mmを越えると電気抵抗が大きすぎて装置の安定運転に支障を来しやすくなる。また、同様に第二小脱塩室d2、d4、d6の厚さが0.8mm未満では滞留時間を充分に確保できず、水質が悪化しやすい。また、600mmを越えると電流効率の上昇に比べて電気抵抗の上昇が顕著となりやすい。 In the present embodiment, the thickness of the first small desalting chambers d1, d3, d5 or the second small desalting chambers d2, d4, d6 is not particularly limited, but the first small desalting chambers d1, d3, d5 are not limited. If the thickness is 0.8 to 600 mm, preferably 2 to 100 mm, and the thickness of the second small desalting chambers d2, d4 and d6 is 0.8 to 600 mm, preferably 6 to 100 mm, low electrical resistance and This is preferable in that high current efficiency can be obtained. If the thickness of the first small desalting chambers d1, d3, d5 is less than 0.8 mm, sufficient residence time cannot be secured, and the water quality tends to deteriorate. On the other hand, if it exceeds 600 mm, the electric resistance is too large, and the stable operation of the apparatus tends to be hindered. Similarly, if the thickness of the second small desalting chambers d2, d4, d6 is less than 0.8 mm, sufficient residence time cannot be secured, and the water quality tends to deteriorate. On the other hand, if it exceeds 600 mm, the increase in electrical resistance tends to be more significant than the increase in current efficiency.
アニオン交換体(20、32)、カチオン交換体(34、46)として用いられるイオン交換体としては、イオン交換樹脂、イオン交換繊維などイオン交換機能を有する物質であればいずれでもよく、また、それらを組み合わせたものであってもよい。 The ion exchanger used as the anion exchanger (20, 32) and cation exchanger (34, 46) may be any substance as long as it has an ion exchange function, such as an ion exchange resin and an ion exchange fiber. May be combined.
濃縮室16a、16bに充填されるアニオン交換体22としては、例えば強塩基性アニオン交換体が挙げられる。また、アニオン交換体の形態としては、アニオン交換樹脂、アニオン交換繊維及び特開2002−306976号公報記載の有機多孔質アニオン交換体等が挙げられる。強塩基性アニオン交換体は一部に弱塩基性アニオン交換基が含まれていてもよい。アニオン交換樹脂は、遊離炭酸濃度が低くても反応が十分におき、スケール発生を抑制できるという利点を有する。また、アニオン交換樹脂の粒径が均一であると、濃縮室の差圧が低くなる点で好ましい。 Examples of the anion exchanger 22 filled in the concentration chambers 16a and 16b include strong basic anion exchangers. Examples of the anion exchanger include anion exchange resins, anion exchange fibers, and organic porous anion exchangers described in JP-A No. 2002-306976. The strong basic anion exchanger may partially contain a weak basic anion exchange group. The anion exchange resin has an advantage that the reaction is sufficiently performed even when the free carbonic acid concentration is low, and scale generation can be suppressed. Moreover, it is preferable that the particle size of the anion exchange resin is uniform in that the differential pressure in the concentration chamber is reduced.
濃縮室16a、16bの厚さとしては、特に制限されるものではないが、0.5mm〜60mmが好ましく、特に1mm〜10mmが好ましい。0.5mm未満であると、たとえアニオン交換体22を充填してもスケール発生抑制効果が得られにくくなり、通水差圧も上昇しやすい。一方、60mmを越えると、電気抵抗が高くなり、消費電力が増大しやすくなる。 Although it does not restrict | limit especially as thickness of the concentration chambers 16a and 16b, 0.5 mm-60 mm are preferable, and 1 mm-10 mm are especially preferable. If it is less than 0.5 mm, even if the anion exchanger 22 is filled, it becomes difficult to obtain an effect of suppressing the occurrence of scale, and the water flow differential pressure tends to increase. On the other hand, if it exceeds 60 mm, the electrical resistance increases and the power consumption tends to increase.
なお、電気式脱イオン水製造装置において、処理量(SV、LV)、通電量、その他運転条件は、被処理水の性状などに応じて適宜設定することができる。 In the electric deionized water production apparatus, the treatment amount (SV, LV), the energization amount, and other operating conditions can be appropriately set according to the properties of the water to be treated.
本実施の形態例において、処理対象となる被処理水としては特に制限はないが、炭酸成分を多く含む被処理水であっても、最終処理水の炭酸汚染を防止することができる。炭酸成分を多く含む被処理水としては、例えば水道水または水道水をRO膜等で処理した水等が挙げられる。国内の水道水では通常炭酸成分の他に硬度成分が含まれるが、本実施形態によれば、濃縮室16a、16bへアニオン交換体22が充填されているため、濃縮室16a、16bに移動したCa2+イオンやMg2+イオンが濃縮室16a、16bのアニオン交換膜14面で炭酸イオン(CO3 2−)と結合して硬度スケールを生じることはほとんどなく、濃縮室16a、16bにおいて流路閉塞などが起こることもほとんどない。 In the present embodiment, there is no particular restriction on the water to be treated, but even water to be treated that contains a large amount of carbonic acid components can prevent carbonation of the final treated water. Examples of water to be treated containing a large amount of carbonic acid component include tap water or water obtained by treating tap water with an RO membrane or the like. Domestic tap water usually contains a hardness component in addition to a carbonic acid component, but according to the present embodiment, the concentration chambers 16a and 16b are filled with the anion exchanger 22, and thus moved to the concentration chambers 16a and 16b. Ca 2+ ions and Mg 2+ ions are hardly combined with carbonate ions (CO 3 2− ) on the surface of the anion exchange membrane 14 in the concentration chambers 16a and 16b to produce a hardness scale, and the channels are blocked in the concentration chambers 16a and 16b. There is almost no such thing.
(実施例)
次に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
(Example)
Next, the present invention will be specifically described by way of examples, but this is merely an example and does not limit the present invention.
<第1のモノリスイオン交換体の製造(参考例1)>
(I工程;モノリス中間体の製造)
スチレン19.2g、ジビニルベンゼン1.0g、ソルビタンモノオレエート(以下SMOと略す)1.0gおよび2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)0.26gを混合し、均一に溶解させた。次に,当該スチレン/ジビニルベンゼン/SMO/2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)混合物をTHF1.8mlを含有する180gの純水に添加し、遊星式撹拌装置である真空撹拌脱泡ミキサー(イーエムイー社製)を用いて5〜20℃の温度範囲において減圧下撹拌して、油中水滴型エマルションを得た。このエマルションを反応容器に速やかに移し、密封後静置下で60℃、24時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで抽出した後、減圧乾燥して、連続マクロポア構造を有するモノリス中間体を製造した。水銀圧入法により測定した該モノリス中間体のマクロポアとマクロポアが重なる部分の開口(メソポア)の平均直径は56μm、全細孔容積は7.5ml/gであった。
<Production of first monolithic ion exchanger (Reference Example 1)>
(Step I; production of monolith intermediate)
19.2 g of styrene, 1.0 g of divinylbenzene, 1.0 g of sorbitan monooleate (hereinafter abbreviated as SMO) and 0.26 g of 2,2′-azobis (isobutyronitrile) were mixed and dissolved uniformly. Next, the styrene / divinylbenzene / SMO / 2,2′-azobis (isobutyronitrile) mixture is added to 180 g of pure water containing 1.8 ml of THF, and a vacuum stirring defoaming mixer which is a planetary stirring device. (EM Co., Ltd.) was used and stirred under reduced pressure in a temperature range of 5 to 20 ° C. to obtain a water-in-oil emulsion. The emulsion was immediately transferred to a reaction vessel, and after sealing, it was allowed to polymerize at 60 ° C. for 24 hours. After completion of the polymerization, the content was taken out, extracted with isopropanol, and then dried under reduced pressure to produce a monolith intermediate having a continuous macropore structure. The average diameter of the openings (mesopores) where the macropores and macropores of the monolith intermediate were measured by mercury porosimetry was 56 μm, and the total pore volume was 7.5 ml / g.
(モノリスの製造)
次いで、スチレン49.0g、ジビニルベンゼン1.0g、1-デカノール50g、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.5gを混合し、均一に溶解させた(II工程)。次に上記モノリス中間体を外径70mm、厚さ約20mmの円盤状に切断して、7.6g分取した。分取したモノリス中間体を内径90mmの反応容器に入れ、当該スチレン/ジビニルベンゼン/1-デカノール/2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)混合物に浸漬させ、減圧チャンバー中で脱泡した後、反応容器を密封し、静置下60℃で24時間重合させた。重合終了後、厚さ約30mmのモノリス状の内容物を取り出し、アセトンでソックスレー抽出した後、85℃で一夜減圧乾燥した(III工程)。
(Manufacture of monoliths)
Next, 49.0 g of styrene, 1.0 g of divinylbenzene, 50 g of 1-decanol, and 0.5 g of 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) were mixed and dissolved uniformly (step II). Next, the monolith intermediate was cut into a disk shape having an outer diameter of 70 mm and a thickness of about 20 mm, and 7.6 g was collected. The separated monolith intermediate is placed in a reaction vessel having an inner diameter of 90 mm, immersed in the styrene / divinylbenzene / 1-decanol / 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) mixture, and removed in a vacuum chamber. After bubbling, the reaction vessel was sealed and allowed to polymerize at 60 ° C. for 24 hours. After completion of the polymerization, the monolith-like contents having a thickness of about 30 mm were taken out, subjected to Soxhlet extraction with acetone, and then dried under reduced pressure at 85 ° C. overnight (step III).
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を1.3モル%含有したモノリス(乾燥体)の内部構造を、SEMにより観察した結果を図1に示す。図1のSEM画像は、モノリスを任意の位置で切断して得た切断面の任意の位置における画像である。図1から明らかなように、当該モノリスは連続マクロポア構造を有しており、連続マクロポア構造体を構成する骨格が従来のモノリスの図12のものと比べて遥かに太く、また、骨格を構成する壁部の厚みが厚いものであった。 FIG. 1 shows the result of observing the internal structure of the monolith (dry body) containing 1.3 mol% of the crosslinking component composed of the styrene / divinylbenzene copolymer obtained by SEM as described above. The SEM image in FIG. 1 is an image at an arbitrary position on a cut surface obtained by cutting a monolith at an arbitrary position. As is apparent from FIG. 1, the monolith has a continuous macropore structure, and the skeleton constituting the continuous macropore structure is much thicker than that of the conventional monolith shown in FIG. 12, and constitutes the skeleton. The wall was thick.
次ぎに、得られたモノリスを主観を排除して上記位置とは異なる位置で切断して得たSEM画像2点、都合3点から壁部の厚みと断面に表れる骨格部面積を測定した。壁部の厚みは1つのSEM写真から得た8点の平均であり、骨格部面積は画像解析により求めた。なお、壁部は前述の定義のものである。また、骨格部面積は3つのSEM画像の平均で示した。この結果、壁部の平均厚みは30μm、断面で表れる骨格部面積はSEM画像中28%であった。また、水銀圧入法により測定した当該モノリスの開口の平均直径は31μm、全細孔容積は2.2ml/gであった。結果を表1及び表2にまとめて示す。表1中、仕込み欄は左から順に、II工程で用いたビニルモノマー、架橋剤、I工程で得られたモノリス中間体、II工程で用いた有機溶媒を示す。 Next, the thickness of the wall part and the area of the skeleton part appearing in the cross section were measured from two SEM images obtained by cutting the obtained monolith at a position different from the above position, excluding the subjectivity, and three convenient points. The wall thickness was an average of 8 points obtained from one SEM photograph, and the skeleton area was determined by image analysis. The wall portion has the above definition. Moreover, the skeleton part area was shown by the average of three SEM images. As a result, the average thickness of the wall portion was 30 μm, and the area of the skeleton portion represented by the cross section was 28% in the SEM image. Moreover, the average diameter of the opening of the monolith measured by mercury porosimetry was 31 μm, and the total pore volume was 2.2 ml / g. The results are summarized in Tables 1 and 2. In Table 1, the preparation column shows, in order from the left, the vinyl monomer used in Step II, the crosslinking agent, the monolith intermediate obtained in Step I, and the organic solvent used in Step II.
(モノリスカチオン交換体の製造)
上記の方法で製造したモノリスを、外径70mm、厚み約15mmの円盤状に切断した。モノリスの重量は27gであった。これにジクロロメタン1500mlを加え、35℃で1時間加熱した後、10℃以下まで冷却し、クロロ硫酸145gを徐々に加え、昇温して35℃で24時間反応させた。その後、メタノールを加え、残存するクロロ硫酸をクエンチした後、メタノールで洗浄してジクロロメタンを除き、更に純水で洗浄して連続マクロポア構造を有するモノリスカチオン交換体を得た。
(Production of monolith cation exchanger)
The monolith produced by the above method was cut into a disk shape having an outer diameter of 70 mm and a thickness of about 15 mm. The weight of the monolith was 27 g. To this, 1500 ml of dichloromethane was added and heated at 35 ° C. for 1 hour, then cooled to 10 ° C. or lower, 145 g of chlorosulfuric acid was gradually added, and the temperature was raised and reacted at 35 ° C. for 24 hours. Thereafter, methanol was added to quench the remaining chlorosulfuric acid, which was then washed with methanol to remove dichloromethane and further washed with pure water to obtain a monolith cation exchanger having a continuous macropore structure.
得られたカチオン交換体の反応前後の膨潤率は1.7倍であり、体積当りのイオン交換容量は、水湿潤状態で0.67mg当量/mlであった。水湿潤状態での有機多孔質イオン交換体の開口の平均直径を、有機多孔質体の値と水湿潤状態のカチオン交換体の膨潤率から見積もったところ54μmであり、モノリスと同様の方法で求めた骨格を構成する壁部の平均厚みは50μm、骨格部面積はSEM写真の写真領域中28%、全細孔容積は2.2ml/gであった。また、該モノリスカチオン交換体のナトリウムイオンに関するイオン交換帯長さは、LV=20m/hにおいて22mmであった。また、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、0.016MPa/m・LVであった。その結果を表2にまとめて示す。 The swelling rate before and after the reaction of the obtained cation exchanger was 1.7 times, and the ion exchange capacity per volume was 0.67 mg equivalent / ml in a water-wet state. The average diameter of the openings of the organic porous ion exchanger in the water wet state was estimated from the value of the organic porous body and the swelling ratio of the cation exchanger in the water wet state, and was 54 μm. The average thickness of the wall part constituting the skeleton was 50 μm, the skeleton part area was 28% in the photographic region of the SEM photograph, and the total pore volume was 2.2 ml / g. Moreover, the ion exchange zone length regarding the sodium ion of this monolith cation exchanger was 22 mm in LV = 20 m / h. The differential pressure coefficient, which is an index of pressure loss when water is permeated, was 0.016 MPa / m · LV. The results are summarized in Table 2.
次に、モノリスカチオン交換体中のスルホン酸基の分布状態を確認するため、EPMAにより硫黄原子の分布状態を観察した。結果を図2及び図3に示す。図2は硫黄原子のカチオン交換体の表面における分布状態を示したものであり、図3は硫黄原子のカチオン交換体の断面(厚み)方向における分布状態を示したものである。図2及び図3より、スルホン酸基はカチオン交換体の骨格表面及び骨格内部(断面方向)にそれぞれ均一に導入されていることがわかる。 Next, in order to confirm the distribution state of the sulfonic acid group in the monolith cation exchanger, the distribution state of sulfur atoms was observed by EPMA. The results are shown in FIGS. FIG. 2 shows a distribution state of sulfur atoms on the surface of the cation exchanger, and FIG. 3 shows a distribution state of sulfur atoms in the cross-section (thickness) direction of the cation exchanger. 2 and 3, it can be seen that the sulfonic acid groups are uniformly introduced into the surface of the cation exchanger and inside the skeleton (cross-sectional direction).
<第1のモノリスイオン交換体の製造(参考例2〜11)>
(モノリスの製造)
スチレンの使用量、架橋剤の種類と使用量、有機溶媒の種類と使用量、スチレン及びジビニルベンゼン含浸重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度および使用量を表1に示す配合量に変更した以外は、参考例1と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表1及び表2に示す。なお、参考例2〜11のSEM画像(不図示)及び表2から、参考例2〜11のモノリスの開口の平均直径は22〜70μmと大きく、骨格を構成する壁部の平均厚みも25〜50μmと厚く、骨格部面積はSEM画像領域中26〜44%と骨太のモノリスであった。
<Production of first monolith ion exchanger (Reference Examples 2 to 11)>
(Manufacture of monoliths)
Table 1 shows the amount of styrene used, the type and amount of crosslinking agent, the type and amount of organic solvent, the porous structure of the monolith intermediate coexisting during styrene and divinylbenzene impregnation polymerization, the crosslinking density and the amount used. A monolith was produced in the same manner as in Reference Example 1 except for the change. The results are shown in Tables 1 and 2. In addition, from the SEM images (not shown) of Reference Examples 2 to 11 and Table 2, the average diameter of the openings of the monoliths of Reference Examples 2 to 11 is as large as 22 to 70 μm, and the average thickness of the walls constituting the skeleton is also 25 to 25 mm. It was as thick as 50 μm, and the skeletal area was 26-44% in the SEM image area, and it was a monolith of bone.
(モノリスカチオン交換体の製造)
上記の方法で製造したモノリスを、それぞれ参考例1と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、連続マクロポア構造を有するモノリスカチオン交換体を製造した。その結果を表2に示す。参考例2〜11のモノリスカチオン交換体の開口の平均直径は46〜138μmであり、骨格を構成する壁部の平均厚みも45〜110μmと厚く、骨格部面積はSEM画像領域中26〜44%である。イオン交換帯長さは従来のものより短く、差圧係数も低い値を示した。また、体積当りの交換容量も大きな値を示した。
(Production of monolith cation exchanger)
The monolith produced by the above method was reacted with chlorosulfuric acid in the same manner as in Reference Example 1 to produce a monolith cation exchanger having a continuous macropore structure. The results are shown in Table 2. The average diameters of the openings of the monolith cation exchangers of Reference Examples 2 to 11 are 46 to 138 μm, the average thickness of the wall portion constituting the skeleton is also as thick as 45 to 110 μm, and the skeleton area is 26 to 44% in the SEM image region. It is. The ion exchange zone length was shorter than the conventional one, and the differential pressure coefficient was also low. The exchange capacity per volume also showed a large value.
(モノリスカチオン交換体の機械的特性評価)
参考例8で得られたモノリスカチオン交換体を、水湿潤状態で4mm×5mm×10mmの短冊状に切り出し、引張強度試験の試験片とした。この試験片を引張試験機に取り付け、ヘッドスピードを0.5mm/分に設定し、水中、25℃にて試験を行った。その結果、引張強度、引張弾性率はそれぞれ45kPa、50kPaであり、従来のモノリスカチオン交換体に比べて格段に大きな値を示した。また、引張破断伸びは25%であり、従来のモノリスカチオン交換体よりも大きな値であった。
(Mechanical property evaluation of monolith cation exchanger)
The monolith cation exchanger obtained in Reference Example 8 was cut into a strip of 4 mm × 5 mm × 10 mm in a wet state, and used as a test piece for a tensile strength test. The test piece was attached to a tensile tester, the head speed was set to 0.5 mm / min, and the test was performed at 25 ° C. in water. As a result, the tensile strength and the tensile modulus were 45 kPa and 50 kPa, respectively, which were much larger than those of the conventional monolith cation exchanger. Further, the tensile elongation at break was 25%, which was a value larger than that of the conventional monolith cation exchanger.
<第2のモノリスイオン交換体の製造(参考例12)>
(I工程;モノリス中間体の製造)
スチレン5.4g、ジビニルベンゼン0.17g、ソルビタンモノオレエート(以下SMOと略す)1.4gおよび2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)0.26gを混合し、均一に溶解させた。次に、当該スチレン/ジビニルベンゼン/SMO/2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)混合物を180gの純水に添加し、遊星式撹拌装置である真空撹拌脱泡ミキサー(イーエムイー社製)を用いて5〜20℃の温度範囲において減圧下撹拌して、油中水滴型エマルションを得た。このエマルションを速やかに反応容器に移し、密封後静置下で60℃、24時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、メタノールで抽出した後、減圧乾燥して、連続マクロポア構造を有するモノリス中間体を製造した。このようにして得られたモノリス中間体(乾燥体)の内部構造をSEM画像(図7)により観察したところ、隣接する2つのマクロポアを区画する壁部は極めて細く棒状であるものの、連続気泡構造を有しており、水銀圧入法により測定したマクロポアとマクロポアが重なる部分の開口(メソポア)の平均直径は70μm、全細孔容積は21.0ml/gであった。
<Production of Second Monolith Ion Exchanger (Reference Example 12)>
(Step I; production of monolith intermediate)
5.4 g of styrene, 0.17 g of divinylbenzene, 1.4 g of sorbitan monooleate (hereinafter abbreviated as SMO) and 0.26 g of 2,2′-azobis (isobutyronitrile) were mixed and dissolved uniformly. Next, the styrene / divinylbenzene / SMO / 2,2′-azobis (isobutyronitrile) mixture was added to 180 g of pure water, and a vacuum stirring defoaming mixer (manufactured by EM Co.) as a planetary stirring device. Was used under reduced pressure in a temperature range of 5 to 20 ° C. to obtain a water-in-oil emulsion. This emulsion was quickly transferred to a reaction vessel and allowed to polymerize at 60 ° C. for 24 hours in a static state after sealing. After completion of the polymerization, the content was taken out, extracted with methanol, and then dried under reduced pressure to produce a monolith intermediate having a continuous macropore structure. When the internal structure of the monolith intermediate (dry body) obtained in this way was observed with an SEM image (FIG. 7), the wall portion separating two adjacent macropores was very thin and rod-shaped, but the open cell structure The average diameter of the openings (mesopores) where the macropores overlap with each other as measured by the mercury intrusion method was 70 μm, and the total pore volume was 21.0 ml / g.
(共連続構造モノリスの製造)
次いで、スチレン76.0g、ジビニルベンゼン4.0g、1-デカノール120g、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.8gを混合し、均一に溶解させた(II工程)。次に上記モノリス中間体を直径70mm、厚さ約40mmの円盤状に切断して4.1gを分取した。分取したモノリス中間体を内径75mmの反応容器に入れ、当該スチレン/ジビニルベンゼン/1-デカノール/2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)混合物に浸漬させ、減圧チャンバー中で脱泡した後、反応容器を密封し、静置下60℃で24時間重合させた。重合終了後、厚さ約60mmのモノリス状の内容物を取り出し、アセトンでソックスレー抽出した後、85℃で一夜減圧乾燥した(III工程)。
(Manufacture of monocontinuous monolith)
Subsequently, 76.0 g of styrene, 4.0 g of divinylbenzene, 120 g of 1-decanol, and 0.8 g of 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) were mixed and dissolved uniformly (step II). Next, the monolith intermediate was cut into a disk shape having a diameter of 70 mm and a thickness of about 40 mm to fractionate 4.1 g. The separated monolith intermediate is placed in a reaction vessel having an inner diameter of 75 mm, immersed in the styrene / divinylbenzene / 1-decanol / 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) mixture, and removed in a vacuum chamber. After bubbling, the reaction vessel was sealed and allowed to polymerize at 60 ° C. for 24 hours. After completion of the polymerization, the monolithic contents having a thickness of about 60 mm were taken out, subjected to Soxhlet extraction with acetone, and then dried under reduced pressure at 85 ° C. overnight (step III).
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を3.2モル%含有したモノリス(乾燥体)の内部構造をSEMにより観察したところ、当該モノリスは骨格及び空孔はそれぞれ3次元的に連続し、両相が絡み合った共連続構造であった。また、SEM画像から測定した骨格の太さは10μmであった。また、水銀圧入法により測定した当該モノリスの三次元的に連続した空孔の大きさは17μm、全細孔容積は2.9ml/gであった。その結果を表3及び4にまとめて示す。表4中、骨格の太さは骨格の直径で表した。 When the internal structure of the monolith (dry body) containing 3.2 mol% of the crosslinking component composed of the styrene / divinylbenzene copolymer obtained in this way was observed by SEM, the monolith had a skeleton and pores, respectively. It was a three-dimensional continuous structure with both phases intertwined. Moreover, the thickness of the skeleton measured from the SEM image was 10 μm. Further, the size of the three-dimensionally continuous pores of the monolith measured by mercury porosimetry was 17 μm, and the total pore volume was 2.9 ml / g. The results are summarized in Tables 3 and 4. In Table 4, the thickness of the skeleton was represented by the diameter of the skeleton.
(共連続構造モノリス状カチオン交換体の製造)
上記の方法で製造したモノリスを、直径75mm、厚み約15mmの円盤状に切断した。モノリスの重量は18gであった。これにジクロロメタン1500mlを加え、35℃で1時間加熱した後、10℃以下まで冷却し、クロロ硫酸99gを徐々に加え、昇温して35℃で24時間反応させた。その後、メタノールを加え、残存するクロロ硫酸をクエンチした後、メタノールで洗浄してジクロロメタンを除き、更に純水で洗浄して共連続構造を有するモノリスカチオン交換体を得た。
(Production of co-continuous monolithic cation exchanger)
The monolith produced by the above method was cut into a disk shape having a diameter of 75 mm and a thickness of about 15 mm. The weight of the monolith was 18 g. To this was added 1500 ml of dichloromethane, heated at 35 ° C. for 1 hour, cooled to 10 ° C. or lower, gradually added 99 g of chlorosulfuric acid, heated up and reacted at 35 ° C. for 24 hours. Thereafter, methanol was added to quench the remaining chlorosulfuric acid, which was then washed with methanol to remove dichloromethane and further washed with pure water to obtain a monolith cation exchanger having a co-continuous structure.
得られたカチオン交換体を一部切り出し、乾燥させた後、その内部構造をSEMにより観察したところ、当該モノリスカチオン体は共連続構造を維持していることを確認した。そのSEM画像を図8に示す。また、該カチオン交換体の反応前後の膨潤率は1.4倍であり、体積当りのイオン交換容量は水湿潤状態で0.74mg当量/mlであった。水湿潤状態でのモノリスの連続空孔の大きさを、モノリスの値と水湿潤状態のカチオン交換体の膨潤率から見積もったところ24μmであり、骨格の直径は14μm、全細孔容積は2.9ml/gであった。 A part of the obtained cation exchanger was cut out and dried, and then its internal structure was observed by SEM. As a result, it was confirmed that the monolith cation body maintained a co-continuous structure. The SEM image is shown in FIG. Moreover, the swelling ratio before and after the reaction of the cation exchanger was 1.4 times, and the ion exchange capacity per volume was 0.74 mg equivalent / ml in a water-wet state. The size of the continuous pores of the monolith in the water wet state was estimated from the value of the monolith and the swelling ratio of the cation exchanger in the water wet state to be 24 μm, the skeleton diameter was 14 μm, and the total pore volume was 2. It was 9 ml / g.
また、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、0.052MPa/m・LVであった。 The differential pressure coefficient, which is an index of pressure loss when water is permeated, was 0.052 MPa / m · LV.
更に、該モノリスカチオン交換体のナトリウムイオンに関するイオン交換帯長さを測定したところ、LV=20m/hにおけるイオン交換帯長さは16mmであり、市販の強酸性カチオン交換樹脂であるアンバーライトIR120B(ロームアンドハース社製)の値(320mm)に比べて圧倒的に短いばかりでなく、従来の連続気泡構造を有するモノリス状多孔質カチオン交換体の値に比べても短かった。その結果を表4にまとめて示す。 Furthermore, when the ion exchange zone length for sodium ions of the monolith cation exchanger was measured, the ion exchange zone length at LV = 20 m / h was 16 mm, and Amberlite IR120B ( It was not only overwhelmingly shorter than the value (320 mm) manufactured by Rohm and Haas, but also shorter than the value of the monolithic porous cation exchanger having a conventional open cell structure. The results are summarized in Table 4.
次に、モノリスカチオン交換体中のスルホン酸基の分布状態を確認するため、EPMAにより硫黄原子の分布状態を観察した。その結果を図9及び図10に示す。図9及び図10共に、左右の写真はそれぞれ対応している。図9は硫黄原子のカチオン交換体の表面における分布状態を示したものであり、図10は硫黄原子のカチオン交換体の断面(厚み)方向における分布状態を示したものである。図9左側の写真中、左右傾斜して延びるものが骨格部であり、図10左側の写真中、2つの円形状は骨格の断面である。図9及び図10より、スルホン酸基はカチオン交換体の骨格表面及び骨格内部(断面方向)にそれぞれ均一に導入されていることがわかる。 Next, in order to confirm the distribution state of the sulfonic acid group in the monolith cation exchanger, the distribution state of sulfur atoms was observed by EPMA. The results are shown in FIGS. 9 and 10, the left and right photographs correspond to each other. FIG. 9 shows a distribution state of sulfur atoms on the surface of the cation exchanger, and FIG. 10 shows a distribution state of sulfur atoms in the cross-section (thickness) direction of the cation exchanger. In the photograph on the left side of FIG. 9, a part extending in a horizontal direction is a skeleton part, and in the photograph on the left side of FIG. 10, two circular shapes are cross sections of the skeleton. 9 and 10, it can be seen that the sulfonic acid groups are uniformly introduced into the surface of the cation exchanger and inside the skeleton (cross-sectional direction).
<第2のモノリスイオン交換体の製造(参考例13〜15)>
(共連続構造を有するモノリスの製造)
スチレンの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の使用量、スチレン及びジビニルベンゼン含浸重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度及び使用量を表3に示す配合量に変更した以外は、参考例12と同様の方法で共連続構造を有するモノリスを製造した。なお、参考例15は内径75mmの反応容器に代えて、内径110mmの反応容器を用いた以外は、参考例12と同様の方法で行ったものである。その結果を表3及び表4に示す。
<Production of Second Monolith Ion Exchanger (Reference Examples 13 to 15)>
(Manufacture of monolith with co-continuous structure)
Except for changing the amount of styrene used, the amount of crosslinking agent used, the amount of organic solvent used, the porous structure of the monolith intermediate coexisting during styrene and divinylbenzene impregnation polymerization, the crosslinking density and the amount used as shown in Table 3. A monolith having a co-continuous structure was produced in the same manner as in Reference Example 12. Reference Example 15 was carried out in the same manner as Reference Example 12 except that a reaction vessel having an inner diameter of 110 mm was used instead of the reaction vessel having an inner diameter of 75 mm. The results are shown in Tables 3 and 4.
(共連続構造を有するモノリスの製造)
スチレンの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、スチレン及びジビニルベンゼン含浸重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度および使用量を表4に示す配合量に変更した以外は、参考例12と同様の方法で共連続構造を有するモノリスを製造した。その結果を表3及び表4に示す。
(Manufacture of monolith with co-continuous structure)
The amount of styrene used, the amount of crosslinking agent used, the type and amount of organic solvent used, the porous structure of the monolith intermediate coexisting during styrene and divinylbenzene impregnation polymerization, the crosslinking density and the amount used were changed to the amounts shown in Table 4. Except for the above, a monolith having a co-continuous structure was produced in the same manner as in Reference Example 12. The results are shown in Tables 3 and 4.
(共連続構造を有するモノリスカチオン交換体の製造)
上記の方法で製造したモノリスを、それぞれ参考例12と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、共連続構造を有するモノリスカチオン交換体を製造した。その結果を表4に示す。また、得られた共連続構造を有するモノリスカチオン交換体の内部構造は、不図示のSEM画像及び表4から参考例13〜15で得られたモノリスカチオン交換体は、イオン交換帯長さは従来のものよりも短く、差圧係数も低い値を示した。また、体積当りのイオン交換容量も従来のものより大きな値を示した。
(Production of monolith cation exchanger having a co-continuous structure)
The monolith produced by the above method was reacted with chlorosulfuric acid in the same manner as in Reference Example 12 to produce a monolith cation exchanger having a co-continuous structure. The results are shown in Table 4. Moreover, the internal structure of the obtained monolithic cation exchanger having a co-continuous structure is the same as that of the monolithic cation exchangers obtained in Reference Examples 13 to 15 from the SEM images and Table 4 (not shown). The differential pressure coefficient was lower than that of the above. Also, the ion exchange capacity per volume was larger than the conventional one.
(モノリスカチオン交換体の機械的特性評価)
参考例13で得られたモノリスカチオン交換体を、水湿潤状態で4mm×5mm×10mmの短冊状に切り出し、引張強度試験の試験片とした。この試験片を引張試験機に取り付け、ヘッドスピードを0.5mm/分に設定し、水中、25℃にて試験を行った。その結果、引張強度、引張弾性率はそれぞれ23kPa、15kPaであり、従来のモノリスカチオン交換体に比べて格段に大きな値を示した。また、引張破断伸びは50%であり、従来のモノリスカチオン交換体よりも大きな値であった。
(Mechanical property evaluation of monolith cation exchanger)
The monolith cation exchanger obtained in Reference Example 13 was cut into a strip of 4 mm × 5 mm × 10 mm in a wet state of water and used as a test piece for a tensile strength test. The test piece was attached to a tensile tester, the head speed was set to 0.5 mm / min, and the test was performed at 25 ° C. in water. As a result, the tensile strength and the tensile modulus were 23 kPa and 15 kPa, respectively, which were significantly larger than the conventional monolith cation exchanger. Further, the tensile elongation at break was 50%, which was a value larger than that of the conventional monolith cation exchanger.
参考例16
(モノリス状有機多孔質体(公知品)の製造)
特開2002−306976号記載の製造方法に準拠して連続マクロポア構造を有するモノリス状有機多孔質体を製造した。すなわち、スチレン19.2g、ジビニルベンゼン1.0g、SMO1.0gおよび2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)0.26gを混合し、均一に溶解させた。次に,当該スチレン/ジビニルベンゼン/SMO/2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)混合物を180gの純水に添加し、遊星式撹拌装置である真空撹拌脱泡ミキサー(イーエムイー社製)を用いて5〜20℃の温度範囲において減圧下撹拌して、油中水滴型エマルションを得た。このエマルションを反応容器に速やかに移し、密封後静置下で60℃、24時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで抽出した後、減圧乾燥して、連続マクロポア構造を有するモノリス状有機多孔質体を製造した。
Reference Example 16
(Manufacture of monolithic organic porous material (known product))
A monolithic organic porous body having a continuous macropore structure was produced according to the production method described in JP-A-2002-306976. That is, 19.2 g of styrene, 1.0 g of divinylbenzene, 1.0 g of SMO and 0.26 g of 2,2′-azobis (isobutyronitrile) were mixed and dissolved uniformly. Next, the styrene / divinylbenzene / SMO / 2,2′-azobis (isobutyronitrile) mixture is added to 180 g of pure water, and a vacuum stirring defoaming mixer (manufactured by EM Corp.) which is a planetary stirring device. Was used under reduced pressure in a temperature range of 5 to 20 ° C. to obtain a water-in-oil emulsion. The emulsion was immediately transferred to a reaction vessel, and after sealing, it was allowed to polymerize at 60 ° C. for 24 hours. After completion of the polymerization, the content was taken out, extracted with isopropanol, and then dried under reduced pressure to produce a monolithic organic porous body having a continuous macropore structure.
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を3.3モル%含有した有機多孔質体の内部構造を表すSEMは、図12と同様の構造であった。図12から明らかなように、当該有機多孔質体は連続マクロポア構造を有しているが、連続マクロポア構造体の骨格を構成する壁部の厚みは参考例に比べて薄く、また、SEM画像から測定した壁部の平均厚みは5μm、骨格部面積はSEM画像領域中10%であった。また、水銀圧入法により測定した当該有機多孔質体の開口の平均直径は29μm、全細孔容積は、8.6ml/gであった。その結果を表5にまとめて示す。表1、2及び5中、メソポア直径は開口の平均直径を意味する。また、表1〜5中、厚み、骨格直径、空孔の値はそれぞれ平均を示す。 The SEM representing the internal structure of the organic porous material containing 3.3 mol% of the crosslinking component composed of the styrene / divinylbenzene copolymer thus obtained had the same structure as FIG. As is clear from FIG. 12, the organic porous body has a continuous macropore structure, but the thickness of the wall portion constituting the skeleton of the continuous macropore structure is thinner than that of the reference example. The measured wall thickness average thickness was 5 μm, and the skeleton area was 10% in the SEM image area. Moreover, the average diameter of the opening of the organic porous material measured by mercury porosimetry was 29 μm, and the total pore volume was 8.6 ml / g. The results are summarized in Table 5. In Tables 1, 2 and 5, the mesopore diameter means the average diameter of the openings. Moreover, in Tables 1-5, the value of thickness, skeleton diameter, and a void | hole each shows an average.
(連続マクロポア構造を有するモノリス状有機多孔質カチオン交換体(公知品)の製造)
上記の方法で製造した有機多孔質体を、外径70mm、厚み約15mmの円盤状に切断した。有機多孔質体の重量は6gであった。これにジクロロメタン1000mlを加え、35℃で1時間加熱した後、10℃以下まで冷却し、クロロ硫酸30gを徐々に加え、昇温して35℃で24時間反応させた。その後、メタノールを加え、残存するクロロ硫酸をクエンチした後、メタノールで洗浄してジクロロメタンを除き、更に純水で洗浄して連続マクロポア構造を有するモノリス状多孔質カチオン交換体を得た。得られたカチオン交換体の反応前後の膨潤率は1.6倍であり、体積当りのイオン交換容量は、水湿潤状態で0.22mg当量/mlと参考例1などに比べて小さな値を示した。水湿潤状態での有機多孔質イオン交換体のメソポアの平均直径を、有機多孔質体の値と水湿潤状態のカチオン交換体の膨潤率から見積もったところ46μmであり、骨格を構成する壁部の平均厚み8μm、骨格部面積はSEM画像領域中10%、全細孔容積は、8.6ml/gであった。また、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、0.013MPa/m・LVであった。結果を表5にまとめて示す。また、参考例16で得られたモノリスカチオン交換体については、機械的特性の評価も行なった。
(Production of monolithic organic porous cation exchanger having a continuous macropore structure (known product))
The organic porous body produced by the above method was cut into a disk shape having an outer diameter of 70 mm and a thickness of about 15 mm. The weight of the organic porous material was 6 g. To this was added 1000 ml of dichloromethane, and the mixture was heated at 35 ° C. for 1 hour, then cooled to 10 ° C. or less, 30 g of chlorosulfuric acid was gradually added, and the temperature was raised and reacted at 35 ° C. for 24 hours. Thereafter, methanol was added to quench the remaining chlorosulfuric acid, which was washed with methanol to remove dichloromethane and further washed with pure water to obtain a monolithic porous cation exchanger having a continuous macropore structure. The swelling rate before and after the reaction of the obtained cation exchanger was 1.6 times, and the ion exchange capacity per volume was 0.22 mg equivalent / ml in a water-wet state, which was a small value compared to Reference Example 1 and the like. It was. The average diameter of the mesopores of the organic porous ion exchanger in the water wet state was 46 μm as estimated from the value of the organic porous body and the swelling ratio of the cation exchanger in the water wet state. The average thickness was 8 μm, the skeleton part area was 10% in the SEM image area, and the total pore volume was 8.6 ml / g. The differential pressure coefficient, which is an index of pressure loss when water is permeated, was 0.013 MPa / m · LV. The results are summarized in Table 5. The monolith cation exchanger obtained in Reference Example 16 was also evaluated for mechanical properties.
(従来のモノリスカチオン交換体の機械的特性評価)
参考例16で得られたモノリスカチオン交換体について、参考例8の評価方法と同様の方法で引張試験を行った。その結果、引張強度、引張弾性率はそれぞれ28kPa、12kPaであり、参考例8のモノリスカチオン交換体に比べて低い値であった。また、引張破断伸びも17%であり、本発明のモノリスカチオン交換体よりも小さかった。
(Mechanical property evaluation of conventional monolith cation exchanger)
The monolith cation exchanger obtained in Reference Example 16 was subjected to a tensile test by the same method as the evaluation method of Reference Example 8. As a result, the tensile strength and the tensile modulus were 28 kPa and 12 kPa, respectively, which were lower than the monolith cation exchanger of Reference Example 8. The tensile elongation at break was 17%, which was smaller than that of the monolith cation exchanger of the present invention.
参考例17〜19
(連続マクロポア構造を有するモノリス状有機多孔質体の製造)
スチレンの使用量、ジビニルベンゼンの使用量、SMOの使用量を表5に示す配合量に変更した以外は、参考例16と同様の方法で、従来技術により連続マクロポア構造を有するモノリス状有機多孔質体を製造した。結果を表5に示す。また、参考例19のモノリスの内部構造は不図示のSEMにより観察した。なお、参考例19は全細孔容積を最小とする条件であり、油相部に対してこれ以下の水の配合では、開口が形成できない。参考例17〜19のモノリスはいずれも、開口径が9〜18μmと小さく、骨格を構成する壁部の平均厚みも15μmと薄く、また、骨格部面積はSEM画像領域中最大でも22%と少なかった。
Reference Examples 17-19
(Manufacture of monolithic organic porous body having continuous macropore structure)
A monolithic organic porous material having a continuous macropore structure in the same manner as in Reference Example 16 except that the amount of styrene used, the amount of divinylbenzene, and the amount of SMO used are changed to the amounts shown in Table 5. The body was manufactured. The results are shown in Table 5. Further, the internal structure of the monolith of Reference Example 19 was observed with an SEM (not shown). Reference Example 19 is a condition for minimizing the total pore volume, and an opening cannot be formed when the water content is less than that of the oil phase portion. Each of the monoliths of Reference Examples 17 to 19 has an opening diameter as small as 9 to 18 μm, the average thickness of the wall part constituting the skeleton is as thin as 15 μm, and the skeleton part area is as small as 22% at the maximum in the SEM image region. It was.
(連続マクロポア構造を有するモノリス状有機多孔質カチオン交換体の製造)
上記の方法で製造した有機多孔質体を、参考例12と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、連続マクロポア構造を有するモノリス状多孔質カチオン交換体を製造した。結果を表5に示す。開口直径を大きくしようとすると壁部の厚みが小さくなったり、骨格が細くなったりする。一方、壁部を厚くしたり、骨格を太くしようとすると開口の直径が減少する傾向が認められた。その結果、差圧係数を低く押さえると体積当りのイオン交換容量が減少し、イオン交換容量を大きくすると差圧係数が増大した。
(Production of monolithic organic porous cation exchanger having a continuous macropore structure)
The organic porous material produced by the above method was reacted with chlorosulfuric acid in the same manner as in Reference Example 12 to produce a monolithic porous cation exchanger having a continuous macropore structure. The results are shown in Table 5. If the opening diameter is increased, the thickness of the wall portion is reduced or the skeleton is reduced. On the other hand, when the wall portion was made thicker or the skeleton was made thicker, the diameter of the opening tended to decrease. As a result, when the differential pressure coefficient was kept low, the ion exchange capacity per volume decreased, and when the ion exchange capacity was increased, the differential pressure coefficient increased.
なお、参考例1〜11及び参考例16〜19で製造したモノリスイオン交換体について、差圧係数と体積当りのイオン交換容量の関係を図4に示した。図4から明らかなように、参考例に対して比較例は差圧係数とイオン交換容量のバランスが悪いことがわかる。一方、参考例は体積当りのイオン交換容量が大きく、更に差圧係数も低いことがわかる。 In addition, about the monolith ion exchanger manufactured by Reference Examples 1-11 and Reference Examples 16-19, the relationship between a differential pressure coefficient and the ion exchange capacity per volume was shown in FIG. As is apparent from FIG. 4, it can be seen that the comparative example has a poor balance between the differential pressure coefficient and the ion exchange capacity with respect to the reference example. On the other hand, the reference example shows a large ion exchange capacity per volume and a low differential pressure coefficient.
図16は、濃縮室から脱塩室に移動する炭酸成分量を測定するための試験セルを示す概略構成図である。図16に示すように、アニオン交換樹脂56が充填された陰極室58と、カチオン交換樹脂60が充填された陽極室62との間に、アニオン交換膜64及び第一カチオン交換膜66で区画された室にアニオン交換樹脂56が充填され、アニオン交換樹脂56と第一カチオン交換膜66との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体54を配置した濃縮室68、第一カチオン交換膜66及び第二カチオン交換膜70で区画された室にカチオン交換樹脂60が充填された脱塩室72とを有する試験セル3を準備し、以下の条件で濃縮室68から脱塩室72に移動する炭酸成分量を測定した。実施例1では、脱塩室72及び電極室(58,62)に超純水を通水させると共に、濃縮室68にNaHCO3溶液(炭酸イオン濃度30mg−CaCO3/L)を通水させた。 FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing a test cell for measuring the amount of carbonic acid components moving from the concentration chamber to the desalting chamber. As shown in FIG. 16, an anion exchange membrane 64 and a first cation exchange membrane 66 are partitioned between a cathode chamber 58 filled with an anion exchange resin 56 and an anode chamber 62 filled with a cation exchange resin 60. The concentration chamber 68, the first cation exchange membrane 66 and the first cation exchange membrane 66 in which the monolithic organic porous cation exchanger 54 is disposed between the anion exchange resin 56 and the first cation exchange membrane 66 are filled with the anion exchange resin 56. A test cell 3 having a demineralization chamber 72 filled with a cation exchange resin 60 in a chamber partitioned by a dication exchange membrane 70 is prepared, and a carbonic acid component that moves from the concentration chamber 68 to the demineralization chamber 72 under the following conditions The amount was measured. In Example 1, ultrapure water was passed through the desalting chamber 72 and the electrode chambers (58, 62), and a NaHCO 3 solution (carbonate concentration 30 mg-CaCO 3 / L) was passed through the concentration chamber 68. .
<使用したイオン交換体>
モノリス状有機多孔質カチオン交換体:参考例8のモノリスイオン交換体
カチオン交換樹脂:ロームアンドハース社製、アンバーライトIRA402BL
アニオン交換樹脂:ロームアンドハース社製、アンバーライトIRA402BL
第一カチオン交換膜、第二カチオン交換膜:株式会社アストム製、C66−10F
アニオン交換膜:株式会社アストム製、AHA
<EDIサイズ>
試験セル:縦10cm×幅10cm×厚さ8mm
<流量条件>
超純水、NaHCO3溶液、CO2含有溶液:8000ml/hr
<電流条件>
定電流:0.5A/dm2
<Ion exchanger used>
Monolithic organic porous cation exchanger: Monolith ion exchanger of Reference Example 8 Cation exchange resin: Amberlite IRA402BL manufactured by Rohm and Haas
Anion exchange resin: Rohm and Haas, Amberlite IRA402BL
First cation exchange membrane, second cation exchange membrane: manufactured by Astom Co., Ltd., C66-10F
Anion exchange membrane: manufactured by Astom Co., Ltd., AHA
<EDI size>
Test cell: 10cm long x 10cm wide x 8mm thick
<Flow conditions>
Ultrapure water, NaHCO 3 solution, CO 2 -containing solution: 8000 ml / hr
<Current conditions>
Constant current: 0.5 A / dm 2
参考例8のモノリスイオン交換体に代えて、参考例15のモノリスイオン交換体を使用した以外は、実施例1と同様の方法で行った。 The same procedure as in Example 1 was performed except that the monolith ion exchanger of Reference Example 15 was used instead of the monolith ion exchanger of Reference Example 8.
NaHCO3溶液に代えて、CO2含有溶液(炭酸イオン濃度30mg−CaCO3/L)を用いた以外は、実施例1と同様の条件で行った。 Instead of the solution of NaHCO 3, except for using the CO 2 containing solution (carbonate ion concentration 30mg-CaCO 3 / L) was performed under the same conditions as in Example 1.
NaHCO3溶液に代えて、CO2含有溶液(炭酸イオン濃度30mg−CaCO3/L)を用いた以外は、実施例2と同様の条件で行った。 Instead of the solution of NaHCO 3, except for using the CO 2 containing solution (carbonate ion concentration 30mg-CaCO 3 / L) was performed under the same conditions as in Example 2.
比較例1
濃縮室68のアニオン交換樹脂56と第一カチオン交換膜66との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体54を配置していないこと以外は、実施例1と同様の条件で行った。
Comparative Example 1
Except that the anion exchange resin 56 in the concentrating compartment 68 is not disposed monolithic organic porous cation exchanger 54 between the first cation exchange membrane 66, it was carried out under the same conditions as in Example 1.
比較例2
濃縮室68のアニオン交換樹脂56と第一カチオン交換膜66との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体54を配置していないこと以外は、実施例2と同様の条件で行った。
Comparative Example 2
Except that the anion exchange resin 56 in the concentrating compartment 68 is not disposed monolithic organic porous cation exchanger 54 between the first cation exchange membrane 66, it was carried out under the same conditions as in Example 2.
実施例1〜4及び比較例1、2の脱塩室から排出される処理水(超純水)中の炭酸量を測定した。具体的には、アルテナ社製のTOC計(A−1000)にて処理水中の無機炭素(IC)を測定し、これを炭酸として、処理水中の炭酸量を測定した。比較例1及び比較例2の脱塩室から排出される処理水には、8400μg−CaCO3/hr、9000μg−CaCO3/hrの炭酸成分が含まれていた。一方、実施例1〜実施例4の脱塩室から排出される処理水には、270μg−CaCO3/hr、300μg−CaCO3/hr、170μg−CaCO3/hr、190μg−CaCO3/hrの炭酸成分が含まれていたが、比較例1及び比較例2より炭酸成分の量が大幅に抑えられた。すなわち、濃縮室のアニオン交換樹脂とカチオン交換膜との間にモノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置することによって、濃縮室の炭酸成分がカチオン交換膜を介して脱塩室に移動することを抑制できることを確認した。 The amount of carbonic acid in the treated water (ultra pure water) discharged from the desalting chambers of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 was measured. Specifically, inorganic carbon (IC) in the treated water was measured with a TOC meter (A-1000) manufactured by Altena, and the amount of carbonic acid in the treated water was measured using this as carbonic acid. The treated water discharged from the desalting chambers of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 contained carbonic acid components of 8400 μg-CaCO 3 / hr and 9000 μg-CaCO 3 / hr. On the other hand, the treated water discharged from the desalting of Examples 1 to 4, 270μg-CaCO 3 / hr , 300μg-CaCO 3 / hr, 170μg-CaCO 3 / hr, the 190μg-CaCO 3 / hr Although the carbonic acid component was contained, the amount of the carbonic acid component was significantly suppressed as compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2. That is, by disposing the monolithic organic porous cation exchanger between the anion exchange resin and the cation exchange membrane in the concentration chamber, the carbonic acid component in the concentration chamber moves to the desalination chamber through the cation exchange membrane. It was confirmed that it could be suppressed.
1,2 電気式脱イオン水製造装置、3 試験セル、10,66,70 カチオン交換膜、12 中間イオン交換膜、14,64 アニオン交換膜、16a,16b,68 濃縮室、18 混合体、20,22,32 アニオン交換体、23 モノリス状有機多孔質カチオン交換体、24 陰極、25 枠体、26 陽極、28,30,58,62 電極室、34,46 カチオン交換体、36 第一流入ライン、38 第一流出ライン、40 第二流入ライン、42 第二流出ライン、48 濃縮水流入ライン、50 濃縮水流出ライン、54 モノリス状有機多孔質カチオン交換体、56 アニオン交換樹脂、60 カチオン交換樹脂、72,D1,D2,D3 脱塩室、d1,d3,d5 第一小脱塩室、d2,d4,d6 第二小脱塩室、81 矩形状の写真領域 82 断面に表れる骨格部 83 マクロポア 90 共連続構造 91 骨格相 92 空孔相 1, 2 Electric deionized water production apparatus, 3 test cell, 10, 66, 70 cation exchange membrane, 12 intermediate ion exchange membrane, 14, 64 anion exchange membrane, 16a, 16b, 68 concentration chamber, 18 mixture, 20 , 22, 32 Anion exchanger, 23 monolithic organic porous cation exchanger, 24 cathode, 25 frame, 26 anode, 28, 30, 58, 62 electrode chamber, 34, 46 cation exchanger, 36 first inflow line , 38 first outflow line, 40 second inflow line, 42 second outflow line 48 concentrated water inlet line, 50 concentrated water outlet line, 54 a monolith-shaped organic porous cation exchanger, 56 anion exchange resin 60 cation exchange resin 72, D1, D2, D3 desalting chamber, d1, d3, d5 first small desalting chamber, d2, d4, d6 second small desalting chamber, 81 rectangular photographic area 82 Skeleton 83 macropores 90 bicontinuous structure 91 skeletal phase 92 Soraanasho appearing
Claims (5)
前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、モノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置し、
前記モノリス状有機多孔質カチオン交換体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径30〜300μmの開口となる連続マクロポア構造体であり、全細孔容積0.5〜5ml/gであり、該連続マクロポア構造体(乾燥体)の切断面のSEM画像において、断面に表れる骨格部面積が、画像領域中25〜50%であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。 Between the anode and the cathode, it is partitioned by a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode side, and a desalting chamber filled with an ion exchanger, through the cation exchange membrane and the anion exchange membrane An electric deionized water production apparatus that is provided on both sides of the demineralization chamber and has a concentration chamber filled with an anion exchanger,
A monolithic organic porous cation exchanger is disposed between the anion exchanger in the concentration chamber and the cation exchange membrane,
The monolithic organic porous cation exchanger is a continuous macropore structure in which bubble-shaped macropores overlap each other, and the overlapping portion is an opening having an average diameter of 30 to 300 μm in a water-wet state, and has a total pore volume of 0.5. Electric deionization characterized in that, in the SEM image of the cut surface of the continuous macropore structure (dried body), the area of the skeleton part shown in the cross section is 25 to 50% in the image region. Water production equipment.
前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、モノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置し、
前記モノリス状有機多孔質カチオン交換体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径30〜300μmの開口となる連続マクロポア構造体であり、全細孔容積0.5〜5ml/gであって、下記工程;
イオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が5〜16ml/gの連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体を得るI工程、
ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製するII工程、
II工程で得られた混合物を静置下、且つ該I工程で得られたモノリス状の有機多孔質中間体の存在下に重合を行い、該有機多孔質中間体の骨格より太い骨格を有する骨太有機多孔質体を得るIII工程、
該III工程で得られた骨太有機多孔質体に陽イオン交換基を導入するIV工程、を行うことで得られるものであることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。 Between the anode and the cathode, it is partitioned by a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode side, and a desalting chamber filled with an ion exchanger, through the cation exchange membrane and the anion exchange membrane An electric deionized water production apparatus that is provided on both sides of the demineralization chamber and has a concentration chamber filled with an anion exchanger,
A monolithic organic porous cation exchanger is disposed between the anion exchanger in the concentration chamber and the cation exchange membrane,
The monolith organic porous cation exchanger, overlapping bubble-like macropores between, the overlapping portion is a continuous macropores structure an average diameter 30 ~ 300 [mu] m aperture with water wet state, the total pore volume 0. 5-5 ml / g, the following steps:
A water-in-oil emulsion is prepared by stirring a mixture of oil-soluble monomer, surfactant and water that does not contain ion exchange groups, and then the water-in-oil emulsion is polymerized to give a total pore volume of 5-16 ml / g, a monolithic organic porous intermediate having a continuous macropore structure,
A mixture comprising a vinyl monomer, a crosslinking agent having at least two vinyl groups in one molecule, an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but does not dissolve the polymer formed by polymerization of the vinyl monomer, and a polymerization initiator. Step II to prepare,
The mixture obtained in Step II is allowed to stand and polymerized in the presence of the monolithic organic porous intermediate obtained in Step I, and the bone thicker having a skeleton thicker than the skeleton of the organic porous intermediate. Step III for obtaining an organic porous material,
An electric deionized water production apparatus obtained by performing an IV step of introducing a cation exchange group into the thick organic porous material obtained in the step III.
前記濃縮室のアニオン交換体と前記カチオン交換膜との間に、モノリス状有機多孔質カチオン交換体を配置し、
前記モノリス状有機多孔質カチオン交換体は、イオン交換基が導入された全構成単位中、架橋構造単位を0.3〜5.0モル%含有する芳香族ビニルポリマーからなる太さが1〜60μmの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に直径が10〜100μmの三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体であって、全細孔容積が0.5〜5ml/gであることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。 A demineralization chamber partitioned between a cathode and a cation exchange membrane on the cathode side and an anion exchange membrane on the anode and filled with an ion exchanger, the cation exchange membrane, and the anion exchange membrane through the anion exchange membrane An electric deionized water production apparatus in which a concentration chamber provided on both sides of a demineralization chamber and filled with an anion exchanger is disposed,
A monolithic organic porous cation exchanger is disposed between the anion exchanger in the concentration chamber and the cation exchange membrane,
The monolithic organic porous cation exchanger has a thickness of 1 to 60 μm made of an aromatic vinyl polymer containing 0.3 to 5.0 mol% of a crosslinked structural unit among all the structural units into which ion exchange groups are introduced. A three-dimensionally continuous skeleton and a three-dimensionally continuous pore having a diameter of 10 to 100 μm between the skeletons, and the total pore volume is 0.5 to 5 ml / An apparatus for producing electrical deionized water, wherein g is g.
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