JP5380870B2 - ガス溶解水の製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体透過膜モジュールを用いて、ガス溶解水を製造する方法及び装置に係り、特に気体透過膜モジュールの気体室から凝縮水を排出するようにしたガス溶解水の製造方法及び装置に関する。

半導体用シリコン基板、液晶用ガラス基板、フォトマスク用石英基板などの電子材料の表面から、微粒子、有機物、金属などを除去するために、いわゆるＲＣＡ洗浄法と呼ばれる過酸化水素をベースとする濃厚薬液による高温でのウェット洗浄が行われていた。ＲＣＡ洗浄法は、電子材料の表面の金属などを除去するために有効な方法であるが、高濃度の酸、アルカリや過酸化水素を多量に使用するために、廃液中にこれらの薬液が排出され、廃液処理において中和や沈殿処理などに多大な負担がかかるとともに、多量の汚泥が発生する。

そこで、特定のガスをガス溶解装置で超純水に溶解し、必要に応じて微量の薬品を添加して調製した機能性洗浄水が高濃度薬液に代わって使用されるようになってきている。機能性洗浄水に用いられる特定のガスとしては、炭酸ガス、水素ガス、酸素ガス、オゾンガスのほか、希ガスなどの不活性ガスなどがある。

特に、炭酸水は、被洗浄物やノズルを帯電させずに被洗浄物表面をすすぐために用いられている。即ち、超純水を洗浄に用いると、その絶縁性の高さから、洗浄物との摩擦によって被洗浄物が帯電することがある。被洗浄物が帯電すると、例えば、被洗浄物に微細な回路パターンがある場合など、その回路が破壊されてしまうことがある。これを防ぐために超純水に炭酸ガスを溶解させて導電性を高めた炭酸水が用いられている。この炭酸水の炭酸ガス濃度は、超純水に導電性を与えるだけであるので１〜１００ｍｇ／Ｌと低濃度とされる。

上記の気体を効率よく溶解させるために、気体のみを透過させる性質を有する気体透過膜を内蔵した気体溶解膜モジュールが活用されている（例えば、特許文献１）。気体溶解膜モジュールを用いると、気泡を含まないガス溶解水を容易に製造することができる。
特開２０００−２７１５４９

水などの液体は気体透過膜を透過しないが、水蒸気は気体透過膜を透過する。このため、気体透過膜モジュールの運転を継続していると、気体透過膜を介して液相室から気相室へ水蒸気が透過し、結露して凝縮水として気体室内に溜まる。凝縮水が少量であれば、気体溶解膜モジュールの性能に及ぼす影響は軽微であるが、凝縮水の貯溜量が多くなると、ガス溶解水中に含まれる溶存ガス濃度が減少する。

気体溶解膜モジュールの気相室に凝縮水が溜まった場合、従来は気体溶解膜モジュールの運転を中断し、溜まった凝縮水を排出する作業を行う必要があった。気体透過膜モジュールの運転を中断しない方法として、凝縮水量を液面計などで検知し、真空ポンプなどを用いて排出する方法などが考えられるが、このように排出動作を行うと、気相室内の圧力が急激に変動するため、溶存ガス濃度がピーキーに（ピーク的に）変動する。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、気体溶解膜モジュールを用いてガス溶解水を製造する方法及び装置において、溶存ガス濃度を変動させることなく、効率よく凝縮水を排出してガス溶解水を製造することができるガス溶解水製造方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明のガス溶解水の製造方法は、気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールの該水室に水を通水すると共に、該気体室にガスを供給してガス溶解水を製造するガス溶解水の製造方法において、前記気体室に凝縮水を排出するための排出流路が接続され、該排出流路に、気体室側の圧力が所定圧力以上となると開弁する弁が設けられており、該弁が開弁することにより気体室から凝縮水が流出するガス溶解水の製造方法であって、前記気体室内の圧力が大気圧よりも高く、前記所定圧力と大気圧との差が１０ｋＰａ以下であることを特徴とするものである。

本発明のガス溶解水の製造装置は、気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールを有し、該気体透過膜モジュールの該水室に水を通水すると共に、該気体室にガスを供給してガス溶解水を製造するガス溶解水の製造装置において、該気体透過膜モジュールの気体室から凝縮水を排出するための排出流路が設けられており、該排出流路に、該気体室側の圧力が所定圧力以上となると開弁して、該気体室から凝縮水を排出する弁が設けられており、該所定圧力と大気圧との差が１０ｋＰａ以下であることを特徴とするものである。

気体透過膜モジュールの運転を継続していると、気体透過膜を透過した水蒸気が凝縮して気体室に徐々に溜まってくる。気体室内が満水となる前にこの気体室内の水を排出することにより、気体透過膜モジュールから得られるガス溶解水のガス濃度の変動が防止される。

なお、通常は気体室内の凝縮水を大気圧の系外（例えば容器や流路）に排出するので、気体室内の圧力を大気圧よりも高くすることにより、この圧力によって気体室内の凝縮水を効率よく排出することができる。

気体室から凝縮水を排出するためには、気体室に排出流路を接続するのが好ましい。気体室に凝縮水が溜まると、凝縮水量の増大に応じて気体室内の圧力が上昇するので、この排出流路に、気体室側の圧力が所定圧力以上になると開弁する弁、好ましくはチャッキ弁を設けるのが好適である。

気体室が凝縮水で満水とならないようにするために、この所定圧力は水室から流出するガス溶解水の圧力よりも低くする必要があるが、なるべく大気圧に近いほうが好ましく、特に大気圧との差が１０ｋＰａ以下、特に５ｋＰａ以下であることが望ましい。このように所定圧力を設定することにより、気体室内に溜まる水量を少なくすることができる。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

第１図は実施の形態に係るガス溶解水の製造方法が適用されるガス溶解水製造装置のフロー図である。

原水は、原水供給ポンプ１及び配管２を経て気体透過膜モジュール３に送られる。

気体透過膜モジュール３は、気体透過膜４によって水室５と気体室６とが区画されたものである。水は水室５を通り、この間に気体透過膜４と接触し、気体透過膜４を透過してきたガスが水に溶解し、取出用配管７からガス溶解水が取り出される。この配管７には、圧力計８と導電率計９とが設けられている。

気体室６へはガス供給源１０からガスが流量制御弁１１及び流量計１２を有したガス供給配管１３を介して供給される。ガス流量は、流量計１２で検出される流量が所定流量となるように、若しくは導電率計９の検出導電率が所定値となるように、流量制御弁１１によって制御される。

気体室６の下部には凝縮水排出配管１５が接続されており、この排出配管１４にクラッキング圧力を設定することができるチャッキ弁（逆止弁）１４が設けられている。このチャッキ弁１４は、気体室６から配管１４の末端に向う方向に水が流れることを許容する。配管１４の末端は大気に開放している。

原水としては、純水又は超純水が好適である。

ガスとしては、炭酸ガス又は炭酸ガスを含むガスが好適であるが、窒素、水素、酸素、アルゴン、希ガス、オゾン、クリーンエアの少なくとも１つを含むものであってもよい。なお、本発明は、炭酸濃度が１〜１００ｍｇ／Ｌ特に５〜５０ｍｇ／Ｌと低濃度の炭酸水を製造する場合に適用するのに好適である。

このように構成されたガス溶解水製造装置を用い、水室５に連続的に通水しながら気体室６にガス供給源１０からガスを供給し、ガス溶解水を製造する運転を継続すると、気体透過膜４を透過した水が凝縮して気体室６に徐々に凝縮水が溜まってくる。気体室６内の水量が増加してくるとそれに伴って徐々に気体室６内の圧力が上昇してくる。この気体室６内の圧力がチャッキ弁１４のクラッキング圧力以上になると、チャッキ弁１４が開弁し、気体室６内の水が配管１５を通って排出される。気体室６内の圧力がクラッキング圧力以下になると、チャッキ弁１４が閉弁し、この水の流出が停止する。

このようにして、気体室６内に凝縮水が多量に溜まることが防止されるので、配管７から取り出されるガス溶解水の濃度変動が防止され、安定した水質のガス溶解水が得られる。なお、このガス溶解水製造装置によって電子部品洗浄水を製造する場合、ガス溶解水は導電率計９で検出される導電率が規定範囲内であることが確認された後、ユースポイントへ送られる。
上記のチャッキ弁１４のクラッキング圧力は、気体室６内が凝縮水で満水とならにようにするために、圧力計８で検出される水圧以下とする必要がある。このクラッキング圧は、凝縮水を排出させ易くすると共に、気体室６が完全に水没するまでの余裕を設けるために、なるべく低い方が望ましい。すなわち、大気圧よりも高い範囲で大気圧に近いほうが望ましく、大気圧との差が１０ｋＰａ以下、特に５ｋＰａ以下であることが好ましい。

上記実施の形態では、チャッキ弁１４が用いられているが、リリーフ弁や背圧弁などを用いてもよい。

以下、実施例及び比較例について説明する。

実施例１
第１図に示すガス溶解水製造装置を以下の条件で運転した。

ガス溶解膜モジュール ・・・ セルガード（株）Ｇ４２０
（２．５×８ｉｎｃｈ）
チャッキ弁 ・・・ サーパス工業（株）ＦＴＬ−３−Ｋ
チャッキ弁のクラッキング圧力 ・・・ ＋３ｋＰａ
導電率計 ・・・ 東亜ＤＫＫ（株）ＣＭ−２１ＰＷ
原水 ・・・ 脱気した超純水
原水の供給水量 ・・・ ３Ｌ／ｍｉｎ
送水圧力 ・・・ ０．２ＭＰａ
ガス ・・・ 炭酸ガス

上記の条件にて、導電率計で検出される導電率が０．５ｍＳ／ｍとなるように、炭酸ガスの供給量を調整し、炭酸水を３ヶ月間連続して製造した。３ヶ月間の運転期間中を通じて、炭酸水の導電率は０．５ｍＳ／ｍで安定していた。気体室内の凝縮水もスムーズに排出された。

比較例１
第１図に示すガス溶解水製造装置において、チャッキ弁１４の代わりに開閉弁を設置し気体室６に水が溜まらないように、定期的にガス溶解水製造装置の運転を停止し、開閉弁を開けて凝縮水を排出するようにしたところ、この凝縮水排出操作を１週間に１回の頻度で行う必要があり、炭酸水製造効率がその分、低下した。

比較例２
第１図に示すガス溶解水製造装置において、チャッキ弁１４の代わりに開閉弁を設置すると共に、配管１５の該開閉弁よりも気体室６側に、凝縮水を検知するための液面計を設置した。そして、この液面計が凝縮水を検知したときに、該開閉弁を開け、配管１５を介して真空ポンプで吸引して、凝縮水を排出するようにしたところ、この排出動作時に気相室の圧力が急激に変動し、導電率が０．５ｍＳ／ｍから０．４ｍＳ／ｍ程度に減少し安定した水質のガス溶解水を得ることが困難であった。

以上の実施例及び比較例から、本発明によると、溶存ガス濃度を変動させることなく、凝縮水を連続的、安定的に、長期にわたって排出しながらガス溶解水を製造することができることが確認された。

ガス溶解水製造装置のフロー図である。

符号の説明

３ 気体透過膜モジュール
４ 気体透過膜
５ 水室
６ 気体室
８ 圧力計
９ 導電率計
１４ チャッキ弁

Claims (6)

1. 気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールの該水室に水を通水すると共に、該気体室にガスを供給してガス溶解水を製造するガス溶解水の製造方法において、
   前記気体室に凝縮水を排出するための排出流路が接続され、該排出流路に、気体室側の圧力が所定圧力以上となると開弁する弁が設けられており、
   該弁が開弁することにより気体室から凝縮水が流出するガス溶解水の製造方法であって、
   前記気体室内の圧力が大気圧よりも高く、
   前記所定圧力と大気圧との差が１０ｋＰａ以下であることを特徴とするガス溶解水の製造方法。
2. 請求項１において、前記ガスは炭酸ガス又は炭酸ガスを含むガスであり、製造される炭酸水の炭酸濃度が１〜１００ｍｇ／Ｌであることを特徴とするガス溶解水の製造方法。
3. 請求項１又は２において、前記所定圧力と大気圧との差が３〜１０ｋＰａであることを特徴とするガス溶解水の製造方法。
4. 気体透過膜によって水室と気体室とが区画された気体透過膜モジュールを有し、該気体透過膜モジュールの該水室に水を通水すると共に、該気体室にガスを供給してガス溶解水を製造するガス溶解水の製造装置において、
   該気体透過膜モジュールの気体室から凝縮水を排出するための排出流路が設けられており、
   該排出流路に、該気体室側の圧力が所定圧力以上となると開弁して、該気体室から凝縮水を排出する弁が設けられており、
   該所定圧力と大気圧との差が１０ｋＰａ以下であることを特徴とするガス溶解水の製造装置。
5. 請求項４において、前記弁はチャッキ弁であることを特徴とするガス溶解水の製造装置。
6. 請求項４又は５において、前記所定圧力と大気圧との差が３〜１０ｋＰａであることを特徴とするガス溶解水の製造装置。

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