JP6207445B2 - 浄水器用カートリッジおよび浄水器 - Google Patents

Description

本発明は、浄水器用カートリッジおよび浄水器に関する。

軟水の効能として、（ａ）お茶やコーヒーの味をまろやかにする、（ｂ）調理器具等のスケール発生を防止する、（ｃ）石鹸の泡立ちが良くなる、（ｄ）グラス等容器へのウォーターマーク発生を抑制する、等がある。このため、従来から、軟化機能を有した浄水器が広く利用されている。

水の軟化方法としては、（１）カチオン交換樹脂を用いる方法、（２）ＮＦ（Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ；ナノろ過）またはＲＯ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ；逆浸透）膜を用いる方法、（３）アルカリ剤を添加することにより沈澱したものを除去する方法などがある。しかし、これらの中でも、エネルギー効率や装置の維持管理面から、上記（１）のカチオン交換樹脂を用いる方法が優れている。

カチオン交換樹脂を用いた浄水器は、一般的にカートリッジ内にカチオン交換樹脂を充填した状態で使用される。カートリッジ内に充填されるカチオン交換樹脂の保存形態は湿潤状態となっている。この「湿潤状態」とは、カートリッジ製造後、乾燥処理を行うことなく、大気中に一定時間、放置して、または大気中に放置することなく、包装したものである。しかし、輸送面や長期保管性を考慮した場合、カートリッジは乾燥状態の方が軽いし、菌の繁殖も抑制できるので望ましい。

特許文献１（特開２０１０−１８４２４０号公報）には、乾燥イオン交換樹脂を充填したカートリッジが開示されている。特許文献１の浄水器では、デッドスペースを解消でき細菌繁殖リスクを低減できるため使用者により安全な飲料水を供給できる、としている（段落[０００７]〜[０００９]）。

また、カチオン交換樹脂には、強酸性カチオン交換樹脂と弱酸性カチオン交換樹脂が存在するが、イオン交換容量が大きく長持ちする等の理由から、浄水器用カートリッジには弱酸性カチオン交換樹脂を使用することが要望されていた。

特開２０１０−１８４２４０号公報

しかしながら、乾燥状態の弱酸性カチオン交換樹脂を充填したカートリッジを浄水器に取り付けて使用した場合、水に接触して吸水した際にイオン交換樹脂が急激に膨潤し、割れて(破砕して)しまうことがあった。このようにイオン交換樹脂の破砕が起こると、浄水処理時の圧力損失の上昇をもたらすとともに、破砕樹脂が浄水側に流出する恐れがあった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明者は、弱酸性カチオン交換樹脂について検討を行った。この結果、乾燥状態から吸水状態へ変化する際、体積膨潤率が小さいものとしてＨ形の弱酸性カチオン交換樹脂、および、ひずみの少ないものとしてゲル型構造を有する塩形の弱酸性カチオン交換樹脂が有用であることを発見した。

従って、本発明は、乾燥状態で浄水器内に充填されたとしても吸水時に、破砕による圧力損失の上昇、浄水水質の悪化を引き起こさない弱酸性カチオン交換樹脂を充填した浄水器用カートリッジおよび浄水器を提供することを目的とする。

一実施形態は、
Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂およびゲル型構造を有する塩形の弱酸性カチオン交換樹脂を、乾燥状態で充填し、
前記乾燥状態における、Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の体積基準の混合割合は、（Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂）：（塩形の弱酸性カチオン交換樹脂）＝１：９〜９：１であること
を特徴とする浄水器用カートリッジに関する。

乾燥状態で浄水器内に充填されたとしても吸水時に、破砕による圧力損失の上昇、浄水水質の悪化を引き起こさない弱酸性カチオン交換樹脂を充填した浄水器用カートリッジおよび浄水器を提供することができる。

一実施形態の浄水器用カートリッジは、Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂およびゲル型構造を有する塩形の弱酸性カチオン交換樹脂のうち少なくとも一方の弱酸性カチオン交換樹脂を、乾燥状態で充填したものである。Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂は乾燥状態から吸水状態になったとしても、体積膨潤率が低い。また、ゲル型構造を有する塩形の弱酸性カチオン交換樹脂は均一性の高い網目構造を有するため、ひずみが少ないものと考えられる。従って、これらのカチオン交換樹脂は、乾燥状態から吸水状態に変化する時に破砕が起こらず、この破砕による圧力損失の上昇、浄水水質の悪化を防止することができる。

一般的に、カチオン交換樹脂は、ゲル型構造、マクロポーラス型構造、またはポーラス型構造を有する。本実施形態の塩形の弱酸性カチオン交換樹脂は、これらの構造の中でもゲル型構造を有する。また、Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂の構造は特に限定されず、ゲル型構造、マクロポーラス型構造、およびポーラス型構造の何れの構造を有しても良い。なお、ゲル型構造と、マクロポーラス型構造およびポーラス型構造とは、下記の方法によって判別することができる。

Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂の体積膨潤率が小さい理由は、（ａ）イオン交換基中の水素原子（Ｈ^＋）のイオン半径が小さいこと、（ｂ）他のカチオン交換樹脂と比べてイオン交換基に水和する水分子の数が少ないこと、から体積膨潤の原因となる自由水（間隙水）が少なくなるためと考えられる。Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂を用いることにより、吸水時の体積膨潤率を小さくすることができる。

また、ゲル型構造を有する塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の体積膨潤率が小さい理由は、均一性の高い網目構造であり、ひずみが少ないためと考えられる。

Ｈ形または塩形の弱酸性カチオン交換樹脂は、強酸性カチオン交換樹脂と比べてイオン交換容量が大きいため、使用可能時間が長く、長期間、使用することが可能となる。

なお、従来の浄水器用カートリッジは、製造後すぐに、または製造後、一定時間放置した後、特別な乾燥処理（カートリッジ中のカチオン交換樹脂の水分を除去する処理）を行うことなく包装したものである。カチオン交換樹脂には水分を保有する能力があるため、製造時点では一定量(３５〜６０質量％程度)の水分を含んでいる。このように所定の水分含有率を有する点で、本実施形態の、低水分含有率のカチオン交換樹脂が充填された浄水器用カートリッジとは異なる。

本実施形態の浄水器用カートリッジは、乾燥状態のＨ形の弱酸性カチオン交換樹脂を充填したもの、乾燥状態の塩形の弱酸性カチオン交換樹脂を充填したもの、および乾燥状態のＨ形の弱酸性カチオン交換樹脂と塩形の弱酸性カチオン交換樹脂を充填したもの、の何れであっても良い。なお、カートリッジ内にＨ形の弱酸性カチオン交換樹脂のみを充填したものの場合、浄水のｐＨが酸性側に変動する場合がある。また、カートリッジ内に塩形の弱酸性カチオン交換樹脂のみを充填したものの場合、浄水のｐＨがアルカリ性側に変動する場合がある。従って、浄水のｐＨ変動が問題となる場合は、カートリッジ内にＨ形および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂を充填することが好ましい。この場合、乾燥状態における、Ｈ形および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の体積基準の混合割合は、（Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂）：（塩形の弱酸性カチオン交換樹脂）＝１：９〜９：１であることが好ましい。混合割合がこれらの範囲内であることによって、浄水を所望のｐＨに調整することができる。

また、Ｈ形および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の乾燥状態は、製造後のＨ形および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂に対して乾燥処理を行うことにより達成することができる。乾燥処理の方法は特に限定されず、熱乾燥処理、真空乾燥処理等、公知の様々な乾燥処理を行うことができる。熱乾燥処理の条件としては、温度１００〜１３０℃、１〜２４時間の条件を挙げることができる。真空乾燥処理の条件としては、圧力２０ｋＰａ以下、温度６０〜８０℃、２〜２４時間の条件を挙げることができる。

好ましくは、弱酸性カチオン交換樹脂を劣化させないような緩和な乾燥処理を行うのが良い。熱負荷を低減できると共に短時間で乾燥を行えるため、真空乾燥処理がより好ましい。

乾燥状態のＨ形の弱酸性カチオン交換樹脂、および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の水分含有率は、湿潤状態のものよりも低いものであれば特に限定されないが、好ましくは１０質量％以下であるのが良い。

塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の種類は特に限定されないが、例えば、Ｎａ形の弱酸性カチオン交換樹脂、Ｋ形の弱酸性カチオン交換樹脂を挙げることができる。

Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の母体構造は特に限定されないが例えば、メタクリル系の弱酸性カチオン交換樹脂、アクリル系の弱酸性カチオン交換樹脂とすることができる。Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂としては例えば、アンバーライト（登録商標、以下、同様） ＩＲＣ７６、ダウエックス（登録商標、以下、同様） ＭＡＣ−３（ダウケミカル社製）、ピュロライト（登録商標、以下、同様） Ｃ１１５Ｅ（ピュロライト社製）、ダイヤイオン（登録商標、以下、同様） ＷＫ１０、ＷＫ１１（三菱化学社製）などを挙げることができる。

浄水器用カートリッジ中には更に粒状活性炭を充填することが好ましい。粒状活性炭により、水中のカチオン成分以外の有機物や残留塩素等を除去して、水の純度を更に向上させることができる。

他の実施形態の浄水器は、浄水器用カートリッジを備える。浄水器の形態は特に限定されないが例えば、ハウジングと、ハウジングの上部に設けられた原水入口と、ハウジングの下部に設けられた浄水出口とを有し、ハウジング内に弱酸性カチオン交換樹脂が充填されたものを挙げることができる。浄水器の種類としては特に限定されないが、例えば、ポット型、蛇口直結型、据え置き型、またはアンダーシンク型の浄水器を使用することができる。

また、乾燥状態の強酸性カチオン交換樹脂は、乾燥状態から吸水状態に変化する時の体積膨潤率が低いため、強酸性カチオン交換樹脂の破砕による圧力損失の上昇、浄水水質の悪化を防止できる。この強酸性カチオン交換樹脂はゲル型構造、マクロポーラス型構造、ポーラス型構造の何れの構造を有していても良く、また、そのイオン形、母体構造も特に限定されない。例えば、強酸性カチオン交換樹脂のイオン形は、Ｈ形、Ｎａ形、Ｋ形とすることができ、スチレン系の強酸性カチオン交換樹脂とすることができる。これらの強酸性カチオン交換樹脂は乾燥状態でカートリッジ内に充填された場合であっても吸水時の体積膨潤率が低いため、イオン交換樹脂の破砕による圧力損失の上昇、浄水水質の悪化を効果的に防止できる。

以下、実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

［実施例１］
内径８ｃｍ、高さ２０ｃｍのカートリッジ内に、乾燥状態にあるゲル型構造を有するＮａ形の弱酸性カチオン交換樹脂（商品名「アンバーライト ＩＲＣ８６」（ダウ・ケミカル社製））を湿潤体積換算で８００ｍＬ相当充填し、そのカートリッジ内に水道水をＳＶ１００ＢＶ／ｈｒで１０分間、通水を行った。なお、上記の「ＢＶ」とは、弱酸性カチオン交換樹脂の充填湿潤体積に対して通水する水の流量倍数を表す。

乾燥状態の弱酸性カチオン交換樹脂の調製は、真空乾燥機にて８０℃、真空度８ｋＰａ、乾燥時間２４時間にて行った。乾燥後の弱酸性カチオン交換樹脂について水分含有率を測定した。水分含有率の測定には、加熱乾燥式水分計ＭＸ−５０（（株）Ａ＆Ｄ社製）を用い、約５ｇの質量の試料を秤量した後、試料皿温度に載せて１０５℃に加熱した。そして、水分含有率の時間変化が０．００５％／ｍｉｎ以下となった時点の水分含有率を測定した。その結果、水分含有率は２質量％であった。

［実施例２］
実施例１において、乾燥樹脂の調製を真空乾燥機にて８０℃、真空度８ｋＰａ、乾燥時間１６時間にて行った。その結果、水分含有率は１０質量％となった。

［実施例３］
実施例１において、ゲル型構造を有するＮａ形の弱酸性カチオン交換樹脂（アンバーライト ＩＲＣ８６）を、ゲル型構造を有するＨ形の弱酸性カチオン交換樹脂（商品名「アンバーライトＩＲＣ８６」（ダウ・ケミカル社製））に変更した。その結果、乾燥状態の水分含有率は２質量％となった。これ以外は、実施例１と同様にして、通水を行った。

［実施例４］
実施例１において、ゲル型構造を有するＮａ形の弱酸性カチオン交換樹脂（アンバーライト ＩＲＣ８６）を、マクロポーラス型構造を有するＨ形の弱酸性カチオン交換樹脂（商品名「アンバーライトＩＲＣ７６」（ダウ・ケミカル社製））に変更した。その結果、乾燥状態の水分含有率は２質量％となった。これ以外は、実施例１と同様にして、通水を行った。

［比較例１］
実施例１において、使用するＮａ形の弱酸性カチオン交換樹脂の構造を、マクロポーラス型（商品名「アンバーライト ＩＲＣ７６」（ダウ・ケミカル社製））とした。これ以外は、実施例１と同様にして、通水を行った。水分含有率も同じく２質量％となった。

［比較例２］
比較例１において、乾燥樹脂の調製を真空乾燥機にて８０℃、真空度８ｋＰａ、乾燥時間１６時間にて行った。これ以外は、比較例１と同様にして、通水を行った。その結果、水分含有率は１０質量％となった。

［比較例３］
実施例１において、使用するＮａ形の弱酸性カチオン交換樹脂をポーラス型（商品名「Ｃ１０４」（ピュロライト社製））とした。これ以外は、実施例１と同様にして、通水を行った。水分含有率は２質量％となった。

［参考例１］
実施例１において、ゲル型構造を有するＮａ形の弱酸性カチオン交換樹脂（アンバーライト ＩＲＣ８６）を、ゲル型構造を有するＮａ形の強酸性カチオン交換樹脂（商品名「アンバーライトＩＲ１２０Ｂ Ｎａ」（ダウ・ケミカル社製））に変更した。その結果、乾燥状態の水分含有率は２質量％となった。これ以外は、実施例１と同様にして、通水を行った。

［参考例２］
実施例１において、ゲル型構造を有するＮａ形の弱酸性カチオン交換樹脂（アンバーライト ＩＲＣ８６）を、マクロポーラス型構造を有するＮａ形の強酸性カチオン交換樹脂（商品名「アンバーライト２００ＣＴ Ｎａ」（ダウ・ケミカル社製））に変更した。その結果、乾燥状態の水分含有率は２質量％となった。これ以外は、実施例１と同様にして、通水を行った。

〈結果〉
実施例１〜４、比較例１〜３、および参考例１〜２において、差圧上昇率＜（最終差圧−同未乾燥品の初期差圧）／同未乾燥品の初期差圧＞と、破砕率＜（計測個数−破砕個数）／（計測個数）＞を算出した。なお、「差圧」は、カチオン交換樹脂を充填した浄水カートリッジの流入部及び流出部をそれぞれ分岐させて、差圧計に接続し、その計測値を読み取った。また、カチオン交換樹脂の破砕個数は、光学顕微鏡（倍率５０倍）によりカチオン交換樹脂の観察を行い、球形でないものや一部が欠けたものをカウントした。

各例で使用したカチオン交換樹脂の種類、水分含有率、および測定結果を表１に示す。

実施例１〜４では、差圧上昇も樹脂の破砕も発生しなかった。比較例１では、差圧が１３０％上昇し、樹脂も７２％の破砕状態にあった。比較例２では、差圧が１１０％上昇し、樹脂も６３％の破砕状態にあった。比較例３では、差圧が６％上昇し、樹脂は４％の破砕状態にあった。

Claims (4)

1. Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂およびゲル型構造を有する塩形の弱酸性カチオン交換樹脂を、乾燥状態で充填し、
   前記乾燥状態における、Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の体積基準の混合割合は、（Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂）：（塩形の弱酸性カチオン交換樹脂）＝１：９〜９：１であること
   を特徴とする浄水器用カートリッジ。
2. 前記乾燥状態における、Ｈ形の弱酸性カチオン交換樹脂および塩形の弱酸性カチオン交換樹脂の水分含有率は１０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の浄水器用カートリッジ。
3. 前記塩形の弱酸性カチオン交換樹脂は、Ｎａ形の弱酸性カチオン交換樹脂およびＫ形の弱酸性カチオン交換樹脂のうち少なくとも一方の弱酸性カチオン交換樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の浄水器用カートリッジ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の浄水器用カートリッジを備えたことを特徴とする浄水器。