JPH0623282A

JPH0623282A - イオン交換繊維充填筒

Info

Publication number: JPH0623282A
Application number: JP4180794A
Authority: JP
Inventors: Masaru Noyori; 賢野寄; Nami Hirata; 奈美平田; Toshio Yoshioka; 敏雄吉岡
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-02-01

Abstract

(57)【要約】【目的】高流速かつ大容量の水処理を、低圧損下で得る
ことを可能にする。【構成】イオン交換繊維を充填した筒において、該充填
筒の直径（Ｄ）に対する長さ（Ｌ）の割合が、０．０４
以上、６以下の関係を満たすことを特徴とするイオン交
換繊維充填筒。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原水中のイオンおよび
その他の不純物を高流速下において低圧損で効率良く除
去できるイオン交換繊維充填筒に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで、液体特に水中の水溶性電解物
質およびその他不純物を分離濃縮して浄化するにはイオ
ン交換による方法が広く採用されてきた。これらは、電
子産業分野特に半導体製造工場、液晶工場での超純水製
造用ポリッシャー、その他超純水を必要とする分野で使
用され多くは粒状のイオン交換樹脂が使われている。

【０００３】このイオン交換樹脂は水と一緒に取り扱う
ことができイオン交換体の充填、イオン交換・分離再生
および移送時の作業性が容易で、連続イオン交換−再生
設備の普及とあいまって幅広く採用されてきた。

【０００４】ところが、従来の粒状イオン交換樹脂にお
いては、単位面積あたりの表面積が小さいためイオン交
換速度が遅く、さらにイオン交換・再生時などの急激な
収縮や膨潤によりイオン交換体が破壊され易いといった
欠点があった。

【０００５】そこで、この様な欠点を解消するために、
単位面積あたりの表面積が大きく、イオン交換速度の速
い、繊維状のイオン交換体が提案されている（例えば、
特開昭５１−１３６５９０）。

【０００６】しかしながら、かかる従来技術において示
されている繊維状のイオン交換体にいおいても、筒の長
さ（Ｌ）／筒の直径（Ｄ）が大きい充填筒を使用するた
め、圧損が大きくなって通水量が制限されるという欠点
があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来技術
の問題点を解消するために、本発明者らは鋭意検討した
結果本発明に到達した。

【０００８】すなわち本発明は、低圧損下で使用するこ
とができ、高流速・大容量のイオン交換繊維を充填した
筒を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、次の構成を有する。

【００１０】「イオン交換繊維を充填した筒において、
該充填筒の直径（Ｄ）に対する長さ（Ｌ）の割合が、
０．０４以上、６以下の関係を満たすことを特徴とする
イオン交換繊維充填筒。」以下本発明を詳細に説明す
る。

【００１１】本発明のイオン交換繊維を充填する筒は、
中空状の円筒型をなし、該円筒の直径（Ｄ）に対する長
さ（Ｌ）の割合が、０．０４以上、６以下であることが
必要である。０．０４未満では、高度にイオン交換がで
きず、また６を越えると、圧損が大きくなり、流速が低
くなる。さらに、（Ｌ）／（Ｄ）が０．１以上、５以下
であることが好ましい。

【００１２】本発明において、直径（Ｄ）、長さ（Ｌ）
としては特に限定されるものではないが、直径（Ｄ）と
しては５〜５０cmであることが好ましく、さらには１０
〜４５cm、１５〜４５cmであることが好ましい。５cm未
満であると、通水量を上げた場合、線速度が大きくなり
高度にイオン交換ができにくく、５０cmを越えると取り
扱い性、作業性が悪くなる傾向がある。また、長さ
（Ｌ）としては、２〜７０cmであることが好ましく、さ
らには、５〜６０cm、１０〜５０cmであることが好まし
い。２cm未満であると、安定して高純度の水を得られに
くくなる傾向があり、７０cmを越えると圧損が大きくな
る傾向がある。

【００１３】イオン交換体を充填する場合の密度は特に
限定されるものではないが、０．１０〜０．３g/cm³と
するのが圧力損失およびイオン交換効率の点で好まし
く、０．１２５〜０．２５の範囲であるのが特に好まし
い。

【００１４】イオン交換繊維の長さとしては、特に限定
されるものではないが、その繊維の長さとしては、通液
時の圧力損失およびイオン交換効率、作業性さらにイオ
ン交換繊維を製造する容易さなどから０．２〜２．５mm
であるのが好ましい。０．２mm未満では表面積が大きく
イオン交換速度の点では有利となるが、充填密度が大き
くなり過ぎるため圧力損失が高くなる傾向がある。一
方、２．５mmを越えると充填密度が小さくなり、層高が
高くなる傾向がある。

【００１５】本発明で用いるイオン交換繊維とは、通常
直径が０．０１〜１００μｍ、好ましくは１〜１００μ
ｍの公知のイオン交換繊維を意味する。その具体例とし
ては、ポリスチレン系、ポリビニルアルコール系、ポリ
アクリル系、ポリアミド系、ポリフェノール系、ポリエ
チレン系、セルロース系などのベースポリマにカチオン
交換基、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン
酸基などや、アニオン交換基、例えば１〜３級アミノ基
もしくは４級アンモニウム基などを導入したイオン交換
繊維がある。

【００１６】なかでもポリスチレン系のベースポリマに
スルホン酸基を導入した強酸性カチオン交換繊維および
４級アンモニウム基を導入した強塩基性アニオン交換繊
維が特に好ましい。さらに、本発明では該強塩基性アニ
オン交換繊維と強酸性カチオン交換繊維とを混合した、
いわゆる混合床として用いることが被処理水中のイオン
を効率良く減少することができ、従って高純度の超純水
が得られることから特に好ましい。

【００１７】なお、強塩基性アニオン交換繊維と強酸性
カチオン交換繊維からなる混合床の両者の比率は、８０
／２０〜２０／８０が好ましく、より好ましくは７０／
３０〜４０／６０である。

【００１８】かかるベースポリマの中でも、ポリ（モノ
ビニル芳香族化合物）、特にスチレン系ポリマが化学安
定性に優れており好ましい。具体的にはポリスチレン、
α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレ
ン、クロロメチルスチレンなどからなるポリマが挙げら
れる。

【００１９】かかるポリマにイオン交換基を導入してイ
オン交換繊維を製造する方法としては、たとえばパラホ
ルムアルデヒドと硫酸の共存下で加熱処理するか、また
は無水硫酸により気相で処理することによりスルホン酸
基が導入された強酸性カチオン交換繊維を得ることがで
きる。さらに、たとえばクロルメチル化した後ホスホン
化、アミノ化もしくは四級アンモニウム化することによ
って、それぞれ中酸性カチオン交換基、弱塩基性アニオ
ン交換基、強塩基性アニオン交換基が導入された各種イ
オン交換繊維を得ることができる。

【００２０】ポリマに導入するイオン交換基の量は、繊
維の乾燥重量に対して少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇ以上
であることが好ましく、さらには１．０〜１０ｍｅｑ／
ｇ以上であることが好ましい。

【００２１】イオン交換繊維の含水度は、通常０．１〜
１０であるが、あまり小さすぎると不純物を除去する性
能が低下する可能性があり、逆に大きすぎると、反応工
程あるいは使用時の圧損が上昇するなど取扱い性が悪く
なる可能性があるので、０．５〜５の範囲が好ましく、
特に、１〜３の範囲が好ましい。

【００２２】ここで含水度とはＮａ型（Ｃｌ型）のカチ
オン（アニオン）交換繊維を純水に浸した後、家庭用遠
心脱水機で５分間遠心脱水して表面の水分を除去し、た
だちに重量（Ｗ）を測定し、さらに絶乾して重さを測り
（Ｗｏ）次式より求めた値である。

【００２３】含水度＝（Ｗ−Ｗｏ）／Ｗｏかかる交換基量あるいは含水度は処理条件や導入プロセ
スなどにより制御できる。

【００２４】さらにイオン交換繊維の中でもベース用ポ
リマと補強用ポリマからなる繊維、好ましくはイオン交
換用ポリマを海成分に、補強用ポリマを島成分にした多
芯海島型の複合繊維を基材としたイオン交換繊維が操作
上十分な機械的強度ならびに形態保持性を有しているの
で特に好ましい。

【００２５】補強用ポリマの割合は通常１０〜９０％で
あるが、あまり少なすぎると機械的強度が弱くなり、逆
に多すぎるとイオン交換基量や吸着性能が低下する傾向
があるので２０〜８０％の範囲が好ましい。

【００２６】また補強用ポリマとしてはポリ−α−オレ
フィンが耐薬品性に優れているので好ましく、特にポリ
プロピレン、ポリエチレンが好ましい。

【００２７】該イオン交換繊維の形態としては短繊維、
フェルト、織物、不織布、編物、繊維束、ひも状物など
をそのままで、または切断したものが用いられる。

【００２８】本発明のイオン交換繊維充填筒は通常、通
液する液体の取入口および処理液の出口側に、繊維漏れ
などを防止する目的でフィルター（金網、不織布、編織
物）を置いたり、均一に液体を流すための多孔板（集
水、散水）などを備えていることが好ましい。

【００２９】また、被処理液の出入口の位置としては、
液体が支障なく処理できれば特に限定しないが、入口が
筒の上部（下部）にあり出口が下部（上部）にあるもの
（図１）、入口と出口が同一側にあるもの（図２）など
が挙げられる。図１の筒で入口側に空気抜きを備えたも
のであってもよい。図１中、１は原水の入口管、２は原
水の出口管、３は充填筒、４は繊維状イオン交換体、５
は不織布または網、６は多孔板（中央部盲）、７は多孔
板、８は空気抜き、９は筒の直径（Ｄ）、１０は筒の長
さ（Ｌ）を示す。図２中、１１は集水部ストレーナ（テ
フロン製網巻）、１２は網を示す。

【００３０】充填筒の材質としては、イオン性物質、有
機物、微粒子など好ましくない不純物を溶出しないも
の、あるいは強度、耐熱性、耐薬品性など耐久性に問題
のないものであれば特に限定されない。例えば、アクリ
ル系樹脂、ポリプロピレン、変性ポリフェニレンオキサ
イド、ＡＢＳ樹脂、ポリスルホン、ポリカーボネイト、
ポリエーテルエーテルケトン、フッ素系樹脂、ステンレ
スＳＵＳ３１６（表面を複合電解研磨）などを挙げるこ
とができる。

【００３１】また、繊維漏れ防止用のフィルターとして
は不織布、編・織物などが用いられ、材質としてはポリ
エステル、ポリアミド、ポリプロピレン、塩化ビニリデ
ン／塩化ビニル共重合体、フッ素系樹脂、ステンレスな
ど不純物の溶出や耐久性に問題がなければ特に限定され
ない。

【００３２】本発明のイオン交換繊維充填筒は超純水の
製造に好ましく用いられ、特に、超純水製造装置のサブ
システムとしてのポリッシャーとして好ましく適用でき
るものである。特に通液する原水が、逆浸透膜透過水、
イオン交換水、紫外線照射水などの一次純水系からの供
給水である場合特に効果的である。本発明のイオン交換
体充填筒は、空間速度５０ｈ^-1以上の高流速処理が可能
であり、低圧損でイオン交換できる。

【００３３】以下に実施例を示すが本発明はこれらに限
定されるものではない。

【００３４】

【実施例】実施例で用いるカチオン交換繊維およびアニ
オン交換繊維は、次の方法で製造したものである。

【００３５】多芯海島型複合繊維（未延伸糸）［海成分
（ポリスチレン）／島成分（ポリエチレン）＝５０／５
０（島数１６、繊維直径３４μｍ）］を長さ０．５mmに
切断してカットファイバーを得た。

【００３６】該カットファイバー１重量部を市販の１級
硫酸７．５容量部とパラホルムアルデヒド０．１５重量
部からなる架橋・スルホン化液に加え、８０℃で４時間
反応処理した後、水洗した。

【００３７】次にアルカリで処理してから水洗すること
によってスルホン酸基を有するカチオン交換繊維を得た
（交換容量３．０ミリ当量／ｇ−Ｎａ、含水度１．
２）。

【００３８】一方、上記カットファイバー１重量部を市
販の１級硫酸５容量部、水０．５容量部とパラホルムア
ルデヒド０．２重量部からなる架橋液に加え８５℃で４
時間架橋反応を行った。

【００３９】次にクロルメチルエーテル８．５容量部と
塩化第二スズ１．５容量部からなる溶液に架橋糸を加
え、３０％トリメチルアミン水溶液１０容量部に加え３
０℃で１時間アミノ化して水洗した。さらに塩酸で処理
してから水洗することによってトリメチルアンモニウム
メチル基を有するアニオン交換繊維を得た（交換容量
２．８ミリ当量／ｇ−Ｃｌ、含水度１．８）。

【００４０】イオン交換繊維混合体としては、カチオン
交換繊維およびアニオン交換繊維をそれぞれ酸、アルカ
リで活性化した後、両者を４５／５５の割合で攪拌混合
したものを用いた。

【００４１】実施例１飲料水を前処理してから逆浸透膜で脱塩後、イオン交換
樹脂で処理した水｛比抵抗：１７．２ＭΩ・cm（比抵抗
計ＤＫＫ（株）製、ＡＱ−１１型）、ＴＯＣ：３０ｐ
ｐｂ（東レエンジニアリング（株）製、自動分析計ＴＯ
Ｃ７１０型）、微粒子（０．１μｍ以上）：１５個／ml
（東レエンジニアリング（株）製、微粒子カウンタ
ー）、シリカ：５ｐｐｂ（フレームレス原子吸光法）｝
を原水として、前記イオン交換繊維混合体１２００ｇ
を、充填密度０．１７g/cm³６８８０ml）となるように
充填したイオン交換体充填筒に、通水速度６９０ｌ／ｈ
（空間速度１００ｈ^-1、線速度２４ｍ／ｈ）で通水し
た。イオン交換繊維充填筒としては、図１に示す形態の
用い、長さ（Ｌ）／内径（Ｄ）が１．３（Ｌ＝２５０m
m、Ｄ＝１９０mm）のポリカーボネート製のものを用い
た。

【００４２】この時の圧力損失は、０．９kgf ／cm²で
何ら問題なく通水処理することができた。また処理水
は、比抵抗１８．２ＭΩ・cm、ＴＯＣ１０ｐｐｂ、微粒
子（０．１μｍ以上）１０個／ml、シリカ＜０．５ｐ
ｐｂと極めて高純度の超純水が得られた。

【００４３】実施例２実施例１と同様のイオン交換繊維混合体８００ｇを、充
填密度０．１７g/cm³（４８１０ml）となるように充填
した、図２に示す入口と出口が同一側に配置されたイオ
ン交換体充填筒（長さ（Ｌ）／内径（Ｄ）が１．６（Ｌ
＝２５０mm、Ｄ＝１６０mm）でポリカーボネート製）
に、実施例１と同様の原水を通水速度４９３ｌ／ｈ（空
間速度１０２ｈ^-1、線速度２５ｍ／ｈ）で通水した。こ
の時の圧力損失は、１．１kgf/cm²で何ら問題なく通水
処理することができた。また処理水は、比抵抗１８．２
ＭΩ・cm、ＴＯＣ８ｐｐｂ、微粒子（０．１μｍ以上）
１３個／ml、シリカ＜０．５ｐｐｂと極めて高純度の
超純水が得られた。

【００４４】比較例１実施例１において、充填筒のＬ、Ｄを変えた（長さ
（Ｌ）／内径（Ｄ）が６．７（Ｌ＝７４０mm、Ｄ＝１１
０mm））以外は、実施例１と同様の通水方法で、原水を
通水した。通水速度４００ｌ／ｈ（空間速度５８ｈ^-1、
線速度４２ｍ／ｈ）で、圧力損失は２．５kgf/cm²以上
と高くなりこれ以上通水量があげられなかった（水質的
には実施例のものとほぼ同等）。

【００４５】比較例２実施例１と同様のイオン交換繊維混合体１０００ｇ（５
７００ml）を充填した、実施例１と同様の通水方法で、
Ｌ／Ｄを変えた充填筒｛長さ（Ｌ）／内径（Ｄ）が０．
０３３（Ｌ＝２０mm、Ｄ＝６００mm）のポリカーボネー
ト製｝に、実施例１と同様の原水を通水した。

【００４６】通水速度５９０ｌ／ｈ（空間速度１０３ｈ
^-1、線速度２ｍ／ｈ）で、圧力損失は０．４kgf/cm²で
低かったが、層高が低いため少しの振動で充填層の乱れ
やショートパスが発生し、このため水質も実施例のもの
に比べて劣ることがわかった。

【００４７】

【発明の効果】本発明のイオン交換繊維充填筒は、従来
の充填筒では圧損が高く水質的にも劣るため不可能であ
った高流速かつ大容量の水処理を、低圧損下で得ること
を可能にした。

【００４８】本発明のイオン交換充填筒は、主に超純水
製造装置のファイナルポリッシャーとして用いられる
が、その他イオン交換体による薬品の精製など液体中の
不純物を除去する場合などに利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１および比較例１、２で用いた充填筒の
概略図である。

【図２】実施例２で用いた充填筒の概略図である。

【符号の説明】１：原水の入口管２：原水の出口管３：充填筒４：繊維状イオン交換体５：不織布、網６：多孔板（中央部盲）７：多孔板８：空気抜き９：筒の直径（Ｄ） 10：筒の長さ（Ｌ） 11：集水部ストレーナ（テフロン製網巻） 12：網

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン交換繊維を充填した筒において、該
充填筒の直径（Ｄ）に対する長さ（Ｌ）の割合が、０．
０４以上、６以下の関係を満たすことを特徴とするイオ
ン交換繊維充填筒。
【請求項２】充填塔の直径（Ｄ）が、５cm以上、５０cm
以下であり、長さ（Ｌ）が２cm以上、７０cm以下である
ことを特徴とする請求項１記載のイオン交換体充填筒。
【請求項３】イオン交換繊維の充填密度が０．１０g/cm
³以上、０．３０g/cm³以下の範囲であることを特徴と
する請求項１記載のイオン交換体充填筒。
【請求項４】イオン交換繊維の長さが、０．２mm以上、
２．５mm以下であることを特徴とする請求項１記載のイ
オン交換体充填筒。
【請求項５】イオン交換繊維がイオン交換ポリマと補強
材ポリマからなる複合繊維形態を形成していることを特
徴とする請求項１記載のイオン交換繊維充填筒。
【請求項６】イオン交換ポリマがポリスチレンで、補強
材ポリマがポリエチレンであることを特徴とする請求項
４記載のイオン交換体充填筒。
【請求項７】イオン交換繊維が強酸性カチオン交換繊維
および強塩基性アニオン交換繊維からなる混合床である
ことを特徴とする請求項１記載のイオン交換繊維充填
筒。