JPH09297106A - イオン交換体の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン交換体の交換容量や交換速度などを迅
速かつ簡便に求めることができるイオン交換体の評価方
法を提供すること。 【解決手段】 半導体基板５の一方の面にセンサ面７を
有し、前記半導体基板５に対してプローブ光３を照射す
るように構成された光走査型二次元濃度分布測定装置の
前記センサ面７に接するように溶液９を設け、この溶液
９内にイオン交換体２１を浸し、そのときイオン交換体
２１から放出されるイオンの放出量や放出速度を求め、
これを指標としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばイオン交
換樹脂など各種のイオン交換体の評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン交換体の交換容量や交換速度な
ど、イオン交換体の性能の評価は、従来、例えば、「分
析化学」（長島 弘三、冨田 功著、裳華房）（以下、
文献という）の第２５６頁〜第２５７頁に既述してある
ように、中和滴定法によって行われるのが一般的であっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記中
和滴定法においては、滴定の終点まで、「滴定液滴下」
と「溶液のｐＨの測定」の手順を繰り返して行う必要が
あり、その操作が非常に煩瑣であり、長時間を要すると
いった欠点がある。これに対して、近年、滴定の自動化
などが可能となったが、滴定の終点まで行わなければな
らないことは、以前と変わるところがない。そして、そ
のほかにも、サンプルとしてのイオン交換体を大量に必
要とするとともに、滴定を行うための装置を組み立てる
必要があるといった問題がある。

【０００４】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、イオン交換体の交換容量や交換
速度などを迅速かつ簡便に求めることができるイオン交
換体の評価方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のイオン交換体の評価方法は、半導体基板
の一方の面にセンサ面を有し、前記半導体基板に対して
プローブ光を照射するように構成された光走査型二次元
濃度分布測定装置の前記センサ面に接するように溶液を
設け、この溶液内にイオン交換体を浸し、そのときイオ
ン交換体から放出されるイオンの放出量や放出速度を求
め、これを指標とすることを特徴としている。

【０００６】この場合、イオン交換体から放出されるイ
オンの放出量や放出速度を、イオン交換体近傍に生じた
イオン濃度の変動した領域がセンサ面と接する部分の面
積の時間的変化またはこの当接面のある点におけるイオ
ン濃度の時間的変化に基づいて求めるようにしてもよ
い。

【０００７】この発明のイオン交換体の評価方法によれ
ば、大量のサンプルを用いる必要がなく、例えばイオン
交換樹脂一粒の単位で、そのイオン交換容量やイオン交
換速度を自動的、かつ、迅速簡便に求めることができ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。まず、この発明のイオ
ン交換体の評価方法を実施するための光走査型二次元濃
度分布測定装置について、図２を参照しながら説明す
る。

【０００９】図２において、１は測定装置本体で、セン
サ部２とこれにプローブ光３を照射するための光照射部
４とからなる。

【００１０】前記センサ部２は、例えばシリコンなどの
半導体よりなる基板５の一方の面（図示例では上面）に
ＳｉＯ₂ 層６、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 層７を熱酸化、ＣＶＤなどの
手法によって順次形成してなるもので、水素イオンに応
答するように形成されている。８はセンサ部２のセンサ
面（この場合、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 層７）を含み、これに臨むよ
うにして設けられるセルで、樹脂材料あるいは他の適宜
の材料よりなり、内部に溶液やゲルなどの試料９が収容
される。そして、ＣＥ、ＲＥはセル８内の試料９に接触
するようにして設けられる対極、比較電極で、後述する
ポテンショスタット１３に接続されている。また、ＯＣ
は半導体基板５に設けられる電流信号取出し用のオーミ
ック電極で、後述する電流−電圧変換器１４および演算
増幅回路１５を介してポテンショスタット１３に接続さ
れている。

【００１１】そして、１０はセンサ部２を二次元方向、
つまり、Ｘ方向（図示例では左右方向）とＹ方向（図示
例では、紙面に垂直な方向）に走査するセンサ部走査装
置で、走査制御装置１１からの信号によって制御され
る。

【００１２】前記光照射部４は、例えばレーザ光源から
なるとともに、半導体基板５の下面側（センサ面７とは
反対側）に設けられており、後述するインターフェイス
ボード１６を介してコンピュータ１７の制御信号によっ
て断続光を発するとともに、センサ部走査装置１０によ
って二次元方向に走査されるセンサ部２の半導体基板５
に対して最適なビーム径になるように調整されたプロー
ブ光３を照射するように構成されている。

【００１３】１２は測定装置本体１を制御するための制
御ボックスであって、半導体基板５に適宜のバイアス電
圧を印加するためのポテンショスタット１３、半導体基
板５に形成されたオーミック電極ＯＣから取り出される
電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器１４、
この電流−電圧変換器１４からの信号が入力される演算
増幅回路１５、この演算増幅回路１５と信号を授受した
り、走査制御装置１１に対する制御信号を出力するイン
ターフェイスボード１６などよりなる。

【００１４】１７は各種の制御や演算を行うとともに、
画像処理機能を有する制御・演算部としてのコンピュー
タ、１８は例えばキーボードなどの入力装置、１９はカ
ラーディスプレイなどの表示装置、２０はメモリ装置で
ある。

【００１５】上記構成の光走査型二次元濃度分布測定装
置を用いて、溶液の水素イオン濃度（ｐＨ）を測定する
場合について説明すると、セル８内に溶液９を入れる。
これにより、センサ面７に溶液９が接する。そして、対
極ＣＥおよび比較電極ＲＥを溶液９に浸漬する。

【００１６】上記の状態で、半導体基板５に空乏層が発
生するように、ポテンショスタット１３からの直流電圧
を比較電極ＲＥとオーミック電極ＯＣとの間に印加し
て、半導体基板５に所定のバイアス電圧を印加する。こ
の状態で半導体基板５に対してプローブ光３を一定周期
（例えば、１０ｋＨｚ）で断続的に照射することによっ
て半導体基板５に交流光電流を発生させる。このプロー
ブ光３の断続照射は、コンピュータ１７の制御信号がイ
ンターフェイスボード１６を介して入力されることによ
って行われる。前記光電流は、半導体基板５の照射点に
対向する点で、センサ面７に接している溶液９における
ｐＨを反映した値であり、その値を測定することによ
り、この部分でのｐＨ値を知ることができる。

【００１７】さらに、センサ部走査装置１０によって、
センサ部２をＸ，Ｙ方向に移動させることにより、半導
体基板５にはプローブ光３が二次元方向に走査されるよ
うにして照射され、溶液９における位置信号（Ｘ，Ｙ）
と、その場所で観測された交流光電流値により、表示装
置１９の画面上にｐＨを表す二次元画像が表示される。

【００１８】なお、上記二次元イオン濃度測定装置にお
いて、比較電極ＲＥを省略し、対極ＣＥを介してバイア
ス電圧を印加してもよい。但し、比較電極ＲＥを設けて
いた場合の方が半導体基板５にバイアス電圧をより安定
に印加することができる。

【００１９】そして、上記光走査型二次元濃度分布測定
装置において、センサ部２をＸ，Ｙ方向に移動させるの
に代えて、光照射部４に光照射部走査装置を設け、光照
射部４をＸ，Ｙ方向に移動させるようにしてもよく、ま
た、光照射部４とセンサ部２との間にプローブ光走査装
置を設け、プローブ光３をＸ，Ｙ方向に移動させるよう
にしてもよい。

【００２０】さらに、上記光走査型二次元濃度分布測定
装置においては、光照射部４によるプローブ光３を半導
体基板５のセンサ面７とは反対側から照射するようにし
ていたが、これに代えて、センサ面７側から照射するよ
うにしてもよい。そして、光照射部４として、例えば特
願平７−３９１１４号に示すように、半導体基板５に組
み込まれた光照射部を採用してもよい。

【００２１】このように、溶液などにおけるｐＨの二次
元分布を測定し表示する光走査型二次元濃度分布測定装
置については、この出願人の一人が例えば特願平７−３
９１１２号、特願平７−３９１１４号、特願平７−３２
９８３７号など多数特許出願している。

【００２２】次に、上述の光走査型二次元濃度分布測定
装置を用いて、イオン交換体を評価する方法について詳
細に説明する。

【００２３】〔第１実施例〕イオン交換体として、陽イ
オン交換樹脂を用いる。前記文献の第２５５頁〜第２５
６頁に記載してあるような手法により、洗浄し乾燥させ
た陽イオン交換樹脂を用意する。そして、図１に示すよ
うに、光走査型二次元濃度分布測定装置のセル８内に
０．１ＭのＫＣｌ溶液９を満たし、その中に一粒の陽イ
オン交換樹脂２１を入れる。

【００２４】前記陽イオン交換樹脂２１を浸漬した直後
に、上述したようにして、光走査型二次元濃度分布測定
装置によって、陽イオン交換樹脂Ａが存在する近傍のＫ
Ｃｌ溶液９のｐＨ分布画像を測定する。この場合、図１
（Ａ）に示すように、陽イオン交換樹脂２１近傍にｐＨ
が変動する領域２２が現れる。この領域２２がセンサ面
７と接した部分（当接面）２３の形状は、図１（Ｂ）に
示すように、円形（または楕円形）であり、当接面２３
の面積をコンピュータ１７において画像処理によって算
出する。

【００２５】そして、前記測定から例えば３分後に、陽
イオン交換樹脂２１が存在する近傍のＫＣｌ溶液９のｐ
Ｈ分布画像を測定し、陽イオン交換樹脂２１近傍にｐＨ
が変動する領域（酸性化領域）２２がセンサ面７と接す
る部分（当接面）２３の面積をマイクロコンピュータ１
７において画像処理によって算出して、これらの算出結
果に基づいて、前記当接面２３の面積の変動速度を求め
る。この変動速度の大小は、陽イオン交換樹脂２１の交
換容量や交換速度の指標となる。

【００２６】上記実施例では、ｐＨ分布画像の測定は２
回だけであるが、例えば３分間隔で同様の測定を繰り返
し、前記当接面２３の面積の変動を記録し、陽イオン交
換樹脂２１の交換容量や交換速度の指標とすることもで
きる。

【００２７】〔第２実施例〕上述の第１実施例において
は、陽イオン交換樹脂２１を中心とする酸性化領域２２
がセンサ面７と接する部分（当接面）２３の面積の変動
速度を求めるようにいたが、これに代えて、前記当接面
２３におけるある一点、例えば中心部におけるｐＨ値の
変化を２回の測定で画像処理によって求めるようにして
もよい。

【００２８】すなわち、上記と同様に、０．１ＭのＫＣ
ｌ溶液９を満たし、その中に一粒の陽イオン交換樹脂２
１を入れ、その直後および３分経過後における酸性化領
域２２のｐＨを測定するのである。つまり、陽イオン交
換樹脂２１からは、水素イオンが放出されるので、その
部分のｐＨは、一定の時間範囲内においては、時間の経
過とともに変化する。したがって、その変化速度を、陽
イオン交換樹脂２１の交換容量や交換速度の指標とする
ことができる。

【００２９】〔第３実施例〕上述の各実施例では、イオ
ン交換体として陽イオン交換樹脂を用いたが、陰イオン
交換樹脂を用いてもよい。この場合、陰イオン交換樹脂
近傍では、ｐＨ値の変化は陽イオン交換樹脂の場合と逆
になる。

【００３０】〔第４実施例〕上記第１〜第３の実施例
は、いずれも水素イオン（ｐＨ）の二次元分布状態を捉
え、これに基づいてイオン交換体の評価を行うようにし
ていが、セル８に満たしたＫＣｌ溶液９に含まれるカリ
ウムイオンや塩化物イオンの二次元分布状態を捉え、こ
れに基づいてイオン交換体の評価を行うようにすること
もできる。この場合、光走査型二次元濃度分布測定装置
のセンサ面７を、それぞれカリウムイオンまたは塩化物
イオンに応答する物質で修飾する必要がある。すなわ
ち、カリウムイオンに応答する物質としては、バリノマ
イシンやクラウンエーテルが、また、塩化物イオンに応
答する物質としては、４級アンモニウムがあり、これら
の応答物質でセンサ面７を修飾するのである。

【００３１】なお、上述の各実施例では、イオン交換樹
脂の評価について説明しているが、この発明はこれに限
られるものではなく、他のイオン交換体についても、同
様に評価できることはいうまでもない。

【００３２】

【発明の効果】この発明は、以上のような形態で実施さ
れ、以下のような効果を奏する。

【００３３】上述のように、この発明のイオン交換体の
評価方法は、予め十分洗浄し乾燥させたイオン交換体
を、所定の溶液に入れ、そのとき溶液におけるイオン濃
度の二次元分布画像を光走査型二次元濃度分布測定装置
によって測定するだけであるので、従来の中和滴定法に
比べて、滴定を行うための装置など必要としないととも
に、測定操作が簡単であり、短時間に行うことができ
る。そして、サンプルとしてのイオン交換体は少量でよ
く、また、イオン交換体の評価を再現性よく行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のイオン交換体の評価方法を説明する
ための図である。

【図２】この発明のイオン交換体の評価方法で用いる光
走査型二次元濃度分布測定装置の一例を示す図である。

【符号の説明】

３…プローブ光、５…半導体基板、７…センサ面、９…
溶液、２１…イオン交換体、２２…イオン濃度の変動し
た領域、２３…領域がセンサ面と当接する部分、２４…
当接面のある点。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の一方の面にセンサ面を有
   し、前記半導体基板に対してプローブ光を照射するよう
   に構成された光走査型二次元濃度分布測定装置の前記セ
   ンサ面に接するように溶液を設け、この溶液内にイオン
   交換体を浸し、そのときイオン交換体から放出されるイ
   オンの放出量や放出速度を求め、これを指標とすること
   を特徴とするイオン交換体の評価方法。
2. 【請求項２】 イオン交換体から放出されるイオンの放
   出量や放出速度を、イオン交換体近傍に生じたイオン濃
   度の変動した領域がセンサ面と接する部分の面積の時間
   的変化またはこの当接面のある点におけるイオン濃度の
   時間的変化に基づいて求めるようにした請求項１に記載
   のイオン交換体の評価方法。
3. 【請求項３】 イオン濃度がｐＨである請求項２に記載
   のイオン交換体の評価方法。