JPH10174839A

JPH10174839A - 空気清浄用ケミカルフィルターの交換時期判定方法

Info

Publication number: JPH10174839A
Application number: JP8338456A
Authority: JP
Inventors: Kunio Fujiwara; 邦夫藤原; Yoko Suzuki; 庸子鈴木
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 1998-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、破壊したり接触したりすることな
く、直接的にケミカルフィルターの交換時期を判定する
ことができ、また複数のフィルターを使用し、その中の
どのフィルターの性能が劣化しているか特定することが
できる空気清浄用ケミカルフィルターの交換時期判定方
法を提供する。。【解決手段】少なくともイオン交換体を含む空気清浄
用ケミカルフィルター材に金属イオンを担持し、被吸着
ガスとの接触による色調変化により該フィルターの交換
時期を判定することを特徴とする空気清浄用ケミカルフ
ィルターの交換時期判定方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体産業などの精
密電子工業や医薬品製造業において最近とみにクリーン
ルームに用いられるようになったイオン交換体を用いた
空気清浄用ケミカルフイルターの交換時期判定方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】空気中のガス成分を除去するケミカルフ
ィルターとして活性炭粒子や活性炭素繊維、あるいは、
それらに酸やアルカリを添着したフィルターが知られて
いる。また担体に酸化物や金属を担持したフィルターも
知られている。一方、イオン交換体を用いたケミカルフ
イルターはｐｐｂレベルのガス成分の除去率が高いばか
りでなく、被吸着物の再放出がないので、近年特に半導
体関連業界で使用され始めた。ケミカルフィルターに用
いるイオン交換体の形状としては除去率が高く、軽量で
成型加工が容易な不織布や織布にしたものがよく使われ
ている。イオン交換基はスルホン基やカルボキシル基な
どのカチオン交換基、四級アンモニウム基、三級アミノ
基などのアニオン交換基などが利用されている。これら
イオン交換基によるガス成分の除去機構は主として中和
反応である。従って、このフィルターを使用し続けると
イオン交換容量は徐々に減少する。イオン交換容量の消
費量が大きくなると、ガス成分の除去率が悪くなり、フ
ィルターを交換しなければならない。

【０００３】フィルターの交換時期については、ＨＥＰ
ＡフイルターやＵＬＰＡフイルターなど微粒子除去フィ
ルターについては圧力損失で知ることができるが、ケミ
カルフイルターについては全く知ることができなかっ
た。かろうじて入口と出口の非対象ガス成分の濃度測定
を行い、除去性能が低下したことを確認して交換時期を
知るのみであった。しかし、ケミカルフィルターを必要
とするほどの環境ではガスの濃度は極めて微量であり、
濃度測定にはインピンジャーによる長時間の吸引と吸収
後の液の細心の分析が必要である。そのため、結果がで
た時には除去対象ガス成分がケミカルフィルターで除去
されずに長時間流出し続け、半導体製品の表面を汚染す
るといった事態も懸念される。さらに、微量ガス成分の
サンプリングは非常に難しく、分析値が正しくとも、そ
のサンプリング地点がフィルター性能を代表しているか
どうかを知るには、何点ものサンプリングを行う必要が
ある。また、このような分析は人手と手間がかかる。活
性炭のような物理吸着とは異なり、イオン交換体は化学
吸着であるので、イオン交換容量を所定の数値に決める
と、入口濃度から比較的簡単に寿命が算出できる。そこ
で、寿命に近づくと前述の濃度測定を行うという方法も
あるが、入口濃度が安定していることはめったにない。
その場合、除去性能が悪くなるまで定期的にガス濃度を
分析しなければならず、前述の問題を解消したことには
ならない。それで、一定期間使用したフィルターはイオ
ン交換容量、即ちガス成分除去能力があるにかかわらず
交換してしまうという方法もよくとられる。このような
方法は省資源・省エネルギーの時代にそぐわないだけで
なく、コストの上昇を招く。このような現状から、これ
までのフィルター前後の空気中の微量ガス成分濃度を分
析して間接的にフィルターの交換時期を決めるという煩
雑さを解消することができる、ケミカルフィルターの交
換時期を破壊したり、接触したりすることなく、直接的
にしかも瞬時に知る方法が待望されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、イオ
ン交換体を用いた空気清浄用ケミカルフィルター材の交
換時期を上記の問題点なく、あらかじめ担持しておいた
金属イオンと対象ガスとの反応による色調の変化で遅滞
なく簡便に知ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明者ら
の鋭意研究の結果、以下の本発明により達成された。即
ち、本発明は、（１）イオン交換体を用いた空気清浄用
ケミカルフィルター材に金属イオンを担持し、被吸着ガ
スとの接触による色調変化により該フィルターの交換時
期を判定することを特徴とする空気清浄用ケミカルフィ
ルターの交換時期判定方法、（２）空気清浄用ケミカル
フィルター材に担持する金属イオンの量が交換容量の５
０％以下であることを特徴とする（１）記載の方法、
（３）空気清浄用ケミカルフィルター材に金属イオンを
含む水溶液を滴加することにより金属イオンを該フィル
ターに担持することを特徴とする（１）又は（２）記載
の方法、（４）空気清浄用ケミカルフィルター材に担持
する金属イオンが銅、ニッケル及びコバルトより選ばれ
た少なくとも１種である（１）、（２）又は（３）に記
載の方法、（５）空気清浄用ケミカルフィルター材に用
いるイオン交換体が単繊維、単繊維の集合体、それらの
加工品である織布、不織布やさらにその成形加工品、粉
末・粒子、それらの加工品、膜、中空糸膜それらの加工
品、発泡体などの空隙性材料やその加工品より選ばれる
ことを特徴とする（１）、（２）、（３）又は（４）に
記載の方法、（６）イオン交換体が放射線グラフト重合
方法により製造することを特徴とする（１）、（２）、
（３）、（４）又は（５）に記載の方法、（７）イオン
交換体を用いた空気清浄用ケミカルフィルターの上流に
更に、イオン交換体を含まないフィルターを設置するこ
とを特徴とする（１）、（２）、（３）、（４）、
（５）又は（６）に記載の方法、に存する。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は、イオン交換体を用いた
空気清浄用ケミカルフィルター材に金属イオンを担持
し、これにアンモニアのような被吸着ガスが接触したと
きの色調変化により該フィルターの交換時期を判定する
ものである。本発明を、例えばイオン交換体として強酸
性カチオン交換基のイオン交換基として代表的なスルホ
ン基、担持金属イオンとして銅イオンをそれぞれ適用
し、対象ガスとして主としてアンモニアを吸着する場合
について説明する。イオン交換体に銅イオンを担持する
と強酸性カチオン交換体のスルホン基と銅イオンとが次
式のとおりに反応する。２Ｒ−ＳＯ₃Ｈ＋Ｃｕ²⁺→（Ｒ−ＳＯ₃)₂Ｃｕ²⁺ （Ｒ：樹脂母体）この反応に従って得られた銅イオンを担持した強酸性カ
チオン交換体は薄青色を呈する。次に、これにアンモニ
アが吸着すると次の反応が起こり、青紫色を呈するよう
になる。（Ｒ−ＳＯ₃)₂Ｃｕ²⁺＋ＮＨ₃→（Ｒ−ＳＯ₃)₂[Ｃｕ(Ｎ
Ｈ₃)₄］²⁺ 従って、薄青色から青紫色への変化を観測するとアンモ
ニアがフイルターにどれだけ捕捉されたか、即ちフィル
ター交換時期についての情報が得られる。

【０００７】本発明はこのような反応を利用し、例え
ば、フィルターから金属がもれないこと、フィルターへ
の金属イオンの担持方法、金属イオンを担持させた部分
と担持させない部分との除去性能の差、色調変化の計測
方法、計測した値による交換時期の判定方法等の知見を
得てなされたものである。

【０００８】本発明において、空気清浄用ケミカルフィ
ルターに吸着されるガスとしては、アンモニア、トリメ
チルアミン、塩化水素、フッ化水素、硫黄酸化物、窒素
酸化物、有機酸又は炭酸ガスなどがある。

【０００９】本発明において、ケミカルフィルターに担
持させる金属イオンとしては、被吸着ガスとの接触によ
る色調が変化する金属イオン、例えば銅（Ｃｕ）、ニッ
ケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、マン
ガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、カルシウ
ム（Ｃａ）などがあげられ、特に錯体生成による色調変
化が大きく、かつ安価な銅、コバルト、ニッケルの中か
ら選択されたものが好ましい。本発明において、ケミカ
ルフィルターに担持させる金属イオンの量は、ケミカル
フィルターに担持した面積当たり、交換容量の５０％以
下が好ましい。即ち、Ｈ型のイオン変換基の量が５０％
より多く存在する必要があり、金属イオンの量が５０％
を超えると、被吸着ガスの除去率が悪くなるばかリでな
く、他のガスあるいは他のガスの吸着帯との接触により
微粒子が発生する危険性が生ずる。また、色調変化は、
担持金属イオン量が多いほど大きいが、ガスの吸着力は
弱いため、ｐｐｂレベルの微量ガスの除去にはＨ型スル
ホン基そのままの方が好ましい。イオン交換体を用いた
ケミカルフィルターは半導体産業等の非常にクリーンな
空間で使用することを目的として開発されたものであ
り、金属イオンを担持するのは半導体表面を汚染するか
もしれない金属リークの危険性があるため、金属イオン
の担持量は、担持面積も、また担持金属による交換容量
消費量も共に色調変化を検出できる最低限の大きさでよ
い。

【００１０】ケミカルフィルターに、金属イオンを担持
させる方法としては、金属イオンを含む水溶液をイオン
交換体を用いた空気清浄用ケミカルフィルターの表面に
滴加する方法が担持面積が最も小さく好ましい。滴加す
ると滴加した点がもっとも濃度が高く、外側にゆくにつ
れて順に濃度が薄くなる。この現象が金属イオンとガス
との接触による色調変化にとって好ましい。即ち、色調
変化が最も大きいのは金属イオン濃度の最も高い滴加し
た中心部ではなく、その周辺部なのである。この原因は
明らかではないが、最適濃度を調製することは極めて難
しいので、滴加法で濃度勾配をつくる方法が簡単であ
る。このようにして作成した金属イオン担持フィルター
は対象ガスと接触するとリング状に色調変化が起こる。

【００１１】本発明の特徴を、主としてスルホン基を含
む強酸性カチオン交換体がアンモニアを吸着する場合に
ついて述べたが、本発明は他のガス成分やリン酸基のよ
うな他のイオン交換基を有するイオン交換体も使用し得
る。このようなイオン交換体としては例えば、カルボキ
シル基を含む弱酸性カチオン交換体、四級アンモニウム
基を含む強塩基性アニオン交換体又は三級アミノ基を含
む弱塩基性アニオン交換体等が適用できる。

【００１２】本発明においては、いずれの方法により製
造したイオン交換体も使用し得るが、グラフト重合体が
好ましく、特に放射線グラフト重合法により製造したも
のが好ましい。グラフト重合体は、例えばポリエチレ
ン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン等の幹ポリマ
ーとポリメタクリル酸グリシジル（ＧＭＡ）、ポリアク
リル酸、ポリスチレン等の枝ポリマーとのグラフト共重
合体があげられる。ポリアクリル酸はイオン交換基を有
するモノマーを重合させたものであり、ＧＭＡやスチレ
ンはグラフト重合の後でイオン交換基を導入できるモノ
マーである。枝ポリマーはグリシジル基等の例えば、亜
硫酸塩と反応してイオン交換基であるスルホン酸を形成
可能な官能基を有したものが好ましい。また、スチレン
を濃硫酸等でスルホン化したものが好ましい。

【００１３】放射線グラフト重合法に用いられる放射線
としては、γ線、電子線が好ましく、幹ポリマーの種類
に応じて適宜その照射量を設定することができる。電子
線により処理された幹ポリマーは公知の方法により枝ポ
リマーとなるコモノマーとグラフト重合反応に供される
が、好ましくは放射線照射された幹ポリマーをコモノマ
ー溶液に浸漬して反応させることが挙げられる。このグ
ラフト重合反応の条件、例えば、温度、コモノマーの溶
液における溶剤の種類、コモノマーの濃度、反応時間等
は適宜選定される。また、グラフト率は前記反応条件等
を選定することにより適宜設定され得るが、通常２０〜
２５０％の範囲である。また、得られた共重合体にイオ
ン交換基を形成する反応は、従来公知の方法を適宜用い
ることができる。

【００１４】この方法により得たイオン交換体を含むフ
ィルターに担持させた金属イオンは、フィルターの表裏
に比較的均一に拡散するため、吸着対象ガスが通過した
とき、表裏の色調変化に差が生ずる。即ち、上流側が濃
く、下流側が薄くなる。従って、表側と裏側の色調変化
の差を読み取ることにより交換時期の判定が容易とな
る。放射線グラフト重合法以外の方法で得たイオン交換
体も使用し得るが、この場合は得られたイオン交換体
は、通常架橋構造を有しているので担持する金属イオン
の拡散がしばしば十分でなく、フィルター断面での金属
イオンの分布が不均一となり、色調変化の差を読み取り
にくい。

【００１５】また、本発明においてイオン交換体の形状
はいずれの形状でも本発明に適用できるが、単繊維、単
繊維の集合体、それらの加工品である織布・不織布やさ
らにその成形加工品（例えば、フィルター等）、粉末・
粒子、それらの加工品（例えば、樹脂等）、ビーズ、
膜、中空糸膜それらの加工品（例えば、中空糸モジュー
ルなど）、発泡体などの空隙性材料やその加工品（例え
ば、スポンジ等）より選ばれたものが用いられる。特
に、重量が軽量であること、水の吸・脱着速度が大きい
こと、圧力損失が小さいこと、成形加工が容易であると
ころから、特に繊維、繊維の集合体である織布・不織
布、それらの加工品が最適の素材形状である。

【００１６】色調変化は対象ガスの濃度がｐｐｍオーダ
ーの高い場合には肉眼でも検知することができるが、ク
リーンルームのような低濃度域では色差計などの計測機
器を用いるか、発光ダイオードの反射光を測定する方法
などを用いる方が正確である。色差計などの計測機器に
よる色調変化の測定は、使用開始時から測定時までの上
流側の色調および下流側の色調の経時変化を読み取り交
換時期を判定できる。どの程度の色調の差により交換す
るかはフィルターの使用される環境、使用条件やフィル
ター構造によリ適宜決めることができる。

【００１７】本発明によるケミカルフィルターの色調の
計測は微少な変化量であるため、微粒子等の捕捉により
フィルター表面が汚染すると測定誤差を与える。そのた
め、上流にイオン交換体によらないフィルターを設置し
ておき、汚染物質を予め除去しておくことが好ましい。
また、本発明においては大面積の空気浄化を行う場合、
均一な流れが得られない場合及び均一な流れが得られて
も除去対象のガス成分濃度が均一でない場合など、必要
に応じて、複数のフィルターを用いることができる。ま
た、複数のフィルターを用いた場合、各フィルターのイ
オン交換容量の消費量は、しばしば均一でないが、本発
明に従って、各フィルターの消費量を測定し、消費量の
大きなフィルターを選んで交換すれば良い。

【００１８】

【実施例】以下本発明を実施例について更に説明する
が、本発明はこれらによって限定されるものではない。実施例１強酸性カチオン交換繊維不織布の製造目付５０ｇ／ｍ²、厚み０．４ｍｍ、繊維径約２０μｍ
のポリエチレン製不織布を窒素雰囲気下、電子線（１Ｍ
ｅＶ，１ｍＡ）を１００ｋＧｙ照射した。ついで、この
不織布をメタクリル酸グリシジル溶液に浸漬し、グラフ
ト重合反応を行い、グラフト率１４８％を得た。さら
に、亜硫酸ナトリウム水溶液でスルホン化し、塩酸で再
生後乾燥したところ、中性塩分解容量２．８１ｍｅｑ／
ｇの強酸性カチオン交換体の不織布ができた。Ｃｕイオンの担持硫酸銅水溶液１％を調製し前記不織布にスポイトで３滴
滴加したところ、直径約１５ｍｍの薄青色に着色した円
ができた。この部分を切り取ってイオン交換容量を測定
したところ、中性塩分解容量が１．７ｍｅｑ／ｇであっ
た。即ち、Ｈ型のスルホン基の割合が約６０％であっ
た。ガス吸着試験前述の強酸性カチオン交換繊維不織布１０ｃｍ×１０ｃ
ｍに前述の方法で銅イオンを担持したフィルターをフィ
ルター取付け部に設置した、図１のようなガス吸着試験
装置を用いてガス吸着試験を行った。先ず、アンモニア
濃度１ｐｐｍに調整した空気を５ｃｍ／秒の流速でパー
ミエータをとおして通ガスした。フィルターへの通ガス
開始から、フィルターの出口のアンモニア濃度は０．１
ｐｐｍ以下を維持していたが、０．１ｐｐｍを超えはじ
めた時点で、上流側の銅イオン担持面が薄青紫色に着色
し始め、さらに通ガスを継続すると、下流側の担持面に
リング状の薄青紫色の着色が認められた。色差計による
連続測定の結果、上流側と下流側の色差計の指示値の差
が２となった１３時間後が下流側で０．１ｐｐｍを超え
はじめた時点に相当した。この時点でフィルターを取り
外し、イオン交換容量消費率を測定したところ、７１％
で、十分に高い値であり、フィルターの交換時期である
ことが判明した。即ち、イオン交換繊維不織布に担持し
た銅イオンとアンモニアの反応による色調変化を観察す
ることにより、フィルターの交換時期を推定することが
可能であった。また、色差計の指示値を指標にすること
により、より正確な交換時期判定が可能であった。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、破壊したり、接触したりする
ことなく、直接的にケミカルフィルターの交換時期を判
定することができる。また、複数のフィルターを使用
し、その中のどのフィルターの性能が劣化しているか特
定することができる。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に使用されるガス吸着試験装置の構成
を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ０１Ｊ 47/12 Ｂ０１Ｊ 47/12 ＨＢＺＢ０１Ｄ 53/34 １３１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともイオン交換体を含む空気清浄
用ケミカルフィルター材に金属イオンを担持し、被吸着
ガスとの接触による色調変化により該フィルターの交換
時期を判定することを特徴とする空気清浄用ケミカルフ
ィルターの交換時期判定方法。
【請求項２】前記空気清浄用ケミカルフィルター材に
担持する金属イオンの量が交換容量の５０％以下である
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】前記空気清浄用ケミカルフィルター材に
金属イオンを含む水溶液を滴加することにより金属イオ
ンを該フィルター材に担持することを特徴とする請求項
１又は２記載の方法。
【請求項４】前記空気清浄用ケミカルフィルター材に
担持する金属イオンが銅、ニッケル及びコバルトより選
ばれた少なくとも１種である請求項１、２又は３のいず
れか１項に記載の方法。
【請求項５】前記空気清浄用ケミカルフィルター材に
用いるイオン交換体が単繊維、単繊維の集合体、それら
の加工品である織布、不織布やさらにその成形加工品、
粉末・粒子、それらの加工品、膜、中空糸膜それらの加
工品、発泡体などの空隙性材料やその加工品より選ばれ
ることを特徴とする請求項１、２、３又は４のいずれか
１項に記載の方法。
【請求項６】前記イオン交換体は放射線グラフト重合
方法を利用して製造したものであることを特徴とする請
求項１、２、３、４又は５のいずれか１項に記載の方
法。
【請求項７】前記イオン交換体を含む空気清浄用ケミ
カルフィルターの上流に更に、イオン交換体を含まない
フィルターを設置することを特徴とする請求項１、２、
３、４、５又は６のいずれか１項に記載の方法。