液濾過用フィルタ及び液濾過方法
【課題】極低濃度イオンを除去する能力と、高い透水性と長寿命を有する液濾過用フィルタ及び液濾過方法を提供する。
【解決手段】イオン交換フィルタ１は、芯材２と、この芯材２の外周に巻回された、流路材シート４とイオン交換シート５との積層シート３とを備えている。イオン交換シート５は、イオン交換繊維の不織布６，６間にイオン交換キャスト膜７を介在させたものである。イオン交換フィルタ１を１個又は複数個円筒状容器内に挿入し、イオン交換フィルタの一端面から他端面に向う方向に通水する。
【解決手段】イオン交換フィルタ１は、芯材２と、この芯材２の外周に巻回された、流路材シート４とイオン交換シート５との積層シート３とを備えている。イオン交換シート５は、イオン交換繊維の不織布６，６間にイオン交換キャスト膜７を介在させたものである。イオン交換フィルタ１を１個又は複数個円筒状容器内に挿入し、イオン交換フィルタの一端面から他端面に向う方向に通水する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水、水溶液、有機溶媒等の液体の処理において、被処理液に含まれる微量の金属、微粒子等を吸着分離、排除分離するための液濾過用フィルタと、この液濾過用フィルタを用いた液濾過方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスなどで用いられる超純水の高純度化の要求は年々厳しくなってきている。ＩＴＲＳ２００５によると、２００８年には超純水中の金属イオン濃度を０．５ｎｇ／Ｌ以下にするロードマップが提示されているが、半導体製造各社は、金属濃度がより低濃度の超純水を求めている。水処理メーカーは前倒しで金属イオン濃度を低減しており、最新の超純水製造設備においては、ほとんどの金属を０．５ｎｇ／Ｌ以下に低減した超純水を製造することができるものもある。
【０００３】
超純水中の金属濃度を低減する方法として、ユースポイント直前にイオン交換フィルタを設置する方法がある。
【０００４】
従来のイオン交換フィルタとして、不織布あるいは多孔質膜といった平膜をプリーツ型にしたもの（例えば特許文献１）がある。
【０００５】
イオン交換膜として、イオン交換樹脂を溶媒中に溶解または分散させてキャスト原液とし、該キャスト原液を基材フィルム上にキャストさせた後、乾燥させて、次いで該基材フィルムから剥離させたキャスト膜が公知である（例えば特許文献２，３）。この特許文献３には、相分離法を利用して製造した多孔質のイオン交換膜が記載されている。
【０００６】
繊維径がナノメーターオーダーである極細のナノファイバの製造方法として電界紡糸法（静電紡糸法）が公知である（下記特許文献４，５等）。この電界紡糸法では、ノズルとターゲットとの間に電界を形成しておき、該ノズルから液状原料を細繊維状に吐出させて紡糸が行われる。細繊維は、ターゲット上に集積されて繊維体となる。なお、本発明者は、イオン交換基を有する極細の繊維（ナノファイバ）を用いたイオン交換フィルタを提案している（特許文献６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２０６５０９
【特許文献２】特開２０００−３２７８０９
【特許文献３】特開２００６−１９３７０９
【特許文献４】特開２００７−９２２３７
【特許文献５】特開２００６−１４４１３８
【特許文献６】特開２００９−２１９９５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
プリーツ型イオン交換フィルタは、プリーツの折り込み部分に流れが偏りやすく、上述の超純水のような極低濃度域では十分な除去率を得ることはできない。また、膜厚が薄いために破過が早く寿命が短い。また、イオン除去率を向上させるため、膜厚を厚くしたり、膜の細孔を小さくすると、透水性が犠牲となる。
【０００９】
イオン交換基を有するナノファイバを用いたイオン交換フィルタは、イオン除去性能に優れるが、圧力損失が大きい。
【００１０】
本発明は、半導体産業等における超純水の高純度化の要求を満たす、極低濃度イオンを除去する能力と、高い透水性と長寿命を有する液濾過用フィルタ及び液濾過方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明（請求項１）の液濾過用フィルタは、イオン交換シートと流路材シートとの積層シートが芯材の外周にスパイラル状に巻回されたイオン交換フィルタと、該芯材を収容したハウジングとを備え、該イオン交換フィルタの一端面から他端面に向って被処理液が通液されるものである。
【００１２】
請求項２の液濾過用フィルタは、請求項１において、前記イオン交換シートが、イオン交換繊維からなるイオン交換繊維布とイオン交換キャスト膜の一方、又は両方を重ねたものであることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３の液濾過用フィルタは、請求項２において、前記イオン交換シートが、前記イオン交換キャスト膜を前記イオン交換繊維布同士の間に介在させたものであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４の液濾過用フィルタは、請求項１ないし３のいずれか１項において、ハウジング内に複数個の前記イオン交換フィルタが直列に通水されるように配設されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５の液濾過用フィルタは、請求項４において、前記イオン交換フィルタの上流側及び下流側の少なくとも一方に多孔板及び／又は分離膜が設けられていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明（請求項６）の液濾過方法は、請求項１ないし５のいずれか１項の液濾過用フィルタに被処理液を通液するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の液濾過用フィルタに用いられているイオン交換フィルタは、芯材の外周に流路材シートとイオン交換シートとの積層シートをスパイラル状に巻回したものであり、イオン交換フィルタの一端面から他端面に向って被処理液が通液される。このように積層シートが流路材シートを有すると共に、被処理液がスパイラル状にイオン交換フィルタに一端面から他端面に向って流れるので、圧損が小さい。また、一端面から他端面までの間のイオン交換シートの全体が吸着帯となり、吸着帯長さが大きいので、イオンの破過までの時間が長くなり、イオン交換の寿命が長いものとなる。
【００１８】
イオン交換シートの少なくとも一部をイオン交換繊維布で構成した場合、被処理液とイオン交換繊維布との接触面積が大きいので、十分に脱イオン処理される。
【００１９】
イオン交換シートの少なくとも一部をイオン交換キャスト膜で構成した場合、イオン交換容量が大きくなる。
【００２０】
イオン交換シートを、イオン交換繊維布と、これに接するイオン交換キャスト膜とで構成した場合、イオン交換繊維布で吸着したイオンをイオン交換キャスト膜に移動させて保持させることができる。
【００２１】
イオン交換フィルタの上流側又は下流側に多孔板又は多孔膜を設けることにより、液の偏流やショートパスが防止又は抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態に係るイオン交換フィルタを示す構成図である。
【図２】実施の形態に係る液濾過用フィルタの構成図である。
【図３】別の実施の形態に係る液濾過用フィルタの構成図である。
【図４】異なる実施の形態に係る液濾過用フィルタの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。なお、以下の説明では被処理液として水が通水されるが、水以外の液体であってもよい。
【００２４】
第１図の（ａ）図は実施の形態に係るイオン交換フィルタの製作方法を示す断面図、（ｂ）図は積層シートの断面図、（ｃ）図はイオン交換フィルタの斜視図である。
【００２５】
このイオン交換フィルタ１は、芯材２と、この芯材２の外周に巻回された積層シート３とを有する。この積層シート３は、流路材シート４とイオン交換シート５とを積層したものである。芯材２は中実の棒状であってもよいが、重量軽減のために中空パイプ状であってもよい。ただし、水がパイプ内を長手方向に流れないようにパイプの端部を閉止する。また、パイプの外周面にも孔を設けない。芯材の直径は１〜５０ｍｍ特に３〜２０ｍｍ程度が好適である。芯材の材質はポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンのほか、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂が好適であるが、これに限定されない。
【００２６】
流路材シート４は、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン）、ポリエステル、ポリスルホンなどよりなる不織布、織布、格子状ネットなどが好適である。流路材シートの厚さは０．１ｍｍ〜５ｍｍ、特に０．５〜２ｍｍ程度が好適であり、細孔径は１００μｍ以上（目開き：５０％〜９０％）程度が好適である。
【００２７】
イオン交換シート５は、イオン交換繊維の織布又は不織布、イオン交換キャスト膜などよりなるが、好ましくは、イオン交換繊維の不織布６，６間にイオン交換キャスト膜７を介在させた３層構造のものである。このイオン交換シート５の好適例については後に詳述する。
【００２８】
この積層シート３を芯材２の外周にスパイラル状（渦巻状）に巻回してイオン交換フィルタ１とする。この巻き付けによる層の数（芯材２を回転させる場合は、合計の回転数）は１０〜２００特に３０〜１００程度が好適である。積層シート３を巻き付けるとロール状巻回体となる。このロール状巻回体よりなるイオン交換フィルタ１の一端面から他端面に向って被処理水が通水される。
【００２９】
第２図は、第１図のイオン交換フィルタ１を組み込んだ液濾過用フィルタの一例を示す平面図である。
【００３０】
この液濾過用フィルタ１０は、被処理水の流入口１１と濾過水の流出口１２とを有した円筒状のハウジング１３内に、複数個のイオン交換フィルタ１を同軸状に配置したものである。イオン交換フィルタ１の上流側及び下流側には、支持体１４が配置されている。この支持体１４は、上流側のイオン交換フィルタ１から流出してきた水を分散させて下流側のイオン交換フィルタ１に流入させる機能を有するものが望ましい。支持体１４は分離膜（精密濾過膜、限外濾過膜など）及び／又は多孔円板よりなるものであってもよく、後述の第４図の支持体２１のように構成されたものであってもよい。
【００３１】
第３図のように、この液濾過用フィルタ１０を耐圧容器１５内に配置し、供給口１６からこの耐圧容器１５内に被処理水を供給して液濾過用フィルタ１０内に流入させてもよい。この場合、ハウジング１３の流入口側のエンドプレートは省略されてもよい。
【００３２】
第４図（ａ）は円筒状ハウジング１３内に複数個（この場合は２個）のイオン交換フィルタ１を支持体２１を介して同軸状に配設した液濾過用フィルタ２０の断面図、同（ｂ）は支持体２１の分解断面図、同（ｃ）は支持体２１の分解平面図である。第４図ではイオン交換フィルタ１が２個設けられているが、３個以上であってもよく、通常は１〜５個程度が好適である。
【００３３】
支持体２１は、多数の孔２２ａを有し、外周面にＯリング２２ｂが装着された多孔板２２と、この多孔板２２に重なるメッシュ２３と、このメッシュ２３に重なる精密濾過膜２４と、精密濾過膜２４に重なるＯリング２５とを有している。精密濾過膜２４としては、孔径０．０２〜０．４５μｍのものが好適である。Ｏリング２２ｂ、２５によって支持体２１の位置が固定されると共に、ハウジング１３の内周面と支持体２１の外周面との間からの漏水が防止される。精密濾過膜２４によって微粒子を除去すると共に、支持体２１よりも上流側のイオン交換フィルタ１を通過する水の流量を制御し、ショートパスや偏流を防止ないし抑制する。
【００３４】
ハウジング１３内に複数のイオン交換フィルタ１を直列に設置しているので、１つのイオン交換フィルタ１に水の流れやすい部分と流れ難い部分ができることによって、ショートパス・偏流が発生した場合でも、下流側のイオン交換フィルタに流入する前に水の合流が起こるため、ショートパス・偏流が液濾過用フィルタ全長に及ばない。
【００３５】
また、イオン交換フィルタ１の前後に支持体２１を設置することで、水を混合し整流すると共に、支持体２１の通水の抵抗により水の流量を制御することができる。これにより、ショートパス、偏流をさらに軽減することができる。
【００３６】
多孔板２２の材質としては、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン)、ポリテトラフルオロエチレンなどを挙げることができる。
【００３７】
メッシュ２３としては、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン)、ポリエステルなどが好適であり、厚さは０．０５ｍｍ〜３ｍｍ、特に０．１〜２ｍｍ、細孔径１０μｍ以上(目開き：３０％%〜９０％)の範囲であることが望ましい。
【００３８】
精密濾過膜２４の材質としては、ポリビニリデンフロライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリアミド、セルロース系を挙げることができる。精密濾過膜２４の厚さは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、好ましくは０．１〜０．３ｍｍ、細孔径０．０２〜１μｍ特に０．０２〜０．４５μｍの範囲であることが望ましい。
【００３９】
支持体２１はイオン交換繊維の織布又は不織布を有していてもよい。このイオン交換繊維の材質は後述のイオン交換繊維シートと同様のものを用いることができる。この織布又は不織布としては、高分子溶液を電界紡糸、溶融紡糸することで得られる繊維径０．０１〜５μｍ、厚さ０．０１〜１ｍｍ、細孔０．０２〜１０μｍ(エアーフロー法により測定)、イオン交換容量０．０５〜３ｍｅｑ／ｇ、０．０３〜１．５ｍｅｑ／ｃｍ３のものが好適である。このイオン交換繊維として、イオン交換フィルタのイオン交換基と逆の符号のイオンを除去する官能基を使用してもよく、このように構成することにより、イオン除去効果が向上する場合がある。
【００４０】
イオン交換繊維を担持するため、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエステル、ポリビニリデンフロライドなどからなる不織布、ネットを用いても良い。
【００４１】
複数のイオン交換フィルタ１，１のイオン交換繊維に、異なる機能、例えば符号の異なるイオンを除去する官能基を導入してもよい。このようにすれば、混床樹脂塔が使用されるケースのように、イオン除去性能が向上し、フィルタ寿命が長くなることがある。
【００４２】
［イオン交換シート及びこれを巻回したイオン交換フィルタの詳細な説明］
イオン交換シートは、前述の通り、キャスト膜や、イオン交換繊維の織布又は不織布などが用いられる。以下に、これらについて詳細に説明する。
【００４３】
［１］ イオン交換シートの種類
（１） イオン交換繊維シート
イオン交換繊維としては以下の（ａ）〜（ｄ）の材料を電界紡糸法又は溶融紡糸法で紡糸したものが好適である。イオン交換繊維シートは、これらを単独又は複合で用いて不織布または織布としたものである。
【００４４】
（ａ）荷電性高分子繊維としてパーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ社製）
（ｂ）非荷電性高分子繊維からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたもの
（ｃ）荷電性高分子繊維としてパーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン）を骨格材に担持して骨格材と一体化したもの
（ｄ）非荷電性高分子繊維からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたものを骨格材と一体化したもの
高い機械的強度を得るには上記（ｃ）または（ｄ）のものが好ましい。
【００４５】
イオン交換繊維シートの厚さは０．０１〜０．５ｍｍ（１０〜５００μｍ）程度が好適であり、細孔径は０．１〜１０μｍ（エアーフロー法により測定、以下同様）程度が好適であり、イオン交換容量は０．０５〜２ｍｅｑ／ｇ、０．０３〜１．５ｍｅｑ／ｃｍ３程度が好適である。イオン交換基のない繊維を紡糸して繊維シートを作成した後に、グラフト重合法や他の化学反応法（求電子置換反応、付加反応など）によりイオン交換基を繊維シートに付与することもできる。
【００４６】
上記の非荷電性高分子としては、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエステル、ポリビニリデンフロライドなどが例示される。
【００４７】
イオン交換基としては、種々のカチオン交換基又はアニオン交換基等を用いることができる。例えば、カチオン交換基としては、スルホン基などの強酸性カチオン交換基、リン酸基などの中酸性カチオン交換基、カルボキシル基などの弱酸性カチオン交換基、アニオン交換基としては、第１級〜第３級アミノ基などの弱塩基性アニオン交換基、第４級アンモニウム基などの強塩基性アニオン交換基を用いることができ、或いは、上記カチオン交換基及びアニオン交換基の両方を併有するイオン交換体を用いることもできる。
【００４８】
骨格材としては、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエステル、ポリビニリデンフロライドなどからなる不織布、織布などが例示される。
【００４９】
イオン交換繊維としては、相当直径が１〜１０００ｎｍ、特に１０〜７００ｎｍ程度の著しく細い繊維が好適である。ここで「相当直径」とは、１本の繊維（ファイバ）の断面積と断面積の外周長さとから、（相当直径）＝４×（断面積）／（断面の外周長さ）によって算出される値である。
【００５０】
イオン交換繊維の長さは、１μｍ以上が好適である。なお、電解紡糸で作製した場合、数ｃｍの長さにすることができ、また連続的に紡糸することもできるため、さらに数倍以上に長くすることができる。
【００５１】
なお、イオン交換繊維を紡糸する際、荷電性高分子は、単独で紡糸することが難しい場合があり、紡糸出来ても繊維同士の荷電反発により、かさ（嵩）が高くなって収まりが悪くなり（即ち、嵩密度が低くなり）、フィルタ化に適さないことがある。一方、非電解質高分子は、単独で紡糸することが容易なものを選定することが可能で、紡糸後、繊維同士の反発がないため、フィルタ化し易い。そのため、電解質ポリマーと非電解質ポリマーを混合して紡糸することにより、両者の優れた特徴を有する繊維を得ることができる。電界紡糸においては、紡糸時の紡糸性も向上する。
【００５２】
（２） イオン交換キャスト膜
イオン交換キャスト膜としては以下の（ｅ）〜（ｈ）の１種又は２種以上を用いて相分離法などにより製造した多孔質膜が好適である。
【００５３】
（ｅ）パーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン）をガラスなどの基板上に塗布した後に基板を取り除いたフィルム状のもの
（ｆ）非荷電性高分子からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたものをガラスなどの基板上に塗布した後に基板を取り除いたフィルム状のもの
（ｇ）パーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン）を骨格材に塗布して骨格材と一体化したもの
（ｈ）非荷電性高分子からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたものを骨格材に塗布して骨格材と一体化したもの
高い機械的強度を得るには上記（ｇ）または（ｈ）の方法が好ましい。
【００５４】
このキャスト膜の厚さは０．０１〜０．５ｍｍ（１０〜５００μｍ）程度が好適であり、細孔径は１μｍ以下が好適であり、イオン交換容量は０．２〜４ｍｅｑ／ｇ、０．１〜３．５ｍｅｑ／ｃｍ３程度が好適である。非荷電性の高分子を成膜してキャスト膜を作成した後にグラフト重合法や、他の化学反応法（求電子置換反応、付加反応など）によりイオン交換基をキャスト膜に付与することもできる。
【００５５】
非荷電性高分子、イオン交換基、骨格材としては上記と同様のものを用いることができる。
【００５６】
［２］ イオン除去の性能
イオン交換繊維シートの繊維表面をイオン交換の場とすることにより、繊維周辺における流体の接触効率が向上するため、イオンの吸着速度が高まる。ただし、イオン交換繊維シートのみでは、吸着したイオンの保持容量に限界がある。
【００５７】
一方、イオン交換キャスト膜の場合、イオンを除去するための官能基を高密度に保持させることができ、イオン除去容量を確保することができる。そこで、イオン交換繊維シートにイオン交換キャスト膜を接触させることで、イオン交換繊維に吸着させたイオンをイオン交換キャスト膜に移動させて高密度に保持させることができる。また、イオン交換シートをロール状に巻回したイオン交換フィルタに対し一端面から他端面に向って通水した場合、該イオン交換フィルタの巻回軸心方向の長さが吸着帯の長さとなり、吸着帯長さが大きくなる。これにより、破過時間が長くなり、フィルタの寿命が長くなる。
【００５８】
［３］ 圧力損失の抑制
イオン交換繊維シートの場合は、イオン交換繊維を細くして比表面積を大きくすることでイオン交換容量を高めることができる。一方、イオン交換キャスト膜はイオン交換繊維シートよりも緻密であり、透過抵抗は高くなる。
【００５９】
そこで、これら、イオン交換繊維シートとイオン交換キャスト膜とを積層させたイオン交換シートと、流路材シートとを積層すると共に、ロール状イオン交換フィルタに対し一端面から他端面に向って通水すること、即ち芯材と平行に通水することにより、圧力損失が小さくなる。
【００６０】
なお、本発明の液濾過用フィルタ及び液濾過方法は、水中に溶解しているイオン性物質、コロイド、粒子の除去に好適に使用することができ、対象としては、市水、井水、河川水、湖水、工水を始め、生物処理、凝集処理、沈殿処理、加圧浮上処理、ろ過、活性炭処理、イオン交換樹脂処理、精密ろ過、限外ろ過、逆浸透処理、電気再生式脱イオン処理、脱炭酸処理、ＵＶ処理などのいずれかの処理を施した水が例示される。
【００６１】
被処理水のイオン濃度が高いと、フィルタの寿命が短くなり、交換頻度も多くなるため、イオン交換樹脂処理や逆浸透処理、電気再生式脱イオン処理等による前処理を実施する方が効率的になる。本発明のフィルタは、イオン濃度が低い水や、ある程度イオンが除去された水に対して、さらにイオンを除去する場合に有効である。例えば、比抵抗１ＭΩ・ｃｍ以上の超純水からさらにイオンを除去するために使用する場合を挙げることができる。
【実施例】
【００６２】
［実施例１〜６、比較例１，２］（イオン交換フィルタを一段のみ設けた液濾過用フィルタ）
以下の実施例１〜６及び比較例１，２では、第１図（ａ），（ｂ）の如くスパイラル状に巻回したイオン交換フィルタを製作し、実施例１〜６では芯材と平行方向に通水し、比較例１，２ではスパイラル方向に通水した。
【００６３】
イオン交換フィルタに使用したイオン交換シートは、表１に示すイオン交換繊維シートＦ１，Ｆ２又は、イオン交換キャスト膜Ｍ１又はＭ２である。使用した流路材シートは、表２に示したポリエステル製格子状ネットＳ１又はＳ２である。
【００６４】
実施例１〜６で用いた芯材２は、外径１０ｍｍ、内径６ｍｍのポリプロピレン製パイプよりなり、両端面を閉鎖したものである。比較例１，２は、このパイプの周面に直径２ｍｍの小孔を孔間隔２ｍｍで多数穿孔したものである。
【００６５】
【表１】
【００６６】
【表２】
【００６７】
実施例１〜６及び比較例１，２ともに、表１，２に示したイオン交換繊維シート、イオン交換キャスト膜、流路材シートを表３に指定の通り重ねて外径８０ｍｍになるように芯材にロール状に巻き回し、長さ２００ｍｍになるようカットした。比較例１，２では、さらに、ロール状シートのカットした両端面を水が抜けないように接着剤で封止した。
【００６８】
３）通水試験条件
フィルタをフィルタカートリッジにセットし、１ｎｇ／ＬのＮａイオンを含む純水を２０Ｌ／ｍｉｎで通水した。前述の通り実施例１〜６では芯材と平行方向に一端面から他端面に通水した。比較例１，２では、ロール状巻回体の外周面からスパイラル方向に通水し、処理水を芯材から取り出す加圧透過方式で通水した。結果を表３に示す。
【００６９】
【表３】
【００７０】
４）結果・考察
イオン交換繊維のみを用いた比較例１、実施例１，２については、加圧透過方式である比較例１と比較して、実施例１，２では圧損を低く抑えると共に、高いイオン除去率を得ることができたが、イオン除去率が徐々に低下した。
イオン交換繊維は吸着速度が高いため、初期は高いイオン除去率を得られたが、イオン交換繊維のイオン交換容量は少ないため、経時的にイオン除去率が低下したものと思われる。
なお、実施例２は実施例１よりスペーサーの厚みが薄いため、巻き数が多くなり圧力損失は高くなるが、接触面積は大きくなりイオン除去率が高くなっている。
イオン交換膜のみを用いた比較例２、実施例３，４については、加圧透過方式のため通水不可である比較例２に対して、実施例３，４では圧損を低く抑えつつ持続的に安定したイオン除去率を得ることができたが、イオン除去率は実施例１，２より低かった。
イオン交換膜は吸着速度が低いため、高いイオン除去率を得ることはできなかったが、イオン交換膜はイオン交換容量が多いため、性能を長時間維持できたものと思われる。
なお、実施例３は、実施例４よりイオン交換膜が薄いため、スペーサーの割合が大きくなり圧力損失が若干低くなると共に、接触面積が大きくなりイオン除去率は高くなった。
イオン交換繊維とイオン交換膜とを積層させて用いた実施例５，６については、イオン交換繊維のみを用いた実施例１，２や、イオン交換膜のみを用いた実施例３，４と比較して、圧損を低く抑えつつ、より高いイオン除去率を得ることができ、さらに長時間性能を維持することができた。
イオン交換繊維の高い吸着速度と、イオン交換膜のイオン交換容量の多さの相乗効果と思われる。
また、実施例５より実施例６の方が、さらに高いイオン除去率を得ることができた。これはイオン交換膜の片側にイオン交換繊維を積層した実施例５よりも、イオン交換膜の両側にイオン交換繊維を積層した実施例６の方がより接触面積が大きくなるためと思われる。
【００７１】
［実施例７〜９、対比例１〜３］（イオン交換フィルタを単段にした場合と多段にした場合との対比）
下記のシートＡ、流路材Ｂ、及び芯材Ｃを用いてイオン交換フィルタを製造し、円筒容器内に収容し、通水した。
【００７２】
＜材料＞
・シートＡ
シリンジ径３０Ｇのシリンジに、非電解質ポリマーと電解質ポリマーとを含む溶液としてナフィオン１４重量％、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）８重量％、ＤＭＡｃ（ジメチルアセトアミド）７８重量％の溶液を入れ、シリンジ側をプラス、繊維を捕集するターゲット側にマイナスの３５ｋＶの電圧（４ｋＶ／ｃｍの電位勾配）をかけることにより、カチオン交換繊維を紡糸し、それを積層させて直径２００ｎｍの繊維からなる厚さ５０μｍのカチオン交換繊維の不織布を製造した。
・流路材Ｂ
ポリエステル製メッシュ、厚さ０．７ｍｍ、繊維太さ０．３５ｍｍ、目開き７０％を使用した。
・芯材Ｃ
ポリプロピレン製、直径５ｍｍ
【００７３】
＜対比例１＞
幅を５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ５ｃｍのイオン交換フィルタを製作した。これを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器の中央部に圧入した。
【００７４】
＜対比例２＞
幅を５ｃｍに揃え、シートＡのみを芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ５ｃｍのイオン交換フィルタを製作した、これを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器の中央部に圧入した。
【００７５】
＜実施例７＞
幅を２．５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ２．５ｃｍのイオン交換フィルタを２個作製した。これらを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器に圧入した。イオン交換フィルタ同士の間に１ｃｍの間隔をあけた。
【００７６】
＜実施例８＞
幅を１．２５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ１．２５ｃｍのイオン交換フィルタを４個作製した。これらを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器に圧入した。イオン交換フィルタ同士の間に１ｃｍの間隔をあけた。
【００７７】
＜実施例９＞
幅を１．２５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ１．２５ｃｍのイオン交換フィルタを４個作製した。これらを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器に圧入した。イオン交換フィルタ同士の間に１ｃｍの間隔をあけた。
【００７８】
実施例９では、各イオン交換フィルタ同士の間と、両端のロールの外端面にそれぞれ第４図（ｂ），（ｃ）に示した支持体２１の精密濾過膜２４として、厚さ１８０μｍのポリプロピレン製不織布上に４級アンモニウム化ポリスルホンと、ポリビニリデンフロライドを重量比１：１で混合して電界紡糸して、厚さ５μｍの不織布を形成させた膜を用いた支持体を挿入した。Ｏリング２５はＰ１６、シリコンゴム製であり、メッシュ２３はポリオレフィン製メッシュ(厚さ０．５５ｍｍ、繊維太さ０．２８ｍｍ、目開き８０％)であり、多孔板２２はポリテトラフルオロエチレン製多孔プレート(２ｍｍφ×２１孔、厚さ４ｍｍ)、Ｏリング２２ｂはＰ１６、シリコンゴム製である。
【００７９】
＜評価試験＞
１ｐｐｂのＮａをＮａＣｌとして添加した超純水を被処理水とし、これを流量０．３Ｌ／ｍｉｎで通水し、圧力損失と処理水Ｎａ濃度を測定した。Ｎａ除去率は以下の式で算出した。結果を表４に示す。
【００８０】
Ｎａ除去率[％]＝(１−［処理水Ｎａ濃度］／［被処理水Ｎａ濃度］)×１００
【００８１】
【表４】
【００８２】
＜考察＞
対比例１と実施例７，８との対比より、フィルタの総長は同じでも、分割配置することにより、ショートパスや偏流が軽減し、Ｎａ除去率が高くなると共に、微粒子が減少し、処理水質がより向上することが認められる。
【００８３】
対比例２は圧力損失が３００ｋＰａ以上となったため、通水不可であった。
【００８４】
実施例９で示されるように、多孔板と精密濾過膜を加えることで、実施例８と比較して、圧力損失は上昇したが、処理水水質、特に微粒子除去性能が顕著に向上する。
【符号の説明】
【００８５】
１ イオン交換フィルタ
２ 芯材
３ 積層シート
４ 流路材シート
５ イオン交換シート
６ イオン交換繊維の不織布
７ イオン交換キャスト膜
２１ 支持体
２２ 多孔板
２３ メッシュ
２４ 精密濾過膜
２５ Ｏリング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水、水溶液、有機溶媒等の液体の処理において、被処理液に含まれる微量の金属、微粒子等を吸着分離、排除分離するための液濾過用フィルタと、この液濾過用フィルタを用いた液濾過方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスなどで用いられる超純水の高純度化の要求は年々厳しくなってきている。ＩＴＲＳ２００５によると、２００８年には超純水中の金属イオン濃度を０．５ｎｇ／Ｌ以下にするロードマップが提示されているが、半導体製造各社は、金属濃度がより低濃度の超純水を求めている。水処理メーカーは前倒しで金属イオン濃度を低減しており、最新の超純水製造設備においては、ほとんどの金属を０．５ｎｇ／Ｌ以下に低減した超純水を製造することができるものもある。
【０００３】
超純水中の金属濃度を低減する方法として、ユースポイント直前にイオン交換フィルタを設置する方法がある。
【０００４】
従来のイオン交換フィルタとして、不織布あるいは多孔質膜といった平膜をプリーツ型にしたもの（例えば特許文献１）がある。
【０００５】
イオン交換膜として、イオン交換樹脂を溶媒中に溶解または分散させてキャスト原液とし、該キャスト原液を基材フィルム上にキャストさせた後、乾燥させて、次いで該基材フィルムから剥離させたキャスト膜が公知である（例えば特許文献２，３）。この特許文献３には、相分離法を利用して製造した多孔質のイオン交換膜が記載されている。
【０００６】
繊維径がナノメーターオーダーである極細のナノファイバの製造方法として電界紡糸法（静電紡糸法）が公知である（下記特許文献４，５等）。この電界紡糸法では、ノズルとターゲットとの間に電界を形成しておき、該ノズルから液状原料を細繊維状に吐出させて紡糸が行われる。細繊維は、ターゲット上に集積されて繊維体となる。なお、本発明者は、イオン交換基を有する極細の繊維（ナノファイバ）を用いたイオン交換フィルタを提案している（特許文献６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２０６５０９
【特許文献２】特開２０００−３２７８０９
【特許文献３】特開２００６−１９３７０９
【特許文献４】特開２００７−９２２３７
【特許文献５】特開２００６−１４４１３８
【特許文献６】特開２００９−２１９９５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
プリーツ型イオン交換フィルタは、プリーツの折り込み部分に流れが偏りやすく、上述の超純水のような極低濃度域では十分な除去率を得ることはできない。また、膜厚が薄いために破過が早く寿命が短い。また、イオン除去率を向上させるため、膜厚を厚くしたり、膜の細孔を小さくすると、透水性が犠牲となる。
【０００９】
イオン交換基を有するナノファイバを用いたイオン交換フィルタは、イオン除去性能に優れるが、圧力損失が大きい。
【００１０】
本発明は、半導体産業等における超純水の高純度化の要求を満たす、極低濃度イオンを除去する能力と、高い透水性と長寿命を有する液濾過用フィルタ及び液濾過方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明（請求項１）の液濾過用フィルタは、イオン交換シートと流路材シートとの積層シートが芯材の外周にスパイラル状に巻回されたイオン交換フィルタと、該芯材を収容したハウジングとを備え、該イオン交換フィルタの一端面から他端面に向って被処理液が通液されるものである。
【００１２】
請求項２の液濾過用フィルタは、請求項１において、前記イオン交換シートが、イオン交換繊維からなるイオン交換繊維布とイオン交換キャスト膜の一方、又は両方を重ねたものであることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３の液濾過用フィルタは、請求項２において、前記イオン交換シートが、前記イオン交換キャスト膜を前記イオン交換繊維布同士の間に介在させたものであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４の液濾過用フィルタは、請求項１ないし３のいずれか１項において、ハウジング内に複数個の前記イオン交換フィルタが直列に通水されるように配設されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５の液濾過用フィルタは、請求項４において、前記イオン交換フィルタの上流側及び下流側の少なくとも一方に多孔板及び／又は分離膜が設けられていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明（請求項６）の液濾過方法は、請求項１ないし５のいずれか１項の液濾過用フィルタに被処理液を通液するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の液濾過用フィルタに用いられているイオン交換フィルタは、芯材の外周に流路材シートとイオン交換シートとの積層シートをスパイラル状に巻回したものであり、イオン交換フィルタの一端面から他端面に向って被処理液が通液される。このように積層シートが流路材シートを有すると共に、被処理液がスパイラル状にイオン交換フィルタに一端面から他端面に向って流れるので、圧損が小さい。また、一端面から他端面までの間のイオン交換シートの全体が吸着帯となり、吸着帯長さが大きいので、イオンの破過までの時間が長くなり、イオン交換の寿命が長いものとなる。
【００１８】
イオン交換シートの少なくとも一部をイオン交換繊維布で構成した場合、被処理液とイオン交換繊維布との接触面積が大きいので、十分に脱イオン処理される。
【００１９】
イオン交換シートの少なくとも一部をイオン交換キャスト膜で構成した場合、イオン交換容量が大きくなる。
【００２０】
イオン交換シートを、イオン交換繊維布と、これに接するイオン交換キャスト膜とで構成した場合、イオン交換繊維布で吸着したイオンをイオン交換キャスト膜に移動させて保持させることができる。
【００２１】
イオン交換フィルタの上流側又は下流側に多孔板又は多孔膜を設けることにより、液の偏流やショートパスが防止又は抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態に係るイオン交換フィルタを示す構成図である。
【図２】実施の形態に係る液濾過用フィルタの構成図である。
【図３】別の実施の形態に係る液濾過用フィルタの構成図である。
【図４】異なる実施の形態に係る液濾過用フィルタの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。なお、以下の説明では被処理液として水が通水されるが、水以外の液体であってもよい。
【００２４】
第１図の（ａ）図は実施の形態に係るイオン交換フィルタの製作方法を示す断面図、（ｂ）図は積層シートの断面図、（ｃ）図はイオン交換フィルタの斜視図である。
【００２５】
このイオン交換フィルタ１は、芯材２と、この芯材２の外周に巻回された積層シート３とを有する。この積層シート３は、流路材シート４とイオン交換シート５とを積層したものである。芯材２は中実の棒状であってもよいが、重量軽減のために中空パイプ状であってもよい。ただし、水がパイプ内を長手方向に流れないようにパイプの端部を閉止する。また、パイプの外周面にも孔を設けない。芯材の直径は１〜５０ｍｍ特に３〜２０ｍｍ程度が好適である。芯材の材質はポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンのほか、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂が好適であるが、これに限定されない。
【００２６】
流路材シート４は、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン）、ポリエステル、ポリスルホンなどよりなる不織布、織布、格子状ネットなどが好適である。流路材シートの厚さは０．１ｍｍ〜５ｍｍ、特に０．５〜２ｍｍ程度が好適であり、細孔径は１００μｍ以上（目開き：５０％〜９０％）程度が好適である。
【００２７】
イオン交換シート５は、イオン交換繊維の織布又は不織布、イオン交換キャスト膜などよりなるが、好ましくは、イオン交換繊維の不織布６，６間にイオン交換キャスト膜７を介在させた３層構造のものである。このイオン交換シート５の好適例については後に詳述する。
【００２８】
この積層シート３を芯材２の外周にスパイラル状（渦巻状）に巻回してイオン交換フィルタ１とする。この巻き付けによる層の数（芯材２を回転させる場合は、合計の回転数）は１０〜２００特に３０〜１００程度が好適である。積層シート３を巻き付けるとロール状巻回体となる。このロール状巻回体よりなるイオン交換フィルタ１の一端面から他端面に向って被処理水が通水される。
【００２９】
第２図は、第１図のイオン交換フィルタ１を組み込んだ液濾過用フィルタの一例を示す平面図である。
【００３０】
この液濾過用フィルタ１０は、被処理水の流入口１１と濾過水の流出口１２とを有した円筒状のハウジング１３内に、複数個のイオン交換フィルタ１を同軸状に配置したものである。イオン交換フィルタ１の上流側及び下流側には、支持体１４が配置されている。この支持体１４は、上流側のイオン交換フィルタ１から流出してきた水を分散させて下流側のイオン交換フィルタ１に流入させる機能を有するものが望ましい。支持体１４は分離膜（精密濾過膜、限外濾過膜など）及び／又は多孔円板よりなるものであってもよく、後述の第４図の支持体２１のように構成されたものであってもよい。
【００３１】
第３図のように、この液濾過用フィルタ１０を耐圧容器１５内に配置し、供給口１６からこの耐圧容器１５内に被処理水を供給して液濾過用フィルタ１０内に流入させてもよい。この場合、ハウジング１３の流入口側のエンドプレートは省略されてもよい。
【００３２】
第４図（ａ）は円筒状ハウジング１３内に複数個（この場合は２個）のイオン交換フィルタ１を支持体２１を介して同軸状に配設した液濾過用フィルタ２０の断面図、同（ｂ）は支持体２１の分解断面図、同（ｃ）は支持体２１の分解平面図である。第４図ではイオン交換フィルタ１が２個設けられているが、３個以上であってもよく、通常は１〜５個程度が好適である。
【００３３】
支持体２１は、多数の孔２２ａを有し、外周面にＯリング２２ｂが装着された多孔板２２と、この多孔板２２に重なるメッシュ２３と、このメッシュ２３に重なる精密濾過膜２４と、精密濾過膜２４に重なるＯリング２５とを有している。精密濾過膜２４としては、孔径０．０２〜０．４５μｍのものが好適である。Ｏリング２２ｂ、２５によって支持体２１の位置が固定されると共に、ハウジング１３の内周面と支持体２１の外周面との間からの漏水が防止される。精密濾過膜２４によって微粒子を除去すると共に、支持体２１よりも上流側のイオン交換フィルタ１を通過する水の流量を制御し、ショートパスや偏流を防止ないし抑制する。
【００３４】
ハウジング１３内に複数のイオン交換フィルタ１を直列に設置しているので、１つのイオン交換フィルタ１に水の流れやすい部分と流れ難い部分ができることによって、ショートパス・偏流が発生した場合でも、下流側のイオン交換フィルタに流入する前に水の合流が起こるため、ショートパス・偏流が液濾過用フィルタ全長に及ばない。
【００３５】
また、イオン交換フィルタ１の前後に支持体２１を設置することで、水を混合し整流すると共に、支持体２１の通水の抵抗により水の流量を制御することができる。これにより、ショートパス、偏流をさらに軽減することができる。
【００３６】
多孔板２２の材質としては、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン)、ポリテトラフルオロエチレンなどを挙げることができる。
【００３７】
メッシュ２３としては、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン)、ポリエステルなどが好適であり、厚さは０．０５ｍｍ〜３ｍｍ、特に０．１〜２ｍｍ、細孔径１０μｍ以上(目開き：３０％%〜９０％)の範囲であることが望ましい。
【００３８】
精密濾過膜２４の材質としては、ポリビニリデンフロライド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリアミド、セルロース系を挙げることができる。精密濾過膜２４の厚さは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、好ましくは０．１〜０．３ｍｍ、細孔径０．０２〜１μｍ特に０．０２〜０．４５μｍの範囲であることが望ましい。
【００３９】
支持体２１はイオン交換繊維の織布又は不織布を有していてもよい。このイオン交換繊維の材質は後述のイオン交換繊維シートと同様のものを用いることができる。この織布又は不織布としては、高分子溶液を電界紡糸、溶融紡糸することで得られる繊維径０．０１〜５μｍ、厚さ０．０１〜１ｍｍ、細孔０．０２〜１０μｍ(エアーフロー法により測定)、イオン交換容量０．０５〜３ｍｅｑ／ｇ、０．０３〜１．５ｍｅｑ／ｃｍ３のものが好適である。このイオン交換繊維として、イオン交換フィルタのイオン交換基と逆の符号のイオンを除去する官能基を使用してもよく、このように構成することにより、イオン除去効果が向上する場合がある。
【００４０】
イオン交換繊維を担持するため、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエステル、ポリビニリデンフロライドなどからなる不織布、ネットを用いても良い。
【００４１】
複数のイオン交換フィルタ１，１のイオン交換繊維に、異なる機能、例えば符号の異なるイオンを除去する官能基を導入してもよい。このようにすれば、混床樹脂塔が使用されるケースのように、イオン除去性能が向上し、フィルタ寿命が長くなることがある。
【００４２】
［イオン交換シート及びこれを巻回したイオン交換フィルタの詳細な説明］
イオン交換シートは、前述の通り、キャスト膜や、イオン交換繊維の織布又は不織布などが用いられる。以下に、これらについて詳細に説明する。
【００４３】
［１］ イオン交換シートの種類
（１） イオン交換繊維シート
イオン交換繊維としては以下の（ａ）〜（ｄ）の材料を電界紡糸法又は溶融紡糸法で紡糸したものが好適である。イオン交換繊維シートは、これらを単独又は複合で用いて不織布または織布としたものである。
【００４４】
（ａ）荷電性高分子繊維としてパーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ社製）
（ｂ）非荷電性高分子繊維からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたもの
（ｃ）荷電性高分子繊維としてパーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン）を骨格材に担持して骨格材と一体化したもの
（ｄ）非荷電性高分子繊維からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたものを骨格材と一体化したもの
高い機械的強度を得るには上記（ｃ）または（ｄ）のものが好ましい。
【００４５】
イオン交換繊維シートの厚さは０．０１〜０．５ｍｍ（１０〜５００μｍ）程度が好適であり、細孔径は０．１〜１０μｍ（エアーフロー法により測定、以下同様）程度が好適であり、イオン交換容量は０．０５〜２ｍｅｑ／ｇ、０．０３〜１．５ｍｅｑ／ｃｍ３程度が好適である。イオン交換基のない繊維を紡糸して繊維シートを作成した後に、グラフト重合法や他の化学反応法（求電子置換反応、付加反応など）によりイオン交換基を繊維シートに付与することもできる。
【００４６】
上記の非荷電性高分子としては、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエステル、ポリビニリデンフロライドなどが例示される。
【００４７】
イオン交換基としては、種々のカチオン交換基又はアニオン交換基等を用いることができる。例えば、カチオン交換基としては、スルホン基などの強酸性カチオン交換基、リン酸基などの中酸性カチオン交換基、カルボキシル基などの弱酸性カチオン交換基、アニオン交換基としては、第１級〜第３級アミノ基などの弱塩基性アニオン交換基、第４級アンモニウム基などの強塩基性アニオン交換基を用いることができ、或いは、上記カチオン交換基及びアニオン交換基の両方を併有するイオン交換体を用いることもできる。
【００４８】
骨格材としては、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエステル、ポリビニリデンフロライドなどからなる不織布、織布などが例示される。
【００４９】
イオン交換繊維としては、相当直径が１〜１０００ｎｍ、特に１０〜７００ｎｍ程度の著しく細い繊維が好適である。ここで「相当直径」とは、１本の繊維（ファイバ）の断面積と断面積の外周長さとから、（相当直径）＝４×（断面積）／（断面の外周長さ）によって算出される値である。
【００５０】
イオン交換繊維の長さは、１μｍ以上が好適である。なお、電解紡糸で作製した場合、数ｃｍの長さにすることができ、また連続的に紡糸することもできるため、さらに数倍以上に長くすることができる。
【００５１】
なお、イオン交換繊維を紡糸する際、荷電性高分子は、単独で紡糸することが難しい場合があり、紡糸出来ても繊維同士の荷電反発により、かさ（嵩）が高くなって収まりが悪くなり（即ち、嵩密度が低くなり）、フィルタ化に適さないことがある。一方、非電解質高分子は、単独で紡糸することが容易なものを選定することが可能で、紡糸後、繊維同士の反発がないため、フィルタ化し易い。そのため、電解質ポリマーと非電解質ポリマーを混合して紡糸することにより、両者の優れた特徴を有する繊維を得ることができる。電界紡糸においては、紡糸時の紡糸性も向上する。
【００５２】
（２） イオン交換キャスト膜
イオン交換キャスト膜としては以下の（ｅ）〜（ｈ）の１種又は２種以上を用いて相分離法などにより製造した多孔質膜が好適である。
【００５３】
（ｅ）パーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン）をガラスなどの基板上に塗布した後に基板を取り除いたフィルム状のもの
（ｆ）非荷電性高分子からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたものをガラスなどの基板上に塗布した後に基板を取り除いたフィルム状のもの
（ｇ）パーフルオロカーボンスルホン酸重合体（ナフィオン（登録商標）、フミオン）を骨格材に塗布して骨格材と一体化したもの
（ｈ）非荷電性高分子からなる基材にイオン交換基が化学的に付与されたものを骨格材に塗布して骨格材と一体化したもの
高い機械的強度を得るには上記（ｇ）または（ｈ）の方法が好ましい。
【００５４】
このキャスト膜の厚さは０．０１〜０．５ｍｍ（１０〜５００μｍ）程度が好適であり、細孔径は１μｍ以下が好適であり、イオン交換容量は０．２〜４ｍｅｑ／ｇ、０．１〜３．５ｍｅｑ／ｃｍ３程度が好適である。非荷電性の高分子を成膜してキャスト膜を作成した後にグラフト重合法や、他の化学反応法（求電子置換反応、付加反応など）によりイオン交換基をキャスト膜に付与することもできる。
【００５５】
非荷電性高分子、イオン交換基、骨格材としては上記と同様のものを用いることができる。
【００５６】
［２］ イオン除去の性能
イオン交換繊維シートの繊維表面をイオン交換の場とすることにより、繊維周辺における流体の接触効率が向上するため、イオンの吸着速度が高まる。ただし、イオン交換繊維シートのみでは、吸着したイオンの保持容量に限界がある。
【００５７】
一方、イオン交換キャスト膜の場合、イオンを除去するための官能基を高密度に保持させることができ、イオン除去容量を確保することができる。そこで、イオン交換繊維シートにイオン交換キャスト膜を接触させることで、イオン交換繊維に吸着させたイオンをイオン交換キャスト膜に移動させて高密度に保持させることができる。また、イオン交換シートをロール状に巻回したイオン交換フィルタに対し一端面から他端面に向って通水した場合、該イオン交換フィルタの巻回軸心方向の長さが吸着帯の長さとなり、吸着帯長さが大きくなる。これにより、破過時間が長くなり、フィルタの寿命が長くなる。
【００５８】
［３］ 圧力損失の抑制
イオン交換繊維シートの場合は、イオン交換繊維を細くして比表面積を大きくすることでイオン交換容量を高めることができる。一方、イオン交換キャスト膜はイオン交換繊維シートよりも緻密であり、透過抵抗は高くなる。
【００５９】
そこで、これら、イオン交換繊維シートとイオン交換キャスト膜とを積層させたイオン交換シートと、流路材シートとを積層すると共に、ロール状イオン交換フィルタに対し一端面から他端面に向って通水すること、即ち芯材と平行に通水することにより、圧力損失が小さくなる。
【００６０】
なお、本発明の液濾過用フィルタ及び液濾過方法は、水中に溶解しているイオン性物質、コロイド、粒子の除去に好適に使用することができ、対象としては、市水、井水、河川水、湖水、工水を始め、生物処理、凝集処理、沈殿処理、加圧浮上処理、ろ過、活性炭処理、イオン交換樹脂処理、精密ろ過、限外ろ過、逆浸透処理、電気再生式脱イオン処理、脱炭酸処理、ＵＶ処理などのいずれかの処理を施した水が例示される。
【００６１】
被処理水のイオン濃度が高いと、フィルタの寿命が短くなり、交換頻度も多くなるため、イオン交換樹脂処理や逆浸透処理、電気再生式脱イオン処理等による前処理を実施する方が効率的になる。本発明のフィルタは、イオン濃度が低い水や、ある程度イオンが除去された水に対して、さらにイオンを除去する場合に有効である。例えば、比抵抗１ＭΩ・ｃｍ以上の超純水からさらにイオンを除去するために使用する場合を挙げることができる。
【実施例】
【００６２】
［実施例１〜６、比較例１，２］（イオン交換フィルタを一段のみ設けた液濾過用フィルタ）
以下の実施例１〜６及び比較例１，２では、第１図（ａ），（ｂ）の如くスパイラル状に巻回したイオン交換フィルタを製作し、実施例１〜６では芯材と平行方向に通水し、比較例１，２ではスパイラル方向に通水した。
【００６３】
イオン交換フィルタに使用したイオン交換シートは、表１に示すイオン交換繊維シートＦ１，Ｆ２又は、イオン交換キャスト膜Ｍ１又はＭ２である。使用した流路材シートは、表２に示したポリエステル製格子状ネットＳ１又はＳ２である。
【００６４】
実施例１〜６で用いた芯材２は、外径１０ｍｍ、内径６ｍｍのポリプロピレン製パイプよりなり、両端面を閉鎖したものである。比較例１，２は、このパイプの周面に直径２ｍｍの小孔を孔間隔２ｍｍで多数穿孔したものである。
【００６５】
【表１】
【００６６】
【表２】
【００６７】
実施例１〜６及び比較例１，２ともに、表１，２に示したイオン交換繊維シート、イオン交換キャスト膜、流路材シートを表３に指定の通り重ねて外径８０ｍｍになるように芯材にロール状に巻き回し、長さ２００ｍｍになるようカットした。比較例１，２では、さらに、ロール状シートのカットした両端面を水が抜けないように接着剤で封止した。
【００６８】
３）通水試験条件
フィルタをフィルタカートリッジにセットし、１ｎｇ／ＬのＮａイオンを含む純水を２０Ｌ／ｍｉｎで通水した。前述の通り実施例１〜６では芯材と平行方向に一端面から他端面に通水した。比較例１，２では、ロール状巻回体の外周面からスパイラル方向に通水し、処理水を芯材から取り出す加圧透過方式で通水した。結果を表３に示す。
【００６９】
【表３】
【００７０】
４）結果・考察
イオン交換繊維のみを用いた比較例１、実施例１，２については、加圧透過方式である比較例１と比較して、実施例１，２では圧損を低く抑えると共に、高いイオン除去率を得ることができたが、イオン除去率が徐々に低下した。
イオン交換繊維は吸着速度が高いため、初期は高いイオン除去率を得られたが、イオン交換繊維のイオン交換容量は少ないため、経時的にイオン除去率が低下したものと思われる。
なお、実施例２は実施例１よりスペーサーの厚みが薄いため、巻き数が多くなり圧力損失は高くなるが、接触面積は大きくなりイオン除去率が高くなっている。
イオン交換膜のみを用いた比較例２、実施例３，４については、加圧透過方式のため通水不可である比較例２に対して、実施例３，４では圧損を低く抑えつつ持続的に安定したイオン除去率を得ることができたが、イオン除去率は実施例１，２より低かった。
イオン交換膜は吸着速度が低いため、高いイオン除去率を得ることはできなかったが、イオン交換膜はイオン交換容量が多いため、性能を長時間維持できたものと思われる。
なお、実施例３は、実施例４よりイオン交換膜が薄いため、スペーサーの割合が大きくなり圧力損失が若干低くなると共に、接触面積が大きくなりイオン除去率は高くなった。
イオン交換繊維とイオン交換膜とを積層させて用いた実施例５，６については、イオン交換繊維のみを用いた実施例１，２や、イオン交換膜のみを用いた実施例３，４と比較して、圧損を低く抑えつつ、より高いイオン除去率を得ることができ、さらに長時間性能を維持することができた。
イオン交換繊維の高い吸着速度と、イオン交換膜のイオン交換容量の多さの相乗効果と思われる。
また、実施例５より実施例６の方が、さらに高いイオン除去率を得ることができた。これはイオン交換膜の片側にイオン交換繊維を積層した実施例５よりも、イオン交換膜の両側にイオン交換繊維を積層した実施例６の方がより接触面積が大きくなるためと思われる。
【００７１】
［実施例７〜９、対比例１〜３］（イオン交換フィルタを単段にした場合と多段にした場合との対比）
下記のシートＡ、流路材Ｂ、及び芯材Ｃを用いてイオン交換フィルタを製造し、円筒容器内に収容し、通水した。
【００７２】
＜材料＞
・シートＡ
シリンジ径３０Ｇのシリンジに、非電解質ポリマーと電解質ポリマーとを含む溶液としてナフィオン１４重量％、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）８重量％、ＤＭＡｃ（ジメチルアセトアミド）７８重量％の溶液を入れ、シリンジ側をプラス、繊維を捕集するターゲット側にマイナスの３５ｋＶの電圧（４ｋＶ／ｃｍの電位勾配）をかけることにより、カチオン交換繊維を紡糸し、それを積層させて直径２００ｎｍの繊維からなる厚さ５０μｍのカチオン交換繊維の不織布を製造した。
・流路材Ｂ
ポリエステル製メッシュ、厚さ０．７ｍｍ、繊維太さ０．３５ｍｍ、目開き７０％を使用した。
・芯材Ｃ
ポリプロピレン製、直径５ｍｍ
【００７３】
＜対比例１＞
幅を５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ５ｃｍのイオン交換フィルタを製作した。これを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器の中央部に圧入した。
【００７４】
＜対比例２＞
幅を５ｃｍに揃え、シートＡのみを芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ５ｃｍのイオン交換フィルタを製作した、これを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器の中央部に圧入した。
【００７５】
＜実施例７＞
幅を２．５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ２．５ｃｍのイオン交換フィルタを２個作製した。これらを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器に圧入した。イオン交換フィルタ同士の間に１ｃｍの間隔をあけた。
【００７６】
＜実施例８＞
幅を１．２５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ１．２５ｃｍのイオン交換フィルタを４個作製した。これらを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器に圧入した。イオン交換フィルタ同士の間に１ｃｍの間隔をあけた。
【００７７】
＜実施例９＞
幅を１．２５ｃｍに揃え、シートＡを流路材Ｂと共に芯材Ｃに巻き回して吸着帯の長さ１．２５ｃｍのイオン交換フィルタを４個作製した。これらを内径２ｃｍ、長さ９ｃｍの円筒容器に圧入した。イオン交換フィルタ同士の間に１ｃｍの間隔をあけた。
【００７８】
実施例９では、各イオン交換フィルタ同士の間と、両端のロールの外端面にそれぞれ第４図（ｂ），（ｃ）に示した支持体２１の精密濾過膜２４として、厚さ１８０μｍのポリプロピレン製不織布上に４級アンモニウム化ポリスルホンと、ポリビニリデンフロライドを重量比１：１で混合して電界紡糸して、厚さ５μｍの不織布を形成させた膜を用いた支持体を挿入した。Ｏリング２５はＰ１６、シリコンゴム製であり、メッシュ２３はポリオレフィン製メッシュ(厚さ０．５５ｍｍ、繊維太さ０．２８ｍｍ、目開き８０％)であり、多孔板２２はポリテトラフルオロエチレン製多孔プレート(２ｍｍφ×２１孔、厚さ４ｍｍ)、Ｏリング２２ｂはＰ１６、シリコンゴム製である。
【００７９】
＜評価試験＞
１ｐｐｂのＮａをＮａＣｌとして添加した超純水を被処理水とし、これを流量０．３Ｌ／ｍｉｎで通水し、圧力損失と処理水Ｎａ濃度を測定した。Ｎａ除去率は以下の式で算出した。結果を表４に示す。
【００８０】
Ｎａ除去率[％]＝(１−［処理水Ｎａ濃度］／［被処理水Ｎａ濃度］)×１００
【００８１】
【表４】
【００８２】
＜考察＞
対比例１と実施例７，８との対比より、フィルタの総長は同じでも、分割配置することにより、ショートパスや偏流が軽減し、Ｎａ除去率が高くなると共に、微粒子が減少し、処理水質がより向上することが認められる。
【００８３】
対比例２は圧力損失が３００ｋＰａ以上となったため、通水不可であった。
【００８４】
実施例９で示されるように、多孔板と精密濾過膜を加えることで、実施例８と比較して、圧力損失は上昇したが、処理水水質、特に微粒子除去性能が顕著に向上する。
【符号の説明】
【００８５】
１ イオン交換フィルタ
２ 芯材
３ 積層シート
４ 流路材シート
５ イオン交換シート
６ イオン交換繊維の不織布
７ イオン交換キャスト膜
２１ 支持体
２２ 多孔板
２３ メッシュ
２４ 精密濾過膜
２５ Ｏリング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換シートと流路材シートとの積層シートが芯材の外周にスパイラル状に巻回されたイオン交換フィルタと、該芯材を収容したハウジングとを備え、該イオン交換フィルタの一端面から他端面に向って被処理液が通液される液濾過用フィルタ。
【請求項２】
請求項１において、前記イオン交換シートが、イオン交換繊維からなるイオン交換繊維布とイオン交換キャスト膜の一方、又は両方を重ねたものであることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項３】
請求項２において、前記イオン交換シートが、前記イオン交換キャスト膜を前記イオン交換繊維布同士の間に介在させたものであることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、ハウジング内に複数個の前記イオン交換フィルタが直列に通水されるように配設されていることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項５】
請求項４において、前記イオン交換フィルタの上流側及び下流側の少なくとも一方に多孔板及び／又は分離膜が設けられていることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項の液濾過用フィルタに被処理液を通液する液濾過方法。
【請求項１】
イオン交換シートと流路材シートとの積層シートが芯材の外周にスパイラル状に巻回されたイオン交換フィルタと、該芯材を収容したハウジングとを備え、該イオン交換フィルタの一端面から他端面に向って被処理液が通液される液濾過用フィルタ。
【請求項２】
請求項１において、前記イオン交換シートが、イオン交換繊維からなるイオン交換繊維布とイオン交換キャスト膜の一方、又は両方を重ねたものであることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項３】
請求項２において、前記イオン交換シートが、前記イオン交換キャスト膜を前記イオン交換繊維布同士の間に介在させたものであることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、ハウジング内に複数個の前記イオン交換フィルタが直列に通水されるように配設されていることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項５】
請求項４において、前記イオン交換フィルタの上流側及び下流側の少なくとも一方に多孔板及び／又は分離膜が設けられていることを特徴とする液濾過用フィルタ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項の液濾過用フィルタに被処理液を通液する液濾過方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１８９２７５（Ｐ２０１１−１８９２７５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５７５９０（Ｐ２０１０−５７５９０）
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１５日（２０１０．３．１５）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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