電気式脱イオン水製造装置
【課題】吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、イオン交換体の強度が高く、通水時の圧力損失を低下させることができ、処理水水質を向上させる電気式脱イオン水製造装置を提供すること。
【解決手段】連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体を脱イオン室に充填した電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆方向に泳動するように行う。
【解決手段】連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体を脱イオン室に充填した電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆方向に泳動するように行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱イオン水を用いる半導体製造工業、製薬工業、食品工業、発電所、研究所等の各種の工業あるいは糖液、ジュース、ワイン等の製造等で利用される電気式脱イオン液製造装置に好適に使用される電気式脱イオン水製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脱イオン水を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られているが、この方法ではイオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに薬剤によって再生を行う必要があり、このような処理操作上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が全く不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。
【０００３】
特開２００３−３３４５６０号公報には、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１０００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１ｍｌ/ｇ〜５０ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上の有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室を有し、該脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆向きに泳動するように行う電気式脱イオン水製造装置が開示されている。
【０００４】
この電気式脱イオン水製造装置によれば、多孔質イオン交換体内におけるイオンの移動を速めて吸着イオンの排除を容易にすることができる。また、脱イオン室を多数に分割して並列配設する必要がなく、装置の構造を簡略化して、材料費、加工費、組み立て費を軽減させることができる。また、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケール発生が全くなく、一次脱塩や軟化などの前処理を必要としない。更に、低電圧で安定した水質の処理水を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３４５６０号公報
【特許文献２】特開２００９−６２５１２号公報
【特許文献３】特開２００９−６７９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開２００３−３３４５６０号公報に記載の有機多孔質イオン交換体は、モノリスの共通の開口（メソポア）が１〜１，０００μｍと記載されているものの、全細孔容積５ｍｌ／ｇ以下の細孔容積の小さなモノリスについては、油中水滴型エマルジョン中の水滴の量を少なくする必要があるため共通の開口は小さくなり、実質的に開口の平均径２０μｍ以上のものは製造できない。このため、通水時の圧力損失が大きいという問題があった。また、開口の平均径を２０μｍ近傍のものにすると、全細孔容積もそれに伴い大きくなるため、体積当たりのイオン交換容量が低下し、このため、処理水質が低下し、かつ消費電力も大きいという問題があった。また、電気式脱イオン水製造装置の脱イオン室に装填されるモノリスにおいて、連続気泡構造（連続マクロポア）とは異なる新たな構造のモノリスの登場も望まれていた。
【０００７】
従って、本発明の目的は、吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、イオン交換体の強度が高く、通水時の圧力損失を低下させることができ、処理水水質が良好で、かつ消費電力も少ない電気式脱イオン水製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる実情において、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、特開２００３−３３４５６０号公報記載の方法で得られた比較的大きな細孔容積を有するモノリス状有機多孔質体（中間体）の存在下、特定の条件下、ビニルモノマーと架橋剤を有機溶媒中で静置重合すれば、有機多孔質体を構成する骨格表面上に直径２〜２０μｍの多数の粒子体が固着する又は突起体が形成された複合構造を有するモノリスが得られること、この複合モノリスにイオン交換基を導入した複合モノリスイオン交換体は、電気式脱イオン水製造装置のイオン交換体として用いれば、吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、イオン交換体の強度が高く、通水時の圧力損失を低下させることができ、処理水水質が良好で、かつ消費電力も少ないことなどを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆方向に泳動するように行うことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１０】
また、本発明は、一側のイオン交換膜と他側の陽イオン交換膜で区画される脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の他側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部とを有する電気式脱陽イオン水製造装置と、一側の陰イオン交換膜と他側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、前記電気式脱陽イオン水製造装置の第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の一側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを有する電気式脱陰イオン水製造装置と、を備えるものであって、該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体の中、少なくともひとつが、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１１】
また、本発明は、一側の陽イオン交換膜と、該一側の陽イオン交換膜と他側の陰イオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該他側の陰イオン交換膜と該中間陽イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該他側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該脱陽イオン室中の一側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の他側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部と、を備えるものであって、該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１２】
また、本発明は、一側のイオン交換膜と、該一側のイオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該中間陽イオン交換膜と、該中間陽イオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陰イオン交換膜とで区画される濃縮室と、該他側のイオン交換膜と該中間陰イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の中間陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを備えるものであって、該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、イオン交換体の強度が高く、通水時の圧力損失を低下させることができ、処理水水質が良好で、かつ消費電力も少ない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】参考例１で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図２】参考例１で得られたモノリスの倍率３００のＳＥＭ画像である。
【図３】参考例１で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図４】参考例１で得られたモノリスカチオン交換体の表面における硫黄原子の分布状態を示したＥＰＭＡ画像である。
【図５】参考例１で得られたモノリスカチオン交換体の断面（厚み）方向における硫黄原子の分布状態を示したＥＰＭＡ画像である。
【図６】参考例２で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図７】参考例２で得られたモノリスの倍率６００のＳＥＭ画像である。
【図８】参考例２で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図９】参考例３で得られたモノリスの倍率６００のＳＥＭ画像である。
【図１０】参考例３で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１１】参考例４で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１２】参考例５で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図１３】参考例５で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１４】参考例６で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図１５】参考例６で得られたモノリスの倍率６００のＳＥＭ画像である。
【図１６】参考例６で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図２０】被処理水導入分配部又は処理水集水部となる多孔質イオン交換体表面の溝部を例示した図である。
【図２１】突起体の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の電気式脱イオン水製造装置は、特定構造の有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆向きに泳動するように行うものである。すなわち、本発明の電気式脱イオン水製造装置の基本構造は、両側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に有機多孔質イオン交換体を充填して脱イオン室を構成し、当該イオン交換膜の外側に直流電場を印加する電極を配置してなり、該直流電場の印加を前述のような特定の態様で行うものである。また、本発明において、有機多孔質イオン交換体内における通水方向とは、特定の連続空孔構造を有する有機多孔質イオン交換体内における通水方向、すなわち、特定の連続空孔構造を有する有機多孔質イオン交換体内の通水方向に由来するイオンの平均拡散方向を言うものであり、後述するような、有機多孔質イオン交換体内に別途に配設又は加工される第１、第２被処理水導入分配部内や第１、第２処理水集水部内における通水方向を言うものではない。
【００１６】
脱イオン室に充填される有機多孔質イオン交換体は、複合構造のモノリス状有機多孔質イオン交換体である。本明細書中、「モノリス状有機多孔質体」を単に「複合モノリス」と、「モノリス状有機多孔質イオン交換体」を単に「複合モノリスイオン交換体」と、「モノリス状の有機多孔質中間体」を単に「モノリス中間体」とも言う。
【００１７】
＜複合モノリスイオン交換体の説明＞
複合モノリスイオン交換体は、複合モノリスにイオン交換基を導入することで得られるものであり、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体との複合構造体であるか、又は連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であり、イオン交換基が該複合構造体中に均一に分布している。なお、本明細書中、「粒子体」及び「突起体」を併せて「粒子体等」と言うことがある。
【００１８】
有機多孔質体の連続骨格相と連続空孔相（乾燥体）は、ＳＥＭ画像により観察することができる。有機多孔質体の基本構造としては、連続マクロポア構造及び共連続構造が挙げられる。有機多孔質体の骨格相は、柱状の連続体、凹状の壁面の連続体あるいはこれらの複合体として表れるもので、粒子状や突起状とは明らかに相違する形状のものである。
【００１９】
有機多孔質体の好ましい構造としては、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径３０〜１５０μｍの開口となる連続マクロポア構造体（以下、「第１の有機多孔質イオン交換体」とも言う。）及び水湿潤状態で平均の太さが１〜６０μｍの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に平均直径が水湿潤状態で１０〜１００μｍの三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体（以下、「第２の有機多孔質イオン交換体」とも言う。）が挙げられる。
【００２０】
第１の有機多孔質イオン交換体の場合、有機多孔質体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径３０〜１５０μｍの開口（メソポア）となる連続マクロポア構造体である。複合モノリスイオン交換体の開口の平均直径は、モノリスにイオン交換基を導入する際、複合モノリス全体が膨潤するため、乾燥状態の複合モノリスの開口の平均直径よりも大となる。開口の平均直径が３０μｍ未満であると、通水時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくなく、開口の平均直径が大き過ぎると、流体とモノリスイオン交換体との接触が不十分となり、その結果、イオン交換特性が低下してしまうため好ましくない。
【００２１】
なお、本発明では、乾燥状態のモノリス中間体の開口の平均直径、乾燥状態の複合モノリスの空孔又は開口の平均直径及び乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径は、水銀圧入法により測定される値である。また、本発明では、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径は、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ１（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ１（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体を水銀圧入法により測定したときの空孔又は開口の平均直径がｚ１（μｍ）であったとすると、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径（μｍ）は、次式「水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径（μｍ）＝ｚ１×（ｘ１／ｙ１）」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの空孔又は開口の平均直径、及びその乾燥状態の複合モノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの空孔又は開口の平均直径に、膨潤率を乗じて、複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径を算出することもできる。
【００２２】
第２の有機多孔質体イオン交換体の場合、有機多孔質体は、水湿潤状態で平均直径が１〜６０μｍの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に平均直径が水湿潤状態で１０〜１００μｍの三次元的に連続した空孔を有する共連続構造である。三次元的に連続した空孔の直径が１０μｍ未満であると、流体透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくなく、１００μｍを超えると、被処理水と有機多孔質イオン交換体との接触が不十分となり、その結果、イオン交換特性が不均一となるため好ましくない。
【００２３】
上記共連続構造の空孔の水湿潤状態での平均直径は、公知の水銀圧入法で測定した乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の空孔の平均直径に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ２（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ２（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体を水銀圧入法により測定したときの空孔の平均直径がｚ２（μｍ）であったとすると、複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態での平均直径（μｍ）は、次式「複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径（μｍ）＝ｚ２×（ｘ２／ｙ２）」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの空孔の平均直径、及びその乾燥状態の複合モノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの空孔の平均直径に、膨潤率を乗じて、複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径を算出することもできる。また、上記共連続構造体の骨格の水湿潤状態での平均太さは、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ観察を少なくとも３回行い、得られた画像中の骨格の太さを測定し、その平均値に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ３（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ３（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ観察を少なくとも３回行い、得られた画像中の骨格の太さを測定し、その平均値がｚ３（μｍ）であったとすると、複合モノリスイオン交換体の連続構造体の骨格の水湿潤状態での平均太さ（μｍ）は、次式「複合モノリスイオン交換体の連続構造体の骨格の水湿潤状態の平均太さ（μｍ）＝ｚ３×（ｘ３／ｙ３）」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの骨格の平均太さ、及びその乾燥状態の複合モノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの骨格の平均太さに、膨潤率を乗じて、複合モノリスイオン交換体の骨格の水湿潤状態の平均太さを算出することもできる。なお、共連続構造を形成する骨格は棒状であり円形断面形状であるが、楕円断面形状等異径断面のものが含まれていてもよい。この場合の太さは短径と長径の平均である。
【００２４】
また、三次元的に連続した骨格の平均直径が１μｍ未満であると、体積当りのイオン交換容量が低下してしまうため好ましくなく、６０μｍを超えると、脱イオン特性の均一性が失われるため好ましくない。
【００２５】
複合モノリスイオン交換体の水湿潤状態での孔の平均直径の好ましい値は１０〜１２０μｍである。複合モノリスイオン交換体を構成する有機多孔質体が第１の有機多孔質体の場合、複合モノリスイオン交換体の孔径の好ましい値は３０〜１２０μｍ、複合モノリスイオン交換体を構成する有機多孔質体が第２の有機多孔質体の場合、複合モノリスイオン交換体の孔径の好ましい値は１０〜９０μｍである。
【００２６】
本発明に係る複合モノリスイオン交換体において、水湿潤状態での粒子体の直径及び突起体の大きさは、４〜４０μｍ、好ましくは４〜３０μｍ、特に好ましくは４〜２０μｍである。なお、本発明において、粒子体及び突起体は、共に骨格表面に突起状に観察されるものであり、粒状に観察されるものを粒子体と称し、粒状とは言えない突起状のものを突起体と称する。図２１に、突起体の模式的な断面図を示す。図２１中の（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、骨格表面６１から突き出している突起状のものが突起体６２であり、突起体６２には、（Ａ）に示す突起体６２ａのように粒状に近い形状のもの、（Ｂ）に示す突起体６２ｂのように半球状のもの、（Ｃ）に示す突起体６２ｃのように骨格表面の盛り上がりのようなもの等が挙げられる。また、他には、突起体６１には、（Ｄ）に示す突起体６２ｄのように、骨格表面６１の平面方向よりも、骨格表面６１に対して垂直方向の方が長い形状のものや、（Ｅ）に示す突起体６２ｅのように、複数の方向に突起した形状のものもある。また、突起体の大きさは、ＳＥＭ観察したときのＳＥＭ画像で判断され、個々の突起体のＳＥＭ画像での幅が最も大きくなる部分の長さを指す。
【００２７】
本発明に係る複合モノリスイオン交換体において、全粒子体等中、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合は７０％以上、好ましくは８０％以上である。なお、全粒子体等中の水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合は、全粒子体等の個数に占める水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等の個数割合を指す。また、骨格相の表面は全粒子体等により４０％以上、好ましくは５０％以上被覆されている。なお、粒子体等による骨格層の表面の被覆割合は、ＳＥＭにより表面観察にしたときのＳＥＭ画像上の面積割合、つまり、表面を平面視したときの面積割合を指す。壁面や骨格を被覆している粒子の大きさが上記範囲を逸脱すると、流体と複合モノリスイオン交換体の骨格表面及び骨格内部との接触効率を改善する効果が小さくなってしまうため好ましくない。なお、全粒子体等とは、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等以外の大きさの範囲の粒子体及び突起体も全て含めた、骨格層の表面に形成されている全ての粒子体及び突起体を指す。
【００２８】
上記複合モノリスイオン交換体の骨格表面に付着した粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさは、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ画像の観察により得られる粒子体等の直径又は大きさに、乾燥状態から湿潤状態となった際の膨潤率を乗じて算出した値、又はイオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスのＳＥＭ画像の観察により得られる粒子体等の直径又は大きさに、イオン交換基導入前後の膨潤率を乗じて算出した値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ４（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ４（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体をＳＥＭ観察したときのＳＥＭ画像中の粒子体等の直径又は大きさがｚ４（μｍ）であったとすると、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさ（μｍ）は、次式「水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさ（μｍ）＝ｚ４×（ｘ４／ｙ４）」で算出される。そして、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ画像中に観察される全ての粒子体等の直径又は大きさを測定して、その値を基に、１視野のＳＥＭ画像中の全粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさを算出する。この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ観察を少なくとも３回行い、全視野において、ＳＥＭ画像中の全粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさを算出して、直径又は大きさが４〜４０μｍにある粒子体等が観察されるか否かを確認し、全視野において確認された場合、複合モノリスイオン交換体の骨格表面上に、直径又は大きさが水湿潤状態で４〜４０μｍにある粒子体が形成されていると判断する。また、上記に従って１視野毎にＳＥＭ画像中の全粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさを算出し、各視野毎に、全粒子体等に占める水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等の割合を求め、全視野において、全粒子体等中の水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合が７０％以上であった場合には、複合モノリスイオン交換体の骨格表面に形成されている全粒子体等中、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合は７０％以上であると判断する。また、上記に従って１視野毎にＳＥＭ画像中の全粒子体等による骨格層の表面の被覆割合を求め、全視野において、全粒子体等による骨格層の表面の被覆割合が４０％以上であった場合には、複合モノリスイオン交換体の骨格層の表面が全粒子体等により被覆されている割合が４０％以上であると判断する。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの粒子体等の直径又は大きさと、その乾燥状態のモノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率とがわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの粒子体等の直径又は大きさに、膨潤率を乗じて、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさを算出して、上記と同様にして、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさ、全粒子体等中、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合、粒子体等による骨格層の表面の被覆割合を求めることもできる。
【００２９】
粒子体等による骨格相表面の被覆率が４０％未満であると、流体と複合モノリスイオン交換体の骨格内部及び骨格表面との接触効率を改善する効果が小さくなり、イオン交換挙動の均一性が損なわれてしまうため好ましくない。上記粒子体等による被覆率の測定方法としては、モノリス（乾燥体）のＳＥＭ画像による画像解析方法が挙げられる。
【００３０】
また、複合モノリスイオン交換体の全細孔容積は、複合モノリスの全細孔容積と同様である。すなわち、複合モノリスにイオン交換基を導入することで膨潤し開口径が大きくなっても、骨格相が太るため全細孔容積はほとんど変化しない。全細孔容積が０．５ｍｌ／ｇ未満であると、流体透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。一方、全細孔容積が５ｍｌ／ｇを超えると、体積当りのイオン交換容量が低下してしまうため好ましくない。なお、複合モノリス（モノリス中間体、複合モノリス、複合モノリスイオン交換体）の全細孔容積は、乾燥状態でも、水湿潤状態でも、同じである。
【００３１】
なお、複合モノリスイオン交換体に水を透過させた際の圧力損失は、複合モノリスに水を透過させた際の圧力損失と同様である。
【００３２】
本発明の複合モノリスイオン交換体は、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量が０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上、好ましくは０．３〜１．８ｍｇ当量／ｍｌのイオン交換容量を有する。体積当りのイオン交換容量が０．２ｍｇ当量／ｍｌ未満であると、脱塩効率が低下してしまうため好ましくない。なお、本発明の複合モノリスイオン交換体の乾燥状態における重量当りのイオン交換容量は特に限定されないが、イオン交換基が複合モノリスの骨格表面及び骨格内部にまで均一に導入しているため、３〜５ｍｇ当量/ｇである。なお、イオン交換基が骨格の表面のみに導入された有機多孔質体のイオン交換容量は、有機多孔質体やイオン交換基の種類により一概には決定できないものの、せいぜい５００μｇ当量/ｇである。
【００３３】
本発明の複合モノリスに導入するイオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、リン酸基、リン酸エステル基等のカチオン交換基；四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン基、第三スルホニウム基、ホスホニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
【００３４】
本発明の複合モノリスイオン交換体において、導入されたイオン交換基は、複合モノリスの骨格の表面のみならず、骨格相内部にまで均一に分布している。ここで言う「イオン交換基が均一に分布している」とは、イオン交換基の分布が少なくともμｍオーダーで骨格相の表面および骨格相の内部に均一に分布していることを指す。イオン交換基の分布状況は、ＥＰＭＡ等を用いることで、比較的簡単に確認することができる。また、イオン交換基が、複合モノリスの表面のみならず、骨格相の内部にまで均一に分布していると、表面と内部の物理的性質及び化学的性質を均一にできるため、膨潤及び収縮に対する耐久性が向上する。
【００３５】
本発明の複合モノリスイオン交換体は、その厚みが１ｍｍ以上であり、膜状の多孔質体とは区別される。厚みが１ｍｍ未満であると、多孔質体一枚当りのイオン交換容量が極端に低下してしまうため好ましくない。該複合モノリスイオン交換体の厚みは、好適には３ｍｍ〜１０００ｍｍである。また、本発明の複合モノリスイオン交換体は、骨格の基本構造が連続空孔構造であるため、機械的強度が高い。
【００３６】
本発明の複合モノリスイオン交換体は、イオン交換基を含まない油溶性モノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第１架橋剤、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が５〜３０ｍｌ/ｇの連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体を得るＩ工程、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第２架橋剤、ビニルモノマーや第２架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製するＩＩ工程、ＩＩ工程で得られた混合物を静置下、且つ該Ｉ工程で得られたモノリス状の有機多孔質中間体の存在下で重合を行うＩＩＩ工程、ＩＩＩ工程で得られたモノリス状有機多孔質体にイオン交換基を導入するＩＶ工程、を行い、モノリス状有機多孔質体を製造する際に、下記（１）〜（５）：
（１）ＩＩＩ工程における重合温度が、重合開始剤の１０時間半減温度より、少なくとも５℃低い温度である；
（２）ＩＩ工程で用いる第２架橋剤のモル％が、Ｉ工程で用いる第１架橋剤のモル％の２倍以上である；
（３）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーが、Ｉ工程で用いた油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーである；
（４）ＩＩ工程で用いる有機溶媒が、分子量２００以上のポリエーテルである；
（５）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーの濃度が、ＩＩ工程の混合物中、３０重量％以下である；の条件のうち、少なくとも一つを満たす条件下でＩＩ工程又はＩＩＩ工程を行うことにより得られる。
【００３７】
（モノリス中間体の製造方法）
本発明のモノリスの製造方法において、Ｉ工程は、イオン交換基を含まない油溶性モノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第１架橋剤、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が５〜３０ｍｌ/ｇの連続マクロポア構造のモノリス中間体を得る工程である。このモノリス中間体を得るＩ工程は、特開２００２−３０６９７６号公報記載の方法に準拠して行なえばよい。
【００３８】
イオン交換基を含まない油溶性モノマーとしては、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、四級アンモニウム基等のイオン交換基を含まず、水に対する溶解性が低く、親油性のモノマーが挙げられる。これらモノマーの好適なものとしては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ジビニルベンゼン、エチレン、プロピレン、イソブテン、ブタジエン、エチレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。これらモノマーは、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００３９】
一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第１架橋剤としては、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。これら架橋剤は、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。好ましい第１架橋剤は、機械的強度の高さから、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル等の芳香族ポリビニル化合物である。第１架橋剤の使用量は、ビニルモノマーと第１架橋剤の合計量に対して０．３〜１０モル％、特に０．３〜５モル％、更に０．３〜３モル％であることが好ましい。第１架橋剤の使用量が０．３モル％未満であると、モノリスの機械的強度が不足するため好ましくない。一方、１０モル％を越えると、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。
【００４０】
界面活性剤は、イオン交換基を含まない油溶性モノマーと水とを混合した際に、油中水滴型（Ｗ／Ｏ）エマルジョンを形成できるものであれば特に制限はなく、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノパルミテート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタントリオレエート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート等の非イオン界面活性剤；オレイン酸カリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、スルホコハク酸ジオクチルナトリウム等の陰イオン界面活性剤；ジステアリルジメチルアンモニウムクロライド等の陽イオン界面活性剤；ラウリルジメチルベタイン等の両性界面活性剤を用いることができる。これら界面活性剤は１種単独又は２種類以上を組み合わせて使用することができる。なお、油中水滴型エマルジョンとは、油相が連続相となり、その中に水滴が分散しているエマルジョンを言う。上記界面活性剤の添加量としては、油溶性モノマーの種類および目的とするエマルジョン粒子（マクロポア）の大きさによって大幅に変動するため一概には言えないが、油溶性モノマーと界面活性剤の合計量に対して約２〜７０％の範囲で選択することができる。
【００４１】
また、Ｉ工程では、油中水滴型エマルジョン形成の際、必要に応じて重合開始剤を使用してもよい。重合開始剤は、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は水溶性であっても油溶性であってもよく、例えば、２，２’-アゾビス（イソブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビス（２−メチルブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（４-メトキシ-２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、４，４’-アゾビス（４-シアノ吉草酸）、１，１’-アゾビス（シクロヘキサン-1-カルボニトリル）、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素−塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム−酸性亜硫酸ナトリウム等が挙げられる。
【００４２】
イオン交換基を含まない油溶性モノマー、第１架橋剤、界面活性剤、水及び重合開始剤とを混合し、油中水滴型エマルジョンを形成させる際の混合方法としては、特に制限はなく、各成分を一括して一度に混合する方法、油溶性モノマー、第１架橋剤、界面活性剤及び油溶性重合開始剤である油溶性成分と、水や水溶性重合開始剤である水溶性成分とを別々に均一溶解させた後、それぞれの成分を混合する方法などが使用できる。エマルジョンを形成させるための混合装置についても特に制限はなく、通常のミキサーやホモジナイザー、高圧ホモジナイザー等を用いることができ、目的のエマルジョン粒径を得るのに適切な装置を選択すればよい。また、混合条件についても特に制限はなく、目的のエマルジョン粒径を得ることができる攪拌回転数や攪拌時間を、任意に設定することができる。
【００４３】
Ｉ工程で得られるモノリス中間体は、連続マクロポア構造を有する。これを重合系に共存させると、そのモノリス中間体の構造を鋳型として連続マクロポア構造の骨格相の表面に粒子体等が形成したり、共連続構造の骨格相の表面に粒子体等が形成したりする。また、モノリス中間体は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。該ポリマー材料の架橋密度は特に限定されないが、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、０．３〜１０モル％、好ましくは０．３〜５モル％の架橋構造単位を含んでいることが好ましい。架橋構造単位が０．３モル％未満であると、機械的強度が不足するため好ましくない。一方、１０モル％を越えると、多孔質体の脆化が進行し、柔軟性が失われるため好ましくない。
【００４４】
モノリス中間体の全細孔容積は、５〜３０ｍｌ／ｇ、好適には６〜２８ｍｌ／ｇである。全細孔容積が小さ過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの全細孔容積が小さくなりすぎ、流体透過時の圧力損失が大きくなるため好ましくない。一方、全細孔容積が大き過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの構造が不均一になりやすく、場合によっては構造崩壊を引き起こすため好ましくない。モノリス中間体の全細孔容積を上記数値範囲とするには、モノマーと水の比（重量）を、概ね１：５〜１：３５とすればよい。
【００４５】
このモノマーと水との比を、概ね１：５〜１：２０とすれば、モノリス中間体の全細孔容積が５〜１６ｍｌ/ｇの連続マクロポア構造のものが得られ、ＩＩＩ工程を経て得られる複合モノリスの有機多孔質体が第１の有機多孔質体のものが得られる。また、該配合比率を、概ね１：２０〜１：３５とすれば、モノリス中間体の全細孔容積が１６ｍｌ/ｇを超え、３０ｍｌ/ｇ以下の連続マクロポア構造のものが得られ、ＩＩＩ工程を経て得られる複合モノリスの有機多孔質体が第２の有機多孔質体のものが得られる。
【００４６】
また、モノリス中間体は、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口（メソポア）の平均直径が乾燥状態で２０〜１００μｍである。開口の平均直径が２０μｍ未満であると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が小さくなり、通水過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。一方、１００μｍを超えると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が大きくなりすぎ、水の流路が均一に形成されにくくなるため好ましくない。モノリス中間体は、マクロポアの大きさや開口の径が揃った均一構造のものが好適であるが、これに限定されず、均一構造中、均一なマクロポアの大きさよりも大きな不均一なマクロポアが点在するものであってもよい。
【００４７】
（複合モノリスの製造方法）
ＩＩ工程は、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第２架橋剤、ビニルモノマーや第２架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製する工程である。なお、Ｉ工程とＩＩ工程の順序はなく、Ｉ工程後にＩＩ工程を行ってもよく、ＩＩ工程後にＩ工程を行ってもよい。
【００４８】
ＩＩ工程で用いられるビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性のビニルモノマーであれば、特に制限はない。これらビニルモノマーの具体例としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ビニルビフェニル、ビニルナフタレン等の芳香族ビニルモノマー；エチレン、プロピレン、１-ブテン、イソブテン等のα-オレフィン；ブタジエン、イソプレン、クロロプレン等のジエン系モノマー；塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン等のハロゲン化オレフィン；アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル系モノマー；酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル；アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸２-エチルヘキシル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸グリシジル等の（メタ）アクリル系モノマーが挙げられる。これらモノマーは、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。本発明で好適に用いられるビニルモノマーは、スチレン、ビニルベンジルクロライド等の芳香族ビニルモノマーである。
【００４９】
これらビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体に対して、重量で３〜４０倍、好ましくは４〜３０倍である。ビニルモノマー添加量が多孔質体に対して３倍未満であると、生成したモノリスの骨格に粒子体を形成できず、イオン交換基導入後の体積当りのイオン交換容量が小さくなってしまうため好ましくない。一方、ビニルモノマー添加量が４０倍を超えると、開口径が小さくなり、流体透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。
【００５０】
ＩＩ工程で用いられる第２架橋剤は、分子中に少なくとも２個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好適に用いられる。第２架橋剤の具体例としては、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ブタンジオールジアクリレート等が挙げられる。これら第２架橋剤は、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。好ましい第２架橋剤は、機械的強度の高さと加水分解に対する安定性から、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル等の芳香族ポリビニル化合物である。第２架橋剤の使用量は、ビニルモノマーと第２架橋剤の合計量に対して０．３〜２０モル％、特に０．３〜１０モル％であることが好ましい。架橋剤使用量が０．３モル％未満であると、モノリスの機械的強度が不足するため好ましくない。一方、２０モル％を越えると、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。
【００５１】
ＩＩ工程で用いられる有機溶媒は、ビニルモノマーや第２架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒、言い換えると、ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。該有機溶媒は、ビニルモノマーの種類によって大きく異なるため一般的な具体例を列挙することは困難であるが、例えば、ビニルモノマーがスチレンの場合、有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、オクタノール、2-エチルヘキサノール、デカノール、ドデカノール、プロピレングリコール、テトラメチレングリコール等のアルコール類；ジエチルエーテル、ブチルセロソルブ、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール等の鎖状（ポリ）エーテル類；ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、デカン、ドデカン等の鎖状飽和炭化水素類；酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸セロソルブ、プロピオン酸エチル等のエステル類が挙げられる。また、ジオキサンやＴＨＦ、トルエンのようにポリスチレンの良溶媒であっても、上記貧溶媒と共に用いられ、その使用量が少ない場合には、有機溶媒として使用することができる。これら有機溶媒の使用量は、上記ビニルモノマーの濃度が５〜８０重量％となるように用いることが好ましい。有機溶媒使用量が上記範囲から逸脱してビニルモノマー濃度が５重量％未満となると、重合速度が低下してしまうため好ましくない。一方、ビニルモノマー濃度が８０重量％を超えると、重合が暴走する恐れがあるため好ましくない。
【００５２】
重合開始剤としては、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は油溶性であるほうが好ましい。本発明で用いられる重合開始剤の具体例としては、２，２’-アゾビス（イソブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビス（２−メチルブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（４-メトキシ-２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、４，４’-アゾビス（４-シアノ吉草酸）、１，１’-アゾビス（シクロヘキサン-1-カルボニトリル）、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、テトラメチルチウラムジスルフィド等が挙げられる。重合開始剤の使用量は、モノマーの種類や重合温度等によって大きく変動するが、ビニルモノマーと第２架橋剤の合計量に対して、約０．０１〜５％の範囲で使用することができる。
【００５３】
ＩＩＩ工程は、ＩＩ工程で得られた混合物を静置下、且つ該Ｉ工程で得られたモノリス中間体の存在下、重合を行い、複合モノリスを得る工程である。ＩＩＩ工程で用いるモノリス中間体は、本発明の斬新な構造を有するモノリスを創出する上で、極めて重要な役割を担っている。特表平７−５０１１４０号等に開示されているように、モノリス中間体不存在下でビニルモノマーと第２架橋剤を特定の有機溶媒中で静置重合させると、粒子凝集型のモノリス状有機多孔質体が得られる。それに対して、本発明のように上記重合系に連続マクロポア構造のモノリス中間体を存在させると、重合後のモノリスの構造は劇的に変化し、粒子凝集構造は消失し、上述の特定の骨格構造を有するモノリスが得られる。
【００５４】
反応容器の内容積は、モノリス中間体を反応容器中に存在させる大きさのものであれば特に制限されず、反応容器内にモノリス中間体を載置した際、平面視でモノリスの周りに隙間ができるもの、反応容器内にモノリス中間体が隙間無く入るもののいずれであってもよい。このうち、重合後のモノリスが容器内壁から押圧を受けることなく、反応容器内に隙間無く入るものが、モノリスに歪が生じることもなく、反応原料などの無駄がなく効率的である。なお、反応容器の内容積が大きく、重合後のモノリスの周りに隙間が存在する場合であっても、ビニルモノマーや架橋剤は、モノリス中間体に吸着、分配されるため、反応容器内の隙間部分に粒子凝集構造物が生成することはない。
【００５５】
ＩＩＩ工程において、反応容器中、モノリス中間体は混合物（溶液）で含浸された状態に置かれる。ＩＩ工程で得られた混合物とモノリス中間体の配合比は、前述の如く、モノリス中間体に対して、ビニルモノマーの添加量が重量で３〜４０倍、好ましくは４〜３０倍となるように配合するのが好適である。これにより、適度な開口径を有しつつ、特定の骨格を有するモノリスを得ることができる。反応容器中、混合物中のビニルモノマーと架橋剤は、静置されたモノリス中間体の骨格に吸着、分配しされ、モノリス中間体の骨格内で重合が進行する。
【００５６】
重合条件は、モノマーの種類、開始剤の種類により様々な条件が選択できる。例えば、開始剤として２，２’-アゾビス（イソブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（２，４-ジメチルバレロニトリル）、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル等を用いたときには、不活性雰囲気下の密封容器内において、２０〜１００℃で１〜４８時間加熱重合させればよい。加熱重合により、モノリス中間体の骨格に吸着、分配したビニルモノマーと架橋剤が該骨格内で重合し、該特定の骨格構造を形成させる。重合終了後、内容物を取り出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒の除去を目的に、アセトン等の溶剤で抽出して特定骨格構造のモノリスを得る。
【００５７】
上述の複合モノリスを製造する際に、下記（１）〜（５）の条件のうち、少なくとも一つを満たす条件下でＩＩ工程又はＩＩＩ工程行うと、本発明の特徴的な構造である、骨格表面に粒子体等が形成された複合モノリスを製造することができる。
【００５８】
（１）ＩＩＩ工程における重合温度が、重合開始剤の１０時間半減温度より、少なくとも５℃低い温度である。
（２）ＩＩ工程で用いる第２架橋剤のモル％が、Ｉ工程で用いる第１架橋剤のモル％の２倍以上である。
（３）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーが、Ｉ工程で用いた油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーである。
（４）ＩＩ工程で用いる有機溶媒が、分子量２００以上のポリエーテルである。
（５）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーの濃度が、ＩＩ工程の混合物中、３０重量％以下である。
【００５９】
（上記（１）の説明）
１０時間半減温度は重合開始剤の特性値であり、使用する重合開始剤が決まれば１０時間半減温度を知ることができる。また、所望の１０時間半減温度があれば、それに該当する重合開始剤を選択することができる。ＩＩＩ工程において、重合温度を低下させることで、重合速度が低下し、骨格相の表面に粒子体等を形成させることができる。その理由は、モノリス中間体の骨格相の内部でのモノマー濃度低下が緩やかとなり、液相部からモノリス中間体へのモノマー分配速度が低下するため、余剰のモノマーがモノリス中間体の骨格層の表面近傍で濃縮され、その場で重合したためと考えられる。
【００６０】
重合温度の好ましいものは、用いる重合開始剤の１０時間半減温度より少なくとも１０℃低い温度である。重合温度の下限値は特に限定されないが、温度が低下するほど重合速度が低下し、重合時間が実用上許容できないほど長くなってしまうため、重合温度を１０時間半減温度に対して５〜２０℃低い範囲に設定することが好ましい。
【００６１】
（（２）の説明）
ＩＩ工程で用いる第２架橋剤のモル％を、Ｉ工程で用いる第１架橋剤のモル％の２倍以上に設定して重合すると、本発明の複合モノリスが得られる。その理由は、モノリス中間体と含浸重合によって生成したポリマーとの相溶性が低下し相分離が進行するため、含浸重合によって生成したポリマーはモノリス中間体の骨格相の表面近傍に排除され、骨格相表面に粒子体等の凹凸を形成したものと考えられる。なお、架橋剤のモル％は、架橋密度モル％であって、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対する架橋剤量（モル％）を言う。
【００６２】
ＩＩ工程で用いる第２架橋剤モル％の上限は特に制限されないが、第２架橋剤モル％が著しく大きくなると、重合後のモノリスにクラックが発生する、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。好ましい第２架橋剤モル％の倍数は２倍〜１０倍である。一方、Ｉ工程で用いる第１架橋剤モル％をＩＩ工程で用いられる第２架橋剤モル％に対して２倍以上に設定しても、骨格相表面への粒子体等の形成は起こらず、本発明の複合モノリスは得られない。
【００６３】
（（３）の説明）
ＩＩ工程で用いるビニルモノマーが、Ｉ工程で用いた油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーであると、本発明の複合モノリスが得られる。例えば、スチレンとビニルベンジルクロライドのように、ビニルモノマーの構造が僅かでも異なると、骨格相表面に粒子体等が形成された複合モノリスが生成する。一般に、僅かでも構造が異なる二種類のモノマーから得られる二種類のホモポリマーは互いに相溶しない。したがって、Ｉ工程で用いたモノリス中間体形成に用いたモノマーとは異なる構造のモノマー、すなわち、Ｉ工程で用いたモノリス中間体形成に用いたモノマー以外のモノマーをＩＩ工程で用いてＩＩＩ工程で重合を行うと、ＩＩ工程で用いたモノマーはモノリス中間体に均一に分配や含浸がされるものの、重合が進行してポリマーが生成すると、生成したポリマーはモノリス中間体とは相溶しないため、相分離が進行し、生成したポリマーはモノリス中間体の骨格相の表面近傍に排除され、骨格相の表面に粒子体等の凹凸を形成したものと考えられる。
【００６４】
（（４）の説明）
ＩＩ工程で用いる有機溶媒が、分子量２００以上のポリエーテルであると、本発明の複合モノリスが得られる。ポリエーテルはモノリス中間体との親和性が比較的高く、特に低分子量の環状ポリエーテルはポリスチレンの良溶媒、低分子量の鎖状ポリエーテルは良溶媒ではないがかなりの親和性を有している。しかし、ポリエーテルの分子量が大きくなると、モノリス中間体との親和性は劇的に低下し、モノリス中間体とほとんど親和性を示さなくなる。このような親和性に乏しい溶媒を有機溶媒に用いると、モノマーのモノリス中間体の骨格内部への拡散が阻害され、その結果、モノマーはモノリス中間体の骨格の表面近傍のみで重合するため、骨格相表面に粒子体等が形成され骨格表面に凹凸を形成したものと考えられる。
【００６５】
ポリエーテルの分子量は、２００以上であれば上限に特に制約はないが、あまりに高分子量であると、ＩＩ工程で調製される混合物の粘度が高くなり、モノリス中間体内部への含浸が困難になるため好ましくない。好ましいポリエーテルの分子量は２００〜１０００００、特に好ましくは２００〜１００００である。また、ポリエーテルの末端構造は、未修飾の水酸基であっても、メチル基やエチル基等のアルキル基でエーテル化されていてもよいし、酢酸、オレイン酸、ラウリン酸、ステアリン酸等でエステル化されていてもよい。
【００６６】
（（５）の説明）
ＩＩ工程で用いるビニルモノマーの濃度が、ＩＩ工程中の混合物中、３０重量％以下であると、本発明の複合モノリスが得られる。ＩＩ工程でモノマー濃度を低下させることで、重合速度が低下し、前記（１）と同様の理由で、骨格相表面に粒子体等が形成でき、骨格相表面に凹凸を形成されることができる。モノマー濃度の下限値は特に限定されないが、モノマー濃度が低下するほど重合速度が低下し、重合時間が実用上許容できないほど長くなってしまうため、モノマー濃度は１０〜３０重量％に設定することが好ましい。
【００６７】
ＩＩＩ工程で得られた複合モノリスは、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される多数の突起体との複合構造体である。有機多孔質体の連続骨格相と連続空孔相は、ＳＥＭ画像により観察することができる。有機多孔質体の基本構造は、連続マクロポア構造か、共連続構造である。
【００６８】
複合モノリスにおける連続マクロポア構造は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が乾燥状態での平均直径２０〜１００μｍの開口となるものであり、複合モノリスにおける共連続構造体は、平均の太さが乾燥状態で０．８〜４０μｍの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に乾燥で平均直径が８〜８０μｍの三次元的に連続した空孔とからなるものである。
【００６９】
ＩＶ工程は、ＩＩＩ工程で得られた複合モノリスにイオン交換基を導入する工程である。この導入方法によれば、得られる複合モノリスイオン交換体の多孔構造を厳密にコントロールできる。
【００７０】
上記複合モノリスにイオン交換基を導入する方法としては、特に制限はなく、高分子反応やグラフト重合等の公知の方法を用いることができる。例えば、スルホン酸基を導入する方法としては、複合モノリスがスチレン-ジビニルベンゼン共重合体等であればクロロ硫酸や濃硫酸、発煙硫酸を用いてスルホン化する方法；複合モノリスに均一にラジカル開始基や連鎖移動基を骨格表面及び骨格内部に導入し、スチレンスルホン酸ナトリウムやアクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸をグラフト重合する方法；同様にグリシジルメタクリレートをグラフト重合した後、官能基変換によりスルホン酸基を導入する方法等が挙げられる。また、四級アンモニウム基を導入する方法としては、複合モノリスがスチレン-ジビニルベンゼン共重合体等であればクロロメチルメチルエーテル等によりクロロメチル基を導入した後、三級アミンと反応させる方法；複合モノリスをクロロメチルスチレンとジビニルベンゼンの共重合により製造し、三級アミンと反応させる方法；モノリスに、均一にラジカル開始基や連鎖移動基を骨格表面及び骨格内部導入し、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルアンモニウムエチルアクリレートやＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルアンモニウムプロピルアクリルアミドをグラフト重合する方法；同様にグリシジルメタクリレートをグラフト重合した後、官能基変換により四級アンモニウム基を導入する方法等が挙げられる。これらの方法のうち、スルホン酸基を導入する方法については、クロロ硫酸を用いてスチレン-ジビニルベンゼン共重合体にスルホン酸基を導入する方法が、四級アンモニウム基を導入する方法としては、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体にクロロメチルメチルエーテル等によりクロロメチル基を導入した後、三級アミンと反応させる方法やクロロメチルスチレンとジビニルベンゼンの共重合によりモノリスを製造し、三級アミンと反応させる方法が、イオン交換基を均一かつ定量的に導入できる点で好ましい。なお、導入するイオン交換基としては、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、スルホン酸基、リン酸基、リン酸エステル基等のカチオン交換基；四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン基、第三スルホニウム基、ホスホニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
【００７１】
本発明において、被処理水としては、脱イオン処理を目的とするものであり、濁質を含まないものであれば特に限定されないが、例えば、濁度１度程度以下の工業用水や市水などを挙げることができる。
【００７２】
次に、本発明の第１の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１７を参照して説明する。図１７は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図１７の電気式脱イオン水製造装置２０Ａは、被処理水から陽イオン性不純物を除去する電気式脱陽イオン水製造装置２０ａと、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの処理水から陰イオン性不純物を除去する電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂとからなるものである。電気式脱陽イオン水製造装置２０ａは、一側のイオン交換膜１７と他側の陽イオン交換膜１で区画される脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、一側のイオン交換膜１７の外側に配設される陽極１０と、他側の陽イオン交換膜１の外側に配設される陰極９と、脱陽イオン室６中の他側の陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、該脱陽イオン室６中の一側のイオン交換膜１７近傍に配設される第１処理水集水部４ａとを有するものである。すなわち、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの多孔質陽イオン交換体１５内における通水方向は図１７中の実線の矢印方向である下から上である。
【００７３】
一方、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂは、一側の陰イオン交換膜２と他側のイオン交換膜１７で区画される脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側の陰イオン交換膜２の外側に配設される陽極１０と、他側のイオン交換膜１７の外側に配設される陰極９と、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの第１処理水集水部４ａと連通管５ａで接続される脱陰イオン室７中の一側の陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の他側のイオン交換膜１７近傍に配設される第２処理水集水部４ｂとを有するものである。すなわち、電気式脱陽イオン水製造装置２０ｂの多孔質陰イオン交換体１６内における通水方向は図１７中の実線の矢印方向である上から下である。
【００７４】
本例の電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの脱陽イオン室６に充填される有機多孔質陽イオン交換体１５は、前述の複合構造の有機多孔質陽イオン交換体であり、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの脱陰イオン室７に充填される有機多孔質陰イオン交換体１６は、前述の複合構造の有機多孔質陰イオン交換体である。また、脱陽イオン室６及び脱陰イオン室７の形状としては、排除されるイオンが、多孔質イオン交換体内の通水方向に対して逆方向に泳動するように電場を印加することができれば、特に制限されないが、例えば円柱状又は直方体状とすることが構成部材の製造のし易さ等の点から好適である。また、被処理水が移動する距離、即ち脱陽イオン室６及び脱陰イオン室７を構成する多孔質イオン交換体充填層の有効厚みは、２０〜６００ｍｍ、好ましくは３０〜３００ｍｍとすることが、電気抵抗値や通水差圧を低い値に抑えつつ脱イオン処理を確実に行うことができる点で好適である。両側のイオン交換膜で区画される脱イオン室への有機多孔質イオン交換体の充填方法としては、特に制限されず、例えば脱イオン室に合わせた形状の多孔質イオン交換体を製造してそのまま充填してもよいし、また、複数に分割した層状の有機多孔質イオン交換体を積層して充填してもよい。
【００７５】
電気式脱陽イオン水製造装置２０Ａにおいて、脱陽イオン室６に複合構造の有機多孔質陽イオン交換体１５を充填した場合、脱陰イオン室７に公知の有機多孔質陰イオン交換体や粒状の陰イオン交換体樹脂を使用することができる。また、脱陰イオン室７に複合構造の有機多孔質陰イオン交換体１６を充填した場合、脱陽イオン室６に公知の有機多孔質陽イオン交換体や粒状の陽イオン交換体樹脂を使用することができる。
【００７６】
陽イオン交換膜としては、陽イオンのみを透過させ、その両側の水を隔離できるものであれば、特に限定されないが、例えばフッ素樹脂母体に-ＳＯ３−基を導入した強酸性陽イオン交換膜（例えばＮａｆｉｏｎ １１７やＮａｆｉｏｎ ３５０（デュポン社製））及びスチレン−ジビニルベンゼン共重合体母体に-ＳＯ３−基を導入した強酸性陽イオン交換膜（例えばネオセプタ ＣＭＸ(徳山曹達社製)）等が挙げられる。陰イオン交換膜としては、陰イオンのみを透過させ、その両側の水を隔離できるものであれば、特に限定されないが、例えばフッ素樹脂母体に陰イオン交換基を導入した陰イオン交換膜（例えばＴＯＳＦＬＥＸ ＩＥ−ＳＡ、ＴＯＳＦＬＥＸ ＩＥ−ＤＦ、ＴＯＳＦＬＥＸ ＩＥ−ＳＦ(東ソー社製)）及びスチレン−ジビニルベンゼン共重合体母体に陰イオン交換基を導入した陰イオン交換膜（例えばネオセプタ ＡＭＨ(徳山曹達社製)）等が挙げられる。また、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａで用いるイオン交換膜１７は、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜のいずれかを用いることができる。
【００７７】
また、陰極９及び陽極１０としては、金属、合金、金属酸化物、これらのいずれかを基板としてメッキまたはコーティングしたもの及び焼結炭素等の導電性材料を用いることができ、その形状としては、板状、パンチングメタル及びメッシュ状等のものを用いることができる。特に、陽極１０の材質としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、β−ＰｂＯ2、ＮｉＦｅ２Ｏ４等が耐酸性に優れ、酸化され難い点で好適である。また、陰極９の材質としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、炭素鋼、ステンレス、Ａｇ、Ｃｕ、グラファイト、ガラス質カーボン等が耐アルカリ性に優れる点で好適である。
【００７８】
電極とイオン交換膜の配置は、電極とイオン交換膜を直接接触させる配置とすることが、運転時の電圧を下げて消費電力を低減させることができる点で好適である。電極とイオン交換膜を直接接触させる場合、特に陽極側においては、フッ素樹脂母体のイオン交換膜を用いて、強い酸化作用によるイオン交換膜の劣化を防ぐ必要がある。フッ素樹脂母体以外のイオン交換膜を用いる場合は、ポリオレフィン製メッシュなどの不導体スペーサーを電極とイオン交換膜の間に挿入することが、電極とイオン交換膜の直接の接触を避け、イオン交換膜を劣化から保護することができる点で好適である。ただし、フッ素樹脂母体のイオン交換膜であっても、脱陰イオン室７の陽極側のように第４級アンモニウム基などの陰イオン交換基が導入された陰イオン交換膜２と陽極１０が配設される場合は、ポリオレフィン製メッシュなどの不導体スペーサーを陽電極１０と陰イオン交換膜２の間に挿入することが、陰イオン交換基の酸化を防止して、イオン交換膜を劣化から保護することができる点で好適である。
【００７９】
電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、第１及び第２被処理水導入分配部３ａ、３ｂ及び第１及び第２処理水集水部４ａ、４ｂとしては、例えば脱イオン室内に均等な被処理水の流れを形成せしめるように、脱イオン室形状に合わせて、配管に細孔を開けた分配管および集水管を同心円状や等間隔平行線状に多孔質イオン交換体内に埋設させる方法、及び多孔質イオン交換体の被処理水導入分配部と処理水集水部に溝を切り、多孔質イオン交換体そのものに被処理水分配及び処理水集水機能を持たせる方法が挙げられ、この中、多孔質イオン交換体そのものに被処理水分配及び処理水集水機能を持たせる方法が、別途の配管部材を用意することもなく簡単に作製することができる点で好適である。
【００８０】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、直流電流の配置形態としては、脱陽イオン室６と脱陰イオン室７の各室に個別の電源をおいて独立して通電する方法、又は単一の直流電源を用いて脱陽イオン室６と脱陰イオン室７を直列に接続して通電する方法が挙げられる。脱陽イオン室６と脱陰イオン室７を並列に接続して通電する方法は、一般に各脱イオン室の電気抵抗値が異なるため、脱イオン室間で通電電流値に差が生じ、吸着イオンの充分な排出を阻害する恐れがあるので好ましくない。
【００８１】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、直流電流の通電方法としては、イオン組成の変化などによって生じる多孔質イオン交換体の電気抵抗値の変動に合わせて自動的に電圧値を変動させる定電流運転が、流入するイオン負荷を電気的に効率的に排除することができる点で好ましい。必要電流値は、排除すべきイオン量、即ち被処理水の水質及び処理流量によって決定される。更に、断続運転の場合には、被処理水の水質や処理流量に加えて、通水時間と停止時間によっても必要電流値は異なる。このように、必要電流値は種々の条件によって変化するため、一概に決定することが困難であるが、電気式脱イオン水製造装置における電流効率に水質変動などを見越した安全率を加えた値と、次式で得られる必要最低電流値を乗じた値とすればよい。
【００８２】
脱陽イオン室における必要最低電流値Ｉｍｉｎ（Ａ）＝ＭｃＱＦ／（６０２×１０３）；脱陰イオン室における必要最低電流値Ｉｍｉｎ(Ａ)＝ＭａＱＦ／（６０２×１０３）；式中、Ｍｃは被処理水の全陽イオン（ｍｅｑ/ｌ）、Ｍａは全陰イオン（ｍｅｑ/ｌ）、Ｑは処理流量（ｌ/ｈ）、Ｆはファラデー定数（Ｃ／ｍｏｌ）である。なお、電流効率とは電流がイオンの排除に使われる率であって、本発明の電気式脱イオン水製造装置では９５〜１００％である。
【００８３】
また、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａの運転方法としては、連続運転及び断続運転のいずれでもよく、例えば被処理水の装置への連続通水及び連続通電による連続運転方法及び被処理水の通水を一定時間停止し、その通水停止時間のみ又は通水停止時間と通水時間の双方で直流電流を通電する断続運転方法とすることもできる。
【００８４】
電気式脱陽イオン水製造装置２０ａにおいて、被処理水は脱陽イオン室６の陰極９側から導入され、第１被処理水導入分配部３ａによって多孔質陽イオン交換体１５に均等に分配される。次いで、被処理水は多孔質陽イオン交換体１５内において陽イオンＸ+を吸着除去されながら陽極１０側へ移動し、酸性軟水となって第１処理水集水部４ａによって集水され第１処理水として脱陽イオン室６から排出される。次いで、該酸性軟水は連通管５ａによって脱陰イオン７室内の陽極１０側に導入され、同様に第２被処理水導入分配部３ｂによって多孔質陰イオン交換体１６に均等に分配される。次いで、被処理水である第１処理水は多孔質陰イオン交換体１６内において陰イオンＹ-を吸着除去されながら陰極９側へ移動し、第２処理水集水部４ｂによって集水され第２処理水として脱陰イオン室７から排出される。
【００８５】
一方、脱陽イオン室６で有機多孔質陽イオン交換体１５に吸着された陽イオンＸ＋は、脱陽イオン室６の両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陰極９側の陽イオン交換膜１を通過して陰極室１２へ排出される。同様に、脱陰イオン室７で有機多孔質陰イオン交換体１６に吸着された陰イオンＹ−は、脱陰イオン室７の両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陽極１０側の陰イオン交換膜２を通過して陽極室１３へ排出される。
【００８６】
陰極室１２に排出された不純物陽イオンは、電極室入口Ｃから流入し、電極室出口ｃから流出する電極水に取り込まれ系外に排出される。同様に陽極室１３に排出された不純物陰イオンは、電極室入口Ｄから流入し、電極室出口ｄから流出する電極水に取り込まれ系外に排出される。電極水は被処理水の一部を分岐させて４つの電極室に独立に流してもよく、また、陽極水系及び陰極水系の２系統にそれぞれ流すようにしてもよい。また、電極水は常時流してもよく、断続的に適宜流してもよい。
【００８７】
かかる操作により、多孔質イオン交換体内における吸着不純物イオンの濃度分布は、常に被処理水流入側において高く、流出側において低い。このため、処理水集水部４付近における多孔質イオン交換体はほぼ完全再生形が維持されるため、被処理水中の不純物イオンを低濃度まで吸着することが可能であり、高純度の脱イオン水を安定してユースポイント等に供給することができる。また、不純物陽イオンと不純物陰イオンは、それぞれ別個に装置外へ排出されるため、従来の電気式脱イオン水製造装置のように装置内において混合されることがなく、被処理水にカルシウムやマグネシウムなどの硬度成分が含まれた場合でも、装置内にスケールが発生することがない。
【００８８】
なお、電気式脱イオン水製造装置２０Ａの通水方法として、上記以外に、例えば被処理水を電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂで処理し、次いで電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの処理水を電気式脱陽イオン水製造装置２０ａで処理する方法を採ることができる。この方法は、軟水のようにカルシウム、マグネシウムなどの硬度成分を含まない被処理水に適用することができる。しかし、このような軟水以外の水を処理する場合は、被処理水の通水順序を脱陽イオン室６から脱陰イオン室７とすることが、通水順序を逆にした場合に起こりうる脱陰イオン室７内における硬度成分の析出を防止することができる点で好適である。
【００８９】
次に、本発明の第２の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１８を参照して説明する。図１８は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図１８において、図１７と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。図１８の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂにおいて図１７と異なる点は、電極１組を省略して、１組の電極間に脱陽イオン室と脱陰イオン室を併設した点にある。すなわち、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂは、一側の陽イオン交換膜１と、一側の陽イオン交換膜１と他側の陰イオン交換膜２の間に形成される中間陽イオン交換膜１とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、他側の陰イオン交換膜２と中間陽イオン交換膜１で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側の陽イオン交換膜１の外側に配設される陰極９と、他側の陰イオン交換膜２の外側に配設される陽極１０と、脱陽イオン室６中の一側の陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、脱陽イオン室６中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第１処理水集水部４ａと、第１処理水集水部４ａと連通管５ｂで接続される脱陰イオン室７中の他側の陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第２処理水集水部４ｂと、を備えるものである。
【００９０】
なお、電気式脱陽イオン水製造装置２０Ｂにおいて、脱陽イオン室６に複合構造の有機多孔質陽イオン交換体１５を充填した場合、脱陰イオン室７に公知の有機多孔質陰イオン交換体や粒状の陰イオン交換体樹脂を使用することができる。また、脱陰イオン室７に複合構造の有機多孔質陰イオン交換体１６を充填した場合、脱陽イオン室６に公知の有機多孔質陽イオン交換体や粒状の陽イオン交換体樹脂を使用することができる。
【００９１】
電気式脱イオン水製造装置２０Ｂにおいては、電気式脱イオン水製造装置２０Ａと同様、被処理水は脱陽イオン室６の陰極９側から導入され、第１被処理水導入分配部３ａによって多孔質陽イオン交換体１５に均等に分配される。次いで、被処理水は多孔質陽イオン交換体１５内において陽イオンＸ＋を吸着除去されながら中間陽イオン交換膜１側へ移動し、酸性軟水となって第１処理水集水部４ａによって集水され第１処理水として脱陽イオン室６から排出される。次いで、第１処理水は連通管５ｂによって脱陰イオン室７内の陽極１０側に導入され、同様に第２被処理水導入分配部３ｂによって多孔質陰イオン交換体１６に均等に分配される。次いで、被処理水である第１処理水は多孔質陰イオン交換体１６内において陰イオンＹ−を吸着除去されながら中間陽イオン交換膜１側へ移動し、第２処理水集水部４ｂによって集水され第２処理水として脱陰イオン室７から排出される。
【００９２】
一方、脱陽イオン室６で有機多孔質陽イオン交換体１５に吸着された陽イオンＸ＋は、該装置２０Ｂの両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陰極９側の陽イオン交換膜１を通過して陰極室１２へ排出される。同様に、脱陰イオン室７で有機多孔質陰イオン交換体１６に吸着された陰イオンＹ−は、同様に陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陽極１０側の陰イオン交換膜２を通過して陽極室１３へ排出される。第２の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂによれば、第１の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａと同様の効果を奏する他、電極１組を省略して装置の小型化、簡素化を図ることができる。
【００９３】
次に、本発明の第３の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１９を参照して説明する。図１９は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図１９において、図１７と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。図１９の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃにおいて図１７と異なる点は、電極１組を省略して、１組の電極間に脱陽イオン室と脱陰イオン室を併設すると共に、排除するイオンを中央に設けた濃縮室に集める構造とした点にある。すなわち、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃは、一側のイオン交換膜１７と、一側のイオン交換膜１７と他側のイオン交換膜１７の間に形成される中間陽イオン交換膜１とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、中間陽イオン交換膜１と、中間陽イオン交換膜１と他側のイオン交換膜１７の間に形成される中間陰イオン交換膜２とで区画される濃縮室１１と、他側のイオン交換膜１７と中間陰イオン交換膜２で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側のイオン交換膜１７の外側に配設される陽極１０と、他側のイオン交換膜１７の外側に配設される陰極９と、脱陽イオン室６中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、脱陽イオン室６中の一側のイオン交換膜１７近傍に配設される第１処理水集水部４ａと、第１処理水集水部４ａと連通管５ｂで接続される脱陰イオン室７中の中間陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の他側のイオン交換膜１７近傍に配設される第２処理水集水部４ｂとを備えるものである。
【００９４】
なお、電気式脱陽イオン水製造装置２０Ｃにおいて、脱陽イオン室６に複合構造の有機多孔質陽イオン交換体１５を充填した場合、脱陰イオン室７に公知の有機多孔質陰イオン交換体や粒状の陰イオン交換体樹脂を使用することができる。また、脱陰イオン室７に複合構造の有機多孔質陰イオン交換体１６を充填した場合、脱陽イオン室６に公知の有機多孔質陽イオン交換体や粒状の陽イオン交換体樹脂を使用することができる。
【００９５】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃにおいて、脱陽イオン室６における被処理水の通水方向は中央の濃縮室１１側から陽極１０側に向かう方向であり、排除される陽イオンＸ＋はその逆方向である。また、脱陰イオン室７における被処理水の通水方向は中央の濃縮室１１側から陰極９側に向かう方向であり、排除される陰イオンＹ−はその逆方向である。濃縮室１１に流入した不純物イオンは、濃縮室入口Ｂから流入し、濃縮室出口ｂから流出する濃縮水に取り込まれて系外に排出される。濃縮室１１を流れる濃縮水は、例えば被処理水の一部が使用できる。電気式脱イオン水製造装置２０Ｃによれば、電気式脱イオン水製造装置２０Ｂと同様の効果を奏することができる。しかし、カルシウムイオンやマグネシウムイオン等の陽イオンと炭酸イオン等の陰イオンが濃縮室１１内で混合されるため、濃縮室１１内の陰イオン交換膜２面にスケールが発生する恐れがある。従って、電気式脱イオン水製造装置２０Ｃの前段部分に、軟化や一次脱塩などを行う前処理手段を設置することが望ましい。
【００９６】
本発明の電気式脱イオン水製造装置においては、電極反応によって、陽極において酸素及び塩素などのガスが少量生成し、陰極において水素などのガスが少量生成する。このため、各電極室又は電極水配管の途中には、気液分離手段と排ガス配管を設け、常時または断続的に生成ガスを排出し、更に、ガスの種類に応じた適正な処理を経て系外に放出する。また、同様に電極反応によって、特に陰極でカルシウム等の金属が析出することがある。この場合、一定運転時間毎に電極の極性を反転させる方法、電極水配管に１ｍｏｌ／ｌ程度の硝酸などの酸を通液して酸洗浄を行う方法又はこれらを複合させた方法により、電極機能を維持することが好適である。
【００９７】
本発明の電気式脱イオン水製造装置は、従来のイオン交換装置と同様の応用や組み合わせが可能であり、例えば、脱陽イオン室のみを用いて軟化装置としたり、後段に混床式イオン交換器を付けて、更に処理水質の高純度化を図ることなどができる。
【００９８】
（実施例）
次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。
【００９９】
参考例１
（Ｉ工程；モノリス中間体の製造）
スチレン９．２８ｇ、ジビニルベンゼン０．１９ｇ、ソルビタンモノオレエート（以下ＳＭＯと略す）０．５０ｇおよび２,２’-アゾビス（イソブチロニトリル）０．２６ｇを混合し、均一に溶解させた。次に，当該スチレン/ジビニルベンゼン/ＳＭＯ/２,２’-アゾビス（イソブチロニトリル）混合物を１８０ｇの純水に添加し、遊星式撹拌装置である真空撹拌脱泡ミキサー（イーエムイー社製）を用いて５〜２０℃の温度範囲において減圧下撹拌して、油中水滴型エマルションを得た。このエマルションを反応容器に速やかに移し、密封後静置下で６０℃、２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで抽出した後、減圧乾燥して、連続マクロポア構造を有するモノリス中間体を製造した。水銀圧入法により測定した該モノリス中間体のマクロポアとマクロポアが重なる部分の開口（メソポア）の平均直径は４０μｍ、全細孔容積は１５．８ｍｌ／ｇであった。
【０１００】
（複合モノリスの製造）
次いで、スチレン３６．０ｇ、ジビニルベンゼン４．０ｇ、１-デカノール６０ｇ、２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）０．４ｇを混合し、均一に溶解させた（ＩＩ工程）。重合開始剤として用いた２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）の１０時間半減温度は、５１℃であった。モノリス中間体の架橋密度１．３モル％に対して、ＩＩ工程で用いたスチレンとジビニルベンゼンの合計量に対するジビニルベンゼンの使用量は６．６モル％であり、架橋密度比は５．１倍であった。次に上記モノリス中間体を外径７０ｍｍ、厚さ約２０ｍｍの円盤状に切断して、３．２ｇ分取した。分取したモノリス中間体を内径７３ｍｍの反応容器に入れ、当該スチレン/ジビニルベンゼン/１-デカノール/２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）混合物に浸漬させ、減圧チャンバー中で脱泡した後、反応容器を密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、厚さ約３０ｍｍのモノリス状の内容物を取り出し、アセトンでソックスレー抽出した後、８５℃で一夜減圧乾燥した（ＩＩＩ工程）。
【０１０１】
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン共重合体よりなる複合モノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した結果を図１〜図３に示す。図１〜図３のＳＥＭ画像は、倍率が異なるものであり、モノリスを任意の位置で切断して得た切断面の任意の位置における画像である。図１〜図３から明らかなように、当該複合モノリスは連続マクロポア構造を有しており、連続マクロポア構造体を構成する骨格相の表面は、平均粒子径４μｍの粒子体で被覆され、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は８０％であった。また、粒径３〜５μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１０２】
また、水銀圧入法により測定した当該複合モノリスの開口の平均直径は１６μｍ、全細孔容積は２．３ｍｌ/ｇであった。その結果を表１及び表２にまとめて示す。表１中、仕込み欄は左から順に、ＩＩ工程で用いたビニルモノマー、架橋剤、有機溶媒、Ｉ工程で得られたモノリス中間体を示す。また、粒子体等は粒子で示した。
【０１０３】
（複合モノリスカチオン交換体の製造）
上記の方法で製造した複合モノリスを、外径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。モノリスの重量は１９．６ｇであった。これにジクロロメタン１５００ｍｌを加え、３５℃で１時間加熱した後、１０℃以下まで冷却し、クロロ硫酸９８．９ｇを徐々に加え、昇温して３５℃で２４時間反応させた。その後、メタノールを加え、残存するクロロ硫酸をクエンチした後、メタノールで洗浄してジクロロメタンを除き、更に純水で洗浄して複合モノリスカチオン交換体を得た。
【０１０４】
得られたカチオン交換体の反応前後の膨潤率は１．３倍であり、体積当りのイオン交換容量は、水湿潤状態で１．１１ｍｇ当量/ｍｌであった。水湿潤状態での有機多孔質イオン交換体の開口の平均直径を、有機多孔質体の値と水湿潤状態のカチオン交換体の膨潤率から見積もったところ２１μｍであり、同様の方法で求めた被覆粒子の平均粒径は５μｍであった。なお、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は８０％、全細孔容積は２．３ｍｌ/ｇであった。また、粒径４〜７μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。また、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、０．０５７ＭＰａ/ｍ・ＬＶであり、実用上要求される圧力損失と比較して、それを下回る低い圧力損失であった。更に、イオン交換帯長さは９ｍｍであり、著しく短い値を示した。結果を表２にまとめて示す。
【０１０５】
次に、複合モノリスカチオン交換体中のスルホン酸基の分布状態を確認するため、ＥＰＭＡにより硫黄原子の分布状態を観察した。その結果を図４及び図５に示す。図４及び図５共に、左右の写真はそれぞれ対応している。図４は硫黄原子のカチオン交換体の表面における分布状態を示したものであり、図５は硫黄原子のカチオン交換体の断面（厚み）方向における分布状態を示したものである。図４及び図５より、スルホン酸基はカチオン交換体の骨格表面及び骨格内部（断面方向）にそれぞれ均一に導入されていることがわかる。
【０１０６】
参考例２〜５
（複合モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度と使用量及び重合温度を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。また、複合モノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した結果を図６〜図１３に示す。図６〜図８は参考例２、図９及び図１０は参考例３、図１１は参考例４、図１２及び図１３は参考例５のものである。なお、参考例２については架橋密度比（２．５倍）、参考例３については有機溶媒の種類（ＰＥＧ；分子量４００）、参考例４についてはビニルモノマー濃度（２８．０％）、参考例５については重合温度（４０℃；重合開始剤の１０時間半減温度より１１℃低い）について、本発明の製造条件を満たす条件で製造した。図６〜図１３から参考例３〜５の複合モノリスの骨格表面に付着しているものは粒子体というよりは突起体であった。突起体の「粒子平均径」は突起体の大きさ（最大径）の平均径である。図６〜図１３及び表２から、参考例２〜６のモノリス骨格表面に付着している粒子の平均径は３〜８μｍ、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は５０〜９５％であった。また、参考例２が粒径３〜６μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は８０％、参考例３が粒径３〜１０μｍの突起体が全体の粒子体に占める割合は８０％、参考例４が粒径３〜５μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％、参考例５が粒径３〜７μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１０７】
（複合モノリスカチオン交換体の製造）
上記の方法で製造した複合モノリスを、それぞれ参考例１と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、複合モノリスカチオン交換体を製造した。その結果を表２に示す。参考例２〜５における複合モノリスカチオン交換体の連続細孔の平均直径は２１〜５２μｍであり、骨格表面に付着している粒子体等の平均径は５〜１３μｍ、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率も５０〜９５％と高く、差圧係数も０．０１０〜０．０５７ＭＰａ/ｍ・ＬＶと小さい上に、イオン交換帯長さも８〜１２ｍｍと著しく小さな値であった。また、粒径５〜１０μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１０８】
参考例６
（複合モノリスの製造）
ビニルモノマーの種類とその使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度および使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。また、複合モノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した結果を図１４〜図１６に示す。参考例６の複合モノリスの骨格表面に付着しているものは突起体であった。参考例６のモノリスは、表面に形成された突起体の最大径の平均径が１０μｍであり、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は１００％であった。また、粒径６〜１２μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は８０％であった。
【０１０９】
（複合モノリスアニオン交換体の製造）
上記の方法で製造した複合モノリスを、外径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。複合モノリスの重量は１７．９ｇであった。これにテトラヒドロフラン１５００ｍｌを加え、４０℃で１時間加熱した後、１０℃以下まで冷却し、トリメチルアミン３０％水溶液１１４．５ｇを徐々に加え、昇温して４０℃で２４時間反応させた。反応終了後、メタノールで洗浄してテトラヒドロフランを除き、更に純水で洗浄してモノリスアニオン交換体を得た。
【０１１０】
得られた複合アニオン交換体の反応前後の膨潤率は２．０倍であり、体積当りのイオン交換容量は、水湿潤状態で０．３２ｍｇ当量/ｍｌであった。水湿潤状態での有機多孔質イオン交換体の連続細孔の平均直径を、モノリスの値と水湿潤状態のモノリスアニオン交換体の膨潤率から見積もったところ５８μｍであり、同様の方法で求めた突起体の平均径は２０μｍ、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は１００％、全細孔容積は２．１ｍｌ/ｇであった。また、イオン交換帯長さは１６ｍｍと非常に短い値を示した。なお、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、０．０４１ＭＰａ/ｍ・ＬＶであり、実用上要求される圧力損失と比較して、それを下回る低い圧力損失であった。また、粒径１２〜２４μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は８０％であった。その結果を表２にまとめて示す。
【０１１１】
次に、多孔質アニオン交換体中の四級アンモニウム基の分布状態を確認するため、アニオン交換体を塩酸水溶液で処理して塩化物型とした後、ＥＰＭＡにより塩素原子の分布状態を観察した。その結果、塩素原子はアニオン交換体の骨格表面のみならず、骨格内部にも均一に分布しており、四級アンモニウム基がアニオン交換体中に均一に導入されていることが確認できた。
【０１１２】
参考例７
（モノリス中間体の製造）
参考例１と同様の方法で行いモノリス中間体を得た。
【０１１３】
（複合モノリスの製造）
スチレン３８．０ｇ、ジビニルベンゼン２．０ｇ、１-デカノール６０ｇ、２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）０．４ｇを混合し、均一に溶解させた（ＩＩ工程）。重合開始剤として用いた２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）の１０時間半減温度は、５１℃であった。モノリス中間体の架橋密度１．３モル％に対して、ＩＩ工程で用いたスチレンとジビニルベンゼンの合計量に対するジビニルベンゼンの使用量は３．３モル％であり、架橋密度比は２．５倍であった。次に上記モノリス中間体を直径７０ｍｍ、厚さ約３０ｍｍの円盤状に切断して３．３ｇを分取した。分取したモノリス中間体を内径７３ｍｍの反応容器に入れ、当該スチレン/ジビニルベンゼン/1-デカノール/２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）混合物に浸漬させ、減圧チャンバー中で脱泡した後、反応容器を密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、厚さ約３０ｍｍのモノリス状の内容物を取り出し、アセトンでソックスレー抽出した後、８５℃で一夜減圧乾燥した（ＩＩＩ工程）。
【０１１４】
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を３．３モル％含有したモノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した。当該モノリスは連続マクロポア構造を有しており、連続マクロポア構造体を構成する骨格相の表面は、平均粒子径５μｍの粒子体で被覆され、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は５０％であった。また、粒径３〜７μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。また、水銀圧入法により測定した当該モノリスの開口の平均直径は３５μｍ、全細孔容積は３．８ｍｌ/ｇであった。
【０１１５】
（複合モノリスアニオン交換体の製造）
上記の方法で製造したモノリスを、直径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。これにジメトキシメタン１４００ｍｌ、四塩化スズ２０ｍｌを加え、氷冷下クロロ硫酸５６０ｍｌを滴下した。滴下終了後、昇温して３５℃で５時間反応させ、クロロメチル基を導入した。反応終了後、母液をサイフォンで抜き出し、ＴＨＦ/水＝２/１の混合溶媒で洗浄した後、更にＴＨＦで洗浄した。このクロロメチル化モノリスにＴＨＦ１０００ｍｌとトリメチルアミン３０％水溶液６００ｍｌを加え、６０℃、６時間反応させた。反応終了後、生成物をメタノール/水混合溶媒で洗浄し、次いで純水で洗浄して単離した。
【０１１６】
得られたモノリスアニオン交換体の反応前後の膨潤率は１．５倍であり、体積当りのアニオン交換容量は水湿潤状態で０．７２ｍｇ当量/ｍｌであった。水湿潤状態でのモノリスアニオン交換体の開口の平均直径を、モノリスの値と水湿潤状態のモノリスアニオン交換体の膨潤率から見積もったところ５３μｍであり、同様の方法で求めた被覆粒子の平均粒径は８μｍであった。なお、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は５０％、全細孔容積は３．８ｍｌ/ｇであった。また、粒径４〜８μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１１７】
また、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、０．０１７ＭＰａ/ｍ・ＬＶであり、実用上支障のない低い圧力損失であった。更に、該モノリスアニオン交換体のフッ化物イオンに関するイオン交換帯長さを測定したところ、ＬＶ=２０ｍ/ｈにおけるイオン交換帯長さは１４ｍｍであり、市販の強塩基性アニオン交換樹脂であるアンバーライトＩＲＡ４０２ＢＬ（ロームアンドハース社製）の値（１６５ｍｍ）に比べて圧倒的に短かった。
【０１１８】
次に、モノリスアニオン交換体中の四級アンモニウム基の分布状態を確認するため、モノリスアニオン交換体を塩酸水溶液で処理して塩化物型とした後、ＥＰＭＡにより塩化物イオンの分布状態を観察した。その結果、塩化物イオンはモノリスアニオン交換体の骨格表面のみならず、骨格内部にも均一に分布しており、四級アンモニウム基がモノリスアニオン交換体中に均一に導入されていることが確認できた。
【０１１９】
参考例８
（モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、実施例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。なお、不図示のＳＥＭ写真から骨格表面には粒子体や突起体の形成は全く認められなかった。表１及び表２から、本発明の特定の製造条件と逸脱する条件、すなわち、上記（１）〜（５）の要件から逸脱した条件下でモノリスを製造すると、モノリス骨格表面での粒子生成が認められないことがわかる。
【０１２０】
（モノリスカチオン交換体の製造）
上記の方法で製造したモノリスを、参考例１と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、モノリスカチオン交換体を製造した。結果を表２に示す。得られたモノリスカチオン交換体のイオン交換帯長さは２６ｍｍであり、参考例１〜７と比較して大きな値であった。
【０１２１】
参考例９〜１１
（モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度および使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。なお、参考例９については架橋密度比（０．２倍）、参考例１０については有機溶媒の種類（２-（２-メトキシエトキシ）エタノール；分子量１２０）、参考例１１については重合温度（５０℃；重合開始剤の１０時間半減温度より１℃低い）について、本発明の製造条件を満たさない条件で製造した。結果を表２に示す。参考例９、１１のモノリスについては骨格表面での粒子生成はなかった。また、参考例１０では単離した生成物は透明であり、多孔構造が崩壊、消失していた。
【０１２２】
（モノリスカチオン交換体の製造）
参考例１０を除き、上記の方法で製造した有機多孔質体を、参考例８と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、モノリスカチオン交換体を製造した。その結果を表２に示す。得られたモノリスカチオン交換体のイオン交換帯長さは２３〜２６ｍｍであり、参考例１〜７と比較して大きな値であった。
【０１２３】
参考例１２
（モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造および使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例８と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示すが、本発明の特定の製造条件を逸脱してモノリスを製造すると、モノリス骨格表面での粒子生成が認められないことがわかる。
【０１２４】
（モノリスアニオン交換体の製造）
上記の方法で製造したモノリスを、直径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。これにジメトキシメタン１４００ｍｌ、四塩化スズ２０ｍｌを加え、氷冷下クロロ硫酸５６０ｍｌを滴下した。滴下終了後、昇温して３５℃で５時間反応させ、クロロメチル基を導入した。反応終了後、母液をサイフォンで抜き出し、ＴＨＦ/水＝２/１の混合溶媒で洗浄した後、更にＴＨＦで洗浄した。このクロロメチル化モノリスにＴＨＦ１０００ｍｌとトリメチルアミン３０％水溶液６００ｍｌを加え、６０℃、６時間反応させた。反応終了後、生成物をメタノール/水混合溶媒で洗浄し、次いで純水で洗浄して単離した。結果を表２に示が、得られたモノリスアニオン交換体のイオン交換帯長さは４７ｍｍであり、参考例１〜７と比較して大きな値であった。表１及び２中、メソポア直径及び細孔の値はそれぞれ平均値を示す。
【０１２５】
参考例１３
（多孔質カチオン交換体（公知）の製造）
スチレン２７．７ｇ、ジビニルベンゼン６．９ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．１４ｇ及びソルビタンモノオレエート３．８ｇを混合し、均一に溶解させた。次に、当該スチレン／ジビニルベンゼン／アゾビスイソブチロニトリル／ソルビタンモノオレエート混合物を４５０ｍｌの純水に添加し、ホモジナイザーを用いて２万回転／分で２分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、油中水滴型エマルジョンをステンレス製のオートクレーブに移し、窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで１８時間ソックスレー抽出し、未反応モノマーとソルビタンモノオレエートを除去した後、４０℃で一昼夜減圧乾燥した。このようにして得られたスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を１４モル％含有した多孔質体５ｇを分取し、テトラクロロエタン５００ｇを加え、６０℃で３０分加熱した後、室温まで冷却し、クロロ硫酸２５ｇを徐々に加え、室温で２４時間反応させた。その後、酢酸を加え、多量の水中に反応物を投入し、水洗、乾燥して多孔質カチオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で４．０ｍｇ当量/ｇであり、ＥＰＭＡを用いた硫黄原子のマッピングにより、スルホン酸基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、不図示のＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０μｍのマクロポアの大部分が重なり合い、マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値は５μｍ、全細孔容積は、１０．１ｍｌ/ｇであった。また、上記多孔質体を１０ｍｍの厚みに切り出し、水透過速度を測定したところ、１４，０００ｌ/分・ｍ２・ＭＰａであった。
【０１２６】
参考例１４
（多孔質アニオン交換体（公知）の製造）
スチレン２７．７ｇの代わりに、ｐ- クロロメチルスチレン１８．０ｇを用い、ジビニルベンゼン１７．３ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．２６ｇとした以外、実施例１と同様の油中水滴型エマルジョンの重合を行い、ｐ−クロロメチルスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を５０モル％含有した多孔質体を製造した。この多孔質体５ｇを分取し、ジオキサン５００ｇを加え８０℃で３０分加熱した後、室温まで冷却し、トリメチルアミン（３０％）水溶液６５ｇを徐々に加え、５０℃で３時間反応させた後、室温で一昼夜放置した。反応終了後、多孔質体を取り出し、アセトンで洗浄後水洗し、乾燥して多孔質アニオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で２．５ｍｇ当量／ｇであり、ＳＩＭＳにより、トリメチルアンモニウム基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０μｍのマクロポアの大部分が重なり合い、マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値は４μｍ、全細孔容積は９．９ｍｌ/ｇであった。また、上記多孔質体を１０ｍｍの厚みに切り出し、水透過速度を測定したところ、１２，０００ｌ/分・ｍ２・ＭＰａであった。
【実施例１】
【０１２７】
（電気式脱陽イオン水製造装置Ａの作製）
図１７に示すような電気式脱イオン水製造装置２０Ａを作製するため、先ず電気式脱陽イオン水製造装置２０ａを作製した。参考例２の多孔質陽イオン交換体から、純水湿潤状態で縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの直方体５個と、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ５ｍｍの直方体２個を切り出して脱イオン室に積層充填する充填材を得た。次いで、厚さ５ｍｍの充填材２個と、厚さ１０ｍｍの充填材２個の片面に、図２０に示したような間隔（ｗ）１０ｍｍ、幅（ｓ）２ｍｍの複数条の縦溝２１、縦溝２１の一端を繋げる横溝２２、横溝２２と不図示の外部配管に繋げる導入溝２３を切削加工により形成した。次いで厚さ５ｍｍの充填材を溝部２４が装置内部を向くように配置して最上部及び最下部とし、その間に厚さ１０ｍｍの充填材５個を積層した。このとき、厚さ１０ｍｍの充填材の中、上部と下部の充填材はその溝部２４が厚さ５ｍｍの充填材の溝部２４と向き合うように配置し、被処理水導入分配部３及び処理水集水部４を形成した。このように作製されたブロック状多孔質陽イオン交換体１５は、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、全充填層高６０ｍｍであり、被処理水導入分配部３の中心から処理水集水部４の中心までの高さ、即ち有効イオン交換体層高が５０ｍｍであった。次いで、ブロック状多孔質陽イオン交換体１５の他側に陽イオン交換膜（Ｎａｆｉｏｎ ３５０；デュポン社製）を、一側に陽イオン交換膜（Ｎａｆｉｏｎ ３５０；デュポン社製）をそれぞれ密着させて配設した。更に、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陽極１０を、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陰極９を配置した。得られた構造体を、適宜ノズルやリード線取り出し口を有するポリ塩化ビニル製のケース内に構築し、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａを作製した。
【０１２８】
（電気式脱陰イオン水製造装置Ａの作製）
参考例７の多孔質陰イオン交換体について、前記と同様の方法により充填材を得ると共に、被処理水導入分配部３及び処理水集水部４を形成してブロック状多孔質陰イオン交換体１６を得た。次いで、ブロック状多孔質陰イオン交換体１６の一側に陰イオン交換膜２（ネオセプタ ＡＭＨ；徳山曹達社製）を、他側に陽イオン交換膜(Ｎａｆｉｏｎ ３５０；デュポン社製)をそれぞれ密着させて配設した。更に、陰イオン交換膜２の外側面に白金メッシュ状の陽極１０を、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陰極９を配置した。なお、陽極１０と陰イオン交換膜２の間にはポリテトラフロロエチレン製メッシュを介在させた。得られた構造体を、適宜ノズルやリード線取り出し口を有するポリ塩化ビニル製のケース内に構築し、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂを作製した。
【０１２９】
（電気式脱イオン水製造装置Ａの作製）
得られた電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの処理水集水部４の開口と電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの被処理水導入分配部３の開口を連通管５ａで接続し、４つの電極室には被処理水の一部を独立して供給するようにした。また、電源として直流電源１個を用い、脱陽イオン室と脱陰イオン室が直列に接続されるように配線して、電気式脱イオン水製造装置２０Ａを得た。
【０１３０】
（電気式脱イオン水製造装置Ａの運転）
得られた電気式脱イオン水製造装置Ａ（図の符号では２０Ａ）に、導電率１２０μＳ／ｃｍの市水を被処理水として流速１００ｌ／ｈで連続通水し、４．５Ａの直流電流を通電したところ、操作電圧は２６Ｖで、導電率０．０５５μＳ／ｃｍの処理水が得られ、本発明の電気式脱イオン水製造装置によって純度の高い純水が生成されることが示された。また、通水差圧は１６．０ｋＰａであった。
【０１３１】
比較例１
（電気式脱陽イオン水製造装置Ｂの作製）
参考例２の多孔質陽イオン交換体に代えて、参考例１３の多孔質陽イオン交換体を用いたこと以外は、電気式脱陽イオン水製造装置Ａの作製方法と同様の方法により、電気式脱陽イオン水製造装置Ｂを作製した。
【０１３２】
（電気式脱陰イオン水製造装置Ｂの作製）
参考例７の多孔質陰イオン交換体に代えて、参考例１４の多孔質陰イオン交換体を用いたこと以外は、電気式脱陰イオン水製造装置Ａの作製方法と同様の方法で、電気式脱陰イオン水製造装置Ｂを作製した。
【０１３３】
（電気式脱イオン水製造装置Ｂの作製）
電気式脱陽イオン水製造装置２０ａとして、電気式脱陽イオン水製造装置Ｂを使用し、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂとして、電気式脱陰イオン水製造装置Ｂを使用した以外は、電気式脱イオン水製造装置Ａと同様の方法により、電気式脱イオン水製造装置Ｂを作製した。
【０１３４】
（電気式脱イオン水製造装置Ｂの運転）
得られた電気式脱イオン水製造装置Ｂ（図の符号では２０Ａ）に、導電率１２０μＳ／ｃｍの市水を被処理水として流速１００ｌ／ｈで連続通水し、４．５Ａの直流電流を通電したところ、操作電圧は３６Ｖで、導電率０．１μＳ／ｃｍの処理水が得られ、本発明の電気式脱イオン水製造装置によって純度の高い純水が生成されることが示された。また、通水差圧は１２０ｋＰａであった。
【０１３５】
【表１】
【０１３６】
【表２】
【符号の説明】
【０１３７】
１、１０１ 陽イオン交換膜
２、１０２ 陰イオン交換膜
３ａ、３ｂ 第１、第２被処理水導入分配部
４ａ、４ｂ 第１、第２処理水集水部
５ａ、５ｂ 連通管
６ 脱陽イオン室
７ 脱陰イオン室
９、１０９ 陰極
１０、１１０ 陽極
１１、１０５ 濃縮室
１２、１１２ 陰極室
１３、１１３ 陽極室
１５ 多孔質陽イオン交換体
１６ 多孔質陰イオン交換体
１７、１１７ 陽イオン交換膜、または陰イオン交換膜
２０Ａ〜２０Ｃ 電気式脱イオン水製造装置
２４ 溝部
１０４ 脱イオン室
１０６ 脱イオンモジュール
１０７ 枠体
１０８ リブ
１１１ 仕切膜
Ｂ 濃縮水流入口
ｂ 濃縮水流出口
Ｃ、Ｄ 電極水流入口
ｃ、ｄ 電極水流出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱イオン水を用いる半導体製造工業、製薬工業、食品工業、発電所、研究所等の各種の工業あるいは糖液、ジュース、ワイン等の製造等で利用される電気式脱イオン液製造装置に好適に使用される電気式脱イオン水製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脱イオン水を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られているが、この方法ではイオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに薬剤によって再生を行う必要があり、このような処理操作上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が全く不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。
【０００３】
特開２００３−３３４５６０号公報には、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均径が１〜１０００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１ｍｌ/ｇ〜５０ｍｌ/ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量/ｇ乾燥多孔質体以上の有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室を有し、該脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆向きに泳動するように行う電気式脱イオン水製造装置が開示されている。
【０００４】
この電気式脱イオン水製造装置によれば、多孔質イオン交換体内におけるイオンの移動を速めて吸着イオンの排除を容易にすることができる。また、脱イオン室を多数に分割して並列配設する必要がなく、装置の構造を簡略化して、材料費、加工費、組み立て費を軽減させることができる。また、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウム等のスケール発生が全くなく、一次脱塩や軟化などの前処理を必要としない。更に、低電圧で安定した水質の処理水を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３４５６０号公報
【特許文献２】特開２００９−６２５１２号公報
【特許文献３】特開２００９−６７９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開２００３−３３４５６０号公報に記載の有機多孔質イオン交換体は、モノリスの共通の開口（メソポア）が１〜１，０００μｍと記載されているものの、全細孔容積５ｍｌ／ｇ以下の細孔容積の小さなモノリスについては、油中水滴型エマルジョン中の水滴の量を少なくする必要があるため共通の開口は小さくなり、実質的に開口の平均径２０μｍ以上のものは製造できない。このため、通水時の圧力損失が大きいという問題があった。また、開口の平均径を２０μｍ近傍のものにすると、全細孔容積もそれに伴い大きくなるため、体積当たりのイオン交換容量が低下し、このため、処理水質が低下し、かつ消費電力も大きいという問題があった。また、電気式脱イオン水製造装置の脱イオン室に装填されるモノリスにおいて、連続気泡構造（連続マクロポア）とは異なる新たな構造のモノリスの登場も望まれていた。
【０００７】
従って、本発明の目的は、吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、イオン交換体の強度が高く、通水時の圧力損失を低下させることができ、処理水水質が良好で、かつ消費電力も少ない電気式脱イオン水製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる実情において、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、特開２００３−３３４５６０号公報記載の方法で得られた比較的大きな細孔容積を有するモノリス状有機多孔質体（中間体）の存在下、特定の条件下、ビニルモノマーと架橋剤を有機溶媒中で静置重合すれば、有機多孔質体を構成する骨格表面上に直径２〜２０μｍの多数の粒子体が固着する又は突起体が形成された複合構造を有するモノリスが得られること、この複合モノリスにイオン交換基を導入した複合モノリスイオン交換体は、電気式脱イオン水製造装置のイオン交換体として用いれば、吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、イオン交換体の強度が高く、通水時の圧力損失を低下させることができ、処理水水質が良好で、かつ消費電力も少ないことなどを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆方向に泳動するように行うことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１０】
また、本発明は、一側のイオン交換膜と他側の陽イオン交換膜で区画される脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の他側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部とを有する電気式脱陽イオン水製造装置と、一側の陰イオン交換膜と他側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、前記電気式脱陽イオン水製造装置の第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の一側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを有する電気式脱陰イオン水製造装置と、を備えるものであって、該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体の中、少なくともひとつが、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１１】
また、本発明は、一側の陽イオン交換膜と、該一側の陽イオン交換膜と他側の陰イオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該他側の陰イオン交換膜と該中間陽イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該他側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該脱陽イオン室中の一側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の他側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部と、を備えるものであって、該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【００１２】
また、本発明は、一側のイオン交換膜と、該一側のイオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該中間陽イオン交換膜と、該中間陽イオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陰イオン交換膜とで区画される濃縮室と、該他側のイオン交換膜と該中間陰イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の中間陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを備えるものであって、該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、吸着したイオン性不純物の移動を速めて吸着イオンの排除を容易にし、イオン交換体の強度が高く、通水時の圧力損失を低下させることができ、処理水水質が良好で、かつ消費電力も少ない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】参考例１で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図２】参考例１で得られたモノリスの倍率３００のＳＥＭ画像である。
【図３】参考例１で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図４】参考例１で得られたモノリスカチオン交換体の表面における硫黄原子の分布状態を示したＥＰＭＡ画像である。
【図５】参考例１で得られたモノリスカチオン交換体の断面（厚み）方向における硫黄原子の分布状態を示したＥＰＭＡ画像である。
【図６】参考例２で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図７】参考例２で得られたモノリスの倍率６００のＳＥＭ画像である。
【図８】参考例２で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図９】参考例３で得られたモノリスの倍率６００のＳＥＭ画像である。
【図１０】参考例３で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１１】参考例４で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１２】参考例５で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図１３】参考例５で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１４】参考例６で得られたモノリスの倍率１００のＳＥＭ画像である。
【図１５】参考例６で得られたモノリスの倍率６００のＳＥＭ画像である。
【図１６】参考例６で得られたモノリスの倍率３０００のＳＥＭ画像である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。
【図２０】被処理水導入分配部又は処理水集水部となる多孔質イオン交換体表面の溝部を例示した図である。
【図２１】突起体の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の電気式脱イオン水製造装置は、特定構造の有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆向きに泳動するように行うものである。すなわち、本発明の電気式脱イオン水製造装置の基本構造は、両側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に有機多孔質イオン交換体を充填して脱イオン室を構成し、当該イオン交換膜の外側に直流電場を印加する電極を配置してなり、該直流電場の印加を前述のような特定の態様で行うものである。また、本発明において、有機多孔質イオン交換体内における通水方向とは、特定の連続空孔構造を有する有機多孔質イオン交換体内における通水方向、すなわち、特定の連続空孔構造を有する有機多孔質イオン交換体内の通水方向に由来するイオンの平均拡散方向を言うものであり、後述するような、有機多孔質イオン交換体内に別途に配設又は加工される第１、第２被処理水導入分配部内や第１、第２処理水集水部内における通水方向を言うものではない。
【００１６】
脱イオン室に充填される有機多孔質イオン交換体は、複合構造のモノリス状有機多孔質イオン交換体である。本明細書中、「モノリス状有機多孔質体」を単に「複合モノリス」と、「モノリス状有機多孔質イオン交換体」を単に「複合モノリスイオン交換体」と、「モノリス状の有機多孔質中間体」を単に「モノリス中間体」とも言う。
【００１７】
＜複合モノリスイオン交換体の説明＞
複合モノリスイオン交換体は、複合モノリスにイオン交換基を導入することで得られるものであり、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体との複合構造体であるか、又は連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であり、イオン交換基が該複合構造体中に均一に分布している。なお、本明細書中、「粒子体」及び「突起体」を併せて「粒子体等」と言うことがある。
【００１８】
有機多孔質体の連続骨格相と連続空孔相（乾燥体）は、ＳＥＭ画像により観察することができる。有機多孔質体の基本構造としては、連続マクロポア構造及び共連続構造が挙げられる。有機多孔質体の骨格相は、柱状の連続体、凹状の壁面の連続体あるいはこれらの複合体として表れるもので、粒子状や突起状とは明らかに相違する形状のものである。
【００１９】
有機多孔質体の好ましい構造としては、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径３０〜１５０μｍの開口となる連続マクロポア構造体（以下、「第１の有機多孔質イオン交換体」とも言う。）及び水湿潤状態で平均の太さが１〜６０μｍの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に平均直径が水湿潤状態で１０〜１００μｍの三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体（以下、「第２の有機多孔質イオン交換体」とも言う。）が挙げられる。
【００２０】
第１の有機多孔質イオン交換体の場合、有機多孔質体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が水湿潤状態で平均直径３０〜１５０μｍの開口（メソポア）となる連続マクロポア構造体である。複合モノリスイオン交換体の開口の平均直径は、モノリスにイオン交換基を導入する際、複合モノリス全体が膨潤するため、乾燥状態の複合モノリスの開口の平均直径よりも大となる。開口の平均直径が３０μｍ未満であると、通水時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくなく、開口の平均直径が大き過ぎると、流体とモノリスイオン交換体との接触が不十分となり、その結果、イオン交換特性が低下してしまうため好ましくない。
【００２１】
なお、本発明では、乾燥状態のモノリス中間体の開口の平均直径、乾燥状態の複合モノリスの空孔又は開口の平均直径及び乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径は、水銀圧入法により測定される値である。また、本発明では、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径は、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ１（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ１（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体を水銀圧入法により測定したときの空孔又は開口の平均直径がｚ１（μｍ）であったとすると、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径（μｍ）は、次式「水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の空孔又は開口の平均直径（μｍ）＝ｚ１×（ｘ１／ｙ１）」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの空孔又は開口の平均直径、及びその乾燥状態の複合モノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの空孔又は開口の平均直径に、膨潤率を乗じて、複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径を算出することもできる。
【００２２】
第２の有機多孔質体イオン交換体の場合、有機多孔質体は、水湿潤状態で平均直径が１〜６０μｍの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に平均直径が水湿潤状態で１０〜１００μｍの三次元的に連続した空孔を有する共連続構造である。三次元的に連続した空孔の直径が１０μｍ未満であると、流体透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくなく、１００μｍを超えると、被処理水と有機多孔質イオン交換体との接触が不十分となり、その結果、イオン交換特性が不均一となるため好ましくない。
【００２３】
上記共連続構造の空孔の水湿潤状態での平均直径は、公知の水銀圧入法で測定した乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の空孔の平均直径に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ２（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ２（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体を水銀圧入法により測定したときの空孔の平均直径がｚ２（μｍ）であったとすると、複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態での平均直径（μｍ）は、次式「複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径（μｍ）＝ｚ２×（ｘ２／ｙ２）」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの空孔の平均直径、及びその乾燥状態の複合モノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの空孔の平均直径に、膨潤率を乗じて、複合モノリスイオン交換体の空孔の水湿潤状態の平均直径を算出することもできる。また、上記共連続構造体の骨格の水湿潤状態での平均太さは、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ観察を少なくとも３回行い、得られた画像中の骨格の太さを測定し、その平均値に、膨潤率を乗じて算出される値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ３（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ３（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ観察を少なくとも３回行い、得られた画像中の骨格の太さを測定し、その平均値がｚ３（μｍ）であったとすると、複合モノリスイオン交換体の連続構造体の骨格の水湿潤状態での平均太さ（μｍ）は、次式「複合モノリスイオン交換体の連続構造体の骨格の水湿潤状態の平均太さ（μｍ）＝ｚ３×（ｘ３／ｙ３）」で算出される。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの骨格の平均太さ、及びその乾燥状態の複合モノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率がわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの骨格の平均太さに、膨潤率を乗じて、複合モノリスイオン交換体の骨格の水湿潤状態の平均太さを算出することもできる。なお、共連続構造を形成する骨格は棒状であり円形断面形状であるが、楕円断面形状等異径断面のものが含まれていてもよい。この場合の太さは短径と長径の平均である。
【００２４】
また、三次元的に連続した骨格の平均直径が１μｍ未満であると、体積当りのイオン交換容量が低下してしまうため好ましくなく、６０μｍを超えると、脱イオン特性の均一性が失われるため好ましくない。
【００２５】
複合モノリスイオン交換体の水湿潤状態での孔の平均直径の好ましい値は１０〜１２０μｍである。複合モノリスイオン交換体を構成する有機多孔質体が第１の有機多孔質体の場合、複合モノリスイオン交換体の孔径の好ましい値は３０〜１２０μｍ、複合モノリスイオン交換体を構成する有機多孔質体が第２の有機多孔質体の場合、複合モノリスイオン交換体の孔径の好ましい値は１０〜９０μｍである。
【００２６】
本発明に係る複合モノリスイオン交換体において、水湿潤状態での粒子体の直径及び突起体の大きさは、４〜４０μｍ、好ましくは４〜３０μｍ、特に好ましくは４〜２０μｍである。なお、本発明において、粒子体及び突起体は、共に骨格表面に突起状に観察されるものであり、粒状に観察されるものを粒子体と称し、粒状とは言えない突起状のものを突起体と称する。図２１に、突起体の模式的な断面図を示す。図２１中の（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、骨格表面６１から突き出している突起状のものが突起体６２であり、突起体６２には、（Ａ）に示す突起体６２ａのように粒状に近い形状のもの、（Ｂ）に示す突起体６２ｂのように半球状のもの、（Ｃ）に示す突起体６２ｃのように骨格表面の盛り上がりのようなもの等が挙げられる。また、他には、突起体６１には、（Ｄ）に示す突起体６２ｄのように、骨格表面６１の平面方向よりも、骨格表面６１に対して垂直方向の方が長い形状のものや、（Ｅ）に示す突起体６２ｅのように、複数の方向に突起した形状のものもある。また、突起体の大きさは、ＳＥＭ観察したときのＳＥＭ画像で判断され、個々の突起体のＳＥＭ画像での幅が最も大きくなる部分の長さを指す。
【００２７】
本発明に係る複合モノリスイオン交換体において、全粒子体等中、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合は７０％以上、好ましくは８０％以上である。なお、全粒子体等中の水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合は、全粒子体等の個数に占める水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等の個数割合を指す。また、骨格相の表面は全粒子体等により４０％以上、好ましくは５０％以上被覆されている。なお、粒子体等による骨格層の表面の被覆割合は、ＳＥＭにより表面観察にしたときのＳＥＭ画像上の面積割合、つまり、表面を平面視したときの面積割合を指す。壁面や骨格を被覆している粒子の大きさが上記範囲を逸脱すると、流体と複合モノリスイオン交換体の骨格表面及び骨格内部との接触効率を改善する効果が小さくなってしまうため好ましくない。なお、全粒子体等とは、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等以外の大きさの範囲の粒子体及び突起体も全て含めた、骨格層の表面に形成されている全ての粒子体及び突起体を指す。
【００２８】
上記複合モノリスイオン交換体の骨格表面に付着した粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさは、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ画像の観察により得られる粒子体等の直径又は大きさに、乾燥状態から湿潤状態となった際の膨潤率を乗じて算出した値、又はイオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスのＳＥＭ画像の観察により得られる粒子体等の直径又は大きさに、イオン交換基導入前後の膨潤率を乗じて算出した値である。具体的には、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｘ４（ｍｍ）であり、その水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体を乾燥させ、得られる乾燥状態の複合モノリスイオン交換体の直径がｙ４（ｍｍ）であり、この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体をＳＥＭ観察したときのＳＥＭ画像中の粒子体等の直径又は大きさがｚ４（μｍ）であったとすると、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさ（μｍ）は、次式「水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさ（μｍ）＝ｚ４×（ｘ４／ｙ４）」で算出される。そして、乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ画像中に観察される全ての粒子体等の直径又は大きさを測定して、その値を基に、１視野のＳＥＭ画像中の全粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさを算出する。この乾燥状態の複合モノリスイオン交換体のＳＥＭ観察を少なくとも３回行い、全視野において、ＳＥＭ画像中の全粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさを算出して、直径又は大きさが４〜４０μｍにある粒子体等が観察されるか否かを確認し、全視野において確認された場合、複合モノリスイオン交換体の骨格表面上に、直径又は大きさが水湿潤状態で４〜４０μｍにある粒子体が形成されていると判断する。また、上記に従って１視野毎にＳＥＭ画像中の全粒子体等の水湿潤状態での直径又は大きさを算出し、各視野毎に、全粒子体等に占める水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等の割合を求め、全視野において、全粒子体等中の水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合が７０％以上であった場合には、複合モノリスイオン交換体の骨格表面に形成されている全粒子体等中、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合は７０％以上であると判断する。また、上記に従って１視野毎にＳＥＭ画像中の全粒子体等による骨格層の表面の被覆割合を求め、全視野において、全粒子体等による骨格層の表面の被覆割合が４０％以上であった場合には、複合モノリスイオン交換体の骨格層の表面が全粒子体等により被覆されている割合が４０％以上であると判断する。また、イオン交換基導入前の乾燥状態の複合モノリスの粒子体等の直径又は大きさと、その乾燥状態のモノリスにイオン交換基導入したときの乾燥状態の複合モノリスに対する水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の膨潤率とがわかる場合は、乾燥状態の複合モノリスの粒子体等の直径又は大きさに、膨潤率を乗じて、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさを算出して、上記と同様にして、水湿潤状態の複合モノリスイオン交換体の粒子体等の直径又は大きさ、全粒子体等中、水湿潤状態で４〜４０μｍの粒子体等が占める割合、粒子体等による骨格層の表面の被覆割合を求めることもできる。
【００２９】
粒子体等による骨格相表面の被覆率が４０％未満であると、流体と複合モノリスイオン交換体の骨格内部及び骨格表面との接触効率を改善する効果が小さくなり、イオン交換挙動の均一性が損なわれてしまうため好ましくない。上記粒子体等による被覆率の測定方法としては、モノリス（乾燥体）のＳＥＭ画像による画像解析方法が挙げられる。
【００３０】
また、複合モノリスイオン交換体の全細孔容積は、複合モノリスの全細孔容積と同様である。すなわち、複合モノリスにイオン交換基を導入することで膨潤し開口径が大きくなっても、骨格相が太るため全細孔容積はほとんど変化しない。全細孔容積が０．５ｍｌ／ｇ未満であると、流体透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。一方、全細孔容積が５ｍｌ／ｇを超えると、体積当りのイオン交換容量が低下してしまうため好ましくない。なお、複合モノリス（モノリス中間体、複合モノリス、複合モノリスイオン交換体）の全細孔容積は、乾燥状態でも、水湿潤状態でも、同じである。
【００３１】
なお、複合モノリスイオン交換体に水を透過させた際の圧力損失は、複合モノリスに水を透過させた際の圧力損失と同様である。
【００３２】
本発明の複合モノリスイオン交換体は、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量が０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上、好ましくは０．３〜１．８ｍｇ当量／ｍｌのイオン交換容量を有する。体積当りのイオン交換容量が０．２ｍｇ当量／ｍｌ未満であると、脱塩効率が低下してしまうため好ましくない。なお、本発明の複合モノリスイオン交換体の乾燥状態における重量当りのイオン交換容量は特に限定されないが、イオン交換基が複合モノリスの骨格表面及び骨格内部にまで均一に導入しているため、３〜５ｍｇ当量/ｇである。なお、イオン交換基が骨格の表面のみに導入された有機多孔質体のイオン交換容量は、有機多孔質体やイオン交換基の種類により一概には決定できないものの、せいぜい５００μｇ当量/ｇである。
【００３３】
本発明の複合モノリスに導入するイオン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、リン酸基、リン酸エステル基等のカチオン交換基；四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン基、第三スルホニウム基、ホスホニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
【００３４】
本発明の複合モノリスイオン交換体において、導入されたイオン交換基は、複合モノリスの骨格の表面のみならず、骨格相内部にまで均一に分布している。ここで言う「イオン交換基が均一に分布している」とは、イオン交換基の分布が少なくともμｍオーダーで骨格相の表面および骨格相の内部に均一に分布していることを指す。イオン交換基の分布状況は、ＥＰＭＡ等を用いることで、比較的簡単に確認することができる。また、イオン交換基が、複合モノリスの表面のみならず、骨格相の内部にまで均一に分布していると、表面と内部の物理的性質及び化学的性質を均一にできるため、膨潤及び収縮に対する耐久性が向上する。
【００３５】
本発明の複合モノリスイオン交換体は、その厚みが１ｍｍ以上であり、膜状の多孔質体とは区別される。厚みが１ｍｍ未満であると、多孔質体一枚当りのイオン交換容量が極端に低下してしまうため好ましくない。該複合モノリスイオン交換体の厚みは、好適には３ｍｍ〜１０００ｍｍである。また、本発明の複合モノリスイオン交換体は、骨格の基本構造が連続空孔構造であるため、機械的強度が高い。
【００３６】
本発明の複合モノリスイオン交換体は、イオン交換基を含まない油溶性モノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第１架橋剤、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が５〜３０ｍｌ/ｇの連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体を得るＩ工程、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第２架橋剤、ビニルモノマーや第２架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製するＩＩ工程、ＩＩ工程で得られた混合物を静置下、且つ該Ｉ工程で得られたモノリス状の有機多孔質中間体の存在下で重合を行うＩＩＩ工程、ＩＩＩ工程で得られたモノリス状有機多孔質体にイオン交換基を導入するＩＶ工程、を行い、モノリス状有機多孔質体を製造する際に、下記（１）〜（５）：
（１）ＩＩＩ工程における重合温度が、重合開始剤の１０時間半減温度より、少なくとも５℃低い温度である；
（２）ＩＩ工程で用いる第２架橋剤のモル％が、Ｉ工程で用いる第１架橋剤のモル％の２倍以上である；
（３）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーが、Ｉ工程で用いた油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーである；
（４）ＩＩ工程で用いる有機溶媒が、分子量２００以上のポリエーテルである；
（５）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーの濃度が、ＩＩ工程の混合物中、３０重量％以下である；の条件のうち、少なくとも一つを満たす条件下でＩＩ工程又はＩＩＩ工程を行うことにより得られる。
【００３７】
（モノリス中間体の製造方法）
本発明のモノリスの製造方法において、Ｉ工程は、イオン交換基を含まない油溶性モノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第１架橋剤、界面活性剤及び水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製し、次いで油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が５〜３０ｍｌ/ｇの連続マクロポア構造のモノリス中間体を得る工程である。このモノリス中間体を得るＩ工程は、特開２００２−３０６９７６号公報記載の方法に準拠して行なえばよい。
【００３８】
イオン交換基を含まない油溶性モノマーとしては、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、四級アンモニウム基等のイオン交換基を含まず、水に対する溶解性が低く、親油性のモノマーが挙げられる。これらモノマーの好適なものとしては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ジビニルベンゼン、エチレン、プロピレン、イソブテン、ブタジエン、エチレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。これらモノマーは、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００３９】
一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第１架橋剤としては、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレート等が挙げられる。これら架橋剤は、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。好ましい第１架橋剤は、機械的強度の高さから、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル等の芳香族ポリビニル化合物である。第１架橋剤の使用量は、ビニルモノマーと第１架橋剤の合計量に対して０．３〜１０モル％、特に０．３〜５モル％、更に０．３〜３モル％であることが好ましい。第１架橋剤の使用量が０．３モル％未満であると、モノリスの機械的強度が不足するため好ましくない。一方、１０モル％を越えると、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。
【００４０】
界面活性剤は、イオン交換基を含まない油溶性モノマーと水とを混合した際に、油中水滴型（Ｗ／Ｏ）エマルジョンを形成できるものであれば特に制限はなく、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノパルミテート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタントリオレエート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレエート等の非イオン界面活性剤；オレイン酸カリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、スルホコハク酸ジオクチルナトリウム等の陰イオン界面活性剤；ジステアリルジメチルアンモニウムクロライド等の陽イオン界面活性剤；ラウリルジメチルベタイン等の両性界面活性剤を用いることができる。これら界面活性剤は１種単独又は２種類以上を組み合わせて使用することができる。なお、油中水滴型エマルジョンとは、油相が連続相となり、その中に水滴が分散しているエマルジョンを言う。上記界面活性剤の添加量としては、油溶性モノマーの種類および目的とするエマルジョン粒子（マクロポア）の大きさによって大幅に変動するため一概には言えないが、油溶性モノマーと界面活性剤の合計量に対して約２〜７０％の範囲で選択することができる。
【００４１】
また、Ｉ工程では、油中水滴型エマルジョン形成の際、必要に応じて重合開始剤を使用してもよい。重合開始剤は、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は水溶性であっても油溶性であってもよく、例えば、２，２’-アゾビス（イソブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビス（２−メチルブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（４-メトキシ-２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、４，４’-アゾビス（４-シアノ吉草酸）、１，１’-アゾビス（シクロヘキサン-1-カルボニトリル）、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素−塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム−酸性亜硫酸ナトリウム等が挙げられる。
【００４２】
イオン交換基を含まない油溶性モノマー、第１架橋剤、界面活性剤、水及び重合開始剤とを混合し、油中水滴型エマルジョンを形成させる際の混合方法としては、特に制限はなく、各成分を一括して一度に混合する方法、油溶性モノマー、第１架橋剤、界面活性剤及び油溶性重合開始剤である油溶性成分と、水や水溶性重合開始剤である水溶性成分とを別々に均一溶解させた後、それぞれの成分を混合する方法などが使用できる。エマルジョンを形成させるための混合装置についても特に制限はなく、通常のミキサーやホモジナイザー、高圧ホモジナイザー等を用いることができ、目的のエマルジョン粒径を得るのに適切な装置を選択すればよい。また、混合条件についても特に制限はなく、目的のエマルジョン粒径を得ることができる攪拌回転数や攪拌時間を、任意に設定することができる。
【００４３】
Ｉ工程で得られるモノリス中間体は、連続マクロポア構造を有する。これを重合系に共存させると、そのモノリス中間体の構造を鋳型として連続マクロポア構造の骨格相の表面に粒子体等が形成したり、共連続構造の骨格相の表面に粒子体等が形成したりする。また、モノリス中間体は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。該ポリマー材料の架橋密度は特に限定されないが、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、０．３〜１０モル％、好ましくは０．３〜５モル％の架橋構造単位を含んでいることが好ましい。架橋構造単位が０．３モル％未満であると、機械的強度が不足するため好ましくない。一方、１０モル％を越えると、多孔質体の脆化が進行し、柔軟性が失われるため好ましくない。
【００４４】
モノリス中間体の全細孔容積は、５〜３０ｍｌ／ｇ、好適には６〜２８ｍｌ／ｇである。全細孔容積が小さ過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの全細孔容積が小さくなりすぎ、流体透過時の圧力損失が大きくなるため好ましくない。一方、全細孔容積が大き過ぎると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの構造が不均一になりやすく、場合によっては構造崩壊を引き起こすため好ましくない。モノリス中間体の全細孔容積を上記数値範囲とするには、モノマーと水の比（重量）を、概ね１：５〜１：３５とすればよい。
【００４５】
このモノマーと水との比を、概ね１：５〜１：２０とすれば、モノリス中間体の全細孔容積が５〜１６ｍｌ/ｇの連続マクロポア構造のものが得られ、ＩＩＩ工程を経て得られる複合モノリスの有機多孔質体が第１の有機多孔質体のものが得られる。また、該配合比率を、概ね１：２０〜１：３５とすれば、モノリス中間体の全細孔容積が１６ｍｌ/ｇを超え、３０ｍｌ/ｇ以下の連続マクロポア構造のものが得られ、ＩＩＩ工程を経て得られる複合モノリスの有機多孔質体が第２の有機多孔質体のものが得られる。
【００４６】
また、モノリス中間体は、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口（メソポア）の平均直径が乾燥状態で２０〜１００μｍである。開口の平均直径が２０μｍ未満であると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が小さくなり、通水過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。一方、１００μｍを超えると、ビニルモノマーを重合させた後で得られるモノリスの開口径が大きくなりすぎ、水の流路が均一に形成されにくくなるため好ましくない。モノリス中間体は、マクロポアの大きさや開口の径が揃った均一構造のものが好適であるが、これに限定されず、均一構造中、均一なマクロポアの大きさよりも大きな不均一なマクロポアが点在するものであってもよい。
【００４７】
（複合モノリスの製造方法）
ＩＩ工程は、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも２個以上のビニル基を有する第２架橋剤、ビニルモノマーや第２架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒及び重合開始剤からなる混合物を調製する工程である。なお、Ｉ工程とＩＩ工程の順序はなく、Ｉ工程後にＩＩ工程を行ってもよく、ＩＩ工程後にＩ工程を行ってもよい。
【００４８】
ＩＩ工程で用いられるビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性のビニルモノマーであれば、特に制限はない。これらビニルモノマーの具体例としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ビニルビフェニル、ビニルナフタレン等の芳香族ビニルモノマー；エチレン、プロピレン、１-ブテン、イソブテン等のα-オレフィン；ブタジエン、イソプレン、クロロプレン等のジエン系モノマー；塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン、テトラフルオロエチレン等のハロゲン化オレフィン；アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル系モノマー；酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル；アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸２-エチルヘキシル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸グリシジル等の（メタ）アクリル系モノマーが挙げられる。これらモノマーは、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。本発明で好適に用いられるビニルモノマーは、スチレン、ビニルベンジルクロライド等の芳香族ビニルモノマーである。
【００４９】
これらビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体に対して、重量で３〜４０倍、好ましくは４〜３０倍である。ビニルモノマー添加量が多孔質体に対して３倍未満であると、生成したモノリスの骨格に粒子体を形成できず、イオン交換基導入後の体積当りのイオン交換容量が小さくなってしまうため好ましくない。一方、ビニルモノマー添加量が４０倍を超えると、開口径が小さくなり、流体透過時の圧力損失が大きくなってしまうため好ましくない。
【００５０】
ＩＩ工程で用いられる第２架橋剤は、分子中に少なくとも２個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好適に用いられる。第２架橋剤の具体例としては、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ブタンジオールジアクリレート等が挙げられる。これら第２架橋剤は、１種単独又は２種以上を組み合わせて使用することができる。好ましい第２架橋剤は、機械的強度の高さと加水分解に対する安定性から、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル等の芳香族ポリビニル化合物である。第２架橋剤の使用量は、ビニルモノマーと第２架橋剤の合計量に対して０．３〜２０モル％、特に０．３〜１０モル％であることが好ましい。架橋剤使用量が０．３モル％未満であると、モノリスの機械的強度が不足するため好ましくない。一方、２０モル％を越えると、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。
【００５１】
ＩＩ工程で用いられる有機溶媒は、ビニルモノマーや第２架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒、言い換えると、ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。該有機溶媒は、ビニルモノマーの種類によって大きく異なるため一般的な具体例を列挙することは困難であるが、例えば、ビニルモノマーがスチレンの場合、有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、オクタノール、2-エチルヘキサノール、デカノール、ドデカノール、プロピレングリコール、テトラメチレングリコール等のアルコール類；ジエチルエーテル、ブチルセロソルブ、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール等の鎖状（ポリ）エーテル類；ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、デカン、ドデカン等の鎖状飽和炭化水素類；酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸セロソルブ、プロピオン酸エチル等のエステル類が挙げられる。また、ジオキサンやＴＨＦ、トルエンのようにポリスチレンの良溶媒であっても、上記貧溶媒と共に用いられ、その使用量が少ない場合には、有機溶媒として使用することができる。これら有機溶媒の使用量は、上記ビニルモノマーの濃度が５〜８０重量％となるように用いることが好ましい。有機溶媒使用量が上記範囲から逸脱してビニルモノマー濃度が５重量％未満となると、重合速度が低下してしまうため好ましくない。一方、ビニルモノマー濃度が８０重量％を超えると、重合が暴走する恐れがあるため好ましくない。
【００５２】
重合開始剤としては、熱及び光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は油溶性であるほうが好ましい。本発明で用いられる重合開始剤の具体例としては、２，２’-アゾビス（イソブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビス（２−メチルブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（４-メトキシ-２，４-ジメチルバレロニトリル）、２，２’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、４，４’-アゾビス（４-シアノ吉草酸）、１，１’-アゾビス（シクロヘキサン-1-カルボニトリル）、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、テトラメチルチウラムジスルフィド等が挙げられる。重合開始剤の使用量は、モノマーの種類や重合温度等によって大きく変動するが、ビニルモノマーと第２架橋剤の合計量に対して、約０．０１〜５％の範囲で使用することができる。
【００５３】
ＩＩＩ工程は、ＩＩ工程で得られた混合物を静置下、且つ該Ｉ工程で得られたモノリス中間体の存在下、重合を行い、複合モノリスを得る工程である。ＩＩＩ工程で用いるモノリス中間体は、本発明の斬新な構造を有するモノリスを創出する上で、極めて重要な役割を担っている。特表平７−５０１１４０号等に開示されているように、モノリス中間体不存在下でビニルモノマーと第２架橋剤を特定の有機溶媒中で静置重合させると、粒子凝集型のモノリス状有機多孔質体が得られる。それに対して、本発明のように上記重合系に連続マクロポア構造のモノリス中間体を存在させると、重合後のモノリスの構造は劇的に変化し、粒子凝集構造は消失し、上述の特定の骨格構造を有するモノリスが得られる。
【００５４】
反応容器の内容積は、モノリス中間体を反応容器中に存在させる大きさのものであれば特に制限されず、反応容器内にモノリス中間体を載置した際、平面視でモノリスの周りに隙間ができるもの、反応容器内にモノリス中間体が隙間無く入るもののいずれであってもよい。このうち、重合後のモノリスが容器内壁から押圧を受けることなく、反応容器内に隙間無く入るものが、モノリスに歪が生じることもなく、反応原料などの無駄がなく効率的である。なお、反応容器の内容積が大きく、重合後のモノリスの周りに隙間が存在する場合であっても、ビニルモノマーや架橋剤は、モノリス中間体に吸着、分配されるため、反応容器内の隙間部分に粒子凝集構造物が生成することはない。
【００５５】
ＩＩＩ工程において、反応容器中、モノリス中間体は混合物（溶液）で含浸された状態に置かれる。ＩＩ工程で得られた混合物とモノリス中間体の配合比は、前述の如く、モノリス中間体に対して、ビニルモノマーの添加量が重量で３〜４０倍、好ましくは４〜３０倍となるように配合するのが好適である。これにより、適度な開口径を有しつつ、特定の骨格を有するモノリスを得ることができる。反応容器中、混合物中のビニルモノマーと架橋剤は、静置されたモノリス中間体の骨格に吸着、分配しされ、モノリス中間体の骨格内で重合が進行する。
【００５６】
重合条件は、モノマーの種類、開始剤の種類により様々な条件が選択できる。例えば、開始剤として２，２’-アゾビス（イソブチロニトリル）、２，２’-アゾビス（２，４-ジメチルバレロニトリル）、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル等を用いたときには、不活性雰囲気下の密封容器内において、２０〜１００℃で１〜４８時間加熱重合させればよい。加熱重合により、モノリス中間体の骨格に吸着、分配したビニルモノマーと架橋剤が該骨格内で重合し、該特定の骨格構造を形成させる。重合終了後、内容物を取り出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒の除去を目的に、アセトン等の溶剤で抽出して特定骨格構造のモノリスを得る。
【００５７】
上述の複合モノリスを製造する際に、下記（１）〜（５）の条件のうち、少なくとも一つを満たす条件下でＩＩ工程又はＩＩＩ工程行うと、本発明の特徴的な構造である、骨格表面に粒子体等が形成された複合モノリスを製造することができる。
【００５８】
（１）ＩＩＩ工程における重合温度が、重合開始剤の１０時間半減温度より、少なくとも５℃低い温度である。
（２）ＩＩ工程で用いる第２架橋剤のモル％が、Ｉ工程で用いる第１架橋剤のモル％の２倍以上である。
（３）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーが、Ｉ工程で用いた油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーである。
（４）ＩＩ工程で用いる有機溶媒が、分子量２００以上のポリエーテルである。
（５）ＩＩ工程で用いるビニルモノマーの濃度が、ＩＩ工程の混合物中、３０重量％以下である。
【００５９】
（上記（１）の説明）
１０時間半減温度は重合開始剤の特性値であり、使用する重合開始剤が決まれば１０時間半減温度を知ることができる。また、所望の１０時間半減温度があれば、それに該当する重合開始剤を選択することができる。ＩＩＩ工程において、重合温度を低下させることで、重合速度が低下し、骨格相の表面に粒子体等を形成させることができる。その理由は、モノリス中間体の骨格相の内部でのモノマー濃度低下が緩やかとなり、液相部からモノリス中間体へのモノマー分配速度が低下するため、余剰のモノマーがモノリス中間体の骨格層の表面近傍で濃縮され、その場で重合したためと考えられる。
【００６０】
重合温度の好ましいものは、用いる重合開始剤の１０時間半減温度より少なくとも１０℃低い温度である。重合温度の下限値は特に限定されないが、温度が低下するほど重合速度が低下し、重合時間が実用上許容できないほど長くなってしまうため、重合温度を１０時間半減温度に対して５〜２０℃低い範囲に設定することが好ましい。
【００６１】
（（２）の説明）
ＩＩ工程で用いる第２架橋剤のモル％を、Ｉ工程で用いる第１架橋剤のモル％の２倍以上に設定して重合すると、本発明の複合モノリスが得られる。その理由は、モノリス中間体と含浸重合によって生成したポリマーとの相溶性が低下し相分離が進行するため、含浸重合によって生成したポリマーはモノリス中間体の骨格相の表面近傍に排除され、骨格相表面に粒子体等の凹凸を形成したものと考えられる。なお、架橋剤のモル％は、架橋密度モル％であって、ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対する架橋剤量（モル％）を言う。
【００６２】
ＩＩ工程で用いる第２架橋剤モル％の上限は特に制限されないが、第２架橋剤モル％が著しく大きくなると、重合後のモノリスにクラックが発生する、モノリスの脆化が進行して柔軟性が失われる、イオン交換基の導入量が減少してしまうといった問題点が生じるため好ましくない。好ましい第２架橋剤モル％の倍数は２倍〜１０倍である。一方、Ｉ工程で用いる第１架橋剤モル％をＩＩ工程で用いられる第２架橋剤モル％に対して２倍以上に設定しても、骨格相表面への粒子体等の形成は起こらず、本発明の複合モノリスは得られない。
【００６３】
（（３）の説明）
ＩＩ工程で用いるビニルモノマーが、Ｉ工程で用いた油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーであると、本発明の複合モノリスが得られる。例えば、スチレンとビニルベンジルクロライドのように、ビニルモノマーの構造が僅かでも異なると、骨格相表面に粒子体等が形成された複合モノリスが生成する。一般に、僅かでも構造が異なる二種類のモノマーから得られる二種類のホモポリマーは互いに相溶しない。したがって、Ｉ工程で用いたモノリス中間体形成に用いたモノマーとは異なる構造のモノマー、すなわち、Ｉ工程で用いたモノリス中間体形成に用いたモノマー以外のモノマーをＩＩ工程で用いてＩＩＩ工程で重合を行うと、ＩＩ工程で用いたモノマーはモノリス中間体に均一に分配や含浸がされるものの、重合が進行してポリマーが生成すると、生成したポリマーはモノリス中間体とは相溶しないため、相分離が進行し、生成したポリマーはモノリス中間体の骨格相の表面近傍に排除され、骨格相の表面に粒子体等の凹凸を形成したものと考えられる。
【００６４】
（（４）の説明）
ＩＩ工程で用いる有機溶媒が、分子量２００以上のポリエーテルであると、本発明の複合モノリスが得られる。ポリエーテルはモノリス中間体との親和性が比較的高く、特に低分子量の環状ポリエーテルはポリスチレンの良溶媒、低分子量の鎖状ポリエーテルは良溶媒ではないがかなりの親和性を有している。しかし、ポリエーテルの分子量が大きくなると、モノリス中間体との親和性は劇的に低下し、モノリス中間体とほとんど親和性を示さなくなる。このような親和性に乏しい溶媒を有機溶媒に用いると、モノマーのモノリス中間体の骨格内部への拡散が阻害され、その結果、モノマーはモノリス中間体の骨格の表面近傍のみで重合するため、骨格相表面に粒子体等が形成され骨格表面に凹凸を形成したものと考えられる。
【００６５】
ポリエーテルの分子量は、２００以上であれば上限に特に制約はないが、あまりに高分子量であると、ＩＩ工程で調製される混合物の粘度が高くなり、モノリス中間体内部への含浸が困難になるため好ましくない。好ましいポリエーテルの分子量は２００〜１０００００、特に好ましくは２００〜１００００である。また、ポリエーテルの末端構造は、未修飾の水酸基であっても、メチル基やエチル基等のアルキル基でエーテル化されていてもよいし、酢酸、オレイン酸、ラウリン酸、ステアリン酸等でエステル化されていてもよい。
【００６６】
（（５）の説明）
ＩＩ工程で用いるビニルモノマーの濃度が、ＩＩ工程中の混合物中、３０重量％以下であると、本発明の複合モノリスが得られる。ＩＩ工程でモノマー濃度を低下させることで、重合速度が低下し、前記（１）と同様の理由で、骨格相表面に粒子体等が形成でき、骨格相表面に凹凸を形成されることができる。モノマー濃度の下限値は特に限定されないが、モノマー濃度が低下するほど重合速度が低下し、重合時間が実用上許容できないほど長くなってしまうため、モノマー濃度は１０〜３０重量％に設定することが好ましい。
【００６７】
ＩＩＩ工程で得られた複合モノリスは、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される多数の突起体との複合構造体である。有機多孔質体の連続骨格相と連続空孔相は、ＳＥＭ画像により観察することができる。有機多孔質体の基本構造は、連続マクロポア構造か、共連続構造である。
【００６８】
複合モノリスにおける連続マクロポア構造は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が乾燥状態での平均直径２０〜１００μｍの開口となるものであり、複合モノリスにおける共連続構造体は、平均の太さが乾燥状態で０．８〜４０μｍの三次元的に連続した骨格と、その骨格間に乾燥で平均直径が８〜８０μｍの三次元的に連続した空孔とからなるものである。
【００６９】
ＩＶ工程は、ＩＩＩ工程で得られた複合モノリスにイオン交換基を導入する工程である。この導入方法によれば、得られる複合モノリスイオン交換体の多孔構造を厳密にコントロールできる。
【００７０】
上記複合モノリスにイオン交換基を導入する方法としては、特に制限はなく、高分子反応やグラフト重合等の公知の方法を用いることができる。例えば、スルホン酸基を導入する方法としては、複合モノリスがスチレン-ジビニルベンゼン共重合体等であればクロロ硫酸や濃硫酸、発煙硫酸を用いてスルホン化する方法；複合モノリスに均一にラジカル開始基や連鎖移動基を骨格表面及び骨格内部に導入し、スチレンスルホン酸ナトリウムやアクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸をグラフト重合する方法；同様にグリシジルメタクリレートをグラフト重合した後、官能基変換によりスルホン酸基を導入する方法等が挙げられる。また、四級アンモニウム基を導入する方法としては、複合モノリスがスチレン-ジビニルベンゼン共重合体等であればクロロメチルメチルエーテル等によりクロロメチル基を導入した後、三級アミンと反応させる方法；複合モノリスをクロロメチルスチレンとジビニルベンゼンの共重合により製造し、三級アミンと反応させる方法；モノリスに、均一にラジカル開始基や連鎖移動基を骨格表面及び骨格内部導入し、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチルアンモニウムエチルアクリレートやＮ，Ｎ，Ｎ−トリメチルアンモニウムプロピルアクリルアミドをグラフト重合する方法；同様にグリシジルメタクリレートをグラフト重合した後、官能基変換により四級アンモニウム基を導入する方法等が挙げられる。これらの方法のうち、スルホン酸基を導入する方法については、クロロ硫酸を用いてスチレン-ジビニルベンゼン共重合体にスルホン酸基を導入する方法が、四級アンモニウム基を導入する方法としては、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体にクロロメチルメチルエーテル等によりクロロメチル基を導入した後、三級アミンと反応させる方法やクロロメチルスチレンとジビニルベンゼンの共重合によりモノリスを製造し、三級アミンと反応させる方法が、イオン交換基を均一かつ定量的に導入できる点で好ましい。なお、導入するイオン交換基としては、カルボン酸基、イミノ二酢酸基、スルホン酸基、リン酸基、リン酸エステル基等のカチオン交換基；四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ポリエチレンイミン基、第三スルホニウム基、ホスホニウム基等のアニオン交換基が挙げられる。
【００７１】
本発明において、被処理水としては、脱イオン処理を目的とするものであり、濁質を含まないものであれば特に限定されないが、例えば、濁度１度程度以下の工業用水や市水などを挙げることができる。
【００７２】
次に、本発明の第１の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１７を参照して説明する。図１７は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図１７の電気式脱イオン水製造装置２０Ａは、被処理水から陽イオン性不純物を除去する電気式脱陽イオン水製造装置２０ａと、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの処理水から陰イオン性不純物を除去する電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂとからなるものである。電気式脱陽イオン水製造装置２０ａは、一側のイオン交換膜１７と他側の陽イオン交換膜１で区画される脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、一側のイオン交換膜１７の外側に配設される陽極１０と、他側の陽イオン交換膜１の外側に配設される陰極９と、脱陽イオン室６中の他側の陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、該脱陽イオン室６中の一側のイオン交換膜１７近傍に配設される第１処理水集水部４ａとを有するものである。すなわち、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの多孔質陽イオン交換体１５内における通水方向は図１７中の実線の矢印方向である下から上である。
【００７３】
一方、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂは、一側の陰イオン交換膜２と他側のイオン交換膜１７で区画される脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側の陰イオン交換膜２の外側に配設される陽極１０と、他側のイオン交換膜１７の外側に配設される陰極９と、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの第１処理水集水部４ａと連通管５ａで接続される脱陰イオン室７中の一側の陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の他側のイオン交換膜１７近傍に配設される第２処理水集水部４ｂとを有するものである。すなわち、電気式脱陽イオン水製造装置２０ｂの多孔質陰イオン交換体１６内における通水方向は図１７中の実線の矢印方向である上から下である。
【００７４】
本例の電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの脱陽イオン室６に充填される有機多孔質陽イオン交換体１５は、前述の複合構造の有機多孔質陽イオン交換体であり、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの脱陰イオン室７に充填される有機多孔質陰イオン交換体１６は、前述の複合構造の有機多孔質陰イオン交換体である。また、脱陽イオン室６及び脱陰イオン室７の形状としては、排除されるイオンが、多孔質イオン交換体内の通水方向に対して逆方向に泳動するように電場を印加することができれば、特に制限されないが、例えば円柱状又は直方体状とすることが構成部材の製造のし易さ等の点から好適である。また、被処理水が移動する距離、即ち脱陽イオン室６及び脱陰イオン室７を構成する多孔質イオン交換体充填層の有効厚みは、２０〜６００ｍｍ、好ましくは３０〜３００ｍｍとすることが、電気抵抗値や通水差圧を低い値に抑えつつ脱イオン処理を確実に行うことができる点で好適である。両側のイオン交換膜で区画される脱イオン室への有機多孔質イオン交換体の充填方法としては、特に制限されず、例えば脱イオン室に合わせた形状の多孔質イオン交換体を製造してそのまま充填してもよいし、また、複数に分割した層状の有機多孔質イオン交換体を積層して充填してもよい。
【００７５】
電気式脱陽イオン水製造装置２０Ａにおいて、脱陽イオン室６に複合構造の有機多孔質陽イオン交換体１５を充填した場合、脱陰イオン室７に公知の有機多孔質陰イオン交換体や粒状の陰イオン交換体樹脂を使用することができる。また、脱陰イオン室７に複合構造の有機多孔質陰イオン交換体１６を充填した場合、脱陽イオン室６に公知の有機多孔質陽イオン交換体や粒状の陽イオン交換体樹脂を使用することができる。
【００７６】
陽イオン交換膜としては、陽イオンのみを透過させ、その両側の水を隔離できるものであれば、特に限定されないが、例えばフッ素樹脂母体に-ＳＯ３−基を導入した強酸性陽イオン交換膜（例えばＮａｆｉｏｎ １１７やＮａｆｉｏｎ ３５０（デュポン社製））及びスチレン−ジビニルベンゼン共重合体母体に-ＳＯ３−基を導入した強酸性陽イオン交換膜（例えばネオセプタ ＣＭＸ(徳山曹達社製)）等が挙げられる。陰イオン交換膜としては、陰イオンのみを透過させ、その両側の水を隔離できるものであれば、特に限定されないが、例えばフッ素樹脂母体に陰イオン交換基を導入した陰イオン交換膜（例えばＴＯＳＦＬＥＸ ＩＥ−ＳＡ、ＴＯＳＦＬＥＸ ＩＥ−ＤＦ、ＴＯＳＦＬＥＸ ＩＥ−ＳＦ(東ソー社製)）及びスチレン−ジビニルベンゼン共重合体母体に陰イオン交換基を導入した陰イオン交換膜（例えばネオセプタ ＡＭＨ(徳山曹達社製)）等が挙げられる。また、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａで用いるイオン交換膜１７は、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜のいずれかを用いることができる。
【００７７】
また、陰極９及び陽極１０としては、金属、合金、金属酸化物、これらのいずれかを基板としてメッキまたはコーティングしたもの及び焼結炭素等の導電性材料を用いることができ、その形状としては、板状、パンチングメタル及びメッシュ状等のものを用いることができる。特に、陽極１０の材質としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、β−ＰｂＯ2、ＮｉＦｅ２Ｏ４等が耐酸性に優れ、酸化され難い点で好適である。また、陰極９の材質としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、炭素鋼、ステンレス、Ａｇ、Ｃｕ、グラファイト、ガラス質カーボン等が耐アルカリ性に優れる点で好適である。
【００７８】
電極とイオン交換膜の配置は、電極とイオン交換膜を直接接触させる配置とすることが、運転時の電圧を下げて消費電力を低減させることができる点で好適である。電極とイオン交換膜を直接接触させる場合、特に陽極側においては、フッ素樹脂母体のイオン交換膜を用いて、強い酸化作用によるイオン交換膜の劣化を防ぐ必要がある。フッ素樹脂母体以外のイオン交換膜を用いる場合は、ポリオレフィン製メッシュなどの不導体スペーサーを電極とイオン交換膜の間に挿入することが、電極とイオン交換膜の直接の接触を避け、イオン交換膜を劣化から保護することができる点で好適である。ただし、フッ素樹脂母体のイオン交換膜であっても、脱陰イオン室７の陽極側のように第４級アンモニウム基などの陰イオン交換基が導入された陰イオン交換膜２と陽極１０が配設される場合は、ポリオレフィン製メッシュなどの不導体スペーサーを陽電極１０と陰イオン交換膜２の間に挿入することが、陰イオン交換基の酸化を防止して、イオン交換膜を劣化から保護することができる点で好適である。
【００７９】
電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、第１及び第２被処理水導入分配部３ａ、３ｂ及び第１及び第２処理水集水部４ａ、４ｂとしては、例えば脱イオン室内に均等な被処理水の流れを形成せしめるように、脱イオン室形状に合わせて、配管に細孔を開けた分配管および集水管を同心円状や等間隔平行線状に多孔質イオン交換体内に埋設させる方法、及び多孔質イオン交換体の被処理水導入分配部と処理水集水部に溝を切り、多孔質イオン交換体そのものに被処理水分配及び処理水集水機能を持たせる方法が挙げられ、この中、多孔質イオン交換体そのものに被処理水分配及び処理水集水機能を持たせる方法が、別途の配管部材を用意することもなく簡単に作製することができる点で好適である。
【００８０】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、直流電流の配置形態としては、脱陽イオン室６と脱陰イオン室７の各室に個別の電源をおいて独立して通電する方法、又は単一の直流電源を用いて脱陽イオン室６と脱陰イオン室７を直列に接続して通電する方法が挙げられる。脱陽イオン室６と脱陰イオン室７を並列に接続して通電する方法は、一般に各脱イオン室の電気抵抗値が異なるため、脱イオン室間で通電電流値に差が生じ、吸着イオンの充分な排出を阻害する恐れがあるので好ましくない。
【００８１】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａにおいて、直流電流の通電方法としては、イオン組成の変化などによって生じる多孔質イオン交換体の電気抵抗値の変動に合わせて自動的に電圧値を変動させる定電流運転が、流入するイオン負荷を電気的に効率的に排除することができる点で好ましい。必要電流値は、排除すべきイオン量、即ち被処理水の水質及び処理流量によって決定される。更に、断続運転の場合には、被処理水の水質や処理流量に加えて、通水時間と停止時間によっても必要電流値は異なる。このように、必要電流値は種々の条件によって変化するため、一概に決定することが困難であるが、電気式脱イオン水製造装置における電流効率に水質変動などを見越した安全率を加えた値と、次式で得られる必要最低電流値を乗じた値とすればよい。
【００８２】
脱陽イオン室における必要最低電流値Ｉｍｉｎ（Ａ）＝ＭｃＱＦ／（６０２×１０３）；脱陰イオン室における必要最低電流値Ｉｍｉｎ(Ａ)＝ＭａＱＦ／（６０２×１０３）；式中、Ｍｃは被処理水の全陽イオン（ｍｅｑ/ｌ）、Ｍａは全陰イオン（ｍｅｑ/ｌ）、Ｑは処理流量（ｌ/ｈ）、Ｆはファラデー定数（Ｃ／ｍｏｌ）である。なお、電流効率とは電流がイオンの排除に使われる率であって、本発明の電気式脱イオン水製造装置では９５〜１００％である。
【００８３】
また、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａの運転方法としては、連続運転及び断続運転のいずれでもよく、例えば被処理水の装置への連続通水及び連続通電による連続運転方法及び被処理水の通水を一定時間停止し、その通水停止時間のみ又は通水停止時間と通水時間の双方で直流電流を通電する断続運転方法とすることもできる。
【００８４】
電気式脱陽イオン水製造装置２０ａにおいて、被処理水は脱陽イオン室６の陰極９側から導入され、第１被処理水導入分配部３ａによって多孔質陽イオン交換体１５に均等に分配される。次いで、被処理水は多孔質陽イオン交換体１５内において陽イオンＸ+を吸着除去されながら陽極１０側へ移動し、酸性軟水となって第１処理水集水部４ａによって集水され第１処理水として脱陽イオン室６から排出される。次いで、該酸性軟水は連通管５ａによって脱陰イオン７室内の陽極１０側に導入され、同様に第２被処理水導入分配部３ｂによって多孔質陰イオン交換体１６に均等に分配される。次いで、被処理水である第１処理水は多孔質陰イオン交換体１６内において陰イオンＹ-を吸着除去されながら陰極９側へ移動し、第２処理水集水部４ｂによって集水され第２処理水として脱陰イオン室７から排出される。
【００８５】
一方、脱陽イオン室６で有機多孔質陽イオン交換体１５に吸着された陽イオンＸ＋は、脱陽イオン室６の両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陰極９側の陽イオン交換膜１を通過して陰極室１２へ排出される。同様に、脱陰イオン室７で有機多孔質陰イオン交換体１６に吸着された陰イオンＹ−は、脱陰イオン室７の両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陽極１０側の陰イオン交換膜２を通過して陽極室１３へ排出される。
【００８６】
陰極室１２に排出された不純物陽イオンは、電極室入口Ｃから流入し、電極室出口ｃから流出する電極水に取り込まれ系外に排出される。同様に陽極室１３に排出された不純物陰イオンは、電極室入口Ｄから流入し、電極室出口ｄから流出する電極水に取り込まれ系外に排出される。電極水は被処理水の一部を分岐させて４つの電極室に独立に流してもよく、また、陽極水系及び陰極水系の２系統にそれぞれ流すようにしてもよい。また、電極水は常時流してもよく、断続的に適宜流してもよい。
【００８７】
かかる操作により、多孔質イオン交換体内における吸着不純物イオンの濃度分布は、常に被処理水流入側において高く、流出側において低い。このため、処理水集水部４付近における多孔質イオン交換体はほぼ完全再生形が維持されるため、被処理水中の不純物イオンを低濃度まで吸着することが可能であり、高純度の脱イオン水を安定してユースポイント等に供給することができる。また、不純物陽イオンと不純物陰イオンは、それぞれ別個に装置外へ排出されるため、従来の電気式脱イオン水製造装置のように装置内において混合されることがなく、被処理水にカルシウムやマグネシウムなどの硬度成分が含まれた場合でも、装置内にスケールが発生することがない。
【００８８】
なお、電気式脱イオン水製造装置２０Ａの通水方法として、上記以外に、例えば被処理水を電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂで処理し、次いで電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの処理水を電気式脱陽イオン水製造装置２０ａで処理する方法を採ることができる。この方法は、軟水のようにカルシウム、マグネシウムなどの硬度成分を含まない被処理水に適用することができる。しかし、このような軟水以外の水を処理する場合は、被処理水の通水順序を脱陽イオン室６から脱陰イオン室７とすることが、通水順序を逆にした場合に起こりうる脱陰イオン室７内における硬度成分の析出を防止することができる点で好適である。
【００８９】
次に、本発明の第２の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１８を参照して説明する。図１８は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図１８において、図１７と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。図１８の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂにおいて図１７と異なる点は、電極１組を省略して、１組の電極間に脱陽イオン室と脱陰イオン室を併設した点にある。すなわち、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂは、一側の陽イオン交換膜１と、一側の陽イオン交換膜１と他側の陰イオン交換膜２の間に形成される中間陽イオン交換膜１とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、他側の陰イオン交換膜２と中間陽イオン交換膜１で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側の陽イオン交換膜１の外側に配設される陰極９と、他側の陰イオン交換膜２の外側に配設される陽極１０と、脱陽イオン室６中の一側の陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、脱陽イオン室６中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第１処理水集水部４ａと、第１処理水集水部４ａと連通管５ｂで接続される脱陰イオン室７中の他側の陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第２処理水集水部４ｂと、を備えるものである。
【００９０】
なお、電気式脱陽イオン水製造装置２０Ｂにおいて、脱陽イオン室６に複合構造の有機多孔質陽イオン交換体１５を充填した場合、脱陰イオン室７に公知の有機多孔質陰イオン交換体や粒状の陰イオン交換体樹脂を使用することができる。また、脱陰イオン室７に複合構造の有機多孔質陰イオン交換体１６を充填した場合、脱陽イオン室６に公知の有機多孔質陽イオン交換体や粒状の陽イオン交換体樹脂を使用することができる。
【００９１】
電気式脱イオン水製造装置２０Ｂにおいては、電気式脱イオン水製造装置２０Ａと同様、被処理水は脱陽イオン室６の陰極９側から導入され、第１被処理水導入分配部３ａによって多孔質陽イオン交換体１５に均等に分配される。次いで、被処理水は多孔質陽イオン交換体１５内において陽イオンＸ＋を吸着除去されながら中間陽イオン交換膜１側へ移動し、酸性軟水となって第１処理水集水部４ａによって集水され第１処理水として脱陽イオン室６から排出される。次いで、第１処理水は連通管５ｂによって脱陰イオン室７内の陽極１０側に導入され、同様に第２被処理水導入分配部３ｂによって多孔質陰イオン交換体１６に均等に分配される。次いで、被処理水である第１処理水は多孔質陰イオン交換体１６内において陰イオンＹ−を吸着除去されながら中間陽イオン交換膜１側へ移動し、第２処理水集水部４ｂによって集水され第２処理水として脱陰イオン室７から排出される。
【００９２】
一方、脱陽イオン室６で有機多孔質陽イオン交換体１５に吸着された陽イオンＸ＋は、該装置２０Ｂの両端に配設された陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陰極９側の陽イオン交換膜１を通過して陰極室１２へ排出される。同様に、脱陰イオン室７で有機多孔質陰イオン交換体１６に吸着された陰イオンＹ−は、同様に陰極９及び陽極１０間に印加された直流電流によって電気的に泳動し、陽極１０側の陰イオン交換膜２を通過して陽極室１３へ排出される。第２の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｂによれば、第１の実施の形態例の電気式脱イオン水製造装置２０Ａと同様の効果を奏する他、電極１組を省略して装置の小型化、簡素化を図ることができる。
【００９３】
次に、本発明の第３の実施の形態における電気式脱イオン水製造装置を図１９を参照して説明する。図１９は本例の電気式脱イオン水製造装置の構造を示す模式図である。図１９において、図１７と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。図１９の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃにおいて図１７と異なる点は、電極１組を省略して、１組の電極間に脱陽イオン室と脱陰イオン室を併設すると共に、排除するイオンを中央に設けた濃縮室に集める構造とした点にある。すなわち、本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃは、一側のイオン交換膜１７と、一側のイオン交換膜１７と他側のイオン交換膜１７の間に形成される中間陽イオン交換膜１とで区画される第１脱イオン室に有機多孔質陽イオン交換体１５を充填してなる脱陽イオン室６と、中間陽イオン交換膜１と、中間陽イオン交換膜１と他側のイオン交換膜１７の間に形成される中間陰イオン交換膜２とで区画される濃縮室１１と、他側のイオン交換膜１７と中間陰イオン交換膜２で区画される第２脱イオン室に有機多孔質陰イオン交換体１６を充填してなる脱陰イオン室７と、一側のイオン交換膜１７の外側に配設される陽極１０と、他側のイオン交換膜１７の外側に配設される陰極９と、脱陽イオン室６中の中間陽イオン交換膜１近傍に配設される第１被処理水導入分配部３ａと、脱陽イオン室６中の一側のイオン交換膜１７近傍に配設される第１処理水集水部４ａと、第１処理水集水部４ａと連通管５ｂで接続される脱陰イオン室７中の中間陰イオン交換膜２近傍に配設される第２被処理水導入分配部３ｂと、脱陰イオン室７中の他側のイオン交換膜１７近傍に配設される第２処理水集水部４ｂとを備えるものである。
【００９４】
なお、電気式脱陽イオン水製造装置２０Ｃにおいて、脱陽イオン室６に複合構造の有機多孔質陽イオン交換体１５を充填した場合、脱陰イオン室７に公知の有機多孔質陰イオン交換体や粒状の陰イオン交換体樹脂を使用することができる。また、脱陰イオン室７に複合構造の有機多孔質陰イオン交換体１６を充填した場合、脱陽イオン室６に公知の有機多孔質陽イオン交換体や粒状の陽イオン交換体樹脂を使用することができる。
【００９５】
本例の電気式脱イオン水製造装置２０Ｃにおいて、脱陽イオン室６における被処理水の通水方向は中央の濃縮室１１側から陽極１０側に向かう方向であり、排除される陽イオンＸ＋はその逆方向である。また、脱陰イオン室７における被処理水の通水方向は中央の濃縮室１１側から陰極９側に向かう方向であり、排除される陰イオンＹ−はその逆方向である。濃縮室１１に流入した不純物イオンは、濃縮室入口Ｂから流入し、濃縮室出口ｂから流出する濃縮水に取り込まれて系外に排出される。濃縮室１１を流れる濃縮水は、例えば被処理水の一部が使用できる。電気式脱イオン水製造装置２０Ｃによれば、電気式脱イオン水製造装置２０Ｂと同様の効果を奏することができる。しかし、カルシウムイオンやマグネシウムイオン等の陽イオンと炭酸イオン等の陰イオンが濃縮室１１内で混合されるため、濃縮室１１内の陰イオン交換膜２面にスケールが発生する恐れがある。従って、電気式脱イオン水製造装置２０Ｃの前段部分に、軟化や一次脱塩などを行う前処理手段を設置することが望ましい。
【００９６】
本発明の電気式脱イオン水製造装置においては、電極反応によって、陽極において酸素及び塩素などのガスが少量生成し、陰極において水素などのガスが少量生成する。このため、各電極室又は電極水配管の途中には、気液分離手段と排ガス配管を設け、常時または断続的に生成ガスを排出し、更に、ガスの種類に応じた適正な処理を経て系外に放出する。また、同様に電極反応によって、特に陰極でカルシウム等の金属が析出することがある。この場合、一定運転時間毎に電極の極性を反転させる方法、電極水配管に１ｍｏｌ／ｌ程度の硝酸などの酸を通液して酸洗浄を行う方法又はこれらを複合させた方法により、電極機能を維持することが好適である。
【００９７】
本発明の電気式脱イオン水製造装置は、従来のイオン交換装置と同様の応用や組み合わせが可能であり、例えば、脱陽イオン室のみを用いて軟化装置としたり、後段に混床式イオン交換器を付けて、更に処理水質の高純度化を図ることなどができる。
【００９８】
（実施例）
次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。
【００９９】
参考例１
（Ｉ工程；モノリス中間体の製造）
スチレン９．２８ｇ、ジビニルベンゼン０．１９ｇ、ソルビタンモノオレエート（以下ＳＭＯと略す）０．５０ｇおよび２,２’-アゾビス（イソブチロニトリル）０．２６ｇを混合し、均一に溶解させた。次に，当該スチレン/ジビニルベンゼン/ＳＭＯ/２,２’-アゾビス（イソブチロニトリル）混合物を１８０ｇの純水に添加し、遊星式撹拌装置である真空撹拌脱泡ミキサー（イーエムイー社製）を用いて５〜２０℃の温度範囲において減圧下撹拌して、油中水滴型エマルションを得た。このエマルションを反応容器に速やかに移し、密封後静置下で６０℃、２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで抽出した後、減圧乾燥して、連続マクロポア構造を有するモノリス中間体を製造した。水銀圧入法により測定した該モノリス中間体のマクロポアとマクロポアが重なる部分の開口（メソポア）の平均直径は４０μｍ、全細孔容積は１５．８ｍｌ／ｇであった。
【０１００】
（複合モノリスの製造）
次いで、スチレン３６．０ｇ、ジビニルベンゼン４．０ｇ、１-デカノール６０ｇ、２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）０．４ｇを混合し、均一に溶解させた（ＩＩ工程）。重合開始剤として用いた２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）の１０時間半減温度は、５１℃であった。モノリス中間体の架橋密度１．３モル％に対して、ＩＩ工程で用いたスチレンとジビニルベンゼンの合計量に対するジビニルベンゼンの使用量は６．６モル％であり、架橋密度比は５．１倍であった。次に上記モノリス中間体を外径７０ｍｍ、厚さ約２０ｍｍの円盤状に切断して、３．２ｇ分取した。分取したモノリス中間体を内径７３ｍｍの反応容器に入れ、当該スチレン/ジビニルベンゼン/１-デカノール/２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）混合物に浸漬させ、減圧チャンバー中で脱泡した後、反応容器を密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、厚さ約３０ｍｍのモノリス状の内容物を取り出し、アセトンでソックスレー抽出した後、８５℃で一夜減圧乾燥した（ＩＩＩ工程）。
【０１０１】
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン共重合体よりなる複合モノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した結果を図１〜図３に示す。図１〜図３のＳＥＭ画像は、倍率が異なるものであり、モノリスを任意の位置で切断して得た切断面の任意の位置における画像である。図１〜図３から明らかなように、当該複合モノリスは連続マクロポア構造を有しており、連続マクロポア構造体を構成する骨格相の表面は、平均粒子径４μｍの粒子体で被覆され、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は８０％であった。また、粒径３〜５μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１０２】
また、水銀圧入法により測定した当該複合モノリスの開口の平均直径は１６μｍ、全細孔容積は２．３ｍｌ/ｇであった。その結果を表１及び表２にまとめて示す。表１中、仕込み欄は左から順に、ＩＩ工程で用いたビニルモノマー、架橋剤、有機溶媒、Ｉ工程で得られたモノリス中間体を示す。また、粒子体等は粒子で示した。
【０１０３】
（複合モノリスカチオン交換体の製造）
上記の方法で製造した複合モノリスを、外径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。モノリスの重量は１９．６ｇであった。これにジクロロメタン１５００ｍｌを加え、３５℃で１時間加熱した後、１０℃以下まで冷却し、クロロ硫酸９８．９ｇを徐々に加え、昇温して３５℃で２４時間反応させた。その後、メタノールを加え、残存するクロロ硫酸をクエンチした後、メタノールで洗浄してジクロロメタンを除き、更に純水で洗浄して複合モノリスカチオン交換体を得た。
【０１０４】
得られたカチオン交換体の反応前後の膨潤率は１．３倍であり、体積当りのイオン交換容量は、水湿潤状態で１．１１ｍｇ当量/ｍｌであった。水湿潤状態での有機多孔質イオン交換体の開口の平均直径を、有機多孔質体の値と水湿潤状態のカチオン交換体の膨潤率から見積もったところ２１μｍであり、同様の方法で求めた被覆粒子の平均粒径は５μｍであった。なお、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は８０％、全細孔容積は２．３ｍｌ/ｇであった。また、粒径４〜７μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。また、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、０．０５７ＭＰａ/ｍ・ＬＶであり、実用上要求される圧力損失と比較して、それを下回る低い圧力損失であった。更に、イオン交換帯長さは９ｍｍであり、著しく短い値を示した。結果を表２にまとめて示す。
【０１０５】
次に、複合モノリスカチオン交換体中のスルホン酸基の分布状態を確認するため、ＥＰＭＡにより硫黄原子の分布状態を観察した。その結果を図４及び図５に示す。図４及び図５共に、左右の写真はそれぞれ対応している。図４は硫黄原子のカチオン交換体の表面における分布状態を示したものであり、図５は硫黄原子のカチオン交換体の断面（厚み）方向における分布状態を示したものである。図４及び図５より、スルホン酸基はカチオン交換体の骨格表面及び骨格内部（断面方向）にそれぞれ均一に導入されていることがわかる。
【０１０６】
参考例２〜５
（複合モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度と使用量及び重合温度を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。また、複合モノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した結果を図６〜図１３に示す。図６〜図８は参考例２、図９及び図１０は参考例３、図１１は参考例４、図１２及び図１３は参考例５のものである。なお、参考例２については架橋密度比（２．５倍）、参考例３については有機溶媒の種類（ＰＥＧ；分子量４００）、参考例４についてはビニルモノマー濃度（２８．０％）、参考例５については重合温度（４０℃；重合開始剤の１０時間半減温度より１１℃低い）について、本発明の製造条件を満たす条件で製造した。図６〜図１３から参考例３〜５の複合モノリスの骨格表面に付着しているものは粒子体というよりは突起体であった。突起体の「粒子平均径」は突起体の大きさ（最大径）の平均径である。図６〜図１３及び表２から、参考例２〜６のモノリス骨格表面に付着している粒子の平均径は３〜８μｍ、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は５０〜９５％であった。また、参考例２が粒径３〜６μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は８０％、参考例３が粒径３〜１０μｍの突起体が全体の粒子体に占める割合は８０％、参考例４が粒径３〜５μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％、参考例５が粒径３〜７μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１０７】
（複合モノリスカチオン交換体の製造）
上記の方法で製造した複合モノリスを、それぞれ参考例１と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、複合モノリスカチオン交換体を製造した。その結果を表２に示す。参考例２〜５における複合モノリスカチオン交換体の連続細孔の平均直径は２１〜５２μｍであり、骨格表面に付着している粒子体等の平均径は５〜１３μｍ、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率も５０〜９５％と高く、差圧係数も０．０１０〜０．０５７ＭＰａ/ｍ・ＬＶと小さい上に、イオン交換帯長さも８〜１２ｍｍと著しく小さな値であった。また、粒径５〜１０μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１０８】
参考例６
（複合モノリスの製造）
ビニルモノマーの種類とその使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度および使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。また、複合モノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した結果を図１４〜図１６に示す。参考例６の複合モノリスの骨格表面に付着しているものは突起体であった。参考例６のモノリスは、表面に形成された突起体の最大径の平均径が１０μｍであり、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は１００％であった。また、粒径６〜１２μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は８０％であった。
【０１０９】
（複合モノリスアニオン交換体の製造）
上記の方法で製造した複合モノリスを、外径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。複合モノリスの重量は１７．９ｇであった。これにテトラヒドロフラン１５００ｍｌを加え、４０℃で１時間加熱した後、１０℃以下まで冷却し、トリメチルアミン３０％水溶液１１４．５ｇを徐々に加え、昇温して４０℃で２４時間反応させた。反応終了後、メタノールで洗浄してテトラヒドロフランを除き、更に純水で洗浄してモノリスアニオン交換体を得た。
【０１１０】
得られた複合アニオン交換体の反応前後の膨潤率は２．０倍であり、体積当りのイオン交換容量は、水湿潤状態で０．３２ｍｇ当量/ｍｌであった。水湿潤状態での有機多孔質イオン交換体の連続細孔の平均直径を、モノリスの値と水湿潤状態のモノリスアニオン交換体の膨潤率から見積もったところ５８μｍであり、同様の方法で求めた突起体の平均径は２０μｍ、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は１００％、全細孔容積は２．１ｍｌ/ｇであった。また、イオン交換帯長さは１６ｍｍと非常に短い値を示した。なお、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、０．０４１ＭＰａ/ｍ・ＬＶであり、実用上要求される圧力損失と比較して、それを下回る低い圧力損失であった。また、粒径１２〜２４μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は８０％であった。その結果を表２にまとめて示す。
【０１１１】
次に、多孔質アニオン交換体中の四級アンモニウム基の分布状態を確認するため、アニオン交換体を塩酸水溶液で処理して塩化物型とした後、ＥＰＭＡにより塩素原子の分布状態を観察した。その結果、塩素原子はアニオン交換体の骨格表面のみならず、骨格内部にも均一に分布しており、四級アンモニウム基がアニオン交換体中に均一に導入されていることが確認できた。
【０１１２】
参考例７
（モノリス中間体の製造）
参考例１と同様の方法で行いモノリス中間体を得た。
【０１１３】
（複合モノリスの製造）
スチレン３８．０ｇ、ジビニルベンゼン２．０ｇ、１-デカノール６０ｇ、２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）０．４ｇを混合し、均一に溶解させた（ＩＩ工程）。重合開始剤として用いた２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）の１０時間半減温度は、５１℃であった。モノリス中間体の架橋密度１．３モル％に対して、ＩＩ工程で用いたスチレンとジビニルベンゼンの合計量に対するジビニルベンゼンの使用量は３．３モル％であり、架橋密度比は２．５倍であった。次に上記モノリス中間体を直径７０ｍｍ、厚さ約３０ｍｍの円盤状に切断して３．３ｇを分取した。分取したモノリス中間体を内径７３ｍｍの反応容器に入れ、当該スチレン/ジビニルベンゼン/1-デカノール/２,２’-アゾビス（２,４-ジメチルバレロニトリル）混合物に浸漬させ、減圧チャンバー中で脱泡した後、反応容器を密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、厚さ約３０ｍｍのモノリス状の内容物を取り出し、アセトンでソックスレー抽出した後、８５℃で一夜減圧乾燥した（ＩＩＩ工程）。
【０１１４】
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を３．３モル％含有したモノリス（乾燥体）の内部構造を、ＳＥＭにより観察した。当該モノリスは連続マクロポア構造を有しており、連続マクロポア構造体を構成する骨格相の表面は、平均粒子径５μｍの粒子体で被覆され、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は５０％であった。また、粒径３〜７μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。また、水銀圧入法により測定した当該モノリスの開口の平均直径は３５μｍ、全細孔容積は３．８ｍｌ/ｇであった。
【０１１５】
（複合モノリスアニオン交換体の製造）
上記の方法で製造したモノリスを、直径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。これにジメトキシメタン１４００ｍｌ、四塩化スズ２０ｍｌを加え、氷冷下クロロ硫酸５６０ｍｌを滴下した。滴下終了後、昇温して３５℃で５時間反応させ、クロロメチル基を導入した。反応終了後、母液をサイフォンで抜き出し、ＴＨＦ/水＝２/１の混合溶媒で洗浄した後、更にＴＨＦで洗浄した。このクロロメチル化モノリスにＴＨＦ１０００ｍｌとトリメチルアミン３０％水溶液６００ｍｌを加え、６０℃、６時間反応させた。反応終了後、生成物をメタノール/水混合溶媒で洗浄し、次いで純水で洗浄して単離した。
【０１１６】
得られたモノリスアニオン交換体の反応前後の膨潤率は１．５倍であり、体積当りのアニオン交換容量は水湿潤状態で０．７２ｍｇ当量/ｍｌであった。水湿潤状態でのモノリスアニオン交換体の開口の平均直径を、モノリスの値と水湿潤状態のモノリスアニオン交換体の膨潤率から見積もったところ５３μｍであり、同様の方法で求めた被覆粒子の平均粒径は８μｍであった。なお、全粒子体等による骨格表面の粒子被覆率は５０％、全細孔容積は３．８ｍｌ/ｇであった。また、粒径４〜８μｍの粒子体が全体の粒子体に占める割合は９０％であった。
【０１１７】
また、水を透過させた際の圧力損失の指標である差圧係数は、０．０１７ＭＰａ/ｍ・ＬＶであり、実用上支障のない低い圧力損失であった。更に、該モノリスアニオン交換体のフッ化物イオンに関するイオン交換帯長さを測定したところ、ＬＶ=２０ｍ/ｈにおけるイオン交換帯長さは１４ｍｍであり、市販の強塩基性アニオン交換樹脂であるアンバーライトＩＲＡ４０２ＢＬ（ロームアンドハース社製）の値（１６５ｍｍ）に比べて圧倒的に短かった。
【０１１８】
次に、モノリスアニオン交換体中の四級アンモニウム基の分布状態を確認するため、モノリスアニオン交換体を塩酸水溶液で処理して塩化物型とした後、ＥＰＭＡにより塩化物イオンの分布状態を観察した。その結果、塩化物イオンはモノリスアニオン交換体の骨格表面のみならず、骨格内部にも均一に分布しており、四級アンモニウム基がモノリスアニオン交換体中に均一に導入されていることが確認できた。
【０１１９】
参考例８
（モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、実施例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。なお、不図示のＳＥＭ写真から骨格表面には粒子体や突起体の形成は全く認められなかった。表１及び表２から、本発明の特定の製造条件と逸脱する条件、すなわち、上記（１）〜（５）の要件から逸脱した条件下でモノリスを製造すると、モノリス骨格表面での粒子生成が認められないことがわかる。
【０１２０】
（モノリスカチオン交換体の製造）
上記の方法で製造したモノリスを、参考例１と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、モノリスカチオン交換体を製造した。結果を表２に示す。得られたモノリスカチオン交換体のイオン交換帯長さは２６ｍｍであり、参考例１〜７と比較して大きな値であった。
【０１２１】
参考例９〜１１
（モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の種類と使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造、架橋密度および使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例１と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示す。なお、参考例９については架橋密度比（０．２倍）、参考例１０については有機溶媒の種類（２-（２-メトキシエトキシ）エタノール；分子量１２０）、参考例１１については重合温度（５０℃；重合開始剤の１０時間半減温度より１℃低い）について、本発明の製造条件を満たさない条件で製造した。結果を表２に示す。参考例９、１１のモノリスについては骨格表面での粒子生成はなかった。また、参考例１０では単離した生成物は透明であり、多孔構造が崩壊、消失していた。
【０１２２】
（モノリスカチオン交換体の製造）
参考例１０を除き、上記の方法で製造した有機多孔質体を、参考例８と同様の方法でクロロ硫酸と反応させ、モノリスカチオン交換体を製造した。その結果を表２に示す。得られたモノリスカチオン交換体のイオン交換帯長さは２３〜２６ｍｍであり、参考例１〜７と比較して大きな値であった。
【０１２３】
参考例１２
（モノリスの製造）
ビニルモノマーの使用量、架橋剤の使用量、有機溶媒の使用量、ＩＩＩ工程で重合時に共存させるモノリス中間体の多孔構造および使用量を表１に示す配合量に変更した以外は、参考例８と同様の方法でモノリスを製造した。その結果を表１及び表２に示すが、本発明の特定の製造条件を逸脱してモノリスを製造すると、モノリス骨格表面での粒子生成が認められないことがわかる。
【０１２４】
（モノリスアニオン交換体の製造）
上記の方法で製造したモノリスを、直径７０ｍｍ、厚み約１５ｍｍの円盤状に切断した。これにジメトキシメタン１４００ｍｌ、四塩化スズ２０ｍｌを加え、氷冷下クロロ硫酸５６０ｍｌを滴下した。滴下終了後、昇温して３５℃で５時間反応させ、クロロメチル基を導入した。反応終了後、母液をサイフォンで抜き出し、ＴＨＦ/水＝２/１の混合溶媒で洗浄した後、更にＴＨＦで洗浄した。このクロロメチル化モノリスにＴＨＦ１０００ｍｌとトリメチルアミン３０％水溶液６００ｍｌを加え、６０℃、６時間反応させた。反応終了後、生成物をメタノール/水混合溶媒で洗浄し、次いで純水で洗浄して単離した。結果を表２に示が、得られたモノリスアニオン交換体のイオン交換帯長さは４７ｍｍであり、参考例１〜７と比較して大きな値であった。表１及び２中、メソポア直径及び細孔の値はそれぞれ平均値を示す。
【０１２５】
参考例１３
（多孔質カチオン交換体（公知）の製造）
スチレン２７．７ｇ、ジビニルベンゼン６．９ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．１４ｇ及びソルビタンモノオレエート３．８ｇを混合し、均一に溶解させた。次に、当該スチレン／ジビニルベンゼン／アゾビスイソブチロニトリル／ソルビタンモノオレエート混合物を４５０ｍｌの純水に添加し、ホモジナイザーを用いて２万回転／分で２分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、油中水滴型エマルジョンをステンレス製のオートクレーブに移し、窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで１８時間ソックスレー抽出し、未反応モノマーとソルビタンモノオレエートを除去した後、４０℃で一昼夜減圧乾燥した。このようにして得られたスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を１４モル％含有した多孔質体５ｇを分取し、テトラクロロエタン５００ｇを加え、６０℃で３０分加熱した後、室温まで冷却し、クロロ硫酸２５ｇを徐々に加え、室温で２４時間反応させた。その後、酢酸を加え、多量の水中に反応物を投入し、水洗、乾燥して多孔質カチオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で４．０ｍｇ当量/ｇであり、ＥＰＭＡを用いた硫黄原子のマッピングにより、スルホン酸基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、不図示のＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０μｍのマクロポアの大部分が重なり合い、マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値は５μｍ、全細孔容積は、１０．１ｍｌ/ｇであった。また、上記多孔質体を１０ｍｍの厚みに切り出し、水透過速度を測定したところ、１４，０００ｌ/分・ｍ２・ＭＰａであった。
【０１２６】
参考例１４
（多孔質アニオン交換体（公知）の製造）
スチレン２７．７ｇの代わりに、ｐ- クロロメチルスチレン１８．０ｇを用い、ジビニルベンゼン１７．３ｇ、アゾビスイソブチロニトリル０．２６ｇとした以外、実施例１と同様の油中水滴型エマルジョンの重合を行い、ｐ−クロロメチルスチレン／ジビニルベンゼン共重合体よりなる架橋成分を５０モル％含有した多孔質体を製造した。この多孔質体５ｇを分取し、ジオキサン５００ｇを加え８０℃で３０分加熱した後、室温まで冷却し、トリメチルアミン（３０％）水溶液６５ｇを徐々に加え、５０℃で３時間反応させた後、室温で一昼夜放置した。反応終了後、多孔質体を取り出し、アセトンで洗浄後水洗し、乾燥して多孔質アニオン交換体を得た。この多孔質体のイオン交換容量は、乾燥多孔質体換算で２．５ｍｇ当量／ｇであり、ＳＩＭＳにより、トリメチルアンモニウム基が多孔質体に均一に導入されていることを確認した。また、ＳＥＭ観察の結果、この多孔質体の内部構造は、連続気泡構造を有しており、平均径３０μｍのマクロポアの大部分が重なり合い、マクロポアとマクロポアの重なりで形成されるメソポアの直径の平均値は４μｍ、全細孔容積は９．９ｍｌ/ｇであった。また、上記多孔質体を１０ｍｍの厚みに切り出し、水透過速度を測定したところ、１２，０００ｌ/分・ｍ２・ＭＰａであった。
【実施例１】
【０１２７】
（電気式脱陽イオン水製造装置Ａの作製）
図１７に示すような電気式脱イオン水製造装置２０Ａを作製するため、先ず電気式脱陽イオン水製造装置２０ａを作製した。参考例２の多孔質陽イオン交換体から、純水湿潤状態で縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの直方体５個と、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ５ｍｍの直方体２個を切り出して脱イオン室に積層充填する充填材を得た。次いで、厚さ５ｍｍの充填材２個と、厚さ１０ｍｍの充填材２個の片面に、図２０に示したような間隔（ｗ）１０ｍｍ、幅（ｓ）２ｍｍの複数条の縦溝２１、縦溝２１の一端を繋げる横溝２２、横溝２２と不図示の外部配管に繋げる導入溝２３を切削加工により形成した。次いで厚さ５ｍｍの充填材を溝部２４が装置内部を向くように配置して最上部及び最下部とし、その間に厚さ１０ｍｍの充填材５個を積層した。このとき、厚さ１０ｍｍの充填材の中、上部と下部の充填材はその溝部２４が厚さ５ｍｍの充填材の溝部２４と向き合うように配置し、被処理水導入分配部３及び処理水集水部４を形成した。このように作製されたブロック状多孔質陽イオン交換体１５は、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、全充填層高６０ｍｍであり、被処理水導入分配部３の中心から処理水集水部４の中心までの高さ、即ち有効イオン交換体層高が５０ｍｍであった。次いで、ブロック状多孔質陽イオン交換体１５の他側に陽イオン交換膜（Ｎａｆｉｏｎ ３５０；デュポン社製）を、一側に陽イオン交換膜（Ｎａｆｉｏｎ ３５０；デュポン社製）をそれぞれ密着させて配設した。更に、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陽極１０を、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陰極９を配置した。得られた構造体を、適宜ノズルやリード線取り出し口を有するポリ塩化ビニル製のケース内に構築し、電気式脱陽イオン水製造装置２０ａを作製した。
【０１２８】
（電気式脱陰イオン水製造装置Ａの作製）
参考例７の多孔質陰イオン交換体について、前記と同様の方法により充填材を得ると共に、被処理水導入分配部３及び処理水集水部４を形成してブロック状多孔質陰イオン交換体１６を得た。次いで、ブロック状多孔質陰イオン交換体１６の一側に陰イオン交換膜２（ネオセプタ ＡＭＨ；徳山曹達社製）を、他側に陽イオン交換膜(Ｎａｆｉｏｎ ３５０；デュポン社製)をそれぞれ密着させて配設した。更に、陰イオン交換膜２の外側面に白金メッシュ状の陽極１０を、陽イオン交換膜の外側面に白金メッシュ状の陰極９を配置した。なお、陽極１０と陰イオン交換膜２の間にはポリテトラフロロエチレン製メッシュを介在させた。得られた構造体を、適宜ノズルやリード線取り出し口を有するポリ塩化ビニル製のケース内に構築し、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂを作製した。
【０１２９】
（電気式脱イオン水製造装置Ａの作製）
得られた電気式脱陽イオン水製造装置２０ａの処理水集水部４の開口と電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂの被処理水導入分配部３の開口を連通管５ａで接続し、４つの電極室には被処理水の一部を独立して供給するようにした。また、電源として直流電源１個を用い、脱陽イオン室と脱陰イオン室が直列に接続されるように配線して、電気式脱イオン水製造装置２０Ａを得た。
【０１３０】
（電気式脱イオン水製造装置Ａの運転）
得られた電気式脱イオン水製造装置Ａ（図の符号では２０Ａ）に、導電率１２０μＳ／ｃｍの市水を被処理水として流速１００ｌ／ｈで連続通水し、４．５Ａの直流電流を通電したところ、操作電圧は２６Ｖで、導電率０．０５５μＳ／ｃｍの処理水が得られ、本発明の電気式脱イオン水製造装置によって純度の高い純水が生成されることが示された。また、通水差圧は１６．０ｋＰａであった。
【０１３１】
比較例１
（電気式脱陽イオン水製造装置Ｂの作製）
参考例２の多孔質陽イオン交換体に代えて、参考例１３の多孔質陽イオン交換体を用いたこと以外は、電気式脱陽イオン水製造装置Ａの作製方法と同様の方法により、電気式脱陽イオン水製造装置Ｂを作製した。
【０１３２】
（電気式脱陰イオン水製造装置Ｂの作製）
参考例７の多孔質陰イオン交換体に代えて、参考例１４の多孔質陰イオン交換体を用いたこと以外は、電気式脱陰イオン水製造装置Ａの作製方法と同様の方法で、電気式脱陰イオン水製造装置Ｂを作製した。
【０１３３】
（電気式脱イオン水製造装置Ｂの作製）
電気式脱陽イオン水製造装置２０ａとして、電気式脱陽イオン水製造装置Ｂを使用し、電気式脱陰イオン水製造装置２０ｂとして、電気式脱陰イオン水製造装置Ｂを使用した以外は、電気式脱イオン水製造装置Ａと同様の方法により、電気式脱イオン水製造装置Ｂを作製した。
【０１３４】
（電気式脱イオン水製造装置Ｂの運転）
得られた電気式脱イオン水製造装置Ｂ（図の符号では２０Ａ）に、導電率１２０μＳ／ｃｍの市水を被処理水として流速１００ｌ／ｈで連続通水し、４．５Ａの直流電流を通電したところ、操作電圧は３６Ｖで、導電率０．１μＳ／ｃｍの処理水が得られ、本発明の電気式脱イオン水製造装置によって純度の高い純水が生成されることが示された。また、通水差圧は１２０ｋＰａであった。
【０１３５】
【表１】
【０１３６】
【表２】
【符号の説明】
【０１３７】
１、１０１ 陽イオン交換膜
２、１０２ 陰イオン交換膜
３ａ、３ｂ 第１、第２被処理水導入分配部
４ａ、４ｂ 第１、第２処理水集水部
５ａ、５ｂ 連通管
６ 脱陽イオン室
７ 脱陰イオン室
９、１０９ 陰極
１０、１１０ 陽極
１１、１０５ 濃縮室
１２、１１２ 陰極室
１３、１１３ 陽極室
１５ 多孔質陽イオン交換体
１６ 多孔質陰イオン交換体
１７、１１７ 陽イオン交換膜、または陰イオン交換膜
２０Ａ〜２０Ｃ 電気式脱イオン水製造装置
２４ 溝部
１０４ 脱イオン室
１０６ 脱イオンモジュール
１０７ 枠体
１０８ リブ
１１１ 仕切膜
Ｂ 濃縮水流入口
ｂ 濃縮水流出口
Ｃ、Ｄ 電極水流入口
ｃ、ｄ 電極水流出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆方向に泳動するように行うことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項２】
一側のイオン交換膜と他側の陽イオン交換膜で区画される脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の他側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部とを有する電気式脱陽イオン水製造装置と、一側の陰イオン交換膜と他側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、前記電気式脱陽イオン水製造装置の第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の一側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを有する電気式脱陰イオン水製造装置と、を備えるものであって、
該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体の中、少なくともひとつが、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
一側の陽イオン交換膜と、該一側の陽イオン交換膜と他側の陰イオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該他側の陰イオン交換膜と該中間陽イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該他側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該脱陽イオン室中の一側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の他側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部と、を備えるものであって、
該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
一側のイオン交換膜と、該一側のイオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該中間陽イオン交換膜と、該中間陽イオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陰イオン交換膜とで区画される濃縮室と、該他側のイオン交換膜と該中間陰イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の中間陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを備えるものであって、
該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項１】
連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上であるモノリス状有機多孔質イオン交換体を充填した脱イオン室に通水し、水中のイオン性不純物を除去して脱イオン水を製造すると共に、該脱イオン室に直流電場を印加して、該有機多孔質イオン交換体に吸着したイオン性不純物を系外に排除する電気式脱イオン水製造装置において、該直流電場の印加は、排除されるイオンが該有機多孔質イオン交換体内における通水方向に対して逆方向に泳動するように行うことを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項２】
一側のイオン交換膜と他側の陽イオン交換膜で区画される脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の他側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部とを有する電気式脱陽イオン水製造装置と、一側の陰イオン交換膜と他側のイオン交換膜で区画される脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、前記電気式脱陽イオン水製造装置の第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の一側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを有する電気式脱陰イオン水製造装置と、を備えるものであって、
該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体の中、少なくともひとつが、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
一側の陽イオン交換膜と、該一側の陽イオン交換膜と他側の陰イオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該他側の陰イオン交換膜と該中間陽イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側の陽イオン交換膜の外側に配設される陰極と、該他側の陰イオン交換膜の外側に配設される陽極と、該脱陽イオン室中の一側の陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の他側の陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部と、を備えるものであって、
該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
一側のイオン交換膜と、該一側のイオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陽イオン交換膜とで区画される第１脱イオン室に陽イオン交換体を充填してなる脱陽イオン室と、該中間陽イオン交換膜と、該中間陽イオン交換膜と他側のイオン交換膜の間に形成される中間陰イオン交換膜とで区画される濃縮室と、該他側のイオン交換膜と該中間陰イオン交換膜で区画される第２脱イオン室に陰イオン交換体を充填してなる脱陰イオン室と、該一側のイオン交換膜の外側に配設される陽極と、該他側のイオン交換膜の外側に配設される陰極と、該脱陽イオン室中の中間陽イオン交換膜近傍に配設される第１被処理水導入分配部と、該脱陽イオン室中の一側のイオン交換膜近傍に配設される第１処理水集水部と、該第１処理水集水部と連通管で接続される該脱陰イオン室中の中間陰イオン交換膜近傍に配設される第２被処理水導入分配部と、該脱陰イオン室中の他側のイオン交換膜近傍に配設される第２処理水集水部とを備えるものであって、
該陽イオン交換体及び該陰イオン交換体のいずれか一方又は両方が、連続骨格相と連続空孔相からなる有機多孔質体と、該有機多孔質体の骨格表面に固着する直径４〜４０μｍの多数の粒子体又は該有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが４〜４０μｍの多数の突起体との複合構造体であって、水湿潤状態で孔の平均直径１０〜１５０μｍ、全細孔容積０．５〜５ｍｌ／ｇであり、水湿潤状態での体積当りのイオン交換容量０．２ｍｇ当量/ｍｌ以上のモノリス状有機多孔質イオン交換体であることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２６４３６１（Ｐ２０１０−２６４３６１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６４７０（Ｐ２００９−１１６４７０）
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
【Ｆターム（参考）】
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