JP2004050056A

JP2004050056A - Ion exchange equipment and ultrapure water production equipment

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Publication number: JP2004050056A
Application number: JP2002211304A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Furukawa; 古川　征弘; Tsuneo Kawakami; 河上　恒雄; Masatake Okumura; 奥村　正剛
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: JP3982355B2

Abstract

【課題】多孔質イオン交換膜を用いたイオン交換装置であって、イオン交換容量が十分に大きく、充填物の溶出等による処理水汚染の問題のないイオン交換装置と、このイオン交換装置を用いた超純水製造装置を提供する。
【解決手段】カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜３と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜４とを交互に積層してなる積層体６を容器に収容してなるイオン交換装置。被処理水は積層体を積層方向に通水される。積層体には更に通水方向の最上流側又は最下流側に除濁膜５が積層されている。このイオン交換装置を二次純水システムに設置した超純水製造装置。
【選択図】　図１An ion exchange apparatus using a porous ion exchange membrane, which has a sufficiently large ion exchange capacity and does not have a problem of treated water contamination due to elution of a filler or the like, and an ion exchange apparatus using the ion exchange apparatus. To provide an ultrapure water production system.
Kind Code: A1 Abstract: An ion exchange apparatus in which a laminate 6 in which a porous cation exchange membrane 3 having a cation exchange function and a porous anion exchange membrane 4 having an anion exchange function are alternately laminated is housed in a container. The water to be treated is passed through the laminate in the laminating direction. In the laminate, a turbidity removing film 5 is further laminated on the most upstream side or the most downstream side in the water flow direction. An ultrapure water production system in which this ion exchange device is installed in a secondary pure water system.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に積層した積層体を有するイオン交換装置と、このイオン交換装置を二次純水システムに設けた超純水製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体洗浄用水等として用いられる超純水は、図１２に示すような超純水製造装置で、原水（工業用水、市水、井水等）を処理することにより製造される。図１２において、除濁装置としては、凝集、加圧浮上、重力濾過装置などが用いられ、原水中の懸濁物質やコロイド物質の除去を行う。また、この過程では高分子系有機物、疎水性有機物などの除去も可能である。なお、凝集処理水を除濁膜で処理した後直接後段の逆浸透（ＲＯ）膜分離装置へ送給する場合もある。また、原水を直接膜式前処理装置で処理した後、紫外線（ＵＶ）殺菌装置へ送給する場合もある。
【０００３】
混床式脱塩装置は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とを充填したものであり、この混床式脱塩装置の代りに電気再生式連続脱塩装置が用いられる場合もある。脱気装置としては、窒素脱気装置、真空脱気装置、膜脱気装置などが用いられる。精密濾過（ＭＦ）膜分離装置、ＲＯ膜分離装置、混床式脱塩装置、脱気装置、非再生型混床式イオン交換装置では、原水中のイオンや有機成分等の除去を行う。即ち、ＲＯ膜分離装置では、塩類を除去すると共に、イオン性、非イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。脱塩装置、イオン交換装置では、塩類を除去すると共にイオン交換樹脂によって吸着又はイオン交換されるＴＯＣ成分の除去を行う。脱気装置では無機系炭素（ＩＣ）、溶存酸素（ＤＯ）の除去を行う。
【０００４】
ＵＶ酸化装置、非再生型混床式イオン交換装置、膜脱気装置及び限外濾過（ＵＦ）膜分離装置を備える二次純水システムでは、水の純度をより一層高めて超純水にする。なお、ＵＶ酸化装置では、低圧紫外線ランプより出される波長１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、更にはＣＯ_２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ_２は後段の非再生型混床式イオン交換装置で除去される。ＵＦ膜分離装置では微粒子が除去され、非再生型混床式イオン交換装置からの流出粒子も除去される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の超純水製造装置では次のような欠点がある。
▲１▼　非再生型混床式イオン交換装置には、球状のイオン交換樹脂（粒径０．３〜０．８ｍｍ程度）が充填されているが、このような非再生型混床式イオン交換装置では、イオン交換樹脂によるイオン交換速度の観点から、通水速度ＳＶ＝２００ｈｒ^−１程度が限界であり、これよりも速い通水速度では、十分なイオン交換効果を得ることはできない。
▲２▼　▲１▼のように非再生型混床式イオン交換装置の通水速度が遅く、イオン交換樹脂との接触時間が長いために、イオン交換樹脂からの溶出物（アミン類，ベンゼンスルホン酸等）による処理水の汚染の問題がある。
イオン交換樹脂からアミン等の溶出物が溶出すると、得られる超純水にこれらの溶出物が混入することになる。このような溶出物を含む超純水を半導体洗浄用水として用いた場合には、半導体製品の製品不良の原因となる。
▲３▼　ＵＦ膜分離装置としては、一般に中空糸膜を装填したものが用いられているが、この中空糸型膜分離装置では、中空糸膜の製膜工程、切断工程、中空糸膜を束ねてポッティング部をエポキシ樹脂で固定するモジュール化工程といった製造工程数が多く、これらの工程をすべて高清浄な雰囲気で実施することは困難である。このため、製造工程において、雰囲気からのゴミの吸着によるＣａ，Ａｌ等の汚染を受け易く、これにより処理水が汚染されるおそれがある。
▲４▼　中空糸型ＵＦ膜分離装置では、モジュール１本当たりの中空糸膜本数は５０００本〜数万本と非常に多く、これらの中空糸膜の束を熱融着により固定することはできないため、エポキシ樹脂の注型固定を行っているが、このエポキシ樹脂のポッティング部からの高分子アミンの溶出による処理水汚染の問題もある。
【０００６】
なお、従来、イオン交換樹脂を充填したイオン交換装置の代りに、多孔質（即ち、透水性の）イオン交換膜を用いたイオン交換装置を用いることも考えられている。この膜状のイオン交換体は粒状のイオン交換体であるイオン交換樹脂に比べて、イオン交換反応が格段に速いため、イオン交換膜を用いたイオン交換装置であれば、速い通水速度での処理が可能であり、イオン交換体からの溶出物による処理水汚染を防止することができる。従来の多孔質イオン交換膜を備えたイオン交換装置は、多孔質カチオン交換膜又は多孔質アニオン交換膜のいずれか一方のみを備えたものであり、単独で用いられるか、或いは、多孔質カチオン交換膜を備えたイオン交換装置と多孔質アニオン交換膜を備えたイオン交換装置とがシリーズに連結して用いられている。
【０００７】
しかし、従来の多孔質イオン交換膜を備えたイオン交換装置では、イオン交換容量が低く、早期に破過に到るため実用的ではない。また、このイオン交換装置であっても、従来のイオン交換装置では、一般に中空糸型イオン交換膜が用いられており、この場合には、上記中空糸型ＵＦ膜分離装置と同様の問題がある。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点を解決し、多孔質イオン交換膜を用いたイオン交換装置であって、イオン交換容量が十分に大きく、充填物の溶出等による処理水汚染の問題のないイオン交換装置と、このイオン交換装置を用いた超純水製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン交換装置は、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体と、該積層体を収容した容器とを備えてなり、被処理水が該積層体を前記積層方向に通水されることを特徴とする。
【００１０】
イオン交換膜はイオン交換反応速度が速く、速い通水速度で効率的な処理を行える。しかも、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体（以下、この多孔質カチオン交換膜と多孔質アニオン交換膜とを交互に積層してなる積層体を交互積層膜ということがある。）は、イオン交換容量が大きく、長期に亘り安定な処理を行うことができる。即ち、このカチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜によると、カチオン交換装置とアニオン交換装置とを交互に何回も繰り返し直列に並べたものと同等の処理効果が得られ、単にカチオン交換装置とアニオン交換装置とを１回のみシリーズに連結した場合に比べ、処理水の純度は著しく高められる。しかも、積層方向に通水してアニオン交換膜及びカチオン交換膜で交互にイオン交換することにより、処理水は常時中性付近に保たれるようになり、これにより、イオンリーク量が減少し、より一層高水質の処理水が得られるという利点もある。
【００１１】
カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜との交互積層膜を有する本発明のイオン交換装置によれば、通水ＳＶ２０００ｈｒ^−１以上の通水速度であっても良好なイオン交換処理効果を得ることができ、従来のイオン交換樹脂塔に比べて、イオン交換体と水との接触時間を著しく短縮し、イオン交換体からの溶出物による汚染を防止することができる。また、この積層膜は、熱融着により固定することができるため、従来のポッティング部の樹脂溶出物による処理水汚染の問題もない。
【００１２】
このため、このようなイオン交換装置を超純水製造装置の二次純水システムに用いることにより、極めて高純度の超純水を得ることが可能となる。
【００１３】
この積層膜に更に除濁膜を積層することにより、イオン交換装置に除濁機能をも付与することができる。従って、従来の非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置とを一体化した装置として用いることが可能となり、超純水製造装置の二次純水システムの設置スペースを３／４〜１／２程度に小さくすることができる。また、このように非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置とが一体化されたことにより、超純水製造装置の定期メンテナンス時の交換作業も、１／２の時間に短縮される。
【００１４】
即ち、従来の二次純水システムでは、図１２に示す如く、非再生型混床式イオン交換装置（混床式イオン交換樹脂塔）と共にＵＦ膜分離装置が設けられており、これらを一体化することは困難であるが、本発明のイオン交換装置は膜充填型式の装置であるため、膜分離装置と同様の構成とすることができ、除濁膜と容易に一体化することができる。
【００１５】
しかも、この場合において、従来のポッティング部を有する中空糸型とする必要がなく、アニオン交換膜及びカチオン交換膜と共に熱融着により固定することが可能であるため、ポッティング部の樹脂からの溶出物による汚染の問題も解消される。
【００１６】
本発明のイオン交換装置において、カチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜と、アニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜との交互積層膜は、アニオン交換膜とカチオン交換膜との通水方向の合計厚みが２〜５ｍｍ程度となるようにアニオン交換膜とカチオン交換膜とが積層されたものであることが好ましく、このような積層膜であれば、通常の非再生型混床式イオン交換装置と同等のイオン交換容量を達成することができ、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｌｉ^＋等の１価のイオンのイオン交換容量も大きい。
【００１７】
本発明の超純水製造装置は、一次純水システムとイオン交換装置を有する二次純水システムとを備え、二次純水システムのイオン交換装置としてこのような本発明のイオン交換装置を設置したものであり、高純度の超純水を安定かつ効率的に得ることができる。
【００１８】
この二次純水システムは、タンク、ポンプ、熱交換器、及び本発明のイオン交換装置をこの順に連結して構成されていることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明のイオン交換装置及び超純水製造装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
まず、図１〜８を参照して本発明のイオン交換装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの一例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）図は（ｂ）図のＣ部の拡大図、（ｄ）図は多孔管の斜視図である。図２は本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す平面図、図３は本発明のイオン交換装置の実施の形態を示す断面図、図４はイオン交換エレメントの連結方法を示す斜視図である。図５，７は、本発明のイオン交換装置の別の実施の形態を示す断面図である。図６，８は、本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す図であって、各々、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面斜視図である。
【００２２】
図１に示すイオン交換エレメント１は、多孔管２の外周にカチオン交換機能を有する多孔質カチオン交換膜（以下、単に「カチオン交換膜」と称す。）３とアニオン交換機能を有する多孔質アニオン交換膜（以下、単に「アニオン交換膜」と称す。）４とが交互に積層され、最外層に除濁膜５が装着されたものである。
【００２３】
多孔管２は、図１（ｄ）に示す如く、管状体（パイプ）よりなり、管壁のうち、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４が巻き付けられる領域にのみ、管壁を貫通する通水用の開孔２Ａが多数設けられている。カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４は筒状であり、このような多孔管２の外周に交互に装着されている。除濁膜５も筒状であり、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜の最外層に取り付けられている。これらカチオン交換膜３及びアニオン交換膜４と除濁膜５よりなる積層体６の端面６Ａ及び６Ｂは、熱融着により封止されている。
【００２４】
カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４はいずれも多孔質であり、それぞれ厚み方向に水を通過させる機能を有する。
【００２５】
このイオン交換エレメント１では、多孔管２内に流入した原水が多孔管２の通水孔２Ａからカチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜と除濁膜５とを通過してイオン交換エレメント１の外周面から流出し、この積層体６を厚さ方向に通過する間に、イオン交換処理及び除濁処理される。或いは、イオン交換エレメント１の外周から除濁膜５と、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜とを通過して多孔管２の孔２Ａから多孔管２内に流入し、多孔管２の端部から取り出され、この積層体６を厚さ方向に通過する間に、イオン交換処理及び除濁処理される。
【００２６】
図１のイオン交換エレメントは、多孔管２の外周に筒状のカチオン交換膜３とアニオン交換膜４とを交互に同軸状に重ねたものであるが、図２に示す如く、１枚のカチオン交換膜３及び１枚のアニオン交換膜４の重ね合わせ体を多孔管２の外周にスパイラル状に巻回しても、カチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜を形成することができる。この場合にも、必要に応じて最外層に除濁膜５を装着することにより、図１のイオン交換エレメント１と同様の構成とすることができる。
【００２７】
なお、除濁膜５は積層体６の最内層に設けられていても良いが、膜面積を大きくできる点で、図示の如く、最外層に設けることが好ましい。
【００２８】
このようなイオン交換エレメント１は、例えば図３に示すようなイオン交換装置に用いることができる。
【００２９】
図３のイオン交換装置１０は、円筒状のケース１１内に、図１に示すイオン交換エレメント１が同軸的に収容されたものである。円筒状ケース１１の一端面１１Ａには原水の流入口１２が設けられ、他端面１１Ｂにはイオン交換エレメント１の多孔管２の差込口１３が設けられている。イオン交換エレメント１は、多孔管２の下端側をこの差込口１３に差し込むようにしてケース１１内に配置されている。多孔管２下部の外周面と差込口１３の内周面との間にはＯリング１４が介在され、ケース１１内からの水漏れを防いでいる。なお、多孔管２の上端２Ｂは封止されている。
【００３０】
このイオン交換装置１０では、流入口１２から流入した原水が、ケース１１の内壁とイオン交換エレメント１外周との間からイオン交換エレメント１の積層体６を厚さ方向に通過し、この間に除濁及びイオン交換処理された後、多孔管２の孔２Ａを通って多孔管２内に流入し、多孔管２の下端から処理水が取り出される。
【００３１】
なお、図３で示した水の流れとは逆に、原水を多孔管２の下部開口から流入させ、多孔管２の孔２Ａから積層体６を通過させてケース１１の上部流入口１２から処理水を取り出すようにしても良い。但し、強度的には前述の流し方が好ましい。
【００３２】
図３のイオン交換装置１０は、これを複数個直列に連結して多段処理を行うようにしても良い。また、ケース１１内に複数のイオン交換エレメント１を収容するようにしても良い。この場合、イオン交換エレメント１をケース１１内に並列に配置しても良く、また、図４に示す如く、管継手７を用いて、イオン交換エレメント１，１の多孔管２，２同士を連結して配置しても良い。
【００３３】
図１に示すイオン交換エレメント１は、例えば外径約５０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ程度の大きさを有するものであるが、このようなイオン交換エレメント１を、図４に示す如く、管継手７により直列に連結することにより、５００〜１０００ｍｍ程度の連結体として用いることもできる。
【００３４】
図４の例では、管継手７が隣接するイオン交換エレメントの各多孔管２，２を覆う形で連結しているが、管継手７の一端を一方の多孔管２の内部に差し込み、他端を他の多孔管２に差し込んで２つのイオン交換エレメントを連結してもよい。
【００３５】
図５に示すイオン交換装置２０は、ケース２１内に複数のイオン交換エレメント１を収容したものである。
【００３６】
このイオン交換装置２０では、略円筒状のケース２１がその円筒の軸心線方向を上下方向として設置されている。ケース２１には、最下部に原水流入口２２が設けられ、最上部に処理水流出口２３が設けられている。ケース２１内の下部には、イオン交換エレメント１の保持板２４が水平に設けられ、この保持板２４には、イオン交換エレメント１の多孔管２の下端の差込孔２４Ａと、原水の通水孔２４Ｂとが設けられている。ケース２１内の上部には、封隔板２５が水平に設けられており、この封隔板２５にはイオン交換エレメント１の多孔管２の上端の差込孔２５Ａのみが設けられている。
【００３７】
封隔板２５と保持板２４との間はエレメント収容室２６となっている。また、ケース２１内の保持板２４の下部は原水室２７、封隔板２５の上部は処理水室２８となっている。
【００３８】
この実施の形態では、図１に示したものと同様のイオン交換エレメント１が図４に示す如く管継手７によって複数個（図５では３個）直列に接続されたものが、複数群並列に設置されている。
【００３９】
最下部のイオン交換エレメント１は、多孔管２の下端２Ｃが封じられており、保持板２４の差込孔２４ＡにＯリング（図示略）を介して差し込まれている。最上部のイオン交換エレメント１の多孔管２の上端は、封隔板２５の差込孔２５ＡにＯリング（図示略）を介して差し込まれている。最下部以外の中間及び最上部のイオン交換エレメント１は、図１に示す如く、その多孔管２の両端が開放している。
【００４０】
このイオン交換装置２０では、原水流入口２２よりケース２１内の原水室２７に流入した原水は、保持板２４の通水孔２４Ｂを通ってエレメント収容室２６に流入し、各イオン交換エレメント１の積層体６を流通し、この間に除濁及びイオン交換処理された後多孔管２内に流入し、処理水は処理水室２８を経て流出口２３から取り出される。
【００４１】
なお、図５では、３個のイオン交換エレメント１を直列に連結しているが２個又は４個以上のイオン交換エレメントを連結しても良い。また、ケース２１は、軸心線が横方向又は斜め方向に配されても良い。
【００４２】
また、図５のイオン交換装置２０は、図示の水の流れとは逆に、原水を流出口２３から導入し、イオン交換エレメント１の多孔管２内から積層体６を通過させて保持板２４の通水孔２４Ｂを経て流入口２２から処理水を取り出すようにしても良い。
【００４３】
図６に示すイオン交換エレメント３０は、平膜状のカチオン交換膜３及びアニオン交換膜４の交互積層膜と除濁膜５とを積層してなる積層体３１を多孔板よりなる支持板３２，３２間に挟み枠状部材３３で一体化してなるものである。積層体３２の４周側面と枠状部材３３の内周面とは水密的に接着されており、この部分では通水不可能となっている。
【００４４】
図７は、図６に示すイオン交換エレメント３０をケース４１に収容したイオン交換装置４０を示すものである。
【００４５】
ケース４１には原水流入口４２と処理水流出口４３とが設けられ、イオン交換エレメント３０は、ケース４１内に、流入口４２と流出口４３とを隔てるように配置されている。ケース４１の内面からは、棚状にストッパ４４が突設され、イオン交換エレメント３０は、このストッパ４４に係止されている。イオン交換エレメント３０とストッパ４４との間にはパッキン４５が介在され、原水流入口４２と処理水流出口４３とが短絡するのを防止している。
【００４６】
このイオン交換装置４０では、流入口４２から流入した原水が、イオン交換エレメント３０の支持板３２の孔から積層体３１を通過し、この間に除濁及びイオン交換処理された後、支持板３２を経て、処理水が流出口４３より流出する。このイオン交換装置４０にあっても、水の流れを、図示とは逆向きにしても良い。
【００４７】
この平膜状のイオン交換エレメントの膜形状には、特に制限はなく、図６に示すような四角形状の他、図８に示すような円形の膜を積層したイオン交換エレメント３０Ａであっても良い。この図８のイオン交換エレメント３０Ａは、膜形状が円形である点のみが図６に示すイオン交換エレメント３０と異なり、同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。図８のイオン交換エレメント３０Ａであれば、円筒形のケースを用いて、図７と同様の構成のイオン交換装置を組み立てることができる。
【００４８】
本発明のイオン交換装置において、除濁膜としては、孔径０．０５μｍ以下、例えば０．００５〜０．０５μｍのＵＦ膜又はＭＦ膜等を用いるのが好ましい。
【００４９】
カチオン交換膜及びアニオン交換膜としては、孔径０．４〜１０μｍ、厚み１００〜３００μｍ程度の透水性有機高分子膜の全体或いは表層に、強酸性イオン交換基又は強塩基性イオン交換基を付与したものを用いることができる。カチオン交換膜及びアニオン交換膜の膜材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリサルホン等のイオン交換基を化学的に付加できるようなものであれば良く、特に制限はない。カチオン交換膜及びアニオン交換膜に導入されたイオン交換基は、モジュール組立前あるいは使用前に、各々Ｈ形或いはＯＨ形に変換される。
【００５０】
カチオン交換膜とアニオン交換膜とは、１枚ずつ交互に積層しても良く、複数枚ごとに交互に積層しても良い。また、カチオン交換膜とアニオン交換膜の積層枚数は必ずしも同一である必要はなく、異なる枚数で積層しても良い。
【００５１】
カチオン交換膜とアニオン交換膜との積層枚数は、イオン交換装置の用途、要求される処理能力等に応じて適宜決定されるが、カチオン交換膜とアニオン交換膜との合計の膜厚が２〜５ｍｍ程度になるように積層することにより、通常の非再生型混床式イオン交換装置と同等のイオン交換容量を有するものとすることができ好ましい。
【００５２】
本発明のイオン交換装置の積層体は、カチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜に対して好ましくは更に除濁膜を積層したものであるが、この除濁膜は、カチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜の原水流入側（通水方向の上流側）に積層しても良く、処理水流出側（通水方向の下流側）に積層しても良い。
【００５３】
除濁膜をカチオン交換膜とアニオン交換膜との交互積層膜の下流側に設けると、イオン交換膜から微粒子がごく微量発生した場合であっても、これを除濁膜で除去することができる。イオン交換膜からの微粒子の流出が問題にならない場合には、除濁膜は上流側、下流側のいずれに設けても良い。
【００５４】
このようなカチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層膜と除濁膜との積層体であれば、ＳＶ２０００ｈｒ^−１以上、例えばＳＶ２０００〜４０００ｈｒ^−１の速い通水速度での処理が可能である。
【００５５】
次にこのような本発明のイオン交換装置を二次純水システムに設けた本発明の超純水製造装置の実施の形態を図９〜１１を参照して詳細に説明する。
【００５６】
図９〜１１は本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【００５７】
本発明の超純水製造装置において、一次純水システムは、好ましくはＴＯＣ１０ｐｐｂ程度、抵抗率１０〜１７５ＭΩ・ｃｍの純水を得ることができるようなものであれば良く、その構成には特に制限はない。例えば、図１２に示す従来法の純水槽の上流側の構成を採用することができるが、何ら図１２のものに限定されるものではない。
【００５８】
本発明の超純水製造装置の二次純水システムは、このような純水を、好ましくはＴＯＣ０．５〜２ｐｐｂ、ＤＯ５〜１０ｐｐｂ、抵抗率１７．５ＭΩ・ｃｍ以上、特に１８．１ＭΩ・ｃｍ以上の超純水とすることができるようなものであれば良く、本発明のイオン交換装置の他、脱気装置及びＵＶ酸化装置を備えるものなどが挙げられる。即ち、本発明のイオン交換装置のイオン交換エレメントを、前述の如く、カチオン交換膜及びアニオン交換膜の交互積層膜と除濁膜とで構成することにより、このイオン交換装置にイオン交換機能と除濁機能を付与することができ、従って、このイオン交換装置を非再生型混床式イオン交換装置とＵＦ膜分離装置の代替して用い、ＵＦ膜分離装置を省略することができる。特に、本発明のイオン交換装置の二次純水システムにおいては、更にＵＶ酸化装置を省略し、これを一次純水システムに設けたものとすることが好ましい。
【００５９】
即ち、従来においては、通常二次純水システムは、図１２に示す如く、ＵＶ酸化装置、非再生型混床式イオン交換装置及び膜分離装置で構成され、ユースポイントで使用されなかった余剰の超純水は、サブタンクに返送される。このため、返送された超純水は、再びＵＶ酸化及びイオン交換処理を受けることになるが、繰り返しのＵＶ照射により、ＵＶ照射量が水中のＴＯＣに対して過剰になると、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が発生し、発生したＨ_２Ｏ_２がイオン交換体に接触すると酸素になり、ＤＯ増加の原因となる。従って、本発明では、ＵＶ酸化装置をサブタンクの上流側に設け、サブタンクに返送された未使用の超純水が過剰にＵＶ照射されることによるＤＯの増加を防止することが好ましい。
【００６０】
従って、本発明の超純水製造装置の二次純水システムは、温度調整のための熱交換器と、ＤＯを５ｐｐｂ以下にするための膜脱気装置と本発明のイオン交換装置を設け、必要に応じて更に超低圧ＲＯ膜分離装置を組み込んだ構成とすることが好ましい。
【００６１】
図９に示す超純水製造装置は、純水槽からの純水を脱気装置（窒素脱気装置、真空脱気装置、膜脱気装置等）、ＵＶ酸化装置、及び非再生型混床式イオン交換装置で処理した後サブタンクに受け、サブタンク内の水をサブポンプにより取り出し、熱交換器、膜脱気装置及び本発明のイオン交換装置で処理し、得られた超純水をユースポイントに送給するものである。ユースポイントで使用されなかった余剰の超純水はサブタンクに戻される。
【００６２】
図１０の超純水製造装置は、脱気装置を非再生型混床式イオン交換装置の後段に設けた点が図９に示す超純水製造装置と異なり、その他の二次純水システムの構成は図９に示す装置と同様である。
【００６３】
なお、超純水製造装置において、一次純水のサブタンクへの送給と、純水槽への返送の切り換えは、サブタンクの水位と連動させた三方弁の開度調整により行われる。この三方弁Ｖは、図９に示す如く、ＵＶ酸化装置の入口に設けても、図１０に示す如く、サブタンクの入口に設けても良い。
【００６４】
図１１の超純水製造装置は、膜脱気装置をサブタンクの前段に設け、三方弁Ｖをサブタンクの入口に設けた点が図９に示す超純水製造装置と異なり、その他は同様の構成とされている。この超純水製造装置であれば、膜脱気装置をサブタンクの前段に設けることにより、膜脱気装置からの溶出物による超純水の汚染を防止することができる。即ち、膜脱気装置の脱気膜も、エポキシ樹脂等の封止用樹脂を用いている部分があり、この樹脂からの溶出物による超純水の汚染が懸念される。従って、図１１に示す如く、膜脱気装置をサブタンクの前段に設け、サブタンク以降の二次純水システムを熱交換器と本発明のイオン交換装置のみで構成することにより、二次純水システムにおける汚染を防止して高純度の超純水を得ることができる。
【００６５】
【実施例】
以下に比較例及び実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００６６】
比較例１
図１２に示す従来の超純水製造装置では、二次純水システムの非再生型混床式イオン交換装置を半年〜１年に１回の頻度で交換し、また、ＵＦ膜分離装置は３年〜５年に１回の頻度でＵＦ膜を交換していた。そして、ユースポイントにおいては、非再生型混床式イオン交換装置の交換直後に高度ＬＳＩ製品によっては、非再生型混床式イオン交換装置のイオン交換樹脂からの溶出物（アミン類やＰＳＡ）によって１週間から２ヶ月にわたって、酸化膜が数ｎｍ〜数十ｎｍ厚みが増加したり、酸化膜部分の表面荒れが生じたりして、製品不良が生じていた。
【００６７】
また、ＵＦ膜の交換により、ＵＦ膜製造時の金属汚染でＣａが数百ｎｇ／Ｌ溶出し、製品の耐圧不良が生じていた。更に、中空糸型ＭＦ膜のポッティング部のエポキシ樹脂から高分子アミンの溶出があり、交換後１ヶ月近くも酸化膜の厚み増加や表面荒れが生じ、１〜２ヶ月にわたって、フラッシュメモリーの製品不良が生じていた。なお、このときの高分子アミンはヘキサデカアミンや水溶性アミン類であり、数十ｎｇ／Ｌ〜数百ｎｇ／Ｌ存在した。
【００６８】
このようなことから、従来の超純水製造装置では、超純水の保証水質は満足していたが、ＬＳＩ製品のグレードアップに対応することはできなかった。
【００６９】
実施例１
図１２の従来法において、純水槽以降を図１１に示す構成とした。
【００７０】
用いたイオン交換装置は、図１に示す如く、多孔管２にカチオン交換膜３とアニオン交換膜４との交互積層膜と除濁膜５とを積層したイオン交換エレメント１を図３に示す如く、ケース１１内に収容したものである。このイオン交換装置のイオン交換エレメント１の仕様は次の通りである。
【００７１】

【００７２】
このイオン交換装置に、熱交換器出口水を通水ＳＶ２０００ｈｒ^−１で通水して得られた超純水をユースポイントに１〜２ｍ^３／ｈｒで送給した。
【００７３】
その結果、フラッシュメモリー製造に際し、自然酸化膜の厚み増加も起こらず、酸化膜の表面荒れもなく、平滑面が得られ、イオン交換装置を設置した１日経過後から製品化が可能であった。
【００７４】
得られた超純水を分析したところ、Ｃａは０．１ｎｇ／Ｌ以下、高分子アミンの代表であるヘキサデカアミンは２０ｎｇ／Ｌ以下であり、イオン交換装置の構成部材からの溶出物による汚染が殆どないことが判明した。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のイオン交換装置によれば、通水処理中の溶出物による汚染を防止して高水質のイオン交換処理水を長期に亘り、安定かつ効率的に得ることができる。
【００７６】
このような本発明のイオン交換装置を二次純水システムに設けた本発明の超純水製造装置によれば、極めて高純度の超純水を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの一例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）図は（ｂ）図のＣ部の拡大図、（ｄ）図は多孔管の斜視図である。
【図２】本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す平面図である。
【図３】本発明のイオン交換装置の実施の形態を示す断面図である。
【図４】図１のイオン交換エレメントの連結方法を示す斜視図である。
【図５】本発明のイオン交換装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【図６】本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面斜視図である。
【図７】本発明のイオン交換装置の異なる実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明のイオン交換装置に用いられるイオン交換エレメントの他の例を示す図であって、（ａ）図は斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面斜視図である。
【図９】本発明の超純水製造装置の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図１０】本発明の超純水製造装置の他の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図１１】本発明の超純水製造装置の別の実施の形態を示す純水槽以降の系統図である。
【図１２】従来例を示す系統図である。
【符号の説明】
１，３０，３０Ａ　イオン交換エレメント
２　多孔管
３　カチオン交換膜
４　アニオン交換膜
５　除濁膜
６，３１　積層体
７　管継手
１０，２０，４０　イオン交換装置
１１，２１，４１　ケース
２４　保持板
２５　封隔板
２６　エレメント収容室
２７　原水室
２８　処理水室
３２　支持板
３３　枠状部材
４４　ストッパ
４５　パッキン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion exchange device having a laminate in which cation exchange membranes and anion exchange membranes are alternately laminated, and to an ultrapure water production device provided with this ion exchange device in a secondary pure water system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, ultrapure water used as semiconductor cleaning water or the like is produced by treating raw water (industrial water, city water, well water, etc.) with an ultrapure water production apparatus as shown in FIG. In FIG. 12, a coagulation device, a pressure flotation device, a gravity filtration device, or the like is used as a turbidity device to remove suspended substances and colloid substances in raw water. In this process, high-molecular organic substances, hydrophobic organic substances, and the like can be removed. In some cases, after the flocculated water is treated with a turbidity membrane, the water is directly fed to a reverse osmosis (RO) membrane separation device at the subsequent stage. In some cases, raw water is directly processed by a membrane pretreatment device and then sent to an ultraviolet (UV) sterilization device.
[0003]
The mixed bed type desalination apparatus is filled with an anion exchange resin and a cation exchange resin, and an electric regeneration type continuous desalination apparatus may be used in place of the mixed bed type desalination apparatus. As the deaerator, a nitrogen deaerator, a vacuum deaerator, a membrane deaerator and the like are used. A microfiltration (MF) membrane separator, an RO membrane separator, a mixed-bed desalination device, a deaerator, and a non-regenerative mixed-bed ion exchange device remove ions and organic components in raw water. That is, in the RO membrane separation device, ionic, nonionic, and colloidal TOC are removed while removing salts. In the desalination device and the ion exchange device, the salts are removed and the TOC component adsorbed or ion-exchanged by the ion exchange resin is removed. The deaerator removes inorganic carbon (IC) and dissolved oxygen (DO).
[0004]
In a secondary pure water system equipped with a UV oxidizer, a non-regenerative mixed-bed ion exchanger, a membrane deaerator, and an ultrafiltration (UF) membrane separator, the purity of water is further increased to ultrapure water. . In the UV oxidizer, TOC is converted to an organic acid by ultraviolet rays having a wavelength of 185 nm emitted from a low-pressure ultraviolet lamp, ₂ Disassemble until. Organic matter and CO generated by decomposition ₂ Is removed by a non-regenerative mixed-bed ion exchange device at the subsequent stage. In the UF membrane separation device, fine particles are removed, and particles flowing out from the non-regenerative mixed-bed ion exchange device are also removed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The above conventional ultrapure water production apparatus has the following disadvantages.
{Circle around (1)} The non-regenerative mixed bed type ion exchange apparatus is filled with a spherical ion exchange resin (particle size of about 0.3 to 0.8 mm). In the apparatus, from the viewpoint of the ion exchange speed by the ion exchange resin, the water passage speed SV = 200 hr. ^-1 The degree is the limit, and a higher water flow rate cannot provide a sufficient ion exchange effect.
(2) As shown in (1), since the water flow rate of the non-regenerative mixed-bed type ion exchange device is slow and the contact time with the ion exchange resin is long, the eluate from the ion exchange resin (amines, benzene sulfone) There is a problem of contamination of treated water due to acid or the like.
When eluted substances such as amines are eluted from the ion exchange resin, these eluted substances are mixed into the obtained ultrapure water. The use of ultrapure water containing such effluent as semiconductor cleaning water causes a semiconductor product defect.
(3) As the UF membrane separation device, a device equipped with a hollow fiber membrane is generally used. In this hollow fiber type membrane separation device, a hollow fiber membrane forming step, a cutting step, and a hollow fiber membrane are bundled. There are many manufacturing steps such as a modularization step of fixing the potting portion with an epoxy resin, and it is difficult to carry out all of these steps in a highly clean atmosphere. For this reason, in the manufacturing process, contamination of Ca, Al, and the like due to adsorption of dust from the atmosphere is apt to occur, which may contaminate the treated water.
{Circle around (4)} In the hollow fiber type UF membrane separation device, the number of hollow fiber membranes per module is as large as 5,000 to tens of thousands, and the bundle of these hollow fiber membranes cannot be fixed by heat fusion. Therefore, the epoxy resin is cast and fixed, but there is also a problem of contamination of treated water due to elution of the high molecular amine from the potting portion of the epoxy resin.
[0006]
Conventionally, it has been considered to use an ion exchange device using a porous (ie, water-permeable) ion exchange membrane instead of an ion exchange device filled with an ion exchange resin. Since the ion exchange reaction of this membrane ion exchanger is much faster than the ion exchange resin which is a granular ion exchanger, if the ion exchange device using an ion exchange membrane has a high water flow rate, The treatment can be performed, and the contamination of the treated water by the eluate from the ion exchanger can be prevented. A conventional ion exchange device provided with a porous ion exchange membrane is provided with only one of a porous cation exchange membrane and a porous anion exchange membrane, and can be used alone or in a porous cation exchange membrane. An ion exchange device with a membrane and an ion exchange device with a porous anion exchange membrane are used in series.
[0007]
However, an ion exchange device provided with a conventional porous ion exchange membrane is not practical because the ion exchange capacity is low and breakthrough occurs early. Further, even in this ion exchange apparatus, a conventional ion exchange apparatus generally uses a hollow fiber type ion exchange membrane, and in this case, there is a problem similar to that of the hollow fiber type UF membrane separation apparatus. .
[0008]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems and provides an ion exchange apparatus using a porous ion exchange membrane, which has a sufficiently large ion exchange capacity and has no problem of treatment water contamination due to elution of a packing material. It is an object to provide an apparatus and an ultrapure water production apparatus using the ion exchange apparatus.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The ion exchange apparatus of the present invention is a porous cation exchange membrane having a cation exchange function, a laminate obtained by alternately laminating a porous anion exchange membrane having an anion exchange function, and a container containing the laminate Wherein water to be treated is passed through the laminate in the laminating direction.
[0010]
The ion-exchange membrane has a high ion-exchange reaction rate and can perform an efficient treatment at a high water-flow rate. In addition, a laminate obtained by alternately laminating a porous cation exchange membrane having a cation exchange function and a porous anion exchange membrane having an anion exchange function (hereinafter referred to as a porous cation exchange membrane and a porous anion exchange membrane, Are sometimes referred to as an alternately laminated film.) Has a large ion exchange capacity and can perform a stable treatment over a long period of time. That is, according to the alternately laminated membrane of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane, a treatment effect equivalent to that obtained by arranging the cation exchange device and the anion exchange device alternately and repeatedly in series is obtained, The purity of the treated water is significantly increased as compared to the case where the apparatus and the anion exchange apparatus are connected only once in a series. In addition, by passing water in the stacking direction and alternately exchanging ions with the anion exchange membrane and the cation exchange membrane, the treated water is always kept near neutral, thereby reducing the amount of ion leak, There is also an advantage that treated water with even higher quality can be obtained.
[0011]
According to the ion exchange apparatus of the present invention having an alternately laminated membrane of a porous cation exchange membrane having a cation exchange function and a porous anion exchange membrane having an anion exchange function, water flow SV2000 hr ^-1 A good ion exchange treatment effect can be obtained even with the above water flow rate, and the contact time between the ion exchanger and water is significantly reduced as compared with the conventional ion exchange resin tower, so that the It is possible to prevent contamination by the eluate. Further, since the laminated film can be fixed by heat fusion, there is no problem of the contamination of the treated water by the resin eluted material in the conventional potting portion.
[0012]
For this reason, by using such an ion exchange device for a secondary pure water system of an ultrapure water production device, it becomes possible to obtain ultrapure water of extremely high purity.
[0013]
By further laminating a turbid film on this laminated film, a turbid function can also be provided to the ion exchange device. Therefore, it becomes possible to use the conventional non-regenerating mixed-bed ion exchange device and the UF membrane separation device as an integrated device, and the installation space of the secondary pure water system of the ultrapure water production device is reduced to 3/4 to 3/4. It can be reduced to about 1/2. In addition, since the non-regenerative mixed-bed ion exchange device and the UF membrane separation device are integrated as described above, the replacement work at the time of regular maintenance of the ultrapure water production device can be reduced to half the time. You.
[0014]
That is, in the conventional secondary pure water system, as shown in FIG. 12, a UF membrane separation device is provided together with a non-regenerative mixed-bed ion exchange device (mixed-bed ion exchange resin tower), and these are integrated. Although it is difficult to perform the ion exchange, the ion exchange apparatus of the present invention is a membrane-filled type apparatus, so that it can have the same configuration as the membrane separation apparatus, and can be easily integrated with the turbidity membrane.
[0015]
Moreover, in this case, there is no need to use a conventional hollow fiber type having a potting portion, and the material can be fixed by heat fusion together with the anion exchange membrane and the cation exchange membrane. The problem of contamination by water is also eliminated.
[0016]
In the ion exchange device of the present invention, an alternately laminated membrane of a porous cation exchange membrane having a cation exchange function and a porous anion exchange membrane having an anion exchange function is provided in the direction of water passage between the anion exchange membrane and the cation exchange membrane. It is preferable that an anion exchange membrane and a cation exchange membrane are laminated so that the total thickness is about 2 to 5 mm. If such a laminated membrane is used, a normal non-regenerative mixed-bed ion exchange apparatus is used. Ion exchange capacity equivalent to ⁺ , K ⁺ , Li ⁺ The ion exchange capacity of monovalent ions such as is large.
[0017]
The ultrapure water production device of the present invention includes a primary pure water system and a secondary pure water system having an ion exchange device, and the ion exchange device of the present invention is installed as an ion exchange device of the secondary pure water system. Thus, high-purity ultrapure water can be obtained stably and efficiently.
[0018]
The secondary pure water system is preferably configured by connecting a tank, a pump, a heat exchanger, and the ion exchange device of the present invention in this order.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an ion exchange apparatus and an ultrapure water production apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
First, an embodiment of the ion exchange apparatus of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0021]
FIG. 1 is a diagram showing an example of an ion exchange element used in the ion exchange device of the present invention, wherein FIG. 1 (a) is a perspective view, and FIG. 1 (b) is a cross section along line BB in FIG. FIG. 1 (c) is an enlarged view of a portion C in FIG. 1 (b), and FIG. 1 (d) is a perspective view of a perforated tube. FIG. 2 is a plan view showing another example of the ion exchange element used in the ion exchange apparatus of the present invention, FIG. 3 is a sectional view showing an embodiment of the ion exchange apparatus of the present invention, and FIG. It is a perspective view showing a method. 5 and 7 are sectional views showing another embodiment of the ion exchange device of the present invention. 6 and 8 are views showing other examples of the ion exchange element used in the ion exchange device of the present invention, wherein FIG. 6 (a) is a perspective view and FIG. 6 (b) is a view B of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional perspective view taken along line -B.
[0022]
The ion exchange element 1 shown in FIG. 1 has a porous anion exchange membrane 3 having an anion exchange function with a porous cation exchange membrane 3 having a cation exchange function (hereinafter simply referred to as “cation exchange membrane”) 3 on the outer periphery of a porous tube 2. And a membrane (hereinafter simply referred to as “anion exchange membrane”) 4 alternately laminated, and a turbidity membrane 5 is mounted on the outermost layer.
[0023]
As shown in FIG. 1 (d), the porous tube 2 is formed of a tubular body (pipe), and water is allowed to pass through the tube wall only in a region where the cation exchange membrane 3 and the anion exchange membrane 4 are wound. Openings 2A are provided. The cation exchange membrane 3 and the anion exchange membrane 4 are cylindrical and are alternately mounted on the outer periphery of such a perforated tube 2. The turbidity removing membrane 5 is also cylindrical, and is attached to the outermost layer of the alternately laminated membrane of the cation exchange membrane 3 and the anion exchange membrane 4. The end faces 6A and 6B of the laminate 6 composed of the cation exchange membrane 3, the anion exchange membrane 4, and the opaque membrane 5 are sealed by heat fusion.
[0024]
Both the cation exchange membrane 3 and the anion exchange membrane 4 are porous and each have a function of allowing water to pass in the thickness direction.
[0025]
In the ion exchange element 1, raw water flowing into the porous tube 2 passes through the alternately laminated membrane of the cation exchange membrane 3 and the anion exchange membrane 4 and the opaque membrane 5 from the water passage hole 2 </ b> A of the porous tube 2 for ion exchange. While flowing out of the outer peripheral surface of the element 1 and passing through the laminated body 6 in the thickness direction, an ion exchange treatment and a turbidity treatment are performed. Alternatively, from the outer periphery of the ion exchange element 1, it passes through the turbidity membrane 5 and the alternately laminated membrane of the cation exchange membrane 3 and the anion exchange membrane 4 and flows into the porous tube 2 from the hole 2 </ b> A of the

porous tube

2, 2 while passing through the laminate 6 in the thickness direction, it is subjected to an ion exchange treatment and a turbidity treatment.
[0026]
The ion exchange element shown in FIG. 1 has a cylindrical cation exchange membrane 3 and an anion exchange membrane 4 alternately and coaxially stacked on the outer periphery of a perforated tube 2. As shown in FIG. Even when the superimposed body of the exchange membrane 3 and one sheet of the anion exchange membrane 4 is spirally wound around the outer periphery of the porous tube 2, an alternately laminated membrane of the cation exchange membrane 3 and the anion exchange membrane 4 can be formed. Also in this case, the same configuration as the ion exchange element 1 in FIG. 1 can be obtained by attaching the opaque membrane 5 to the outermost layer as necessary.
[0027]
The opaque film 5 may be provided on the innermost layer of the laminated body 6, but is preferably provided on the outermost layer as shown in the figure because the film area can be increased.
[0028]
Such an ion exchange element 1 can be used for an ion exchange device as shown in FIG. 3, for example.
[0029]
The ion exchange device 10 shown in FIG. 3 has a cylindrical case 11 in which the ion exchange element 1 shown in FIG. One end surface 11A of the cylindrical case 11 is provided with an inlet 12 for raw water, and the other end surface 11B is provided with an insertion port 13 for the porous tube 2 of the ion exchange element 1. The ion exchange element 1 is arranged in the case 11 such that the lower end side of the porous tube 2 is inserted into the insertion port 13. An O-ring 14 is interposed between the outer peripheral surface of the lower part of the porous tube 2 and the inner peripheral surface of the insertion port 13 to prevent water leakage from inside the case 11. In addition, the upper end 2B of the porous tube 2 is sealed.
[0030]
In the ion exchange apparatus 10, the raw water flowing from the inflow port 12 passes through the laminated body 6 of the ion exchange element 1 in the thickness direction from between the inner wall of the case 11 and the outer periphery of the ion exchange element 1, and is turbid during this time. After the ion exchange treatment, the water flows into the porous tube 2 through the hole 2A of the porous tube 2, and the treated water is taken out from the lower end of the porous tube 2.
[0031]
It should be noted that, contrary to the flow of water shown in FIG. You may take out water. However, from the viewpoint of strength, the above-described flowing method is preferable.
[0032]
The ion exchange device 10 of FIG. 3 may be configured to perform a multi-stage process by connecting a plurality of the devices in series. Further, a plurality of ion exchange elements 1 may be accommodated in the case 11. In this case, the ion exchange elements 1 may be arranged in parallel in the case 11, and the

perforated pipes

2, 2 of the

ion exchange elements

1, 1 are connected to each other by using a pipe joint 7 as shown in FIG. May be arranged.
[0033]
The ion exchange element 1 shown in FIG. 1 has a size of, for example, an outer diameter of about 50 mm and a length of about 250 mm, and such an ion exchange element 1 is connected in series by a pipe joint 7 as shown in FIG. Can be used as a connected body of about 500 to 1000 mm.
[0034]
In the example of FIG. 4, the pipe joint 7 is connected so as to cover the respective

perforated pipes

2 and 2 of the adjacent ion exchange element, but one end of the pipe joint 7 is inserted into one of the perforated pipes 2 and the other end is connected. May be inserted into another porous tube 2 to connect the two ion exchange elements.
[0035]
The ion exchange device 20 shown in FIG. 5 has a plurality of ion exchange elements 1 housed in a case 21.
[0036]
In this ion exchange device 20, a substantially cylindrical case 21 is installed with the axial direction of the cylinder being the vertical direction. The case 21 is provided with a raw water inlet 22 at the bottom and a treated water outlet 23 at the top. A holding plate 24 of the ion exchange element 1 is provided horizontally below the case 21. The holding plate 24 has an insertion hole 24A at the lower end of the porous tube 2 of the ion exchange element 1, A hole 24B is provided. A sealing plate 25 is horizontally provided at an upper portion in the case 21, and the sealing plate 25 is provided with only an insertion hole 25 </ b> A at the upper end of the porous tube 2 of the ion exchange element 1.
[0037]
An element accommodating chamber 26 is provided between the sealing plate 25 and the holding plate 24. The lower part of the holding plate 24 in the case 21 is a raw water chamber 27, and the upper part of the sealing plate 25 is a treated water chamber 28.
[0038]
In this embodiment, plural (three in FIG. 5) ion exchange elements 1 similar to those shown in FIG. 1 are connected in series by a pipe joint 7 as shown in FIG. is set up.
[0039]
The lowermost ion exchange element 1 has the lower end 2C of the perforated tube 2 sealed and is inserted into the insertion hole 24A of the holding plate 24 via an O-ring (not shown). The upper end of the porous tube 2 of the uppermost ion exchange element 1 is inserted into the insertion hole 25A of the sealing plate 25 via an O-ring (not shown). As shown in FIG. 1, both ends of the porous tube 2 of the intermediate and uppermost ion exchange elements 1 other than the lowermost one are open.
[0040]
In this ion exchange device 20, raw water flowing into the raw water chamber 27 in the case 21 from the raw water inlet 22 flows into the element accommodating chamber 26 through the water hole 24 </ b> B of the holding plate 24, and After flowing through the laminated body 6, the turbidity and the ion exchange treatment are performed during this time, and then the treated water flows into the porous tube 2, and the treated water is taken out from the outlet 23 through the treated water chamber 28.
[0041]
In FIG. 5, three ion exchange elements 1 are connected in series, but two or four or more ion exchange elements may be connected. In the case 21, the axis may be arranged in a horizontal direction or an oblique direction.
[0042]
Further, the ion exchange device 20 of FIG. 5 introduces raw water from the outlet 23 in the opposite direction to the flow of water shown in FIG. The treated water may be taken out from the inflow port 22 through the water passage hole 24B.
[0043]
The ion exchange element 30 shown in FIG. 6 includes a laminated body 31 formed by laminating an alternately laminated membrane of a flat membrane-shaped cation exchange membrane 3 and an anion exchange membrane 4 and a opaque membrane 5, a support plate 32 made of a perforated plate, It is formed by a frame member 33 sandwiched between the two. The four peripheral side surfaces of the laminate 32 and the inner peripheral surface of the frame-shaped member 33 are water-tightly bonded, and water cannot pass through this portion.
[0044]
FIG. 7 shows an ion exchange device 40 in which the ion exchange element 30 shown in FIG.
[0045]
The case 41 is provided with a raw water inlet 42 and a treated water outlet 43, and the ion exchange element 30 is arranged in the case 41 so as to separate the inlet 42 and the outlet 43. A stopper 44 protrudes from the inner surface of the case 41 in a shelf shape, and the ion exchange element 30 is locked by the stopper 44. A packing 45 is interposed between the ion exchange element 30 and the stopper 44 to prevent the raw water inlet 42 and the treated water outlet 43 from being short-circuited.
[0046]
In this ion exchange device 40, the raw water flowing from the inflow port 42 passes through the laminated body 31 through the holes of the support plate 32 of the ion exchange element 30, and is subjected to turbidity and ion exchange processing during this time. Then, the treated water flows out from the outlet 43. Even in the ion exchange device 40, the flow of water may be reversed in the illustrated direction.
[0047]
There is no particular limitation on the membrane shape of this flat membrane-shaped ion exchange element, and it may be an ion exchange element 30A in which a circular membrane as shown in FIG. good. The ion exchange element 30A of FIG. 8 differs from the ion exchange element 30 shown in FIG. 6 only in that the membrane shape is circular, and members having the same functions are denoted by the same reference numerals. If the ion exchange element 30A of FIG. 8 is used, an ion exchange device having the same configuration as that of FIG. 7 can be assembled using a cylindrical case.
[0048]
In the ion exchange device of the present invention, it is preferable to use a UF membrane or a MF membrane having a pore size of 0.05 μm or less, for example, 0.005 to 0.05 μm, as the turbidity membrane.
[0049]
As the cation exchange membrane and the anion exchange membrane, a strongly acidic ion exchange group or a strongly basic ion exchange group was provided on the entire or surface layer of the water-permeable organic polymer membrane having a pore diameter of 0.4 to 10 μm and a thickness of about 100 to 300 μm. Can be used. The membrane material of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane is not particularly limited as long as it can chemically add an ion exchange group such as polyethylene, polypropylene, and polysulfone. The ion exchange groups introduced into the cation exchange membrane and the anion exchange membrane are converted into the H-form or the OH-form before the module is assembled or used.
[0050]
The cation exchange membrane and the anion exchange membrane may be alternately laminated one by one, or may be alternately laminated every plural sheets. The number of layers of the cation exchange membrane and the number of the anion exchange membrane need not always be the same, and may be different.
[0051]
The number of layers of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane is appropriately determined according to the use of the ion exchange apparatus, the required processing capacity, and the like, but the total thickness of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane is 2 to 2. By laminating so as to have a thickness of about 5 mm, it is possible to obtain an ion exchange capacity equivalent to that of a normal non-regenerative type mixed bed type ion exchange apparatus, which is preferable.
[0052]
The laminate of the ion exchange apparatus of the present invention is preferably a laminate in which a turbidity membrane is further laminated with respect to an alternately laminated membrane of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane. It may be laminated on the raw water inflow side (upstream side in the water flow direction) or on the treated water outflow side (downstream side in the water flow direction) of the alternately laminated membrane with the anion exchange membrane.
[0053]
When the opaque membrane is provided on the downstream side of the alternately laminated membrane of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane, even if a very small amount of fine particles are generated from the ion exchange membrane, this can be removed by the opaque membrane. . If the outflow of the fine particles from the ion exchange membrane does not matter, the turbidity removing membrane may be provided on either the upstream side or the downstream side.
[0054]
With a laminate of such a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately laminated membrane and a turbidity membrane, SV2000hr ^-1 As described above, for example, SV2000 to 4000 hr ^-1 It is possible to process at a high water flow rate.
[0055]
Next, an embodiment of the ultrapure water production apparatus of the present invention in which such an ion exchange apparatus of the present invention is provided in a secondary pure water system will be described in detail with reference to FIGS.
[0056]
9 to 11 are system diagrams after the pure water tank showing an embodiment of the ultrapure water production apparatus of the present invention.
[0057]
In the ultrapure water production apparatus of the present invention, the primary pure water system is preferably any one capable of obtaining pure water having a TOC of about 10 ppb and a resistivity of 10 to 175 MΩ · cm. There is no. For example, the configuration on the upstream side of the conventional pure water tank shown in FIG. 12 can be adopted, but it is not limited to the configuration shown in FIG.
[0058]
The secondary pure water system of the ultrapure water production apparatus according to the present invention uses such pure water preferably with a TOC of 0.5 to 2 ppb, a DO of 5 to 10 ppb, and a resistivity of 17.5 MΩ · cm or more, particularly 18.1 MΩ · cm. What is necessary is just to be able to make it into the above-mentioned ultrapure water, and what is provided with a deaerator and a UV oxidation device other than the ion exchange device of this invention is mentioned. That is, as described above, the ion exchange element of the ion exchange apparatus of the present invention is composed of an alternately laminated membrane of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane and a turbidity membrane. A turbidity function can be provided. Therefore, this ion exchange device can be used in place of a non-regenerative mixed-bed ion exchange device and a UF membrane separation device, and the UF membrane separation device can be omitted. In particular, in the secondary pure water system of the ion exchange device of the present invention, it is preferable to further omit the UV oxidizing device and to provide this in the primary pure water system.
[0059]
That is, conventionally, as shown in FIG. 12, the conventional secondary pure water system is composed of a UV oxidizing apparatus, a non-regenerative mixed-bed ion exchange apparatus and a membrane separation apparatus, and a surplus unused at the point of use. The ultrapure water is returned to the sub tank. For this reason, the returned ultrapure water undergoes UV oxidation and ion exchange treatment again. However, if the amount of UV irradiation becomes excessive with respect to the TOC in the water due to repeated UV irradiation, hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ) Occurs and the generated H ₂ O ₂ When oxygen comes into contact with the ion exchanger, it becomes oxygen and causes an increase in DO. Therefore, in the present invention, it is preferable that the UV oxidizing apparatus is provided upstream of the sub-tank to prevent an increase in DO due to excessive UV irradiation of unused ultrapure water returned to the sub-tank.
[0060]
Therefore, the secondary pure water system of the ultrapure water production apparatus of the present invention is provided with a heat exchanger for temperature adjustment, a membrane deaerator for reducing DO to 5 ppb or less, and an ion exchange apparatus of the present invention, It is preferable to adopt a configuration in which an ultra-low pressure RO membrane separation device is further incorporated as necessary.
[0061]
The ultrapure water production apparatus shown in FIG. 9 is a deaerator for purifying pure water from a pure water tank (nitrogen deaerator, vacuum deaerator, membrane deaerator, etc.), a UV oxidizer, and a non-regenerative mixed-bed type. After being processed by the ion exchange device, the water is received in the sub-tank, the water in the sub-tank is taken out by the sub-pump, processed by the heat exchanger, the membrane deaerator and the ion exchange device of the present invention, and the obtained ultrapure water is sent to the point of use. To pay. Excess ultrapure water not used at the point of use is returned to the sub tank.
[0062]
The ultrapure water production apparatus shown in FIG. 10 differs from the ultrapure water production apparatus shown in FIG. 9 in that a deaeration device is provided at the subsequent stage of a non-regenerative mixed bed type ion exchange device. The configuration is the same as the device shown in FIG.
[0063]
In the ultrapure water production apparatus, switching between the supply of the primary pure water to the sub tank and the return to the pure water tank is performed by adjusting the opening of the three-way valve in conjunction with the water level of the sub tank. The three-way valve V may be provided at the inlet of the UV oxidizing device as shown in FIG. 9 or may be provided at the inlet of the sub-tank as shown in FIG.
[0064]
The ultrapure water production apparatus shown in FIG. 11 differs from the ultrapure water production apparatus shown in FIG. 9 in that a membrane deaerator is provided in a stage preceding the sub-tank and a three-way valve V is provided at the inlet of the sub-tank. It has been. According to this ultrapure water production apparatus, the contamination of ultrapure water due to the effluent from the membrane deaerator can be prevented by providing the membrane deaerator in the preceding stage of the sub tank. That is, the degassing film of the film degassing device also has a portion that uses a sealing resin such as an epoxy resin, and there is a concern that ultrapure water may be contaminated by a substance eluted from the resin. Therefore, as shown in FIG. 11, a secondary deionized water system is provided by providing a membrane deaerator in front of the sub-tank and configuring the secondary deionized water system after the sub-tank only with a heat exchanger and the ion exchange device of the present invention. , And high-purity ultrapure water can be obtained.
[0065]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Comparative Examples and Examples.
[0066]
Comparative Example 1
In the conventional ultrapure water production apparatus shown in FIG. 12, the non-regenerative mixed-bed type ion exchange apparatus of the secondary pure water system is exchanged every six months to once a year, and the UF membrane separation apparatus is 3 times. The UF membrane was changed once every year to five years. At the point of use, depending on the advanced LSI products, immediately after the replacement of the non-regenerative mixed-bed ion exchanger, the eluate (amines and PSA) from the ion-exchange resin of the non-regenerative mixed-bed ion exchanger may be used. Over a period of one week to two months, the thickness of the oxide film has increased from several nm to several tens nm, and the surface of the oxide film has been roughened, resulting in defective products.
[0067]
In addition, replacement of the UF film has caused Ca elution of several hundred ng / L due to metal contamination during the production of the UF film, resulting in poor pressure resistance of the product. Furthermore, high-molecular amine is eluted from the epoxy resin in the potting portion of the hollow fiber type MF membrane, and the thickness of the oxide film increases and the surface becomes rough for almost one month after the replacement. Had occurred. The polymer amine at this time was hexadecaamine or a water-soluble amine, and was present in an amount of several tens ng / L to several hundred ng / L.
[0068]
For this reason, the conventional ultrapure water production apparatus satisfies the guaranteed water quality of ultrapure water, but cannot respond to the upgrading of LSI products.
[0069]
Example 1
In the conventional method shown in FIG. 12, the structure after the pure water tank is configured as shown in FIG.
[0070]
As shown in FIG. 1, the ion exchange device 1 used was an ion exchange element 1 in which a porous tube 2 was laminated with an alternately laminated membrane of a cation exchange membrane 3 and an anion exchange membrane 4 and a turbidity membrane 5 as shown in FIG. , Housed in the case 11. The specifications of the ion exchange element 1 of this ion exchange device are as follows.
[0071]

[0072]
The water at the outlet of the heat exchanger is passed through this ion exchange device for SV2000 hr. ^-1 Ultra-pure water obtained by passing water at the point of use is 1-2m ³ / Hr.
[0073]
As a result, in manufacturing the flash memory, the thickness of the natural oxide film did not increase, the surface of the oxide film was not roughened, a smooth surface was obtained, and commercialization was possible one day after the ion exchange device was installed.
[0074]
Analysis of the obtained ultrapure water revealed that Ca was 0.1 ng / L or less and hexadecaamine, a representative of high molecular amines, was 20 ng / L or less. Turned out to be almost nonexistent.
[0075]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the ion exchange apparatus of the present invention, it is possible to prevent the contamination by the eluted substances during the water passage treatment and obtain high-quality ion-exchange treated water over a long period of time in a stable and efficient manner. .
[0076]
According to the ultrapure water production apparatus of the present invention in which such an ion exchange apparatus of the present invention is provided in a secondary pure water system, it is possible to efficiently produce extremely pure ultrapure water.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of an ion exchange element used in an ion exchange device of the present invention, wherein FIG. 1 (a) is a perspective view, and FIG. 1 (b) is a cross section along line BB in FIG. FIG. 1 (c) is an enlarged view of a portion C in FIG. 1 (b), and FIG. 1 (d) is a perspective view of a perforated tube.
FIG. 2 is a plan view showing another example of the ion exchange element used in the ion exchange device of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing an embodiment of the ion exchange device of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a method of connecting the ion exchange elements of FIG. 1;
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another embodiment of the ion exchange device of the present invention.
FIG. 6 is a view showing another example of the ion exchange element used in the ion exchange apparatus of the present invention, wherein FIG. 6 (a) is a perspective view, and FIG. 6 (b) is a view taken along line BB in FIG. It is a sectional perspective view along.
FIG. 7 is a sectional view showing another embodiment of the ion exchange device of the present invention.
FIG. 8 is a view showing another example of the ion exchange element used in the ion exchange device of the present invention, wherein FIG. 8 (a) is a perspective view, and FIG. 8 (b) is a view taken along line BB in FIG. It is a sectional perspective view along.
FIG. 9 is a system diagram after a pure water tank showing an embodiment of the ultrapure water production apparatus of the present invention.
FIG. 10 is a system diagram after a pure water tank showing another embodiment of the ultrapure water production apparatus of the present invention.
FIG. 11 is a system diagram after a pure water tank showing another embodiment of the ultrapure water production apparatus of the present invention.
FIG. 12 is a system diagram showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
1,30,30A ion exchange element
2 perforated pipe
3 Cation exchange membrane
4 Anion exchange membrane
5 turbidity membrane
6,31 laminate
7 pipe fittings
10,20,40 Ion exchange equipment
11, 21, 41 cases
24 Holding plate
25 sealing plate
26 Element accommodation room
27 Raw water room
28 Treatment water chamber
32 support plate
33 Frame member
44 Stopper
45 Packing

Claims

A laminate comprising a porous cation exchange membrane having a cation exchange function, and a porous anion exchange membrane having an anion exchange function alternately laminated, and a container accommodating the laminate. Is passed through the laminate in the laminating direction.

2. The ion exchange device according to claim 1, wherein the laminate further includes a turbidity membrane laminated on the most upstream side or the most downstream side in the water flow direction.

3. The ion exchange device according to claim 1, wherein a total laminated thickness of the cation exchange membrane and the anion exchange membrane in the laminate is 2 to 5 mm. 4.

An ultrapure water producing apparatus comprising a primary pure water system and a secondary pure water system having an ion exchange device, wherein the ion exchange device is the ion exchange device according to any one of claims 1 to 3. Ultrapure water production equipment characterized by the following.

The ultrapure water production apparatus according to claim 4, wherein the secondary pure water system is configured by connecting a tank, a pump, a heat exchanger, and the ion exchange device in this order.