超純水装置の鍵となる、一次純水装置

試験・研究者なら「超純水」という言葉を聞いたことがあるはず。研究室に超純水システムが置いてあって、実際に使用している人も多いでしょう。目的に合った純水装置と超純水装置を組み合わせたものを超純水システムといいますが、その中がどうなっていて、超純水がどのような仕組みで作られているのかまで知っている人は案外少ないのではないでしょうか。

超純水はいきなり水道水から作られるわけではありません。まずは水道水を純水に変え、それから純水を超純水に変えていきます。このときに使われる純水装置を「一次純水装置」といい、この装置で作られる水を「一次純水」と呼びます。

一次純水には、従来から逆浸透水（RO水）や蒸留水、イオン交換水（DI水）などが用いられていますが、有機物やバクテリアの除去特性や水質は様々です。一次純水にどの純水を用いるかによって、超純水の質や超純水装置の性能に影響を及ぼします。

この記事では、一次純水がイオン交換水（DI水）の場合とElix水の場合で、水質がどう変わってくるか、またイオン交換水（DI水）の場合と逆浸透水（RO水）の場合で、超純水カートリッジとフィルターの寿命にどのような影響を与えるかを比較検証します。

イオン交換水（DI水）とElix水は超純水の水質にどのような影響を及ぼすか

DI水を一次純水として超純水装置へ供給した場合と、逆浸透（RO）膜と連続イオン交換法（EDI：Electrical Deionization）の組み合わせで精製されたElix水を一次純水にした場合で、得られる超純水の水質がどのような影響を受けるかを比較します。

超純水の水質の評価は、総有機物量（Total Organic Carbon：以下TOC）と無機物量が多いほど小さな値になる比抵抗値の分析結果で行いました。Milli-Q超純水装置を用い、図1、図2に示した2つの超純水システム装置を用いました。

図1はカートリッジ式イオン交換装置、図2のElix10（以下、Elix）は逆浸透膜と連続イオン交換法（EDI）を組み合わせた純水製造装置です。

図1 イオン交換水（DI水）を使用した超純水システム

図2 Elix水を使用した超純水システム

・結果1　イオン交換水（DI水）では、超純水のTOC値が不安定である

図3に示されるように、超純水装置にDI水を供給した場合、TOC値が40～150ppbと不安定であることがわかりました（図3の□）。しかし、一次純水がElix水の場合はTOC値の上昇はほとんど見られず、TOCが10ppb前後と常に安定した水質の超純水が得られました（図3の■）。

図3 純水の違いが超純水水質に与える影響（TOC）

次に、1回の超純水装置運転におけるTOC値の濃度推移を見てみましょう（図4）。DI水を供給した場合、運転開始1回目のTOCが1番低く、徐々に高くなっています（図4の□）。一方、Elix水を供給した場合は、2回目以降は安定したTOCが見られます。

図4 TOCの推移

さらに、DI水とタンク貯留後のElix水のTOC値を比較してみました（図5）。Elix水は全期間にわたってTOCが安定していますが、DI水はTOCが非常に高く、日々の変動も激しいことがわかります。

図5 DI水、Elix水（タンク貯留後）のTOC比較

・結果2　イオン交換水（DI水）は、比抵抗値の低下を引き起こす

比抵抗値は、採水直前に超純水装置を運転モードにし、18.2MΩ･cmになるよう設定し、超純水装置内の比抵抗計を用い測定しました。図6に示されるように、DI水、Elix水どちらを供給した場合も超純水の比抵抗値18.2 MΩ･cmです。

しかし、DI塔は約750LのDI水を精製した時点で、比抵抗値が急激に低下しています（図6の□）。Elix水の比抵抗値はタンク貯留後のため、DI水よりも低い抵抗値を示していますが、全期間にわたって安定しています（図6の■）。

図6 各種水の比抵抗値比較

以上の結果から、超純水装置の一次純水にイオン交換水（DI水）を用いると、超純水の水質を低下させてしまうことが明らかになりました。一方、Elix水は一次純水として適していることも示されました。

イオン交換水（DI水）と逆浸透水（RO水）は超純水装置にどのような影響を及ぼすか

DI水を一次純水として超純水装置へ供給した場合と、逆浸透水（RO水）を一次純水にした場合で、一定量の超純水を精製した後の超純水カートリッジ内イオン交換樹脂表面と0.22µm最終メンブレンフィルターの表面を電子顕微鏡で観察しました。

・結果1　イオン交換水（DI水）は、イオン交換樹脂を劣化させる

図7は、新品の陰イオン交換樹脂表面と、RO水およびDI水を供給して一定量超純水を精製した後の超純水カートリッジ内陰イオン交換樹脂表面の電子顕微鏡写真です。新品および RO水供給時の陰イオン交換樹脂表面は網目状の凹凸が見られますが、DI水供給時は陰イオン交換樹脂表面に多量の物質が付着していて、この構造が確認できなくなっていることがわかります。

図7 陰イオン交換樹脂表面電子顕微鏡写真

・結果2　イオン交換水（DI水）は、メンブレンフィルターの目詰まりを引き起こす

図8は一定量超純水精製後のメンブレンフィルターの電子顕微鏡写真です。一次純水としてRO水を使った場合、膜の構造がはっきりわかります（白い部分が膜、黒い部分が孔です）。しかし、DI水を使った場合、有機物や微生物などの補足物で表面が被覆され、目詰まりしていることが見て取れます。

図8 メンブレンフィルター表面電子顕微鏡写真

以上の結果から、超純水装置の一次純水にイオン交換水（DI水）を用いると、超純水装置内で用いているイオン交換樹脂表面に有機物をはじめとした不純物が付着し、超純水カートリッジの早期劣化を引き起こしてしまう、あるいはメンブレンフィルターの早期目詰まりを引き起こしてしまうこともあることが明らかになりました。

このように、イオン交換水（DI水）を一次純水に用いると、超純水のTOC濃度を高め、超純水カートリッジとフィルターの寿命に重大な問題を引き起こすことがわかりました。一方、Elix水は一次純水として適していることも示されました。超純水システムを組む場合は、後段の超純水装置ばかりに気を取られがちですが、前段の純水装置についても十分検討するべきでしょう。