(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中のイオンを濃縮する機構により濃縮したイオンを含むイオン濃縮水を検出部へ供給する機構及びイオン濃縮水の電気伝導率を測定する電気伝導率計を有する水中イオンモニターにおいて、水中のイオンを濃縮する機構が、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を交互に設けた電気透析装置、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を交互に設け、混合型イオン交換樹脂を充填した連続再生型イオン交換装置又は逆浸透装置であることを特徴とする超純水中イオンモニター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水中イオンモニターに関する。さらに詳しくは、本発明は、電子工業用超純水のように不純物濃度が極めて低い水について、酸、アルカリなどの薬品や、高温水などを使用することなく、正確かつ迅速にその全イオン濃度を測定することができる、簡便かつ安全で、汚染混入要因のない水中イオンモニターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子工業用超純水は純度が極めて高く、溶存イオン濃度は数μｇ／リットルないし数ｎｇ／リットルのように極めて低い。このような超純水中に存在するイオンは、従来は、試料水の電気伝導率を連続的に測定し、この値を指標とすることで全イオンの存在量が評価されてきた。また、溶存する全イオンを詳細に把握するために、試料水を採水し、イオン交換樹脂を充填した濃縮用カラムを備えたイオンクロマトグラフで濃縮し、分離分析することで、その種類を同定し、個別のイオン濃度が測定されてきた。
しかし、電子工業用超純水の純度が上がるにつれて、超純水の抵抗率は、不純物を全く含まない理論純水の抵抗率１８.２４ＭΩ・cmに限りなく接近しつつある。このように極めて低い抵抗率を測定する際には、現在一般に使用されている抵抗率計の検出装置では感度、精度ともに不十分であり、全イオン存在量の確認は非常に困難になってきている。また、イオン種の分離、測定に用いるイオンクロマトグラフィーは、非常に低濃度のイオン種を定量することができる反面、イオンを別々に検出するため全体量を求めることが容易でなく、装置が大型であり、定量結果を把握するのに時間がかかるという問題がある。そこで、より感度と精度が高く、全てのイオンが検出でき、小型で、操作が簡易で、現場で常時モニターすることができる全イオン濃度測定装置が要求されていた。
本発明者は、先に、このような超純水中の極めて低いイオン濃度を測定するモニターとして、特開平８−１６６３７７号公報において、イオン交換樹脂を充填したイオン濃縮カラムに試料水を供給してイオンを捕捉したのち、高温水によりイオンを溶離し、溶離液の電気伝導率を測定する水質モニターを提案し、また、特開平８−１６６３７８号公報において、陽イオン濃縮カラム及び陰イオン濃縮カラムに試料水を供給してイオンを捕捉したのち、溶離液として酸及びアルカリを供給し、溶離液の電気伝導率を測定する水質モニターを提案した。これらの水質モニターは、その性能が高く評価され、広く使用されるに至ったが、さらに、酸、アルカリなどの薬品や、高温水などを使用することなく、簡便に超純水中のイオンの量を測定することができるモニターが求められるようになった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電子工業用超純水のように不純物濃度が極めて低い水について、酸、アルカリなどの薬品や、高温水などを使用することなく、正確かつ迅速にその全イオン濃度を測定することができる、簡便かつ安全で、汚染混入要因のない水中イオンモニターを提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、水中のイオンを濃縮する機構、イオン濃縮水を検出部へ供給する機構及び電気伝導率計を備えた水中イオンモニターによれば、薬品や高温水などを使用することなく、超純水中の全イオン濃度を簡便に測定することが可能となることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）水中のイオンを濃縮する機構により濃縮したイオンを含むイオン濃縮水を検出部へ供給する機構及びイオン濃縮水の電気伝導率を測定する電気伝導率計を有する水中イオンモニターにおいて、水中のイオンを濃縮する機構が、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を交互に設けた電気透析装置、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜を交互に設け、混合型イオン交換樹脂を充填した連続再生型イオン交換装置又は逆浸透装置であることを特徴とする超純水中イオンモニター、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の水中イオンモニターは、水中のイオンを濃縮する機構、濃縮したイオンを含むイオン濃縮水を検出部へ供給する機構及びイオン濃縮水の電気伝導率を測定する電気伝導率計を有する。
本発明の水中イオンモニターにおいては、試料水を供給する機構を設け、水中のイオンを濃縮する機構に試料水を定量的に供給することが好ましい。試料水を供給する機構としては、所定量の試料水を水中のイオンを濃縮する機構に供給することができるものであれば、特に制限なく使用することが可能であり、例えば、定量ポンプを用いて供給することができ、あるいは、加圧装置と定流量装置を組み合わせて供給することができる。
本発明の水中イオンモニターに使用する水中のイオンを濃縮する機構には特に制限はないが、電気透析装置、連続再生型イオン交換装置又は逆浸透装置を好適に使用することができる。
本発明の水中イオンモニターにおいて、濃縮したイオンを含むイオン濃縮水を検出部へ供給する機構には特に制限はなく、例えば、検出部入口にバルブを設け、濃縮したイオンを含むイオン濃縮水を試料水により加圧しておき、検出部入口のバルブを開くことにより、試料水によりイオン濃縮水を検出部へ送り出すことができる。
本発明の水中イオンモニターにおいては、イオン濃縮水の電気伝導率を測定するための電気伝導率計を有する。電気伝導率の測定値は温度によって大きく異なるため、電気伝導率計は恒温槽内に設置するか、温度補償機能、特に二重温度補償機能を有するものが好ましい。本発明においては、電気伝導率計の代わりに電気伝導度計を用いることができる。電気伝導度計を用いるときは、測定した電気伝導度にセル定数を乗じて電気伝導率を算出する。
【０００６】
以下、図面により本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の水中イオンモニターの一態様の系統図である。本態様の水中イオンモニターは、水中のイオンを濃縮する機構として、電気透析装置を備えている。
電気透析装置１は、相対する面に陽極２及び陰極３が設けられ、その間が交互に設けた複数（本例では３枚）の陰イオン交換膜４及び３枚の陽イオン交換膜５により仕切られて、３個の試料水室６と２個のイオン濃縮水室７に分けられている。陽極と陰極の間に電位差を与えると、陽イオンは陽イオン交換膜を通るが、陰イオン交換膜によって阻止され、陰イオンは陰イオン交換膜を通るが、陽イオン交換膜によって阻止されるので、試料水室からイオン濃縮水室に水中イオンが移動し、濃縮される。試料水入口バルブ８とドレンバルブ９を開き、イオン濃縮水バルブ１０を閉じ、電極間に電位差を与えて通水すると、水中イオンはイオン濃縮水室に濃縮される。一定量の試料水を通水したのちに、ドレンバルブを閉じてイオン濃縮水バルブを開くと、イオン濃縮水は試料水によってイオン濃縮水室から押し出され、イオン濃縮水バルブを経由して電気伝導率計１１に送られる。また、陽極２又は陰極３が設けられた電極室１７の水は、電極表面で化学反応が起こる可能性を考慮すると、電気伝導率計１１に通水せず、排出することが好ましい。イオン濃縮水バルブを開くまでは、電気伝導率計には試料水が通水され、記録用紙上のベースラインは安定している。イオン濃縮水バルブが開かれ、イオン濃縮水が電気伝導率計に流入しはじめると、電気伝導率が上昇しはじめ、記録用紙にピークが記録されたのち、電気伝導率の値はふたたびベースラインの値にもどる。記録用紙上のピーク面積と、試料水の濃縮比の値から、試料水中のイオン濃度を求めることができる。
本態様の水中イオンモニターにおいては、ドレンバルブ９とイオン濃縮水バルブ１０を常時開いた状態とし、イオン濃縮水を連続的に電気伝導率計１１に送ることができる。電極間に電位差を与えて試料水を通水すると、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜により水中イオンがイオン濃縮水室に移動し、イオン濃縮水室内で濃縮が進みながらイオン濃縮水が押し出され、電気伝導率計により電気伝導率の値が求められる。
【０００７】
図２は、本発明の水中イオンモニターの他の態様の系統図である。本態様の水中イオンモニターは、水中のイオンを濃縮する機構として、連続再生型イオン交換装置を備えている。
連続再生型イオン交換装置１２は、相対する面に陽極２及び陰極３が設けられ、その間が交互に設けた３枚の陰イオン交換膜４及び３枚の陽イオン交換膜５により仕切られて、３個の試料水室６と２個のイオン濃縮水室７に分けら、さらに混合型イオン交換樹脂１３が充填されている。混合型イオン交換樹脂１３は、試料水室６とイオン濃縮水室７の両方ともに充填しなくても使用できるが、濃縮能力を向上できるため、両方ともに充填する方が好ましい。陽極と陰極の間に電位差を与えると、陽イオンは陽イオン交換膜を通るが、陰イオン交換膜によって阻止され、陰イオンは陰イオン交換膜を通るが、陽イオン交換膜によって阻止されるので、試料水室からイオン濃縮水室に水中イオンが移動し、濃縮される。試料水入口バルブ８とドレンバルブ９を開き、イオン濃縮水バルブ１０を閉じ、電極間に電位差を与えて通水すると、水中イオンはイオン濃縮水室に濃縮され、混合型イオン交換樹脂により捕捉される。一定量の試料水を通水したのちに、ドレンバルブを閉じてイオン濃縮水バルブを開き、イオン濃縮水室の水を電気伝導率計に送る。このとき、イオン交換樹脂へ通電する電流値は、濃縮時と同じにするか、溶離効率を上げたい場合は、電流値を上げてイオン濃縮水室のイオン交換樹脂に捕捉されたイオンを溶離させる。溶離されたイオンはイオン濃縮水室から押し出され、イオン濃縮水バルブを経由して電気伝導率計１１に送られる。また、陽極２又は陰極３が設けられた電極室１７の水は、電極表面で化学反応が起こる可能性を考慮すると、電気伝導率計１１に通水せず、排出することが好ましい。イオン濃縮水バルブを開くまでは、電気伝導率計には試料水が通水され、記録用紙上のベースラインは安定している。イオン濃縮水バルブが開かれ、イオン濃縮水が電気伝導率計に流入しはじめると、電気伝導率が上昇しはじめ、記録用紙にピークが記録されたのち、電気伝導率の値はふたたびベースラインの値にもどる。記録用紙上のピーク面積と、試料水の濃縮比の値から、試料水中のイオン濃度を求めることができる。
【０００８】
図３は、本発明の水中イオンモニターの他の態様の系統図である。本態様の水中イオンモニターは、水中のイオンを濃縮する機構として、逆浸透装置を備えている。
逆浸透装置１４は、逆浸透膜モジュール１５にポンプ１６を用いて試料水を圧入し、逆浸透膜を通過しない試料水中の全イオンを濃縮するものである。逆浸透膜としては、電解質分離性能を有する膜を使用する。モジュールを構成するエレメントには特に制限はなく、例えば、平面膜締め付け型、スパイラル型、管型、中空糸型などとすることができる。試料水入口バルブ８とドレンバルブ９を開き、イオン濃縮水バルブ１０を閉じ、ポンプ１６により試料水を圧入すると、水のみが逆浸透膜を通して流出し、水中イオンが濃縮される。一定量の試料水を通水したのちに、ポンプを止め、ドレンバルブを閉じてイオン濃縮水バルブを開くと、イオン濃縮水は試料水によって押し出され、イオン濃縮水バルブを経由して電気伝導率計１１に送られる。イオン濃縮水バルブを開くまでは、電気伝導率計には試料水が通水され、記録用紙上のベースラインは安定している。イオン濃縮水バルブが開かれ、イオン濃縮水が電気伝導率計に流入しはじめると、電気伝導率が上昇しはじめ、記録用紙にピークが記録されたのち、電気伝導率の値はふたたびベースラインの値にもどる。記録用紙上のピーク面積と、試料水の濃縮比の値から、試料水中のイオン濃度を求めることができる。逆浸透装置においては、必要に応じて膜面の洗浄を行うことが好ましい。
【０００９】
本発明の水中イオンモニターは、イオン溶離手段として、高温水や、酸、アルカリなどの薬品を使用しないので、簡便かつ安全に、超純水中のイオン濃度を測定することができる。従来の超純水の水質分析においては、測定用試薬など外部からの汚染の混入が、定量可能な範囲の下限値を低くすることができず、かつ正確な分析値を得ることが困難である最大の要因であったが、本発明の水中イオンモニターは、バルブの切り替えや、電気的処理により、イオンの溶離や、イオン濃縮水の移送を行うので、外部からの汚染の要因が少なく、再現性よく正確に、超純水中にごく微量に存在するイオンの全イオン濃度を求めることができる。
本発明の水中イオンモニターは、超純水中のイオンを濃縮し、イオン濃縮水の電気伝導率を測定するので、従来の抵抗率計や電気伝導率計では測定できなかった極めて低いイオン濃度を全イオン濃度として測定することができる。
本発明の水中イオンモニターを用いる場合、水中イオンの濃縮倍率には特に制限はないが、通常は１０倍以上に濃縮することが好ましく、水中イオンの濃度が極めて低い場合には、濃縮時間を長くして、濃縮倍率を高めることにより、測定可能な範囲を広げることができる。現在の電気伝導率計を用いた検出器の検出限界は、イオン濃度１００ppt程度であるので、濃縮倍率を１０倍とすることにより、水中の濃度１０pptのイオンを検出することができる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の水中イオンモニターによれば、電子工業用超純水のように不純物濃度が極めて低い水について、酸、アルカリなどの薬品や、高温水などを使用することなく、簡便、安全、正確かつ迅速に、その全イオン濃度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の水中イオンモニターの一態様の系統図である。
【図２】図２は、本発明の水中イオンモニターの他の態様の系統図である。
【図３】図３は、本発明の水中イオンモニターの他の態様の系統図である。
【符号の説明】
１  電気透析装置
２  陽極
３  陰極
４  陰イオン交換膜
５  陽イオン交換膜
６  試料水室
７  イオン濃縮水室
８  試料水入口バルブ
９  ドレンバルブ
１０  イオン濃縮水バルブ
１１  電気伝導率計
１２  連続再生型イオン交換装置
１３  混合型イオン交換樹脂
１４  逆浸透装置
１５  逆浸透膜モジュール
１６  ポンプ
１７  電極室
【図１】
0003900504.tif 000002
【図２】
0003900504.tif 000003
【図３】
0003900504.tif 000004