(57)【要約】【課題】  シンプルな構造で安定して使用できるケミカルフィルタ用フィルタ濾材の再生装置を提供する。【解決手段】  酸性物質、塩基性物質およびこれらの塩（以後これらを総称して「極性物質」という）由来のイオンを対イオンとして有するケミカルフィルタ用フィルタ濾材を陽極と陰極の間に置き通電し、水解イオンの供給と極性物質由来のイオンの移動とを行い、フィルタ濾材のイオン交換基を遊離型に変換すると共にイオン移動先電極近傍に設置した更新可能なイオン濃縮部に極性物質由来のイオンを集めることを特徴とするケミカルフィルタ用フィルタ濾材の再生装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸性物質、塩基性物質およびこれらの塩（以後これらを総称して「極性物質」という）由来のイオンを対イオンとして有するケミカルフィルタ用フィルタ濾材を陽極と陰極の間に置き通電し、水解イオンの供給と極性物質由来のイオンの移動とを行い、フィルタ濾材のイオン交換基を遊離型に変換すると共にイオン移動先電極近傍に設置したイオン濃縮部に極性物質由来のイオンを集めることを特徴とするケミカルフィルタ用フィルタ濾材の再生装置。
【請求項２】
イオン濃縮部が更新可能な状態で取り付けられた、フィルタ濾材と同じイオン交換基を有する遊離型イオン交換体の集塊である請求項１の装置。
【請求項３】
イオン濃縮部が更新可能な状態で取り付けられた、非蒸散性の酸性物質または塩基性物質の集塊である請求項１の装置。
【請求項４】
イオン濃縮部が必要により更新可能な状態で取り付けられた、フィルタ濾材と同じイオン性のイオン交換膜を隔膜とするセル状物であり、セル内にフィルタ濾材がカチオン交換体である場合には酸またはその水溶液、アニオン交換体である場合には塩基またはその水溶液を有してなることを特徴とする請求項１の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、気体、ミストあるいは微粒子として空中に含まれる酸性物質、塩基性物質および塩（以後これらを極性物質と総称する）の除去手段として使用されるケミカルフィルタに組み込まれるフィルタ濾材を再生する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  このフィルタ濾材とはイオン交換繊維やイオン交換樹脂等のイオン交換体を層状あるいはシート状あるいはハニカム構造体にしたもので、遊離型イオン交換体の固体酸あるいは固体塩基としての特性を利用するもので、極性物質由来のイオンを対イオンとする塩型となって空気中の極性物質をしっかり捕捉する。【０００３】  これをフィルタケースなどに組み込んだケミカルフィルタは極性物質に対する優れた捕捉特性を有し、極性物質の制御に特に厳密な半導体やハードディスク製造工場のクリーンルームなどでは無くてはならないものとなっている。また化学工場や火山、実験室、動物舎などからでるより濃度の高い酸性ガス、塩基性ガスの除去に対するニーズも近年高まっている。【０００４】  一般的にフィルタ濾材は空気抵抗を低く抑える必要から、比較的間隙の粗い薄手のシート状となっており、したがって吸着能力を決定するイオン交換容量を高く設定することは至難である。また、フィルタ濾材は高価なイオン交換体を原料として技術的にも困難な加工工程を経て調達されるため、高価である。さらに性能低下したフィルタ濾材は、イオン交換樹脂同様に薬液で塩型から遊離型に変換することにより再生できる筈であるが、再生用薬液やその後の水洗や乾燥工程による寸法や形態変化が極めて大きく繰り返し利用は困難である。このため、使用後は多くが焼却処分されているが、吸着した極性物質やイオン交換体を構成する物質などに起因する悪臭や有害物質の発生が避けられない。【０００５】  このような状況に鑑み本発明者らは、特願２００５−１３４８９７において空気中の極性物質を捕捉したイオン交換体の電気的再生装置を提案している。この特許文献１は、空中の極性物質を吸着したフィルタ濾材等のイオン交換体を両端に電極室を有する電気透析装置の脱塩室内に室液がない状態で収容し、相当する部屋等のイオン交換体を脱塩室相当の部屋に収容し電気的に再生するものであり、イオン交換体は周りに水が存在しない状態で再生される。このためフィルタ濾材は、薬品や水と直接接触しないので、形態変化が殆どなく繰り返し使用に耐える状態で再生が行われる特徴がある。
【特許文献１】特願２００５−１３４８９７
【０００６】  本発明者らは、これらの装置がイオン交換体では例のない「乾式再生」を実施するものであり、これによりフィルタ濾材の再生に関する諸問題点を根底より解消できる可能性を備えていることに着目して、実用化に向けた努力を重ねてきたが、なお解決すべき問題点が見られた。
すなわち、第１に電極板と室液の入った電極室の隔膜となっているイオン交換膜にフィルタ濾材が接触するのであるが、フラットな膜面と繊維より構成されバルキーなフィルタ濾材の接触は、イオン交換膜が水和したデリケートな膜であるために圧着して接触面積を増加することも困難であり、このため電気抵抗が高めで一定しない。第２に電気透析装置で扱うにはサイズが大きくバルキーであるため、特製の大きな電極室が必要であり、これが一層交換膜を傷めたり、コスト上昇要因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  本発明の課題は、従来装置の電気透析装置そのままの機構を、痕跡を残さないほど大幅に変更することにより、シンプルな構造で安定して使用できるフィルタ濾材の再生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】  本発明は、酸性物質、塩基性物質およびこれらの塩（以後これらを総称して「極性物質」という）由来のイオンを対イオンとして有するケミカルフィルタ用フィルタ濾材を陽極と陰極の間に置き通電し、水解イオンの供給と極性物質由来のイオンの移動とを行い、フィルタ濾材のイオン交換基を遊離型に変換すると共にイオン移動先電極近傍に設置した更新可能なイオン濃縮部に極性物質由来のイオンを集めることを特徴とするケミカルフィルタ用フィルタ濾材の再生装置である。【０００９】  また、第２の解決手段は、更新可能なイオン濃縮部としてフィルタ濾材と同じイオン交換基を有する遊離型イオン交換体の集塊を用いるものである。【００１０】  さらに、第３の解決手段は、更新可能なイオン濃縮部として非蒸散性の酸性物質または塩基性物質の集塊を用いるものである。【００１１】  さらには、第４の解決手段は、イオン濃縮部をフィルタ濾材と同じイオン性のイオン交換膜を隔膜とするセル状物であり、セル内にフィルタ濾材がカチオン交換体である場合には酸またはその水溶液、アニオン交換体である場合には塩基またはその水溶液を用いるものである。【００１２】  第１の解決手段は、前記特許文献と比較すると、陽極室および陰極室を必要とせず、電気透析装置の面影は殆どみられない。すなわち、電極室およびこれに係わるイオン交換膜、室液、室液を循環する配管系、循環ポンプ、貯液タンクなどの付帯機器や部品、薬品が一挙に不要となり、僅かにフィルタ濾材またはイオン濃縮部に直に接触する電極が面影を残すのみである。【００１３】  また、第２、第３，第４の解決手段において、イオン濃縮部として用いるものはフィルタ濾材より電気的に送り込まれてくる極性物質由来のイオンを「塩」として固定できる酸または塩基である点で共通しており、こうしたイオン濃縮部は更新可能なものであり、新しいイオン濃縮部に置換されて更新されることにより、フィルタ濾材の再生機能は、通電が途絶えない限り維持されるのである。【００１４】  カチオン交換体より構成されアンモニアガスをアンモニウムイオンとして捕捉しているフィルタ濾材を再生するケースを例にあげて以下に本発明の作用機構を説明する。
電極間に電圧が印可されると、陽極ではイオン交換体が含有する水分が分解され酸素と共に水素イオンが生成され、この水素イオンが陰極に向け移動を始め、これがカチオン交換体のカウンターイオンとなり捕捉されているアンモニウムイオン（カチオン）と置換しつつアンモニウムイオンを陰極に向けて移動させる。アンモニウムイオンは陰極近傍に設置されたイオン（この場合カチオン）濃縮部に集積され、一方の水素イオンは陰極部分で水の分解により生じる水酸基イオンと結合して水を生成して消滅する。こうしたメカニズムにより、フィルタ濾材が捕捉したアンモニウムカチオンの移動すなわちフィルタ濾材の再生が電気的に行われると考えられる。【００１５】  ここで、電極は電極板あるいは網電極を用い、これをケミカルフィルタおよび／またはイオン濃縮部の端部に接触せしめ、電源より電圧を加えて通電すればよい。電流はイオンの移動によるいわゆるイオン電流、すなわち電極近傍で起きた水の分解による水素イオンあるいは水酸基イオンの移動と電極近傍での電子の授受によりもたらされる電流である。これには水が不可欠であるが、本発明においては直にフィルタ濾材が平衡水分率あるいは間隙水として保持する僅かの水分を利用するものであり、電極室や電極室室液、さらに室液を隔離するイオン交換膜、さらには室液循環用のポンプや配管までもが不要となったのである。すなわち、電極部は実質的に電極のみであり極室を必要としないのである。
【発明の効果】
【００１６】  上述したように本発明は、高い信頼性とコストダウンを実現できる可能性を有し、フィルタ濾材を乾式再生する装置であり、廃棄問題を解消しフィルタ濾材の繰り返し使用を可能にする。【００１７】  本発明によれば、フィルタ濾材を塩型イオン交換体で調整しこれを遊離型に再生する新しいフィルタ濾材調整プロセスを可能にすると言う、もう一つの効果がある。
すなわち、遊離型イオン交換体は強酸あるいは強塩基性であり触媒活性も強く、このため直接遊離型のフィルタ濾材を調整するには、調整工程あるいは保管上様々な制約がみられたが、本発明装置の出現によりこうした制約は解除される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  本発明において処理対象となるフィルタ濾材は、カチオン交換体またはアニオン交換体より構成されたものであり、イオン交換基としてはスルホン酸基、第４級アンモニウム基などの強酸性基あるいは強塩基性基を有するイオン交換体が使用される。
形態的にはイオン交換繊維、イオン交換樹脂を始め顆粒状、鱗片状などのフレーク状のものが使用できる。フィルタ濾材はこれらのイオン交換体を単独またはシート状あるいはハニカム構造体に加工するために必要な強度や工程通過性を付与するために非イオン交換体を混用されたものであってもよい。またシート状繊維基材にグラフト重合等の手法によりイオン交換基を付与したイオン交換性シートとも言うべきものもフィルタ濾材として好適に使用できる。【００１９】  フィルタ濾材は、イオン交換基は「遊離型」と言われる酸型あるいは塩基型に調整された状態で、セパレータを挟んでジグザグに折り畳まれ、空気漏れが生じないように枠に取り付けられてケミカルフィルタとして使用され、除去できる空気中の極性物質としては、アンモニア；メチルアミン、ジメチルアミン、アニリンなどのアミン類；ピリジン類に代表される塩基性ガスがあり、また硫化水素、亜硫酸、亜硝酸、フッ化水素、塩化水素等の酸性ガスがある。さらに本来固体ないし液状であるが微粒化され空中にミストとなって浮遊する酸や塩基性物質がある。さらに脂肪酸、硼酸、ひ酸、亜ひ酸、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウムなどの酸性あるいは塩基性の極く弱いものも含まれる。これらの極性物質はイオン交換体の対イオンとなって捕捉される。【００２０】  極性物質を対イオンとして捕捉することにより、イオン交換基は固体酸あるいは固体塩基として極性物質に対する捕捉機能を有する遊離型より、捕捉機能を喪失した塩型となり、イオン交換基のうち塩型率が一定以上に達したところで、再生対象となる。【００２１】  以下にフィルタ濾材の再生について説明する。
再生されるフィルタ濾材は、好ましくは折り皺を伸ばし数多くを規則正しく端面を揃えて積層した積層物とし、この積層物の両外層または両端部に陽極板と陰極板がくるようにし、積層物とイオン移動先電極板の間にはイオン濃縮部を配し、電極板および各構成物間の接触を確実なものとする。【００２２】  フィルタ濾材の再生は極性物質由来の対イオンを電気的に移動させイオン交換基を遊離型に戻すことにより行われる。
フィルタ濾材に直流を通電することにより、フィルタ濾材の対イオンを電気的に移動さすことができ、具体的には直流電源に接続された電極対、フィルタ濾材およびイオン濃縮部の配列を、水解イオン送り出し電極／フィルタ濾材／イオン濃縮部／イオン移動先電極；または水解イオン送り出し電極／フィルタ濾材／イオン移動先電極／イオン濃縮部なる配列とし、電極間に直流電圧を印加すればよい。【００２３】  ここで移動するイオンおよびその移動方向はフィルタ濾材のイオン交換体により決まる。すなわち、フィルタ濾材がカチオン交換体の場合、陽極で発生したプロトンおよびカチオン交換体に吸着されている極性物質由来のカチオンが陰極に向けて移動し、この場合は陽極が水解イオン送り出し電極、陰極がイオン移動先電極として機能する。フィルタ濾材がアニオン交換体の場合は、陰極で発生した水酸基イオンおよび極性物質由来のアニオンが陽極に向けて動き、陰極が水解イオン送り出し電極、陽極がイオン移動先電極となる。【００２４】  電流はイオン交換体の対イオンの移動によりもたらされるいわゆるイオン電流であり、まず水解イオン送り出し電極でイオン交換体が有する水の分解により発生した水素イオン（フィルタ濾材がカチオン交換体の場合）または水酸基イオン（同アニオン交換体の場合）がイオン移動先電極に向け移動するが、これらの水素イオンまたは水酸基イオン（これら二つのイオンを以後「水解イオン」ということがある）は、極性物質由来の対イオンと置換しつつこれをイオン移動先電極に向けて送り出し、遂には極性物質由来のイオンをイオン移動先電極と接して置かれたイオン濃縮部に運び込む。水解イオンはイオン交換基の対イオンとなってイオン交換体を再生し、余剰の水解イオンはイオン移動先電極で生じた他の水解イオンと結合して水となり消滅する。【００２５】  こうしたメカニズムを円滑に機能さすには、通電性をよくすることであり、具体的には両電極、フィルタ濾材、イオン濃縮部の各パーツ間の接合状態をしっかりさせることと、フィルタ濾材の含有水分を一定水準以上に保ち、イオンが移動しやすい状態とする必要がある。【００２６】  ここで例を挙げて説明する。
相対湿度が４０〜５０％と比較的乾燥した環境下で長時間調湿したカチオン交換繊維より構成されてなるフィルタ濾材についてその通電挙動について調査すると、通電開始して暫くすると電気抵抗が上昇して通電が困難になる現象が現れる。これは、フィルタ濾材の水分率が通電開始時点で僅かに平衡水分率程度と僅かであるのに加えて、水解イオン送り出し電極付近では、酸素または水素および水解イオンの生成に水が消費され、加えて水解イオンには随伴水として水が対極方向に移動するためにイオン追い出し電極付近の水分が著しく減少してしまうことが原因と考えられる。【００２７】  この例から理解できるように、極間の電気抵抗を安定にするうえでフィルタ濾材の水分率、中でも水解イオン送り出し電極近傍の水分管理が重要である。
フィルタ濾材の水分維持は、濾材全体あるいは水分の枯渇しやすい水解イオン送り出し電極近傍中心に、キャピラリー等を用いた局所注水を始め、噴霧あるいは加湿器を用いるなど何れかの方式により失われる水分を補給することにより行うことができる。定電流で通電する場合においては極間の電圧を水分率の指標として利用するとより的確な維持管理ができる。【００２８】  さらに、直接的な水分付与に加えて、フィルタ濾材と電極間など電極近傍に保水性とイオン電導性を備えたゲル状物を用いることは好ましいことである。ゲルは、ゲル自体の保水効果のみならず、軟かで変形し易い性質により電極とフィルタの双方に接触面積を増して接触できるため、電気抵抗の低減にもなる。【００２９】  用いるゲルとしては、ポリビニルアルコール、ポリ（Ｎ−ビニルアセトアミド）に見られるような非イオン性の親水性物質をゲル形成剤として、イオン伝導性を付与するために遊離型のカチオン交換樹脂またはアニオン交換樹脂／あるいはこれらの粉砕物を混合したゲルを用いることができる。【００３０】  また、フィルタ濾材がカチオン交換体である場合にはポリスチレンスルホン酸などのスルホン酸基を有する強酸性ポリマー；アニオン交換体の場合にはポリ（Ｎ、Ｎ、Ｎ−トリアルキルビニルベンジルアンモニウム）などの第４級アンモニウム基を有する強塩基性ポリマーを用いてもよい。またこれらのイオン性ポリマーに、同じ官能基を有するイオン交換樹脂またはその粉砕物、必要に応じ前記ゲル形成剤を併用してもよい。こうしたゲルにおいてイオン伝導材料としてのイオン性ポリマーおよび／またイオン交換樹脂の官能基はいずれも遊離の酸または塩基であることが好ましく、したがってこのゲルはイオン移動先に用いればイオン濃縮部として使用できる。【００３１】  電極材料として、陽極には白金などの白金属金属や金、チタンなどの耐蝕性に優れた金属や炭素が好適であり、陰極には前記陽極材料も使用できるが一般的にはより安価なニッケル、ステンレスが使用できる。
電極の形状については、板状よりもエキスパンドメタルや網状などのネット状の有孔シートがフィルタ濾材との接合時の馴染みや接触部分で発生する酸素や水素の拡散および補給水の取り込みに都合がよい。【００３２】  イオン濃縮部は、フィルタ濾材より送り込まれる極性物質由来のイオンをできるだけ多く集めたところで、新しいイオン濃縮部に置換するもので、この置換操作を繰り返すことによりフィルタ濾材の再生能力を維持できる。【００３３】  イオン濃縮部は、極性物質由来のイオンが送り込まれるイオン移動先電極と接するか該電極の極く近傍にコンパクトな形状であるのが好ましい。
またイオン濃縮部は、極性物質由来のイオンを強く捕捉結合できる強酸性基あるいは強塩基性基を高密度に有し、フィルタ濾材および電極とはよい接触状態を保つ必要がある。【００３４】  イオン濃縮部に使用できるものとして、まず、フィルタ濾材と同じイオン交換基を有する遊離型イオン交換体の集塊がある。ここで「集塊」なる言葉は、イオン濃縮部がコンパクトでかつ大きなイオン捕集能力を持つ必要から、イオン濃縮部の構成材料を緻密にした固まり状態を意味する。
イオン交換体のイオン交換基は、フィルタ濾材同様、酸あるいは塩基としての機能を果たすことのできるＨ型あるいはＯＨ型に調整されており、バルキーなイオン交換繊維よりは単位容積あたりの交換基密度を高くできるイオン交換樹脂がより好ましい。【００３５】  上記イオン交換体がいわば水不溶性の酸あるいは塩基であるのに対し、イオン濃縮部は、酸あるいは塩基、またはこれを有効成分とする成型物の集塊であってもよい。使用できる酸または塩基としては、アルキルベンゼンスルホン酸、７−ヒドロキシナフタレンスルホン酸などの芳香族スルホン酸を始めとするスルホン酸類、あるいは硫酸エステル類などの強酸性物質、テトラアルキルアンモニウムハイドキサイドなどの強塩基物質がある。さらにポリスチレンスルホン酸、ポリエチレンスルホン酸を始めとするスルホン酸基を有するビニルモノマーの重合物やポリ（ジアリルジメチルアンモニウムハイドキサイド）、ポリ（４ビニルピリジンＮ−アルキルアンモニウムハイドキサイド）などの強塩基性ポリマーが挙げられる。【００３６】  イオン濃縮部に使用される上記イオン交換体、酸あるいは塩基は、粒状あるいは粉体であったりで、そのままではイオン濃縮部に加工し難い場合が多い。こうした場合に成形するための結合材あるいは包装材として、さらにこれらの成型物をフィルタ濾材に接合するバインダーとして、上記高分子酸あるいは高分子塩基が使用できる。【００３７】  さらにイオン濃縮部はフィルタ濾材と同じイオン性のイオン交換膜を隔膜とするセル状物であって、セル内にはフィルタ濾材がカチオン交換体である場合には酸またはその水溶液、アニオン交換体である場合には塩基またはその水溶液を有していてもよい。セル内容物が水溶液のように流動性である場合には、同じ内容物を収容した外部タンクとの間をホースなどで連結し内容物を循環する方式を採りイオン濃縮部の能力を著しく増強することができる。さらにこのケースにおいて、イオン交換膜はチューブ状の中空膜であり、フィルタ濾材を積層して処理するケースにみられるように広い電極面積の場合には電極と積層物表面との幅の狭い間隙内で蛇行構造をとり広い電極面積に対応することもできる。
以下実施例により本発明の説明を続ける。
【実施例１】
【００３８】  イオン交換基としてナトリウムイオンを対イオンとするスルホン酸基を有するカチオン交換樹脂を粉砕して得た８０メッシュ以下の微粒子１００重量部、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム３０重量部を濃度１０重量％のポリビニルアルコール水溶液に添加混合し、カチオン交換樹脂／ポリスチレンスルホン酸ナトリウム／ポリビニルアルコールの重量比が１００／３０／１２である分散水溶液を調整した。この水溶液をポリエステル繊維製のネットに塗布および熱風乾燥する操作を二度繰り返すことにより、布重量の２．４倍の塗布物を固着せしめ、フィルタ濾材前駆体となるネット状シートを得た。
得られたシートを１０ｃｍ幅のテープ状とし、一端に８０メッシュの白金ネットを陽極、他端には６０メッシュのステンレススチールネットを陰極とし、陰極とシートの間には、フッ素樹脂系カチオン交換体製キャピラリーを蛇行させて配しその内部には１０％硫酸水溶液を外部タンクとの間を循環ししながら、通電した。電極間の距離は８０ｃｍであった。
通電は１５ｍＡの定電流とし、電圧は２５０Ｖを越えたところで加湿器を作動させ抵抗を下げる方式を採用した。この条件下でシートの有する全ナトリウムイオン量（シートのイオン交換容量でもある）に対応する理論電流量の４倍の電流量を通電したところシートのナトリウムは当初の２４％に減少していた。電流の利用率（電流効率）は高くはないが、再生率７６％はフィルタ濾材として再使用に差し支えない水準である。
なお、その後の検討により、高い電流効率を求めると再生率が下がり、電流効率を犠牲にすればこれ上記以上の再生率も可能であることが確認されている。
【実施例２】
【００３９】前例において、フィルタ濾材の前駆体ともなるシート状物を積層し電流がシート面を直交するように変更した。積層量にもよるが、電圧は激減しより多い電流値で大量の再生処理ができるので、より実用的である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】  本発明は空気中に含まれる極性物質を除去するケミカルフィルタ用フィルタ濾材に再生機能を持たせ、フィルタ濾材を使用した状態のまま再生可能としたもので、膨大なランニングコストの低減が計れるので、どの分野でも採用され易くなり、空気中の極性物質を除去するケミカルフィルタの一層の普及が計れるなどの実用的価値が甚だ大なるものである。