(57)【要約】【課題】  クリーンルームの環境において安全に使用できる電気再生式極性物質除去装置を提供する。【解決手段】  イオン交換体より構成されたフィルタ濾材が組み込まれ空気中の酸性物質、塩基性物質およびこれらの塩を捕捉するケミカルフィルタに、フィルタ濾材に捕捉された極性物質由来のイオンを電気的に移動させるための電極と該イオンの移動先電極の近傍にイオン濃縮部が付加されてなる、空気中の極性物質除去装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換体より構成されたフィルタ濾材が組み込まれ空気中の酸性物質、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）を捕捉するケミカルフィルタに、フィルタ濾材に捕捉された極性物質由来のイオンを電気的に移動させるための電極と該イオンの移動先電極の近傍にイオン濃縮部が付加されてなる空気中の極性物質除去装置。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、イオン交換樹脂やイオン交換繊維など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（以後、フィルタ濾材と言うことがある）を用い、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ているケミカルフィルタにフィルタ濾材の電気的再生機構を付加してなる極性物質除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  フィルタ濾材は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、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。【０００３】  ところが、用いられる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、吸着能力を高く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作られるため、極めて高価であり、また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再生再利用が好ましいものの、再生用薬液やその後の水洗や乾燥の課程での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、使用後は殆どが焼却処分されているが、環境の面からも好ましいものではなかった。【０００４】  このような状況に鑑み本発明者らは、特開平１０−２７７３３１や特願２００４−３３５３１４において空気中の極性物質除去装置が、また特願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。
【特許文献１】特開平１０−２７７３３１
【特許文献２】特願２００４−３３５３１４
【特許文献３】特願２００５−１３４８９７
【０００５】  いずれも両端に電極室を有する電気透析装置またはその変形装置を用いその脱塩室に相当する部屋にイオン交換体を収容し、前二者（特許文献１，２）はこのイオン交換体の間に被処理空気を通し極性物質を除去しつつ、イオン交換体に捕捉された極性物質由来のイオンをイオン交換膜を隔膜とする隣室に電気的に移動せしめるもので、この機構により空気中の極性物質を電気制御の下に性能低下もなく原理的に無限時間の運転ができるなど、ケミカルフィルタを越えて電気式極性物質除去装置と言える前進的なものとなっている。【０００６】  特許文献３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前二者同様に脱塩室相当の部屋に収容し電気的に再生するもので、再生時にフィルタ濾材は、薬品や水と接触しないので、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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  本発明者らはこれらの装置が、ケミカルフィルタの有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、なお解決すべき課題に直面した。
すなわち、ケミカルフィルタの主な市場の一つであるクリーンルームは、可能な限りの清澄さが要求され、万全を期すためにも薬品類の持ち込みを避ける必要があり、酸や塩基の水溶液をポンプで電極室に循環する上記装置はクリーンルームを汚染する恐れのあるものとみなされる。【０００８】  本発明の課題は、安全かつよりシンプルで特にクリーンルームの環境下において受け入れられる電気再生機能を備えた極性物質除去装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  第１の解決手段は、イオン交換体より構成されたフィルタ濾材が組み込まれ空気中の極性物質を捕捉するケミカルフィルタに、フィルタ濾材に捕捉された極性物質由来のイオンを電気的に移動させるための電極と該イオンの移動先電極の近傍にイオン濃縮部が付加されてなる、空気中の極性物質除去装置である。【００１０】  また第２の解決手段は、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を用いるものである。【００１１】  さらに第３の解決手段は、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、いずれも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および第３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状態で取り付けられており、新しいイオン濃縮部に置換更新されることにより、フィルタ濾材の極性物質捕捉能力は維持されるのである。【００１４】  イオン交換体がカチオン交換体でありアンモニアガスをアンモニウムイオンとして捕集するケースを例に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の有する僅かの水分を利用するため、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、電極部は電極のみでもはや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装置は、電極部分において電極室を必要としない点で画期的であり、これにより最先端のクリーンルームで使用できる安全性を獲得し、同時にイオン交換膜より拡散する電極室室液による加湿問題も解消している。さらに装置メカニズムの簡略化により、信頼性の向上、大幅なコストダウンが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】  本発明においてフィルタ濾材を構成できるイオン交換体には、イオン交換基として酸性基あるいは塩基性基を備えたものがあり、より好ましくはスルホン酸基、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ある。
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し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使用できる。【００１８】  こうしたフィルタ濾材は、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る。【００１９】  このフィルタ濾材で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や硫化水素、亜硫酸、亜硝酸、フッ化水素、塩化水素等の酸性ガスを始め、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およびこれらの塩がある。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】  捕捉した極性物質由来のイオンを電気的に移動するには、フィルタ濾材とイオン濃縮部間、またはフィルタ濾材に直流を通電する。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、電極間に電圧を印加すれば通電できる。【００２１】  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り、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。【００２２】  電流はイオン交換体のカウンター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、極性物質由来のイオンと置換する形で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に接して置かれたイオン濃縮部に運び込み、水解イオンはイオン交換基のカウンターイオンとなってイオン交換体を再生し、残り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。【０��２３】  このメカニズムを円滑に機能さすには、両電極、フィルタ濾材、イオン濃縮部の各なるパーツ間の接合状態をしっかりすることは当然であるが、フィルタ濾材の含有水分は電気抵抗に大きく影響する最も重要な要因である。【００２４】  例を挙げて説明すると、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な現象が現れる。これは、フィルタ濾材の水分率が少ないのに加えて、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水解イオン送り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。【００２５】  したがって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管理、なかでも水解イオン送り出し電極近傍の水分管理は重要である。
フィルタ濾材に対する水分補給は、濾材全面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、好ましくは極間の電圧変化を水分率制御の指標としつつ、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水分を付与することができる。【００２６】  しかしながらフィルタ濾材を構成するイオン交換体の架橋度が低い場合によく見られるように、イオン交換体が水分により膨潤し通気抵抗を高めたり、イオン交換体同士が不可逆的に膠着したり、濾材の寸法変化を招くことがあり、過度の水分補給が好ましくない場合がある。こうした場合には水分率を極間の電気抵抗などで関知したり、水分補給の方式、補給場所を工夫することにより水分率を適性範囲に収めることが必要である。【００２７】  こうした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、貯水効果のみならず、やや軟質で変形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。【００２８】  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かつ比較的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。【００２９】  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。これらのイオン性ポリマーに、同種の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濃縮部にも使用できる。【００３０】  陽極の電極材料としては白金、ルテニウム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、ステンレス等が好ましい。
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。【００３１】  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本発明装置は初期の極性物質除去能力を維持できる。【００３２】  イオン濃縮部は、極性物質由来のイオンが送り込まれてくるイオン移動先電極と接するか該電極の極く近傍に配し、かつフィルタ濾材を通過する空気流に対する影響を少なくするため、同時にコンパクトな形状とし、フィルタ濾材の風下側や端部に固定するのが好ましい。
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。【００３３】  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高密度にした固まりを意味する。
さらにイオン濃縮部に用いられるイオン交換体のイオン交換基は、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。【００３４】  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、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強酸性ポリマーやポリ（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好適に使用できる。【００３５】  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。
以下実施例により本発明の説明を続ける。
【実施例１】
【００３６】  グラフト重合法により調整された酸性ガス用ケミカルフィルタ用フィルタ濾材を２０ｃｍ角とし、その片側に１ｃｍ幅、２０ｃｍ長の５０メッシュの白金製金網をあてがいフィルタ濾材とは縫い糸で固定して陽極とした。これを２０ｃｍ角の専用枠に固定し、固定後フィルタ濾材の他端上部に、遊離型スルホン酸型カチオン交換樹脂の微粉末とポリビニルアルコール水溶液より調整した断面が約１０ｍｍ角のやや軟質の角棒状ゲル（イオン濃縮部として機能する）、を乗せその上に陰極として１ｃｍ幅、長さ２０ｃｍのステンレス帯綱を重ねた。  これを、一定濃度のアンモニアを含む空気を供給しフィルタ前後のアンモニア濃度を測定するための、試験用フードに組み込み、フィルタ濾材の直前にはフィルタ濾材の電気抵抗変化に応じ水分補給する加湿器を用意した。【００３７】  本発明原型機とも言えるこの仕組みにより、以下のことが確認されている。
▲１▼  アンモニア含有空気を長時間通すことにより捕捉能力を失った後に、通電することにより、捕捉能力を回復できる。ただし、イオン濃縮部が無い場合  には、この効果は全く得られない。
▲２▼  当初より通電しながらアンモニアガス含有空気を通し続けると、イオン濃縮部がない場合に比べ遙かに長時間のガス捕捉運転ができる。捕捉能力が低下し始めるのはイオン濃縮部の能力が失われる時点とほぼ一致する。
▲３▼  必要な電流値が確保されている限りイオン濃縮部の交換時期はそのイオン交換容量より推定でき、更新操作を続けることにより、実質的に無限継続運  転が可能である。
▲４▼  ガスの負荷量が極めて少ない場合、通電方式は短時間の間欠的な通電であっても▲３▼の効果が得られる。（常時通電は必ずしも必要ない）
【産業上の利用可能性】
【００３８】  本発明は空気中に含まれる極性物質を除去する装置自身に再生機能を持たせ使用した状態のまま再生可能としたので、膨大なランニングコストの低減が計れる。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装置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。