JP2012176360A - ガス溶解水の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間にわたって連続的かつ安定的に運転することが可能なガス溶解水の製造装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】第１の開閉弁１４を開、第２の開閉弁１８を閉とし、原水を脱気膜モジュール２からガス溶解膜モジュール４の液相室４ｂに流通させると共にガス供給配管１１を経由して気相室４ｃ内にガスを供給する。この気相室４ｃ内に供給されたガスが、ガス透過膜４ａを透過し、液相室４ｂ内の原水に溶解する。凝縮水量が増加し、水面がレベルセンサ１５で検知された場合、制御器から信号が送信され、第１の開閉弁１４を閉、第２の開閉弁１８を開とする。これにより、配管１６に貯留されていた凝縮水が、配管１９を介してエゼクタ１０に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明はガス溶解水の製造装置に係り、詳しくは、ガス透過膜によって内部が液相室と気相室に区画されたガス透過膜モジュールを有しており、該液相室に水を供給し、該気相室にガスを供給し、該ガス透過膜を経由して該気相室内のガスを該液相室内の水に溶解させることにより、ガス溶解水を製造するガス溶解水の製造装置に関する。

従来、半導体用シリコン基板、液晶用ガラス基板などの洗浄は、主として、過酸化水素水と硫酸の混合液、過酸化水素水と塩酸と水の混合液、過酸化水素水とアンモニア水と水の混合液など、過酸化水素をベースとする濃厚な薬液を用いて高温で洗浄した後に超純水で濯ぐ、いわゆるＲＣＡ洗浄法によって行われている。しかし、このＲＣＡ洗浄法では、過酸化水素水、高濃度の酸、アルカリなどを多量に使用するために薬液コストが高く、さらにリンス用の超純水のコスト、廃液処理コスト、薬品蒸気を排気し新たに清浄空気を調製する空調コストなど、多大なコストを要する。

これに対し、洗浄工程におけるコストの低減や、環境への負荷の低減を目的とした様々な取り組みがなされ、成果を挙げている。その代表が、水素ガスなどの特定のガスを溶解したガス溶解水を用い、超音波洗浄等によって被処理物を洗浄する技術である。

このようなガス溶解水を製造する方法として、ガス透過膜を内蔵した膜モジュールを用いる方法が知られている。この方法では、ガス透過膜の液相側に水を供給すると共に気相側にガスを供給し、このガス透過膜を介して気相側のガスを液相側の水に溶解させることにより、ガス溶解水を製造する。

例えば、特開平１１−０７７０２３号には、超純水を脱気して溶存ガスの飽和度を低下させたのち、この超純水に水素ガスを溶解させることが記載されている。

第２図は、同号公報の工程系統図である。超純水は、流量計１を経由して脱気膜モジュール２に送られる。脱気膜モジュール２は、ガス透過膜を介して超純水と接する気相側が真空ポンプ３により減圧状態に保たれ、超純水中に溶存している気体が脱気される。溶存気体が脱気された超純水は、次いでガス溶解膜モジュール４に送られる。ガス溶解膜モジュール４においては、水素ガス供給器５から供給される水素ガスが気相側に送られ、ガス透過膜を介して超純水に供給される。溶存水素ガス濃度が所定の値に達した超純水には、薬液貯槽６から薬注ポンプ７によりアンモニア水などの薬液が供給され、所定のｐＨ値に調整される。水素ガスを溶解し、アルカリ性となった水素含有超純水は、最後に精密濾過装置８に送られ、ＭＦフィルターなどにより微粒子を除去された後、ユースポイントに送られる。

上記特開平１１−０７７０２３号において、水素ガス溶解膜モジュール４のガス透過膜は、ガスのみを透過させ、液体を透過させない特性を有するが、水蒸気は透過する。このため、ガス透過膜を透過して液相室から気相室へ水蒸気が拡散してくる。そして、液相室からこのガス透過膜を透過した水蒸気は、気相室で結露して凝縮水となり、気相室内に溜まる。この凝縮水が少量である場合には、この水素ガス溶解膜モジュール４の性能に及ぼす影響は軽微であるが、凝縮水が多量になると、この凝縮水で被われるガス透過膜の気相室側の膜面積が大きくなり、ガス透過膜のうちガスの透過に寄与する有効面積が減少する。これにより、水素ガス溶解膜モジュール４の性能が低下し、超純水に水素ガスを十分に溶解させることができなくなる。このため、水素ガス溶解膜モジュール４の気相室内に凝縮水が溜まったときに、運転を停止してこの凝縮水を気相室から排出する必要がある。

なお、水素ガス溶解膜モジュールの気相室に溜まった凝縮水を運転中に排出する方法として、この気相室に真空ポンプを接続し、気相室に凝縮水が溜まった時に、この凝縮水をこの真空ポンプで吸引して排出することが考えられる(特開２００９−１１３０１３)。しかしながら、真空ポンプに液状の水が吸い込まれると、ポンプ駆動部が著しく劣化し、吸引性能の低下、故障の増加などの問題が生じる。その結果、運転を停止し、ポンプのメンテナンスや交換等を行う必要が生じる。

特開２００９−１１３０１３では、この真空ポンプの手前に凝縮水気化用の膜モジュールを設置するが、設備コストが嵩む。

特開２０００−１８９７４２には、気相室に凝縮水貯留槽をバルブを介して接続し、該気相室内の凝縮水を該凝縮水貯留槽に受け入れ、その後、該凝縮水貯留槽から排出するよう構成したガス溶解水の製造装置が記載されている。しかしながら、このガス溶解水の製造装置では、気相室の凝縮水を吸引排出しないので、凝縮水排出がスムーズに行われないおそれがある。

特開平１１−０７７０２３号 特開２０００−１８９７４２号 特開２００９−１１３０１３号

本発明は、簡易な設備によって気相室から凝縮水を確実に排出することができ、長期間にわたって連続的かつ安定的に運転することが可能なガス溶解水の製造装置を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）のガス溶解水の製造装置は、ガス透過膜によって内部が液相室と気相室に区画されたガス溶解用の膜モジュールを有しており、該液相室に水を供給し、該気相室にガスを供給し、該ガス透過膜を経由して該気相室内のガスを該液相室内の水に溶解させることにより、ガス溶解水を製造するガス溶解水の製造装置であって、該気相室に生じた凝縮水を該気相室から吸引して排出する排出手段を備えているガス溶解水の製造装置において、該排出手段は、該液相室から流出する水を作動流体としたエゼクタであることを特徴とするものである。

請求項２のガス溶解水の製造装置は、請求項１において、前記気相室とエゼクタとの間に、該気相室に第１の開閉弁を介して接続され、該エゼクタに第２の開閉弁を介して接続された、水の貯留部が設けられており、前記第２の開閉弁を閉めて前記第１の開閉弁を開け、水を貯留部に受け入れ、該第１の開閉弁を閉めて該第２の開閉弁を開け、該貯留部内の水を該エゼクタへ送るように構成されていることを特徴とするものである。

本発明のガス溶解水の製造装置にあっては、ガス透過膜モジュールの気相室に生じた凝縮水をエゼクタで吸収して排出するようにしており、簡易な設備によって気相室から凝縮水がスムーズに排出される。また、気相室からの凝縮水排出用の真空ポンプが不要である。従って、ガス溶解水を長期間にわたって連続的かつ安定的に製造することができる。

本発明では、気相室とエゼクタとの間に、該気相室に第１の開閉弁を介して接続され、エゼクタに第２の開閉弁を介して接続された、水の貯留部が設けられていてもよい。この場合、第２の開閉弁を閉めて第１の開閉弁を開け、水を貯留部に受け入れる工程と、該第１の開閉弁を閉めて該第２の開閉弁を開け、該貯留部内の水をエゼクタで吸引排出する工程とを実施することにより、凝縮水をエゼクタで排出する。このようにすることにより、気体溶解膜モジュールとエゼクタとが直接に連通することがなく、ガス溶解膜モジュール内が減圧されて溶解水の製造に悪影響が生じることが防止される。

実施の形態に係るガス溶解水の製造装置を説明する系統図である。 従来例に係るガス溶解水の製造工程系統図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。第１図は実施の形態に係るガス溶解水の製造装置を説明する系統図である。

第２図の場合と同様に、超純水などの原水は、原水ポンプ（図示略）により、ガス透過膜２ａを有した脱気膜モジュール２に送られる。脱気膜モジュール２の気相側が真空ポンプ３により減圧状態に保たれ、水中に溶存している気体が脱気される。溶存気体が脱気された水は、次いでガス溶解膜モジュール４に送られる。

ガス溶解膜モジュール４内は、ガス透過膜４ａによって液相室４ｂと気相室４ｃに区画されている。ガス透過膜４ａとしては、水を透過させず、かつ水に溶解しているガスを透過させるものであれば特に制限はなく、例えば、ポリプロピレン、ポリジメチルシロキサン、ポリカーボネート−ポリジメチルシロキサンブロック共重合体、ポリビニルフェノール−ポリジメチルシロキサン−ポリスルホンブロック共重合体、ポリ（４−メチルペンテン−１）、ポリ（２，６−ジメチルフェニレンオキシド）、ポリテトラフルオロエチレンなどの高分子膜などを挙げることができる。

ガス溶解膜モジュール４からのガス溶解水は、エゼクタ１０に作動流体として通水され、その後、ガス溶解水として取り出される。

このガス溶解膜モジュール４の気相室４ｃに、流量調節弁１２を備えたガス供給配管１１が接続されている。このガス供給配管１１に供給するガスとしては、例えば、水素、酸素、炭酸ガス、オゾン、アルゴンやヘリウムなどの希ガス、窒素などの不活性ガス、これらのガスの２種以上の混合ガスなどが用いられる。

気相室４ｃの下部は、凝縮水抜出用の配管１３、第１の開閉弁１４、水面検出用の第１のレベルセンサ１５、配管１６、第２のレベルセンサ１７、第２の開閉弁１８及び配管１９を介してエゼクタ１０の吸引ポートに接続されている。この開閉弁１４，１８間が水の貯留部となっている。

レベルセンサ１５，１７からの信号は制御器（図示略）に入力され、この制御器からの信号によって第１の開閉弁１４及び第２の開閉弁１８が開閉制御されるように構成されている。

次に、このように構成されたガス溶解水の製造装置を用いてガス溶解水を製造する方法の一例を説明する。

［通常運転工程］
第１の開閉弁１４を開、第２の開閉弁１８を閉とし、原水を脱気膜モジュール２からガス溶解膜モジュール４の液相室４ｂに流通させると共にガス供給配管１１を経由して気相室４ｃ内にガスを供給する。この気相室４ｃ内に供給されたガスが、ガス透過膜４ａを透過し、液相室４ｂ内の水に溶解する。このようにして得られたガス溶解水は、エゼクタ１０を経由してユースポイントに供給される。

このようにしてガス溶解水を製造する過程において、水蒸気が液相室４ｂからガス透過膜４ａを透過して気相室４ｃに徐々に拡散し、気相室４ｃで結露して凝縮水となる。この気相室４ｃ内の凝縮水は、配管１３を通り、貯留部を構成する配管１６に貯留される。

［凝縮水排出工程］
凝縮水量が増加し、水面がレベルセンサ１５で検知された場合、制御器から信号が送信され、第１の開閉弁１４を閉、第２の開閉弁１８を開とする。これにより、配管１６に貯留されていた凝縮水が、配管１９を介してエゼクタ１０に排出される。

なお、この凝縮水排出工程においても原水の流通及びガスの供給が継続され、ガス溶解水の製造が行われる。

［通常運転工程への復帰工程］
配管１６内の凝縮水がエゼクタ１０に吸収排出され、配管１６内の水面がレベルセンサ１７にまで低下すると、第１の開閉弁１４を開、第２の開閉弁１８を閉とし、上記の通常運転工程に復帰する。

このように、このガス溶解水の製造装置では気体溶解膜モジュール４の気相室内の凝縮水をエゼクタ１０で吸収排出するようにしており、凝縮水の吸収排出作動が安定し、長期にわたってガス溶解水を安定して製造することができる。また、開閉弁１４，１８を同時に開とすることがないので、気相室４ｃ内がエゼクタ１０に直通状態となることがない。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本発明では、レベルセンサ１５，１７を省略し、上記の通常運転工程を所定時間実施した後に、凝縮水排出工程を所定時間実施するようにしてもよい。

以下、実施例及び比較例を参照して、本発明をより詳細に説明する。

［実施例１］
第１図の装置を用いて、水素溶解水を製造した。装置及び測定条件の詳細は以下の通りである。

ガス溶解膜モジュールのガス透過膜：セルガード（株）製「リキセル Ｇ２８４」
原水：脱気した超純水
原水送水量：１ｍ^３／ｈｒ
原水の水温：２５℃
水素ガス供給量：１．２ｇ／ｈｒ

上記運転を３ヶ月間実施した結果、３ヶ月の間、水素ガス濃度１．２ｍｇ／Ｌの水素ガス溶解水を製造量１ｍ^３／ｈｒにて安定して製造することができた。

［比較例１］
エゼクタ１０を省略し、配管１９を真空ポンプ（図示略）に接続したこと以外は実施例１と同様にして、実験を行った。

その結果、運転開始から２ヶ月経過後までは、水素ガス濃度１．２ｍｇ／Ｌの水素ガス溶解水を製造量１ｍ^３／ｈｒにて製造することができた。しかしながら、２ヶ月経過後から吸引ポンプの吸引能力が低下し、凝縮水の吸引が悪くなった。運転を継続したところ、水素ガス溶解水の溶存水素ガス濃度が徐々に低下し、運転開始から３ヵ月後には、水素ガス濃度が０．９ｍｇ／Ｌにまで低下した。運転開始から３ヵ月後に運転を停止し、気体溶解膜モジュールを開放したところ、気相室の約３／４が凝縮水で浸水していた。

２ 脱気膜モジュール
４ ガス溶解膜モジュール
４ａ ガス透過膜
４ｂ 液相室
４ｃ 気相室
１０ エゼクタ
１１ ガス供給配管
１４，１８ 開閉弁
１５，１７ レベルセンサ

Claims (2)

1. ガス透過膜によって内部が液相室と気相室に区画されたガス溶解用の膜モジュールを有しており、
   該液相室に水を供給し、該気相室にガスを供給し、該ガス透過膜を経由して該気相室内のガスを該液相室内の水に溶解させることにより、ガス溶解水を製造するガス溶解水の製造装置であって、
   該気相室に生じた凝縮水を該気相室から吸引して排出する排出手段を備えているガス溶解水の製造装置において、
   該排出手段は、該液相室から流出する水を作動流体としたエゼクタであることを特徴とするガス溶解水の製造装置。
2. 請求項１において、前記気相室とエゼクタとの間に、該気相室に第１の開閉弁を介して接続され、該エゼクタに第２の開閉弁を介して接続された、水の貯留部が設けられており、
   前記第２の開閉弁を閉めて前記第１の開閉弁を開け、水を貯留部に受け入れ、該第１の開閉弁を閉めて該第２の開閉弁を開け、該貯留部内の水を該エゼクタへ送るように構成されていることを特徴とするガス溶解水の製造装置。

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