JP2022017611A - 水処理カートリッジ及び浄水器 - Google Patents

Abstract

【課題】クロロホルムを除去する性能に優れた自重濾過用水処理カートリッジを実現する【解決手段】水処理カートリッジは、クロロホルム濃度３００ｐｐｂ、水温２０℃の水をろ過したとき、下記式（１）【数１】TIFF2022017611000006.tif13170Ｖ ：濾材容積（ｃｍ３）Ｃｅ：メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度（ｐｐｂ）Ｌ ：メーカー表示寿命流量（ガロン）ｆ ：セットアップ時のろ過速度（Ｌ／ｍｉｎ）を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、水処理カートリッジ及び浄水器に関する。

水道水等の原水をろ過する装置として、気軽に使用することができるピッチャー型の浄水器が知られている。このようなピッチャー型浄水器に用いられる水処理用カートリッジは、原水の自重により濾過する自重濾過カートリッジが主流となっている。

特開２００９－１２５６６５号公報（２００９年６月１１日公開）

しかしながら、自重濾過カートリッジは、加圧型の濾過カートリッジよりも原水中の不純物の除去性能が劣るという問題がある。原水中の不純物には、クロロホルムのように少量でも接種し続けることによって健康被害が懸念されているものがある。そのため、クロロホルムを除去する性能に優れた自重濾過用水処理カートリッジが求められている。

本発明の一態様は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、クロロホルムを除去する性能に優れた自重濾過用水処理カートリッジを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る水処理カートリッジは、クロロホルム濃度３００ｐｐｂ、水温２０℃の水をろ過したとき、下記式（１）

Ｖ ：濾材容積（ｃｍ^３）
Ｃｅ：メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度（ｐｐｂ）
Ｌ ：メーカー表示寿命流量（ガロン）
ｆ ：セットアップ時のろ過速度（Ｌ／ｍｉｎ）
を満たす浄水濾材を有する自重濾過用の水処理カートリッジである。

本発明の一態様に係る浄水器は、本発明の一態様に係る水処理カートリッジを備えている。

本発明の一態様によれば、自重濾過により原水中のクロロホルムを除去することができる。

本発明の一実施形態に係る水処理カートリッジを備えた浄水器の断面を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る水処理カートリッジのろ過流量とクロロホルム除去率との関係を示す図である。

〔水処理カートリッジ〕
本発明の一態様に係る水処理カートリッジは自重濾過用であり、クロロホルム濃度３００ｐｐｂ、水温２０℃の水をろ過したとき、式（１）を満たす浄水濾材を有する。自重濾過用の水処理カートリッジは、濾過の対象である原水がその重みによりカートリッジ内を通過することにより、原水中に含まれる物質の少なくとも一部を除去するものである。本発明の一態様に係る水処理カートリッジは、原水中に含まれるクロロホルムの少なくとも一部を除去する。

本発明の一態様に係る水処理カートリッジについて、図１を参照して以下に説明する。図１は、本発明の一態様に係る水処理カートリッジを備えたピッチャー型浄水器の断面を示す模式図である。図１に示すように、浄水器１０は、水を格納する容器状の胴部１と、水処理カートリッジ２と、原水タンク３とを備えている。原水タンク３は、水処理カートリッジ２により浄化する原水を貯留する原水貯留部３ａと、水処理カートリッジ２を保持するカートリッジ保持部３ｂとを備えている。水処理カートリッジ２は、カートリッジ保持部３ｂに着脱自在に備え付けられる。浄水器は、原水貯留部３ａに格納された原水が水処理カートリッジ２内を通過して胴部１に流入することで、浄水を貯留するようになっている。

水処理カートリッジ２は、浄水濾材４と、浄水濾材４を格納するケース５とを備えている。浄水濾材４として、例えば、活性炭４ａ及び中空糸４ｂを備えていてもよいし、活性炭４ａのみであってもよい。ケース５は、原水導入口６と浄水導出口７とを有し、浄水器１０のカートリッジ保持部３ｂに格納可能な形状である。ケース５内には、原水導入口６に近い上流側に活性炭４ａが充填されており、浄水導出口７に近い下流側に中空糸膜４ｂが備えられている。原水導入口６から水処理カートリッジ２内に導入された原水が、活性炭４ａ及び中空糸４ｂを含む浄水濾材４を通過することで、原水中に含まれる物質の少なくとも一部が浄水濾材４に吸着して取り除かれ、浄水として浄水導出口７から導出される。

（浄水濾材）
水処理カートリッジが有する浄水濾材は、クロロホルム濃度３００ｐｐｂ、水温２０℃の水をろ過したとき、下記式（１）

Ｖ ：濾材容積（ｃｍ^３）
Ｃｅ：メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度（ｐｐｂ）
Ｌ ：メーカー表示寿命流量（ガロン）
ｆ ：セットアップ時のろ過速度（Ｌ／ｍｉｎ）
を満たす。

式（１）に示すように、式（１）の不等式の左辺の値が６０００以下であることによって、浄水濾材のメーカー表示寿命流量をろ過する間継続して、効果的に原水中のクロロホルムを取り除くことができる。式（１）を満たすため、浄水濾材は、浄化した水中のクロロホルム濃度を、例えば、０．０６ｍｇ／Ｌ以下とすることが可能である。

式（１）の不等式の左辺の値は、６０００以下であればよい。なお、式（１）の定義に用いられる原水は、クロロホルム濃度が３００±３０ｐｐｂ、水温が２０℃に調製されたものである。原水中のクロロホルム濃度は、例えば、ヘッドスペースＧＣ－ＭＳ法により測定することができる。

式（１）を満たす浄水濾材は、浄水濾材を構成する物質の形状、種類、配合比率等を変更することで調製することができる。

＜濾材容積＞
式（１）における濾材容積Ｖは、浄水濾材の総容積を表している。浄水濾材が、例えば、活性炭のみにより構成されている場合には、濾材容積Ｖは活性炭の総容積を表しており、浄水濾材が活性炭及び中空糸により構成されている場合には、濾材容積Ｖは活性炭の総容積と中空糸の総容積との和を表している。

一実施形態において、濾材容積Ｖは、５ｃｍ^３以上、９００ｃｍ^３以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｃｍ^３以上、３００ｃｍ^３以下である。

＜メーカー表示寿命流量＞
メーカー表示寿命流量Ｌとは、浄水濾材を製造する製造者が設定するものであり、浄水濾材が所定の性能を維持できることが保証される総濾過流量（単位はガロン）を意味している。メーカー表示寿命流量は、水処理カートリッジの交換目安の寿命として、通常、メーカーのホームページや、水処理カートリッジ又はそのパッケージに表示されている。

＜メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度＞
メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度Ｃｅは、水処理カートリッジのメーカー表示寿命に達した時点に濾過したろ過水１Ｌあたりに含まれるクロロホルムの量（μｇ）を表している。すなわち、メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度Ｃｅは、メーカー表示寿命の流量の原水を濾過した際の最後の１Ｌのろ過水中に残留するクロロホルムの量であり得る。

ろ過水クロロホルム濃度は、回収したろ過水中に残留するクロロホルムの量は、例えば、ヘッドスペースＧＣ－ＭＳ法により測定することで算出することができる。

一実施形態において、メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度は、規格の定める除去率が達成されていればよく、例えば、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ規格 Ｎｏ．５３は、クロロホルム（有機化学物質の代用化合物） ３００±３０ｐｐｂの９５％以上除去であるため、これが達成されていればよい。

＜セットアップ時のろ過速度＞
セットアップ時のろ過速度ｆは、浄水濾材をケースに入れて水処理カートリッジを準備した後のように、浄水器を使用するにあたって必要となる、メーカーが作成した取り扱い説明書等に記載されている定められた準備（セットアップ）が終了した後、使用を開始した時点又は使用を開始したごく初期の、１Ｌの水をろ過する時間を表している。なお、セットアップ時に、浄水濾材は全く原水を濾過していない状態ではなく、１０Ｌの原水を濾過した時点をセットアップ時に設定してもよい。

一実施形態において、セットアップ時のろ過速度ｆは、０．０４Ｌ／ｍｉｎ以上、２．０Ｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０５Ｌ／ｍｉｎ以上、１．０Ｌ／ｍｉｎ以下である。

＜除去物質＞
浄水濾材は、原水中に溶解した物質を取り除くものであり、例えば、原水中に溶解した揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を取り除くことが可能である。浄水濾材により除去されるＶＯＣの例としてトリハロメタンが挙げられ、中でもクロロホルムを好適に取り除くことができる。クロロホルムは、原水中に含まれる有機物と、原水の消毒に使用される塩素とが反応することにより原水中に生成されることが知られている。クロロホルムは、少量でも摂取し続けることによる健康被害が懸念されており、そのため原水中からクロロホルムを取り除くことが可能な浄水濾材が求められている。本発明に係る水処理カートリッジが備える浄水濾材によれば、クロロホルムを除去することが可能である。

＜細孔幅分布＞
浄水濾材のｄＶｐ/ｄＷで表した細孔幅分布のピーク値は、０．２５以上、５．０以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．５以上、１．０以下である。浄水濾材のｄＶｐ/ｄＷで表した細孔幅分布のピーク値が上記範囲内であることによって、原水中のクロロホルムを効率よく除去することができると共に、十分なろ過流量を実現することができる。

本明細書において、浄水濾材のｄＶｐ/ｄＷで表した細孔幅分布は、後述するように、窒素吸着法により窒素吸着等温線を求め、該窒素吸着等温線を解析することによって算出した値をいう。

（活性炭）
浄水濾材は活性炭を有していてもよい。活性炭は、主に炭素から構成される多孔質の物質であり、その微細な穴を通過する原水中の物質を穴内に吸着させることにより、原水中から当該物質を取り除く。活性炭としては、粒状、粉末状、繊維状、ハニカム状、円柱状等、種々の形状の活性炭を使用することができる。使用する活性炭の原材料は特に限定されず、木材、合成樹脂等を炭化したものであってもよい。

＜細孔幅＞
活性炭の細孔幅は、０．６ｎｍ以上、１．５ｎｍ以下の範囲において少なくとも１個以上のピークを有することが好ましい。活性炭の細孔幅が上記範囲内であることによって、より十分なろ過流量とより良好なろ過能力とを実現することができる。

本明細書において、活性炭の細孔幅は、後述するように、窒素吸着法により窒素吸着等温線を求め、該窒素吸着等温線を解析することによって算出した値をいう。

＜活性炭の粒径＞
活性炭は、粒径０．３ｍｍ以上、５．６ｍｍ以下の粒状活性炭であってもよく、これにより活性炭の粒径が上記範囲内であることによって、より十分なろ過流量とより良好なろ過能力とを実現することができる。

本明細書において、粒状活性炭の粒径は、ＪＩＳ Ｋ １４７４に規定されたＪＩＳ標準篩による篩い分け法によって測定された値をいう。

粒状活性炭の粒径は、０．３ｍｍ以上、５．６０ｍｍ以下であることが好ましく、０．４２５ｍｍ以上、２．００ｍｍ以下であることがＶＯＣの低減においてより好ましい。

＜成形活性炭＞
また、活性炭は、粉末状や繊維状の活性炭をバインダー樹脂により成型されている成型活性炭であってもよい。粉末状活性炭の粒径は、例えば０．１５ｍｍ以下である。バインダー樹脂は、粉末状活性炭を凝集させて成型するものであり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。

成型活性炭の総重量に対する粉末状活性炭の合計質量の割合は、３０質量％以上であることが好ましく、７０質量％以上であることがより好ましい。成型活性炭の総重量に対する粉末状活性炭の合計質量の割合が上記範囲内であることによって、十分なろ過流量と良好なろ過能力とを実現することができる。

（重金属吸着剤）
浄水濾材は重金属吸着剤を含むことが好ましい。重金属吸着剤は、ヒ素、鉛、クロム等の重金属を吸着することにより、原水中のこれら重金属を除去するものである。重金属吸着剤として、例えば、イオン交換樹脂、キレート樹脂、ケイ酸チタニウム等が挙げられる。

浄水濾材の総重量に対する重金属吸着剤の合計質量の割合は、５０質量％以下であることが好ましく、１０質量％以下であることがより好ましい。浄水濾材の総重量に対する重金属吸着剤の合計質量の割合を上記範囲内とし、重金属吸着剤の質量比を低くすることで、浄水濾材を長寿命とすることができる。

（ｐＨを変動させる材料）
浄水濾材としてろ過水のｐＨを変動させる材料を含むこともできる。ろ過水のｐＨを変動させる材料として、例えば、ろ過水中のイオンとイオン交換することにより、ろ過水中のｐＨを変動させるイオン交換体が挙げられる。イオン交換体として、例えば、Ｈ型弱酸性陽イオン交換樹脂を好適に使用することができる。また、クエン酸やアスコルビン酸を除放（徐々に溶解）してｐＨを調整する方式を採用してもよい。

浄水濾材の総重量に対するろ過水のｐＨを変動させる材料の合計質量の割合は、３質量％以上であることが好ましく、５質量％以上であることがより好ましい。浄水濾材の総重量に対するろ過水のｐＨを変動させる材料の合計質量の割合が上記範囲内であることによって、十分なろ過流量と良好なろ過能力とを実現することができる。

浄水濾材は、さらに、原水中に含まれる物質を除去する機能を有する中空糸、ろ過膜等を備えていてもよい。

〔浄水器〕
本発明の一形態に係る浄水器は、上述した本発明に係る水処理カートリッジのいずれかを備えている。上述したように、浄水器は、原水の自重により濾過する自重濾過型浄水器であり、その胴部内に設けられたホルダーに水処理カートリッジを保持して使用される。浄水器は、水処理カートリッジ内を通過して浄化された水を胴部に貯留するようになっている。

浄水器は水処理カートリッジを備えているので、クロロホルムを除去する性能に優れている。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

浄水濾材として活性炭及び中空糸膜を含む、図１に示す水処理カートリッジを用いた。水処理カートリッジの容積（濾材容積）は７０ｃｍ^３であった。活性炭として粒状活性炭を３５ｇが含まれていた。中空糸膜として、ポリエチレン製の中空糸膜（三菱ケミカル（株）社製中空糸膜、製品名ＥＸ２７０）が含まれ、中空糸膜の膜総面積は０．２８ｍ^２であった。

（活性炭の粒径）
活性炭の粒径を、ＪＩＳ Ｋ １４７４に規定されたＪＩＳ標準篩による篩い分け法によって測定した。測定した活性炭の粒径は０．３ｍｍ以上、５．６ｍｍ以下の範囲内であった。

（活性炭の細孔分布）
活性炭の細孔分布を、窒素吸着法を用いて測定した。分析方法の詳細は、以下の通りである。
・前処理方法：７０℃で８時間、真空脱気を行った。
・測定方法：定容法を用いて、窒素による吸着脱離等温線（窒素吸着等温線とも称する）を測定した。
・吸着温度：７７Ｋ
・吸着質：窒素
・飽和蒸気圧：実測
・吸着質断面積：０．１６２ｎｍ^２
・平衡待ち時間：５００ｓｅｃ
なお、上記平衡待ち時間は、吸着平衡状態（吸脱着の際の圧力変化が所定の値以下になる状態）に達してからの待ち時間を意味する。

測定装置：ＢＥＬＳＯＲＰ‐１８（マイクロトラック・ベル株式会社製）
前処理装置：ＢＥＬＳＯＲＰ‐１８（マイクロトラック・ベル株式会社製）。

上述の通り測定した活性炭のｄＶｐ／ｄＷで表した細孔直径分布のピーク値は、０．２５～５．０の範囲内であった。

（クロロホルム除去率）
上述したような水処理カートリッジのクロロホルム除去率を試験した。クロロホルム除去率は、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ５３のＶＯＣ（Volatile Organic Compound:揮発性有機化合物） ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃｌａｉｍｓに準拠して試験した。Ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｃｈａｌｌｅｎｇｅは、０．３±３０％ｍｇ／Ｌとした。試験には一般試験水を用いた。用いた一般試験水の物性を、表１に示す。

セットアップ時のろ過速度（Ｌ／ｍｉｎ）を約０．１２Ｌ／ｍｉｎとして、通水を行った。

試験結果を図２に示す。図２に示すように、濾過開始から濾過流量４００Ｌに達するまでのクロロホルム除去率は９５％以上であった。すなわち、試験水中のクロロホルム濃度３００±３０ｐｐｂの９５％以上が、水処理カートリッジにより除去された。
したがって、例えば、水処理カートリッジのメーカー表示寿命流量を４００Ｌ（約１０５ガロン）とした場合、図２に示すように、クロロホルム除去率は９８％であるので、メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度は、約６ｐｐｂであった。

この試験結果を、上述した式（１）の不等式に当てはめたところ、左辺の値は約１６、６７であり、式（１）の不等式を満たす結果であった。

本発明は、水処理カートリッジを備えた浄水ポット、ピッチャー等に利用することができる。

１ 胴部
２ 水処理カートリッジ
３ 原水タンク
４ 浄水濾材
４ａ 活性炭
４ｂ 中空糸膜
１０ 浄水器

Claims (8)

1. クロロホルム濃度３００ｐｐｂ、水温２０℃の水をろ過したとき、下記式（１）
   

   

   Ｖ ：濾材容積（ｃｍ^３）
   Ｃｅ：メーカー表示寿命時のろ過水クロロホルム濃度（ｐｐｂ）
   Ｌ ：メーカー表示寿命流量（ガロン）
   ｆ ：セットアップ時のろ過速度（Ｌ／ｍｉｎ）
   を満たす浄水濾材を有することを特徴とする自重濾過用の水処理カートリッジ。
2. 上記浄水濾材は少なくとも活性炭を含み、
   該活性炭の細孔幅は、０．６ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下の範囲において少なくとも１個以上のピークを有することを特徴とする請求項１に記載の水処理カートリッジ。
3. 上記浄水濾材のｄＶｐ/ｄＷで表した細孔幅分布のピーク値は、０．７以上、５．０以下の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水処理カートリッジ。
4. 上記浄水濾材は重金属吸着剤を含むことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の水処理カートリッジ。
5. 上記浄水濾材はろ過水のｐＨを変動させる材料を含むことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の水処理カートリッジ。
6. 上記活性炭は、粒径０．３ｍｍ以上、５．６ｍｍ以下の粒状活性炭であることを特徴とする請求項２に記載の水処理カートリッジ。
7. 上記活性炭は、粉末状もしくは繊維状活性炭をバインダー樹脂により成型されている成型活性炭であることを特徴とする請求項２に記載の水処理カートリッジ。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の水処理カートリッジを備えたことを特徴とする浄水器。

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