純水製造｜不純物を除いた高品質水

純水製造

純水製造とは、原水に含まれる溶存イオンや微粒子、有機物、溶存気体などの不純物を段階的に除去し、電子工業や医薬品製造、発電プラントなどで要求される高純度の水を得るための一連の工程である。除去対象と純度水準は用途によって大きく異なり、半導体分野では抵抗率18.2MΩ・cm(25℃)に迫る超純水が求められる一方、ボイラー給水では腐食抑制を主目的とした比較的緩やかな水質基準が採用される。原水の水質、必要純度、生産量によって装置構成が異なるため、設計段階での要求仕様の明確化が工程全体の効率を左右する。

水質等級と規格による分類

水の純度は複数の規格によって等級化されている。日本ではJIS K 0557が用水・排水の試験に用いる水の水質を規定しており、A1からA4までの4段階に区分される。米国ではASTM D1193がType I〜IVの区分を持ち、比較の際にしばしば参照される。両規格は測定項目と許容値の設定が異なるため、単純な等級名の対応付けだけでは装置選定を誤る恐れがある。

前処理工程

工業用水や地下水を原水とする場合、後段の膜処理・イオン交換に負荷をかけないよう前処理が欠かせない。凝集沈殿や砂ろ過で懸濁物質を除去したのち、活性炭による残留塩素・有機物の吸着が行われる。塩素は後段の逆浸透膜の劣化要因となるため、遊離残留塩素濃度は概ね0.1ppm以下まで下げておく必要がある。カートリッジ式のフィルタエレメントを組み合わせ、5μm程度の粒子まで捕捉する構成も一般的である。

RO(逆浸透)工程

前処理を終えた水は、高圧ポンプによって逆浸透膜モジュールへ送られる。半透膜の孔径はナノメートルオーダーであり、溶存イオンの大半とほぼすべての細菌・ウイルスを排除する。運転圧力は原水濃度により異なるが、海水淡水化用途では5.5MPa前後、工業用水由来の場合は1〜2MPa程度で運用されることが多い。脱塩率は99%以上を確保する設計が標準であり、供給水の硬度が高い現場ではスケール防止剤の注入や定期的な薬品洗浄が併用される。膜面の圧力損失を監視し、洗浄周期を管理することがランニングコストを左右する実務上のポイントである。

イオン交換工程

RO処理水に残存する微量イオンは、イオン交換樹脂で除去する。カチオン交換樹脂がNa⁺やCa²⁺などの陽イオンをH⁺に置換し、アニオン交換樹脂がCl⁻やSO₄²⁻などの陰イオンをOH⁻に置換することで、理論上は純水に近い状態が得られる。両樹脂を一つの塔に充填する混床式は、単床式を直列に並べる二床式より高純度化が可能だが、再生作業の手間が大きい。半導体工場では樹脂を再生せず使い捨てるカートリッジ式も採用され、廃液処理コストと再生コストを比較して選定される。

脱気・紫外線酸化による微量成分の除去

溶存酸素や二酸化炭素は、腐食や炭酸イオン残留の原因となるため、真空脱気膜や窒素ガスによるスパージングで除去される。有機物由来のTOC(全有機炭素)値を下げる目的では、波長185nmの紫外線を照射して有機物を分解し、生成したCO₂やイオンを後段のUF膜やイオン交換ユニットで捕捉する構成が一般的である。半導体向け超純水ではTOC値を1ppb未満に抑える運用が求められ、装置ごとのTOC計・比抵抗計による常時監視が欠かせない。

最終仕上げと用途別の純度要求

仕上げ工程では、限外ろ過膜であるUF膜やナノろ過膜を用いて微粒子とコロイド状物質を除去し、最終的に0.1μm程度の中空糸フィルターで仕上げる。ウェハプロセスを行う半導体工場では、RCA洗浄やリンス工程で超純水を大量に消費するため、供給ラインの流速・配管材質・微粒子(パーティクル)混入対策までもが品質管理の対象となる。乾燥工程でIPA乾燥やマランゴニ乾燥を採用する場合、直前工程の水質が仕上がりに直結するため、超純水の抵抗率だけでなく微粒子数の管理値も別途設定される。

現場での運用と設備連携

純水製造装置は単独で稼働するわけではなく、周辺設備との連携によって成立している。フッ化水素酸を扱う洗浄ラインでは、排出される酸性排水を除害装置で中和処理してから系外へ排出する必要があり、原料としてのフッ酸純度と純水製造ラインの水質基準は工程全体で整合させなければならない。冷却用途では、加熱設備からの排熱を処理するクーリングウォーター系統とは異なる水質基準が適用される点に注意が必要である。ボイラー給水として利用する場合はボイラー配管の腐食・スケール対策を踏まえたpH管理が優先され、半導体用超純水ほどの高純度を追求する必要はない。空調設備で用いられるケミカルフィルターによる気相中のイオン性ガス除去も、超純水タンクの呼吸口対策として合わせて検討されることが多い。

コストとメンテナンスの実務視点

運用コストの大半は電力費と膜・樹脂の消耗品費が占める。RO膜は2〜5年程度で交換されることが多く、イオン交換樹脂の再生頻度が高い現場では薬品費と廃液処理費が積み上がる。一方で樹脂を使い捨てるカートリッジ方式は初期費用が高めだが、再生設備を持たない小規模工場では総合的な管理負担を下げられる場合がある。ポンプの揚程設計を誤ると圧力不足によるRO膜の性能低下や、過大な圧力による膜破損につながるため、更新時にも初期設計値との整合確認が実務上の要点となる。