実験室用水浄化技術と技術

蒸留工程では、水を加熱して蒸気を発生させ、不純物を残す。水蒸気は凝縮器へ上昇し、循環水によって冷却される。この冷却により温度が下がり、蒸気が液体へ凝縮する（図2）。結果として、水の不純物は沸騰容器内に残留する。

蒸留法は、ミネラル、有機物、粒子、細菌を含む多くの汚染物質を効果的に除去し、清浄な蒸留水を生成します。

しかし、蒸留プロセスにはいくつかの制限があります：

• 無機汚染物質：無機イオンは蒸留器内壁に形成される薄い水膜に沿って移動する可能性があります。これが蒸留液中にイオンが検出される理由です（25℃で抵抗率が1 MΩ・cmに達する場合あり）。また、水を加熱するガラス製または金属製の沸騰ポットからも汚染物質（シリカ、ナトリウム、スズ、銅）が抽出されます。
• 有機汚染物質：沸点が100℃未満の有機分子は蒸留水に移行する。さらに、沸点が100℃を超える一部の有機物も水蒸気に溶解し蒸留水へ移行する可能性がある。 さらに、蒸留過程で新たな有機塩素化合物が形成される可能性がある。これは、蒸留時に発生するエネルギーにより、水道水の殺菌処理に添加される塩素が水中に存在する天然有機物質と反応するためである。結果として、蒸留水の全有機炭素（TOC）濃度は通常約100ppbとなる。
• 貯蔵時の汚染：蒸留は時間がかかるため、水を長期間貯蔵する必要がある。この間、周囲の空気から無機・有機揮発性物質、細菌、粒子状物質、藻類による再汚染が発生する可能性がある。さらに容器自体も再汚染の原因となり得る。プラスチックタンクからは有機化合物が溶出したり、ガラス容器からはイオンが移行したりする。
• 資源消費量の多さ：蒸留には大量のエネルギーと水が必要であり、運用コストが高い。さらに蒸留器では、プロセス中に蓄積した汚染物質を除去するため、沸騰ポットの定期的な洗浄が必須である。

蒸留の利点と制限:

利点

• 幅広い汚染物質を除去できるため、最初の精製工程として有用。
• 再利用可能。

制限事項

• 汚染物質が凝縮液に一定量移行する。
• 純度を確保するためには慎重なメンテナンスが必要。
• 大量の水道水（冷却用）と電気エネルギー（加熱用）を消費する。
• 環境に優しいとは言えない。

逆浸透（RO）は、水中の汚染物質の95％以上を除去する最も経済的な方法である。

自然浸透は、濃度の異なる二つの溶液が半透膜で隔てられた際に発生する。浸透圧が水を膜を通して移動させ、水はより高濃度の溶液を希釈し、結果として平衡状態が達成される。

逆浸透では、浸透圧に対抗するため濃縮溶液に水圧を加えます。このプロセスにより水分子は半透膜を通過しますが、溶解した塩類、細菌、その他の不純物は膜に残留します（図3）。RO膜は分子量200ダルトン以上の粒子、細菌、有機物の95～99%を遮断可能です。

ROにはイオン排除プロセスも含まれる。 半透膜は電荷に基づいて塩類（イオン）を拒絶します：電荷が大きいほど拒絶率が高くなります。その結果、膜は強イオン化多価イオンのほぼ全て（99％以上）を拒絶する一方、ナトリウムなどの弱イオン化一価イオンは約95％しか拒絶しません。さらに、塩類拒絶率は加圧に伴い著しく増加します（最大5バールまで）。

逆浸透膜を用いた浄水システム

逆浸透は、給水条件と目的とする製品水の用途に適切に設計されたシステムであれば、水道水を浄化する非常に効率的な方法である。ROは試薬級水精製システムにとって最適な前処理でもある。

給水条件が異なれば、異なるタイプのRO膜が必要となる場合があります。膜は酢酸セルロース、またはポリスルホン基材上のポリアミド薄膜複合材から製造されます。粒子、塩素、有機化合物などの高濃度汚染物質は膜を詰まらせたり劣化させたりするため、RO膜は容易に損傷を受けます。膜を保護し最適な性能と寿命を確保するため、水が膜に到達する前に有害物質を除去する前処理カートリッジが使用されます。

純水は印加圧力に比例した流速で濃縮溶液から押し出され、膜下流側で回収される。RO膜は非常に透過抵抗が大きいため、単位表面積あたりの流速は遅い。したがって、合理的な時間内に十分な量を生産するには貯蔵タンクが必要となる。

水消費量の削減

一般的なROプロセスでは大量の水が廃棄物として排出されます。このため、多くのMilli-Q^®システムでは標準的なROシステムと比較して水消費量を削減する先進的なRO技術が採用されています。これらの技術には以下が含まれます：

• RO回収ループ：RO排水の一部を回収し、システム内に再循環させてRO膜を通過させるプロセス。これにより廃水量を大幅に削減でき、標準ROシステムよりも持続可能性とコスト効率に優れる。さらに自動RO膜洗浄機能により高性能を維持。本技術を採用するシステムにはMilli-Q^® IXシリーズおよびMilli-Q^® IQ 7シリーズがある。
• E.R.A.™（Evolutive Reject Adjustment）技術は、給水品質を考慮して水回収率を自動最適化します。これにより、他のROシステムと比較して最大50%の水消費量を削減します。この技術により、流量維持のための手動バルブ調整が不要となり、ROカートリッジの寿命が延び、消耗品の廃棄量が減少します。この技術は、Milli-Q^® HX 7シリーズなどのシステムに統合されています。 

逆浸透の利点と限界

利点

• あらゆる種類の汚染物質（粒子、有機物、微生物、コロイド、溶解無機物）を効果的に除去するため、最初の浄化工程として有用である。
• メンテナンスが最小限で済む。

制限事項

• 水中の汚染物質による膜の急速な損傷（スケール（表面へのCaCO₃沈着）、ファウリング（表面への有機物やコロイドの沈着）、膜の完全性の喪失や細孔サイズの変化（硬質粒子による膜の損傷や塩素による酸化））を避けるため、適切な前処理が必要。
• 表面あたりの流量が限られる。高流量を実現するには、大きな膜表面積または中間貯留装置が必要。

電気脱イオン化（EDI）は電気透析とイオン交換を組み合わせた技術であり、装置内の電流によってイオン交換樹脂が連続的に再生されることで、水を効果的に脱イオン化するプロセスを実現します。この電気化学的再生は、従来のイオン交換システムにおける化学的再生に取って代わります。

Elix^® EDIモジュールは、二つの電極間に配置された複数の「セル」で構成される（図4）。システムの各構成要素は浄化プロセスにおいて特定の役割を果たす：

• セル構造：各セルはポリプロピレンフレームで構成され、両側にイオン選択性膜が取り付けられています。片側には陽イオン透過膜（図4のC）、反対側には陰イオン透過膜（A）が配置されています。セル同士はスクリーンセパレーターで分離されています。
• 樹脂層：各セルの中央部（図4の3）にはイオン交換樹脂の薄層が充填されている。これらの樹脂が給水中の溶解イオンを捕捉する役割を担う。
• 水流：流入する給水（1）は3つの流れ（1、3、5）に分かれる：
  • 少量が電極上を流れる
  • 大部分（65～75%）はセル内部の樹脂層を通過
  • 残りの水はセル間のスクリーンセパレータに沿って流れる
• イオン除去プロセス：給水がセル上部に流入すると、イオン交換樹脂が溶解イオンを捕捉する。モジュールに印加された電流により、これらのイオンはイオン選択性膜を通過する：
  • 陽イオンは陽イオン透過膜を通って陰極方向へ移動する。
  • 陰イオンは陰イオン透過膜を通って陽極側へ移動する。

しかしイオンは電極に直接到達できない。反対電荷の隣接イオン選択性膜に阻まれ、それ以上の移動が阻止される（4）。結果としてイオンはセル間空間（3）に蓄積し、これを濃縮流路と呼ぶ。

• 濃縮液の除去：このチャネル（3）内の高濃度イオンを含む水は、システムから継続的に排出され、排水口（6）へ送られる。
• 浄化チャネル（2）から得られる製品水（7）は、溶解イオンを含まない高品質の純水（タイプ2水）である。

Elix^® EDIモジュールが純水からイオンを効率的に除去する仕組みを動画でご覧ください。

電気脱イオン化の利点と限界

利点

• 溶解した無機物を効果的に除去し、25°Cで5 MΩ・cm以上の抵抗率を実現（これは水中の総イオンレベルが約50 ppbに相当）。
• 環境に優しい技術：
  • 化学薬品の再生不要
  • 化学薬品の廃棄不要
  • 樹脂廃棄不要
• 低コストで運用可能。

制限事項

• 除去できる荷電有機物は限られている。
• 経済的に効率的な運転のためには、良質な水（例えば逆浸透水）を供給する必要がある。

イオン交換プロセスでは、水が球状で多孔質のビーズ（イオン交換樹脂）を浸透します。水中に存在するイオンは、ビーズに固定された他のイオンと交換されます。最も一般的なイオン交換方法は軟化と脱イオン化です。

• 軟化処理は主に、逆浸透（RO）などの他の浄水プロセスに先立つ前処理として、水の硬度を低減するために用いられます。軟化装置には、除去されたカルシウムイオンまたはマグネシウムイオン1分子につき、2分子のナトリウムイオンを交換する樹脂粒子が含まれています。
• 脱イオン化（DI）では、陽イオンと水素イオン、または陰イオンと水酸基イオンを交換するイオン交換ビーズを用いる。これらの樹脂は微小（<1.2mm）で、ポリスチレン系多孔質材料からなり、イオン交換結合部位が表面およびビーズ内部に共有結合で付着している。 脱イオン樹脂は、陽イオン交換と陰イオン交換用に別々のベッド交換器に充填されるか、両方の樹脂を含む混合ベッド交換器に充填される（図5参照）。混合ベッド構成により、より効率的なイオン除去が可能となり、より高い水の抵抗率値が得られる。

水浄化における脱イオン化プロセス

脱イオン化は以下の通り行われる（図6）：

• 陽イオン交換樹脂は、ジビニルベンゼンで架橋されたポリスチレン鎖と共有結合したスルホン酸基から構成される。これらの樹脂は、Na^＋、Ca^{^(2＋)}、Al^{^(3＋)}などの陽イオンと水素イオンを交換する^。
• 陰イオン交換樹脂はポリスチレン重合鎖に共有結合した第4級アンモニウム基から構成され、陰イオン（例：Cl^⁻、NO_₃^⁻、SO_₄²⁻）と水酸基を交換する。陽イオン交換器からの水素イオンは陰イオン交換器の水酸基イオンと結合して純水を生成する。

IQnano™イオン交換樹脂は、Jetpore^®イオン交換樹脂と比較して直径が小さく（図7）、高速な動的特性を特徴としています。これら2種類の樹脂を組み合わせることで、総媒体量を大幅に削減し、小型カートリッジとコンパクトなシステムを実現しながら、微量レベルまでのイオン除去を達成できます。

イオン交換樹脂の再生

樹脂中の水素イオンおよび／または水酸基イオンがすべて帯電した汚染物質と交換されると、樹脂は飽和状態となる。 イオン交換樹脂は強酸および強塩基によって再生可能である。この再生処理は浄化プロセスを逆転させ、樹脂に吸着した汚染物質を水素イオンおよび水酸化物イオンと置換する。しかしながら、これは過酷な化学的プロセスであり、ビーズを構成するポリマー鎖を損傷する可能性があり、有機物や粒子状物質による樹脂の汚染を引き起こし、高純度水の製造において問題となる。

高純度水の製造には、以下の2つの解決策が存在する：

• 低TOCの単球状ビーズを含む「未使用」混合床イオン交換樹脂パックを1回のみ使用し、使用後は廃棄する。この方法は、交換頻度を抑えるために高品質の前処理水を供給することを条件に、経済的に許容可能なプロセスである。優れた前処理は、樹脂パックに到達するイオン性汚染物質の負荷を制限するためにイオンの大部分を除去するだけでなく、有機物、粒子状物質、コロイドも除去すべきである。 
• 電解脱イオン化などの穏やかで連続的な手順でイオン交換樹脂を再生し、電解脱イオン化プロセス（上記セクションおよび図4参照）のようにイオン交換樹脂ビーズを損傷して汚染物質を発生させることを避ける。

脱イオン化の利点と限界

脱イオン化は、RO、ろ過、活性炭吸着などの他の方法と組み合わせて使用する場合、総合的な水浄化システムの重要な構成要素となり得る。DIシステムはイオンを効果的に除去するが、ほとんどの有機物や微生物を効果的に除去することはできない。微生物は樹脂に付着し、細菌増殖の培養媒体となり、長期的には発熱物質の発生を引き起こす可能性がある。

利点

• 水中の溶解無機物（イオン）を効果的に除去し、25℃で18.0 MΩ・cm以上の抵抗率レベルを実現（水中の総イオン汚染が概ね1 ppb未満に相当）。
• 再生が可能（「サービス脱イオン化」では酸と塩基による再生、浄水システムでは電気脱イオン化による再生）。
• 初期投資が比較的低い。

制限事項

• 容量に制限がある：イオン結合部位が全て占有されると、イオンは保持されなくなる（電気脱イオンプロセスで稼働している場合を除く）。
• 有機物、粒子、細菌を効果的に除去できない。
• 化学的に再生されたDIベッドは有機物や粒子を発生させ、細菌を繁殖させる可能性がある。
• 単回使用の「未使用」樹脂は、経済的効率性を確保するために高品質な前処理水が必要である。

活性炭は、微細な細孔の複雑なネットワークを含む多孔質粒子で構成される（図8）。 1グラムの活性炭は最大1000m²の展開表面積を有する。水に溶解した有機分子は、ファンデルワールス力により細孔内に侵入し、その壁面に吸着する。この吸着過程は、活性炭の細孔径および有機分子の細孔内拡散速度に影響される。さらに、吸着速度は有機物の分子量と分子サイズに依存する。

浄水に使用される活性炭の種類

活性炭は通常、他の処理プロセスと組み合わせて使用される。浄水システムの設計において、他の構成要素に対する活性炭の配置は重要な考慮事項である。

浄水用活性炭には主に2種類ある：

• 天然活性炭：ココナッツ殻などの植物性原料を高温処理して製造される。このプロセスにより、不規則な形状の粒子からなる微粉末が生成される。天然活性炭はイオン性汚染物質を多く含むため、前処理段階でのみ使用される。具体的には、還元反応により水道水中の過剰な塩素を除去し、ある程度有機汚染物質を低減する役割を担う。
• 合成活性炭はポリスチレン球状ビーズを制御された熱分解により製造される（図9）。このより清浄な材料は精製水から低分子量の微量有機物を除去するために使用される。 

活性炭の利点と限界

利点

• 溶解性有機物や塩素を効果的に除去します。
• 高い吸着能力により長寿命。

制限事項

• イオンや粒子状物質を効率的に除去できない。微細な炭粉を生成する可能性がある。
• 結合部位の数が限られているため、容量に制限がある。

一部の紫外線は殺菌作用を持つか、あるいは有機汚染物質を光酸化させるため、UVランプは浄水において有用な手段となる。

殺菌紫外線

紫外線は水の殺菌処理として広く利用されてきた。微生物細胞のDNAが紫外線を吸収することで、影響を受けた微生物は不活化される。

殺菌用紫外線ランプには主に2種類ある（図10）：

• 従来、純水中の微生物を不活性化し、細菌の増殖や汚染を防ぐために、波長254nmの光を放出する低圧水銀ランプが使用されてきた（図10a）。
• 一方、特許取得済みの水銀を含まない265nm波長を放射するUVC LED（ech₂o^®殺菌用UV）は、高効率な細菌不活化のためにますます使用されています（図10b）。

殺菌用紫外線ランプは、以下の場所に設置される場合があります：

• 浄水システム内に設置し、貯水槽内の純水の細菌レベルを制御する
• 貯水槽に設置し、貯蔵された純水の低細菌汚染を維持し、バイオフィルムの発生を防止する。

光酸化紫外線照射

水中に溶解した有機化合物の光酸化により、最終的に二酸化炭素へ変換されます。光酸化により、高純度水中の全酸化性炭素（TOC、総有機炭素とも呼ばれる）レベルを5ppb以下に低減できます。

光酸化UVランプには様々な種類が存在する：

• 従来は、185 nmの紫外線波長を通す極めて純度の高い石英スリーブを備えた低圧水銀ランプが使用されてきた。
• 一方、172 nm波長の紫外線を放射するech₂o^®水銀フリーキセノンエキシマー（励起二量体）技術は、有機汚染物質の光酸化を確実に実現します。

紫外線照射の利点と限界

利点

• 効果的な殺菌処理（細菌制御）と有機化合物の効率的な酸化により、水中のTOCレベルを5ppb未満に低減。
• 水銀を含む UV ランプに代わる、効率的で環境に優しい代替手段が利用可能。

制限事項

• 有機物の光酸化は仕上げ工程であり、TOCレベルを限定的にしか低下させられない。
• 紫外線はイオン、粒子、コロイドには影響を与えません。
  

微細孔フィルターは二つのカテゴリーに分類できる：

• 深層フィルターは、繊維や材料を圧縮して形成されたマトリックスであり、粒子を無作為吸着または捕捉によって保持する（図11a）。
• 表面フィルターは複数層の媒体から構成される。流体がフィルターを通過する際、フィルターマトリックス内の隙間よりも大きな粒子は保持され、主にフィルター表面に蓄積する。深層フィルターとは異なり、粒子をフィルター媒体の表面で捕捉する。スクリーンフィルター（膜フィルターとも呼ばれる）は本質的に均一な構造であり、ふるいのように、厳密に制御された細孔サイズよりも大きな粒子をすべて表面で保持する（図11b）。

フィルタータイプの違いを理解することは不可欠です。それぞれが異なる目的を果たすためです：

• 深層フィルター：プレフィルターとして一般的に使用され、浮遊物質の98%以上を除去する費用対効果の高い方法を提供します。フィルター材の全層にわたり汚染物質を捕捉することで、下流の構成部品を汚れや目詰まりから保護します。例えば、このフィルターはRO膜を保護するために使用される前処理カートリッジに存在します。
• スクリーンフィルター：最も精密なフィルターで、目開きサイズより大きな粒子を100%捕捉します。浄水システムの最終段階に配置され、樹脂片、微細カーボン、コロイド粒子、微生物など、残存する最小の汚染物質を除去します。例えば、Millipak^® 0.22 µm最終フィルターは、Milli-Q^®システムのディスペンスポイントにおいて粒子や細菌を効果的に保持します。

限外ろ過の利点と限界

利点

• スクリーンフィルターは絶対ろ過フィルターであり、その孔径より大きい全ての粒子と微生物を除去します。
• 損傷しない限り、寿命を通じて効率的です。
• メンテナンスは交換のみです。

制限事項

• 溶解性無機物、有機物、エンドトキシンは除去できません。
• 再生はできません。

スクリーン（微細孔）膜フィルターが孔径に基づいて粒子を除去するのに対し、限外ろ過（UF）膜は分子ふるいのように機能する。UF膜は溶解した分子をそのサイズに基づいて分離する。このサイズは分子量として表されることが多いが、サイズと重量の関係は必ずしも直接的ではない。

限外ろ過装置では、溶液を極めて微細な選択透過性膜（図12）に強制的に通すことでこの分離を実現する。これは耐久性に優れた薄膜であり、公称分子量限界（NMWL）と呼ばれる特定の閾値を超える大部分の高分子を保持する。これにはコロイド、微生物、エンドトキシン（または発熱原）、ならびにRNaseやDNaseが含まれる。 無機イオンなどのより小さな分子は濾液側へ通過する。

水浄化では、超濾過膜がエンドトキシンフリー、ヌクレアーゼフリー、プロテアーゼフリーの水を生成するために広く使用されており、これは細胞培養や分子生物学などの敏感な用途に不可欠である（例：Biopak^® または SQPAK^™ Bio 最終精製装置）。

限外ろ過の利点と限界

利点

• 定格サイズを超えるほとんどの粒子、発熱物質、酵素、微生物、コロイドを効率的に除去し、それらを超濾過膜表面に保持する。
• 損傷がない限り、寿命を通じて効率的な運転が可能。
• 高速での定期的な水洗浄により寿命を延長可能。

制限事項

• 溶解した無機物や有機物質は除去できません。
• 高分子汚染物質が過剰なレベルで存在する場合、目詰まりを起こす可能性があります。