活性炭ろ過とは：超純水製造における役割

活性炭ろ過とは

前処理の1段階目である砂ろ過が「濁り・コロイド粒子など、目に見えるサイズの粗大不純物」を担当するのに対し、2段階目の活性炭ろ過は「塩素・クロラミン・有機物など、水に溶け込んだ成分」を担当します。

この役割分担により、後段のRO膜を目詰まりだけでなく酸化劣化からも守ることができます。

砂ろ過とは：超純水製造における粗大粒子ろ過

なぜ塩素の除去が必要か

水道水や工業用水には、殺菌のために塩素（次亜塩素酸など）が添加されています。この塩素が後段のRO膜に到達すると、膜の主成分であるポリアミド素材を酸化・劣化させてしまいます。

もし塩素やクロラミンの除去が不十分なままRO膜に通水すると、ポリアミドの分子鎖が切断されて微細な孔が広がり、本来阻止すべきイオンまで通過してしまう「脱塩率の低下」を引き起こします。

一度酸化・劣化してしまったRO膜は再生できません。そのため、活性炭ろ過による確実な事前除去（脱塩素）は、超純水ラインの安定稼働に不可欠な工程です。

なお、クロラミンは遊離塩素に比べて分解されにくく、活性炭による除去に長い接触時間（SV）を要する点には注意が必要です。

活性炭の除去メカニズム（吸着と化学分解）

なお、活性炭による除去は単一のメカニズムではなく、対象物質によって働き方が異なります。

• 物理吸着（有機物の除去）

ファンデルワールス力（分子間力）によって、有機物を活性炭の微細な孔の中に捕集・固定化

• 脱塩素反応（塩素の除去）

強い酸化力を持つ遊離塩素（HClO）が活性炭（C）と接触して還元分解され、RO膜に無害な塩化物イオン（Cl⁻）へ変化する化学反応

この違いにより、有機物の除去性能は活性炭の「細孔構造や表面積」に強く依存する一方、塩素の除去性能は「活性炭と水の接触時間（SV：空間速度）」に大きく影響を受けるという、運用・設計上の重要な特性の違いが生まれます。

活性炭ろ過装置の構造・運用

(出典:栗田工業)

半導体プラントで一般的に使われるのは、粒状活性炭(GAC：Granular Activated Carbon)をタンクに充填した固定床式の装置です。原水は活性炭層をゆっくり通過し、この間に塩素や有機物が除去されます。

ただし活性炭には、砂ろ過にはない固有の劣化モードがあります。それが「破過(はか)」と呼ばれる現象です。

活性炭の吸着サイトは有限であり、使用を続けると吸着能力が徐々に低下し、やがて塩素や有機物を除去しきれなくなる状態(破過)に達します。破過に達した活性炭は逆洗しても性能が回復しないため、一定期間ごとの活性炭自体の交換が運用上欠かせません。

砂ろ過とは：超純水製造における粗大粒子ろ過とバックウォッシュ

活性炭ろ過の注意点:微生物繁殖のリスク

そのため半導体プラントでは、定期的な逆洗に加え、活性炭層の水質(細菌数など)をモニタリングし、必要に応じて活性炭の交換頻度を見直す運用が行われます。なお、活性炭で除去しきれなかった微量の有機物(TOC)や、ここで繁殖した微生物由来の成分は、二次純水システムのUV照射(TOC分解・殺菌)とIER(イオン除去)によって最終的に取り除かれます。

半導体製造で排除すべき水中の不純物とは：微粒子・イオン・有機物(TOC)・溶存ガス・微生物

まとめ:活性炭ろ過の役割一覧

※ 設備・原水水質・活性炭の種類によって性能は異なります

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