超純水の製造プロセス：前処理・一次純水・二次純水のしくみ
semi-journal超純水の製造プロセス
半導体製造に使われる超純水は、工業用水や水道水をそのまま使うことはできません。原水から超純水になるまでには、複数の処理工程を経て段階的に不純物を除去していきます。
超純水の製造は「前処理 → 一次純水システム → 二次純水システム」の3段階で構成されます。各段階で除去対象が異なり、段階的に純度を高めていきます。
| 段階 | 主な処理技術 | 主な除去対象 |
|---|---|---|
| 前処理 | 砂ろ過・活性炭 | 濁り・塩素・大きな有機物 |
| 一次純水システム | RO膜・脱気膜・EDI | イオン・シリカ・溶存ガス・微粒子（大部分） |
| 二次純水システム | UV・IER・UF膜 | 微量有機物・残留イオン・ナノ微粒子・細菌 |
※ 設備・原水水質によって構成は異なります
なお、超純水製造システムは各社様々であり、上記は一例です。各工程について、説明していきます。
前処理：RO膜を守るための粗ごみ除去
前処理の目的は「後段の精密な膜（RO膜）を詰まりや劣化から守ること」です。砂ろ過と活性炭の2段階で、原水中の粗大不純物を取り除きます。
砂ろ過
砂ろ過とは「砂の層に原水を通すことで、泥・砂・コロイド粒子など、目に見えるサイズの濁り成分を物理的に除去する手法」です。
後段の活性炭やRO膜への負荷を減らす「一番最初のフィルター」です。
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
活性炭を利用したろ過では、活性炭の多孔質表面に不純物を吸着させ、塩素・クロラミン・有機物を除去します。
特に塩素はRO膜のポリアミド素材を酸化・劣化させるため、RO膜の手前で必ず除去する必要があります。
一次純水システム：99%の不純物を除去する
一次純水システムでは、逆浸透膜（RO膜）・脱気膜・EDI（電気式脱塩）の3つの技術を組み合わせ、水中の大部分のイオン・シリカ・溶存ガスを除去します。
逆浸透膜（RO膜）
逆浸透膜（RO膜）は、水分子のみを通過させ、イオンや不純物を阻止する半透膜です。高濃度側（不純水）に人工的な高圧をかけることで、浸透圧に逆らって水分子だけを膜の反対側（純水側）に押し出す現象を「逆浸透」と呼びます。
この技術によるイオン除去率は95〜99%程度に達します。
なお、通常浸透とは、濃度の異なる液体を半透膜で隔てた際、濃度を均一にしようとする自然な力によって、低濃度側（純水）から高濃度側（不純水）へ水が移動する現象を指します。
脱気膜
RO膜処理後の水には、溶存CO₂（二酸化炭素）をはじめ、O₂（酸素）やN₂（窒素）などの溶存ガスが残留しています。このうち溶存CO₂はEDIの処理負荷を著しく増大させる原因となるため、EDIの前段に設置した脱気膜によって、これらのガス成分を一括して除去します。
脱気膜は水をはじく疎水性の中空糸膜（ストロー状の細かい膜）で構成されています。例えば、膜の内部（内側）に水を流し、外部（外側）を真空にすることで、水に溶け込んだCO₂・O₂・N₂などのガス成分だけを膜の外側へ選択的に取り除きます。
脱気膜の方式には、上の図のように膜の内部に水を流す「内圧式（Inside-out）」と、それとは逆に膜の外側に水を流す「外圧式（Outside-in）」の2種類が存在します。
超純水製造の現場では、水と膜の接触効率がより高く、優れた脱気性能を発揮する「外圧式」が主流として多く採用されています。
EDI（電気式脱塩）
EDI（Electrodeionization）は「イオン交換樹脂とイオン交換膜、電気の力を組み合わせた、連続式の純水製造方法」です。薬品を使わずに樹脂を自動再生しながら、RO膜で取りきれなかった残留イオンやシリカを限界まで除去します。
イオン交換樹脂を陽イオン交換膜・陰イオン交換膜で挟んだセルに直流電圧をかけることで、水中のイオンを電気的に分離・濃縮します。さらに、この過程でわずかに解離した水(H⁺・OH⁻)が樹脂の交換基に入り込むことで、樹脂が自動的に再生され続けるのがEDI最大の特徴です。
この自動再生の仕組みにより、薬品を使った再生作業が不要になり、ランニングコストと廃液処理の削減につながっています。
二次純水システム：超純水への最終仕上げ
二次純水システム（ポリッシングシステム）では、UV・IER・UF膜の3段階で残留した微量不純物を極限まで除去し、比抵抗値18.2 MΩ·cmの超純水に仕上げます。
紫外線（UV）照射
紫外線照射では、波長185 nmの紫外線を照射することで、一次純水システムで除去しきれなかった微量有機物（TOC）を光化学反応によりCO₂とH₂Oに分解します。
同時に波長254 nmのUVによる殺菌効果も得られます。UV照射後に生成したCO₂やイオンは、後段のIERで除去します。
イオン交換樹脂（IER）
IER（Ion Exchange Resin）による高純度化とは「樹脂に固定されたH⁺・OH⁻と水中の残留イオンを交換することで、金属イオン・アニオンをpptレベルまで除去する方法」です。
UV照射で生じたCO2は、水中でHCO3-（重炭酸イオン）などの陰イオンに変化するため、他の陰イオンと同様にIERで除去できます。このようにして、UV照射で分解された有機物由来のイオンもここで取り除かれ、比抵抗値が18.2 MΩ·cmに近づきます。
限外ろ過膜（UF膜）
UF膜（Ultrafiltration Membrane）は、ユースポイント直前の「最後の砦」です。
孔径数nm〜数十nmの膜でナノ微粒子・細菌・コロイドを物理的に除去し、超純水の微粒子管理値（50 nm以上で1個/mL以下）を担保します。
二次純水システムを通過した水が「超純水」です。ユースポイントで使われなかった水は、純度を維持するため一瞬も滞留させずにタンクへ循環させます（デッドレグ対策）。
まとめ：超純水製造フローの全体像
| 工程 | 技術 | 主な除去対象 |
|---|---|---|
| 前処理 | 砂ろ過 | 濁り・コロイド粒子 |
| 活性炭 | 塩素・クロラミン・有機物 | |
| 一次純水システム | RO膜 | イオン・有機物・微粒子（大部分） |
| 脱気膜 | 溶存CO₂・溶存酸素 | |
| EDI | 残留イオン・シリカ | |
| 二次純水システム | UV照射 | 微量有機物（TOC）・細菌 |
| IER | 残留イオン（pptレベルまで） | |
| UF膜 | ナノ微粒子・細菌・コロイド |
※ 設備・原水水質によって構成は異なります
