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純水・蒸留水に関するお役立ち情報

ホワイトペーパー

蒸留水を製造するときのポイントや基礎知識など、純水使用時に役立つ情報をご紹介

掲載内容
・蒸留水を製造するときのポイントと基礎知識
・水処理装置の大敵、シリカとは
・純水比較―Elix水と蒸留水のランニングコストはどちらがお得か
・徹底検証!蒸留水とElix水の水質の違いと原因

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このカタログについて

ドキュメント名 純水・蒸留水に関するお役立ち情報
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
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登録カテゴリ
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このカタログの内容

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純水に関する お役立ち情報 ● 蒸留水を製造するときのポイントと基礎知識 . . . . . . . . . 2 ● 水処理装置の大敵、シリカとは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ● 純水比較   ― Elix 水と蒸留水の     ランニングコストはどちらがお得か . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 ● 徹底検証! 蒸留水とElix 水の水質の違いと原因 . . . . . 8 The life science business of Merck operates as MilliporeSigma in the U.S. and Canada.
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蒸留水を製造するときのポイントと基礎知識 蒸留水の基礎 皆さんが日々研究で使用されている蒸留水。この記事では、改め 運用上は、製造スピードが遅いという特徴があります。お鍋に水 てその基礎知識についておさらいして行きます。「そんなの知って を入れて沸騰させるシーンを想像してみてください。お鍋の中の水 いる!」とあなどるなかれ。当たり前のことだからこそ、しっかり が空っぽになるまで沸騰し続けるためには、長い時間が必要です と抑えておきたいポイントを解説して行きます。 よね?蒸留水製造装置も同様です。一般的な蒸留水の製造スピー まず、水中から不純物を取り除いた水を「純水」と呼びますが、 ドは 1 時間あたり 1.8L です。あまり水を使わない場合は問題あり 蒸留によってできた純水は「蒸留水」と呼びます。蒸留は、きわ ませんが、比較的量を使う場合は、水が足りずに「水待ち」になっ めて古くから使われている方法で、揮発性や沸点などの物性の違 てしまうことがあります。「水」はすべての実験や分析の基本なの いを利用します。不純物を含む水を沸騰・気化させた後、蒸気を で、水量が足りないということは比較的ストレスがたまりやすいよ 冷却して得られます。蒸留水製造装置は日本で歴史的に古くから うです。 使われている実績が多い装置です。 蒸留は、水に含まれる 4 種類の不純物(無機物、有機物、微粒 子、微生物)を除去できる点が最大の利点です。一方、沸騰・気 化という原理上、水の沸点に近い成分や水より沸点が低い成分の 分離が困難であることや、冷却部が大気開放になっていることか ら、精製時に大気中の不純物(二酸化炭素、有機物、微生物など) を吸い込んでしまい、水質劣化が起こる場合があるので注意が必 要です。なお、近年ではこれらの対策が施された蒸留器も存在し ます。 蒸留水製造装置の原理 2
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色々な蒸留水製造装置 蒸留法では水の沸点に近い成分や水より沸点が低い成分の分離 話を戻しましょう。蒸留水を多量に製造する場合は、イオン交換 が困難で、また蒸留の際に沸騰した水が粒子状のまま蒸気中に飛 樹脂の交換頻度が高くなるため、蒸留の後段にイオン交換樹脂を 散(飛まつ同伴)され、蒸留水の純度を低下させてしまうことがあ 配置します。この場合、ヒーターには缶石が付着することが前提 ります。 ですので、SUS のような過熱破損しにくい材質のヒーターを用い そのため、蒸留 1 回だけで精製を行う蒸留水製造装置は少なく、 ます。付着した缶石は除去しないと蒸留効率は低下しますので、 あらかじめイオン交換樹脂で処理するタイプの蒸留水製造装置が 年 1 回程度の定期的な洗浄が必要です。 大半を占めています。このタイプの装置で気をつけなければなら 蒸留の前段にイオン交換樹脂を配置した場合と後段に配置した場 ないことは、イオン交換樹脂をきちんと交換することです。交換 合では、メンテナンス性の違いに加え、精製される蒸留水の水質 をしないと、蒸留しているボイラー内やヒーターにスケールとも呼 も異なります。 ばれる缶石が付着し、水質低下・蒸留効率(速度)の低下やヒーター の過熱破損の原因となります。1 日 10 L の製造量の場合、2-3 ヶ 月での交換が必要です。 ちなみに缶石とは、給水中に含まれている不揮発性溶解質および 不溶解性物質の濃度が水の蒸発によって増加し、これらが析出し て伝熱面に付着したもののこと。成分は主にカルシウムおよびマ グネシウムの硫酸塩、炭酸塩、ケイ酸塩および水酸化塩で、熱 伝導を悪くするのでとてもやっかいなんですね。 ヒーターに付着した缶石 3
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水処理装置の大敵、シリカとは 日本の水にシリカが多く含まれる理由 私たちが生きていく上で、必要不可欠な存在である水。蛇口をひ シリカとは二酸化ケイ素(SiO2)、もしくは二酸化ケイ素によって ねれば、当たり前のように水道水が出てきますが、この水の源は 構成される物質の総称です。 雨水です。地表や地下を流れる際に、土壌中の様々な成分が雨 図 1 は、欧州と日本の水の導電率、硬度、シリカを比較したもの 水に溶け込みます。 です。 水には「軟水」と「硬水」があり、硬度は、水に含まれるカルシ 日本の中でも特にシリカ濃度が高い地域があります。以下に示し ウムとマグネシウムといったミネラルの量によって定義されます。 た地域はシリカ濃度が特に高い地域です。 日本の水道水が「軟水」であるのに対し、欧州ではほとんどが「硬 ● 東京、 茨城、 栃木、 群馬、 埼玉、 千葉の 1 都 5 県にわたる利根川 水」。日本は島国であるとともに、国土の約 73% を山地が占める 流域 山国であるため、川の長さが短く水流が早いこともあって水に含 ● 千葉県内房 まれる成分が少ないとされています。欧州では、地下水や河川水 が、石灰質の豊富な地層を時間をかけて流れてくるため、ミネラ ● 静岡県沼津、三島、富士周辺 ル成分が水に溶け込んで硬水になるのですね。 ● 長 野県の温泉地周辺 一方で、日本は火山国であるため、土壌には花崗岩、石英粗面岩 ● 香 川県から愛媛県今治市までの海沿い などケイ酸が多く含まれています。このケイ酸の正体が「シリカ」。 ● 北九州から鹿児島県の鹿児島本線沿い ● 長 崎県島原周辺 図 1 欧州と日本の水質の違い 4
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シリカが水処理装置の大敵である理由 「純水」を製造するためには、不純物を取り除く必要があります。 次に、イオン交換方式で処理した純水のシリカ濃度の推移を見て シリカは不純物の中でもやっかいな物質の一つで、「缶石」を作 みましょう(図 3)。横軸は純水処理量、縦軸はシリカ濃度を示し りやすいという性質を持っています。 ています。 缶石とは、給水中に含まれている不揮発性溶解質および不溶解 性物質の濃度が水の蒸発によって増加し、これらが析出して伝熱 図 3 イオン交換方式によるシリカ除去 面に付着したもののこと。成分は主にカルシウムおよびマグネシ ウムの硫酸塩、炭酸塩、ケイ酸塩および水酸化塩です。缶石は 水処理装置の水質低下や蒸留効率(速度)の低下、さらにはヒー ターの過熱破損の原因となります。 シリカはイオン交換方式でも除去されますが、イオン以外の不純 物は除去できず、逆に、イオン交換樹脂からの溶出物で純水を 汚染してしまうといった注意点もあります。 シリカ除去に関しては、イオン状シリカはイオン交換方式で除去 することができますが、弱イオンであるシリカは樹脂の飽和が近 づくと、他の強イオンがイオン交換されてしまい、それまで捕捉 されていたシリカを一気に放出することがあります(図 2)。逆イ オン交換反応によりシリカの漏洩が起こるのです。この現象によっ て、イオン交換樹脂を通す前の水よりも、通した後の水のほうが シリカ濃度が高くなります。メンテナンスを怠ると、大変なことに シリカ濃度(図 3 の▲)は 8,000 L 程度から上昇が見られ、10,000 L なってしまうんですね。 では、処理前(図 3 の◆)と同等、さらに処理が進むとそれを上 回ることがわかります。 図 2 陰イオン交換樹脂に吸着されたイオン状シリカの放出 研究室で純水装置を使用していて、「ボイラーの中が白くなってし まう」「ヒーターに白い付着物がついてしまう」「イオン交換樹脂 の交換頻度が多い」などの症状があったら、それは水道水中のシ リカ濃度が高いことが原因かもしれません。 シリカ濃度が高くても水道水は選べませんが、シリカ除去に最適 な純水処理方式を使用した純水装置もあります。上記のような症 状が目立つようでしたら、新しい方式の純水装置の導入も視野に 入れてみてはいかがでしょうか。 5
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純水比較―Elix 水と蒸留水のランニングコストは どちらがお得か 水を制する者は実験を制す 進化した純水「Elix 水」とは 水はサイエンスの実験や分析において、陰ながら重要な役割を果 従来、純水といえば蒸留水が最も一般的でした。蒸留水は、ご たしています。いくら試薬や装置にこだわっても、水の扱いや選 存じのように、不純物を含む水から揮発性の有無や沸点の違いを 択を間違えると、実験に失敗したり、正しい結果が出なかったり 利用して、水を気化させて回収する方法です。ただし、蒸留の際に、 することも大いにあります。いつもは装置任せの「水」について、 沸騰した水が粒子状のまま蒸気中に飛散され、蒸留水の純度を 正しい知識を身につけて、実験の成功率を高めましょう。まずは、 低下させてしまうことがあります。また、冷却器からでてくる水は 水の分類を表す下の図を見てください。 水滴となっているため、実験室の空気と極めてよく接触し、空気 中の不純物を再度吸収して純度が低下することも起こります。そ のため、1 回蒸留を行っただけでは実験には使えないことが多い のです。 純水の精製方法は蒸留水のほかにも、イオン交換樹脂を用いて、 水に含まれる鉄・ニッケル・カルシウムなどの金属(陽)イオンを 水素イオンに、塩素イオン・炭酸イオン・ホウ酸イオンなどのアル カリ成分(陰イオン)を水酸化物イオンに置き換えて精製するイオ ン交換水や、逆浸透(RO)膜と呼ばれる膜を利用して、原水側に 浸透圧以上の圧力をかけ、水だけを通過させて不純物を取り除く RO 膜法などがありますが、この2つを進化させてさらに純度を高 めた純水が「Elix 水」です。 Elix 水は RO 膜と連続イオン交換(Electric DeIonization:EDI) によって、純水化が行われます。RO は水中の不純物である無機 物を 97%、有機物に関しては 99%程度除去することができる高 性能な膜ですが、さらに、EDI で処理を行うことで、余計なイオ ンを除去することができます。 EDI はイオン交換樹脂を陽イオン交換膜と陰イオン交換膜で交互 この図からわかるように、水の純度は、中に含まれるイオン量や にはさみ、その両端の電極で直流電流を通すことによりイオンの 有機物の量で決まります。右側に行くほどイオン量が少ないこと 除去を連続的かつ効果的に行う電気透析の原理を応用したシステ を示しています(抵抗が大きくなり、導電率は低下します)。また ムです。電流を流すと、原水中のイオンは陽極もしくは陰極にひ 有機物量は上に行くほど少ないことを示しています。超純水はイ きつけられますが、その際に、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜 オン量も有機物量も最も少ない水です。純水は超純水と水道水 の 2 種類の膜がイオンを選択的に透過させるため、イオンが濃縮 の中間になります。 される層と排除される層に分かれます。通水しながら電流を流す また、図にあるように、蒸留水やイオン交換水も純水に分類され ことで、イオンを濃縮し、外へ排除することができるのです。 ます。逆浸透膜(RO)を用いてイオンを除去した RO 水や、イオン イオン交換樹脂は、イオンが電極へ移動しやすくする良導体とし 交換膜とイオン交換樹脂を組み合わせて精製する RO-EDI 水も純 ての役割とイオン交換樹脂上の官能基にイオンを保持しイオン交 水の仲間です。 換膜へ運ぶ役割を担っているため、官能基が飽和することなく長 期間に渡ってイオンの除去を行うことができます。また、EDI は通 電をするため細菌増殖を抑制する効果もあります。 6
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蒸留水と Elix 水を比較する では、このような方法で精製した Elix 水と蒸留水を比較してみま 表1 純水の精製方法と水質の関係 しょう。Elix 水の水質(導電率、TOC)を表に示しました。導電 率は数値が高いほどイオン量が多いことを示します。TOC(Total 純水精製方法 導電率(µS/cm) TOC(ppb) Organic Carbon:全有機体炭素)は有機物量を示し、こちらの 蒸留水 1.2 〜 2 200 〜 300 数値が高い方が有機物量、つまり不純物が多い水になります。 (蒸留単独) Elix 水はイオン交換樹脂を通した蒸留水に比べても、不純物が少 蒸留水 ないことがわかります。 (イオン交換樹脂→蒸留) 1 〜 2 150 〜 200 次に、純水精製に必要なエネルギー量を比べてみましょう。蒸 Elix 水 留は相変化を利用するため、エネルギーを大量に必要です。一 (RO → EDI 連続イオン交換) 0.1 100 方、Elix は RO 膜を利用してろ過するため、加圧を行うためのエ ネルギーが必要です。また、Elix 方式では、原料となる水のみが ※ 導電率は値が大きいほどイオンが多いことを意味する 必要とされるのに対し、蒸留法では水蒸気を水に戻す冷却過程 も水が必要になるため、必要な水の量も大きく異なります。2 つ の方式で純水を精製した場合に必要な電気量と水道水量の比較 を行ったのが次の表です。電気量、水道量ともに、蒸留法よりも Elix 方式の方が少ないことがわかります。金額に換算してみると、 なんと 1 年間で 10 倍程度の開きがありました。Elix 純水装置の ランニングコストは蒸留装置よりも小さいことがわかります。 表2 蒸留法と Elix 法の電気・水道代比較の一例 純水を 1 L 製造するために必要な 製造能力 必要電力 1 年間の 水道水量(L) 電気代(円 /L) 水道代(円 /L) 電気・水道代の 電気・水道代 合計(円 /L) 1.8 L/hr. 100V, 15A 33.3 10.8 15.0 25.8 123,768 蒸留装置 5 L/hr. 200V, 20A 24 10.4 10.8 21.2 101,760 10 L/hr. 200V, 40A 20 10.4 9.0 19.4 232,800 3 L/hr. 100V, 0.8A 5.6 0.3 3.0 3.3 15,912 Elix 純水装置 5 L/hr. 100V, 0.8A 5.6 0.3 2.5 2.8 13,536 10 L/hr. 100V, 0.8A 4.1 0.3 1.8 2.1 25,740 ※ 1 日の純水使用量:20 L、1ヶ月に 20 に地下道の場合。ただし、製造能力 10 L/hr. の装置は 1 日の使用量を 50 L とした。 ※※ 電気代は 13(円 /kwh)、水道代は 0.45(円・L)として算出。 純水=蒸留水のようにイメージしがちですが、純水精製技術も日々 進化しています。純水を使用する際には、その精製方法と水質の 特徴を理解した上で、適切な純水精製技術を選定・使用すること が重要です。純水装置を新たに導入するときや、使用中の純水装 置・蒸留器からの更新をするときには、Elix 方式の装置も検討候 補のひとつに入れてみてはいかがでしょうか。 7
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徹底検証! 蒸留水とElix水の 水質の違いと原因 RO膜と連続イオン交換によって精製されるElix水 図 累積採水量ごとの蒸留器タンク内生菌数 RO 膜と連続イオン交換によって精製される Elix 水と、従来から よく使われている蒸留水は、分類上は同じ純水です。しかし、一 口に純水といっても精製法によって純度や性質は大きく異なりま す。Elix 水って何? 蒸留水と何が違うの? という人のために、 この記事では蒸留水と Elix 水の水質の違いをいくつかの実験で 徹底検証します。 まずは、タンクに1日貯留された蒸留水と Elix 水の水質を比較し ます。なぜタンクの中の純水を比べるのかというと、これが通常 の実験で用いる条件に近いからです。純水の製造装置は1時間に 数 L という速さでしか純水を製造できず、それでは実験に使えま せん。そのため、実験をしていないときも製造し、タンクに溜め ておく必要があるのです。 水質の評価は、 無機物量が多いほど小さな値になる比抵抗値と有 機物量が多いほど大きな値になる TOC の値で行いました。 一方、装置と貯水タンクの両方に UV ランプが設置されている Elix 表 蒸留水と Elix 水の水質の比較 水のタンクでは、2.7 ± 3.8 cfu/mL にまで生菌数を低減できてい 蒸留水 Elix 水 ました。UV ランプが生菌数の低減に有効であることが再確認され ました。貯水タンクについては、Elix 装置では 3 層エアベントフィ 比抵抗値(M Ω・cm) 1.03 3.2 ルターが貯水タンクについて貯水時の水質劣化を最小限に抑えて TOC(ppb) 170.5 95.4 いますが、一般的な蒸留器の貯水タンクには簡易フィルターがつ いているだけで、この状態で貯水しても、タンクにたまっている間 2つの純水の違いは、この表を見れば一目瞭然。Elix 水はタンク に純水が外気の汚染を受けて水質が劣化してしまうのです。 に1日貯留された蒸留水より、無機物量が約3倍少なく、有機物 以上の結果より、蒸留水と Elix 水はどちらも純水に分類されます 量も約 1.8 倍少ないことがわかります。 が、水質に大きな差があることがわかりました。正確な実験結果 なぜ蒸留水では不純物が多くなってしまうのでしょうか。蒸留水 を出すためには、有機物・無機イオン・微生物に万全の対策が採 の有機物量が多くなる原因のひとつとして考えられるのが、タン られている装置を選択するのが重要です。実験室の装置がどのよ ク内の微生物発生です。次にお見せする図は蒸留器からの累積 うなタイプの装置なのか、この機会にしっかりと確認しててくださ 採水量と生菌数を調べたグラフです。これは冬季に測定した結果 い。もし十分な水質を得られていない疑いが生まれた場合はボト ですが、夏になってタンク内水温が高くなるとさらに急増すると考 ル入りの純水を購入して実験結果を比較してみるのもひとつの方 えられます。 法かもしれませんね。 メルク公式アカウント サイエンス系 かんたんカタログ検索 友だち追加は お役立ちメディア カタログ コチラ M-hub ファインダー メルク ライフサイエンス公式 Facebook ページ メルク ライフサイエンス公式 Twitter アカウント メルク ライフサイエンス - メールニュース メルク ライフサイエンス - Merck で検索 メルク ライフサイエンス - Merck で検索 www.merckmillipore.jp/wm 掲載価格は希望販売価格(税別)です。実際の価格は弊社製品取扱販売店へご確認ください。なお、品目、製品情報、価格等は予告なく変更される場合がございます。予めご了承ください。記載内容は2020年6月時点の情報です。 Merck, the vibrant M, and Milli-Q are trademarks of Merck KGaA, Darmstadt, Germany or its affiliates. All other trademarks are the property of their respective owners. Detailed information on trademarks is available via publicly accessible resources. ©2020 Merck KGaA, Darmstadt, Germany. All rights reserved. ライフサイエンス ラボウォーター事業部 〒 153-8927 東京都目黒区下目黒 1-8-1 アルコタワー 5F 製品の最新情報はこちら www.merckmillipore.com/LW On-Line: www.merckmillipore.com/jpts Tel: 03-4531-3939 Fax: 03-5434-4875 LWM219-2006-PDF-H