JP5079372B2 - 膜分離方法および膜分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、逆浸透膜モジュールの供給液と濃縮液の両者を監視することができる膜分離方法および膜分離装置に関する。

逆浸透膜による分離技術は、かん水、海水等の脱塩による淡水化や、超純水の製造等に幅広く利用されている。しかし、処理の継続に伴い逆浸透膜の透過流束が低下し、操作圧力が上昇するため、この場合には、膜性能を回復させるために、運転を停止して逆浸透膜を洗浄する処理が必要となる。

従来、逆浸透膜を用いて水処理を行う場合、このような膜洗浄頻度を低減して、処理効率を高めるために、逆浸透膜装置への供給水を種々の方法で評価し、この値が規定値以下となるように必要に応じて前処理を実施し、逆浸透膜供給水をある程度清澄にすることにより、逆浸透膜装置における透過流束の低下や操作圧力の上昇などの障害を避け、安定運転を継続する方法が実施されている。

このような評価としては、ＪＩＳ Ｋ３８０２に定義されているファウリングインデックス（ＦＩ）、又はＡＳＴＭ Ｄ４１８９に定義されているシルトデンシティインデックス（ＳＤＩ）や、より簡便な評価方法として谷口により提案されたＭＦ値（Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．２０，ｐ．３５３−３６４，１９７７）が知られている。

このＦＩ値、ＳＤＩ値、ＭＦ値は、いずれも逆浸透膜供給水を孔径０．４５μｍの精密濾過膜で濾過したときの所定の濾過時間を測定し、この測定値に基いて算出される。そして、下記の特許文献１には、このような精密濾過膜を用いて、逆浸透膜装置に供給される水の良否を評価し、この評価結果に基づいて運転管理を行う逆浸透膜装置が開示されている。

しかし、この逆浸透膜装置では、供給水の評価をして運転管理をしているものの、何らかの原因で逆浸透膜にスケール等の問題が現実に生じた場合、これを供給水の精密濾過膜によって評価できるものではなかった。

また、下記の特許文献２には、副モジュールを主モジュールに並列に設け、同じ供給水を供給して同一の条件で逆浸透膜分離を行いながら、副モジュールの動作状態を監視する膜分離装置が開示されている。そして、副モジュールとして、膜面積が小さい点、透過流束を監視する点、有効差圧を監視する点などが、記載されている。

しかしながら、この膜分離装置において、例えばスケール等の問題が生じる場合、これを確実に検出するには、副モジュールにおいて供給側流路での濃度分極が、主モジュールより生じにくい構造にするなど、構造上の工夫が必要になり、検出の確実性、具体性が低いという問題があった。

特開２００４−１８８３８７号公報 特開平１０−２８６４４５号公報

そこで、本発明の目的は、供給液の評価が可能であると共に、逆浸透膜に生じるスケール等の問題をより直接的に監視することができる膜分離方法および膜分離装置を提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の膜分離方法は、供給液を逆浸透膜モジュールに供給して透過液と濃縮液とを得る膜分離方法において、前記供給液を膜面が監視可能な供給側分離膜に導いて膜分離を行うと共に、前記濃縮液を膜面が監視可能な濃縮側分離膜に導いて膜分離を行うことを特徴とする。

本発明の膜分離方法によると、供給側分離膜だけでなく、濃縮液を導いて膜分離を行う濃縮側分離膜を設けており、これらが膜面を監視可能なものであるため、供給液の評価が可能であると共に、逆浸透膜に生じるスケール等の問題をより直接的に監視することができる。つまり、供給液の評価は、異物の混入などを供給側分離膜によって直接目視判断することができ、また染色剤の添加等によって、有機物、無機物、菌類などの監視などを行うことができる。また、スケール等については、濃縮側分離膜の膜面への堆積を目視によって、直接的に監視することができる。

上記において、前記濃縮側分離膜は平均孔径１μｍ以下の平膜であり、その平膜の供給側流路が透明材料で形成されていることが好ましい。このような平均孔径の平膜によって、生成するスケールを膜面に捕捉することができ、供給側流路の透明材料を介して、目視や画像解析などによって、スケール等をより簡易に監視することができる。

また、前記供給側分離膜の透過流量を計測すると共に、前記濃縮側分離膜の透過流量を計測し、両者の透過流量の関係からスケール生成の有無を判断することが好ましい。スケールが生成すると、供給側分離膜と比較して濃縮側分離膜の透過流量の低下が顕著になるため、両者の透過流量を計測することによって、両者の関係からスケール生成の有無を容易に判断することできる。

一方、本発明の膜分離装置は、供給液を供給して透過液と濃縮液とを得る逆浸透膜モジュールを備える膜分離装置において、膜面が監視可能な分離膜を有し、前記供給液を導いて膜分離を行う供給側膜分離手段と、膜面が監視可能な分離膜を有し、前記濃縮液を導いて膜分離を行う濃縮側膜分離手段とを設けたことを特徴とする膜分離装置。

本発明の膜分離装置によると、供給側膜分離手段だけでなく、濃縮液を導いて膜分離を行う濃縮側膜分離手段を設けており、これらが膜面を監視可能なものであるため、供給液の評価が可能であると共に、逆浸透膜に生じるスケール等の問題をより直接的に監視することができる。つまり、供給液の評価は、異物の混入などを供給側の分離膜によって直接目視判断することができ、また染色剤の添加等によって、有機物、無機物、菌類などの監視などを行うことができる。また、スケール等については、濃縮側の分離膜の膜面への堆積を目視によって、直接的に監視することができる。

また、上記の理由より、前記濃縮側膜分離手段の分離膜は平均孔径１μｍ以下の平膜であり、その平膜の供給側流路が透明材料で形成されていることが好ましい。

更に、上記の理由より、前記供給側膜分離手段の透過流量を計測する供給側流量計測手段と、前記濃縮側膜分離手段の透過流量を計測する濃縮側流量計測手段とを更に設けたものが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の膜分離装置の一例を示す概略構成図である。

本発明の膜分離方法は、供給液を逆浸透膜モジュールに供給して透過液と濃縮液とを得る膜分離方法ものである。このような膜分離方法は、本発明の膜分離装置を用いて好適に実施することができる。

即ち、本発明の膜分離装置は、図１に示すように、供給液を供給して透過液と濃縮液とを得る逆浸透膜モジュール３を備える。本実施形態では、３基の逆浸透膜モジュール３ａ〜３ｃを並列に接続した逆浸透膜モジュール３が設けられた例を示す。

逆浸透膜モジュール３としては、例えば、スパイラル型、中空糸型、チューブラー型、フレームアンドプレート型等の任意のものが用いられるが、逆浸透膜、供給側流路材及び透過側流路材が、有孔の中心管の周りに巻きつけられているスパイラル型分離膜エレメントを用いるスパイラル型が好ましい。逆浸透膜モジュール３は、単数又は複数の膜エレメントを備えるものが使用できる。複数の膜エレメントは、通常直列に接続され、複数の逆浸透膜モジュールを直列または並列に接続してもよい。

逆浸透分離モジュール３で用いる逆浸透膜を構成する素材は、特に限定されず、例えば、酢酸セルロース、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエステル等の各種高分子素材を用いることができる。

逆浸透膜の膜形態としては、中空糸、平膜、チューブラー膜などがあり、平膜は、スパイラル、フレームアンドプレートのモジュールに組み込んで使用することができ、中空糸は、複数本を束ねたものをモジュールに組み込んで使用することができる。

供給液の供給は、例えばポンプＰ１によって行われ、経路１からの供給液は所定の運転圧に昇圧される。昇圧された供給液は、経路２を介して逆浸透膜モジュール３に供給される。逆浸透膜モジュール３では、逆浸透膜分離が行われ、塩類等が除去された透過液が経路４を経て取り出され、塩類等が濃縮された濃縮液が経路５を経て取り出される。

逆浸透膜モジュール３からの濃縮液は、排液として放出してもよいが、回収率を高めるために供給液側に一部循環させることも可能である。逆浸透膜モジュール３からの透過液は、次段の逆浸透膜モジュールに供給されたり、貯槽に蓄えられた後に、使用等される。

本発明の膜分離方法は、上記のような膜分離方法において、前記供給液を膜面１１ａが監視可能な供給側分離膜１１に導いて膜分離を行うと共に、前記濃縮液を膜面２１ａが監視可能な濃縮側分離膜２１に導いて膜分離を行うことを特徴とする。

また、本発明の膜分離装置は、膜面１１ａが監視可能な分離膜１１を有し、供給液を導いて膜分離を行う供給側膜分離手段１０と、膜面２１ａが監視可能な分離膜２１を有し、濃縮液を導いて膜分離を行う濃縮側膜分離手段２０とを設けたことを特徴とする。

本実施形態では、供給側膜分離手段１０の透過流量を計測する供給側流量計測手段３１と、濃縮側膜分離手段２０の透過流量を計測する濃縮側流量計測手段３２とを更に設け、両者の透過流量の関係からスケール生成の有無を判断する例を示す。

供給側膜分離手段１０は、膜面１１ａが監視可能な分離膜１１を有していればよいが、本発明において「監視可能」とは、膜面１１ａ付近の状態を、目視や分析装置によって観察又は検出等できることを指す。このため、分離膜１１，２１は、平膜に限らず、外圧式の中空糸膜や、平膜をプリーツ化したものなども使用可能であるが、好ましくは、膜面１１ａの監視が容易なため、平膜の場合である。

供給側膜分離手段１０としては、平膜をセットでき、供給側流路が透明材料１２で形成されているものが好ましい。例えば、分離膜１１を組み込んで膜面１１ａの汚れが観察できるような、全量ろ過タイプの分離膜セルや、クロスフロータイプの分離膜セルが使用可能である（濃縮側膜分離手段２０も同様）。また、分光学的方法、画像解析による方法、微量サンプリングによる方法などを利用した分析が可能な分離膜セルも使用可能である。

透明材料１２，２２は、無色透明でも有色透明でもよいが、自然光または分析光の透過率が大きい材料が好ましい。図示した全量ろ過タイプの分離膜セルでは、例えば分離膜１１，２１の透過側流路を形成してある本体部１３，２３と、これに内装されて分離膜１１，２１を支持する多孔質支持体と、シール材等を介して本体部１３，２３に、ボルト等で締結される透明材料１２，２２とを備えている。なお、全量ろ過タイプの分離膜セルを用いると、異物の存在を、確実に発見、検出等することができるという利点がある。

供給側膜分離手段１０には、供給液の経路２から分岐した経路２ａによって、供給液が導かれる。このとき供給側膜分離手段１０の運転圧力と、逆浸透膜モジュール３の運転圧力とが大きく異なる場合、圧力調整弁１５および圧力計１６を設けて、供給側膜分離手段１０の運転圧力を調整するのが好ましい。

供給側膜分離手段１０では、例えば、ゴミ、微粒子等の流入物等の異物は、そのままでも平均孔径１μｍ以下の精密ろ過膜によって膜面１１ａ上に分離することができ、これを目視により監視することができる。監視は、常時又は間欠的に行う方法でも、膜分離装置に異常が生じた際にだけ監視する方法でもよい。

本実施形態では、供給側膜分離手段１０に導く供給液の経路２ａに対して、染色剤が添加され、染色物を検出する検出手段３４を設ける例を示す。染色剤は、例えばポンプ３３によって、染色剤の貯槽から供給される。染色剤を添加することによって、供給液として問題となる有機物、無機物、菌類などの監視を検出手段３４によって容易に行うことができる。染色剤は、常時又は間欠的に添加する方法でも、異常が生じた際にだけ添加する方法でもよい。

有機物に対する染色剤としては、トルイジンブルー、アルシアンブルー（何れも和光純薬工業）等が挙げられる。有機物は、その性状等に応じて、精密ろ過膜、限外ろ過膜、又は逆浸透膜によって膜面１１ａ上に分離することができ、これを目視又は分析により監視することができる。但し、逆浸透膜モジュール３に使用される分離膜と同じものを使用することで、その膜面の状況を再現して、より直接的に監視することができる。分析による検出方法としては、分光測色計による測定や、分光光度計による膜面の反射光を測定して、有機物の判定や定量を行うことができる。

問題となる無機物に対する染色剤としては、それに吸着性を示す染料等が挙げられる。問題となる無機物は、その性状等に応じて、精密ろ過膜、限外ろ過膜、又は逆浸透膜によって膜面１１ａ上に分離することができ、これを目視又は分析により監視することができる。分析による検出方法としては、分光測色計による測定や、分光光度計による膜面の反射光を測定して、無機物の判定や定量を行うことができる。

菌類に対する染色剤としては、塩化２，３，５−トリフェニルテトラゾリウムや、アデノシン三リン酸（蛍光染色）等が挙げられる。菌類は、平均孔径１μｍ以下の精密ろ過膜によって膜面１１ａ上に分離することができ、これを目視又は分析により監視することができる。分析による検出方法としては、分光測色計による測定や、分光光度計による膜面の反射光を測定して、菌類の定量を行うことができる。また、菌類に対しては、酵素基質等を添加することで発色や発光させることができ、これにより菌種を特定することも可能である。

このようにして、供給液を監視する場合、常時又は定期的な監視によって、供給液の汚染の有無や適正度が確認できる。また、逆浸透膜モジュール３に異常が生じた場合の監視では、モジュールを解体することなく、その原因を究明することができ、迅速な対応（有機物、菌類に対してはアルカリ洗浄）が可能となる。

一方、濃縮側膜分離手段２０には、濃縮液の経路５から分岐した経路５ａによって、濃縮液が導かれる。このとき濃縮側膜分離手段２０の運転圧力と、逆浸透膜モジュール３の運転圧力とが大きく異なる場合、圧力調整弁２５および圧力計２６を設けて、濃縮側膜分離手段２０の運転圧力を調整するのが好ましい。

濃縮側膜分離手段２０は、膜面２１ａが監視可能な分離膜２１を有していればよく、供給側膜分離手段１０と同様のものを採用することができる。但し、スケールの監視を効率よく行う上で、濃縮側膜分離手段２０の分離膜２１は、平均孔径１μｍ以下の平膜（精密ろ過膜）であることが好ましい。

スケールとは、供給液に含まれるミネラル成分等がモジュール内で濃縮され溶解度以上の濃度になったときに析出する無機塩類である。析出する無機塩類は、１μｍ以上に成長するため、分離膜２１の膜面２１ａ上に分離することができ、スケールの有無を目視で判断することができる。スケールの発生時には、酸洗浄を行うのが有効である。

スケール生成の有無をより確実に判断するには、供給側膜分離手段１０の透過流量を計測する供給側流量計測手段３１と、濃縮側膜分離手段２０の透過流量を計測する濃縮側流量計測手段３２とを更に設け、両者の透過流量の関係からスケール生成の有無を判断するのが望ましい。

流量計測手段３１，３２としては、目視タイプのものでもよいが、電気信号によってスケール生成の有無を自動判定するなど場合、流量に応じた検出信号を出力できるものが好ましい。スケールが生成すると、供給側分離膜１１と比較して濃縮側分離膜２１の透過流量の低下が顕著になるため、例えば、両者の透過流量変化の度合い（微分値など）を計算して比較することによって、スケール生成の有無を判断することできる。

以上のような本発明の膜分離方法および膜分離装置は、かん水、海水等の脱塩による淡水化や、超純水の製造等、廃液処理、汚水処理、その他の水処理などに好適に使用できる。その際、供給液の評価が可能であると共に、逆浸透膜に生じるスケール等の問題をより直接的に監視することができるため、逆浸透膜の透過流束の低下を招くことなく、長期間にわたって逆浸透膜装置を安定して運転することができ、また実際に問題が生じた場合でも、監視結果に応じた迅速かつ効果的な対応が可能となる。

［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、供給側膜分離手段及び濃縮側膜分離手段として、全量ろ過タイプの分離膜セルを用いる例を示したが、本発明では、図２に示すようなクロスフロータイプの分離膜セルを、供給側膜分離手段及び濃縮側膜分離手段の少なくとも一方に用いることも可能である。クロスフロータイプの分離膜セルを用いることで、膜面の目詰まりなどを防止して、長期間にわたって供給液の監視を行うことができる。

図２に示す例では、例えば分離膜１１の透過側流路を形成してある本体部１３と、これに内装されて分離膜１１を支持する多孔質支持体と、シール材等を介して本体部１３に、ボルト等で締結される透明材料１２とを備えており、透明材料１２によって形成された供給側流路の上流側には供給液の導入口１２ａを、供給側流路の下流側には供給液の排出口１２ｂを設けてある。これによって膜面１１ａ上を矢印の方向に供給液が流動することで、膜面の目詰まりなどを効果的に防止して、長期間にわたって供給液の監視を行うことができる。

（２）前述の実施形態では、供給側膜分離手段及び濃縮側膜分離手段を常時設けてある例を示したが、本発明では、供給側膜分離手段及び／又は濃縮側膜分離手段を、膜分離装置に着脱可能に設けて、分析等の際に脱離して使用することも可能である。また、供給側膜分離手段及び／又は濃縮側膜分離手段を複数設けて、その何れかを膜分離装置に着脱可能に設けて、分析等の際に脱離して使用することも可能である。

また、膜分離装置から脱離させた供給側膜分離手段を用いて、検出した菌類を増殖させることで、菌類の増殖性を検査することも可能である。

（３）前述の実施形態では、供給側膜分離手段及び／又は濃縮側膜分離手段に精密ろ過膜や限外ろ過膜を使用するする例を示したが、本発明では、逆浸透膜を使用することも可能である。逆浸透膜を使用する場合、逆浸透膜モジュール３に使用される分離膜と同じ又は類似の膜を使用することで、その膜面の状況を再現して、より直接的に監視することが可能となる。その場合、特にクロスフロー方式で膜面が監視可能な分離膜により膜分離を行うことで、モジュール内での膜分離状態をより精度良く再現できるようになる（即ち、疑似モジュール化することができる）。また、濃縮水を導いて、クロスフロー方式で膜面が監視可能な分離膜により膜分離を行うことで、モジュール内での膜分離状態を加速試験的に評価することができる。特に、クロスフロー方式では、分離膜への吸着物の解析に有利となる。

（４）前述の実施形態では、供給側膜分離手段で分離後の透過液を系外に排出する例を示したが、本発明では、分離後の透過液をポンプＰ１より上流側に循環させることも可能である。これにより、膜分離装置における回収率を高めることができる。

（５）前述の実施形態では、逆浸透膜の洗浄手段を設けていない例を示したが、本発明では、監視した結果に基づいて、逆浸透膜の洗浄を行う洗浄手段を設けるのが好ましい。有機物、菌類に対してはアルカリ洗浄を行う洗浄手段が有効であり、スケールの発生時には、酸洗浄を行う洗浄手段が有効である。その他、逆流洗浄を行う逆洗浄手段を設けることも可能である。

本発明の膜分離装置の一例を示す概略構成図 本発明の膜分離装置の要部の他の例を示す斜視図

符号の説明

３ 逆浸透膜モジュール
１０ 供給側膜分離手段
１１ 供給側の分離膜
１１ａ 膜面
２０ 濃縮側膜分離手段
２１ 濃縮側の分離膜
２１ａ 膜面
３１ 供給側流量計測手段
３２ 濃縮側流量計測手段

Claims (6)

1. 供給液を逆浸透膜モジュールに供給して透過液と濃縮液とを得る膜分離方法において、
   前記供給液を膜面が監視可能な供給側分離膜に導いて膜分離を行うと共に、
   前記濃縮液を膜面が監視可能な濃縮側分離膜に導いて膜分離を行うことを特徴とする膜分離方法。
2. 前記濃縮側分離膜は平均孔径１μｍ以下の平膜であり、その平膜の供給側流路が透明材料で形成されている請求項１記載の膜分離方法。
3. 前記供給側分離膜の透過流量を計測すると共に、前記濃縮側分離膜の透過流量を計測し、両者の透過流量の関係からスケール生成の有無を判断する請求項１又は２に記載の膜分離方法。
4. 供給液を供給して透過液と濃縮液とを得る逆浸透膜モジュールを備える膜分離装置において、
   膜面が監視可能な分離膜を有し、前記供給液を導いて膜分離を行う供給側膜分離手段と、
   膜面が監視可能な分離膜を有し、前記濃縮液を導いて膜分離を行う濃縮側膜分離手段とを設けたことを特徴とする膜分離装置。
5. 前記濃縮側膜分離手段の分離膜は平均孔径１μｍ以下の平膜であり、その平膜の供給側流路が透明材料で形成されている請求項４記載の膜分離装置。
6. 前記供給側膜分離手段の透過流量を計測する供給側流量計測手段と、前記濃縮側膜分離手段の透過流量を計測する濃縮側流量計測手段とを更に設けた請求項４又は５に記載の膜分離装置。
   

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