JP2005238135A - 膜分離装置の洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストを抑制しつつ膜分離装置の洗浄を行って、分離膜の性能回復を図る膜分離装置の洗浄方法を提供する。
【解決手段】 本発明の膜分離装置の洗浄方法は、原液を分離膜に膜透過させて該原液から分離対象物質を分離し、透過液を生成する膜分離装置の洗浄方法であって、前記原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度との差による浸透圧により、前記分離膜に透過液側から液体を膜透過させて、前記分離膜を洗浄することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、逆浸透膜やナノ濾過膜等の分離膜を用いて海、河川、湖沼等の原水から透過水を製造する膜分離装置の洗浄方法に関する。

海水、河川水、地下水及び井水の淡水化、浄水、排水等については、膜分離技術が適用されている。特に、従来困難であった液質に対して膜分離技術の応用がなされている。この膜分離技術としては、例えば限外濾過（ＵＦ；Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）膜や逆浸透（ＲＯ；Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ）膜等の逆浸透膜を用いる方法がある。

膜分離を行う原液中には、有機物、懸濁物質、コロイド性物質、溶存性物質等（以下、膜汚染物質と言う）が多く含まれる。この為、例えば、逆浸透膜を用いた膜分離装置により原液を膜分離しようとすると、これらの膜汚染物質が逆浸透膜の膜面に堆積して、水の透過速度を低下させるなど逆浸透膜の分離性能の低下を引き起こす。又、圧力損失を増加させたり、逆浸透膜モジュールの破損を招来する。従って、膜性能を回復させる為には、膜面の堆積物を除去すべく、定期的に膜分離装置を洗浄する必要がある。

膜分離装置の洗浄を行う場合、一般的には、膜面の膜汚染物質の種類に応じて薬品を選定する。例えば、膜汚染物質が有機物やシリカスケールである場合、通常ｐＨ１０〜１２の水酸化ナトリウム水溶液で洗浄を行う。

カルシウム塩、リン酸塩、マグネシウム塩などはｐＨが高くなると溶解度が低くなる。この為、アルカリ洗浄の目的で水酸化ナトリウム水溶液等を用いると、これらの塩を多く含む原液のｐＨが高くなり、これらの塩の飽和溶解度を越えた場合には塩が析出して、更に膜のスケーリングを引き起こすこととなる。特に、系内に濃縮液が残存している場合、濃縮液の塩濃度は原液の数倍になっており、膜のスケーリングの可能性は一層高くなる。

よって、予めイオン交換器等で軟水化した水、水道水、膜分離装置が逆浸透膜装置であればその透過液で膜分離装置の系内を置換して、スケーリングの原因となる塩濃度を下げる操作を行う必要がある。しかし、この方法では、膜分離装置の系内を置換するだけでも大量の水が必要であり、また、それを貯留するタンクも大型のものとなる。

本発明は、前記従来の課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、コストを抑制しつつ膜分離装置の洗浄を行って分離膜の性能回復を図る膜分離装置の洗浄方法を提供することにある。

本願発明者等は、上記従来の問題点を解決すべく、膜分離装置の洗浄方法について鋭意検討した。その結果、以下の構成とすることにより前記目的を達成できることを見出して、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明に係る膜分離装置の洗浄方法は、原液を分離膜に膜透過させて該原液から分離対象物質を分離し、透過液を生成する膜分離装置の洗浄方法であって、前記原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度との差による浸透圧により、前記分離膜に透過液側から液体を膜透過させて、該分離膜を洗浄することを特徴とする。

前記方法に於いては、原液側の溶質濃度が、透過液側の溶質濃度より高いことが好ましい。

又、前記方法に於いては、前記透過液に洗浄剤を添加するのが好ましい。

更に、前記方法に於いては、前記原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度との差による浸透圧は、０．０１〜２０．０ＭＰａの範囲内であることが好ましい。

更に、前記方法に於いては、前記原液から分離対象物質を分離させて透過液を生成する分離操作が、原液側に浸透圧より大きい圧力を印加して行うものである場合に、前記圧力の印加を低減し又は無印加にして、前記原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度との差による浸透圧により、分離膜を洗浄することが好ましい。

本発明の構成であると、原液を分離膜に膜透過させて該原液から分離対象物質を分離し、透過液を生成する膜分離装置に於いて、原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度の差による浸透圧により、透過液側から原液側に液体を逆流させる。液体が分離膜を膜透過することにより、分離膜の膜面、より詳細には原液側に付着した膜汚染物質を物理的に除去する。その結果、膜汚染物質の析出による膜面でのスケールを除去し膜性能の回復を図る。

又、透過液側から原液側に膜透過させて膜汚染物質を除去するので、原液側から分離膜の膜面を洗浄する場合と比較して、洗浄効率が向上する。よって、洗浄に要する液体の供給量を低減させることができ、運転コストの抑制が図れる。又、上述の通り、本発明に係る洗浄は浸透圧を利用したものであるので、圧力を加えて洗浄するなど特別の駆動力を必要とするものではない。従って、洗浄用の特別な装置を必要とせず、設備コストの抑制が図れる。

更に、透過液側に洗浄剤を添加することにより、該洗浄剤が膜面に付着した膜汚染物質を脱離、溶解又は分解する。即ち、前記構成であると、透過液の逆流による物理的な洗浄に加えて、化学的な作用により一層効果的な洗浄をすることができる。

本発明の実施の一形態について、図１に基づいて説明する。但し、説明に不要な部分は省略し、又、説明を容易にする為に拡大又は縮小等して図示した部分がある。

図１は、本発明に係る膜分離装置の概略構成を示す説明図である。但し、同図に於いては、実線で示す部分が本発明に係る膜分離装置である。同図に示すように、本実施の形態に係る膜分離装置は、原液タンク１と、膜モジュール２と、濾過器３等とを有する圧力駆動の膜分離システムである。更に、この膜分離システムは、洗浄水タンク４等の洗浄系システムも併せ持つ。

原液タンク１は原液を貯留する為のものであり、原液を供給する原液供給管５を介して、膜モジュール２及び濾過器３に接続されている。原液供給管５には、原液の供給量を調節する為の原液供給バルブ６が設けられている。

濾過器３は、原液中に含まれている懸濁物質を除去するものである。懸濁物質の除去により、分離対象物以外の物質により膜面が汚れて、膜の性能が低下する現象を抑止する。この濾過器３と原液タンク１との間には、この濾過器３に原液を供給する為の濾過ポンプ７が設けられている。

膜モジュール２は、原液から塩やタンパク質等を分離して透過液を生成するものである。該膜モジュール２としては、特に限定されるものではなく、スパイラル型膜モジュール、中空子型モジュールなど従来公知のものを採用することができる。又、膜モジュール２に於いて使用される分離膜としては特に限定されるものではなく、例えば逆浸透膜やナノ濾過 (ＮＦ；Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ) 膜等の液体分離膜を採用することができる。

この膜モジュール２と濾過器３との間には、該膜モジュール２に原液を送り出す為の高圧ポンプ８が設けられている。高圧ポンプ８は、原液の溶質濃度によって定まる原液自身の持つ化学ポテンシャル、即ち浸透圧以上の圧力で原液を分離膜面に供給する機能を有する。

又、膜モジュール２の透過液側には、透過液を排出する為の配管９が接続されている。配管９には、透過液の排出を調節する為のバルブ１０が設けられている。更に、膜モジュール２の原液側には、原液から塩等を分離した後の濃縮液等を排出する為の排出管１１が設けられている。排出管１１には、圧力を調節する為の調節バルブ１２と、濃縮液を排出する為のバルブ１４とが設けられている。

洗浄水タンク４は、膜モジュール２等を洗浄する為の洗浄水を貯留する為のものであり、洗浄水供給管１３が接続されている。更に、この洗浄水供給管１３は、膜モジュール２の透過液側に洗浄水を導く為に、配管９に接続されている。洗浄水供給管１３には、透過液の流路の開閉及び流量の調節が可能な洗浄水供給バルブ１５が設けられている。

次に、本実施の形態に係る膜分離装置の動作について説明する。

先ず、膜分離装置の脱塩運転時について述べる。この場合、原液供給バルブ６、バルブ１０及びバルブ１４は開状態となっている。又、前記調節バルブ１２は、膜モジュール２に於いて適切な逆浸透圧がかかり、かつ、濃縮液が排出される様に僅かに開状態となっている。一方、洗浄水供給バルブ１５は、閉状態となっている。原液タンク１から供給される原液は、濾過ポンプ７により濾過器３に送出される。更に、濾過器３で濾過された後、高圧ポンプ８により膜モジュール２に送出される。原液は膜モジュール２で分離対象物質と分離され、透過液が生成される。透過液は配管９及びバルブ１０を通過して回収される。尚、洗浄水として透過水（透過液）を使用する為に洗浄水タンク４にこれを貯留する場合には、バルブ１０を閉状態とし、かつ、洗浄水供給バルブ１５を開状態とする。これにより、膜モジュール２における分離操作により得られた透過水を洗浄水供給管１３に流して洗浄水タンク４に貯留することができる。

膜分離装置の洗浄は、次の様にして行う。即ち、調節バルブ１２を開放し、逆浸透圧を低下させる。更に、バルブ１０を閉鎖し、洗浄水供給バルブ１５を徐々に開状態にする。洗浄水タンク４に於ける透過液が洗浄水供給管１３を通って膜モジュール２の透過液側から流入する。膜モジュール２に於いては、原液側の溶質濃度は、透過液側の溶質濃度より高いので、浸透圧により透過液が膜透過して原液側に流入する。これにより、分離膜の膜面付着した膜汚染物質を除去し、分離膜の機能回復と圧力損失の低減が可能となる。尚、洗浄の際も、濾過器３、濾過ポンプ７及び高圧ポンプ８は運転している。

ここで、本発明に於いては、原液側と透過液側の塩濃度差による浸透圧が０．０１〜２０．０ＭＰａの範囲内となるのが好ましく、０．１〜７．０ＭＰａの範囲内となるのがより好ましい。浸透圧が０．０１ＭＰａより小さいと、流速が小さくなり膜表面の洗浄が不十分となる。その一方、浸透圧が２０．０ＭＰａより大きいと分離膜へのダメージが大きくなる。

本発明に於いては、原液側に透過液又は塩等を添加してもよい。透過液の添加により、浸透圧が２０．０ＭＰａより大きくなるのを防止することができる。又、塩の添加により浸透圧０．０１ＭＰａより小さくなるのを防止することができる。前記塩としては、特に限定されるものではなく、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）、又は硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）等が挙げられる。但し、浸透圧を生じるものであればこれら以外のものでも構わない。また、塩以外にも糖類を添加しても良い。

又、透過液側に洗浄剤を添加する等して化学的洗浄法を併用しても良い。洗浄剤は、膜面に付着した膜汚染物質に対し、脱離、溶解又は分解作用を示す。よって、透過液の逆流による膜面の洗浄という物理的洗浄に加えて、化学的洗浄を同時に行うことができる。この結果、膜性能の回復を一層向上させることができる。

前記洗浄剤としては、特に限定されるものではなく、膜面の膜汚染物質の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、膜汚染物質が無機物の場合、洗浄剤は酸であることが好ましい。かかる酸としては、例えば塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸や、シュウ酸、クエン酸、リン酸等の有機酸が挙げられる。このとき、酸が添加された場合の透過液のｐＨは、１〜５の範囲内であることが好ましい。ｐＨが１より小さいと膜性能の低回という不都合がある。その一方、ｐＨが５より大きいと洗浄作用が低下するという不都合がある。

又、膜汚染物質が有機物、微生物等の有機物やシリカスケールの場合には、前記洗浄剤はアルカリであることが好ましい。かかるアルカリとしては、例えば〜等が挙げられる。このとき、アルカリが添加された場合の透過液のｐＨは、９〜１１の範囲内であることが好ましい。ｐＨが９より小さいと洗浄作用が低下するという不都合がある。その一方、ｐＨが１１より大きいと膜性能低下という不都合がある。

又、膜汚染物質が有機物の場合には、界面活性剤であることが好ましい。かかる界面活性剤としては、例えばドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等が挙げられる。ここで、界面活性剤の添加濃度は、１０〜１００ｐｐｍの範囲内であることが好ましい。この数値範囲外であると、洗浄効果の低下という不都合がある。

又、膜汚染物質が有機物又は微生物の場合には、還元剤又は酸化剤であることが好ましい。前記還元剤としては、亜硫酸水素ナトリウム等が挙げられる。ここで、還元剤の添加濃度は、１００〜１０００ｐｐｍの範囲内であることが好ましい。この数値範囲外であると、洗浄効果の低下という不都合がある。その一方、前記酸化剤としては、次亜塩素酸ナトリウム等が挙げられる。ここで、酸化剤の添加濃度は、０．５〜１００ｐｐｍの範囲内であることが好ましい。この数値範囲外であると、洗浄効果の低下という不都合がある。又、１００ｐｐｍより大きい場合には、膜性能が低下する。

洗浄時間や洗浄水の液温等の洗浄条件は、膜汚染物質の性状と分離膜の対薬品性により適宜設定すればよい。

以下、実施例に基づいて、本発明の内容を具体的に説明する。

（実施例１）
本実施例１に於いては、海水を脱塩する（淡水化）逆浸透膜分離装置の洗浄を行った。

先ず、逆浸透膜分離装置において、分離膜としてＲＯ膜を用いたスパイラル型の膜モジュール２により、３．５％ＮａＣｌ水溶液（海水）の原液を濃縮水と透過液とに分離する操作を行った。分離操作時の原液の供給流量は７．５ｍ^３／ｈであり、透過液の流量は３．４ｍ^３／ｈであり、濃縮水の流量は４．１ｍ^３／ｈであった。その結果、この分離操作により水の透過速度が運転開始初期値に比べて７０％まで低下した。

次に、逆浸透膜分離装置の洗浄を実施した。逆浸透膜には、主として鉄（Ｆｅ）を含む膜汚染物質が付着していた。

本実施例１に於いては、原液側には塩等を添加せずに洗浄を実施した。その理由は、次の通りである。即ち、原液の塩分濃度は約 ３．５％であり、その浸透圧はＮａＣｌ換算で約３．０ＭＰａである（図２参照）。一方、透過液側の塩濃度は０．０５％以下であり、その浸透圧は０に近くなる。つまり、浸透圧差は約３．０ＭＰａとなる。浸透圧差が約３．０ＭＰａ程度であれば、十分に透過水の逆流を引き起こすことができるからである。

一方、本実施例１に於いては、洗浄水タンク４に塩酸を添加し、ｐＨを２に調整した。

以上の様な条件で、調節バルブ１２、バルブ１４及び洗浄水供給バルブ１５を開状態とし、原液供給バルブ６及びバルブ１０を閉状態として、膜分離装置の洗浄を３０分間行った。洗浄水の供給量は３ｍ^３／ｈとした。その後、脱塩運転を再開したところ、洗浄後の水の透過速度は、運転開始初期値に比べて９７％にまで回復した。

（比較例１）
本比較例１に於いては、前記実施例１に於いて用いた逆浸透膜分離装置に於いて、異なる洗浄システムにより洗浄した以外は、前記実施例１と同様の操作を繰り返して、逆浸透膜分離装置の洗浄を行った。

先ず、その洗浄システムについて述べる。即ち、洗浄水タンク４には、洗浄水を原液供給管５に導く為の配管２１が設けられている。この配管２１には、原液供給管５の濾過ポンプ７の上流側に接続されている。又、配管２１には、洗浄水の供給量を調節する為のバルブ２２が設けられている。

配管２３は、洗浄水供給管１３に接続して設けられている。更に、この配管２３には、バルブ２４が設けられている。

前記の様な洗浄システムに於いて、膜分離装置の洗浄を行った。即ち、洗浄は、原液供給バルブ６、バルブ１４及び洗浄水供給バルブ１５を閉状態とし、バルブ２２、調節バルブ１２及びバルブ２４を開状態として行った。これにより、洗浄水タンク４から供給される透過水が、配管２１及び原液供給管５を通って膜モジュール２に到達し、逆浸透膜の原水側を洗浄した。更に、透過水は調節バルブ１２を通過して配管２３を通り、再び洗浄水タンク４に戻り循環させた。尚、本比較例に於いては、５ｍ^３／ｈの大量の透過水を使用した。又、洗浄時間は前記実施例１と同様とした。

以上の様な方法で逆浸透膜の洗浄を行った結果、洗浄後の水の透過速度は運転開始初期値に比べて７５％まで回復した。

（実施例２）
本実施例２に於いては、河川水から透過水を分離生成する膜分離装置の洗浄を行った。

先ず、膜分離装置において、ＲＯ膜を用いた膜モジュール２により、原液としての河川水を濃縮水と透過液とに分離する操作を行った。その結果、この分離操作により水の透過速度が運転開始初期値に比べて６０％まで低下した。

次に、膜分離装置の洗浄を実施した。逆浸透膜には、主として有機物を含んだスライムが付着していた。

本実施例２に於いては、脱塩の運転停止前に原液タンク１に塩（ＮａＣｌ）を添加し浸透圧を高めてから洗浄を実施した。

一方、洗浄水タンク４中にアルカリであるＮａＯＨを添加し、ｐＨを１１に調整した。洗浄は、洗浄時間を約４０分間とし、洗浄水の供給量を３ｍ^３／ｈとした以外は、前記実施例１と同様にして行った。その後、脱塩運転を再開したところ、洗浄後の水の透過速度は、運転開始初期値に比べて９５％にまで回復した。

本発明の実施の一形態に係る膜分離装置の概略構成を示す説明図である。 塩化ナトリウム水溶液の濃度（％）と浸透圧との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 原液タンク
２ 膜モジュール
３ 濾過器
４ 洗浄水タンク
５ 原液供給管
６ 原液供給バルブ
７ 濾過ポンプ
８ 高圧ポンプ
９ 配管
１０ バルブ
１１ 排出管
１２ 調節バルブ
１３ 洗浄水供給管
１４ バルブ
１５ 洗浄水供給バルブ

Claims (5)

1. 原液を分離膜に膜透過させて該原液から分離対象物質を分離し、透過液を生成する膜分離装置の洗浄方法であって、
   前記原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度との差による浸透圧により、前記分離膜に透過液側から液体を膜透過させて、該分離膜を洗浄することを特徴とする膜分離装置の洗浄方法。
2. 原液側の溶質濃度は、透過液側の溶質濃度より高いことを特徴とする請求項１に記載の膜分離装置の洗浄方法。
3. 前記透過液に洗浄剤を添加することを特徴とする請求項１又は２に記載の膜分離装置の洗浄方法。
4. 前記原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度との差による浸透圧は、０．０１〜２０．０ＭＰａの範囲内であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の膜分離装置の洗浄方法。
5. 前記原液から分離対象物質を分離させて透過液を生成する分離操作が、原液側に浸透圧より大きい圧力を印加して行うものである場合に、
   前記圧力の印加を低減し又は無印加にして、前記原液側の溶質濃度と透過液側の溶質濃度との差による浸透圧により、分離膜を洗浄することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の膜分離装置の洗浄方法。
   
   
   
   
   

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