JP2008238104A - 溶存ガス除去装置及び溶存ガス除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸内の滞留水を排出することができ、かつ溶存ガス除去効率の高い溶存ガス除去装置及びこの溶存ガス除去装置を用いた溶存ガス除去方法を提供する。
【解決手段】複数本の中空糸１４が束ねられ、該中空糸が下部側においてのみ結束部材１３によって互いに結束された中空糸モジュール１５がケーシング１２内に配置されている。ケーシング１２内の上部に気体溜まり部１６が形成され、中空糸１４の上端部が該気体溜まり部１６内に位置し、且つ該上端部よりも下側は被処理液に没した状態となるように通水及び通気を行う。不活性ガス導入口１２ｃから気体溜まり部１６に供給された不活性ガスは、中空糸１４の上端側から下端側に流れる。被処理液中の溶存ガスが中空糸１４の細孔から中空糸１４の内孔に拡散し、前記不活性ガスと共に中空糸１４の下端側から排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空糸内に不活性ガスを供給し、被処理液に溶存しているガスを中空糸の細孔を透過させて除去する溶存ガス除去装置及びこの溶存ガス除去装置を用いた溶存ガス除去方法に関する。

なお、本明細書において、中空糸の内孔とは、チューブ状中空糸を長手方向に貫通する内孔をいうものとし、中空糸の細孔とは、中空糸の壁部分を構成する合成樹脂に存在する微細孔をいうものとする。

ボイラー供給水は、通常、脱酸素処理される。また、逆浸透膜への供給液も脱酸素処理されることがある。

液中の溶存ガスを除去する方法として、特開昭６３−１５８１０７号公報には、疎水性の材質の薄膜からなるチューブの内側に不活性ガスを流し、該チューブの外側の水中に溶存するガス成分を該チューブの内側に拡散させて不活性ガスと共に排出させるようにした脱気方法が記載されている。

同号公報の第２図には、多数の中空糸を束状とし、これをタンク内に配置し、中空糸の外側に原水を流通させ、中空糸内に不活性ガスを流通させる構成が記載されている。
特開昭６３−１５８１０７号公報

上記特開昭６３−１５８１０７号の第２図の溶存ガス除去装置では、中空糸の束の内部（中央側）の中空糸は水と接触しにくく、脱ガス効率が低い。

また、中空糸内に流通させる不活性ガスが水分を含んでいる場合、中空糸内部で結露が生じ、中空糸の内孔が目詰りし、これによっても脱ガス効率が低下するおそれもある。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、溶存ガス除去効率が高い溶存ガス除去装置と、この溶存ガス除去装置を用いた溶存ガス除去方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の溶存ガス除去装置は、溶存ガスが除去される被処理液の流入口及び溶存ガスが除去された処理液の流出口を有したケーシング内に、複数本の中空糸を有した中空糸モジュールを上下方向に配置してなり、該ケーシング内に被処理液が供給され、該中空糸内に不活性ガスが供給され、該被処理液に溶存している不活性ガスを、該中空糸を透過させて除去する溶存ガス除去装置において、該中空糸の両端は開放しており、該中空糸の上端は該ケーシング内の上部に位置しており、該中空糸の下端は、ケーシング外に連通しており、該中空糸は、下部側においてのみ互いに結束され、それよりも上側において自由状態となっており、該ケーシングの上部に不活性ガス導入口が設けられており、該不活性ガス導入口から該ケーシング内に導入された不活性ガスが、該中空糸内をその上端側から下端側に向けて通気されることを特徴とするものである。

請求項２の溶存ガス除去装置は、請求項１において、前記不活性ガス導入口に不活性ガスを送気する送気装置が設けられていることを特徴とするものである。

請求項３の溶存ガス除去装置は、請求項１又は２において、前記不活性ガス導入口に供給される不活性ガスの露点を低下させる手段が設けられていることを特徴とするものである。

請求項４の溶存ガス除去装置は、請求項１ないし３のいずれか１項おいて、前記不活性ガス導入口に供給される不活性ガスのフィルタが設けられていることを特徴とするものである。

請求項５の溶存ガス除去装置は、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記被処理液は水であり、前記中空糸は疎水膜よりなることを特徴とするものである。

請求項６の溶存ガス除去装置は、請求項５において、前記中空糸は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエチレン及びポリビニリデンジフロライドよりなる群の少なくとも１種よりなることを特徴とするものである。

請求項７の溶存ガス除去装置は、請求項５において、前記中空糸が精密濾過膜又は限外濾過膜よりなることを特徴とするものである。

請求項８の溶存ガス除去方法は、溶存ガス除去装置は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の溶存ガス除去装置を用いた溶存ガス除去方法であって、該ケーシング内の上部に気体溜まり部が形成され、前記中空糸の上端部が該気体溜まり部内に位置し、且つ該上端部よりも下側は被処理液に没した状態となるように、前記流入口及び流出口を介して被処理液を該ケーシング内に流通させると共に、該ケーシングの上部に前記不活性ガス導入口から不活性ガスを導入し、該中空糸の上端側から下端側に向けて不活性ガスを通気させることを特徴とするものである。

請求項９の溶存ガス除去方法は、請求項８において、該ケーシング内における被処理液の通水線速度は１〜２００ｃｍ／ｓｅｃ（レイノズル数として約５０〜８０００）であることを特徴とするものである。

請求項１０の溶存ガス除去方法は、請求項８又は９において、前記不活性ガスが窒素ガス及び／又はアルゴンガスであることを特徴とするものである。

本発明の溶存ガス除去装置（請求項１）及び溶存ガス除去方法（請求項８）にあっては、中空糸の上端部が気体溜まり部内に位置するため、ケーシング上部の不活性ガス導入口から該中空糸の上端部を介して中空糸の内孔に不活性ガスが流通する。この不活性ガスが中空糸の内孔を流通することにより、被処理液中に溶存するガスが中空糸の内側に拡散して移動し、不活性ガスと共に中空糸の下端から排出される。

本発明にあっては、中空糸は下部側においてのみ互いに結束され、それよりも上側において自由状態となっているため、ケーシング内に被処理液を通液したときに、中空糸は液流で自由に揺らぐ。これにより、中空糸モジュールのうち中央側の中空糸も流通する被処理液と接触し易くなり、その結果、被処理液中に溶存するガスが効率的に中空糸内に移動する。

また、一般に、中空糸内に不活性ガスを供給すると、不活性ガス中の水分が凝縮し、中空糸内に結露が発生し、この結露による水滴により中空糸の内孔が閉塞することがある。本発明の溶存ガス除去装置及び溶存ガス除去方法によると、中空糸内に供給された不活性ガスは下向きに流れるので、この不活性ガスの下向流及び水滴の自重により、中空糸内に発生した水滴は中空糸の下端側から速やかに排出される。

請求項２の溶存ガス除去装置では、送気装置によって、不活性ガスを中空糸の上端から中空糸内に送気することができる。

請求項３の溶存ガス除去装置では、不活性ガス導入口に供給される不活性ガスの露点を低下させる手段が設けられているため、中空糸内で不活性ガスが凝結して水滴が発生することが抑制される。

請求項４の溶存ガス除去装置は、不活性ガスのフィルタが設けられているため、不活性ガス中に混在する不純物が中空糸の内孔に入って中空糸を詰まらせることが防止される。

請求項５の溶存ガス除去装置は、中空糸が疎水膜であるため、中空糸の外側の水が細孔から中空糸膜の内部に侵入することが防止される。

この中空糸膜の材質は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエチレン及びポリビニリデンジフロライドよりなる群の少なくとも１種よりなることが好ましい（請求項６）。なお、疎水性を高めるため、これらの材質よりなる中空糸をさらに撥水加工してもよい。

請求項７の溶存ガス除去装置は、中空糸が精密濾過膜又は限外濾過膜よりなるため、細孔径が小さい。このため、中空糸内への水の浸入やバクテリアの増殖が防止される。

なお、中空糸が疎水性の材質よりなる場合でも、中空糸の細孔径が大きいと、中空糸内の内孔に水が浸入する。請求項７によると、かかる問題点が解消される。

請求項９の溶存ガス除去方法は、前記ケーシング内に流通させる被処理液の通水線速度が１．０ｃｍ／ｓｅｃ以上であるため、中空糸の表面に沿う流れの乱流化が促進され、効率的に被処理液中の溶存ガスを除去することができる。

請求項１０の通り、不活性ガスとして窒素ガス及び／又はアルゴンガスを用いることにより、効率的に酸素を除去することができ、特にアルゴンガスを用いることにより酸素ガスを十分に除去することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。第１図は実施の形態に係る溶存ガス除去装置１の模式的な断面図である。

この溶存ガス除去装置１は、主にケーシング１２と中空糸モジュール１５とから構成されている。

このケーシング１２は下端が開放された円筒形となっている。このケーシング１２の周面の上部に被処理液の流入口１２ａが設けられ、下部に処理液の流出口１２ｂが設けられている。また、このケーシング１２の頂部に不活性ガス導入口１２ｃが設けられている。

この中空糸モジュール１５は、複数本の中空糸１４が束状に引き揃えられ、該中空糸１４が下部側においてのみ合成樹脂よりなる結束部材１３によって互いに結束されたものである。該中空糸１４の該結束部材１３よりも上側は拘束されておらず、自由状態となっている。この結束部材１３は円盤形であり、その上半部はケーシング１２内に挿入された小径部となっている。この結束部材１３の下半部はケーシング１２の内径よりも大きい大径部となっている。該中空糸１４の両端は封止されておらず、開放している。

この中空糸１４としては、疎水膜を用いることが好ましい。これにより、中空糸１４の外側の水が中空糸１４の内部に浸入することが防止される。疎水膜の材質としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエチレン及びポリビニリデンジフロライドよりなる群の少なくとも１種が挙げられる。

さらに、この中空糸１４としては、細孔径の小さい精密濾過膜や限外濾過膜を用いることが好ましい。この場合、中空糸１４の細孔径が十分に小さいため、被処理液の浸入による中空糸の目詰まりを一層防止できる。なお、被処理液中のガスの透過性を高くするためには、精密濾過膜、特に公称孔径が０．０２〜０．２μｍ程度の精密濾過膜を用いることが好ましい。

なお、通常の溶存ガス除去装置の中空糸膜には、分子拡散を行うための薄いスキン層をコーティングしたガス分離膜を用いるが、本発明ではスキン層がない中空糸膜を用いるのが好ましい。このスキン層のない中空糸膜は、スキン層を有する中空糸膜よりも、膜を透過するガスの移動速度が大きい。

このケーシング１２に中空糸モジュール１５を装着するには、このケーシング１２の下端側から中空糸モジュール１５の中空糸１４を挿入する。そして、該ケーシング１２の下端部に結束部材１３の上半側の小径部を挿入し、該ケーシング１２の下端部の外周に設けられたフランジ１２ｆに対してパッキン１９を介して結束部材１３の大径部を当接させる。次いで、これらフランジ１２ｆと大径部とをボルト１７及びナット１８を用いて連結する。

前記不活性ガス導入口１２ｃは、配管２１を介して送気装置２０に接続されている。この送気装置２０としては、ファン、ブロワ等が好適であるが、不活性ガスのタンクやボンベであってもよい。中空糸１４内に通気する不活性ガスの流量は中空糸1本当り０．１〜３ｍＬ／ｍｉｎ程度、特に０．５〜１ｍＬ／ｍｉｎ程度が好ましい。流量が０．１ｍＬ／ｍｉｎより少ないと、被処理液中のガスの除去に時間がかかる。また、不活性ガスの流量が３ｍＬ／ｍｉｎより多いと不活性ガスの消費量が多くなり、脱ガス処理コストが高くなる。

次に、この溶存ガス除去装置１を用いた溶存ガス除去方法の一例を説明する。

ガスが溶存する被処理液を、流入口１２ａからケーシング１２内に供給し、流出口１２ｂから流出させる。また、不活性ガス導入口１２ｃから気体溜まり部１６に窒素などの不活性ガスを供給し、中空糸１４の上端側から下端側に向けて不活性ガスを通気させる。このとき、第１図の通り、ケーシング１２内の上部に気体溜まり部１６が形成され、中空糸１４の上端部が該気体溜まり部１６内に位置し、且つ該上端部よりも下側は被処理液に没した状態となるように、通水量、通水圧、給気圧、給気量を調整する。

該ケーシング１２内に流通させる被処理液の通水線速度は（第１図の場合であれば、ケーシング１２内の液の下降方向の線速度）は１ｃｍ／ｓｅｃ以上特に３ｃｍ／ｓｅｃ以上が好ましい。通水線速度を１．０ｃｍ／ｓｅｃ以上にすると中空糸１４の表面に沿う流れの乱流化が促進され、中空糸１４の表面と液の間にある液界面が薄くなる。被処理液中の溶存ガスは液界面を通り、拡散によって移動するため、液界面が薄いほど拡散抵抗が小さくなり、溶存ガスが中空糸１４の内孔に移動し易くなる。この通水線速度は２００ｃｍ／ｓｅｃ以下であること（レイノズル数として約５０〜８０００）が好ましい。

中空糸１４内に不活性ガスを流通させると、被処理液中の溶存ガスがガス濃度の勾配によって中空糸１４の内孔に拡散移動する。中空糸１４の内孔に移動した溶存ガスは、不活性ガスと共に中空糸１４の下端側から排出される。

また、中空糸１４内で結露水が発生しても、この結露水は中空糸１４の下端から速やかに排出される。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、第１図の溶存ガス除去装置１において、流入口１２ａの上流に、液中の固形物等を除去するためのフィルタを設けてもよい。

また、配管２１や、送気装置２０の吸込側に、不活性ガスの露点を低下させる手段を設けてもよい。この不活性ガスの露点を低下させる手段としては、容器内にシリカゲルを充填した除湿機、冷凍式ドライヤ、膜式ドライヤ等が挙げられる。

被処理液は、水、水溶液、有機溶媒のいずれであっても良い。被処理液が純水又は超純水であり、被処理液に溶存するガスが酸素である場合、中空糸１４内に窒素ガス及び／又はアルゴンガスを通気させることにより、効率よく脱酸素処理することができ、特にアルゴンガスを用いると、溶存酸素濃度が著しく低い純水又は超純水を得ることができる。

以下、実施例及び比較例について説明する。

［実施例１］
第１図の溶存ガス除去装置を用いて超純水の脱酸素処理を行った。

中空糸１４としては、外径１．０ｍｍ、内径０．６ｍｍ、長さ１０００ｍｍでポリスルホン製の中空糸（公称孔径０．１μｍ、全膜面積７ｍ^２）を２２００本用いた。ケーシング１２としては、内径１００ｍｍ、高さ１０００ｍｍ、有効容積７．８Ｌのカラムを用いた。この溶存ガス除去装置におけるカラム単位容積あたりの中空糸の膜面積は８９０ｍ^２／ｍ^３である。

この溶存ガス除去装置に、酸素が飽和した超純水を通水し、不活性ガス導入口１２ｃから窒素を５Ｌ／ｍｉｎの流量で下向きに通気した。超純水の流量（超純水の通水線速度）を段階的に変化させ、流出口１２ｂの溶存酸素濃度を測定した。各数値をもとに、以下の式（１）に従って膜面積あたりの最大酸素移動速度を求めた。

最大酸素移動速度（ｇＯ_２／ｍ^２／ｄａｙ）
＝通水量×（流入口１２ａの溶存酸濃度−流出口１２ｂの溶存酸素濃度）÷
｛ケーシング１２の容積×（飽和溶存酸素濃度−流出口１２ｂの溶存酸素濃度）｝
×飽和溶存酸素濃度×ケーシング１２の膜比表面積 … （１）

［比較例１］
従来の溶存ガス除去装置（中空糸の上端側及び下端側が共に固く固定されている装置）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして運転を行った。中空糸の種類、寸法、本数は実施例１と同様とした。

実施例１及び比較例１の被処理液の通水線速度と最大酸素移動速度との関係を示すグラフを第２図に示す。

＜考察＞
実施例１では、被処理液の通水線速度が大きくなるにつれて、最大酸素移動速度も大きくなった。この理由は、通水線速度が大きくなるほど、中空糸膜近傍の乱流度合いが増大するためである。中空糸膜近傍の乱流が大きくなると中空糸膜表面と液の間にある液界面が薄くなる。酸素は液界面を経由して拡散によって移動するため、液界面が薄くなるほど（被処理液の通水線速度が大きくなるほど）拡散抵抗が小さくなり、溶存ガスの移動速度が大きくなる。

一方、比較例１では、被処理液の通水線速度を大きくしても最大酸素移動速度はほとんど大きくならなかった。この理由は、従来の溶存ガス除去装置の中空糸が両端で固く固定され、中空糸束の中心部に被処理液が流通しにくいためである。被処理液が流通しにくい部分では、被処理液の動きが遅くなり、膜近傍に乱流が生じないため液界面は薄くならない。従って、被処理液の通水線速度を大きくしても、最大酸素移動速度はほとんど変化しない。

実施の形態に係る溶存ガス除去装置を示す断面図である。 実施例１及び比較例１の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 溶存ガス除去装置
１２ ケーシング
１２ａ 流入口
１２ｂ 流出口
１２ｃ 不活性ガス導入口
１３ 結束部材
１４ 中空糸
１５ 中空糸モジュール
１６ 気体溜まり部
２０ 送気装置

Claims (10)

1. 溶存ガスが除去される被処理液の流入口及び溶存ガスが除去された処理液の流出口を有したケーシング内に、複数本の中空糸を有した中空糸モジュールを上下方向に配置してなり、該ケーシング内に被処理液が供給され、該中空糸内に不活性ガスが供給され、該被処理液に溶存している不活性ガスを、該中空糸を透過させて除去する溶存ガス除去装置において、
   該中空糸の両端は開放しており、
   該中空糸の上端は該ケーシング内の上部に位置しており、該中空糸の下端は、ケーシング外に連通しており、
   該中空糸は、下部側においてのみ互いに結束され、それよりも上側において自由状態となっており、
   該ケーシングの上部に不活性ガス導入口が設けられており、該不活性ガス導入口から該ケーシング内に導入された不活性ガスが、該中空糸内をその上端側から下端側に向けて通気されることを特徴とする溶存ガス除去装置。
2. 請求項１において、前記不活性ガス導入口に不活性ガスを送気する送気装置が設けられていることを特徴とする溶存ガス除去装置。
3. 請求項１又は２において、前記不活性ガス導入口に供給される不活性ガスの露点を低下させる手段が設けられていることを特徴とする溶存ガス除去装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項おいて、前記不活性ガス導入口に供給される不活性ガスのフィルタが設けられていることを特徴とする溶存ガス除去装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、前記被処理液は水であり、前記中空糸は疎水膜よりなることを特徴とする溶存ガス除去装置。
6. 請求項５において、前記中空糸は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエチレン及びポリビニリデンジフロライドよりなる群の少なくとも１種よりなることを特徴とする溶存ガス除去装置。
7. 請求項５において、前記中空糸が精密濾過膜又は限外濾過膜よりなることを特徴とする溶存ガス除去装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の溶存ガス除去装置を用いた溶存ガス除去方法であって、
   該ケーシング内の上部に気体溜まり部が形成され、前記中空糸の上端部が該気体溜まり部内に位置し、且つ該上端部よりも下側は被処理液に没した状態となるように、前記流入口及び流出口を介して被処理液を該ケーシング内に流通させると共に、該ケーシングの上部に前記不活性ガス導入口から不活性ガスを導入し、該中空糸の上端側から下端側に向けて不活性ガスを通気させることを特徴とする溶存ガス除去方法。
9. 請求項８において、該ケーシング内における被処理液の通水線速度は１〜２００ｃｍ／ｓｅｃであることを特徴とする溶存ガス除去方法。
10. 請求項８又は９において、前記不活性ガスが窒素ガス及び／又はアルゴンガスであることを特徴とする溶存ガス除去方法。

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