JP2009011924A - Membrane separation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、逆浸透膜および/またはナノろ過膜(以下、半透膜とする)が透過液側から濃縮液(供給液)側に掛かる逆圧により損傷することを防ぐことができる膜分離装置に関するものであり、かん水・海水の淡水化、排水の再利用、有価物の回収など様々な膜分離半透膜に用いることができる装置に関する。 The present invention relates to a membrane separation device capable of preventing a reverse osmosis membrane and / or a nanofiltration membrane (hereinafter referred to as a semipermeable membrane) from being damaged by a reverse pressure applied from the permeate side to the concentrate (feed solution) side. The present invention relates to an apparatus that can be used for various membrane separation semipermeable membranes, such as desalination of brine and seawater, reuse of wastewater, and recovery of valuable materials.
半透膜とは、被分離混合液中の一部の成分、例えば溶媒を透過させ他の成分を透過させない半透性の膜である。その素材には酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材がよく使用されている。またその膜構造は膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い活性層を有する複合膜がある。この複合膜では上記逆圧により活性層が緻密層から、剥離損傷する問題がある。 The semipermeable membrane is a semipermeable membrane that allows some components in the mixed liquid to be separated, for example, a solvent to permeate and does not allow other components to permeate. As the material, polymer materials such as cellulose acetate polymer, polyamide, polyester, polyimide, vinyl polymer are often used. In addition, the membrane structure has a dense layer on at least one side of the membrane, an asymmetric membrane having fine pores gradually increasing from the dense layer to the inside of the membrane or the other side, and another layer on the dense layer of the asymmetric membrane. There are composite membranes with a very thin active layer formed of a material. In this composite film, there is a problem that the active layer peels off from the dense layer due to the reverse pressure.
ところで、逆浸透膜やナノ濾過膜などの半透膜を用いた装置はその性能を維持するために定期的に装置を停機し、洗浄等のメンテナンスを行う必要がある。洗浄時には操作手順に従って適宜、半透膜廻りの配管の弁を開/閉及び洗浄液供給ポンプの起動/停止作業を行なっている。一般的に半透膜を用いた膜分離装置は供給液流路、濃縮液流路及び透過水流路を有するが、それぞれの流路はさらに、通常運転流路と洗浄液タンクにつながる洗浄流路に分かれており、各々に切り換え弁を備えている。すなわち膜分離装置が有する切り換え弁の数は、少なくとも、供給液流路に計2個(通常運転流路1個及び洗浄流路1個)、濃縮液流路、透過液流路それぞれに2個ずつ(それぞれ通常運転流路1個ずつ及び洗浄流路1個ずつ)の合計6個となる。そして膜分離装置が複数段の膜モジュール構成となる場合は、これらの切り換え弁の数量はさらに増える。 By the way, in order to maintain the performance of a device using a semipermeable membrane such as a reverse osmosis membrane or a nanofiltration membrane, it is necessary to periodically stop the device and perform maintenance such as cleaning. During cleaning, the pipe valves around the semipermeable membrane are opened / closed and the cleaning liquid supply pump is started / stopped as appropriate according to the operation procedure. In general, a membrane separation apparatus using a semipermeable membrane has a supply liquid flow path, a concentrated liquid flow path, and a permeate flow path, and each flow path is further a normal flow path and a cleaning flow path connected to a cleaning liquid tank. They are divided and each has a switching valve. That is, the number of switching valves included in the membrane separation device is at least 2 in total in the supply liquid flow path (1 normal operation flow path and 1 washing flow path), 2 in each of the concentrate liquid flow path and the permeate flow path. There are a total of six each (one normal operation channel and one cleaning channel). When the membrane separation device has a multi-stage membrane module configuration, the number of these switching valves further increases.
しかしながら、洗浄時の弁開閉作業は煩雑であり、誤操作の危険がある。誤操作をした場合には半透膜の透過液側から濃縮液(供給液)側への逆圧が発生し、半透膜を剥離させる恐れがある。 However, the valve opening / closing operation at the time of cleaning is complicated and there is a risk of erroneous operation. Incorrect operation may cause a back pressure from the permeate side of the semipermeable membrane to the concentrated liquid (supply liquid) side, which may cause the semipermeable membrane to peel off.
図1に具体例として、2段の膜モジュール2、3で構成された膜分離装置の洗浄において、透過液の通常運転時の流路に設けられた二方弁(V3)を「閉」とすると共に、洗浄運転時の流路の弁(V4)を誤って「閉」とした場合を示す。このとき洗浄液供給ポンプ5から1段目膜モジュール2に供給された洗浄液は、透過液側に抜けることなく、全量が濃縮液側を流れて、2段目膜モジュール3に供給され、やはりその全量が濃縮液流路を流れて洗浄液タンク4に戻り、循環する。洗浄液が循環する際、膜モジュール2,3においては通常0.1〜0.2MPaの圧力損失が発生するため、供給液流路から濃縮液流路を流れる洗浄液の圧力の関係は1段目モジュール2の入圧力(P1)、同モジュール2の出圧力(P2)、2段目モジュール3の入圧力(P2)、同モジュール3の出圧力(P3)とするとP1>P2>P3となる。但し、1段目モジュール出から2段目モジュール入間の圧力損失は、比較的小さいため無視できるものとする。ここで透過液流路は全閉状態のため、その圧力は1段目モジュール2の出圧力と同じP2となってしまう。一方、2段目モジュール3の出圧力はP3であり、前述の関係式から2段目モジュール3の下流(出に近いところ)では透過液側の圧力が濃縮液側の圧力より高くなり、半透膜表面の活性層剥離の問題が発生する。
As a specific example in FIG. 1, in the cleaning of the membrane separation apparatus constituted by the two-
また、図2に示すように、透過液流路の全ての弁(V3およびV4)を閉止した状態で、半透膜装置の運転を再開してしまうと、海水淡水化用途など、供給液昇圧ポンプの吐出圧力が7MPa程度と高圧の場合、透過液流路を構成する配管等を破損する恐れもある。 In addition, as shown in FIG. 2, when the operation of the semipermeable membrane device is restarted with all the valves (V3 and V4) in the permeate flow path closed, the supply liquid pressure is increased for seawater desalination. When the discharge pressure of the pump is as high as about 7 MPa, there is a risk of damaging piping or the like constituting the permeate flow path.
このような透過液流路の全閉状態で発生する問題の対策として、半透膜自体の逆耐圧を向上し、逆圧による膜剥離を防ぐ方法が開示されている(例えば特許文献1)。しかし、逆耐圧性を高めた半透膜は、塩濃度2,000ppm程度の供給液に対応したものであり、海水用途での適用は難しい。また、透過液流路に逆止弁を備えて、逆圧が半透膜に掛かることを防ぐことも行われているが、逆止弁の異物噛み込みの問題や、シール面におけるパッキンの経年劣化等による逆止不良といった問題があり、半透膜に逆圧が掛かることを恒久的に防止することは期待できない。
本発明の目的は、このような弁の誤操作による半透膜あるいは透過液流路を構成する配管等の破損をより確実に防止することが可能な膜分離装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a membrane separation apparatus capable of more reliably preventing damage to a semipermeable membrane or piping constituting a permeate flow path due to such a valve misoperation.
上記課題を解決するための本発明は、次の(1)、(2)のいずれかを特徴とするものである。
(1)供給液を透過液と濃縮液とに分離する、逆浸透膜および/またはナノろ過膜を備えた半透膜ユニットと、該半透膜ユニットに供給液を供給する供給液流路と、該供給液流路に設けられた供給液昇圧ポンプと、前記半透膜ユニットで分離された濃縮液を取り出す濃縮液流路と、前記半透膜ユニットで分離された透過液を取り出す透過液流路と、該濃縮液流路および透過液流路それぞれから分岐して前記供給液流路に連通する環流液流路と、該環流液流路に設けられた洗浄液タンクとを備え、前記透過液流路から前記環流液流路が分岐している分岐点に、開閉操作によって前記環流液流路を閉鎖もしくは前記透過液流路の前記分岐点よりも下流側を閉鎖する三方弁を備えている膜分離装置。
(2)前記半透膜ユニットは、逆浸透膜および/またはナノろ過膜を備えた複数の膜モジュールが、一方の膜モジュールの濃縮液を他方の膜モジュールに供給するように接続されるとともに、それぞれの膜モジュールから得られた透過液を集液して前記透過液流路に流すように構成されてなり、かつ、該一方の膜モジュールの濃縮液を昇圧して前記他方の膜モジュールに供給する濃縮液昇圧ポンプを有している、前記(1)に記載の膜分離装置。
The present invention for solving the above-described problems is characterized by either of the following (1) and (2).
(1) A semipermeable membrane unit having a reverse osmosis membrane and / or a nanofiltration membrane that separates a supply solution into a permeate and a concentrated solution, and a supply solution channel for supplying the supply solution to the semipermeable membrane unit A supply liquid booster pump provided in the supply liquid flow path, a concentrate flow path for taking out the concentrate separated by the semipermeable membrane unit, and a permeate for taking out the permeate separated by the semipermeable membrane unit A permeate flow path that branches off from each of the concentrate liquid flow path and the permeate liquid flow path and communicates with the supply liquid flow path, and a cleaning liquid tank provided in the recycle liquid flow path. Provided with a three-way valve that closes the reflux liquid channel by opening / closing operation or closes the downstream side of the permeate channel from the branch point at the branch point where the reflux liquid channel branches from the liquid channel Membrane separator.
(2) The semipermeable membrane unit is connected so that a plurality of membrane modules each having a reverse osmosis membrane and / or a nanofiltration membrane are supplied to the other membrane module with the concentrate of one membrane module; The permeate obtained from each membrane module is collected and allowed to flow through the permeate channel, and the concentrated liquid of the one membrane module is pressurized and supplied to the other membrane module. The membrane separator according to (1), further including a concentrated pressure boosting pump.
本発明によれば、透過液流路から環流液流路が分岐している分岐点に、開閉操作によって環流液流路を閉鎖もしくは透過液流路の前記分岐点よりも下流側を閉鎖する三方弁、すなわち、透過液流路の分岐点よりも下流側もしくは環流液流路のいずれかを必ず開く三方弁を設けるので、透過液流路が全閉状態となることを防ぎ、常に大気開放状態を作ることができる。したがって、半透膜に透過液側からの逆圧が掛かる恐れがなくなり半透膜の破損を防ぐことができ、また配管の破損も防ぐことができる。 According to the present invention, at the branch point where the reflux liquid channel branches off from the permeate flow channel, the reflux liquid channel is closed by an opening / closing operation, or the downstream side of the permeate flow channel from the branch point is closed. There is a valve, that is, a three-way valve that always opens either the downstream side of the permeate flow path or the reflux liquid flow path, preventing the permeate flow path from being fully closed, and always open to the atmosphere. Can be made. Therefore, there is no possibility that a reverse pressure from the permeate side is applied to the semipermeable membrane, the semipermeable membrane can be prevented from being damaged, and the piping can also be prevented from being damaged.
本発明の膜分離装置には、例えば図3に示すように、逆浸透膜やナノ濾過膜(以下、半透膜という)の少なくとも一方を備えた半透膜ユニット9と、該半透膜ユニット9に供給液を供給する供給液流路10と、該供給液流路10に設けられた供給液昇圧ポンプ1と、半透膜9で分離された濃縮液を取り出す濃縮液流路11と、半透膜ユニット9で分離された透過液を取り出す透過液流路12とが設けられている。濃縮液流路11および透過液流路12には、それぞれから分岐して前記供給液流路10に連通する環流液流路13が接続されており、該環流液流路13には洗浄液タンク4および洗浄液供給ポンプ5が設けられている。そして、透過液流路12から環流液流路13が分岐している分岐点には、開閉操作によって環流液流路13を閉鎖もしくは透過液流路12の該分岐点よりも下流側を閉鎖する三方弁V7が設けられている。
In the membrane separation apparatus of the present invention, for example, as shown in FIG. 3, a
さらに、図3に示す装置においては、半透膜ユニット9が2段の膜モジュールを有しており、一方の膜モジュールの濃縮液を他方の膜モジュールに供給するように接続されている。また、それぞれの膜モジュールから得られた透過液は、集液されて透過液流路12に流すように構成されている。
Further, in the apparatus shown in FIG. 3, the
このような図3に示す膜分離装置を用いて海水淡水化など通常の運転を行う際には、二方弁V1、V5を「開」にするとともに、環流液流路13を閉鎖するように、二方弁V2、V6を「閉」、三方弁V7のc側を「閉」(a−b間を「開」)にする。一方、装置を洗浄する際などには、二方弁V1、V5を「閉」にするとともに、環流液流路13を開放するように、二方弁V2、V6を「開」、三方弁V7のb側を「閉」(a−c間を「開」)にする。
When performing a normal operation such as seawater desalination using the membrane separation apparatus shown in FIG. 3, the two-way valves V1 and V5 are opened and the reflux
ここで、従来は、透過液流路および該透過液流路から分岐している環流液流路それぞれに二方弁を設けていたため、順番を間違えばそれら2つの二方弁が共に「閉」となる時間が生じる危険性があったが、本発明においては、透過液流路12から環流液流路13が分岐している分岐点に三方弁V7を設けているので、分岐点よりも下流側の2つの流路が共に「閉」となる時間が生じる危険性がない。すなわち、三方弁V7のa−b間又はa−c間は必ず「開」となるので、透過液流路が全閉状態となる時間はなく、常に大気開放状態を作ることができる。したがって、半透膜に対して透過液側から逆圧が掛かる恐れがなくなる。
Here, conventionally, since the two-way valve is provided in each of the permeate channel and the reflux liquid channel branched from the permeate channel, both the two-way valves are “closed” if the order is incorrect. However, in the present invention, since the three-way valve V7 is provided at the branch point where the permeate
なお、本発明においては、上述の図3に示した態様を例えば図4〜図6に示すように変更して実施してもよい。 In the present invention, the above-described embodiment shown in FIG. 3 may be modified as shown in FIGS.
図4に示す膜分離装置は、複数の膜モジュールの透過液流路が合流する地点よりも上流側に、環流液流路13の分岐点を設けた態様であり、三方弁V7が個々の膜モジュールに対応した数だけ設けられている。その他は図3の態様と同じである。
The membrane separation device shown in FIG. 4 is a mode in which a branch point of the reflux
図5に示す膜分離装置は、1段目の膜モジュール2の濃縮液を昇圧して2段目の膜モジュール3に供給する濃縮液昇圧ポンプ6を備えている。この態様では洗浄液供給ポンプ5を出た洗浄液は1段目膜モジュール2から濃縮液昇圧ポンプ6を経由して2段目膜モジュール3に入るが、たとえば0.5MPa程度の吐出圧力である洗浄液供給ポンプによる循環流では、濃縮液昇圧ポンプが昇圧ポンプとして働くことはなく流路内の抵抗となってしまい0.1〜0.2MPaの圧力損失が発生する。従って、仮に三方弁V7がなく図1、2に示すような二方弁が設けられているとすれば、該濃縮液昇圧ポンプ6の入圧力(P2)と同ポンプ5の出圧力(P3)の差0.1〜0.2MPaがさらに図1及び図2の態様で発生する逆圧0.1〜0.2MPaに加算されることとなり、1段目モジュール出圧力(P2)と2段目モジュール出圧力(P4)の差、すなわち従来の二方弁方式で誤操作をした場合に発生する逆圧は0.2〜0.4MPaとなる。これは図1及び図2の態様で発生する逆圧の約2倍であり、膜の剥離の度合いが大きくなる危険性が高い。しかしながら、図5に具体的に示す本発明にかかる膜分離装置では、透過液流路12から環流液流路13が分岐している分岐点に、開閉操作によって環流液流路13を閉鎖もしくは透過液流路12の該分岐点よりも下流側を閉鎖する三方弁V7、すなわち、透過液流路の分岐点よりも下流側もしくは環流液流路のいずれかを必ず開く三方弁を設けているので、逆圧が半透膜に透過液側から掛かる恐れがない。なお、図5に示す態様は、上記した点以外は図3の態様と同じである。
The membrane separation apparatus shown in FIG. 5 includes a
さらに、半透膜ユニット9を構成する膜モジュールの段数は、2段に限定されるものではなく、3段以上であってもよいし、また、図6に示すように1段であってもよい。
Furthermore, the number of stages of the membrane modules constituting the
膜モジュールの段数が1段の場合は、仮に洗浄液循環中に透過液流路を全閉にしても、1段目の膜モジュールと2段目の膜モジュールの圧力損失の差又は濃縮液昇圧ポンプでの圧力損失により発生する逆圧の懸念がない。しかし、たとえば洗浄終了時に透過液流路を全閉にし残圧が残った状態で洗浄液供給ポンプを停機すると、供給液及び濃縮液流路側が放圧され瞬間的に逆圧が発生し、膜を剥離させる恐れがある。そのため、図6に示すように、透過液流路12から環流液流路13が分岐している分岐点に、開閉操作によって環流液流路13を閉鎖もしくは透過液流路12の該分岐点よりも下流側を閉鎖する三方弁V7、すなわち、透過液流路の分岐点よりも下流側もしくは環流液流路のいずれかを必ず開く三方弁を設けることが好ましい。このように、半透膜ユニット9を構成する膜モジュールの数が1であっても、透過液流路12から環流液流路13が分岐している分岐点に三方弁を設けることで、逆圧が半透膜に透過液側から掛かる恐れがなくなる。
When the number of stages of the membrane module is 1, even if the permeate flow path is fully closed during circulation of the cleaning liquid, the difference in pressure loss between the first stage membrane module and the second stage membrane module or the concentrated liquid booster pump There is no concern of back pressure generated by pressure loss at However, for example, when the permeate flow path is fully closed at the end of cleaning and the cleaning liquid supply pump is stopped with the residual pressure remaining, the supply liquid and concentrate flow path side is released and instantaneously reverse pressure is generated, causing the membrane to There is a risk of peeling. Therefore, as shown in FIG. 6, the
1:供給液昇圧ポンプ
2:膜モジュール(1段目)
3:膜モジュール(2段目)
4:洗浄液タンク
5:洗浄液供給ポンプ
6:濃縮液昇圧ポンプ
9:半透膜ユニット
10:供給液流路
11:濃縮液流路
12:透過液流路
13:環流液流路
V1:二方弁
V2:二方弁
V3:二方弁
V4:二方弁
V5:二方弁
V6:二方弁
V7:三方弁
1: Supply pressure booster pump 2: Membrane module (first stage)
3: Membrane module (second stage)
4: Cleaning liquid tank 5: Cleaning liquid supply pump 6: Concentrated liquid booster pump 9: Semipermeable membrane unit 10: Supply liquid flow path 11: Concentrated liquid flow path 12: Permeate flow path 13: Recirculating liquid flow path V1: Two-way valve V2: Two-way valve V3: Two-way valve V4: Two-way valve V5: Two-way valve V6: Two-way valve V7: Three-way valve
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