JP2013000674A - スパイラル型ろ過モジュール及びそれを用いた液処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スパイラル型ろ過モジュールは、集液管2の周囲に第1のろ過膜3、透過液流路材4、第2のろ過膜5および原液流路材6を積層したユニットの一組または複数組を巻回したスパイラル型膜エレメントが略円筒形の外装容器7に納められたスパイラル型ろ過モジュール1であって、前記透過液流路材4には透過液のモジュール軸方向への流れを妨げる仕切体仕切体8が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
スパイラル型ろ過モジュールの一般的な構造は図2に示す通りである。中空で側面に多数の孔を有する集液管2の周囲に、第1のろ過膜3、透過液流路材4、第2のろ過膜5および原液流路材6を積層したユニットの一組または複数組が巻回されてスパイラル型膜エレメントが形成され、これが略円筒形の外装容器7に収められている。
透過液流路材に仕切体が形成されていることによって、フラッシング液のバイパス現象の影響を低減し、ろ過膜面の堆積物をより確実に除去することができる。
ここで公称孔径とは、そのサイズの粒子を98%捕捉できる膜孔径をいう。
ろ過膜の公称孔径がこの範囲にある場合は、フラッシング液のバイパス現象の影響が大きくなりやすく、かつフラッシングによってろ過膜の洗浄を効果的に行うことができるので、本発明による効果が一層顕著となる。
ここでろ過膜の有効膜面積とは、全体の膜面積から、周縁封着部などのろ過機能を有しない部分の膜面積を除いた膜面積である。透過液量とは、純水を200kPaの供給圧で供給したときの透過水量の24時間の平均値を、単位時間、単位有効膜面積で表したものである。
このような高収率運転、全量ろ過運転に適したろ過モジュールでは、フラッシング液のバイパス流が多くなりやすいので、本発明による効果が一層顕著となる。
さらに好ましくは、前記線状に形成された仕切体は、隣り合う仕切体の間隔がモジュール軸方法において105〜420mmであることを特徴とする。
これらの構成によれば、フラッシング液のバイパス現象の影響をより効果的に抑制することができる。
上記いずれかのスパイラル型モジュールを用いることで、ろ過膜面の堆積物をより確実に除去することができるので、このような高収率運転または全量ろ過運転が可能となる。
上記本発明の液処理方法は高収率運転または全量ろ過運転によるものであり、このような固形分含有量の少ない原液のろ過処理に特に適している。
フラッシング液の供給圧力を低く保つことによって、フラッシング液の使用量およびフラッシング洗浄後の排出液量を低減することが可能となる。そして、本発明の液処理方法によれば、フラッシング液のバイパス流量が少ないので、フラッシング液の使用量を低減しても効果的な洗浄を行うことができる。
モジュール内均圧操作の後にフラッシング液を排出する出口のみを開けることによって、ろ過膜面の堆積物がろ過膜面から剥離しやすくなる。そして本発明のスパイラル型ろ過モジュールを用いることによって、この堆積物の剥離を促進する効果をろ過膜の広い範囲に及ぼすことが可能となる。
フラッシングの方向を適宜反転させることにより、上記堆積物剥離促進効果をろ過膜のより広い範囲に及ぼすことが可能となる。
ところで、精密ろ過膜および限外ろ過膜については、孔径等で表される確立した定義がなく、両者の境界も明確ではない。理化学辞典(第5版、岩波書店)によれば、ろ別される粒子の粒径が0.02〜10μmの場合を精密ろ過、0.001〜1μm(分子量1000〜300000)の場合を限外ろ過としている。そのため、同程度の孔径を有するろ過膜が、精密ろ過膜とも限外ろ過膜とも称されることもある。本明細書中では、精密ろ過、限外ろ過の語を一応上記定義に従って用いるが、孔径についてより正確に規定すべきときは、公称孔径を用いる。なお、公称孔径とは、そのサイズの粒子を98%捕捉できる場合の、その粒子径をいう。
ネットの厚さが0.5mmよりも小さいと、少量のろ過膜面堆積物によっても膜間閉塞を起こしやすく、小さな粒子が引っかかることによってもフラッシング洗浄が困難になる。逆に、厚さが1mmよりも大きいと、原液流路が広いので、効果的なフラッシングを行うために大流量のフラッシング液が必要となる。
ネットの網目が大きすぎると、すなわちフィラメントの密度が3本/cmよりも小さいと、フィラメントが立体的に交差する部分でろ過膜に応力が集中してろ過膜を痛めやすく、また、流体抵抗が小さくなりすぎてフラッシング液が均一に流れにくくなる。逆に、フィラメントの密度が7本/cmよりも大きいと、原液流路16の流体抵抗が高くなり過ぎるからである。
ネットの厚さが0.5mmよりも小さいと、透過液流路14が狭くなり、透過液の流れが確保しにくくなるからである。逆に、厚さが大きすぎると、無駄にモジュールの容積が増えることとなるからである。
ネットの網目が大きすぎると、すなわちフィラメントの密度が3本/cmよりも小さいと、フィラメントが立体的に交差する部分でろ過膜に応力が集中してろ過膜を痛めやすい。また、膜支持点が少ないのでろ過膜3、5が近接しやすく、ネットの厚さによっては透過液の流れが確保しにくくなる。一方、ネットの厚さが前記0.5〜1mmの場合に、フィラメントの密度が9本/cmよりも大きいと、透過液流路14の流体抵抗が高くなり過ぎる。
あるいは、合成樹脂フィルム製のスリット糸を透過液流路材上に加熱・プレスして融着したり、接着することによっても仕切体8を形成することができる。この場合はスリット糸を融着・接着した部分が厚くなることで、透過液流路材4とろ過膜3、5の隙間が小さくなって、仕切体を横切る方向の流体抵抗が大きくなる。
クロスフロー運転(高収率運転を含む)では、原液入口弁31、濃縮液出口弁33および透過液出口弁32を開け、ポンプ35によって原液タンク36から原液を供給する。ろ過膜を透過した透過液は透過液出口12から排出されて透過液タンク34に貯留され、ろ過膜を透過しなかった濃縮液は濃縮液出口13から排出されて原液タンク36に戻される。全量ろ過運転では濃縮液出口弁33を閉じることによって、供給された原液は固形分を除いて全量が透過液となる。
フラッシングを実施する時機は、予め時間間隔を定めて実施する場合、ろ過モジュールの差圧(圧力損失)が所定の大きさに達したときに実施する場合、両者の基準を併用して実施する場合など、処理対象液等に応じて定めることができる。
フラッシング液が原液入口11からモジュール内に供給されると、全量が濃縮液出口13から排出される。ろ過膜面堆積物21は、フラッシング液によって洗い流され、フラッシング液とともに濃縮液出口13から排出されることが期待される(図6)。
実際のろ過モジュールを用いた実験では、フラッシング液のバイパス現象の発生や仕切体8によるその抑制効果を直接観察することは難しい。そこでこれを、図9に示す装置を用いたモデル実験によって確認した。この装置はスパイラル型ろ過エレメントの一部を平板モデル化したものである。
幅180mm、長さ950mmの大きさのろ過膜45を、一方の側からは原液流路材46および透明樹脂板66をこの順に、反対側からは透過液流路材44および他の透明樹脂板64をこの順に当てて挟み込み、原液流路56および透過液流路54を構成して、それらの周縁部をシリコーン樹脂シーラントでシールした。
ろ過膜45は、合成樹脂製の不織布の両面に多数の細孔を有する高分子膜が形成された、公称孔径0.25μmのものを用いた。原液流路材46および透過液流路材44には、ポリエチレン製のフィラメントが立体的に交差する構造のネットを用い、フィラメントの径は0.35mm、ネットの厚さは0.65mm、フィラメントの密度は4.3本/cmであった。
透過液流路材44には、予めシリコーン樹脂のシーラントを用いて幅8mmの線状の仕切体48を3本形成した。これにより、透過液流路54は幅180mm、長さ210mmの大きさの4つの区画に分割されている。透過液流路54の区画(以下単に「区画」ということがある。)にはそれぞれ、圧力計(図9中のP1〜P4)、流量計(同F1〜F4)および弁(同V1〜V4)を有する連通管が接続されている。
実験1は弁V1〜V4を閉じた状態で行った。弁V1〜V4を閉じると、ろ過膜45を通過しないで各区画間を液が流れることが妨げられるから、実験1は、透過液流路材に仕切体が形成されている場合(本発明に係るろ過モジュール)のフラッシングを模した実験である。
実験2は、弁V1〜V4を開いた状態で行った。実験2は、透過液流路材に仕切体が形成されていない場合(従来のろ過モジュール)のフラッシングを模した実験である。
実験3として、透過液流路材に仕切体が形成されている場合(本発明に係るろ過モジュール)の全量ろ過運転を模した実験を行った。実験は、図9に示した装置を用い、弁Voを閉じ、弁Viおよび弁V1〜V5を開いて、純水に固形分として活性炭および顔料の粉末を約300ppmの濃度で懸濁させた液を原液入口51から供給して行った。
実験4〜実験7は、図9の装置の区画の数を1、2、4または8に変更して行った。純水に固形分として活性炭および顔料の粉末を約300ppmの濃度で懸濁させた液を用いて、実験3と同様に全量ろ過運転を行い、ろ過膜の全面に堆積物層を形成した。次に、実験装置内の均圧操作を行い、その後にフラッシングを行って、ろ過膜面堆積物の除去効果を目視で確認した。
均圧操作後のフラッシングは、上記均圧操作時の弁の状態から、Voを開放することで行った。
実験後のろ過膜面には、区画の下流端からある距離までの部分のろ過膜面堆積物層が剥離して完全に除去されているところがあった。表2の「堆積物層が剥離した部分の長さ」は、当該区画の下流端から、堆積物層が完全に剥離・除去された部分の長さを示している。
実験6では、区画の数を4に増やすことで、全部の区画で堆積物層が剥離した長さの合計はさらに大きく、280mmであった。この結果は、均圧操作の後にフラッシングを行うことによるろ過膜面洗浄効果に対しても、本発明に係るろ過モジュールの構造が有利に働くことを示している。
ろ過運転中は、ろ過膜45は原液流路56から透過液流路54へ向けて少し膨らんだ状態となる(図10)。上記実験では従来のスパイラル型モジュールよりも流体抵抗の小さな透過液流路材44を用いているので、透過液流路材がより潰れやすく、ろ過膜45の変形はより大きくなっていたものと考えられる。次に均圧操作によって原液流路側圧力と透過液流路側圧力がほぼ同じになると、ろ過膜45の膨らみが解消される(図11)。その後に弁Voを開けてフラッシングを行うと、モジュールの下流側(図の上方)ではろ過膜45は透過液流路54側から原液流路56側へ押され、ろ過膜面堆積物が剥離する(図12)。このとき、通常の逆洗操作と異なり、ろ過膜面から剥離した堆積物を押し流すフラッシング液の流れがあるため、剥離した堆積物は下流側へ効果的に押し流されることとなる。
そこで、フラッシング液の流れの方向を適宜反転させることによって、ろ過膜のより広い範囲にこの効果を及ぼすことができる。すなわち、フラッシングを1回または複数回実施する毎に、フラッシング液を原液入口から供給する順方向のフラッシングと、フラッシング液を濃縮液出口から供給する逆方向のフラッシングとを切り替えることによって、ろ過膜のより広い範囲で堆積物層を剥離させることができる。
2 集液管
3 ろ過膜
4、44 透過液流路材
5、45 ろ過膜
6、46 原液流路材
7 外装容器
8、48 仕切体
11、51 原液入口
12、52 透過液出口
13、53 濃縮液出口
14、54 透過液流路
16、56 原液流路
21 ろ過膜面堆積物
31 原液入口弁
32 透過液出口弁
33 濃縮液出口弁
34 透過液タンク
35 原液供給ポンプ
36 原液タンク
41 モデル化実験装置
64 モデル化実験装置の背板
66 モデル化実験装置の透明板
Vi、Vo、V1、V2、V3、V4、V5 弁
Fi、F1、F2、F3、F4 流量計
Pi、Po、P1、P2、P3、P4 圧力計
Claims (11)
- 集液管の周囲に、第1のろ過膜、透過液流路材、第2のろ過膜および原液流路材を積層したユニットの一組または複数組を巻回したスパイラル型膜エレメントが略円筒形の外装容器に納められたスパイラル型ろ過モジュールであって、
前記透過液流路材には、透過液のモジュール軸方向への流れを妨げる仕切体が形成されている
ことを特徴とするスパイラル型ろ過モジュール。 - 前記第1のろ過膜および第2のろ過膜は、公称孔径が0.01〜10μmである
ことを特徴とする請求項1に記載のスパイラル型ろ過モジュール。 - 前記ろ過モジュールは、ろ過膜の有効膜面積当たりの透過液量が0.5〜4L/min・m2である
ことを特徴とする請求項1または2に記載のスパイラル型ろ過モジュール。 - 前記仕切体は、前記透過液流路材の集液管側からエレメント外周側にかけて線状に形成されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のスパイラル型ろ過モジュール。 - 前記線状に形成された仕切体は、隣り合う仕切体の間隔がモジュール軸方法において105〜420mmである
ことを特徴とする請求項4に記載のスパイラル型ろ過モジュール。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載のスパイラル型ろ過モジュールを用いた液処理方法であって、
前記モジュールに供給される原液の量に対する前記モジュールからろ過・回収される透過液の量の割合が1/10以上である
ことを特徴とする液処理方法。 - 前記原液の含有する固形分が1000ppm以下である
ことを特徴とする請求項6に記載の液処理方法。 - 前記原液が海水、河川水または工業用水である
ことを特徴とする請求項6に記載の液処理方法。 - 前記ろ過モジュールは定期または不定期にフラッシングによって洗浄され、
該フラッシング時のフラッシング液の供給圧力が300kPa以下である
ことを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の液処理方法。 - 前記ろ過モジュールは定期または不定期にフラッシングによって洗浄され、
該フラッシングの前には、フラッシング液を供給しながら前記ろ過モジュールの透過液出口およびフラッシング液を排出する出口を閉じるモジュール内均圧操作を行い、
その後にフラッシング液を排出する出口のみを開けてフラッシングを行う
ことを特徴とする請求項6〜9のいずれか一項に記載の液処理方法。 - 前記フラッシングは、
フラッシング液を前記ろ過モジュールの原液入口から供給する順方向のフラッシングと、
フラッシング液を前記ろ過モジュールの濃縮液出口から供給する逆方向のフラッシングとを1回または複数回毎に切り替えて実施する
ことを特徴とする請求項10に記載の液処理方法。
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