JP2013085976A - 分離膜、水処理ユニットおよび水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】糖類の除去率を向上することか可能な分離膜、該分離膜を備えた水処理ユニットおよび水処理装置を提供する。
【解決手段】分離膜３５は、逆浸透膜を用いた水処理を行う水処理装置において使用可能である。該分離膜３５は、複数の島状部と、該島状部から延び島状部よりも細幅である繊維状の複数の繊維状部とを備え、膜表面における繊維状部の面積を島状部の面積よりも大きくする。水処理ユニットは、ケーシング３０と、ケーシング３０内に装着された上記分離膜３５と、ケーシング３０に装着され分離膜３５を洗浄可能な洗浄装置３３とを備える。水処理装置は、被処理水に前処理を施すことが可能な第１水処理ユニットと、被処理水に本処理を施すことが可能な第２水処理ユニットとを備える。第１水処理ユニットは上記水処理ユニットを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、分離膜、該分離膜を備えた水処理ユニットおよび該水処理ユニットを備えた水処理装置に関する。

従来から、逆浸透膜を使用した水処理装置は知られている。このタイプの水処理装置で、海水を淡水化する場合には、一般に逆浸透膜による処理の前に、原水から濁質やＴＥＰ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｅｘｏｐｏｌｙｍｅｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ：透明細胞外高分子粒子）等の有機性粒子を除去する前処理が行われる。

この前処理において使用可能な前処理装置の一例が、たとえば特許第４５２５８５７号公報に記載されている。

特許第４５２５８５７号公報

特許第４５２５８５７号公報に記載の前処理装置によれば、小さな設置面積で大きな処理量を得ることができ、かつ有機性粒子をも効果的に除去することができる。ここで、特許第４５２５８５７号公報に記載の前処理装置において使用された分離膜は、図４に模式的に示されるように、島状のノード５と、該ノード５を接続する極細の繊維状のフィブリル６とで主に構成される。

本願発明者等は、前処理において糖類、特にＴＥＰのように水で膨潤してゼリー状になった糖類を有効に除去可能な分離膜の構造について鋭意研究したところ、ノード５とフィブリル６との割合が、糖類の除去率に影響することを見出した。

そこで、本発明は、被処理水からの糖類の除去率を向上することが可能な分離膜、該分離膜を備えた水処理ユニットおよび水処理装置（水処理システム）を提供することを目的とする。

本発明に係る分離膜（濾過膜）は、逆浸透膜を用いた水処理を行う水処理装置において使用可能である。該分離膜は、複数の島状部と、該島状部から延び島状部よりも細幅である繊維状の複数の繊維状部とを備え、膜表面における繊維状部の面積を島状部の面積よりも大きくする。

上記分離膜においては、被処理水からの糖類の除去率が５０％以上であることが好ましい。つまり、被処理水からの糖類の除去率が５０％以上となるように、膜表面における繊維状部の面積を島状部の面積よりも大きくすることが好ましい。より好ましくは、上記膜表面における繊維状部の面積を島状部の面積の３倍以上とし、さらに好ましくは、５倍以上とする。

本発明に係る水処理ユニットは、逆浸透膜を用いた水処理を行う水処理装置において使用可能である。該水処理ユニットは、ケーシングと、ケーシング内に装着された分離膜と、ケーシングに装着され分離膜を洗浄可能な洗浄装置とを備える。分離膜としては、上述の分離膜を使用する。

上記洗浄装置は、好ましくは、ケーシング内に洗浄液を供給可能な洗浄液供給手段と、分離膜に超音波を供給可能な超音波供給手段と、分離膜に水流や気泡流を供給可能な水流・気泡流供給手段との少なくとも１つを含む。

本発明に係る水処理装置（水処理システム）は、逆浸透膜を用いた水処理を行うものである。該水処理装置は、被処理水に前処理を施すことが可能な第１水処理ユニットと、被処理水に本処理を施すことが可能な第２水処理ユニットとを備える。第１水処理ユニットとしては、上述の水処理ユニットを用い、分離膜としては、上述の分離膜を使用する。

本願発明等は、分離膜において、膜表面における繊維状部の面積を島状部の面積よりも大きくすること、つまり分離膜を繊維状部主体の膜とすることで、被処理水における糖類の除去率を向上できることを知得した。よって、本願発明の分離膜を使用することにより、被処理水からの糖類の除去率に優れた水処理ユニットおよび水処理装置（水処理システム）が得られる。

本発明の１つの実施の形態における水処理装置（水処理システム）を示すブロック図である。 本発明の１つの実施の形態における水処理ユニットを示す断面図である。 （ａ）は本発明の１つの実施の形態における分離膜表面の部分拡大写真であり、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大したものである。 従来の分離膜表面の一部の構造例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図４を用いて説明する。
本実施の形態の水処理装置（水処理システム）１は、逆浸透膜を用いて水処理を行う装置である。該水処理装置１は、海水、地下水、排水等の様々な不純物が含まれる水の処理に使用可能であるが、海水の淡水化処理に有用である。

上記水処理装置１は、図１に示すように、ポンプ２と、被処理水に前処理を施すことが可能な第１水処理ユニット３と、被処理水に本処理を施すことが可能な第２水処理ユニット４と、逆浸透膜に高圧で水を与えるポンプ７とを備える。ポンプ２は、第１水処理ユニット３の前段に配置され、該ポンプ２により、図中の矢印に従う方向に被処理水が送られることとなる。

図１に示す水処理装置１では、例えば海水を、第１水処理ユニット３に送り込み、第１水処理ユニット３の分離膜（濾過膜）に通すことにより前処理を行う。それにより、海水中の有機性粒子や無機固形物を濾過して除去する。このように前処理が施された海水を、第２水処理ユニット４に送り込み、第２水処理ユニット４の逆浸透膜（図示せず）に通して脱塩する。それにより、海水から淡水を得ることができる。

上記第１水処理ユニット３は、単数のユニットで構成してもよく、複数のユニットで構成してもよい。つまり、１段濾過の構成を採用してもよく、２段以上の濾過を行う複数段濾過の構成を採用してもよい。例えば、２段濾過を採用する場合、数μｍ程度の平均孔径を有する分離膜を用いた第１の濾過と、精密濾過（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：ＭＦ）もしくは限外濾過（Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：ＵＦ）を用いた第２の濾過とを行うことが考えられる。

第１水処理ユニット３は、図２に示すように、ケーシング３０と、該ケーシング３０内に装着された分離膜３５と、ケーシング３０に装着され分離膜３５を洗浄可能な洗浄装置３３とを備える。分離膜３５には、中空糸、メンブレンのいずれも用いることができるが、ここではメンブレンを用いる場合を示す。

ケーシング３０は、例えば角形や円筒形状を有し、必要とされる機械的強度を有するものであれば任意の材質で構成可能である。分離膜３５は、図２の例では、保持部材３１ａ，３１ｂに保持された状態で、固定部材３４を介してケーシング３０内に装着される。保持部材と膜は、ウレタン、エポキシ等の接着性の封止材で封止・接着され、水が漏れないようにする。分離膜３５の長手方向の両端部には、分離膜３５の内側に被処理水の流路を規定するようにスペーサ３２ａ，３２ｂが取り付けられる。このようにして、分離膜３５を含む分離膜エレメントがケーシング３０内に装着されることとなる。なお、分離膜エレメントにおける、保持部材３１ａ，３１ｂ、スペーサ３２ａ，３２ｂ、固定部材３４の構造は一例であり、分離膜３５をケーシング３０内で保持可能なものであれば、図２に示される構成以外の任意の構成を採用可能である。

ケーシング３０の一方端には、配管３６ｂが接続され、この配管３６ｂを介して、被処理水である海水が第１水処理ユニット３内に送り込まれる。ケーシング３０他方端には、スペーサ３２ａを貫通するように配管３６ａがスペーサ３２ａに接続され、該配管３６ａを通して濾過後の海水が第１水処理ユニット３の外部に送り出される。

洗浄装置３３としては、例えば、ケーシング３０内に洗浄液を供給可能な洗浄液供給手段（図示せず）、分離膜３５に超音波を供給可能な超音波供給手段（図示せず）、分離膜３５に水流や気泡流を供給可能な水流・気泡流供給手段（図示せず）等を挙げることができる。水流・気泡流供給手段は、例えばジェット水流や気泡を含むジェット水流等を供給可能である。これらの各手段を単独で使用してもよく、これらを組合せて使用してもよい。また、上記各手段の数や設置位置も任意に選択可能である。

洗浄液供給手段としては、ケーシング３０内に洗浄液を供給可能なものであれば、周知の構成を採用可能である。洗浄液としては、次亜塩素酸、界面活性剤等が使用可能であるが、特にリモネン（ｄ−ｌｉｍｏｎｅｎｅ：下記化学式１参照）含有水を挙げることができる。リモネン含有水は、分離膜３５の内側の領域に、例えば３０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ程度供給し、逆洗浄により膜に詰まったＴＥＰや濁質等を取り除く。このようにリモネン含有水を分離膜３５の内側の領域に供給して分離膜３５の逆洗を行うことにより、分離膜３５の目詰まりを効果的に除去することができる。特に、膜に絡み合ったＴＥＰを浮かせて効果的に除去することができる。

リモネン含有水による逆洗の後には、クエン酸水溶液や酢酸水溶液等の弱酸溶液や、イソプロピルアルコール水溶液やエタノール水溶液等のアルコール溶液を用いたリンス処理を行うことが好ましい。それにより、上記逆洗後の被処理水の水質を改善することができる。具体的には、ＳＤＩ（Ｓｉｌｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｉｎｄｅｘ）の値を小さくすることができる。

超音波供給手段としては、超音波振動子等の周知の超音波発生装置を使用可能である。該超音波発生装置からの超音波（例えば１５〜４００ｋＨｚ程度）を、ケーシング３０内の被処理水や分離膜エレメントを介して分離膜３５に間接的に与えてもよく、分離膜３５に直接超音波を与えてもよい。

水流・気泡流供給手段としては、水流及び／又は気泡流を噴射可能なノズル等の様々な器具や装置を挙げることができる。水流・気泡流供給手段は、例えば分離膜３５の周囲に複数配置すればよい。

第２水処理ユニット４は、本実施の形態の水処理装置１では、脱塩処理を行う。該第２水処理ユニット４は、孔径が１〜２ｎｍ程度の逆浸透膜を備える。逆浸透膜は、スパイラル型やチューブラー型に構成してもよく、中空糸膜で構成してもよいが、大量の海水を処理可能な構造を有することが好ましい。

本実施の形態における分離膜３５は、例えば、フッ素樹脂やポリオレフィン等の疎水性高分子材料で作製可能である。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を挙げることができ、ポリオレフィンとしては、ポリエチレンや他のポリ−α−オレフィン等を挙げることができる。特に、ＰＴＦＥを用いることで、高度にフィブリル構造が発達した膜を得ることができる。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、分離膜３５は、島状部であるノードと、該ノードから延び該ノードよりも細幅である繊維状のフィブリルとを備える。図３（ａ），（ｂ）の例では、多数のノードおよびフィブリルが存在するが、ノードの中には直線状あるいは曲線状に長く延びるものも存在する。本願発明では、このように直線状あるいは曲線状に長く延びるノードも、上記の「島状部」の概念に含まれるものと定義する。

本実施の形態における分離膜３５では、例えば図３（ａ），（ｂ）に示される膜表面におけるフィブリル（繊維状部）の面積をノード（島状部）の面積よりも大きくする。つまり、分離膜３５をフィブリル主体の膜とする。好ましくは、フィブリルの面積をノードの面積の３倍以上とし、より好ましくは、５倍以上とする。図３（ａ），（ｂ）に示す例では、フィブリルの面積は、ノードの面積の約５倍である。このように分離膜３５をフィブリル主体の膜とすることにより、被処理水における糖類の除去率を向上することができる。例えば、分離膜３５の表面におけるフィブリルの面積とノードの面積とを適切に調節することにより、被処理水における糖類の除去率を５０％以上とすることができる。なお、フィブリルとノードの面積は、例えば分離膜３５表面の顕微鏡写真を撮影し、該写真上での面積を測定すればよい。

ここで、被処理水中の糖類の量（糖量）の測定方法について説明する。
糖量の測定は、濃縮した被処理水の液体クロマトグラフィーにより行うことができる。具体的には、被処理水を濃縮し、得られた濃縮サンプルを加水分解した後に、液体クロマトグラフィー、特にイオンクロマトグラフィーにより分析し、得られたクロマトグラムの糖のピーク強度に基づいて定量することができる。被処理水の濃縮は、被処理水中の水分の留去や被処理水を凍結乾燥した後の残渣を、少量の純水で再溶解する方法等により行うことができる。

イオンクロマトグラフィーによる場合は、液体クロマトグラフィーでの定量に供せられる前に、被処理水中の多糖類を単糖類に変えるための加水分解が行われる。また、他の前処理として、被処理水中の濁質を除去するために濾過や遠心分離、被処理水中に溶解しているイオンを除去するためのイオン交換樹脂による処理等が行われる場合もある。

陰イオン交換樹脂を用いたイオンクロマトグラフィーの場合は、移動相としては、水酸化ナトリウム溶液等を挙げることができる。検出器としては、示差屈折計等も挙げることができるが、イオンクロマトグラフィーによる場合は、電気化学検出器が好ましく用いられる。

なお、本願明細書において「糖類の量（糖量）」とは、ラムノース量、ガラクトース量、グルコース量、マンノース量の合計量をいい、「糖類の除去率」とは、ラムノース量、ガラクトース量、グルコース量、マンノース量の測定値の合計量の「海水（被処理水）」に対する減少率をいう。

再び図３（ａ），（ｂ）を参照すると、分離膜３５は、多数の微小の孔を有しているが、これらの孔の平均孔径は、例えば１〜１０μｍの範囲内、より好ましくは、２〜５μｍの範囲内である。ここで、「分離膜３５の平均孔径」とは、バブルポイント法（エアーフロー法）で求めた孔径を意味する。具体的には、この孔径は、イソプロピルアルコールを用いＡＳＴＭ Ｆ３１６に基づき測定されたＩＰＡバブルポイント値（圧力）をＰ（Ｐａ）、液体の表面張力（ｄｙｎｅｓ／ｃｍ）をγ、Ｂを毛細管定数としたとき、ｄ＝４Ｂγ／Ｐで表わされる径ｄ（μｍ）を意味する。

次に、上述の分離膜３５の製造方法について説明する。なお、以下には、ＰＴＦＥ製の分離膜３５の製造方法について記載する。

例えば、乳化重合によりＰＴＦＥの粉末を製造し、この粉末を、押出しにより膜状に成形する。その後、得られた膜を延伸し、熱処理を施すことにより分離膜３５を製造することができる。ここで、ＰＴＦＥの粉末の押出、延伸の条件を適宜調整することにより、分離膜３５の平均孔径、機械的強度等を調節することができる。また、ＰＴＦＥ粉末の粒度、押出、延伸、熱処理の条件を調整することで、フィブリルの面積とノードの面積の割合をも調整することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

本願発明者等は、ＰＴＦＥ樹脂を押出、延伸、焼結して、実際に中空糸膜を作製した。該中空糸膜の孔径は２μｍ、厚みは６００μｍであり、該中空糸膜表面におけるフィブリルの面積は、ノードの面積の３倍であった。この中空糸膜の表面性状は疎水膜であり、使用時にイソプロピルアルコールで膜を濡らした後に、水に浸してイソプロピルアルコールを水に置換した。この状態の分離膜を乾燥させることなく用いて海水を濾過した。具体的には、静岡県の海水を当該分離膜で濾過した。このときの濾過流束は１０ｍ／ｄであった。そして、海水と濾過水の糖類濃度を分析したところ、糖類除去率は６２％であった。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

１ 水処理装置、２，７ ポンプ、３ 第１水処理ユニット、４ 第２水処理ユニット、５ ノード、６ フィブリル、３０ ケーシング、３１ａ，３１ｂ 保持部材、３２ａ，３２ｂ スペーサ、３３ 洗浄装置、３４ 固定部材、３５ 分離膜、３６ａ，３６ｂ 配管。

Claims (6)

1. 逆浸透膜を用いた水処理を行う水処理装置において使用可能な分離膜であって、
   複数の島状部と、
   前記島状部から延び、前記島状部よりも細幅である繊維状の複数の繊維状部とを備え、
   膜表面における前記繊維状部の面積を前記島状部の面積よりも大きくした、分離膜。
2. 前記膜表面における前記繊維状部の面積を前記島状部の面積の３倍以上とした、請求項１に記載の分離膜。
3. 被処理水からの糖類の除去率が５０％以上である、請求項１または請求項２に記載の分離膜。
4. 逆浸透膜を用いた水処理を行う水処理装置において使用可能な水処理ユニットであって、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内に装着された分離膜と、
   前記ケーシングに装着され前記分離膜を洗浄可能な洗浄装置と、
   を備え、
   前記分離膜は、複数の島状部と、前記島状部から延び前記島状部よりも細幅である繊維状の複数の繊維状部とを有し、膜表面における前記繊維状部の面積を前記島状部の面積よりも大きくした、水処理ユニット。
5. 前記洗浄装置は、前記ケーシング内に洗浄液を供給可能な洗浄液供給手段と、前記分離膜に超音波を供給可能な超音波供給手段と、前記分離膜に水流や気泡流を供給可能な水流・気泡流供給手段との少なくとも１つを含む、請求項４に記載の水処理ユニット。
6. 逆浸透膜を用いた水処理を行う水処理装置であって、
   被処理水に前処理を施すことが可能な第１水処理ユニットと、
   被処理水に本処理を施すことが可能な第２水処理ユニットとを備え、
   前記第１水処理ユニットは、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内に装着された分離膜と、
   前記ケーシングに装着され前記分離膜を洗浄可能な洗浄装置とを有し、
   前記分離膜は、複数の島状部と、前記島状部から延び前記島状部よりも細幅である繊維状の複数の繊維状部とを含み、膜表面における前記繊維状部の面積を前記島状部の面積よりも大きくした、水処理装置。