JP2013202445A - 分離膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は酸化剤への接触判定を容易に実施できる分離膜エレメントを提供する。
【解決手段】供給液中の成分を分離する分離膜が供給液流入口を有する外装体に覆われてなる分離膜エレメントにおいて分離膜エレメントのうち分離膜を除く供給液と接触する箇所に、酸化剤接触判定部材を備え付けることで、分離膜エレメントを解体することなく酸化剤への接触判定を実施できる。
【選択図】図１

Description

本発明は水処理装置の分離膜エレメントに関し、詳しくは酸化剤との接触により膜性能が劣化したかどうかを容易に判定し、長期の安定運転へ寄与する技術に関する。

膜分離法は、省エネルギー・スペース、およびろ過水質向上等の特長を有するため、様々な分野での使用が拡大している。特に、ポリアミド系逆浸透膜を用いた膜分離技術は、海水およびかん水淡水化、電子工業用および医療用純水の製造、各種排水の処理、有価物回収などの分野に幅広く利用されている。

ポリアミド系逆浸透膜を用いた分離技術の実用化の際、供給液中やポリアミド逆浸透膜上に微生物が繁殖することにより、菌体およびその代謝物が膜面に堆積して流体抵抗を増加させ、透過速度を低下させる。あるいは代謝物等が膜性能を劣化させる、という問題が発生する。

そのため、ポリアミド系逆浸透膜を用いたシステム内の微生物の殺菌方法がいくつか提案されている。一般的な方法として、供給液中に殺菌剤を常時または間欠的に添加する方法があり、殺菌剤としては次亜塩素酸ナトリウムが広く用いられている。

ポリアミド系逆浸透膜として、ポリスルホン多孔性支持体上に架橋性ポリアミドからなる機能膜を有する複合膜が主に使用されている。しかし、次亜塩素酸ナトリウムなどの酸化剤が供給液中に含まれていると、特にポリアミド系逆浸透膜は次亜塩素酸ナトリウムによって劣化してしまうため、ポリアミド系の逆浸透膜を用いる際、次亜塩素酸ナトリウムなどの酸化剤と接触しないように分離膜エレメントの前段で中和する、などの処置が必要となる。

例えば次亜塩素酸ナトリウムの場合、分離膜の前段で亜硫酸水素ナトリウムを添加することで次亜塩素酸ナトリウムを中和しているが、亜硫酸水素ナトリウム注入ポンプの故障などの理由で薬品が充分に添加されなかった場合は、次亜塩素酸ナトリウムが供給液内に残留して分離膜に供給されてしまう。この場合、分離膜と次亜塩素酸ナトリウムが接触し、分離膜の性能が劣化してしまう。

膜性能の不可逆的な低下の要因としては上述した次亜塩素酸ナトリウムなどの酸化剤との接触以外にも、ファウリングやスケールの発生、膜破れやエレメントの機械的な損傷などの様々な要因がある。また運転条件の変更や供給液性質の変動によっても性能が可逆的に変化する。この中で、酸化剤に接触したことが原因で膜性能が劣化したかどうかを判定する方法としては、塩化マグネシウム溶液を供給液として除去率を測定したものと、塩化ナトリウム溶液を供給液として除去率を測定したものとを比較することで判断する手法がある。しかしながら、この方法では分離膜エレメントを個別に評価する必要があるため手間がかかる。また、別の方法として、分離膜エレメントを解体して膜表面を調査する手法もあるが、解体した分離膜エレメントは再度使用することができない、といった問題があった。

特許文献１では、解体が容易で部材ごとに再利用または廃棄処理が可能なスパイラル型エレメントを提供する技術が開示されている。しかし、特許文献１に記載されたスパイラル型エレメントを使用しても、分離膜が酸化剤に接触したかどうかを判定するためにはスパイラル型エレメントを解体して分離膜を取り出す必要があり、解体して分離膜を取り出したスパイラル型エレメントは再利用することができない、といった問題があった。

特開２０００−０１５０６３号公報

そこで、本発明は酸化剤への接触判定を、分離膜エレメントを解体するなどの手間をかけることなく容易に実施できる分離膜エレメントを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の（１）〜（７）の実施態様に関する。

（１）供給液中の成分を分離する分離膜が供給液流入口を有する外装体に覆われてなる分離膜エレメントであって、分離膜エレメントのうち分離膜を除く供給液と接触する箇所に、酸化剤接触判定部材を備える分離膜エレメント。

（２）集水孔を有する集水管の周りに供給液中の成分を分離する分離膜を含む分離膜ユニットがスパイラル状に巻回され、その巻回された分離膜ユニットの外周が外装体で覆われて巻回体を形成し、前記巻回体の両端にそれぞれ供給液流水口を有するテレスコープ防止板が設けられてなる分離膜エレメントであって、分離膜エレメントのうち分離膜ユニットを除く供給液と接触する箇所に、酸化剤接触判定部材を備える分離膜エレメント。

（３）前記酸化剤接触判定部材がポリアミド製である（１）または（２）に記載の分離膜エレメント。

（４）前記酸化剤接触判定部材がシート状物である（１）〜（３）のいずれかに記載の分離膜エレメント。

（５）前記酸化剤接触判定部材を複数備える（１）〜（４）のいずれかに記載の分離膜エレメント。

（６）前記酸化剤接触判定部材がハロゲン系酸化剤の接触有無を判定するものである、（１）〜（５）のいずれかに記載の分離膜エレメント。

（７）前記ハロゲン系酸化剤が次亜塩素酸ナトリウムまたはクロラミンである（６）に記載の分離膜エレメント。

本発明によれば、分離膜エレメントを解体するなどの手間をかけることなく酸化剤への接触判定を容易に実施することが可能となる。

本発明の分離膜エレメントの一例を示す部分破断斜視図である。 本発明の分離膜エレメントの別の一例を示す部分破断斜視図である。 本発明の分離膜エレメントに使用される、３辺を互いに接着して封筒状に形成した分離膜の一例を示す図である。 本発明の分離膜エレメントに使用されるテレスコープ防止板と酸化剤接触判定部材の貼り付け位置の一例を示す図である。 本発明の分離膜エレメントを圧力容器内に装填した場合の一例を示す図である。 本発明の分離膜エレメントに使用される、加圧型中空糸膜エレメントの一例を示す図である。

以下、図面に示す実施態様に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施態様に限定されるものではない。

本発明は、供給液中の成分を分離する分離膜が供給液流入口を有する外装体に覆われてなる分離膜エレメントであって、分離膜エレメントのうち分離膜を除く供給液と接触する箇所に、酸化剤接触判定部材を備える分離膜エレメントである。

分離膜の材質としては、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、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルフルオライド、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、およびクロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、酢酸セルロース、ポリビニルアルコールおよびポリエーテルスルホン等からなる群から選ばれる少なくとも１種類を含んでいると好ましいが、高耐圧性と高透水性、高溶質除去性能を兼ね備えるポリアミドを含んでいることが好ましい。

分離膜の形状としては、中空糸膜、平膜、管状膜等があるが、いずれでも構わない。

分離膜の膜構造としては、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や、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分離機能層を有する複合半透膜などの形態が挙げられ、本発明ではいずれの膜構造のものも適用することができる。

本発明の分離膜エレメントの形状は、分離膜ユニットが供給液流入口を有する外装体で覆われて、外装体を取り外すことなく分離膜を抜き出すことが困難なものであれば特に限定されないが、好ましくは図１に示すような構造を有するスパイラル型分離膜エレメントを採用することが好ましい。また、本発明は、加圧型中空糸膜エレメントや浸漬型中空糸膜エレメントにおいても適用は可能である。以下、本発明の特徴である酸化剤接触判定部材の取り付け位置について、スパイラル型分離膜エレメントを例にとって説明する。

スパイラル型分離膜エレメントの概要図を図１に示す。スパイラル型分離膜エレメントは、図３に示すような３辺を互いに接着して封筒状に形成した分離膜１と透過液流路材２および供給液流路材３の中から、少なくとも分離膜１を含むユニットを１つの膜ユニットとして、単数もしくは複数の膜ユニットを、集水管４の周囲にスパイラル状に巻き付けて、スパイラル状に巻き付けられた膜ユニットの外周をシェル５で覆って巻回体を形成し、その巻回体の両端をそれぞれ供給液流水口を有するテレスコープ防止板６で固定してなる。この時、封筒状の分離膜１は集水管４側で開口している。供給液７は分離膜エレメントの一方の端面から供給され、分離膜１で処理されて分離膜１を透過したものは透過液８として使用される。分離膜１を透過しなかった供給液７は、分離膜エレメントの他方の端面から濃縮液９として排出される。本発明では、この供給液７と接触する部分、具体的にはシェル５、テレスコープ防止板６のいずれか、またはシェル５とテレスコープ防止板６の両方に酸化剤接触判定部材１０を貼り付けておく。ここで、テレスコープ防止板６に酸化剤接触判定部材１０を貼り付けた例を図１に、シェル５に酸化剤接触判定部材１０を貼り付けた例を図２にそれぞれ図示する。なお、図４には、テレスコープ防止板６において酸化剤接触判定部材１０を貼り付けられる位置を示している。図４に示すように判定部材はテレスコープ防止板６上に複数備えても良いし、図２と図４を同時に実行し、判定部材をテレスコープ防止板６とシェル５にそれぞれ備えてもよい。

なお、本発明における「外装体」は、供給液流入口を有し、分離膜ユニットを内包できるものであればその形状は特に限定されない。例えば図１に示すように、シェル５とテレスコープ防止板６、エンドキャップなどを複合させて外装体を構成しても良いし、図６に示すように、本体パイプ１８とキャップ１９、ノズル２１などを複合させて外装体を構成しても良い。また、単一構成のものを外装体として使用しても構わない。

また、実際にスパイラル型分離膜エレメントの使用する際には、図５に示すようにエンドキャップ１５を使用して集水管４に供給液７が流入しないようにすることが好ましい。また、集水管４と圧力容器端板１３とを接続する透過水アダプタ１４も使用される。通常、スパイラル型分離膜エレメントは圧力容器１２内に装填されて分離膜モジュールとして使用され、圧力容器内は供給液７で満たされるため、当該分離膜モジュールの実施態様においては、本発明に係る「分離膜エレメントのうち分離膜（分離膜ユニット）を除く供給液と接触する箇所」としては、シェル５およびテレスコープ防止板６、上述したエンドキャップ１５および透過水アダプタ１４、さらに、圧力容器１２や圧力容器端板１３も該当する。

シェル５の材質としては、ステンレス等の金属材料、ＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）等の複合材料、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、変性ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、ＡＢＳ（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの共重合体）樹脂等のプラスチックが挙げられる。

本発明に使用されるテレスコープ防止板６とは、集水管４と係合する内周環状部と、スパイラル型流分離膜エレメントの直径とほぼ同等の直径を有する外周環状部と、これら環状部同士を連結するスポーク型のテレスコープ防止板であることが好ましいが、供給液流水口を有するものであればこの形状に限定されない。また材質は特に限定されるものではないが、大量生産、コスト、軽量化の観点から通常は射出成形に好適な樹脂を選択すればよい。さらに、供給液に含まれる様々な物質に耐久できるために耐薬品性に優れたものであることが好ましい。例えば、アクリルブタジエンスチレン樹脂（ＡＢＳ）、アクリルエチレンスチレン樹脂（ＡＥＳ）、ポリサルフォン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などや、これらの複合素材（ポリマアロイ等）を利用することができる。

また、実際にスパイラル型分離エレメントを使用する時には、上流側のテレスコープ防止板にブラインシールなどの原液シール部材１６を装着して使用し、各種コネクターを装着する際にはＯ−リングを使用する。このとき使用される原液シール部材１６やＯ−リングの材質としては、ニトリルゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプロピレンゴムなどの弾性体が挙げられるが、これらに限定されない。ニトリルゴムやエチレンプロピレンゴムにはフッ素樹脂コートやフッ素樹脂被膜処理、たとえば“サンフロン”（登録商標）や“サンコート”（登録商標）Ｒ８１００を施すと、装填性が改善し、長期使用でのテレスコープ防止板や使用時における加圧容器への固着防止になるため好ましい。

本発明は、上述したスパイラル型分離膜エレメントに限定されることなく、例えば図６に示す加圧型中空糸膜エレメントにおいても適用することができる。図６に示す加圧型中空糸膜エレメントは、分離膜ユニット１７が収容される本体パイプ１８と、本体パイプ１８の両側の開口端を閉鎖するためのキャップ１９を有している。分離膜ユニット１７は多数本からなる束状になっていて、本体パイプ１８内部に収容されている。分離膜ユニット１７はポッティング材２０で本体パイプ１８に固定され、本体パイプ１８の両端付近にはノズル２１が形成されている。供給液はこのノズル２１を経由して本体パイプ１８内に流入することが一般的である。本実施態様においては、本体パイプ１８および本体パイプ１８に連接されているキャップ１９、ノズル２１が一体として本発明の外装体を構成する。また、「分離膜エレメントのうち分離膜（分離膜ユニット）を除く供給液と接触する箇所」としては、本体パイプ１８、排水側のキャップ１９、ノズル２１が該当する。本実施態様においては、ノズル２１の供給液流入側か供給液出口側部分に酸化剤接触判定部材を貼り付けることが、構造上貼り付けと取り外しを容易にできるため好ましい。

酸化剤とは、代表的なものはハロゲン系物質のフッ素、次亜塩素酸ナトリウム、臭素、ヨウ素を含む化合物であるものが好ましい。さらに好ましくは、次亜次亜塩素酸ナトリウム酸ナトリウム、クロラミンなどがあげられる。その他にも、シュウ酸、過酸化水素、オゾン等が挙げられるが、これらに限定されない。特に、酸化剤がハロゲン系酸化剤であると以下で説明するＦｕｊｉｗａｒａ Ｔｅｓｔによる次亜塩素酸ナトリウム接触判定を実施できるため好ましく、ハロゲン系酸化剤の中でも、次亜塩素酸ナトリウムやクロラミン、またはニ酸化塩素が一般的に水処理分野で供給液の殺菌に用いられることが多いため、さらに好ましい。

酸化剤接触判定部材とは、酸化剤の接触有無を判定できる部材であれば特に限定されないが、中でも、ポリアミド製の酸化剤接触判定部材を使用すれば、ハロゲン系酸化剤の接触判定に広く使われているＦｕｊｉｗａｒａ Ｔｅｓｔを実施できるために好ましい。

Ｆｕｊｉｗａｒａ Ｔｅｓｔとは、有機ハロゲン化合物の簡易テストなどで用いられる分析法で、有機塩素化合物とピリジン／アルカリ水溶液を混合して加熱すると、ピリジン層がピンク色に着色する反応を応用している。ポリアミド系の分離膜の機能層(ポリアミド)に次亜塩素酸ナトリウムが接触すると、膜表面に有機ハロゲン化合物が生成し、ピリジン法の着色によりこの膜の次亜塩素酸ナトリウムとの接触による劣化判定ができる。

Ｆｕｊｉｗａｒａ Ｔｅｓｔの実施法としては、例えばAlice Anthony et al., Journal of Membrane Science, 347, 2010, 159-164に記載されている以下の方法が挙げられるが、本発明においてはこの方法に限定されない。
（１）ピリジン／水酸化カリウム（１０Ｍ）をそれぞれ１０ｍｌずつ混ぜ、混合水溶液を試験管内で調製する。
（２）酸化剤接触判定部材を調製した混合水溶液中に浸漬する。
（３）試験管を密閉し、湯浴の中で２分間温める。
（４）混合水溶液中の酸化剤接触判定部材のピンク色の着色の有無を目視で確認する。着色があれば、その分離膜はハロゲン系酸化剤との接触による劣化が起こっていると判定する。

また、酸化剤接触判定部材がシート状であることで、酸化剤接触判定部材をテレスコープ防止板上に取り付けた際には供給液の流路を塞がれないため好ましく、酸化剤接触判定部材を外装体の周辺に取り付ける際にも分離膜エレメントの外径が著しく増加しないために好ましい。

酸化剤接触判定部材がポリアミド製の逆浸透膜であれば、ポリアミド製でありかつシート状でもあるため、好ましい。

本発明の分離膜エレメントは、各種水処理設備に適用することができる。

１ 分離膜
２ 透過液流路材
３ 供給液流路材
４ 集水管
５ シェル
６ テレスコープ防止板
７ 供給液
８ 透過液
９ 濃縮液
１０ 酸化剤接触判定部材
１１ 接着剤部分
１２ 圧力容器
１３ 圧力容器端板
１４ 透過水アダプタ
１５ エンドキャップ
１６ 原液シール部材
１７ 分離膜ユニット
１８ 本体パイプ
１９ キャップ
２０ ポッティング材
２１ ノズル

Claims (7)

1. 供給液中の成分を分離する分離膜が供給液流入口を有する外装体に覆われてなる分離膜エレメントであって、分離膜エレメントのうち分離膜を除く供給液と接触する箇所に、酸化剤接触判定部材を備える分離膜エレメント。
2. 集水孔を有する集水管の周りに供給液中の成分を分離する分離膜を含む分離膜ユニットがスパイラル状に巻回され、その巻回された分離膜ユニットの外周が外装体で覆われて巻回体を形成し、前記巻回体の両端にそれぞれ供給液流水口を有するテレスコープ防止板が設けられてなる分離膜エレメントであって、分離膜エレメントのうち分離膜ユニットを除く供給液と接触する箇所に、酸化剤接触判定部材を備える分離膜エレメント。
3. 前記酸化剤接触判定部材がポリアミド製である請求項１または２に記載の分離膜エレメント。
4. 前記酸化剤接触判定部材がシート状物である請求項１〜３のいずれかに記載の分離膜エレメント。
5. 前記酸化剤接触判定部材を複数備える請求項１〜４のいずれかに記載の分離膜エレメント。
6. 前記酸化剤接触判定部材がハロゲン系酸化剤の接触有無を判定するものである、請求項１〜５のいずれかに記載の分離膜エレメント。
7. 前記ハロゲン系酸化剤が次亜塩素酸ナトリウムまたはクロラミンである請求項６に記載の分離膜エレメント。

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