JP2014128760A - 逆浸透膜の阻止率向上方法、阻止率向上処理剤及び逆浸透膜 - Google Patents

逆浸透膜の阻止率向上方法、阻止率向上処理剤及び逆浸透膜 Download PDF

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Abstract

【課題】除去性能(阻止率)の安定性とフラックス安定性(耐汚染性の持続性)がより一層改善されたRO膜の阻止率向上方法を提供する。
【解決手段】ポリフェノールを含む水溶液をRO膜に通水する工程を有するRO膜の阻止率向上方法において、更に、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液をRO膜に通水する工程を有することを特徴とするRO膜の阻止率向上方法。好ましくは更に分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物をRO膜に通水する工程を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は逆浸透膜(RO膜)の阻止率(脱塩率)向上方法に係り、特に劣化したRO膜を修復して、その阻止率を効果的に向上させる方法に関する。
本発明はまた、このRO膜の阻止率向上方法により阻止率向上処理がなされたRO膜と、この方法に用いられる阻止率向上処理剤に関する。
RO膜は超純水製造プラント、排水回収プラント、海水淡水化プラントなどで使用されており、RO膜による処理で、水中の有機物、無機物などの大部分を除去することができる。しかし、RO膜は水中に存在する酸化性物質や還元性物質の影響を受けたり、酸・アルカリ洗浄、経年劣化などから、阻止率が徐々に低下し、必要な透過水(処理水)水質が得られなくなることがある。また、予期せぬトラブルにより除去性能が低下することもあるし、製品としてのRO膜の阻止率自体が要求されるレベルに達していない場合もある。
特に、水処理システムは系内でスライムが繁殖することを防止するため、次亜塩素酸ナトリウムなどを添加していることが多いが、塩素は強力な酸化剤であり、残留塩素を十分に還元除去しないままRO膜に供給すると、塩素とRO膜が接触し、RO膜が劣化することが知られている。
また、残留塩素を分解するために、重亜硫酸ナトリウムなどの還元剤が添加することがあるが、重亜硫酸ナトリウムが過剰に添加されている還元性環境下において、CuやCo、Mn、Feなどの重金属が共存すると膜が劣化することも知られている。(特許文献1、非特許文献1)
従来、RO膜等の透過膜の阻止率向上方法としては、以下のようなものが提案されている。
(1) アニオン又はカチオンのイオン性高分子化合物を膜表面に付着させることにより、阻止率を向上させる方法(特許文献2)
(2) ポリアルキレングリコール鎖を有する化合物を膜表面に付着させることにより、ナノ濾過膜やRO膜の阻止率を向上させる方法(特許文献3)
(3) タンニン酸などを劣化膜に付着させて脱塩率を改善させる方法(非特許文献2)
しかし、これらの従来方法は、透過流束(フラックス)の低下が大きく、阻止率を回復させても、透過流束が処理前の20%以上低下する場合があったり、非常に劣化の大きな膜に対しては十分な回復が困難である、といった問題があった。
上記従来技術の課題を解決するものとして、本願出願人は、先に分子量200未満の第1の有機化合物と、分子量200以上500未満の第2の有機化合物と、分子量500以上の第3の有機化合物とを含む水溶液をRO膜に通水する工程を有することを特徴とした阻止率向上方法を提案した(特許文献4)。
しかし、特許文献4で分子量500以上の第3の有機化合物として用いられているタンニン酸等のポリフェノールを用いた阻止率向上方法は、原水水質によっては徐々に阻止率、フラックスが低下するという問題があるため、除去性能(阻止率)の安定性、フラックス安定性(耐汚染性の持続性)をより一層改善する手法が望まれていた。
特開平7−308671号公報 特開2006−110520号公報 特開2007−289922号公報 特開2012−187469号公報
Fujiwara et al.,Desalination,Vol.96(1994),431-439 佐藤、田村、化学工学論文集、Vol.34(2008),493-498
本発明は、除去性能(阻止率)の安定性とフラックス安定性(耐汚染性の持続性)がより一層改善されたRO膜の阻止率向上方法とそのための阻止率向上処理剤を提供することを課題とする。
本発明はまた、このようなRO膜の阻止率向上方法により阻止率向上処理が施されたRO膜を提供することを課題とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、次のような知見を得た。
即ち、従来のポリフェノールを用いる阻止率向上処理では、除去性能の安定性が悪いのは、ポリフェノールがRO膜から剥離しているためと考えられ、また、フラックス安定性が悪いのは阻止率向上処理により膜表面の荷電性が大きくなり、汚染物質が付着しやすくなるためと考えられた。
本発明者らは、阻止率向上処理に用いるポリフェノールの上に特定の高分子を吸着ないし被覆させることで、膜からのポリフェノールの剥離を防止し、除去性能の安定性が高まると考えた。
また、その高分子をポリビニルアルコールにすることで、膜表面の荷電性をゼロに近づけ、フラックス安定性が得られると考えた。しかし、一般的なポリビニルアルコールは膜との吸着性が弱いと言う問題があった。そこで、本発明者らはイオン性基やポリアルキレンオキサイド鎖などを有する変性ポリビニルアルコールが、RO膜との吸着性が高いことから、変性ポリビニルアルコールを用いることを見出した。即ち、一般的なRO膜の膜表面にはカルボキシル基、アミノ基が存在するが、これらの官能基とイオン性基との反応性が高いこと、ポリアルキレンオキサイド鎖が膜との吸着性が高いことから、イオン性基やポリアルキレンオキサイド鎖などを有する変性ポリビニルアルコールであれば、一般的なポリビニルアルコールよりも高い安定性が得られると考えられる。
また、高分子多糖類は、その物性として水溶液の粘性を増加させる増粘作用を有するため、この増粘作用でRO膜の阻止率向上成分であるポリフェノールの吸着安定性が高められる。
更に、ポリアミノ酸は、カチオン性やアニオン性を有し、RO膜表面に存在するカルボキシル基やアミノ基との相互作用、更にはポリフェノールとの相互作用で、吸着性を高める効果が得られると考えられる。
本発明はこのような知見に基いて達成されたものであり、以下を要旨とする。
[1] ポリフェノールを含む水溶液を逆浸透膜に通水する工程を有する逆浸透膜の阻止率向上方法において、更に、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液を逆浸透膜に通水する工程を有することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[2] [1]において、ポリフェノールと、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上とを含む水溶液を逆浸透膜に通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[3] [1]において、ポリフェノールを含む水溶液を逆浸透膜に通水した後、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液を逆浸透膜に通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[4] [3]において、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液が、ポリフェノールを含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[5] [1]ないし[4]のいずれかにおいて、更に、分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物を含む水溶液を逆浸透膜に通水する工程を有することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[6] [5]において、ポリフェノールと、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上と、分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物とを含む水溶液を逆浸透膜に通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[7] [5]において、ポリフェノールと分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物とを含む水溶液を逆浸透膜に通水した後、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液を通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[8] [7]において、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液が、ポリフェノールと分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物を含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[9] [1]ないし[8]のいずれかおいて、前記ポリフェノールがタンニン酸であることを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[10] [1]ないし[9]のいずれかおいて、前記ポリアミノ酸がポリリジンであることを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[11] [1]ないし[10]のいずれかにおいて、前記通水時の圧力が0.1〜0.5MPaであることを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
[12] [1]ないし[11]のいずれかに記載の阻止率向上方法によって処理された逆浸透膜。
[13] ポリフェノールと、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上とを含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上処理剤。
[14] [13]において、更に分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物を含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上処理剤。
本発明によれば、ポリフェノールと、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上(以下、これらを「第2の阻止率向上成分」と称す場合がある。)とを用いてRO膜を処理することにより、RO膜の阻止率を効率的に回復させることができ、除去性能(阻止率)の安定性とフラックス安定性(耐汚染性の持続性)がより一層改善されたRO膜とすることができる。
また、更に、分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物(以下、「低分子量アミノ化合物」と称す場合がある。)を併用することにより、より一層優れた処理効果が得られる。
即ち、本発明によれば、図1(a)に示すように、RO膜21にポリフェノール22のみを吸着させた場合に比べて、図1(b)に示すように、RO膜21にポリフェノール22と第2の阻止率向上成分23とを吸着させることにより、第2の阻止率向上成分23のRO膜21及び/又はポリフェノール22に対する相互作用で、ポリフェノール22を被覆すると共に、吸着状態を安定化させることができる。
更に、低分子量アミノ化合物24を併用すると、図1(c)に示すように、低分子量アミノ化合物24がRO膜21の劣化部分を修復し、阻止率を効果的に向上させることができる。
本発明による阻止率向上処理のメカニズムを示す説明図である。 実施例で用いた平膜試験装置を示す模式図である。
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明のRO膜の阻止率向上方法は、ポリフェノール(以下、「第1の阻止率向上成分」と称す場合がある。)と、第2の阻止率向上成分である、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上とを併用することを特徴とし(以下、第1の阻止率向上成分と第2の阻止率向上成分を単に「阻止率向上成分」と称す場合がある。)、更に好ましくは分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物(低分子量アミノ化合物)を併用する。
[RO膜]
RO膜は、膜を介する溶液間の浸透圧差以上の圧力を高濃度側にかけると、溶媒を透過させ、溶質を阻止する液体分離膜である。RO膜の膜構造としては、非対称膜、複合膜などの高分子膜などを挙げることができる。本発明において、阻止率向上処理に供されるRO膜の素材としては、例えば、芳香族系ポリアミド、脂肪族系ポリアミド、これらの複合材などのポリアミド系素材、酢酸セルロースなどのセルロース系素材などを挙げることができる。これらの中で、芳香族ポリアミドを緻密層とするポリアミド系RO膜が挙げられるが、ポリアミド系のナノ濾過膜を対象としてもかまわない。すなわち、本発明で処理対象とするRO膜はナノ濾過膜を含有する広義のRO膜である。
本発明は特に劣化することによりC−N結合の分断でカルボキシル基を生成するRO膜に適用することが好ましい。
なお、阻止率向上処理前のRO膜の脱塩率が90%以下である場合、本発明方法を適用するのに好適である。
また、RO膜のモジュール形式に特に制限はなく、例えば、管状膜モジュール、平面膜モジュール、スパイラル膜モジュール、中空糸膜モジュールなどを挙げることができる。
[ポリフェノール]
本発明において用いるポリフェノールとしては、RO膜表面を効果的に被覆し、且つ定着する点において、分子量500以上、特に分子量500〜500,000、とりわけ分子量500〜50,000のポリフェノールが好ましく、例えば、タンニン酸、リグニン、リグニン誘導体などを挙げることができる。タンニン酸としては、五倍子、没食子、ケブラチョ、ミモザなどのタンニン酸を挙げることができる。これらのポリフェノールは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
[第2の阻止率向上成分]
第2の阻止率向上成分としては、以下の変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸のうちの1種のみを用いてもよく、これらの2種以上を組み合わせて用いてもよい。
<変性ポリビニルアルコール>
変性ポリビニルアルコールはビニルアルコールユニットと変性基が結合しているユニットとで構成され、場合により更に酢酸ビニルユニットを含む。
変性ポリビニルアルコール中の変性基が結合しているユニットのモル分率としては、0.1〜50モル%が好ましく、0.3〜40モル%がより好ましく、0.5〜30モル%が特に好ましい。この範囲よりも変性基が結合しているユニットのモル分率が低いと、変性基を導入することによるRO膜に対する吸着性の向上効果を十分に得ることができず、逆に多いと相対的にビニルアルコールユニットのモル分率が少なくなって阻止率向上効果が低減する。
また、変性ポリビニルアルコール中のビニルアルコールユニットのモル分率は、50〜99.9モル%が好ましく、60〜99.7モル%がより好ましく、70〜99.5モル%が特に好ましい。この範囲よりもビニルアルコールユニットのモル分率が少ないと、変性ポリビニルアルコール中の水酸基数が少なくなって、十分な阻止率向上効果が得られず、逆に、多いと相対的に変性基が結合しているユニットのモル分率が少なくなって、変性基を導入することによるRO膜に対する吸着性の向上効果を十分に得ることができないおそれがある。
また、変性ポリビニルアルコール中の酢酸ビニルユニットのモル分率は、0〜20モル%が好ましく、0〜10モル%がより好ましく、0〜5モル%が特に好ましい。
ポリビニルアルコールの性状を示す指標としてけん化度がある。けん化度はビニルアルコールユニットのモル分率をビニルアルコールユニットと酢酸ビニルユニットのモル分率の合計で除したものである。本発明における変性ポリビニルアルコールのけん化度は80%以上、特に85%以上、とりわけ95%以上であることが好ましい。けん化度が80%未満であると水酸基の数が少なく、親水性が低くなり、十分な阻止率向上効果、フラックス安定性が得られない傾向にある。
また、変性ポリビニルアルコールの重合度、即ち、上記のユニット数としては特に制限はないが、20〜20,000が好ましい。重合度が低すぎると膜への吸着性が悪くなり、重合度が大きすぎると、阻止率向上処理によるRO膜のフラックス低下が大きくなるため、好ましくない。
本発明における、変性ポリビニルアルコールの変性基としては、イオン性基、ポリアルキレンオキサイド基(ポリオキシアルキレンオキサイト鎖を有する基)のいずれか、あるいは両方を含むものであることが好ましい。特に変性ポリビニルアルコールとして、4級アンモニウム基を有するものを選択すると、RO膜表面のカルボキシル基やポリフェノールとの相互作用が期待できる。また、変性ポリビニルアルコールとして、ポリエチレンオキサイド基を有するものを選択することで、ポリエチレングリコール鎖がポリアミド系RO膜に吸着することから、RO膜との相互作用が期待できる。
変性基としてカチオン性基を有するカチオン性ポリビニルアルコールは、例えば、酢酸ビニルなどのビニルエステルとカチオン性モノマーを共重合させた後、加水分解(けん化)して生成されるものが好適である。
カチオン性モノマーとしては、−NH、−NHR、−NRR’,−NH 、−NHR,−NHRR’、−NRR’R''を有するモノマー(R,R’,R''はそれぞれ炭化水素残基を示す。)が好適であり、具体的にはジアリルジメチルアンモニウム塩、アンモニウム基を有するアクリレートおよびメタクリレート、N置換メタクリルアミド、ビニルピリジン、ビニルピリジン4級アンモニウム塩、ビニルイミダゾールなどが挙げられる。
カチオン性ポリビニルアルコールの市販品としては「C−506」、「CM−318」(以上、クラレ製)、「ゴーセファイマーK−210」(以上、日本合成化学工業製)が挙げられる。
変性基としてアニオン性基を有するアニオン性ポリビニルアルコールのアニオン基としては、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基などが挙げられるが、経済性、製造のしやすさの点で、カルボキシル基、スルホン酸基が好ましい。
ポリビニルアルコールにカルボキシル基を導入した変性ポリビニルアルコールを製造する方法としては、酢酸ビニルなどのビニルエステルと共重合しうる不飽和塩基性酸、不飽和二塩基性酸、これらの無水物、またはこれらのエステルや塩、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸などを共重合させて得られる共重合体をけん化する方法が挙げられる。
また、上記、ビニルエステル類とアクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミドなどの共重合体をけん化することによってもカルボキシル基変性ポリビニルアルコールを得ることができる。
また、グラフト重合による方法として、ポリビニルアルコールあるいはポリ酢酸ビニルなどのようなポリビニルエステルにアクリロニトリル、アクリルアミドなどをグラフト重合した後けん化する方法が挙げられる。また、ポリビニルアルコールの化学反応による方法として、ポリビニルアルコールに二塩基性酸、例えばマレイン酸、フマル酸、フタル酸、マロン酸、コハク酸、シュウ酸、アジピン酸、あるいはこれらの無水物を反応させる片エステル化反応によっても、ポリビニルアルコールにカルボキシル基を導入することができる。
ポリビニルアルコールにスルホン酸基を導入する場合には、ポリビニルアルコールと濃硫酸を反応させる方法、エチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、メタアリルスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、またはそれらのエステルや塩と酢酸ビニルとを共重合させた後、けん化することにより、スルホン酸基変性ポリビニルアルコールを得ることができる。
アニオン性ポリビニルアルコールの市販品としては、「KL−118」、「KL−318」、「KM−118」、「KM−618」、「SK−5102」(以上、クラレ製)、「ゴーセナールT−330」、「ゴーセナールT−330H」、「ゴーセナールT−350」、「ゴーセランL−3266」、「ゴーセランL−0301」、「ゴーセランL−0302」、「ゴーセランCKS−50」(以上、日本合成化学工業製)などが例示される。
ポリアルキレンオキサイド鎖を有する変性ポリビニルアルコールのポリアルキレンオキサイド鎖としては、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリブチレンオキサイド等のアルキレン基の炭素数が2〜4のポリアルキレンオキサイド鎖が好適であり、ポリエチレンオキサイドが最も好適である。アルキレンオキサイドの繰り返し数は2〜300、特に10〜100であることが好ましい。この繰り返し数が小さ過ぎると、ポリアルキレンオキサイド鎖によるRO膜への吸着性の向上効果を十分に得ることができず、大きすぎると、阻止率向上処理によるRO膜のフラックスの低下が大きくなるため好ましくない。
このようなポリアルキレンオキサイド鎖を有する変性ポリビニルアルコールは、公知の合成方法で得ることができる。また、日本合成化学工業社製「エコマティWO−320N」、「エコマティWO−320R」といった市販品を用いることもできる。
ポリアルキレンオキサイド鎖を有する変性ポリビニルアルコールの合成方法としては、ポリアルキレンオキサイド鎖を有する単量体を酢酸ビニルと共に重合した後、酢酸ビニルの一部又は全てをけん化してビニルアルコールとする方法が好ましいが、その他の合成方法を用いてもよい。
上記のポリアルキレンオキサイド鎖を有する単量体としては、ポリエチレンオキサイドモノビニルエーテル、ポリプロピレンオキサイドモノビニルエーテル、ポリエチレンオキサイドモノアリルエーテル、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノアクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールモノアクリレート、ポリ(エチレングリコール−テトラメチレングリコール)モノメタクリレート、ポリ(エチレングリコール−テトラメチレングリコール)モノアクリレート、ポリ(エチレングリコール−プロピレングリコール)モノメタクリレート、メトキシポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールモノアクリレート等が挙げられる。
これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
<高分子多糖類>
高分子多糖類としては、特に食品添加物として使用される、分子量1万以上の高分子多糖類であって、RO膜に対する吸着性の高いものを好ましく用いることができる。高分子多糖類の分子量の上限は特になく、水溶性を示すものであれば使用できる。このような高分子多糖類としては、例えば、キサンタンガム(分子量:200万以上)、グアーガム(分子量:20〜30万)、カルボキシメチルセルロース及びその塩(分子量:5万以上)、アルギン酸及びその塩(分子量:1万以上)、キトサン(分子量:1万以上)などを挙げることができる。
これらの高分子多糖類は、通常、増粘剤として使用されており、RO膜に対して良好な吸着性を示す。即ち、例えば、日東電工(株)製芳香族ポリアミド系RO膜(ES20)にキサンタンガム1mg/Lの水溶液を0.75MPaで通水したところ、7日間で、透過流束が0.9m/m・dayから0.5m/m・dayに低下した。これは、キサンタンガムのRO膜に対する吸着性が高いために、膜の透過流束を低下させたと言える。また、グアーガムの場合も、同様の試験において、7日間で、透過流束が0.9m/m・dayから0.3m/m・dayに低下した。このように、通水によりRO膜の透過流束を低下させるものは、RO膜に対する吸着性が高いと言える。
これらの高分子多糖類は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
<ポリアミノ酸>
ポリアミノ酸としては、分子量1000以上、100万以下で、1種のアミノ酸の重合物であるポリリジン、ポリグリシン、ポリグルタミン酸などを用いることができ、また、2種以上のアミノ酸の重合物も用いることができる。特に塩基性アミノ酸の重合物であるポリリジン、ポリアルギニン、ポリヒスチジンを好適に用いることができる。特に、ポリリジンはポリフェノールとの静電的相互作用が強く、ポリフェノールとの併用で高い阻止率向上処理効果を得ることができ、好ましい。これらのポリアミノ酸は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
[低分子量アミノ化合物]
本発明においては、ポリフェノール及び第2の阻止率向上成分の他、更に分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物(低分子量アミノ化合物)を用いて阻止率向上処理を行ってもよく、低分子量アミノ化合物を併用することにより、より一層阻止率向上効果を高めることができる。
低分子量アミノ化合物としては、分子量1000以下、特に分子量500未満、例えば分子量70〜300のものが、RO膜の劣化部分の修復効果の点において好ましく、このような低分子量アミノ化合物としては、例えば、次のようなものが挙げられる。これら低分子量アミノ化合物は1種類だけ用いてもよいし、2種類以上を使用してもよいが、種類が増えると作業が煩雑になる。
芳香族アミノ化合物:例えばアニリン(分子量:93)、ジアミノベンゼン(分子量:108)などのベンゼン骨格とアミノ基を有するもの
芳香族アミノカルボン酸化合物:例えば、3,5−ジアミノ安息香酸、3,4−ジアミノ安息香酸(分子量:152)、2,4,6−トリアミノ安息香酸(分子量:167)などのベンゼン骨格と2つ以上のアミノ基とアミノ基の数より少ないカルボキシル基を有するもの
脂肪族アミノ酸:例えばメチルアミン(分子量:31)、エチルアミン(分子量:45)、オクチルアミン(分子量:129)などの炭素数1〜20程度の直鎖炭化水素基と1個又は複数のアミノ基を有するもの、および、アミノペンタン(分子量:87)、2−メチル−1,8−オクタンジアミン(分子量:143)などの炭素数1〜20程度の分岐炭素水素基と1個又は複数のアミノ基を有するもの
脂肪族アミノアルコール:例えば4−アミノ−2−メチル−1−ブタノール(分子量:103)などの直鎖又は分岐構造の炭素数1〜20の炭化水素基にアミノ基と水酸基を有するもの
複素環アミノ化合物:例えばテトラヒドロフルフリルアミン(分子量:101)などの複素環とアミノ基を有するもの
アミノ酸化合物:例えばアルギニン(分子量:174)やリシン(分子量:146)などの塩基性アミノ酸化合物、アスパラギン(分子量:132)やグルタミン(分子量:146)などのアミド基を有するアミノ酸化合物、グリシン(分子量:75)やフェニルアラニン(分子量:165)などのアミノ化合物
エチレンジアミン類:エチレンジアミン(分子量:60)、ジエチレントリアミン(分子量:103)、トリエチレンテトラミン(分子量:146)、テトラエチレンペンタミン(分子量:189)、ペンタエチレンヘキサミン(分子量:232)などのポリエチレンアミン
また、アスパルテーム(分子量:294)、カルノシン(分子量:226)、Nα−(L−チロシル)−L−アルギニン(分子量:336)、ピリミジン−2,4,5,6−テトラアミン(分子量140)なども有効に用いられる。
これら低分子量アミノ化合物は水に対する溶解性が高く、安定な水溶性としてRO膜に通水することができ、膜のカルボキシル基と反応してRO膜に結合し、不溶性の塩を形成して、膜の劣化により生じた穴をふさぐことができる。
[阻止率向上成分濃度]
本発明において、ポリフェノールや第2の阻止率向上成分、更に上記低分子量アミノ化合物の水溶液中の濃度については、これらのうちの1種のみが含まれている場合は、その濃度として、また、これらの2種以上が含まれている場合はその合計の濃度として、1.0〜5,000mg/L、特に1.0〜2,000mg/Lとすることが好ましい。この濃度が低すぎると長期間の処理が必要になり、好ましくない。また、この濃度が高すぎると、膜の表面で多層的に吸着し、劣化部位に到達しない化合物が増え、補修効率が悪くなるため、好ましくない。
また、ポリフェノールと第2の阻止率向上成分とを併用することによる本発明の効果をより有効に得るために、水溶液中の濃度とRO膜に通水する水溶液量とで算出されるRO膜への合計の供給量として、ポリフェノールと第2の阻止率向上成分の重量比が、ポリフェノール:第2の阻止率向上成分=1:0.1〜5、特に1:0.1〜2の範囲となるように用いることが好ましい。
また、更に低分子量アミノ化合物を用いる場合、低分子量アミノ化合物は、水溶液中の濃度とRO膜に通水する水溶液量とで算出されるRO膜への合計の供給量として、ポリフェノールと低分子量アミノ化合物の重量比が、ポリフェノール:低分子量アミノ化合物=1:0〜2、特に1:0.1〜1の範囲となるように用いることが好ましい。
[処理手順]
本発明による阻止率向上処理に先立って、RO膜の洗浄処理を行うことが好ましく、また、本発明による阻止率向上処理は、RO膜の洗浄後、そのまま洗浄装置で阻止率向上成分を含む水溶液を循環させて行うことが好ましい。
本発明において、ポリフェノール及び第2の阻止率向上成分、更に低分子量アミノ化合物を併用する場合は、ポリフェノール、第2の阻止率向上成分及び低分子量アミノ化合物のRO膜への通水順序については特に制限はなく、これらを一つの水溶液に添加して1種類の水溶液を用いて阻止率向上処理を行ってもよいし、これらを別々の水溶液としてRO膜に通水してもよい。
別々に処理を行う場合は、第2の阻止率向上成分による処理を最後に行うことが好ましい。即ち、第2の阻止率向上成分は、図1(b),(c)に示すように、ポリフェノールや低分子量アミノ化合物を被覆してこれらの吸着安定性を高めるものであり、第2の阻止率向上成分をポリフェノールや低分子量アミノ化合物よりも先にRO膜に吸着させると、ポリフェノールや低分子量アミノ化合物のRO膜への吸着を阻害するおそれがあり、好ましくない。
具体的な通水順序としては、次のような態様が挙げられる。
(1) ポリフェノールと第2の阻止率向上成分とを含む水溶液をRO膜に通水する。
(2) ポリフェノールを含む水溶液をRO膜に通水した後第2の阻止率向上成分を含む水溶液をRO膜に通水する。
(3) ポリフェノールを含む水溶液をRO膜に通水した後、ポリフェノールと第2の阻止率向上成分を含む水溶液をRO膜に通水する。
(4) ポリフェノールと第2の阻止率向上成分と低分子量アミノ化合物とを含む水溶液をRO膜に通水する。
(5) ポリフェノールと低分子量アミノ化合物とを含む水溶液をRO膜に通水した後第2の阻止率向上成分を含む水溶液をRO膜に通水する。
(6) ポリフェノールと低分子量アミノ化合物とを含む水溶液をRO膜に通水した後、ポリフェノールと低分子量アミノ化合物と第2の阻止率向上成分を含む水溶液をRO膜に通水する。
また、本発明による阻止率向上処理は、RO膜への供給水ないしは循環水にポリフェノール、第2の阻止率向上成分などの薬剤を順次添加する処理であってもよく、阻止率向上成分毎にRO膜への供給水ないしは循環水を入れ替えて実施するものであってもよい。
阻止率向上成分を含む水溶液をRO膜に通水する際の圧力は、過度に高いとRO膜の劣化していない箇所への阻止率向上成分の吸着が進むことにより透過流束が低下するという問題があり、過度に低いとRO膜の劣化箇所への阻止率向上成分の接触効率が低下して目的とする阻止率向上効果が得られない場合がある。洗浄装置でRO膜の洗浄後にそのまま本発明を実施することが好ましい点を考慮すると、阻止率向上処理時の通水圧力(入口圧力)は、0.1〜0.5MPaであることが好ましい。当該RO膜の通常運転圧力と比較すると10〜150%、特に25〜100%であることが好ましい。阻止率向上処理時の透過流束は、圧力、水温、膜の形状等に関わってくるが、0.1〜1.0m/m・dayあることが好ましい。その理由は上述と同様、過度に高いとRO膜の劣化していない箇所への吸着が進むという問題があり、過度に低いとRO膜の劣化箇所への接触効率が悪化するためである。
処理時間としてはそれぞれ1時間以上であれば、特に制限はないが、1時間以上48時間以内であることが好ましい。処理時間が1時間未満であると、阻止率向上成分の定着性が十分得られないまま処理を終了させることになり、RO膜に付着した阻止率向上成分が剥離してしまうことがあり、好ましくない。
処理中の温度(水温)は10〜35℃であることが好ましい。水温が低すぎると透過水量が低下し、阻止率向上成分とRO膜の接触効率が悪化する。水温が高くなりすぎると膜素材の変性等の問題が出てくることが考えられる。
本発明において、阻止率向上処理のためにRO膜に通水する阻止率向上処理水には、トレーサーとして、食塩(NaCl)等の無機電解質やイソプロピルアルコールやグルコース等の中性有機物及びポリマレイン酸などの低分子ポリマーなどを添加してもよく、これにより、RO膜の透過水への食塩やグルコースの透過の程度を分析して、膜の修復の程度を確認することができる。
また、長時間被処理水の通水を行っている状態や、膜汚染により透過流束が低下している状態で本発明による阻止率向上処理を行う場合は、薬品洗浄を行った後に本発明による阻止率向上処理を実施することが望ましいが、その限りではない。
薬品洗浄の薬剤としては、酸洗浄では、塩酸、硝酸、硫酸などの鉱酸、クエン酸、シュウ酸といった有機酸を挙げることができる。アルカリ洗浄では、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどを挙げることができる。一般的に、酸洗浄ではpH2付近とし、アルカリ洗浄ではpH12付近とする。
本発明の方法で処理されたRO膜は、電子デバイス製造分野、半導体製造分野、その他の各種産業分野で排出される高濃度ないし低濃度TOC含有排水の回収・再利用のための水処理、あるいは工業用水や市水からの超純水製造、その他の分野の水処理に有効に適用される。処理対象とする被処理水は特に限定されるものではないが、有機物含有水に好適に用いることができ、例えばTOC=0.01〜100mg/L、好ましくは0.1〜30mg/L程度の有機物含有水の処理に好適に用いられる。このような有機物含有水としては電子デバイス製造工場排水、輸送機械製造工場排水、有機合成工場排水又は印刷製版・塗装工場排水など、あるいはそれらの一次処理水など挙げることができるが、これらに限定されない。
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
以下の実施例及び比較例では、図2に示す平膜試験装置を用い、劣化したRO膜を装着して阻止率向上処理水を通水し、その後性能評価用のNaCl水溶液を通水して評価を行った。
この平膜試験装置は、有底有蓋の円筒状容器1の高さ方向の中間位置に平膜セル2を設けて容器内を原水室1Aと透過水室1Bとに仕切り、この容器1をスターラー3上に設置し、ポンプ4で被処理水を配管11を介して原水室1Aに給水すると共に、容器1内の攪拌子5を回転させて原水室1A内を攪拌し、透過水を透過水室1Bより配管12を介して取り出すと共に、濃縮水を原水室1Aより配管13を介して取り出すものである。濃縮水取り出し配管13には圧力計6と開閉バルブ7が設けられている。
〔第2の阻止率向上成分として変性ポリビニルアルコールを用いる実施例及び比較例〕
[実施例I−1]
日東電工社製芳香族ポリアミド系超低圧RO膜「ES20」を以下の劣化条件で塩素劣化させた後、低分子量アミノ化合物としてアルギニン(味の素製、分子量:174)とアスパルテーム(味の素製、分子量:294)を用い、ポリフェノールとしてタンニン酸AL(富士化学工業製、分子量500以上)を、変性ポリビニルアルコールとして、カチオン変性ポリビニルアルコール「ゴーセファイマーK−210」(日本合成化学工業製)を用いて、以下の条件で阻止率向上処理を行った。各阻止率向上成分の添加順序と通水時間としては、アルギニン、アスパルテーム、タンニン酸ALを混合した水溶液を3時間通水した後、その水溶液にゴーセファイマーK−210を追加し、1時間処理を行った。
この阻止率向上処理前後に、以下のNaCl水溶液による性能評価を行った。また、阻止率向上処理後、NaCl水溶液による性能評価が終了してから、クリタ開発センターの排水回収装置の生物処理水に、スライムコントロール剤として栗田工業(株)製「IK−110」を30ppm添加した液を原水として以下の条件で通水し、一定期間通水時の除去率、透過流束の安定性を検証した。
<劣化条件>
次亜塩素酸ナトリウム100ppmの水溶液(pH7.0)を入口圧力0.75MPa、水温25℃で24時間通水した。
<阻止率向上処理条件>
各々の阻止率向上のための成分濃度:100mg/L
入口圧力:0.2MPa
透過流束:0.3m/m・day
水温:25℃
<性能評価条件>
NaCl濃度:500mg/L
入口圧力:0.75MPa
水温:25℃
pH:6.5〜7.0
<生物処理水通水条件>
水温:25℃
pH:6.5〜7.0
回収率:80%、
通水時間:200時間
[実施例I−2]
変性ポリビニルアルコールを「エコマティWO−320N」(ポリアルキレンオキサイド鎖を有する変性ポリビニルアルコール)に変更した以外は、実施例I−1と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[実施例I−3]
変性ポリビニルアルコールを「ゴーセナールT−330H」(カルボキシル基変性ポリビニルアルコール)に変更した以外は実施例I−1と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[実施例I−4]
変性ポリビニルアルコールを「ゴーセランL−3266」(スルホン酸基変性ポリビニルアルコール)に変更した以外は実施例I−1と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[実施例I−5〜8]
低分子量アミノ化合物をアルギニンのみに変更した以外はそれぞれ実施例I−1〜4と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[実施例I−9]
低分子量アミノ化合物を使用せずに阻止率向上処理を行った点以外は実施例I−1と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[実施例I−10]
変性ポリビニルアルコールを「エコマティWO−320N」に変更した以外は実施例I−9と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[実施例I−11]
変性ポリビニルアルコールとして「エコマティWO−320N」と「ゴーセファイマーK−210」を併用した以外は、実施例I−9と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[実施例I−12〜15]
低分子量アミノ化合物とポリフェノールと変性ポリビニルアルコールとをすべて混合した水溶液を4時間通水したこと以外は、それぞれ実施例I−1〜4と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[比較例I−1]
ポリフェノールのみで阻止率向上処理を行い、低分子量アミノ化合物と変性ポリビニルアルコールを用いない以外は実施例I−1と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[比較例I−2]
変性ポリビニルアルコールを使用しない以外は実施例I−1と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
[比較例I−3]
低分子量アミノ化合物を使用せず、変性ポリビニルアルコールの代わりにポリビニルアルコール(平均重合度2,000、けん化度99%、キシダ化学製)を使用した以外は実施例I−1と同様の阻止率向上処理を行い、性能、安定性を評価した。
上記実施例I−1〜15及び比較例I−1〜4の結果を表1,2にまとめて示す。
なお、透過流束、脱塩率、除去率は以下の式より算出した。
透過流束[m/m・day]=透過水量[m/day]/膜面積[m]×温度換算係数[−]
脱塩率[%]=(1−透過液の導電率[mS/m]/濃縮液の導電率[mS/m])×100
除去率[%]=(1−透過液のTOC[mg/L]/濃縮液のTOC[mg/L])×100
Figure 2014128760
Figure 2014128760
〔第2の阻止率向上成分として高分子多糖類又はポリアミノ酸を用いる実施例と比較例〕
以下の実施例及び比較例では、阻止率向上処理に供する劣化膜としては、以下のものを用いた。
劣化膜:日東電工社製芳香族ポリアミド系超低圧RO膜「ES20」(オリジナル膜)
を、次亜塩素酸ナトリウム(遊離塩素100mg/L)を含む水溶液に24時
間浸漬して加速劣化させたもの。
阻止率向上処理後の膜性能の評価は、性能評価用水溶液として1000mg/LのNaCl水溶液(pH6.5)を用い、このNaCl水溶液を運転圧力:0.75MPa、温度:24℃±2℃の条件で通水し、通水2時間後と200時間後の透過流束と脱塩率を求めた。なお、透過流束及び脱塩率の算出方法は、前述の実施例I−1におけると同様である。
阻止率向上処理水としては、アルギニン(味の素製)、アスパルテーム(味の素製)、タンニン酸(富士化学工業製、食添タンニン酸AL、分子量500以上)、キサンタンガム(三栄薬品貿易製「ビスフェクトXA」、分子量100万以上(LC−OCD、HW65s使用でデキストラン換算))、グアーガム(三栄薬品貿易製「グアーコールF50」、分子量100万以上(LC−OCD、HW65s使用でデキストラン換算))、アルギン酸ナトリウム(キミカ製「キミカアルギンI−3」、分子量100万以上(LC−OCD、HW65s使用でデキストラン換算))、カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム製「CMC1240」、分子量約38万(メーカー提示))、ポリリジン(JNC製、分子量約4500〜5000(メーカー提示))を用いて調製した以下の水溶液A〜Lを用い、阻止率向上処理時の阻止率向上処理水のRO膜への通水圧力は0.2MPaとし、通水時の水温は24℃±2℃とした。
水溶液A:50mg/Lアルギニン水溶液
水溶液B:50mg/Lアルギニン、50mg/Lアスパルテーム水溶液
水溶液C:50mg/Lタンニン酸水溶液
水溶液D:50mg/Lアルギニン、50mg/Lアスパルテーム、50mg/L
タンニン酸水溶液
水溶液E:50mg/Lキサンタンガム水溶液
水溶液F:50mg/Lアルギニン、50mg/Lアスパルテーム、50mg/L
タンニン酸、50mg/Lキサンタンガム水溶液
水溶液G:50mg/Lグアーガム水溶液
水溶液H:50mg/Lアルギン酸ナトリウム水溶液
水溶液I:50mg/Lカルボキシメチルセルロース水溶液
水溶液J:50mg/Lポリリジン水溶液
水溶液K:50mg/Lアルギニン、50mg/Lアスパルテーム、50mg/L
タンニン酸、50mg/Lポリリジン水溶液(凝集を避けるため塩酸でp
H3.5に調整)
水溶液L:50mg/Lタンニン酸、50mg/Lポリリジン水溶液(凝集を避ける
ため塩酸でpH3.5に調整)
[実施例II〜1〜11、比較例II−1〜5]
実施例II−1〜3、II−5〜10及び比較例II−6,7においては、劣化膜に表3に示す阻止率向上処理水Iを表3に示す時間通水した後、表3に示す阻止率向上処理水IIを表3に示す時間通水し、その後性能評価を行った。
実施例II−4,II−11、比較例II−2〜5においては、劣化膜に表3に示す阻止率向上処理水Iを表3に示す時間通水した後、性能評価を行った。
比較例II−1においては、阻止率向上処理を行わずに劣化膜の性能評価を行なった。
これらの結果を表3に示した。
なお、劣化前のオリジナル膜についても同様に性能評価を行った結果を表3に併記した。
Figure 2014128760
以上の結果より、本発明の阻止率向上処理を行ったRO膜は、除去性能(阻止率)の安定性とフラックス安定性(耐汚染性の持続性)に優れることが分かる。
ポリリジンを使用した実施例II−8〜II−11では、脱塩率の安定性が特に優れていた。これは、タンニン酸との静電的相互作用が強いためと考えられる。
1 容器
1A 原水室
1B 透過水室
2 平膜セル
3 スターラー
21 RO膜
22 ポリフェノール
23 第2の阻止率向上成分
24 低分子量アミノ化合物

Claims (14)

  1. ポリフェノールを含む水溶液を逆浸透膜に通水する工程を有する逆浸透膜の阻止率向上方法において、更に、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液を逆浸透膜に通水する工程を有することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  2. 請求項1において、ポリフェノールと、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上とを含む水溶液を逆浸透膜に通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  3. 請求項1において、ポリフェノールを含む水溶液を逆浸透膜に通水した後、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液を逆浸透膜に通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  4. 請求項3において、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液が、ポリフェノールを含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項において、更に、分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物を含む水溶液を逆浸透膜に通水する工程を有することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  6. 請求項5において、ポリフェノールと、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上と、分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物とを含む水溶液を逆浸透膜に通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  7. 請求項5において、ポリフェノールと分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物とを含む水溶液を逆浸透膜に通水した後、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液を通水することを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  8. 請求項7において、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上を含む水溶液が、ポリフェノールと分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物を含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項おいて、前記ポリフェノールがタンニン酸であることを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  10. 請求項1ないし9のいずれか1項おいて、前記ポリアミノ酸がポリリジンであることを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  11. 請求項1ないし10のいずれか1項において、前記通水時の圧力が0.1〜0.5MPaであることを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上方法。
  12. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の阻止率向上方法によって処理された逆浸透膜。
  13. ポリフェノールと、変性ポリビニルアルコール、高分子多糖類及びポリアミノ酸よりなる群から選ばれる1種又は2種以上とを含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上処理剤。
  14. 請求項13において、更に分子量1000以下のアミノ基を有する有機化合物を含むことを特徴とする逆浸透膜の阻止率向上処理剤。
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